Обработка и передача изображений Основной видеопроцессор нашей цивилизации

Основной видеопроцессор нашей цивилизации

Кирпичников А.П., Журавлева Н.Г., Камочкина И.Я.

Учреждение Российской Академии наук Институт проблем управления

им. В.А. Трапезникова РАН, Москва

«…И даже самый глаз не может, несмотря на совершенство строенья, видеть самого себя!»

У.Шекспир

«Сетчатка – это часть мозга, вынесенная вперед»

Дж. Даулинг

Данная работа преднамеренно выполнена в научно-популярном стиле, чтобы донести до максимального круга узких специалистов фундаментальные вопросы человеческого зрения и видеообработки и отсечь наиболее массовые заблуждения в этой области.

Образ глаза как биологического аналога 130Mpix-камеры с некоторыми «ночными» режимами, сложившийся у наших современников, не выдерживает никакой критики. Нелогичность для «ньютоновского» мышления «дифракционной» инверсной сетчатки человекообразных или базовое для человека ограничение на глубину самопознания являются причиной столь массовых ошибок в учебниках и научной литературе о зрении, но это такой же факт, как и более чем скромные результаты исследований [1,2,3] функциональной структуры мозга за последние 50 лет.

Внесем, тезисно, некоторую ясность: обратная (инверсная) сетчатка человека представляет собой 10-слойное сложное образование, где светочувствительные клетки (палочки и колбочки) находятся не впереди – торцом к свету, а на самом дне, занимая менее 15% толщины сетчатки и торцом упираются в темный (светопоглощающий) пигментный слой. А все остальное (сюда следует включить также глазной нерв) – это Видеопроцессор Глаза (далее Видеопроцессор), граничащий прямо со стекловидным телом (рис.1) [4], сквозь разводку и элементы коммутации которого (по иронии они называются «бинарными клетками» − созвучно цифровым схемам), свет, пройдя через хрусталик и стекловидное тело, теряясь и рассеиваясь, «пробирается» к боковым (!) поверхностям светочувствительных клеток, падает на них под острым углом и создает дифракционную картинку [5].



Рис.1

Отсюда прямой «Рэлеевский» подход к остроте зрения (угловое разрешение 1,22 λ/d – от диаметра зрачка) абсолютно неправомочен – здесь уже массовая ошибка из учебников по физике и оптике, упоминающих глаз: это не про глаз человека!

Феномен зрения преподносит много элегантных решений – от конструкции фотосенсоров с выращиваемой в темноте складчатой мембраной для получения чувствительности 10-20 фотонов и суммарного динамического диапазона 10-12 порядков, до тонких решений механики. Но нас будет интересовать прежде всего видеообработка полученных от сенсоров сигналов возбуждения.

Рассмотрим некоторые алгоритмы Видеопроцессора и попытаемся разделить их по функциональному признаку:

• 
  Алгоритмы (программы) жизнеобеспечения (локальные контроллеры давления, температуры, влажности; управление механикой). Кроме того, многие ткани глаза, по-видимому, представляют собой биологические жидкие кристаллы с потенциальным управлением, и большинство известных неинфекционных болезней глаза можно свести к расстройствам, вызванным нарушениями в цепях обратной связи (контуры управления в области локальных контроллеров Видеопроцессора). Отсюда и феномены моментального излечения, когда внешнее воздействие (обычно ультразвук или ИК, но может быть и просто стресс!) восстанавливает обратную связь с участком, после чего сразу исчезают помутнения и другие симптомы. Это обнадеживает, хотя и не дает возможности вылечить многое «каплями».
  
