1. Понятие образа

Образ, класс - классификационная группировка в системе классификации, объединяющая (выделяющая) определенную группу объектов по некоторому признаку.

Образное восприятие мира - одно из загадочных свойств живого мозга, позволяющее разобраться в бесконечном потоке воспринимаемой информации и сохранять ориентацию в океане разрозненных данных о внешнем мире. Воспринимая внешний мир, мы всегда производим классификацию воспринимаемых ощущений, т. е. разбиваем их на группы похожих, но не тождественных явлений. Например, несмотря на существенное различие, к одной группе относятся все буквы А, написанные различными почерками, или все звуки, соответствующие одной и той же ноте, взятой в любой октаве и на любом инструменте, а оператор, управляющий техническим объектом, на целое множество состояний объекта реагирует одной и той же реакцией. Характерно, что для составления понятия о группе восприятий определенного класса достаточно ознакомиться с незначительным количеством ее представителей. Ребенку можно показать всего один раз какую-либо букву, чтобы он смог найти эту букву в тексте, написанном различными шрифтами, или узнать ее, даже если она написана в умышленно искаженном виде. Это свойство мозга позволяет сформулировать такое понятие, как образ.

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. Примерами образов могут быть: река, море, жидкость, музыка Чайковского, стихи Маяковского и т. д. В качестве образа можно рассматривать и некоторую совокупность состояний объекта управления, причем вся эта совокупность состояний характеризуется тем, что для достижения заданной цели требуется одинаковое воздействие на объект. 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. Именно эта объективность образов позволяет людям всего мира понимать друг друга.

Способность восприятия внешнего мира в форме образов позволяет с определенной достоверностью узнавать бесконечное число объектов на основании ознакомления с конечным их числом, а объективный характер основного свойства образов позволяет моделировать процесс их распознавания. Будучи отражением объективной реальности, понятие образа столь же объективно, как и сама реальность, а поэтому это понятие может быть само по себе объектом специального исследования.

В литературе, посвященной проблеме обучения распознавания образов (ОРО), часто вместо понятия образа вводится понятие класса.

2. Проблема обучения распознаванию образов (оро)

Одним из самых интересных свойств человеческого мозга является способность отвечать на бесконечное множество состояний внешней среды конечным числом реакций. Может быть, именно это свойство позволило человеку достигнуть высшей формы существования живой материи, выражающейся в способности к мышлению, т. е. активному отражению объективного мира в виде образов, понятий, суждений и т. д. Поэтому проблема ОРО возникла при изучении физиологических свойств мозга.

Рассмотрим пример задач из области ОРО.

Рис 1

Здесь представлены 12 задач, в которых следует отобрать признаки, при помощи которых можно отличить левую триаду картинок от правой. Решение данных задач требует моделирования логического мышления в полном объеме.

В целом проблема распознавания образов состоит из двух частей: обучения и распознавания. Обучение осуществляется путем показа отдельных объектов с указанием их принадлежности тому или другому образу. В результате обучения распознающая система должна приобрести способность реагировать одинаковыми реакциями на все объекты одного образа и различными - на все объекты различных образов. Очень важно, что процесс обучения должен завершиться только путем показов конечного числа объектов без каких-либо других подсказок. В качестве объектов обучения могут быть либо картинки, либо другие визуальные изображения (буквы), либо различные явления внешнего мира, например звуки, состояния организма при медицинском диагнозе, состояние технического объекта в системах управления и др. Важно, что в процессе обучения указываются только сами объекты и их принадлежность образу. За обучением следует процесс распознавания новых объектов, который характеризует действия уже обученной системы. Автоматизация этих процедур и составляет проблему обучения распознаванию образов. В том случае, когда человек сам разгадывает или придумывает, а затем навязывает машине правило классификации, проблема распознавания решается частично, так как основную и главную часть проблемы (обучение) человек берет на себя.

Проблема обучения распознаванию образов интересна как с прикладной, так и с принципиальной точки зрения. С прикладной точки зрения решение этой проблемы важно прежде всего потому, что оно открывает возможность автоматизировать многие процессы, которые до сих пор связывали лишь с деятельностью живого мозга. Принципиальное значение проблемы тесно связано с вопросом, который все чаще возникает в связи с развитием идей кибернетики: что может и что принципиально не может делать машина? В какой мере возможности машины могут быть приближены к возможностям живого мозга? В частности, может ли машина развить в себе способность перенять у человека умение производить определенные действия в зависимости от ситуаций, возникающих в окружающей среде? Пока стало ясно только то, что если человек может сначала сам осознать свое умение, а потом его описать, т. е. указать, почему он производит действия в ответ на каждое состояние внешней среды или как (по какому правилу) он объединяет отдельные объекты в образы, то такое умение без принципиальных трудностей может быть передано машине. Если же человек обладает умением, но не может объяснить его, то остается только один путь передачи умения машине - обучение примерами.

Круг задач, которые могут решаться с помощью распознающих систем, чрезвычайно широк. Сюда относятся не только задачи распознавания зрительных и слуховых образов, но и задачи распознавания сложных процессов и явлений, возникающих, например, при выборе целесообразных действий руководителем предприятия или выборе оптимального управления технологическими, экономическими, транспортными или военными операциями. В каждой из таких задач анализируются некоторые явления, процессы, состояния внешнего мира, всюду далее называемые объектами наблюдения. Прежде чем начать анализ какого-либо объекта, нужно получить о нем определенную, каким-либо способом упорядоченную информацию. Такая информация представляет собой характеристику объектов, их отображение на множестве воспринимающих органов распознающей системы.

Но каждый объект наблюдения может воздействовать по-разному, в зависимости от условий восприятия. Например, какая-либо буква, даже одинаково написанная, может в принципе как угодно смещаться относительно воспринимающих органов. Кроме того, объекты одного и того же образа могут достаточно сильно отличаться друг от друга и, естественно, по-разному воздействовать на воспринимающие органы.

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.

При решении задач управления методами распознавания образов вместо термина "изображение" применяют термин "состояние". Состояние - это определенной формы отображение измеряемых текущих (или мгновенных) характеристик наблюдаемого объекта. Совокупность состояний определяет ситуацию. Понятие "ситуация" является аналогом понятия "образ". Но эта аналогия не полная, так как не всякий образ можно назвать ситуацией, хотя всякую ситуацию можно назвать образом.

Ситуацией принято называть некоторую совокупность состояний сложного объекта, каждая из которых характеризуется одними и теми же или схожими характеристиками объекта. Например, если в качестве объекта наблюдения рассматривается некоторый объект управления, то ситуация объединяет такие состояния этого объекта, в которых следует применять одни и те же управляющие воздействия. Если объектом наблюдения является военная игра, то ситуация объединяет все состояния игры, которые требуют, например, мощного танкового удара при поддержке авиации.

Выбор исходного описания объектов является одной из центральных задач проблемы ОРО. При удачном выборе исходного описания (пространства признаков) задача распознавания может оказаться тривиальной и, наоборот, неудачно выбранное исходное описание может привести либо к очень сложной дальнейшей переработку информации, либо вообще к отсутствию решения. Например, если решается задача распознавания объектов, отличающихся по цвету, а в качестве исходного описания выбраны сигналы, получаемые от датчиков веса, то задача распознавания в принципе не может быть решена.

20 Проблема распознавания образов

Человеческий мозг, так же как и мозг животных, с самого рождения и на протяжении всей жизни ежеминутно решает задачи распознавания образов. Ребенок или детеныш животного с первых минут своего появления на свет узнает пищу, мать, ее голос, окружающие предметы. По мере взросления ребенок учится узнавать свои игрушки, комнату, дом, множество необходимых предметов, лица друзей, их речь, музыку, буквы, слова, книги и т.д.

В своей повседневной жизни человек настолько легко справляется с задачами распознавания, что это считается само собой разумеющимся. Между тем, попытки моделирования на компьютерах этих высокоинтеллектуальных функций наталкиваются на весьма серьёзные трудности.

Для того чтобы человек сознательно воспринял информацию, она должна пройти довольно длительный цикл предварительной обработки. Рассмотрим на примере восприятия зрительного образа:

1. Вначале свет попадает в глаз. Пройдя через всю оптическую систему фотоны попадают на сетчатку (слой светочувствительных клеток). Здесь происходит первый этап обработки информации. У млекопитающих, сразу за светочувствительными клетками находится обычно два слоя нервных клеток, которые выполняют сравнительно несложную обработку.

2. По зрительному нерву информация поступает в головной мозг, в так называемые "зрительные бугры".

3. Далее зрительная информация поступает в отделы мозга, которые уже выделяют из неё отдельные составляющие (горизонтальные, вертикальные, диагональные линии; контуры; области светлого, темного, цветного). До этих пор можно без труда смоделировать работу мозга применяя различные графические фильтры.

