JP2000268017A - Pattern recognizing device - Google Patents

Pattern recognizing device

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JP2000268017A
JP2000268017A JP11074941A JP7494199A JP2000268017A JP 2000268017 A JP2000268017 A JP 2000268017A JP 11074941 A JP11074941 A JP 11074941A JP 7494199 A JP7494199 A JP 7494199A JP 2000268017 A JP2000268017 A JP 2000268017A
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JP
Japan
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pattern
circuit
learning
bit
reference vector
Prior art date
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JP11074941A
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Japanese (ja)
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Takamichi Nakamoto
高道 中本
Toyoe Moriizumi
豊栄 森泉
Satoshi Kawamura
聡 河村
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Tokyo Institute of Technology NUC
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Tokyo Institute of Technology NUC
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pattern recognizing device capable of recognizing a pattern and learning a reference vector for pattern recognition with a little wiring quantity and small circuit scale. SOLUTION: This pattern recognizing device is provided with a conversion means for converting the input pattern of an identification object to time sequential data for a prescribed bit length, identification means 13 and 14 for outputting the signal of the identified result on the input pattern by operating comparison between the time sequential data of that input pattern and the time sequential data for the prescribed bit of a reference pattern and a learning means 11 for updating the time sequential data of the reference pattern by operating the time sequential data of the input pattern and the time sequential data of the reference pattern most similar to that input pattern based on the identified result signal.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、匂い・ガ
ス識別センシングシステム、文字・画像認識システム、
音声認識システム等に用いるパターン認識装置に関す
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an odor / gas identification sensing system, a character / image recognition system,
The present invention relates to a pattern recognition device used for a voice recognition system or the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】匂いの識別は、空港での麻薬探知や、環
境計測、食品・飲料の品質管理など多くの分野において
その応用例が考えられている。そこで、匂いの複数のセ
ンサ応答パターンからニューラルネットワークを用いて
匂いを識別する手法が考えられている。
2. Description of the Related Art Smell identification has been applied in many fields such as drug detection at airports, environmental measurement, and quality control of foods and beverages. Therefore, a method of identifying an odor from a plurality of sensor response patterns of the odor using a neural network has been considered.

【0003】匂いの識別に限らず、音声認識、画像認識
等のパターン認識をニューラルネットワークを用いて行
う際、ニューラルネットワークをソフトウエアで実現す
ると、複雑な問題では処理時間が膨大になってしまう。
また、ワークステーション等の装置の移動が困難であ
り、使用する環境が限定されてしまう。そこで、並列性
を持つニューラルネットワークをハードウエア化して高
速化し、LSI化することにより小型化することが必要
となる。
When performing pattern recognition such as voice recognition and image recognition using a neural network as well as odor recognition, if the neural network is realized by software, the processing time becomes enormous for a complicated problem.
In addition, it is difficult to move a device such as a workstation, and the environment in which the device is used is limited. Therefore, it is necessary to reduce the size of the neural network having parallelism by increasing the speed of the neural network by hardware, and by using an LSI.

【0004】以下に、その一例を示す。An example is shown below.

【0005】(1)文献1:ディジタル神経回路網モデ
ル(鎌田勝浩、平井有三、信学技報、1987、MBE
87−157) パルス信号でニューロン間の信号伝達を行ってニューラ
ルネットワークを構成し、ディジタル回路のみでニュー
ラルネットワークを実現する方法が記載されている。信
号の強弱はパルス頻度で伝える。しかし、シナプス荷重
の箇所は多ビットで固定であり、学習機能を有しない。
また、信号の伝送にも正負の信号を1本の信号線で伝え
ることができず、興奮性信号と抑制性信号の2本が必要
となる。
(1) Document 1: Digital neural network model (Katsuhiro Kamada, Yuzo Hirai, IEICE Technical Report, 1987, MBE)
87-157) A method is described in which a neural network is formed by transmitting signals between neurons using pulse signals, and the neural network is realized only by digital circuits. The strength of the signal is transmitted by the pulse frequency. However, the location of the synapse load is fixed at multiple bits and does not have a learning function.
In addition, positive and negative signals cannot be transmitted through one signal line for signal transmission, and two signals, an excitatory signal and a suppressive signal, are required.

【0006】(2)文献2:1ビットディジタル信号処
理を用いた制御システム(瀬川将宣、樋口俊郎、黒沢
実、岡宏一、SICE94、109M−2) Δ−Σ変調された1ビットディジタル信号間で加算、減
算、乗算、増幅、減衰、積分等の演算をディジタル回路
のみでできることを示した。
(2) Document 2: Control system using 1-bit digital signal processing (Masanobu Segawa, Toshiro Higuchi, Minoru Kurosawa, Koichi Oka, SICE94, 109M-2) Indicates that operations such as addition, subtraction, multiplication, amplification, attenuation, and integration can be performed only by digital circuits.

【0007】(3)文献3:1ビットディジタル演算方
式を用いた匂いセンサ用測定・識別回路の研究(久保
靖、中本高道、森泉豊栄、電気学会センサ応用システム
研究会、1998、SSA98−11) 文献2に記載の要素回路に加えて、周波数変化をΔ−Σ
変調する回路、絶対値回路等を開発し、それらを組み合
わせて匂いセンサ用測定・識別回路を実現している。し
かし、多様な識別対象に対応できるような学習する機能
を具備していない。
(3) Literature 3: Research on measurement and identification circuit for odor sensor using 1-bit digital arithmetic method (Yasu Kubo, Takamichi Nakamoto, Toyoei Moriizumi, Institute of Electrical Engineers of Japan, 1998, SSA98- 11) In addition to the element circuit described in Document 2, the frequency change is Δ-Σ
We have developed a modulation circuit, an absolute value circuit, etc., and realized a measurement / identification circuit for an odor sensor by combining them. However, it does not have a learning function capable of dealing with various identification targets.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】このように、従来は、
ASIC(Application Specific Integratedcircui
t)、FPGA(Field Programmable Gate array)
等に容易に1チップ化できるような少ない配線量、回路
規模で、識別機能および学習機能を共に有したパターン
認識装置は存在していなかった。
As described above, conventionally,
ASIC (Application Specific Integratedcircui)
t), FPGA (Field Programmable Gate array)
There has been no pattern recognition apparatus that has both a discriminating function and a learning function with such a small wiring amount and circuit scale that can be easily integrated into one chip.

【0009】そこで、本発明は、パターン認識および学
習回路を1ビットディジタル演算回路で実現することが
でき、少ない配線量・回路規模で容易に構成可能なパタ
ーン認識装置を提供することを目的とする。
Accordingly, an object of the present invention is to provide a pattern recognition apparatus which can realize a pattern recognition and learning circuit with a 1-bit digital arithmetic circuit and can be easily configured with a small amount of wiring and a small circuit scale. .