• 
  Калибровочные алгоритмы. Зрительный тракт во многих случаях является инструментом коррекции ошибок других сенсорных цепей (слух, тактильное восприятие и пр.), но до этого сам зрительный тракт должен быть хорошо откалиброван. Происходит это в первые годы жизни человека – только к полутора годам острота зрения ребенка достигает значения 0,5 (а в первые полгода − все видится как плохо собранный пазл, и весьма расплывчато). И дело здесь не столько в быстром росте и геометрических проблемах глаза – аккомодации эластичного детского хрусталика достаточно было бы, чтобы с этим справиться, сколько - в сборке и развитии Видеопроцессора и проведении необходимых калибровок по тест-объектам. При этом требования к такому тест-объекту могут быть сформулированы следующим образом:
  

- он должен быть достаточно крупным, несимметричным, характерной формы и содержать при этом мелкие детали для уточнения юстировки;

- образ его должен заранее присутствовать в памяти в нескольких проекциях;

- желательна априорная информация о его возможной угловой ориентации относительно оси глаза;

- объект должен располагаться в зоне оптимального зрения и расстояние до него должно быть известно (например, антропометрически) с хорошей точностью – чтобы разрешить противоречие при одновременной расфокусировке хрусталика и «сведении» дифракционной картинки Видеопроцессором (рис.2).



Рис.2

И мы знаем такой уникальный объект, притом с пропорциями «золотого сечения» − это кисть руки ребенка! (При этом первоначальное положение при калибровке – рефлекторное мышечное, с открытой ладошкой). Недаром дети в раннем возрасте часами рассматривают свои ручки во всех проекциях, а изображение руки при этом проходит все стадии восприятия − от мутного подобия кленового листа (к ним многие потом неравнодушны!) до прецизионной «настроечной» таблицы с тонкими черточками перетяжек и четкими границами ногтей (хотелось бы подтвердить эту идею авторов опытами, но психика ребенка слишком тонкая материя, чтобы вмешиваться).

• 
  Компенсирующие и адаптационные алгоритмы. Финалом калибровочных мероприятий являются компенсирующие алгоритмы, призванные всю дальнейшую жизнь прецизионно корректировать «конструкционные» недостатки глаза. К ним относятся:
  

- широко известный «оборот изображения» (а на самом деле это – цифровая компенсация индивидуальной, и местами хаотичной, схемы коммутации зрительного нерва, а не просто улучшения «однолинзовой конструкции»);

- компенсация «слепого» пятна (место входа зрительного нерва);

- устранение менее известной «слепой» сетки (затенение «картинки» сосудами питания «процессорных слоев»);

- частичная компенсация вследствие приобретенных дефектов/травм (поражения сетчатки, кровоизлияния и пр.);

- компенсация насыщения засвеченных сенсоров (борьба с «блюмингом»). Эффекты компенсации, по-видимому, достигаются посредством корреляции сигнала с микроперемещением оптической оси (высокочастотная компонента так называемых микросаккад) и использованием памяти. Этот же механизм, вероятно, способствует значительному увеличению разрешающей способности зрения. Одновременно решается проблема компенсации влияния неоднородностей стекловидного тела. Проблемы здесь аналогичны современным − в космических спутниках оптического зондирования тоже приходится компенсировать динамические неоднородности атмосферы. Результаты, достигнутые в Видеопроцессоре, могли бы иметь здесь решающее значение.

• 
  Обеспечение безопасности (распознавание угроз, формирование команд, управление «рефлекторными» реакциями). Особенностью этих быстродействующих алгоритмов является допустимость большого процента ошибок – в соответствии с концепцией безопасности объекта. Много тысячелетий основной задачей такового было не попасть кому-нибудь в пасть и не встать на пути летящего предмета. К этому нужно добавить критерий защиты непосредственно глаза, для которого опасностью может быть и струя жидкости (яда), и температурная аномалия (ток воздуха) при пролете объекта (большого насекомого) вне поля зрения. Вот и сейчас, если показать человеку на экране большое контрастное пятно, которое вдруг резко увеличится в размере – он рефлекторно отпрянет, поскольку сработает один из таких алгоритмов (анализ производной угловой величины объекта). Но есть и более глубокое их влияние – поведенческое.
  

