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IoT 디바이스에서 다차원 디지털 신호 처리를 위한 신경망 최적화
Neural networks optimization for multi-dimensional digital signal processing in IoT devices 원문보기

디지털콘텐츠학회 논문지 = Journal of Digital Contents Society, v.18 no.6, 2017년, pp.1165 - 1173  

최권택 (강남대학교 소프트웨어응용학부 가상현실전공)

초록
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가장 대표적인 기계학습 알고리즘인 딥러닝 방법은 여러 응용 분야에서 활용성이 입증돼 디지털신호처리에 널리 사용되고 있다. 그러나 많은 학습데이터를 사용해 학습하는 과정에서 많은 메모리와 학습시간이 필요하기 때문에 CPU 성능과 메모리 용량이 제한된 IoT 디바이스딥러닝 기술을 적용하기는 어렵다. 특히 메모리 용량이 2K~8K 로 극히 적은 아두이노 기반의 디바이스를 사용한다면 알고리즘 구현에 많은 한계가 발생한다. 본 논문에서는 정확성과 효율성이 입증돼 여러 분야에서 활용되고 있는 ELM 알고리즘을 아두이노에서 최적화하는 방법을 제안하고, 실험을 통해 메모리 용량이 2KB인 아두이노 UNO와 메모리 용량이 8KB인 아두이노 MEGA에서 각각 15차원, 42차원의 다중 클래스 학습이 가능함을 보였다. 실험을 입증하기 위해 가우시안 혼합 모델링을 사용해 생성한 데이터셋과 범용적으로 사용하는 UCI 데이터셋을 사용해 제안한 알고리즘의 효율성을 입증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Deep learning method, which is one of the most famous machine learning algorithms, has proven its applicability in various applications and is widely used in digital signal processing. However, it is difficult to apply deep learning technology to IoT devices with limited CPU performance and memory c...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • W,b를 저장하기 위해 필요한 메모리 공간은 데이터 차원크기와 은닉층의 노드수에 의해 결정되기 때문에 학습 데이터 수와는 독립적이다. 본 논문에서는 W,b를 FLASH 메모리에 저장해 동적 계산에 필요한 SRAM 공간을 최대한 확보하고자 한다.
  • 본 논문에서는 정확성과 효율성이 입증돼 분류, 회귀, 군집화 관련 분야에서 널리 활용되고 있는 ELM(Extreme Learning Machine) [4][5][6][7][8][9][10] 알고리즘을 아두이노 UNO와 아두이노 MEGA에서 구현하고 다차원의 많은 학습데이터를 처리할 수 있도록 다양한 최적화 방법을 제안하고자 한다
  • 본 논문에서는 정확성과 효율성이 입증돼 여러 분야에서 활용되고 있는 ELM 알고리즘을 메모리 제약이 심한 아두이노 UNO와 아두이노 MEGA에서 학습할 있는 방법을 제안하였다. 학습데이터 전체를 메모리에 저장하지 않고, 순차적 방식으로 행렬 계산을 할 수 있는 알고리즘을 통해 학습데이터 수에 상관없이 ELM 학습이 가능하도록 했다.
  • 결국 기계학습을 아두이노에서 수행하기 위해 사용 메모리에 따라 다양한 최적화 방법이 필요하다. 본 논문에서는 정확성와 효율성이 입증돼 여러 분야에서 활용되고 있는 ELM 알고리즘을 아두이노에서 최적화하는 방법을 제안하고자 한다.
  • 본 논문에서는 학습데이터 수 n 이 커서 H행렬 크기가 아두이노 SRAM 보다 큰 경우 그림 2처럼 H행렬을 직접 계산에 사용하지 않고, 학습데이터를 순차적으로 계산할 수 있는 행렬 최적화 알고리즘을 제안하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
최근의 센서디바이스는 어떤 특징을 가지고 있는가? 최근의 센서디바이스는 센싱 기능만 하지 않고, 마이크로프로세서를 포함해 파라미터 설정 최적화, 출력 보정등 지능적인 프로세싱 기능을 포함하고 있다. 센서들도 실시간 데이터를 처리하고 해석할 수 있는 기능이 필요하기 때문이다.
온보드 디바이스에 딥러닝 방법을 적용하기 어려운 이유는 무엇인가? 가장 대표적인 기계학습 알고리즘인 딥러닝 방법은 최근 여러 응용 분야에서 활용성이 입증돼 널리 사용되고 있다. 그러나 많은 학습데이터를 사용해 학습하는 과정에서 많은 메모리와 학습시간이 필요하기 때문에 CPU 성능과 메모리 용량이 충분하지 않은 온보드 디바이스에 딥러닝 기술을 적용하기는 어렵다. 예를 들어 메모리 용량이 2~8KB 인 아두이노 기반의 디바이스를 사용한다면 알고리즘 구현에 많은 한계가 발생한다.
가상현실 콘텐츠와 결합되는 하드웨어에는 무엇이 있는가? 특히 인공지능 기술의 급격할 발전과 맞물려 스마트 콘텐츠에 대한 연구가 기술 개발 뿐만 아니라 인프라 구축 및 지원을 포함한 플랫폼 관점에서도 조명되고 있다. 특히 가상현실 콘텐츠는 소프트웨어뿐 만 아니라 사용자 경험을 극대화하기 위해서 모션 컨트롤러, 글러브 컨트롤러, 링 컨트롤러 등 다양한 하드웨어와 결합되고 있다[1][2][3].
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참고문헌 (15)

