В целом, можно выделить три метода распознавания образов: Метод перебора. В этом случае производится сравнение с базой данных, где для каждого вида объектов представлены всевозможные модификации отображения. Например, для оптического распознавания образов можно применить метод перебора вида объекта под различными углами, масштабами, смещениями, деформациями и т. д. Для букв нужно перебирать шрифт, свойства шрифта и т. д. В случае распознавания звуковых образов, соответственно, происходит сравнение с некоторыми известными шаблонами (например, слово, произнесенное несколькими людьми).
Второй подход - производится более глубокий анализ характеристик образа. В случае оптического распознавания это может быть определение различных геометрических характеристик. Звуковой образец в этом случае подвергается частотному, амплитудному анализу и т. д.
Следующий метод - использование искусственных нейронных сетей (ИНС). Этот метод требует либо большого количества примеров задачи распознавания при обучении, либо специальной структуры нейронной сети, учитывающей специфику данной задачи. Тем не менее, его отличает более высокая эффективность и производительность.
4. История распознавания образов
Рассмотрим кратко математический формализм распознавания образов. Объект в распознавании образов описывается совокупностью основных характеристик (признаков, свойств). Основные характеристики могут иметь различную природу: они могут браться из упорядоченного множества типа вещественной прямой, либо из дискретного множества (которое, впрочем, так же может быть наделено структурой). Такое понимание объекта согласуется как потребностью практических приложений распознавания образов, так и с нашим пониманием механизма восприятия объекта человеком. Действительно, мы полагаем, что при наблюдении (измерении) объекта человеком, сведения о нем поступают по конечному числу сенсоров (анализируемых каналов) в мозг, и каждому сенсору можно сопоставить соответствующую характеристику объекта. Помимо признаков, соответствующих нашим измерениям объекта, существует так же выделенный признак, либо группа признаков, которые мы называем классифицирующими признаками, и в выяснении их значений при заданном векторе Х и состоит задача, которую выполняют естественные и искусственные распознающие системы.
Понятно, что для того, чтобы установить значения этих признаков, необходимо иметь информацию о том, как связаны известные признаки с классифицирующими. Информация об этой связи задается в форме прецедентов, то есть множества описаний объектов с известными значениями классифицирующих признаков. И по этой прецедентной информации и требуется построить решающее правило, которое будет ставить произвольному описанию объекта значения его классифицирующих признаков.
Такое понимание задачи распознавания образов утвердилось в науке начиная с 50-х годов прошлого века. И тогда же было замечено что такая постановка вовсе не является новой. С подобной формулировкой сталкивались и уже существовали вполне не плохо зарекомендовавшие себя методы статистического анализа данных, которые активно использовались для многих практических задач, таких как например, техническая диагностика. Поэтому первые шаги распознавания образов прошли под знаком статистического подхода, который и диктовал основную проблематику.
Статистический подход основывается на идее, что исходное пространство объектов представляет собой вероятностное пространство, а признаки (характеристики) объектов являют собой случайные величины заданные на нем. Тогда задача исследователя данных состояла в том, чтобы из некоторых соображений выдвинуть статистическую гипотезу о распределении признаков, а точнее о зависимости классифицирующих признаков от остальных. Статистическая гипотеза, как правило, представляла собой параметрически заданное множество функций распределения признаков. Типичной и классической статистической гипотезой является гипотеза о нормальности этого распределения (разновидностей таких гипотез статистики придумали великое множество). После формулировки гипотезы оставалось проверить эту гипотезу на прецедентных данных. Это проверка состояла в выборе некоторого распределения из первоначально заданного множества распределений (параметра гипотезы о распределении) и оценки надежности(доверительного интервала) этого выбора. Собственно эта функция распределения и была ответом к задаче, только объект классифицировался уже не однозначно, но с некоторыми вероятностями принадлежности к классам. Статистиками были разработано так же и ассимптотическое обоснование таких методов. Такие обоснования делались по следующей схеме: устанавливался некоторый функционал качества выбора распределения (доверительный интервал) и показывалось, что при увеличении числа прецедентов, наш выбор с вероятностью стремящейся к 1 становился верным в смысле этого функционала (доверительный интервал стремился к 0). Забегая вперед скажем, что статистический взгляд на проблему распознавания оказался весьма плодотворным не только в смысле разработанных алгоритмов (в число которых входят методы кластерного, дискриминантного анализов, непараметрическая регрессия и т.д.), но и привел впоследствии Вапника к созданию глубокой статистической теории распознавания.
Тем не менее существует серьезная аргументация в пользу того, что задачи распознавания образов не сводятся к статистике. Любую такую задачу, в принципе, можно рассматривать со статистической точки зрения и результаты ее решения могут интерпретироваться статистически. Для этого необходимо лишь предположить, что пространство объектов задачи является вероятностным. Но с точки зрения инструментализма, критерием удачности статистической интерпретации некоторого метода распознавания может служить лишь наличие обоснавания этого метода на языке статистики как раздела математики. Под обоснаванием здесь понимается выработка основных требований к задаче которые обеспечивают успех в применении этого метода. Однако на данный момент для большей части методов распознавания, в том числе и для тех, которые напрямую возникли в рамках статистического подхода, подобных удовлетворительных обоснований не найдено. Кроме этого, наиболее часто применяемые на данный момент статистические алгоритмы, типа линейного дискриминанта Фишера, парзеновского окна, EM-алгоритма, метода ближайших соседей, не говоря уже о байесовских сетях доверия, имеют сильно выраженный эвристический характер и могут иметь интерпретации отличные от статистических. И наконец, ко всему вышесказанному следует добавить, что помимо асимптотического поведения методов распознавания, которое и является основным вопросом статистики, практика распознавания ставит вопросы вычислительной и структурной сложности методов, которые выводят далеко за рамки одной лишь теории вероятностей.
