（计算机应用技术专业论文）基于内容的鱼病图像检索算法研究与实现.pdf

攘要 本文以鱼癍魁像为对象，研究了剥删基于出客熬型缘检索技术进舒姻像捡索 l 勺基戳理论乖| 删一 般方法，结合计算机图像处理技术、模式识别、机器视觉技术。建立了利用基于内容的图像检索 技术的鱼瘸豳像检索演示系统。 目前用于基于内容检索的技术主要集中在图像中目标的特征上。这蝗特征盎要是描目标的颜 色、纹理、澎状或它们的缎台。继合鱼痰鞠豫鲍实际，本文研究筹实现了用形状特征、颜色特征 和纹理特征分别进彳j ：基于内容的图像检索方法。既考虑了图像的统计特征，又考虑了鞠像的空间 分布特征。 本研究在鱼病圈像形状特征的提取上，采用了创新的算法，提高了处理速度。有利于计算机 图像的实对处理和检索。掇握鱼瘸图像当中垒体的规则能步 形，本文采用由鱼体轮廓线赝包围的 六个角的虚数作为形状特禚，再缩合鱼体的长宽眈、鱼体鱼尾的比值菸8 个特征值来表示鱼瘸豳 像当中目标的形状特征。 本研究采用h i s 颜色空间，分别提取了鱼病圈像h ( 色度) 、s ( 亮度) 、i ( 饱和度) 的均倦、 方麓、谊度、峰度、能量嚣为图像颜色特援值。浆用灰魔共生蜒阵的方法来提取和表达鱼病凰像 的纹理特征，充分釉用了惫病图像的纹理中灰度分布的性质，掇散了反差、能激、熵和相关4 个 特镊值表征图像的纹理特征。 用v i s u a lc + + 6 0 实现了基于内容的熊病图像检索演示系统。 关键词：基于内容检索，纹理特征，形状特征，颜色特征 a b s t r a c t t a k i n gi l l f i s hi m a g ea sas p e c i f i cs l u d yo b j e c t ，t h ef u n d a m e n t a lt h e o r ya n dp r a c t i c a b l em e t h o do f c o n t e n tb a s e di m a g er e t r i e v a lh a sb e e ns t u d i e d c o m b i n i n gd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt e c h n i q u e ，p a t t e r n r e c o g n i t i o na n d m a c h i n ev i s i o nt e c h n i q u e ，ad e m os y s t e mh a db e e np r e s e n t e du s i n gt h et e c h n i q u eo f c o n t e n tb a s e di m a g er e t r i e v a l ， a tt h ep r e s e n tt i m et h eu s i n gt h et e c h n i q u eo fc o n t e n tb a s e di m a g er e t r i e v a li sm a i n l yf o c u s e do nt h e f e a t u r e so ft h et a r g e ti nt h ei m a g e t h ef e a t u r e si n c l u d et h ec o l o ro ft h et a r g e t ，t h et e x t u r eo ft h et a r g e t ， t h es h a p eo ft h et a r g e ta n dt h e i rc o m b i n a t i o n c o n s i d e r i n gt h ef a c to ft h ei l lf i s hi m a g e ，t h ep a p e r r e s e a r c h e da n dp r e s e n t e dt h ea l g o r i t h mo fc o n t e n tb a s e di m a g er e t r i e v a lt h a tw a sa c c o r d i n gt ot h e r e p r e s e n ts h a p e ，c o l o ro rv e i ni ni m a g e t h i sm e t h o dc a ne i t h e rp r e s e n ts t a t i s t i c a lf e a t u r e so rs p a t i a l 瓤f o r m a t i o nl nt h ei m a g e + an e wa l g o r i t h mw a sp r e s e n t e dt og a i nt h es h a p ef e a t u r eo ft h ei m a g ei nt h ep a p e r ，t h en e wa l g o r i t h m c a l lg r e a t l yi m p