Image Processing Toolbox. Краткий курс теории обработки изображений.И.М.Журавель

Простой случай, одномерное разделение

Ещё есть нейронные сети и регрессия. Но чтобы кратко их классифицировать и показать, чем они отличаются, нужна статья куда больше, чем эта.
________________________________________________
Надеюсь, у меня получилось сделать беглый обзор используемых методов без погружения в математику и описание. Может, кому-то это поможет. Хотя, конечно, статья неполна и нет ни слова ни о работе со стереоизображениями, ни о МНК с фильтром Калмана, ни об адаптивном байесовом подходе.
Если статья понравится, то попробую сделать вторую часть с подборкой примеров того, как решаются существующие задачки ImageRecognition.

И напоследок

Как тема исследований искусственного интеллекта распознавание изображений имеет давнюю историю и большое практическое значение. Впервые оно было использовано для машинного считывания рукописных цифр. В настоящее время область его применения существенно расширилась: начиная от измерений, контроля, сортировки и сборки в производственных процессах и кончая анализом изображений, считываемых на расстоянии, диагностикой по медицинским снимкам, количественной оценкой экспериментальных данных, идентификацией человека, автоматическим проектированием, пониманием изображений как функции технического зрения роботов и т.д. Процесс распознавания изображения человеком - не простая обработка зрительной информации, а сложный процесс, важную роль в котором играют психологические факторы. В частности, в процессе понимания изображения присутствует семантический вывод, однако для его реализации требуются сбор обширных знаний и интуитивные решения, выходящие за рамки логики, поэтому смоделировать такой процесс в компьютере чрезвычайно сложно.

В существующих средствах распознавания изображений используют различные методы в зависимости от того, является ли объект распознавания искусственным или естественным. В первом случае обычно имеют дело с отдельными предметами четкой формы, поэтому большое число исследований

посвящено сопоставлению образов путем обнаружения контуров и границ либо выводу трехмерной формы с использованием геометрических правил. Среди естественных объектов много объектов неправильной формы со светотенями, поэтому обычно с помощью кластерного анализа выполняют разбиение на однородные области, а затем по особенностям форм этих областей делают заключение об объекте. Кроме того, в последнее время проводится много исследований по воспроизведению двух- и трехмерных форм объектов на основе обработки большого числа изображений. В робототехнике возникает необходимость обработки подвижных изображений в реальном времени, т. е. большое значение приобретает скорость распознавания.

В общем случае процесс распознавания изображений с помощью компьютера заключается в следующем.

1. Получение с помощью камеры или другим способом информации об изображении и преобразование ее в цифровую информацию: в результате кадры делятся на большое число элементов, и каждому элементу приписывается цвет и контрастность.

2. Предварительная обработка. Удаление шумов, нормализация для сравнения с эталоном, сегментация (выделение локальной информации, необходимой для распознавания) и т. п.

3. Выделение признаков. Признаки изображения могут иметь различные уровни. Строго говоря, сегментация также является частью выделения признаков. Методы выделения признаков могут быть локальными и глобальными. Примером локального метода является обнаружение границ, глобального-кластеризация и метод расширения областей. Для обнаружения границ используются неоднородности между областями, в то время как кластеризация - это сегментация на основе обнаружения однородных областей. Поскольку в любом случае в информации об изображении содержится шум, не устраненный на этапе предварительной обработки, при сегментации необходима обработка нечеткой информации. Глобальное выделение признаков осуществляется по отношению к форме, свойствам, относительному положению и другим характеристикам выделенных областей. Эта процедура имеет большое значение для последующего этапа оценки.

4. Понимание и оценка. Процессом понимания изображения

называют либо классификацию и отождествление путем сравнения полученных кластеров с известными моделями, либо построение трехмерного изображения исходного объекта с помощью выводов. Результат этого процесса является заключительной целью распознавания изображений.

В настоящее время проведено огромное число исследований процесса распознавания изображений, но результаты пока крайне неудовлетворительны. Например, практически не затрагивались такие вопросы, как понимание сложных изображений, взаимное преобразование словесной и видеоинформации, распознавание предметов криволинейных и неправильных форм, распознавание размытых изображений, высокоэффективное выделение признаков, семантический вывод и воображение и т. п.

Основными методологическими подходами, принятыми в настоящее время в распознавании, являются статистика, кластерный анализ, дедукция в двузначной логике и ряд других, однако все они весьма далеки от того процесса распознавания, который свойствен человеку. Выделение признаков - наиболее важный этап в распознавании изображения, но и исключительно сложный. Действительно, что такое признак изображения? Почему карикатура обладает бблыиим сходством с человеком, чем его фотография? По-видимому, важную роль в процессе распознавания человеком играет информация, которая для компьютера представляется не более чем шумом, но она каким-то образом выделяется и представляется. Выявить признаки такого рода можно чувствами человека, а не логикой. Кроме того, при распознавании размытых изображений работают скорее не аналитические способности, а способности к обобщению, т.е. это также интуитивный процесс. Для имитации таких процессов необходимы исследования методов обработки субъективной информации и приемов обращения с макроинформацией. Исследования по нечеткому распознаванию изображений еще только начинаются, но уже сейчас ожидают дальнейшего развития новой методологии, отвечающей изложенным выше требованиям.

