Reconhecimento de padrões de Código de Barras a partir da Utilização de Redes Neurais Artificiais

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1 Reconhecimento de padrões de Código de Barras a partir da Utilização de Redes Neurais Artificiais Márcio José Conte 1,2, Merisandra Côrtes de Mattos 1,2, Priscyla Waleska Targino de Azevedo Simões 1,2,3, Cristian Cechinel 4, Rafael Lazzari 1,2, Evânio Ramos Nicoleit 1 1 Curso de Ciência da Computação Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologias - Universidade do Extremo Sul Catarinense (UNESC) Criciúma SC Brasil - C.P CEP: Grupo de Pesquisa em Inteligência Computacional Aplicada Unidade Acadêmica de Ciências, Engenharias e Tecnologias Universidade do Extremo Sul Catarinense (UNESC) - Criciúma SC Brasil C.P CEP: Curso de Medicina Unidade Acadêmica de Ciências da Saúde - Universidade do Extremo Sul Catarinense (UNESC) Criciúma SC Brasil - C.P CEP: Curso de Engenharia de Computaç ã o Universidade Federal do Pampa (Unipampa), Campus de Bagé - Bagé - RS - Brasil - CEP: mjconte@gmail.com, {mem,pri}@unesc.net, contato@cristiancechinel.pro.br, rlx.exe@gmail.com, ern@unesc.net Abstract. This research aimed the development of a prototype for the identification of images of bar code EAN13, named VisionScan. VisionScan has been developed based on Java technology and implemented a mobile application for image reading, a MultiLayer Perceptron artificial neural network, using algorithm Backpropagation in its training and digital image processing techniques such as: acquisition, pre-processing e segmentation. It has also been implemented a Web service aiming the communication between the applications, which receive the requirements generated in the mobile environment and takes them to the image identifier. Resumo. Esta pesquisa compreendeu o desenvolvimento de um protótipo para o reconhecimento de imagens de código de barras codificação EAN13, denominado VisionScan. O VisionScan foi desenvolvido sob tecnologia Java e implementou, além de uma aplicação móvel para leitura das imagens, uma rede neural artificial do tipo Perceptron Multicamadas, utilizando o algoritmo Backpropagation no treinamento da mesma e técnicas do processamento digital de imagens tais como: aquisição, pré-processamento e segmentação. Visando a comunicação entre as aplicações, implementou-se um serviço Web que recebe as solicitações geradas no ambiente móvel e as encaminha ao reconhecedor de imagens. 1. Introdução Nos últimos tempos, torna-se cada vez maior o número de pessoas que são influenciadas pelas facilidades do mundo moderno. A praticidade nos serviços prestados talvez seja hoje, um dos principais diferenciais que uma empresa pode oferecer aos seus clientes. O

2 uso da telefonia móvel como opção em boa parte das transações bancárias é ótimo exemplo de tais facilidades. A possibilidade de utilizar um telefone celular no conforto de sua residência, fotografar um código de barras de uma mercadoria e a partir dessa imagem enviar solicitações para serviços diversos a um estabelecimento comercial de sua preferência a fim de se obter informações ou até mesmo a compra deste produto, pode ser uma das muitas possibilidades a serem exploradas por diversos clientes de uma determinada empresa. Portanto, as empresas para que possam oferecer tais serviços, necessitam implementar meios para o reconhecimento destas imagens, sendo que o uso da inteligência artifical conexionista por meio das redes neurais artificiais tem-se apresentado como uma boa alternativa na solução de problemas deste tipo [Osório, 1999]. A presente pesquisa compreendeu o desenvolvimento do protótipo de um sistema para o reconhecimento de imagens dos códigos de barras de determinados produtos com codificação padrão EAN13 (código de barras linear numérico que representa os 13 dígitos do GTIN-13) obtidos por meio da câmera digital de um telefone celular. O reconhecimento destas imagens foi realizado aplicando-se um modelo de redes neurais do tipo perceptron multicamadas e, considerando que devido as limitações da computação móvel, as imagens podem ser recebidas com uma qualidade pequena e em situações adversas foram também utilizadas técnicas da computação gráfica como: pré-processamento, segmentação e representação, no que se refere a decodificação de imagens. 2. Redes Neurais Artificiais Redes Neurais Artificiais (RNA) são técnicas computacionais que propõem um modelo matemático baseado na estrutura neural de organismos inteligentes, mais especificamente o cérebro humano [Tafner et al, 1996]. Segundo Haykin (2001) uma rede neural é um processador distribuído, constituído de unidades de processamento simples, que têm a propensão natural para armazenar conhecimento e torná-lo disponível para o uso. As Redes Neurais (RN) possuem em sua maioria arquiteturas tipicamente organizadas em camadas, apresentando suas unidades conectadas tanto com as camadas posteriores quanto anteriores (Figura 1). Estas camadas são normalmente classificadas em três grupos [Haykin, 2001]: a) camada de entrada: recebe os padrões de entrada e repassa-os à camada seguinte; b) camada oculta: onde é processado o conhecimento da rede; c) camada de saída: o resultado final é concluído e apresentado.

