{"id":109833,"date":"2011-04-07T00:00:00","date_gmt":"2011-04-07T00:00:00","guid":{"rendered":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/sin-categoria\/analisis-diseno-e-implementacion-de-sistemas-neuromorficos-basados-en-pulsos-para-el-procesado-de-informacion-de-retinas-artificiales\/"},"modified":"2011-04-07T00:00:00","modified_gmt":"2011-04-07T00:00:00","slug":"analisis-diseno-e-implementacion-de-sistemas-neuromorficos-basados-en-pulsos-para-el-procesado-de-informacion-de-retinas-artificiales","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.deberes.net\/tesis\/redes-neuronales\/analisis-diseno-e-implementacion-de-sistemas-neuromorficos-basados-en-pulsos-para-el-procesado-de-informacion-de-retinas-artificiales\/","title":{"rendered":"An\u00e1lisis, dise\u00f1o e implementacion de sistemas neurom\u00f3rficos basados en pulsos para el procesado de informaci\u00f3n de retinas artificiales"},"content":{"rendered":"<h2>Tesis doctoral de <strong> Francisco De As\u00eds G\u00f3mez Rodr\u00edguez <\/strong><\/h2>\n<p>La visi\u00f3n artificial engloba una serie de t\u00e9cnicas cuyo objetivo \u00faltimo es que una m\u00e1quina \u00c2\u00bfentienda\u00c2\u00bf la informaci\u00f3n visual, que pueda \u00c2\u00bfpercibir\u00c2\u00bf. Los t\u00e9rminos \u00c2\u00bfentender\u00c2\u00bf y \u00c2\u00bfpercibir\u00c2\u00bf est\u00e1n \u00edntimamente ligados a los conceptos de consciencia e inteligencia, es por ello que la visi\u00f3n por computador no deja de ser un subcampo de la inteligencia artificial. Esta relaci\u00f3n ha hecho que desde sus comienzos los estudiosos de la visi\u00f3n artificial hayan utilizado la naturaleza como ejemplo, imit\u00e1ndola en lo posible. Sin embargo, desde el principio nos encontramos con grandes diferencias entre los sistemas naturales y artificiales, siendo una de las m\u00e1s significativas c\u00f3mo se representa la informaci\u00f3n visual en cada uno de estos sistemas. En los sistemas artificiales tradicionales la informaci\u00f3n visual viene dada por una secuencia de fotogramas que representan un muestreo, con un periodo fijo, de la realidad; en los sistemas naturales no es f\u00e1cil determinar c\u00f3mo es dicha representaci\u00f3n de la realidad, pero parece claro que no puede estar basada en fotogramas, m\u00e1s bien debe fluir de forma continua. Desde hace unos a\u00f1os la comunidad cient\u00edfica ha abordado mecanismos alternativos de representaci\u00f3n visual (tobi delbruck et al. 2010). Aunque esto en s\u00ed mismo puede no parecer importante, lo cierto es que abre nuevas alternativas para abordar los problemas de la visi\u00f3n artificial y resolverlos de forma, cuando menos, diferente; por no decir de forma m\u00e1s eficaz. las nuevas retinas artificiales con salida pulsante son un ejemplo de sistemas que pretenden imitar a la naturaleza en lo que se refiere a su funcionamiento y a la representaci\u00f3n de la informaci\u00f3n visual. Este trabajo se apoya en estas retinas para buscar lo mismo que la visi\u00f3n artificial: que una m\u00e1quina \u00c2\u00bfentienda\u00c2\u00bf qu\u00e9 est\u00e1 viendo.  Evidentemente nuestra pretensi\u00f3n con este trabajo no es resolver el paradigma de la inteligencia y la consciencia, aqu\u00ed estudiaremos y buscaremos nuevos mecanismos para hacer lo mismo que se suele hacer con im\u00e1genes tipo fotogramas pero con representaci\u00f3n pulsante, comprobando qu\u00e9 posibilidades tienen estas t\u00e9cnicas y qu\u00e9 ventajas presentan.  