模式识别课程报告

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什么是模式识别

引用Anil K. Jain 的话对模式识别下定义:

Pattern recognition is the study of how machines can observe the environment, learn to distinguish patterns of interest from their background, and make sound and reasonable decisions about the categories of the patterns.

什么是Pattern 呢,Watanabe defines a pattern “as oppaocshiteaoosf; it is an

entity, vaguely defined, thatcould be given a name.比如说一张指纹图片,一个手写的文字,一张人脸,一个说话的信号,这些都可以说是一种模式。

识别在现实生活中是时时刻刻发生的,识别就是再认知(Re-Cog ni tio n),识别

主要做的是相似和分类的问题,按先验知识的分类,可以把识别分为有监督的学习和没有监督的学习,下面主要介绍的支持向量机就是属于一种有监督的学习。

模式识别与统计学、人工智能、机器学习、运筹学等有着很大的联系,而且各行各业的工作者都在做着识别的工作,一个模式识别系统主要有三部分组成:数据获取和预处理,数据表达和决策。

模式识别的研究主要集中在两方面,一是研究生物体(包括人)是如何感知对象的,二是在给定的任务下,如何用计算机实现模式识别的理论和方法。前者是生理学家、心理学家、生物学家、神经生理学家的研究内容,属于认知科学的范畴;后者通过数学家、信息学专家和计算机科学工作者近几十年来的努力,已经取得了系统的研究成果。

模式识别的方法介绍:

模式识别方法(Pattern Recognition Method)是一种借助于计算机对信息进行处理、判决分类的数学统计方法。应用模式识别方法的首要步骤是建立模式空间。所谓模式空间是指在考察一客观现象时,影响目标的众多指标构成的多维空间。每个指标代表一个模式参量。假设一现象有几个事件(样本)组成,每一个事件都有P个特征参量(X1 , X2,.…Xp ),则它就构成P维模式空间,每一个事件的特征参量代表一个模式。模式识别就是对多维空间中各种模式的分布特点进行分析,对

模式空间进行划分,识别各种模式的聚类情况,从而做出判断或决策。分析方法就利用“映射说和“逆映射说技术。映射是指将多维模式空间进行数学变换到二维平面,多维空间的所有模式(样本点)都投影在该平面内。在二维平面内,不同类别的模式分布在不同的区域之间有较明显的分界域。由此确定优化方向返回到多维空间(原始空间) ,得出真实信息,帮助人们找出规律或做出决策,指导实际工作或实验研究。

针对不同的对象和不同的目的,可以用不同的模式识别理论、方法,目前主流的技术方法是:统计模式识别、句法模式识别、模糊模式识别、神经网络法、逻辑推理法。(1)统计模式识别

统计模式识别方法也称为决策论模式识别方法,它是从被研究的模式中选择能足够代表它的若干特征(设有d个),每一个模式都由这d个特征组成的在d维特征空间的一个d维特征向量来代表,于是每一个模式就在d维特征空间占有一个位置。一个合理的假设是同类的模式在特征空间相距较近,而不同类的模式在特征空间则相距较远。如果用某种方法来分割特征空间,使得同一类模式大体上都在特征空间的同一个区域中,对于待分

类的模式,就可根据它的特征向量位于特征空间中的哪一个区域而判定它属于哪一类模式。

这类识别技术理论比较完善。方法也很多,通常较为有效,现已形成了完整的体系。尽管方法很多,但从根本上讲,都是直接利用各类的分布特征,即利用各类的概率分布函数、后验概率或隐含地利用上述概念进行分类识别。其中基本的技术为聚类分析、判别类域界面法、统计判决等。

1)聚类分析

在聚类分析中,利用待分类模式之间的“相似性”进行分类,更相似的作为一类,更不相似的作为另外一类。在分类过程中不断地计算所分划的各类的中心,下一个待分类模式以其与各类中心的距离作为分类的准则。聚类准则的确定,基本上有两种方式。一种是试探方式。凭直观和经验,针对实际问题定义一种相似性测度的阈值,然后按最近邻规则指定某些模式样本属于某一聚类类别。例如欧氏距离测度,它反映样本间的近邻性,但将一个样本分到两个类别中的一个时,必须规定一距离测度的阈值作为聚类的判别准则,按最近邻规则的简单试探法和最大最小聚类算法就是采用这种方式。另一种是聚类准则函数法。定一种准则函数,其函数值与样品的划分有关。当取得极小值时,就认为得到了最佳划分。实际工作中采用得最多的聚类方法之一是系统聚类法。它将模式样本按距离准则逐步聚类,类别由多到少,直到合适的分类要求为止。

2)判别类域界面法

判别类域界面法中,用已知类别的训练样本产生判别函数,这相当于学习或训练。根据待分类模式代入判别函数后所得值的正负而确定其类别。判别函数提

供了相邻两类判决域的界面,最简单、最实用的判别函数是线性判别函数。线性判别函数的一般表达为下述矩阵式:

d(X)佩&) Wm

其中,W^(W i,W2,...,W n)t,称为权向量,X=(X i,X2,…,订为门维特征向量的样

本,w n4为阈值权。d(x)判别函数是n维特征空间中某个x点到超平面的距离。

若以X p表示x到超平面H的投影向量;r为到超平面H的垂直距离;||w0 ||为权向量

w的绝对值;W o/ ||W o 11为W o方向上的单位向量,则有0

利用线性判别函数进行决策就是用一个超平面对特征空间进行分割。超平

面H的方向由权向量决定,而位置由阈值权的数值确定,H把特征空间分割为两个决策

区域。当d(X) 0时,x在H的正侧;d(X):::0时,x在H的负侧。

3)统计判别

在统计判决中,在一些分类识别准则下严格地按照概率统计理论导出各种判决准则,这些判决准则要用到各类的概率密度函数、先验概率或条件概率,即贝叶斯法则。

贝叶斯判别原则有两种形式,一种是基于最小错误率,即若

p(W j | x) ?-p(W j |x),则X* W j(i,j =1,2,..., n;但i = j),换言之,要求最小错误率,就是

要求p(w i |x)为最大。另一种是基于最小风险,对于某个x取值采取决策所带来的

n

风险定义为:R( : i|x)=E (jW j)八* 'Ci,W j)P(W i|x),其中■ C i,w j)表示对于- 一i

某一样品X,W j,而采取决策:i时的损失。基于最小风险的贝叶斯规则为:若

R(〉k|x)二mi nR(〉i|x),则:?-。也就是说,对于所有x取值的条件风险R(r|x), 最小风险(损失)的决策是使R(_:?| x)取得最小值时的决策

4)支持向量机

统计学习理论是一种专门的小样本统计理论,为研究有限样本情况下的统计模式识别和更广泛的机器学习问题建立了一个较好的理论框架,同时也发展了一

种新的模式识别方法一一支持向量机,能够较好的解决小样本学习问题。

基于数据的机器学习是现代智能技术中的重要方面,研究从观测数据(样本)出发寻找规律,利用这些规律对未来数据或无法观测的数据进行预测。包括模式识别、神经网络等在内,现有机器学习方法共同的重要理论基础之一是统计学。传统统计学研究的是样本数目趋于无穷大时的渐近理论,现有学习方法也多是基

于此假设,但在实际问题中,样本数往往是有限的,因此一些理论上很优秀的学习方法实际中表现却可能不尽人意。与传统统计学相比,统计学习理论(Stat ist ical L earn ing Theo ry或SL T )是一种专门研究小样本情况下机器学习规律的理论.V. V apn ik等人从六、七十年代开始致力于此方面研究,到九十年代中期,随着其理论的不断发展和成熟,也由于神经网络等学习方法在理论上缺乏实质性进展,统计学习理论开始受到越来越广泛的重视,统计学习理论是建立在一套较

坚实的理论基础之上的,为解决有限样本学习问题提供了一个统一的框架。它能将很多现有方法纳入其中,有望帮助解决许多原来难以解决的问题(比如神经网络结构选择问题、局部极小点问题等),同时,在这一理论基础上发展了一种新的通用学习方法 ----------------- 支持向量机(Support Vector Machine或SVM ),它已初步表

现出很多优于已有方法的性能。一些学者认为,SL T和SVM正在成为继神经

网络研究之后新的研究热点,并将有力地推动机器学习理论和技术的发展我国早在八十年代末就有学者注意到统计学习理论的基础成果,但之后较少研究,目前

只有少部分学者认识到这个重要的研究方向。本文旨在向国内介绍统计学习理论和支持向量机方法的基本思想和特点,以使更多的学者能够看到它们的优势从而积极进行研究。支持向量机基本过程:(基于LIBSVM工具箱)一、支持向量机是解决数据分类问题的一种流行技术,甚至有人认为它用起来比