3 Figura 1. Rede neural artificial organizada em camadas Fonte: Adaptado de Haykin, S. (2001) O Modelo Perceptron Multicamadas A rede perceptron multicamadas é formada por neurônios do tipo perceptron derivados do modelo de McCulloch e Pitts. De acordo com Loesch e Sari (1996) o modelo de RN perceptron foi o primeiro a ser desenvolvido. Possui um conceito de neurônio artificial que ainda hoje é usado. Cada neurônio calcula uma soma ponderada de suas entradas, e passa esta soma a uma função não-linear. Assim, determina-se quando uma entrada se encaixa ou não em certo padrão. O perceptron trabalha da seguinte forma: quando um neurônio artificial é ativado, ele recebe os valores obtidos nas entradas, realiza a soma ponderada, envia o resultado para a função de transferência e assim obtém o valor de saída. Este valor obtido é então comparado com a saída desejada, sendo que o erro é calculado pela diferença destes valores [Haykin, 2001]. O treinamento do modelo perceptron multicamadas é realizado pelo algoritmo backpropagation, desenvolvido por Rumelhart e colaboradores em Durante a sua utilização a rede opera em uma seqüência de dois passos [Russel e Norvig, 2004]. O primeiro passo é semelhante ao seu funcionamento na classificação, sendo que um padrão é apresentado à camada de entrada da rede e a atividade resultante flui por todas as camadas até que a resposta seja produzida pela camada de saída. No segundo passo, a saída obtida é comparada a desejada para esse padrão particular e se não estiver correta, o erro é calculado e propagado a partir da camada de saída até a de entrada. Os pesos das conexões entre as unidades das camadas internas vão sendo modificados conforme o erro é retropropagado. Este ciclo é repetido até que o erro esteja dentro de um limite aceitável [Haykin, 2001] O Algoritmo de Aprendizagem Backpropagation O algoritmo backpropagation é baseado na regra de aprendizagem por correção de erro, ou seja, o erro das saídas é calculado e serve como entrada para a próxima camada, sendo constituído pela rede alimentada diretamente com múltiplas camadas. Ele é dividido basicamente em duas etapas: a propagação e a retropropagação [Russel e Norvig, 2004]. Conforme Fernandes (2003) a propagação consiste em disseminar os dados adquiridos pela camada de entrada por toda a rede, produzindo assim um conjunto de saída. O resultado desta saída é comparado com valores desejados. A partir de então,

