（计算机应用技术专业论文）计算机视觉图像语义模型的描述方法研究.pdf

摘要摘要计算机视觉是模式识别应用的一个重要方面，计算机视觉的目的是通过电子化地感知和理解图像，复制人类的视觉效果。计算机视觉首选要解决好三维物体所形成的二维图像在计算机中的存储、处理、描述、表达和理解操作等问题，它涉及的知识广、内容多，包括光学、物理学、数学、自动化和计算机等学科。计算机视觉就是在多学科的基础上来综合各种知识与技术方法，形成一个具有视觉功能的信息处理系统，从而建立起计算机对外界世界的感观、认知和行为动作，即计算机视觉。本文针对计算机视觉的图像语义模型方法进行了研究。通过分析和研究目前国内外计算机视觉的现状、主要问题和未来发展的方向，对于计算机视觉中图像识别知识表达的问题，特别是图像识别中的底层属性与高层信息关联等方面的内容，进行了设计与研究，构建了计算机视觉图像语义模型方法的知识结构，为图像识别建立了知识关联，实现计算机视觉图像识别的知识方法。针对计算机视觉图像语义的问题，本文提出了基于知识结构与方法的图像语义模型理论和方法。论述了语义名词的内涵和概念表达，阐述了图像高级知识相关属性与语义的关系、连接和范畴，定义了图像语义名词概念，建立了图像语义模型的理论基础。提出了图像语义的特征空间表示法。它建立了图像属性与信息描述的映射关系，描述了图像底层属性、图像对象关系及对象空间关系和图像高级信息的信息映射过程，从三层结构的映射来形成一个基于知识描述图像内容的特征向量。图像语义反映了图像存在的基本特性，即图像的光表现，图像中对象的关系，即空间关系，图像的高级信息，即图像与社会与人的关系。从高级信息的知识角度来分析图像存在与应用的环境问题，解决了图像应用信息在计算机中描述与表达的相关知识问题，为计算机视觉的图像识别应用，建立了一种新的知识方法，提供了可参考的思维方式和结论。计算机视觉图像语义模型描述了在设定的场景中，对在计算机视觉中直接成像的目标物体图像的描述，对所获取的图像，选择相应属性和对象关系等信息，利用约束机制，将数据信息映射到特征空间上，从而形成一个对图像的描述模型。为了建立图像属性与高层语义之间的关联，提出了基于s v m 的图像语义关联法，它描述了图像底层属性到高级描述之间的关联，实现了图像信息的映射和特征表达，解决了图像属性选择和高级描述之间的关联问题。在计算机视觉系统图像语义模型应用中，解决了语义概念运用和语义特征值表示、数字化的问题，建立了图像语义的数据模式和图像语义数据库。提供了图中南大学石跃祥博士学位论文像语义应用中的符号表示和概念范畴说明，构造了图像语义概念在使用中模型、识别过程与步骤，建立了图像语义模型数据库管理的基本命令、操作方法和语义知识数据库。为了建立图像语义的知识结构，提高图像语义在图像识别与检索中的知识表达，根据图像语义的特点和应用目标，研究中提出了图像语义的模型表示法、语义模型的结构和语义特征值的存储结构：三段式十字链表法。它从图像语义应用的知识角度和机器视觉理解与学习的要求出发，选择图像属性和字符描述相结合的基本方法，构造了反映图像语义的模型结构描述法，通过建立了语义的链表结构来解决语义的多义性和相互性之间的问题，实现了图像语义的网状结构与关联。十字链表存储结构实现了视觉图像之间的关联性和知识性，为目标图像的知识结构与知识表达，提供了条件与保证。为了快捷方便地获取语义，定义了语义生成的规则，并建立了语义描述树型结构。在语义生成树的语义获取过程中，采用了基于知识聚类的深度优先聚类法和基于关联阈值m 结点聚类法，使之获取更优的语义特征描述，树型结构更能便于语义的可靠性分析与问题查找，并对语义特征采取了相似性计算的方法来表征对象的识别程度。针对图像之间识剐的相关性问题，提出了图像语义模型的知识运算方法，通过建立图像语义模型的知识结构，并定义了知识中的特征空间和对象结构。为了便于知识结构的管理与操作，对图像语义模型作了分类及其类型操作方法，给出了操作的b n f 范式结构，建立了语义模型的关联方式和关联度计算方法。构造了图像语义模型的实验，通过构造基本运动图像的语义模型，从而获取运动语义及其描述，并在图像语义模型的基础上，实现对运动目标的描述表达，即为对人运动图像的跟踪，在与非语义模型方法的比较中发现，许多指标上都体现了该方法的优越性。在建立图像语义模型的基础上，把基于语义模型的知识运算应用于高速公路标牌图像识别的仿真实验中，其实验结果能为高速公路车辆驾驶和无人驾驶等研究项目提供信息支持和服务。论文在总结的基础上，对今后需进一步研究的方向与内容进行了展望。本研究讨论了计算机视觉图像模式识别的知识结构法，对研究计算机视觉如何利用图像的高级知识方面提供了有益的探讨，具有理论与实际意义，拓展了计算机视觉图像识别的研究领域。