книги из ГПНТБ / Виноградов Р.И. Автоматическое опознавание электрических сигналов

цип действия которого позволяет приблизиться к решению пробле­ мы распознавания букв и цифр независимо от их размера и стиля написания. Их читающий автомат состоит из следящей системы, анализатора направлений и запоминающего устройства.

Следящая система обеспечивала обход наружного контуре изо­ бражения буквы лучем электронно-лучевой трубки, который дви­ гался шагами рввной длины. Анализатор направлений определял среднее направление луча и вырабатывал последовательность ко­ дов основных направлений, которые сравнивались с образцами хранящихся эталонов. Признаком распознаваемого символа здесь служит последовательность кодов основных направлений. Система эта построена и успешно испытана в вычислительном центре АН УССР [4 5 ].

Данный метод фиксации последовательности основных направ­ лений при обходе наружного контура символа является в принципе правильным, тех как любые конфигурации и маршруты человек за­ поминает, используя этот же метод.

В 1957 году группе американских ученых под руководством Розенблата предложила схему узнающей машины и назвала ее перцептроном. В основу схемы была положена случайная коммутация моделей нейронов и рецепторного поля. В схемных решениях бло­ ков опознавания и обучения разные авторы использовали различ­ ные законы "поощрения" перцептрона в процесое его обучения.

В процеосе обучения перцептронв, которое сопровождается большим числом показов эталонов, подвергнутых различным пре­ образованиям, происходит формирование границ областей классов, которые имеют довольно сложную форму. При каждом предъявлении эталона производят уточнение границ. Как правило, по оконча­ нии процесса обучения имеется вероятность неправильного опо-

81

ЗН8В8НИЯ, ХОТЯ 0Н8 МОЖ0Т ИМОТЬ ДОСТЭТОЧНО М8Л0в ЗЯЭЧвЯИб. Обу-

чбиному перцептрону могут быть предъявлены цифры, которые не предъявлялись при обучении, но они должны незначительно отли­ чаться от цифр, показанных при обучении. Экспериментальная про­ верка показала, что опознающая система правильно опознает до 80J& всех предъявленных цифр, а при запараллеливании семи ассо­ циирующих систем и применении других мер удэется довести число правильно опознанных цифр до 98,5%. Однако опознающие системы данного типа имеют тот недостаток, что предполагают значитель­ ную компактность в расположении точек каждого из классов. При наличии же изоформных преобразований изображения областей клас­ сов не будут являться компактными.

Анализ опубликованных работ поквзэл, что в настоящее вре­ мя как предпрогрвммированные, так и созданные самоорганизующие­ ся опознающие системы в общем виде не решают проблемы опозна­ вания.

В связи с тем, что ряд опознаваемых объектов может быть представлен в виде одной и той же геометрической фигуры, необ­ ходимо абстрагироваться и прежде всего решить задачу опознава­ ния геометрических фигур.

Рассмотрим основные зэдэчи, которые должен решать автомат, опознающий плоские геометрические фигуры.

Во-первых, это получение контурных изображений геометри­ ческих фигур, что необходимо для осуществления надежного опо­ знавания изображений фигур. Кроме того, наличие контуров по­ зволяет наиболее экономичным способом считывать информацию об опознаваемых геометрических фигурах. Получение контурных изо­ бражений в настоящее время может быть реализовано о помощью телевизионных устройств [46], которые позволяют проводить одновреиенно фильтрацию и препарирование контурных изображений.

Во-вторых, поиск и обнаружение мест, несущих информацию о контуре фигуры.

В-третьих, опознавание контурных изображений. Перечислим основные требования в алгоритму опознавания:

в) инвариантность алгоритма опознавания относительно орто­ гональных преобразований изображений фигур. Это значит, что изображение фигуры должно быть опознано независимо от того, где расположено в квк ориентировано изображение объекта в по­ ле зрения опознающего автомата. Предложенные рядом авторов методы центрирования изображений, а также опознавания изобра-

82

*ений фигур при их дискретных разворотвх вокруг опредеДенных точек не являются перспективными, тек как приводят к значитель­ ному увеличение оборудования;

б) инвариантность алгоритма опознавания относительно подос ных (масштабных) преобразований изображений фигур. Отсутствие эталонных описаний фигур, инвариантных относительно подобных преобразований, приводит к необходимости значительного увели­ чения пвмяти опознающего автомате и усложнению процесса опо­ знавания;

в) инвариантность алгоритма опознавания относительно перс- пективно-аффинных преобразований изображений фигур. Это позво­ лило бы опознавать изображения фигур, расположенных под рэзлич ными ракурсами относительно оптической оси опознающего авто­

