[發明專利]一種基于長短時程突觸互補神經元網絡的邊緣檢測方法

有效

• 申請號: 202010049326.9
• 申請日: 2020-01-16
• 公開（公告）號: CN111145199B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 范影樂;余翔;武薇
• 申請（專利權）人: 杭州電子科技大學
• 主分類號: G06T7/13
• 分類號: G06T7/13
• 代理公司: 杭州君度專利代理事務所(特殊普通合伙) 33240
• 代理人: 楊舟濤

本發明涉及一種基于長短時程突觸互補神經元網絡的邊緣檢測方法。構建具有長短時程突觸互補特性的神經元網絡，包括顏色拮抗加權編碼、放電時間編碼和長短時程突觸互補編碼模塊。在顏色拮抗加權編碼模塊中，對待測圖像的顏色拮抗通道進行加權編碼；在放電時間編碼模塊中，實現對加權編碼響應的放電時間編碼；在長短時程突觸互補編碼模塊中，基于神經元群放電活動時空依賴性和同步放電特性實現長短時程突觸可塑性編碼，并實現長短時程突觸的結果互補融合，通過對時間信息流編碼得到邊緣響應；經歸一化和灰度映射處理得到最終邊緣結果。本發明考慮邊緣檢測過程中，長短時程突觸可塑性的互補作用，對于背景復雜、弱邊緣較多的圖像有較好的檢測效果。

技術領域

本發明屬于視覺神經計算領域，主要涉及一種基于長短時程突觸互補神經元網絡的邊緣檢測方法。

背景技術

圖像邊緣檢測技術是圖像分割和目標區域識別等技術的基礎。傳統邊緣檢測方法往往利用Sobel算子等梯度算子來衡量圖像邊緣的突變性階躍，但在復雜背景情況下對邊緣的定位不夠精確；也有基于LOG濾波器的檢測方法，在實現邊緣定位的同時，對噪聲的消除能力較弱。考慮到在生物視覺系統中，突觸可塑性機制對于實現大腦視知覺功能具有重要的重要，例如有研究從感受野形變角度模擬突觸可塑性，但未能深入研究圖像信息流編碼過程中突觸可塑性對神經元放電的動態調節作用；也有研究關注于單一的突觸可塑性，例如基于長時程突觸可塑性的方法僅考慮長時間尺度內的突觸連接，這將導致信息傳遞過程中對微弱信號變化的敏感性不夠，無法有效捕捉圖像中的弱邊緣，并忽略了突觸前相關性，可能導致圖像邊緣的斷裂。例如還有研究基于短時程突觸可塑性的方法，但又忽略了長時程范圍內的突觸動態調節，受噪聲干擾較大。事實上，生物視覺系統對外界刺激的感知是一個長短時程突觸互補、動態調節的過程。

發明內容

本發明針對(1)目前基于突觸可塑性機制的邊緣檢測方法，一般以模擬感受野模型的形變為策略，將待測圖像本身作為研究目標，卻忽略了在神經環路中，億萬神經元的放電活動才是人類視覺感知的基礎；(2)目前通過研究神經元放電活動模擬突觸可塑性的方法，一般是模擬單一的突觸可塑性過程，而忽略了生物視覺系統中的邊緣檢測是一個長短時程突觸協同作用、動態調節的結果。忽略短時程突觸可塑性將導致邊緣圖像易斷裂，而忽略長時程突觸可塑性將導致檢測結果受噪聲影響較大。

因此，本發明從長短時程突觸的協同工作角度出發，構建具有長短時程突觸互補特性的神經元網絡，主要包括顏色拮抗加權編碼、放電時間編碼、長短時程突觸互補編碼以及歸一化層等模塊。通過模擬生物視覺的顏色拮抗加權特性，獲得待測圖像的初級邊緣感知，接著對初級邊緣感知進行神經元放電時間建模，然后對建模結果進行長短時程突觸互補編碼，最后經歸一化層的歸一化和灰度映射處理，得到最終邊緣結果。

本方法主要包括以下步驟：

步驟(1)構建具有長短時程突觸互補特性神經元網絡，其尺寸與待測圖像map(i,j)相同，i＝1,2,…,M；j＝1,2,…,N，其中M、N分別表示待測圖像的長、寬尺寸；神經元網絡包括顏色拮抗加權編碼、放電時間編碼、長短時程突觸互補編碼和歸一化層模塊；

步驟(2)考慮到不同顏色拮抗通道對邊緣檢測結果的影響程度并不相同，因此構建顏色拮抗加權編碼模塊，定義顏色拮抗影響因子，通過對不同顏色拮抗通道的響應進行加權編碼，獲得加權編碼響應S_result(i,j)；具體實現過程如下：

首先獲取map(i,j)的紅、綠、藍、黃色分量R(i,j)、G(i,j)、B(i,j)以及Y(i,j)，其中黃色分量與紅，綠分量的關系如式(1)所示；

Y(i,j)＝(R(i,j)+G(i,j))/2 (1)