內容簡介
《圖像處理與脈衝耦閤神經網絡:基於Python的實現(第3版)》對多種生物視覺模型的起源及特點進行瞭分析,並詳述瞭PCNN與ICM兩種模型的構成及工作機理。然後以PCNN與ICM模型為基礎,全麵說明瞭這兩種模型在圖像分析、目標分離、紋理識彆、彩色圖像處理、圖像時間信號提取與應用及邏輯分析等方麵的應用。同時還對書中多種算法給齣瞭具體的Python實現代碼。
《圖像處理與脈衝耦閤神經網絡:基於Python的實現(第3版)》內容豐富、案例典型、學術性強、應用價值強、可讀性好。非常適閤從事智能信息處理、圖像處理與識彆等信息學科相關專業人員閱讀與使用。
作者簡介
徐光柱,男,1979年1月生,副教授。2007畢業於蘭州大學,獲得無綫電物理專業博士學位。2007年加入三峽大學從事教學科研工作。2010年12月-2011年6月在美國南卡羅來納州剋萊姆森大學做訪問學者。目前在三峽大學計算機與信息學院從事教學科研工作。主要從事計算機視覺與圖像圖形處理等方麵的研究。
馬義德,男,1963年2月生,甘肅臨夏人,教授。2001年獲得蘭州大學博士學位,現任蘭州大學信息科學與工程學院電路與係統研究所所長,蘭州大學Ti-DSP聯閤實驗室主任。目前在蘭州大學信息科學與工程學院從事教學科研工作,主要從事數字圖像處理、嵌入式係統等方麵的研究。
雷幫軍,男,1973年6月生,湖北宜昌人,教授。2003年獲荷蘭德爾夫特理工大學博士學位,湖北省“百人計劃”特聘教授,楚天學者特聘教授。現任三峽大學智能視覺與圖像信息研究所所長,湖北省水電工程智能視覺監測重點實驗室主任。主要從事數字圖像處理、計算機視覺等方麵的研究。
Thomas Lindblad(托馬斯·林德布拉德)於1974年獲得瑞典斯德哥爾摩大學博士學位,瑞典皇傢理工學院教授。早期從事核結構與離子物理學方麵的研究,專注於檢測係統;後期專注於教學,在瑞典皇傢理工學院物理係從事環境物理學的教學多年,指導本科生從事科學研究。在此期間他的研究領域聚焦在傳感器技術與持續數據流中的特徵提取。
Jason M.Kinser(詹森·金賽)分彆於1994年與1987年獲得光學與光電係統博士學位及物理學碩士學位。1994年他作為副研究員加入AlabamaA&M;大學,同時也是應用光學科學中心的創始人員之一。1997年他來到喬治梅森大學任職,現在是該校物理與計算科學學院的副教授。他的研究領域包括光學與圖像信息處理(脈衝圖像處理)及多學科領域中的數據處理。
內頁插圖
目錄
第1章 生物模型
1.1 引言
1.2 生物學基礎
1.3 Hodgkin-Huxley模型
1.4 Fitzhugh-Nagumo模型
1.5 Eckhom模型
1.6 aybak模型
1.7 Parodi模型
1.8 小結
第2章 Python程序設計
2.1 編程環境
2.1.1 命令行界麵
2.1.2 IDLE
2.1.3 創建一個工作環境
2.2 數據類型和簡單的數學運算
2.3 元組、列錶和字典
2.3.1 元組
2.3.2 列錶
2.3.3 字典
2.4 切片
2.5 字符串
2.5.1 字符串函數
2.5.2 類型轉換
2.6 控製流
2.7 輸入和輸齣
2.7.1 文本文件讀寫
2.7.2 Pickle模塊
2.8 函數
2.9 模塊
2.10 麵嚮對象的程序設計
2.10.1 類的內容
2.10.2 運算符定義
2.10.3 繼承
2.11 檢錯
2.12 小結
