Academic literature on the topic 'Vision biomimétique'

Bien qu’elles existent depuis plus de quarante ans, les prothèses visuelles, qu’elles soient invasives (implants) ou non invasives (systèmes de substitution sensorielle), n’ont pas percé dans le secteur du handicap. Il serait difficile d’imputer cet état de fait à des limitations technologiques : depuis les premières approches, les prothèses visuelles n’ont cessé de se perfectionner et de se diversifier. Toutefois, si la question de savoir /comment/ transmettre le signal est bien documentée, la question de savoir /quel signal transmettre/ a été plus rarement abordée. Dans cette thèse, nous identifions des outils susceptibles d’étendre la conception des dispositifs de suppléance visuelle au-delà de la seule question de l’interface. Nous puisons pour cela dans les développements récents sur les théories actives de la vision et dans les implications de ces théories sur la conception et l’évaluation de dispositifs de perception. Nous nous inspirons par ailleurs du fonctionnement des systèmes perceptifs naturels, et plus particulièrement du traitement de l’information dans le système rétino-cortical humain, dont nous proposons une simulation, implémentée dans le dispositif de substitution sensorielle visuo-auditif TheVIBE. L’impact de ce traitement biomimétique du signal est testé expérimentalement sur des sujets humains équipés du dispositif dans différentes tâches de localisation et de mobilité. L’observation du comportement des sujets témoigne de l’intérêt du traitement du signal dans les prothèses visuelles et apporte un nouveau regard sur son rôle potentiel dans les dispositifs de perception, qu’ils soient artificiels ou naturels
Althought the development of invasive (implants or non-invasive (sensory substitution system) visual prostheses started 40 years ago, the use of such devices in the visually-impaired community is still anecdotal. Technological means are not likely to account for this situation. Since the former approaches, the means to interface a video-camera with the brain are more and more sophisticated and diversified. The question about how transmit the signal is thus well documented. However, the question about what signal should be transmitted is rarely addressed. In this thesis, we will identify tools to push the conception of visual prosthesis beyond the scope of mere interfacing. Active theories of vision are our guideline to do so. Moreover, our work is inspired by natural visual systems : from a model of the human' early visual system established in our laboratory, we have derived a simulation software and implemented it in a recent visuo-auditory sensory substitution system named The VIBE. Our approach is validated with human subjects wearing the device under different tasks requiring localization and/or mobility. Observation of the subject's behavior when using the device demonstrates the interest of signal processing in a visual prosthesis, and give new trails concerning its role in the visual process, be it artificial or natural

Ce travail de thèse porte sur le développement de petites machines volantes autonomes. La thèse se comporte de deux grandes parties : d'une part la modélisation et la commande de bas niveau, d'autre part la conception d'autopilotes, basés sur le flux optique, pour le pilotage et le guidage de minidrones à voilures tournantes. Trois configurations d'appareils à multiples rotors ont été étudiées, modélisées et testées en vols réels. Les avantages des stratégies de commande proposées résident dans leur simplicité pour l'implémentation et leur capacité à prendre en compte les limitations des actionneurs tout en garantissant des bonnes performances de vol. Une des contributions majeures de cette thèse est aussi le développement d'un pilote automatique basé sur la vision. Ce pilote est inspiré des insectes et il est composé d'un module de vision pour la localisation et la détection des obstacles en temps réel, et un système de contrôle adaptatif pour la navigation et le suivi de trajectoire
In this thesis, we address the 3D flight control problem for small unmanned aerial vehicles. The first step in achieving such UA V autonomy is basic stability. In doing so, we investigate control techniques which would allow a small rotorcraft UA V to perform autonomously basic tasks such as take-off, hovering and landing. The proposed flight controllers consider actuator saturation and guarantee system stability and good flight performance. One of the main contributions of this thesis is also the development of a vision-based autopilot for self localization, obstacles detection and control of small autonomous helicopters using optic flow and inertial data. The proposed autopilot is inspired by insects and represents a major step toward our goal of designing autonomous small flying machines capable of navigating within urban and unknown environments. It is composed of a vision module for localization and perception, and an adaptive control system for navigation and trajectory tracking

