Signed Digit Counters with Neural Networks

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使用神经网络进行手写数字识别的方法

使用神经网络进行手写数字识别的方法

使用神经网络进行手写数字识别的方法随着人工智能的发展,神经网络在图像识别领域发挥了重要作用。

其中,手写数字识别是神经网络应用的一个重要方向。

本文将介绍使用神经网络进行手写数字识别的方法。

一、神经网络的基本原理神经网络是一种模仿人脑神经元网络结构和工作方式的计算模型。

它由输入层、隐藏层和输出层组成,每一层都由多个神经元节点组成。

神经网络通过对输入数据进行加权和激活函数处理,从而输出预测结果。

在手写数字识别中,我们可以将每个手写数字图像作为输入数据,每个像素点的灰度值作为输入特征。

神经网络通过学习大量已标记的手写数字图像,调整权重和偏置,从而实现对手写数字的准确识别。

二、数据预处理在使用神经网络进行手写数字识别之前,需要对数据进行预处理。

首先,我们需要将手写数字图像转换为灰度图像,以减少输入特征的维度。

其次,对图像进行归一化处理,将像素值缩放到0到1之间,以便神经网络更好地学习和处理数据。

除了对图像进行处理,还需要对标签进行处理。

手写数字识别通常使用独热编码(One-Hot Encoding)对标签进行表示。

例如,对于数字0,其独热编码为[1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],对于数字1,其独热编码为[0, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0],以此类推。

三、神经网络的构建在构建神经网络时,我们可以选择不同的网络结构和参数设置。

常见的神经网络结构包括多层感知机(Multilayer Perceptron,MLP)、卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)等。

以多层感知机为例,我们可以选择输入层节点数、隐藏层节点数、隐藏层数量和输出层节点数等。

通过调整网络结构和参数,可以提高神经网络的准确率和泛化能力。

四、神经网络的训练神经网络的训练是指通过大量的已标记数据,调整网络的权重和偏置,使其能够准确地预测未标记数据的标签。

训练神经网络通常采用反向传播算法(Backpropagation),该算法通过计算预测结果与实际标签之间的误差,然后根据误差调整网络的权重和偏置。

手写数字识别中的卷积神经网络研究

手写数字识别中的卷积神经网络研究

手写数字识别中的卷积神经网络研究随着数字技术的飞速发展,人工智能也成为了时下热门的研究领域。

手写数字识别作为人工智能的一个重要应用场景,近年来受到了越来越多学者和工程师的关注。

而卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)作为最为先进的图像识别算法之一,在手写数字识别中也有着广泛的应用价值。

本文将从手写数字识别的背景、卷积神经网络的原理、模型设计以及优化等方面展开探讨。

一、手写数字识别的背景手写数字识别是指利用计算机视觉技术对手写数字进行自动识别,被广泛应用于验证码、银行支票识别等领域。

手写数字识别最早是通过特征提取和分类器进行实现的,但这种方法需要大量人工提取特征,计算量大,不适用于大规模应用。

而卷积神经网络则可以直接从原始像素数据中进行特征提取和分类,不需要人为干预,具有高效、准确和自适应等优点,成为了目前最为流行的手写数字识别算法之一。

二、卷积神经网络的原理卷积神经网络是一种特殊的神经网络,主要用于处理图像、视频、语音等具有高维度的数据。

它的工作原理是通过不同的卷积核对输入数据进行卷积操作,提取出高层次的特征表示,再通过池化、全连接等操作进行分类和预测。

卷积神经网络具有层次化、权值共享和空间不变性等特点,非常适合于图像识别任务。

三、模型设计在手写数字识别中,卷积神经网络通常采用LeNet-5模型进行设计。

LeNet-5是卷积神经网络的经典模型,由卷积层、池化层和全连接层三部分组成。

其中,卷积层用于提取图像中的局部特征,池化层用于减小特征图的大小,全连接层用于分类。

该模型共包含7个层,其中有2个卷积层、2个池化层和3个全连接层,如图1所示。

图1:LeNet-5模型结构图四、优化方法卷积神经网络的训练过程通常采用梯度下降法进行优化。

但是,梯度下降法容易陷入局部最优解,导致模型效果不佳。

为了解决这个问题,研究者们提出了一系列优化方法,如动量优化、自适应学习率优化等。

手写体数字识别中的卷积神经网络设计

手写体数字识别中的卷积神经网络设计

手写体数字识别中的卷积神经网络设计一、引言手写体数字识别技术是人工智能领域中非常基础和重要的一部分,而卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)则是已经被证实非常适用于图像识别任务的深度学习算法之一。

