PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“

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1 PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Bionik II / Biosensorik“
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

2 Neuronale Inhibitionsschaltung
Interneuron Neuronale Inhibitionsschaltung

3 4 4 4 8 8 8 2 2 1 5 4 4 2  4 4 2 10 8 8 Inhibitionskoeffizient = 1/4 Laterale Inhibition in technischer Darstellung

4 Querverschaltung der Netzhaut
Stäbchen Zapfen Horizontalzelle Bipolarzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Querverschaltung der Netzhaut

5 Elementare Sehzellenverschaltung – ON / OFF-Antworten
Zentrum Licht Zapfen OFF-Bipolare ON-Bipolare OFF-Ganglienzelle ON-Ganglienzelle Elementare Sehzellenverschaltung – ON / OFF-Antworten

6 Elementare Sehzellenverschaltung – ON / Off-Antworten
Zentrum Peripherie Licht Licht Zapfen Horizontalzelle OFF-Bipolare ON-Bipolare OFF-Bipolare ON-Bipolare OFF-Ganglienzelle ON-Ganglienzelle OFF-Ganglienzelle ON-Ganglienzelle Elementare Sehzellenverschaltung – ON / Off-Antworten

7 Hervorhebung eines Hell-Dunkel-Sprunges durch Inhibition
4 4 4 4 8 8 8 8 4 4 4 2 10 8 8 8 4 4 4 4 8 8 8 8 4 4 4 2 10 8 8 8 4 4 4 4 8 8 8 8 4 4 4 2 10 8 8 8 4 4 4 4 8 8 8 8 4 4 4 2 10 8 8 8 4 4 4 4 8 8 8 8 4 4 4 2 10 8 8 8 4 4 4 4 8 8 8 8 4 4 4 2 10 8 8 8 4 4 4 4 8 8 8 8 4 4 4 2 10 8 8 8 4 4 4 4 8 8 8 8 4 4 4 2 10 8 8 8 Inhibitionskoeffizient = 1/4 Verstärkung = 2 Hervorhebung eines Hell-Dunkel-Sprunges durch Inhibition

8 Mach-Streifen

9 U H N Z E R I L O Sehtafel Z N R P V W Z S T U P N E R F M A D
E U V H Z L R P W Z U N V E R O P G H 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 Sehtafel

10 e -Ebene a -Ebene Zweidimensionale e- a -Verknüpfung

11 Vertikale und horizontale Inhibitionsoperation
8 16 Vertikale und horizontale Inhibitionsoperation 4 3 10 8 2 8 6 20 16 4 Originale Helligkeitsverteilung Hinter dem Inhibitionsfilter (Inhibitionskoeffizient = 1/ 8) Verstärkung um den Faktor 2

12 8 6 20 16 4 8 8 8 16 8 8 8 8 8 8 16 8 8 8 8 8 8 16 8 8 8 16 16 16 16 16 16 16 8 8 8 16 8 8 8 8 8 8 16 8 8 8 8 8 8 16 8 8 8 Gegenüberstellung

13 HERMANNsche Kontrasttäuschung
Hermann, L. (1870) Eine Erscheinung simultanen Contrastes. Pflügers Archiv für die gesamte Physiologie 3, 13-15

14 3 1 2 4 Mathematische Interpretation des Fensterkreuzoperators f4 f2
2 4 Dieser Operator ist das digitale Analogon zum Laplace-Operator: f1 f0 f2 h f3 f4 x, y diskretisiert

15 Optische Täuschungen als Grundlage zur Analyse der neuronalen Informationsverarbeitung

16 Szintilations- Täuschung

17 Scheinkontur

18 Scheinkontur

19 Der Necker-Würfel

20 Der Necker-Würfel

21 Müller-Lyer-Täuschung

22 Ponzo-Täuschung

23 Poggendorff-Täuschung

24

25 Entwurf eines größen-, dreh- und verschiebungsinvarianten Zeichenerkennungssystems mit einer Inhibitionsschaltung

26 Triviales Modell: Entfernungsinvarianter Intensitätssensor

27 Invarianzeigenschaft: Größe, Rotation, Translation

28 Kompaktheit K als größen- rotations- und translationsinvariante Eigenschaft geometrischer Figuren:
Fläche Umfang √ K = r = Radius des Kreises a = Seitenlänge des Quadrats s = Seite des gleichschenkligen Dreiecks a = Seitenlänge der Quadrate

29 Vertikale, horizontale und diagonale Inhibitionsoperation
1 Vertikale, horizontale und diagonale Inhibitionsoperation 1 5/3 1 2 Originale Helligkeitsverteilung Hinter dem Inhibitionsfilter (Verstärkung = 8/3, Inh. Koeff = 1/8 „Soll“ für Umfangsmessung

30 K 0,282 0,250 0,219 0,177 Biologisch inspirierte Zeichenerkennungs-Schaltung

31 Schichtung von Gestaltfiltern

32 Der Lohmann-Fensteroperator

33  = 1  = 1  = 2  = 1 [ ] [ ] [ ] [ ] [ ] ( ) [ ] ( ) [ ] ( ) [ ( )
-  = 1 1 2 1 = 2 2 1 ( ) [ ] 1 1 2 - 1 = 2 2 1 ( ) [ 1 2 - 1 - 1 - ( 1 1 - ) ] 1 =  = 1 2 1 ( - ) [ ] 1 1 L = 2 1 ( ) [ ] 1 2 = 1 2  = 2 1 ( ) [ 1 1 2 - ] 1 =  = 1 2 2 1 ( [ ] 1 - ) 1 L = 2 1 ( ) [ ] 1 2 = 1 2 1 ( ) [ ] 1 1 2 - 1 - 1 - 1 = - Beispiel 2 2 1 ( ) [ - - ] 1 2 1 1 = 2

34 Besonderheit des Lohmann-Fensteroperators
Der Operator zählt Figuren innerhalb von Figuren negativ +1 Fig. 0 Fig. -1 Fig. +1 Fig.

35 Signalverarbeitung durch lokale Filter

36 Serielle Abarbeitung eines Fensteroperators

37 Entwurf eines Autofocus-Systems mit einen Inhibitionsschaltung

38 Zum System Biofocus  M 2 4 6 8 10 10 10 10 unscharf = 10 scharf = 10
| D | | D | | D | M  Maximalwert Regler 10 8 6 unscharf 4 2 = 10 2 4 6 8 10 10 8 6 scharf 4 2 = 10 10 10 10

39 Zum System Biofocus  M 2 4 6 8 10 10 10 10 unscharf = 0 scharf = 10
| Inh | | Inh | | Inh | | Inh |  Maximalwert Regler 10 8 6 unscharf 4 2 = 0 2 4 6 8 10 10 8 6 scharf 4 2 = 10 10 10 10

40 Realisierung einer künstlichen Netzhaut
Spektrum der Wissenschaft, Juli 1991

41 Aus Schmidt, Thews, Lang: Physiologie des Menschen
Schematischer Aufbau der Riechschleimhaut Aus Schmidt, Thews, Lang: Physiologie des Menschen Laterale Inhibition durch periglomeruläre Zellen und Körnerzellen

42 Riechen ist dem Sehen nahe
Horizontalzellen Amakrinzellen 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

43 Inhibitionsschaltung in der Biologie
1. Photorezeptoren in der Netzhaut 2. Tastsinneszellen der Hautoberfläche 3. Haarzellen in der Cochlea 4. Riechfasern im Bulbus olfactorius 5. Purkinje-Zellen im Kleinhirn (Korb- und Sternzellen)

44 Ende