JPH10105531A - Dynamic quantizer using neural net - Google Patents

Dynamic quantizer using neural net

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JPH10105531A
JPH10105531A JP8253601A JP25360196A JPH10105531A JP H10105531 A JPH10105531 A JP H10105531A JP 8253601 A JP8253601 A JP 8253601A JP 25360196 A JP25360196 A JP 25360196A JP H10105531 A JPH10105531 A JP H10105531A
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JP
Japan
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output
dynamic
cell
quantization
quantizer
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JP8253601A
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Japanese (ja)
Inventor
Kenya Jinno
健哉 神野
Mamoru Tanaka
衞 田中
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Original Assignee
Individual
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To surely perform quantization through parallel processing at high speed and to simplify a mounting circuit by decreasing the number of wirings by limiting coupling loads corresponding to respective cells to one kind and feeding only the difference between the value of sum of products and an input parameter amount back to respective cells. SOLUTION: When the amount of sum of products between the outputs and weight of respective cells is more than the input parameter amount, the cell outputting '+1' is operated so as to transit the state of its output to '0' or '1' and when the amount of sum of products is less than the input parameter amount, the cell outputting '0' or '-1' is operated so as to turn its output to '+1'. Namely, a dynamic quantizing means is provided for dynamically repeating the state transition of an output vector from the cell so as to minimize the differential amount. Then, a dynamic quantizer is dynamically operated so that the difference between a representative quantized value obtained by the sum of products between the outputs and weight of respective cells, and the input parameter amount can be converged within the level of hysteresis width and it is enough to feed only this difference back to respective cells.

Description

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

【0001】[0001]

【概要】デジタル処理技術の発展に伴い、アナログ信号
を量子化、符号化する量子化器の重要性が高まってい
る。アナログ値から量子化値への変換を行う量子化器に
はコンパレータを用いたもの、ルックアップテーブル方
式などが良く用いられるものとしてある。しかしながら
これらの方法ではアナログ値に対して量子化ステップ数
が多い場合などはその回路構成が非常に複雑なものとな
ってしまい、また速度の低下という問題も発生する。こ
れらの問題の原因の一つにこれらの量子化手段の処理方
法が逐次処理で行われていることが挙げられる。このよ
うな問題、すなわち逐次処理でなく並列処理を行うため
の手段の一つとしてニューラルネットの利用が活用が考
えられる。ニューラルネットを用いた量子化器としては
1986年にJ.J.Hopfieldらによって提案
された、相互結合型ニューラルネットを用い、エネルギ
ー最小化理論に基づいたA/D変換器がある。しかしな
がらこのニューラルネットを用いたA/D変換器ではエ
ネルギーの極小値の発生により必ずしも最適な量子化を
行うことができず、量子化器としてみた場合不完全なも
のである。またこのA/D変換器ではセル数Nに対して
配線数がN×N本必要であり電子回路等による実装化が
セル数の増加に伴い非常に困難となる等の問題がある。
本発明は各セルからの結合荷重を一定とし、従来の相互
結合型ニューラルネットで必要であったN×N本の配線
数をN本に激減させている。特に本発明のニューラルネ
ットによるダイナミック量子化器では従来の相互結合型
ニューラルネットで問題となるエネルギーの極小値が存
在せず、最小値のみが確実に存在する。このため従来の
相互結合型ニューラルネットを用いたA/D変換器では
不可能であった正確な量子化を並列に確実に行なうこと
が可能である。
[Summary] With the development of digital processing technology, the importance of a quantizer for quantizing and encoding an analog signal is increasing. As a quantizer for converting an analog value to a quantized value, a quantizer using a comparator, a lookup table method, or the like is often used. However, in these methods, when the number of quantization steps is larger than the analog value, the circuit configuration becomes very complicated, and there is a problem that the speed is reduced. One of the causes of these problems is that the processing method of these quantization means is performed by sequential processing. As one of means for performing such a problem, that is, parallel processing instead of sequential processing, utilization of a neural network can be considered. As a quantizer using a neural network, J. J. There is an A / D converter proposed by Hopfield et al. Using an interconnected neural network and based on energy minimization theory. However, an A / D converter using this neural network cannot always perform optimal quantization due to generation of a minimum value of energy, and is incomplete when viewed as a quantizer. In addition, this A / D converter requires N × N wirings for the number of cells N, and there is a problem that mounting with an electronic circuit or the like becomes very difficult as the number of cells increases.
According to the present invention, the connection load from each cell is fixed, and the number of N × N wirings required in the conventional mutual connection type neural network is drastically reduced to N wirings. In particular, in the dynamic quantizer based on the neural network of the present invention, there is no minimum value of energy, which is a problem in the conventional interconnected neural network, but only a minimum value. For this reason, accurate quantization, which was impossible with an A / D converter using a conventional interconnected neural network, can be reliably performed in parallel.

