基于內(nèi)容的圖像數(shù)據(jù)庫在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護與傳承工作中的實現(xiàn)與應用——以南通藍印花布為例

蔣麗麗+于翔

【摘要】 非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護已經(jīng)進入數(shù)字化時代。國家和許多省在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)數(shù)字化保護方面做了大量的工作和深度挖掘，但大多數(shù)仍處于探索發(fā)展階段，如何更好地利用先進的基于內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫技術以及相關數(shù)字化技術為非物質(zhì)文化遺產(chǎn)提供保護與傳承工作，仍需不停的探索與實踐。

【關鍵詞】 非物質(zhì)文化遺產(chǎn)傳承 數(shù)字化技術 圖像數(shù)據(jù)庫

引言

藍印花布已于2006年5月經(jīng)國務院批準列入第一批國家級非物質(zhì)文化遺產(chǎn)名錄。本文通過研究探討了基于內(nèi)容的圖像數(shù)據(jù)庫技術以及相關數(shù)字化技術在非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護與傳承中的開發(fā)與運用，在利用基于內(nèi)容的圖像數(shù)據(jù)庫技術在傳統(tǒng)非物質(zhì)文化遺產(chǎn)保護方式方面實現(xiàn)突破，更加有效地提高了非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的展示效果及保真效果，并為安全和長久地保護與傳承該非物質(zhì)文化遺產(chǎn)邁出探索的一步。

一、應用背景

非物質(zhì)文化遺產(chǎn)具有地域性強，受眾群體小，傳播范圍小、受眾面窄等特點，且多以傳統(tǒng)傳播方式為主，多數(shù)是望“數(shù)字化”興嘆！[1]例如，南通藍印花布的主要傳承人吳元新教授通過多年的努力，整理收藏明清以來的上萬件實物及圖片資料以及紋樣紙版，并以此出版了《中國藍印花布紋樣大全》。但是數(shù)量巨大的藍印花布的圖案紋樣，紋樣繁復，內(nèi)容豐富，利用文本很難準確描述其內(nèi)容；同時，藍印花布分布廣泛，很多紋樣經(jīng)過長時間保存后破損嚴重，傳統(tǒng)的保護方式給藍印花布的收集、整理以及傳承造成極大地損失。如何通過數(shù)字化技術手段對非物質(zhì)文化遺產(chǎn)進行真實、系統(tǒng)和全面的整理、收集、記錄及處理非物質(zhì)文化遺產(chǎn)的信息，并利用先進的模式識別、數(shù)據(jù)庫等技術為其建立圖像數(shù)據(jù)庫，即是本文所闡述的主要內(nèi)容。

眾所周知，隨著計算技術的發(fā)展以及計算機硬件性能的提高，模式識別、人工智能、數(shù)據(jù)挖掘以及圖像處理等研究領域的發(fā)展也取得了長足的進步，促使利用計算機數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)管理圖像變得十分必要。然而，目前圖像數(shù)據(jù)庫的開發(fā)與建設方面存在以下不足：1、 針對圖像數(shù)據(jù)的描述不能方便的隨意擴展，使其不能滿足基于圖像數(shù)據(jù)的科學研究對圖像數(shù)據(jù)描述特征屬性多樣性的需求；2、 影像圖像數(shù)據(jù)的存儲以及編號不能反映圖像數(shù)據(jù)之間的關聯(lián)性，比如不同時間點或者不同圖像采集模式所得到的圖像數(shù)據(jù)之間的關系，不能很好的得到體現(xiàn)；3、圖像數(shù)據(jù)在服務器上的上傳和下載過程都在服務器端完成，這種設計增加了服務器端的負擔，影響了針對數(shù)據(jù)倉庫的上傳、檢索和下載速度。

通過對大量藍印花布圖案紋樣的分析、研究，針對其特點以及南通藍印花布紋樣圖像數(shù)據(jù)庫設計需求，提出利用數(shù)據(jù)庫等先進管理理念及信息化、數(shù)字化等技術手段對非物質(zhì)文化遺產(chǎn)----“藍印花布”開發(fā)，實現(xiàn)一種新的基于內(nèi)容的、可擴展、高效存儲、可檢索的、以顏色信息為主形狀信息為輔的藍印花布圖案紋樣綜合檢索數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對藍印花布紋樣的保護與傳承。該系統(tǒng)不但可以真實地再現(xiàn)藍印花布的制作及其工藝流程；而且還可以利用數(shù)字化后的藍印花布紋樣進行虛擬重組、修改，實現(xiàn)大眾的個性化需求，并通過現(xiàn)代計算機網(wǎng)絡技術以及先進的信息處理技術讓藍印花布及其所攜帶的文化信息在世界各地流傳，被越來越多的人所接受和喜愛。

