Đồ án Tìm ứng dụng mạng neural trong nhận dạng kí tự

LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn các thầy, các cô khoa Công nghệ Thông tin Trường Đại học Dân lập Hải Phòng đã tận tình dạy dỗ, truyền đạt cho chúng em nhiều kiến thức quý báu. Em xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Th.s Ngô Trường Giang, người đã tận tình giúp đỡ và truyền đạt nhiều kinh nghiệm để đề tài có thể được thực hiện và hoàn thành. Xin chân thành cảm ơn các bạn trong khoa Công Nghệ Thông Tin, Đại Học Dân Lập Hải Phòng đã giúp đỡ, động viên tôi rất nhiều trong quá trình thực hiện đề tài. Em xin trân thành cảm ơn! Hải Phòng, tháng 07 năm 2007. Sinh viên Bùi Quang Chiến MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay không ai có thể phủ nhận vai trò cực kỳ quan trọng của máy tính trong nghiên cứu khoa học kỹ thuật cũng như trong đời sống. Máy tính đã làm được những điều kỳ diệu và giải được những vấn đề tưởng chừng nan giải. Càng ngày càng có nhiều người tự hỏi, liệu máy tính có khả năng suy nghĩ như con người hay chưa? Chúng ta sẽ không trả lời câu hỏi ấy. Thay vào đó, chúng ta sẽ nêu ra những khác biệt chủ yếu giữa cách làm việc của máy tính và bộ óc con người. Một máy tính, dù có mạnh đến đâu chăng nữa, đều phải làm việc theo một chương trình chính xác đã được hoạch định trước bởi các chuyên gia. Bài toán càng phức tạp thì việc lập trình càng công phu. Trong khi đó con người làm việc bằng cách học tập và rèn luyện, khi làm việc con người có khả năng liên tưởng, kết nối sự việc này với sự việc khác, và quan trọng hơn hết, họ có thể sáng tạo. Do có khả năng liên tưởng, con người có thể dễ dàng làm nhiều điều mà việc lập trình cho máy tính đòi hỏi rất nhiều công sức. Chẳng hạn như việc nhận dạng hay trò chơi ô chữ. Một em bé có thể tự học hỏi để nhận dạng và phân loại đồ vật chung quanh mình, biết được cái gì là thức ăn, cái gì là đồ chơi. Một người bình thường cũng có thể đoán được vài chữ trong một ô chữ. Nhưng thật khó mà dạy cho máy tính làm được những việc ấy. Từ lâu các nhà khoa học đã nhận thấy những ưu điểm của bộ óc con người và tìm cách bắt chước để thực hiện trên những máy tính, tạo cho nó có khả năng học tập, nhận dạng và phân loại. Các mạng neural nhân tạo đã ra đời từ những nỗ lực đó. Nó thực sự được chú ý và nhanh chóng trở thành một hướng nghiên cứu đầy triển vọng trong mục đích xây dựng các máy thông minh tiến gần tới trí tuệ con người. Đặc biệt là lĩnh vực nhận dạng. Trong đồ án này sẽ trình bày “Ứng dụng mạng neural trong nhận dạng kí tự”. Nội dung báo cáo gồm những chương sau: Chương 1:Tổng quan về mạng neural nhân tạo. Chương 2: Ứng dụng mạng neural nhận dạng kí tự. Chương 3: Cài đặt chương trình thử nghiệm. TỔNG QUAN VỀ MẠNG NEURAL NHÂN TẠO Khái niệm mạng neural . Tìm hiểu về Neural. Neural sinh học: Một neural được cấu gồm những thành phần chính sau: Dendrite, Soma, Synapse, Axon như hình 1.1. Hình 1.1: Mô hình neural sinh học Soma là thân của neural. Các dendrites là các dây mảnh, dài, gắn liền với soma, chúng truyền dữ liệu (dưới dạng xung điện thế) đến cho soma xử lý. Bên trong soma các dữ liệu đó được tổng hợp lại, có thể xem gần đúng sự tổng hợp ấy như là một phép lấy tổng tất cả các dữ liệu mà neural nhận được. Một loại dây dẫn tín hiệu khác cũng gắn với soma là các axon. Khác với dendrites, axons có khả năng phát các xung điện thế, chúng là các dây dẫn tín hiệu từ neural đi các nơi khác. Chỉ khi nào điện thế trong soma vượt quá một giá trị ngưỡng nào đó thì axon mới phát một xung điện thế, còn nếu không thì nó ở trạng thái nghỉ. Axon nối với các dendrites của các neural khác thông qua những mối nối đặc biệt gọi là synapse. Khi điện thế của synapse tăng lên do các xung phát ra từ axon thì synapse sẽ nhả ra một số chất hoá học (neurotransmitters); các chất này mở "cửa" trên dendrites để cho các ions truyền qua. Chính dòng ions này làm thay đổi điện thế trên dendrites, tạo ra các xung dữ liệu lan truyền tới các neural khác. Có thể tóm tắt hoạt động của một neural như sau: neural lấy tổng tất cả các điện thế vào mà nó nhận được, và phát ra một xung điện thế nếu tổng ấy lớn hơn một ngưỡng nào đó. Các neural nối với nhau ở các synapses. Synapse được gọi là mạch khi nó cho phép truyền dẫn dễ dàng tín hiệu qua các neural khác. Ngược lại, một synapse yếu sẽ truyền dẫn tín hiệu rất khó khăn. Các synapses đóng vai trò rất quan trọng trong sự học tập. Khi chúng ta học tập thì hoạt động của các synapses được tăng cường, tạo nên nhiều liên kết mạnh giữa các neural. Có thể nói rằng người nào học càng giỏi thì càng có nhiều synapses và các synapses ấy càng mạnh mẽ, hay nói cách khác, thì liên kết giữa các neural càng nhiều, càng nhạy bén. Neural nhân tạo: Neural nhân tạo là một đơn vị tính toán có nhiều đầu vào và một đầu ra, mỗi đầu vào đến từ một liên kết. Đặc trưng của neural là một hàm kích hoạt phi tuyến chuyển đổi tổ hợp tuyến tính của tất cả các tín hiệu đầu vào thành tín hiệu đầu ra. Hàm kích hoạt này đảm bảo tính chất phi tuyến cho tính toán của mạng neural. y1 y2 b0 yk a f wk w1 w2 Đầu vào Đầu ra a=f( åw’y+b) Hình1.2: Mô hình một neural nhân tạo Một neural được cầu tạo gồm các thành phần chính : liên kết neural, bộ cộng , hàm kích hoạt. Liên kết neural là một thành phần của mạng neural nhận tạo để liên kết giữa các neural, nó nối đầu ra của neural lớp này với đầu vào của một neural trong lớp khác. Đặc trưng của thành phần liên kết là một trọng số mà mỗi tín hiệu đi qua đều được nhân với trọng số này. Các trọng số liên kết chính là các tham số tự do cơ bản của mạng neuron, có thể thay đổi được nhằm thích nghi với môi trường xung quanh. Bộ cộng dùng để tính tổng các tín hiệu đầu vào của neural, đã được nhân với các trọng số liên kết tương ứng. phép toán được mô tả ở đây tạo nên một bộ hợp tuyến tính. Hàm kích hoạt hay còn gọi hàm kích hoạt phi tuyến, chuyển đổi một tổ hợp tuyến tính của tất cả các tín hiệu đầu vào thành tín hiệu đầu ra. Hàm kích hoạt này đảm bảo tính chất phi tuyến cho tính toán mạng neural. Nó được xem như là một hàm giới hạn, nó giới hạn phạm vi biên độ cho phép của tín hiệu đầu ra trong một khoảng giá trị hữu hạn. Mô hình neural trong hình 1.2 còn bao gồm một hệ số điều chỉnh b tác động từ bên ngoài. Hệ số điều chỉnh b có tác dụng tăng lên hoặc giảm đi đầu vào thực của hàm kích hoạt, tùy theo nó dương hay âm. Bảng 1.1 : Một số hàm kích hoạt cơ bản trong mạng neural: Tên hàm Công thức hardlim a = 0 với n < 0 a = 1 với n ³ 0 hardlims a = -1 với n < 0 a = 1 với n ³ 0 purelin a = n Satlin a = 0 với n < 0 a = n với 0 £ n £ 1 a = 1 với n > 1 satlins a = -1 với n < 0 a = n với 0 £ n £ 1 a = 1 với n > 1 tansig poslin a = 0 với n < 0 a = n với n ³ 0 compet a = 1 với neural có n lớn nhất a = 0 với các neural còn lại logsig Mạng neural nhân tạo. Là một hệ thống bao gồm nhiều phần tử xử lý đơn giản (hay còn gọi là neural) tựa như neural thần kinh của não người, hoạt động song song và được nối với nhau bởi các liên kết neural. Mỗi