Zur Invertierbarkeit von durch spatio-temporale Filter erzeugten Abbildungen mit besonderem Bezug zur Entwicklung einer lernfähigen Sehprothese

Für die Entwicklung wahrnehmungsbasierter Dialogverfahren für das Training lernfähiger Retina Encoder (RE) wird ein Inverter Modul benötigt, welches die spatio-temporale Abbildung, die durch den RE geleistet wird, umkehrt. In der vorliegenden Arbeit wird, ausgehend von einem speziellen Modell der visuellen Informationsverarbeitung beim Menschen, der Sehvorgang als Sequenz zweier Abbildungen betrachtet, die auf zueinander invers sein müssen. Mit der mathematischen Beschreibung dieser spatio-temporalen Filterung war es möglich, zwei unterschiedliche Inversionsverfahren, die Matrix-Methode und die Entscheidungsbaum-Methode, zu entwickeln, die einen Eingangsreiz perfekt aus dem RE-Filterergebnis rekonstruieren können. Die Matrix-Methode wurde durch Übertragung geeigneter Inversionsverfahren aus anderen Wissenschaftsdisziplinen auf die Retina Encoder Problemstellung realisiert. Die Entwicklung der Entscheidungsbaum-Methode basierte auf Erkenntnissen und Annahmen über die visuelle Informationsverarbeitung im Zentralen Sehsystem des Menschen sowie auf künstlich generierten Augenbewegung. Es stellte sich dabei heraus, dass die Invertierung der ST-Filterung typischerweise auf ein schlecht gestelltes Problem (ill-posed problem) bzw. schlecht konditioniertes Problem (ill-conditioned problem) führt. Aus diesem Grund musste die Matrix Methode durch Regularisierungsverfahren erweitert werden. Die Eignung der Inversionsverfahren für das wahrnehmungsbasierte RE-Training mit normalsichtigen Versuchspersonen wurde in Dialogverfahren unter Einsatz evolutionärer Algorithmen mit automatischer Selektion untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Entscheidungsbaum-Methode der Matrix-Methode im Falle schlecht konditionierter RE-Abbildungen bei der Rekonstruktion reiner schwarz-weißer Reizmuster überlegen ist. Der Einsatz der Entscheidungsbaum-Methode im Inverter Modul zusammen mit einem ebenfalls neu entwickelten Lerndialogverfahren mit ortspezifischem Feedback (Position Sensitive Tuning) ermöglichte normalsichtigen Versuchspersonen ein schnelles und erfolgreiches RE-Training. </p

Visual Encoding with Jittering Eyes

Under natural viewing conditions, small movements of the eye and body prevent the maintenance of a steady direction of gaze. It is known that stimuli tend to fade when they are stabilized on the retina for several seconds. However, it is unclear whether the physiological self-motion of the retinal image serves a visual purpose during the brief periods of natural visual fixation. This study examines the impact of fixational instability on the statistics of visual input to the retina and on the structure of neural activity in the early visual system. Fixational instability introduces fluctuations in the retinal input signals that, in the presence of natural images, lack spatial correlations. These input fluctuations strongly influence neural activity in a model of the LGN. They decorrelate cell responses, even if the contrast sensitivity functions of simulated cells are not perfectly tuned to counter-balance the power-law spectrum of natural images. A decorrelation of neural activity has been proposed to be beneficial for discarding statistical redundancies in the input signals. Fixational instability might, therefore, contribute to establishing efficient representations of natural stimuli.