基于三種顏色分量歸一化累積直方圖的圖像檢索系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周美麗

（延安大學(xué),陜西延安,716000）

0 引言

隨著Internet的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和發(fā)展對社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生了巨大影響，特別是WEB的興起，網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男畔⒄灾笖?shù)級增長。作為一種全新的媒體和公共資源，越來越多的圖像信息出現(xiàn)在Web站點(diǎn)上，但是它們都是無序、無索引的，在這樣的環(huán)境下尋找感興趣的資料是非常耗時(shí)的。因此，人們對信息檢索工具和系統(tǒng)的依賴將會(huì)日益增加。

圖像檢索系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于圖像特征的提取與表達(dá)是基于內(nèi)容的圖像檢索技術(shù)的基礎(chǔ)。顏色特征是在圖像檢索中應(yīng)用最為廣泛的視覺特征，也是人識別圖像的主要感知特征。對于通用的靜止圖像檢索，用于檢索的特征主要有顏色（Color）、紋理（Texture）、形狀（Shape）等，其中顏色、紋理、形狀應(yīng)用尤為普遍。本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)屬于顏色特征的提取范疇，其圖像檢索關(guān)鍵技術(shù)路徑：顏色空間，特征空間，相似度量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

顏色特征在圖像檢索中是應(yīng)用最為廣泛的視覺特征，也是人識別圖像的主要感知特征。主要原因在于，顏色往往和圖像中所包含的物體和場景十分相關(guān)。在自然界中，同一類物體通常有相同或相近的顏色特征，不同類的物體則可能表現(xiàn)為不同的顏色特征，所以，顏色可以作為區(qū)分不同物種最為簡單有效的一種手段。與其他的視覺特征相比，顏色特征對圖像本身的尺寸，方向，視角的依賴性較小，具有較高的魯棒性。因此，大多數(shù)圖像檢索系統(tǒng)都將顏色特征作為圖像檢索的主要手段。全局直方圖是一種經(jīng)常被采用的顏色特征，已在很多圖像檢索系統(tǒng)中得到應(yīng)用。設(shè)C(x,y)為RGB空間一幅彩色圖像，其顏色直方圖的定義為（1）式：

其中，M、N為圖像C(x，y)垂直和水平方向上的像素?cái)?shù)目，并簡稱為圖像的高和寬；而k為變換空間的顏色數(shù)。

圖像特征的相似匹配方法中，對于基于文本的檢索方法中采用的是文本的精確匹配，而基于內(nèi)容的圖像檢索則是通過計(jì)算查詢圖像和圖像庫中候選圖像之間在視覺特征上的相似度匹配進(jìn)行。因此，定義一個(gè)合適的視覺特征相似度度量方法對檢索的效果有很大的影響。視覺特征可以表示成向量的形式，常用的相似度方法也是向量空間模型，通過計(jì)算兩個(gè)點(diǎn)的接近程度來衡量圖像特征間的相似度。常見的方法有：直方圖相交法、直方圖歐氏距離、二值集hammimg距離等，本文用歐氏距離來計(jì)算二者的相似度，對于兩個(gè) N維直方圖x,y，兩者的歐氏距離可以表示為（2）式：

2 方案設(shè)計(jì)流程框圖

基于三種顏色分量的歸一化累積直方圖無需將彩色圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，而是直接對彩色圖像進(jìn)行處理，分別求出檢索圖像中三種顏色分量的歸一化累積直方圖，再計(jì)算檢索圖像與圖像庫中圖像三種顏色分量歸一化累積直方圖的歐氏距離，然后對三者取平均。這樣對一幅彩色圖像的三種顏色有一個(gè)比較綜合對比，不會(huì)單一對某種顏色分量特別敏感，從而可以相對全面的檢索彩色圖像。

圖1 設(shè)計(jì)流程圖

3 系統(tǒng)仿真

對檢索效果的評價(jià)在于檢索結(jié)果的正確與否，主要使用的是查準(zhǔn)率和查全率兩個(gè)指標(biāo)。查準(zhǔn)率的含義是在一次查詢過程中，系統(tǒng)返回查詢結(jié)果中相關(guān)圖像的數(shù)目占所有返回?cái)?shù)目的比例；查全率則指系統(tǒng)返回查詢結(jié)果中相關(guān)圖像的數(shù)目占圖像庫中所有相關(guān)圖像數(shù)目的比例。用戶在評價(jià)查詢結(jié)果時(shí)，可以預(yù)先確定某些圖像作為查詢的相關(guān)圖像，然后根據(jù)系統(tǒng)返回的結(jié)果來計(jì)算查準(zhǔn)率和查全率。這兩個(gè)指標(biāo)的值越高說明檢索方法的效果越好。

本文采用了微軟商品圖像庫，其中存入了5000幅商品圖像，取出500張作為檢索圖片，分成了4類，每類50張圖片，檢索圖片如下：

圖2 檢索圖庫示例

通過本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)檢索結(jié)果如下圖所示：

圖3 望遠(yuǎn)鏡檢索結(jié)果

圖4 椅子檢索結(jié)果

圖5 自行車車檢索結(jié)果

圖6 鞋檢圖索結(jié)果

4 結(jié)果

由上述仿真實(shí)驗(yàn)可知，顯示圖像均為100幅，圖（3）望遠(yuǎn)鏡的圖像為29幅，查全率為29/50，查準(zhǔn)率為29/100；圖（4）椅子的圖像為28幅，查全率為28/50，查準(zhǔn)率為28/100；圖（5）自行車的圖像為46幅，查全率為46/50，查準(zhǔn)率為46/100；圖（6）鞋子的圖像為22幅，查全率為22/50，查準(zhǔn)率為22/100。由此可見，查全率反映檢索的全面性，而查準(zhǔn)率則反映檢索的準(zhǔn)確性，因此可以用查全率和查準(zhǔn)率來評價(jià)系統(tǒng)的有效性。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可得出基于三種顏色分量的歸一化累積直方圖的圖像檢索方法對顏色的檢索效果比較理想。

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