北理工賈云德《計算機視覺》chapter02人類視覺
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1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上 第二章 人類視覺 2.1人類視覺簡介 了解人類視覺的構(gòu)成、信息處理過程,對機器視覺研究人員來講是非常具有啟發(fā)性和吸引力的.本章從人眼的基本構(gòu)造出發(fā),介紹視覺通路、視覺感受野及視覺信息的基本處理過程。本章的大部分內(nèi)容取自文獻[壽1997]。 人眼所能看到的光譜范圍,只是電磁輻射波范圍的很小一部分,其波長范圍從380納米到780納米,這段波長稱為可見光譜,如圖2.1所示.在可見光范圍內(nèi),不同波長的光給人以不同的色彩感覺,不同強度的光及不同強度分布的光刺激人眼,在人腦中將產(chǎn)生不同的光強,顏色,形狀等視覺信息. 圖2.1 電磁輻射波譜和可見波譜
2、 2.1.1 人眼的構(gòu)造 人的眼睛是一個前后直徑大約23毫米的近似球狀體,由眼球壁和眼球構(gòu)成,如圖2.2所示.眼球壁的正前方,占整個眼球壁面積的1/6是一層彈性的透明組織,叫做角膜.角膜具有屈光功能,光線經(jīng)角膜發(fā)生屈折進入眼內(nèi).眼球壁外層的其余5/6是白色的不透明膜,叫做鞏膜,它主要起鞏固、保護眼球的作用.眼球壁的中層包括虹膜、睫狀體和脈絡(luò)膜.脈絡(luò)膜含有豐富的色素細胞,呈黑色,起著吸收外來散光的作用,消除光線在眼球內(nèi)部的亂反射.虹膜在角膜的后面,位于晶體的前面,虹膜中央的圓孔叫做瞳孔.虹膜可以使瞳孔擴大和縮小,睫狀體位于虹膜后面,其內(nèi)部有睫狀肌,起調(diào)節(jié)晶體的作用.眼球壁內(nèi)層是視網(wǎng)膜(
3、retina)和視神經(jīng)乳頭.視網(wǎng)膜是一種透明薄膜,是眼球的感光部分.視網(wǎng)膜由錐體細胞(cone cell)和桿體細胞(rod cell)兩種感光細胞組成,其中,錐體細胞約有650萬個,桿體細胞約有1億個. 視網(wǎng)膜可分為以視軸為中心直徑約6毫米的中央?yún)^(qū)和周邊區(qū).中央?yún)^(qū)有一直徑約2毫米(折合6度視角)呈黃色區(qū)域,稱為黃斑.黃斑中央有一小凹,叫做中央凹(fovea),面積約1平方毫米.人類視覺的中央凹沒有桿體細胞,只有錐體細胞,其密度高達每平方毫米150,000.離開中央凹,錐體細胞急劇減少,而桿體細胞急劇增多,在離開中央凹20度的地方,桿體細胞最多.中央凹的錐體細胞密度很高,是產(chǎn)生最清晰
4、視覺的地方.桿體細胞主要是在黑暗的條件下起作用,同時還負責(zé)察覺物體的運動.因此,常將錐體細胞稱為明視覺細胞,將桿體細胞稱為暗視覺細胞. 眼球內(nèi)包括晶體、房水及玻璃體,它們都是屈光介質(zhì).晶體為一扁球形的彈性透明體,位于玻璃體與虹膜之間,睫狀體的收縮可改變晶體的屈光力,使外界的對象能在視網(wǎng)上形成清楚的影像. 圖2.2 眼睛(右眼)解剖圖[Wall 1942] 2.1.2 視覺通路 視覺通路見圖2.3.到達視網(wǎng)膜的光線經(jīng)桿體和錐體細胞轉(zhuǎn)換為神經(jīng)信號,并經(jīng)視網(wǎng)膜中的神經(jīng)節(jié)細胞(ganglion cell, GC)加工,傳出視網(wǎng)膜.經(jīng)神經(jīng)節(jié)細胞加工的神經(jīng)信號,經(jīng)過視交叉部分地