Рассмотрим кратко состояние нечеткого распознавания изображений. Поскольку видеоинформация даже достаточно четкого объекта может нарушаться за счет шумов, для обнаружения контуров чаще всего применяется нечеткая логика. Типичным примером является классификация

элементов изображения с помощью нечеткой кластеризации. Однако, поскольку абсолютно идентичные элементы встречаются редко, необходима «размытая» кластеризация. Аналогичные методы применяются и при классификации образов, имеющих разброс относительно эталонного образа (распознавание рукописных знаков, речи и т. п.).

При непосредственном обнаружении контуров возникает проблема шумов, не решаемая до конца с помощью фильтров. Кроме того, необходимы выводы для восполнения утраченных участков. Для этого применяют эвристические правила, имеющие, однако, нечеткий качественный характер. При переходе к этапу понимания изображения возникает проблема более эффективного нечеткого сопоставления образов, требующая для своего решения сопоставления не только по форме, но и по семантике. В частности, такая ситуация складывается в области диагностики по рентгеновским снимкам, где формирование правил невозможно.

Ниже приводится несколько типичных примеров исследований по распознаванию изображений с использованием нечеткой логики.

Распознавание изображений – область, пересекающаяся с распознаванием образов, но стоящая от неё несколько особняком. Одно из главных различий состоит в том, что изображения одного и того же образа могут варьироваться своими геометрическими и яркостными характеристиками, но это нам не особо интересно, это исправляется хорошо изученными методами предобработки изображений. Второе из главных различий состоит в том, что изображения одного и того же образа подвергаются нетривиальным деформациям, например, различные ракурсы трёхмерного объекта, направление освещения, изменения позы/мимики/жестикуляция и т.п., которые не укладываются в схему разделения пространства образов. И вот тут начинается самое интересное.

Местами я буду вдаваться в подробности распознавания изображений, поскольку тема для меня близкая, и буду выкладывать некоторые идеи и свой взгляд на то, какой должна быть идеальная распознавалка изображений.

Подробно многое из этого я когда-то описывал . Не без неточностей, но в целом вменяемо. Там-же указано откуда взяты картинки и точные данные научных статей.

Как изображение представляется в системе распознавания образов. Самое простое – каждый пиксель – это ось в пространстве образов, яркость пикселя – положение в этом пространстве. Отсюда сразу напрашивается вывод о том, что распознавалка никак не учитывает двумерный характер изображений, но об этом позже. Есть и другие представления, они тоже основаны на яркостях пикселей, и могут немного лучше (совсем немного!) отражать двумерные взаимосвязи пикселей.

Что из такого представления следует. Изменение положения распознаваемого объекта, его поворот в двумерной плоскости, изменение масштаба – это катастрофа для распознавалки. Потому что пиксель, соответствующий, например, кончику носа, уйдёт на край уха, или, с точки зрения распознавалки, входное значение, которое должно попадать на свою ось в пространстве образов, попадёт в совсем другую (непонятно какую!) ось (по другому это называется изменением топологии пространства). И такая перестановка осей напрочь ломает разделительные поверхности в пространстве образов. Можно, конечно, сказать, пусть распознавалка обучится всем положениям и масштабам объекта на изображении. Но, к сожалению, число всевозможных положений настолько огромно, что сделать это нереально.

Следующее следствие – изменение яркости изображения отбрасывает весь образ в совсем другую точку в пространстве образов. Хоть здесь оси остаются на месте, всё равно изменение яркости остаётся большой проблемой распознавалки.

В итоге распознавалка будет реагировать не столько на содержание образа, сколько на его яркость и размер/положение.

Но всё это не так страшно, исправлять геометрию и яркость уже давно умеют средства обработки изображений. (Другой вопрос, сравнимый по сложности и применяемым методам с распознаванием изображения – это определить местоположение и размер объекта на изображении, называется детектированием.) Есть так же преобразования изображений (называемые моментами), коэффициенты которых получаются одинаковыми, для любых положений и размеров объекта. Поэтому один из первых этапов распознавания изображений (которого нет в распознавании образов) – это нормализация изображения, решаемый достаточно простыми средствами обработки изображений. Как это решается в мозге человека – тоже интересный вопрос, посмотрим дальше.

Но самое каверзное для распознавалки – это деформации двумерной проекции, связанные с трёхмерной сущностью объекта (изменение ракурса и направления освещения) и изменением самого объекта (поза, жесты, мимика и т.п.). Потому, что эти деформации не исправляются методами обработки изображений, да и вообще для начала надо определить, что за деформация имела место. Поэтому любимые грабли распознавалок, когда они реагируют больше на ракурс, признавая разные объекты в одном ракурсе за один и тот же. С освещением похожий прикол, например, в одном и том же месте, переход с белого на чёрное, при изменении направления освещения на противоположное, станет наоборот, переходом с чёрного на белое, и нормализацией яркости это никак не исправишь.

Справедливости ради, стоит отметить, есть способы, когда создаётся большой тренировочный набор с образами, специально взятыми под различными ракурсами и направлением освещения, и тогда, входной образ, если он попадает в границы этих условий, распознаётся хорошо. Причём после такой обширной тренировки в систему можно загонять новые объекты, которые уже не были сняты с такой широкой вариацией ракурсов и освещений. Но такой способ – это частный случай, к тому же достаточно тяжеловесный. И для нас в общем то не интересный, поскольку больше относится к математике и статистике.

