[科普中國]-海洋生物圖

海洋生物圖是反映海洋生物群地理分布狀況的專題地圖。按游泳動物（魚類）、浮游生物、底棲動、植物及主要生物資源進行制圖。多用范圍法和個體符號法表示，反映生物大概的活動或分布范圍。

概念海洋生物圖是指基于內(nèi)容的圖像檢索技術(shù)主要是通過提取圖像的顏色、形狀、紋理等可視特征作為圖像檢索依據(jù)，對圖像庫進行近似檢索。針對海洋生物圖像的特點，將離散余弦變換技術(shù)應(yīng)用到圖像檢索中，計算基于圓環(huán)分割的圖像塊的DCT能量矩得到圖像的紋理信息。

基于多特征融合的海洋生物圖像檢索方法國家科技部2010年已建立了“國家自然科技資源平臺”，該平臺整合了各種各樣的海洋生物資源，這些資源的屬性很豐富，其中絕大部分都具有圖像表達屬性。但是海洋生物種類繁多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單純依靠關(guān)鍵字的組合分類進行檢索，其效率不高。因此，研究先進的海洋生物圖像檢索算法以提高圖像檢索的準確性、高效性，更好地實現(xiàn)海洋生物資源的共享，已成為一個迫切需要解決的問題，這也是優(yōu)化海洋生物科技資源平臺的重要構(gòu)件。1

多數(shù)圖像檢索采用了基于內(nèi)容的圖像檢索技術(shù)來實現(xiàn)，該技術(shù)的研究集中在五個方面：一是如何提取與表達圖像的特征，二是如何建立與管理圖像檢索數(shù)據(jù)庫，三是如何度量圖像特征的相似性，四是如何評價圖像檢索系統(tǒng)的性能，五是如何實現(xiàn)圖像檢索的網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用。已經(jīng)開發(fā)出來的基于內(nèi)容的圖像檢索系統(tǒng)主要包括：UIUC的MARS系統(tǒng)、MIT的Photobook系統(tǒng)、IBM的QBIC系統(tǒng)、Columbia的Visualseek和Webseek系統(tǒng)等?；趦?nèi)容的圖像檢索技術(shù)的核心是提取圖像顏色、紋理、形狀等方面的特征。但是海洋生物圖像由于拍攝光線等原因，對顏色特征不敏感。筆者主要圍繞海洋生物圖像的紋理及形狀特征，做了以下三個方面的研究工作：一是海洋生物圖像的紋理特征的表達、描述及提取；二是海洋生物圖像的形狀特征的表達、描述及提取；三是將紋理特征和形狀特征有效整合。經(jīng)過深入研究，筆者提出了一種基于DCT的快速有效提取能量矩特征的方法，并結(jié)合基于Hu不變矩的形狀特征，設(shè)計一種用于海洋生物圖像的多矩特征的圖像檢索方法。最后通過實驗對比證實該算法有較好的圖像檢索準確率，且對圖像旋轉(zhuǎn)、尺寸變化等有較強的魯棒性。

海洋生物圖像紋理特征的表達在基于內(nèi)容的圖像檢索技術(shù)中，如何提取圖像特征以及如何表達圖像特征是非常關(guān)鍵的。通常對于一幅圖像而言，其表現(xiàn)出的圖像特征不止一個，可能是N個。即便針對這N個特征中的一個具體特征而言，其特征表達方法也是不限定，可能是M種方法。在基于內(nèi)容的圖像檢索技術(shù)中研究圖像特征主要集中在三個方面：第一是圖像的顏色，第二是圖像的形狀，第三是圖像的紋理。考慮到海洋生物圖像的顏色特征不敏感特性，本文提取圖像的紋理和形狀特征作為內(nèi)容表達。對于物體表面所呈現(xiàn)出的共有內(nèi)在特性是通過紋理特征來表達的，該特征不僅體現(xiàn)了物體與周圍環(huán)境之間的聯(lián)系，還包含了物體表面結(jié)構(gòu)組織排列的關(guān)鍵信息。學術(shù)界普遍認為圖像的紋理分析主要有兩類方法：結(jié)構(gòu)分析法和統(tǒng)計分析法。其中，結(jié)構(gòu)分析法的規(guī)則通常包括形態(tài)學算子，邊界圖等。統(tǒng)計分析法的規(guī)則包括：馬爾可夫隨機場、分形模型、Tamura紋理特征、共生矩陣、Gabor等多分辨率分析方法以及小波變換等等。一般而言，如果一幅圖像的紋理比較規(guī)則，那么分析其紋理特征時選擇結(jié)構(gòu)分析法就非常有效。離散余弦變換是一個基于實數(shù)的正交變換，由于其較高的壓縮性能和實現(xiàn)算法快速簡單，被廣泛應(yīng)用于各種視頻和圖像編碼標準中。筆者在利用離散余弦變換技術(shù)表達圖像紋理特征方面進行了重點研究實驗，并將該技術(shù)應(yīng)用拓展到海洋生物圖像檢索領(lǐng)域，提出了一種基于離散余弦變換能量矩提取海洋生物圖像紋理特征的方法。簡言之，第一步幾何劃分待檢索的海洋生物圖像并生成m個子塊，第二步取得m個子塊各自的DCT變換系數(shù)的直流分量，第三步計算能量的均值和方差來描述海洋生物圖像的紋理特征。鑒于能量的均值和方差在描述圖像紋理統(tǒng)計特性方面的突出作用，可以考慮使用均值和方差作為圖像間匹配的重要依據(jù)。

