（生物医学工程专业论文）网上图像拼接服务系统——WebPano.pdf

上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t i n l a g e 埘【o s a i c 她i sak i n do f t e c h n o l o g ym a ts t i t c h c sp a r t i a l l yo v e r l a p p e di m a g e s i 1 1 t oo n es e 帅l e s si m a g ew i t l lw i d c rv i s u a lf i e l da 1 1 dh i g h e rr e s 0 1 u t i o n a tp r e s e n t ，i n t h ef i e l d so fb i o m e d i c i n e ，g e o g n o s y ，m a t 耐a la n a l y s i sa n dv i 巾】a l r e a l i t yc t c ，m i s t e c h n o l o g yh a s 芦e a ta p p l i c a t i o nv a l u e b u t ，b e c a u s et h ei m a g em o s a i c i n gp r o c e s s e s m o r et l l a i lo n ei m a g e ，t h ea l g o r i t so f m o s tp a i l o 姗as y s t 啪a r em o r ec o m p l e xt h a i l 廿1 a to fn o m a li m a g ep r o c e s s i n gs y s t e m s i m a g e 啪s a i c i n gs y s t e m sn e e dn l no n p m 岛s s j o n a lw o r k s t a 矗0 n s t h el 鹕ed a t aa n dc o m p i e xa l g o t 1 1 i t ll i m i tt h e 印p l j c a t i o n o f i m a g em o s a i c i n g 1 1 1 e0 b j e c t i v eo f “sm e s i si st od e s 啦a n di m p l 咖e n taw c bs c i c es y s t 锄f o r i m a g em o c a i c i n g ，w 曲p a n o t h ew 曲p a l l oi sb a s e do no l l rp r e v i o u sw o r k su p o nm e m y p a n o ，w l l i c hi s ap c 脚i n d o w s b a s e di m a g em o c a i c i n gs y s t 锄t h i sm e s i s f o c u s e so nt h ef o l l o w i n ga s p e d s ： 1 p r o p o s e d ar l e ww c bs e r v i c ef o ri m a g em o s a i c i n gb a s c do nm y p a n o d e s i 印e dt h eb s m o d ew e bs i t e a i l di n 仃o d u c e dt 1 1 ed e t a i lo fp r o j e c ti nt h c i m p l e m e n t a t i o n 2 a n a l y z e d 廿l eo r i 百n a ls y s t e m sa 1 9 0 r i t a i l di m p r o v e di ta c c o r d i n gt om e 慨to fw e bs e n ，i c e e s t a b l i s h c dt l l e 日o wo fm ew e bs e i c e 趾dc o m p l c t e dt h e p r o f 锄s 3 t e s t e dt h ew c b s i t e ，a n dm er e s u l t 柚da 1 1 a l y s i 8w e r e 西v c ns u b s e q u c n t ly t l m u 曲m ea b o v ew o r k s ，w ei m p l e m e n t e dm ew e bs e r v i c ea n df o u n dm a tm e s y s t 锄w o r k sw e l lo na l m o s ta 1 1k i n d so fc o m p u t 盯sw i t hd i 恐瑚1 tw e bb r o w s e r s a n da n o t h e ra d v a n t a g ei s 血a