Машинное зрение

Введение

О существовании специальных систем, которые "автоматически вводят в компьютер текст", знают даже начинающие пользователи. Со стороны все выглядит довольно просто и логично. На отсканированном изображении система находит фрагменты, в которых "узнает" буквы, а затем заменяет эти изображения настоящими буквами, или, по-другому, их машинными кодами. Так осуществляется переход от изображения текста к "настоящему" тексту, с которым можно работать в текстовом редакторе. Как этого добиться?

Основные принципы или целостность восприятия

В основе фонтанного преобразования лежит принцип целостности. В соответствии с ним любой воспринимаемый объект рассматривается как целое, состоящее из частей, связанных между собой определенными отношениями. Так, например, печатная страница состоит из статей, статья - из заголовка и колонок, колонка - из абзацев, абзацы - из строк, строки - из слов, слова - из букв. При этом все перечисленные элементы текста связаны между собой определенными пространствами и языковыми отношениями.

Для выделения целого требуется определить его части. Части же, в свою очередь, можно рассматривать только в составе целого. Поэтому целостный процесс восприятия может происходить только в рамках гипотезы о воспринимаемом объекте - целом. После того как выдвинуто предположение о воспринимаемом объекте, выделяются и интерпретируются его части. Затем предпринимается попытка "собрать" из них целое, чтобы проверить правильность исходной гипотезы. Разумеется, воспринимаемый объект может интерпретироваться в рамках более крупного целого.

Так, читая предложение, человек узнает буквы, воспринимает слова, связывает их в синтаксические конструкции и понимает смысл.

В технических системах любое решение при распознавании текста принимается неоднозначно, а путем последовательного выдвижения и проверки гипотез и привлечения как знаний о самом исследуемом объекте, так и общего контекста. Целостное описание класса объектов восприятия отвечает двум условиям: во - первых, все объекты данного класса удовлетворяют этому описанию, а во- вторых, ни один объект другого класса не удовлетворяют ему. Например, класс изображений буквы "К" должен быть описан так, чтобы любое изображение буквы "К" в него попадало, а изображение всех других букв - нет. Такое описание обладает свойством отображаемости, то есть обеспечивает воспроизведение описываемых объектов: эталон буквы для системы OCR позволяет визуально воспроизвести букву, эталон слова для распознавания речи позволяет произнести слово, а описание структуры предложения в синтаксическом анализаторе позволяет синтезировать правильное предложение. С практической точки зрения отображаемость играет огромную роль, поскольку позволяет эффективно контролировать качество описаний.

Существует два вида целостного описания: шаблонное и структурное.

В первом случае описание представляет собой изображение в растровом или векторном представлении, и задан класс преобразований (например, повтор, масштабирование и пр.).

Во втором случае описание представляется в виде графа, узлами которого являются составляющие элементы входного объекта, а дугами - пространственные отношения между ними . В свою очередь элементы могут оказаться сложными (то есть иметь свое описание).

Конечно, шаблонное описание проще в реализации, чем структурное. Однако оно не может использоваться для описания объектов с высокой степенью изменчивости. Шаблонное описание, к примеру, может приниматься для распознавания только печатных символов, а структурное - еще и для рукописных.

Целостность восприятия предлагает два важных архитектурных решения. Во первых, все источники знания должны работать по возможности одновременно. Нельзя, например, сначала распознать страницу, а затем подвергнуть ее словарной и контекстной обработке, поскольку в этом случае невозможно будет осуществить обратную связь от контекстной обработки к распознаванию. Во вторых, исследуемый объект должен представляться и обрабатываться по возможности целиком.

Первый шаг восприятие - это формирование гипотезы о воспринимаемом объекте. Гипотеза может формироваться как на основе априорной модели объекта, контекста и результатов проверки предыдущих гипотез (процесс "сверху - вниз"), так и на основе предварительного анализа объекта ("снизу - вверх"). Второй шаг - уточнение восприятия (проверка гипотезы), при котором производится дополнительный анализ объекта в рамках выдвинутой гипотезы и в полную силу привлекается контекст.

Для удобства восприятия необходимо провести предварительную обработку объекта, не потеряв при этом существенной информации о нем. Обычно предварительная обработка сводится к преобразованию входного объекта в представление, удобное для дальнейшей работы (например, векторизация изображения), или получение всевозможных вариантов сегментации входного объекта, из которого путем выдвижения и проверки гипотез выбирается правильный. Процесс выдвижения и проверки гипотез должен быть явно отражен в архитектуре программы. Каждая гипотеза должна быть объектом, который можно было бы оценить или сравнить с другими. Поэтому обычно гипотезы выдвигаются последовательно, а затем объединяются в список и сортируются на основе предварительной оценке. Для окончательного же выбора гипотезы активно используется контекст и другие дополнительные источники знаний.

Ныне одним из лидеров в области генетического программирования является группа исследователей из Стэндфордского университета (Stanford University), работающая под руководством профессора Джона Коза. Генетическое программирование вдохнуло новую жизнь в хорошенько уже подзабытый язык LISP (List Processing), который создавался группой Джона Маккарти (того самого, кто в 60-е годы ввел в наш обиход термин "искусственный интеллект") как раз для обработки списков и функционального программирования. Кстати, именно этот язык в США был и остается одним из наиболее распространенных языков программирования для задач искусственного интеллекта.

Распознавание символов

Сегодня известно три подхода к распознаванию символов - шаблонный, структурный и признаковый. Но принципу целостности отвечает лишь первые два.

