MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triển nhanh chóng về phần cứng máy tính, các phần mềm càng trở nên đa dạng, phong phú, hoàn thiện hơn và hỗ trợ hiệu quả hơn cho con ngƣời. Các phần mềm hiện nay ngày càng mô phỏng khá nhiều nghiệp vụ phức tạp, hỗ trợ cho ngƣời dùng sử dụng thuận tiện, thời gian xử lý nhanh chóng và một số nghiệp vụ tự động hoá cao trong số đó Mạng nơ ron nhân tạo là một mô phỏng xử lý thông tin, đƣợc nghiên cứu ra từ hệ thống thần kinh của sinh vật, giống nhƣ bộ não để xử lý thông tin. Nó bao gồm số lƣợng lớn các mối gắn kết cấp cao để xử lý các yếu tố làm việc trong mối liên hệ giải quyết vấn đề rõ ràng. ANNs giống nhƣ con ngƣời, đƣợc học bởi kinh nghiệm, lƣu những kinh nghiệm hiểu biết và sử dụng trong những tình huống phù hợp.
Hiện nay, trong hầu hết các cơ sở giáo dục đào tạo cả nƣớc ta đều đƣợc trang bị phần mềm quản lý điểm nhằm nâng cao chất lƣợng giảng dạy và quản lý học sinh, sinh viên, giúp giảm bớt một phần lớn công việc của đội ngũ cán bộ quản lý giáo dục. Tuy nhiên việc cập nhật điểm thi vào hệ thống phần mềm quản lý giáo dục vẫn còn thủ công, không những làm tốn nhiều công sức của đội ngũ giáo vụ mà còn có nhiều sai sót đặc biệt với những trƣờng có số lƣợng môn học và số sinh viên lớn. Từ những lý do trên, tôi đã chọn đề tài “KỸ THUẬT NHẬN DẠNG CHỮ SỐ DỰA VÀO MẠNG NƠRON TRONG NHẬP ĐIỂM TỰ ĐỘNG” với mong muốn phần nào giải quyết đƣợc phần nào những khó khăn đó. Thay vì phải nhập điểm thủ công, giờ đây việc nhập điểm trở nên dễ dàng, thuận tiện hơn với chƣơng trình tự động cập nhật điểm.
Việc cập nhật điểm tự động rõ ràng đã giải quyết đƣợc những khó khăn và bất tiện của chƣơng trình quản lý điểm thông thƣờng để lại. * Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 2 - Nghiên cứu quá trình phiếu điểm viết tay của giảng viên qua máy quét thu đƣợc hình ảnh và đƣa vào máy tính. - Nhập điểm tự động tại trƣờng Cao Đẳng Cộng Đồng Bắc Kạn. * Hƣớng nghiên cứu của đề tài - Phiếu điểm viết tay của giảng viên qua máy quét thu đƣợc hình ảnh và đƣa vào máy tính.
- Phân vùng ảnh thành 2 vùng ảnh cần thiết: Mã sinh viên (hoặc số báo danh) và Điểm thi. - Nhận dạng thông qua mạng nơron với các mẫu thu thập đƣợc. - Cập nhật vào Cơ sở dữ liệu. * Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các tài liệu và viết tổng quan.
- Phƣơng pháp nghiên cứu bài toán nhận dạng chữ số dựa vào mạng nơron trong nhập điểm tự động. - Phƣơng pháp phân tích, đánh giá đối tƣợng (phiếu điểm). - Nghiên cứu triển khai thử nghiệm chƣơng trình. * Ý nghĩa khoa học của đề tài - Bản thân hiểu sâu hơn và áp dụng đƣợc các phƣơng pháp cụ thể là nhận dạng chữ số dựa vào mạng nơron trong nhập điểm tự động.
- Nâng cao chất lƣợng công việc trong việc nhập điểm tự động trong cán bộ quản lý giáo dục. Giảm thiểu sai sót trong quá trình nhập điểm. * Cấu trúc của luận văn bao gồm 3 chƣơng sau: - Chƣơng 1: Khái quát về xử lý ảnh và nhận dạng phiếu điểm - Chƣơng 2: Mạng nơron và nhận dạng phiếu điểm - Chƣơng 3: Chƣơng trình thử nghiệm kỹ thuật nhận dạng chữ số dựa vào mạng nơron trong nhập điểm tự động - Kết luận: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 3 CHƢƠNG 1. KHÁI QUÁT VỀ XỬ LÝ ẢNH VÀ NHẬN DẠNG PHIẾU ĐIỂM 1.
