Soutenance de thèse de CASTRO RONDON Diego
Titre de thèse
Flocking by eye: mouvement collectif d'animaux basé sur des signaux bio-plausibles
Flocking by eye: Bio-inspired flocking based on realistic visual cues
Résumé de la thèse
Les mouvements collectifs sont omniprésents parmi de nombreuses espèces d'animaux, et ce quelle que soit leur taille ou mode de locomotion. Cependant, les modèles existants reposent sur les particules autopropulsées, dans lesquelles chaque particule possède des mesures artificielles "omniscientes" des distances et des vitesses de ses voisins. Ils simplifient la perception des animaux de façon irréaliste, comme si un animal pouvait connaître les positions exactes de tous ses congénères membres d'un même groupe. En réalité, les animaux utilisent la vision comme base de leur comportement collectif.
L'objectif de cette thèse est de développer un modèle de mouvement collectif basé sur la perception visuelle des animaux. Dans cette étude, chaque individu voit les autres individus sous forme de sphères. Ainsi, chaque individu n'est pas identifié, mais il est perçu seulement pour leur projection sur la rétine panoramique de chaque individu. Les informations visuelles utilisées par les individus sont une combinaison de la taille optique d'un ou d'un amas d'individus, sa position rétienne, son mouvement apparent (flux optique de translation), son expansion/contraction optique (divergence du flux optique). Cette information implémente deux règles que sont appliquées à tous les individus, l'attraction et L'alignement.
La première règle, l'attraction, basé la taille optique des individus telle que perçue par chaque individu dans son champ visuel : cette règle représente le désir inhérent du groupe de rester ensemble. Sans attraction, les individus s'éloigneraient naturellement les uns des autres.
La seconde règle est l'alignement, basé sur le flux optique. Une distinction est faite entre le flux optique de translation, qui correspond au défilement optique des objets rétiniens, et la divergence du flux optique, qui correspond à la variation de taille optique des objets rétiniens. L'alignement reflète la tendance du groupe à se déplacer dans la même direction. Sans alignement, les individus du groupe auraient du mal à se suivre.
Ce modèle visuel comble l'écart entre les approches traditionnelles basées sur la physique des particules et la perception visuelle et il a permis de reproduire les principaux comportements collectifs :
le bourdonnement (swarming), comme celui d'un groupe d'abeilles ou de moustiques qui volent ensemble dans une même zone,
un banc ou une volée (schooling), comme un groupe d'oiseaux qui volent ensemble d'un endroit à l'autre, et,
le vortex (milling), comme une multitude de poissons qui tournent en rond dans un mouvement tourbillonnant.
De plus, ce modèle visuel a été complété avec succès par l'introduction des contraintes nécessaires pour un essaim robotisé — un délai, une ancre et une évitement —. Les résultats de l'implémentation sur robots sphériques ont étroitement correspondu à ceux du modèle visuel complété. Ces similitudes ont été observées non seulement dans les motifs reproduits, mais aussi dans leur distribution dans l'espace des états d'alignement/d'attraction. Le diagramme de distribution des phases obtenu est le premier de ce type à être produit avec des robots sphériques. Des robots dont le comportement est assez proche de celui des particules autopropulsées traditionnelles utilisées pour simuler le comportement collectif.
En résumé, ma thèse de doctorat propose un cadre biologiquement plausible pour comprendre le mouvement collectif avec un parallèle constant aux méthodes traditionnelles basées sur les particules autopropulsées et leur mise en œuvre dans des robots ayant une cinématique similaire.
Thesis resume
Collective movements are ubiquitous among many animal species, whatever their mode of locomotion. Traditionally, collective behaviors models rely on self-propelled particles, where each had “omniscient” knowledge of its neighbor's distances and velocities. This knowledge of distances and speeds does not in any way reflect the perception used by the animals. Animals rather use their vision during their collective behavior.
A model of collective movement based on the visual perception of animals was developed. The model reproduced the main collective behaviors --swarming, schooling and milling--. To simulate these collective behaviors, the same rules are followed by all the individuals. The first rule is attraction, based on the optical size of the individuals as perceived by each individual in his visual field.
Attraction represents the group's inherent desire to stay together. Without attraction, individuals would naturally move away from each other. The second rule is alignment, based on optical flow. A distinction is made between translational optic flow, which corresponds to the optical scrolling of retinal objects, and optic flow divergence, which corresponds to the optical size variation of retinal objects.
Alignment reflects the group's tendency to move in the same direction. Without alignment, individuals in the group would have difficulty keeping up with each other. This visual model bridges the gap between traditional particle physics-based approaches and visual perception.
Furthermore, this visual model was successfully supplemented by introducing simple necessary constraints --delay, an anchor and avoidance-- for a robotized flock. The results of the robotic implementation closely mirrored those of the supplemented visual model. These similarities were not only observed on the behaviors that were reproduced, but also on their distribution in the alignment/attraction state space. The phase distribution map obtained is the first obtained with spherical robots, whose behavior is quite similar to that of traditional self-propelled particles.
Overall, my PhD thesis provides a biologically plausible framework for understanding collective motion.