ITRM950678A1 - Rete neurale cellulare optoelettronica progammabile otticamente - Google Patents
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Abstract
Rete neurale cellulare optoelettronica, programmabile otticamente, realizzata in silicio amorfo o policristallino, costituente un sistema di elaborazione di immagini monolitico, con ingresso e uscita (Fig. 2) ottici, programmabile per mezzo di segnali ottici. La sua struttura stratificata permette che le superfici, superiore ed inferiore siano entrambe occupate, senza discontinuità, da dispositivi fotosensibili e fotoemettitori. La rete è essenzialmente costituita da (Fig. 2) uno strato fotosensibile di ingresso (6), uno strato di elaborazione (5), uno strato fotosensibile di controllo (4) ed eventualmente una maschera di controllo (7). Campo scientifico: reti neurali, circuiti elettronici, dispositivi per l'elaborazione delle immagini. Campo applicativo: fabbricazione di apparecchiature del tipo telefax, fotocopiatrici, calcolatori (hardware), dispositivi di acquisizione di immagini. Il passo avanti nella specifica tecnica è rappresentato dell'utilizzo di un materiale notoriamente economico, tipo silicio amorfo o policristallino idrogenato che permette per sua natura di realizzare circuiti di "grande aria" e pertanto di potervi collocare circuiti di maggiore complessività. Tali circuiti possono contenere dispositivi fotoemettitori o essere realizzati o integrati con pannelli a cristalli liquidi.
Description
DESCRIZIONE,
a corredo di una domanda di brevetto per l'invenzione industriale dal titolo: "Rete neurale cellulare optoelettronica programmàbile otticamente"
L'invenzione riguarda un sistema di elaborazione di immagini monolitico, basato su reti neurali cellulari (RNC), realizzato in silicio amorfo o policristallino idrogenato, con ingresso e uscita ottici, programmabile otticamente, che comporta, tra i vantaggi più rilevanti, la capacità della riconfigurabilità (programmabilità) in tempo reale per mezzo di segnali ottici e l'ingresso e l'uscita ottici. Essa rappresenta un nuovo metodo per realizzare fisicamente una rete neurale cellulare. L'invenzione si colloca nel campo scientifico delle reti neurali, dei circuiti elettronici, dei dispositivi per l'elaborazione delle immagini, e trova applicazioni, in particolare nel campo dell’elaborazione dell'immagine per la visione artificiale, l'estrazione di caratteristiche da immagini, il riconoscimento, il miglioramento e la compressione di immagini, utile soprattutto nella fabbricazione di apparecchiature del tipo TELEFAX, fotocopiatrici, dispositivi di acquisisione di immagini, ecc. L'invenzione può inoltre essere utilizzata per applicazioni in campo biomedico; nel campo di sistemi per la guida automatica di robot; per l'incremento della sicurezza nel traffico automobilistico e ferroviario; per il riconoscimento di oggetti specifici (come le banconote, pezzi su linea di produzione, ecc.); per l'evidenziazione di difetti di produzione (ad es. circuiti stampati, tessuti, ecc.); per la segmentazione di immagini (ad es. nel telerilevamento); per la sicurezza (sistemi anti-intrusione), ecc.
Paragonata alle soluzioni esistenti, l'invenzione proposta offre vantaggi economici in quanto la sua realizzazione è meno costosa, infatti il materiale preferibilmente impiegalo è il silicio amorfo o policristallino idrogenato che, come è noto, è meno costoso del silicio cristallino, solitamente usato per analoghe realizzazioni.
Inoltre, l'invenzione può essere resa molto flessibile in quanto è possibile programmare, indipendentemente e in parallelo, ognuno dei pesi di connessione della rete, diversamente da qualsiasi soluzione esistente.
Date le caratteristiche dell'invenzione, il campo di applicazione più promettente è, in particolare, quello dell'elaborazione di documenti stampati.
Più in particolare, l'invenzione può essere utilizzata in apparecchiature FAX, scanner, fotocopiatrici, ecc. Essa è destinata ad effettuare, in modo totalmente parallelo, operazioni quali: acquisizione dell'immagine, "halftoning'', variazione del contrasto, cancellazione di rumore, miglioramento dell'immagine, controlli speciali come un sistema di sicurezza per bloccare la copiatura di banconote.