Итого, вопреки стремлениям статистиков рассматривать распознавание образов как раздел статистики, в практику и идеологию распознавания входили совершенно другие идеи. Одна из них была вызвана исследованиями в области распознавания зрительных образов и основана на следующей аналогии.
Как уже отмечалось, в повседневной жизни люди постоянно решают (зачастую бессознательно) проблемы распознавания различных ситуаций, слуховых и зрительных образов. Подобная способность для ЭВМ представляет собой в лучшем случае дело будущего. Отсюда некоторыми пионерами распознавания образов был сделан вывод, что решение этих проблем на ЭВМ должно в общих чертах моделировать процессы человеческого мышления. Наиболее известной попыткой подойти к проблеме с этой стороны было знаменитое исследование Ф. Розенблатта по перцептронам .
К середине 50-х годов казалось, что нейрофизиологами были поняты физические принципы работы мозга (в книге "Новый Разум Короля" знаменитый британский физик-теоретик Р. Пенроуз интересно ставит под сомнение нейросетевую модель мозга, обосновывая существенную роль в его функционировании квантово-механических эффектов; хотя, впрочем, эта модель подвергалась сомнению с самого начала. Отталкиваясь от этих открытий Ф.Розенблатт разработал модель обучения распознаванию зрительных образов, названную им персептроном. Персептрон Розенблатта представляет собой следующую функцию (рис. 1):
Рис 1. Схема Персептрона
На входе персептрон получает вектор объекта, который в работах Розенблатта представлял собой бинарный вектор, показывавший какой из пикселов экрана зачернен изображением а какой нет. Далее каждый из признаков подается на вход нейрона, действие которого представляет собой простое умножение на некоторый вес нейрона. Результаты подаются на последний нейрон, который их складывает и общую сумму сравнивает с некоторым порогом. В зависимости от результатов сравнения входной объект Х признается нужным образом либо нет. Тогда задача обучения распознаванию образов состояла в таком подборе весов нейронов и значения порога, чтобы персептрон давал на прецедентных зрительных образах правильные ответы. Розенблатт полагал, что получившаяся функция будет неплохо распознавать нужный зрительный образ даже если входного объекта и не было среди прецедентов. Из бионических соображений им так же был придуман и метод подбора весов и порога, на котором останавливаться мы не будем. Скажем лишь, что его подход оказался успешным в ряде задач распознавания и породил собой целое направление исследований алгоритмов обучения основанных на нейронных сетях, частным случаем которых и является персептрон.
Далее были придуманы различные обобщения персептрона, функция нейронов была усложнена: нейроны теперь могли не только умножать входные числа или складывать их и сравнивать результат с порогами, но применять по отношению к ним более сложные функции. На рисунке 2 изображено одно из подобных усложнений нейрона:
Рис. 2 Схема нейронной сети.
Кроме того топология нейронной сети могла быть значительно сложнее той, что рассматривал Розенблатт, например такой:
Рис. 3. Схема нейронной сети Розенблатта.
Усложнения приводили к увеличению числа настраиваемых параметров при обучении, но при этом увеличивали возможность настраиваться на очень сложные закономерности. Исследования в этой области сейчас идут по двум тесно связанным направлениям - изучаются и различные топологии сетей и различные методы настроек.
Нейронные сети на данный момент являются не только инструментом решения задач распознавания образов, но получили применение в исследованиях по ассоциативной памяти, сжатию изображений. Хотя это направление исследований и пересекается сильно с проблематикой распознавания образов, но представляет собой отдельный раздел кибернетики. Для распознавателя на данный момент, нейронные сети не более чем очень специфически определенное, параметрически заданное множество отображений, которое в этом смысле не имеет каких-либо существенных преимуществ над многими другим подобными моделями обучения которые далее будут кратко перечислены.
В связи с данной оценкой роли нейронных сетей для собственно распознавания (то есть не для бионики, для которой они имеют первостепенное значение уже сейчас) хотелось бы отметить следующее: нейронные сети, будучи чрезвычайно сложным объектом для математического анализа, при грамотном их использовании, позволяют находить весьма нетривиальные законы в данных. Их трудность для анализа, в общем случае, объясняется их сложной структурой и как следствие, практически неисчерпаемыми возможностями для обобщения самых различных закономерностей. Но эти достоинства, как это часто и бывает, являются источником потенциальных ошибок, возможности переобучения. Как будет рассказано далее, подобный двоякий взгляд на перспективы всякой модели обучения является одним из принципов машинного обучения.
Еще одним популярным направлением в распознавании являются логические правила и деревья решений. В сравнении с вышеупомянутыми методами распознавания эти методы наиболее активно используют идею выражения наших знаний о предметной области в виде, вероятно самых естественных (на сознательном уровне) структур - логических правил. Под элементарным логическим правилом подразумевается высказывание типа «если неклассифицируемые признаки находятся в соотношении X то классифицируемые находятся в соотношении Y». Примером такого правила в медицинской диагностике служит следующее: если возраст пациента выше 60 лет и ранее он перенёс инфаркт, то операцию не делать - риск отрицательного исхода велик.
