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JP2002358504A - Signal processing circuit and pattern recognition device - Google Patents

Signal processing circuit and pattern recognition device

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JP2002358504A
JP2002358504A JP2001164511A JP2001164511A JP2002358504A JP 2002358504 A JP2002358504 A JP 2002358504A JP 2001164511 A JP2001164511 A JP 2001164511A JP 2001164511 A JP2001164511 A JP 2001164511A JP 2002358504 A JP2002358504 A JP 2002358504A
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JP
Japan
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pulse
output
neuron
feature
signal
Prior art date
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JP2001164511A
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Japanese (ja)
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Masakazu Matsugi
優和 真継
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Canon Inc
Original Assignee
Canon Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 パルス位相・間隔によりパターン情報の表現
・処理を行う神経回路網において複数の局所タイミング
信号を受ける演算素子からなる階層並列処理回路の動作
安定化、無矛盾動作を図る。 【解決手段】 所定の規則に基づき互いに結合し、並列
配置される複数のニューロンと、入力される時系列信号
パターンに応じて所定の周波数でパルス状信号を発生
し、所定の近傍のニューロン群にパルス状信号を出力す
る局所タイミング信号発生回路1301と、局所タイミング
信号発生回路1301からの出力とニューロン群からの出力
との同期を検出する同期検出回路7とを有し、ニューロ
ンは同期検出回路7の出力に基づき所定の演算を実行す
る。
PROBLEM TO BE SOLVED: To stabilize the operation of a hierarchical parallel processing circuit composed of arithmetic elements receiving a plurality of local timing signals in a neural network for expressing and processing pattern information based on pulse phases and intervals, and to achieve consistent operation. . SOLUTION: A plurality of neurons connected to each other based on a predetermined rule and arranged in parallel, and a pulse-like signal is generated at a predetermined frequency in accordance with an input time-series signal pattern, and a predetermined group of nearby neurons is generated. A local timing signal generation circuit 1301 for outputting a pulse-like signal; and a synchronization detection circuit 7 for detecting synchronization between the output from the local timing signal generation circuit 1301 and the output from the neuron group. A predetermined calculation is executed based on the output of the above.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、信号の並列処理を
行なう神経回路網などの信号処理回路、及びそれを用い
たパターン認識装置に関するものである。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a signal processing circuit such as a neural network for performing parallel processing of signals, and a pattern recognition device using the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、画像認識や音声認識の分野に
おいては、特定の認識対象に特化した認識処理アルゴリ
ズムをコンピュータソフトとして逐次演算して実行する
タイプ、或いは専用並列画像処理プロセッサ(SIM
D、MIMDマシン等)により実行するタイプに大別さ
れる。
2. Description of the Related Art Conventionally, in the field of image recognition and voice recognition, a type in which a recognition processing algorithm specialized for a specific recognition target is sequentially calculated and executed as computer software, or a dedicated parallel image processor (SIM) is used.
D, MIMD machine, etc.).

【0003】画像認識アルゴリズムを例としてその代表
例を以下に挙げる。先ず、認識対象モデルとの類似度に
関する特徴量を算出して行うものとしては、認識対象の
モデルデータをテンプレートモデルとして表現してお
き、入力画像(或いはその特徴ベクトル)とのテンプレ
ートマッチング等による類似度算出や、高次相関係数の
算出などによる方法、対象のモデル画像を主成分分析し
て得られる固有画像関数空間へ入力パターンを写像して
モデルとの特徴空間内での距離を算出する方法(Sirovic
h,et al., 1987, Low-dimensional procedure for the
characterizationof human faces, J. Opt. Soc. Am.
[A], vol. 3, pp.519-524)、複数の特徴抽出結果(特徴
ベクトル)およびその空間配置関係をグラフ表現し、弾
性的グラフマッチングによる類似度算出を行う方法(La
des et al. 1993, Distortion Invariant Object Recog
nition in the Dynamic Link Architecture, IEEE Tran
s. on Computers, vol.42, pp.300-311)、入力画像に
所定の変換を行って位置、回転、スケール不変な表現を
得た後にモデルとの照合を行う方法(Seibert, et al.
1992, Learning and recognizing 3D objects from mul
tiple views in a neural system, in Neural Networks
for Perception, vol. 1 Human and MachinePerceptio
n(H. Wechsler Ed.) Academic Press, pp.427-444)等
がある。
A typical example of the image recognition algorithm will be described below. First, as a feature to calculate and perform a feature amount related to the similarity with the recognition target model, model data of the recognition target is expressed as a template model, and similarity to the input image (or its feature vector) is determined by template matching or the like. Calculation of degree, calculation of higher-order correlation coefficient, etc., mapping of input pattern to eigenimage function space obtained by principal component analysis of target model image, and calculation of distance between model and feature space Method (Sirovic
h, et al., 1987, Low-dimensional procedure for the
characterization of human faces, J. Opt. Soc. Am.
[A], vol. 3, pp.519-524), a method of calculating the similarity by elastic graph matching by expressing a plurality of feature extraction results (feature vectors) and their spatial arrangement relationships in a graph (La
des et al. 1993, Distortion Invariant Object Recog
nition in the Dynamic Link Architecture, IEEE Tran
s. on Computers, vol.42, pp.300-311), a method of performing a predetermined transformation on an input image to obtain a position, rotation, and scale-invariant representation and then collating with a model (Seibert, et al.
1992, Learning and recognizing 3D objects from mul
tiple views in a neural system, in Neural Networks
for Perception, vol. 1 Human and MachinePerceptio
n (H. Wechsler Ed.) Academic Press, pp. 427-444).

【0004】生体の情報処理機構にヒントを得た神経回
路網モデルによるパターン認識方法としては、階層的テ
ンプレートマッチングを行う方法(特公昭60-712、Fuku
shima & Miyake, 1982 Neocognitron: A new algorithm
for pattern recognition tolerant of deformation a
nd shifts in position, Pattern Recognition, vol.1
5, pp.455-469)、ダイナミックルーティング神経回路
網により対象中心のスケール、位置不変な表現を得て行
う方法(Anderson, et al. 1995, Routing Networks in
Visual Cortex, in Handbook of Brain Theory and Neu
ral Networks (M.Arbib, Ed.), MIT Press, pp.823-82
6)、その他多層パーセプトロン、動径基底関数(Radial
Basis Function)ネットワークなどを用いる方法があ
る。
As a pattern recognition method using a neural network model inspired by the information processing mechanism of a living body, a method of performing hierarchical template matching (Japanese Patent Publication No. 60-712, Fuku
shima & Miyake, 1982 Neocognitron: A new algorithm
for pattern recognition tolerant of deformation a
nd shifts in position, Pattern Recognition, vol.1
5, pp.455-469), a method of obtaining a scale and position-invariant representation of the center of an object using a dynamic routing neural network (Anderson, et al. 1995, Routing Networks in
Visual Cortex, in Handbook of Brain Theory and Neu
ral Networks (M.Arbib, Ed.), MIT Press, pp.823-82
6), other multilayer perceptrons, radial basis functions (Radial
Basis Function) There is a method using a network.

【0005】一方、生体の神経回路網による情報処理機
構をより忠実に取り入れようとする試みとして、アクシ
ョンポテンシャルに相当するパルス列による情報の伝達
表現を行う神経回路網モデル回路が提案されている(Mur
ray et al., 1991 Pulse-Stream VLSI Neural Networks
Mixing Analog and Digital Techniques, IEEE Trans.
on Neural Networks, vol.2, pp.193-204.;特開平7-2
62157号公報、特開平7-334478号公報、特開平8-153148
号公報、特許2879670号公報など)。
On the other hand, as an attempt to more faithfully incorporate an information processing mechanism based on a biological neural network, a neural network model circuit has been proposed in which information is transmitted and represented by a pulse train corresponding to an action potential (Mur).
ray et al., 1991 Pulse-Stream VLSI Neural Networks
Mixing Analog and Digital Techniques, IEEE Trans.
on Neural Networks, vol.2, pp.193-204.
No. 62157, JP-A-7-334478, JP-A-8-153148
And Japanese Patent No. 2879767).

【0006】パルス列生成ニューロンからなる神経回路
網により特定対象の認識、検出を行う方法としては、結
合入力(linking inputs)と供給入力(feeding inputs)を
前提としたEckhornらによる高次(2次以上)のモデル
(Eckhorn, et al. 1990, Feature linking via synchr
onization among distributed assemblies: Simulation
of results from cat cortex, Neural Computation, V
ol.2, pp.293-307)、即ち、パルス結合神経回路網(以
下、PCNNと略す) を用いた方式がある(USP56
64065、及び、Broussard, et al. 1999, Physiolo
gically Motivated Image Fusion for Object Detectio
n using a Pulse Coupled Neural Network, IEEE Tran
s. on Neural Networks, vol. 10, pp.554-563、な
ど)。
As a method of recognizing and detecting a specific object by a neural network composed of pulse train generating neurons, a higher order (second or higher order) by Eckhorn et al. On the assumption of a linking input and a feeding input is used. ) Model (Eckhorn, et al. 1990, Feature linking via synchr
onization among distributed assemblies: Simulation
of results from cat cortex, Neural Computation, V
ol.2, pp.293-307), that is, a method using a pulse-coupled neural network (hereinafter abbreviated as PCNN) (USP56).
64065 and Broussard, et al. 1999, Physiolo
gically Motivated Image Fusion for Object Detectio
n using a Pulse Coupled Neural Network, IEEE Tran
s. on Neural Networks, vol. 10, pp. 554-563, etc.).

【0007】また、ニューラルネットワークにおける配
線問題を軽減する方法として、いわゆるパルス出力ニュ
ーロンのアドレスをイベント駆動型で符号化する方法
(Address Event Representation:以下、AERとい
う)がある(Lazzaro, et al. 1993, Silicon Auditory
Processors as Computer Peripherals, In Touretzky,
D.(ed), Advances in Neural Information Processing
Systems 5. San Mateo, CA:Morgan Kaufmann Publisher
s)。この場合、パルス列出力側のニューロンのIDがア
ドレスとして2値で符号化されることにより、異なるニ
ューロンからの出力信号が共通バス上に時間的に配列し
ても、それを入力する側のニューロンでは元のニューロ
ンのアドレスを自動的にデコードすることができる。
As a method of reducing the wiring problem in the neural network, there is a method of encoding the address of a so-called pulse output neuron in an event-driven manner (Address Event Representation: AER) (Lazzaro, et al. 1993). , Silicon Auditory
Processors as Computer Peripherals, In Touretzky,
D. (ed), Advances in Neural Information Processing
Systems 5. San Mateo, CA: Morgan Kaufmann Publisher
s). In this case, since the ID of the neuron on the output side of the pulse train is binary-coded as an address, even if output signals from different neurons are temporally arranged on a common bus, the neurons on the input side do not. The address of the original neuron can be automatically decoded.

【0008】一方、特許2741793号公報に係るニ
ューラルネットワークプロセッサでは、シストリックア
レイのアーキテクチャにおいて多層のフィードフォワー
ド型ネットワークを構成することにより、ニューロン数
の減少と回路規模の縮小を図っている。
On the other hand, in the neural network processor according to Japanese Patent No. 2741793, the number of neurons and the circuit scale are reduced by forming a multi-layer feedforward network in a systolic array architecture.

【0009】特許2500038号公報に係る並列処理
マルチプロセッサシステム等においては、分散並列型計
算システムにおいて命令セットの処理と同時に生成する
シグネチャの多数決処理により誤りの有無を検出する。
In the parallel processing multiprocessor system and the like according to Japanese Patent No. 2500038, the presence or absence of an error is detected by majority processing of a signature generated simultaneously with processing of an instruction set in a distributed parallel computing system.

【0010】また、近年マイクロプロセサの動作周波数
が大幅に増大する中で、チップ全体を単一のクロック信
号に同期して動作させるのではなく、チップを複数のブ
ロックに分割しそれぞれのブロックを非同期で動かすア
ーキテクチャが開発されている(Schuster, S. et al.,
“Asynchronous Interlocked Pipelined CMOS Circuits
Operating at 3.3-4.5GHz”, 2000 IEEE Internationa
l Solid-State Circuits Conference(ISSCC2000), WA1
7.3, vol.43, pp.292-293, 2000)。
In recent years, as the operating frequency of the microprocessor has been greatly increased, the chip is divided into a plurality of blocks and each block is asynchronously operated instead of operating the entire chip in synchronization with a single clock signal. An architecture that runs on a computer has been developed (Schuster, S. et al.,
“Asynchronous Interlocked Pipelined CMOS Circuits
Operating at 3.3-4.5GHz ”, 2000 IEEE Internationala
l Solid-State Circuits Conference (ISSCC2000), WA1
7.3, vol.43, pp.292-293, 2000).

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】上記従来例において
は、階層型並列信号処理回路として、分散して複数存在
する局所的なクロック信号を制御クロック信号として用
いた場合に、矛盾なく安定動作することを保障し、かつ
低消費電力である方式が存在しなかった。
In the above-mentioned prior art, when a plurality of distributed local clock signals are used as a control clock signal as a hierarchical parallel signal processing circuit, stable operation can be performed without contradiction. There is no method that guarantees low power consumption.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明は、局所分散型ク
ロック信号発生回路をデータ駆動型の演算素子として用
いる構成などにより、並列パルス信号処理の無矛盾動作
(例えば、複数の非同期タイミング制御信号を受けても
所期の演算を行う事ができること)、安定動作及び低消
費電力動作を実現することを目的とする。
According to the present invention, there is provided a non-consistent operation of parallel pulse signal processing (for example, a method of using a plurality of asynchronous timing control signals by using a locally distributed clock signal generation circuit as a data driven type arithmetic element). The intended operation can be performed even if the operation is received), and stable operation and low power consumption operation are realized.

【0013】本発明のある態様によれば、信号処理回路
に、所定の規則に基づき互いに結合し、並列配置される
複数の演算素子と、入力される時系列信号パターンに応
じて所定の周波数でパルス状信号を発生し、所定の近傍
の演算素子群に該パルス状信号を出力する複数の局所タ
イミング信号発生回路と、該局所タイミング信号発生回
路の出力する信号の少なくとも一つと所定の前記演算素
子群からの出力との同期を検出する同期検出回路とを備
え、前記演算素子は前記同期検出回路の出力に基づき所
定の演算を実行することを特徴とする。
According to an embodiment of the present invention, the signal processing circuit is coupled to each other based on a predetermined rule and has a plurality of arithmetic elements arranged in parallel and a predetermined frequency according to an input time-series signal pattern. A plurality of local timing signal generation circuits for generating a pulse-like signal and outputting the pulse-like signal to a group of operation elements in a predetermined vicinity; and at least one of the signals output from the local timing signal generation circuit and the predetermined operation element A synchronization detection circuit for detecting synchronization with an output from the group, wherein the arithmetic element performs a predetermined operation based on an output of the synchronization detection circuit.

【0014】また、本発明の他の態様によれば、信号処
理回路において、第一の演算素子群と局所タイミング信
号発生回路とは相互作用により同期クラスタを局所的に
形成することを特徴とする。
According to another aspect of the present invention, in the signal processing circuit, the first arithmetic element group and the local timing signal generating circuit form a synchronous cluster locally by interaction. .

【0015】また、本発明の他の態様によれば、信号処
理回路に、所定の規則に基づき互いに結合し、階層的か
つ並列に配置される複数の演算素子と、入力される時系
列信号パターンに応じて所定の周波数でパルス状信号を
発生し、所定の近傍の第一及び第二の演算素子群に該パ
ルス状信号を出力する局所タイミング信号発生回路と、
前記パルス状信号と前記第一の演算素子群との相関又は
同期を検出する検出回路とを備え、前記第二の演算素子
群は前記検出回路からの出力に基づき前記第一の演算素
子群からの出力を入力し、前記局所タイミング信号発生
回路は前記第二の演算素子群の所定数の演算素子群毎に
設けられていることを特徴とする。
According to another aspect of the present invention, a plurality of arithmetic elements which are coupled to each other based on a predetermined rule and arranged in a hierarchical and parallel manner, and an input time-series signal pattern A local timing signal generation circuit that generates a pulse-like signal at a predetermined frequency according to and outputs the pulse-like signal to the first and second arithmetic element groups in a predetermined vicinity,
A detection circuit that detects a correlation or synchronization between the pulse-like signal and the first processing element group, and wherein the second processing element group is based on an output from the detection circuit. And the local timing signal generating circuit is provided for each of a predetermined number of arithmetic element groups of the second arithmetic element group.

【0016】また、本発明の他の態様によれば、信号処
理回路において、局所タイミング信号発生回路は、第二
の演算素子群の代表位置にある演算素子が入力を受ける
第一の演算素子からの出力を受けることを特徴とする。
Further, according to another aspect of the present invention, in the signal processing circuit, the local timing signal generating circuit is configured so that the operation element at the representative position of the second operation element group receives an input from the first operation element. Characterized by receiving the output of

【0017】また、本発明の他の態様によれば、局所タ
イミング信号発生回路は、当該第二の演算素子に対応す
る第一の演算素子群の代表位置にある演算素子またはそ
の近傍の一つである演算素子からの出力を受けることを
特徴とする。
Further, according to another aspect of the present invention, the local timing signal generation circuit includes an operation element at a representative position of the first operation element group corresponding to the second operation element or one of the vicinity thereof. And receiving an output from the arithmetic element.

【0018】また、本発明の他の態様によれば、局所タ
イミング信号発生回路は、当該第二の演算素子に対応す
る第一の演算素子群の代表位置にある演算素子が入力を
受ける第一の演算素子群からの出力のうち、最大値を受
けることを特徴とする。
Further, according to another aspect of the present invention, the local timing signal generating circuit is configured such that an arithmetic element at a representative position of the first arithmetic element group corresponding to the second arithmetic element receives an input. Among the outputs from the arithmetic element group.

