JP2017514215A - スパイキングニューラルネットワークを使用する画像の不変オブジェクト表現 - Google Patents

スパイキングニューラルネットワークを使用する画像の不変オブジェクト表現 Download PDF

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Abstract

スパイキングニューラルネットワークを使用してオブジェクトを不変に表現するための方法は、スパイクシーケンスによってオブジェクトを表現することを含む。本方法はまた、オブジェクト表現の基準特徴を決定することを含む。本方法は、基準特徴に基づいて、オブジェクト表現を標準形に変換することをさらに含む。【選択図】図１０

Description

[0001]本開示のいくつかの態様は、一般にニューラルシステムエンジニアリングに関し、より詳細には、スパイキングニューラルネットワークを使用する画像の不変オブジェクト表現のためのシステムおよび方法に関する。
[0002]人工ニューロン（すなわち、ニューロンモデル）の相互結合されたグループを備え得る人工ニューラルネットワークは、計算デバイスであるか、または計算デバイスによって実行される方法を表す。人工ニューラルネットワークは、生物学的ニューラルネットワークにおける対応する構造および／または機能を有し得る。しかしながら、人工ニューラルネットワークは、従来の計算技法が厄介、実行不可能または不適切であるいくつかの適用例に革新的で有用な計算技法を提供することができる。人工ニューラルネットワークは観測から関数を推測することができるので、そのようなネットワークは、タスクまたはデータの複雑さが従来の技法による関数の設計を煩わしくする用途において、特に有用である。
[0003]本開示のある態様では、スパイキングニューラルネットワークを使用してオブジェクトを不変に表現するための方法が開示される。本方法は、スパイクシーケンスによってオブジェクトを表現することを含む。本方法はまた、オブジェクト表現の基準特徴を決定することを含む。本方法は、基準特徴に基づいて、オブジェクト表現を標準形に変換することをさらに含む。
[0004]本開示の別の態様では、スパイキングニューラルネットワークを使用してオブジェクトを不変に表現するための装置が開示される。本装置は、メモリと、メモリに結合された少なくとも１つのプロセッサとを含む。本プロセッサは、スパイクシーケンスによってオブジェクトを表現するように構成される。本プロセッサはまた、オブジェクト表現の基準特徴を決定するように構成される。本プロセッサは、基準特徴に基づいて、オブジェクト表現を標準形に変換するようにさらに構成される。
[0005]別の態様では、スパイキングニューラルネットワークを使用してオブジェクトを不変に表現するための装置が開示される。本装置は、スパイクシーケンスによってオブジェクトを表現するための手段を含む。本装置はまた、オブジェクト表現の基準特徴を決定するための手段を有する。本装置は、基準特徴に基づいて、オブジェクト表現を標準形に変換するための手段をさらに有する。
[0006]本開示の別の態様では、コンピュータプログラム製品が開示される。本コンピュータプログラム製品は、プログラムコードを符号化した非一時的コンピュータ可読媒体を含む。本プログラムコードは、スパイクシーケンスによってオブジェクトを表現するためのプログラムコードを含む。本プログラムコードはまた、オブジェクト表現の基準特徴を決定するためのプログラムコードを有する。さらに、本プログラムコードは、基準特徴に基づいて、オブジェクト表現を標準形に変換するためのプログラムコードを含む。
[0007]これは、以下の詳細な説明がより良く理解され得るために、本開示の特徴および技術的利点をかなり広く概説した。本開示の追加の特徴および利点は、以下で説明される。この開示は、本開示と同じ目的を実行するための他の構造を修正または設計するための基礎として容易に変更され得ることが、当業者によって理解されるべきである。また、添付の特許請求の範囲に記載されるように、そのような等価な構成は本開示の教示から逸脱しないことが、当業者によって理解されるべきである。本開示の特徴と考えられる新規な特徴は、その構成と動作の方法との両方に関して、さらなる目的および利点とともに、添付の図面と関連して考慮されるとき以下の説明からより良く理解されるであろう。しかしながら、図面の各々は単に例示および説明の目的のために提供されているにすぎず、本開示の制限の定義として意図されていないことが、明確には理解されるべきである。
[0008]本開示の特徴、性質、および利点は、同様の参照文字が全体を通して相応して識別する図面を考慮した場合、以下に示される詳細な説明から、より明らかになるだろう。
本開示のいくつかの態様によるニューロンの例示的なネットワークを示す図。 本開示のいくつかの態様による、計算ネットワーク（ニューラルシステムまたはニューラルネットワーク）の処理ユニット（ニューロン）の一例を示す図。 本開示のいくつかの態様によるスパイクタイミング依存可塑性（ＳＴＤＰ）曲線の一例を示す図。 本開示のいくつかの態様による、ニューロンモデルの挙動を定義するための正レジームおよび負レジームの一例を示す図。 本開示のある態様による、汎用プロセッサを使用してニューラルネットワークを設計することの例示的な実装形態を示す図。 本開示のいくつかの態様による、メモリが個々の分散処理ユニットとインターフェースされ得るニューラルネットワークを設計する例示的な実装形態を示す図。 本開示のいくつかの態様による、分散メモリおよび分散処理ユニットに基づいてニューラルネットワークを設計する例示的な実装形態を示す図。 本開示のいくつかの態様による、ニューラルネットワークの例示的な実装形態を示す図。 本開示の態様による、不変オブジェクト表現のための例示的なネットワーク構造を示すブロック図。 本開示の態様による、不変オブジェクト表現を提供するためのスパイキングニューラルネットワークの例示的な回路を示すブロック図。 本開示の態様による、中継セルの例示的な構成を示す図。 本開示の態様による、オブジェクトの配向を示す図。 本開示の態様による、オブジェクトの配向を示す図。 本開示の態様による、オブジェクトの配向を示す図。 本開示の態様による、例示的なヒストグラムレイヤを示す図。 本開示の態様による、例示的なヒストグラムレイヤを示す図。 本開示の態様による、中継セルの変調ポテンシャルを示す例示的な図。 本開示のある態様による、スパイキングニューラルネットワークを使用する画像の不変オブジェクト表現のための方法を示す流れ図。 本開示のある態様による、スパイキングニューラルネットワークを使用してヒストグラムを生成するための方法を示す流れ図。
[0025]添付の図面に関連して以下に示される詳細な説明は、様々な構成の説明として意図されたものであり、本明細書において説明される概念が実現され得る唯一の構成を表すことを意図されるものではない。詳細な説明は、様々な概念の完全な理解を提供する目的で、具体的な詳細を含む。しかしながら、これらの概念がこれらの具体的な詳細なしで実施され得ることは、当業者にとっては明らかであろう。いくつかの事例では、よく知られている構造および構成要素が、そのような概念を曖昧にするのを避けるために、ブロック図形式で示される。
[0026]本教示に基づいて、本開示の範囲は、本開示の任意の他の態様とは無関係に実装されるにせよ、本開示の任意の他の態様と組み合わされるにせよ、本開示のいかなる態様をもカバーするものであることを、当業者なら諒解されたい。たとえば、記載される態様をいくつ使用しても、装置は実装され得、または方法は実施され得る。さらに、本開示の範囲は、記載される本開示の様々な態様に加えてまたはそれらの態様以外に、他の構造、機能、または構造および機能を使用して実施されるそのような装置または方法をカバーするものとする。開示する本開示のいずれの態様も、請求項の１つまたは複数の要素によって実施され得ることを理解されたい。
[0027]「例示的」という単語は、本明細書では「例、事例、または例示の働きをすること」を意味するために使用される。「例示的」として本明細書で説明するいかなる態様も、必ずしも他の態様よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきであるとは限らない。
[0028]本明細書では特定の態様について説明するが、これらの態様の多くの変形および置換は本開示の範囲内に入る。好ましい態様のいくつかの利益および利点が説明されるが、本開示の範囲は特定の利益、使用、または目的に限定されるものではない。むしろ、本開示の態様は、様々な技術、システム構成、ネットワーク、およびプロトコルに広く適用可能であるものとし、そのうちのいくつかを例として図および好ましい態様についての以下の説明で示す。発明を実施するための形態および図面は、本開示を限定するものではなく説明するものにすぎず、本開示の範囲は添付の特許請求の範囲およびそれの均等物によって定義される。
例示的なニューラルシステム、トレーニングおよび動作
[0029]図１は、本開示のいくつかの態様による、複数のレベルのニューロンをもつ例示的な人工ニューラルシステム１００を示す。ニューラルシステム１００は、シナプス結合のネットワーク１０４（すなわち、フィードフォワード結合）を介してニューロンの別のレベル１０６に結合されたニューロンのあるレベル１０２を有し得る。簡単のために、図１には２つのレベルのニューロンのみが示されているが、ニューラルシステムには、より少ないまたはより多くのレベルのニューロンが存在し得る。ニューロンのいくつかは、ラテラル結合を介して同じレイヤの他のニューロンに結合し得ることに留意されたい。さらに、ニューロンのいくつかは、フィードバック結合を介して前のレイヤのニューロンに戻る形で結合し得る。
[0030]図１に示すように、レベル１０２における各ニューロンは、前のレベル（図１に図示せず）のニューロンによって生成され得る入力信号１０８を受信し得る。信号１０８は、レベル１０２のニューロンの入力電流を表し得る。この電流は、膜電位を充電するためにニューロン膜上に蓄積され得る。膜電位がそれのしきい値に達すると、ニューロンは、発火し、ニューロンの次のレベル（たとえば、レベル１０６）に転送されるべき出力スパイクを生成し得る。いくつかのモデリング手法では、ニューロンは、信号をニューロンの次のレベルに継続的に転送し得る。この信号は、典型的には膜電位の関数である。そのような挙動は、以下で説明するものなどのアナログおよびデジタル実装形態を含むハードウェアおよび／またはソフトウェアでエミュレートまたはシミュレートされ得る。
[0031]生物学的ニューロンでは、ニューロンが発火するときに生成される出力スパイクは、活動電位と呼ばれる。電気信号は、約１００ｍＶの振幅と約１ｍｓの持続時間とを有する比較的急速で、一時的な神経インパルスである。一連の結合されたニューロンを有するニューラルシステムの特定の実施形態（たとえば、図１におけるあるレベルのニューロンから別のレベルのニューロンへのスパイクの転送）では、あらゆる活動電位が基本的に同じ振幅と持続時間とを有するので、信号における情報は、振幅によってではなく、スパイクの周波数および数、またはスパイクの時間によってのみ表され得る。活動電位によって搬送される情報は、スパイク、スパイクしたニューロン、および他の１つまたは複数のスパイクに対するスパイクの時間によって決定され得る。以下で説明するように、スパイクの重要性は、ニューロン間の接続に適用される重みによって決定され得る。
[0032]図１に示されるように、ニューロンのあるレベルから別のレベルへのスパイクの移動は、シナプス結合（または、単純に「シナプス」）１０４のネットワークを介して達成され得る。シナプス１０４に関して、レベル１０２のニューロンはシナプス前ニューロンと考えられ得、レベル１０６のニューロンはシナプス後ニューロンと考えられ得る。シナプス１０４は、レベル１０２のニューロンから出力信号（すなわち、スパイク）を受信して、調整可能なシナプスの重み
Figure 2017514215
