11.1. Сущность процесса распознавания

Методология распознавания объектов, сигналов, явлений, ситуаций, процессов и т. п. базируется на теоретических разработках и опыте практического построения систем распознавания образов. Распознавание, как процесс установления (опознавания, определения) сущности элементов окружающего мира, постоянно осуществляется человеком в процессе жизнедеятельности. Умение человека быстро узнавать окружающие его предметы, находить принадлежащую ему вещь из множества однотипных, достаточно быстро читать печатные или рукописные тексты, уверенно находить маршруты достижения необходимых пунктов в крупных городах и многое другое требует эффективного решения задач распознавания.

Перечень практических областей применения распознавания весьма широк. Например, в системах управления, технике, медицине, науке, экономике, политике, экологии. Формирование распознавания образов как научного направления относят ко второй половине пятидесятых годов двадцатого столетия. Формирование методологии распознавания можно проследить по работам крупных зарубежных и отечественных ученых и научных коллективов [1 – 11]. На сегодня она прошла путь от постановки и решения частных задач теоретического и практического характера в области распознавания до формулирования общей постановки задач распознавания объектов, явлений, ситуаций, разработки достаточно широкого спектра методов ее решения и технологии построения систем распознавания.

Методологию распознавания объектов, явлений и ситуаций можно рассматривать в качестве одного из инструментов исследования организационных систем управления. В процессе создания и функционирования организационных систем управления возникает необходимость классификации, идентификации, оценки, анализа ситуаций, выработки и принятия решений, формализации функций управления, а также множество других задач. Эффективные способы решения указанных задач можно найти, используя широкий арсенал идей, подходов, положений, методов, методик, алгоритмов, приемов методологии распознавания.

Распознавание – это процесс получения выходной информации о принадлежности каждого исследуемого элемента к определенному классу из входной об исследуемых элементах среды с помощью специально разработанного метода преобразования входной информации в выходную. Поскольку суть распознавания состоит в преобразовании информации, то его рассматривают в качестве одного из разделов кибернетики – науки об общих законах преобразования информации.

В процессе распознавания имеет место: формирование целей распознавания, выделение из среды исследуемых элементов (объектов, явлений, ситуаций и т. п.), установление принципа их опознавания, выявление сведений о них, выработка информации о классах, характерных признаках, правилах опознавания исследуемых элементов, выполнение процедур получения информации об отнесении исследуемых элементов к определенным классам, выдача информации о результатах распознавания в среду. На рисунке 11.1 приведена схема процесса распознавания.

Рис. 11.1. Интерпретация процесса распознавания

Процесс распознавания включает семь этапов:

• формирование целей;

• выделение элементов;

• установление принципа опознавания;

• выявление сведений;

• выработка информации для осуществления опознавания;

• выполнение процедур отнесения элементов к определенным классам;

• выдача информации о результатах распознавания.

В представленной на рис. 11.1 схеме процесса распознавания можно выделить две части.

Первая часть процесса распознавания реализует разработку метода преобразования входной информации в выходную. Она включает этапы 1 – 5 и реализуется с целью создания методической основы для осуществления второй части. Вторая часть процесса распознавания служит для получения информации о принадлежности неопознанного элемента среды, относящегося к данному типу процесса распознавания, к определенному классу. Она включает этапы 2, 4, 6, 7 и использует информацию, полученную в результате реализации первой части процесса распознавания.

Первая часть, как правило, реализуется однократно и может выполняться повторно в случае необходимости внесения изменений в метод преобразования входной информации в выходную. Вторая часть функционирует в реальном масштабе времени с целью классификации любого возникающего на ее входе неопознанного элемента среды.

Рассмотрим назначение каждого этапа процесса распознавания. Формирование целей (цели) функционирования процесса распознавания является начальным этапом этого процесса. Цели выражают желаемое (требуемое) состояние результата процесса распознавания. Цели устанавливаются субъектом, желающим осуществить распознавание. Их может быть одна или несколько.

Если процесс распознавания функционирует в рамках системы управления, то цели процесса распознавания могут рассматриваться как подцели процесса управления, использующего результаты распознавания. Поэтому к ним могут предъявляться требования, аналогичные предъявляемым к целям функционирования систем управления.

Цели являются ориентирами при определении назначения (типа) процесса распознавания, выполняемого на этом же этапе, и реализации его последующих этапов.

На втором этапе осуществляется выделение из среды исследуемых элементов. Этот этап по сути является интерфейсом между средой и четвертым этапом процесса распознавания. Для того, чтобы на четвертом этапе получить сведения, характеризующие объекты распознавания, необходимо вначале выделить их из среды. Как правило, распознавание не является самоцелью. Результаты распознавания различных совокупностей элементов окружающей среды обычно представляют собой информацию, которая позволяет снять неопределенность с вопроса «Что это?» («Кто это?»), возникающего у субъекта распознавания.

Например, в системах организационного управления на основе результатов распознавания могут приниматься и реализовываться управленческие решения, может осуществляться реализация функций управления: планирование, организация, мотивация, учет, контроль, анализ и регулирование. Предметом распознавания в этих системах является ситуация. Но из множества ситуаций, возникающих в процессе функционирования организационной системы управления, необходимо на вход четвертого этапа процесса распознавания представить только проблемные ситуации для данного процесса распознавания. То есть ситуации, на распознавание которых ориентирован именно данный процесс распознавания. Выделение проблемных ситуаций из множества возможных и является сущностью второго этапа процесса распознавания в этих системах.