关键词：图像语义，语义模型，知识链表，知识聚类，图像描述i la b s t r a c ta b s t r a c tt h er e s e a r c ho nt h ed e s c e i p t i o no fi m a g es e m a n t i cm o d e l si nc o m p u t e rv i s i o ni sav e r yi m p o r t a n tw o r k w h e nt h ec o m p u t e ra s s e m b l e dw i t l lv i s i o nf u n c t i o n ，i tc a nh e l pp e o p l ei na l lf i e l d s t h i sv i s i o na i m st ot h es o l u t i o no fs t o r a g e ，p r o c e s s ，d e s c r i p t i o n ，e x p r e s s i o na n du n d e r s t a n d i n gi m a g ei n2 dt o3 do b j e c t s t h ev i s i o ns y s t e mi n c l u d e sb a s e dk n o w l e d g eo no p t i c s ，p h y s i c s ，m a t h e m a t i c s ，a u t o m a t i c sa n dc o m p u t e rs c i e n c e t h er e s e a r c hi n t e g r a t e se a c hc o u r s et og e n e r a t ean e wb r a n c hf o rv i s i o n t h ec o m p u t e rw i l lg e tt h ea b i l i t yo fs e n s e ，r e c o g n i t i o na n dd e c i s i o nf r o mt h ei n t e g r a t e d t h ep a p e rp r e s e n t sac o n c e p ta n da p p l i c a t i o ni nc o m p u t e rv i s i o nw i t hh i g hk n o w l e d g e i th a sa n a l y s e dt h ee x i s t i n gs t a t eo fc o m p u t e rv i s i o n ，c a u s e sa n dt h ed e m a n d so fd e v e l o p m e n ti nt h ef u t u r e e s p e c i a l l yi nt h ei m a g ep r o c e s s i n go fc o m p u t e rv i s i o n ，t h ep a p e ro r g a n i z e dt h eb a s i ck n o w l e d g eo fm e t h o d sa n dp r i n c i p l e so ni m a g ep r o c e s s i n g i ta l s og a v et h ee x p e r i e n c eo nd e s c d p t i o n ，c o n t e n t , a n dt h ed e t a i li nc o m p u t e rv i s i o no fi m a g ep r o c e s s i n g i tc a ni m p r e s ss t u d y i n gp e o p l ear e s u m ea n do u t l i n ea b o u tc o m p u t e rv i s i o n h e l p i n gh u m a nt ol e a r nt h ek n o w l e d g ea b o u tc o m p u t e rv i s i o n i no r d e rt os l o v et h ep r o b l e m so fs e l f - l e a r n i n ga n du n d e r s t a n d i n g ，c o m p u t e rv i s i o ns h o u l db ec o n s t r u c t e do nh i l g l lk n o w l e d g em o l d s t h ep a p e rp r e s e n t sam e t h o dw h i c hu s i n gt h ek n o w l e d g eo fi m a g es e m a n t i c sa n dt h e o r y t h es e m a n t i cc o n c e p tw a si n t r o d u c e dw i t hc o n n o t a t i o na n de v o l u t i o n t h i sd i s c u s si n c l u d e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh i 曲k n o w l e d g ea n ds e m a n t i c s ，l i n k i n g ，c a t e g o r y t h es u m m e r yi sab a s et ot h ew o r d s e m a n t i c s ”w h i c