tt h ec l i e n tc o m p u t e r sn e e dn o ts h a r et h et a s ko fd a t a c a l c u l a t i n g k e y w o r d s ：w e bs e i c e ， 油a g cm o s a i c i n 岛 b r o w s e r s e r v 叫b s ) m o d e ， m y p a n o ，w 曲p a n o 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：丞盛 导师签名：至丝岛日期：签丝i ：婶 i i i 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 随着数字影像技术的发展及其广泛应用，相关图像处理技术也快速发展。 图像拼接，一种把一组具有一定重叠区域的序列图像构建成具有较大视野图像 的技术，也随之日益成熟。作为数字图像处理领域的一项重要技术，它在图像 监控、航空航天、虚拟现实、手术导航、环境智能、生物医学等领域都得以广 泛地应用。 例如，在航空航天领域，探测器的成像装置所成图像尺寸总是有限的，通 过图像拼接技术就能够得到较大区域的图像。2 0 0 5 年美国n a s a 展现给我们的 火星表面图像就正是利用这一技术得到的【4 】。 在生物医学领域【5 ，随着生物医学成像技术的发展，影像资料已经成为此 领域研究与工作人员不可或缺的参考资料，大尺寸图像也是他们所利用的重要 图像资源之一。例如在医学影像学方面，大尺寸的影像资料可以帮助医生对病 灶及其周围部位获取更加全面和直观的掌握；还有，图像拼接技术能够解决显 微图像的放大倍数与视野范围不能兼得的问题。目前，已有造价不菲的成像设 备用于生成大尺寸医学图像和显微图像，但是，高端硬件设备的造价与旧设备 的使用期限等问题使得硬件更新实施起来难度很大。因此，通过图像拼接软件 来获取大尺寸生物医学图像是一个便捷、高效、高性价比的途径。 此外，在人们的日常生活中，普通相机所成图片的视野和尺寸总是有限的， 对此，市场上推出了具有一定全景图像拼接功能的相机。但是这些相机价格不 菲，并且对拼接对象具有较大限制。通过图像拼接软件可以很好地解决这一问 题，让人们得到较大视野和幅度的图像。 可见，图像拼接软件能够有效地解决对全景成像硬件设备的依赖问题。但 是，由于图像拼接是对多幅图像进行处理，大部分拼接算法比普通的图像处理 算法复杂，数据运算量也较大，它不能彻底解决全景成像对硬件设备的要求， 上海大学硕士学位论文 大部分拼接系统需要运行在图像工作站一级的计算机上。同时，拼接软件的维 护与升级等操作都不容易实现，对用户的专业知识要求也较高，这些因素与硬 件设备一样，也制约了图像拼接技术的发展和应用。 我们开发的基于特征的全景图像拼接系统m y p a i l o 是基于p c w i n d o w s 的 单机版系统，它具有速度快、精度高的特点 6 】，已经成功应用于医掣8 1 、生物、 材料学等多个学科。但是它同样摆脱不了单机版程序如对硬件要求高、软件升 级困难、对操作人员有专业知识方面的要求、资源共享性差的缺陷，不利于它 的推广利用。 为了解决上述问题，我们设计了一种新的图像拼接系统，即基于b s 模式 的网上图像拼接服务系统w 曲p a i l o ，它同时也是一种新的网上服务项目。 w c b p a n o 能够通过客户端浏览器为远程用户拼接图像，并将拼接结果显示在客 户端浏览器界面中。它能充分利用服务端的软、硬件资源，为专业和非专业用 户解决软硬件资源上的限制，提供专业的图像拼接服务。客户端计算机在服务 过程中不承担图像数据的运算任务，是真正的“瘦客户端”服务系统。扩大了 全景图像拼接的应用范围。此外，系统的维护与升级几乎不影响整个服务，有 利于拼接技术的应用和发展。 1 2 国内外研究概况 在单机版图像拼接方面，图像拼接技术已经成为图像处理中的主要研究领 域。这一技术在各个领域都有了长足发展。航空摄影术和卫星摄影术是最先得 益于图像拼接技术的两大领域，在图像监控、图像压缩、图像检索、宇航探索、 手术导航、虚拟现实、智能控制等领域也都提出了新的拼接方法。如今，图像 拼接领域已经有几个成功的商业软件，如苹果公司的0 u i c k t i m e v r 、i b m 公司 的p 孤o m m 、飞利浦公司的p a i l o a p i 、i n t e r a c t i v e p i c t u r e 公司的i p i x m u l t i m e d i a b u i l d c r 、l i v e p i c t i 】r e 公司的c o o l3 d 等。我们在l i n u x 环境下研制了基于多分 辨率特征图像生成算法的多组视频流的图像拼接系统，实现了实时视频流的拼 接【7 】。此后，我们又成功地开发了w i n d o w s 系统平台下的图像拼接系统m v p a n o ， 并进行了深入研究，对算法进行了改进，还将其应用范围扩展到生物、医学和 上海大学硕十学位论文 材料等应用领域。 