liên kết kèm theo một trọng số nào đó, đặc trưng cho tính kích hoạt hoặc ức chế giữa các neural. Có thể xem các trọng số là phương tiện để lưu trữ thông tin dài hạn trong mạng neural và nhiệm vụ của quá trình huấn luyện của mạng là cập nhật các trọng số khi có thêm thông tin về mẫu học. Hay nói một cách khác, các trọng số đều được điều chỉnh sao cho dáng điệu vào ra của mạng sẽ mô phỏng hoàn toàn phù hợp với môi trường đang xem xét. Mô hình mạng neural. Hình 1.3: Sơ đồ đơn giản về một mạng neural nhân tạo Mô hình mạng neural ở trên gồm 3 lớp: lớp nhập (input), lớp ẩn(hidden) và lớp xuất (output). Mỗi nút trong lớp nhập nhận giá trị của một biến độc lập và chuyển vào mạng. Dữ liệu từ tất cả các nút trong lớp nhập được tích hợp – ta gọi là tổng trọng số – và chuyển kết quả cho các nút trong lớp ẩn. Gọi là “ẩn” vì các nút trong lớp này chỉ liên lạc với các nút trong lớp nhập và lớp xuất, và chỉ có người thiết kế mạng mới biết lớp này (người sử dụng không biết lớp này). Các nút trong lớp xuất nhận các tín hiệu tổng trọng hóa từ các nút trong lớp ẩn. Mỗi nút trong lớp xuất tương ứng với một biến phụ thuộc. Đặc trưng của mạng neural. Tính phi tuyến. Một neural có thể tính toán một cách tuyến tính hay phi tuyến. Một mạng neural, cấu thành bởi sự kết nối các neural phi tuyến thì tự nó sẽ có tính phi tuyến. Hơn nữa, điều đặc biệt là tính phi tuyến này được phân tán trên toàn mạng. Tính phi tuyến là một thuộc tính rất quan trọng, nhất là khi các cơ chế vật lý sinh ra các tín hiệu đầu vào (ví dụ tín hiệu tiếng nói) vốn là phi tuyến. Tính chất tương ướng đầu vào đầu ra. Mặc dù khái niệm “học” hay “huấn luyện” chưa được bàn đến nhưng để hiểu được mối quan hệ đầu vào-đầu ra của mạng neural, chúng ta sẽ đề cập sơ qua về khái niệm này. Một mô hình học phổ biến được gọi là học với một người dạy hay học có giám sát liên quan đến việc thay đổi các trọng số liên kết của mạng neural bằng việc áp dụng một tập hợp các mẫu tích luỹ hay các ví dụ tích luỹ. Mỗi một ví dụ bao gồm một tín hiệu đầu vào và một đầu ra mong muốn tương ứng. Mạng neural nhận một ví dụ lấy một cách ngẫu nhiên từ tập hợp nói trên tại đầu vào của nó, và các trọng số liên kết của mạng được biến đổi sao cho có thể cực tiểu hoá sự sai khác giữa đầu ra mong muốn và đầu ra thực sự của mạng theo một tiêu chuẩn thống kê thích hợp. Sự tích luỹ của mạng được lặp lại với nhiều ví dụ trong tập hợp cho tới khi mạng đạt tới một trạng thái ổn định mà ở đó không có một sự thay đổi đáng kể nào của các trọng số liên kết. Các ví dụ tích luỹ được áp dụng trước có thể được áp dụng lại trong thời gian của phiên tích luỹ nhưng theo một thứ tự khác. Như vậy mạng neural học từ các ví dụ bằng cách xây dựng nên một tương ứng đầu vào-đầu ra cho vấn đề cần giải quyết. Tính chất thích nghi. Các mạng neural có một khả năng mặc định là biến đổi các trọng số liên kết tuỳ theo sự thay đổi của môi trường xung quanh. Đặc biệt, một mạng neural đã được tích luỹ để hoạt động trong một môi trường xác định có thể được tích luỹ lại một cách dễ dàng khi có những thay đổi nhỏ của các điều kiện môi trường hoạt động. Tính chất đưa ra lời giải có bằng chứng. Trong ngữ cảnh phân loại mẫu, một mạng neural có thể được thiết kế để đưa ra thông tin không chỉ về mẫu được phân loại, mà còn về sự tin cậy của quyết định đã được thực hiện. Thông tin này có thể được sử dụng để loại bỏ các mẫu mơ hồ hay nhập nhằng. Tính chất chấp nhận sai xót. Một mạng neural, được cài đặt dưới dạng phần cứng, vốn có khả năng chấp nhận lỗi, hay khả năng tính toán thô, với ý nghĩa là tính năng của nó chỉ thoái hoá khi có những điều kiện hoạt động bất lợi. Ví dụ, nếu một neural hay các liên kết kết nối của nó bị hỏng, việc nhận dạng lại một mẫu được lưu trữ sẽ suy giảm về chất lượng. Khả năng cài đặt VLSI(Very-large-scale-intergrated). Bản chất song song đồ sộ của một mạng neural làm cho nó rất nhanh trong tính toán đối với một số công việc. Đặc tính này cũng tạo ra cho một mạng neural khả năng phù hợp cho việc cài đặt sử dụng kỹ thuật Very-large-scale-intergrated (VLSI). Kỹ thuật này cho phép xây dựng những mạch cứng tính toán song song quy mô lớn. Chính vì vậy mà ưu điểm nổi bật của VLSI là mang lại những phương tiện hữu hiệu để có thể xử lý được những hành vi có độ phức tạp cao. Tính chất đồng dạng trong phân tích và thiết kế. Về cơ bản, các mạng neural có tính chất chung như là các bộ xử lý thông tin. Chúng ta nêu ra điều này với cùng ý nghĩa cho tất cả các lĩnh vực có liên quan tới việc ứng dụng mạng neural. Đặc tính này thể hiện ở một số điểm như sau: Các neural, dưới dạng này hoặc dạng khác, biểu diễn một thành phần chung cho tất cả các mạng neural. Tính thống nhất này đem lại khả năng chia sẻ các lý thuyết và các thuật toán học trong nhiều ứng dụng khác nhau của mạng neural. Các mạng tổ hợp (modular) có thể được xây dựng thông qua một sự tích hợp các mô hình khác nhau. Phân loại mạng neural nhân tạo. Phân loại theo kiểu liên kết neural. Ta có mạng neural truyền thẳng và neural mạng qui hồi. Trong mạng truyền thẳng các neural đi theo một hướng nhất định tạo thành đồ thị không có chu trình, các đỉnh là các neural còn các cạnh là các liên kết giữa chúng. Các mạng qui hồi cho phép các liên kết neural tạo thành chu trình, các thông tin ra của các neural được truyền lại cho các neural đã góp phần kích hoạt chúng, nên mạng qui hồi còn có khả năng lưu giữ trạng thái trong của nó dưới dạng các ngưỡng kích hoạt ngoài các trọng số liên kết neural. Một số loại mạng neural. Mạng dẫn tiến . Có thể nói mạng neural dẫn tiến là một kiểu mạng đơn giản trong việc sắp đặt mạng. Trong mạng này thông tin chỉ truyền trên một hướng duy nhất. từ lớp đầu vào xuyên qua lớp ẩn (nếu có) và kết thúc tại lớp đầu ra. Không có chu trình hoặc vòng trong mạng. a. Các mạng dẫn tiến đơn mức. Trong một mạng neural phân mức, các neural được tổ chức dưới dạng các mức. Với dạng đơn giản nhất của mạng phân mức, chúng ta có một mức đầu vào gồm các nút nguồn chiếu trực tiếp tới mức đầu ra gồm các neural. Mức đầu vào Mức đầu ra Hình 1.4: Mạng tiến với một mức neural Như vậy, mạng thực sự là không có chu trình. Nó được minh hoạ trong hình 1.4 cho trường hợp ba nút đối với cả mức đầu ra và đầu vào. Một mạng như vậy được gọi là một mạng đơn mức. “Đơn mức” tức là chỉ có một mức, chính là mức đầu ra gồm các nút tính toán (các neural). Chúng ta không tính mức đầu vào của các nút nguồn vì không có tính toán nào được thực hiện ở đây. b. Các mạng dẫn tiến đa mức. Lớp thứ hai của một mạng neural dẫn tiến được phân biệt bởi sự có mặt của một hay nhiều mức ẩn, mà các nút tính toán của chúng được gọi là các neural ẩn hay các đơn vị ẩn (thuật ngữ “ẩn” ở đây mang ý nghĩa là không tiếp xúc với môi trường). Chức năng của các neural ẩn là can thiệp vào giữa đầu vào và đầu ra của mạng một cách hữu hiệu. Bằng việc thêm một vài mức ẩn, mạng có khả năng rút ra được các thống kê bậc cao của tín hiệu đầu vào. Khả năng các neural ẩn rút ra được các thống