輪廓編組的計算模型和注意模型研究.pdf

1、注意是一個多學科交叉的研究領域，近年來受到從事神經(jīng)生理學、認知心理學、計算機視覺和計算神經(jīng)科學研究的科技人員的高度關注。注意是在來源不同的各種信息同時出現(xiàn)時做出選擇的一種認知層面上的處理過程。由于注意能提高視覺信息加工中的檢測能力和響應速度，尤其是基于目標的注意能夠直接為圖像理解提供對象，因此，構建注意的計算模型成為一個熱點課題。然而基于目標的注意理論面臨著一個關鍵問題，就是感知目標的定義和獲取，而對感知目標的獲取對應著視覺感知中的知覺

2、組織過程，因此研究知覺組織的生理和心理機制，設計高效又魯棒的感知目標獲取方法，是構建基于目標的注意計算模型迫切需要解決的問題。將認知心理學中的格式塔學派的研究成果，轉(zhuǎn)化為計算模型是知覺組織算法研究的突破口。統(tǒng)計學、圖譜理論和信息論是分析高維數(shù)據(jù)的全局結構和拓撲關系的更合理的方法和手段。 本文是在系統(tǒng)水平上，以格式塔學派強調(diào)的由局部到整體的研究成果為依據(jù)，以統(tǒng)計學和信息論探索周圍世界視覺圖像的統(tǒng)計特征的已有進展為理論基礎，從模擬視

3、—腦信息處理方式出發(fā)，構建計算模型。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上的基于目標的注意，從而體現(xiàn)了視—腦初級階段的信息加工過程。通過分析人腦所接受的外界信息的統(tǒng)計特性，提出了合理的格式塔知覺組織規(guī)則的量化模型，并構造了全局顯著結構主導下的輪廓編組模型，其有效性在多類自然圖像中得到了驗證。第二部分提出利用先驗知識的輪廓編組模型，體現(xiàn)了視—腦高級階段的信息整合過程，通過模擬視皮層的短程連接構建反映整

4、體結構分布的描述子，模擬長程連接建立待編組目標與先驗目標之間的通信，實現(xiàn)了對較復雜圖像的輪廓編組。本文的主要創(chuàng)新點有： 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)計特性，對格式塔知覺組織規(guī)則中的接近律、相似律和連續(xù)律分別進行了建模，并用基于信息幾何的模型選擇準則選擇合適的模型，提高了單個知覺組織規(guī)則模型的準確性和泛化性；研究了各規(guī)則之間的相互關系，包括是否獨立和對知覺組織的貢獻程度。與相關心

5、理學實驗數(shù)據(jù)的比較說明了所建模型的合理性。 2.提出一種全局顯著結構主導下的輪廓編組模型GSSD。用概率推理的方法描述了全局顯著結構—閉合性，并以此為線索通過非劃分的迭代方法尋找感知目標對應的輪廓編組；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，說明作為編組依據(jù)的全局顯著結構是低維、有序、穩(wěn)定的結構，與認知心理學相符。實驗結果表明，GSSD模型具有較理想的精度，較好的魯棒性和較高的計算效率。 3.提出了基于

6、目標的注意計算模型。在輪廓編組的基礎上實現(xiàn)了自底向上的基于目標的注意模型，通過與基于空間的注意的對比，說明基于目標的注意更適合檢測、識別等中、高級視覺任務。實驗結果表明，該模型對成像條件較好的圖像的注意結果與人類感知接近，這與自底向上的注意機制相符。 4.提出利用先驗知識的輪廓編組模型。模擬短程連接構建了基于響應差異的全局結構描述子，模擬長程連接建立了待編組目標與先驗目標之間的通信，并將最大化編組與先驗圖像的局部灰度特征間的互信