4 começa o processo de retropropagação ajustando os pesos segundo a diferença produzida, para fazer com que a resposta da rede se aproxime do desejado. Após a rede treinada e o erro aceitável no contexto da aplicação, a RN pode ser utilizada como uma ferramenta para classificação de novos dados. Para isto, ela deve ser utilizada apenas no modo progressivo (feedforward). Portanto, novas entradas serão apresentadas a camada, processadas nas camadas intermediárias e os resultados apresentados na camada de saída, como no treinamento, mas sem a retropropagação do erro [Haykin, 2001]. Dessa forma, a saída corresponde à interpretação da rede para a nova entrada apresentada. 3. VisionScan Reconhecedor de Imagens de Códigos de Barras por meio de Redes Neurais O protótipo reconhecedor de imagens de códigos de barras por meio de redes neurais, denominado de VisionScan, foi desenvolvido utilizando-se a tecnologia Java e tem como principal objetivo o reconhecimento de código de barras por meio de RN perceptron multicamadas e do algoritmo de aprendizagem backpropagation. As imagens dos códigos de barras utilizadas pelo VisionScan podem ser provenientes de tecnologia móvel, como por exemplo, por meio de celulares, sendo que no desenvolvimento desta pesquisa utilizou-se um emulador de celulares fornecido pelo fabricante e imagens geradas com a API Java Barcode4j. elas: O VisionScan compreende três aplicações distintas divididas em camadas, sendo a) interface cliente: desenvolvida utilizando Java 2 Micro Edition (J2ME) é a camada responsável pela aquisição e transferência das imagens para o servidor de aplicações, sendo também sua função receber o resultado final da consulta realizada ao VisionScan; b) reconhecedor de imagens: implementado por meio de Java 2 Standard Edition (J2SE) é responsável pela maior parte do processamento, foco desta pesquisa. Nele a imagem digitalizada é recebida e processada, além de possuir o modelo de RN perceptron multicamadas responsável pelo reconhecimento das imagens digitais de códigos de barras; c) aplicação servidor: desenvolvida em Java 2 Enterprise Edition (J2EE) tem o intuito de fornecer recursos para a comunicação entre as camadas anteriores. Nesta aplicação foram implementados os serviços responsáveis pelo recebimento da imagem digital, encaminhamento ao reconhecedor e busca da informação referente ao produto do código de barras reconhecido pela RN. A metodologia utilizada no desenvolvimento desta pesquisa teve como etapa inicial a definição do escopo do problema a ser tratado, ou seja, prover o protótipo de uma ferramenta para o reconhecimento de imagens. A seguir foi elaborada uma proposta de solução para o problema em questão, propondo-se o desenvolvimento de uma ferramenta capaz de reconhecer códigos de barras a partir de imagens digitais, como por exemplo, as obtidas em câmeras de aparelhos celulares. Após obter os conceitos necessários acerca do escopo da pesquisa, implementouse a modelagem do protótipo por meio de Unified Modeling Language (UML), que foi uma etapa muito importante do projeto, onde um desenho do modelo utilizado na

5 construção do sistema foi definido. Neste momento, também foi possível definir os tipos de código de barras e produtos a serem utilizados, no caso, a codificação EAN13. A seguir, realizou-se a decodificação das imagens utilizando API Java Advanced Imaging (JAI) o que possibilitou uma maior facilidade no processo de reconhecimento. A parte de maior ênfase neste trabalho foi o desenvolvimento do protótipo VisionScan e o treinamento da rede neural a partir de uma base de imagens de códigos de barras. Finalizada esta etapa, pode-se concluir o trabalho efetuando os testes de funcionamento e comunicação entre o cliente móvel e o reconhecedor de imagens Definição da Arquitetura do VisionScan O VisionScan, protótipo que foi desenvolvido nesta pesquisa, trabalha interligado a seus clientes móveis por meio de uma aplicação desenvolvida sob a tecnologia J2EE, necessitando apenas que o servidor onde está instalado esteja de acordo com esta especificação. O protótipo atua da seguinte forma: o administrador do sistema treina a rede utilizando uma base de imagens de códigos de barras previamente definidas e disponibiliza o serviço de acesso em seu servidor web. Por sua vez, os celulares enviam solicitações síncronas a este serviço e recebem como resposta os dados referentes ao código de barras decodificado. Entre o recebimento da solicitação pelo servidor e o envio da resposta ao cliente móvel, ocorre o processamento da imagem digital e o reconhecimento por meio da rede neural já treinada. A Figura 2 mostra o modelo da arquitetura utilizada no desenvolvimento do protótipo VisionScan e define o modelo da especificação J2EE para aplicações do tipo multicamada e cliente/servidor, especificando também, o posicionamento de cada módulo na estrutura. Figura 2. Modelo de arquitetura utilizada no VisionScan 3.2. Implementação da Interface Cliente A interface cliente foi desenvolvida segundo os conceitos da tecnologia Java no que diz respeito a programação de aplicações para clientes móveis J2ME. Esta edição fornece, além de uma máquina virtual, uma API completa para o desenvolvimento de aplicações para pequenos dispositivos, tais como: celulares, palms, entre outros, tendo como requisito mínimo para funcionamento deste protótipo, a especificação MIDP2. As telas desenvolvidas na aplicação cliente demonstram o emulador utilizado durante os testes, simulando a câmera fotográfica dos aparelhos celulares, além de implementar os comandos para início do reconhecimento e saída do sistema. Na Figura 3 tem-se o momento em que o código de barras é recuperado no disco local e os bytes referentes a imagem digital são enviados para o VisionScan e finalmente, demonstrados

