This study explores principles of motion based communication in animal and human group behavior. It develops models of cooperative control that involve communication through actions aimed at a shared objective. Moreover, it aims at understanding the collective motion in multi-agent models towards a desired objective which requires interaction with the environment. In conducting a formal study of these problems, first we investigate the leader-follower interaction in a dance performance. Here, the prototype model is salsa. Salsa is of interest because it is a structured interaction between a leader (usually a male dancer) and a follower (usually a female dancer). Success in a salsa performance depends on how effectively the dance partners communicate with each other using hand, arm and body motion. We construct a mathematical framework in terms of a Dance Motion Description Language (DMDL). This provides a way to specify control protocols for dance moves and to represent every performance as sequences of letters and corresponding motion signals. An enhanced form of salsa (intermediate level) is discussed in which the constraints on the motion transitions are described by simple rules suggested by topological knot theory. It is shown that the proficiency hierarchy in dance is effectively captured by proposed complexity metrics. In order to investigate the group behavior of animals that are reacting to environmental features, we have analyzed a large data set derived from 3-d video recordings of groups of Myotis velifer emerging from a cave. A detailed statistical analysis of large numbers of trajectories indicates that within certain bounds of animal diversity, there appear to be common characteristics of the animals' reactions to features in a clearly defined flight corridor near the mouth of the cave. A set of vision-based motion control primitives is proposed and shown to be effective in synthesizing bat-like flight paths near groups of obstacles. A comparison of synthesized paths and actual bat motions culled from our data set suggests that motions are not based purely on reactions to environmental features. Spatial memory and reactions to the movement of other bats may also play a role. It is argued that most bats employ a hybrid navigation strategy that combines reactions to nearby obstacles and other visual features with some combination of spatial memory and reactions to the motions of other bats.

A análise de comportamento coletivo e rastreamento de pedestres apresentam diversas aplicações, especialmente em sistemas de vigilância inteligente. Neste trabalho é proposta uma solução compreensiva com objetivo de atingir rastreamento de pedestre e reconhecimento de atividade coletiva de maneira robusta baseada na utilização de câmeras calibradas. Primeiramente, com o objetivo de remover a necessidade de calibração manual, nós apresentamos um método de calibração automática que explora detectores de pedestres e remoção de fundo para calibragem baseada em otimização não-linear. Adicionalmente, nós propomos a utilização da matriz de calibração para gerar candidatos coerentes com a geometria de cena em detectores de pedestres. Nossa abordagem tem como objetivo diminuir o intervalo de escalas comumente utilizado em detectores baseados em janelas deslizantes, gerando um número menor de extrações de atributos e reduzindo o número de falsos positivos na detecção. Em seguida, nós propomos um método de rastreamento de múltiplos pedestres utilizando câmeras calibradas. Nossa abordagem explora histogramas de cor para rastrear os pequenas regiões (patches) de cada alvo. Os vetores de deslocamento obtidos através do pareamento de atributos de aparência são combinados com um vetor obtido através de um preditor de movimento em coordenadas de mundo. Adicionalmente, nós incluímos informações originárias de detectores de pedestres para aumentar a acurácia do sistema e sua habilidade de recuperação a falhas. Por fim, nós propomos uma abordagem hierárquica de duas camadas para o problema de reconhecimento de atividade coletiva baseada no uso de classificadores Random Forests. No primeiro nível da técnica proposta, nós utilizamos distâncias entre pares de pessoas e suas respectivas velocidades relativas para classificar interações de pares. Estas interações são combinadas com a dinâmica do formato do grupo observado (e sua respectiva velocidade) para o reconhecimento de atividades coletivas. Os experimentos realizados neste trabalho demonstram a qualidade de nossas abordagens em sequências de vídeos disponíveis publicamente. Nossos resultados mostram serem competitivos quando comparados com técnicas do estado da arte e, particularmente, apresentam uma boa generalização entre diferentes cenários de captura de vídeo. / Collective behavior detection and pedestrian tracking present many applications, specially in surveillance systems. In this dissertation, we proposed a complete pipeline for achieving robust tracking and collective behavior recognition based on calibrated static cameras. To remove the necessity of manual calibration, we first present a fully automatic self-calibration system that explores pedestrian detection results and background removal at non-consecutive frames in order to calibrate a static camera using a non-linear cost function. We also propose the use of camera calibration to generate geometrically coherent candidates for pedestrian detection. Our approach aims to reduce the scale range typically used in sliding-window techniques, which leads to less feature extractions and decreased number of false positives. Then, we propose a multi-target pedestrian tracking algorithm using a calibrated static camera. The tracking approach explores color histograms to track patches of each target. Obtained displacement vectors are combined with the expected motion of pedestrians in the world coordinate system. The proposed tracker also incorporates pedestrian detector results to improve the system’s accuracy and its ability to recover from failure. Finally, we propose a two-layered approach for collective behavior recognition based on Random Forests classifiers. In the first level, we use inter-personal distances and relative speeds computed in the world coordinate system to classify asymmetrical pair interactions. Those interactions are combined with group shape dynamics and mean velocity to recognize the collective behavior. We devise a set of experiments to attest the quality of our approaches using publicly available datasets. Results have shown to be competitive against state-of-the-art techniques, and particularly of good generalization across different databases.