L'originalità delfinvenzione risiede nel fatto che il sistema è costituito a strati, ed in particolare, lo strato di elaborazione è situato (Fig. 2) tra due strati fotosensibili: quello d'ingresso e quello di controllo. Per "ingresso" si intende l'acquisizione dell'immagine da elaborare e per "controllo" si intende la programmazione del funzionamento della rete neurale.
Questo tipo di rete può essere inserito nei dispositivi suddetti rendendoli più sofisticati, in quanto ne diventa più veloce l'uso per il fatto che limmagine viene acquisita, non riga per riga, ma tutta contemporaneamente.
Come è noto una "rete neurale cellulare" [1] [2] è un sistema costituito da celle elementari operanti a tempo continuo, dotate di una variabile di stato reale, connesse con le celle vicine entro breve distanza, nello spazio a una, due o tre dimensioni. Questo sistema è da considerarsi un elaboratore analogico parallelo programmabile, capace in particolare di un ampio spettro di applicazioni nel campo della elaborazione di immagini [3]. Con l'aggiunta di appositi circuiti, può essere reso auto-adattalivo [4].
Il tipo di elaborazione realizzato da una data RNC dipende dall'entità (segno e modulo) delle interazioni esistenti fra le celle, pertanto esso (sistema) è programmabile soltanto se è possibile variare, in fase di funzionamento, il valore di tali interazioni.
La realizzazione delle reti neurali cellulari bidimensionali trae profitto dalla topologia planare del sistema stesso, ed è per tanto effettuabile in tecnica elettronica o optoelettronica.
Le soluzioni note agli Inventori, e confrontabili nella specifica letteratura, sono basate su tecniche convenzionali dell'elettronica VLSI, e in particolare sulla tecnica CMOS (da [5] a [ 16]).
L'unica di esse che preveda ingresso ottico integrato sul dispositivo è quella di Espejo et Al. [8],
Però, nessuna delle realizzazioni sopra citate si avvale di uscita ottica e/o riconfigurabilità (controllo) per mezzo di segnali ottici.
Per quanto riguarda la program mabilità, le soluzioni note (citate), quando la prevedono, danno di solito la possibilità di realizzare un insieme discreto di valori dei pesi di connessione fra le celle. La programmazione è sempre effettuala a mezzo di segnali elettrici, e normalmente ogni cella deve essere programmata (controllo) in modo identico alle altre.
Il possibile impiego del silicio amorfo o policristallino idrogenato è stato recentemente studiato da Beccherelli et AL [17] e dagli autori della soluzione oggetto della presente domanda di brevetto (Baisi et Al. [ 18]).
- La prima soluzione [17] non contiene il progetto di una RNC completa, ma solo lo studio di un possibile schema realizzativo di una singola cella e di un meccanismo di interazione con un'altra cella analoga. Tale soluzione non permette in alcun modo la programmabilità in fase di funzionamento della rete, né permette la realizzazione di una RNC di tipo generale, in quanto l'interazione fra le celle può essere solo positiva e senza guadagno.
- La seconda soluzione [18] riguarda il progetto di massima di una RNC di tipo generale, con ingresso e uscita ottici, ma non programmabile, in quanto le interazioni sono definite in valore assoluto dalla dimensione relativa dei transistor utilizzati e nel segno dal tipo di connessione circuitale.
La rete neurale, oggetto dell'invenzione da proteggere, accetta segnali di ingresso e seguali di controllo di tipo ottico. I segnali ottici di ingresso sono convertiti in segnali elettrici da dispositivi elettronici fotosensibili ed elaborati da circuiti elettronici costituenti una rete neurale cellulare. Lo stato dei circuiti di elaborazione è programmato da segnali ottici di controllo, anch'essi convcrtiti in segnali elettrici mediante dispositivi fotosensibili (Fig.1). I segnali di uscita della rete sono generalmente di tipo elettrico ma, in applicazioni particolari, possono essere convertiti in segnali ottici mediante dispositivi fotoemettitori oppure pannelli a cristalli liquidi. In tale rete i dispositivi fotosensibili, i circuiti di elaborazione e gli eventuali dispositivi fotoemettitori, o a cristalli liquidi, sono integrati in un'unica struttura.
