Tài liệu Kiểm tra độ khác biệt của logo dùng kỹ thuật so khớp ảnh

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG LỤC THỊ THANH HUỆ KIỂM TRA ĐỘ KHÁC BIỆT CỦA LOGO DÙNG KỸ THUẬT SO KHỚP ẢNH Chuyên ngành: Khoa học máy tính. Mã số chuyên ngành: 8 48 01 01. LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. Phạm Đức Long Thái Nguyên năm 2020 i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Lục Thị Thanh Huệ Sinh ngày: 26/12/1984 Là em lớp cao học CHK17A - Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên. Hiện đang công tác tại: Trường THPT Định Hóa - tỉnh Thái Nguyên. Tôi xin cam đoan: Đề tài “Kiểm tra độ khác biệt của logo dùng kỹ thuật so khớp ảnh” do TS. Phạm Đức Long hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Tôi xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung trong đề cương và yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật. Thái Nguyên, ngày 18 tháng 09 năm 2020 Tác giả luận văn Lục Thị Thanh Huệ ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo hướng dẫn TS. Phạm Đức Long em đã hoàn thành luận văn với Đề tài “Kiểm tra độ khác biệt của logo dùng kỹ thuật so khớp ảnh”. Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo hướng dẫn TS. Phạm Đức Long đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn các thầy cô giáo, Phòng đào tạo Sau đại học của Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông Thái Nguyên đã giúp đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn Trường THPT Định Hóa - tỉnh Thái Nguyên nơi tôi công tác đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho tôi theo học khóa học này. Tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khích lệ, tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập, thực hiện và hoàn thành luận văn này. Thái Nguyên, ngày 18 tháng 9 năm 2020 Tác giả luận văn Lục Thị Thanh Huệ iii MỤC LỤC Trang Lời cam đoan ...................................................................................................... i Lời cảm ơn ........................................................................................................ ii Mục lục ............................................................................................................. iii Danh mục các bảng .......................................................................................... iv Danh mục các hình ............................................................................................ v Danh mục các từ viết tắt................................................................................... vi MỞ ĐẦU .......................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1 2. Mục tiêu......................................................................................................... 1 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ................................................................. 1 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu .................................. 2 5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2 CHƯƠNG 1. NHU CẦU SO KHỚP LOGO QUA ẢNH ............................. 3 1.1. Các nhu cầu trong thực tế .......................................................................... 3 1.1.1. Logo và tầm quan trọng của chúng ........................................................ 3 1.1.2. Bắt chước thiết kế ................................................................................... 6 1.1.3. Luật bảo hộ bản quyền ............................................................................ 7 1.2. So khớp qua ảnh ........................................................................................ 9 1.3. Các đặc điểm cơ bản khi phân biệt đối tượng .......................................... 10 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1................................................................................ 11 CHƯƠNG 2. MỘT SỐ KỸ THUẬT SO KHỚP QUA ẢNH HIỆN NAY 12 2.1. So sánh sự tương xứng về hình dạng ....................................................... 12 2.1.1. Dùng khoảng cách Hausdorff .............................................................. 12 2.1.2. Dùng phương pháp Shape Context ....................................................... 14 2.1.3. Dùng phương pháp Inner Distance ....................................................... 26 iv 2.2. Sử dụng phương pháp phân cấp .............................................................. 31 2.3 Sử dụng học máy (Machine Learning) .................................................... 33 2.3.1 Những lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong Học máy ........................ 33 2.3.2 Liên quan học máy với khai thác dữ liệu và trí tuệ nhân tạo ................. 34 2.3.3 Phân loại các thuật toán học máy ........................................................... 35 2.3.4 So sánh ba thuật toán học máy quan trọng ............................................ 37 2.4 So sánh các phương pháp ......................................................................... 37 2.5 So sánh màu sắc ....................................................................................... 39 2.6. So sánh kết cấu bề mặt ............................................................................. 44 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2................................................................................ 47 CHƯƠNG 3. ĐÁNH GIÁ THỰC NGHIỆM .............................................. 48 3.1 Thực nghiệm so khớp với một số ảnh cũ .................................................. 48 3.2 Thực nghiệm so sánh với ba thuộc tính .................................................... 50 3.3 Nhận xét và đánh giá ................................................................................. 53 KẾT LUẬN CHƯƠNG 3................................................................................ 53 KẾT LUẬN .................................................................................................... 54 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI .......................................................... 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 55 PHỤ LỤC ivv DANH SÁCH CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1 Bốn dạng nhãn hiệu truyền thống được bảo hộ ở Việt Nam ............................................................................................................................. 