輪廓編組的計(jì)算模型和注意模型研究.pdf

1、注意是一個(gè)多學(xué)科交叉的研究領(lǐng)域，近年來(lái)受到從事神經(jīng)生理學(xué)、認(rèn)知心理學(xué)、計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算神經(jīng)科學(xué)研究的科技人員的高度關(guān)注。注意是在來(lái)源不同的各種信息同時(shí)出現(xiàn)時(shí)做出選擇的一種認(rèn)知層面上的處理過(guò)程。由于注意能提高視覺信息加工中的檢測(cè)能力和響應(yīng)速度，尤其是基于目標(biāo)的注意能夠直接為圖像理解提供對(duì)象，因此，構(gòu)建注意的計(jì)算模型成為一個(gè)熱點(diǎn)課題。然而基于目標(biāo)的注意理論面臨著一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，就是感知目標(biāo)的定義和獲取，而對(duì)感知目標(biāo)的獲取對(duì)應(yīng)著視覺感知中的知覺

2、組織過(guò)程，因此研究知覺組織的生理和心理機(jī)制，設(shè)計(jì)高效又魯棒的感知目標(biāo)獲取方法，是構(gòu)建基于目標(biāo)的注意計(jì)算模型迫切需要解決的問(wèn)題。將認(rèn)知心理學(xué)中的格式塔學(xué)派的研究成果，轉(zhuǎn)化為計(jì)算模型是知覺組織算法研究的突破口。統(tǒng)計(jì)學(xué)、圖譜理論和信息論是分析高維數(shù)據(jù)的全局結(jié)構(gòu)和拓?fù)潢P(guān)系的更合理的方法和手段。 本文是在系統(tǒng)水平上，以格式塔學(xué)派強(qiáng)調(diào)的由局部到整體的研究成果為依據(jù)，以統(tǒng)計(jì)學(xué)和信息論探索周圍世界視覺圖像的統(tǒng)計(jì)特征的已有進(jìn)展為理論基礎(chǔ)，從模擬視

3、—腦信息處理方式出發(fā)，構(gòu)建計(jì)算模型。研究的內(nèi)容主要分為兩大部分。第一部分提出自底向上的輪廓編組模型以及在此基礎(chǔ)上的基于目標(biāo)的注意，從而體現(xiàn)了視—腦初級(jí)階段的信息加工過(guò)程。通過(guò)分析人腦所接受的外界信息的統(tǒng)計(jì)特性，提出了合理的格式塔知覺組織規(guī)則的量化模型，并構(gòu)造了全局顯著結(jié)構(gòu)主導(dǎo)下的輪廓編組模型，其有效性在多類自然圖像中得到了驗(yàn)證。第二部分提出利用先驗(yàn)知識(shí)的輪廓編組模型，體現(xiàn)了視—腦高級(jí)階段的信息整合過(guò)程，通過(guò)模擬視皮層的短程連接構(gòu)建反映整

4、體結(jié)構(gòu)分布的描述子，模擬長(zhǎng)程連接建立待編組目標(biāo)與先驗(yàn)?zāi)繕?biāo)之間的通信，實(shí)現(xiàn)了對(duì)較復(fù)雜圖像的輪廓編組。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有： 1.提出了格式塔知覺組織規(guī)則的量化模型。分析人類視覺神經(jīng)系統(tǒng)所感知的外界信息的統(tǒng)計(jì)特性，對(duì)格式塔知覺組織規(guī)則中的接近律、相似律和連續(xù)律分別進(jìn)行了建模，并用基于信息幾何的模型選擇準(zhǔn)則選擇合適的模型，提高了單個(gè)知覺組織規(guī)則模型的準(zhǔn)確性和泛化性；研究了各規(guī)則之間的相互關(guān)系，包括是否獨(dú)立和對(duì)知覺組織的貢獻(xiàn)程度。與相關(guān)心

5、理學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較說(shuō)明了所建模型的合理性。 2.提出一種全局顯著結(jié)構(gòu)主導(dǎo)下的輪廓編組模型GSSD。用概率推理的方法描述了全局顯著結(jié)構(gòu)—閉合性，并以此為線索通過(guò)非劃分的迭代方法尋找感知目標(biāo)對(duì)應(yīng)的輪廓編組；給出了輪廓編組在流形下的詮釋，提出基于流形的輪廓編組算法，說(shuō)明作為編組依據(jù)的全局顯著結(jié)構(gòu)是低維、有序、穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，與認(rèn)知心理學(xué)相符。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，GSSD模型具有較理想的精度，較好的魯棒性和較高的計(jì)算效率。 3.提出了基于

6、目標(biāo)的注意計(jì)算模型。在輪廓編組的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自底向上的基于目標(biāo)的注意模型，通過(guò)與基于空間的注意的對(duì)比，說(shuō)明基于目標(biāo)的注意更適合檢測(cè)、識(shí)別等中、高級(jí)視覺任務(wù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型對(duì)成像條件較好的圖像的注意結(jié)果與人類感知接近，這與自底向上的注意機(jī)制相符。 4.提出利用先驗(yàn)知識(shí)的輪廓編組模型。模擬短程連接構(gòu)建了基于響應(yīng)差異的全局結(jié)構(gòu)描述子，模擬長(zhǎng)程連接建立了待編組目標(biāo)與先驗(yàn)?zāi)繕?biāo)之間的通信，并將最大化編組與先驗(yàn)圖像的局部灰度特征間的互信