Hn :Ý tƣởng hệ thống nhận dạng ảnh
Hn . Khối tích hợp triệt nhiễu trừ
43
Bắt đầu huấn luyện ảnh số 1, tín hiệu nút_nhấn_1 đƣợc kích hoạt chuyển mạch SW2 và chuyển mạch SW32 đóng, chuyển mạch SW1, SW3, SW31, SW33 hở cho dòng điện chạy từ Vmem_1 tới V_đốt_1 ( hình 5.9) hồi tiếp về bộ điều khiển, đồng thời cho dịng điện chạy từ sig_com_1 tới V_đóng_băng_1 hồi tiếp về bộ điều khiển (hình 5.10), q trình dịng điện chạy từ 30 pixel của ảnh số 1 là 30 tín hiệu chạy vào 30 memristor khối triệt nhiễu cộng với tín hiệu ra là Vmem_1( hình 5.4 ), dịng điện tiếp tục chạy qua mạch tích hợp thì nhận đƣợc ngõ ra là tín hiệu V_đốt_1, tín hiệu này hồi tiếp về bộ điều khiển cho đến khi V_đốt_1 đạt ngƣỡng 5 V tức là mỗi memristor trong mảng lúc này đã xác lập xong trạng thái trở kháng cao hoặc trở kháng thấp, do đó bộ điều khiển ra quyết định ngắt chuyển mạch kết thúc quá trình huấn luyện 30 memristor mảng 1 khối thứ nhất. Khi bắt đầu quá trình huấn luyện hệ thống nhận đƣợc 30 tín hiệu từ ảnh huấn luyện đƣa vào thì 30 tín hiệu sẽ đi qua cổng NOT để đi qua khối memristor triệt nhiễu trừ ( hình 5.5 ) tƣơng tự nhƣ vậy bộ điều khiển chỉ đóng chuyển mạch SW32 ngắt SW31 và SW33, cho 30 tín hiệu này đi qua 30 memristor mảng 1 khối triệt nhiễu trừ tiếp tục chạy vào sig_com_1 sau đó đi qua mạch tích hợp và ngõ ra cuối cùng của mạch tích hợp là V_đóng_băng_1 (hình 5.10 ), tín hiệu này đƣợc hồi quy về bộ điều khiển cho đến khi điện áp V_đóng_băng_1 đạt ngƣỡng 5 V thì bộ điều khiển ra quyết định ngắt chuyển mạch SW32, đóng chuyển mạch SW31 và SW33, kết thúc quá trình huấn luyện ảnh số 1. Tƣơng tự khi đƣa ảnh số 2 vào để huấn luyện thì tín hiệu nút_nhấn_2 đƣợc kích hoạt bộ điều khiển sẽ mở chuyển mạch chỉ duy nhất mạch thứ 2 khối triệt nhiễu cộng và mạch thứ 2 khối triệt nhiễu trừ là chuyển mạch cho dòng điện chạy qua khối tích hợp và hồi quy về bộ điều khiển, làm nhƣ vậy sẽ huấn luyện đƣợc ảnh số 2, ảnh số 3,..., ảnh số 10, kết thúc quá trình huấn luyện thì tồn bộ 600 memristor đã đƣợc xác lập giá trị trở kháng cao hoặc giá trị trở kháng thấp.
Q trình kiểm tra, tín hiệu sig_kiểm_tra đƣợc kích hoạt nên bộ điều khiển sẽ đóng các chuyển mạch làm cho 20 mạch của toàn bộ hệ thống ở trạng thái hoạt động, khi chúng ta đƣa ảnh kiểm tra vơ thì 30 tín hiệu này sẽ đồng loạt di chuyển qua 600 memristor, bất kỳ tín hiệu V_đốt nào đạt ngƣỡng nhanh nhất thì sẽ dừng khối triệt nhiễu cộng và gửi tín hiệu này đến mạch chốt kết quả đầu ra, tƣơng tự bất kỳ tín hiệu V_đóng_băng nào đạt ngƣỡng 5 V thì bộ điều khiển cũng dừng các mạch cịn lại đang hoạt động và gửi tín hiệu này tới mạch chốt kết quả ngõ ra. Mạch chốt kết quả ngõ ra (hình 5.8) sẽ dựa vào hai tín đƣợc gửi đến này để ra quyết định đó là ảnh số mấy đƣợc đƣa vô kiểm tra.
