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Knowledge

Image Classification : de la théorie à la pratique, tout ce qu’il faut savoir

Ecrit par
Aïcha
Publié le
2024-07-08
Temps de lecture
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📘 SOMMAIRE
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La classification d’images constitue une composante essentielle de l’intelligence artificielle moderne : elle permet de catégoriser automatiquement des données visuelles en fonction de caractéristiques prédéfinies. La création et l'utilisation des classes jouent un rôle de premier plan dans ce processus, car elles permettent de structurer et d'organiser les données d'entrée pour une analyse plus efficace.

💡 Fondamentalement, la classification d'images repose sur des algorithmes sophistiqués capables d’analyser et de déduire des informations à partir d’images numériques, qu’il s’agisse de distinguer des objets, d’identifier des motifs ou de reconnaître des scènes complexes. On vous explique tout dans cet article !

Quelles sont les bases théoriques de la classification d'images ?

Les bases théoriques de la classification d'images reposent sur plusieurs concepts clés issus de domaines tels que la vision par ordinateur et l'apprentissage automatique. Voici quelques points essentiels à considérer :

Représentation des images, caractéristiques et descripteurs

Les images sont généralement représentées sous forme de matrices de pixels, où chaque pixel peut contenir des valeurs représentant l'intensité lumineuse ou la couleur.

Pour analyser et classifier des images, il est nécessaire d'extraire des caractéristiques pertinentes à partir des pixels. Ces caractéristiques peuvent inclure des textures, des formes, des couleurs, etc., qui sont souvent transformées en des vecteurs de descripteurs numériques.

Apprentissage supervisé

La classification d’images utilise principalement des méthodes d’apprentissage supervisé, où un modèle est entraîné sur un ensemble de données annotées. Le modèle apprend à associer correctement les caractéristiques extraites aux étiquettes de classe correspondantes, en créant et en utilisant des classes pour structurer les données d'entrée et améliorer la précision de la classification.

Modèles de classification

Les algorithmes couramment utilisés incluent les réseaux de neurones convolutifs (CNN), particulièrement adaptés à la reconnaissance d'images en raison de leur capacité à capturer les motifs spatiaux, ainsi que des méthodes traditionnelles telles que les SVM (Support Vector Machines) et les arbres de décision.

Évaluation et métriques

Pour évaluer la performance d'un modèle de classification d'images, diverses métriques sont utilisées telles que la précision, le rappel, et la F-mesure. Ces métriques permettent de quantifier la capacité du modèle à classifier correctement les images.

En comprenant ces bases théoriques, les praticiens peuvent élaborer et améliorer des systèmes de classification d'images adaptés à divers domaines d'application, de la reconnaissance d'objets à la détection médicale assistée par ordinateur.

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Quelles sont les principales techniques de prétraitement des images ?

Les principales techniques de prétraitement des images visent à améliorer la qualité des données d'entrée avant qu'elles ne soient utilisées pour la classification ou d'autres tâches d'analyse. Voici quelques techniques couramment utilisées :

Redimensionnement et normalisation

Le redimensionnement et la normalisation sont des étapes requises dans le processus de prétraitement des images. Le redimensionnement consiste à ajuster toutes les images à une taille spécifique, comme 224x224 pixels (par exemple), pour garantir une cohérence dans les données d'entrée. Parallèlement, la normalisation des valeurs de pixel est essentielle pour mettre à l'échelle les intensités lumineuses ou les valeurs de couleur dans une plage commune, telle que [0, 1] ou [-1, 1]. Cette étape rend les données comparables et aide les modèles d'apprentissage automatique à converger plus rapidement lors de l'entraînement.

Augmentation des données

L'augmentation des données est une méthode efficace pour enrichir l'ensemble d'entraînement en introduisant des variations artificielles. Cela inclut des techniques telles que la rotation, le retournement, le zoom et le décalage des images. Ces transformations augmentent la diversité des perspectives et aident à prévenir le surapprentissage en exposant le modèle à une plus grande variété de données d'entraînement.

Filtrage et débruitage

Le filtrage et le débruitage sont utilisés pour améliorer la qualité visuelle des images en réduisant le bruit. Les filtres comme le filtre gaussien sont appliqués pour lisser l'image et réduire les variations de haute fréquence qui peuvent perturber l'analyse. Parallèlement, des techniques de détection de contours telles que le filtre de Sobel permettent d'accentuer les bords et de rendre les objets plus discernables, ce qui est critique pour la reconnaissance et la classification précises.

Segmentation des images

La segmentation des images divise une image en régions ou en objets significatifs, facilitant ainsi l'extraction de caractéristiques pertinentes. Cette technique est réalisée à l'aide de méthodes telles que la segmentation par seuillage ou des approches plus avancées comme les réseaux neuronaux convolutifs pour la segmentation sémantique. Elle permet de focaliser l'analyse sur des parties spécifiques de l'image, améliorant ainsi l'efficacité des modèles de classification.

