Hyperacuity (vědecký termín) - Hyperacuity (scientific term)

Model Ewalda Heringa, publikovaný v roce 1899, o tom, jak je Vernierův ostrost stimulován kódováním řady receptorů. Receptory označené C signalizovat odlišný poziční kód ve vodorovném směru od kterékoli z pozic A kód nebo pozici b kód.^[1]

Ostrost našich smyslů je definována nejjemnějšími detaily, které můžeme rozlišit. Zraková ostrost se měří nejmenšími písmeny, která lze v grafu rozlišit, a řídí se anatomickými mezerami mozaika senzorických prvků na sítnici. Přesto lze prostorové rozdíly rozlišovat v ještě jemnějším měřítku: nesouosost hranic lze zjistit s přesností až 10krát lepší než zraková ostrost, jak již ukazuje Ewald Hering v roce 1899.^[1] Tento hyperacuity, zdaleka přesahuje limity velikosti stanovené retinálními „pixely“, závisí na sofistikovaném zpracování informací v mozku.

Jak se hyperacuity liší od tradiční ostrosti?

Nejlepší příklad rozlišení mezi ostrost a hyperacuity pochází z vidění, například při pozorování hvězd na noční obloze. První fází je optické zobrazování vnějšího světa na sítnici. Světlo dopadá na mozaiku buněk snímajících receptory, tyčinky a čípky, které pokrývají povrch sítnice bez mezer nebo překrývání, stejně jako detekce pixelů ve filmové rovině digitálních fotoaparátů. Každý receptor přijímá veškeré světlo, které se k němu dostává, ale působí jako jednotka, představující jedno místo ve vizuálním prostoru. Toto rozčlenění nastavuje limit pro rozhodnutí, zda obrázek pochází z jednoduché nebo dvojité hvězdy (rozlišení). Aby se mohl objevit vnímání samostatně artikulovaných hvězd, musí být obrazy těchto dvou dostatečně široké, aby mezi nimi byl alespoň jeden intervenující pixel relativně nestimulovaný. To definuje limit rozlišení a základ zrakové ostrosti.

Ostrost / Rozlišení vs. Dole: Dva cíle lze lokalizovat vzájemně vůči hodnotám, které přesahují rozestup jednotek mozaiky; mechanismus hyperacuity toho dosahuje tím, že s přesností subpixelů identifikuje střed světla každého cíle napříč všemi pixely, které pokrývá

Zcela jiný mechanismus funguje v hyperacuity, jejíž podstatný příklad a ten, pro který bylo slovo původně vytvořeno,^[2][3] je ostrost nonia: zarovnání dvou hran nebo čar lze posoudit s přesností pětkrát nebo desetkrát lepší než ostrost. v počítačová grafika fráze "subpixelové rozlišení ”Je někdy používán v diskusích o Anti aliasing a geometrické superrozlišení. I když to, o co ve skutečnosti jde, není rozlišení (je to jeden nebo dva? - a kvalitativní rozdíl) ale lokalizace (přesně kde? - a kvantitativní úsudek) zachycuje proces. Když se obraz šíří přes několik pixelů, z nichž každý má odstupňovanou odezvu intenzity, ale má pouze jednu prostorovou hodnotu, může být poloha středu obrazu umístěna přesněji než šířka pixelu, podobně jako lze vypočítat průměr histogramu na zlomek šířky koše.

Na obrázku vpravo je sítnicová mozaika nahoře na sobě překrývá obrazy dvou hvězd při limitu rozlišení, když mezera mezi nimi zaručuje úsudek, že existují dvě hvězdy a ani jedna podlouhlá. Níže jsou zobrazeny obrázky dvou samostatných krátkých čar; přesnost načtení rozdílu jejich umístění přesahuje rozměr mozaikových prvků.

Analýza hyperacuity mechanismu

Podrobnosti o nervovém aparátu pro dosažení hyperacuity stále čekají na objev. Skutečnost, že aparát hyperacuity zahrnuje signály z řady jednotlivých receptorových buněk, obvykle ve více než jednom místě stimulačního prostoru, má důsledky týkající se výkonu v těchto úkolech. Nízký kontrast, těsná blízkost sousedních stimulů (shlukování) a časová asynchronie složek vzoru jsou příklady faktorů, které způsobují snížený výkon.^[4] Některé koncepční zajímavosti jsou věkové změny^[5] a náchylnost k percepčnímu učení^[6] což může pomoci pochopit základní neurální směrování.

