Персептрон

р 1 488230 ОПИСАНИЕИЗО БРЕТ Е Н И ЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистических Республик 1) Дополнительно д-ву авт. 51) М, Кл. С 061 9/02 Ст 03 с 9/0809 26 Заявлено 29,11.73 с присоединением аявк Государственный комитет Совета Министров СССР ло делам изобретенийи открытий При итетно 15,10.75. Бюллетень чое 38 УДК 772.99(088.8) Опублик Дата оп исания 26.02.7 ликования(72) Автор изобретения В. М. Мещанн Заявите 54) ПЕРСЕПТРОН а- оИзобретение относится к системам для распознавания разов, в частности к обучаемым распознающим устройствам-персептронам и может найти применение в науке, технике, медицине и биологии для решения задач, связанных с распознаванием образов.Известные персептроны содержат преобразователь входной информации, ассоциативную матрицу усилителей с регулируемыми коэффициентами усиления, матрицу сумматоров и систему сравнения.Процесс преобразования входной информации в известных перспектронах заключается в разбиении всего поля подлежащего анализу изображения (оптического сигнала) на ряд элементарных участков и измерении яркости (обычно по двухградационной шкале) в каждом из этих участков. Каждое из указанных измерений, выполняемых при помощи матрицы фотосопротивлений, является мерой параметра анализируемого сигнала. Чем больше количество параметров (выше мерность пространства параметров), тем выше (при прочих равных условиях) качество распознавания. Оказывается, что для решения даже самых простых задач мерность пространства параметров или, что то же самое, количество фотосопротивлений, составляет не менее нескольких сотен. Это является одним из главных недостатков известных персептронов, поскольку описанный процесс преобразования входной информации является слишком элементарным и далеким от оптимального.5 Другой недостаток известных персептроновсвязан со сложностью построения ассоциативной матрицы из большого числа элементов, что необходимо для качественной дискриминации образов, особенно в тех случаях, когда 10 этп образы трудно различимы в пространствепараметров. Считается, что число элементов ассоциативной матрицы (А-элементов) содержит большое число входов (порядка числа параметров) и один выход. В каждом А 1 б элементе происходит алгебраическое сложение поступающих на входы сигналов и формирование на выходе одного из двух возможных сигналов - ноль или единица в зависимости от того, превзошла или нет сумма 20 входных сигналов некоторый порог О; каждый из А-элементов известного персептрона является достаточно сложным устройством.Создание больших матриц из таких элементов, что необходимо для надежного решения задачи распознавания образов для большого класса задач, оказывается практически невозможным.Для повышения качества распознаванияобразов и расширения класса решаемых з 30 дач в предлагаемом персептроне преобраз20 25 ЗО 35 40 45 50 55 60 65 ватель входной информации выполнен в видемногоканального голографического коррелятора, связанного с источником когерентногосвета и системой, преобразующей входныесигналы в вид, необходимый для ввода в этоткоррелятор, а ассоциативная матрица выполнена в виде мультипликатора (например,многолинзового растра), установленного между входной плоскостью коррелятора и матрицей фотоприемников, связанных с блокоманализа,На фиг. 1 приведена функциональная блоксхема предлагаемого персептрона; на фиг.2 - блок-схема одного из фотоприемников,входящих в ассоциативную матрицу,Персептрон предназначен для распознавания трех образов А, В и С. При большом количестве образов, количество усилителей исумматоров в блоке анализа, полностью заимствованном из известных пер септронов,должно быть соответственно увеличено.На фиг. 1 и 2 обозначено: 1 - преобразователь входной информации, 2 - система преобразования входных сигналов в вид, необходимый для взода в голографический коррелятор, 3 - многоканальный голографический коррелятор, 4 - источник когерентногосвета, 5 - ассоциативная матрица, 6 - мультипликатор изображений, 7 - матрица фотоприемников с пороговыми элементами, 8 -блок анализа, 9 - матрица усилителей, 10 -матрица сумматоров, 11 - система сравнения, 12 - первый канал двухканального фотоприемника, 13 - второй канал двухканального фотоприемника, 14 - система вычитания, 15 - пороговое устройство.Преобразователь входной информации 1состоит из трех блоков: системы 2 преобразования входных сигналов в вид, необходимый для ввода в голографический коррелятор, многоканального голографического коррелятора 3, связанного с этой системой, иисточника когерентного света 4, оптическисвязанного с указанным коррелятором,Выход преобразователя информации оптически связан с ассоциативной матрицей 5,которая, в свою очередь, состоит из мультипликатора б и матрицы фотоприемников 7 спороговыми элементами. При этом входмультипликатора оптически связан с выходом коррелятора, а выход мультипликатораоптически связан с матрицей упомянутых фотоприемников.