Добавить новость
smi24.net
News in English
Январь
2023

Helpful disturbance: how non-linear dynamics can augment edge sensor time series

0

Engineers at Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) have demonstrated a simple computational approach for supporting the classification performance of neural networks operating on sensor time series. The proposed technique involves feeding the recorded signal as an external forcing into an elementary non-linear dynamical system, and providing its temporal responses to this disturbance to the neural network alongside the original data.

Fig. 1. Overview of the proposed time series augmentation architecture

In the world around us, a proliferation of sensors is taking place, promising to support the efficiency and sustainability of practically all aspects of human activity. One challenge that engineers involved in delivering the internet-of-things to society have to face, is how to handle the flood of data resulting from such sensors. Especially, there is a need to reduce the data as much as possible at the edge, close to the sensors themselves, because streaming all data to the cloud would have an unacceptable technical, economic and environmental footprint. As a response to this, much research is being conducted worldwide towards small-sized, highly efficient classifiers suitable for detecting particular behaviors and situations of interest while running on limited computational resources. An example application scenario is the real-time monitoring of the behavior of livestock, having the purpose of detecting subtle changes that are indicative of prodromal disease.

"An emerging approach to support the development of time series classifiers suitable for edge artificial intelligence is that of data augmentation. Basically, it is about finding creative and innovative ways of generating additional data to help get the very best performance out of neural networks that necessarily have to be quite small to meet power and size requirements. While the theory of classifiers is well established, it can be said that data augmentation is still almost in its infancy for time series. In our laboratory, for example, we have been working on a variety of techniques based on empirical considerations as well as mathematical principles," explains Ms. Chao Li, doctoral student at the Nano Sensing Unit where the study was conducted, and joint-lead author of the study [1] [2].

Usually, data augmentation is performed just before or during classifier training, and runs on powerful workstations or cloud computers. The result is that the amount of data available to train a classifier is extended along the time dimension, as would be the case if longer recordings had been made available. This is important because high-quality data of the type necessary for classifier training is precious and expensive to prepare. However, this is not the only form of data augmentation possible. "We came up with the idea of extending the data along the other dimension, that is, the number of time series, meaning the number of input dimensions. Usually, edge applications may operate on one, or at most a few sensor time series. One possibility is performing computational operations to generate more of them, which try to make as much as possible of the initial information available to the classifier in a form suitable for it to learn it efficiently. While many signal processing operations could be implemented, a particularly disruptive computation is to simulate a dynamical system, endowed with its own intrinsic activity, and try to disturb it by externally forcing it with a signal recorded from the environment," explains Dr. Ludovico Minati, lead author of the study.

Starting from a concept previously developed and patented in the Biointerfaces unit for improving the performance of brain-interface systems, the researchers carefully considered many practical aspects of how to realize it [3]. Targeting the classification of the basic cattle behaviors using a collar-mounted accelerometer, they developed ways to filter and preprocess the kinematic signals and of injecting them so that the simulated dynamical system would accept and respond to them without diverging. Then, they explored how to extract the most relevant time series from its activity, in order to supply it either to a predetermined feature extractor and multi-layer perceptron or to a convolutional neural network. "Many low-dimensional systems such as the Rössler and Lorenz systems, which have been studied for decades by physicists and control engineers, actually have a remarkable computational potential that remains largely unexplored. This study takes an unusual step towards deploying it in a concrete application scenario," explains Prof. Mattia Frasca from the University of Catania (Italy), who provided several theoretical contributions to the Tokyo Tech researchers on the behaviors of these kinds of systems and their implementations as analog circuits [4].

By augmenting the data through the additional time series derived from the dynamical systems, namely one separate Rössler system per accelerometer axis, the researchers were able to increase the classification performance by an appreciable amount. "While this is truly just an initial study to propose a provocative idea and substantial future work is needed, we were also able to realize the dynamical system using a very simple analog hardware circuit and still observe an improvement thanks to exploiting its responses", adds Dr. Ludovico Minati. "Our approach reminds of reservoir computing, on which we recently conducted research using elementary transistor circuits known as the Minati-Frasca oscillators. However, it is actually different, because the dynamics are low dimensional, and a single oscillator is used instead of a network. In this sense, it may be even more suitable for low-power implementation" adds Mr. Jim Bartels, also a doctoral student at the unit [5].