神经网络还要好用,但是,使用者对SVM不熟悉常常得到不理想的结果,这里我们介绍一下如何使用支持向量机来得到较理想的结果。

我们介绍的主要是对SVM研究者的一个指导,并不是说要得到最好的精度,我们也没有打算解决什么有挑战或者有难度的问题,我们的目的是让SVM 研究者们掌握一个能有快又好的得到可行解得秘诀。

尽管使用者不用彻底理解SVM的理论,但是,我们简要介绍SVM的基础,因为这些东西对于后面的解释是有必要的。一项分类工作通常包含训练数据和测试数据,这些数据就是一些例子,每个例子又包括它的类别和它的一些特性。建立SVM的目的就是建立一个模版,这个模版可以预测训练数据集中的数据属于哪一类。

给定一组训练数据(x,y)i =1,…,1必? R n,y. {-1,0,SVM需要解决下面

的最优化问题:

min

subject tri

这里x通过?函数影射到了一个高维或者无穷维的空间,SVM找到一个线性可分的

超平面,使得这个超平面在高维空间有最大的边界值。C>0是对于错误部分的惩罚参数。

此外,一 ' 被称作核函数,尽管研究者

不断的提出新的核函数,初学者可以在介绍SVM的课本上找到四个基本的核函

数:

?linear: x;) = Xj.

*polynomiali K, x;j =『卞斗了x . + 广产”牛> 0.

*radial ba^is function (RBF); Xj) = cxp(—丁||百一亏『)j > 0.

?sigmoid: i = taiih(-~r x; x j + r i.

这里,r,d都是核函数的参数。

(2)句法模式识别

句法模式识别也称为结构模式识别。在许多情况下,对于较复杂的对象仅用一些数值特征已不能较充分地进行描述,这时可采用句法识别技术。句法识别技术将对象分解为若干个基本单元,这些基本单元称为基元;用这些基元以及他们的结构关系来描述对象,基元以及这些基元的结构关系可以用一个字符串或一个图来表示;然后运用形式语言理论进行句法分析,根据其是否符合某类的文法而决定其类别。一个未知类别的模式字符串,当它是属于L(G)中的一个句子,就应属于w i类。假如不属于任何一种语言,则它可被拒识,即x不被接受为M类中的任一类。

(3)模糊模式识别

在人们的实际生活中,普遍存在着模糊概念,诸如“较冷”、“暖和”、“较

重”、“较轻”、“长点”、“短点”等等都是一些有区别又有联系的无确定分界的概念。

模糊识别技术运用模糊数学的理论和方法解决模式识别问题 ,因此适用于分类识 别对象本身或要求的识别结果具有模糊性的场合。 这类方法的有效性主要在于隶 属函数是否良好。目前,模糊识别方法有很多,大致可以分为两种,即根据最大隶 属原则进行识别的直接法和根据择近原则进行归类的间接法,分别简介如下 : 1)根据最大隶属原则进行识别的直接法

若已知个类型在被识别的全体对象U 上的隶属函数,则可按隶属原则进行归

类。此处介绍的是针对正态型模糊集的情形。 对于正态型模糊变量x ,其隶属度为

A(x)』b

其中a 为均值,b 2 =2二2,二2为相应的方差 按泰勒级数展开,取近似值得:

x - a :: b x —a b

0 a ij (2) +b j £x

其中aj ⑴和诵⑵分别是第i 类元素第j 种指标的最小值和最大值,bj ⑵=2叭2,而

c ij 2

是第i 类兀素第j 种指标的方差

2)根据择近原则进行归类的间接法

若有n 种类型(A,A 2,...,人),每类都有m 个指标,且均为正态型模糊变量,相应的 参数分别为 冯⑴,a ⑵,bj(i =1,2,..., n; j =1,2,..., m)。其

中冯⑴=min(X j ),a j ⑵=max(x j ),b j ⑵=2;匚2,而二j 2是舛的方差。待判别对象B 的m 个指标分别具有参数a j ,b j ( j =1,2,..., m),且为正态型模糊变量,则B 与各个类 型的贴近度为:

若有n 种类型m 个指标的情形,则第i 种类型在第j 种指标上的隶属函数是 ” 0

xg j (1)-b j 『a j (i )

1-

A j (x)二

-aj ⑴

b ij

1 a j ⑴兰x 兰a j (2) \-a j (2) I 2

〕bj ]

_bj

a y ⑵:::x ::: a ij ⑵-

b j

a j s (1

)_(b j _b j )

记Sj=min (A B ),又有So=max (SJ ,,按贴近原则可认为B 与AiO 最贴近

a ::j 迎 1 ?::j ?迥

⑷神经网络法

人工神经网络是由大量简单的基本单元 ------- 神经元 (n euro n )相互联接而 成的非线性动态系统,每个神经元结构和功能比较简单,而由其组成的系统却可以 非常复杂,具有人脑的某些特性,在自学习、自组织、联想及容错方面具有较强的 能力,能用于联想、识别和决策。在模式识别方面,与前述方法显著不同的特定之 一是训练后的神经网络对待识模式特征提取与分类识别在该网络可以一同完成。 神经网络模型有几十种,其中BP (误差反传播算法)网络模型是模式识别应用最 广泛的网络之一。它利用给定的样本,在学习过程中不断修正内部连接权重和阈 值,使实际输出与期望输出在一定误差范围内相等。 BP 算法的主要思想是从后向 前(反向)逐层传播输出层的误差,以间接算出隐层误差。算法分成两个阶段:第 一阶段(正向过程)输入信息从输入层经隐层逐层计算各单元的输出值; 第二阶段 (反向传播过程)内输出误差逐层向前算出隐层各单元的误差, 并用此误差修正前 层权值。Hopfield 网络与BP 网络不同的是它是一种反馈网络。反馈网络的基本单 元时与前馈网络类似的神经元,其特性可以是阈值函数或 sigmoid 函数。反馈网 络是单层的,各单元地位平等,每个神经元都可以与所有其他的神经元连接。 如 果考虑一个二层前馈网络,其输出层与输入层的神经元数相同,每一个输出都直 接连接(反馈)到相对应的一个输入上,该网路就等价于一个反馈网络。反馈网络 有一般非线性系统的许多性质,如稳定性问题、各种类型的吸引子以及混沌现象 等,在某些情况下还有随机性、不可预测性。同时, Hopfield 网络还满足权值对 称和无自反馈性质。

(5)逻辑推理法

逻辑推理法是对待识客体运用统计(或结构、模糊)识别技术,或人工智能技 术,获得客体的符号性表达即知识性事实后,运用人工智能技术对知识的获取、表 达、组织、推理方法,确定该客体所归属的模式类(进而使用)的方法。它是一种 与统计模式识别、句法模式识别相并列(又相结合)的基于逻辑推理的智能模式 识别方法。它主要包括知识表示、知识推理和知识获取三个环节。

(6)新的模式识别方法 1共享核函数模型

概率密度估计构成一个无监督的方法,该方法试图从所得到的没有标记的数 据集中建立原

1一2

1 _a j b j +勺 j 1

⑵2

a j

a j a j

1」 2\ b i +b j

j b j

a j ⑵

a ij

~'(bj -^) ::: a j ::: a ij (1

\ a

」g ⑵

a j ⑵

b j +b j ) (b j b j )乞 a j

始密度函数的模型。密度估计的一个重要应用就是它可以被用于解决分类问题。

广泛应用于统计模式识别中密度估计的方法之一是基于混合密度模型的。根据期望最大(EM算法得到了这些模型中有效的训练过程。在参考文献⑹中,作者指出,按照共享核函数可以得出条件密度估计的更一般的模型,这里类条件密度可以用一些对所有类的条件密度估计产生作用的核函数表示。作者首先提出了一个模型,该模型对经典径向基函数(RBF)网络进行了修改,其输出表示类条件密度。与其相反的是独立混合模型的方法,其中每个类的密度采用独立混合密度进行估计。最后提出了一个更一般的模型,上面提到的模型是这个模型的特殊情况。

