Phục hồi thông tin từ dữ liệu quan sát bằng thuật giải di truyền

I H C KHOA H C T NHIÊN THÀNH PH KHOA CƠNG NGH MƠN CƠNG NGH H CHÍ MINH THƠNG TIN TRI TH C ²²² Lê Minh – 0012158 Ph m H u Lê Qu c Ph c – 0012169 PH C H I THÔNG TIN T D LI U QUAN SÁT B NG THU T GI I DI TRUY N LU N V N C NHÂN CÔNG NGH Giáo viên h ng d n TS Nguy n ình Thúc THƠNG TIN Niên khóa 2000-2004 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n I C M N Chúng em xin chân thành cám n Khoa Công Ngh Thông Tin, tr ng i H c Khoa H c T Nhiên Thành ph H Chí Minh u ki n cho chúng em th c hi n tài lu n v n t t nghi p Chúng xin g i l i bi t n sâu s c ch m sóc, ni d y chúng thành ng Chúng em xin chân thành cám n tình h ã t o n ông bà, cha m ã i n th y Nguy n ình Thúc ã ng d n, ch b o chúng em su t th i gian th c hi n tài Chúng em xin chân thành cám n th y cô Khoa Công Ngh Thông Tin ã t n tình gi ng d y, trang b cho chúng em nh ng ki n th c quí báu b n n m h c v a qua c dù chúng em ã c g ng hoàn thành lu n v n ph m vi kh n ng cho phép nh ng ch c ch n s không tránh kh i nh ng thi u sót Chúng em kính mong nh n c s c m thơng t n tình ch b o c a th y b n Nhóm sinh viên th c hi n: Lê Minh - Ph m H u Lê Qu c Ph c -2- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n I GI I THI U Máy tính ngày ã tr thành m t nh ng công c quan tr ng Có c c u ó máy tính có hai m m nh ch y u x lý kh n ng l u tr S phát tri n c a Trí tu Nhân t o làm cho máy tính thơng minh h n K t h p v i nh ng kh n ng ang ngày hồn thi n c a máy tính, Nhân t o có m t ng d ng c a Trí tu kh p m i n i ang d n làm thay i cu c s ng a n thân Trí tu Nhân t o bao g m nhi u l nh v c nghiên c u nh nh : H chuyên gia, Nh n d ng, X gi i di truy ã t ã , m i l nh v c c áp d ng vào th c t c m t s thành t u nh t ang m t công c lý nh, M ng N ron, Thu t u nh Riêng Thu t gi i di truy n m nh m c áp d ng r ng kh p, t ph c v cho h c t p (s p x p th i khóa bi u, t i u hóa hàm s gi i trí (nâng cao tính trí tu n ng d ng cơng nghi p thi t k cho games ), cho em l i l i nhu n (nh ), khai thác d u khí, máy móc, khai thác h m m , giao thông công c ng, s n xu ) c l nh v c tài Ph c h i thông tin t gi i di truy d u tra t i ph m li u quan sát b ng thu t nh m tìm hi u v vi c áp d ng Thu t gi i di truy n Trí tu Nhân t o vào l nh v c u tra t i ph m M c tiêu ph c h i l i thông tin v m t khuôn m t ng i t nh ng thông tin r i c -3- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n c c c a lu n v n nh sau: § Ch ng 1: Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n Ch ng gi i thi u v tài trình bày tóm t t v thu t gi i di truy n, thu t gi i § Ch ng 2: D ng nh chân dung t c s d ng tài quan sát b ng thu t gi i di truy n Ch ng trình bày v thu c tính c s d ng cho tốn, cách mã hóa thu c tính áp d ng thu c tính vào thu t gi i di truy n § Ch ng 3: H th ng h tr tìm ki m nh chân dung d a mơ Ch ng trình bày v mơ hình cài a vào lý thuy t § Ch t c th cho toán c kh o sát ch ng ng 4: K t lu n Nh ng k t qu ã lai, ó nh ng n i dung t c, h ng phát tri n cho t c trình bày ch ng ng -4- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n C L C CH NG PH C H I THÔNG TIN T D LI U QUAN SÁT B NG THU T GI I DI TRUY N 1.1 PHÁT BI U BÀI TOÁN 1.2 THU T GI I DI TRUY N 10 1.2.1 Thu t gi i di truy n t ng quát 10 1.2.1.1 Các b c thu t gi i di truy n 12 1.2.1.2 Cách bi u di n - 13 1.2.1.3 Kh i t o qu n th 14 1.2.1.4 Các phép toán thu t gi i di truy n 14 1.2.2 