Texture Segregation By Visual Cortex: Perceptual Grouping, Attention, and Learning

A neural model is proposed of how laminar interactions in the visual cortex may learn and recognize object texture and form boundaries. The model brings together five interacting processes: region-based texture classification, contour-based boundary grouping, surface filling-in, spatial attention, and object attention. The model shows how form boundaries can determine regions in which surface filling-in occurs; how surface filling-in interacts with spatial attention to generate a form-fitting distribution of spatial attention, or attentional shroud; how the strongest shroud can inhibit weaker shrouds; and how the winning shroud regulates learning of texture categories, and thus the allocation of object attention. The model can discriminate abutted textures with blurred boundaries and is sensitive to texture boundary attributes like discontinuities in orientation and texture flow curvature as well as to relative orientations of texture elements. The model quantitatively fits a large set of human psychophysical data on orientation-based textures. Object boundar output of the model is compared to computer vision algorithms using a set of human segmented photographic images. The model classifies textures and suppresses noise using a multiple scale oriented filterbank and a distributed Adaptive Resonance Theory (dART) classifier. The matched signal between the bottom-up texture inputs and top-down learned texture categories is utilized by oriented competitive and cooperative grouping processes to generate texture boundaries that control surface filling-in and spatial attention. Topdown modulatory attentional feedback from boundary and surface representations to early filtering stages results in enhanced texture boundaries and more efficient learning of texture within attended surface regions. Surface-based attention also provides a self-supervising training signal for learning new textures. Importance of the surface-based attentional feedback in texture learning and classification is tested using a set of textured images from the Brodatz micro-texture album. Benchmark studies vary from 95.1% to 98.6% with attention, and from 90.6% to 93.2% without attention.

Cortical Dynamics of Feature Binding and Reset: Control of Visual Persistence

An analysis of the reset of visual cortical circuits responsible for the binding or segmentation of visual features into coherent visual forms yields a model that explains properties of visual persistence. The reset mechanisms prevent massive smearing or visual percepts in response to rapidly moving images. The model simulates relationships among psychophysical data showing inverse relations of persistence to flash luminance and duration, greaterr persistence of illusory contours than real contours, a U-shaped temporal function for persistence of illusory contours, a reduction of persistence: due to adaptation with a stimulus of like orientation, an increase or persistence due to adaptation with a stimulus of perpendicular orientation, and an increase of persistence with spatial separation of a masking stimulus. The model suggests that a combination of habituative, opponent, and endstopping mechanisms prevent smearing and limit persistence. Earlier work with the model has analyzed data about boundary formation, texture segregation, shape-from-shading, and figure-ground separation. Thus, several types of data support each model mechanism and new predictions are made.