kê bậc cao đặc biệt có giá trị khi mức đầu vào có kích thước lớn. Mạng neural trong hình 1.5 được gọi là kết nối đầy đủ với ý nghĩa là tất cả các nút trong mỗi mức của mạng được nối với tất cả các nút trong mức tiếp sau. Nếu một số kết nối không tồn tại trong mạng, chúng ta nói rằng mạng là kết nối không đầy đủ. Mức đầu vào Mức ẩn Mức đầu ra gồm các nút gồm các gồm các nguồn neural ẩn neural đầu ra Hình 1.5: Mạng tiến kết nối đầy đủ với một mức ẩn và một mức đầu ra Mạng quy hồi . Trái với mạng neural dẫn tiến , mạng nổn quy hồi là những mô hình với hai luồng dữ liệu có hướng. Trong khi mạng dẫn tiến truyền dữ liệu theo một đường thẳng thì những mạng neural quy hồi có ít nhất một phản hồi từ những neural xử lý sau quay trở lại các neural xử lý trước đó. Hình 1.6: Mạng hồi quy không có neural ẩn và không có vòng lặp tự phản hồi Hình 1.7: Mạng hồi quy có các neural ẩn Xây dựng mạng neural. Về cơ bản ta có thể hiểu mạng neural là một đồ thị có hướng như hình 1.8. Trong đó các đỉnh của đồ thị là các neural và các cạnh của đồ thị là các liên kết giữa các neural. x h1 h2 h3 g2 g1 f Hình 1.8: Sơ đồ đồ thị có hướng đơn giản Vì vậy để xây dựng một mạng neural ta xây dựng một đồ thị có hướng: số đỉnh của đồ thị bằng số neural trong mạng, giá trị của các cạnh chính là trọng số liên kết neural. Ví dụ xây dựng một mạng neural đơn giản: Đầu vào: Cho : Mạng neural có sô lớp (với sô lớp>1). Mỗi lớp có số neural trong một lớp (số neural>=1). Trọng số w liên kiết neural ngẫu nhiên trong khoảng (-a,a). Đầu ra: Mạng neural nhân tạo. Kiểu dữ liệu: chọn lưu dữ kiểu mảng : int số lớp; int số neural[số lớp]; float w[i][j][k]; với 2<=i<=số lớp, 1<=j,k<=số neural[] , Thuật toán. Bước 1: Chọn lớp i=2 là lớp bắt đầu Bước 2: Chọn lớp i là lớp hiện thời. Bước 3 : Tại lớp đang xét i , xét neural thứ j . Bước 4: Thực hiện khởi tạo ngẫu nhiên trọng số kết nối với neural k của lớp i-1 trong khoảng (-a,a). w(i,j,k)=random(-a,a) Bước 5: Nếu k <= số neural[i-1] quay lại “Bước 4”, ngược lại thực hiện “Bước 6”. Bước 6: Nếu j<= số neural[i] quay lại “Bước 3”, ngược lại thực hiện “Bước 7”. Bước 7: Nếu i<=số lớp quay lại “Bước 3”. ngược lại kết thúc. Huấn luyện mạng neural. Phương pháp học. Mạng neural nhân tạo phỏng theo việc xử lý thông tin của bộ não người, do vậy đặc trưng cơ bản của mạng là có khả năng học, khả năng tái tạo các hình ảnh và dữ liệu khi đã học. Trong trạng thái học thông tin được lan truyền theo hai chiều nhiều lần để học các trọng số. Có 3 kiểu học chính, mỗi kiểu học tương ứng với một nhiệm vụ học trừu tượng. Đó là học có giám sát (có mẫu), học không giám sát và học tăng cường. Thông thường loại kiến trúc mạng nào cũng có thể dùng được cho các nhiệm vụ. Học có giám sát. Một thành phần không thể thiếu của phương pháp này là sự có mặt của một người thầy (ở bên ngoài hệ thống). Người thầy này có kiến thức về môi trường thể hiện qua một tập hợp các cặp đầu vào - đầu ra đã được biết trước. Hệ thống học (ở đây là mạng neural) sẽ phải tìm cách thay đổi các tham số bên trong của mình (các trọng số và các ngưỡng) để tạo nên một ánh xạ có khả năng ánh xạ các đầu vào thành các đầu ra mong muốn. Sự thay đổi này được tiến hành nhờ việc so sánh giữa đầu ra thực sự và đầu ra mong muốn. Học không giám sát. Trong học không có giám sát, ta được cho trước một số dữ liệu x và hàm chi phí cần được cực tiểu hóa có thể là một hàm bất kỳ của dữ liệu x và đầu ra của mạng, f – hàm chi phí được quyết định bởi phát biểu của bài toán. Phần lớn các ứng dụng nằm trong vùng của các bài toán ước lượng như mô hình hóa thống kê, nén, lọc, phân cụm. Học tăng cường. Dữ liệu x thường không được tạo trước mà được tạo ra trong quá trình một agent tương tác với môi trường. Tại mỗi thời điểm t, agent thực hiện hành động yt và môi trường tạo một quan sát xt với một chi phí tức thời Ct, theo một quy trình động nào đó (thường là không được biết). Mục tiêu là một sách lược lựa chọn hành động để cực tiểu hóa một chi phí dài hạn nào đó, nghĩa là chi phí tích lũy mong đợi. Quy trình hoạt động của môi trường và chi phí dài hạn cho mỗi sách lược thường không được biết, nhưng có thể ước lượng được. Mạng neural nhân tạo thường được dùng trong học tăng cường như một phần của thuật toán toàn cục. Các bài toán thường được giải quyết bằng học tăng cường là các bài toán điều khiển, trò chơi và các nhiệm vụ quyết định tuần tự (sequential decision making) khác. Thuật toán học. Thuật toán học của mạng neural một lớp. Xét trường hợp perceptron sử dụng hàm kích hoạt ngưỡng: (1.1) Nếu ta cho w0=-t và v0=1, ta có thể viết lại (1.2) Thuật toán: Thuật toán học của perceptron hay mạng neural một lớp gồm 3 bước chính: Bước 1: Khởi tạo: Khởi tạo trọng số w (0 hoặc ngẫu nhiên). Chọn tốc độ học µ. Bước 2 : Học Với mỗi mẫu (x,t) trong tập học. Tính y=f(x, w). Nếu y!=t thay đổi vectơ trọng số w với: w(mới (cũ)+ µ(t-y)x; Bước 3: lặp lại bước 2 cho tất cả các mẫu. Nhận xét: Phương trình w.v=0 là chính là siêu phẳng trong không gian d-chiều, suy ra perceptron có khả năng phân lớp tuyến tính, có khả năng giải bài toán quy hồi tuyến tính. Hạn chế: Không thể phân lớp phi tuyến. Giải pháp: sử dụng mạng neural nhiều tầng MLP Thuật toán học của mạng neural nhiều lớp. Huấn luyện mạng neural nhiều lớp sử dụng thuật toán Lan truyền ngược gồm hai quá trình: Quá trình truyền tuyến tính và quá trình truyền ngược: Quá trình truyền tuyến tính: Dữ liệu từ lớp nhập qua lớp ẩn và đến lớp xuất để: Thay đổi giá trị của trọng số liên kết W của các neural trong mạng biểu diễn được dữ liệu học. Tìm ra sự khác nhau giữa giá trị thật hàm mẫu mà mạng tính được và kết quả dự đoán của mạng gọi là lỗi (học có giám sát). Quá trình truyền ngược: Giá trị lỗi sẽ được truyền ngược lại sao cho quá trình huyến luyện(học) sẽ tìm ra trọng số Wi để lỗi nhỏ nhất. Thuật toán: Xét mạng neural 3 lớp : input, hiden và output. Hàm kích hoạt các neural : logistic (sigmoid). g(x)= (1.3) Bước 1: Khởi tạo trọng số w ngẫu nhiên nhỏ. Bước 2 : Chọn lớp đầu vào x và đính nó vào lớp đầu vào . Bước 3 : Truyền sự kích hoạt qua trọng số đến khi kich hoạt các neural đầu ra. Bước 4: Tính đạo hàm riêng “δE” theo trọng số cho lớp xuất. sử dụng GRADIENT của hàm lỗi . Bước 5: Tính đạo hàm riêng “δE” theo trọng số cho lớp ẩn. sử dụng GRADIENT của hàm lỗi. Bước 6: Cập nhật tất cả trọng số theo Wi=W(i-1)-µ(δE/ δ Wi) Bước 7: quay lai “Bước 2” cho đến “Bước 6” cho tất cả các mẫu. Trong đó: GRADIENT hàm lỗi: Đối với các neural lớp đầu ra: w2 wk w1 z=g(v) v=b0 + g(x)= y1 y2 b0 yk Hàm lỗi: (1.4) ( t là giá trị thật của mẫu huấn luyện) Đạo hàm riêng của hàm lỗi theo trọng số b: (1.5) Ta có: Đặt: Ta được: (1.6) Đối với các a2 ad a1 y=g(u) v=a0 + x1 x2 a0 Lớp đầu ra neural lớp ẩn: Đạo hàm riêng của hàm lỗi theo trọng số: (1.7) Ta có: Đặt: Ta được: (1.8) Sau khi tính được đạo hàm riêng của hàm lỗi theo từng trọng số, trọng số sẽ được điều chỉnh bằng cách trừ bớt đi 1 lượng bằng tích của đạo hàm riêng và tốc độ học: (1.9) Những hạn