印花圖案智能檢索系統(tǒng)開發(fā)研究

張　嵐，張　勇，高佳令，鄧中民

(1.武漢紡織大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院， 湖北武漢　430200；

2.武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北武漢　430200 )

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印花圖案智能檢索系統(tǒng)開發(fā)研究

張嵐1，張勇1，高佳令2，鄧中民2

(1.武漢紡織大學(xué)數(shù)學(xué)與計算機學(xué)院， 湖北武漢430200；

2.武漢紡織大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 湖北武漢430200 )

摘要：為了充分利用印花圖案的廣泛資源，探索“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下印染企業(yè)的信息化道路，探討了印花圖案智能檢索系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計。結(jié)合印花圖案的特點，采用基于內(nèi)容的圖像檢索方式，利用顏色累積直方圖提取顏色特征，并用小波變化能量算法提取紋理特征，最后使用卡方距離作為印花圖案間相似度測量。運用MFC的可視化界面和OpenCV視覺庫作為本系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計的工具。實驗結(jié)果表明：本系統(tǒng)基本實現(xiàn)印花圖案智能檢索功能，提出的方法檢索速度快，準(zhǔn)確度高，具有一定的實用價值。

關(guān)鍵詞：印花小波變換OpenCV相似度圖像檢索

隨著圖像獲取和機器視覺的廣泛應(yīng)用，數(shù)字圖像已成為生活中密不可分的一部分[1]。然而，一般的商用圖像搜索服務(wù)，大多采用基于文本的檢索方式，即通過對圖像的描述文字和用戶輸入的關(guān)鍵字進(jìn)行比較，從而得到搜索結(jié)果。但難以用文字具體的描述圖像的細(xì)節(jié)信息和內(nèi)涵意義，而且文字描述主觀性較強。而基于內(nèi)容的圖像檢索技術(shù)很好的解決了這些問題，通過提取圖像顏色、紋理、形狀等內(nèi)容特征，更加客觀全面的對圖像進(jìn)行描述，從而在檢索的精度上大大提高[2]。

本文在印染企業(yè)已有大量印花圖案的基礎(chǔ)上，為了進(jìn)一步利用資源，組建了印花圖案庫，探討在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下，從印花圖案智能檢索入手，探索印花的信息化建設(shè)。同時借鑒和吸收國內(nèi)外的先進(jìn)經(jīng)驗和方法，在MFC的可視化框架下運用機器視覺庫OpenCV對印花圖像進(jìn)行處理，為設(shè)計及實現(xiàn)基于內(nèi)容的印花圖案檢索系統(tǒng)及印花信息化工作打好基礎(chǔ)。

1印染圖像的特征提取

1.1顏色直方圖法提取顏色特征

最常用的顏色特征提取是采用顏色直方圖，其核心思想是在顏色空間中采用一定的量化方法對顏色進(jìn)行量化，并統(tǒng)計每一量化通道中像素點的總個數(shù)，描述了圖像顏色的統(tǒng)計分布特性，具有尺度、平移、旋轉(zhuǎn)不變性[3]。基于內(nèi)容的圖像檢索是計算機視覺中的一個重要問題。它的目標(biāo)是給定一個查詢圖像，尋找呈現(xiàn)內(nèi)容相似的一組圖像。由于我們已經(jīng)了解到直方圖能夠有效地描述圖像的內(nèi)容，可以認(rèn)為它們也能用于解決基于內(nèi)容的檢索問題。如圖1所示，為印花圖案紅色分量的直方圖。

(a)原圖　　　　　　　(b)紅色分量直方圖

如圖1(b)所示，當(dāng)圖像顏色整體比較單一時，統(tǒng)計的顏色直方圖中會出現(xiàn)一些零值，使得計算的結(jié)果不能正確反映兩幅圖像之間的顏色差別，本文采用累積直方圖，其可以避免這些零值對計算直方圖的相交帶來的影響。累積顏色直方圖時將顏色直方圖中每個分量進(jìn)行逐步累加，減少原來統(tǒng)計直方圖中出現(xiàn)的零值，從而生成新的直方圖，利用新的直方圖進(jìn)行圖像的相似匹配，表述如下：