二、南通藍印花布紋樣的數(shù)字化

2.1 數(shù)字化技術

數(shù)字化技術是一種信息處理技術，即將許多復雜多變的信息轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢远攘康臄?shù)字、數(shù)據(jù)，再以這些數(shù)字、數(shù)據(jù)建立起適當?shù)臄?shù)字化模型，把它們轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗锌梢赃M入計算機的二進制代碼的技術。數(shù)字化技術是計算機技術、多媒體技術、智能技術和信息傳播技術的基礎。[2]

2.1.1 南通藍印花布紋樣的數(shù)字化采集

本文以南通藍印花布的紋樣為研究對象，利用數(shù)碼相機采集其數(shù)字化圖像，采集后的效果完全能滿足實驗要求。

2.1.2 南通藍印花布紋樣的數(shù)字化預處理

藍印花布只有藍白兩色，因此，針對南通藍印花布紋樣這個顯著特點，對其數(shù)字化圖像進行相應的預處理，例如灰度化處理，就是采用加權值法與最大值法結(jié)合的特點，并經(jīng)大量試驗后確定采用如下公式進行灰度化處理：

鑒于不同藍印花布藏品其成色、磨損及其它原因，在對其顏色進行數(shù)字化時，確定藍印花布紋樣數(shù)字化顏色標準為：藍色RGB值{29，33，70}、白色RGB值{251，255，255}。

2.1.3 南通藍印花布數(shù)字化紋樣的提取

圖像分割是提取南通藍印花布數(shù)字化紋樣的基礎。國內(nèi)外廣泛使用的圖像分割方法主要有閾值分割、基于變形模型分割、基于區(qū)域生長分割、聚類法分割等等。[1]不同圖像對象，其圖像分割的分類依據(jù)也不同，與之對應的分割算法也完全不同。針對藍印花布具有明顯藍色顏色優(yōu)勢的特點，通過大量實驗，并綜合比較上述幾個分割算法后，確定了通過加權值將基于閾值的分割算法及基于邊緣檢測的分割算法相結(jié)合來分割藍印花布紋樣的最終解決方案。其效果如圖1所示：

三、基于內(nèi)容的南通藍印花布紋樣數(shù)據(jù)庫的開發(fā)與實現(xiàn)

基于內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫不僅能對數(shù)據(jù)庫內(nèi)容提供增、刪、改、查等功能，而且還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容整理、整合等操作。而南通藍印花布紋樣不但內(nèi)容復雜多樣，而且數(shù)量眾多。因此，如何高效地利用圖像數(shù)據(jù)庫對這些海量紋樣進行整理、收集，是本文重點闡述的內(nèi)容。而如何實現(xiàn)南通藍印花布紋樣的識別，則是實現(xiàn)基于內(nèi)容的南通藍印花布紋樣圖像數(shù)據(jù)庫的關鍵。通過分析，確定顏色特征和形狀特征能有效區(qū)分南通藍印花布紋樣，高效提取這兩種特征對于實現(xiàn)基于內(nèi)容的藍印花布紋樣圖像數(shù)據(jù)庫至關重要。

本文在JAVA EE 框架上，利用Opencv機器視覺庫與MySql數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，開發(fā)、實現(xiàn)基于內(nèi)容的南通藍印花布紋樣圖像數(shù)據(jù)庫。

3.1 JAVA EE框架下OpenCV環(huán)境的搭建

實現(xiàn)基于內(nèi)容的藍印花布紋樣圖像檢索系統(tǒng)，將JAVA EE框架結(jié)構與OpenCV結(jié)合，不僅能對數(shù)據(jù)庫的圖像數(shù)據(jù)進行管理，而且還滿足處理數(shù)據(jù)庫中的圖像信息的要求。另外，JAVA EE的MVC也為用戶提供良好的用戶界面。

3.2 藍印花布紋樣的特征提取

圖像特征的提取與表達是CBIR技術的基礎和核心技術。最客觀的圖像信息模型主要是以圖像低級特征為主，如顏色、形狀、紋理與空間關系等?；趦?nèi)容的圖像視覺信息主要有圖像信息的低級特征以及圖像內(nèi)容的語義描述兩部分。[3] 本文主要以顏色特征的提取與匹配為研究對象開展研究。圖像特征的提取是基于內(nèi)容圖像檢索的基礎，如何構建反映適當圖像內(nèi)容的特征是進行圖像檢索的關鍵技術之一。[4]其中顏色特征因為和圖像中所包含的物體或場景十分相關，對圖像本身的大小、方向的不敏感且具有較強的魯棒性等特征在圖像檢索中應用成為最為廣泛的圖像特征之一。[5]大量實驗表明，南通藍印花布圖像紋樣的數(shù)字化研究中采用HSV顏色空間非均勻量化后提取直方圖，不但具有效率上的明顯優(yōu)勢，還可以明顯降低噪聲對顏色的影響。[6]

