REDES NEURAIS APLICADAS AO RECONHECIMENTO DE IMAGENS BI-DIMENSIONAIS

Abstract

Esta dissertação investiga a aplicação de Redes Neurais Artificiais no reconhecimento de imagens bi-dimensionais. O trabalho de tese foi dividido em quatro partes principais: um estudo sobre a importância da Visão Computacional e sobre os benefícios da aplicação das técnicas da Inteligência Computacional na área; um estudo da estrutura dos sistemas de reconhecimento de imagens encontrados na literatura; o desenvolvimento de dois sistemas de reconhecimento de imagens baseados em redes neurais; e o estudo de caso e a análise de desempenho dos sistemas desenvolvidos. A Visão Computacional tem se beneficiado das principais técnicas de Inteligência Computacional (redes neurais, algoritmos genéticos e lógica nebulosa) na implementação de sistemas de reconhecimento de imagens. Neste trabalho estudou-se a aplicação de diversos tipos de redes neurais na classificação de imagens Back-Propagation, Competitivas, RBF e Hierárquicas. Além disso, foi realizado um estudo das áreas de aplicação da Visão Computacional. A estrutura básica utilizada por diversos sistemas de Visão Computacional encontrada na literatura foi analisada. Esta estrutura é tipicamente composta por três módulos principais: um pré-processador, um extrator de características e um classificador. Dois sistemas de reconhecimento de imagens, denominados de XVision e SimpleNet, foram desenvolvidos neste trabalho. O sistema XVision segue a estrutura descrita acima, enquanto que o sistema SimpleNet utiliza a informação da imagem bruta para realizar a classificação. O módulo de pré-processamento do sistema XVision executa uma série de transformações na imagem, extraindo suas características intrínsecas para que seja obtida uma representação da imagem invariante a aspectos como rotação, translação e escalonamento. Este Pré- Processador é baseado em um trabalho previamente realizado no campo de Processamento de Sinais. A etapa de extração de características visa detectar as informações mais relevantes contidas na representação da imagem intrínseca obtida na etapa anterior. Foram investigados extratores baseados em técnicas estatísticas (utilizando o discriminante de Fisher) e em técnicas inteligentes (utilizando algoritmos genéticos). Para o módulo de classificação das imagens foram utilizados diversos tipos de redes neurais artificiais: Back-Propagation, Competitivas, RBFs e Hierárquicas. No sistema SimpleNet, o pré-processamento limita-se à redução das dimensões da imagem a ser classificada. Como os próprios pixels da imagem são utilizados para a classificação, não foi implementado um módulo de extração de características. Na etapa de classificação foram empregadas redes neurais Back- Propagation e Competitivas. O sistema XVision apresentou resultados promissores para dois conjuntos distintos de objetos bi-dimensionais: o primeiro composto por peças mecânicas e o segundo por objetos triviais. As amostras utilizadas nos testes apresentavam características diferentes daquelas com as quais as redes neurais foram treinadas - não apenas com rotações, translações e escalonamentos, mas com diferenças estruturais. O classificador conseguiu taxas de acerto superiores a 83% em ambos os conjuntos de objetos. O sistema SimpleNet também mostrou-se eficiente na diferenciação de imagens semelhantes (cartões telefônicos e radiografias de pulmões), obtendo taxas de acerto superiores a 80%. O desenvolvimento destes sistemas demonstrou a viabilidade da aplicação de redes neurais na classificação de objetos bi- dimensionais. Devido ao grande interesse na utilização de sistemas de Visão em aplicações de tempo real, mediu-se o tempo gasto nos processos de reconhecimento. Desta forma foram detectados os garagalos dos sistemas, facilitando assim sua otimização.This work investigates the use of Artificial Neural Networks in the recognition of bi-dimensional images. The work was divided in four main parts: a survey on the importance of Computational Vision and on the benefits of the application of intelligent techniques in the fiels; a survey on the structure of image recognition systems found in the literature; the development of two image recognition systems based on neural networks; and an analysis of the performance of the developed systems. Computational Vision has benefited from the main Computational Intelligence techniques (neural networks, genetic algoritms and fuzzy logic) to implement image recognition systems. In this work, the usage of different Kinds of neural networks in image classification was studied: Back-Propagation, Competitive, RBF and Hierarchical. Besiades that, a survey on the fields of application of Computational Vision was made. The basic structure is typically composed of three modules: a pre-processor, a characteristics extractor and a classifier. In this work, two image recognition systems, called Xvision and SimpleNet, were developed. The XVision system follows the structure described above, while the SimpleNet system performs the classification using the information present in the raw picture. The pre-processing module of the Xvision system executes a series of transforms over the image, extracting its essential characteristics so that an invariant representation of the image can be obtained. This pre- processor is based on a previous work in the fiels of Signal Processing. The characteristcs extractor aims to detect the most relevant information present in the image representation obtained after the previous step. Two kinds of extractors were investigated: one based on statistical tecniques (applyng the Fisher`s discriminant) and another based on intelligent techniques (applyng genetic algorithms). The classification module was implementede through several Kinds of neural networks: Back-Propagation, Competitive, RBF and Hierarchical. The pre-processing of the SimpleNet system simply reduces the image`s dimensions. Since the image`s pixels are used for the classification process, no characteristics extractor module was implemented. In the classification module, Back-Propagation and Competitive neural networks were employed. The Xvision system yielded promising results for two sets of objects: the first one composed of mechanical parts and the second one composed of trivial objects. The samples used during the tests presented different characteristics from those samples used during the training process - not only rotated, translated and scaled, but also with structural differences. The classifier obtained a hit ratio above 83% with both sets. The SimpleNet system also showed a good performance in the differentiation of similar objects (telephone cards and X-rays of lungs), achieving hit ratios of more than 80%. The development of both systems demonstrated the viability of the use of neural networks in the classification of bi- dimensional objects. Due to the interest of applying Vision systems in real-time, the time spent in the recognition process was measured. This allowed the detection of the systems` bottlenecks, making their optimization easier