本文旨在深度探讨手写体数字识别中卷积神经网络的设计。

二、数字图像预处理在设计卷积神经网络之前,数字图像预处理是必不可少的一个环节。

对于手写数字的图像,预处理步骤主要包括二值化、垂直投影、字符切割和字符大小归一化等。

这些步骤可使得原始图像的数字部分得到突出,从而更有利于之后的图像处理任务,也可提高卷积神经网络的精度。

三、卷积神经网络结构卷积神经网络的结构是由卷积层、池化层和全连接层构成的。

其中卷积层是卷积神经网络的主要层,池化层则用于减少网络中的参数和降低特征图的尺寸,全连接层则用于对全局特征进行分类。

在手写体数字识别中,通常会采用深度卷积神经网络。

四、卷积层设计卷积层是卷积神经网络中最为复杂的层之一,其主要任务是将信号进行卷积运算和激活函数运算得到新的特征图。

在手写数字识别中,一般采用多组不同的卷积核进行卷积运算,以增强特征提取的能力。

五、池化层设计池化层是卷积神经网络中非常重要的一个层,其主要作用是降低特征图的大小、减少计算量和提高运算速度。

在手写数字识别中,一般采用最大池化层进行池化操作,其能够从多个相同大小的区域中提取最大值作为此区域的特征表示,从而更加准确地保留图像中的特征信息。

六、全连接层设计全连接层是卷积神经网络中的最后一层,其主要任务是将之前的卷积层和池化层的结果输入到神经网络中进行分类。

在手写数字识别中,一般采用多层全连接层结构进行数字的分类,以提高分类精度。

七、特征图可视化特征图可视化可用于了解卷积神经网络各层的特征提取过程,从而更好地理解神经网络的运作原理。

特征图可视化可通过反向传播算法进行实现,即将神经网络的输出进行反向传播从而得到特征图的可视化结果。

基于深度学习的手写英文字符识别技术研究

基于深度学习的手写英文字符识别技术研究

基于深度学习的手写英文字符识别技术研究随着计算机技术的不断发展,机器学习和深度学习已经被广泛应用于计算机视觉、语音识别、自然语言处理等领域。

其中,手写字符识别技术是机器学习和深度学习应用的一个重要领域。

在我们日常生活中,手写英文字符的应用场景非常广泛,如手写笔记、签字验证、邮政编码等,掌握手写英文字符识别技术已经成为一项迫切需要的技能。

本篇文章将介绍基于深度学习的手写英文字符识别技术研究。

文章包括三个部分:手写字符数据集的预处理、卷积神经网络的训练和模型优化。

一、手写字符数据集的预处理手写字符数据集是进行手写字符识别任务时的基础数据。

为了训练和测试模型,我们需要构建一个手写字符数据集。

手写字符数据集应该包括尽可能多的字符种类和手写样本,且每个手写样本应该有相同的尺寸和分辨率。

手写字符数据集的预处理步骤主要包括以下几个步骤:图像二值化、去噪声、字符分割、字符对齐和归一化。

图像二值化:将彩色手写字符图像转换为黑白二值图像,减少颜色的干扰。

去噪声:手写字符图像中往往会包含一些干扰噪声,这些噪声会对字符的识别产生影响。

因此,去除手写字符图像中的噪声是必要的。

去噪声方法包括高斯滤波、中值滤波、均值滤波等。

字符分割:如果手写字符图像中包含多个字符,需要将多个字符分割成单个字符进行识别。

字符分割方法包括基于阈值分割、形态学特征分割、基于边缘特征分割等。

字符对齐和归一化:为了消除因笔画笔画厚度和形状的差异导致的字符大小和形状的不一致问题,需要对手写字符进行尺寸和形状的归一化。

字符归一化方法包括大小归一化、形状归一化等。

二、卷积神经网络的训练卷积神经网络(Convolutional Neural Network,简称CNN)是目前计算机视觉和图像识别领域最常用的深度学习方法之一。