に応じてそれらの信号をスケーリングすることができ、上式で、Ｐはレベル１０２のニューロンとレベル１０６のニューロンとの間のシナプス結合の総数であり、ｉはニューロンレベルの指標である。図１の例では、ｉはニューロンレベル１０２を表し、ｉ＋１は、ニューロンレベル１０６を表す。さらに、スケーリングされた信号は、レベル１０６における各ニューロンの入力信号として合成され得る。レベル１０６におけるあらゆるニューロンは、対応する合成された入力信号に基づいて、出力スパイク１１０を生成し得る。出力スパイク１１０は、シナプス結合の別のネットワーク（図１には図示せず）を使用して、別のレベルのニューロンに転送され得る。
[0033]生物学的シナプスは、シナプス後ニューロンにおける興奮性活動または抑制性（過分極化）活動のいずれかを調停することができ、ニューロン信号を増幅する役目を果たすことができる。興奮性信号は、膜電位を脱分極する（すなわち、休止電位に対して膜電位を増加させる）。しきい値を超えて膜電位を脱分極するために十分な興奮性信号が一定の時間期間内に受信された場合、シナプス後ニューロンに活動電位が生じる。対照的に、抑制性信号は一般に、膜電位を過分極する（すなわち、低下させる）。抑制性信号は、十分に強い場合、興奮性信号のすべてを相殺し、膜電位がしきい値に達するのを防止することができる。シナプス興奮を相殺することに加えて、シナプス抑制は、自然に活発なニューロンに対して強力な制御を行うことができる。自然に活発なニューロンは、たとえば、それのダイナミクスまたはフィードバックに起因するさらなる入力なしにスパイクするニューロンを指す。これらのニューロンにおける活動電位の自然な生成を抑圧することによって、シナプス抑制は、一般にスカルプチャリングと呼ばれる、ニューロンの発火のパターンを形成することができる。様々なシナプス１０４は、望まれる挙動に応じて、興奮性シナプスまたは抑制性シナプスの任意の組合せとして働き得る。
[0034]ニューラルシステム１００は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）もしくは他のプログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）、個別ゲートもしくはトランジスタ論理、個別ハードウェア構成要素、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュール、またはそれらの任意の組合せによってエミュレートされ得る。ニューラルシステム１００は、たとえば画像およびパターン認識、機械学習、モータ制御、および似ているなど、かなりの適用範囲において利用され得る。ニューラルシステム１００における各ニューロンは、ニューロン回路として実装され得る。出力スパイクを開始するしきい値まで充電されるニューロン膜は、たとえば、そこを通って流れる電流を積分するキャパシタとして実装され得る。
[0035]一態様では、キャパシタは、ニューロン回路の電流積分デバイスとして除去され得、その代わりにより小さいメモリスタ（memristor）要素が使用され得る。この手法は、ニューロン回路において、ならびにかさばるキャパシタが電流積分器として利用される様々な他の適用例において適用され得る。さらに、シナプス１０４の各々は、メモリスタ要素に基づいて実装され得、シナプス重みの変化は、メモリスタ抵抗の変化に関係し得る。ナノメートルの特徴サイズのメモリスタを用いると、ニューロン回路およびシナプスの面積が大幅に低減され得、それによって、大規模なニューラルシステムハードウェア実装形態の実装がより実用的になり得る。
[0036]ニューラルシステム１００をエミュレートするニューラルプロセッサの機能は、ニューロン間の結合の強さを制御し得る、シナプス結合の重みに依存し得る。シナプス重みは、パワーダウン後にプロセッサの機能を維持するために、不揮発性メモリに記憶され得る。一態様では、シナプス重みメモリは、主たるニューラルプロセッサチップとは別個の外部チップ上に実装され得る。シナプス重みメモリは、交換可能メモリカードとしてニューラルプロセッサチップとは別個にパッケージ化され得る。これは、ニューラルプロセッサに多様な機能を提供することができ、特定の機能は、ニューラルプロセッサに現在取り付けられているメモリカードに記憶されたシナプス重みに基づき得る。
[0037]図２は、本開示のいくつかの態様による、計算ネットワーク（たとえば、ニューラルシステムまたはニューラルネットワーク）の処理ユニット（たとえば、ニューロンまたはニューロン回路）２０２の例示的な図２００を示す。たとえば、ニューロン２０２は、図１のレベル１０２のニューロンおよび１０６のニューロンのうちのいずれかに対応し得る。ニューロン２０２は、ニューラルシステムの外部にある信号、または同じニューラルシステムの他のニューロンによって生成された信号、またはその両方であり得る、複数の入力信号２０４1〜２０４Nを受信し得る。入力信号は、電流、コンダクタンス、電圧、実数値および／または複素数値であり得る。入力信号は、固定小数点表現または浮動小数点表現をもつ数値を備え得る。これらの入力信号は、調整可能なシナプス重み２０６1〜２０６N（ｗ1〜ｗN）に従って信号をスケーリングするシナプス結合を通してニューロン２０２に伝えられ得、Ｎはニューロン２０２の入力接続の総数であり得る。
[0038]ニューロン２０２は、スケーリングされた入力信号を合成し、合成された、スケーリングされた入力を使用して、出力信号２０８（すなわち、信号ｙ）を生成し得る。出力信号２０８は、電流、コンダクタンス、電圧、実数値および／または複素数値であり得る。出力信号は、固定小数点表現または浮動小数点表現をもつ数値であり得る。出力信号２０８は、次いで、同じニューラルシステムの他のニューロンへの入力信号として、または同じニューロン２０２への入力信号として、またはニューラルシステムの出力として伝達され得る。
[0039]処理ユニット（ニューロン）２０２は電気回路によってエミュレートされ得、それの入力接続および出力接続は、シナプス回路をもつ電気接続によってエミュレートされ得る。処理ユニット２０２ならびにそれの入力接続および出力接続はまた、ソフトウェアコードによってエミュレートされ得る。処理ユニット２０２はまた、電気回路によってエミュレートされ得るが、それの入力接続および出力接続はソフトウェアコードによってエミュレートされ得る。一態様では、計算ネットワーク中の処理ユニット２０２はアナログ電気回路であり得る。別の態様では、処理ユニット２０２はデジタル電気回路であり得る。さらに別の態様では、処理ユニット２０２は、アナログ構成要素とデジタル構成要素の両方をもつ混合信号電気回路であり得る。計算ネットワークは、上述の形態のいずれかにおける処理ユニットを含み得る。そのような処理ユニットを使用した計算ネットワーク（ニューラルシステムまたはニューラルネットワーク）は、たとえば画像およびパターン認識、機械学習、モータ制御など、かなりの適用範囲において利用され得る。
[0040]ニューラルネットワークをトレーニングする過程で、シナプス重み（たとえば、図１の重み
Figure 2017514215
および／または図２の重み２０６1〜２０６N）がランダム値により初期化され得、学習ルールに従って増加または減少し得る。学習ルールの例は、これに限定されないが、スパイクタイミング依存可塑性（ＳＴＤＰ）学習ルール、Ｈｅｂｂ則、Ｏｊａ則、Ｂｉｅｎｅｎｓｔｏｃｋ−Ｃｏｐｐｅｒ−Ｍｕｎｒｏ（ＢＣＭ）則等を含むことを当業者は理解するだろう。いくつかの態様では、重みは、２つの値のうちの１つに安定または収束し得る（すなわち、重みの双峰分布）。この効果が利用されて、シナプス重みごとのビット数を低減し、シナプス重みを記憶するメモリとの間の読取りおよび書込みの速度を上げ、シナプスメモリの電力および／またはプロセッサ消費量を低減し得る。
シナプスタイプ
[0041]ニューラルネットワークのハードウェアおよびソフトウェアモデルでは、シナプス関係機能の処理がシナプスタイプに基づき得る。シナプスタイプは、非塑性シナプス（non-plastic synapse）（重みおよび遅延の変化がない）、可塑性シナプス（重みが変化し得る）、構造遅延可塑性シナプス（重みおよび遅延が変化し得る）、完全可塑性シナプス（重み、遅延および結合性が変化し得る）、およびそれの変形（たとえば、遅延は変化し得るが、重みまたは結合性の変化はない）であり得る。複数のタイプの利点は、処理が再分割され得ることである。たとえば、非塑性シナプスは、可塑性機能を使用しないで実行される場合がある（またはそのような機能が完了するのを待つ）。同様に、遅延および重み可塑性は、一緒にまたは別々に、順にまたは並列に動作し得る動作に再分割され得る。異なるタイプのシナプスは、適用される異なる可塑性タイプの各々の異なるルックアップテーブルまたは式およびパラメータを有し得る。したがって、本方法は、シナプスのタイプについての関連する表、式、またはパラメータにアクセスする。
[0042]スパイクタイミング依存構造可塑性がシナプス可塑性とは無関係に実行され得るという事実のさらなる含意がある。構造可塑性は、重みの大きさに変化がない場合（たとえば、重みが最小値または最大値に達したか、あるいはそれが何らかの他の理由により変更されない場合）ｓ構造可塑性（すなわち、遅延量の変化）は前後スパイク時間差（pre-post spike time difference）の直接関数であり得ても実行され得る。代替的に、構造可塑性は、重み変化量に応じて、または重みもしくは重み変化の限界に関係する条件に基づいて設定され得る。たとえば、重み変化が生じたとき、または重みが最大値になるのではなく、重みがゼロに達した場合のみ、シナプス遅延が変化し得る。しかしながら、これらのプロセスが並列化され、メモリアクセスの数および重複を低減し得るように、独立した機能を有することが有利であり得る。
シナプス可塑性の決定
[0043]神経可塑性（または単に「可塑性」）は、脳内のニューロンおよびニューラルネットワークがそれらのシナプス結合と挙動とを新しい情報、感覚上の刺激、発展、損傷または機能不全に応答して変える能力である。可塑性は、生物学における学習および記憶にとって、また計算論的神経科学およびニューラルネットワークにとって重要である。（たとえば、Ｈｅｂｂ則理論による）シナプス可塑性、スパイクタイミング依存可塑性（ＳＴＤＰ）、非シナプス可塑性、活性依存可塑性、構造可塑性および恒常的可塑性など、様々な形の可塑性が研究されている。
[0044]ＳＴＤＰは、ニューロン間のシナプス結合の強さを調整する学習プロセスである。結合強度は、特定のニューロンの出力スパイクおよび受信入力スパイク（すなわち、活動電位）の相対的タイミングに基づいて調整される。ＳＴＤＰプロセスの下で、あるニューロンに対する入力スパイクが、平均して、そのニューロンの出力スパイクの直前に生じる傾向がある場合、長期増強（ＬＴＰ）が生じ得る。その場合、その特定の入力はいくらか強くなる。一方、入力スパイクが、平均して、出力スパイクの直後に生じる傾向がある場合、長期抑圧（ＬＴＤ）が生じ得る。その場合、その特定の入力はいくらか弱くなるので、「スパイクタイミング依存可塑性」と呼ばれる。したがって、シナプス後ニューロンの興奮の原因であり得る入力は、将来的に寄与する可能性がさらに高くなる一方、シナプス後スパイクの原因ではない入力は、将来的に寄与する可能性が低くなる。結合の初期セットのサブセットが残る一方で、その他の部分の影響がわずかなレベルまで低減されるまで、このプロセスは続く。
[0045]ニューロンは一般に出力スパイクを、それの入力の多くが短い期間内に生じる（すなわち、出力をもたらすのに十分な累積がある）ときに生成するので、通常残っている入力のサブセットは、時間的に相関する傾向のあった入力を含む。さらに、出力スパイクの前に生じる入力は強化されるので、最も早い十分に累積的な相関指示を提供する入力は結局、ニューロンへの最終入力となる。
[0046]ＳＴＤＰ学習ルールは、シナプス前ニューロンのスパイク時間ｔpreとシナプス後ニューロンのスパイク時間ｔpostとの間の時間差（すなわち、ｔ＝ｔpost−ｔpre）に応じて、シナプス前ニューロンをシナプス後ニューロンに結合するシナプスのシナプス重みを効果的に適合させ得る。ＳＴＤＰの通常の公式化は、時間差が正である（シナプス前ニューロンがシナプス後ニューロンの前に発火する）場合にシナプス重みを増加させ（すなわち、シナプスを増強し）、時間差が負である（シナプス後ニューロンがシナプス前ニューロンの前に発火する）場合にシナプス重みを減少させる（すなわち、シナプスを抑制する）ことである。