After the interview, the team explained that this type of exploratory research will need to be extended and developed on other datasets and settings to ascertain its general applicability to concrete cases, though these initial results are promising. "One take-home point is that this approach can be implemented with quite limited resources, either digitally or in an analog way. Our past work in fact has shown CMOS chaotic systems operating with as low power as 1 μW, which could be suitable for this usage [6]. As optimizations of process technologies and conventional designs approach their limits, the confident exploration of radically new ideas such as this one seems necessary for continued innovation", concludes Dr. Hiroyuki Ito, head of the unit. The methodology, results and related considerations are reported in a recent article published in the prestigious journal Chaos, Solitons and Fractals, and all of the experimental recordings have been made freely available for others to use in future work [7].

References

[1] Li C, Tokgoz KK, Fukawa M, Bartels J, Ohashi T, Takeda K, Ito H, Data Augmentation for Inertial Sensor Data in CNNs for Cattle Behavior Classification, IEEE Sensors Letters, vol. 5, no. 11, pp. 1-4, 2021, DOI: 10.1109/LSENS.2021.3119056

[2] Li C, Minati L, Tokgoz KK, Fukawa M, Bartels J, A S, Takeda K, Ito H, Integrated Data Augmentation for Accelerometer Time Series in Behavior Recognition: Roles of Sampling, Balancing and Fourier Surrogates, IEEE Sensors Journal, 2022, DOI: 10.1109/JSEN.2022.3219594

[3] Minati L, Koike Y, Yoshimura N. Brain-computer interface system suitable for synchronizing one or more nonlinear dynamical systems with the brain activity of a person, patent application WO2021019776A1, priority to PCT/JP2019/030295, https://patents.google.com/patent/WO2021019776A1

[4] Minati L, Ito H, Perinelli A, Ricci L, Faes L, Yoshimura N, Koike Y, Frasca M, Connectivity influences on nonlinear dynamics in weakly-synchronized networks: insights from Rössler systems, electronic chaotic oscillators, model and biological neurons, IEEE Access, vol. 7, pp. 174793-174821, 2019, DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2957014

[5] Minati L, Bartels J, Li C, Frasca M, Ito H, Synchronization phenomena in dual-transistor spiking oscillators realized experimentally towards physical reservoirs, Chaos, Solitons and Fractals, vol. 162, art. 112415, 2022, DOI: 10.1016/j.chaos.2022.112415

[6] Minati L, Frasca M, Yoshimura N, Ricci L, Oswiecimka P, Koike Y, Masu K, Ito H, Current-Starved Cross-Coupled CMOS Inverter Rings as Versatile Generators of Chaotic and Neural-Like Dynamics Over Multiple Frequency Decades, IEEE Access, vol. 7, pp. 54638-54657, 2019, DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2912903

[7] Minati L, Li C, Bartels J, Chakraborty P, Li Z, Yoshimura N, Frasca M, Ito H, Accelerometer time series augmentation through externally driving a non-linear dynamical system, Chaos, Solitons and Fractals, vol. 168, art. 113100, 2023, DOI: 10.1016/j.chaos.2023.113100

Reference

Authors :
Ludovico Minati1,2, Chao Li1, Jim Bartels1, Parthojit Chakraborty1, Zixuan Li1, Natsue Yoshimura3,4, Mattia Frasca5,6, Hiroyuki Ito1
Title :
Accelerometer time series augmentation through externally driving a non-linear dynamical system
Journal :
Chaos, Solitons and Fractals
DOI :
Affiliations :

1 Nano Sensing Unit, Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology

2 Center for Mind/Brain Science (CIMeC), University of Trento, 38123 Trento, Italy

3 Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology

4 Department of Computational Brain Imaging, ATR

5 Department of Electrical Electronic and Computer Engineering, University of Catania

6 "A. Ruberti" Institute for Systems Analysis and Computer Science, National Research Council (IASI-CNR)

Further Information

Associate Professor Ludovico Minati

Institute of Innovative Research, Tokyo Institute of Technology

Email minati.l.aa@m.titech.ac.jp

Contact

Public Relations Division, Tokyo Institute of Technology

Email media@jim.titech.ac.jp
Tel +81-3-5734-2975








Marins Park Hotel Новосибирск – место, где сбываются мечты!

