智能信息感知技術(shù) 課件 第5、6章 智能生物傳感基礎(chǔ)理論、智能光學(xué)圖像傳感技術(shù)

2024-07-231智能傳感技術(shù)——第五章

智能生物傳感基礎(chǔ)理論目

錄22024-07-235.1

生物傳感系統(tǒng)生物視覺傳感基本原理生物聽覺傳感基本原理生物觸覺傳感基本原理其它生物傳感機(jī)理5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-233腦：高度發(fā)達(dá)的人體器官，進(jìn)化的最高成果。端腦(大腦)間腦小腦中腦腦橋延腦腦腦的主要任務(wù)：收集人體內(nèi)、外環(huán)境的信息，并對信息進(jìn)行加工，指導(dǎo)自身行動，達(dá)到適應(yīng)環(huán)境和做出有利于生存的決策和反應(yīng)。5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-234顳

葉枕葉頂

葉額葉上緣外側(cè)溝中央溝下緣運(yùn)動功能、智能與情感和言語等高級認(rèn)知功能及對小腦共濟(jì)運(yùn)動的控制作用視覺刺激的分析和綜合感覺刺激的分析綜合及言語功能頂枕溝聽覺刺激的分析綜合5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-235大腦皮層內(nèi)部白色的髓質(zhì)（即白質(zhì)）幾乎填滿了半個大腦。由數(shù)百萬條“溝通管線”(有髓神經(jīng)纖維)組成，功能是負(fù)責(zé)溝通不同腦區(qū)的灰質(zhì)、在神經(jīng)細(xì)胞間傳遞動作電位。白質(zhì)內(nèi)的灰質(zhì)核團(tuán)——基底核(basal

nuclei)，位于接近大腦半球的底部。包括尾狀核、豆?fàn)詈说龋矤詈撕投範(fàn)詈撕戏Q紋狀體，是重要的皮質(zhì)下運(yùn)動中樞。主要功能是使肌肉的運(yùn)動協(xié)調(diào)，維持軀體一定的姿勢。5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-236脊髓脊髓與延腦相連，在腦與外周之間傳送神經(jīng)信息。脊髓是一條管狀的神經(jīng)束，呈前后略扁圓柱形，從腦干一直延伸至背部下方。它被完全封閉在脊柱的椎骨里。由灰質(zhì)和白質(zhì)構(gòu)成

。5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-237大腦丘腦腦干下丘腦外感受器脊髓內(nèi)感受器肌肉腺體受控過程局部控制器專用控制器小腦 高級協(xié)調(diào)控制器中央控制器神經(jīng)系統(tǒng)多級結(jié)構(gòu)圖小腦為運(yùn)動協(xié)調(diào)中心丘腦為感覺傳入信息協(xié)調(diào)中心下丘腦為內(nèi)環(huán)境控制的協(xié)調(diào)中心5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-238從信息傳遞和處理角度看，神經(jīng)系統(tǒng)除了有多級遞階結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)逐級協(xié)調(diào)和級間協(xié)調(diào)外，還有并行傳遞和處理的特點(diǎn)并行傳遞不僅表現(xiàn)在多種感覺信息同時分別由不同通路向中樞傳遞，而且在同一感覺通路內(nèi)，又有并行的許多神經(jīng)纖維同時向上傳送，這種安排提高了信息傳遞的可靠性，并且提供在“硬件”受損傷時的代償功能。另一方面，多種通路同時存在又可能造成相互干擾，為了有效傳輸信息，要求進(jìn)行選擇和控制。感覺傳遞通路中的離中控制是一種重要的對傳入信息的選擇的控制方式。在不同感覺模態(tài)間或同一感覺的不同區(qū)域，都存在上級對下一級結(jié)構(gòu)的反向調(diào)制，這種調(diào)制稱為離中控制。5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-239大腦丘腦腦干脊髓?

21?3各種感覺模式左圖表示不同類的信息同時傳入，在到達(dá)較高級中樞后，經(jīng)過評價和整合，確定1是重要的。則只有1的信息可向中樞傳遞，通過腦干的下行抑制纖維抑制2、3通路，從而減少了中樞的負(fù)擔(dān)，并突出了重要信息的傳送。人腦多級遞階結(jié)構(gòu)既能逐級協(xié)調(diào)和傳遞信息、又有反向控制存在，使得上、下級間有效協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)人腦的整體功能。5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2310神經(jīng)細(xì)胞神經(jīng)系統(tǒng)的主要構(gòu)成成分就是神經(jīng)組織。神經(jīng)組織是由神經(jīng)細(xì)胞(

neurone，即神經(jīng)元)和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞(neuroglialcell)所組成。人類的腦中有1010~1012個神經(jīng)細(xì)胞，神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞與神經(jīng)細(xì)胞的比例估計約為10:1~50:1。神經(jīng)元是神經(jīng)組織中的主要成份，是神經(jīng)活動的基本功能單位，具有接受刺激和傳導(dǎo)興奮的功能。神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞在神經(jīng)組織中起著提供支持、供給營養(yǎng)、維持環(huán)境恒定及提供絕緣作用。5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2311細(xì)胞體：代謝中心神經(jīng)元軸突：一根，把沖動傳離細(xì)胞體，傳到神經(jīng)末梢突起樹突：多而短，接受刺激，把沖動傳向細(xì)胞體5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2312樹突樹突全長各點(diǎn)都可以接受其他神經(jīng)元的軸突末梢并形成突觸(synapse)突觸為神經(jīng)元間信息轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部位，每個神經(jīng)元可有1000~10000個突觸，能傳遞、處理來自上千個其它神經(jīng)元的信息，是細(xì)胞收集和接受信息的場所。神經(jīng)纖維以神經(jīng)元的突起為中軸，外包絕緣覆蓋層，即為神經(jīng)纖維。神經(jīng)纖維末端的細(xì)小分支叫神經(jīng)末梢，分布到所支配的組織。神經(jīng)纖維分布到人體所有器官和組織間隙中，主要功能是對沖動發(fā)生傳導(dǎo)。傳導(dǎo)的速度很快，2~120m/s，傳導(dǎo)的過程是以生物電的形式進(jìn)行。5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2313神經(jīng)是由許多軸突或由軸突和樹突混合在一起構(gòu)成的纖維束。來自外感受器的沖動沿神經(jīng)傳入中樞神經(jīng)系統(tǒng)，而后傳出至效應(yīng)器，如此往復(fù)。在中樞神經(jīng)系統(tǒng)外，這些纖維束叫做神經(jīng)，在中樞神經(jīng)內(nèi)，這些樹突與軸突束被稱為神經(jīng)束。5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2314神經(jīng)元的分類神經(jīng)元的形態(tài)差異很大，一般可按細(xì)胞突數(shù)目或功能特點(diǎn)的不同進(jìn)行分類。神經(jīng)元分類按突觸數(shù)目分類按功能分類假單極神經(jīng)元雙極神經(jīng)元多極神經(jīng)元感覺神經(jīng)元運(yùn)動神經(jīng)元聯(lián)合神經(jīng)元5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2315信息傳遞——突觸傳遞一個神經(jīng)元突起的末梢膨大，形成扣狀與另一個神經(jīng)元的樹突或胞體接觸，這種接觸點(diǎn)稱突觸。突觸是神經(jīng)細(xì)胞間信息轉(zhuǎn)換和進(jìn)行生理活動的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)?？倲?shù):1012~1014個5.1

生物傳感系統(tǒng)16信息傳遞——突觸傳遞按活動機(jī)制分類：化學(xué)傳遞是以化學(xué)物質(zhì)(神經(jīng)遞質(zhì))作為通信的媒介，此傳導(dǎo)為單向的電傳遞是以電流(電信號)傳遞信息的。電子顯微鏡下，突觸前膜有電子密度高的錐形致密突起(denseprojection)突入胞質(zhì)內(nèi)，突起間容納的胞漿內(nèi)含許多突觸小泡，即突觸囊泡，囊泡內(nèi)含有化學(xué)物質(zhì)，稱為神經(jīng)遞質(zhì)

。2024-07-235.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2317突觸后部多為突觸后神經(jīng)元的胞體膜或樹突膜，與突觸前膜相對應(yīng)部分增厚，形成突觸后膜。突觸后膜厚為20~50nm，比突觸前膜厚，在后膜具有受體和化學(xué)門控的離子通道。突觸間隙是位于突觸前、后膜之間的細(xì)胞外間隙，寬約20~30nm，其中含糖胺多糖（如唾液酸）和糖蛋白等，這些化學(xué)成分能和神經(jīng)遞質(zhì)結(jié)合，促進(jìn)遞質(zhì)由前膜移向后膜，使其不向外擴(kuò)散或消除多余的遞質(zhì)。5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2318中樞神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)的遞質(zhì)可分為四類：乙酰膽堿、單胺類、氨基酸類和肽類。單胺類包括多巴胺、去甲腎上腺素和5-羥色胺，又名血清素。氨基酸類主要有谷氨酸、甘氨酸與γ