[0047]ＳＴＤＰプロセスでは、経時的なシナプス重みの変化は通常、以下の式によって与えられるように、指数関数的減衰を使用して達成され得る。
Figure 2017514215
ここで、ｋ+およびｋ-τsign(Δt)はそれぞれ、正の時間差および負の時間差の時間定数であり、ａ+およびａ-は対応するスケーリングの大きさであり、μは正の時間差および／または負の時間差に適用され得るオフセットである。
[0048]図３は、ＳＴＤＰによる、シナプス前スパイクおよびシナプス後スパイクの相対的タイミングに応じたシナプス重み変化の例示的な図３００を示す。シナプス前ニューロンがシナプス後ニューロンの前に発火する場合、グラフ３００の部分３０２に示すように、対応するシナプス重みは増加し得る。この重み増加は、シナプスのＬＴＰと呼ばれ得る。グラフ部分３０２から、シナプス前スパイク時間とシナプス後スパイク時間との間の時間差に応じて、ＬＴＰの量がほぼ指数関数的に減少し得ることが観測され得る。グラフ３００の部分３０４に示すように、発火の逆の順序は、シナプス重みを減少させ、シナプスのＬＴＤをもたらし得る。
[0049]図３のグラフ３００に示すように、ＳＴＤＰグラフのＬＴＰ（原因）部分３０２に負のオフセットμが適用され得る。ｘ軸の交差３０６のポイント（ｙ＝０）は、レイヤｉ−１からの原因入力の相関を考慮して、最大タイムラグと一致するように構成され得る。フレームベースの入力（すなわち、スパイクまたはパルスを備える特定の持続時間のフレームの形態である入力）の場合、オフセット値μは、フレーム境界を反映するように計算され得る。直接的にシナプス後電位によってモデル化されるように、またはニューラル状態に対する影響の点で、フレームにおける第１の入力スパイク（パルス）が経時的に減衰することが考慮され得る。フレームにおける第２の入力スパイク（パルス）が特定の時間フレームと相関したまたはに関連したものと考えられる場合、フレームの前および後の関連する時間は、その時間フレーム境界で分離され、関連する時間の値が異なり得る（たとえば、１つのフレームよりも大きい場合は負、１つのフレームよりも小さい場合は正）ように、ＳＴＤＰ曲線の１つまたは複数の部分をオフセットすることによって、可塑性の点で別様に扱われ得る。たとえば、曲線が、フレーム時間よりも大きい前後の時間で実際にゼロよりも下になり、結果的にＬＴＰの代わりにＬＴＤの一部であるようにＬＴＰをオフセットするために負のオフセットμが設定され得る。
ニューロンモデルおよび演算
[0050]有用なスパイキングニューロンモデルを設計するための一般的原理がいくつかある。良いニューロンモデルは、２つの計算レジーム、すなわち、一致検出および関数計算の点で豊かな潜在的挙動を有し得る。その上、良いニューロンモデルは、時間コーディングを可能にするための２つの要素を有する必要がある：入力の到着時間は出力時間に影響を与え、一致検出は狭い時間ウィンドウを有し得る。最終的に、計算上魅力的であるために、良いニューロンモデルは、連続時間に閉形式解と、ニアアトラクター（near attractor）と鞍点とを含む安定した挙動とを有し得る。言い換えれば、有用なニューロンモデルは、実用的なニューロンモデルであり、豊かで、現実的で、生物学的に一貫した挙動をモデル化するために使用され得、神経回路のエンジニアリングとリバースエンジニアリングの両方を行うために使用され得るニューロンモデルである。
[0051]ニューロンモデルは事象、たとえば入力の到着、出力スパイク、または内部的であるか外部的であるかを問わず他の事象に依存し得る。豊かな挙動レパートリーを実現するために、複雑な挙動を示すことができる状態機械が望まれ得る。入力寄与（ある場合）とは別個の事象の発生自体が状態機械に影響を与え、事象の後のダイナミクスを制限し得る場合、システムの将来の状態は、単なる状態および入力の関数ではなく、むしろ状態、事象および入力の関数である。
[0052]一態様では、ニューロンｎは、下記のダイナミクスによって決定される膜電圧νn（ｔ）によるスパイキングリーキー積分発火ニューロンとしてモデル化され得る。
Figure 2017514215
ここでαおよびβは、パラメータであり、ｗm,nは、シナプス前ニューロンｍをシナプス後ニューロンｎに結合するシナプスのシナプス重みであり、ｙm（ｔ）は、ニューロンｎの細胞体に到着するまでΔｔm,nに従って樹状遅延または軸索遅延によって遅延し得るニューロンｍのスパイキング出力である。
[0053]シナプス後ニューロンへの十分な入力が達成された時間からシナプス後ニューロンが実際に発火する時間までの遅延があることに留意されたい。イジケヴィッチの単純モデルなど、動的スパイキングニューロンモデルでは、脱分極しきい値νtとピークスパイク電圧νpeakとの間に差がある場合、時間遅延が生じ得る。たとえば、単純モデルでは、電圧および復元のための１対の微分方程式、すなわち、
Figure 2017514215
によってニューロン細胞体ダイナミクス（neuron soma dynamics）が決定され得る。ここでνは膜電位であり、ｕは、膜復元変数であり、ｋは、膜電位νの時間スケールを記述するパラメータであり、ａは、復元変数ｕの時間スケールを記述するパラメータであり、ｂは、膜電位νのしきい値下変動に対する復元変数ｕの感度を記述するパラメータであり、νrは、膜休止電位であり、Ｉは、シナプス電流であり、Ｃは、膜のキャパシタンスである。このモデルによれば、ニューロンはν＞νpeakのときにスパイクすると定義される。
Ｈｕｎｚｉｎｇｅｒ Ｃｏｌｄモデル
[0054]Ｈｕｎｚｉｎｇｅｒ Ｃｏｌｄニューロンモデルは、豊かな様々な神経挙動を再生し得る最小二重レジームスパイキング線形動的モデルである。モデルの１次元または２次元の線形ダイナミクスは２つのレジームを有することができ、時間定数（および結合）はレジームに依存し得る。しきい値下レジームでは、時間定数は、慣例により負であり、一般に生物学的に一貫した線形方式で休止状態に細胞を戻す役目を果たすリーキーチャネルダイナミクスを表す。しきい値上レジームにおける時間定数は、慣例により正であり、一般にスパイク生成のレイテンシを生じさせる一方でスパイク状態に細胞を駆り立てる反リーキーチャネルダイナミクスを反映する。
[0055]図４に示すように、モデル４００のダイナミクスは２つの（またはそれよりも多くの）レジームに分割され得る。これらのレジームは、負のレジーム（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｒｅｇｉｍｅ）４０２（ｌｅａｋｙ−ｉｎｔｅｇｒａｔｅ−ａｎｄ−ｆｉｒｅ（ＬＩＦ）ニューロンモデルと混同されないように、交換可能にＬＩＦレジームとも呼ばれる）、および正のレジーム（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｒｅｇｉｍｅ）４０４（ａｎｔｉ−ｌｅａｋｙ−ｉｎｔｅｇｒａｔｅ−ａｎｄ−ｆｉｒｅ（ＡＬＩＦ）ニューロンモデルと混同されないように、交換可能にＡＬＩＦレジームとも呼ばれる）と呼ばれ得る。負レジーム４０２では、状態は将来の事象の時点における休止（ν-）の傾向がある。この負レジームでは、モデルは一般に、時間的入力検出特性と他のしきい値下挙動とを示す。正レジーム４０４では、状態はスパイキング事象（νs）の傾向がある。この正レジームでは、モデルは、後続の入力事象に応じてスパイクにレイテンシを生じさせるなどの計算特性を示す。事象の点からのダイナミクスの公式化およびこれら２つのレジームへのダイナミクスの分離は、モデルの基本的特性である。
[0056]線形二重レジーム２次元ダイナミクス（状態νおよびｕの場合）は、慣例により次のように定義され得る。
Figure 2017514215
ここでｑρおよびｒは、結合のための線形変換変数である。
[0057]シンボルρは、ダイナミクスレジームを示すためにここで使用され、特定のレジームの関係を論述または表現するときに、それぞれ負レジームおよび正レジームについて符号「−」または「＋」にシンボルρを置き換える慣例がある。
[0058]モデル状態は、膜電位（電圧）νおよび復元電流ｕによって定義される。基本形態では、レジームは基本的にモデル状態によって決定される。正確で一般的な定義の微妙だが重要な側面があるが、差し当たり、モデルが、電圧νがしきい値（ν+）を上回る場合に正レジーム４０４にあり、そうでない場合に負レジーム４０２にあると考える。
[0059]レジーム依存時間定数は、負レジーム時間定数であるτ-と正レジーム時間定数であるτ+とを含む。復元電流時間定数τuは通常、レジームから独立している。便宜上、τuと同様に、指数およびτ+が一般に正となる正レジームの場合に、電圧発展（voltage evolution）に関する同じ表現が使用され得るように、減衰を反映するために負の量として負レジーム時間定数τ-が一般に指定される。
[0060]２つの状態要素のダイナミクスは、事象において、ヌルクラインから状態をオフセットする変換によって結合され得、ここで変換変数は、
Figure 2017514215
であり、δ、ε、βおよびν-、ν+はパラメータである。νρのための２つの値は、２つのレジームのための参照電圧のベースである。パラメータν-は、負レジームのためのベース電圧であり、膜電位は一般に、負レジームにおいてν-に減衰する。パラメータν+は、正レジームのためのベース電圧であり、膜電位は一般に、正レジームにおいてν+から離れる傾向となる。
[0061]νおよびｕのためのヌルクラインは、それぞれ変換変数ｑρおよびｒの負によって与えられる。パラメータδは，ｕヌルクラインの傾きを制御するスケール係数である。パラメータεは通常、−ν-に等しく設定される。パラメータβは、両方のレジームにおいてνヌルクラインの傾きを制御する抵抗値である。τρ時間定数パラメータは、指数関数的減衰だけでなく、各レジームにおいて別個にヌルクラインの傾きを制御する。
[0062]モデルは、電圧νが値νsに達したときにスパイクするように定義され得る。続いて、状態は（スパイク事象と同じ１つのものであり得る）リセット事象でリセットされ得る。
Figure 2017514215
ここで、
Figure 2017514215
およびΔｕはパラメータである。リセット電圧
Figure 2017514215
は通常、ν-にセットされる。
[0063]瞬時結合の原理によって、状態について（また、単一の指数項による）だけではなく、特定の状態に到達するための時間についても、閉形式解が可能である。閉形式状態解は、次のとおりである。
Figure 2017514215
[0064]したがって、モデル状態は、入力（シナプス前スパイク）または出力（シナプス後スパイク）などの事象に伴ってのみ更新され得る。また、演算が（入力があるか、出力があるかを問わず）任意の特定の時間に実行され得る。
[0065]その上、瞬時結合原理によって、反復的技法または数値解法（たとえば、オイラー数値解法）なしに、特定の状態に到達する時間が事前に決定され得るように、シナプス後スパイクの時間が予想され得る。前の電圧状態ν0を踏まえ、電圧状態νfに到達するまでの時間遅延は、次の式によって与えられる。
Figure 2017514215
[0066]スパイクが、電圧状態νがνsに到達する時間に生じると定義される場合、電圧が所与の状態νにある時間から測定されたスパイクが生じるまでの時間量、または相対的遅延に関する閉形式解は、次のとおりである。
Figure 2017514215
ここで、
Figure 2017514215
は通常、パラメータν+にセットされるが、他の変形も可能であり得る。
[0067]モデルダイナミクスの上記の定義は、モデルが正レジームにあるか、それとも負レジームにあるかに依存する。上述のように、結合およびレジームρは、事象に伴って計算され得る。状態の伝搬のために、レジームおよび結合（変換）変数は、最後の（前の）事象の時間における状態に基づいて定義され得る。続いてスパイク出力時間を予想するために、レジームおよび結合変数は、次の（最新の）事象の時間における状態に基づいて定義され得る。
[0068]Ｃｏｌｄモデルの、適時にシミュレーション、エミュレーションまたはモデルを実行するいくつかの可能な実装形態がある。これは、たとえば、事象更新モード、ステップ事象更新モード、およびステップ更新モードを含む。事象更新は、（特定の瞬間における）事象または「事象更新」に基づいて状態が更新される更新である。ステップ更新は、間隔（たとえば、１ｍｓ）をおいてモデルが更新される更新である。これは必ずしも、反復的技法または数値解法を利用するとは限らない。また、事象がステップもしくはステップ間で生じる場合または「ステップ事象」更新によってモデルを更新するのみによって、ステップベースのシミュレータにおいて限られた時間分解能で事象ベースの実装形態が可能である。
