初级视觉皮层中视像整体特征的稀疏表象模型的研究

动物视觉系统处理海量视觉信息的实时性和效率是目前任何计算机视觉和人工图像处理方法所无法比拟的。初级视觉皮层V1区是视觉信号高度集中和处理视像整体特征信息的区域。为了深刻地了解V1区的信息处理机制和确定稀疏表象特性在形成视像整体特征过程中的作用，本研究重点探索V1区视像整体特征的稀疏表象模型。首先，采用近代数学，包括代数学、拓扑学等，将基元作为视像整体特征的稀疏表象模型的基本元素，对V1区的基本机理进行数学描述；然后，从视像整体特征中各个基元之间关系的角度，尝试用上述数学工具对视像各个基元间的位置关系、相互之间的交互和整合作用以及整体空间进行描述。在这些描述的基础上，利用商空间结构、范畴、离散拓扑空间和多项影响函数尝试构建视像整体特征稀疏表象的模型；最后，采用神经生理学的方法对模型进行验证和改进。本课题对动物视觉信息的利用和视觉系统的修复，对图像处理和视频编码以及特征提取都具有突破性的意义。

围绕申请工作本课题开展了下列研究：1）建立并完善了视觉信息采集的实验平台，设计了典型视觉刺激的神经电生理实验，获得了动物初级视皮层（V1区）多通道的视觉响应信号。2）采用代数学、拓扑学等近代数学工具，完成了对V1区基本信息处理机理的数学描述，包括稀疏响应机制、同步振荡机制以及注意对V1区的反馈机制等。3）基于V1区对外部视像基元特征、整体视像特征的信息编码及整合机理，利用商空间结构、范畴、离散拓扑空间和多项影响函数等数学工具，构建了V1区视像整体特征稀疏表象的模型，并通过理论推导与实测实验相结合的方式获取了模型的相关参数。4）开展了典型视觉刺激的神经电生理实验，从统计学的角度将实测数据与模型的结果进行了对比分析，对比结果表明，模型能够较真实地反应视像整体特征V1区稀疏表象的信息处理机制，从而完成了对模型进行了有效验证。