ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЕ УСТРОЙСТВО для МОДЕЛИРОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОГО ЗРИТЕЛЬНОГО АНАЛИЗАТОРА Советский патент 1971 года по МПК G06F19/00 G02F3/00 

Предложение относится к автоматике и вычислительной технике, к области создания самоорганизующихся систем и систем по опознанию зрительных образов. Оно молсет быть использовано при автоматическом управлении и контроле сложных технических комплексов в авиации и космонавтике.

В настоящее время известны электронные устройства, моделирующие биологические зрительные анализаторы, например, глаза лягушки, содержащие входной блок с набором фотоприемников и систему последующей обработки информации.

Предложенное устройство отличается тем, что оно выполнено на пейронодобных оптикоэлектронных элементах с волоконно-оптическими связями и содержит блок выделения первичных признаков изображения и блок выделения инвариантных признаков.

Это позволяет расщирить логические возможности и выполнять устройство в микро.мпниатюрном варнанте, а также повысить eio быстродействие и надежность.

Па фиг. 1 изображена блок-схема оптикоэлектронного устройства, моделирующего биологический зрительный анализатор; па фиг. 2 проиллюстрирован основной принцип организации рецептивных полей и показана схема связи между блоками; на фиг. 3-схема строения волоконно-оптической снстемы ввода и кодирования зрительной информации с условна обозначенными в виде окружностей на матричной планщайбе зонами-организациями,

включающими определенное количество жгутов-световодов.

Описываемое устройство состоит из входной волоконно-оптической системы (блока /) для ввода и кодирования зригелыюй инфор.мацпи,

систе.мы (блока //) выделения нервпчных признаков изображения, системы (блока ///) выделения инвариантных признаков изображения. Входная волоконно-оптическая система ввода и кодирования визуальной информацнн (см. фиг. 3) представляет собой сложную в функциональном отношении организацию, состоящую 113 набора многочисленных уложенных п плотно упакованных в нлоскост) ввода изобрамхення элементарных оптических стекловолокон, длинные концы которых оставлены свободными. Плотная упаковка н укладка в плоскости ввода производятся в пресс-форме специальной конструкции, которая, но мере заполнения ее отдельных разборных секций оптическим стекловолокном, нодвергается перподической впбрацпп па виброукладчике.

нужной коифнгурацш и размеров (оизводится в печи специально ко1 струк 1ии. Б печ) номеща от 1рсд ;аз1:а1е1111ую так. часть лрсссчрор.мь с улоЖе 1НЫМ 1 )Jia 1 1 ji М I10pl iНЯ.МН .. Час1ь iipCL44}n;pwbi, is

которой ) )Д11ЫМ,

Б Tepi ijii30J H op.

По мере дос1 - Лхе111 И им1 срагу;;ы раз.ягчення в ереД1 е части прессформь п.тал .ио увеЛНЧ ГВа ОТ ДаВЛС1 1е, Г;ОДИИ.аЯ .

6 результате ряда тех1 олог11чеC ii X o;iy4aiOT волокол 10-0 ;глческу о систему в виде Ma piiT iO i 1ла 1 11а11б :л}ход 10 -о экрана (разрешаюииьч ciioco6i OLTb до 100 1 более оптическнх лшши на 1 мм и случае 01 Т 1ческо о стек С;юлок 1а с iM iOгожильныл сердцевннал) со свободными волокнам, которые оиьсд 1не} ы в еобходимое количество отдельных ii -ибк1 Х жгутов-иветоводов .м до i мм. Ьысоки к.тасс ио; ировки в лос сости ввода изображе ня сущес1веи 0 коэсрфиД еНТЫ СВет01 рО уСКа 1Я и KOHTjjaCia ipl

ередаче нзображе1 ия (светового импул1)са). что, в очсред, оОес 1еч 1вает удо лет Юр тельнь Й урове ь с иала ia Konixax свобод 1ых жгутов-световодов ири 1с; ользоваип;| всей с 1стем в оола.сти С ектр;а.