スパイキングニューラルネットワークを使用する画像の不変オブジェクト表現
[0069]本開示の態様は、スパイキングニューラルネットワークにおける画像の不変オブジェクト表現を対象とする。
[0070]機械学習またはコンピュータビジョンシステムにおけるオブジェクト表現の望ましい特性は、不変性である。コンピュータビジョンシステムの典型的な例は、画像分類および画像認識システムを含む。そのようなシステムの一般的な機能は、それらがシステムに提示される特定の空間構成にかかわらず、異なるオブジェクトを認識または分類することである。たとえば、人間の顔を認識するようにトレーニングされたシステムは、様々な角度から、様々な距離で、および視覚的なフレーム内の異なる位置に提示されたときに、確実に顔を確実に検出することができるべきである。
[0071]ニューラルネットワークは、機械学習を実行することもでき、オブジェクトを認識することもできる。具体的には、スパイキングニューラルネットワークは、オブジェクトを認識するために使用され得る。これらのネットワークは、学習レイヤに続く１つまたは複数の特徴抽出レイヤによって特徴付けられ得る。たとえば、各レイヤ内のノード（たとえば、ニューロン）は、特徴を時間的スパイクパターンの形態に符号化し得る。特徴を復号するために使用される共通のメトリクスは、スパイク率とスパイク間隔とを含む。
[0072]これらのネットワークは、場所コード（すなわち、ニューロンスパイキングの特定のサブセットにおける同じオブジェクト結果の特定の構成）であることに悩まされる。したがって、学習レイヤまで送られたスパイキングパターンは、同じオブジェクトの異なる構成を区別することができない場合がある。
[0073]回転、大きさ、およびずれに対する不変性を達成するための標準的な技法は、特徴抽出レイヤの出力に再インデックス付けする別の方法を含む。回転のためのそのような方式を使用するために、関心のあるオブジェクトの中心だけでなく、回転の程度が導出される。また、再インデックス付け行列が維持される。したがって、標準的な技法は、メモリ制約がある大規模なシステムを十分にスケーリングしない。
[0074]本開示の態様は、着信画像の不変変換を対象とする。変換レイヤは、オブジェクトの特定の大きさ、位置、または配向にかかわらず同様の出力を生成するように設計されている。これによって、学習レイヤがオブジェクトの特定の構成にとらわれないままであることが可能になり、したがって、大きさ、回転、およびずれに対して同時に不変であることが可能になる。
[0075]図５は、本開示のいくつかの態様による、汎用プロセッサ５０２を用いる上述の画像の不変オブジェクト表現の例示的な実装形態５００を示す。計算ネットワーク（ニューラルネットワーク）、遅延、周波数ビン情報、スパイクレイテンシ情報、およびヒストグラム情報に関連付けられる変数（ニューラル信号）、シナプス重み、システムパラメータは、メモリブロック５０４に記憶され得、汎用プロセッサ５０２で実行される命令はプログラムメモリ５０６からロードされ得る。本開示のある態様では、汎用プロセッサ５０２にロードされた命令は、スパイクシーケンスによってオブジェクトを表現して、オブジェクト表現の基準特徴を決定して、および／または、基準特徴に基づいてオブジェクト表現を標準形に変換するためのコードを備え得る。
[0076]図６は、本開示のいくつかの態様による、メモリ６０２が相互接続ネットワーク６０４を介して計算ネットワーク（ニューラルネットワーク）の個々の（分散型）処理ユニット（ニューラルプロセッサ）６０６とインターフェースされ得る、上述の画像の不変オブジェクト表現の例示的な実装形態６００を示している。計算ネットワーク（ニューラルネットワーク）遅延、周波数ビン情報、およびヒストグラム情報に関連付けられる、変数（ニューラル信号）、シナプス重み、システムパラメータはメモリ６０２に記憶され得、相互接続ネットワーク６０４の接続を介してメモリ６０２から各処理ユニット（ニューラルプロセッサ）６０６にロードされ得る。本開示のある態様では、処理ユニット６０６は、スパイクシーケンスによってオブジェクトを表現して、オブジェクト表現の基準特徴を決定して、および／または基準特徴に基づいてオブジェクト表現を標準形に変換するように構成され得る。
[0077]図７は、上述の画像の不変オブジェクト表現の例示的な実装形態７００を示している。図７に示されるように、１つのメモリバンク７０２は、計算ネットワーク（ニューラルネットワーク）の１つの処理ユニット７０４に直接インターフェースされ得る。各メモリバンク７０２は、対応する処理ユニット（ニューラルプロセッサ）７０４遅延、周波数ビン情報、およびヒストグラム情報に関連付けられる、変数（ニューラル信号）、シナプス重み、および／またはシナプスパラメータを記憶し得る。本開示のある態様では、処理ユニット７０４は、スパイクシーケンスによってオブジェクトを表現して、オブジェクト表現の基準特徴を決定して、および／または基準特徴に基づいてオブジェクト表現を標準形に変換するように構成され得る。
[0078]図８は、本開示のいくつかの態様による、ニューラルネットワーク８００の例示的な実装形態を示す。図８に示すように、ニューラルネットワーク８００は、本明細書に説明した方法の様々な動作を実行し得る複数のローカル処理ユニット８０２を有することができる。各ローカル処理ユニット８０２は、ニューラルネットワークのパラメータを記憶する、ローカルステートメモリ８０４およびローカルパラメータメモリ８０６を備え得る。また、ローカル処理ユニット８０２は、ローカルモデルプログラムを記憶するためのローカル（ニューロン）モデルプログラム（ＬＭＰ）メモリ８０８、ローカル学習プログラムを記憶するためのローカル学習プログラム（ＬＬＰ）メモリ８１０、およびローカル接続メモリ８１２を有し得る。さらに、図８に示されるように、各ローカル処理ユニット８０２は、ローカル処理ユニットのローカルメモリの構成を提供するための構成プロセッサユニット８１４と、またローカル処理ユニット８０２間のルーティングを提供するルーティングユニット８１６とインターフェースされ得る。
[0079]一構成では、ニューロンモデルは、スパイクシーケンスによってオブジェクトを表現して、オブジェクト表現の基準特徴を決定して、および／または基準特徴に基づいてオブジェクト表現を標準形に変換するために構成される。ニューロンモデルは、表現手段と、決定手段と、変換手段とを含む。一態様では、検出手段、決定手段、および／または変換手段は、記載される機能を実行するように構成された汎用プロセッサ５０２、プログラムメモリ５０６、メモリブロック５０４、メモリ６０２、相互接続ネットワーク６０４、処理ユニット６０６、処理ユニット７０４、ローカル処理ユニット８０２、およびまたはルーティング接続処理要素８１６であり得る。別の構成では、上述の手段は、上記の手段によって記載された機能を実行するように構成された任意のモジュールまたは任意の装置であり得る。
[0080]別の構成では、ニューロンモデルは、スパイクをカウントする、および／またはヒストグラムを生成するために構成される。ニューロンモデルは、カウンティング手段と、生成手段とを含む。一態様では、カウンティング手段、および／または生成手段は、記載される機能を実行するように構成された汎用プロセッサ５０２、プログラムメモリ５０６、メモリブロック５０４、メモリ６０２、相互接続ネットワーク６０４、処理ユニット６０６、処理ユニット７０４、ローカル処理ユニット８０２、およびまたはルーティング接続処理要素８１６であり得る。別の構成では、上述の手段は、上記の手段によって記載された機能を実行するように構成された任意のモジュールまたは任意の装置であり得る。
[0081]本開示のいくつかの態様によれば、各ローカル処理ユニット８０２は、ニューラルネットワークの所望の１つまたは複数の機能的特徴に基づいてニューラルネットワークのパラメータを決定して、決定されたパラメータがさらに適応され、同調され、更新されるにつれて、所望の機能的特徴に向けて１つまたは複数の機能的特徴を開発するように構成され得る。
[0082]図９は、本開示の態様による、不変オブジェクト表現のための例示的なネットワーク構造９００を示すブロック図である。図９を参照すると、ネットワーク構造９００は、配向レイヤ９０２と、不変レイヤ９０４と、ヒストグラムレイヤ９０６と、時間的学習レイヤ９０８とを含み得る。
[0083]配向レイヤ９０２は、１つまたは複数のセルあるいはニューロンを含み得、アライメントの主軸または検討中のオブジェクトの基準配向を決定するために使用され得る。不変レイヤ９０４は、その大きさ、空間フィールド内の位置、および回転の程度にかかわらず、正規表現にオブジェクトをマッピングし得る計算のセットを実行する。いくつかの態様では、不変レイヤ９０４は、アライメントの主軸に関するフィードバックを受け取って、たとえば、オブジェクト表現を備える画素または画素のグループの不変配向を符号化することによって、オブジェクト表現を修正するために使用され得る。ヒストグラムレイヤ９０６は、オブジェクトのレイテンシ符号化表現に関連付けられるスパイクをカウントすることによって配向のヒストグラムを構築するために使用され得る。時間的学習レイヤ９０８は、その主軸に関して画像内の配向のヒストグラムを認識するようにトレーニングされ得る。ヒストグラムレイヤ９０６の出力は、着信画像の様々な構成について実質的に同一であり得る。このように、時間的学習レイヤ９０８は、従来の学習レイヤでもよく、任意の他の学習レイヤでもよい。
[0084]エッジフィルタなどの技法を使用することによって、たとえば、特定の位置での局所的配向が計算され得る。不変性を達成するためには、オブジェクトが面内回転を通じて変換されるときに、オブジェクト上で定義された任意の軸に対して測定された局所的配向が一定のままであることが十分であり得る。これは、すべての剛性オブジェクトのために当てはまり得る非常に一般的な条件である。
[0085]図１０は、本開示の態様による、不変オブジェクト表現を提供するための、スパイキングニューラルネットワークの例示的な配向レイヤ回路１０００を示すブロック図である。配向レイヤ回路１０００は、局所的配向セル１００２ａ、１００２ｂ、１００２ｃ、および１００２ｄ（集合的に、局所的配向セル１００２と呼ばれ得る）、グローバル配向セル１００４ａ、１００４ｂ、１００４ｃ、および１００４ｄ（集合的に、グローバル配向セル１００４と呼ばれ得る）、ならびに中継セル１００６ａ（Ａ）、１００６ｂ（Ｂ）、１００６ｃ（Ｃ）、および１００６ｄ（Ｄ）（集合的に、中継セル１００６と呼ばれ得る）を含む。上述のセルの各々は、いくつかの態様では、ニューロンを備える。
[0086]説明を容易にするために、配向レイヤ回路１０００は、４つの局所的配向セル１００２、４つのグローバル配向セル１００４、および４つの中継セル１００６で示されている。しかしながら、これは単なる例示であり、任意の数のそのようなセルまたはニューロンが代替で使用され得る。また、配向レイヤ回路１０００は、たとえば、オブジェクト表現システムの各グリッド位置（たとえば、画素）で提供され得る。いくつかの態様では、配向レイヤ回路１０００は、画像サブサンプリングを有効にするために、各Ｎ個のグリッド位置ごとに提供され得る。
[0087]局所的配向セル１００２は、シナプスのネットワーク（図示せず）を介してグローバル配向セル１００４に結合されている。局所的配向セル１００２は、グリッド位置でオブジェクトの存在を検出するように構成され得る。グリッド位置は、たとえば、オブジェクト表示システムの画素または画素のグループ、あるいは事前定義された領域またはエリアであり得る。いくつかの態様では、オブジェクトは、スパイクまたはスパイクのシーケンスとして表され得る。たとえば、スパイクは、ディスプレイのグリッド位置（たとえば、画素）におけるオブジェクトの存在に基づいて生成され得る。