在基于网络的图像处理方面，已经有网络站点提供实验性服务川 1 2 ，但它 们没有涉及多幅图像处理和图像拼接领域。g o o 百e 公司推出的g o o g l ee a n h f l 3 】 和微软将要推出的m s n n u a le a n h 以及其它形式的g i s 服务都是通过用户下 载客户端程序，利用客户端程序访问服务器，获取已经处理好的全景图像，并 且客户端与服务器的互动仅限于对显示图像的选择与显示。在实时图像数据处 理方面，k a t s u t o s h it 被a h a s h i 和m a s a y u k in a k a z a w a 等【1 4 设计并实现了基于w 曲 的r l g s 网上分析和相关数据库服务；宋志坚等【1 5 l 通过向客户端传送j a v a a p p l e t 程序的方法实现了w 曲模式的医学图像三维重建及显示，这为我们基于 b s 模式的w 曲p a l l o 系统提供了很好的借鉴经验【1 7 】。 1 3 论文的主要研究内容 本论文是以作者在攻读硕士学位期间所承担的w 曲p a l l o 系统的设计与实现 这一课题的工作为基础，主要对整个服务站点的设计、实现、测试与分析进行 论述。主要内容安排如下： 第一章阐述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。 第二章介绍了m v p a l l o 的拼接算法和针对网上服务特点进行的算法改进。 第三章介绍了w c b 服务的整体方案设计，其中包括服务流程的设计、站 点规划、服务平台的选择以及具体的实现方案。 第四章详细介绍了w 曲p 孤。的具体的实现过程，如网络服务器软、硬件 配置、网上服务程序的实现细节等。 第五章给出了对服务器系统的硬件配置、图像拼接及其他服务功能进行 的测试结果，并对结果进行了分析。 第六章总结讨论，并给出对后续研究的建议。 3 上海大学硕士学位论文 2 1 概述 第二章拼接算法分析及改进 本章主要对m v p a i l o 的算法进行分析，并根据网上服务的特点加以改进。 我们丌发的m v p a n 全景图像拼接系统。是基于p c ，w i n d o w s 的单机版系统，是 在v c - h n 6 o 开发平台上实现的。其关键技术是基于特征的匹配和融合，主要包 括图像特征提取、特征点匹配、参数估计、图像像素融合四部分，本章第二节 将对其进行详细分析。针对网上服务的实时性以及拼接图像的多样性问题，对 原有算法进行了模块化分解，针对不同图像和不同层次的需求修改了相关功能 模块，在保证拼接质量的前提下减少了网络服务时间。 2 2 拼接算法介绍 2 2 1 特征提取 m v p a l l o 系统在特征提取方面使用了多分辨率分析的方法3 】：首先对原图像 进行小波分解，得到原图像的高频特征和较小空间尺度的特征图像。在此基础 上，根据图像的边缘特征利用边缘相关的方法提取图像的特征点。使用这一方 法可以有效地抑制噪声对边缘检测的影响。在提取特征点的过程中，考虑了特 征点的分布，即在一定大小的区域内提取出最具特征的点。这样既保证了特征 点的数量，又保证了特征点分布的均匀性，有利于提高参数的精度。 基于小波的多尺度边缘检测 3 7 】具体方法为：首先利用公式 y ；g = 古吵；( 砉，砉少；g = 古眇；( 砉，砉 对小波进行尺度和频率上的分解。其中：k y ) 和y ；b ，y ) 是以2 ，为因子的小 波变换。二维图像l ( 了，少) ) 在2 ，尺度上( 以第，层为例) 的二维小波变换可以用以 上海大学硕士学位论文 叼，k y ) = ，+ 妒；g ，) ，盱，g ，y ) = ，+ 矿；g ，y ) 如果s ( 五y ) 为二维平滑函数，多尺度的奇异点( 如边缘点) 可以通过下式得出： y t ：掣，矿z ：掣 删 咖 脯嘶小脚驯卸( ：7 誓p 纠扣t k 川 嘶小砷驯斗( ：7 等扣纠弘s ，b ) 慨哦炉 = 2 7 帚0 s ，k ，y ) 表示像素灰度值的 梯度向量， 由此，小波变换的两个分量对应着灰度值梯度向量的两个分量。在 第，层上，灰度值梯度向量的模为：m ，k y ) = 撕可瓦i 了了眵万瓦玎 如果梯度向量的模在局部范围内存在最大值，并且大于给定的阈值，那么 就可以将此最大值点标记为第_ ，层上的特征点。 2 2 2 特征点匹配 夺 相似度测量 得到图像的特征点以后，需要将两幅图像中的特征点进行匹配，得到一系 列特征点对仞铮g ) 。然后依据这些特征点对的归一化互相关程度对所有的特 征点对进行度量。相似度测量公式为： & 也坛 )赢善 刖j ) _ 劬加b 舢小儿】 其中，卢r ，q ( f = 1 ，2 ) 分别为i - g + 五，y + y 一一。，。和i 。g + 屯，+ 儿l 一。，。 力力 k b 曲 十 u o d一蠡。一砂 上海大学硕士学位论文 的均值和方差，( 2 m + 1 ) 2 为匹配窗口的大小。 夺 去除错配点对 根据一般图像的特征，我们知道，如果一个特征点对是正确的匹配对，那 么它们的角度和尺度变化差异将在一定的范围内。