A simple example of feedforward neural network and image recognition

Introduction

The new field, in which I’ve stepped a little bit is image processing or image recognition. This field has some similarities with the previous field (signal processing) and so it was not so difficult to try something new.

Today, we’re going to review a simple application, which I’ve written for my lab as a bonus for the final mark. The objection of the application is to recognize the areas in the picture, which has the most trees (the greenest ones). All the code can be downloaded here, especially, if you’re good in analyzing codes, the further description of this method is not necessarily to read in order to understand how everything works.

Method

Firstly, we take a picture for training. Originally, images are 1000×1000 pixel size, but because I’m poor and my computer does not have lots of power and memory capacity, the image size is scaled by 0.40. The image size after the scale is 400×400 pixels.

Sample image

Next step is to use a sliding window (not sliding window protocol) to analyse the image. Basically, it is the same sliding window method, as for one dimensional signal, but this time, the samples are taken in two dimensions. The matlab implementation is extremely easy:

for i=2:size(I, 1)-1
 clear j;
 for j=2:size(I, 2)-1
   Id(k,:) = I(j-1:j+1,i-1:i+1,:);
   k = k + 1;
 end
end

The code illustrates the use of 3×3 sliding window. The variable I is the image itself and because it is an RGB image, the selected window has three dimensions. The most important information from the image for the forest discovery problem is the green color, so the identification can be done by this feature. What we can do is not to save all RGB information of the window, but just green color information:

for i=2:size(I, 1)-1
  clear j;
  for j=2:size(I, 2)-1
    Id(k) = mean(mean(I(j-1:j+1,i-1:i+1,2)))/9;
    k = k + 1;
  end
end

Using this code, we can work only with one dimensional feature data, not 27 dimensional data (as would be, using all RGB information).

Next problem is the uncertainty then the window sees the forest and then it is something else. Doing this by hand would be some sort of suicidal work, which could take ages to complete.. But there is a solution! It’s called the k-means clustering algorithm. What KM does, it divides the data by means. Logically, the green color mean of the forest area would be bigger.

It matlab it is realized quite simply:

IDX = kmeans(Id,2);

And this is it. The function returns the labels of the data of KM clusters.

The KM algorithm is sometimes a little bit random, for example – first time, doing KM it can label most green zones as 1, and not so green zones as 2. Do it again and the labels would be turned around. How well KM performed the clustering solution can be tested only after classification, then the `forest` would be recognized. If you see, that the algorithm does not work as good as it suppose to – you need to run it again, to give KM algorithm one more chance (okay, maybe not only one chance, but it is still better, than manually labeling data).

The next step, after KM is to separate original data, which we will need to train our Artificial Neural Network (FeedForward Neural Network (FFNN)), to do classification.

P1 = Id(IDX==1,:);
P2 = Id(IDX==2,:);
number = min(size(P1), size(P2));
number = number(1);

Here, P1 has one cluster of data, and P2 has the other. We’re searching with data cluster has less data, because the training algorithm require, that number of data samples in training set of both data clusters would be the same.

Next step is to train our super-awesome (and slow) FFNN with 10 hidden neurons (the number of neurons was chosen just randomly):

net = feedforwardnet(10);
P = [ P1(1:number,:); P2(1:number,:) ]';
T = [ zeros(1,number) ones(1,number) ];
net = train(net, P, T);

This can take some time.. The final algorithm does training using 4 different pictures of pictures. The classification tests was done using other 15 pictures. Here is some examples of classification done by this algorithm:

Acceptable classification result

Not acceptable classification result

On the left side of illustrations, there is an original image, in the middle there is classification result, and on the right side the mapped data. As we can see, the classification sometimes is done quite good, but sometimes is fails completely.

This algorithm requires more work (and more powerful computer to run on), but as a starting point it is quite good. The possible features to extract may be also mean of yellow color (to classify out roads).

Conclusion

In this article, a simple image processing example is shown and discussed. As a feature to recognize the forest and not forest areas, the mean of green color was used. No dimensional reduction algorithm was used, because only one dimension is used. The data labeling was done using k-means clustering algorithm, which showed quite good results, but it is not recommended to use it for some very important tasks. This time it was more for fun, than for production. The classification was done, using FeedForward Neural Network (FFNN).

The complete code can be downloaded here. Just extract and run `lab_10`. After some time, you must see the same images, as shown in this short example.

Changing the language

For a particular reason, my whole blog was entirely in Lithuanian language.