(1)

其中，N是圖像像素的總個數(shù)，L為特征可取值的個數(shù)，k代表圖像的顏色特征的取值，為圖像中具有特征值為k的像素的個數(shù)。

1.2雙樹復(fù)小波變換提取紋理特征

紋理是圖像的又一重要特征，描述了像素的鄰域灰度空間分布規(guī)律。本文采用雙樹復(fù)小波變換進(jìn)行印花紋理特征提取[4]。雙樹復(fù)小波變換是Kingsbury設(shè)計的一種復(fù)小波變換,雙樹復(fù)小波變換具有良好方向選擇性，它可以區(qū)分頻率空間的第一象限(正頻)和第二象限(負(fù)頻)，在每個象限產(chǎn)生了三個子帶，對應(yīng)于空間中的六個方向。如印花圖像通過復(fù)小波濾波器可將不同方向上所對應(yīng)的紋理信息提取出來。圖2所示為2維復(fù)小波濾波器在各方向上的脈沖響應(yīng)。為了定量描述印花紋理信息，對圖像進(jìn)行一層雙樹復(fù)小波變換，得到一個低頻子帶和六個高頻子帶，并利用(2)式求每個子帶的能量作為紋理特征值，并歸一化[5]，從而構(gòu)造出圖像的雙樹復(fù)小波能量特征向量。

(2)

其中， 為頻帶圖像的大小，是分解系數(shù)，和分別表示圖像的行和列，為能量特征。并依次計算所有高頻子帶和低頻子帶的能量，將所得7個能量值構(gòu)成矩陣形式，作為印花圖案紋理特征表示。

圖2　2維復(fù)小波濾波器在各方向上的脈沖響應(yīng)

2卡方距離法對印花圖像進(jìn)行匹配檢索

本文將提取的顏色和紋理特征構(gòu)成印花圖案的特征向量。在提取印花圖像特征后，需要定義一個相似性的測量度來量化不同圖像之間的相似程度。由于基于卡方相似距離計算簡單，可信度高，這里我們采用卡方距離來進(jìn)行相似度測量，距離越小就越相似，并把所有結(jié)果有大到小排序后得到一個匹配圖像序列返回給用戶。如公式(3)所示，其中和分別表示兩幅圖像的特征向量。

(3)

3系統(tǒng)介紹

如圖3所示，為本系統(tǒng)的主界面，系統(tǒng)為基于MFC框架下運用OpenCV庫開發(fā)設(shè)計而成。MFC是微軟公司提供的類庫，并且包含一個應(yīng)用程序框架，其可視化的界面設(shè)計為我們提供了直觀的感受。OpenCV是一個開源的計算機視覺庫，在計算機視覺的開發(fā)中扮演著重要的角色。它為計算機視覺應(yīng)用開發(fā)提供了靈活、功能強大的開發(fā)接口，使其成為計算機視覺專業(yè)人員所依賴的重要開發(fā)工具。本設(shè)計系統(tǒng)左側(cè)為功能選擇區(qū)域，右側(cè)為檢索結(jié)果顯示區(qū)域。其中功能選擇區(qū)域分為選擇圖片、檢索目錄和開始檢索三大功能。

圖3　檢索系統(tǒng)主界面

3.1選擇圖片

另一方面，就紡織行業(yè)而言，花型設(shè)計師在日常工作中也需要一組相似的印花圖片來完成其對織物花型的設(shè)計，因此就需要在本地電腦中檢索出已經(jīng)存在的相似圖片。首先需要選擇出要檢索的圖像，以此圖片為模版，智能區(qū)分出其他與此相似的圖片。通過點擊選擇圖片功能打開文件夾選擇需要被檢索的圖案。被選擇圖案會在預(yù)覽框中顯示出來。如下頁圖4(a)所示。

