（计算机应用技术专业论文）基于图像特征的虾病诊断系统中图像检索技术的研究.pdf

上海海洋人学颀上学位论文 基于图像特征的虾病诊断系统中图像检索技术的研究 摘要 近二十年来，在我国水产业获得迅猛发展的圊时，着实存在着令人担 忧的危机：鱼类病害频繁发生，生产管理水平低下，服务体系落后，经济 损失严重。为解决病害频繁发生丽领域专家缺乏的矛盾，减少病害带来的 经济损失，使水产动物疾病达到及时诊断、适时防治的效果，国内外许多 科研机构在对病害诊断与防治研究的基础上，研制开发了各种诊断专家系 统，利用这些专家系统，模仿人类专家对水产动物疾病进行异地诊断和防 治，很好地解决了专家缺乏的矛盾。 目前大多数鱼病专家系统，用户与系统交互时采用文字形式描述来选 择病鱼的墨检、镜检特征，但是瘸鱼的症状很难用文字准确描述且不网用 户对相同症状描述不一致，就会造成推理结果的差异性。所以，其理论成 果在实际推广中取得了定的效益，但应用效果都不是特别理想。总结其 根本原因，方面，在人机接口设计上，系统都只是要求用户将所观察到 的目检、镜检信息以特征选择方式，进行交互。然而，由于许多发病特征 很难用文字来准确描述其内容，而且不同程度的养殖用户对同一类病症的 描述不统一，造成推理结果的于差万别。另一方面，霹前大多数诊断系统 会构建微观镜检图像库、病症图像库，系统却只能根据用户选择的文字内 容搜索图像库，两无法通过带病图像的上传，根据提取出的图像特征进行 检索与匹配。 基于以上问题，本研究以经济类水产动物南美白对虾为研究对象，本 文在虾病诊断的网检阶段和镜检阶段为专家系统增加了基于病虾图像内容 的检索，用户除了给系统提供有关病虾的生长环境、病理特征等文字信息 之外，还可向系统提供病虾图像，系统在自动提取图像特征后，按照匹配 程度在标准虾瘸图像库中检索与瘸虾图像相似的标准虾病图像，反馈圈的 上海海洋人学硕上学位论文 相似图像集恰好提供了后续的推理范围，避免了其在整个特征库中进行盲 目诊断；而另一方面，它将被作为一种推理依据，将病虾的图像内容特征 和病理特征相结合来描述需诊断的新问题特征，同时在知识库中增加了虾 病图像特征内容，提出了结合图像特征的虾病案例推理专家系统，从而通 过多种依据来提高诊断的准确率。 本文的研究重点主要在于图像检索部分，即：将检索到的与上传图像 最相似的图像集提供给后续的推理模型，同时反馈给用户，以供用户查看 并参与到诊断中来。具体包括：病虾图像数据库的建立、病虾图像特征的 提取、基于图像特征及病理特征的检索模型和反馈机制。 首先，病虾图像数据库的建立及病虾图像分析；建立南美白对虾原体、 细菌、病毒的数字标准病虾图像数据库；分析病虾的图像特点，经归纳得 出，病虾图像的颜色、形状及纹理这三个特征可以很好地反映病变区域及 病变细胞的特点。 其次，病虾图像特征的提取：根据南美白对虾病变区域及病变细胞的 图像特点，建立相应的特征提取方法，提取出病虾图像颜色、形状及纹理 的特征，进而建立图像特征数据库和图像特征与病理特征相对应的索引方 法。同时，在病虾图像的形状特征提取中，提出了一种新颖的区域边界抽 出算法一病变区域边界提取算法，该算法只要对边界周围的象素点进行 8 一邻域探测，便可快速而高效的得到目标区域的整个轮廓。 然后，建立图像搜索机制：本研究主要是对用户上传的病虾图像从颜 色、形状、纹理三方面分别提取特征向量，并将图像特征( 颜色、形状及 纹理) 和病理特征的各特征值形成一个统一的综合特征向量进行图像检索。 然后，建立用户反馈机制：用户根据自己的需要对检索的结果进行评 价，评价的结果反馈给系统用以调整特征空间中各个特征的权重，在这里， 提出了基于虾病综合特征向量的特征权重自适应调整算法，使得特征空间 中各个特征的相对重要性更加符合用户的要求。 最后，给出了基于图像特征的虾病诊断系统中的系统架构，并分析了 图像检索模块的实现。 上海海洋人学硕上学位论文 通过实验分析及系统实现，充分证明，将图像特征加入到病理诊断的 推理模型中，比传统的基于文字的诊断有更高的准确性和快速性。 关键字病虾图像特征提取，基于综合特征的相似性度量，基于图像 特征的案例诊断，结合图像检索的专家系统 上海海洋人学硕上学位论文 r e s e a r c ho ni m a g er e t r i e v a lt e c h n o l o g yo fs h r i m p d i s e a s ed i a g n o s i ss y s t e mb a s e do ni m a g ef e a t u r e a b s t r a c t i nr e c e n t2 0y e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa q u a c u l t u r ei nc h i n a , t h e r ei saw o r r y i n gc r i s i sa tt h es a m et i m e ：f r e q u e n tf i s hd i s e a s e ，l o wl e v e l so f p r o d u c t i o nm a n a g e m e n t b a c k w a r ds e r v i c es y s t e r na n ds e r i o u sf a ? o n o m i cl o s s e s t os o l v et h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h ef r e q u e n to c c u r r e n c e , 。