2粗糙集理论(Rough Set Theory, 简记RST)方法

在20 世纪70 年代,波兰学者Pawlak Z 和一些波兰的逻辑学家们一起从事关于信息系统逻辑特性的研究。粗糙集理论就是在这些研究的基础上产生的。1982 年,Pawlak Z发表了经典论文Rough Sets,宣告了粗糙集理论的诞生。此后,粗糙集理论引起了许多科学家、逻辑学家和计算机研究人员的兴趣,他们在粗糙集的理论和应用方面作了大量的研究工作。1991 年,Pawlak Z 的专著和1992 年应用专集的出版,对这一段时期理论和实践工作的成果作了较好的总结,同时促进了粗糙集在各个领域的应用。此后召开的与粗糙集有关的国际会议进一步推动了粗糙集的发展。越来越多的科技人员开始了解并准备从事该领域的研究。目前,粗糙集已成为人工智能领域中一个较新的学术热点,在模式识别、机器学习、知识获取、决策分析、过程控制等许多领域得到了广泛的应用。

模拟传感器信号的一个方法, 在点的非空不可数集合下实现集合的近似, 引入了基于粗糙集理论的离散粗糙积分。离散粗糙积分有助于近似推理和模式识别中连续信号的分割。在近似推理中,离散粗糙积分为确定某特定采样期间传感器的相关性提供一个基。在模式识别中,离散粗糙积分可用于如雷达天气数据的分类、汽车模式分类及动力系统故障波形分类等方面。

粗糙集理论是处理模糊和不确定性的一个新的数学工具。用粗糙集理论构造决策规则的算法一般都是考虑决策规则的数量而不是它们的代价。采用多目标决策来协调规则的简明性和代价之间的冲突,以及提高粗糙集的效率和效力。

基于模式识别方法的动力系统瞬态稳定性估计(TSA)通常按两个模式的分类问题进行处理,即区分稳定和不稳定类。其中有两个基本问题:(1)选择一组有效的特征;(2 )建立一个具有高精度分类的模式分类器。参考文献[10] 将粗糙集理论与向后传播的神经网络(BPNN相结合来进行瞬态稳定性估计,包括特征提取和分类器构造。首先,通过初始输入特征的离散化,利用基于RST的诱导学习

算法来简化初始特征集。然后,利用采用半监督学习算法的 BPNN 乍为一个“粗 糙分类器”将系统稳定性分为三类,即稳定类、不稳定类和不确定类(边界区域)o 不确定类的引入提供了减少误分类的一个切实可行的方法, 且分类结果的可靠性 也因此而大大提高。

3仿生模式识别(拓扑模式识别)

一种模式识别理论的新模型,它是基于“认识”事物而不是基于“区分”事 物为目的。与传统以“最佳划分”为目标的统计模式识别相比,

它更接近于人类

“认识”事物的特性,故称为“仿生模式识别”。它的数学方法在于研究特征空 间中同类样本的连续性(不能分裂成两个彼此不邻接的部分)特性。文献 [11]中 用“仿生模式识别”理论及其“高维空间复杂几何形体覆盖神经网络”识别方 法,对地平面刚性目标全方位识别问题作了实验。 对各种形状相像的动物及车辆 模型作全方位8800次识别,结果正确识别率为 99.75 %,错误识别率与拒识率 分别为0与0.25 %o

(7)利用模式识别方法实现分类 1文献内容方法介绍

问题来源于自动车型识别器的设计,分类器的输入为一个三维的数据,分 别为汽车的三个特征,顶蓬长度与车辆长度之比,称之为顶长比;顶蓬长度与车 辆高度之比,称之为 顶高比;以顶蓬中垂线为界,前后两部分之比,称之为 前后 比。分类目标为把汽车分为 客车,货车,轿车三种,因此我们设计一个三输入三 输出的三层bp 网络,中间层节点的数目我们选择8个,实验证明,这个3-8-3的三 层神经网络分类器能达到很好的效果。

神经网络的结构为下图:

般的BP 神经网络存在着许多问题,如学习算法的收敛速度很慢,存在局

/ 1

8

7

Z

2

/

Y

Z __/

前后比

\ ......

顶高比

/

顶长比

部极小值,网络学习具有不稳定性等。这些问题一直限制着BP神经网络在大范

围内的应用。动量BP神经网络是带动量的批处理梯度下降的网络,它是通过改变学习率n来提高网络的性能,并且利用附加动量的作用自动避免陷入局部极小值。而且动量BP 算法可使网络在修正其权值时,除考虑误差在梯度上的作用外,还会考虑在误差曲面上变化趋势的影响。

本文采用的就是在权值改变量中加入一个动量因子来加速收敛并防止网络振

荡。增加动量因子n的BP算法,即为动量BP算法。在引入动量项后,网络连接权的迭代关系具有如下形式:

x(k+ 1) =x(k) + △ x(k+ 1)

A x(k+ 1) = n 狈k) + a k)(1 - n 兰血

x(k)

式中,x(k)为第k次迭代各层之间的连接权向量或者是阀值向量。n为引入

的动量因子,要求0

cx(k)

或阀值的梯度向量。E(k)为第k次迭代的网络输出的总误差性能,一般采用的网络误差为均方误差MSE(mean square error)。a(为第k次迭代的网络学习率,在训练时,当误差以减小的方式趋于目标时,说明修正方向正确,可以使步长增大,因此可以将学习率乘以一个增量因子kinc使学习率增加。动量项的作用在于记

忆前一时刻连接权的变化方向(即变化量的值),这样就可以采用较大的学习速率n,以提高学习的速度。增加动量项,利用其“惯性效应”来抑制可能产生的振荡,起到了平滑的作用。

2程序复现及结果分析

样本数据:

data=[ 0.8645,2.3053,0.9288;%%客车的样本

0.8456,1.7366,0.9721;

0.8329,1.9963,0.9626;

0.9498,2.4015,0.9466;

0.8735,2.4342,0.8956;

0.7797,1.5103,0.9315;

0.8805,1.5903,0.9466;

0.7453,1.3771,0.9543;

0.1473,0.4372,0.3926;%%货车的样本

0.1526,0.4592,0.4588;

0.3421,1.0006,0.5166;

0.3164,0.9250,0.1875;

0.2311,0.9459,0.1875;

0.1534,0.5280,0.5172;

0.3006,0.8367,0.1874;

0.3926,1.0277,0.1875;

0.3692,0.7500,1.5238;%%轿车的样本0.3687,0.8138,2.8823;

0.4444,1.0012,2.1818; 0.2921,0.9845,2.3000; 0.3319,1.0764,1.4878; 0.3745,1.3827,1.3600; 0.2747,0.9566,1.4878;

0.3331,1.1811,1.5531];%%客 车的样本

目标把数据分为三类,客车样本的目标为:[1 0 0],货车样本的目标为:[0 1 0],轿车样本的目标为:[0 0 1]。把实验数据等间隔的分为训练集与测试集。通 过反复实验,我们最终选择了一个隐含层为 8个神经元,输出为3个神经元的

BP 神经网络来实现。

如下为参数设置:

n et.tra in Param.show = 100;

n et.tra in Para m.lr = 0.2; n et.tra in Param.mc = 0.90;

n et.trai nParam.epochs = 100000; n et.tra in Param.goal = 0.01;

下图是经过反复训练后得到的平方误差曲线。红色表示训练集误差,蓝色表示测试集误 差。

当平方误差训练目标值取到

net.trainParam.goal = 1e-5时,下图表示出很好的收敛

性,达到了很好的分类效果。

Stop Training

12

10

8

6

4

2

0 0

10 20 30

40 50 60 70 80 90

时间

从图中可以看出,当目标值设为 0.01时,训练刚开始会有一点小振荡。

差误方平

an=sim (n et,p n);

a=poststd(a n, mea nt,stdt) 仿真网络后得到 a =

Colu mns 1 through 8

1.0011 0.9977 0.9995 1.0048 0.9988 0.9578 1.0006 0.8878 -0.0024

0.0006 0.0005 -0.0093 0.0015 0.1479 0.0004 0.2761 -0.0009

0.0057

0.0006

-0.0030

0.0002

-0.0598

0.0001

-0.0814

Columns 9 through 16 -0.0016 -0.0018 0.0009 0.0011 0.0007 -0.0003 -0.0001 0.0123 1.0000

0.9967 0.9958 1.0019 1.0010 0.9911 1.0031 0.9936

-0.0012

0.0023

0.0039

-0.0026

0.0002

0.0056

-0.0028

-0.0094

Colu mns 17 through 24 -0.0004 -0.0676 -0.0001 -0.0233 0.0001 0.0054 0.0005 -0.0004

-0.0017 0.1015 0.0000 -0.0002 0.0030 0.0741 -0.0014

-0.0082 1.0000

0.8980

0.9999

1.0109

0.9996

0.9359

1.0005 1.0151

5 4 3 2 差误方平

Slop Trsirun^

2

3

4

5

6 7

时间

4

x 10

1 0 0;

1 0 0;

1 0 0;

1 0 0;

1 0 0;

1 0 0;

1 0 0;

0 1 0;

0 1 0;

0 1 0;

0 1 0;

0 1 0;

0 1 0;

0 1 0;

0 1 0;

0 0 1;

0 0 1;

0 0 1;

0 0 1;

0 0 1;

0 0 1;

0 0 1;

0 0 1];

t=t1';

很明显可以与目标分类值t相比,误差也很小。实现了很好的分类效果。

程序详单见附件bpm.m

参考文献:

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用.电子学报,2002;30(10) : 1417—1420.

