趙重陽 王松會 夏文杰
摘要:圖像分類識別是用計(jì)算機(jī)對圖像進(jìn)行一系列操作來識別不同的圖像,包括圖像預(yù)處理、圖像的分割、圖像的特征提取,最后是圖像的分類。圖像分類識別方法多來源于模式識別,近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展和分類算法提出,圖像分類識別方法越來越多。該文分析的分類算法是在模式識別基礎(chǔ)上進(jìn)行圖像分類識別,首先介紹圖像分類識別國內(nèi)外研究現(xiàn)狀,然后分析幾種分類識別算法的優(yōu)點(diǎn)和缺陷,便于更好地深入研究圖像的分類算法。
關(guān)鍵詞:分類識別;模式識別;圖像分類
中圖分類號:TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1009-3044(2014)32-7731-03
1 概述
圖像分類識別根據(jù)圖像的不同特征對圖像進(jìn)行分類,有相同特征的對象歸為一類。圖像分類識別方法隨著數(shù)學(xué)算法的不斷進(jìn)步而不斷發(fā)展。目前,圖像分類識別的主要方法主要有六種:模糊集識別、統(tǒng)計(jì)識別、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別、結(jié)構(gòu)識別、模版匹配和支持向量機(jī)。這幾種方法各有優(yōu)缺點(diǎn),根據(jù)具體情況來具體分析和應(yīng)用,也可以多種方法相結(jié)合使用。
圖像分類識別系統(tǒng)包括幾個(gè)步奏[1],如圖 1所示,一是獲取原圖像的信息,二是對圖像預(yù)處理,三是圖像分割,四是圖像特征提取,五是圖像分類識別。
1) 統(tǒng)計(jì)識別法
統(tǒng)計(jì)識別的理論基礎(chǔ)是數(shù)學(xué)的決策理論,在決策理論基礎(chǔ)上建立統(tǒng)計(jì)識別模型,統(tǒng)計(jì)識別模型對要分類的圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,統(tǒng)計(jì)出圖像的各類特征,找出準(zhǔn)確反映圖像類別的特征,最后進(jìn)行分類。其主要的技術(shù)有聚類分析法、統(tǒng)計(jì)法、KNN等。但是,統(tǒng)計(jì)識別法不能識別圖像空間相互關(guān)系(即結(jié)構(gòu)關(guān)系)。如要分類圖像的結(jié)構(gòu)特征是主要特征,用統(tǒng)計(jì)識別就不能識別圖像。
在進(jìn)行分類時(shí)需要大量圖像樣本,先統(tǒng)計(jì)圖像樣本特征,設(shè)定圖像識別的一系列參數(shù)(即統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí))。
統(tǒng)計(jì)識別法流程如圖2[1],輸入的圖像信息是原始圖片;圖像處理是對樣本圖像濾波、分割和特征提??;最后是圖像分類,輸出結(jié)果。
2) 結(jié)構(gòu)識別法
結(jié)構(gòu)識別法即是句法識別,是對統(tǒng)計(jì)識別法不能識別圖像結(jié)構(gòu)特征的補(bǔ)充,因?yàn)榻y(tǒng)計(jì)算法不能統(tǒng)計(jì)圖像的結(jié)構(gòu)信息,只能統(tǒng)計(jì)圖像的數(shù)字特征。結(jié)構(gòu)識別法用符號表現(xiàn)圖像的特征。結(jié)構(gòu)識別采用的結(jié)構(gòu)是層次結(jié)構(gòu),把復(fù)雜圖像分解成單子圖像,而子圖像又可以分解為更簡單的子模式,一直分解下去,直到分解為最簡單的子模式,即模式基元。通過對模式基元的識別,進(jìn)而識別子模式,最終識別該復(fù)雜的模式。結(jié)構(gòu)識別法流程如圖3所示。
3) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法是通過我們學(xué)習(xí)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對圖像進(jìn)行分類。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法與統(tǒng)計(jì)識別方法在很多方面是有聯(lián)系的,都利用樣本數(shù)據(jù)完成圖像的分類識別,并且在有的算法上還可以看作是一定的等價(jià)關(guān)系。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的結(jié)構(gòu)由一個(gè)輸入層、若干個(gè)中間隱含層和一個(gè)輸出層組成。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法通過學(xué)習(xí),能夠從原始圖像的復(fù)雜數(shù)據(jù)中找到相識的圖像特征,對圖像進(jìn)行正確的分類。