Опубликован: 27.07.2006 | Доступ: свободный | Студентов: 5714 / 1222 | Оценка: 4.37 / 4.06 | Длительность: 13:49:00
ISBN: 978-5-9556-0049-9
Специальности: Программист
Лекция 13:

Когнитрон

< Лекция 12 || Лекция 13: 12345 || Лекция 14 >
Аннотация: В лекции рассматривается архитектура, процедура обучения и функционирование когнитрона. Описан пример функционирования четырехслойного когнитрона распознавания образов.

Люди решают сложные задачи распознавания образов с обескураживающей легкостью. Двухлетний ребенок без видимых усилий различает тысячи лиц и других объектов, составляющих его окружение, несмотря на изменение расстояния, ракурса, перспективы и освещения.

Может показаться, что изучение этих врожденных способностей должно упростить задачу разработки компьютера, повторяющего способности человека к распознаванию. Ничто не может быть более далеким от истины. Сходство и различия образов, являющиеся очевидными для человека, пока ставят в тупик даже наиболее сложные компьютерные системы распознавания. А значит, бесчисленное количество важных приложений, в которых компьютеры могут заменить людей в опасных, скучных или неприятных работах, по-прежнему остаются за пределами текущих возможностей вычислительной техники.

Компьютерное распознавание образов пока больше напоминает искусство; научная составляющая ограничена наличием нескольких методик, имеющих относительно небольшое практическое применение. Инженер, конструирующий типовую систему распознавания образов, обычно начинает с распознавания печатного текста. Такой метод часто является неадекватным проблеме, и старания разработчиков быстро сводятся к разработке алгоритмов, узкоспецифичных для их личной задачи.

Обычно целью конструирования систем распознавания образов является оптимизация ее функционирования над выборочным набором образов. Очень часто разработчик завершает эту задачу нахождением нового, приблизительно похожего образа, что приводит к неудачному завершению алгоритмов. Процесс может продолжаться неопределенно долго и никогда не приводить к устойчивому решению, достаточному для повторения процесса восприятия реального мозга.

К счастью, мы имеем существующее доказательство, что задача может быть решена: это система восприятия человека. Учитывая ограниченность успехов, достигнутых в результате стремления к механистическим изобретениям, кажется вполне логичным вернуться к биологическим моделям и попытаться определить, каким образом они функционируют так хорошо. Очевидно, что это трудно сделать по нескольким причинам. Во-первых, сверхвысокая сложность человеческого мозга затрудняет понимание принципов его устройства: нелегко понять общие принципы функционирования и взаимодействия приблизительно 10^{11} нейронов и 10^{14} синаптических связей. Кроме того, существует множество проблем при проведении экспериментальных исследований. Микроскопические исследования требуют тщательно подготовленных образцов (заморозка, срезы, окраска) для получения маленького двумерного взгляда на большую трехмерную структуру. Техника микропроб позволяет провести анализы внутренней электрохимии узлов, однако трудно контролировать одновременно большое количество узлов и наблюдать их взаимодействие. Наконец, этические соображения запрещают многие важные исследования, которые могут быть выполнены только на живых людях. Большое значение имели эксперименты над животными, однако животные не обладают способностями человека описывать свои впечатления.

Несмотря на эти ограничения, многое было изучено благодаря блестяще поставленным экспериментам. Например, С.Блекмор описал опыт, когда котята выращивались в визуальном окружении, состоящем только из горизонтальных черных и белых полос. Известно, что определенные области коры мозга чувствительны к углу ориентации, поэтому у этих котов не развились нейроны, распознающие вертикальные полосы. Результат наводит на мысль, что мозг млекопитающих не является полностью "предустановленным" даже на примитивном уровне распознавания ориентации линий. Напротив, он постоянно самоорганизуется, основываясь на опыте.

На микроскопическом уровне обнаружено, что нейроны обладают как возбуждающими, так и тормозящими синапсами. Первые стремятся к возбуждению нейрона, вторые подавляют возбуждение. Это наводит на мысль, что мозг адаптируется либо изменением воздействия синапсов, либо созданием или разрушением синапсов в результате воздействия окружающей среды. Данное предположение остается пока гипотезой с ограниченным физиологическим подтверждением. Однако исследования, проведенные в рамках этой гипотезы, привели к созданию цифровых моделей, некоторые из которых показывают замечательные способности к адаптивному распознаванию образов.

Основываясь на текущих знаниях анатомии и физиологии мозга, разработан когнитрон, гипотетическая модель системы восприятия человека. Компьютерные модели продемонстрировали впечатляющие способности адаптивного распознавания образов, побуждая физиологов исследовать соответствующие механизмы мозга. Это взаимно усиливающее взаимодействие между искусственными нейронными сетями, физиологией и психологией может оказаться средством, которое со временем позволит понять механизмы деятельности мозга.

< Лекция 12 || Лекция 13: 12345 || Лекция 14 >