Starting from today, every single post will be in English. The possible reasons:

  1. English is a language of internets;
  2. English provides the possibility to extend the audience;
  3. (This is a good opportunity to get used writing in English, because my English writing skills are quite terrible);

Pamąstymai apie slankiojančio lango signalų analizavimo metodą

Geriausios mintys kyla tuomet, kai darai ką nors visiškai pašalinio – šiuo atveju besėdint prie visiškai intelektro nereikalaujančio kompiuterinio žaidimo, kilo įdomi mintis kaip galima praplėsti slankiojančiu langu pagrįsta signalų analizavimo sistemą.

Visa idėja remiasi kintamo ilgio slankiojančiu langu (tiksliau jo ilgis kinta tik signalo analizavimo pradžioje), o toliau lieka pastovus. Taip galima praplėsti analizuojamo signalo ilgį, išsaugant mažą reakcijos laiką. Idėja dar reikalauja darbo, tačiau pačią pradžią jau galima publikuoti.

Tikiu, kad jau kažkas iki manęs apturėjo ir aprašė šitą idėja, tačiau vistiek ją aprašiau, kad nepamest.

Kadangi wordpress sistema yra labai, labai nedraugiška grafikams ir lygčių rašymui, nusprendžiau viską aprašyti LaTeX pagalba ir tiesiog patalpinti savo rašliavų interneto kampelyje.

Popierių galite atsisiųsti iš čia.

Įžanga į Paslėptą Markovo modelį (skaidrės)

Šį kart trumpa prezentacija apie Paslėptą Markovo modelį, su trupučiu matematikos.

Skaidrėse pristatomi mašininio apmokymo tipai, parodyta pavyzdinė savybių erdvė, aptariamas Markovo procesas, Markovo grandinė, apibūdinti Paslėpto Markovo modelio parametrai, apžvelgiamas Viterbi kelio radimo algoritmas.

Viskas paruošta nėra super-idealiai, dėl didelio akademinio užimtumo. Skaidrės yra daugiau kaip špargalkė kalbai, negu kaip mokomoji priemonė. Mokomajai priemonei reikia knygas rašyti. Skaidres galite peržiūrėti slideshare, arba atsisiųsti pdf formatu.

Vektoriaus palaikymo mašina

Kažkodėl nusprendžiau, kad seniai berašiau įrašų, kurių niekas nesuprato. Šiandien su plačia tauta norėčiau pasidalinti maža teorijos ir praktikos samprata apie Support Vector Machine (SVM) (lietuviškai galima versti įvairiai, tačiau, kadangi niekur jokio vertimo nerandu, tai sugalvojau savo variantą – Vektoriaus palaikymo mašina); Labiausiai man patiko Christopher J.C. Burgers parašytas įvadas “A Tutorial on Support Vector Machines for Pattern Recognition“. Nors, aišku, galite bandyti skaityti originalų Vapnik straipsnį “An overview of statistical learning theory“. Ten daugiau matematikos, bet ir aišku mažiau.

Įžanga

SVM sprendžia klasifikavimo problemas. Turim tam tikrą savybių erdvę ir mums reikia toje savybių erdvėje gražiai `padalinti` duomenis. SVM genialumas yra tai, kad jis naudoja pačius `duomenis` duomenų praskyrimo erdvei rasti. Daug žada, ne?

Gražioji pusė

Pavyzdį galima paimti iš wiki.

Grafike X_1 ir X_2 suformuoja dvi dimensijas, kur SVM ieško linijinio jų tarpusavio prasiskyrimo. Ryškiau apibrėžti tuščiaviduriai taškai ir pilkai apvesti juodi taškai yra ne kas kitas kaip palaikymo vektoriai. Tai jie pagrindinė priežastis kodėl įmanomas toks duomenų prasiskyrimas. Labai nesigilinant į SVM matematiką (ribinės klaidos radimas ir kt.), tai mes turime dvi linijines lygtis. Viskas ko mums reikia, tai rasti dvi linijinės funkcijas. Mums šiuo klausimu dar padeda ir ta sąlyga, kad nagrinėjamos lygtis turi būti viena kitai lygiagrečios. Nėra jokio Gauso (NaiveBayes), nėra jokios gausios ir gan sunkios matematikos PMM (HMM) atveju. Juk nuostabu, ne? Iš teigiamų savybių galima paminėti ir išgirtą jo naudojimą izoliuotų raidžių atpažinime. Yra pateikiamas net visas projektas su kodu (.NET) (dėl .NET jo net nežiūrėjau).