例如，假设 p ，营g 和 p 2 营q ：) 是一对匹配的特征点对，那么它们需要保证盂= g 。一p 和元= g ：一p ： 之间的差异不大( 如图2 一l 所示) ，即： 忙f 一匠0 ， r 甜向。，d 。和口愕膪伍，元) 新e s 。，丸班 因为特征点都是从每一个区域中选出的最大值，呐r 船厅d 埘。可以根据分 块的大小确定( 可以等于或者小于分块的大小) ，f 肼e s o 埘。曲则根据先验知识， 将其限定在2 0 6 ( c o s 。( o 8 5 ) ) 内。 通过上述方法，我们可以判断一个特征点对是不是正确的匹配。 2 2 3 参数估计 图2 1 匹配点对示意图 夺 四参数估计 根据匹配好的特征点对，我们利用s v d 方法得到两幅图像的刚体变换参 数：旋转角度口，尺度参数s 和平移量( f ，f ，) 。具体算法如下： 特征点对 见g f ) 之间的坐标变换可以表示为 上海大学硕士学位论文 r c o s 曰 吼= 却，+ 7 = 3j 。 l s m f 定义误差函数为：中：兰蜩陆+ r g j i j 2 ( 为特征点对数量) 。能够使得 误差中最小的四个参数则可以看作两幅图像之间的最佳变换参数。 由等一o ，可以得她虿一师，其忙专弘彳= 专善g 争一她豢，硇书确，币 这样，误差函数中可以写为巾= 彰虿 f 藓磁l 每上，满足中最小的条件 f j 磊 可以转化为满足m 导数最大时的条件，即中= i 藓j 昂，i 。通过构造2 + 2 矩阵 l l f = lj h = e 群并通过s v d ( s i n g i l l a r v a l u e d e c o m p o s i t i o n ) 得到矩阵h 的奇异值，如 j - 1 日= p a 。由r = q p 就可以算出图像的旋转矩阵月，并由此得到尺度变换参 数j 和平移矩阵r 。 夺 八参数估计 通过s 方法得到的四参数，只能用于图像的刚体变换，如果要进行仿射 变换，则可以利用l e v e n b e 唱- m a r q u a r d t 非线性最小二乘法得到图像坐标变换的 8 个参数。利用上面得到的4 个参数，将匹配的特征点对写成下式 匮 r c o s 曰 s ls i n p l 【o 一 一 p 期 一 c 巴一“ 1llllj一“ p 儿岛一0 丌i i 儿一 嘶 塑啦 竺k 上海大学硕士学位论文 然后，用递归的方法计算所有点对b 。，) 和b ：姆j ) 之问距离之和的最小 值，即求z ：= 羔西的最小值，其中d ，= 板五= 五丁了四，我们需要计 算变换参数m ，( 扛o ，1 ，7 ) 的偏导数 蔫= 击卜飞) 善也鸣) 鼍 并在每次循环中更新m ，( f = 0 ，1 ，7 ) 。这一过程会在很少的步数内收敛，从而得 到两幅图像间的变换参数。 2 2 4 像素融合 得到图像之间的坐标变换参数之后，可以将其中的一幅图像确定为参考图 像，将其他图像之间的坐标变换参数统一变换为以参考图像为基准的变换参数， 并通过像素融合得到拼接结果。 在像素融合时，全景图像可能会存在亮度和颜色的不连续以及几何形变留 下的缝隙，这可能是因为几何校正、动态的场景或光照条件的变化引起的。 m v p a l l o 采用亮度归一化处理，利用每幅图像在重叠区域的像素值均值和方差 确定它们构造重叠区域像素值时的权数。以此去除拼接结果的颜色突变和拼接 缝隙。 2 3 单机版程序流程分析 原系统m v p a l l o 采用了基于多分辨率分解的方法，在参数估计时进行了不 同层上的参数精细化，使得参数达到最佳。具体的拼接流程如图2 2 所示。首 先对两幅输入图像使用小波分解进行多分辨率分析，提取出一系列特征点，特 征点提取时同时保证特征点分布的均匀性和全局性，即特征点必须大于全局闽 值又是局部最大值，特征点的数量以1 5 0 个作为阈值，当全局特征点少于1 5 0 个时，则在全局范围内增加特征点。得到特征点以后，将所有特征点进行相似 上海大学硕士学位论文 性度量( 归一化互相关值) ，得到匹配的特征点对。然后对特征点对的相关性进 行排序，根据互相关性得到最佳的匹配组合。之后，利用s v d 方法对这些匹配 点对进行计算得到两幅图像的刚体变换参数，然后在此基础上估计仿射变换参 数( 8 参数) 。进行完上述流程后，根据小波分解的层数进行小波反变换，重构 出上一层的图像，然后在此分辨率层次上对参数进行精细化，直到重建到原始 图像层次，得到最后的变换参数。最后，根据得到的坐标变换参数对图像进行 融合，构造出全景图像。 图像l li 图像2 多分辨率分解il 多分辨率分解 特征点提取ll 特征点提取 特征点匹配 去除错配点对 主一 四参数估计 计算八参数 小波分解重构ll 小波分解重构 精炼八参数 图2 - 2m y p a n o 算法流程图 2 4 网络服务版算法设计 在网上服务的具体实现中，必须保证网上服务的准确度和实时性，并且需 海大学硕士学位论文 要在服务对象具有多样性这一复杂情况下保证其健壮性。为此我们针对网上服 务的特点在m y p a l l o 的算法基础上进行了改进，提出了w 曲p a n o 的实现算法。 