Применение

Лингвистические методы распознавания применяются (иногда для решения отдельных подзадач) в различных прикладных областях, в частности для анализа фотографий, полученных с помощью пузырьковых камер, в материаловедении, в биологии и медицине, для обнаружения дефектов промышленных объектов, деталей машин и механизмов, распознавании символов, классификации отпечатков пальцев, распознавания речи, дистанционного обследования окружающей среды, анализа формы, для распознавания (двухмерных) математических выкладок и так далее.

Общее представление

Живые существа используют для коммуникации наилучшее средство — естественный язык, сформировавшийся в процессе эволюции. Не вдаваясь в лингвистические подробности, отметим, что язык обладает важнейшим достоинством: правила, развитые в большей или меньшей степени, позволяют ему служить средством передачи информации.

Уже давно делались попытки на этих же принципах создавать искусственные языки, среди которых наиболее известные – языки программирования, а менее известные – языки описания образов, получившие за последнее время широкое развитие.

Все методы распознавания, ранее рассмотренные в предыдущих разделах, основаны на разделении объектов в пространстве признаков. Методы распознавания на базе искусственных языков, отличаются от них в принципе. При синтаксическом (или грамматическом) подходе ищут и используют правила, которым подчиняется структура рассматриваемых образов. Отсюда и аналогия с грамматическим анализом в лингвистическом смысле слова. Схематическое представление системы структурного анализа — распознавания — дано на рис. 4.

Основными операциями, выполняемыми в схеме, являются сегментация (блок 3) и грамматические заключения (блок 7). Для того чтобы сегментация была проведена «наилучшим образом», надо иметь «априорную» информацию об исследуемом объекте. К сожалению, это не всегда выполнимо.

Рис. 4. Структурная схема системы грамматического

распознавания:

1 — предварительная обработка сигнала (фильтрация и т. п.); 2 — обработка образов; 3 — сегментация; 4 — определение примитивов и их взаимных отношений; 5 — синтаксический анализ; 6 — отбор примитивов; 7 — синтаксическое заключение

Грамматическое заключение — это операция, достаточно трудная для выполнения в автоматическом режиме, поэтому успехи в этой области пока еще скромные. Среди них можно отметить, например, работы по распознаванию слитной речи. Результаты, достигнутые в этом направлении, пока еще далеки от возможности их широкого использования в робототехнике, за исключением, вероятно, случая с одним диктором при полностью детерминированных условиях. Однако есть некоторые частные задачи, которые уже сейчас успешно решены (например, автоматическая классификация наблюдаемых в микроскоп хромосом).

Лабораторная работа №9. Синтаксическое распознавание образов.

1. Цель работы

Изучение и программная реализация алгоритмов синтаксического (лингвистического) распознавания образов.

2. Теоретические сведения

Постановка задачи, методы классификации.

Синтаксический метод распознавания основан на восприятии элементов языка – «примитивов». В свою очередь, примитивы состоят из еще более мелких составляющих – символов, являющихся наименьшими элементами языка. Множество используемых символов называется алфавитом, или словарем.

Пусть множество изображений объектов представляет собой множество цепочек в некотором алфавите V_i и всего имеется m возможных образов. Тогда каждый из этих образов представляет собой некоторый язык L(G_i) над алфавитом V_t, порождаемый грамматикой G_i={Vⁱ_n, V_t, P_i, S_i}, i=l,…,m,

где Vⁱ_n - множество нетерминалов грамматики (производящие элементы);

V_t - множество терминалов грамматики (не являющиеся производящими элементы);

P_i - множество продукций грамматики (множество правил подстановки);

S_i - начальный символ грамматики (начальная аксиома).

Предъявляемая цепочка х классифицируется согласно следующему правилу:

x если х L( ), i =l,...,m;

если х L( ), i, то считается, что х не принадлежит ни одному из m образов .

Таким образом, задача сводится к установлению принадлежности данной цепочки х языку, порождаемому данной грамматикой . К решению этой задачи можно подойти следующими способами.

1. Сопоставление входной цепочки х с эталонными цепочками , L( ), i=l,...,m. Цепочка х относится к тому классу _{i ,} с эталоном которого х согласуется наилучшим (в смысле заданного критерия) образом. Достоинством такого способа является быстрота и эффективность (по быстродействию) реализующего его алгоритма; недостатки - потеря значительной части информации о структуре (цепочки х и языков L( )), трудности с выбором эталонов и критериев согласования.

2. Классификация входной цепочки х с помощью составленных (для каждой грамматики) наборов синтаксических правил. Синтаксическое правило устанавливает некоторые допустимые или запрещенные отношения в языке L( ) грамматики между символами слов данного языка. Каждой грамматике соответствует свое множество синтаксических правил. Цепочка х относится к классу , который задается грамматикой с языком L( ) и множеством синтаксических правил S( ) таких, что х не противоречит ни одному правилу из S( ).

Пример. Контекстно-свободная грамматика G={V_n, V_t, Р, S}, V_n={S}, V_t={a,b}, P={S aSb, S ab} , порождающая язык L(G} = {а^т ,b'"}, m=1,2,…, может быть охарактеризована множеством S(G), содержащим следующие три правила:

1) цепочка х начинается с символа а;

2) цепочка х состоит из двух подцепочек: а…а и b...b;

3) число вхождений символов а и b в цепочку х одинаково.

Применяя S(G) для классификации цепочек =abab, =bbbaaa, =ааааbb, =aabb, убеждаемся, что только L(G); бракуется вследствие невыполнения второго правила, - вследствие невыполнения первого правила, - вследствие невыполнения третьего правила.

3. Классификация входной цепочки х с помощью грамматического разбора (синтаксического анализа). Различают два типа грамматического разбора:

1) грамматический разбор «сверху вниз», когда при сделанном предположении о принадлежности цепочки х языку L( ) предпринимаются попытки получить х с помощью продукций из , начиная с начального символа ;

2) грамматический разбор "снизу вверх", когда при сделанном предположении о принадлежности цепочки х языку L( ) предпринимаются попытки получить начальный символ S_i из х с помощью обращений продукций из .

Проверяемая цепочка х относится к тому классу для соответствующей грамматики которого грамматический разбор х оказался успешным.

Пример. Пусть дана автоматная грамматика

G={V_n, V_t, P, S}, V_n={S}, V_t={a,b}, P={S a, S b, S aS, S bS }

Требуется выяснить, принадлежит ли цепочка x=aaaabb языку этой грамматики L(G).

1) Грамматический разбор "сверху вниз" дает:

S aS aaS aaaS aaaaS aaaabS aaaabb, т.е. x L(G).

2) Обозначив через P обращение продукции P в результате проведения грамматического разбора "снизу вверх" получим:

aaaabb => aaaabS => aaaaS => aaaS => aaS =>

aS => S, т.е. вновь приходим к выводу, что х L(G).