Таким образом, в зависимости от поставленных целей и назначения процесса распознавания на втором этапе производится фильтрация элементов окружающей среды с целью выделения совокупности элементов соответствующих данному типу процесса распознавания.

Установление принципа опознавания исследуемых элементов выполняется на третьем этапе. Принцип опознавания – это суждение субъекта распознавания о том, что должно быть положено в основу разбиения множества исследуемых элементов среды на классы. Иными словами можно сказать, что принцип опознавания дает ответ на вопрос «на какие классы следует разделить исследуемые элементы среды?».

Базовыми положениями при установлении принципа опознавания являются цели, назначение системы распознавания, данные о выделенных для распознавания элементах среды. В системах организационного управления, например, возникает множество различных ситуаций, требующих распознавания. В качестве принципа опознавания в них часто применяется множество возможных решений, реализуемых системой управления в целом или ее составной частью. При этом мощность множества распознаваемых ситуаций значительно превышает мощность ограниченного множества возможных решений. То есть разбиение множества проблемных ситуаций на классы осуществляется на основе информации о мощности множества (количестве) возможных решений и разновидностях элементов этого множества.

На четвертом этапе процесса распознавания проводится изучение выделенной из среды совокупности элементов с целью получения разносторонней информации относительно каждого элемента, их взаимосвязях и совокупности в целом.

В зависимости от целей, принципа опознавания, предметной области, к которой принадлежит выделенная совокупность элементов, выполняется изучение свойств, состава, параметров, характеристик, взаимосвязей и т. п. с помощью различных методов, например, физических, химических, математических, кибернетических. При этом могут использоваться различные технические средства, средства организационной техники для измерения, наблюдения, регистрации, преобразования, обработки, передачи данных и т. д. Существенным на этом этапе является выявление сходных характеристик и отличительных особенностей (сходства и различия) исследуемых элементов среды. Полученная информация по возможности должна обладать свойствами полноты и достоверности. Эта информация будет использоваться на последующих этапах процесса распознавания.

На основании установленных целей, назначения процесса распознавания, принципа опознавания на пятом этапе осуществляется анализ информации о распознаваемых элементах, полученной в результате реализации четвертого этапа.

Целью анализа является нахождение наиболее рационального варианта разбиения множества исследуемых элементов среды на классы (разработка алфавита классов), выявление совокупности характерных признаков множества исследуемых элементов среды (словаря признаков), позволяющих осуществить однозначное описание классов на языке признаков, что по существу обеспечивает нахождение решающих правил (решающих границ) отнесения каждого неопознанного элемента среды к определенному классу, чтобы на основе специально разработанной методики (алгоритма) осуществить его распознавание.

Нахождение рационального алфавита классов, словаря признаков, решающих правил, алгоритма распознавания исследуемых элементов среды являются проблемными вопросами. Проблема заключается в том, что эффективная реализация процесса распознавания связана с потребностью получения достаточно большого объема достоверной информации об исследуемых элементах среды. Известно, что за информацию приходится платить и качественное решение реальных задач распознавания стоит весьма больших затрат, порой значительно превышающих экономию, получаемую в результате их решения.

Ограниченные ресурсы, выделяемые на реализацию процессов распознавания, и требования получения желаемого уровня эффективности их реализации, как правило, конфликтуют между собой при разработке и реализации процессов распознавания. Поэтому приходится искать компромисс в этих ситуациях. То есть искать наилучшее (наиболее приемлемое) решение в условиях имеющихся ограничений при проектировании и реализации процессов распознавания.

Формирование оптимального варианта разбиения множества исследуемых элементов среды на классы (оптимального алфавита классов), оптимального словаря признаков, наилучших решающих правил, эффективных алгоритмов распознавания требует формулирования и нахождения практически реализуемых методов решения соответствующих задач, применения математических методов, моделирования, итерационных подходов и т. п. при их решении.

На шестом этапе функционирования процесса распознавания осуществляется выполнение процедур отнесения неопознанных элементов среды к определенным классам. В этом случае, на основании информации, характеризующей конкретный неопознанный элемент среды, поступающий на вход процесса распознавания, полученной в результате выполнения четвертого этапа процесса распознавания, и сведений о принятом словаре признаков, полученных в результате выполнения пятого этапа процесса распознавания, осуществляется установление конкретного значения каждого признака, характеризующего данный неопознанный элемент среды.

Полученные сведения о каждом признаке рассматриваемого неопознанного элемента среды поступают на вход алгоритма распознавания, разработанного на пятом этапе процесса распознавания, сопоставляющего входную информацию о неопознаном элементе среды с априорной информацией о решающих правилах, полученную на пятом этапе процесса распознавания, и делающего заключение о том, к какому классу из принятого алфавита классов, в результате выполнении пятого этапа процесса распознавания, следует отнести рассматриваемый неопознанный элемент. Таким образом, именно на шестом этапе процесса распознавания фактически решается вопрос об опознавании неизвестного, до момента его завершения, элемента среды, поступившего на вход процесса распознавания.

Седьмой этап необходим для представления информации о результатах распознавания, полученных по окончанию выполнения шестого этапа, в требуемом виде ее пользователю. Эти требования формируются субъектом распознавания с учетом поставленных целей распознавания.

Осуществление целей распознавания должно быть достигнуто к моменту завершения процесса распознавания. Степень достижения целей распознавания характеризует эффективность реализации процесса распознавания. Чем выше степень достижения целей распознавания при равенстве затрат на реализацию процессов распознавания, тем выше его эффективность.