Khái quát về xử lý ảnh [1] Xử lý ảnh là một trong những mảng quan trọng nhất trong kỹ thuật thị giác máy tính, là tiền đề cho nhiều nghiên cứu thuộc lĩnh vực này. Hai nhiệm vụ cơ bản của quá trình xử lý ảnh là nâng cao chất lƣợng thông tin hình ảnh và xử lý số liệu cung cấp cho các quá trình khác trong đó có việc ứng dụng thị giác vào điều khiển. Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu tại nhiều quốc gia từ năm 1920 đến nay về xử lý ảnh đã góp phần thúc đẩy tiến bộ trong lĩnh vực này lớn mạnh không ngừng. Quá trình bắt đầu từ việc thu nhận ảnh nguồn (từ các thiết bị thu nhận ảnh dạng số hoặc tƣơng tự) gửi đến máy tính.
Dữ liệu ảnh đƣợc lƣu trữ ở định dạng phù hợp với quá trình xử lý. Ngƣời lập trình sẽ tác động các thuật toán tƣơng ứng lên dữ liệu ảnh nhằm thay đổi cấu trúc ảnh phù hợp với các mục đích khác nhau. Các giai đoạn của một quá trình xử lý ảnh. Để có thể hình dung cấu hình một hệ thống xử lý ảnh chuyên dụng hay một hệ thống xử lý ảnh trong nghiên cứu, đào tạo, trƣớc hết chúng ta hãy xem xét các bƣớc cần thiết trong xử lý ảnh.
Thu nhận Tách các Xử lý trước Phân đoạn Phân loại ảnh đặc tính a. Thu nhận ảnh Ảnh có thể thu nhận qua camera, thông thƣờng ảnh thu nhận qua camera là tín hiệu tƣơng tự, nhƣng cũng có thể là tín hiệu số hoá. Ảnh cũng có thể thu nhận từ vệ tinh qua các bộ cảm ứng hay ảnh, tranh đƣợc quét trên scanner. Sau đó đƣợc lƣu trữ trong máy tính.
Gồm có 2 quá trình: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 4 - Biến đổi năng lƣợng quang học sang năng lƣợng điện. - Biến đổi năng lƣợng điện sang các ma trận. Xử lí trƣớc Quá trình xử lí trƣớc thực ra bao gồm nhiều công đoạn nhỏ. Trƣớc hết là công việc tăng cƣờng ảnh để nâng cao chất lƣợng ảnh.
Do những nguyên nhân khác nhau: có thể do chất lƣợng thiết bị thu nhận ảnh, do nguồn sáng hay do nhiễu ảnh có thể bị suy biến. Do vậy cần phải tăng cƣờng và khôi phục lại ảnh để làm nổi bật một số đặc tính chính của ảnh, hay làm cho ảnh gần giống nhất với trạng thái gốc (trạng thái trƣớc khi ảnh bị biến dạng). Nhằm các mục đích phục vụ cho các bƣớc tiếp theo. Những mục đích riêng biệt có thể đặt ra cho quá trình xử lý trƣớc là: + Thực hiện điều chỉnh độ chiếu sáng để khắc phục hậu quả của sự chiếu sáng không đồng đều.
+ Giảm nhỏ thành phần nhiễu. + Cải thiện độ tƣơng phản của ảnh màu do khuôn màu không tốt. + Hiệu chỉnh độ méo giá trị xám. + Loại bỏ tính không đồng thể của ảnh gây nên từ tính không đồng bộ của lớp nhạy quang của hệ thống thu nhận ảnh.
+ Chuẩn hóa độ lớn, dạng và màu. + Điều chỉnh bộ lọc để khuếch đại các tần số với những thông tin quan trọng đƣợc khuếch đại và nén đi các tần số khác. Phân đoạn Là quá trình phân chia các đối tƣợng cần khảo sát ra khỏi phần nội dung còn lại của ảnh, phân tách các đối tƣợng tiếp giáp nhau và phân tách những đối tƣợng riêng biệt thành những đối tƣợng con. Một phƣơng pháp phân đoạn ảnh là sử dụng một ngƣỡng giá trị xám để phân tách ảnh thành đối Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 5 tƣợng và nền (những điểm dƣới ngƣỡng xám thuộc về nền, ngƣợc lại thuộc về đối tƣợng).