【0010】すなわち、本発明は、文献1とは異なり、
シナプス荷重も1ビットディジタル信号として少ない配
線でニューラルネットワークを構成し、正負両方の信号
を扱え、さらに、文献2、3を発展させ、1ビットΔ−
Σ変調信号を用いて学習演算機能を備える。
[0010] That is, the present invention differs from Reference 1 in that
The synapse load can also configure a neural network with a small number of wires as a 1-bit digital signal and handle both positive and negative signals.
学習 Provides a learning operation function using a modulated signal.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明のパターン認識装
置は、識別対象の入力パターンを所定長の1ビット時系
列データに変換する変換手段と、前記入力パターンの1
ビット時系列データと参照パターンの所定長の1ビット
時系列データとの間で比較演算を行って、該入力パター
ンについての識別結果信号を出力する識別手段と、前記
識別結果信号に基づき前記入力パターンの1ビット時系
列データと該入力パターンに最も近似する参照パターン
の1ビット時系列データとの間で演算を行って該参照パ
ターンの1ビット時系列データを更新する学習手段とを
具備したことにより(パターン認識およびパターン認識
に用いる参照ベクトルの学習を1ビットディジタル演算
で行うことにより)、少ない配線量・回路規模でパター
ン認識とパターン認識に用いる参照ベクトルの学習とが
行える。なお、上記手段は、ディジタル回路のみなら
ず、コンピュータに実行させることのできるプログラム
としてフロッピーディスク、CD−ROM等の記録媒体
に記録して配布することも可能である。
According to the present invention, there is provided a pattern recognition apparatus comprising: a conversion unit for converting an input pattern to be identified into 1-bit time-series data having a predetermined length;
Identification means for performing a comparison operation between the bit time-series data and one-bit time-series data of a predetermined length of the reference pattern to output an identification result signal for the input pattern; and the input pattern based on the identification result signal. Learning means for performing an operation between the 1-bit time-series data of the reference pattern and the 1-bit time-series data of the reference pattern closest to the input pattern to update the 1-bit time-series data of the reference pattern (By performing pattern recognition and learning of reference vectors used for pattern recognition by one-bit digital operation), pattern recognition and learning of reference vectors used for pattern recognition can be performed with a small amount of wiring and circuit scale. The above means can be distributed as a program that can be executed by a computer as well as a digital circuit by recording the program on a recording medium such as a floppy disk or a CD-ROM.

【0012】また、前記変換手段は、前記入力パターン
を規格化してから1ビット時系列データに変換すること
により、匂い・ガスの濃度、温度等の環境の違いに影響
されずにパターン認識が高精度に行える。
Further, the conversion means converts the input pattern into 1-bit time series data after normalizing the input pattern, so that pattern recognition can be performed without being affected by differences in environment such as odor / gas concentration and temperature. Can be done with precision.

【0013】また、前記識別手段は、前記入力パターン
の1ビット時系列データと前記参照パターンの1ビット
時系列データとの差の絶対値を積分した値(マンハッタ
ン距離)を用いて比較演算を行うことにより、センサ等
の過渡応答情報そのものを識別に使うことができ、二乗
や平方根等を計算するユークリッド距離の場合と比較し
て回路が容易に構成できる。
Further, the identification means performs a comparison operation using a value (Manhattan distance) obtained by integrating an absolute value of a difference between the 1-bit time series data of the input pattern and the 1-bit time series data of the reference pattern. As a result, the transient response information itself of the sensor or the like can be used for identification, and the circuit can be easily configured as compared with the case of the Euclidean distance for calculating the square or the square root.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面を参照して説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0015】(1)匂い・ガス識別装置 図1は、本実施形態にかかる学習・識別装置を構成する
ニューロンユニットの基本的な構成例を示したものであ
る。
(1) Odor / Gas Discrimination Device FIG. 1 shows a basic configuration example of a neuron unit constituting a learning / discrimination device according to this embodiment.

【0016】複数のセンサ#1、#2、#3、…からの
各入力信号は、例えば、この順に時分割多重されて入力
パターンとして、Δ−Σ変調部1に入力し、ここでΔ−
Σ変調されてニューロンユニットに1ビット信号として
供給される。一方、シナプス荷重も時分割多重され、Δ
−Σ変調されて1ビット信号に変換されたものをシリア
ルメモリ(例えば、FIFO(First In First Ou
t)メモリ)であるシナプス荷重記憶部3に格納されて
いる。演算部2は、シナプス荷重記憶部3に記憶された
シナプス荷重を順次読み出し、それと、Δ−Σ変調部1
から入力された1ビット信号との間で演算を行った後、
1ビットの信号として出力する。この出力信号は、教師
信号とともに学習回路4に入力され、ここで得られた1
ビット信号をシナプス荷重記憶部3に格納する。これを
繰り返し行うことで学習を行うことができる。
Each of the input signals from the plurality of sensors # 1, # 2, # 3,... Is, for example, time-division multiplexed in this order and input as an input pattern to the .DELTA .-. SIGMA.
Σ The signal is modulated and supplied to the neuron unit as a 1-bit signal. On the other hand, the synapse load is also time-division multiplexed, and Δ
−Σ The signal that has been modulated and converted into a 1-bit signal is stored in a serial memory (eg, FIFO (First In First Ou
t) The memory is stored in the synapse load storage unit 3. The arithmetic unit 2 sequentially reads out the synapse loads stored in the synapse load storage unit 3 and reads out the synapse loads from the synapse load storage unit 3.
After performing an operation on the 1-bit signal input from
It is output as a 1-bit signal. This output signal is input to the learning circuit 4 together with the teacher signal, and the 1
The bit signal is stored in the synapse load storage unit 3. By repeating this, learning can be performed.

【0017】図2は、図1のニューロンユニットを用い
た、匂い・ガス識別装置の全体の構成例を示したもので
ある。
FIG. 2 shows an example of the overall configuration of an odor / gas discriminating apparatus using the neuron unit of FIG.

【0018】図2に示した匂い・ガス識別装置は、匂い
・ガスの吸着量に伴う周波数変化を測定するためにセン
サセル部101と、センサセル部101の出力を多重化
し、匂い・ガスの応答パターンを生成し、それを1ビッ
ト時系列データに変換する周波数測定部102と、図1
のニューラルユニット(演算部1、学習回路4、シナプ
ス荷重記憶部3)を組み合わせて構成されるニューラル
ネットワークを用いて匂い・ガスの応答パターンの学習
・識別を行う学習・識別回路部103から構成されてい
る。
The odor / gas discriminating apparatus shown in FIG. 2 multiplexes the sensor cell unit 101 and the output of the sensor cell unit 101 in order to measure the frequency change accompanying the adsorption amount of the odor / gas, and obtains the response pattern of the odor / gas. And a frequency measuring unit 102 for converting the data into 1-bit time-series data.
And a learning / identification circuit unit 103 for learning / identifying odor / gas response patterns by using a neural network configured by combining the neural units (the arithmetic unit 1, the learning circuit 4, and the synapse load storage unit 3). ing.

【0019】周波数測定部102は、図13に示すよう
に、ここでは、4つの周波数カウンタ201a〜201
dを用いて、4種のセンサからの周波数変化を測定しマ
ルチプレクサ203により多重化する。周波数カウンタ
は例えば1秒の間に入力されるパルスの数をカウントす
る14ビットのバイナリカウンタを用いる。カウンタの
出力は係数されている間に常に変化するので1秒間デー
タを保持するためにラッチ回路202a〜202dが必
要になる。
As shown in FIG. 13, here, the frequency measuring section 102 comprises four frequency counters 201a to 201a.
Using d, frequency changes from the four types of sensors are measured and multiplexed by the multiplexer 203. As the frequency counter, for example, a 14-bit binary counter that counts the number of pulses input during one second is used. Since the output of the counter constantly changes while being subjected to the coefficient, latch circuits 202a to 202d are required to hold data for one second.