Negražioji pusė

Tačiau SVM turi ir blogų savybių. Kas nutiks, jeigu po apmokymo, testavimo fazėje savybių erdvėje koks nors taškas pateks tarp dviejų linijų? SVM neturi jokio Gauso (bent jau originalas), todėl atsakymo paprasčiausiai nebus. Kokia loginė funkcija tai gali paaiškinti? Kur `uncertainty` principas? Sekantis SVM trūkumas – tai jo įvairumas. Jeigu prisiminti mokyklinę matematiką, tai visos matematinės plokštumos ir figūros kaip tik ir prasidėdavo tašku ir tiese. Taip pat ir SVM atveju – galime prigalvoti begalės jo variantu ir ieškoti tinkamo iki kol pati saulė sudegs. Žinoma, yra keli populiarūs, oficialiai naudojami sprendimai. Kita neigiama savybė – SVM sugebėjimas vienu laiko momentu klasifikuoti tik du duomenų debesis savybių danguje. Yra, tiesa, neblogas popierius šia tema. Siūlau pasiskaityti, kada nors. Iš praktikos dar galima paminėti, kad SVM apmokymas yra labai lėtas ir nervų reikalaujantis procesas. Stebuklus su juo galima daryti ir neturint baigtinį dimensijų skaičių, tačiau `gyvai` treniruoti klasifikatoriaus tiesiog neįmanoma.

Išvados

Taip ir nesupratau kodėl SVM tapo toks populiarus. Yra geresnių ir greitesnių klasifikavimo metodų (kad ir stebuklingas PMM (HMM), nors ir reikia turėti baigtinį dimensijų skaičių). Reiks gal kada parašyti įžangą į SVM lietuvių kalba. Tiek, trumpai.

Kas iš tikrųjų yra Paslėptas Markovo modelis

Įžanga

Truputi pamankštinęs rankas prie Paslėpto Markovo modelio, galiu pasidalinti ne teoriniais samprotavimas apie nagrinėjamą modelį, o apie konkretų įrankį, kuris veikia ir veikia pakankamai gerai.

Paslėptas Markovo Modelis ir kiti klasifikatoriai

Jeigu padaryti prielaidą, kad Paslėptas Markovo Modelis (PMM) yra klasifikatorius, tuomet palyginus su kitais klasifikatoriais – mes turime labai galingą įrankį.

Pradėkime nuo NaiveBayes klasifikatoriaus, kuris yra labai paprastas – n dimensijų Gauso pasiskirstymas. Kai gauname tašką erdvėje – tiesiog pažiūrime kiekvieno cluster tikimybes ir išrenkam tą cluster, kuris turi didžiausią tikimybę. Paprasta, greita ir pigu. Tačiau kas nutinka, kai du Gauso pasiskirstymai yra arti vienas kito, o taškai iš šaltinio gaunami tik per delta skirtumą tarp dviejų pasiskirstymų – klasifikatorius mėtysis tarp vieno ir kito cluster. Taip mes gauname labai mažą accuracy ir presition.

Support Vector Machine yra kiek sudėtingesnis variantas. SVM’as ieško papildomų dimensijų duomenims atskirti. Tai ypač pagelbėja, kai duomenis linijiniu būdu atskirti tiesiog nėra įmanoma. Geras pavyzdys – naudojant polynomial kernel trick. Pagrindinis SVM darbo arklys yra radial basis function. Tai tas pats Gausas. Mano praktikos metu, SVM’as tik truputi geriau dirbo, negu NaiveBayes klasifikatorius, o kaikuriais atvėjais – net blogiau. Dirbtinio intelekto sistemose, visgi, daug kas priklauso nuo application. Reikia išnagrinėti kokias savybes signalas turi savyje, ką duoda dimensijų mažinimas.

PMM turi vieną labai didelį pranašumą, palyginus su kitais nagrinėtais klasifikatoriais – jis turi savyje laiko informaciją. Matematiškai šnekant, tai kai mes turime du duomenų cluster, kurių variacijos kertasi – mes virš dviejų variacijų galime aprašyti dar vieną variacija, kuri aprašo įvykių tikimybes, kurias atspindi clusters. Taip galima kontroliuoti sąlygas, kurios aprašo įvykio pasikeitimą.

Jeigu nustatyti, kad perėjimo tikimybė tarp vieno ir kito įvykio yra labai maža, tai nors, jeigu ir naujas duomenų taškas bus ant kito Gauso pasiskirstymo – klasifikatorius vistiek neskubės persijungti prie kito įvykio.

