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Design of hardware architectures for HMM–based signal processing systems with applications to advanced human-machine interfaces
In questa tesi viene proposto un nuovo approccio per lo sviluppo di interfacce uomo–macchina. In particolare si
tratta il caso di sistemi di pattern recognition che fanno uso di Hidden Markov Models per la classificazione.
Il progetto di ricerca è partito dall’ideazione di nuove tecniche per la realizzazione di sistemi di riconoscimento
vocale per parlato spontaneo. Gli HMM sono stati scelti come lo strumento algoritmico di base per la realizzazione
del sistema. Dopo una fase di studio preliminare gli obiettivi sono stati estesi alla realizzazione di una architettura
hardware in grado di fornire uno strumento riconfigurabile che possa essere utilizzato non solo per il riconoscimento
vocale, ma in qualsiasi tipo di classificatore basato su HMM.
Il lavoro si concentra quindi sullo sviluppo di architetture hardware dedicate, ma nuovi risultati sono stati ottenuti
anche a livello di applicazione per quanto riguarda la classificazione di segnali elettroencefalografici attraverso
gli HMM.
Innanzitutto state sviluppata una architettura a livello di sistema applicabile a qualsiasi sistema di pattern
recognition che faccia usi di HMM. L’architettura stata concepita in modo tale da essere utilizzabile come un
sistema stand–alone. Definita l’architettura, un processore hardware per HMM, completamente riconfigurabile,
stato decritto in linguaggio VHDL e simulato con successo. Un array parallelo di questi processori costituisce di
fatto il nucleo di processamento dell’architettura sviluppata.
Sulla base del progetto in VHDL, due piattaforme di prototipaggio rapido basate su FPGA sono state selezionate
per dei test di implementazione. Diverse configurazioni costituite da array paralleli di processori HMM sono state
implementate su FPGA. Le soluzioni che offrivano un miglior compromesso tra prestazioni e quantità di risorse
hardware utilizzate sono state selezionate per ulteriori analisi.
Un sistema software per il pattern recognition basato su HMM stato scelto come sistema di riferimento per
verificare la corretta funzionalità delle architetture implementate. Diversi test sono stati progettati per validare che
il funzionamento del sistema corrispondesse alle specifiche iniziali. Le versioni implementate del sistema sono state
confrontate con il software di riferimento sulla base dei risultati forniti dai test. Dal confronto è stato possibile
appurare che le architetture sviluppate hanno un comportamento corrispondente a quello richiesto.
Infine le implementazioni dell’array parallelo di processori HMM `e sono state applicate a due applicazioni reali:
un riconoscitore vocale, ed un classificatore per interfacce basate su segnali elettroencefalografici. In entrambi i
casi l’architettura si è dimostrata in grado di gestire l’applicazione senza alcun problema. L’uso del processamento
hardware per il riconoscimento vocale apre di fatto la strada a nuovi sviluppi nel campo grazie al notevole incremento
di prestazioni ottenibili in termini di tempo di esecuzione. L’applicazione al processamento dell’EEG, invece,
introduce di fatto un approccio completamente nuovo alla classificazione di questo tipo di segnali, e mostra come in
futuro potrebbe essere possibile lo sviluppo di interfacce basate sulla classificazione dei segnali generati dal pensiero
spontaneo.
I possibili sviluppi del lavoro iniziato con questa tesi sono molteplici. Una direzione possibile è quella dell’implementazione
completa dell’architettura proposta come un sistema stand–alone riconfigurabile per l’accelerazione
di sistemi per pattern recognition di qualsiasi natura purchè basati su HMM. Le potenzialità di tale sistema renderebbero
possibile la realizzazione di classificatiori in tempo reale con un alto grado di complessità , e quindi allo
sviluppo di interfacce realmente multimodali, con una vasta gamma di applicazioni, dai sistemi di per lo spazio a
quelli di supporto per persone disabili.In this thesis a new approach is described for the development of human–computer interfaces. In particular
the case of pattern recognition systems based on Hidden Markov Models have been taken into account.
The research started from he development of techniques for the realization of natural language speech
recognition systems. The Hidden Markov Model (HMM) was chosen as the main algorithmic tool to be
used to build the system. After the early work the goal was extended to the development of an hardware
architecture that provided a reconfigurable tool to be used in any pattern recognition task, and not only in
speech recognition.
The whole work is thus focused on the development of dedicated hardware architectures, but also some
new results have been obtained on the classification of electroencephalographic signals through the use of
HMMs.
Firstly a system–level architecture has been developed to be used in HMM based pattern recognition
systems. The architecture has been conceived in order to be able to work as a stand–alone system. Then a
VHDL description has been made of a flexible and completely reconfigurable hardware HMM processor and
the design was successfully simulated. A parallel array of these processors is actually the core processing
block of the developed architecture.