o fd i s e a s ea n dl a c k o fd o m a i ne x p c r t sa n dr e d u c ee c o n o m i cl o s s e sb r o u g h ta b o u tb yd i s e a s e s ，m a n y d o m e s t i ca n df o r e i g ns c i e n t i f i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n sh a v ed e v e l o p e dv a r i o u s k i n d so fd i a g n o s t i ce x p e r ts y s t e m so nt h eb a s i so fd i a g n o s i sa n dp r e v e n t i o no f d i s e a s es ot h a td i s e a s e so fa q u a t i ca n i m a l sc a nb ed i a g n o s e dt i m e l ya n d p r e v e n t e de f f e c t i v e l y ，w h i c hr e s o l v et h ep r o b l e ma b o u ts h o r to fe x p e r t s m a n yr e c e n ts t u d i e so nf i s hd i s e a s ed i a g n o s i se x p e r ts y s t e m sh a v ef o c u s e d o nh o wt ou s et h ec o n t e n t si n c l u d e di nt h ef i s hd i s e a s ei m a g e st om a k et h e e x p e r ts y s t e m sm o r ea c c u r a t ea n dr a p i d m o s tf i s hd i s e a s ee x p c r ts y s t e m sc a r r y o u tt h ed i a g n o s i si u s to nt h eb a s i so ft h ed e s c r i p t i o nf r o mt h eu s e r s o b s e r v a t i o n o rt h ef e a t u r e so ft h es i c kf i s hi n s p c c t e db ym i c r o s c o p e t h es y m p t o r e so ff i s h d i s e a s ea r et o od i f f i c u l tt ob ed e s c r i b e da c c u r a t e l yw i t ht e x tb a s e d ；a l s o ， d i f f e r e n tu s e r sw i l li n p u td i f 托r e n td e s c r i p t i o no ft h es a m es y m p t o m s w h i c hl e a d t od i f f e r e n c ea n di n a c c u r a c yo fr e a s o n i n gr e s u l t s t h ef u n d a m e n t a lr e a s o n sc a n b es u m m a r i z e da st h ef o l l o w i n g o nt h eo n eh a n d ，w i t hr e g a r dt ot h eu s e r i n t e r f a c e t h es y s t e mo n l yp r o v i d e sf o r ma ss e l e c t i o nf o ru s e r st od e s c r i b et h e f e a t u r e sw h i c ha r eo b s e r v e db ye y e so rm i c r o s c o p e h o w e v e r , t h es y m p t o m so f f i s hd i s e a s ea r et o od i f f i c u l tt ob ed e s c r i b e da c c u r a t e l yw i t ht e x t ，m o r e o v e r ， d i f f e r e n tl e v e l so fu s e r sw i l lp r o v i d eu n i f i