Другой способ – это восстановление трёхмерного образа по двумерной проекции. Тогда уже ракурс и освещение не играют роли, а изменения позы обрабатываются проще. Правда способ непрост в реализации, и не всё в нём гладко. При восстановлении трёхмерного образа обычно требуется более общая модель объекта (без неё восстановление хоть и возможно, но будет «хромать» и хуже подходит для распознавания), и соотнесение проекции с трёхмерной моделью тоже носит элементы распознавания образов. Но нам это тоже неинтересно, поскольку здесь больше точной математики.

«Чистая» распознавалка должна справляться с перечисленными деформациями изображений сама по себе, без точных моделей и специально подготовленных тренировочных наборов. Распознавалка должна оперировать не изображением, как одномерным массивом, а должна понимать, что изображение состоит из двумерных фрагментов, содержание фрагмента может меняться, хотя смысл его остаётся тем-же (пример выше про изменение направления освещения или другое выражение лица), сам фрагмент может сместиться относительно центра изображения и относительно других кусочков (другой ракурс или смена выражения лица), комбинация кусочков может измениться (например, появились очки, изменилась причёска/борода на лице, хотя сам обладатель прежний).

Распознавалки, которые показывают хорошие результаты, как раз многое из перечисленного умеют делать, каждая по своему. Но! Если для какой-то области разработана чёткая частная распознавалка, то более общей будет трудно с ней тягаться, хотя общая распознавалка и применима для более широких условий. Например, в распознавании лиц хорошо разработаны методы определения положения лица, нормализации и выделения ключевых признаков, для фотографий, снятых в хорошо контролируемых условиях. И по этим ключевым признакам отлично работают не самые заумные распознавалки, и этого более чем достаточно. Если правильно предобработанное изображение лица подать на вход нейронной сети (многослойного персептрона), то это тоже считается частной распознавалкой, потому, что для не обработанного изображения у такой сети результаты будут плачевными.

Как именно распознавалки справляются с вышеперечисленными деформациями изображения.

Выделение ключевых точек и их содержания. Например, для лица определяется положение кончика носа, губ, краешков глаза, содержание фрагментов изображения вокруг этих точек, и рассчитываются взаимные расстояния между этими точками. Для рукописных символов это могут быть точки изгиба траектории, угол таких изгибов и расстояние между углами. Частично для поиска этих точек используются методы распознавания образов, частично это логические правила, запрограммированные человеком-экспертом вручную. Потом эти данные подаются на обычную распознавалку. Поскольку двумерные взаимосвязи между точками уже выделены и содержание окрестностей точек найдено, распознавалка уже может справляться с двумерными деформациями с помощью разделения пространства образов. Здесь уже произошёл поиск и сопоставление осей, топология изображения подогнана под топологию пространства образов распознавалки, а расстояния между ключевыми точками позволяют замерить искажения этой топологии, минимизируя различия в ракурсах и обращая внимание на то, какому человеку принадлежит лицо. Причём поиск ключевых точек был:

• итеративным, а не одномоментным снимком вход-выход, без построения длинных логических цепочек, поиск шёл «в ширину» с перебором локальных вариантов,
• перебирались не все возможные варианты, а только самые реальные,
• поиск прекращён по достижении оптимального критерия, оптимальность не гарантированная.

Недостаток такого подхода в том, что анализируется только небольшое число точек, остальное изображение выкидывается, отчего может страдать качество распознавания. Например, если точка найдена неправильно, то это уже фатально, если же анализировать и окрестные области, то ошибку можно минимизировать. Но для отдельных проработанных областей (вроде распознавания лиц) такой подход достаточен.

Следующий способ – деформация изображения. На распознаваемое изображение как-бы натягивается решётка, в узлах которой становятся исходные пиксели. Потом решётка искажается (узлы меняют своё положение) и вычисляется искажённое изображение. Между каждым изображением из тренировочного набора и искажённым изображением вычисляется разница. То исходное изображение, которое за некоторое число итераций искажения дало меньшую разницу с искажённым изображением, считается на него больше всего похожим (минимум искажений при максимуме соответствия). Для поиска направления искажения может быть как критерий минимизации на основе исходного и искажаемого изображения (как в оптических потоках), так и случайный поиск, вроде отжига. Деформации бывают эластичными и неэластичными. Эластичные – это значит, что при искажении узлы решётки не могут перепрыгивать друг друга, например, ухо не залезет в средину носа. Неэластичные соответственно разрешают любые перестановки узлов. Какие из них лучше – точных сравнений уже не помню, но интуитивно эластичные деформации приятнее. Искажения могут проходить по методу отжига, описанному в предыдущей части, в результате чего искажение «застынет» в одном из самых похожих тренировочных образов.

