DE10209082A1

DE10209082A1 - Bildsegmentierungs-Einrichtung und Verfahren zum Segmentieren eines Bildes mit einer Vielzahl von Bildpunkten

Info

Publication number: DE10209082A1
Application number: DE10209082A
Authority: DE
Inventors: Arne Heittmann; Ulrich Ramacher; Joerg Schreiter
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-03-01
Filing date: 2002-03-01
Publication date: 2003-09-18
Also published as: WO2003075223A1; US20050180625A1; EP1481370A1

Abstract

Bei einer Bildsegmentierungs-Einrichtung sind eine Vielzahl von Bildpunkten gepulster künstlicher Neuronen vorgesehen, welche über jeweils eine gewichtete Kopplung miteinander gekoppelt sind. Eine Gewichts-Veränderungseinrichtung ist vorgesehen, welche abhängig von dem Neuronen-Pulssignalen der Neuronen die Gewichte der Kopplungen derart verändert, dass Neuronen eines zu bildenden Segments jeweils zunehmend zueinander synchron Neuronen-Pulssignale ausgeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildsegmentierungs-Einrichtung sowie ein Verfahren zum Segmentieren eines Bildes mit einer Vielzahl von Bildpunkten.
Im Rahmen der Bildverarbeitung stellt die robuste Bildsegmentierung eines aufgenommenen und Bildes insbesondere bei sich verändernden Umgebungsbedingungen bei der Aufnahme eines Bildes ein erhebliches Problem dar.
Problematisch ist hierbei insbesondere, dass jeweils für ein spezielles Anwendungsszenario ein proprietäres Verfahren zur Bildsegmentierung entwickelt werden muss, welches einerseits nur schwer in einer anwendungsspezifischen Hardware, d. h. einer speziellen elektrischen Schaltung, implementiert werden kann und andererseits nur auf einer stark eingeschränkten Bilderwelt, d. h. in nur einem stark eingeschränkten Szenario hinreichend gute Bildsegmentierungs-Ergebnisse liefert.
Die bekannten Verfahren, die in analoger Schaltungstechnik implementiert werden können und die Bildsegmentierung in Echtzeit ermöglichen, weisen darüber hinaus insbesondere den Nachteil auf, dass die Schaltungskomponenten der jeweiligen analogen Schaltung mit einer hohen Genauigkeit implementiert werden müssen, wodurch die analogen Schaltungen einen großen Flächenbedarf haben, womit eine solche Lösung sehr kostenintensiv ist.
Für die Segmentierung eines digitalisierten Bildes existieren im Wesentlichen drei unterschiedliche Prinzipien.
Gemäß einem ersten Verfahren zum Segmentieren eines digitalisierten Bildes erfolgt die Bildsegmentierung auf der Basis der den jeweiligen Bildpunkten des digitalisierten Bildes zugeordneten Codierungsinformation (vgl. [1]).
Unter Codierungsinformation ist in diesem Zusammenhang jegliche einem oder mehreren Bildpunkten zugeordnete Information zu verstehen, welche Eigenschaften des Bildpunktes charakterisiert, insbesondere einem oder mehreren Bildpunkten zugeordnete Helligkeitswerte (Luminanzwerte) oder Farbwerte (Chrominanzwerte).
Gemäß dem in [2] beschriebenen zweiten Prinzip erfolgt die Bildsegmentierung auf der Basis von in dem digitalen Bild enthaltenen und im Rahmen dieses Verfahrens ermittelten Kanten.
Die in [3] beschriebene Regionen-basierte Bildsegmentierung als drittes Prinzip ist, ebenso wie die in [1] und [2] beschriebenen Verfahren, aufgrund ihrer sequenziellen Verarbeitungsstruktur für eine echtzeitfähige Umsetzung in eine spezielle elektrische Schaltung ungeeignet.
In [4] sind so genannte Resistive Fuses beschrieben, bei denen eine nichtlineare Signaldiffusion zur räumlichen Signalglättung und zum Detektieren von Diskontinuitäten, welche als Segmentgrenzen interpretiert werden, führt.
Grundlagen über so genannte gepulste künstliche neuronale Neuronen und daraus gebildete gepulste neuronale Netzwerke sind im Zusammenhang mit der Segmentierung von Audiosignalen in [5] beschrieben.
Ein VLSI Current-Mode-Chip (Very Large Scale Integration), welcher eine gepulste Synapse eines gepulsten künstlichen Neurons bildet, ist in [6] dargestellt.
Ferner ist in [7] eine Realisierung eines Schmitt-Triggers beschrieben.
In [8] ist die Anwendung von gepulsten Neuronen zur Bildsegmentierung beschrieben.
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein gegenüber den bekannten Verfahren robusteres Verfahren zum Segmentieren eines Bildes mit einer Vielzahl von Bildpunkten sowie eine entsprechende Bildsegmentierungs-Einrichtung anzugeben.
Das Problem wird durch die Bildsegmentierungs-Einrichtung sowie durch das Verfahren zum Segmentieren eines Bildes mit einer Vielzahl von Bildpunkten mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Eine Bildsegmentierungs-Einrichtung zum Segmentieren eines Bildes, welches eine Vielzahl von Bildpunkten aufweist, denen jeweils eine Codierungsinformation zugeordnet ist, in eine Mehrzahl von Bildsegmenten weist eine Vielzahl von gepulsten künstlichen Neuronen auf, wobei jeweils ein gepulstes künstliches Neuron einem Bildpunkt zugeordnet ist.
Unter Codierungsinformation ist in diesem Zusammenhang eine einem oder mehreren Bildpunkten zugeordnete und diesen charakterisierende Information zu verstehen, beispielsweise ein dem oder den Bildpunkten zugeordneter Helligkeitswert (Luminanzinformation) oder Farbwert (Chrominanzinformation).
Die gepulsten künstlichen Neuronen können mehreren unterschiedlichen Bildpunkten zugeordnet sein. Alternativ ist es vorgesehen, dass mehrere Bildpunkte einem künstlichen Neuron zugeordnet ist. Vorzugsweise ist für genau einen Bildpunkt jeweils genau ein gepulstes künstliches Neuron vorgesehen und diesem zugeordnet.
Die gepulsten künstlichen Neuronen sind jeweils zumindest mit einem Teil benachbarter gepulster künstlicher Neuronen, vorzugsweise unmittelbar benachbarter gepulster künstlicher Neuronen, über jeweils eine gewichtete Kopplung gekoppelt.
Unter einer gewichteten Kopplung ist eine elektrische Kopplung zu verstehen, bei der ein über diese Kopplung geführtes elektrisches Signal, beispielsweise ein elektrischer Strom mit einem Gewichtswert, im Weiteren auch als Gewicht bezeichnet, multipliziert, allgemein verstärkt, wird.
Jedes gepulste künstliche Neuron ist derart eingerichtet, dass es ein von der Codierungsinformation, welche dem Bildpunkt, dem das gepulste künstliche Neuron zugeordnet ist, zugeordnet ist, abhängiges Neuronen-Pulssignal als das entsprechende Ausgangssignal des gepulsten künstlichen Neurons ausgegeben werden kann.
Ferner weist die Bildsegmentierungs-Einrichtung mindestens eine Gewichts-Veränderungseinrichtung auf, welche derart eingerichtet ist, dass sie abhängig von den Neuronen- Pulssignalen die Gewichte der Kopplungen derart verändern kann, dass gepulste künstliche Neuronen eines zu bildenden Bildsegments jeweils zunehmend zueinander synchron Neuronen- Pulssignale ausgeben.
Mittels einer ebenfalls in der Bildsegmentierungs-Einrichtung vorgesehenen Bildsegmentierungs-Einheit, welche derart eingerichtet ist, dass die Bildpunkte von diesen zugeordneten gepulsten künstlichen Neuronen gemeinsam zu einem Bildsegment segmentiert werden, die hinsichtlich eines vorgegebenen Kriteriums zueinander ausreichend synchrone Neuronen- Pulssignale ausgeben, werden die Bildpunkte entsprechend des Puls-Verhaltens der jeweiligen gepulsten künstlichen Neuronen, die den zu klassifizierenden Bildpunkten, d. h. zu segmentierenden Bildpunkten zugeordnet sind, zu Bildsegmenten segmentiert.
Bei einem Verfahren zum Segmentieren eines Bildes mit einer Vielzahl von Bildpunkten, denen jeweils Codierungsinformation zugeordnet ist, in einem Mehrzahl von Bildsegmenten, wobei eine Vielzahl von gepulsten künstlichen Neuronen vorgesehen ist, wobei jeweils ein gepulstes künstliches Neuron einem Bildpunkt zugeordnet ist, und wobei die gepulsten künstlichen Neuronen jeweils zumindest mit einem Teil benachbarter gepulster künstlicher Neuronen über jeweils eine, vorzugsweise elektrisch leitfähige, Kopplung gekoppelt sind, wird von jedem gepulsten künstlichen Neuron ein von der Codierungsinformation, welche dem Bildpunkt, dem das gepulste künstliche Neuron zugeordnet ist, zugeordnet ist, abhängiges Neuronen-Pulssignal ausgegeben.
Abhängig von den Neuronen-Pulssignalen werden die den Kopplungen zugeordneten Gewichte derart verändert, dass gepulste künstliche Neuronen eines zu bildenden Bildsegments jeweils zunehmend zueinander synchron Neuronen-Pulssignale ausgeben. Es werden die Bildpunkte von diesen zugeordneten gepulsten künstlichen Neuronen gemeinsam zu einem Bildsegment segmentiert, die hinsichtlich eines vorgegebenen Kriteriums zueinander ausreichend synchrone Neuronen-Pulssignale ausgeben.
Unter einem vorgegebenen Kriterium ist beispielsweise ein beliebiges Schwellenwert-Kriterium, relativ oder absolut, zu verstehen, mit dem die Ähnlichkeit des Synchron-Verhaltens in der Ausgabe der Neuronen-Pulssignale von den jeweiligen gepulsten künstlichen Neuronen beschrieben wird.
Der Schwellenwert kann anwendungsabhängig beliebig vorgegeben werden.
Unter einem gepulsten künstlichen Neuron ist in diesem Zusammenhang ein grundsätzlich beliebiger Signalgenerator zur Pulserzeugung zu verstehen, welcher ein Ausgangssignal abhängig von über Eingänge des Signalgenerators zeitlich integrierte Eingangssignale bei Überschreiten des Integrationswertes ausgibt.
Ein Beispiel eines vorzugsweise eingesetzten gepulsten künstlichen Neurons ist ein so genanntes Integrations-und- Feuer-Neuron (Integrate-And-Fire-Neuron) wie es in [5] beschrieben ist.
Alternativ können auch die in [8] beschriebenen gepulsten Neuronen mit den Multiplizierern an den jeweiligen Eingängen des gepulsten künstlichen Neurons eingesetzt werden.
Anschaulich kann die Erfindung darin gesehen werden, dass die Bildsegmentierung dadurch erfolgt, dass zusammengehörige Bildbereiche lokal mittels Pulsmustern markiert werden, indem die den Bildsegmenten zugeordneten Signalgeneratoren, d. h. die den Bildsegmenten zugeordneten gepulsten künstlichen Neuronen, zur Pulserzeugung zeitlich synchron und periodisch Signalpulse ausgeben.
Dabei ist zunächst vorzugsweise jedem Pixel, d. h. jedem Bildpunkt, ein Pulsgenerator (Signalgenerator) zugeordnet, der Signalpulse mit konstanter Dauer und Amplituden einer von dem jeweiligen Bildpunkt zugeordneten Helligkeitswert, allgemein dem Bildpunkt zugeordneten Codierungsinformation, abhängigen Pulsfrequenz erzeugt.
Zusätzlich besteht zu den örtlich einander benachbarten Signalgeneratoren eine Kopplung in der Art, dass bei Absenden eines Signalpulses eines dem jeweiligen Signalgenerator benachbarten Signalgenerators in Abhängigkeit der Kopplungsstärke, d. h. den im Weiteren beschriebenen Kopplungsgewichten, die Pulsfrequenz erhöht wird.
Die lokale Kopplung der einzelnen Signalgeneratoren bewirkt, dass sich jeweils die Signalgeneratoren synchronisieren, d. h. im Gleichgewicht mit gleicher Pulsfrequenz Signalpulse abgeben, als zu dem gleichen Bildsegment gehörig klassifiziert werden. Signalgeneratoren, die mit unterschiedlicher Pulsfrequenz Signalpulse erzeugen, gehören zu unterschiedlichen Bildsegmenten, bzw. werden zu unterschiedlichen Bildsegmenten gruppiert, d. h. segmentiert.
In diesem Zusammenhang ist auf die erfindungsgemäße Einführung von adaptierbaren, d. h. veränderbaren Verbindungsgewichten zum Koppeln der gepulsten künstlichen Neuronen hinzuweisen, wobei die Adaption der Gewichte vorzugsweise ausschließlich durch lokal verfügbare Signale von einem gepulsten künstlichen Sender-Neuron und einem gepulsten künstlichen Empfänger-Neuron mit einem datengetriebenen Selbstorganisationsprozess realisiert wird.
Es hat sich herausgestellt, dass erfindungsgemäß insbesondere aufgrund der Adaption der Gewichte zwischen den gepulsten künstlichen Neuronen derart, dass gepulste künstliche Neuronen eines zu bildenden Bildsegments jeweils zunehmend zueinander synchron Neuronen-Pulssignale ausgeben, sehr gute und robuste Bildsegmentierungs-Ergebnisse erreicht werden.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus abhängigen Ansprüchen.
Die im Weiteren beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Bildsegmentierungs-Einrichtung und das Verfahren zum Segmentieren eines Bildes.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Bildsegmentierungs-Einrichtung als elektrische Schaltung, vorzugsweise als elektrische Analogschaltung ausgestaltet.
Durch Ausgestaltung der Bildsegmentierungs-Einrichtung als Analogschaltung ist eine Echtzeitsegmentierung eines Bildes ermöglicht.
Alternativ kann die Erfindung in Software, d. h. in Form eines Computerprogramms, welches von einem Mikroprozessor durchgeführt wird, realisiert werden.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Gewichts-Veränderungseinrichtung derart eingerichtet, dass die Veränderung eines Gewichts gemäß folgender Vorschrift erfolgt, während ein erstes Neuron L der beiden mittels der Kopplung miteinander gekoppelten Neuronen sich in einem Signal-Sende-Zustand befindet und ein zweites Neuron K sich in einem Signal-Empfangs-Zustand befindet:

wobei mit

- W_KL das der Kopplung zwischen dem ersten Neuron L und dem zweiten Neuron K zugeordnete Gewicht,
- γ ein vorgegebener Relaxationsparameter,
- µ₁ ein vorgegebener zweiter Synchronisierparameter,
- a_L das Membranpotential des ersten Neurons L,
- a_K das Membranpotential des zweiten Neurons K,

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Gewichts-Veränderungseinrichtung derart eingerichtet, dass die Veränderung eines Gewichts gemäß folgender Vorschrift erfolgt, während beiden mittels der Kopplung miteinander gekoppelten Neuronen, ein erstes Neuron L und ein zweites Neuron K sich in einem Signal-Empfangs-Zustand befinden:

wobei mit

- W_KL das der Kopplung zwischen dem ersten Neuron L und dem zweiten Neuron K zugeordnete Gewicht,
- γ ein vorgegebener Relaxationsparameter,
- µ₀ ein vorgegebener erster Synchronisierparameter,
- a_L das Membranpotential des ersten Neurons L,
- a_K das Membranpotential des zweiten Neurons K,

Für beide oben beschriebenen Ausgestaltungen kann es vorgesehen sein, dass die Gewichts-Veränderungseinrichtung oder die einzelnen Gewichts-Veränderungseinheiten derart eingerichtet ist/sind, dass die Veränderung des Gewichts in allen anderen Fällen, die oben jeweils nicht beschrieben sind, gemäß folgender Vorschrift erfolgt:
Es hat sich in Versuchen gezeigt, dass die oben beschriebenen Adaptionsvarianten zum Verändern bzw. zum Anpassen der Gewichte zwischen zwei jeweiligen gepulsten künstlichen Neuronen zu einer zusätzlichen Verbesserung des Segmentierungs-Ergebnisses führt.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass jedem Bildpunkt genau ein gepulstes künstliches Neuron zugeordnet ist.
Diese Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich insbesondere durch ihre Einfachheit und somit durch ihre einfachere und kostengünstigere Realisierbarkeit aus.
Die Gewichts-Veränderungseinrichtung kann eine Vielzahl von Gewichts-Veränderungseinheiten aufweisen, wobei jeweils eine Gewichts-Veränderungseinheit pro Kopplung zwischen einem ersten gepulsten künstlichen Neuron und einem zweiten gepulsten künstlichen Neuron der Vielzahl gepulster künstlicher Neuronen vorgesehen und dieser zugeordnet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine Skizze eines Ausschnitts von CMOS-Bildsensoren, den CMOS-Bildsensoren zugeordneten Bildpunkten und den Bildpunkten zugeordneten gepulsten künstlichen Neuronen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 2 eine Darstellung der lokalen Vernetzungsstruktur zwischen den gepulsten künstlichen Neuronen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 3 eine Skizze zweier miteinander gekoppelter gepulster künstlicher Neuronen, sowie der Funktionsblöcke eines adaptierbaren Multiplizierers, im Weiteren auch als Gewichts-Verstärker bezeichnet, und einer Gewichts- Veränderungseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 4 eine Prinzipskizze des Spannungsverlaufs des Membranpotentials sowie des Ausgangs-Signals, d. h. des Neuronen-Pulssignals gemäß einem erfindungsgemäßen gepulsten künstlichen Neuron;
Fig. 5 eine detailliertere Skizze der Funktionsblöcke aus Fig. 3 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 6 eine detailliertere Skizze der Funktionsblöcke aus Fig. 3 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 7 eine elektrische Schaltung, welche die Soma der erfindungsgemäßen gepulsten künstlichen Neuronen beschreibt;
Fig. 8 eine elektrische Schaltung eines erfindungsgemäß verwendeten Schmitt-Triggers;
Fig. 9 eine Skizze einer Realisierung des Gewichts- Verstärkers aus Fig. 3 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 10 eine elektrische Schaltung einer Gewichts- Verstärkerschaltung gemäß Fig. 9; und
Fig. 11 eine elektrische Schaltung einer Gewichts- Veränderungseinheit.
Im Weiteren werden für gleiche oder ähnliche Komponenten in den Figuren identische Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1 zeigt eine digitale Kamera 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Kamera 100 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung 1024.768 CMOS-Bildsensoren 101, 102, 103, 104, 105, 106 auf, welche eingerichtet sind zum Detektieren von auf den CMOS-Bildsensor 101, 102, 103, 104, 105, 106 auftreffendem Licht und zum Ausgeben eines jeweiligen Helligkeits-Signals 107, 108, 109, 110, 111, 112, welches jeweils einen Wert aufweist, der abhängig ist von der jeweiligen Intensität des auf den Bildsensor 101, 102, 103, 104, 105, 106 treffenden Lichts.
Jeweils ein Helligkeits-Signal 107, 108, 109, 110, 111, 112 ist genau einem Bildpunkt 113, 114, 115, 116, 117, 118 zugeordnet, anders ausgedrückt, ein Bildpunkt 113, 114, 115, 116, 117, 118 ist genau einem Bildsensor 101, 102, 103, 104, 105, 106 zugeordnet.
Für jeden Bildpunkt 113, 114, 115, 116, 117, 118 ist jeweils genau ein im Weiteren näher erläutertes gepulstes künstliches Neuron 119, 120, 121, 122, 123, 124 vorgesehen und jeweils genau einem Bildpunkt zugeordnet und mit jeweils einem Ausgang des jeweiligen Bildsensors 101, 102, 103, 104, 105, 106, an dem das entsprechende Helligkeits-Signal 107, 108, 109, 110, 111, 112 bereitgestellt wird, gekoppelt.
Wie im Weiteren noch näher erläutert wird, wird das jeweilige Helligkeitswert-Signal 107, 108, 109, 110, 111, 112 dem jeweiligen gepulsten künstlichen Neuron 119, 120, 121, 122, 123, 124 als Eingangsignal über eine Eingangskopplung des jeweiligen gepulsten künstlichen Neurons 119, 120, 121, 122, 123, 124 zugeführt.
Das Verhalten der gepulsten künstlichen Neuronen 119, 120, 121, 122, 123, 124 sowie die erfindungsgemäße Veränderung der Gewichte, die den Kopplungen 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131 zugeordnet sind, werden im Weiteren näher erläutert.
Die jeweils unmittelbar aneinander benachbarten gepulsten künstlichen Neuronen sind miteinander über bidirektionale Signal-Kopplungen, d. h. entweder eine bidirektionale Kopplung oder zwei nebeneinander angeordnete Kopplungen, d. h. elektrisch leitfähige Strukturen, 125, 126, 127, 128, 129, 130, 131 gekoppelt, so dass ein Signalaustausch lokal von einem ersten gepulsten künstlichen Neuron zu einem unmittelbar zu diesem benachbart angeordneten zweiten gepulsten künstlichen Neuron möglich ist.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind jeweils die unmittelbar einander benachbarten gepulsten künstlichen Neuronen in einer Zeile bzw. in einer Spalte miteinander gekoppelt.
Alternativ ist es ohne Weiteres möglich, auch Diagonal- Kopplungen zwischen zwei in unterschiedlichen Spalten und Zeilen angeordneten gepulsten künstlichen Neuronen vorzusehen.
Ferner ist eine Bildsegmentierungs-Einheit (nicht dargestellt) vorgesehen. Der erste Ausgang und optional zusätzlich der zweite Ausgang jedes gepulsten künstlichen Neurons 119, 120, 121, 122, 123, 124 ist mit einem Eingang der Bildsegmentierungs-Einheit gekoppelt, so dass alle Neuronen-Pulssignale der Bildsegmentierungs-Einheit zugeführt werden.
Die Bildsegmentierungs-Einheit empfängt und analysiert die Neuronen-Pulssignale hinsichtlich ihres Zeitverhaltens, d. h. hinsichtlich der Frequenz, mit der das jeweilige Neuronen- Pulssignal ausgesendet wird und/oder hinsichtlich der Zeitdauer des Neuronen-Pulssignals.
Die Bildsegmentierungs-Einheit gruppiert die Bildpunkte abhängig von dem Zeitverhalten der diesen zugeordneten Neuronen-Pulssignale zu Bildsegmenten, wobei Bildpunkte, deren gepulste künstliche Neuronen 119, 120, 121, 122, 123, 124 ein zueinander ausreichend ähnliches Sendeverhalten (Feuerverhalten), anschaulich ein ausreichend ähnliches Zeitverhalten, aufweisen, zu jeweils einem Bildsegment gruppiert werden.
Das Ähnlichkeitskriterium, abhängig von dem die Bildsegmentierungs-Einheit die gepulsten künstlichen Neuronen 119, 120, 121, 122, 123, 124 und damit die Bildpunkte gruppiert, d. h. segmentiert, ist anwendungsabhängig.
Dies bedeutet, dass der Toleranzbereich um ein exakt synchrones Zeitverhalten der zu einem Segment gruppierten gepulsten künstlichen Neuronen 119, 120, 121, 122, 123, 124 anwendungsabhängig zu wählen ist.
Fig. 2 zeigt zur Veranschaulichung noch einmal die Verbindungsstruktur 200 der miteinander gekoppelten gepulsten künstlichen Neuronen 119, 120, 122, 123 aus Fig. 1.
