智能傳感器中神經(jīng)網(wǎng)絡激活函數(shù)的實現(xiàn)方案*

李宏偉, 吳慶祥

(福建師范大學 光電信息工程學院，福建 福州 350007)

0 引 言

目前，智能傳感器多指嵌入了信息處理單元(如單片機，ARM，DSP)的傳感器[1]，然而這些傳感器中有很多都沒有實現(xiàn)具備學習功能的智能。人工神經(jīng)網(wǎng)絡經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，現(xiàn)已成為計算智能中較為活躍的一個領域，并可以在傳感器的非線性校正、故障自診斷、多傳感器信息融合等領域發(fā)揮重要作用，使運用此算法的傳感器成為具有學習功能的智能傳感器[2]。神經(jīng)網(wǎng)絡的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩方面，一是并行性，二而是強大的非線性信息的處理能力與學習能力。神經(jīng)網(wǎng)絡之所以能處理非線性信息，這在很大程度上歸功于神經(jīng)網(wǎng)絡的激活函數(shù)。因此，實現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡的激活函數(shù)就成為神經(jīng)網(wǎng)絡硬件化的重要組成部分。Sigmoid函數(shù)是應用得最為廣泛的一類激活函數(shù)[3]，并且考慮到現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片可以靈活地嵌入到各種傳感器中，本文研究FPGA實現(xiàn)Sigmoid函數(shù)的方法。

用FPGA實現(xiàn)此函數(shù)，常用的方法有查表法，分段線性逼近法、多項式近似法、STAM法、協(xié)調旋轉數(shù)字計算機(coordinated rotation digital computer，CORDIC)算法等[5]。本文所采用的就是CORDIC算法與一種改進型高效除法器相結合的實現(xiàn)方案。

1 算法原理

Sigmoid函數(shù)的表達式為

(1)

若將其硬件化，主要有2個關鍵性問題:1)實現(xiàn)函數(shù)y=ex;2)完成除法運算。其中,CORDIC算法可以將復雜的指數(shù)運算轉化為加減法運算和移位操作，適合在硬件上實現(xiàn)，在基于FPGA的信息處理系統(tǒng)中頗受關注。

CORDIC算法最早由Volder J[6]于1959年提出，20世紀70年代由Walther J[7]將此算法統(tǒng)一到雙曲坐標空間中，并在圖像處理、信號濾波等相關領域得到廣泛應用。在雙曲坐標空間內,逼近函數(shù)y=ex的原理如下

ex=sinhx+coshx.

(2)

可知，若要實現(xiàn)y=ex，只需實現(xiàn)coshx和sinhx，再將二者相加即可。假設某一向量的坐標為(coshθ1,sinhθ1)，然后將此向量旋轉Δθ，則旋轉后的新向量坐標為(coshθ2,sinhθ2)，其中

θ2=θ1+Δθ.

(3)

由雙曲坐標空間的兩角和關系得

coshθ2=cosh(θ1+Δθ)

=coshθ1cosh Δθ+sinhθ1sinh Δθ,

(4)

sinhθ2=sinh(θ1+Δθ)

=coshθ1sinh Δθ+sinhθ1cosh Δθ.

(5)

將式(3)、式(4)寫成矩陣形式，有

(6)

又因為

(7)

將式(5)與式(6)聯(lián)立得

(8)

式(7)表明了相差Δθ的2個向量的遞推關系。至此可以得到如下的結論：初始坐標為(coshθ0,sinhθ0)的向量，經(jīng)過i次旋轉，每次旋轉的角度為Δθi，i次旋轉后得到的新的向量坐標為(coshθ,sinhθ)，i≥1，再由式(8)的遞推關系可得

(9)

現(xiàn)對Δθi作出如下規(guī)定

(10)

其中，“+”和“-”代表旋轉的方向。由雙曲坐標的相關公式可以推得

(11)

所以

(12)

當i→∞時，式(12)收斂于1.205 136，此值記作K。

2 系統(tǒng)設計

2.1 指數(shù)函數(shù)的逼近設計

(13)

(14)