[0088]局所的配向セル１００２の各々は、特定の局所的配向セル（１００２ａ、１００２ｂ、１００２ｃ、または１００２ｄ）の空間的視野内のオブジェクトの局所的角度または配向の存在を検出するように構成され得る。たとえば、局所的配向セル１００２ａは、空間的視野内のオブジェクトに対して０度の局所的配向の存在を検出し得る。同様に、局所的配向セル１００２ｂは４５度の局所的配向を検出し得、局所的配向セル１００２ｃは９０度の局所的配向を検出し得、局所的配向セル１００２ｄは１３５度の局所的配向を検出し得る。
[0089]局所的配向セル１００２は、対応するグローバル配向セル１００４に、オブジェクトの検出された局所的角度または配向に関する情報を供給し得る。グローバル配向セル１００４は、局所的配向セル１００２の複数のセットからの出力をプールして、基準特徴を識別するために使用され得る。たとえば、いくつかの態様では、基準特徴は、オブジェクトのアライメントの主軸を備え得る。
[0090]いくつかの態様では、局所的配向セル１００２とグローバル配向セル１００４とは、セット内に強い側方抑制を有し得る。すなわち、唯一の局所的配向セル１００２（すなわち、１００２ａ、１００２ｂ、１００２ｃ、または１００２ｄのうちの１つ）と、１つのグローバル配向セル１００４（すなわち、１００４ａ、１００４ｂ、１００４ｃ、または１００４ｄのうちの１つ）とは、特定の時間に画素ごとにアクティブであり得る。オブジェクトが提示されると、各グリッド位置で、単一の局所的配向セル１００２は、その位置でのエッジ配向に応じてスパイクし得る。エッジが存在しない場合、局所的配向セル１００２は、スパイクしない場合がある。
[0091]特定の配向の局所的配向セル１００２は、同じ配向のグローバル配向セル１００４に投射する。グローバル配向セル１００４のスパイク時間は、たとえば、着信スパイクの数に依存し得る。１つの例示的な態様では、スパイク時間は、着信スパイクの数が所定のしきい値を上回るか否かに依存し得る（たとえば、しきい値は、ニューロンのＡＬＩＦモデルにおける休止電位とサブしきい値電位との間の電圧ギャップに対応し得る）。いくつかの態様では、着信スパイクの数がより多いほど、グローバル配向セル（ニューロン）１００４のスパイク時間はより短い。異なるタイプのグローバル配向セル１００４（たとえば、１００４ａ、１００４ｂ、１００４ｃ、および１００４ｄ）は、同じ空間領域にわたって存在する局所的配向セル１００２からの投射を受け得る。したがって、その配向がその視野内に存在する基準配向（たとえば、支配的配向）に最も近いグローバル配向セル１００４がまずスパイクし得、プロセスにおいて他のタイプのグローバル配向セル１００４を阻害する。たとえば、グローバル配向セル１００４ｂが、その視野内に存在する基準配向に最も近い場合、グローバル配向セル１００４ｂがまずスパイクし得、したがってグローバル配向セル（１００４ａ、１００４ｃ、および１００４ｄ）を阻害する。したがって、このグローバル配向セル１００４の配向は、基準配向／特徴として役立ち得る。
[0092]中継セル１００６は、それぞれ、シナプス（１００８ａ、１００８ｂ、１００８ｃ、１００８ｄ）を介して局所的配向セル１００２から入力を受け取る。また、中継セル１００６は、それぞれシナプス１０１０を介してグローバル配向セル１００４のすべてから入力を受け取る。このように、中継セル１００６は、グローバル方向セル１００４と局所的配向セル１００２から配向情報を受け取ることができる。受け取った情報に基づいて、中継セル１００６は、任意の配向（たとえば、０度、４５度、９０度、または１３５度）の存在を信号で伝え得る。たとえば、中継セルＡ１００６ａは０度を信号で伝え得、中継セルＢ（１００６ｂ）は４５度の存在を信号で伝え得、中継セルＣ１００６ｃは９０度を信号で伝え得、中継セルＤ（１００６ｄ）は１３５度の存在を信号で伝え得る。受け取った情報に基づいて、いくつかの態様では、中継セル１００６は、局所的配向セル１００２とグローバル配向セル１００４とによって決定された配向間の相対的配向の測定を信号で伝え得る。たとえば、９０度の局所的配向セル（１００２ｃ）と４５度のグローバル配向セル（１００４ｂ）がスパイクすると、中継セルは、９０度−４５度＝４５度を信号で伝え得る。
[0093]いくつかの態様では、局所的配向セル１００２のプールされた出力に基づいてオブジェクトの配向の主軸を識別したグローバル配向セル１００４は、局所的配向セル１００２からのスパイクが到着する前に中継セル１００６の休止電位を変調し得る。このように、中継セル１００６は、オブジェクト表現を標準形に変換し得る。
[0094]次に、中継セル１００６は、シナプス１０１４ａ、１０１４ｂ、１０１４ｃ、および１０１４ｄ（集合的にシナプス１０１４と呼ばれ得る）を介して読出しニューロン（Ｒ）１０２０に投射する。中継セル１００６と読出しニューロン１０２０とは、マルチプレクサと同様の方法で機能するように構成され得る配向レイヤ回路１０００の中継回路を備え得る。
[0095]読出しニューロン１０２０は、局所的配向セル１００２のグリッド位置／視野の配向を符号化し得る。いくつかの態様では、読出しニューロン１０２０は、スパイク遅延またはレイテンシに従って配向を符号化し得る。たとえば、スパイクレイテンシは、中継セルを介して受け取られるまで、特定のグリッド／位置（たとえば、画素）での画像の提示の時間から測定され得る。いくつかの態様では、スパイクレイテンシは、スパイク間隔（ＩＳＩ）（すなわち、スパイキングまでの画像の提示からの時間）に従って測定され得る。一例では、１秒のスパイクレイテンシは３０度の配向を参照し得るのに対し、２秒のスパイクレイテンシは６０度の配向を参照し得る。
[0096]また、読出しニューロン１０２０はミラーニューロンとして作用し得る。すなわち、読出しニューロンは、そのシナプス前先行（presynaptic predecessor）と同じ遅延でスパイクし得る。たとえば、中継セル１００６が１秒のレイテンシでスパイクすると、読出しニューロン１０２０も１秒の遅延でスパイクし得る。
[0097]したがって、局所的配向セル１００２、グローバル配向セル１００４、中継セル１００６、およびヒストグラムレイヤ（たとえば、９０６）は、画像のあらかじめ指定された位置に配置され得る。たとえば、完全な画像は４×４のそのような領域に分割され得、１６個の位置（グローバル位置）を有する。各位置は、多くのグリッド位置（たとえば、画素）に分割され得る。各グリッド位置で、局所的配向セルと中継セルとのセットが提供され得る。グローバル配向セルは、特定のグローバル位置のグリッド位置のそれぞれに含まれる局所的配向セルからプールし得る。
[0098]図１１は、本開示の態様による、中継セル１００６の例示的な構成を示す図１１００である。この例示的な構成では、中継セル１００６の休止電位は、１１０２（Ａ−０．４４Ｖ）、１１０４（Ｂ−０．９４Ｖ）、１１０６（Ｃ−１．４４Ｖ）、および１１０８（Ｄ−１．９４Ｖ）に示されている。対照的に、局所的配向セル１００２およびグローバル配向セル１００４の休止電位は０Ｖである。中継セル１００６のスパイキング電圧は５Ｖであり得、しきい値電圧は３Ｖであり得る。二重矢印１１１０は、シナプス前エンド（presynaptic end）でスパイクを受け取ると、中継セル１００６の状態変化を表す。
[0099]いくつかの態様では、中継セル１００６の休止電位は、たとえば、特定のグリッド位置での画像の提示の時間から測定され得るスパイクレイテンシに対応し得る。すなわち、着信スパイクを受け取ると、異なる休止電位がニューロンをＡＬＩＦ領域の異なる電圧レベルで終了させ得るので、異なる休止電位は異なるスパイクレイテンシを有するニューロンのスパイキングに対応し得る。たとえば、０．０９秒のスパイクレイテンシは０度を表現し得、０．２１秒のスパイクレイテンシは４５度を表現し得、０．３４秒のスパイクレイテンシは９０度を表現し得、０．４９秒のスパイクレイテンシは１３５度を表現し得る。このように、中継セル１００６は、発火のそのレイテンシにおけるオブジェクト表現（たとえば、配向）を符号化するように構成され得る。
[00100]グローバル配向セル１００４は、決定された基準特徴（たとえば、配向の主軸）に基づいて中継セルの休止電位を変調し得る。表１は、各グローバル配向セル（１００４）が中継セル（１００６）に適用し得る例示的な変調を表示する。本質的に、グローバル配向セル（１００４）から中継セル（１００６）への各シナプス（１０１０）は、興奮性シナプスまたは抑制性シナプスのいずれかとして作用し得、抑制（または興奮）の強度はシナプス接続の重みにおいて符号化され得る。
Figure 2017514215
[00101]図１２Ａ〜図１２Ｃは、本開示の態様による、オブジェクトの配向を示している。図１２Ａ〜図１２Ｃに示されるように、オブジェクト、文字「Ｋ」は異なる配向で示されている。図１２Ａは、標準的なＫを表現し得るオブジェクト１２００を示している。オブジェクト１２００は、セグメント１（１２０２）、セグメント２（１２０４）、およびセグメント３（１２０６）の３つのセグメントに分割され得る。この例では、角度は反時計回りの方法でｘ軸から測定され得る。このように、文字Ｋの軸は、ｘ軸に整列され得る（セグメント１（１２０２）参照）。図１２Ｂでは、オブジェクト１２１０（文字Ｋ）が４５度回転される。したがって、セグメント１（１２０２）、セグメント２（１２０４）、およびセグメント３（１２０６）は、それぞれ４５度回転される。４５度はＫの基準配向としてアクティブであるため、すべてのセグメントに対してアクティブであるグローバル配向セル１００４は４５度である。図１２Ｃでは、オブジェクト１２００（文字Ｋ）が９０度回転される。したがって、セグメント１（１２０２）、セグメント２（１２０４）、およびセグメント３（１２０６）は、それぞれ９０度回転される。
[00102]各シナプスは関連付けられる遅延を有する。図１２Ｂの例を考慮すると、グローバル配向セル（たとえば、１００４）と中継セル（たとえば、１００６）との間の遅延は、たとえば０．５秒であり得るのに対し、局所的配向セル（たとえば、１００２）と中継セル（たとえば、１００６）との間の遅延は１秒であり得る。たとえば、セグメント１（１２０２）に沿って、４５度の局所的配向セル１００２は、ｔ＝１秒でスパイクを放出し得、中継セルＢ（１００６ｂ）によって受け取られる。このように、いくつかの態様では、グローバル配向セル（たとえば、１００４）からのスパイクは、局所的配向セル（たとえば、１００２）からのスパイクの前に、中継セル（たとえば、１００６）に到達し得る。
[00103]上記に示したように、図１２Ｂの例示的な図では、文字Ｋの基準配向は４５度である。このように、４５度に対応するグローバル配向セルはアクティブである。図１１を参照すると、中継セルＢの休止電位は−０．９４Ｖである。表１から、４５度のグローバル配向セル（１００４ｂ）によって影響を受ける変調は＋０．５Ｖである。したがって、ｔ＝０．５秒（グローバル配向セルと中継セルとの間の遅延）で、休止電位は−０．４４Ｖ（−０．９４Ｖ＋０．５Ｖ）であろう。局所的配向セル（１００２）から１秒で到着するスパイクは、中継セルＢ（１００６ｂ）に、−０．４４Ｖの休止電位に対応する（中継セル（Ａ）に対応する）スパイクレイテンシで発火させ、次に０度の配向に対応する。したがって、セルおよび／またはシナプスパラメータを介してタイミング情報を符号化することによって、グローバルな計算ではなく局所的な計算が実行され得るように、クロックを使用せずに動作を実現し得る。
[00104]図１２Ｂの例に戻ると、基準配向が４５度であるため、中継セル（たとえば、１００６ｂ）は、この基準配向に関して局所的配向セル（たとえば、１００４ｂ）によって検出されるように配向を変換し得る。いくつかの態様では、この変換は、グローバル配向セル（１００４）を介して中継セル（たとえば、１００６）の休止電位を変調することによって影響を受ける可能性がある。
[00105]図１４は、本開示の態様による、中継セルの変調ポテンシャルを示す例示的な図である。中継セル（Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤ）の電位は、初期状態（たとえば、休止状態）で提供され得る。初期状態では、中継セルの各々は、休止電位であり得る（たとえば、図１１に示されるように）。グローバル配向セル（たとえば、１００４）は、中継セルの休止電位を変調し得る。たとえば、中継セルＡ（１２１４）の休止電位が低下され得、中継セルＢ、Ｃ、およびＤの休止電位（それぞれ１２１６、１２１８、１２２０）が増加され得る。