Die gepulsten künstlichen Neuronen 119, 120, 121, 123 sind über zwei elektrische Leitungen als bidirektionale Kopplungen 125, 127, 129, 130 miteinander gekoppelt, wobei jeder Kopplung 125, 127, 129, 130 jeweils ein Gewichtswert zugeordnet ist, mit dem ein über die jeweilige Kopplung 125, 127, 129, 130 geführtes elektrisches Signal multipliziert wird, bevor es dem Eingang des das elektrische Signal empfangenden gepulsten künstlichen Neurons 119, 120, 122, 123 zugeführt wird.
Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass für den Fall, dass ein erstes gepulstes künstliches Neuron als Sender-Neuron fungiert und somit ein elektrisches Signal aussendet, dieses ausgesendete Signal über eine elektrische Leitung als Kopplung zu einem als Empfänger-Neuron fungierendes zweites gepulstes künstliches Neuron geführt wird, wobei das elektrische Signal mit dem der Kopplung jeweils zugeordneten Gewichtswert multipliziert wird.
Ferner ist in Fig. 2 die jeweilige Kopplung zu dem entsprechenden Ausgang des dem gepulsten künstlichen Neuron 119, 120, 122, 123 jeweils zugeordneten Bildsensor 101, 102, 104, 105 dargestellt, welcher Bildsensor 101, 102, 104, 105 einen entsprechenden Helligkeitswert in Form eines elektrischen Stroms dem jeweiligen gepulsten künstlichen Neuron 119, 120, 122, 123 zuführt.
Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt 132 aus Fig. 1 mit einem ersten gepulsten künstlichen Neuron 119 und einem zweiten gepulsten künstlichen Neuron 120, welche über eine elektrische Kopplung 125 miteinander gekoppelt sind, wobei in der elektrischen Kopplung 125 ein Gewichts-Verstärker 301 vorgesehen ist, dessen Struktur im Weiteren näher erläutert wird.
Das von dem ersten gepulsten künstlichen Neuron 119 gelieferte Neuronen-Pulssignal 302 als Ausgangssignal des ersten gepulsten künstlichen Neurons 119 wird somit dem Gewichts-Verstärker 301 zugeführt, dort mit dem der elektrischen Kopplung 125 zugeordneten Gewichtswert W_KL multipliziert und als gewichtetes Neuronen-Pulssignal 303 an einen Eingang 315 des zweiten gepulsten künstlichen Neurons 120 geführt.
Ferner ist sowohl das erste gepulste künstliche Neuron 119 als auch das zweite gepulste künstliche Neuron 120 gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Gewichts- Veränderungseinheit 304 gekoppelt.
Über den ersten Ausgang 305 des ersten gepulsten künstlichen Neurons 119 wird das Neuronen-Pulssignal 302 ausgegeben und über einen zweiten Ausgang 306 des ersten gepulsten künstlichen Neurons 119 wird dessen aktueller Wert des Membranpotentials 307 einem ersten Eingang 308 der Gewichts- Veränderungseinheit 304 zugeführt. Der erste Ausgang 305 ist ferner mit einem dritten Eingang 316 der Gewichts- Veränderungseinheit 304 gekoppelt, so dass das Neuronen- Pulssignal des ersten gepulsten künstlichen Neurons 119 der Gewichts-Veränderungseinheit 304 zuführbar ist.
In entsprechender Weise wird über einen ersten Ausgang 309 des zweiten gepulsten künstlichen Neurons 120 gegebenenfalls das Neuronen-Pulssignal 310 des zweiten gepulsten künstlichen Neurons 120 ausgegeben und über einen zweiten Ausgang 311 der Wert des Membranpotentials 312 des zweiten gepulsten künstlichen Neurons 120, welcher einem zweiten Eingang 314 der Gewichts-Veränderungseinheit 304 zugeführt wird. Der erste Ausgang 309 ist ferner mit einem vierten Eingang 317 der Gewichts-Veränderungseinheit 304 gekoppelt, so dass das Neuronen-Pulssignal des zweiten gepulsten künstlichen Neurons 120 der Gewichts-Veränderungseinheit 304 zuführbar ist.
Ziel dieser Schaltung ist, dass für ähnliche Ströme I_feed, d. h. für einander ähnliche Helligkeits-Signale sich die Neuronen-Pulssignale an den jeweiligen ersten Ausgängen 306, 309 der gepulsten künstlichen Neuronen aufeinander synchronisieren, d. h. dass im Wesentlichen zu gleichen oder sehr ähnlichen Zeitpunkten ein Neuronen-Pulssignal von den jeweiligen gepulsten künstlichen Neuronen 119, 120 ausgegeben wird.
Das Gewicht W_KL einer Kopplung ist variabel und wird mittels der jeweiligen Gewichts-Veränderungseinheit 304 über ein Gewichtsveränderungs-Signal 313 verändert.
Wie im Weiteren noch näher erläutert wird, ist die Änderung des Gewichts W_KL von den elektrischen Spannungen U_L und U_K an den Kapazitäten der jeweils benachbarten Soma, d. h. der jeweils benachbarten gepulsten künstlichen Neuronen 119, 120 abhängig.
In Fig. 4 ist in einem Diagramm 400 das Schaltverhalten eines gepulsten künstlichen Neurons 119, 120, 121, 122, 123, 124 gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein Integrations-und- Feuer-Neuron jeweils als gepulstes künstliches Neuron 119, 120, 121, 122, 123, 124 eingesetzt, welches ein Membranpotential aufweist, welches, modelliert mittels eines Kondensators, eine kontinuierlich wachsende Kondensatorspannung U_C aufweist solange, bis ein erster Schwellenwert θ₁ zu einem ersten Schaltzeitpunkt t₁ erreicht ist.
Ist der erste Schwellenwert θ₁ erreicht, so wird für eine Impulsdauer von (t₂ - t₁) bis zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ ein Neuronen-Pulssignal 401 ausgesendet, womit das elektrische Potential an dem Kondensator auf einen zweiten Schwellenwert θ₂ zurückgeführt wird.
Ab dem zweiten Zeitpunkt t₂, zu dem das Kondensatorpotential, welches dem Membranpotential des gepulsten künstlichen Neurons entspricht, auf den zweiten Schwellenwert θ₂ gefallen ist, erfolgt eine erneute Integration der an den Eingängen des jeweiligen gepulsten künstlichen Neurons anliegenden Eingangssignale.
Das entsprechende im Zusammenhang mit Fig. 4 beschriebene Verhalten wird kontinuierlich und dauerhaft wiederholt.
Der in Fig. 4 symbolhaft dargestellte Verlauf des Membranpotentials ist in der Praxis üblicherweise nicht linear ansteigend, sondern hängt von den an den Eingängen des jeweiligen gepulsten künstlichen Neurons anliegenden elektrischen Signale, ab, ist in der Regel jedoch eine monoton steigende Funktion.
Alternativ kann ein Relaxationsfaktor vorgesehen sein, mittels dem über eine längere Zeitdauer das Membranpotential des jeweiligen gepulsten künstlichen Neurons mit einem Relaxationsfaktor Reduziert wird.
Fig. 5 zeigt in einem ersten Blockschaltbild 500 eine Realisierung der Gewichts-Veränderungseinheit 304 aus Fig. 3 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung integriert das jeweilige gepulste künstliche Neuron 119, 120 eingangsseitig den so genannten synaptischen Strom zu einem Membranpotential a_K bzw. a_L auf.
Sobald das Membranpotential a_K, a_L einen vorgegebenen ersten Schwellenwert θ₁ erreicht, sendet das jeweilige gepulste künstliche Neuron 119, 120 ein Neuronen-Pulssignal definierter Länge aus.
Anschließend, nachdem wie oben beschrieben das Neuronen- Pulssignal 401 abgesendet wurde, wird das Membranpotential a_K, a_L auf einen Ruhepotentialwert abgesenkt und die Integration beginnt von Neuem.
Der synaptische Strom setzt sich additiv zusammen aus dem gewichteten lokalen Grauwertsignal, d. h. dem Helligkeits- Signal und den mit den Kopplungen gewichteten Neuronen- Pulssignalen der unmittelbar benachbarten gepulsten künstlichen Neuronen.
Die Veränderung eines Gewichts W_KL wird durch ein Gewichts- Veränderungssignal 313 bewirkt, welches von der Gewichts- Veränderungseinheit 304 ausgegeben wird und dem Gewichts- Verstärker 301 und welches die zeitliche Änderung des Gewichts W_KL beschreibt.
Das Gewichts-Veränderungssignal eines lokalen Gewichtes W_KL hängt ausschließlich von den lokalen Signalen zur Repräsentation der Membranpotentiale a_K, a_L von dem jeweiligen Sender-Neuron, anders ausgedrückt von dem jeweiligen gepulsten künstlichen Neuron, welches ein Neuronen-Pulssignal aussendet, und dem Empfänger-Neuron, d. h. dem das jeweilige Neuronen-Pulssignal empfangenden gepulsten künstlichen Neuron und dem Signal-Sende-Zustand bzw. Signal- Empfangs-Zustand von dem Sender-Neuron und dem Empfänger- Neuron ab.
Gemäß der in Fig. 5 dargestellten Variante zur Veränderung des Gewichtswerts W_KL erfolgt eine Adaption, d. h. eine Veränderung des Gewichtswerts W_KL für den Fall, dass das erste gepulste künstliche Neuron 119 mit dem Index L ein Neuronen-Pulssignal sendet und das zweite gepulste künstliche Neuron 120 mit dem Index K das Neuronen-Pulssignal empfängt gemäß folgender Vorschrift:

wobei mit

Zu allen anderen Zeitpunkten, d. h. zu den Zeitpunkten, in denen das erste gepulste künstliche Neuron 119 sich nicht in einem Signal-Sende-Zustand befindet und/oder das zweite gepulste künstliche Neuron 120 sich nicht in einem Signal- Empfangs-Zustand befindet, erfolgt die Veränderung des Gewichts W_KL gemäß folgender Vorschrift:
Anschaulich kann diese Vorgehensweise zur Veränderung des Gewichts W_KL derart beschrieben werden, dass der Gewichtswert W_KL abhängig von dem Membranpotential a_K des das Neuronen- Pulssignal empfangenden gepulsten künstlichen Neurons 120 (gemäß Fig. 5 das zweite gepulste künstliche Neuron 120) verhindert wird abhängig davon, wie weit das Membranpotential a_K von dem ersten Schwellenwert, d. h. der Schaltschwelle des zweiten gepulsten künstlichen Neurons 120 entfernt ist.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird somit für das Empfänger-Neuron ein erster Offset-Wert, vorzugsweise der halbe Wert des ersten Schwellenwertes θ₁, d. h. θ₁/2, von dem aktuellen Membranpotential a_K abgezogen und die Differenz wird mit dem vorgegebenen zweiten Synchronisierparameter µ₁multipliziert und das Produkt wird zu einem negativen Relaxationsparameter -γ multiplizierten Gewicht W_KL addiert, wobei gemäß diesem Ausführungsbeispiel für den ersten Schwellenwert θ₁ ein Wert von 1 Volt und für den Relaxationsparameter γ ein Wert von 0,1 ± (0,1 bis 0,2) × 0,1 verwendet wird.
Diese Vorgehensweise entspricht anschaulich einer Mitkopplung des Neuronen-Pulssignals, welches von dem ersten gepulsten künstlichen Neuron 119 ausgegeben wird abhängig von dem tatsächlichen Membranpotential a_K des zweiten gepulsten künstlichen Neurons 120.
Die in dem Blockschaltbild 500 dargestellten gepulsten künstlichen Neuronen 119, 120 sind wie in [5] beschrieben aufgebaut.
Die in dem Blockschaltbild 500 dargestellte VLSI-Schaltung weist ferner einen Summationsknoten 501 auf, mittels dem die gewichteten Neuronen-Pulssignale anderer gepulster künstlicher Neuronen 502, kontinuierliche ungepulste Signale 503 und ein zweites Offsetsignal B₁, welches dem Helligkeits- Signal des dem zweiten gepulsten künstlichen Neuron 120 zugeordneten Bildsensors 102 entspricht und einen zeitlich konstanten Signalpegel aufweist, aufsummiert und als synaptischer Strom 504 zu dem zweiten gepulsten künstlichen Neuron 120, welches im Weiteren als Empfänger-Neuron 120 bezeichnet wird, weitergeleitet.
Während der Empfangsphase der Integrier-und-Feuer-Neuronen wird jeweils der eingehende synaptische Strom 504 zu dem jeweiligen Membranpotential a_K zeitlich aufintegriert.
Überschreitet das Membranpotential a_K den vorgegebenen ersten Schwellenwert θ₁, so wird, wie oben beschrieben, für eine vorgegebene Zeitdauer ein Neuronen-Pulssignal mit konstantem Signalpegel ausgesendet.
Anschließend wird das Membranpotential auf den Signalpegel "0" zurückgesetzt und die Integration wird von Neuem begonnen.
Während des Zeitintervalls, in dem das Neuronen-Pulssignal ausgesendet wird, wird die Signalintegration des Eingangssignals für das jeweilige gepulste künstliche Neuron 119, 120 unterbrochen.
Der erste Ausgang 306 des ersten gepulsten künstlichen Neurons 119, welches im Weiteren als Sender-Neuron 119 bezeichnet wird, ist mit einem ersten Eingang 505 eines Decoders 506 gekoppelt, dessen zweiter Eingang 507 mit dem ersten Ausgang 309 des Empfänger-Neurons 120 gekoppelt ist.
In dem Decoder 506 wird das Neuronen-Pulssignal x_L von dem Sender-Neuron 119 logisch UND verknüpft mit dem negierten Neuronen-Pulssignal ≙ 320, welches an dem ersten Ausgang 309 des Empfängerneurons 120 anliegt.
Das durch die UND-Verknüpfung gebildete Signal wird an einem Ausgang 508 des Decoders 506 bereitgestellt und dient als Steuersignal für einen Schalter 509.
Das Membranpotential a_K des Empfänger-Neurons 120 wird über den zweiten Ausgang 311 des Empfänger-Neurons 120 einem ersten Eingang 510 eines ersten Addierers 511 zugeführt, an dessen zweiten Eingang 512 das erste Offset-Signal B₀ in negierter Form zugeführt wird.
Die somit von dem ersten Addierer 511 gebildete Differenz wird als Differenzsignal 513 einem Eingang 514 eines ersten Multiplizierers 515 zugeführt, mittels dem das Differenzsignal 513 mit dem ersten Synchronisierparameter µ₁ multipliziert wird, und das Produkt 516 wird an den Eingang des Schalters 509, welcher über einen Steuereingang von dem Ausgangssignal des Decoders 506 gesteuert wird, anliegt.
Ist der Schalter 509 geschlossen, was für den Fall erfolgt, dass das Sender-Neuron 119 ein Neuronen-Pulssignal x_L abgibt und sich damit in einem Signal-Sende-Zustand befindet und das Empfänger-Neuron 120 kein Neuronen-Pulssignal x_K abgibt und sich somit in einem Signal-Empfangs-Zustand befindet, so wird das Produkt-Signal 516 einem ersten Eingang 517 eines zweiten Addierers 518 zugeführt, an dessen zweiten Eingang 519 ein Rückkoppelwert 520 anliegt, der gebildet wird aus einem mit dem negativen Wert des Relaxationsparameters γ in einem Relaxations-Multiplizierer 521 multiplizierten Gewichtswert W_KL.
Das von dem zweiten Addierter gebildete Summensignal 522 wird einem Integrator 523 zugeführt und mittels diesem zeitlich integriert.
Das Ausgangssignal des Integrators 523 entspricht dem Gewicht W_KL, welches dem der Kopplung 125 zwischen dem Sender-Neuron 119 und Empfänger-Neuron 120 vorgesehen ist.
Der Gewichtswert W_KL wird als Gewichtsveränderungs-Signal 313 dem Multiplizierer 301, d. h. dem Gewichts-Verstärker 301 zugeführt.
Es ist anzumerken, dass gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Realisierung für eine Strom-Addition ausgelegt ist.
Alternativ ist eine Potential-Addition zur Bildung des synaptischen Stroms 504 vorgesehen, in welchem Fall der Additionsknoten 501 durch eine entsprechend angepasste elektrische Schaltung zu ersetzen wäre.
Der Gewichts-Verstärker 301 ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel als Pulse Synaptic Multiplier, wie in [6] beschrieben, ausgestaltet.
Fig. 6 zeigt in einem zweiten Blockschaltbild 600 eine alternative Ausführungsform der Gewichts-Veränderungseinheit 304.
Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Veränderung des Gewichts W_KL in dem Zeitraum, in dem sich das Sender-Neuron 119 in einem Signal-Empfangs-Zustand befindet und auch das Empfänger-Neuron 120 sich in einem Signal- Empfangs-Zustand befindet, d. h. anders ausgedrückt in einem Zeitraum, in dem keines der beiden gepulsten künstlichen Neuronen 119, 120 ein Neuronen-Pulssignal aussendet, gemäß folgender Vorschrift verändert:

wobei mit

In allen anderen Szenarien, d. h. für den Fall, dass sich das Sender-Neuron 119 und/oder das Empfänger-Neuron 120 in einem Signal-Sende-Zustand befindet/befinden, d. h. ein Neuronen- Pulssignal aussendet, so erfolgt die Veränderung des Gewichts W_KL gemäß folgender Vorschrift:
Anschaulich entspricht diese Vorgehensweise dem Heranführen, d. h. dem Annähern der beiden Membranpotentiale a_K und a_L.
Die Schaltung 600 gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von der in Fig. 5 beschriebenen Schaltung 500 insbesondere dadurch, dass der zweite Ausgang 311 des Empfänger-Neurons 120 mit einem Eingang 602 eines Inverters 601 gekoppelt ist, dessen Ausgang 603 mit einem ersten Eingang 604 eines ersten Addierers 605 gekoppelt ist, dessen zweiter Eingang 606 mit dem zweiten Ausgang 607 des Sender-Neurons 119 gekoppelt ist.
Der Ausgang 608 des ersten Addierers 605 ist mit einem Eingang 609 eines ersten Multiplizierers 610 gekoppelt, mittels dem die Differenz aus dem Membranpotential a_L des Sender-Neurons 119 und dem Membranpotential a_K des Empfänger- Neurons 120 mit dem ersten Synchronisierparameter µ₀ 610 multipliziert wird und als Produkt-Signal 611 an einen Eingang 612 Schalters 509 zugeführt wird.
Ferner unterscheidet sich die Schaltung 600 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel von der Schaltung 500 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass der Decoder 613 derart eingerichtet ist, dass er aus dem Neuronen-Pulssignal x_L, welches an dem ersten Eingang 614 des Decoders 613 in negierter Form anliegt unter logischer UND-Verknüpfung mit dem negierten Wert des Ausgangssignals x_K des Empfänger- Neurons 120, welches an den zweiten Eingang 615 des Decoders 613 anliegt, das Ausgangssignal, welches an dem Ausgang 616 des Decoders 613 anliegt, bereitstellt.
Die restlichen Komponenten der Schaltung 600 entsprechen in ihrem Aufbau und ihrer Verschaltung der Schaltung 500 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, wie sie in Fig. 5 dargestellt ist.
Fig. 7 zeigt eine elektrische Schaltung 700, welche gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung das gepulste künstliche Neuron 119, 120, 121, 122, 123, 124 bildet.
Die elektrische Schaltung weist einen ersten PMOS- Feldeffekttransistor 701 auf, dessen erster Source-/Drain- Anschluss 702 zum Einen mit dem jeweiligen Ausgang des Bildsensors gekoppelt ist und zum Anderen mit der jeweiligen Kopplung mit den benachbarten gepulsten künstlichen Neuronen
Ein zweiter Source-/Drain-Anschluss 703 des ersten PMOS- Feldeffekttransistors 701 ist mit einem ersten Source-/Drain- Anschluss 704 eines ersten NMOS-Feldeffekttransistors 705 gekoppelt, dessen zweiter Source-/Drain-Anschluss 706 mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss 707 eines zweiten NMOS- Feldeffekttransistors 708 gekoppelt, dessen zweiter Source- /Drain-Anschluss 709 mit dem Massepotential 710 gekoppelt ist.
Der Source-/Drain-Anschluss 703 des ersten PMOS- Feldeffekttransistors 701 ist ferner mit einem als Kondensator arbeitenden Transistor 712 gekoppelt, dessen weiteren Anschlüsse 713 mit dem Massepotential 714 gekoppelt sind.
Der zweite Source-/Drain-Anschluss 703 des ersten PMOS- Feldeffekttransistors 701 ist ferner mit einem Eingang 715 eines Schmitt-Triggers 716, dessen Struktur im Weiteren noch näher erläutert wird, gekoppelt, dessen Ausgang 717 mit dem Ausgang des gepulsten künstlichen Neurons gekoppelt ist.
Der Ausgang 717 des Schmitt-Triggers 716 ist ferner rückgekoppelt zu dem Gate-Anschluss 718 des ersten PMOS- Feldeffekttransistors 701 und mit dem Gate-Anschluss 719 des ersten NMOS-Feldeffekttransistors 705.
Der erste PMOS-Feldeffekttransistor 701 der der erste NMOS- Feldeffekttransistor 705 dienen als Schalter.
Wenn an dem Ausgang 717 des Schmitt-Triggers 716 ein Signalimpuls auftritt, so unterbricht der erste PMOS- Feldeffekttransistor 701 den Stromfluss, der über die elektrische Kopplung 303 bzw. von dem Bildsensor 102 bereitgestellt wird.
Gleichzeitig schaltet der erste NMOS-Feldeffekttransistor 705 den über die von dem zweiten NMOS-Feldeffekttransistor 708 als Konstantstromquelle bereitgestellten Strom, der den als Kondensator arbeitenden Transistor 712 entlädt, ein.
Dem Eingang 715 des Schmitt-Triggers 716 wird die über den als Kondensator arbeitenden Transistor 712 liegende elektrische Spannung zugeführt.
Fig. 8 zeigt die Struktur des Schmitt-Triggers 716 im Detail.
Der Eingang 715 ist mit dem Gate-Anschluss 801 eines dritten NMOS-Feldeffekttransistors 802 gekoppelt, dessen erster Source-/Drain-Anschluss 803 mit einem ersten Source-/Drain- Anschluss 804 eines vierten NMOS-Feldeffekttransistors 805 gekoppelt ist, dessen zweiter Source-/Drain-Anschluss 806 mit dem Massepotential 710 gekoppelt ist.
Ein zweiter Source-/Drain-Anschluss 807 des dritten NMOS- Feldeffekttransistors 802 ist mit einem ersten Source-/Drain- Anschluss 808 eines zweiten PMOS-Feldeffekttransistors 809 gekoppelt, dessen zweiter Source-/Drain-Anschluss 810 mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss 811 eines dritten PMOS- Feldeffekttransistors 812 gekoppelt ist.
Ferner sind die Gate-Anschlüsse 813 des zweiten PMOS- Feldeffekttransistors 809 und der Gate-Anschluss 814 des dritten PMOS-Feldeffekttransistors 812 sowie ein zweiter Source-/Drain-Anschluss 815 des dritten PMOS- Feldeffekttransistors 812 miteinander gekoppelt.
Ferner sind der zweite Source-/Drain-Anschluss 810 des zweiten PMOS-Feldeffekttransistors 809 und der erste Source- /Drain-Anschluss 811 des dritten PMOS-Feldeffekttransistors 812 mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss 816 eines vierten PMOS-Feldeffekttransistors 817 sowie mit der Betriebsspannung 818 gekoppelt.
Der Gate-Anschluss 818 des vierten PMOS-Feldeffekttransistors 817 ist mit dem ersten Source-/Drain-Anschluss 808 des zweiten PMOS-Feldeffekttransistors 809 sowie mit dem zweiten Source-/Drain-Anschluss 807 des dritten NMOS- Feldeffekttransistors 802 gekoppelt.
Ein zweiter Source-/Drain-Anschluss 819 des vierten PMOS- Feldeffekttransistors 817 ist zum Einen mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss 820 eines fünften NMOS- Feldeffekttransistor 821 gekoppelt, dessen zweiter Source- /Drain-Anschluss 822 mit dem Massepotential 710 gekoppelt ist.
Ferner ist der zweite Source-/Drain-Anschluss 819 des vierten PMOS-Feldeffekttransistors 817 mit dem Gate-Anschluss 823 eines fünften PMOS-Feldeffekttransistors 824 gekoppelt, dessen erster Source-/Drain-Anschluss 825 mit einem ersten Anschluss 826 gekoppelt ist.
Ein zweiter Source-/Drain-Anschluss 827 des fünften PMOS- Feldeffekttransistors 824 ist ferner mit einem ersten Source- /Drain-Anschluss 828 eines sechsten NMOS- Feldeffekttransistors 829 gekoppelt, dessen zweiter Source- /Drain-Anschluss 830 mit einem zweiten Anschluss 831 gekoppelt ist und dessen Gate-Anschluss 832 mit einem dritten Anschluss 833 gekoppelt ist.
Ferner sind der zweite Source-/Drain-Anschluss 827 des fünften PMOS-Feldeffekttransistors 824 und der erste Source- /Drain-Anschluss 828 des sechsten NMOS-Feldeffekttransistors 829 mit dem Gate-Anschluss 834 eines siebten NMOS- Feldeffekttransistors 835 gekoppelt, dessen erster Source- /Drain-Anschluss 836 mit dem ersten Source-/Drain-Anschluss 803 des dritten NMOS-Feldeffekttransistor 802 und mit dem ersten Source-/Drain-Anschluss 804 des vierten NMOS- Feldeffekttransistors 805 gekoppelt ist.
Der zweite Source-/Drain-Anschluss 837 des siebten NMOS- Feldeffekttransistors 835 ist ferner mit dem zweiten Source- /Drain-Anschluss 815 des dritten PMOS-Feldeffekttransistors 812 gekoppelt.
Anschaulich weist somit der Schmitt-Trigger 716 einen Differenzverstärker 838 sowie einen ersten Inverter 839 und einen zweiten Inverter 840 auf.
Der Differenzverstärker 838, der gemeinsam mit dem nachfolgenden ersten Inverter 839 als so genannter OTA (Operational Transconductance Amplifier) arbeitet, vergleicht die an dem Eingang 715 des Schmitt-Triggers 716 anliegende Spannung U_C des als Kondensator arbeitenden Transistors 712 mit den Schwellenwerten θ₁ und θ₂, welcher an dem ersten Anschluss 826 und dem zweiten Anschluss 831 anliegen.
Die Schwellenwerte θ₁ und θ₂ werden somit unter Verwendung des zweiten Inverters 840 festgelegt.
Durch die Rückkopplung des zweiten Inverters 840 auf den positiven Eingang des Differenzverstärkers 838 arbeitet die oben beschriebene Schaltung als Schmitt-Trigger 716.
Fig. 9 zeigt ein Blockdiagramm des Gewichts-Verstärkers 301.
Als eigentliches Gewichts-Speicherelement dient ein Kondensator 901 der Kapazität C_W.