Для поиска логических правил в данных необходимы 2 вещи: определить меру «информативности» правила и пространство правил. И задача поиска правил после этого превращается в задачу полного либо частичного перебора в пространстве правил с целью нахождения наиболее информативных из них. Определение информативности может быть введено самыми различными способами и мы не будем останавливаться на этом, считая что это тоже некоторый параметр модели. Пространство же поиска определяется стандартно.
После нахождения достаточно информативных правил наступает фаза «сборки» правил в конечный классификатор. Не обсуждая глубоко проблемы которые здесь возникают (а их возникает немалое количество) перечислим 2 основных способа «сборки». Первый тип - линейный список. Второй тип – взвешенное голосование, когда каждому правилу ставится в соответствие некоторый вес, и объект относится классификатором к тому классу за который проголосовало наибольшее количество правил.
В действительности, этап построения правил и этап «сборки» выполняются сообща и, при построении взвешенного голосования либо списка, поиск правил на частях прецедентных данных вызывается снова и снова, чтобы обеспечить лучшее согласование данных и модели.
Метод перебора. В данном методе производится сравнение с некоторой базой данных, где для каждого из объектов представлены разные варианты модификации отображения. Например, для оптического распознавания образов можно применить метод перебора под разными углами или масштабами, смещениями, деформациями и т. д. Для букв можно перебирать шрифт или его свойства. В случае распознавания звуковых образов происходит сравнение с некоторыми известными шаблонами (слово, произнесенное многими людьми). Далее, производится более глубокий анализ характеристик образа. В случае оптического распознавания - это может быть определение геометрических характеристик. Звуковой образец в этом случае подвергается частотному и амплитудному анализу.
Следующий метод - использование искусственных нейронных сетей (ИНС). Он требует либо огромного количества примеров задачи распознавания, либо специальной структуры нейронной сети, учитывающей специфику данной задачи. Но, тем не менее, этот метод отличается высокой эффективностью и производительностью.
Методы, основанные на оценках плотностей распределения значений признаков . 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 начальным вероятностям принадлежности объектов к тому или иному классу и условным плотностям распределения признаков.
Группа методов, основанных на оценке плотностей распределения значений признаков, имеет непосредственное отношение к методам дискриминантного анализа. Байесовский подход к принятию решений относится к наиболее разработанным в современной статистике параметрическим методам, для которых считается известным аналитическое выражение закона распределения (нормальный закон) и требуется только оценить лишь небольшое количество параметров (векторы средних значений и ковариационные матрицы). Основными трудностями применения данного метода считается необходимость запоминания всей обучающей выборки для вычисления оценок плотностей и высокая чувствительность к обучающей выборки.
Методы, основанные на предположениях о классе решающих функций. В данной группе считается известным вид решающей функции и задан функционал ее качества. На основании этого функционала по обучающей последовательности находят оптимальное приближение к решающей функции. Функционал качества решающего правила обычно связывают с ошибкой. Основным достоинством метода является ясность математической постановки задачи распознавания. Возможность извлечения новых знаний о природе объекта, в частности знаний о механизмах взаимодействия атрибутов, здесь принципиально ограничена заданной структурой взаимодействия, зафиксированной в выбранной форме решающих функций.
Метод сравнения с прототипом. Это наиболее легкий на практике экстенсиональный метод распознавания. Он применяется, в том случае, когда распознаваемые классы показываются компактными геометрическими классами. Тогда в качестве точки - прототипа выбирается центр геометрической группировки (или ближайший к центру объект).
Для классификации неопределенного объекта находится ближайший к нему прототип, и объект относится к тому же классу, что и он. Очевидно, никаких обобщенных образов в данном методе не формируется. В качестве меры могут применяться различные типы расстояний.
Метод k ближайших соседей. Метод заключается в том, что при классификации неизвестного объекта находится заданное число (k) геометрически ближайших пространстве признаков других ближайших соседей с уже известной принадлежностью к какому-либо классу. Решение об отнесении неизвестного объекта принимается путем анализа информации о его ближайших соседей. Необходимость сокращения числа объектов в обучающей выборке (диагностических прецедентов) является недостатком данного метода, так как это уменьшает представительность обучающей выборки.
Исходя из того, что различные алгоритмы распознавания проявляют себя по-разному на одной и той же выборке, то встает вопрос о синтетическом решающем правиле, которое бы использовало сильные стороны всех алгоритмов. Для этого существует синтетический метод или коллективы решающих правил, которые объединяют в себе максимально положительные стороны каждого из методов.
В заключение обзора методов распознавания представим суть вышеизложенного в сводной таблице, добавив туда также некоторые другие используемые на практике методы.