es importante indicar desde el primer momento que aunque los resultados que perseguimos con esta tesis son los cl\u00e1sicos de la visi\u00f3n artificial, los m\u00e9todos que se utilizan en este trabajo no son una mera trasposici\u00f3n de los utilizados en dicha disciplina.  Dos de los objetivos cl\u00e1sicos en la visi\u00f3n artificial son el reconocimiento de objetos o patrones y el seguimiento de los mismos. Es evidente que estos objetivos son compartidos por el presente trabajo, pero, a diferencia de muchos otros, aqu\u00ed se va a tratar desde el primer momento con una representaci\u00f3n pulsante de la informaci\u00f3n, la cual vamos a procesar con un hardware espec\u00edfico, usando nuevos m\u00e9todos, sin ser transformada en fotogramas en ning\u00fan momento. Como es natural para visualizar los resultados y comprobarlos se har\u00e1 uso de los fotogramas en ciertas etapas, sobre todo en las finales, pero esto es s\u00f3lo a modo de comprobaci\u00f3n. por tanto, en esta tesis se presenta un conjunto de celdas neurom\u00f3rficas  para el procesamiento de informaci\u00f3n visual procedente de retinas artificiales. Se propone adem\u00e1s una estructura u organizaci\u00f3n jer\u00e1rquica o en cascada del procesamiento. Y se pretende aportar ideas, desarrollos e implementaciones que permitan dar un nuevo paso en la construcci\u00f3n de sistemas neurom\u00f3rficos, con el fin de arrojar un poco de luz a la pregunta de si es posible construir sistemas artificiales que se asemejen en prestaciones, consumo energ\u00e9tico y complejidad a los sistemas neuronales biol\u00f3gicos.  1.1.\t    Motivaciones las motivaciones para la realizaci\u00f3n de este trabajo se pueden dividir en tres tipos, las cient\u00edficas, las personales y las relacionadas con los proyectos  en los que est\u00e1 o ha estado implicado el autor del presente trabajo dentro del grupo de investigaci\u00f3n de rob\u00f3tica y tecnolog\u00eda de computadores de la universidad de sevilla (rtc-us) . Evidentemente las motivaciones cient\u00edficas son las importantes y las que en \u00faltima instancia se fusionan con las otras dos, siendo en su conjunto lo mismo.  la principal motivaci\u00f3n cient\u00edfica para realizar esta tesis es buscar sistemas de visi\u00f3n artificial cada vez m\u00e1s perfectos, explorando nuevos mecanismos. En este sentido desde hace unos a\u00f1os se dispone, a trav\u00e9s de otros grupos de investigaci\u00f3n internacionales socios en diversos proyectos, de retinas artificiales pulsantes. Sin embargo, el procesado de dicha informaci\u00f3n apenas ha sido desarrollado y tratado, es precisamente esta carencia la que ha llevado a la realizaci\u00f3n del presente trabajo.  en cuanto a las motivaciones personales, analizando la trayectoria profesional del autor se percibe las inquietudes por el dise\u00f1o y construcci\u00f3n de sistemas de visi\u00f3n artificial. Como proyecto final de carrera present\u00f3 un sistema para la detecci\u00f3n de obst\u00e1culos en sillas de ruedas usando c\u00e1maras ccd (en 1999), que le sirvi\u00f3 para trabajar como becario en el departamento de ingenier\u00eda de sistemas y autom\u00e1tica de la universidad de sevilla en el grupo de investigaci\u00f3n visi\u00f3n, rob\u00f3tica y control (desde 1999 a 2003), donde estuvo involucrado en diversos proyectos (nacionales y europeos) cuyo objetivo principal era la detecci\u00f3n y seguimiento de incendios forestales usando c\u00e1maras en el espectro visible e infrarrojo. Posteriormente se uni\u00f3 al grupo rob\u00f3tica y tecnolog\u00eda de computadores de la universidad de sevilla (en 2003) donde, hasta la