S3TC: Spiking Separated Spatial and Temporal Convolutions with Unsupervised STDP-based Learning for Action Recognition

Video analysis is a major computer vision task that has received a lot of attention in recent years. The current state-of-the-art performance for video analysis is achieved with Deep Neural Networks (DNNs) that have high computational costs and need large amounts of labeled data for training. Spiking Neural Networks (SNNs) have significantly lower computational costs (thousands of times) than regular non-spiking networks when implemented on neuromorphic hardware. They have been used for video analysis with methods like 3D Convolutional Spiking Neural Networks (3D CSNNs). However, these networks have a significantly larger number of parameters compared with spiking 2D CSNN. This, not only increases the computational costs, but also makes these networks more difficult to implement with neuromorphic hardware. In this work, we use CSNNs trained in an unsupervised manner with the Spike Timing-Dependent Plasticity (STDP) rule, and we introduce, for the first time, Spiking Separated Spatial and Temporal Convolutions (S3TCs) for the sake of reducing the number of parameters required for video analysis. This unsupervised learning has the advantage of not needing large amounts of labeled data for training. Factorizing a single spatio-temporal spiking convolution into a spatial and a temporal spiking convolution decreases the number of parameters of the network. We test our network with the KTH, Weizmann, and IXMAS datasets, and we show that S3TCs successfully extract spatio-temporal information from videos, while increasing the output spiking activity, and outperforming spiking 3D convolutions

Synaptic Learning for Neuromorphic Vision - Processing Address Events with Spiking Neural Networks

Das Gehirn übertrifft herkömmliche Computerarchitekturen in Bezug auf Energieeffizienz, Robustheit und Anpassungsfähigkeit. Diese Aspekte sind auch für neue Technologien wichtig. Es lohnt sich daher, zu untersuchen, welche biologischen Prozesse das Gehirn zu Berechnungen befähigen und wie sie in Silizium umgesetzt werden können. Um sich davon inspirieren zu lassen, wie das Gehirn Berechnungen durchführt, ist ein Paradigmenwechsel im Vergleich zu herkömmlichen Computerarchitekturen erforderlich. Tatsächlich besteht das Gehirn aus Nervenzellen, Neuronen genannt, die über Synapsen miteinander verbunden sind und selbstorganisierte Netzwerke bilden. Neuronen und Synapsen sind komplexe dynamische Systeme, die durch biochemische und elektrische Reaktionen gesteuert werden. Infolgedessen können sie ihre Berechnungen nur auf lokale Informationen stützen. Zusätzlich kommunizieren Neuronen untereinander mit kurzen elektrischen Impulsen, den so genannten Spikes, die sich über Synapsen bewegen. Computational Neuroscientists versuchen, diese Berechnungen mit spikenden neuronalen Netzen zu modellieren. Wenn sie auf dedizierter neuromorpher Hardware implementiert werden, können spikende neuronale Netze wie das Gehirn schnelle, energieeffiziente Berechnungen durchführen. Bis vor kurzem waren die Vorteile dieser Technologie aufgrund des Mangels an funktionellen Methoden zur Programmierung von spikenden neuronalen Netzen begrenzt. Lernen ist ein Paradigma für die Programmierung von spikenden neuronalen Netzen, bei dem sich Neuronen selbst zu funktionalen Netzen organisieren. Wie im Gehirn basiert das Lernen in neuromorpher Hardware auf synaptischer Plastizität. Synaptische Plastizitätsregeln charakterisieren Gewichtsaktualisierungen im Hinblick auf Informationen, die lokal an der Synapse anliegen. Das Lernen geschieht also kontinuierlich und online, während sensorischer Input in das Netzwerk gestreamt wird. Herkömmliche tiefe neuronale Netze werden üblicherweise durch Gradientenabstieg trainiert. Die durch die biologische Lerndynamik auferlegten Einschränkungen verhindern jedoch die Verwendung der konventionellen Backpropagation zur Berechnung der Gradienten. Beispielsweise behindern kontinuierliche Aktualisierungen den synchronen Wechsel zwischen Vorwärts- und Rückwärtsphasen. Darüber hinaus verhindern Gedächtnisbeschränkungen, dass die Geschichte der neuronalen Aktivität im Neuron gespeichert wird, so dass Verfahren wie Backpropagation-Through-Time nicht möglich sind. Neuartige Lösungen für diese Probleme wurden von Computational Neuroscientists innerhalb des Zeitrahmens dieser Arbeit vorgeschlagen. In dieser Arbeit werden spikende neuronaler Netzwerke entwickelt, um Aufgaben der visuomotorischen Neurorobotik zu lösen. In der Tat entwickelten sich biologische neuronale Netze ursprünglich zur Steuerung des Körpers. Die Robotik stellt also den künstlichen Körper für das künstliche Gehirn zur Verfügung. Auf der einen Seite trägt diese Arbeit zu den gegenwärtigen Bemühungen um das Verständnis des Gehirns bei, indem sie schwierige Closed-Loop-Benchmarks liefert, ähnlich dem, was dem biologischen Gehirn widerfährt. Auf der anderen Seite werden neue Wege zur Lösung traditioneller Robotik Probleme vorgestellt, die auf vom Gehirn inspirierten Paradigmen basieren. Die Forschung wird in zwei Schritten durchgeführt. Zunächst werden vielversprechende synaptische Plastizitätsregeln identifiziert und mit ereignisbasierten Vision-Benchmarks aus der realen Welt verglichen. Zweitens werden neuartige Methoden zur Abbildung visueller Repräsentationen auf motorische Befehle vorgestellt. Neuromorphe visuelle Sensoren stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu hirninspirierten Paradigmen dar. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kameras senden diese Sensoren Adressereignisse aus, die lokalen Änderungen der Lichtintensität entsprechen. Das ereignisbasierte Paradigma ermöglicht eine energieeffiziente und schnelle Bildverarbeitung, erfordert aber die Ableitung neuer asynchroner Algorithmen. Spikende neuronale Netze stellen eine Untergruppe von asynchronen Algorithmen dar, die vom Gehirn inspiriert und für neuromorphe Hardwaretechnologie geeignet sind. In enger Zusammenarbeit mit Computational Neuroscientists werden erfolgreiche Methoden zum Erlernen räumlich-zeitlicher Abstraktionen aus der Adressereignisdarstellung berichtet. Es wird gezeigt, dass Top-Down-Regeln der synaptischen Plastizität, die zur Optimierung einer objektiven Funktion abgeleitet wurden, die Bottom-Up-Regeln übertreffen, die allein auf Beobachtungen im Gehirn basieren. Mit dieser Einsicht wird eine neue synaptische Plastizitätsregel namens "Deep Continuous Local Learning" eingeführt, die derzeit den neuesten Stand der Technik bei ereignisbasierten Vision-Benchmarks erreicht. Diese Regel wurde während eines Aufenthalts an der Universität von Kalifornien, Irvine, gemeinsam abgeleitet, implementiert und evaluiert. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der visuomotorische Kreis geschlossen, indem die gelernten visuellen Repräsentationen auf motorische Befehle abgebildet werden. Drei Ansätze werden diskutiert, um ein visuomotorisches Mapping zu erhalten: manuelle Kopplung, Belohnungs-Kopplung und Minimierung des Vorhersagefehlers. Es wird gezeigt, wie diese Ansätze, welche als synaptische Plastizitätsregeln implementiert sind, verwendet werden können, um einfache Strategien und Bewegungen zu lernen. Diese Arbeit ebnet den Weg zur Integration von hirninspirierten Berechnungsparadigmen in das Gebiet der Robotik. Es wird sogar prognostiziert, dass Fortschritte in den neuromorphen Technologien und bei den Plastizitätsregeln die Entwicklung von Hochleistungs-Lernrobotern mit geringem Energieverbrauch ermöglicht