• 
  Сложная видеообработка, предполагающая по обратной связи макроперемещение точки фокусировки при сканировании объектов (именно здесь видна траекторная разница при рассмотрении знакомых и новых объектов). Но это, главным образом, подготовка данных Видеопроцессором для зрительного отдела мозга – с дальнейшим использованием его большой памяти; с распознаванием, обучением и пр.
  

• 
  Структура глазной ямки («фовеола») предполагает свой вид видеообработки для центральной области поля зрения (что подтверждает большое отличие топологии слоев процессора в этой зоне). Наряду с несколькими, явно используемыми параллельно, типами обработки сигнала (что вообще характерно для мозга человека – например, при обработке звука) следует обратить особое внимание на структуру глаза «два в одном». Это вся сетчатка и «фовеола» на линии зрения, обслуживающая лишь несколько градусов поля − когда любой рассматриваемый объект при минимальном перемещении оптической оси неизбежно попадает под независимое (?) «изучение» обеими системами с применением двух и более типов обработки и всего арсенала алгоритмов − еще до того, как подключится зрительный отдел мозга со своей обширной памятью и творческим подходом к достраиванию изображений! Это еще больше осложняет изучение такой двойной системы, на чем, ввиду краткости данной работы, придется рассмотрение закончить.
  

Таким образом, имеем целый набор алгоритмов, требующих высокой производительности (малых времен обработки), что при ограниченной скорости передачи нервного возбуждения (до 100м/с) и инерционности исполнительной механики однозначно определяет необходимость их выполнения непосредственно в глазу – т.е. Видеопроцессором (с использованием соответствующей памяти и пр.!). Вот почему в сетчатке глаза человека он выполнен с такой тщательностью. Опишем биологический аспект Видеопроцессора хотя бы кратко: структура процессора в основной области сетчатки представляет собой трехслойную организацию с горизонтальными и вертикальными линейными и радиальными (в зависимости от типа клеток) связями многопортовых узлов. Очень многообещающая архитектура! Результаты одного из первых структурных исследований Видеопроцессора [6] (с его датой!) представлены на рис.3[7].



Рис.3

Отдельно следует остановиться на автономности такой системы как «государство Глаз», которая, с инженерной точки зрения, исключительна. Там присутствуют: система резервного внутреннего питания и регенерации расходных материалов; автономные системы защиты, аварийного отключения, поддержания давления, канализации, омывки и пр. – с минимальной зависимостью от внешней среды (при комфортной окружающей температуре). Потенциальная возможность для глаза существовать вне тела при подаче питания (хирургические опыты со съемом фотоэлектрической активности отдельно живущего глаза) это подтверждает. Ближайший современный аналог глаза по принципам и подходам к построению – космический аппарат при корабле-«матке». Следует заключить, что такая степень автономности обуславливает, вероятно, и самостоятельную, в том числе по временным параметрам, программу эволюции Видеопроцессора, как элемента Эволюции вида.

Выводы:

Большая часть важной информации, поступающей в мозг из глаза, не столько картинка (только из центральной «фовеолы», вероятно, дополнительно идет «RAW»), а коды образов и коды команд (в частности, для быстрых защитных реакций), которые лишь транслируются далее зрительным отделом мозга. Таким образом, следует предположить наличие автономной памяти различного назначения, локализованной непосредственно в Видеопроцессоре, а также признать, что глаз – сложная двойная система с мощной многоплановой видеообработкой.

Кисть руки ребенка представляется идеальным тест-объектом при «выращивании» и настройке систем глаза, а особенно, при калибровке Видеопроцессора.

Видеопроцессор, развернутый «внутрь» глаза – резерв Эволюции. Незначительное увеличение толщины сетчатки за счет дополнительных нейронов и связей многократно увеличивает возможности обработки, лишь незначительно отражаясь на ухудшении ночного зрения, а возможно, компенсирует и это.

