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 Zur Empfindlichkeitskennlinie biologischer Sensoren
Sonne (-27 mag) Stern (6 mag) Durch die logarithmische Adaptation kann das menschliche Auge Sinneseindrücke zwischen Dämmerung und hellem Sonnenschein von bis zu 12 Zehnerpotenzen an physikalischer Leuchtdichte überbrücken. Ein freiäugig gerade noch sichtbarer Stern 6. Größe ist gegenüber der Sonne um 32 Größenklassen oder 12¼ Zehnerpotenzen schwächer. Beim Temperatursinn hingegen nimmt die Reaktion der Thermorezeptoren annähernd linear zur Reizgröße zu. Denn hier ist weniger die "Messung" der Temperatur wichtig, als vielmehr eine Warnung vor Verbrennung oder Erfrieren in einem moderaten Temperaturbereich.

3 Gustav Theodor Fechner 1801 -1887
Das Weber-Fechner-Gesetz Ernst Heinrich Weber Gustav Theodor Fechner S = Objektive Reizstärke S0 = Referenzreizstärke I = Wahrgenommene Reizstärke I S

4 Konsequenz eines logarithmischen Sensorverhaltens
800 300 800 300 8 3 8 3 log log 5 0,981 500 0,981 Konsequenz eines logarithmischen Sensorverhaltens

5 Neuronale Inhibitionsschaltung
Interneuron Neuronale Inhibitionsschaltung

6 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

7 4 8 -2 2 Laterale Inhibition in technischer Darstellung
-2 2 Inhibitionskoeffizient = 1/2 Laterale Inhibition in technischer Darstellung

8 400 800 -200 200 Laterale Inhibition in technischer Darstellung
-200 200 Inhibitionskoeffizient = 1/2 Laterale Inhibition in technischer Darstellung

9 Inhibition mit logarithmischer Sensor-Kennlinie
400 800 4 8 log log log log log log 1,386 2,079 5,991 6,685 - 0,347 0,347 - 0,347 0,347 Inhibitionskoeffizient = 1/2 Inhibition mit logarithmischer Sensor-Kennlinie

10 Querverschaltung der Netzhaut
Stäbchen (Dämmerungssehen) Zapfen (Farbsehen) Horizontalzelle Bipolarzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Querverschaltung der Netzhaut

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

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

13 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

14 Mach-Streifen

15 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 "Würde mir jemand ein optisches Gerät mit solchen Fehlern anbieten, würde ich es in aller Deutlichkeit zurückweisen." So beurteilte der berühmte Physiker Hermann von Helmholtz die Qualität des menschlichen Auges.

16 e -Ebene a -Ebene Zweidimensionale e- a -Verknüpfung

17 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

18 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

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

20 [ ] 3 1 2 4 Mathematische Interpretation des Fensterkreuzoperators f4
2 4 Dieser Operator ist das digitale Analogon zum Laplace-Operator: f1 f0 f2 h f3 f4 x, y [ ] ) ( 1 Δ 4 3 2 f h y - = diskretisiert

21 Optische Täuschungen als Grundlage zur Analyse der neuronalen Informationsverarbeitung

22 Szintilations- Täuschung

23 Scheinkontur

24 Scheinkontur

25 Der Necker-Würfel

26 Der Necker-Würfel

27 Müller-Lyer-Täuschung
Franz Müller-Lyer (1889)

28 Ponzo-Täuschung

29 Poggendorff-Täuschung

30 Feld B ist genauso dunkelgrau wie Feld A

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33 Entwurf eines größen-, dreh- und verschiebungsinvarianten Zeichenerkennungssystems mit einer Inhibitionsschaltung Z. B. Erkennung Sichelzellenanämie

34 Triviales Modell: Entfernungsinvarianter Intensitätssensor

35 Invarianzeigenschaft: Größe, Rotation, Translation
Immer ist es ein Dreieck !

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

37 Idee zur Umfangsmessung

38 ! Vertikale, horizontale und diagonale Inhibitionsoperation 1 1 5/3 1
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 !

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

40 Arbeitsprinzip der Umfangsmessung:
Innerhalb einer beleuchteten Figur heben sich bei passend gewähltem Inhibitionskoeffizienten die Signale auf. Signale kommen nur am Rand durch!

41 Schichtung von Gestaltfiltern Filterung nach Adjektiven

42 Der Lohmann-Fensteroperator

43  = 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

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

45 Signalverarbeitung durch lokale Filter

46 Serielle Abarbeitung eines Fensteroperators

47 Entwurf eines Autofocus-Systems mit einer Inhibitionsschaltung

48 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

49 å å Zum System Biofocus  M 2 4 6 8 10 10 10 10 = + Inh Inh + =
Maximalwert Regler 10 8 2 10 6 8 4 Inh + = å 6 unscharf 4 2 = 0 2 4 6 8 10 10 8 2 10 Inh - + = å 6 scharf 4 2 = 10 10 10 10

50 Realisierung einer künstlichen Netzhaut
Spektrum der Wissenschaft, Juli 1991

51 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

52 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

53 Mikro-Anatomie des Kleinhirns (Cerebellum)
Parallelfasern Stern-Z. Golgi-Z. Korb-Z. Purkinje-Z. Körner-Z. Kontrast verstärkende Interneuronen Laterale Inhibition der Purkinje-Zellen Moosfasern Kletterfasern Mikro-Anatomie des Kleinhirns (Cerebellum)

54 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)

55 Ende