小波變換用于視皮層簡單細(xì)胞模型的特性分析

1、小波變換用于視皮層簡單細(xì)胞模型的特性分析【摘要】以視皮層簡單細(xì)胞生理實(shí)驗(yàn)結(jié)果為根底，闡述了視皮層簡單細(xì)胞的生理構(gòu)造和功能。從視皮層簡單細(xì)胞具有邊緣檢測功能出發(fā)，分析了“邊緣檢測型視皮層簡單細(xì)胞的數(shù)學(xué)模型,對(duì)小波變換在圖像處理中的邊緣檢測原理進(jìn)展了分析說明，并對(duì)小波變換的數(shù)學(xué)性質(zhì)描繪。結(jié)合“邊緣檢測型視皮層簡單細(xì)胞現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)和小波變換的性質(zhì)，對(duì)小波變換用于建立邊緣檢測型視皮層簡單細(xì)胞模型的特性進(jìn)展了分析?！娟P(guān)鍵詞】人工智能邊緣檢測小波變換視皮層簡單細(xì)胞隨著對(duì)人類視覺系統(tǒng)研究的深化,人們對(duì)視覺系統(tǒng)的組成、視覺信息的處理通路以及視覺系統(tǒng)中許多種細(xì)胞的特性已經(jīng)有了比擬明確的認(rèn)識(shí)。arr1認(rèn)為

2、，關(guān)于視覺信息的處理可劃分為3個(gè)不同的層次來描繪：計(jì)算理論；表象和算法；硬件實(shí)現(xiàn)。第一層次是按視覺目的建立映射，即把一種信息映射成另一種信息，并對(duì)其抽象性質(zhì)進(jìn)展定義和論證；第二層次是輸入、輸出表象的選擇，以及表象表換的算法選擇；第三層次是表象和算法的物理實(shí)現(xiàn)。無疑，這3個(gè)方面的研究工作，都離不開視覺功能的模擬研究。它既可為研究提供論證，又可為其提供思想。Hubel和iesel2指出：在視覺系統(tǒng)中，從視網(wǎng)膜到大腦皮層存在一系列細(xì)胞，以感受野形式描繪。它們被視網(wǎng)膜上相應(yīng)區(qū)域的光感受細(xì)胞視桿細(xì)胞核或視錐細(xì)胞所激活，并以高度有序的組織形式，對(duì)時(shí)空信息進(jìn)展處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)“邊緣、“條紋、“方向、“雙眼立

3、體等圖像特征的檢測。因此“感受野及其對(duì)“感受野模擬一直是視覺及人工視覺研究的重要課題。對(duì)簡單細(xì)胞，生理學(xué)上的實(shí)驗(yàn)說明，其感受野大致分為兩類：一類對(duì)特定方向的邊緣敏感，稱之為“邊緣檢測器；另一類對(duì)線條敏感，稱之為“線條檢測器。小波理論是80年代后期逐漸開展起來的一個(gè)信號(hào)分析理論，是近年來得到廣泛應(yīng)用的數(shù)學(xué)工具。小波變換是傅立葉變化開展史上的一個(gè)里程碑，它源于傅立葉變換又優(yōu)于傅立葉變換。小波變換已經(jīng)在圖像處理的邊緣檢測中得到了廣泛的應(yīng)用，獲得了很多研究成果。視皮層簡單細(xì)胞的模型有很多，比擬著名是Gabr函數(shù)模型。本研究結(jié)合邊緣檢測型視皮層簡單細(xì)胞現(xiàn)有的數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)和小波變換的性質(zhì)，對(duì)小波變換用于

4、建立邊緣檢測型視皮層簡單細(xì)胞模型的特性進(jìn)展了分析。1視皮層簡單細(xì)胞生理根底50年代末以來，Hubel2，3等人首先創(chuàng)始了對(duì)視皮層細(xì)胞的研究，他們?cè)谝暺?7區(qū)第4層上發(fā)現(xiàn)了對(duì)特殊朝向的條形光刺激有強(qiáng)烈反響得感受野構(gòu)型。簡單細(xì)胞就是感受野由假設(shè)干個(gè)興奮和抑制交織排列的條狀子域組成的線性神經(jīng)元。哺乳動(dòng)物視覺皮層中的簡單細(xì)胞代表了視皮層信息處理的第一階段，它的時(shí)空感受野表達(dá)是其對(duì)刺激的空間和時(shí)間特性選擇性地產(chǎn)生發(fā)放的結(jié)果。簡單細(xì)胞主要分布在視皮層17區(qū)的第4層內(nèi)。簡單細(xì)胞的感受野小，呈長形，用閃爍的小光點(diǎn)可以測定其感受野中心區(qū)為一狹長形，在其一側(cè)或雙側(cè)有一個(gè)與之平行的拮抗區(qū)。簡單細(xì)胞對(duì)大面積的彌散光

