基于内容的图像检索通用技术研究及应用

本论文针对 Internet 上日益增长的多媒体信息检索应用需求,以及目前国内外现 有的基于内容的图像检索系统在通用性设计及系统性能优化等方面的局限性,系统而 深入地探讨了基于内容的图像检索通用技术中若干重要问题,提出了一套完整的解决 方案,着重于新的图像特征描述方法,特征提取、匹配与索引方法,相似性度量与快 速检索算法等方面的研究,构建了一个基于内容的图像检索通用模型,通过在本地图 像库和 Internet 上试验,验证了方案的合理性。 在简要介绍了研究背景和意义,国内外基于内容的图像检索通用技术的发展与应 用现状基础上,本文主要研究了四个方面问题:图像特征分析、图像检索技术、图像 搜索技术、系统设计及实现。第一方面,详细地分析了基于内容的图像检索系统中典 型的图像特征(颜色、纹理、形状等),针对目前尚不成熟的形状特征描述,提出了一 种基于小波和相对矩的形状特征提取与匹配方法。该方法兼顾了图像边界与区域特点, 统一了形状特征的边界、区域和结构描述,满足平移、缩放、旋转不变性。与同类方 法相比,更符合人的视觉特性。第二方面,系统地研究了数据库中两类图像检索技术 ——基于文本的图像检索和基于内容的图像检索。重点探讨了基于内容的图像检索技 术中若干关键技术、实现方法及其改进措施,提出了一个基于贝叶斯分类的人机交互 相关反馈图像检索通用模型,将图像的底层视觉特征与高层语义描述有机地结合起来, 便于各种不同检索算法的移植及检索功能的扩展,适应了大型图像库(或网络数据库) 中图像的分类检索需求。第三方面,系统地研究了 Internet 上两类图像搜索技术—— 基于文本的图像搜索和基于内容的图像搜索。着重探讨了基于内容的图像搜索技术在 实用化过程中亟待解决的关键问题,提出了两种实现方法,以适应不同用户的应用需 求。方法一是 Internet 上基于文本的图像搜索技术与图像库中基于内容的图像检索技 术的结合,分步实现了图像搜索与图像检索过程。该方法简便易行,可以满足部分用 户的应用需求。方法二是 Internet 上基于内容的图像搜索与检索技术的有机结合,图 像搜索与图像检索过程同步进行,图像特征提取与匹配在远端完成,无论是搜索耗时 还是搜索结果,基本上能被一般用户所接受。第四方面,探讨了基于内容的图像检索 系统的设计及实现问题。在总结以上研究成果基础上,设计出一个通用性系统结构, 并就实用化过程中需要解决的若干重要问题,提出了几种系统性能优化的措施。主要 I 包括:基于 MPEG-7 标准和人机交互相关反馈的系统接口优化,基于聚类方法和贝叶 斯分类方法的数据库优化,基于嵌入 DSP 方式的硬件系统优化,基于多网站爬虫(Web Crawler)的分布式搜索策略等。其中,提出的基于嵌入 DSP 方式的硬件系统优化方 法,保证了图像特征提取与索引、特征匹配与快速检索以及数据管理与更新等流程并 行工作,提高了系统运行效率。此外,针对目前 Internet 上基于内容的图像搜索引擎 性能评价标准不统一的现状,结合我们所设计系统的实际运行结果,提出了一种改进 的性能评价方法,增强了性能评价的可操作性。最后,对全文进行了总结,概括了主 要研究成果,并对今后的研究方向进行了规划。 本文的主要创新在于:【1】提出了一种基于小波和相对矩的形状特征提取与匹配 方法,与同类方法相比,更符合人的视觉特性。【2】提出了一个基于贝叶斯分类的人 机交互相关反馈图像检索通用模型,便于各种不同检索算法的移植及检索功能的扩展, 有较强的通用性。【3】提出了两种 Internet 上基于内容的图像搜索技术的实现方法。 实验表明,方法合理,切实可行。【4】提出了几种系统性能优化的措施。其中,提出 的基于嵌入 DSP 方式的硬件系统优化方法,提高了系统运行效率。【5】提出了一种 Internet 上基于内容的图像搜索引擎性能评价的改进方法,增强了性能评价的可操作 性。