4. Постепенно образы становятся все более сложными и размытыми, но графический образ пройдет еще долгий путь, прежде чем достигнет уровня сознания. Причём на уровне сознания к образу могут примешаться еще звуки, запахи и вкусовые ощущения.

В целом проблема распознавания образов состоит из двух частей: обучения и распознавания. Обучение осуществляется путём показа отдельных объектов с указанием их принадлежности тому или другому образу. В результате обучения распознающая система должна приобрести способность реагировать одинаковыми реакциями на все объекты одного образа. За обучением следует процесс распознавания новых объектов, который характеризует действия уже обученной системы.

Круг задач, которые могут решаться с помощью распознающих систем, чрезвычайно широк. Сюда относятся не только задачи распознавания зрительных и слуховых образов, но и задачи распознавания сложных процессов и явлений, возникающих, например, при выборе целесообразных действий руководителем предприятия или выборе оптимального управления технологическими, экономическими, транспортными или военными операциями.

В настоящее время наибольших успехов удалось добиться в распознавании зрительных образов, таких как печатные символы. Не вызывает сомнений полезность известных программ распознавания текстовой информации – FineReader и CuneiForm . Функции обнаружения и распознавания военных объектов противника уже давно закладываются в бортовые компьютеры ракет, самолетов, кораблей и подводных лодок.

Какие идеи и принципы могут быть заложены в основу распознающих систем? Первое, что приходит в голову, – действовать "с позиции грубой силы": заложить в компьютер как можно больше известных образов-шаблонов и сравнивать их с поступающими для распознавания неизвестными образами. Однако этот путь сразу заводит в тупик. Предположим, что зрительное изображение считывается с помощью стандартной системы светочувствительных элементов – 32 позиции по ширине и 48 по высоте, т.е. всего 1536 элементов. Но даже на такой грубой сетке можно воспринять порядка 10 460 возможных образов. Хранить в памяти такое число шаблонных изображений и осуществлять с ними сравнение поступающих на вход образов невозможно.

Поэтому на практике системы распознавания на первой стадии обязательно обрабатывают изображение и выделяют характерные признаки, качественные или количественные. Таким образом, количество информации для распознавания существенно уменьшается.

Следующая идея, которая обычно используется в распознающих системах, – это идея обучения. Она является обязательным элементом многих современных интеллектуальных систем.

В целом проблема распознавания образов состоит из двух частей: обучения и распознавания. Обучение осуществляется путем показа независимых объектов с отнесением их к тому или другому классу. По итогу обучения распознающая система должна приобрести способность реагировать одинаковыми реакциями на все объекты одного образа и различными - на все другие. Важно, что в процессе обучения указываются только сами объекты и их принадлежность образу. За обучением следует процесс распознавания, который характеризует действия уже обученной системы. Автоматизация этих процедур и составляет проблему.

Прежде чем начать анализ какого-либо объекта, нужно получить о нем определенную, каким-либо способом упорядоченную, точную информацию. Такая информация представляет собой совокупность свойств объектов, их отображение на множестве воспринимающих органов распознающей системы.

Но каждый объект наблюдения может воздействовать по-разному, в зависимости от условий восприятия. Кроме того, объекты одного и того же образа могут сильно отличаться друг от друга.

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. При удачном выборе исходного описания (пространства признаков) задача распознавания может оказаться достаточно легкой и, наоборот, неудачно выбранное может привести к очень сложной дальнейшей переработке информации, либо вообще к отсутствию решения.

Распознавание объектов, сигналов, ситуаций, явлений - самая часто встречающаяся задача, которую человеку необходимо решать ежесекундно. Для этого используются огромные ресурсы мозга, который оценивается таким показателем как число нейронов, равное 10 10 .

Также, распознавание постоянно встречается в технике. Вычисления в сетях формальных нейронов, во многом напоминают обработку информации мозгом. В последнее десятилетие нейрокомпьютинг приобрел чрезвычайную популярность и успел превратиться в инженерную дисциплину, связанную с производством коммерческих продуктов. В большом объеме ведутся работы по созданию элементной базы для нейровычислений.

Основной их характерной чертой является способность решать неформализованные проблемы, для которых в силу тех или иных причин не предполагается алгоритмов решения. Нейрокомпьютеры предлагают относительно простую технологию получения алгоритмов путем обучения. В этом их основное преимущество. Поэтому нейрокомпьютинг оказывается актуальным именно сейчас - в период расцвета мультимедиа, когда глобальное развитие требует разработки новых технологий, тесно связанных с распознаванием образов.

Одной из основных проблем развития и применения искусственного интеллекта остаётся проблема распознавания звуковых и визуальных образов. Все остальные технологии уже готовы к тому, чтобы найти своё применение в медицине, биологии, системах безопасности. В медицине распознавание образов помогает врачам ставить более точные диагнозы, на заводах оно используется для прогноза брака в партиях товаров. Системы биометрической идентификации личности в качестве своего алгоритмического ядра так же основаны на результатах распознавания. Дальнейшее развитие и проектирование компьютеров, способных к более непосредственному общению с человеком на естественных для людей языках и посредством речи, нерешаемы без распознавания. Здесь уже встает вопрос о развитии робототехники, искусственных систем управления, содержащих в качестве жизненно важных подсистем системы распознавания.

FACE RECOGNITION: A PROBLEM AND A SOLUTION

Alexandr Morgunov

student the department "Information technology" Don State Technical University

Russia, Rostov-on-Don​

Diana Mansurova

research fellow in FGANU NII Specvuzavtomatika,

Russia, Rostov-on-Don​

Kay Tyurin

research fellow in FGANU NII Specvuzavtomatika,

Russia, Rostov-on-Don​

АННОТАЦИЯ

В статье описаны результаты сравнительного анализа существующих методов и алгоритмов распознавания человеческих лиц.

ABSTRACT

In this paper the problem of the human face recognition was considered. Various face recognition methods and algorithms were described and compared.

Ключевые слова: распознавание лиц, машинное обучение, компьютерное зрение, нейронные сети.

Keywords: face recognition, machine learning, computer vision, neural networks.

Распознавание объектов является легкой задачей для людей, эксперименты, проведенные в работе показали, что даже дети в возрасте от одного до трех дней способны различать запомненные лица. Так как человек видит мир не как набор отдельных частей, наш мозг должен как-то комбинировать различные источники информации в полезные паттерны. Задача автоматического распознавания лиц состоит в выделении этих значащих признаков из изображения, преобразуя их в полезное представление и производя некоторого вида классификации.

Процесс распознавания лиц, основывающийся на геометрических признаках лица, является, вероятно, наиболее интуитивным подходом к задаче распознавания лиц . Эксперименты на большом наборе данных показали, что в одиночку геометрические признаки не могут дать достаточно информации для распознавания лица.

Метод, который носит название Eigenfaces, описанный в работе , приводит целостный подход к задаче распознавания лиц. Изображение лица является точкой из многомерного пространства изображений, которому сопоставляется представление из так называемого маломерного пространства, где классификация становится простой задачей. Маломерное подпространство находится с помощью метода анализа принципиальных компонент (PCA), который идентифицирует оси с максимальной дисперсией. В то время, как такой вид трансформации является оптимальным с точки зрения реконструкции, он не учитывает классовые метки. Если дисперсия сгенерирована из внешнего источника (например, освещенности), оси с максимальной дисперсией могут не содержать какой-либо отчетливой информации, следовательно, классификация становится невозможной. Поэтому в работе для задачи распознавания лиц была применена классовая проекция с линейным дискриминантным анализом. Основная идея заключалась в том, чтобы минимизировать дисперсию внутри класса и в то же время максимизировать дисперсию между классами.

Не так давно несколько методов выделения локальных признаков были объединены. Для того чтобы избежать многомерности входных данных, описываются только локальные области изображения. Выделенные признаки получаются более устойчивыми против частичного перекрытия, освещенности и малого размера входного изображения. Алгоритмами, которые используют выделение локальных признаков, являются: Вейвлеты Габора , Дискретное косинусное преобразование и Локальные бинарные шаблоны . Вопрос о том, какой способ сохранить пространственную информацию при применении метода выделения локальных признаков является наилучшим, все еще открыт для исследований, так как пространственная информация является потенциально полезной для решения задачи распознавания лиц.

Метод Eigenfaces выполняет распознавание лица, по следующим шагам:

Проецирование всех обучающих примеров в подпространство анализа принципиальных компонент;

Проецирование запрошенного изображения в подпространство анализа принципиальных компонент;

Поиск ближайших соседей между спроецированными тренировочными изображениями и спроецированным запрошенным изображением.

На рисунке 1 представлен пример того, как представляются лица алгоритмом Eigenfaces. Была использована цветовая схема jet для того, чтобы показать, как значения оттенков серого распределяются в конкретных лицах. Алгоритм кодирует не только признаки лица, но также освещенность изображений.