首先，为了保证不同尺寸大小的图像都能够成功拼接，尤其是大尺寸( 如 1 2 0 0 p i + 9 6 0 p i ) 图像的拼接。在w 曲p a i l o 的程序中，针对图像尺寸大小对图像 拼接方式进行了划分：普通图像按照m y p a i l o 的算法进行拼接；较大尺寸图像 则可以通过普通模式或快速模式两种方式进行拼接。快速模式是大尺寸图像进 行尺度变换后再进行拼接，此方法利用了开源的图像处理程序i n l a g cm a 西c k 【1 8 】 的图像转化命令行语句r e s i z e ( ) ，以次减少处理的数据量。通过c g i 脚本调用 此方法能够快速的对图像进行尺度变换( 具体情况见第五章试验结果分析) 。用 户可以根据需要对所有图像都使用普通拼接方式进行拼接。我们还在普通图像 拼接算法中针对网上用户对服务的实时性和正确性要求，对m v p a l l o 算法中的 一些细节进行了调整。具体情况如表2 1 所示。 表2 1 ：m y p a n o 与w e ”a n o 算法比较 m y p a n o w e b p a n o 大尺寸图像可以通过尺度变 图像尺寸方面 统一的多分辨率分解。 换进行快速拼接。 特征点数量不足1 5 0 个时，进行第调整特征点判别的阈值增加 特征点提取数量二次特征点提取，但不保证能够达特征点数量，不进行判断和二 到1 5 0 个。次提取。 先在平移量小于1 2 图像大小的范直接在4 5 图像大小范围内 特征点匹配范围同内进行匹配，匹配不足时，在整进行匹配，不进行二次匹配。 个图像范围内进行二次匹配。 其中，在图像的快速拼接模块中，w 曲p a i l o 的拼接算法借鉴了潘志君与本 文同期对m y p a l l o 拼接算法做出的算法改进 1 ，将大尺寸图像尺度变换后得到 小尺寸的图像运用基于元胞自动机( c a ，c e l l u l a ra u t o m a t a ) 的边缘特征提取 方法提取图像特征点。基于c a 的边缘检测方法，改进了基于小波的特征检测 在图像相似区域较多情况下特征点检测不足的缺点，能够提高图像拼接的准确 率，减少对图像重叠度的要求。这些优点能够在一定程度上弥补了对原始图像 进行尺度变换带来的误差，保证了快速图像拼接的质量。两种算法的流程比较 如图2 3 所示。 1 0 上海大学硕士学位论文 王 _ 口 兽 。 普 通 拼 接 算 法 流 程 l 基丁元胞自动机 的特征提取 匦圈 图2 3 普通拼接与快速拼接算法流程比较 | 毒 筷 速 拼 接 算 法 流 程 上海大学硕士学位论文 3 1 概述 第三章方案设计 本章主要对w 曲p a n o 的整体实现方案进行介绍。其中包括网上服务流程的 设计、服务平台的选择( 服务器平台软、硬件的选择) 和具体的实现方案。网 站的整体设计主要从选用的操作系统、后台w 曲服务器软件和数据库系统的选 择，以及前台w 曲网页开发技术这几个方面考虑。 3 2 服务流程设计 w e b p a n o 系统与其他完善的网络服务站点一样，具有多个实现模块，如页 面信息模块、用户管理模块、数据库服务模块等，同时，还有图像处理服务模 块：普通图像处理模块和图像拼接模块。具体的网站组成模块见图3 1 。其中拼 接模块为本文主要介绍的内容，它分为普通拼接模块和快速拼接模块。在普通 拼接模块中针对不同的图像分为普通图像的拼接模块和生物医学图像拼接模 块。其中，生物医学图像拼接模块借鉴了张旭峰对m v p a n o 所做出的算法改进 ”。 整个服务站点设计为b s 模式，这样能够更加充分的体现网上服务的优势 口。在图像处理模块和图像拼接服务模块中，根据网络用户的情况和处理程序 的特点设计的网上服务的流程如下： 首先，用户通过网络浏览器( 如i e ，f i r e f o x 等) 访问我们的服务站点，进 入图像拼接服务；然后，用户选择要进行拼接的图像上传到站点的数据库服务 器；之后，用户确定图像的拼接方式，如普通拼接或者是快速拼接；服务器在 获取上述信息和数据后，自动调用后台图像拼接程序，将用户上传的图像拼接 为一幅全景图；最后，服务器将全景图像发送到用户浏览器的页面中，用户可 以将其下载到本地计算机的存储器中。在整个过程中，用户不用下载和安装专 门的软件，用户计算机不承担图像数据处理任务。整个服务对客户端计算机的 1 2 上海大学硕士学位论文 囤靶键积球罡匿。磊山口m亭_i-c圃 上海大学硕士学位论文 配置没有特殊要求，对用户没有专业知识方面的要求，保证了服务的适用性。 整体实现过程和具体图像处理服务流程如图3 2 和图3 3 所示： 一一。一。一一一一一。一一一一一一。一。一。 酴器銎 童餮篱餮l i 虹回结果图像ib 堡蚕蚕螯程；二府。 箧翌圜曼曼雹i ： 1 ”“ 客户端 服务器端 ! 图3 2 网上服务过程示意图 匝至圜 进入图像处理模块 上传欲处理的图像 j r l 确定图像处理项目i ltt _ 一二= 墼竺墨一_ 厂一图像拼接 一： 上二 ! 