e dd e s c r i p t i o no ft h es a m es y m p t o m ， w h i c hl e a dt od i f f e r e n c ea n di n a c c u r a c yo fr e a s o n i n gr e s u l t s o nt h eo t h e rh a n d , a l t h o u g hm o s to ft h ed i a g n o s i se x p e r ts y s t e mw i l l s e t u pm i c r o s c o p i c e x a m i n a t i o ni m a g el i b r a r ya n dt h ed i s e a s ei m a g el i b r a r y , t h e yd ot h ei m a g e r e t r i e v a li u s ta c c o r d i n gt ot h et e x tw h i c hi ss e l e c t e db yu s e r sw h i l ec a nn o td o t h er e t r i e v a la n dm a t c h i n ga c c o r d i n gt ot h ei m a g ef e a t u r e sw h i c ha r ee x t r a c t e d f r o mt h eu p l o a di m a g e s c o n s i d e r i n ga b o v ep r o b l e m s ，d u r i n gt h ep h a s eo fv i s u a li n s p e c t i o na n dt h e m i c r o s c o p i ce x a m i n a t i o n ，t h i sp a p e rw h o s er e s e a r c ho b j e c tw a so n ek i n do ft h e e c o n o m i ca q u a t i cl i v e s t o c l 【一p e n a e u sv a n n a m e im a d et h e t e c h n o l o g yo f c o n t e n t b a s e di m a g er e t r i e v a la c to nt h ee x p e r ts y s t e m b e s i d e st h ei n f o r m a t i o n o fg r o w i n ge n v i r o n m e n to ft h es i c kp e n a e u sv a n n a m e ia n di t sp a t h o l o g i c a l f e a t u r e si n p u t t e db yu s e r s t h ei m a g e so ft h es i c kp e n a e u sv a n n a m e ia l s on e e dt o 上海海洋人学硕上学位论文 b ep r o v i d e d ( m a i n l yr e f e r r i n gt od i g i t a li m a g e so fi t sd i s e a s e dc e l lo rs l i c e s o b t a i n e db ym i c r o s c o p e ) t h e na f t e re x t r a c t i n gt h ei m a g ef e a t u r e sf r o mt h e d i s e a s e di m a g e s ，t h es y s t e mw o u l dr e t r i e v et h es t a n d a r dp e n a e u sv a n n a m e i d i s e a s e di m a g e sw h i c hw e r em o s ts i m i l a rt ow h a tt h eu s e rs u p p l i e d o no n e h a n d ，t h em o s ts i m i l a ri m a g es e tw o u l dp r o v i d et h er e a s o n i n gs c o p ef o rt h e s u b s e q u e n td i a g n o s i st oa v o i db l i n dd i a g n o s i si nt h ew h o l ef e a t u r ed a t a b a s e o n t h eo t h e rh a n d , v i e w e da st h er e a s o n i n gc o n d i t i o n , t h e yc o u l dd e s c r i b et h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h