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法克服了統(tǒng)計(jì)識別算法過程中的復(fù)雜性,以及模型選擇的一些困難,是一種非線性建模過程,不需要分清圖像中存在的非線性關(guān)系,給圖像分類帶來的極大方便。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法有不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),所以構(gòu)造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)首先要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。神經(jīng)網(wǎng)法圖像分類時(shí)首先要輸入圖像的文理特征和結(jié)構(gòu)特征等一系類參數(shù);中間經(jīng)過圖像的預(yù)處理和特征提取,最后輸出的是圖像類別。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類識別的流程圖如圖4所示。
4) 模糊集識別法
模糊集識別法在模式識別、醫(yī)學(xué)圖像識別,車牌識別等方面的應(yīng)用比較廣泛。在圖像分類時(shí),有一些圖像的特征不是很明顯,不能準(zhǔn)確的確定圖像屬于哪一類別時(shí),模糊集識別法能很好地解決這一問題。先模糊地對圖像進(jìn)行判別,這時(shí)圖像可能屬于兩個(gè)或多個(gè)類別,等到再找到另外的特征時(shí)再進(jìn)行精確的判別。模糊數(shù)學(xué)是模糊集識別法的理論基礎(chǔ),模糊數(shù)學(xué)在判別事物時(shí)一般不是準(zhǔn)確的去判斷這事物到底屬于什么,而是用不太精確的方式來判別事物,用更適合人的思維方式去判別。
模糊集識別法是在模式識別方法的基礎(chǔ)上采用模糊邏輯的方法。在圖像分類時(shí),采用模糊理論對圖像特征模糊化和模糊分類。
模糊集識別法根據(jù)一定的模糊化規(guī)則將圖像的紋理或形狀等特征分成多個(gè)模糊變量,雖然每個(gè)模糊變量不能準(zhǔn)確的判別圖像,只能判斷原圖像的一部分特征,但是這能更進(jìn)一步地判別圖像。我們用先前判別出的部分特征去替代原來的特征再進(jìn)行圖像判別,這樣我們又能精確的判別圖像類別。雖然模糊集識別法識別時(shí)圖像的特征變多了,但是卻使得判別更加,也使分類器設(shè)計(jì)趨于簡單。
5) 支持向量機(jī)
支持向量機(jī)(SVM)是一種新的人工智能學(xué)習(xí)算法,現(xiàn)在已經(jīng)成為模式識別領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)[3] 。支持向量機(jī)有學(xué)習(xí)效率高、抗噪聲性能強(qiáng)和推廣性好等優(yōu)點(diǎn)。支持向量機(jī)是在原先統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的基礎(chǔ)上,解決傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論不能解決的一些問題(如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)選擇問題,局部極小點(diǎn)問題等)而形成的一種新的學(xué)習(xí)方法。在圖像識別時(shí),支持向量機(jī)將圖像特征向量映射到一個(gè)更高維的空間,在新的空間中重新建立一個(gè)最大圖想?yún)?shù)閾值。首先判斷圖像的大類別,在閾值的兩邊再建立重新建立新的閾值,再進(jìn)行分類,對圖像不斷判別。最后相差最大的就是圖像屬于不同類別。
6) 模板匹配法
模板匹配法是對要識別的圖像做出一個(gè)典型的標(biāo)準(zhǔn)模板,作為將要判別其他圖像的標(biāo)準(zhǔn),然后將要分類的圖像與標(biāo)準(zhǔn)模板相比較,從而判斷出圖像屬于哪一類別。其實(shí)模版匹配法是一種比較算法,將要識別的圖像與標(biāo)準(zhǔn)模版放在一個(gè)分類器中做相關(guān)運(yùn)算,根據(jù)我們學(xué)習(xí)的相關(guān)運(yùn)算知識可以知道,如果兩個(gè)信號出現(xiàn)自相關(guān),就表示出現(xiàn)了主峰值(即閾值),這就表示模版圖像和要識別的圖像匹配,將這個(gè)閾值作為分類器的一個(gè)判決規(guī)則,即可實(shí)現(xiàn)圖像的匹配。所以模版匹配法的首要任務(wù)就是先進(jìn)行模版的創(chuàng)建,如果創(chuàng)建的模板很正確精確,那么我們在匹配的時(shí)候也會更加的精確。endprint
模版匹配法的流程圖如圖5所示。
3 圖像分類識別算法的優(yōu)缺點(diǎn)