5、交換神經(jīng)纖維后,再形成視束,傳到中樞的許多部位,其中包括丘腦的外膝體或外膝核(lateral geniculate nucleus, LGN)、四疊體上丘、頂蓋前區(qū)和皮層等.上丘與眼動等視反射有關(guān),頂蓋前區(qū)與調(diào)節(jié)反射、瞳孔反射有關(guān),外膝體和視皮層都直接與視覺知覺有關(guān).神經(jīng)節(jié)細胞軸突在外膝體換神經(jīng)元后,由外膝體神經(jīng)元直接經(jīng)放射到視皮層,這時視束的大部分纖維去向,稱為視覺的第一視通路.視束的一小部分纖維走向內(nèi)方,經(jīng)上丘臂,到達上丘和頂蓋前區(qū).上丘淺層神經(jīng)元再透射到丘腦枕換元后,再透射到視皮層,上丘還有纖維直接透射到視皮層.由于這條通路不經(jīng)過外膝體,故稱為第二視通路. 人們普遍認為,視神經(jīng)信號主要
6、是通過視覺第一通路到達視皮層,因此,第一視覺通路在視覺過程中起著主要的作用,而第二視覺通路的作用及其微小,可以忽略不計,如圖2.4所示。 圖2.3 人類視覺通路[Nieuwenhuys1979] 2.1.3視覺信息處理過程 基本視覺信息包括:亮度,形狀,運動,顏色,深度知覺等,其中亮度是最基本的視覺信息,因為沒有亮度就談不上什么形狀、運動、顏色等視知覺.亮度是一種外界輻射的物理量在我們視覺中反映出來的心理物理量.物體的形狀主要是由物體在視覺空間上的亮度分布,顏色分布或運動狀態(tài)不同而顯示出來的.雪地上一張白紙,荒野中潛伏的狼,都比較難以覺察.相反,雪地上一張彩紙,綠草地上等一朵
7、紅花,荒野中奔跑的狼,都比較容易發(fā)現(xiàn),這是由于物體形狀因亮度、顏色、運動等因素而突顯出來,易于被人眼分辨出來.視覺系統(tǒng)對運動目標十分敏感,特別是低等動物更是如此,如蛙類的視網(wǎng)膜對運動特別敏銳,而對靜止的目標卻視而不見.顏色知覺是一種主觀感覺,目前只在感受器細胞水平和心理物理的宏觀水平上得到了較深入的研究.研究表明 圖2.4 視覺通路簡化模型(Lindsay&Norman1972) [Wald1964],猴和人的視網(wǎng)膜中,含有三種不同的錐體細胞,每一種錐體細胞對不同的光譜,其敏感性也是不同的.三種錐體細胞對光譜的敏感峰值分別在430納米,540納米和570納米.這三個峰值段正對應(yīng)著光譜中
8、的紅、綠、藍區(qū)域.實驗進一步表明,當三種顏色按一定比例同時刺激人眼時,會產(chǎn)生各種顏色感覺.其中有一種比例會使得顏色感覺完全消失,只有亮度感覺.這就是所謂的色覺三變量性(tri-variance of color vision ),說明顏色只取決于三個基本的輸入量,這也是色覺三基色原理的基礎(chǔ). 圖2.5 三種感受器的光譜敏感示意圖[Wald 1964] 人類的視覺不僅要識別物體的形狀和顏色,而且要隨時地作用于物體,例如,伸手拿一本書,躲開汽車或障礙物,把足球踢入球門等,這一切活動都需要判斷我們與被作用物體的距離.立體知覺就是指這種判斷物體距離或深度的感覺.正常的雙眼視覺都可以提供高度的立
9、體感.外界目標在視網(wǎng)膜上的象是二維的,而且同一物體在左右眼的視網(wǎng)膜上的成像有著微小的差異,比如,用你的手輪流遮擋你的左、右眼,會發(fā)現(xiàn)同一個物體在左右眼中的位置是不同的.實際上,這種不同為立體視覺提供了最基本的信息—視差(disparity).[Julesz 1960]首次使用隨機點立體圖對作為刺激研究了立體視知覺,如圖2.4所示,這種刺激圖形排除了所有單眼視覺引入的第二視覺線索,而只保留了視差信息。受試者在觀察隨機立體圖對時,用左右眼分別觀看其中一個圖幾秒鐘,當兩個圖融合后,便會感受到有一個方形平面從背景中突顯出來。除了雙眼視差提供深度信息外,還有許多單眼的信息可以產(chǎn)生深度信息的估計,如物體的
