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1 1. LES DEPLACEMENTS VEHICULAIRES 1.1. Le flux optique : son role lars du controle du deplacement Daniel MESTRE Docteur en Psychologie de l'universite de Provence Charge de Recherche au CNRS Principaux themes de recherche: ContrOle visuel du deplacement Ad. : Universite d'aix.marseiiie II Cognition et Mouvement, URA CNRS 1166 IBHOP, Traverse Charles Susini MARSEILLE cedex 13 William H. WARREN, Jr. Professeur, Ph.D University of Connecticut Principaux themes de recherche: Perception visuelle, controle visuel de l'action Ad. : Departments of Psychology and Cognitive and Linguistic Sciences, Drown University Providence, RI 02912, U.S.A. SUMMARY Gibson (1950) proposed that a moving obsetver could perceive his/her headillg (or direction of locomotion) from radial pattems of optical flow. However previous studies have found mean envrs of 5-10 degrees ill pointillg tasks and radial outflow pattems only occur with obselver translatioll. With cutvifinear movement, the flow field is "cwved': with no focus of outj7ow that specifies heading. We examined the perception of heading dwing both translational and cllil'ilinear movement, using a discn mination task. Subjects judged whether it looked like they were heading to the right or the left of a target. These expeliments show that, contrmy to previous repolts, optical flow pattems provide a sufficient basis for heading judgments dwing pure translational and in a large range of curvilinear paths. INTRODUCTION Lorsqu'un sujet se deplace dans l'environnement, l'ensemble de sa scene visuelle se transforme. Cette transformation est due a la modification des relations spatiales entre l'observateur et les objets de l'environnement. Ce mouvement visuel n'est en general pas per<;u par Ie sujet qui se sent en mouvement dans un environnement stable. On doit a des chercheurs tels que Helmholtz (1896) et Mach (1886) d'avoir, parmi les premiers, compris que les transformations de la scene visuelle dues aux deplacements de l'observateur ne sont pas une nuisance qui doit etre ignoree, mais au contraire une riche source d'informations concernant Ie monde qui l'entoure. Ainsi Helmholtz (1896) remarquait que Ie mouvement visuel des objets de l'environnement (la parallaxe de mouvement) est inversement proportionnel a leur distance a l'observateur et que des conclusions "sures" pouvaient done etre tin~es a propos de leur distance a partir de leur vitesse angulaire dans Ie champ visuel. Gibson (1950) a montre que les deplacements d'un observateur dans l'espace creent une transformation de l'ensemble de sa scene visuehe, qu'il a nommc j7w( optique. Gibson et col. (1955) ont demontre que Ie flux optique est lie de maniere univoque au deplacement de l'observateur et a la structure de l'environnement. En retour, ils proposent que "(... ) [la perception du flux optique] a toujours une composante subjective aussi bien qu'unc composante objective, c'est-a.-dire qu'ehe specifie la position, Ie mouvement et la direction [du mouvement] de l'observatcur, aussi bien qu'ellc specifie Ia position, I'inclinaison et la forme [des surfaces de l'environnement] (... )" (Gibson et coi., 1955, page 383). Ceci revient a noter une dualite fonctionnclle de l'information contenue dans Ie flux optique. - Cctte information a un caract ere exteroceplif: ellc renseigne Ie sujet sur les proprietes de l'environnement. Ceci correspond au role classique attri- Psychologie Fran~aise N 34-1, Mars 1989, 5-11.

