Classificação de objetos utilizando Redes Neurais Artificiais Perceptron Backpropagation

Marcel Holanda Cavalcante Ribeiro 1680961513044

marcelogicas@gmail.com

Resumo

A técnicas de classificação de objetos utilizando Redes neurais artificiais perceptron é antiga mas ainda funcional. Este trabalho busca discutir algumas possíveis soluções para problemas onde esta consagrada técnica ainda poderia ser aplicada com sucesso.

Palavras-chave: redes neurais; técnica; antiga.

Abstract

The object classification techniques using artificial neural networks perceptron is old but still functional. This paper discusses some possible solutions to problems where this consecrated technique could still be successfully applied.

Keywords: neural networks; techniques; ancient.

1 Introdução

Na década de 1980 surgia o algoritmo de treinamento tipo propagação reversa

backpropagation (Rumelhart, Hinton, & Williams 1986), explica o funcionamento do

algoritmo, que calcula formas de usar os erros cometidos para calibrar e ajustar seu

aprendizado.

Seu sucesso permitiu que fosse usados desde a identificação da estrutura de

proteínas, reconhecimento da fala, compressão de imagens até o desenvolvimento de

muitas pesquisas em redes neurais artificiais e de uma variedade de modelos cognitivos.

Após a publicação em 1986 do livro Parallel Distributed Processing, editado pelos 1

psicólogos Rummerlhart e McClelland, a área de redes neurais teve consagrou-se no meio

científico e empresarial, com o surgimento de inúmeras teses , trabalhos científicos,

conferências, revistas científicas e empresas para exploração de produtos baseados em

Livro - http://mitpress.mit.edu/books/parallel-distributed-processing1

! 1

redes neurais, sua importância e influência só aumentaram desde então sendo a base para

trabalhos cada vez mais inovadores.

Os sucessos das redes neurais também inspiraram grandes títulos de ficção

científica, em livros e nos cinemas ao demonstrar como máquinas desenvolvem

inteligência ao ponto da consciência, geralmente com viés apocalíptico da ameaça a

existência da humanidade.

Imagem01: Filme Eu robô 2004.

Mais de 700 cientistas em todo mundo, entre eles grades personalidades como o

físico britânico Stephen Hawking e o fundador da SpaceX, Elon Musk, assinaram uma

carta aberta, publicada pela organização norte-americana Future of Life Institute (FLI) 2

solicitando que os avanços em inteligência artificial sirvam para beneficiar a humanidade.

Recentemente o próprio Elon Musk doou 10 milhões de dólares para apoiar as pesquisas

do FLI, no interesse de manter a IA benéfica par a humanidade. "Qualquer pessoa pode

enviar uma proposta de bolsa para um projeto, e as melhores idéias serão apoiadas,

Future Of Life - http://futureoflife.org2

! 2

independentemente se eles vieram do mundo acadêmico, industrial ou qualquer outra ", diz

a co-fundadora do FLI Viktoriya Krakovna.

Imagem02: Entrevista com Elon Musk sobre a doação ao FLI 3

Não quer dizer que essas pessoas temem especificamente a criação da Skynet e o

Exterminador do Futuro. Estão preocupadas os aspectos comuns da vida como as várias

perturbações no mercado que novas tecnologias possam causar, como aumento do

desemprego e piora no sistema de distribuição de renda. São questões políticas e éticas que

não fazem sucesso nos filmes mas que precisamos pensar.

Além das famosas 3 leis, ou 4 considerando a posterior lei 0, propostas pelo livro 4

de Isaac Asimov, hoje para o desenvolvimento de inteligência artificial devemos incluir 4

posicionamentos claros dos algoritmo em nossos projetos: 5

Entrevista Elon Musk - Youtube - https://www.youtube.com/watch?v=vKC85-jnPpU3

Eu Robô - Isaac Asimov4

Prioridades de pesquisas para IA Benéfica - Inglês - http://futureoflife.org/static/data/5

documents/research_priorities.pdf

! 3

1. Verificação: Posso provar que um sistema satisfaz certos requisitos formais.

("Será que eu construi essa coisa direito? ")

2. Validade: Posso garantir que um sistema que atende os requisitos formais não

tem comportamentos e consequências indesejadas. ("Será MESMO que eu construi essa

coisa direito?")