卷积神经网络模型包括多个卷积层、池化层和全连接层。

其中,卷积层和池化层提取图像特征,全连接层完成分类任务。

卷积神经网络的训练包括以下几个步骤:1.模型的构建:根据手写字符数据集的特点选择合适的卷积神经网络模型结构。

基于神经网络的手写数字识别算法优化

基于神经网络的手写数字识别算法优化

基于神经网络的手写数字识别算法优化随着人工智能技术的不断发展,手写数字识别已经成为了一项普及而重要的技能。

手写数字识别是图像识别领域中的一项重要应用,它可以广泛应用于银行票据、信用卡、医疗记录,以及许多其他的应用领域。

可以说,在目前的时代,手写数字识别已经成为了一种基础的技能和必要的工具。

基于神经网络的手写数字识别算法历经多年的研究和改进,但是随着硬件和算法的快速发展,现在的手写数字识别算法已经能够实现较高的准确率和效率。

为了更好的提高手写数字识别算法的准确率和效率,需要进一步对基于神经网络的手写数字识别算法进行优化。

1、神经网络神经网络是一种模拟人脑运作方式的算法,它的基本单元是神经元。

神经元是一种能够接收输入信号并输出信号的基本单元,它通过与其他神经元相连形成神经网络。

在神经网络中,每个神经元都有多个输入,它会将这些输入加权求和并施加一个非线性的激活函数,然后输出一个信号,这个信号又会传递给下一层神经元。

通过不断传递信号,神经网络可以实现从输入到输出的映射。

神经网络可以用于分类问题、回归问题等多种问题,它的优势在于能够通过训练学习到输入与输出之间的映射关系,从而在未知数据上实现准确的预测。

在手写数字识别中,可以使用神经网络来学习手写数字图像的特征,从而实现对手写数字的自动识别。

2、手写数字识别算法手写数字识别算法的主要思路是通过识别图像中数字的特征来进行判断。

通常情况下,手写数字识别算法的处理过程是将输入的图像进行分割和处理,提取出关键的特征信息,然后将这些特征信息输入到分类器中进行分类。

常用的分类器包括神经网络、支持向量机等。

在手写数字识别算法中,神经网络应用最为广泛。

神经网络通常分为三层:输入层、输出层和一个或多个隐藏层。

输入层接收图像输入,并将图像中的像素值转化为数字输入。

输出层将神经网络的输出转化为数字输出,代表着这幅图像的数字。

隐藏层在中间进行数据处理,提取出数字的特征,通过学习和训练,在预测时对新的图像进行分类。

基于神经网络的手写数字识别

基于神经网络的手写数字识别

基于神经网络的手写数字识别一、引言在人工智能领域中,图像识别一直是一个热门话题。

随着科技的不断发展,越来越多的方法被提出,其中基于神经网络的手写数字识别方法是一个十分有效的方法。

本文将从几个方面介绍基于神经网络的手写数字识别。

二、神经网络神经网络是一种类似于人脑运作方式的机器学习算法。

它是由许多神经元组成的层级结构,每个神经元都是一个小型的计算单元。

神经网络可以学习和处理数据,它具有自动学习和优化的能力,可以对输入数据进行分类、识别、预测和生成等任务,在图像识别、自然语言处理等方面取得很好的成效。

三、手写数字识别手写数字识别是人工智能领域中最基础的问题之一。

它代表了自然语言理解和识别技术的重要应用。

手写数字识别已经实现了很大的进展并被应用于数字签名、自动银行支票处理、邮票识别、医学 X 射线分析等各种领域。

在这些应用中,唯一的输入是一个数字图像,因此手写数字识别是根据输入图像来预测输出数字标签的一个任务。

四、基于神经网络的手写数字识别4.1 数据集神经网络训练需要大量数据来描述模式。

手写数据集是用于训练模型的重要数据集之一。

MNIST 数据集是一个公共手写数字数据集,其包含 60,000 个训练图像和 10,000 个测试图像。

每个图像都是 28x28 像素的灰度图像,表示数字 0 到 9 中的一个。

神经网络可以通过这些图像来学习和预测给定数字。

4.2 网络架构卷积神经网络(Convolutional Neural Network,CNN)是一个有效的图像分类器。

CNN 通过使用卷积、池化和全连接层逐层处理图像,最终输出对图像的分类结果。

在手写数字识别问题中,CNN 模型通常包括三个部分:- 卷积层:用于提取图像中的特征。

- 池化层:用于减少图像的维度,并增强图像的鲁棒性。

- 全连接层:用于对图像进行分类。

4.3 训练模型通过使用所述的 CNN 模型和 MNIST 数据集,我们可以训练一个手写数字识别模型。

神经网络模型在手写数字识别中的应用

神经网络模型在手写数字识别中的应用手写数字识别是一个重要的领域,它与计算机视觉、机器学习、深度学习等领域有着密切的关系。

神经网络模型是在手写数字识别中应用非常广泛的一种机器学习模型,下面我们将介绍神经网络模型在手写数字识别中的应用。

1. 神经网络模型神经网络是一种由大量基本单元组成的计算模型,它能够对输入数据进行处理,从而得出输出。

在神经网络中,基本单元被称为神经元,它们通过隐含层进行信息传递,最终输出结果。

神经网络的结构可以分为输入层、隐含层和输出层,其中输入层接收数据,隐含层进行信息处理,输出层得到预测结果。

2. 手写数字识别手写数字识别是指通过计算机将手写数字转换为数字文本的过程。

在这个过程中,计算机需要分辨出不同的手写数字,从而输出正确的结果。

手写数字识别在很多方面都有应用,比如银行支票的兑换和邮局的邮件分拣等。

3. 神经网络在手写数字识别中的应用神经网络模型在手写数字识别中应用非常广泛,这是因为神经网络能够从数据中提取特征,从而进行分类。

在手写数字识别中,神经网络被用来进行特征提取和分类。

在特征提取方面,神经网络可以通过网络层数的加深,使得网络能够提取更加复杂的特征。

此外,神经网络还可以使用卷积层和池化层提取特征。

在卷积层中,神经网络使用一系列卷积核对原始图像进行卷积操作,从而提取出图像的特征;在池化层中,神经网络使用池化操作进行下采样,从而减少特征数量,提高分类效果。

在分类方面,神经网络将提取得到的特征进行分类,从而得出预测结果。

对于手写数字识别,神经网络的输出层通常使用softmax函数进行归一化,得到每个数字的概率,从而选择概率最大的数字为预测结果。

4. 神经网络模型的优势相比于传统的手写数字识别算法,神经网络模型具有如下优势:首先,神经网络可以自动提取特征,不需要手工设计特征。

其次,神经网络具有很强的泛化能力,可以对不同的数据集进行学习和分类。

最后,神经网络具有很强的鲁棒性和容错性,能够适应噪声等异常情况。

神经网络在手写数字识别中的应用研究

神经网络在手写数字识别中的应用研究手写数字识别是计算机视觉领域中一个重要的研究领域,它涉及到很多基础算法和模型的应用。

神经网络是其中的一种非常重要的方法之一。

本文将探讨神经网络在手写数字识别中的应用研究。

一、手写数字识别的基本原理手写数字识别是一种通过计算机处理人类手写输入的数字,并将其转化为可视化的数字形式的技术。

为了实现这一任务,计算机视觉领域的专家们通常采用了一些基础算法和模型,如特征提取算法、图像匹配模型等。

特征提取算法可以帮助计算机系统识别数字特征,而图像匹配模型则可以对比不同数字之间的相似度。

同时,计算机还会根据学习到的数字模板,自动生成一个新的数字,以替换原始的手写数字。

二、神经网络的基本结构神经网络是一种人工智能技术,它的基本结构由输入层、隐藏层和输出层组成。

输入层接收原始数据,通常是由不同传感器收集的数字信号。

隐藏层包括多个神经元,这些神经元可以处理输入数据,提取特征并产生输出。

输出层通常负责将隐藏层产生的输出与已知结果进行比较,常见的比较算法包括均方差误差和交叉熵误差。

三、神经网络在手写数字识别中的应用神经网络可以通过训练样本自适应地构造新的数字模板,从而实现对手写数字的识别。

训练样本通常包括大量的手写数字图像,每个图像都是由多个像素点组成。

在训练过程中,神经网络会通过反向传播算法来更新各层神经元之间的连接权重。

反向传播算法可以使神经元随着训练次数不断调整各自的特征提取能力,从而提高整个网络的泛化能力。

四、神经网络在手写数字识别中的优势和挑战与其他手写数字识别算法相比,神经网络有很多优势。

首先,神经网络可以在不同尺度和方向上对图像进行处理,因此泛化能力更好。

其次,由于神经网络具有非线性变换的特性,相比传统的线性分类模型,它更适合处理多变量和非线性关系的图像。

尽管神经网络在手写数字识别中取得了很大成功,但其也面临着很多挑战。

首先,神经网络的训练往往需要消耗大量的计算资源和时间,随着数据量增加,训练时间将会成为一个严重的瓶颈。