er e q u i r e dd i a g n o s i sp r o b l e mb yc o m b i n i n gi m a g ef e a t u r e s a n dp a t h o l o g i c a lf e a t u r e ss ot h a tt h ec o n t e n t sa b o u td i s e a s e di m a g ef e a t u r e s c o u l db ea d d e di n t ok n o w l e d g ed a t a b a s e ，w h i c hp r o p o s e dt os e tu pt h ec a s e r e a s o n i n ge x p e r ts y s t e mb a s e do ni m a g ef e a t u r e so ft h es i c kp e n a e u sv a r m a m e i a n dt h e r e b ye l e v a t et h ev e r a c i t yt h r o u g hm u l t i p l ee v i d e n c e n i ss t u d yf o c u s e dm a i n l yi ni m a g er e t r i e v a l ，n a m e l y ：t op r o v i d et h ei m a g e s e tw h i c hi st h em o s ts i m i l a rt ow h a tt h eu s e ru p l o a d e df o rb o t ht h es u b s e q u e n t r e a s o n i n gm o d e la n dt h eu s e r i ti n c l u d e dt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ：t oe s t a b l i s ht h e d a t a b a s ea b o u td i s e a s e di m a g e so fp e n a e u sv a n n a m e i ，t oe x t r a c td i s e a s e di m a g e f e a t u r e so fp e n a e u sv a n n a m e i ，t os e tu pt h er e t r i e v a lm o d e la n df e e d b a c k m e c h a n i s mb a s e do ni m a g ef e a t u r e sa n dp a t h o l o g i c a lf e a t u r e s f i r s t l y ，e s t a b l i s ht h ei m a g ed a t a b a s ea n da n a l y z ed i s e a s e di m a g e so f p e n a e u sv a n n a m e i t h ei m a g ed a t a b a s ea b o u tp e n a e u sv a n n a m e i , b a c t e r i aa n d v i r u s e sw a se s t a b l i s h e d m e a n w h i l e ，a f t e ra n a l y z i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so f d i s e a s e di m a g e s ，i tc o u l db ec o n c l u d e dt h a t ，t h ec o l o r , s h a p ea n dt e x t u r ef e a t u r e s e x t r a c t e df r o md i s e a s ei m a g e sc a nw e l lr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i s e a s e d r e g i o na n dc e l l s e c o n d l y ，e x t r a c td i s e a s e di m a g ef e a t u r e so fp e n a e u sv a n n a m e i ：t h e s u i t a b l ee x t r a c t i o nm e t h o d sw e r ep r o p o s e da c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i e so ft h e p e n a e u sv a n n a m e ii m a g e so fd i s e a s e dr e g i o na n dc e l l t h e nt h ec o l o r , s h a p ea n d t e x t