Таблица 1. Таблица классификации методов распознавания, сравнения их областей применения и ограничений
|
Классификация методов распознавания |
Область применения |
Ограничения (недостатки) |
|
|
Интенсиальные методы распознавания |
Методы, основанные на оценках плотностей |
Задачи с известным распределением (нормальным), необходимость набора большой статистики |
Необходимость перебора всей обучающей выборки при распознавании, высокая чувствительность к не представительности обучающей выборки и артефактам |
|
Методы, основанные на предположениях |
Классы должны быть хорошо разделяемыми |
Должен быть заранее известен вид решающей функции. Невозможность учета новых знаний о корреляциях между признаками |
|
|
Логические методы |
Задачи небольшой размерности |
При отборе логических решающих правил необходим полный перебор. Высокая трудоемкость |
|
|
Лингвистические методы |
Задача определения грамматики по некоторому множеству высказываний (описаний объектов), является трудно формализуемой. Нерешенность теоретических проблем |
||
|
Экстенсиальные методы распознавания |
Метод сравнения с прототипом |
Задачи небольшой размерности пространства признаков |
Высокая зависимость результатов классификации от метрики. Неизвестность оптимальной метрики |
|
Метод k ближайших соседей |
Высокая зависимость результатов классификации от метрики. Необходимость полного перебора обучающей выборки при распознавании. Вычислительная трудоемкость |
||
|
Алгоритмы вычисления оценок (АВО) |
Задачи небольшой размерности по количеству классов и признаков |
Зависимость результатов классификации от метрики. Необходимость полного перебора обучающей выборки при распознавании. Высокая техническая сложность метода |
|
|
Коллективы решающих правил (КРП) - синтетический метод. |
Задачи небольшой размерности по количеству классов и признаков |
Очень высокая техническая сложность метода, нерешенность ряда теоретических проблем, как при определении областей компетенции частных методов, так и в самих частных методах |
Sun, Mar 29, 2015
В настоящее время существует множество задач, в которых требуется принять некоторое решение в зависимости от присутствия на изображении объекта или классифицировать его. Способность «распознавать» считается основным свойством биологических существ, в то время как компьютерные системы этим свойством в полной мере не обладают.
Рассмотрим общие элементы модели классификации.
Класс - множество объектом имеющие общие свойства. Для объектов одного класса предполагается наличие «схожести». Для задачи распознавания может быть определено произвольное количество классов, больше 1. Количество классов обозначается числом S. Каждый класс имеет свою идентифицирующую метку класса.
Классификация - процесс назначения меток класса объектам, согласно некоторому описанию свойств этих объектов. Классификатор - устройство, которое в качестве входных данных получает набор признаков объекта, а в качестве результата выдающий метку класса.
Верификация - процесс сопоставления экземпляра объекта с одной моделью объекта или описанием класса.
Под образом будем понимать наименование области в пространстве признаков, в которой отображается множество объектов или явлений материального мира. Признак - количественное описание того или иного свойства исследуемого предмета или явления.
Пространство признаков это N-мерное пространство, определенное для данной задачи распознавания, где N - фиксированное число измеряемых признаков для любых объектов. Вектор из пространства признаков x, соответствующий объекту задачи распознавания это N-мерный вектор с компонентами (x_1,x_2,…,x_N), которые являются значениями признаков для данного объекта.
Другими словами, распознавание образов можно определить, как отнесение исходных данных к определенному классу с помощью выделение существенных признаков или свойств, характеризующих эти данные, из общей массы несущественных деталей.
Примерами задач классификации являются:
- распознавание символов;
- распознавание речи;
- установление медицинского диагноза;
- прогноз погоды;
- распознавание лиц
- классификация документов и др.
Чаще всего исходным материалом служит полученное с камеры изображение. Задачу можно сформулировать как получение векторов признаков для каждого класса на рассматриваемом изображении. Процесс можно рассматривать как процесс кодирования, заключающийся в присвоении значения каждому признаку из пространства признаков для каждого класса.
Если рассмотреть 2 класса объектов: взрослые и дети. В качестве признаков можно выбрать рост и вес. Как следует из рисунка эти два класса образуют два непересекающихся множества, что можно объяснить выбранными признаками. Однако не всегда удается выбрать правильные измеряемые параметры в качестве признаков классов. Например выбранные параметры не подойдут для создания непересекающихся классов футболистов и баскетболистов.
Второй задачей распознавания является выделение характерных признаков или свойств из исходных изображений. Эту задачу можно отнести к предварительной обработке. Если рассмотреть задачу распознавания речи, можно выделить такие признаки как гласные и согласные звуки. Признак должен представлять из себя характерное свойство конкретного класса, при этом общие для этого класса. Признаки, характеризующие отличия между - межклассовые признаки. Признаки общие для всех классов не несут полезной информации и не рассматриваются как признаки в задаче распознавания. Выбор признаков является одной из важных задач, связанных с построением системы распознавания.
После того, как определены признаки необходимо определить оптимальную решающую процедуру для классификации. Рассмотрим систему распознавания образов, предназначенную для распознавания различных M классов, обозначенных как m_1,m_2,…,m3. Тогда можно считать, что пространство образов состоит из M областей, каждая содержит точки, соответствующие образом из одного класса. Тогда задача распознавания может рассматриваться как построение границ, разделяющих M классов, исходя из принятых векторов измерений.
Решение задачи предварительной обработки изображения, выделение признаков и задачи получения оптимального решения и классификации обычно связано с необходимостью произвести оценку ряда параметров. Это приводит к задаче оценки параметров. Кроме того, очевидно, что выделение признаков может использовать дополнительную информацию исходя из природы классов.
Сравнение объектов можно производить на основе их представления в виде векторов измерений. Данные измерений удобно представлять в виде вещественных чисел. Тогда сходство векторов признаков двух объектов может быть описано с помощью евклидова расстояния.
где d - размерность вектора признака.
Разделяют 3 группы методов распознавания образов:
- Сравнение с образцом . В эту группу входит классификация по ближайшему среднему, классификация по расстоянию до ближайшего соседа. Также в группу сравнения с образцом можно отнести структурные методы распознавания.