44
5.2 P ân tíc ệ thống
Bƣớc 1: Đƣa 1 ảnh bất kỳ vào mơ hình để huấn luyện đồng thời kích hoạt một trong mƣời tín hiệu nút_nhấn để khối điều khiển biết bắt đầu quá trình huấn luyện và huấn luyện cho ảnh ở mạch nào.
Bƣớc 2: Sẽ có 30 tín hiệu đi vào 300 memristor khối mảng triệt nhiễu cộng và 30 tín hiệu này đi qua cổng NOT sau đó đi vào 300 memristor khối mảng triệt nhiễu trừ, nhƣng chỉ có 30 tín hiệu chạy qua 30 memristor thuộc một trong mƣời mảng memristor khối triệt nhiễu cộng đồng thời cũng chỉ có 30 tín hiệu đi qua 30 memristor thuộc một trong mƣời mảng memristor khối triệt nhiễu trừ, kết thúc quá trình huấn luyện khi một trong mƣời tín hiệu V_đốt đạt ngƣỡng 5 V và một trong mƣời tín hiệu V_đóng_băng đạt ngƣỡng 5 V, khi đó trạng thái trở kháng cao hoặc trở kháng thấp sẽ đƣợc xác lập trên mạch tích hợp.
Bƣớc 3: Quá trình kiểm tra, 30 tín hiệu đầu vào sẽ chạy cùng lúc trên 600 memristor nhƣng chỉ có một cặp tín hiệu V_đốt và V_đóng_băng đạt ngƣỡng nhanh nhất sẽ đƣợc gửi tới mạch chốt kết quả ngõ ra để ra quyết định ảnh đang kiểm tra là ảnh số mấy.
Trƣờng hợp lý tƣởng, trong phân tích này một ảnh ngẫu nhiên bất kỳ đƣợc chọn để phân tích, ảnh số 7 đƣợc đƣa vào để kiểm tra nhƣ sau, mơ hình sau khi huấn luyện thì khối triệt nhiễu cộng sẽ có 300 memristor gồm có 10 mảng memristor tƣơng ứng với 10 hình nhƣ hình 5.11, mảng thứ nhất sẽ có 30 memristor có trạng thái trở kháng tƣơng ứng trên từng memristor nhƣ hình số 1, điểm pixel màu đen là tƣợng trƣơng cho vị trí memristor có trở kháng thấp, điểm pixel màu trắng tƣợng trƣng cho vị trí memristor có trở kháng cao.
45
Tƣơng tự nhƣ vậy, khối triệt nhiễu trừ cũng có 300 memristor chia làm 10 mảng memristor mỗi mảng đặc trƣng cho một hình, tín hiệu vào là tín hiệu đảo của khối thứ nhất nên cũng xác lập đƣợc trạng thái trở kháng cao hoặc trở kháng thấp cho 300 memristor nhƣ hình 5.12 sau khi huấn luyện. Khi đƣa ảnh số 7 vào hệ thống để xem hệ thống phân biệt nhƣ thế nào.
H n . : Ảnh trở kháng memristor khối triệt nhiễu trừ
Quan sát hình 5.13, đã biết rằng với mơ hình này thì ảnh số 7 chính là tập con của ảnh số 8, do đó 9 tín hiệu có mức logic „1‟ của ảnh số 7 đƣa vào khối memristor triệt nhiễu cộng của hệ thống điều nằm tại những vị trí có trở kháng thấp trên ảnh số 7 và ảnh số 8.