hw i l lb ef r e q u e n t l yu s e di nc o m p u t e rv i s i o n s e m a n t i c si sah i g hd e s c r i p t i o no fi m a g ea t t r i b u t e s t h ed e s c r i p t i o ni sah i e r a c h i c a ls t r u c t u r et h a tc o n t a i n st h r e el a y e r s t h i sc o n s t r u c t i o ne x t r a c t st h ei n f o r m a t i o nf r o mt h ei m a g ea t t r i b u t e s ，r e l a t i o no fo b j e c t si ns p a c ea n dh i 曲i n f o r m a t i o no fi m a g e af e a t u r ev e c t o rw h i c hb eu s e di nt h er e c o g n i t i o no fv i s i o nc a nb ee x t r a c t e df r o mt h et h r e el a y e r s t h i sv e c t o rw a su s e dt od e s c r i b ei m a g ei nh i g hk n o w l e d g e t h es e m a n t i c sp r e s e n t sr e l a t i o n sa n ds t r u c t u r e so fi m a g ea n ds p e c t r a l ，o b j e c ta n do b j e c t ，i m a g ea n ds e n s i b i l i t y t h er e l a t i o no fo b j e c t sr e f l e c t sl o c a t i o na n ds t a t e b u tt h ei m p r e s s i o nr e f e r st h ei m a g ei nt h es o c i e t y t h i sr e s e a r c hi st of m dt h er e a s o no ni m a g er e s e r v ea n dc o n d i t i o ni nh i 曲k n o w l e d g e s e e k i n gan e wf i e l dt os e r v et h es o c i e t yu s i n gt h er i c hi m a g er e s o u r c e t h i sr e s e a r c hi sa na d v a n c e da n dn e c e s s i t yf o rt h ei m a g ea p p l i c a t i o nu s i n gan e wi d e aa n de f f i c i e n tr e s u l t s i l l中南大学石跃祥博士学位论文t h es e m a n t i cd e f i n i t i o na n di t sc o n c e p t sh a v eb e e ng i v e ni nb e g i n n i n go ft h ep a p e r t h er e l a t e de v e n t sw i t hs e m a n t i c sa l s oh a v eb e e ni n t e r p r e t e d i m a g es e m a n t i c so f c o m p u t e rv i s i o ni st h em e a d so f c h a n g i n gt h er e c o g n i t i o nf r o mk n o w nt ob n k n o w ne n v i r o n m e n t t h ed e s c r i p t i o ni st h eo b j e c tt h a tp r o j e c t st ot h ec o m p u t e rv i s i o n c a m e r ai nd i r e c t i o n t h ed a t aw a se p u r a t e df r o ms e l e c t e do b j e c to ro b j e c t si ni m a g ea t t r i b u t e s t h e r ei sa ne i g e n v a l u et h a th a sb e e ne x t r a c t e db yt h ep r o j e c t i o no fv e c t o rs p a c e t h i sd i s c u s sm a i n l yc o n n e c t sw i t ht h eb a