Построение систем распознавания образов

Построение систем распознавания образов

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ

ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА

О С Н О В Ы П О С Т Р О Е Н И Я

С И С Т Е М Р А С П О З Н А В А Н И Я

О Б Р А З О В

Ч а с т ь 1

(К у р с л е к ц и й)

Утверждено :

заседении кафедры на распознавания образов

Протокол № 3 от 23.11.97

1 9 9 7

Настоящее учебное пособие представляет собой первую часть курса лекций

по "Основам построения систем распознавания образов", читаемых студентам

специальности "Программное обеспечение вычислительной техники и

автоматизированных систем управления" в VI - VII семестрах обучения в

Донецком Государственном институте искусственного интеллекта.

Причинами подготовки и выпуска специального курса лекций явились:

1.Отсутствие отработанного и доступного учебника инженерной

направленности по созданию систем распознавания.

2.Дефицит книг соответствующей тематики для организации

самостоятельной работы студентов.

3.Необходимость обобщения отдельных взглядов автора, достаточно

продолжительное время специализировавшегося в области создания систем

распознавания.

Одновременно с курсом лекций в настоящее учебное пособие помещены

вопросы практических занятий по изучаемым темам и методические указания к

лабораторным работам.

Составитель доц. Л.А. Белозерский

Ответственный за выпуск В.В. Гончаров

С О Д Е Р Ж А Н И Е

Т е м а 1 Распознавание образов в жизни человека (Введение)...……

Л Е К Ц И Я 1.1 Распознавание в биологических и технических

системах.

1.1.1. Всеобъемлющий характер действия механизмов распознавания

.......................................................................

.......................

1.1.2. Краткая история вопроса появления технических систем

автоматического распознавания и методов их

создания...............................................................

.............................………

Л Е К Ц И Я 1.2 Терминология и отличительные особенности систем

распознавания

...................................................................……….

1.2.1. Основные

определения...........................................……………….

1.2.2. Системы

распознавания................................................…………..

Т е м а 2 Задачи, решаемые в процессе создания систем распознавания

Л Е К Ц И Я 2.1. Проблематика задач создания систем распознавания

на описательном уровне ...............……………………

Л Е К Ц И Я 2.2. Формулировка задач создания систем распознавания и

методы их решения .........................…………………

Л Е К Ц И Я 2.3. Формулировка задач создания систем распознавания

и методы их решения (продолжение) ……………….

Т е м а 3 Классификация систем распознавания

Л Е К Ц И Я 3.1 Принципы классификации и типы систем

распознавания………………………………………………………….

Л Е К Ц И Я 3.2 Принципы классификации и типы систем распознавания

(продолжение) ….....................……………………….

Т е м а 4 Оптимизация эвристических выборов при создании систем

распознавания образов

Л Е К Ц И Я 4.1 Оптимизация алфавита классов и словаря признаков

4.1.1. Уточнение назначения и цели создания СР .......……………….

4.1.2. Взаимосвязь размерности алфавита классов и эффективности СР

………………………………………………………………………

Л Е К Ц И Я 4.2 Оптимизация алфавита классов и словаря

признаков (продолжение)

….……………..............................................

4.2.1.Взаимосвязь размерности вектора признаков и эффективности

СР…………………………………………………………………………

4.2.2.Формализация задачи оптимального взаимосвязанного выбора

алфавита классов и словаря признаков ………….…………………….

1. Формализация исходных данных .. . . ....... .....……… .

4.2.2.2.Выигрыш распознавания и оптимизация алфавита классов

и словаря признаков в условиях ограничений ……..

Т е м а 5 Моделирование систем распознавания образов - методология

их создания и оптимизации

Л Е К Ц И Я 5.1 Введение в моделирование

.....................................

5.1.1. История вопроса

......................................................……………..

5.1.2 Основные определения

............................................……………

Л Е К Ц И Я 5.2 Моделирование сложных систем и применение моделей

5.2.1. Принципы построения модели сложной системы ...………….

5.2.2. Моделирование сложных систем и опытно-теоретический метод их

испытаний ........................……………………………………

Л Е К Ц И Я 5.3 Метод статистических испытаний (метод Монте-

Карло)………………………………………………………………….

5.3.1.Основное определение

.............................................…………….

5.3.2.Принципы получения случайных величин на ЭВМ …………

Л Е К Ц И Я 5.4 Метод статистических испытаний (продолжение)

5.4.1.Моделирование независимых случайных событий ……………

5.4.2.Способы получения случайных чисел с заданным законом

распределения

..........................................................……………………

Л Е К Ц И Я 5.5 Модель системы распознавания образов

................

5.5.1.Моделирование распознаваемого объекта ........…………………

Л Е К Ц И Я 5.6. Модель системы распознавания образов

(продолжение)……………………………………………………………

5.6.1.Моделирование средств определения характеристик объектов

распознавания.........................................................…

…………………....