[00106]いくつかの態様では、中継セルの休止電位が局所的配向セルによって変調され得る。たとえば、図１４に示されるように、中継セルＢは４５度の局所的セルからのスパイクによって影響を受ける場合があり、次に中継セルＢをＡＬＩＦ領域に送る。中継セルＢは、局所的配向セルの配向と基準配向とに基づいて、時間遅延を伴ってスパイクし得る。たとえば、中継セルＢは、局所的配向と基準配向との間の差に基づいて、時間遅延でスパイクし得る（たとえば、局所的配向セル配向（４５度）−基準配向（４５度）＝０度、これは、たとえば０．０９秒のレイテンシに対応し得る（上述のように）。
[00107]図１３Ａ〜図１３Ｂは、本開示の態様による、例示的なヒストグラムレイヤを示す図１３００、１３５０である。図１３Ａの図１３００を参照すると、ヒストグラムレイヤは、各々が中継セル（たとえば、１００６）と読出しニューロン（Ｒ）（たとえば、１０２０）とのセットを備える中継回路１３０２を含み得る。ヒストグラムレイヤはまた、カウンティングニューロン（Ｃ）１３０４ａ、１３０４ｂ、１３０４ｃ、１３０４ｄ、１３０４ｅ（集合的に、カウンティングニューロン（Ｃ）１３０４と呼ばれ得る）を含む。
[00108]図１３Ｂの図１３５０に示されるように、カウンティングニューロン（Ｃ）１３０４の各々は、読出しニューロン（Ｒ）（たとえば、１０２０）とトリガニューロン（Ｔ）１３２０の各々に結合される。カウンティングニューロン（Ｃ）１３０４は、所与のスパイクレイテンシで入力の数を検出する（配向が、読出しニューロン（Ｒ）（たとえば、１０２０）の発火のレイテンシにおいて符号化される）。トリガニューロン（Ｔ）１３２０は、特定のレイテンシに対応するスパイクが予想され得るときにそれを最上の興奮性にするために、カウンティングニューロン（Ｃ）１３０４の膜電位を変調し得る。たとえば、４５度のカウンティング配向のカウンティングニューロン（Ｃ）１３０４は、０．２１秒のスパイクレイテンシで最上の興奮性であり得るのに対し、９０度を担当するカウンティングニューロン（Ｃ）１３０４は、スパイクレイテンシ０．３４秒で最上の興奮性であり得る。
[00109]トリガニューロン（Ｔ）１３２０は、カウンティングニューロン（Ｃ）１３０４ごとに提供され得る。トリガニューロンＴ１３２０は、グローバル配向ニューロン１００４から入力を受け取る。いくつかの態様では、トリガニューロン（Ｔ）１３２０は、カウンティングニューロン（Ｃ）１３０４への興奮性シナプス１３１２で構成され得る。いくつかの態様では、各トリガニューロン（Ｔ）１３２０は、タイマとして作用し得る。グローバル配向セル１００４の発火は、トリガニューロン（Ｔ）の基準時点として作用し得る。グローバル配向セル１００４から入力スパイクを受け取ると、トリガニューロン（Ｔ）１３２０はＡＬＩＦ領域に入り得、またパラメータ（Ｔａｕ＋）もそのように構成されるので、トリガニューロン（Ｔ）１３２０は、対応するカウンティングニューロン（Ｃ）を活性化するためにタイミングでスパイクする。このように、トリガニューロン（Ｔ）１３２０は、カウントを開始するためにカウンティングニューロン（Ｃ）１３０４を活性化し得る。いくつかの態様では、カウンティングニューロン（Ｃ）１３０４は、その対応するトリガニューロン（Ｔ）１３２０のスパイキングの前に、その入力のすべてを無視し得る。トリガニューロン（Ｔ）１３２０がスパイクした後、カウンティングニューロン（Ｃ）１３０４はカウンタとして作用し得る。各カウンティングニューロン（Ｃ）１３０４はヒストグラムのビンを表現し得る。したがって、カウンティングニューロン（Ｃ）１３０４の各々がカウントすると、それらは配向１３０８のヒストグラムを計算し得る。いくつかの態様では、カウンティングニューロン（Ｃ）１３０４は、配向１３１０の累積ヒストグラムを計算し得る。
[00110]１つの例示的な態様では、カウンティングニューロン（Ｃ）は、累積周波数モードでカウントするように構成され得る。累積周波数モードでは、カウンティングニューロン（Ｃ）は、トリガニューロン（Ｔ）からスパイクを受け取る前に受け取ったすべての入力を無視し得る。一例では、スパイク時間（０．０９秒、０．２１秒、０．３４秒、０．４９秒）は、それぞれ０度、４５度、９０度、および１３５度の配向に対応し得る。この例では、カウンティングニューロン（Ｃ）は、スパイク時間ごとに提供され得る。このように、０．０９秒のカウンティングニューロンは、０．０９秒の遅延でスパイクの到着に対応する時間で活性化され得、したがって、０．０９秒の遅延で、またはその後に到着するすべてのスパイク（すべてのスパイクであり得る）をカウントし得る。同様に、０．２１秒のカウンティングニューロン（Ｃ）は、０．２１秒の遅延を有するスパイクで、またはその後に到着するすべてのスパイクをカウントし得る。このように、累積ヒストグラムが取得され得る。
[00111]別の例示的な態様では、カウンティングニューロン（Ｃ）は、実際の周波数モードでカウントするように構成され得る。実際の周波数モードでは、カウンティングニューロン（Ｃ）は、トリガニューロン（Ｔ）からスパイクを受け取る前にすべての入力を無視し得、また次のスパイクのセットが予測される前にスパイクする。たとえば、０度の配向に対応するカウンティングニューロン（Ｃ）は、約０．０９秒の遅延を有するスパイクが予測される時間にカウンティングを開始し得、事前に指定された数以上のスパイクがある場合は０．２１秒前に決定的にスパイクし得る。したがって、０．２１秒のレイテンシを有するスパイクが到着する場合、０度の配向に対応するカウンティングニューロン（Ｃ）はカウンティングに参加しない。これによって、各カウンティングニューロンが、（０．０９秒〜０．２１秒）、（０．２１秒〜０．３４秒）、（０．３４秒〜０．４９秒）等の、事前に指定された遅延間隔間のスパイクの数をカウントすることが可能になる。
[00112]１つの例示的な態様では、ヒストグラムレイヤは以下のように動作し得る。グローバル配向セル（たとえば、１００４）の発火は、トリガニューロン（Ｔ）１３２０を反リーキー積分発火（Ａ−ＬＩＦ）領域に送ることができる。上記に示したように、グローバル配向は強い側方抑制を有し得る。このように、唯一のグローバル配向セル（たとえば、１００４）は、任意の時点で発生する。トリガニューロン（Ｔ）１３２０は、どのグローバル配向セルが発火したかについて無関心であり得、代わりに、トリガニューロン（Ｔ）１３２０は基準時点を単に使用し得る。
[00113]トリガニューロン（Ｔ）１３２０の反リーキー積分発火（Ａ−ＬＩＦ）時定数は、それがいつ発火するか、したがって対応するカウンティングニューロン（Ｃ）１３０４がいつ最上の興奮性であり得るかを決定し得る。
[00114]中継セル（ニューロン）（Ｒ）（たとえば、１００６）からカウンティングニューロン（Ｃ）１３０４へのシナプス重みは、いくつかの態様では、たとえすべての中継ニューロン（たとえば、１００６）が同じレイテンシで発火しても、カウンティングニューロン（Ｃ）１３０４のいずれもスパイクし得ず、または反リーキー積分発火（Ａ−ＬＩＦ）領域に移動し得ず、その休止電位に非常に迅速に戻るように構成され得る。代わりに、この態様では、中継セル（ニューロン）（Ｒ）（たとえば、１００６）がカウンティングニューロン（Ｃ）１３０４のスパイキングを生じさせ得るのは、トリガニューロン（Ｔ）１３２０がカウンティングニューロン（Ｃ）１３０４を興奮性にした時だけであり得る。
[00115]いくつかの態様では、時間的学習レイヤ９０８（図９で参照される）は、画像の主軸に関して画像内の配向１３０８のヒストグラムを認識するようにトレーニングされ得る。
[00116]スケーリングは、画像内のすべての配向エッジの比例する増加または減少を含み得る。スケーリングは、その主軸に関するオブジェクトの任意のセグメントの相対的配向を維持するので、それはヒストグラムレイヤ９０６で表される配向の相対的分布に影響を与えない場合がある。したがって、時間的学習レイヤ９０８は、スケール変換にとらわれない場合がある。
[00117]同様に、翻訳された画像では、主軸に関するエッジの相対的配向は変わらない場合がある。したがって、ヒストグラムレイヤ９０６出力も変化しない場合があり、いくつかの態様では、時間的学習レイヤ９０８において並進不変性を生成し得る。
[00118]さらに、配向が測定され得、異なる角度でエッジを検出することを意味し得るので、また、エッジを検出することは差を取ることを含み得るので、いくつかの態様では、輝度の絶対値も不変であり得る。
[00119]すべての不変タイプを可能にする重要な概念は、配向領域のヒストグラムにおいて、場所コードが使用されないことである。したがって、オブジェクトはその相対的配向によって識別される。
[00120]図１５は、スパイキングニューラルネットワークを使用してオブジェクトを不変に表現するための方法１５００を示している。ブロック１５０２で、ニューロンモデルはスパイクシーケンスによってオブジェクトを表現する。ブロック１５０４で、ニューロンモデルは、オブジェクト表現の基準特徴を決定する。さらに、ブロック１５０６で、ニューロンモデルは、基準特徴に基づいて、オブジェクト表現を標準形に変換する。
[00121]図１６は、スパイキングニューラルネットワークにおいてヒストグラムを生成するための方法１６００を示している。ブロック１６０２で、ニューロンモデルは、オブジェクトのレイテンシ符号化表現に関連付けられるスパイクをカウントする。さらに、ブロック１６０４で、ニューロンモデルは、スパイクカウントに基づいてヒストグラムを生成する。
[00122]上述した方法の様々な動作は、対応する機能を実行することが可能な任意の好適な手段によって実行され得る。それらの手段は、限定はしないが、回路、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、またはプロセッサを含む、様々なハードウェアおよび／またはソフトウェア構成要素および／またはモジュールを含み得る。概して、図に示されている動作がある場合、それらの動作は、同様の番号をもつ対応するカウンターパートのミーンズプラスファンクション構成要素を有し得る。
[00123]本明細書で使用する「決定」という用語は、多種多様なアクションを包含する。たとえば、「決定」は、計算すること、算出すること、処理すること、導出すること、調査すること、ルックアップすること（たとえば、テーブル、データベースまたは別のデータ構造においてルックアップすること）、確認することなどを含み得る。さらに、「決定」は、受信すること（たとえば、情報を受信すること）、アクセスすること（たとえば、メモリ中のデータにアクセスすること）などを含み得る。さらに、「決定」は、解決すること、選択すること、選定すること、確立することなどを含み得る。
[00124]本明細書で使用する、項目のリスト「のうちの少なくとも１つ」を指す句は、単一のメンバーを含む、それらの項目の任意の組合せを指す。一例として、「ａ、ｂ、またはｃのうちの少なくとも１つ」は、ａ、ｂ、ｃ、ａ−ｂ、ａ−ｃ、ｂ−ｃ、およびａ−ｂ−ｃを包含するものとする。
[00125]本開示に関連して説明した様々な例示的な論理ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ信号（ＦＰＧＡ）または他のプログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）、個別ゲートまたはトランジスタ論理、個別ハードウェア構成要素、あるいは本明細書で説明した機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せを用いて実装または実行され得る。汎用プロセッサはマイクロプロセッサであり得るが、代替として、プロセッサは、任意の市販のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラまたは状態機械であり得る。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、ＤＳＰとマイクロプロセッサとの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連携する１つまたは複数のマイクロプロセッサ、あるいは任意の他のそのような構成として実装され得る。
