Luận Văn Thạc Sĩ: Phương Pháp Nhận Diện Mẫu Sử Dụng Mô Hình Túi Từ và Mạng Neural

• Tác giả: Nguyễn Khánh Tùng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Toàn Thắng
• Trường học: Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Khoa học máy tính
• Đề tài: Phương Pháp Nhận Diện Mẫu Bằng Mô Hình Túi Từ Và Mạng Neural
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU
• 1.1. GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.2. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.3. HƢỚNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
• 1.4. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
• 1.5. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 1.6. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
• 2. CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT MỘT SỐ CÔNG TRÌNH ĐÃ ĐƢỢC CÔNG BỐ VỀ NHẬN DIỆN BÀN TAY
• 2.1. Găng tay có gắn thiết bị trong HCI
• 2.2. Mô hình bàn tay với 27 DOF do Tomasi xây dựng và nguyên tắc hoạt động của các phương pháp dựa trên mô hình 3D
• 2.3. Nhận diện bàn tay dựa trên đường biên
• 2.4. Đặc trƣng Haar và AdaBoost
• 2.5. Trích chọn đặc trƣng

I. Tổng Quan Về Phương Pháp Nhận Diện Mẫu Bằng Mô Hình Túi Từ

Phương pháp nhận diện mẫu bằng mô hình túi từ và mạng neural đang trở thành xu hướng trong lĩnh vực học máy. Mô hình túi từ (bag-of-words) cho phép trích xuất đặc trưng từ dữ liệu văn bản và hình ảnh, giúp cải thiện độ chính xác trong việc nhận diện mẫu. Kết hợp với mạng neural, phương pháp này có khả năng xử lý dữ liệu lớn và phức tạp một cách hiệu quả.

1.1. Khái Niệm Về Mô Hình Túi Từ Trong Nhận Diện Mẫu

Mô hình túi từ là một phương pháp mạnh mẽ trong việc trích xuất đặc trưng từ dữ liệu. Nó giúp chuyển đổi văn bản thành các vector đặc trưng, từ đó dễ dàng áp dụng cho các thuật toán học máy.

1.2. Vai Trò Của Mạng Neural Trong Nhận Diện Mẫu

Mạng neural cung cấp khả năng học sâu, cho phép nhận diện mẫu từ các đặc trưng phức tạp. Sự kết hợp giữa mô hình túi từ và mạng neural tạo ra một hệ thống mạnh mẽ cho việc phân loại và nhận diện.

II. Thách Thức Trong Nhận Diện Mẫu Bằng Mô Hình Túi Từ

Mặc dù phương pháp nhận diện mẫu bằng mô hình túi từ và mạng neural mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức. Các vấn đề như độ chính xác, tốc độ xử lý và khả năng thích ứng với các biến đổi của dữ liệu là những yếu tố cần được cải thiện.

2.1. Độ Chính Xác Trong Nhận Diện Mẫu

Độ chính xác là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong nhận diện mẫu. Việc lựa chọn đặc trưng phù hợp và tối ưu hóa mô hình là cần thiết để đạt được kết quả tốt nhất.

2.2. Tốc Độ Xử Lý Dữ Liệu

Tốc độ xử lý dữ liệu là một thách thức lớn, đặc biệt khi làm việc với các tập dữ liệu lớn. Cần có các giải pháp tối ưu hóa để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả trong thời gian thực.

III. Phương Pháp Nhận Diện Mẫu Bằng Mô Hình Túi Từ

Phương pháp nhận diện mẫu bằng mô hình túi từ bao gồm nhiều bước quan trọng. Từ việc trích xuất đặc trưng đến việc huấn luyện mạng neural, mỗi bước đều có vai trò quan trọng trong việc cải thiện độ chính xác và hiệu suất của hệ thống.

3.1. Trích Xuất Đặc Trưng Từ Dữ Liệu

Trích xuất đặc trưng là bước đầu tiên và quan trọng nhất. Sử dụng các thuật toán như SURF hoặc SIFT giúp tạo ra các vector đặc trưng cho dữ liệu đầu vào.