Die Änderung des Gewichts W_KL erfolgt über den von der Gewichts-Veränderungseinheit 304 bereitgestellten Strom aus I_W _KL, der als Gewichts-Veränderungssignal 313 bereitgestellt wird.
Die an dem Kondensator 901 anliegende Spannung wird mittels eines Spannungs-/Stromwandlers 902 in einen elektrischen Strom 903 umgewandelt und für den Fall, dass ein an dem Ausgang 904 des Spannungs-/Stromwandlers 902 angeschlossener Schalter 905 geschlossen ist, d. h. für den Fall, dass an einem vierten Anschluss 906 ein High-Pegel anliegt, auf die Kopplung als Neuronen-Pulssignal 303 durchgeschaltet.
Fig. 10 zeigt eine Schaltung 1000, welche den Gewichtsverstärker 301 realisiert.
Mit dem Betriebspotential 818 ist ein erster Source-/Drain- Anschluss 1001 eines sechsten PMOS-Feldeffekttransistors 1001A gekoppelt, dessen Gate-Anschluss 1002 mit einem fünften Anschluss 1003 gekoppelt ist und darüber mit dem Gate- Anschluss 841 des vierten NMOS-Transistors 805 in Fig. 8.
Ein zweiter Source-/Drain-Anschluss 1004 des sechsten PMOS- Feldeffekttransistors 1001A ist mit dem Gate-Anschluss 1005 eines siebten PMOS-Feldeffekttransistors 1006 gekoppelt, dessen erster Source-/Drain-Anschluss 1007 mit dem ersten Source-/Drain-Anschluss 1001 des sechsten PMOS-Transistor 1002 gekoppelt ist.
Der sechste PMOS-Feldeffekttransistor 1001A bildet anschaulich den zweiten Multiplizierer 521.
Ein zweiter Source-/Drain-Anschluss 1008 des siebten PMOS- Feldeffekttransistors 1006 ist mit einem ersten Source- /Drain-Anschluss 1009 eines achten PMOS-Transistors 1010 gekoppelt, dessen Gate-Anschluss mit einem sechsten Anschluss 1011 gekoppelt ist.
Ein zweiter Source-/Drain-Anschluss 1012 des achten PMOS- Transistors 1010 ist mit einem zweiten Betriebspotential 1013 gekoppelt.
Ferner ist der Gate-Anschluss 1005 des siebten PMOS- Transistors 1006 mit einem siebten Anschluss 1014 gekoppelt, sowie mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss 1015 eines neunten PMOS-Feldeffekttransistors 1016.
Ein zweiter Source-/Drain-Anschluss 1017 des neunten PMOS- Feldeffekttransistors 1016 ist mit dessen Gate-Anschluss 1018 sowie mit einem dritten Betriebspotential 1019 gekoppelt.
Weiterhin ist der zweite Source-/Drain-Anschluss 1008 des siebten PMOS-Transistors 1006 mit einem ersten Source-/Drain- Anschluss 1020 eines zehnten PMOS-Feldeffekttransistors 1021 gekoppelt, dessen Gate-Anschluss 1022 mit einem achten Anschluss 1023 gekoppelt ist und dessen zweiter Source- /Drain-Anschluss 1024 mit einem ersten Source-/Drain- Anschluss 1025 eines elften PMOS-Feldeffekttransistors 1026 gekoppelt ist, dessen zweiter Source-/Drain-Anschluss 1027 mit einem neunten Anschluss 1028 und dessen Gate-Anschluss 1029 mit einem zehnten Anschluss 1030 gekoppelt ist.
Der neunte PMOS-Feldeffekttransistor 1016 dient anschaulich als Begrenzung des Arbeitsbereichs der in Fig. 10 dargestellten Schaltung 1000.
Es ist in diesem Zusammenhang anzumerken, dass der elfte PMOS-Feldeffekttransistor 1026, der achte PMOS- Feldeffekttransistor 1010 sowie der siebte PMOS- Feldeffekttransistor 1006 in einem Bereich betrieben werden, in dem sie eine exponentielle Kennlinie aufweisen.
Fig. 11 zeigt eine elektrische Schaltung 1100, welche die Gewichts-Veränderungseinheit 304 bildet.
Mit dem Betriebspotential 818 ist ein erster Source-/Drain- Anschluss 1101 eines zwölften PMOS-Feldeffekttransistors 1102 gekoppelt, dessen Gate-Anschluss 1103 mit einem elften Anschluss 1104 und darüber mit dem Gate-Anschluss 842 des fünften NMOS-Feldeffekttransistors 821 gekoppelt.
Ein zweiter Source-/Drain-Anschluss 1105 des zwölften PMOS- Feldeffekttransistors 1102 ist mit einem ersten Source- /Drain-Anschluss 1106 eines dreizehnten PMOS- Feldeffekttransistors 1107 gekoppelt, dessen Gate-Anschluss 1108 mit dem fünften Anschluss 1003 gekoppelt ist.
Ein zweiter Source-/Drain-Anschluss 1109 des dreizehnten PMOS-Feldeffekttransistors 1107 ist mit einem ersten Source- /Drain-Anschluss 1110 eines vierzehnten PMOS- Feldeffekttransistors 1111 gekoppelt sowie mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss 1112 eines fünfzehnten PMOS- Feldeffekttransistors 1113, dessen Gate-Anschluss 1114 mit dem zweiten Ausgang 311 des Empfänger-Neurons 120 gekoppelt ist.
Der Gate-Anschluss 1115 des vierzehnten PMOS- Feldeffekttransistors 1111 ist mit dem zweiten Ausgangsanschluss 607 des Sender-Neurons 119 gekoppelt.
Ein zweiter Source-/Drain-Anschluss 1116 des vierzehnten PMOS-Feldeffekttransistors 1111 ist mit einem ersten Source- /Drain-Anschluss 1117 eines achten NMOS-Feldeffekttransistors 1118 gekoppelt, an dessen zweiten Source-/Drain-Anschluss 1119 das Gewichts-Änderungssignal 313 zum Einstellen des Gewichts der Kopplung von dem Sender-Neuron 119 zu dem Empfänger-Neuron 120 bereitgestellt wird.
Ferner ist der zweite Source-/Drain-Anschluss 1116 des vierzehnten PMOS-Feldeffekttransistors 1111 mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss 1120 eines neunten NMOS- Feldeffekttransistors 1121 und über dessen zweiten Source- /Drain-Anschluss 1122 mit dem Massepotential 710 gekoppelt.
Ein zweiter Source-/Drain-Anschluss 1123 des fünfzehnten PMOS-Feldeffekttransistors 1113 ist mit einem ersten Source- /Drain-Anschluss 1124 eines zehnten NMOS- Feldeffekttransistors 1125 gekoppelt, an dessen zweiten Source-/Drain-Anschluss 1126 das Gewichts-Änderungssignal 313 zum Einstellen des Gewichts der Kopplung zwischen dem Empfängerneuron 120 und dem Sendeneuron 119 bereitgestellt wird.
Der Gate-Anschluss 1127 des zehnten NMOS- Feldeffekttransistors 1125 ist ferner mit einem zwölften Anschluss 1128 gekoppelt.
Der zweite Source-/Drain-Anschluss 1123 des fünfzehnten PMOS- Feldeffekttransistors 1113 ist ferner mit einem ersten Source-/Drain-Anschluss 1129 eines elften NMOS- Feldeffekttransistors 1130 gekoppelt und über dessen zweiten Source-/Drain-Anschluss 1131 mit dem Massepotential 710.
Die Gate-Anschlüsse 1132 und 1133 des neunten NMOS- Feldeffekttransistors 1121 und des elften NMOS- Feldeffekttransistors 1130 sind mit dem zehnten Anschluss 1030 und darüber mit dem Gate-Anschluss 1029 des elften PMOS- Feldeffekttransistors 1026 gekoppelt.
Der zwölfte PMOS-Feldeffekttransistor 1102 und der dreizehnte PMOS-Feldeffekttransistor 1107 liefern einen konstanten Strom.
Anschaulich wird durch die Erfindung ein System von miteinander vernetzten gepulsten künstlichen Neuronen bereitgestellt, in denen Information durch Pulsmuster repräsentiert wird, und in denen die Markierung von zusammengehörigen Bildsegmenten durch Synchronisation von entsprechenden Neuronenimpulsen mittels Veränderungen der Kopplungsgewichte erfolgt.
Insbesondere erfolgt die Veränderung eines Gewichtes während der Empfangsphase beider Neuronen, die mittels der Kopplung miteinander gekoppelt werden und wobei das Veränderungssignal von den Werten der Membranpotentiale in der Weise abhängt, dass bei signifikant großer positiver Signaldifferenz des Membranpotentials von dem Sender-Neuron und dem Empfänger- Neuron eine Erhöhung des Kopplungsgewichts erfolgt und bei signifikant großer negativer Signaldifferenz eine Erniedrigung des Gewichts für die Kopplung erfolgt.
Alternativ kann die Veränderung eines Kopplungsgewichtes während der Empfangsphase des Empfänger-Neurons und der Sendephase des Sende-Neurons vorgesehen sein und das Adaptionssignal hängt in diesem Fall von dem Membranpotential des Empfänger-Neurons in der Weise ab, dass für signifikant kleine Werte des Membranpotentials eine Erniedrigung des Gewichts für die Kopplung erfolgt und für signifikant große Werte des Membranpotentials eine Erhöhung des Gewichts der Kopplung erfolgt.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] M. Cheriet, J. N. Said, C. Y. Suen, A recursive thresholding techniqua for image segmentation, IEEE Trans. Image Processing, Vol. 7, S. 918-921, 1998
[2] D. German, 5. German, C. Graffigne, P. Dong, Boundary detection by constrained optimization, IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell., Vol. 12, S. 609-628, 1990
[3] R. Adam, L. Bishof, Seeded region growing, IEEE Trans. Patter Anal. Mach. Intell., Vol. 16, S. 641-647, 1994
[4] John G. Harris, Ghristof Koch, Jin Luo, A Two-Dimensional Analog VLSI Circuit for Detecting Discontinuities in Early Vision, Science, Vol. 248, S. 1029-1211, Juni 1990
[5] M. A. Glover, A. Hamilton, L. S. Smith, An Analog VLSI Integrate-And-Fire Neural Network for Sound Segmentation, Mai 21, 1998
[6] D. J. Mayes, A. Hamilton, J. E. Louvet, A VLSI Current Mode Synapse Chip, Proceedings of the International Workshop on Artificial Neural Networks, Malaga, Spain, S. 815-821, 1995.