Thu t gi i di truy n t CH NG ng tác 16 NG NH CHÂN DUNG T QUAN SÁT B NG THU T GI I DI TRUY N -19 2.1 GI I THI U 19 2.2 ÁP DUNG NG THU T GI I DI TRUY N GI I BÀI TOÁN PH C MƠ 20 2.2.1 c tr ng mã hóa 2.2.1.1 I NH CHÂN c tr ng chân dung -20 c tr ng - 20 2.2.1.2 Mi n xác 2.2.1.3 Mã hoá nh c a c tr ng 22 c tr ng 25 2.2.2 Hàm thích nghi -27 2.2.3 Thu t gi i di truy n 29 2.2.3.1 Các phép toán 29 2.2.3.1.1 Tái sinh 29 2.2.3.1.2 Lai 30 2.2.3.1.3 t bi n 33 2.2.3.1.4 Ch n l c - 35 2.2.3.2 Thu t gi i - 36 2.2.3.2.1 Tham s 36 2.2.3.2.2 Thu t gi i 36 2.2.4 Tìm ki m c s d li u nh chân dung -38 2.2.4.1 Xây d ng CSDL nh chân dung - 39 2.2.4.2 T ch c c s d li u nh chân dung - 46 2.2.4.3 Tìm ki m - 48 CH NG TH NG H TR TÌM KI M NH CHÂN DUNG D A TRÊN MÔ -52 -5- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n 3.1 TH NG - 52 3.2 CÁC MÔ UN 3.2.1 S TH NG 54 hình -54 3.2.2 Mô un Mã hóa nh 58 3.2.3 Mô un Ph c h i chân dung -59 CH 4.1 NG T LU N 70 NH N XÉT - 70 4.1.1 Nh ng k t qu t c -70 4.1.2 Khó kh n h n ch 71 4.2 NG PHÁT TRI N - 72 -6- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n DANH M C CÁC HÌNH V Hình 1-1 L Hình 2-1 S c c a m t thu t gi i di truy n t t ng quát c a toán Trong ng tác -17 ó, mã hóa nh chân dung m t hai ti n trình quan tr ng -39 Hình 3-1 Hai mơ un c a h Hình 3-2 S th ng -52 hình -54 Hình 3-3 Màn hình c a ch Hình 3-4 Màn hình mã hóa ng trình -55 nh 56 Hình 3-5 Màn hình Ph c h i chân dung 57 Hình 3-6 Mơ un mã hóa nh -58 Hình 3-7 Mơ un Ph c h i chân dung -59 Hình 3-8 Ti n trình Ph c h i 60 Hình 3-9 Ti n trình Tìm ki m 61 Hình 3-10 V i k=1, ch kho ng cách g n nh t ng trình tìm c n khn m t phác th o Hình 3-11 k=2, ch ng trình tìm Hình 3-12 k=3 ch ng trình tìm c c ch n 68 nh 68 c nh có kho ng cách g n nh t Khuôn m t c n ph c h i khn m t nh có ã c tìm th y gi a -68 Hình 3-13 k=4, k t qu tìm ki m Hình 3-14 k = 5, k t qu nh 69 nh -69 -7- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n DANH M C CÁC CƠNG TH C Cơng th c 2-1 T a Công th c 2-2 Kho ng cách t m c a khuôn m t trung bình A 28 khn m t Fi n khn m t trung bình A 28 Công th c 2-3 o kho ng cách City-Block 28 Công th c 2-4 Kho ng cách City-Block gi a Fi A 29 Công th c 2-5 Giá tr thích nghi c a khn m t Fi 29 -8- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n CH NG PH C H I THÔNG TIN T D LI U QUAN SÁT B NG THU T GI I DI TRUY N 1.1 PHÁT BI U BÀI TỐN Ph c h i thơng tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n nh m nghiên c u cách ph c h i thông tin ch d a vào trí nh ch quan c a ng i Các thông tin quan sát c th gian quan sát có r t ng n ch u nh h a ng ng r i r c, không ch c ch n, th i ng c a nhi u y u t ch quan i quan sát nh tâm sinh lý, kh n ng quan sát, kh n ng di n t, kh n ng miêu t , … tài có th áp d ng vào l nh v c u tra t i ph m: Nhà ch c trách mu n d ng l i chân dung t i ph m hay tìm nh chân dung t p nh ng it ch ng th ng nghi v n d a vào l i khai c a nhân ch ng Các nhân ng không nh xác khn m t, nhi u miêu t c a nhân ch ng khác l i trái ng c nhau, ch quan Làm chi ti t r i r c ó ta có th t ng h p l i a m t chân dung phác th o xác nh t có th ? ó m c ích nghiên c u c a Thu t gi i di truy n m t nh ng ph t nh ng v n mà toán t tài ng pháp có th gi i quy t t nh vào phép toán r t m nh mà thu t -9- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n gi i s h u nh : ch n l c, lai ghép, t bi n Do ó lu n v n s d ng thu t gi i di truy n nh m t công c gi