Please use this identifier to cite or link to this item: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/22495
Title in Portuguese: Characterizing and modeling visual persistence, search strategies and fixation times
Author: Amor, Tatiana María Alonso
Advisor(s): Andrade Júnior, José Soares de
Co-advisor(s): Herrmann, Hans Jürgen
Keywords: Movimento ocular
Eye movement
Visual search
Issue Date: 2017
Citation: AMOR, T. M. A. Characterizing and modeling visual persistence, search strategies and fixation times. 2017. 114 f. Tese (Doutorado em Física) – Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2017.
Abstract in Portuguese: Para coletar informações do mundo ao nosso redor, movemos nossos olhos constantemente. Em diferentes ocasiões realizamos buscas visuais, como por exemplo, tentando encontrar alguém em uma multidão ou um livro em uma prateleira. Enquanto procuramos, nossos olhos “saltam” de um local para outro, dando origem a uma miríade de padrões, exibindo comportamentos persistentes e distintivos. Inicialmente, ao se concentrar nas direções sacádicas e nos ângulos intersacádicos, mostramos que as distribuições de probabilidade dessas medidas apresentam uma clara preferência dos participantes para um mecanismo de tipo-leitura (persistência geométrica), cujas características e vantagens potenciais para a busca (“foraging”) são discutidas. Em seguida, realizamos uma Análise Multifractal de Flutuações sem Tendência (MF-DFA) sobre a série temporal de magnitudes dos saltos na trajetória do olho e descobrimos que ela exibe um comportamento multifractal típico decorrente da combinação sequencial de sacadas e fixações. Ao inspecionar a série temporal composta apenas de movimentos fixacionais, nossos resultados revelam um comportamento monofractal com um expoente de Hurst H ∼ 0.7, o que indica a presença de correlações positivas de longo alcance (persistência estatística). Motivados pelos achados experimentais do estudo da distribuição dos ângulos intersacádicos, desenvolvemos um modelo de pesquisa visual simples que quantifica a ampla variedade de possíveis estratégias de busca. A partir de nossos experimentos sabemos que quando procuramos um alvo no interior de uma imagem nosso cérebro pode adotar estratégias diferentes. A questão então é: qual delas escolhemos? Nesta tese apresentamos um modelo de pesquisa visual simples (VSM) de dois parâmetros baseado num caminhante aleatório persistente e na distribuição do ângulo intersacádico obtida experimentalmente. O modelo captura as estratégias básicas de pesquisa visual cobrindo desde a sistemática ou de tipo-leitura até aquela completamente aleatória. Comparamos os resultados do modelo com os dados experimentais, medindo a eficiência das buscas no preenchimento de espaço. Dentro do espaço de parâmetros do modelo, o nosso modelo é capaz de quantificar as estratégias usadas por diferentes indivíduos para três tarefas de busca e mostrar como a estratégia de pesquisa média muda ao longo destes três grupos. Embora os participantes tendem a explorar uma vasta gama de parâmetros, quando todos os itens são colocados em uma rede regular, os participantes são mais propensos a realizar uma busca sistemática, enquanto que em um campo mais complexo, as trajetórias de busca se assemelham a uma caminhada aleatória. Desta forma, podemos determinar com precisão a relação entre a paisagem visual e a estratégia média, revelando como pequenas variações na imagem induzem mudanças de estratégia. Finalmente, estudamos as distribuições dos tempos de fixação em diferentes tarefas visuais, para além da busca visual. Os tempos de fixação são comumente associados a algum processo cognitivo, pois é nesses casos que a maioria da informação visual é coletada. No entanto, a distribuição para os tempos de fixação exibe certas semelhanças em uma ampla gama de tarefas visuais eespécies. Estudamos como essas distribuições são semelhantes e descobrimos que, embora compartilhem algumas propriedades comuns, como valores médios próximos, a maioria delas são estatisticamente diferentes. Considerando que os tempos de fixações podem ser controladas por dois mecanismos diferentes: cognitivo ou ocular, focamos nossa pesquisa na busca de um modelo para a distribuição dos tempos de fixação suficientemente flexível para capturar os comportamentos observados em experimentos. Ao mesmo tempo, a função candidata para modelar a distribuição precisa ser a resposta de algum mecanismo interno muito robusto encontrado em todos os cenários acima mencionados. Assim, discutimos a idéia de um modelo baseado na estatística das microssacadas, resultando na soma de distribuições Gama, cada uma delas relacionada à presença de um número distinto de microsacadas contidas numa fixação.
Abstract: To gather information from the world around us, we move our eyes constantly. In different occasions we find ourselves performing visual searches, such as trying to find someone in a crowd or a book in a shelf. While searching, our eyes “jump” from one location to another giving rise to a wide repertoire of patterns, exhibiting distinctive persistent behaviors. Initially, by focusing on saccadic directions and intersaccadic angles, we disclose that the probability distributions of these measures show a clear preference of participants towards a reading-like mechanism (geometrical persistence), whose features and potential advantages for searching/foraging are discussed.We then perform a Multifractal Detrended Fluctuation Analysis (MF-DFA) over the time series of jump magnitudes in the eye trajectory and find that it exhibits a typical multifractal behavior arising from the sequential combination of saccades and fixations. By inspecting the time series composed of only fixational movements, our results reveal instead a monofractal behavior with a Hurst exponent H ∼ 0.7, which indicates the presence of long-range power-law positive correlations (statistical persistence). Motivated by the experimental findings from the study of the distribution of the intersaccadic angles, we developed a simple visual search model that quantifies the wide variety of possible search strategies. From our experiments we know that when searching a target within an image our brain can adopt different strategies. The question then is which one does it choose? We present a simple two-parameter visual search model (VSM) based on a persistent random walk and the experimental inter-saccadic angle distribution. The model captures the basic observed visual search strategies that range from systematic or reading-like to completely random. We compare the results of the model to the experimental data by measuring the space-filling efficiency of the searches. Within the parameter space of the model, we are able to quantify the strategies used by different individuals for three searching tasks and show how the average search strategy changes along these three groups. Even though participants tend to explore a vast range of parameters, when all the items are placed on a regular lattice, participants are more likely to perform a systematic search, whereas in a more complex field, the search trajectories resemble a random walk. In this way we can discern with high sensitivity the relation between the visual landscape and the average strategy, disclosing how small variations in the image induce strategy changes. Finally, we move beyond visual search and study the fixation time distributions across different visual tasks. Fixation times are commonly associated to some cognitive process, as it is in this instances where most of the visual information is gathered. However, the distribution for the fixation durations exhibits certain similarities across a wide range of visual tasks and foveated species. We studied how similar these distributions are, and found that, even though they share some common properties, such as similar mean values, most of them are statistically different. Because fixations durations can be controlled by two different mechanisms: cognitive or ocular, we focus our research into finding a model for the fixation times distribution flexible enough to capture the observed behaviors in experiments that tested these concepts. At the same time, the candidate function to model the distribution needs to be the response of some very robust inner mechanism found in all the aforementioned scenarios. Hence, we discuss the idea of a model based on the microsacaddic inter event time statistics, resulting in the sum of Gamma distributions, each of these related to the presence of a distinctive number of microsaccades in a fixation.
URI: http://www.repositorio.ufc.br/handle/riufc/22495
metadata.dc.type: Tese
Appears in Collections:DFI - Teses defendidas na UFC

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
2017_tese_tmaamor.pdf23,15 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.