内容和运动方向感知计算模型.pdf

中国科学 C 辑 :生命科学 2008 年 第 38 卷 第 4 期 : 386 ~ 397 SCIENCE IN CHINA PRESS 内容和运动方向感知计算模型 ①②* ①* ① 杨文璐 , 张丽清 , 麻立波 ① 上海交通大学计算机科学与工程系, 上海 200240; ② 上海海事大学电子工程系, 上海 200135 * 联系人, E-mail: wenluyang@; zhang-lq@ 收稿日期: 2007-07-30; 接受日期: 2007-12-26 国家重点基础研究发展计划(批准号: 2005CB724301)和国家高技术研究发展计划(批准号: 2006AA01Z125)资助项目 摘要 对视野中的物体及运动方向进行感知是视觉感知的基本问题之一, 较高级 关键词 视皮层从V1 区的简单细胞开始分为两个通路: “What 通路”和“Where 通路”. 前者对 视觉感知 物体的形状、颜色、纹理等内容感知, 后者对空间运动速度和方向等感知. 本文利用 运动感知 仿脑视觉信息处理计算结构, 研究视觉内容和运动方向上的感知计算模型、计算机理 计算模型 和学习算法. 该计算模型是一个三层的神经网络, 第一层是视觉信号输入层, 用于接 视皮层 收外界图像刺激. 第二层是神经信息内部表象层, 与第一层的网络联结是通过神经 感受野 元稀疏表象原理自适应形成神经元的感受野. 为此, 引入Kullback_ Leibler 散度描述 简单细胞 神经元响应的独立性, 极小化该代价函数导出网络联结权值的学习算法. 从自然图 复杂细胞 像块中学习得到图像基函数, 这些基函数具有局部性、朝向性和带通滤波性. 这些性 质与生理实验结果中的V1 区简单细胞感受野特征相吻合. 将这些基函数作为神经元 的感受野, 并在第三层对较高级视皮层的内容感知和运动感知神经元进行建模. 在 理想刺激中加入一定量的噪声后, 该模型对内容和运动方向的感知仍有较高的准确 率和较好的鲁棒性. 最后给出的实验仿真结果说明模型的可行性和学习算法的简单 有效性. 人类的视觉系统在对外界信息的感知过程中扮 直到内部的颞皮层(TE 区), 呈现信息的分层处理机 演着非常重要的角色. 由于自然图像中包含着物体 制. 从 V1 区开始, 较高级皮层感受野越来越大, 如 的形状、颜色、纹理及空间运动速度和方向等复杂信 V1(1.5°), V4(4°)和 TE (26°×26°)[1]. 这表明信息处理 息, 视皮层在长时间的进化过程中为适应对各种信 由局部特征逐渐过渡到全局特征. 息的感知需要逐渐分离出许多功能区, 这些功能区 Where 通路从 V1 的4Cα后至 4B, 然后直接地或 形成两个主要的功能通路: 腹侧通路(What 通路)和 间接地经V2, V3 到达 V5(MT 区). MT 内的大部分细 背脊通路(Motion 或 Where 通路), 如图 1 所示. 前者 胞对刺激的运动方向、运动速度和双眼视差敏感, 侧 通过物体的形状、颜色和纹理等对物体进行识别, 后 重分析在视空间中物体运动的三维轨迹, 而不理会 者对物体的空间运动速度和方向进行响应. What 通 物体的形状. 虽然 MT 是在皮层分级中选择性地着重 路对物体特征的处理开始于初级视皮层(V1 区)细胞 运动分析的最低一级区域, 但是, 最根本的对方向、 的简单空间滤波, 经次级视皮层(V2), 高级视区(V4) 速度和视差的敏感的神经元在 V1 和 V2 亦占了相当 386