H n . : Đƣa ảnh số 7 vào khối triệt nhiễu cộng của hệ thống để kiểm tra
Nên lúc này ngõ ra thứ 7 và ngõ ra thứ 8 khối tích hợp triệt nhiễu cộng ( hình 5.9 ) là đạt ngƣỡng nhanh nhƣ nhau đồng thời bộ điều khiển gửi cả hai tín hiệu này về mạch quyết định ngõ ra, tới đây chỉ mới có tín hiệu V_đốt gửi về nên mạch quyết định ngõ ra vẫn chƣa phân biệt đƣợc, hãy quan sát tiếp hình 5.14
46
H n . 4: Đƣa ảnh số 7 vào khối triệt nhiễu trừ của hệ thống để kiểm tra
Hãy chú ý đến phần diện tích đƣợc bao bộc bởi viền màu đỏ, chú ý đến ảnh số 7 toàn bộ diện tích hai khu vực trong viền đỏ điều đƣợc bơi đen, những điểm đen là điểm có trở kháng thấp và 21 tín hiệu có mức logic „1‟ của ảnh số 7 lúc này nhƣ lớp mặt nạ in trùng lên mơ hình huấn luyện, vậy ảnh số 7 sẽ là ảnh đạt ngƣỡng nhanh nhất trong toàn bộ 10 ảnh huấn luyện của khối triệt nhiễu trừ , ảnh số 8 muốn lệch qua ảnh số 7 thì phải có ít nhất là 7 pixel nằm khớp vào 7 vị trí đang có trở kháng cao nằm trong phần diện tích viền đỏ nhƣ hình 5.14, vậy ngõ ra khối triệt nhiễu trừ sẽ là V_đóng_băng_7, tín hiệu này sẽ đƣợc gửi đến mạch quyết định ngõ ra (hình 5.8), lúc này đã có đủ cơ sở để mạch ra quyết định đây là ảnh số 7.
H n . : Đƣa ảnh số 8 vào khối triệt nhiễu cộng của hệ thống để kiểm tra
Vậy khi đƣa ảnh số 8 vơ kiểm tra thì mạch sẽ thực hiện thế nào tiếp tục cùng nhau theo dõi nhƣ sau, 16 tín hiệu có mức logic „1‟ nhận điện áp 3,3 V đi vào 10 lớp mặt nạ khối triệt nhiễu cộng, quan sát toàn thể 10 ảnh và tập trung vào phần diện tích đƣợc bao phủ bởi viền màu đỏ nhƣ hình 5.15, lúc này chỉ có ảnh số 8 là tồn bộ diện tích trong viền đỏ điều có màu đen, màu đen là memristor có trở kháng
47
thấp, trong diện tích viền màu đỏ có nhiều pixel màu đen thì sẽ tiến đến ngƣỡng ngõ ra càng nhanh, vậy 16 tín hiệu có mức logic „1‟ nhận điện áp 3,3 V đi vào mơ hình ảnh số 8 đặt trên 16 memristor có trở kháng thấp, thì ngõ ra V_đốt_8 sẽ đạt ngƣỡng nhanh nhất trong tồn bộ 10 mơ hình trong khối memristor triệt nhiễu cộng, tín hiệu V_đốt_8 đƣợc gửi tới mạch quyết định ngõ ra.
H n . 6: Đƣa ảnh số 8 vào khối triệt nhiễu trừ của hệ thống để kiểm tra
Quan sát 10 mơ hình trong hình 5.16, tập trung vào phần diện tich màu đen
trong viền màu đỏ, nhƣ vậy trong trƣờng hợp này thì cả ba mơ hình số 7, số 8 và số 0 điều sẽ đạt ngƣỡng ngõ ra nhanh nhƣ nhau nên mạch quyết định ngõ ra sẽ nhận đƣợc cả V_đóng_băng_7, V_đóng_băng_8 và V_đóng_băng_10, nhƣng khối memristor mảng khối triệt nhiễu cộng chỉ gửi đến 1 tín hiệu là V_đốt_8, từ những cơ sở trên mạch quyết định ngõ ra sẽ quyết định đây là ảnh số 8 ( hình 5.8 ).
Để chứng minh mơ hình này ln đúng với bất kỳ hình nào đã liệt kê ở trên, ta
sẽ chọn 1 hình bất kỳ tiếp theo để kiểm tra, chọn tiếp hình số 5 vì hình số 5 rất dễ nhầm với hình số 3.
48
H n . 8: Đƣa ảnh số 5 vào khối triệt nhiễu trừ của hệ thống để kiểm tra
Quan sát tổng thể 10 mơ hình trong trƣờng hợp ảnh kiểm tra là ảnh số 5, sau đó hãy tập trung vào phần diện tích màu đen trong viền màu đỏ ảnh số 3 và ảnh số 5. Nhƣ vậy ảnh số 5 vẫn là ảnh sẽ đạt ngƣỡng nhanh nhất trong toàn bộ 10 mơ hình, ảnh số 3 muốn thành hình số 5 thì cần tối thiểu 1 pixel rơi đúng vào vị trí memristor số 9, xác suất để xảy ra trƣờng hợp này là 3,33 %, ngay lập tức tín hiệu V_đốt_5 đƣợc gửi tới mạch quyết định ngõ ra ( hình 5.8 ).