мата; г) возможность классификации фигур, эталонные описания

которых отсутствуют. Решение этой зэдвчи имеет очень ввжное значение, так как практически нет возможности получить эталон­ ные описания всех геометрических .фигур. Поэтому установление степени сходства ранее неизвестного изображения фигуры с од­ ним из эталонов представляет значительный интерес;

д) возможность опознавания изображений фигур при условии отсутствия частей этих изображений, а также их искажений по­ мехами. Прэнтичесни мала вероятность того, что мы получим це­ лостные и неискаженные изображения фигур. Поэтому все алгорит­ мы опознавания, которые базируются на жестких методах сравне­ ния опознаваемых изображений с эталонными изображениями фигур, могут обеспечить высокую надежность опознавания лишь при усло­ вия достаточно точной предварительной нормализации изображе­ ний этих фигур.

Анализ многолетних работ биологов и психологов, а также критическое изучение разработанных ранее методов автоматиче­ ского опознавания образов позволили применить разработанный метод автоматического опознавания электрических сигналов для опознавания изображений плоских геометрических фигур. Приме­ нение этого метода значительно рэсвнряет возможность опознаю­ щих автоматов благодаря использованию признаков геометрических фигур, инвариантных относительно различных групповых преобра­ зований.

Создавая новые технические кибернетические системы, всегда полезно предварительно изучить управляющие системы органиче-

83

свого пира, являющиеся их весьма совершенными прообразами. Осо­ бое значение имеют многочисленные работы психологов и физиоло­ гов, основные положения которых необходимо учитывать при раз­ работке опознающих систем. Многие иг них общеизвестны, но в со­ жалению, не всегда принимаются во внимание. Поэтому позвоним себе в следующих двух параграфах кратко остановиться на основ­ ных психологических и биологических аспектах этой проблемы.

При разработке принципов построения опознающих автоматов необходимо использовать многочисленные материалы, добытые экс­ периментальной психологией. Многие из них имеют существенное значение и поэтому должны учитываться, чтобы избежать грубых ошибок, которые на первый взгляд неочевидны.

Основными процессами, протекающими у человека при приеме и переработке информации, являются познавательные процессы. Они отличаются целостностью и структурностью, исключающими в процессе восприятия формирование простого конгнонерата призна­ ков. И.Н. Сеченов отмечал, что источник целостности и струк­

турности восприятия надо искать в особенностях формы и контура

рактер зрительного восприятия, причем в первое мгновение слож­

тересные эксперименты по выявлению процессе становления зри­ тельного образа плоскостной формы при изменении дистанции на­

т

5. Оптимальное восприятие. Контур отражается со всеми талями.

С помощью методов киносъемки были изучены особенности дви­ жений глаз и рук в процессах восприятий, а также выявлены об­ щие характеристики моторных процессов [50, 51, 52].

Важным методом исследования процессов зрения является ре­ гистрация движений глаз, которая показывает, что только при обведении контуров простых геометрических фигур характер тра­ екторий движений глаз подобен предъявленному контуру. При вы­ полнении метрических задач объективная регистрация движения глаз позволяет по структуре макродвижений проследить "логику ярения" в соответствии с характером задачи и особенностями объекта.

Значительный интерес представляет работа В.П.Зинченко [53], направленная на изучение развития перцептивного действия. Бы­ ло проведено исследование движений глаз у детей-дошкольников

впроцессе выполнения следующих действий:

1)практического, т .е . движение взора по контуру объекта;

2)перцептивного, т .е . изучение нового объекта;

3)опознавательного, т .е . узнавания ранее известного объ­

екта.

Тест-объекты, представленные детям трехлетнего возраста, рассматриваются ими без движений вдоль контура. Движения глаз совершаются внутри фигуры. Число движений невелико. При этом, несмотря на элементарность предъявленного контура, число оши­ бочных ответов равно половине. Наблюдается неумение выделись такие признаки, которые помогли бы опознать контур. Предпола­ гается, что сеноорннм содержанием фигуры дня них является ве­ личине площвди. У детей более старшего возрэстэ (6 лет) обна­ ружились сложившиеся способы перцептивного действия, при этом глаз движется в основном по контуру фигуры. Наблюдается мень­ шая продолжительность фиксаций и большее число движений. От­ мечается, что полученные экспериментальные данные свидетель­ ствуют об учэстии прослеживающих движений глаз в процессе фор­ мирования образа: оценна формы, величина и пропорции объекте. При ограничении поля мгновенного зрения траектория движения глав приближается к контуру воспринимаемого объекта. Сравне­ ние осязания и зрения во многих отношениях обнаружило сход­ ство двигательного поведения руки и глаза, что свидетельст­ вует о наличии между ними генетической связи.

85

Исследования процессов активного осязания позволили выяс­ нить роль движений ощупывающей руки. Выяснилось, что эти дви­ жения состоят из нивродвижений и макродвижений.

