（计算机应用技术专业论文）面向对象的网状图像数据模型研究.pdf

独创性声明 本人郑重声明 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 除文中已注明引用的内容以外 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成果 也不包含为获得江苏大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已 在文中以明确方式标明 本人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 致塘 如l 年 月 岁只 学位论文版权使用授权书 江苏大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 中国学术期刊 光盘版 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档 可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 允许论文被查阅和借阅 同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入 中国 学位论文全文数据库 并向社会提供查询 授权中国学术期刊 光盘版 电子杂 志社将本论文编入 中国优秀博硕士学位论文全文数据库 并向社会提供查询 论文的公布 包括刊登 授权江苏大学研究生处办理 本学位论文属于不保密团 学位论文作者签名 旅勇 如 年多月他日 砂f 年多月 j 日 江苏大学硕士学位论文 摘要 计算机软件技术 网络通信技术和微电子技术的发展 医院管理 信息化 网络化的需求 推动着医学图像数字化的快速发展 医学图 像数据库是建立在图像数据库 图像处理 计算机网络技术及医学领 域知识基础上 支持医学图像数据有效存储 传输 检索和管理的数 据库技术 目前医学图像管理是以图像文件 现有成熟关系数据库或 扩展关系数据库方式实施医学图像数据管理的 没有形成完善的适合 医学图像特点的存储理论及数据模型 图像检索上只是基于文本的查 询方式 这种方式不能满足临床医学工作者的需求 如何组织 管理 和利用以基于图像内容的医学图像信息在临床医学领域具有重要的 意义 基于内容的图像存储和利用还存在许多亟待解决的问题 对其 进行深入研究有较大的学术价值和广泛的应用前景 在分析现有数据库模型的研究思想 技术和方法的基础上 对医 学图像数据库数据存储内容 数据模型 数据结构及原型系统初步实 现等几方面进行了探索 本研究的主要内容包括 1 探讨图像数据库的数据组织方法 在全面研究图像数据库的 结构 分类以及常用的数据库存储模型的基础上 提出面向对象一网 状图像数据库概念结构图 2 针对传统数据库的不足 结合面向对象数据库模型和网状数 据模型对图像数据组织和管理的优点 提出一种新型的图像数据存储 模型 面向对象一网状图像数据模型 3 构建出一个 对象一链 结构 解决了面向对象数据模型与 i 江苏大学硕士学位论文 网状数据模型之间的衔接问题 实现了数据操作信息的快速传递 4 在图像对象的底层存储中采用网状模型的链式结构进行存储 实现了多个对象间的联想式访问 提高了查询速度 关键词 基于特征 医学图像 图像数据库 网状模型 面向对象 i i 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs o f t w a r et e c h n o l o g y n e t w o r k c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n dm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y t h ed i g i t a l m e d i c a li m a g e si sd e v e l o p p i n gr a p i d l y t om e e tt h eh o s p i t a lm a n a g e m e n t i n f o r m a t i o na n dn e t w o r kn e e d s m e d i c a li m a g ed a t a b a s ei sb u i l to nt h e i m a g ed a t a b a s e i m a g ep r o c e s s i n g c o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g ya n d m e d i c a ld o m a i nk n o w l e d g e s u p p o r tt h em e d i c a li m a g ed a t ae f f e c t i v e s t o r a g e t r a n s m i s s i o n r e t r i e v a la n dm a n a g e m e n to fd a t a b a s et e c h n o l o g y c u r r e n t l y t h em e d i c a li m a g