5.6.2.Моделирование каналов связи

...............................………………

Л Е К Ц И Я 5.7. Моделирование алгоритма распознавания .............

5.7.1.Модель алгоритма распознавания объектов (явлений, процессов)

.......................................................................

.............................

5.7.2.Модуль оценки эффективности системы распознавания ……..

5.7.3.Модуль управления моделью системы распознавания …………

Л Е К Ц И Я 5.8 Опытно-теоретический метод в задачах создания

систем распознавания

.............................................……………………

5.8.1.Использование принципов опытно-теоретического метода при

моделировании СР .........................................……………………………

5.8.2. Моделирование в задачах создания и оптимизации систем

распознавания..........................................................

........…………………

ЛАБОРАТОРНЫЕ

РАБОТЫ..................................................................

ВОПРОСЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ ...................................…...

ЛИТЕРАТУРА................................................…............

.............................

Т е м а 1

Распознавание в биологических и технических

системах

Л Е К Ц И Я 1.1

Распознавание образов в жизни человека

( Введение)

1.1.1. Всеобъемлющий характер действия механизмов распознавания.

Распознавание образов (а часто говорят - объектов, сигналов,

ситуаций, явлений или процессов) - самая распространенная задача, которую

человеку приходится решать практически ежесекундно от первого до последнего

дня своего существования. Для этого он использует огромные ресурсы своего

мозга, которые мы оцениваем таким показателем как число нейронов, равное

1010.

Можно даже не утруждая себя примерами (мы рассмотрим их ниже)

заметить, что похожие действия наблюдаются в биологии, в живой природе, а

иногда даже в неживой. Кроме того, распознавание постоянно встречается в

технике. А если это так, то, очевидно, следует считать механизм

распознавания всеобъемлющим.

С более общих позиций можно утверждать, и это вполне очевидно, что в

повседневной деятельности человек постоянно сталкивается с задачами,

связанными с принятием решений, обусловленных непрерывно меняющейся

окружающей обстановкой. В этом процессе принимают участие: органы

чувств, с помощью которых человек воспринимает информацию извне;

центральная нервная система, осуществляющая отбор, переработку информации

и принятие решений; двигательные органы, реализующие принятое решение. Но в

основе решений этих задач лежит, в чем легко убедиться, распознавание

образов.

В своей практике люди решают разнообразные задачи по классификации и

распознаванию объектов, явлений и ситуаций (мгновенно узнают друг друга, с

большой скоростью читают печатные и рукописные тексты, безошибочно водят

автомобили в сложном потоке уличного движения, осуществляют отбраковку

деталей на конвейере, разгадывают коды, древнюю египетскую клинопись и

т.д.).

Рассмотрим некоторые примеры всепроникающего механизма распознавания

образов человеком в природе и обществе.

1.Вы легко узнаете издалека своего знакомого (но задайтесь вопросом:

как?) Обратите внимание на слабую зависимость результатов распознавания от

дальности, если конечно мы еще видим отдельные элементы и движения.

2.Предположим Вам нужен для изучения или повторения такой раздел

математики, как интегральное исчисление. Ваши действия :

а) распознаете по корешкам обложек справочник на книжной полке;

(на фоне других книг - прочитывая, распознавая названия при

последовательном просмотре или по внешнему виду, хранимому Вами в памяти

по предшествующему пользованию этим справочником)

б) листаете и распознаете страницу справочника с оглавлением; (по

опыту знаете, что оглавление располагается в начале или в конце книги)

в) распознаете тексты заголовков оглавления; (читаете);

г) распознаете среди всех заголовков необходимый Вам (сравниваете

прочитанный со смысловым содержанием интересующего Вас раздела)

д) распознаете соответствующую этому заголовку страницу; (зная, что в

оглавлении против найденного раздела печатается интересующий номер

страницы)

е) листаете справочник и распознаете по нумерации страниц необходимый

номер;

(сравниваете запомненный номер с номерами открываемых страниц) и т.д.,

и т.п.

Обратите внимание, во-первых, на то, сколько знаний, хранящихся в

Вашей памяти используется. Во-вторых, здесь, как и в предыдущих примерах,

можно задаться многочисленными вопросами по поводу того, как это Вы сами

все осуществляете, и не найти ответа.

В рассмотренном примере мы уже должны были заметить, что помимо

“чистого” распознавания в нем присутствуют наши действия, но при этом

любому действию предшествует распознавание. А любое выполненное действие

влечет за собой новый этап распознавательной деятельности.

3.Вот может быть более очевидный пример из военного дела.

Обратите в нем внимание на сочетание распознавания и действий, являющихся

управлением.

Представьте себя в роли летчика в кабине самолета-истребителя. Вы

взлетаете, набираете высоту, готовитесь и начинаете выполнять боевую

задачу. Прежде всего:

-обнаруживаете (то есть, распознаете) в зоне обзора цель-самолет

противника;

-идете на сближение;

-на основе имеющихся знаний о своем самолете как оружии - распознаете

момент, когда произвести пуск ракеты по обнаруженной цели;

-производите пуск;

или:

-распознаете, что противник опередил Вас и произвел по вашему

самолету пуск ракеты;

-распознаете среди большого набора тактических приемов в вашей памяти

необходимый прием для управления самолетом в целях проведения

противоракетного маневра;

-производите маневр.

