CHƯƠNG 1 MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ NHẬN DẠNG ẢNH Nhận dạng nói chung hay nhận dạng ảnh nói riêng là quá trình phân loại các đối tượng được biểu diễn theo một mô hình nào đó và gán cho chúng vào một lớp (gán cho đối tượng một tên gọi) dựa theo những quy luật và các mẫu chuẩn. Con người thu nhận thông tin qua các giác quan, trong đó thị giác đóng vai trò quan trọng nhất. Những năm trở lại đây với sự phát triển của phần cứng máy tính, xử lý ảnh và đồ họa phát triển một cách mạnh mẽ và có nhiều ứng dụng trong cuộc sống. Quá trình xử lý ảnh được xem như là quá trình thao tác ảnh đầu vào nhằm cho ra kết quả mong muốn.
Kết quả đầu ra của một quá trình xử lý ảnh có thể là một ảnh “tốt hơn” hoặc một kết luận. Quá trình nhận dạng dựa vào những mẫu học biết trước gọi là nhận dạng có thầy hay học có thầy (supervised learning); trong trường hợp ngược lại gọi là học không có thầy (non supervised learning). Chúng ta sẽ lần lượt giới thiệu các khái niệm này. Các kiến thức dưới đây được tham khảo từ [1], [2], [3].1 Không gian biểu diễn đối tượng.
Các đối tượng khi quan sát hay thu thập được, thường được biểu diễn bởi tập các đặc trưng hay đặc tính. Như trong trường hợp xử lý ảnh, ảnh sau khi được tăng cường để nâng cao chất lượng, phân vùng và trích chọn đặc tính, được biểu diễn bởi các đặc trưng như biên, miền đồng nhất,. Người ta thường phân các đặc trưng này theo các loại như: đặc trưng tô pô, đặc trưng hình học và đặc trưng chức năng. Việc biểu diễn ảnh theo đặc trưng nào là phụ thuộc vào ứng dụng tiếp theo.
Ở đây ta đưa ra một cách hình thức việc biểu diễn các đối tượng. Giả sử đối tượng X (ảnh, chữ viết, dấu vân tay, .) được biểu diễn bởi n thành phần (n đặc trưng): X = {x1, x2,., xn}; mỗi xi biểu diễn một đặc tính. Không gian biểu diễn đối tượng thường gọi tắt là không gian đối tượng X được định nghĩa: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail., Xm} trong đó mỗi Xi biểu diễn một đối tượng. Không gian này có thể là vô hạn.
Để tiện xem xét chúng ta chỉ xét tập X là hữu hạn.2 Không gian diễn dịch. Không gian diễn dịch là tập các tên gọi của đối tượng. Kết thúc quá trình nhận dạng ta xác định được tên gọi cho các đối tượng trong tập không gian đối tượng hay nói là đã nhận dạng được đối tượng. Một cách hình thức gọi là tập tên đối tượng: = {w1, w2,.,wk} với wi, i = 1, 2,., k là tên các đối tượng.
Quá trình nhận dạng đối tượng f là một ánh xạ f: X ---> với f là tập các quy luật để định một phần tử trong X ứng với một phần tử trong . Nếu tập các quy luật và tập tên các đối tượng là biết trước như trong nhận dạng chữ viết (có 26 lớp từ A đến Z), người ta gọi là nhận dạng có thầy. Trường hợp thứ hai là nhận dạng không có thầy. Đương nhiên trong trường hợp này việc nhận dạng có khó khăn hơn.3 Mô hình và bản chất quá trình nhận dạng.
Việc chọn lựa một quá trình nhận dạng có liên quan mật thiết đến kiểu mô tả mà người ta sử dụng để đặc tả đối tượng. Trong nhận dạng, người ta phân chia làm hai họ lớn: - Họ mô tả theo tham số. - Họ mô tả theo cấu trúc. Cách mô tả được lựa chọn sẽ xác định mô hình của đối tượng.
Như vậy, chúng ta sẽ có 2 loại mô hình: mô hình theo tham số và mô hình cấu trúc. Mô hình tham số: Sử dụng một véc tơ để đặc tả đối tượng. Mỗi phần tử của véc tơ mô tả một đặc tính của đối tượng. Thí dụ như trong các đặc trưng chức năng, người Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 5 ta sử dụng các hàm cơ sở trực giao để biểu diễn.
Và như vậy ảnh sẽ được biểu diễn bởi một chuỗi các hàm trực giao. Giả sử C là đường bao của ảnh và C(i,j) là điểm thứ i trên đường bao, i = 1, 2,. Giả sử tiếp: 1 N x0 = xi N i 1 1 N y0 = yi N i 1 là toạ độ tâm điểm. Như vậy, moment trung tâm bậc p, q của đường bao là: 1 N pq= (xi-x0)p(yi-y0)q N i 1 (1.1) Véc tơ tham số trong trường hợp này chính là các moment ij với i=1, 2,.
Còn trong số các đặc trưng hình học, người ta hay sử dụng chu tuyến, đường bao, diện tích và tỉ lệ T = 4S/p2, với S là diện tích, p là chu tuyến. Việc lựa chọn phương pháp biểu diễn sẽ làm đơn giản cách xây dựng. Tuy nhiên, việc lựa chọn đặc trưng nào là hoàn toàn phụ thuộc vào ứng dụng. Mô hình cấu trúc: Cách tiếp cận của mô hình này dựa vào việc mô tả đối tượng nhờ một số khái niệm biểu thị các đối tượng cơ sở trong ngôn ngữ tự nhiên.