fecha, realiza su labor investigadora en diversos proyectos relacionados con sistemas de visi\u00f3n neurom\u00f3rficos. en cuanto a las motivaciones derivadas de las necesidades de los proyectos del grupo de investigaci\u00f3n, a continuaci\u00f3n se muestran los proyectos en los que ha participado como investigador desde el a\u00f1o 2003:  \u00c2\u00bf\tproyecto europeo caviar: convolution aer  vision architecture for real-time (2002 -2006). El objetivo de este proyecto fue el desarrollo de chips y placas electr\u00f3nicas para demostrar la viabilidad de un sistema de visi\u00f3n basado en aer, desde el sensado, pasando por el procesado, hasta los actuadores. \u00c2\u00bf\tproyecto nacional victor: visi\u00f3n por computador en tiempo real (2001-2004).  En este proyecto se dise\u00f1a la conexi\u00f3n de un bus aer a un computador digital mediante interfaz pci. \u00c2\u00bf\t proyecto nacional samanta: sistema de visi\u00f3n multi-chip address-event-representation para plataforma rob\u00f3tica (2004-2006). El objetivo de este proyecto para el grupo rtc fue el dise\u00f1o e implementaci\u00f3n de m\u00f3dulos de interconexi\u00f3n aer con sistemas rob\u00f3ticos digitales. \u00c2\u00bf\t proyecto nacional samanta ii: sistema de visi\u00f3n multi-chip address-event-representation para plataforma rob\u00f3tica ii (2006-2009) y proyecto andaluz brain system (2007-2010). En estos proyectos se continu\u00f3 la labor realizada en samanta. \u00c2\u00bf\tproyecto nacional vulcano: visi\u00f3n ultra-r\u00e1pida por eventos y sin fotogramas. Aplicaci\u00f3n a automoci\u00f3n y rob\u00f3tica cognitiva antropomorfa (2010-2012). El objetivo de este proyecto es dar los pasos necesarios para desarrollar un conjunto de demostradores, validando las t\u00e9cnicas basadas en aer en el sensado y procesado de visi\u00f3n y actuaci\u00f3n mec\u00e1nica para aplicaciones interesantes en el sector industrial. cabe destacar que en todos estos proyectos ha colaborado el instituto de microelectr\u00f3nica de sevilla del consejo superior de investigaciones cient\u00edficas (imse-csic), y en el proyecto europeo caviar particip\u00f3, entre otros, el institute of neuro informatics de zurich (ini-etzh).  en el presente trabajo, se hace uso de dos desarrollos realizados bajo el amparo de estos proyectos, la plataforma llamada usb-aer board inteface, desarrollada por el rtc-us, que ser\u00e1 usada como plataforma hardware en las implementaciones que se aportan. Tambi\u00e9n se hace uso de la retina artificial desarrolla por el ini-etzh llamada retdiff128. De ambos sistemas pueden encontrarse descripciones m\u00e1s adelante.  por lo tanto podemos afirmar que la presente tesis es el fruto de a\u00f1os de trabajo en los sistemas de visi\u00f3n artificial, tanto desde el enfoque cl\u00e1sico basado en el uso de sensores ccd y computadores, como desde un enfoque neurom\u00f3rfico con el uso de hardware espec\u00edfico. Adem\u00e1s podemos concluir que si bien las necesidades de los proyectos de investigaci\u00f3n en los que el doctorando se ha involucrado han moldeado este trabajo, la idea primigenia de contribuir al desarrollo de sistemas de visi\u00f3n artificial constituye el n\u00facleo del mismo. 1.2.