可在傳感器內(nèi)計(jì)算的新視覺系統(tǒng)

視覺是我們最重要的感官之一。在過去的十年中，受生物啟發(fā)的機(jī)器視覺得到了迅速的發(fā)展，以至于人工系統(tǒng)可以從圖像和視頻中“看到”有價(jià)值的信息，盡管人類的視覺仍然有效得多。Mennel等人在《自然》雜志上發(fā)表的文章報(bào)道了一種視覺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該視覺系統(tǒng)與大腦一樣，可以訓(xùn)練以納秒為單位對(duì)簡(jiǎn)單圖像進(jìn)行分類。

現(xiàn)代圖像傳感器，如數(shù)碼相機(jī)中的圖像傳感器，是基于半導(dǎo)體（固態(tài)）技術(shù)，在20世紀(jì)70年代初發(fā)展起來的；它們分為兩種主要類型，即電荷耦合器件和有源像素傳感器。這些傳感器可以忠實(shí)地從環(huán)境中捕獲視覺信息，但會(huì)生成大量冗余數(shù)據(jù)。通常將大量的光學(xué)信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字電子格式，然后傳遞到計(jì)算單元進(jìn)行圖像處理。

在傳感器和處理單元之間產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)移動(dòng)導(dǎo)致延遲（延遲）和高功耗。隨著成像速度和像素?cái)?shù)量的增長(zhǎng)，帶寬限制使得很難將所有信息迅速地發(fā)送回中央或基于云的計(jì)算機(jī)，以便進(jìn)行實(shí)時(shí)處理和決策，這對(duì)于諸如無人駕駛汽車、機(jī)器人或工業(yè)制造等延遲敏感應(yīng)用尤其重要。

一個(gè)更好的解決方案是將一些計(jì)算任務(wù)轉(zhuǎn)移到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)外部邊緣的感知設(shè)備上，減少不必要的數(shù)據(jù)移動(dòng)。而且，由于傳感器通常會(huì)產(chǎn)生模擬（連續(xù)變化）輸出，模擬處理比數(shù)字處理更可?。罕娝苤?，模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換非常耗時(shí)耗力。

為了模仿大腦對(duì)信息的有效處理，受到生物學(xué)啟發(fā)的神經(jīng)形態(tài)工程采用了一種計(jì)算架構(gòu)，該架構(gòu)具有高度互連的元素（神經(jīng)元，通過突觸連接），可以進(jìn)行并行計(jì)算（圖1a）。這些人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過迭代從周圍的環(huán)境中學(xué)習(xí)，例如：學(xué)習(xí)在顯示已知示例后對(duì)事物進(jìn)行分類（監(jiān)督學(xué)習(xí)），或從輸入數(shù)據(jù)中識(shí)別對(duì)象的特征結(jié)構(gòu)而無需額外信息（監(jiān)督學(xué)習(xí)）。在學(xué)習(xí)過程中，算法會(huì)反復(fù)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并增強(qiáng)或削弱網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)突觸，直到達(dá)到最佳設(shè)置。

圖1 |在視覺傳感器內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，實(shí)現(xiàn)智能，高效的預(yù)處理。a，在傳統(tǒng)的人工智能（AI）視覺傳感器中，從光響應(yīng)傳感器收集信號(hào)，將其從模擬形式轉(zhuǎn)換為數(shù)字形式（ADC，模數(shù)轉(zhuǎn)換器），放大后作為輸入提供給外部人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）-互連計(jì)算單元（圓圈）的層，可以調(diào)整其連接，從而可以訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)執(zhí)行諸如圖像分類之類的任務(wù)。ANN的輸入層接收編碼簡(jiǎn)單物理元素（此處由點(diǎn)和線表示）的信號(hào)；在隨后的層中，這些被優(yōu)化為中級(jí)特征（簡(jiǎn)單形狀）；并在輸出層（3D形狀）上形成精細(xì)的圖像?？傮w響應(yīng)可能很慢且耗能。b，Mennel等人［3］報(bào)告了一種系統(tǒng)，其中芯片上的互連傳感器（正方形）不僅可以收集信號(hào)，而且還可以作為ANN來識(shí)別簡(jiǎn)單特征，從而減少了傳感器和外部電路之間的冗余數(shù)據(jù)移動(dòng)。

Mennel和同事直接在他們的圖像傳感器中實(shí)現(xiàn)了一個(gè)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在芯片上，他們構(gòu)建了一個(gè)光電二極管網(wǎng)絡(luò)——微小的光敏元件，每一個(gè)都由幾個(gè)鎢二硒化物原子層組成。這種半導(dǎo)體對(duì)光的響應(yīng)可以通過改變外加電壓來增加或減少，因此每個(gè)二極管的靈敏度可以單獨(dú)調(diào)諧。實(shí)際上，這將使光傳感器網(wǎng)絡(luò)變成一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（圖1b），并允許它執(zhí)行簡(jiǎn)單的計(jì)算任務(wù)。改變光電二極管的光響應(yīng)度會(huì)改變網(wǎng)絡(luò)中的連接強(qiáng)度——突觸重量。因此，該設(shè)備結(jié)合了光學(xué)傳感和神經(jīng)形態(tài)計(jì)算。