[7] B. L. Dokic, CMOS Schmitt-Trigger, Proceedings of the IEEE, Vol. 131, No. 5, S. 197-202, Oktober 1984
[8] D. Jung, der Vergleich von plastischen Synapsen gegenüber Synapsen mit konstantem Gewicht in spikenden neuronalen Netzen, Diplomarbeit an der Technischen Universität Berlin, Institut für Mikroelektronik, erhältlich am 27. Februar 2002 im Internet unter der Adresse:
http: / /mikro.ee.tu-berlin.de/~spinnsoc/pdf/sp2inn_jung_diplomathesis.pdf Bezugszeichenliste 100 Kamera
101 Bildsensor
102 Bildsensor
103 Bildsensor
104 Bildsensor
105 Bildsensor
106 Bildsensor
107 Helligkeits-Signal
108 Helligkeits-Signal
109 Helligkeits-Signal
110 Helligkeits-Signal
111 Helligkeits-Signal
112 Helligkeits-Signal
113 Bildpunkt
114 Bildpunkt
115 Bildpunkt
116 Bildpunkt
117 Bildpunkt
118 Bildpunkt
119 Gepulstes künstliches Neuron
120 Gepulstes künstliches Neuron
121 Gepulstes künstliches Neuron
122 Gepulstes künstliches Neuron
123 Gepulstes künstliches Neuron
124 Gepulstes künstliches Neuron
125 Kopplung
126 Kopplung
127 Kopplung
128 Kopplung
129 Kopplung
130 Kopplung
131 Kopplung
132 Ausschnitt von gepulsten künstlichen Neuronen
200 Kopplungsstruktur
301 Gewichts-Verstärker
302 Neuronen-Pulssignal Sender-Neuron
303 verstärktes Neuronen-Pulssignal
304 Gewichtsveränderungs-Einheit
305 Erster Ausgang Sender-Neuron
306 Zweiter Ausgang Sender-Neuron
307 Membranpotential Sender-Neuron
308 Erster Eingang Gewichtsveränderungs-Einheit
309 Erster Ausgang Empfänger-Neuron
310 Neuronen-Pulssignal Empfänger-Neuron
311 Zweiter Ausgang Empfänger-Neuron
312 Membranpotential Empfänger-Neuron
313 Gewichtsveränderungs-Signal
314 Zweiter Eingang Gewichtsveränderungs-Einheit
315 Eingang Empfänger-Neuron
316 Dritter Eingang Gewichtsveränderungs-Einheit
317 Vierter Eingang Gewichtsveränderungs-Einheit
400 Diagramm
401 Neuronen-Pulssignal
500 Blockschaltbild
501 Summationsknoten
502 Gewichtete Pulssignale anderer Neuronen
503 Kontinuierliche ungepulste Signale
504 Synaptischer Strom
505 Erster Eingang Decoder
506 Decoder
507 Zweiter Eingang Decoder
508 Ausgang Decoder
509 Schalter
510 Erster Eingang erster Addierer
511 Erster Addierer
512 Zweiter Eingang erster Addierer
513 Differenzsignal
514 Eingang erster Multiplizierer
515 Erster Multiplizierer
516 Produkt-Signal
517 Erster Eingang zweiter Addierer
518 Zweiter Addierer
519 Zweiter Eingang zweiter Addierer
520 Rückkoppelsignal
521 Relaxations-Multiplizierer
522 Summensignal
523 Integrator
600 Blockschaltbild
601 Inverter
602 Eingang Inverter
603 Ausgang Inverter
604 Erster Eingang erster Addierer
605 Erster Addierer
606 Zweiter Eingang erster Addierer
607 Zweiter Ausgang Sender-Neuron
608 Ausgang erster Addierer
609 Eingang erster Multiplizierer
610 Erster Multiplizierer
611 Produkt-Signal
612 Eingang Schalter
613 Decoder
614 Erster Eingang Decoder
615 Zweiter Eingang Decoder
616 Ausgang Decoder
700 Elektrische Schaltung
701 Erster PMOS-Transistor
702 Erster Source-/Drain-Anschluss PMOS-Transistor
703 Zweiter Source-/Drain-Anschluss erster PMOS-Transistor
704 Erster Source-/Drain-Anschluss erster NMOS-Transistor
705 Erster NMOS-Transistor
706 Zweiter Source-/Drain-Anschluss erster NMOS-Transistor
707 Erster Source-/Drain-Anschluss zweiter NMOS-Transistor
708 Zweiter NMOS-Transistor
709 Zweiter Source-/Drain-Anschluss zweiter NMOS-Transistor
710 Massepotential
711 Gate-Anschluss Transistor
712 Transistor
713 Zweiter Anschluss-Transistor
714 Massepotential
715 Eingang Schmitt-Trigger
716 Schmitt-Trigger
717 Ausgang Schmitt-Trigger
718 Gate-Anschluss erster PMOS-Transistor
801 Gate-Anschluss dritter NMOS-Transistor
802 Dritter NMOS-Transistor
803 Erster Source-/Drain-Anschluss dritter NMOS-Transistor
804 Erster Source-/Drain-Anschluss vierter NNOS-Transistor
805 Vierter MAOS-Transistor
806 Zweiter Source-/Drain-Anschluss vierter NMOS-Transistor
807 Zweiter Source-/Drain-Anschluss dritter NMOS-Transistor
808 Erster Source-/Drain-Anschluss zweiter PMOS-Transistor
809 Zweiter PMOS-Transistor
810 Zweiter Source-/Drain-Anschluss zweiter PMOS-Transistor
811 Erster Source-/Drain-Anschluss dritter PMOS-Transistor
812 Dritter PMOS-Transistor
813 Gate-Anschluss zweiter PMOS-Transistor
814 Gate-Anschluss dritter PMOS-Transistor
815 Zweiter Source-/Drain-Anschluss dritter PMOS-Transistor
816 Erster Source-/Drain-Anschluss vierter PMOS-Transistor
817 Vierter PMOS-Transistor
818 Gate-Anschluss vierter PMOS-Transistor
819 Zweiter Source-/Drain-Anschluss vierter PMOS-Transistor
820 Erster Source-/Drain-Anschluss fünfter NMOS-Transistor
821 Fünfter NMOS-Transistor
822 Zweiter Source-/Drain-Anschluss fünfter NMOS-Transistor
823 Gate-Anschluss fünfter PMOS-Transistor
824 Fünfter PMOS-Transistor
825 Erster Source-/Drain-Anschluss fünfter PMOS-Transistor
826 Erster Anschluss
827 Zweiter Source-/Drain-Anschluss fünfter PMOS-Transistor
828 Erster Source-/Drain-Anschluss sechster NMOS-Transistor
829 Sechster NMOS-Transistor
830 Zweiter Source-/Drain-Anschluss sechster NMOS-Transistor
831 Zweiter Anschluss
832 Gate-Anschluss sechster NMOS-Transistor
833 Dritter Anschluss
834 Gate-Anschluss siebter NEOS-Transistor
835 Siebter NMOS-Transistor
836 Erster Source-/Drain-Anschluss siebter NMOS-Transistor
837 Zweiter Source-/Drain-Anschluss siebter NMOS-Transistor
838 Differenzverstärker
839 Erster Inverter
840 Zweiter Inverter
841 Gate-Anschluss vierter NMOS-Transistor
842 Gate-Anschluss fünfter NMOS-Transistor
901 Kondensator
902 Spannungs-Strom-Wandler
903 Elektrischer Strom
904 Ausgang-Spannungs-Strom-Wandler
905 Schalter
906 Steuerungsanschluss
1000 Elektrische Schaltung
1001 Erster Source-/Drain-Anschluss sechster PMOS-Transistor
1001a Sechster PMOS-Transistor
1002 Gate-Anschluss sechster PMOS-Transistor
1003 Fünfter Anschluss
1004 Zweiter Source-/Drain-Anschluss sechster PMOS-Transistor
1005 Gate-Anschluss siebter PMOS-Transistor
1006 Siebter PMOS-Transistor
1007 Erster Source-/Drain-Anschluss siebter PMOS-Transistor
1008 Zweiter Source-/Drain-Anschluss siebter PMOS-Transistor
1009 Erster Source-/Drain-Anschluss achter PMOS-Transistor
1010 Achter PMOS-Transistor
1011 Sechster Anschluss
1012 Zweiter Source-/Drain-Anschluss achter PMOS-Transistor
1013 Zweites Betriebspotential
1014 Siebter Anschluss
1015 Erster Source-/Drain-Anschluss neunter PMOS-Transistor
1016 Neunter PMOS-Transistor
1017 Zweiter Source-/Drain-Anschluss neunter PMOS-Transistor
1018 Gate-Anschluss neunter PMOS-Transistor
1019 Drittes Betriebspotential
1020 Erster Source-/Drain-Anschluss zehnter PMOS-Transistor
1021 Zehnter PMOS-Transistor
1022 Gate-Anschluss zehnter PMOS-Transistor
1023 Achter Anschluss
1024 Zweiter Source-/Drain-Anschluss zehnter PMOS-Transistor
1025 Erster Source-/Drain-Anschluss elfter PMOS-Transistor
1026 Elfter PMOS-Transistor
1027 Zweiter Source-/Drain-Anschluss elfter PMOS-Transistor
1028 Neunter Anschluss
1029 Gate-Anschluss sechster PMOS-Transistor
1030 Zehnter Anschluss
1100 Elektrische Schaltung
1101 Erster Source-/Drain-Anschluss zwölfter PMOS-Transistor
1102 Zwölfter PMOS-Transistor
1103 Gate-Anschluss zwölfter PMOS-Transistor
1104 Elfter Anschluss
1105 Zweiter Source-/Drain-Anschluss zwölfter PMOS-Transistor
1106 Erster Source-/Drain-Anschluss dreizehnter PMOS- Transistor
1107 Dreizehnter PMOS-Transistor
1108 Gate-Anschluss dreizehnter PMOS-Transistor
1109 Zweiter Source-/Drain-Anschluss dreizehnter PMOS- Transistor
1110 Erster Source-/Drain-Anschluss vierzehnter PMOS- Transistor
1111 Vierzehnter PMOS-Transistor
1112 Erster Source-/Drain-Anschluss fünfzehnter PMOS- Transistor
1113 Fünfzehnter PMOS-Transistor
1114 Gate-Anschluss fünfzehnter PMOS-Transistor
1115 Gate-Anschluss vierzehnter PMOS-Transistor
1116 Zweiter Source-/Drain-Anschluss vierzehnter PMOS- Transistor
1117 Erster Source-/Drain-Anschluss achter NMOS-Transistor
1118 Achter NMOS-Transistor
1119 Zweiter Source-/Drain-Anschluss achter NMOS-Transistor
1120 Erster Source-/Drain-Anschluss neunter NMOS-Transistor
1121 Neunter NMOS-Transistor
1122 Zweiter Source-/Drain-Anschluss neunter NMOS-Transistor
1123 Zweiter Source-/Drain-Anschluss fünfzehnter PMOS- Transistor
1124 Erster Source-/Drain-Anschluss zehnter NMOS-Transistor
1125 Zehnter NMOS-Transistor
1126 Zweiter Source-/Drain-Anschluss zehnter NMOS-Transistor
1127 Gate-Anschluss zehnter NMOS-Transistor
1128 Zwölfter Anschluss
1129 Erster Source-/Drain-Anschluss elfter NMOS-Transistor
1130 Elfter NMOS-Transistor
1131 Zweiter Source-/Drain-Anschluss elfter NMOS-Transistor
1132 Gate-Anschluss neunter NMOS-Transistor
1133 Gate-Anschluss elfter NMOS-Transistor

