3차원 안구모델의 적응적 제어

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3 차차 차차차차차 차차차 차차 차차차차차 차차차차차차차 2002-20618

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3차원 안구모델의 적응적 제어. 서울대학교 뇌과학협동과정 2002-20618. Introduction. Robotic eye 연구의 의의와 현황 최근 휴머노이드 및 로봇의 연구가 활성화되고 있슴 로봇에 장착될 인공안구의 필요성 역시 대두됨. 자연스러운 안구의 움직임은 의사 및 감정의 소통에 매우 중요함. 양질의 시각정보 제공을 위해선 빠르고 정확한 안구운동이 필요. 소형화 및 경량화 요구. Eye robots. ATR 연구소의 Infanoid. ATR 연구소의 DB. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: 3차원 안구모델의 적응적 제어

3 차원 안구모델의 적응적 제어

서울대학교 뇌과학협동과정2002-20618

Page 2: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Introduction

Robotic eye 연구의 의의와 현황

- 최근 휴머노이드 및 로봇의 연구가 활성화되고 있슴

- 로봇에 장착될 인공안구의 필요성 역시 대두됨 .

- 자연스러운 안구의 움직임은 의사 및 감정의 소통에 매우 중요함 .

- 양질의 시각정보 제공을 위해선 빠르고 정확한 안구운동이 필요 .

- 소형화 및 경량화 요구 .

Page 3: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Eye robots

KIST 의 HECtor

MIT 의 Kismet

ATR 연구소의 Infanoid ATR 연구소의 DB

MIT 의 Cog

Page 4: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Social role of eye-movement

Communication using eye movement

: pointing, mimic, social gesture

Human-like Impression

Page 5: 3차원 안구모델의 적응적 제어

x

z

y

3 DOF manipulator

Human eye

Linear motor 2dof eye

Page 6: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Spherical motor

Page 7: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Agile eye : new type 3D gear

Page 8: 3차원 안구모델의 적응적 제어

3D eye models

Page 9: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Hard ware scheme

CCD camera

Image capture board

computer

D/O board

D/I board

LM629

LM629

LM629

LMD18200

LMD18200

LMD18200

Motor 1

Motor 2

Motor 3

Encoder input

motor input

Image input

Page 10: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Problems

Calibration : initial point fixation

Motor control

Velocity modification

Page 11: 3차원 안구모델의 적응적 제어

XZ

Y

k

j

i

Mechanics of 3D eye

6

1

2

2

3

16

1

2

2

3

13

20

3

1

k

j

i

X: 시선방향 Y: 좌우방향축 Z: 상하방향축

k

j

i

v

w

u

o

o

o

1

1

1

i

k

j

v

w

u

o

o

o

2

2

2

j

i

k

v

w

u

o

o

o

3

3

3

Page 12: 3차원 안구모델의 적응적 제어

skew symmetric matrixweR

w

0

0

0

12

13

23

ww

ww

ww

w

iou

i wew iio

회전축 w 를 중심으로 θ 만큼 회전

Mechanics of 3D eye 2

Page 13: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Motor property

Motor 1,2,3 position relationship

Motor equation :

Page 14: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Motor rotation to x-axes movement

Page 15: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Motor space

Page 16: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Test boardTarget board

Page 17: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Detect salient target

|(R-G)| + |(R-B)|

Page 18: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Center fixation

Page 19: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Psychological inspired neural net

Stress release, emotion

Memory : LTM, STM and Emotion

Hebb’s Rule

Page 20: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Stress

Stress : be arisen from sensory stimulus & pain.

