2 Проблема классификации образов
2.1 Рецепторная структура восприятия информации
Решение проблемы распознавания образов может основываться на изучении биологических процессов. Бывают ситуации, когда способности мозга к распознаванию превышают способности любой машины. [29].
Когда распознавание происходит на основе «сенсорного» опыта, мозг человека легко превосходит искусственную нейронную сеть. Но, в несенсорных условиях, когда разделение объектов на классы включает работу с логическими абстрактными комбинациями, человеческий мозг не так эффективен, как машина (2.1) [16].
Рисунок 2.1 – Процесс распознавания
Задача распознавания образов включает в себя идентификацию изучаемого объекта, идентификацию его заданных свойств [25]. В процессе биологической эволюции многие животные с помощью зрительного и слухового аппарата решили эту задачу достаточно хорошо. Создание искусственных систем с функциями распознавания образов остаётся сложной технической проблемой.
Проблему распознавания образов можно разделить на две части: обучение распознаванию и распознавание. При обучении сети «показываются» объекты с указанием их классов, значений свойств и т.д. Успешное обучение позволит сети, поработав с эталонными примерами, распознавать объекты, не содержащиеся в эталонной базе (рисунок 2.2)[16].
Рисунок 2.2 – Примеры объектов для обучения
К задачам, которые могут быть решены с помощью распознающих систем, можно отнести большое количество разнообразных задач: распознавание зрительных и слуховых образов, различных процессов и явлений, выбор оптимального процесса управления и т.д.
Главная цель обучения построить такую функцию, которая позволит каждый классифицируемы объект с высокой степенью вероятности отнести к одному классу. Если предъявляемые объекты принадлежат большему числу классов, то необходимо построить поверхности, разделяющей все классы, соответствующие этим объектам, друг от друга (рисунок 2.3) [15].
Рисунок 2.3 – Разделение образов в пространстве
В ходе обучения, набор признаков формируется исходя из заранее определенной классификации. Следовательно, задание в пространстве признаков само по себе задает свойство, под действием которого образы в этом пространстве легко разделяются. Поэтому в соответствии с гипотезой компактности множества объектов, которым в абстрактном пространстве соответствуют компактные множества точек, будут абстрактными образами данного пространства.
2.2 Обучение сетей
2.2.1 Общие принципы обучения сетей
Под обучением будем понимать процесс, результатом которого является приобретение системой способности отвечать нужными реакциями. Адаптация представляет собой подстраивание параметров системы, а также ее структуры для достижения необходимого качества уровнем управления.
Входное устройство системы отображает объекты на изображения. Делается это при помощи некоторого свойства разделимости образов. Данное устройство воспроизводит самостоятельную классификацию данных объектов.
По окончании процесса самообучения система научится распознавать не только уже знакомые объекты, но и те, которые не содержаться в обучающейц выборке.
В результате самообучения можно получить характеристику пригодности выбранного пространства для решаемой задачи. Если абстрактные образы, выделяемые в процессе самообучения, совпадают с реальными, то пространство выбрано удачно. Чем сильнее абстрактные образы отличаются от реальных, тем "неудобнее" выбранное пространство для конкретной задачи.
Возможен способ построения распознающих машин, основанный на различении каких-либо признаков подлежащих распознаванию фигур. В качестве признаков могут быть выбраны различные особенности фигур, например, их геометрические свойства (характеристики составляющих фигуры кривых), топологические свойства (взаимное расположение элементов фигуры) и т.п. Известны распознающие машины, в которых различение букв или цифр производится, по так называемому «методу зондов», т.е. по числу пересечений контура фигуры с несколькими особым образом расположенными прямыми (рисунок 2.4) [21].
Рисунок 2.4 – Схема расположения зондов для распознавания цифр
Если проектировать цифры на поле с зондами, то окажется, что каждая из цифр пересекает вполне определенные зонды, причем комбинации пересекаемых зондов различны для всех десяти цифр. Эти комбинации и используются в качестве признаков, по которым производится различение цифр. Такие машины успешно справляются, например, с чтением машинописного текста, но их возможности ограничены тем шрифтом (или группой сходных шрифтов), для которого была разработана система признаков [10-12].
В результате обучения машина должна оказаться способной узнавать сколь угодно большое число новых объектов, относящихся к тем же образам. Таким образом, имеется в виду следующая схема экспериментов: а) никакие сведения о подлежащих классификации образах в машину заранее не вводятся; б) в ходе обучения машине предъявляется некоторое количество объектов каждого из подлежащих классификации образов и (при моделировании процесса обучения “с учителем”) сообщается, к какому образу относится каждый объект; в) машина автоматически обрабатывает полученную информацию, после чего г) с достаточной надежностью различает сколь угодно большое число новых, ранее ей не предъявлявшихся объектов из образов. Машины, работающие по такой схеме, называются узнающими машинами.
Для того чтобы ввести изображение в машину, нужно перевести его на машинный язык, т.е. закодировать, представить в виде некоторой комбинации символов, которыми может оперировать машина. Кодирование плоских фигур можно осуществить самым различным образом. Лучше стремиться к наиболее “естественному” кодированию изображений. Будем рисовать фигуры на некотором поле, разбитом вертикальными и горизонтальными прямыми на одинаковые элементы – квадратики.
Такое кодирование считается “естественным” потому, что разбиение изображения на элементы лежит в основе работы нашего зрительного аппарата. Действительно, сетчатка глаза состоит из большого числа отдельных чувствительных элементов (так называемых палочек и колбочек), связанных нервными волокнами со зрительными отделами головного мозга.
Обучение сети необходимо для получения множества выходов на основе множества входов. Существующие алгоритмы обучения можно классифицировать как алгоритмы обучения с учителем и без учителя:
при использовании алгоритма обучения с учителем, обучение происходит на сравнении полученного результата с эталонным значением. Данный метод дает высокие результаты, но критикуется за свою «биологическую неправдоподобность» [15];
обучение без учителя – имеется только набор входных значений, при обучении сеть должна выдавать близкие по значению выходные результаты, получив близкие значения на вход.