Методы теории информации применены к исследованию основных закономерностей передачи и восприятия изображений в зрительной системе. Построены модели основных операций в зрительной системе и рассмотрены с общих теоретико-информационных позиций многочисленные факты физиологической оптики и психологии зрения.
Раздел рассчитан на научных работников в области физиологии и психологии зрения, а также на студентов соответствующих специальностей. Он может быть полезен и более широкому кругу специалистов, интересующихся проблемами биологической кибернетики. Сведения относительно особенностей передачи информации по зрительному каналу и пропускной способности зрительного анализатора могут представить интерес для специалистов в области оптики и телевидения.
При всем разнообразии и несходстве оптических и фотографических, электроннооптических и телевизионных систем, с одной стороны, и зрительных систем живых организмов — с другой, общим для них является то, что они передают или сохраняют информацию и что источником этой информации служат изображения. Представляется естественным распространить методы теории информации, широко применяемые для исследования технических систем передачи и хранения изображений, на биологические анализаторные системы, в частности зрительную.
Насколько известно, в монографиях и учебных курсах все еще не было попыток дать систематический анализ зрительного процесса на основе теории информации. Более того, сама постановка вопроса об исследовании общих закономерностей передачи изображений в технических и биологических системах до недавнего времени могла показаться механистичной.
Между тем теперь в связи с известными успехами кибернетики становится все более ясным, что единый теоретико-информационный подход к биологическим и техническим системам передачи изображений может привести к новому и более глубокому пониманию функциональной организации зрительного анализатора и способствовать моделированию зрительного процесса. Такой общий подход к изучению закономерностей передачи «зрительных сообщений» имеет очевидное практическое значение. Во многих случаях зрительный анализатор служит как бы непосредственным продолжением технической системы связи. Исследование передачи информации по зрительному каналу связи, изучение его пропускной способности очень важно для оценки возможностей наблюдателя, работающего с оптической или телевизионной системой, для разработки новых систем телевизионной связи, более эффективно согласованных с получателем информации — зрительным анализатором. Изучение процессов происходящих при опознании зрительных образов, будет полезно для нахождения новых принципов построения телевизионных автоматов — устройств, извлекающих информацию из изображений и совершающих целенаправленные действия в соответствии с полученной информацией.
В предлагаемой работе сделана попытка изложить на основе теории информации некоторые общие закономерности передачи изображений в зрительном анализаторе. До недавнего времени, пока не была введена количественная мера информации и не были установлены закономерности передачи информации, такое направление исследования вообще не имело смысла. Вследствие этого не могла быть вскрыта сущность операций, которые производит зрительная система для извлечения информации из изображений объектов внешнего мира.
К сожалению, экспериментальные исследования по новым направлениям, которые подсказываются теорией информации, начаты лишь недавно, а сведения, которыми сейчас располагает физиология зрительного анализатора, еще слишком скудны, чтобы надеяться построить хотя бы в какой-либо части законченную информационную теорию зрения. Из-за этого пришлось пока отказаться от попытки теоретико-информационного подхода к таким важнейшим разделам физиологии зрения, как цветовое и стереоскопическое зрение. По той же причине мы ограничились только тем, что непосредственно относится к проблеме передачи информации по зрительному каналу связи, и по мере возможности стремились избегать обсуждения таких общих проблем биологической кибернетики, как обучение и память.
Мы находимся в неравном положении, когда пытаемся с общей точки зрения рассмотреть и технические, и биологические системы передачи изображений. Всегда можно дать достаточно полное описание технической системы связи, созданной человеком, и всегда известны ее «алфавит», код, который использован для передачи сообщения, метод модуляции, полоса частот, характеристики сигнала и шума и т. д. Но эти технические системы находятся как бы еще на низшей ступени эволюционного развития и не могут служить удовлетворительными моделями при исследовании процессов в биологических анализаторных системах. Напротив, то немногое, что мы знаем об этих последних, указывает на их исключительную эффективность с точки зрения теории информации. Это, возможно, в первую очередь связано с огромным объемом памяти биологических анализаторов. Однако еще слишком мало известно об основных операциях, происходящих в зрительной системе, и об их механизмах, которые обеспечивают столь эффективную передачу информации из внешней среды.
При попытке построить теоретико-информационную картину работы зрительной системы приходится во многом ограничиваться гипотезами. Весьма вероятно, что некоторые из этих гипотез, подсказанные техническими аналогиями, наивны и будут вскоре опровергнуты новыми экспериментальными фактами. Однако сейчас уже не должна вызывать сомнений польза привлечения теории информации как для объяснения известных данных физиологии зрения, так и для изыскания новых направлений экспериментальных исследований.
Оглавление
Глава первая. Квантование изображений в зрительной системе
1. Зрительные пороги
2. Рецептивные поля сетчатки
3. Временное накопление
4. Статистический характер зрительных порогов
Глава вторая. Информация, содержащаяся в изображениях
1. Модель изображения
2. Информационная емкость
3. Количество информации
4. Статистика изображений
Глава третья. Статистическое кодирование изображений
1. Принципы статистического кодирования
2. Декорреляция предсказанием в зрительной системе
3. Кодирование изображений
Глава четвертая. Пропускная способность зрительной системы
1. Пропускная способность канала с шумами
2. Параметры зрительного канала и их преобразование
3. Пропускная способность зрительного анализатора
Литература