s i ca p p l i c a t i o n t h ed e s c r i p t i o nw a sf o r m e dl i k et h ep r o j e c t i o nf r o mi m a g ea t t r i b u t e s b o t t o mt oh i g hi n f o r m a t i o n t h ep r o j e c t i o ni st h es o l u t i o nt oh o wt os e l e c tt h ei m a g ea t t r i b u t e sa n dc o n s t r u c tt h es e m a n t i c s i no r d e rt or e a l i z et h i s ，t h es v mh a sb e e nu s e dt ob u i l dt h er e l a t i o nb e t w e e nt h ea t t r i b u t e sa n ds e n i o ri n f o r m a t i o n t h ep r i n c i p l ea n dm e t h o d so fg e n e r a t i o na l s oh a v eb e e nc o n s t r u c t e df o l l o w e db yt h e s ed e f i n i t i o n s t h i si st h eb a s i ct h e o r ys y s t e mo fc o m p u t e rv i s i o n i nt h ep a p e r , i ta l s og i v e st h er e l a t e ds o l u t i o n st h a th o wt ou s et h ec o n c e p t so fs e m a n t i c sa n dt h ed i g i t e dd e s c r i p t i o ni nt h ea p p l i c a t i o no fc o m p u t e rv i s i o n t h ee i g e n v a l u ew a sg i v e nt or e p r e s e n tt h es e m a n t i c st of e a t u r ev e c t o rs p a c e t h e r ea r en e c e s s a r yt oo f f e rt h ep a t t e r nr e c o g n i t i o na n dd a t a b a s e i no r d e rt od e s c r i b et h es e m a n t i c s ，t h es y m b o l ss t r i n g sw e r eu s e dt or e p r e s e n tt h ee i g e n v a l u ef r o ms e m a n t i cm o d e l s i nt h eo p e r a t i o n ，t h er e c o g n i t i o no fm o d e l sa n dd a t a b a s eh a v ea l s ob e e nd e f m e da n ds e t t l e d t h i sw o r ki su s e f u lt os o l v et h ep r e s e n t a t i o no fs e m a n t i c s ，c a t e g o r yo fc o n c e p t , m o d e l so fc o n c e p t ，p r o c e s sa n ds t e p s d a t ah a sb e e nm a n a g e di nd a t a b a s e t h ep a p e rp r e s e n t st h er e p r e s e n t a t i o no fs e m a n t i cm o d e l sa n ds e m a n t i c ss t r u c t u r e st oh e i g h t e nt h ee f f i c i e n c ya n dr e l i a b i l i t yo fi m a g es e m a n t i ca p p l i c a t i o n i ta l s os o l v e dt h ek e yq u e s t i o no fs e m a n t i c ss t o r a g ei nt h ec o m p u t e r t h ep r e s e n t a t i o ns h o w e dt h er e l a t e dc o m p l e xa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h es e m a n t i cm o d e l s ，s t r u c t u