【0019】また、本発明の他の態様によれば、局所タ
イミング信号発生回路と第一の演算素子との結合の一部
又は全部は相互結合であることを特徴とする。
According to another aspect of the present invention, part or all of the coupling between the local timing signal generation circuit and the first arithmetic element is a mutual coupling.

【0020】また、本発明の他の態様によれば、パター
ン認識装置に、所定次元のデータを入力する入力手段
と、前記入力手段より入力されたデータより複数の特徴
を検出する特徴検出層をそれぞれ有する複数のデータ処
理モジュールと、前記複数のデータ処理モジュールの出
力に基づき、所定のパターンの認識結果を出力する出力
手段とを備え、前記データ処理モジュールは、所定のシ
ナプス結合手段により互いに結合する複数の演算素子及
び複数の局所タイミング信号発生素子とを有し、前記演
算素子は、複数の前記局所タイミング信号発生素子から
の入力信号と所定時間窓内での複数パルスの到着時間パ
ターンとに基づいた周波数又はタイミングでパルス状の
信号を出力することを特徴とする。
According to another aspect of the present invention, an input means for inputting data of a predetermined dimension and a feature detection layer for detecting a plurality of features from the data input from the input means are provided to the pattern recognition device. A plurality of data processing modules, respectively; and output means for outputting a recognition result of a predetermined pattern based on outputs of the plurality of data processing modules, wherein the data processing modules are connected to each other by predetermined synapse connection means. A plurality of operation elements and a plurality of local timing signal generation elements, wherein the operation elements are based on input signals from the plurality of local timing signal generation elements and arrival time patterns of a plurality of pulses within a predetermined time window. A pulse-like signal is output at a predetermined frequency or timing.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】(第1の実施形態)全体構成概要 図1は本発明のパターン認識装置の全体構成図を示し、
対象または幾何学的特徴などの認識(検出)に関与する情
報を主として扱い、いわゆるConvolutionalネットワー
ク構造(LeCun, Y. and Bengio, Y., 1995, “Convoluti
onal Networksfor Images Speech, and Time Series”
in Handbook of Brain Theory and Neural Networks
(M. Arbib, Ed.), MIT Press, pp.255-258)を有してい
る。但し、同経路内の層間結合は局所的に相互結合をな
し得る点(後述)が、従来と異なる。最終出力は認識結
果、即ち認識された対象のカテゴリに相当する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) Overview of Overall Configuration FIG. 1 shows an overall configuration of a pattern recognition apparatus according to the present invention.
It mainly deals with information related to recognition (detection) of objects or geometric features, and uses what is called a convolutional network structure (LeCun, Y. and Bengio, Y., 1995, “Convoluti
onal Networks for Images Speech, and Time Series ”
in Handbook of Brain Theory and Neural Networks
(M. Arbib, Ed.), MIT Press, pp. 255-258). However, it differs from the conventional one in that the interlayer connection in the same path can locally form mutual connection (described later). The final output corresponds to the recognition result, that is, the category of the recognized object.

【0022】データ入力層1は、画像センサー手段の場
合はCMOSセンサー、或いはCCD素子等の光電変換
素子であり、音声の検出認識などを行う場合には音声入
力センサーである。また、所定データ解析手段の解析結
果(例えば、主成分分析、ベクトル量子化、など)から
得られる高次元のデータを入力するものであってもよ
い。
The data input layer 1 is a CMOS sensor or a photoelectric conversion element such as a CCD element in the case of an image sensor means, and is a voice input sensor in the case of detecting and recognizing voice. Alternatively, high-dimensional data obtained from an analysis result (for example, principal component analysis, vector quantization, etc.) of the predetermined data analysis means may be input.

【0023】以下、画像を入力する場合について説明す
る。特徴検出層(1,0)は、Gabor wavelet変換その他に
よる多重解像度処理により、画像パターンの局所的な低
次の特徴(幾何学的特徴のほか色成分特徴を含んでもよ
い)を全画面の各位置(或いは、全画面にわたる所定の
サンプリング点の各点)において同一箇所で複数のスケ
ールレベル又は解像度で複数の特徴カテゴリの数だけ検
出し、特徴量の種類(例えば、幾何学的特徴として所定
方向の線分を抽出する場合にはその幾何学的構造である
線分の傾き)に応じた受容野構造を有し、その程度に応
じたパルス列を発生するニューロン素子から構成され
る。
Hereinafter, the case of inputting an image will be described. The feature detection layer (1, 0) performs multi-resolution processing by Gabor wavelet transform or the like to apply local low-order features of the image pattern (which may include color component features in addition to geometric features) to each of the entire screen. At the position (or each of the predetermined sampling points over the entire screen), the same number of feature categories are detected at the same location at a plurality of scale levels or resolutions, and the types of the feature amounts (for example, a predetermined direction as a geometric feature are detected). When a line segment is extracted, it has a receptive field structure corresponding to the geometrical structure (slope of the line segment), and is composed of neuron elements that generate a pulse train according to the degree.

【0024】特徴検出層(1,k)は全体として、複数の解
像度(又はスケールレベル)での処理チャネルを形成す
る(但し k≧0)。即ち、Gabor wavelet変換を特徴検出
層(1,0)で行う場合を例にとると、スケールレベル
が同一で方向選択性の異なるGaborフィルタカーネルを
受容野構造に持つ特徴検出細胞のセットは特徴検出層
(1,0)において同一の処理チャネルを形成し、後続
の層(1,1) においても、それら特徴検出細胞からの出
力を受ける特徴検出細胞(より高次の特徴を検出する)
は、当該処理チャネルと同一のチャネルに属する。更に
後続の層(1,k)(但しk>1)においても、同様に
(2,k―1)層において同一チャネルを形成する複数の
特徴統合細胞からの出力を受ける特徴検出細胞は、当該
チャネルに属するように構成される。各処理チャネル
は、同一スケールレベル(又は解像度)での処理が進行
していくものであり、階層的並列処理により低次特徴か
ら高次特徴までの検出及び認識を行う。
The feature detection layer (1, k) as a whole forms a processing channel at a plurality of resolutions (or scale levels) (where k ≧ 0). That is, in the case where the Gabor wavelet transform is performed in the feature detection layer (1, 0), a set of feature detection cells having a Gabor filter kernel having the same scale level and different direction selectivity in the receptive field structure is used for feature detection. The same processing channel is formed in the layer (1,0), and also in the subsequent layer (1,1), the feature detection cells receiving outputs from the feature detection cells (detecting higher-order features)
Belong to the same channel as the processing channel. Further, in the subsequent layer (1, k) (where k> 1), similarly, the feature detection cells receiving outputs from a plurality of feature integrated cells forming the same channel in the (2, k−1) layer are It is configured to belong to a channel. In each processing channel, processing at the same scale level (or resolution) proceeds, and detection and recognition from low-order features to high-order features are performed by hierarchical parallel processing.

【0025】特徴統合層(2,0)は、所定の受容野構造
(以下、受容野とは直前の層の出力素子との結合範囲
を、受容野構造とはその結合荷重の分布を意味する)を
有し、パルス列を発生するニューロン素子からなり、特
徴検出層(1,0)からの同一受容野内の複数のニューロ
ン素子出力の統合(局所平均化、最大値検出等によるサ
ブサンプリングなどの演算)を行う。また、特徴統合層
内のニューロンの各受容野は同一層内のニューロン間で
共通の構造を有している。各特徴検出層(1,1)、
(1,2)、・・・、(1,N))及び各特徴統合層((2,1)、
(2,2)、・・・、(2,N))は、それぞれ所定の受容野構造
を持ち、上述した各層と同様に前者((1,1)、・・・)
は、各特徴検出モジュールにおいて複数の異なる特徴の
検出を行い、後者((2,1)、・・・)は、前段の特徴検出
層からの複数特徴に関する検出結果の統合を行う。但
し、前者の特徴検出層は同一チャネルに属する前段の特
徴統合層の細胞素子出力を受けるように結合(配線)さ
れている。特徴統合層で行う処理であるサブサンプリン
グは、同一特徴カテゴリの特徴検出細胞集団からの局所
的な領域(当該特徴統合層ニューロンの局所受容野)か
らの出力についての平均化などを行うものである。
The feature integration layer (2,0) has a predetermined receptive field structure.
(Hereinafter, the receptive field has a coupling range with the output element of the immediately preceding layer, and the receptive field structure means the distribution of the coupling load), has a neuron element that generates a pulse train, and has a feature detection layer ( (1, 0) are integrated (operations such as sub-sampling by local averaging, maximum value detection, and the like) in the same receptive field. Further, each receptive field of the neuron in the feature integration layer has a common structure among neurons in the same layer. Each feature detection layer (1, 1),
(1,2), ..., (1, N)) and each feature integration layer ((2,1),
(2, 2),..., (2, N)) each have a predetermined receptive field structure, and the former ((1, 1),.
Performs detection of a plurality of different features in each feature detection module, and the latter ((2, 1),...) Integrates detection results regarding a plurality of features from the preceding feature detection layer. However, the former feature detection layer is connected (wired) so as to receive the cell element output of the preceding feature integration layer belonging to the same channel. The sub-sampling, which is a process performed in the feature integration layer, is for averaging the output from a local region (local receptive field of the feature integration layer neuron) from the feature detection cell population of the same feature category. .

【0026】図2は、シナプス回路とニューロン素子の
構成を示す図である。各層間のニューロン素子201間を
結合する構造は、図2の(A)に示すように、神経細胞
の軸索または樹状突起に相当する信号伝達部203(配線
または遅延線)、及びシナプス回路S202である。図2
の(A)では、ある特徴検出(統合)細胞(N)に対す
る受容野を形成する特徴統合(検出)細胞のニューロン群
(ni)からの出力(当該細胞Nから見ると入力)に関与
する結合の構成を示している。太線で示している信号伝
達部203は共通バスラインを構成し、この信号伝達ライ
ン上に複数のニューロンからのパルス信号が時系列に並
んで伝達される。出力先の細胞(N)からの入力を受け
る場合も同様の構成がとられる。この場合には、全く同
じ構成において時間軸上で入力信号と出力信号とを分割
して処理してもよいし、或いは入力用(樹状突起側)と
出力用(軸索側)の2系統で、図2の(A)と同様の構
成を与えて処理してもよい。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a synapse circuit and a neuron element. As shown in FIG. 2A, the structure for connecting the neuron elements 201 between the layers includes a signal transmission unit 203 (wiring or delay line) corresponding to an axon or a dendrite of a nerve cell, and a synapse circuit. This is S202. FIG.
(A) relates to the output (input from the viewpoint of the cell N) of the feature integrated (detected) cell forming the receptive field for a certain characteristic detected (integrated) cell (N) from the neuron group (n i ). 3 shows a configuration of a connection. The signal transmission unit 203 shown by a thick line forms a common bus line, and pulse signals from a plurality of neurons are transmitted on this signal transmission line in time series. The same configuration is adopted when receiving an input from a cell (N) of an output destination. In this case, the input signal and the output signal may be divided and processed on the time axis with exactly the same configuration, or two systems for input (dendritic side) and output (axon side) may be used. The processing may be performed by providing the same configuration as that of FIG.

【0027】シナプス回路S202としては、層間結合
(特徴検出層102上のニューロンと特徴統合層103上のニ
ューロン間の結合であって、各層ごとにその後続の層及
び前段の層への結合が存在しうる)に関与するものと、
同一層内ニューロン間結合に関与するものとがある。後
者は必要に応じて、主に、後述するペースメーカーニュ
ーロンと特徴検出または特徴統合ニューロンとの結合に
用いられる。
The synapse circuit S202 has an interlayer connection (a connection between a neuron on the feature detection layer 102 and a neuron on the feature integration layer 103, and each layer has a connection to a subsequent layer and a preceding layer. May be involved)
Some are involved in connections between neurons in the same layer. The latter is mainly used, if necessary, mainly for coupling a pacemaker neuron described later with a feature detection or feature integration neuron.

【0028】シナプス回路S202において、いわゆる興
奮性結合はパルス信号の増幅を行い、抑制性結合は逆に
減衰を与えるものである。パルス信号により情報の伝達
を行う場合、増幅及び減衰はパルス信号の振幅変調、パ
ルス幅変調、位相変調、周波数変調のいずれによっても
実現することができる。
In the synapse circuit S202, the so-called excitatory coupling amplifies the pulse signal, and the inhibitory coupling conversely attenuates. When transmitting information using a pulse signal, amplification and attenuation can be realized by any of amplitude modulation, pulse width modulation, phase modulation, and frequency modulation of the pulse signal.

【0029】本実施形態においては、シナプス回路S20
2は、主にパルスの位相変調素子として用い、信号の増
幅は、パルス到着時間の特徴に固有な量としての実質的
な進み、減衰は実質的な遅れとして変換される。即ち、
シナプス結合は後述するように出力先のニューロンでの
特徴に固有な時間軸上の到着位置(位相)を与え、定性的
には興奮性結合はある基準位相に対しての到着パルスの
位相の進みを、抑制性結合では同様に遅れを与えるもの
である。
In this embodiment, the synapse circuit S20
2 is mainly used as a phase modulation element of the pulse, the amplification of the signal is converted as a substantial advance as a characteristic quantity of the pulse arrival time characteristic, and the attenuation is converted as a substantial delay. That is,
The synaptic connection gives the arrival position (phase) on the time axis peculiar to the feature of the output neuron as described later, and qualitatively the excitatory connection leads the phase of the arrival pulse with respect to a certain reference phase. In the case of inhibitory coupling, a delay is similarly given.

【0030】図2の(A)において、各ニューロン素子
njは、パルス信号(スパイクトレイン)を出力し、後述
する様な、いわゆるintegrate-and-fire型のニューロン
素子を用いている。なお、図2の(C)に示すように、
シナプス回路とニューロン素子とを、それぞれまとめて
回路ブロックを構成してもよい。
In FIG. 2A, each neuron element
n j outputs a pulse signal (spike train) and uses a so-called integral-and-fire type neuron element as described later. As shown in FIG. 2 (C),
The synapse circuit and the neuron element may be combined to form a circuit block.

【0031】ニューロン素子 次に各層を構成するニューロンについて説明する。各ニ
ューロン素子はいわゆるintegrate-and-fireニューロン
を基本として拡張モデル化したもので、入力信号(アク
ションポテンシャルに相当するパルス列)を時空間的に
線形加算した結果が閾値を越したら発火し、パルス状信
号を出力する点ではいわゆるintegrate-and-fireニュー
ロンと同じである。
The described neuron element then neurons constituting each layer. Each neuron element is an extended model based on the so-called integral-and-fire neuron, and fires when the result of spatiotemporal linear addition of the input signal (pulse train corresponding to the action potential) exceeds the threshold, and the pulse shape It is the same as a so-called integral-and-fire neuron in that it outputs a signal.

【0032】図2(B)はニューロン素子としてのパル
ス発生回路(CMOS回路)の動作原理を表す基本構成
の一例を示し、公知の回路(IEEE Trans. on Neural Net
works Vol. 10, pp.540)を拡張したものである。ここで
は、入力として興奮性と抑制性の入力を受けるものとし
て構成されている。
FIG. 2B shows an example of a basic configuration showing the operation principle of a pulse generation circuit (CMOS circuit) as a neuron element, and a known circuit (IEEE Trans. On Neural Net).
works Vol. 10, pp. 540). Here, it is configured to receive excitatory and inhibitory inputs as inputs.

【0033】以下、このパルス発生回路の動作原理につ
いて説明する。興奮性入力側のキャパシタC1及び抵抗R
回路の時定数は、キャパシタC及び抵抗R回路の
時定数より小さく、定常状態では、トランジスタT
、Tは遮断されている。なお、抵抗は実際には、
ダイオードモードで結合するトランジスタで構成され
る。
Hereinafter, the principle of operation of the pulse generation circuit will be described. Capacitor C 1 and resistor R excitatory input side
The time constant of one circuit is smaller than the time constant of the capacitor C 2 and the resistor R 2 , and in a steady state, the transistors T 1 ,
T 2 and T 3 are shut off. Note that the resistance is actually
It is composed of transistors coupled in diode mode.

【0034】キャパシタC1の電位が増加し、キャパシタ
C2のそれよりトランジスタTの閾値だけ上回ると、ト
ランジスタTはアクティブになり、更にトランジスタ
,Tをアクティブにする。トランジスタT,T
は、電流ミラー回路を構成し、図2の(B)の回路の
出力は、不図示の出力回路によりキャパシタC1側から出
力される。キャパシタCの電荷蓄積量が最大となる
と、トランジスタTは遮断され、その結果としてトラ
ンジスタT及びTも遮断され、上記正のフィードバ
ックは0となる様に構成されている。
The potential of the capacitor C 1 is increased, the capacitor
Above than that of C 2 by the threshold value of the transistors T 1, transistors T 1 becomes active, further activates the transistor T 2, T 3. Transistors T 2 , T
3 constitutes a current mirror circuit, the output of the circuit of FIG. 2 (B), is output from the capacitor C 1 side by the output circuit (not shown). When the charge storage amount of the capacitor C 2 becomes maximum, transistors T 1 is blocked, as a result transistors T 2 and T 3 are also cut off, the positive feedback is constituted as a 0.

【0035】いわゆる不応期には、キャパシタCは放
電し、キャパシタCの電位がキャパシタCの電位よ
りも大で、その差がトランジスタTの閾値分を超えな
い限り、ニューロンは応答しない。キャパシタC、C
の交互充放電の繰り返しにより周期的なパルスが出力
され、その周波数は一般的には興奮性入力のレベルに対
応して定まる。但し、不応期が存在することにより、最
大値で制限されるようにすることもできるし、一定周波
数を出力するようにもできる。
The so-called refractory period, the capacitor C 2 is discharged, the potential of the capacitor C 1 is large than the potential of the capacitor C 2, as long as the difference does not exceed the threshold value of the transistor T 1, the neuron does not respond . Capacitors C 1 and C
A periodic pulse is output by repeating the alternate charging and discharging of No. 2 and its frequency is generally determined according to the level of the excitatory input. However, depending on the presence of the refractory period, it is possible to limit the maximum value or to output a constant frequency.