Недостаток такого подхода в том, что он тупо деформирует изображение, стремясь минимизировать попиксельную разницу, совершенно без учёта смысла изображения. Например, улыбку одного человека может разгладить в выражение другого человека, оттого, что попиксельная разница меньше. Или другими словами, допускаются любые траектории искажения изображения (пусть даже эластичные), хотя для реальных изображений эти траектории строго фиксированы, и связаны с изменением ракурса, мимики и т.п. Кроме того, непонятно, что будет, если область испытала не искажение, а, например, появились очки, которых в исходном образе не было. Деформация наверно «сойдёт с ума» попытавшись преобразовать очки в глаза:)

Другой важный момент – такая деформация ищет только похожесть, не занимаясь выяснением отличительных черт, той разницы, что отличает один объект от другого (как это делает нейронная сеть в предыдущих частях). В итоге возможны приколы, когда такая распознавалка будет ловиться на шикарную одинаковую причёску, проигнорировав небольшие изменения в разрезе глаз (это к слову, хорошие системы распознавания выкидывают причёски и прочие «шумовые» факторы ещё на стадии предобработки изображения).

Есть вариация, когда на изображение натягивается не решётка, а более осмысленный каркас, например, для лица включающий такие точки как кончик носа, кончики губ, глаз, ушей, бровей. Такие распознавалки действуют более осмысленно, за счёт того, что им уже подсунули нужные данные. Эти точки даже можно не искать, достаточно задать приближённый каркас, а остальное само найдётся во время деформации. Другое дело, что в тренировочном наборе эти точки должны быть чётко расставлены (а это отдельная и нелёгкая задача, или выполняется частично вручную), и тогда можно сравнить эталонную модель с неизвестной искажённой не только по содержимому точек, но и по характеру искажений решётки. Называется это динамическими графами (или эластичными, не помню точно).

Следующий способ называется Скрытые Марковские Модели (СММ). Суть её описана ниже мутновато (но кратко), зато пример с распознаванием изображений всё проясняет. Грубо говоря, СММ – это матрица вероятностей перехода между состояниями физической системы или сигнала. При попадании в какое-то состояние система выдаёт наружу одно из «значений» из набора «значений» этого состояния. У каждого «значения» этого состояния – своя вероятность выдачи. Причём какие-то «значения» могут быть характерны и для других состояний. Обычно мы не знаем, по каким состояниям проходит процесс сигнала или физической системы, а видим только выдаваемые наружу «значения», поэтому модели и называются скрытыми.

Для распознавания СММ применяются так. Каждый образ рассматривается как последовательность таких «значений». Для каждого класса вычисляется своя СММ. Потом для неизвестного образа запускаются все имеющиеся модели и среди них ищется та, которая выдаёт самую похожую последовательность «значений». Это называется задачей распознавания, и для её решения есть точная формула. Для задачи настройки моделей по имеющимся образам точных формул нет, но, как и в обучении нейронных сетей, есть эвристические (субоптимальные, разновидность градиентного спуска) методы.

Для распознавания изображений хорошо показали себя двумерные СММ. В них за «значение» принимается содержание квадратика изображения со стороной в несколько пикселей. Состояние – это положение этого квадратика на изображении. Изображение плотно покрыто решёткой таких состояний (причём границы соседних квадратиков могут частично перекрываться, что даёт лучший результат распознавания). Матрица переходов построена таким образом, что возможны переходы только между состояниями, которые соседствуют на двумерной решётке изображения. То есть, квадратик с кончиком носа будет искаться между щеками и ртом, но никак не за ухом, и если нос на неизвестном изображении будет найден левее, то левее будут искаться и соседние квадратики – щёки, нос, подбородок и т.п.

Есть вариация обучения СММ, когда каждую СММ изначально «натаскивали» на все тренировочные образы, и только потом уточняли «своими», результат распознавания был выше. То есть, СММ обучилась тому, как выглядит и изменяется типичный объект «вообще», и потом донастроилась на вид и изменения конкретного объекта. И это произошло не за счёт знания точной и конкретной физической модели, а за счёт общей процедуры обучения и конкретных примеров из реального мира.

Получается, что внутри СММ (касается и свёрточных сетей, см. ниже) строится правдоподобная модель объекта. Это не та модель, которая получается, например, при трёхмерном реконструировании изображения, и не та модель, когда вручную определяют набор ключевых признаков и взаимосвязей между ними. СММ, наоборот, воссоздаёт не точную физическую модель, а правдоподобную модель. Модель, которая выдаёт похожее поведение объекта, но за счёт процессов, ничего не имеющих общего с реальной физикой объекта. При правильной настройке, физическая и правдоподобная модель совпадают в выдаваемых результатах, в тех условиях, в которых мы обучили правдоподобную модель. Но за пределами этих условий начинаются расхождения, иногда имеющие интересные эффекты. Например, человек легко узнаёт по карикатуре другого человека, хотя математически изображение карикатуры ну никак не сопоставимо с оцифрованным изображением лица человека. Легко найти и другие повседневные примеры. Человек в своих действиях руководствуется не точными законами физики, а «наивной» физикой, которая действует в бытовых условиях, но совершенно неприменима, когда мы выходим за границы этих условий. Похожее можно найти и в логическом, и в образном мышлении, отсюда происходят фантазии и творчество, посмотрев на которые, человек может сопоставить им или прочувствовать настоящие физические процессы, которые с научной точки зрения такими фантазиями ну никак не могут быть описаны. И кстати, для таких распознавалок нетрудно обратить их «вспять», чтобы по заданному объекту они выдавали вариации его изменений. Естественно, кроме реальных образов, мы ещё получим кучу «фантазий» от распознавалки, странных на наш взгляд. На этом же основано и определение ключевых участков изображения – тех участков, которые вносят наибольший вклад в распознавание. Но к фантазиям и правдоподобным моделям мы ещё вернёмся, продолжим теперь про распознавание изображений.

