基于脉冲耦合神经网络的运动检测算法
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２ ０ １ ３年 （ 第４ ２卷 ） 第 １期
信 息 技 术
基 于 脉 冲耦 合 神 经 网络 的运 动 检 测 算 法
刘 丽 ， 王保 增 ， 陈瑞 生
（ １ ． 甘 肃省陇南市气象局 ， 甘肃 陇南 ７ ４ ６ ０ ０ ０； ２ ． 兰州理工大学 机电工程学院 ， 甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ５ ０ ）
２ Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ 的 基 本 模 型
脉冲耦合 神经 网络就 是利用 神经元 的特性 构建
的， 是 一个 二 维单 层神 经 元 阵列 ， 由脉 冲耦 合 神 经元 构
其中 ， ［ ｎ ］ 为 与第 （ ｉ ， ） 个 神 经 元 内部 活 动 项 ， 卢 为 突触 之 间连接 调制 常量 。
［ 凡 ］一 ［ 一１ ］ ｅ 一 ＋ ＋ ∑ ｚ ｚ ［ 一 １ ］ （ ２ ）
其 中， ￡ ， ［ ｎ ］ 为第 （ ｉ ， ） 个 神经元相连 的其 它神经
元 的线 性输 入 。 式 １ 、 ２中 和 是 连 接权 重 矩 阵 ， ｙ为神 经 元 点 火 与 否 的信息 ， ｎ ， 和 吼 为 时 间衰减 常量 ， 和 为连 接和 反馈 常量 。 非线 性 连 接 调 制 部 分 也称 神 经元 内部 活 动项 ， 它
， ［ ］ 一 Ｆ ［ ｎ一 １ ］ ｅ ～ ＋ ＋ ∑
ｌ ［ 一 １ ］（ １ ）
其中 ， Ｆ ， ［ ｎ ］ 为第（ ｉ ， ） 个神经元 的反馈输入， 为
外部 输 人刺 激信 号 。 ，
另 一个 线性 连接 输入 通道 接 受局 部 相邻 神 经元 的
摘
要： 在研 究 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ算法的基础上 ， 详细 论述 了 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ的数学 模 型与工 作原 理 ， 提 出 了基 于 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ的运 动 目标 检测 算
法， 设计 了基于简化 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ模型 的运 动 目标检测算法流程 ， 针对模 型的匹配 问题 ， 结合双 阈值 思想 ， 提出 白适 应局部 阈值
算关 系 为 ：
个 高科技 研 究 领 域 ， 是 信息科学、 脑科 学、 神 经 心 理
学 等 多种 学科 的研 究 热点 。人 工 神 经 网络 是 指模 拟 人 脑 神 经 网络 的结构 和 功能 ， 运 用 大量 的处 理 部件 ， 由人 工 方 式建 立起 来 的 网络 系统 。 早在 １ ９ ４ ３年 ， 神 经心 理学 家麦 克 洛 奇 和 数 学 家皮 兹 就 提 出 了形式 神经 元 的数 学模 型 （ Ｍ —Ｐ ） ， 从 而 开创
为第 三 代人 工 神经 网络 的新 型人 工 神经 网络 模 型——
Байду номын сангаас
脉冲耦 合神经 网络模 型（Ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ Ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｅ ｄ Ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ， Ｐ Ｃ —
Ｎ Ｎ） 的研究 在 国 内外兴 起 。这 种模 型是 通 过模 拟在 猫 的大脑 视 觉皮 层 中实验 所 观察 到 的 与特 征有 关 的神 经
方法 。实验证 明 ， 该方 法在 目标和背景 的灰度差别对 比度较低 的条件下 ， 能提高 目标检测 的完整性 ， 该算法较传统 算法有 背景建模 快 、 抗干扰性 强等优 良特性 、 较好地解决背景 的多模 态问题 。为 以后研究 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ提供了理论基础 。 关键词 ： 脉冲耦合神经 网络 ； 遗传算法 ； 运动检测 ； 高斯混合模 型
元 同 步行 为而 建 立 起 来 的 一 个 简 化 模 型 ＿ ２ Ｊ ， 它 与 视 觉