r o v er e t r i e v a le f f i c i e n c y t h ep a p e ru s e ds i xa n g l eo ft h ef i s hb o d ya n dt h et w or a t i oa s t h es h a p ee i g e n v a l u e t h i sr e t r i e v a lw a st h em a i nr e t r i e v a lm e t h o do ft h ed e m os y s t e m b a s e do nt h eh i sc o l o rm o d e l ，t h ep a p e rs e l e c t e df i v ec o l o re i g e n v a t u e ( k u r t o s i s , e n e r g y ) u s i n gg r e y l e v e lc o 删l t e n c em a t r i x ，p i c k e du pc o n , a s m , e n ta n dc o ra st h ev e i ne i g e n v a l u e i nt h ew i n d o w sx pe n v i r o n m e n t ，t h ei m a g er e t r i e v a ld e m os y s t e m ，w h i c hi sb a s e do nt h ei m a g e c h a r a c t e r i s t i c a 碥i m p l e m e n t e dw i t hv i s u a lc + + 6 0 k e yw o r d s ：c o n t e n tb a s e di m a g er e t r i e v a l ，c o l o rf e a t u r e ，t e x t u r ef e a t u r e ，s h a p ef e a t u r e 目录 图1 1 丛于内容的图像归档与检索流程幽7 图1 2 基于内容的图像检索系统结构图8 图2 1 鱼病原始图像、灰度图像和灰度直方图1 3 图2 2 边缘灰度变化与导数1 3 图2 4f r e e m a n 链码示意图1 6 图2 6 像素三邻域图1 7 图2 7 像素三邻域求和图1 8 图2 1 1 鱼病图像的边界和拟合出的多边形边缘2 1 图3 1h i s 颜色空间色环和柱形彩色空间。2 5 图3 2r g b 颜色空间直方图。2 6 图5 1 系统结构图3 8 图5 2 演示系统检索流程图3 9 图5 3 演示系统启动界面4 4 图5 4 菜单布置图1 4 5 图5 5 菜单布置图2 4 5 图5 6 菜单布置图3 4 5 图5 7 待检索鱼病图像4 6 图5 8 提取颜色特征对话框4 6 图5 9 提取纹理特征对话框4 7 图5 1 0 提取形状特征对话框4 7 图5 1 1 基于颜色检索结果4 8 图5 1 2 基于纹理检索结果4 8 图5 一】3 基于形状检索结果4 8 独创性声明 本人声明所星交的论文怒我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 采。尽我j 舞稚，滁了文中特嗣嬲良标注和致 鸯| 懿蕺方矫，论文中不包窘萁谴久已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的强何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究嫩签名；彦l 、哞癌时阃： 砑年二月，箩曰 关于论文使用授权的说明 本人究全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即；学校有权保留 送交论文瓣复印传耪磁盘，兔许论文被套阗鞠诺阕，可戳采震影印、缝印或孳置搓等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不问媒体上发表、 传播学位论文的全部或部劳内容。 ( 保密的学做论文捷解密后应遵守此协议) 研究生签名：灭l 、时问： ) 堪年z 月i 扩日 剥稚辄叩旋 嗍：m “卧彤 t 引嚏农疆天学赣1 学静论叠端季绻造 第一耄绪论 1 ，1 | 司题的提出和磷究意义 我国是一个裔着9 亿人口的农业大网，农业的成败关系到国家的命运。为了实现农业现代 纯，运用现代科技手段大力发展农韭，掇高农产品生产的科技含量是我国农渡发震的个必然 趋势。 我国农业历史悠久，源远流长。随莆科学技术的快速发展，农业生产也取得了砼足的进步。 但是，与发达国家相比，我国农业无论谯农业生产管理还是农业技术方面都比较落盛，农业生 产科技岔髓较低，这在农业病虫窖防治方面表现的十分突出。在发达搿家，农业普遍实现了现 代纯，已经演变麓蓬家鲍发达产北，琏装农业蠼代位水平豹提瘫，发达国家的农业已经发展成 为高效率、高附加值的现代化农业。 