3.2. Huấn Luyện Mạng Neural Để Nhận Diện Mẫu

Huấn luyện mạng neural là bước tiếp theo, nơi mà các vector đặc trưng được sử dụng để dạy cho mạng cách nhận diện các mẫu khác nhau. Quá trình này cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo độ chính xác cao.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Phương Pháp Nhận Diện Mẫu

Phương pháp nhận diện mẫu bằng mô hình túi từ và mạng neural đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ nhận diện văn bản đến nhận diện hình ảnh, các ứng dụng này cho thấy tính linh hoạt và hiệu quả của phương pháp.

4.1. Nhận Diện Văn Bản Trong Các Ứng Dụng Thực Tế

Nhận diện văn bản là một trong những ứng dụng phổ biến nhất. Các hệ thống có thể phân loại và trích xuất thông tin từ văn bản một cách tự động.

4.2. Ứng Dụng Trong Nhận Diện Hình Ảnh

Trong lĩnh vực nhận diện hình ảnh, phương pháp này giúp nhận diện các đối tượng trong ảnh, từ đó hỗ trợ trong nhiều ứng dụng như an ninh, giám sát và tự động hóa.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của Phương Pháp Nhận Diện Mẫu

Tương lai của phương pháp nhận diện mẫu bằng mô hình túi từ và mạng neural rất hứa hẹn. Với sự phát triển không ngừng của công nghệ, các phương pháp này sẽ ngày càng được cải thiện và mở rộng ứng dụng.

5.1. Xu Hướng Phát Triển Công Nghệ Nhận Diện

Công nghệ nhận diện đang phát triển nhanh chóng, với nhiều nghiên cứu mới và cải tiến trong các thuật toán. Điều này hứa hẹn sẽ mang lại những bước tiến lớn trong tương lai.

5.2. Tác Động Đến Các Ngành Công Nghiệp

Phương pháp nhận diện mẫu sẽ có tác động lớn đến nhiều ngành công nghiệp, từ y tế đến giao thông, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong các quy trình làm việc.

## Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin, tương tác người - máy (Human-Computer Interaction, HCI) ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt trong việc điều khiển máy tính từ xa thông qua các cử chỉ tay. Theo ước tính, việc nhận diện cử chỉ tay trong thời gian thực với độ chính xác cao và khả năng chịu biến đổi về góc nhìn, kích thước là một thách thức lớn trong lĩnh vực khoa học máy tính. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển một phương pháp nhận diện mẫu sử dụng mô hình túi từ (bag-of-words) kết hợp với mạng neural nhân tạo nhằm nhận diện cử chỉ tay và một số vật thể đơn giản từ dữ liệu ảnh thu trực tiếp qua camera. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các ảnh thu thập trong môi trường thực tế với các biến đổi về góc nghiêng, kích thước và nhiễu nền, trong khoảng thời gian từ 2014 đến 2016 tại Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông Thái Nguyên. Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao hiệu suất xử lý trong thời gian thực, độ chính xác nhận diện trên 90%, đồng thời đảm bảo tính bền vững trước các biến đổi hình ảnh, góp phần phát triển các ứng dụng tương tác người - máy không cần thiết bị ngoại vi phức tạp.

## Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

### Khung lý thuyết áp dụng

- **Mô hình túi từ (Bag-of-Words - BOW):** Phương pháp biểu diễn dữ liệu ảnh dưới dạng vector đặc trưng cố định, dựa trên tần suất xuất hiện của các “từ khóa” (đặc trưng) được sinh ra từ quá trình phân cụm các đặc trưng cục bộ.
- **Phương pháp trích chọn đặc trưng SURF (Speeded Up Robust Features):** Kỹ thuật trích xuất đặc trưng cục bộ bất biến với các biến đổi về tỷ lệ, xoay và nhiễu, mô tả mỗi điểm đặc trưng bằng vector 64 chiều.
- **Thuật toán phân cụm K-means:** Dùng để phân nhóm các đặc trưng SURF thành các cụm, từ đó sinh ra bộ từ điển đặc trưng đại diện cho các nhóm.
- **Mạng neural nhân tạo (Artificial Neural Network - ANN):** Mạng truyền thẳng nhiều lớp được huấn luyện bằng thuật toán lan truyền ngược (backpropagation) để phân lớp các vector đặc trưng BOW, với khả năng học và dự đoán chính xác các lớp cử chỉ tay và vật thể.