【0036】キャパシタの電位、従って電荷蓄積量は、
基準電圧制御回路(時間窓重み関数発生回路)204によ
り時間的に制御される。この制御特性を反映するのが、
入力パルスに対する後述の時間窓内での重み付き加算で
ある(図7参照)。この基準電圧制御回路204は、後述
するペースメーカニューロンからの入力タイミング(又
は、後続層のニューロンとの相互結合入力)に基づき、
基準電圧信号(図7の(B)の重み関数に相当)を発生
する。
The potential of the capacitor, and thus the amount of charge storage, is
It is temporally controlled by a reference voltage control circuit (time window weight function generation circuit) 204. Reflecting this control characteristic,
This is weighted addition within a time window to be described later for the input pulse (see FIG. 7). This reference voltage control circuit 204 is based on an input timing from a pacemaker neuron to be described later (or a mutual coupling input with a neuron in a subsequent layer).
A reference voltage signal (corresponding to the weight function of FIG. 7B) is generated.

【0037】抑制性の入力は、本実施形態においては必
ずしも要しない場合があるが、後述するペースメーカニ
ューロンから特徴検出層ニューロンへの入力を抑制性と
することにより、出力の発散(飽和)を防ぐことができ
る。
In some embodiments, the input of suppressiveness is not always necessary. However, the divergence (saturation) of the output is prevented by making the input from the pacemaker neuron to the feature detection layer neuron to be suppressive as described later. be able to.

【0038】一般的に、入力信号の上記総和と出力レベ
ル(パルス位相、パルス周波数、パルス幅など)の関係
は、そのニューロンの感度特性によって変化し、また、
その感度特性は上位層からのトップダウンの入力により
変化させることができる。以下では、説明の便宜上、入
力信号総和値に応じたパルス出力の周波数は急峻に立ち
上がるように回路パラメータが設定されているものとし
(従って周波数ドメインでは殆ど2値)、パルス位相変
調により、出力レベル(位相変調を加えたタイミングな
ど)が変動するものとする。
In general, the relationship between the sum of the input signals and the output level (pulse phase, pulse frequency, pulse width, etc.) changes depending on the sensitivity characteristics of the neuron.
The sensitivity characteristic can be changed by a top-down input from an upper layer. In the following, for convenience of explanation, it is assumed that the circuit parameters are set so that the frequency of the pulse output corresponding to the total value of the input signal rises sharply (thus, almost in binary in the frequency domain), and the output level is determined by pulse phase modulation. (Such as the timing at which phase modulation is applied).

【0039】また、パルス位相の変調手段としては、後
述する図5に示すような回路を付加して用いてもよい。
これにより、時間窓内の重み関数で上記基準電圧が制御
される結果、このニューロンからのパルス出力の位相が
変化し、この位相をニューロンの出力レベルとして用い
ることができる。
As a means for modulating the pulse phase, a circuit as shown in FIG. 5 to be described later may be added and used.
As a result, the phase of the pulse output from the neuron changes as a result of the reference voltage being controlled by the weight function within the time window, and this phase can be used as the output level of the neuron.

【0040】シナプス結合でパルス位相変調を受けたパ
ルスについての時間的積分特性(受信感度特性)を与え
る図7(B)に示すような重み関数の極大値に相当する
時刻τw1は、一般的にシナプス結合で与えられる特徴に
固有なパルスの到着予定時刻τsiより時間的に早く設定
される。その結果、到着予定時刻より一定範囲で早く
(図7(B)の例では、早すぎて到着するパルスは減衰さ
れる)到着するパルスは、それを受け取るニューロンで
は、高い出力レベルを持ったパルス信号として時間的に
積分される。重み関数の形状はガウシアン等の対称形に
限らず、非対称形状であってもよい。
The time τ w1 corresponding to the maximum value of the weighting function as shown in FIG. 7B which gives the temporal integration characteristic (reception sensitivity characteristic) of the pulse subjected to the pulse phase modulation by the synaptic connection is generally Is set earlier in time than the estimated arrival time τ si of the pulse unique to the feature given by the synaptic connection. As a result, a pulse arriving earlier within a certain range from the expected arrival time (in the example of FIG. 7B, the pulse arriving too early is attenuated) is a pulse having a high output level in the neuron receiving it. It is integrated over time as a signal. The shape of the weight function is not limited to a symmetric shape such as Gaussian, but may be an asymmetric shape.

【0041】また、ニューロン出力(シナプス前)の位
相は、後述するように時間窓の始期を基準とし、その基
準時からの遅れ(位相)は基準パルス(ペースメーカ出
力その他による)を受けた時の電荷蓄積量により決まる
ような出力特性を有する。このような出力特性を与える
回路構成の詳細については、本発明の主眼とする所では
ないので省略する。シナプス後のパルス位相は当該シナ
プスにより与えられる固有の位相変調量にシナプス前の
位相を加算したものとする場合、シナプス荷重に相当す
る量をシナプス前の信号に乗算するような演算は、後述
する重み関数によって与えられる。
The phase of the neuron output (before synapse) is based on the beginning of the time window as described later, and the delay (phase) from the reference time is the time when a reference pulse (by a pacemaker output or the like) is received. It has output characteristics determined by the amount of charge storage. The details of the circuit configuration for providing such output characteristics will not be described because they are not the focus of the present invention. If the post-synaptic pulse phase is obtained by adding the pre-synaptic phase to the inherent phase modulation amount given by the synapse, an operation of multiplying the pre-synaptic signal by an amount corresponding to the synaptic load will be described later. Given by the weight function.

【0042】なお、窓関数などを用いることにより得ら
れる入力の総和値が閾値を越えたときに、所定タイミン
グ遅れて発振出力を出すような公知回路構成を用いても
よい。
A known circuit configuration may be used in which an oscillation output is output with a predetermined timing delay when the sum of inputs obtained by using a window function or the like exceeds a threshold value.

【0043】ニューロン素子の構成としては、特徴検出
層または特徴統合層に属するニューロンであって、後述
するペースメーカニューロン出力タイミングに基づき発
火パターンが制御される場合には、ペースメーカーニュ
ーロンからのパルス出力を受けた後、当該特徴検出ニュ
ーロンが前段の層の局所受容野から受ける入力レベル
(上記の入力総和値)に応じた位相遅れをもってパルス
出力するような回路構成であればよい。この場合、ペー
スメーカーニューロンからのパルス信号を入力する前で
は、入力レベルに応じて各ニューロンは互いにランダム
な位相でパルス出力する過渡的な遷移状態が存在する。
The configuration of the neuron element is a neuron belonging to the feature detection layer or the feature integration layer, and receives a pulse output from the pacemaker neuron when the firing pattern is controlled based on a pacemaker neuron output timing described later. After that, the circuit configuration may be such that the feature detection neuron outputs a pulse with a phase delay corresponding to the input level (the above-described input sum value) received from the local receptive field of the preceding layer. In this case, before a pulse signal is input from a pacemaker neuron, there is a transitional transition state in which each neuron outputs pulses at random phases in accordance with the input level.

【0044】一般的には、隣接する特徴検出層ニューロ
ンは、その前段の層(特徴統合層など)に対する各受容
野が重複しており、その場合には後述するように特徴検
出層ニューロンに付随するペースメーカニューロンはそ
の特徴検出層ニューロンと同一の受容野を有するので、
隣接するペースメーカニューロン間の直前の層に対する
受容野構造も互いに重複する。従って、所定の特徴検出
層ニューロンのある受容野に属する特徴統合層ニューロ
ンは同時に複数の特徴検出層ニューロンの受容野に属す
るということがおこる。後述するように特徴統合層ニュ
ーロンは後段の層のペースメーカニューロンからのタイ
ミング信号も受けるので、この場合には複数のペースメ
ーカニューロンからのタイミング制御信号を受けること
になる。
In general, adjacent feature detection layer neurons have overlapping receptive fields with respect to the preceding layer (such as the feature integration layer). In this case, as described later, the neurons are attached to the feature detection layer neurons. Pacemaker neurons have the same receptive fields as their feature detection layer neurons,
Receptive field structures for the immediately preceding layer between adjacent pacemaker neurons also overlap with each other. Therefore, a feature integration layer neuron belonging to a certain receptive field of a predetermined feature detection layer neuron may simultaneously belong to a plurality of feature detection layer neurons. As will be described later, since the feature integration layer neuron also receives a timing signal from a pacemaker neuron in a subsequent layer, in this case, it receives timing control signals from a plurality of pacemaker neurons.

【0045】後述する特徴検出層ニューロンでの時間窓
内でのパルス信号の積分が正しく行われるようにするた
めに、複数のタイミング制御信号を受ける場合にも特徴
統合層ニューロンから特徴検出層ニューロンへのパルス
信号の流れが適正に行われるように時間窓発生のタイミ
ングが設定される。
In order to correctly integrate a pulse signal within a time window in a feature detection layer neuron to be described later, the feature integration layer neuron is switched to the feature detection layer neuron even when a plurality of timing control signals are received. The timing of the generation of the time window is set so that the flow of the pulse signal is appropriately performed.

【0046】このために、ペースメーカニューロンから
のタイミング制御信号出力またはニューロン間(特徴検
出層と特徴統合層の間)の相互結合とネットワークダイ
ナミックスによりもたらされる同期発火信号を基準と
し、これに所定の時間幅内で位相同期するように出力パ
ルスの発火タイミングの制御がなされるような回路構成
を用いている(詳しくはパターン検出の動作原理の説明
箇所を参照のこと)。
For this purpose, a timing control signal output from a pacemaker neuron or a synchronous firing signal generated by network coupling between neurons (between a feature detection layer and a feature integration layer) and network dynamics is used as a reference, and a predetermined value is used as a reference. A circuit configuration is used in which the firing timing of the output pulse is controlled so that the phases are synchronized within the time width (for details, refer to the explanation of the operation principle of pattern detection).

【0047】特徴検出層のニューロンは前述したように
特徴カテゴリに応じた受容野構造を有し、前段の層(入
力層または特徴統合層)のニューロンからの入力パルス
信号(電流値または電位)の時間窓関数による荷重総和
値(後述)が閾値以上となったとき、その総和値に応じ
て、例えばシグモイド関数等の一定レベルに漸近的に飽
和するような非減少かつ非線形な関数、即ちいわゆるsq
uashing関数値をとるような出力(ここでは位相変化で
与える;周波数、振幅、パルス幅基準での変化となる構
成でもよい)でパルス出力を行う。
As described above, the neurons in the feature detection layer have a receptive field structure corresponding to the feature category, and the input pulse signal (current value or potential) from the neuron in the preceding layer (input layer or feature integration layer) is obtained. When the total weight of the time window function (described later) is equal to or greater than a threshold value, a non-decreasing and non-linear function that asymptotically saturates to a certain level, such as a sigmoid function, according to the total value, that is, a so-called sq
A pulse is output with an output that takes a uashing function value (here, given by a phase change; a configuration that changes based on frequency, amplitude, and pulse width may be used).

【0048】シナプス回路等 図4は、シナプス回路202(Si)においてニューロンni
結合先である各ニューロンn'jへのシナプス結合強度
(位相遅延等に関する変調の大きさを意味する)を与え
る各小回路がマトリクス的に配置されていることを示
す。
The synapse circuit etc. Figure 4 synaptic to each neuron n 'j is the coupling destination of the neuron n i at the synapse circuit 202 (S i) to (meaning the size of the modulation about the phase delay, etc.) This shows that the given small circuits are arranged in a matrix.

【0049】ネットワークが結合荷重の共有結合形式
(1の重み係数分布で異なるニューロンのシナプス結合
荷重分布を同一に表す場合)になるような構成をとる場
合には、各シナプスでの遅延量(下記のPij)が図3の
場合と違って同一受容野内で一様とすることができる場
合がある。例えば、特徴検出層から特徴統合層への結合
は、特徴統合層がその前段の層である特徴検出層出力の
局所平均化(ただし、一様重み付けとする)によるサブ
サンプリングを行う場合には、検出対象によらず(即
ち、課題によらず)このように構成することができる。
When the network is configured to have a covalent connection form of connection weights (in the case where the distribution of synaptic connection weights of different neurons is represented by the same weight coefficient distribution of 1), the amount of delay at each synapse (described below). P ij ) may be uniform in the same receptive field unlike the case of FIG. For example, the connection from the feature detection layer to the feature integration layer is performed when the feature integration layer performs subsampling by local averaging (however, uniform weighting) of the output of the feature detection layer that is the preceding layer. Such a configuration can be made regardless of the detection target (that is, regardless of the problem).

【0050】この場合、図4の(A)の各小回路401
は、図4の(C)のように、単一の回路Sk,iで済み、特
に経済的な回路構成となる。一方、特徴統合層(または
センサー入力層)から特徴検出層への結合がこのように
なっている場合、特徴検出ニューロンが検出するのは、
複数の異なる特徴要素を表すパルスの同時到着(或い
は、略同時到着)という、イベントである。
In this case, each small circuit 401 shown in FIG.
Requires only a single circuit Sk, i as shown in FIG. 4C , which is a particularly economical circuit configuration. On the other hand, if the connection from the feature integration layer (or sensor input layer) to the feature detection layer is like this, the feature detection neuron will detect
This is an event called simultaneous arrival (or almost simultaneous arrival) of pulses representing a plurality of different characteristic elements.

【0051】図4の(B)に示すように各シナプス結合
小回路401は、学習回路402と位相遅延回路403とからな
る。学習回路402は、位相遅延回路403の特性を変化させ
ることにより、上記遅延量を調整し、また、その特性値
(或いはその制御値)を浮遊ゲート素子、或いは浮遊ゲ
ート素子と結合したキャパシタ上に記憶するものであ
る。位相遅延回路403はパルス位相変調回路であり、例
えば、図5(A)に示すような単安定マルチバイブレー
タ506、507及び、抵抗501、504、キャパシタ503、505、
トランジスター502を用いた構成がある。図5(B)は
単安定マルチバイブレータ506へ入力された方形波P1(図
5(B)[1])、単安定マルチバイブレータ506から出力
される方形波P2(同[2])、単安定マルチバイブレータ507
から出力される方形波P3(同[3])の各タイミングを表し
ている。
As shown in FIG. 4B, each synapse coupling small circuit 401 includes a learning circuit 402 and a phase delay circuit 403. The learning circuit 402 adjusts the delay amount by changing the characteristics of the phase delay circuit 403, and also stores the characteristic value (or its control value) on the floating gate element or on a capacitor coupled to the floating gate element. It is something to memorize. The phase delay circuit 403 is a pulse phase modulation circuit, and includes, for example, monostable multivibrators 506 and 507, resistors 501 and 504, capacitors 503 and 505 as shown in FIG.
There is a structure using the transistor 502. FIG. 5B shows a square wave P 1 input to the monostable multivibrator 506 (FIG. 5B [1]), a square wave P 2 output from the monostable multivibrator 506 (the same [2]), Monostable multivibrator 507
Represents the respective timings of the square wave P 3 (the same [3]) output from.

【0052】位相遅延回路403の動作機構の詳細につい
ては説明を省略するが、Pのパルス幅は、充電電流に
よるキャパシタ503の電圧が予め定められた閾値に達す
るまでの時間で決まり、Pの幅は抵抗504とキャパシ
タ505による時定数で決まる。Pのパルス幅が(図5
の(B)の点線方形波のように)広がって、その立ち下
がり時点が後にずれるとP3の立ち上がり時点も同じ量
ずれるが、Pのパルス幅は変わらないので、結果的に
入力パルスの位相だけが変調されて出力されたことにな
る。
[0052] Although not described details of the operating mechanism of the phase delay circuit 403, the pulse width of P 1 is determined by the time to reach the threshold voltage of the capacitor 503 by the charging current is predetermined, P 2 Is determined by the time constant of the resistor 504 and the capacitor 505. The pulse width of P 2 (FIG. 5
The way) spreads the dotted square wave (B), the rise time of P3 deviates later time down the falling is also shifted the same amount, the pulse width of P 3 does not change, resulting in the input pulse phase Is modulated and output.

【0053】制御電圧Ecを基準電圧のリフレッシュ回路
509と結合荷重を与えるキャパシタ508への電荷蓄積量制
御を行う学習回路402で変化させることにより、パルス
位相(遅延量)を制御することができる。この結合荷重
の長期保持のためには、学習動作後に図5の(A)の回
路の外側に付加される浮遊ゲート素子(図示せず)のチ
ャージとして、或いはデジタルメモリへの書き込み等を
行って結合荷重を格納してもよい。その他回路規模を小
さくなるように工夫した構成(例えば、特開平5−37
317号公報、特開平10−327054号公報参照)
など周知の回路構成を用いることができる。
A refresh circuit that uses the control voltage Ec as a reference voltage
The pulse phase (delay amount) can be controlled by changing the learning circuit 402 that controls the amount of charge stored in the capacitor 508 that applies the connection weight to the capacitor 509. In order to maintain the connection weight for a long period of time, after the learning operation, as a charge of a floating gate element (not shown) added to the outside of the circuit of FIG. The coupling load may be stored. In addition, a configuration devised to reduce the circuit scale (for example,
317, JP-A-10-327054)
For example, a known circuit configuration can be used.