A análise de comportamento coletivo e rastreamento de pedestres apresentam diversas aplicações, especialmente em sistemas de vigilância inteligente. Neste trabalho é proposta uma solução compreensiva com objetivo de atingir rastreamento de pedestre e reconhecimento de atividade coletiva de maneira robusta baseada na utilização de câmeras calibradas. Primeiramente, com o objetivo de remover a necessidade de calibração manual, nós apresentamos um método de calibração automática que explora detectores de pedestres e remoção de fundo para calibragem baseada em otimização não-linear. Adicionalmente, nós propomos a utilização da matriz de calibração para gerar candidatos coerentes com a geometria de cena em detectores de pedestres. Nossa abordagem tem como objetivo diminuir o intervalo de escalas comumente utilizado em detectores baseados em janelas deslizantes, gerando um número menor de extrações de atributos e reduzindo o número de falsos positivos na detecção. Em seguida, nós propomos um método de rastreamento de múltiplos pedestres utilizando câmeras calibradas. Nossa abordagem explora histogramas de cor para rastrear os pequenas regiões (patches) de cada alvo. Os vetores de deslocamento obtidos através do pareamento de atributos de aparência são combinados com um vetor obtido através de um preditor de movimento em coordenadas de mundo. Adicionalmente, nós incluímos informações originárias de detectores de pedestres para aumentar a acurácia do sistema e sua habilidade de recuperação a falhas. Por fim, nós propomos uma abordagem hierárquica de duas camadas para o problema de reconhecimento de atividade coletiva baseada no uso de classificadores Random Forests. No primeiro nível da técnica proposta, nós utilizamos distâncias entre pares de pessoas e suas respectivas velocidades relativas para classificar interações de pares. Estas interações são combinadas com a dinâmica do formato do grupo observado (e sua respectiva velocidade) para o reconhecimento de atividades coletivas. Os experimentos realizados neste trabalho demonstram a qualidade de nossas abordagens em sequências de vídeos disponíveis publicamente. Nossos resultados mostram serem competitivos quando comparados com técnicas do estado da arte e, particularmente, apresentam uma boa generalização entre diferentes cenários de captura de vídeo. / Collective behavior detection and pedestrian tracking present many applications, specially in surveillance systems. In this dissertation, we proposed a complete pipeline for achieving robust tracking and collective behavior recognition based on calibrated static cameras. To remove the necessity of manual calibration, we first present a fully automatic self-calibration system that explores pedestrian detection results and background removal at non-consecutive frames in order to calibrate a static camera using a non-linear cost function. We also propose the use of camera calibration to generate geometrically coherent candidates for pedestrian detection. Our approach aims to reduce the scale range typically used in sliding-window techniques, which leads to less feature extractions and decreased number of false positives. Then, we propose a multi-target pedestrian tracking algorithm using a calibrated static camera. The tracking approach explores color histograms to track patches of each target. Obtained displacement vectors are combined with the expected motion of pedestrians in the world coordinate system. The proposed tracker also incorporates pedestrian detector results to improve the system’s accuracy and its ability to recover from failure. Finally, we propose a two-layered approach for collective behavior recognition based on Random Forests classifiers. In the first level, we use inter-personal distances and relative speeds computed in the world coordinate system to classify asymmetrical pair interactions. Those interactions are combined with group shape dynamics and mean velocity to recognize the collective behavior. We devise a set of experiments to attest the quality of our approaches using publicly available datasets. Results have shown to be competitive against state-of-the-art techniques, and particularly of good generalization across different databases.