-氨基丁酸。神經(jīng)元能分泌肽類物質(zhì)

有升壓素、催產(chǎn)素、調(diào)節(jié)腺垂體活動的多肽

。遞質(zhì)：①特異性地存在于以該物質(zhì)為遞質(zhì)的神經(jīng)元中②集中貯存在囊泡內(nèi)③從突觸前末梢可釋放足以在突觸后細(xì)胞或效應(yīng)器引起一定反應(yīng)的物質(zhì)④通過突觸間隙作用于突觸后膜的受體⑤遞質(zhì)在發(fā)揮上述效應(yīng)后其作用應(yīng)該迅速終止5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2319靜息電位和動作電位神經(jīng)細(xì)胞實(shí)質(zhì)上是通過跨細(xì)胞膜兩側(cè)的電位變化信號最終編碼和傳輸信息的。當(dāng)神經(jīng)細(xì)胞接收到輸入時，它在輸入點(diǎn)細(xì)胞膜兩側(cè)的電位差就要發(fā)生變化，而神經(jīng)信息在神經(jīng)纖維上的傳送也是傳送電位差的變化?？缟窠?jīng)膜兩側(cè)的電位：靜息電位和動作電位靜息電位：細(xì)胞未受刺激時，存在于細(xì)胞膜內(nèi)外兩側(cè)的電位差。膜外為正，膜內(nèi)為負(fù)。人的神經(jīng)細(xì)胞的靜息電位為-70mV

。靜息電位由細(xì)胞膜內(nèi)外離子的分布不均衡，以及膜在不同情況下對各種離子的通透性不同所造成的。2024-07-2320動作電位：神經(jīng)細(xì)胞和肌細(xì)胞在接受刺激產(chǎn)生興奮時，在受刺激處的細(xì)胞膜兩側(cè)出現(xiàn)一次快速而可逆的電變化。當(dāng)神經(jīng)或肌細(xì)胞在安靜情況下受到一次短促的閾刺激或閾上刺激時，膜內(nèi)原有的-70~-90mV的負(fù)電位將迅速消失，轉(zhuǎn)而變成+20~+40mV的正電位，即由原來靜息時的內(nèi)負(fù)外正轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)正外負(fù)狀態(tài)，其電位變化的幅度為90~130mV。動作電位一般只持續(xù)0.5~2.0ms，如將它描記成曲線，則呈現(xiàn)出一次尖銳的脈沖，稱為鋒電位，包括快速的上升支（即去極相）和快速的下降支（即復(fù)極相）。在神經(jīng)干上記錄動作電位時，在鋒電位的后部還可觀察到一些緩慢的膜電位微小波動，稱為后電位。5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2321一段安靜的神經(jīng)纖維在一側(cè)段受到閾值以上的刺激產(chǎn)生了動作電位。該段由靜息時的內(nèi)負(fù)外正轉(zhuǎn)變成內(nèi)正外負(fù)的反極化狀態(tài)，而其相鄰的神經(jīng)段仍處于內(nèi)負(fù)外正的極化狀態(tài)。于是，在興奮段和相鄰的未興奮段之間出現(xiàn)了電位差，并發(fā)生了電荷移動，形成了局部電流。通過鄰近未興奮段的電流是使未興奮段的膜發(fā)生去極化。當(dāng)去極化到閾電位水平時，使未興奮段轉(zhuǎn)變?yōu)榕d奮狀態(tài)。5.1

生物傳感系統(tǒng)5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2322信息傳遞——跨膜傳導(dǎo)外環(huán)境刺激因子和機(jī)體、細(xì)胞間通信的信號分子——激素、神經(jīng)遞質(zhì)等第一信使和配體，到達(dá)并作用于機(jī)體細(xì)胞表面或細(xì)胞內(nèi)受體部位后，信號跨膜轉(zhuǎn)換形成胞內(nèi)第二信使，其后的信息途經(jīng)組份級聯(lián)傳遞，通過胞內(nèi)信號將信息傳遞到特定的效應(yīng)部位，引起細(xì)胞生理反應(yīng)和誘導(dǎo)基因表達(dá)，這個過程就是生命信號的（跨膜）轉(zhuǎn)導(dǎo)。外、內(nèi)刺激

配體

受體

跨膜

第二信使

磷酸化傳遞信息

調(diào)節(jié)細(xì)胞機(jī)體信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)：生物活性物質(zhì)與受體特異性結(jié)合，將信號轉(zhuǎn)換后傳給胞內(nèi)系統(tǒng)，使細(xì)胞對外界信號作出反應(yīng)。5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2323功能和系統(tǒng)神經(jīng)系統(tǒng)在機(jī)體一切活動中起著主導(dǎo)作用。神經(jīng)系統(tǒng)分類按其形態(tài)和所在部位：按性質(zhì)：神經(jīng)系統(tǒng)周圍神經(jīng)系統(tǒng)中樞神經(jīng)系統(tǒng)腦脊髓腦神經(jīng)脊神經(jīng)內(nèi)臟神經(jīng)神經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)臟神經(jīng)軀體神經(jīng)5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2324大腦皮層可按不同的的功能加以區(qū)分，這種分類在某種程度上是合理的，因?yàn)槠拥哪承﹨^(qū)域似乎與腦的信息輸入和輸出有明確的對應(yīng)關(guān)系。大腦皮層的Brodmann分區(qū)法5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2325軀體運(yùn)動區(qū)大腦皮層上軀體運(yùn)動區(qū)和軀體感覺區(qū)的功能分布及大小.5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-2326人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受到生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能的運(yùn)作啟發(fā)，在多年來對神經(jīng)科學(xué)研究的基礎(chǔ)之上。經(jīng)過一定的抽象、簡化與模擬，人們提出了一種應(yīng)用類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息處理的數(shù)學(xué)模型——人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。定義：人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種應(yīng)用類似于大腦神經(jīng)突觸聯(lián)接的結(jié)構(gòu)進(jìn)行信息處理的數(shù)學(xué)模型。在工程與學(xué)術(shù)界也常直接簡稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)或類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。5.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-23神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種運(yùn)算模型，由大量的節(jié)點(diǎn)(或稱神經(jīng)元)和之間相互聯(lián)接構(gòu)成。每個節(jié)點(diǎn)代表一種特定的輸出函數(shù)，稱為激勵函數(shù)(activation

function)。每兩個節(jié)點(diǎn)間的連接都代表一個對于通過該連接信號的加權(quán)值，稱之為權(quán)重，這相當(dāng)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的記憶。網(wǎng)絡(luò)的輸出則依網(wǎng)絡(luò)的連接方式，權(quán)重值和激勵函數(shù)的不同而不同。而網(wǎng)絡(luò)自身通常都是對自然界某種算法或者函數(shù)的逼近，也可能是對一種邏輯策略的表達(dá)。a1~an為輸入向量的各個分量w1~wn為神經(jīng)元各個突觸的權(quán)值b為偏置f為傳遞函數(shù)，通常為非線性函數(shù)t為神經(jīng)元輸出數(shù)學(xué)表示

t=f(WA'+b)W為權(quán)向量A為輸入向量，A'為A向量的轉(zhuǎn)置275.1

生物傳感系統(tǒng)2024-07-23285.2生物視覺傳感基本原理5.2.1 人眼視覺視覺系統(tǒng)的基本構(gòu)造從物理結(jié)構(gòu)看：視覺系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)、視網(wǎng)膜、視覺通路構(gòu)成Light