u r ef e a t u r e so fd i s e a s e di m a g e sw e r ee x t r a c t e db yt h e s em e t h o d sa n dt h e n i m a g ef e a t u r ed a t a b a s ea n dt h ei n d e xm e t h o db e t w e e ni m a g ef e a t u r e sa n d p a t h o l o g yf e a t u r e sw e r ee s t a b l i s h e d w i t hr e g a r dt ot h ee x t r a c t i o no fs h a p e f e a t u r e s ，a i m i n ga tt h eb i n a r yi m a g e ，t h i sp a p e rp r o p o s e dan o v e la l g o r i t h m ， n a m e db o u n d a r ye x t r a c t i o no fd i s e a s e dr e g i o n ( b e d r ) ，t oe x t r a c tt h eb o u n d a r y o fd i s e a s e dr e g i o n b e d rw a sd i f f e r e n tf r o mv a r i o u sg r a d i e n to p e r a t o r so r e x p r e s s i o no fc h a i nc o d e s i to n l yn e e d e dt od e t e c t8 s i t en e i g h b o r h o o d so ft h e p o i n t sa r o u n dt h eb o u n d a r yo fo b j e c tr e g i o ni n s t e a do fs c a n n i n ge a c hp i x e lo f t h ew h o l ei m a g eo n eb yo n e ，w h i c hw a sa b l et og e tt h ew h o l eb o u n d a r yo f o b e c tf a s t e ra n dm o r ee 伍c i e n t l y t h i r d l y ，e s t a b l i s hi m a g er e t r i e v a lm e c h a n i s m s t h i sp a p e ri sa i mt oe x e c u t e t h ef e a t u r e - e x t r a c t i o nf r o ms h a p e ，c o l o ra n dt e x t u r ef o rt h ei m a g e so ft h es i c k p e n a e u sv a n n a m e ip r o v i d e db yu s e r sa n ds y n t h e s i z ee a c hf e a t u r ev a l u e s i n c l u d i n gi m a g ef e a t u r e sa n dp a t h o l o g yf e a t u r e si n p u t t e db yu s e r st oo n ef i n a l u n i f i e df e a t u r e f o u r t h l y ，e s t a b l i s h u s e rf e e d b a c k m e c h a n i s m a c c o r d i n gt o u s e r s 上海海洋人学硕上学位论文 r e q u i r e m e n t ，t h e yg i v et h ee v a l u a t i o nt ot h er e t r i e v a lr e s u l t sw h i c hw o u l db e f e e db a c kt ot h es y s t e m st oa d j u s tt h ew e i g h to fe a c hf e a t u r ei nt h ef e a t u r es p a c e h e r e ，t h i sp a p e rp r o p o s e dan o v e la l g o r i t h m ，n a m e da d a p t i v ea d j u s t m e n to f f e a t u r ew e i g h tb a s e do nu n i f i e df e a t u r ev e c t o ro fd i s e a s e dp e n a e u sv a n n a m e i ， w h i c hm a d et h er e l a t i v ei m p o r t a n c eo fe a c hf e a t u r em o