Tiếp tục quan sát hình 5.18, tập trung vào phần diện tích màu đen trong viền màu đỏ của 10 mơ hình khối memristor triệt nhiễu trừ của hệ thống, ảnh số 5 vẫn là ảnh đạt ngƣỡng ngõ ra nhanh nhất, ngay lập tức khối điều khiển nhận đƣợc tín hiệu V_đóng_băng_5 ( hình 5.10) kết hợp cả hai tín hiệu gửi về từ khối tích hợp triệt nhiễu cộng và khối tích hợp triệt nhiều trừ thì mạch quyết định ngõ ra sẽ quyết định đây là ảnh số 5.
Từ những gì đã phân tích ở trên rút ra các kết luận sau. Khối memristor triệt nhiễu cộng đƣa tín hiệu qua khối tích hợp triệt nhiễu cộng sẽ cho ra kết quả ảnh đang kiểm tra là ảnh nào, nếu ảnh đó là tập con của ảnh khác thì ngõ ra sẽ là ảnh tập con và ảnh chứa tập con đó, ví dụ ảnh số 7 là tập con của ảnh số 8, nên ngõ ra sẽ có cả 2 ảnh là số 7 và ảnh số 8. Khối memritor triệt nhiễu trừ đƣa tín hiệu qua khối tích hợp triệt nhiễu trừ để chốt lại ảnh đang kiểm tra, kết hợp cả hai khối memristor, khối tích hợp thì sẽ có ngõ ra cuối cùng là ảnh nào đang đƣa vào kiểm tra. Trƣờng hợp lý tƣởng mạch nhận dạng 10 ảnh đƣa vào hồn tồn chính xác.
5.2.1 Trƣờng hợp nhiễu cộng
Trƣờng hợp không lý tƣởng nhiễu cộng xuất hiện trong quá trình kiểm tra, khối memristor triệt nhiễu cộng sẽ triệt tiêu nhiễu, với nhiễu cộng 1 pixel vào bất cứ điểm nào trên ảnh kiểm tra thì hệ thống cũng nhận ra ảnh đang kiểm tra là ảnh nào.
49
Ví dụ: Ảnh kiểm tra là ảnh số 1, nếu thêm 1 pixel nhiễu vào bất cứ điểm nào thì ảnh nhiễu sẽ có 9 pixel nhƣ hình bên dƣới, khi đƣa vào mơ hình số 1 thì sẽ có 8 pixel đi vào memristor có trở kháng thấp và 1 pixel đi vào memristor có trở kháng cao. Yếu tố quan trọng làm cho mơ hình số 1 đạt ngƣỡng 3,3 volt đầu tiên so với những mơ hình cịn lại vì ảnh kiểm tra hội tụ đủ 8 vị trí pixel mà mơ hình số 1 có sẵn, việc thêm 1 pixel vào bất kỳ vị trí nào trên các mơ hình cịn lại thì cũng khơng làm cho các mơ hình cịn lại có đủ 8 vị trí nhƣ hình mơ số 1. Tiếp tục quan sát hình dƣới để minh chứng điều này.
H n . : Cộng thêm 1 pixel nhiễu vào ảnh số 1
H n . : Đƣa ảnh số 1 có 1 pixel nhiễu cộng vào khối triệt nhiễu cộng
Nhƣ vậy nếu cộng 1 pixel nhiễu vào ảnh huấn luyện là ảnh số 1 thì mơ hình nhận dạng đúng tỷ lệ thành cơng là 100 %, các ảnh mơ hình số 2, 3, 5, 6, 8, 9, nếu muốn ngõ ra đạt ngƣỡng 3,3 V cùng lúc với mơ hình số 1 thì cần ít nhất là cộng thêm 2 pixel nhiễu vào đúng vị trí màu trắng trong phần diện tích viền đỏ xác suất để xảy ra trƣờng hợp này là P(2 pixel ) =
= 0,69 % , tƣơng tự với mơ hình ảnh số 4 thì phải cộng tối thiểu là 3 pixel vào đúng 3 vị trí màu trắng trong viền đỏ xác suất để xảy ra trƣờng hợp này là P(3 pixel ) =( ) + ( ) + (
50 suất xảy ra là P(4 pixel ) = (
) + ( ) +
( ) + 1,06 + 0,69 = 1,75 %, tƣơng tự nhƣ vậy sẽ tính cho các
trƣờng hợp còn lại.