L'extraction d'éléments curvilignes d'images de télédétection, surtout proches de la limite de résolution ou lorsqu'elles sont bruitées, représente toujours un défi important pour les algorithmes informatiques, alors que pour les interprètes humains c'est une tâche immédiate. Dans ce travail une méthode novatrice est présentée pour guider l'extraction d'éléments curvilignes (routes, cours d'eau, etc) d'images de télédétection. Cette méthode a pour but de mettre à jour les systèmes d'informations géographiques (SIG) grâce à un modèle inédit (ELECA) qui comporte trois parties. Le modèle ELECA tire avantage de deux idées principales. Les données utilisées ne sont pas seulement les images de télédétection mais également les données des SIG qui ne sont pas nécessairement à jour. Le modèle s'appuie également sur des progrès récents des sciences psycho-cognitives en imitant partiellement le mouvement des yeux durant une recherche visuelle.

Ainsi les trois parties du modèle ELECA sont (1) une méthode de recherche de l'information locale qui utilise un œil virtuel pour ne se focaliser qu'aux lieux d'information probable, évitant ainsi un traitement global de l'image ; (2) une méthode simple et rapide d'extraction de l'information locale par une adaptation astucieuse d'une analyse en composantes connexes ; et (3) une méthode originale de fusion des informations locales qui s'appuie sur des travaux de reconstruction de l'espace global par raisonnement spatial qualitatif.

Le modèle ELECA évite de cette manière certains pièges dans lesquels tombent souvent les méthodes courantes/classiques. En particulier, la technique proposée peut être mise en œuvre pour des images partiellement masquées ou de basse résolution pour lesquelles seulement des interprètes humains peuvent traiter l'image présentement. La méthode a été aussi élaborée pour être rapide et efficace afin de pouvoir réaliser des mises à jour de SIG très rapides lorsque nécessaire.

La dernière partie de ce travail est consacrée à l'élaboration d'une solution informatique supportant le modèle ELECA. Une architecture logicielle souple et adaptative est mise en avant, permettant l'intégration de développements ultérieurs pour le modèle. Enfin un volet algorithmique montre concrètement que les solutions du modèle ELECA sont implantables en termes informatiques.

En robotique mobile, la navigation à base de vision s'appuie traditionnellement sur des imageurs de type « caméra », dotés de plusieurs centaines de milliers de pixels. Le traitement de ces flux d'images nécessite une puissance de calcul qu'il serait aujourd'hui difficile d'embarquer à bord d'un micro-aéronef de quelques grammes ou dizaines de grammes. Il existe déjà quelques agents dont les performances de navigation en milieu inconnu sont inégalées et qui fonctionnent pourtant de tout autre façon. Les oiseaux et les insectes montrent une capacité inégalée à éviter les obstacles et à poursuivre leurs proies ou leurs congénères, une capacité qui découle de leur perception particulière de l'environnement. Des capteurs minimalistes originaux permettent aux insectes de percevoir efficacement l'environnement malgré leurs faibles capacités cognitives. Certains insectes comme la mouche améliorent encore leur perception de l'environnement en stabilisant leur système visuel grâce à un découplage tête-corps contrôlé par un réflexe inertiel équivalent au réflexe vestibulo-oculaire des mammifères. Cette stabilisation de la plate-forme visuelle est apparemment essentielle pour simplifier le traitement visuel et mettre en œuvre des stratégies de navigation efficaces. La thèse s'inspire largement de ces considérations biologiques et s'articule autour de deux axes : • un premier axe « capteur » qui prend appui délibérément sur un œil élémentaire (composé de seulement deux photorécepteurs, donc deux pixels). Nous avons d'abord amélioré les performances du capteur de flux optique inspiré de la mouche et construit au laboratoire. Puis nous avons proposé un principe de traitement visuel nouveau permettant la mesure très fine de la positon angulaire d'un bord contrasté. • un deuxième axe « réflexe visuo-inertiel » pour lequel nous avons développé un nouveau mini-robot aérien, appelé OSCAR 2. Equipé de notre nouveau capteur optique, OSCAR 2, qui ne pèse que 100 grammes, est capable de fixer du regard une cible visuelle stationnaire, et de poursuivre en lacet une cible mobile, en dépit des fortes perturbations aérodynamiques qu'on lui impose. Il préfigure les micro-véhicules aériens de demain, qui se dirigeront là où ils porteront leur regard
In mobile robotics, navigation based on vision use traditional imagers type "camera", with hundreds of thousands of pixels. The treatment of these flows of images requires a computing power that would be difficult today to embark on a micro-aircraft with a few grams or tens of grams. There are already some robotics agents whose performance navigation in unfamiliar surroundings are unparalleled and yet operate any other way. Birds and insects show a unique ability to avoid obstacles and to pursue prey or conspecifics, an ability that stems from their unique perception of the environment. The original minimalist sensors allow insects to perceive the environment effectively despite their low cognitive abilities. Some insects, like the fly, further improve their perception of the environment by stabilizing their visual system with a decoupling head-body controlled by an equivalent inertial vestibulo-ocular reflex in mammals. This stabilization of the visual platform is apparently essential to simplify the visual processing and implement strategies for effective navigation. The thesis is based largely on these biological considerations and based on two axes: • a first axis "sensor" that is deliberately builds around a basic eye (consisting of only two photoreceptors, thus two pixels). We first improved the performance of optical flow sensor inspired by the fly and built in the laboratory. Then we proposed a new principle of visual processing that permit measurement of very precise angular position of an edge contrast. • a second axis "visuo-inertial reflex" for which we have developed a new mini aerial robot called OSCAR 2. Equipped with our new optical sensor, OSCAR 2, which weighs only 100 grams, is capable of staring at a stationary visual target, and further tracking a moving target, despite strong aerodynamic disturbances imposed on its body. It prefigures the micro-air vehicles of tomorrow, who will head where they focus their gaze