第3章 Numpy、SciPy和Python Image Library
3.1 NumPy
3.1.1 創建數組
3.1.2 數組轉換
3.1.3 矩陣:嚮量乘法
3.1.4 數組的優勢
3.1.5 數據類型
3.1.6 排序
3.1.7 字符串和列錶的轉換
3.1.8 矩陣的改變
3.1.9 高級切片
3.2 SciPy
3.3 NumPy中的設計
3.4 Python圖像庫PIL(Python Image Library)
3.4.1 圖像的讀齣
3.4.2 圖像的寫入
3.4.3 圖像轉換
3.5 小結
第4章 PCNN與ICM
4.1 PCNN
4.1.1 原始模型
4.1.2 Python實現
4.1.3 脈衝發放行為
4.1.4 神經元動態行為的纍積
4.1.5 時間信號
4.1.6 神經元連接
4.1.7 快速連接
4.1.8 連續時間模型
4.2 ICM
4.2.1 最小連接需要
4.2.2 ICM原理
4.2.3 ICM中的連接
4.2.4 ICM的Pvthon實現
4.3 小結
第5章 圖像分析
5.1 相關圖像信息
5.2 圖像分割
5.2.1 血細胞
5.2.2 乳房X綫影像
5.3 自適應分割
5.4 焦點和分級聚焦點
5.4.1 分級聚焦檢測(凹點檢測)算法
5.4.2 基於PCNN多級聚焦模型的目標識彆
5.5 圖像分解
5.6 小結
第6章 反饋和分離
6.1 反饋式PCNN
6.2 目標分離
6.2.1 輸入圖像的規格化
6.2.2 濾波器的創建
6.2.3 脈衝圖像的邊緣增強
6.2.4 相關及改進
6.2.5 峰值檢測
6.2.6 對輸入圖像和PCNN所做的調整
6.2.7 驅動程序
6.3 動態目標分離
6.4 陰影目標
6.5 噪聲圖像下的情況
6.6 小結
第7章 分類識彆
7.1 航空器
7.2 北極光
7.3 目標識彆:二值圖像的相關性
7.4 星係
7.5 手勢識彆
7.6 路麵檢測
7.7 數字符號
7.7.1 數據集閤
7.7.2 分離齣各類的訓練圖像
7.8 産生脈衝圖像
7.8.1 圖像時間信號的分析
7.9 人臉定位及識彆
7.10 小結
第8章 紋理識彆
8.1 脈衝譜
8.2 紋理脈衝譜的統計可分性
8.3 基於統計方法的脈衝譜識彆
8.4 基於聯想記憶的脈衝譜識彆
8.5 生物學上的運用
8.6 紋理研究
8.7 小結
第9章 顔色和多通道
9.1 模型
9.1.1 彩色圖像的例子
9.1.2 基於Python的實現
9.2 多光譜實例
9.3 彩色模型的應用
9.4 小結
第10章 圖像的時間信號
10.1 圖像的時間信號理論
10.1.1 PCNN和圖像時間信號
10.1.2 彩色與形狀
10.2 目標的時間信號
10.3 真實圖像的時間信號
10.4 圖像時間信號數據庫
10.5 計算最佳視角
10.6 運動估計
10.7 小結
第11章 邏輯
11.1 迷宮穿行和TSP(旅行商)問題
11.2 條形碼和導航
11.3 小結
附錄A 圖像轉換器
附錄B 幾何模塊
附錄C 分數冪指數濾波器
附錄D 相關運算
附錄E FAAM
附錄F 主成分分析
參考文獻
前言/序言
相對於第二版而言,第三版增加瞭兩個主要的部分。首先是增加瞭一些新的應用。近年來與PCNN及交叉皮層模型(ICM)相關的論文不斷湧現,其中一些被選入瞭本書。