【0002】[0002]

【発明の属する技術分野】本発明は、生物の脳や神経と
同様な情報処理プロセスを人工的に実現しようとするニ
ューロコンピューティング技術に関わり、様々な量子化
を可能とする。更に重み行列(テンプレートと呼ぶ)の
変更のみで様々な量子化に対応出来るユニバーサル性を
有し、様々なアナログ信号からデジタル信号への変換を
可能にするものである。このような量子化器はデジタル
処理技術には必要不可欠なものであり、かつ本発明のニ
ューラルネットによるダイナミック量子化器ではその処
理を逐次処理ではなく並列処理にて行なうことが出来
る。並列処理を行なえることにより本発明のニューラル
ネットによるダイナミック量子化器はその量子化速度が
非常に速く、大量のデータを一度にかつ高速に処理する
必要のある画像処理等のデジタル処理技術に非常に有用
である。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a neurocomputing technique for artificially realizing an information processing process similar to the brain and nerves of an organism, and enables various quantizations. Furthermore, it has universality that can cope with various quantizations only by changing a weight matrix (referred to as a template), and enables conversion from various analog signals to digital signals. Such a quantizer is indispensable for digital processing technology, and the dynamic quantizer using the neural network of the present invention can perform the processing by parallel processing instead of sequential processing. By being able to perform parallel processing, the dynamic quantizer based on the neural network of the present invention has a very high quantization speed, and is very suitable for digital processing technology such as image processing that needs to process a large amount of data at once and at high speed. Useful for

【0003】[0003]

【従来の技術】従来、アナログ信号を量子化する手法と
してはコンパレータによるA/D変換器、テーブル参照
方式などがあるが量子化ステップを変更するためには回
路構成の変更が必要であり、量子化ステップ数の増加に
伴い回路の複雑化、基本的に逐次処理であるため処理速
度の低下等の問題がある。また入力変数量に対し、出力
量子化数が複数存在する場合、従来からあるA/D変換
器、テーブル参照方式では対応できない。これらの問題
の解決を目指し、並列処理が可能な量子化器としてニュ
ーラルネットを用いたA/D変換器がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, analog signal quantization techniques include an A / D converter using a comparator and a table reference method. However, changing the quantization step requires a change in the circuit configuration. As the number of steps increases, the circuit becomes complicated, and there is a problem that the processing speed is reduced because the processing is basically sequential. Further, when there are a plurality of output quantization numbers with respect to the input variable amount, the conventional A / D converter and the table reference method cannot cope. In order to solve these problems, there is an A / D converter using a neural network as a quantizer capable of parallel processing.

【0004】このようなニューラルネットを用いた量子
化器には相互結合型のニューラルネットを用いたA/D
変換器がある。この相互結合型ニューラルネットを用い
たA/D変換器はその動作がエネルギー関数に支配され
ており、エネルギー最小化原理に基づき動作する。しか
しながらエネルギーの極小値が多数存在するため入力信
号に対して正しい量子化が行なえないという問題があ
る。また相互結合型ニューラルネットではセル数Nに対
して配線数がN×N本必要となり、その電子回路等によ
る実装化を考えた場合、配線が非常に複雑なものとなり
その実現はセル数の増加に伴い非常に困難なものにな
る。また積和演算回数も指数関数的に増大していくため
その計算コストも非常に必要となる。画像処理などのた
めの量子化器を考えた場合、正しい量子化を高速に確実
に行ない、量子化ステップ等を容易に変更することが出
来、さらに入力変数量に対して複数種類の量子化結果を
出力できる量子化器の実現が重要となる。
An A / D using an interconnected neural network is used as a quantizer using such a neural network.
There is a converter. The operation of an A / D converter using this interconnected neural network is governed by an energy function, and operates based on the principle of energy minimization. However, there is a problem that an input signal cannot be correctly quantized because there are many energy minimum values. In addition, in an interconnected neural network, the number of wirings is required to be N × N for the number N of cells, and when the mounting by an electronic circuit or the like is considered, the wiring becomes very complicated, and the realization is increased by the number of cells. Becomes very difficult. Further, since the number of product-sum operations increases exponentially, the calculation cost is also extremely required. When considering a quantizer for image processing, etc., correct quantization can be performed quickly and reliably, the quantization step, etc. can be easily changed, and more than one type of quantization It is important to realize a quantizer that can output the signal.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の相互結
合型ニューラルネットを用いた量子化器における懸案事
項である(1)正しい量子化を並列処理で高速に確実に
行うことが可能とする、(2)量子化ステップを容易に
変化させることが出来る汎化能力を持たせる、(3)入
力変数量に対して場合に応じて複数種類の量子化結果が
出力できるようにする、(4)電子回路等の実装回路の
簡単化のため配線数の減少、などの解決を目指したもの
である。従来の相互結合型ニューラルネットを用いたA
/D変換器ではセル間が完全結合しており配線が複雑と
なる。そこで本発明では各セルに対応した結合荷重を1
種類としてその積和値と入力変数量との差分のみを各セ
ルにフィードバックする手法をとる。本手法を用いれば
セル数Nに対して相互結合型型ニューラルネットを用い
たA/D変換器ではN×Nの配線が必要だったものがN
本の配線のみで済むようになり配線が容易となる。本発
明のニューラルネットによるダイナミック量子化器では
量子化ステップの変更は重み行列Wの交換のみで済むた
め量子化ステップ、量子化幅の変更等が非常に容易であ
り高い汎化能力を有する。また従来の相互結合型ニュー
ラルネットを用いたA/D変換器ではエネルギーの極小
値により誤った量子化結果の発生が非常に大きな問題と
なるが、本発明では入力変数量に対応した量子化を確実
にダイナミックに行なう量子化手段を有する。更に入力
変数量に対して期待される量子化結果が複数存在する場
合、従来技術ではそのうちのどれか一つのみしか出力で
きなかったが、本発明ではその状況に応じて適切なもの
を出力することを可能にするダイナミックな量子化手段
を有する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is concerned with a conventional quantizer using an interconnected neural network. (1) Correct quantization can be performed at high speed and reliably by parallel processing. (2) to have a generalization ability that can easily change the quantization step; (3) to allow a plurality of types of quantization results to be output depending on the case with respect to the input variable amount; (4) The purpose of the present invention is to solve the problem of reducing the number of wirings for simplifying a mounting circuit such as an electronic circuit. A using a conventional interconnected neural network
In the / D converter, the cells are completely coupled and the wiring becomes complicated. Therefore, in the present invention, the coupling load corresponding to each cell is set to 1
As a kind, a method of feeding back only the difference between the product sum value and the input variable amount to each cell is adopted. If this method is used, an A / D converter using an interconnected neural network for the number of cells N would require N × N wiring, but N
Only the book wiring is required, and the wiring is facilitated. In the dynamic quantizer using the neural network according to the present invention, the quantization step can be changed only by exchanging the weight matrix W, so that the quantization step and the quantization width can be easily changed, and have a high generalization ability. In addition, in the conventional A / D converter using an interconnected neural network, the generation of an erroneous quantization result due to the minimum value of the energy is a very serious problem, but in the present invention, the quantization corresponding to the input variable amount is performed. It has quantization means for performing dynamics reliably. Further, when there are a plurality of expected quantization results for the input variable amount, only one of them can be output in the related art, but in the present invention, an appropriate one is output according to the situation. It has a dynamic quantization means that makes it possible to

