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基于SVM和sigmoid函數(shù)的字符識別自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法

2008-06-04
作者:朱 莉1,孫廣玲2

  摘 要: 在SVM算法和sigmoid函數(shù)的基礎(chǔ)上,提出了一種字符識別自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法,該算法通過自適應(yīng)修正sigmoid函數(shù)的參數(shù),使sigmoid函數(shù)能夠較好地擬合自適應(yīng)數(shù)據(jù)輸出距離的類別后驗概率分布,從而提高對自適應(yīng)數(shù)據(jù)的識別率。
  關(guān)鍵詞: SVM sigmoid函數(shù)? 自適應(yīng)學(xué)習(xí)? 梯度下降法


  手寫字符的一個突出特點就是模式具有較大的變化性,表現(xiàn)為模式空間的類內(nèi)分布過于分散,類間交疊嚴(yán)重,這使得識別模型無法“恰當(dāng)”地擬合每類模式的數(shù)據(jù)分布或類別之間的判別面。在識別模型過程中,通過自適應(yīng)學(xué)習(xí)就能較好地擬合特定書寫者筆跡特征向量的空間分布,從而有利于識別率的提高。當(dāng)然,自適應(yīng)學(xué)習(xí)的結(jié)果只是提高了對特定書寫者的識別率,但通過為不同人的筆跡特征向量提供不同的識別模型,就能夠從總體上提高系統(tǒng)的識別率。
  任何一種自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法都基于一定的識別方法。從目前已有的文獻(xiàn)來看,大致有以下幾種自適應(yīng)學(xué)習(xí)所依據(jù)的識別方法:HMMs(Hidden Markov Models),ANNs(Artificial Neural Networks),PDNNs(Probabilistic Decision-based Neural Networks),子空間法(Local Subspace)以及模板匹配法(Template Matching)等。這些識別方法可以分為分布擬合法(HMMs,PDNNs,LS,TM)和判別決策法(ANN);前者僅學(xué)習(xí)每一類的正例,而不學(xué)習(xí)反例,而后者是同時學(xué)習(xí)正例和反例。顯然,在模型的一致性上,判別決策法要好于分布擬合法。
  根據(jù)這種思想,本文提出了一種基于SVM分類算法" title="分類算法">分類算法和sigmoid函數(shù)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法。SVM分類算法是一種判別決策方法,在很多識別問題中都獲得了很好的實驗結(jié)果,SVM分類算法的輸出為距離,參數(shù)化" title="參數(shù)化">參數(shù)化的sigmoid函數(shù)擬合SVM輸出距離的類別后驗概率分布,使SVM的距離輸出變換為概率輸出。本文提出的算法基于這種概率化方法,通過自適應(yīng)學(xué)習(xí),修改sigmoid參數(shù),使sigmoid函數(shù)能夠較好地擬合自適應(yīng)數(shù)據(jù)輸出距離的類別后驗概率分布。由于輸出距離是基于兩類別的判別面的" title="面的">面的,因此輸出距離的類別后驗概率分布就同時學(xué)習(xí)了正例和反例。
  本文以手寫數(shù)字為實驗對象,對上文提出的自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法進(jìn)行了有效性驗證。

1 SVM算法及sigmoid函數(shù)
1.1 SVM分類學(xué)習(xí)算法

  給定訓(xùn)練集合D1,它包含l個訓(xùn)練數(shù)據(jù)(x1,y1),(x2,y2),……(xl,yl,),xi∈Rn,yi∈{-1,1},SVM分類算法要求解下面的有約束的優(yōu)化問題:

1.2 sigmoid函數(shù)
  本文采用的方法,即利用參數(shù)化的sigmoid函數(shù)擬合SVM分類決策函數(shù)的輸出距離的類別后驗概率分布,使其距離輸出變?yōu)楦怕瘦敵?。參?shù)化的sigmoid函數(shù)為:

  