10、重疊、透視(近大遠小,近清晰遠模糊,近亮遠暗)、明暗、紋理及運動.當然這種深度估計在質(zhì)量和感覺上仍無法與視差立體知覺的深度相比. 圖2.6 立體視覺測試圖[Julesz 1960] 2.2 感受野 在視覺通路上,視網(wǎng)膜上的光感受器(桿體細胞和錐體細胞)通過接受光并將它轉(zhuǎn)換為輸出神經(jīng)信號而來影響許多神經(jīng)節(jié)細胞、外膝狀體細胞以及視覺皮層中的神經(jīng)細胞.反過來,任何一種神經(jīng)細胞(除起支持和營養(yǎng)作用的神經(jīng)膠質(zhì)細胞外)的輸出都依賴于視網(wǎng)膜上的許多光感受器.我們稱直接或間接影響某一特定神經(jīng)細胞的光感受器細胞的全體為該特定神經(jīng)細胞的感受野(receptive field). 195
11、3年Kuffler首次闡明貓的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞(GC)的感受野在反應(yīng)敏感性的空間分布是一個同心圓[Kuffler 1953],即感受野一般是由中心的興奮區(qū)域和周邊的抑制區(qū)域構(gòu)成的同心圓結(jié)構(gòu),稱為On-型感受野,還有一類感受野是由中心抑制和周邊興奮區(qū)域的同心圓構(gòu)成,稱為Off-型感受野.圖2.5所示的是貓視網(wǎng)膜GC的感受野及其反應(yīng)形式,其中(a)為On-型感受野,(f)為Off-型感受野,(b)為小光點單獨刺激On-型感受野中心時,細胞發(fā)放頻率增加,小光點單獨刺激Off-型感受野周邊時,GC發(fā)放頻率受到抑制而變低的示意圖.(c)表明當用面積正好覆蓋On-型感受野中心的光斑刺激感受野中心時,可以得
12、到GC的最大興奮型反應(yīng).(d)表示當用面積正好覆蓋On-型感受野周邊的光斑刺激周邊時,得到GC的抑制型反應(yīng).(e)表示當用大面的彌散光照射On-型GC時,它們傾向于彼此抵消,得到較弱的興奮型反應(yīng).Rodieck于1965年提出了同心圓拮抗式(homocentric opponent)感受野的數(shù)學(xué)模型,如圖2.6所示,它由一個興奮作用強的中心機制和一個作用較弱但面積更大的抑制性周邊機制構(gòu)成[Rodieck 1965].這兩個具有相互拮抗作用的機制,都具有高斯分布的性質(zhì),但中心機制具有更高的峰敏感度,而且彼此方向相反,故稱相減關(guān)系,又稱高斯差模型(Difference of Gaussians,D
13、OG). 神經(jīng)節(jié)細胞對落入其感受野內(nèi)的對比度有選擇性的敏感性要比落入整個感受野上的總光強的信息更加敏感.圖2.7為一個對比邊刺激物位于On-型感受野不同位置時,其GC反應(yīng)放電頻率變化.圖2.7(b)表明,當刺激物從左移到感受野的中心區(qū)域邊界且沒有覆蓋中心區(qū)域時,GC對這一位置的對比邊緣反應(yīng)要比同樣光強的彌散光覆蓋整個感受野(圖2.7(a))所引起的反應(yīng)更強.GC感受野的這種對明暗對比邊緣特別敏感的性質(zhì),可以解釋心理物理學(xué)中著名的馬赫帶效應(yīng)(Mach Band).馬赫是19世紀著名的奧地利物理學(xué)家,他在觀察一個亮度漸變的邊緣時,發(fā)現(xiàn)主觀感覺在亮度的一端呈現(xiàn)一個特別亮的亮帶,在暗的一端呈
14、現(xiàn)一個特別暗的暗帶,如圖2.8所示,這就是馬赫帶.圖2.8 的上方給出了On-型感受野的位置示意圖,位置3的GC反應(yīng)最為強烈,它對應(yīng)于圖2.7(b)的位置,位置4相當于圖2.6(a)的位置,因此,強度仍然較強,但不是最強烈的反應(yīng),位置2對應(yīng)于圖2.7(c)的位置,反應(yīng)最小,且是抑制性的,即低于黑暗中無刺激時的GC自發(fā)放電水平.位置1整個GC感受野處于黑暗中,因此只有GC本身的自發(fā)放電水平,但比位置2的放電水平要強一些. 圖 2.7 貓視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞的感受野及其反應(yīng)形式 圖 2.8 Rodieck 的視網(wǎng)膜感受野神經(jīng)節(jié)細胞數(shù)學(xué)模型 圖 2.9 亮暗刺