Paprastas klasifikatorius

Pagerintas (PMM) klasifikatorius

Išvados

Paslėptas Markovo Modelis yra fantastiškas matematinis įrankis. Skirtingai nuo kitų klasifikatorių, jame lengvai gali būti saugoma bet kokia euristinė informacija apie nagrinėjamus duomenų clusters.

Kas yra `dimensijų mažinimas`

Nejaugi jų daugiau, negu trys ?

Įžanga

Niekad negalvojau, kad galėsiu sau užduoti panašios krypties klausimo, tačiau, tai vienas iš svarbiausių klausimų tiek Statistikoje, tiek Signalų apdorojime ir jį būtina spręsti.

Dimensijų mažinimas

Natūralūs klausimai perskaičius skyrelio antraštę – kas aplamai yra dimensijos ir kodėl jų būna daug? Kam aplamai reikalingas dimensijų mažinimas?

Kas gi yra dimensijos? Pirmiausiai Įsivaizduokite erdvę. Ir pradėkime nuo paprasčiausio fizikinio kūno – taško. Jį aprašyti nereikia visiškai jokių dimensijų. Sakoma, kad jis egzistuoja nulinėje dimensijoje. Vis dar toje pačioje erdvėje įdėkime naują tašką ir sujunkime tą tašką su ankstesniu. Ką gi mes turime – linija. Linija turi priklausomybę nuo ilgio, vadinasi liniją mes galime aprašyti viena dimensija. Dabar ištempkime tą liniją statmenai jos ilgiui. Gausime plokštumą, visų dviejų dimensijų plokštumą. Dabar ta plokštumą mes galime aprašyti ilgiu ir pločiu. Ištempkime mūsų plokštumą statmenai jos pagrindui. Gausime trijų dimensijų kūną, kurį galime aprašyti ilgiu, pločiu ir net aukščiu.

Iš tokio klasikinio pavyzdžio galime prieiti prie išvados, kad dimensijų skaičius – tai parametrų skaičius, kuriuo mes galime aprašyti mus dominančią erdvę. Jeigu mes norime kuo tiksliau ir kuo nuodugniau aprašyti erdvę – mes pasitelkiam vis daugiau parametrų jai aprašyti. Iš čia ir kyla besaikis dimensijų skaičius.

Kodėl mums reikalingas dimensijų mažinimas? Atsakymas yra paprastas – pabandykite įsivaizduoti 120 dimensijų erdvę. Asmeniškai pats galiu įsivaizduoti tik keturias dimensijas. Iš turimo ribotumo kyla būtinybė sumažinti dimensijų skaičių išsaugant erdvės savybes.

Logiškas ir kvailas atsakymas galėtų būti – “Numetam nereikalingas dimensijas ir paliekam tik pirmas tris”. Deja, tačiau taip mes galime pamatyti tik priklausomumą tarp pirmų trijų parametrų. Dimensijų mažinimas realiai sukuria naujus sistemos parametrus, pasiremiant ant senųjų ir išspaudžia mūsų duomenis į naują `savybių erdvę`.

Trumpai aptarkime dvi paprasčiausias ir dažniausiai naudojamas technikas.

Principinė komponentų analizė

PCA ( Principal Component Analysis, “Principinė komponentų analizė” ) tai yra dimensijų mažinimo technika, paremta kovariacijos matrica. PCA sukinėja kovariacijos matricą ir ieško kryptį, kurioje esama didžiausia duomenų variacija, t.y. kuria kryptimi duomenų yra daugiausiai. Po to, kai tokia kryptis buvo rasta, PCA paima statmenį rastai krypčiai ir ieško kuria kryptimi duomenų variacija didžiausia. Procesas kartojasi priklausomai nuo dimensijų skaičiaus.

Jeigu duomenys yra trimačiai – tuomet tokios kryptis bus trys, jeigu duomenys turi 120 dimensijų – krypčių bus tiek pat – 120. Įdomiausia tai, kad nors PCA ir paliko tiek pat dimensijų – realiai visi duomenys yra projektuojami tik pirmose dimensijose, t.y. didžiausią duomenų priklausomybę erdvėje galime pamatyti pirmose dimensijose.