Byly navrženy dva základní algoritmy pro vysvětlení zrakové hyperacuity savců: prostorové, založené na míře střelby populace, a časové, založené na časových zpožděních v reakci na miniaturní pohyby očí. Zatímco žádný z nich dosud nezískal empirickou podporu, věrohodnost prvního byla kriticky zpochybněna diskrétní povahou nervového výboje ^[7]

Optika lidského oka je extrémně jednoduchá, hlavní zobrazovací složkou je jednočlánková čočka, která může svou sílu měnit pomocí svalové kontroly. Existuje jen omezené zařízení pro korekci mnoha aberací, které jsou obvykle korigovány v kvalitních instrumentálních optických systémech.^[8] Taková jednoduchá čočka musí nevyhnutelně mít značné množství sférické aberace, která produkuje sekundární laloky ve funkci šíření. Experimentem však bylo zjištěno, že světlo vstupující mimo osu zornice je méně účinné při vytváření obrazu (Stiles-Crawfordův efekt), což má za následek podstatné snížení těchto nežádoucích postranních laloků. Účinky difrakčních limitů lze také opatrně použít k částečné kompenzaci aberací.

Receptory sítnice jsou fyzicky umístěny za nervovou vrstvou nesoucí post-retinální zpracovatelské prvky. Světlo nemůže projít touto vrstvou nezkresleně. Ve skutečnosti měření na modulační přenosové funkci (MTF) naznačují, že degradace MTF v důsledku difúze touto neurální vrstvou jsou podobného řádu jako v případě optiky. Souhrou těchto různých komponent bylo zjištěno, že celková optická kvalita, i když je špatná ve srovnání s fotografickou optikou, může zůstat tolerovatelně téměř konstantní díky značnému rozsahu průměrů zornic a úrovně světla.

Když jsou prezentovány s barevnými informacemi, optické nedokonalosti jsou obzvláště velké. Optika má zbytkovou nekorigovanou chromatickou aberaci téměř 2 dioptrií od extrémně červené po extrémně modrou / fialovou, zejména v zelené až modré / fialové oblasti. Oční lékaři již po mnoho desetiletí používají tuto velkou změnu zaměření spektra v procesu poskytování korekčních brýlí. To znamená, že takové opravy mohou být stejně jednoduché jako samotná oční čočka.

Kromě toho byla tato velká chromatická aberace také použita s výhodou v rámci samotného líčení oka. Místo toho, aby příroda manipulovala se třemi základními barvami (červenou, zelenou a modrou), použila příroda tento hrubý chromatický posun k poskytnutí kortikální vizuální funkce, která je založena na třech sadách barevné oponence namísto tří základních základních barev.^[9] Jsou to červená / zelená, žlutá / modrá a černá / bílá, přičemž tato černá / bílá je synonymem jasu. Potom pomocí pouze jedné oponence s velmi vysokým rozlišením mezi červenými a zelenými primárkami příroda chytře používá průměr těchto dvou barev (tj. Žlutou) spolu s modrou barvou s velmi nízkým rozlišením k vytvoření schopnosti praní barvy pozadí. Na druhé straně (pomocí schopnosti hyperacuity na oponenci s nízkým rozlišením) to může také sloužit jako zdroj vnímání 3D hloubky.

Lidské oko má zhruba hexagonální matici fotodetektorů.^[10] Nyní existuje značný důkaz, že takové maticové rozložení poskytuje optimální účinnost přenosu informací. Řada dalších pracovníků zvažovala použití šestihranných matic, ale zdá se, že se přihlásili k matematickému přístupu a osám při 60 stupňové diferenciální orientaci. To pak musí využívat složitá čísla. Overington a jeho tým místo toho hledali (a našli) způsob, jak se přiblížit hexagonální matici, a zároveň si zachovat konvenční kartézské rozložení pro zpracování.

I když v raných neuronových sítích lidského vizuálního systému je evidentní mnoho různých prostorových interakcí, jen málo z nich má velký význam při snímání informací s vysokou věrností. Zbytek je převážně spojen s procesy, jako je místní adaptace. Bylo proto zjištěno, že nejdůležitější interakce jsou velmi lokálního rozsahu, ale nejdůležitější jsou jemnosti použití těchto interakcí. Pro šestihranné matice je nejjednodušší symetrické uspořádání jediný kruh šesti receptorů obklopujících adresovaný pixel. Obecným zjištěním z polních receptivních studií primátů je, že žádná taková místní skupina nepřináší žádný výstup pro rovnoměrné vstupní osvětlení. Toto je tedy v podstatě podobné jednomu z klasických laplaciánských receptivních polí pro čtvercová pole - to s váhami -1 na každé straně a -0,5 na každém rohu. Jediným rozdílem je poměr stran 8: 7,07 (nebo přibližně 8: 7 s přesností na 1%). Další velmi užitečné důkazy o procesech probíhajících v jeho oblasti pocházejí z Kolbových studií elektronové mikroskopie ^[11] Ty jasně ukazují neurální struktury, které vedou k dalšímu přenosu rozdílových signálů. Pokud jeden kombinuje funkci šíření bodů, která má Gaussovu formu a má S.D. z 1,3 'pixelu' s jednoduchým prstencovým operátorem typu Laplacian je výslednicí funkce s velmi podobnými vlastnostmi jako funkce DOG, jak ji popsal Marr.^[12]