基于神经网络的手写数字识别算法研究

基于神经网络的手写数字识别算法研究随着人工智能和深度学习的快速发展,数字识别技术也得到了广泛的应用。

在许多应用领域,手写数字识别是一项非常重要的任务,因为它可以帮助我们自动化许多流程,提高生产效率和准确性。

在这篇文章中,我们将介绍基于神经网络的手写数字识别算法,并探讨它的一些关键技术。

一、介绍手写数字识别是指通过计算机算法来识别手写的数字形状并将其转换为数字形式。

这项技术涉及许多学科,如计算机视觉、机器学习和图像处理等。

基于神经网络的手写数字识别算法是目前最有效的算法之一,其核心思想是利用神经网络自动提取数字图像中的特征,并将其转换为数字形式。

下面将具体介绍该算法的实现过程和关键技术。

二、基本流程基于神经网络的手写数字识别算法的基本流程包括预处理、特征提取、分类和识别四个步骤。

具体流程如下:1. 预处理:将手写数字图像进行预处理,通常包括二值化、去噪、归一化等操作。

这些操作旨在降低图像复杂度,便于后续的特征提取。

2. 特征提取:将预处理后的数字图像进行特征提取,通常使用卷积神经网络(CNN)进行特征学习。

CNN是一种特殊的神经网络,它利用卷积和池化操作来自动提取图像中的特征。

通过反向传播算法,CNN可以自动学习数字图像中的特征。

3. 分类:将提取的特征输入到分类器中进行分类,通常使用支持向量机(SVM)或k近邻算法进行分类。

这些算法旨在将数字图像分为不同的类别。

4. 识别:根据分类器的输出结果对数字进行识别。

通常将输出结果映射到数字1-9中的一个,如果输出结果为10则代表数字为0。

三、关键技术基于神经网络的手写数字识别算法的性能和准确率受许多因素的影响,其中一些关键技术如下:1. 数据集:构建一个足够大的、多样化的手写数字数据集非常重要。

这个数据集应该覆盖各种字体、大小、方向和手写风格,并保证数据集的平衡性和随机性。

2. 卷积神经网络:CNN是基于神经网络的图像分类算法,它采用卷积、池化和全连接等多层网络结构来自动提取输入图像的特征。

基于神经网络的手写数字识别

基于神经网络的手写数字识别在现代科技的发展中,神经网络技术越来越成为大家关注的话题。

神经网络是一种可以模拟人类大脑信息处理的技术,它的应用非常广泛。

其中,手写数字识别是神经网络技术的一个重要应用。

手写数字识别指的是将人类手写的数字转换为计算机可识别的数字,这对于机器学习和人工智能应用来说是非常重要的。

因此,基于神经网络的手写数字识别已经成为今天热门的研究领域之一。

1. 神经网络基础在了解神经网络手写数字识别的应用前,首先需要了解神经网络的基本原理。

神经网络是一种由多个人工神经元相连组成的网络,它能够模拟人类大脑的信息处理方式。

神经网络可以被用来学习复杂的非线性关系,进行分类、回归等任务。

神经网络模型的学习和训练过程可以通过计算机算法来完成,模型的优化也可以采用多种方法。

2. 手写数字识别基础手写数字识别是一种基础的计算机视觉任务,简单来说就是将手写数字转化为数字标识。

手写数字的识别是基于图像的分类问题,即将一张数字图像输入计算机,计算机根据预先训练好的模型,将这个数字进行正确的分类。

手写数字识别的难点在于图像的处理和数字的分类,这就需要计算机视觉、机器学习和人工智能等多个领域的交叉应用。

3. 手写数字识别的方法手写数字识别有多种方法。

其中一种方法是基于特征提取的方法,它会提取图像中的一些特征,比如边缘、直线、区域等,然后将这些特征作为分类器的输入。

另一种方法是基于神经网络的方法,即通过神经网络学习并分类手写数字。

它的优点是可以自动地学习特征,无需手动设计特征提取器。

采用神经网络技术的手写数字识别模型,又有多种形式,常见的有感知机、多层感知机、卷积神经网络、循环神经网络等。

这些模型的区别在于其网络结构、参数设置和训练方式不同,需要根据具体应用场景进行选择。

4. 手写数字识别实践手写数字识别的实践需要大量的数据集和模型的训练,其中MNIST数据集是最经典的数字手写数据集之一。

该数据集由70,000个数字0到9的图像组成,其中60,000个为训练集,10,000个为测试集。

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Signed Digit Counters with Neural NetworksSorin Cotofana and Stamatis VassiliadisDelft University of TechnologyElectrical Engineering DepartmentMekelweg4,2628CD DelftThe Netherlandsemail:Sorin,Stamatis@Plato.ET.TUDelft.NLAbstract:In this paper we investigate no learning based neural networks for signed digit counters.Wefirst assume radix-signed digit inputs and prove that a can be implemented with a depth-neural network with at most neural gates and the maximum weight and fan-in values in the order of.Under the same assumption we investigate counters and we propose an explicit depth-(implicit depth-)neural network for such counters.Finally we assume radix-signed digit input representation and we prove that a counter can be implemented with an explicit depth-neural network with the size measured in terms of neural gates in the order of and with the maximum weight and fan-in values both in the order of.1IntroductionMultiplication schemes for VLSI implementations can be divided broadly in two categories,namely array and parallel multiplication schemes[1].Both schemes reduce a matrix of partial products to a single row representing the product via counters[1].Thus far counters have been mainly implemented with Boolean gates[2,3,4,5,6,7]. Currently other possibilities exist in VLSI for the imple-mentation of Boolean functions using neural threshold devices in CMOS technology[8,9,10].Such a threshold device corresponds to the Boolean output neuron intro-duced in the the McCulloch-Pitts neural model[11,12] and computes a Boolean function such that:sgn if ifwhere the set of input variables and weights are defined respectively by,andassociated with the inputs.It is well known that an arbitrary Boolean function can be computed using AND,OR and NOT logical gates with no restriction in size.Given that the