Receptor BrainRadiant

Energy從解剖學(xué)看：視覺系統(tǒng)是由眼球和視神經(jīng)系統(tǒng)組成的2024-07-23305.2生物視覺傳感基本原理5.2.1 人眼視覺從黑盒方法看：可以模擬為一個復(fù)雜的分級平行信息處理系統(tǒng)簡單的視覺系統(tǒng)模型5.2生物視覺傳感基本原理眼的結(jié)構(gòu)眼球壁由三層構(gòu)成，從外到內(nèi)依次是：鞏膜、脈絡(luò)膜和視網(wǎng)膜。鞏膜主要起著鞏固、保護(hù)眼球的作用。鞏膜前面有1/6是透明的，這部分稱為角膜。光線由角膜射入眼內(nèi)。角膜厚度約為1毫米，直徑為11毫米，含豐富的神經(jīng)，感覺敏銳。脈絡(luò)膜含有豐富的血管，可以輸送養(yǎng)料、滋養(yǎng)眼睛。脈絡(luò)膜最前面的環(huán)狀部分為虹膜，虹膜中的色素決定了眼的顏色。虹膜中央有一個小圓孔，叫做瞳孔。虹膜上的肌肉可以控制瞳孔的孔徑大?。?~8mm），強(qiáng)光時縮小、弱光時擴(kuò)大，起到了照相機(jī)光圈的作用。視網(wǎng)膜約占眼球內(nèi)表面的2/3，含有感光細(xì)胞，負(fù)責(zé)將外界的光信息轉(zhuǎn)換為神經(jīng)沖動，然后沿視神經(jīng)傳到大腦。5.2生物視覺傳感基本原理角膜對入射光具有聚光作用晶狀體懸掛在睫狀體上將光線折射并聚焦在視網(wǎng)膜上睫狀肌的收緊和松弛使晶狀體改變凸度，起著光學(xué)變焦透鏡的作用瞳孔起了照相機(jī)的光圈作用調(diào)節(jié)進(jìn)入眼球的光量盲點(diǎn)沒有視細(xì)胞視覺功能：屈光系統(tǒng)感光系統(tǒng)眼的結(jié)構(gòu)5.2生物視覺傳感基本原理視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜主要可分為三個層次，依次是:最外層的感光細(xì)胞層、中間細(xì)胞層和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層。感光細(xì)胞層包含兩種視細(xì)胞：視桿細(xì)胞和視錐細(xì)胞。視錐細(xì)胞（

cone

）是明視器官，它在光亮條件下發(fā)生作用，能分辨細(xì)節(jié)；視桿細(xì)胞（

rod

）是暗視器官對弱光反應(yīng)靈敏，在低照明情況下發(fā)生作用。但它不能感受顏色，對精細(xì)物象的辨別也沒有什么貢獻(xiàn)。5.2生物視覺傳感基本原理視網(wǎng)膜中間細(xì)胞層主要為雙極細(xì)胞，雙極細(xì)胞的一極與視細(xì)胞相連，另一極與神經(jīng)節(jié)細(xì)胞相連。一般情況下每一個視錐細(xì)胞與一個雙極細(xì)胞連接，這是為了在光亮條件下便于精細(xì)地感受外界的刺激。而往往是幾十個視桿細(xì)胞連接到一個雙極細(xì)胞。這是為了在黑暗條件下能匯集外界微弱的光刺激。神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的軸突形成視神經(jīng)，穿過眼球壁進(jìn)入腦內(nèi)視覺中樞，神經(jīng)節(jié)細(xì)胞總共有80萬個。神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的反應(yīng)，是視網(wǎng)膜的唯一輸出。5.2生物視覺傳感基本原理視細(xì)胞和視色素視細(xì)胞的外節(jié)含有色素，能夠感光，所以外節(jié)也稱為光感受器。外節(jié)是由于纖毛肥大分化而成的，細(xì)胞膜連續(xù)不斷地內(nèi)陷，并連續(xù)不斷地摺疊而形成片層狀結(jié)構(gòu)，故稱膜盤。視桿細(xì)胞的膜盤在基底部只有極少數(shù)和細(xì)胞膜相連接，其它大部分膜盤都是在邊緣處與細(xì)胞膜斷裂而分離開的，即每個膜盤是封閉而游離的。視錐細(xì)胞的膜盤都向其周圍細(xì)胞質(zhì)開放，即使有封閉的，也有小的通道相連。5.2生物視覺傳感基本原理視細(xì)胞和視色素視色素是一種視蛋白(opsin)和生色團(tuán)(itnomogen)所組成的色蛋白，是一種“復(fù)合蛋白”。視蛋白的結(jié)構(gòu)很復(fù)雜生色團(tuán)有視黃醛1和視黃醛2兩種。脊椎動物的視色素有視紫紅質(zhì)（rhodopsin）、視紫質(zhì)、視紫藍(lán)質(zhì)（iodopsin）和視藍(lán)質(zhì)等。分別對應(yīng)不同的吸光光譜。5.2生物視覺傳感基本原理光電信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程光線照射視桿細(xì)胞活化視紫紅質(zhì)；活化的視紫紅質(zhì)活化轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白——G蛋白；G蛋白活化磷脂二脂酶（PDE）；活化的PDE促使環(huán)鳥苷酸（cGMP）水解成鳥苷酸(GMP)，使原結(jié)合在Na離子通道上的cGMP離開Na離子通道關(guān)閉，膜對Na離子通透性降低，視桿細(xì)胞膜內(nèi)電位向負(fù)值加大方向變化，阻斷了谷氨酸釋放，停止了它對雙極神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的“抑制”，視桿細(xì)胞將光能轉(zhuǎn)化成生物電，沿著雙極神經(jīng)細(xì)胞、神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和視神經(jīng)軸突傳到大腦，產(chǎn)生視覺。5.2生物視覺傳感基本原理光電信號轉(zhuǎn)導(dǎo)過程光線照射視桿細(xì)胞活化視紫紅質(zhì)；活化的視紫紅質(zhì)活化轉(zhuǎn)導(dǎo)蛋白——G蛋白；G蛋白活化磷脂二脂酶（PDE）；活化的PDE促使環(huán)鳥苷酸（cGMP）水解成鳥苷酸(GMP)，使原結(jié)合在Na離子通道上的cGMP離開Na離子通道關(guān)閉，膜對Na離子通透性降低，視桿細(xì)胞膜內(nèi)電位向負(fù)值加大方向變化，阻斷了谷氨酸釋放，停止了它對雙極神經(jīng)細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的“抑制”，視桿細(xì)胞將光能轉(zhuǎn)化成生物電，沿著雙極神經(jīng)細(xì)胞、神經(jīng)節(jié)細(xì)胞和視神經(jīng)軸突傳到大腦，產(chǎn)生視覺。5.2生物視覺傳感基本原理，5.2.2

視覺特性明視覺與暗視覺明視覺(錐體細(xì)胞視覺)：在光亮條件下（亮度在幾個cd/m2以上）起作用，能很好地分辨物體的顏色與細(xì)節(jié)。暗視覺（桿體細(xì)胞視覺）：在暗條件下（亮度在百分之幾cd/m2以下）起作用只有明暗感覺，不能分辨顏色和細(xì)節(jié)。5.2生物視覺傳感基本原理人眼對不同波長的可見光的感受性是不同的，同樣功率的輻射在不同的光譜波長表現(xiàn)為不同的明亮程度。由于視覺的二重功能，正常視覺的人由光亮環(huán)境到黑暗環(huán)境時，由于視錐細(xì)胞視覺轉(zhuǎn)到桿體細(xì)胞視覺，對不同波長的光的視覺感受性也發(fā)生變化，在光亮條件下，人眼可以看到光譜上不同明暗的各種顏色。當(dāng)光譜亮度減低到一定程度的時候，人眼便看不到光譜上的各種顏色，視覺便成為無彩色的，整個光譜表現(xiàn)為一條不同明暗的灰?guī)А?.2生物視覺傳感基本原理能量相同而波長不同的光，引起人眼的亮度感覺不同眼睛的靈敏度與波長的依賴關(guān)系，稱為光譜光視效率函數(shù)(視見函數(shù))由于人眼有明視覺和暗視覺兩種視覺功能，光譜光視效率也分明、暗兩種。5.2生物視覺傳感基本原理視覺功能人借助視覺器官完成一定視覺任務(wù)的能力叫做視覺功能。視覺區(qū)別對象細(xì)節(jié)的能力（視敏度）和辨認(rèn)對比的能力，是代表視覺功能的常用指標(biāo)。視敏度：人通過視覺器官辨認(rèn)外界物體的敏銳程度，它表示視覺辨認(rèn)物體細(xì)節(jié)的能力。視敏度的辨認(rèn)主要是視網(wǎng)膜中央部分（中央凹）的功能。一個人能辨認(rèn)物體細(xì)節(jié)的尺寸愈小，視敏度就愈高；反之視敏度就愈差。5.2生物視覺傳感基本原理屈光系統(tǒng)構(gòu)成：角膜、瞳孔、房水、晶狀體、玻璃體作用：將遠(yuǎn)近不同的物體清晰地成像在視網(wǎng)膜上。5.2生物視覺傳感基本原理角膜、房水

