Беседы о бионике

По последним сообщениям американской печати, в Лаборатории применения вычислительных методов в биологии Иллинойского университета разрабатывается электроннооптическая модель нервной сети человеческого глаза. В основу создаваемой модели будет положен метод параллельного счета, воспроизводящий особенности передачи информации от ганглиозных узлов сетчатки в соответствующие нервные центры коры больших полушарий головного мозга. Однако в настоящее время на первом этапе исследований отрабатывается экспериментальный образец последовательной модели нервной сети глаза, состоящей из ряда запоминающих электроннолучевых трубок (ЭЛТ) (рис. 13). Информация от соседних элементов изображения, попадающих в поле зрения телекамеры, будет считываться двухкоординатным сканирующим устройством и накапливаться на мишенях запоминающих ЭЛТ. С мишени предыдущей трубки она будет налагаться на мишень последующей трубки системы. Таким образом, на мишени последней трубки будет накоплена вся информация, соответствующая характеристике контура в целом. Идея параллельной модели нервной сети человеческого глаза заключается в одновременной параллельной обработке элементарной информации, на основе которой накапливаются уже исчерпывающие сведения, необходимые для опознавания. По словам руководителя работ доктора Форстера, в дальнейшем предполагается создать еще и компактные усовершенствованные образцы систем, обрабатывающих информацию за очень короткий срок (примерно за 10^-9сек). Такие модели будут занимать объем обычной пишущей машинки. По быстродействию эти системы превзойдут возможности человеческого глаза, опознающего объект за время порядка 10 мксек.

Предполагается, что запоминающие возможности ЭЛТ, снабженных электронной системой сканирования мишени по двум координатам, позволят осуществить тот качественный скачок в моделировании нервной системы глаза, которого можно достичь только при развитии параллельных вычислительных систем, предлагаемых доктором Форстером. Безусловно, эти системы будут чрезвычайно сложны. Так, в первой модели системы, разрабатываемой в лаборатории под руководством Гассела, запоминающие возможности ЭЛТ использованы только на 64% (растр разложения трубки состоит из 400 строк по 400 точек в каждой). В экспериментальной системе матрица разложения состояла всего из 256 строк по 256 точек в каждой. Но и тогда общее число чувствительных элементов уже составляло 65 536. (В центральной ямке сетчатки глаза содержится всего 30 000 чувствительных элементов.) Конечно, такие сверхсложные системы могут создаваться только на основе новых твердотельных устройств и микроминиатюрной электронно-оптической техники. Но даже в таком случае электронная модель глаза, очевидно, не сможет воспринимать информацию, связанную с изменениями направления движения, яркости и цвета предметов. Пока она способна узнавать только двумерный образ предмета. Однако в дальнейшем параллельная вычислительная система, снабженная уже двумя передающими камерами, сможет моделировать и объемное зрение. По утверждению разработчиков, создание такой системы будет способствовать развитию вычислительного устройства "Numa Rete", считывающего со скоростью 20 000 предметов в секунду случайные объекты независимо от их размера, места расположения, формы и освещенности. Каждый считываемый предмет имеет определенные границы (края). Устройство "Numa Rete" содержит плоскую матрицу из 400 фотоэлементов и, по существу, считывает именно края, фиксируя границы предметов. В этом смысле его можно назвать "детектором границ". Этот принцип в настоящее время положен в основу работы электронных моделей зрительных анализаторов и получил название "логики близости" (Neighborhood Logic). Д-р Форстер пояснил существо логики такого типа следующим образом. Каждый одномерный линейный объект представляет собой препятствие для света и имеет два "конца". Если путь света на "детектор границ" преграждает N объектов, то возбуждаются 2N нервных волокон. Следовательно, общее число объектов, находящихся в поле зрения сетчатки, равно половине возбужденных нервных волокон.

В параллельной вычислительной системе сканирование ведется по двум координатам и фиксируется не только общее число объектов N, но и отдельно число объектов Nc, ограниченных изогнутыми поверхностями. В такой системе осуществляется электронное сканирование реального изображения, запечатленного на мишени запоминающей трубки. Этот метод позволяет моделировать процесс восприятия контура изображения, опознавания предмета и относительной оценки его особенностей на основе постепенного исследования степени контрастности соседних элементов черно-белого изображения и интервалов яркости цветного изображения, а не на основе восприятия всего предмета в целом. В этом и проявляется логика близости. Использование логики близости в вычислительных системах позволит со временем опознавать такие особенности зрительных образов, как форма, топологическая связь, движения образа, мерцания и т. д.