JPH0676092A - 光ニューラルプロセッサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 線画や２値画像の特徴の抽出等の画像処理を
高速で行うことのできる光ニューラルプロセッサを提供
する。 【構成】 興奮性の信号光３１を受光する第１の受光部
１１と、抑制性の信号光３２を受光する第２の受光部１
２と、発光部１３と、受光した興奮性及び抑制性の信号
光強度を比較し、興奮性の信号光強度が抑制性の信号光
強度より大きい場合は発光させ、興奮性の信号光強度が
抑制性の信号光強度より小さく且つその差が所定の閾値
を越えた場合は発光させない比較部１４とを備えた光デ
バイス１０を複数、２次元配列し、各光デバイス１０の
出力光をその周囲の複数の光デバイス１０の第２の受光
部１２へ分配する光結合部２０を設けたことにより、光
の非干渉性及び広域性を利用して画像処理を並列的に行
うことを可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パターン（画像）認識
や識別を行う知的情報処理システムを光の技術を用いて
実現する光ニューラルプロセッサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、パターン認識等に先立って線画や
２値画像の特徴を抽出するような場合、これらを構成す
る画素をフォンノイマン型コンピュータを用いて逐次的
に検索する方法があったが、高速処理ができないという
問題があった。

【０００３】一方、並列処理が得意なニューラルプロセ
ッサを用いれば、前述した線画や２値画像の特徴の抽出
を高速に処理することが可能になる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来、
集積回路技術を利用して電子デバイスで小規模なハード
ウェアを構成したニューラルプロセッサはあるものの、
数万個乃至数１０万個のニューロンに相当するプロセッ
サを相互に複雑に結線した大規模な電子回路が必要とな
り、また、この際、シナプス結合に電気的配線を用いる
と配線量が膨大になる上、配線による遅延時間や相互の
電気的な干渉等が問題になるため、大規模化、高速化を
達成することが困難であるという問題があった。

【０００５】本発明は前記従来の問題点に鑑み、線画や
２値画像の特徴の抽出等の画像処理を高速で行うことの
できる光ニューラルプロセッサを提供することを目的と
する。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明では前記目的を達
成するため、複数の入力信号に対して興奮性又は抑制性
の重み付けを施し、得られた興奮性及び抑制性の信号を
それぞれ個別に加算し、その和信号を閾値処理するニュ
ーロンを複数相互に結合してなるニューラルネットワー
クを、光素子を用いて実現する光ニューラルプロセッサ
において、興奮性の信号光を受光する第１の受光部と、
抑制性の信号光を受光する第２の受光部と、発光部と、
受光した興奮性及び抑制性の信号光強度を比較し、興奮
性の信号光強度が抑制性の信号光強度より大きい場合は
発光させ、興奮性の信号光強度が抑制性の信号光強度よ
り小さく且つその差が所定の閾値を越えた場合は発光さ
せない比較部とを備えた光デバイスを複数、２次元配列
し、各光デバイスの出力光をその周囲の複数の光デバイ
スの第２の受光部へ分配する光結合部を設けた光ニュー
ラルプロセッサを提案する。

【０００７】

【作用】本発明によれば、興奮性の信号光は光デバイス
の第１の受光部に入力され、また、抑制性の信号光は光
デバイスの第２の受光部に入力され、各光デバイスはそ
の光強度に応じた出力光を出力する。この出力光は光結
合部を介してその周囲の複数の光デバイスの第２の受光
部へ分配され、抑制性の信号光となり、該抑制性の信号
光の光強度と興奮性の信号光の光強度とによって出力光
の光強度が決定される。

【０００８】

【実施例】図１は本発明の光ニューラルプロセッサの基
本構成を示すもので、図中、１０は光デバイス、２０は
光結合部である。

【０００９】光デバイス１０はニューロンに相当するも
ので、興奮性の入力信号に相当する信号光３１を受光す
る第１の受光部１１と、抑制性の入力信号に相当する信
号光３２を受光する第２の受光部１２と、出力信号に相
当する出力光３３を発生する発光部１３と、比較部１４
とからなっている。

【００１０】比較部１４は、受光部１１で受光した信号
光３１の光強度、例えばＰ1 及び受光部１２で受光した
信号光３２の光強度、例えばＰ2 を比較し、図２に示す
ようにＰ1 ≧Ｐ2 、即ち興奮性の信号光強度Ｐ1 が抑制
性の信号光強度Ｐ2 より大きい場合は発光部１３より一
定の光強度、例えばＰ3 の出力光３３を発光させ、ま
た、Ｐ1 ＜Ｐ2 −θ、即ち興奮性の信号光強度Ｐ1 が抑
制性の信号光強度Ｐ2 より小さく且つその差が所定の閾
値θを越えた場合は発光部１３より出力光３３を発光さ
せない如く制御する。なお、信号光３１，３２を切って
もこれらの状態は保持される如くなっている。