煎堡i蠢j 整一i l 普通拼接i：l 快速拼接i j 一七 上土 k ； l 普通图像ll 生物医学图像l j 处理( 拼接) 完毕1 在浏览器中显示结果图像 上 i 下载结星图像l + l 结束服务l 注：实线为一完整流程，虚线所示为可选流程 图3 3w 曲p a l l o 服务流程框图 1 4 上海大学硕士学位论文 3 3 服务器平台选择 3 3 1 硬件平台 本课题主要是为以后的正式网上服务做基础，因此，本系统的试验平台是 建立在普通的服务器上，具体配置为：w 曲服务器为d d lp o w * e d g es c l 4 2 0 服务器，c p u ：p e l l t i u m 3 o g h z ，内存5 1 2 m b ) ，数据库服务器也配置在上面。 测试用的客户端为因特网内型号不一的计算机，其中测试用客户端计算机 分别安装了几种常用的网络浏览器，如i e ( m i c m s o nm t e n l e te x p l o r e 】r 6 0 版) 、 f f ( f i r e f o x l 0 7 版) 、n e t s c a p e b m w s e r8 0 4 版、m a x t h o n l 5 版、腾讯t t 浏 览器f t c n c e n tt r a v e l l c r2 2 l 版) ；客户端计算机通过1 0 m 1 0 0 mf a s te t h e r n e t s w i t c h 的不同网络带宽接口接入因特网，分别从上海大学和苏州大学进行测 试。整个实验平台组成结构如图3 4 所示。 拼接程序服务数据库服务器； j 图3 4w 曲p a n o 试验平台组成结构图 3 3 2 软件平台 网站的整体设计在软件方面主要从选用的操作系统、后台w 曲服务器软件 类型和数据库系统的选择，以及前台w 曲网页开发技术这几个方面考虑。 上海大学硕土学位论文 夺 操作系统 当今，操作系统主要分为w i n d o w s 和“n u x 两大阵营，在服务器领域， w i n d o w sn t 和l i n u x 双方都对w 曲服务器平台提供了强有力的支持，而除了 这一点，两者在其他方面都走了截然不同的路线。它们的外观不同，运行方式 不同，支持的软件不同，价格也不同。从使用角度分析，它们的主要区别如下： 成本：单就操作系统而言，开源的l i n u x 系统的成本远远低于几百美元的 w i n d o w s n t 系统。但是考虑到配套的软件和技术支持以及日常的维护，两者在 成本上的区别显得没有那么大了。 稳定性：在网站运行的稳定性方面，l i n u x 比w i n d o w sn t 强的多。只是在 维护方面，l i n u x 需要专门的u n i x 管理员，而在w i n d o w s n t 系统下的大型网 站，一般都可以利用负载均衡技术，比如c i s c o 的l o c a ld i r e c t o r 技术，把用户 的访问转移到其他服务器上来能够保证服务的正常运行。 可扩展性：在服务器领域，可扩展性主要是指在系统规模扩大时，使相应 的额外开销( 硬件、开关机时问、系统管理工作量等) 增幅小于系统规模的增 幅。在这一方面，l i n u x 比w i n d o w sn t 出色。 安全性：l i n u x 是开放源代码的，但是其安全问题是由互联网上的高手一 起解决的；、i n d o w sn t 的源代码受到微软保护，因特网用户对其漏洞的关注使 得微软能够及时地发现漏洞并采取行动。但是微软利用a c t i v e x 以及其他技术 来连接客户端和服务器，从一定程度上增加了服务器的安全隐患。 通过以上比较可以看出，两种操作系统在上述性能方面都从在优势和不足。 考虑到系统的开发时间和后续开发及维护，w 曲p 柚。选用了、i n d o w sn t 服务 器操作系统。 夺w 曲服务器 目前流行的w 曲服务器主要是微软的i i s 、和a p a c h e 、 毋l a n tw 曲s e e r ( n e t s c 印ee n t e 叩r i s es e r v e r ) 、o r a c l ew 曲s e r v e r 、i b mw e b s p h e r e 等。其中最 为主流是i i s 和a p a c h e 服务器，它们在网站建设、服务性能以及日常维护等诸 方面各有优劣，其主要性能比较如表3 1 所示： 上海大学硕士学位论文 表3 一l ：i i s 和a p a c h c 服务器比较 项目 i i s a p a c h e 集成在微软的w i l l d o w s 操作系统中， 费用 如果要使用合法的i i s 必须购买 a p a c h e 是开源软件，是完全免费 的。 w i n d o w s 操作系统，费用较高 作为w i n d o w s 操作系统的集成组件，虽然在配置上比较复杂，但是一 稳定性 i i s 在服务过稗中，用户需要经常重起经配置完毕就可以跃期工作，稳 i i s 服务才能保证网站的正常服务。定性相对来说比较好。 作为w i l l d o w s 操作系统的组件，i i sa p a c h e 适用于多种操作系统，对 扩展性只能在w i n d o w s 平台下工作，无法移于不同的操作系统，其配置方法 植到其他类型的操作系统上去。