基于神经网络的地图数字注记识别

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1、第 卷 第 期年 月武 汉 测 绘 科 技 大 学 学 报基 于 神 经 网 络 的 地 图 数 字 注 记 识 别刘 少 创 林 宗 坚武 汉 侧 绘 科 技 大 学 , 摄 影 侧 量 与 遥 感 系 , 武 汉 市 路 喻 路 号 , 的摘 要 指 出 了 地 图 自 动 识 别 系 统 中 地 图 数 字 注 记 识 别 存 在 的 困 难 , 论 证 了 利 用 神 经 网 络 技 术 解决 这 种 困 难 的 可 能 性 , 并 通 过 一 个 含 有 个 隐 藏 层 的 网 络 , 说 明 了 这 种 技 术 用 于 地 图 数 字 注 记识 别 的 可 行 性关 键 词 神 经

2、 网 络 ,模 式 识 别 地 图 注 记分 类 号 ,地 图 数 字 注 记 的 自 动 识 别 是 地 图 识 别 系 统 研 究 的 一 项 重 要 内 容 , 属 于 模 式 识 别 领 域 的 字符 识 别 范 畴 。 目 前 , 在 字 符 识 别 研 究 中 使 用 最 广 泛 的 是 光 学 字 符 识 别 , 即方 法 。 其 中 的 统 计 模 式 识 别 方 法 注 重 数 量 特 征 , 便 于 特 征 提 取 、 分 析 和 计 算 。 但是 , 它 将 字 符 看 成 一 种 随 机 的 二 维 点 阵 , 而 没 有 考 虑 字 符 的 结 构 特 征 和 其 提

3、 供 的 结 构 信 息 。 因此 , 这 种 方 法 对 单 一 字 符 比 较 有 效 , 而 对 不 同 字 体 的 字 符 识 别 效 果 则 较 差 。 结 构 模 式 识 别 的 方法 是 把 待 识 别 的 模 式 看 成 由 若 干 个 比 较 简 单 的 子 模 式 构 成 的 集 合 后 者 又 可 继 续 分 解 为 若 干个 更 简 单 的 子 模 式 , 最 简 单 的 子 模 式 叫 作 基 元 , 任 何 模 式 都 可 以 用 一 组 基 元 及 一 定 的 组 合 关系 来 描 述 。 由 于 字 符 含 有 丰 富 的 结 构 信 息 , 可 以 设 法 提

4、 取 含 有 这 种 信 息 的 结 构 特 征 , 作 为 字 符识 别 的 依 据 。 但 是 , 由 于 字 符 结 构 比 较 复 杂 , 在 实 际 应 用 中 仍 有 较 大 困 难 。 近 年 来 , 出 现 了 将 统计 和 结 构 识 别 结 合 起 来 的 途 径 , 既 吸 收 了 统 计 识 别 的 优 点 , 又 利 用 了 字 符 的 结 构 信 息 。地 图 数 字 注 记 的 识 别 是 字 符 识 别 的 一 个 特 定 方 向 。 由 于 问 题 本 身 的 特 殊 性 , 传 统 的方 法 不 能 有 效 地 解 决 这 一 问 题 。 首 先 , 地 图

5、 数 字 注 记 的 位 置 、 大 小 、 字 体 、 方 向 等 有 它 自 身 的 规律 , 传 统 的 。 方 法 中 有 效 的 分 割 技 术 对 此 无 能 为 力 其 次 , 由 于 各 种 地 图 符 号 和 线 划 与 地 图数 字 注 记 相 混 杂 , 再 加 上 图 纸 的 质 量 差 异 和 扫 描 输 入 时 造 成 的 变 形 等 , 给 传 统 的 方 法 识别 带 来 了 很 大 的 困 难 。 因 此 , 笔 者 认 为 , 地 图 数 字 注 记 的 识 别 方 法 应 该 是 一 种 具 有 自 适 应 能 力 、抗 干 扰 、 能 够 有 效 地 解

