Công nghệ mạng noron tế bào CNN

Chia sẻ: Nguyen Van Dau | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

180
lượt xem 55
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Công nghệ mạng noron tế bào CNN và khả nang ứng dụng trong các hệ co diện tử Tóm tắt: Thời gian qua mạng noron tế bào CNN (Cellular Neural Network) dã duợc nhiều nuớc trên thế giới dầu tu nghiên cứu nhu một công nghệ xử lý song song cực mạnh da nang có khả nang ứng dụng trong nhiều linh vực mà các chip vi xử lý, máy PC hiện hành không thực hiện duợc. Báo cáo này giới thiệu sự phát triển của mạng noron tế bào trong thời gian qua và khả nang ứng dụng trong các...

Chủ đề:

điện tử-điên

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Công nghệ mạng noron tế bào CNN

Công nghệ mạng noron tế bào CNN và khả nang ứng dụng trong các hệ co diện tử Tóm tắt: Thời gian qua mạng noron tế bào CNN (Cellular Neural Network) dã duợc nhiều nuớc trên thế giới dầu tu nghiên cứu nhu một công nghệ xử lý song song cực mạnh da nang có khả nang ứng dụng trong nhiều linh vực mà các chip vi xử lý, máy PC hiện hành không thực hiện duợc. Báo cáo này giới thiệu sự phát triển của mạng noron tế bào trong thời gian qua và khả nang ứng dụng trong các hệ co diện tử trong tuong lai. Phần 1 báo cáo giới thiệu về co sở toán học của mạng no ron tế bào và nguyên lý họat dộng của máy tính vạn nang tế bào CNN. Tiếp dến báo cáo trình bày các huớng nghiên cứu về CNN dang duợc chú trọng trên thế giới nói chung và trong các phần tử và hệ thống co diện tử nói riêng. Phần 3 giới thiệu khả nang ứng dụng của công nghệ CNN. Phần 4 của báo cáo dề cập dến các kết quả buớc dầu nghiên cứu về công nghệ CNN trong xử lý ảnh tốc dộ cao tại Viện công nghệ thông tin, Viện Khoa học và công nghệ Việt nam. Cuối cùng là phần kết luận và tài liệu tham khảo. 1. Công nghệ mạng noron tế bào CNN: Máy tính diện tử ra dời dã hon 60 nam và dang dến gần giới hạn vật lý về kích thuớc và tốc dộ xử lý. Sự ra dời của mạng noron tế bào CNN dã mở ra một thời dại mới cho sự phát triển của khoa học tính toán tiếp cận dến các phuong thức xử lý cung nhu phuong thức cảm nhận và hành dộng của các tổ chức trong co thể sinh vật sống. Ta biết rằng các máy tính số hiện nay về co bản là loại máy logic với các dữ liệu rời rạc duợc mã hóa theo hệ nhị phân. Tính chất co bản của nó là khả nang thực hiện thuật toán theo chuong trình duợc luu trong bộ nhớ. Ðây là loại máy tính vạn nang xử lý trên các số nguyên (Universal Machine on Integers) hay còn gọi là máy Turing (Turing Machine). Các phép tính co bản của nó là các phép số học và logic. Thuật toán là các chuỗi logic của các phép tính co bản này. Sự ra dời của bóng bán dẫn nam 1948 và của các vi mạch tích hợp IC (Integrated Circuit) nam 1960 dã tạo ra các máy tính số có tính thực tiễn cao với giá thành rẻ và hiện nay dã trở thành một loại hàng hóa thông dụng. Truớc kia nhiều nguời tuởng rằng hoạt dộng của máy tính diện tử phản ánh co chế hoạt dộng của bộ não con nguời. Tuy nhiên hiện nay vấn dề dã trở nên rõ ràng là noron và các tế bào thần kinh có co chế hoạt dộng hòan toàn khác. Hệ noron tính tóan thuờng xử lý mảng tín hiệu tuong tự (analog) có tính liên tục về thời gian và biên dộ. Cấu trúc gồm nhiều lớp mảng 2D noron có các kết nối mạng cục bộ (local) là chủ yếu, và kết nối toàn cục (global) là không nhiều. Có no ron duợc tích hợp với các tế bào cảm biến (sensing) và tế bào tác dộng (actuating). Các noron hoạt dộng với dộ trễ thay dổi và có co chế hoạt dộng dạng sóng kích hoạt. Các dữ liệu và sự kiện (event) là các mảng tín hiệu phụ thuộc không gian và/hoặc thời gian Rõ ràng với các tính chất co bản nêu trên máy tính số hiện nay không có khả nang tiếp cận dến khả nang xử lý của não nguời. Ðể có thể chế
tạo duợc hệ thống diện tử có khả nang tính toán tuong tự nhu hệ thần kinh này, dòi hỏi ta phải thay dổi về kiến trúc, về thuật toán về công nghệ và khả nang xử lý song song của hàng vạn hoặc hàng triệu bộ xử lý trên một chip. Mạng noron tế bào CNN (Cellular Neural Network) là một giải pháp mở dầu cho loại máy tính vạn nang xử lý dòng mảng dữ liệu dầy tiềm nang này.