La navigation visuelle des robots mobiles s'appuie traditionnellement sur des imageurs de type « caméra », dotés de plusieurs centaines de milliers de pixels lus séquentiellement. Le traitement de tels flux d'images nécessite une puissance de calcul qu'il serait difficile d'embarquer à bord d'un micro-aéronef de quelques grammes ou dizaines de grammes. Il existe pourtant déjà quelques agents aériens dont les performances de navigation en milieu inconnu sont remarquables, et qui pourtant fonctionnent de toute autre façon. Les oiseaux et les insectes, en particulier, montrent une capacité inégalée à éviter les obstacles et à poursuivre leurs proies ou leurs congénères. Cette capacité étonnante découle de leur perception particulière de l'environnement. Si les insectes, aux faibles capacités cognitives, perçoivent leur environnement de manière si efficace, c'est grâce aux capteurs minimalistes qu'ils embarquent. Certains insectes comme la mouche améliorent encore leur perception de l'environnement en stabilisant leur système visuel avec à un découplage tête-corps associé à un réflexe inertiel, équivalent au réflexe vestibulo-oculaire des mammifères. Cette stabilisation de la « plate-forme visuelle » permet de simplifier les traitements visuels subséquents et de mettre en œuvre des stratégies efficaces de navigation. Toute la première partie (« capteurs visuels ») de ce travail prend appui délibérément sur un œil élémentaire composé de seulement deux photorécepteurs (deux pixels). Nous avons d'abord amélioré les performances d'un capteur de vitesse angulaire bio-inspiré et revu le principe du capteur OSCAR, tous deux construits précédemment au laboratoire. Puis, nous avons développé et construit un nouveau type de capteur visuel, appelé VODKA, qui localise de manière ultrafine la position angulaire d'une cible visuelle. Dans la seconde partie (« réflexes visuo-inertiels »), nous avons développé un robot aérien miniature, appelé OSCAR II. Equipé de nos capteurs visuels et d'un réflexe « vestibulo-oculaire », OSCAR II, qui ne pèse que 100 grammes, est capable non seulement de fixer du regard une cible visuelle stationnaire, mais aussi de la poursuivre en lacet si elle vient à se déplacer, et ce même lors de fortes perturbations aérodynamiques. Avec sa capacité additionnelle de faire des saccades oculaires, OSCAR II préfigure les micro-véhicules aériens de demain, qui se dirigeront là où portera leur regard.

