讓計算機「看清」一顆球,需要幾步?丨智言智語

2020-08-10 中科院之聲

編者按: 智顯未來,洞見新知。中科院之聲與中國科學院自動化研究所聯合開設「智言智語」科普專欄,為你介紹人工智慧相關知識與故事,從最新成果到背後趣聞,帶你徜徉AI空間,看人工智慧如何喚醒萬物,讓世界變得更美好 。

如果有人朝你扔過來一個球,通常你會怎麼辦?——當然是馬上把它接住。

這個問題是不是很簡單?但實際上,這一過程是最複雜的處理過程之一:首先,在複雜的背景環境下,球進入人的視野,被視網膜捕捉到後,經視覺通路發送到大腦處理視覺信息的腦區,進行更加徹底的圖像分析。同時,視皮層與其他腦區協作,判斷物體的種類,預測它的行進軌跡,最終通過傳出神經控制肌肉的運動,決定人的下一步行動:舉起雙手、接住球。上述過程只在零點幾秒內發生,幾乎完全是下意識的行為,也很少會出差錯。

為了讓計算機模仿這一過程,首先需要讓計算機做到像人類那樣「看」,尤其是在嘈雜背景下像人類那樣快速準確的「看」,成為了近年來視覺感知這一研究領域備受關注的關鍵問題之一。日前,自動化所聽覺模型與認知計算團隊模仿刻畫視聽覺系統神經元側向作用的數學模型動態神經場,將其與脈衝神經網絡(SNN)相結合,嘗試實現這一目標,構建出具有噪聲魯棒性的仿生計算模型——LISNN。

SNN是一類使用比人工神經網絡更擬合生物神經元機制的模型來進行計算的神經網絡,最初由Wolfgang Maass於1997年提出。

相較於生物體內其他細胞,神經元和一些肌細胞具有可興奮膜。膜上有負責維持和調控膜內外的離子濃度差的特殊結構,使得膜兩側帶有不同的電荷,形成電位差。多數情況下,膜電位處於能使電場作用和擴散作用平衡的靜息狀態。

神經元受到刺激,膜電位發生變化並超過閾值後,膜對離子的通透性快速改變,引發膜電位變化。電位反轉到最大值後,膜對離子的通透性再次改變,膜電位回復至靜息電位。可興奮膜受到刺激產生動作電位,這種脈衝形式的信息在生物神經系統中傳遞,使神經系統能夠完成其最基本的功能。

脈衝神經元模擬的就是生物神經元的這類過程,不僅使得由其構成的網絡具有更加低的能耗,還使得網絡具有更強的生物合理性,能更方便地與生物學中發現的機制相結合,就比如生物神經系統中的側向作用機制。

在生物神經系統的感受器中存在著臨近神經元間的相互抑制和相互激勵。其中,側向抑制最初為解釋馬赫帶效應而提出,即人們在明暗變化邊界上常常會在亮處看到一條更亮的光帶而在暗區看到一條更暗的線條(見圖1)。這種側向作用後來在鱟(鱟的複眼由許多小眼組成,小眼之間由側向神經相互聯繫,較易觀測側向抑制現象) 、貓等多種動物的不同感覺系統中被證實並應用在仿生的計算模型中。

圖1 馬赫帶效應示意(圖引wiki)

LISNN的結構如圖2所示,前端是兩層具有卷積感受野的脈衝神經元層,每層後面有一層平均池化層,後端是兩層全連接的脈衝神經元層。具有卷積感受野的脈衝神經元在模型中承擔特徵提取的功能,類似於感受器的作用,因此只在這層結構中使用側向作用。在側向作用機制下,每個脈衝神經元的膜電位都額外受鄰域內的其他神經元上一時刻狀態的影響。在目前已有的使用側向作用的計算模型中,側向作用係數往往是固定的和神經元間距離相關的函數,而LISNN中的側向作用係數則可以通過反向傳播進行學習。

圖2 LISNN模型結構示意圖

在靜態數據集MNIST與Fashion MNIST、動態數據集N-MNIST上的實驗表明,與傳統的神經網絡算法相比,所提算法能取得較好的性能並自然地實現對噪聲幹擾的抗性,具有一定理論研究價值和工程實用價值。

參考文獻:

Xiang Cheng, Yunzhe Hao, Jiaming Xu, Bo Xu. LISNN: Improving Spiking Neural Networks with Lateral Interactions for Robust Object Recognition. IJCAI, 2020.