Вторые ,b всех тюких жгутов-световодов могут ск. с 1ече; ы. После

чего iX ОЛИру ОТ в 11ЛОСК(СТИ, . к о тичеекон оси, i закре лиют иа

НанеЛЯХ для рОСТС)1) к СИСТеМС

01 Т ко-электрО 1 1ых 1реобразова те1, оираЗу ОЩИХ 10СЛеДу 01 1 1 СЛО ОбрабОГК 1П|форМаЦ 1.

Изолированные друг от Ир ,И гибких КеЛ брИКОВ СВОбОД1 Ь е /iUXTblсвето юды являются e3aBHci M jiMi; 1рсИ)ОД иками 0 ;тическ Х . Высокое качссгво

О Т 1ЧеСК Х CTCKOJ, )1рИМе Яс; Ь Х )

волок а, обесиечивает , iioicp) 1)И 1рохо чде 1 С1 гнала 110 свеговоду.

Подсветка только некоторой г 1бкпх К утов-еБетоводов, сделан1- ая ео сво бодных тордов, выз лвает свече е к виде окружностей а огде. участках вход1 О 0 экра1 а. в случае горнов icex жгутов, учаетву оц1их в обработке 1 1форма,, набл одается равномер ое свечс1 ие всею входного экрана. Для oHcpauiiu но иодСОеДИНе 1 10 свободных )B к ОИТ 1КО-ЭЛСКтронным 1реобразоБагелял ж уты-свего:;одь

диаметром до 1 .им ОбъеДИ 1Я ОГ в -pyi,, J30лированные друг от нри 1омощи кембриков. 1акие оказань а фи о в виде окружностей ia входном . нлаишайбе. Каждая вкл 0чает тр Ддать три тонких световода.

Ма фиг. 2 схематич 0 оказа1 а небол зН ая часть входно 0 экрана волоконно-01гг 1ческо 1 системы (блок /). Для ростоты рассмотрсн - Я и описания общей стру О-уриой схемы устро ства в эту часть селп (/ - 7)

жгутов-световодов, свободнь е торцы коTop Jx закре1 ле 1Ь а а 1елях. Ма П13.меи, оити о-элек ронн)е 1реобразовагс,ли исрвь;х с.тоев нолей блока ыделени, ;ервич1 мх 1р знаков зображен я (6;ioi //). Таким образом ()1гг 1ческ Й гаческоГ систе ой блоlioM В1лдс. iepB i4Hijix нриз 1аков изображе 1н мо/кег осуи,ссгвле 1 1 росте; цей с к о в к о i i 1 а н е л е и.

Указаи1 ые се.ь световодов соста зли ог элеме тар 1е ре1,е Г1ивнь е оля 0 ИС лваемого устро 1ства. Эги pe, ноля перекрывают друг .

iia . 2 редс авле а схелта разветвления Ж у ов-свстоводов в б.токе выде, ервич1 ых изображе 1 1Я (на схеме 1 оказа а орга зац1:я одного рецептивного ). /Кгуты-световодь одводятся к возбужда он1,иг ( стрелками) и тормозяии:м ( кружкам) входам ейронодобиыл О1ггико-электро ых реобразователей б-12 с ло арнфм1 ческил и характеристиками. 11реоб)азователь 8 .имеет только возбуждаюш,е связ 1 образуст . Преобразователь 9 жгутам -световодами з руии 5, 6 7 (моделирует ). Преобразователь 10 .меет обратный характер связеГ ii с реобразователем 9 (тип УЬ-иоле). Преобразователь 11 является аналогом , то есть централь 1ой 1 возбуждается, а ормоз тся иерифериЙ1 лмн rjjynnaM 2--7. Преобразователь 12 имеет обратн)™ характер связей 0 с 11реобраз() 11. 1-,сли яркост зобра ке11ия 15 а 1ыходе блока / а рокси;i:iipOiia b сте11сп лм 10Л П10мом вида

В(х,у)

aijxy,

ij о

го ;а выходе элеме1 10 ; о---12 будут ) о1Г ическ е .ты, коэффицигнтал этого 1:ол1 1ома (соответственно «и, - -ti;, , -и;), ), ia участке, занимае:,0 Гру11;аЛ / -V. При ТаКОЛ 13Обpa Kci H вида

-I 1. ,, /, .- i.