2 -- 6 Daniel Mestre et William H. Wan'en bue a Ia perception visuelle. Mais Gibson (1966) propose que Ie flux optique remplit aussi une fonction proprioceptive: il renseigne Ie sujet sur Ies proprletes de son propre deplacement. LA PROPRIOCEPI'ION VISUELLE Notre interet pour Ie flux optique est motive par deux types d'evidences experirnentales. Une premiere serle de travaux a montre, d'une maniere generale, Ie role fondamental de Ia perception visuelle du mouvement pour la connaissance de la structure de l'environnement (i.e., Wallach & O'Connell, 1953). 11 s'agit la d'une mise en evidence d'une fonction exteroceptive assuree par Ie flux optique (et Ie mouvement visuel en general). De maniere plus centrale ici, Mach (1875) notait qu'une illusion de deplacement de soi pouvait survenir en presence de mouvements d'objets de l'environnement. II en va ainsi de l'illusion dite "du train", dans laquelle un voyageur croit que c'est son train qui part, alors qu'il s'agit en fait d'un autre train (per~u par la fenetre) qui se deplace sur une voie adjacente. On appelle vection cette sensation qu'a un sujet de se deplacer 10rsqu'iI est soumis a un mouvement de parties importantes de l'environnement (cf. Andersen, 1986, pour une revue de la question). Les travaux experirnentaux les plus anciens datent de Mach (1875), et ont trait a une sensation de rotation visuellement induite (vection circulaire). Brandt et collaborateurs ont etudie plus systematiquement ce pmnomene (Brandt, Dichgans & Koenig, 1973 ; Dichgans & Brandt, 1978). C'est la stimulation de zones periph6riques du champ visuel qui produit la vection circulaire, alors que la stimulation de zones centrales conduit it la perception (objective) du mouvement de l'environnement. Ces donnees sont cohcrentes avec l'hypothese d'une dualite fonctionnelle du systeme visuel, compose en periphcrie d'un systeme ambient, sous-tendant l'orientation spatialc et en vision centrale d'un systeme focal servant a la reconnaissance et it l'identification des objets (Ingle, 1967 ; Schneider, 1968 ; Trevarthen, 1968). Des resultats similaires ont etc obtenus it propos de la sensation d'un mouvement lincaire de soi en presence d'un mouvement de translation de l'environnement (vec/ion lineaire, cf. Pavard et Berthoz, 1976). Neanmoins de rccents travaux d'an~ersen et Braunstein (1985) remettent en qu~stton cette con~lusion. lis montren! en parliculler que des silmulations en vision centrale peuvent induire des sensations de vection lorsqu~ la structure du flux est radiale (figur~ 1) et correspond au dcplacement d'un observateur dans un espace tridimensionnel (c'est-a.-dire possedant de la profondeur). La structure du flux pourrait donc etre importante, a cote de sa position dans Ie champ visuel de l'observateur. Une autre serie de travaux montrant Ie role proprioceptif du flux optique concerne les reactions posturales induites par un mouvement de l'environnement. Dans ce cas un sujet (debout) tend it modifier sa posture (inconsciemment) de maniere a retablir une immobilite visuelle du monde environnant (Berthoz, Lacour, Soechting & Vidal, 1979 ; Lee et Lishman, 1975 ; Delorme & Martin, 1986). Stoffregen (1985, 1986) a montre que des flux radiants (figure 1) ne donnent lieu a aucune reaction posturale 10rsqu'iIs sont presentes en vision perlpherique. Ceci revient a mettre encore l'accent sur l'importance de la structure du flux optique, indissociable de sa position dans Ie champ visuel de l'observateur. CONTROLE DU DEPLACEMENT Les travaux presentes ci-dessus illustrent donc une fonction proprioceptive assuree par Ie flux optique. En d'autres termes, ils montrent que Ie sujet tend a interpreter Ie mouvement de parties importantes de son environnement visuel comme dg a son propre deplacement. Nous n'essaierons pas ici de rendre compte de cette habilete, mais nous tenterons de montrer comment Ie flux optique peut fournir au sujet des informations relatives aux caracteristiques spatiales de son deplacement., On do it en particulier remarquer que la plupart des modcles qui ont ete proposes pour la conduite de vehicules montrent la necessite du controle de la direction du deplacement et de la position du vehicule dans l'environnement. Cependant, les bases perceptives cette information spatiale ne sont pas abordees. Differcnts travaux dans ce domaine permettent cependant de penser que cette information pourrait avoir des bases perceptives relativement simples (Mestre, 1987, 1988) et d'une manicre plus generale que Ie flux optique peut permetlre un controle precis du dcplacement (Warren, 1988). Nous essaierons ici de montrer comment Ie flux optique permet au sujet de connaitrc la direction de son deplacement. 1. Deplacement rectilineaire On doit a Gibson et col. (1955) d'avoir les premiers donne une formalisation et une representation cohcrentes du nux optique, dans des situations appliquces a la conduite acrienne. lis ont etudic Ie seul cas de mouvements de translation

