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

Predictive coding with spiking neurons and feedforward gist signaling

Predictive coding (PC) is an influential theory in neuroscience, which suggests the existence of a cortical architecture that is constantly generating and updating predictive representations of sensory inputs. Owing to its hierarchical and generative nature, PC has inspired many computational models of perception in the literature. However, the biological plausibility of existing models has not been sufficiently explored due to their use of artificial neurons that approximate neural activity with firing rates in the continuous time domain and propagate signals synchronously. Therefore, we developed a spiking neural network for predictive coding (SNN-PC), in which neurons communicate using event-driven and asynchronous spikes. Adopting the hierarchical structure and Hebbian learning algorithms from previous PC neural network models, SNN-PC introduces two novel features: (1) a fast feedforward sweep from the input to higher areas, which generates a spatially reduced and abstract representation of input (i.e., a neural code for the gist of a scene) and provides a neurobiological alternative to an arbitrary choice of priors; and (2) a separation of positive and negative error-computing neurons, which counters the biological implausibility of a bi-directional error neuron with a very high baseline firing rate. After training with the MNIST handwritten digit dataset, SNN-PC developed hierarchical internal representations and was able to reconstruct samples it had not seen during training. SNN-PC suggests biologically plausible mechanisms by which the brain may perform perceptual inference and learning in an unsupervised manner. In addition, it may be used in neuromorphic applications that can utilize its energy-efficient, event-driven, local learning, and parallel information processing nature

Design of MRI Structured Spiking Neural Networks and Learning Algorithms for Personalized Modelling, Analysis, and Prediction of EEG Signals

Abstract This paper proposes a novel method and algorithms for the design of MRI structured personalized 3D spiking neural network models (MRI-SNN) for a better analysis, modeling, and prediction of EEG signals. It proposes a novel gradient-descent learning algorithm integrated with a spike-time-dependent-plasticity algorithm. The models capture informative personal patterns of interaction between EEG channels, contrary to single EEG signal modeling methods or to spike-based approaches which do not use personal MRI data to pre-structure a model. The proposed models can not only learn and model accurately measured EEG data, but they can also predict signals at 3D model locations that correspond to non-monitored brain areas, e.g. other EEG channels, from where data has not been collected. This is the first study in this respect. As an illustration of the method, personalized MRI-SNN models are created and tested on EEG data from two subjects. The models result in better prediction accuracy and a better understanding of the personalized EEG signals than traditional methods due to the MRI and EEG information integration. The models are interpretable and facilitate a better understanding of related brain processes. This approach can be applied for personalized modeling, analysis, and prediction of EEG signals across brain studies such as the study and prediction of epilepsy, peri-perceptual brain activities, brain-computer interfaces, and others

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