A survey of visual preprocessing and shape representation techniques

Many recent theories and methods proposed for visual preprocessing and shape representation are summarized. The survey brings together research from the fields of biology, psychology, computer science, electrical engineering, and most recently, neural networks. It was motivated by the need to preprocess images for a sparse distributed memory (SDM), but the techniques presented may also prove useful for applying other associative memories to visual pattern recognition. The material of this survey is divided into three sections: an overview of biological visual processing; methods of preprocessing (extracting parts of shape, texture, motion, and depth); and shape representation and recognition (form invariance, primitives and structural descriptions, and theories of attention)

Learning viewpoint invariant perceptual representations from cluttered images

In order to perform object recognition, it is necessary to form perceptual representations that are sufficiently specific to distinguish between objects, but that are also sufficiently flexible to generalize across changes in location, rotation, and scale. A standard method for learning perceptual representations that are invariant to viewpoint is to form temporal associations across image sequences showing object transformations. However, this method requires that individual stimuli be presented in isolation and is therefore unlikely to succeed in real-world applications where multiple objects can co-occur in the visual input. This paper proposes a simple modification to the learning method that can overcome this limitation and results in more robust learning of invariant representations

Report from the MPP Working Group to the NASA Associate Administrator for Space Science and Applications

NASA's Office of Space Science and Applications (OSSA) gave a select group of scientists the opportunity to test and implement their computational algorithms on the Massively Parallel Processor (MPP) located at Goddard Space Flight Center, beginning in late 1985. One year later, the Working Group presented its report, which addressed the following: algorithms, programming languages, architecture, programming environments, the way theory relates, and performance measured. The findings point to a number of demonstrated computational techniques for which the MPP architecture is ideally suited. For example, besides executing much faster on the MPP than on conventional computers, systolic VLSI simulation (where distances are short), lattice simulation, neural network simulation, and image problems were found to be easier to program on the MPP's architecture than on a CYBER 205 or even a VAX. The report also makes technical recommendations covering all aspects of MPP use, and recommendations concerning the future of the MPP and machines based on similar architectures, expansion of the Working Group, and study of the role of future parallel processors for space station, EOS, and the Great Observatories era

Report on Workshop on High Performance Computing and Communications for Grand Challenge Applications: Computer Vision, Speech and Natural Language Processing, and Artificial Intelligence

Coordinated Science Laboratory was formerly known as Control Systems LaboratoryNational Science Foundation / IRI-921259

Visual attention and swarm cognition for off-road robots

Tese de doutoramento, Informática (Engenharia Informática), Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspiração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formigas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, inspeccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Esta tese aborda o problema da modelação de atenção visual no contexto de robôs autónomos todo-o-terreno. O objectivo de utilizar mecanismos de atenção visual é o de focar a percepção nos aspectos do ambiente mais relevantes à tarefa do robô. Esta tese mostra que, na detecção de obstáculos e de trilhos, esta capacidade promove robustez e parcimónia computacional. Estas são características chave para a rapidez e eficiência dos robôs todo-o-terreno. Um dos maiores desafios na modelação de atenção visual advém da necessidade de gerir o compromisso velocidade-precisão na presença de variações de contexto ou de tarefa. Esta tese mostra que este compromisso é resolvido se o processo de atenção visual for modelado como um processo auto-organizado, cuja operação é modulada pelo módulo de selecção de acção, responsável pelo controlo do robô. Ao fechar a malha entre o processo de selecção de acção e o de percepção, o último é capaz de operar apenas onde é necessário, antecipando as acções do robô. Para fornecer atenção visual com propriedades auto-organizadas, este trabalho obtém inspi- ração da Natureza. Concretamente, os mecanismos responsáveis pela capacidade que as formi- gas guerreiras têm de procurar alimento de forma auto-organizada, são usados como metáfora na resolução da tarefa de procurar, também de forma auto-organizada, obstáculos e trilhos no campo visual do robô. A solução proposta nesta tese é a de colocar vários focos de atenção encoberta a operar como um enxame, através de interacções baseadas em feromona. Este trabalho representa a primeira realização corporizada de cognição de enxame. Este é um novo campo de investigação que procura descobrir os princípios básicos da cognição, ins- peccionando as propriedades auto-organizadas da inteligência colectiva exibida pelos insectos sociais. Logo, esta tese contribui para a robótica como disciplina de engenharia e para a robótica como disciplina de modelação, capaz de suportar o estudo do comportamento adaptável.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT,SFRH/BD/27305/2006); Laboratory of Agent Modelling (LabMag

Training Spiking Neural Networks Using Lessons From Deep Learning

The brain is the perfect place to look for inspiration to develop more efficient neural networks. The inner workings of our synapses and neurons provide a glimpse at what the future of deep learning might look like. This paper serves as a tutorial and perspective showing how to apply the lessons learnt from several decades of research in deep learning, gradient descent, backpropagation and neuroscience to biologically plausible spiking neural neural networks. We also explore the delicate interplay between encoding data as spikes and the learning process; the challenges and solutions of applying gradient-based learning to spiking neural networks; the subtle link between temporal backpropagation and spike timing dependent plasticity, and how deep learning might move towards biologically plausible online learning. Some ideas are well accepted and commonly used amongst the neuromorphic engineering community, while others are presented or justified for the first time here. A series of companion interactive tutorials complementary to this paper using our Python package, snnTorch, are also made available: https://snntorch.readthedocs.io/en/latest/tutorials/index.htm

Progress toward an understanding of cortical computation

The additional data, perspectives, questions, and criticisms contributed by the commentaries strengthen our view that local cortical processors coordinate their activity with the context in which it occurs using contextual fields and synchronized population codes. We therefore predict that whereas the specialization of function has been the keynote of this century the coordination of function will be the keynote of the next