Visual attention in primates and for machines - neuronal mechanisms

Visual attention is an important cognitive concept for the daily life of humans, but still not fully understood. Due to this, it is also rarely utilized in computer vision systems. However, understanding visual attention is challenging as it has many and seemingly-different aspects, both at neuronal and behavioral level. Thus, it is very hard to give a uniform explanation of visual attention that can account for all aspects. To tackle this problem, this thesis has the goal to identify a common set of neuronal mechanisms, which underlie both neuronal and behavioral aspects. The mechanisms are simulated by neuro-computational models, thus, resulting in a single modeling approach to explain a wide range of phenomena at once. In the thesis, the chosen aspects are multiple neurophysiological effects, real-world object localization, and a visual masking paradigm (OSM). In each of the considered fields, the work also advances the current state-of-the-art to better understand this aspect of attention itself. The three chosen aspects highlight that the approach can account for crucial neurophysiological, functional, and behavioral properties, thus the mechanisms might constitute the general neuronal substrate of visual attention in the cortex. As outlook, our work provides for computer vision a deeper understanding and a concrete prototype of attention to incorporate this crucial aspect of human perception in future systems.:1. General introduction 2. The state-of-the-art in modeling visual attention 3. Microcircuit model of attention 4. Object localization with a model of visual attention 5. Object substitution masking 6. General conclusionVisuelle Aufmerksamkeit ist ein wichtiges kognitives Konzept für das tägliche Leben des Menschen. Es ist aber immer noch nicht komplett verstanden, so dass es ein langjähriges Ziel der Neurowissenschaften ist, das Phänomen grundlegend zu durchdringen. Gleichzeitig wird es aufgrund des mangelnden Verständnisses nur selten in maschinellen Sehsystemen in der Informatik eingesetzt. Das Verständnis von visueller Aufmerksamkeit ist jedoch eine komplexe Herausforderung, da Aufmerksamkeit äußerst vielfältige und scheinbar unterschiedliche Aspekte besitzt. Sie verändert multipel sowohl die neuronalen Feuerraten als auch das menschliche Verhalten. Daher ist es sehr schwierig, eine einheitliche Erklärung von visueller Aufmerksamkeit zu finden, welche für alle Aspekte gleichermaßen gilt. Um dieses Problem anzugehen, hat diese Arbeit das Ziel, einen gemeinsamen Satz neuronaler Mechanismen zu identifizieren, welche sowohl den neuronalen als auch den verhaltenstechnischen Aspekten zugrunde liegen. Die Mechanismen werden in neuro-computationalen Modellen simuliert, wodurch ein einzelnes Modellierungsframework entsteht, welches zum ersten Mal viele und verschiedenste Phänomene von visueller Aufmerksamkeit auf einmal erklären kann. Als Aspekte wurden in dieser Dissertation multiple neurophysiologische Effekte, Realwelt Objektlokalisation und ein visuelles Maskierungsparadigma (OSM) gewählt. In jedem dieser betrachteten Felder wird gleichzeitig der State-of-the-Art verbessert, um auch diesen Teilbereich von Aufmerksamkeit selbst besser zu verstehen. Die drei gewählten Gebiete zeigen, dass der Ansatz grundlegende neurophysiologische, funktionale und verhaltensbezogene Eigenschaften von visueller Aufmerksamkeit erklären kann. Da die gefundenen Mechanismen somit ausreichend sind, das Phänomen so umfassend zu erklären, könnten die Mechanismen vielleicht sogar das essentielle neuronale Substrat von visueller Aufmerksamkeit im Cortex darstellen. Für die Informatik stellt die Arbeit damit ein tiefergehendes Verständnis von visueller Aufmerksamkeit dar. Darüber hinaus liefert das Framework mit seinen neuronalen Mechanismen sogar eine Referenzimplementierung um Aufmerksamkeit in zukünftige Systeme integrieren zu können. Aufmerksamkeit könnte laut der vorliegenden Forschung sehr nützlich für diese sein, da es im Gehirn eine Aufgabenspezifische Optimierung des visuellen Systems bereitstellt. Dieser Aspekt menschlicher Wahrnehmung fehlt meist in den aktuellen, starken Computervisionssystemen, so dass eine Integration in aktuelle Systeme deren Leistung sprunghaft erhöhen und eine neue Klasse definieren dürfte.:1. General introduction 2. The state-of-the-art in modeling visual attention 3. Microcircuit model of attention 4. Object localization with a model of visual attention 5. Object substitution masking 6. General conclusio

On the possible Computational Power of the Human Mind

The aim of this paper is to address the question: Can an artificial neural network (ANN) model be used as a possible characterization of the power of the human mind? We will discuss what might be the relationship between such a model and its natural counterpart. A possible characterization of the different power capabilities of the mind is suggested in terms of the information contained (in its computational complexity) or achievable by it. Such characterization takes advantage of recent results based on natural neural networks (NNN) and the computational power of arbitrary artificial neural networks (ANN). The possible acceptance of neural networks as the model of the human mind's operation makes the aforementioned quite relevant.Comment: Complexity, Science and Society Conference, 2005, University of Liverpool, UK. 23 page

A Focus on Selection for Fixation

A computational explanation of how visual attention, interpretation of visual stimuli, and eye movements combine to produce visual behavior, seems elusive. Here, we focus on one component: how selection is accomplished for the next fixation. The popularity of saliency map models drives the inference that this is solved, but we argue otherwise. We provide arguments that a cluster of complementary, conspicuity representations drive selection, modulated by task goals and history, leading to a hybrid process that encompasses early and late attentional selection. This design is also constrained by the architectural characteristics of the visual processing pathways. These elements combine into a new strategy for computing fixation targets and a first simulation of its performance is presented. A sample video of this performance can be found by clicking on the "Supplementary Files" link under the "Article Tools" heading

Learning the Optimal Control of Coordinated Eye and Head Movements

Various optimality principles have been proposed to explain the characteristics of coordinated eye and head movements during visual orienting behavior. At the same time, researchers have suggested several neural models to underly the generation of saccades, but these do not include online learning as a mechanism of optimization. Here, we suggest an open-loop neural controller with a local adaptation mechanism that minimizes a proposed cost function. Simulations show that the characteristics of coordinated eye and head movements generated by this model match the experimental data in many aspects, including the relationship between amplitude, duration and peak velocity in head-restrained and the relative contribution of eye and head to the total gaze shift in head-free conditions. Our model is a first step towards bringing together an optimality principle and an incremental local learning mechanism into a unified control scheme for coordinated eye and head movements