Выход ассоциативной матрицы связан свходом блока анализа 8, состоящим из матрицы усилителей 9, матрицы сумматоров 10и системы сравнения 11. При этом выходкаждого из фотоприемников ассоциативнойматрицы связан электрически с входами нескольких усилителей, их количество равночислу распознаваемых образов (на фиг. 1это количество равно трем). Выходы усилителей связаны с входами сумматоров, количество которых также равно числу распознаваемых образов, причем с каждым из сумматоров связан только один из усилителей, входящих в указанные выше группы усилителей, Выходы сумматоров электрически связаны со входами системы сравнения, причем число этих входов равно числу распознаваемых образов. Выход системы сравнения является выходом всего устройства,Двухканальный фотоприемиик содержит два канала 12 и 13, каждый со своей входной апертурой (например, два фотоэлектронных умножителя), выходы которых подключены ко входу системы вычитания 14. Выход системы вычитания соединен со входом порогового устройства 15 (например, диодного), выход которого является выходом двухканального фотоприемника,Персептрон работает следующим образом.На вход преобразователя входной информации 1 поступает подлежащий распознаванию сигнал к. Он преобразуется в системе 2 и вид Х, необходимый для ввода в голографический коррелятор 3, оптически связанный с источником когерентного света 4. Конкретный способ преобразования х в Х, а значит и выражение преобразующей системы, зависит от способностей, подвергаемых распознаванию образов и может быть самым разнообразным. В частности, это может быть процесс фотографирования, в результате которого получается диапозитив с записью входных сигналов (например, текста, рисунков, кривых и т. п.) или процесс преобразования электрического сигнала в пространственную модуляцию света при помощи, например, акустического или электроннолучевого модулятора света.В многоканальном оптическом корреляторе с параллельной обработкой сигналов осуществляется сравнение в общем случае двумерного сигнала Х(х, у) с некоторой выбранной системой функции сравнения ;(х, у), где = 1, 2 У, У - число каналов коррелятора, Для получения как можно большего числа параллельно работающих каналов Л в персептроне используется голографический коррелятор, Конкретное выполнение этого коррелятора может быть различным. Возможно, например, использование системы с У независимо работающими корреляторами, в каждом из которых установлен голографический фильтр на одну из функций р. Более экономичен коррелятор с записью нескольких функций сравнения на один голографический фильтр с использованием нескольких различных углов падения опорной волны или сложного сигнала, составленного из нескольких функций сравнения. Возможны различные комбинированные схемы корреляторов, использующие указанные выше методы получения многоканальности.На выходе многоканального голографического коррелятора, как известно, образуется система пространственно разнесенных опти 488230(2) Ои: 0 г (-+ сь ч+ М,15 20 25 Зо 35 Р,= Ц о,( )дЯ, - ж 50 55 60 05 ческих сигналов - корреляционных сигналов,распределение интенсивности которых описывается выражением; 2у; (") =11 х (х, у) у, ( - х, , - у) шхшу:(1) где ф означает операцию корреляции.Выходными сигналами преобразователя входной информации является или максимукоррелцонных сигналовсуммарная интенсивность Очевидно, что требуемое для надежного распознавания число М каналов коррелятора, определяющее в предлагаемом устройстве мерность пространства параметров значительно меньше, чем число рецепторов, определяющих мерность пространства параметров в известном персептроце.Действительно, как известно, корреляционные характеристики р;, или Р; дают наибо. лее полное описание степени сходства сравниваемых сигналов Х и р;. Эти характеристики оказываются настолько исчерпывающими, что в ряде случаев, как известно, достаточно измерения величины о;или Р; ц сравнения этой величины с некоторым порогом О для того, чтобы решить относится неизвестный сигнал к образу р; или нет, В других случаях однако (при размытых в пространстве параметров границах образов) этого оказывается недостаточно и длл определения принадлежности Х к тому илц иному образу требуется срлвнительцый дцалцз не одного, а нескольких измеренных величин у;, или Р,. Однако ц в этих случаях цх число оказывается всегда значительно меньшим, чем требуемое число параметров в известном персептроне. Это обусловлено тем, что каждый из корреляционных сигналов описывает степень схожести всего исходного сигнала Х с одной из функций сравнения, тогда как сигнал на выходе каждого из рецепторов в известном пепсептроне, описывает степень схожести только о,чного цз элементов входного сигнала с элементарной