Введение

С развитием вычислительной техники стало возможным решить ряд задач, возникающих в процессе жизнедеятельности, облегчить, ускорить, повысить качество результата. К примеру, работа различных систем жизнеобеспечения, взаимодействие человека с компьютером, появление роботизированных систем и др. Тем не менее, отметим, что обеспечить удовлетворительный результат в некоторых задачах (распознавание быстродвижущихся подобных объектов, рукописного текста) в настоящее время не удается. Таким образом, в этой статье предлагается обсудить методы и принципы, применяемые в вычислительной технике для выполнения поставленной задачи.

История возникновения искусственных систем автоматического распознавания и их реализации

Достаточно долгое время задача распознавания рассматривалась человеком со стороны биологического и психологического аспектов. При этом изучению подвергались лишь качественные характеристики, которые не позволяли точно описать механизм функционирования. Получение функциональных зависимостей было, как правило, связано с исследованием рецепторов органов слуха, осязания или зрения. Однако принципы формирования решения оставались загадкой. Считается, что основным заблуждением на заре исследования было мнение о том, что мозг функционирует по определенным алгоритмам, а следовательно, выяснив эту систему правил, можно ее воссоздать с помощью постоянно развивающихся вычислительных и технических средств.

Основанная Норбертом Винером в начале XX века новая наука, получившая название кибернетика (наука об общих закономерностях процессов управления и передачи информации в машинах, живых организмах и обществе), позволила в исследование вопроса распознавания образов ввести количественные методы. Другими словами, представить процесс распознавания образов (по сути – природное явление) математическими методами.

Отметим, что в процессе жизнедеятельности человека число принимаемых им решений конечно, но, в то же время, количество определяющих факторов может быть бесконечным. В качестве простого примера приведем следующий. На улице может идти дождь: проливной, моросящий, другими словами, различной силы, однако человек может принять лишь два решения – брать ему зонт или нет.

Количество возможных решений зависит от жизненного опыта. Поэтому автоматизация ряда процессов предполагает под собой конструирование автоматических устройств, способных реагировать на множество изменяющихся характеристик внешней среды каким-то определенным количеством удовлетворительных для человека реакций. Это означает реализацию главных особенностей принципов распознавания, заложенных природой, обеспечение реагирования на совокупность изменений.

Создание устройств, выполняющих функции распознавания различных объектов, в большинстве случаев обеспечивает возможность замены человека специализированным автоматом. Благодаря этому, значительно расширяются возможности сложных систем, выполняющих различные информационные, логические, аналитические задачи. Следует отметить, что качество работ, выполняемых человеком на рабочем месте, зависит от многих факторов (квалификации, опыта, добросовестности и т. д.). В то же время исправный автомат действует однообразно и обеспечивает всегда одинаковое качество. Автоматический контроль сложных систем позволяет вести мониторинг и обеспечивать своевременное обслуживание, идентификацию помех и автоматическое применение соответствующих методов шумоподавления, позволяет повысить качество передачи информации. Также понятно, что использование автоматических систем в ряде задач может обеспечить невозможное для человека быстродействие.

Подытожив вышеописанное, отметим основные причины замены человеческого участия в задачах распознавания:

1. освобождение человека от однообразных операций для решения других более важных задач.

2. Повышение качества и скорости принимаемых решений.

В течение достаточно продолжительного времени проблема распознавания привлекает внимание специалистов в области прикладной математики, а затем и информатики. Так отмечают работы Р. Фишера, выполненные в 20-х годах и приведшие к формированию дискриминантного анализа как одного из разделов теории и практики распознавания. В 40-х годах А. Н. Колмогоровым и А. Я. Хинчиным поставлена задача о разделении смеси двух распределений.

В 50–60-е годы ХХ века на основе массы работ появилась теория статистических решений. В результате этого появления найдены алгоритмы, обеспечивающие отнесение нового объекта к одному из заданных классов, что явилось началом планомерного научного поиска и практических разработок. В рамках кибернетики начало формироваться новое научное направление, связанное с разработкой теоретических основ и практической реализации устройств, а затем и систем, предназначенных для распознавания объектов, явлений, процессов. Новая научная дисциплина получила название Распознавание образов.

Таким образом, базой для решения задач отнесения объектов к тому или иному классу послужили, как это отмечается сегодня, результаты классической теории статистических решений. В ее рамках строились алгоритмы, обеспечивающие на основе экспериментальных измерений параметров (признаков), характеризующих этот объект, а также некоторых априорных данных, описывающих классы, определение конкретного класса, к которому может быть отнесен распознаваемый объект.

В последующем математический аппарат теории распознавания расширился за счет применения:

1. Разделов прикладной математики; теории информации.

2. Методов алгебры логикиовышение качества и скорости принимаемых решений.

3. Математического программирования и системотехники.

И к середине 70-х годов определился облик распознавания как самостоятельного научного направления, появилась возможность создания нормальной математической теории распознавания.

Определения

Прежде, чем приступить к основным методам распознавания образов, приведем несколько необходимых определений. Распознавание образов (объектов, сигналов, ситуаций, явлений или процессов) – задача идентификации объекта или определения каких-либо его свойств по его изображению (оптическое распознавание) или аудиозаписи (акустическое распознавание) и другим характеристикам.