3.2選擇搜索目錄

在完成需要檢索的圖片選擇后，就需要在本地檢索出與此相似的圖片來，則只需要點擊圖片下的檢索目錄，就可以打開本地印花圖像庫，下一步就可以從印花圖像庫中智能選擇需要搜索的相似圖片。本實驗中準(zhǔn)備的印花圖案庫中有5000幅，大小為256×256的彩色圖片。主要以印花布實物數(shù)碼照片為實驗對象，采集的數(shù)碼相片分辨率高且噪聲低，能滿足實驗要求。如圖4(b)所示

(a)選擇圖片(b) 選擇檢索目錄

圖4選擇功能

3.3顯示查詢結(jié)果

點擊開始檢索，于是計算圖案特征與圖案庫中特征集合進(jìn)行相似度比較。圖像檢索結(jié)果會顯示在右側(cè)。根據(jù)相似度的大小排序，選擇前9個相似圖案進(jìn)行顯示。排列次序為從左到右，從上至下。如圖5所示為檢索的結(jié)果。

圖5　檢索結(jié)果

4實驗結(jié)果分析

從圖5可以看出，卡方相似距離對印花圖案敏感，整體效果良好，隨著圖片次序的增加，相似度逐漸降低，能檢索出較為相似的待選圖案以供參考。圖5圖片1中的圖案和原圖完全相同，并從檢索結(jié)果上看，該圖案排在第一位，與實際情況相吻合。通過比較分析發(fā)現(xiàn)，印花圖案的紋理特征較為明顯。檢索結(jié)果中的前4幅圖案與原圖紋理較為相似。圖片2和圖片3中的圖像相比，顏色不同，但紋理類似，而圖片2中的圖像排在第二位，圖片2中圖案顏色與原圖更為相似。圖片3與原圖相比，雖然顏色不同，但內(nèi)容較為相似，而圖片6與原圖相比顏色上已經(jīng)有較大的差異。再如圖片8和圖片9與原圖的表面顏色較為相似，但是其圖案內(nèi)容不同，所以其相似程度就不如前面幾張圖。實驗表明，檢索效果比起肉眼識別可以大大節(jié)約時間和人力，從而提高效率。

5結(jié)束語

隨著互聯(lián)網(wǎng)和圖像檢索技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，以及“互聯(lián)網(wǎng)+”潮流的進(jìn)一步深入，印染企業(yè)轉(zhuǎn)型也迫在眉睫。本文對印花圖像智能檢索系統(tǒng)的開發(fā)研究填補了印花圖案在信息化方面的空白?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+客戶個性需求”將是多數(shù)印染企業(yè)轉(zhuǎn)型的方向，本文設(shè)計系統(tǒng)能讓企業(yè)快速檢索與客戶所提供的印花圖案相似的圖案，從而提高生產(chǎn)效率，進(jìn)而可以滿足個性化的市場需求。本文主要根據(jù)印花圖案的特點，采用印花圖案顏色和紋理作為特征，并用卡方距離進(jìn)行相似度測量，實驗表明，本文提出的方法檢索效果良好，匹配度高，具有一定的實用價值。

參考文獻(xiàn)

[1]沈蘭蓀,張菁,李曉光. 圖像檢索與壓縮域處理技術(shù)的研究[M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

[2]曾奇森. 基于內(nèi)容的圖像檢索相關(guān)技術(shù)研究[D]. 南京：南京理工大學(xué)，2007.

[3]曹莉華,柳偉,李國輝. 基于多種主色調(diào)的圖像檢索算法研究與實現(xiàn)[J]. 計算機研究與發(fā)展，1999,36(1):179-187.

[4]姚玉榮,章毓晉. 利用小波和距進(jìn)行基于形狀的圖像檢索[J]. 中國圖形圖像學(xué)報，2000,5(3):206-210.

[5]劉磊,張紅,王莎. 基于小波變換的全局能量圖像融合算法[J]. 吉林大學(xué)學(xué)報:工學(xué)版，2009,39:232-236.

中圖分類號：TS101.92

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-5580(2016)02-0131-03

基金項目：紡織面料及服裝數(shù)字化設(shè)計與制造成套技術(shù)研究項目(C2010036)。

收稿日期：2015-12-21

第一作者：張嵐(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：計算機在紡織方面的研究與應(yīng)用。