3. Segurança: Posso prevenir a manipulação intencional não autorizada. (“Se

alguém ou algo mexer aqui o que acontece?”)

4. Controle: Posso ativar o controle humano sobre um sistema de IA depois que ele

começa a operar. ("OK, construí o sistema errado, eu posso corrigi-lo?")

2 Pra que serve

“Redes Neurais de Percepção multicamadas com algoritmo de Propagação reversa

do erro”, apesar no nome assustador, são consideradas a estrutura clássica mais simples do

tipo atualmente.

Serve para reconhecer alguma coisa no ambiente que está inserido, e faz isso

através dos sensores que possui e de um eficiente programa de treinamento que aprende

com seus próprios erros. O gargalo para o processo está na velocidade em que o programa

de treinamento, (o algoritmo do backpropagation) pode trabalhar.

Os neurônios artificiais são expressões matemáticas , e são mais parecidas com

isso:

Imagem03: “Grego”

! 4

Do que com isso:

imagem04: expressão artística de neurônios e sinapses

Devemos através de expressões matemáticas definir a forma que lidaremos com as

entradas(sensores), os pesos que cada estimulo das entraras terá inicialmente, a função que

adiciona conhecimento ao programa e o que ele fará com o que aprendeu.

É um trabalho árduo que requer muitos testes e ajustes, porém se qualquer criança

hoje pode “pilotar” um Drone, sem ter que antes tirar “brevê” para piloto de helicóptero, 6

deve-se a atenção dadas as fases de construção das funções matemáticas, que permitiram

colocar no Drone a inteligência necessária para realizar as tarefas difíceis e deixar a

diversão para a criança.

Então vamos tentar entender um pouco mais de “Grego”, no próximo quadro:

Drones - http://pt.wikipedia.org/wiki/Ve%C3%ADculo_aéreo_não_tripulado6

! 5

Imagem05: Expressão matemática de um neurônio artificial

x1, x2, […] , Xm - são os sinais de entrada nossos sensores;

Wk1, Wk2, […] , Wkm - são os pesos(importância) sináptica do neurônio; 7

Vk - é a saída proveniente da combinação linear dos sinais de entrada e pesos;

bk - é o bias, regula aumentando ou diminuindo a função aditiva;

φ(•) - Função aditiva, define a saída em termos do potencial de ativação.

yk - é o sinal de saída do neurônio

Dito isso, é importante definir que este artigo não tem como prioridade ensinar aos

pormenores da matemática que compõem esta técnica de Inteligência artificial. Nas

referências bibliográficas e nos rodapés listo livros e artigos aos interessados, mas aqui

vamos limitar a discussão de algumas possíveis soluções para problemas onde esta

consagrada técnica para classificação de objetos poderia ser aplicada com sucesso.

Sinapse é a região onde dois neurônios entram em contato e através da qual os 7

impulsos nervosos são transmitidos entre eles.

! 6

3 O Problema

Brasil, um país maravilhoso cheio de árvores e animais, em um território imenso

para uma população aglomerada, segundo o IBGE em pouco mais de 27 bolsões no país. 8

O Principal meio de transporte são as rodovias as usamos para escoar nossos

minérios, madeira, grãos e demais Commodities que vendemos mundo afora.

Mas não podemos esquecer de nosso sistema ferroviário de carga, presentes 9

fortemente no sul, Sudeste e nordeste, existem estudos para se criar projetos para que no

futuro talvez tenhamos linhas unindo mais alguns estados do centro-oeste e norte, não vou

citar as hidrovias. 10

Nós temos alguns problemas com transporte. também vou deixar de lado o

transporte urbano, pois entendo que você vivencia de perto esta experiência diariamente.

Particularmente, durante o período que vivi na China, usufruí do oposto, uma

incrível rede de transporte, distribuição e logística do país. É possível comprar e receber

Direto do fabricante praticamente qualquer coisa pela internet, como frutas, roupas,

calçados. Qualquer coisa mesmo.