\tObjetivos como se ha indicado anteriormente, el objetivo principal de la tesis es el abordar nuevos sistemas de procesado visual basados en la representaci\u00f3n pulsante de las im\u00e1genes. Se pretende estudiar diferentes posibilidades sin perder la perspectiva \u00faltima que nos ofrece la naturaleza en los sistemas neuronales biol\u00f3gicos. Tambi\u00e9n es objetivo de esta tesis implementar y probar en la realidad los nuevos sistemas que se proponen. Para realizar las pruebas pertinentes y que adem\u00e1s los nuevos m\u00e9todos que perseguimos sean aprovechables en el futuro desde un punto de vista industrial, \u00e9stos deben poderse implementar de forma sencilla con los elementos que disponemos actualmente en el mercado. Es por este motivo que se ha optado por utilizar una plataforma hardware basada en fpga . Por otra parte el procesado visual puede ser muy amplio, es por ello que este trabajo se centra en dos paradigmas cl\u00e1sicos en la visi\u00f3n artificial, el seguimiento y localizaci\u00f3n de objetos y el reconocimiento de patrones, pero siempre con un procesado pulsante directo. En s\u00edntesis, podemos considerar que el objetivo principal de este trabajo es la obtenci\u00f3n de nuevos mecanismos de procesado de la visi\u00f3n basado en pulsos para el seguimiento de objetos y reconocimiento de patrones, y la implementaci\u00f3n de los mismos con sus correspondientes pruebas. conviene definir de manera clara y concisa los objetivos que persigue esta tesis. Se agrupan en generales y espec\u00edficos. objetivos generales indudablemente esta tesis se puede enmarcar en el amplio campo cient\u00edfico de los sistemas de inteligencia artificial, y dentro de \u00e9ste en el de los sistemas neurom\u00f3rficos. Los objetivos generales, por tanto, est\u00e1n encaminados a aportar un poco de luz sobre las posibilidades de los sistemas neurom\u00f3rficos, y la viabilidad de estos para formar parte de sistemas de m\u00e1s alto nivel en la estructura cognitiva; y son: 1.\tExplorar la posibilidad de implementaci\u00f3n de sistemas de visi\u00f3n artificial neurom\u00f3rfico 2.\tAportar luz a la pregunta de si es posible procesar informaci\u00f3n que viene codificada en pulsos, ya sea en frecuencia de pulsos o en pulsos temporales precisos. 3.\tEstudiar la viabilidad de uso de sistemas digitales en la construcci\u00f3n de sistemas neurom\u00f3rficos, campo patrimonializado por los sistemas basados en electr\u00f3nica anal\u00f3gica, en los \u00faltimos tiempos. 4.\tY en un sentido amplio aportar pistas para contestar preguntas sobre las ventajas del uso de eventos en la representaci\u00f3n de im\u00e1genes; sobre el papel que juegan los eventos en el transporte de la informaci\u00f3n en la computaci\u00f3n; sobre la conveniencia de la codificaci\u00f3n en frecuencia de pulsos o en pulsos temporalmente preciso; y sobre la complejidad, adaptabilidad y aprendizaje en redes de neuronas pulsantes. objetivos espec\u00edficos dado lo amplio e incluso ambicioso de los objetivos generales, conviene fijar unos objetivos m\u00e1s concretos y tangibles con los que acercarse a los primeros: 1.\tDefinir una arquitectura para el procesado de informaci\u00f3n retino-m\u00f3rfica, usando una retina artificial concreta, en este caso la desarrollada por el ini y llamada retdiff128. 2.\tUsar el paradigma neurom\u00f3rfico, es decir, imitar a la naturaleza en todo lo posible, incluyendo aspectos como el funcionamiento interno y externo; resolviendo los mismos problemas y de la misma forma. 3.\tSeguir de manera simult\u00e1nea varios objetos en movimiento ofreciendo las posiciones relativas de los mismos en el plano de \u00c2\u00bfimagen\u00c2\u00bf del sensor. 4.\tObtener par\u00e1metros del movimiento de los objetos, tales como velocidad, aceleraci\u00f3n etc. 5.