我国裁为登器世贸组织兹一爨已经骥年了，加入擞赞组织鹾，我濑抟农救生产礁嬷差世券 范围内发达国家优质农产品的激烈竞争。因此。提高农产品质量是一项迫在凰睫的艰巨任务。 淡隶葵殖堑一壹是我潼一些撼区农渡生产鹣支拄产业，也是当地农民增牧熬主要手段。笼 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。毽是京浚拳瀵泣遗逮发震豹瓣射，黪殪鱼寒爨渡孬瞧曩趋严重，2 0 0 2 年全国瘩产券蕉瘫害 种类多达1 8 5 种，造成的直接经济损失达1 4 1 亿元。水产养殖病害公撤显示：2 0 0 3 串仅陕西省 困农产病害造戒静经济按失这1 6 2 5 万嚣，毙2 2 年增长5 2 。2 0 0 4 年2 胃下每，广鲻枣臻逡 管理区龙穴岛养皴黄鳍稠爆发隐核虫病，发病面积达3 0 0 0 余亩病死溅因病低价出售的鱼塘避 酌日，嚣撩8 0 0 多富，逸成壹撩经济损失6 4 0 多万元。病害茇生豹产麓程度灞麴，其棒表现在 发生频率增高、靛病范围有所扩大及发病的季节延长。更为严重的是已经有所控制的重大疾病 ( 翔草叠融盔症、淡东受类细蘸链黢盘疲等) 育返强趋势。承产养筵巾静病京已经成为承产舞 殖业健康发展的融大障碍，严重威胁着淡水养殖业的健康发展。据初步调查，由于病镶的影响， 育蹙箍区静草叠获鱼苗剽成鱼静成活率器有1 0 一1 5 ，这给养蹙户造成了较大的经漭损失。辩 何使养殖她的生产步入健康发展的道路，已经成为专家们共同关心的问题。尉此淡水养殖鱼类 疾病的诊断与防治方法斡研究与推广，是淡求养殖业酌当务之急l 罅l 。 为了减少病镶造成的损失。除了推广和普及鱼病诊断和肪治的知识外，研究和开发各种照 瘸诊断专家系统，协助养鱼生产者及早诊治与防治鱼病，便成了国内备个福关研究机构的主疆 题题。不断完善和更新水产养殖实用技术信息系统、养殖鱼类病害诊断与踌治专家系统等存关 实用生产技术信息系统，使之真正有效的成为科学养嫩的有力助手，使科学养殖技术在我国的 广大农村迅速接广，进一步提崧我国的渔业产撬和水产品质量成为我灏渔业科研豹主攻方向之 一a 曩 ；蕈，我国熬叠癌诊麟专家比较缺爱，搬上水产品养殖人员主要跫农民，趣们毂科技素成 比较低，对鱼病发生的机理认识不够，因此不能科学的检测、预防、诊治鱼痫：另一方面，养 夔户比较分教，篓殖人员技术承平低下。困两 筻鱼痍诊断与防治过程中，卷爨由于现场缺乏专 家溅者专家到场不及时造成损失，造成了鱼类养殖领域专家知识的供给和生产需求之间的矛腐， 戋8 终了湮照戆键藏发展。 t 弼碍农疆入学鳆 ：学纯沦芟辇争缝跨 为了螂决炳密频繁发生l f j 饿域0 家蚍乏的矛瓶，减少病密骺米的经济拟火，使m 埘能地段 时诊断、适时防沂，国内外许多科研机构在对瘸密诊断，j 防治研究柏难 i | 上借助j 先进的科 技产晶拳i 继息技术，研制开发了镑种鱼瘸诊断专家系统，列 j 这些专家系统，模仿人类号家对 鱼瘸进行异地诊断和防治，很好的解决了专家缺麓的矛盾。 鱼癌专容系统的研制楚当蕊水产行业中病害诊断及防派技术的一项突破，其主要的特点憩 简单易学，便于使用系统用户通过网络即可进行鱼病的诊断弗得到防治方案。从而使非专业 太撼剩用该系统能丈抠疫提毫诊叛准确攀，在使用系统的阉对褥到系统掬操作搬导和帮助信息。 我国现有的鱼病专家系统是由天津农学院、天津农科院和中国农业大学市校合作项目“天 津露疆终纯渡瘩器殖专家系统秀发与示范”谖题组瑟秀发匏鱼藏诊断专家系绞娜】。该象统要求 养皴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 因翔谈搀撰久曼露筹，麸嚣彩确诊甄瓣准确率。 本研究则是希望在专家系统中增加基于内容的诊断功能，养殖人员只要在线提供痛鱼的图 冀，羹孽专象系统就霹鞋在标准鱼瘸蚕橡数据痒孛迸嚣捡索，按照掭准塞病图像葶鬟莠蘩入虽攫戳 图像的匹配程度依次显示匹配到的标准鱼病图像，养殖人员通过查看最相似的几幅标准鱼病图 像来获褥爨病酶信息。透过多种筝袭来帮劫疆褰诊断黪准舔率。 。2 国内羚研究魂状分橱 有关磷究表饕，天类在物爱虢赛豹惑知过程孛，8 溉数上静信息来源子褪激。图像终为一静 重臻的信息载体，具有直观、内裙丰富、无语言限制和便于国际交流替特点，是组成多媒体倍息 鲍麓要内嚣，也燕i n t e r n e t 弼绦上静重簧资源之一。陡若信惑仡多媒棒时代麴至来及世界范疆 内i n t e r n e t 的风行，人们在工作和生活中越来越多地接触到更多的各种各样的图像信息。目前 i n t e r n e t 黼络已经成为一种全新的媒体和公共资源，鹣来越多斡图像信息出残在w e b 蛞点上， 如i n t e r n e t 电影库、视频库、数字图书馆等，但是这些信息是滗序的和无索引的，在这浩如烟 海的w e b 鳐点上，寻找个入感兴趣的资料是投墓耗时的，而w e b 站点数澄正戳指数缓璃长，人们 对信息检索工具和系统的依赖也谯日益加强1 2 1 】。 早在七十年代，人们就开始研究如何对图像数据进行有效的管理和检索。目前，磷向w e b 的 i n t e r n e t 阏土检索方法奔两种：一神是基于文本的，另一种是基于媒体内容的。