In dieser Doktorarbeit untersuchen wir zeitliche Langsamkeit als Prinzip für die Selbstorganisation des sensorischen Kortex sowie für computer-basierte Mustererkennung. Wir beginnen mit einer Einführung und Diskussion dieses Prinzips und stellen anschliessend den Slow Feature Analysis (SFA) Algorithmus vor, der das matemathisches Problem für diskrete Zeitreihen in einem endlich dimensionalen Funktionenraum löst. Im Hauptteil der Doktorarbeit untersuchen wir zeitliche Langsamkeit als Lernprinzip für rezeptive Felder im visuellen Kortex. Unter Verwendung von SFA werden Transformationsfunktionen gelernt, die, angewendet auf natürliche Bildsequenzen, möglichst langsam variierende Merkmale extrahieren. Die Funktionen können als nichtlineare raum-zeitliche rezeptive Felder interpretiert und mit Neuronen im primären visuellen Kortex (V1) verglichen werden. Wir zeigen, dass sie viele Eigenschaften von komplexen Zellen in V1 besitzen, nicht nur die primären, d.h. Gabor-ähnliche optimale Stimuli und Phaseninvarianz, sondern auch sekundäre, wie Richtungsselektivität, nicht-orthogonale Inhibition sowie End- und Seiteninhibition. Diese Resultate zeigen, dass ein einziges unüberwachtes Lernprinzip eine solche Mannigfaltigkeit an Eigenschaften begründen kann. Für die Analyse der mit SFA gelernten nichtlinearen Funktionen haben wir eine Reihe mathematischer und numerischer Werkzeuge entwickelt, mit denen man die quadratischen Formen als rezeptive Felder charakterisieren kann. Wir erweitern sie im weiteren Verlauf, um sie von allgemeinerem Interesse für theoretische und physiologische Modelle zu machen. Den Abschluss dieser Arbeit bildet die Anwendung des Prinzips der zeitlichen Langsamkeit auf Mustererkennungsprobleme. Die fehlende zeitliche Struktur in dieser Problemklasse erfordert eine Modifikation des SFA-Algorithmus. Wir stellen eine alternative Formulierung vor und wenden diese auf eine Standard-Datenbank von handgeschriebenen Ziffern an. / In this thesis we investigate the relevance of temporal slowness as a principle for the self-organization of the visual cortex and for technical applications. We first introduce and discuss this principle and put it into mathematical terms. We then define the slow feature analysis (SFA) algorithm, which solves the mathematical problem for multidimensional, discrete time series in a finite dimensional function space. In the main part of the thesis we apply temporal slowness as a learning principle of receptive fields in the visual cortex. Using SFA we learn the input-output functions that, when applied to natural image sequences, vary as slowly as possible in time and thus optimize the slowness objective. The resulting functions can be interpreted as nonlinear spatio-temporal receptive fields and compared to neurons in the primary visual cortex (V1). We find that they reproduce (qualitatively and quantitatively) many of the properties of complex cells in V1, not only the two basic ones, namely a Gabor-like optimal stimulus and phase-shift invariance, but also secondary ones like direction selectivity, non-orthogonal inhibition, end-inhibition and side-inhibition. These results show that a single unsupervised learning principle can account for a rich repertoire of receptive field properties. In order to analyze the nonlinear functions learned by SFA in our model, we developed a set of mathematical and numerical tools to characterize quadratic forms as receptive fields. We expand them in a successive chapter to be of more general interest for theoretical and physiological models. We conclude this thesis by showing the application of the temporal slowness principle to pattern recognition. We reformulate the SFA algorithm such that it can be applied to pattern recognition problems that lack of a temporal structure and present the optimal solutions in this case. We then apply the system to a standard handwritten digits database with good performance.

