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1、模式识别综述与应用院系：计算机与通信工程学院班级：电子信息 10-01 班姓名： 学号：模式识别综述与应用摘 要模式识别就是研究用计算机实现人类的模式识别能力的一门学科，目的是利用计算机将对象进行分类。模式识别技术近年来得到了迅速的发展。关键词模式识别 应用 发展状况 前言模 式 识 别 (Pattern Recognition)是 人 类 的 一 项 基 本 智 能 ， 在 日 常 生活 中 ， 人 们 经 常 在 进 行 “模 式 识 别 ”。 模式识别是一个多领域的交叉学科，它涉及人工智能、统计学、计算机科学、工程学、医学等众多的研究问题。随着 2 0 世 纪 4 0 年 代 计 算 机

2、 的 出 现 以 及 5 0 年 代 人 工 智 能 的 兴 起 ， 模 式 识别 在 2 0 世 纪 6 0 年 代 初 迅 速 发 展 并 成 为 一 门 新 学 科 。一 、模式与模式识别的概念广义地说，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)。模 式 识 别 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

3、,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。二 、模 式 识 别 方 法 统计模式识别方法和结构(句法)模式识别方法把 图 像 或 图 像 系 列 分 割 为 线 条 、 边 缘

4、， 结 点 ， 区 域 等 并 提 供 相 应 的 特 征 ，诸 如 灰 度 值 、 颜 色 、 形 状 、 纹 理 ， 深 度 等 5。 目 的 是 要 利 用 这 些 信 息 对 模式 进 行 分 类 或 者 对 模 式 进 行 分 析 (描 述 )。 分 类 是 实 现 一 个 模 式 与 一 个 类别 号 的 对 应 。 分 析 (描 述 ， 解 释 )则 是 实 现 一 个 模 式 与 一 个 符 号 描 述 的 对 应 。模 式 分 析 一 般 包 括 ： 解 释 模 式 的 组 成 部 份 ， 说 明 各 个 组 成 部 份 的 时 间 和 空间 关 系 ， 甚 至 给 出 作

5、出 特 定 解 释 的 理 由 。1、 用 统 计 方 法 发 展 起 来 的 模 式 识 别 系 统 如 图 一 所 示 。预处理分类或描述特征选择模式样本 学习特征抽取识别部分分析部分图 一 统 计 模 式 识 别 系 统在 用 统 计 方 法 研 究 模 式 识 别 问 题 时 ， 大 体 上 侧 重 于 特 征 抽 取 与 选 择 以 及模 式 分 类 与 学 习 两 个 方 面 。（ 一 ） 特 征 选 择 与 特 征 抽 取特 征 选 择 与 特 征 抽 取 的 一 般 方 法 主 要 分 为 两 种 :特 征 空 间 变 换 以 及 信息 和 距 离 的 测 度 。 特 征 空

6、间 变 换 这 个 方 法 目 的 是 将 原 始 特 征 空 间 变 换 为 较低 维 数 的 特 征 空 间 ， 以 便 于 模 式 的 表 示 与 模 式 的 分 类 。 为 了 压 缩 特 征 空 间的 维 数 常 利 用 Karhunen-love 展 开 式 和 主 分 量 分 析 法 。 衡 量 变 换 结 果 好 坏的 标 准 之 一 是 要 看 是 否 增 加 模 式 类 的 可 分 性 。 就 增 加 模 式 类 的 可 分 性 而 言 ，一 般 非 线 性 变 换 比 线 性 变 换 好 。 然 而 就 计 算 复 杂 性 而 言 ， 。 线 性 变 换 要 比非 线 性

7、 变 换 简 单 得 多 。（ 二 ） 分 类 和 学 习对 模 式 进 行 分 类 和 描 述 是 模 式 识 别 系 统 的 根 本 目 标 。 对 于 每 类 模 式 ， 当已 经 知 道 或 者 虽 不 确 切 知 道 但 能 精 确 估 计 出 其 特 征 向 量 的 条 件 概 率 密 度 函数 时 (亦 称 类 密 度 函 数 )， 就 可 以 导 出 贝 叶 斯 分 类 规 则 ， 它 使 平 均 风 险 或 误识 率 最 小 。 实 际 上 ， 当 可 以 得 到 大 量 模 式 样 本 时 ， 可 以 比 较 精 确 的 估 计 出类 密 度 函 数 ， 或 者 从 样 本