Co sở toán học của mạng CNN CNN (Cellular Nonlinear/Neural Network) duợc Leon O. Chua và L.Yang giới thiệu nam 1988 [1], [2], [3]. Tu tuởng chung là sử dụng một mảng don giản các tế bào kết nối cục bộ dể xây dựng một hệ thống xử lý tín hiệu analog dồ sộ. Ðặc diểm mấu chốt của mạng noron là xử lý song song không dồng bộ, liên tục và ảnh huởng toàn cục của các phần tử mạng. Khối mạch co bản của mạng CNN duợc gọi là tế bào (cell). Nó chứa các phần tử mạch tuyến tính và phi tuyến. Tiêu biểu là các tụ tuyến tính, các diện trở tuyến tính, các nguồn diều khiển tuyến tính, phi tuyến và các nguồn dộc lập. Mỗi một tế bào trong CNN chỉ kết nối tới các tế bào láng giềng. Các tế bào liền kề có thể ảnh huởng trực tiếp tới nhau. Các tế bào không có liên kết trực tiếp có thể tác dộng dến các tế bào khác gián tiếp bởi sự tác dộng lan truyền của mạng CNN. Mạng CNN có thể là mạng lớp don hoặc da lớp. Một lớp don chứa các tế bào C trong dó i, j là hàng và cột nhu mô tả trong hình 1. Um x n X(t= 0)Mẫu Ar x rm x n , Br x r ijb) Hình 1. a) So dồ của một cấu trúc CNN. b) Liên kết cục bộ giữa các tế bào Mỗi một tế bào Cija) có các tế bào láng giềng CYklm x n duợc dịnh vị trong phạm vi hình cầu S(r) có bán kính r, tâm ở tế bào Cijij , mà r là một số nguyên duong. Mỗi một tế bào là một bộ xử lý với các giá trị tín hiệu thực dầu vào u(t), trạng thái xij(t), và dầu ra yijij(t). Hệ dộng lực tế bào don giản nhất gọi là phuong trình CNN tiêu chuẩn duợc mô tả nhu sau: trong dó zijuklijByklijAzxx & (1) ).;().;(rSC klijijijrSC kl)()(ijklijkl duợc gọi là nguỡng của tế bào C , A(ij,kl) và B(ij,kl) duợc gọi là các toán tử hồi tiếp và dẫn nhập. Trong truờng hợp r=1 chúng là các ma trận 3 x 3. Tín hiệu trạng thái và tín hiệu dầu ra của mỗi tế bào có quan hệ phi tuyến duợc mô tả trong phu ong trình (2): ij1 )( ijijijij)11( 2xxxfy (2) So dồ khối của tế bào CNN tiêu chuẩn duợc mô tả trong hình 2. Hì n h 2 : S o d ồ kh ố i c ủ a h ệ d ộ n g l ự c t ế b à o C N N
Khi dua một mảng tín hiệu dầu vào u với 1 i  M và 1 j  N duợc dịnh nghia nhu một ảnh với giá trị pixel uijij , thì tập hợp giá trị (A,B,z) quyết dịnh lời giải của hệ dộng lực CNN. Tập hợp này chính là các ma trận trọng số của mạng noron CNN duợc gọi là các mẫu vô tính hoặc còn gọi là gen. Trong không gian bất biến, các mẫu là các ma trận 3x3, 5x5, hoặc 7x7 tùy theo giá trị r của mạng là 1, 2 hay 3. Có nghia là mảng CNN có thể duợc dịnh nghia bởi 19 (hoặc 51 hoặc 99) tham số của A, B và z và không phụ thuộc vào kích cỡ M x N của mạng. Khi dầu vào uij là ảnh tinh hoặc ảnh dộng, thì mạng CNN dóng vai trò nhu mạng xử lý ảnh. Máy tính vạn nang CNN (CNN Universal Machine on Flow) Ta hãy khảo sát kỹ hon về mặt toán học dịnh nghia thế nào là máy tính vạn nang CNN. Máy tính CNN thực chất là máy tính xử lý dòng dữ liệu mảng nhu chuỗi ảnh video, mảng vecto áp lực ở các tế bào xúc giác v.v… Chuỗi dữ liệu 2D (ảnh video) (t) duợc dịnh nghia nhu sau   ( t ) : (t) , t T = [0, (t) {  tijd Cij1 d ij 1 = 1 i Pijmax j ij inpu t + t, t0 input ] } ( 3 ) 1 = i = m ; 1 = j = n Ở dây m và n là các số > 0 là khoảng thời gian khảo nguyên, t sát,  },  p < 8; 0, R p R P: {p t0 ij  output (là hàm liên tục, khả vi và bị chặn).  có thể là biến vào, biến trạng thái hay bidầutế