r eo fs e m a n t i cm o d e l sa n ds t r u c t u r eo fs e m a n t i cs t o r a g eh a v eb e e nc o n s t r u c t e di nh i 曲k n o w l e d g e t h es t r u c t u r eo fs t o r a g ew a sb u i l ti nc r o s sl i n k - l i s t t h i ss t r a t e g yc o m e sf r o mt h ea p p l i c a t i o na n dt h ec o n c e p t - s e l ft l cd e s c r i p t i o no f t h i r ds e c t sw a sp r e s e n t e di ne i g e n v a l u ea n dc h a r a c t e r s t h es t r u c t u r er e f l e c t st h ef e a t u r eo fs e m a n t i c s t h el i n k - l i s tc a ne a s yr e a l i z et h el i n k e do p e r a t i o na n ds e m a n t i co p e r a t i o nb e t w e e nd i f f e r e n ts e m a n t i c s t h ec r o s sl i n k 1 i s tc a np r e s e n tt h er e l a f i o na n dk n o w l e d g ee x p r e s s i o n t h i ss t o r a g es t r u c t u r eo f f e r sas t a g ef o rs e l f - s t u d ya n dr e f o r m t h er u l e so fs e m a n t i cg e n e r a t i o nw e r ec o n s t r u c t e df o rg e t t i n gs e m a n t i c s b a s e di va b s t r a c to nt h er u l e s ，g e n e r a t i n gas e m a n t i cj u s tl i k et oe x t r a c tt h ee i g e n v a l u ef r o mt h ef e a t u r et r e e t h es e m a n t i ct r e ei sc a l l e dd e s c r i p t i o no fm o d e l ( t d m ) t h ep r i o ro fd e p t ha n dc l u s t e r i n gw e r ec o n s i d e r e dt og e tt h es e m a n t i c sf r o mt h et d mh a sb e e ns u g g e s t e d t h et h r e s h o l dmi sa l s oc o n s i d e r e dt ou s ei nt h ec l u s t e r i n gt or e d u c en u m b e r so fe l e m e n t t h e s em a d et h ep r o c e s so f g e n e r a t i n gs e m a n t i c sc l e a ra n ds a m p l e t h i sw o r kh e l p sp e o p l et oa n a l y s ea n df r e de r r o r si nt h es e m a n t i c s t h es i m i l a rc o m p u t a t i o nh a sb e e nd e s i g n e dt oo f f e rt h ed e g r e ef o rt h eo b j e c ti ns e m a n t i cr e c o g n i t i o n t h ep a p e rp r e s e n t st h ek n o w l e d g eo p e r a t i o no fi m a g es e m a n t i cm o d e l st os o l v et h ep r o b l e m sw h i c hh o wt os h o wt h er e l a t i o nb e t w e e nt h es e m a n t i c s f r o mt h ec o n s t r u c t i o no fs e m a n t i ck n o w l e d g ea n df e a t u r ev e c t o r , t h es t r u c t u r ec a nb ed e