8、 学 习 到 类 密 度 函 数 。 比 较 实 用 的 非 参 数 分 类 方 案有 :最 近 邻 分 类 规 则 (NN 规 则 )和 K 最 近 邻 分 类 规 则 (K-NN 规 则 ， 以 及 其 他种 种 变 态 的 NN 规 则 。 非 参 数 分 类 方 案 一 般 是 从 样 本 中 直 接 学 习 分 类 规 则 。对 于 无 人 管 理 的 学 习 ， 特 别 是 模 式 的 类 射 数 不 确 切 知 道 时 ， 这 时 的 分 类就 是 集 群 分 析 。 各 种 相 似 性 和 距 离 测 度 都 可 用 作 集 群 划 分 的 准 则 。 集 群 划分 准 则 和

9、 集 群 参 数 的 选 择 往 往 需 要 探 索 性 地 或 交 互 式 地 进 行 。2、 运 用 句 法 (或 结 构 )方 法 的 模 式 识 别 系 统 的 框 图 如 图 二 所 示 。基元和关系抽取样本文法或结构推断基元选择句法或结构分析预处理模式识别部分分析部分图 二 句 法 模 式 识 别 系 统图 中 的 “基 元 ”类 似 于 统 计 方 法 中 的 特 征 。 在 句 法 方 法 中 。 用 一 个“句 子 ”表 示 一 个 模 式 。 句 子 构 成 语 言 语 言 具 有 特 定 的 文 法 。（ 一 ） 基 元 选 择 和 基 元 抽 取通 常 需 在 基 元

10、抽 取 的 复 杂 性 和 文 法 复 杂 性 两 者 之 间 折 衷 ， 也 可 以 用 曲 线线 段 的 长 度 和 曲 率 等 表 示 曲 线 线 段 的 特 征 。 对 于 区 域 范 围 的 模 式 ， 一 个 区域 内 存 在 两 个 特 征 互 异 的 子 区 域 时 称 这 个 区 域 为 边 缘 ， 存 在 着 小 于 一 定 距离 的 两 个 边 缘 时 称 这 个 区 域 为 线 ， 边 缘 闭 合 时 称 为 区 。 常 用 的 特 征 可 以 取灰 度 特 征 。 也 可 以 用 形 状 和 纹 理 测 度 来 描 述 区 域 。 其 他 还 有 一 些 方 法 亦

11、可用 来 描 述 图 像 基 元 ， 例 如 灰 度 矩 阵 、 灰 度 共 生 矩 阵 、 梯 度 共 生 矩 阵 、 点 测度 等 。（ 二 ） 文 法文 法 就 是 用 基 元 构 成 模 式 的 规 则 。 文 法 推 断 是 一 个 总 结 由 基 元 构 成 模 式的 规 律 性 。 从 而 得 到 规 则 即 文 法 的 过 程 ， 类 似 于 学 习 。 已 经 有 了 各 种 专门 的 语 言 来 描 述 特 定 的 模 式 。 例 如 描 述 中 外 文 字 字 符 、 染 色 体 图 像 、 火 花室 图 像 、 二 维 数 学 化 学 结 构 、 颈 动 脉 脉 冲 波

12、 形 、 二 维 飞 机 外 形 、 口 语 单 词 、指 纹 图 像 等 。 对 于 多 维 模 式 ， 用 多 维 文 法 来 描 述 。 其 他 如 网 状 文 法 (web)、图 文 法 、 树 文 法 、 形 状 文 法 等 都 已 有 了 应 用 。 有 两 个 因 素 决 定 了 文 法 的选 择 ， 一 个 是 所 选 基 元 的 情 况 ， 另 一 个 是 要 权 衡 文 法 的 描 述 能 力 与 文 法 分析 的 效 率 。在 实 际 应 用 中 ， 往 往 存 在 某 些 不 确 定 性 。 例 如 测 量 中 的 噪 声 和 抖 动 会 引起 分 割 误 差 和 基

