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Ingo Rechenberg

Ingo Rechenberg. PowerPoint-Folien zur 7. Vorlesung „Biosensorik / Bionik II“. Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung. Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet. Sonne. Stern.

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Presentation Transcript

  1. Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 7.Vorlesung „Biosensorik/Bionik II“ Die laterale Inhibition rezeptiver Felder Leistung einer elementaren Neuronenschaltung Weiterverwendung nur unter Angabe der Quelle gestattet

  2. Sonne Stern 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 vor Erfrieren. Zur Empfindlichkeitskennlinie biologischer Sensoren 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 31 Größenklassen oder 12¼ Zehnerpotenzen schwächer.

  3. Das Weber-Fechner-Gesetz Gustav Theodor Fechner 1801 -1887 Ernst Heinrich Weber 1801 1795 - 1878 S=Objektive Reizstärke S0=Referenzreizstärke I = Wahrgenommene Reizstärke I S

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

  5. Interneuron Neuronale Inhibitionsschaltung

  6. 2 4 4 8 4 8 8 4 2 2 1 5 4 4 4 2 10 8 8 Inhibitionskoeffizient = 1/4 Laterale Inhibition in technischer Darstellung

  7. 4 4 8 4 8 8 0 0 0 -2 2 0 Inhibitionskoeffizient = 1/2 Laterale Inhibition in technischer Darstellung

  8. 400 400 800 400 800 800 0 0 0 -200 200 0 Inhibitionskoeffizient = 1/2 Laterale Inhibition in technischer Darstellung

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

  10. Stäbchen Zapfen Horizontalzelle Bipolarzelle Amakrinzelle Ganglienzelle Querverschaltung der Netzhaut

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

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

  13. 8 8 8 10 4 4 4 4 8 4 4 4 2 8 8 8 8 8 8 8 10 4 2 4 4 4 4 4 4 8 8 8 8 8 8 10 8 4 4 4 8 4 4 4 8 4 2 8 8 8 10 8 8 8 4 2 4 4 4 4 4 4 8 8 8 10 4 4 4 8 8 8 4 4 4 4 2 8 8 8 10 8 8 8 8 4 4 4 4 4 4 4 2 8 8 8 8 8 8 4 4 4 4 4 4 8 10 8 8 4 2 8 8 8 10 8 8 8 8 4 4 4 4 4 4 4 2 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 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 E F H W L I A O U Z N R P V M U A E Sehtafel

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

  17. 8 8 8 16 8 8 8 16 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 16 16 4 4 10 3 4 4 16 16 16 16 16 16 3 10 4 4 3 3 4 8 8 8 8 8 8 16 4 3 3 2 2 3 3 8 8 8 8 8 8 10 16 8 8 8 8 8 8 6 8 16 20 10 10 10 10 10 10 8 8 6 8 8 20 3 3 2 10 2 3 3 8 8 6 6 8 8 6 6 4 4 6 6 4 4 3 3 4 4 10 20 4 4 3 3 4 4 10 20 20 20 16 20 20 20 20 6 6 4 4 6 6 20 8 8 6 6 8 8 8 8 6 6 8 8 20 Vertikale und horizontale Inhibitionsoperation OriginaleHelligkeitsverteilung Hinter dem Inhibitionsfilter (Inhibitionskoeffizient = 1/8) Verstärkung um den Faktor 2

  18. 8 20 8 8 6 8 8 20 8 8 6 8 8 8 6 6 4 20 4 6 6 20 20 20 16 20 20 20 6 6 4 20 4 6 6 20 8 8 6 6 8 8 20 8 8 6 6 8 8 8 8 8 16 8 8 8 16 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 8 16 16 16 16 16 16 16 16 8 8 8 8 8 8 16 8 8 8 16 8 8 8 8 8 8 8 8 8 16 Gegenüberstellung

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

  20. Dieser Operator ist das digitale Analogon zum Laplace-Operator: f4 f2 f0 f0 f3 f1 h h x, y Mathematische Interpretation des Fensterkreuzoperators 3 1 0 2 4 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

  28. Ponzo-Täuschung

  29. Poggendorff-Täuschung

  30. Feld B ist genauso dunkelgrau wie Feld A

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

  32. Triviales Modell: Entfernungsinvarianter Intensitätssensor

  33. Invarianzeigenschaft: Größe, Rotation, Translation

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

  35. 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 0 5/3 5/3 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 2 2 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 5/3 5/3 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 2 2 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 Vertikale,horizontaleunddiagonaleInhibitionsoperation OriginaleHelligkeitsverteilung Hinter dem Inhibitionsfilter (Verstärkung = 8/3, Inh. Koeff = 1/8 „Soll“ für Umfangsmessung

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

  37. Schichtung von Gestaltfiltern

  38. Der Lohmann-Fensteroperator

  39.  = 1  = 1  = 2  = 1 1 1 [ ] ) ( - = 1 2 1 2 2 1 1 ] ) [ ( - = 1 2 1 2 2 1 [ ] ( ) ( ) - - - - = 1 1 1 1 1 0 1 2 2 1 ] ( [ ) - = L 1 1 0 2 1 [ ] ( ) = 2 1 1 2 1 1 [ ] ( ) - = 1 2 1 2 2 1 [ ] ( ) L - = 1 1 0 2 1 ] [ ( ) = 1 2 1 2 1 1 [ ] ( ) - - - = - 1 2 1 1 1 2 2 Beispiel 1 [ ] ( ) - - = 1 2 1 1 0 2

  40. +1 Fig. 0 Fig. -1 Fig. +1 Fig. Besonderheit des Lohmann-Fensteroperators Der Operator zählt Figuren innerhalb von Figuren negativ

  41. Signalverarbeitung durch lokale Filter

  42. Serielle Abarbeitung eines Fensteroperators

  43. Entwurf eines Autofocus-Systems mit einer Inhibitionsschaltung

  44. Zum System Biofocus M |D| |D| |D| Maximalwert  Regler 10 8 unscharf 6 4 2 = 10 0 10 8 6 0 4 2 10 8 scharf 6 4 2 = 10 0 10 10 10 0 0 0

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

  46. Realisierung einer künstlichen Netzhaut Spektrum der Wissenschaft, Juli 1991

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

  48. 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

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