1.3 求解A,B
  為了避免求出的參數(shù)A,B值的偏移性,應(yīng)利用不同于訓(xùn)練集D1的數(shù)據(jù)集D2求解A,B的值。D2={(x1,y1),(x2,y2),……(xm,ym)},xi∈Rn,yi∈{-1,1},。將D2中的所有數(shù)據(jù)代入" title="代入">代入到(6)、(7)式中,求解A,B以求出(7)式的極小值問題。

  

2 基于SVM和sigmoid函數(shù)的自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法
2.1 多類別分類器" title="分類器">分類器設(shè)計方法

  本文依據(jù)所述SVM算法和one-verse-one原則設(shè)計多類別的分類器。設(shè)類別數(shù)是n,則共有n*(n-1)/2個分類器,每個分類器的參數(shù)依次是權(quán)值Wi,j,bi,j,Ai,j和Bi,j,i,j=1,2,……n,i<j。
2.2 概率輸出下的多類別決策
  概率輸出下的多類別決策規(guī)則是:設(shè)有未知類別數(shù)據(jù)x,將其代入(6)式中有:

  

  依據(jù)投票法原則,若p(x)>0.5,第i類得到1票;若p(x)<0.5,第j類得到1票;若p(x)=0.5,不投票。當(dāng)依次計算完n*(n-1)/2個概率值p之后,得到票數(shù)最多的類別被判別為數(shù)據(jù)x所屬的類別。
2.3 自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法
  本文的自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法的核心在于通過自適應(yīng)數(shù)據(jù)中的誤識樣本,對參數(shù)Ai,j,Bi,j進(jìn)行自適應(yīng)修正。

  Aold,Bold是自適應(yīng)修正前的參數(shù)值,Anew,Bnew是自適應(yīng)修正后的參數(shù)值。
3 實驗結(jié)果
3.1 預(yù)處理及特征提取

  本文以0~9十個數(shù)字作實驗。預(yù)處理及特征提取的步驟如下:
  (1)首先將二值圖像作非線性歸一化,歸一化的尺寸為64*64的方陣。
  (2)在非線性歸一化后的圖像上提取輪廓。
  (3)對輪廓圖像提取DEF(Directional Element Feature)特征,特征的維數(shù)是1024。
  (4)對1024維特征作K-L變換,特征維數(shù)壓縮到128維。
3.2 實驗結(jié)果
  本實驗的樣本情況為:自行收集樣本,平均每個數(shù)字145個樣本,其中90個樣本用來學(xué)習(xí)判別面的參數(shù)W和b,設(shè)C=1000,kernel設(shè)為線性,采用的軟件是LIBSVM;其余的55個樣本用來學(xué)習(xí)參數(shù)A,B。在自適應(yīng)學(xué)習(xí)和測試階段,共收集了5個人的樣本,每個人平均每個數(shù)字的樣本數(shù)為35個。表1顯示了自適應(yīng)學(xué)習(xí)的結(jié)果。


  本實驗只測試了線性核的識別情況。從表中的統(tǒng)計結(jié)果可以看出,概率輸出本身就能夠提高識別率;在采用了本文提出的自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法之后,識別率得到了進(jìn)一步的提高,平均達(dá)到94.5%,比常規(guī)SVM方法提高了5.1%。同時,學(xué)習(xí)算法中的步長η對識別率也有一定程度的影響,步長為0.1的識別率要高于步長為0.2的識別率。
  本文基于SVM和sigmoid函數(shù),提出了一種字符識別自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法。本算法相對于基于HMMs,ANNs,PDNNs,模板匹配,子空間法等識別方法的自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法,是一種新的自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法,具有推廣能力好和模型一致性好等特點。今后的研究方向在于設(shè)計能夠更好地適應(yīng)自適應(yīng)學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的參數(shù)A、B的自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法,尋求更合適的擬合距離類別后驗概率分布的函數(shù)及判別函數(shù)本身的參數(shù)W、b的自適應(yīng)學(xué)習(xí)算法。
參考文獻(xiàn)
1 Cortes C,Vapnic V.Support vector networks.Machine Learn-ing,1995;(20)273-297

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