在大腦信息處理整合機制和多任務(wù)協(xié)同、注意、記憶機制的作用下,視覺系統(tǒng)具有超強的信息處理能力。受此啟發(fā),本文借鑒視覺皮層的信息加工方式,嘗試對其模擬建模并應(yīng)用于圖像處理。首先,考慮到腹側(cè)視通路的精細視覺與局部和整體視覺感知的腦機制,從局部和整體分離的角度出發(fā),構(gòu)建多路徑卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輪廓感知模型;其次,模擬初級視皮層和高級視皮層之間信息處理特性,構(gòu)建低級特征編碼和高級語義編碼分離的分級特征編碼模型;最后,將分級特征編碼模型應(yīng)用于圖像去霧和小樣本識別任務(wù)。本文主要研究工作和成果如下:（1）提出一種多路徑卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輪廓感知新方法。首先,利用高斯金字塔尺度分解獲得表征視覺整體信息的低分辨率子圖,通過2維高斯導函數(shù)獲得描述細節(jié)特征的邊界響應(yīng)子圖;其次,構(gòu)建具有稀疏編碼特性的子網(wǎng)絡(luò)（Sparse-Net）實現(xiàn)對整體輪廓的快速檢測,構(gòu)建具有冗余度增強編碼特性的子網(wǎng)絡(luò)（Redundancy-Net）實現(xiàn)對局部細節(jié)特征提取;最后,通過像素對比度關(guān)系實現(xiàn)輪廓響應(yīng)的整體感知和局部檢測的融合,獲取輪廓的精細化感知結(jié)果。以BSDS500圖庫為實驗對象,在GTX1080Ti環(huán)境下,單獨Sparse-Net對整... 

【文章來源】：杭州電子科技大學浙江省

【文章頁數(shù)】：64 頁

【學位級別】：碩士

【部分圖文】：

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與視覺皮層的結(jié)構(gòu)對比[4]

杭州電子科技大學碩士學位論文7第2章視覺感知類腦計算的理論基礎(chǔ)2.1視通路概述視通路主要分為視網(wǎng)膜、外側(cè)膝狀體、初級視皮層以及高級視皮層(大腦中樞)，在這里從視覺信息的捕獲到大腦視覺皮層理解是一個逐漸解析的過程。研究表明，初級視皮層對顏色、紋理、角點和朝向等局部特征比較敏感；高級視皮層有更復(fù)雜的組織結(jié)構(gòu)，主要負責提取全局的抽象特征，再經(jīng)大腦視覺中樞的理解獲取整體視覺體驗[41]。不同功能的組織細胞分布在不同的視皮層表面，對應(yīng)形成不同功能的視通路。如圖2.1所示，描述了視通路中各處理單元對輸入信息的主要處理過程。圖中以輪廓感知為例，視覺信息進入視網(wǎng)膜，經(jīng)感光細胞提取顏色特征；再到初級視皮層(V1區(qū))，初級視皮層的組織細胞對朝向信息較為敏感，主要提取方向特征；同時從V1區(qū)引出兩條通路，一條腹側(cè)通路主要負責整體目標識別，另一條背側(cè)通路主要負責局部空間位置和運動等細節(jié)檢測，最后兩條通路信息在高級視覺中樞做信息融合，實現(xiàn)視覺任務(wù)。經(jīng)科學家們研究還發(fā)現(xiàn)，視覺感知皮層具有極其強大的抗干擾能力，即使有某些組織細胞被損傷，也不會影響的生物識別，同時也說明視覺識別不是僅依靠單個神經(jīng)細胞，而是群體神經(jīng)細胞交錯激活，共同促進視覺感知。圖2.1多級視覺感知皮層的整體結(jié)構(gòu)2.1.1視網(wǎng)膜感光細胞感光細胞是視網(wǎng)膜上的重要組成部分，失去了感光細胞，人們就無法看到外界的場景。感光細胞是人們對外界感知的媒介，主要包括視桿細胞和視錐細胞。視錐細胞對強光較為敏感，通常作用于強光下的目標和顏色；視桿細胞分布于視網(wǎng)膜的周圍，因為其細胞內(nèi)含有視紫紅質(zhì)，主要在弱光條件下分解，引起視神經(jīng)沖動，所以常作用于弱光下的目標和亮度[42]。視網(wǎng)膜感光細胞是視覺信息流進入視通路的第一個重要特征提取層，主

杭州電子科技大學碩士學位論文82.1.2外側(cè)膝狀體外側(cè)膝狀體(lateralgeniculatenucleus,LGN)用于傳遞視網(wǎng)膜和初級視皮層之間的信息，通過解刨猴子的外側(cè)膝狀體發(fā)現(xiàn)，其共分為6層，如圖2.2所示。其中一層和二層組成大細胞通路(M通路)，第三層到第六層共組成小細胞通路(P通路)，M通路負責亮度和低頻信號的加工處理，P通路負責接收視網(wǎng)膜K細胞的顏色信息和高頻信息，并加工處理。有研究證實，LGN還對方向特性的高頻信號較為敏感，所以在視網(wǎng)膜信息傳入初級視皮層之前也經(jīng)過簡單的方向選擇。同時也說明視通路的各個單元相互之間有一定的功能重合，以至于各個單元之間無縫銜接，這也是為什么視覺通路可以精確快速的加工信息的原因之一。圖2.2外側(cè)膝狀體層次圖2.1.3視覺皮層在人腦視覺系統(tǒng)中隨著逐層信息的傳遞，視覺特征是從具體到抽象的過程。當大腦初級皮層接收到電信號刺激后，提取某些特征，并將這些特征傳遞到新的大腦皮層中，抽取更加抽象的特征，再傳遞到下一層，如此反復(fù)可實現(xiàn)完整的視覺感知。當前的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是如此，用逐層傳遞的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取特征圖，再結(jié)合相關(guān)的激活處理、分類和擬合，最終完成視覺任務(wù)。具體的人腦視覺皮層結(jié)構(gòu)如圖2.3所示，從淺層到深層依次為視網(wǎng)膜、低級視覺皮層、中級視覺皮層和高級視覺皮層。經(jīng)專家研究發(fā)現(xiàn)，每一層都有獨特的功能，例如視網(wǎng)膜獲取視覺刺激(即，像素)，初級視皮層就是人們熟知的V1區(qū)，它是最早被發(fā)覺出來，也是被研究最多的視皮層區(qū)，常被用于獲取簡單圖像的局部朝向信息和空間頻率信息[43]。V1區(qū)的感知細胞作為低級特征提取器，并提供給中級或高級視皮層。中級視皮層即V2、V3區(qū)，作為連接V1和高級視皮層V4、IT的橋梁，它的處理方式與初級視皮層有部分相同之處[44]。其中V3主要負責V2區(qū)到?


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