em a n a g e m e n ti s b a s e do ni m a g ef i l e s e x i s t i n gm a t u r er e l a t i o n a ld a t a b a s eo re x p a n s i o no fr e l a t i o n a ld a t a b a s e a p p r o a c hi ni m p l e m e n t i n gt h em e d i c a li m a g ed a t am a n a g e m e n t h a v en o t f o r mat h e o r yo rd a t am o d e lf o rs t o r i n gm e d i c a li m a g e sc o u l dc o m p l e t e l y f i tt h em e d i c a li m a g e sc h a r a c t e r i s t i c s i m a g er e t r i e v a li st e x t b a s e dq u e r y t h i sa p p r o a c hc a nn o tm e e tt h en e e d so fc l i n i c a lw o r k e r s h o wt oo r g a n i z e m a n a g e a n du s et h ec o n t e n t b a s e dm e d i c a li m a g ei n f o r m a t i o ni so fg r e a t s i g n i f i c a n c ei nt h ef i e l do fc l i n i c a l t h e r ea r em a n yp r o b l e m st ob es o l v e d i nc o n t e n t b a s e di m a g es t o r a g ea n du s e i th a sag r e a t e ra c a d e m i cv a l u e a n db r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c t st oi n d e p t hs t u d y e x p l o r a t e d o nt h es t o r a g e d a t am o d e l s t r u c t u r ea n dt h ei n i t i a l r e a l i z a t i o no ft h ep r o t o t y p e s y s t e mf o rt h em e d i c a li m a g ed a t a b a s e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ee x i s t i n gd a t a b a s em o d e li d e a s t e c h n i q u e sa n d 江苏大学硕士学位论文 m e t h o d s t h em a i nc o n t e n t si n c l u d e 1 e x p l o r e dt h ed a t ao r g a n i z a t i o nm e t h o do ft h ei m a g ed a t a b a s e w e p u tf o r w a r dt h ec o n c e p t u a ls t r u c t u r eo ft h eo b j e c to r i e n t e d n e t l i k ei m a g e d a t a b a s e b a s e do nac o m p r e h e n s i v es t u d yo ft h es t r u c t u r e c l a s s i f i c a t i o n a n dc o m m o nd a t a b a s es t o r a g em o d e lo ft h ei m a g ed a t a b a s e 2 g i v e nt h es h o r t c o m i n g so ft h et r a d i t i o n a ld a t a b a s e w e p u t f o r w a r dan o v e li m a g ed a t as t o r a g em o d e l o b j e c t o r i e n t e dn e t l i k e i m a g ed a t am o d e l c o m b i n e dt h ea d v a n t a g e so ft h eo b j e c t o r i e n t e d d a t a b a s em o d e la n dt h en e t l i k ed a t am o d e l 3 b u i l tt h e o b j e c t c h a i n s t r u c t u r e s o l v e