Detta rete integrata è realizzata con strati sottili di silicio amorfo o policristallino idrogenato ( a-Si:H ), sia intrinseco che drogato, e da sue leghe, ad esempio quelle con carbonio (a-SiC:H), con ossigeno (a-SiO:H) e con azoto ( a-SiN:H ). In un caso particolare ma rappresentativo questi strati sottili sono depositati su un substrato di vetro oppure di materiale polimerico.In essa gli elementi fotosensibili sono costituiti da uno o più dei seguenti componenti: - fotoresistenze; - fotodiodi a giunzione Schottky tra semiconduttori amorfi e metalli semitrasparenti oppure tra semiconduttori amorfi e materiali non metallici trasparenti e conduttori (ad esempio gli ossidi drogati n-SnO2, n-Ιn2O3, n-ZnO), - fotodiodi con struttura p-i-n , sia ad omogiunzione (ad esempio p-Si:H/i-Si:H/n-Si:H ) sia ad eterogiunzioue (ad esempio p-SiC:H/i-Si:H/n-Si:H); - dispositivi fotosensibili a struttura p-i-n multipla, sia di tipo pi-n-p-i-n (ad esempio p-SiC:H/i-SiC:H/n-Si:H/p-Si:H/i-Si:lf/n- Si:H) che di tipo p-i-n-i-p (ad esempio p-SiC:H/i-Si:H/n-Si:H/i-Si:H/p-Si:H), o di tipo pi-n-i-n-i-p (ad esempio p-SiC:H/i- SiC:H/n-Si:H/i-SiC:H/n-Si:H/i-Si:H/p-
hi detta rete di materiale amorfo o policristallino i circuiti di elaborazione sono basati su transistori ad effètto di campo a film sottile. Tali transistori utilizzano, generalmente ma non esclusivamente, strati semiconduttori di silicio amorfo o policristallino e strati dielettrici di leghe amorfe silicio-ossigeno e silicio-azoto, e sono realizzati in una o più delle seguenti configurazioni:
- configurazione planare alternata ;
- configurazione planare alternata invertita;
- configurazione verticale.
Se la rete è dotata di uscita ottica, i segnali elettrici di uscita sono convertiti in segnali ottici da dispositivi fotoemettitori costituiti da diodi p-i-n basati su leghe amorfe idrogenate di silicio-carbonio, silicio-azoto e silicio-ossigeno, oppure da elementi a distaili liquidi.
In detta rete, la programmazione ottica è effettuata illuminando gli elementi fotosensibili di controllo attraverso maschere fisse oppure attraverso celle a trasmissione elettroottiche, come ad esempio celle a cristalli liquidi oppure celle eleltrocromiche. Come è noto, i pesi di connessione delle reti neurali possono essere ottenuti automaticamente mediante l'applicazione di algoritmi di apprendimento da esempi, alcuni dei quali [19] possono essere realizzati sotto forma di circuiti elettronici rendendo la rete auto-adattativa. Se la RNC contiene circuiti di questo tipo, un'area fotosensibile può essere utilizzata per fornire in ingresso gli esempi di apprendimento.
L'invenzione viene ora descritta, a scopo illustrativo e non limitativo, facendo riferimento alle figure allegate ed in base ad una versione dell'invenzione attualmente preferita dagli Inventori.
Fig. 1 - Rappresentazione schematica di una cella della rete, comprendente le connessioni con una sola cella del vicinato.
Fig. 2 - Struttura stratificata della cella.
Fig. 3 - Rappresentazione schematica dell'integratore realizzato con uno specchio di corrente, indicato con 1 nella Fig. 1.
Fig. 4 - Rappresentazione schematica del moltiplicatore a due quadranti, indicato con ml....m4 in Fig. 1.
Fig. 5 - Rappresentazione schematica di una variante della rete comprendente uscita ottica in cui 14 è lo strato di uscita ottica, 5 è lo strato di elaborazione, 6 lo strato di ingresso ed L7 è il segnale luminoso di uscita.