【0020】周波数カウンタ201a〜201dでは、
匂いが吸着する前のセンサ信号を初期値としてレジスタ
に格納し、匂い吸着後のセンサ信号をそのレジスタの値
の各ビットを反転した値から新たにカウントを行うこと
により匂いの吸着に伴う周波数変化が得られる。
In the frequency counters 201a to 201d,
The sensor signal before the odor is adsorbed is stored in the register as the initial value, and the sensor signal after the odor is adsorbed is newly counted from the value obtained by inverting each bit of the register value, thereby changing the frequency due to the odor adsorption. Is obtained.

【0021】図13に示した周波数測定部102では、
周波数カウンタ201a〜201dで4種のセンサの周
波数変化分を並列して同時に測定することができる。
In the frequency measuring section 102 shown in FIG.
The frequency counters 201a to 201d can measure the frequency changes of the four types of sensors in parallel and simultaneously.

【0022】各センサの周波数変化を測定し、マルチビ
ットのカウンタデータをマルチプレクサ203により時
分割多重化する。このようにして得られた匂い・ガス応
答パターンは、Δ−Σ変調部204でΔ−Σ変調され
て、1ビット時系列データ(例えば2048ビット長)
に変換され、例えば、2048ビット×1構成のFIF
Oメモリ205に一時格納される。
The frequency change of each sensor is measured, and the multi-bit counter data is time-division multiplexed by the multiplexer 203. The odor / gas response pattern obtained in this manner is Δ-Σ modulated by the Δ-Σ modulator 204, and is 1-bit time-series data (for example, 2048-bit length)
Is converted to, for example, a FIF of 2048 bits × 1 configuration.
It is temporarily stored in the O memory 205.

【0023】Δ−Σ変調して得られた2048ビット長
の1ビット時系列データをFIFOメモリ205に格納
するのは、特に、学習時に繰り返し入力データを読み出
すようにするためである。原理的には、学習を行う度に
測定を行うのであれば、このFIFOメモり205は必
要ないが、それでは効率が悪いため、ここでは、予め学
習に用いるデータを一括してFIFOメモリ205格納
しておき、ここから繰り返し読み出すことにする。
The reason why the 1-bit time series data having a length of 2048 bits obtained by Δ-Σ modulation is stored in the FIFO memory 205 is, in particular, to repeatedly read input data during learning. In principle, the FIFO memory 205 is not necessary if measurement is performed every time learning is performed, but since this is inefficient, here, data used for learning is stored in the FIFO memory 205 in advance. In advance, the information is repeatedly read from here.

【0024】FIFOメモり205から逐次読み出され
た1ビット時系列データは、学習・識別回路部103に
入力し、LVQ(Learning Vector Quantization:学
習ベクトル量子化法)によるニューラルネットワークの
学習に用いられる。
The 1-bit time series data sequentially read out from the FIFO memory 205 is input to the learning / identification circuit unit 103 and used for learning a neural network by LVQ (Learning Vector Quantization). .

【0025】本来Δ−Σ変調は、アナログデータに対し
て行うものであるが、ここでは、14ビットバイナリデ
ータをアナログデータと同様に扱ってΔ−Σ変調を行っ
ている。通常のΔ−Σ変調回路は、アナログの減算器、
積分器を必要とするが、ここでは、ディジタル回路のみ
で構成できる。
Although Δ-Σ modulation is originally performed on analog data, here, 14-bit binary data is handled in the same manner as analog data, and Δ-Σ modulation is performed. A normal Δ-Σ modulation circuit is an analog subtractor,
Although an integrator is required, here, it can be constituted only by a digital circuit.

【0026】図14にΔ−Σ変調部12の構成例を示
す。積分器211の出力はバイナリデータとなるため、
その最上位ビットの値により符号が決まる。この最上位
ビットを反転したものが出力となる。図14において、
加算器210において、フィードバックゲインKによっ
て、入力を1/Kに減衰させている。これは積分器21
1の飽和を防ぐものであり、このKによって周波数変化
の測定可能範囲が決まる。例えば、ここでは、測定範囲
を1024Hz、ゲインを1024(210)倍とす
る。
FIG. 14 shows an example of the configuration of the Δ-Σ modulator 12. Since the output of the integrator 211 is binary data,
The sign is determined by the value of the most significant bit. The inverted version of the most significant bit is the output. In FIG.
In the adder 210, the input is attenuated to 1 / K by the feedback gain K. This is the integrator 21
The value of K determines the measurable range of the frequency change. For example, here, the measurement range is 1024 Hz, and the gain is 1024 (2 10 ) times.

【0027】図3は、図2の学習・識別回路部103の
構成例を示したもので、ここでは、周波数測定部102
との接続関係をわかりやすく示すために、周波数測定部
102の一部も記載している。図1のニューロンユニッ
トを組み合わせて構成したLVQ回路である。この回路
は、入力パターンの属するカテゴリを判別するものであ
る。以下、LVQ回路について述べるが、バックプロバ
ケーション、RBF(Radial Basis Function)、ボ
ルツマンマシン等、他のニューラルネットワークについ
ても、図1のニューロンユニットを適用することは可能
である。
FIG. 3 shows an example of the configuration of the learning / identification circuit unit 103 shown in FIG.
A part of the frequency measurement unit 102 is also shown in order to clearly show the connection relationship with. 2 is an LVQ circuit configured by combining the neuron units of FIG. This circuit determines a category to which an input pattern belongs. Hereinafter, the LVQ circuit will be described. However, the neuron unit of FIG. 1 can be applied to other neural networks such as a back vacation, an RBF (Radial Basis Function), and a Boltzmann machine.

【0028】LVQでは、多数の参照ベクトルをデータ
空間内に配置し、各参照ベクトルと入力ベクトルとの距
離を計算する。各参照ベクトルはいずれかのカテゴリに
属するものとし、そのカテゴリは予め定められている。
そして、入力ベクトルと最も近い参照ベクトル(これを
「最近傍参照ベクトル」と呼ぶ)を検出し、この参照ベ
クトルが属するカテゴリが入力ベクトルのカテゴリであ
ると判別する。
In the LVQ, a number of reference vectors are arranged in a data space, and the distance between each reference vector and an input vector is calculated. Each reference vector belongs to one of the categories, and the category is predetermined.
Then, a reference vector closest to the input vector (this is referred to as a “nearest neighbor reference vector”) is detected, and it is determined that the category to which the reference vector belongs is the category of the input vector.

【0029】距離演算部13で匂い・ガスの応答パター
ンの1ビット時系列データと、各カテゴリの参照ベクト
ルとの距離計算を行う。入力ベクトルと参照ベクトルと
の距離は、次式(1)で計算する。
The distance calculation unit 13 calculates the distance between the 1-bit time series data of the response pattern of the odor and the gas and the reference vector of each category. The distance between the input vector and the reference vector is calculated by the following equation (1).

