基于直方圖的圖像檢索

丁兵兵

【摘 要】本文描述了基于直方圖的圖像檢索的一種方法。由于進(jìn)行基于內(nèi)容的圖像搜索時(shí),研究對(duì)象具有多樣性和復(fù)雜性的特征,文中介紹的方法都有一定的局限性。本文只是著眼于圖像分層和直方圖的特征對(duì)圖像進(jìn)行檢索,提高檢索精度和速度。

【關(guān)鍵詞】圖像檢索 直方圖 分層方法 顏色模型 閾值

多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)是指存儲(chǔ)和管理大量多媒體對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù),如音頻數(shù)據(jù),圖像數(shù)據(jù),視頻數(shù)據(jù),序列數(shù)據(jù)以及超文本數(shù)據(jù)(包含文本,文本標(biāo)記和鏈接)。由于音頻視頻設(shè)備,CD-ROM和因特網(wǎng)的流行和普及,多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)變得日益普遍。典型的多媒體數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)包括NASA的EOS,各種圖像和音頻視頻數(shù)據(jù)庫(kù),人類基因數(shù)據(jù)庫(kù)和因特網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)。本文主要考慮的是圖像數(shù)據(jù)的相似性搜索。

圖像的產(chǎn)生,從最古老的人工繪制,印刷復(fù)制,照相攝影,制版沖洗,到現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)合成,其中的發(fā)展變化,使圖像的產(chǎn)生方式,存儲(chǔ)形式和傳輸方式,日益簡(jiǎn)單方便。尤其是數(shù)字技術(shù),計(jì)算機(jī)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和普及,使圖像成為大眾化數(shù)字信息的一種形式。強(qiáng)大的數(shù)字處理能力,使人們可以利用相應(yīng)的軟件,隨心所欲的對(duì)數(shù)字信息進(jìn)行編輯,復(fù)制和發(fā)行。數(shù)字圖像強(qiáng)大的優(yōu)越性,使對(duì)圖像信息的使用滲入到社會(huì)各行各業(yè)和人們生活的每個(gè)角落。

如今,對(duì)數(shù)字圖像的使用包括國(guó)防軍事,工業(yè)制造,醫(yī)療衛(wèi)生,新聞媒體,大眾娛樂和家庭生活等的各個(gè)方面。在如此廣闊的應(yīng)用背景下,產(chǎn)生了大量的各式各樣的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)的查詢和管理成了一個(gè)迫在眉睫的研究課題。圖像數(shù)據(jù)庫(kù)檢索查詢研究的目的就是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)地、智能化地檢索,查詢和管理圖像。使查詢者可以實(shí)現(xiàn)方便,快速,準(zhǔn)確地查找。使管理者可以從大量單調(diào)地人工管理工作中解放出來(lái),實(shí)現(xiàn)管理工作地?zé)o人干預(yù)。

對(duì)圖像數(shù)據(jù)庫(kù)相似搜索,主要考慮兩種圖像多媒體標(biāo)引和檢索系統(tǒng):(1)基于描述地檢索系統(tǒng),主要是在圖像描述之上建立標(biāo)引和執(zhí)行對(duì)象檢索,如關(guān)鍵字,標(biāo)題,尺寸和創(chuàng)建時(shí)間等,這種方式若手工完成是很費(fèi)力的,若自動(dòng)完成,檢索結(jié)果質(zhì)量通常較差很難滿足日益復(fù)雜的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)形式。(2)基于內(nèi)容地檢索是現(xiàn)在最為流行地方法,它支持基于圖像內(nèi)容地檢索,如顏色構(gòu)成,紋理,形狀,對(duì)象和小波變換等。這種檢索方式使用視覺地特征標(biāo)引圖像并基于特征相似檢索對(duì)象,在實(shí)際應(yīng)用中比較需要。

人們已經(jīng)提出了幾種在圖像數(shù)據(jù)庫(kù)中基于圖像特征標(biāo)識(shí)地相似檢索方法:基于顏色特征檢索;基于形狀特征檢索;基于紋理特征檢索。其中,基于顏色特征檢索地方法中,顏色特征包括了圖像顏色構(gòu)成地顏色直方圖,直方圖具有天然地旋轉(zhuǎn)不變性且包含較多信息,但是單純使用顏色直方圖方法來(lái)檢索往往起不到理想效果,原因是由于直方圖中不包含任何有關(guān)形狀,位置和紋理地信息,因此具有相似顏色構(gòu)成地兩幅圖像可以包含極為不同的形狀或紋理,這樣在語(yǔ)義上是完全不相關(guān)的,這樣就使得一個(gè)直方圖可對(duì)應(yīng)多幅圖像的現(xiàn)象;如何簡(jiǎn)單度量?jī)蓚€(gè)直方圖之間的相似程度方法不一,影響檢索效果;圖像數(shù)據(jù)庫(kù)檢索所要求的尺度,旋轉(zhuǎn),平移不變性一直是各種匹配方法的基本要求。本文提出了一個(gè)新的基于直方圖的圖像數(shù)據(jù)庫(kù)檢索方法。

一、分層直方圖

表達(dá)圖像顏色的方式有很多,常見的顏色模型有RGB,HIS,CMYK,CMY等。RGB屬于基本模型,是數(shù)字圖像處理的主要表達(dá)方法。CMY和CMYK常見于印刷業(yè)。HIS較適合人眼習(xí)慣描述物體。本文中采用RGB模型并進(jìn)行歸一化處理。