r es a t i s f yt h eu s e r s r e q u i r e m e n t s f i n a l l y , t h ep a p e rg i v e so u tt h ea r c h i t e c t u r eo fs h r i m pd i s e a s ed i a g n o s i s s y s t e mb a s e do nt h ei m a g ef e a t u r ea n da n a l y z e st h ei m p l e m e n to ft h ei m a g e r e t r i e v a lm o d u l e n ee x p e r i m e n ta n a l y s i sa n dt h ec o m p l e m e n to fs y s t e mf u l l yp r o v e dt h a t t h er e a s o n i n ga n dd i a g n o s i sm o d e lw i t ht h ei m a g ef e a t u r e sh a sh i g h e ra c c u r a c y a n ds p e e dt h a nt r a d i t i o n a ld i a g n o s i sb a s e do nt e x t k e y w o r d s ：f e a t u r ee x t r a c t i o nf r o md i s e a s e di m a g eo fp e n a e u sv a n n a m e i ，i m a g e r e t r i e v a lb a s e do nc a s er e a s o n i n g , s i m i l a r i t yo nu n i f i e df e a t u r e ，e x p e r ts y s t e m w i t hi m a g er e t r i e v a l 上海海洋大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的 学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的 成果。除文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为 本人亲自撰写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法 律结果由本人承担。 学位论文作者签名：粞四 日期：如罗年月廖日j 上海海洋大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和电子版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海海洋大学可 以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和、汇编本学位论 文。 保密 本学位论文属于 不保密 口 ，在年解密后适用本版权书。 学位论文作者签名茅峦唧 日期：如9 年月馏日 指导教师签名： 日期：) 啦年易 上海海洋人学硕上学位论文 第一章引言 1 1 水产动物疾病诊断专家系统研究现状 1 1 1 水产动物疾病诊断专家系统的研究背景 我国是一个有着9 亿人口的农业大国，农业的成败关系到国家的命运。为了 实现农业现代化，运用现代科技手段大力发展农业，提高农产品的科技含量是我 国农业发展的一个必然趋势。 淡水养殖业一直是我国一些地区农业生产的支柱产业，也是当地农民增收的 主要手段。尤其是近年来，我国的淡水养殖正在以超常的速度发展，产量大约占 到了养殖业总产量的7 0 以上。但是在淡水渔业迅速发展的同时，养殖鱼害的流 行也日趋严重，2 0 0 2 年全国水产养殖病害种类多达1 8 5 种，造成的直接经济损失 达1 4 1 亿元。水产养殖病害公报显示：2 0 0 3 年仅陕西省因水产病害造成的经济损 失达1 6 2 5 万元，比2 0 0 2 年增长5 2 。 所以，近2 0 年来，在我国水产业获得迅猛发展的同时，着实存在着令人担忧 的危机：鱼类病害频繁发生，生产管理水平低下，服务体系落后，经济损失严重。 据不完全统计，目前危害水产养殖生物的病害已达4 0 卜5 0 0 种，全国每年水产养 殖病害发病率达5 0 以上，损失率2 0 左右，由病害造成的直接经济损失达百亿元 之多。病害的发生还引起水产品质量下降、食品安全性降低、渔业水域环境恶化、 功能退化和生态失衡等问题，已成为制约水产养殖业向深度和广度发展的主要因 素之一。目前，我国水产动物疾病诊疗专家比较缺乏，加上农民的科技素质较低， 对水产动物发病的规律认识不够，因此，不能科学地监测、预防、诊治鱼病；另 一方面，养殖户比较分散，养殖人员技术水平低下。因而，在水产动物疾病诊断 与防治过程中，常常由于现场缺乏专家或专家到场不及时造成损失，形成了领域 专家知识的供给和生产需求之间的传播瓶颈，制约了渔业工厂化养殖健康有序的 发展。 