ニューラルネットワークチップ(CogniMem)を使ってみる

最終更新日:2010/03/28

ニューラルネットワークチップ(CogniMem)とは、パターン認識の専門用語で言うと「非線形識別器」 をハードウェア的に実現したもので、あらかじめ半導体メモリーに記録（チップの取説では「学習」と 言われています)された、１種類（カテゴリー）あたり最大２５６ｂｉｔで表現したパターン（データ）と、 後から与えられたデータの幾何的な距離を計算し、記憶されているデータのなかのどれと似ているかを 同時並列に計算して結果を出してくれるチップです。 非線形識別器の種類としては、Radial Basis Function(RBF)とK-Nearest Neighbor(KNN)というものが 実装されています。

簡単にまとめると、２５６ｂｉｔ未満の数値の並びに表現できるものならば、何でも識別処理できるチップ ということも出来ます。非線形識別器をソフトウェアでシミュレートしても同じ結果が得られますが、 こちらは完全に同期した並列計算が出来るので「速い」のがアドバンテージとの事です。

チップのリファレンスマニュアルが英語版しかなくて、書き方が原理的／一般的で「なんだか難しい」 と言うのがはじめの印象でしたが、「自分のロボットの視覚用として使う」という様に用途をはっきり させれば話は非常に簡単で、カメラから取り込んだ画像の識別したい部分を１６×１６ピクセルのイメージとして 切り出して、あらかじめチップにカテゴリー番号と一緒に覚えさせておくと、後に入力した１６×１６ピクセルのイメージ に対して、近いカテゴリー番号を返してくるというだけでした。

このページを書いている時点では、Ｗｅｂで「ロボットに積んでみた」みたいな情報を見かけなかった ことと、実際使ってみて応用の幅が広いので、いろいろな用途に使われるところを見てみたいと思い、 私が試した結果でだいたいどんな物か伝えられればと考えて書いてみました。

チップは一般的なマイコンなどと同じ表面実装のパッケージです。外部から供給する電源は 3.3Vで、信号も3.3Vです。そして、私が試した基板（CM-PM1K）としての消費電力は300mA程度です。

一般的なケータイ電話内蔵のカメラと同じく、画像など識別対象データ入力のパラレル８ｂｉｔ のバスと制御用のＩ２Ｃバスが付いています。Ｉ２Ｃバス経由でのデータ入出力も可能です。

今回私はＩ２Ｃバスだけ使って試してみましたが、主にＣ−ＭＯＳカメラ、画像処理用ＦＰＧＡ、 制御用マイコン、CogniMemのセットで機器に組み込んで使うような用途を想定した設計のようです。

手元にある部品で作れて、ＰＣで動作確認がしやすく、できればチップ入手時点で作りかけだったロボットの アースローバーに搭載しようというつもりで設計しました。 ＰＣとCogniMemチップの間にH8/3694マイコンを挟み、ＲＳ２３２からＩ２Ｃに変換して通信しています。 アースローバーは搭載したＰＣにＷｅｂカメラから画像を取り込む構成なので、評価システムも同様に、 画像はＵＳＢ接続のＷｅｂカメラから取り込みます。

システム構成図

I2Cバスというものを使ったことが無かったので、Ｗｅｂで比較的情報が多く、キット自体の 入手も容易な秋月のRTC-8564NBキットで練習してからCogniMemとのインターフェイスソフトを 作り始めたのでRTC-8564NBも載っています。CogniMemとは特に関係ありません。


ボードの写真


CogniMemを使うにあたってはGeneral Vision製のCM-PM1Kという評価用の基板を利用しました。 立てた形で載っている基板がCM-PM1Kです。回路図を見ても分かるとおり、今回はパラレルバス は使わず、I2Cバスのみの利用のため至って簡単です。


ボードの回路図

ソフトウェア構成図

ソフトウェア構成図中、点線で囲われた文字がソフトウェアの名前です。３個のソフトウェア から構成されています。

• h11：Visual C++2008を使って作ったソフトです。OpenCVを使ってWebカメラの画像を 取り込み、画像サイズの変更やモノクロ化等の画像処理を行い、ｂｍｐファイルをHDDに出力します。 マイコミ「ＯｐｅｎＣＶプログラミングブック」のサンプルプログラムを少し変えた程度の ものなので、ダウンロードは無しです。

• CM_Trainer1：Visual Basic 2008を使って作ったソフトです。チップに識別対象データを 覚えさせたり、識別させたり等の操作を行います。学習結果をチップに対してロード／セーブする機能も付いています。

  ダウンロード(2010/03/28版)

• w7c：H8の評価版Cコンパイラを使って作ったソフトです。CM_Trainer1からのシリアル通信に応えて CM-PM1K状のCogniMemチップとI2Cで通信します。

  ダウンロード(2010/03/28版)

• 株式会社ゼネラルビジョン・アジアパシフィック（旧ロボソート合同会社）
  http://gv-ap.com/
  CM-PM1K等の日本（他のアジア地区含む）における入手先です。個人でもこちらから購入可能との事です。(2010/5/11現在)

• ゼネラルビジョン(General Vision)社
  http://www.general-vision.com/
  チップの供給元です。詳しいマニュアル類をダウンロードできます。

• これからこのチップを使っていって、学習のさせ方のノウハウみたいなものが分かってきたら、このページにまた書き足そうと思います。
• CM-PM1Kの古いドキュメントは電源ピンのVCCとGNDが反対なので、最新版を見るように気をつけましょう。