來源:中國科學院自動化研究所

相關焦點

  • 打造一顆雷射雷達需要幾步?
    想完成一顆雷射雷達需要分幾步? 1. 搭建一套體積足夠小的脈衝式雷射測距系統; 2. 重複搭建測距系統,並根據特定規則將它們進行空間排列; 3. 增加一套電機帶動測距系統進行 360°旋轉; 4.
  • 搞清太陽系的年齡需要幾步?
    第一步,找到這個家族中最年長的成員;第二步,確定這位成員的生辰;第三步,嗯……檢查前兩步是否做對了。如果這三步都確認無誤了,那麼這位成員的生辰應該就最接近這個家族的誕生日了。其實想要搞清太陽系的年齡也是同理:首先要找出太陽系這個包羅眾多天體的大家族中最年長的天體,或者最年長的一塊物質,然後想辦法得出它的年齡。這件事說起來容易,做起來卻並不簡單。
  • 丨智言智語
    中科院之聲與中國科學院自動化研究所聯合開設「智言智語」科普專欄,為你介紹人工智慧相關知識與故事,從最新成果到背後趣聞,帶你徜徉AI空間,看人工智慧如何喚醒萬物,讓世界變得更美好 。隨著近年來音視頻生成技術的不斷發展,「虛擬主播」逐漸走入人們視野。
  • 丨智言智語
    中科院之聲與中國科學院自動化研究所聯合開設「智言智語」科普專欄,為你介紹人工智慧相關知識與故事,從最新成果到背後趣聞,帶你徜徉AI空間,看人工智慧如何喚醒萬物,讓世界變得更美好 。 圖靈獎是美國計算機協會於1966年設立的,又叫"A.M.圖靈獎",專門獎勵那些對計算機事業作出重要貢獻的個人。
  • 如何寫好文獻綜述,這幾步需要弄清楚
    事實上寫文獻綜述之前,這幾步同學們需要弄清楚。寫好文獻綜述需要明白的幾點問題第一點:確定題目,知道自己想寫什麼。誠然,有著一顆學習進取之心值得鼓勵,但重要的還是要掌握好學習方法。如果能把文獻綜述寫作基本功練紮實,相信同學們在今後的論文寫作當中會更加遊刃有餘。
  • NASA揭開銀河系中心區域神秘面紗,核球竟然是一顆「花生」?
    神奇的是,銀河系的核球竟然是一顆花生形狀的,「花生」裡的恆星還有獨特的運營軌道……出品:"SELF格致論道講壇"公眾號(ID:SELFtalks)以下內容為中國科學院上海天文臺沈俊太演講實錄:大家好,我是來自中科院上海天文臺的沈俊太,非常高興來到SELF講壇。今天我想給大家講一講關於銀河系的一些事情。這是一張星空的照片。
  • 廣東話百科:幾步腳(「幾步腳」是什麼意思?)
    廣東話百科:幾步腳  點樣讀:  幾步腳(gei bou goek)  乜意思:  「幾步腳」是「幾步」的意思,通常指路程很近。圖片來源:視覺中國  點造句:  你等我一陣,我仲有幾步腳就到。(你等我一下,我還有幾步就到。)
  • 「把知識裝進大腦」需要分幾步?這波操作666→
    「把知識裝進大腦」需要分幾步?小男生一臉真誠全程無實物表演似乎真的「把知識裝進腦袋裡」了視頻來源:封面新聞男孩的這個舉動逗笑了無數網友網友:這波操作儀式感滿滿來源:央視新聞原標題:《「把知識裝進大腦」需要分幾步
  • 復活恐龍分幾步?
    克隆技術就是其中最為璀璨的一顆明珠。需要哪幾步呢?Step 1 找到並提取恐龍的DNA任何生物都有自己的遺傳信息。關於生命體所有的信息都被保存在DNA中。提取得到某個動物所特有的完整DNA遺傳信息是克隆技術的關鍵。
  • 給動物稱重一般需要幾步?
    狓在測量後即將分娩給動物稱重一般需要幾步動物園裡的矮種山羊非常想念人類,自從動物園關閉後,管理員們需要給它們額外的關注,每天要耐心的撫摸它們。
  • 一顆「金屬球」,洩露小行星「心」事
    這顆被科學家「估值」1000萬萬億美元的靈神星還有個特別之處——很可能是一顆完全由鐵和鎳組成的「金屬球」。為什麼會存在一顆完全由金屬「打造」的小行星?小行星中的金屬從何而來?帶著這些問題,科技日報記者專訪了中國科學院紫金山天文臺行星科學與深空探測實驗室副研究員趙玉暉。
