Tài liệu MộT phương pháp phân biệt mục tiêu chưa biết trong nhận dạng mục tiêu ra đa: Ra đa
N.T.Hựng, P.V.Hoan, N.H.Nguyờn, “Một phương phỏp ...nhận dạng mục tiờu ra đa.” 10
MộT phương pháp phân biệt mục tiêu chưa
biết trong nhận dạng mục tiêu ra đa
NGUYỄN THANH HÙNG*, PHẠM VĂN HOAN**, NGUYỄN HOÀNG NGUYấN***
Túm tắt: Bài bỏo đề xuất một phương phỏp phõn biệt mục tiờu chưa biết, sử dụng
trong cỏc hệ thống nhận dạng mục tiờu ra đa kiểu SVM (Support Vector Machine).
Bản chất của phương phỏp này dựa trờn sự khỏc biệt về phõn bố cỏc giỏ trị xỏc suất
liờn thuộc lớp - CMP (Class Membership Probabilities) đối với mục tiờu đó biết và
mục tiờu chưa biết. Ngưỡng phỏt hiện được xỏc định riờng cho từng lớp mục tiờu
theo kết quả ước lượng tham số thống kờ của hệ thống nhận dạng. Kết quả mụ phỏng
cho thấy hiệu quả của phương phỏp đề xuất.
Từ khúa: Nhận dạng mục tiờu ra đa, Phõn biệt mục tiờu, Xỏc suất liờn thuộc lớp, Mỏy vộc tơ tựa.
1. MỞ ĐẦU
Việc phõn lớp trong cỏc hệ thống nhận dạng mục tiờu ra đa được thực hiện trờn cơ sở
dữ liệu đó cú (thụng tin tiờn...
7 trang |
Chia sẻ: quangot475 | Lượt xem: 333 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem nội dung tài liệu MộT phương pháp phân biệt mục tiêu chưa biết trong nhận dạng mục tiêu ra đa, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Ra đa
N.T.Hùng, P.V.Hoan, N.H.Nguyên, “Một phương pháp ...nhận dạng mục tiêu ra đa.” 10
MéT ph¬ng ph¸p ph©n biÖt môc tiªu cha
biÕt trong nhËn d¹ng môc tiªu ra ®a
NGUYỄN THANH HÙNG*, PHẠM VĂN HOAN**, NGUYỄN HOÀNG NGUYÊN***
Tóm tắt: Bài báo đề xuất một phương pháp phân biệt mục tiêu chưa biết, sử dụng
trong các hệ thống nhận dạng mục tiêu ra đa kiểu SVM (Support Vector Machine).
Bản chất của phương pháp này dựa trên sự khác biệt về phân bố các giá trị xác suất
liên thuộc lớp - CMP (Class Membership Probabilities) đối với mục tiêu đã biết và
mục tiêu chưa biết. Ngưỡng phát hiện được xác định riêng cho từng lớp mục tiêu
theo kết quả ước lượng tham số thống kê của hệ thống nhận dạng. Kết quả mô phỏng
cho thấy hiệu quả của phương pháp đề xuất.
Từ khóa: Nhận dạng mục tiêu ra đa, Phân biệt mục tiêu, Xác suất liên thuộc lớp, Máy véc tơ tựa.
1. MỞ ĐẦU
Việc phân lớp trong các hệ thống nhận dạng mục tiêu ra đa được thực hiện trên cơ sở
dữ liệu đã có (thông tin tiên nghiệm) về từng lớp (kiểu loại) mục tiêu cần phân biệt. Trong
thực tế, việc thu thập thông tin tiên nghiệm của các lớp mục tiêu, đặc biệt là những mục
tiêu quân sự (ví dụ như các phương tiện bay) của đối phương là rất khó khăn. Như vậy, sẽ
xảy ra khả năng trong vùng quan sát xuất hiện mục tiêu mà hệ thống nhận dạng hoàn
toànchưa có thông tin về nó (mục tiêu lạ, mục tiêu chưa biết). Mục tiêu này sẽ được nhận
biết thành một trong những lớp mục tiêu mà hệ thống nhận dạng có khả năng phân biệt.
Quyết định sai của hệ thống nhận dạng trong những trường hợp như vậy có thể dẫn đến
những hậu quả nghiêm trọng.
Vấn đề nêu trên có thể khắc phục bằng cách bổ sung vào hệ thống nhận dạng một bộ
phân biệt mục tiêu chưa biết (Unknown Target Discriminator). Bộ phân biệt này có chức
năng xác định mục tiêu đang quan sát là mục tiêu đã biết hay chưa biết. Nếu là mục tiêu đã
biết thì nó sẽ được phân lớp theo thuật toán cùng cơ sở dữ liệu đã có của hệ thống nhận
dạng. Trường hợp ngược lại, mục tiêu chưa biết sẽ được chuyển tiếp để phân tích ở thiết bị
khác, đồng thời dữ liệu thu thập được về mục tiêu này có thể được cập nhật vào cơ sở dữ
liệu của hệ thống nhận dạng dưới dạng thông tin tiên nghiệm của lớp mục tiêu mới.
