基于非經(jīng)典感受野機(jī)制的圖像認(rèn)知計(jì)算模型.pdf

1、計(jì)算機(jī)視覺在智能計(jì)算機(jī)的研究中具有重要的意義。但由于絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)視覺的研究者忽略了生理視覺原理，而過(guò)多地從工程角度出發(fā)提出各種理論和算法，使得計(jì)算機(jī)視覺缺乏完整的計(jì)算理論體系和統(tǒng)一的有效算法，無(wú)法解決復(fù)雜場(chǎng)景的認(rèn)知問題。所以當(dāng)前的計(jì)算機(jī)視覺實(shí)際上只能處理單一的局部信息，但大多數(shù)景象都是由多種不同的局部信息組成的。相比之下，高等哺乳動(dòng)物的視覺感知系統(tǒng)卻能夠在各種復(fù)雜的環(huán)境下輕松感知外界信息。當(dāng)高等哺乳動(dòng)物觀察一個(gè)景象時(shí)，大腦會(huì)很好地組合

2、各種局部視覺信息，產(chǎn)生總體協(xié)調(diào)的感覺，從非常復(fù)雜的背景中辨認(rèn)出各種尺度、各種特性的物體。所以，通過(guò)對(duì)高等哺乳動(dòng)物的視覺處理機(jī)制的研究，借助于神經(jīng)生理和認(rèn)知心理理論，完全可能找到一些新的突破點(diǎn)，為計(jì)算視覺理論提供新的原型，以解決計(jì)算機(jī)視覺遇到的困難。
　　 在視覺系統(tǒng)中，視覺信號(hào)的初級(jí)處理發(fā)生在視網(wǎng)膜(又被稱為“外周腦”)。神經(jīng)節(jié)細(xì)胞是視網(wǎng)膜信息處理的最后一站。感受野是視覺系統(tǒng)信息處理的基本結(jié)構(gòu)和功能單元，視網(wǎng)膜復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的處理結(jié)果

3、和反應(yīng)特性最終都體現(xiàn)在了神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的感受野上。它的作用是基礎(chǔ)性的，既匯聚了比它低層的信息，又為比它高層的加工環(huán)節(jié)準(zhǔn)備好了素材。因此對(duì)神經(jīng)節(jié)細(xì)胞信息加工機(jī)制的模擬對(duì)視覺算法具有顯著的啟示意義。
　　 視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)具有同心圓拮抗式的經(jīng)典感受野，其空間整合特性是處理圖像區(qū)域亮度對(duì)比信息、提取圖像的邊緣信息，但高等動(dòng)物極其復(fù)雜的視覺系統(tǒng)對(duì)圖像信息的處理絕不僅限于邊緣增強(qiáng)，它應(yīng)該在邊緣處理的基礎(chǔ)上，盡可能完整地把圖像信息傳遞給大腦。

4、>　　 非經(jīng)典感受野(non-classical receptive feld，or nCRF)是在經(jīng)典感受野(classical receptive field，or CRF)之外的一個(gè)大范圍區(qū)域，單獨(dú)刺激該區(qū)域并不能直接引起細(xì)胞的反應(yīng)，但對(duì)經(jīng)典感受野內(nèi)刺激所引起的反應(yīng)有調(diào)制作用。視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的非經(jīng)典感受野主要是去抑制性的，因此可以在一定程度上補(bǔ)償由經(jīng)典感受野所造成的低空間頻率信息的損失，在保持邊界增強(qiáng)功能的同時(shí)，傳遞圖像的區(qū)域

5、亮度梯度信息，顯示大面積表面上亮度的緩慢變化。由此可見，非經(jīng)典感受野大大拓寬了視覺細(xì)胞信息處理的范圍，為整合和檢測(cè)大范圍的復(fù)雜圖形提供了神經(jīng)基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞(GC)的感受野(RF)隨著視覺刺激的不同而發(fā)生變化，而以往對(duì)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞非經(jīng)典感受野的建模大多基于固定不變的感受野，都沒有考慮感受野的動(dòng)態(tài)變化特性。
　　 本文對(duì)視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞非經(jīng)典感受野的基本結(jié)構(gòu)建立了多層次、帶反饋的神經(jīng)計(jì)算模型，并模擬眼睛的固視微

6、動(dòng)和視覺系統(tǒng)自上而下的反饋?zhàn)饔靡蕴街噜弲^(qū)域內(nèi)的刺激屬性。在本文構(gòu)造的層次網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型中：視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的經(jīng)典感受野周邊區(qū)和去抑制性非經(jīng)典感受野是由一些小的亞區(qū)組成，能解釋去抑制作用的內(nèi)在神經(jīng)機(jī)制；神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的感受野是動(dòng)態(tài)變化的，它能根據(jù)刺激的性質(zhì)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，在圖像的邊界和需要精細(xì)分辨的細(xì)節(jié)處縮小，在變化不大的連續(xù)區(qū)域處擴(kuò)大，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像紋理塊的自動(dòng)分析與提取；設(shè)計(jì)的神經(jīng)回路得到神經(jīng)生物學(xué)證據(jù)的支持，能說(shuō)明去抑制性非經(jīng)典感受野與視

7、網(wǎng)膜神經(jīng)回路的關(guān)系；所設(shè)計(jì)的神經(jīng)回路包括自頂向下的主動(dòng)調(diào)控，并參考刺激的鄰域?qū)傩?，能夠由神?jīng)元同步響應(yīng)而實(shí)現(xiàn)整合和主動(dòng)選擇功能，從而實(shí)現(xiàn)完整系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)神經(jīng)元之間的協(xié)調(diào)作用；模擬神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像的通用表征，促進(jìn)后續(xù)更高級(jí)別的圖像信息處理。
　　 用本文構(gòu)造的層次網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型對(duì)自然圖像進(jìn)行通用表征實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，在圖像的相鄰區(qū)域內(nèi)，相似的地方被整合在一起，用一個(gè)大的感受野進(jìn)行表征，而不相似的地方被分開，用若干個(gè)小的感受野