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

(8.1)

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.