Deux membres des Visinin-Like Proteins (VILIPs), VILIP-1 et VILIP-3, ont été étudiés à l'aide de deux modèles membranaires biomimétiques, les monocouches de Langmuir couplées à la microscopie à l'angle de Brewster (BAM) et les bicouches lipidiques supportées (SLB) visualisées par microscopie à force atomique (AFM). A l'aide de ces deux modèles, nous avons pu montrer que les VILIPs, protéines N-myristoylées et possédant quatre mains-EF, ont une cinétique d'interaction membranaire qui augmente en présence de calcium, probablement dû à la présence d'un mécanisme type « switch calcium-myristoyle ». En revanche, l'utilisation de protéines mutées, non myristoylées, a révélé que la présence du groupement myristoyle n'est pas le seul facteur nécessaire pour que ces protéines interagissent avec la membrane. La présence d'une région N-terminale riche en résidus lysine permettrait à cette famille de protéines d'interagir via des interactions électrostatiques avec des membranes possédant des lipides anioniques et plus particulièrement du phosphatidylinositol-4,5-biphosphate (PIP2). La présence d'un faible pourcentage de ce phosphoinositide dans la membrane est responsable de l'accélération de la vitesse d'interaction membranaire des VILIPs, ce qui est cohérent avec leur location subcellulaire in cellulo. Enfin, un nouveau modèle membranaire de bicouches lipidiques suspendues sur des pilotis peptidiques (pep-tBLM) greffés sur une surface d'or a été ensuite développé. La méthode présentée dans ce manuscrit permet de créer des tBLM, de la composition lipidique souhaitée, en utilisant un peptide pilotis spécifiquement conçu durant cette thèse. La création de ce modèle a été suivie en temps réel par imagerie de résonance plasmonique de surface (SPRi) et caractérisé par AFM et par microscopie de fluorescence
Two members of the Visinin-Like Proteins (VILIPs) family, VILIP-1 and VILIP-3, have been studied using two biomimetic membrane models, the Langmuir monolayers coupled to the Brewster angle microscopy (BAM) and the supported lipid bilayers (SLB) visualized by atomic force microscopy (AFM). Using these two models, we have shown that VILIPs, N-myristoylated proteins with four EF-hands, have a membrane interaction kinetic that increases in the presence of calcium, probably due to the presence of a "calcium-myristoyl switch" mechanism. Tn contrast, the use of unmyristoylated proteins revealed that the presence of the myristoyl group is not the only factor necessary for the interaction of these proteins with the membrane. The presence of a N- terminal lysine-rich region allows this family of proteins to interact through electrostatic interactions with membranes containing anionic lipids and particularly the phosphatidylionisitol-4,5-biphosphate (PIP2). The presence of a small percent of phosphoinositide in the membrane is responsible for the acceleration of the binding rate of VILIPs, which is consistent with their subcellular location in cellulo. Finally, a new membrane model of peptide tethered lipid bilayers (pep-tBLM) grafted onto a gold surface was developed. The method described in this manuscript allows the formation of tBLM, containing the desired lipid composition, by using a home-designed peptide as tether. The formation is followed in real time by surface plasmon resonance imaging (SPRi) and has been characterized by AFM and fluorescence microscopy