、玻璃體相當(dāng)于透過介質(zhì)，其折射率為1.336；晶狀體相當(dāng)于照相機(jī)的變焦鏡頭，其折射率從外層到內(nèi)層約1.386-1.437。其曲率半徑可由睫狀肌調(diào)節(jié)，從而在一定范圍內(nèi)改變曲率，使遠(yuǎn)近不同的物體都能在視網(wǎng)膜上得到清晰的成像；瞳孔如同照相機(jī)的光圈，可以隨光線明暗變化自動調(diào)節(jié)大小，直徑在2-8mm之間變化。5.2生物視覺傳感基本原理立體視立體視覺，又稱深度覺、空間視覺，是由于Panum對應(yīng)感覺區(qū)內(nèi)，存在輕微視差的物像刺激雙眼視網(wǎng)膜對應(yīng)點(diǎn)，大腦才能由此產(chǎn)生對該物體三維空間的立體形狀及判斷其位置遠(yuǎn)近距離關(guān)系的感知能力。雙眼視網(wǎng)膜結(jié)像出現(xiàn)微小的水平像位差，稱為雙眼視差（tfinocularparallax）或立體視差（stereoscopic

vision）。雙眼視物時，兩眼視網(wǎng)膜上各形成一個完整的物像，由于眼外肌的精細(xì)協(xié)調(diào)運(yùn)動，可使來自物體同一部分的光線成像于兩眼視網(wǎng)膜的對稱點(diǎn)上，并在主觀上產(chǎn)生單一物體的視覺，稱為單視。眼外肌癱瘓或眼球內(nèi)腫瘤壓迫等都可使物像落在兩眼視網(wǎng)膜的非對稱點(diǎn)上，因而在主觀上產(chǎn)生有一定程度互相重疊的兩個物體的感覺，稱為復(fù)視。5.2生物視覺傳感基本原理雙眼視覺是一個完整的生理功能，可將其分為三級。第一級為同時知覺，第二級為兩像融合，第三級為立體覺。5.2生物視覺傳感基本原理5.2生物視覺傳感基本原理大腦視覺信息處理視覺通路視覺通路的傳導(dǎo)從視網(wǎng)膜上神經(jīng)節(jié)細(xì)胞層這一級神經(jīng)元開始。神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的軸突形成視束。視束的神經(jīng)纖維分成三個子束。一束來自外側(cè)（顳側(cè)）的半個視網(wǎng)膜；另一束來自內(nèi)側(cè)（鼻側(cè)）的半個視網(wǎng)膜；第三束來自視網(wǎng)膜的中央部分。5.2生物視覺傳感基本原理大腦視覺信息處理人的視束纖維在其往后的過程中有一部分發(fā)生交叉——即來自每一視網(wǎng)膜鼻半側(cè)的纖維在視交叉處交叉，而來自視網(wǎng)膜顳側(cè)部分的神經(jīng)纖維不交叉。交叉的纖維與另一顳半側(cè)不交叉的纖維合并后繼續(xù)通向外膝核。另外也有一部分通向上丘。由外膝核發(fā)出的纖維稱為視放射，最后到達(dá)大腦皮層的枕葉，即紋狀區(qū)。這是視覺高級中樞部分。5.2生物視覺傳感基本原理5.2.3

大腦視覺信息處理感受野受刺激興奮時，通過感受器官中的向心神經(jīng)元將神經(jīng)沖動（各種感覺信息）傳到上位中樞，一個神經(jīng)元所反應(yīng)（支配）的刺激區(qū)域就叫做神經(jīng)元的感受野（receptive

field），又譯為受納野。直接或間接影響某一特定神經(jīng)細(xì)胞的光感受器細(xì)胞的全體就是感受野。5.2生物視覺傳感基本原理5.2.3

大腦視覺信息處理感受野感受野本身可細(xì)分為不同的區(qū)域：一部分外界光照變化時將使該神經(jīng)細(xì)胞放電頻率增加，而另一部分將減少放電頻率。感受野之外的光照對該感受野的神經(jīng)細(xì)胞放電無影響。5.2生物視覺傳感基本原理大腦視覺信息處理感受野末梢感覺神經(jīng)元、中繼核神經(jīng)元以及大腦皮層感覺區(qū)的神經(jīng)元都有各自的感受野。隨感覺種類不同，感受野的性質(zhì)、大小也不一致。皮膚感覺末梢神經(jīng)元的感覺野，就是由一個感覺神經(jīng)元的神經(jīng)纖維所支配的許多感受器在皮膚表面所能反應(yīng)的范圍。一個視神經(jīng)細(xì)胞和許多視覺感受器相連接，一條視神經(jīng)纖維所支配的感受野是可以從視網(wǎng)膜上找到的。5.2生物視覺傳感基本原理5.2.3

大腦視覺信息處理感受野貓的視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細(xì)胞在明適應(yīng)條件下，可以證明其很多感受野的中心是興奮野，其周圍被抑制野所包圍，形成了近似同心圓的兩重結(jié)構(gòu)

。貓的視網(wǎng)膜視神經(jīng)節(jié)細(xì)胞的感受野可分為兩類：一種是給光-中心／撤光-外周；另一種是撤光-中心／給光-外周。貓神經(jīng)節(jié)細(xì)胞感受野及其反應(yīng)形式5.2生物視覺傳感基本原理大腦視覺信息處理視皮層最重要的視皮層位于枕葉。V1區(qū)是初級視皮層的17區(qū);

V2區(qū)位于17區(qū)和18區(qū)之間;V3區(qū)是視皮層的18區(qū)中對動態(tài)形狀起反應(yīng)的區(qū)域;V4區(qū)是視皮層的18區(qū)內(nèi)對顏色起反應(yīng)的區(qū)域;V5區(qū)是對空間位置及相關(guān)運(yùn)動起反應(yīng)的區(qū)域,

位于顳葉的中區(qū)(MT)。在功能上,

V1

和V2

將不同的視覺信息分類處理,

然后再分門別類地發(fā)送到V3、V4、V5

區(qū)去整合。5.2生物視覺傳感基本原理大腦視覺信息處理視皮層簡單細(xì)胞主要分布在視皮層17區(qū)的第4層內(nèi)，感受野較小，呈狹長形，用小光點(diǎn)可以測定，對大面積的彌散光無反應(yīng)，而對處于拮抗區(qū)邊緣一定方位和一定寬度的條形刺激有強(qiáng)烈的反應(yīng)，因此比較適合于檢測具有明暗對比的直邊，對邊緣的位置和方位有嚴(yán)格的選擇性，對每一個簡單細(xì)胞，都有一個最優(yōu)方位，在此方位上細(xì)胞反應(yīng)最強(qiáng)烈。復(fù)雜細(xì)胞同樣處在要求刺激具有特定的方位，但對其在感受野中的位置無嚴(yán)格要求。多分布在皮層17區(qū)（占大部分細(xì)胞）和18區(qū)，在19區(qū)很少看到。形態(tài)學(xué)上可能是第3和第5層中的錐體細(xì)胞。超復(fù)雜細(xì)胞對條形刺激的反應(yīng)類似復(fù)雜細(xì)胞，不同之處是超復(fù)雜細(xì)胞感受野的一端或兩端有很強(qiáng)的抑制區(qū)，因此要求條形刺激有一定長度，過長時就產(chǎn)生抑制，反應(yīng)減少或消失。5.2生物視覺傳感基本原理5.2.3

大腦視覺信息處理視覺皮層功能柱的概念，認(rèn)為顏色、形狀、運(yùn)動及可見世界的其他屬性都是分別處理的。PET研究，發(fā)現(xiàn)視力正常的人看一副蒙德里安水彩風(fēng)景畫（一種毫無可識別物的抽象景色）時，區(qū)域性大腦血流增加最大是發(fā)生在V4，如果看動著的黑白方塊時，最大的血流量是發(fā)生在一個與V4完全分隔開的更靠近側(cè)面的區(qū)域中V5。這為人類視覺皮層的功能專門化特征提供了直接證據(jù)，同時表明在這兩種刺激條件下，V1區(qū)（或許還有相鄰的V2）也呈現(xiàn)過區(qū)域性大腦血流顯著增加的現(xiàn)象。Hubel和Wiesel用單細(xì)胞的微電極記錄結(jié)合某些特殊的組織學(xué)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)許多具有相同視覺功能特性的皮層細(xì)胞，在視皮層上按一定的規(guī)則(空間上的結(jié)構(gòu))排列起來，這種按功能排列的皮層結(jié)構(gòu)——稱為皮層的功能構(gòu)筑(functional

architecture)。5.2生物視覺傳感基本原理大腦視覺信息處理更高層次的腦信息處理機(jī)制，提出的一些假設(shè)主要有：1、“主教細(xì)胞”假說：根據(jù)Hubel和Wiesel提出的分級假說（hierachical

hypothesis），就可以推導(dǎo)是否存在祖母細(xì)胞。所存在的關(guān)鍵問題是：(1)組合爆炸；(2)

信息的集成問題。2、細(xì)胞群假設(shè)

：由一群細(xì)胞的時空發(fā)放模式來反映刺激的類型。問題是：(1)

重疊災(zāi)難；(2)

難以表達(dá)“等級結(jié)構(gòu)”；(3)特征捆綁問題。3、時空編碼理論

：動態(tài)細(xì)胞群。1989年，C.M.

