1 / 17

Wykład 9 Neuropsychologia komputerowa

Wykład 9 Neuropsychologia komputerowa. Percepcja I: Wzrok Włodzisław Duch UMK Toruń Google: W Duch. Percepcja jest stosunkowo najłatwiejsza do zrozumienia chociaż na wiele szczegółowych pytań nie ma jasnych odpowiedzi. Pytania ogólne:

maylin
Download Presentation

Wykład 9 Neuropsychologia komputerowa

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Wykład 9 Neuropsychologia komputerowa Percepcja I: Wzrok Włodzisław Duch UMK Toruń Google: W Duch

  2. Percepcja jest stosunkowo najłatwiejsza do zrozumienia chociaż na wiele szczegółowych pytań nie ma jasnych odpowiedzi. Pytania ogólne: W jaki sposób rozpoznajemy obiekty w różnych miejscach, orientacji, odległości, przy różnych rzutach obrazu na siatkówkę? Dlaczego pierwotna kora wzrokowa reaguje na zorientowane krawędzie? Dlaczego układ wzrokowy rozdziela informacje na szlak grzbietowy związany z działaniem i określaniem miejsca, i szlak brzuszny, związany z rozpoznawaniem obiektów? Dlaczego uszkodzenia kory ciemieniowej prowadzą do zaburzeń orientacji przestrzennej i uwagi (zaniedbanie stronne)? Motywacje

  3. Organizacja hierarchiczna zaczyna się w siatkówce, przechodzi przez ciało kolankowate boczne (część wzgórza), docierając do pierwotnej kory wzrokowej V1, skąd rozsyłana jest dalej. System wzrokowy Wzrok u zwierząt różnego gatunku realizowany jest na wiele sposobów: ślimak ma komórki światłoczułe bez soczewek, owady złożone oko i 10-30.000 heksagonalnych fasetek, ssaki mają oko z siatkówką i soczewką, człowiek ok 120M receptorów.

  4. Szlaki wzrokowe: siatkówka => ciało kolankowate boczne wzgórza (LGN) => promienistość wzrokowa => obszar pierwotnej kory V1 => wyższe piętra układu wzrokowego => obszary kojarzeniowe i wielomodalne. Kora obszaru V1, zwana jest również korą prążkowaną (białe paski na szarym tle, aksony promienistości wzrokowej kończące się w warstwie 4). Szlaki wzrokowe Komórki V1 zorganizowane są w kolumny dominancji dwuocznej i kolumny orientacyjne, retinotopicznie. Proste komórki warstwy 4 reagują na paski o określonym nachyleniu, kontrastowe krawędzie, pobudzenia z jednego oka. Znaczna część środkowego obszaru V1 reaguje na sygnały z okolic plamki żółtej (dołka środkowego) oka, gdzie gęstość receptorów jest największa.

  5. „Co widzimy" = szlak drobnokomórkowy zmierzający do obszarów IT, "gdzie to jest" = szlak wielkokomórkowy, zmierzający do płata ciemieniowego. Co/gdzie Milner i Goodale (1995): szlaki wzrokowe nie tyle określają co i gdzie, co umożliwiają działanie i percepcję. Jest jeszcze stary szlak limbiczny, umożliwiający szybkie działanie w niebezpiecznych sytuacjach (po którym następuje fala strachu).

  6. Ungerleider i Mishkin (1982): istnieją dwa w znacznej mierze rozdzielone szlaki przetwarzania informacji wzrokowej, biegnącej już od oka. Wielkoziarniste komórki PA siatkówki, 3 typy stożków fotorecepcyjnych, duże pola recepcyjne, szybko przewodzące aksony, pobudzenie dla światła w szerokim paśmie. Drobnoziarniste komórki PB, 1 lub 2 typy stożków fotorecepcyjnych, małe pola recepcyjne, wolno przewodzące aksony, rozpoznają opozycje barw. Dwa strumienie Szlak wielkokomórkowy: biegnie do dwóch wielkokomórkowych warstw LGN, charakteryzuje go niska rozdzielczość przestrzenna, wysoka wrażliwość na kontrast, szybkie przesyłanie sygnałów, bez informacji o kolorze. Szlak drobnokomórkowy ma 4 drobnoziarniste warstwy w LGN, duża rozdzielczość przestrzenna, kolor, wolniejszy przesył informacji, niska wrażliwość na kontrast.