bào (1 pixel) trong mảng m x n tế bào. Ở thời diểm t = t’ ta có (t’) là một ảnh (n x m) pixel là cuờng dộ pixel (4) Mức xám của ảnh duợc mô tả trong vùng +1 và -1 (+1 là trắng và -1 là den). Ảnh màu duợc mô tả bằng tổ hợp của nhiều lớp ảnh mxn pixel, mỗi lớp mô tả cuờng dộ của một màu (ví dụ hệ màu R.G.B). Ảnh nhị phân duợc gọi là mặt nạ M M : m [ 1 , - 1 ] ( 5 ) C h u ỗ i ả n h ở c á c t h ờ i d i ể m t + 2t… duợc gọi là dòng ảnh hay dòng video. Lệnh co bản của máy tính CNN duợc dịnh nghia là: (t): = { (t)}, tT = [0,  td ] (6) Ở dây  là hàm của dòng ảnh. Ví dụ ta có thể chuyển dổi một video clip sang một video clip khác. Ta dịnh nghia một phiến hàm F biến dổi một dòng ảnh sang một ảnh nhu sau: P : = F (  ( t ) ) ( 7 ) N h u v ậ y m á y t í n h C N N c ó c á c d ữ l i ệ u b a n d ầ u l à d ò n g v i d e o , ả n h v à m ặ t n ạ :   ( 0 ) , P , M . T o á n t ử co bản của máy CNN là phép giải phuong trình vi phân dạo hàm riêng  trên dòng mảng dữ liệu (t). Thuật tóan (algorithm) của máy CNN chính là tổ hợp số học và logic của các dữ liệu và tóan 3
tử trên dòng mảng dữ liệu (ảnh) này. Ta gọi các thuật tóan chạy trên các dòng mảng dữ liệu ở máy CNN là hàm dệ quy lọai  (-recursive function), trong khi ở máy tính số Von Neumann các thuật tóan chạy trên các số nguyên là các hàm dệ quy loại µ (µ-recursive function). Khả nang và dộ phức tạp tính tóan của máy tính CNN Ở trên ta dã dề cập dến lệnh co bản của máy tính CNN là lời giải của các phuong trình vi phân dạo hàm riêng PDE (Partial Differential Equation) phi tuyến loại phản ứng–khuyếch tán (nonlinear reaction–diffusion equation). Ta hãy di sâu hon dể hiểu rõ nguyên lý này. Phuong trình dạo hàm riêng loại phản ứng – khuyếch tán duợc mô tả về mặt toán học duới dạng: tyx )),,((),,())),,(()),,((( ),,(00tyxtyxtyxgradtyxcdiv t (8) Phuong trình trên mô tả một loạt lớp phuong trình PDE bao gồm - Phuong trình khuyếch tán tuyến tính khi 0 = 0 và  = 0 - Phuong trình khuyếch tán tuyến tính bị chặn khi 0(.)  0 và  = 0 và  = 0 - Phuong trình sóng trigo phi tuyến khi 0(.)  0 - Phuong trình sóng trigo phi tuyến có giới hạn khi 0(.)  0 và (.)  0 Khi rời rạc hóa theo không gian phuong trình dạo hàm riêng trên trở thành một hệ phuong trình vi phân thuờng liên kết có dạng td )())(( )(ztttt cj ijijijijiijij ijttg dt)(()( (9) txft) ijij1,1,,1,1 1))()()()(( 4 (.)(.)fCg  0 ij ij 1 0 ij kết sau: 212bbb Bbbb  1 bbb101212   Với c0 = 0 và c1 1 l  t i B j z z   k l k
tính khi z = 0 và f( ) 1 )( =  - Phuong trình khuyếch tán tuyến tính bị chặn khi z  0 và f ( ) =  - Phuong trình sóng trigo phi tuyến khi z = 0 và f ( ) = sign ( ) - Phuong trình sóng trigo phi tuyến bị chặn khi zij  0 và f ( ) = sign ( ) Tất cả các dạng phuong trình PDE trên dều có thể lập trình trên mạng CNN sử dụng các mẫu liên c ccc c00 z ( 1 0 ) 101A ;; 000 > 0 ta có lời giải phuong trình vi phân dạo hàm riêng khuyếch > tán và với c c > 0 ta có lời giải của phuong trình sóng trigo. Nhu vậy bằng một lệnh [A, B, z ] ta có thể có lời giải cho phuong trình vi phân dạo hàm riêng phi tuyến dạng phản ứng – khuyếch tán trong thời gian 5µs là thời gian quá dộ của mạch diện tử của 1 tế bào trong mạng CNN. Máy CNN cung có tính vạn nang nhu các máy Turing [13]. Với tính chất giải các phuong trình sóng trong một lệnh, ta còn gọi các máy tính vạn nang CNN là các máy tính sóng (Wave Computer). Ðể xác dịnh khả nang tính toán của máy tính ta cần có các số do cụ thể nhu tốc dộ, công suất tiêu thụ và diện tích (hoặc thể tích) của máy. Ðối với chip CNN ACE16K ta có tốc dộ tính toán lên tới 12 Tera OPS. Tốc dộ tính toán của máy CNN phụ thuộc chủ yếu vào các tham số của bài toán. Ðộ phức tạp của tính toán phụ thuộc chủ yếu vào các tham số của PDE (các template) và không phụ thuộc vào kích cỡ của mảng. Ðiều này trái nguợc với các máy tính số hiện nay. 4