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】本発明は、各セルの出力
と重みとの積和量が入力変数量よりも大きい場合、+1
を出力しているセルの出力が状態遷移をし0(または−
1)となるように動作し、積和量が入力変数量よりも小
さい場合、0(または−1)を出力しているセルの出力
が状態遷移をし+1となるように動作する。このように
動作するように設計することにより各セルの出力と重み
との積和量と入力変数量との差分が各セルのヒステリシ
ス特性のヒステリシス幅内に入り、+1を出力するセル
および0(または−1)を出力するセルの双方が状態遷
移をする可能性がなくなる、つまり差分量が最小化する
ようにセルの出力ベクトルがダイナミックに状態遷移を
繰り返すダイナミック量子化手段を有する。さらに各セ
ルの内部状態変数の初期値を制御することにより状態遷
移をする可能性が無くなる出力ベクトルが複数個存在す
る場合に任意の出力ベクトルを出力出来るよう制御する
ことが可能なダイナミック量子化手段を有する。なお本
発明のダイナミック量子化手段は系が連続時間系であっ
ても離散時間系であっても適応が可能であり、連続時間
系で考えた場合、各セルの並列動作により高速に量子化
が可能となっている。本発明の手法では必要となる積和
量はセルに関らず同じであるため積和計算量、配線数が
従来の相互結合型ニューラルネットを用いたA/D変換
器に比べ激減している。また本発明の手法では重み行列
(テンプレート)の変更のみで様々な量子化に対応で
き、ニューラルネットを用いることで並列処理による高
速処理を実現している。
According to the present invention, when the sum of products of the output and the weight of each cell is larger than the input variable,
The state of the output of the cell that outputs
1), and when the sum of products is smaller than the input variable amount, the output of the cell outputting 0 (or -1) makes a state transition and operates so as to become +1. By designing to operate in this manner, the difference between the sum of products of the output and weight of each cell and the input variable amount falls within the hysteresis width of the hysteresis characteristic of each cell, and the cell that outputs +1 and 0 ( Or, there is a dynamic quantization means in which both cells that output -1) do not have a possibility of making a state transition, that is, the output vector of the cell repeats a state transition dynamically so that the amount of difference is minimized. Furthermore, dynamic quantization means capable of controlling output of an arbitrary output vector when there is a plurality of output vectors that are not likely to make a state transition by controlling the initial value of an internal state variable of each cell. Having. It should be noted that the dynamic quantization means of the present invention can be applied whether the system is a continuous time system or a discrete time system, and when considering a continuous time system, quantization can be performed at high speed by parallel operation of each cell. It is possible. In the method of the present invention, the required sum of products is the same irrespective of the cell, so that the sum of products and the number of wires are drastically reduced as compared with the conventional A / D converter using an interconnected neural network. . In addition, the method of the present invention can cope with various quantizations only by changing the weight matrix (template), and realizes high-speed processing by parallel processing by using a neural network.

【0007】本発明では各セルの出力と重みとの積和に
より得られる量子化代表値と入力変数量との差分がヒス
テリシス幅の大きさ内に収束するようダイナミックに動
作する。量子化代表値は出力ベクトルにより一意に決ま
り、この値と入力変数量との差分のみを各セルにフィー
ドバックすれば良い。このため各セルへの入力は一様と
なるため配線数が激減する。また量子化代表値と入力変
数量との差分がヒステリシス幅の大きさ内に収まらない
限り全てのセルの出力が状態遷移をする可能性が無くな
ることがないためエネルギー関数の極小値による誤った
量子化結果は発生することは無く、適切な量子化結果を
確実にダイナミックに実現させている。
In the present invention, a dynamic operation is performed so that the difference between the input representative variable and the quantized representative value obtained by the product sum of the output and the weight of each cell converges within the hysteresis width. The quantization representative value is uniquely determined by the output vector, and only the difference between this value and the input variable amount needs to be fed back to each cell. For this reason, the input to each cell becomes uniform, and the number of wirings is drastically reduced. Unless the difference between the quantized representative value and the input variable amount falls within the hysteresis width, there is no possibility that the output of all cells will undergo a state transition. No quantization result is generated, and an appropriate quantization result is reliably and dynamically realized.