第二個主要變化是增加瞭Python腳本代碼。近十年來,作為一個功能強大的工具,Python已經被用於很多科學研究領域。配閤Numeric包,Python能以寥寥幾行代碼輕鬆地實現綫性代數運算。這種高效性使得在書中理論及應用部分加入Python腳本代碼成為可能。
我們盡一切可能力求書中相關應用的Python代碼完整可靠。腳本代碼是基於Python2.7的,這是Linux發行版本中的標準配置。使用Python3.0的讀者會發現一些語法差異,需要對Python2.7版本下的代碼進行相應調整。
對Python編程較為熟悉的讀者可能會注意到書中代碼可以被壓縮至更少行。但本書附帶代碼的用意是傳遞學術信息,所以腳本代碼相對於精簡性而言更偏重於可讀性。
本書作者編寫的所有Python腳本代碼可以從網站http://www.binf.gmu.edu/kinser下載。Python係統、Numeric Python包(NumPy)、Scientific Python包(SciPy)、Python圖像包(Python Image Library,PIL)可以從其各自的網站獲得,這將在本書第3章給齣說明。書中所有腳本代碼受版權保護,隻能用於學術研究,未經允許,不得用於商業目的。
圖像處理的革新之路:脈衝耦閤神經網絡的Python實踐 在信息爆炸的時代,圖像作為信息傳遞最直觀、最高效的載體,其重要性不言而喻。從科學研究到工業生産,從醫療診斷到藝術創作,圖像處理技術滲透於我們生活的方方麵麵。而在這場由圖像驅動的革新浪潮中,脈衝耦閤神經網絡(Pulse-Coupled Neural Networks, PCNN)以其獨特的生物啓發機製和強大的圖像信息提取能力,正扮演著越來越重要的角色。本書,《圖像處理與脈衝耦閤神經網絡:基於Python的實現(第3版)》,將帶領您踏上一段深入探索PCNN在圖像處理領域應用的精彩旅程。 PCNN:揭示生物視覺的奧秘,賦能智能圖像分析 傳統的圖像處理方法往往依賴於預設的數學模型和人工設計的特徵提取器,其在處理復雜、噪聲乾擾嚴重的圖像時,往往顯得力不從心。而PCNN的齣現,則為我們提供瞭一種全新的視角。受貓視覺皮層神經元發放脈衝信號機製的啓發,PCNN模型能夠模擬生物視覺係統的信息處理過程,實現對圖像中空間和時間信息的精妙捕捉。 PCNN的核心在於其“耦閤”機製。每個神經元接收來自鄰域神經元的脈衝信號,並根據這些信號和自身的內部狀態決定是否發放脈衝。這種相互連接和反饋使得PCNN能夠形成一種自組織的網絡,在處理圖像時,能夠有效地抑製背景噪聲,突齣關鍵特徵,並能根據圖像內容的局部特性動態調整其響應。這使得PCNN在圖像分割、邊緣檢測、特徵提取、紋理分析、圖像復原等方麵展現齣超越傳統方法的強大優勢。 Python:連接理論與實踐的橋梁 理論的飛躍需要強大的工具來實現。Python,作為一門集易學性、高效性和豐富的庫資源於一身的編程語言,已成為當前科學計算和人工智能領域的主流語言。本書緊密結閤Python,將PCNN的理論知識與實際編程應用融為一體。我們不迴避復雜的數學原理,但更注重通過簡潔、清晰的Python代碼來展現PCNN的算法實現。 本書第三版更是力求在Python實現方麵精益求精。我們整閤瞭最新的Python庫和開發實踐,優化瞭代碼的結構和效率,使得讀者不僅能夠理解PCNN的工作原理,更能親手構建和運行功能強大的PCNN模型。無論您是初學者還是有一定基礎的開發者,都能在書中找到適閤自己的學習路徑,將抽象的理論轉化為可執行的代碼,體驗將PCNN應用於實際圖像處理任務的樂趣。 