6、 决 数 字 注 记 分 割 、 统 计 模 式 识 别 与 结 构 模 式 识 别 相 结 合 的 方 法 。 神 经 网络 技 术 的 运 用 能 够 部 分 解 决 上 述 问 题 。 神 经 网 络 具 有 以 下 几 方 面 的 优 点 神 经 网 络 是 自 适 应 的 , 它 能 从 数 据 中 自 动 地 学 习 到 解 决 问 题 的 知 识 。 神 经 网 络 具 有 容 错 性 , 既 能 够 处 理 与 训 练 集 中 相 同 的 数 据 , 又 能 够 处 理 不 完 整 的 数 据 。 神 经 网 络 是 一 个 高 度 的 非 线 性 系 统 , 因 此 , 能

7、够 获 取 系 统 中 复 杂 输 入 变 量 的 相 互 关 系 。 神 经 网 络 的 信 息 处 理 是 高 度 并 行 的 , 大 量 的 独 立 运 算 可 以 同 时 进 行 。 神 经 网 络 的 识 别 方 法 可 以 看 成 是 一 种 介 于 统 计 模 式 识 别 与 结 构 模 式 识 别 之 间 的 方 法 ,既 具 有 统 计 模 式 识 别 的 优 点 , 又 吸 收 了 结 构 模 式 识 别 的 长 处 。 从 统 计 模 式 识 别 的 角 度 来 看 , 它可 认 为 是 一 种 估 计 概 率 分 布 的 非 参 数 方 法 从 结 构 模 式 识 别

8、的 角 度 来 看 , 它 是 一 种 能 够 隐 含 地利 用 模 式 的 结 构 信 息 的 模 式 识 别 方 法 。由 于 具 备 上 述 特 点 , 神 经 网 络 技 术 能 够 克 服 地 图 识 别 系 统 中 传 统 方 法 所 不 能 解 决 的收 稿 日 期 一 一 刘 少 创 , 男 , 岁 , 博 士 生 , 现 从 事 计 算 机 视 觉 、 神 经 网 络 及 专 家 系 统 应 用 研 究 。第 期 刘 少 创 等 基 于 神 经 网 络 的 地 图 数 字 注 记 识 别地 图 数 字 注 记 的 识 别 问 题 。网 络 的 结 构 和 学 习 算 法利 用

9、 网 络 川 进 行 字 符 的 识 别 已 有 不 少 人 研 究 , 如 , 等 将 网 络 用 于 手 写 体 邮 政编 码 的 识 别 , 月 等 用 网 络 进 行 手 写 体 字 母 和 数 字 的 识 别 。网 络 的 基 本 结 构 是 网 络 由 不 同 层 次 的 节 点 集 合 组 成 , 每 一 层 节 点 的 输 出 送 到 下 一 层节 点 。 这 些 输 出 值 由 于 连 接 权 不 同 而 被 放 大 、 衰 减 或 抑 制 。 除 了 输 入 层 外 , 每 一 节 点 的 输 入 为前 一 层 所 有 节 点 输 出 值 的 加 权 和 。 每 一 节 点

10、 的 激 励 输 出 值 由 节 点 输 入 、 激 励 函 数 及 阂 值 决 定 。网 络 的 学 习 算 法 , 其 基 本 思 想 是 学 习 算 法 。 它 使 用 梯 度 搜 索 技 术 , 以 期 使 网 络 的实 际 输 出 与 期 望 输 出 的 均 方 差 最 小 。 网 络 的 学 习 是 一 种 在 误 差 反 向 传 播 的 同 时 修 正 权 的 过 程 。学 习 过 程 应 包 括 两 个 阶 段 前 馈 计 算 阶 段 和 反 向 调 整 权 阶 段 。 网 络 的 基 本 结 构 如 图 所 示 。 设乞 、 、 分 别 代 表 输 入 层 、 隐 藏 层 和

11、 输 出 层 单 元 , 输 入 模 式 的各 分 量 作 为 输 入 层 各 节 点 的 输 入 , 则 隐 藏 层 节 点 的 输 入 值为, 习 、 其 中 , 代 表 隐 藏 层 的 神 经 元 与 输 入 层 神 经 元 之 间 的 连 接权 , 为 前 一 层 全 部 输 出 的 线 性 加 权 和 。 节 点 的 输 出 值为, , 、式 中 为 节 点 的 激 励 函 数 。 可 以 选 择 如 下 的 单 调 递 增 激 励函 数, 一 , 隽 。上 式 中 , 为 神 经 元 的 闭 值 , 。 的 作 用 是 改 变 激 励 函 数 的 形 状 。并 说 明 了 这 些