Овик Аванесов: Пожары в Арцахе устроены специально, это часть спланированного культурного геноцида

Забайкальский филиал "ЛокоТех-Сервис" показал уверенный рост в первом полугодии

Участники Первенства России по стрельбе из лука остановились в Marins Park Hotel Новосибирск


The Federal Reserve’s power: Congress giveth and Congress can taketh away

Nvidia’s Jensen Huang hauled before China’s cyber cops to explain ‘backdoor safety risks’ in H20 chips

Bob Arum Says One Current World Champion Beats Prime Floyd Mayweather: “He’s A Very Unique Talent”

Is eBay actually sexy again as the ecommerce old-timer’s stock surges to an all-time high?


С особой требовательностью

В Корпоративном университете «ЛокоТех» за первое полугодие 2025 года обучено более 2500 человек и создано 8 новых программ

Город Бакуракерт на полуострове Ланжерон

Алгоритмы Яндекс Музыки. Алгоритмы продвижения в Яндекс Музыка.


If you'd like to see Meta's AI gunk purged from WhatsApp, a new antitrust investigation in Italy might just do the trick

Разработчики The Seven Deadly Sins: Origin ответили на частые вопросы игроков

Girl Rescue 1.0.3.3

«Деньги не пахнут»: Как Blox World наживается на доверии игроков Roblox



Сахар на вес золота: как изобретение инсулина изменило медицину

Москва превратится в Таиланд. Климатолог Клименко сделал прогноз на 10 лет

Кабинет Артиста.

Алгоритмы Яндекс Музыки. Алгоритмы продвижения в Яндекс Музыка.


Карпин о «Динамо»: «У нас нехватка кадров, так скажем. Говорить про “довольны”, “недовольны” — мне надо командой заниматься. А трансферная кампания — прерогатива клуба. Кто&nbs

Кнайсль восхитилась героизмом россиян во время землетрясения на Камчатке

Мужчина скончался после того, как не смог спасти утопающую племянницу в Абхазии

Сахар на вес золота: как изобретение инсулина изменило медицину


Скончался актер из сериалов «Паутина» и «Безмолвный свидетель» Виктор Бутов

До 100 метеоров в час: когда наблюдать пик звездопада Персеиды над Крымом

Ачитская служба пассажирского автомобильного транспорта получила новый автобус

БПЛА вызвал задержки поездов в Волгоградской области: подробности инцидента


Рублев и Хачанов не смогли пройти первый круг парного разряда теннисного турнира в Торонто

Медведев прошёл в третий круг турнира ATP в Торонто, обыграв Сврчину

Рахимова уступила Свитолиной во втором круге турнира WTA в Монреале

Сафиуллин проиграл Рууду во втором круге турнира ATP в Торонто


Доктора впервые заметили положительную динамику у впавшего в кому Кеосаяна

Новый аэропорт Геленджика принял первый рейс из Санкт-Петербурга

Патриаршие пруды: как молодёжные предпочтения меняют элитный гастрорайон

Судебный процесс по делу о теракте в «Крокусе» начнется 4 августа в Москве


Музыкальные новости

Шоу-бизнес: Джигурда был с ней 11 лет, Митяев ушел к ней из семьи: Как живет Марина Есипенко в свои 60

Лавров: отмена концерта Гергиева в Италии отражает антироссийские тенденции

Мама Тимати об 11-летней Алисе, которая снялась в кино: «Внучку ругаю регулярно! Мы обе очень эмоциональные»

«Шаляпин-фестиваль» пройдет в Подмосковье в начале августа


Карпин о «Динамо»: «У нас нехватка кадров, так скажем. Говорить про “довольны”, “недовольны” — мне надо командой заниматься. А трансферная кампания — прерогатива клуба. Кто&nbs

Москва превратится в Таиланд. Климатолог Клименко сделал прогноз на 10 лет

Алгоритмы Яндекс Музыки. Алгоритмы продвижения в Яндекс Музыка.

