基于形狀特征的圖像檢索系統(tǒng)的研究

孫爽滋，谷欣超，楊勇，苗靜

（長春理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春 130022）

為了能夠?qū)?shù)字資源加以有效的利用，基于內(nèi)容的圖像檢索技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，它是綜合圖像識別、計(jì)算機(jī)視覺、數(shù)據(jù)庫技術(shù)和人工智能等多學(xué)科融合的技術(shù)。所謂基于內(nèi)容的圖像檢索是指對圖像信息從低層到高層進(jìn)行處理、分析和理解，獲取其內(nèi)容信息，這里所指的內(nèi)容信息包括圖像的顏色、形狀、紋理和語義等特征，并且根據(jù)內(nèi)容信息進(jìn)行檢索。

在各種圖像特征中，形狀特征是圖像的重要特征之一，圖像的形狀信息不隨圖像顏色的變化而變化，是物體穩(wěn)定的特征。本文研究對象主要是槍械圖像庫，由于槍械具有明顯的外部特征，所以，本檢索系統(tǒng)在開發(fā)過程中，以形狀作為圖像的主要特征進(jìn)行描述與匹配。

1 圖像檢系統(tǒng)框架

借助圖像內(nèi)容來查詢圖像是一項(xiàng)復(fù)雜的工作過程。目前基于內(nèi)容對圖像進(jìn)行檢索主要借助圖像特征來進(jìn)行。CBIR系統(tǒng)可以看作是一個(gè)查詢用戶和圖像數(shù)據(jù)庫之間的一個(gè)界面或通道，其典型的系統(tǒng)由以下模塊和過程構(gòu)成（見圖1）：

圖1 圖像檢索系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 The constitution of image retrieval system

各模塊的主要功能為：

（1）查詢模塊：通過友好的界面對用戶提供各種查詢方式，以支持用戶進(jìn)行各種類型的查詢；

（2）提取模塊：將樣本圖像和圖像數(shù)據(jù)庫中的圖像的圖像特征提取出來，把具體的圖像特征轉(zhuǎn)換為抽象的特征矢量；

（3）匹配模塊：將樣本圖像特征和圖像數(shù)據(jù)庫中的待檢索圖像特征相匹配，判斷其內(nèi)容的相似性和語義的一致性；

（4）利用查詢用戶對檢索圖像的判斷信息，反饋給圖像數(shù)據(jù)庫，作為圖像數(shù)據(jù)庫中各圖像語義關(guān)聯(lián)度的記錄；

（5）輸出模塊：提供相似圖像的輸出界面。

2 關(guān)鍵過程研究

2.1 目標(biāo)提取

從圖像中提取目標(biāo)是基于形狀的圖像檢索的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。對于一幅圖像，要提取出目標(biāo)區(qū)域關(guān)鍵的是進(jìn)行圖像分割，從一幅圖像中檢測出各個(gè)物體，并將它們的圖像和其余景物分離。

閾值分割法是一種傳統(tǒng)的圖像分割方法，因其實(shí)現(xiàn)簡單、計(jì)算量小、性能較穩(wěn)定而成為圖像分割中最基本和應(yīng)用最廣泛的分割技術(shù)。其基本原理是：通過設(shè)定不同的特征閾值，把圖像像素點(diǎn)分為若干類。這種方法應(yīng)用在目標(biāo)和背景占據(jù)不同灰度級范圍的圖片中效果更為理想，而本文槍械圖庫中圖片的特點(diǎn)就是目標(biāo)和背景對比明顯，因此適合采用閾值分割方法來進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域提取。

本文經(jīng)過分析研究，以及在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在開發(fā)該圖像檢索系統(tǒng)時(shí)，采用了最大類間方差（OTSU）分割法。最大類間方差［32］法是1980年由日本大津展之提出，它是在最小二乘法原理基礎(chǔ)上推導(dǎo)出來的，其基本思路是將直方圖在某一閾值處理分割成兩組，當(dāng)被分成的兩組的方差為最大時(shí)，決定閾值。

本文選取樣例為槍械圖庫中的ak-47手槍，利用最大類間方差法進(jìn)行分割的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。從實(shí)驗(yàn)可以看出該方法簡單易行、計(jì)算量小、性能穩(wěn)定、錯誤分割率最小，比較適合槍械類圖像的分割。

圖2 閾值分割結(jié)果Fig.2 Threshold segmentation result

2.2 特征描述

目標(biāo)分割出來后，對圖像進(jìn)行邊緣提取，以獲得目標(biāo)的輪廓邊界，然后進(jìn)行特征提取，進(jìn)一步把分割開的區(qū)域的特征抽取出來。在這些特征里面，有一部分可以用數(shù)字量值來描述，但更多的特征是一些沒有明顯特征的幾何圖形。為了便于圖像的匹配，需要對這些幾何圖形進(jìn)行進(jìn)一步的描述。

通常來說，區(qū)域特征的描述方法主要有區(qū)域面積、形狀參數(shù)、不變矩等。其中，矩形度、圓形度、區(qū)域形狀等描述符適合于簡單的幾何圖像，并不適合于邊界特征復(fù)雜的圖像，因此不適合用來描述本文中的槍械圖片。對于復(fù)雜的物體，可以通過矩和輪廓描述符來描述。

矩特征是建立在對一個(gè)區(qū)域內(nèi)部灰度值分布的統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)上的，是一種統(tǒng)計(jì)平均的描述，可以從全局觀點(diǎn)描述對象的整體特征。矩是一種線性特征，矩特征對于圖像的旋轉(zhuǎn)、比例尺度、平移具有不變性，因此可以用來描述圖像中的區(qū)域特性。