[00126]本開示に関連して説明した方法またはアルゴリズムのステップは、ハードウェアで直接実施されるか、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールで実施されるか、またはその２つの組合せで実施され得る。ソフトウェアモジュールは、当技術分野で知られている任意の形式の記憶媒体で存在し得る。使用され得る記憶媒体のいくつかの例は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ（登録商標））、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、ＣＤ−ＲＯＭなどを含む。ソフトウェアモジュールは、単一の命令、または多数の命令を備えることができ、いくつかの異なるコードセグメント上で、異なるプログラム間で、複数の記憶媒体にわたって分散され得る。記憶媒体は、プロセッサがその記憶媒体から情報を読み取ることができ、その記憶媒体に情報を書き込むことができるように、プロセッサに結合され得る。代替として、記憶媒体はプロセッサと一体化され得る。
[00127]本明細書で開示する方法は、説明した方法を達成するための１つまたは複数のステップまたはアクションを備える。本方法のステップおよび／またはアクションは、特許請求の範囲から逸脱することなく互いに交換され得る。言い換えれば、ステップまたはアクションの特定の順序が指定されない限り、特定のステップおよび／またはアクションの順序および／または使用は、特許請求の範囲から逸脱することなく変更され得る。
[00128]説明した機能は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組合せで実装され得る。ハードウェアで実装される場合、例示的なハードウェア構成はデバイス中に処理システムを備え得る。処理システムは、バスアーキテクチャを用いて実装され得る。バスは、処理システムの特定の適用例および全体的な設計制約に応じて、任意の数の相互接続バスとブリッジとを含み得る。バスは、プロセッサと、機械可読媒体と、バスインターフェースとを含む様々な回路を互いにリンクし得る。バスインターフェースは、ネットワークアダプタを、特に、バスを介して処理システムに接続するために使用され得る。ネットワークアダプタは、信号処理機能を実装するために使用され得る。いくつかの態様では、ユーザインターフェース（たとえば、キーパッド、ディスプレイ、マウス、ジョイスティックなど）もバスに接続され得る。バスはまた、タイミングソース、周辺機器、電圧調整器、電力管理回路などの様々な他の回路にリンクし得るが、それらは当技術分野でよく知られており、したがってこれ以上は説明されない。
[00129]プロセッサは、機械可読媒体に記憶されたソフトウェアの実行を含む、バスおよび一般的な処理を管理することを担当し得る。プロセッサは、１つまたは複数の汎用および／または専用プロセッサを用いて実装され得る。例としては、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、ＤＳＰプロセッサ、およびソフトウェアを実行し得る他の回路を含む。ソフトウェアは、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語などの名称にかかわらず、命令、データ、またはそれらの任意の組合せを意味すると広く解釈されたい。機械可読媒体は、一例として、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、フラッシュメモリ、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラマブル読出し専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラム可能読出し専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、レジスタ、磁気ディスク、光ディスク、ハードドライブ、または他の任意の適切な記憶媒体、あるいはそれらの任意の組合せを含み得る。機械可読媒体はコンピュータプログラム製品において実施され得る。コンピュータプログラム製品はパッケージング材料を備え得る。
[00130]ハードウェア実装形態では、機械可読媒体は、プロセッサとは別個の処理システムの一部であり得る。しかしながら、当業者なら容易に理解するように、機械可読媒体またはその任意の部分は処理システムの外部にあり得る。例として、機械可読媒体は、すべてバスインターフェースを介してプロセッサによってアクセスされ得る、伝送線路、データによって変調された搬送波、および／またはデバイスとは別個のコンピュータ製品を含み得る。代替的に、または追加で、機械可読媒体またはその任意の部分は、キャッシュおよび／または汎用レジスタファイルがそうであり得るように、プロセッサに統合され得る。論じた様々な構成要素は、ローカル構成要素などの特定の位置を有するものとして説明され得るが、それらはまた、分散コンピューティングシステムの一部として構成されているいくつかの構成要素などの様々な方法で構成され得る。
[00131]処理システムは、すべて外部バスアーキテクチャを介して他のサポート回路と互いにリンクされる、プロセッサ機能を提供する１つまたは複数のマイクロプロセッサと、機械可読媒体の少なくとも一部分を提供する外部メモリとをもつ汎用処理システムとして構成され得る。あるいは、処理システムは、本明細書に記載のニューロンモデルとニューラルシステムのモデルとを実装するための１つまたは複数のニューロモルフィックプロセッサを備え得る。別の代替として、処理システムは、プロセッサを有する特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）と、バスインターフェースと、ユーザインターフェースと、サポート回路と、単一のチップに統合された機械可読媒体の少なくとも一部とを用いて、あるいは１つまたは複数のフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）、コントローラ、状態機械、ゲート論理、個別ハードウェア構成要素、または他の任意の適切な回路、あるいは本開示全体を通じて説明した様々な機能を実行し得る回路の任意の組合せを用いて実装され得る。当業者なら、特定の適用例と、全体的なシステムに課される全体的な設計制約とに応じて、どのようにしたら処理システムについて説明した機能を最も良く実装し得るかを理解されよう。
[00132]機械可読媒体はいくつかのソフトウェアモジュールを備え得る。ソフトウェアモジュールは、プロセッサによって実行されたときに、処理システムに様々な機能を実行させる命令を含む。ソフトウェアモジュールは、送信モジュールと受信モジュールとを含み得る。各ソフトウェアモジュールは、単一の記憶デバイス中に常駐するか、または複数の記憶デバイスにわたって分散され得る。例として、トリガイベントが発生したとき、ソフトウェアモジュールがハードドライブからＲＡＭにロードされ得る。ソフトウェアモジュールの実行中、プロセッサは、アクセス速度を高めるために、命令のいくつかをキャッシュにロードし得る。次いで、１つまたは複数のキャッシュラインが、プロセッサによる実行のために汎用レジスタファイルにロードされ得る。以下でソフトウェアモジュールの機能に言及する場合、そのような機能は、そのソフトウェアモジュールからの命令を実行したときにプロセッサによって実装されることが理解されよう。
[00133]ソフトウェアで実装される場合、機能は、１つまたは複数の命令またはコードとしてコンピュータ可読媒体上に記憶されるか、あるいはコンピュータ可読媒体を介して送信され得る。コンピュータ可読媒体は、ある場所から別の場所へのコンピュータプログラムの転送を可能にする任意の媒体を含む、コンピュータ記憶媒体と通信媒体の両方を含む。記憶媒体は、コンピュータによってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であり得る。限定ではなく例として、そのようなコンピュータ可読媒体は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭまたは他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージまたは他の磁気記憶デバイス、あるいは命令またはデータ構造の形態の所望のプログラムコードを搬送または記憶するために使用され得、コンピュータによってアクセスされ得る、任意の他の媒体を備えることができる。さらに、いかなる接続もコンピュータ可読媒体を適切に名づけられる。たとえば、ソフトウェアが、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、デジタル加入者回線（ＤＳＬ）、または赤外線（ＩＲ）、無線、およびマイクロ波などのワイヤレス技術を使用して、ウェブサイト、サーバ、または他のリモートソースから送信される場合、同軸ケーブル、光ファイバーケーブル、ツイストペア、ＤＳＬ、または赤外線、無線、およびマイクロ波などのワイヤレス技術は、媒体の定義に含まれる。本明細書で使用するディスク（disk）およびディスク（disc）は、コンパクトディスク（disc）（ＣＤ）、レーザーディスク（登録商標）（disc）、光ディスク（disc）、デジタル多用途ディスク（disc）（ＤＶＤ）、フロッピー（登録商標）ディスク（disk）、およびＢｌｕ−ｒａｙ（登録商標）ディスク（disc）を含み、ディスク（disk）は、通常、データを磁気的に再生し、ディスク（disc）は、データをレーザーで光学的に再生する。したがって、いくつかの態様では、コンピュータ可読媒体は非一時的コンピュータ可読媒体（たとえば、有形媒体）を備え得る。さらに、他の態様では、コンピュータ可読媒体は一時的コンピュータ可読媒体（たとえば、信号）を備え得る。上記の組合せもコンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。
[00134]したがって、いくつかの態様は、本明細書で提示する動作を実行するためのコンピュータプログラム製品を備え得る。たとえば、そのようなコンピュータプログラム製品は、本明細書で説明する動作を実行するために１つまたは複数のプロセッサによって実行可能である命令を記憶した（および／または符号化した）コンピュータ可読媒体を備え得る。いくつかの態様では、コンピュータプログラム製品はパッケージング材料を含み得る。
[00135]さらに、本明細書で説明した方法および技法を実行するためのモジュールおよび／または他の適切な手段は、適用可能な場合にユーザ端末および／または基地局によってダウンロードされ、および／または他の方法で取得され得ることを諒解されたい。たとえば、そのようなデバイスは、本明細書で説明した方法を実施するための手段の転送を可能にするためにサーバに結合され得る。代替的に、本明細書で説明した様々な方法は、ユーザ端末および／または基地局が記憶手段をデバイスに結合または提供すると様々な方法を得ることができるように、記憶手段（たとえば、ＲＡＭ、ＲＯＭ、コンパクトディスク（ＣＤ）またはフロッピーディスクなどの物理記憶媒体など）によって提供され得る。その上、本明細書で説明した方法および技法をデバイスに与えるための任意の他の好適な技法が利用され得る。
[00136]特許請求の範囲は、上記で示した厳密な構成および構成要素に限定されないことを理解されたい。上記で説明した方法および装置の構成、動作および詳細において、特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な改変、変更および変形が行われ得る。
[00136]特許請求の範囲は、上記で示した厳密な構成および構成要素に限定されないことを理解されたい。上記で説明した方法および装置の構成、動作および詳細において、特許請求の範囲から逸脱することなく、様々な改変、変更および変形が行われ得る。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
スパイキングニューラルネットワークを使用してオブジェクトを不変に表現するための方法であって、
スパイクシーケンスによって前記オブジェクトを表現することと、
前記オブジェクト表現の基準特徴を決定することと、