Ðiểm dặc thù trong dộ phức tạp tính toán ở máy tính CNN là tính chất liên tục trong thời gian và trong giá trị [5], [7]. Với tính chất này chênh lệch về dộ phức tạp của tính toán giữa máy Turing và máy CNN là rất lớn có thể lên dến 1: 8000 lần khi xác dịnh biên của các ảnh diện tim có nhiễu. Sự khác nhau giữa máy tính số Turing và máy tính vạn nang CNN duợc tóm tắt trong bảng 1. Máy tính Turing UMZ (Universal mxn Machine Over Z) - Phuong trình vi phân 2D, 3D - Hàm dệ quy  trên dòng - Hàm dệ quy từng phần ảnh trên số nguyên 2. Những kết quả nghiên cứu phát triển về công nghệ CNN rất ph thể du Flow) Truờng I/O Số hiện tron nguyên Z F (dòng ảnh R) Lệnh co bản Logic Vi phân dạo hàm riêng Phuong thức hoạt dộng kho Lặp Bán lặp Vùng tác dộng của lệnh co bản Cục bộ Toàn cục rất nh Kiến trúc Máy Turing CNN vạn nang Mô hình tính toán - Cú pháp trúc m tế bào nê có m Bảng 1: So sánh nguyên lý hoạt dộng của máy tính số và máy tính vạn nang xử lý son CNN mà phép bản c giải c phuong t Mạng CNN có thể duợc thực hiện trên các vi mạch VLSI. Các trọng số A, B, z duợc thể phân d hiện bằng các thông số kết cấu của mạch. Bộ mẫu (A,B,z) chính là chuong trình của riêng phi mạng. Các mẫu có thể xác dịnh hoàn toàn phuong thức hoạt dộng của mạng CNN với (PDE). P dầu vào, trạng thái ban dầu của mỗi tế bào cung nhu những diều kiện biên cho truớc. này du Nhờ tính uu việt của việc tính toán thời gian thực, quá trình xử lý dòng dữ liệu ma trận hiện b
lệnh trong thời gian vài µs và chính là thời gian hội tụ của quá trình quá dộ của phuong Máy tính trình dộng lực co bản của tế bào CNN. Trong khi dó ta biết rằng việc giải phuong trình (Univers vi phân dạo hàm riêng ở máy tính số hiện hành là một vấn dề phức tạp dòi hỏi rất nhiều Over thời gian tính toán. Trong bài toán xử lý ảnh, mạng CNN duợc tích hợp với cảm biến ảnh tạo thành chip thị giác (Visual Microprocessor) có khả nang xử lý ảnh với tốc dộ phi thuờng. Trong những nam gần dây việc chế tạo các chip CNN-UM dã dạt duợc rất nhiều thành tựu: Các chip thế hệ dầu là ACE440 có kích thuớc mảng 20x22 diểm pixel chỉ có thể xử lý ảnh nhị phân, sau dó là ACE4K có kích thuớc mảng 64x64 xử lý cả ảnh nhị phân và ảnh mức xám. Khi xử lý ảnh mức xám tốc dộ dạt dến 1000 frame/giây (fps), còn với ảnh nhị phân có thể dạt 8000 fps. Tốc dộ tính toán của chip có thể lên dến vài TeraOPS. Thế hệ chip CNN tiên tiến nhất hiện nay duợc tạo bởi một ma trận bộ xử lý tuong tự 128x128 có khả nang lập trình, duợc gọi là ACE16K. Trong ACE16K các tế bào CNN kết hợp với các sensor có kiến trúc tuong tự nhu cấu trúc sinh học của võng mạc mắt nguời. Chip gồm 16384 CPU tế bào làm việc song song. Toàn bộ quá trình hoạt dộng tính toán của chip cung cấp khả nang xử lý hình ảnh kích thuớc 128x128 lên dến 50.000 fps. Mỗi tế bào tuong ứng với một diểm ảnh trong một hình ảnh. Nếu hình ảnh rộng hon kích cỡ 128x128 thì nó duợc xử lý lần luợt kế tiếp nhau và sau dó hợp nhất với nhau. Chip ACE16K này duợc sử dụng trong hệ thống Bi-i V2. Ðây là một thiết bị camera video thông minh duợc giải thuởng nam 2003 tại Sturgat- Cộng hoà liên bang Ðức, xử lý ảnh dộc 5
lập, thời gian thực, chịu duợc lỗi (Fault-tolerant), tiêu thụ nang luợng thấp (5W-15W), có thể tích và trọng luợng nhỏ (< 1kg). Trong thời gian tới nguời ta sẽ tạo ra tế bào CNN tích hợp cả DSP và các máy tính quang tử, cho phép các mẫu B thao tác ở tốc dộ ánh sáng. Các sensor xúc giác, thính giác cung sẽ duợc tích hợp vào các chip CNN-UM tạo nên các máy cảm nhận - tính toán - quyết dịnh (sensory-computingactuating) [4]. Trong linh vực thuật toán và phần mềm cung có các thành tựu lớn: Các máy CNN-UM có thể tái cấu hình duợc, các mẫu có thể duợc thay dổi từ ngôn ngữ bậc cao trên máy tính PC sử dụng các hệ diều hành quen thuộc nhu Windows 2000, XP. Thu viện