McCulloch-Pitts neuron model can also compute the logical AND, OR and NOT[13],it can be used as the functional ele-ment for feed-forward multi-layer neural networks[13]to compute deterministically and with no learning the out-put of Boolean functions.A number of investigations have been reported regarding the neural networks imple-mentation with no learning of arithmetic operations such as addition,multiplication,see for example[14,15,16], present in most hardwired computational engines.Re-cently counters implemented with neural gates have been proposed in[17]and it has been shown that for com-mon dimension of operands neural multipliers,based on such counters,outperform neural multiplication schemes based on multi operand addition[18]in network size for equal delay.In this paper we investigate neural network implement-ations of parallel counters which assume signed digit[19] inputs and produce signed digit outputs.The main contri-butions of the paper can be summarized by the following:A radix-signed digit counter can beimplemented with a depth-neural network with at most neural gates.The maximum weight and fan-in values are in the order of.A radix-signed digit counter can be implemen-ted with an explicit depth-neural network built with neural gates.The maximum weight is and the maximum fan-in is.A radix-signed digit counter can be imple-mented with an implicit depth-neural network built with neural gates.The maximum weight is and the maximum fan-in is.Assuming radix-signed digit inputs acounter can be implemented with an explicit depth-neural network with the size measured in terms ofneural gates in the order of.The maximumweight value is the order of and the maximumfan-in value is in the order of.It should be noted that the neural gates our schemesrequire are readily implementable in currently availabletechnologies[10].The implication here is that all of theTable1:Digit Codification forschemes we present are not only theoretical but also real-istic from the implementation point of view.The paper is organized as follow:First we assumeradix-signed digit inputs and in Section2we introducecounters and in Section3explicit depth-and implicit depth-counters.The Section4con-cludes the presentation by investigating the more generalissue of signed digit counters assuming a representa-tion radix higher than.2Signed Digit Coun-tersA counter is a circuit which assumesinputs and produces out-puts.In the case of Boolean inputsthe counter outputs provide the binary codification of thevalue of the input sum.Given that in our in-vestigation we assume radix-signed digit inputs,i.e.,gates.On the second level we needone gate per each counter output and because each out-put is represented by two Boolean signals this will countup to neural gates on the second level.Con-sequently the entire network can be constructed with atmost neural gates.Obviously the weightand fan-in values are in the order of.Remark1It is also possible to implementradix-signed digit counters with the implementationmethod we introduced in[23]for periodical symmetricBoolean functions.In this case the network depth in-creases to but the network size decreases toneural gates.In the following we present as an example,to be uselatter on in the signed digit counter design,the neuralnetwork implementation of a counter with radix-Table2:Truth Table of Signed Digit Counter signed digit inputs.A truth table1of such a counter is presented in the Table2under the assumption that the signed digits are represented as in the Table1.From the Table2we can deduce the following equa-tions for the counter outputs2:(3)(4)(5)(6)(7)(8)(9)(10) These equations can be implemented in depth-with