Novel arithmetic implementations using cellular neural network arrays.

The primary goal of this research is to explore the use of arrays of analog self-synchronized cells---the cellular neural network (CNN) paradigm---in the implementation of novel digital arithmetic architectures. In exploring this paradigm we also discover that the implementation of these CNN arrays produces very low system noise; that is, noise generated by the rapid switching of current through power supply die connections---so called di/dt noise. With the migration to sub 100 nanometer process technology, signal integrity is becoming a critical issue when integrating analog and digital components onto the same chip, and so the CNN architectural paradigm offers a potential solution to this problem. A typical example is the replacement of conventional digital circuitry adjacent to sensitive bio-sensors in a SoC Bio-Platform. The focus of this research is therefore to discover novel approaches to building low-noise digital arithmetic circuits using analog cellular neural networks, essentially implementing asynchronous digital logic but with the same circuit components as used in analog circuit design. We address our exploration by first improving upon previous research into CNN binary arithmetic arrays. The second phase of our research introduces a logical extension of the binary arithmetic method to implement binary signed-digit (BSD) arithmetic. To this end, a new class of CNNs that has three stable states is introduced, and is used to implement arithmetic circuits that use binary inputs and outputs but internally uses the BSD number representation. Finally, we develop CNN arrays for a 2-dimensional number representation (the Double-base Number System - DBNS). A novel adder architecture is described in detail, that performs the addition as well as reducing the representation for further processing; the design incorporates an innovative self-programmable array. Extensive simulations have shown that our new architectures can reduce system noise by almost 70dB and crosstalk by more than 23dB over standard digital implementations.Dept. of Electrical and Computer Engineering. Paper copy at Leddy Library: Theses & Major Papers - Basement, West Bldg. / Call Number: Thesis2005 .I27. Source: Dissertation Abstracts International, Volume: 66-11, Section: B, page: 6159. Thesis (Ph.D.)--University of Windsor (Canada), 2005

Local Binary Patterns in Focal-Plane Processing. Analysis and Applications

Feature extraction is the part of pattern recognition, where the sensor data is transformed into a more suitable form for the machine to interpret. The purpose of this step is also to reduce the amount of information passed to the next stages of the system, and to preserve the essential information in the view of discriminating the data into different classes. For instance, in the case of image analysis the actual image intensities are vulnerable to various environmental effects, such as lighting changes and the feature extraction can be used as means for detecting features, which are invariant to certain types of illumination changes. Finally, classification tries to make decisions based on the previously transformed data. The main focus of this thesis is on developing new methods for the embedded feature extraction based on local non-parametric image descriptors. Also, feature analysis is carried out for the selected image features. Low-level Local Binary Pattern (LBP) based features are in a main role in the analysis. In the embedded domain, the pattern recognition system must usually meet strict performance constraints, such as high speed, compact size and low power consumption. The characteristics of the final system can be seen as a trade-off between these metrics, which is largely affected by the decisions made during the implementation phase. The implementation alternatives of the LBP based feature extraction are explored in the embedded domain in the context of focal-plane vision processors. In particular, the thesis demonstrates the LBP extraction with MIPA4k massively parallel focal-plane processor IC. Also higher level processing is incorporated to this framework, by means of a framework for implementing a single chip face recognition system. Furthermore, a new method for determining optical flow based on LBPs, designed in particular to the embedded domain is presented. Inspired by some of the principles observed through the feature analysis of the Local Binary Patterns, an extension to the well known non-parametric rank transform is proposed, and its performance is evaluated in face recognition experiments with a standard dataset. Finally, an a priori model where the LBPs are seen as combinations of n-tuples is also presentedSiirretty Doriast

Microarray image processing : a novel neural network framework

Due to the vast success of bioengineering techniques, a series of large-scale analysis tools has been developed to discover the functional organization of cells. Among them, cDNA microarray has emerged as a powerful technology that enables biologists to cDNA microarray technology has enabled biologists to study thousands of genes simultaneously within an entire organism, and thus obtain a better understanding of the gene interaction and regulation mechanisms involved. Although microarray technology has been developed so as to offer high tolerances, there exists high signal irregularity through the surface of the microarray image. The imperfection in the microarray image generation process causes noises of many types, which contaminate the resulting image. These errors and noises will propagate down through, and can significantly affect, all subsequent processing and analysis. Therefore, to realize the potential of such technology it is crucial to obtain high quality image data that would indeed reflect the underlying biology in the samples. One of the key steps in extracting information from a microarray image is segmentation: identifying which pixels within an image represent which gene. This area of spotted microarray image analysis has received relatively little attention relative to the advances in proceeding analysis stages. But, the lack of advanced image analysis, including the segmentation, results in sub-optimal data being used in all downstream analysis methods. Although there is recently much research on microarray image analysis with many methods have been proposed, some methods produce better results than others. In general, the most effective approaches require considerable run time (processing) power to process an entire image. Furthermore, there has been little progress on developing sufficiently fast yet efficient and effective algorithms the segmentation of the microarray image by using a highly sophisticated framework such as Cellular Neural Networks (CNNs). It is, therefore, the aim of this thesis to investigate and develop novel methods processing microarray images. The goal is to produce results that outperform the currently available approaches in terms of PSNR, k-means and ICC measurements.EThOS - Electronic Theses Online ServiceAleppo University, SyriaGBUnited Kingdo

Dynamically reconfigurable architecture for embedded computer vision systems

The objective of this research work is to design, develop and implement a new architecture which integrates on the same chip all the processing levels of a complete Computer Vision system, so that the execution is efficient without compromising the power consumption while keeping a reduced cost. For this purpose, an analysis and classification of different mathematical operations and algorithms commonly used in Computer Vision are carried out, as well as a in-depth review of the image processing capabilities of current-generation hardware devices. This permits to determine the requirements and the key aspects for an efficient architecture. A representative set of algorithms is employed as benchmark to evaluate the proposed architecture, which is implemented on an FPGA-based system-on-chip. Finally, the prototype is compared to other related approaches in order to determine its advantages and weaknesses

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