f i n e da n dt ob eu s e di ns e m a n t i co p e r a t i o n i no r d e rt om a n a g ea n do p e r a t et h ek n o w l e d g es t r u c t u r e ，t h es e m a n t i cm o d e l sa n do p e r a t i o n sh a v eb e e nc l a s s i f i e d t h eo p e r a t i o nb n fs t r u c t u r eh a sa l s ob e e nd e f i n e d t h er e l a t e dd e g r e ec a l c u l a t e st h er e l a t i o na m o n gt h es e m a n t i cm o d e l s t h e r ea r et w ok i n d so fs e m a n t i ce x p e r i m e n t t h i ss t r a t e g yi st od i v i d et h es o l u t i o ni n t ot w op a r t s t h es e m a n t i cm o d e l sw e r ed e s i g n e dt ob r i d g ei m a g ea n dh i g hk n o w l e d g e t h es e m a n t i ca p p l i c a t i o nb e g a nw i t ht h es e m a n t i cm o d e l s t h e nt h ee x p e r i m e n tc o n s t r u c t e dt h ed e s e r i p t i o ni i l1 1 i g hk n o w l e d g eb a s e do nt h es e m a n t i cm o d e l s f r o mt h ee x p e r i m e n t ，t r a c ko fh u m a nm o t i o na n dt r a c ko fr o a da u t o m o b i l e ，t h er e s u l ts h o w e dt h et w ok i n d sw o u l db ee a s ya c c e p t e da n dr e a l i z e d t h er e s u l t sc o m p a r e dw i t l lt h a to fg e n e r a lm e t h o dt h a td i dn o tu s e dt h es e m a n t i cm o d e li sw o n d e r f u l b a s e do nt h ea b o v e ，t h eh j 【g hk n o w l e d g eo fs e m a n t i c sw a se f f i c i e n tt oc o n s t r u c te i g e n v a l u ei nt h ee m u l a t i o n a le x p e r i m e n t t h er e s u l t sp r e s e n tt h ei n n o v a t i v ea n da d v a n t a g e do f s e m a n t i ca p p l i c a t i o n b a s e do nt h es u m m a r y , t h e r ea r es o m er e s u l t sa n dp r e d i c t i o nf o rt h es e m a n t i c ss t u d ya n da p p l i c a t i o ni nt h ef u t u r e t h ep a p e rh a sc o n s t r u c t e da n da d d e ds o m ed e s e r i p t i o nf o rc o m p u t e rv i s i o ni nk n o w l e d g es t r u c t u r e t h i sp o i n ti st oa i mt h eh i 曲k n o w l e d g et os o l v es o m ep r o b l e m si ni m a g er e t r i e v a la n dr e c o g n i t i o ni nt h ec o m p u t e rv i s i o n t h i sw o r ki ss i g n i f i c a n c ei nt h e o r ya n da p p l i c a t i o n t h es t u d ye x p l o i t san e wd e s c r i p t i o nf o rc o m p u t e rv i s i