the method described in the Lemma1.The neural network implementation is graphically represented in the Figure1. Note that the counter is implemented with neural gates, the maximum fan-in is and the maximum weight value is.The logarithmic depth and size implementation of the radix-signed digit counter is pictorially described in the Figure2.We note here that this counter imple-mentation which requires a delay which logarithmically depends on can be very attractive from the implementa-tion point of view if the network size is the most important design issue.and,refer to signals that need to be computed by one neural gate in the digit position,with being the neural value and being the counter type for which the signals are computed.The straightforward implementation of this two stages signed digit counter scheme with the receipt in the Theorem1leads to a depth-network.However we can reduce the network depth to if the counter cascading is done using implicit computations.Lemma2Any Boolean symmetric functiondescribed as being equal with if,,and with otherwise can be implemented by an implicit depth-feed-forward neural circuit with the size measured in terms of neural gates in the order of as follows:(11)Proof:To verify Equation(11)it will be shown thatis indeed when the sum lies inside an in-terval for a specific and that is when there is no such that for all,. Case1:for a specific,.In this case for,for,for,andfor.Therefore, i.e.,is as needed.Case2:There is no,such that. In this case there are three possibilities:for a given,,,and.We will prove that in all of them is as needed.In thefirst sub-case for,for,for,and for.Therefore,i.e., is.In the second sub-case forand for.Consequently, i.e.,is.In the last sub-case forand for.Consequently, i.e.,is.Given that any can be obtained with a neural gate com-puting and any with a neural gate com-puting the entire network is built with neural gates,i.e.,the implementation cost is in the order of.All the input weights are and the fan-in for all the gates is.The following theorem introduce a depth-implementa-tion of the radix-signed digit counter.Theorem2The Sum and the Carry of a radix-signed digit counter at digit position are determ-ined by the following neural network:sgnsgnsgnsgnwithsgnsgnsgnsgnsgnsgnsgnsgnProof:From the equations describing the behavior of the signed digit counter outputs at the digit position we can derive the following implicit depth-implementation:Generally speaking the equations describing the sum and the carry of the signed digit counter are:sgnsgnsgnsgnGiven that inside the signed digit counter the signed digit counter is receiving as inputs the im-plicitly computed signals,and,the Equations in the theorem enun-ciation follow with proper substitutions.Remark2The implementation of the radix-signed digit counter presented in the Theorem2is explicit depth-. The network cost is neural gates.The maximum weight is and the maximum fan-in is.Remark3The scheme can be transformed into an impli-cit depth-as follow:The implicit depth-network implementing the signed digit counter has a cost of neural gates.This im-plicit scheme leads to an increase in the fan-in and weight values of the counter which takes as input the sum digit because the value of the sum is carried by signals instead of.There is also a neural value to be carried between different levels of counters.In the worst case scenario the next counter will get as inputs sum digits and carries.In this case the maximum weight is and the maximum fan-in is.4Signed Digit CountersThefinal issue to be addressed in this paper is the con-struction of the general case of signed digit counters with being an