4 ........................................................................................................................... Bảng 2.1 Dữ liệu tuổi ....................................................................................................................... 17 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Bảng 2.2 Thông tin của mẫu dữ liệu ....................................................................................................................... 18 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Bảng 2.3 So sánh Gaussian NB, SVM and Decision Tree...................................................................................................................... 37 vi ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Bảng 2.4 Đặc điểm các phương pháp so khớp đối tượng qua ảnh ............................................................................................................................. 37 ......................................................................................................................... Bảng 2.5 Tính tham số kết cấu của bốn ảnh ....................................................................................................................... 47 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Bảng 3.1 Kết quả thực nghiệm so sánh hình dáng và màu 6 cặp ảnh ....................................................................................................................... 51 ......................................................................................................................... Bảng 3.2 So sánh kết cấu bề mặt ....................................................................................................................... 52 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. v vii DANH SÁCH CÁC HÌNH Trang Hình 1.1. Một số logo ............................................................................................................................. 6 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 1.2. Làm nhái logo ............................................................................................................................. 6 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 1.3. Logo của một số thương hiệu trong số 50 thương hiệu nổi tiếng Việt Nam 2019. viii ............................................................................................................................. 7 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 1.4. Ý tưởng bị làm “nhái” ............................................................................................................................. 8 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 1.5. Ví dụ tranh chấp bản quyền: ............................................................................................................................. 8 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ix ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 1.6. Nhái logo của Toyota ............................................................................................................................. 8 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 1.7. Ví dụ tranh chấp logo ............................................................................................................................. 8 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 1.8. Doanh nghiệp thành lập mới từ 2012 đến 2019 ............................................................................................................................. 9 x ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 1.9. So sánh các hình với ba thuộc tính hình dáng, màu và kết cấu bề mặt .. 10 Hình 2.1. Khoảng cách Hausdorff giữa 2 tập hợp A và B .......................................................................................................................... 12 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.2. Thực hiện truy vấn trên tập dữ liệu ETH- 80 ......................................................................................................................... 14 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.3. Truy vấn trên tập dữ liệu Kimia. .................................................................................................................. 15 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.4. So khớp mẫu cột trái và độ giống nhau ..................................................................................................................... 15 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. xi ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.5. Histogram của ảnh một xám ...................................................................................................................... 16 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.6. Một đồ thị dạng histogram độ tuổi và tần suất....................................................................................................................... 16 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.7. Các bin của histogram quá nhỏ a) hoặc quá lớn b).......................................................................................................................... 18 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.8. Một ảnh a) và b) histogram của nó ......................................................................................................................... 19 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. xii ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.9. Biểu diễn Histogram trong tọa độ cực 12 bins ...................................................................................................................... 20 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.10. Ví dụ shape context ................................................................................................................. 21 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.11. Affine .................................................................................................................. 24 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. xiii ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình Ba 2.12. đối tượng và inner distance ................................................................................................................ 