o n k e yw o r d s ：i m a g es e m a n t i c s ，s e m a n t i cm o d e l s ，k n o w l e d g el i n kl i s t ，k n o w l e d g ec l u s t e r i n g ，i m a g ed e s c r i p t i o n v原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，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经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本研究所做的贡献均己在论文中作了明确的说明。作者签名：墨堕叠圣日期：丛年生月! l 日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。作者签名：i 三塑宣转师签名：竖日期：竺堑年月塑日第一章绪论第一章绪论在人类发展的历史长河中，图像和文字，作为一种载体，记录了生灵万物生存与进化的过程，由此而形成了丰富多彩的人类历史研究学科。人，主宰世界的精英，看世界中，无不是图像景象，创造社会的过程中产生了文字和图像的信息记载体，用来记载历史。但文字的演变往往源于图像，而一幅图像的含义信息量，往往有胜过千言万语之功效。俗话说“百闻不如一见”、“一目了然”，都反映了图像在传递信息中的独到之处，更不用说世界上的珍贵名画，它的价值往往就蕴藏在其寓意( 语义s e m a n t i c s ) 中。图像和文字，在人类文明发展的过程中，传承着信息和知识，构成人类意识领域的载体，对人类文明的发展，具有积极的作用；人类不仅使用文字，而且获取图像、描述图像、建造图像和使用图像，图像一词被人类广泛地使用、接受、信息传递与知识理解。1 9 4 6 年，第一台计算机诞生，人类便有了一个得力的帮手、有效的工具，为人类社会的进步与发展，写下了辉煌的篇章，人类长期以来，想造一个像人一样的机器，以便能够代替人去进行各种工作【1 】，在计算机技术发展日臻成熟的今天，计算机视觉成为了现实。人们如何利用计算机视觉去了解世界? 1 1 计算机视觉图像语义研究的背景、现状与意义1 1 1 图像描述方法与图像语义的研究背景随着中国国力的增强，太空探测已成为综合国力和高新技术展示和竞争的舞台。我国绕月探测工程目前已确定了四大科学目标：一、获取月球表面三维影像。划分月球表面的基本地貌和构造单元，初步编制月球地质与构造纲要图，为后续优选软着陆提供参考依据。二、分析月球表面有用元素含量和物质类型的分布特点。对月球表面有用元素进行探测，初步编制各元素的月面分布图。三、探测月壤特性。探测并评估月球表面月壤层的厚度、月壤中氦一3 的资源量。四、探测地月空间环境。记录原始太阳风数据，研究太阳活动对地月空间环境的影响。其中第一大科学目标就是月球表面的三维影像，它为后续的三大科学目标和月球车提供前提条件和可能，因此，在这样的环境中如何来描述图像及它们之间的关系，这需要有新的方法和手段。随着多媒体技术与网络技术的发展，图像数据的获取途径越来越广，图像信息数据有着极其广泛的应用领域，诸如在太空探索、生物医学”。3 6 7 3 和智能检索“1中南大学石跃祥博士学位论文研究等方面都有着诱人的应用前景，对于图像信息应用的研究，正成为计算机应用的一个热点。而在计算机应用研究领域中，对图像及图像数据的研究与应用，利用图像的特征信息来为人类服务，还没有达到人们期望的状态，特别是在航天、太空探索中更是极具开发与应用价值，如太空机器人计算机视觉、图像处理和识别等，人类认识太空、认识世界，几乎都是从探测器传回的图像着手研究的，也就是说从研究图像开始研究太空、研究世界，如火星探测器中各种“动物机器人”3 ，它们为人类的太空探索提供了宝贵的科学数据。目前，人们面临的问题不是媒体信息少了，而是面对海量的媒体信息、特别是视频图像信息如何处置的问题，在这些媒体信息中，图像信息所占据的份额是最大的，如何有效地描述图像、利用图像来为人类服务，这是图像处理研究领域所面对的机遇与挑战。计算机视觉如何被有效、广泛地使用图像数据来为社会服务，为宇宙探索、开发及生物医学研究领域服务，这是一项有着深远意义的人类发展与挑战的探索。数字图像处理技术起源于2 0 世纪2 0 年代，它采用了数字压缩技术，把一幅照片从英国伦敦传递到美国纽约 9 1 。2 0 世纪9 0 年代初，由于大规模图像集不断涌现，研究者们提出了基于内容的图像检索( c b i r ：c o n t e n tb a s e di m a g er e t r i e v a l ) ，在该研究中，c b i r 使用图像固有的低级信息：颜色、纹理、形状及区域等视觉特征 4 1 ，一些著名的图像检索系统，如i f i n d 5 1 ，q b i c f l 0 1 ，p h o t o b o o k 】，v i s u a l s e e k 12 】等均采用了基于内容的图像检索技术，各种方法都利用到了图像本身客观性质的特点。在上述方法的实现过程上，不大需要人为的解释与干预，其应用的自动化程度较高，虽然不象从前通过对图像进行手工注解或标注，然后利用文本关键字来实现检索的方法那样，效率提高了，但也不可避免的存在着准确性和主观性等问题。