Рисунок 1. Представление лиц алгоритмом Eigenfaces в цветовой схеме jet

.

Данные лица были реконструированы из аппроксимации малой размерности. На рисунке 2 представлены реконструкции с различным числом компонент от 10 до 310.

Рисунок 2. Реконструкции с различным числом компонент алгоритмом Eigenfaces

Источник: Face Recognition with OpenCV // OpenCV 2.4.13.4 documentation. URL: https://docs.opencv.org/2.4/modules/contrib/doc/facerec/facerec_tutorial... .

Очевидно, что 10 собственных векторов являются незначительным числом для хорошей реконструкции изображения. 50 собственных векторов уже могут способствовать кодированию важных признаков лиц. Можно получить хорошую реконструкцию с аппроксимацией в 300 собственных векторов. Существуют правила по подбору необходимого числа собственных векторов для удачного процесса распознавания лица, однако, они сильно зависит от входных данных .

Анализ принципиальных компонент (PCA), который является основой алгоритма Eigenfaces, находит линейные комбинации признаков, которые максимизируют общую дисперсию в данных. В то время, как PCA является хорошим способом представления данных, он не учитывает классы, и много полезной информации может быть потеряно во время преобразований. Если дисперсия данных генерируется внешним источником, таким как свет, компоненты, идентифицируемые PCA, могут не содержать четкой информации. Вследствие чего проецируемые данные смешиваются, и классифи­кация становится невыполнимой задачей.

Линейный дискриминантный анализ, выполняющий классовое понижение размерности входных данных, был предложен статистиком Рональдом Фишером, который успешно использовал его для класси­фикации цветов . Метод находит линейные комбинации признаков, которые лучше всего разделяют несколько классов объектов, а также максимизирует соотношение между разбросом разрозненных и тесно связанных классов, вместо того, чтобы максимизировать общее соотношение. Простая идея заключается в том, что одинаковые классы должны быть тесно связаны, и в то же время различные классы должны находиться максимально далеко друг от друга и представлении данных малой размерности. Подобный подход также был предложен Бельхамером, Хеспаной и Кригманом, которые применили дискриминантный анализ в задаче распознавания лиц в работе .

На рисунке 3 представлен пример работы алгоритма Fisherfaces, на котором изображены так называемые лица фишера. Каждое лицо фишера имеет такой же размер, как и оригинальное изображение, поэтому оно может быть отображено как изображение.

Рисунок 3. Пример работы алгоритма Fisherfaces

Источник: Face Recognition with OpenCV // OpenCV 2.4.13.4 documentation. URL: https://docs.opencv.org/2.4/modules/contrib/doc/facerec/facerec_tutorial... .

Алгоритм Fisherfaces использует трансформирующую матрицу, основанную на классах, поэтому он не учитывает освещение, также как алгоритм Eigenfaces. Вместо этого дискриминантный анализ находит признаки лица для установления различия между персонами. Важно отметить, что производительность алгоритма Fisherfaces также сильно зависит от входных данных. Если обучать алгоритм Fisherfaces на изображениях с сильным освещением, а потом попытаться распознать лица на плохо освещенных изображениях, метод, скорее всего, найдет неверные компоненты потому, что эти признаки могут не быть доминантными на плохо освещенных изображениях. Что является очевидным, так как алгоритм невозможно обучить распознавать освещение.

Алгоритм Fisherfaces позволяет делать реконструкции спроецированных изображений так же, как и Eigenfaces. Но в силу того, что алгоритм идентифицирует только лишь главные признаки, которые позволяют отличить объекты, нельзя ожидать хорошую реконструкцию исходного изображения. Для визуализации алгоритма Fisherfaces исходное изображение спроецировано на каждое из лиц фишера. На рисунке 4 представлена визуализация алгоритма Fisherfaces, где показано, какие признаки описывает каждое из лиц фишера.

Рисунок 4. Реконструированные лица фишера

Источник: Face Recognition with OpenCV // OpenCV 2.4.13.4 documentation. URL: https://docs.opencv.org/2.4/modules/contrib/doc/facerec/facerec_tutorial... .

Алгоритмы Eigenfaces и Fisherfaces предлагают некий целостный подход к решению задачи распознавания лиц. Представить данные в виде вектора где-нибудь в многомерном пространстве изображения. Известно, что многомерность является плохим свойством данных, поэтому определяется подпространство малой размерности, где вероятно сохраняется полезная информация. Алгоритм Eigenfaces максимизирует общий разброс, который может привести к проблеме, когда дисперсия генерируется из внешнего источника, так как компоненты с макси­мальной из всех классов дисперсией не обязательно являются полезными для классификации объекта. Поэтому для сохранения некоторой отчетливой информации применяется линейный дискриминантный анализ с оптимизацией, описанной в алгоритме Fisherfaces. Алгоритм Fisherfaces работает сравнительно хорошо, по крайней мере, для огра­ниченного сценария при одинаковом уровне освещенности изображения.

Но в реальности нельзя гарантировать идеальные параметры освещенности на изображениях. К тому же, если имеется только одно изображение на каждую личность, ковариационное счисление для подпространства, следовательно, и распознавание, может быть существенно неверным. Для открытой базы данных лиц AT&T алгоритмы Eigenfaces и Fisherfaces имеют уровень распознавания в 96%, но этот уровень сильно зависит (помимо остального) от числа обучающих изображений. На рисунке 5 представлены уровни распознавания алгоритмов Eigenfaces и Fisherfaces на открытой базе данных лиц AT&T, которая является достаточно легкой для распознавания.

Рисунок 5. Уровень распознавания алгоритмов Eigenfaces и Fisherfaces

Источник: Face Recognition with OpenCV // OpenCV 2.4.13.4 documentation. URL: https://docs.opencv.org/2.4/modules/contrib/doc/facerec/facerec_tutorial... .

По рисунку видно, что для получения хорошего показателя распознавания требуется хотя бы 8(+–1) изображений на каждую личность, и алгоритм Fisherfaces не сильно помогает в данном случае.

Поэтому некоторые исследования сконцентрированы на извлечении локальных признаков из изображений. Идея заключается в том, чтобы не представлять все изображение в виде многомерного вектора, а описывать только локальные признаки объекта. Извлекаемые таким образом признаки имеют представление малой размерности. Однако представление входных изображений страдает не только от пока¬зателей освещенности, но и от размера изображения, его смещения или вращения. Поэтому локальное описание должно быть устойчиво к таким видам изменений. Методология локальных бинарных шаблонов имеет корни из двумерного текстурного анализа. Основная идея метода заключается в суммировании локальных структур изображения путем сравнения каждого пикселя с его соседями. В качестве центра берется пиксель и преобразуются значения его соседей. Если интенсивность пикселя-соседа больше или равна интенсивности центрального пикселя, то сосед помечается 1, иначе 0. После преобразования берется получившееся бинарное число (например, как 0010011). В итоге из 8 соседних пикселей получается 2 8 возможных комбинаций, называемых локальными бинарными шаблонами (LBP коды). Первый LBP-оператор описанный в литературе использовал окно размером 3×3, пример представлен на рисунке 6.

Рисунок 6. LBP-оператор

Источник: Face Recognition with OpenCV // OpenCV 2.4.13.4 documentation. URL: https://docs.opencv.org/2.4/modules/contrib/doc/facerec/facerec_tutorial... .

Такой подход позволяет захватить мелкие детали изображений. Фактически авторы могли конкурировать с передовыми результатами в классификации текстур. Вскоре было замечено, что фиксированный размер окна не мог закодировать детали различающегося размера. Поэтому оператор был расширен для использования переменного размера окна в работе . Идея заключается в выравнивании произвольного числа соседей в окружности переменного радиуса, которая позволяла бы захватить такие локальные бинарные шаблоны, которые представлены на рисунке 7.

Рисунок 7. Различные локальные бинарные шаблоны

Источник: Face Recognition with OpenCV // OpenCV 2.4.13.4 documentation. URL: https://docs.opencv.org/2.4/modules/contrib/doc/facerec/facerec_tutorial... .

Такой оператор является расширением оригинальных LBP-кодов, поэтому иногда он называется расширенный LBP. Если координаты точек на окружности не соответствуют координатам изображения, точка интерполируется. По определению LBP оператор устойчив к монотонным трансформациям в оттенках серого. Это можно увидеть на рисунке 8, где представлены LBP-изображения искусственно модифицированных исходных изображений.

Рисунок 8. Устойчивость LBP-оператора к монотонным трансформациям в оттенках серого

Источник: Face Recognition with OpenCV // OpenCV 2.4.13.4 documentation. URL: https://docs.opencv.org/2.4/modules/contrib/doc/facerec/facerec_tutorial... .