Egalisation de l'histogramme

L'égalisation de l'histogramme ajuste la distribution des intensités de pixel dans une image pour améliorer le contraste et la visibilité des détails. Cette technique est particulièrement utile dans les images où la gamme des valeurs de pixel est limitée, permettant ainsi de mieux discerner les caractéristiques importantes nécessaires à la classification.

Extraction de caractéristiques

L'extraction de caractéristiques est un processus critique pour identifier et extraire des attributs significatifs d'une image, tels que les bords, les textures ou les motifs. Elle utilise diverses techniques comme les filtres, les transformées (comme la transformée de Fourier) et des descripteurs spécifiques (comme les Histogrammes de gradients orientés - HOG) pour capturer des informations discriminantes qui facilitent la classification précise des images.

Réduction de bruit

La réduction de bruit via des techniques telles que le lissage spatial permet d'améliorer la qualité visuelle des images en supprimant le bruit tout en préservant les caractéristiques importantes. Ces méthodes de prétraitement jouent un rôle essentiel dans la préparation des données d'images en améliorant la précision, la robustesse et la généralisation des modèles d' intelligence artificielle pour la classification d'images.

Quel rôle le Deep Learning joue-t-il dans l'image classification ?

L'apprentissage profond joue un rôle central dans la classification d'images, permettant des avancées significatives par rapport aux outils traditionnels. Voici les principaux aspects de son influence :

Extraction automatique de caractéristiques

Contrairement aux méthodes traditionnelles où les caractéristiques doivent être extraites manuellement, les réseaux de neurones profonds, notamment les réseaux de neurones convolutifs (CNN), sont capables d'apprendre automatiquement les caractéristiques pertinentes à partir des données brutes. Cela inclut la détection de motifs visuels complexes comme les bords, les textures, et les formes, ce qui améliore la précision et la robustesse des modèles de classification.

Hiérarchies de caractéristiques

Les architectures de Deep Learning permettent d'apprendre des hiérarchies de caractéristiques à plusieurs niveaux. Par exemple, les premières couches d'un CNN peuvent détecter des traits simples comme des bords, tandis que les couches plus profondes combinent ces traits pour reconnaître des entités plus complexes comme des objets entiers. Cette capacité à modéliser des représentations hiérarchiques des données est essentielle pour la compréhension contextuelle et la précision de la classification.

Adaptabilité et généralisation

Les modèles de Deep Learning sont capables de s'adapter à une grande variété de données d'entrée et de généraliser sur des tâches de classification complexes. Cette flexibilité leur permet de traiter des images provenant de différentes sources, avec des conditions d'éclairage variables et des angles de vue divers, tout en conservant des performances élevées.

Performance supérieure

En raison de leur capacité à apprendre des représentations de caractéristiques plus abstraites et à grande échelle, les modèles de Deep Learning surpassent souvent les approches traditionnelles en termes de précision et de vitesse de traitement. L'utilisation de guides pour améliorer les prédictions dans les modèles de Deep Learning, comme l'API PredictionEnginePool, peut également jouer un rôle important. Cela est particulièrement bénéfique dans des applications telles que la reconnaissance d’objets en temps réel ou le diagnostic médical assisté par ordinateur.

Évolution technologique

Les progrès continus dans les architectures de réseaux neuronaux, ainsi que l'augmentation de la puissance de calcul et des ensembles de données disponibles, ont permis aux méthodes de Deep Learning de devenir le fer de lance de la recherche et des applications pratiques en classification d'images. Des variantes comme les réseaux résiduels (ResNet), les réseaux neuronaux adversariaux génératifs (GAN) et les Transformers continuent d'étendre les capacités des systèmes de classification d'images.

Qu'est-ce que l'apprentissage supervisé en classification d'images ?

L'apprentissage supervisé en classification d'images est une approche où un modèle d'intelligence artificielle est entraîné à reconnaître des motifs et à associer correctement des images à des étiquettes prédéfinies. Voici les principaux aspects de cette méthode :

Données annotées

L’apprentissage supervisé nécessite un ensemble de données d’entraînement où chaque image est associée à une étiquette ou à une classe connue. Par exemple, dans un ensemble de données de reconnaissance d’animaux, chaque image pourrait être étiquetée avec le nom de l’animal représenté (chien, chat, oiseau, etc.).

Processus d'entraînement

Pendant la phase d'entraînement, le modèle est exposé à ces données annotées et ajuste ses paramètres internes pour minimiser une fonction de perte, qui mesure la différence entre les prédictions du modèle et les étiquettes réelles des données d'entraînement.