3.3 圖像數(shù)據(jù)庫的檢索

基于內(nèi)容的圖像檢索CBIR是一種利用近似匹配技術實現(xiàn)利用圖像可視特征對圖像進行檢索的技術，其包括計算機視覺、圖像處理、圖像理解、人工智能、數(shù)據(jù)庫等多領域的技術成果。[3]其最主要特點是直接以媒體內(nèi)容為檢索信息線索，通過計算機的計算實現(xiàn)對圖像內(nèi)容的分析、特征提取以及索引，并采取某種相似性度量方法對圖像庫中的圖像進行匹配獲得查詢結(jié)果。通過該技術可以有效避免人工描述的主觀性，并且大題減少人力物力。[7] 圖像特征的有效提取以及高效匹配是CBIR的的實現(xiàn)主要關鍵技術點。 [7]

利用OpenCV機器視覺庫的相關技術，對藍印花布紋樣的數(shù)字化圖像在四種不同的相似距離下計算出相似度距離并進行比對、分析，研究后確定采用correlation相似距離作為南通藍印花布顏色直方圖相似度計算的標準來實現(xiàn)南通藍印花布紋樣圖像特征的有效匹配。[8]

3.4基于內(nèi)容的南通藍印花布紋樣圖像檢索系統(tǒng)結(jié)構圖

基于內(nèi)容的南通藍印花布紋樣圖像檢索系統(tǒng)是利用OpenCV機器視覺庫及相關技術，對藍印花布紋樣的數(shù)字化圖像在四種不同的相似距離下計算出相似度距離并進行比對、分析，研究后確定采用correlation相似距離作為南通藍印花布顏色直方圖相似度計算的標準來實現(xiàn)南通藍印花布紋樣圖像特征的有效匹配。該檢索系統(tǒng)架構圖如圖2所示。系統(tǒng)運行實際效果圖如圖3所示。

3.5 基于內(nèi)容的南通藍印花布紋樣圖像數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構圖

南通藍印花布紋樣不但復雜多樣，而且數(shù)量眾多。有效地對這些海量紋樣進行鑒別、整理、管理，是項目重點要解決的問題?；趦?nèi)容的數(shù)據(jù)庫不僅能對數(shù)據(jù)庫內(nèi)容提供增、刪、改、查等功能，而且還能實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫內(nèi)容整理、整合等操作。因此，基于內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是解決該問題的有效方法。通過分析，利用專利《南通藍印花布識別方法》，并在JAVA EE 框架上，通過Opencv機器視覺庫與MySql數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，開發(fā)、實現(xiàn)基于內(nèi)容的南通藍印花布紋樣圖像數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)架構圖如圖4所示：

3.6 基于內(nèi)容的南通藍印花布紋樣圖像數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)

搭建好JAVA EE環(huán)境后，將Opencv的java庫導入其中，實現(xiàn)JAVA EE與OpenCv的結(jié)合，并在系統(tǒng)中完成基于內(nèi)容的南通藍印花布紋樣圖像數(shù)據(jù)庫的開發(fā)與實現(xiàn)，其效果圖如圖5所示：

四、結(jié)論

在JAVA EE的編程環(huán)境下，利用機器視覺庫OpenCV及Mysql數(shù)據(jù)庫對南通藍印花布紋樣分別進行圖像的預處理、分割、相似度計算等一系列實驗，并最終確定采用一系列實驗結(jié)果，成功地開發(fā)實現(xiàn)了一種新的基于內(nèi)容的、可擴展、高效存儲、檢索的，以顏色信息為主以形狀信息為輔的藍印花布圖案紋樣綜合檢索系統(tǒng)及數(shù)據(jù)庫存儲系統(tǒng)，實現(xiàn)了從數(shù)字化角度對藍印花布紋樣進行保護與傳承。

參 考 文 獻

[1] 王耀希：《民族文化遺產(chǎn)數(shù)字化》，北京：人民出版社，2009年版，第9頁

[2]http：//www.cssn.cn/gd/gd_rwhn/gd_gdxc/201508/t20150820_2127996.shtml

[3] 李明俐. 基于顏色與形狀特征的圖像檢索技術研究及系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) [D]. 西北大學.2010：8-32.

[4] 袁杰.基于內(nèi)容的綜合多特征圖像檢索方法研究[D].杭州：浙江師范大學：2009：17-33.

[5]翟劍鋒.基于多特征的圖像檢索系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) [D].北京：北京郵電大學：2010：7-11.

[6]于翔.沈美 顏色相似度在南通藍印花布圖像檢索中的應用研究 [J]青海大學學報（自然科學版型）：2014.8 48-52

[7] Yoo H.W.，Jang D.S.，Juang S.H.，etal.Visual information retrieval System via content-based approach [J]. Pattern Recognition，2002，35：749-769

[8]沈美 于翔 基于內(nèi)容的南通藍印花布圖像檢索系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)----JAVA EE框架下的圖像相似度研究 [J]科技視界 2014（35）28～31

[9] 孟繁杰，郭寶龍. CBIR關鍵技術研究[j]計算機應用與研究.2004：21-27