为解决病害频繁发生而领域专家缺乏的矛盾，减少病害带来的经济损失，使 水产动物疾病达到及时诊断、适时防治的效果，国内外许多科研机构在对病害诊 断与防治研究的基础上，借助于先进的科技产品和信息技术，研制开发了各种诊 断专家系统，利用这些专家系统，模仿人类专家对水产动物疾病进行异地诊断和 防治，很好的解决了专家缺乏的矛盾。 上海海洋人学硕上学位论文 1 1 2 水产动物疾病诊断专家系统研究现状分析 目前，在农作物病虫害的防治、诊断专家系统的研究上，已经建立了一些像 果树病虫害诊断专家系统、棉花病虫害专家系统等用于指导农民进行病虫害防治 和预报的系统，使病虫害的防治实时、高效，在我国农业生产中发挥了重要的贡 献。而在国外，一些科学技术发达的国家相继开发了一些农作物的病虫害预测、 预报系统，其水产动物的病情预报，特别是水产品药物残留检测、水产品的食品 安全检测等智能技术非常高。 在这里，关于水产动物疾病诊疗专家系统中，以鱼病诊断专家系统为例。关 于鱼病诊断专家系统，国内外学者采用不同方法进行了研究。1 9 9 5 年，罗马利亚 加拉茨大学等水产业、计算机、疾病病理学方面的专家组成一个研究小组研制了 世界上第一个鱼病诊断专家系统：2 0 0 0 年，以色列采用模糊逻辑和规则推理相结 合的方法开发了一套运行于单p c 机的鱼病诊断专家系统。而在国内，1 9 9 7 年， 集美大学采用基于规则的反向推理研究了鱼病诊断专家系统中的推理过程。2 0 0 0 年中国农业大学设计开发的鱼病诊断专家系统n ，是基于分布式网络体系的鱼病诊 断专家系统，诊断流程为“现场调查+ 目检+ 深层次判断+ 镜检 ，具有网络化、可 视化和智能化的特点；2 0 0 4 年天津农学院、天津农科院和中国农业大学市校合作 项目课题组开发的鱼病诊断专家系统圆，系统要求用户提供以文字形式表示的病 鱼特征和生长环境等信息；2 0 0 5 年孙学岩提出在专家系统中增加基于鱼病图像内 容的诊断，但没有与专家系统进行结合，仅研究了基于内容的鱼病图像检索算法 【3 】 o 但是目前大多数鱼病专家系统，用户与系统交互时，采用文字形式描述来选 择病鱼的目检、镜检特征，但是病鱼的症状很难用文字准确描述且不同用户对相 同症状描述不一致，就会造成推理结果的差异性。有些鱼病诊断专家系统，例如 “网络化的鱼病诊断专家系统 4 ，构建了病鱼镜检图像库和病鱼症状图像库，图 像库每副图片配有文字描述，推理时依据病鱼的症状图片特征。它的图像检索是 基于文字的检索，且需要用户自行翻看图像库中的鱼病图片，选择与当前症状类 似的图片，从而得得出诊断结果。这种方式虽然增加了基于图像的诊断，但基于 文字信息的图像检索有很多的弊端；另一方面，它虽然使用户参与到决策当中， 但如果用户没有相关鱼病知识就很难选择出最准确的最相似的鱼病症状图片，进 而影响到最终的诊断结果和防治方法。且用户从大量的图像中自行选择相似图片， 是一种不小的负担。 1 2 基于图像特征的虾病诊断系统的提出及研究意义 我国现有的水产动物疾病诊疗专家系统大多要求养殖人员以文字方式提供病 鱼的体征、病鱼的生长环境等信息，这样专家系统知识的获取就会因知识提供人 员而异，从而影响诊断的准确率。 所以，综观上述研究，其理论成果在实际推广中取得了一定的效益，但应用 效果都不是特别理想。总结其根本原因，一方面，在人机接口设计上，系统都只 是要求用户将所观察到的目检、镜检信息以特征选择方式，进行交互。然而，由 2 上海海洋人学硕上学位论文 于许多发病特征很难用文字来准确描述其内容，而且不同程度的养殖用户对同一 类病症的描述不统一，造成推理结果的千差万别。另一方面，目前大多数诊断系 统会构建微观镜检图像库、病症图像库，系统却只能根据用户选择的文字内容搜 索图像库，而无法通过带病图像的上传，根据提取出的图像特征进行检索与匹配。 基于内容的图像检索技术( c b i r ) 一直以来在生物信息领域受到广泛的研究， 特别是在人类的远程医疗诊断、蛋白质数据库的建立，医疗保健等领域的研究非 常活跃。但在我们这样一个渔业产量占全世界第一位的渔业大国，对水生动物的 疾病防治、诊疗还停留在非常原始的方法上。所以，像这样的基于图像技术的智 能疾病诊疗系统在水产业还没有相关的报导。至于在国内，渔业信息化工作还刚 刚起步，虽然近年来，通过有关项目收集了一些公开和未公开发表的文献资料， 在利用信息技术进行病情发布、信息交流等方面做了一些工作，但是系统的指导 水产动物疾病的防治、诊断、监测、预防预报和控制的高效系统还没有建立起来。 基于以上问题，本研究则是希望在专家系统中增加基于内容的诊断功能，即： 本文在诊断的目检阶段和镜检阶段为专家系统增加了基于病虾图像内容的诊断， 用户除了给系统提供有关病虾的生长环境、病理特征等文字信息之外，还可向系 统提供病虾图片。养殖人员只要在线提供病虾的图像( 主要指数字显微镜获取的 细胞图或切片图) ，则专家系统就可以在标准虾病图像数据库中进行检索，按照标 准虾病图像和养殖人员提供图像的匹配程度依次显示匹配到的标准虾病图像，养 殖人员通过查看最相似的几幅标准虾病图像来获得虾病的信息。通过多种手段来 帮助提供诊断的准确率。 本课题是以经济类水产动物南美白对虾为研究对象，作为世界上养殖虾类产 量最高的三大种类之一，因其产量高，个体大，在国内外市场上供不应求，养殖 利润相当可观。