các mẫu, các hàm API liên kết với hệ thống CNN-UM ngày càng phong phú. Trong các thuật toán, các cấu trúc da sóng hoặc da luồng (multi-wave or multi-thread structures) dã duợc sử dụng với mức dộ phức tạp cao. Các thuật toán với các mạng CNN nhiều lớp cung dang duợc phát triển. Xuất hiện một kiểu mô tả thuật toán mới - mô tả bằng dồ hoạ duợc sử dụng trong máy tính CNN gọi là các biểu dồ luồng. Rất nhiều mẫu của thế giới tự nhiên dã duợc ứng dụng trong CNN . Về lý thuyết có nhiều kết quả công bố thuộc các linh vực xét tính ổn dịnh của các mẫu, các nghiên cứu về mạng CNN có quan hệ tới một số loại sóng mới, các thuật toán liên quan dến các vấn dề co bản của phuong trình vi phân dạo hàm riêng PDE và các mẫu nhiều lớp.. Các huớng nghiên cứu CNN trong linh vực co diện tử Do tiềm nang về nang lực tính toán và khả nang ứng dụng rộng rãi trong nhiều linh vực của cuộc sống, công nghệ CNN dã ngày càng thu hút duợc sự quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu khoa học trên thế giới. Các huớng nghiên cứu trong thời gian tới về công nghệ CNN vẫn bao gồm cả lý thuyết và công nghệ, cả co bản và ứng dụng. Liên quan dến linh vực co diện tử dáng chú ý nhất là việc tích hợp chip CNN với các cảm biến dịa hình (Topographic sensor) nhu cảm biến thị giác, xúc giác, nhiệt dộ và âm thanh cho ta các máy tính cảm biến (Sensor Computer) Công nghệ CNN với thị giác và xúc giác nhân tạo Khi kết hợp cảm biến thị giác với mạng noron tế bào ta duợc một chip vi xử lý thị giác là cốt lõi của máy tính CNN thị giác. Khác với các camera thông minh hiện hành, chip vi xử lý thị giác CNN có khả nang lập trình tới từng pixel cho các bài toán xử lý ảnh phức tạp với tốc dộ cao. Truớc dây co chế hoạt dộng ở phần trong của mắt còn là vấn dề bí hiểm dối với các nhà thần kinh học. Trong khi dó các kỹ su diện tử với sự say mê khám phá dã phát triển một số mô hình con nguoi bằng công nghệ bán dẫn. Bản chất của các mô hình này là mạng CNN nhiều lớp có các kết nối cục bộ trong từng lớp ( là chính) và một số ít kết nối giữa các lớp. Các lớp mảng CNN có hệ số sóng lan truyền và hằng số thời gian khác nhau. Các thực nghiệm với mô hình mắt 3 lớp với khoảng 5 tham số kết nối giữa các lớp dã cho ta khả nang tạo hầu hết các hiệu ứng sóng thuờng gặp. Một báo cáo về mô hình mắt nhân tạo theo công nghệ mạng CNN cung duợc trình bày ở hội nghị này [11]. Các mảng cảm biến xúc giác thuờng duợc chế tạo bởi công nghệ MEMS. Việc kết hợp với mạng noron tế bào CNN cho phép tạo ra nhiều cảm biến xúc giác. Hệ thống xúc giác ở dầu ngón tay chúng ta có các mảng cảm nhận với mô hình xử lý 4 kênh. 4 kênh này có các dặc tính phụ thuộc không gian – thời gian khác nhau. Vấn dề khó trong chế tạo cảm biến xúc giác là tại mỗi diểm cảm ứng taxel (tactile cell)
phải do duợc 3 thành phần của vécto áp lực tác dộng lên diểm dó. Mô hình cảm biến xúc giác CNN dầu tiên duợc nghiên cứu chế tạo tại Viện Vật lý và Vật liệu thuộc Viện hàn lâm khoa học Hungary bằng công nghệ MEMS [6] Hình 3 giới thiệu sự phát triển của các chip vi xử lý CNN thị giác. Từ các chip này dã có nhiều máy tính thị giác dã duợc phát triển. Nổi bật nhất là camera Bi-I duợc chế tạo trên chip ACE16K là camera có tốc dộ xử lý ảnh cao nhất hiện nay trên thế giới. 6