早期图像数据 库的检索方法主强是基于文本方式( t e x t b a s e d ) ，该方法通过对图像进行入工分析，对图像进 行文字著秉或标引、建立关键词、文本撂题以及一些附加描述信息，建立类似予文本文献的橡引 著泶数据库查询图像时，利用文本匹配方式进行图像匹配。所以这种方法是通过对每一幅豳像 建立关键调等接述售意对翅像进纷索；| ，褥不直接使用鞠像鲍肉褰，采用转绕数据库藏可以满足 图像检索要求，如k o d a kp i c t u r ee x c h a n g es y s t e m ( k p x ) 、t h ep r e s sl i n kl i b r a r y 和t h ea r c h i v e c o l l e c t i o n 等，黟是采溺关捷调或搓述性文奉逡行捡索，用关键宇表零图像鹣窖蕊攫性，毙如 图像的作者、标题、创作时间等。 毽是对国橡露言，它不阉予文字信惑，图像蠹窖本身不能巍接遂蟹捧痔，不能壹犊避毒亍躞确 比较，它具有难以用符号化方法描述的视觉特征信息，如图像内对象的空间关系、图像的纹理和 形毅等，毒瑁户希望透进巢辞薅惑避褥鬻像检索瓣，只霄事先对蛰像肉翁这秘售惠避簿簿号健籀 2 - q 农q k 人。坝l 学位论史 鹅一章绪论 述，职求描述j l 订一定的h e 确性利规范性，才能川1 统的检索方法进行检索。而且不同人对同一 l 晰【刳像可能有不同的理解，这样文术描述就存在着一二义性。对设计者来说，给多；【! l l 体数据赋予能 够表示全部语义特征的关键词也非常凼难，这与个人的经验、知识和对媒体数据的理解科度密切 相关，而且也不是所有对象的所有特征都能用字符描述出来。由于图像内容的丰富内涵以及人们 对图像内容进行抽象时的主观性，使得这种方法往往不能准确地检索，因此往往不能取得较为满 意的效果这种技术的适用范围及领域受到极大限制。 目前，也有研究机构提出集成了文本和图像特征的检索方法，依靠文本和图像信息之间的相 关联特征的检索方法，从图片的解说词、介绍和标注中提取信息，利用这些信息来检索图片和引 导图片的解释机制鉴别相应的图片对象。例如，哈尔滨工程大学设计了能识别人脸、检索人脸的 综合文本和图像知识的图片检索系统一i m g f a c e ”】。在图像检索中，为了检索的可靠性和准确性， 对图像内容的理解和特征提取目前仍依靠人工操作，工作量比较大，难以表达成文本形式的描述。 1 2 1 基于内容的图像检索技术现状 由于图像的信息处理与文字信息处理存在本质区别，基于文本的图像检索存在着以下弊端： ( 1 ) 图像内容的文本描述由手工完成，处理工作繁重、处理速度慢、效率低，随着图像数据 源的日益广泛，这种方法显得费时费力； ( 2 ) 文本描述不能充分描述和揭示图像信息， “一幅画胜过一千句话”，区区几个关键词很 难将图像的内容描述清楚，再者一些信息如纹理很难用文本来描述； ( 3 ) 文本描述带有人为主观性，不同的人对同一幅图像可能有不同的理解，因此当用户在查 询输入关键词和数据库中关键词不一致时，将查询不到所需的图像； ( 4 ) 不同国家不同民族很难用同一种语言对图像进行加注标释，语言的差异，导致其在国际 间、i n t e r n e t 上的应用受到限制。 现在数据库系统己经取得长足的发展，一些大的商用数据库系统( 如o r a c l e ) 提供了二进制大 对象( b l o b ) 字段用于存储图像，在数据库中以二进制大对象对图像实现管理已经变得可行。九十 年代早期，由于大规模图像数据库的出现，由手工进行图像标注基于文本的图像检索所带来的问 题变得十分明显，为了克服这一困难，研究者们提出了基于内容的图像检索( c o n t e n t - b a s e d i m a g e r e t r i e v a l ，c b i r ) 。所谓基于图像内容的图像检索，是指根据图像中物体( 或区域) 的颜色、形状、 纹理等图像内容特征信息建立索引，并且通过图像特征向量间的相似程度进行相似性匹配。从而 实现图像检索。其中既有学术研究，也有商业应用。 图像内容按抽象水平由高到底表现为：数据信息、特征信息( 如颜色、纹理与形状等) 与语 义信息。但是数据层的计算量非常大，直接对原始信号数据进行匹配与检索是不现实的。人的思 维可以对信息内容作出语义上的描述，在这个层次上的检索称为基于语义内容的检索。基于语义 内容的检索可以看作是基于对象的检索。基于高层语义特征的图像检索是按照图像的抽象特征或 属性进行检索，语义特征具有相对主观抽象的特点。依据图像中包括的具体物体，发生的场景( 例 如查找足球比赛的图片) ，图像所蕴涵的感情或宗教意义( 例如查找体现祖国繁荣景象的图片) 进 行检索1 2 ”。基于语义内容的检索是基于内容的图像检索发展的趋势和要求。但是，由于限于目前 计算机视觉和图像理解的发展水平，基于语义内容的检索还很难实现。它面临主要困难：一是必 t 弼霹农谨夫学群 f 挝论空徐一棼臻埝 颓挺供矗膳；f 义f 内描述方式；二魁必须有将低麒的图像视觉特祉映射到高层诳义的疗法。l t m 坫 1 ：肉锋纳酬像检索主要集中在低层视觉簇次。 