  • 將100個球組成牛頓擺,當第一顆球砸下去後,實在是太刺激了!
    將100個球組成牛頓擺,當第一顆球砸下去後,實在是太刺激了!對物理比較感興趣的朋友,應該都曾經了解過牛頓派,這是一個19世紀60年代發明的桌面演示裝置,由五個質量相同的球體由吊球固定,彼此緊密排列,當擺動最右側的球,並在回擺時碰撞,緊密排列的另外四個球,最左邊的球就會被彈出去,而且只有最左邊的球被彈出。
  • 恆星的「鬼見愁」,超新星要摧毀恆星,總共分幾步?
    圖解:下降中的球進行動量傳遞。通過掉落的橡膠球展示引力反彈的原理,以及如何引起超新星爆炸,同時還說明了為什麼在這類爆炸中總是會留下一個核心。(公有領域圖片,來源:克里斯多福·貝爾德)超新星不會完全摧毀一顆恆星,超新星爆炸的猛烈程度堪稱宇宙之首。但它們不像炸彈爆炸一樣,炸掉原炸彈的每一點。相反,當一顆恆星爆炸成超新星時,它的核心會存活下來。正如美國宇航局所解釋的那樣,超新星爆炸是由引力反彈效應,而不是由化學反應引起的。
  • 從「嫦娥五號」上天再看流浪地球,把地球流浪宇宙,總共分幾步?
    ,如果把整顆地球發射出太陽系,總共要分幾步?電影中一個非常重要的道具就是臺方向球駕駛的巨型運輸車輛,這輛車的作用就是給行星發動機運輸燃料。那麼這燃料是什麼,電影中稱呼它為「火石」。電影中描述的行星發動機的原理為重元素聚變,通俗的來說,類似於一種可控的核聚變,但是釋放出來的能量比核聚變更強。可控核聚變技術由於需要高溫高壓的方式將原子聚合,現階段該技術仍在進行實驗探索中。
  • 量子計算機讓時間倒流?你先讓猴子寫出莎士比亞詩篇
    這條經驗定律很容易幫助理解時間之箭,如果比作撞球開球,一個球去撞擊一堆球,球會四散開來變得更加混亂,時間也不會倒流。如果沒有熱力學第二定律,其他的物理定律還是可以讓這些球回歸原位,可這恰恰違反了熱力學第二定律。
  • tplink無線路由器設置幾步快速上網
    如何快速搭建家裡的WiFitp link無線路由器無線路由器的設置方法tp link無線路由器設置tp link無線路由器設置|登陸篇先將tp link無線路由器的電源接好,然後用網線將無線路由器的LAN口與計算機的網口連接上,再用網線將無線路由器的WAN口與寬帶貓或光纖貓連好。之後,找到tp link無線路由器的,一般會在設備的底部銘牌上看到。
  • 超級計算機模擬了一顆超新星爆炸300天後
    這三位研究人員想研究超新星,因為他們認為這可能給他們提供宇宙中第一顆超新星的線索,以及早期元素是如何產生的。在早期宇宙中,恆星往往質量更大,因此可能有更多的超新星。但超新星現在極為罕見。所以他們轉向超級計算機模擬。
  • 浮球液位開關在選型時需要注意的幾個事項
    浮球液位開關如何選型,在選擇浮球液位開關時要注意哪些?答:浮球液位開關是一款用於液位測量的儀表,在選型的,需要注意的是測量的介質、溫度、壓力這三個參數,浮球液位開關對於測量溫度有著限制,像高溫型的浮球液位開關,也只能耐200度。
  • 嫦娥四號飛到月球需要幾步
    嫦娥四號飛到月球主要分四步走。第一步為發射入軌段,實現嫦娥四號升空入軌,器箭分離;第二步為地月轉移段,實現嫦娥四號進入地月轉移軌道;第三步為近月制動段,在地月轉移軌道高速飛行的衛星減緩速度,完成「太空剎車減速」,建立正常姿態,被月球的引力所吸引;第四步為環月飛行段,嫦娥四號環繞月球軌道飛行,實現環月降軌,最後著陸月球。
  • 《球球英雄》給你不一樣的遊戲體驗
    只要種下帶有防禦力的植物或是蘿蔔,等著幾秒時間升級,攻擊力就更強,防禦力也隨之提升,這樣就能消滅前往家園路上的怪物了。而消除遊戲也同樣是喜聞樂見,特別是媽媽輩或是小朋友們,十分青睞這類遊戲,只要點擊相同色塊達到一定數量就能消除掉。但是你想過塔防+消除+合成嗎?《球球英雄》正是這樣一款三者歸一的競技遊戲。