Gray和W.Singer等發(fā)現(xiàn)了視皮層神經(jīng)元活動的γ（40Hz）同步振蕩的研究結(jié)果，引起了神經(jīng)科學(xué)界的極大關(guān)注。1995年，提出了時空編碼理論。5.3

生物聽覺傳感基本原理5.3.1

耳的生理結(jié)構(gòu)耳是人類重要的一種感覺器官，解剖學(xué)上稱為前庭蝸器或位聽器，包括感受頭部位置變化的前庭器（位覺器）和感受聲波刺激的蝸器（聽覺器），前者為平衡覺，后者為聽覺。5.3

生物聽覺傳感基本原理5.3.1

耳的生理結(jié)構(gòu)耳蝸是聽覺器，它是一個骨質(zhì)外殼包裹的管狀結(jié)構(gòu)，圍繞這蝸軸盤旋，整個管道在底部較粗二頂部較細(xì)，形似蝸牛。耳蝸中真正的聲音感受器是位于基底膜上的螺旋器或稱科蒂氏（Corti）器，螺旋器上的毛細(xì)胞是聲音的感受器細(xì)胞。毛細(xì)胞分為內(nèi)毛細(xì)胞和外毛細(xì)胞，分列螺旋器兩側(cè)，毛細(xì)胞與神經(jīng)纖維形成突觸連接，傳導(dǎo)聽覺信息5.3

生物聽覺傳感基本原理5.3.2

聲電換能聲音是由聲源體發(fā)生振動引起的四周空氣的震蕩產(chǎn)生的聲波。聲音通過外耳道傳到鼓膜使之振動，鼓膜的振動又帶動了連接的砧骨和鐙骨，從而帶動耳蝸內(nèi)的淋巴液的運(yùn)動。通常，聲音通過聲阻抗較小的空氣介質(zhì)向聲阻抗較大的液體介質(zhì)傳導(dǎo)時，絕大部分能量會被反射，降低傳導(dǎo)率。而中耳結(jié)構(gòu)會解決這個問題，聽骨鏈會通過機(jī)械作用對聲音起到增益，鼓膜面積比卵圓窗面積大很多，面積差異可以使聲壓增加24倍多。5.3

生物聽覺傳感基本原理基底膜上的行波示意圖5.3.2

聲電換能當(dāng)聲波的機(jī)械振動到達(dá)卵圓窗膜時，壓力變化會立即傳給耳蝸內(nèi)液體和膜型結(jié)構(gòu)，這種振動會以波的形式沿著基底膜向前傳播?；啄ど闲胁ǖ膫鬏斍闆r與聲波的頻率相關(guān)，頻率越低，行波傳輸越遠(yuǎn)，最大行波振幅出現(xiàn)的部位愈靠近耳蝸頂部的基底膜，最大振幅出現(xiàn)后，行波會很快消失，不在傳播。（取決于基底膜的特殊物理性質(zhì)）不同頻率的聲音可以引起不同形式的基底膜的振動，被認(rèn)為是耳蝸分辨不同聲音頻率的基礎(chǔ)。5.3

生物聽覺傳感基本原理5.3.2

聲電換能基底膜上的螺旋器上結(jié)構(gòu)如上所示，在耳蝸出現(xiàn)振動時，蓋膜和網(wǎng)狀膜之間會出現(xiàn)剪切運(yùn)動，從而引起內(nèi)外毛細(xì)胞的靜纖毛彎曲。耳蝸的前庭階和鼓階內(nèi)充滿外淋巴液，而蝸管內(nèi)含內(nèi)淋巴液，兩種淋巴液的離子組成差別很大，造成靜息狀態(tài)下耳蝸內(nèi)不同部位間存在電位差。在出現(xiàn)聲波振動時，毛細(xì)胞的纖毛發(fā)證彎曲，會對毛細(xì)胞產(chǎn)生機(jī)械刺激，導(dǎo)致纖毛頂端的離子通道電導(dǎo)發(fā)生變化，出現(xiàn)離子流動，使機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)樯镫?，引起毛?xì)胞興奮。5.3

生物聽覺傳感基本原理5.3.2

聲電換能毛細(xì)胞換能轉(zhuǎn)導(dǎo)過程正的耳蝸內(nèi)電位（80mV）和負(fù)的毛細(xì)胞內(nèi)靜息電位（-70~80mV）共同構(gòu)成跨過毛細(xì)胞頂部膜的電壓梯度（160mV），蓋膜和網(wǎng)狀層之間的運(yùn)動引起毛細(xì)胞靜纖毛彎曲，后者通過牽引靜纖毛間的橫向連接使得靜纖毛離子通道開放，離子（主要是K+）順著電壓梯度進(jìn)入毛細(xì)胞，引起毛細(xì)胞去極化，毛細(xì)胞釋放化學(xué)遞質(zhì)將興奮傳遞給聽覺神經(jīng)纖維。聽覺神經(jīng)動作電位是聲音傳入耳蝸，經(jīng)耳蝸換能和突觸傳遞的最終產(chǎn)物。5.3

生物聽覺傳感基本原理5.3.3

聽覺神經(jīng)信息處理聽覺神經(jīng)耳蝸聽神經(jīng)元位于耳蝸螺旋版和蝸軸基部的骨性蝸螺旋小管內(nèi)，組成螺旋神經(jīng)節(jié)，人類約有3萬個聽神經(jīng)元，將毛細(xì)胞感受的信息經(jīng)突觸傳遞傳入腦干。用不同頻率純音引起神經(jīng)元放電反應(yīng)時，閾值最小的純音頻率稱為特征頻率或最佳頻率。每一根神經(jīng)纖維都有自己特定的特征頻率，該特征頻率與聽神經(jīng)纖維在基底膜上的起源位置有關(guān)。該過程類似于濾波，不同頻率成分分別進(jìn)入各自的評論通道。5.3

生物聽覺傳感基本原理5.3.3

聽覺神經(jīng)信息處理第一級神經(jīng)元蝸螺旋神經(jīng)節(jié)內(nèi)雙極細(xì)胞第二級神經(jīng)元蝸神經(jīng)腹核和背核內(nèi)第三級神經(jīng)元下丘腦內(nèi)第四級神經(jīng)元內(nèi)側(cè)膝狀體5.3

生物聽覺傳感基本原理5.3.3

聽覺神經(jīng)信息處理腦內(nèi)不僅有神經(jīng)通路將聲音信號傳入倒皮質(zhì)，還有傳出通路反過來影響內(nèi)耳功能，就是耳蝸傳出神經(jīng)系統(tǒng)，包括內(nèi)測橄欖耳蝸系統(tǒng)和外側(cè)橄欖耳蝸系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一個負(fù)反饋通路，可反射性引起外毛細(xì)胞機(jī)械運(yùn)動，改變耳蝸的微機(jī)械特性，以達(dá)到保護(hù)內(nèi)毛細(xì)胞免受過強(qiáng)刺激的目的。5.3

生物聽覺傳感基本原理5.3.3

聽覺神經(jīng)信息處理人的聽覺最高中樞位于大腦顳葉的顳橫回前部，也被稱為皮質(zhì)聽區(qū)，該回路大多被卷入外側(cè)裂內(nèi)。皮質(zhì)聽區(qū)對聲音頻率的分辨精度比內(nèi)測膝狀體高。聽皮質(zhì)神經(jīng)元對聲音的頻譜、時間、空間進(jìn)行綜合信息處理，有精細(xì)的分工和高效的協(xié)同。目前的一般共識是：聽皮質(zhì)廣泛參與了與聽覺相關(guān)的各種活動，例如復(fù)雜聲音分析，立體聲像的形成，聲音注意力機(jī)制，聽聲定位，聲音識別等。5.4

生物觸覺傳感基本原理5.4.1

皮膚皮膚由表皮和真皮構(gòu)成。表皮是復(fù)層鱗狀上皮層，無血管分布，但有游離神經(jīng)末梢。真皮主要由膠原纖維和彈性纖維交織構(gòu)成。皮膚的功能：防止體內(nèi)液體喪失防止體外物質(zhì)入侵調(diào)節(jié)體溫感知外部環(huán)境5.4

生物觸覺傳感基本原理5.4.2

皮膚內(nèi)感受器感覺神經(jīng)元皮膚內(nèi)含大量感覺神經(jīng)末梢，是感覺神經(jīng)元周圍突的終末部分，該終末與其它結(jié)構(gòu)共同組成感受器，感覺神經(jīng)末梢按其結(jié)構(gòu)可分為游離神經(jīng)末梢和有被囊神經(jīng)末梢兩類。游離神經(jīng)末梢結(jié)構(gòu)簡單，分布在表皮、角膜和毛囊的上皮細(xì)胞間或分布在各類結(jié)締組織內(nèi)。能感覺痛、冷、熱和輕觸的刺激有被囊神經(jīng)末梢的末梢外面包裹有結(jié)締組織被囊，種類較多。如環(huán)形（Pacinian）小體，觸覺小體，Merkel小體，Ruffini小體，毛囊感受器等。5.4