由加有偏置的线性连接部分与反馈输入两部分相乘获
得 。其运 算关 系 为 ： Ｕ ］＝Ｆ ｑ ［ 凡 ］ （ １＋ ［ ］ ） （ ３ ）
神 经 系统 的感 知 能力有 着 天然 的联 系 。
突触 输 入信 息 ， 其运 算关 系为 ：
了神经科学理论研究 的时代 。２ ０世 纪 ８ Ｏ年代 由霍普
费尔 特 （ Ｊ ．Ｊ ．Ｈ ｏ ｐ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ） 提 出 了 ＨＮ Ｎ模 型 ， 从 而有 力 的
推 动 了神经 网 络 的研 究 ， 这 个 模 型 直 到现 在 还有 广 泛 的应 用 … 。随着 生 物 神 经 学 的研 究 和 发 展 ， 一 种 被 称
其中 ， Ｏ Ｌ 为 时问衰 减常数 ， 为 门限常量 。
２ ０ １ ３ 年（ 第４ ２ 卷） 第１ 期
很多的像素 ， 这也是 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ为什么会 以相似 性集群产
生 同步脉 冲发 放 的原 因［ ５ ３ 。
脉 冲耦 合 神 经 网络 的作 用 过 程 ： 神 经 元 接 受 反馈 输入 ［ ｎ ］ 和 连 接输 入 Ｌ ［ ］ ， 然后 在 其 内部 神 经元 活动 系统 形 成 内部 活动 项 Ｕ ［ ｎ ］ ， 当 ［ 凡 ］ 大 于动 态 门限 Ｅ ｎ ］ 时， 产生 输 出时序 脉 冲序列 ［ 凡 ］ 。
脉冲是否产生取决于内部活动项大小能否超过其 激发动态门限 ， 而此 门限值随着该神经元输 出状态 的
作者简 介 ： 刘丽 （ １ ９ ７ ９ 一） ， 女， 汉族 ， 甘肃武都人 ， 工程 师 ， 主要研究 方向 ： 计算 机应 用技术 ， 现代气象应用 。
１ ７
信 息技 术
变化 相应 发 生 变 化 ， 则 根 据 对 门 限 函 数 要 进 行 调 整， 其运 算关 系为 ：
成 。Ｅ ｃ ｋ ｈ ｏ ｍ在 １ ９ ９ ０年 根据 猫 的大 脑皮 层 同 步脉 冲发
１ 概 述
神 经 网络 （Ｎ ｅ ｕ ｒ ａ ｌ Ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ） 是 近 年来 再 度 兴起 的
一
放现 象， 提 出 了展 示 脉 冲 发 放 现 象 的联 接 模 型。
Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ 在该联 接模 型 的基础上 提出 了 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ ， 其运
信 息 技 术
基 于 脉 冲耦 合 神 经 网络 的运 动 检 测 算 法
刘 丽 ， 王保 增 ， 陈瑞 生
（ １ ． 甘 肃省陇南市气象局 ， 甘肃 陇南 ７ ４ ６ ０ ０ ０； ２ ． 兰州理工大学 机电工程学院 ， 甘肃 兰州 ７ ３ ０ ０ ５ ０ ）
２ Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ 的 基 本 模 型
脉冲耦合 神经 网络就 是利用 神经元 的特性 构建
的， 是 一个 二 维单 层神 经 元 阵列 ， 由脉 冲耦 合 神 经元 构
其中 ， ［ ｎ ］ 为 与第 （ ｉ ， ） 个 神 经 元 内部 活 动 项 ， 卢 为 突触 之 间连接 调制 常量 。
［ 凡 ］一 ［ 一１ ］ ｅ 一 ＋ ＋ ∑ ｚ ｚ ［ 一 １ ］ （ ２ ）
其 中， ￡ ， ［ ｎ ］ 为第 （ ｉ ， ） 个 神经元相连 的其 它神经
元 的线 性输 入 。 式 １ 、 ２中 和 是 连 接权 重 矩 阵 ， ｙ为神 经 元 点 火 与 否 的信息 ， ｎ ， 和 吼 为 时 间衰减 常量 ， 和 为连 接和 反馈 常量 。 非线 性 连 接 调 制 部 分 也称 神 经元 内部 活 动项 ， 它
， ［ ］ 一 Ｆ ［ ｎ一 １ ］ ｅ ～ ＋ ＋ ∑
ｌ ［ 一 １ ］（ １ ）
其中 ， Ｆ ， ［ ｎ ］ 为第（ ｉ ， ） 个神经元 的反馈输入， 为
外部 输 人刺 激信 号 。 ，
另 一个 线性 连接 输入 通道 接 受局 部 相邻 神 经元 的
摘
要： 在研 究 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ算法的基础上 ， 详细 论述 了 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ的数学 模 型与工 作原 理 ， 提 出 了基 于 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ的运 动 目标 检测 算