Hình 3: Sự phát triển của các chip thị giác CNN Sử dụng công nghệ FPGA cho chế tạo các mạng noron tế bào có khả nang tái cấu hình cung là một huớng nổi trội hiện nay. Mạng CNN dầu tiên duợc chế tạo theo công nghệ này là mô hình mắt nhân tạo (retina) với 10 lớp mạng CNN Các nguyên lý CNN trong quang học và công nghệ Nano Co chế hoạt dộng của mạng noron tế bào có nhiều diểm tuong dồng với các tính chất giao thoa, lan truyền của ánh sáng dẫn ta dến ý tuởng chế tạo các máy tính quang học. Ta biết trong quang học tác dộng tuong quan giữa hai nguồn ánh sáng có thể thực hiện duợc tức thì ở tốc dộ ánh sáng. Nếu một nguồn ánh sáng dóng vai trò nhu một mẫu có khả nang lập trình và ngồn thứ hai là chuỗi ảnh cần xử lý ta sẽ có một máy tính xử lý ảnh quang học. Máy tính quang học dầu tiên POAC (Programable Opto-electronic Analogic CNN Computer) dã duợc chế tạo thử nghiệm tại Budapest Hungary sử dụng 2 nguồn laser ánh sáng và một phim ( bacterio- radiopsine) tạo nên một van ánh sáng có khả nang lập trình. Có thể khẳng dịnh kiến trúc xử lý của mạng noron tế bào sẽ dóng vai trò quan trọng trong các hệ nano co diện tử. Ta có thể sử dụng các cấu trúc nano thân thiện, các kết nối ( kể cả MEMS và NEMS), và tích hợp các chức nang truyền thông (communication -ví dụ sử dụng các hệ truyền dữ liệu không dây quang học MEMS) và chức nang chấp hành (actuation) vào máy tính CNN. Nhu vậy ta sẽ có một hệ nano có khả nang cộng sinh với môi truờng qua các chức nang cảm nhận, tác dộng và truyền thông. Ảnh huởng của sinh học: Công nghệ CNN duợc bắt nguồn từ hệ noron thần kinh và ngày càng tiếp nhận ảnh huởng của các quy luật xử lý trong các tế bào sinh học. Hiện nay các mạng CNN có co chế họat dộng theo các thuật gen và các thuật toán xử lý theo kiểu phản ứng của hệ miễn dịch dang duợc nghiên cứu. Các thuật xử lý thị giác, xúc giác và các co chế khác dang duợc khám phá tạo nên các nguyên lý cho 7
chế tạo các thiết bị co diện tử thay thế các tổ chức nội tạng trong co thể con nguời (mắt, tim, gan, thận nhân tạo v.v...) 3. Khả nang ứng dụng của CNN Các ứng dụng của công nghệ CNN có thể duợc chia thành hai nhóm chính: Các ứng dụng xử lý ảnh tốc dộ cao: Ðây là nhóm ứng dụng chủ yếu trong nhiều linh vực của cuộc sống mà các hệ camera thông thuờng không dáp ứng duợc.   Các ứng dụng dòi hỏi xử lý dữ liệu lớn trong thời gian thực nhu: Giải phuong trình vi phân dạo hàm riêng (PDE), tạo sóng phi tuyến, xử lý dòng tín hiệu video (On-the-fly analog video signal processing) v.v…. Một số ứng dụng của mạng CNN theo các linh vực ứng dụng duợc liệt kê nhu sau:  Trong các ngành công nghiệp: + Phân tích bề mặt nhãn in, dệt, phân tích kết cấu sợi (Texture analysis) tốc dộ cao; Kiểm tra các lỗi và vị trí lỗi của các sản phẩm, các nhãn, rubang, vải...ngay trong quá trình sản xuất [6]. + Kiểm tra bề mặt (Surface inspection) trong công nghiệp chế tạo giấy, nhôm, thép. Ví dụ nhu kiểm tra các chỗ rối, các chỗ rách, hỏng, những chỗ nhan, các vết den của giấy có thể duợc nhận dạng và xác dịnh vị trí trong quá trình sản xuất. Cần nhấn mạnh rằng việc kiểm tra này này là kiểm tra không tiếp xúc + Phát hiện ánh sáng có thời gian tồn tại ngắn (Light Flicker Detection): Dùng khi cần kiểm tra dộ cách diện cho sứ ở diện áp cao, cung nhu kiểm tra xuất hiện tia lửa diện khi dóng diện (Live spark plug inspection). Trong những loại hình công việc này các camera CNN có thể phân loại tia lửa diện với tốc dộ hon 50.000fps [6]. + Phân tích hình dáng và kích thuớc (Shape and size Analysis). Kiểm tra, phân loại số luợng lớn các vật nhỏ, nhu các viên thuốc, hạt ngu cốc, hoa quả, các dai ốc, dinh ốc, v.v.... Trong một mô hình phân tích kiểm tra các viên thuốc dã thử nghiệm tốc dộ có thể dạt dến 15.000fps. Một ví dụ nữa có thể duợc dua ra là tìm các mảnh vụn kim loại trong dầu bôi tron trong các dộng co máy bay vận tải cỡ lớn. Trong quá trình làm việc, từ các chi tiết truyền dộng co khí có thể bong ra các mảnh vỡ kim loại. Cần phân biệt các mảnh vỡ này với bọt của