i quy t toán 1.2 THU T GI I DI TRUY N 1.2.1 Thu t gi i di truy n t ng quát Thu t gi i di truy n (GA – Genetic Algorithms) John Holland xu t vào nh ng n m 1970 c a th k 20 Ý t ng c a thu t gi i d a thuy t ti n hoá c a Darwin: Nh ng cá th có tính thích nghi cao v i hồn nh s ng t n t i ti p t c phát tri n, nh ng cá th có d nd nb tr thích nghi th i Nh v y nh ng th h sau bao gi c ng t t h n th h c Xét khía c nh m t tốn ó m i cá th óng vai trò m t i gi i v sau ta s có nh ng l i gi i t t h n nh ng l i gi i tr c ó, q trình ti n hóa m t qu n th cá th ng v i m t trình tìm ki m l i gi i không gian l i gi i Thu t gi i di truy n s d ng vay m n nhi u thu t ng c a sinh h c nh : nhi m s c th , cá th , qu n th , lai ghép, t bi n, ch n l c Cá th m t l i gi i c a toán, m i cá th thu t gi i di truy n c qui c ch có m t nhi m s c th (khác v i sinh v t t nhiên, ví d nh ng i có t i 46 nhi m s c th ) nên cá th c th Các nhi m s c th m t chu i n tính gen, m i gen bi u di n cho m t nhi m s c th M i ng c g i nhi m n v nh h n c tr ng có m t v trí nh t nh c tr ng có th có nhi u giá tr khác Qu n th t t p h p nhi u cá th có s l ng xác nh, thu t gi i di truy n qu n th m t khơng gian l i gi i Cịn lai ghép, phép toán th c hi n qu n th t bi n, ch n l c… t o m t qu n th m i - 10 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n 3.2.3 Mô un Ph c h i chân dung Hình 3-7 Mơ un Ph c h i chân dung Mô un g m ti n trình con: Ph c h i Tìm ki m - 59 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n Khơng Hình 3-8 Ti n trình Ph c h i Ti n trình Ph c h i ti n hành ph c h i chân dung mô t c a ng t thúc ng it ng d a i s d ng khn m t phác th o Ti n trình i s d ng ch n c khuôn m t phác th o c n tìm a ti n trình khuôn m t phác th o mà ng u i s d ng ch n, c ng u vào cho ti n trình Tìm ki m th c hi n ánh x t khuôn m t phác th o sang nh chân dung b ng cách tìm c s d li u nh chân dung - 60 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n Hình 3-9 Ti n trình Tìm ki m - 61 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n Minh h a: Gi s c n ph c h i chân dung sau: - 62 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n Ta có b • c sau: c 1: Ch ng trình phát sinh ng u nhiên khn m t phác th o, d a vào trí nh , ng i ch i s d ng ch n khn m t nh hình ng trình sau ó th c hi n ti n hoá - 63 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n • c 2: Ch ti n hố, ng ng trình th hi n khuôn m t t t nh t sau i s d ng ti p t c ch n, nh bên d i khuôn t - 64 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n • c 3: ng t b c 2, l n ng i s d ng ch n khuôn t - 65 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n • c 4: L n ng i s d ng ch n khuôn m t - 66 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n • c 5: Ng i s d ng ã ch n c khuôn m t “v a ý” (khuôn t ánh d u) - 67 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n Sau ch n c khuôn m t phác th o, ta ti n hành tìm c s li u nh chân dung, sau ây k t qu tìm ki m v i s nh k c ch n khác nhau: Hình 3-10 V i k=1, ch ng trình tìm kho ng cách g n nh t c nh có n khn m t phác th o c ch n Hình 3-11 k=2, ch Hình 3-12 k=3 ch ng trình tìm ng trình tìm c c nh có kho ng cách g n nh t Khuôn m t c n ph c h i tìm th y khn m t nh ã c gi a - 68 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n Hình 3-13 k=4, k t qu tìm ki m Hình 3-14 k = 5, k t qu nh nh - 69 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n