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

Instantaneous Stereo Depth Estimation of Real-World Stimuli with a Neuromorphic Stereo-Vision Setup

The stereo-matching problem, i.e., matching corresponding features in two different views to reconstruct depth, is efficiently solved in biology. Yet, it remains the computational bottleneck for classical machine vision approaches. By exploiting the properties of event cameras, recently proposed Spiking Neural Network (SNN) architectures for stereo vision have the potential of simplifying the stereo-matching problem. Several solutions that combine event cameras with spike-based neuromorphic processors already exist. However, they are either simulated on digital hardware or tested on simplified stimuli. In this work, we use the Dynamic Vision Sensor 3D Human Pose Dataset (DHP19) to validate a brain-inspired event-based stereo-matching architecture implemented on a mixed-signal neuromorphic processor with real-world data. Our experiments show that this SNN architecture, composed of coincidence detectors and disparity sensitive neurons, is able to provide a coarse estimate of the input disparity instantaneously, thereby detecting the presence of a stimulus moving in depth in real-time

Improved Contrast Sensitivity DVS and its Application to Event-Driven Stereo Vision

This paper presents a new DVS sensor with one order of magnitude improved contrast sensitivity over previous reported DVSs. This sensor has been applied to a bio-inspired event-based binocular system that performs 3D event-driven reconstruction of a scene. Events from two DVS sensors are matched by using precise timing information of their ocurrence. To improve matching reliability, satisfaction of epipolar geometry constraint is required, and simultaneously available information on the orientation is used as an additional matching constraint.Ministerio de Economía y Competitividad PRI-PIMCHI-2011-0768Ministerio de Economía y Competitividad TEC2009-10639-C04-01Junta de Andalucía TIC-609

Stereo Matching in Address-Event-Representation (AER) Bio-Inspired Binocular Systems in a Field-Programmable Gate Array (FPGA)

In stereo-vision processing, the image-matching step is essential for results, although it involves a very high computational cost. Moreover, the more information is processed, the more time is spent by the matching algorithm, and the more ine cient it is. Spike-based processing is a relatively new approach that implements processing methods by manipulating spikes one by one at the time they are transmitted, like a human brain. The mammal nervous system can solve much more complex problems, such as visual recognition by manipulating neuron spikes. The spike-based philosophy for visual information processing based on the neuro-inspired address-event-representation (AER) is currently achieving very high performance. The aim of this work was to study the viability of a matching mechanism in stereo-vision systems, using AER codification and its implementation in a field-programmable gate array (FPGA). Some studies have been done before in an AER system with monitored data using a computer; however, this kind of mechanism has not been implemented directly on hardware. To this end, an epipolar geometry basis applied to AER systems was studied and implemented, with other restrictions, in order to achieve good results in a real-time scenario. The results and conclusions are shown, and the viability of its implementation is proven.Ministerio de Economía y Competitividad TEC2016-77785-

Event-Driven Technologies for Reactive Motion Planning: Neuromorphic Stereo Vision and Robot Path Planning and Their Application on Parallel Hardware

