Base operation of the brain

Basing on holographic memory and optical Fourier transformers, the engineering devices called holographic correlators have been created [Vasilenko, Tsybulkin, 1985]. Fig. 3.4 gives a schematic of such device.

Рис. 3.4. Схема голографического коррелятора.

Fig. 3.4. A scheme of holographic correlators.

Здесь: 1 – транспарант с обрабатываемым изображением; 2 – линза, выполняющая прямое преобразование Фурье; 3 – фильтр, установленный в частотной плоскости; 4 – линза, выполняющая обратное преобразование Фурье; 5 – плоскость формирования результирующей функции; f – фокусное расстояние линз.

Транспарант 1 освещается слева параллельным пучком когерентных лучей. После прохождения лучей через линзу 2, выполняющую прямое преобразование Фурье, в плоскости фильтра 3 формируется частотный образ исходного изображения (результат прямого преобразования Фурье), отчего эту плоскость в голографическом корреляторе называют частотной плоскостью.

Если фильтр 3 имеет по всей поверхности одинаковую оптическую плотность и не вносит фазовых искажений, то после прохождения лучей через линзу 4, выполняющую обратное Фурье-преобразование, в плоскости 5 (т.е. на выходе коррелятора), сформируется копия исходного изображения.

С математической точки зрения, сигналы, приходящие после прямого преобразования Фурье, перемножаются в частотной плоскости на прозрачность фильтра 3. Если фильтр 3 представляет собой непрозрачную

Here, 1 – a transparency with processed image; 2 – a lens performing direct Fourier transform; 3 – a filter installed in the frequency plane; 4 – a lens performing inverse Fourier transform; 5 – a plane of resulting function formation; f – focal length of lenses.

At the left the transparency 1 is lighted by a parallel bundle of coherent rays. Once the rays have passed through lens 2, which performs direct Fourier transform, a frequency pattern of a source image (a result of direct Fourier transform) is formed on the plane of filter 3. Therefore, this plane in the holographic correlator is called the frequency plane.

If filter 3 has the same optical density along the whole surface and does not introduce phase distortions, then after the rays have passed through lens 4, which performs inverse Fourier transform, a copy of the source image will be generated on the plane 5 (i.e. at the correlator output).

In mathematical terms, the signals arriving after direct Fourier transform are multiplied on the frequency plane by transparence of filter 3. If filter 3 is a non-transparent membrane with the apertures in the places corresponding to

пластину, имеющую отверстия в местах, соответствующих определённой пространственной частоте, то в плоскости 5 сформируется только та часть исходного изображения, которая выражается такой частотой.

Плоскость 5 условно делится на две полуплоскости, на одной из которых располагаются действительные, а на другой – мнимые величины. Каждой пространственной частоте исходного изображения на этой плоскости соответствуют две точки – одна в действительной и другая – в мнимой области.

Намного интереснее оказывается результат работы такой схемы, если вместо фильтра 3 установлена прозрачная пластинка с предварительно записанной голограммой Фурье-образа некоторого эталонного изображения, например, какого-то иероглифа. Тогда в плоскости 5 сформируется двумерная функция корреляции между исходным изображением и эталоном. Если в качестве транспаранта 1 установить страницу иероглифического текста, в плоскости 5 появятся световые пятна в местах, соответствующих положению на этой странице эталонного (искомого) иероглифа.

Интересно, что при этом за одну операцию искомый рисунок (иероглиф) отыскивается и отмечается сразу по всей площади анализируемой страницы. Это как раз то свойство, которым, как отмечалось выше, обладает и мозг – способность мгновенно находить и извлекать из памяти нужные данные, независимо от их адреса.

Сигнал корреляции между входным и эталонным образами является эффективным критерием сходства сравниваемых изображений, из-за чего приведенная на рис. 3.4 схема получила распространение в технике автоматического распознавания образов. Кроме других достоинств, это устройство обладает огромным быстродействием – функция корреляции между большими двумерными информационными массивами (образами) вычисляется за кратчайшее время – за одну операцию.

Несколько видоизменяя режим, можно за одну операцию сравнить входное изображение с несколькими эталонами, записанными в памяти под близкими адресами. Сигналы корреляции между входным изображением и

the proper spatial frequency, then only the part of the source image that is expressed by such frequency will be formed on the plane 5.