- Статистические методы . Как видно из названия, статистические методы используют некоторую статистическую информацию при решении задачи распознавания. Метод определяет принадлежность объекта к конкретному классу на основе вероятности В ряде случаев это сводится к определению апостериорной вероятности принадлежности объекта к определенному классу, при условии, что признаки этого объекта приняли соответствующие значения. Примером служит метод на основе байесовского решающего правила.
- Нейронные сети . Отдельный класс методов распознавания. Отличительной особенностью от других является способность обучаться.
Классификация по ближайшему среднему значению
В классическом подходе распознавания образов, в котором неизвестный объект для классификации представляется в виде вектора элементарных признаков. Система распознавания на основе признаков может быть разработана различными способами. Эти векторы могут быть известны системе заранее в результате обучения или предсказаны в режиме реального времени на основе каких-либо моделей.
Простой алгоритм классификации заключается в группировке эталонных данных класса с использованием вектора математического ожидания класса (среднего значения).
где x(i,j)- j-й эталонный признак класса i, n_j- количество эталонных векторов класса i.
Тогда неизвестный объект будет относиться к классу i, если он существенно ближе к вектору математического ожидания класса i, чем к векторам математических ожиданий других классов. Этот метод подходит для задач, в которых точки каждого класса располагаются компактно и далеко от точек других классов.
Трудности возникнут, если классы будут иметь несколько более сложную структуру, например, как на рисунке. В данном случае класс 2 разделен на два непересекающихся участка, которые плохо описываются одним средним значением. Также класс 3 слишком вытянут, образцы 3-го класса с большими значениями координат x_2 ближе к среднему значению 1-го класса, нежели 3-го.
Описанная проблема в некоторых случаях может быть решена изменением расчета расстояния.
Будем учитывать характеристику «разброса» значений класса - σ_i, вдоль каждого координатного направления i. Среднеквадратичное отклонение равно квадратному корню из дисперсии. Шкалированное евклидово расстояние между вектором x и вектором математического ожидания x_c равно
Эта формула расстояния уменьшит количество ошибок классификации, но на деле большинство задач не удается представить таким простым классом.
Классификация по расстоянию до ближайшего соседа
Другой подход при классификации заключается в отнесении неизвестного вектора признаков x к тому классу, к отдельному образцу которого этот вектор наиболее близок. Это правило называется правилом ближайшего соседа. Классификация по ближайшему соседу может быть более эффективна, даже если классы имеют сложную структуру или когда классы пересекаются.
При таком подходе не требуется предположений о моделях распределения векторов признаков в пространстве. Алгоритм использует только информацию об известных эталонных образцах. Метод решения основан на вычислении расстояния x до каждого образца в базе данных и нахождения минимального расстояния. Преимущества такого подхода очевидны:
- в любой момент можно добавить новые образцы в базу данных;
- древовидные и сеточные структуры данных позволяют сократить количество вычисляемых расстояний.
Кроме того, решение будет лучше, если искать в базе не одного ближайшего соседа, а k. Тогда при k > 1 обеспечивает наилучшую выборку распределения векторов в d-мерном пространстве. Однако эффективное использование значений k зависит от того, имеется ли достаточное количество в каждой области пространства. Если имеется больше двух классов то принять верное решение оказывается сложнее.
Литература
- M. Castrillón, . O. Déniz, . D. Hernández и J. Lorenzo, «A comparison of face and facial feature detectors based on the Viola-Jones general object detection framework,» International Journal of Computer Vision, № 22, pp. 481-494, 2011.
- Y.-Q. Wang, «An Analysis of Viola-Jones Face Detection Algorithm,» IPOL Journal, 2013.
- Л. Шапиро и Д. Стокман, Компьютерное зрение, Бином. Лаборатория знаний, 2006.
- З. Н. Г., Методы распознавания и их применение, Советское радио, 1972.
- Дж. Ту, Р. Гонсалес, Математические принципы распознавания образов, Москва: “Мир” Москва, 1974.
- Khan, H. Abdullah и M. Shamian Bin Zainal, «Efficient eyes and mouth detection algorithm using combination of viola jones and skin color pixel detection» International Journal of Engineering and Applied Sciences, № Vol. 3 № 4, 2013.
- V. Gaede и O. Gunther, «Multidimensional Access Methods,» ACM Computing Surveys, pp. 170-231, 1998.
- Tutorial
Давно хотел написать общую статью, содержащую в себе самые основы Image Recognition, некий гайд по базовым методам, рассказывающий, когда их применять, какие задачи они решают, что возможно сделать вечером на коленке, а о чём лучше и не думать, не имея команды человек в 20.
Какие-то статьи по Optical Recognition я пишу давненько, так что пару раз в месяц мне пишут различные люди с вопросами по этой тематике. Иногда создаётся ощущение, что живёшь с ними в разных мирах. С одной стороны понимаешь, что человек скорее всего профессионал в смежной теме, но в методах оптического распознавания знает очень мало. И самое обидное, что он пытается применить метод из близрасположенной области знаний, который логичен, но в Image Recognition полностью не работает, но не понимает этого и сильно обижается, если ему начать рассказывать что-нибудь с самых основ. А учитывая, что рассказывать с основ - много времени, которого часто нет, становится всё ещё печальнее.
Эта статья задумана для того, чтобы человек, который никогда не занимался методами распознавания изображений, смог в течении 10-15 минут создать у себя в голове некую базовую картину мира, соответствующую тематике, и понять в какую сторону ему копать. Многие методы, которые тут описаны, применимы к радиолокации и аудио-обработке.