Осталось только объединить пространственную информацию в модели распознавания лиц. Подход, предложенный в работе , заключается в разделении LBP-изображения на m локальных областей и извлечь гистограммы из каждого. После чего, получается пространственно-расширенный вектор путем конкатенации гистограмм (не объединения). Такие гистограммы называются гистограммами локальных бинарных шаблонов.

На сегодняшний день дальше всего прошли методы и алгоритмы, основанные на нейронных сетях, такие как DeepFace и FaceNet . Так же большой вклад в решение проблемы распознавания лиц внесли работы Visual Geometry Group и Lightened Convolutional Neural Networks . Нейронные сети состоят из множества композиций функций или слоев, с последующей функцией потерь, которая определяет насколько хорошо нейронная сеть моделирует данные, т. е. насколько точно классифицирует изображение. Для решения проблемы распознавания лиц система, использующая нейронную сеть, должна найти лицо на изображении с помощью одного из многих существующих методов. Далее система из каждого найденного лица формирует нормализованные входные данные для нейронной сети. Такие данные являются слишком многомерными для того, чтобы сразу отдать их классификатору. Нейронная сеть используется для выделения главных характеристик с целью маломерное представление данных, которые описывают лицо. Такое маломерное представление данных уже может быть эффективно использовано в классификаторах.

Например, алгоритм DeepFace сначала использует трехмерное моделирование лица для нормализации входного изображения с целью получения фронтального отображения лица даже, если лицо на фотографии изначально было под другим углом. Далее алгоритм определяет классификацию как тесно связанный слой нейронной сети с Softmax‑функцией, что позволяет получить на выходе нормали­зованное вероятностное распределение. Нововведениями алгоритма DeepFace являются: выравнивание по 3D-модели, нейронная сеть с 120 миллионами параметров и обучение на 4,4 миллионах изобра­жений лиц. После завершения обучения нейронной сети на таком большом количестве лиц, финальный классификационные слой удаляется и выходные данные предыдущего слоя используются как маломерное представление лица.

Часто программы по распознаванию лиц ищут маломерное представление, которое хорошо обобщает новые лица, на которых не была обучена нейронная сеть. Подход алгоритма DeepFace справля­ется с такой проблемой, но представление является следствием обучения сети для высокоточной классификации Недостатком такого подхода является то, что полученное представление трудно использовать, так как лица одного человека не обязательно будут на кластеризованы, следовательно, классификационные алгоритмы не получат преимущества. Триплетная функция потерь (triplet-loss) в алгоритме FaceNet определена непосредственно в представлении. На рисунке 9 представлена процедура triplet-loss обучения.

Рисунок 9. Процедура triplet-loss обучения

Обзор существующих методов распознавания образов

Л.П. Попова , И.О. Датьев

Способность "распознавать" считается основным свойством человеческих существ, как, впрочем, и других живых организмов. Распознавание образов - раздел кибернетики, разрабатывающий принципы и методы классификации, а также идентификации предметов, явлений, процессов, сигналов, ситуаций - всех тех объектов, которые могут быть описаны конечным набором некоторых признаков или свойств, характеризующих объект.

Образ представляет собой описание объекта. 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.

В теории распознавания образов можно выделить два основных направления:

изучение способностей к распознаванию, которыми обладают человеческие существа и другие живые организмы;

развитие теории и методов построения устройств, предназначенных для решения отдельных задач распознавания образов в определенных прикладных областях.

Далее в статье описываются проблемы, принципы и методы реализации систем распознавания образов, связанные с развитием второго направления. Во второй части статьи рассматриваются нейросетевые методы распознавания образов, которые могут быть отнесены к первому направлению теории распознавания образов.

Проблемы построения систем распознавания образов

Задачи, возникающие при построении автоматических систем распознавания образов, можно обычно отнести к нескольким основным областям. Первая из них связана с представлением" исходных данных, полученных как результаты измерений для подлежащего распознаванию объекта. Это проблема чувствительности . Каждая измеренная величина является некоторой "характеристикой образа или объекта. Допустим, например, что образами являются буквенно-цифровые символы. B таком случае, в датчике может быть успешно использована измерительная сетчатка, подобно приведенной на рис. 1(а). Если сетчатка состоит из n-элементов, то результаты измерений можно представить в виде вектора измерений или вектора образа ,

где каждый элемент xi, принимает, например, значение 1, если через i-ю ячейку сетчатки проходит изображение символа, и значение 0 в противном случае.

Рассмотрим рис. 2(б). B этом случае образами служат непрерывные функции (типа звуковых сигналов) переменной t. Если измерение значений функций производится в дискретных точках t1,t2, ..., tn, то вектор образа можно сформировать, приняв x1= f(t1),x2=f(t2),... , xn = f(tn).

Рисунок 1. Измерительная сетчатка

Вторая проблема распознавания образов связана с выделением характерных признаков или свойств из полученных исходных данных и снижением размерности векторов образов. Эту проблему часто определяют как проблему предварительной обработки и выбора признаков .

Признаки класса образов представляют собой характерные свойства, общие для всех образов данного класса. Признаки, характеризующие различия между отдельными классами, можно интерпретировать как межклассовые признаки. Внутриклассовые признаки, общие для всех рассматриваемых классов, не несут полезной информации с точки зрения распознавания и могут не приниматься во внимание. Выбор признаков считается одной из важных задач, связанных с построением распознающих систем. Если результаты измерений позволяют получить полный набор различительных признаков для всех классов, собственно распознавание и классификация образов не вызовут особых затруднений. Автоматическое распознавание тогда сведется к процессу простого сопоставления или процедурам типа просмотра таблиц. B большинстве практических задач распознавания, однако, определение полного набора различительных признаков оказывается делом исключительно трудным, если вообще не невозможным. Из исходных данных обычно удается извлечь некоторые из различительных признаков и использовать их для упрощения процесса автоматического распознавания образов. B частности, размерность векторов измерений можно снизить с помощью преобразований, обеспечивающих минимизацию потери информации.

Третья проблема, связанная с построением систем распознавания образов, состоит в отыскании оптимальных решающих процедур, необходимых при идентификации и классификации. После того как данные, собранные о подлежащих распознаванию образах, представлены точками или векторами измерений в пространстве образов, предоставим машине выяснить, какому классу образов эти данные соответствуют. Пусть машина предназначена для различения M классов, обозначенных w1, w2, ... ..., wm. B таком случае, пространство образов можно считать состоящим из M областей, каждая из которых содержит точки, соответствующие образам из одного класса. При этом задача распознавания может рассматриваться как построение границ областей решений, разделяющих M классов, исходя из зарегистрированных векторов измерений. Пусть эти границы определены, например, решающими функциями d1(х),d2(x),..., dm(х). Эти функции, называемые также дискриминантными функциями, представляют собой скалярные и однозначные функции образа х. Если di (х) > dj (х), то образ х принадлежит классу w1. Другими словами, если i-я решающая функция di(x) имеет наибольшее значение, то содержательной иллюстрацией подобной схемы автоматической классификации, основанной на реализации процесса принятия решения, служит приведенная на рис. 2 (на схеме «ГР» - генератор решающих функций).

Рисунок 2. Схема автоматической классификации.

Решающие функции можно получать целым рядом способов. B тех случаях, когда о распознаваемых образах имеются полные априорные сведения, решающие функции могут быть определены точно на основе этой информации. Если относительно образов имеются лишь качественные сведения, могут быть выдвинуты разумные допущения о виде решающих функций. B последнем случае, границы областей решений могут существенно отклоняться от истинных, и поэтому необходимо создавать систему, способную приходить к удовлетворительному результату посредством ряда последовательных корректировок.

Объекты (образы), подлежащие распознаванию и классификации с помощью автоматической системы распознавания образов, должны обладать набором измеримых характеристик. Когда для целой группы образов результаты соответствующих измерений оказываются аналогичными, считается, что эти объекты принадлежат одному классу. Цель работы системы распознавания образов заключается в том, чтобы на основе собранной информации определить класс объектов с характеристиками, аналогичными измеренным у распознаваемых объектов. Правильность распознавания зависит от объема различающей информации, содержащейся в измеряемых характеристиках, и эффективности использования этой информации.

Основные методы реализации систем распознавания образов

Распознаванием образов называются задачи построения и применения формальных операций над числовыми или символьными отображениями объектов реального или идеального мира, результаты, решения которых отражают отношения эквивалентности между этими объектами. Отношения эквивалентности выражают принадлежность оцениваемых объектов к каким-либо классам, рассматриваемым как самостоятельные семантические единицы.

При построении алгоритмов распознавания классы эквивалентности могут задаваться исследователем, который пользуется собственными содержательными представлениями или использует внешнюю дополнительную информацию о сходстве и различии объектов в контексте решаемой задачи. Тогда говорят о “распознавании с учителем”. В противном случае, т.е. когда автоматизированная система решает задачу классификации без привлечения внешней обучающей информации, говорят об автоматической классификации или “распознавании без учителя”. Большинство алгоритмов распознавания образов требует привлечения весьма значительных вычислительных мощностей, которые могут быть обеспечены только высокопроизводительной компьютерной техникой.

