В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
Схема восприятия света для дневного (колбочкового) зрения показана на рис. 1. Три вида колбочек сетчатки глаза изображены разными цветами в соответствии с их спектральными характеристиками: L (длинноволновые) – красным, M (средневолновые) – зеленым и S (коротковолновые) – синим. Каждая из колбочек обладает собственной системой автоматической регулировки усиления (АРУ). На схеме это показано с помощью усилителей, изображенных треугольниками, охваченных цепями параметрической обратной связи, воздействующей на коэффициент их усиления. Запаздывающий характер этой связи изображен с помощью интегрирующих RC цепочек. Постоянная времени АРУ колбочек составляет величину порядка нескольких секунд. Роль обратной связи в механизме фототрансдукции, как считают, выполняют в основном ионы кальция, воздействуя на различные ее фазы. Вид статической и динамических характеристик АРУ колбочки, приведенный на рисунке, соответствует периодическим скачкам взгляда с яркого на темный фрагмент объекта наблюдения и обратно. Важной особенностью усилителя с АРУ является различие его коэффициентов усиления для низких и высоких временных частот, что соответствует различным наклонам его статической и динамической характеристик.
Сигналы колбочек каждого вида с площади, очерченной большим кругом рецептивного поля, поступают на соответствующий сумматор. Каждый сумматор осуществляет взвешенное суммирование сигналов колбочек. Весовые функции сумматоров можно аппроксимировать двумерными вейвлетами типа “сомбреро” (mexhat). Положительная (возбудительная) часть вейвлета соответствует внутреннему (малому) кругу рецептивного поля, а отрицательная (тормозная) – его внешнему кольцу. Здесь центр слегка преобладает над периферией в отличие от принятого в вейвлет-анализе баланса, что позволяет фиксировать постоянную составляющую сигнала. Выходные сигналы сумматоров обрабатываются согласно приведенной схеме. Небольшие белые кружки на входах и выходах элементов схемы обозначают инверсию сигналов. Результат обработки представляется сигналами на шести выходах: R (red – красный), G (green – зеленый), Y (yellow – желтый), B (blow – синий), W (wait – белый) и K (black – черный. Эти выходы соответствуют шести отдельным нейронам с одинаковыми по площади, местоположению и форме рецептивными полями. Выходные сигналы здесь положительные (соответствуют деполяризации нейрона) и могут присутствовать либо на выходе R, либо на выходе G, либо отсутствовать на обоих. Аналогичное ограничение распространяется на пары Y, B и W, K. Такую организацию распределения выходных сигналов принято называть оппонентной. Согласно таблице внизу рис. 1, при проецировании на рецептивное поле подходящего образа, при включении или выключении света будет получена максимальная реакция (сигнал) соответствующего нейрона. При освещении рецептивного поля однородным по цвету излучением реагирует нейрон, соответствующий цвету излучения.
Важной особенностью работы данной схемы является небольшой коэффициент усиления для сигналов низких пространственных частот и большой – для частот, на которые настроен вейвлет. Необходимо отметить, что разбалансировка вейвлета может меняться при увеличении внешней освещенности в сторону уменьшения относительного веса его положительной части, то есть в зрительной системе присутствует еще одна петля обратной связи АРУ, не показанная на схеме.
Приведенная схема имеет иллюстративное значение (показывает наличие различных механизмов зрения) и не может приниматься за вполне адекватную модель обработки сигналов зрительной системой человека. Элементы более точной модели можно найти, например, у Ванхатерена (2007), где учитывается действие колбочек, биполярных и горизонтальных клеток сетчатки глаза. В частности, там учтен нелинейный характер передачи сигналов в сетчатке. Наша схема соответствует оппонентной теории цветовосприятия, предложенной Эвальдом Герингом в ее линейном приближении. Учет нелинейности, по-видимому, можно свести к утверждению о том, что оппонентные выходы представляют нам не разность, а отношение входных сигналов.
Мы ощущаем красный цвет, когда возбуждаются нейроны R при более активном действии колбочек L-типа, или ощущаем зеленый цвет, когда возбуждаются нейроны G при преобладании действия колбочек M-типа, либо не ощущаем этих цветов при балансе действия этих типов колбочек, когда ни R, ни G не возбуждаются.
Мы ощущаем желтый цвет, когда возбуждаются нейроны Y, при преобладании суммарного действия колбочек L- и M-типов над действием колбочек S-типа, или ощущаем синий цвет, когда возбуждаются нейроны B при преобладании действия колбочек S-типа, либо не ощущаем этих цветов при балансе действия этих типов колбочек. Обратите внимание на то, что по схеме суммарное действие колбочек L- и M-типов берется без значения разности их действия.
Мы ощущаем степень светлоты объекта наблюдения, когда срабатывают нейроны W, или степень его затененности, когда срабатывают нейроны K, по сравнению со средним уровнем ощущения яркости сцены.
Градуальные выходные сигналы схемы в реальной сетчатке преобразуются ганглиозными клетками в частотно-импульсные сигналы потенциалов действия и по аксонам, которые составляют зрительный нерв, передаются в головной мозг.