Начну с пары принципов, которые мы всегда начинаем рассказывать потенциальному заказчику, или человеку, который хочет начать заниматься Optical Recognition:
- При решении задачи всегда идти от простейшего. Гораздо проще повесить на персону метку оранжевого цвета, чем следить за человеком, выделяя его каскадами. Гораздо проще взять камеру с большим разрешением, чем разрабатывать сверхразрешающий алгоритм.
- Строгая постановка задачи в методах оптического распознавания на порядки важнее, чем в задачах системного программирования: одно лишнее слово в ТЗ может добавить 50% работы.
- В задачах распознавания нет универсальных решений. Нельзя сделать алгоритм, который будет просто «распознавать любую надпись». Табличка на улице и лист текста - это принципиально разные объекты. Наверное, можно сделать общий алгоритм( хороший пример от гугла), но это будет требовать огромного труда большой команды и состоять из десятков различных подпрограмм.
- OpenCV - это библия, в которой есть множество методов, и с помощью которой можно решить 50% от объёма почти любой задачи, но OpenCV - это лишь малая часть того, что в реальности можно сделать. В одном исследовании в выводах было написано: «Задача не решается методами OpenCV, следовательно, она неразрешима». Старайтесь избегать такого, не лениться и трезво оценивать текущую задачу каждый раз с нуля, не используя OpenCV-шаблоны.
Список приведённых тут методов не полон. Предлагаю в комментариях добавлять критические методы, которые я не написал и приписывать каждому по 2-3 сопроводительных слова.
Часть 1. Фильтрация
В эту группу я поместил методы, которые позволяют выделить на изображениях интересующие области, без их анализа. Большая часть этих методов применяет какое-то единое преобразование ко всем точкам изображения. На уровне фильтрации анализ изображения не производится, но точки, которые проходят фильтрацию, можно рассматривать как области с особыми характеристиками.Бинаризация по порогу, выбор области гистограммы
Самое просто преобразование - это бинаризация изображения по порогу. Для RGB изображения и изображения в градациях серого порогом является значение цвета. Встречаются идеальные задачи, в которых такого преобразования достаточно. Предположим, нужно автоматически выделить предметы на белом листе бумаги:
Выбор порога, по которому происходит бинаризация, во многом определяет процесс самой бинаризации. В данном случае, изображение было бинаризовано по среднему цвету. Обычно бинаризация осуществляется с помощью алгоритма, который адаптивно выбирает порог. Таким алгоритмом может быть выбор матожидания или моды . А можно выбрать наибольший пик гистограммы.
Бинаризация может дать очень интересные результаты при работе с гистограммами, в том числе в ситуации, если мы рассматриваем изображение не в RGB, а в HSV . Например, сегментировать интересующие цвета. На этом принципе можно построить как детектор метки так и детектор кожи человека.
Классическая фильтрация: Фурье, ФНЧ, ФВЧ
Классические методы фильтрации из радиолокации и обработки сигналов можно с успехом применять во множестве задач Pattern Recognition. Традиционным методом в радиолокации, который почти не используется в изображениях в чистом виде, является преобразование Фурье (конкретнее - БПФ). Одно из немногих исключение, при которых используется одномерное преобразование Фурье, - компрессия изображений . Для анализа изображений одномерного преобразования обычно не хватает, нужно использовать куда более ресурсоёмкое двумерное преобразование .
Мало кто его в действительности рассчитывает, обычно, куда быстрее и проще использовать свёртку интересующей области с уже готовым фильтром, заточенным на высокие (ФВЧ) или низкие(ФНЧ) частоты. Такой метод, конечно, не позволяет сделать анализ спектра, но в конкретной задаче видеообработки обычно нужен не анализ, а результат.
Самые простые примеры фильтров, реализующих подчёркивание низких частот (фильтр Гаусса) и высоких частот (Фильтр Габора).
Для каждой точки изображения выбирается окно и перемножается с фильтром того же размера. Результатом такой свёртки является новое значение точки. При реализации ФНЧ и ФВЧ получаются изображения такого типа:
Вейвлеты
Но что если использовать для свёртки с сигналом некую произвольную характеристическую функцию? Тогда это будет называться "Вейвлет-преобразование ". Это определение вейвлетов не является корректным, но традиционно сложилось, что во многих командах вейвлет-анализом называется поиск произвольного паттерна на изображении при помощи свёртки с моделью этого паттерна. Существует набор классических функций, используемых в вейвлет-анализе. К ним относятся вейвлет Хаара , вейвлет Морле , вейвлет мексиканская шляпа , и.т.д. Примитивы Хаара, про которые было несколько моих прошлых статей ( , ), относятся к таким функциям для двумерного пространства.
Выше приведено 4 примера классических вейвлетов. 3х-мерный вейвлет Хаара, 2х-мерные вейвлет Мейера, вейвлет Мексиканская Шляпа, вейвлет Добеши. Хорошим примером использования расширеной трактовки вейвлетов является задачка поиска блика в глазу, для которой вейвлетом является сам блик:
Классические вейвлеты обычно используются для , или для их классификации (будет описано ниже).
Корреляция
После такой вольной трактовки вейвлетов с моей стороны стоит упомянуть собственно корреляцию, лежащую в их основе. При фильтрации изображений это незаменимый инструмент. Классическое применение - корреляция видеопотока для нахождения сдвигов или оптических потоков. Простейший детектор сдвига - тоже в каком-то смысле разностный коррелятор. Там где изображения не коррелируют - было движение.