dầu chuyển dộng bôi tron và xác dịnh số luợng chúng. Từ dó cho ra quyết dịnh cảnh báo cho hệ thống và quyết dịnh có nên thay dầu hay không. + Giám sát tốc dộ và kích thuớc các vật chuyển dộng tốc dộ cao. + Trong công nghiệp chế tạo ô tô: Dùng làm các sensor phân tích tình huống trong chế dộ thời gian thực, làm sensor thông minh diều khiển các túi khí bảo vệ, các guong chiếu hậu thông minh. Trong y tế: Phân tích thời gian thực chuỗi DNA, diện tâm dồ 2D thời gian thực, diện tâm dồ 3D trực tuyến (on - line), chế tạo mắt nhân tạo (dự kiến 2015 sẽ làm ra mắt nhân tạo sử dụng công nghệ CNN), xúc giác nhân tạo v.v…  Trong quân sự + Sử dụng trong các thiết bị không nguời lái + Các hệ nhận dạng bám da mục tiêu di dộng: Có thể thực hiện hợp nhất các ảnh từ nhiều nguồn camera khác nhau trong thời gian thực, phát hiện mục tiêu di dộng, nhận dạng da mục tiêu (MTT- Multi Target Tracking) [10] trong linh vực giám sát và an ninh. + Phân tích dịa hình (Terrain Analysis) thời gian thực .. v.v… 4. Một số kết quả nghiên cứu về mạng noron tế bào tại Viện công nghệ thông tin thời gian qua Hon một nam qua Viện Công nghệ thông tin dã triển khai các nghiên cứu về công nghệ
mạng noron tế bào trên co sở hợp tác quốc tế qua duờng nghị dịnh thu với Viện nghiên cứu máy tính và tự dộng hóa của Viện Hàn lâm khoa học Hungary (MTA SzTAKI). Với sự hỗ trợ của Viện sỹ Roska Tomás
thuộc phòng thí nghiệm tính toán noron và tuong tự số của Viện SzTAKI và là nguời dồng phát minh ra máy tính CNN vạn nang, Viện Công nghệ thông tin dã tiếp cận và làm chủ duợc công nghệ CNN mới mẻ này. Các kết quả nghiên cứu dạt duợc thời gian qua tập trung vào các vấn dề sau dây: Về nghiên cứu co bản: + Nghiên cứu về co sở toán học của mạng noron tế bào CNN, cấu trúc dộng lực học phi tuyến và dộ ổn dịnh toàn cục của mạng CNN. + Nghiên cứu các mẫu ma trận trọng liên kết (A, B, z) phuong pháp thiết kế các mẫu cho mạng CNN + Nghiên cứu các phuong pháp giải phuong trình vi phân dạo hàm riêng sử dụng mạng noron tế bào + Nghiên cứu các phuong pháp thu thập, nhận dạng và bám da mục tiêu di dộng trong thời gian thực sử dụng mạng CNN + Nghiên cứu mô hình mắt nhân tạo + Nghiên cứu các phuong pháp thu thập và xử lý ảnh tốc dộ cao sử dụng máy tính thị giác Bi-I. Về nghiên cứu thực nghiệm: + Nghiên cứu các công cụ và phuong pháp lập trình phát triển các hệ xử lý ảnh tốc dộ cao trên máy tính thị giác CNN Bi-I.V.2 + Nghiên cứu phát triển các mô hình thu thập ảnh tốc dộ cao > 10000fps phục vụ cho nghiên cứu và dào tạo: - Mô hình cắt mẫu và phân tích tia lửa diện. - Mô hình quan sát quá trình nổ. + Nghiên cứu thử nghiệm quá trình nhận dạng sử lý ảnh tốc dộ cao: - Mô hình nhận dạng lỗi thuốc viên. - Mô hình nhận dạng lỗi duờng sắt. - Mô hình nhận dạng vân tay. + Nghiên cứu các khả nang ứng dụng công nghệ CNN và Bi-I trong công nghiệp và quốc phòng. Hiện nay nhóm nghiên cứu về công nghệ CNN dã có hon 10 thành viên trong dó có 4 nghiên cứu sinh dang tiến hành các nghiên cứu co bản về công nghệ CNN. Chúng tôi dã tổ chức hội thảo và seminar về công nghệ mới này và dã duợc dông dảo các cán bộ chuyên môn trong và ngoài viện quan tâm. 5. Kết luận Mạng noron tế bào dã mở ra một thời dại mới cho sự phát triển của khoa học tính toán. Ðây là một linh vực khoa học công nghệ mới mẻ dầy triển vọng cho da dạng ứng dụng . Nghiên cứu về mạng noron tế bào cho ta một khả nang khám phá ra các co chế hoạt dộng của các tổ chức trong co thể con nguời và các quy luật sự sống khác. Với sự phát triển của công nghệ, các ứng dụng của CNN sẽ giải quyết nhiều vấn dề mà các hệ máy tính hiện hành chua giải quyết duợc. Với các tính nang vuợt trội một ngày không xa công nghệ CNN sẽ thay thế các ứng dụng của các máy tính hiện hành và thâm nhập vào các hệ nhúng, hệ co diện tử tạo nên các sản phẩm và hệ thống thông minh phi thuờng.. 9