3 Role du flux optique lois du controle du deplacement 7 rectilineaire, dans lesquels Ie flux optique est semblable a celui qui est represente sur la figure 1. Dans ce cas, Ie mouvement visuel des points representant la surface du sol est un mouvement de radiation a partir d'un lieu unique dans l'environnement, qui correspond a la direction du deplacewent de l'observateur. Ce point a ete nomme focus d'expansion du flux optique (Gibson, 1950). Cette structure radiante du flux optique est complf~tement determinee par Ie deplacement de l'observateur, independamment de la structure de l'espace (Koenderink, 1986). It s'agit done a priori d'une information purement proprioceptive, contenue dans Ie flux optique. Une premiere experience a done ete realisee, pour tester les capacites de sujets a percevoir la direction de leur deplacement a partir de flux optiques resultant de deplacements rectilineaires (Warren, Morris & Kalish, 1988). Ce travail etait motive par deux questions : Premierement, la perception depend-eue de la structure globale du flux optique ou de la localisation du focus d'expansion, specifiee par un element immobile dans la scene visuelle? De recents resultats de travaux psychophysiques (Regan & Beverley, 1979) et physiologiques (Saito, Masao, Tanaka, Hisosaka, Fukada & Iwai, 1986) suggerent l'existence de voies du systeme visuel specialisees pour Ie traitement de la radiation. La deuxieme motivation de ce travail etait de reconsiderer les resultats des precedents travaux psychophysiques qui montraient que la perception de la direction du deplacement de soi a partir du flux optique est relativement imprecise. Ceci avait conduit a remettre en question l'utilite fonctionnelle du flux optique pour Ie controle du deplacement. Les erreurs angulaires moyennes de l'identification de la position du focus d'expansion etaient de l'ordre de 5 a 10 degres (Llewellyn, 1971 ; Johnston, White & Cumming, 1973 ; R. Warren, 1976), alors que Cutting (1986) demontre qu'une precision de l'ordre de 1 degre est necessaire pour permettre au sujet de contraler efficacement son deplacement dans un environnement peuple d'obstacles. On avait cependant de bonnes raisons de penser que ces travaux presentaient des deficiences. Premierement Llewellyn (1971) et Johnston, White et Cumming (1973) ont simule l'approche du sujet vers une surface verticale (mur), qui represente un cas particulier d'approche vers un obstacle. Deuxiemement, dans les etudes de Regan et Beverley (1984) et de Cutting (1986), la surface etait materialisee par des barres verticales. Le flux optique est alors degenere, ne presentant que la composante horizontale du mouvement visuel. Enfin, meme dans la seule etude portant sur Ie deplacement de l'observateur par rapport au plan du sol (R. Warren, 1976), la tache etait une tache de pointage, dans laquelle Ie sujet devait identifier la position du focus d'expansion ou la direction de son deplacement. Une tache de discrimination perceptive a done ete developpee ici, similaire a celle utilisee par Regan et Beverley (1984), qui peut etre consideree a priori eomme plus approprice qu'une tache d'identification. On a simulc un deplacement de l'observateur en ligne droite par rapport au plan du sol, reprcsente par des points aleatoirement repartis (figure 1). Figure 1. Representation statique du flux oprique auquel etaient soumis les slljets. On simule ici un de placement rectilineaire de I'obselvaleur, parallele a la sulface plane du sol. Cette slllface est seu/ement matbialisee par des points aieato;rement,.epa/tis, et les traits qui en pa/tent rep,.esentent la consequence visuelle du de placement de l'obselvafeur. On notera que Ie mouvement visuel des points de la slllface est un mouvement de radiation a panir d'un lieu unique (situe dans ce cas surla ligne d'horizon) qui con-espond a la direction du de placement de l'obselvatelll: Ce point a be nomme focus d'expansion du flux optique (Gibson, 1950).

4 8 Daniel Mestre et William H. Wan-en Concretement, Ies sujets (12 etudiants bien voyants) etaient a,ssis et voyaient (sur un ecran graphique) te flux optique correspondant a un pur mouvement de translation rectilineaire pendant 3.7 secondes. La vitesse de deplacement du sujet allait d'une marche lente a une course rapide. Lorsque Ie mouvement s'arretait, une cil:1le verticale apparaissait sur la ligne d'horizon, et les sujets devaient decider s'ils passeraient a droue ou a gauche de la cible, en continuant sur la meme trajectoire. La precision de la perception de la direction du deplacement a ete estimee en faisant varier la distance angulaire entre la cible et la direction du deplacement. Le principal facteur qui a ete varie ici est Ie nombre de points materialisant la surface (63, 27, 10 et 2 points). La precision des sujets est bien plus grande que celle qui avait ete trouvee lors