Then two suitable FPGA based, fast prototyping platforms have been identified to be the targets for
the implementation tests. Different configurations of parallel HMM processor arrays have been set up and
mapped on the target FPGAs. Some solutions have been selected to be the best in terms of balance between
performance and resources utilization.
Furthermore a software HMM based pattern recognition system has been chosen to be the reference system
for the functionality of the implemented subsystems. A set of tests have been developed with the aim to test
the correct functionality of the hardware. The implemented system was compared to the reference system
on the basis of the tests’ results, and it was found that the behavior was the one expected and the required
functionality was correctly achieved.
Finally the implementation of the parallel HMM array was tested through its application to two real–world
applications: a speech recognition task and a brain–computer interface task. In both cases the architecture
showed to be functionally suitable and powerful enough to handle the task without problems. The application
of the hardware processing to speech recognition opens new perspectives in the design of this kind of systems
because of the dramatic increment in performance. The application to brain–computer interface is really
interesting because of a new approach in the classification of EEG that shows how could be possible a future
development of interfaces based on the classification of spontaneous thought.
The possible evolution directions of the work started with this thesis are many. Effort could be spent of
the implementation of the developed architecture as a stand–alone reconfigurable system suitable for any kind
of HMM–based pattern recognition task. The potential performance of such a system could open the way
to extremely complex real–time pattern recognition systems, and thus to the realization of truly multimodal
interfaces, with a variety of applications, from space to aid systems for the impaired
Entropy Analysis of Univariate Biomedical Signals:Review and Comparison of Methods
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A Decade of Neural Networks: Practical Applications and Prospects
The Jet Propulsion Laboratory Neural Network Workshop, sponsored by NASA and DOD, brings together sponsoring agencies, active researchers, and the user community to formulate a vision for the next decade of neural network research and application prospects. While the speed and computing power of microprocessors continue to grow at an ever-increasing pace, the demand to intelligently and adaptively deal with the complex, fuzzy, and often ill-defined world around us remains to a large extent unaddressed. Powerful, highly parallel computing paradigms such as neural networks promise to have a major impact in addressing these needs. Papers in the workshop proceedings highlight benefits of neural networks in real-world applications compared to conventional computing techniques. Topics include fault diagnosis, pattern recognition, and multiparameter optimization
Pattern Recognition
Pattern recognition is a very wide research field. It involves factors as diverse as sensors, feature extraction, pattern classification, decision fusion, applications and others. The signals processed are commonly one, two or three dimensional, the processing is done in real- time or takes hours and days, some systems look for one narrow object class, others search huge databases for entries with at least a small amount of similarity. No single person can claim expertise across the whole field, which develops rapidly, updates its paradigms and comprehends several philosophical approaches. This book reflects this diversity by presenting a selection of recent developments within the area of pattern recognition and related fields. It covers theoretical advances in classification and feature extraction as well as application-oriented works. Authors of these 25 works present and advocate recent achievements of their research related to the field of pattern recognition
Design of hardware architectures for HMM–based signal processing systems with applications to advanced human-machine interfaces
In questa tesi viene proposto un nuovo approccio per lo sviluppo di interfacce uomo–macchina. In particolare si
tratta il caso di sistemi di pattern recognition che fanno uso di Hidden Markov Models per la classificazione.
Il progetto di ricerca è partito dall’ideazione di nuove tecniche per la realizzazione di sistemi di riconoscimento
vocale per parlato spontaneo. Gli HMM sono stati scelti come lo strumento algoritmico di base per la realizzazione
del sistema. Dopo una fase di studio preliminare gli obiettivi sono stati estesi alla realizzazione di una architettura
hardware in grado di fornire uno strumento riconfigurabile che possa essere utilizzato non solo per il riconoscimento
vocale, ma in qualsiasi tipo di classificatore basato su HMM.
Il lavoro si concentra quindi sullo sviluppo di architetture hardware dedicate, ma nuovi risultati sono stati ottenuti
anche a livello di applicazione per quanto riguarda la classificazione di segnali elettroencefalografici attraverso
gli HMM.
Innanzitutto state sviluppata una architettura a livello di sistema applicabile a qualsiasi sistema di pattern
recognition che faccia usi di HMM. L’architettura stata concepita in modo tale da essere utilizzabile come un
sistema stand–alone. Definita l’architettura, un processore hardware per HMM, completamente riconfigurabile,
stato decritto in linguaggio VHDL e simulato con successo. Un array parallelo di questi processori costituisce di
fatto il nucleo di processamento dell’architettura sviluppata.