  7. Siatkówka nie jest pasywną matrycą rejestrującą obrazy. Kluczowa zasada: wzmacnianie kontrastów podkreślających zmiany w przestrzeni i czasie, wzmacnianie krawędzi, jednolicie oświetlone obszary są mniej istotne. Fotoreceptory w czopkach i pręcikach, 3-warstwowa sieć, komórki zwojowe =>LGN. Siatkówka Pole recepcyjne: obszar, który pobudza daną komórkę. Kombinacja sygnałów w siatkówce daje pola recepcyjne typu centrum-otoczka (on-center) i odwrotnie, wykrywa krawędzie. Każde z pól indywidualnych komórek można modelować Gaussem, więc takie pola otrzymuje się jako różnicę (DOG).

  8. Kompresja sygnału – częściowo już w siatkówce. Informacje różnego typu trafiają do różnych warstw LGN. Stacja pośrednia – wszystkie sygnały zmysłowe (oprócz węchowych) przechodzą przez różne jądra wzgórza. Dynamiczne przetwarzanie informacji: sterowanie uwagą i szybki wielkokomórkowy szlak reagujący na ruch. Wsteczne projekcje V1=>LGN są o rząd wielkości bardziej liczne niż projekcje LGN=>V1. Ciało kolankowate boczne Konkurencyjna dynamika wybiera sygnały z pola wzrokowego, zwłaszcza dotyczące ruchu. Steruje ruchem gałki ocznej przez połączenia z wzgórkami czworaczymi górnymi (sup. colliculus).

  9. Sygnały punktowo-kontrastowe z LGN kora V1 organizuje w zorientowane pod określonym kątem detektory krawędzi. Detektory krawędzi Proste komórki V1 łączą się w detektory krawędzi, pozwalając określić kształty, inne komórki reagują na kolor i rodzaj powierzchni (teksturę). Własności detektorów krawędzi: różna orientacja; wysoka częstość = szybkie zmiany, drobne paski; niska częstość = łagodne zmiany, szerokie paski; polarność = ciemne-jasne lub vv, ciemne-jasne-ciemne lub vv.

  10. Specyficzna budowa, uwarunkowana częściowo genetycznie, częściowo rozwija się dzięki stymulacji, organizacja retinotopiczna jak w LGN. Różne typy detektorów krawędzi i rodzaju tekstury upakowane są topograficznie w korze V1 w hiperkolumny, obejmujące rozdzielone sygnały z lewego i prawego oka (widzenie 3D, nie u wszystkich ssaków). Topografia kory Obszar plamek: sygnały koloru + częściowo kształtu, niskie częstości => V4. Obszar między plamkami: detektory krawędzi, co 10o, wysokie częstości. Hiperkolumna ~1mm2, połowa V1 dla dołka środkowego!

  11. Zorientowane detektory krawędzi mogą się utworzyć przez korelacyjne uczenie się za pomocą mechanizmów Hebbowskich w oparciu o naturalne sceny. Co dzieje się z informacją o kolorze, teksturach, ruchu? Reprezentacja w korze V1

  12. Szlak wielkokomórkowy: przez płat potyliczny szlakiem grzbietowym do kory ciemieniowej. Dochodzi do warstwy 4B w V1, stąd do grubych ciemnych pasków obszaru V2, analizuje informację o ruchu obiektu. W V1, warstwa 4B => V5, lokalizacja w polu widzenia, ruch. V5 pobudza płat ciemie-niowy, PPC (tylna kora ciemieniowa), obszar 7 i 5; umożliwia to orientację przestrzenną, postrzega-nie głębi i ruchu, połącze-nie z wzgórkami czwora-czymi (orientacja oczu). Szlak grzbietowy