arbitrary integer number.The construc-tion idea is to assumesfirst a a signed digit counter reduction in a single level.The outputs of this counter are fed into a second counter to produce the twooutput signals.Given that by augmenting the number ofinputs the number of outputs also increases,after in-put counters it is not possible to construct a signeddigit counter in two levels.As it was stated before the signed digit counter is implemented as a cascade of two counters,namely a signed digit counter and asigned digit counter.As a matter of fact each one of this internal counters implements a logarithmic compression of its inputs in one level of neural gates.The implement-ation technique proposed for the implicit calculation of the outputs of the signed digit counter can be easily generalized to any signed digit counter.Given that a logarithmic compression can be achieved in one level of gates,the delay for a signed digit counter can be expressed as:(12) By recursive application of this technique we can compute the delay that corresponds to the implementation of the general signed digit counter.However it might be of practical and theoretical interest to provide an answer to the following research question:Is there any other possibility to implement the gen-eral signed digit counter always in explicit depth-?In the remaining of this section we prove that such an explicit depth-implementation can be always achieved if a representation radix“big enough”is assumed for the counter input digits.First we have tofind out what does “big enough”representation radix means and in order to do so we have to investigate the following issue: How big has to be the representation radix we have to assume for the inputs in order to be able to perform-digit“totally parallel”addition?Avizienis investigated this issue in[19]but from thedual point of view,i.e.,he started with a given radix-and investigated the maximum number of digits that can be ad-ded in“totally parallel”mode within that radix-signed digit representation.In our case the number of digits is given by the number of inputs and we want tofind out the minimum value for the radix-that would aloud the sim-ultaneous addition of signed digits into a“totally par-allel”mode.We answer to this question in the following lemma.Lemma3The simultaneous addition of signed digitscan be done in a“totally parallel”mode by assuming a representation radix greater or equal with.Proof:The simultaneous addition of signed digits can be done in a way that is very much alike the addi-tion of two digits.Therefore in order to add the digitsin a“totally parallel”mode we havefirst to produce an intermediate sum digit and a transport digit that satisfy the Equation(13)and also the constraint that the subsequent addition in the Equation(14)that gives the real value of the sum digit in the position can be done anytime without generating a carry-out.(13)(14)We have tofind not only the value of the radix for which the computation in the Equations(13,14)can be done,but also the maximum absolute values that we can allow for the intermediate sum digit and the transport digit.Speaking in greatest absolute values the digit po-sition is irrelevant than we can skip it in the following. In order to have data consistency we have to assume thatand.Therefore,if mapped in absolute maximal values, the Equations(13,14)become:(15)(16) From the Equations(15,16)we can derive the following inequalities:.This two assumptions together with the Equation(17)and depending if we assume an odd radix or an even one,lead to or. Therefore in order to perform simultaneous addition ofsigned digits in a“totally parallel”mode we have to use