Construção e análise de rede neural convolucional com neurônios pulsados para classificação de imagens

• Ano de defesa: 2022
• Autor(a) principal: Silva Junior, Edvaldo Castro da
• Tipo de documento: Dissertação
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Classificação de imagens; Convolutional neural network; Image classification; Neurônios pulsados; Rede neural convolucional; Spiking neurons
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/59/59143/tde-22112022-152337/

O objetivo principal desta dissertação foi construir uma implementação da rede neural convolucional pulsada com neurônios integra-e-dispara proposta por Kheradpisheh et al. em 2018 para a tarefa de classificação de imagens e investigar as consequências de variações em alguns parâmetros de arquitetura da rede no seu desempenho. A rede em questão tem a seguinte arquitetura: (i) uma camada de entrada que recebe a imagem, aplica a ela um kernel de diferença de gaussianas e gera o trem de pulsos que codifica as características da imagem no domínio temporal; (ii) uma sequência de camadas de convolução e de pooling alternadas, constituídas de neurônios pulsados; e (iii) uma camada de pooling global utilizada na fase de classificação, cuja saída é usada para treinar um perceptron multicamadas. Estudos experimentais com redes neurais biológicas mostram que o processamento neural possui um forte componente estocástico, tornando a análise de modelos que incluem estocasticidade um estudo relevante para o entendimento da atividade cerebral. Assim, além dos estudos com a versão determinística da rede, também foram feitos experimentos com neurônios integra-e-dispara estocásticos. As camadas convolucionais foram treinadas segundo uma regra simples de plasticidade dependente do tempo de disparo (STDP, do inglês spike timing dependent plasticity), um mecanismo de aprendizado não supervisionado fisiológico que tende a fortalecer sinapses entre neurônios cujos disparos são temporal e causalmente correlacionados. As camadas de pooling adicionam invariância ao modelo, condensando informações em espaços menores. Por fim, o perceptron multicamadas informa a qual classe a imagem de entrada pertence. Para cada caso estudado, o comportamento e a exatidão da rede na tarefa de classificação foram registrados e analisados. Apesar dos resultados inferiores em comparação com redes neurais convolucionais pulsadas no estado da arte, a rede desenvolvida neste trabalho apresentou bom desempenho para três bancos de dados de imagens conhecidos. Isso indica que a rede desenvolvida é promissora e pode ter seu desempenho melhorado se configurada com um conjunto de parâmetros adequado e intuitivamente alcançável.