基低层视觉特征的豳像检索的主要特点是使用w 以直接从图像中获褥的客戏桃觉内窦特 征：颜色、纹理、形状及相互关系来判断图像之问的相似性，这些特征是相对赢观的、物理的、 客观的，光需颧步 领域知识，可盥接从隧像上提取f “l 。例如查找蘑l 绘定示例图像颜色搬似蛇瞍像。 低屠视觉特征的毅取主要是利用数字图像处理技术和计算机视觉技术，存取则依靠数据库技术； 焉图像检索匏相似性判断则采用模式识另4 技本米实现低层视觉特征的瓤配。它主要的研究内褰是 在数字图像处理技术基础上，进行视觉特征提取、多维索引、以及检索系统的设计，用以支持基 于暴蜊的图像检索( e x a m p l e - b a s e dr e t r i e v a l ) 、基于萃圈的羧素( s k e t c h - b a s e dr e t r i e v a l ) 、 单一特征驶组合特征的检索方式。 囊以蠛实可撑骢基予内蜜熬缝索方法藐是，提取麓袭薤强像内容羽特薤参数，剥_ 籍l 这些特 征参数进行图像匹配、检索，即基于特征内容的检索。目前，基于内容的图像检索的研究主骤 集中在特镊瑶次上。在基予肉容戆壅豫检索中，壤据爨像瓣色彩、纹壤、形状敬爱空海关系筹 内容特征作为图像的索引，计算蠢询图像和目标图像的相似距离，按相似度甄配进行检索。 近年来，基予图像内容的检索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 ) 成为国内外在豳像 数据库技术的研究中的一个薪热点。它窍3 个特点： ( 1 ) 翊于检索的是反映图像内容并与图像存储在一起的各种量化特征。 ( 2 ) 使用基予相似性度量的近似查询。 ( 3 ) 太多采用示例查询q b e ( q u e r yb ye x a m p l e ) 方法。 这一新的研究热点涉及计算帆图像处理( i m a g ep r o c e s s i n g ) 、计算机图像识剐( i m a g e r e c o g n i t i o n ) 和阔像数据库技术( i m a g ed a t a b a s e ) ，把这3 个领域的研究成果进行柯效结合是 该技术取褥成功的基础。这项技术充分体现了图像斡偿患特点，又充分结合了传统数据库技寒， 魁项在蠼论研究和实际应用中都极有前途的新技术。特别是，随着近年来i n t e r n e t 应用热潮 蛇攮起，缝藿各个每业黠i 始按零靛募鲍要求的不断涌现，基予图像痰窖的查询技本的应用魏景 变得更为诱人。目前，基于图像内容的旋询主要有3 个研究方向： ( 1 ) 基予对象( 区域) 颜色翡套邂； ( 2 ) 基于对象( 区域) 形状的查询： ( 3 ) 基予对象( 区域) 纹理戆整游。 1 基于颜包的检索 在基于内容的图像检索中，颜色是图像非常重要的视觉特征，是图像内容组成的基本因索， 整入识澍罄像的圭要惑翘特征之一，困露零j 霜藏色特餐避幸亍醒像捡索技术受列重鞔，莠最旱褥戮 应用。1 9 9 1 年。mjs w a i n 和dhb a l l a r d ”1 发表了颜色索；f ( c o l o ri n d e x i n g ) 一文，使用颜 色轰方圈求交逶舒图像联色相簌栏诗算，迈出了基予翻像海蛰陵索静第一步。 基于颜色的棱索在传统的注攮几何特征的计算机视觉研究中，颜色未得到充分的躯视，人们 普遍诀为颜色不憝裁画一个耪体瓣关键特征。然丽，耩对于，l 何特征荫言，蕨色具有一定魏稳定 性，颜色具有与生俱来的旋转不变性( r o t a t i o ni n v a r i a n c e ) 和尺度不变性( s c a l ei n v a r i a n c e ) ， 4 t 川堪农蛙足。躺健涂i颦章争曩谂 j e 埘人小、厅阳挪小域感，收现 i i 川当姒的静柞性。同m 在y i ：彩情况f ，颜色灶描述一幅斟像 罐简经而钉效舶特征。弼翔，在需疆检索海滨责 物瞄豫甜，指定黼像中的主要颜色建筑和过程设计 室内装瀵设计 瀵薅帮速球蝥源雾瑗，靛空或麓麓照冀熬瓷嚣獭撵秘军事铰浆 g i s ( 地理信息系统) 科学数据库管理，如化学上的分子结构、物理学上的粒子运动 天气预报 零镳整 织谂和时装设计 商标和版权数据麾管理 执法和犯罪调查 熊冀籍挡彝逶谶系统 视频剪辑 暖举图像归档和瞥理 多媒体吾科全巷 旅游韭 指纹和人脸识别 在分布式专家系统方面，c b i r 可和啊服务器上的数据库搜索引擎相配合增强和扩展服 务器躲藏用范围；露餐齄技术稳醚鸯。霹为用户鬟珙蠢效鲍曩标援索，非为一释爨务关键按本， 提高供瘟商静竞争力。充分利用c b i r 系统在专门鹱域的自动他优势，将会投大地械轻手工工 # 量，并撮高搜寻结果中的有效信息量。 目前国内还没有建立成熟的提供旗于内容鱼病图像检索手段的专家系统，国外也没有见过这 方瑟弱掇道。本骚究鬻在基于蠹窑的爨瘸霆缳检索冀法上进蠢骚炎墨瓣实现。 1 5 本研究的主要工作 零文是铮对基予内容垒瘸鹭像耱氮层特薤蕨鬯、纹理聂形状) 撬数及捡囊兹辫究瀑题，霹滋 内外鏊于内容的图像检索技术进行了“泛的了解和深入的研究。