15、激物位于On-型感受野不同位置時,其GC反應(yīng)放電頻率圖 [Levine 1981] 圖 2.10 馬赫帶現(xiàn)象及其生理基礎(chǔ) 在視覺皮層中,除了同心圓狀的感受野外,還有更復(fù)雜的感受野響應(yīng)特性 ,它們對其感受野中的特定方向的線段敏感.所有視覺通道上的神經(jīng)細胞,按其感受野在一個視網(wǎng)膜或兩個視網(wǎng)膜上,可分為單眼神經(jīng)細胞和雙眼神經(jīng)細胞.所有神經(jīng)節(jié)細胞、外膝體細胞和簡單細胞都是單眼的,復(fù)雜細胞約有半數(shù)為單眼,半數(shù)為雙眼.雙眼細胞又可進一步分為右眼主導(dǎo)、左眼主導(dǎo)和雙眼均衡的三種. 2.3 視覺信息的多層次并行處理 許多神經(jīng)科學(xué)家對視覺信息的并行分塊處理進行了深入的
16、研究.所謂的并行分塊處理是指不同視覺性質(zhì)的視覺信息成分按不同的神經(jīng)通道預(yù)處理并輸入視皮層,由不同性質(zhì)的皮層細胞分別進行分析處理.以英國科學(xué)家Zeki為代表的神經(jīng)科學(xué)家認為,人類視覺系統(tǒng)使用更加精巧的策略或辦法來統(tǒng)一不同性質(zhì)的信息,即在幾個不同水平上相互作用來多級地處理復(fù)雜的視覺信息,達到感知周圍多彩生動的視覺世界[Zeki 1993]. 2.3.1視覺信息的多層串行處理機制 Hubel和Wiesel首先提出視覺信息是多級串行處理的[Hubel 1959].由視覺通路可以看到,視網(wǎng)膜、外膝體、視皮層構(gòu)成對視覺信息處理的多級串行處理,特別是視皮層,表現(xiàn)出更為復(fù)雜的多級分層.
17、視網(wǎng)膜由三層細胞組成.從最外到最內(nèi)為感受器細胞層(receptor cell, RC),雙極細胞層(bipolar cell, BC)和神經(jīng)節(jié)細胞層(GC),GC的軸突形成視神經(jīng).這三層的每一層均包含有不止一類細胞,各層之間以及一層之內(nèi)的細胞形成廣泛的聯(lián)系.這里需要指出的是光線傳遞方向與視網(wǎng)膜信息傳遞方向相反,即光線首先到達神經(jīng)節(jié)細胞層,最后到達感受器細胞,稱這種視網(wǎng)膜為倒轉(zhuǎn)視網(wǎng)膜(inverse retina) 視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞軸突形成視神經(jīng),經(jīng)視交叉和視束到達外膝體.外膝體屬丘腦,是眼睛到視皮層通路的中繼站.猴的外膝體細胞在組織上分為六層,各層之間幾乎沒有任何細胞.而來自兩個視網(wǎng)
18、膜的纖維分別按照一定的規(guī)律投射到外膝體各層.外膝體對信息的處理是并行的. 2.3.2 視覺信息的并行處理 (1) X、Y和W通道 空間拮抗(spatial opponent)是感受野的一種基本作用性質(zhì),但感受野還有一些其它性質(zhì),其中最重要的是它的反應(yīng)時間特性和線性特性.比如,貓的神經(jīng)節(jié)細胞可按其反應(yīng)的空間—時間總和性質(zhì)而劃分為兩類,一類細胞反應(yīng)的空間總和性質(zhì)大體符合Rodieck 模型,即它們的感受野的興奮和抑制作用可以線性相加,稱為X細胞,另一類神經(jīng)節(jié)細胞的空間和性質(zhì)是非線性的,稱為Y細胞.外膝體的神經(jīng)元也可按其空間總和性質(zhì)劃分為X和Y細胞,并且在傳遞信息過程中,X型神經(jīng)節(jié)細