Различные авторы (Ю.Л. Барабаш , В.И. Васильев , А.Л. Горелик, В.А. Скрипкин , Р. Дуда, П. Харт , Л.Т.Кузин , Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко , Темников Ф.Е., Афонин В.А., Дмитриев В.И. , Дж. Ту, Р. Гонсалес , П. Уинстон , К. Фу , Я.З. Цыпкин и др.) дают различную типологию методов распознавания образов. Одни авторы различают параметрические, непараметрические и эвристические методы, другие – выделяют группы методов, исходя из исторически сложившихся школ и направлений в данной области.

В то же время, известные типологии не учитывают одну очень существенную характеристику, которая отражает специфику способа представления знаний о предметной области с помощью какого-либо формального алгоритма распознавания образов. Д.А.Поспелов выделяет два основных способа представления знаний :

Интенсиональное представление - в виде схемы связей между атрибутами (признаками).

Экстенсиональное представление - с помощью конкретных фактов (объекты, примеры).

Необходимо отметить, что существование именно этих двух групп методов распознавания: оперирующих с признаками, и оперирующих с объектами, глубоко закономерно. С этой точки зрения ни один из этих методов, взятый отдельно от другого, не позволяет сформировать адекватное отражение предметной области. Между этими методами существует отношение дополнительности в смысле Н.Бора , поэтому перспективные системы распознавания должны обеспечивать реализацию обоих этих методов, а не только какого–либо одного из них.

Таким образом, в основу классификации методов распознавания, предложенной Д.А.Поспеловым , положены фундаментальные закономерности, лежащие в основе человеческого способа познания вообще, что ставит ее в совершенно особое (привилегированное) положение по сравнению с другими классификациями, которые на этом фоне выглядят более легковесными и искусственными.

Интенсиональные методы

Отличительной особенностью интенсиональных методов является то, что в качестве элементов операций при построении и применении алгоритмов распознавания образов они используют различные характеристики признаков и их связей. Такими элементами могут быть отдельные значения или интервалы значений признаков, средние величины и дисперсии, матрицы связей признаков и т. п., над которыми производятся действия, выражаемые в аналитической или конструктивной форме. При этом объекты в данных методах не рассматриваются как целостные информационные единицы, а выступают в роли индикаторов для оценки взаимодействия и поведения своих атрибутов.

Группа интенсиональных методов распознавания образов обширна, и ее деление на подклассы носит в определенной мере условный характер:

– методы, основанные на оценках плотностей распределения значений признаков

– методы, основанные на предположениях о классе решающих функций

– логические методы

– лингвистические (структурные) методы.

Методы, основанные на оценках плотностей распределения значений признаков. Эти методы распознавания образов заимствованы из классической теории статистических решений, в которой объекты исследования рассматриваются как реализации многомерной случайной величины, распределенной в пространстве признаков по какому-либо закону. Они базируются на байесовской схеме принятия решений, апеллирующей к априорным вероятностям принадлежности объектов к тому или иному распознаваемому классу и условным плотностям распределения значений вектора признаков. Данные методы сводятся к определению отношения правдоподобия в различных областях многомерного пространства признаков.

Группа методов, основанных на оценке плотностей распределения значений признаков, имеет прямое отношение к методам дискриминантного анализа. Байесовский подход к принятию решений и относится к наиболее разработанным в современной статистике так называемым параметрическим методам, для которых считается известным аналитическое выражение закона распределения (в данном случае нормальный закон) и требуется оценить лишь небольшое количество параметров (векторы средних значений и ковариационные матрицы).

К этой группе относится и метод вычисления отношения правдоподобия для независимых признаков. Этот метод, за исключением предположения о независимости признаков (которое в действительности практически никогда не выполняется), не предполагает знания функционального вида закона распределения. Его можно отнести к непараметрическим методам .

Другие непараметрические методы, применяемые тогда, когда вид кривой плотности распределения неизвестен и нельзя сделать вообще никаких предположений о ее характере, занимают особое положение. К ним относятся известные метод многомерных гистограмм, метод “k-ближайших соседей, метод евклидова расстояния, метод потенциальных функций и др., обобщением которых является метод, получивший название “оценки Парзена”. Эти методы формально оперируют объектами как целостными структурами, но в зависимости от типа задачи распознавания могут выступать и в интенсиональной и в экстенсиональной ипостасях.

Непараметрические методы анализируют относительные количества объектов, попадающих в заданные многомерные объемы, и используют различные функции расстояния между объектами обучающей выборки и распознаваемыми объектами. Для количественных признаков, когда их число много меньше объема выборки, операции с объектами играют промежуточную роль в оценке локальных плотностей распределения условных вероятностей и объекты не несут смысловой нагрузки самостоятельных информационных единиц. В то же время, когда количество признаков соизмеримо или больше числа исследуемых объектов, а признаки носят качественный или дихотомический характер, то ни о каких локальных оценках плотностей распределения вероятностей не может идти речи. В этом случае объекты в указанных непараметрических методах рассматриваются как самостоятельные информационные единицы (целостные эмпирические факты) и данные методы приобретают смысл оценок сходства и различия изучаемых объектов.

Таким образом, одни и те же технологические операции непараметрических методов в зависимости от условий задачи имеют смысл либо локальных оценок плотностей распределения вероятностей значений признаков, либо оценок сходства и различия объектов.

В контексте интенсионального представления знаний здесь рассматривается первая сторона непараметрических методов, как оценок плотностей распределения вероятностей. Многие авторы отмечают, что на практике непараметрические методы типа оценок Парзена работают хорошо. Основными трудностями применения указанных методов считаются необходимость запоминания всей обучающей выборки для вычисления оценок локальных плотностей распределения вероятностей и высокая чувствительность к непредставительности обучающей выборки.

Методы, основанные на предположениях о классе решающих функций. В данной группе методов считается известным общий вид решающей функции и задан функционал ее качества. На основании этого функционала по обучающей последовательности ищется наилучшее приближение решающей функции. Самыми распространенными являются представления решающих функций в виде линейных и обобщенных нелинейных полиномов. Функционал качества решающего правила обычно связывают с ошибкой классификации.

Основным достоинством методов, основанных на предположениях о классе решающих функций, является ясность математической постановки задачи распознавания, как задачи поиска экстремума. Решение этой задачи нередко достигается с помощью каких-либо градиентных алгоритмов. Многообразие методов этой группы объясняется широким спектром используемых функционалов качества решающего правила и алгоритмов поиска экстремума. Обобщением рассматриваемых алгоритмов, к которым относятся, в частности, алгоритм Ньютона, алгоритмы перцептронного типа и др., является метод стохастической аппроксимации. В отличие от параметрических методов распознавания успешность применения данной группы методов не так сильно зависит от рассогласования теоретических представлений о законах распределения объектов в пространстве признаков с эмпирической реальностью. Все операции подчинены одной главной цели - нахождению экстремума функционала качества решающего правила. В то же время результаты параметрических и рассматриваемых методов могут быть похожими. Как показано выше, параметрические методы для случая нормальных распределений объектов в различных классах с равными ковариационными матрицами приводят к линейным решающим функциям. Отметим также, что алгоритмы отбора информативных признаков в линейных диагностических моделях, можно интерпретировать как частные варианты градиентных алгоритмов поиска экстремума.

Возможности градиентных алгоритмов поиска экстремума, особенно в группе линейных решающих правил, достаточно хорошо изучены. Сходимость этих алгоритмов доказана только для случая, когда распознаваемые классы объектов отображаются в пространстве признаков компактными геометрическими структурами. Однако стремление добиться достаточного качества решающего правила нередко может быть удовлетворено с помощью алгоритмов, не имеющих строгого математического доказательства сходимости решения к глобальному экстремуму .

К таким алгоритмам относится большая группа процедур эвристического программирования, представляющих направление эволюционного моделирования. Эволюционное моделирование является бионическим методом, заимствованным у природы. Оно основано на использовании известных механизмов эволюции с целью замены процесса содержательного моделирования сложного объекта феноменологическим моделированием его эволюции.

