面向视觉感知的类脑计算及其应用

发布时间：2021-08-04 04:03

　　在大脑信息处理整合机制和多任务协同、注意、记忆机制的作用下,视觉系统具有超强的信息处理能力。受此启发,本文借鉴视觉皮层的信息加工方式,尝试对其模拟建模并应用于图像处理。首先,考虑到腹侧视通路的精细视觉与局部和整体视觉感知的脑机制,从局部和整体分离的角度出发,构建多路径卷积神经网络的轮廓感知模型;其次,模拟初级视皮层和高级视皮层之间信息处理特性,构建低级特征编码和高级语义编码分离的分级特征编码模型;最后,将分级特征编码模型应用于图像去雾和小样本识别任务。本文主要研究工作和成果如下:（1）提出一种多路径卷积神经网络的轮廓感知新方法。首先,利用高斯金字塔尺度分解获得表征视觉整体信息的低分辨率子图,通过2维高斯导函数获得描述细节特征的边界响应子图;其次,构建具有稀疏编码特性的子网络（Sparse-Net）实现对整体轮廓的快速检测,构建具有冗余度增强编码特性的子网络（Redundancy-Net）实现对局部细节特征提取;最后,通过像素对比度关系实现轮廓响应的整体感知和局部检测的融合,获取轮廓的精细化感知结果。以BSDS500图库为实验对象,在GTX1080Ti环境下,单独Sparse-Net对整... 

【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省

【文章页数】：64 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

神经网络与视觉皮层的结构对比[4]

杭州电子科技大学硕士学位论文7第2章视觉感知类脑计算的理论基础2.1视通路概述视通路主要分为视网膜、外侧膝状体、初级视皮层以及高级视皮层(大脑中枢)，在这里从视觉信息的捕获到大脑视觉皮层理解是一个逐渐解析的过程。研究表明，初级视皮层对颜色、纹理、角点和朝向等局部特征比较敏感；高级视皮层有更复杂的组织结构，主要负责提取全局的抽象特征，再经大脑视觉中枢的理解获取整体视觉体验[41]。不同功能的组织细胞分布在不同的视皮层表面，对应形成不同功能的视通路。如图2.1所示，描述了视通路中各处理单元对输入信息的主要处理过程。图中以轮廓感知为例，视觉信息进入视网膜，经感光细胞提取颜色特征；再到初级视皮层(V1区)，初级视皮层的组织细胞对朝向信息较为敏感，主要提取方向特征；同时从V1区引出两条通路，一条腹侧通路主要负责整体目标识别，另一条背侧通路主要负责局部空间位置和运动等细节检测，最后两条通路信息在高级视觉中枢做信息融合，实现视觉任务。经科学家们研究还发现，视觉感知皮层具有极其强大的抗干扰能力，即使有某些组织细胞被损伤，也不会影响的生物识别，同时也说明视觉识别不是仅依靠单个神经细胞，而是群体神经细胞交错激活，共同促进视觉感知。图2.1多级视觉感知皮层的整体结构2.1.1视网膜感光细胞感光细胞是视网膜上的重要组成部分，失去了感光细胞，人们就无法看到外界的场景。感光细胞是人们对外界感知的媒介，主要包括视杆细胞和视锥细胞。视锥细胞对强光较为敏感，通常作用于强光下的目标和颜色；视杆细胞分布于视网膜的周围，因为其细胞内含有视紫红质，主要在弱光条件下分解，引起视神经冲动，所以常作用于弱光下的目标和亮度[42]。视网膜感光细胞是视觉信息流进入视通路的第一个重要特征提取层，主

杭州电子科技大学硕士学位论文82.1.2外侧膝状体外侧膝状体(lateralgeniculatenucleus,LGN)用于传递视网膜和初级视皮层之间的信息，通过解刨猴子的外侧膝状体发现，其共分为6层，如图2.2所示。其中一层和二层组成大细胞通路(M通路)，第三层到第六层共组成小细胞通路(P通路)，M通路负责亮度和低频信号的加工处理，P通路负责接收视网膜K细胞的颜色信息和高频信息，并加工处理。有研究证实，LGN还对方向特性的高频信号较为敏感，所以在视网膜信息传入初级视皮层之前也经过简单的方向选择。同时也说明视通路的各个单元相互之间有一定的功能重合，以至于各个单元之间无缝衔接，这也是为什么视觉通路可以精确快速的加工信息的原因之一。图2.2外侧膝状体层次图2.1.3视觉皮层在人脑视觉系统中随着逐层信息的传递，视觉特征是从具体到抽象的过程。当大脑初级皮层接收到电信号刺激后，提取某些特征，并将这些特征传递到新的大脑皮层中，抽取更加抽象的特征，再传递到下一层，如此反复可实现完整的视觉感知。当前的深度神经网络就是如此，用逐层传递的卷积神经网络提取特征图，再结合相关的激活处理、分类和拟合，最终完成视觉任务。具体的人脑视觉皮层结构如图2.3所示，从浅层到深层依次为视网膜、低级视觉皮层、中级视觉皮层和高级视觉皮层。经专家研究发现，每一层都有独特的功能，例如视网膜获取视觉刺激(即，像素)，初级视皮层就是人们熟知的V1区，它是最早被发觉出来，也是被研究最多的视皮层区，常被用于获取简单图像的局部朝向信息和空间频率信息[43]。V1区的感知细胞作为低级特征提取器，并提供给中级或高级视皮层。中级视皮层即V2、V3区，作为连接V1和高级视皮层V4、IT的桥梁，它的处理方式与初级视皮层有部分相同之处[44]。其中V3主要负责V2区到?


本文编号：3320964