des travaux precedents. En prenant comme seuil perceptif un pourcentage de choix corrects egal 11 75%, on trouve des seuils perceptifs egaux ou inferieurs a 1.2 degres pour des nombres de points superieurs ou egaux a 10. Neanmoins, il existe une elevation significative des seuils perceptifs pour deux points, Ie seuil etant alors egal a 3.2 degres. Ce resultat est coherent avec I'hypothese selon laquelle la perception de la direction du deplacement depend du pattern global de flux optique, plutot que que de la parallaxe locale de mouvement creee par deux elements dans Ie champ visuel. De plus, l'acuite des sujets avec seulement dix points aleatoirement repartis sur la surface suggere qu'ils ne localisent pas un point immobile correspondant au focus d'expansion. 2. Deplacement curviiineaire A partir de l'hypothese de la perception de la structure giobale du flux optique pour la connaissance de la direction du deplacement, nous avons alors etudie Ie cas de deplacements curvilineaires de l'observateur. Dans ce cas il n'existe plus de focus d'expansion dans Ie champ visuel de l'observateur (figure 2). Le seul point immobile est Ie centre de courbure de la trajectoire de l'observateur (Gordon, 1966), qui n'est pas visible dans nos conditions de simulation. On peut par ailleurs remarquer que la "courbure" du flux optique est directement dependante de la courbuie de la trajectoire (un petit rayon de courbure correspondant a une courbure importante, c'esta-dire un virage "serrc"). Nous avons donc utilise la methodologie presentee ci-dessus pour tester I'effet de la courbure du deplacement sur la perception de la direction du deplacement. Dans une premiere experience, nous avons utilise des rayons de courbure allant de 80 a 320 metres, pour une hauteur (des yeux) du sujet au-dessus du sol de 1.6 metres (cette derniere valeur correspond a une trajectoire qui est tres proche d'une trajectoire rectilineaire). On obtient un effet significatif de la valeur du rayon de courbure. Les seuils perceptifs moyens sont de 1.2, 1.3, 1.6 et 1.8 degres, pour des rayons de courbure de 320, 160, 120 et 80 metres, respectivement. Les seuils perceptifs sont comparables a ceux obtenus pour une trajectoire rectilineaire, pour des "grands" rayons de courbure de 160 et 320 metres. Cependant, il existe un effet modeste Figure 2. Representation du flux optique dans /e cas d'un deplacement culvilineail-e de /'obselvatelll~ para/fete au plan du sol, materialise par des points aleatoirement repal1is. Les slljets devaient decider s'ils passeraient a droite ou a gauche de /a cible veltica/e posee sur Ie sol, alof's qu'ils se deplac;aient vers une trajectoire dont-ie rayon de courbure bait constant.

5 Role du flux optique lars du controle du de placement 9 mais significatif des "petits rayons", tel que la precision du jugement decroit pour les courbes "serrees". Ce premier resultat nous a conduits a realiser une deuxieme experience dans laquelle les rayons de courbure utilises etaient plus petits (32, 48, 64 et 80 metres). lci encore, on observe un effet significatif de la valeur du rayon de courbure (Mestre et ai., 1988). Les va leurs moyennes des seulls perceptifs etaient alors de 1.6, 2.3, 3 et 5.2 degres, pour des rayons de 80, 64, 48 et 32 metres, respectivement. On observe donc que la precision du jugement des sujets est severement affectee lorsque la courbure du deplacement est elevee (petit rayon de courbure). Cela semble remettre en question l'habilete des sujets a percevoir la direction de leur deplacement a partir du flux optique pour des trajectoires possedant des courbures elevees. Des elements d'explication de la deterioration de la performance sont fournis par l'existence d'un biais de reponse des sujets. Dans les conditions de l'experience, il y avait autant d'essais ou la trajectoire courbe du sujet passait effectivement a I'interieur ou a I'exterieur de la cible par rapport au centre de courbure. Cependant, on s'aper~oit que les sujets choisissent l'exterieur dans plus de 50 % des cas pour les petits rayons. Ce biais "exterieur" pourrait correspondre a une tendance des sujets a se percevoir sur une trajectoire dont la courbure est moindre que celle de la trajectoire effectivement simulee. II reste alors a expliquer si ce biais est un biais decisionnel dq a une diminution generale de la qualite de la perception, ou s'il existe reellement un biais perceptif, dll a la structure du flux, pour les petits rayons de courbure. CONCLUSION Le present travail montre Ie role fonctionnel du flux optique pour Ie controle du deplacement. D'une maniere generale, les sujets sont cap abies de percevoir precisement la direction de leur deplacement sur une pure base visuelle. Les resultats sont de plus coherents avec l'hypothese selon laqueue les sujets utilisent la structure globale du flux optique, plutot que Ie focus d'expansion, specifie par un clement immobile dans