Nous avons conçu un pilote automatique, dénommé LORA (Lateral Optic flow Regulation Autopilot), qui s'inspire de la vision du mouvement des insectes ailés. Il se compose de deux régulateurs de flux optique interdépendants, chacun contrôlant un degré de liberté de translation : un régulateur de flux optique bilatéral contrôle la vitesse du robot, tandis qu'un régulateur de flux optique unilatéral lui permet d'éviter les obstacles latéraux. Des expériences de simulation montrent qu'un robot totalement actionné, équipé du seul pilote automatique LORA, franchit sans collision un corridor droit, fuselé, ou même non stationnaire. Le robot n'a besoin que d'une paire d'yeux latéraux mesurant les flux optiques droit et gauche et ne fait appel à aucun autre capteur, ni de vitesse, ni de distance. LORA est destiné à équiper un aéroglisseur miniature de 0,8 kg, doté de deux yeux élémentaires (à 2 pixels) et rendu totalement actionné par l'adjonction de deux propulseurs latéraux. Nous avons identifié tous les paramètres dynamiques de ce robot avant de les inclure dans les simulations. Ce travail constitue un premier pas vers un système de guidage agile et léger pour micro-aéronefs. La genèse du pilote automatique LORA a suivi trois étapes : LORA I, LORA II et LORA III, enrichies progressivement par l'analyse parallèle du comportement d'abeilles entraînées à pénétrer dans divers corridors pour y butiner un nectar artificiel. L'enregistrement vidéo à haute résolution et l'analyse statistique de trajectoires d'abeilles dans divers environnements ont permis de mettre à jour les ressorts du système visuo-moteur sous-jacent. Ainsi notre travail remet en question l'hypothèse d'" équilibrage des flux optiques latéraux ", proposée voici 20 ans pour expliquer " la réaction de centrage " de l'abeille dans un corridor. Bien que ce comportement ait inspiré maints roboticiens dans le monde, il apparaît en fait comme un cas particulier d'un comportement beaucoup plus général de l'insecte : le suivi de paroi. Le va-et-vient permanent biologie-robotique qui a animé notre travail offre aujourd'hui des retombées dans les deux camps. Il permet de comprendre comment un insecte de 100 mg peut naviguer sans SONAR, ni RADAR, ni LIDAR, ni GPS, et offre aux véhicules autonomes la possibilité de se comporter pareillement, sans avoir à mesurer ni vitesse ni distance.

Nous avons conçu un pilote automatique, dénommé LORA (Lateral Optic flow Regulation Autopilot), qui s'inspire de la vision du mouvement des insectes ailés. Il se compose de deux régulateurs de flux optique interdépendants, chacun contrôlant un degré de liberté de translation : un régulateur de flux optique bilatéral contrôle la vitesse du robot, tandis qu'un régulateur de flux optique unilatéral lui permet d'éviter les obstacles latéraux. Des expériences de simulation montrent qu'un robot totalement actionné, équipé du seul pilote automatique LORA, franchit sans collision un corridor droit, fuselé, ou même non stationnaire. Le robot n'a besoin que d'une paire d'yeux latéraux mesurant les flux optiques droit et gauche et ne fait appel à aucun autre capteur, ni de vitesse, ni de distance. LORA est destiné à équiper un aéroglisseur miniature de 0,8 kg, doté de deux yeux élémentaires (à 2 pixels) et rendu totatement actionné par l'adjonction de deux propulseurs latéraux. Nous avons identifié tous les paramètres dynamiques de ce robot avant de les inclure dans les simulations. Ce travail constitue un premier pas vers un système de guidage agile et léger pour micro-aéronefs. La genèse du pilote automatique LORA a suivi trois étapes : LORA I, LORA II et LORA III, enrichies progressivement par l'analyse parallèle du comportement d'abeilles entraînées à pénétrer dans divers corridors pour y butiner un nectar artificiel. L'enregistrement vidéo à haute résolution et l'analyse statistique de trajectoires d'abeilles dans divers environnements ont permis de mettre à jour les ressorts du système visuo-moteur sous-jacent. Ainsi notre travail remet en question l'hypothèse d'« équilibrage des flux optiques latéraux », proposée voici 20 ans pour expliquer « la réaction de centrage » de l'abeille dans un corridor. Bien que ce comportement ait inspiré maints roboticiens dans le monde, il apparaît en fait comme un cas particulier d'un comportement beaucoup plus général de l'insecte : le suivi de paroi. Le va-et-vient permanent biologie-robotique qui a animé notre travail offre aujourd'hui des retombées dans les deux camps. Il permet de comprendre comment un insecte de 100 mg peut naviguer sans SONAR, ni RADAR, ni LIDAR, ni GPS, et offre aux véhicules autonomes la possibilité de se comporter pareillement, sans avoir à mesurer ni vitesse ni distance
We developed an autopilot, called LORA (Lateral Optic flow Regulation Autopilot), which is inspired by motion vision in flying insects. It incorporates two interdependent optic flow regulators, each of which controls one translational degree of freedom: a bilateral optic flow regulator controls the robot's speed, while a unilateral optic flow regulator makes the robot avoid lateral obstacles. Simulation experiments show that a fully actuated vehicle, equipped solely with the LORA autopilot, is able to cross straight, tapered or even non stationary corridors. The robot needs only a pair of lateral eyes that measure the right and left optic flows, and requires no speed or range sensors. This autopilot is meant to equip a miniature seeing hovercraft (0. 8 kg) equipped with two elementary (2-pixel) eyes and rendered fully actuated by two lateral thrusters. We identified experimentally all the robot's dynamical parameters and incorporated them into the simulation. This work is a first step toward a deft, lightweight and power-lean guidance system for micro-air vehicles (MAVs). Designing the autopilot involved three steps: LORA I, LORA II and LORA III that were progressively informed by the results of behavioural experiments carried out on bees trained to enter various corridors en route to an artificial nectar source. High resolution video recording and statistical analyses of the bees' trajectories in various environments allowed the underlying visuomotor control system to be deciphered. We challenge the “optic flow balance” hypothesis that was put forward 20 years ago to explain the bee's “centering reaction” in a corridor. Even though this behaviour has inspired the design of many robots eversince, it now appears as a degenerate case of the insect's ''wall following behaviour''. Our work involved constant plying between Biology to Robotics and provides spin-offs in both fields. It allows one to better understand how a 100mg insect can navigate without using any SONAR, RADAR, LIDAR or GPS, while offering autonomous vehicles an opportunity to behave the same way, without any needs to measure speed and range