19、胞總是與X型外膝體神經(jīng)元發(fā)生聯(lián)系,Y型神經(jīng)節(jié)細胞總是與Y型外膝體神經(jīng)元發(fā)生聯(lián)系,而X型外膝體神經(jīng)元多數(shù)傳至視皮層簡單細胞和超級復(fù)雜細胞,而多數(shù)Y型神經(jīng)元只傳給視皮層復(fù)雜細胞.由此可見,視覺系統(tǒng)內(nèi)存在一個X和Y通道,它們在功能上表現(xiàn)出X細胞的感受野可能與空間信息的檢測與傳遞有關(guān),而Y細胞的感受野可能與時間信息的檢測與傳遞有關(guān).除了X和Y細胞外,人們在猴、貓視網(wǎng)膜上還發(fā)現(xiàn)一種稱為W型的神經(jīng)節(jié)細胞,其感受野與Y細胞大小相仿,但軸突直徑特別細,因而動作電位在其軸突上傳導(dǎo)速度也最慢.W細胞的軸突主要傳至中腦上丘部,是控制眼球運動的. (2) On-型和Off-型通道 在視網(wǎng)膜上,On-型和O
20、ff-型細胞是一種均勻鑲嵌式的排列,其總數(shù)基本相等,而在LGN,它們開始呈現(xiàn)一定程度的分離,實驗充分證明,On-型通道和Off-型通道在LGN到視皮層是充分地平行分離的.比如,在猴視網(wǎng)膜水平細胞、雙極細胞處用藥物選擇性地阻斷On-型通路,可以取消神經(jīng)節(jié)細胞,LGN和視皮層的On-型反應(yīng),但對Off-型細胞的反應(yīng)和視皮層細胞方位、方向選擇毫無影響. (3) 左眼、右眼通道 在視網(wǎng)膜、外膝體及視皮層構(gòu)成的視覺通道上,外膝體內(nèi)的每一個細胞均只接受單眼輸入,雙眼信息并不相混.視皮層中的細胞多為雙眼輸入細胞,但大多數(shù)細胞總是呈現(xiàn)對某眼輸入刺激的反應(yīng)占優(yōu)勢.視皮層的左、右眼優(yōu)勢柱,與其對應(yīng)的細
21、胞產(chǎn)生連接.雙眼視差信息是立體視覺產(chǎn)生的基礎(chǔ).實驗證明,貓的不同視差信息處理是經(jīng)X,Y,W通道分別處理的. (4) 空間頻率通道 視網(wǎng)膜、外膝體的X和Y型細胞都分別對高、低空間頻率反應(yīng)有顯著差異.光柵適應(yīng)性心理學(xué)實驗有力地支持視覺信息是按空間頻率強弱不同的多通道進行分析處理的.現(xiàn)已經(jīng)有充分的實驗證據(jù)表明貓和猴的皮層17區(qū)均存在著空間頻率功能柱,在同一柱內(nèi)的細胞最優(yōu)空間頻率相同.具有高空間頻率的功能柱集中在17區(qū)中央皮層,具有較低空間頻率的功能柱向17區(qū)中央的周邊區(qū)域擴散分布. (5) 顏色信息處理通道 在視網(wǎng)膜感受器細胞水平,顏色信息即被三種光譜敏感性不同的(紅、綠、藍
22、)錐體細胞所分別處理,侏儒型和平底型雙極細胞處理顏色信息,而桿體雙極細胞無色覺.在神經(jīng)節(jié)細胞水平.猴B型節(jié)細胞處理信息,故接受其平行投射的外膝體小細胞層司色覺信息處理,而A型細胞無色覺,故平行地接受其輸入的LGN大細胞層亦無色覺.經(jīng)外膝體小細胞層細胞所處理的顏色信息,被區(qū)(17區(qū))的細胞色素氧化酶染斑點內(nèi)皮層細胞進一步地加工處理. (6) 空間方位信息通道 自Hubel和Wiesel 20世紀50年代末開始的視皮層細胞研究工作以來,人們一直認為視覺方位敏感性是視皮層細胞的獨有的功能.20世紀80年代初,Levick 等證明神經(jīng)節(jié)細胞也具有方位敏感性,不過其敏感性很弱[Levick19??]