【0030】[0030]

【数1】 (Equation 1)

【0031】この距離は、ユークリッド距離ではなく、
時分割多重波形、すなわち、応答パターンそのものをベ
クトルとして扱い、時分割多重波形間の差の絶対値を積
分したマンハッタン距離である。時分割多重するとき
は、センサの定常応答だけでなく過渡応答でもよいの
で、式(1)を用いれば、過渡応答情報そのものを識別
に使うことができる。
This distance is not the Euclidean distance,
Time-division multiplexed waveform, that is, the Manhattan distance obtained by treating the response pattern itself as a vector and integrating the absolute value of the difference between the time-division multiplexed waveforms. When performing time-division multiplexing, not only the steady-state response of the sensor but also the transient response may be used. Therefore, if equation (1) is used, the transient response information itself can be used for identification.

【0032】図3では、各参照ベクトル毎に(例えば、
N個の参照ベクトル毎に)、それぞれに応じた距離演算
部(#1、#2、…#N)13を設け、並列にこの距離
計算を行い、最近傍参照ベクトル検出部14で距離最小
の参照ベクトルを決定する。
In FIG. 3, for each reference vector (for example,
.., #N) corresponding to each of the N reference vectors is provided, and the distance calculation is performed in parallel. Determine the reference vector.

【0033】なお、式(1)に基づいて距離を計算する
図3の各距離演算部13を構成する減算回路21と絶対
値回路22と積分回路23と全ての距離演算部1で求め
られ距離を基に識別結果を出力する最近傍参照ベクトル
検出部14とは図1の演算部2に相当し、図3の各距離
演算部13の有する参照ベクトルFIFOメモリ24は
図1のシナプス荷重記憶部3に相当し、図3の最近傍参
照ベクトル更新部11は図1の学習回路4に相当する。
It should be noted that the subtraction circuit 21, the absolute value circuit 22, the integration circuit 23, and the distances obtained by all the distance calculation units 1 constitute each distance calculation unit 13 in FIG. 3 for calculating the distance based on the equation (1). 1 corresponds to the operation unit 2 in FIG. 1, and the reference vector FIFO memory 24 of each distance operation unit 13 in FIG. 3 is a synapse load storage unit in FIG. 3 and the nearest neighbor reference vector updating unit 11 in FIG. 3 corresponds to the learning circuit 4 in FIG.

【0034】最近傍参照ベクトル検出部13は、入力さ
れた、各参照ベクトルと入力ベクトルとの距離を比較
し、その値が最小となる参照ベクトル、すなわち、最近
傍参照ベクトルを検出する。このような回路は、WTA
(Winner Take All)回路として研究されているが、
ディジタル回路で構成するのは意外と難しい。通常、最
小値の検出には、2つずつ順に大小比較を行うトーナメ
ント方式がよくとられるが、参照ベクトルの数が増える
と比較演算の回数が飛躍的に増大する。また、全ての変
数について同時並列的な比較を行うと膨大な数の比較器
が必要になる。そこで、ここでは、以下のような方法を
とる。
The nearest reference vector detection unit 13 compares the distance between each input reference vector and the input vector, and detects the reference vector having the minimum value, that is, the nearest reference vector. Such a circuit is called WTA
(Winner Take All)
It is surprisingly difficult to construct a digital circuit. Usually, the minimum value is detected by a tournament method in which the magnitudes are sequentially compared two by two. However, when the number of reference vectors increases, the number of comparison operations increases dramatically. In addition, a huge number of comparators are required to perform simultaneous parallel comparison on all variables. Therefore, here, the following method is adopted.

【0035】すなわち、図3の各距離演算部13の最終
段にある積分回路23では、入力された1ビット時系列
データをアップダウンカウンタ(積分用カウンタ)によ
り計数して積分していて、この積分回路23の出力は多
ビットバイナリデータであり、最上位ビットは積分値の
符号を表している。そこで、この点に着目して、各距離
演算部13の全ての積分回路23で絶対値回路22の出
力のカウントを終了した後、全ての積分回路23で一斉
に、その積分用カウンタ値を同時に「1」ずつ減らして
いく。そして、最近傍参照ベクトル検出部14は、いず
れかのカウンタ値が負になったら、その最初に負になっ
た積分用カウンタの参照ベクトルを最近傍参照ベクトル
として決定する。どれが最初に負になるかは、積分用カ
ウンタの最上位ビットのみをモニタしていれば分かる。
この方法によれば、積分用カウンタの値を減らしていく
分のクロックが余分に必要になるが、検出回路自体は簡
便な構成のみで構成でき、参照ベクトルがいくら多くて
もほとんど回路規模は増加しない。
That is, in the integrating circuit 23 at the last stage of each distance calculating section 13 in FIG. 3, the input 1-bit time series data is counted and integrated by an up / down counter (integrating counter). The output of the integration circuit 23 is multi-bit binary data, and the most significant bit indicates the sign of the integration value. Therefore, paying attention to this point, after the counting of the output of the absolute value circuit 22 is completed in all the integrating circuits 23 of each of the distance calculating sections 13, the integrating counter values are simultaneously simultaneously processed by all the integrating circuits 23. Decrease by "1". Then, when any of the counter values becomes negative, the nearest neighbor reference vector detection unit 14 determines the first negative reference vector of the integration counter as the nearest neighbor reference vector. Which one becomes negative first can be known by monitoring only the most significant bit of the integrating counter.
According to this method, an extra clock is required to reduce the value of the integrating counter. However, the detection circuit itself can be configured only with a simple configuration, and the circuit scale increases almost regardless of the number of reference vectors. do not do.

【0036】次に、図1の学習回路4に相当する図3の
最近傍参照ベクトル更新部11について説明する。ここ
では、最近傍参照ベクトルの更新を逐次行う。
Next, the nearest neighbor reference vector updating unit 11 in FIG. 3 corresponding to the learning circuit 4 in FIG. 1 will be described. Here, the nearest neighbor reference vector is sequentially updated.

【0037】図4に最近傍参照ベクトル更新部11の構
成例を示す。最近傍参照ベクトル更新部11は、最近傍
参照ベクトル検出部14の出力(識別結果)と制御信号
発生回路35で発生される教師信号とから識別結果の正
誤を判定し、判別精度が大きくなるように最近傍参照ベ
クトルの更新を行う。
FIG. 4 shows an example of the configuration of the nearest neighbor reference vector updating unit 11. The nearest neighbor reference vector updating unit 11 determines whether the identification result is correct from the output (identification result) of the nearest neighbor reference vector detection unit 14 and the teacher signal generated by the control signal generation circuit 35, and increases the accuracy of the determination. , The nearest neighbor reference vector is updated.

【0038】制御信号発生回路35は、図2の学習・識
別回路部103内の回路動作タイミングを発生するもの
である。学習時はこの制御信号に従って参照ベクトルF
IFOメモり24のデータの読み書きを行っている。な
お、ここで用いたFIFOメモリは読み出しと書込を同
時に行うことが可能で、参照ベクトルの時系列データを
読み出しながら同時に更新後の参照ベクトルの書き込み
を行うものとする。
The control signal generation circuit 35 generates a circuit operation timing in the learning / identification circuit section 103 of FIG. During learning, the reference vector F
The data in the IFO memory 24 is read and written. Note that the FIFO memory used here can simultaneously perform reading and writing, and write the updated reference vector simultaneously while reading the time-series data of the reference vector.