Orientador: Jose Oscar de Almeida Marques / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Filosofia e Ciencias Humanas / Made available in DSpace on 2018-08-14T10:44:22Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Martins_LucasdosReis_M.pdf: 675340 bytes, checksum: 58fa2ceaade617fbed352c6cf359e113 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: O trabalho propõe-se a analisar o fenômeno das massas humanas e suas implicações culturais, sociais e políticas para o século XXI. Partindo da clássica obra Massa e Poder (1960), de Elias Canetti, o estudo prossegue com o exame de dois ensaios de Peter Sloterdijk, Regras para o Parque Humano (1999) e O Desprezo das Massas (2000), e procura esclarecer as transformações do conceito de massa entre esses dois autores, da massa negra e molar de Canetti à massa colorida e gasosa de Sloterdijk. Sem a pretensão de percorrer o conceito na história da filosofia política, pretende-se fazer notar como a reflexão sobre a natureza, as potencialidades e os riscos das multidões assume um papel cada vez mais importante no pensamento sobre a política e cultura contemporâneas. As catastróficas experiências das grandes guerras mundiais mostraram a urgência de uma análise séria dos comportamentos direcionados ou espontâneos de massa, principalmente para aqueles que desejam pensar sobre o que ainda podem significar, hoje, idéias como democracia ou humanidade. Se, como nota Sloterdijk, o humanismo não é mais capaz de domesticar o homem contemporâneo, bombardeado cada vez mais intensamente por mídias embrutecedoras, outras antropotécnicas - mais efetivas que o velho humanismo na sua forma de domesticar o homem - deverão substituí-lo em nome de um determinado projeto de humanidade. Massa e humanização apresentam-se hoje como tópicos estreitamente relacionados, e refletir sobre o que significa ser humano hoje e o que poderá significar amanhã exige uma maior compreensão dos fenômenos de massa no século que se inicia. / Abstract: This work proposes to examine the phenomenon of human masses and their cultural, social and political implications for the XXIth century. Taking as its point of depart Elias Canetti's classic essay Mass und Macht (1960), the study continues with an examination of two texts by Peter Sloterdijk, Regeln für den Menschenpark (1999) and Die Verachtung der Massen (2000), and seeks to clarify the transformations of the concept of mass between these two authors, from Canetti's black and molar mass to the gaseous and colorful mass of Sloterdijk. Without the pretension of examining the concept of mass through the whole history of political philosophy, its aim is to make clear how the reflection on the nature, the potential and risks of the masses has an increasingly important role in thinking about contemporary politics and culture. The disastrous experiences of the great world wars has shown the urgency of a serious analysis of the directed or spontaneous conduct of the masses, especially for those who want to think about what the ideas of democracy or humanity can still mean today. If, as Sloterdijk remarked, humanism is no longer capable of domesticating contemporary man, as he is increasingly bombed by brutal media, other antropotechniques - more effective than the old humanism to attain human domesticating - should replace it in the name of a particular project of humanity. Mass and humanization present themselves today as closely related topics, and to reflect about what it means to be human today and what could that mean tomorrow requires greater understanding of the phenomena of mass in the century that begins. / Mestrado / Mestre em Filosofia

O aprendizado de máquina consiste em conceitos e técnicas que permitem aos computadores melhorar seu desempenho com a experiência, ou em outras palavras, aprender com dados. Duas de suas principais categorias são o aprendizado não-supervisionado e o semissupervisionado, que respectivamente consistem em inferir padrões em bases cujos dados não têm rótulo (classe) e classificar dados em bases parcialmente rotuladas. Embora muito estudado, trata-se de um campo repleto de desafios e com muitos tópicos abertos. Sistemas dinâmicos coletivos, por sua vez, são sistemas constituídos por muitos indivíduos, cada qual um sistema dinâmico por si só, de modo que todos eles agem coletivamente, ou seja, a ação de cada indivíduo é influenciada pela ação dos vizinhos. Uma característica notável desses sistemas é que padrões globais podem surgir espontaneamente das interações locais entre os indivíduos, fenômeno conhecido como emergência. Os desafios intrínsecos e a relevância do tema vêm motivando sua pesquisa em diversos ramos da ciência e da engenharia. Este trabalho de doutorado consiste no desenvolvimento e análise de modelos dinâmicos coletivos para o aprendizado de máquina, especificamente suas categorias não-supervisionada e semissupervisionada. As tarefas de segmentação de imagens e de detecção de comunidades em redes, que de certo modo podem ser entendidas como tarefas do aprendizado de máquina, são também abordadas. Em especial, desenvolvem-se modelos nos quais a movimentação dos objetos é determinada pela localização e velocidade de seus vizinhos. O sistema dinâmico assim modelado é então conduzido a um estado cujo padrão formado