Снижение удельного веса нижних пространственных частот приводит к эффекту, хорошо видному на тесте Э. Эдельсона, где клетки А и В, а также соединяющая их линия кажутся различными по яркости, хотя на самом деле таковыми не являются.
Такая организация преобразователя света в сигнал, которую нам демонстрирует зрительная система человека, заслуживает пристального внимания с технической точки зрения, поскольку речь идет о возможности резкого сокращения динамического диапазона светоприемника.
Отметим, что весовые функции рецептивных полей сетчатки увеличивают свой масштаб по мере удаления от ее центра, что приводит к снижению разрешающей способности сетчатки на периферии. Это соответствует возможности вычисления вейвлет-спектра изображения по осям сдвига и масштабирования, накапливая данные при разнообразных скачках (саккадах) глаз.
С другой стороны, во время дрейфа глаз изображение с небольшой скоростью (до 20 элементов в секунду) смещается по сетчатке глаза. В телевидении используются телевизионные камеры (ИК-диапазона), в которых реализовано так называемое оптическое микросканирование (искусственный дрейф) с помощью вращающейся наклонной стеклянной плоскопараллельной пластинки. Благодаря этому техническому приему разрешающая способность телекамер существенно (в несколько раз) повышается. Возможно, дрейф глаз используется зрительной системой человека на ее высоком уровне с той же целью, преодолевая потерю разрешения на стадии формирования рецептивных полей.
Мы рассмотрели ряд механизмов начальных стадий работы зрительной системы человека. Уже на этих стадиях нас поражают ее возможности парировать гигантские изменения освещенности окружающей среды и добиваться высокого пространственного и временного разрешения при наличии весьма скромных возможностей по быстродействию.
Эволюция биологических и технических систем отображения окружающего мира идет на первый взгляд различными путями. Между ними имеется, однако, много общего, начиная с подобия генных мутаций и изменчивости технических идей и заканчивая прямым заимствованием молодым, мыслительным эволюционным потоком технических решений у старушки природы. В качестве примера попытки такого заимствования отметим сообщение IBM (2008) о начале реализации проекта разработки принципиально новой архитектуры аппаратной вычислительной системы, строящейся на принципах организации живого мозга. Официальное название проекта – “Создание компьютера, способного к познанию с помощью синаптроники и высокопроизводительных вычислений” (Cognitive Computing via Synaptronics and Supercomputing – C2S2). Предполагается, что мозг представляет собой скорее не нейронную, а синаптическую сеть, а мышление является результатом биохимической организации мозга.
Сигналы, поступающие в мозг от сетчаток глаз, подвергаются им сложной обработке. На корковом уровне работы зрительной системы производится выделение направлений контуров и движений объектов наблюдения с помощью сложных рецептивных полей. Имеются данные (И.А. Шевелев, 2007) о том, что ориентационная чувствительность нейронов зрительной коры динамически перестраивается за время одной саккады с дискретностью в 20 миллисекунд от вертикальной до горизонтальной ориентации. С помощью метода функциональной магниторезонансной томографии удалось выявить у человека до 36 зон коры мозга, осуществляющих последовательную обработку зрительной информации. Считается, что обработка идет по принципу детектирования все более обобщенных признаков распознаваемых объектов наблюдения. Обнаружены механизмы синхронизации процессов обработки в виде волн электрической активности мозга. Изучая мозг, можно видеть, что процесс анализа информации о внешнем мире идет параллельно с ее сжатием.
В начале статьи мы говорили о проблеме создания маленькой трехмерной модели большого окружающего мира. Специалисту в области цифрового сжатия телевизионной информации может показаться невероятной возможность сжатия и передачи по обычным телевизионным каналам больших действующих моделей. Между тем нам следует принять во внимание, что существует несколько принципов редукции видеоинформации, эффективных именно для объемного телевидения.
Обратим внимание на рис. 2, опубликованый в ВС №2/2011, стр 40. Здесь дугообразными стрелками показаны информационные связи между наблюдаемыми мирами. Первый – физический мир, находясь под изменяющим воздействием двух других, подчинен законам физики. Их назначение – сохранять целостность физического мира. Здесь действуют законы гравитации, механики, оптики. Второй – телевизионный мир, копируя законы физики из первого мира, одновременно подчинен социальным законам. Их назначение – сохранять целостность социума. Здесь действуют законы государства, морали, эстетики, лингвистики, социальной психологии. Третий – воображаемый мир, отражая связи первого и второго, подчиняется законам физиологии и психологии. Их назначение – сохранять целостность личности субъекта. Все перечисленные законы представляют собой связи, ограничивающие свободу действия в любом из миров.
Продолжение следует
Опубликовано: Журнал "Broadcasting. Телевидение и радиовещание" #8, 2011
Посещений: 11092
Статьи по теме
Автор
| |||
В рубрику "Оборудование и технологии" | К списку рубрик | К списку авторов | К списку публикаций