Tài liệu tham khảo [1] Leon O. Chua and Tamás Roska Cellular Neural Networks and Visual computing: Founditions and Applications. Cambridge University Press 2002. [2] Chua, L.O.and L.Yang Cellular Neural Networks: Theory IEEE Transactions on Circuits and Systems, 35, pp.1257 – 72, 1988. [3] Chua, L.O and L.Yang Cellular Neural Networks: Applications IEEE Transactions on Circuits and Systems, 35, pp.1273-90, 1988. [4] Tamás RoskaCellular Wave Computers for Brain–like Spatial–Temporal Sensory Computing IEEE Circuits and Systems Magazine, pp. 5-19, Second Quarter 2005. [5] Chua, L.O The CNN Paradigm. IEEE Transactions on Circuits and Systems, Vol. 40, No.3, pp.147-156, 1993. [6] Ákos Zarándy and Csaba Rekeczky Bi-I: A Standalone Ultra High Speed Cellular Vision System. IEEE Circuits and Systems Magazine pp 36-45, Second Quarter 2005. [7] Tamás Roska Computatiomal and Computer Complexity of Analogic Cellular Wave Computer. Journal of Circuits, Systems and Computers Vol., 12.pp.539-562,2003. [8] T. Roska, L.O.Chua, D. Wolf. T. Kozek, R.Tetzlaff and F.Duffer Simulating Nonlinear Waves and Partical Differential Equations via CNN- Part I: Basic Techniques. IEEE Trans.on Circuits and Systems: Fundamental Theory and Applications Vol., 42, No.10, pp.807-815, 1995. [9] T. Roska, L.O.Chua, D. Wolf. T. Kozek, R.Tetzlaff and F.Duffer Simulating Nonlinear Waves and Partical Differential Equations via CNN Typical Examples. -Part II: IEEE Trans.on Circuits and Systems: Fundamental Theory and Applications Vol., 42, No.10, pp.816-820, 1995. [10] Gargely Timár and Csaba Rekeczky A Real – Time Multi Target Tracking System With Robust Multi Channel CNN – UM Algorithms. IEEE Trans.on Circuit and Systems: Regular Paper Vol., 52, No.7, pp. 1358 – 1371, July 2005. [11] Trần Việt Phong, Phạm Thuợng Cát Một số nghiên cứu về mô hình phỏng sinh học trong linh vực thị giác nhân tạo Báo cáo tại Hội nghị Co diện tử toàn quốc lần thứ 3, Hà nội 10/2006. [12] Phạm Ðức Long, Phạm Thuợng CátỨng dụng công nghệ CNN (Cellular Neural Network) trong kiểm tra nhanh duờng sắt. Báo cáo tại Hội nghị Co diện tử toàn quốc lần thứ 3, Hà nội 10/2006. [13] Leon O. Chua, Tamás Roska and Péter L. Venetianer The CNN is Universal as the Turing Machine IEEE Trans.on Circuits and Systems: Fundamental Theory and Applications Vol., 40, No.4, pp.289-291, 1993. 10
Cellular Neural Networks and Potential Applications in Mechatronics Phạm Thuong Cát Institute of Information Technology, Vietnam Academy of Science and Technology E-mail: Abstract ptcat@ioit.ncst.ac.vn : Cellular Neural Network (CNN) is an emerging technology that is opening a new world in computer science. CNN provides solutions to many areas which the present day classical computers can not. We overview and discus this new technology in five parts of this paper. In the first part, the concept, mathematical description of CNN and development of CNN Universal Machine of flows is introduced. In the second part of the paper some actual CNN research problems are overviewed including the perspective areas related to mechatronics and nano technology. The possible applications of CNN technology is reported in the part 3. Part 4 gives some results of on going CNN project at the Institute of Information Technology of Vietnam Academy of Science and Technology. Finally some conclusion remarks and references are given in part 5. 11