Analizė linijiniu diskriminantu

LDA ( Linear Discriminant Analysis, “Analizė linijinių diskriminantu” ) tai yra dar viena dažai naudojama dimensijų mažinimo technika, paremta duomenų matricos vidurkiu skaičiavimu. LDA paima duomenų sritis, paskaičiuoja jų didžiausio vidurkio tašką ir sukalioja duomenis iki tol, kol vidurkiai nebus atskirti per maksimalų galima atstumą.

Pavyzdys

Užteks kalbų, metas ir pažiūrėti į kažką.

Tarkime mes turime du kiaušinius trijose dimensijose, kurie yra pasiskirstę pagal Gausą.

Po PCA atlikimo, PCA mums gražina kryptis, kuriomis yra didžiausia variacija.

Dabar mes jau turime kryptis, todėl galime suprojektuoti mūsų duomenis gautų krypčių atžvilgiu. Taigi, dviejuose dimensijose mūsų duomenys atrodo taip.

O taip mūsų duomenys atrodys vienoje dimensijoje.

Išvados

Dimensijų mažinimo klausimas liks aktualus visuomet. Egzistuoja labai daug būdų jų mažinimui. Paprastumo dėlei šiame įraše paminėjau tik du paprasčiausius linijinius būdus, tačiau egzistuoja ir gan sėkmingai dirba ir ne-linijiniai dimensijų mažinimo būdai, reikalaujantys žymiai daugiau skaičiavimo resursų.

Dėkojimai HSG-IMIT ir VGTU URD.

Latex #3

Įžanga

Kuomet norima pradėti rašyti su LaTeX, pradžioje yra išnagrinėjamos jo komandos ir, remiantis pavyzdžiais, pradedama rašyti paprasti dokumentai. Dabar norėčiau pasistūmėti nuo savo paskutinio įrašo apie LaTeX kiek toliau ir pasidalinti dokumento formatavimo su LaTeX patirtimi.

Dokumento struktūra, grafika ir tekstas

  1. Iliustracijai atvaizduoti visuomet naudokite \figure. Automatinis iliustracijų numeravimas vėliau jums labai atsipirks, kuomet reiks papildyti kokią iliustraciją dokumento pradžioje. Taip pat naudokite \figure ir kai norima atvaizduoti ne iliustraciją, o tarkim kokį grafiką ir netgi kodo fragmentą.
  2. Lentelėms sudaryti visuomet naudokite \table. Pradžioje bus truputi nepatogu surašinėti tiek daug teksto, norint atvaizduoti tik vieną lentelę, tačiau lentelės atvaizdavimas atrodys žymiai geriau ir tvarkingiau.
  3. Taip pat yra naudinga susidaryti dažniausiai naudojamų paketų sąrašą ir parašyti šabloninę latex bylą, kurioje būtų įtraukti visi tie paketai. Tai labai palengvina situacijas, kuomet reikia rašyti kelias ataskaitas toje pačioje srityje. Taip pat, sumažinama tikimybė kompiliavimo metu susidurti su kompiliavimo klaida ir garsiai nusikeikti.
  4. Kaip įmantriau, venkite naudoti `book` ir `report` dokumento tipus. `Book` dokumento tipas yra sunkiai keičiamas ir nėra toks lankstus, kaip tarkim `article` dokumento tipas. `Report` tipo dokumento tipas automatiškai sukuria titulinį puslapį, kurio stilius retai atitinka norimą variantą, todėl geriau naudoti `article` dokumento tipą, kuris leidžia rašyti norimo stiliaus titulinius puslapius. Vienintelis `article` tipo trūkumas: nėra \chapter tag’o. Tai didelė problema, kuomet tenka rašyti labai didelius darbus ir tiesiog neužtenka \subsubsection. Tokiose situacijose galima išsisukti naudojantis enumerate tipo sąrašu:
    \begin{enumerate}
      \item Tai kas netelpa į subsub
        Tolimesnis tekstas ...
      \item Ir paskutinis
        Tolimesnis tekstas ...
    \end{enumerate}
  5. Labai rekomenduoju pasinagrinėti pgfplots, tikz bibliotekų galimybes. Naudojant šitas bibliotekas galima visiškai atsisakyti būtinybės grafikus braižyti su kita programine įranga – net signalines laiko diagramas. Galimybių jos suteikia tikrai pakankamai. Pavyzdžiui, jeigu su kažkokia programine įranga sugeneravote duomenų sekas, tai užtenka kelių eilučių, norint atvaizduoti gautus duomenis ataskaitoje.
  6. Nebelieka būtinybės naudoti Excel’į ar kokią analoginę programinė įranga, norint sugeneruoti vieną kitą grafiką. Tokio metodo pagrindinis privalumas: kuomet pasikeičia duomenys – tereikia per naujo sugeneruoti latex bylą ir viskas – nauji duomenis atvaizduoti, kur Excel variantu reiktų jį atsidaryti, pakeisti duomenis, sugeneruoti grafiką, jį išsaugoti paveikslėlio formatu ir tik tuomet atnaujinti jį darbe.
  7. Tekstą rašyti geriausia yra ne teksto blokais, o `sakinys-eilutė` principu. Kuomet yra rašoma teksto blokais – klaidos taisymas paliks teksto bloke skylę arba teksto bloko eilutė tiesiog išsitęs. Rašant `sakinys-eilute` būdu, kiekviena klaida nepaliks didelių tarpų tarp teksto ir teksto redagavimas bus patogesnis, lengvesnis akims.