Normálně se předpokládá, jak ve zpracování počítačového obrazu, tak ve vizuální vědě, že lokální excitační / inhibiční proces je účinně druhým diferenciačním procesem. Zdá se však, že existují silné psychofyzické důkazy pro lidské vidění, že jsou to první rozdíly, které řídí lidský vizuální výkon. Je nutné, aby byly pozitivní a negativní části všech výstupů z laponských neuronů odděleny pro odesílání dále do kůry, protože není možné přenášet negativní signály. To znamená, že každý neuron tohoto typu musí být považován za sadu šesti dipólů, takže každá prostorová inhibice může zrušit pouze svou vlastní část centrální stimulace. Takové oddělení pozitivních a negativních složek je zcela kompatibilní s fyziologií sítnice a je jednou z možných funkcí známé dvojice bipolárních kanálů pro každý receptor.^[13]

Základním důkazem pro orientační snímání v lidském vidění je, že se zdá, že je prováděno (v oblasti 17 striate cortex) bankami neuronů v poměrně široce rozmístěných orientacích.^[14] Měřené neurony mají charakteristicky eliptická receptivní pole.^[15] Skutečný interval mezi orientacemi a přesný poměr tvaru a poměru eliptických polí je však sporný, ale zároveň musí být uvedená receptivní pole sloučena s trpasličími receptivními poli na sítnici. Opět platí, že pro sondová měření výkonu „jediného neuronu“ zahrnuje receptivní měřené pole účinky všech fází optického a neurálního zpracování, které proběhly dříve.

Pro jednotky zaměřené na orientaci fungující na hexagonální matici má největší smysl mít je s jejich primární a sekundární osou vyskytující se každých 30 stupňů orientace. Toto 30stupňové oddělení orientací souhlasí s úhlovým rozestupem takových jednotek, z nichž lze odvodit, že je žádoucí John Canny z matematického přístupu.^[16] Při absenci konkrétních detailů se zdálo, že zhruba nejlepší kompromis mezi výpočetní účinností a jednoduchostí na jedné straně a adekvátní orientací při vyladění na straně druhé by měl být v rozsahu 5 x 1 pixelů. To opět souhlasí s tím, co nezávisle navrhl Canny a také pozorováno ve studiích vidění primátů jinými výzkumníky. Jednotky receptivního pole mají funkce ladění orientace, které uspokojivě připomínají funkce ladění orientace stanovené pro vidění psychofyzikálními testy.

Existuje možnost rekombinace funkcí částečných rozdílů přicházejících do kůry dvěma způsoby.^[17] Lze uvažovat o analýze druhé rozdílové mapy - hledáním přechodů nuly, která byla nejoblíbenější do poloviny 80. let. Alternativně lze na první rozdílové mapě cítit místní vrcholy, které se od té doby stávají stále populárnějšími. Toto pak závisí na nalezení polohy vrcholu okrajového obrazu analýzou 3 x 1 a přizpůsobením kvadratické křivky. V obou případech se ukázalo, že poloha okraje může být umístěna na něco lepšího než 0,1 pixelu kvůli velmi širokému rozpětí okraje kvůli špatnému optickému obrazu, zatímco se také ukázalo, že stejně jednoduchou aritmetikou místní orientaci hran lze odvodit na lepší než 1 stupeň. Souhra dat prvního a druhého rozdílu navíc poskytuje velmi silné prostředky pro analýzu pohybu, stereofonních, barevných, texturních a dalších vlastností scény.

Hyperacuity v různých smyslových modalitách

Rozdíl mezi rozlišovací schopností nebo ostrostí, doslova ostrostí, která závisí na rozestupu jednotlivých receptorů, kterými se vzorkuje vnější svět, a schopností identifikovat jednotlivá místa ve smyslovém prostoru je mezi modalitami univerzální. Existuje mnoho dalších příkladů, kdy výkonnost organismu podstatně překračuje rozestup příslušné populace buněčných receptorů. Normální člověk má v sítnici pouze tři druhy barevných receptorů, přesto barevné vidění jemným zvážením a porovnáním jejich relativního výstupu lze detekovat tisíce odstínů. Braillovo písmo čtení zahrnuje hyperakuitu mezi dotykovými receptory na dosah ruky.^[18] Slyšíme mnohem více různých tónů, než kolik jich je vláskové buňky v kochlea; diskriminace na hřišti, bez níž by se housle nedaly ladit, je hyperacuity.^[19] Hyperacuita byla zjištěna u mnoha druhů zvířat, například při detekci kořisti pomocí elektrické ryby,^[20] echolokace v netopýru,^[21] a ve schopnosti hlodavců lokalizovat předměty na základě mechanických deformací jejich vousů.^[22]

Klinické aplikace

V klinických testech vidění^[23] hyperakuita má zvláštní místo, protože její zpracování je na rozhraních optiky oka, sítnicových funkcí, aktivaci primární zrakové kůry a percepčního aparátu. Zejména stanovení normálu stereopse je úkol hyperacuity. Hyperacuity perimetrie se používá v klinické testy hodnocení terapií degenerativních změn sítnice.^[24]

Reference