Ь,, , и - ю -- 1

-«1

«IIЙо

.1) ±

-/..- - + ai

(22

-1- а,

оказььплотся 1езавис Л.1е от освеще 1ност объектов, изоб1К1жен н которых а ализ ру отся описываемым устройством. Так как на выxo;ie элеме тов 8-- 12 си Т1алы рО Орцио альНЫ logflo, log-(), log(-t-ai), log(-Gj)

()о (-:-г:/ч), TO ujy могут быть 1олучеиы ир( ) ))едставлены тоже ii логарифмической пкале:

ui

Hogaj -loga i-:log

a,

с-иерац и ja 0 гтико-элекпреобразованием световой энергии в электрическую и обратно).

Отношеииявида log log&,

,,b;:

-,, вычисляемые из пре1 1,i-i

дыдущих отношений па таких же элементах, являются уже независимыми (инвариантными) от изменения масштабов элементов изображений.

Все оиисанные выше однотинные операции вычитания производятся на нреобразователях 13-26, выходные сигналы которых (шины 27-40) являются первичными признаками изображений (блок //) и представляют собой исходные величины для расчета интегральных признаков, не зависимых от пере.меш:ения изображения по сетчатке, изменения размеров изображений и их поворотов, т. е. для выделения инвариантных нризнаков изображения (блок ///).

Таким образом по данным, нолученным в каждом рецептивном поле (семь групп жгутов-световодов в блоке /), вычисляют четырнадцать оптических сигналов в блоке //, с которыми в блоке /// производятся следующие процедуры.

На оптико-электронном нреобразователе 41 суммируются сигналы -logfem, вычисляемые для каждой группы волокон по всей сетчатке. На преобразователях 42-46 суммируются величины вида -flogbio; -f og62i; -Iog62i; -log 622; -j-logija. Выходные сигналы этих нейроподобных преобразователей реализуют следующую функцию:

L, ogb,,,

где п - число групп жгутов-световодов, из которых состоит планшайба (сетчатка) оптикоэлектронной модели зрительного анализатора;

(- номер группы;

Lf -величина сигнала на входе оптикоэлектронного преобразователя для /е-го образа (изображения).

Величина L/, является инвариантной к иреобразованиям масштабов по всем трем осям изображения (х, у - пространственные координаты и Z - освещенность проектируемого на сетчатку изображения). В результате такого суммирования на выходе блока /// будут получены инвариантные признаки изображения на шинах 47-52.

В блок /// вводится по восемь нз четырнадцати оставшихся сигиалов, соответствующих каждому рецептивному полю (шины 27-34) и пропорциональных величинам -logCi; +logCi; -blogC2; -logCg; +log -log -log +log 0-2 соответственно.

Если рассмотреть пространственную функцию выходных сигналов, нанример, типа -logci или любого другого типа, то математический анализ показывает, что эта функция при изменении размеров изображения не меняет своей формы и своих значений в экстремальных точках, а претерпевает либо сжатие.

либо растяжение. Измерив сумму экстремальных значений этой функции и их разность, можно получить признаки, инвариантные к нреобразованиям масштаба, переносу изображения и изменению освещенности. Эти функции реалпзует оптико-электронная структура с волоконио-оитическпми связями, изображенная на фиг. 1. Например, выходные сигналы с шин 27, которые распределены равномерно по

всей сетчатке модели анализатора изображений, поступают на опгпко-электронные преобразователи 27(1) , 27(2) , 27(3) ....