It`s blameful to do nothing. You should catch the day and its possibilities. Every second, minute and day, you have the potential to be constantly productive. Do not lose a second of time that you can use to create an imprint of your existence. Do not waste your time when you have the opportunity to create something measurably valuable. Soon you are gone and the competition is great. Doing nothing is a task that fewer and fewer are devoted to, to a lesser extent. We are expected to always be accessible and keep up to date with what is happening around us. There is a constant occupation of our sense of mind, thoughtfulness and rest is unprioritized. We try to maximize the part of our time when we are productive and active to absurdity. The goal seems to make as big imprint of our existence as possible. Fast and more is applauded until the day we burn ourselves out. In my work, I investigate passivity as backlash in a faster world, in a world where focus is on production, efficiency and results. A world where everything worth valuing is measurable. What is really a desired result and is it always possible to measure? Who really gets that gain from our fast life? Can passivity and slowness act as an activist act? Can one passively create something measurable? Is burning time perhaps our time´s most provocative act? With my work, I want to question my constant bad conscience about being insufficient and my feeling of not doing enough. If I can´t do enough, I do nothing instead. / Det är skuldbelagt att göra ingenting. Du bör fånga dagen och dess möjligheter. Varje sekund, minut och dag har du potential att vara konstant produktiv. Förlora inte en sekund av tid som du kan använda till att skapa ett avtryck av din existens. Slösa inte med din tid när du har möjlighet att skapa något mätbart värdefullt. Snart är du borta och konkurrensen är stor. Att göra ingenting är en syssla som allt färre ägnar sig åt. Vi förväntas alltid vara tillgängliga och hålla oss uppdaterade om vad som händer runt oss. Det sker ständigt en ockupation av våra sinnesintryck. Eftertänksamhet och vila prioriteras bort. Vi försöker att maximera den del av vår tid då vi är produktiva och aktiva till absurditet. Målet verkar vara att hinna sätta ett så stort avtryck av vår existens som möjligt. Snabbare och mer applåderas till den dagen då vi bränner ut oss. I mitt arbete undersöker jag passivitet som motreaktion till en snabbare värld, i en värld där fokus ligger på produktion, effektivitet och resultat. I en värld där endast det som är mätbart ges ett värde. Vad är egentligen ett önskat resultat och är det alltid möjligt att mäta? Vem är det egentligen som får vinsten av vårt snabba liv? Kan passivitet och långsamhet fungera som en aktivistisk handling? Kan man passivt skapa något mätbart? Är ”att bränna tid”  kanske vår tids mest provokativa handling? Med mitt arbete vill jag ifrågasätta mitt konstanta dåliga samvete om att vara otillräcklig och min känsla av att jag inte gör tillräckligt. Om jag inte kan göra nog så gör jag istället ingenting.

Les bâtiments commerciaux et industriels présentent une part non négligeable de la demande énergétique. L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier par des simulations numériques, le comportement thermoaéraulique des bâtiments de grand volume à usage commercial ou industriel et d’améliorer leurs performances afin de réduire leurs consommations énergétiques tout en assurant le confort thermique des occupants. La première partie de l’étude consiste à définir et à évaluer les paramètres d’enveloppe et de ventilation qui affectent la consommation d’énergie et le confort thermique de ce type de bâtiment. À travers des modèles développés (multizone et zonal) sur un bâtiment « générique », nous présentons l’impact des paramètres les plus importants (orientation du bâtiment, isolation thermique de l’enveloppe, propriétés radiatives de la toiture, sol, inertie thermique interne, diffusion de l’air…) sur la consommation énergétique et le confort. Ces paramètres sont déterminants surtout dans la conception de la toiture et du plancher de par leur influence sur les performances énergétiques du bâtiment étudié. Cette modélisation thermoaéraulique est ensuite appliquée à un bureau-entrepôt commercial existant. L’exploitation du modèle, dont les résultats sont confrontés aux mesures, et des études paramétriques permettent de démontrer l’efficacité de stratégies de ventilation naturelle nocturne. Dans la deuxième partie, nous évaluons certaines solutions de rafraîchissement passif (isolation thermique, ventilation naturelle nocturne, revêtement de toiture « cool roof ») permettant de maintenir le confort thermique en hiver aussi bien qu’en été tout en minimisant la consommation énergétique. Enfin, une étude d’optimisation nous permet de déterminer les paramètres optimums en fonction des conditions climatiques et des deux objectifs de confort et de performance énergétique. Ce travail ouvre de nombreuses perspectives sur la méthodologie de conception des enveloppes et l’adaptation du fonctionnement des installations de ventilation pour le rafraîchissement passif des bâtiments. / Commercial and industrial buildings represent a significant part of total energy demand. The objective of this thesis is to study the thermal behavior and airflows of commercial or industrial buildings (low-rise and large volume) by numerical simulations, to improve their thermal performance in order to reduce their energy consumption while maintaining thermal comfort of the occupants. The first part of this study consists in identifying and evaluating the keys factors that affect the energy demand and thermal comfort of these buildings. Using the developed models (multizone and zonal), we present the impact of the most important parameters (building orientation, thermal insulation, radiative properties of the roof, soil, internal thermal inertia, air diffusion…) on energy consumption and thermal comfort. We have identified here that the main influencing parameters can be found in the design of the roof and the ground floor considering the energy performance of the studied building. The developed model is then applied to a real commercial building. Results showed that the predictions are in good agreement with the measurements and that night-time natural ventilation can be an efficient passive cooling technique to avoid overheating in summer. In the second part, we evaluate the efficiency of different passive cooling techniques (thermal insulation, night-time natural ventilation, cool roof…) applied to ensure the thermal comfort in winter as well as in summer while minimizing the energy consumption. Finally, an optimization study is proposed to determine the optimal set of parameters for both objective functions considering the passive cooling techniques and the energy demand according to different climatic zones.