Imagem04: Anúncio de escorpiões vivos no Site TAOBAO Chinês

Principais aglomerações - ATLAS Pg 126 - http://censo2010.ibge.gov.br/apps/atlas/8

Mapa ferroviário Brasileiro - http://www.antf.org.br/images/2015/informacoes-do-setor/9

mapa/mapa-ferroviario-brasileiro-agosto-de-2014-m.jpg

hidrovias do Brasil - http://www2.transportes.gov.br/bit/04-hidro/rios-reg.html10

! 7

Mas também sofri de perto as consequências que o desenvolvimento acelerado

impuseram ao meio ambiente.

Então chegamos finalmente ao ponto que gostaria de abordar:

-Quem acredita que faz parte do desenvolvimento derrubar mais árvores, soterrar

mais rios e rasgar o país com mais estradas, ou mais ferrovias, aeroportos para

dependermos cada vez mais dos combustíveis fósseis, então incentivo que vá para a China

ser feliz. Não há lugar melhor neste processo ou mais poluído no planeta. Mas se apresse

pois até eles já reconheceram os malefícios deste tipo de pensamento e estão mudando

pouco a apouco.

Imagem05: Dia poluído na China.

Então o que podemos fazer para melhorar nosso transporte e ao mesmo tempo

preservar o que ainda resta da nossa natureza?

! 8

4 A Hipótese

O Brasil produz grande parte parte de sua energia elétrica a partir de hidrelétricas,

além de ter grande potencial para energia solar, eólica e outras alternativas relativamente

limpas. Mas independente da forma que é gerada, nós utilizamos grandes Torres de

energia ligadas por imenso cabos de aço, para distribuir a energia elétrica dos cantos mais

remotos onde a energia é gerada até as subestações que regulam tensão e depois mandam

por mais cabos para nossas casas.

Imagem06: Torre de transmissão de energia

Mesmo que Nikola Tesla tenha inventado um sistema de transmissão de energia 11

sem fios, o fato é que o Brasil e o mundo todo ainda utilizam a versão de transmissão com

fios. As torres precisam ser altas e permanecer isoladas das pessoas, plantas, animais e

outros equipamentos elétricos não protegidos, pois irradiam imensos campos

eletromagnéticos.

Museu Nikola Tesla - http://tesla.aziznatour.com11

! 9

Lembrem-se destas palavras palavras chaves imensos campos eletromagnéticos,

logo voltaremos a elas.

Agora vamos rever alguns fatos sobre um tipo de equipamento elétrico, fruto direto

dos avanços em Inteligência artificial que fazem muito sucesso ultimamente, os drones.

Imagem 07: Drone de transporte da DHL

Drones é um apelido para este “mini-helicópteros”, ou “multicóptero”. No Brasil o

nome oficial é VANT(veículo aéreo não tripulado) ou ARP (Aeronave Remotamente 12 13

Pilotadas).

Grandes empresas como Amazon.com Inc., Alibaba Group, DHL, Fedex, UPS,

Google entre outras então investindo milhões de dólares para Resolver os problemas

“Legislação” Brasileira para Drones - AIC 21/10 http://publicacoes.decea.gov.br/?12

i=publicacao&id=3499

RPAS – (VANT) “Legislação” e Perspectivas - http://www.anea.org.br/IIEventoANEA/13

15_RPAS_VANT_2.pdf

! 10

relacionados a Duração de Bateria e sistemas imprecisos de localização. Quanto 14

maior a carga de um drone, mais bateria ele consome.

Se utilizarmos as vias de transmissão de energia como verdadeiras “rodovias” para nossos

drones adaptados para captar essa energia desperdiçada nos imensos campos

eletromagnéticos (lembram-se?) em nossas torres de energia, podemos habilitar os drones

a percorrerem grades distâncias com cargas maiores, além de criar um meio seguro para

que os drones possam se guiar de um ponto a outro dentro de nosso imenso território.

Imagem 08: Torres de energia e Drones de entrega.