Таким образом, СММ – это почти идеальная распознавалка изображений:

• она может справляться с деформациями изображения за счёт поиска нужного кусочка в некоторой окрестности,
• деформация изображения эластичная, с учётом специфики распознаваемых объектов (нос не заезжает за ухо),
• может справляться с изменением комбинаций кусочков (вроде изменения причёски или появления очков), за счёт того, что каждому состоянию соответствует несколько значений его кусочков,
• изображение плотно накрыто поисковой сеткой, анализируется целиком.

Но есть у СММ недостаток. СММ не умеют выстраивать разницу между распознаваемыми классами, не умеют находить отличительные характеристики. Нейронные сети, например, говорят «да» распознанному классу и «нет» всем остальным, СММ же говорит «да» всем классам, и из этих «да» выбирается максимальное, которое и считается распознанным классом. И, насколько я понял, СММ не замеряет изменение расстояний между кусочками, что могло бы улучшить результат, а только ищет как бы лучше расположить кусочки на изображении, с учётом их соседства. Хотя было бы интересно найденную таким образом искажённую решётку (в виде расстояний между узлами, где узел – положение кусочка) засунуть в распознавалку.

Следующий способ распознавания изображений – это когнитроны, неокогнитроны и свёрточные нейронные сети (СНС) . Изначально когнитроны как бы и были придуманы на основе строения нейронов зрительной коры, потом усовершенствованы, а в свёрточных сетях из всей этой структуры было выделено рациональное зерно.

Для понимания работы этих сетей надо усвоить самое главное понятие – карты признаков. Представьте, что изображение сканируется небольшим квадратным окном. Положения окна на изображении могут частично перекрываться. В квадрате окна каждому сканируемому пикселю сопоставлен свой вес, и на выход окно выдаёт просуммированное взвешенное значение всех пикселей. Одно-единственное значение. Но поскольку положений окна много, получается двумерная решётка таких значений. Это окошко детектирует наличие какого-то сочетания пикселей (признака) на изображении. В итоге, на выходной решётке получатся высокие значения там, где нужное сочетание пикселей есть, и низкие, там, где содержание ну никак не похоже на то, что мы ищем. Вот эта решётка и называется картой признаков. Причём ищем мы не один признак, а много разных, для каждого из них своё окно со своим набором весов, и в итоге получается несколько параллельных карт признаков на выходе. Каждая карта признаков (как изображение) подаётся на вход своего следующего слоя распознавалки, и тоже получает на выходе ещё несколько параллельных карт. В конечном слое все карты подаются на вход итоговой распознавалки, которая может быть достаточно простой, в оригинале использовался многослойный персептрон.

Понятно, что такая обработка изображения может учитывать небольшие деформации и сдвиги. Есть вариант, когда карты признаков распараллеливают дальше, добавляя карты, в которых происходит сканирование кусочков, повёрнутых под разными углами. За счёт этого распознавалка может справляться с поворотами. Продолжая мысль в этом направлении, можно сделать много чего интересного, например окошки разных размеров и инвариантность к масштабу изображения. Можно сделать дополнительные связи, которые бы шли не только к предыдущим картам в иерархии, но и к более дальним (пахнет уже интеллектуальным анализом сцены). Интересен ещё вариант, когда карта признаков следующего слоя будет сканировать не на одну предыдущую карту, а сразу все (как это и было в оригинальном неокогнитроне). Обработка сразу становится тяжеловеснее (трёхмерное окно), но и мощнее, к сожалению, не в курсе, исследовался ли такой вариант в свёрточной сети. Или вместо этого хотя-бы на конечную распознавалку подавать выходы не только последней карты, но всех из иерархии.

За счёт таких карт признаков, у свёрточных сетей получается качественно иная, более мощная обработка изображения (подумайте почему, представьте ход формирования признаков при движении вверх по иерархии). Как видим, и здесь нет длинных логических цепочек вывода и перебора вариантов, поиск короткий и «широкий» (одновременно-параллельный по всем картам признаков).

В математике, то, что проделывает окно с исходным набором пикселей, называется свёрткой (разновидность пространственно-частотного преобразования), а веса в окне играют роль фильтра. Поэтому сети и называются свёрточными. Слои это делающие тоже называются свёрточными.

Обычно, помимо карт признаков, вводят ещё и усредняющие слои, которые перед подачей карты на следующий слой уменьшают её размер, за счёт усреднения соседних пикселей (как масштабирование изображения), иначе получается огромный объём вычислений, и кроме этого, достигается дополнительное обобщение разных искажений исходного изображения.

