基于生物视觉特征的计算模型研究

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2、景和意义第1章绪论20世纪80年代以来，伴随着神经科学、计算神经科学、解剖学等神经生物科学的发展，人类对自身的大脑有了更深刻的了解，这为神经计算科学的发展奠定了基础。神经计算科学是一门新兴的信息处理学科，它以神经生理学和认知科学的研究成果、假说和模型为基础，利用数学原理和方法研究生物神经中的信息处理方式，提出不同于当今计算科学的新的计算原理。研究神经中的信息处理方式就是研究人类大脑对外界自然刺激的响应和处理方式。理解大脑工作方式的关键是要研究大脑如何对外界自然刺激的表达、编码、加工以及大脑如何解释世界。人类的大

3、脑是在长期的自然选择和生存竞争中缓慢进化而来的。在进化过程中，与外界环境互相作用，形成了远离平衡点、非线性的自适应系统。因此，研究人类的神经系统是对人类的最重要的挑战之一。人类是通过眼睛和大脑来获取、处理与理解视觉信息的。周围环境中的物体在可见光照射下，在人眼的视网膜上形成图像，由感光细胞将其转换成神经脉冲信号，并经神经纤维传入大脑皮层进行处理和理解。所以，视觉不仅指对光信号的感受，还包括对视觉信息的获取、传输、处理和理解的全过程。据统计，人类从外部获得的信息约80％是由视觉获取的。这既说明了视觉信息量是巨大的

4、，也表明了人类对视觉信息有较高的利用率，同时又体现了人类视觉功能的重要性。因此研究人类神经系统对视觉信息的处理具有重大的意义。1．2国内外研究现状研究人员针对视觉心理现象的研究具有悠久的历史。直到近两个世纪，随着生理学和解剖学的发展，对生物视觉系统的研究才进入神经元细胞级层面。本世纪以来，脑科学研究的高速发展，吸引了大量的研究人员从神经构成和总体功能模拟两方面探索生物视觉系统的工作机制，取得了大量的重要的研究成果。近四十年来，自从Hubel和Wiesel【11发现视皮层功能结构后，神经生理学家基于生物视觉特征的

5、计算模型研究对视网膜、视神经通道和视皮层的研究不断深化，对其中的视网膜、外侧膝状体、初级视皮层以及其他视觉细胞的构造以及神经细胞的感受野特性做了深入而详细的研究。在这些研究的基础上，研究人员提出了一系列的模型用于模拟视觉神经细胞对外界自然刺激的响应模式。1953年，Kuffler首次阐述了猫的神经元细胞的感受野在反应敏感性上的空间分布呈同心圆颉颃形式【21。Hubel和Wiesel【l】于1962年最早对朝向感受野进行研究，他们发现在大脑的视皮层中邻近的神经元对外界的刺激有相似的响应特性，并由此引入了“朝向柱"

6、和“超柱”的概念。Schw{趣z【31提出了平滑随机朝向数组这种抽象的计算模型来描述超柱结构。1965年，Rodieckl41提出了描述视网膜和外侧膝状体上同心圆型感受野的数学模型。1985年，Daugman等15J提出使用Gabor函数模拟简单细胞的感受野。1985年，Adelson【6J认为复杂细胞的响应可以用所谓的能量模型来摸拟。近期，研究人员基于这些研究成果，还提出了一些模型用于复杂的图像处理，比如轮廓提取。2003年，CosminGrigorescul71提出了一种名为非经典感受野抑带lJ(non．c

7、lassicalreceptivefieldinhibition，nCRF)的轮廓检测模型。2003年，NicolaiPetkov[sl详细阐述了带状噪声对于感知轮廓的抑制作用。2004年，MaumUrsino[9】构造了基于上下文影响的轮廓检测模型。2006年，GiuseppePaparitl0】提出了多层次周边抑制的轮廓检测模型。在研究视觉系统生理特征的同时，对人类视觉系统中神经系统的功能的研究也在进行着。人类的视觉神经系统能够迅速的处理外界输入的大量的无序的信息，按照目前掌握的知识，这需要非常庞大的难以估

8、量的神经元。然而，实际的神经感知系统拥有有效的神经元数量，却可以有效的表示所有的外界输入信息。针对这个问题，Attneave[¨J于1954年最先提出，视觉感知的目标是产生一个外部输入信号的有效表示；Barlowll2J在1961年提出了有效编码假说，认为在神经计算过程中，一个重要的约束就是编码的有效性。在有效编码假说的基础上，研究人员提出了一系列模型研究有效编码模型。2000年，H．