chế của phương pháp lan truyền ngược: Ngoài những thành công của giải thuật học lan truyền ngược, vẫn còn có một số khía cạnh làm cho giải thuật trở nên chưa được bảo đảm là mọi lúc đều tốt. Khó khăn chủ yếu là ở quá trình huấn luyện lâu. Có thể do nhịp độ học và động lực không tối ưu. Sự sai sót trong việc huấn luyện nói chung xuất hiện từ hai nguồn: mạng liệt và những cực tiểu địa phương. Mạng liệt: xảy ra khi những trọng số được điều chỉnh tới những giá trị rất lớn. Tổng đầu vào của một đơn vị ẩn hoặc đơn vị đầu ra có thể bởi vậy mà đạt giá trị rất cao (hoặc dương hoặc âm), và qua hàm kích hoạt sigmoid, đơn vị sẽ có một giá trị kích hoạt rất gần 0 hoặc rất gần 1. Giá trị hiệu chỉnh trọng số gần 0, và quá trình huấn luyện có thể đi đến một trạng thái dừng ảo. Cực tiểu địa phương: bề mặt sai số của mạng rất phức tạp đầy những ngọn đồi và những thung lũng. Bởi vì sự hạ độ dốc, mạng có thể bị mắc bẫy tại một cực tiểu địa phương khi có nhiều cực tiểu thấp hơn gần bên cạnh. Những phương pháp thống kê có thể giúp để tránh cái bẫy này, nhưng chúng làm chậm. Một phương án khác là tăng thêm số lượng đơn vị ẩn. Như vậy sẽ làm việc trong không gian sai số nhiều chiều, nên cơ hội gặp bẫy nhỏ hơn. Tuy nhiên việc tăng cũng có giới hạn trên, khi vượt qua giới hạn này, cơ hội mắc bẫy lại tăng lên. Thu thập dữ liệu cho mạng neural. Một khi ta quyết định giải quyết một vấn đề sử dụng những mạng neural ta cần phải thu thập dữ liệu cho mục tiêu huấn luyện. Tập hợp dữ liệu huấn luyện bao gồm một số trường hợp, mỗi trường hợp chứa những giá trị của đầu vào vả đầu ra khác nhau. Những việc đầu tiên cần làm là: những biến nào được sử dụng, bao nhiêu trường hợp cần thu thập. Sự lựa chọn do trực giác quyết định. Công việc chuyên môn của ta trong lĩnh vực cần giải quyết sẽ cho ta những ý tưởng về các biến đầu vào phù hợp. Trong những mạng neural ta có thể chọn và loại bỏ nhiều biến và mạng neural cũng có thể xác định bằng quá trình thực nghiệm. Trong một bước ta nên tính đến bất kỳ biến nào mà ta nghĩ có ảnh hưởng đến quá trình thiết kế. Những mạng neural xử lý dữ liệu số trong một tầm giới hạn rõ ràng. Điều này đưa ra một vấn đề, nếu dữ liệu nằm trọng một vùng đặc biệt như dữ liệu chưa biết hay không phải dữ liệu số. Thì phải có những phương pháp xử lý thích hợp, chẳng hạn. Dữ liệu số được chia nhỏ thành những khoảng thích hợp cho mạng và những giá trị thiếu có thể thay thế bằng giá trị trung bình hay giá trị thống kê của biến đó thông qua những biến khác đã được huấn luyện. Xử lý dữ liệu không phải số thì khó hơn. Loại dữ liệu không phải là số thông thường nhất là những biến có giá trị định danh như giới tính(nam, nữ). Biến định danh có thể biểu diễn bằng số học và mạng neural có chức năng hỗi trợ điều này. Tuy nhiên, mạng neural làm việc tốt với những trường hợp biến định danh là một tập nhiều giá trị. Số trường hợp mẫu dùng để huấn luyện mạng rất khó xác định. Đã có một vài hướng dẫn về mối liên hệ giữa số trường hợp mẫu với kích thước mạng(cách đơn giản nhất là số trường hợp mẫu gấp 10 lần số kết nối trong mạng). Thực ra số trường hợp mẫu cũng có liên quan đến độ phức tạp của hàm mà mạng phải học. Khi số biến tăng lên, số trường hợp mẫu cần huấn luyện cũng tăng phi tuyến, vì thế với số các biến nhỏ(50 hoặc nhỏ hơn) thì lại cần một số lớn các trường hợp mẫu. Trong hầu hết các vấn đề trong thực tế, số trường hợp mẫu là khoảng hàng trăm hay hàng nghìn mẫu. Đối với những vấn đề rất phức tạp thì cần nhiều hơn, nhưng trường hợp này rất ít. Nếu dữ liệu huấn luyện ít hơn, rõ ràng không đủ thông tin để huấn luyện mạng, và cách tốt nhất là dùng mạng tuyến tính. Nhiều vấn đề trong thực tế có dữ liệu không đáng tin cậy, một vài dữ liệu bị phá hỏng do liệu do nhiễu, hoặc các giá trị không phối hợp đựợc với nhau. Mạng neural có khả năng đặc biệt xử lý dữ liệu bị mất(sử dụng giá trị trung bình hay các những giá trị thống kê khác). Mạng neural cũng chịu được nhiễu, nhưng cũng phải có giới hạn. Nếu thỉnh thoảng có giá trị nằm xa ra khỏi vùng giá trị bình thường thì mạng huấn luyện phải có ngưỡng. Cách tốt nhất đối với trường hợp này là nhận ra và loại bỏ những giá trị nằm xa đó ( có thể hủy trường hợp này hoặc xem giá trị nằm xa này là giá trị bị mất ). Nếu giá trị này khó nhận ra, mạng neural có chức năng huấn luyện chịu được giá trị nằm khỏi vùng này nhưng huấn luyện này thường kém hiệu quả hơn là huấn luyện chuẩn. Tóm lại cách thu thập dữ liệu có thể nói gọn lại như sau: Chọn những giá trị huấn luyện có tác dụng. Dữ liệu số và biến có giá trị định danh có thể xử lý trực tiếp bằng mạng neural. Chuyển những loại biến khác sang một trong các dạng này. Cần hàng trăm hoặc hàng ngàn trường hợp mẫu huấn luyện; càng nhiều biến thì càng nhiều mẫu huấn luyện. Mạng neural có khả năng nhận ra những biến hữu dụng để huấn luyện. Biểu diễn chi thức cho mạng neural. Chúng ta có thể đưa ra định nghĩa về tri thức như sau: Tri thức chính là thông tin được lưu trữ hay các mô hình được con người và máy móc sử dụng để biểu diễn thế giới thực, phán đoán về thế giới và có những đáp ứng phù hợp với thế giới bên ngoài. Các đặc tính cơ bản của diễn tri thức là: Thông tin gì thực sự được biểu diễn. Làm thế nào thông tin được mã hóa một cách vật lý cho việc sử dụng sau này. Trong các ứng dụng thực tế của các máy tính thông minh, có thể nói rằng một giải pháp tốt phụ thuộc vào một biến tri thức tốt. Điều đó cũng đúng với các mạng neural, một lớp đặc biệt của các máy thông minh. Tuy nhiên, các dạng biểu diễn có thể từ các đầu vào thành các tham số bên trong của mạng là rất đa dạng, và có khuynh hướng là cho việc tìm ra một giải pháp thích hợp nhằm biểu diễn tri thức bằng phương tiện mạng neural trở nên một sự thách thức về thiết kế. Ở đây cần nhấn mạnh rằng mạng neural lưu trữ thông tin về thế giới thực bằng chính bản thân cấu trúc của nó kể cả về mặt hình dạng cũng như giá trị tham số bên trong(có thể thay đổi được để nắm bắt môi ). Một nhiệm vụ chính của mạng neural là học một mô hình của thế giới thực để đạt được một số mục đích xác định cần quan tâm. Tri thức của thế giới bao gồm hai loại thông tin sau: Trạng thái thế giới đã biết, được biểu diễn bởi các sự kiện về những cái đã biết; dạng tri thức này được xem như là các thông tin ban đầu. Các quan sát(đo đạc) về thế giới, thu nhập được thông qua các bộ cảm biến được thiết kế để thăm dò môi trường mà trong đó mạng hoạt động. Nói chung, các quan sát này luôn bị nhiễu và sai lệch do nhiều nguyên nhân khác nhau. Các quan sát thu nhận được như vậy cung cấp một quỹ thông tin, mà từ đó lấy ra các ví dụ được dùng để huấn luyện mạng neural. Do cấu trúc một mạng neural là vô cùng đa dạng, nên để có thể biểu diễn tri thức một cách có hiệu quả, người ta đưa ra bốn quy tắc chung sau: Quy tắc 1. Các đầu vào tương tự từ các lớp tương tự cần phải luôn tạo ra những biểu diễn tương tự trong mạng, và như vậy nên được phân lớp thuộc về cùng một loại. Trong tiêu chuẩn này, người ta thường sử dụng