Can be released to actuator

Informational energy

Drive force of action

Motivate movement

Movement uses the Stress as Energy

Page 21: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Emotion

Happy : Maintain this situation

Unhappy(Pain) : Change this situation

Happy : reducing Stress

Pain : Increasing Stress

Emotion makes Memory :

Strengthen the links of activate cells in pool

Page 22: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Brain metaphor

Sensory Cortex

WorldNeo-cortex

Thalamus

AmygdalaHippocampus

Motor cortex

Data Interaction

Emotion evaluator

Data compression

Data derivation

Making stress & Data

transfer

Make Memory

Page 23: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Psychological inspired neural net

Motor Cortex

Sensory Cortex

Stress generator

Emotion generator

memory

Neo cortex

Input cells

Output cells

Page 24: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Animal analogy

foodRange of smell

Page 25: 3차원 안구모델의 적응적 제어

LTM & STM model

LTM

STMtime

W

Page 26: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Sensory cortex

Memory

Page 27: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Sensory cortex

Activate!

Memory

Page 28: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Sensory cortex

Activate!

Activation decay

Memory

Page 29: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Sensory cortex

Activation inhibited

Memory

Page 30: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Sensory cortex

Memory

Emotion!

Page 31: 3차원 안구모델의 적응적 제어

All Links strengthened!

Memory

STM duration

Page 32: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Memory

Motor Cortex

Page 33: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Bnew = W * Bold

W new = W old(activation > threshold) * T(1.2)

M = W * (Bold + Snew)

B = S + I + MS = sensor cellI = inter cellM = motor cellW = weight matrix

Page 34: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Step by step movement

target

Problem space

Page 35: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Learning! New target Random search

Known situation Association & learning

Learned actionAssociative memory

Learning Process

Page 36: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Trial-and-error learning

Mnew = Mold * Vstep * R(error)

M = motor value

Vstep = modifying size(5 ~ 15%)

R = probability function(20~80%)

Accept = 0.5 + D(distance)

Page 37: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Result

47% = Error_before – Error_after

Error_before * 100

Page 38: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Result

Page 39: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Result

Page 40: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Velocity of Motor 1

Page 41: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Velocity of Motor 2

Page 42: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Velocity of Motor 3

Page 43: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Before learning After learning

Rotation value of 3 motors

Page 44: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Differences between before and after of motor 1,2,3

Page 45: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Weight change of Neural net

before after

Page 46: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Discussion

Initial point fixation

Effect of gravity

Saccadic suppression

Circular CCD

Page 47: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Psychological inspired neural net vs traditional neural net

Emotion evokes memory

STM

Stress

Auto weight decay

Time serial associative memory

Run & Learn

Mixed layers

Page 48: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Application

Navigation robot’s learning rule

Motion correcting of robot

Interactive controller

Page 49: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Conclusion

For spherical parallel 3D eye model :

1. Initial point fixation using visual input

2. Modify acute motor value by trial-error learning

3. Step-by-step movement by psychological inspired neural networks

Error reduced about 53% less than before learning.

Page 50: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Eye movement after learning

Page 51: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Old version

Page 52: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Circuit for eye

Page 53: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Motion detect

Motion = previous image – present image

Row image Black & white image Motion detect

Page 54: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Motion detect 2

Page 55: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Motion detect 3

Life game

1st noise remove 2nd, 3rd noise remove

Page 56: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Visual trajectory

30 degree

5 degree

Page 57: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Real visual trajectory

Page 58: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Untrained trajectory 1

Page 59: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Untrained trajectory 2

Page 60: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Introduction

robotic eyes

biology/psychological apply

human visual pathway

frued’s mind theory

agile eye

Experiment

Purpose of research

System ( H/W )

Problems

System ( S/W )

Result

calibration

motion-detect

saccade / pursuit

motion

visual cortex / visual filed

2-step saccade

Discussion

Page 61: 3차원 안구모델의 적응적 제어
Page 62: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Human vision

Human visual pathway

Page 63: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Untrained trajectory 3

Page 64: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Eye Movement

1. Saccade

2. Pursuit

3. Vergency

4. Vestibular optokinesis

Page 65: 3차원 안구모델의 적응적 제어

Evolution of eye- movement

Saccade – pursuit

Monotone – color

Motion – shape

Eye of frog, cat, human