28 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.13. Khoảng cách trắc địa trên các hình dạng 2D ........................................................................................................................ 28 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.14. Định nghĩa khoảng cách bên trong..................................................................................................................... 29 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.15. Tính toán khoảng cách bên trong..................................................................................................................... 30 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. xiv ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.16. Một cây hình dạng ..................................................................................................................... 32 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.17 Các ảnh màu so sánh với ảnh sucsac .................................................................................................................. 40 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 2.18 Một số kết cấu bề mặt ....................................................................................................................... 45 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. xv Hình 3.1 Ảnh của hai hình cá được so sánh...................................................................................................................... 48 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. Hình 3.2 So sánh đặc điểm hai ảnh trên hình 3.1 bằng shape context ................................................................................................................. 49 ......................................................................................................................... Hình 3.3 So sánh hai ký tự .......................................................................................................................... 49 ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. ............................................................................................................................. vi xvi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT WIPO - World Intellectual Property Organization Tổ chức Sở hữu Trí tuệ Thế giới TPS - Thin plate spline Kỹ thuật dựa trên spline để nội suy dữ liệu và làm mịn. ML- Machine Learning Học máy IEEE - Institute of Electrical and Electronics Engineers Viện kỹ nghệ Điện Điện tử. 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Trong nhiệm vụ phân tích ảnh thì việc so sánh đối tượng qua ảnh là một vấn đề có ý nghĩa học thuật cao và có ý nghĩa ứng dụng vô cùng quan trọng. Trong khoa học hình sự các chương trình nhận dạng khuôn mặt, nhận dạng vân tay, tròng mắt đã giúp cho quá trình tìm kiếm, phát hiện truy bắt tội phạm nhanh chóng kịp thời. Trong y học những chương trình nhận dạng chuỗi ADN, chẩn đoán bệnh qua ảnh… Trong công nghiệp phát hiện lỗi sản phẩm trên dây chuyền sản xuất, …và nhiều lĩnh vực khác trong thực tế đều có nhu cầu so sánh đối tượng qua ảnh. Các kỹ thuật so khớp ảnh có rất nhiều loại với những ưu nhược điểm khác nhau về độ chính xác, tốc độ thực hiện. Trong luận văn này em trình bày các kết quả nghiên cứu về so khớp các đối tượng qua ảnh màu 2D. Cụ thể là so khớp các logo về hình dáng, màu sắc và họa tiết trên logo (không có phân biệt nội dung ký tự). Chương trình thực nghiệm được thực hiên bằng ngôn ngữ lập trình MATLAB với một số ảnh logo thực. 2. Mục tiêu Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu xây dựng thuật toán so khớp ảnh để kiểm tra độ khác biệt của Logo. Từ đó tiến hành xây dựng mô hình thực nghiệm kiểm tra độ khác biệt của Logo trên phần mềm Matlab. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu: - Các đặc điểm phân biệt đối tượng. - Lý thuyết so khớp (sharp matching). - Các phương pháp so khớp ảnh. 3.2 Phạm vi nghiên cứu: - Phân biệt các nhóm đối tượng đã tách rời (không lẫn trong ảnh). - So sánh sự khác nhau về hình dáng, màu, kết cấu bề mặt. 2 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài nghiên cứu Luận văn hệ thống hóa kiến thức về lý thuyết so khớp đối tượng qua ảnh. Đây là một lĩnh vực đã và đang thu hút nhiều sự quan tâm của các nhà khoa học. Luận văn thực hiện xây dựng một ứng dụng kiểm tra độ khác biệt logo qua ảnh có tiềm năng cao ứng dụng trong thực tế. 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết. - Thực nghiệm kiểm chứng. 3 CHƯƠNG 1 NHU CẦU SO KHỚP LOGO QUA ẢNH 1.1. Các nhu cầu trong thực tế Những chiếc máy ảnh đầu tiên của loài người đã được định hình từ thế kỷ 11. Tuy nhiên những chiếc máy ảnh thương phẩm mãi mới xuất hiện vào năm 1888 sản phẩm của hãng Eastman Dry Play and Film. Ảnh số được chụp đầu tiên vào tháng 12 năm 1975 bằng máy của hãng East man Kodak. Từ đó tới nay máy ảnh chiếm một vai trò quan trọng trong cuộc sống con người. Ảnh được chụp trong mọi lĩnh vực từ sinh hoạt bình thường đến sản xuất, nghiên cứu, nghệ thuật,… và cả bên ngoài trái đất. Ảnh được chụp trên trái đất và cả từ ngoài trái đất qua các máy ảnh đặt trên vệ tinh, trên tàu vũ trụ. Một thiết bị nữa mà khi có mặt nó đã làm thay đổi hoàn toàn mọi mặt hoạt động của con người đó là máy tính điện tử. Từ chiếc máy tính ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) chạy đèn điện tử xuất hiện lần đầu tiên 1946 đến nay đã là các máy tính đa lõi có xung nhịp làm việc tới 5 tỷ Hz. Máy tính và camera cùng với các phần mềm đã tạo ra lĩnh vực thị giác máy tính computer vision mà lĩnh vực liên quan với nó là trí tuệ nhân tạo đang ngày càng thay thế con người trong hoạt động mà trước đây chỉ làm thủ công bằng tay, bằng mắt. Một trong những hoạt động đó là nhận diện, so khớp tự động các đối tượng qua ảnh như nhận diện khuôn mặt, nhận diện tròng mắt, vân tay, … và nhận diện so khớp logo trong lĩnh vực bảo hộ sáng chế và bản quyền [Luật sở hữu trí tuệ Việt Nam]. 1.1.1 Logo và tầm quan trọng của chúng: Thương hiệu và nhãn hiệu [1]: Thương hiệu (brands) theo định nghĩa của Tổ chức sở hữu trí tuệ thế giới (WIPO): là một dấu hiệu (hữu hình và vô hình) đặc biệt để nhận biết một sản phẩm hàng hoá hay một dịch vụ nào đó được sản xuất hay được cung cấp bởi một cá nhân hay một tổ chức. thương hiệu là nói đến hình tượng về hàng hóa trong tâm trí người tiêu dùng. Chẳng hạn khi nói tới điện thoại Nokia, người dùng sẽ hình dung ra một