Нижегородский государственный технический университет
им.
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»
Распознавание образов
Лабораторная работа
Выполнил студент группы 10-В-1:
Проверил:
г. Нижний Новгород
2014
Задание
Решить задачу обнаружения и различения заданного двухмерного сигнала в поле зрения NxM, кратного четырем.
Сигналы:
- Размер сигнала n x m (кратный четырем) Яркость сигнала однородна. Форма сигнала произвольная, но известная. Вид: инициалы и дата рождения.
Помехи:
- «соль/ перец» с вероятностью p = 0,1; 0,2; 0,3; 0,4 синусоидальная помеха
- горизонтальная или вертикальная число периодов волны в поле зрения: 1; 2; 4 амплитуда 0.6, 0.7, 0.8 от максимальной яркости
Описание задания
Генерация изображения
Поле зрение – поле размером 256х256 пикселей. Цветность – оттенки черного. Генерация изображения разбита на два этапа: генерация сигнала и генерация помехи.
Генерация сигнала.
В качестве двумерных сигналов возьмем следующие символы: С, О,о,0,8,3,1,9,4.
Размеры символов составляют 40x40 пикселей. Символы выполнены в виде ч/б изображения для обеспечения однородности яркости сигнала. Необходимо чтобы сигналы появлялись в поле зрения случайным образом. Для генерируются случайные местоположения сигналов внутри области.
Генерация помехи.
Помеха «соль/перец» - представляет собой высокочастотную импульсную помеху, применяемую к изображению. С заданной вероятностью выбираются пиксели изображения, и выполняется инверсия их яркости.
Синусоидальная помеха, применяемая к изображению – единая яркость строк(столбцов) пикселей, меняющаяся с заданным шагом при движении в перпендикулярном направлении. При этом яркость может принимать промежуточные значения, а не только 1(белый цвет) или 0(черный цвет).
Алгоритм обнаружения
Распознавание – процесс принятия решения об исходном сигнале на основании определенного критерия. В нашем случае в качестве критерия, определяющего принадлежность символа к тому или иному эталонному изображению, является факт нахождения минимальной разности откликов от каждого из 16-ти фильтров-масок.
С помощью этих фильтров-масок вычисляются эталоны для каждого сигнала, то есть отклики фильтров. Рассчитываются они как разность количества информативных пикселей (с нулевой яркостью), попавших в черную область маски и попавших в белую область.
Маски для создания эталонов
Алгоритм работы
Процесс поиска и распознавания делится на этапы:
Определяется отклик для каждого известного сигнала по всем фильтрам для последующего сравнения. Т. н. эталонный отклик. «Окно поиска» размером 40х40(размер символа) проходит по пикселям области распознавания. Для каждого из выбранных пикселей формируются отклики по всем шестнадцати фильтрам. Определяется модуль разности («дельта») каждого отклика с эталонным откликом. Все 16 разностей суммируются и сохраняются в массиве вместе с координатами текущего положения «окна». Находится минимальная «дельта», которая и определяет минимальное отличие найденного символа от исходного. При этом область с соответствующими координатами - это и есть та самая область, где предположительно находится искомый символ. На этом задача распознавания считается завершённой.Интерфейс программы
В левой части окна программы находится поле зрение, на котором и будет происходить поиск и распознавание.
Чуть ниже располагается область ответа – если сигнал распознан, то здесь отобразиться его индекс.
Индексы сигналов и сами сигналы представлены в правой части окна в области Сигнал. Сигнал можно выбрать радиокнопкой, установленной рядом, при этом область поля зрения прорисуется с уже новым символом в новом месте.
Область Помеха помогает настроить уровень им тип шума. Можно указать вероятность помех Соль-перец(С/П), направление синусоидальной помехи, а также её период.
После указания помех следует нажать кнопку Обновить. Таким образом поле зрения будет перерисовнао уже с помехами.
Кнопка Распознать запускает работу алгоритма поиска и распознавание символа.
Результаты работы
Распознавание без помех (при p=0):
Ошибок в распознавании нет.
Распознавание с помехами при p=0.1:
Ошибок в распознавании нет.
Распознавание с помехами при p=0.2:
Ошибок в распознавании нет.
Распознавание с помехами при p=0.3:
Выявлены ошибки.
Из 9 экспериментов:
- 1 ошибка первого рода 3 ошибки второго рода
Распознавание с помехами при p=0.4:
Выявлены ошибки.
Из 9 экспериментов:
- 1 ошибка первого рода 7 ошибок второго рода
Проведем эксперименты с Синусоидальной помехой с разными периодами и помехой Соль-Перец.
Вероятность помехи с/п р=0.2:
В 9 экспериментах ошибок в распознавании нет на любом из периодов.
Вероятность помехи с/п р=0.3:
Выявлены ошибки.
Из 9 экспериментов при периоде равном 1:
- 1 ошибка первого рода 2 ошибки второго рода
На других периодах количество ошибок существенно не изменилось.
Вероятность помехи с/п р=0.4:
Выявлены ошибки.
Из 9 экспериментов при периоде равном 1:
- 1 ошибка первого рода 3 ошибки второго рода
При изменении периода на 4 количество ошибок второго рода возросло до 8 в 9 экспериментах.
На основании нескольких экспериментов можно сделать вывод - ошибки первого и второго рода начинают появляться при вероятности помехи «соль-перец» ≥ 0.3.
Пример ошибки 1 рода:
Сигнал обнаружен, но не распознан.
Пример ошибки 2 рода:
Сигнал не найден. За сигнал принят другой объект.
Выводы
Алгоритм распознавания объектов, основанный на переборе и суммировании яркостей точек объекта в приделах рабочего поля дал хорошие результаты.
На эффективность распознавания объектов влияют следующие моменты:
Вероятность помех: При вероятности помех равным 0.3, начинает наблюдаться неверное распознавание. Равномерность яркостей по всем фильтрам Вероятность полного попадания символа на темную сторону синусоидальной волны.Использование полного перебора при прииске объекта, не является максимально эффективным методом, так как на это уходит достаточное количество времени