二維矩不變量理論是在 1962年由美籍華人學(xué)者Hu（胡貴明）提出的，并將矩用于形狀識別。對于數(shù)字圖像 f(x,y)，其在點(diǎn)(x,y)處的(p+q)階矩定義為：

在點(diǎn)(x,y)處的(p+q)階中心矩定義為：

表1 Hu不變矩結(jié)果對比Tab.1 The result of Hu invariant moment

其中，圖像的重心坐標(biāo)為：xc=m1,0/m0,0，yc=m0,1/m0,0。

根據(jù)不變矩和其中心矩公式，對其規(guī)范化之后，利用二階和三階規(guī)范化中心矩有下面的七個(gè)不變矩組：

上式中，ηpq為(p+q)階規(guī)范化中心矩，定義為：ηpq=μpq/，其中r的值為：r=(p+q+2)/2。

目標(biāo)圖像經(jīng)過閾值分割，得到目標(biāo)區(qū)域后，就可以針對這一區(qū)域按照公式（3）計(jì)算七個(gè)經(jīng)典不變矩特征值，構(gòu)成Hu不變矩形狀特征向量。

本文對ak-47手槍原圖片進(jìn)行了平移、縮放、50%垂直旋轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)45°等四種處理，分別計(jì)算對應(yīng)的七個(gè)Hu不變矩值，如表1所示。從實(shí)驗(yàn)可以看出，這些矩的幅值反映了物體的形狀，并且具有平移、旋轉(zhuǎn)、比例尺度變化不變性，計(jì)算過程簡單，計(jì)算量相對較少，符合槍械圖片庫的特點(diǎn)。

2.3 特征匹配

對提取出的不變矩形狀特征，選擇一種合適的相似度衡量方法是獲取滿意的檢索效率的重要保證。

常用的相似度方法都是向量空間模型（vector space model），即將視覺特征看作是向量空間中的點(diǎn)，通過計(jì)算兩個(gè)點(diǎn)之間的接近程度來衡量圖像特征間的相似度。

常用的距離度量函數(shù)有明氏距離（Minkowsky distance）、直方圖相交（histogram intersection）法、二次式（quadratic form）距離、馬氏距離（Mahalanobis distance）等。在這些常用的距離度量函數(shù)中，直方圖相交和二次式距離法是在計(jì)算出直方圖的基礎(chǔ)上度量的，適合于基于顏色的特征匹配。而馬氏距離要求計(jì)算協(xié)方差矩陣，代價(jià)較大，在這里也不考慮使用。Minkowsky距離的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)對坐標(biāo)軸進(jìn)行正交旋轉(zhuǎn)時(shí)保持不變，樣本集合仍然能夠保持原來的相似性結(jié)構(gòu)，并且實(shí)現(xiàn)起來簡單易行，節(jié)省時(shí)間，因此本文使用Minkowsky距離。 明氏距離的通用函數(shù)如公式4所示：

上式中，當(dāng)p=1時(shí)，則其轉(zhuǎn)換為“街區(qū)”距離；當(dāng)p=2它就轉(zhuǎn)換為歐氏距離。歐氏距離沒有考慮到向量各維分量之間的關(guān)系，各維分量的重要性是同等的。這并不符合圖像特征向量的特點(diǎn)。所以在圖像檢索中，更常用的是加權(quán)的歐氏距離，定義如下：

利用不變矩公式（3）計(jì)算出的七個(gè)特征向量每個(gè)分量的取值范圍不同，表示的物理意義也不同，并且通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)不變矩的階數(shù)越高它的幅值變化越劇烈，因此不能直接使用Minkowsky距離來度量相似性，需要對它們進(jìn)行內(nèi)部歸一化。

圖3 加權(quán)歐氏距離檢索結(jié)果Fig.3 The retrieval result of Euclidean distance with weight

經(jīng)過高斯歸一化計(jì)算后，七個(gè)不變矩均落在［-1，1］之間，并且通過高斯歸一化，可以減少高階矩幅值變化大對整個(gè)歸一化后的元素值分布的影響。

本文在槍械圖庫中選取24幅手槍圖片，這24幅圖片中包括4幅經(jīng)過平移、旋轉(zhuǎn)以及縮放變化的圖片，另選取6幅與手槍形狀相似的電鉆以及電吹風(fēng)圖片。對這30幅圖片分別利用街區(qū)距離、歐式距離、加權(quán)歐式距離度量相似性。實(shí)驗(yàn)輸出檢索結(jié)果中的前14幅。按照相似性大小由上至下由左至右依次排列。鑒于篇幅限制，本文給出加權(quán)歐式距離的檢索結(jié)果，如圖3所示，其中，左上角為待檢索的原始圖像。

通過圖3的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，加權(quán)歐氏距離可以檢索出經(jīng)過平移、旋轉(zhuǎn)、縮放變化的圖像，并且在檢索結(jié)果中沒有不相關(guān)的圖像。

3 結(jié)語

本文以槍械圖庫為研究對象，在特征提取及描述中，利用最大方差法對圖像進(jìn)行分割，從而得到目標(biāo)區(qū)域，用Hu不變矩描述目標(biāo)的區(qū)域特征。在特征匹配過程中，對不變矩值利用高斯歸一化方法進(jìn)行內(nèi)部歸一化，組成其特征向量，用Minkowsky距離度量彼此間的相似性。在距離函數(shù)的選擇上，通過一系列對比實(shí)驗(yàn)，采用加權(quán)歐氏距離。由于加權(quán)歐式距離給幅值波動較大的高階矩賦以較小的權(quán)值，這樣就減小了其對檢索結(jié)果的影響。

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