【0054】パルスの同時到着、或いは所定の位相変調
量を実現するシナプスでの学習回路の例としては、図5
の(C)に示すような回路要素を有するものを用いれば
よい。即ち、学習回路402をパルス伝播時間計測回路510
(ここで、伝播時間とは、ある層のニューロンの前シナ
プスでのパルス出力時刻と次の層上にある出力先ニュー
ロンでの当該パルスの到着時刻との時間差をさす)、時
間窓発生回路511、及び伝播時間が一定値となるように
シナプス部でのパルス位相変調量を調整するパルス位相
変調量調整回路512から構成できる。
FIG. 5 shows an example of a learning circuit at the synapse that achieves simultaneous arrival of pulses or a predetermined amount of phase modulation.
What has a circuit element as shown in FIG. That is, the learning circuit 402 is connected to the pulse propagation time measurement circuit 510.
(Here, the propagation time refers to a time difference between a pulse output time at a pre-synapse of a neuron of a certain layer and an arrival time of the pulse at an output destination neuron on the next layer), a time window generating circuit 511. , And a pulse phase modulation amount adjustment circuit 512 that adjusts the pulse phase modulation amount at the synapse so that the propagation time becomes a constant value.

【0055】伝播時間計測回路510としては、後述する
ような同一局所受容野を形成するペースメーカーニュー
ロンからのクロックパルスを入力し、所定の時間幅(時
間窓:図3の(B)参照)において、そのクロックパル
スのカウンター回路からの出力に基づき伝播時間を求め
るような構成などが用いられる。なお、時間窓は出力先
ニューロンの発火時点を基準として設定することによ
り、以下に示すような拡張されたHebbの学習則が適用さ
れる。
As the propagation time measuring circuit 510, a clock pulse from a pacemaker neuron forming the same local receptive field as described later is input, and within a predetermined time width (time window: see FIG. 3B). A configuration in which the propagation time is obtained based on the output of the clock pulse from the counter circuit is used. By setting the time window based on the firing time of the output destination neuron, an extended Hebb's learning rule as described below is applied.

【0056】特徴検出層(1,0)での処理(Gabor wavelet
変換等による低次特徴抽出) 特徴検出層(1,0)には、局所的な、ある大きさの領域
で所定の空間周波数を持ち、方向成分が垂直であるよう
なパターンの構造(低次特徴)を検出するのニューロン
があるとすると、データ入力層1上のN1の受容野内に該
当する構造が存在すれば、そのコントラストに応じた位
相でパルス出力する。このような機能はGabor filterに
より実現することができる。以下、特徴検出層(1,0)
の各ニューロンが行う特徴検出フィルタ機能について説
明する。
Processing at the feature detection layer (1,0) (Gabor wavelet
( Lower-order feature extraction by transformation, etc.) The feature detection layer (1, 0) has a pattern structure (lower-order feature) having a predetermined spatial frequency in a local area of a certain size and having a vertical directional component. Assuming that there is a neuron for detecting the characteristic, if there is a corresponding structure in the N1 receptive field on the data input layer 1, a pulse is output at a phase corresponding to the contrast. Such a function can be realized by a Gabor filter. Hereinafter, the feature detection layer (1, 0)
The feature detection filter function performed by each neuron will be described.

【0057】特徴検出層(1,0)では、多重スケール、
多重方向成分のフィルタセットで表されるGaborウエー
ブレット変換を行うものとし、層内の各ニューロン(ま
たは複数ニューロンからなる各グループ)は、所定の G
aborフィルタ機能を有する。特徴検出層では、スケール
レベル(解像度)が一定で方向選択性の異なる複数のGa
bor関数の畳み込み演算カーネルに対応する受容野構造
を有するニューロンからなる複数のニューロン集団を一
まとめにして一つのチャネルを形成する。
In the feature detection layer (1, 0), multi-scale
It is assumed that Gabor wavelet transform represented by a filter set of multi-directional components is performed, and each neuron (or each group including a plurality of neurons) in a layer has a predetermined G value.
It has an abor filter function. In the feature detection layer, a plurality of Gas with a fixed scale level (resolution) and different direction selectivities
A plurality of neuron groups consisting of neurons having a receptive field structure corresponding to the convolution operation kernel of the bor function are collectively formed to form one channel.

【0058】その際、同一チャネルを形成するニューロ
ン群は方向選択性が異なり、サイズ選択性が同一のニュ
ーロン群どうしを互いに近接した位置に配置してもよい
し、同一の特徴カテゴリに属し、異なる処理チャネルに
属するニューロン群どうしが互いに近接配置されるよう
にしてもよい。これは、集団的符号化における後述する
結合処理の都合上各図に示すような配置構成にした方
が、回路構成上実現しやすいことによる。
At this time, neuron groups forming the same channel have different direction selectivities, and neuron groups having the same size selectivity may be arranged at positions close to each other, or belong to the same feature category and differ. Neuron groups belonging to the processing channel may be arranged close to each other. This is because the arrangement configuration as shown in each drawing is easier to realize in terms of the circuit configuration for the sake of the combining process described later in the collective coding.

【0059】なお、Gabor wavelet変換を神経回路網で
行う方法の詳細については、Daugman(1988)による文献
(IEEE Trans. on Acoustics, Speech, and Signal Pro
cessing, vol.36, pp.1169-1179)を参照されたい。
The details of the method of performing the Gabor wavelet conversion in a neural network are described in the literature by Daugman (1988) (IEEE Trans. On Acoustics, Speech, and Signal Pro
cessing, vol. 36, pp. 1169-1179).

【0060】特徴検出層(1,0)の各ニューロンは、g
mnに対応する受容野構造を有する。同じスケールインデ
ックスmを有するgmnは同じサイズの受容野を有し、演
算上は対応するカーネルgmnサイズもスケールインデッ
クスに応じた大きさを有するようにしてある。ここで
は、最も粗いスケールから順に入力画像上の30x3
0、15x15、7x7のサイズとした。各ニューロン
は、分布重み係数と画像データとの積和入力を行って得
られるウエーブレット変換係数値の非線型squashing関
数となる出力レベル(ここでは位相基準とする;但し、
周波数、振幅、パルス幅基準となる構成でもよい)でパ
ルス出力を行う。この結果、この層(1,0)全体の出
力として、Gabor wavelet変換が行われたことになる。
Each neuron in the feature detection layer (1,0) is represented by g
It has a receptive field structure corresponding to mn . G mn having the same scale index m has the same size receptive field, and the corresponding kernel g mn size has a size corresponding to the scale index in operation. Here, 30 × 3 on the input image in order from the coarsest scale
The sizes were 0, 15 × 15, and 7 × 7. Each neuron outputs a non-linear squashing function of a wavelet transform coefficient value obtained by inputting a product sum of a distribution weight coefficient and image data (here, a phase reference is used;
The pulse output may be performed based on the frequency, amplitude, and pulse width. As a result, Gabor wavelet conversion is performed as the output of the entire layer (1, 0).

【0061】特徴検出層での処理(中次、高次特徴抽
出) 後続の特徴検出層((1,1)、(1,2)、・・・)の各ニュ
ーロンは、上記特徴検出層(1,0)とは異なり、認識対象
のパターンに固有の特徴を検出する受容野構造をいわゆ
るHebb学習則等により形成する。後の層ほど特徴検出を
行う局所的な領域のサイズが認識対象全体のサイズに段
階的に近くなり、幾何学的には中次または高次の特徴を
検出する。
Processing at the feature detection layer (medium and high order feature extraction)
Out) subsequent feature detection layer ((1,1), (1,2), each neuron ...), unlike the feature detection layer (1,0), a unique feature in the pattern to be recognized Is formed by the so-called Hebb learning rule or the like. The size of the local region where the feature detection is performed gradually becomes closer to the size of the entire recognition target in a later layer, and a medium-order or higher-order feature is geometrically detected.

【0062】例えば、顔の検出認識を行う場合には中次
(または高次)の特徴とは顔を構成する目、鼻、口等の
図形要素のレベルでの特徴を表す。異なる処理チャネル
間では、同じ階層レベル(検出される特徴の複雑さが同
レベル)であれば、検出される特徴の違いは、同一カテ
ゴリであるが、互いに異なるスケールで検出されたもの
であることにある。例えば、中次の特徴としての「目」
は異なる処理チャネルでは、サイズの異なる「目」とし
て検出を行う。即ち、画像中の与えられたサイズの
「目」に対してスケールレベル選択性の異なる複数の処
理チャネルにおいて検出が試みられる。
For example, in the case of performing face detection / recognition, the middle-order (or higher-order) features represent features at the level of a figure element such as an eye, a nose, and a mouth that constitute the face. If different processing channels have the same hierarchical level (the complexity of detected features is the same level), the detected features differ in the same category but are detected on different scales. It is in. For example, "eye" as a secondary feature
In different processing channels, detection is performed as "eyes" having different sizes. That is, detection is attempted in a plurality of processing channels with different scale level selectivity for a given size "eye" in the image.

【0063】なお、特徴検出層ニューロンは一般的に
(低次、高次特徴抽出に依らず)、出力の安定化のために
抑制性(分流型抑制:shunting inhibition)の結合を前
段の層出力に基づいて受けるような機構を有してもよ
い。
Note that the feature detection layer neuron is generally
A mechanism may be provided to receive the coupling of the shunting inhibition (shunting inhibition) based on the output of the preceding layer in order to stabilize the output (independent of low-order and higher-order feature extraction). .

【0064】特徴統合層での処理 特徴統合層((2,0)、(2,1)、・・・)のニューロンに
ついて説明する。図1に示すごとく特徴検出層(例えば
(1,0))から特徴統合層(例えば(2,0))への結合は、
当該特徴統合ニューロンの受容野内にある前段の特徴検
出層の同一特徴要素(タイプ)のニューロンから興奮性
結合の入力及び後述するペースメーカニューロン出力(P
Nout1)をともに図2(B)の興奮性入力側で受けるよう
に構成され、統合層のニューロンの機能は前述したごと
く、各特徴カテゴリごとの局所平均化、最大値検出その
他のサブサンプリング等である。
Processing in the Feature Integration Layer The neurons in the feature integration layer ((2,0), (2,1),...) Will be described. As shown in FIG. 1, a feature detection layer (for example,
The connection from (1,0)) to the feature integration layer (eg, (2,0)) is
The input of excitatory connections and the output of a pacemaker neuron (P
N out1 ) are received on the excitatory input side in FIG. 2B, and the functions of the neurons in the integrated layer are, as described above, local averaging for each feature category, maximum value detection, and other subsampling. It is.

【0065】前者によれば、複数の同一種類の特徴のパ
ルスを入力し、それらを局所的な領域(受容野)で統合
して平均化する(或いは、受容野内での最大値等の代表
値を算出する)ことにより、その特徴の位置のゆらぎ、
変形に対しても確実に検出することができる。このた
め、特徴統合層ニューロンの受容野構造は、特徴カテゴ
リによらず一様(例えば、いずれも所定サイズの矩形領
域であって、かつ感度または重み係数がその中で一様分
布するなど)となるように構成してよい。
According to the former, a plurality of pulses of the same type of characteristic are inputted, and they are integrated in a local area (receptive field) and averaged (or a representative value such as a maximum value in the receptive field). ), The position fluctuation of the feature,
Deformation can be reliably detected. For this reason, the receptive field structure of the feature integration layer neuron is uniform regardless of the feature category (for example, each is a rectangular region of a predetermined size, and the sensitivity or the weight coefficient is uniformly distributed therein). You may comprise so that it may become.

【0066】特徴統合層でのパルス信号処理 このように本実施形態では、特徴統合細胞は、その前の
層番号(1,k)の特徴検出層上のペースメーカニューロン
からのタイミング制御は受けるようには、構成していな
い。なぜならば、特徴統合細胞においては、入力パルス
の到着時間パターンではなく、むしろ一定の時間範囲で
の入力レベル(入力パルスの時間的総和値など)によっ
て決まる位相(周波数、パルス幅、振幅のいずれかが依
存してもよいが、本実施形態では位相とした)でのパル
ス出力をするため、時間窓の発生タイミングは余り重要
ではないからである。なお、このことは、特徴統合細胞
が前段の層の特徴検出層のペースメーカニューロンから
のタイミング制御を受ける構成を排除する趣旨ではな
く、そのような構成も可能であることはいうまでもな
い。
In this embodiment , the pulse signal processing in the feature integration layer is such that the feature integration cell receives the timing control from the pacemaker neuron on the feature detection layer of the preceding layer number (1, k). Does not configure. This is because, in a feature-integrated cell, the phase (frequency, pulse width, or amplitude) determined by the input level (such as the sum of the input pulses over time) within a certain time range, rather than the arrival time pattern of the input pulse. However, since the pulse is output in the present embodiment, the timing is not so important because the pulse is output. Note that this is not intended to exclude a configuration in which the feature-integrated cells receive the timing control from the pacemaker neuron in the feature detection layer in the preceding layer, and it goes without saying that such a configuration is also possible.

【0067】パターン検出の動作原理 次に、2次元図形パターンのパルス符号化と検出方法に
ついて説明する。図3は、特徴統合層から特徴検出層へ
の(例えば、図1の層(2,0)から層(1,1)への)パル
ス信号の伝播の様子を模式的に示したものである。特徴
統合層側の各ニューロンniは、それぞれ異なる特徴量
(或いは特徴要素)に対応し、特徴検出層側のニューロ
ンn'jは、同一受容野内の各特徴を組み合わせて得られ
る、より高次の特徴(図形要素)の検出に関与する。
[0067] The operating principle of the pattern detection Next, pulse code of two-dimensional figure pattern detection method will be described. FIG. 3 schematically shows the propagation of a pulse signal from the feature integration layer to the feature detection layer (for example, from layer (2,0) to layer (1,1) in FIG. 1). . Each neuron n i on the feature integration layer side corresponds to a different feature amount (or feature element), and a neuron n ′ j on the feature detection layer side is a higher order neuron obtained by combining the features in the same receptive field. Related to the detection of features (graphic elements).

【0068】各ニューロン間結合には、パルスの伝播時
間とニューロンniからニューロンn' jへのシナプス結合
(Sj,i)での時間遅れ等による固有(特徴に固有)の
遅延が生じ、その結果としてニューロンn'jに到着する
パルス列Piは、特徴統合層の各ニューロンからパルス出
力がなされる限り、学習によって決まるシナプス結合で
の遅延量により、所定の順序(及び間隔)になっている
(図3(A)では、P4,P3,P2,P1の順に到着するように示
されている)。
The connection between each neuron is made during the pulse propagation.
Between and neuron niFrom neuron n ' jSynaptic connection to
(Sj, i) Due to time delay etc. (specific to feature)
A delay occurs, resulting in neuron n 'jArrive at
Pulse train PiIs a pulse output from each neuron in the feature integration layer.
As long as the power is exerted, the synaptic connections determined by learning
Are in a predetermined order (and interval) depending on the delay amount of
(In FIG. 3A, PFour, PThree, PTwo, P1Shown to arrive in the order
Has been).

【0069】図3(B)は、後述するペースメーカニュ
ーロンからのタイミング信号を用いて時間窓の同期制御
を行う場合において、ペースメーカニューロンの出力と
特徴統合層ニューロン間の位相同期がとれた後について
の層番号(2,k)上の特徴統合細胞n、n、n(それ
ぞれ異なる種類の特徴を表す)から、層番号(1,k+1)
上のある特徴検出細胞(n'j)(より上位の特徴検出を行
う)へのパルス伝播のタイミング等を示す。
FIG. 3B shows a case where the phase window is synchronized between the output of the pacemaker neuron and the feature integration layer neuron when the time window synchronization control is performed using the timing signal from the pacemaker neuron described later. From the feature integrated cells n 1 , n 2 , and n 3 on the layer number (2, k) (representing different types of characteristics), the layer number (1, k + 1)
The timing of pulse propagation to an upper certain feature detection cell (n ′ j ) (which performs higher-order feature detection) and the like are shown.

【0070】図6においてペースメーカニューロンn
pは、同一の受容野を形成し、かつ異なる種類の特徴を
検出する特徴検出ニューロン(nj,nk等)に付随し、そ
れらと同一の受容野を形成して、特徴統合層(または入
力層)からの興奮性結合を受ける。また、ペースメーカ
ニューロンからの出力はかかる特徴統合層ニューロンの
興奮性入力へも出力されるため、特徴統合層ニューロン
群とペースメーカニューロン間での(ループ状の)相互
結合が存在する。ペースメーカニューロンは、その入力
の総和値(或いは受容野全体の活動度レベル平均値な
ど、受容野全体に固有の活動特性を表す状態に依存する
ように制御するため)によって決まる所定のタイミング
で入力パルス信号に位相同期するようにパルス出力を行
う。このためには図13(A)に示すように、ペースメ
ーカニューロン回路としては、前述したニューロン素子
回路(図2(B))においてペースメーカ入力を位相同
期検出窓信号入力とし、抑制性入力を一定時間範囲で特
徴統合ニューロンからのパルス入力がある限り入力され
る定常入力としたもの(図13(B))に位相同期検出
及び制御回路7が付加された構成になっている。
In FIG. 6, the pacemaker neuron n
p is associated with feature detecting neurons (n j , nk, etc.) that form the same receptive field and detect different types of features, form the same receptive field as them, and form a feature integration layer (or Input from the input layer). In addition, since the output from the pacemaker neuron is also output to the excitatory input of the feature integration layer neuron, there is a (loop-like) interconnection between the feature integration layer neuron group and the pacemaker neuron. The pacemaker neuron receives an input pulse at a predetermined timing determined by the sum of its inputs (or to control the state of the receptive field, such as the average activity level of the entire receptive field, to be dependent on a state representing an activity characteristic unique to the entire receptive field). Pulse output is performed so that the phase is synchronized with the signal. For this purpose, as shown in FIG. 13 (A), the pacemaker neuron circuit uses the above-mentioned neuron element circuit (FIG. 2 (B)) with the pacemaker input as the phase synchronization detection window signal input and the suppressive input as the fixed time. The configuration is such that a phase synchronization detection and control circuit 7 is added to a constant input (FIG. 13B) which is input as long as there is a pulse input from the feature integration neuron in the range.