H n . : Đƣa ảnh số 1 có 1 pixel nhiễu cộng vào khối triệt nhiễu trừ
Tiếp tục quan sát khối memristor thứ hai nhƣ hình 5.21, chú ý phần diện tích bên trong viền màu đỏ loại bỏ phần diện tích viền màu xanh, trong hình 5.21, số pixel viền màu xanh là pixel nhiễu có điện áp đƣa vơ mơ hình khối triệt nhiễu trừ là 0 V. Tín hiệu V_đóng_băng_1 sẽ đạt ngƣỡng 5 V nhanh nhất trong tất cả các mơ hình cịn lại, trong tất cả 10 mơ hình trong hình 5.21 thì chỉ có ảnh số 9 là cần tối thiểu 3 pixel vào đúng 3 vị trí màu trắng cịn lại trong viền màu đỏ mới làm nhiễu đƣợc ảnh số 1, xác suất để xảy ra trƣờng hợp này là P(3 pixel ) =
= 0,0037 %.
Trong trƣờng hợp ảnh kiểm tra là tập con của ảnh khác thì sao, ví dụ trong mơ hình này mơ hình số 7 là tập con của mơ hình số 8, khi thêm nhiễu vào mơ hình số 7, những điểm nhiễu đó nằm vào vị trí của mơ hình số 8 thì tín hiệu đạt ngƣỡng 3,3 volt nhanh nhất sẽ là số 8 chứ không phải là mơ hình số 7 ở khối memristor triệt nhiễu cộng, giải quyết vấn đề này thì ta chú ý trƣờng hợp ảnh khơng có nhiễu xét ở trên, nếu ảnh số 7 đƣa vào thì ngõ ra khối tích hợp triệt nhiễu cộng sẽ có cả V_đốt_7 và V_đốt_8 nhƣng khối tích hợp triệt nhiễu trừ chỉ có tín hiệu V_đóng_băng_7, chính vì điều này mới biết đó là hình số 7, khối triệt nhiễu trừ loại bỏ trƣờng hợp ảnh là tập con, trong trƣờng hợp đƣa ảnh kiểm tra là ảnh số 8 thì V_đốt_8 ở khối tích hợp triệt nhiễu cộng là nhanh nhất, với khối tích hợp triệt nhiễu trừ chỉ có tín hiệu V_đóng_băng_8 và V_đóng_băng_10, điều này khẳng định rằng nếu ảnh kiểm tra là số 7 thì khối tích hợp triệt nhiễu trừ có tín hiệu ra chỉ có V_đóng_băng_7 mà khơng có tín hiệu V_đóng_băng_8 và ngƣợc lại nếu ảnh kiểm
51
tra là ảnh số 8 thì tín hiệu ra ở khối tích hợp thứ hai sẽ là V_đóng_băng_8 chứ khơng có tín hiệu V_đóng_băng_7. Chính vì điều này là cơ sở đi giải quyết trƣờng hợp nhiễu mơ hình số 7 nằm trên vị trí pixel có mức logic „1‟ tức là vị trí memristor có trở kháng thấp của mơ hình số 8, trƣờng hợp nhiễu 1 pixel làm cho mơ hình sơ 8 đạt ngƣỡng 3.3 volt nhanh nhất, thì ngay tại trƣờng hợp này ta thêm một chức năng trong mạch điều khiển nếu ngõ ra là V_đốt_8 mà ngõ ra khối tích hợp triệt nhiễu trừ là V_đóng_băng_7 thì ảnh đó là ảnh số 7, quan sát hình 5.22.
H n . : Đƣa ảnh số 7 có 1 pixel nhiễu cộng vào khối triệt nhiễu cộng
Chính vì ngõ ra V_đốt_8 đạt ngƣỡng 5 V nhanh nhất đồng thời tín hiệu này trả