При первичной обработке сигналов

Использование информационной избыточности

Выделение составляющих векторных величин. В измерительных полях биодатчиков рецепторы могут иметь параллельное или веерообразное направление осей чувствительности, что позволяет биодатчиком измерить составляющие вектор­ных величин.

При веерообразной струк­туре измеряемый вектор будет по-разному проектиро­ваться на измерительные оси (рис. 10): рецепторы, чьи измерительные оси перпендикулярны этому вектору, определяют его направление (их выходные сигналы равны ну­лю); рецепторы с измерительными осями, совпадающими по направлению с вектором, дают сигналы, соответствующие его модулю. Сравнение выход­ных сигналов рецепторов информационного поля в нейронных цепях биодатчиков позволяет выделить ин­формацию как о величине, так и направлении вектора.

Вследствие этого, разные виды животных, решающие различные задачи навигации и управ­ления, имеют неодинаковые структуры информационных полей одноименных биодатчиков. Например, утрикулусы у птиц обладают наибольшей чувствительностью к боковым составляющим ускорения, у пресмыкающихся – к продольным, у большинства млекопитающих этот биодатчик имеет одинаковую чувствительность как к продольным, так и к боковым линейным ускорени­ям.

Усиление контраста сигналов. Использование множества рецепторов для измерения реакции чувствительного элемента на внешнее воздействие позволяет решить задачу усиления сигналов. Такая первичная обработка информа­ции осуществляется во всех биодатчиках, однако наиболее важное значе­ние она имеет для пространственных ориентаторов, получающих изображения картин местности.

Усиление контраста изо­бражений осуществляется непосредственно в нейронных сетях сетчаток глаз (рис. 11). Суть этого процесса заключается в сравнении выходных сигналов расположенных рядом фоторецепторов и обнаружении между ними некоторого различия. Если интенсивности светового излуче­ния, попадающего на соседние фоторецепторы, отличаются друг от друга, соответст­венно будут различными и сигналы на выходе фоторецепторов. В нейронных сетях с помощью разностных сигналов это различие выявляется и меньший сигнал еще больше уменьшается (тормозится), а более мощный сигнал – усиливается (возбуждается). В результате такой обработки информации выходные сигналы фоторе­цепторов приобретают еще больше различия.

Усиление контраста между сигналами соседних фоторецепторов позволяет уже на этом уровне обработки информации обнаруживать контрастные объекты, выделять границы изображений и с высоким быстродействием включать контуры автоматического управ­ления. В вышестоящие отделы мозга информация направляется в более концентриро­ванной форме для дальнейшей обработки и распознавания.

Измерение частотных характеристик сигналов. Подобный способ получения и использования избыточной информации используется в различных органах чувств, однако наиболее ярко он проявляется в зрительных органах животных и человека, что позволяет глазам видеть все многообразие красок.

В сетчатках глаз человека усилительные фоторе­цепторы имеют одинаковые по форме колоколообразные спектральные характеристики, но сдвинутые относительно друг друга по длине волны. Вследствие этого фоторецепторы раз­деляются на три вида, каждый из которых имеет максимальную чувствительность только к определенной части спектра длин волн электромагнитных излу­чений: коротковолновой (синий), средней (зеленой) и длинноволновой (красной). Избирательность воспри­ятия длин волн излучений обусловлена различиями в свойствах пигмента во внутренних структурах фоторецепторов, который поглощает кванты света и вызывает соответст­вующую реакцию рецепторной клетки.

Рис. 12. Спектральные характеристики фоторецепторов глаза человека.

Совместная обработка выходных сигналов трех видов фоторецепторов позволяет сформировать цветовое ощущение.

Выходной сигнал одного фоторецептора как измерительного преобразователя является информационно недостаточным, так как зависит от интен­сивности воспринимаемого излучения, его длины волны, причем неоднозначно: одно и то же значение выходного сигнала возбуждается излучениями разных длин волн. Поэтому любое количество одинаковых фоторецепторов не позволит зри­тельному анализатору выявить цвет изображения.