【0071】位相同期検出及び制御回路7は、ニューロ
ン素子回路(図13(B))からの出力パルス(図13
(A)のPNout2,pre)と前段の層である特徴統合層ニュ
ーロンからの複数のパルスを入力し、後述する位相同期
検出窓の開始時刻を基準とする特徴統合層ニューロンか
らのパルス信号の各位相(以下、Pと記載する)に応
じたパルス信号出力(図15のPN2,out1、及び図13
(A)のPNout1)、即ち、複数の特徴統合層ニューロン
からの入力パルスについての位相Pのアンサンブル平
均値の時間的変動幅(ペースメーカ出力間隔できまる所
定時間幅(図15のT)について)が基準値以下となり
所定値に収束するようにペースメーカニューロン出力
(PNout1)の位相を調節して特徴統合層ニューロンに出
力する。以下その詳細を説明する。
The phase synchronization detection and control circuit 7 outputs an output pulse (FIG. 13) from the neuron element circuit (FIG. 13B).
(A) (PN out2, pre ) and a plurality of pulses from the preceding layer of the feature integration layer neuron are input, and the pulse signal from the feature integration layer neuron based on the start time of the phase synchronization detection window described later is used as a reference. each phase (hereinafter referred to as P I) PN 2 of the pulse signal output (Fig. 15 corresponding to, out1, and 13
PN out1) of (A), i.e., a plurality of feature integration layer temporal variation width (pacemaker determined by output interval predetermined duration (T in FIG. 15) of the ensemble average of the phase P I of the input pulse from the neuron ) Is below the reference value and converges to a predetermined value, and the phase of the pacemaker neuron output (PN out1 ) is adjusted and output to the feature integration layer neuron. The details will be described below.

【0072】図13(A)の位相同期検出及び制御回路
7は、図13(C)に示すように位相同期検出窓発生回
路及びパルス信号(PNout1)発生回路、及び制御回路と
から構成され、位相同期検出窓発生回路からは所定幅の
パルス信号がニューロン素子回路に対して出力される。
ニューロン素子回路では、このパルス信号がONのとき
だけ特徴統合層ニューロン等からの入力パルス信号の時
間的積分が行われ、所定閾値以上のときにパルス信号
(図13(A)のPNout2,pre)を出力する。
[0072] Figure 13 phase synchronization detection and control circuit 7 in (A) is composed of a phase synchronization detection window generating circuit and the pulse signal (PN out1) generating circuit, and a control circuit as shown in FIG. 13 (C) A pulse signal having a predetermined width is output from the phase synchronization detection window generating circuit to the neuron element circuit.
In the neuron element circuit, the temporal integration of the input pulse signal from the feature integration layer neuron or the like is performed only when this pulse signal is ON, and when the pulse signal is equal to or larger than a predetermined threshold value, the pulse signal (PN out2, pre in FIG. ) Is output.

【0073】制御回路中の同期検出信号誘起回路は、こ
のパルス信号PNout2,preの入力が所定時間幅内にあれ
ば、PNout2発生回路に出力を促す信号Sを出力し続
け、同PN out2発生回路からは同期検出信号パルス(以下
の説明のPN2,out2)が特徴検出層ニューロンに出力され
る。PNout2発生回路としては、このPNout2信号とパルス
信号(PNout1)とが(同期確立後は)ほぼ同位相となる
ように閾値処理回路からの出力に応じてスイッチON/
OFFを行うスイッチ回路、或いはパルス信号(P
N out1)に一定の遅延を与える遅延回路などにより構成
される。また、収束判定回路は以下に説明するPNout1
出力タイミング制御を行う際の収束判定を行う回路であ
る。
The synchronization detection signal inducing circuit in the control circuit
Pulse signal PNout2, preInput within the specified time span
PNout2Signal S for prompting the generator to outputpContinue to output
Ke, PN out2The synchronization detection signal pulse (hereinafter
Description of PN2, out2) Is output to the feature detection layer neuron.
You. PNout2As a generating circuit, this PNout2Signals and pulses
Signal (PNout1) Are almost in phase (after synchronization is established)
Switch ON / OFF according to the output from the threshold processing circuit
A switch circuit that turns OFF or a pulse signal (P
N out1) With a delay circuit that gives a fixed delay to
Is done. In addition, the convergence determination circuit uses a PN described below.out1of
This circuit performs convergence judgment when performing output timing control.
You.

【0074】次に、PN2,out1を受けた後の特徴統合層ニ
ューロンの動作について説明する。ペースメーカニュー
ロンに同期する前の特徴統合層ニューロンの出力は前述
した通りであり(特徴統合層でのパルス信号処理に記
載)、ペースメーカニューロンからの出力パルス(PN
2,out1)を受けない限り、前段の特徴検出層からのパル
ス信号の積分値が所定基準値(閾値)を越えた時にパル
ス出力を行う一方、(複数の)PNout1を受けた後は統合
層ニューロンからの出力タイミングは、前回のパルス出
力から所定時間幅内において、ペースメーカニューロン
からの入力パルスを加えた積分値が閾値を越す時間がそ
の出力タイミングとなる。なお、特徴統合層ニューロン
から特徴検出層ニューロンへの出力は後述するように図
16のシナプス結合回路を介して行われる。
Next, the operation of the feature integration layer neuron after receiving PN 2, out1 will be described. The output of the feature integration layer neuron before synchronization with the pacemaker neuron is as described above (described in Pulse signal processing in the feature integration layer ), and the output pulse (PN
2, out1 ), the pulse output is performed when the integrated value of the pulse signal from the preceding feature detection layer exceeds a predetermined reference value (threshold value), while after receiving (plural) PN out1 , integration is performed. The output timing from the layer neuron is the output timing within a predetermined time width from the previous pulse output in which the integrated value of the input pulse from the pacemaker neuron exceeds the threshold. The output from the feature integration layer neuron to the feature detection layer neuron is performed via a synapse connection circuit in FIG. 16 as described later.

【0075】図14(A)は、ペースメーカニューロン
を中心とする前後の特徴統合層ニューロンと特徴検出層
ニューロンとの結合の関係を模式的に表したものであ
る。ここに、ペースメーカニューロンPN2は特徴検出
層ニューロンN'2Dに付随し、直接の入力を受ける特
徴統合層に対してN'2Dと同じ受容野に属する特徴統
合層ニューロン(N1I, ・・・,N4I)からの入力を受ける。同
様にしてペースメーカニューロンPN3は特徴検出層ニ
ューロンN'3Dに付随し、直接の入力を受ける特徴統合
層に対してN'3Dと同じ受容野に属する特徴統合層ニュ
ーロン(N3I, ・・・,N6 I)からの入力を受ける。N1Iへの
入力は無く、N2IからN4Iへの入力は強く、また、N5I,N
6Iへの入力は弱いものとする。ペースメーカニューロン
と特徴統合層ニューロン間は相互結合を、また後続の特
徴検出層ニューロンに対してはペースメーカニューロン
からの一方向に信号が流れる結合をなしている。
FIG. 14A schematically shows the connection between the feature integration layer neuron and the feature detection layer neuron before and after the pacemaker neuron. Here, the pacemaker neuron PN 2 is attached to the feature detection layer neuron N ′ 2D , and the feature integration layer neurons (N 1I ,...) Belonging to the same receptive field as N ′ 2D with respect to the feature integration layer receiving direct input. , N 4I ). Similarly, the pacemaker neuron PN 3 is attached to the feature detection layer neuron N ′ 3D , and the feature integration layer neurons (N 3I ,...) Belonging to the same receptive field as N ′ 3D with respect to the feature integration layer receiving direct input. , N 6 I ). There is no input to N 1I , the input from N 2I to N 4I is strong, and N 5I , N
The input to 6I shall be weak. A connection is made between the pacemaker neuron and the feature integration layer neuron, and a signal flows in one direction from the pacemaker neuron to the subsequent feature detection layer neuron.

【0076】特徴統合層ニューロンから特徴検出層ニュ
ーロンへの結合は図14(A)では、点線で示してある
(シナプス結合は省略)。また、かかる結合によりパル
ス信号が伝達するためには、ペースメーカニューロンか
らの所定のパルス出力(以下のPN2,out2)があったとき
のみとするために、該当するパルス出力があったときだ
け開くゲート回路(またはスイッチ回路)をシナプス結
合回路の出力側に設定してある。図16にこの構成の概
要を示す。なお、PN2,out1とPN2,out2はともに位相同期
検出回路からのパルス出力である。
The connection from the feature integration layer neuron to the feature detection layer neuron is shown by a dotted line in FIG. 14A (the synapse connection is omitted). Further, in order to transmit a pulse signal by such a connection, only when there is a predetermined pulse output ( PN2, out2 below) from the pacemaker neuron, it is opened only when there is a corresponding pulse output. The gate circuit (or switch circuit) is set on the output side of the synapse connection circuit. FIG. 16 shows an outline of this configuration. Note that PN2, out1 and PN2 , out2 are both pulse outputs from the phase synchronization detection circuit.

【0077】ペースメーカニューロン(PN)に特徴統
合層ニューロン(NjI)からのパルス信号を入力する
際に、特徴統合層ニューロンからの少なくとも一つパル
ス入力があった後、所定の周期(T)でごく短い時間幅
の時間窓(図1(D)の位相同期検出窓)信号を位相同
期検出及び制御回路7から発生し、ペースメーカニュー
ロン素子回路はその時間窓においてのみパルス信号を入
力するように構成する。また、このとき、位相同期検出
及び制御回路7からPN2,out1のパルス出力が以下に説明
するタイミング制御方式に従って特徴統合層ニューロン
に対してなされる。
When a pulse signal from the feature integration layer neuron (N jI ) is input to the pacemaker neuron (PN), at a predetermined cycle (T) after at least one pulse input from the feature integration layer neuron is received. A time window signal having a very short time width (a phase synchronization detection window in FIG. 1D) is generated from the phase synchronization detection and control circuit 7, and the pacemaker neuron element circuit is configured to input a pulse signal only in the time window. I do. At this time, the pulse output of PN2, out1 is output from the phase synchronization detection and control circuit 7 to the feature integration layer neuron in accordance with the timing control method described below.

【0078】この位相同期検出窓での入力パルス信号の
時間的積分値が、所定の閾値より高、PNout2,preの位相
が前述したように所定時間幅内にあれば、パルス信号出
力(PN2,out2の出力パルス)が位相同期検出及び制御回
路7から特徴統合層ニューロン及び特徴検出層ニューロ
ンに対してあり、このパルス信号(PN2,out2)入力があ
ったときに、特徴統合層ニューロンからの出力パルス信
号は、シナプス結合回路で位相変調などの変調処理を受
け、特徴検出層ニューロンでは特徴統合層ニューロンか
らのシナプス結合を経由したパルス信号の時間的積分が
図15に示す時間軸積分窓の範囲内で行われる。なお、
同期検出後のPN2,out1とPN2,out2とのタイミングは固定
であり、ここでは図3(B)との整合をとるために遅延
なしとする。
If the temporal integration value of the input pulse signal in the phase synchronization detection window is higher than a predetermined threshold and the phase of PN out2, pre is within the predetermined time width as described above, the pulse signal output (PN 2, out2 output pulse) from the phase synchronization detection and control circuit 7 to the feature integration layer neuron and the feature detection layer neuron, and when this pulse signal (PN2 , out2 ) is input, the feature integration layer neuron Is subjected to modulation processing such as phase modulation in a synapse connection circuit. In the feature detection layer neuron, the temporal integration of the pulse signal via the synapse connection from the feature integration layer neuron is represented by the time axis integration shown in FIG. Done within the window. In addition,
The timings of PN2 , out1 and PN2 , out2 after the synchronization is detected are fixed, and here, there is no delay in order to match with FIG. 3B.

【0079】図15は、図14に対応する各ニューロン
のパルス出力タイミングを表す。ペースメーカニューロ
ンは、そのパルス出力(PNout1)タイミングをその位相
同期検出窓の開始時刻を基準として以下に示す変調規則
に従ってタイミングパルス(PN2,out1)の出力位相(2
πTpi/T)を変調する。ここに、Tpiのインデクスi
は、i番めの変調に係るパルス出力タイミングであるこ
とを表す。図15では画像の呈示後最初のペースメーカ
ニューロン出力(PN2,out1)があった後からTp1+Tp2
時間(遷移時間)経過後に同期確立が位相同期検出窓内
でのパルス積分値が所定値以上となったことにより検出
され、第2の出力(PN2,out2)がなされる。なお、最初
のPN2,out1は、位相同期検出窓と同じタイミングで出力
され、また、T'は最初の同期検出後にタイミング信号
(PN2,out1)が発生するまでの時間で固定値とし、最初
の同期検出後の位相同期した定常状態ではT'は存在しな
いようにPN2,out2出力は制御されるものとする。
FIG. 15 shows the pulse output timing of each neuron corresponding to FIG. Pacemaker neurons, the pulse output (PN out1) output phase of the timing pulses in accordance with a modulation rule described below the starting time of the phase synchronization detection window based on the timing (PN 2, out1) (2
πT pi / T). Where the index i of T pi
Represents the pulse output timing related to the i-th modulation. Presentation after the first pacemaker neuron output in FIG. 15 in the image (PN 2, out1) pulse integrated value of the time (transition time) synchronization establishment in the phase synchronization detection window after a T p1 + T p2 from after an The second output (PN2 , out2 ) is detected when the value exceeds the predetermined value. Note that the first PN 2, out1 is output at the same timing as the phase synchronization detection window, and T 'is a fixed time which is the time from when the first synchronization is detected until the timing signal (PN 2, out1 ) is generated, It is assumed that the output of PN2, out2 is controlled so that T ′ does not exist in a steady state in which the phases are synchronized after the first synchronization is detected.

【0080】ここで時間窓の発生周期により正規化され
るペースメーカニューロンの出力位相をP(=2πT
/T)で表し、また、時刻t(時間窓発生周期Tを単
位とする離散時間)での複数の特徴統合層ニューロンか
らのパルス信号の位相Pのアンサンブル平均を<P>
(例えば、統合層ニューロンnIからの出力パルスの時
刻tでの位相をPI(t)とすると、
Here, the output phase of the pacemaker neuron normalized by the time window generation cycle is represented by P p (= 2πT
expressed as p / T), The time t (time window generation of the pulse signals from a plurality of feature integration layer neurons in discrete time) that the period T as a unit phase P I of the ensemble average <P I>
t (For example, if the phase at time t of the output pulse from the integrated layer neuron n I is P I (t),

【外1】 [Outside 1]

【0081】となる。ここにNは入力を行う特徴統合層
ニューロン数)とする。その所定時間幅あたりの時刻t
での変動幅をΔ<Pとおき、αを1未満の正定数
とすると、ペースメーカニューロン(PN)から出力さ
れるタイミングパルスの位相変調量ΔPは、例えば以
下のように表される。
Is obtained. Here, N is the number of feature integrated layer neurons to be input. Time t per the predetermined time width
Is assumed to be Δ <P I > t and α is a positive constant less than 1, the phase modulation amount ΔP p of the timing pulse output from the pacemaker neuron (PN) is expressed as follows, for example. You.

【0082】ΔP(t+1) = -αP(t)[Δ<
/ΔP(t)] ここに、時刻t+1は便宜上離散時間で表したものであ
り、特徴検出層ニューロンからの少なくとも一つパルス
入力があった時刻tから単位離散時間経過後の時刻を示
す。 この式によれば、直前の位相制御量の単位変化量
に対応するΔ<P>に比例する因子で逆向きにP
制御している。
[0082] ΔP p (t + 1) = -αP p (t) [Δ <
P I > t / ΔP p (t)] Here, time t + 1 is represented by discrete time for convenience, and a unit discrete time elapses from time t at which at least one pulse input from the feature detection layer neuron is received. Indicates the time. According to this equation, P p is controlled in the opposite direction by a factor proportional to Δ <P I > corresponding to the unit change amount of the immediately preceding phase control amount.

【0083】このような変調を行ってPNout1の位相が代
わることにより、統合層ニューロン出力のタイミングが
変わり、位相同期検出窓内に入る統合層ニューロン出力
が所定値以上になるように作用する。
[0083] By such modulation to be performed by the phase of the PN out1 alternatives, changes the timing of the integration layer neuron output acts to integration layer neuron output entering the phase synchronization detection within the window is equal to or greater than a predetermined value.

【0084】なお、統合層ニューロンからのパルス位相
の変動が小さくなるようにペースメーカニューロンから
の出力パルスの位相を変調するものであれば他の変調方
式を用いてもよいことは言うまでもない。収束の判定
は、特徴統合層ニューロンからのパルス信号の位相のバ
ラツキ(例えば、分散)がペースメーカューロンの発生
する時間窓(位相同期検出窓)の時間幅相当以下となっ
たか否かに基づき位相同期検出及び制御回路7の収束判
定回路(図13(C))において行い、収束判定された
らPNout1出力回路に位相変調を停止させる信号を送る。
It is needless to say that another modulation method may be used as long as the phase of the output pulse from the pacemaker neuron is modulated so that the fluctuation of the pulse phase from the integrated layer neuron is reduced. The convergence is determined based on whether or not the phase variation (for example, variance) of the pulse signal from the feature integration layer neuron is equal to or less than the time width of the time window (phase synchronization detection window) in which the pacemaker-curon occurs. The convergence determination circuit (FIG. 13C) of the phase synchronization detection and control circuit 7 performs a convergence determination and sends a signal for stopping phase modulation to the PN out1 output circuit when the convergence is determined.

【0085】このような調整を各ペースメーカニューロ
ンにおいて行うことにより、一つのペースメーカニュー
ロンと前層特徴統合層ニューロンとの位相同期ばかりで
なく、ペースメーカニューロン群と特徴統合層ニューロ
ン群の同期クラスタが形成される。即ち、重複受容野部
分にあたる統合層ニューロンには、このように互いに同
期したペースメーカニューロン群からのタイミング信号
が入力される。
By performing such an adjustment in each pacemaker neuron, not only the phase synchronization of one pacemaker neuron and the pre-layer feature integration layer neuron, but also a synchronization cluster of the pacemaker neuron group and the feature integration layer neuron group is formed. You. That is, timing signals from the pacemaker neurons synchronized with each other are input to the integrated layer neurons corresponding to the overlapping receptive field portion.