在总结他人研究成果的基础上， 分别对藻于颜色、纹理、形状的鱼瘸图像检索进行研究并实现。在基于形状的检索方法上提出了 全新的鼹标轮廓搜索方法，大大提高了处理速度，鸯刹于计算机图像的实时处理釉在线检测。本 文熬熬体五炸。 ( 1 ) 介绍目前国内外该领域的墩新发展状况，并对基于内容图像检索的体系绪构及一些关键 】0 一川蝴农业凡学触 z 位睑殳 拂即绪论 技术：劁像f ! ；l 处删、特征挺嫩、特自旺眦锝进行介绑平| 1 分析。 ( 2 ) 鏊l ：激毪的酗橡梭索技术主要楚$ l j # 囊方崮颜色短，这秘方法麓单翳 j 。 ( 3 ) 深入艳研究翻像窳度共生矩终的拯述了灰度基茏之闽空间关系的基础上，将奠廊瑚到纹 理特征的摄取。 ( 4 ) 在熬丁形状的图像检索中，提取的特征要求对蹦像的尺度变化、旋转、物体平移具有不 变缝。滚怒这些要求豹形歌特征一般x 太摄籍，雷毒骢薅坟薅怠量太少，放嚣影嫡捡索囊量、复 杂的特征往往很难满足这照特征。图像的边缘能很好的表示物体的形状，提取方法很多，本文提 出丁种垒新的基于的鱼体轮廓提取方法。在此结合鱼瘸图像的实际和髓体的形状特征，在获得 鱼体轮廓的基础上，又采用多边形拟合后熊体的六个角发作为图像的形状特征，加上巍体的氏宽 魄( 馨垒傣多 接矩形长宽l - z , ) 拳l 量赛鱼惩 燕嚣令特薤，一菸8 令蒋薤毽终为鱼病圈像戆澎获蟹薤。 本文提出的方法使图像检索性能得到很大提高。 ；弼墩妊夫t 鞭l 警纯逢望簿帮强豫影状特强嚣摊辩，越q 、 第二章图像形状特征熬提取与表示 采捌形状蒋铤遥幸亍硷羹粒， j 户通过勾勒圈豫静形捩或轮蕊，疑豳像库串检索氆形获类 娃麓 图像。基于此特征的检索方法有两种：( 1 ) 分割图像经过边缘提取后，得到目标图像的轮廓线，针 对这秘轮藩线进嚣抟形状雩毒链梭索。( 2 ) 蹇接铮瓣巨形菇找适当静矢量特翟瘸予检索舞洼。楚壤 这种结构化检索比第一种更为复杂，需做更多的预处理。本文采用第一种方法进行基于形状的鱼 瘸耀像检索。 在二维的鱼瘸图像空问中，鱼体通常可以被认为是一条封c j j 的轮廓曲线所包围的形状区域。 因魏，鱼俸约形状毒毒征毪摄轮凑逑界零l 逑器肉毯霪熬区域，因她为了援取鱼体躯形欹特征，蘑 先需要获得鱼体轮廓。获得鱼体轮廓的媳缘检测算法有很多，常用的有边缘跟蹿算法、f r e e m a n 链鹅、s o b e l 葬子、梯霾篓子、l a p i a c i a u 算子、p r e w i t t 边缘舞子法麓。l a p l a c i a n 葬子法怒 一种经典算法，f r e e m a n 链码法可以跟踪边界并以链码的方式表示边界。本文采用全新的确定 垒体速界方法，我把它龠名为三邻域链稻法。 2 1 图像预处理 2 1 1 基于灰度直方圈的图像分割 通过分析鱼瘸图像的颜色直方图，可以找出鱼体与背景之间的最德域值点，从而对图像进 行分割，褥效的去除图像的背景。 一幅典型的鱼病图像灰度直方图如图2 1 所示，依次是原始图像( a ) 、次度图像( b ) 、灰 瘦蹇玄盈( ) 。 ( a ) 垒糍漂始莺 象 1 2 巾腿农业大学颤 学位论文 镰一嚣撼鼹j | ；状特链姆挺鞋t ，& ，j ( b ) 鱼瞒灰度图像如) 灰度赢方圈 霜2 一t 撬痍爨娥豳僚、获囊重像翱灰盔耋蠢鍪 图2 - - 1 ( c ) 中，左侧的较商的峰代表目标鱼体灰殿分布右侧获度值较太的峰则表示灰 色鼗景兹获度分孝。分掇强孛静戆方圈霹爨看爨，竣醒蜂之霹渡昝浆串点瓣获菠建佟为筐，然 后扫描整个图像，如果某像素灰度值大予域值，则认为该像素点为背最，该像索点的r 、g 、b 毽瓣对爱零，絮栗夺手澳镶，粼扶为该豫索壹代表鱼镩。弱鞋，在去除鹜暴静遗程孛，督浚遵过 判断某一像素指定大小邻域中像素点的r 、g 、b 值的方法去除背最上的小干扰。 2 1 2 控普拉斯算子 拉普授斯算子是一种微分算予，它利用了图像边缘邻近二阶方向导数里零交叉的舰律性檎 溅边缘。遴常馕弦下，图像静一羧方向导数在边缘处为最大值，瑟二黔方l ；霉导数在透缭处产生 交叉。如图2 2 所示： ( a ) 边缘菝度变纯岛) 一貔导数( c ) 二除导鼗 对于图像函数z = f ( x ，y ) ，它的x 方向，y 方向和任意a 方向的一阶导数为公式2 - 3 ： “，y ) ：雌翻 。川 l 幻) 一掣 z ) ；纠秘农l p 熹、+ 赣l 擘豫论芟辣尊潮椽辑棱特征鹣撵教4 ，矗示 ：b ，y ) - 。b ，y ) s i n a 。b ，y ) c o s a ( 2 - 3 ) x 方| l j 、y 方向和任意a 方向的二阶母数为公式2 7 ： 气扛，y ) ：掣 d r 。 示，援数寅羯玛裘 示水平或者垂直方向，奇数方向碣表示对角方向，对于圈2 4 ( b ) 所永的边界，如果按逆时针 方向获褥的方向链弼为0 0 0 0 0 1 3 1 2 4 4 4 4 4 6 6 5 。 4 2 jl 。 7 ，r 6 曲 0 5 6 0 0 强2 4f r e e m a n 链鹳承意墨 2 中1 日农业人。f 卿卜学化论史 一申哪像j ；状特 l f ：的抛姒4j 嵌1 j 利川f ：r c c r n a n 链弼法还可以女除背最的小碑 。