Sulla base del progetto in VHDL, due piattaforme di prototipaggio rapido basate su FPGA sono state selezionate
per dei test di implementazione. Diverse configurazioni costituite da array paralleli di processori HMM sono state
implementate su FPGA. Le soluzioni che offrivano un miglior compromesso tra prestazioni e quantità di risorse
hardware utilizzate sono state selezionate per ulteriori analisi.
Un sistema software per il pattern recognition basato su HMM stato scelto come sistema di riferimento per
verificare la corretta funzionalità delle architetture implementate. Diversi test sono stati progettati per validare che
il funzionamento del sistema corrispondesse alle specifiche iniziali. Le versioni implementate del sistema sono state
confrontate con il software di riferimento sulla base dei risultati forniti dai test. Dal confronto è stato possibile
appurare che le architetture sviluppate hanno un comportamento corrispondente a quello richiesto.
Infine le implementazioni dell’array parallelo di processori HMM `e sono state applicate a due applicazioni reali:
un riconoscitore vocale, ed un classificatore per interfacce basate su segnali elettroencefalografici. In entrambi i
casi l’architettura si è dimostrata in grado di gestire l’applicazione senza alcun problema. L’uso del processamento
hardware per il riconoscimento vocale apre di fatto la strada a nuovi sviluppi nel campo grazie al notevole incremento
di prestazioni ottenibili in termini di tempo di esecuzione. L’applicazione al processamento dell’EEG, invece,
introduce di fatto un approccio completamente nuovo alla classificazione di questo tipo di segnali, e mostra come in
futuro potrebbe essere possibile lo sviluppo di interfacce basate sulla classificazione dei segnali generati dal pensiero
spontaneo.
I possibili sviluppi del lavoro iniziato con questa tesi sono molteplici. Una direzione possibile è quella dell’implementazione
completa dell’architettura proposta come un sistema stand–alone riconfigurabile per l’accelerazione
di sistemi per pattern recognition di qualsiasi natura purchè basati su HMM. Le potenzialità di tale sistema renderebbero
possibile la realizzazione di classificatiori in tempo reale con un alto grado di complessità , e quindi allo
sviluppo di interfacce realmente multimodali, con una vasta gamma di applicazioni, dai sistemi di per lo spazio a
quelli di supporto per persone disabili.In this thesis a new approach is described for the development of human–computer interfaces. In particular
the case of pattern recognition systems based on Hidden Markov Models have been taken into account.
The research started from he development of techniques for the realization of natural language speech
recognition systems. The Hidden Markov Model (HMM) was chosen as the main algorithmic tool to be
used to build the system. After the early work the goal was extended to the development of an hardware
architecture that provided a reconfigurable tool to be used in any pattern recognition task, and not only in
speech recognition.
The whole work is thus focused on the development of dedicated hardware architectures, but also some
new results have been obtained on the classification of electroencephalographic signals through the use of
HMMs.
Firstly a system–level architecture has been developed to be used in HMM based pattern recognition
systems. The architecture has been conceived in order to be able to work as a stand–alone system. Then a
VHDL description has been made of a flexible and completely reconfigurable hardware HMM processor and
the design was successfully simulated. A parallel array of these processors is actually the core processing
block of the developed architecture.
Then two suitable FPGA based, fast prototyping platforms have been identified to be the targets for
the implementation tests. Different configurations of parallel HMM processor arrays have been set up and
mapped on the target FPGAs. Some solutions have been selected to be the best in terms of balance between
performance and resources utilization.
Furthermore a software HMM based pattern recognition system has been chosen to be the reference system
for the functionality of the implemented subsystems. A set of tests have been developed with the aim to test
the correct functionality of the hardware. The implemented system was compared to the reference system
on the basis of the tests’ results, and it was found that the behavior was the one expected and the required
functionality was correctly achieved.
Finally the implementation of the parallel HMM array was tested through its application to two real–world
applications: a speech recognition task and a brain–computer interface task. In both cases the architecture
showed to be functionally suitable and powerful enough to handle the task without problems. The application
of the hardware processing to speech recognition opens new perspectives in the design of this kind of systems
because of the dramatic increment in performance. The application to brain–computer interface is really
interesting because of a new approach in the classification of EEG that shows how could be possible a future
development of interfaces based on the classification of spontaneous thought.
The possible evolution directions of the work started with this thesis are many. Effort could be spent of
the implementation of the developed architecture as a stand–alone reconfigurable system suitable for any kind
of HMM–based pattern recognition task. The potential performance of such a system could open the way
to extremely complex real–time pattern recognition systems, and thus to the realization of truly multimodal
interfaces, with a variety of applications, from space to aid systems for the impaired
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