【００１１】前記光デバイス１０は後述するように複
数、２次元配列される。また、光結合部２０は複数の各
光デバイス１０の出力光３３を、その周囲の複数の光デ
バイス１０の第２の受光部１２へ分配し、抑制性の信号
光３２を生成する。

【００１２】前記構成において、外界からの興奮性の信
号光３１は光デバイス１０の受光部１１に入力される
が、光デバイス１０は前述したようにその光強度に応じ
て出力光３３を出力する。この出力光３３は抑制性のフ
ィードバックを担う光結合部２０により抑制性の信号光
３２を生成し、前述した如く興奮性の信号光３１の光強
度と抑制性の信号光３２の光強度とによって出力光３３
の光強度が決定する。

【００１３】図３は本発明の光ニューラルプロセッサの
第１の実施例を示すもので、ここでは線画のパターンを
備えた入力画像より端点を検出する場合に対応した例を
示す。図中、４０は複数の光デバイスを、一の光デバイ
ス、例えば１０ａに対して６個の他の光デバイス、例え
ば１０ｂが正六角形の頂点に位置する如く配列した面で
あり、また、４１は面４０に対して平行に配置されたハ
ーフミラーである。前記構成において、光デバイス１０
ａの出力光３３は円錐形に広がり、その上方に配置され
たハーフミラー４１によって均等に反射され、その周囲
の光デバイス１０ｂに抑制性の信号光３２として入力さ
れ、抑制性の光結合が達成される。なお、この場合の光
デバイス１０としては、受光部１２が発光部１３と同一
面で且つ受光部１１と反対の面に配置される如くなって
いるものが用いられる。

【００１４】また、本実施例では、面４０とハーフミラ
ー４１との距離Ｌを変更することにより、抑制性結合が
及ぶ範囲あるいは抑制性の信号光強度を変えることがで
きる。また、光デバイス１０の光出力３３はハーフミラ
ー４１を通して出力する外、符号３３´に示す如く信号
光３１の入力方向に出力するようになしても良い。ま
た、前記抑制性の光結合は回折格子、プリズム等を用い
ても容易に実現できる。

【００１５】また、本実施例の光デバイス１０における
閾値θは、周囲の複数の光デバイス１０中、発光してい
る光デバイス１０が０又は１個の時にその第２の受光部
１２で受光される抑制性の信号光強度と興奮性の信号光
強度との差より大きく、発光している光デバイス１０が
２つ以上の時にその第２の受光部１２で受光される抑制
性の信号光強度と興奮性の信号光強度との差より小さく
設定するものとする。

【００１６】図４は前記第１の実施例による画像処理の
一例を示すもので、同図(a) は入力画像５１を、また、
同図(b) は出力画像５２を示す。

【００１７】線画のパターンを備えた入力画像５１を入
力すると、該線画のパターンの画素に対応する光デバイ
ス１０は当初、全て発光状態となる。ここで、線画のパ
ターンの中央部分の画素に対応する光デバイス１０につ
いてみると、その周囲の複数の光デバイス１０中、発光
している光デバイス１０は２つ以上であり、その出力光
３３は光結合部２０を介して抑制性の信号光３２とな
る。この際、抑制性の信号光３２の光強度は興奮性の信
号光３１の光強度に比べて閾値θより大きくなるため、
この光デバイス１０は発光しない状態となる。

【００１８】一方、線画のパターンの端点の部分の画素
に対応する光デバイス１０についてみると、その周囲の
複数の光デバイス１０中、発光している光デバイス１０
は１つであり、周辺の複数の光デバイス１０から光結合
部２０を介して入力される抑制性の信号光３２の光強度
と興奮性の信号光３１の光強度との差は閾値θに比べて
小さくなるため、この光デバイス１０は発光状態のまま
となる。

【００１９】以上の動作は各画素に対応する全ての光デ
バイス１０において並列的に進行し、この結果、入力画
像５１中の線画のパターンの端点のみが残っているよう
な出力画像５２が得られる。

【００２０】図５は線画のパターンを備えた入力画像よ
り特定の方向の直線を検出する場合に対応した第２の実
施例を示すもので、図中、第１の実施例と同一構成部分
は同一符号をもって表す。即ち、４０は面、４２は一の
光デバイス、例えば１０ａの出力光３３に対して特定の
方向の光を反射しない、正確にいえば光デバイス１０ａ
に対応する６個の他の光デバイス１０ｂのうちで該光デ
バイス１０ａを挟んで特定の方向に並ぶ２個の他の光デ
バイス１０ｂへ光を反射させない部分４２ａを、複数の
各光デバイスのそれぞれについて同様に備えたハーフミ
ラーであり、該ハーフミラー４２は面４０に対して平行
に配置される。