5、無反響，而對(duì)處于拮抗區(qū)邊緣一定方位和一定寬度的條形刺激有強(qiáng)烈的反響，因此比擬合適于檢測具有明暗比照的直邊，對(duì)邊緣的位置和方位有嚴(yán)格的選擇性。圖1視皮層簡單細(xì)胞對(duì)刺激的反響略電生理實(shí)驗(yàn)說明，貓視皮層的簡單細(xì)胞感受野對(duì)亮條刺激具有最優(yōu)的朝向相應(yīng)特性。視皮層簡單細(xì)胞的根本性質(zhì)是對(duì)于空間頻率和朝向的選擇性,并被認(rèn)為具有特征檢測的功能，特別是其中感受野根本上由兩個(gè)顯著子域構(gòu)成的簡單細(xì)胞具有邊緣檢測的功能4。2小波變換通俗地講，小波就是小的波形，所謂“斜是指它具有衰減性，“波指的是它的波動(dòng)性。一個(gè)函數(shù)通過伸縮和平移操作后，形成一個(gè)函數(shù)簇ab：ab(x)|a-1/2|(a-1(x-b)單函數(shù)稱為根本小波，而

6、由派生出來的函數(shù)簇ab稱為小波。其中a稱為尺度參數(shù)，它改變?yōu)V波器的頻帶寬度，從而決定了變換結(jié)果中的頻域信息；b稱為位置參數(shù)，它決定了變換結(jié)果中的時(shí)域信息。由此可見，小波函數(shù)是同時(shí)具有頻域和時(shí)域定位特性的函數(shù)。與傅立葉(Furier)變換、窗口傅立葉變換(Gabr)相比，小波變換是空間(時(shí)間)和頻率的部分變換，因此能有效地從信號(hào)中提取信息。2.2小波變換特性分析由于小波可以平移，它特別合適分析部分信號(hào)特征，假如某一信號(hào)中存在一個(gè)非常小的連續(xù)點(diǎn)，其傅立葉變換的頻譜中幾乎沒有任何異常，但其小波變換的小波系數(shù)那么能清楚地說明斷點(diǎn)的位置和斷點(diǎn)的寬度，小波變換在探測信號(hào)變化趨勢、不連續(xù)點(diǎn)、高階導(dǎo)數(shù)不連續(xù)點(diǎn)

7、等方面有明顯的優(yōu)勢。小波變換將信號(hào)拆解成各種拉伸的、平移的小波，小波是不規(guī)那么的、變化劇烈的，因此對(duì)部分邊緣檢測特別有效8。由于小波變換具有的多尺度特性，圖像的每個(gè)尺度的小波變換都提供了一定的邊緣信息。當(dāng)尺度小時(shí)，圖像的邊緣細(xì)節(jié)信息較為豐富，邊緣定位精度較高；大尺度時(shí)，圖像的邊緣穩(wěn)定，抗噪性好。將各尺度的邊緣圖像的結(jié)果綜合起來，發(fā)揮大小尺度的優(yōu)勢，就能到達(dá)準(zhǔn)確的邊緣圖像。二維小波變換其本質(zhì)就是f(x,y)經(jīng)(x,y)光滑后的梯度：12jf(x,y)4完畢語人類接收外界信息有80%來自視覺，視覺系統(tǒng)的目的是賦予機(jī)器人類視覺處理信息的才能。視覺系統(tǒng)對(duì)外界圖像的感知，導(dǎo)致了圖像信息在視覺通路間的逐級(jí)

8、傳遞和提齲從生理實(shí)驗(yàn)結(jié)果知道，視皮層簡單細(xì)胞檢測的是細(xì)胞感受野某一特定位置上的方位信息，比起從LGN傳輸過來時(shí)信息得到了精齲把小波變換應(yīng)用于視皮層簡單細(xì)胞模型的創(chuàng)立，將對(duì)模型的穩(wěn)定性和可用性起到重要的作用?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1D.arr.AputatinalInvestigatininttheHuanRepresentatinandPressingfVisualInfratin.1988，2427.2D.H.HubelT.N.iesel.Reeptivefieldsbinularinteratinandfuntinalarhitetureintheatsvisualrtex.JurnalfPhysi

9、lgy，1959，148：574591.3D.H.HubelT.N.iesel.Funtinalarhitetureaaquenkeyvisualrtex.PrRySB,1977,198:159.4PllnDA.Visualrtialneurnsaslalizedspatialfrequenyfilters.IEEETrans.Systanybern.,1983,13(5):907916.5DauganJG.pletedisrete2-DGabrtransfrbyneuralnetrksfriageanalysisandpressin.IEEETransnASSP,1988,36(7):107114.6季虎，孫即祥，邵曉芳，等.圖像邊緣提取方法及展望.計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2022，14:7073.7姬榮耀，王國寧，王寧.基于小波變換的多尺度邊緣檢測.中國圖象圖形學(xué)報(bào)，1997,210：717720.8DauganJG.Unertaintyrelatinfrreslutininspae,spatialfrequeny,andrientatinptiizedbyt-diensinalvisualrtialfilters.J.pt.S.A.A/2,19