本書結構概覽:從基礎到進階,循序漸進 本書的內容組織嚴謹,邏輯清晰,旨在為讀者提供一個全麵而深入的學習體驗。 第一部分:PCNN理論基石 第一章:圖像處理與神經網絡概述 本章將為讀者構建一個宏觀的認知框架,首先介紹圖像處理的基本概念、挑戰以及發展曆程。我們將討論圖像處理在各個領域的應用,以及為什麼需要更高級的智能處理方法。 隨後,我們將引入神經網絡的概念,從感知機到深度學習,簡要梳理神經網絡的發展脈絡。重點將放在介紹神經網絡在模式識彆和特徵提取方麵的能力,為後續深入PCNN打下基礎。 本章還將初步探討生物視覺係統的信息處理機製,為理解PCNN的生物啓發性做鋪墊。 第二章:脈衝耦閤神經網絡(PCNN)的數學模型與基本原理 本章將深入剖析PCNN的核心數學模型。我們將詳細介紹PCNN的各個組成部分,包括 the linking(連接項)、the modulation(調製項)、the ignition(點火項)以及 the output(輸齣項)。 我們將用清晰的數學公式和圖示來解釋每個部分的功能,例如連接項如何模擬神經元之間的相互作用,調製項如何影響神經元的興奮性,點火項如何決定神經元是否發放脈衝,以及輸齣項如何錶示神經元的脈衝信號。 本章還將討論PCNN的模型參數及其對網絡行為的影響,為後續的參數優化和調優奠定基礎。 第三章:PCNN的神經元模型與動態行為 本章將聚焦於PCNN的神經元層麵的細節。我們將探討不同的PCNN神經元模型,例如經典的Jeulin模型以及其他改進模型,分析它們的數學特性和計算復雜度。 我們將深入研究PCNN的動態行為,包括脈衝的生成、傳播和同步現象。通過分析這些動態行為,讀者將能更深刻地理解PCNN如何處理時空信息,並如何湧現齣復雜的全局模式。 本章還會介紹一些與PCNN相關的數學概念,如混沌理論和分形幾何,以展示PCNN模型的豐富性和復雜性。 第二部分:PCNN的Python實現與核心算法 第四章:Python基礎與圖像處理庫 為瞭讓讀者能夠順利地進行實踐,本章將提供必要的Python編程基礎迴顧。我們將重點介紹Python中用於科學計算的核心庫,如NumPy(用於高效的數值計算)和Matplotlib(用於數據可視化)。 特彆地,我們將詳細介紹OpenCV(Open Source Computer Vision Library)在圖像處理方麵的強大功能。讀者將學習如何使用OpenCV加載、顯示、存儲圖像,以及進行基本的圖像操作,如灰度化、二值化、尺寸調整等。 本章的目標是讓讀者熟悉Python開發環境和必要的圖像處理工具,為後續的PCNN實現做好準備。 第五章:基於Python的PCNN模型實現 本章將是本書的實踐核心。我們將一步一步地指導讀者使用Python和NumPy庫實現一個功能完備的PCNN模型。 我們將從最基本的PCNN神經元模型開始,逐步構建連接項、調製項、點火項和輸齣項的Python代碼。代碼將清晰、模塊化,並配有詳細的注釋。 我們還會討論如何有效地處理圖像作為PCNN的輸入,以及如何將PCNN的輸齣轉化為有意義的圖像處理結果。讀者將學會如何構建自己的PCNN類或函數,並實例化模型。 第六章:PCNN在圖像分割中的Python應用 圖像分割是PCNN最經典的應用領域之一。本章將展示如何利用PCNN強大的自組織和特徵提取能力來實現高效的圖像分割。 我們將首先迴顧經典的圖像分割方法,並分析其局限性。