Использование двух фоторецепторов, имеющих сдвинутые по частоте спектральные характеристики, можно, позволяет исключить влияние интенсивности светового воздействия, но неопределенность частотных его характеристик сохраняется. И только наличие трех фоторецепто­ров, имеющих сдвинутые спектральные характеристики, позволяет достоверно определить и длину волны, и интенсивность светового сигнала. Это оз­начает, что трех типов фоторецепторов вполне достаточно для полноценного приема информации о цветном изображении воспринимаемой картины.

Таким образом, триада фоторецепторов образует измерительную систему, обладающую информационной достаточностью для однозначного определения амплитудно-частотных характеристик светового воздействия путем измерения амплитуд выходных сигналов. При этом необходимо выполнение двух условий:

а) спектральные характеристики фоторецепторов должны охватывать весь диапазон измерений глаза;

б) собственные частоты фоторецепторов не должны совпадать между собой, а быть равномерно распределены в пределах диапазона измерений.

Алгоритм обработки такой информации в настоящее время не известен, однако можно предположить, что в нейронных структурах сетчатки осуществ­ляют алгебраическое суммирование сигналов триады фоторецепторов с определенными весами. В создании цветового восприятия также принимают участие фоторецепторы фоновой об­ласти сетчатки, которая измеряет интенсивность и длину волны света, рассеянного внутренними про­зрачными структурами глаза (нуль-цвет). Участие сигнала нуль-цвета значительно обогащает палитру зрительного восприятия, например, воспринимать белый и черный цвета.

Рис. 13. Определение цветовой характеристики излучения.

Таким образом, в сетчатке глаза выполняется несколько операций по первичной обработке сигналов фоторецепторов: усиливается контраст, выделяют­ся границы областей одинаковой яркости излучения и определяются цве­товые характеристики излучения. Наличие такой информации дает возможность зрительному анализатору формировать изображение видимой картины. При этом в воспринимаемом глазом изображении он выделяет области, в которых отсутствует контраст, и окрашивает эти области в один цвет.

Компенсация динамических погрешностей. Высокая инерционность чувствительных элементов биодатчиков приводит к тому, что компенсация динамических погрешностей измерений является жизненно важной задачей живых существ. Решается эта задача непосредственно в их нейронных структурах в про­цессе первичной обработки сигналов.

Рассмотрим, каким образом обеспечивается высокое быстродействие биодатчиков на примере зрения человека. Информационное поле зрительного аппарата имеет неравномерное распределение фоторецепторов: цен­тральная область сетчатки включает только усилительные ИП (колбочки), а перифериче­ская – усилительные и адаптивные (палочки), причем последних в 150 раз больше, чем усилительных. Это означает, что основная функциональная роль в периферической об­ласти сетчатки принадлежит именно адаптивным фоторецепторам, способным выявлять изменения в наблюдаемой картине местности.

Чтобы понять, каким образом в результате первичной обработки информации обеспечива­ется компенсация динамического запаздывания сигналов в периферической области сет­чатки глаза, сравним динамические свойства обеих измерительных структур сетчатки.

В центральной области сетчатки световые сигналы воспринимаются только одним типом фоторецепторов, передаточная функция которых соответствует инерционному звену. Участие множества усилительных фоторецепторов обеспечивает значительное увеличение коэффициента передачи сигнала. Суммарная передаточная функция измерительной структуры центральной области сет­чатки также соответствует инерционному звену, вследствие чего постоянная времени зрительного восприятия в режимах распознавания объектов или слежения за движущи­мися целями составляет не менее 0,17с.

Световые сигналы, поступающие на периферическую область сетчатки, воспринимается двумя видами фоторецепторов: усилительными и адаптивными, которые имеют разные передаточные функции. При суммировании в определенной пропорции сигналов обоих видов фоторецепторов получается полная компенсация динамических погрешностей фоторецепторов в пери­ферической области сетчатки глаза. Благодаря этому человек обладает высокой реакцией бокового зрения.

Таким образом, благодаря наличию адаптивных фоторецепторов в области перифериче­ского зрения не только выявляются изменения световых воздействий, но и обеспечива­ется компенсация инерционности чувствительных элементов глаз. Объединение выход­ных сигналов определенного количества палочек и колбочек в одном нейронном узле сетчатки создает форсирующее звено с характеристиками, необходимыми для компен­сации динамических погрешностей канала измерения.