Étude du traitement visuel simple et complexe chez les enfants autistes

Les personnes ayant un trouble du spectre autistique (TSA) manifestent des particularités perceptives. En vision, des travaux influents chez les adultes ont mené à l’élaboration d’un modèle explicatif du fonctionnement perceptif autistique qui suggère que l’efficacité du traitement visuel varie en fonction de la complexité des réseaux neuronaux impliqués (Hypothèse spécifique à la complexité). Ainsi, lorsque plusieurs aires corticales sont recrutées pour traiter un stimulus complexe (e.g., modulations de texture; attributs de deuxième ordre), les adultes autistes démontrent une sensibilité diminuée. À l’inverse, lorsque le traitement repose principalement sur le cortex visuel primaire V1 (e.g., modulations locales de luminance; attributs de premier ordre), leur sensibilité est augmentée (matériel statique) ou intacte (matériel dynamique). Cette dissociation de performance est spécifique aux TSA et peut s’expliquer, entre autre, par une connectivité atypique au sein de leur cortex visuel. Les mécanismes neuronaux précis demeurent néanmoins méconnus. De plus, on ignore si cette signature perceptuelle est présente à l’enfance, information cruciale pour les théories perceptives de l’autisme. Le premier volet de cette thèse cherche à vérifier, à l’aide de la psychophysique et l’électrophysiologie, si la double dissociation de performance entre les attributs statiques de premier et deuxième ordre se retrouve également chez les enfants autistes d’âge scolaire. Le second volet vise à évaluer chez les enfants autistes l’intégrité des connexions visuelles descendantes impliquées dans le traitement des textures. À cet effet, une composante électrophysiologique reflétant principalement des processus de rétroaction corticale a été obtenue lors d’une tâche de ségrégation des textures. Les résultats comportementaux obtenus à l’étude 1 révèlent des seuils sensoriels similaires entre les enfants typiques et autistes à l’égard des stimuli définis par des variations de luminance et de texture. Quant aux données électrophysiologiques, il n’y a pas de différence de groupe en ce qui concerne le traitement cérébral associé aux stimuli définis par des variations de luminance. Cependant, contrairement aux enfants typiques, les enfants autistes ne démontrent pas une augmentation systématique d’activité cérébrale en réponse aux stimuli définis par des variations de texture pendant les fenêtres temporelles préférentiellement associées au traitement de deuxième ordre. Ces différences d’activation émergent après 200 ms et engagent les aires visuelles extrastriées des régions occipito-temporales et pariétales. Concernant la connectivité cérébrale, l’étude 2 indique que les connexions visuelles descendantes sont fortement asymétriques chez les enfants autistes, en défaveur de la région occipito-temporale droite. Ceci diffère des enfants typiques pour qui le signal électrophysiologique reflétant l’intégration visuo-corticale est similaire entre l’hémisphère gauche et droit du cerveau. En somme, en accord avec l’hypothèse spécifique à la complexité, la représentation corticale du traitement de deuxième ordre (texture) est atypiquement diminuée chez les enfants autistes, et un des mécanismes cérébraux impliqués est une altération des processus de rétroaction visuelle entre les aires visuelles de haut et bas niveau. En revanche, contrairement aux résultats obtenus chez les adultes, il n’y a aucun indice qui laisse suggérer la présence de mécanismes supérieurs pour le traitement de premier ordre (luminance) chez les enfants autistes.

Le développement visuel et cognitif chez les enfants nés à terme ou prématurément

Au cours des 25 dernières années, les recherches sur le développement visuel chez l’humain à l’aide de l’électrophysiologie cérébrale et des potentiels évoqués visuels (PEV) ont permis d’explorer plusieurs fonctions associées au cortex visuel. Néanmoins, le développement de certaines d’entre elles (p. ex. segmentation des textures), tout comme les effets de la prématurité sur celles-ci, sont des aspects qui nécessitent d’être davantage étudiés. Par ailleurs, compte tenu de l’importance de la vision dans le développement de certaines fonctions cognitives (p. ex. lecture, visuomotricité), de plus en plus de recherches s’intéressent aux relations entre la vision et la cognition. Les objectifs généraux de la présente thèse étaient d’étudier le développement visuel chez les enfants nés à terme et nés prématurément à l’aide de l’électrophysiologie, puis de documenter les impacts de la prématurité sur le développement visuel et cognitif. Deux études ont été réalisées. La première visait à examiner, chez des enfants nés prématurément, le développement des voies visuelles primaires durant la première année de vie et en début de scolarisation, ainsi qu’à documenter leur profil cognitif et comportemental. À l’aide d’un devis semi-longitudinal, dix enfants nés prématurément ont été évalués à l’âge de six mois (âge corrigé) et à 7-8 ans en utilisant des PEV, et des épreuves cognitives et comportementales à l’âge scolaire. Leurs résultats ont été comparés à ceux de 10 enfants nés à terme appariés pour l’âge. À six mois, aucune différence de latence ou d’amplitude des ondes N1 et P1 n’a été trouvée entre les groupes. À l’âge scolaire, les enfants nés prématurément montraient, comparativement aux enfants nés à terme, une plus grande amplitude de N1 dans la condition P-préférentielle et dans celle co-stimulant les voies M et P, et de P1 (tendance) dans la condition M-préférentielle. Aucune différence n’a été trouvée entre les groupes aux mesures cognitives et comportementales. Ces résultats suggèrent qu’une naissance prématurée exerce un impact sur le développement des voies visuelles centrales. L’objectif de la seconde étude était de documenter le développement des processus de segmentation visuelle des textures durant la petite enfance chez des enfants nés à terme et nés prématurément à l’aide des PEV et d’un devis transversal. Quarante-cinq enfants nés à terme et 43 enfants nés prématurément ont été évalués à 12, 24 ou 36 mois (âge corrigé pour les prématurés à 12 et 24 mois). Les résultats indiquaient une diminution significative de la latence de la composante N2 entre 12 et 36 mois en réponse à l’orientation, à la texture et à la segmentation des textures, ainsi qu’une diminution significative d’amplitude pour l’orientation entre 12 et 24 mois, et pour la texture entre 12 et 24 mois, et 12 et 36 mois. Les comparaisons entre les enfants nés à terme et ceux nés prématurément démontraient une amplitude de N2 réduite chez ces derniers à 12 mois pour l’orientation et la texture. Bien que ces différences ne fussent plus apparentes à 24 mois, nos résultats semblent refléter un délai de maturation des processus visuel de bas et de plus haut niveau chez les enfants nés prématurément, du moins, pendant la petite enfance. En conclusion, nos résultats indiquent que la prématurité, même sans atteinte neurologique importante, altère le développement des fonctions visuelles à certaines périodes du développement et mettent en évidence l’importance d’en investiguer davantage les impacts (p. ex. cognitifs, comportementaux, scolaires) à moyen et long-terme.