【0086】その前提条件として、特徴統合層ニューロ
ンへのペースメーカニューロンからのパルス出力レベル
(例えばパルス幅)は以下に示す同期確立の検出までは
他の入力成分である特徴検出層ニューロンからのパルス
の出力レベル(同様に例えばパルス幅)よりも大きく、
従って各特徴統合(検出)層ニューロンでのパルス信号
の時間的積分値(電流ベース)への相対的寄与が大きい
とする。
As a prerequisite, the pulse output level (eg, pulse width) from the pacemaker neuron to the feature integration layer neuron is the pulse of the pulse from the feature detection layer neuron, which is another input component, until the detection of synchronization establishment shown below. Greater than the output level (similarly for example the pulse width)
Therefore, it is assumed that the relative contribution to the temporally integrated value (current base) of the pulse signal in each feature integration (detection) layer neuron is large.

【0087】次にペースメーカニューロン群内での同期
確立過程について説明する。同期確立までの間は、例え
ば異なる特徴統合層ニューロンからのパルス信号の位相
のバラツキ(アンサンブル平均の変動量)Δ<P>が
大きくなるような変化に対しては、各特徴統合層ニュー
ロンからのパルス出力の位相差が小さくなるようにペー
スメーカニューロン出力(PNout1)の各位相をそれぞれ
ΔPの変調式により更新する。
Next, the process of establishing synchronization within the pacemaker neuron group will be described. Until the synchronization is established, for example, for a change in which the phase variation (variation amount of the ensemble average) Δ <P I > of the pulse signals from the different feature integration layer neurons becomes large, each feature integration layer neuron performs Are updated by the modulation formula of ΔP p so that the phase difference between the pulse outputs of the above becomes small.

【0088】例えば、時刻tでのペースメーカニューロ
ンPN1,PN2の各出力(PNout1)の位相をP
p1(t)、Pp2(t)とすると、変調後の各出力の
位相差δP(t)(=Pp2(t)―Pp1(t))は、 δP(t+1)=δP(t)[1― αΔ<P>t/
ΔP(t)] のように表される。従ってαΔ<P>t/ΔP
(t)が1未満の正数となるようにΔP(t)を位
相同期検出及び制御回路7が変調すればペースメーカニ
ューロン間出力の位相差はゼロに収束する。
For example, the phase of each output (PN out1 ) of the pacemaker neurons PN1 and PN2 at time t is represented by P
p1 (t), when the P p2 (t), the phase difference [delta] P of the outputs of modulated (t) (= P p2 ( t) -P p1 (t)) is, δP (t + 1) = δP (t) [1-αΔ <P I > t /
ΔP p (t)]. Therefore, αΔ <P I > t / ΔP
If the phase synchronization detection and control circuit 7 modulates ΔP p (t) so that p (t) is a positive number less than 1, the phase difference between the pacemaker neurons converges to zero.

【0089】また、同期検出後はペースメーカ出力(PN
out1)は、特徴統合層ニューロンのパルス出力に関する
時間的積分値に基づいて特徴検出層ニューロンからの出
力が決まるように特徴統合層ニューロンのパルス出力レ
ベルと同レベル以下となるように位相同期検出及び制御
回路7が同出力を制御している。以上のようにすると同
期検出までは重複受容野に出力する複数のペースメーカ
ニューロンから出力されるタイミング信号の位相のバラ
ツキが小さいほど同じ受容野に属する複数の特徴統合層
ニューロンからペースメーカニューロンへ出力されるパ
ルスの位相差が少なくなる。その結果、位相同期検出窓
での積分値が閾値を越して、同期が検出される。このよ
うに各ペースメーカニューロン毎に他の隣接するペース
メーカニューロンからのタイミング信号も受ける特徴統
合層ニューロンからの入力パルス信号の位相の変動の符
号と逆符号(例えば位相平均が大きくなる方向、即ち遅
くなる成分のパルス入力があるときはタイミングパルス
を早く出力する)でかつ小さくなるように(αは1未満
の正定数)当該ペースメーカからのタイミングパルス信
号の位相が変調を受ける結果、ペースメーカニューロン
間での出力パルス位相に関する(間接的な)相互作用が
生じ、その結果として特徴統合層ニューロンからのパル
ス信号とこのタイミングクロックパルスとの間に位相同
期をもたらす引き込みが起こる。なお、位相同期化はこ
のようなペースメーカニューロンからのタイミング制御
による引き込みによるのではなく、例えば図1(C2)
に示すように、隣接したペースメーカニューロンとの間
での出力パルス信号の位相を比較する位相比較器8を用
いてその位相バラツキ(比較すべき位相が複数の場合は
位相のアンサンブル平均値など)が所定値に収束するよ
うな出力パルスのタイミング制御を行ってもよい。以上
で局所タイミング信号の制御についての説明を終わる。
After the synchronization is detected, the pacemaker output (PN
out1 ) performs phase synchronization detection so that the output from the feature detection layer neuron is equal to or lower than the pulse output level of the feature integration layer neuron so that the output from the feature detection layer neuron is determined based on the temporal integration value regarding the pulse output of the feature integration layer neuron. The control circuit 7 controls the output. As described above, until the synchronization detection, the smaller the phase variation of the timing signal output from the plurality of pacemaker neurons that output to the overlapping receptive field, the smaller the phase variation of the timing signal output from the plurality of feature integrated layer neurons belonging to the same receptive field is output to the pacemaker neuron The phase difference between the pulses is reduced. As a result, the integration value in the phase synchronization detection window exceeds the threshold, and synchronization is detected. In this way, the sign of the phase change of the input pulse signal from the feature integration layer neuron that also receives the timing signal from another adjacent pacemaker neuron for each pacemaker neuron (for example, in the direction in which the phase average increases, that is, the phase becomes slower) When there is a pulse input of the component, the timing pulse signal from the pacemaker is modulated such that the timing pulse is output earlier and smaller (α is a positive constant less than 1). An (indirect) interaction with respect to the output pulse phase occurs, which results in a pull-in that results in phase synchronization between the pulse signal from the feature integration layer neuron and this timing clock pulse. It should be noted that the phase synchronization is not based on the pull-in by the timing control from such a pacemaker neuron, for example, as shown in FIG.
As shown in (1), the phase variation (for example, when there are a plurality of phases to be compared, the average value of the ensemble of the phases, etc.) is determined by using the phase comparator 8 for comparing the phase of the output pulse signal with the adjacent pacemaker neuron. The output pulse timing may be controlled so as to converge to a predetermined value. This concludes the description of the control of the local timing signal.

【0090】再び図3において、特徴検出ニューロンで
は、ペースメーカニューロンからの入力がある前は後述
する時間窓積分は行われず、ペースメーカニューロンか
らのパルス入力をトリガーとして、同積分が行われる。
Referring again to FIG. 3, in the feature detection neuron, before there is an input from the pacemaker neuron, time window integration described later is not performed, and the same integration is performed with a pulse input from the pacemaker neuron as a trigger.

【0091】ここに、時間窓(図15に示す位相同期検
出窓である前記ペースメーカニューロンの時間窓とは異
なる)は特徴検出細胞(n'i)ごとに定められ、当該細胞
に関して同一受容野を形成する特徴統合層内の各ニュー
ロンおよび、ペースメーカニューロンに対して共通であ
り、時間窓積分の時間範囲を与える。
Here, a time window (different from the time window of the pacemaker neuron which is the phase synchronization detection window shown in FIG. 15) is determined for each characteristic detection cell (n ′ i ), and the same receptive field is defined for the cell. It is common to each neuron in the forming feature integration layer and to the pacemaker neuron and provides a time range for time window integration.

【0092】層番号(1,k)にあるペースメーカニューロ
ンは(kは自然数)、パルス出力を層番号(2,k-1)の各
特徴統合細胞、及びそのペースメーカニューロンが属す
る特徴検出細胞(層番号(1,k))に出力することによ
り、特徴検出細胞が時間的に入力を加算する際の時間窓
発生のタイミング信号を与えている。この時間窓の開始
時刻が各特徴統合細胞から出力されるパルスの到着時間
を図る基準時となる。即ち、ペースメーカニューロンは
特徴統合細胞からのパルス出力時刻、及び特徴検出細胞
での時間窓積分の基準パルスを与える。
The pacemaker neuron at layer number (1, k) (k is a natural number) outputs the pulse output from each feature-integrated cell of layer number (2, k-1) and the feature detection cell (layer) to which the pacemaker neuron belongs. The number (1, k)) provides a timing signal for the generation of a time window when the feature detection cells temporally add their inputs. The start time of this time window is a reference time for determining the arrival time of the pulse output from each integrated cell. That is, the pacemaker neuron provides a pulse output time from the feature-integrated cell and a reference pulse for time window integration in the feature-detected cell.

【0093】各パルスは、シナプス回路を通過すると所
定量の位相遅延が与えられ、更に共通バスなどの信号伝
達線を通って特徴検出細胞に到着する。この時のパルス
の時間軸上の並びを、特徴検出細胞の時間軸上において
点線で表したパルス(P,P,P)により示す。
Each pulse is given a predetermined amount of phase delay when passing through the synapse circuit, and further, reaches a feature detecting cell through a signal transmission line such as a common bus. The arrangement of the pulses on the time axis at this time is indicated by the pulses (P 1 , P 2 , P 3 ) indicated by dotted lines on the time axis of the feature detection cells.

【0094】特徴検出細胞において各パルス(P,P
,P)の時間窓積分(通常、一回の積分とする;但
し、多数回に渡る時間窓積分による電荷蓄積、または多
数回に渡る時間窓積分の平均化処理を行ってもよい)の
結果、閾値より大となった場合には、時間窓の終了時刻
を基準としてパルス出力(P)がなされる。なお、同
図に示した学習時の時間窓とは、後で説明する学習則を
実行する際に参照されるものである。
[0094] Each in feature detection cells pulsed (P 1, P
2 , P 3 ) time window integration (usually one integration; however, charge accumulation by multiple time window integrations or averaging of multiple time window integrations may be performed) As a result, when it becomes larger than the threshold value, a pulse output (P d ) is made based on the end time of the time window. Note that the learning time window shown in the figure is referred to when a learning rule described later is executed.

【0095】パルス出力の時空間的統合及びネットワー
ク特性 次に入力パルスの時空間的重み付き総和(荷重和)の演
算について説明する。図7(B)に示すごとく、各ニュ
ーロンでは、上記サブ時間窓(タイムスロット)毎に所定
の重み関数(例えばGaussian)で入力パルスの荷重和が
とられ、各荷重和の総和が閾値と比較される。τjはサ
ブ時間窓jの重み関数の中心位置を表し、時間窓の開始
時刻基準(開始時間からの経過時間)で表す。重み関数
は一般に所定の中心位置(検出予定の特徴が検出された
場合のパルス到着時間を表す)からの距離(時間軸上で
のずれ)の関数になる。
Spatio- temporal integration of pulse output and network
Click properties Next calculation of spatial weighted sum when the input pulses (weighted sum) will be described. As shown in FIG. 7B, in each neuron, the weighted sum of the input pulses is calculated by a predetermined weighting function (for example, Gaussian) for each sub-time window (time slot), and the sum of the weighted sums is compared with a threshold. Is done. τ j represents the center position of the weighting function of the sub-time window j, and is represented by the start time reference (elapsed time from the start time) of the time window. The weight function is generally a function of a distance (shift on a time axis) from a predetermined center position (representing a pulse arrival time when a feature to be detected is detected).

【0096】シナプスで特徴の種類に応じた位相変調が
行われる一方、ここでは前段の層でのニューロン出力レ
ベルにシナプス荷重に応じた乗算を時間軸上のこの重み
関数値を参照して行ってもよい。
While phase modulation is performed at the synapse in accordance with the type of feature, multiplication according to the synapse load is performed on the neuron output level in the preceding layer by referring to the weight function value on the time axis. Is also good.

【0097】各サブ時間窓内での重み関数形状が対称形
をなしている場合、ニューロンの各サブ時間窓(タイム
スロット)の重み関数の中心位置τが、ニューロン間の
学習後の時間遅れとすると、入力パルスの時空間的重み
付き総和(荷重和)を行う神経回路網は一種の時間軸ド
メインの動径基底関数ネットワーク(Radial Basis Fun
ction Network;以下RBFと略す)とみなすことがで
きる。Gaussian関数の重み関数を用いたニューロンni
時間窓FTiは、各サブ時間窓毎の広がりをσ、係数因子
をbijで表すと、
When the shape of the weighting function in each sub-time window is symmetric, the center position τ of the weighting function of each sub-time window (time slot) of the neuron is determined by the time delay between the neurons after learning. Then, a neural network that performs spatio-temporal weighted summation of input pulses (weighted sum) is a kind of time-domain radial basis function network (Radial Basis Fun Network).
ction Network; hereinafter abbreviated as RBF). The time window F Ti of the neuron n i using the weight function of the Gaussian function is expressed as σ for each sub-time window and b ij for the coefficient factor.

【外2】 ・・・(1) となる。なお、重み関数としては、負の値をとるもので
あってもよい。例えば、ある特徴検出層のニューロンが
三角形を最終的に検出することが予定されている場合
に、その図形パターンの構成要素でないことが明らかな
特徴(Ffauls )が検出された場合には、他の特
徴要素からの寄与が大きくても三角形の検出出力が最終
的になされないように、入力の総和値算出処理におい
て、当該特徴(Ffaulse)に対応するパルスから
は、負の寄与を与えるような重み関数及び特徴検出(統
合)細胞からの結合を与えておくことができる。
[Outside 2] ... (1) Note that the weight function may take a negative value. For example, when the neurons in a feature detection layer is expected to detect the triangle Finally, if the graphic pattern is evident feature that is not a component of (F fauls e) is detected, In the input sum calculation processing, a negative contribution is given from the pulse corresponding to the feature (F false ) so that the detection output of the triangle is not finally performed even if the contribution from other feature elements is large. Such weighting functions and feature detection (integration) coupling from cells can be provided.

【0098】特徴検出層のニューロンniへの入力信号の
時空間和Xi(t)は、
[0098] space sum when the input signal to the neuron n i of the feature detection layer X i (t) is

【外3】 ・・・(2) となる。ここに、εjは、ニューロンnjからの出力パル
スの初期位相であり、ニューロンniとの同期発火によ
り、0に収束するか、又はペースメーカニューロンから
のタイミングパルス入力により、時間窓の位相を0に強
制同期する場合には、εjは常に0としてよい。図7
(A)のパルス入力と同(B)に示す重み関数による荷
重和を実行すると、図7(E)に示すような荷重和値の
時間的遷移が得られる。特徴検出ニューロンは、この荷
重和値が閾値(Vt)に達するとパルス出力を行う。ニュー
ロンniからの出力パルス信号は、前述したように、入力
信号の時空間和(いわゆる総入力和)のsquashing非線
形関数となる出力レベルと学習により与えられた時間遅
れ(位相)をもって上位層のニューロンに出力される
(パルス出力は固定周波数(2値)とし、学習によって決
まる固定遅延量に相当する位相に入力信号の時空間和に
ついてのsquashing非線形関数となる位相変調量を加え
て出力される)。
[Outside 3] ... (2) Here, ε j is the initial phase of the output pulse from the neuron n j , and converges to 0 by synchronous firing with the neuron n i , or changes the phase of the time window by the timing pulse input from the pacemaker neuron. When forcibly synchronizing to 0, ε j may always be 0. FIG.
When the weighted function shown in FIG. 7B and the weighted function shown in FIG. 7B are executed, a temporal transition of the weighted sum value as shown in FIG. 7E is obtained. The feature detection neuron outputs a pulse when the weighted sum reaches a threshold value (Vt). The output pulse signal from the neuron n i, as described above, the upper layer with a space-time sum squashing nonlinear function to become an output level and a given time delay by learning (the so-called total input sum) of the input signal (phase) Output to neuron (pulse output is fixed frequency (binary), and output is added by adding a phase modulation amount that becomes a squashing nonlinear function for spatiotemporal sum of input signal to a phase corresponding to a fixed delay amount determined by learning ).

【0099】特徴検出層処理 以下、特徴検出層で主に行われる処理(学習時、認識時)
について説明する。各特徴検出層においては、前述した
ように各スケールレベルごとに設定される処理チャネル
内において同一受容野からの複数の異なる特徴に関する
パルス信号を入力し、時空間的重み付き総和(荷重和)
演算と閾値処理を行う。各特徴量に対応するパルスは予
め学習により定められた遅延量(位相) により、所定の
時間間隔で到着する。このパルス到着時間パターンの学
習制御は、本発明の主眼ではないので詳しくは説明しな
いが、例えば、ある図形パターンを構成する特徴要素が
その図形の検出に最も寄与する特徴であるほど先に到着
し、そのままでは、パルス到着時間がほぼ等しくなる特
徴要素間では、互いに一定量だけ時間的に離れて到着す
るような競争学習を導入する。或いは、予め決められた
特徴要素(認識対象を構成する特徴要素であって、特に
重要と考えられるもの:例えば、平均曲率の大きい特
徴、直線性の高い特徴など)間で異なる時間間隔で到着
する様に設計してもよい。
Processing mainly performed in the feature detection layer (at the time of learning and recognition)
Will be described. In each feature detection layer, as described above, pulse signals related to a plurality of different features from the same receptive field are input in the processing channel set for each scale level, and a spatio-temporal weighted sum (weighted sum) is input.
Perform calculations and threshold processing. Pulses corresponding to each feature amount arrive at predetermined time intervals according to a delay amount (phase) predetermined by learning. Since the learning control of the pulse arrival time pattern is not the focus of the present invention and will not be described in detail, for example, it is assumed that a feature element constituting a certain figure pattern arrives earlier so that it is a feature that contributes most to the detection of the figure. In this case, competitive learning is introduced such that the feature elements whose pulse arrival times are almost equal arrive at a certain amount of time apart from each other. Alternatively, predetermined feature elements (feature elements constituting a recognition target, which are considered to be particularly important: for example, a feature having a large average curvature, a feature having a high linearity, etc.) arrive at different time intervals. It may be designed as follows.