Одним из базовых является не имеющее конкретной формулировки понятие множества. В компьютере множество представляется набором неповторяющихся однотипных элементов. Слово неповторяющихся означает, что какой-то элемент в множестве либо есть, либо его там нет. Универсальное множество включает все возможные для решаемой задачи элементы, пустое не содержит ни одного.

Образ – классификационная группировка в системе классификации, объединяющая (выделяющая) определенную группу объектов по некоторому признаку. Образы обладают характерным свойством, проявляющимся в том, что ознакомление с конечным числом явлений из одного и того же множества дает возможность узнавать сколь угодно большое число его представителей. Образы обладают характерными объективными свойствами в том смысле, что разные люди, обучающиеся на различном материале наблюдений, большей частью одинаково и независимо друг от друга классифицируют одни и те же объекты. В классической постановке задачи распознавания универсальное множество разбивается на части-образы. Каждое отображение какого-либо объекта на воспринимающие органы распознающей системы, независимо от его положения относительно этих органов, принято называть изображением объекта, а множества таких изображений, объединенные какими-либо общими свойствами, представляют собой образы.

Методика отнесения элемента к какому-либо образу называется решающим правилом. Еще одно важное понятие – метрика, способ определения расстояния между элементами универсального множества. Чем меньше это расстояние, тем более похожими являются объекты (символы, звуки и др.) – то, что мы распознаем. Обычно элементы задаются в виде набора чисел, а метрика – в виде функции. От выбора представления образов и реализации метрики зависит эффективность программы, один алгоритм распознавания с разными метриками будет ошибаться с разной частотой.

Обучением обычно называют процесс выработки в некоторой системе той или иной реакции на группы внешних идентичных сигналов путем многократного воздействия на систему внешней корректировки. Такую внешнюю корректировку в обучении принято называть поощрениями и наказаниями. Механизм генерации этой корректировки практически полностью определяет алгоритм обучения. Самообучение отличается от обучения тем, что здесь дополнительная информация о верности реакции системе не сообщается.

Адаптация – это процесс изменения параметров и структуры системы, а возможно – и управляющих воздействий, на основе текущей информации с целью достижения определенного состояния системы при начальной неопределенности и изменяющихся условиях работы.

Обучение – это процесс, в результате которого система постепенно приобретает способность отвечать нужными реакциями на определенные совокупности внешних воздействий, а адаптация – это подстройка параметров и структуры системы с целью достижения требуемого качества управления в условиях непрерывных изменений внешних условий.

Примеры задач распознавания образов:

1. Распознавание букв.

2. Распознавание штрих-кодов.

3. Распознавание автомобильных номеров.

4. Распознавание лиц и других биометрических данных.

5. Распознавание речи.

Методы распознавания образов

В целом, можно выделить три метода распознавания образов:

Метод перебора. В этом случае производится сравнение с базой данных, где для каждого вида объектов представлены всевозможные модификации отображения. Например, для оптического распознавания образов можно применить метод перебора вида объекта под различными углами, масштабами, смещениями, деформациями и т. д. Для букв нужно перебирать шрифт, свойства шрифта и т. д. В случае распознавания звуковых образов, соответственно, происходит сравнение с некоторыми известными шаблонами (например, слово, произнесенное несколькими людьми).

Второй подход – производится более глубокий анализ характеристик образа. В случае оптического распознавания это может быть определение различных геометрических характеристик. Звуковой образец в этом случае подвергается частотному, амплитудному анализу и т. д.

Следующий метод – использование искусственных нейронных сетей (ИНС). Этот метод требует либо большого количества примеров задачи распознавания при обучении, либо специальной структуры нейронной сети, учитывающей специфику данной задачи. Тем не менее, его отличает более высокая эффективность и производительность

Общая характеристика распознавания образов и их типы

Общая структура системы распознавания и этапы в процессе ее разработки показаны на рис. 1.

Рисунок 1 – Структура системы распознавания

Это информационные задачи, состоящие из двух этапов:

1. Преобразование исходных данных к виду, удобному для распознавания.

2. Собственно распознавание (указание принадлежности объекта определенному классу).

В этих задачах можно вводить понятие аналогии или подобия объектов и формулировать правила, на основании которых объект зачисляется в один и тот же класс или в разные классы. В этих задачах можно оперировать набором прецедентов-примеров, классификация которых известна и которые в виде формализованных описаний могут быть предъявлены алгоритму распознавания для настройки на задачу в процессе обучения.

Для этих задач трудно строить формальные теории и применять классические математические методы (часто недоступна информация для точной математической модели или выигрыш от использования модели и математических методов несоизмерим с затратами).

Выделяют следующие типы задач распознавания:

1. Задача распознавания – отнесение предъявленного объекта по его описанию к одному из заданных классов (обучение с учителем).

2. Задача автоматической классификации – разбиение множества объектов, ситуаций, явлений по их описаниям на систему непересекающихся классов (таксономия, кластерный анализ, самообучение).

3. Задача выбора информативного набора признаков при распознавании.

4. Задача приведения исходных данных к виду, удобному для распознавания.

5. Динамическое распознавание и динамическая классификация – задачи 1 и 2 для динамических объектов.

6. Задача прогнозирования – суть предыдущий тип, в котором решение должно относиться к некоторому моменту в будущем.