Иикродвижения обеспечивают необходимую чувствительность рецепторной поверхности и элементарный анализ определенных признаков объектов.

Мэкродвижения обеспечивают поиск и нэводку анализаторов на объект, его обследование в целях выявления его формы, ве­ личины, положения и т .д . Анализ траектории этих движений по­ казывает, что они в основном воспроизводят контур объента, но

сопровождаются многочисленными отступлениями от линии контура. Эти движения не являются случайными и направлены на выделение "конструктивных" точек объекта.

Предполагается, что гностические движения осуществляют оъем информации об объекте в виде целесообразно организован­ ной рвзвертки множества элементарных сигналов и их синтез в целостный образ. Рассмотрение манродвижений как развертки по­ зволяет осуществить их алгоритмизацию [54].

В результате теоретического анализа выделены основные за­ дачи обработки информации, которые должны решаться при актив­ ном осязании:

1)поиск объекте восприятия;

2)получение общей предварительной информации об объекте, измерение его геометрических размеров, выделение характеристик

контуре и т .д .;

3)согласование координатных систем, что является внутрен­ ним содержанием установочных движений ощупывающей руки;

4)опознавание объекта;

5)формирование обреза объента;

6)запоминание образа объекта;

7)синтез информации об объекте.

Предполагается, что управление разверткой производится в соответствии с решаемыми задачами: оптимизации выборки инфор­ мации, а также согласования скорости обработки информации с количеством поступающей информации.

Особого интереса заслуживают эксперименты, проводимые по изучению работы одноквнэльной рецепторной системы при отрогом учете всей информации, поступающей при поэлементном ощупывании изображения. Отмечается, что если испытуемый предупрежден о

86

количестве применяемых изображение, то траектория поисков но­ сит оптимальный характер-в отношении используемой информации. Восприятие же носит вероятностный характер, причем наблюдает­ ся изменение априорных вероятностей гипотез по мере выделения элементов опознаваемого объекта. При опознавании используются не все элементы, наблюдается схематизация восприятия и опозна­ вание по системе критических элементов [55].

Поиск объекта в зависимости от структуры поступающей ин­ формации, т .е . от ее вероятностного характера, строится по-раз­ ному. В случае равновероятностного пребывания объекта в каж­ дой точке обследуемой плоскости, ощупывания носят характер строчной развертки, что подтверждается рядом экспериментов [5б]. При равномерном распределении вероятности пребывания объекта задача поиска, видимо, должна осуществляться с помощью мето­ дов динамического программирования.

Задача формирования образа объекта сводится к выделению участков поверхности, описание которых осуществляется просты­ ми функциями, а также к установлению их границ и обобщенных характеристик.

Задача теоретического анализа - это построение алгоритма обработки информации, который значительно упрощается, если ин­ формация об объекте имеет дискретную форму. Предполагается, что информация поступает в виде координат некоторой совокуп­ ности точек. В процессе следящей развертки обработку инфор­ мации предлагается вести способами скользящей линейки или скользящего угла, причен предполагается рациональное кодиро­ вание объекта в последовательность точек с определенными свой­ ствами. При активном осязании следящая развертка осуществля­ ется с использованием процедуры предсказания.

Предполагается также наличие самонастройки пороговых зна­ чений, обеспечивающих многоэтапную развертку, которая выявля­ ет структуру контура с переменной точностью: от наиболее об­ щей схемы объекта до структуры со множеством деталей.

Эксперименты, проведенные Арана, показывают, что при фор­ мировании образа выделяются угловые точки контура, определя­ ется структура связей между этими точвэми, т .е . наблюдается дискретизация объекта и кодирование его в последовательности движений ощупывающей руки. Как правило, активное осязание за­ вершается контрольным обходом контура. Этот этап предназначен,

87

видимо, для синтеза результатов анализа. В результате чего фор­ мируется программа обведения контура непрерывной разверткой.

Дискретность и неравномерность движений анализаторов объ­

тушевываются. Интересно отметить, что при сравнении двух сход­ ных воспринимаемых объектов в первую очередь выдвигаются их различия, 8 при сравнении различных объектов - в первую оче­ редь подчеркиваются их сходственные признаки [49].

Настоящий параграф не может претендовать на полноту осве­ щения всех интересных вопросов, рассмотренных психологами, од­ нако даже те работы, с которыми удалось познакомиться, приво­ дят нас к мысли о необходимости обсуждения некоторых из них на предмет возможности их использования в процессе разработки принципов построения опознающих автоматов.

Перечислим те основные положения, которые вытекают в ре­ зультате анализа многочисленных работ психологов.

1. Информация об опознаваемых объектах должна непременно подвергаться дискретизации, в противном случае теряется прак­ тическая возможность реализации поступающей информации.