【0039】最近傍参照ベクトルの更新には、次式
(2)を用いている。
The following equation (2) is used for updating the nearest neighbor reference vector.

【0040】[0040]

【数2】 (Equation 2)

【0041】更新量αは、学習回数が進むにつれて、単
調減少する係数である。識別結果が教師信号と一致すれ
ば(2)式で正の符号をとり、一致しなければ負の符号
をとる。
The update amount α is a coefficient that monotonously decreases as the number of times of learning progresses. If the discrimination result coincides with the teacher signal, a positive sign is obtained by equation (2), and if not, a negative sign is obtained.

【0042】図4において、減算回路32では、入力ベ
クトルと参照ベクトルFIFOメモリ13から読み出さ
れた更新前の最近傍参照ベクトルとの差を求め、減衰回
路33では、入力ベクトルと更新前の最近傍参照ベクト
ルとの差に更新量αを乗じる。
In FIG. 4, a subtraction circuit 32 obtains a difference between an input vector and a nearest reference vector before updating read out from the reference vector FIFO memory 13, and an attenuation circuit 33 calculates a difference between the input vector and the latest prior vector before updating. The difference from the side reference vector is multiplied by the update amount α.

【0043】加算回路34では、(2)式より、図5
(a)に示すように、識別結果が教師信号と一致すれば
最近傍参照ベクトルを入力ベクトルに、
In the adder circuit 34, as shown in FIG.
As shown in (a), if the identification result matches the teacher signal, the nearest reference vector is set as the input vector,

【0044】[0044]

【数3】 (Equation 3)

【0045】だけ近づけ、図5(b)に示すように、識
別結果が教師信号に一致しなければ最近傍参照ベクトル
を入力ベクトルに、
As shown in FIG. 5B, if the discrimination result does not match the teacher signal, the nearest reference vector is used as the input vector,

【0046】[0046]

【数4】 (Equation 4)

【0047】だけ遠ざける。Only keep it away.

【0048】ここで、文献3に記載されている、1ビッ
ト加算(減算)回路、1ビット絶対値回路について説明
する。
Here, a 1-bit addition (subtraction) circuit and a 1-bit absolute value circuit described in Reference 3 will be described.

【0049】図15は、距離演算部13や、最近傍参照
ベクトル更新部11に用いられる1ビット加算(減算)
回路の構成例を示したものである。
FIG. 15 shows one-bit addition (subtraction) used in the distance calculation unit 13 and the nearest neighbor reference vector update unit 11.
2 shows a configuration example of a circuit.

【0050】図15に示すように、1ビット加算は、3
入力加算器301、積分器302、比較器303から構
成される。但し、1ビット信号における「0」は「−
1」を意味するものであるため、一般的な3入力加算器
を用いることができず、図16に示す真理表を持つ組み
合わせ回路で実現している。
As shown in FIG. 15, 1-bit addition is 3 bits.
It comprises an input adder 301, an integrator 302 and a comparator 303. However, “0” in the 1-bit signal is replaced by “−”.
Since it means "1", a general three-input adder cannot be used, and is realized by a combination circuit having a truth table shown in FIG.

【0051】また、積分器302は、加算器とD−フリ
ップフロップを用い、積分器内のD−フリップフロップ
の最上位ビットは符号を表している。従って、このカウ
ンタは、比較器の役目も備えており、最上位ビットをそ
のままフィードバックして入力A、Bと共に加算するこ
とによって減算が実現できる。但し、出力信号は、この
最上位ビットを反転する必要がある。
The integrator 302 uses an adder and a D-flip-flop, and the most significant bit of the D-flip-flop in the integrator represents a sign. Therefore, this counter also has a role of a comparator, and a subtraction can be realized by feeding back the most significant bit as it is and adding it together with the inputs A and B. However, the output signal needs to invert this most significant bit.

【0052】図17は、距離演算部13に用いられる1
ビット絶対値回路の構成例を示したものである。1ビッ
ト信号の絶対値をとるためにには各時刻の信号の符号を
求め、負ならば反転すればよい。各時刻の符号を調べる
ために移動平均フィルタを考える。Δ−Σ変調した信号
をD/A変換するには、ある時点におけるアナログ値を
得る場合、過去数十点(例えば64点)からの平均によ
り求めればよい事が分かっている。これは、式(3)で
導出されるように64点前の値を現時刻の値から減算し
たものを積分し求める。
FIG. 17 shows a block diagram of the 1 used in the distance calculation unit 13.
3 shows a configuration example of a bit absolute value circuit. In order to obtain the absolute value of the 1-bit signal, the sign of the signal at each time is obtained, and if it is negative, the signal is inverted. To examine the sign of each time, consider a moving average filter. It is known that in order to obtain an analog value at a certain point in time to obtain an analog value at a certain point in time, a D / A conversion of the Δ-Σ modulated signal may be performed by an average from several tens of points (for example, 64 points) in the past. This is obtained by integrating the value obtained by subtracting the value at 64 points before from the value at the current time, as derived by Expression (3).

【0053】[0053]

【数5】 (Equation 5)

【0054】回路は、図17に示したような構成とな
る。これを応用し、過去数点(例えば64点)の和をア
ップ/ダウンカウンタで求め、その符号を判定すること
で着目している点における正負の判別を行う。その結果
が正であれば元の信号のまま通過させ、負の場合は反転
して通過させる事で絶対値回路を実現できる。
The circuit has a configuration as shown in FIG. Applying this, the sum of the past several points (for example, 64 points) is obtained by an up / down counter, and the sign thereof is determined to determine whether the point of interest is positive or negative. If the result is positive, the original signal is passed as it is, and if the result is negative, the signal is inverted and passed, whereby an absolute value circuit can be realized.

【0055】(B)匂い・ガスの学習および識別の具体
例 次に、図3に示した学習・識別回路を用いて、実際にガ
スの識別を行う場合について具体例を挙げて説明する。
(B) Specific Example of Learning and Identification of Odor / Gas Next, a case where the gas is actually identified using the learning / identification circuit shown in FIG. 3 will be described with a specific example.

【0056】図3に示した学習・識別回路部103の構
成をVHDL(VHSIC Hardware Des
cription Language)で記述してシミ
ュレーションした後に、FPGA(ALtera社 F
LEX10k50)に搭載した。このFPGAは、メモ
リ内蔵型であり、それを有効に使うことにより、回路全
体を1チップ化することが可能である。
The configuration of the learning / identification circuit unit 103 shown in FIG. 3 is changed to VHDL (VHSIC Hardware Desert).
After describing and simulating with the description language (script Language), the FPGA (ALtera F
LEX10k50). This FPGA has a built-in memory, and by using it effectively, the entire circuit can be made into one chip.

【0057】このチップに、実際に測定された匂いの応
答パターンデータを用いて匂いサンプルの学習・識別を
行うものとする。
It is assumed that odor samples are learned and identified on this chip using response pattern data of odors actually measured.

