Invariant feature extraction from event based stimuli

We propose a novel architecture, the event-based GASSOM for learning and extracting invariant representations from event streams originating from neuromorphic vision sensors. The framework is inspired by feed-forward cortical models for visual processing. The model, which is based on the concepts of sparsity and temporal slowness, is able to learn feature extractors that resemble neurons in the primary visual cortex. Layers of units in the proposed model can be cascaded to learn feature extractors with different levels of complexity and selectivity. We explore the applicability of the framework on real world tasks by using the learned network for object recognition. The proposed model achieve higher classification accuracy compared to other state-of-the-art event based processing methods. Our results also demonstrate the generality and robustness of the method, as the recognizers for different data sets and different tasks all used the same set of learned feature detectors, which were trained on data collected independently of the testing data.Comment: 6 page

Attentive monitoring of multiple video streams driven by a Bayesian foraging strategy

In this paper we shall consider the problem of deploying attention to subsets of the video streams for collating the most relevant data and information of interest related to a given task. We formalize this monitoring problem as a foraging problem. We propose a probabilistic framework to model observer's attentive behavior as the behavior of a forager. The forager, moment to moment, focuses its attention on the most informative stream/camera, detects interesting objects or activities, or switches to a more profitable stream. The approach proposed here is suitable to be exploited for multi-stream video summarization. Meanwhile, it can serve as a preliminary step for more sophisticated video surveillance, e.g. activity and behavior analysis. Experimental results achieved on the UCR Videoweb Activities Dataset, a publicly available dataset, are presented to illustrate the utility of the proposed technique.Comment: Accepted to IEEE Transactions on Image Processin

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

Exploring the Function of Neural Oscillations in Early Sensory Systems

Neuronal oscillations appear throughout the nervous system, in structures as diverse as the cerebral cortex, hippocampus, subcortical nuclei and sense organs. Whether neural rhythms contribute to normal function, are merely epiphenomena, or even interfere with physiological processing are topics of vigorous debate. Sensory pathways are ideal for investigation of oscillatory activity because their inputs can be defined. Thus, we will focus on sensory systems as we ask how neural oscillations arise and how they might encode information about the stimulus. We will highlight recent work in the early visual pathway that shows how oscillations can multiplex different types of signals to increase the amount of information that spike trains encode and transmit. Last, we will describe oscillation-based models of visual processing and explore how they might guide further research

Investigating the relationship between microsaccades and oscillations in the human visual cortex

Neural oscillations play important roles in vision and attention. Most studies of oscillations use visual fixation to control the visual input. Small eye movements, called microsaccades, occur involuntarily ~ 1-2 times per second during fixation and they are also thought to play important roles in vision and attention. The aim of the work described in this thesis was to explore the relationship between microsaccades and oscillations in the human visual cortex. In Chapter 2, I describe how remote video eye tracking can be used to detect and characterize microsaccades during MEG recordings. Tracking based on the pupil position only, without corneal reflection, and with the participant’s head immobilized in the MEG dewar, resulted in high precision gaze tracking and enabled the following investigations. In Chapter 3, I investigated the relationship between induced visual gamma oscillations and microsaccades in a simple visual stimulation paradigm. I did not find evidence for the relationship. This finding supports the view that sustained gamma oscillations reflect local processing in cortical columns. In addition, early transient gamma response had a reduced amplitude on trials with microsaccades, however the exact nature of this effect will have to be determined in future studies. In Chapter 4, I investigated the relationship between alpha oscillations and microsaccades in covert spatial attention. I did not find evidence for a relationship between hemispheric lateralization of the alpha amplitude and the directional bias of microsaccades. I propose that microsaccades and alpha oscillations represent two independent attentional mechanisms - the former related to early attention shifting and the latter to maintaining sustained attention. In Chapter 5, I recorded, for the first time, microsaccade-related spectral responses. Immediately after their onset, microsaccades increased amplitude in theta and beta bands and this effect was modulated by stimulus type. Moreover, microsaccades reduced alpha amplitude ~ 0.3 s after their onset and this effect was independent of stimulus type. These results have important implications for the interpretation of the classical oscillatory effects in the visual cortex as well as for the role of microsaccades in vision and attention

The assessment of visual behaviour and depth perception in surgery

Imperial Users onl

Eye Movement and Pupil Measures: A Review

Our subjective visual experiences involve complex interaction between our eyes, our brain, and the surrounding world. It gives us the sense of sight, color, stereopsis, distance, pattern recognition, motor coordination, and more. The increasing ubiquity of gaze-aware technology brings with it the ability to track gaze and pupil measures with varying degrees of fidelity. With this in mind, a review that considers the various gaze measures becomes increasingly relevant, especially considering our ability to make sense of these signals given different spatio-temporal sampling capacities. In this paper, we selectively review prior work on eye movements and pupil measures. We first describe the main oculomotor events studied in the literature, and their characteristics exploited by different measures. Next, we review various eye movement and pupil measures from prior literature. Finally, we discuss our observations based on applications of these measures, the benefits and practical challenges involving these measures, and our recommendations on future eye-tracking research directions