【0008】[0008]

【発明の実施の形態】次に本発明の実施例を図面を参照
して説明する。対象となるニューラルネットは離散時間
系と連続時間系とに大別することが出来るが、ここでは
連続時間系、すなわち微分方程式により記述されるニュ
ーラルネットを用いたダイナミック量子化器の動作につ
いて述べる。対象とするニューラルネットによるダイナ
ミック量子化器は以下のようなヒステリシス素子を含ん
だ区分線形微分方程式で記述できる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The target neural net can be roughly classified into a discrete time system and a continuous time system. Here, the operation of a dynamic quantizer using a continuous time system, that is, a neural network described by a differential equation will be described. A dynamic quantizer based on a target neural network can be described by a piecewise linear differential equation including the following hysteresis element.

【0009】[0009]

【数1】 (Equation 1)

【0010】ここで xi :内部状態変数 yi :出力 wi :i番目のセルの出力の結合荷重 N :セル数 u :入力 Th :ヒステリシスのしきい値 h(xi ) は図1に示すような、その出力 が+1(−
1)であるとき、内部状態変数xi がしきい値−T
h (Th )を打つと出力が−1(+1)に切り替わるよ
うな区分線形2 値ヒステリシスである。(1)式で示さ
れる系において任意の出力ベクトルyに対応した各セル
の平衡点pi (y) は次式のようになる。
[0010] Here, x i: internal state variables y i: Output w i: the connection weight output of i-th cell N: the number of cells u: Input T h: threshold h (x i) of the hysteresis Figure 1 The output is +1 (-
1) a time, the internal state variable x i is the threshold -T
A piecewise linear binary hysteresis in which the output switches to -1 (+1) when h ( Th ) is hit. The equilibrium point p i (y) of each cell corresponding to an arbitrary output vector y in the system represented by the equation (1) is as follows.

【0011】[0011]

【数2】 (Equation 2)

【0012】ここで各セルの安定性について次のように
定義する。 [ 定義 ]各セルの平衡点をpi (y) 、出力をyi
したとき pi (y)yi >−Th (3) を満たすセルは出力が切り替わる可能性が無い。このよ
うなセルを安定であると定義する。
Here, the stability of each cell is defined as follows. Definitions The balance point of each cell p i (y), the cells that satisfy the p i (y) y i> -T h (3) when the output was y i is no possibility that the output is switched. Such cells are defined as stable.

【0013】一方、 pi (y)yi ≦−Th (4) を満たした場合、そのセルの出力は切り替わる可能性が
ある。このようなセルを安定であると定義する。
On the other hand, when p i (y) y i ≦ −T h (4) is satisfied, the output of the cell may be switched. Such cells are defined as stable.

【0014】全てのセルが条件(3)を満足した場合、
出力ベクトルは変化する可能性が無い。このような出力
ベクトルを安定出力と定義する。また任意のセルが
(4)を満足した場合、出力ベクトルは必ず変化する。
このような出力ベクトルを不安定出力と定義する。
When all the cells satisfy the condition (3),
The output vector cannot change. Such an output vector is defined as a stable output. When any cell satisfies (4), the output vector always changes.
Such an output vector is defined as an unstable output.

【0015】以上の定義に基づき(1)式で示される系
においてどのような出力ベクトルが安定出力となるかに
ついて考える。ここで各出力ベクトルyに対応した平衡
点p(y) は以下のように与えられる。
Based on the above definition, what kind of output vector becomes a stable output in the system represented by the equation (1) will be considered. Here, the equilibrium point p (y) corresponding to each output vector y is given as follows.

【0016】[0016]

【数3】 (Equation 3)

【0017】ここで平衡点の位置は入力 と出力ベクト
ルyのみにより決まり、iには関係しないことに注意す
る。定義より出力ベクトルが安定出力となるためには全
てのセルが条件(3)を満足する必要がある。そこでど
のような出力ベクトルが安定出力となるかについて考え
る。入力uの値域は|u|<Σ|wj |を満たすよう正
規化されているものとする。また簡単化のため、wi
0であるとする。図2にu=0の場合のセルの内部状態
を示す。図2においてyi =−1の列は出力が−1であ
るセルの内部状態、yi =+1の列は出力が+1である
セルの内部状態を示す。またSはS=Σwj j で表さ
れるような、出力に結合荷重をかけたものである。Sが
|S|<Th であるとき、yi =−1、yi =+1のセ
ルとも安定、つまり全てのセルが安定となるため出力ベ
クトルは安定出力となる。S≧+Th のときは、yi
+1のセルの平衡点がヒステリシスの枝上に存在せず、
不安定セルとなり、出力ベクトルは不安定出力となる。
このとき不安定となるセルはyi =+1のセルであるた
め、不安定セルのうちいずれかが状態遷移をすることに
よりSは減少する。
Here, it should be noted that the position of the equilibrium point is determined only by the input and output vectors y and not by i. By definition, all cells must satisfy the condition (3) in order for the output vector to be a stable output. Therefore, what output vector becomes a stable output is considered. It is assumed that the range of the input u is normalized so as to satisfy | u | <w | w j |. For simplicity, w i >
Assume that it is 0. FIG. 2 shows the internal state of the cell when u = 0. In FIG. 2, the column of y i = −1 indicates the internal state of the cell whose output is −1, and the column of y i = + 1 indicates the internal state of the cell whose output is +1. S is obtained by applying a connection weight to the output as represented by S = Σw j y j . S is | S | when a <T h, y i = -1 , stable with y i = + 1 cells, the output vector because all the cells in a stable that is, a stable output. When the S ≧ + T h, y i =
The equilibrium point of the cell of +1 does not exist on the branch of hysteresis,
The cell becomes an unstable cell, and the output vector becomes an unstable output.
At this time, the cell that becomes unstable is the cell of y i = + 1, so that S is reduced by any one of the unstable cells undergoing a state transition.