Išvados

Latex yra labai patogus sprendimas rašant tiek didelis, tiek mažus dokumentus. Šiuo metu net yra išleistas latex šablonas CV Europass formatui. Jeigu niekad nedirbot su Latex ir vis dar naudojate Office tipo programinius paketus, pažiūrėkit kokias galimybes suteikia Latex ir palyginkit su savo programine įranga.

Užtikrintos karjeros grafiko paaiškinimas

Neseniai pateikiau vieną tokį faktą, kurį pastebiu kiekvieną kartą, kai tik baigiasi studijų semestras. Ir kas kart, tas pastebėjimas vis paaštrėja. Taip kilo priklausomybės idėja.

Įžanga

Grafikas, kurį matote aukščiau, yra subtilus geek’ų humoras, kurį turbūt supras nedaug žmonių. Noriu iškarto pasakyti, kad sekanti iliustracija nėra kažkokia pašaipa ar kažkoks nusiskundimas kaip blogai yra universitete. Viskas visiškai ne taip. Ir viskas netgi atvirkščiai. Šiame įraše pabandysiu paaiškinti grafiko idėja ir galutinai apiforminti ką jis reiškia, kad neliktų nesupratusių.

Idėjos paaiškinimui pabandysiu iliustruoti paprastu uždaviniu, dviejų skaitmenų sudėtimi, sudėties operacija. Tarkim, kad ir 2+2. Kas gali būti paprasčiau, pasakysite Jūs. Tačiau, kai tik palysi giliau, viskas tampa ne taip ir paprasta.

Paskalis

Savo aiškinimą pradėsiu nuo mokyklos. Nuo žinių židinio, nuo pačios-pačios pradžios – paskalio. Tai iki istorinė programavimo kalba, kurią programavimo tik todėl, kad kitas pasirinkimas buvo tik asembleris ar fortranas ( nors aš turbūt geriau programuočiau asembleriu ).

Mūsų nagrinėjamos problemos sprendimas paskalio atveju atrodo taip:

program sudėtis;
  var suma : integer
begin
  suma := 2 + 2;
end;

Viskas kaip ir paprasta – apsibrėžėme kintamąjį, į kurį saugosime savo operacijos atsakymą. Kintamasis, šiuo atveju, yra fundamentalus dydis, su kuriuo programoje galime operuoti. Sumos operacija irgi yra fundamentalus operatorius, kadangi realiai procesorius ( o tiksliau jo ALĮ ( aritmetinis-loginis-įrenginys ) ) visiškai “nemoka” mums įprastas matematines operacijas.

Judėkime toliau, o tiksliau – giliau.

Asembleris

Kiekvienas programinis kodas, nesvarbu kokia programavimo kalba jis būtų parašytas – yra transliuojamas į mašininį kodą ir jo asemblerinį analogą ( *.lst ). Pabandykime dabar parašyti analogišką Paskaliui dviejų kintamųjų sudėties operacijos programą Intel’io 8051 mikro-kontroleriui. Tai senas, geras 4 KB kodo atminties turintis ir 128 B duomenų atminties turintis įrenginys, kurį kai kurie, vis dar naudoja. Kaip atrodys kodas:

	.ORG 0H		; programos pradzios adresas

	MOV A, #2D	; perkeliam 2 i ACC
	ADDC A, #2D	; prie ACC pridedam 2

	.END		; susirenkam zaislus ir einam namo

Šiuo atveju, mes jau operuojame su konkrečiu įrenginiu – ACC registru, akumuliatoriumi, tik su kuriuo iki-istoriniai procesoriai galėjo atlikti aritmetines operacijas ( tik nežinau kaip dabar su daugyba/dalyba ). Tačiau čia dar lieka viena fundamentali operacija – sudėtis, ADDC ( add with carry ). Mažą užuominą tam gali duoti transliacijos byla:

0000 7402                3             MOV A, #2D      ; perkeliam 2 i ACC
0002 3402                4             ADDC A, #2D     ; prie ACC pridedam 2

Pirmas stulpelis yra adresas ( kuris prasideda nuo 0000, kaip ir buvo nurodyta .org operatoriumi ). Mus labiau domina antras stulpelis, kuriame yra nurodytas mašininis kodas. Pirmi 8b yra operacijos kodas, kur prie sumatoriaus jis yra 0×34, o toliau jau seka pats kintamasis 0×02. Vadinasi, pirmiausiai procesorius sužino ko iš jo nori programuotojas, o paskui jau paima tą skaičių, su kuriuo bus atliekama operacija.

Judam tolyn, į aparatinį lygmenį!

Aparatinis lygmuo

Aparatiniame lygmenyje mes pasiaiškinsime paprastą aparatinį įrenginį – sumatorių. Projektuoti savo sumatorių pradėsime nuo paprasčiausio jo varianto – dviejų 1b dydžių sumavimo. Štai kaip atrodo paprastas 1b sumatorius schematiškai:

Realiai, rezultatą duoda XOR loginis įtaisas, o kuomet mums nepakanka 1b atsakymui – pasijungia AND loginis įtaisas. Taigi, kai mes turime 0b1 + 0b0, tai atsakymą mes turime:

Ir atsakymas yra 0b1, o kuomet mes turime 0b1 + 0b1, tai atsakymas yra:

Teisingai, dabar mes jau turime persipildymą, kadangi 0b1 + 0b1 = 0b10 ( 1b neužtenka atsakymui išsaugoti ). Taigi, mūsų sumavimo įrenginys, turi turėti persipildymą apdorojančią grandinės dalį, todėl mums reikia papildyti duotą schemą. Galutinė schema atrodytų taip:

O taip atrodys 2b sumatorius:

Vedant iš vieno grandinės bloko į kitą grandinės bloką persipildymo išėjimą, galima sudaryti n bitų sudėjimo grandinę. Tačiau mūsų nagrinėjamai problemai užtenka ir 2b, su persipildymo kontrole, kadangi 2 yra 0b10, o 0b10 + 0b10 = 0b100, pažiūrėkime kaip tai atrodo loginėje grandinėje:

Ir štai – sudėjome du skaičius nesiremiant jokiais fundamentaliais operatoriais – kintamaisiais, aritmetiniais ženklais.

AND loginiai vartai

Aritmetines operacijas atlikome su loginiais įtaisais, tačiau ir juos juk reikia suprojektuoti. Pateiksiu vieną tokio projekto pavyzdį, panaudojus n ir p tipo MOSFET’us.

Schema nėra iškarto lengvai suprantama, tačiau ji puikiausiai veikia. Pabandykime schemoje pakelti vieną įėjimą:

O dabar pakelkime abu įėjimus:

Kaip matote, savo loginę užduotį AND grandinė atlieka kuo puikiausiai.

Nuo paprastos paskalio programos mes nusileidome iki pat aparatinio lygmens su loginėmis grandinėmis. Žemiau jau tik yra puslaidininkių teoriją, kurią bent kiek panagrinėti reiktų dar dviejų tokio pat ilgio įrašų.

Išvados

Elektronikoje nėra žmogui įprastu matematinių operacijų, kaip sudėtis, atimtis, daugyba, dalyba. Nekalbu net apie integravimą. Elektronika siekia kiekvieną žmogui įprastą operaciją aproksimuoti. Sumavimą galima pavadinti idealizuotu uždaviniu. Mes turime tik du skaičius ( arba du objektus ) ir natūraliai išplaukia išvada, kad jeigu prie dviejų kiaušinių pridėsime dar du kiaušinius, tai jau turėsime keturis kiaušinius. Tuo galime įsitikinti net skaičiuodami ant pirštų. Elektronikoje toks idealizuotas uždavinys yra aproksimuojamas naudojant puslaidininkius, iš jų sudarant logines grandis, iš loginių grandžių sudarant aparatinius įrenginius ir t.t..

Kiekvienas iš išvardintų lygmenų turi savo iššūkius ir kylančias problemas. Kiekvienas lygmuo yra įdomus ir reikalauja specifinių žinių. Problema – o kurį pasirinkti? Kokiam lygmeniui atiduoti visą savo inžinerinę esmę? Kurioje specializacijoje būčiau geresnis specialistas?