Известным представителем эволюционного моделирования в распознавании образов является метод группового учета аргументов (МГУА). В основу МГУА положен принцип самоорганизации, и алгоритмы МГУА воспроизводят схему массовой селекции. В алгоритмах МГУА особым образом синтезируются и отбираются члены обобщенного полинома, который часто называют полиномом Колмогорова-Габора. Этот синтез и отбор производится с нарастающим усложнением, и заранее нельзя предугадать, какой окончательный вид будет иметь обобщенный полином. Сначала обычно рассматривают простые попарные комбинации исходных признаков, из которых составляются уравнения решающих функций, как правило, не выше второго порядка. Каждое уравнение анализируется как самостоятельная решающая функция, и по обучающей выборке тем или иным способом находятся значения параметров составленных уравнений. Затем из полученного набора решающих функций отбирается часть в некотором смысле лучших. Проверка качества отдельных решающих функций осуществляется на контрольной (проверочной) выборке, что иногда называют принципом внешнего дополнения. Отобранные частные решающие функции рассматриваются далее как промежуточные переменные, служащие исходными аргументами для аналогичного синтеза новых решающих функций и т. д. Процесс такого иерархического синтеза продолжается до тех пор, пока не будет достигнут экстремум критерия качества решающей функции, что на практике проявляется в ухудшении этого качества при попытках дальнейшего увеличения порядка членов полинома относительно исходных признаков.

Принцип самоорганизации, положенный в основу МГУА, называют эвристической самоорганизацией, так как весь процесс основывается на введении внешних дополнений, выбираемых эвристически. Результат решения может существенно зависеть от этих эвристик. От того, как разделены объекты на обучающую и проверочную выборки, как определяется критерий качества распознавания, какое количество переменных пропускается в следующий ряд селекции и т. д., зависит результирующая диагностическая модель.

Указанные особенности алгоритмов МГУА свойственны и другим подходам к эволюционному моделированию. Но отметим здесь еще одну сторону рассматриваемых методов. Это - их содержательная сущность. С помощью методов, основанных на предположениях о классе решающих функций (эволюционных и градиентных), можно строить диагностические модели высокой сложности и получать практически приемлемые результаты. В то же время достижению практических целей в данном случае не сопутствует извлечение новых знаний о природе распознаваемых объектов. Возможность извлечения этих знаний, в частности знаний о механизмах взаимодействия атрибутов (признаков), здесь принципиально ограничена заданной структурой такого взаимодействия, зафиксированной в выбранной форме решающих функций. Поэтому максимально, что можно сказать после построения той или иной диагностической модели - это перечислить комбинации признаков и сами признаки, вошедшие в результирующую модель. Но смысл комбинаций, отражающих природу и структуру распределений исследуемых объектов, в рамках данного подхода часто остается нераскрытым.

Логические методы . Логические методы распознавания образов базируются на аппарате алгебры логики и позволяют оперировать информацией, заключенной не только в отдельных признаках, но и в сочетаниях значений признаков. В этих методах значения какого-либо признака рассматриваются как элементарные события.

В самом общем виде логические методы можно охарактеризовать как разновидность поиска по обучающей выборке логических закономерностей и формирование некоторой системы логических решающих правил (например, в виде конъюнкций элементарных событий), каждое из которых имеет собственный вес. Группа логических методов разнообразна и включает методы различной сложности и глубины анализа. Для дихотомических (булевых) признаков популярными являются так называемые древообразные классификаторы, метод тупиковых тестов, алгоритм “Кора” и другие. Более сложные методы основываются на формализации индуктивных методов Д.С.Милля. Формализация осуществляется путем построения квазиаксиоматической теории и базируется на многосортной многозначной логике с кванторами по кортежам переменной длины .

Алгоритм “Кора”, как и другие логические методы распознавания образов, является достаточно трудоемким, поскольку при отборе конъюнкций необходим полный перебор. Поэтому при применении логических методов предъявляются высокие требования к эффективной организации вычислительного процесса, и эти методы хорошо работают при сравнительно небольших размерностях пространства признаков и только на мощных компьютерах.

Лингвистические (синтаксические или структурные) методы. Лингвистические методы распознавания образов основаны на использовании специальных грамматик порождающих языки, с помощью которых может описываться совокупность свойств распознаваемых объектов . Грамматикой называют правила построения объектов из этих непроизводных элементов.

Если описание образов производится с помощью непроизводных элементов (подобразов) и их отношений, то для построения автоматических систем распознавания применяется лингвистический или синтаксический подход с использованием принципа общности свойств. Образ можно описать с помощью иерархической структуры подобразов, аналогичной синтаксической структуре языка. Это обстоятельство позволяет применять при решении задач распознавания образов теорию формальных языков. Предполагается, что грамматика образов содержит конечные множества элементов, называемых переменными, непроизводными элементами и правилами подстановки. Характер правил подстановки определяет тип грамматики. Среди наиболее изученных грамматик можно отметить регулярные, бесконтекстные и грамматики непосредственно составляющих. Ключевыми моментами данного подхода являются выбор непроизводных элементов образа, объединение этих элементов и связывающих их отношений в грамматики образов и, наконец, реализация в соответствующем языке процессов анализа и распознавания. Такой подход особенно полезен при работе с образами, которые либо не могут быть описаны числовыми измерениями, либо столь сложны, что их локальные признаки идентифицировать не удается и приходится обращаться к глобальным свойствам объектов.

Например, Е.А. Бутаков, В.И. Островский, И.Л. Фадеев предлагают следующую структуру системы для обработки изображений (рис. 3), использующую лингвистический подход, где каждый из функциональных блоков является программным (микропрограммным) комплексом (модулем), реализующим соответствующие функции.

Рисунок 3. Структурная схема распознающего устройства

Попытки применить методы математической лингвистики к задаче анализа изображений приводят к необходимости решить ряд проблем, связанных с отображением двумерной структуры изображения на одномерные цепочки формального языка.

Экстенсиональные методы

В методах данной группы, в отличие от интенсионального направления, каждому изучаемому объекту в большей или меньшей мере придается самостоятельное диагностическое значение. По своей сути эти методы близки к клиническому подходу, который рассматривает людей не как проранжированную по тому или иному показателю цепочку объектов, а как целостные системы, каждая из которых индивидуальна и имеет особенную диагностическую ценность . Такое бережное отношение к объектам исследования не позволяет исключать или утрачивать информацию о каждом отдельном объекте, что происходит при применении методов интенсионального направления, использующих объекты только для обнаружения и фиксации закономерностей поведения их атрибутов.

Основными операциями в распознавании образов с помощью обсуждаемых методов являются операции определения сходства и различия объектов. Объекты в указанной группе методов играют роль диагностических прецедентов. При этом в зависимости от условий конкретной задачи роль отдельного прецедента может меняться в самых широких пределах: от главной и определяющей и до весьма косвенного участия в процессе распознавания. В свою очередь условия задачи могут требовать для успешного решения участия различного количества диагностических прецедентов: от одного в каждом распознаваемом классе до полного объема выборки, а также разных способов вычисления мер сходства и различия объектов. Этими требованиями объясняется дальнейшее разделение экстенсиональных методов на подклассы:

метод сравнения с прототипом;

метод k–ближайших соседей;

коллективы решающих правил.

Метод сравнения с прототипом. Это наиболее простой экстенсиональный метод распознавания. Он применяется, например, тогда, когда распознаваемые классы отображаются в пространстве признаков компактными геометрическими группировками. В таком случае обычно в качестве точки – прототипа выбирается центр геометрической группировки класса (или ближайший к центру объект).

Для классификации неизвестного объекта находится ближайший к нему прототип, и объект относится к тому же классу, что и этот прототип. Очевидно, никаких обобщенных образов классов в данном методе не формируется.

В качестве меры близости могут применяться различные типы расстояний. Часто для дихотомических признаков используется расстояние Хэмминга, которое в данном случае равно квадрату евклидова расстояния. При этом решающее правило классификации объектов эквивалентно линейной решающей функции.

Указанный факт следует особо отметить. Он наглядно демонстрирует связь прототипной и признаковой репрезентации информации о структуре данных. Пользуясь приведенным представлением, можно, например, любую традиционную измерительную шкалу, являющуюся линейной функцией от значений дихотомических признаков, рассматривать как гипотетический диагностический прототип. В свою очередь, если анализ пространственной структуры распознаваемых классов позволяет сделать вывод об их геометрической компактности, то каждый из этих классов достаточно заменить одним прототипом который, фактически эквивалентен линейной диагностической модели.

На практике, конечно, ситуация часто бывает отличной от описанного идеализированного примера. Перед исследователем, намеревающимся применить метод распознавания, основанный на сравнении с прототипами диагностических классов, встают непростые проблемы. Это, в первую очередь, выбор меры близости (метрики), от которого может существенно измениться пространственная конфигурация распределения объектов. И, во-вторых, самостоятельной проблемой является анализ многомерных структур экспериментальных данных. Обе эти проблемы особенно остро встают перед исследователем в условиях высокой размерности пространства признаков, характерной для реальных задач.

Метод k-ближайших соседей. Метод k-ближайших соседей для решения задач дискриминантного анализа был впервые предложен еще в 1952 году. Он заключается в следующем.