因此，在每次迭代的過程中只涉及加減法和移位操作。

表1 前3次旋轉的角度

2.2 除法器的設計

本文采用了一種經(jīng)過改進的基于移位，比較與減法器的除法器設計方案。設置了4個寄存器變量，分別是被除數(shù)did、除數(shù)dis，商quo和余數(shù)rem。其中，被除數(shù)、商和余數(shù)的位寬都為N，除數(shù)的位寬為N/2。在除法器工作之前，先將余數(shù)初始化為0，即rem0=0。然后將被除數(shù)的最高位置于余數(shù)rem0的最低位，同時保持余數(shù)的位寬不變，rem0的最高位去掉，則新得到的余數(shù)rem1=0,0,...,0，did[N-1]。此時比較rem1與除數(shù)dis的大小，若rem1≥dis，則商的最高位置1，新的余數(shù)rem2=rem1-dis。若rem1≤dis，則商的最高位置0，然后將被除數(shù)的次高位置于余數(shù)rem1的末位，rem1的最高位去掉，以保證其位寬為N，新的余數(shù)rem2=rem1[N-2],rem1[N-3],......rem1[1],rem1[0],did[N-2]，以此類推，便可得到N位的商quo。現(xiàn)舉例說明，被除數(shù)did=1010，除數(shù)dis=11，先將余數(shù)rem0初始化為0000，將did的最高位1置于rem0的末尾，去掉rem0的最高位，這樣新的余數(shù)rem1=0001，因為rem1dis，所以,商的左數(shù)第三位置1，新余數(shù)rem4=rem3-dis=0101-11=0010。最后將did的末位0置于rem4的末位，去掉rem4的最高位，得到rem5=0100，rem5>dis，商的末位為1，最終的余數(shù)rem=rem5-dis，所得的商和余數(shù)分別為3和1。

上述除法器有兩點局限性:一是被除數(shù)要大于等于除數(shù);二是被除數(shù)的位寬要是除數(shù)位寬的2倍。在Sigmoid函數(shù)中，分子小于分母，因此,要對此除法器做出改進。

Sigmoid函數(shù)中，分子位置的1用48位的二進制數(shù)表示，即最高位為1，其余各位均為0，且將此分子看作整數(shù)。分母的計算結果是由24位的二進制數(shù)表示的，其小數(shù)點在左數(shù)第四位和第五位之間。這就相當于分子的小數(shù)點相對分母向右移了27位，因此，在利用改進方案計算出商值之后，商的低27位均表示小數(shù)部分。

3 測試與驗證

利用CORDIC算法與高效除法器得到的Sigmoid函數(shù)的仿真結果如表2所示，其中,CORDIC電路單元經(jīng)歷20個時鐘周期得到輸出結果。除法器在軟件上設置了一個48次的循環(huán)程序。從中可以看出：仿真結果基本可以精確到小數(shù)點后4位，在精度上可以滿足一定的要求。表2給出了3組仿真值與理論值。

4 結 論

本文采用流水線的方式，在FPGA上實現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡的Sigmoid激活函數(shù)，在精度上和速度上均達到了一定的指標要求，可以滿足智能傳感器的故障自我診斷等需求。

表2 3組仿真值與理論值

當然，如果要求更高的精度，可以適當擴展操作數(shù)的位寬和迭代次數(shù)，以滿足傳感器更高的智能化要求。下一步的工作是用這一函數(shù)來構建各種神經(jīng)網(wǎng)絡FPGA處理芯片，并應用到傳感器信號的智能處理或基于FPGA的圖像視頻處理系統(tǒng)中。例如:在很多傳感器中，都存在交叉敏感的問題，即傳感器所測量的目標參數(shù)恒定時，而傳感器的實際輸出還會受到其他非目標參數(shù)的影響。為了解決交叉敏感的問題，可以采用多傳感器信息融合的方法來剔除無用信息。此時，神經(jīng)網(wǎng)絡芯片模塊便可植入到傳感器當中，對輸入的各種數(shù)據(jù)進行自適應學習，實現(xiàn)以學習為基礎的數(shù)據(jù)融合，從而達到改善傳感器性能的目的。

參考文獻:

[1]劉君華．智能傳感器系統(tǒng)[M]西安：西安電子科技大學出版社，2000：37.

[2]王 茜，董學人，尉吉勇,等．神經(jīng)網(wǎng)絡技術在智能傳感器系統(tǒng)中的應用與發(fā)展[J] ．自動化儀表,2005,25(7):1-3.

[3]張智明,張仁杰.神經(jīng)網(wǎng)絡激活函數(shù)及其導數(shù)的FPGA 實現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術,2008,281(18):139-142.

[4]Myers D J,Hutchinson R A.Efficient implementation of piecewise linear activation function for digital VLSI neural network-s[J].Electronics Letters,1989,25(24):1662-1663.

[5]張 蕭，黃 晞，仲偉漢,等.Sigmoid函數(shù)及其導函數(shù)的FPGA實現(xiàn)[J].福建師范大學學報:自然科學版，2011,27(2)：63.

[6]Volder J.The CORDIC trigonometric computingtechnique[J].IRE Trans on Electronic Computers,1959,8(5):330-334.

[7]Walther J.A unified algorithm for elementary functions[C]∥Proc of Spring Joint Computer Conf,Berlin,1971:379-385.