【0018】またS≦−Th のときは、yi =−1のセ
ルの平衡点がヒステリシスの枝上に存在しないため、不
安定セルとなり出力ベクトルは不安定出力となる。この
ときはyi =−1の不安定セルのうちいずれかが状態遷
移をするとSが増加する。つまり
[0018] When S ≦ -T h, since the equilibrium of the cell of y i = -1 is not present on the branches of the hysteresis, the output vector becomes unstable cell is unstable output. At this time, S increases when any of the unstable cells of y i = −1 makes a state transition. I mean

【0019】[0019]

【数4】 (Equation 4)

【0020】を満足すれば、出力ベクトルyは安定出力
となる。これは言い換えれば|u−Σwj j |<Th
を満たすような出力ベクトルyのみが安定にとなるとい
うことであり、Th を適切に設定することにより|u−
Σwj j |が最小となるような出力ベクトルのみを安
定出力とすることができる。
If the above condition is satisfied, the output vector y becomes a stable output. This is, in other words, | u−Σw j y j | <T h
Only the output vector y that satisfies is that it becomes stable, by appropriately setting the T h | u-
Only an output vector that minimizes Σw j y j | can be a stable output.

【0021】以上のようにどのような条件を満たせば出
力ベクトルが安定出力となるかについては解明できた。
しかしながら結合荷重wi とヒステリシスのしきい値T
h の大きさによっては入力値の大きさにより条件(6)
を満足する出力ベクトルが存在しない場合がある。入力
値の大きさに応じて適切な量子化が可能であるようにす
るためには任意の入力値uに応じて安定出力が存在する
必要がある。そこで全ての入力値uに対して安定出力が
存在するような結合荷重wi 、ヒステリシスのしきい値
h について考える。
As described above, it has been clarified as to what conditions must be satisfied to make the output vector a stable output.
However, the coupling weight w i and the hysteresis threshold T
Condition (6) depending on the size of the input value depending on the size of h
May not exist. In order to enable appropriate quantization according to the magnitude of the input value, a stable output needs to be present according to an arbitrary input value u. Therefore all connection weights w i such that there are stable output to the input value u, consider the threshold T h of the hysteresis.

【0022】出力ベクトルに対する量子化値を S=Σwj j (7) とすると、出力yi が±1の2値しか値をとらないこと
からSのとりうる値は最大で2N 種類である。ここでS
の値が大きさの順位を以下のように表記する。
Assuming that the quantized value for the output vector is S = Σw j y j (7), since the output y i takes only two values of ± 1, there are at most 2 N possible values of S. is there. Where S
Is represented as follows.

【0023】 S1 =min Σwj j i >Si-1 (8) Sk =max Σwj j 1≦k≦2N すなわち、Sの値が小さいものからS1,2,...,k
表す。このSi が入力uに対する量子化値である。全て
の入力uに対して適切な量子化値を出力するようために
は量子化ステップ幅を適切に定めればよい。条件(6)
より、量子化ステップ幅はヒステリシスのしきい値より
決定され、その大きさは2|Th |である。このことか
らヒステリシスのしきい値Th を以下のように設定すれ
ば任意の入力に対して安定出力は必ず存在する。
[0023] S 1 = min Σw j y j S i> S i-1 (8) S k = max Σw j y j 1 ≦ k ≦ 2 N That, S 1, S 2 from those values of S is small, ..., expressed as S k. This Si is the quantization value for the input u. In order to output an appropriate quantization value for all inputs u, the quantization step width may be appropriately determined. Condition (6)
Accordingly, the quantization step width is determined by the threshold value of the hysteresis, and its magnitude is 2 | Th |. Stable output for any input by setting the threshold value T h of the hysteresis Therefore as follows always present.

【0024】 ΔS=max(Sj+1 −Sj ) Th =0.5 ΔS (9) ただし、1≦j≦k−1、1≦k≦2N The ΔS = max (S j + 1 -S j) T h = 0.5 ΔS (9) However, 1 ≦ j ≦ k-1,1 ≦ k ≦ 2 N.

【0025】以下に量子化の具体例を示す [ 例1 ]N=4、wj =2j-1 (j=1〜N)の場合
について考える。
The following is a specific example of quantization. [Example 1] Consider a case where N = 4 and w j = 2 j-1 (j = 1 to N).

【0026】このときΔS=2であることからヒステリ
シスのしきい値Th は(9)式より、Th =1とする。
このようにパラメータを設定した場合の量子化例を図3
に示す。図3において横軸は入力、縦軸は量子化値を表
す。
The threshold T h of the hysteresis since it is at this time [Delta] S = 2 than (9), and T h = 1.
FIG. 3 shows an example of quantization when parameters are set as described above.
Shown in In FIG. 3, the horizontal axis represents the input, and the vertical axis represents the quantization value.