【００２１】前記構成において、光デバイス１０ａの出
力光３３は円錐形に広がり、その上方に配置されたハー
フミラー４２によって反射され、その周囲の光デバイス
１０ｂのうち、前述した特定の方向に並ぶ２個の光デバ
イス１０ｂを除く４個の光デバイス１０ｂに抑制性の信
号光３２として入力され、抑制性の光結合が達成される
が、該特定の方向に並ぶ２個の光デバイス１０ｂについ
ては入力されず、抑制性の光結合も達成されない。

【００２２】なお、その他の構成は第１の実施例と同様
であり、また、面４０とハーフミラー４２との距離Ｌを
変更することにより、抑制性結合が及ぶ範囲あるいは抑
制性の信号光強度を変えることができる点、光デバイス
１０の光出力３３はハーフミラー４２を通して出力する
外、符号３３´に示す如く信号光３１の入力方向に出力
するようになしても良い点、前記抑制性の光結合は回折
格子、プリズム等を用いても容易に実現できる点は第１
の実施例と同様である。

【００２３】また、本実施例の光デバイス１０における
閾値θは、周囲の複数の光デバイス１０中、発光してい
る光デバイス１０が少なくとも１個ある時にその第２の
受光部１２で受光される抑制性の信号光強度と興奮性の
信号光強度との差より小さく、発光している光デバイス
が０個の時にその第２の受光部１２で受光される抑制性
の信号光強度と興奮性の信号光強度との差より大きく設
定するものとする。

【００２４】図６は前記第２の実施例による画像処理の
一例を示すもので、同図(a) は入力画像５３を、また、
同図(b) は出力画像５４を示す。なお、ここでは入力画
像に対して右上りの方向に光結合がない場合の動作を示
す。

【００２５】線画のパターンを備えた入力画像５３を入
力すると、該線画のパターンの画素に対応する光デバイ
ス１０は当初、全て発光状態となる。ここで、線画のパ
ターンの右上りの直線中の画素に対応する光デバイス１
０についてみると、その周囲の複数の光デバイス１０
中、発光している光デバイス１０は少なくとも１個ある
が、その出力光３３はハーフミラー４２の部分４２ａに
より反射されない、即ち第２の受光部１２に入力されな
いため、この光デバイス１０は発光状態のままとなる。

【００２６】一方、線画のパターンの他の方向の直線中
の画素に対応する光デバイス１０についてみると、その
周囲の複数の光デバイス１０中、発光している光デバイ
ス１０は少なくとも１個あり、その出力光３３はハーフ
ミラー４２により反射され、第２の受光部１２に抑制性
の信号光３２として入力される。この際、抑制性の信号
光３２の光強度は興奮性の信号光３１の光強度に比べて
閾値θより大きくなるため、この光デバイス１０は発光
しない状態となる。

【００２７】以上の動作は各画素に対応する全ての光デ
バイス１０において並列的に進行し、この結果、入力画
像５３中の線画のパターンの右上りの直線のみが残って
いるような出力画像５４が得られる。

【００２８】図７は線画のパターンを備えた入力画像よ
り２つの線が所定のＴ字型に接続する点を検出する場合
に対応した第３の実施例を示すもので、図中、第１の実
施例と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、４
０は面、４３は一の光デバイス、例えば１０ａの出力光
３３に対して所定のＴ字型の方向の光を反射しない、正
確にいえば光デバイス１０ａに対応する６個の他の光デ
バイス１０ｂのうちで該光デバイス１０ａを挟んで一の
方向に並ぶ２個の他の光デバイス１０ｂ及びこれに直交
する１個の他の光デバイス１０ｂへ光を反射させない部
分４３ａを、複数の各光デバイスのそれぞれについて同
様に備えたハーフミラーであり、該ハーフミラー４３は
面４０に対して平行に配置される。

【００２９】前記構成において、光デバイス１０ａの出
力光３３は円錐形に広がり、その上方に配置されたハー
フミラー４２によって反射され、その周囲の光デバイス
１０ｂのうち、前述した一の方向に並ぶ２個の光デバイ
ス１０ｂ及びこれに直交する１個の光デバイス１０ｂを
除く３個の光デバイス１０ｂに抑制性の信号光３２とし
て入力され、抑制性の光結合が達成されるが、該一の方
向に並ぶ２個の光デバイス１０ｂ及びこれに直交する１
個の光デバイス１０ｂについては入力されず、抑制性の
光結合も達成されない。