dt h ei n t e r f a c ep r o b l e m b e t w e e nt h eo b j e c t o r i e n t e dd a t am o d e la n dt h en e t l i k ed a t am o d e l a c h i e v e dr a p i dt r a n s f e ro ft h ed a t am a n i p u l a t i o ni n f o r m a t i o n 4 u s i n g t h ec h a i ns t r u c t u r eo ft h en e t l i k ed a t am o d e li nt h e u n d e r l y i n gs t o r a g eo ft h ei m a g eo b je c t a c h i e v e dt h ea s s o c i a t i o nv i s i to f m u l t i p l eo b je c t s i m p r o v e dt h eq u e r ys p e e d k e yw o r d s f e a t u r e b a s e d m e d i c a li m a g e i m a g ed a t a b a s e n e t l i k e m o d e l o b j e c t o r i e n t e d i v 江苏大学硕士学位论文 目录 第一章绪论 1 1 1 研究目的及意义 1 1 2 国内外研究现状及相关领域 2 1 2 1 图像存储内容的研究 2 1 2 2 图像数据模型的研究 2 1 2 3 图像数据结构和索引机制的研究 4 1 3 本文的主要研究内容及创新点 5 1 4 本文章节安排 6 第二章图像数据库系统及其数据存储模型 7 2 1 图像数据库的结构 7 2 2 图像数据库的分类 8 2 3 传统数据模型分析 1 0 2 3 1 层次数据模型 1 0 2 3 2 网状数据模型 1 1 2 3 3 关系数据模型 1 4 2 3 4 面向对象数据模型 1 5 2 4 本章小结 1 7 第三章医学图像的存储内容 1 8 3 1 医学图像数据的特点 1 8 3 2 医学图像特征的分类 1 9 3 3 医学图像特征的提取 1 9 3 3 1 医学图像颜色特征的提取 2 0 3 3 2 医学图像纹理特征的提取 2 1 3 3 3 医学图像形状特征的提取 2 4 3 4 医学图像特征的选取 2 6 3 5 本章小结 2 6 第四章对象一网状医学图像数据存储模型 2 7 4 1o n i d 模型的理论基础 2 7 4 1 1 面向对象的图像数据模型分析 2 7 v 江苏大学硕士学位论文 4 1 2 网状数据模型分析 2 8 4 1 3o n i d 模型 2 8 4 2o n i d 模型的数据结构定义 2 9 4 3o n i d 模型的数据操作 3 0 4 4o n i d 模型中图像对象的存储 3 0 4 4 1o n i d 模型的存储结构 3 0 4 4 2 系型和系值 3 1 4 4 3 系的实现方式 3 2 4 4 4 记录的定位方式 3 5 4 5o n i d 模型的数据组织与信息传递 3 6 4 6o n i d 模型的完整性约束 3 7 4 7 本章小结 3 8 第五章基于对象一网状模型的医学图像数据库原型系统 3 9 5 1 图像数据库的概念结构设计 3 9 5 2 图像数据库的逻辑设计 4 l 5 3 图像数据库系统的功能设计 4 2 5 3 1 用户接口模块 4 2 5 3 2 图像处理模块 4 2 5 3 3 图像对象模块 4 3 5 3 4 链状存储模块 4 3 5 3 5 信息传递模块 4 3 5 4o n i d 图像数据库系统的初步实现 4 3 5 5 本章小结 4 8 第六章总结与展望 4 9 6 1 论文工作总结 4 9 6 2 研究工作展望 4 9 参考文献 5 1 致谢 5 5 硕士期间发表论文和科研情况说明 5 6 v i 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早珀下匕 9 0 年代以来 随着图像采集 存储 处理及显示技术的发展 数字图像在 许多领域都得到了广泛的应用 图像数据也随之迅速增长 变得难于管理 图像 数据不同于传统的字符文本数据 它是一种非结构化数据 其内容难以准确地描 述 数据模型是数据库系统描述客观世界实体及其之间关系的基础 是数据库的 核心和基础 与数据库系统的性能密切相关 医学图像数据库领域还没有形成完 善的理论模型 医学图像数据库模型的设计就显得尤为重要 因此图像数据库管 理系统的研究在医学领域具有重要的意义 1 1 研究目的及意义 目前 先进的计算机存储技术和设备使得建立海量图像数据库成为可能 并 行计算大大加快了图像处理速度 同时 宽带多媒体通信技术也便利了分布各地 的图像网络通信 l 图像信息系统在航空航天 生物医学工程 工业检测 机器 人视觉 公安司法 军事制导 文化艺术等诸多领域已经有广泛的应用 科学研 究中也有大量图像应用 如美国东北大学2 0 0 0 年成立的地下传感和影像中心 c e n s s i s 2 汇集了物理学 传感器技术 图像处理等领域的专家 需要共享图像 