鼢然f f t 体的链础睦嫂年1 l ，j 、雕片的链码皎艘 艇l 菱缀多，凝戳可l 三乏缀察秘麴判龌滋掰蹙楚辞嚣。，旗楚鱼终。 2 2 2 墨邻域链码法 本文提出了一静全耨的露标边缘捡测算法：三邻域链玛算法。慰数字圈像中瓣任意一个像 素点，依据它儡霞稽秣像素静个数和位鬣，定义豫素翰邻域的概念：4 一邻域、8 一邻域、d 一 邻域。 1 几个定义 1 ) 4 一邻装定义：像素p ( x ，y ) 4 奄域是像素姆+ l ，y ) 、积一1 ，y ) 、( x ，y + 1 ) 、扛，y - 1 ) ， 通常爝n 4 ( p 速示p 的4 一邻域。如篱2 5 所示。 ( 2 ) 8 一邻域定义：像索p ( x ，y ) 的8 邻域是4 邻域的点再加上对角上的点( x + 1 ，y + 1 ) 、( x + 1 ，y 1 ) 、 ( x 一1 ，y + 1 ) 、( x - 1 ，y 1 ) ，阁n s 0 ) 表示p 的8 尊g 域。如图2 - - 5 所示。 ( 3 ) 三邻域：定义稼豢的三舔域跫：( x ，y ) ( x + l ，y ) 、蕊 l ，弦强扛，y - i 瘸 n 3 锄表示p 的三邻域， ；土后本文中将简称三邻域。如图2 5 所示。 珏邻域 8 邻域4 邻城 三餐域 图2 - 5 像素的邻域关搽 0 0 0 00 0 0 1 0 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 1 1 0 0 11 0 1 01 0 1 11 l l o o1 1 0 11 1 1 01 1 1 1 图2 8 像素兰邻域圈 对图像中的任何个像素点，依据它的三邻域( 必四个像素) 是霹在目标( 鱼体) 上，一 共鸯1 6 秘揍况。翔鹭2 - - 6 菠暴，国中y 表示该像素怒譬糠图像孛戆一个像素，# 寝示该像素 是背景t 的一点。对邀】6 种情况进行编码从0 到1 5 ，即o o o o 到1 1 1 1 。则对于图像中的任何 1 7 小农业凡。 坝i j 学忖论文 筘，啦蚓像彤状特柑抛墩j 表q i 个像豢点，它的三邻城必定耩l ：酗2 6r l ，的秘协越。翻2 - - 6r p “y ”交示该点在鱼体i 二，“n ” 农示点不住地界上。给图2 - - 6 所示的像索蔓邻域图按j ( 顺时针方向赋德l 、2 、4 、8 。如幽2 7 所示，根摄像索是否在趣体上，i 以对像豢三邻域求和l ，图2 6 对应的求雨j 图如幽2 7 辑示。扶鲻巾袋承l 缝聚可跬餐窭，绘像素量邻域赋璧1 、2 、4 、8 铩证了袋番滋结果裁霹疆把 1 6 种情况区黼开来。 1 5 1 3n79s 3 1 4 1 21 068 420 2 兰邻域链碣算法 圈2 一? 像素三邻域求鞫黉 对经避蒜精羟普拉巍冀子滤波后静强豫髑用三邻壤镳礴舔踪算法控穗叠传静边界，瑟律戆 算法为： ( 1 ) 扶黢楱图像的最友下撬的像素却嚣始，粼断蕊一个步长型的像素秘是否是惫体上豹 点，必定会虢到一个像素患p i ：逢鱼律上的患，依据& 蔽至瑟像最坐下角瓣点并蒋它记为p 。将 该像素p j 加到边界数组b o u n d a r y 中： ( 2 ) 判断p l 的三邻域中像素的求和情况决定下一步搜索的方向，如果求和结果为1 、9 、1 3 ， 蒋秘下嚣瓣赢记为p l ，转( 2 ) ；蟊象求和缝莱为2 、3 、1 1 ，建运费右边耱煮记为p l ，转( 2 ) ； 如果求和结粜为4 、5 、7 ，则记p i 上面的点为p i ，转( 2 ) ；如果求和结粜是8 、1 2 、1 4 ，则记 p i 左面的点为p i ，转( 2 ) ； 3 ) 直烈翻劐起始点。 算法的懿体实现如图2 8 所示。 中lq 水q p 人。z i 学位论立 讹一帝i 蝌你形状特 i i = 的摊舣，表_ i 糊2 - - 8 三邵域撼码法搜索边界示意凿 为了便于磁面的工作，定义边界数组b o i l l l d a r y 【】每个鼐索为一个三元缀( ( x ，y ) ，n ) ，其 中( x ，y ) 是边界像素在图像中的位置，n 则是表示当前像索在边界上的相邻像素。边界上两 个相邻的像素之间的位置关系，应该有如图2 4 所示的八静，对这八静关系分捌进行编码，用 n 柬表示t ，三嚣缀( ( x ，y ) ，羲) 中貔n 裁构成了垒律速赛鹣链码。 2 3 鱼体边界多边形拟合 多逮黟羧会靛是班l 鑫鼗嶷，渡多边形来羧含嚣蠡图豫不撬萎 l 兹选秀巍缝。这撵可敬纛澎状 必真度很小的情况下有效的减少数据量。得l 这个拟合多边形后，在计算多边形的长度、擞度、 边长、面积等就十分的便捷了。目前常用的彩边形拟合技术是迭代端点拟台法。这种方法在编 穰调试时候兆较复杂，而且邋葬量大，处理速度较慢。为了进一步提高处联速度，奉研究采用 一种篱单离效多遍形按台抉速葵法。这静冀法没有采用递辩调用静方法，仪在对鹜稼圈豫的迭 界数据的一次遍历中，即可找到所有的多边彤拟台点，避免了递归调用中的重复运算，翻边快 捷，大大提高了处理速度。本研究采用的新辣法叫做定步长跟踪法。 2 。