CH NG K T LU N 4.1 NH N XÉT 4.1.1 Nh ng k t qu t Trong trình nghiên cúu cài c t lu n v n, ã t c nh ng k t qu sau: v lý thuy t: m v ng h n v c ch c a thu t gi i di truy n, thu t gi i di truy n t ng tác Cách áp d ng thu t gi i di truy n vào toán ph c h i thông tin Hi u bi t thêm v ngôn ng l p trình C# n n t ng a NET Framework v ng d ng: áp ng ng c nh ng yêu c u mà toán c mơ un c a h th ng Vì áp d ng khuôn m t chi u nên t c trình t t ra, xây ng ch ng i nhanh (v i tham s : S th h ti n hóa: 10 (th h ), chi u dài m t nhi m s c th : (bit), - 70 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n kích th c qu n th : 100 (cá th ); th nghi m máy Pentium III 500 MHz, b nh 160MB) ng d ng có giao di n thân thi n d s d ng 4.1.2 Khó kh n h n ch v Vì h th ng phát tri n thu c tính khn m t phác th o chi u nên m c hình hóa chi ti t c a mô t không cao, ch a mô c chân dung th gi i th c, n cho ng is ng cịn g p nhi u khó kh n mô t ; n u phát tri n thu c tính khn m t chi u xác s cao h n, nh ng th i gian có h n nên lu n v n nhóm m i ch d ng l i chân dung chi u v Công c mã hóa nh chân dung m t cơng c bán t ng nên ch a mã hóa xác thu c tính c a chân dung, thao tác mã hóa ph i th c hi n nhi u l n l p l i m t nh, ó n cho d li u b “phình” to c ng nh ph i có nh ng tính tốn thêm khơng c n thi t (tính trung bình c ng c a vector mã hóa ng i c vector c tr ng); ln c n có (ít nh t m t) th c hi n mã hóa nh v Do h n ch v th i gian gi i h n v s c nên s nh chân dung thu nh mã hóa c s d li u cịn ít, t ód n n t qu ánh x t khuôn m t phác th o sang nh chân dung ch a cao - 71 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n 4.2 H NG PHÁT TRI N v Phát tri n t thu c tính, chân dung chi u sang thu c tính chân dung chi u có th mơ hình hóa xác khn m t th gi i th c v Xây d ng cơng c mã hóa nh chân dung thành vector i thu c tính chi u m t cách t ng t ng c tr ng xác, gi m b t nh ng d li u th a không c n thi t, ti t ki m công c th i gian v ng s nh c mã hóa s d li u nh chân dung v Thêm m t s thu c tính nh : tu i, gi i tính, ch ng t c,… - 72 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n TÀI LI U THAM KH O [1] Nguy n ình Thúc, Trí tu nhân t o L p trình ti n hóa , Nhà xu t b n Giáo d c, 2001 [2] Hoàng Ki m gi i t Lê Hoàng Thái, Thu t gi i di truy n, Cách nhiên tốn máy tính , Nhà xu t b n Giáo d c, 2001 [3] Lê Hoàng Thái, Gi i thu t di truy n, K thu t ng d ng , tháng 12-1997 [4] Kenichi Nishio, Masayzuki Murakami, Eiji Mizutani, Nakaji Honda, Fuzzy fitness assignment in an interactive genetic algorithm for a cartoon face search , 2000 [5] Christian Jacob, Illustrating Evolutionary Computation with Mathematica , Morgan Kauphann Publishers, 2001 [6] Hideyuki TAKAGI, Interactive Evolutionary Computation: Fusion of the Capabilities of EC Optimization and Human Evulation , 2001 - 73 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n CH NG PH C H I THÔNG TIN T D LI U QUAN SÁT B NG THU T GI I DI TRUY N 1.1 PHÁT BI U BÀI TỐN Ph c h i thơng tin t d li u quan sát b ng... c h i l i thông tin v m t khuôn m t ng i t nh ng thông tin r i c -3- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ph c h i thông tin t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n c... t d li u quan sát b ng thu t gi i di truy n nh m nghiên c u cách ph c h i thơng tin ch d a vào trí nh ch quan c a ng i Các thông tin quan sát c th gian quan sát có r t ng n ch u nh h a ng ng