【0100】本実施形態では、前段の層である特徴統合
層上の同一受容野内の各低次特徴要素に相当するニュー
ロンは、それぞれ所定の位相で同期発火(パルス出力)
することになる。一般的に特徴統合層のニューロンであ
って位置が異なるが同一の高次の特徴を検出する特徴検
出ニューロンへの結合が存在する(この場合、受容野は
異なるが、高次の同じ特徴を構成する結合を有する)。
この時、これら特徴検出ニューロンとの間でも同期発火
することはいうまでもない。但し、その出力レベル(こ
こでは位相基準とする;但し、周波数、振幅、パルス幅
基準となる構成でもよい)は特徴検出ニューロンの受容
野ごとに与えられる複数ペースメーカニューロンからの
寄与の総和(或いは平均など)によって決まる。また、
特徴検出層上の各ニューロンにおいては入力パルスの時
空間的重み付き総和(荷重和)の演算は、ニューロンに
到着したパルス列について所定幅の時間窓においてのみ
行われる。時間窓内の重み付き加算を実現する手段は、
図2に示したニューロン素子回路に限らず、他の方法で
実現してもよいことは言うまでもない。
In this embodiment, the neurons corresponding to the respective lower-order feature elements in the same receptive field on the feature integration layer, which is the preceding layer, are synchronously fired (pulse output) at predetermined phases.
Will do. In general, there is a connection to a feature detection neuron that detects the same higher-order feature that is different in position but different in neurons in the feature integration layer (in this case, the same higher-order feature is formed although the receptive field is different) To have a bond).
At this time, it goes without saying that synchronous firing occurs even with these feature detection neurons. However, the output level (here, a phase reference; however, a configuration based on a frequency, an amplitude, and a pulse width may be used) is a sum (or an average) of contributions from a plurality of pacemaker neurons provided for each receptive field of the feature detection neuron. Etc.). Also,
In each neuron on the feature detection layer, the calculation of the spatiotemporally weighted sum of the input pulses (the weighted sum) is performed only in a time window of a predetermined width for the pulse train that has arrived at the neuron. Means for implementing weighted addition within a time window are:
It goes without saying that the present invention is not limited to the neuron element circuit shown in FIG.

【0101】この時間窓は、実際のニューロンの不応期
(refractory period)以外の時間帯にある程度対応して
いる。即ち、不応期(時間窓以外の時間範囲)にはどのよ
うな入力を受けてもニューロンからの出力はないが、そ
の時間範囲以外の時間窓では入力レベルに応じた発火を
行うという点が実際のニューロンと類似している。図3
(B)に示す不応期は、特徴検出細胞の発火直後から次
の時間窓開始時刻までの時間帯である。不応期の長さと
時間窓の幅は任意に設定可能であることはいうまでもな
く、同図に示したように時間窓に比べて不応期を短くと
らなくてもよい。
This time window corresponds to the refractory period of the actual neuron.
(refractory period) It corresponds to the time zone to some extent. In other words, there is no output from the neuron regardless of any input during the refractory period (time range other than the time window), but the firing according to the input level occurs in the time window other than that time range. Is similar to the neuron. FIG.
The refractory period shown in (B) is a time period from immediately after the firing of the feature detection cells to the next time window start time. Needless to say, the length of the refractory period and the width of the time window can be arbitrarily set, and the refractory period does not have to be shorter than the time window as shown in FIG.

【0102】本実施形態では、図6に模式的に示すよう
に、既に説明したメカニズムとして、例えば各特徴検出
層ニューロンごとに、その同一受容野からの入力を受け
るようなペースメーカニューロン(固定周波数でパルス
出力)によるタイミング情報(クロックパルス)の入力
により、上述した開始時期の共通化をもたらすようにし
た。
In this embodiment, as schematically shown in FIG. 6, as a mechanism already described, for example, for each feature detection layer neuron, a pacemaker neuron that receives an input from the same receptive field (at a fixed frequency) By inputting the timing information (clock pulse) by the pulse output), the above-mentioned common start timing is brought about.

【0103】このように構成した場合には、時間窓の同
期制御は(仮に必要であったとしても)ネットワーク全
体にわたって行う必要が無く、また、上記したようなク
ロックパルスの揺らぎ、変動があっても、局所的な同一
受容野からの出力に対して一様にその影響を受ける(窓
関数の時間軸上での位置の揺らぎは同一受容野を形成す
るニューロン間で同一となる)ので、特徴検出の信頼性
は劣化することはない。このような局所的な回路制御に
より信頼度の高い同期動作を可能にするため、回路素子
パラメータに関するばらつきの許容度も高くなる。
In the case of such a configuration, it is not necessary to perform the synchronization control of the time window (if it is necessary) over the entire network, and there is a fluctuation and fluctuation of the clock pulse as described above. Is also uniformly affected by the output from the local receptive field (the fluctuation of the position of the window function on the time axis is the same between neurons forming the same receptive field). The reliability of detection does not degrade. Since a highly reliable synchronous operation is enabled by such local circuit control, the tolerance of variation regarding circuit element parameters is also increased.

【0104】以下、簡単のために三角形を特徴として検
出する特徴検出ニューロンについて説明する。その前段
の特徴統合層は、図7(C)に示すような各種向きを持
ったL字パターン(f11, f12, ・・・, )、L字パターンとの
連続性(連結性)を有する線分の組み合わせパターン(f
21,f22,・・・)、三角形を構成する2辺の一部の組み合わ
せ(f31,・・・)、などのような図形的特徴(特徴要素)に反
応するものとする。
Hereinafter, a feature detecting neuron for detecting a triangle as a feature will be described for simplicity. The feature integration layer at the preceding stage provides L-shaped patterns (f 11 , f 12 ,...) Having various orientations as shown in FIG. 7C, and continuity (connectivity) with the L-shaped pattern. Line segment combination pattern (f
21 , f 22 ,...), A combination of two sides forming a triangle (f 31 ,...), And the like.

【0105】また、同図のf41,f42,f43は向きの異なる
三角形を構成する特徴であって、f11,f12,f13に対応す
る特徴を示している。学習により層間結合をなすニュー
ロン間に固有の遅延量が設定された結果、三角形の特徴
検出ニューロンにおいては、時間窓を分割して得られる
各サブ時間窓(タイムスロット)(w1,w2,・・・)において、
三角形を構成する主要かつ異なる特徴に対応するパルス
が到着するように予め設定がなされる。
Also, f 41 , f 42 , and f 43 in the figure are features constituting triangles having different directions, and indicate features corresponding to f 11 , f 12 , and f 13 . As a result of setting a specific delay amount between neurons forming interlayer connection by learning, in a triangular feature detection neuron, each sub time window (time slot) (w 1 , w 2 , ...)
The setting is made in advance so that the pulses corresponding to the main and different features constituting the triangle arrive.

【0106】例えば、時間窓をn分割した後のw1, w2,
・・・、wnには図 7(A)に示すごとく、全体として三角形
を構成するような特徴のセットの組み合わせに対応する
パルスが初めに到着する。ここに、L字パターン(f11,
f12, f13)は、それぞれw1,w2,w3内に到着し、特徴要素
(f21,f22,f23)に対応するパルスは、それぞれw1, w2,w3
内に到着するように学習により遅延量が設定されてい
る。
For example, w 1 , w 2 ,
..., the w n as shown in FIG. 7 (A), pulses corresponding to the combination of a set of features as constituting a triangle as a whole arrive first. Here, the L-shaped pattern (f 11 ,
f 12 , f 13 ) arrive within w 1 , w 2 , w 3 respectively, and the feature element
pulse corresponding to (f 21, f 22, f 23) , respectively w 1, w 2, w 3
The amount of delay is set by learning so as to arrive within.

【0107】特徴要素(f31,f32,f33)対応のパルスも同
様の順序で到着する。図7(A)の場合、一つのサブ時
間窓(タイムスロット)にそれぞれ一つの特徴要素に対
応するパルスが到着する。サブ時間窓に分割する意味
は、各サブ時間窓で時間軸上に展開表現された異なる特
徴要素に対応するパルスの検出(特徴要素の検出)を個
別にかつ確実に行うことにより、それらの特徴を統合す
る際の統合の仕方、例えば、すべての特徴要素の検出を
条件とするか、或いは一定割合の特徴検出を条件とする
か等の処理モードの変更可能性や適応性を高めることに
ある。例えば、認識(検出) 対象が顔であり、それを
構成するパーツである目の探索(検出)が重要であるよう
な状況においては(目のパターン検出の優先度を視覚探
索において高く設定したい場合)、高次の特徴検出層か
らのフィードバック結合を導入することにより、選択的
に目を構成する特徴要素パターンに対応する反応選択性
(特定の特徴の検出感度)を高めたりすることができ
る。このようにすることにより、高次の特徴要素(パタ
ーン)を構成する低次の特徴要素により高い重要度を与
えて検出することができる。
Pulses corresponding to the characteristic elements (f 31 , f 32 , f 33 ) arrive in the same order. In the case of FIG. 7A, a pulse corresponding to one characteristic element arrives in one sub time window (time slot). The meaning of dividing into sub-time windows is that, by performing pulse detection (detection of characteristic elements) corresponding to different characteristic elements developed and expressed on the time axis in each sub-time window individually and reliably, those characteristics are obtained. The purpose of the present invention is to increase the changeability and adaptability of the processing mode, such as whether the conditions of all feature elements are to be detected or a certain percentage of features are to be detected. . For example, in a situation where the target of recognition (detection) is a face, and the search (detection) of the eyes, which is a component of the face, is important, it is necessary to set the priority of the eye pattern detection high in the visual search. Introducing feedback feedback from a higher-order feature detection layer can selectively enhance the reaction selectivity (detection sensitivity of a specific feature) corresponding to a feature element pattern constituting an eye. By doing so, it is possible to give higher importance to the lower-order feature elements constituting the higher-order feature elements (patterns) and detect them.

【0108】また、重要な特徴ほど早いサブ時間窓にパ
ルスが到着するように予め設定されているとすると、当
該サブ時間窓での重み関数値が他のサブ時間窓での値よ
り大きくすることにより、重要度の高い特徴ほど検出さ
れやすくすることができる。この重要度(特徴間の検出
優先度)は学習により獲得されるか、予め定義しておく
こともできる。
Further, if it is set in advance that a pulse arrives in a sub time window as soon as an important feature is reached, the weight function value in the sub time window must be larger than the value in the other sub time windows. Thereby, the feature having a higher importance can be more easily detected. This importance (detection priority between features) can be obtained by learning or can be defined in advance.

【0109】従って、一定割合の特徴要素の検出という
事象さえ起きればよいのであれば、サブ時間窓への分割
は殆ど意味が無くなり、一つの時間窓において行えばよ
い。
Therefore, as long as it is only necessary to detect a certain percentage of characteristic elements, the division into sub-time windows has little meaning and may be performed in one time window.

【0110】なお、複数(3つ)の異なる特徴要素に対
応するパルスがそれぞれ到着して加算されるようにして
もよい(図7(D))。即ち、一つのサブ時間窓(タイム
スロット)に複数の特徴要素(図7(D))、或いは任意
の数の特徴要素に対応するパルスが入力されることを前
提としてもよい。この場合、図7(D)では、初めのサ
ブ時間窓では、三角形の頂角部分f11の検出を支持す
る他の特徴要素f21、f23に対応するパルスが到着
し、同様に2番目のサブ時間窓には頂角部分f 12の検
出を支持するような他の特徴要素f22、f31のパル
スが到着している。
Note that a plurality (three) of different characteristic elements
The corresponding pulses arrive and add up
(FIG. 7D). That is, one sub time window (time
Slot) with multiple feature elements (Fig. 7 (D)) or optional
Before the pulses corresponding to the number of feature elements are input
It may be a stake. In this case, in FIG.
In the time window, the vertex of the triangle f11Support detection of
Other characteristic element f21, F23The pulse corresponding to arrives
Similarly, in the second sub-time window, the vertex angle portion f 12Inspection
Other features f that support22, F31Pal
Has arrived.

【0111】なお、サブ時間窓(タイムスロット)への
分割数、各サブ時間窓(タイムスロット)の幅および特
徴のクラスおよび特徴に対応するパルスの時間間隔の割
り当てなどは上述した説明に限らず、変更可能であるこ
とはいうまでもない。
The number of divisions into sub-time windows (time slots), the width of each sub-time window (time slot), the class of the feature, and the assignment of the pulse time interval corresponding to the feature are not limited to those described above. Needless to say, it can be changed.

【0112】撮影装置などへ搭載した応用例 本実施形態の構成に係るパターン認識(検出)装置を撮影
手段に搭載させることにより、特定被写体へのフォーカ
シングや特定被写体の色補正、露出制御を行う場合につ
いて、図12を参照して説明する。図12は、実施形態
に係るパターン検出(認識)装置を撮像装置に用いた例
の構成を示す図である。
Application Example Mounted on Photographing Apparatus When pattern recognition (detection) apparatus according to the configuration of this embodiment is mounted on photographing means, focusing on a specific subject, color correction of a specific subject, and exposure control are performed. Will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration of an example in which the pattern detection (recognition) device according to the embodiment is used for an imaging device.

【0113】図12の撮像装置1101は、撮影レンズおよ
びズーム撮影用駆動制御機構を含む結像光学系1102、CC
D又はCMOSイメージセンサー1103、撮像パラメータ
の計測部1104、映像信号処理回路1105、記憶部1106、撮
像動作の制御、撮像条件の制御などの制御用信号を発生
する制御信号発生部1107、EVFなどファインダーを兼ね
た表示ディスプレイ1108、ストロボ発光部1109、記録媒
体1110などを具備し、更に上述したパターン検出装置を
被写体検出(認識)装置1111として備える。
An image pickup apparatus 1101 shown in FIG. 12 includes an image forming optical system 1102 including a photographing lens and a drive control mechanism for zoom photographing.
D or CMOS image sensor 1103, imaging parameter measurement unit 1104, video signal processing circuit 1105, storage unit 1106, control signal generation unit 1107 that generates control signals such as control of imaging operation, control of imaging conditions, and viewfinders such as EVF And a recording medium 1110, and the above-described pattern detection device as a subject detection (recognition) device 1111.

【0114】この撮像装置1101は、例えば撮影された映
像中から予め登録された人物の顔画像の検出(存在位
置、サイズの検出)を被写体検出(認識)装置1111により
行う。そして、その人物の位置、サイズ情報が被写体検
出(認識)装置1111から制御信号発生部1107に入力される
と、同制御信号発生部1107は、撮像パラメータ計測部11
04からの出力に基づき、その人物に対するピント制御、
露出条件制御、ホワイトバランス制御などを最適に行う
制御信号を発生する。
The image pickup apparatus 1101 detects, for example, a face image of a person registered in advance (detection of the position and size of a person) from a captured image by a subject detection (recognition) apparatus 1111. When the position and size information of the person is input from the subject detection (recognition) device 1111 to the control signal generation unit 1107, the control signal generation unit 1107
Focus control for that person based on the output from 04,
A control signal for optimally controlling exposure condition control, white balance control, and the like is generated.

【0115】上述したパターン検出(認識)装置を、この
ように撮像装置に用いることにより、当該被写体を確実
に検出(認識)する機能を低消費電力かつ高速(リアルタ
イム)に実現して、人物等の検出とそれに基づく撮影の
最適制御(AF、AEなど)を行うことができる。
By using the above-described pattern detection (recognition) device for an image pickup device in this way, the function of reliably detecting (recognizing) the subject can be realized with low power consumption and high speed (real time). Detection and optimal control of photographing based on the detection (AF, AE, etc.).

【0116】(第2の実施形態)本実施形態でのペース
メーカニューロンとそれに結合する他のニューロン(特
徴統合層及び検出層のニューロン群)の構成例を図8に
示す。ペースメーカニューロンは同一特徴カテゴリの検
出を行う特徴検出層ニューロンを所定数毎に分割して得
られるグループ毎に一つ存在し、かつ独立したタイミン
グパルス信号を発生するように構成した点が前実施形態
と異なる。
(Second Embodiment) FIG. 8 shows a configuration example of a pacemaker neuron and another neuron (a neuron group of a feature integration layer and a detection layer) connected to the pacemaker neuron in this embodiment. The first embodiment is characterized in that there is one pacemaker neuron for each group obtained by dividing a feature detection layer neuron for detecting the same feature category into a predetermined number and to generate an independent timing pulse signal. And different.

【0117】このようにすることにより、隣接する特徴
検出層ニューロン間での特徴統合層に対する重複した受
容野構造を排除し(特徴統合層ニューロンは一つのペー
スメーカニューロンからのタイミング信号のみ受け
る)、ペースメーカニューロンの数を減少させることが
できる。また前実施形態のように位相同期が確立するま
での遷移時間(図15ではTp1+Tp2)を無くすることが
でき、処理の高速化が得られる。図9に図8に対応する
各ニューロンのパルス出力タイミングの例を示す。ペー
スメーカニューロンのパルス出力(PNout)は、PN
時間窓(図9に示す)内での入力パルスの時間積分値が
所定の閾値を越えたときに他のペースメーカニューロン
とは独立してなされる。
In this way, the overlapping receptive field structure for the feature integration layer between adjacent feature detection layer neurons is eliminated (the feature integration layer neuron receives only the timing signal from one pacemaker neuron), The number of neurons can be reduced. Further, the transition time (T p1 + T p2 in FIG. 15) until the phase synchronization is established as in the previous embodiment can be eliminated, and the processing can be speeded up. FIG. 9 shows an example of the pulse output timing of each neuron corresponding to FIG. The pulse output (PN out ) of the pacemaker neuron is PN
When the time integrated value of the input pulse within the time window (shown in FIG. 9) exceeds a predetermined threshold value, it is performed independently of other pacemaker neurons.