基本相同，可移植性非常高。 i i s 的较新版本与微软的n e t 平台相结主要在l i n u x 操作系统f 使用，继 安全性 合，能够保证较高的安全性承了l 证u x 良好的安全性能。 难易 i i s 在w i n d o w s 系统卜- 发挥了操作系 a p a c h e 的配置过程不是图形化操 统图形化操作界面的优势，能够方便作，需要对配置文件进行编辑来 程度 的完成配置。实现，相对比较复杂。 支持 对于a s p 特别是n e t 支持良好、运行 能够方便的支持多种语言比i i s 稳定；对于p h p 和j s p 需要经过一定 语言支持性能好。 的配置。 编程 i i s 中的i s a p i 的r e w r i t c 需要专门开a p a c h e 的m o dr e w t i t e 功能强大， 发，不易实现；但与n e t 平台配台良对f a s t c g l 支持良好，c g i 和p h p 难度 好。程序的运行速度比i i s 快。 通过上述比较，可以看出a p a c h e 服务器除了在初始配置方面比较复杂外， 在配套的开发、使用和维护方面都具有一定的优势，适合于作为网上图像拼接 服务站点的服务器系统，并适于实验室现有的开发条件，因此w 曲p a n o 采用 a d a c h c 服务器作为网上服务的w 曲服务器。 夺 数据库系统 目前，数据库系统主要有微软的s q ls e r v e r 和开源的m y s q l ，还有商业 化系统0 r a c l e 、d b 2 、s y b a s e 等。对于编程开发人员而言，目前使用最为流行 的两种后台数据库为m ss q ls e e r 和m y s q l 。它们都支持a n s i s q l ，都支 持二进制关键词和关键索引。但是m y s q l 作为开源的数据库系统，低廉的发 行费用和并不逊色的功能更加适于w 曲p a l l o 的研究与开发。 上海大学硕士学位论文 夺 整体方案 根据以上比较，从网站开发效率、开发成本、安全性能、日常维护以及现 有的开发条件等诸方面考虑，w 曲p a n o 将采用l i n l l 】【+ a 印a c h e + m y s q l 软件平 台对外服务。而开发环境的搭建与前期开发及测试则采用w 访d o w s + a p a c h c + m ) ，s q l 方式实现。这种开发模式充分利用了a p a c h e 和m y s q l 良好的 移植性能。、i n d o w s 环境下的开发能够减少开发时间，方便对系统的后续研究。 w 曲p a i l o 开发试验的具体平台为： 操作系统：m i c r o s o rw i n d o w s2 0 0 0 ( s e r v e r ) + s e r v i c ep a c k 4 w 曲服务器：a p a c h eh t l ps e r v c r2 0 5 5 数据库系统：m y s q l5 o 3 4 实现方案 本节主要对网站的实现方案进行介绍，其中包括体系结构的选择、服务页 面形式的确定和具体的实现技术。 3 4 1 体系结构 随着计算机的界面技术从字符界面到图形用户界面( g u i ) ，直至今天的浏 览器界面，软件平台体系结构也从单机单用户发展到文件服务器( f s ，f i l e s e f v e r ) 服务体系，再到客户机户服务器( c s ，c l i e n 傩e r v e r ) 2 1 直到b s 体 系。其中c s 体系结构的软件可以充分利用网络两端的硬件环境优势，将任务 合理分配到客户端和服务器端来实现，降低了系统的通讯开销。c s 结构的系 统在规模较小、用户较少、单一数据库和安全、快速的网络环境下( 例如局域 网) 运行稳定，能够充分发挥网络程序的优势，目前大多数应用软件系统都是 c s 形式的两层结构。但是，虽然c s 体系结构采用的是开放模式，可它只具 有系统开发一级的开放性，在特定的应用中无论是客户端还是服务器端都还需 要特定的软件支持。由于没能提供用户真正期望的丌放环境，c s 结构的软件 需要针对不同的操作系统开发不同的软件版本，加上软件产品的更新换代速度 上海大学硕士学位论文 较快，c s 结构的系统很难适应大规模用户同时使用，而且代价高，效率低。 其主要缺陷表现为： 它是单一服务器且以局域网为中心的，难以扩展至大规模网络。 受限于供应商，程序的升级维护必须由供应商重新开发扩展。 软、硬件的组合及集成能力有限，业务逻辑都写在客户端应用程序中， 在软件上呈现出“胖客户端”。 程序维护困难，程序升级需要每个客户端都安装新的客户端程序。 对于程序开发商来说，程序模块的重用性差，各个模块相对独立。 c s 模式很难管理大量的客户机。 由于以上原因，传统的c s 模式已经不能适应软件的发展趋势和网络用户 的要求，b s 结构体系应运而生。