\tDetectar patrones sencillos en la forma de los objetos, tales como orientaciones o formas simple, imitando el funcionamiento y la labor de ciertas neuronas de la corteza visual (detalles sobre el sistema visual pueden ser encontrados m\u00e1s adelante). 6.\tDise\u00f1ar circuitos electr\u00f3nicos que implementen las funcionalidades antes descritas. 7.\tRealizar una implementaci\u00f3n hardware de los circuitos dise\u00f1ados con los siguientes requisitos: a.\tLa implementaci\u00f3n no debe incluir ning\u00fan computador convencional en el n\u00facleo del procesado. b.\tLa implementaci\u00f3n debe ser realizable y realista, modular y que permita demostrar emp\u00edricamente la viabilidad de la construcci\u00f3n de sistemas neurom\u00f3rficos. c.\tLa implementaci\u00f3n debe poder interactuar con la retina artificial, permitiendo la construcci\u00f3n de un sistema de sensado y procesado completo. 1.3.\tEstructura de la tesis esta tesis se articula en 8 cap\u00edtulos:  cap\u00edtulo 1: el presente, dedicado a introducir las motivaciones, los objetivos y la estructura.  cap\u00edtulo 2: dedicado a repasar algunos de los fundamentos de los sistemas neurom\u00f3rficos, a estudiar el sistema visual, y por \u00faltimo a realizar un repaso del estado de los desarrollos neurom\u00f3rficos actuales basados en aer.  cap\u00edtulo 3: detalla las celdas propuestas para el seguimiento de objetos, obteniendo la posici\u00f3n de objetos en movimiento y estimando la velocidad de los mismos.  cap\u00edtulo 4: presenta la celda que realiza la detecci\u00f3n de patrones visuales en los objetos.  cap\u00edtulo 5: contiene una visi\u00f3n general del sistema propuesto, sus diferentes alternativas y las aplicaciones de cada una de ellas.  cap\u00edtulo 6: describe la implementaci\u00f3n hardware de los desarrollos expuestos en los cap\u00edtulos anteriores, haciendo uso de la plataforma usb-aer.  cap\u00edtulo 7: dedicado a las pruebas y experimentos realizados sobre la implementaci\u00f3n hardware del sistema.  y por \u00faltimo cap\u00edtulo 8: relata las aportaciones y las conclusiones a las que se pueden llegar a la vista de este trabajo, as\u00ed como los trabajos futuros.<\/p>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3>Datos acad\u00e9micos de la tesis doctoral \u00ab<strong>An\u00e1lisis, dise\u00f1o e implementacion de sistemas neurom\u00f3rficos basados en pulsos para el procesado de informaci\u00f3n de retinas artificiales<\/strong>\u00ab<\/h3>\n<ul>\n<li><strong>T\u00edtulo de la tesis:<\/strong>\u00a0 An\u00e1lisis, dise\u00f1o e implementacion de sistemas neurom\u00f3rficos basados en pulsos para el procesado de informaci\u00f3n de retinas artificiales <\/li>\n<li><strong>Autor:<\/strong>\u00a0 Francisco De As\u00eds G\u00f3mez Rodr\u00edguez <\/li>\n<li><strong>Universidad:<\/strong>\u00a0 Sevilla<\/li>\n<li><strong>Fecha de lectura de la tesis:<\/strong>\u00a0 04\/07\/2011<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n<h3>Direcci\u00f3n y tribunal<\/h3>\n<ul>\n<li><strong>Director de la tesis<\/strong>\n<ul>\n<li>Gabriel Jimenez Moreno<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<li><strong>Tribunal<\/strong>\n<ul>\n<li>Presidente del tribunal: Juan Lopez coronado <\/li>\n<li>Jorge  Luis Falco  boudet (vocal)<\/li>\n<li>Fernando D\u00edaz del rio (vocal)<\/li>\n<li>anton Civit balcells (vocal)<\/li>\n<\/ul>\n<\/li>\n<\/ul>\n<p>&nbsp;<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"<p>Tesis doctoral de Francisco De As\u00eds G\u00f3mez Rodr\u00edguez La visi\u00f3n artificial engloba una serie de t\u00e9cnicas cuyo objetivo \u00faltimo es 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