高い頑健性を実現する形状認知メカニズムとその形状表現形式

具有高鲁棒性的形状识别机制及其形状表示格式

• 批准号: 19024011
• 负责人: 酒井 宏
• 金额: $ 3.07万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• 财政年份: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2008
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19024011/
• 关键词: 画像, 文章, 音声等認識; 情報基礎; 知能ロボティクス; 認知科学; 脳・神経; 画像,文章,音声等認識; 情報工学; 画像, 文章, 音声等認識; 情報基礎; 知能ロボティクス; 認知科学; 脳・神経; 画像,文章,音声等認識; 情報工学

本研究では、高い頑健性を示す形状知覚の皮質メカニズムを計算論的に理解し、これを実画像に適応できる画像理解アルゴリズムとして提案した。特に, 頑健性の基礎となるのは, (1)多様性を持つこと、(2)疎表現(sparse coding)をもつこと, であるとの独創的な提案を行った。「必ずしも答えないが、嘘はつかない」という皮質細胞の性質は、前段の細胞数は多数でも同時に入力される信号は少ないという疎表現といえる。これが頑健性の基礎となっていることは、脳科学として革新的であるばかりでなく、情報学的にも高い学術的価値をもつ。具体的には, 中心軸による形状表現に注目し, 中心軸に沿ったMA細胞が同期して均質領域を表現できることを示した。図方向細胞モデルの同期によって生じる物体周囲と, その内部にあるMA細胞モデルの同期によって表現される均質領域が, 群化・統合される過程を計算論的に検討した。この結果, 周囲検出(BO)細胞が刺激呈示時に同期することによって, BO細胞からの距離が等しい中心軸上でMA細胞の発火を生じさせることが判った。この同期制約が図方向知覚に与える影響を, 心理物理実験によって検証した。その結果, 同期が図方向知覚を導くことが示された。さらに, 疑似ランダム刺激と計算統計的手法・多変量解析を利用した心理物理実験・解析によって, 図と知覚されやすい形状因子を定量的に明らかにした。同じ刺激についてシミュレーションを行ない, モデルの同期程度のランクと比較したところ, 良い一致をみせた。これらの結果から, 多様性と疎表現が皮質における形状知覚の計算論的本質である可能性が示された。この形状知覚アルゴリズムを自然画像に適応したところ, 形状知覚における中心軸検出精度は70%,形状の再構成誤差は20%と, 高い頑健性を示した。

在这项研究中，我们在计算上理解了形状感知的皮质机制，该机理表现出很高的鲁棒性，并提出了这是一种理解的图像理解算法，可以适应实际图像。特别是，我们提出了一个原始建议，即鲁棒性的基础是（1）具有多样性和（2）稀疏编码。皮质细胞的性质“我不一定是回答，但我不撒谎”可以说是稀疏的表达，因为上一阶段有很多单元，但是同时几乎没有信号输入。鲁棒性的基础不仅在脑科学中是创新的，而且在信息科学方面具有很高的学术价值。具体而言，我们专注于使用中央轴的形状表达，并表明沿中央轴的MA细胞可以同步表达同质区域。我们在计算上检查了由方向性细胞模型的同步和通过其内部MA单元模型同步表示的均匀区域所产生的对象的外围的过程。该结果表明，周围的检测（BO）细胞在刺激的表现上同步，导致MA细胞在与BO细胞相等距离的中央轴上发射。通过心理物理实验验证了这种同步约束对图方向感知的影响。结果表明，同步导致图方向感知。此外，使用伪随机刺激，计算统计方法和多元分析的心理物理实验和分析已定量揭示了易于感知的数字和形式。模拟了相同的刺激并将其与模型的同步等级进行了比较，并显示出良好的一致性。这些结果表明，多样性和稀疏表达可能是皮质中形状感知的计算本质。当这种形状感知算法适应自然图像时，形状感知的中央轴检测精度为70％，形状重建误差为20％，表明鲁棒性高。