một số thước đo để xác định độ “tương tự” giữa các đầu vào (ví dụ khoảng cách euclide). Quy tắc 2. Các phần tử mà có thể phân ra thành các lớp riêng biệt thì nên có những biểu diễn khác nhau đáng kể trong mạng. Quy tắc 3. Nếu một đặc trưng nào đó đặc biệt quan trọng thì nên có một số lượng lớn neural liên quan đến việc biểu diễn đặc trưng này trong mạng. Số lượng lớn các neural bảo đảm mức độ chính xác cao trong việc thực hiện các quyết định và nâng cao khả năng chịu đựng các neuron hỏng. Quy tắc 4. Thông tin ban đầu và các tính chất bất biến nên được đưa vào trong thiết kế ban đầu của một mạng neural, và như vậy sẽ giảm bớt gánh nặng cho quá trình học. Quy tắc 4 đặc biệt quan trọng vì nếu chúng ta áp dụng nó một cách thích hợp sẽ dẫn đến khả năng tạo ra các mạng neural với một kiến trúc chuyên biệt. Điều này thực sự được quan tâm do một số nguyên nhân sau: 1. Các mạng neural thị giác và thính giác sinh học được biết là rất chuyên biệt. 2. Một mạng neural với cấu trúc chuyên biệt thường có một số lượng nhỏ các tham số tự do phù hợp cho việc chỉnh lý hơn là một mạng kết nối đầy đủ. Như vậy mạng neural chuyên biệt cần một tập hợp dữ liệu nhỏ hơn cho việc tích luỹ; nó học sẽ nhanh hơn, và thường có khả năng tổng quát hoá tốt hơn. 3. Tốc độ chuyển thông tin qua một mạng chuyên biệt là nhanh hơn. 4. Giá của việc xây dựng một mạng chuyên biệt sẽ nhỏ hơn do kích thước nhỏ của nó so với mạng kết nối đầy đủ. Một số vấn đề của mạng neural. Khi xây dựng một ứng dụng mạng neural chúng ta cần quan tâm một số vấn đề sau: Vấn đề về kiến trúc mạng neural : neural nào nối với neural nào? Đây chính là sự lựa chọn mô hình của mạng neural. Nó sẽ phụ thuộc vào sự trình bày dữ liệu và ứng dụng. Những mô hình phức tạp quá dẫn đến những vấn đề lựa chọn quá trình huấn luyện hay là việc lựa chọn giải thuật học. Lựa chọn giải thuật học: ở đây có nhiều sự cân bằng giữa các giải thuật học. Gần như bất kỳ giải thuật nào sẽ làm tốt với độ chính xác của các siêu tham số cho việc huấn luyện trên tập dữ liệu cố định cho trứớc. Tuy nhiên sự lựa chọn và điều hướng của giải thuật cho việc huấn luyện trên các tập dữ liệu này cần thực hiện nhiều thí nghiệm, đó là điều rất quan trọng. Trên một mô hình nếu lựa chọn giải thuật và hàm đánh giá phù hợp thì mạng neural có thể cho kết quả rất tốt. Trọng số của các cung nối và ngưỡng thay đổi thường xuyên. Đã có nhiều nghiên cứu về vấn đề này và cũng đã có một số kết quả : Nếu mạng gây ra lỗi, thì có thể xác định neural nào gây ra lỗi => điều chỉnh neural đó. Với cách tiếp cận này, mạng phải biết rằng nó gây ra lỗi. Trong thực tế, lỗi chỉ được biết sau một thời gian dài. Chức năng của nột neural không quá đơn giản như mô hình. Bởi vì mạng neural hoạt động như một hộp đen. Một số hướng dẫn khi sử dụng mạng neural. Xây dựng mạng khởi tạo(dùng một lớp ẩn có số neural= ½ tổng số neural của lớp nhập và l ớp xuất). Huấn luyện mạng dùng các giải thuật huấn luyện. Nên thực hiện trên nhiều mạng khác nhau để tránh trường hợp cực tiểu cục bộ. Nếu máy “Không thuộc bài” => thêm một vài neural cho tầng ẩn. Ngược lại nếu máy “Học vẹt”=> bớt một vài neural ra khỏi tầng ẩn. Khi đã tìm được một kiến trúc mạng tương đối tốt lấy mẫu lại tập dữ liệu và huấn luyện lại để tìm các mạng mới. Ứng dụng của mạng neural. Mạng neural trong một vài năm trở lại đây đã được nhiều người quan tâm và đã áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực khác nhau, như tài chính, y tế, địa chất và vật lý. Thật vậy, bất cứ ở đâu có vấn đề về dự báo, phân loại và điều khiển, mạng neural đều có thể ứng dụng được. Ví dụ như khả năng nhận dạng mặt người trong các hệ thống quản lý thông tin liên quan đến con người (quản lý nhân sự ở các công sở, doanh nghiệp; quản lý học sinh, sinh viên trong các trường trung học, đại học và cao đẳng;… ); các ngành khoa học hình sự, tội phạm; khoa học tướng số, tử vi,… Kết hợp chặt chẽ với logic mờ, mạng neural nhân tạo đã tạo nên cuộc cách mạng thực sự trong việc thông minh hóa và vạn năng hóa các bộ điều khiển kỹ thuật cao cho cả hiện nay và trong tương lai. Ví dụ như ứng dụng tự động điều khiển hệ thống lái tàu, hệ thống dự báo sự cố,… Mạng neural dựa trên việc mô phỏng cấp thấp hệ thống neural sinh học. Trong tương lai với sự phát triển mô phỏng neural sinh học, chúng ta có thể có loại máy tính thông minh thật sự. ỨNG DỤNG MẠNG NEURAL NHẬN DẠNG KÍ TỰ Giới thiệu Nhận dạng ký tự là một ứng dụng đang được rất nhiều người quan tâm nhưng nó đầy khó khăn và thử thách. Điều rất khó của khả năng nhận dạng phù hợp kí tự là các kiểu ngôn ngữ rất phức tạp không theo quy luật do biến đổi trong font, kiểu và kích cỡ. Với một số phương thức lập trình truyền thống đã ánh xạ ảnh kí tự vào trong ma trận, phân tích ảnh hoặc vector dữ liệu, kiểm tra đưa ra quyết định phù hợp của kết quả. Việc thực thi này trong lập trình truyền thống cần viết mã nguồn vô tận cho mỗi kiểu đối với sự không nhất quán hay sự trênh lệch với các giá trị đầu ra khác nhau. Lý thuyết này không hiện thực. Sử dụng mạng neural nhân tạo với những mạng làm việc đúng quy tắc từ việc cập nhật lại các trọng số liên kết giữa các nút mạng. Với ưu điểm là mạng có thể nhận dữ liệu từ những phân tích sinh động của các ảnh đầu vào và việc huấn luyện cho các kí tự đầu ra cho mẫu nói cách khác là khả năng thích nghi với môi trường dữ liệu đầu vào sinh động. Phát biểu bài toán Cho bài toán nhận dạng kí tự với đầu vào là trang văn bản trên định dạng file ảnh (*.bmp,*.jmp,…). Yêu cầu là xây dựng chương trình nhận dạng kí tự văn bản trên file ảnh. Sử dụng công cụ là mạng nơron và đầu ra là tập hợp các kí tự lư trữ dưới dạng văn bản. Giả thiết giai đoạn tiền xử lý đã được thực hiện : ảnh đã được phân ngưỡng, xoay ảnh, lọc nhiễu... Đề tài này chỉ đi sâu nghiên cứu quá trình nhận dạng kí tự của mạng neural. Ý tưởng bài toán : Phân tích ảnh cho kí tự: Chia ảnh theo dòng và tách ký tự theo từng vùng giới hạn Chuyển đổi kí tự sang ma trận điểm ảnh. Chuyển thành ma trận tuyến tính và đưa vào mạng neural. Đưa và mạng neural tính giá trị đầu ra. Hiển thị kí tự của mã Unicode thu được. Các bước giải quyết bài toán sử dụng mạng neural nhận dạng ký tự: Xây dựng mạng, xử lý dữ liệu(phân tích ảnh), huấn luyện mạng nueral và nhận dạng mạng neural Các bước giải quyết giải quyết bài toán Xây dựng mạng neural. Chọn mạng đa tầng Feedforward với 3 lớp : 500 neural Lớp ẩn 150 neural Lớp đầu vào Điểm ảnh Điểm ảnh Điểm ảnh Điểm ảnh 0 hoặc 1 0 hoặc 1 0 hoặc 1 0 hoặc 1 16 neural Lớp đầu ra Hình 2.1: Sơ đồ mạng neural thiết kế Lớp đầu vào gồm 150 neural nhận giá trị nhị phân(0,1) của 150 thành phần của véctơ tương ứng. dữ liệu được véc tơ hóa từ ma trận điểm ảnh kí tự bằng phương pháp chia lưới. Lớp ẩn gồm 500 neural, số neural này được quyết định từ những kết quả tối ưu và giá trị lỗi cơ sở trong quá trình huấn luyện. Lớp đầu ra gồm 16 neural đưa ra giá trị nhị phân(0,1) tương ứng với 16 bít của mã Unicode. Với những lớp nói ở trên ta đã xây dụng được