随着规范性、完整性的水产动植物病原库建立、各种流行疾病库、 图像识别、人工智能等信息技术的发展、以及计算机软硬件设备、多媒体技术、 网络技术的飞速发展，建立一个集水生动物的病害防治、诊断公共信息系统已成 为可能。建立这样一套基于图像特征的即时网上诊断专家系统，无疑对水产动物 疾病的快速诊疗、流行病的防治等都具有非常重要的意义。近期内，可在虾病检 测以及病虾识别系统的开发研究中体现其的研究价值；长远看，基于图像特征的 识别技术在专家系统中的应用也相当广泛。该系统的建立，对我国水产科学具有 极高的实用价值和理论意义，既便于管理、查询，为水产科学工作者和生产者全 面了解相关物种的病原特性，又对水产动物的病害防治起到指导作用，为建立无 公害水产品体系，保障我国水产品的食品安全起到重要的作用。因此，本项目的 研究具有一定的理论与现实意义。 1 3 本研究的主要工作 本系统利用农业部水产动植物病原库中的各种资料和各种研究方向建立起一 个基于图像检索技术的专家系统，使疾病的防治及时化，可预防化，推进水产动 物的疾病防治的最新技术。本研究主要完成以下几个方面的工作： 首先，图像数据库的建立及病虾图像分析：建立南美白对虾原体、细菌、病 毒的数字标准病虾图像数据库，将该虾的病原、病因、特征、诊疗等数字化，方 便各类甩户和研究人员查询和分析：分析病虾的图像特点，经归纳得出，病虾图 3 上海海洋人学硕上学位论文 像的颜色、形状及纹理这三个特征可以很好地反映病变区域及病变细胞的特点。 接着，图像预处理：由于本研究所需处理的图像是在数字显微镜中获取得到 的背景、目标均简单的图像，因此相应的处理也简化了，采用类判别分析法寻找 阈值，得到上传图像的二值化图像及只包含目标区域的r g b 图，以供特征提取时 使用。 然后，图像特征的提取：根据南美白对虾病变区域及病变细胞的图像特点， 建立相应的特征提取方法，提取出虾病图像的颜色、形状及纹理特征，进而建立 图像特征数据库和图像特征与病理特征相对应的索引方法。同时，在病虾图像的 形状特征提取中，提出了一种新颖的区域边界抽出算法病变区域边界提取算 法，该算法只要对边界周围的象素点进行8 一邻域探测，便可快速而高效的得到目 标区域的整个轮廓。 之后，建立图像搜索机制：本研究主要是对用户上传的病虾图像从颜色、形 状、纹理三方面分别提取特征向量，并将图像特征( 颜色、形状及纹理) 和病理 特征的各特征值形成一个统一的综合特征向量。此综合的特征向量一方面与图像 特征库进行相似性度量，反馈回的相似图像集恰好提供了后续的推理范围，避免 了其在整个特征库中进行盲目诊断；而另一方面，它将被作为一种推理依据，参 与到之后的诊断模型中。 最后，建立用户反馈机制：用户根据自己的需要对检索的结果进行评价，评 价的结果反馈给系统用以调整特征空间中各个特征的权重，在这里，提出了基于 病虾综合特征向量的特征权重自适应调整算法，使特征空间中各特征的相对重要 性更加符合用户的要求。 4 上海海洋人学颀j j 学位论文 第二章南美白对虾病虾图像的特征研究 2 1 基于内容的图像检索系统的基本原理 对于基于特征的图像检索系统，其实现原理的整个过程符合经典的检索模型 ( 如图2 - 1 ) ，该模型主要是从信息检索的角度出发构建的，主要有用户界面、特 征标引( 基于特征的标引) 、索引过滤、匹配引擎构成。 图2 - 1 基于内容( 特征) 的图像检索模型 f i g u r e 2 1 c o n t e n t - b a s e di m a g er e t r i e v a lm o d a l 用户界面为用户提供多样的查询手段，以支持用户根据不同应用进行各种类 型的查询工作，进而把用户需求性“操作命令”传递给系统内部的匹配引擎模块。 匹配引擎主要根据“用户界面”传输来的用户命令在图像库及其索引库、特 征元数据库中搜索所需内容的图像。首先根据系统的约定把用户的检索命令“翻 译”成系统可以理解和接受、处理的内部语言，然后在图像库及其索引库、特征 元数据库中搜索所需内容的图像，接着根据匹配的结果在图像数据库中定位“匹 配”图像，并在内容匹配的基础上将图像数据库中所有满足给定要求条件的图像 自动地提取出来返给用户界面。 模型的另外两个重要模块是特征的提取标引模块，及索引、过滤模块。特征 提取标引模块是直接加工图像资源的操作者，根据有关算法对图像资源加工处理， 抽取有关特征并标引，在此基础上通过索引、过滤模块的“再加工”构建规范化 的图像资源库、特征信息库及其索引数据库。 在模型中，基于内容的图像检索有三个关键：首先要选择合适的图像特征， 其次要采取有效的特征提取算法，再者要有准确的特征匹配算法。其中特征提取 算法、特征匹配算法最为重要和关键，图像内容特征的选定需要二二者良好的支持 上海海洋人学硕上学位论文 才可以实现系统的高效。 2 2 基于内容的图像检索技术现状 图像资源搜索研究工作在2 0 世纪7 0 年代已经初步开展，当时所采用的主要 方法是基于关键词( k e y w o r d ) 或描述性文本( 表示图像的客观属性) 的检索方式， 即首先用能够揭示图像内容、特征、属性等的关键词构建数据库系统，然后实现 基于数据库管理系统的图像检索。如抽取图像作者、标题、创作时间、内容描述、 内容表征等词汇作为描述图像资源的关键词，查询时需要指明文本特征，然后在 此基础上查询符合需要的特定资源。该方法要求用户对文本特征的描述具有一定 的规范性和正确性，或者是与上