Claims

1. Bildsegmentierungs-Einrichtung zum Segmentieren eines Bildes mit einer Vielzahl von Bildpunkten, denen jeweils Codierungsinformation zugeordnet ist, in eine Mehrzahl von Bildsegmenten,
mit einer Vielzahl von gepulsten künstlichen Neuronen, wobei jeweils ein gepulstes künstliches Neuron einem Bildpunkt zugeordnet ist,
wobei die gepulsten künstlichen Neuronen jeweils zumindest mit einem Teil benachbarter gepulster künstlicher Neuronen über jeweils eine gewichtete Kopplung gekoppelt sind,
wobei jedes gepulste künstliche Neuron derart eingerichtet ist, dass es ein von der Codierungsinformation, welche dem Bildpunkt, dem das gepulste künstliche Neuron zugeordnet ist, zugeordnet ist, abhängiges Neuronen-Pulssignal ausgegeben werden kann,
mit mindestens einer Gewichts-Veränderungseinrichtung, welche derart eingerichtet ist, dass sie abhängig von den Neuronen-Pulssignalen die Gewichte der Kopplungen derart verändern, dass gepulste künstliche Neuronen eines zu bildenden Bildsegments jeweils zunehmend zueinander synchron Neuronen-Pulssignale ausgeben,
mit einer Bildsegmentierungs-Einheit, die derart eingerichtet ist, dass sie Bildpunkte von diesen zugeordneten gepulsten künstlichen Neuronen gemeinsam zu einem Bildsegment segmentiert, die hinsichtlich eines vorgegebenen Kriteriums zueinander ausreichend synchrone Neuronen-Pulssignale ausgeben.

2. Bildsegmentierungs-Einrichtung gemäß Anspruch 1, eingerichtet als elektrische Schaltung.

3. Bildsegmentierungs-Einrichtung gemäß Anspruch 2, eingerichtet als elektrische Analogschaltung.

4. Bildsegmentierungs-Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der jedem Bildpunkt jeweils genau ein gepulstes künstliches Neuron zugeordnet ist.

5. Bildsegmentierungs-Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Gewichts-Veränderungseinrichtung eine Vielzahl von Gewichts-Veränderungseinheiten, wobei jeweils eine Gewichts-Veränderungseinheit pro Kopplung zwischen einem ersten gepulsten künstlichen Neuron und einem zweiten gepulsten künstlichen Neuron der Vielzahl gepulster künstlicher Neuronen vorgesehen ist.

6. Bildsegmentierungs-Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Gewichts-Veränderungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass die Veränderung eines Gewichts gemäß folgender Vorschrift erfolgt, während die beiden mittels der Kopplung miteinander gekoppelten Neuronen, ein erstes Neuron L und ein zweites Neuron K, sich in einem Signal-Empfangs- Zustand befinden:

wobei mit
W_KL das der Kopplung zwischen dem ersten Neuron L und dem zweiten Neuron K zugeordnete Gewicht,
γ ein vorgegebener Relaxationsparameter,
µ₀ ein vorgegebener erster Synchronisierparameter,
a_L das Membranpotential des ersten Neurons L,
a_K das Membranpotential des zweiten Neurons K,
bezeichnet werden.

7. Bildsegmentierungs-Einrichtung gemäß Anspruch 6, bei der die Gewichts-Veränderungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass die Veränderung des Gewichts sonst gemäß folgender Vorschrift erfolgt:

8. Bildsegmentierungs-Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Gewichts-Veränderungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass die Veränderung eines Gewichts gemäß folgender Vorschrift erfolgt, während ein erstes Neuron L der beiden mittels der Kopplung miteinander gekoppelten Neuronen sich in einem Signal-Sende-Zustand befindet und ein zweites Neuron K sich in einem Signal-Empfangs-Zustand befindet:

wobei mit
W_KL das der Kopplung zwischen dem ersten Neuron L und dem zweiten Neuron K zugeordnete Gewicht,
γ ein vorgegebener Relaxationsparameter,
µ₁ ein vorgegebener zweiter Synchronisierparameter,
a_L das Membranpotential des ersten Neurons L,
a_K das Membranpotential des zweiten Neurons K,
bezeichnet werden.

9. Bildsegmentierungs-Einrichtung gemäß Anspruch 8, bei der die Gewichts-Veränderungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass die Veränderung des Gewichts sonst gemäß folgender Vorschrift erfolgt:

10. Verfahren zum Segmentieren eines Bildes mit einer Vielzahl von Bildpunkten, denen jeweils Codierungsinformation zugeordnet ist, in eine Mehrzahl von Bildsegmenten,
wobei eine Vielzahl von gepulsten künstlichen Neuronen vorgesehen ist, wobei jeweils ein gepulstes künstliches Neuron einem Bildpunkt zugeordnet ist,
wobei die gepulsten künstlichen Neuronen jeweils zumindest mit einem Teil benachbarter gepulster künstlicher Neuronen über jeweils eine gewichtete Kopplung gekoppelt sind,
bei dem von jedem gepulsten künstlichen Neuron ein von der Codierungsinformation, welche dem Bildpunkt, dem das gepulste künstliche Neuron zugeordnet ist, zugeordnet ist, abhängiges Neuronen-Pulssignal ausgegeben wird,
bei dem abhängig von den Neuronen-Pulssignalen die Gewichte der Kopplungen derart verändert werden, dass gepulste künstliche Neuronen eines zu bildenden Segments jeweils zunehmend zueinander synchron Neuronen- Pulssignale ausgeben,
bei dem die Bildpunkte von diesen zugeordneten gepulsten künstlichen Neuronen gemeinsam zu einem Bildsegment segmentiert werden, die hinsichtlich eines vorgegebenen Kriteriums zueinander ausreichend synchrone Neuronen- Pulssignale ausgeben.