生物觸覺傳感基本原理5.4.2

皮膚內(nèi)感受器5.4

生物觸覺傳感基本原理5.4.3

觸壓覺觸覺：給皮膚施以觸、壓等機(jī)械刺激所引起的感覺中，微弱的機(jī)械刺激使皮膚觸覺感受器興奮引起的感覺。壓覺：較強(qiáng)機(jī)械刺激使深部組織變形而引起的感覺。兩者性質(zhì)類似，故統(tǒng)稱為觸壓覺。其中觸覺的適應(yīng)性快，刺激閾值低，比較敏感。此外，每秒5~40次的機(jī)械振動還可引起皮膚的振動感覺。觸壓感的感受器主要有四種：Meissnere觸覺小體，Pacinian環(huán)層小體，Merkel感受器，Ruffini小體，另外還有一些游離神經(jīng)末梢。觸壓點(diǎn)在皮膚表面的分布密度和該部位對觸壓感的敏感程度呈正比。例如，鼻、口唇、指尖等處分布密度最高，觸壓覺閾值最低，胸、腹次之，手腕、足等處最低。5.4

生物觸覺傳感基本原理5.4.4

溫覺和濕覺冷覺和熱覺合稱為溫度感覺，分別由冷熱兩種感受器的興奮所引起，這些感受器實(shí)質(zhì)上是游離的神經(jīng)末梢，散布于全身皮膚各部位。大約每平方厘米皮膚上有10個冷覺和熱覺感受器，能夠感受0.003度的皮膚溫度變化。不同類型的感受器對不同范圍的溫度敏感。例如40度的溫度刺激可找到皮膚的熱點(diǎn)，15度的溫度刺激可以找到冷點(diǎn)。溫度感覺受皮膚的基礎(chǔ)溫度、溫度的變化速度以及被刺激皮膚的范圍等因素影響。濕度感覺的產(chǎn)生機(jī)理是皮膚在接觸外界物質(zhì)的過程中將含濕量增加或減少的感知新年好傳遞給大腦后，大腦做出的感知狀態(tài)判斷，判斷的依據(jù)是皮膚和外界的傳質(zhì)方向，而非外界物質(zhì)的實(shí)際含濕量或物理含濕量。溫差越大，引起皮膚接觸點(diǎn)的濕度的降低或升高也越大。5.4

生物觸覺傳感基本原理5.4.5

機(jī)械-電換能觸壓覺感受器的適宜刺激是機(jī)械刺激。機(jī)械刺激引起感受神經(jīng)末梢變形，將信息傳送到其中的神經(jīng)末梢使之形變，改變感受細(xì)胞膜的通透性，產(chǎn)生鈉鉀離子流動，導(dǎo)致膜電位去極化，產(chǎn)生感受器電位。當(dāng)感受器電位使神經(jīng)纖維膜去極化并達(dá)到閾值時，傳入神經(jīng)產(chǎn)生動作電位，沖動沿特定上行通路向感覺皮層傳遞。感受器除了通過能量轉(zhuǎn)換的形式將感覺量傳入大腦，更重要的是把刺激所包含的環(huán)境變化信息也轉(zhuǎn)移到新的動作電位的序列中，即編碼作用，從而使得大腦獲得外在世界的認(rèn)識。觸壓覺感受器可以對刺激變化產(chǎn)生編碼。例如：兩個最終強(qiáng)度相同但加速度不同的刺激作用與Meissner小體時，加速度高的引起的動作電位頻率高，增加慢的引起的動作電位頻率低。5.4

生物觸覺傳感基本原理5.4.6

觸覺神經(jīng)通路和信息處理脊髓后索的薄、楔束及側(cè)索的脊髓丘腦束是軀體觸壓覺的主要上行傳導(dǎo)束，三叉神經(jīng)是頭部觸壓覺的主要傳入纖維.它們分別經(jīng)腦干的內(nèi)側(cè)丘系和三衛(wèi)丘系達(dá)丘腦的腹后外側(cè)核和腹后內(nèi)側(cè)核，然后 要投射到大腦皮層的中央后回，產(chǎn)生觸壓感覺。5.4

生物觸覺傳感基本原理、5.4.6

觸覺神經(jīng)通路和信息處理觸壓覺在內(nèi)側(cè)丘系和前外側(cè)系兩條通路中上行，只有中樞損傷非常廣泛時

觸壓覺才可能完全被阻斷。這兩個系統(tǒng)中傳導(dǎo)的觸壓覺類型是不同的。經(jīng)內(nèi)側(cè)丘系傳導(dǎo)的觸壓覺與剌激的具體定位空間和時間的形式等有關(guān)

而經(jīng)存儲丘腦束傳導(dǎo)的觸壓覺僅有粗略定位的功能。5.5

其他生物傳感機(jī)理化學(xué)覺是一種最原始的基本感覺。我們最熟悉的兩種化學(xué)覺為味覺和嗅覺。味覺主要感知攝取的食物，而提供關(guān)于攝取食物的質(zhì)、量和安全性的信息。嗅覺系統(tǒng)主要感知空氣傳播的分子提供來自食物，人自身、其他人、各種動物、植

物和環(huán)境方面的化學(xué)物質(zhì)信息。這些信息可以影響到喂養(yǎng)行為、社會交往和繁殖。5.5

其他生物傳感機(jī)理5.5.1

味覺味覺是通過化學(xué)感受器直接與環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)作用而產(chǎn)生的神經(jīng)信號。多數(shù)神經(jīng)生物學(xué)家認(rèn)為，食物中涉及多種化學(xué)物質(zhì)，人類能辨別的基本味覺刺激物質(zhì)稱為味質(zhì)，約為五種，即甜、酸、苦、咸和“鮮”。每一種味質(zhì)都有與其相關(guān)的代表性化學(xué)物質(zhì)。甜 果糖、葡萄糖、甜味劑…酸 酸性物質(zhì)苦 生物堿咸 鹽鮮 谷氨酸鈉5.5

其他生物傳感機(jī)理5.5.1

味覺舌是味覺器官，鄰近口腔底，其基本結(jié)構(gòu)是骨路肌和表面覆蓋的粘膜。舌除了有協(xié)助

咀嚼、吞咽食物和輔助發(fā)音外，還具有感受味覺的功能。輪廓乳頭、菌狀乳頭、葉狀乳頭以及軟顎、會厭等處的粘膜上皮中含有味蕾，為味覺感受器5.5

其他生物傳感機(jī)理5.5.1

味覺味覺的感受器是味蕾，又稱味器，主要分布于舌背部表面和邊緣的菌

狀乳頭和輪廓乳頭，少數(shù)散在于軟愕、會厭及咽等部上皮內(nèi)。人舌不同部位的味蕾對不同味道的物質(zhì)的感受性不同，舌尖對甜味比較敏感，舌兩側(cè)的前部對咸味比較敏感，舌兩側(cè)對酸味比較敏感，舌根部和軟腭對苦味比較敏感。5.5

其他生物傳感機(jī)理5.5.1

味覺味覺的敏感度往往受食物或刺

激物溫度的影響（20-30°）味覺的分辨力和對某些食物的選擇

也受血液中化學(xué)成分的影響（鈉離子少，喜咸）味覺強(qiáng)度與物質(zhì)的濃度有關(guān)味覺強(qiáng)度也與唾液腺的分泌有關(guān)味覺的敏感度隨年齡的增長而下降某種引起味覺的物質(zhì)長時間刺激時，味覺的敏感度就迅速降低5.5

其他生物傳感機(jī)理5.5.1

味覺味覺感受器是通過細(xì)胞頂端的微絨毛與舌表面的化學(xué)物質(zhì)接觸換能。味感受器不是神經(jīng)元，但是這些味覺細(xì)胞在基底端與傳入神經(jīng)軸突終末形成突觸。這些味細(xì)胞也通過化學(xué)突觸和電突觸作用于基底細(xì)胞，基底細(xì)胞通過突觸傳送到感覺神經(jīng)軸突，因此在味蕾中就形成了簡單的信息傳遞環(huán)路。如果切斷了感覺神經(jīng)味蕾將退化。味覺剌激物使味細(xì)胞膜內(nèi)外的電位差減少，細(xì)胞膜去極化，去極化的程度與刺激物濃度的對數(shù)成正比。如果味覺感受器去極化的程度足夠大，味細(xì)胞也像神經(jīng)元那樣產(chǎn)生動作電位。實(shí)驗(yàn)證明，一個味感受器并不只對一種味質(zhì)起反應(yīng)，而是對酸甜苦咸均有反應(yīng)，只是反應(yīng)的程度不同而己。5.5

其他生物傳感機(jī)理5.5.1

味覺大腦皮層的島蓋、島葉區(qū)，位于大腦外側(cè)裂中的中央后回最外側(cè)，和軀體感覺的舌區(qū)緊密聯(lián)系甚至重疊。這個區(qū)域就是所謂大腦皮質(zhì)的味覺中樞，是分析、綜合味覺信息并感知味覺的最高級中樞。味覺還存在皮層下神經(jīng)通路，與下丘腦和邊緣系統(tǒng)有關(guān)。這