In Fig. 1 sono visibili:
L1. L 6 segnali luminosi
fl . f6 fotodiodi
1 integratore
ml . m4 moltiplicatori.
Le frecce indicano segnali elettrici.
2 segnale elettrico di uscita
31, 32 collegamenti ad una cella adiacente.
9 e 10 segnali elettrici di controllo del funzionamento;
11 invertitore;
S1. ...S3 sommatoli;
12 e 13 interruttori.
La Fig. 1 viene distinta in due parti, A e B. La A rappresenta l'insieme degli elementi necessari per la connessione con una cella adiacente, e deve considerarsi ripetuta tante volte quante sono le celle connesse. La B rappresenta l'insieme degli elementi costituenti il corpo fondamentale della cella.
Ancora relativamente alla Fig. 1, viene descritto brevemente di seguito il funzionamento della cella:
Il segnale L1 costituisce il segnale d'ingresso da elaborare. Tutti gli altri seguali luminosi L2. L6 forniscono i pesi di connessione (controllo). I segnali luminosi L1. L6 vengono convertiti in segnali elettrici. (frecce) e tali segnali vengono elaborati dal circuito elettronico costituito dai moltiplicatori m1. m4, dai sommatori S1. S3 e dall'integratore 1. Il risultato dell’elaborazione è rappresentalo dal segnale elettrico di uscita 2,
Il segnale d'ingresso L1 può essere utilizzato anche per stabilire le condizioni iniziali dell'integratore, connettendo opportunamente il corrispondente fotodiodo f1 all'integratore 1, per mezzo di interruttori elettronici 12, 13 dell'invertitore 11 e del segnale di controllo 9. Questo permette una più ampia programmabilità.
Nella Fig. 2 sono visibili: 4 strato di controllo; 5 strato di elaborazione; 6 strato di ingresso; 7 maschera di controllo. Le frecce ← e → indicano connessioni elettriche con le celle adiacenti, (L indica luce) .
Facendo ancora riferimento alla Fig. 2 che, come detto, riporta la struttura della cella, la luce L penetra nelle maschere di controllo 7 e qui viene modulata nello spazio (cioè attenuata punto per punto) per ottenere i segnali L2....L6. Lo strato 4 contiene i fotodiodi da f2 a f6. Lo strato 6 contiene il fotodiodo f1, mentre lo strato 5 contiene tutti i dispositivi e i collegamenti elettronici. Lo strato di elaborazione 5 si collega agli strati omologhi delle celle adiacenti. Normalmente, la rete è formata da un'unica struttura stratificata contenente una matrice di celle senza discontinuità fra una e l'altra.
La Fig. 3, come accennato, rappresenta lo schema circuitale dell’integratore 1, visibile in Fig. 1, riportato solo a titolo di esempio, in quanto esso può essere realizzato a piacere. In esso:
T1 e T2 sono transistor a film sottile, o simili;
IB sono opportuni circuiti generatori di corrente;
C rappresenta un condensatore integrato oppure rappresenta la capacità equivalente dei "gate" dei transistor,
8 connessioni con circuiti di alimentazione;
15 connessioni a massa ;
Iin segnale d'ingresso all'integratore rappresentato da una corrente; lou t segnale di uscita all'integratore rappresentato da una corrente. La Fig. 4 riporta, in particolare, uno dei moltiplicatori m visibile in Fig. 1. In essa sono visibili:
8 connessioni con circuiti di alimentazione;
IB 1 e IB2 generatori di corrente;
T3....T8 transistor;
R resistori;
lI1 e I|2 sono correnti ottenute opportunamente all'uscita di un fotodiodo, in modo tale che la quantità Ii1-Ι,2 rappresenta uno dei fattori della moltiplicazione.
Ii3 è la corrente ottenuta all'uscita di uno degli integratori, oppure è la corrente ottenuta all'uscita di uno dei fotodiodi d'ingresso e rappresenta l'altro fattore di moltiplicazione.
Iol e I„2 sono correnti di uscita che rappresentano il risultato della moltiplicazione.