【0058】ここでは、教師信号を用いて参照ベクトル
が最適な値へ更新されていく学習モードと、その結果得
られた参照ベクトルを用いて入力された匂いサンプルを
識別する識別モードの2つに分けて行う。各カテゴリに
ついて、参照ベクトル数が「1」の場合と複数の場合の
2通りについてシミュレーションを行った。
Here, there are two modes, a learning mode in which the reference vector is updated to the optimum value using the teacher signal, and an identification mode in which the input odor sample is identified using the obtained reference vector. Perform separately. For each category, simulations were performed for two cases, where the number of reference vectors was "1" and when the number was plural.

【0059】(B−1)各カテゴリ1参照ベクトルの場
合 匂いサンプルの応答パターンデータは、特性の異なる3
種類の半導体ガスセンサ(センサ#1、センサ#2、セ
ンサ#3(Figaro技研製で、それぞれ、TGS8
25、TGS824、TGS822)を用いて測定され
たもの(Data_1〜Data_6)を使用した。
(B-1) In the case of each category 1 reference vector The response pattern data of the odor sample has three different characteristics.
Types of semiconductor gas sensors (sensor # 1, sensor # 2, sensor # 3 (manufactured by Figaro Giken, TGS8
25, TGS824, TGS822) (Data_1 to Data_6).

【0060】サンプル匂いガスは100ppmのアセト
ン、アンモニア、ヘキサンの3種類とし、各サンプルに
ついて6回ずつ(Data_1〜Data_6)測定さ
れている。
The sample odor gases were 100 ppm of acetone, ammonia, and hexane, and each sample was measured six times (Data_1 to Data_6).

【0061】学習モードでは、参照ベクトルの初期値と
してData_1を、教師信号としてData_2を用
いた。センサ#1とセンサ#3を軸とした参照ベクトル
のデータ分布を図6に示す。
In the learning mode, Data_1 was used as the initial value of the reference vector, and Data_2 was used as the teacher signal. FIG. 6 shows the data distribution of the reference vector around the sensor # 1 and the sensor # 3.

【0062】図6において白塗りのマークはセンサの応
答パターン(測定データ)の値を、黒塗りのマークは学
習の結果得られた参照ベクトルの位置を表している。
In FIG. 6, a white mark indicates a value of a response pattern (measurement data) of the sensor, and a black mark indicates a position of a reference vector obtained as a result of learning.

【0063】学習後にData_3〜Data_6を用
いて匂いサンプルの識別を行った。識別結果を図7に示
す。なお、カテゴリA、B、Cはそれぞれアセトン、ア
ンモニア、ヘキサンを表す。
After learning, odor samples were identified using Data_3 to Data_6. FIG. 7 shows the identification result. Note that categories A, B, and C represent acetone, ammonia, and hexane, respectively.

【0064】図7から全ての測定データについて識別が
正しく行われているのがわかる。これは学習によって、
得られた参照ベクトルが正しくそれぞれのカテゴリに属
しており、正しい最近傍参照ベクトルが検出されたため
である。
It can be seen from FIG. 7 that the identification is correctly performed for all the measured data. This is by learning
This is because the obtained reference vectors correctly belong to the respective categories, and a correct nearest neighbor reference vector is detected.

【0065】(B−2)各カテゴリ2参照ベクトルの場
合 各カテゴリの参照ベクトルを2本に変更してシミュレー
ションを行った。使用する匂いサンプルの測定データ
は、前回と同様で、今回は、100ppmのアセトン、
100ppmのヘキサンの2つについてのみ学習と識別
を行った。
(B-2) Case of each category 2 reference vector A simulation was performed by changing the number of reference vectors of each category to two. The measurement data of the odor sample to be used is the same as the last time, this time, 100 ppm acetone,
Learning and discrimination were performed only for two of the 100 ppm hexanes.

【0066】参照ベクトルの学習は、初期値にはDat
a_1、教師信号にはData_2、Data_3を用
いて行った。
The learning of the reference vector is performed by setting Dat to the initial value.
a_1 and Data_2 and Data_3 as teacher signals.

【0067】図8にセンサ#1、センサ#3を軸とした
参照ベクトルのデータ分布を示す。図8において白塗り
のマークはセンサの応答パターン(測定データ)の値
を、黒塗りのマークは学習の結果得られた参照ベクトル
の位置を表している。
FIG. 8 shows the data distribution of the reference vector around the sensor # 1 and the sensor # 3. In FIG. 8, a white mark indicates a value of a response pattern (measurement data) of the sensor, and a black mark indicates a position of a reference vector obtained as a result of learning.

【0068】学習後にData_4〜Data_6を用
いて匂いサンプルの識別を行った。識別結果を図9に示
す。なお、カテゴリA、Bはそれぞれアセトン、ヘキサ
ンを表す。
After learning, odor samples were identified using Data_4 to Data_6. FIG. 9 shows the identification result. Note that categories A and B represent acetone and hexane, respectively.

【0069】図8では、センサ#2の応答は省略し、学
習に用いたセンサの応答パターン(測定データ)を白抜
きで、学習後の参照ベクトル位置を黒塗りで表してい
る。
In FIG. 8, the response of the sensor # 2 is omitted, the response pattern (measurement data) of the sensor used for learning is outlined, and the reference vector position after learning is indicated by black.

【0070】図9の識別結果は、1参照ベクトルの時と
同様に全ての測定データにおいて正しいものが得られ
た。また、図8を見ると、参照ベクトルが適当に各カテ
ゴリ内部で異なる2点を示しており、学習が正しく行わ
れたと考えれる。
The identification result shown in FIG. 9 was correct in all the measurement data as in the case of one reference vector. In addition, referring to FIG. 8, the reference vectors indicate two points that are appropriately different within each category, and it is considered that the learning was correctly performed.

【0071】カテゴリの分布が広い場合や、カテゴリ間
の距離が近い場合などには、1つの参照ベクトルでは正
しく識別を行うことは難しい。そのような場合、各カテ
ゴリに対して複数の参照ベクトルを用いることが必要で
ある。
In the case where the distribution of categories is wide or the distance between categories is short, it is difficult to identify correctly with one reference vector. In such a case, it is necessary to use a plurality of reference vectors for each category.

【0072】シミュレーションに用いた測定データは、
その分布が比較的小さくまとまっているため、各カテゴ
リにおける参照ベクトルは1本でも正しく識別すること
ができた。
The measurement data used for the simulation is
Since the distribution is relatively small and organized, even one reference vector in each category could be correctly identified.

【0073】なお、図6〜図9はシミュレーション結果
であるが、ROMに格納したデータを読み出して同様の
ことをFPGAに実装した回路で行った結果正しく識別
できることがわかった。
FIGS. 6 to 9 show the simulation results. It was found that the data stored in the ROM was read out and the same operation was performed by a circuit mounted on the FPGA.

【0074】(B−3)水晶振動子ガスセンサを用いた
場合 文献3には、水晶振動子ガスセンサの周波数変化の出力
をΔ−Σ変調する方法が記載されている。水晶振動子ガ
スセンサの場合、出力がディジタル値であるため、セン
サインタフェース回路まで含めて全てディジタル回路で
設計可能で、1チップ化することが容易になる。なお、
文献3には識別回路のみで学習機能を有していなかっ
た。
(B-3) When a Quartz Crystal Resonator Gas Sensor is Used Reference 3 describes a method of Δ-Σ modulation of the output of the frequency change of the crystal resonator gas sensor. In the case of a crystal oscillator gas sensor, since the output is a digital value, it is possible to design all circuits including the sensor interface circuit with a digital circuit, and it is easy to integrate the sensor into one chip. In addition,
Reference 3 did not have a learning function only with an identification circuit.