基于Hu不變矩的海洋生物圖像形狀特征的表達形狀特征在二維海洋生物圖像檢索應(yīng)用中，是必須要關(guān)注的一個因素。由于海洋生物圖像的形狀特征非常穩(wěn)定，不會伴隨圖像顏色的變化而發(fā)生改變，所以形狀特征顯得格外重要。一般而言，圖像形狀特征既可以采用基于邊界輪廓特征的方法，也可以采用基于區(qū)域特征的方法表達。前者包括：傅立葉形狀描述符、邊界直方圖、鏈編碼、曲率尺度空間等，其中傅立葉形狀描述符被公認為典型的邊界輪廓特征表示方法。后者包括形狀不變矩、形狀參數(shù)、區(qū)域面積等。

研究結(jié)論研究提出了一種新的基于紋理的圖像檢索方法，首先將圖像進行圓環(huán)幾何分割，然后提取各圓環(huán)圖像塊的DCT變換系數(shù)的直流分量，并計算其均值和方差作為圖像的紋理特征，實現(xiàn)了以較少的特征向量表達較多的圖像信息，從而快速地獲得較好的檢索效果。并在此基礎(chǔ)上，采用Hu不變矩來表示圖像的形狀特征，提出了一種綜合DCT能量矩和Hu不變矩的多特征海洋生物圖像檢索的算法。實驗表明，本文提出的算法檢索效果較好且計算簡單方便，并且對圖像平移、圖像旋轉(zhuǎn)和圖像縮放等幾何變換具有不變性，具有一定的實用意義。未來筆者在此基礎(chǔ)上，將更加深入地研究如何合理設(shè)置綜合檢索中的權(quán)重，及其他相關(guān)反饋技術(shù)來進一步提高圖像檢索的精度。2

基于海洋生物圖認知的專項信息系統(tǒng)設(shè)計海洋生物圖像信息管理系統(tǒng)屬于專業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，具有明顯的特殊性，尤其在信息的標注方式、分類方式、系統(tǒng)的用戶對功能的需求等方面與其他信息管理存有差異。從信息管理的角度來看，海洋生物圖像信息管理系統(tǒng)具有MIS的所有特性，筆者采用現(xiàn)有的MIS技術(shù)和應(yīng)用軟件，構(gòu)建了海洋生物圖像信息管理系統(tǒng)。鑒于海洋生物信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主體是圖像，要求有效存儲和標注，檢索效率高，用戶界面友好等，我館選用了SQLServer2000作為后臺數(shù)據(jù)庫及CB6.0作為前端開發(fā)工具。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理過程與功能根據(jù)需求分析，得到了從數(shù)據(jù)傳遞和加工的角度分析的數(shù)據(jù)流程圖(見圖1)。系統(tǒng)分為圖像檢索、圖像存儲、圖像更新、圖像刪除、數(shù)據(jù)庫管理、用戶管理等功能模塊。系統(tǒng)功能見圖2。

其中，圖像信息復(fù)合查詢完成圖像信息的精確或模糊查詢，并將查詢的結(jié)果顯示出來;數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)維護可實現(xiàn)系統(tǒng)構(gòu)造、代碼維護(即代碼錄入、添加、刪除、修改)，數(shù)據(jù)庫的恢復(fù)和備份；用戶管理實現(xiàn)用戶的權(quán)限設(shè)置、用戶的添加和刪除、用戶的分級、用戶密碼維護；圖像信息管理完成圖像的刪除、信息修改、錄入、添加功能；信息統(tǒng)計用于信息的處理分析與預(yù)測。

海洋生物圖像信息管理系統(tǒng)的E-R圖設(shè)計海洋生物圖像信息管理系統(tǒng)的E-R模型，目的是找到一種能滿足用戶需求的圖像標注方式，一幅海洋生物圖像包含的信息是非常多的，有層面上的，也有隱含的。圖像畫面所包含的信息是通過圖像本身就能一目了然的，但是這些信息本身又有一定的特點，它們對于實際物種的分類也是必要的，有時候甚至是非常關(guān)鍵的。圖像的地點，可能是拍攝地點，也可能是圖像所描述的中心地點。例如，在某個海底拍攝的重要生物圖像，對用戶來說不僅是要看圖像本身，可能還想知道時間、圖像的具體描述等信息，根據(jù)這些具體需求我們對描述圖像的實體定義了實體屬性、聯(lián)系。而且充分考慮到以后的數(shù)據(jù)庫修改以及擴充，增加相應(yīng)屬性、聯(lián)系等。海洋生物包括動物和植物兩大類，可粗分為：海洋藻類、原生動物、海綿動物、半索動物、尾索動物、脊索動物等18種類別。根據(jù)分類可以得到E-R圖，如圖3所示。

研究結(jié)論該文針對圖書館開展專項服務(wù)的需求，依據(jù)海洋生物信息管理的特點提出了一種應(yīng)用信息管理理論和具體技術(shù)，探討海洋生物圖像信息管理建庫的方法，數(shù)據(jù)訪問接口的相關(guān)技術(shù)及海洋生物圖片檢索的方法。應(yīng)用系統(tǒng)具有較強的文本信息和圖像信息存儲、查詢等處理能力，可滿足相關(guān)科研人員對海洋生物多樣性的分析及圖書館對海洋生物信息編目、分類等資料管理的需求。3

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

張磊 - 副教授 - 西南大學