Có hai hướng chính để xây dựng bộ phân biệt mục tiêu chưa biết: hướng thứ nhất là xây
dựng mô hình mục tiêu đã biết và phân biệt nó với mục tiêu chưa biết theo ngưỡng [2];
hướng thứ hai là tạo tập dữ liệu huấn luyện của mục tiêu chưa biết dựa trên giả định phân bố
xác suất nào đó, sau đó sử dụng bộ phân loại hai lớp để phân biệt [3].
Theo hướng thứ nhất, [2] xây dựng mô hình thống kê của mục tiêu đã biết dựa vào độ
chắc chắn phân lớp tính theo khoảng cách Mahalanobis và xác định ngưỡng phân biệt theo
phương pháp thống kê tính theo xác suất nhận dạng sai (hay báo động nhầm) được chọn cố
định bằng 3. Ngưỡng phân biệt theo phương pháp này chưa đặc trưng cho các trường
hợp dữ liệu mục tiêu có nhiễu, nên không đảm bảo khả năng phân biệt các mục tiêu đã biết
và chưa biết trong điều kiện có nhiễu.
Bài báo này đề xuất một phương pháp phân biệt mục tiêu chưa biết theo hướng thứ
nhất. Trong đó, mô hình của mỗi lớp mục tiêu đã biết được thể hiện bằng sự phân bố các
giá trị xác suất liên thuộc lớp - CMP (Class Membership Probabilities) ở đầu ra bộ phân
lớp SVM (Support Vector Machine) [1] đối với các dữ liệu đã biết tương ứng lớp mục tiêu
đó, ngưỡng phân biệt được xác định cho từng lớp mục tiêu đã biết theo kết quả ước lượng
tham số thống kê của hệ thống. Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đạt kết quả khá
tốt trong bài toán nhận dạng mục tiêu bay theo chân dung cự ly độ phân giải cao ở các
điều kiện tỷ số tín trên tạp khác nhau. Các nội dung được trình bày trong bài báo này như
Nghiên cứu khoa học công nghệ
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 32, 08 - 2014 11
sau. Phần 2 giới thiệu chung về các bộ phân lớp và các giá trị xác suất liên thuộc lớp của
chúng. Phần 3 trình bày mô hình hệ thống nhận dạng với thuật toán phân biệt mục tiêu
chưa biết xây dựng trên cơ sở phương pháp đề xuất. Phần 4 trình bày các kết quả mô
phỏng. Phần 5 là phần kết luận.
2. BỘ PHÂN LỚP - HÀM LIÊN THUỘC LỚP - XÁC SUẤT
LIÊN THUỘC LỚP
Gọi = [ ; , , ] là véc tơ dữ liệu thể hiện chân dung ra đa của mục tiêu cần
nhận dạng; ( = 1,2, , ) là ký hiệu các lớp mục tiêu mà hệ thống có thể nhận dạng
(phân lớp). Trên cơ sở thông tin tiên nghiệm đã có về ( = 1,2, , ) và dữ liệu
= [ ; , , ]nhận được trong thời gian quan sát, tại đầu ra bộ phân lớp sẽ hình thành
bộ giá trị các hàm liên thuộc lớp ( )( = 1, 2, , ). Số lượng và số thứ tự hàm này
trùng với số lượng và số thứ tự của các lớp mục tiêu, nó lượng hóa khả năng mục tiêu
đang quan sát thuộc vào lớp mục tiêu tương ứng. Tùy theo cách phân lớp và ra quyết định
của hệ thống mà hàm liên thuộc lớp được hình thành dưới các dạng khác nhau.
Trường hợp việc phân lớp và ra quyết định theo lý thuyết ra quyết định cứng cổ điển
(Crisp), mỗi mục tiêu cần nhận dạng sẽ được xác định là thuộc một lớp duy nhất trong số
các lớp mục tiêu đã biết. Khi này, ứng với mỗi = [ ; , , ] chỉ có 1 hàm liên
thuộc lớp nhận giá trị “1”, các hàm còn lại nhận giá trị “0”. Quy tắc ra quyết định cuối cùng
có dạng:
“Với mọi = 1, 2, , :
nếu ( ) = 1 thì
∗ =
∗ ( thuộc lớp );
nếu ( ) = 0 thì
∗ ≠
∗ ( không thuộc lớp )”.
Trường hợp phân lớp và ra quyết định theo lý thuyết logic mờ (Fuzzy), mỗi mục tiêu
cần nhận dạng được xác định là có thể đồng thời thuộc nhiều lớp mục tiêu khác nhau với
các hàm liên thuộc lớp tương ứng. Thông thường, giá trị ( ) thể hiện xác suất để mục
tiêu với dữ liệu thuộc vào lớp . Khi đó:
0 ≤ ( ) ≤ 1 với mọi = 1, 2, , và ∑ ( )
= 1.
Quy tắc ra quyết định cuối cùng có dạng:
“Nếu argmax
, ,,
{ ( )} = thì
∗ =
∗ ( thuộc lớp )”.