### Phương pháp nghiên cứu

- **Nguồn dữ liệu:** Bộ dữ liệu ảnh cử chỉ tay và vật thể đơn giản được thu thập trực tiếp qua camera, bao gồm các ảnh có nền đơn giản, nền nhiễu nhẹ và nhiễu nặng, cùng các bộ dữ liệu mở như của Đại học Cambridge và Sebastien Marcel.
- **Phương pháp phân tích:** 
  - Trích chọn đặc trưng SURF từ ảnh.
  - Phân cụm đặc trưng bằng K-means để tạo bộ từ điển.
  - Chuyển đổi ảnh thành vector BOW dựa trên bộ từ điển.
  - Huấn luyện mạng neural với các vector BOW.
  - Đánh giá độ chính xác và tốc độ xử lý trên các bộ dữ liệu thử nghiệm.
- **Timeline nghiên cứu:** 
  - 2014-2015: Nghiên cứu lý thuyết, xây dựng thuật toán trích chọn đặc trưng và phân cụm.
  - 2015-2016: Xây dựng chương trình thử nghiệm, huấn luyện mạng neural, thử nghiệm và đánh giá kết quả.

## Kết quả nghiên cứu và thảo luận

### Những phát hiện chính

- Thuật toán trích chọn đặc trưng SURF cho phép thu được từ 20 đến 100 đặc trưng cho mỗi ảnh cử chỉ tay, với vector mô tả 64 chiều.
- Phân cụm K-means với số cụm khoảng 100-200 đã tạo ra bộ từ điển đặc trưng hiệu quả, giúp giảm chiều dữ liệu và giữ được tính đặc trưng của lớp cử chỉ.
- Mạng neural huấn luyện trên bộ dữ liệu BOW đạt độ chính xác nhận diện trên 92% với bộ dữ liệu nền đơn giản, và trên 85% với bộ dữ liệu có nhiễu nặng.
- Tốc độ xử lý đạt khoảng 15-20 khung hình/giây trên máy tính tiêu chuẩn, đảm bảo khả năng nhận diện trong thời gian thực.

### Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp kết hợp mô hình túi từ và mạng neural là hiệu quả trong nhận diện cử chỉ tay trong điều kiện thực tế đa dạng. Việc sử dụng đặc trưng SURF giúp đảm bảo tính bền vững trước các biến đổi về tỷ lệ và góc nhìn, trong khi phân cụm K-means giúp giảm thiểu số chiều dữ liệu, tăng tốc độ xử lý. So với các phương pháp dựa trên mô hình 3D phức tạp hoặc sử dụng thiết bị găng tay, phương pháp này đơn giản hơn, không cần thiết bị phụ trợ, phù hợp với ứng dụng thực tế. Kết quả cũng tương đồng với các nghiên cứu trước đây đạt độ chính xác trên 90% trong điều kiện kiểm soát, nhưng có ưu thế về tốc độ và khả năng xử lý nhiễu. Biểu đồ so sánh độ chính xác trên các bộ dữ liệu khác nhau minh họa sự ổn định của phương pháp.

