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Ingo Rechenberg
PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“
Die laterale Inhibition rezeptiver Felder
Leistung einer elementaren Neuronenschaltung
Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet
Neuronale Inhibitionsschaltung
Interneuron
4 44 8 8 8
2 2 1 5 44
4 4 2 10 8 82
Laterale Inhibition in technischer Darstellung
Inhibitionskoeffizient = 1/4
Amakrinzelle
Horizontalzelle
Ganglienzelle
Bipolarzelle
Stäbchen
Zapfen
Querverschaltung der Netzhaut
LichtZentrum
OFF-Bipolare ON-Bipolare
OFF-Ganglienzelle
ON-Ganglienzelle
Zapfen
Elementare Sehzellenverschaltung – ON / OFF-Antworten
LichtZentrum
Licht
Horizontalzelle
ON-BipolareOFF-Bipolare
OFF-Ganglienzelle
ON-Ganglienzelle
Peripherie
OFF-Bipolare ON-Bipolare
OFF-Ganglienzelle
ON-Ganglienzelle
Zapfen
Elementare Sehzellenverschaltung – ON / Off-Antworten
4 4 4 84444444
4 4 4
4 4 44 4 4
4 4 44 4 44 4 4
8888888
88888888
888
88888
888
888884 4 4 4
4 4 4 102222222
4 4 4
4 4 44 4 4
4 4 44 4 44 4 4
10101010101010
88888888
888
88888
888
888884 4 4 2
Hervorhebung eines Hell-Dunkel-Sprunges durch Inhibition
Inhibitionskoeffizient = 1/4Verstärkung = 2
Mach-Streifen
Sehtafel
U H N Z E R I L OZ N R P V W Z S T
U P N E R F M A DE U V H Z L R P W
Z U N V E R O P GH N U P Z R E S F
N E Z R H M P L S
Z N R P V M U A E
E F H W L I A O U
e -Ebene
a -Ebene
Zweidimensionale e- a -Verknüpfung
Vertikale und horizontale Inhibitionsoperation
Originale Helligkeitsverteilung
Hinter dem Inhibitionsfilter
Verstärkung um den Faktor 2
(Inhibitionskoeffizient = 1/ 8)
8 8 8 8 8 81616
16
16
16
16
16
16 16 16 16 16 16
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
4 4 3 3 4 41010
10
8
10
10
10
10 10 10 10 10 10
4 4 3 3 4 4
3 3 2 2 3 3
3 3 2 2 3 3
4 4 3 3 4 4
4 4 3 3 4 4
4
100 8
12i
ieea
51
8
30
4
62
7
8 8 6 8 8 82020
20
1620
20
20
20 20 20 20 20 20
8 8 6 8 8 8
6 6 4 4 6 6
6 6 4 4 6 6
8 8 6 6 8 8
8 8 6 6 8 8
Gegenüberstellung
8 8 8 8 8 816
16
16
16
16
16
16
16 16 16 16 16 16
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 8 8 8 8
8 8 6 8 8 82020
20
16
20
20
20
20 20 20 20 20 20
8 8 6 8 8 8
6 6 4 4 6 6
6 6 4 4 6 6
8 8 6 6 8 8
8 8 6 6 8 8
HERMANNsche Kontrasttäuschung
Hermann, L. (1870) Eine Erscheinung simultanen Contrastes. Pflügers Archiv für die gesamte Physiologie 3, 13-15
Mathematische Interpretation des Fensterkreuzoperators
4
100 4
14i
ieea1304
2
Dieser Operator ist das digitale Analogon zum Laplace-Operator: 2
2
2
22
yx
)()(1Δ
)Δ(Δ0210222
2
ffffhx
fxf
)()(1Δ
)Δ(Δ0430222
2
ffffhy
fyf
2
2
2
2
yf
xf
diskretisiert 4321024
1fffff
h
f1
f0
f2
h h
f3
f0
f4
x, y
Optische Täuschungen als Grundlage zur Analyse
der neuronalen Informationsverarbeitung
Szintilations- Täuschung
Scheinkontur
Scheinkontur
Der Necker-Würfel
Der Necker-Würfel
Müller-Lyer-Täuschung
Ponzo-Täuschung
Poggendorff-Täuschung
Entwurf eines größen-, dreh- und verschiebungsinvarianten Zeichenerkennungssystems mit einer Inhibitionsschaltung
Triviales Modell:
Entfernungsinvarianter Intensitätssensor
Invarianzeigenschaft: Größe, Rotation, Translation
Kompaktheit K als größen- rotations- und translationsinvariante Eigenschaft geometrischer Figuren:
FlächeUmfang
√K =
282,021
2
2
rrK r = Radius des Kreises
219,063
334/ 42
s
sK s = Seite des gleichschenkligen Dreiecks
250,041
4
2
aaK a = Seitenlänge des Quadrats
177,082
82 2
aaK a = Seitenlänge der Quadrate
Originale Helligkeitsverteilung
Hinter dem Inhibitionsfilter(Verstärkung = 8/3, Inh. Koeff = 1/8
„Soll“ für Umfangsmessung
0 0 0 0 0 001
1
1
1
1
0
0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 0
0 1 1 1 1 0
0 0 0 0 0 0
0 0 0 0 0 001
0
0
0
1
0
0 1 0 0 1 0
0 5/3 1 1 0
0 1 0 0 1 0
0 1 0 0 1 0
0 1 1 0
0 0 0 0 0 0
5/3 5/3
5/3
0 0 0 0 0 001
0
0
0
1
0
0 1 0 0 1 0
0 2 1 1 2 0
0 1 0 0 1 0
0 1 0 0 1 0
0 2 1 1 2 00 0 0 0 0 0
Vertikale, horizontale und diagonale Inhibitionsoperation
8
100 8
138
iieea
51
8
30
4
62
7 00 00für aa
Inhibition 1
2
21 K
K
0,282
0,250
0,219
0,177
Biologisch inspirierte Zeichenerkennungs-Schaltung
Schichtung
von
Gestaltfiltern
)]()(
2)[(
545433
54321000 21
eeeeee
eeeeeeea
01
2534
Der Lohmann-Fensteroperator
. . .
= 1
= 1
= 1
= 2
Beispiel
( ) [ ]21121
21
( )[ ]211212
1
( ) ( )[ ] 0111112121
( ) [ ] 01121
( )[ ] 12121
( )[ ]211212
1
( )[ ] 01121
( ) [ ] 12121
( )[ ] 2111121
21
( )[ ] 0112121
Besonderheit des Lohmann-Fensteroperators
Der Operator zählt Figuren innerhalb von Figuren negativ
+1 Fig. 0 Fig. -1 Fig. +1 Fig.
Signalverarbeitung durch lokale Filter
518
304
627
518
304
627
518
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518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
627
518
304
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518
304
627
518
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518
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627
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518
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627
Serielle Abarbeitung eines Fensteroperators
518
304
627
Entwurf eines Autofocus-Systems
mit einen Inhibitionsschaltung
10886644220Diff
101010101000000Diff
0 8642 10
= 10
= 10
MaximalwertRegler
M
0
42
1086
0
42
1086
0 101000 10
Zum System Biofocus
unscharf
scharf
| D | | D | | D |
210
26
28
24
26
22
24
20 8642Inh
0 8642 10
= 10
= 0
MaximalwertRegler
M
0
42
1086
0
42
1086
0 101000 10
Zum System Biofocus
unscharf
scharf 210
210
210
20
210
20
20
20 101000Inh
| Inh | | Inh | | Inh | | Inh |
Realisierung einer künstlichen Netzhaut
Spektrum der Wissenschaft, Juli 1991
Schematischer Aufbau der Riechschleimhaut
Aus Schmidt, Thews, Lang: Physiologie des Menschen
Laterale Inhibition durch periglomeruläre Zellenund Körnerzellen
Riechen ist dem Sehen nahe
Die periglomerulären Zellen entsprechen den Horizon-talzellen und die Körnerzellen den Amakrinzellen in der Netzhaut
Die laterale Inhibition in der Riechschleimhaut erhöht den molekularen Kontrast und damit die Unterscheid-barkeit von Düften
Horizontalzellen
Amakrinzellen
Inhibitionsschaltung in der Biologie
1. Photorezeptoren in der Netzhaut
2. Tastsinneszellen der Hautoberfläche
3. Haarzellen in der Cochlea
5. Purkinje-Zellen im Kleinhirn (Korb- und Sternzellen)
4. Riechfasern im Bulbus olfactorius
Ende
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