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视网膜的视觉生理功能-数学模型及其在图像处理中的应用
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China Computer&Communication
计算机教学信息化
2010年11月刊
视网膜的视觉生理功能、数学模型及其在图像处理中的应用
陆秋菊 陈忠泽 南华大学电子信息工程系, 湖南衡阳 421001
摘要:视网膜的视生理功能、机制及其数学建模等一直是视觉及其应用领域的研究热点。本文对人们在视网膜的视觉生理功能研究上的发现
进行了提炼和分析;对基于视网膜视生理机制的数学建模及其在图像处理/理解中的应用做了回顾和总结。首先对人们已经发现的关于视网膜在目
标边缘与轮廓的提取、图像编码和运动检测等三个方面的功能及其机制进行论述,然后就视网膜功能机制的神经网络建模以及相关神经网络模型
在图像处理中性能进行了分析、比较和总结,最后就视网膜的不同生理功能之间、神经网络模型与视网膜生理功能之间的关系进行了讨论。
关键词:视网膜的生理功能;数学模型;图像处理
中图分类号:TP39 文献标识码:Aꢀ文章编号:1003-9767(2010)11-0166-02
编码功能的物质基础,这种同心圆结构使得视觉系统能充分利用自然
一、引言
视网膜是位于视觉系统最前端的具备感光功能并能对所接受到的
刺激信号进行初步处理的组织。它由若干层神经细胞通过不同的突触
连接形成复杂的网络,完成初级的视觉功能。对视网膜(以及对整个
视觉系统)进行研究一方面可以帮助人们认识视觉的机理,同时又有
着广泛的工程应用背景,图像处理和识别、计算机视觉等领域的关键
问题的最终解决或都将依赖于人们对生物视觉机制的揭示。揭示视觉
系统的机理并从中获取有益的启示,目前仍然是计算机视觉领域既具
吸引力又有挑战性的工作之一。
景象中空间相关性将固有噪声的影响降到最低来编码空间信息——即
利用感受野中心亮度与周围亮度的对比关系,通过细胞间的侧抑制作
用使得神经节细胞剔除冗余信息而只编码有用的信息。
2.3 视网膜的目标运动检测功能
实现对运动目标的检测是视觉系统的重要功能之一。研究发现这
一过程是由视网膜来完成的,因为视网膜中存在着这样的一群神经节
细胞:当这些神经节细胞感受野的中心与周围的激励具有不同的运动
轨迹(即相对运动)时感受野的中心就具有检测运动的能力,并且这
些细胞对相对运动的选择性是不依赖于相对运动的方向。
生物(包括人类自身)的视觉系统是视觉(图像)信号处理的一
个典范。作为视觉系统信息处理的最前端,视网膜首当其冲成为脑科
学等领域的研究热点之一。对视网膜的研究始于20世纪初人们对细胞
认识的深入,如H. Fer. Hartline于1938年首先明确了感受野(receptive
field)的概念和侧抑制(lateral inhibition)机制,1953年Stephen Kufler对
感受野的定义作出了更精细的描述并阐述了猫眼视网膜神经节细胞
(ganglion cell)感受的同心圆模型。1962年David Hubel和Torsten Wiesel
揭示了感受野高度依赖于所采用的视觉刺激图形的特性,这对感受野
的定义产生了重要影响。1966年,Enroth-Cugell和Robson把神经节细
胞分为X-cell和Y-cell等等。
三、视网膜视神经机制的数学建模及其在图像处理中的
应用
尽管目前人们对视网膜的生理功能及其机制还不完全清楚,但关
于视网膜的一系列发现给我们理解和应用视觉机制提供了非常宝贵和
有益的启示。本节将就人们在视网膜的视觉机制建模方面的研究做一
简单回顾。
3.1 视网膜边缘和轮廓提取模型
目前人们就基于视网膜中细胞间的侧抑制机制和无意识眼球运动
特性建立了如下视网膜模型。图像的边缘检测和轮廓提取一直是图像
信息处理中的重要研究内容,而基于侧抑制理论的边缘与轮廓提取模
型是人们研究的重要内容之一。根据侧抑制作用具体方式的不同,侧
抑制作用的数学模型可以分为减法型和分流型两类。
二、视网膜的视觉信息加工功能综述
视网膜起源于前脑的一小块胚胎组织,因此被认为是脑组织的一
部分而又被称为外周脑,它大约包括了十层细胞,这十层细胞构成了
一个复杂的细胞网络,具有初步的视觉信息处理功能。迄今为止,人
们已经发现视网膜具有边沿提取、预编码以及运动检测等三大功能,
现分别简述如下。
1965年,Rodieck定量地分析了猫的视网膜神经节细胞对光刺激
反应的时间特性,建立了如下神经节细胞感受野的减法型数学模型:
2.1 视网膜的目标边缘和轮廓提取功能
(1)
边沿与轮廓提取在图形—背景分离乃至整个生物视觉过程中都起
着非常关键的作用。在视觉系统中,视网膜对于图像边缘的提取能够
达到非常高的精度,研究表明这是因为人的视网膜中存在着的大量的
分层排列的视觉细胞和存在于层内细胞之间侧抑制作用。Hartline及
其同事对鲎鱼的复眼进行了30年的细致研究,在鲎鱼的视觉系统中发
现了侧抑制机制,成功地解释了马赫带等一系列视觉现象。在视觉信
号的预处理和传输阶段,侧抑制原理被认为起着关键性的作用。侧抑
制使得光照较亮区域中强烈兴奋的感受器对光照较暗区域中兴奋较低
的感受器所施加的抑制作用要比后者对前者的抑制作用强,因此视网
膜影像中陡的强度梯度——边缘/边界就被凸显出来。
其中,
制权重,
对应感受野的中心位置,
和
分别表示兴奋和抑
和
分别为同心圆结构感受野中心区和周围区的半径。
1966年,Enroth-Cugell和Robson运用Rodieck提出的减法型数学模
型来计算细胞的正弦激励的空间频率响应,基于其特性建立起来的频
率分析方法在今后的几十年中的工程应用领域(系统理论、滤波和控
制论等)方面得到了广泛的应用。
2009年,Francisco Barranco等将视网膜减法型数学模型和多尺度
与等级序列编码计算结合的方法来对运动信息进行估计,该方法不仅
能准确的检测到目标运动,而且还能检测到运动目标的颜色和纹理等
信息。
2.2 视网膜的图像编码、预编码功能
物质世界是由离散的物体所组成的,这些物体表面的反射率都相
当地一致,因此无论是在空间上还是在时间上相邻的两个图像点都有
着非常相似的亮度。这些冗余信息使得视网膜高效地编码视觉图像。
视网膜的编码功能是由神经节细胞来完成的。视网膜中许多类型的神
经节细胞所具有的中心-周围拮抗式同心圆结构感受野是视网膜具有
Sperling在1970年提出了具有分流型抑制机制的模型,该模型可
用下式微分方程表示:
(2)
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