模式识别课matlab数字识别程序

名称:模式识别 题目:数字‘3’和‘4’的识别

实验目的与要求: 利用已知的数字样本(3和4),提取样本特征,并确定分类准则,在用测试样本对分类确定准则的错误率进行分析。进一步加深对模式识别方法的理解,强化利用计算机实现模式识别。 实验原理: 1.特征提取原理: 利用MATLAN 软件把图片变为一个二维矩阵,然后对该矩阵进行二值化处理。由于“3”的下半部分在横轴上的投影比“4”的下半部分在横轴上的投影宽,所以可以统计‘3’‘4’在横轴上投影的‘1’的个数作为一个特征。又由于‘4’中间纵向比‘3’的中间‘1’的个数多,所以可以统计‘4’和‘3’中间区域‘1’的个数作为另外一个特征,又考虑‘4’的纵向可能会有点偏,所以在统计一的个数的时候,取的范围稍微大点,但不能太大。 2.分类准则原理: 利用最近邻对测试样本进行分类 实验步骤 1.利用MATLAN 软件把前30个图片变为一个二维矩阵,然后对该矩阵进行二值化处理。 2.利用上述矩阵生成特征向量 3.利用MATLAN 软件把后5个图片变为一个二维矩阵,然后对该矩阵进行二值化处理。 4.对测试样本进行分类,用F矩阵表示结果,如果是‘1’表示分类正确,‘0’表示分类错误。 5.对分类错误率分析 实验原始程序: f=zeros(5,2) w=zeros(35,2) q=zeros(35,2) for i=1:35 filename_1='D:\MATLAB6p5\toolbox\images\imdemos\3\' filename_2='.bmp' a= num2str (i) b=strcat(filename_1,a) c=strcat(b,filename_2) d=imread(c) e=im2bw(d) n=0 for u=1:20 m=0 for t=32:36 if(e(t,u)==0) m=m+1 end end if(m<5) n=n+1 end end

模式识别实验报告

模式识别实验报告

————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期:

实验报告 实验课程名称:模式识别 姓名:王宇班级: 20110813 学号: 2011081325 实验名称规范程度原理叙述实验过程实验结果实验成绩 图像的贝叶斯分类 K均值聚类算法 神经网络模式识别 平均成绩 折合成绩 注:1、每个实验中各项成绩按照5分制评定,实验成绩为各项总和 2、平均成绩取各项实验平均成绩 3、折合成绩按照教学大纲要求的百分比进行折合 2014年 6月

实验一、 图像的贝叶斯分类 一、实验目的 将模式识别方法与图像处理技术相结合,掌握利用最小错分概率贝叶斯分类器进行图像分类的基本方法,通过实验加深对基本概念的理解。 二、实验仪器设备及软件 HP D538、MATLAB 三、实验原理 概念: 阈值化分割算法是计算机视觉中的常用算法,对灰度图象的阈值分割就是先确定一个处于图像灰度取值范围内的灰度阈值,然后将图像中每个像素的灰度值与这个阈值相比较。并根据比较的结果将对应的像素划分为两类,灰度值大于阈值的像素划分为一类,小于阈值的划分为另一类,等于阈值的可任意划分到两类中的任何一类。 最常用的模型可描述如下:假设图像由具有单峰灰度分布的目标和背景组成,处于目标和背景内部相邻像素间的灰度值是高度相关的,但处于目标和背景交界处两边的像素灰度值有较大差别,此时,图像的灰度直方图基本上可看作是由分别对应于目标和背景的两个单峰直方图混合构成。而且这两个分布应大小接近,且均值足够远,方差足够小,这种情况下直方图呈现较明显的双峰。类似地,如果图像中包含多个单峰灰度目标,则直方图可能呈现较明显的多峰。 上述图像模型只是理想情况,有时图像中目标和背景的灰度值有部分交错。这时如用全局阈值进行分割必然会产生一定的误差。分割误差包括将目标分为背景和将背景分为目标两大类。实际应用中应尽量减小错误分割的概率,常用的一种方法为选取最优阈值。这里所谓的最优阈值,就是指能使误分割概率最小的分割阈值。图像的直方图可以看成是对灰度值概率分布密度函数的一种近似。如一幅图像中只包含目标和背景两类灰度区域,那么直方图所代表的灰度值概率密度函数可以表示为目标和背景两类灰度值概率密度函数的加权和。如果概率密度函数形式已知,就有可能计算出使目标和背景两类误分割概率最小的最优阈值。 假设目标与背景两类像素值均服从正态分布且混有加性高斯噪声,上述分类问题可以使用模式识别中的最小错分概率贝叶斯分类器来解决。以1p 与2p 分别表示目标与背景的灰度分布概率密度函数,1P 与2P 分别表示两类的先验概率,则图像的混合概率密度函数可用下式表示为

DX3004模式识别与人工智能--教学大纲概要

《模式识别与人工智能》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程代码:DX3004 课程名称:模式识别与人工智能 课程性质:选修课 课程类别:专业与专业方向课程 适用专业:电气信息类专业 总学时: 64 学时 总学分: 4 学分 先修课程:MATLAB程序设计;数据结构;数字信号处理;概率论与数理统计 后续课程:语音处理技术;数字图像处理 课程简介: 模式识别与人工智能是60年代迅速发展起来的一门学科,属于信息,控制和系统科学的范畴。模式识别就是利用计算机对某些物理现象进行分类,在错误概率最小的条件下,使识别的结果尽量与事物相符。模式识别技术主要分为两大类:基于决策理论的统计模式识别和基于形式语言理论的句法模式识别。模式识别的原理和方法在医学、军事等众多领域应用十分广泛。本课程着重讲述模式识别的基本概念,基本方法和算法原理,注重理论与实践紧密结合,通过大量实例讲述如何将所学知识运用到实际应用之中去,避免引用过多的、繁琐的数学推导。这门课的教学目的是让学生掌握统计模式识别基本原理和方法,使学生具有初步综合利用数学知识深入研究有关信息领域问题的能力。 选用教材: 《模式识别》第二版,边肇祺,张学工等编著[M],北京:清华大学出版社,1999; 参考书目: [1] 《模式识别导论》,齐敏,李大健,郝重阳编著[M]. 北京:清华大学出版社,2009; [2] 《人工智能基础》,蔡自兴,蒙祖强[M]. 北京:高等教育出版社,2005; [3] 《模式识别》,汪增福编著[M]. 安徽:中国科学技术大学出版社,2010; 二、课程总目标 本课程为计算机应用技术专业本科生的专业选修课。通过本课程的学习,要求重点掌握统计模式识别的基本理论和应用。掌握统计模式识别方法中的特征提取和分类决策。掌握特征提取和选择的准则和算法,掌握监督学习的原理以及分类器的设计方法。基本掌握非监督模式识别方法。了解应用人工神经网络和模糊理论的模式识别方法。了解模式识别的应用和系统设计。要求学生掌握本课程的基本理论和方法并能在解决实际问题时得到有效地运用,同时为开发研究新的模式识别的理论和方法打下基础。 三、课程教学内容与基本要求 1、教学内容: (1)模式识别与人工智能基本知识; (2)贝叶斯决策理论; (3)概率密度函数的估计; (4)线性判别函数; (5)非线性胖别函数;