12、参 数 所 起 的 作 用 。在 输 出 层 中 , 网 络 的 节 点 输 入 为, 一 习 、 , , 一 一 一 , 输 出 值 为 一 一 一 一。 一图 网 络 的 基 本 结 构图 给 出 了 这 个 函 数 的 形 状 ,较 小 的产 较 大 的在 学 习 阶 段 , 网 络 输 入 为 模 式 样 本 , 一 几 一 。 一 能 , 不 。二 , , 网 络 修 正 自 己 的 各 个 连 接 权 值 及 各 节点 的 阂 值 , 使 网 络 的 输 出 不 断 接 近 期 望 值 年 。 图 激 励 函 数一 般 来 说 , 系 统 的 输 出 值 俩 。 与 期 望 输 出

13、 值 弋 , 是 不 相 等 的 。 对 于 每 一 个 输 入 的 模 式 样 本 , 平方 误 差 , 为二 甲, 砂 一 。 砂而 对 于 全 部 学 习 样 本 , 系 统 的 均 方 误 差 为一 六 不 琴 “ ,一 ”权 值 的 改 变 应 使 误 差 沿 梯 度 方 向 下 降 , 则武 汉 测 绘 科 技 大 学 学 报 年、产、 、产衬一甘了、了、或此 处 , 狱 代 表 权 值 变 化 量 , ,崛 , 一 , 毅八 晰 一 , 器为 学 习 速 率 。 对 于 样 本 夕 来 说 , 权 的 变 化 量 如 下么 , 哟 刀 打 。 洒其 中 ,砖 一 。 , 。 ,

14、一 。 砖 ,。 一 。 、 习 。 , 、 , ,对 输 出 层对 隐 藏 层人一一关 于 算 法 的 详 细 推 导 可 见 文 献 【 。在 网 络 学 习 过 程 中 , 参 数 的 选 取 还 要 慎 重 考 虑 。 如 学 习 速 率 刀 的 选 取 , 当 刀 大 时 学 习 速 度会 加 快 , 但 也 可 能 会 引 起 振 荡 。 , 和 ,建 议 在 式 中 引 入 惯 性 项 , 以解 决 刀 加 大 时 所 引 起 的 振 荡 问 题 , 即切 璐 村 , , ”其 中 十 表 示 第 次 迭 代 , 为 比 例 因 子 。 惯 性 项 的 引 入 可 以 抑 制 振

15、 荡 , 但 学 习 时 间 也 可 能被 延 长 。网 络 的 训 练 及 识 别 结 果本 文 用 于 地 图 数 字 注 记 识 别 的 是 一 个 含 有 个 隐 藏 层 的 网 络 。 网 络 的 输 入 节 点 数 取 决于 训 练 样 本 的 像 元 个 数 。 本 文 用 于 网 络 训 练 的 样 本 为 宽 像 元 、 高 像 元 的 点 阵 , 所 以 输 入 层节 点 数 为 , 与 一 十 个 数 字 相 对 应 , 输 出 层 的 节 点 数 取 为 。 训 练 样 本 的 输 出 值 采 用 正 交编 码 , 即 输 入 样 本 表 示 的 数 字 为 议 一 ,

16、 , , , 时 , 第 个 节 点 的 输 出 值 为 , 其 余 节 点 的 输出 值 为 。 隐 层 节 点 的 个 数 均 为 。 对 于 隐 层 的 数 目 及 隐 层 节 点 的 数 目 的 选 择 问 题 , 目 前 尚 无理 论 根 据 。 阁 认 为 , 在 模 式 空 间 中 , 即 使 各 样 本 分 布 在 相 互 交 错 的 复 杂 区 域 内 , 只 要 有层 网 络 只 有 个 隐 藏 层 , 就 可 以 构 成 所 需 要 的 任 意 复 杂 的 判 别 函 数 , 而 不 需 要 复 杂 的 网 络 。 认 为 , 增 加 网 络 层 数 可 以 使 学 习 过 程 变 得 容 易 。 对 于 这 一 问 题 , 笔 者 通 过 大 量 的 实 验 发现 , 对 于 大 多 数 情 况 , 网 络 的 层 数 与 节 点 数 增 加 , 使 学 习 问 题 容 易 收 敛 对 于 个 别 情 况 , 会 出 现网 络 层 数 增 加 后 , 使 层 数 少 时