Фильтрации функций
Интересным классом фильтров является фильтрация функций. Это чисто математические фильтры, которые позволяют обнаружить простую математическую функцию на изображении (прямую, параболу, круг). Строится аккумулирующее изображение, в котором для каждой точки исходного изображения отрисовывается множество функций, её порождающих. Наиболее классическим преобразованием является преобразование Хафа для прямых. В этом преобразовании для каждой точки (x;y) отрисовывается множество точек (a;b) прямой y=ax+b, для которых верно равенство. Получаются красивые картинки:
(первый плюсег тому, кто первый найдёт подвох в картинке и таком определении и объяснит его, второй плюсег тому, кто первый скажет что тут изображено)
Преобразование Хафа позволяет находить любые параметризуемые функции. Например окружности . Есть модифицированное преобразование, которое позволяет искать любые . Это преобразование ужасно любят математики. Но вот при обработке изображений, оно, к сожалению, работает далеко не всегда. Очень медленная скорость работы, очень высокая чувствительность к качеству бинаризации. Даже в идеальных ситуациях я предпочитал обходиться другими методами.
Аналогом преобразования Хафа для прямых является преобразование Радона . Оно вычисляется через БПФ, что даёт выигрыш производительности в ситуации, когда точек очень много. К тому же его возможно применять к не бинаризованному изображению.
Фильтрации контуров
Отдельный класс фильтров - фильтрация границ и контуров . Контуры очень полезны, когда мы хотим перейти от работы с изображением к работе с объектами на этом изображении. Когда объект достаточно сложный, но хорошо выделяемый, то зачастую единственным способом работы с ним является выделение его контуров. Существует целый ряд алгоритмов, решающих задачу фильтрации контуров:Чаще всего используется именно Кэнни, который хорошо работает и реализация которого есть в OpenCV (Собель там тоже есть, но он хуже ищёт контуры).
Прочие фильтры
Сверху приведены фильтры, модификации которых помогают решить 80-90% задач. Но кроме них есть более редкие фильтры, используемые в локальных задачах. Таких фильтров десятки, я не буду приводить их все. Интересными являются итерационные фильтры (например ), а так же риджлет и курвлет преобразования, являющиеся сплавом классической вейвлет фильтрации и анализом в поле радон-преобразования. Бимлет-преобразование красиво работает на границе вейвлет преобразования и логического анализа, позволяя выделить контуры:
Но эти преобразования весьма специфичны и заточены под редкие задачи.
Часть 2. Логическая обработка результатов фильтрации
Фильтрация даёт набор пригодных для обработки данных. Но зачастую нельзя просто взять и использовать эти данные без их обработки. В этом разделе будет несколько классических методов, позволяющих перейти от изображения к свойствам объектов, или к самим объектам.Морфология
Переходом от фильтрации к логике, на мой взгляд, являются методы математической морфологии ( , ). По сути, это простейшие операции наращивания и эрозии бинарных изображений. Эти методы позволяют убрать шумы из бинарного изображения, увеличив или уменьшив имеющиеся элементы. На базе математической морфологии существуют алгоритмы оконтуривания, но обычно пользуются какими-то гибридными алгоритмами или алгоритмами в связке.
Контурный анализ
В разделе по фильтрации уже упоминались алгоритмы получения границ. Полученные границы достаточно просто преобразуются в контуры. Для алгоритма Кэнни это происходит автоматически, для остальных алгоритмов требуется дополнительная бинаризация. Получить контур для бинарного алгоритма можно например алгоритмом жука .Контур является уникальной характеристикой объекта. Часто это позволяет идентифицировать объект по контуру. Существует мощный математический аппарат, позволяющий это сделать. Аппарат называется контурным анализом ( , ).
Если честно, то у меня ни разу ни получилось применить контурный анализ в реальных задачах. Уж слишком идеальные условия требуются. То граница не найдётся, то шумов слишком много. Но, если нужно что-то распознавать в идеальных условиях - то контурный анализ замечательный вариант. Очень быстро работает, красивая математика и понятная логика.
Особые точки
Особые точки это уникальные характеристики объекта, которые позволяют сопоставлять объект сам с собой или с похожими классами объектов. Существует несколько десятков способов позволяющих выделить такие точки. Некоторые способы выделяют особые точки в соседних кадрах, некоторые через большой промежуток времени и при смене освещения, некоторые позволяют найти особые точки, которые остаются таковыми даже при поворотах объекта. Начнём с методов, позволяющих найти особые точки, которые не такие стабильные, зато быстро рассчитываются, а потом пойдём по возрастанию сложности:Первый класс. Особые точки, являющиеся стабильными на протяжении секунд. Такие точки служат для того, чтобы вести объект между соседними кадрами видео, или для сведения изображения с соседних камер. К таким точкам можно отнести локальные максимумы изображения, углы на изображении (лучший из детекторов, пожалуй, детектор Хариса), точки в которых достигается максимумы дисперсии, определённые градиенты и.т.д.
Второй класс. Особые точки, являющиеся стабильными при смене освещения и небольших движениях объекта. Такие точки служат в первую очередь для обучения и последующей классификации типов объектов. Например, классификатор пешехода или классификатор лица - это продукт системы, построенной именно на таких точках. Некоторые из ранее упомянутых вейвлетов могут являются базой для таких точек. Например, примитивы Хаара, поиск бликов, поиск прочих специфических функций. К таким точкам относятся точки, найденные методом гистограмм направленных градиентов (HOG).