Trong trường hợp trên, các hàm ( )( = 1, 2, , ) được gọi là giá trị xác suất liên
thuộc lớp - CMP (Class Membership Probabilities). Chúng có thể dễ dàng lấy ra trong các
bộ phân lớp kiểu SVM [1].
3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG NHẬN DẠNG VỚI THUẬT TOÁN PHÂN
BIỆT MỤC TIÊU CHƯA BIẾT
Xét một bộ phân lớp SVM với lớp mục tiêu. Mỗi giá trị CMP ( ) của kênh nhận
dạng thứ tương ứng thể hiện xác suất mục tiêu với dữ liệu (mục tiêu đang quan sát)
thuộc vào lớp (0 ≤ ( ) ≤ 1 với mọi = 1, 2, , và ∑ ( )
= 1). Khi mục
tiêu đang quan sát thực tế thuộc lớp thì giá trị CMP của kênh này ( / ) càng lớn
(càng gần bằng 1 trong trường hợp tỷ số tín trên tạp càng cao). Trường hợp còn lại (mục
tiêu đang quan sát thuộc lớp hoặc là loại mục tiêu chưa biết) thì giá trị CMP của
kênh này ( / ) thấp hơn rõ rệt. Như vậy, ta có thể lựa chọn sử dụng phân bố các giá
trị CMP ( / ), ( = 1, 2, , ) làm mô hình thống kê của các lớp mục tiêu đã biết.
Đặc điểm của phân bố này là tập trung về phía bên phải của đoạn số thực [0,1]. Sử dụng
ngưỡng ( = 1, 2, , ) một cách phù hợp ta có thể ra quyết định là mục tiêu chưa
biết (khi ( ) < γ với mọi = 1, 2, , ) hay thuộc một trong các lớp mục tiêu đã
biết (trường hợp ngược lại). Trường hợp đã xác định được ( )là giá trị CMP cực đại
Ra đa
N.T.Hùng, P.V.Hoan, N.H.Nguyên, “Một phương pháp ...nhận dạng mục tiêu ra đa.” 12
(argmax
, ,,
{ ( )} = ) thì chỉ cần so sánh nó với ngưỡng γ tương ứng. Như vậy, để triển
khai thuật toán phân biệt mục tiêu chưa biết, cần xác định tập giá trị ngưỡng ( =
1,2, , ). Trong các bộ phân lớp SVM, tập giá trị này có thể xác định bằng phương pháp
ước lượng các tham số thống kê của hệ thống theo quy trình sau:
- Bước 1: Chia đều dữ liệu thông tin tiên nghiệm về các lớp mục tiêu đã biết (gồm
lớp) thành hai tập dữ liệu huấn luyện S1 và dữ liệu kiểm tra S2;
- Bước 2: Cho bộ phân lớp SVM ‘huấn luyện’ bằng tập S1;
- Bước 3: Cho bộ phân lớp SVM ‘kiểm tra’ bằng tập dữ liệu S2;
- Bước 4: Theo kết quả ‘kiểm tra’ thực hiện:
+ Xây dựng biểu đồ phân bố các giá trị CMP ( / ), ( = 1, 2, , );
+ Ước lượng xác suất nhận dạng đúng của từng lớp mục tiêu theo công thức =
, trong đó là số chân dung mục tiêu lớp được dùng để kiểm tra, là số chân dung
mục tiêu lớp được nhận dạng đúng ( = 1, 2, , );
- Bước 5: Xác định ngưỡng phân biệt ( = 1,2, , ) theo điều kiện sau:
{ ≥ / } ≈
Tập giá trị ngưỡng được lưu lại trong bộ nhớ và sẽ dùng làm ngưỡng phân biệt của hệ
thống trong chế độ nhận dạng với mục tiêu thật.
Sơđồ khối chức năng hệ thống nhận dạng có phân biệt mục tiêu chưa biết (viết tắt là
HTNDPBMT) được thể hiện trên hình 1.
Hệ thống nhận dạng này hoạt động trong hai chế độ:
- Chế độ tạo cấu hình và tham số hệ thống: Thực hiện theo 5 bước trình bày ở trên. Kết
quả của giai đoạn này là:
+ Bộ SVM ở trạng thái sẵn sàng làm việc ở chế độ nhận dạng;
+ Tập giá trị ngưỡng phân biệt ( = 1,2, , ) cho từng lớp mục tiêu đã biết.
- Chế độ nhận dạng có phân biệt mục tiêu chưa biết: Đầu tiên phải xác định giá trị
CMP cực đại sau đó ra quyết định theo quy tắc:
“Nếu
, ,,
{ ( )} = và
( ) ≥ thì
∗ =
∗ ( thuộc lớp );
( ) < thì
∗ =
∗ ( thuộc lớp mục tiêu chưa biết)”.
Hình 1. Sơ đồ hệ thống nhận dạng mục tiêu ra đa có phân biệt mục tiêu chưa biết.
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
SVM
max
Mạch Cực đại
Mạch So sánh
≡
Ngưỡng
<