por seus indivíduos realça padrões subjacentes do conjunto de dados. Devido ao seu caráter auto-organizável, os modelos aqui desenvolvidos são robustos e as informações geradas durante o processo (valores das variáveis do sistema) são ricas e podem, por exemplo, revelar características para realizar soft labeling e determinar classes sobrepostas. / Machine learning consists of concepts and techniques that enable computers to improve their performance with experience, i.e., learn from data. Unsupervised and semi-supervised learning are important categories of machine learning, which respectively consists of inferring patterns in datasets whose data have no label (class) and classifying data in partially-labeled datasets. Although intensively studied, machine learning is still a field full of challenges and with many open topics. Collective dynamical systems, in turn, are systems made of a large group of individuals, each one a dynamical system by itself, such that all of them behave collectively, i.e., the action of each individual is influenced by the action of its neighbors. A remarkable feature of those systems is that global patterns may spontaneously emerge from the local interactions among individuals, a phenomenon known as emergence. Their relevance and intrinsic challenges motivate research in various branches of science and engineering. In this doctorate research, we develop and analyze collective dynamical models for their usage in machine-learning tasks, specifically unsupervised and semi-supervised ones. Image segmentation and network community detection are also addressed, as they are related to machine learning as well. In particular, we propose to work on models in which the objects motion is determined by the location and velocity of their neighbors. By doing so, the dynamical system reaches a configuration in which the patterns developed by the set of individuals highlight underlying patterns of the dataset. Due to their self-organizing nature, it is also expected that the models can be robust and the information generated during the process (values of the system variables) can be rich and reveal, for example, features to perform soft labeling and determine overlapping classes.

Cette thèse présente une étude expérimentale des modifications des propriétés de diffusion résonante de la lumière par des nuages mésoscopiques de rubidium 87 froids dont la densité peut être variée. pour des densités de l’ordre de 1014 atomes/cm3, les distances entre certains atomes deviennent bien plus petites que la longueur d’onde du rayonnement à résonance avec la transition d2 (780 nm) du rubidium 87. l’ampleur des interactions dipôle-dipôle entre ces diffuseurs empêche alors de les considérer comme étant indépendants les uns des autres: on parle de diffusion collective. les méthodes employées pour produire les échantillons étudiés s’appuient sur des techniques de refroidissement (ralentisseur zeeman et piège magnéto-optique) et de piégeage (pinces optiques) d’atomes neutres permettant d’obtenir des ensembles d’atomes froids (environ 100 µK) allant d’exactement un à plusieurs centaines d’entre eux. les observations réalisées portent sur la lumière diffusée par ces atomes, collectée grâce à un système optique de grande ouverture numérique. l’étude consiste dans un premier temps en la caractérisation la diffusion résonante de lumière par un unique atome. elle aboutit notamment à la mesure du retard dans la diffusion par un atome d’un paquet d’ondes lumineuses, appelé délai de wigner, dans des conditions proches d’une expérience de pensée. dans un second temps, cette étude porte sur les propriétés de diffusion collective de lumière par des ensembles denses d’atomes. elle rapporte en particuliers une mesure de la suppression de l’excitation des nano-nuages en fonction de leur densité. / This thesis reports an experimental study of the modifications of the near-resonant light scattering properties of mesoscopic cold clouds of rubidium 87 which densities are tunable. for densities of the order of 1014 atoms/cm3, inter-atomic distances can be smaller than the wavelength of the radiation at resonance with the d2 line (780 nm) of rubidium 87. the magnitude of the dipole-dipole interactions between the scatters is such that they can no longer be considered as independent of each other: a phenomenon called collective scattering. the methods used to produce the studied samples are based on cooling (zeeman slower and magneto-optical trap) and trapping (optical tweezers) techniques for neutral atoms. they allow obtaining cold (100 µK) atomic ensembles containing from exactly one to several hundreds of atoms. the observations performed are based on the light scattered by these atoms which is collected thanks to a high numerical aperture optical system. in a first step, this study consists in characterizing the near-resonant light scattering by a single atom. it leads to the measurement of the delay in the scattering by an atom of a wave packet of light, called wigner delay, in conditions close to those of a gedanken experiment. in a second step, this study deals with the collective scattering of light by dense atomic ensembles. it especially reports a measurement of the suppression of the excitation of the nano-clouds versus their densities.