在这种结构下，用户工作界面是通过网络浏 览器来实现，极少部分事务逻辑在用户端实现，主要事务逻辑在服务器端实现， 它由浏览器、w 曲服务器、应用服务器和数据库服务器组成，形成所谓三层 3 一t i 一2 0 1 ( 客户层、事务逻辑层、数据层) 结构，其组成结构如图3 5 所示： 客户层 事务逻辑层数据层 图3 5b s 三层体系结构示意图 b s 模式是在t c p ，i p 的支持下，以h t t p ( h y p e n e x tt r a l l s p o r tp r o t o c o i ， 超文本传输协议) 为传输协议，通过网络浏览器访问w c b 服务器以及与之相连 的后台数据库的技术及体系结构。客户端的浏览器通过u r l ( u n i v e r s a lr e s o u r c e l o c a t o r ，统一资源定位器) 访问w 曲服务器，w 曲服务器请求数据库服务器， 并将获得的结果以w 曲页面形式返回到客户浏览器。b s 模式的主要优点为： 上海大学硕十学位论义 良好的灵活性和可扩展性。 良好的共享性能。 较好的安全性。 增强了企业对象的重复可用性。 真正意义上的“瘦客户端”，具备了很高的稳定性、延展性和执行校率。 具备良好的容错能力和负载平衡能力。 c s 模式和b s 模式在开发、应用、维护等发方面的比较见表3 2 。 表3 2 ：c s 模式和b s 模式比较 项目c ，s 模式b ，s 模式 一般建立在专用网络上小范建立在广域网之上不需要专门的网络 硬件环境 围的网络环境，通过专门服务器硬件环境，一般只要有操作系统和浏览 提供连接和数据交换服务。器，接入网络就行。 需要安装客户端软件，为“胖客无需安装特殊软件，通过浏览器即可实 客户端 户端”系统。现系统运行，为“瘦客户端”系统。 c s 程序侧重整体性考虑，各b s 应对多重结构要求构件相对独立的 重用 个模块相对独立，重用性较筹。功能，能够相对较好的重用 注重流程，可以对权限多层次对安全以及访问速度的多重的考虑，建 程序架构校验，对系统运行速度可以较 立在需要更加优化的基础之上比c s 少考虑。有更高的要求。 一般面向相对固定的用户群， b s 建立在广域网之上，可能面向不可 安全要求 知的用户，b s 公开发布信息，对安全的 对信息安全的控制能力很强。 控制能力相对弱。 管 理 很难管理大量的客户机，只适用具有良好的负载平衡能力，能够轻松廊 于一定规模的网络。对大量j = j 户的同步访问。 c s 程序需要整体性考虑，处理由构件组成，可通过个别构件的更换实 系统维护 出现的问题以及系统升级复杂。现系统的无缝升级。 c s 多是建立在专门的系统平b s 建立在浏览器上，表现方式丰富生 用户接口台上，表现方法有限对程序员的动，与用户交流简便，并且大部分难度 技能要求较高较低，能减少开发成本。 一般是典型的中央集权的机械b s 信息流向可变化，通过浏览器实现 信息流 式处理，交互性相对低较好的交互性。 b s 模式的系统能够大大简化客户机的载荷，减少系统维护与升级的成本 和工作量，降低用户的总体成本。它是一次性到位的开发，能实现不同的人员， 从不同的地点，以不同的接入方式( 比如l a n ，w a n ，m t e m e t i n t m e t 等) 访问和 上海大学硕士学位论文 操作共同的数据库；能有效地保护数据平台，增加服务器与数据库的安全。 w 曲p a l l o 顺应了这一软件发展趋势，采用b s 体系结构。这样能够在三层结构 的体系优势下使得网上图像拼接服务简单便捷，实现真正的“瘦客户端”，真正 体现网络程序和网络服务的优势，同时也便于w 曲p a l l o 中拼接技术的应用及推 广。 3 4 2 实现技术 网络站点的实现离不开w 曲页面、脚本语言和用户接口、数据操作接口等 具体的实现方法与技术，此节将对本系统中使用的主要技术进行介绍。 夺 静态网页和动态网页混合模式 在早期的网站设计中，网页通常是纯粹的h t m l 格式的，就是所谓的“静 态网页”。静态网页的内容是固定的，修改和更新都必须要通过专用的网页制作 工具，如d r e 锄w e a v e r 、f r o n t p a g e 等，不容易修改，交互性能很差，并且一经 修改就要完全替换掉原来网页。后来，随着网络技术的发展和网络服务类型的 改变，出现了“动态网页”。动态网页将网页中的一部分内容放在数据库中， 可以根据要求从数据库中提取不同数据与网站的基础框架一起动态生成显示页 面，随不同客户、不同时间返回不同的网页。动态网页以数据库技术为基础， 能够大大降低网站维护的工作量，能够实现更多的功能，尤其是具有交互过程 的功能，如用户注册、登录，数据上传、下载，订单管理等。w 曲p a l l o 需要实 现用户与服务器的多次交互，选择动态网页作为它的主要网页类型是必须的。 但是，静态网页作为网站建设的基础也是需要的。因此，w 曲p a n o 采用了静念 网页和动态网页结合的模式：页面信息模块和网站的基础框架部分使用静态网 页，用户管理、图像处理、数据库服务等需要网络交互操作的模块主要使用动 态网页。 夺w e b 网页开发技术g i 静态网页是纯粹h t m l 格式的，可以通过h t m l 语言实现，也可以借助