数据以实现相互协作 现在互连网上到处都存在共享图像 有报告称2 0 0 7 年 f l i c k r c o m 有2 0 亿幅照片 每天新增加上百万的照片 3 j 如何有效的组织和存取 海量图像数据是图像生产和应用者的现实需要 也是本文的主要研究内容 图像数据库系统是一组可以让用户在不同应用程序中定义 构建和操纵图像 数据的程序集合 4 包含图像内容描述 图像存储管理 图像检索 图像处理和 图像传输等诸多技术 是有效解决图像数据组织和管理问题的最佳方案 研究图 像数据库系统吸弓i 了很多人的注意 但充满挑战 2 0 世纪9 0 年代以前 图像数 据库管理系统还只是处于探索阶段 不知道该提出哪些问题 更不用说如何回答 了1 5 直到今天 也没有一个完整的图像数据库管理系统问世 可见问题之难 技术之复杂 图像数据库系统的基础和核心问题是图像数据的存取 存储图像的 什么内容 用什么数据模型和机制存取图像 这些问题也是本文的主要研究内容 根据国务院发布的 实施 国家中长期科学和技术发展规划纲要 2 0 0 6 2 0 2 0 江苏大学硕士学位论文 年 数据库管理系统被列为拥有自主知识产权的重要产品 而图像数据库系 统的存取作为其关键技术 既是挑战也是机遇 具有重要的理论意义和实践意义 1 2 国内外研究现状及相关领域 计算机硬件 软件 数据库和网络技术的发展都有助于解决图像数据库管理 系统的存取问题 近几十年对图像数据的存取有些研剜刨 提出了一些相应的数 据模型 数据结构和索引机制用于图像数据的组织和存储 但都没有从根本上解 决图像这一非结构化数据存取的核心问题 1 2 1 图像存储内容的研究 目前 图像数据库存取的内容主要有原始图像数据 属性数据 对象数据 空间位置关系和图像语义等数据 很多图像信息系统 2 7 把图像属性数据存入关 系数据库 图像原始数据用文件或大对象的形式只存取图像像素 这种方式安全 性差 重复计算多 不利于图像数据管理和图像检索 为了使图像数据库更加智 能 灵活和快速响应 要尽可能多的存取图像所含的知识 尤其是空间知识 l i d s 3 剐先通过分割图像得到图像对象及其位置关系 存储内容包括图像像素 对象和 位置关系 图像数据库与传统数据库不同 需要面对语义概念问题 否则只是图 像数据集 5 1 现有基于图模型 p e t r i 网模型 面向对象模型1 9 1 0 1 等的语义概念模 型 提供了不同粒度的图像语义 m e c h k o u r m i h 提出了一个物理视图和四个逻 辑视图的存取内容 其中结构视图定义了图像对象的集合 空间视图是图像对象 的形状 边缘 和空间关系 附件 较远 重叠 感知视图包含图像或图像对 象的颜色 亮度和纹理等可视化 符号视图关于图像或图像对象的语义描述 r u o f e iz h a n g 1 2 提出了一种基于分类的语义模型存储图像的语义内容 上述存储内容存在以下几个方面的不足 这些存储内容只能满足个别应 用程序需求 不能满足通用图像数据库的需要 缺乏图像对象之间 图像之 间的联系内容 本文研究新型图像数据存取内容 主要包括面向非结构化图像内 容的存储和各种联系内容 1 2 2 图像数据模型的研究 数据模型是一类用于提供数据概念描述的数据抽象 用于描述数据库结构的 2 江苏大学硕士学位论文 概念集合 t a m u r a 和y o k o y a 1 3 j 依据数据模型把图像数据库分为三类 使用关 系型的 基于面向对象的和用于图像理解的系统 最典型的层次数据库系统是于1 9 6 9 由i b m 公司开发的i m s 系统 层次模 型的数据结构类似一颗倒置的树 层次模型结构简单 容易实现 存在两方面的 不足 需要动态访问数据时 效率比较低 对于一些非层次性结构表达起 来比较繁琐 第一个网状数据库管理系统是美国通用电气公司1 9 6 4 年成功开发应用的 i d s 系统 网状模型用网状结构表示实体及其之间的联系 用链接指针表示联系 它能直接地描述现实世界 性能和效率也比较好 尽管网状模型存在结构复杂 用户不易掌握 链接指针的调整 扩充和维护都比较复杂等问题 但它对层次和 非层次结构的事物都能自然地模拟 尤其是对复杂的图像数据的表达能力 会重 新得到广大研究者的青睐 关系模型采用二维表格结构表示实体及其联系 是目前应用最多 也最为重 要的一种数据模型 图像数据库中也有使用该模型的系统 2 但关系模型的缺点 是 查询效率不高 需要一些特别的查询优化 有些系统把图像数据当作 结构化的数据 将图像存储在关系表中 这不是真正的图像数据库 因为数据模 型 查询语言 检索策略对图像数据既不方便也不自然 通过扩展传统数据库的功能 以支持图像数据的管理 如c o r e 1 4 q b i c 和d i s i m a 1 6 1 这些系统提供用户自定义的数据类型和函数功能操作图像 这些系统有几个缺点 把图像数据当作了结构化数据 通过功能扩展 数 据库用户对这些数据是透明的 采用结构化查询语言s q l 查询能力非常有 限 9 0 年代初 面向对象数据库管理系开始受到人们的关注 1 7 圳 因建模比较 直接和自然 许多开发商依赖面向对象模型解决复杂数据模型 如声音 v o d a k 1 1 8 1 和视频 o v i d l 2 2 1 等领域 存在以下几个问题 在存储和检索数据时面临 挑战 数据库设计比较复杂 需要考虑复杂的数据结构 