  13. Szlak drobnokomórkowy: szlak brzuszny, do kory dolnoskroniowej. V1 => V2 obszar międzyplamkowy, reaguje na orientację linii, daje dużą ostrość widzenia, bez koloru. V1 => V3 obszar plamkowy, reaguje na kształty, reakcja na kolor w neuronach w ciemnych prążkach V3. V2 => V4, główny obszar analizy koloru, informacja dochodzi do kory dolnoskroniowej (IT). Obszar IT w płacie dolnoskroniowym ma neurony reagujące na złożone obiekty. Szlak brzuszny Demo: laboratorium Keiji Tanaka, RIKEN.

  14. W jaki sposób tworzą się pola recepcyjne? Skąd takie własności V1? Model v1rf.proj.gz, R. 8 Wejścia: 12x12, sygnały z komórek LGN on (pos) i off (neg) center. Wzorce wejściowe: przypadkowo wybrane fragmenty 24x24 z 4 naturalnych obrazów 600x800. Warstwa ukryta 14x14; połączenia: przypadkowe z wejściem a pobudzające wewnątrz warstwy. Opis projektu w rozdz. 8.3.2. Naturalne kształty i tekstury prowadzą do specyficznych pól recepcyjnych: stąd reakcje na krawędzie.

  15. Kora V1 otrzymuje z LGN sygnał on/off o wzmocnionym kontraście, wejście do V1 przez warstwę 4, przetwarzanie w tym modelu odpowiada procesom zachodzącym głównie w warstwach 2 i 3. Model obejmuje jedną hiperkolumnę, analizującą mały wycinek obrazu ze zdjęć krajobrazów i roślin => wszystkie elementy widzą to samo. Własności modelu Własności: geometria sferyczna, tzn. góra = dół, lewa = prawa; wejścia niezależne dla komórek on/off, zgodnie z biologią; silne i rozległe pobudzające połączenia horyzontalne – jak w SOM; kWTA zostawia ~10% aktywnych neuronów. Kontrast dla wag jest mały ~1, bo to nie są neurony decyzyjne, progi są duże (~2) by wymusić rzadkie reprezentacje, silne korelacje. Szum pomaga w unikaniu słabych rozwiązań.

  16. Sprawdzić strukturę, wagi połączeń (r.wt): silne pobudzenia wewnątrz warstwy ukrytej, zawijanie pobudzeń na brzegach, przypadkowe połączenia z wejściami on/off. LoadEnv by załadować obrazek 512x512 - do treningu użyto 10 obrazów, tu jest jeden przykładowy, przetworzony na kropki on/off. Ćwiczenia z v1rf StepTrain – obserwacja oscylacji uczenia dla fazy – i + Komplementarność on/off: silniejsza aktywacja on dla obrazów jaśniejszych w środku niż na brzegach, ciemne = dodatnia aktywacja off. Pytanie: czego się można spodziewać jeśli horyzontalne połączenia będą dominować? Sprawdź swoje przypuszczenia zmieniając chwilowo lat_wt_scale 0.04 => 0.2. LoadNet by załadować wytrenowaną sieć, po 100.000 prezentacji obrazów i paru dniach obliczeń ...

  17. W jaki sposób tworzą się pola recepcyjne? Skąd takie własności V1? Pola recepcyjne Sprawdzić aktywacje r.wt, zmienić skalę koloru by lepiej widzieć orientację pól, sprawdzić kilka elementów ukrytych, bi- i tri-polarne pola obu rodzajów. Załadować wszystkie: View, RFIELDS aktywność on=czerwone, off=niebieskie. Orientacja, położenie, rozmiar, polarność to 4 różne cechy pól recepcyjnych. Widać promieniste zmiany orientacji (pinwheel), punkty osobliwe. View, PROBE_ENV pokazuje 4 różne próbne bodźce, StepProbe pokaże aktywację jednostek ukrytych.

More Related