13、元 抽 取 误 差 ， 从 而 使 描 述 模 式 的 语 言 产 生 二 义 性 。 在 二 义性 存 在 的 情 况 下 ， 可 以 用 随 机 语 言 来 描 述 模 式 。 产 生 随 机 语 言 的 文 法 称 作随 机 文 法 。 在 随 机 文 法 中 引 进 了 概 串 方 法 ， 即 用 具 有 概 率 分 布 的 语 句 来 描述 模 式 。（ 三 ） 句 法 分 析句 法 分 析 则 是 分 析 输 入 模 式 是 否 符 合 某 种 文 法 规 则 的 过 程 。 也 就 是 分 析能 否 用 该 文 法 生 成 输 入 模 式 。 分 析 结 果 为 肯 定 则 对

14、输 入 模 式 完 成 了 分 类 。分 析 结 果 为 否 定 ， 则 拒 绝 输 入 模 式 。 在 选 择 文 法 时 需 考 虑 文 法 的 描 述 能 力与 句 法 分 析 复 杂 性 之 间 的 矛 盾 。 同 样 ， 在 研 究 句 法 分 析 问 题 时 ， 也 应 考 虑如 何 从 句 法 分 析 的 角 度 处 理 这 种 矛 盾 。 事 实 上 ， 要 在 提 高 纠 错 能 力 和 降 低分 析 效 率 之 间 进 行 权 衡 ， 实 际 困 难 较 大 。在 句 法 分 析 中 ， 还 可 以 采 用 距 离 或 加 权 距 离 的 方 法 。 这 也 是 一 种 无

15、 人 管理 的 方 法 。 完 成 集 群 分 析 以 后 ， 就 可 以 应 用 文 法 推 断 技 术 来 推 断 每 一 个 群的 文 法 ， 并 构 造 出 相 应 的 句 法 分 析 器 。三 、模 式 识 别 的 应 用模 式 识 别 可 用 于 文 字 和 语 音 识 别 、 遥 感 和 医 学 诊 断 等 方 面 。（ 一 ） 文 字 识 别字符识别处理的信息可分为两大类：一类是文字信息，处理的主要是用各国家、各民族的文字（如：汉字，英文等）书写或印刷的文本信息，目前在印刷体和联机手写方面技术已趋向成熟，并推出了很多应用系统；另一类是数据信息，主要是由阿拉伯数字及少量特殊符号组

16、成的各种编号和统计数据，如：邮政编码、统计报表、财务报表、银行票据等等，处理这类信息的核心技术是手写数字识别。汉字是历史悠久的中华民族文化的重要结晶，其数量之大，构思之精，为世界文明史所仅有。由于汉字为非字母化、非拼音化的文字，所以在信息技术及计算机技术日益普及的今天，如何将汉字方便、快速地输入到计算机中已成为关系到计算机技术能否在我国真正普及的关键问题。目前，汉字输入主要分为人工键盘输入和机器自动识别输入两种其中人工键入速度慢而且劳动强度大；自动输入又分为汉字识别输入及语音识别输入。从识别技术的难度来说，手写体识别的难度高于印刷体识别，而在手写体识别中，脱机手写体的难度又远远超过了连机手写体

17、识别。到目前为止，除了脱机手写体数字的识别已有实际应用外，汉字等文字的脱机手写体识别还处在实验室阶段。（ 二 ） 语 音 识 别语 音 识 别 技 术 技 术 所 涉 及 的 领 域 包 括 ： 信 号 处 理 、 模 式 识 别 、 概 率 论 和信 息 论 、 发 声 机 理 和 听 觉 机 理 、 人 工 智 能 等 等 。 近 年 来 ， 在 生 物 识 别 技 术领 域 中 ， 声 纹 识 别 技 术 以 其 独 特 的 方 便 性 、 经 济 性 和 准 确 性 等 优 势 受 到 世人 瞩 目 ， 并 日 益 成 为 人 们 日 常 生 活 和 工 作 中 重 要 且 普 及 的

18、 安 验 证 方 式 。 语音 识 别 技 术 正 逐 步 成 为 信 息 技 术 中 人 机 接 口 的 关 键 技 术 ， 语 音 技 术 的 应 用已 经 成 为 一 个 具 有 竞 争 性 的 新 兴 高 技 术 产 业（ 三 ） 遥 感遥 感 图 像 识 别 已 广 泛 用 于 农 作 物 估 产 、 资 源 勘 察 、 气 象 预 报 和 军 事 侦 察等 17。（ 四 ） 医 学 诊 断在 癌 细 胞 检 测 、 X 射 线 照 片 分 析 、 血 液 化 验 、 染 色 体 分 析 、 心 电 图 诊断 和 脑 电 图 诊 断 等 方 面 ， 模 式 识 别 已 取 得 了 成