統(tǒng)計(jì)識別法的優(yōu)點(diǎn)是以數(shù)學(xué)上的決策理論為基礎(chǔ)的,能夠比較快的建立出統(tǒng)計(jì)識別模型。通過建立出的模型,對圖像進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)分析,能夠準(zhǔn)確的判斷出圖像的類別,并且統(tǒng)計(jì)出的特征都是數(shù)字特征,對計(jì)算機(jī)的性能要求較小。缺點(diǎn)是統(tǒng)計(jì)識別法不能統(tǒng)計(jì)圖像在空間上的相互關(guān)系(即結(jié)構(gòu)關(guān)系)。如果圖像的結(jié)構(gòu)特征為主要特征時(shí),用統(tǒng)計(jì)方法不能進(jìn)行準(zhǔn)確的判別。
結(jié)構(gòu)識別法:對統(tǒng)計(jì)識別識別方法的補(bǔ)充,統(tǒng)計(jì)識別法不能統(tǒng)計(jì)圖像的結(jié)構(gòu)信息,統(tǒng)計(jì)方法一般統(tǒng)計(jì)出來的圖像特征都是以數(shù)值表示,結(jié)構(gòu)識別法描述圖像的特征時(shí)則是用符號來表示。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法優(yōu)點(diǎn)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性擬合能力很好,可以映射圖像的非線性關(guān)系;而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力強(qiáng),也方便計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還具有很強(qiáng)的非線性映射能力,記憶能力以及自我學(xué)習(xí)能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的缺點(diǎn)是不能解釋自己的推理過程和推理依據(jù);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的模板數(shù)據(jù),并且個(gè)模板特征數(shù)據(jù)要近似相等,當(dāng)數(shù)據(jù)不充分或各類別差別很大的時(shí)候,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別就不太準(zhǔn)確;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入也是圖像的數(shù)字特征,不能表示識別圖像的結(jié)構(gòu)關(guān)系,和統(tǒng)計(jì)識別法一樣,當(dāng)結(jié)構(gòu)特征為主要特征時(shí),圖象的識別就不準(zhǔn)確。
模糊集識別法的優(yōu)點(diǎn)是模糊識別法雖表現(xiàn)為圖像的不確定分類,但是隨著更高可靠性的特征能使圖像分類越來越準(zhǔn)確;采用多級分類,能為下級分類提供分類信息。缺點(diǎn)是模糊識別不能準(zhǔn)確確定圖像的類別,如果不能找到跟準(zhǔn)確的特征,圖像的分類將不準(zhǔn)確。
支持向量機(jī)(SVM)優(yōu)點(diǎn):1.對模板樣本要求低,如果模板數(shù)量少,得到的分類結(jié)果是在現(xiàn)有模板信息下的最優(yōu)解;2.支持向量機(jī)通過非線性變換將圖像的特征轉(zhuǎn)換到高維的特征空間,然后在高維空間構(gòu)造線性函數(shù)替代原圖像的非線性關(guān)系,更利于計(jì)算機(jī)去判別。缺點(diǎn): SVM是通過二次規(guī)劃來求解特征向量,里面涉及到m階矩陣運(yùn)算,對計(jì)算機(jī)要求高,并且運(yùn)算時(shí)間長。
模版匹配法的優(yōu)點(diǎn)是如果模板做的比較準(zhǔn)確,匹配不正確的概率就會很小,并且模板不匹配的情況也很少。缺點(diǎn)是因?yàn)閳D像上的每一個(gè)點(diǎn)都要進(jìn)行匹配計(jì)算,對計(jì)算機(jī)配置要求高,并且對噪聲比較敏感,如果識別時(shí)有很大的噪聲,將不利于圖像的識別。
4 總結(jié)
本文深入分析了統(tǒng)計(jì)法、句法識別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊集識別法、支持向量機(jī)法和模版匹配法等幾種主要圖像分類識別方法,并對各種分類識別方法的優(yōu)勢與缺陷做了深入的總結(jié)。通過分析各類圖像分類識別方法,明確各類識別方法的優(yōu)勢與缺陷,為圖像分類識別方法的具體應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn):
[1] ???基于特征提取及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分類識別與目標(biāo)跟蹤[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008.
[2] 趙誠.圖像識別方法與實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008.