Ao observarmos uma trilha de forrageamento de formigas saúvas parece bastante claro que ela consiste no tráfego de muitos indivíduos que buscam alimento numa mesma fonte e o trazem para a colônia. No entanto, a organização presente numa trilha vai muito além do fato de que formigas operárias transportam folhas para o ninho. Desde os mecanismos de formação e manutenção de trilhas baseados no recrutamento e em retroalimentação positiva da marcação feromonal, até a forma com que formigas de tamanhos diferentes se dividem entre as tarefas de corte, transporte e patrulhamento, as trilhas de forrageamento exibem uma organização muito sofisticada, que reflete a complexidade característica dos de organismos eussociais. Neste cenário, é particularmente desafiador identificar a relação entre os comportamentos individuais, característicos de formigas de um dado morfotipo, e os padrões globais coletivos observados na colônia, como por exemplo, o padrão temporal da atividade de forrageamento. No caso de formigas Atta sexdens, apesar de ser reconhecida a importância do polimorfismo na divisão de tarefas, não foi investigado o seu papel na determinação do padrão temporal com que as tarefas são realizadas. Esta questão é especialmente interessante no caso das trilhas, sob a perspectiva de que soldados, que são formigas maiores, desempenham uma tarefa cuja demanda temporal é constante, e que formigas de tamanhos intermediários são responsáveis pelo forrageamento, realizado em horários preferenciais. Para avaliar se formigas de tamanhos diferentes diferem quanto a suas respectivas distribuições temporais de atividade nas trilhas, o presente trabalho gravou em vídeo por alguns dias uma trilha de forrageamento de uma colônia mantida em laboratório em condições controladas de fotoperíodo. Através da análise computacional dos vídeos, foi possível contar os indivíduos e medir o tamanho de cada uma das formigas gravadas. Os seguintes resultados foram observados: (i) a atividade é mais intensa durante a fase fase escura do que durante a clara; (ii) a intensidade da atividade não é temporalmente uniforme dentro das fases, apresentando transientes relacionados à antecipação da transições entre fases, apesar da ausência de crepúsculo; (iii) formigas de tamanhos diferentes distinguem-se quanto as suas distribuições temporais de atividade, ainda que não forma esperada expressa anteriormente; (iv) uma consequência global deste fato pode ser observada na variação do tamanho médio de formigas ao longo do experimento. As diferenças observadas no padrão temporal de atividade de formigas de tamanhos diferentes podem ser decorrentes de mecanismos endógenos de ritmicidade, e ou de mecanismos comportamentais de divisão de tarefas baseado em diferenças entre limiares para respostas / When we look at a leaf-cutting ant foraging trail it seems quite clear that it consists on the traffic of many individuals collecting food from a same source and bringing it to the colonies nest. However, the foraging trail organization goes much beyond the fact that worker ants transport leaves to the nest. From the trail formation and maintenance mechanisms, based in recruitment and in pheromone marking positive feedback, to how workers of different size divide themselves among cutting, transporting and patrolling, the foraging trail presents a sophisticated organization, reflecting the typical complexity of eusocial organisms. In this condition, it\'s particularly challenging to identify the relationship between individual behaviours, particular of ants of a given morphotype, and the global, collective patterns, observed in the colony, for example, the foraging temporal pattern. In the case of Atta sexdens, despite the widely known importance of polymorphism in division of labour, its role in determining the temporal activity patterns has not been investigated. It\'s a matter of major interest in foraging trails, considered the perspective that soldiers, which are big ants patrolling trails, perform a task whose demand is time constant, at least in non adverse conditions, while medias are largely responsible for foraging, which has preferential time for performance. In order to access if different size worker ants distinguish among their respective temporal activity patterns in trails, in this work we recorded a laboratory captive colony foraging trail, under a set photoperiod, and controlled temperature. By computational video analysis, we could count the ants and measure each of them. The following results may be highlighted : (I) trail activity is more intense during darkness than during light; (ii) activity intensity within each phase is not uniform in time, showing phase anticipation related transients, despite the absence of twilight; (iii) ants of different size distinguish among their temporal activity distributions, although not as the previously stated expectations; (iv) a global consequence of this may be seen in the mean ant size variation observed throughout the experiment. The differences of temporal activity patterns among ants of different size may result from endogenous rhythm mechanisms, and or from behavioural mechanisms of division of labour based in differential response thresholds