mạng neural như hình 2.1. Xử lý dữ liệu (phân tích ảnh). Quá trình phân tích ảnh để tìm ra đặc tính của kí tự bởi việc kiểm tra điểm ảnh nó là giá trị đầu vào cho cả quá trình huấn luyện và quá trình kiểm tra. Quá trình phân tích này dựa trên việc nhận dạng từ ảnh đầu vào bằng phương pháp tính giá trị màu. Giới hạn của giá trị là điểm đen RGB(0,0,0) hoặc điểm trẳng RGB(255,255,255). Những ảnh đầu vào được định dạng bitmap(*.bmp). Tách dòng kí tự. Sự liệt kê các dòng của kí tự trong một ảnh kí tự hay một trang văn bản là một trong yếu tố quan trọng trong quá trình tìm giới hạn của kí tự, khi tìm giới hạn của kí tự tiếp theo chúng ta không cần quét trên toàn bộ ảnh. Thuật toán: Bắt đầu từ điểm ảnh x, y đầu tiên (0,0), và đặt là dòng 0. Quét đến hết chiều rộng của ảnh trên một giá trị y của ảnh. Nếu là phát hiện điểm đen thì lưu giá trị y là đỉnh của hàng đầu tiên: Nếu không xét tiếp điểm tiếp theo. Nếu không thấy điểm đen nào thì tăng y và khởi động lại x để quét dòng ngang tiếp theo. Bắt đầu từ đỉnh cuả hàng tìm thấy (0,giới hạn trên). Quét đến hết chiều rộng của ảnh trên một giá trị y của ảnh. Nếu không phát hiện điểm đen nào thì đánh dấu giá trị y-1 là giới hạn dưới của hàng. Và tăng số dòng, xét dòng tiếp theo. Nếu vẫn phát hiện thấy điểm đen tăng y và khởi động lại x xét hàng ngang tiếp theo. Bắt đầu từ giới hạn dưới của hàng ngang tìm thấy sau cùng lặp lại từ bước 1 đến bước 4 tìm dòng kế tiếp. Nếu y bằng chiều cao của ảnh thì dừng. Ảnh đầu vào Quá trình tách dòng Giới hạn trên Gới hạn dưới Hình 2.2: Quá trình tách dòng kí tự Tách kí tự. Thuật toán Bắt đầu từ kí tự đầu tiên của hàng trên cùng với giá trị x đầu tiên. Quét hết chiều rộng với một giá trị y. Nếu phát hiện điểm đen đánh dấu y như là đỉnh của hàng đầu tiên. Nếu không xét điểm tiếp theo. Bắt đầu từ giới hạn trên của kí tự phát hiện được và giá trị x đầu tiên.(0,giới hạn trên kí tự) . Quét đến giới hạn dưới của dòng, giữ nguyên x. Nếu phát hiện điểm đen đánh dấu x là phía trái của kí tự. Nếu không xét điểm tiếp theo. Nếu không thấy điểm đen nào tăng x và khởi động lại y để xét đường thẳng đứng tiếp theo. Bắt đầu từ phía trái của kí tự tìm thấy và đỉnh của dòng hiện thời, (giới hạn trái kí tự, giới hạn trên dòng). Quét hết chiều rộng của ảnh. Trên cùng một giá trị x. Nếu không có điểm đen nào thì đánh dấu x-1 là bên phải của kí tự. Nếu phát hiện điểm đen tăng x và khởi động lại y để xét đường thẳng đứng tiếp theo. x y Quá trình tách kí tự (0,0) Gới hạn phải kí tự Gới hạn trái kí tự Hình 2.3: Quá trình tách kí tự Tìm giới hạn kí tự. Trong một số trường hợp quá trình tách kí tự có thể không phải là giới hạn thực tế của kí tự. Ở đây xuất hiện vấn đề không sắp xếp kí tự theo quy luật như sắp xếp dòng kí tự. Tức là đỉnh của một hàng không tất yếu là đỉnh của tất cả và tương tự đáy của của một hàng cũng không là đáy của tất cả các kí tự trên một dòng. Từ đây cần có một thủ tục tìm giới hạn kí tự. Thuật toán Bắt đầu từ đỉnh của dòng hiện thời và bên trái của kí tự. Quét đến bên phải của kí tự. cùng một giá trị y. Nếu phát hiện điểm đen thì đánh dấu y và thay đổi lại giới hạn trên. Nếu không xét điểm tiếp theo. Nếu không tìm thấy điểm đen nào tăng y và khởi động lại x, xét đường thẳng ngang tiếp theo. Bắt đầu từ giới hạn dưới của dòng và bên trái của kí tự. Quét tới bên phải của kí tự trên một giá trị y. Nếu phát hiện điểm đen, đánh dấu y là giới hạn dưới của kí tự. Nếu không phát hiện điểm đen giảm y và khởi động lại x xét đường thẳng ngang tiếp theo. Quá trình tìm giới hạn Gới hạn trên ký tự Gới hạn dưới ký tự Hình 2.4: Quá trình tìm giới hạn kí tự Ánh xạ vào ma trận Bước tiếp theo là ta phải ánh xạ ảnh của kí tự vào một ma trận nhị phân hai chiều tương ứng. Một việc rất quan trọng ở đây là việc quyết định cỡ của ma trận. Nếu các điểm ảnh của kí tự được ánh xạ vào ma trận. tuy nhiên việc này dẫn đến việc xử lý các ma trận rất lớn. Để cho cân bằng hợp lý ta sẽ chuẩn hóa cỡ của ma trận bằng 10x15 với 150 phần tử. Thuật toán: Đối với chiều rộng: Khởi tạo với 10 phần tử tương ứng. Ánh xạ điểm đầu (0,y) và điểm cuối (C_rong,y) của ảnh kí tự tương ứng với giá trị đầu (0,y) và giá trị cuối (10,y) của ma trận. Chia nhỏ chiều rộng thành 10 giá trị tương ứng. Đối với chiều cao: Khởi tạo với 15 phần tử tương ứng. Ánh xạ điểm đầu (x,0) và điểm cuối (x,C_cao) của ảnh kí tự tương ứng với giá trị đầu (x,0) và giá trị cuối (x,15) của ma trận. Chia nhỏ chiều cao thành 15 giá trị tương ứng. Hình 2.5: Quá trình chia lưới kí tự Để đưa giá trị vào mạng neural ta cần chuyển ma trận điểm ảnh sang ma trận giá trị. Thuật toán: Bắt đầu từ phần tử (0,0). Tăng x giữ nguyên giá trị y cho tới khi bằng chiều rộng của ma trận. Ánh xạ mỗi phần tử tới một phần tử của mảng tuyến tính. Nếu là điểm đen thì nhận giá trị bằng 1. Ngược lạI nhận giá trị bằng 0. Nếu x = chiều rộng thì khởi động lại x và tăng y. Lặp lại cho tới khi (x,y)=( C_Rong, C_Cao). Hình 2.6: Quá trình ánh xạ từ ma trận điểm sang ma trận giá trị. Huấn luyện mạng neural. Một mạng neural đã được xây dựng sẽ phải được huấn luyện trên một không gian đầu vào đã được chuẩn bị trước. Khi hoạt động mạng neural sẽ đọc giá trị đã được huấn luyện. Một vài vấn đề cẩn thiết cho việc huấn luyện mạng: Tại sao lại có sự khác nhau của không gian đầu vào? Môi một đầu vào khác nhau giá trị ngẫu nhiên và trong một phạm vi giới hạn không có giá trị luồng nào dự đoán được giữa các giá trị của nó. Tại sao có sự phức tạp của các tham số cho việc huấn luyện mạng? Các tham số phức tạp là các kí tự thường thường bởi các đặc trưng chồng lấp và kích cỡ dữ liệu cao. Cái gì cần được sử dụng cho những giá trị của : Tốc độ học. Hệ số góc Sigmoid. Trọng số kết nối cơ sở. Có bao nhiêu lần lặp cần thiết cho việc huấn luyện mạng của một tập đầu vào? Giá trị ngưỡng của lỗi là bao nhiêu được sử dụng để so sánh tương phản trong việc xác định quá trình dừng của việc lặp lại nếu có nhu cầu xuất hiện. Sự phức của các dữ liệu tham số riêng lẻ cũng là vấn đề khác trong quá trình nhận dạng. Mỗi một kí tự lại có một số lớn đặc tính phân biệt mà cần phải tính toán để nhận dạng nó một cách chính xác. Sự loại bỏ một số đặc tính có thể có kết quả của trong sự tương đồng của các mẫu. Sự tối thiểu của dữ liệu yêu cầu cho nó là một trong những phần phức tạp nhất của không gian đầu vào trong việc nhận dạng. Thuật toán: Xây dựng mạng tương ứng với mô hình tham số. Khởi tạo giá trị trọng số với giá trị ngẫu nhiên. Nạp file huấn luyện (cả ảnh đầu vào và đầu ra mong muốn). Phân tích ảnh và ánh xạ tất cả kí tự tìm thấy vào các mảng một chiều. Đọc giá trị đầu ra mong muốn từ file và chuyển đổi từng kí tự tới giá trị nhị phân Unicode và lưu trữ riêng biệt. Với mỗi kí tự: Tính toán giá trị đầu ra của mạng Feed ForWard. So sánh với giá trị đầu ra mong muốn tương ứng với từng kí tự và tính toán lỗi. truyền ngược giá trị từ đầu và với mỗi liên kết điều chỉnh trọng số liên kết. Chuyển sang kí tự tiếp theo và lặp lại “6” cho tới khi hết các kí