目前，在使用计算机的思维方式中，考虑问题、解决问题、描述问题等几乎全是使用文字或语言的形式来完成。从古至今，人们对于文字与字符的研究与应用，有着历史悠久的继承性和发展性，人们常用关键字的方法来表示某段或某篇文章的主要内容，使用这样一种方式具有简洁性、高效性和适应性，它是一种“以点代面”的描述方式，这是人类社会生存与发展的普遍性和通用性的原则，因此，计算机在图像处理的方式上，走过的发展历史，也是沿袭了这样的一条路。但是，在日常生活中，人接收外界信息中8 0 来自于图像信息“，也可以说，人们在美化生活与改造世界的过程中，绝大部分进入人类视觉中的还是真实的图像，但人们习惯用文字束描述图像，而没有直接用图像方式来表达所获取对象的含义。图像比文字在表达内容或含义上，更具优势，含有更丰富的语义“，而对于这个问题的研究，还没有达到文字在计算机中应用的水平。如果能解决好图像在计算机中知识结构和结构表达的问题、实现计算机视觉中图像信息处理和视觉功能，那2第一章绪论也就是说解决了人类接收信息中，图像信息在计算机中处理的部分难题。对图像识别与检索等问题的研究，目前人们利用得较多的方法有：( 1 )对图像加以文字关键字属性的技术“，这种方法存在的主要问题是在给定的文字属性上的定义与理解，最大的困难在于对图像说明的文字有多语义理解上的不一致性，也有增加了不同于图像含义的文字信息：( 2 )直截在图像上叠加文字信息“，然后利用文字识别技术在图像上直接进行文字识别，从而达到图像识别或检索的目的，或进行基于此方法的其他操作等，但它也具有文字描述多含义理解的毛病；( 3 )其它基于图像内容的方法还有颜色、形状“7 3 和纹理“”等方法，在图像特征描述和表达上有结构法“”、边集特征“”等各种方法，它们只能解决各自研究对象中局部的相关问题。这些年来，基于图像内容的识别与检索方法，有越来越多的研究人员开始和从事这方面的工作。”1 。在图像识别与检索中，如何利用图像对象的低级和高级信息，在这个问题的探讨上，有通过形成基于对象的点特征图谱来实现查找和检索的方法”“，而在此前的基于内容的图像检索中( c b i r ) ，基于颜色的方法较为常见”1 2 ”，大部分使用整体的颜色信息，也有部分使用颜色的分布细节”7 1 来实现检索功能的。而利用图像的高级信息来为检索服务的研究还刚起步，高级信息在基于内容的检索中，占有重要的地位，而现有利用图像高级信息的检索方法不多，需要从系统上、理论上全面地解决各种基础应用的问题，因此，目前图像信息使用的方法，其局限性会影响到图像识别与检索的广泛应用。现有基于图像内容的颜色、轮廓、纹理和边集等方法，在图像的模式识别与检索等应用中，都有了比较好的基础，但它们大都只利用了图像的底层特征，即图像的低级属性信息。从分析中也发现，在大量图像数据信息的管理、检索和智能识别等方面还显示出不足，如何解决好深层次的问题、解决好图像特征的描述与表达理念上问题，在原理上和方法上都得进行创新和进行新的探索。如何有效地解决图像特征信息提取与应用的问题，本文从方法上和原理上去发现新的模式，语义在描述高级的、抽象的图像信息上，有着无可比拟的优势，因此，如何利用图像的高级信息来为图像的描述表达、图像的应用服务，是一个诱人的研究领域。本文的主要应用背景是建立高速公路驾驶的信息提示与帮助系统，即车辆在获取相关图像信息的基础上，为车辆驾驶员提供车辆运行的驾驶信息，如限速提示、测距提示、出口提示及驾驶过程中的其它信息提示，远景目标是逐步达到车辆的无人驾驶或自动行驶，或较少干预驾驶的轻松中驾驶的方式，尝试一种新型的驾驶模式。中南人学石跃祥博士学位论文1 1 2 计算机视觉及图像语义模型描述研究的现状计算机视觉的研究中，图像处理系统是一个较为复杂的视觉应用。计算机视觉的目的是通过电子化地感知和理解图像复制人的类的视觉效果。这个过程不是一件容易的事，例如机器人在移动过程中，对所采集的图像进行分析、理解，选择最佳的行动方案；而对于对象的识别、记忆与理解，这对于机器人的知识积累与学习是至关重要的，而在这些操作中，能够使机器人达到这一目标的方法是让图像对象概念化、语义化和知识结构化，通过语义知识规则来实现机器人的知识学习与理解。机器人的视觉系统中的图像处理，通过c c d 摄像机采集图像，通过移动窗口来检测通道与障碍物。，实现机器人的移动。而对于机器人移动范围的估计，可通过一对图像来计算。1 ；在机器人图像处理系统中，视频伺服应用于机器人和计算机视觉中。1 ，而当对象不能准确描述其形状时，这个对象被假设为一个平滑的、不移动的物体，然后通过使用二维视觉伺服系统和基于三维参数的估算1 ，来检测未知形状的物体而给出一个接近的数据。在移动机器人中，如何对移动目标进行定位，利用连续的帧图像和运动估算技术、相对位置来获取目标的精确位置“。在机器人视觉系统中，利用获得的一对全方位的图像来标明地理位置的环境信息。，从而得到准确的位置估算；移动机器人，从感知数据中能自主地抽取稳定的视觉地标，适应光和依赖场景的变化而能够采取行动1 。机器人视觉的这些方法中，主要都通过检测等方法来实现机器人的移动操作，而在机器人对目标图像的学习、理解与记忆等技术方法的研究，没有进行相应的探讨。在近期的高级视觉技术的建立方面，开始出现了一些