【００３０】なお、その他の構成は第１の実施例と同様
であり、また、面４０とハーフミラー４３との距離Ｌを
変更することにより、抑制性結合が及ぶ範囲あるいは抑
制性の信号光強度を変えることができる点、光デバイス
１０の光出力３３はハーフミラー４３を通して出力する
外、符号３３´に示す如く信号光３１の入力方向に出力
するようになしても良い点、前記抑制性の光結合は回折
格子、プリズム等を用いても容易に実現できる点は第１
の実施例と同様である。また、本実施例の光デバイス１
０における閾値θは第２の実施例の場合と同様に設定す
るものとする。

【００３１】図８は前記第３の実施例による画像処理の
一例を示すもので、同図(a) は入力画像５５を、また、
同図(b) は出力画像５６を示す。

【００３２】線画のパターンを備えた入力画像５５を入
力すると、該線画のパターンの画素に対応する光デバイ
ス１０は当初、全て発光状態となる。ここで、線画のパ
ターンのＴ字型の中心部分（接続部分）の画素に対応す
る光デバイス１０についてみると、その周囲の複数の光
デバイス１０中、発光している光デバイス１０は少なく
とも１個あるが、その出力光３３はハーフミラー４３の
部分４３ａにより反射されない、即ち第２の受光部１２
に入力されないため、この光デバイス１０は発光状態の
ままとなる。

【００３３】一方、線画のパターンの前記以外の部分の
画素に対応する光デバイス１０についてみると、その周
囲の複数の光デバイス１０中、発光している光デバイス
１０は少なくとも１個あり、その出力光３３はハーフミ
ラー４３により反射され、第２の受光部１２に抑制性の
信号光３２として入力される。この際、抑制性の信号光
３２の光強度は興奮性の信号光３１の光強度に比べて閾
値θより大きくなるため、この光デバイス１０は発光し
ない状態となる。

【００３４】以上の動作は各画素に対応する全ての光デ
バイス１０において並列的に進行し、この結果、入力画
像５５中の線画のパターンの所定のＴ字型の接続部分の
みが残っているような出力画像５６が得られる。

【００３５】図９は２値の入力画像より特定のパター
ン、ここでは三角形のパターンを持つ点を検出する場合
に対応した第４の実施例を示すもので、図中、第１の実
施例と同一構成部分は同一符号をもって表す。即ち、４
０は面、４４は一の光デバイス、例えば１０ａの出力光
３３に対して三角形のパターンの左隅の点がその周囲に
画素を含む可能性がある向きに光を反射しない、正確に
いえば光デバイス１０ａに対応する６個の他の光デバイ
ス１０ｂのうちで該光デバイス１０ａから見て三角形の
パターンの左隅の点がその周囲に画素を含む可能性があ
る向きの３個の他の光デバイス１０ｂへ光を反射させな
い部分４４ａを、複数の各光デバイスのそれぞれについ
て同様に備えたハーフミラーであり、該ハーフミラー４
４は面４０に対して平行に配置される。

【００３６】前記構成において、光デバイス１０ａの出
力光３３は円錐形に広がり、その上方に配置されたハー
フミラー４４によって反射され、その周囲の光デバイス
１０ｂのうち、前述した光デバイス１０ａから見て三角
形のパターンの左隅の点がその周囲に画素を含む可能性
がある向きの３個の光デバイス１０ｂを除く３個の光デ
バイス１０ｂに抑制性の信号光３２として入力され、抑
制性の光結合が達成されるが、該三角形のパターンの左
隅の点がその周囲に画素を含む可能性がある向きの３個
の光デバイス１０ｂについては入力されず、抑制性の光
結合も達成されない。

【００３７】なお、その他の構成は第１の実施例と同様
であり、また、面４０とハーフミラー４４との距離Ｌを
変更することにより、抑制性結合が及ぶ範囲あるいは抑
制性の信号光強度を変えることができる点、光デバイス
１０の光出力３３はハーフミラー４４を通して出力する
外、符号３３´に示す如く信号光３１の入力方向に出力
するようになしても良い点、前記抑制性の光結合は回折
格子、プリズム等を用いても容易に実現できる点は第１
の実施例と同様である。また、本実施例の光デバイス１
０における閾値θは第２の実施例の場合と同様に設定す
るものとする。