类层次的继承性和 基本类型扩展 不能处理分布式网络的客户 i l l 务器系统结构 所以 到目前 为止很少有可以实用的面向对象数据库管理系统 9 0 年代后期 商业开发把面向对象和关系模型相结合为对象关系数据库管 江苏大学硕士学位论文 理系统 o b j e c t r e l a t i o n a ld a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m o r d b m s o r d b m s 有 面向对象和关系两种数据模型的特征 且支持s q l 3 可以处理一些复杂的数据 s e s h a d r i 2 1 1 提出了增强抽象数据类型以支持o r d b m s 的复杂数据结构 但这种 结合并不能有效地解决图像数据管理 通过比较分析以上各种模型 现有图像数据库的模型都不适合非结构化图像 数据的存取 因此 本文将研究基于网状结构的图像数据模型及其对应数据类型 同时 简化数据库操作的复杂性 以适应存储像素 对象 关系和语义内容的需 要 1 2 3 图像数据结构和索引机制的研究 图像数据库存储的另外一个核心问题是数据结构和索引机制 数据结构针对存储的像素 空问关系 特征等内容提出数据表示和操作方式 操作语言规定了在某些像素集上执行命令 i i d s 8 设计了2 d 字符串图标数据结 构 可以实现图像的快速模板匹配 也可以直接实现图像可视化 p i c d m s 2 3 1 为多幅图像设计了共享区域 所有相同数值的网格单元或像素存储在大小可以改 变的同一个记录中 p r o b e 2 4 1 为数据定义了一个点集数据结构 所谓点集 p o i n t s e t 就是对象包括的所有点 操作包含并 交和差等空间操作以及重叠 包含和 邻近等空间预测 s n e p a l 2 5 1 开发了一个四层数据模型存储图像 最底层存储原 始图像数据 第二层存储用户定义新特征并提供计算程序 第三层存储系统定义 和用户提供相似性函数和空间关系 最高层存储用户定义的语义 c e n s s i s 2 l 系 统中使用材料清单 b i l l o f m a t e r i a l s 式数据结构描述图像及其对象 把元数据存 在关系数据库中 数据文件单独存在文件服务器 索引机制为存取图像实现快速定位 目前有许多树形索引能满足图像数据库 的需求 q b i c 1 5 1 和f i r s t 2 6 系统使用r 木树 k d 树 2 7 3 0 应用于图像数据库的检 索系统 d o n g h ol e e 2 8 1 设计了s p h e r i c a lp y r a m i d 树 四叉树 2 9 1 及其变体类型广 泛应用于二值图像 l e e 3 1 1 提出了一种路径字典索引 芬兰学者s e r k a nk i r a n y a z 3 2 提出了适应增量的大规模图像数据库的层次单元树 h i e r a r c h i c a lc e l l u l a rt r e e h c t 动态索引 面向对象数据库存储主要有k i m i s 3 1 等人提出的类层次 c l a s s h i e r a r c h y c h 索引树 l o w 3 4 等人提出了一种通过超类和子类的关系进行索引的 层次 h 树 n g o r l a 2 0 提出了一种碎片哈希索引 4 江苏大学硕士学位论文 尽管图像数据结构和索引方法在图像数据存储方面取得了一些成功 但是对 于图像数据库的存储还存在很多问题 部分数据结构只是考虑了图像像素级 内容 没有考虑对象 关系和语义内容 索引结构不能处理图像数据库的动 态索引和高维特征等要求 随着图像的不断增加 有些索引和数据结构可能 会导致数据库崩溃或过满的索引数据结构 现有的数据结构很多不支持基于 内容或语义索引 纵观国内外图像数据库研究没有形成热点 其原因是还没有找到一个有效 的表达图像内容的数据模型 更没有发现适合图像数据模型的存储结构 因此 本研究正是要在这方面有所进展 1 3 本文的主要研究内容及创新点 图像数据库以存什么内容为中心 如何存储为主线 主要研究图像数据的存 储内容 数据模型和数据结构等 1 研究图像数据库的存储内容 目前很多图像数据库系统存储内容仅存储像素或图像的描述属性 致使很多 图像信息系统功能受限 本文研究各种特征的定义 提取与表达的理论和方法 研究同时存储图像特征内容以及图像之间内在联系的方法 2 研究图像数据库的存储模型 本文针对网状模型和面向对象模型的特点 采用去粗取精的思想 结合两者 在图像存储方面的优点 提出一种 面向对象一网状 混合图像数据存储模型 采用对象的思想将图像信息 图像特征及图像间的内在联系封装为一个图像对 象 利用网状模型对非结构化的图像对象进行存储 3 研究图像数据库的数据存储结构 不同的数据结构将影响着存储的功能和效率 也决定了图像数据的插入 修 改等操作的方式与效率 图像存储内容复杂 对象多且数据量大 需要一种高效 的新型数据结构 本文采用网状模型的链式结构实现图像对象间的联系 并在图 像对象问建立一个 对象一链 信息传递结构 通过图像对象间的消息传递来实 现图像数据的插入 修改等操作 5 江苏大学硕士学位论文 1 4 本文章节安排 本文的组织结构如下 第一章绪论 围绕选题目的和意义 讨论了国内外关于图像在存储内容 