Event-Driven Technologies for Reactive Motion Planning: Neuromorphic Stereo Vision and Robot Path Planning and Their Application on Parallel Hardware

Die Robotik wird immer mehr zu einem Schlüsselfaktor des technischen Aufschwungs. Trotz beeindruckender Fortschritte in den letzten Jahrzehnten, übertreffen Gehirne von Säugetieren in den Bereichen Sehen und Bewegungsplanung noch immer selbst die leistungsfähigsten Maschinen. Industrieroboter sind sehr schnell und präzise, aber ihre Planungsalgorithmen sind in hochdynamischen Umgebungen, wie sie für die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) erforderlich sind, nicht leistungsfähig genug. Ohne schnelle und adaptive Bewegungsplanung kann sichere MRK nicht garantiert werden. Neuromorphe Technologien, einschließlich visueller Sensoren und Hardware-Chips, arbeiten asynchron und verarbeiten so raum-zeitliche Informationen sehr effizient. Insbesondere ereignisbasierte visuelle Sensoren sind konventionellen, synchronen Kameras bei vielen Anwendungen bereits überlegen. Daher haben ereignisbasierte Methoden ein großes Potenzial, schnellere und energieeffizientere Algorithmen zur Bewegungssteuerung in der MRK zu ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur flexiblen reaktiven Bewegungssteuerung eines Roboterarms vorgestellt. Dabei wird die Exterozeption durch ereignisbasiertes Stereosehen erreicht und die Pfadplanung ist in einer neuronalen Repräsentation des Konfigurationsraums implementiert. Die Multiview-3D-Rekonstruktion wird durch eine qualitative Analyse in Simulation evaluiert und auf ein Stereo-System ereignisbasierter Kameras übertragen. Zur Evaluierung der reaktiven kollisionsfreien Online-Planung wird ein Demonstrator mit einem industriellen Roboter genutzt. Dieser wird auch für eine vergleichende Studie zu sample-basierten Planern verwendet. Ergänzt wird dies durch einen Benchmark von parallelen Hardwarelösungen wozu als Testszenario Bahnplanung in der Robotik gewählt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen neuronalen Lösungen einen effektiven Weg zur Realisierung einer Robotersteuerung für dynamische Szenarien darstellen. Diese Arbeit schafft eine Grundlage für neuronale Lösungen bei adaptiven Fertigungsprozesse, auch in Zusammenarbeit mit dem Menschen, ohne Einbußen bei Geschwindigkeit und Sicherheit. Damit ebnet sie den Weg für die Integration von dem Gehirn nachempfundener Hardware und Algorithmen in die Industrierobotik und MRK