【0027】この場合、量子化値は16通り存在し、各
量子化に対応した安定出力は唯一存在し、その出力ベク
トルは入力値を4bitに二進数展開したものと同等に
なっている。 [ 例2 ]N=4、wi =1の場合について考える。
このときΔS=2であることからT h =1とする。この
ようにパラメータを設定した場合の量子化例を図4に示
す。この場合量子化値は5通りしか存在せず、量子化値
によっては安定出力が複数個存在する。特にS=0に対
応した安定出力は6個存在する。S=0であるような出
力ベクトルが安定出力となるような入力に対して6種類
の安定出力のうちどれが出力するかは内部状態変数の初
期値に依る。 [ 例3 ]N=4、w1 =1、w2 =3、w3 =5、
4 =7の場合について考える。この場合、量子化値は
15種類存在し、ΔS=4である。ことからTh =2と
する。このようにパラメータを設定した場合の量子化例
を図5に示す。量子化ステップ幅はヒステリシスの幅に
より決まっているため、均等である。これに対し、量子
化値は−16から+16まで4きざみであるが±12は存在せ
ず、均等にはなっていない。このような場合、(9)式
に従いヒステリシスのしきい値を定めた場合、入力値に
対して量子化値が2値存在する場合が場合がある。2値
の量子化値のうちどちらの値に収束するかは内部状態変
数の初期値に依る。なお、結合荷重wjの値の組み合わ
せによってはある入力値に対して2値以上の多値の量子
化値が安定出力として出力される。このような特性は従
来の量子化器には無い本量子化器の特徴であり、また多
値の量子化値のいずれに収束するかについては初期値に
より制御可能である。
In this case, there are 16 quantization values, and
There is only one stable output corresponding to quantization, and its output vector
Is equivalent to the input value expanded to 4 bits in binary.
Has become. [Example 2] N = 4, wiConsider the case where = 1.
At this time, since ΔS = 2, T h= 1. this
Fig. 4 shows an example of quantization when parameters are set as follows.
You. In this case, there are only five quantization values, and the quantization value
In some cases, there are a plurality of stable outputs. Especially for S = 0
There are six corresponding stable outputs. Output such that S = 0
6 types for inputs that produce stable output of force vector
Which of the stable outputs of the
It depends on the price. [Example 3] N = 4, w1= 1, wTwo= 3, wThree= 5,
wFour= 7 is considered. In this case, the quantization value is
There are 15 types, and ΔS = 4. T fromh= 2 and
I do. Example of quantization when parameters are set in this way
Is shown in FIG. The quantization step width is equal to the hysteresis width.
It is even because it is more determined. In contrast, quantum
The conversion value is 4 steps from -16 to +16, but ± 12 exists.
Not even. In such a case, equation (9)
If the hysteresis threshold is determined according to
On the other hand, there are cases where there are two quantization values. Binary
Which of the quantized values converges depends on the internal state change.
Depends on the initial value of the number. Note that the coupling load wjCombination of values
Depending on the input, a multi-valued multi-valued quantum
The output value is output as a stable output. Such characteristics are
It is a feature of this quantizer that is not available in
Which value converges to the initial value
More controllable.

【0028】(1)式で表される系のダイナミクスは、
出力yi の取り得る値の組み合わせにより決まる2N
の半空間内V(y) のN次元線形方程式がヒステリシスh
(x i )のスイッチングにより切り替わる系として捉え
られる:
The dynamics of the system represented by equation (1) is
Output yiIs determined by the combination of possible values ofNIndividual
The N-dimensional linear equation of V (y) in the half space of
(X i) As a system that switches by switching
Is:

【0029】[0029]

【数5】 (Equation 5)

【0030】ただし、 V(y) ≡{(x,y) |xi i >−Th }:半空間 同式の解は次式で与えられる。Here, V (y) ≡ {(x, y) | x i y i > −T h }: half space The solution of the above equation is given by the following equation.

【0031】 (xi −pi (y))=(xi (0) −pi (y))exp(−τ) (11) ただし、xi (0) は内部状態変数の初期値。 全ての次定数が等しいため任意の初期値x(0) を出発す
る解軌道は初期値と平衡点とを結ぶ半空間V(y) 内の半
直線上にある :
(X i −p i (y)) = (x i (0) −p i (y)) exp (−τ) (11) where x i (0) is an initial value of an internal state variable. Since all the order constants are equal, the solution trajectory starting from an arbitrary initial value x (0) is on a half line in the half space V (y) connecting the initial value and the equilibrium point:

【0032】[0032]

【数6】 (Equation 6)

【0033】各空間V(y) は各パターンに対応しその平
衡点の少なくとも一つの座標が式(4)を満たせばその
パターンは状態遷移する。具体的にはある座標がxi
−T h i となった時刻においてそのセルの出力yi
反転する。すなわちパターンが変化する時刻は (−Th i −pi (y))=(xi (0) −pi (y))exp(−τi ) (13) なるτi のiに対する最小値で与えられる。
Each space V (y) corresponds to each pattern and its plane
If at least one coordinate of the equilibrium point satisfies equation (4),
The pattern makes a state transition. Specifically, a certain coordinate is xi=
-T hyiOutput y of the cell at the timeiBut
Invert. That is, the time when the pattern changes is (−Thyi-Pi(y)) = (xi(0) -pi(y)) exp (−τi(13) τiIs given by the minimum value for i.

【0034】ここで明らかに二つ以上のセルが同時に切
り換わるような初期値の集合は2N次元空間内で2N-1
次元であるので測度0である。出力ベクトルが状態遷移
した時間において状態遷移したi番目のセル以外のセル
の内部状態変数xj は次式で与えられる。
Here, a set of initial values where two or more cells are simultaneously switched is 2 N -1 in a 2 N dimensional space.
Since it is a dimension, the measure is 0. The internal state variable x j of a cell other than the i-th cell that has transitioned at the time when the output vector has transitioned is given by the following equation.