2. Процессы опознавания должны рассматриваться с точки зрения теории информации, однако при моделировании процессов опознавания необходимо учитывать психические условия восприя­ тия информации.

3. При обработке информации в процессе опознавания необ­ ходимо использовать методы статистической обработки.

4. Только использование правил дихотомии позволит осущест­ влять рациональную идентификацию объектов.

5. В процессе опознавания следует различать два процесса:

обучение и узнавание.

6. Зрительное восприятия носит фазный характер. Вначале форма сложного предмета воспринимается как сочетание линий и углов и лишь в дальнейшем формируется целостный образ.

7. Движения анализаторов состоят из микродвижений и мэкродвижений. Если микродвижения обеспечивают необходимую чувст-

88

витальность анализаторов, то макродвижения осуществляют поиск и наводку анализаторов на объект, слежение га объектом, выяв­ ление формы объекта и т .д .

8. При известном наборе опознаваемых объектов возможно ис­ пользование метода минимизации описаний эталонов.

9. Возможно опознавание объекта по целостным признакам, которые в опознающем процессе используются как элементарные, неразложимые.

10.Информация, воспринимаемая анализаторами, поступает в виде координат некоторой совокупности точек.

11.Совокупность признаков, характеризующих объект, коди­ руется в виде определенной последовательности, которая может быть представлена последовательностью двоичных чисел.

12.Основную роль в процессе восприятия формы объекта игра­ ет контур, который обеспечивает целостность и структурность восприятия.

13.Величина и скорость движений анализаторов соответству­ ют величинам элементов обследуемого объекта.

14.Съем информации об объекте осуществляется с помощью целесообразно организованной развертки множества элементарных сигналов, при этом используется процедура предсказания.

15.В процессе развертки осуществляется самонастройка поро­ говых значений в соответствии со структурой нонтура.

16.Включение в процесс опознавания анализа контура формы объекта с помощью непрерывной развертки позволяет осуществить алгоритмизацию данного процесса.

§ 3 .3 . Биологические аспекты процесса опознавания

Для получения правильного решения стоящей перед нами зада­ чи не следует игнорировать успех биологов в области изучения зрительного анализатора. Трудно охватить все проделанные ра­ боты, но знакомство даже с частью экспериментальных работ и полученными результатами позволяет выделить некоторые детали, заслуживающие того, чтобы на них обратили внимание.

Видимый обрез объекта есть результат сложных и комплексных раздражений, породивших аналитическую и синтетическую деятель­ ность мозге. Весь зрительный процесс состоит из неразрывно связанных частей:

89

1)элементарного анализа, который в ооновном протекает в

глазу;

2)сложного аналитико-синтетического процессе в коре больиих полушарий мозга.

Человеческий глаз позволяет разделить изображение объекта на ряд элементов. При неподвижном глазе человек видит очень ограниченный участок объекта (угловая величина такого участка составляет всего около 1,5 мин) и о форме всего объекта судить не может. Большая часть сетчатки служит лишь для общей ориен­ тировки. Глаза человека 97% всего времени находятся в непод­

вижном состоянии, время акта фиксации равно 0,2 - 0 ,8 сев.Г лаза расходуют на свечки, смену точек фиксаций (частота которых равна примерно 120 раз в минуту и длится несколько сотых се­ кунды) 3% времени. Продолжительность скачков зависит только от величины угла, на который совершается скачок. Движения глаз при осмотре криволинейного контура производятся скачкообразно и перемежаются остановками. При зтом величина углов мала. При наблюдении за движущимися объектами моменты фиксации заменя­

ются процессом синхронного прослеживания. Непрерывное движение изображения на сетчатке есть необходимое условие для акта зре­ ния; изображения, неподвижные по отношению в глазу, видны лишь короткое время [58].

Во многих работах указывается на тесную связь между движе­ нием глаз,зрительным восприятием и изображением.Известно,что для получения максимальной информации, которая может быть по­ лучена в области желтого пятна сетчатки, глаз перемещает цен­ тральное поле зрения к точкам, несущим максимальную информа­ цию.

Особого внимания заслуживает рассмотрение случаев первич­ ного ограничения возможности зрительной рецепции, при которых имеет место нарушения процесса зрительного восприятия. Отмеча­ ются случаи поражения зрительной воры субъекта, в результате чего он ножет воспринимать одновременно лишь один объект, не­ зависимо от его величины, т .е . воспринимает разрозненные фраг­ менты. Сужение зрительного восприятия, как правило, сопровож­ дается нарушением врительно-двигательных координаций (наруше­ ние организации прослеживающих движений), в результате чего исключалась возможность активного анализа зрительного объекта.

При рассмотрении сложных фигур образ фигуры формируется постепенна