19、 效 19。四 、模 式 识 别 技 术 的 近 乎 无 限 的 发 展 潜 力模式识别是一个快速发展和扩散的学科，其在国民经济和国防现代化建设中具有广阔的应用领域和应用前景。随着模式识别理论和技术的发展，其应用领域和实际应用需求也将不断增长。模 式 识 别 技 术 是 人 工 智 能 的 基 础 技 术 ， 2 1 世 纪 是 智 能 化 、 信 息 化 、计 算 化 、 网 络 化 的 世 纪 ， 在 这 个 以 数 字 计 算 为 特 征 的 世 纪 里 ， 作 为 人 工 智能 技 术 基 础 学 科 的 模 式 识 别 技 术 ， 必 将 获 得 巨 大 的 发 展 空 间 。（ 一

20、 ） 语 音 识 别 技 术语 音 识 别 技 术 正 逐 步 成 为 信 息 技 术 中 人 机 接 口 的 关 键 技 术 ， 语 音 技 术 的应 用 已 经 成 为 一 个 具 有 竞 争 性 的 新 兴 高 技 术 产 业 。 中 国 互 联 网 中 心 的 市 场预 测 ： 未 来 5 年 ， 中 文 语 音 技 术 领 域 将 会 有 超 过 4 0 0 亿 人 民 币 的 市 场容 量 ,然 后 每 年 以 超 过 3 0%的 速 度 增 长 。（ 二 ） 生 物 认 证 技 术生 物 认 证 技 术 本 世 纪 最 受 关 注 的 安 全 认 证 技 术 ， 它 的 发 展

21、是 大 势 所 趋 。人 们 愿 意 忘 掉 所 有 的 密 码 、 扔 掉 所 有 的 磁 卡 ， 凭 借 自 身 的 唯 一 性 来 标 识 身份 与 保 密 。 国 际 数 据 集 团 （ I D C） 预 测 ： 作 为 未 来 的 必 然 发 展 方 向 的 移动 电 子 商 务 基 础 核 心 技 术 的 生 物 识 别 技 术 在 未 来 1 0 年 的 时 间 里 将 达 到1 0 0 美 元 的 市 场 规 模 。（ 三 ） 数 字 水 印 技 术9 0 年 代 以 来 才 在 国 际 上 开 始 发 展 起 来 的 数 字 水 印 技 术 是 最 具 发 展 潜 力与 优

22、势 的 数 字 媒 体 版 权 保 护 技 术 。 I D C 预 测 ， 数 字 水 印 技 术 在 未 来 的5 年 内 全 球 市 场 容 量 超 过 80 亿 美 元 。五 、 结 语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、机器学、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，模 式 识 别 从 2 0 世 纪 2 0 年 代 发 展 至今 ， 并 不 是 要 对 所 有 模 式 识 别 问 题 都 适 用 的 单 一 模 型 和 解 决 识 别 问 题 ， 而是 结 合 具 体 问 题 把 统 计 的 和 句 法

23、 的 识 别 结 合 起 来 ， 把 统 计 模 式 识 别 或 句 法模 式 识 别 与 人 工 智 能 中 的 启 发 式 搜 索 结 合 起 来 ， 把 统 计 模 式 识 别 或 句 法 模式 识 别 与 支 持 向 量 机 的 机 器 学 习 结 合 起 来 ， 把 人 工 神 经 元 网 络 与 各 种 已 有技 术 以 及 人 工 智 能 中 的 专 家 系 统 、 不 确 定 推 理 方 法 结 合 起 来 ， 深 入 掌 握 各种 工 具 的 效 能 和 应 有 的 可 能 性 ， 互 相 取 长 补 短 ， 开 创 模 式 识 别 应 用 的 新 局面 。参 考 文 献 ：1 边肇祺，张学工. 模式识别（第二版）M. 北京：清华大学出版社，2000-01.2 FU,K.S.The Recent Development of Pattern Recognitions. 1980.3 熊承义.李玉海统计模式识别及其发展现状综述期刊论文-科技进步与对策 2003(8).