Ie champ visue!. Cette derniere hypothese est ecartee par Ie fait que les sujets peuvent encore percevoir la direction de leur deplacement lorsqu'il y a seulement dix clements dans Ie champ, et lors de mouvements curvilineaires, ou il n'y a pas de focus d'expansion dans Ie flux optique. La mauvaise performance observce en presence de seulement 2 points permet de montrer que les sujets n'utilisent pas la parallaxe locale de mouvement creee par les mouvements relatifs de deux elements dans Ie champ visuel. Cependant, on observe une chute de la performance dans Ie cas de trajectoires dont la courbure est elevee. L'analyse des resultats suggere que les seuils perceptifs eleves pourraient etre dus a un biais perceptif : les sujets tendent a se percevoir sur une trajectoire dont la courbure est moindre que celle qui a ete simulee. II existe plusieurs hypotheses pour expliquer ce biais vers l'exterieur de la trajectoire. Premierement, il pourrait etre du a une tendance des sujets a percevoir la direction de leur deplacement deviee vers Ie centre de l'ecran. Ce serait une consequence directe de la methodologie utilisee dans ce type d'experiences (simulation graphique des effets visuels du deplacement), qui a deja ete notee lors de travaux precedents (Gibson, 1947 ; Llewellyn, 1971 ; Johnston, White & Cumming, 1973). Cette hypothese est rcfutee par deux observations : il n'existe pas de biais lors de trajectoires rectilineaires et on observe un biais inverse (une tendance des sujets a se percevoir sur une trajectoire plus courbee) dans Ie cas de deplacement par rapport a une surface verticale (Warren, Mestre, Blackwell & Morris, 1988). Ce dernier resultat permet aussi de refuter une hypothese selon laquelle une sous-estimation de la courbure de la trajectoire pourrait etre due a un manque de stimulation labyrinthique associce norma1ement aux mouvements curvilineaires (les sujets etaient immobiles). II semble alors approprie de considerer que la structure du flux optique pourrait expiiquer ces resultats. Si on compare les figures 1 et 2, on peut noter des differences importantes entre les patterns resultant de dep1acements recti1ineaires (figure 1) et curvilineaires (figure 2). D'abord, 10rs d'un deplacement rectilineaire, Ie flux optique est symetrique de chaque cote de la trajectoire. 11 est asymetrique lors d'un mouvement curvilineaire. Si on admet que l'observateur regarde approximativement dans la direction de son dep1acement, la vitesse angulaire des points est moindre dans l'hcmichamp qui correspond a la direction de 1a courbure de 1a trajectoire. Sauvan et Bonnet (ce numero) montrent I'existence d'illusions de mouvement de soi sur une trajectoire curvi1ineaire lorsqu'on stimule dichoptiquement les champs visuels peripheriques d'un sujet avec des patterns se depla<rant a des vitesses differentes. On peut alors faire l'hypothese que la perception de la direction du dcplacement lors d'un deplacement curvilineaire requiert la perception de vitesses differentes dans Ie champ visue!. Une autre difference entre les patterns de flux optique resultant de dcplacements rectilineaires et curvilineaires est que dans

6 10 Daniel Mestre et William H Wmren Ie premier cas la direction du mouvement d'un point est constante, alors que darts Ie second cas la trajectoire visuelle d'un point est courbe. La precision du jugement pourrait dependre de la perception de cette courbure du mouvement des points dans Ie champ visuel. Enfin, d'une maniere plus generale, il faut noter que Ie flux optique ne peut se reduire a un simple champ de vitesse visuelle des objets de l'environnement. Comme Ie remarquent Verri et Poggio (1987)et Horn (1986), Ie flux optique est la variation temporelle d'un pattern de luminance dans la scene visuelle du sujet. 11 est en general different d'un pur champ de mouvement. L'utilisation future d'environnements definis par des surfaces eclairees et continues devrait permettre une meilleure evaluation de la perception du flux optique. 11 apparait deja que les flux optiques utilises dans ce travail, definis par des points lumineux sans dimension, prouvent leur utilite pour Ie controle du deplacement. NOTE Ce travail a ete realise dans Ie cadre d'une allocation de recherche du Ministere Francais de la Recherche attribuee au premier auteur et d'un contrat de recherche obtenu aupres du National Institute of Health des Etats-Unis par Ie second auteur, sur Ie theme Vision et Vieillissement. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES Andersen, G.J. (1986). Perception of self-motion: Psychophysical and computational approaches, Psychological Bulletin, 99 (1), Andersen, G.J., & Braunstein, M.L. (1985). Induced self-motion in central VISIon. Journal of Experimental Psychology: Human Perception and Performance, 11, Berthoz, A, Lacour, M., Soechting, J.F., & Vidal, P.P. (1979). 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