3 迭健残轰缀会法 迭代端点拟合法是一种遮代算法，利用了计算机高级语言中递归调用的方法。其算法步骤 如下： ( 1 ) 凌定一个阏馑t ： ( 2 ) 在遗器藩线上选取一两点，如图2 9 巾瓣a 、b 两点； ( 3 ) 计算边界曲线上a 、b 谢点问所有点到a b 直线的距离。确定距a b 融线距离最大的点， t 川耐农业入学坝h # 位论必鳓。，啦件 惶j ；状佴训卅f w m 。j & 小 如幽2 9 巾的c ，记煅火距离为： ( 4 ) 魄较最大距离h 希l 淹馕e 强袋珏枣l ：t ，遮 结束。翔聚l l 火l 。7 n 癸l c 点成为多j 矗 形豹一个顶点； ( 5 ) c 点将目标图像的边界曲线分为a c 和c b ：两条曲线，对这两条曲线重复步骤( 2 ) 、( 3 ) 、 ( 4 ) 、( 5 ) 。由于重复上述步骤时都要产生弧个分支，因此在算法上骤聚用递归凋j f j 的方法，不 蘩迭毪求惩，壹到曩拣强像瓣边爨蕤线上顼毒点与撅会多逑形各边豹薤蹇，l 、予设定的耀毽t 。 迭代端点拟合法w 以看出，程序纛行时不断重复调用自身，目标髑像的边界曲线的很多点 都多次进行点到直线的距离计算，正媳由于这种犬角的重复计算，使得处理速度较慢。 重2 一避戴端纛撼窘幂意潮 2 3 2 定步长跟踪法 塑2 一 0 定步长蹉黥箕法示意墨 b 定步长跟踪法的出发点是避免重复运算，提高处理速度。基零恩路是不采用递归迭代的方 法，疆黼定楚步长漆蛰露耩盈像载逸瓣藩线遂孬接豢，只霹终一半豹逑雾像素蠢逡孝亍焘羁壹线 的距离钓计算，而且这种计算对这些像素点只进行一次，仅在对目标图像的边界数据的一次遍 历中，即可计算出所有的多边形拟合点。 算漩步骤及原理如下： ( 1 ) 浚定一个瓣壤下； ( 2 ) 在目标图像的边界曲线上选取一点a 作为出发点，如图2 1 0 所示： ( 3 ) 取从a 点沿网标图像的边界曲线向前4 t 个像索的点作为为笫一步搜索的终点，如图 2 一l o 中的b ， ( 4 ) 数甄a 点沿边界盎绫t 个像素豹点记为c ，麴圈2 一1 0 掰示。取a 点潞逸器蘧线3 t 个像素的点记为d 。曲线段a c 之间及b d 之间的像豢数均为t 个，在这两曲线段上的像素点 到a b 赢线间的距离均不可能大于闽慎t ，因此可以不处理这样的点。这样，在完成对整条边 冕曲线的援索后；将只对大约一半的迭器像素点，即c d 兹线段上翁点进行点到豢线闻距离的 计算； ( 5 ) 如果从c 点汗始到d 点求每个像素点到直线间的距离，取最大距离处的点为e ，其 最大距离为h 。 ( 6 ) 翔鬃王 天予瓣毽l 捌越嚣赢箨为一个多边落戆顼点+ 这样，枢曲线段a b 分戎7 两段。髓线段a e 之闻及曲线段b e 之阐的像素点均小于2 t 个，在这两曲线段上的像素点分剐 2 0 t 川噼我妊人学蛐 学她涂殳 撼啦憋悔形状斡 ：躬挝墩，袅水 剑a e “线枷l 强睫线鲤瓣i 高均小可艟人l ：5 芷l f n 鞲l 北司以币处_ l i 这些像豢点。戳转患鳇： 为i b 发点，照复( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 、( 5 ) 、( 6 ) ；如裂l l 小_ j 二嘲馈r t 则说明蛆线段c d 润也不存 谯a b 商线闻的距离火t 闽值t 的点。以8 点作为j 发点。重复步骤( 2 ) ( 3 ) ，( 4 ) 、( 5 0 、( 6 ) 。 进行f 步技索，直列回到原始出发点。 步陡? 对计舞速发爨 摇合凄熬边器形状都有较大魏影响，在瑗密翻像上采瑙t = 2 0 。翻2 一l l 汹楚t 一2 0 拜孛嫉褥到的鱼访拱台多边澎，为搦三藩域链码法褥裂鹣鱼髂透嚣。 2 。4 援敬澎状特锰毽 ( 8 )辐) 匿2 - - 1 1 盘赢鞠像的边群翱擞台爨鳇多逑彩娥缘 考虑蓟姓理对象一熊病嗣像韵具体情况，本研究的形状特征采用了圈2 一1 2 所添鲍六个角 度魏主惫律长宽院鹈鱼体与照琵泌一共8 个形状特鬣参数作为鱼病黼豫魏形状特征傻。 n m 豳2 1 2 蛰体形状特 芷选撵豳 首先爱获得鱼体逾拜9 接矩形要获得叠体边界的辨接矩形，至少需要知道， 接瓶形的左下 霜m ，右f 霸n 静位鹫。如鎏2 一i 2 ，在夤体边界b o u n d a r y 孛，最大酌x 鼙小的x ，分嗣燕 毒上魑n 秘嫩f 角掰螅x 蕊t 最火的y 零l 矮小游y ，分剐楚鑫上燕n 器l 发f 角m 瓣y 蕊，遮 2 l 叫牲啪人1 。 l ! j ! j 7 叫寸淹迎掷，啦i 蜊悸形状特卅f n 挺眦， 小 所拟多边形f ：的点就”儿l 锃 剑1 ) 2 人的x 、y 和最小的x 、y ，从而也就得到r 外接她形的左r 妇，矗角鹊健美。内m 、n ，缀赛翳求瓣终缓矩形瓣殴宽陡，也壤楚鱼蒋豹竟魄。 这样也就襻到了翔翻的几个特征点：角1 、角2 、角5 、角6 掰在的点。为了褥捌角4 、角 3 所对成的点，可以采川以f 的方法： ( 1 ) 从角5 所在的点r 开始，逆时钟搜索点的y 能，如果y 值开始变小，则前个点就是所 要找热点p ； ( 2 ) p 点就是角4 所