Nous étudions le comportement collectif d'une assemblée de colloïdes Janus, des sphères d'or de 1µm dont une moitié est recouverte de platine. Lorsqu'ils sont immergés dans une solution d'eau oxygénée, ils se déplacent à des vitesses de l'ordre de 5µm/s, contrôlable par la concentration en peroxyde. Individuellement, ces colloïdes suivent une marche aléatoire persistante ; Ils interagissent par effets phorétiques, formant des clusters dynamiques de quelques dizaines de colloïdes. Ces clusters, mobiles, échangent continuellement des colloïdes, se divisent et se fusionnent, formant une phase stationnaire. Nous avons développés ces colloïdes, ainsi qu'un système d'acquisition pour détecter et reconstituer les trajectoires des colloïdes. La taille moyenne des clusters augmente linéairement avec l'activité, définie comme la vitesse moyenne des colloïdes en dehors des clusters. La fonction densité de probabilité de la taille des clusters est une loi de puissance d'exposant -2. Nous quantifions les vitesses de translation et de rotation des clusters. Pour réaliser une étude thermodynamique, nous réalisons des expériences de sédimentation. Une transition est observée, entre une phase peu dense, un gaz parfait, dans lequel on mesure une température effective, et une phase dense à la dynamique hétérogène. L'équation d'état du système est mesurée, et une forme analytique heuristique est proposée / We study the collective behavior of an assembly of Janus Colloids. These are 1µm gold colloids with one half coated in platinum. When immersed in a peroxide bath, they self-propel, owing to diffusiophoresis and electrophoresis, moving at velocities of order 5µm/s. The velocity can be tune by adjusting the amount of peroxide in the bath. At the single particle level, the colloids undergo a persistent random walk. When in denser groups, the colloids interact through chemical and steric effects. The combination of these interactions, with the colloids activity, leads to collective effects. A dynamic cluster phase is observed, the formation of motile clusters of colloids, formed of up to 100 colloids. The clusters are in a stationary state, constantly moving, and exchanging colloids, they are also colliding, merging and breaking apart. We developed both the colloids, whose synthesis is described, and a high-throughput acquisition and analysis system. We measure the positions, and reconstruct the trajectories of thousands of colloids for a few minutes. From the trajectories, we extract statistical observables. We show that the sizes of clusters increases linearly as a function of the activity of the colloids. The probability distribution functions of sizes are power laws. As the density increases, a jamming transition is observed. The dense phase heterogeneous dynamics is characterized. We study the transition from the dense phase to a low density assembly with sedimentation experiments. The low density phase behaves as an ideal gas, allowing the definition of an effective temperature. We measure an equation of state for the system, and propose a heuristic collapse

Le déplacement collectif est l'un des phénomènes les plus remarquables de la nature. Il a été observé pour de nombreuses espèces animales, comme les essaims de bactéries, l'agrégation des fourmis, les bancs de poissons, les nuées d'oiseaux ou encore les foules d'humains. Ces comportements collectifs d'animaux ne sont pas seulement des scènes spectaculaires mais sont aussi une source d'intérêt pour explorer les mécanismes sous-jacents dans le but de comprendre les lois et l'évolution des groups biologiques ou même de nous aider à élaborer des essaims auto-organisés de robots.Nous avons étudié différents systèmes de déplacements collectifs, incluant des systèmes avec une seule espèce, comme les bancs de poissons et les foules d'humains et d'autres à plusieurs espèces, comme les systèmes de fuite et poursuite en groupe. Parmi lesquels, nous nous concentrons sur les mécanismes et les rôles du traitement de l'information sur les motifs macroscopiques. De plus, pour palier à la difficulté d'extraire des trajectoires depuis des vidéos expérimentales de qualité médiocre, nous proposons un outil rapide et robuste de suivi du déplacement. Notre contenu de recherche détaillé est le suivant : 1. Nous avons étudié les mécanismes de traitement de l'information dans les déplacements du Nez-rouge dans un dispositive annulaire. Pour la première fois, nous avons définis un comportement particulier aux bancs de poissons : des évènements de demi-tour. En introduisant un délai entre l'interaction entre les poissons, nous avons trouvé qu'à un poisson d'intérêt correspondent seulement un ou deux poissons qui ne sont pas nécessairement les plus proches. De plus, nous avons montré que l'information de tourner pendant un évènement de demi-tour collectif se propage comme des dominos. Enfin, nous avons utilisé le transfert d'entropie pour quantifier les flux d'information dans l'espace et le temps durant les évènements de demi-tour. 2. Nous avons étudié le rôle d'une perturbation dans un système de foule humaine en plaçant des obstacles (les perturbations) dans un flux de fuite de panique. Nous avons trouvé une façon simple et efficace d'augmenter le flux de fuite dans le but de sauver plus de vies dans des situations dangereuses. Nous avons appliqué des algorithmes génétiques pour optimiser l'agencement des piliers dans les simulations puis nous avons testé la qualité de ces résultats contre des expériences avec de vrais humains. Les résultats suggèrent que placer deux piliers le long des deux côtés d'une sortie peut maximiser la vitesse de sortie. 