НЕОКОГНИТРОН

В попытках улучшить когнитрон была разработана мощная парадигма, названная неокогнитрон [5-7]. В то время как когнитрон и неокогнитрон имеют определенное сходство, между ними также существуют фундаментальные различия, связанные с эволюцией исследований авторов. Оба образца являются многоуровневыми иерархическими сетями, организованными аналогично зрительной коре. В то же время неокогнитрон более соответствует модели зрительной системы, предложенной в работах [10-12]. В результате неокогнитрон является намного более мощной парадигмой с точки зрения способности распознавать образы независимо от их преобразований, вращений, иска­жений и изменений масштаба. Как и когнитрон, неокогнитрон использует самоорганизацию в процессе обучения, хотя была описана версия [9], в которой вместо этого использовалось управляемое обучение. Неокогнитрон ориентирован на моделирование зри­тельной системы человека. Он получает на входе двумер­ные образы, аналогичные изображениям на сетчатой обо­лочке глаза, и обрабатывает их в последующих слоях аналогично тому, как это было обнаружено в зрительной коре человека. Конечно, в неокогнитроне нет ничего, ограничивающего его использование только для обработки визуальных данных, он достаточно универсален и может найти широкое применение как обобщенная система распоз­навания образов. В зрительной коре были обнаружены узлы, реагиру­ющие на такие элементы, как линии и углы определенной ориентации. На более высоких уровнях узлы реагируют на более сложные и абстрактные образы такие, как окружнос­ти, треугольники и прямоугольники. На еще более высоких уровнях степень абстракции возрастает до тех пор, пока не определятся узлы, реагирующие на лица и сложные формы. В общем случае узлы на более высоких уровнях получают вход от группы низкоуровневых узлов и, следо­вательно, реагируют на более широкую область визуального поля. Реакции узлов более высокого уровня менее зависят от позиции и более устойчивы к искажениям.

Структура

Неокогнитрон имеет иерархическую структуру, ориен­тированную на моделирование зрительной системы челове­ка. Он состоит из последовательности обрабатывающих слоев, организованных в иерархическую структуру (рис. 10.8). Входной образ подается на первый слой и передается через плоскости, соответствующие последующим слоям, до тех пор, пока не достигнет выходного слоя, в котором идентифицируется распознаваемый образ.

Структура неокогнитрона трудна для представления в виде диаграммы, но концептуально проста. Чтобы подчерк­нуть его многоуровневость (с целью упрощения графичес­кого представления), используется анализ верхнего уров­ня. Неокогнитрон показан состоящим из слоев, слои со­стоят из набора плоскостей и плоскости состоят из уз­лов.

Слои. Каждый слой неокогнитрона состоит из двух массивов плоскостей (рис. 10.9). Массив плоскостей, содержащих простые узлы, получает выходы предыдущего слоя, выделяет определенные образы и затем передает их в массив плоскостей, содержащих комплексные узлы, где они обрабатываются таким образом, чтобы сделать выде­ленные образы менее позиционно зависимыми.

Плоскости. Внутри слоя плоскости простых и комп­лексных узлов существуют парами, т.е. для плоскости простых узлов существует одна плоскость комплексных узлов, обрабатывающая ее выходы. Каждая плоскость может быть визуально представлена как двумерный массив.

Простые узлы. Все узлы в данной плоскости простых узлов реагируют на один и тот же образ. Как показано на рис. 10.10, плоскость простых узлов представляет массив узлов, каждый из которых «настраивается» на один специ­фический входной образ. Каждый простой узел чувствите­лен к ограниченной области входного образа, называемой его рецептивной областью. Например, все узлы в верхней плоскости простых узлов на рис. 10.10 реагируют на С. Узел реагирует, если С встречается во входном образе и если С обнаружено в его рецептивной области. На рис. 10.10 показано, что другие плоскости прос­тых узлов в этом слое могут реагировать на поворот С на 90°, другие на поворот на 180° и т.д. Если должны быть выделены другие буквы (и их искаженные версии), допол­нительные плоскости требуются для каждой из них. Рецептивные области узлов в каждой плоскости простых узлов перекрываются с целью покрытия всего входного образа этого слоя. Каждый узел получает входы от соответствующих областей всех плоскостей комплексных узлов в предыдущем слое. Следовательно, простой узел реагирует на появление своего образа в любой сложной плоскости предыдущего слоя, если он окажется внутри его рецептивной области.

Рис. 10.10. Система неокогнитрона.

Комплексные узлы. Задачей комплексных узлов явля­ется уменьшение зависимости реакции системы от позиции образов во входном поле. Для достижения этого каждый комплексный узел получает в качестве входного образа выходы набора простых узлов из соответствующей плоскос­ти того же слоя. Эти простые узлы покрывают непрерывную область простой плоскости, называемую рецептивной об­ластью комплексного узла. Возбуждение любого простого узла в этой области является достаточным для возбужде­ния данного комплексного узла. Таким образом, комплекс­ный узел реагирует на тот же образ, что и простые узлы в соответствующей ему плоскости, но он менее чувствителен к позиции образа, чем любой из них. Таким образом, каждый слой комплексных узлов реа­гирует на более широкую область входного образа, чем это делалось в предшествующих слоях. Эта прогрессия возрастает линейно от слоя к слою, приводя к требуемому уменьшению позиционной чувствительности системы в це­лом.

Обобщение

Каждый нейрон в слое, близком к входному, реагиру­ет на определенные образы в определенном месте, такие, как угол с определенной ориентацией в заданной позиции. Каждый слой в результате этого имеет более абстрактную, менее специфичную реакцию по сравнению с предшеству­ющим; выходной слой реагирует на полные образы, показы­вая высокую степень независимости от их положения, размера и ориентации во входном поле. При использовании в качестве классификатора комплексный узел выходного слоя с наибольшей реакцией реализует выделение соответ­ствующего образа во входном поле. В идеальном случае это выделение нечувствительно к позиции, ориентации, размерам или другим искажениям.

Вычисления

Простые узлы в неокогнитроне имеют точно такие же характеристики, что и описанные для когнитрона, и ис­пользуют те же формулы для определения их выхода. Здесь они не повторяются. Тормозящий узел вырабатывает выход, пропорциональ­ный квадратному корню из взвешенной суммы квадратов его входов. Заметим, что входы в тормозящий узел идентичны входам соответствующего простого узла и область включа­ет область ответа во всех комплексных плоскостях. В символьном виде