Dar taip pat į nugarą kvėpuoja tokia, labai neapibrėžta ir sunkiai kur taikoma, dirbtinio intelekto patologija..

Paslėptas Markovo modelis: Diskretinis Markovo procesas

Paimkime sistemą, kurią galima apibūdinti bet kokiu laiko momentu tam tikra būsenų seka N, kur galimos sistemos būsenos yra S_1, S_2, .., S_N, kaip pavaizduota iliustracijoje.

Markovo graindinė su 5 būsenomis ir perėjimo tikimybėmis

Markovo graindinė su 5 būsenomis ir perėjimo tikimybėmis

Per tam tikrą, periodinį laiko tarpą, sistema pakeičia savo būseną, priklausomai nuo ankščiau numatytų tikimybių. Mes nustatome laiko konstantas, susietas su būsenų kitimu, t = 1, 2, ... ir nustatome sistemos būseną q_t, esant t laikui. Pilnas probleminis sistemos apibūdinimas reikalauja žinoti sistemos būseną kiekvienu laiko momentu. Specialaus diskretinio, pirmojo tipo Markovo grandinei, toks probleminis sistemos apibūdinimas yra išskaidytas į dabartinę ir spėjamą būseną, pavyzdžiui:

Kur P yra skaičiuojamoji tikimybė; q_t yra t laiko momentu sistemos būsena S_N.

Mes orientuojamės tik į procesus, kurioje aukščiau nurodytos lygties dešinėje dalyje, kuri yra nepriklausoma nuo laiko. Tai veda prie galimybės suformuoti tarpinių būsenų, sudarytų iš dabartinės ir spėjamos, tikimybes a_{ij}:

su tarpinės būsenos koeficientų apibrėžimais:

kadangi jos pilnai patenkina standartinio stochastinio proceso konstantas.

Aukščiau nurodytas stochastinis procesas gali būti vadinamas galimas Markovo modelis, kadangi proceso išėjimas yra sistemos būsena tam tikru laiko momentu, kur kiekviena būsena nusako fizikinį įvykį. Tam, kad įtvirtinti aptartas idėjas, paimkime trijų lygių Markovo oro modelį. Galima pasakyti, kad galimas pusiaudienį oras lauke gali būti trijų fazių:

  • Būsena 1: lietus
  • Būsena 2: debesuota
  • Būsena 3: saulėta

Mes teigiame, kad oras, esant dienai t, yra charakterizuojamas pagal aukščiau nurodytas būsenas, o galimybių a_{ij} matrica A atrodytų taip:

Padarykime prielaidą, kad pirmą dieną (t=1) šviečia saulė. Ir paklauskime klausimo: kokia tikimybė, kad per sekančias septynias dienas oras bus “saulė-saulė-lietus-lietus-saulė-debesuota-saulė-..” ? Tikimybių seką O mes galime aprašyti kaip O = \{S_3, S_3, S_3, S_1, S_1, S_3, S_2, S_3\}, kuri sudaryta iš t =1, 2, ..., 8 laiko momentu atliktais stebėjimais. Mes norime nustatyti šio modelio tikimybę O. Tokia tikimybė gali būti išreiškiama taip:

panaudojome pažymėjimą

norėdami pažymėti pradinio įvykio tikimybę.

Taip pat galime paklausti dar vieno įdomaus klausimo (į kurį atsakyti galime pasitelkti modelį): Kokia tikimybė, kad modelis liks vienoje būsenoje tiksliai d dienų?

Tokia tikimybė yra randama stebėjimų seka:

modeliui, kuris yra:

Dydis p_i(d) yra diskretinis dydis, kuris žymi funkcijos tankio tikimybę, kurios trukmė yra d, i būsenoje. Šitas eksponentinis tikimybės tankio dydis yra Markovo grandinės tikimybės būsenos ilgis. Remiantis p_i(d), mes galime apskaičiuoti tikėtiną vienos būsenos stebėjimų skaičių

Iš čia galime apskaičiuoti, kad tikėtinas vienos būsenos stebėjimas esant saulėtam orui yra \frac{1}{0.2}=5, debesuotumui \frac{1}{0.4}=2.5, o tikimybė stebėti lietų \frac{1}{0.6}=1.67 dienos.

Šaltinis: “A tutorial on Hidden Markov Models and Selected Applications in Speech Recognition”