Структура волоконно-оптических связей между ДВУМЯ нижними слоями 53 и 54 выиолияется, как показано на схеме, и позволяет

получить выходные сигналы после 53, соответствующие значению функции - logCjo в ее мппим .мах, а после слоя 54 - в ее максимумах. Суммируя эти значения на оптико-электронных преобразователях с линейной характеристикой 55 и 56 с равными весами на пх шина.х 57 и 58 соответственно с помощью такой структуры, измеряют сумму экстремальных значений функций нервичных признаков. На преобразователях 55 и 60 измеряется разность между суммами значений функции в точках минимумов и .максимумов, которая выводится из блока /Я с помощью щпн 61 и 62. Подобные же структуры строятся па оптико-электронных

преобразователях с волоконно-оптическими связями и для других тииоз функций, которые образуются шинами 28-37.

Таким образов, выходные электрические сигналы 47-52 и восемь групп шин тина 57, 55,

61, 62 являются инвариантными для каждого класса образов при значительных их преобразовгниях. Указанные вЕзГходиые сигналы модели биолог)ческого зрительного анализатора могут быть введены з класспфицируюшее устройство. которылг может быть как нейронная решающая сеть, так и цифровая вычислительная машина.

Предлолсенная модель зрительного анализатора животных реализует ряд биологических

механизмов обработки информации и содержит структурные эле:,1енты таких нейронных анализирующих сетей, как различного тина рецептивные поля, нейроподобные элементы, выполненные на оптико-электронных преобразователях с прямым и обратным нреобразованием световой энергии в электрическую, горизонтальным суммированием и другими.

Применение анализатора изображений но предложенной схеме позволяет анализировать

изображения очень малых размеров, упростить структуру нейронных рещающих сетей или алгоритмы принятия решення о принадлежности образов к классам в случае ввода их в ЦВМ. Описанная структура может быть реализована с помощью новых конструктивных элементов благодаря тому, что предложенное схемное решение основано на полностью детерминированных принципах и не требует обучения или какой-либо настройки,

информацию об изображении с Б1)КОкон paajieшающсй сиособносПзЮ, значнтс.изно и)евышающсй разрешающую ciioco6iiocTb извистпых устройств, уплотнять ширормаиию с огромного числа волокол входного блока и обеснсчивать незау исимост1 сигналов в каналах от изменения масштабов изображений, их новоротов и иерепосов но входной нланшайбе.

Предмет изобретения

Онтико-электрошюе vcTpoiicTBO для моделирования бнологнческого зрительного анализатора, например, глаза лягушки, содержащее входной блок для ввода и кодирования зрительной информации с набором фотоириемии ов, расиоложенных в виде мозаики, и систе.му последуюн1ей обработки информации, огличаюи ееся тем, что, с целью расширения логических возможностей, гтовыщения быстродействия, надежности и микроминиатюризации, в нем к входному блоку, содержащему волоконно-оптическую систему рецептивных нолей, подключены иоследовательпо соединенпые II 15ыполненные па пойроиодобных оптикоэлектронных элементах с волокоппо-онтическими связями, распределенными ио законам рецеитивиых иолей биологического зрительного анализатора, блок выделения первичных признаков изображения, включающий оитпкоэлсктронные преобразователи с логарифмичеС1ч11ми характеристиками и вычитающие элемспты с лппейпымг характеристиками, и блок

выделения иивариаитпых признаков изобраЯчсния, включающий оптико-электронные преобразователи с липейными характеристиками и суммирующие элементы.

/{ плоссс/фс/чагггору { У7ен/лрО/ ct/crneMoL

Оптика 3 e/{/7ipDfffft f t cf/xisc am&fJu c ffsaflif frvvesftoi} foflefr/ ff&nvtreu