функцией сравнения, задаваемой характеристикой фотосопротивления, Общее сокращение мерности пространства параметров в предлагаемом персептроне по сравнению с известным растет по мере усложнения подвергаемых анализч образов и может достигнуть нескольких порядков. Число же каналов коррелятора может быть принципиально ппосто получено порядка нескольких ,чесятког следовательно, по качеству распознавания предлагаемый персептроц соответствует известным персептронлм с числом параметров порядка 1000 ц более, что делает такие известные персептроны в настоящее время практически не реалпзуемымц (например персептрон МЛРКимеет 400 рецепторов),С выхода коррелятора корреляционные сигналы поступают на вхочящцй в ассоциативную матрицу 5 мультипликатор 6 изображений, который создает пз каждого поступающего на его вход сигналя р;(:.,т 11 систему одинаковых, но пространственно разнесенных сигналов где; 1=1, 2, М, Л - степень мультцплцппровянця, М= У, аи, Гу,у - прострлпственцье сдвиги 7 г-го мультцплццпровянного изображения р; по осям и ц. В качестве мультипликатора могут быть использованы различные устройства. например зеркальный оптический туннель, мцоголццзовый растр ц т. п. В плоскости обпазовлцця юультцплпццповлнных изображений установлена система фотоприемников 7 с оптической апертурой такой величины, что в нее поступают сигналы от нескольких (регулируется прп настройке) мультиплцпцровянных изображений, соответствующих разным номерам . Следовательно, сигнал нл входе каждого пз фотоприемников пре,чставляет собою сумму корреляцпоцпых сигналов, попа,чающих в приемную апертуру. Каждый цз фотоприемников 7 снабжен пороговым устройством с уровнем Н, прп достижении которого цл вт,хоче формируется сигнал единица. Следовательно, цд выходе ассоциативной млтршцк как и требуется в персептроне, сигнал опцсывястсл выплже- нцем л1, если У,и - 0 )О,-- (3)О, если У ; - О (О,/=1 где т - число цзображеццй, попадающих вприемную апертур т.= Ю - . - Лу 1,Поскольку (3) описывает алгоритм работы ассоциативной матрицы персептроня, рассматриваемое устройство действительно является персептроцом. Далее сигналы У; попадают в блок анализа 8, гле онц усцлцвлются усцливателями 9, суммцпуютсл в сумматорах 10 ц подвергяютсл сравнению в системе сравнения 1 точно так же, кяк и в известном персептроце. Хорошо известно, что в персептроне должно быть обеспечено такое соединение, чтобы некоторые цз сигналов ра входилц в выражение ГЗ) со знаком плюс, а некоторые со знаком минус, причем число тех цлц цпых сигналов случайно (выбирается по кребц.о). Для того. чтобы получить такоц кс рсз,льтат и в предложенном персептроце, каждый цз фотоприемни488230 1 1 ков, входящих в ассоциативную матрицу, выполняют двухканальным в соответствии с блок-схемой, приведенной на фиг. 2. Рассмотрим работу этого двухканального фотоприемника.Часть из оптических сигналов р,Д,т), попадающих в входнчю апертуру фотоприемника, проходит через входную апертуру одного из его каналов 12 и другая часть через входную апертуру другого канала 13. Выходные сигналы этих каналов складываются с противоположными знаками в системе вычитания 14, которая может быть выполнена различными способами, в частности, например, так, как показано на фиг. 2 1 встречное включение выходных напряжений). Следовательно, на выходе системы вычитания образуется сигнал равный сумме о;ь в которой часть слагаемых входит с одним, а часть с противоположным знаком. После прохождения этого сигпала через пороговое устройство 15 получим сигнал описываемый (3), в котором часть из о входит со знаком плюс, а часть со знаком минус, что и требуется для нормальной работы персептрона. Формула изобретения Персептрон, содержащий преобразовательвходной информации, связанный с ассоциа тивной матрицей, имеющей системы вычитания и пороговые устройства, и блоком анализа, отличающийся тем, что, с целью повышения качества дискриминации образов и расширения их класса, преобразова тель входной информации выполнен в видетрех блоков, представляющих собой многоканальный голографический коррелятор и связанные с ним источник когерентного света и систему преобразования входных сигна лов в вид, необходимый для ввода в этоткоррелятор, а ассоциативная матрица выполнена в виде матрицы двухканальных фотоприемников и мультипликатора, установленного между выходной плоскостью корре лятора и указанной матрицей фотоприемников, связанных с блоком анализа, причем в каждом из фотоприемников выходы обоих каналов соединены со входом системы вычитания, а выходы системы вычитания соеди иены с пороговым устройством, вход которого является выходом указанного фотоприемника.Редактор И, Шубина Корректор А Дзесова Типография, пр. Сапунова, 2 Заказ 141/17 Изд.1881 Тираж 679 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий Москва, Ж.35, Раушская наб., д. 4/5