## Đề xuất và khuyến nghị

- **Phát triển thêm bộ dữ liệu đa dạng:** Mở rộng bộ dữ liệu huấn luyện với nhiều loại cử chỉ và điều kiện ánh sáng khác nhau để nâng cao độ chính xác nhận diện.
- **Tối ưu thuật toán phân cụm:** Áp dụng các thuật toán phân cụm nâng cao hoặc giảm chiều dữ liệu để tăng hiệu quả xử lý và giảm thời gian huấn luyện.
- **Cải tiến kiến trúc mạng neural:** Thử nghiệm các kiến trúc mạng sâu hơn hoặc mạng convolutional để nâng cao khả năng nhận diện phức tạp.
- **Triển khai ứng dụng thực tế:** Phát triển phần mềm nhận diện cử chỉ tay tích hợp cho các thiết bị di động hoặc hệ thống điều khiển từ xa, với mục tiêu đạt tốc độ xử lý trên 30 khung hình/giây trong vòng 12 tháng.
- **Đào tạo và chuyển giao công nghệ:** Tổ chức các khóa đào tạo cho các nhà phát triển phần mềm và nghiên cứu sinh về phương pháp nhận diện mẫu sử dụng mô hình túi từ và mạng neural.

## Đối tượng nên tham khảo luận văn

- **Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Khoa học máy tính:** Nắm bắt kiến thức về mô hình túi từ, trích chọn đặc trưng SURF và ứng dụng mạng neural trong nhận diện mẫu.
- **Chuyên gia phát triển ứng dụng HCI:** Áp dụng phương pháp nhận diện cử chỉ tay không cần thiết bị ngoại vi, nâng cao trải nghiệm người dùng.
- **Doanh nghiệp công nghệ:** Tích hợp giải pháp nhận diện cử chỉ trong các sản phẩm điều khiển từ xa, robot, hoặc thiết bị thông minh.
- **Giảng viên và nhà đào tạo:** Sử dụng luận văn làm tài liệu tham khảo cho các khóa học về xử lý ảnh, học máy và trí tuệ nhân tạo.

## Câu hỏi thường gặp

1. **Phương pháp mô hình túi từ là gì?**  
Mô hình túi từ biểu diễn dữ liệu ảnh hoặc văn bản dưới dạng vector tần suất xuất hiện của các đặc trưng hoặc từ khóa, giúp chuyển đổi dữ liệu không cấu trúc thành dạng có cấu trúc để phân lớp.

2. **Tại sao chọn đặc trưng SURF thay vì SIFT?**  
SURF có tốc độ xử lý nhanh hơn SIFT, phù hợp với các ứng dụng thời gian thực, đồng thời vẫn giữ được tính bền vững trước các biến đổi hình ảnh.

3. **Mạng neural được huấn luyện như thế nào?**  
Mạng neural truyền thẳng nhiều lớp được huấn luyện bằng thuật toán lan truyền ngược (backpropagation) với dữ liệu đầu vào là vector BOW, nhằm phân loại chính xác các lớp cử chỉ tay.

4. **Phương pháp này có thể áp dụng cho các cử chỉ phức tạp không?**  
Phương pháp phù hợp với các cử chỉ có hình dạng rõ ràng và biến đổi không quá phức tạp; với cử chỉ phức tạp hơn, cần mở rộng bộ dữ liệu và cải tiến mô hình mạng.

5. **Tốc độ xử lý của hệ thống ra sao?**  
Hệ thống đạt khoảng 15-20 khung hình/giây trên máy tính tiêu chuẩn, đủ để ứng dụng trong các hệ thống tương tác thời gian thực.

## Kết luận

- Đã phát triển thành công phương pháp nhận diện mẫu sử dụng mô hình túi từ kết hợp mạng neural cho cử chỉ tay và vật thể đơn giản.  
- Thuật toán trích chọn đặc trưng SURF và phân cụm K-means giúp tạo bộ mô tả BOW hiệu quả, giảm chiều dữ liệu và tăng tốc độ xử lý.  
- Mạng neural huấn luyện trên dữ liệu BOW đạt độ chính xác nhận diện trên 90% trong điều kiện kiểm soát và trên 85% với nhiễu nền.  
- Phương pháp đảm bảo xử lý trong thời gian thực với tốc độ khoảng 15-20 khung hình/giây.  
- Đề xuất mở rộng nghiên cứu, tối ưu thuật toán và triển khai ứng dụng thực tế trong 12-18 tháng tới.  

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm mở rộng trên các bộ dữ liệu đa dạng hơn và phát triển phần mềm ứng dụng thực tế nhằm nâng cao hiệu quả tương tác người - máy.