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

On the use of orientation filters for 3D reconstruction in event-driven stereo vision

The recently developed Dynamic Vision Sensors (DVS) sense visual information asynchronously and code it into trains of events with sub-micro second temporal resolution. This high temporal precision makes the output of these sensors especially suited for dynamic 3D visual reconstruction, by matching corresponding events generated by two different sensors in a stereo setup. This paper explores the use of Gabor filters to extract information about the orientation of the object edges that produce the events, therefore increasing the number of constraints applied to the matching algorithm. This strategy provides more reliably matched pairs of events, improving the final 3D reconstruction.ERANET PRI-PIMCHI- 2011-0768Ministerio de Economía y Competitividad TEC2009-10639-C04-01, TEC2012-37868- C04-01Junta de Andalucía TIC-609

Neuromorphic stereo vision: A survey of bio-inspired sensors and algorithms

Any visual sensor, whether artificial or biological, maps the 3D-world on a 2D-representation. The missing dimension is depth and most species use stereo vision to recover it. Stereo vision implies multiple perspectives and matching, hence it obtains depth from a pair of images. Algorithms for stereo vision are also used prosperously in robotics. Although, biological systems seem to compute disparities effortless, artificial methods suffer from high energy demands and latency. The crucial part is the correspondence problem; finding the matching points of two images. The development of event-based cameras, inspired by the retina, enables the exploitation of an additional physical constraint—time. Due to their asynchronous course of operation, considering the precise occurrence of spikes, Spiking Neural Networks take advantage of this constraint. In this work, we investigate sensors and algorithms for event-based stereo vision leading to more biologically plausible robots. Hereby, we focus mainly on binocular stereo vision

Sensor fusion in distributed cortical circuits

The substantial motion of the nature is to balance, to survive, and to reach perfection. The evolution in biological systems is a key signature of this quintessence. Survival cannot be achieved without understanding the surrounding world. How can a fruit fly live without searching for food, and thereby with no form of perception that guides the behavior? The nervous system of fruit fly with hundred thousand of neurons can perform very complicated tasks that are beyond the power of an advanced supercomputer. Recently developed computing machines are made by billions of transistors and they are remarkably fast in precise calculations. But these machines are unable to perform a single task that an insect is able to do by means of thousands of neurons. The complexity of information processing and data compression in a single biological neuron and neural circuits are not comparable with that of developed today in transistors and integrated circuits. On the other hand, the style of information processing in neural systems is also very different from that of employed by microprocessors which is mostly centralized. Almost all cognitive functions are generated by a combined effort of multiple brain areas. In mammals, Cortical regions are organized hierarchically, and they are reciprocally interconnected, exchanging the information from multiple senses. This hierarchy in circuit level, also preserves the sensory world within different levels of complexity and within the scope of multiple modalities. The main behavioral advantage of that is to understand the real-world through multiple sensory systems, and thereby to provide a robust and coherent form of perception. When the quality of a sensory signal drops, the brain can alternatively employ other information pathways to handle cognitive tasks, or even to calibrate the error-prone sensory node. Mammalian brain also takes a good advantage of multimodal processing in learning and development; where one sensory system helps another sensory modality to develop. Multisensory integration is considered as one of the main factors that generates consciousness in human. Although, we still do not know where exactly the information is consolidated into a single percept, and what is the underpinning neural mechanism of this process? One straightforward hypothesis suggests that the uni-sensory signals are pooled in a ploy-sensory convergence zone, which creates a unified form of perception. But it is hard to believe that there is just one single dedicated region that realizes this functionality. Using a set of realistic neuro-computational principles, I have explored theoretically how multisensory integration can be performed within a distributed hierarchical circuit. I argued that the interaction of cortical populations can be interpreted as a specific form of relation satisfaction in which the information preserved in one neural ensemble must agree with incoming signals from connected populations according to a relation function. This relation function can be seen as a coherency function which is implicitly learnt through synaptic strength. Apart from the fact that the real world is composed of multisensory attributes, the sensory signals are subject to uncertainty. This requires a cortical mechanism to incorporate the statistical parameters of the sensory world in neural circuits and to deal with the issue of inaccuracy in perception. I argued in this thesis how the intrinsic stochasticity of neural activity enables a systematic mechanism to encode probabilistic quantities within neural circuits, e.g. reliability, prior probability. The systematic benefit of neural stochasticity is well paraphrased by the problem of Duns Scotus paradox: imagine a donkey with a deterministic brain that is exposed to two identical food rewards. This may make the animal suffer and die starving because of indecision. In this thesis, I have introduced an optimal encoding framework that can describe the probability function of a Gaussian-like random variable in a pool of Poisson neurons. Thereafter a distributed neural model is proposed that can optimally combine conditional probabilities over sensory signals, in order to compute Bayesian Multisensory Causal Inference. This process is known as a complex multisensory function in the cortex. Recently it is found that this process is performed within a distributed hierarchy in sensory cortex. Our work is amongst the first successful attempts that put a mechanistic spotlight on understanding the underlying neural mechanism of Multisensory Causal Perception in the brain, and in general the theory of decentralized multisensory integration in sensory cortex. Engineering information processing concepts in the brain and developing new computing technologies have been recently growing. Neuromorphic Engineering is a new branch that undertakes this mission. In a dedicated part of this thesis, I have proposed a Neuromorphic algorithm for event-based stereoscopic fusion. This algorithm is anchored in the idea of cooperative computing that dictates the defined epipolar and temporal constraints of the stereoscopic setup, to the neural dynamics. The performance of this algorithm is tested using a pair of silicon retinas

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