[3] 翁代云,楊莉.人工智能技術(shù)在遙感圖像分類中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)仿真,2012,6(29).endprint
模版匹配法的流程圖如圖5所示。
3 圖像分類識別算法的優(yōu)缺點(diǎn)
統(tǒng)計(jì)識別法的優(yōu)點(diǎn)是以數(shù)學(xué)上的決策理論為基礎(chǔ)的,能夠比較快的建立出統(tǒng)計(jì)識別模型。通過建立出的模型,對圖像進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)分析,能夠準(zhǔn)確的判斷出圖像的類別,并且統(tǒng)計(jì)出的特征都是數(shù)字特征,對計(jì)算機(jī)的性能要求較小。缺點(diǎn)是統(tǒng)計(jì)識別法不能統(tǒng)計(jì)圖像在空間上的相互關(guān)系(即結(jié)構(gòu)關(guān)系)。如果圖像的結(jié)構(gòu)特征為主要特征時(shí),用統(tǒng)計(jì)方法不能進(jìn)行準(zhǔn)確的判別。
結(jié)構(gòu)識別法:對統(tǒng)計(jì)識別識別方法的補(bǔ)充,統(tǒng)計(jì)識別法不能統(tǒng)計(jì)圖像的結(jié)構(gòu)信息,統(tǒng)計(jì)方法一般統(tǒng)計(jì)出來的圖像特征都是以數(shù)值表示,結(jié)構(gòu)識別法描述圖像的特征時(shí)則是用符號來表示。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法優(yōu)點(diǎn)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性擬合能力很好,可以映射圖像的非線性關(guān)系;而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力強(qiáng),也方便計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還具有很強(qiáng)的非線性映射能力,記憶能力以及自我學(xué)習(xí)能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的缺點(diǎn)是不能解釋自己的推理過程和推理依據(jù);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的模板數(shù)據(jù),并且個(gè)模板特征數(shù)據(jù)要近似相等,當(dāng)數(shù)據(jù)不充分或各類別差別很大的時(shí)候,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別就不太準(zhǔn)確;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入也是圖像的數(shù)字特征,不能表示識別圖像的結(jié)構(gòu)關(guān)系,和統(tǒng)計(jì)識別法一樣,當(dāng)結(jié)構(gòu)特征為主要特征時(shí),圖象的識別就不準(zhǔn)確。
模糊集識別法的優(yōu)點(diǎn)是模糊識別法雖表現(xiàn)為圖像的不確定分類,但是隨著更高可靠性的特征能使圖像分類越來越準(zhǔn)確;采用多級分類,能為下級分類提供分類信息。缺點(diǎn)是模糊識別不能準(zhǔn)確確定圖像的類別,如果不能找到跟準(zhǔn)確的特征,圖像的分類將不準(zhǔn)確。
支持向量機(jī)(SVM)優(yōu)點(diǎn):1.對模板樣本要求低,如果模板數(shù)量少,得到的分類結(jié)果是在現(xiàn)有模板信息下的最優(yōu)解;2.支持向量機(jī)通過非線性變換將圖像的特征轉(zhuǎn)換到高維的特征空間,然后在高維空間構(gòu)造線性函數(shù)替代原圖像的非線性關(guān)系,更利于計(jì)算機(jī)去判別。缺點(diǎn): SVM是通過二次規(guī)劃來求解特征向量,里面涉及到m階矩陣運(yùn)算,對計(jì)算機(jī)要求高,并且運(yùn)算時(shí)間長。
模版匹配法的優(yōu)點(diǎn)是如果模板做的比較準(zhǔn)確,匹配不正確的概率就會很小,并且模板不匹配的情況也很少。缺點(diǎn)是因?yàn)閳D像上的每一個(gè)點(diǎn)都要進(jìn)行匹配計(jì)算,對計(jì)算機(jī)配置要求高,并且對噪聲比較敏感,如果識別時(shí)有很大的噪聲,將不利于圖像的識別。
4 總結(jié)
本文深入分析了統(tǒng)計(jì)法、句法識別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊集識別法、支持向量機(jī)法和模版匹配法等幾種主要圖像分類識別方法,并對各種分類識別方法的優(yōu)勢與缺陷做了深入的總結(jié)。通過分析各類圖像分類識別方法,明確各類識別方法的優(yōu)勢與缺陷,為圖像分類識別方法的具體應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn):
[1] ???基于特征提取及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的圖像分類識別與目標(biāo)跟蹤[D].西安:西安電子科技大學(xué),2008.