Die Robotik wird immer mehr zu einem Schlüsselfaktor des technischen Aufschwungs. Trotz beeindruckender Fortschritte in den letzten Jahrzehnten, übertreffen Gehirne von Säugetieren in den Bereichen Sehen und Bewegungsplanung noch immer selbst die leistungsfähigsten Maschinen. Industrieroboter sind sehr schnell und präzise, aber ihre Planungsalgorithmen sind in hochdynamischen Umgebungen, wie sie für die Mensch-Roboter-Kollaboration (MRK) erforderlich sind, nicht leistungsfähig genug. Ohne schnelle und adaptive Bewegungsplanung kann sichere MRK nicht garantiert werden. Neuromorphe Technologien, einschließlich visueller Sensoren und Hardware-Chips, arbeiten asynchron und verarbeiten so raum-zeitliche Informationen sehr effizient. Insbesondere ereignisbasierte visuelle Sensoren sind konventionellen, synchronen Kameras bei vielen Anwendungen bereits überlegen. Daher haben ereignisbasierte Methoden ein großes Potenzial, schnellere und energieeffizientere Algorithmen zur Bewegungssteuerung in der MRK zu ermöglichen. In dieser Arbeit wird ein Ansatz zur flexiblen reaktiven Bewegungssteuerung eines Roboterarms vorgestellt. Dabei wird die Exterozeption durch ereignisbasiertes Stereosehen erreicht und die Pfadplanung ist in einer neuronalen Repräsentation des Konfigurationsraums implementiert. Die Multiview-3D-Rekonstruktion wird durch eine qualitative Analyse in Simulation evaluiert und auf ein Stereo-System ereignisbasierter Kameras übertragen. Zur Evaluierung der reaktiven kollisionsfreien Online-Planung wird ein Demonstrator mit einem industriellen Roboter genutzt. Dieser wird auch für eine vergleichende Studie zu sample-basierten Planern verwendet. Ergänzt wird dies durch einen Benchmark von parallelen Hardwarelösungen wozu als Testszenario Bahnplanung in der Robotik gewählt wurde. Die Ergebnisse zeigen, dass die vorgeschlagenen neuronalen Lösungen einen effektiven Weg zur Realisierung einer Robotersteuerung für dynamische Szenarien darstellen. Diese Arbeit schafft eine Grundlage für neuronale Lösungen bei adaptiven Fertigungsprozesse, auch in Zusammenarbeit mit dem Menschen, ohne Einbußen bei Geschwindigkeit und Sicherheit. Damit ebnet sie den Weg für die Integration von dem Gehirn nachempfundener Hardware und Algorithmen in die Industrierobotik und MRK

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

Event-based feature extraction using adaptive selection thresholds

Unsupervised feature extraction algorithms form one of the most important building blocks in machine learning systems. These algorithms are often adapted to the event-based domain to perform online learning in neuromorphic hardware. However, not designed for the purpose, such algorithms typically require significant simplification during implementation to meet hardware constraints, creating trade offs with performance. Furthermore, conventional feature extraction algorithms are not designed to generate useful intermediary signals which are valuable only in the context of neuromorphic hardware limitations. In this work a novel event-based feature extraction method is proposed that focuses on these issues. The algorithm operates via simple adaptive selection thresholds which allow a simpler implementation of network homeostasis than previous works by trading off a small amount of information loss in the form of missed events that fall outside the selection thresholds. The behavior of the selection thresholds and the output of the network as a whole are shown to provide uniquely useful signals indicating network weight convergence without the need to access network weights. A novel heuristic method for network size selection is proposed which makes use of noise events and their feature representations. The use of selection thresholds is shown to produce network activation patterns that predict classification accuracy allowing rapid evaluation and optimization of system parameters without the need to run back-end classifiers. The feature extraction method is tested on both the N-MNIST (Neuromorphic-MNIST) benchmarking dataset and a dataset of airplanes passing through the field of view. Multiple configurations with different classifiers are tested with the results quantifying the resultant performance gains at each processing stage

Neuronal Specialization for Fine-Grained Distance Estimation using a Real-Time Bio-Inspired Stereo Vision System

The human binocular system performs very complex operations in real-time tasks thanks to neuronal specialization and several specialized processing layers. For a classic computer vision system, being able to perform the same operation requires high computational costs that, in many cases, causes it to not work in real time: this is the case regarding distance estimation. This work details the functionality of the biological processing system, as well as the neuromorphic engineering research branch—the main purpose of which is to mimic neuronal processing. A distance estimation system based on the calculation of the binocular disparities with specialized neuron populations is developed. This system is characterized by several tests and executed in a real-time environment. The response of the system proves the similarity between it and human binocular processing. Further, the results show that the implemented system can work in a real-time environment, with a distance estimation error of 15% (8% for the characterization tests).Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades TEC2016-77785-