【0035】[0035]

【数7】 (Equation 7)

【0036】式(14)で得られたxj を新たな初期値
として、全てのセルが式(3)を満たす安定状態に達す
るまで計算を繰り返すことにより初期出力ベクトルから
どのように状態遷移をして安定平衡状態になるかを厳密
に把握することが出来る。
Using x j obtained by the equation (14) as a new initial value, the calculation is repeated until all cells reach a stable state satisfying the equation (3). It is possible to know exactly whether the state will be a stable equilibrium state.

【0037】(4)を満たしたセルは不安定となり出力
の状態が切り替わる可能性がある。全ての時定数が等し
いため不安定セルのうち出力が切り替わるセルはその内
部状態変数が最もしきい値に近いものである。
The cell satisfying the condition (4) becomes unstable and the output state may be switched. Since all the time constants are equal, the cell whose output switches among the unstable cells has the internal state variable closest to the threshold value.

【0038】結合荷重を全て一様にし、入力uを1つの
セルのみがyi =+1、その他のセルの出力がyj =−
1で安定となるように与え、内部状態変数の初期値を全
てx k (0) <−Th を満足するよう与えた場合、最もヒ
ステリシスのしきい値Th に近いもの、すなわち内部状
態変数の初期値の最大値に対応したセルの出力のみがy
i =+1となり、最大値検出器として機能する。 [ 例4 ]N=4、wi =1、Th =1の場合につい
て考える。このときu=−2であれば1つのセルのみが
i =+1で安定となる。
The connection weights are all made uniform, and the input u is
Only cells are yi= + 1, output of other cells is yj= −
1 to be stable, and set the initial values of the internal state variables to all
X k(0) <-ThWhen given to satisfy
Sterisis threshold ThClose to, that is, the internal state
Only the output of the cell corresponding to the maximum initial value of the state variables is y
i= + 1 and functions as a maximum value detector. [Example 4] N = 4, wi= 1, Th= 1
Think. At this time, if u = -2, only one cell
yi= + 1 and becomes stable.

【0039】ここで内部状態変数の初期値をx1(0)<x
2(0)<x3(0)<x4(0)<−1.0 とすると全ての出力の初
期値はyi =−1であり、全てのセルが不安定となる。
このうち出力が切り替わるものは最もしきい値に近い4
番目のセルであり4番目のセルの出力が切り替わり、y1
=y2=y3=−1、y4=+1となって安定出力となる。こ
のように内部状態変数の大きいものを検出することがで
きる。
Here, the initial value of the internal state variable is x 1 (0) <x
If 2 (0) <x 3 (0) <x 4 (0) <− 1.0, the initial values of all outputs are y i = −1, and all cells become unstable.
Among them, the one whose output switches is 4
The output of the fourth cell is switched, and the cell is y 1
= Y 2 = y 3 = -1 , becomes y 4 = + 1 becomes stable output. In this way, a large internal state variable can be detected.

【0040】また入力uの大きさを変化させることによ
り、最大値検出のみならず2番目に大きいもの、3番目
に大きいものを検出することも可能である。
By changing the size of the input u, it is possible to detect not only the maximum value but also the second largest and the third largest.

【0041】[0041]

【発明の効果】本発明は各セルにヒステリシス特性を有
した素子を用いたニューラルネットによるダイナミック
量子化器であり、従来からの相互結合型ニューラルネッ
トによるA/D変換器の懸案事項をほぼ解決したもので
ある。すなわち本発明のニューラルネットによるダイナ
ミック量子化器はアナログ回路により実現でき、回路を
非常に容易に構成することが出来、並列処理が可能であ
る。また従来の相互結合型ニューラルネットでは実現が
困難であった入力値に対して適切な量子化を確実に行う
ことが出来ることを保証する。また並列処理を行うこと
により高速処理が可能であり、また結合荷重を変えるだ
けで様々な量子化に対応できるため汎化能力に優れてい
る。更に本発明は量子化器としてだけでなく最大値(最
小値)検出回路としての利用も可能である。このように
本発明のニューラルネットによるダイナミック量子化器
は結合荷重により様々な量子化および最大値検出等を行
うことが出来、非常に高い汎化能力を示す。
The present invention is a dynamic quantizer based on a neural network using an element having a hysteresis characteristic in each cell, and almost solves the problems of the conventional A / D converter based on an interconnected neural network. It was done. That is, the dynamic quantizer based on the neural network of the present invention can be realized by an analog circuit, the circuit can be very easily configured, and parallel processing is possible. It also guarantees that appropriate quantization can be reliably performed on input values that were difficult to achieve with conventional interconnected neural networks. In addition, high-speed processing can be performed by performing parallel processing, and various quantizations can be handled simply by changing the connection weight, so that the generalization ability is excellent. Further, the present invention can be used not only as a quantizer but also as a maximum value (minimum value) detection circuit. As described above, the dynamic quantizer using the neural network according to the present invention can perform various quantizations, maximum value detection, and the like by the connection weight, and has a very high generalization ability.

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

【図1】2値ヒステリシスを示す図である。FIG. 1 is a diagram showing binary hysteresis.

