Սաֆարյան, Ներսես Աշոտի

Ինֆորմատիկա

Այս ուսումնասիրությունը նվիրված է թվային պատկերներում օբյեկտների հայտնաբերման համակարգերի մշակմանը՝ գենետիկ ծրագրավորման մեթոդների կիրառմամբ։ Աշխատության հիմնական նպատակն է ուսումնասիրել, թե ինչպես կարելի է էվոլյուցիոն հաշվարկների միջոցով ավտոմատ ձևավորել կամ օպտիմալացնել այնպիսի ալգորիթմներ, որոնք կարող են պատկերների մեջ հայտնաբերել, տարբերակել և տեղորոշել նախապես սահմանված օբյեկտներ։ Թվային պատկերների ավտոմատ վերլուծությունը ժամանակակից համակարգչային տեսողության կարևոր ուղղություններից է, քանի որ պատկերային տեղեկատվության ծավալների արագ աճը պահանջում է տվյալների մշակման արդյունավետ և հնարավորինս ինքնաշխատ մեթոդներ։ Այս համատեքստում գենետիկ ծրագրավորումը հետաքրքիր է նրանով, որ հնարավորություն է տալիս որոնման և էվոլյուցիոն ընտրության միջոցով ստանալ խնդրին համապատասխան հաշվարկային կառուցվածքներ՝ առանց ամբողջ ալգորիթմը ձեռքով նախապես սահմանելու։ Ուսումնասիրության տեսական հիմքը կազմում է գենետիկ ծրագրավորման գաղափարը, որի շրջանակում հնարավոր լուծումները ներկայացվում են որպես ծրագրային կամ օպերատորային կառուցվածքներ, իսկ դրանց որակը գնահատվում է համապատասխանության ֆունկցիայի միջոցով։ Էվոլյուցիոն գործընթացի ընթացքում ընտրվում են առավել արդյունավետ լուծումները, կատարվում են խաչասերման և մուտացիայի գործողություններ, և հաջորդ սերունդներում ձևավորվում են ավելի լավ արդյունք ապահովող ծրագրային կառուցվածքներ։ Այս մեխանիզմը թույլ է տալիս խնդրի լուծումը փնտրել ոչ թե մեկ նախապես սահմանված ալգորիթմի շրջանակում, այլ հնարավոր լուծումների ավելի լայն տարածությունում։ Օբյեկտների հայտնաբերման համակարգի մշակման կարևոր փուլերից է թվային պատկերի նախնական մշակումը։ Պատկերի որակը, աղմուկի մակարդակը, լուսավորության տարբերությունները, կոնտրաստը և օբյեկտների չափերի փոփոխությունը կարող են էապես ազդել հայտնաբերման արդյունքի վրա։ Այդ պատճառով համակարգը կարող է ներառել պատկերի բարելավման, աղմուկի նվազեցման, գունային կամ մոխրագույն պատկերների փոխակերպման, եզրերի առանձնացման և այլ նախնական գործողություններ։ Գենետիկ ծրագրավորման միջոցով հնարավոր է ոչ միայն ընտրել արդեն հայտնի պատկերային հատկանիշների համադրություններ, այլև որոնել այնպիսի ֆունկցիոնալ կառուցվածքներ, որոնք տվյալների վրա առավել արդյունավետ են առանձնացնում օբյեկտը ֆոնից։ Կարևոր խնդիր է պատկերից հատկանիշների ստացումը։ Օբյեկտների ճանաչման համար կարող են օգտագործվել ձևի, եզրերի, հյուսվածքի, պայծառության, գույնի կամ տարածական կառուցվածքի վերաբերյալ տարբեր բնութագրիչներ։ Դրանց ճիշտ ընտրությունն ու համադրությունը մեծ ազդեցություն ունեն համակարգի վերջնական արդյունավետության վրա։ Գենետիկ ծրագրավորման առավելություններից մեկն այն է, որ այն կարող է օգտագործվել հատկանիշների ընտրության կամ դրանց փոխակերպման գործընթացի ավտոմատացման համար՝ նվազեցնելով մարդու կողմից նախապես սահմանված կանոնների անհրաժեշտությունը։ Ուսումնասիրության կարևոր հատվածը կազմում է հայտնաբերման ալգորիթմի կառուցվածքի ձևավորումը։ Գենետիկ ծրագրավորման համակարգում անհրաժեշտ է սահմանել այնպիսի բաղադրիչներ, ինչպիսիք են տերմինալների և ֆունկցիաների բազմությունները, անհատների ներկայացման եղանակը, սկզբնական պոպուլյացիայի ձևավորման սկզբունքը, ընտրության մեխանիզմը, խաչասերման և մուտացիայի