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THE NEURAL INFORMATION PROCESSING
IN THE VERTEBRATE RETINA:
A Melting Pot of Ideas for Artificial Vision

Abstract

The retina is the first neural structure involved in visual perception. Researchers in Artificial Vision often see in it only a hard-wired circuit scarcely more sophisticated than a video-camera, and dedicated to the scanning of images and to the extraction of features leading to a simple computation of Laplacian or temporal derivative.

In this thesis, we argue that it makes a lot of more, in particularly from a dynamical point of view, aspect often neglected in Artificial Vision. From a neurobiological inspiration, we show that the retina performs a spatiotemporal processing really suited to the regularization of visual data, that it extracts a spatiotemporal reliable and relevant information, that it realizes a rough motion analysis composed of a motion detection and a directional selectivity, and that it finally presents an elaborate mechanism for the control of sensitivity.

This work emphasizes the fact once more that the solutions implemented by nature are both simple and efficient (by a rather good trade-off between complexity and performance), and that they should inspire the designers of artificial visual systems. It also follows from this work two basic consequences: a better understanding of the neural mechanisms involved in early vision and a theoretical framework for the synthesis and analysis of neuromorphic systems straight implementable onto silicon.

Résumé

La rétine est la toute première structure neuronale impliquée dans la perception visuelle. Les chercheurs en Vision Artificielle n'y voient bien souvent qu'un circuit câblé à peine plus sophistiqué qu'une caméra, dédiée à l'acquisition de l'image et à l'extraction de primitives se ramenant à un simple calcul de laplacien et de dérivée temporelle.

Dans cette thèse, nous soutenons qu'elle réalise bien plus, en particulier d'un point de vue dynamique, aspect encore souvent négligé en Vision Artificielle. En nous appuyant sur des données neurobiologiques, nous montrons qu'elle effectue un traitement spatio-temporel bien adapté à la régularisation de l'information visuelle, qu'elle extrait une information spatio-temporelle fiable et pertinente , qu'elle effectue une analyse rudimentaire du mouvement composée d'une détection et d'une sélectivité directionnelle, et enfin qu'elle présente un mécanisme de contrôle de la sensibilité tout à fait remarquable.

Ce travail souligne encore une fois le fait que les solutions mises en oeuvre par la nature sont à la fois simples et efficaces (par un bon compromis entre la complexité et la performance), lesquelles devraient inspirer les concepteurs de systèmes de Vision Artificielle. De ce travail découlent aussi deux corollaires fondamentaux : une meilleure compréhension des mécanismes neuronaux impliqués dans la vision précoce et un cadre théorique pour la synthèse et l'analyse de systèmes neuromorphiques directement implantables sur silicium.

Any reference to the thesis or a part of the thesis should appear as the following:

Beaudot W.H.A. (1994), Le traitement neuronal de l'information dans la rétine des vertébrés : Un creuset d'idées pour la vision artificielle, Thèse de Doctorat es Science en Informatique, INPG, Laboratoire TIRF, Grenoble (France), Décembre 1994.