Small target motion detection within complex natural environment is an extremely challenging task for autonomous robots. Surprisingly, visual systems of insects have evolved to be highly efficient in detecting mates and tracking prey, even though targets are as small as a few pixels in visual field. The excellent sensitivity to small target motion relies on a class of specialized neurons called small target motion detectors (STMDs). However, existing STMD-based models are heavily dependent on visual contrast and perform poorly in complex natural environment where small targets always exhibit extremely low contrast to neighboring backgrounds. In this paper, we propose an attention and prediction guided visual system to overcome this limitation. The proposed visual system mainly consists of three subsystems, including an attention module, a STMD-based neural network, and a prediction module. The attention module searches for potential small targets in the predicted areas of input image and enhances their contrast to complex background. The STMD-based neural network receives the contrast-enhanced image and discriminates small moving targets from background false positives. The prediction module foresees future positions of the detected targets and generates a prediction map for the attention module. The three subsystems are connected in a recurrent architecture allowing information processed sequentially to activate specific areas for small target detection. Extensive experiments on synthetic and real-world datasets demonstrate the effectiveness and superiority of the proposed visual system for detecting small, low-contrast moving targets against complex natural environment.


翻译:令人惊讶的是,昆虫的视觉系统在探测伴侣和跟踪猎物方面已经发展得非常高效,尽管目标小于视场中的几个像素。对小目标运动的高度敏感性依赖于一组被称为小目标运动探测器(STMDs)的专门神经元。然而,基于STMD的现有神经模型严重依赖视觉对比,在复杂的自然环境中表现不佳,而那里的小型目标总是与相邻背景相比极低。在本文中,我们建议关注和预测引导视觉系统以克服这一限制。拟议的视觉系统主要由三个子系统组成,包括关注模块、基于STMD的神经网络和一个预测模块。关注模块在预测的投入图像领域寻找潜在的小目标,并增强它们与复杂背景的对比。基于STMD的神经网络接收对比了对比度图像,并区分了与相形相貌相近的小目标在与相近的目标上的位置,并为关注模块制作了一张关注的预测地图。三个子系统主要包括关注模块、基于STMMD的注意模块,用于对具体地球测图象系统进行实时测测测测测测算的常规数据区域。

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