結(jié)構(gòu)主要影

食物的美昧和進(jìn)食動機(jī)。剌激杏仁核引起胃液分泌和內(nèi)臟活動，電刺激外側(cè)下丘腦增加動物攝食，而損毀下丘腦或杏仁核則引起動物過量飲食、厭盤或改變飲食習(xí)慣。5.5

其他生物傳感機(jī)理5.5.2

嗅覺人和動物為什么能聞到各種氣味呢？物質(zhì)的化學(xué)成分與氣味有什么樣的關(guān)系？為什么有些動物嗅覺極其靈敏？腦是如何辨別成千上萬種不同的氣味呢

？5.5

其他生物傳感機(jī)理5.5.2

嗅覺鼻腔上部存在的嗅上皮使我們能夠感覺氣味。嗅上皮中存在不同類型的細(xì)胞，其中最重要的細(xì)胞為嗅覺感受器細(xì)胞。這是種細(xì)胞體為卵圓形的雙極神經(jīng)元細(xì)胞。在嗅上皮中，大約存在1億個嗅感受器細(xì)胞。排列成薄薄的1層散布于支持細(xì)胞中?；准?xì)胞也是嗅上皮的細(xì)胞之一，呈現(xiàn)明顯的多形態(tài)。主要參與感受器細(xì)胞的更新作用。嗅覺感受器細(xì)胞可以自然地退化與再生。5.5

其他生物傳感機(jī)理5.5.2

嗅覺嗅感受器神經(jīng)元的軸突集合形成的嗅束為嗅神經(jīng)。受到氣味剌激時，嗅覺上皮的感受器產(chǎn)生一種慢電位，以每秒

3

個低頻率發(fā)送脈沖。大多數(shù)氣味使脈沖增加，亦有少數(shù)氣味能抑制脈沖發(fā)放。強(qiáng)烈的氣味可以增加脈沖頻率、最多可達(dá)20

/s。同一刺激對不同的感受器以及不同剌激對同 感受器的閾值變化很大，這可能與感受器上的受體分子的密度有關(guān)。5.5

其他生物傳感機(jī)理嗅覺嗅覺感受器神經(jīng)元與其他感覺細(xì)胞一樣，對剌激物十分敏感。不同的嗅質(zhì)或同嗅質(zhì)不同濃度可以改變反應(yīng)的潛伏期、反應(yīng)時相或個體神經(jīng)元的動作電位頻率。一種嗅感受器神經(jīng)元對嗅質(zhì)的結(jié)合和分子傳導(dǎo)機(jī)制是選擇性的，一種感受器神經(jīng)元能被幾種嗅質(zhì)激活。嗅感受器神經(jīng)元對一種持續(xù)存在的氣味，以減少信號頻率為反應(yīng)方式。5.5

其他生物傳感機(jī)理5.5.2

嗅覺嗅束的纖維直接或經(jīng)過換神經(jīng)元分別終止于腦的內(nèi)側(cè)嗅區(qū)和外側(cè)嗅區(qū)。內(nèi)側(cè)嗅區(qū)是由部分下丘腦嗅神經(jīng)核、嗅結(jié)節(jié)及其他相鄰部分組成。外側(cè)嗅區(qū)包括梨狀前區(qū)、溝回結(jié)構(gòu)、梨狀層及部分杏仁核。嗅覺對丘腦的投射在進(jìn)食、定位和社會團(tuán)體行為中起作用。2024-07-2388謝

謝！2024-07-231智能傳感技術(shù)——第六章智能光學(xué)圖像傳感技術(shù)目

錄22024-07-236.1光學(xué)圖像傳感技術(shù)基礎(chǔ)光學(xué)圖像傳感器件原理與分類智能光學(xué)圖像傳感數(shù)據(jù)處理技術(shù)智能光學(xué)圖像傳感典型應(yīng)用6.1光學(xué)圖像傳感技術(shù)基礎(chǔ)圖像傳感器2024-07-2391各種數(shù)碼成像設(shè)備6.1光學(xué)圖像傳感技術(shù)基礎(chǔ)2024-07-2392圖像傳感器是指利用光電器件的光電轉(zhuǎn)換功能，將其感光面上的光像轉(zhuǎn)換為與光像成相應(yīng)比例的電信號“圖像”的一種功能器件。固態(tài)圖像傳感器是一種高度集成的半導(dǎo)體光電器件，在一個器件上可以完成光電信號轉(zhuǎn)換、傳輸和處理。6.1光學(xué)圖像傳感技術(shù)基礎(chǔ)6.1.1圖像傳感器的發(fā)展1934年光電攝像管是最早的圖像傳感器，

它的靈敏度、信噪比較低，

圖像質(zhì)量較差，

沒有得到實(shí)際應(yīng)用。1954年高靈敏度攝像管在成本、體積上都有很大進(jìn)步，并在電視產(chǎn)業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。氧化鋁攝像管的出現(xiàn)，使彩色電視攝像事業(yè)得到了一次飛躍，但由于當(dāng)時技術(shù)上的原因，這種晶體管在性能上還有很大的不足。011947年 02開發(fā)出了超正析相管，在靈敏度上得到很大提高。0304 1965年20世紀(jì)末2024-07-2393CMOS

和CCD

傳感器相繼出現(xiàn)，使圖像傳感器的發(fā)展迎來了飛躍。6.1光學(xué)圖像傳感技術(shù)基礎(chǔ)2024-07-23946.1.2基礎(chǔ)概念1.受光攝影面接受的光轉(zhuǎn)換成電信號，稱為光電轉(zhuǎn)換。當(dāng)半導(dǎo)體等材料受光時，隨著光能的變化，材料表面電荷（電子或空穴〉的能量狀態(tài)發(fā)生變化的現(xiàn)象，也遵循著光電效應(yīng)的原理。2.信號的讀出圖像傳感器利用光電轉(zhuǎn)換的原理，根據(jù)拍攝對象在攝影面產(chǎn)生電荷，攝影面以像素為單位細(xì)分，只要各像素分別連接信號讀出線即可取出信號。3.圖像信號的傳輸電視機(jī)是通過掃描方式使畫面發(fā)光產(chǎn)生圖像。利用525條掃描線數(shù)與每秒六十場的隔行掃描形成圖像信號。為求適當(dāng)?shù)姆直媛剩捎?MHz的傳輸帶寬。反過來說，在有限的電波帶寬內(nèi)，為了傳送視覺上看起來美觀、動作順暢的圖像，必須將畫面分解為線狀，成為一條條的圖像信號。6.1光學(xué)圖像傳感技術(shù)基礎(chǔ)6.1.2基礎(chǔ)概念4.光電轉(zhuǎn)換與掃描圖像傳感器讀出因光在攝影面上產(chǎn)生的電荷的機(jī)制，可由圖7.5的概念圖表現(xiàn)。至少在電視機(jī)方面，讀出再生圖像的圖像傳感器，只要滿足以下兩點(diǎn)即可：①受光的攝影面進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生電荷。②產(chǎn)生的電荷在攝影面經(jīng)掃描后讀出信號。2024-07-23956.1光學(xué)圖像傳感技術(shù)基礎(chǔ)2024-07-23966.1.3圖像傳感器的分類圖像傳感器分為：光導(dǎo)攝像管光導(dǎo)攝像管是電視攝像機(jī)中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的一種主要的真空光電器件，是將光的圖像轉(zhuǎn)換成電視信號的專用電子束管。這種攝像管又稱氧化鉛光導(dǎo)攝像管，它的工作原理與視像管大致相似，在光導(dǎo)攝像管(Pb)中，將光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電脈沖。光導(dǎo)攝像管出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，以后性能得到很大改善，廣泛應(yīng)用于電視攝像等方面。固態(tài)圖像傳感器CCDCMOS6.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類6.2.1CCD圖像傳感器CCD

（Charge

Coupled

Device

)全稱電荷耦合器件，是1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室的威拉德·博伊爾

(Willard

S.

Boyle

)和喬治·史密斯

(George

E.