3. Nous avons étudié le rôle des mécanismes de traitement de l'information dans les déplacements collectifs multi-espèces en introduisant différentes strategies pour les proies dans un modèle de poursuite en groupe. Nous proposons trois stratégies d'agrégation : se déplacer vers le centre de masse de toutes les proies (MC), se déplacer vers la proie la plus proche (NN) et minimiser la distance totale entre toutes les proies (MD). Les résultats montrent que l'agrégation augmente grandement la durée de survie du groupe, et ceci même en autorisant les proies à être immortelles. Il y a une transition de phase de t (la durée de survie moyenne) en fonction de M (le nombre de prédateurs). 4. Nous avons développé un nouvel outil de suivi de déplacement pour améliorer les algorithmes de reconnaissance d'image et de suivi actuels afin d'extraire des trajectoires depuis des vidéos de qualité médiocre. Notre outil intègre un filtre de moyenne glissante, la soustraction du bruit de fond, des réseaux de neurones artificiels, du partitionnement en k-moyennes et une fonction d'erreur définie minutieusement. L'outil peut extraire une trajectoire depuis une video de basse qualité qui ne peut être fait que très difficilement par d'autres outils. Il peut suivre plusieurs animaux comme des poissons, des drosophiles, des fourmis, etc. Les performances de notre outil sont meilleures que idTracker et Ctrax. / Collective motion is one of the most striking phenomena in nature. It has been observed in a lot of animal species, such as bacteria, ants, fish, flocks of birds and crowds of human. These collective animal behaviors not only show us spectacular scenes, but also attract us to explore the underlying mechanisms in order to understand the laws and evolution of biological groups and even help us design smarter self-organizing robots. We study different collective motion systems including single species systems such as fish school and human crowd; and multi-species group chase and escape system. Among which, we focus on the mechanisms and roles of information processing on macro patterns. Moreover, regarding to the fact that it's very difficult to extract trajectory data from low quality experiment videos, we propose a fast and robust tracking tool. Details are as follows: 1. We study the mechanisms of information processing in the movements of Hemigrammus rhodostomus in a ring-shaped tank. For the first time, we define a special behavior of fish school: U-turn event. By introducing time delay between fish interaction, we find that a focal fish usually corresponds to only 1 or 2 fish which is not necessarily the nearest one. Moreover, we find the turning information during a group U-turn event propagates like domino. In addition, we use transfer entropy to quantify dynamic information flows in space and time across the U-turn events. 2. We study the role of perturbation information in human crowd system by introducing obstacles as perturbation information into a panic escaping flow. We find a useful and simple way to increase the panic flow in order to save more lives under dangerous situation. We apply genetic algorithms to optimize the layout of pillars in the simulations and then test the results with real human experiments. Results show that putting two pillars along the two sides of the exit can maximize the escape velocity. In the end, a tangential momentum theory is proposed to explain the role of the perturbation information. 3. We study the role of information processing mechanisms in multi-species collective motion by introducing different strateg?ies for the prey in a group chase model. We propose three aggregation strategies: moving to mass center of all preys, moving to the nearest prey and minimising the total distance to all preys. Results show that aggregation increase the group survival time greatly, even allowing immortal prey. There is a phase transition of t (average survival time) against M (number of predator). 4. We developed a new tracking tool to improve the current image recognizing and video tracking algorithms so as to extract trajectories from low quality videos. Our tool integrates mean-value filter, background substraction, artificial neural network, K-means clustering and a well defined cost function. It can track low quality videos which can be hardly tracked by other tools. And it can track different animals such as fish, drosophila, ants and so on. The overall tracking performance is better than idTracker and Ctrax.