Москва лидирует по числу миллионеров: 28 тысяч получают свыше 1 млн рублей


Трамп: Індія та росія — «мертві економіки»

Театр Моссовета: Причиной смерти Юрия Еремина стала продолжительная болезнь

Россия не одна. Против коллективного Запада встают другие страны: Пока заочно

Бутман поделился важным уроком, который Запад преподал российским музыкантам


Шесть человек пострадали в крупной аварии на Волгоградском проспекте в Москве

Автопробег в Финляндии поддержал инициативу открытия границы с Россией

Собянин: Открыт пешеходный переход через МЦД-2 между Щербинкой и Остафьевом

ДТП на юго-востоке Москвы: пострадали четыре человека, включая пешеходов


Путин рассказал о развитии железнодорожной отрасли России

Путин отметил, что железнодорожники успешно обеспечивают снабжение вооруженных сил

Путин обсудил перспективы развития железнодорожной сети в России

Путин заявил о высокой популярности скоростных железных дорог среди россиян


Исследование показывает зависимость между темпами развития COVID-19 и уровнем смертности

Руководитель РФПИ охарактеризовал переписку фон дер Ляйен с Pfizer как позорный инцидент



Сахар на вес золота: как изобретение инсулина изменило медицину

Букин поделился причинами, почему он не придерживается диеты

«Такие жирные». У мужчины обнаружили страшное заболевание из-за ресторанов

Напавший с ножом на людей в Москве был на учёте в психоневрологическом диспансере


В Киеве показательно вскрыли «гнездо» коррупции: Зеленский устроил целый политический театр


Карпин о «Динамо»: «У нас нехватка кадров, так скажем. Говорить про “довольны”, “недовольны” — мне надо командой заниматься. А трансферная кампания — прерогатива клуба. Кто&nbs

Спорткар на воде: сборная Тульская области по гребле выступила на мини-Олимпиаде

Спелеолог Алексей Акимов: По годовым кольцам сталактитов можно узнать прошлое Земли

Теннисистка Ярослава Барташевич: Спорт полностью меняет характер



Собянин: 9 и 10 августа Москва отметит День физкультурника

Сергей Собянин. Главное за день

Собянин: Открыт пешеходный переход через МЦД-2 между Щербинкой и Остафьевом

Собянин: Количество цветников в Москве с 2010 года увеличено почти в 2,5 раза


Ликсутов сообщил об открытии велопроката на территории ОЭЗ «Технополис Москва»

В Грозном планируют возвести предприятие по переработке отходов

Конец истории: тополиный пух может навсегда исчезнуть из Москвы

"Роскосмос" продемонстрировал изображение циклон, спровоцировавшего грозу в Москве


В аэропорту Оренбурга задерживаются два рейса – в Москву и Санкт-Петербург

Новый аэропорт Геленджика принял первый рейс из Санкт-Петербурга

Патриаршие пруды: как молодёжные предпочтения меняют элитный гастрорайон

Судебный процесс по делу о теракте в «Крокусе» начнется 4 августа в Москве


Бизнесмен из Подмосковья пытался испортить деньгами честного нарьянмарца

В администрации муниципального образования «Городской округ «Город Нарьян-Мар» выявлены нарушения законодательства о противодействии коррупции

Архангельская область. СМИ зовут прокуроров в дорогу

Аномальная жара: До +41 °С в Чечне и Ингушетии, +30 °С в Карелии и Архангельске


Цены на новостройки в июле 2025 года: Севастополь лидирует, Симферополь чуть отстаёт

Задержка поездов в Крым и из Крыма: свежие данные

В пути следования задерживаются поезда «Таврия», сообщили в пресс-службе компании-перевозчика "Гранд Сервис Экспресс"

Задержка поездов в Крым и из Крыма – актуальные данные


Ачитская служба пассажирского автомобильного транспорта получила новый автобус

Судебный процесс по делу о теракте в «Крокусе» начнется 4 августа в Москве

Доктора впервые заметили положительную динамику у впавшего в кому Кеосаяна

БПЛА вызвал задержки поездов в Волгоградской области: подробности инцидента














СМИ24.net — правдивые новости, непрерывно 24/7 на русском языке с ежеминутным обновлением *