Modeling the speed-accuracy tradeoff using the tools of information theory

par Julien Gori

Thèse de doctorat en Réseaux, information et communications

Sous la direction de Olivier Rioul.

Le président du jury était Caroline Appert.

Le jury était composé de Jörg Müller, Stéphane Huot, Juan Pablo Piantanida, Yves Guiard.

Les rapporteurs étaient Gilles Bailly, Antti Oulasvirta.

  • Titre traduit

    Modélisation du compromis vitesse précision d'une tâche de pointage humain à l'aide des outils de la théorie de l'information


  • Résumé

    La loi de Fitts, qui relie le temps de mouvement MT dans une tache de pointage aux dimensions de la cible visée D et W est usuellement exprimée à partir d’une imitation de la formule de la capacité de Shannon MT = a + b log 2 (1 + D/W). Toutefois, l’analyse actuelle est insatisfaisante: elle provient d’une simple analogie entre la tache de pointage et la transmission d’un signal sur un canal bruité sans qu’il n’y ait de modèle explicite de communication.Je développe d’abord un modèle de transmission pour le pointage, où l’indice de difficulté ID = log 2 (1 + D/W) s’exprime aussi bien comme une entropie de source et une capacité de canal, permettant ainsi de réconcilier dans un premier temps l’approche de Fitts avec la théorie de l’information de Shannon. Ce modèle est ensuite exploité pour analyser des données de pointage récoltées lors d’expérimentations contrôlées mais aussi en conditions d’utilisations réelles.Je développe ensuite un second modèle, focalisé autour de la forte variabilité caractéristique du mouvement humain et qui prend en compte la forte diversité des mécanismes de contrôle du mouvement: avec ou sans voie de retour, par intermittence ou de manière continue. À partir d’une chronométrie de la variance positionnelle, évaluée à partir d’un ensemble de trajectoires, on remarque que le mouvement peut-être découpé en deux phases: une première où la variance augmente et une grande partie de la distance à couvrir est parcourue, est suivie d’une deuxième au cours de laquelle la variance diminue pour satisfaire les contraintes de précision requises par la tache.Dans la deuxième phase, le problème du pointage peut-être ramené à un problème de communication à la Shannon, où l’information est transmise d’une“source” (variance à la fin de la première phase) à une “destination” (extrémité du membre) à travers un canal Gaussien avec la présence d’une voie de retour.Je montre que la solution optimale à ce problème de transmission revient à considérer un schéma proposé par Elias. Je montre que la variance peut décroitre au mieux exponentiellement au cours de la deuxième phase, et que c’est ce résultat qui implique directement la loi de Fitts.


  • Résumé

    Fitts’ law, which relates movement time MTin a pointing task to the target’s dimensions D and Wis usually expressed by mimicking Shannon’s capacityformula MT = a + b log 2 (1 + D/W). Yet, the currentlyreceived analysis is incomplete and unsatisfactory: itstems from a vague analogy and there is no explicitcommunication model for pointing.I first develop a transmission model for pointing taskswhere the index of difficulty ID = log 2 (1 + D/W) isthe expression of both a source entropy and a chan-nel capacity, thereby reconciling Shannon’s informa-tion theory with Fitts’ law. This model is then levera-ged to analyze pointing data gathered from controlledexperiments but also from field studies.I then develop a second model which builds on thevariability of human movements and accounts for thetremendous diversity displayed by movement control:with of without feedback, intermittent or continuous.From a chronometry of the positional variance, eva-luated from a set of trajectories, it is observed thatmovement can be separated into two phases: a firstwhere the variance increases over time and wheremost of the distance to the target is covered, follo-wed by a second phase where the variance decreasesuntil it satisfies accuracy constraints. During this se-cond phase, the problem of aiming can be reduced toa Shannon-like communication problem where infor-mation is transmitted from a “source” (variance at theend of the first phase), to a “destination” (the limb ex-tremity) over a “channel” perturbed by Gaussian noisewith a feedback link. I show that the optimal solution tothis transmission problem amounts to a scheme firstsuggested by Elias. I show that the variance can de-crease at best exponentially during the second phase,and that this result induces Fitts’ law.


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