模式识别研究进展-刘成林and谭铁牛

模式识别研究进展 刘成林,谭铁牛 中国科学院自动化研究所 模式识别国家重点实验室 北京中关村东路95号 摘要 自20世纪60年代以来,模式识别的理论与方法研究及在工程中的实际应用取得了很大的进展。本文先简要回顾模式识别领域的发展历史和主要方法的演变,然后围绕模式分类这个模式识别的核心问题,就概率密度估计、特征选择和变换、分类器设计几个方面介绍近年来理论和方法研究的主要进展,最后简要分析将来的发展趋势。 1. 前言 模式识别(Pattern Recognition)是对感知信号(图像、视频、声音等)进行分析,对其中的物体对象或行为进行判别和解释的过程。模式识别能力普遍存在于人和动物的认知系统,是人和动物获取外部环境知识,并与环境进行交互的重要基础。我们现在所说的模式识别一般是指用机器实现模式识别过程,是人工智能领域的一个重要分支。早期的模式识别研究是与人工智能和机器学习密不可分的,如Rosenblatt的感知机[1]和Nilsson的学习机[2]就与这三个领域密切相关。后来,由于人工智能更关心符号信息和知识的推理,而模式识别更关心感知信息的处理,二者逐渐分离形成了不同的研究领域。介于模式识别和人工智能之间的机器学习在20世纪80年代以前也偏重于符号学习,后来人工神经网络重新受到重视,统计学习逐渐成为主流,与模式识别中的学习问题渐趋重合,重新拉近了模式识别与人工智能的距离。模式识别与机器学习的方法也被广泛用于感知信号以外的数据分析问题(如文本分析、商业数据分析、基因表达数据分析等),形成了数据挖掘领域。 模式分类是模式识别的主要任务和核心研究内容。分类器设计是在训练样本集合上进行优化(如使每一类样本的表达误差最小或使不同类别样本的分类误差最小)的过程,也就是一个机器学习过程。由于模式识别的对象是存在于感知信号中的物体和现象,它研究的内容还包括信号/图像/视频的处理、分割、形状和运动分析等,以及面向应用(如文字识别、语音识别、生物认证、医学图像分析、遥感图像分析等)的方法和系统研究。 本文简要回顾模式识别领域的发展历史和主要方法的演变,介绍模式识别理论方法研究的最新进展并分析未来的发展趋势。由于Jain等人的综述[3]已经全面介绍了2000年以前模式分类方面的进展,本文侧重于2000年以后的研究进展。

模式识别报告二

第二次试验报告 一 实验名称 贝叶斯分类器设计(最小风险贝叶斯决策和最小错误率贝叶斯抉择) 二 实验原理 最小错误率: 合理决策依据:根据后验概率决策 已知后验概率P(w 1|x), P(w 2|x), 决策规则: ? 当P(w 1|x)>P(w 2|x) x ∈w 1, ? 当P(w 1|x)

最小风险: 1. 已知类别的P(w i )及x 的p(x/w i ),利用贝叶斯公式,可得类别 的后验概率P(w i /x)。 2. 利用决策表和后验概率,计算最小条件风险 3. 决策:在各种决策中选择风险最小的决策 三 实验内容 ? 假定某个局部区域细胞识别中正常( w1)和非正常 ( w2)两类先验概率分别为 ? 正常状态:P (w1)=0.9; 异常状态:P (w2)=0.1。 1 (/)()(/)(/)()i i i c i i i p x w P w P w x p x w P w =?=∑

?现有一系列待观察的细胞,其观察值为x: -3.9847 -3.5549 -1.2401 -0.9780 -0.7932 -2.8531 -2.7605 -3.7287 -3.5414 -2.2692 -3.4549 -3.0752 -3.9934 2.8792 -0.9780 0.7932 1.1882 3.0682 -1.5799 -1.4885 -0.7431 -0.4221 -1.1186 4.2532 ?类条件概率分布正态分布分别为(-2,0.5)(2,2)试对观察的结果进行分类。 四实验步骤及贴图 步骤: ?1.用matlab完成分类器的设计,说明文字程序相应语句,子程 序有调用过程。 ?2.根据例子画出后验概率的分布曲线以及分类的结果示意图。 ?3.最小风险贝叶斯决策,决策表如下: ?重新设计程序,完成基于最小风险的贝叶斯分类器,画出相应 的后验概率的分布曲线和分类结果,并比较两个结果。

统计模式识别方法

统计模式识别方法 在嗅觉模拟技术领域中,模式识别问题就是由气敏传感器阵列的测量空间向被测对象的的分类或分级空间转化的问题。由于这种模式空间的变化对识别或鉴别结果有着较大的影响,因此模式识别算法的研究和讨论始终较为活跃,各种模式识别方法层出不穷,有力推动了嗅觉模拟技术的应用进程。下面介绍几种常用的统计模式识别方法。 1统计模式识别概述 统计方法,是发展较早也比较成熟的一种方法。被识别对象首先数字化,变换为适于计算机处理的数字信息。一个模式常常要用很大的信息量来表示。许多模式识别系统在数字化环节之后还进行预处理,用于除去混入的干扰信息并减少某些变形和失真。随后是进行特征抽取,即从数字化后或预处理后的输入模式中抽取一组特征。所谓特征是选定的一种度量,它对于一般的变形和失真保持不变或几乎不变,并且只含尽可能少的冗余信息。特征抽取过程将输入模式从对象空间映射到特征空间。这时,模式可用特征空间中的一个点或一个特征矢量表示。这种映射不仅压缩了信息量,而且易于分类。在决策理论方法中,特征抽取占有重要的地位,但尚无通用的理论指导,只能通过分析具体识别对象决定选取何种特征。特征抽取后可进行分类,即从特征空间再映射到决策空间。为此而引入鉴别函数,由特征矢量计算出相应于各类别的鉴别函数值,通过鉴别函数值的比较实行分类。 统计模式识别的技术理论较完善,方法也很多,通常较为有效,现已形成了一个完整的体系。尽管方法很多,但从根本上讲,都是利用各类的分布特征,即直接利用各类的概率密度函数、后验概率等,或隐含地利用上述概念进行识别。其中基本的技术为聚类分析法、判别类域代数界面法、统计决策法、最邻近法等。在聚类分析中,利用待分类模式之间的“相似性”进行分类,较相似的作为一类,较不相似的作为另外一类。在分类过程中不断地计算所划分的各类的中心,一个待分类模式与各类中心的距离作为对其分类的依据。这实际上在某些设定下隐含地利用了概率分布概念,因常见的概率密度函数中,距期望值较近的点概密值较大。该类方法的另一种技术是根据待分类模式和已指判出类别的模式的距离来确定其判别,这实际上也是在一定程度上利用了有关的概念。判别类域界面法中,用已知类别的训练样本产生判别函数,这相当于学习或训练。根据待分类模式

模式识别实验报告(一二)

信息与通信工程学院 模式识别实验报告 班级: 姓名: 学号: 日期:2011年12月

实验一、Bayes 分类器设计 一、实验目的: 1.对模式识别有一个初步的理解 2.能够根据自己的设计对贝叶斯决策理论算法有一个深刻地认识 3.理解二类分类器的设计原理 二、实验条件: matlab 软件 三、实验原理: 最小风险贝叶斯决策可按下列步骤进行: 1)在已知 ) (i P ω, ) (i X P ω,i=1,…,c 及给出待识别的X 的情况下,根据贝叶斯公式计 算出后验概率: ∑== c j i i i i i P X P P X P X P 1 ) ()() ()()(ωωωωω j=1,…,x 2)利用计算出的后验概率及决策表,按下面的公式计算出采取i a ,i=1,…,a 的条件风险 ∑== c j j j i i X P a X a R 1 )(),()(ωω λ,i=1,2,…,a 3)对(2)中得到的a 个条件风险值) (X a R i ,i=1,…,a 进行比较,找出使其条件风险最小的 决策k a ,即()() 1,min k i i a R a x R a x == 则 k a 就是最小风险贝叶斯决策。 四、实验内容 假定某个局部区域细胞识别中正常(1ω)和非正常(2ω)两类先验概率分别为 正常状态:P (1ω)=; 异常状态:P (2ω)=。 现有一系列待观察的细胞,其观察值为x : 已知先验概率是的曲线如下图:

)|(1ωx p )|(2ωx p 类条件概率分布正态分布分别为(-2,)(2,4)试对观察的结果 进行分类。 五、实验步骤: 1.用matlab 完成分类器的设计,说明文字程序相应语句,子程序有调用过程。 2.根据例子画出后验概率的分布曲线以及分类的结果示意图。 3.最小风险贝叶斯决策,决策表如下: 结果,并比较两个结果。 六、实验代码 1.最小错误率贝叶斯决策 x=[ ] pw1=; pw2=; e1=-2; a1=; e2=2;a2=2; m=numel(x); %得到待测细胞个数 pw1_x=zeros(1,m); %存放对w1的后验概率矩阵 pw2_x=zeros(1,m); %存放对w2的后验概率矩阵