数据模型以及数据结构和索引机制的研究现状 提出了本研究的内容和主要创 新 第二章图像数据库系统及其数据存储模型 首先对图像数据库的结构和分 类做了概要介绍 然后对常用的各类传统数据模型做了详细的分析 并总结了各 自的优缺点 第三章医学图像的存储内容 根据医学图像数据的特点 提出采用图像特 征来表达医学图像的内容 并详细介绍了三种常用图像特征的提取方法 第四章面向对象一网状医学图像数据存储模型 讨论了面向对象数据模型 和网状数据模型在图像存储方面的不足 结合二者的优点提出 面向对象一网状 图像数据模型 并从模型的数据结构 数据操作 数据组织与存储 信息传递以 及完整性约束等几个方面对模型进行了详细的介绍 第五章基于特征的医学图像数据库系统的实现 详细介绍了数据库从概念 结构设计到逻辑设计 再到功能设计 最后程序实现的整个过程 第六章总结与展望 概述了本文的主要研究工作 并提出了下一步研究工 作的重点和方向 6 江苏大学硕士学位论文 第二章图像数据库系统及其数据存储模型 随着多媒体技术 医学成像技术和计算机技术的高速发展 数字医学图像的 数量急剧增加 如何对这些数据进行有效的管理和利用 成为一个亟待解决的问 题 医学影像数据库是医疗信息系统中的数据存储中心 是p a c s 系统以及其 它涉及医学图像的各种医疗信息系统的重要内容 它能够将一大批数据及其相关 信息存储在一起 对它们进行有效的管理 以保证数据的一致性 完整性 并支 持各种应用 2 1 图像数据库的结构 图像数据库系统一般按客户 服务器结构来运行 它主要由4 部分构成 即 命令解释模块 图像处理模块 图像数据库管理系统 简称i d b m s 和数据库 部分 3 5 3 6 如图2 1 所示 用户命令 图2 1 图像数据库结构图 图像数据库系统对传统数据库系统的扩充并不只限于增加对图像数据类型 的支持 在基本结构上 图像数据库系统发生了重大的变化 需要在系统结构的 7 江苏大学硕士学位论文 最底层增加对图像的控制和支持 中间层增加对数据内容的关联和链接的处理 而最高层需支持图像的表现和用户的查询描述 这样 可以重新得到图像数据库 按层次划分的概念结构 1 第一层图像用户接口层 直接面向用户 将图像数据准确地表示给用户 主要包括命令解释模块 对 用户命令进行处理 转换为机器语言 对下进行数据操作 2 第二层概念数据模型层 用户通过接口层的操作会被转化为对本层数据模型的操作 主要包括图像处 理模块 实现对图像数据的特征提取和辅助信息的处理 3 第三层存储数据模型层 将概念数据模型层的内容转化成一定的逻辑存储模型进行存储 主要包括图 像数据库管理系统 除了具备基本的图像数据及其辅助信息的管理功能外 还需 具备通常数据库所具有的基本功能 执行用户的操作命令 对数据库进行查询 添加 删除和修改等操作 4 第四层是数据支撑层 负责实现最基本的数掘关联和操作 如查询 添加 删除和修改等 主要包 括数据库 包含图像库及与其相关的属性库 特征库和辅助库等 用于分别存放 图像及其相关信息 2 2 图像数据库的分类 图像数据库系统管理的数据主要有以下三种 图像数据 原始图像本身 是一个二维的像素点阵 常用的图像格式有b m p j p e g p c x g i f t i f f 和 i m g 等 图像特征的描述 主要是描述图像实体的颜色 纹理 形状和空间 关系等 这对于基于图像内容的查询和存储是必不可少的 辅助信息 图像 的说明信息 不管原始图像是否在物理上真正存储 这些信息是必需存储的 它 通常包括图像名称 采集设备 图像类别 拍摄日期 存储位置 大小及分辨率 等 因此 根据图像数据库中所管理的图像的形式和性质不同 图像数据可分为 三类 3 7 8 江苏大学硕士学位论文 1 基于文本的图像数据库 这类图像数据库管理的对象是图像本身及图像属性 实质是某领域的图像资 料库或档案库 通常不需要图像处理软件包的支持 其数据的形式 除图像本身 外与一般的文字数字数据库相同 因此对数据库的维护也与常规的文字数字型数 据库相似 对图像的检索可以转化为对其名字 标识域或任一属性的检索 这样 图像不必参与日常的查找过程 而只要在其标志域有一指针指向它即可 在存储 结构上 图像本身与属性值可以分开存放 这样就能更有效地利用存储空间 2 基于内容的图像数据库 这类图像数据库管理的对象以图像特征作为数据 其形式与基于文本的图像 数据库不同 文本是图像本身固有的信息 数据类型比较单一 而图像特征则反 应了图像信息某一方面的本质特征 它即可以是对图像模式的符号描述 又可以 表示为反映图像模式内各组成部分的空间结构的框架或关系图形式 也可以是反 映图像轮廓和几何特征的线图 如区域 线条 点等 甚至是纹理和颜色坐标 或颜色直方图及草图 图像的特征之所以具有众多的形式 是因为它们分别反映 了同一幅图像不同方面的特征 物体 物体间关系 骨架或轮廓等 为了实现 从不同角度进行图像查询的准确度 数据库必须提取并保存图像各方面的特征及 特征间的关系 这种图像数据库比较适合于按图像内容来检索图像的场合 按图 像特征进行检索 应要求系统具有进行高速特征抽取处理和判定是否匹配的机 能 3 基于语义的图像数据库 这类图像数据库的实质是图像知识库 知识库是一种特殊的数据库 知识库 中存放的是一系列描述与问题有关的图像结构特征和关系等方面的知识 它是指 导系统进行图像分析和理解的依据 对数据库的许多要求如查询 