【0118】なお、PN時間窓は、特徴統合層ニューロ
ンからの最初の(或いは、定常状態において繰り返し出
力される場合にはペースメーカニューロンからのパルス
出力後の最初の)パルス入力後、所定時間後に発生され
る。特徴検出層での時間軸積分窓の発生のためには、前
実施形態のような二つのパルス出力(PN2,out1とPN2,
out2)は不要である。
The PN time window is generated a predetermined time after the first pulse input from the feature integration layer neuron (or the first pulse after the pulse output from the pacemaker neuron when repeatedly output in a steady state). Is done. In order to generate a time axis integration window in the feature detection layer, two pulse outputs (PN 2, out1 and PN 2,
out2 ) is unnecessary.

【0119】本実施形態では、ペースメーカニューロン
は常に一定間隔でタイミングパルス信号を発生するので
はなく、ペースメーカニューロンの前段の層(特徴統合
層など)の受容野にあるニューロン群からのパルス信号
の時間的な平均パルス数が所定の閾値レベルに達したと
きだけタイミング信号を発生する。このようにすること
により、低消費電力化がもたらされる。
In the present embodiment, the pacemaker neuron does not always generate a timing pulse signal at a constant interval. Instead, the time of the pulse signal from the neuron group in the receptive field of the preceding layer (such as the feature integration layer) of the pacemaker neuron is used. The timing signal is generated only when the average number of pulses reaches a predetermined threshold level. By doing so, power consumption is reduced.

【0120】(第3の実施形態)本実施形態でのペース
メーカニューロンを中心とする結合に関する構成例を図
10(A),(B),図11に示す。ペースメーカニュ
ーロンを第2の実施形態と同様に分割して得られる特徴
検出層ニューロン群の代表位置として例えば、重心位置
またはその最近傍にあるニューロン(N3I)に入力される
特徴統合層ニューロンからのみパルス信号を受けて、所
定条件のもとでタイミングパルス信号を発生する。
(Third Embodiment) FIGS. 10 (A), (B), and FIG. 11 show configuration examples relating to connections centering on pacemaker neurons in this embodiment. For example, as a representative position of the feature detection layer neuron group obtained a pacemaker neurons are divided similarly to the second embodiment, only the feature integration layer neuron that is input to the neuron (N 3I) which is the gravity center position or a nearest neighbor In response to the pulse signal, a timing pulse signal is generated under predetermined conditions.

【0121】図10(A)においてペースメーカニュー
ロンPNは特徴検出層ニューロン(N'1D, N'2D, N'3D)に
対してタイミング制御のためのパルス信号を出力する結
合を有する。PNと結合する特徴検出層のニューロン群
の重心位置にあるのはN'2Dであり、N'2Dが結合する特徴
統合層ニューロンN1I,N2I,N3I,N4Iがペースメーカニュ
ーロンと相互結合をする(結合を太い矢印で示す)。こ
のように構成することにより、第2の実施形態と比べて
相互結合に要する配線の軽減がもたらされる。また上述
した配線の軽減を行っても重複する受容野構造の排除と
独立したタイミングパルスを発生するペースメーカニュ
ーロンを用いるがゆえに動作上の問題(複数のタイミン
グ制御信号が非同期入力されることによるペースメーカ
ニューロンと特徴検出層での時間窓発生タイミングのず
れ)は生じない。
[0121] pacemaker neuron PN in FIG. 10 (A) has a bound for outputting a pulse signal for the feature detection layer neuron (N '1D, N' 2D , N '3D) timing control for. N ' 2D is located at the center of gravity of the neuron group of the feature detection layer that is connected to the PN, and the feature integrated layer neurons N 1I , N 2I , N 3I , and N 4I that are connected to the N' 2D are interconnected with the pacemaker neuron (Bonds are indicated by thick arrows). With such a configuration, the number of wires required for mutual coupling is reduced as compared with the second embodiment. In addition, even if the wiring is reduced as described above, the operation problem is caused by the elimination of overlapping receptive field structures and the use of a pacemaker neuron that generates an independent timing pulse (a pacemaker neuron caused by asynchronous input of a plurality of timing control signals). And a time window generation timing in the feature detection layer).

【0122】同様に図10(B)に示す構成では、PN
と相互結合をするのは、N'2Dが入力を受ける特徴統合層
ニューロン群のうち、その重心位置近傍にあるニューロ
ンの一つ(N3I)のみである。かかる構成は相互結合のた
めの配線の更なる軽減をもたらす。また、ペースメーカ
ニューロンは図10(B)で入力を受けるべき特徴統合
層ニューロンのうち、最大出力を行うニューロンからの
み入力を受けるように構成することもできる。
Similarly, in the configuration shown in FIG.
Only one of the neurons in the vicinity of the center of gravity (N 3I ) of the feature integrated layer neuron group to which N ′ 2D receives the input is interconnected. Such an arrangement results in further reduction of wiring for interconnection. Further, the pacemaker neuron may be configured to receive an input only from a neuron that outputs the maximum among the feature integration layer neurons that should receive the input in FIG. 10B.

【0123】例えば、図11に示す構成では、特徴統合
層ニューロン群とペースメーカニューロンとの間にかか
る最大出力を検出するいわゆるWinner-Take-All回路
(以下、WTA回路と言う)を設定し、ペースメーカニ
ューロンはこのWTA回路からの出力を受けるようにし
ている。特徴統合層ニューロン群と特徴検出層ニューロ
ン群との結合は図10(A)(B)と同様である。この
ようにして入力(画像)データ上の所定範囲の局所領域
で最も顕著な特徴を検出する特徴統合層ニューロンから
の出力に基づく局所タイミング制御を行うことにより、
より小さい回路規模での並列パルス信号処理の安定動作
が実現される。
For example, in the configuration shown in FIG. 11, a so-called Winner-Take-All circuit (hereinafter, referred to as a WTA circuit) for detecting the maximum output between the feature integration layer neuron group and the pacemaker neuron is set, and the pacemaker is set. The neuron receives the output from the WTA circuit. The connection between the feature integration layer neuron group and the feature detection layer neuron group is the same as in FIGS. 10A and 10B. By performing local timing control based on the output from the feature integration layer neuron that detects the most prominent feature in a local area within a predetermined range on input (image) data,
A stable operation of parallel pulse signal processing with a smaller circuit scale is realized.

【0124】[0124]

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、分
散して存在する局所的なタイミングクロック信号の制御
を受けてパルス信号を介して動作する階層的並列処理回
路、特に複数の局所タイミングクロック信号を入力し、
パルス信号の時空間的積分と閾値処理を行う演算素子群
から構成される並列処理回路において、その安定動作を
保障し、かつ低消費電力化をもたらすことができるとい
う効果がある。
As described above, according to the present invention, a hierarchical parallel processing circuit which operates via a pulse signal under the control of a distributed local timing clock signal, particularly a plurality of local timing circuits Input a clock signal,
In a parallel processing circuit composed of a group of arithmetic elements for performing spatio-temporal integration of pulse signals and threshold processing, there is an effect that stable operation can be ensured and power consumption can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】ネットワーク全体構成図を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing an overall configuration diagram of a network.

【図2】シナプス部とニューロン素子部の構成を示す図
である。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration of a synapse section and a neuron element section.

【図3】特徴統合層(または入力層)からの特徴検出層
ニューロンへの複数パルス伝播の様子を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing how multiple pulses propagate from a feature integration layer (or an input layer) to a feature detection layer neuron.

【図4】シナプス回路の構成を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a configuration of a synapse circuit.

【図5】シナプス結合小回路の構成図、及び実施形態1
で用いるパルス位相遅延回路の構成図を示す。
FIG. 5 is a configuration diagram of a synapse connection small circuit, and Embodiment 1
1 shows a configuration diagram of a pulse phase delay circuit used in FIG.

【図6】特徴検出層ニューロンにペースメーカニューロ
ンからの入力がある場合のネットワーク構成を示す図で
ある。
FIG. 6 is a diagram showing a network configuration in a case where an input from a pacemaker neuron is provided to a feature detection layer neuron.

【図7】特徴検出ニューロンに入力される異なる特徴要
素に対応する複数パルスを処理する際の時間窓の構成、
重み関数分布の例、特徴要素の例を示す図である。
FIG. 7 shows a configuration of a time window when processing a plurality of pulses corresponding to different feature elements input to the feature detection neuron,
It is a figure which shows the example of a weight function distribution, and the example of a characteristic element.

【図8】第2の実施形態に係るペースメーカニューロン
を中心とした結合構造の模式図である。
FIG. 8 is a schematic diagram of a connection structure centering on a pacemaker neuron according to a second embodiment.

【図9】各ニューロンのパルス発火タイミングを示す図
である。
FIG. 9 is a diagram showing pulse firing timing of each neuron.

【図10】ペースメーカニューロンを中心とした結合構
造の模式図である。
FIG. 10 is a schematic diagram of a connection structure centering on a pacemaker neuron.

【図11】ペースメーカニューロンを中心とした結合構
造の模式図である。
FIG. 11 is a schematic diagram of a connection structure centering on a pacemaker neuron.

【図12】パターン認識装置を搭載した撮影装置の構成
例を示す図である。
FIG. 12 is a diagram illustrating a configuration example of a photographing device equipped with a pattern recognition device.

【図13】局所タイミング信号発生を行うペースメーカ
ニューロン回路の構成ブロックを示す図である。
FIG. 13 is a diagram showing a configuration block of a pacemaker neuron circuit that generates a local timing signal.

【図14】ペースメーカニューロンを中心とした結合構
造例の模式図である。
FIG. 14 is a schematic diagram of an example of a connection structure centering on a pacemaker neuron.

【図15】各ニューロンのパルス発火タイミングを示す
図である。
FIG. 15 is a diagram showing pulse firing timing of each neuron.

【図16】特徴統合層と特徴検出層間の結合例の模式的
を示す図である。
FIG. 16 is a diagram schematically illustrating an example of a combination between a feature integration layer and a feature detection layer.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H04N 7/18 G10L 3/00 539 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) H04N 7/18 G10L 3/00 539

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 所定の規則に基づき互いに結合し、並列
配置される複数の演算素子と、 入力される時系列信号パターンに応じて所定の周波数で
パルス状信号を発生し、所定の近傍の演算素子群に該パ
ルス状信号を出力する複数の局所タイミング信号発生回
路と、 該局所タイミング信号発生回路の出力する信号の少なく
とも一つと所定の前記演算素子群からの出力との同期を
検出する同期検出回路とを有し、 前記演算素子は前記同期検出回路の出力に基づき所定の
演算を実行することを特徴とする信号処理回路。
1. A plurality of arithmetic elements coupled to each other based on a predetermined rule and arranged in parallel, and a pulse-like signal is generated at a predetermined frequency in accordance with an input time-series signal pattern, and an operation in a predetermined neighborhood is performed. A plurality of local timing signal generation circuits for outputting the pulse-like signal to a group of elements; a synchronization detection for detecting synchronization between at least one of the signals output from the local timing signal generation circuit and an output from the predetermined arithmetic element group A signal processing circuit, wherein the arithmetic element performs a predetermined operation based on an output of the synchronization detection circuit.
【請求項2】 前記演算素子群と前記局所タイミング信
号発生回路とは相互作用により少なくとも一つの同期ク
ラスタを局所的に形成することを特徴とする請求項1に
記載の信号処理回路。
2. The signal processing circuit according to claim 1, wherein the arithmetic element group and the local timing signal generating circuit form at least one synchronous cluster locally by interaction.
【請求項3】 所定の規則に基づき互いに結合し、階層
的かつ並列に配置される複数の演算素子と、 入力される時系列信号パターンに応じて所定の周波数で
パルス状信号を発生し、所定の近傍の第一及び第二の演
算素子群に該パルス状信号を出力する局所タイミング信
号発生回路と、 前記パルス状信号と前記第一の演算素子群との相関又は
同期を検出する検出回路とを有し、 前記第二の演算素子群は前記検出回路からの出力に基づ
き前記第一の演算素子群からの出力を入力し、 前記局所タイミング信号発生回路は前記第二の演算素子
群の所定数の演算素子群毎に設けられていることを特徴
とする信号処理回路。
3. A plurality of arithmetic elements which are coupled to each other based on a predetermined rule and are arranged in a hierarchical and parallel manner, and generate a pulse-like signal at a predetermined frequency in accordance with an input time-series signal pattern. A local timing signal generation circuit that outputs the pulse-like signal to the first and second arithmetic element groups in the vicinity of the detection circuit, and a detection circuit that detects the correlation or synchronization between the pulse-like signal and the first arithmetic element group. The second operation element group receives an output from the first operation element group based on an output from the detection circuit, and the local timing signal generation circuit performs a predetermined operation of the second operation element group. A signal processing circuit provided for each of a number of arithmetic element groups.
【請求項4】 前記局所タイミング信号発生回路は、前
記第二の演算素子群の代表位置にある演算素子が入力を
受ける第一の演算素子からの出力を受けることを特徴と
する請求項3に記載の信号処理回路。
4. The local timing signal generation circuit according to claim 3, wherein an operation element at a representative position of the second operation element group receives an output from a first operation element which receives an input. A signal processing circuit as described.
【請求項5】 前記局所タイミング信号発生回路は、前
記第二の演算素子に対応する前記第一の演算素子群の代
表位置にある演算素子が入力を受ける第一の演算素子群
からの出力を受けることを特徴とする請求項3に記載の
信号処理回路。
5. The local timing signal generating circuit outputs an output from a first arithmetic element group which receives an input to an arithmetic element at a representative position of the first arithmetic element group corresponding to the second arithmetic element. 4. The signal processing circuit according to claim 3, wherein the signal processing circuit receives the signal.
【請求項6】 前記局所タイミング信号発生回路は、前
記第二の演算素子に対応する前記第一の演算素子群の代
表位置にある演算素子が入力を受ける第一の演算素子群
からの出力のうち、最大値を受けることを特徴とする請
求項3に記載の信号処理回路。
6. The local timing signal generating circuit outputs an output from a first arithmetic element group which receives an input to an arithmetic element at a representative position of the first arithmetic element group corresponding to the second arithmetic element. 4. The signal processing circuit according to claim 3, wherein the signal processing circuit receives a maximum value.
【請求項7】 前記局所タイミング信号発生回路と前記
第一の演算素子との結合の一部又は全部は相互結合であ
ることを特徴とする請求項1または3ないし6に記載の
信号処理回路。
7. The signal processing circuit according to claim 1, wherein a part or all of the connection between the local timing signal generation circuit and the first arithmetic element is a mutual connection.
【請求項8】 前記局所タイミング信号発生回路からの
局所タイミング信号の同期を検出する前記検出回路にお
いて、当該同期の検出は、他の局所タイミング信号発生
回路からのパルス信号を入力することにより、当該パル
ス信号と当該局所タイミング信号との位相差を検出する
ことを特徴とする請求項3に記載の信号処理回路。
8. The detection circuit for detecting synchronization of a local timing signal from the local timing signal generation circuit, wherein the synchronization is detected by inputting a pulse signal from another local timing signal generation circuit. 4. The signal processing circuit according to claim 3, wherein a phase difference between the pulse signal and the local timing signal is detected.
【請求項9】 前記局所タイミング信号発生回路は、複
数の前記第一の演算素子からのパルス出力の時間的変動
パターンに基づいてそのパルス出力タイミングを変調す
る出力パルスのタイミング変調回路を有することを特徴
とする請求項3に記載の信号処理回路。
9. The local timing signal generation circuit includes an output pulse timing modulation circuit that modulates a pulse output timing based on a temporal variation pattern of pulse outputs from the plurality of first arithmetic elements. The signal processing circuit according to claim 3, wherein:
【請求項10】 請求項1ないし9に記載の信号処理回
路を備え、該信号処理回路の出力に基づいて画像入力動
作の制御を行うことを特徴とする画像入力装置。
10. An image input apparatus comprising the signal processing circuit according to claim 1, wherein an image input operation is controlled based on an output of the signal processing circuit.
【請求項11】 所定次元のデータを入力する入力手段
と、 前記入力手段より入力されたデータより複数の特徴を検
出する特徴検出層をそれぞれ有する複数のデータ処理モ
ジュールと、 前記複数のデータ処理モジュールの出力に基づき、所定
のパターンの認識結果を出力する出力手段とを備え、 前記データ処理モジュールは、所定のシナプス結合手段
により互いに結合する複数の演算素子及び複数の局所タ
イミング信号発生素子とを有し、 前記演算素子は、複数の前記局所タイミング信号発生素
子からの入力信号と所定時間窓内での複数パルスの到着
時間パターンとに基づいた周波数又はタイミングでパル
ス状の信号を出力することを特徴とするパターン認識装
置。
11. An input unit for inputting data of a predetermined dimension, a plurality of data processing modules each having a feature detection layer for detecting a plurality of features from data input from the input unit, and the plurality of data processing modules Output means for outputting a recognition result of a predetermined pattern based on the output of the data processing module. The data processing module has a plurality of arithmetic elements and a plurality of local timing signal generation elements which are connected to each other by predetermined synapse connection means. The arithmetic element outputs a pulse-like signal at a frequency or timing based on input signals from the plurality of local timing signal generation elements and arrival time patterns of a plurality of pulses within a predetermined time window. Pattern recognition device.
【請求項12】 請求項11に記載のパターン認識装置
を備え、該パターン認識装置の出力に基づいて画像入力
動作の制御を行うことを特徴とする画像入力装置。
12. An image input device comprising the pattern recognition device according to claim 11, wherein an image input operation is controlled based on an output of the pattern recognition device.
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