基于生物啟發(fā)和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的圖像顯著性檢測(cè)模型研究.pdf

1、視覺(jué)注意力機(jī)制是人類(lèi)能夠在復(fù)雜場(chǎng)景中快速獲取感興趣區(qū)域的原因之一。對(duì)視覺(jué)注意力的研究源于認(rèn)知科學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)，近年來(lái)快速發(fā)展于計(jì)算機(jī)科學(xué)。計(jì)算機(jī)科學(xué)中采用“視覺(jué)顯著性”來(lái)量化視覺(jué)注意力，視覺(jué)顯著性檢測(cè)模型就是分析人的視覺(jué)注意機(jī)制，并設(shè)計(jì)數(shù)學(xué)模型來(lái)模擬這種機(jī)制。經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展，視覺(jué)顯著性檢測(cè)模型在處理視覺(jué)信息方面已經(jīng)越來(lái)越接近人類(lèi)的習(xí)慣。但因?yàn)椤耙曈X(jué)顯著性”這個(gè)概念本身的定義尚不明確，所以目前視覺(jué)顯著性檢測(cè)還是一個(gè)開(kāi)放性問(wèn)題。造成這種

2、現(xiàn)象的原因主要在于兩點(diǎn)，第一點(diǎn)是認(rèn)知科學(xué)和神經(jīng)生物學(xué)對(duì)視覺(jué)注意力機(jī)制的研究還不完善，第二點(diǎn)是計(jì)算機(jī)科學(xué)中對(duì)于視覺(jué)顯著性的形式化描述還有改進(jìn)空間。因此，如何定義“視覺(jué)顯著性”是計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域?qū)σ曈X(jué)注意力研究的關(guān)鍵。
　　從兩個(gè)思路探索如何定義“視覺(jué)顯著性”。第一個(gè)思路是直接模擬人類(lèi)視覺(jué)神經(jīng)元感受野的選擇機(jī)制，提出了一種生物啟發(fā)的顯著性檢測(cè)模型。定義了一個(gè)模擬視覺(jué)神經(jīng)元感受野的模板，與輸入圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算，從而預(yù)測(cè)圖像中最吸引人類(lèi)視覺(jué)

3、注意力的區(qū)域（簡(jiǎn)稱(chēng)RFS）。由于簡(jiǎn)單細(xì)胞的感受野會(huì)對(duì)輸入信號(hào)形成一個(gè)稀疏表示，因此在RFS的基礎(chǔ)上訓(xùn)練了一個(gè)非顯著模板，該模板描述了大量自然圖像的非顯著特征。通過(guò)計(jì)算輸入圖像與非顯著模板的響應(yīng)，獲取圖像中不吸引人類(lèi)視覺(jué)注意力的區(qū)域，從而反推圖像中吸引視覺(jué)注意力的區(qū)域（簡(jiǎn)稱(chēng)SRS）。模型RFS和SRS都是基于生物啟發(fā)的顯著性檢測(cè)模型，實(shí)驗(yàn)表明這兩種模型運(yùn)算速度快，準(zhǔn)確率也高于經(jīng)典的模型，并且SRS比RFS具有更高的準(zhǔn)確率。
　　上面

4、提出的兩種模型都沒(méi)有考慮圖像內(nèi)部數(shù)據(jù)之間的相關(guān)性，只考慮了先驗(yàn)知識(shí)（即人類(lèi)視覺(jué)神經(jīng)元感受野的選擇機(jī)制）對(duì)輸入視覺(jué)信息的處理，因此第二個(gè)思路集中探索圖像內(nèi)部特征對(duì)視覺(jué)注意力的影響。定義“視覺(jué)顯著性”的第二個(gè)思路是基于統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)驗(yàn)中分析了離群點(diǎn)與人眼注視點(diǎn)之間的相似性，提出利用特征的離群值定義顯著性。具體使用基于距離的離群點(diǎn)檢測(cè)方法來(lái)計(jì)算圖像的布爾圖，多個(gè)尺度的布爾圖經(jīng)過(guò)線性疊加得到圖像的顯著圖（簡(jiǎn)稱(chēng)OS）。由于基于距離的離群點(diǎn)檢測(cè)的時(shí)間

5、復(fù)雜度較高，采用單次抽樣的方法將算法時(shí)間復(fù)雜度從原來(lái)的O(n2)降低到了O(n)（簡(jiǎn)稱(chēng)OSOS）。分析了算法的穩(wěn)定性，并證明了少量的抽樣次數(shù)不會(huì)影響到算法的穩(wěn)定性。模型OS和OSOS都是基于統(tǒng)計(jì)分析的顯著性檢測(cè)模型，實(shí)驗(yàn)表明在人眼注視點(diǎn)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)上本文提出的模型準(zhǔn)確率優(yōu)于經(jīng)典模型，并且在同等條件下OSOS的運(yùn)算時(shí)間遠(yuǎn)小于OS。
　　上述兩種思路分別采用了兩個(gè)顯著性的定義來(lái)檢測(cè)圖像的顯著性。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察，這兩種顯著性定義對(duì)人眼注視點(diǎn)

6、的預(yù)測(cè)結(jié)果有較大差異，并且各有優(yōu)勢(shì)。利用預(yù)測(cè)誤差理論和引導(dǎo)濾波器，將SRS與OSOS統(tǒng)一為一個(gè)新的模型SROD，重新定義了“視覺(jué)顯著性”。模型SROD融合了SRS與OSOS的計(jì)算結(jié)果，并且在人眼注視點(diǎn)預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)上具有更高的準(zhǔn)確率。
　　視覺(jué)顯著性研究包含兩種基本任務(wù)：人眼注視點(diǎn)預(yù)測(cè)和顯著目標(biāo)檢測(cè)，這兩者在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間里被認(rèn)為是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的任務(wù)。顯著目標(biāo)檢測(cè)模型OS2是由前文提出的人眼注視點(diǎn)預(yù)測(cè)模型OS轉(zhuǎn)化而來(lái)，主要變化在于圖像表