Post on 05-Apr-2015
transcript
Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“
Die laterale Inhibition rezeptiver Felder
Leistung einer elementaren Neuronenschaltung
Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
Neuronale Inhibitionsschaltung
Interneuron
4 44 8 8 8
2 2 1 5 44
4 4 2 10 8 82
Laterale Inhibition in technischer Darstellung
Inhibitionskoeffizient = 1/4
Amakrinzelle
Horizontalzelle
Ganglienzelle
Bipolarzelle
Stäbchen
Zapfen
Querverschaltung der Netzhaut
LichtZentrum
OFF-Bipolare ON-Bipolare
OFF-Ganglienzelle
ON-Ganglienzelle
Zapfen
Elementare Sehzellenverschaltung – ON / OFF-Antworten
LichtZentrum
Licht
Horizontalzelle
ON-BipolareOFF-Bipolare
OFF-Ganglienzelle
ON-Ganglienzelle
Peripherie
OFF-Bipolare ON-Bipolare
OFF-Ganglienzelle
ON-Ganglienzelle
Zapfen
Elementare Sehzellenverschaltung – ON / Off-Antworten
4 4 4 84444444
4 4 4
4 4 44 4 4
4 4 44 4 44 4 4
8888888
88888888
888
88888
888
888884 4 4 4
4 4 4 102222222
4 4 4
4 4 44 4 4
4 4 44 4 44 4 4
10101010101010
88888888
888
88888
888
888884 4 4 2
Hervorhebung eines Hell-Dunkel-Sprunges durch Inhibition
Inhibitionskoeffizient = 1/4Verstärkung = 2
Mach-Streifen
Sehtafel
U H N Z E R I L OZ N R P V W Z S T
U P N E R F M A DE U V H Z L R P W
Z U N V E R O P GH N U P Z R E S F
N E Z R H M P L S
Z N R P V M U A E
E F H W L I A O U
e -Ebene
a -Ebene
Zweidimensionale e- a -Verknüpfung
Vertikale und horizontale Inhibitionsoperation
Originale Helligkeitsverteilung
Hinter dem Inhibitionsfilter
Verstärkung um den Faktor 2
(Inhibitionskoeffizient = 1/ 8)
8 8 8 8 8 81616
16
16
16
16
16
16 16 16 16 16 16
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
4 4 3 3 4 41010
10
8
10
10
10
10 10 10 10 10 10
4 4 3 3 4 4
3 3 2 2 3 3
3 3 2 2 3 3
4 4 3 3 4 4
4 4 3 3 4 4
4
100 8
12i
ieea
51
8
30
4
62
7
8 8 6 8 8 82020
20
1620
20
20
20 20 20 20 20 20
8 8 6 8 8 8
6 6 4 4 6 6
6 6 4 4 6 6
8 8 6 6 8 8
8 8 6 6 8 8
Gegenüberstellung
8 8 8 8 8 816
16
16
16
16
16
16
16 16 16 16 16 16
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 6 8 8 82020
20
16
20
20
20
20 20 20 20 20 20
8 8 6 8 8 8
6 6 4 4 6 6
6 6 4 4 6 6
8 8 6 6 8 8
8 8 6 6 8 8
HERMANNsche Kontrasttäuschung
Hermann, L. (1870) Eine Erscheinung simultanen Contrastes. Pflügers Archiv für die gesamte Physiologie 3, 13-15
Mathematische Interpretation des Fensterkreuzoperators
4
100 4
14i
ieea1304
2
Dieser Operator ist das digitale Analogon zum Laplace-Operator: 2
2
2
22
yx
)()(1Δ
)Δ(Δ0210222
2
ffffhx
fxf
)()(1Δ
)Δ(Δ0430222
2
ffffhy
fyf
2
2
2
2
yf
xf
diskretisiert 4321024
1fffff
h
f1
f0
f2
h h
f3
f0
f4
x, y
Optische Täuschungen als Grundlage zur Analyse
der neuronalen Informationsverarbeitung
Szintilations- Täuschung
Scheinkontur
Scheinkontur
Der Necker-Würfel
Der Necker-Würfel
Müller-Lyer-Täuschung
Ponzo-Täuschung
Poggendorff-Täuschung
Entwurf eines größen-, dreh- und verschiebungsinvarianten Zeichenerkennungssystems mit einer Inhibitionsschaltung
Triviales Modell:
Entfernungsinvarianter Intensitätssensor