Как обучаются такие сети. Первый вариант, можно построить топографическую карту встречающихся в исходном изображении кусочков, а потом уже брать значения из этой карты и по ним строить карты признаков. Точно также строятся топографические карты для следующих слоёв в иерархии, но на вход уже подаются карты признаков. Топографическая карта, это значит, что мы составляем как бы словарь из усреднённых кусочков, встречающихся в изображении. Причём кусочки, во-первых, будут упорядочены в n-мерную решётку, где соседи будут похожи, и во-вторых, что самое для нас интересное, кусочки из словаря хорошо подходят для построения карт признаков, поскольку являются характерными и часто встречающимися фрагментами изображения, потому что абстрактные или редко встречающиеся кусочки не попадут в эту карту, а похожие кусочки будут сгруппированы в один усреднённый. В этом варианте обучение идёт без учителя, поскольку для построения топографической карты не нужна ошибка между желаемым и реальным выходом сети, признаки автоматически группируются по их похожести. Обучается с учителем только конечная распознавалка, на которую поступают выходы с карт признаков последнего слоя.

Второй вариант – веса для карт признаков настраиваются как веса нейронов при обратном распространении ошибки. То есть с выхода сети поступает настройка, которая говорит, какие признаки надо вытаскивать из изображения, чтобы получить результат. В оригинальной работе по свёрточным сетям утверждается, что такая настройка проста, но я бы не стал верить авторам наслово, потому что здесь есть масса вариантов, и далеко не каждый из них даст что-то хорошее. В оригинальном варианте свёрточная сеть обучается и работает очень быстро, и даёт точность, близкую к СММ (но всё-же меньшую). СММ же, при своей потрясающей точности, обучаются очень долго.

Какой из вариантов лучше – не знаю. По идее, с учётом того, что конечная распознавалка обучается с учителем, результаты должны быть похожи.

Из описания архитектуры свёрточных сетей, посмотрим, что они могут делать:

• справляются с деформациями изображения, за счёт того, что признак сканируется по всему изображению,
• умеют комбинировать кусочки (очки/причёска/...), за счёт набора параллельных карт признаков,
• деформации эластичные (нос не заезжает за ухо), за счёт поиска и усреднения в окрестностях.

Чего они не могут делать. Во-первых, наборы признаков составляются для всего изображения целиком. На деле же было бы полезно, чтобы, как и в СММ, для каждой окрестности (точнее даже сказать, для поисковой траектории) были свои наборы признаков. То есть, чтобы в районе глаз, были фильтры исключительно с разными фрагментами глаз, но никак не рта, пусть даже он там никогда не будет найден. Это позволило бы сделать более точный словарь для каждой области, а не усреднённый по всему изображению. Но и одновременно это бы сделало распознавалку более тормозной. Во-вторых (и тесно связанное с первым), чтобы чётко выделялись допустимые траектории каждого фрагмента, и, в процессе распознавания, замерялись изменения расстояний между соседними фрагментами (точнее, поскольку все соседи в решётке связаны, чтобы строились допустимые искажения всей решётки и потом проверялись). Конечно, в каком-то виде свёрточные сети это уже делают, но интуитивно кажется, что это можно сделать оптимальнее. Вариант попроще и побыстрее – сделать локальные карты признаков (с учётом предметной области). Например, области глаз, рта, носа, ушей.

Вот и всё с основными способами распознавания изображений (на примере распознавания лиц). Для других видов изображения принципы распознавания те же самые, адаптированные к своей области, к своим наборам признаков.

Итог таков. При распознавании изображений сначала производится предобработка изображения, потом вручную и/или автоматически извлекаются признаки, эти признаки подаются на любую распознавалку, самая сложная из которых – это нелинейные разделяющие поверхности в пространстве признаков. Этап извлечения признаков может происходить с привлечением физических моделей, для реконструкции сущности объекта, но это уже точная математика. В правила распознавания может быть заложена логика человека-эксперта в данной области. Другой вид распознавалок (деформации изображения, Марковские модели, свёрточные сети) пытается эвристическими методами воссоздать правдоподобную модель предметной области и наложить её на неизвестный образ.

И никаких чудес. Или точные формулы плюс знания человека-эксперта, или тяжёлые и универсальные правдоподобные модели. Упоминание того, как якобы происходит распознавание изображений у человека – это пока больше красивые слова, чем практическое применение.

Каждый объект можно охарактеризовать набором некоторых признаков. Количество признаков зависит от сложности самого объекта. Точность подбора признаков будет влиять на эффективность распознавания объекта, который описывается этим набором.

Рассмотрим пример распознавания простых объектов на основе набора признаков. При реализации метода в качестве основных будем использовать две функции bwlabel и imfeature, которые встроены в приложение Image Processing Toolbox.

Сначала считаем исходное тестовое изображение в рабочее пространство Matlab

L=imread("test_image.bmp");

и визуализируем его

Figure, imshow(L);

Сделаем некоторые замечания относительно исходного изображения. В нашем случае исходные данные представлены бинарным изображением. Это несколько упрощает нашу задачу, поскольку основной акцент в этом примере сделан на распознавание объектов. Однако при решении задач распознавания на основе реальных изображений, в большинстве случаев, важной является задача преобразования исходного изображения в бинарное. Качество решения этой задачи во многом определяет эффективность дальнейшего распознавания.

Функции bwlabel и imfeature в качестве исходных данных используют полутоновые двумерные изображения. Поскольку изображение test_image.bmp было сформировано как бинарное, но сохранено в формате bmp, то из трехмерной матрицы изображения L, которая содержит три идентичных цветовых шара, необходимо выделить один из шаров, например, первый.

L=L(:,:,1);

Такого же результата можно достичь, используя функцию rgb2gray. Таким образом, матрица L представляет бинарное двумерное изображение.