维护 共享等 都适合于知识库 由于知识通常是由规则 谓词 框架和语义网络来表示的 因 此如何用它们来表示图像领域知识也是一个很实际的课题 基于知识的图像数据 库应用层次最高 实现难度也大 需要将人工智能和专家系统的技术不断引入图 像领域 同时需要进一步深化生理和心理科学关于人类视觉本质的研究 总结出 普通适用的图像知识 才能真正发挥图像知识库的作用 9 江苏大学硕士学位论文 2 3 传统数据模型分析 传统的数据模型主要包括层次数据模型 网状数据模型 关系数据模型和面 向对象数据模型 2 3 1 层次数据模型 层次模型是数据库系统中最早出现的数据模型 层次数据库系统采用层次模 型作为数据的组织方式 用树形结构来表示各类实体以及实体间的联系 层次数 据库系统的典型代表是i b m 公司的i m s 数据库管理系统 这是1 9 6 8 年i b m 公 司推出的第一个大型的商用数据库管理系统 曾经得到广泛的使用 3 8 3 9 1 1 层次模型的数据结构 满足下面两个条件的基本层次联系的集合为层次模型 根结点有且只有 一个结点没有双亲结点 根结点以外的其他结点有且只有一个双亲结点 在层次模型中 每个结点表示一个记录类型 它的双亲是唯一的 这种结构 决定了它只能直接处理一对多的实体联系 在该模型中 每个记录类型定义一个 唯一的排序字段 码字段 能够唯一地表示一个记录值 层次模型中 任何记 录值只有按其路径查看时 才能显示出它的全部意义 没有一个子女记录能够脱 离双亲记录而独立存在 2 层次模型的数据操作 层次模型的数据操作主要有查询 插入 删除和修改 3 层次模型的存储结构 层次模型数据的存储不仅要存储数据本身 还要存储数据之间的层次联系 常用的实现方法主要有邻接法和连接法 1 邻接法 按照层次树前序遍历的顺序把所有记录值依次邻接存放 即通过物理空间的 位置相邻来实现层次顺序 2 链接法 用指引元来反映数据之间的层次联系 4 层次数据模型的完整性约束 进行插入 删除和修改操作时要满足层次模型的完整性约束条件 进行插入 l o 江苏大学硕士学位论文 操作时 如果没有相应的双亲结点值就不能插入子女结点值 进行删除操作时 如果删除双亲结点值 则相应子女结点值也被同时删除 进行更新操作时 应更 新所有相应记录 以保证数据的一致性 5 层次模型的优缺点 模型的优点包括以下几点 层次模型简单 对具有一对多的层次关系的 部门描述自然 直观 容易理解 对于实体间联系是固定的且预先定义好的 应用系统 采用层次模型来实现 其性能优于关系模型 不低于网状模型 层 次模型提供了良好的完整性支持 模型的缺点包括以下几点 对于非层次的多对多联系表示不自然 对 插入和删除操作的限制较多 查询子女结点必须通过双亲结点 层次命令 趋于程序化 2 3 2 网状数据模型 在现实世界中事物之间的联系更多的是非层次的关系 用层次模型表示是很 困难的 网状模型可以克服这一弊病 网状数据库系统采用网状模型作为数据的 组织方式 最典型的代表是d b t g 系统 3 8 3 9 l 1 网状数据模型的数据结构 网状模型两个条件 允许一个以 上的结点无双亲 一个结点可以有多 于一个的双亲 a 多个双亲 r 1 1l r r 2 b 单个双亲且 允许复合链 图2 2 网状模型的例子 l c 既有单个双亲 又有多个双亲 江苏大学硕士学位论文 表示方法 1 实体型 用记录类型描述 每个结点表示一个记录类型 2 属性 用字段描述 每个记录类型可包含若干个字段 3 联系 用结点之间的连线表示记录型之间的一对多的联系 2 网状数据模型的数据操作 网状数据模型的数据操作主要包括查询 插入 删除和更新数据 3 网状数据模型的存储结构 关键是实现记录之间的联系 常用的方法有单向链接 双向链接 环状链接 向首链接和指针阵列式 此外还有指引元阵列法 二进制阵列法 索引法等依具 体系统不同而不同 4 网状数据模型的完整性约束 d b t g 在模式d d l 中提供了定义d b t g 数据库完整性的若干概念和语句 主要有 支持记录码的概念 码即唯一标识记录的数据项的集合 例如 学生记 录中学号是码 因此数据库中不允许学生记录中学号出现重复值 保证一个联系中双亲记录和子女记录之间是一对多的联系 可以支持双亲记录和子女记录之间某些约束条件 5 网状数据模型实例 学生选课 一个学生可以选修若干门课程 某一课程可以被多个学生选修 因此学生与 课程之间是多对多联系 引进一个学生选课的联结记录 它由三个数据项组成 即学号 课程号 成绩 表示某个学生选修某一门课程及其成绩 这样 学生选 课数据库包括三个记录 学生 课程和选课 如图2 3 所示 每个学生可以选修 多门课程 显然对学生记录中的一个值 选课记录中可以有多个值与之联系 而 选课记录中的一个值 只能与学生记录中的一个值联系 学生与选课之间的联系 是一对多的联系 联系名为s s c 同样 课程与选课之间的联系也是一对多的 联系 联系名为c s c 1 2 江苏大学硕士学位论文 学生 图2 3 学生 选课髁程的网状数据库模式 学生选课数据库中学生 课程和选课三个记录的值可以分别按某种文件组织 方式存储 记录之间的联系用单向链接法实现 网状数据库的存储示意图如图 2 4 所示 图中实线链表示s s c 联系 虚线链表示c s c 联系 即把s 1 学生和 他的选课记录 选修的c 1 和c 2 两门课程的选课记录 链接起来 