Третий класс. Стабильные точки. Мне известно лишь про два метода, которые дают полную стабильность и про их модификации. Это и . Они позволяют находить особые точки даже при повороте изображения. Расчёт таких точек осуществляется дольше по сравнению с остальными методами, но достаточно ограниченное время. К сожалению эти методы запатентованы. Хотя, в России патентовать алгоритмы низя, так что для внутреннего рынка пользуйтесь.
Часть 3. Обучение
ретья часть рассказа будет посвящена методам, которые не работают непосредственно с изображением, но которые позволяют принимать решения. В основном это различные методы машинного обучения и принятия решений. Недавно Яндыкс выложил на Хабр по этой тематике, там очень хорошая подборка. Вот оно есть в текстовой версии. Для серьёзного занятия тематикой настоятельно рекомендую посмотреть именно их. Тут я попробую обозначить несколько основных методов используемых именно в распознавании образов.В 80% ситуаций суть обучения в задаче распознавания в следующем:
Имеется тестовая выборка, на которой есть несколько классов объектов. Пусть это будет наличие/отсутствие человека на фотографии. Для каждого изображения есть набор признаков, которые были выделены каким-нибудь признаком, будь то Хаар, HOG, SURF или какой-нибудь вейвлет. Алгоритм обучения должен построить такую модель, по которой он сумеет проанализировать новое изображение и принять решение, какой из объектов имеется на изображении.
Как это делается? Каждое из тестовых изображений - это точка в пространстве признаков. Её координаты это вес каждого из признаков на изображении. Пусть нашими признаками будут: «Наличие глаз», «Наличие носа», «Наличие двух рук», «Наличие ушей», и.т.д… Все эти признаки мы выделим существующими у нас детекторами, которые обучены на части тела, похожие на людские. Для человека в таком пространстве будет корректной точка . Для обезьяны точка для лошади . Классификатор обучается по выборке примеров. Но не на всех фотографиях выделились руки, на других нет глаз, а на третьей у обезьяны из-за ошибки классификатора появился человеческий нос. Обучаемый классификатор человека автоматически разбивает пространство признаков таким образом, чтобы сказать: если первый признак лежит в диапазоне 0.5
Существует очень много классификаторов. Каждый из них лучше работает в какой-то своей задачке. Задача подбора классификатора к конкретной задаче это во многом искусство. Вот немножко красивых картинок на тему.
Простой случай, одномерное разделение
Разберём на примере самый простой случай классификации, когда пространство признака одномерное, а нам нужно разделить 2 класса. Ситуация встречается чаще, чем может представиться: например, когда нужно отличить два сигнала, или сравнить паттерн с образцом. Пусть у нас есть обучающая выборка. При этом получается изображение, где по оси X будет мера похожести, а по оси Y -количество событий с такой мерой. Когда искомый объект похож на себя - получается левая гауссиана. Когда не похож - правая. Значение X=0.4 разделяет выборки так, что ошибочное решение минимизирует вероятность принятия любого неправильного решения. Именно поиском такого разделителя и является задача классификации.
Маленькая ремарка. Далеко не всегда оптимальным будет тот критерий, который минимизирует ошибку. Следующий график - это график реальной системы распознавания по радужной оболочке. Для такой системы критерий выбирается такой, чтобы минимизировать вероятность ложного пропуска постороннего человека на объект. Такая вероятность называется «ошибка первого рода», «вероятность ложной тревоги», «ложное срабатывание». В англоязычной литературе «False Access Rate ».
) АдаБуста - один из самых распространённых классификаторов. Например каскад Хаара построен именно на нём. Обычно используют когда нужна бинарная классификация, но ничего не мешает обучить на большее количество классов.
SVM ( , , , ) Один из самых мощных классификаторов, имеющий множество реализаций. В принципе, на задачах обучения, с которыми я сталкивался, он работал аналогично адабусте. Считается достаточно быстрым, но его обучение сложнее, чем у Адабусты и требуется выбор правильного ядра.
Ещё есть нейронные сети и регрессия. Но чтобы кратко их классифицировать и показать, чем они отличаются, нужна статья куда больше, чем эта.
________________________________________________
Надеюсь, у меня получилось сделать беглый обзор используемых методов без погружения в математику и описание. Может, кому-то это поможет. Хотя, конечно, статья неполна и нет ни слова ни о работе со стереоизображениями, ни о МНК с фильтром Калмана, ни об адаптивном байесовом подходе.
Если статья понравится, то попробую сделать вторую часть с подборкой примеров того, как решаются существующие задачки ImageRecognition.
И напоследок
Что почитать?1) Когда-то мне очень понравилась книга «Цифровая обработка изображений» Б. Яне, которая написана просто и понятно, но в то же время приведена почти вся математика. Хороша для того, чтобы ознакомиться с существующими методами.
2) Классикой жанра является Р Гонсалес, Р. Вудс " Цифровая обработка изображений ". Почему-то она мне далась сложнее, чем первая. Сильно меньше математики, зато больше методов и картинок.
3) «Обработка и анализ изображений в задачах машинного зрения» - написана на базе курса, читаемого на одной из кафедр ФизТеха. Очень много методов и их подробного описания. Но на мой взгляд в книге есть два больших минуса: книга сильно ориентирована на пакет софта, который к ней прилагается, в книге слишком часто описание простого метода превращается в математические дебри, из которых сложно вынести структурную схему метода. Зато авторы сделали удобный сайт, где представлено почти всё содержание - wiki.technicalvision.ru Добавить метки