法， 设计 了基于简化 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ模型 的运 动 目标检测算法流程 ， 针对模 型的匹配 问题 ， 结合双 阈值 思想 ， 提出 白适 应局部 阈值
算关 系 为 ：
个 高科技 研 究 领 域 ， 是 信息科学、 脑科 学、 神 经 心 理
学 等 多种 学科 的研 究 热点 。人 工 神 经 网络 是 指模 拟 人 脑 神 经 网络 的结构 和 功能 ， 运 用 大量 的处 理 部件 ， 由人 工 方 式建 立起 来 的 网络 系统 。 早在 １ ９ ４ ３年 ， 神 经心 理学 家麦 克 洛 奇 和 数 学 家皮 兹 就 提 出 了形式 神经 元 的数 学模 型 （ Ｍ —Ｐ ） ， 从 而 开创
为第 三 代人 工 神经 网络 的新 型人 工 神经 网络 模 型——
Байду номын сангаас
脉冲耦 合神经 网络模 型（Ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ Ｃ ｏ ｕ ｐ ｌ ｅ ｄ Ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ ， Ｐ Ｃ —
Ｎ Ｎ） 的研究 在 国 内外兴 起 。这 种模 型是 通 过模 拟在 猫 的大脑 视 觉皮 层 中实验 所 观察 到 的 与特 征有 关 的神 经
方法 。实验证 明 ， 该方 法在 目标和背景 的灰度差别对 比度较低 的条件下 ， 能提高 目标检测 的完整性 ， 该算法较传统 算法有 背景建模 快 、 抗干扰性 强等优 良特性 、 较好地解决背景 的多模 态问题 。为 以后研究 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ提供了理论基础 。 关键词 ： 脉冲耦合神经 网络 ； 遗传算法 ； 运动检测 ； 高斯混合模 型
元 同 步行 为而 建 立 起 来 的 一 个 简 化 模 型 ＿ ２ Ｊ ， 它 与 视 觉
由加有偏置的线性连接部分与反馈输入两部分相乘获
得 。其运 算关 系 为 ： Ｕ ］＝Ｆ ｑ ［ 凡 ］ （ １＋ ［ ］ ） （ ３ ）
神 经 系统 的感 知 能力有 着 天然 的联 系 。
突触 输 入信 息 ， 其运 算关 系为 ：
了神经科学理论研究 的时代 。２ ０世 纪 ８ Ｏ年代 由霍普
费尔 特 （ Ｊ ．Ｊ ．Ｈ ｏ ｐ ｉ ｆ ｅ ｌ ｄ ） 提 出 了 ＨＮ Ｎ模 型 ， 从 而有 力 的
推 动 了神经 网 络 的研 究 ， 这 个 模 型 直 到现 在 还有 广 泛 的应 用 … 。随着 生 物 神 经 学 的研 究 和 发 展 ， 一 种 被 称
其中 ， Ｏ Ｌ 为 时问衰 减常数 ， 为 门限常量 。
２ ０ １ ３ 年（ 第４ ２ 卷） 第１ 期
很多的像素 ， 这也是 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ为什么会 以相似 性集群产
生 同步脉 冲发 放 的原 因［ ５ ３ 。
脉 冲耦 合 神 经 网络 的作 用 过 程 ： 神 经 元 接 受 反馈 输入 ［ ｎ ］ 和 连 接输 入 Ｌ ［ ］ ， 然后 在 其 内部 神 经元 活动 系统 形 成 内部 活动 项 Ｕ ［ ｎ ］ ， 当 ［ 凡 ］ 大 于动 态 门限 Ｅ ｎ ］ 时， 产生 输 出时序 脉 冲序列 ［ 凡 ］ 。
脉冲是否产生取决于内部活动项大小能否超过其 激发动态门限 ， 而此 门限值随着该神经元输 出状态 的
作者简 介 ： 刘丽 （ １ ９ ７ ９ 一） ， 女， 汉族 ， 甘肃武都人 ， 工程 师 ， 主要研究 方向 ： 计算 机应 用技术 ， 现代气象应用 。
１ ７
信 息技 术
变化 相应 发 生 变 化 ， 则 根 据 对 门 限 函 数 要 进 行 调 整， 其运 算关 系为 ：
成 。Ｅ ｃ ｋ ｈ ｏ ｍ在 １ ９ ９ ０年 根据 猫 的大 脑皮 层 同 步脉 冲发
１ 概 述
神 经 网络 （Ｎ ｅ ｕ ｒ ａ ｌ Ｎ ｅ ｔ ｗ ｏ ｒ ｋ） 是 近 年来 再 度 兴起 的
一
放现 象， 提 出 了展 示 脉 冲 发 放 现 象 的联 接 模 型。
Ｊ ｏ ｈ ｎ ｓ ｏ ｎ 在该联 接模 型 的基础上 提出 了 Ｐ Ｃ Ｎ Ｎ ， 其运