Outra vantagem de utilizarmos os entornos das linhas de energia é que estaremos

cumprindo todos os requisitos de nossa atual “legislação” para os VANT e RPAS, inclusive

Reportagem - Desafios no uso de Drones para entregas - http://14

www.defesanet.com.br/vant/noticia/18520/DRONES---Tecnologia-ainda-e-desafio-para-realizar-entregas/

! 11

o de não aumentar o risco para pessoas e propriedades (no ar ou no solo); devido a faixa de

terreno isolado das torres.

Para que um Drone opere com inteligência mínima necessária para voar no entorno

de fontes de energia eletromagnética sem se aproximar demais e sem colidir com outros

Drones, ele precisa reconhecer e classificar estes objetos, e mesmo que a tecnologia já

exista a décadas, é totalmente funcional para este tipo de trabalho. (a Amazon já registrou

patentes para o sistema que usa nos seus Drones de entregas Prime Air) Porém precisamos

nos atentar para os quatro posicionamentos citados na introdução (Verificação, Validade,

Segurança, Controle) para qualquer novo projeto. Isso sim demandaria alguma discussão

com pessoas nos setores envolvidos.

Imagem09: Transporte do Ponto A ao Ponto B

Encontrei muitos mapas das linhas de transmissão no Site da ONS, mas não pude 15

abstrair distâncias deles. Seguindo as linhas de transmissão de energia do porto de Santos até São Paulo, através das Imagens do Google Maps, e usando a ferramenta de medir a distância, cheguei ao número de 85Km, para tentar chegar a um cálculo.

Considerando a velocidade média de 65Km/h carregando uma carga de até 11 Kg, para um drone comum de entrega (chinês) realizar o percurso, teremos um número bem próximo do tempo que um carro 1.4 pode fazer sem transito o percurso Santos - São Paulo SP(81,7Km), carregando até 400Kg.

Mas com o valor desse um veículo, poderíamos colocar em operação mais de 30 drones, fazendo o mesmo percurso várias vezes, dia e noite sem aumentar o trânsito, sem poluir, e sem pedágio e sem mudar em nada as novelas diárias e o futebol cotidiano do brasileiro.

Mapa das linhas de transmissão - http://www.ons.org.br/conheca_sistema/15

mapas_sin.aspx

! 12

Cargas de até 10Kg poderiam praticamente atravessar o país em pouco mais de 24 horas com um custo baixíssimo, aliado a um sistema bem desenhado de logística.

Um drone citado no exemplo tem autonomia média de 15 minutos de bateria para operar de forma “off-line” ou seja caso o Brasil sofra um apagão geral, os drones teriam tempo para encontrar um local seguro ou pré-programado para pousar e aguardar o reestabelecimento da energia. Veja o mapa abaixo com as possíveis rotas para os equipamentos.

Imagem10: Mapa das linhas de Energia do Brasil e potências

! 13

Conclusão

Para quem esperava encontrar um artigo voltado para games, posso citar os projeto

HoloLens da Microsoft, o óculos que através de avançadas técnicas de inteligência 16

artificial reconhece rapidamente o ambiente e seus objetos para projetar sobre eles

realidade virtual e permitir a interação com o usuário, para quem quiser pesquisar as novas

técnicas de IA usadas com sucesso na Gameficação do ambiente. 17

Mas se você tem um perfil empreendedor e também gosta de pensar “fora da caixa”

sempre que possível, espero que este pequeno artigo escolar possa ao mínimo ter instigado

sua curiosidade sobre um tema que mesmo com mais de 30 anos, ainda parece ser

novidade no Brasil.

Referências

RUSSELL, Stuart; NORVIG, Peter. Inteligência Artificial. Rio de Janeiro: Elsevier, 2004.

DESEMPENHO DO ALGORÍTMO DE BACKPROPAGATION COM A FUNÇÃO DE ATIVAÇÃO BI-HIPERBÓLICA, 2012 Rio de janeiro: <http://www.din.uem.br/sbpo/sbpo2012/pdf/arq0477.pdf> Acessado em 13 Abril 2015

Perceptron multicamadas <http://www.feng.pucrs.br/~decastro/pdf/RNA_C4.pdf> Acessado em 13 Abril 2015

HoloLens Developers - https://www.microsoft.com/microsoft-hololens/en-us/developers16

O que é Gameficação - http://www.livrogamification.com.br17

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