PSPC-lab (Strutture fisiche per la percezione e l'elaborazione)

Dipartimento di Ingegneria Biofisica ed Elettronica

Descrizione:
L’attività di ricerca del Gruppo PSPC è rivolta allo studio dei sistemi di visione artificiali e naturali considerandone i principi strutturali alla base delle prestazioni funzionali. In questa prospettiva, l’elaborazione del segnale visivo avviene attraverso schemi distribuiti la cui organizzazione imita quella della corteccia visiva dei mammiferi. I principi strutturali così individuati suggeriscono paradigmi computazionali ed architetturali per la progettazione di sistemi percettivi su base neuromorfa. In particolare, si possono individuare tre tematiche tra loro complementari: (1) modelli di sistemi percettivi (visione, neuroscienze); (2) progettazione di sistemi percettivi artificiali (visione artificiale); (3) progettazione microelettronica neuromorfa (microsistemi percettivi). I problemi percettivi di riferimento riguardano (1) l'integrazione delle informazioni stereo e di movimento nell'analisi di scene dinamiche e nella navigazione robotica (ricavare mappe di profondità di scene in movimento e distinguere movimenti di avvicinamento o allontanamento dall'osservatore); (2) la progettazione di strutture reattive per l'elaborazione cooperativa di segnali visivi.

In quale contesto si colloca la ricerca?
Il contesto delle attività svolte nel PSPC-lab riguarda le attività di ricerca di lungo periodo, volte a sviluppare sistemi artificiali dotati di funzioni cognitive, che permettano al sistema di raccogliere informazioni relative all'ambiente circostante, di analizzarle, valutarle e utilizzarle per agire. In queste tematiche si è venuta sempre più affermando una impostazione che si pone in relazione bidirezionale con le scienze del cervello, favorendo da un lato il trasferimento di conoscenze derivate dallo studio di sistemi biologici verso sistemi artificiali (modelli realizzati in hardware, software e wetware che ne incorporano in forma essenziale principi, architetture e funzionalità), e dall'altro dimostrando l'utilità dell'approccio artificiale come metodo di indagine del sistema nervoso.

Che relazioni esistono con le ricerche sull’Intelligenza Artificiale?
Considerando specificamente i problemi di visione, la nostra impostazione pone attenzione agli schemi architetturali della corteccia visiva, che rispetto agli schemi di elaborazione tradizionali si caratterizzano per la compresenza di livelli diversi di astrazione nella rappresentazione ed elaborazione del segnale, organizzati in modo gerarchico/strutturato ed interagenti in modo ricorsivo e adattativo. I processi cognitivi sono tradizionalmente associati alle impostazioni dell'Intelligenza Artificiale, ma recenti esperimenti di neurofisiologia hanno evidenziato come gli aspetti cognitivi influenzino i primi stadi dell'elaborazione visiva, mostrando la presenza di correlati neuronali a processi cognitivi quali l'attenzione/intenzione. Si può così parlare di "early cognitive analysis", e riconsiderare gli aspetti cognitivi in termini strutturali, evidenziando nuove strategie che consentano una più diretta interazione tra "early vision" e i processi cognitivi, che possano trovare impiego in nuovi sistemi di visione artificiale, definendo così un nuovo terreno più adatto per integrare le impostazioni "bottom-up" (data driven) e quelle "top-down". In questo modo è possibile compiere elaborazioni percettive/cognitive attraverso un calcolo “fisicalista” su rappresentazioni strutturali nello spazio e nel tempo, senza esplicitamente ricorrere ad un’elaborazione simbolica o introdurre conoscenza a priori.

Che legami vi sono con le Neuroscienze?
Quando la realizzazione di sistemi artificiali corrisponde ad un processo di “reverse engineering” dei sistemi naturali, tali realizzazioni possono contribuire alla comprensione dei meccanismi di elaborazione dell’informazione nel sistema cervello. A questo scopo sarà indispensabile rafforzare i legami scientifici esistenti fra le componenti disciplinari tecnologiche/informatiche e quelle medico/biologiche proponendo temi di ricerca comuni che abbiano come obiettivo primario l’avanzamento della conoscenza.

Qual è il contesto internazionale?
Il laboratorio PSPC nasce nel 1995, cercando di espandere le funzionalità delle realizzazioni microelettroniche di reti neurali ad architettura neuromorfa. Da allora nel panorama internazionale si è maggiormente delineato l'opportunità di superare l'ambito formale delle reti neurali artificiali e di riferirsi invece più decisamente a modelli derivati dagli studi delle neuroscienze (v. ad esempio i recenti programmi avviati dalla UE “Life-like Perception Systems” e “Neuroinformatics for living artefacts”). In questo quadro il PSPC-lab ha promosso la costituzione del Consorzio EcoVision (http://pspc.dibe.unige.it/~ecovision/) costituito da: Dept. of Psychology, University of Stirling; Dept. of Zoology and Neurobiology, Ruhr-University Bochum; Dept. of Psychology, University College London; Dept. of Neuroscience and Psychiatry, Katholieke Universiteit Leuven; Dept of Computer Architecture and Technology, University of Granada; Dept. of Predevelopment EE-11, HELLA KG Hueck & Co. Il consorzio nato nel dicembre del 1999 si pone l’obiettivo di indagare sui meccanismi corticali alla base dei processi intenzionali e, più in generale, adattativi legati alla percezione visiva, che possano essere incorporati in sistemi artificiali hardware-software di nuova concezione per l’analisi di scene dinamiche complesse in relazione a compiti di navigazione e di controllo visuo-motorio.