Invarianzeigenschaft: Größe, Rotation, Translation
Kompaktheit K als größen- rotations- und translationsinvariante Eigenschaft geometrischer Figuren:
FlächeUmfang
√K =
282,021
2
2
rrK r = Radius des Kreises
219,063
334/ 42
s
sK s = Seite des gleichschenkligen Dreiecks
250,041
4
2
aaK a = Seitenlänge des Quadrats
177,082
82 2
aaK a = Seitenlänge der Quadrate
Originale Helligkeitsverteilung
Hinter dem Inhibitionsfilter(Verstärkung = 8/3, Inh. Koeff = 1/8
„Soll“ für Umfangsmessung
0 0 0 0 0 001
1
1
1
1
0
0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 001
0
0
0
1
0
0 1 0 0 1 0
0 5/3 1 1 0
0 1 0 0 1 0
0 1 0 0 1 0
0 1 1 0
0 0 0 0 0 0
5/3 5/3
5/3
0 0 0 0 0 001
0
0
0
1
0
0 1 0 0 1 0
0 2 1 1 2 0
0 1 0 0 1 0
0 1 0 0 1 0
0 2 1 1 2 00 0 0 0 0 0
Vertikale, horizontale und diagonale Inhibitionsoperation
8
100 8
138
iieea
51
8
30
4
62
7 00 00für aa
Inhibition 1
2
21 K
K
0,282
0,250
0,219
0,177
Biologisch inspirierte Zeichenerkennungs-Schaltung
Schichtung
von
Gestaltfiltern
)]()(
2)[(
545433
54321000 21
eeeeee
eeeeeeea
01
2534
Der Lohmann-Fensteroperator
. . .
= 1
= 1
= 1
= 2
Beispiel
( ) [ ]21121
21
( )[ ]211212
1
( ) ( )[ ] 0111112121
( ) [ ] 01121
( )[ ] 12121
( )[ ]211212
1
( )[ ] 01121
( ) [ ] 12121
( )[ ] 2111121
21
( )[ ] 0112121
Besonderheit des Lohmann-Fensteroperators
Der Operator zählt Figuren innerhalb von Figuren negativ
+1 Fig. 0 Fig. -1 Fig. +1 Fig.
Signalverarbeitung durch lokale Filter
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
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518
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304
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518
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627
Serielle Abarbeitung eines Fensteroperators
518
304
627
Entwurf eines Autofocus-Systems
mit einen Inhibitionsschaltung
10886644220Diff
101010101000000Diff
0 8642 10
= 10
= 10
MaximalwertRegler
M
0
42
1086
0
42
1086
0 101000 10
Zum System Biofocus
unscharf
scharf
| D | | D | | D |
210
26
28
24
26
22
24
20 8642Inh
0 8642 10
= 10
= 0
MaximalwertRegler
M
0
42
1086
0
42
1086
0 101000 10
Zum System Biofocus
unscharf
scharf 210
210
210
20
210
20
20
20 101000Inh
| Inh | | Inh | | Inh | | Inh |
Realisierung einer künstlichen Netzhaut
Spektrum der Wissenschaft, Juli 1991
Schematischer Aufbau der Riechschleimhaut
Aus Schmidt, Thews, Lang: Physiologie des Menschen
Laterale Inhibition durch periglomeruläre Zellenund Körnerzellen
Riechen ist dem Sehen nahe
Die periglomerulären Zellen entsprechen den Horizon-talzellen und die Körnerzellen den Amakrinzellen in der Netzhaut
Die laterale Inhibition in der Riechschleimhaut erhöht den molekularen Kontrast und damit die Unterscheid-barkeit von Düften
Horizontalzellen
Amakrinzellen
Inhibitionsschaltung in der Biologie
1. Photorezeptoren in der Netzhaut
2. Tastsinneszellen der Hautoberfläche
3. Haarzellen in der Cochlea
5. Purkinje-Zellen im Kleinhirn (Korb- und Sternzellen)
4. Riechfasern im Bulbus olfactorius
Ende