Tách ra các đặc tính Dựa trên các thông tin thu nhận đƣợc qua quá trình phân đoạn, kết hợp với các kỹ thuật xử lý để đƣa ra các đặc trƣng, đối tƣợng ảnh cũng nhƣ các thông tin cần thiết trong quá trình xử lý. Nhờ các đặc tính có đƣợc từ ảnh ta có thể phân loại các đối tƣợng khác nhau của ảnh. Phân loại ảnh Thực hiện công việc sắp xếp một đối tƣợng vào một lớp đối tƣợng cho trƣớc. Để giải quyết bài toán này thì các đặc tính có ý nghĩa phải đƣợc lựa chọn.
Ta tìm thấy các đặc tính có ý nghĩa khi ta phân tích các mẫu đƣợc lựa chọn từ những đối tƣợng khác nhau. Mô tả ảnh a. Phần tử ảnh (Pixel - Picture Element) Ảnh trong thực tế là một ảnh liên tục về không gian và về giá trị độ sáng. Để có thể xử lý ảnh bằng máy tính cần thiết phải tiến hành số hoá ảnh.
Trong quá trình số hoá, ngƣời ta biến đổi tín hiệu liên tục sang tín hiệu rời rạc thông qua quá trình lấy mẫu (rời rạc hóa về không gian) và lƣợng hoá thành phần giá trị mà thể về nguyên tắc bằng mắt thƣờng không phân biệt đƣợc hai điểm kề nhau. Trong quá trình này, ngƣời ta sử dụng khái niệm Picture element mà ta quen gọi hay viết là Pixel - phần tử ảnh. Mỗi Pixel bao gồm một cặp tọa độ chỉ vị trí (x,y) và một mức xám nhất định. Mật độ Pixel trên một ảnh số cho ta xác định đƣợc độ phân giải của ảnh.
Ảnh có độ phân giải càng cao thì càng rõ nét và ngƣợc lại. Ví dụ một ảnh số có độ phân giải là 800 x 600 Pixel nghĩa là có 800 điểm theo chiều ngang và 600 điểm theo chiều dọc. Mức xám (Gray Level) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.vn/ 6 Mức xám của điểm ảnh là kết quả sự biến đổi tƣơng ứng một cƣờng độ sáng của điểm ảnh đó với một giá trị số (kết quả của quá trình lƣợng hoá). Cách mã hoá kinh điển thƣờng dùng 16, 32 hay 64 mức.
Mã hoá 256 mức là phổ dụng nhất do lý do kỹ thuật., 255), nên với 256 mức mỗi pixel sẽ đƣợc mã hoá bởi 8 bit. Ảnh Là tập hợp hữu hạn các điểm ảnh, thƣờng đƣợc biểu diễn bằng một mảng hai chiều I(n,m) với n là số hàng, m là số cột. Số lƣợng điểm ảnh trên mỗi hàng hoặc các hàng xác định độ phân giải của ảnh. Phân loại ảnh o Ảnh nhị phân Giá trị xám của tất các các điểm ảnh chỉ nhận giá trị 1 hoặc 0.
Nhƣ vậy mỗi điểm ảnh trong ảnh nhị phân đƣợc biểu diễn bới 1 bit. o Ảnh xám Giá trị xám nằm trong khoảng 0. Nhƣ vậy mỗi điểm ảnh trong ảnh nhị phân đƣợc biểu diễn bới 1 byte. o Ảnh mầu Ta quan tâm và xử lý ảnh với mô hình ba màu, ảnh theo mô hình thụ cảm sẽ chuyển sang mô hình ba màu trƣớc khi xử lý.
- Hệ mầu RGB (RED- GREEN- BLUE): Thông tin con ngƣời thu nhận bằng hình ảnh đều bắt nguồn từ thị giác. Mắt con ngƣời có khả năng phân biệt đƣợc rõ nét 3 mầu: đỏ, lục, lam. Các ảnh mầu nói chung đều bao gồm 3 ảnh xám đối với màu nền đỏ, lục và lam.