Для дальнейших расчетов определим размеры этого изображения

Size(L);

Далее необходимо локализировать, т.е. определить расположение объектов на изображении. Для этого будем использовать функцию bwlabel, которая ищет на бинарном изображении связные области пикселей объектов и создает матрицу, каждый элемент которой равен номеру объекта, которому принадлежит соответствующий пиксель исходного изображения. Параметр num дополнительно возвращает количество объектов, найденных на исходном бинарном изображении.

Bwlabel(L,8);

Кроме того, в функции bwlabel указывается еще один параметр – значение связности.

Далее приступаем к вычислению признаков объектов, которые отмечены в матрице номеров объектов L. Рассмотрим этот вопрос более подробно. Значения признаков возвращаются в массиве структур feats. Как было отмечено ранее, при распознавании объектов могут использоваться любые наборы признаков.

В рамках этого примера применим наиболее наглядный статистический подход к классификации объектов на основе морфометрических признаков. К основным морфометрическим признакам относятся коэффициенты формы:

1. ‘solidity’ – коэффициент выпуклости: равен отношению площади к выпуклой площади объекта. Представляется числом в диапазоне (0,1].
2. ‘extent’ – коэффициент заполнения: равен отношению площади объекта к площади ограничивающего прямоугольника. Представляется числом в диапазоне (0,1].
3. ‘eccentricity’ – эксцентриситет эллипса с главными моментами инерции, равными главным моментам инерции объекта. Представляется числом в диапазоне (0,1].

Поскольку в данном примере используется тестовое изображение объектов простой формы, то из перечисленных признаков в программной реализации будем использовать только коэффициент заполнения ‘extent’. Как было сказана ранее, параметр ‘extent’ определяется отношением площади объекта к площади ограничивающего прямоугольника. Для круга этот параметр будет равен , а для квадрата – 1. Но эти данные приведены для случая, когда круг и квадрат имеют идеальную форму. Если форма круга или квадрата искажена, то значения параметра ‘extent’ также могут отличаться от приведенных выше значений. Поэтому коэффициенты формы могут вычисляться с некоторой погрешностью. Таким образом, вводя некоторую погрешность в коэффициент формы, допускаются некоторые ее искажения. Причем значение погрешности пропорционально степени искажения. Однако слишком большое значение погрешности может привести к неправильному распознаванию объектов.

Дополнительно также будем определять центр масс объекта с помощью опции ‘centroid’.

Feats=imfeature(L,"Centroid","Extent",8);

Перепишем значения признаков из массива структур feats в отдельные массивы:

Extent=zeros(num); CentX=zeros(num); CentY=zeros(num); for i=1:1:num; Extent(i)=feats(i).Extent; CentX(i)=feats(i).Centroid(1); CentY(i)=feats(i).Centroid(2); end;

Также в рамках этого примера реализуем следующее. Для наглядности, каждый распознанный объект будет подписан. Для реализации этого возможны различные подходы. Один самых простых – это помещать около распознанного объекта изображение с его названием. Для этого прежде нужно сформировать изображения с названиями объектов и считать их в рабочее пространство Matlab. Поскольку на тестовом изображении присутствуют только круги и квадраты, то сформирует и считаем соответствующие изображения.

Krug=imread("krug.bmp"); Kvadrat=imread("kvadrat.bmp"); d=0.15; % погрешность коэффициента формы for i=1:num; L(round(CentY(i)):round(CentY(i))+1,round(CentX(i)):round(CentX(i))+1)=0; if (abs(Extent(i)-0.7822)

Представим результат распознавания

Figure, imshow(L);

Существуют также другие подходы к распознаванию объектов на основе набора признаков. Они различны по своей вычислительной сложности, эффективности и т.п. Однако, в дальнейших материалах рассмотрим те подходы, которые могут быть реализованы с помощью функций, встроенных в систему Matlab.

• Tutorial

Давно хотел написать общую статью, содержащую в себе самые основы Image Recognition, некий гайд по базовым методам, рассказывающий, когда их применять, какие задачи они решают, что возможно сделать вечером на коленке, а о чём лучше и не думать, не имея команды человек в 20.

Какие-то статьи по Optical Recognition я пишу давненько, так что пару раз в месяц мне пишут различные люди с вопросами по этой тематике. Иногда создаётся ощущение, что живёшь с ними в разных мирах. С одной стороны понимаешь, что человек скорее всего профессионал в смежной теме, но в методах оптического распознавания знает очень мало. И самое обидное, что он пытается применить метод из близрасположенной области знаний, который логичен, но в Image Recognition полностью не работает, но не понимает этого и сильно обижается, если ему начать рассказывать что-нибудь с самых основ. А учитывая, что рассказывать с основ - много времени, которого часто нет, становится всё ещё печальнее.