Smith

)發(fā)明的。40年后，隨著影像傳感器逐漸發(fā)展成為一個年出貨量達(dá)13億顆的龐大市場，兩位技術(shù)先鋒也在2009年獲諾貝爾物理獎。2024-07-23976.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類2024-07-23986.2.1CCD圖像傳感器CCD

具備光電轉(zhuǎn)換、信息存貯和傳輸?shù)裙δ堋＞哂屑啥雀摺⒐男　⒎直媪Ω摺討B(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。CCD圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測和自動控制系統(tǒng)。6.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類6.2.1CCD圖像傳感器嫦娥2號上的CCD攝像機(jī)能夠以10米的分辨力拍攝月球表面的3D圖像。2024-07-23996.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類6.2.1CCD圖像傳感器汽車工業(yè)：非接觸測量機(jī)器人：計算機(jī)視覺、機(jī)械視覺2024-07-231006.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類2024-07-231016.2.1CCD圖像傳感器CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理CCD的基本功能是電荷的產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和輸出。一個完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。一個MOS電容器就是一個光敏元，可以感應(yīng)一個像素點(diǎn)，那么傳遞一幅圖像就需要多個MOS光敏元大規(guī)模集成的器件。6.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類2024-07-231026.2.1CCD圖像傳感器電荷耦合攝像器(CCD)的突出特點(diǎn)是以電荷為信號的教體，不同于大多數(shù)以電流或電壓為信號載體的器件。CCD的基本功能是電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。因此，CCD的基本工作過程主要是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、轉(zhuǎn)移和檢測。CCD有兩種基本類型：一種是電荷包存儲在半導(dǎo)體與絕緣體之間的界面，并沿界面轉(zhuǎn)移，這類器件稱為表面溝道CCD(簡稱為SCCD)；另種是電荷包存儲在離半導(dǎo)體表面一定深度的體內(nèi)，并在半導(dǎo)體體內(nèi)沿一定方向轉(zhuǎn)移，這類器件稱為體溝道或埋溝道器件(簡稱為BCCD)。下面以SCCD為例，討論CCD的基本工作原理。6.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類6.2.1CCD圖像傳感器CCD的結(jié)構(gòu)及工作原理CCD的光敏單元是在P型(或N型)硅襯底上生長一層厚約120nm的氧化物SiO2層。電極SiO2多數(shù)載流子(空穴)少數(shù)載流子(電子)P-Si2024-07-23103單個MOS光敏元剖面圖再在SiO2層上依次沉積金屬或摻雜多晶硅電極而構(gòu)成金屬(M)-氧化物(O)-半導(dǎo)體(S)（MOS電容）。6.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類6.2.1CCD圖像傳感器顯微鏡下的MOS電容2024-07-231046.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類6.2.1CCD圖像傳感器+UG耗盡區(qū)(勢阱)表面勢2024-07-23105Vs向SiO2表面電極加正偏壓，P型硅中的多數(shù)載流子(空穴)受到排斥，半導(dǎo)體內(nèi)的少數(shù)載流子(電子)吸引到P-Si界面處來，形成一個帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)(表面勢阱)。6.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類6.2.1CCD圖像傳感器光電轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)+Vg表面勢Vs勢阱電子-空穴對光(光子)2024-07-231066.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類6.2.1CCD圖像傳感器把MOS光敏元的電極每3個分成一組，依次在其上施加三個相位不同的時鐘脈沖（又稱控制脈沖或驅(qū)動脈沖）

1、

2、

3。

1驅(qū)動電極1、4，

2驅(qū)動電極2、5，

3驅(qū)動電極3、6。三相時鐘脈沖波形2024-07-23107

1高電平，

2、

3低電平在電極1、4下面出現(xiàn)勢阱，并

且1高存電儲平了，電

2荷由。低升至高電平，電極2、5下面出現(xiàn)勢阱，電極1、2及4、5下面的勢阱互相通連，

形下成降大，勢

阱仍。為高電平，1 2更多的電荷轉(zhuǎn)移到電極2、5只下有勢

阱2為內(nèi)高。電平，信號電荷全部轉(zhuǎn)移到電極2、5下的勢阱中。6.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類2024-07-23216.2.1CCD圖像傳感器1）光信號注入當(dāng)光信號照射到CCD襯底硅片上時，在柵極附近的耗盡區(qū)吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對。這時在柵極電壓的作用下，多數(shù)載流子（空穴）將流入襯底，而少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢阱中，形成與光強(qiáng)成正比的信號電荷存儲起來。背面照射式注入6.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類2024-07-2322電壓信號注入6.2.1CCD圖像傳感器2）電信號注入二極管位于輸入柵襯底下，當(dāng)輸入柵加上寬度為

t的正脈沖，輸入二極管PN結(jié)的少數(shù)載流子通過輸入柵下的溝道注入

1電極下的勢阱中。注入電荷量Q

I

D

t6.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類6.2.1CCD圖像傳感器電荷的輸出OG為輸出柵，當(dāng)加上反相偏壓時，轉(zhuǎn)移到終端的電荷在時鐘脈沖作用下移向輸出二極管，被二極管的PN結(jié)所收集，在負(fù)載RL上形成脈沖電流I0。輸出脈沖電流的大小與信號電荷的大小成正比，并通過負(fù)載電阻轉(zhuǎn)換為信號電壓U0輸出。2024-07-231116.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類2024-07-231126.2.1CCD圖像傳感器1.電荷耦合攝像器件的基本工作原理CCD的電極結(jié)構(gòu)CCD電極的基本結(jié)構(gòu)應(yīng)包括轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)移溝道結(jié)構(gòu)、信號輸人單元結(jié)構(gòu)和信號檢測單元結(jié)構(gòu)。這里主要討論轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)。最早的CCD轉(zhuǎn)移電極是用金屬(一般用鋁)制成的。由于CCD技術(shù)發(fā)展很快，到目前為止，常見的CCD轉(zhuǎn)移電極結(jié)構(gòu)不下20種，但是，它們都必須滿足使電荷定向轉(zhuǎn)移和相鄰勢阱耦合的基本要求。三相CCD：三相單層鋁電極結(jié)構(gòu)，三相電阻海結(jié)構(gòu)，三相交疊硅柵結(jié)構(gòu)。二相CCD：二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)，階梯狀氧化物結(jié)構(gòu)，注入勢壘二相結(jié)構(gòu)。還有四相CCD，體溝道CCD等等。6.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類2024-07-231136.2.1CCD圖像傳感器3)電荷的檢測在CCD中，有效地收集和檢測電荷是一個重要問題。CCD的重要特性之一是信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時鐘脈沖沒有任何電容耦合，而在輸出端則不可避免。因此，選擇適當(dāng)?shù)妮敵鲭娐?，盡可能地減小時鐘脈沖對輸出信號的容性干擾。目前的CCD輸出電荷信號的方式主要是稱為電流輸出方式的電路。6.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類2024-07-231146.2.1CCD圖像傳感器（4）電荷耦合攝像器件CCD攝像器件不但具有體積小、重量輕、功耗小、工作電壓低和抗燒毀等優(yōu)點(diǎn)，而且在分辨率、動態(tài)范圍、靈敏度、實(shí)時傳輸和自掃描等方面的優(yōu)越性，也是其他攝像器件所無法比擬的。A．工作原理電荷耦合攝像器件就是用于攝像或像敏(或光敏)的CCD，又簡稱為ICCD，它的功能是把二維光學(xué)圖像信號轉(zhuǎn)變成一維以時間為自變量的視頻輸出信號。6.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類CCD圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上可分為兩類：一類是用于獲取線圖像的線陣型CCD圖像傳感器，主要用于產(chǎn)品外部尺寸非接觸測量、產(chǎn)品表面質(zhì)量評定、傳真和光學(xué)文字識別等方面；另一類用于獲取面圖像的面陣型CCD圖像傳感器，主要用于攝像領(lǐng)域。2024-07-231156.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類2024-07-231166.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類6.2.1CCD圖像傳感器1）線型CCD攝像器件的兩種形式單溝道線陣CCD單溝道線陣CCD由光敏陣列，轉(zhuǎn)移柵，CCD模擬移位寄存器和輸出放大器等單元構(gòu)成。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵上的電位為高電平時，光敏區(qū)和模擬移位寄存器溝通，而轉(zhuǎn)移柵上的電位為低電平時，二者隔離。二者隔離時光敏區(qū)進(jìn)行光電注入，像元在不斷地積累電荷，有時將像元積累電荷的這段時間稱為光積分時間。轉(zhuǎn)移柵電極電壓為高電平時，光敏區(qū)所積累的信號電荷將通過轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移到CCD模擬移位寄存器中。通常轉(zhuǎn)移柵電棚高電平的時間很短，為低電平的時間很長，因而光積分時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過轉(zhuǎn)移時間。在光積分時間里，CCD模擬移位寄存器在三脈沖驅(qū)動輸出CCD移位寄存器2024-07-23117相交疊脈沖的作用下，將信號電荷一位位地移出

光柵器件在光積分時間形成時序信號(或稱視頻信號)

。轉(zhuǎn)移柵6.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類6.2.1CCD圖像傳感器1）線型CCD攝像器件的兩種形式單溝道線陣CCD光敏單元轉(zhuǎn)移柵CCD

移位寄存器

輸出時鐘時鐘2024-07-231186.2光學(xué)圖像傳感器件原理與分類6.2.1CCD圖像傳感器1）線型CCD攝像器件的