23、.壽天德和Leventhal證明約80%的外膝體中繼細胞具有弱但確實存在的方向敏感性,這些外膝體神經(jīng)元具有與視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞相似的、向心的最優(yōu)方位分布規(guī)律,并且最優(yōu)方位的細胞在外膝體內(nèi)部已經(jīng)聚集在一起[壽19].因此,視網(wǎng)膜、外膝體和視皮層形成一個方位信息通道. (7) 運動方向信息通道 視網(wǎng)膜節(jié)細胞中的少數(shù)W型興奮-抑制中心細胞對運動刺激有方向敏感性.壽天德等人認為貓視網(wǎng)膜22%的X型和34%的Y型節(jié)細胞具有顯著的方向敏感性[壽1995].Thompson等人]證明貓外膝體約有的X和Y細胞具有方向敏感性[Thompson 1994].這些方向敏感性X和Y細胞可能為強的皮層方向選擇性形成作
24、出貢獻. 2.4 視覺信息的集成和反饋 現(xiàn)在知道猴大腦皮層確定與視覺有關(guān)的區(qū)域約有35個以上,它們既平行又分級處理著各種不同的視覺信息.解剖學(xué)證據(jù)說明35個視覺皮層區(qū)之間存在廣泛的交互投射.英國科學(xué)家Zeki 提出關(guān)于視覺皮層信息傳遞集成的“多級同步集成”假說[Zeki 1993],用于解釋視皮層各特殊區(qū)域之間的相互作用機理,以及由此實現(xiàn)思想和行為的集成.Zeki指出,視覺皮層信息的集成不是以部位上的會聚為主,而是一種多級集成,在幾個不同水平上的相互作用來實現(xiàn).支持這種“多級同步集成”假說的證據(jù)很多. 例如,色覺區(qū)與運動區(qū)均有投射到頂皮層的內(nèi)頂溝;頂皮層區(qū)和顳皮層均有輸出到額葉,但它們的輸
25、入在第三個區(qū)域內(nèi)空間上很少重疊,而且各自有其自己的領(lǐng)地;和也都投射到顳葉皮層,但根本就不存在直接的重疊. 腦可能使用更加精巧的策略或辦法來集成不同性質(zhì)的信息,即在幾個不同水平上相互作用來多級地處理復(fù)雜的視覺信息,達到感知周圍多彩生動的視覺世界.Zeki認為,更高級視覺皮層向和區(qū)“再進入”反饋輸入信息,對于某些概念的形成具有十分重要的作用.正如前述,視覺皮層之間幾乎毫無例外地存在著交互投射,甚至丘腦外膝體也接受大量的視皮層下行投射.以區(qū)為例,區(qū)→區(qū)是彌散于整個區(qū)(雖然在寬帶部分最為密集),所以不但寬帶而且窄帶、亮度之間都有來自的投射纖維,因此區(qū)可以影響區(qū)窄帶內(nèi)細胞的顏色信息處理;顏色信息處理區(qū)
26、對區(qū)內(nèi)所有的帶區(qū)均有彌散性投射,從而對區(qū)各帶區(qū)內(nèi)細胞投射到和區(qū)的信息處理產(chǎn)生影響.這樣,返回性的“再進入”信息通路不僅返回到原有視區(qū)的輸入神經(jīng)元所在的亞區(qū),而且分布到整個前級視區(qū),因此是非模塊、不易定位的和多級彌散性的,從而將分工明確的高級視覺皮層內(nèi)的形狀、顏色和運動信息聯(lián)系起來.總之,腦內(nèi)整個視知覺是由幾個視皮層和通路同時活動的產(chǎn)物. 以上是人類近40年來對高級生物視覺的研究成果,這些研究成果給我們研究和設(shè)計機器視覺系統(tǒng)提供了很好的模型或生物支持.這里需要指出,對生物視覺信息處理過程的研究難度十分巨大,目前的研究成果僅僅是生物視覺信息處理機理的及其微小的一部分. 專心---專注---專業(yè)
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