6 os resultados do processamento do sistema, que refere-se ao nome do produto vinculado ao código reconhecido. Figura 3. Captura da imagem do código de barras e resultados no VisionScan 3.3. Implementação do Reconhecedor de Imagens O processo envolvido no reconhecimento das imagens de códigos de barra tem início com o processo de tratamento da imagem recebida do dispositivo móvel. Esta etapa desenvolveu alguns dos passos referentes ao processamento digital de imagens, que foram: a) aquisição: ocorre na aplicação cliente, sendo responsável pela captura da imagem e sua recuperação por meio da câmera digital de um telefone celular. Nos testes executados utilizou-se o emulador de celulares, simulando-se, portanto esta funcionalidade com a recuperação de uma imagem no diretório local; b) pré-processamento: nesta etapa utilizaram-se recursos da computação gráfica com o intuito de melhorar a imagem recebida e obter melhores resultados no processo de reconhecimento. Os recursos utilizados foram: transformação da imagem em preto e branco e, quando necessário, aplicado filtro de contraste, além da vetorização; c) segmentação: foi uma das principais etapas desenvolvidas, facilitando consideravelmente o processo de reconhecimento. Nela as barras referentes ao código contido na imagem foram separadas e calculadas as suas respectivas larguras. O resultado deste processamento foi utilizado como entrada para a RN implementada. O reconhecedor, por sua vez, implementou uma RN do tipo perceptron multicamadas com o algoritmo de aprendizagem backpropagation. Como entrada para esta rede foram utilizadas as larguras das barras obtidas pelo processo de segmentação, sendo que, para validar o reconhecimento, também foi calculado o dígito verificador do código Biblioteca Java para Manipulação de Imagens Conforme Sun (2006) Java Advanced Imaging (JAI) é uma biblioteca especializada no tratamento de imagens que estende a plataforma Java e permite o processamento de imagens com uma boa performance, possuindo um conjunto de classes que provê funcionalidades para este tipo de trabalho. Essa API é extensível por permitir que novas operações sejam adicionadas de forma a se tornarem parte nativa da JAI. Ainda, conforme descrito por Sun (2006), JAI oferece vantagens como, independência de plataforma, orientação a objetos, flexibilidade, facilidade de extensão e eficácia.

7 Sendo assim, utilizou-se nesta pesquisa os recursos da API JAI no que se refere ao processamento digital de imagens para o pré-processamento e segmentação dos códigos recebidos do cliente móvel, processo executado antes do reconhecimento por meio da RN Treinamento da Rede Neural A base de exemplos utilizada no treinamento da rede implementada fez uso de, aproximadamente, 300 imagens geradas com o auxílio da API Java Barcode4j, sendo que destas 250 foram utilizadas para o treinamento e o restante para a realização de testes. A API Barcode4j implementa os recursos necessários para criação das imagens de código de barras em diversas codificações com base no seu referencial numérico [Krysalis, 2006]. A mesma está disponível para uso não comercial sob licença Apache Software Licence (ASL) Implementação da Aplicação Servidor A aplicação servidor foi desenvolvida seguindo os conceitos da tecnologia Java J2EE, que oferece um modelo de arquitetura distribuída e multicamada baseada no reuso de componentes e no uso de um modelo de segurança unificado e flexível no controle de transações. Esta aplicação teve como objetivo implementar a comunicação entre o cliente móvel e o reconhecedor de imagens construindo uma camada de acesso por meio de um serviço web para estas funcionalidades. A seguir serão apresentados os testes e resultados obtidos com modelo de RN perceptron multicamadas e o algoritmo de aprendizagem backpropagation no reconhecimento de imagens de códigos de barras Testes e Resultados Obtidos Na execução dos testes do VisionScan, bem como no treinamento da rede, utilizou-se imagens geradas por meio da API Java Barcode4j, que foram selecionadas aleatoriamente, tendo-se o cuidado de utilizar no conjunto de testes os códigos de barras que não participaram do processo de treinamento da RN. A partir destes testes pode-se obter algumas análises no que diz respeito a escolha da arquitetura da rede e da forma de tratamento das entradas da mesma. Salientando-se como um dos pontos positivos da implementação do VisionScan a segmentação realizada nas entradas para cada número do código de barras a ser reconhecido. Essa divisão possibilitou um melhor aproveitamento do conjunto de treinamento, que não precisou ser tão extenso, já que não ocorreu a aprendizagem de todo o código, mas sim de partes dele. Assim, reconheceu-se apenas a quantidade de barras responsável por um número específico. Em contrapartida, teve-se que especificar apenas uma codificação para o treinamento da rede neural (EAN13), pois conforme os variados padrões têm-se diferentes quantidades de barras envolvidas na montagem do código. Dessa forma, devido a esta variedade o processo de aprendizagem seria dificultado. A estrutura foi definida utilizando-se uma rede organizada em 4 camadas, sendo elas: camada de entrada com 7 neurônios, duas camadas intermediárias também com 7