Le développement de la navigation autonome est devenu l'un des enjeux technologiques majeurs du 21ème siècle. Aucune solution fiable ne saurait faire l'économie du GPS ni même des caméras, très répandues en robotique. Cette thèse vise à mettre en place une nouvelle stratégie de navigation parcimonieuse inspirée des fourmis du désert Cataglyphis afin de localiser un robot terrestre mobile hexapode. S'inspirant de l’œil composé des fourmis, un compas céleste minimaliste doté de deux photodiodes sensibles au rayonnement UV et surmontées de filtres linéaires polarisants, permet d'acquérir l'angle de polarisation de la lumière du ciel, lequel sert de cap en navigation terrestre. Le compas céleste a démontré d'excellentes performances, résilientes à l’égard des conditions météorologiques. Les tâches de navigation ont été réalisées par le robot hexapode AntBot, équipé du compas céleste et d'un capteur de flux optique constitué de 12 pixels auto-adaptatifs dont la réponse mime celle des cellules photoréceptrices des tortues. AntBot dispose d'un intégrateur de chemin inspiré des fourmis Cataglyphis. Ce système fusionne le cap donné par le compas céleste, la distance mesurée par le flux optique, et le nombre de pas pour déterminer la position du robot par rapport à son point de départ. Il en a résulté une erreur de navigation moyenne stable d'environ 6cm, indépendante de la forme ou de la distance des trajectoires accomplies (variant de 5 à 15m). Ces résultats montrent que cette stratégie de navigation peut être envisagée en parallèle d'un GPS, pour un coût calculatoire faible, afin de bénéficier d'un système de localisation précis, robuste et efficace
Autonomous navigation is one of the leading technological challenges of the 21st century and is currently solved using GPS and camera-based strategies. This PhD thesis aims at setting up new navigation strategies inspired by desert ants Cataglyphis, requiring few resources and tested on board a hexapod walking robot. Taking inspiration from the ants' compound eye, a novel celestial compass - composed of just two ultraviolet-sensitive photodiodes topped with rotating linear polarizers - provides measurements of the angle of polarization of the skylight with high angular precision. This angle is used as the vehicle's heading while navigating. This compass provided excellent performances regardless of the meteorological condition. Navigation tasks were performed with our hexapod robot AntBot equipped with both the celestial compass and an optic flow sensor, which includes 12 auto-adaptive pixels mimicking photoreceptors in turtles. AntBot has a path integrator navigation system inspired by behavioral studies in desert ants Cataglyphis. This strategy uses the heading given by the celestial compass, the distance measured with the optic flow sensor, and the stride integrator to determine the vehicle's position with respect to its departure location. Experiments resulted in a navigation error of approximately 6cm regardless of the shape and the length of the trajectory (varying from 5m to 15m). These results show that such navigation system can be used to complement classical techniques like GPS and vision-based ones, with a high level of robustness and efficiency, and with few computational resources needed