模式识别课程设计

模式识别 课程设计 关于黄绿树叶的分类问题 成员:李家伟2015020907010 黄哲2015020907006 老师:程建 学生签字:

一、小组分工 黄哲:数据采集以及特征提取。 李家伟:算法编写设计,完成测试编写报告。 二、特征提取 选取黄、绿树叶各15片,用老师给出的识别算法进行特征提取 %Extract the feature of the leaf clear, close all I = imread('/Users/DrLee/Desktop/kmeans/1.jpg'); I = im2double(I); figure, imshow(I) n = input('Please input the number of the sample regions n:'); h = input('Please input the width of the sample region h:'); [Pos] = ginput(n); SamNum = size(Pos,1); Region = []; RegionFeatureCum = zeros((2*h+1)*(2*h+1)*3,1); RegionFeature = zeros((2*h+1)*(2*h+1)*3,1); for i = 1:SamNum P = round(Pos(i,:)); rectangle('Position', [P(1) P(2) 2*h+1 2*h+1]); hold on Region{i} = I(P(2)-h:P(2)+h,P(1)-h:P(1)+h,:); RegionFeatureCum = RegionFeatureCum + reshape(Region{i},[(2*h+1)*(2*h+1)*3,1]); end hold off RegionFeature = RegionFeatureCum / SamNum 1~15为绿色树叶特征,16~30为黄色树叶特征,取n=3;h=1,表示每片叶子取三个区域,每个区域的特征为3*3*3维的向量,然后变为27*1的列向量,表格如下。

华南理工大学《模式识别》大作业报告

华南理工大学《模式识别》大作业报告 题目:模式识别导论实验 学院计算机科学与工程 专业计算机科学与技术(全英创新班) 学生姓名黄炜杰 学生学号201230590051 指导教师吴斯 课程编号145143 课程学分2分 起始日期2015年5月18日

实验概述 【实验目的及要求】 Purpose: Develop classifiers,which take input features and predict the labels. Requirement: ?Include explanations about why you choose the specific approaches. ?If your classifier includes any parameter that can be adjusted,please report the effectiveness of the parameter on the final classification result. ?In evaluating the results of your classifiers,please compute the precision and recall values of your classifier. ?Partition the dataset into2folds and conduct a cross-validation procedure in measuring the performance. ?Make sure to use figures and tables to summarize your results and clarify your presentation. 【实验环境】 Operating system:window8(64bit) IDE:Matlab R2012b Programming language:Matlab

模式识别文献综述报告

指导老师:马丽 学号:700 班级: 075111 姓名:刘建 成绩: 目录 ............................................................ 一、报告内容要点............................................................ 二、《应用主成分分解(PCA)法的图像融合技术》............................................................ 三、《基于类内加权平均值的模块 PCA 算法》............................................................

四、《PCA-LDA 算法在性别鉴别中的应用》 ............................................................ 五、《一种面向数据学习的快速PCA算法》 ............................................................ 六、《Theory of fractional covariance matrix and its applications in PCA and 2D-PCA》 ............................................................ 七、课程心得体会 ............................................................ 八、参考文献 ............................................................ 一、报告内容要点 ①每篇论文主要使用什么算法实现什么 ②论文有没有对算法做出改进(为什么改进,原算法存在什么问题,改进方法是什么) ③论文中做了什么对比试验,实验结论是什么?可以加入自己的分析和想法,例如这篇论文还存在什么问题或者缺点,这篇论文所作出的改进策略是否好,你自己对算法有没有什么改进的想法? 二、《应用主成分分解(PCA)法的图像融合技术》 第一篇《应用主成分分解(PCA)法的图像融合技术》,作者主要是实现用PCA可以提取图像数据中主要成分这一特点,从元图像获得协方差矩阵的特征值和特征向量,据此确定图像融合算法中的加权系数和最终融合图像。 作者在图像融合的算法上进行改进,用PCA获得待融合的每幅图像的加权系数Wi。是这样实现的:计算待融合的i幅图像数据矩阵的协方差矩阵,从中获

模式识别课程设计

模式识别课程设计 聚类图像分割 一.图像分割概述 图像分割是一种重要的图像分析技术。在对图像的研究和应用中,人们往往仅对图像中的某些部分感兴趣。这些部分常称为目标或前景(其他部分称为背景)。它们一般对应图像中特定的、具有独特性质的区域。为了辨识和分析图像中的目标,需要将它们从图像中分离提取出来,在此基础上才有可能进一步对目标进行测量,对图像进行利用。图像分割就是把图像分成各具特性的区域并提取出感兴趣目标的技术和过程。现有的图像分割方法主要分以下几类:基于阈值的分割方法、基于区域的分割方法、基于边缘的分割方法以及基于特定理论的分割方法等。近年来,研究人员不断改进原有的图像分割方法并把其它学科的一些新理论和新方法用于图像分割,提出了不少新的分割方法。 图象分割是图象处理、模式识别和人工智能等多个领域中一个十分重要且又十分困难的问题,是计算机视觉技术中首要的、重要的关键步骤。图象分割应用在许多方面,例如在汽车车型自动识别系统中,从CCD摄像头获取的图象中除了汽车之外还有许多其他的物体和背景,为了进一步提取汽车特征,辨识车型,图象分割是必须的。因此其应用从小到检查癌细胞、精密零件表面缺陷检测,大到处理卫星拍摄的地形地貌照片等。在所有这些应用领域中,最终结果很大程度上

依赖于图象分割的结果。因此为了对物体进行特征的提取和识别,首先需要把待处理的物体(目标)从背景中划分出来,即图象分割。但是,在一些复杂的问题中,例如金属材料内部结构特征的分割和识别,虽然图象分割方法已有上百种,但是现有的分割技术都不能得到令人满意的结果,原因在于计算机图象处理技术是对人类视觉的模拟,而人类的视觉系统是一种神奇的、高度自动化的生物图象处理系统。目前,人类对于视觉系统生物物理过程的认识还很肤浅,计算机图象处理系统要完全实现人类视觉系统,形成计算机视觉,还有一个很长的过程。因此从原理、应用和应用效果的评估上深入研究图象分割技术,对于提高计算机的视觉能力和理解人类的视觉系统都具有十分重要的意义。 二.常用的图像分割方法 1.基于阈值的分割方法 包括全局阈值、自适应阈值、最佳阈值等等。阈值分割算法的关键是确定阈值,如果能确定一个合适的阈值就可准确地将图像分割开来。阈值确定后,将阈值与像素点的灰度值比较和像素分割可对各像素并行地进行,分割的结果直接给出图像区域。全局阈值是指整幅图像使用同一个阈值做分割处理,适用于背景和前景有明显对比的图像。它是根据整幅图像确定的:T=T(f)。但是这种方法只考虑像素本身的灰度值,一般不考虑空间特征,因而对噪声很敏感。常用的全局阈值选取方法有利用图像灰度直方图的峰谷法、最小误差法、最大类间方差法、最大熵自动阈值法以及其它一些方法。

人工智能 多种模式识别的调研报告

郑州科技学院 本科毕业设计(论文) 题目多种模式识别的调研报告 姓名闫永光 专业计算机科学与技术 学号201115025 指导教师 郑州科技学院信息工程系 二○一四年六月

摘要 信息技术的飞速发展使得人工智能的应用范围变得越来越广,而模式识别作为其中的一个重要方面,一直是人工智能研究的重要方向。在介绍人工智能和模式识别的相关知识的同时,对人工智能在模式识别中的应用进行了一定的论述。 模式识别(Pattern Recognition)是人类的一项基本智能,着20世纪40年代计算机的出现以及50年代人工智能的兴起,模式识别技术有了长足的发展。模式识别与统计学、心理学、语言学、计算机科学、生物学、控制论等都有关系。它与人工智能、图像处理的研究有交叉关系。模式识别的发展潜力巨大。 关键词:模式识别;人工智能;多种模式识别的应用;模式识别技术的发展潜力