-распознаете, что маневр удался (если не удался и есть возможность-

повторяете) - и сами атакуете противника;

Затем:

-распознаете, что горючее на исходе или - задача выполнена - уходите

на посадку;

-распознаете посадочную полосу - осуществляете посадку.

Вот далеко не полный и подробный перечень этапов распознавания и

действий. Но если сами действия понятны и очевидны, то предшествующее им

распознавание требует осмысливания соответствующего механизма. И прежде

всего, каждый этап описанных последовательности - это действия на основе

знаний, хранящихся в памяти.

4. Рассмотрим пример из области экономики. Руководитель

экономического региона по экономическим показателям хозяйственной

деятельности обнаруживает (распознает) ухудшение продовольственного

обеспечения области, города и т.п.

Обратившись к другой группе экономических показателей, он распознает,

что лежит в основе такого нежелательного явления (например, отсутствие

горючего для автотранспорта). В итоге принимается решение о дополнительных

договорах на бензин или дизельное топливо с поставщиками или, найдя новых

поставщиков, организует отправку железнодорожного состава цистерн или

автозаправщиков для доставки и т.д.

5. Еще один военный пример из области обороны, где человек не

выполняет ни распознающей функции, ни функции управления. СПРН (система

предупреждения о ракетном нападении), находясь в режиме круглосуточного

боевого дежурства автоматически обнаруживает в некоторый момент времени

(то есть, распознает) КО (космический объект) и завязывает его траекторию.

На этой основе автоматически определяется не является ли этот КО

баллистической ракетой (распознается по попаданию пролонгированной во время

полета КО точки его падения на обороняемую территорию, на территорию

страны). Если указанное условие выполнилось СПРН дает сигнал тревоги на

средства противодействия , например систему противоракетной обороны (ПРО).

Система ПРО, в свою очередь, обязана автоматически по данным СПРН

обнаружить (распознать ) интересующую цель, распознать, например, что

это сложная баллистическая цель СБЦ (боевая часть БЧ +ложные цели ЛЦ),

распознать БЧ среди ЛЦ, произвести пуск противоракеты и т.д., и т.п.

6.Теперь примеры из области биологии.

Семечко растения распознает достаточность температуры окружающей

среды, достаточность влаги, питательных веществ - и включает механизм

роста.

Росянка распознает насекомое, севшее на ее лепестки и резко

закрывается как ловушка для последующего переваривания пищи.

Подсолнечник распознает, где расположено солнце, и поворачивает свое

соцветие в его сторону.

Комар распознает человека и пьет его кровь.

Лягушка распознает и ловит комара.

Удав распознает и ловит лягушку. и т.д.

И здесь также мы задаемся уже знакомым нам вопросом: как?

7. Совсем уже утрированный случай из техники: дверной замок

распознает свой ключ и разрешает открыть помещение.

В последнем примере человек, как создатель, знает все.

Таким образом, приведенные примеры показывают, что распознавание в

природе, обществе, в жизни человека, в технике - всеобъемлюще. Но при

этом мы отмечаем, что ответов на поставленные вопросы, когда речь касается

распознающей деятельности человека в большинстве случаев мы не найдем.

До настоящего времени полные представления о способностях живых

организмов в распознавании многих явлений и объектов отсутствуют. В то же

время, создавая технические системы, способные заменить его, человек

высказывает гипотезы, продвигающие его к знанию распознающей деятельности в

природе, что позволяет ему успешно решать стоящие задачи. Рассматриваемый

курс “Основы построения систем распознавания образов” и должен научить

пониманию того, что лежит в основе современных гипотез распознавательной

деятельности и как на этой основе упомянутые задачи решаются.

1.1.2. Краткая история вопроса появления технических систем

автоматического распознавания и методов их создания

Длительное время вопросы распознавания рассматривались человеком

лишь с позиций методов биологии и психологии. При этом целью изучения

являлись в основном качественные характеристики, не позволяющие

вскрыть и точно описать соответствующий механизм. Если и получались

числовые характеристики, то они, как правило, были связаны с изучением

рецепторов, таких как органы зрения, слуха, осязания. Что же касалось

характеристик принятия решений, то до их математической оценки дело не

доходило. И только кибернетика позволила ввести в изучение

психологического процесса распознавания образов, лежащего в основе принятия

любых решений, количественные методы, что открыло принципиально новые

возможности в исследовании и проектировании автоматических систем

распознавания. Только кибернетика позволила ввести в область

распознавания, как явления природы, математические представления. В этом

можно увидеть в частности реализацию взглядов Галилея, который

утверждал:

“Книга природы написана на языке математики. И тот, кто хочет прочесть

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10