Để mô tả đối tượng, người ta dùng một số dạng nguyên thuỷ như đoạn thẳng, cung,. Chẳng hạn một hình chữ nhật được định nghĩa gồm 4 đoạn thẳng vuông góc với nhau từng đôi một. Trong mô hình này người ta sử dụng một bộ kí hiệu kết thúc Vt, một bộ kí hiệu không kết thúc gọi là Vn. Ngoài ra có dùng một tập các luật sản xuất để mô tả cách xây dựng các đối tượng phù hợp dựa trên các đối Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 6 tượng đơn giản hơn hoặc đối tượng nguyên thuỷ (tập Vt).
Trong cách tiếp cận này, ta chấp nhận một khẳng định là: cấu trúc một dạng là kết quả của việc áp dụng luật sản xuất theo những nguyên tắc xác định bắt đầu từ một dạng gốc ban đầu. Một cách hình thức, ta có thể coi mô hình này tương đương một văn phạm G = (Vt, Vn, P, S) với: - Vt là bộ ký hiệu kết thúc. - Vn là bộ ký hiệu không kết thúc. - P là luật sản xuất.
Thí dụ: đối tượng nhà gồm mái và tường, mái là một tam giác gồm 3 cạnh là 3 đoạn thẳng, tường là một hình chữ nhật gồm 4 cạnh vuông góc với nhau từng đôi một sẽ được mô tả thông qua cấu trúc mô tả dựa vào văn phạm sinh như chỉ trong hình dưới đây: Hình 1.1 Mô hình cấu trúc của đối tượng nhà.2 Bản chất của quá trình nhận dạng. Quá trình nhận dạng gồm 3 giai đoạn chính: - Lựa chọn mô hình biểu diễn đối tượng. - Lựa chọn luật ra quyết định (phương pháp nhận dạng) và suy diễn quá trình học. - Học nhận dạng.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 7 Khi mô hình biểu diễn đối tượng đã được xác định, có thể là định lượng (mô hình tham số) hay định tính (mô hình cấu trúc), quá trình nhận dạng chuyển sang giai đoạn học. Học là giai đoạn rất quan trọng. Thao tác học nhằm cải thiện, điều chỉnh việc phân hoạch tập đối tượng thành các lớp. Việc nhận dạng chính là tìm ra quy luật và các thuật toán để có thể gán đối tượng vào một lớp hay nói một cách khác gán cho đối tượng một tên.
Học có thầy (supervised learning) Kỹ thuật phân loại nhờ kiến thức biết trước gọi là học có thầy. Đặc điểm cơ bản của kỹ thuật này là người ta có một thư viện các mẫu chuẩn. Mẫu cần nhận dạng sẽ được đem so sánh với mẫu chuẩn để xem nó thuộc loại nào. Thí dụ như trong một ảnh viễn thám, người ta muốn phân biệt một cánh đồng lúa, một cánh rừng hay một vùng đất hoang mà đã có các miêu tả về các đối tượng đó.
Vấn đề chủ yếu là thiết kế một hệ thống để có thể đối sánh đối tượng trong ảnh với mẫu chuẩn và quyết định gán cho chúng vào một lớp. Việc đối sánh nhờ vào các thủ tục ra quyết định dựa trên một công cụ gọi là hàm phân lớp hay hàm ra quyết định. Học không có thầy (non supervised learning) Kỹ thuật học này phải tự định ra các lớp khác nhau và xác định các tham số đặc trưng cho từng lớp. Học không có thầy đương nhiên là khó khăn hơn.
Một mặt, do số lớp không được biết trước, mặt khác những đặc trưng của các lớp cũng không biết trước. Kỹ thuật này nhằm tiến hành mọi cách gộp nhóm có thể và chọn lựa cách tốt nhất. Bắt đầu từ tập dữ liệu, nhiều thủ tục xử lý khác nhau nhằm phân lớp và nâng cấp dần để đạt được một phương án phân loại. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 8 Nhìn chung, dù là mô hình nào và kỹ thuật nhận dạng ra sao, một hệ thống nhận dạng có thể tóm tắt theo sơ đồ sau: Trích chọn đặc điểm Phân lớp ra Trả lời biểu diễn đối tượng Đánh giá quyết định Quá trình tiền Khối nhận dạng xử lý Hình 1.2 Sơ đồ tổng quát một hệ nhận dạng.4 Nhận dạng ảnh.
Nhận dạng ảnh là giai đoạn cuối của các hệ thống xử lý ảnh. Nhận dạng dựa trên lý thuyết nhận dạng (Pattern Recognition) đã được đề cập trong nhiều sách về nhận dạng. Trong lý thuyết nhận dạng nói chung và nhận dạng ảnh nói riêng có ba cách tiếp cận khác nhau: - Nhận dạng dựa vào phân hoạch không gian. - Nhận dạng dựa vào cấu trúc.
- Nhận dạng dựa vào kỹ thuật mạng neural. Nhận dạng ảnh là quá trình phân loại các đối tượng ảnh được biểu diễn theo một mô hình nào đó và gán cho chúng một tên (gán cho một đối tượng một tên gọi, tức là một dạng) Nhận dạng ảnh là quá trình liên quan đến các mô tả đối tượng mà người ta muốn đặc tả nó. Quá trình nhận dạng thường đi sau quá trình trích chọn các đặc tính chủ yếu của đối tượng. Có hai kiểu mô tả đối tượng: - Mô tả tham số (nhận dạng theo tham số).
- Mô tả theo cấu trúc (nhận dạng theo cấu trúc). Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 9 Trên thực tế, người ta đã áp dụng kỹ thuật nhận dạng khá thành công với nhiều đối tượng khác nhau như: nhận dạng ảnh vân tay, ảnh khuôn mặt, nhận dạng chữ (chữ cái, chữ số, chữ có dấu).