Red neuronal

Red Neuronal Artificial para reconocimiento de dígitos usando Xilinx System Generator y una tarjeta FPGA Spartan-3
J.C. Moctezuma, A. Sánchez, A. Tenorio, S. Sánchez Benemérita Universidad Autónoma de Puebla, Facultad de Ciencias de la Computación agalvez@cs.buap.mx

Resumen—En este trabajo se presenta una aplicación para reconocimiento de dígitos a través de un display, usando redesneuronales artificiales (Perceptrón). La red se entrena en MATLAB y la implementación hardware es realizada usando como plataforma de desarrollo Xilinx System Generator y programada en una tarjeta FPGA Spartan-3. Se presentan los resultados obtenidos para diferentes dígitos de entrada con y sin ruido. Finalmente se realiza un resumen de los recursos hardware requeridos para su implementación. Palabrasclave— FPGA Spartan-3, MATLAB, Perceptrón, Red Neuronal Artificial, Xilinx System Generator.

Fig. 1. Distribución de los segmentos en el display TABLA 1 REPRESENTACIÓN DE LOS DÍGITOS EN EL DISPLAY Dígit 0 1 2 3 4 5 6 o 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 2 1 0 1 1 0 1 1 3 1 0 1 1 1 1 0 4 1 1 0 1 1 0 0 5 1 1 1 0 1 1 0 6 1 1 1 0 1 1 1 7 0 0 1 1 1 0 0 8 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 1 0

U

I.INTRODUCCIÓN

na Red Neuronal Artificial (RNA) es un modelo de procesamiento de información que es inspirado en el funcionamiento del sistema nervioso biológico, y de como el cerebro procesa la información. Este se compone de un gran número de elementos interconectados (neuronas) trabajando en armonía para resolver problemas específicos. Una RNA es configurada para una aplicación específica, tal como elreconocimiento de patrones o clasificación de datos, a través de un proceso de aprendizaje. Aprender en sistemas biológicos implica ajustes para las conexiones sinápticas que existen entre las neuronas. De igual forma, el aprendizaje en RNAs se ve reflejado en la actualización de los pesos y biases por medio de reglas de aprendizaje. En este trabajo se presenta el proceso, desde el diseño hasta laimplementación de una RNA tipo perceptrón para el reconocimiento de dígitos. El objetivo de la red es el reconocimiento de dígitos representados en un display de siete segmentos, en donde el usuario ingresa un digito y la red detecta cual es, dando su salida en forma binaria, si el usuario llega a ingresar un digito incorrecto, es decir, uno con ruido, entonces la red muestra el más parecido. La RNAmaneja diez dígitos y se muestran mediante un display, la distribución de los segmentos se puede observar en la figura 1, mientras que la representación de los dígitos es mostrada en la Tabla 1.

El Neural Network Toolbox de MATLAB es una poderosa herramienta para realizar el diseño, entrenamiento y simulación de redes neuronales artificiales, posee una interfaz gráfica efectiva, completa yfácil de manipular. La implementación fue realizada usando Xilinx System Generator y programada en una tarjeta FPGA Spartan-3. II. DISEÑO DE LA RED EN MATLAB Para el diseño de la red se usa la herramienta nntool de MATLAB, la cual es una interfaz gráfica que permite el desarrollo de redes neuronales. Como entrada a la red, se ingresa la siguiente matriz P, donde cada columna indica el dígitocorrespondiente, empezando por 0, 9, 8, 7, …, 1:
[0 1 1 0 1 1 1 1 1 0; 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0; 1 1 1 1 1 1 0 1 1 0; 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1; 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1; 1 1 1 0 1 1 0 1 1 0; 1 0 1 0 1 0 0 0 1 0]

Los targets, corresponden a la salida deseada de la red, es la representación binaria de cada uno de los dígitos, la matriz de targets T es la siguiente, nuevamente cada columna es una representaciónbinaria:
[0 1 1 0 0 0 0 0 0 0; 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0; 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0; 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1]

III. IMPLEMENTACIÓN DE LA RED EN EL FPGA Una vez que el diseño y la simulación han sido realizados, el siguiente paso es implementar la red neuronal en hardware. En la figura 4, se muestra la tarjeta FPGA Spartan-3 usada para este trabajo.

El tipo de red neuronal artificial usada es un perceptrón con...