【0075】さて、文献3に記載の手法を用いると、図
10に示すセンサ応答規格化回路を用いることにより、
水晶振動子ガスセンサアレイ出力パターンを学習・識別
回路部103でパターン認識することが可能である。す
なわち、濃度の異なる匂いを扱うためにはセンサアレイ
応答パターンを規格化することが必要になる。濃度の違
いに限らず、実際に測定されたデータは、例えば、温度
条件、測定者の癖などの環境条件等から誤差が生じるた
め、その誤差を最小限に抑えるために規格化を行うこと
が必要となる。ところが、規格化のためには除算回路が
必要となりかなり複雑な回路を必要とする。
Now, by using the method described in Reference 3, by using the sensor response normalizing circuit shown in FIG.
The learning / identification circuit unit 103 can recognize the pattern of the crystal oscillator gas sensor array output pattern. That is, in order to handle odors having different concentrations, it is necessary to standardize the response pattern of the sensor array. Not only differences in concentration, but also data actually measured may have errors due to, for example, temperature conditions, environmental conditions such as the habit of the measurer, and the like.Therefore, normalization may be performed to minimize the errors. Required. However, for standardization, a division circuit is required, and a considerably complicated circuit is required.

【0076】本発明では、図10に示すように、ピーク
値検出回路41を設け、ここで、複数のセンサの周波数
変化のうち最大周波数変化を検出し、Σ−Δ変調部12
でΔ−Σ変調のフルスケール値と当該最大周波数変化と
を等しくすることにより規格化を行うもので、これによ
り、簡便な回路で実現できる特徴がある。
According to the present invention, as shown in FIG. 10, a peak value detecting circuit 41 is provided. Here, the maximum frequency change among the frequency changes of a plurality of sensors is detected, and the Σ-Δ
The standardization is performed by making the full-scale value of the Δ-Σ modulation equal to the maximum frequency change, which has a feature that can be realized by a simple circuit.

【0077】センサとしては20MHz、AT−CUT
水晶振動子にエチルセルロース、UCON90000、
ポリフェルニエーテル、フォスファチジルイノシトール
を塗布したものを4つ用い、サンプルとしては、ベンゼ
ン、ブチルアセテート、ヘキサン、2−ヘキサノンをO
DO(Octyl Decyl Oil)で1:1、1:3、1:8
に希釈したものを用いた。
As a sensor, 20 MHz, AT-CUT
Ethyl cellulose, UCON90000, quartz oscillator
Four samples coated with polyferniether and phosphatidylinositol were used, and benzene, butyl acetate, hexane, and 2-hexanone were used as samples.
1: 1, 1: 3, 1: 8 with DO (Octyl Decyl Oil)
Was used.

【0078】各サンプルは、試料瓶にいれた後に1秒間
だけ空気を試料ヘッドスペースに通気し、4つのセンサ
(センサ#1〜#4)の匂いパルスに対する8秒間の応
答波形を測定した。希釈比1:3の場合に4つのセンサ
応答を時分割多重化して規格化した応答パターンを図1
1に示す。
After placing each sample in the sample bottle, air was passed through the sample headspace for only one second, and the response waveforms of the four sensors (sensors # 1 to # 4) to the odor pulses for eight seconds were measured. FIG. 1 shows a response pattern obtained by time-division multiplexing and standardizing four sensor responses when the dilution ratio is 1: 3.
It is shown in FIG.

【0079】また、各サンプルの参照ベクトル数を
「1」として、希釈比1:3のデータを用いて学習し、
得られた学習後の参照ベクトルA〜D(それぞれベンゼ
ン、ブチルアセテート、ヘキサン、2−ヘキサノン)の
波形を図12に示す。
Further, learning is performed using data of a dilution ratio of 1: 3, with the number of reference vectors of each sample being “1”.
FIG. 12 shows waveforms of the obtained reference vectors A to D (benzene, butyl acetate, hexane, and 2-hexanone) after learning.

【0080】なお、この結果は、回路をVHDLで記述
し、予め測定したセンサデータを用いて行ったシミュレ
ーション結果である。本来参照ベクトルは1ビットディ
ジタルデータであるが、そのデータをローパスフィルタ
に通してアナログ値としたものを図12に示した。その
後、希釈比1:1、1:8の試料の測定データを入力し
た結果、各サンプルが濃度が異なっても正しく識別でき
ることがわかった。
The results are simulation results obtained by describing a circuit in VHDL and using sensor data measured in advance. Although the reference vector is originally 1-bit digital data, FIG. 12 shows the data obtained by passing the data through a low-pass filter to obtain an analog value. Then, as a result of inputting measurement data of the samples having a dilution ratio of 1: 1, 1: 8, it was found that the samples could be correctly identified even if the concentrations were different.

【0081】(C)効果 以上説明したように、上記実施形態によれば、パターン
認識およびパターン認識に用いる参照ベクトルの学習を
1ビットディジタル演算で行うことにより、ASIC、
FPGAなどに容易に1チップ化できるディジタル回路
を構成でき、携帯用の判別機能付きセンシングシステム
の実現が可能になる。また、多ビット演算方式に比べて
配線量、回線規模を低減できる。
(C) Effect As described above, according to the above-described embodiment, the ASIC, the ASIC, and the pattern recognition and the learning of the reference vector used for the pattern recognition are performed by the 1-bit digital operation.
A digital circuit that can be easily integrated into one chip such as an FPGA can be configured, and a portable sensing system with a discriminating function can be realized. Further, the amount of wiring and the circuit scale can be reduced as compared with the multi-bit operation method.

【0082】また、図3に示した学習・識別回路とセン
サ(例えば、半導体ガスセンサアレイ、半導体ガスセン
サアレイ等)を組み合わせると、匂い・ガスの認識が精
度よく行え、環境計測、防災システムとして用いること
もできる。また、匂い源の位置を探知するためのロボッ
トに搭載すれば、匂い源の位置とその種類を同時に判定
可能になる。なお、認識対象は匂い・ガス等に限らず、
音声認識、画像認識にも応用可能である。
When the learning / identification circuit shown in FIG. 3 is combined with a sensor (for example, a semiconductor gas sensor array, a semiconductor gas sensor array, etc.), the odor / gas can be recognized with high accuracy and used as an environmental measurement and disaster prevention system. Can also. Further, if the robot is mounted on a robot for detecting the position of the odor source, the position and the type of the odor source can be simultaneously determined. In addition, the recognition target is not limited to smell, gas, etc.
It is also applicable to voice recognition and image recognition.

【0083】[0083]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
パターン認識およびパターン認識に用いる参照ベクトル
の学習を1ビットディジタル演算で行うことにより、少
ない配線量・回路規模で容易に構成可能なパターン認識
装置を提供できる。
As described above, according to the present invention,
By performing pattern recognition and learning of a reference vector used for pattern recognition by 1-bit digital operation, a pattern recognition device that can be easily configured with a small wiring amount and circuit scale can be provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施形態に係る1ビット演算方式を
用いたニューロンユニットの古本的な構成例を示した
図。
FIG. 1 is a view showing an example of a second-hand configuration of a neuron unit using a 1-bit operation method according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1のニューロンユニットを用いた、匂い・ガ
ス識別装置の全体の構成例を示した図。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the entire configuration of an odor / gas discriminating apparatus using the neuron unit of FIG. 1;

【図3】図2の匂い・ガス識別装置の学習・識別回路部
の構成例を示した図。
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of a learning / identification circuit unit of the odor / gas identification device in FIG. 2;

【図4】最近傍参照ベクトル更新部の構成例を示した
図。
FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a nearest neighbor reference vector updating unit.