Шаблонное описание проще в реализации, однако, в отличие от структурного, оно не позволяет описывать сложные объекты с большим разнообразием форм. Именно поэтому шаблонное описание применяется для распознавания лишь печатных символов, в то время как структурное - для рукописных, имеющих, естественно, гораздо больше вариантов начертания.

Шаблонные системы

Такие системы преобразуют изображение отдельного символа в растровое, сравнивают его со всеми шаблонами, имеющимися в базе и выбирают шаблон с наименьшим количеством точек, отличных от входного изображения. Шаблонные системы довольно устойчивы к дефектам изображения и имеют высокую скорость обработки входных донных, но надежно распознают только те шрифты, шаблоны которых им "известны". И если распознаваемый шрифт хоть немного отличается от эталонного, шаблонные системы могут делать ошибки даже при обработке очень качественных изображений!

Структурные системы

В таких системах объект описывается как граф, узлами которого являются элементы входного объекта, а дугами - пространственные отношения между ними . Система реализующие подобный подход, обычно работают с векторными изображениями. Структурными элементами являются составляющие символ линии. Так, для буквы "р" - это вертикальный отрезок и дуга.

К недостаткам структурных систем следует отнести их высокую чувствительность к дефектам изображения, нарушающим составляющие элементы. Также векторизация может добавить дополнительные дефекты. Кроме того, для этих систем, в отличие от шаблонных и признаковых, до сих пор не созданы эффективные автоматизированные процедуры обучения. Поэтому в большинстве продуктов структурные описания пришлось создать в ручную.

Признаковые системы

В них усредненное изображение каждого символа представляется как объект в n-мерном пространстве признаков. Здесь выбирается алфавит признаков, значения которых вычисляются при распознавании входного изображения. Полученный n-мерный вектор сравнивается с эталонными, и изображение относится к наиболее подходящему из них. Признаковые системы не отвечают принципу целостности. Необходимое, но недостаточное условие целостности описания класса объектов (в нашем случае это класс изображений, представляющих один символ)состоит в том, что описанию должны удовлетворять все объекты данного класса и ни один из объектов других классов. Но по-скольку при вычислении признаков теряется существенная часть информации, трудно гарантировать, что к данному классу удастся отнести только <родные> объекты.

Структурно-пятенный эталон

Фонтанное преобразование совмещает в себе достоинства шаблонной и структурной систем и, по нашему мнению, позволяет избежать недостатков, присущих каждой из них по отдельности. В основе этой технологии лежит использование структурно-пятенного эталона. Он позволяет представить изображения в виде набора пятен, связанных между собой n-арными отношениями, задающими структуру символа. Эти отношения (то есть расположение пятен друг относительно друга) образуют структурные элементы, составляющие символ. Так, например, отрезок - это один тип n-арных отношений между пятнами, эллипс -другой, дуга - третий. Другие отношения задают пространственное расположение образующих символ элементов.

В эталоне задаются:

- имя;
- обязательные, запрещающие и необязательные структурные элементы;
- отношения между структурными элементами;
- отношения, связывающие структурные элементы с описывающим прямоугольником символа;
- атрибуты, используемые для выделения структурных элементов;
- атрибуты, используемые для проверки отношений между элементами;
- атрибуты, используемые для оценки качества элементов и отношений;
- позиция, с которой начинается выделение элемента (отношения локализации элементов).

Структурные элементы, выделяемые для класса изображений, могут быть исходными и составными. Исходные структурные элементы - это пятна, составные - отрезок, дуга, кольцо, точка. В качестве составных структурных элементов, в принципе, могут быть взяты любые объекты, описанные в эталоне. Кроме того, они могут быть описаны как через исходные, так и через другие составные структурные элементы.

Например, для распознавания корейских иероглифов (слоговое письмо) составными элементами для описания слога являются описания отдельных букв (но не отдельные элементы букв). В итоге, использование составных структурных элементов позволяет строить иерархические описания классов распознаваемых объектов.

В качестве отношений используются связи между структурными элементами, которые определяются либо метрическими характеристиками этих элементов (например, "длина больше"), либо их взаимным расположением на изображении (например, "правее", "соприкасается").

При задании структурных элементов и отношений используются конкретизирующие параметры, позволяющие доопределить структурный элемент или отношение при использовании этого элемента в эталоне конкретного класса. Для структурных элементов конкретизирующими могут являться, например, параметры, задающие диапазон допустимой ориентации отрезка, а для отношений - параметры, задающие предельное допустимое расстояние между характерными точками структурных элементов в отношении "соприкасается".

Конкретизирующие параметры используются также для вычисления "качества" конкретного структурного элемента изображения и "качества" выполнения данного отношения.

Построение и тестирование структурно-пятенных эталонов для классов распознаваемых объектов - процесс сложный и трудоемкий. База изображений, которая используется для отладки описаний, должна содержать примеры хороших и плохих (предельно допустимых) изображений для каждой графемы, а изображения базы разделяются на обучающее и контрольное множества.

Разработчик описания предварительно задает набор структурных элементов (разбиение на пятна) и отношения между ними. Система обучения по базе изображений автоматически вычисляет параметры элементов и отношений. Полученный эталон проверяется и корректируется по контрольной выборке изображений данной графемы. По контрольной же выборке проверяется результат распознавания, то есть оценивается качество подтверждения гипотез.

Распознавание с использованием структурно-пятенного эталона происходит следующим образом. Эталон накладывается на изображение, и отношения между выделенными на изображении пятнами сравниваются с отношениями пятен в эталоне. Если выделенные на изо-бражении пятна и отношения между ними удовлетворяют эталону некоторого символа, то данный символ добавляется в список гипотез о результате распознавания входного изображения.