隨後,我們將重點講解PCNN在圖像分割中的具體算法,包括如何設計連接權重矩陣以適應不同的圖像結構。 讀者將學習如何通過Python代碼實現PCNN驅動的圖像分割算法,並能通過調整PCNN參數來控製分割的精度和細節。我們將提供具體的代碼示例,並討論如何評估分割結果。 第七章:PCNN在圖像邊緣檢測中的Python應用 邊緣是圖像中最基本、最重要的視覺信息之一。本章將探討PCNN如何被用於精確而魯棒的圖像邊緣檢測。 我們將分析傳統邊緣檢測算子(如Sobel, Canny)的原理和優缺點,並引齣PCNN在邊緣檢測方麵的獨特優勢,例如能夠處理模糊邊緣和紋理區域。 讀者將通過Python代碼實現基於PCNN的邊緣檢測算法,學習如何利用PCNN的脈衝同步特性來識彆圖像中的顯著邊緣。本章還將探討如何優化PCNN的參數以獲得高質量的邊緣圖。 第三部分:PCNN的高級應用與展望 第八章:PCNN在圖像特徵提取與描述中的Python應用 除瞭分割和邊緣檢測,PCNN在提取圖像深層特徵方麵也錶現齣色。本章將介紹如何利用PCNN生成能夠有效描述圖像內容的特徵嚮量。 我們將探討PCNN如何捕捉圖像的紋理、形狀和局部結構信息,並將其編碼為一種易於後續分類或識彆的錶示形式。 讀者將學習如何通過Python代碼實現PCNN特徵提取器,並可能將其與機器學習分類器(如SVM, KNN)結閤,應用於圖像識彆任務。 第九章:PCNN在圖像復原與去噪中的Python應用 現實世界中的圖像往往受到噪聲的乾擾,或者存在缺失信息。本章將展示PCNN在圖像復原和去噪方麵的潛力。 我們將討論PCNN如何通過其自適應的抑製和激活機製來抑製噪聲,並可能利用其空間信息處理能力來填充圖像中的缺失區域。 本章將提供相應的Python實現,演示如何使用PCNN來提高圖像的質量和視覺效果。 第十章:PCNN的最新發展與未來趨勢 技術的發展永無止境。本章將對PCNN的研究領域進行前瞻性展望。 我們將介紹PCNN的最新變種模型,例如具有更復雜連接機製的PCNN,或者與其他新興人工智能技術(如深度學習)相結閤的混閤模型。 本章還將探討PCNN在新的應用領域,如醫學影像分析、遙感圖像處理、視頻分析等方麵的潛在發展方嚮。我們將鼓勵讀者在掌握瞭本書內容後,繼續探索PCNN的無限可能。 誰適閤閱讀本書? 本書的目標讀者群體廣泛,包括但不限於: 計算機科學、電子工程、自動化等專業的學生:為他們提供學習PCNN理論和實踐的堅實基礎。 圖像處理和計算機視覺領域的科研人員:為他們提供一種新的、強大的工具和研究視角。 對人工智能和生物啓發計算感興趣的開發者:幫助他們將先進的AI模型應用於實際問題。 任何希望深入瞭解PCNN在圖像處理領域應用的專業人士:提供從理論到實踐的完整指南。 本書的獨特價值 理論與實踐的高度結閤:不僅僅是理論的闡述,更是具體的Python代碼實現,讓讀者能夠“學以緻用”。 循序漸進的學習路徑:從基礎概念到高級應用,層層遞進,適閤不同層次的讀者。 清晰的代碼示例:精心設計的Python代碼,易於理解、調試和修改。 注重實際應用:所有理論都圍繞著圖像處理的實際問題展開,解決讀者在應用中可能遇到的挑戰。 第三版的更新與優化:整閤瞭最新的技術和開發實踐,確保內容的先進性和實用性。 踏上這場PCNN的Python之旅,您將不僅掌握一種強大的圖像處理技術,更能深刻理解人工智能在模擬生物智能方麵的潛力和魅力。本書期待成為您在圖像處理和人工智能領域探索的忠實夥伴。