[發明專利]基于局部耦合神經振子網絡的簡單灰度圖像分割方法

無效

• 申請號: 200910236276.9
• 申請日: 2009-10-23
• 公開（公告）號: CN101814180A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發明（設計）人: 喬元華;段立娟;孟永;房法明;吳春鵬;苗軍
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G06T5/00
• 分類號: G06T5/00;G06N3/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 樓艮基

技術領域

本發明涉及圖像處理和神經元網絡技術領域，特別是涉及一種以局部耦合神經元振子網絡 形式實現的、用于處理視覺圖像中同一背景下不同目標區域之間相互分離的系統。

背景技術

人眼處理視覺圖像時可以在很短的時間內輕松的進行感知和理解，然而研究者對其中的機 理至今仍然知之甚少。但是，大量的生理學實驗表明視覺器官有可能首先抽取對象的各個局部 特征并且并行的向中樞傳送，問題是中樞怎樣再將這些特征重新整合起來，這就是所謂的結合 問題，視覺圖像中同一背景下不同對象(目標區域)的分離就屬于此類問題。為處理這個問題， Hebb提出一種理論，這種理論認為為了檢測一個對象，需要有一群神經元提高它們的平均發 放量，但這卻引發了新的問題——疊加問題。為克服新的問題，Von?der?Malsburg和Schneider 對Hebb理論進行了修正，他們認為同一對象應由一群同步振蕩的神經元來表征，屬于同一對 象的神經元的發放彼此同步，而不同對象的神經元的發放則不存在一致的相位關系。這一理論 被后來的實驗所證實：在貓的視覺皮層上記錄到了頻率在40-60Hz的振蕩現象。

在上述實驗和理論的基礎上，研究者們提出了很多神經元振子網絡模型模擬真實的人腦中 神經元行為。Wilson-Cowan神經元振子網絡模型就是其中的一種，它能夠比較好地模擬人類 視覺皮層中功能柱同步振蕩行為，這一性質使得Wilson-Cowan模型在圖像分割領域特別是 分離視覺圖像中同一背景下不同目標區域方面具有很廣的應用前景，而且Grayetal等人已經通 過經典的生理學實驗對這一模型進行了驗證。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種基于局部耦合神經元振子網絡的簡單灰度圖像分割方法，利 用神經元振子網絡構建用于處理視覺圖像中同一背景下不同目標區域之間相互分離的系統，該 系統由三層組成：視覺圖像輸入層，神經元振子網絡振蕩層，目標區域分離層。總體上說，該 系統首先將一幅視覺圖像與一族神經元振子建立一對一關聯，然后讓這一組神經元振子產生振 蕩，使得具有相同振蕩周期和振幅的振子運動到同一個極限環上，再利用振子之間的耦合關系 執行同步操作以改變同一個極限環上各個振子之間的相位差距，最后通過去同步操作就可以獲 得具有相同周期、振幅、相位的每組神經元振子，此時每組神經元振子就對應視覺圖像上一個 目標區域中的所有像素點，由此實現圖像分割。

本發明是采用以下技術手段實現的：

建立視覺圖像輸入層，首先將視覺圖像輸入到神經元振子網絡振蕩層上的神經網絡中，圖 像中的像素點與神經網絡上的神經元振子存在一一對應關系。

建立神經元振子網絡振蕩層，對這一層上神經網絡中的每個神經元振子建立動力學系統模 型，使得振蕩過程中具有相同振蕩周期和振幅的神經元振子運動到同一個極限環上，并進一步 實現同步振蕩。這一層相對復雜，主要包含以下三方面內容：

第一，單一神經元振子由興奮性單元和抑制性單元這兩個部分組成，在外部刺激(每個振 子所對的像素點取值)以及這兩個單元的相互作用下，這兩個單元各自的脈沖發放率存在不同 的變化特性，因此對單一神經元振子建立動力學系統模型就要利用二階微分方程組描述這兩個 單元各自的脈沖發放率。為了使系統更加靈活并便于理論分析，本發明分別采用了不同的系數 來控制每個神經元振子興奮性單元和抑制性單元的脈沖發放變化率，而傳統方法則往往使用相 同的系數。

第二，為了保證神經元振子產生振蕩，就需要確定這一微分方程組中各參數之間的取值約 束以保證微分方程組的解存在周期性，確定的方法就是根據外部刺激的取值范圍在這一微分方 程組所對的相平面上劃出指定區域，各參數的取值范圍要保證這一區域中一定會出現失穩平衡 點，根據環域定理，此時微分方程組的解存在周期性。從微分方程的運動特性上講，解存在周 期性就意味著極限環的出現。每個極限環具有固定的振蕩頻率和振幅，那些在振蕩過程中具有 這一頻率和振幅的神經元振子就會運動到這一極限環上，即使這些振子是從相平面上的不同位 置開始運動的。