Artificial Cognitive Systems: From VLSI Networks of Spiking Neurons to Neuromorphic Cognition

Neuromorphic engineering (NE) is an emerging research field that has been attempting to identify neural types of computational principles, by implementing biophysically realistic models of neural systems in Very Large Scale Integration (VLSI) technology. Remarkable progress has been made recently, and complex artificial neural sensory-motor systems can be built using this technology. Today, however, NE stands before a large conceptual challenge that must be met before there will be significant progress toward an age of genuinely intelligent neuromorphic machines. The challenge is to bridge the gap from reactive systems to ones that are cognitive in quality. In this paper, we describe recent advancements in NE, and present examples of neuromorphic circuits that can be used as tools to address this challenge. Specifically, we show how VLSI networks of spiking neurons with spike-based plasticity mechanisms and soft winner-take-all architectures represent important building blocks useful for implementing artificial neural systems able to exhibit basic cognitive abilitie

Event-based Vision: A Survey

Event cameras are bio-inspired sensors that differ from conventional frame cameras: Instead of capturing images at a fixed rate, they asynchronously measure per-pixel brightness changes, and output a stream of events that encode the time, location and sign of the brightness changes. Event cameras offer attractive properties compared to traditional cameras: high temporal resolution (in the order of microseconds), very high dynamic range (140 dB vs. 60 dB), low power consumption, and high pixel bandwidth (on the order of kHz) resulting in reduced motion blur. Hence, event cameras have a large potential for robotics and computer vision in challenging scenarios for traditional cameras, such as low-latency, high speed, and high dynamic range. However, novel methods are required to process the unconventional output of these sensors in order to unlock their potential. This paper provides a comprehensive overview of the emerging field of event-based vision, with a focus on the applications and the algorithms developed to unlock the outstanding properties of event cameras. We present event cameras from their working principle, the actual sensors that are available and the tasks that they have been used for, from low-level vision (feature detection and tracking, optic flow, etc.) to high-level vision (reconstruction, segmentation, recognition). We also discuss the techniques developed to process events, including learning-based techniques, as well as specialized processors for these novel sensors, such as spiking neural networks. Additionally, we highlight the challenges that remain to be tackled and the opportunities that lie ahead in the search for a more efficient, bio-inspired way for machines to perceive and interact with the world

Neuromorphic Engineering Editors' Pick 2021

This collection showcases well-received spontaneous articles from the past couple of years, which have been specially handpicked by our Chief Editors, Profs. André van Schaik and Bernabé Linares-Barranco. The work presented here highlights the broad diversity of research performed across the section and aims to put a spotlight on the main areas of interest. All research presented here displays strong advances in theory, experiment, and methodology with applications to compelling problems. This collection aims to further support Frontiers’ strong community by recognizing highly deserving authors

Object detection and recognition with event driven cameras

This thesis presents study, analysis and implementation of algorithms to perform object detection and recognition using an event-based cam era. This sensor represents a novel paradigm which opens a wide range of possibilities for future developments of computer vision. In partic ular it allows to produce a fast, compressed, illumination invariant output, which can be exploited for robotic tasks, where fast dynamics and signi\ufb01cant illumination changes are frequent. The experiments are carried out on the neuromorphic version of the iCub humanoid platform. The robot is equipped with a novel dual camera setup mounted directly in the robot\u2019s eyes, used to generate data with a moving camera. The motion causes the presence of background clut ter in the event stream. In such scenario the detection problem has been addressed with an at tention mechanism, speci\ufb01cally designed to respond to the presence of objects, while discarding clutter. The proposed implementation takes advantage of the nature of the data to simplify the original proto object saliency model which inspired this work. Successively, the recognition task was \ufb01rst tackled with a feasibility study to demonstrate that the event stream carries su\ufb03cient informa tion to classify objects and then with the implementation of a spiking neural network. The feasibility study provides the proof-of-concept that events are informative enough in the context of object classi\ufb01 cation, whereas the spiking implementation improves the results by employing an architecture speci\ufb01cally designed to process event data. The spiking network was trained with a three-factor local learning rule which overcomes weight transport, update locking and non-locality problem. The presented results prove that both detection and classi\ufb01cation can be carried-out in the target application using the event data