Extraction de caractéristiques

À l'aide de techniques telles que les réseaux de neurones convolutifs (CNN), le modèle apprend à extraire automatiquement des caractéristiques significatives des images. Ces caractéristiques peuvent inclure des motifs visuels tels que des contours, des textures, ou des structures plus complexes associées à des objets spécifiques.

Processus de prédiction

Une fois entraîné, le modèle peut être utilisé pour prédire les étiquettes de classe de nouvelles images non vues lors de l'entraînement. Il applique les connaissances acquises pour classer de manière précise de nouvelles données en fonction des similitudes détectées avec les exemples d'entraînement.

Évaluation de la performance

La performance du modèle est évaluée à l'aide de mesures telles que la précision (nombre de prédictions correctes divisé par le nombre total de prédictions), le rappel, et la F-mesure. Ces métriques permettent de quantifier la capacité du modèle à généraliser sur de nouvelles données et à classifier correctement les images.

L'apprentissage supervisé en classification d'images repose sur l'idée que les données d'entraînement fournissent des exemples clairs pour que le modèle apprenne à généraliser à de nouvelles situations. Cela en fait une approche fondamentale et largement utilisée dans de nombreux domaines où la reconnaissance et la classification d'images sont nécessaires, comme la vision par ordinateur, la médecine, la surveillance, et bien d'autres.

Quelles sont les applications pratiques de la classification d'images dans l'industrie ?

La classification d'images trouve son application dans divers secteurs industriels, exploitant ses capacités à analyser visuellement et à catégoriser des données. Voici quelques exemples significatifs :

Qualité et inspection visuelle

Dans la fabrication, la classification d'images est utilisée pour inspecter la qualité des produits en identifiant les défauts, les anomalies ou les variations par rapport aux normes de qualité. Cette tâche peut inclure la détection de fissures, de rayures, de dimensions non conformes, ou d'autres imperfections visibles.

Médecine et diagnostic

En médecine, la classification d'images est utilisée pour le diagnostic médical assisté par ordinateur. Elle aide les professionnels de santé à identifier et à classifier des conditions médicales à partir d'images radiologiques (comme les scanners et les radiographies) ou d'images biomédicales (comme les images de microscopie).

Sécurité et surveillance

Dans le domaine de la sécurité, la classification d’images est utilisée pour la reconnaissance faciale, la détection d’intrusions, la surveillance de la circulation, et la reconnaissance de comportements anormaux. Il est important de suivre les règles et directives d'un site, comme les Règles du site Google Developers, pour assurer la sécurité et la surveillance. Cela permet de renforcer la sécurité dans les espaces publics et privés.

Véhicules autonomes

Pour les véhicules autonomes, la classification d'images est essentielle pour identifier les piétons, les panneaux de signalisation, les obstacles et autres véhicules sur la route. Cela aide à prendre des décisions en temps réel pour assurer une conduite sûre et efficace.

Agriculture et environnement

En agriculture de précision, la classification d'images est utilisée pour surveiller la croissance des cultures, détecter les maladies des plantes, évaluer l'état des sols, et optimiser l'utilisation des ressources agricoles. Dans le domaine de l'environnement, elle est utilisée pour surveiller les changements climatiques, la déforestation, et d'autres aspects environnementaux.

Marketing et commerce

Dans le domaine du commerce électronique, la classification d'images est utilisée pour la reconnaissance des produits, la recommandation personnalisée de produits, et l'analyse des tendances du marché basée sur l'analyse d'images de produits.

Archivage et gestion de documents

Dans les bibliothèques numériques et les archives, la classification d'images facilite l'indexation et la recherche de documents basés sur le contenu visuel, permettant un accès rapide et efficace aux informations.

Ces applications illustrent la polyvalence et l'importance croissante de la classification d'images dans l'industrie moderne, facilitant des processus plus efficaces, des diagnostics précis, et une prise de décision éclairée basée sur l'analyse visuelle des données.

Conclusion

La classification d'images représente une discipline essentielle au croisement de la vision par ordinateur et de l'intelligence artificielle, offrant des capacités remarquables dans divers secteurs industriels et scientifiques. À travers l'utilisation de techniques avancées telles que le Deep Learning, cette discipline a évolué pour permettre une analyse automatisée précise et efficace des données visuelles.

Les applications pratiques de la classification d'images sont vastes. Cette technologie continue de progresser grâce aux avancées constantes en matière de modèles d'apprentissage profond, d'ensembles de données massifs et de puissance de calcul accrue.

Alors que nous explorons les possibilités futures de la classification d'images, il est clair que cette technique continuera de façonner notre façon de traiter et d'interpréter les données visuelles, ce qui ouvre la voie à de nouvelles innovations et applications qui redéfiniront les normes technologiques et scientifiques dans les années à venir.