a representation radix greater or equal with.As follows from the Lemma3if a radix of is assumed we can represent the sum of all the input digits on two output digits.Note that in this case there will be no carries transmitted between the counters applied at adjacent digit position.We introduce the depth-signed digit counter scheme in the following theorem. Theorem3Assuming radix-signed digit repres-entation the counter can be implemented with an ex-plicit depth-neural network with the size measured in terms of neural gates in the order of.The maximum weight value is the order of and the maximum fan-in value is in the order of.Proof:Assume that the radix-signed digit in-puts of the counter are and all the digits ,can take value within the symmet-ric digit setGiven that the radix-allows for“totally paral-lel”addition of signed digits we can compute the sum of the input digits as being equal with.Obviously both and depend on the value of.The maximum absolute value that can be assumed by can be derived under the as-sumption that all the digits are.This will lead to and consequently to a variation domain for equal to.Because the digits involved into the computation of belong to the set we need bits for their's complement codification[1].Under this codific-ation each digit is represented by a-tuple.Each of this bits will take part into the computation of with a weight that correspond to its position inside the digit representation and following the's complement codific-ation convention.With this assumption the expression of becomeAssuming all of these the sum digit and the carry di-git can be expressed function of.Because of the weighted manner we did the computation of the sum, the functions and are symmetric in all of the input variables3and consequently they can be implemen-ted using the method described in the Lemma1with a depth-neural network.Because can assume any digit value in the set we need bits for its codification. Therefore in order to compute we have to computesymmetric Boolean functions,.For the implementation of each symmetric Boolean function we need neural gates in thefirst layer of the network,being the num-ber of intervals in the definition domain where as-sume the value of,and neural gate in the second layer. Consequently the computation of the function can be done with:(18)neural gates.The definition domain for is.Given that the changes of the values of can appear only in certainfixed spots common for all of them we can use the gate sharing concept we in-troduced in[22].In this way the gates associated to the upper limit of the intervals can be shared between the net-works implementing the Boolean functions.This fact leads to an upper bound of3The number of input Boolean variables is given by the product of the number of digits involved into the computation and the number of bits we need in order to represent a digit in,i.e.,.network.The second level of the network has to con-tain one gate for each,i.e.,bit position in the's complement representation of,then it can be built withgates.Therefore the network computing the sum digit as can be built with at most.Asymptotically speaking this leads to an implementa-tion of the signed digit counter with a depth-network having the number of neural gates in the order of.The maximum weight value is upper bounded by the dimension of the definition domain,i.e.,, and consequently it is in the order of.The maximum fan-in value is imposed by the gates in the second level of the network which take as inputs all the bits participating into the computation,i.e.,,and some outputs of the gates in thefirst level. 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