引言 随着计算机应用范围不断的拓宽,我们对于计算机具有更加有效的感知“能力”,诸如对声音、文字、图像、温度以及震动等外界信息,这样就可以依靠计算机来对人类的生存环境进行数字化改造。但是从一般的意义上来讲,当前的计算机都无法直接感知这些信息,而只能通过人在键盘、鼠标等外设上的操作才能感知外部信息。虽然摄像仪、图文扫描仪和话筒等相关设备已经部分的解决了非电信号的转换问题,但是仍然存在着识别技术不高,不能确保计算机真正的感知所采录的究竟是什么信息。这直接使得计算机对外部世界的感知能力低下,成为计算机应用发展的瓶颈。这时,能够提高计算机外部感知能力的学科——模式识别应运而生,并得到了快速的发展。人工智能中所提到的模式识别是指采用计算机来代替人类或者是帮助人类来感知外部信息,可以说是一种对人类感知能力的一种仿真模拟。它探讨的是计算机模式识别系统的建立,通过计算机系统来模拟人类感官对外界信息的识别和感知 1、模式识别 什么是模式和模式识别? 模式可分成抽象的和具体的两种形式。前者如意识、思想、议论等,属于概念识别研究的范畴,是人工智能的另一研究分支。我们所指的模式识别主要是对语音波形、地震波、心电图、脑电图、图片、照片、文字、符号、生物传感器等对象的具体模式进行辨识和分类。 模式识别(Pattern Recognition)是指对表征事物或现象的各种形式的(数值的、文字的和逻辑关系的)信息进行处理和分析,以对事物或现象进行描述、辨认、分类和解释的过程,是信息科学和人工智能的重要组成部分。模式识别又常称作模式分类,从处理问题的性质和解决问题的方法等角度,模式识别分为有监督的分类(Supervised Classification)和无监督的分类(Unsupervised Classification)两种。二者的主要差别在于,各实验样本所属的类别是否预先已知。一般说来,有监督的分类往往需要提供大量已知类别的样本,但在实际问题中,这是存在一定困难的,因此研究无监督的分类就变得十分有必要了。

《模式识别基础》课程标准

《模式识别基础》课程标准 (执笔人:刘雨审阅学院:电子科学与工程学院)课程编号:08113 英文名称:Pattern Recognition 预修课程:高等数学,线性代数,概率论与数理统计,程序设计 学时安排:40学时,其中讲授32学时,实践8学时。 学分:2 一、课程概述 (一)课程性质地位 模式识别课基础程是军事指挥类本科生信息工程专业的专业基础课,通信工程专业的选修课。在知识结构中处于承上启下的重要位置,对于巩固已学知识、开展专业课学习及未来工作具有重要意义。课程特点是理论与实践联系密切,是培养学生理论素养、实践技能和创新能力的重要环节。是以后工作中理解、使用信息战中涉及的众多信息处理技术的重要知识储备。 本课程主要介绍统计模式识别的基本理论和方法,包括聚类分析,判别域代数界面方程法,统计判决、训练学习与错误率估计,最近邻方法以及特征提取与选择。 模式识别是研究信息分类识别理论和方法的学科,综合性、交叉性强。从内涵讲,模式识别是一门数据处理、信息分析的学科,从应用讲,属于人工智能、机器学习范畴。理论上它涉及的数学知识较多,如代数学、矩阵论、函数论、概率统计、最优化方法、图论等,用到信号处理、控制论、计算机技术、生理物理学等知识。典型应用有文字、语音、图像、视频机器识别,雷达、红外、声纳、遥感目标识别,可用于军事、侦探、生物、天文、地质、经济、医学等众多领域。 (二)课程基本理念 以学生为主体,教师为主导,精讲多练,以用促学,学以致用。使学生理解模式识别的本质,掌握利用机器进行信息识别分类的基本原理和方法,在思、学、用、思、学、用的循环中,达到培养理论素养,锻炼实践技能,激发创新能力的目的。 (三)课程设计思路 围绕培养科技底蕴厚实、创新能力突出的高素质人才的目标,本课程的培养目标是:使学生掌握统计模式识别的基本原理和方法,了解其应用领域和发展动态,达到夯实理论基础、锻炼理论素养及实践技能、激发创新能力的目的。 模式识别是研究分类识别理论和方法的学科,综合性、交叉性强,涉及的数学知识多,应用广。针对其特点,教学设计的思路是:以模式可分性为核心,模式特征提取、学习、分类为主线,理论上分层次、抓重点,方法上重比较、突出应用适应性。除了讲授传统的、经典的重要内容之外,结合科研成果,介绍不断出现的新理论、新方法,新技术、新应用,开拓学生视野,激发学习兴趣,培养创新能力。 教学设计以章为单元,用实际科研例子为引导,围绕基本原理展开。选择两个以上基本方法,辅以实验,最后进行对比分析、归纳总结。使学生在课程学习中达到一个思、学、用、

模式识别实验报告_2

模式识别理论与方法 课程作业实验报告 实验名称:Generating Pattern Classes 实验编号:Proj01-01 规定提交日期:2012年3月16日 实际提交日期:2012年3月13日 摘要: 在熟悉Matlab中相关产生随机数和随机向量的函数基础上,重点就多元(维)高斯分布情况进行了本次实验研究:以mvnrnd()函数为核心,由浅入深、由简到难地逐步实现了获得N 个d维c类模式集,并将任意指定的两个维数、按类分不同颜色进行二维投影绘图展示。 技术论述:

1,用矩阵表征各均值、协方差2,多维正态分布函数: 实验结果讨论:

从实验的过程和结果来看,进一步熟悉了多维高斯分布函数的性质和使用,基本达到了预期目的。 实验结果: 图形部分: 图1集合中的任意指定两个维度投影散点图形

图2集合中的任意指定两个维度投影散点图形,每类一种颜色 数据部分: Fa= 9.6483 5.5074 2.4839 5.72087.2769 4.8807 9.1065 4.1758 1.5420 6.1500 6.2567 4.1387 10.0206 3.5897 2.6956 6.1500 6.9009 4.0248 10.1862 5.2959 3.1518 5.22877.1401 3.1974 10.4976 4.9501 1.4253 5.58257.4102 4.9474 11.3841 4.5128 2.0714 5.90068.2228 4.4821 9.6409 5.43540.9810 6.2676 6.9863 4.2530 8.8512 5.2401 2.7416 6.5095 6.1853 4.8751 9.8849 5.8766 3.3881 5.7879 6.7070 6.6132 10.6845 4.8772 3.4440 6.0758 6.6633 3.5381 8.7478 3.3923 2.4628 6.1352 6.9258 3.3907

模式识别综述

模式识别综述 摘要:介绍了模式识别系统的组成及各组成部分包含的内容。就统计模式识别、结构模式识别、模糊模式识别、神经网络模式识别等模式识别的基本方法进行简单介绍,并分析了其优缺点。最后列举了模式识别在各领域的应用,针对其应用前景作了相应分析。 关键字:模式识别系统、统计模式识别、结构模式识别、模糊模式识别、神经网络模式识别 背景 随着现代科学技术的发展,特别是计算机技术的发展,对事物认识的要求越来越高,根据实际需求,形成了一种模拟人的各种识别能力(主要是视觉和听觉)和认识方法的学科,这个就是模式识别,它是属于一种自动判别和分类的理论。这一理论孕育于20世纪60年代,随着科学技术的发展,特别是20世纪70年代遥感技术的发展和地球资源卫星的发射,人们通过遥感从卫星取得的巨量信息,需要进行空前规模的处理、识别和应用,在此推动下,模式识别技术便得以迅速发展[1]。发展到现在,应用领域已经非常广阔,包括文本分类、语音识别、视频识别、信息检索和数据挖掘等。模式识别技术在生物医学、航空航天、工业生产、交通安全等许多领域发挥着重要的作用[2]。 基本概念 什么是模式呢?广义地说,存在于时间和空间中可观察的事物,如果可以区别它们是否相同或是否相似,都可以称之为模式。但模式所指的不是事物本身,而是我们从事物获取的信息。因此模式往往表现为具有时间或空间分布的信息[3]。 人们在观察各种事物的时候,一般是从一些具体的个别事物或者很小一部分开始的,然后经过长期的积累,随着对观察到的事物或者现象的数量不断增加,就开始在人的大脑中形成一些概念,而这些概念是反映事物或者现象之间的不同或者相似之处,这些特征或者属性使人们对事物自然而然的进行分类。从而窥豹一斑,对于一些事物或者现象,不需要了解全过程,只需要根据事物或者现象的一些特征就能对事物进行认识。人脑的这种思维能力视为“模式”的概念。 模式识别就是识别出特定事物,然后得出这些事物的特征。识别能力是人类和其他生物的一种基本属性,根据被识别的客体的性质可以将识别活动分为具体的客体与抽象的客体两类。诸如字符、图像、音乐、声音等是具体的客体,他们刺激感官,从而被识别。而思想、信仰、言论等则是抽象的客体,这些属于政治、哲学的范畴。我们研究的主要是一些具体客体的识别,而且仅限于研究用机器完