前記基準特徴に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト表現を標準形に変換することと
を備える、方法。
［Ｃ２］
前記結果として得られるスパイクシーケンスが前記オブジェクト表現の前記変換に対して不変であるように、前記オブジェクト表現のニューロンに補正係数を適用するために前記基準特徴を使用することをさらに備える、
Ｃ１に記載の方法。
［Ｃ３］
前記基準特徴を前記決定することは、前記オブジェクトのセクションを分析することと、前記セクション内のスパイキングニューロンのカウントに基づいて前記基準特徴を選択することとを備える、
Ｃ１に記載の方法。
［Ｃ４］
前記カウントは、所与のスパイクレイテンシで入力の数を検出するカウンティングニューロンによって維持される、
Ｃ３に記載の方法。
［Ｃ５］
前記基準特徴は、前記オブジェクトの配向を備える、
Ｃ１に記載の方法。
［Ｃ６］
前記基準特徴は、前記オブジェクトの大きさを備える、
Ｃ１に記載の方法。
［Ｃ７］
スパイキングニューラルネットワークを使用してオブジェクトを不変に表現するための装置であって、
メモリと、
前記メモリに結合された少なくとも１つのプロセッサと
を備え、前記少なくとも１つのプロセッサは、
スパイクシーケンスによって前記オブジェクトを表現することと、
前記オブジェクト表現の基準特徴を決定することと、
前記基準特徴に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト表現を標準形に変換することと
を行うように構成される、装置。
［Ｃ８］
前記少なくとも１つのプロセッサは、前記結果として得られるスパイクシーケンスが前記オブジェクト表現の前記変換に対して不変であるように、前記オブジェクト表現のニューロンに補正係数を適用するために前記基準特徴を使用することを行うようにさらに構成される、
Ｃ７に記載の装置。
［Ｃ９］
前記少なくとも１つのプロセッサは、前記オブジェクトのセクションを分析することと、前記セクション内のスパイキングニューロンのカウントに基づいて前記基準特徴を選択することとによって、前記基準特徴を決定することを行うようにさらに構成される、
Ｃ７に記載の装置。
［Ｃ１０］
前記カウントは、所与のスパイクレイテンシで入力の数を検出するカウンティングニューロンによって維持される、
Ｃ９に記載の装置。
［Ｃ１１］
前記基準特徴は、前記オブジェクトの配向を備える、
Ｃ７に記載の装置。
［Ｃ１２］
前記基準特徴は、前記オブジェクトの大きさを備える、
Ｃ７に記載の装置。
［Ｃ１３］
スパイキングニューラルネットワークを使用してオブジェクトを不変に表現するための装置であって、
スパイクシーケンスによって前記オブジェクトを表現するための手段と、
前記オブジェクト表現の基準特徴を決定するための手段と、
前記基準特徴に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト表現を標準形に変換するための手段と
を備える、装置。
［Ｃ１４］
前記結果として得られるスパイクシーケンスが前記オブジェクト表現の前記変換に対して不変であるように、前記基準特徴に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト表現のニューロンに補正係数を適用するための手段をさらに備える、
Ｃ１３に記載の装置。
［Ｃ１５］
前記基準特徴を決定するための前記手段は、前記オブジェクトのセクションを分析することと、前記セクション内のスパイキングニューロンのカウントに基づいて前記基準特徴を選択することとによって前記基準特徴を決定する、
Ｃ１３に記載の装置。
［Ｃ１６］
前記カウントは、所与のスパイクレイテンシで入力の数を検出するカウンティングニューロンによって維持される、
Ｃ１５に記載の装置。
［Ｃ１７］
前記基準特徴は、前記オブジェクトの配向を備える、
Ｃ１３に記載の装置。
［Ｃ１８］
前記基準特徴は、前記オブジェクトの大きさを備える、
Ｃ１３に記載の装置。
［Ｃ１９］
スパイキングニューラルネットワークを使用してオブジェクトを不変に表現するためのコンピュータプログラム製品であって、
プログラムコードを符号化した非一時的コンピュータ可読媒体を備え、前記プログラムコードは、
スパイクシーケンスによって前記オブジェクトを表現するためのプログラムコードと、
前記オブジェクト表現の基準特徴を決定するためのプログラムコードと、
前記基準特徴に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト表現を標準形に変換するためのプログラムコードと
を備える、コンピュータプログラム製品。
［Ｃ２０］
前記結果として得られるスパイクシーケンスは、前記オブジェクト表現の前記変換に対して不変であるように、前記基準特徴に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト表現のニューロンに補正係数を適用するためのプログラムコードをさらに備える、
Ｃ１９に記載のコンピュータプログラム製品。
［Ｃ２１］
前記オブジェクトのセクションを分析して、前記セクション内のスパイキングニューロンのカウントに基づいて前記基準特徴を選択することによって、前記基準特徴を決定するためのプログラムコードをさらに備える、
Ｃ１９に記載のコンピュータプログラム製品。
［Ｃ２２］
前記カウントは、所与のスパイクレイテンシで入力の数を検出するカウンティングニューロンによって維持される、
Ｃ２１に記載のコンピュータプログラム製品。
［Ｃ２３］
前記基準特徴は、前記オブジェクトの配向を備える、
Ｃ１９に記載のコンピュータプログラム製品。
［Ｃ２４］
前記基準特徴は、前記オブジェクトの大きさを備える、
Ｃ１９に記載のコンピュータプログラム製品。

Claims (24)

  1. スパイキングニューラルネットワークを使用してオブジェクトを不変に表現するための方法であって、
    スパイクシーケンスによって前記オブジェクトを表現することと、
    前記オブジェクト表現の基準特徴を決定することと、
    前記基準特徴に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト表現を標準形に変換することと
    を備える、方法。
  2. 前記結果として得られるスパイクシーケンスが前記オブジェクト表現の前記変換に対して不変であるように、前記オブジェクト表現のニューロンに補正係数を適用するために前記基準特徴を使用することをさらに備える、
    請求項１に記載の方法。
  3. 前記基準特徴を前記決定することは、前記オブジェクトのセクションを分析することと、前記セクション内のスパイキングニューロンのカウントに基づいて前記基準特徴を選択することとを備える、
    請求項１に記載の方法。
  4. 前記カウントは、所与のスパイクレイテンシで入力の数を検出するカウンティングニューロンによって維持される、
    請求項３に記載の方法。
  5. 前記基準特徴は、前記オブジェクトの配向を備える、
    請求項１に記載の方法。
  6. 前記基準特徴は、前記オブジェクトの大きさを備える、
    請求項１に記載の方法。
  7. スパイキングニューラルネットワークを使用してオブジェクトを不変に表現するための装置であって、
    メモリと、
    前記メモリに結合された少なくとも１つのプロセッサと
    を備え、前記少なくとも１つのプロセッサは、
    スパイクシーケンスによって前記オブジェクトを表現することと、
    前記オブジェクト表現の基準特徴を決定することと、
    前記基準特徴に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト表現を標準形に変換することと
    を行うように構成される、装置。
  8. 前記少なくとも１つのプロセッサは、前記結果として得られるスパイクシーケンスが前記オブジェクト表現の前記変換に対して不変であるように、前記オブジェクト表現のニューロンに補正係数を適用するために前記基準特徴を使用することを行うようにさらに構成される、
    請求項７に記載の装置。
  9. 前記少なくとも１つのプロセッサは、前記オブジェクトのセクションを分析することと、前記セクション内のスパイキングニューロンのカウントに基づいて前記基準特徴を選択することとによって、前記基準特徴を決定することを行うようにさらに構成される、
    請求項７に記載の装置。
  10. 前記カウントは、所与のスパイクレイテンシで入力の数を検出するカウンティングニューロンによって維持される、
    請求項９に記載の装置。
  11. 前記基準特徴は、前記オブジェクトの配向を備える、
    請求項７に記載の装置。
  12. 前記基準特徴は、前記オブジェクトの大きさを備える、
    請求項７に記載の装置。
  13. スパイキングニューラルネットワークを使用してオブジェクトを不変に表現するための装置であって、
    スパイクシーケンスによって前記オブジェクトを表現するための手段と、
    前記オブジェクト表現の基準特徴を決定するための手段と、
    前記基準特徴に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト表現を標準形に変換するための手段と
    を備える、装置。
  14. 前記結果として得られるスパイクシーケンスが前記オブジェクト表現の前記変換に対して不変であるように、前記基準特徴に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト表現のニューロンに補正係数を適用するための手段をさらに備える、
    請求項１３に記載の装置。
  15. 前記基準特徴を決定するための前記手段は、前記オブジェクトのセクションを分析することと、前記セクション内のスパイキングニューロンのカウントに基づいて前記基準特徴を選択することとによって前記基準特徴を決定する、
    請求項１３に記載の装置。
  16. 前記カウントは、所与のスパイクレイテンシで入力の数を検出するカウンティングニューロンによって維持される、
    請求項１５に記載の装置。
  17. 前記基準特徴は、前記オブジェクトの配向を備える、
    請求項１３に記載の装置。
  18. 前記基準特徴は、前記オブジェクトの大きさを備える、
    請求項１３に記載の装置。
  19. スパイキングニューラルネットワークを使用してオブジェクトを不変に表現するためのコンピュータプログラム製品であって、
    プログラムコードを符号化した非一時的コンピュータ可読媒体を備え、前記プログラムコードは、
    スパイクシーケンスによって前記オブジェクトを表現するためのプログラムコードと、
    前記オブジェクト表現の基準特徴を決定するためのプログラムコードと、
    前記基準特徴に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト表現を標準形に変換するためのプログラムコードと
    を備える、コンピュータプログラム製品。
  20. 前記結果として得られるスパイクシーケンスは、前記オブジェクト表現の前記変換に対して不変であるように、前記基準特徴に少なくとも部分的に基づいて、前記オブジェクト表現のニューロンに補正係数を適用するためのプログラムコードをさらに備える、
    請求項１９に記載のコンピュータプログラム製品。
  21. 前記オブジェクトのセクションを分析して、前記セクション内のスパイキングニューロンのカウントに基づいて前記基準特徴を選択することによって、前記基準特徴を決定するためのプログラムコードをさらに備える、
    請求項１９に記載のコンピュータプログラム製品。
  22. 前記カウントは、所与のスパイクレイテンシで入力の数を検出するカウンティングニューロンによって維持される、
    請求項２１に記載のコンピュータプログラム製品。
  23. 前記基準特徴は、前記オブジェクトの配向を備える、
    請求項１９に記載のコンピュータプログラム製品。
  24. 前記基準特徴は、前記オブジェクトの大きさを備える、
    請求項１９に記載のコンピュータプログラム製品。
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