The plane 5 is conditionally divided into two half-planes, one containing real values and the other imaginary ones. On this plane the two points, one in the real area and another in imaginary one, correspond to each spatial frequency of the source image.

The result of functioning of such scheme would be amazing if a transparent membrane with pre-recorded hologram of Fourier-pattern of some master image, e.g. any hieroglyph, is installed instead of filter 3. Then, in the plane 5 the 2D correlation function between the source image and a template is generated. If a page of hieroglyphic text is used for tarnsparency 1, then on the plane 5 the light spots will appear in the places corresponding to position of a reference (desired) hieroglyph on this page.

Interestingly, in one operation the desired pattern (hieroglyph) is found and marked directly along the whole area of the page under consideration. This is exactly the property which the brain possesses, as mentioned above, that is the capability of immediate finding and extracting the needed data from the memory, independent on their address.

The signal of correlation between the input and reference patterns is an effective criterion of similarity of the images under comparison, due to which a scheme given in Fig. 3.4 has got widely used in automatic image recognition technique. Along with other advantages, this device is extremely fast operating – the correlation function between large 2D information arrays (patterns) can be calculated in the shortest time – in one operation.

By slightly modifying the mode, one can compare the input image with several templates, which are recorded in memory at nearest addresses, in one operation. The signals of corre

отдельными эталонами расположатся в разных точках плоскости 5. По интенсивности сигналов можно судить о степени сходства входного изображения с разными эталонами. Конечно, и такой вариант работы используется мозгом.

Согласно авторской концепции нейроголографии, в анатомическом строении мозга более сотни раз повторены структуры, вычисляющие на базе прямых и обратных преобразований Фурье корреляцию между двумерными информационными массивами. Такие структуры мозга, названные нейрокорреляторами действуют по принципиальной схеме рис. 3.4, но, с учётом анатомии мозга, более соответствуют виду, представленному на рис. 3.5.

lation between the input image and separate templates will be arranged in the different point of plane 5. By intensity of the signals one can judge about the degree of similarity between the input image and different templates. Of course, this activity is also performed by the brain.

According to the author’s concept of neuroholography, the structures that calculate the correlation between 2D information arrays, basing on direct and inverse Fourier transforms, are repeated many times in the anatomy of the brain. Such brain structures, which are called neurocorrelators, act in compliance with the basic diagram given in Fig. 3.4. But, in terms of the brain anatomy, they are more corresponding to the structure illustrated in Fig. 3.5.

Рис. 3.5. Схема нейроголографического коррелятора (нейрокоррелятора)

в структуре мозга

Fig. 3.5. A scheme of neuroholographic correlator (neurocorrelator) in the brain structure.

Здесь: 1 – пучок нервных волокон, подводящий исходную волну-образ; 2 – процессорное ядро, проводящее прямое преобразование Фурье; 3 – пучок, переносящий Фурье-образ в область памяти; 4 – область голографической памяти (участок коры мозга); 5 – пучок волокон, переносящий результат фильтрации образа к следующему процессорному ядру; 6 – процессорное ядро, выполняющее обратное Фурье-преобразование; 7 – пучок волокон, отводящий сигнал корреляции.

С позиций концепции нейроголографии, такое анатомическое образование является главной и типовой вычислительной структурой мозга. В общей архитектуре мозга схема нейрокоррелятора может усложняться дополнительными связями, ядрами или областями памяти. Будучи

Here, 1 – a nerve fiber bundle that supplies the source pattern wave; 2 – a processor nucleus that performs direct Fourier transform; 3 – a bundle that transfers the Fourier-pattern in the memory space; 4 – holographic memory (a part of cortex) space; 5 – a fiber bundle that transfers the result of pattern filtration to the next processor nucleus; 6 – a processor nucleus that performs inverse Fourier transform; 7 – a fibre bundle that withdraws the correlation signal.

In terms of neuroholography, such anatomic formation is the basic and standard computational structure of the brain. In the general architecture of the brain the neurocorrelator scheme can be complicated by additional connections, nuclei or memory segments. Being repeated many times, such structures generate

многократно повторёнными, такие структуры образуют в мозге высших позвоночных совокупность сенсорных систем и две интегративные подсистемы – принятия решений и исполнительную.

Дата добавления: 2015-06-04