【図2】Sの大きさによる各セルの状態を示す図である
(図中丸印で示してあるのが各セルに平衡点。平衡点が
ヒステリシスの各枝上に存在していればその出力が切り
替わる可能性が無いため安定といい、切り替わる可能性
がある場合を不安定という)。
FIG. 2 is a diagram showing the state of each cell according to the size of S (the circles in the figure indicate the equilibrium point of each cell. If the equilibrium point exists on each branch of the hysteresis, its output is output). Is stable because there is no possibility of switching, and unstable when there is a possibility of switching).

【図3】各結合荷重が2のべき乗の場合の量子化例を示
す図であり、横軸が入力、縦軸が出力を表す。(N=
4,wj =2j-1,Th =1)
FIG. 3 is a diagram illustrating an example of quantization when each connection weight is a power of 2, where the horizontal axis represents input and the vertical axis represents output. (N =
4, w j = 2 j−1 , T h = 1)

【図4】各結合荷重が一様の場合の量子化例を示す図で
あり、横軸が入力、縦軸が出力を表す。(N=4,wj
=1,Th =1)
FIG. 4 is a diagram showing an example of quantization in a case where each connection weight is uniform, where the horizontal axis represents input and the vertical axis represents output. (N = 4, w j
= 1, T h = 1)

【図5】1入力に対し、2つの量子化出力値を持つ場合
の量子化例を示す図である。(N=4,w1 =1,w2
=3,w3 =5,w4 =7,Th =2)
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of quantization in a case where one input has two quantized output values. (N = 4, w 1 = 1, w 2
= 3, w 3 = 5, w 4 = 7, Th = 2)

【図6】本システムを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the present system.

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 結合されたセルの量子化出力と重みとの
積和値を、入力変数量にダイナミックに近づけるダイナ
ミック量子化手段と、前記各セルにおいて自己結合を持
たせることにより入力変数量に対応する量子化レベル数
を1個以上にするヒステリシス手段を有することを特徴
とするニューラルネットによるダイナミック量子化器。
1. A dynamic quantization means for dynamically bringing a sum of products of a quantized output and a weight of a combined cell close to an input variable amount, and providing a self-coupling in each of the cells to obtain an input variable amount. A dynamic quantizer using a neural network, comprising a hysteresis means for setting the number of corresponding quantization levels to one or more.
【請求項2】 前記ダイナミック量子化手段は入力変数
量をu、各セル出力値をyi、各セル出力値に対する重
みをWiとすると、出力yiと重みWiとの積和と入力
変数量uとの比較を行い、その差が最小となるようにダ
イナミック動作を行なうことを特徴とする請求項1記載
のニューラルネットによるダイナミック量子化器。
2. The dynamic quantizing means, where u is an input variable, yi is a cell output value, and Wi is a weight for each cell output value, and the product sum of the output yi and the weight Wi and the input variable u 2. The dynamic quantizer according to claim 1, wherein a dynamic operation is performed so as to minimize the difference.
【請求項3】 量子化レベル数を請求項2記載の重みW
iの大きさにより制御できることを特徴とする請求項1
記載のニューラルネットによるダイナミック量子化器。
3. The weight W according to claim 2, wherein the number of quantization levels is
2. The method according to claim 1, wherein the control can be performed by the magnitude of i.
A dynamic quantizer using the described neural network.
【請求項4】 請求項2記載の重みWiの大きさを2の
べき乗に設定すると入力変数量が各セルの2値出力に2
進数展開された形となることを特徴とする請求項1記載
のニューラルネットによるダイナミック量子化器。
4. When the magnitude of the weight Wi according to claim 2 is set to a power of 2, the input variable amount becomes 2 in the binary output of each cell.
2. The dynamic quantizer using a neural network according to claim 1, wherein the dynamic quantizer is in a form of a base number expansion.
【請求項5】 請求項2記載の重みWiの符号が全て同
じであることを特徴とする請求項1記載のニューラルネ
ットによるダイナミック量子化器。
5. The dynamic quantizer according to claim 1, wherein the signs of the weights Wi in claim 2 are all the same.
【請求項6】 量子化幅を各セルが有するヒステリシス
特性のヒステリシス幅により制御できることを特徴とす
る請求項1記載のニューラルネットによるダイナミック
量子化器。
6. The dynamic quantizer according to claim 1, wherein the quantization width can be controlled by the hysteresis width of the hysteresis characteristic of each cell.
【請求項7】 請求項6記載のヒステリシス幅の制御に
より、ある入力に対し複数の量子化結果を有することを
特徴とする請求項1記載のニューラルネットによるダイ
ナミック量子化器。
7. The dynamic quantizer according to claim 1, wherein the control of the hysteresis width according to claim 6 has a plurality of quantization results for a certain input.
【請求項8】 前記複数の量子化結果すなわち複数の平
衡状態が系に存在する時、状態変数により収束する平衡
状態を選択出来る手段を有する請求項1記載のニューラ
ルネットによるダイナミック量子化器。
8. The dynamic quantizer based on a neural network according to claim 1, further comprising means for selecting an equilibrium state that converges according to a state variable when the plurality of quantization results, that is, a plurality of equilibrium states exist in the system.
【請求項9】 請求項8記載の平衡状態選択機能により
最大値(または最小値)選択回路として動作させること
が可能であることを特徴とする請求項1記載のニューラ
ルネットによるダイナミック量子化器。
9. A dynamic quantizer based on a neural network according to claim 1, wherein said dynamic quantizer can be operated as a maximum value (or minimum value) selection circuit by the equilibrium state selection function according to claim 8.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180129211A (en) * 2017-05-25 2018-12-05 삼성전자주식회사 Method and apparatus for quantizing data in a neural network

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