【００３８】図１０は前記第４の実施例による画像処理
の一例を示すもので、同図(a) は入力画像５７を、ま
た、同図(b) は出力画像５８を示す。

【００３９】三角形のパターン（実際は全て一様なパタ
ーンであるが、図面の都合上、クロスハッチングで示
す。）を備えた入力画像５７を入力すると、該三角形の
パターンの画素に対応する光デバイス１０は当初、全て
発光状態となる。ここで、三角形のパターンの左隅の点
の画素に対応する光デバイス１０についてみると、その
周囲の複数の光デバイス１０中、発光している光デバイ
ス１０は少なくとも１個あるが、その出力光３３はハー
フミラー４４の部分４４ａにより反射されない、即ち第
２の受光部１２に入力されないため、この光デバイス１
０は発光状態のままとなる。

【００４０】一方、三角形のパターンの前記左隅の点以
外の部分の画素に対応する光デバイス１０についてみる
と、その周囲の複数の光デバイス１０中、発光している
光デバイス１０は少なくとも１個あり、その出力光３３
はハーフミラー４４により反射され、第２の受光部１２
に抑制性の信号光３２として入力される。この際、抑制
性の信号光３２の光強度は興奮性の信号光３１の光強度
に比べて閾値θより大きくなるため、この光デバイス１
０は発光しない状態となる。

【００４１】以上の動作は各画素に対応する全ての光デ
バイス１０において並列的に進行し、この結果、入力画
像５７中の三角形のパターンの左隅の部分のみが残って
いるような出力画像（但し、図面上では元の三角形のパ
ターンに対応した部分を破線によるハッチングで示して
いる。）５８が得られる。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、複
数の入力信号に対して興奮性又は抑制性の重み付けを施
し、得られた興奮性及び抑制性の信号をそれぞれ個別に
加算し、その和信号を閾値処理するニューロンを複数相
互に結合してなるニューラルネットワークを、光素子を
用いて実現する光ニューラルプロセッサにおいて、興奮
性の信号光を受光する第１の受光部と、抑制性の信号光
を受光する第２の受光部と、発光部と、受光した興奮性
及び抑制性の信号光強度を比較し、興奮性の信号光強度
が抑制性の信号光強度より大きい場合は発光させ、興奮
性の信号光強度が抑制性の信号光強度より小さく且つそ
の差が所定の閾値を越えた場合は発光させない比較部と
を備えた光デバイスを複数、２次元配列し、各光デバイ
スの出力光をその周囲の複数の光デバイスの第２の受光
部へ分配する光結合部を設けたため、光の非干渉性及び
広域性を利用して画像処理を並列的に行うことが可能と
なり、これによって複雑なパターン認識、画像の処理等
を高速で行うことが可能な光ニューラルプロセッサを実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光ニューラルプロセッサの基本構成を
示す図

【図２】光デバイスの光入出力特性を示す図

【図３】本発明の光ニューラルプロセッサの第１の実施
例を示す構成図

【図４】第１の実施例による画像処理の一例を示す図

【図５】本発明の光ニューラルプロセッサの第２の実施
例を示す構成図

【図６】第２の実施例による画像処理の一例を示す図

【図７】本発明の光ニューラルプロセッサの第３の実施
例を示す構成図

【図８】第３の実施例による画像処理の一例を示す図

【図９】本発明の光ニューラルプロセッサの第４の実施
例を示す構成図

【図１０】第４の実施例による画像処理の一例を示す図

【符号の説明】

１０…光デバイス、１１，１２…受光部、１３…発光
部、１４…比較部、２０…光結合部。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の入力信号に対して興奮性又は抑制
   性の重み付けを施し、得られた興奮性及び抑制性の信号
   をそれぞれ個別に加算し、その和信号を閾値処理するニ
   ューロンを複数相互に結合してなるニューラルネットワ
   ークを、光素子を用いて実現する光ニューラルプロセッ
   サにおいて、 興奮性の信号光を受光する第１の受光部と、抑制性の信
   号光を受光する第２の受光部と、発光部と、受光した興
   奮性及び抑制性の信号光強度を比較し、興奮性の信号光
   強度が抑制性の信号光強度より大きい場合は発光させ、
   興奮性の信号光強度が抑制性の信号光強度より小さく且
   つその差が所定の閾値を越えた場合は発光させない比較
   部とを備えた光デバイスを複数、２次元配列し、 各光デバイスの出力光をその周囲の複数の光デバイスの
   第２の受光部へ分配する光結合部を設けたことを特徴と
   する光ニューラルプロセッサ。
2. 【請求項２】 各光デバイスの出力光をその周囲の複数
   の光デバイスのうちの一部の光デバイスの第２の受光部
   へ分配する光結合部を設けたことを特徴とする請求項１
   記載の光ニューラルプロセッサ。