Введение. 
Компьютерное моделирование зрительных механизмов группирования, избирательных к пространственным модуляциям контраста

Обработка информации в зрительной системе млекопитающих может рассматриваться как последовательность операций анализа и синтеза, обеспечивающих формирование внутренних репрезентаций видимого мира. Эти репрезентации порождаются разными нейрональными структурами, отличаются степенью обобщённости своего содержания, варьирующего от отдельных свойств объекта до его целостных образов, и обеспечивают протекание психических процессов ощущения и восприятия.

Механизмы зрительной обработки, принципы формирования когнитивных блоков на разных её этапах занимают важное место в исследованиях, ведущихся в рамках наук о мозге и психике — физиологии сенсорных систем, психофизиологии, психологии. Вместе с тем сведения о них востребованы и в ряде областей технического знания, таких как обработка изображений и сигналов, распознавание образов, искусственный интеллект.

Рассматриваемая в настоящей работе психофизиологически обоснованная модель может оказаться полезной для решения задач сегментации и оценки некоторых свойств изображений.

Психофизиологические предпосылки моделирования

Наиболее ранний, преимущественно аналитический этап зрительной обработки достаточно подробно изучен и формализован, что обеспечивает относительную простоту его моделирования. Видимая сцена на этом этапе представляется в виде набора первичных примитивов — локальных градиентов яркости, причём зрительная система различает их контраст на разных пространственных частотах (далее ПЧ) и ориентациях, сохраняя информацию об их пространственной локализации.

Эти первичные примитивы могут использоваться мозгом при построении более сложных образов. Физиологическая основа этого этапа обработки обеспечивается функционированием нервных клеток сетчатки, наружного коленчатого тела таламуса и т.н. простых нейронов проекционной зрительной коры. Иными словами, на ранних этапах обработки зрительной информации мозг формирует дискретное описание видимой сцены средствами множества разнонастроенных и параллельно работающих каналов.

Различение человеком ПЧ и ориентации первичных примитивов обеспечивается избирательностью зрительных каналов, основанной на особенностях организации рецептивных полей (далее РП) формирующих эти каналы нейронов. Так, у человека описаны 6 пространственно-частотных психофизических каналов [1], характеризующихся следующими пиковыми значениями пропускания ПЧ: 0,5; 1; 2; 4; 8; 16 циклов/угл. град. Ширина полосы пропускания этих каналов на половине амплитуды составляет около 2 октав, причём полоса сужается по мере увеличения пиковой частоты. Так, для 0,5 она составляет 2,5 октавы, для 16 — 1,25 [2].

Известна также ширина полосы пропускания психофизического канала по ориентации, она оценивается примерно в 30 град. [3]. О числе ориентационных предпочтений зрительных психофизических каналов судить сложно, т.к. контрастная чувствительность человека примерно одинакова для разных ориентаций стимула [4]. Есть основания полагать, что существует минимум 6 предпочтительных ориентаций [3].

Функция каждого из этих каналов может быть смоделирована как операция линейной фильтрации; в качестве ядра фильтра часто используют двумерную функцию Габора [5]. Примеры импульсных характеристик таких фильтров показаны на рис. 1. Эта функция применяется в технике, например, при фильтрации цифровых изображений в задачах обнаружения краёв объектов [6], для представления электрофизиологических сигналов [7].

Психофизические каналы, осуществляющие выделение первичных примитивов, принято именовать зрительными механизмами или фильтрами первого порядка (далее ЗФПП).

Существенной для текущего обсуждения особенностью ЗФПП является то, что они реагируют в ограниченной области, передавая сведения о локальных изменениях яркости (локальном контрасте). Результат их работы в непосредственном виде не содержит информации о пространственных изменениях локальных признаков (контраста, ориентации, ПЧ), которая, тем не менее, оказывается чрезвычайно важной для человеческого восприятия.

Имевшие в прошлом место попытки объяснения целого ряда феноменов раннего паттернового зрения исключительно свойствами ЗФПП (например, на основании модели множественных детекторов) потерпели неудачу [8]. информация сегментация моделирование мозг Одним из актуальных на настоящий момент подходов к интерпретации результатов экспериментов на восприятие стимулов, содержащих пространственные изменения контраста, ориентации и ПЧ при постоянных средней яркости и цвете (признаки второго порядка), связан с применением модели «фильтрация-выпрямление-фильтрация» (далее ФВФ), называемой также линейно-нелинейно-линейной моделью.