  1. Faure, Bouyer, Mercier, Robitaille, McFadyen, Fortin Cote, Cardou, Gosselin, Bonenfant, Laurendeau, "Development of a virtual-reality system with large-scale haptic interface and accessible motion capture for rehabilitation", 2017 International Conference on Virtual Rehabilitation (ICVR), Pages: 1 - 2. 

  2. Sukun Li, Avery Leider, Meikang Qiu, Keke Gai, Meiqin Liu, "Brain-Based Computer Interfaces in Virtual Reality", 2017 IEEE 4th International Conference on Cyber Security and Cloud Computing (CSCloud), Pages: 300 - 305. 

  3. S.-h. Kim and D.-H. Shin, "Effects of whole body movements in using virtual reality headsets on visually induced motion sickness", Journal of Digital Contents Society, Vol. 18, No. 2, pp. 283-291, Apr. 2017. 

  4. Adnan O. M, Abuassba, Dezheng Zhang, Xiong Luo, Ahmad Shaheryar, Hazrat Ali, "Improving Classification Performance through an Advanced Ensemble Based Heterogeneous Extreme Learning Machines", Comp. Int. and Neurosc. 2017: 3405463:1-3405463:11 (2017). 

  5. G. Huang, S. Song, and K. You, "Trends in extreme learning machines: a review", Neural Networks, vol. 61, pp. 32. 

  6. Z. Bai, G.-B. Huang, D. Wang, H. Wang, M.B. Westover, "Sparse extreme learning machine for classification", IEEE Transactions on Cybernetics (2014). 

  7. G. Huang, S. Song, J. Gupta, C. Wu, "Semi-supervised and unsupervised extreme learning machines", IEEE Transactions on Cybernetics (2014). 

  8. F. Cao, B. Liu, D.S. Park, "Image classification based on effective extreme learning machine", Neurocomputing, 102 (2013), pp. 90-97. 

  9. K. Choi, K.A. Toh, H. Byun, "Incremental face recognition for large-scale social network services", Pattern Recognition, 45 (8) (2012), pp. 2868-2883. 

  10. G.-B. Huang, Q.-Y. Zhu, C.-K. Siew, "Extreme learning machine: theory and applications", Neurocomputing, 70 (1) (2006), pp. 489-501. 

  11. http://paulbourke.net/miscellaneous/determinant/ 

  12. http://www.public.iastate.edu/-dicook/JSS/paper/code/svd.c 

  13. https://playground.arduino.cc/Code/MatrixMath. 

  14. J. Neter, M. H. Kutner, C. J. Nachtsheim, and W. Wasserman, "Applied Linear Regression Models", 3rd ed. Chicago, IL: Irwin, 1996. 

  15. G.-B. Huang, H. Zhou, X. Ding, and R. Zhang, "Extreme learning machine for regression and multiclass classification", IEEE Trans. Syst. Man Cybern. Part B: Cybernetics, 42:513-529, 2012. 

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