8 neurônios e a camada de saída com apenas um neurônio. Esta estrutura foi a que melhor se adaptou as características do ambiente para uma taxa de erro igual a levando aproximadamente 10 minutos para aprendizagem da rede. Durante os testes do VisionScan obteve-se uma taxa de acerto no reconhecimento das imagens considerada satisfatória de acordo com a bibliografia estudada, alcançando uma média de 86%. 4. Conclusão Os métodos conexionistas constituem-se em uma das principais áreas de pesquisa para o reconhecimento de imagens, sendo que nesta pesquisa o principal propósito consistiu no desenvolvimento de um reconhecedor de imagens com a capacidade de identificar um padrão específico de codificação de barras. O padrão EAN13 foi escolhido devido ao grande número de produtos encontrados no mercado brasileiro com esta codificação, sendo assim, o protótipo poderá ser utilizado nas mais diversas áreas, tais como: comércio, logística, entre outras. Além deste também teve-se como objetivo desenvolver uma aplicação móvel para aparelhos celulares com tecnologia MIDP2 capaz de obter as imagens por meio da câmera digital e enviá-las para o processamento no servidor. Este foi um ponto de maior dificuldade devido a necessidade de um servidor web registrado para atender as requisições vindas do celular. Com a dificuldade encontrada na disponibilização deste servidor, devido os custos e a necessidade de solucionar este problema em tempo hábil, optou-se pela utilização de um emulador de celulares disponibilizado pelas próprias empresas de telefonia móvel, substituindo-se, dessa forma, a câmera digital por imagens previamente criadas por meio da API Java Barcode4j. Este emulador possibilitou a troca de informações via TCP/IP no computador local. A ferramenta desenvolvida, denominada de VisionScan, foi submetida a vários testes a partir da base de imagens de códigos de barras, classificando-os corretamente na maioria dos casos a que foi submetido. Assim, no desenvolvimento desta pesquisa demonstrou-se que é possível por meio de um estudo detalhado obter-se bons resultados no reconhecimento de uma imagem de código de barras utilizando-se para isso de técnicas do processamento de imagem, do modelo perceptron multicamadas e do algoritmo de aprendizagem backpropagation. 5. Referências Fernandes, A. M. R. (2003) Inteligência artificial: noções gerais. Florianópolis: Visual Books. Haykin, S. (2001) Redes neurais: princípios e prática. 2.ed. Porto Alegre: Bookman. Krysalis. Barcode4j. Disponível em: < SUN, Microsystens. Java Advanced Imaging (JAI). Disponível em: < Loesch, C.; Sari, S.T. (1996) Redes neurais artificiais: fundamentos e modelos. Blumenau: FURB.

9 Osório, F. S. (1999) Sistemas inteligentes baseados em redes neurais artificiais aplicados ao processamento de imagens. Russel, S. J.; Norvig, P. (2004) Inteligência artificial. Rio de Janeiro: Elsevier. Tafner, M.A.; Xerez, M.; Rodrigues Filho, I. W. (1996) Redes neurais artificiais: introdução e princípios de neurocomputação. Blumenau: EKO.