Per una migliore comprensione dell'invenzione, se ne riporta un esempio di realizzazione attualmente preferita dagli Inventori.
Per ottenere, dunque, una RNC programmabile: si realizza una matrice di celle (rete) secondo una struttura stratificata (Fig.2).
Lo strato fotosensibile 6 di ogni cella (Fig. 2) contiene un fotodiodo fi che funge da dispositivo di ingresso ottico, fornendo allo strato sottostante 5 il seguale elettrico d'ingresso; lo strato di controllo 4 contiene alcuni fotodiodi fì. . .fé, uno per ogni valore indipendente dei pesi di connessione, che costituiscono dispositivi di ingresso ottico per i segnali luminosi di controllo L2.. L6.
Si mette in rilievo che i fotodiodi 15 ed f6 sono nella parte A, pertanto si ripetono tante volte quante sono le celle connesse .
Il corpo fondamentale della cella (integratore) 1 e le connessioni fra le celle e le connessioni con gli ingressi (moltiplicatori), mi . m4, sono realizzati al livello dello strato di elaborazione mediante i circuiti descritti di seguito. Tutti i segnali elettrici, evidenziati in Fig 1, sono rappresentati mediante correnti (frecce).
L'integratore è realizzato mediante uno specchio di corrente (Fig. 3) in cui il condensatore C può essere omesso, quando risulti sufficiente la capacità di ingresso dei "gate" dei transistor.
I blocchi di moltiplicazione, mi . m4, sono realizzati mediante l'uso del moltiplicatore (Fig. 4).
Risulta: Ι01-Ι02=α11(Ι|ΓΙ|2)Ιΐ3 in cui a dipende dalla geometria dei transistor e dalla polarizzazione del circuito.
IJ3 rappresenta il valore dello stato della cella vicina, oppure l'ingresso; tali segnali sono vincolati ad essere unipolari.
I|j-Ij2 rappresenta il peso di connessione.
Come s'è detto in precedenza, la Fig. 5 rappresenta una variante dell'invenzione che si ritiene interessante riportare. In essa sono visibili: 14 strato di uscita ottica; 5 strato di elaborazione; 6 strato di ingresso.
In questa vallante la rete è dotata di ingresso e di uscita ottici. Lo strato di uscita 14 è costituito da diodi fotoemettitori, oppure da elementi a cristalli liquidi. In quest'ultimo caso, lo strato 14 rappresenta esso stesso una struttura stratificata in cui dal lato dello strato di elaborazione si trova una matrice di contatti metallici sui quali è presente il seguale di uscita in tensione. Adiacente a tale strato è presente uno strato di cristalli liquidi racchiuso dall'altro lato da un unico elettrodo trasparente collegato a potenziale fisso
Mancando lo strato di controllo 4 , il controllo stesso è realizzato per via elettronica. II vantaggio che si ottiene con questa variante risiede nel fatto che la rete, cosi realizzata, costituisce un dispositivo di elaborazione di immagini con ingresso ed uscita entrambi ottici.
Inoltre, a dimostrazione che molte possono essere le varianti possibili, si mette in rilievo che, volendo mantenere la programmabilità per via ottica, è possibile in alternativa (Fig. 1 e Fig. 5) realizzare i diodi fotoemettitori nello strato di ingresso 4 insieme ai dispositivi fotosensibili, mentre lo strato 6 resta destinato alla programmazione ottica. In questo caso, si utilizzano dispositivi fotosensibili selettivi rispetto alla lunghezza d'onda della luce (dispositivi a struttura p-i-n multipla descritti sopra) in modo da poter distinguere rinunagine di ingresso da quella d'uscita sulla base della lunghezza d’onda (colore) della luce.
Claims (11)
- RIVENDICAZIONI 1. Rete neurale cellulare optoelettronica, caratterizzata dal fatto di essere programmabile otticamente, essendo costituita essenzialmente da (Fig. 2) uno strato fotosensibile di ingresso (6); uno strato di elaborazione (5); uno strato fotosensibile di controllo (4); ed eventualmente una maschera di controllo (7).