tự. Tính toán trung bình lỗi cho tất cả các kí tự. Lặp lại từ bước 6 đến 8 cho tới khi đạt số đưa vào của số lần lặp tối đa. với phạm vi lỗi đạt đến ngưỡng. Nếu như vậy thì bỏ lặp lại. ngược lại tiếp tục lặp lại. Sơ đồ khối quá trình huấn luyện được chỉ ra trong hình 2.7. BẮT ĐẦU Xây dựng mạng Khởi tạo trọng số Nạp file huấn luyện Phân tích ảnh Phát hiện kí tự tiếp theo Các kí tự sẵn sàng ? Các kí tự sẵn sàng ? Đọc đầu ra mong muốn Tính đầu ra của mạng Tính lỗi Các kí tự sẵn sàng ? Lỗi < ngưỡng ? Số lần lặp =max epochs ? Tính trung bình lỗi Vector đầu vào tiếp theo KẾT THÚC Đ S Cập nhật trọng số S Đ S S Đ Đ S Đ Hình 2.7: Sơ đồ khối quá trình huấn luyện mạng neural Nhận dạng ảnh kí tự. Đ S Đ S BẮT ĐẦU Tính toán đầu ra Dòng đầu tiên Ánh xạ kí tự tới vector Phân tích dòng ảnh Chuyển từ Unicode sang kí tự Hết kí tự trên dòng ? Hết Các dòng ? Dòng tiếp theo Kí tự tiếp theo KẾT THÚC Quá trình nhận dạng của mạng neural đơn giản và dễ hiểu. Khi chương trình chạy sẽ gọi các modun: phân tích ảnh, vector hóa... trong quá trình huấn luyện có thể được sử dụng lại trong quá trình nhận dạng. Những bước cơ sở để nhận dạng ảnh của kí tự có thể tóm tắt bởi sơ đồ hình 2.8 dưới đây: Hình 2.8: Sơ đồ khối quá trình nhận dạng kí tự: Thuật toán: Nạp file ảnh. Phân tích ảnh cho các dòng kí tự. Với mỗi dòng tách các kí tự liên tiếp. Phân tích và xử lý ảnh kí tự cho việc ánh xạ vào một vectơ đầu vào. Đưa giá trị vecto đầu vào cho mạng neural và tính toán giá trị đầu ra. Chuyển đổi mã Unicode đầu ra từ nhị phân tới kí tự tương ứng và trả ra dưới dạng textbox. CÀI ĐẶT CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM Môi trường thử nghiệm. Phần cứng : Một máy tính pentum IV. Card đồ họa 256 MB. Ram 512 MB . Phần mềm : Ngôn ngữ sử dụng: C# trong bộ visual studio 2005. Tập dữ liệu là những ảnh bitmap với số ký tự đầu vào từ 120 đến 160 ký tự của hai loại font: Arial và Tahoma với các kích thước: 8,10,12,14,18,20. Giao diện chương trình. Hình 3.1: Giao diện chương trình thực nghiệm Bảng mã ASCII sử dụng trong chương trình Trong đề tài này chúng ta sử dụng mã Unicode gồm 256 mã được mã hóa bằng 16 bit. Đây cũng là lý do mà số neural đầu ra là 16 neural, tương ứng với 16 bit của mã Unicode. Dưới đây bảng 3.1 là một số mã ASCII sử dụng trong quá trình thực nghiệm: Bảng 3.1 Một số mã sử dụng trong quá trình thực nghiệm Kí tự Mã thập phân Mã Hexa A 65 41 B 66 42 C 67 43 D 68 44 E 69 45 F 70 46 G 71 47 H 72 48 I 73 49 J 74 4A K 75 4B L 76 4C M 77 4D N 78 4E O 79 4F P 80 50 Q 81 51 R 82 52 S 83 53 T 84 54 U 85 55 Kí tự Mã thập phân Mã Hexa V 86 56 W 87 57 X 88 58 Y 89 59 Z 90 5A a 97 61 b 98 62 c 99 63 d 100 64 e 101 65 f 102 66 g 103 67 h 104 68 i 105 69 j 106 6A k 107 6B l 108 6C m 109 6D n 110 6E o 111 6F p 112 70 Kí tự Mã thập phân Mã Hexa q 113 71 r 114 72 s 115 73 t 116 74 u 117 75 v 118 76 w 119 77 x 120 78 y 121 79 z 122 7A 0 48 30 1 49 31 2 50 32 3 51 33 4 52 34 5 53 35 6 54 36 7 55 37 8 56 38 9 57 39 Thực nghiệm Thực nghiệm quá trình tính giá trị một số tham số đầu vào: Thực nghiệm tìn số lần lặp lại. Quá trình tăng số lần lặp có sinh ra quan hệ tỷ lệ rõ ràng của mạng. Tuy nhiên trong trường hợp cụ thể việc tăng số lần lặp có một số hiệu ứng bất lợi của nhiều số đưa vào dẫn đến nhận dạng sai. Từng phần riêng có thể thuộc tính của tham số tốc độ học. Nó là giới hạn tối ưu và mở rộng việc cập nhật kết quả trọng số trong trạng thái vòng tối ưu. Với việc tăng sự lặp đi lặp lại mạng sẽ thử lại tới trạng thái mong muốn và tiếp tục quay lại. Vì vậy cần có số lần lặp tối ưu với lỗi chấp nhận được. Các giá trị khác số kí tự=124, tốc độ học=150, Sigmoid slope=0.014 Bảng 3.2 : Thực nghiệm tìm số lần lặp Kiểu font 300 600 900 Số kí tự lỗi. % lỗi Số kí tự lỗi. % lỗi Số kí tự lỗi. % lỗi Arial 4 4.44 3 3.33 1 1.11 Tahoma 1 1.11 0 0 0 0 Time NewRoman 0 0 0 0 1 1.11 Giá trị quyết định ở trên cho số lần lặp là 300 bởi vì đối với mạng neural có một đặc trưng là chấp nhận sai xót và lại khi sử dụng số lần lặp quá lớn với số lượng neural lớn và tập huấn luyện lớn thì ta cần rất nhiều thời gian cho việc huấn luyện dẫn đến tốn kém chi phí huấn luyện. Thực nghiệm tìm đầu vào (số kí tự đưa vào). Kích thước của trạng thái đầu vào cũng ảnh hưởng tới quá trình thực thi. Nó là tự nhiên, đó là nhiều giá trị của kí tự đầu vào thiết lập mạng là phụ thuộc vào quá trình huấn luyện sẽ dễ bị mắc lỗi. Thông thường sự phức tạp và tập hợp đầu vào lớn cần mô hình mạng lớn với nhiều số của lần lặp lại. Cho tập hợp 120 đến 150 kí tự ta cần có mô hình mạng với một lớp ẩn có 500 neural. Các giá trị khác số lần lặp=300, tốc độ học=150, Sigmoid slope=0.014. Bảng 3.3 : Thực nghiệm tìm số kí tự Kiểu font 50 90 124 Số kí tự lỗi. % lỗi Số kí tự lỗi. % lỗi Số kí tự lỗi. % lỗi Arial 0 0 4 0.044 6 0.048 Tahoma 0 0 2 0.022 4 0.032 Time NewRoman 0 0 2 0.022 4 0.032 Giá trị quyết định ở trên cho số kí tự đưa vào là 120 đến 160 vì với số lượng 50 hay 90 ký tự thì không thể hiện hết những ký tự đang được sử dụng hiện nay vấn đề lâu dài là tập 256 ký tự của bảng mã ASCII. Thực nghiệm tìm tham số tốc độ học. Sự thay đổi của tham số tốc độ học cũng ảnh hưởng tới sự thi hành của mạng khi cho số lần lặp định sẵn. Giảm giá trị của tham số này, mạng sẽ cập nhật lại trọng số. Nó làm giảm khả năng và học khó hơn khi nó cập nhật liên kết chậm hơn, sẽ tăng số lần lặp để đạt giá trị tối ưu. Vì vậy cần một giá trị tối ưu cho sự thi hành của mạng. Các giá trị khác số kí tự=124, số lần lặp=300, Sigmoid slope=0.014. Theo kết quả trong bảng 3.4, giá trị tối ưu quyết định ở trên cho tham số tốc độ học là 150 vì nếu sử dụng các giá trị 50 hay 100 thì mạng học rất lâu và độ chính xác không cao đốI với các giá trị khác cho kết quả tương tự. Bảng 3.4: Thực nghiệm tìm tốc độ học Kiểu font 50 100 150 Số kt lỗi. % lỗi Số kt lỗi. % lỗi Số kt lỗi. % lỗi Arial 82 91.11 18 20 3 3.33 Tahoma 56 62.22 11 12.22 1 1.11 Time NewRoman 77 85.56 15 16.67 0 0 Thực nghiệm huấn luyện mạng. Như chúng ta đã biết sự có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới quá trình huấn luyện mạng như là: sự đa dạng của đầu vao: kích thước , phong cách… Một điều cần thiết là chuẩn bị trình tự của các ảnh kí tự đầu vào trong một file ảnh đơn giản (*.bmp [bitmap] mở rộng), tương ứng với cac kí tự trong file văn bản (*.cts [character trainer set] mở rộng) và lưư trữ hai file này trong cùng một thư mục (cả hai file này cùng tên nhưng khác phần mở rộng). Ứng dụng sẽ cung cấp cho người dùng một hộp thoại lựa chọn đường dẫn tới vị trí của file văn bản *.cts và sẽ đưa file ảnh tương ứng với chính nó. Trong đồ án này một số tham số được lựa chọn sau: Tốc độ học = 150. Hệ số góc Sigmoid= 0.014. Trọng số kết nối cơ sở= 30. Số lần lại 300-600 tùy độ phức tạp của từng loại font. Trung bình ngưỡng của lỗi = 0.0002. Mẫu dùng trong quá trình thực nghiệm huấn luyện: Ảnh đầu vào: Hình3.2: Ảnh đầu dùng để huấn luyện Đầu ra mong muốn: ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ abcdefghijklmnopqrstuvwxyz 