同样把s 2 s 3 s 4 学生和他们的选课记录链接起来 把c 1 课程和选修了c l 课程的学生记 录 有s 1 s 2 s 3 s 4 学生选修了c 1 链接起来 同样把c 2 c 3 课程和选 修了这些课程的学生 记录链接起来 图2 4 学生 选课 课程的网状数据库存储示意图 1 3 江苏大学硕士学位论文 6 网状数据模型的优缺点 模型的优点包括以下几点 能够更为直接地描述现实世界 具有良好 的性能 存取效率较高 模型的缺点包括以下几点 结构比较复杂 而且随着应用环境的扩大 数据库的结构就变得越来越复杂 不利于最终用户掌握 数据独立性较差 由于实体间的联系本质上是通过存取路径指示的 因此应用程序访问数据时要指 定存取路径 2 3 3 关系数据模型 关系数据模型是以关系数学理论为基础的 用二维表结构来表示实体以及实 体之间联系的模型称为关系模型 在关系模型中把数据看成是二维表中的元素 操作的对象和结果都是二维表 一张二维表就是一个关系 3 8 3 9 1 数据结构 关系模型的数据逻辑结构是一种二维表格结构 由行和列构成 称为关系数 据表 关系必须是规范化的 关系的每一个分量必须是一个不可分的数据项 不 允许表中还有表 2 关系操作 关系模型中常用的数据查询操作包括 选择 投影 连接 并 交 差 除 常用的数据操作包括 增加 删除 修改 更新 3 数据完整性约束 完整性约束包括 实体完整性 参照完整性 用户定义完整性 1 实体完整性规则 要求主关键字不能为空值 否则主关键字起不到唯一标识表中对象的作用 2 引用完整性规则 不允许引用不存在的对象 3 用户定义的完整性规则 这是针对某一具体数据的约束条件 由应用环境决定 4 关系数据模型的优缺点 关系模型具有理论严谨 概念清晰等特点 关系代数理论强有力地支持了关 系数据模型 关系模型的概念单一 实体间的联系都用二维表来表示 进一步提 1 4 江苏大学硕士学位论文 高了数据的独立性 但关系模型有一个致命弱点 即它不能用一张表模型表示出 复杂对象的语义 尽管关系模型在传统的商业领域及事务处理方面获得成功 但 由于图像数据量大且非格式化 信息结构复杂且语义丰富 使得面向元组且数据 类型过于简单的关系模型不能自然表达蕴含于图像中的信息 传统的关系数据模型结构简单 是单一的二维表 数据类型和长度也被局限 在一个较小的子集中 不支持新的数据类型和数据结构 表达数据特性的能力受 到限制 图像数据和普通的文本数据有很大的不同 首先前者数据量非常庞大 其次图像数据一般都是非格式化的 而文本数据都是格式化的数据 因此 图像 数据更难管理 2 3 4 面向对象数据模型 面向对象模型是用面向对象的观点来描述现实世界实体对象的逻辑组织 对 象间限制 联系等的模型 一系列面向对象的核心概念构成了面向对象模型的基 础 3 8 3 9 1 数据结构 面向对象数据模型的基本结构组建是对象和类 1 对象 对象是运行期的基本实体 它是一个封装了数据和操作这些数据的代码的逻 辑实体 一个对象对应于e r 模型中的一个实体 2 类 类是具有共同属性和方法的对象全体的抽象和概括的描述 一个对象所包含 的所有数据和代码可以通过类来构造 2 数据操作 在面向对象数据模型中 数据操作分为两个部分 一部分封装在类之中称之 为方法 另一部分是类之间相互沟通的操作称之为消息 因此 面向对象数据模 型上的操作就是方法和消息 类中操作的实现过程叫做方法 一个方法有方法名 参数 方法体 对象之 间进行通信的结构叫做消息 在对象的操作中 当一个消息发送给某个对象时 消息包含接收对象去执行某种操作的信息 发送一条消息至少要包括说明接受消 息的对象名 发送给该对象的消息名 江苏大学硕士学位论文 3 数据完整性约束 面向对象数据模型中一般使用消息或方法表示完整性约束条件 他们称为完 整性约束方法与完整性约束消息 并在其之前有特殊标识 4 面向对象的三大特点 封装性 封装是一种信息隐蔽技术 它体现于类的说明 是对象的重要特性 封装使数据和加工该数据的方法 函数 封装为一个整体 以实现独立性很强的 模块 使得用户只能见到对象的外特性 对象能接受哪些消息 具有那些处理能 力 而对象的内特性 保存内部状态的私有数据和实现加工能力的算法 对用 户是隐蔽的 封装的目的在于把对象的设计者和对象者的使用分开 使用者不必 知晓行为实现的细节 只须用设计者提供的消息来访问该对象 继承性 继承性是子类自动共享父类之间数据和方法的机制 它由类的派生 功能体现 一个类直接继承其它类的全部描述 同时可修改和扩充 继承具有传 递性 继承分为单继承 一个子类只有一父类 和多重继承 一个类有多个父类 类的对象是各自封闭的 如果没继承性机制 则类对象中数据 方法就会出现大 量重复 继承不仅支持系统的可重用性 而且还促进系统的可扩充性 多态性 对象根据所接收的消息而做出动作 同一消息为不同的对象接受时 可产生完全不同的行动 这种现象称为多态性 利用多态性用户可发送一个通用 的信息 而将所有的实现细节都留给接受消息的对象自行决定 如是 同一消息 即可调用不同的方法 例如 p r i n t 消息被发送给一图或表时调用的打印方法与 将同样的p r i n t 消息发送给一正文文件而调用的打印方法会完全不同 综上可知 在面对对象方法中 对象和传递消息分别表现事物及事物间相互 联系的概念 类和继承是适应人们一般思维方式的描述范式 方法是允许作用于 该类