- 2. Rete neurale cellulare optoelettronica, secondo la Riv. 1, caratterizzata dal fatto che lo strato fotosensibile d'ingresso (6) è costituito (Fig. 1) da componenti fotosensibili (fi . f6), del tipo: - fotoresisteuze; - fotodiodi a giunzione Scholtky tra semiconduttori amorfi e metalli semitrasparenti; oppure tra semiconduttori amorfi e materiali non metallici trasparenti e conduttori (ad esempio gli ossidi drogati n-SnO2, n-In2O3, n-ZnO), - fotodiodi con struttura p-i-n, sia ad omogiunzione (ad esempio p-Si:H/i-Si:H/n-Si:H) sia ad eterogiunzione (ad esempio p-SiC:H/i-Si:H/n-Si:H); -dispositivi fotosensibili a struttura p-i-n multipla, sia di tipo p-i-n-p-i-n (ad esempio p-SiC:H /i-SiC:H/n-Si:H/pSi:HA-Si:H/n-Si:H) che di tipo p-i-n-i-p (ad esempio p-SiC:H/-Si;H/n-Si:Hfi-Si:H/p-Si:H), o di tipo p-i-n-i-n-i-p (ad esempio p-SiC:H/i-SiC:H/n-Si:H/i-SiC:Hin-Si:H/i-SW^ 3. · Rete neurale cellulare optoelettronica, secondo la Riv. 1, caratterizzata dal fatto che lo strato di elaborazione (5) è costituito da (Fig. 1); integratore (1), moltiplicatori (mi . m4) e circuiteria di controllo basati essenzialmente, ma non esclusivamente (Figg.
- 3 e 4) da transistori ad effetto di campo a film sottile TI . T8.
- 4. Rete neurale cellulare optoelettronica, secondo le Riw. 1 e 2, caratterizzata dal fatto che detto strato fotosensibile di controllo (4) è costituito anch'esso essenzialmente da componenti fotosensibili.
- 5. Rete neurale cellulare optoelettronica, secondo la Riv. 1, caratterizzata dal fatto che la maschera di controllo (7) è facoltativa e, quando presente, essa (maschera) è realizzata in modo fisso, od j attraverso celle a trasmissione elettroottiche, come celle a cristalli liquidi o celle elettrocromiche.
- 6. Rete neurale cellulare optoelettronica, secondo tutte le Rivendicazioni, caratterizzata dal fatto che lo strato di elaborazione (5) contiene anche circuiti noti destinati alTautoadattamento (apprendimento) .
- 7. Rete neurale cellulare optoelettronica, secondo le Riw. 1 e 6, caratterizzata dal fatto che uno o ambedue gli strati fotosensibili (6), (4) sono utilizzati per fornire in ingresso alla rete immagini rappresentanti gli esempi di apprendimento.
- 8. Rete neurale cellulare optoelettronica, secondo la Riv. 1, caratterizzata dal fatto che in tale rete i dispositivi fotosensibili, i circuiti di elaborazione e gli eventuali dispositivi fotoemettitori o a cristalli liquidi sono integrati in un'unica struttura stratificata (Fig. 2).
- 9. Rete neurale cellulare optoelettronica, secondo la Riv. 1, caratterizzata dal fatto che in una delle possibili varianti, la rete può contenere dispositivi di uscita ottica, costituiti da diodi p-i-n, basati su leghe amorfe idrogenate di silicio-carbonio, silicio-azoto e silicio ossigeno, oppure da elementi a cristalli liquidi.
- 10. Rete neurale cellulare optoelettronica, secondo le Riw. 1 e 9, caratterizzata dal tatto che detti dispositivi di uscita ottica possono essere disposti (Fig. 5) in uno strato che sostituisca uno dei due strati fotosensibili (4), oppure (6)
- 11. Rete neurale cellulare optoelettronica secondo le rivendicazioni 1 e 9 caratterizzata dal fatto che i dispositivi di uscita ottica (diodi fotoemettitori) possono essere realizzati nello stesso strato di ingresso (4) insieme a dispositivi fotosensibili selettivi rispetto alla lunghezza d'onda della luce, in modo tale che l'ingresso e l'uscita sono distinti dalla differente lunghezza d'onda della luce (colore), oppure nello strato di controllo (6) .
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