Ao observarmos uma trilha de forrageamento de formigas saúvas parece bastante claro que ela consiste no tráfego de muitos indivíduos que buscam alimento numa mesma fonte e o trazem para a colônia. No entanto, a organização presente numa trilha vai muito além do fato de que formigas operárias transportam folhas para o ninho. Desde os mecanismos de formação e manutenção de trilhas baseados no recrutamento e em retroalimentação positiva da marcação feromonal, até a forma com que formigas de tamanhos diferentes se dividem entre as tarefas de corte, transporte e patrulhamento, as trilhas de forrageamento exibem uma organização muito sofisticada, que reflete a complexidade característica dos de organismos eussociais. Neste cenário, é particularmente desafiador identificar a relação entre os comportamentos individuais, característicos de formigas de um dado morfotipo, e os padrões globais coletivos observados na colônia, como por exemplo, o padrão temporal da atividade de forrageamento. No caso de formigas Atta sexdens, apesar de ser reconhecida a importância do polimorfismo na divisão de tarefas, não foi investigado o seu papel na determinação do padrão temporal com que as tarefas são realizadas. Esta questão é especialmente interessante no caso das trilhas, sob a perspectiva de que soldados, que são formigas maiores, desempenham uma tarefa cuja demanda temporal é constante, e que formigas de tamanhos intermediários são responsáveis pelo forrageamento, realizado em horários preferenciais. Para avaliar se formigas de tamanhos diferentes diferem quanto a suas respectivas distribuições temporais de atividade nas trilhas, o presente trabalho gravou em vídeo por alguns dias uma trilha de forrageamento de uma colônia mantida em laboratório em condições controladas de fotoperíodo. Através da análise computacional dos vídeos, foi possível contar os indivíduos e medir o tamanho de cada uma das formigas gravadas. Os seguintes resultados foram observados: (i) a atividade é mais intensa durante a fase fase escura do que durante a clara; (ii) a intensidade da atividade não é temporalmente uniforme dentro das fases, apresentando transientes relacionados à antecipação da transições entre fases, apesar da ausência de crepúsculo; (iii) formigas de tamanhos diferentes distinguem-se quanto as suas distribuições temporais de atividade, ainda que não forma esperada expressa anteriormente; (iv) uma consequência global deste fato pode ser observada na variação do tamanho médio de formigas ao longo do experimento. As diferenças observadas no padrão temporal de atividade de formigas de tamanhos diferentes podem ser decorrentes de mecanismos endógenos de ritmicidade, e ou de mecanismos comportamentais de divisão de tarefas baseado em diferenças entre limiares para respostas / When we look at a leaf-cutting ant foraging trail it seems quite clear that it consists on the traffic of many individuals collecting food from a same source and bringing it to the colonies nest. However, the foraging trail organization goes much beyond the fact that worker ants transport leaves to the nest. From the trail formation and maintenance mechanisms, based in recruitment and in pheromone marking positive feedback, to how workers of different size divide themselves among cutting, transporting and patrolling, the foraging trail presents a sophisticated organization, reflecting the typical complexity of eusocial organisms. In this condition, it\'s particularly challenging to identify the relationship between individual behaviours, particular of ants of a given morphotype, and the global, collective patterns, observed in the colony, for example, the foraging temporal pattern. In the case of Atta sexdens, despite the widely known importance of polymorphism in division of labour, its role in determining the temporal activity patterns has not been investigated. It\'s a matter of major interest in foraging trails, considered the perspective that soldiers, which are big ants patrolling trails, perform a task whose demand is time constant, at least in non adverse conditions, while medias are largely responsible for foraging, which has preferential time for performance. In order to access if different size worker ants distinguish among their respective temporal activity patterns in trails, in this work we recorded a laboratory captive colony foraging trail, under a set photoperiod, and controlled temperature. By computational video analysis, we could count the ants and measure each of them. The following results may be highlighted : (I) trail activity is more intense during darkness than during light; (ii) activity intensity within each phase is not uniform in time, showing phase anticipation related transients, despite the absence of twilight; (iii) ants of different size distinguish among their temporal activity distributions, although not as the previously stated expectations; (iv) a global consequence of this may be seen in the mean ant size variation observed throughout the experiment. The differences of temporal activity patterns among ants of different size may result from endogenous rhythm mechanisms, and or from behavioural mechanisms of division of labour based in differential response thresholds