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[3] 翁代云,楊莉.人工智能技術(shù)在遙感圖像分類中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)仿真,2012,6(29).endprint
模版匹配法的流程圖如圖5所示。
3 圖像分類識別算法的優(yōu)缺點(diǎn)
統(tǒng)計(jì)識別法的優(yōu)點(diǎn)是以數(shù)學(xué)上的決策理論為基礎(chǔ)的,能夠比較快的建立出統(tǒng)計(jì)識別模型。通過建立出的模型,對圖像進(jìn)行大量的統(tǒng)計(jì)分析,能夠準(zhǔn)確的判斷出圖像的類別,并且統(tǒng)計(jì)出的特征都是數(shù)字特征,對計(jì)算機(jī)的性能要求較小。缺點(diǎn)是統(tǒng)計(jì)識別法不能統(tǒng)計(jì)圖像在空間上的相互關(guān)系(即結(jié)構(gòu)關(guān)系)。如果圖像的結(jié)構(gòu)特征為主要特征時(shí),用統(tǒng)計(jì)方法不能進(jìn)行準(zhǔn)確的判別。
結(jié)構(gòu)識別法:對統(tǒng)計(jì)識別識別方法的補(bǔ)充,統(tǒng)計(jì)識別法不能統(tǒng)計(jì)圖像的結(jié)構(gòu)信息,統(tǒng)計(jì)方法一般統(tǒng)計(jì)出來的圖像特征都是以數(shù)值表示,結(jié)構(gòu)識別法描述圖像的特征時(shí)則是用符號來表示。
神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法優(yōu)點(diǎn)是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非線性擬合能力很好,可以映射圖像的非線性關(guān)系;而且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)能力強(qiáng),也方便計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還具有很強(qiáng)的非線性映射能力,記憶能力以及自我學(xué)習(xí)能力。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的缺點(diǎn)是不能解釋自己的推理過程和推理依據(jù);神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)需要大量的模板數(shù)據(jù),并且個(gè)模板特征數(shù)據(jù)要近似相等,當(dāng)數(shù)據(jù)不充分或各類別差別很大的時(shí)候,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識別就不太準(zhǔn)確;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入也是圖像的數(shù)字特征,不能表示識別圖像的結(jié)構(gòu)關(guān)系,和統(tǒng)計(jì)識別法一樣,當(dāng)結(jié)構(gòu)特征為主要特征時(shí),圖象的識別就不準(zhǔn)確。
模糊集識別法的優(yōu)點(diǎn)是模糊識別法雖表現(xiàn)為圖像的不確定分類,但是隨著更高可靠性的特征能使圖像分類越來越準(zhǔn)確;采用多級分類,能為下級分類提供分類信息。缺點(diǎn)是模糊識別不能準(zhǔn)確確定圖像的類別,如果不能找到跟準(zhǔn)確的特征,圖像的分類將不準(zhǔn)確。
支持向量機(jī)(SVM)優(yōu)點(diǎn):1.對模板樣本要求低,如果模板數(shù)量少,得到的分類結(jié)果是在現(xiàn)有模板信息下的最優(yōu)解;2.支持向量機(jī)通過非線性變換將圖像的特征轉(zhuǎn)換到高維的特征空間,然后在高維空間構(gòu)造線性函數(shù)替代原圖像的非線性關(guān)系,更利于計(jì)算機(jī)去判別。缺點(diǎn): SVM是通過二次規(guī)劃來求解特征向量,里面涉及到m階矩陣運(yùn)算,對計(jì)算機(jī)要求高,并且運(yùn)算時(shí)間長。
模版匹配法的優(yōu)點(diǎn)是如果模板做的比較準(zhǔn)確,匹配不正確的概率就會很小,并且模板不匹配的情況也很少。缺點(diǎn)是因?yàn)閳D像上的每一個(gè)點(diǎn)都要進(jìn)行匹配計(jì)算,對計(jì)算機(jī)配置要求高,并且對噪聲比較敏感,如果識別時(shí)有很大的噪聲,將不利于圖像的識別。
4 總結(jié)
本文深入分析了統(tǒng)計(jì)法、句法識別法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法、模糊集識別法、支持向量機(jī)法和模版匹配法等幾種主要圖像分類識別方法,并對各種分類識別方法的優(yōu)勢與缺陷做了深入的總結(jié)。通過分析各類圖像分類識別方法,明確各類識別方法的優(yōu)勢與缺陷,為圖像分類識別方法的具體應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
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