Следует предположить автономную эволюцию глаза − этой исключительной по уровню автономности системы организма , что по разным данным и наблюдаем последнее столетие. История наблюдений за остротой зрения и ретроспектива гистологии сетчатки позволяют сделать заключение о бурно идущей, но не очень заметной эволюции Видеопроцессора (отсюда большой плюрализм в измерительных данных разных лет [4,6,8-11 и др.], например, различные источники дают рост числа колбочек и сопутствующих нейронов с 4-5 млн. до 8-9 млн. для европейцев в конце прошлого столетия: понятнее становятся конфликты поколений и разная скорость работы на компьютере).

Направление Эволюции – развитие Видеопроцессора с приспособлением, в угоду этому, «базовой ячейки» нейрон-колбочка и даже уменьшением размера фотосенсоров при необходимости. При этом толщина сетчатки и показатель остроты зрения в пределах одной популяции – косвенные критерии модернизации Видеопроцессора и индикаторы Эволюции, которая, видимо, уже идет, и небывалыми для современной истории человечества темпами!

Полемика приветствуется: info@autex.ru

Литература

1. Beaumont J.G. (ed.) Devided visual-field studies of cerebral organization. Academic, London, 1982.

2. Красота и мозг. Биологические аспекты эстетики: пер. с анг., М: Мир,1995.

3. Бехтерева Н.П. Магия мозга и лабиринты жизни.М.АСТ, 2007.

4. http://webvision.med.utah.edu/sretina.html

5. Хазен А.М. Разум природы и разум человека. М. НТЦ «Университетский», 2000.

6. Cajal, Ramon y, Histologie du Systeme Nerveux de I'Homme et des Vertebres, trs. L. Azoulay, Paris: Maloine, 2 vols, 1909, 1911.

7. http://webvision.med.utah.edu/OPL1.html

8. Dowling, J. E., The Retina: An approachable part of the brain, Cambridge, MA:Harvard University Press, 1987.

9. Rodieck, R. W., 'The primate retina', Comparative Primate Biology, 4, 203-278, 1988.

10. Brockerhoff, S. E., Dowling J. E. and Hurley J. B, 'Zebrafish retinal mutants', Vision Research, 38, 1335-1339, 1998.

11. Hendrickson, A.E. and Youdelis, C. The morphological development of the human fovea. Ophthalmology 91, 603-612, 1984.
THE MAIN VIDEOPROCESSOR OF OUR CIVILIZATION

Kirpichnikov A., Zhuravleva N., Kamochkina I.

Institute of control sciences of the Russian Academy of sciences, Moscow

The present article is written in popular scientific style and addressed to the wide range of experts in signal processing. It is devoted to the eye Videoprocessor and structure. The different signal processing algorithms which present at the eye and are divided by the functional properties such as: automation and life supporting; calibration; compensation of the structural features; security; complex parallel processing and data preparation for the visual section of the brain are mentioned.

The necessity of the fulfilment these fast algorithms in the retina Videoprocessor directly is discussed.

The conclusions:

• 
  The eye is the complex double system with the large resources in videoprocessing;
  
• 
  The babies’ hands are the best test-objects for the eye tuning and calibration of its Videoprocessor;
  
• 
  The location of the Videoprocessor ahead (“inverse retina”) is the reserve of the Evolution. As the insignificant increase of the retina thickness does not particularly influence the optical parameters of the eye, but allows to multiple increase the ability of the signal processing;
  
• 
  The supposition concerning the autonomous Evolution of the eye (which is far from the other systems of the organism) is mentioned. The direction of the Evolution is in increase of the Videoprocessor power;
  
• 
  The indirect criteria of Videoprocessor Evolution are named here as the retina thickness and increase of the visual acuity. The retrospective of observation and retina histology is resulted in pluralism of the data and brings to the conclusion that evolutional process goes with unusual speed for the modern Man History.
  

