Персептрон Розенблатта. Описание и принцип функционирования.Известно, что человек, сталкиваясь с новыми явлениями или предметами, очень часто их узнает, т. е. без особых затруднений относит к тому или иному понятию (классу). Так, впервые увидев лошадь незнакомой масти или собаку необычной породы, человек определяет в них уже известных ему животных. Человек может читать рукописи, написанные разными людьми, хотя каждый почерк имеет свои особенности. Каждый из нас легко узнает своих знакомых, даже если они изменили прическу или одежду. Эта особенность человека называется феноменом восприятия. Феномен восприятия проявляется во всех сферах человеческой деятельности, а многие профессии связаны исключительно с умением правильно классифицировать ситуации. Так врачи умеют диагностировать заболевания, эксперты-криминалисты различают сходные почерки, археологи устанавливают принадлежность найденных предметов определенной эпохе, геологи по косвенным данным определяют характер месторождения и т. д. Всюду здесь проявляется умение человека правильно относить наблюдаемый объект к тому или иному понятию, к тому или иному классу. Человек умеет вырабатывать на основе опыта и новыепонятия, обучаться новой системе классификации. Существуют два различных метода обучения: один из них — объяснение, другой, более интересный,— обучение на примерах. Первый метод предполагает существование достаточно простых правил, простых настолько, что их можно изложить так, чтобы, действуя сообразно этим правилам, каждый раз получать требуемый результат. Однако во многих случаях учитель, проводящий обучение, не может сформулировать правило, по которому он действует, и тогда первый способ обучения неприменим и обучение проводят на примерах. Так, нельзя указать четких правил для такого, казалось бы, простого случая, как различение рукописных знаков. В этом случае при обучении пользуются вторым методом. Обучающемуся показывают рукописные знаки и сообщают, какие это буквы, т. е. к каким классам данные знаки относятся. В результате у ученика вырабатываются нужные понятия, он приобретает умение правильно относить каждую новую букву к тому или иному классу. Точно так же студентов-медиков учат диагностировать заболевания. Возможность использования такого метода обучения определяется заложенным в человеке внутренним механизмом построения правила, позволяющего распознавать нужные понятия. В 1957 году американский физиолог Ф. Розенблатт предпринял попытку технически реализовать физиологическую модель восприятия. Он исходил из предположения, что восприятие осуществляется сетью нейронов. Модель восприятия состоит из рецепторного слоя S, слоя преобразующих нейронов А и слоя реагирующих нейронов R (рис.8.1).
Рис. 8.1. Модель восприятия.
Внешнее раздражение воспринимается рецепторами. Каждый рецептор связан с одним или несколькими нейронами преобразующего слоя, при этом каждый нейрон преобразующего слоя может быть связан с несколькими рецепторами. Выходы преобразующих (ассоциативных) нейронов в свою очередь соединяются с входами нейронов третьего слоя. Нейроны этого слоя — реагирующие — тоже имеют несколько входов (дендритов) и один выход (аксон), который возбуждается, если суммарная величина входных сигналов превосходит порог срабатывания. Но в отличие от нейронов второго слоя, где суммируются сигналы с одним и тем же коэффициентом усиления (но, возможно, разными знаками), для реагирующих нейронов коэффициенты суммирования различны по величине и, возможно, по знаку. Каждый рецептор может находиться в одном из двух состояний: возбужденном или невозбужденном. В зависимости от характера внешнего раздражения в рецепторном слое образуется тот или иной набор импульсов, который, распространяясь по нервным путям, достигает слоя преобразующих нейронов. Здесь в соответствии с набором пришедших импульсов образуется набор импульсов второго слоя, который поступает на входы реагирующих нейронов. Восприятие какого-либо объекта определяется возбуждением соответствующего нейрона третьего слоя, причем различным наборам импульсов рецепторного слоя может соответствовать возбуждение одного и того же реагирующего нейрона. Гипотеза как раз и состоит в том, что коэффициенты усиления реагирующего нейрона подобраны так, чтобы в случае, когда объекты принадлежат к одному классу, отвечающие им наборы импульсов возбуждали бы один и тот же нейрон реагирующего слоя. Например, наблюдая какой-нибудь предмет в разных ракурсах человек отождествляет увиденное, так как каждый раз на различные внешние раздражения реагирует один и тот же нейрон, ответственный за узнавание этого предмета. Среди огромного числа (порядка 1010) нейронов человека, обеспечивающих восприятие, лишь некоторая часть занята сформированными уже понятиями, другая служит для образования новых. Формирование нового понятия, по существу, заключается в установлении коэффициентов усиления реагирующего нейрона. Процесс установления коэффициентов усиления реагирующих нейронов в схеме описывается Розенблаттом в терминах поощрения и наказания. Предположим, что появился набор импульсов, соответствующий вновь вырабатываемому понятию. Если при его появлении нужный реагирующий нейрон не возбудился (пришедший сигнал не отнесен к данному понятию), то реагирующий нейрон «штрафуется»: коэффициенты усиления тех его входов, по которым проходил импульс, увеличиваются на единицу. Если нейрон правильно реагировал на пришедшие импульсы, то коэффициенты усиления не меняются. Если же окажется, что некоторый набор сигналов будет ошибочно отнесен к данному понятию, то нейрон тоже «штрафуется»: в этом случае коэффициенты усиления тех входов, по которым пришел импульс, уменьшаются на единицу. Такая модель восприятия проста и может быть реализована на однородных элементах — пороговых элементах. Пороговым называется элемент, имеющий п входов: , и один выход у, причем сигнал на выходе у может принимать только два значения, 0 и 1, и связан с входами соотношением
где — коэффициенты усиления сигналов , а — величина порога срабатывания элемента. Моделью преобразующего нейрона может служить пороговый элемент, у которого , а моделью реагирующего нейрона служит пороговый элемент, у которого коэффициенты — некоторые настраиваемые числа. Техническую модель зрительного анализатора Розенблатт назвал персептроном (от слова «персепция» — восприятие). Первый, рецепторный слой S модели Розенблатта состоял из набора 400 фотоэлементов, которые образовывали поле рецепторов (20x20). Сигнал с фотоэлементов поступал на входы пороговых элементов—нейронов преобразующего слоя (элементов А). Всего в модели Розенблатта было 512 элементов. Каждый элемент А имел 10 входов, которые случайным образом были соединены с рецепторами — фотоэлементами. Половина входов считалась тормозящими и имела коэффициент усиления -1, а другая половина – возбуждающими с коэффициентом усиления +1. Порог срабатывания нейрона принимался равным нулю. Наконец, сигналы с выходов элементов А поступали на входы реагирующего нейрона — элемента R (см. рис. 8.1). Персептрон предназначался для работы в двух режимах: в режиме обучения и в режиме эксплуатации. В режиме обучения у персептрона по описанному выше принципу вырабатывались величины коэффициентов реагирующих нейронов. В ходе эксплуатации персептрон классифицировал предъявленные ему ситуации: если возбуждался р -й реагирующий элемент и не возбуждались остальные R -элементы, то ситуация относилась к p -му классу. Появление машины, способной образовывать новые понятия, оказалось чрезвычайно интересным не только для физиологов, но и для представителей других областей знаний и в первую очередь для математиков. Ведь как только стала ясна схема будущей экспериментальной установки, персептрон перестал быть только техническим аналогом физиологического феномена, он стал математической моделью процесса восприятия. Определение закона образования нового понятия — выработка коэффициентов усиления каждого из элементов R — означало задание алгоритма, решающего некоторую формальную задачу.
|