При классификации неизвестного объекта находится заданное число (k) геометрически ближайших к нему в пространстве признаков других объектов (ближайших соседей) с уже известной принадлежностью к распознаваемым классам. Решение об отнесении неизвестного объекта к тому или иному диагностическому классу принимается путем анализа информации об этой известной принадлежности его ближайших соседей, например, с помощью простого подсчета голосов.

Первоначально метод k-ближайших соседей рассматривался как непараметрический метод оценивания отношения правдоподобия. Для этого метода получены теоретические оценки его эффективности в сравнении с оптимальным байесовским классификатором. Доказано, что асимптотические вероятности ошибки для метода k-ближайших соседей превышают ошибки правила Байеса не более чем в два раза.

Как отмечалось выше, в реальных задачах часто приходится оперировать объектами, которые описываются большим количеством качественных (дихотомических) признаков. При этом размерность пространства признаков соизмерима или превышает объем исследуемой выборки. В таких условиях удобно интерпретировать каждый объект обучающей выборки, как отдельный линейный классификатор. Тогда тот или иной диагностический класс представляется не одним прототипом, а набором линейных классификаторов. Совокупное взаимодействие линейных классификаторов дает в итоге кусочно-линейную поверхность, разделяющую в пространстве признаков распознаваемые классы. Вид разделяющей поверхности, состоящей из кусков гиперплоскостей, может быть разнообразным и зависит от взаимного расположения классифицируемых совокупностей.

Также можно использовать другую интерпретацию механизмов классификации по правилу k-ближайших соседей. В ее основе лежит представление о существовании некоторых латентных переменных, абстрактных или связанных каким-либо преобразованием с исходным пространством признаков. Если в пространстве латентных переменных попарные расстояния между объектами такие же, как и в пространстве исходных признаков, и количество этих переменных значительно меньше числа объектов, то интерпретация метода k-ближайших соседей может рассматриваться под углом зрения сравнения непараметрических оценок плотностей распределения условных вероятностей. Приведенное здесь представление о латентных переменных близко по своей сути к представлению об истинной размерности и другим представлениям, используемым в различных методах снижения размерности.

При использовании метода k-ближайших соседей для распознавания образов исследователю приходится решать сложную проблему выбора метрики для определения близости диагностируемых объектов. Эта проблема в условиях высокой размерности пространства признаков чрезвычайно обостряется вследствие достаточной трудоемкости данного метода, которая становится значимой даже для высокопроизводительных компьютеров. Поэтому здесь так же, как и в методе сравнения с прототипом, необходимо решать творческую задачу анализа многомерной структуры экспериментальных данных для минимизации числа объектов, представляющих диагностические классы.

Алгоритмы вычисления оценок (голосования). Принцип действия алгоритмов вычисления оценок (АВО) состоит в вычислении приоритете (оценок сходства), характеризующих “близость” распознаваемого и эталонных объектов по системе ансамблей признаков, представляющей собой систему подмножеств заданного множества признаков.

В отличие от всех ранее рассмотренных методов алгоритмы вычисления оценок принципиально по-новому оперируют описаниями объектов. Для этих алгоритмов объекты существуют одновременно в самых разных подпространствах пространства признаков. Класс АВО доводит идею использования признаков до логического конца: поскольку не всегда известно, какие сочетания признаков наиболее информативны, то в АВО степень сходства объектов вычисляется при сопоставлении всех возможных или определенных сочетаний признаков, входящих в описания объектов .

Коллективы решающих правил. В решающем правиле применяется двухуровневая схема распознавания. На первом уровне работают частные алгоритмы распознавания, результаты которых объединяются на втором уровне в блоке синтеза. Наиболее распространенные способы такого объединения основаны на выделении областей компетентности того или иного частного алгоритма. Простейший способ нахождения областей компетентности заключается в априорном разбиении пространства признаков исходя из профессиональных соображений конкретной науки (например, расслоение выборки по некоторому признаку). Тогда для каждой из выделенных областей строится собственный распознающий алгоритм. Другой способ базируется на применении формального анализа для определения локальных областей пространства признаков как окрестностей распознаваемых объектов, для которых доказана успешность работы какого-либо частного алгоритма распознавания.

Самый общий подход к построению блока синтеза рассматривает результирующие показатели частных алгоритмов как исходные признаки для построения нового обобщенного решающего правила. В этом случае могут использоваться все перечисленные выше методы интенсионального и экстенсионального направлений в распознавании образов. Эффективными для решения задачи создания коллектива решающих правил являются логические алгоритмы типа “Кора” и алгоритмы вычисления оценок (АВО), положенные в основу так называемого алгебраического подхода, обеспечивающего исследование и конструктивное описание алгоритмов распознавания, в рамки которого укладываются все существующие типы алгоритмов .

Нейросетевые методы

Нейросетевые методы - это методы, базирующиеся на применении различных типов нейронных сетей (НС). Основные направления применения различных НС для распознавания образов и изображений :

применение для извлечение ключевых характеристик или признаков заданных образов,

классификация самих образов или уже извлечённых из них характеристик (в первом случае извлечение ключевых характеристик происходит неявно внутри сети),

решение оптимизационных задач.

Многослойные нейронные сети. Архитектура многослойной нейронной сети (МНС) состоит из последовательно соединённых слоёв, где нейрон каждого слоя своими входами связан со всеми нейронами предыдущего слоя, а выходами - следующего.

Простейшее применение однослойной НС (называемой автоассоциативной памятью) заключается в обучении сети восстанавливать подаваемые изображения. Подавая на вход тестовое изображение и вычисляя качество реконструированного изображения, можно оценить насколько сеть распознала входное изображение. Положительные свойства этого метода заключаются в том, что сеть может восстанавливать искажённые и зашумленные изображения, но для более серьёзных целей он не подходит.

МНС так же используется для непосредственной классификации изображений – на вход подаётся или само изображение в каком-либо виде, или набор ранее извлечённых ключевых характеристик изображения, на выходе нейрон с максимальной активностью указывает принадлежность к распознанному классу (рис. 4). Если эта активность ниже некоторого порога, то считается, что поданный образ не относится ни к одному из известных классов. Процесс обучения устанавливает соответствие подаваемых на вход образов с принадлежностью к определённому классу. Это называется обучением с учителем . Такой подход хорош для задач контроля доступа небольшой группы лиц. Такой подход обеспечивает непосредственное сравнение сетью самих образов, но с увеличением числа классов время обучения и работы сети возрастает экспоненциально. Поэтому для таких задач, как поиск похожего человека в большой базе данных, требует извлечения компактного набора ключевых характеристик, на основе которых можно производить поиск.

Подход к классификации с использованием частотных характеристик всего изображения, описан в . Применялась однослойная НС, основанная на многозначных нейронах.

В показано применение НС для классификации изображений, когда на вход сети поступают результаты декомпозиции изображения по методу главных компонент.

В классической МНС межслойные нейронные соединения полносвязны, и изображение представлено в виде одномерного вектора, хотя оно двумерно. Архитектура свёрточной НС направлена на преодоление этих недостатков. В ней использовались локальные рецепторные поля (обеспечивают локальную двумерную связность нейронов), общие веса (обеспечивают детектирование некоторых черт в любом месте изображения) и иерархическая организация с пространственными подвыборками (spatial subsampling). Свёрточная НС (СНС) обеспечивает частичную устойчивость к изменениям масштаба, смещениям, поворотам, искажениям.

МНС применяются и для обнаружения объектов определённого типа. Кроме того, что любая обученная МНС в некоторой мере может определять принадлежность образов к “своим” классам, её можно специально обучить надёжному детектированию определённых классов. В этом случае выходными классами будут классы принадлежащие и не принадлежащие к заданному типу образов. В применялся нейросетевой детектор для обнаружения изображения лица во входном изображении. Изображение сканировалось окном 20х20 пикселей, которое подавалось на вход сети, решающей принадлежит ли данный участок к классу лиц. Обучение производилось как с использованием положительных примеров (различных изображений лиц), так и отрицательных (изображений, не являющихся лицами). Для повышения надёжности детектирования использовался коллектив НС, обученных с различными начальными весами, вследствие чего НС ошибались по разному, а окончательное решение принималось голосованием всего коллектива.