1.分層

由于直方圖較難反映圖像的空間信息,不同圖像可能對(duì)應(yīng)同一直方圖(如圖1)現(xiàn)有解決方法有將一副圖像分成多個(gè)子塊或?qū)㈩伾畔⑴c紋理,形狀信息聯(lián)系起來(lái)。本文提出了一個(gè)按照?qǐng)D像比特平面分層計(jì)算其直方圖的模型。假設(shè)圖像由8個(gè)比特平面組成,其范圍從最低有效位的位平面0到最高有效位的位平面7,在8比特字節(jié)中,平面0包含圖像中象素的最低位,而平面7包含了最高位,圖2說明了這些概念。在較高階位(特別是前四位)包含了大多數(shù)在視覺上很重要的數(shù)據(jù),其他位平面對(duì)圖像中更多的微小細(xì)節(jié)有作用,把數(shù)字圖像分解成位平面后,可以看到每一位在圖像中的相對(duì)重要性,對(duì)于圖像的位平面而言,只需抽取其最高兩位和最低一位既可以描述改圖像了,然后在分別計(jì)算其對(duì)應(yīng)的直方圖即可。本文中,抽取位平面是利用灰度閾值變換函數(shù)進(jìn)行處理的,最高位平面是把圖像中0到127中的所有灰度映射到一個(gè)灰度級(jí)0,把129到255間的灰度映射為另一個(gè)灰度級(jí)255,第二個(gè)位平面即第6個(gè)平面按照這種方法,把圖像中0到63的所有灰度映射到一個(gè)灰度級(jí)127,其他灰度映射到一個(gè)灰度級(jí)0上,第0個(gè)位平面一樣,把0到7的灰度級(jí)映射到一個(gè)灰度級(jí)15,其他映射到0上,然后分別計(jì)算所得位平面圖的直方圖,當(dāng)然也可以取更多位平面,不過這樣計(jì)算量也會(huì)增大,三個(gè)位平面圖已經(jīng)足夠了。對(duì)于彩色圖像,R,G,B各灰度圖分三個(gè)位平面直方圖,再加上原圖像的直方圖,共要10個(gè)直方圖,這樣足以檢索到希望的圖像了。(如圖3)

2.歸一化處理

(1)顏色模型。我們可以認(rèn)為任何顏色都可以由R,G,B三種顏色按一定比例調(diào)和而成,由于光強(qiáng)變化引起的物體表面顏色變化可以通過RGB顏色模型的歸一化解決。

(2)直方圖。圖像f(x,y)是一個(gè)離散函數(shù),設(shè)Sk為f(x,y)的第k(k=0,1,2……N-1)級(jí)灰度值,Nk為具有Sk的象素個(gè)數(shù),N為圖像象素的總數(shù)。對(duì)于同一幅圖像,若尺寸變更或壓縮前圖像象素?cái)?shù)和灰度級(jí)各為N1,S1,尺寸變更或壓縮后圖像象素?cái)?shù)和灰度級(jí)為N2,S2。一般地,因?yàn)镹1=CN2,Nk1=CNk2(C為常數(shù)),經(jīng)歸一化后P(Sk)=NK/N后,直方圖相對(duì)灰度變化范圍為0-1,圖像變化前后地歸一化直方圖一致,解決了尺度變化造成地影響。

3.特征向量

直方圖包含地信息多,變化范圍廣,本文采用慣性比方法來(lái)簡(jiǎn)明表達(dá)它。由1知,僅用10個(gè)直方圖表示一個(gè)圖像,則用10個(gè)參數(shù)即可完整表達(dá)1幅圖像。直方圖地極慣性矩In與改圖形地最小包絡(luò)矩形地極慣性矩Im之比,即u=In/Im稱為慣性比。慣性比無(wú)量綱且0

4.相似性判斷

判斷兩個(gè)直方圖是否相等有很多方法。有Swain和Ballad提出的直方圖相交,歐幾里德距離,海明距離等,本文采用海明距離來(lái)度量?jī)蓚€(gè)直方圖的相似程度。假設(shè)要查詢圖像為Q,儲(chǔ)存圖像為I,則海明距離為

Dqi=Qv-Iv該值越小,則兩圖越接近,否則相差就越大。

5.閾值

因?yàn)閳D像數(shù)據(jù)庫(kù)中圖像數(shù)量多,圖像之間的差異很大,若每幅圖像都進(jìn)行以上判斷較浪費(fèi)時(shí)間,因此先求出R,G,B三個(gè)相對(duì)灰度直方圖的平均值A(chǔ)vgR,AvgB,AvgG,并使Avg=(AvgR,AvgB,AvgG)/3,如果Q_Avg和I_Avg相差太多,則不必進(jìn)行特征向量判斷即可認(rèn)為兩圖不同。

二、結(jié)論

本文利用了位平面對(duì)圖像進(jìn)行分層求直方圖,并通過將直方圖歸一化處理解決尺度變化問題,還使用慣性比使標(biāo)識(shí)圖像變得簡(jiǎn)單,分層求直方圖解決了將圖像顏色和空間信息結(jié)合起來(lái),避免了單一使用直方圖時(shí)的問題。

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