0123456789 ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ abcdefghijklmnopqrstuvwxyz 0123456789 Hình 3.3: File là đầu ra mong muốn Kết quả huấn luyện: Sau khi huấn luyện xong lưu lại kết quả vào thu mục “Mang” với *.ann để mỗI khi nhận dạng ta đưa giá trị này vao mạng neural. Dưới dây hình 3.4 là một ví dụ các giá trị trọng số của file sau khi huấn luyện Ung Dung Mang Neural Trong Nhan Dang Ky Tu--Bui Quang Chien--2007 Network Name = Arial8 Hidden Layer Size = 500 Number of Patterns= 124 Number of Epochs = 300 Learning Rate = 150 Sigmoid Slope = 0.014 Weight Bias = 30 Weight[1 , 0 , 0] = -75.64764 Weight[1 , 0 , 1] = 165.6839 Weight[1 , 0 , 2] = -315.9442 Weight[1 , 0 , 3] = 20.66214 Weight[1 , 0 , 4] = -100.0667 Weight[1 , 0 , 5] = 211.1713 Weight[1 , 0 , 6] = 133.3773 . . . Weight[2 , 15 , 494] = 6.119909 Weight[2 , 15 , 495] = 27.66709 Weight[2 , 15 , 496] = -14.68367 Weight[2 , 15 , 497] = 6.72017 Weight[2 , 15 , 498] = 8.664137 Weight[2 , 15 , 499] = -21.96243 Hình 3.4 : Kết quả sau khi huấn luyện Bảng 3.5: Thống kê kết quả huấn luyện: Loại font Số kí tự huấn luyện Số kí tự lỗi %lỗi Ghi chú Arial8 124 2 0.016 Arial10 124 2 0.016 Arial12 124 3 0.024 Arial14 124 3 0.024 Arial18 124 2 0.013 Arial20 124 2 0.013 Arial_Số 160 0 0 Arial_Hoa 156 0 0 Arial_Thường 156 0 0 Tahoma 8 124 2 0.016 Tahoma 10 124 3 0.026 Tahoma 12 124 2 0.016 Tahoma 14 124 2 0.016 Tahoma 18 124 0 0 Tahoma 20 124 0 0 Tahoma_Số 160 0 0 Tahoma_Hoa 156 0 0 Tahoma_Thường 156 0 0 Nhận xét quá trình huấn luyện : Đối vớI font Ariai có : I l Hình3.5 a : chữ “I_ hoa” mã 48h Hình 3.5b : chữ “l_thường” mã 6Ch Đối với quá trình huấn luyện ta cần chú ý nhiều và font Arial như ở hình 3.5a và hình 3.5b chữ “I_Hoa”mã 49h và chữ “l_Thường ” mã 6Ch khi tách kí tự, chia lưới và đưa kết quả vào mạng sẽ làm cho mạng không phân biệt được hai kí tự này dẫn đến sau này nhận dạng sai. Phương pháp này cần tăng số lần lặp cho quá trình huấn luyện. Thực nghiệm nhận dạng. Để thực hiện nhận dạng kí tự chúng ta tiến hành các bước sau: Đưa giá trị đã huấn luyện vào mạng. Đưa anh cần nhận dạng vào. Ghi lại kết quả nhận dạng được. Một số ảnh và kết quả nhận dạng được Ảnh đầu vào: Hình 3.6a : Ảnh kích cỡ 8 cua font Arial Kết quả thu được ABCDEFGHlJKLMNOPQRSTUVWXYZ abcdefghijklmnopqrstuvwxyz 0123456789 ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ abcdefghijkImnopqrstuvwxyz 0123456789 Hình3.7b : Kết quả thu được của font Arial8 Ảnh đầu vào: Hình 3.8a : Ảnh kích cỡ 8 cua font Tahoma Kết quả thu được ABCDGFOHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ abcdefghijklmnopqrstuvwxyz 0123456789 ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ abcdefghijklmnopqrstuvwxyz 0123456789 Hình 3.8b : Kết quả thu được của font Tahoma 8 Ảnh đầu vào: Hình3.9a : Ảnh kích cỡ 8 cua font Arial Kết quả thu được TRUONG DAl HOC DAN LAP HAlPHONG Nganh Cong NgheThong Tin Lop CT702 SinhVien BuiQuang Chien Mm So SinhVien 10324 DeTaiTotNghiep Nam 2007 Ung Dung Mang NeuraITrong Nhan Dang kyTu Hình 3.9b : Kết quả thu được của font Arial8 Ảnh đầu vào: Hình 3.10a : Ảnh kích cỡ 8 cua font Tahoma Kết quả thu được TUONO DAI HOC DAN LAP HAI PHONO Nganh Cong NgheThongTin Lop CT702 Sinh Vien BuiQuang Chien Ma So Sinh Vien 10324 DeTaiTot Nghiep Nam 2007 Ung Dung Mang NeuralTrong Nhan Dang kyTu Hình 3.10b : Kết quả thu được của font Tahoma8 Bảng3.6: Kết quả quá trình nhận dạng font Arial Loại font Số kí tự nhận dạng Số kí tự lỗi % lỗi Ghi chú Arial8 124 2 0.016 150 4 0.026 Arial10 124 3 0.024 150 4 0.026 Arial12 124 2 0.016 150 5 0.03 Arial14 124 2 0.016 150 2 0.013 Arial18 124 2 0.016 150 2 0.013 Arial20 124 2 0.026 150 2 0.013 Arial_Số 160 0 0 0 0 Arial_Hoa 156 0 0 0 0 Arial_Thường 156 0 0 0 0 Bảng3.7: Kết quả quá trình nhận dạng font Tahoma Loại font Số kí tự nhận dạng Số kí tự lỗi % lỗi Ghi chú Tahoma8 124 2 0.016 150 2 0.013 Tahoma10 124 1 0.008 150 4 0.026 Tahoma12 124 3 0.024 150 4 0.026 Tahoma14 124 0 0 150 0 0 Tahoma18 124 0 0 150 0 0 Tahoma20 124 0 0 150 0 0 Tahoma_Số 160 0 0 0 0 Tahoma_Hoa 156 0 0 0 0 Tahoma_Thường 156 0 0 0 0 Nhận xét quá trình nhận dạng kí tự: Chương trình thực nghiệm đã được huấn luyện và nhận dạng hai loại font : Arial và Tahoma với nhiều kích thước khác nhau đã đạt được kết quả tốt, nhưng còn một số tồn tại cần được phát triển để đạt kết quả cao hơn. Đối với quá trình huấn luyện ta cần chú ý nhiều và font Arial như đã nói ở hình 3.11a và hình 3.11b chữ “I_Hoa”mã 49h và chữ “l_Thường ” mã 6Ch khi tách kí tự, chia lưới và đưa kết quả vào mạng sẽ làm cho mạng không phân biệt được hai kí tự này dẫn đến sau này nhận dạng sai. Phương pháp này cần tăng số lần lặp cho quá trình huấn luyện. Ngoài ra còn một số trường hợp ảnh của hai kí tự nằm chéo nhau như một số trường hợp sau: Nó sẽ dẫn đến quá trình tách kí tự bị dính do dó nhận dạng sai. Đối với trường hợp này ta cần phát triển phương pháp tách để tách kí tự. Trong quá trình thực nghiệm nhận dạng kí tự ta thấy những kí tự sai là do quá trình huấn luyện mạng chưa học được cho nên những kí tự này trong ảnh nhận dạng sẽ bị nhận dạng sai. Chỉ có một số ít do quá trình tách kí tự. KẾT LUẬN Trong thời gian vừa qua, như đã trình bày ở trên đây nội dung nghiên cứu đề tài của em được gồm các phần chính sau: Tìm hiểu mạng nơron nhân tạo. Tìm hiểu bài toán nhận dạng Mô tả bài toán ứng dụng mạng nơron trong nhận dạng kí tự. Phân tích cụ thể bài toán nhận dạng. Thiết kế mạng và huấn luyện mạng nơron cho bài toán “ứng dụng mạng nơron trong nhận dạng kí tự”. Cài đặt và kiểm tra thực nghiệm bài toán này. Nhận dạng kí tự là một phần rất quan trọng của lĩnh vực nhận dạng nói riêng và xử lý ảnh nói chung. Cùng với việc sử dụng công cụ là mạng neural là một lĩnh vực còn khá mới cần được phát triển hơn. Trong Khóa luận này nó mới chỉ dừng ở phần thử nghiệm trên một số loại font., kích thước…nhất định. Hướng phát triển tiếp theo của khóa luận này trong tương lai. Nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong việc nhận dạng kí tự. Mở rộng thêm nhiều loại font. Mở rộng các cỡ chữ đặc biệt là các cỡ chữ dùng nhiều trong văn bản. Phát triển thêm các chức năng hay mô đun cho thiết bị cầm tay. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tìm hiểu mạng neural nhân tạo cho bài toán nhận dạng Đồ án tốt nghiệp năm 2006. Đinh Thị Hương Lan, CT603, Trường đại học dân lập hải phòng. MathNeuralNetworks. Ben Krose, faculty of Mathematics and computer science, university of Amsterdam. And Patrick van der smagt, institute of robotics and system dynamics German aerospase Reseach establishment. Artificial Neural Networks and Information theory, colin Fyfe, department of computing and information system, the university of Paisley. A Growth Algorithm for Neural Networks Decision Trees. Mostefa golea and Mario Marchand, Deparment of physics, university of Ottawa Canada. Artificial neural network From Wikipedia, the free encyclopedia. Neural network From Wikipedia, the free encyclopedia.