【図5】最近傍参照ベクトル更新部の動作を説明するた
めの図。
FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of a nearest neighbor reference vector updating unit;

【図6】匂い・ガスの学習および識別の具体例を示した
もので、各カテゴリ1参照ベクトルの場合の学習モード
時における各カテゴリ毎のセンサ#1とセンサ#3の応
答パターン(測定データ)と学習後の参照ベクトルの位
置分布を示した図。
FIG. 6 shows a specific example of odor and gas learning and identification, and shows response patterns (measurement data) of sensors # 1 and # 3 for each category in the learning mode in the case of each category 1 reference vector. FIG. 7 is a diagram showing a position distribution of reference vectors after learning and learning.

【図7】匂い・ガスの学習および識別の具体例を示した
もので、各カテゴリ1参照ベクトルの場合の識別モード
時におけるガスの識別結果を示した図。
FIG. 7 is a diagram showing a specific example of odor / gas learning and identification, and showing a gas identification result in the identification mode in the case of each category 1 reference vector.

【図8】匂い・ガスの学習および識別の他の具体例を示
したもので、各カテゴリ2参照ベクトルの場合の学習モ
ード時における各カテゴリ毎のセンサ#1とセンサ#3
の応答パターン(測定データ)と学習後の参照ベクトル
の位置分布を示した図。
FIG. 8 shows another specific example of learning and discriminating odors and gases, in which sensor # 1 and sensor # 3 for each category in the learning mode in the case of each category 2 reference vector.
FIG. 7 is a diagram showing a response pattern (measurement data) and a position distribution of a reference vector after learning.

【図9】匂い・ガスの学習および識別の他の具体例を示
したもので、各カテゴリ2参照ベクトルの場合の識別モ
ード時におけるガスの識別結果を示した図。
FIG. 9 is a view showing another specific example of learning and identification of odor / gas, and showing a gas identification result in the identification mode in the case of each category 2 reference vector.

【図10】水晶振動子ガスセンサを用いた場合のセンサ
応答規格化回路の構成例を示した図。
FIG. 10 is a diagram showing a configuration example of a sensor response normalizing circuit when a crystal oscillator gas sensor is used.

【図11】4つのサンプルのそれぞれについて、4つの
センサ応答を時分割多重化して規格化したセンサ応答パ
ターンの一例を示した図。
FIG. 11 is a diagram showing an example of a sensor response pattern in which four sensor responses are time-division multiplexed and standardized for each of four samples.

【図12】4つの各サンプルのそれぞれについて、参照
ベクトル数を「1」としたときの学習により得られた参
照ベクトルA〜D(それぞれベンゼン、ブチルアセテー
ト、ヘキサン、2−ヘキサノン)の波形の一例を示した
図。
FIG. 12 is an example of waveforms of reference vectors A to D (benzene, butyl acetate, hexane, and 2-hexanone, respectively) obtained by learning when the number of reference vectors is “1” for each of four samples. FIG.

【図13】図2の周波数測定部の構成例を示した図。FIG. 13 is a diagram illustrating a configuration example of a frequency measurement unit in FIG. 2;

【図14】Δ−Σ変調部の構成例を示した図。FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration example of a Δ-Σ modulation unit.

【図15】1ビット加算(減算)回路の構成例を示した
図。
FIG. 15 is a diagram illustrating a configuration example of a 1-bit addition (subtraction) circuit.

【図16】図15の加算器の持つ真理表を示した図。FIG. 16 is a diagram showing a truth table of the adder shown in FIG. 15;

【図17】1ビット絶対値回路の構成例を示した図。FIG. 17 is a diagram showing a configuration example of a 1-bit absolute value circuit.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…Δ−Σ変調部 2…演算部 3…シナプス荷重演算部(FIFOメモリ) 4…学習回路 101…センサセル部 102…周波数測定部 103…学習・識別回路部 11…最近傍参照ベクトル更新部 12…Δ−Σ変調部 13…距離演算部 14…最近傍参照ベクトル検出部 21…減算回路 22…絶対値回路 23…積分回路 24…参照ベクトルFIFOメモリ 32…減算回路 33…減衰回路 34…加算回路 35…制御信号発生回路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Delta-Σ modulation part 2 ... Calculation part 3 ... Synapse load calculation part (FIFO memory) 4 ... Learning circuit 101 ... Sensor cell part 102 ... Frequency measurement part 103 ... Learning / identification circuit part 11 ... Nearest neighbor reference vector update part 12 .... DELTA .-. SIGMA. Modulator 13 ... Distance calculator 14 ... Nearest reference vector detector 21 ... Subtraction circuit 22 ... Absolute circuit 23 ... Integration circuit 24 ... Reference vector FIFO memory 32 ... Subtraction circuit 33 ... Attenuation circuit 34 ... Addition circuit 35 ... Control signal generation circuit

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 識別対象の入力パターンを所定長の1ビ
ット時系列データに変換する変換手段と、 前記入力パターンの1ビット時系列データと参照パター
ンの所定長の1ビット時系列データとの間で比較演算を
行って、該入力パターンについての識別結果信号を出力
する識別手段と、 前記識別結果信号に基づき前記入力パターンの1ビット
時系列データと該入力パターンに最も近似する参照パタ
ーンの1ビット時系列データとの間で演算を行って該参
照パターンの1ビット時系列データを更新する学習手段
と、 を具備したことを特徴とするパターン認識装置。
1. A conversion means for converting an input pattern to be identified into 1-bit time-series data having a predetermined length, and converting between the 1-bit time-series data of the input pattern and the 1-bit time-series data having a predetermined length of a reference pattern. A comparison unit that performs a comparison operation to output an identification result signal for the input pattern; 1-bit time-series data of the input pattern based on the identification result signal and 1-bit of a reference pattern that is closest to the input pattern Learning means for performing an operation with respect to the time-series data to update 1-bit time-series data of the reference pattern.
【請求項2】 前記変換手段は、前記入力パターンを規
格化してから1ビット時系列データに変換することを特
徴とする請求項1記載のパターン認識装置。
2. The pattern recognition apparatus according to claim 1, wherein said conversion means converts the input pattern into 1-bit time-series data after normalizing the input pattern.
【請求項3】 前記識別手段は、前記入力パターンの1
ビット時系列データと前記参照パターンの1ビット時系
列データとの差の絶対値を積分した値を用いて比較演算
を行うことを特徴とする請求項1記載のパターン認識装
置。
3. The method according to claim 1, wherein the identifying unit is configured to output one of the input patterns.
2. The pattern recognition apparatus according to claim 1, wherein a comparison operation is performed using a value obtained by integrating an absolute value of a difference between the bit time series data and the 1-bit time series data of the reference pattern.
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