Эта статья задумана для того, чтобы человек, который никогда не занимался методами распознавания изображений, смог в течении 10-15 минут создать у себя в голове некую базовую картину мира, соответствующую тематике, и понять в какую сторону ему копать. Многие методы, которые тут описаны, применимы к радиолокации и аудио-обработке.
Начну с пары принципов, которые мы всегда начинаем рассказывать потенциальному заказчику, или человеку, который хочет начать заниматься Optical Recognition:

• При решении задачи всегда идти от простейшего. Гораздо проще повесить на персону метку оранжевого цвета, чем следить за человеком, выделяя его каскадами. Гораздо проще взять камеру с большим разрешением, чем разрабатывать сверхразрешающий алгоритм.
• Строгая постановка задачи в методах оптического распознавания на порядки важнее, чем в задачах системного программирования: одно лишнее слово в ТЗ может добавить 50% работы.
• В задачах распознавания нет универсальных решений. Нельзя сделать алгоритм, который будет просто «распознавать любую надпись». Табличка на улице и лист текста - это принципиально разные объекты. Наверное, можно сделать общий алгоритм( хороший пример от гугла), но это будет требовать огромного труда большой команды и состоять из десятков различных подпрограмм.
• OpenCV - это библия, в которой есть множество методов, и с помощью которой можно решить 50% от объёма почти любой задачи, но OpenCV - это лишь малая часть того, что в реальности можно сделать. В одном исследовании в выводах было написано: «Задача не решается методами OpenCV, следовательно, она неразрешима». Старайтесь избегать такого, не лениться и трезво оценивать текущую задачу каждый раз с нуля, не используя OpenCV-шаблоны.

Список приведённых тут методов не полон. Предлагаю в комментариях добавлять критические методы, которые я не написал и приписывать каждому по 2-3 сопроводительных слова.

Часть 1. Фильтрация

Бинаризация по порогу, выбор области гистограммы

Классическая фильтрация: Фурье, ФНЧ, ФВЧ

Вейвлеты

Корреляция

Фильтрации функций

Фильтрации контуров

Прочие фильтры

Часть 2. Логическая обработка результатов фильтрации

Морфология

Контурный анализ

Особые точки

Часть 3. Обучение

По существу цель классификатора - отрисовать в пространстве признаков области, характеристические для объектов классификации. Вот так будет выглядеть последовательное приближение к ответу для одного из классификаторов (AdaBoost) в двумерном пространстве:


Существует очень много классификаторов. Каждый из них лучше работает в какой-то своей задачке. Задача подбора классификатора к конкретной задаче это во многом искусство. Вот немножко красивых картинок на тему.

Простой случай, одномерное разделение

Разберём на примере самый простой случай классификации, когда пространство признака одномерное, а нам нужно разделить 2 класса. Ситуация встречается чаще, чем может представиться: например, когда нужно отличить два сигнала, или сравнить паттерн с образцом. Пусть у нас есть обучающая выборка. При этом получается изображение, где по оси X будет мера похожести, а по оси Y -количество событий с такой мерой. Когда искомый объект похож на себя - получается левая гауссиана. Когда не похож - правая. Значение X=0.4 разделяет выборки так, что ошибочное решение минимизирует вероятность принятия любого неправильного решения. Именно поиском такого разделителя и является задача классификации.


Маленькая ремарка. Далеко не всегда оптимальным будет тот критерий, который минимизирует ошибку. Следующий график - это график реальной системы распознавания по радужной оболочке. Для такой системы критерий выбирается такой, чтобы минимизировать вероятность ложного пропуска постороннего человека на объект. Такая вероятность называется «ошибка первого рода», «вероятность ложной тревоги», «ложное срабатывание». В англоязычной литературе «False Access Rate ».
) АдаБуста - один из самых распространённых классификаторов. Например каскад Хаара построен именно на нём. Обычно используют когда нужна бинарная классификация, но ничего не мешает обучить на большее количество классов.
SVM ( , , , ) Один из самых мощных классификаторов, имеющий множество реализаций. В принципе, на задачах обучения, с которыми я сталкивался, он работал аналогично адабусте. Считается достаточно быстрым, но его обучение сложнее, чем у Адабусты и требуется выбор правильного ядра.

Ещё есть нейронные сети и регрессия. Но чтобы кратко их классифицировать и показать, чем они отличаются, нужна статья куда больше, чем эта.
________________________________________________
Надеюсь, у меня получилось сделать беглый обзор используемых методов без погружения в математику и описание. Может, кому-то это поможет. Хотя, конечно, статья неполна и нет ни слова ни о работе со стереоизображениями, ни о МНК с фильтром Калмана, ни об адаптивном байесовом подходе.
Если статья понравится, то попробую сделать вторую часть с подборкой примеров того, как решаются существующие задачки ImageRecognition.

И напоследок

Что почитать?
1) Когда-то мне очень понравилась книга «Цифровая обработка изображений» Б. Яне, которая написана просто и понятно, но в то же время приведена почти вся математика. Хороша для того, чтобы ознакомиться с существующими методами.
2) Классикой жанра является Р Гонсалес, Р. Вудс " Цифровая обработка изображений ". Почему-то она мне далась сложнее, чем первая. Сильно меньше математики, зато больше методов и картинок.
3) «Обработка и анализ изображений в задачах машинного зрения» - написана на базе курса, читаемого на одной из кафедр ФизТеха. Очень много методов и их подробного описания. Но на мой взгляд в книге есть два больших минуса: книга сильно ориентирована на пакет софта, который к ней прилагается, в книге слишком часто описание простого метода превращается в математические дебри, из которых сложно вынести структурную схему метода. Зато авторы сделали удобный сайт, где представлено почти всё содержание - wiki.technicalvision.ru Добавить метки