哈尔滨工程大学模式识别实验报告

实验报告实验课程名称:模式识别 姓名:班级:学号:

注:1、每个实验中各项成绩按照5分制评定,实验成绩为各项总和 2、平均成绩取各项实验平均成绩 3、折合成绩按照教学大纲要求的百分比进行折合 ; 2015年4月 实验1 图像的贝叶斯分类 实验目的 将模式识别方法与图像处理技术相结合,掌握利用最小错分概率贝叶斯分类器进行图像分类的基本方法,通过实验加深对基本概念的理解。 实验仪器设备及软件 HP D538、MATLAB ( 实验原理 基本原理 阈值化分割算法是计算机视觉中的常用算法,对灰度图象的阈值分割就是先确定一个处于图像灰度取值范围内的灰度阈值,然后将图像中每个像素的灰度值与这个阈值相比较。并根据比较的结果将对应的像素划分为两类,灰度值大于阈值的像素划分为一类,小于阈值的划分为另一类,等于阈值的可任意划分到两类中的任何一类。此过程中,确定阈值是分割的关键。

对一般的图像进行分割处理通常对图像的灰度分布有一定的假设,或者说是基于一定的图像模型。最常用的模型可描述如下:假设图像由具有单峰灰度分布的目标和背景组成,处于目标和背景内部相邻像素间的灰度值是高度相关的,但处于目标和背景交界处两边的像素灰度值有较大差别,此时,图像的灰度直方图基本上可看作是由分别对应于目标和背景的两个单峰直方图混合构成。而且这两个分布应大小接近,且均值足够远,方差足够小,这种情况下直方图呈现较明显的双峰。类似地,如果图像中包含多个单峰灰度目标,则直方图可能呈现较明显的多峰。 上述图像模型只是理想情况,有时图像中目标和背景的灰度值有部分交错。这时如用全局阈值进行分割必然会产生一定的误差。分割误差包括将目标分为背景和将背景分为目标两大类。实际应用中应尽量减小错误分割的概率,常用的一种方法为选取最优阈值。这里所谓的最优阈值,就是指能使误分割概率最小的分割阈值。图像的直方图可以看成是对灰度值概率分布密度函数的一种近似。如一幅图像中只包含目标和背景两类灰度区域,那么直方图所代表的灰度值概率密度函数可以表示为目标和背景两类灰度值概率密度函数的加权和。如果概率密度函数形式已知,就有可能计算出使目标和背景两类误分割概率最小的最优阈值。 假设目标与背景两类像素值均服从正态分布且混有加性高斯噪声,上述分类问题可用模式识别中的最小错分概率贝叶斯分类器来解决。以1p 与2p 分别表示目标与背景的灰度分布概率密度函数,1P 与2P 分别表示两类的先验概率,则图像的混合概率密度函数用下式表示 1122()()()p x P p x P p x =+ 式中1p 和2p 分别为 … 212 1()21()x p x μσ--= 222 2()22()x p x μσ-- = 121P P += 1σ、2σ是针对背景和目标两类区域灰度均值1μ与2μ的标准差。若假定目标的灰度较亮,

模式识别研究进展

模式识别研究进展 摘要:自20世纪60年代以来,模式识别的理论与方法研究及在工程中的实际应用取得了很大的进展。本文先简要回顾模式识别领域的发展历史和主要方法的演变,然后围绕模式分类这个模式识别的核心问题,就概率密度估计、特征选择和变换、分类器设计几个方面介绍近年来理论和方法研究的主要进展,最后简要分析将来的发展趋势。 1. 前言 模式识别(Pattern Recognition)是对感知信号(图像、视频、声音等)进行分析,对其中的物体对象或行为进行判别和解释的过程。模式识别能力普遍存在于人和动物的认知系统,人和动物获取外部环境知识,并与环境进行交互的重要基础。我们现在所说的模式识别一般是指用机器实现模式识别过程,是人工智能领域的一个重要分支。早期的模式识别研究是与人工智能和机器学习密不可分的,如Rosenblatt 的感知机和Nilsson的学习机就与这三个领域密切相关。后来,由于人工智能更关心符号信息和知识的推理,而模式识别更关心感知信息的处理,二者逐渐分离形成了不同的研究领域。介于模式识别和人工智能之间的机器学习在20 世纪80 年代以前也偏重于符号学习,后来人工神经网络重新受到重视,统计学习逐渐成为主流,与模式识别中的学习问题渐趋重合,重新拉近了模式识别与人工智能的距离。模式识别与机器学习的方法也被广泛用于感知信号以外的数据分析问题(如文本分析、商业数据分析、基因表达数据分析等),形成了数据挖掘领域。模式分类是模式识别的主要任务和核心研究内容。分类器设计是在训练样本集合上进行优化(如使每一类样本的表达误差最小或使不同类别样本的分类误差最小)的过程,也就是一个机器学习过程。由于模式识别的对象是存在于感知信号中的物体和现象,它研究的内容还包括信号/图像/ 视频的处理、分割、形状和运动分析等,以及面向应用(如文字识别、语音识别、生物认证、医学图像分析、遥感图像分析等)的方法和系统研究。 本文简要回顾模式识别领域的发展历史和主要方法的演变,介绍模式识别理论方法研究的最新进展并分析未来的发展趋势。由于Jain 等人的综述[3]已经全面介绍了2000 年以前模式分类方面的进展,本文侧重于2000 年以后的研究进展。 2. 历史回顾

模式识别发展及现状综述

模式识别发展及现状综述 xxx (xxxxxxxxxxxxxxxxxxx) 摘要 [摘要]:通过对模式识别的发展及现状进行调查研究,了解到模式识别的理论和方法在很多科学和技术领域中得到了广泛的应用,极大的推动了人工智能系统的发展,同时扩大了计算机应用的可能性。模式识别 的研究主要集中在研究生物体(包括人)是如何感知对象的,以及在给定的任务下,如何用计算机实现模式 识别的理论和方法。本文详细的阐述了模式识别系统的组成结构以及模式识别的现状并展望了未来的模式 识别的发展趋势。 [关键词]:模式识别;模式识别的应用 Abstract [Abstract]:through the investigation and Study on the present situation and development of pattern recognition, knowing that the theory and method of pattern recognition has been widely used in many fields of science and technology and greatly promoting the development of artificial intelligence systems as well as expanding the fields of computer applied to.The research of pattern recognition mainly concentrated on the research of the theory and method of pattern recognition which how the organisms(including humans)to perceive objects as well as,in a given task,how to realize the pattern recognition with computer.This paper expounds the present situation and system structure of the pattern recognition as well as prospects the development trend in the future of pattern recognition. [keyword]:pattern recognition;pattern recognition applications 1前言 模式识别诞生于20世纪20年代,随着40年代计算机的出现,50年代人工智能的兴起,模式识别在60年代初迅速发展成一门学科。什么是模式和模式识别呢?广义地说,存在于时间和空间中可观察的事物,如果可以区别它们是否相同或相似,都可以称之为模式;狭义地说,模式是通过对具体的个别事物进行观测所得到的具有时间和空间分布的信息;把模式所属的类别或同一类中模式的总体称为模式类(或简称为类)[1]。而“模式识别”则是在某些一定量度或观测基础上把待识模式划分到各自的模式类中去。 经过多年的研究和发展,模式识别技术已广泛被应用于人工智能、计算机工程、机器人学、神经生物学、医学、侦探学以及高能物理、考古学、地质勘探、宇航科学和武器技术等许多重要领域,如语音识别、语音翻译、人脸识别、指纹识别、生物认证技术等。模式识别的技术对国民经济建设和国防科技发展的重要性已得到了人们的认可和广泛重视。本文将就模式识别所涉及的基本问题、研究的领域及其当前进展现状进行详细的介绍,并对模式识别的发展趋势进行展望。 2模式识别 2.1模式识别系统 一个计算机模式识别系统基本上是由三个相互关联而又有明显区别的过程组成的,即数据生成、模式分析和模式分类。有两种基本的模式识别方法,即统计模式识别方法和结构

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