Рисунок 5. Главные компоненты (собственные лица) и разложение изображения на главные компоненты

НС применяется так же для извлечения ключевых характеристик изображения, которые затем используются для последующей классификации. В , показан способ нейросетевой реализации метода анализа главных компонент. Суть метода анализа главных компонент заключается в получении максимально декореллированных коэффициентов, характеризующих входные образы. Эти коэффициенты называются главными компонентами и используются для статистического сжатия изображений, в котором небольшое число коэффициентов используется для представления всего образа. НС с одним скрытым слоем содержащим N нейронов (которое много меньше чем размерность изображения), обученная по методу обратного распространения ошибки восстанавливать на выходе изображение, поданное на вход, формирует на выходе скрытых нейронов коэффициенты первых N главных компонент, которые и используются для сравнения. Обычно используется от 10 до 200 главных компонент. С увеличением номера компоненты её репрезентативность сильно понижается, и использовать компоненты с большими номерами не имеет смысла. При использовании нелинейных активационных функций нейронных элементов возможна нелинейная декомпозиция на главные компоненты. Нелинейность позволяет более точно отразить вариации входных данных. Применяя анализ главных компонент к декомпозиции изображений лиц, получим главные компоненты, называемые собственными лицами , которым так же присуще полезное свойство – существуют компоненты, которые в основном отражают такие существенные характеристики лица как пол, раса, эмоции. При восстановлении компоненты имеют вид, похожий на лицо, причём первые отражают наиболее общую форму лица, последние – различные мелкие отличия между лицами (рис. 5). Такой метод хорошо применим для поиска похожих изображений лиц в больших базах данных. Показана так же возможность дальнейшего уменьшения размерности главных компонент при помощи НС . Оценивая качество реконструкции входного изображения можно очень точно определять его принадлежность к классу лиц.

Нейронные сети высокого порядка. Нейронные сети высокого порядка (НСВП) отличаются от МНС тем, что у них только один слой, но на входы нейронов поступают так же термы высокого порядка, являющиеся произведением двух или более компонент входного вектора . Такие сети так же могут формировать сложные разделяющие поверхности.

Нейронные сети Хопфилда. НС Хопфилда (НСХ) является однослойной и полносвязной (связи нейронов на самих себя отсутствуют), её выходы связаны со входами. В отличие от МНС, НСХ является релаксационной – т.е. будучи установленной в начальное состояние, функционирует до тех пор, пока не достигнет стабильного состояния, которое и будет являться её выходным значением. Для поиска глобального минимума применительно к оптимизационным задачам используют стохастические модификации НСХ .

Применение НСХ в качестве ассоциативной памяти позволяет точно восстанавливать образы, которым сеть обучена, при подаче на вход искажённого образа. При этом сеть “вспомнит” наиболее близкий (в смысле локального минимума энергии) образ, и таким образом распознает его. Такое функционирование так же можно представить как последовательное применение автоассоциативной памяти, описанной выше. В отличие от автоассоциативной памяти НСХ идеально точно восстановит образ. Для избежания интерференционных минимумов и повышения ёмкости сети используют различные методы .

Самоорганизующиеся нейронные сети Кохонена. Самоорганизующиеся нейронные сети Кохонена (СНСК) обеспечивают топологическое упорядочивание входного пространства образов. Они позволяют топологически непрерывно отображать входное n-мерное пространство в выходное m-мерное, m<

Когнитрон. Когнитрон своей архитектурой похож на строение зрительной коры, имеет иерархическую многослойную организацию, в которой нейроны между слоями связаны только локально. Обучается конкурентным обучением (без учителя). Каждый слой мозга реализует различные уровни обобщения; входной слой чувствителен к простым образам, таким, как линии, и их ориентации в определенных областях визуальной области, в то время как реакция других слоев является более сложной, абстрактной и независимой от позиции образа. Аналогичные функции реализованы в когнитроне путем моделирования организации зрительной коры.

Неокогнитрон является дальнейшим развитием идеи когнитрона и более точно отражает строение зрительной системы, позволяет распознавать образы независимо от их преобразований, вращений, искажений и изменений масштаба.

Когнитрон является мощным средством распознавания изображений, однако требует высоких вычислительных затрат, которые на сегодняшний день недостижимы .

Рассмотренные нейросетевые методы обеспечивают быстрое и надёжное распознавание изображений, но при использовании этих методов возникают проблемы распознавания трёхмерных объектов. Тем не менее, данный подход имеет массу достоинств.

Заключение

В настоящее время существует достаточно большое количество систем автоматического распознавания образов для различных прикладных задач.

Распознавание образов формальными методами как фундаментальное научное направление является неисчерпаемым.

Математические методы обработки изображений имеют самые разнообразные применения: наука, техника, медицина, социальная сфера. В дальнейшем роль распознавания образов в жизни человека будет возрастать еще больше.

Нейросетевые методы обеспечивают быстрое и надёжное распознавание изображений. Данный подход имеет массу достоинств и является одним из наиболее перспективных.

Литература

Д.В. Брилюк, В.В. Старовойтов. Нейросетевые методы распознавания изображений // /

Кузин Л.Т. Основы кибернетики: Основы кибернетических моделей. Т.2. - М.: Энергия, 1979. - 584с.

Перегудов Ф.И., Тарасенко Ф.П. Введение в системный анализ: Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 1997. - 389с.

Темников Ф.Е., Афонин В.А., Дмитриев В.И. Теоретические основы информационной техники. - М.: Энергия, 1979. - 511с.

Ту Дж., Гонсалес Р. Принципы распознавания образов. /Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 410с.

Уинстон П. Искусственный интеллект. /Пер. с англ. - М.: Мир, 1980. - 520с.

Фу К. Структурные методы в распознавании образов: Пер.с англ. - М.: Мир, 1977. - 320с.

Цыпкин Я.З. Основы информационной теории идентификации. - М.: Наука, 1984. - 520с.

Поспелов Г.С. Искусственный интеллект - основа новой информационной технологии. - М.: Наука, 1988. - 280с.

Ю. Лифшиц, Статистические методы распознавания образов ///modern/07modernnote.pdf

Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. /Пер.с англ. - М.: Мир, 1961. - 151с.

Бутаков Е.А., Островский В.И., Фадеев И.Л. Обработка изображений на ЭВМ.1987.-236с.

Дуда Р., Харт П. Распознавание образов и анализ сцен. /Пер.с англ. - М.: Мир, 1978. - 510с.

Дюк В.А. Компьютерная психодиагностика. - СПб: Братство, 1994. - 365с.

Aizenberg I. N., Aizenberg N. N. and Krivosheev G.A. Multi-valued and Universal Binary Neurons: Learning Algorithms, Applications to Image Processing and Recognition. Lecture Notes in Artificial Intelligence – Machine Learning and Data Mining in Pattern Recognition, 1999, pp. 21-35.

Ranganath S. and Arun K. Face recognition using transform features and neural networks. Pattern Recognition 1997, Vol. 30, pp. 1615-1622.

Головко В.А. Нейроинтеллект: Теория и применения. Книга 1. Организация и обучение нейронных сетей с прямыми и обратными связями – Брест:БПИ, 1999, - 260с.

Vetter T. and Poggio T. Linear Object Classes and Image Synthesis From a Single Example Image. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 1997, Vol. 19, pp. 733-742.

Головко В.А. Нейроинтеллект: Теория и применения. Книга 2. Самоорганизация, отказоустойчивость и применение нейронных сетей – Брест:БПИ, 1999, - 228с.

Lawrence S., Giles C. L., Tsoi A. C. and Back A. D. Face Recognition: A Convolutional Neural Network Approach. IEEE Transactions on Neural Networks, Special Issue on Neural Networks and Pattern Recognition, pp. 1-24.

Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника: Теория и практика, 1992 – 184с.

Rowley H. A., Baluja S. and Kanade T. Neural Network-Based Face Detection. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence 1998, Vol. 20, pp. 23-37.

Valentin D., Abdi H., O"Toole A. J. and Cottrell G. W. Connectionist models of face processing: a survey. IN: Pattern Recognition 1994, Vol. 27, pp. 1209-1230.

Документ

Им составляют алгоритмы распознавания образов . Методы распознавания образов Как отмечалось выше... реальности не существует "экосистемы вообще", а существуют только отдельные... выводы из этого детального обзора методов распознавания мы представили в...

1. Обзор методов идентификации людей на основе изображений лиц с учетом особенностей визуального распознавания

   Обзор

   ... распознавания человеком слабоконтрастных объектов, в т.ч. лиц. Приведен обзор распространенных методов ... Существует целый ряд методов ... образом , в результате проведенного исследования подготовлена платформа для разработки метода распознавания ...

2. Имени Глазкова Валентина Владимировна ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПОСТРОЕНИЯ ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ КЛАССИФИКАЦИИ МНОГОТЕМНЫХ ГИПЕРТЕКСТОВЫХ ДОКУМЕНТОВ Специальность 05

   Автореферат диссертации

   Гипертекстовых документов. В главе приведён обзор существующих методов решения рассматриваемой задачи, описание... отсечением наименее релевантных классов // Математические методы распознавания образов : 13-я Всероссийская конференция. Ленинградская обл...

3. Слайд 0 Обзор задач биоинформатики связанных с анализом и обработкой генетических текстов

   Лекция

   Последовательностей ДНК и белков. Обзор задач биоинформатики как задач... сигналов требует применения современных методов распознавания образов , статистических подходов и... с низкой плотностью генов. Существующие программы предсказания генов не...