Solute segregation and texture modification in an extruded magnesium alloy containing gadolinium

The alloy Mg-1.5Gd has been extruded at different temperatures to produce two significantly different textures. At lower extrusion temperatures there was significant solute clustering in the matrix, coupled with segregation of solute to the grain boundaries. At higher temperatures these two phenomena were both less pronounced. It is suggested here that segregation of solute to the grain boundaries plays a significant role in the texture modification effect that rare earth elements have in magnesium alloys.

Object segregation and local gist vision using low-level geometry

Multi-scale representations of lines, edges and keypoints on the basis of simple, complex and end-stopped cells can be used for object categorisation and recognition (Rodrigues and du Buf, 2009 BioSystems 95 206-226). These representations are complemented by saliency maps of colour, texture, disparity and motion information, which also serve to model extremely fast gist vision in parallel with object segregation. We present a low-level geometry model based on a single type of self-adjusting grouping cell, with a circular array of dendrites connected to edge cells located at several angles.

Correlation between microstructure and phosphorus segregation in a hypereutectoid Wootz steel

The influence of bands rich in phosphorus on the microstructure of hypereutectoid Wootz steel implement is described. Electron probe micro-analysis is combined with optical microscopy. Phosphorus-rich bands are seen to correspond to regions of internal cracking, carbon depletion, and enhanced frequency of spheroidized cementite in place of pearlite. A rationale for the findings is presented in terms of the influence of phosphorus on the Fe–C phase diagram and on the rate of the eutectoid reaction.

Texture for Script identification

The problem of determining the script and language of a document image has a number of important applications in the field of document analysis, such as indexing and sorting of large collections of such images, or as a precursor to optical character recognition (OCR). In this paper, we investigate the use of texture as a tool for determining the script of a document image, based on the observation that text has a distinct visual texture. An experimental evaluation of a number of commonly used texture features is conducted on a newly created script database, providing a qualitative measure of which features are most appropriate for this task. Strategies for improving classification results in situations with limited training data and multiple font types are also proposed.

Quantifying the volume fraction and texture of cancellous bone using 3.0 Tesla magnetic resonance imaging

Introduction: 3.0 Tesla MRI offers the potential to quantify the volume fraction and structural texture of cancellous bone, along with quantification of marrow composition, in a single non-invasive examination. This study describes our preliminary investigations to identify parameters which describe cancellous bone structure including the relationships between texture and volume fraction.