作者將光電二極管排列成9個(gè)像素的正方形陣列，每個(gè)像素有3個(gè)二極管。當(dāng)圖像投射到芯片上時(shí)，產(chǎn)生、組合和讀取各種二極管電流。硬件陣列提供了一種模擬計(jì)算形式：每個(gè)光電二極管產(chǎn)生一個(gè)與入射光強(qiáng)度成比例的輸出電流，根據(jù)基爾霍夫定律（電路中電流的一個(gè)基本規(guī)則），所得電流沿行或列求和。

然后訓(xùn)練陣列執(zhí)行任務(wù)。芯片外分析陣列產(chǎn)生的電流與預(yù)測(cè)電流（如果陣列對(duì)圖像做出正確響應(yīng)，對(duì)于給定任務(wù)，將產(chǎn)生的電流）之間的差異，并用于調(diào)整下一個(gè)訓(xùn)練周期的突觸重量。這個(gè)學(xué)習(xí)階段占用了時(shí)間和計(jì)算資源，但是，一旦訓(xùn)練好，芯片就會(huì)快速地執(zhí)行設(shè)定的任務(wù)。

使用不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，作者證明了兩個(gè)神經(jīng)形態(tài)函數(shù)。第一種是分類：他們的3?×?3像素?cái)?shù)組可以將圖像分類為對(duì)應(yīng)于三個(gè)簡(jiǎn)化字母的三個(gè)類中的一個(gè)，從而以納秒為單位確定它是哪一個(gè)字母。這個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)只是一個(gè)概念的證明，如果陣列尺寸增大，可以擴(kuò)展到識(shí)別更復(fù)雜的圖像。

第二個(gè)功能是自動(dòng)編碼：即使在存在信號(hào)噪聲的情況下，傳感器陣列中的計(jì)算也可以通過學(xué)習(xí)圖像的關(guān)鍵特征來生成處理圖像的簡(jiǎn)化表示。編碼版本只包含最基本的信息，但可以解碼以重建接近原始的圖像。

這項(xiàng)前沿技術(shù)可以用于實(shí)際應(yīng)用之前，還有許多工作要做。用于自動(dòng)駕駛車輛和機(jī)器人的神經(jīng)形態(tài)視覺系統(tǒng)將需要捕獲具有三個(gè)維度并具有廣闊視野的動(dòng)態(tài)圖像和視頻。當(dāng)前使用的圖像捕獲技術(shù)通常將3D現(xiàn)實(shí)世界轉(zhuǎn)換為2D信息，從而丟失運(yùn)動(dòng)信息和深度。現(xiàn)有圖像傳感器陣列的平面形狀也限制了廣角相機(jī)的發(fā)展。

作者描述的設(shè)備很難在昏暗的光線下成像。需要重新設(shè)計(jì)以改善薄半導(dǎo)體中的光吸收并增加可以檢測(cè)到的光強(qiáng)度范圍。此外，所報(bào)道的設(shè)計(jì)需要高電壓并消耗大量功率。相比之下，在生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，每項(xiàng)操作的能耗為亞飛焦耳級(jí)（10-15至10-13焦耳）。擴(kuò)展對(duì)紫外線和紅外光的響應(yīng)，以捕獲可見光譜中不可用的信息也是有用的。

所使用的薄半導(dǎo)體難以在大面積上均勻地生產(chǎn)，并且難以加工，因此它們可以與硅電子器件集成在一起，例如用于讀出或反饋控制的外部電路。使用這些傳感器的設(shè)備的速度和能源效率將不取決于圖像捕獲過程，而是取決于傳感器和外部電路之間的數(shù)據(jù)移動(dòng)。而且，盡管傳感器計(jì)算單元在模擬域中收集和計(jì)算數(shù)據(jù)，減少了模數(shù)轉(zhuǎn)換，但是外圍電路仍然遭受其他固有延遲的困擾。傳感器和外部電路將需要共同開發(fā)，以減少整個(gè)系統(tǒng)的等待時(shí)間。

Mennel及其同事的“傳感器中計(jì)算”系統(tǒng)應(yīng)激發(fā)對(duì)人工智能（AI）硬件的進(jìn)一步研究。幾家公司已經(jīng)開發(fā)了基于硅電子產(chǎn)品的AI視覺芯片，但是這些芯片的固有數(shù)字架構(gòu)會(huì)導(dǎo)致延遲和電源效率問題。

更廣泛地講，作者的策略不僅限于視覺系統(tǒng)。它可以擴(kuò)展到用于聽覺，觸覺，熱感或嗅覺的其他物理輸入。此類智能系統(tǒng)的開發(fā)以及5G快速無線網(wǎng)絡(luò)的到來，應(yīng)會(huì)在將來允許進(jìn)行實(shí)時(shí)邊緣（低延遲）計(jì)算。

原文標(biāo)題：新的視覺系統(tǒng)可以在傳感器內(nèi)計(jì)算，無需將信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字格式

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