օպերատորները և կանգի պայմանները։ Այս պարամետրերի ճիշտ ընտրությունը կարող է էականորեն ազդել որոնման արդյունավետության և ստացվող լուծումների որակի վրա։ Առանձնահատուկ նշանակություն ունի համապատասխանության ֆունկցիան, քանի որ հենց դրա միջոցով է որոշվում, թե որքան լավ է տվյալ գենետիկորեն ձևավորված ծրագիրը լուծում օբյեկտների հայտնաբերման խնդիրը։ Համակարգի գնահատման ժամանակ անհրաժեշտ է հաշվի առնել ոչ միայն հայտնաբերված օբյեկտների քանակը, այլև սխալ հայտնաբերումների և բաց թողնված օբյեկտների հարաբերակցությունը։ Այդ նպատակով կարող են կիրառվել ճշգրտության, ամբողջականության, F1 չափանիշի և այլ գնահատման ցուցանիշներ։ Նման մոտեցումը հնարավորություն է տալիս օբյեկտիվորեն համեմատել տարբեր ալգորիթմներ և պարզել, թե որ պայմաններում է գենետիկ ծրագրավորման վրա հիմնված համակարգը առավել արդյունավետ։ Կարևոր է նաև ուսուցման և փորձարկման տվյալների տարանջատումը։ Եթե համակարգը գնահատվում է այն նույն պատկերների վրա, որոնց հիման վրա ձևավորվել է լուծումը, հնարավոր է ստանալ չափազանց լավ արդյունք, որը չի պահպանվի նոր տվյալների դեպքում։ Հետևաբար ուսումնասիրությունը ենթադրում է համակարգի փորձարկում առանձին տվյալների բազմությունների վրա՝ դրա ընդհանրացման ունակությունը գնահատելու համար։ Սա հատկապես կարևոր է իրական կիրառությունների դեպքում, երբ օբյեկտների տեսքը կարող է փոփոխվել լուսավորության, չափի, դիրքի, շրջման կամ այլ պայմանների հետևանքով։ Ուսումնասիրության մեջ կարող է քննարկվել նաև գենետիկ ծրագրավորման համեմատությունը դասական և ժամանակակից համակարգչային տեսողության մեթոդների հետ։ Դրա առավելություններից կարող են լինել ալգորիթմների ավտոմատ ձևավորումը, ոչ գծային և բարդ հարաբերությունների որոնման հնարավորությունը և կոնկրետ խնդրի համար լուծման հարմարեցումը։ Միաժամանակ մեթոդը կարող է պահանջել զգալի հաշվարկային ռեսուրսներ, երկարատև էվոլյուցիոն որոնում և համապատասխան պարամետրերի մանրակրկիտ ընտրություն։ Այս սահմանափակումների ուսումնասիրությունը կարևոր է համակարգի գործնական կիրառելիությունը գնահատելու համար։ Գործնական մասում համակարգի արդյունավետությունը կարելի է ստուգել տարբեր տեսակի թվային պատկերների վրա՝ ուսումնասիրելով օբյեկտների չափի, դիրքի, ֆոնի բարդության և պատկերի որակի փոփոխությունների ազդեցությունը։ Փորձարկումների արդյունքները հնարավորություն են տալիս բացահայտել մշակված մեթոդի ուժեղ և թույլ կողմերը, որոշել սխալների հիմնական պատճառները և առաջարկել հետագա կատարելագործման ուղղություններ։ Այսպիսի մոտեցումը տեսական ուսումնասիրությունը կապում է իրական պատկերային տվյալների մշակման խնդիրների հետ։ Ընդհանուր առմամբ, աշխատանքը ներկայացնում է գենետիկ ծրագրավորման և համակարգչային տեսողության հատման կարևոր ուղղություն՝ ցույց տալով, թե ինչպես կարելի է էվոլյուցիոն հաշվարկների միջոցով կառուցել թվային պատկերներում օբյեկտների հայտնաբերման հարմարվող համակարգեր։ Այն կարող է հետաքրքրել արհեստական բանականությամբ, մեքենայական ուսուցմամբ, համակարգչային տեսողությամբ, էվոլյուցիոն ալգորիթմներով և թվային պատկերների մշակմամբ զբաղվող ուսանողներին, հետազոտողներին և մասնագետներին՝ հնարավորություն տալով պատկերացում կազմել գենետիկ ծրագրավորման կիրառման սկզբունքների, համակարգի կառուցման փուլերի, արդյունավետության գնահատման և գործնական կիրառության հնարավորությունների մասին։