目录
- 前言
- 总体设计
- 系统整体结构图
- 系统流程图
- 运行环境
- 模块实现
- 1. 数据预处理
- 2. 定义图像描述符
- 3. 索引化数据集
- 4. 设计搜索引擎内核
- 5. 执行搜索
- 系统测试
- 1. 处理数据集
- 2. 执行搜索
- 工程源代码下载
- 其它资料下载
前言
本项目旨在开发一套完整高效的图像搜索引擎，为用户提供更加便捷的图片搜索体验。为了实现这一目标，我们采用了 CBIR（Content-based image retrieval）技术，这是目前主流的图像搜索方法之一。CBIR 技术基于图像内容的相似性来检索相似的图像，相比于传统的图像搜索方法，CBIR 技术具有更高的准确性和可靠性。
在项目中，我们基于 OpenCV 图像处理库实现了一个高效的图像搜索引擎。OpenCV 是一个广泛使用的开源计算机视觉库，提供了丰富的图像处理函数和算法，具有高效、稳定的特点。我们的搜索引擎利用 OpenCV 的图像处理功能实现了图像的特征提取、匹配和实际检测三个部分，从而有效地提高了图像搜索的精度和效率。
总之，本项目提供了一套完整的图像搜索引擎解决方案，采用 CBIR 技术、OpenCV 图像处理库和构图空间特征评价指标等技术手段，旨在提高图像搜索的精度和效率，为用户提供更加优质的图像搜索服务。
总体设计
本部分包括系统整体结构图和系统流程图。
系统整体结构图
系统整体结构如图所示。
系统流程图
系统流程如图所示。
运行环境
需要 Python 3.6 及以上配置，在 Windows 环境下推荐下载 Anaconda 完成 Python 所需的配置，下载地址：https://www.anaconda.com/。
Numpy：科学计算和矩阵运算工具，OpenCV 引用 Numpy 模块，安装 OpenCV 之前必须安装 Numpy 库。Numpy 下载地址： https://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/#numpy
OpenCV：Intel 开源计算机视觉库。由一系列 C 函数和少量 C++类构成，实现图像处理。和计算机视觉方面的通用算法。OpenCV 下载地址：https://www.lfd.uci.edu/~gohlke/pythonlibs/#opencv
模块实现
本项目包括 5 个模块：数据预处理、定义图像描述符、索引化数据集、设计搜索引擎内核和执行搜索，下面分别给出各模块的功能介绍及相关代码。
1. 数据预处理
本项目采用 INRIA Holidays 数据集。包含个人假日照片、各种场景类型（自然、山、水和风景等），图像具有高分辨率。包含 500 个图像组，每组代表不同的场景或对象。第一幅图像是查询图像，正确的检索结果是该组的其他图像。
该数据集提供了未经处理的图像以及按不同方法提取的图像特征，本项目采用未经处理的数据集，下载网址：http://lear.inrialpes.fr/~jegou/data.php。也可以从我的资源库里面下载。
2. 定义图像描述符
本项目采用颜色空间描述符和构图空间描述符。
1) 定义颜色空间描述符
类成员 bins：记录 HSV 色彩空间生成的色相、饱和度及明度分布直方图的最佳 bins 分配。bins 分配过多则导致程序效率低下，匹配难度和匹配要求过分苛严；过少则导致匹配精度不足，不能表证图像特征。
成员函数 getHistogram(self, image, mask, isCenter)：生成图像的色彩特征分布直方图。
Image：待处理图像，mask：图像处理区域的掩模，isCenter：判断是否为图像中心，从而有效地对色彩特征向量做加权处理。权重 weight 取 5.0。采用 OpenCV 的 calcHist()方法获得直方图，normalize()方法归一化。
# 颜色空间特征提取器import cv2
import numpy
class ColorDescriptor:__slot__ = ["bins"]def __init__(self, bins):self.bins = bins# 得到图片的色彩直方图，mask为图像处理区域的掩模def getHistogram(self, image, mask, isCenter):# 利用OpenCV中的calcHist得到图片的直方图imageHistogram = cv2.calcHist([image], [0, 1, 2], mask, self.bins, [0, 180, 0, 256, 0, 256])# 标准化(归一化)直方图normalizeimageHistogram = cv2.normalize(imageHistogram, imageHistogram).flatten()# isCenter判断是否为中间点，对色彩特征向量进行加权处理if isCenter:weight = 5.0 # 权重记为0.5for index in range(len(imageHistogram)):imageHistogram[index] *= weightreturn imageHistogram# 将图像从BGR色彩空间转换为HSV色彩空间def describe(self, image):image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV)features = []# 获取图片的中心点和图片的大小height, width = image.shape[0], image.shape[1]centerX, centerY = int(width * 0.5), int(height * 0.5)# initialize mask dimension# 生成左上、右上、左下、右下、中心部分的掩模。# 中心部分掩模的形状为椭圆形。这样能够有效区分中心部分和边缘部分，从而在getHistogram()方法中对不同部位的色彩特征做加权处理。segments = [(0, centerX, 0, centerY), (0, centerX, centerY, height), (centerX, width, 0, centerY),(centerX, width, centerY, height)]# 初始化中心部分axesX, axesY = int(width * 0.75) / 2, int(height * 0.75) / 2ellipseMask = numpy.zeros([height, width], dtype="uint8")cv2.ellipse(ellipseMask, (int(centerX), int(centerY)), (int(axesX), int(axesY)), 0, 0, 360, 255, -1)# cv2.ellipse(ellipMask, (int(cX), int(cY)), (int(axesX), int(axesY)), 0, 0, 360, 255, -1)# 初始化边缘部分for startX, endX, startY, endY in segments:cornerMask = numpy.zeros([height, width], dtype="uint8")cv2.rectangle(cornerMask, (startX, startY), (endX, endY), 255, -1)cornerMask = cv2.subtract(cornerMask, ellipseMask)# 得到边缘部分的直方图imageHistogram = self.getHistogram(image, cornerMask, False)features.append(imageHistogram)# 得到中心部分的椭圆直方图imageHistogram = self.getHistogram(image, ellipseMask, True)features.append(imageHistogram)# 得到最终的特征值return features
2) 定义构图空间描述符
类成员 dimension：将所有图片归一化（降低采样）为 dimension 所规定的尺寸。由此才能够用于统一的匹配和构图空间特征的生成。
# 构图空间提取器import cv2
# 将图片进行归一化处理，返回HSV色彩空间矩阵
class StructureDescriptor:__slot__ = ["dimension"]def __init__(self, dimension):self.dimension = dimensiondef describe(self, image):image = cv2.resize(image, self.dimension, interpolation=cv2.INTER_CUBIC)# 将图片转化为BGR图片转化为HSV格式image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2HSV)# print(image)return image
3. 索引化数据集
对数据集中的每幅图像提取特征（HSV），并将保存在.csv 文件中，只需搜索其特征向量即可。本项目提取两个特征，分别保存在两个.csv 文件中：color_index.csv 为色彩空间特征，structure_index.csv 为构图空间特征。
#索引化数据集import color_descriptor
import structure_descriptor
import glob
import argparse
import cv2# 创建解析函数
searchArgParser = argparse.ArgumentParser()
searchArgParser.add_argument("-d", "--dataset", required=True,help="Path to the directory that contains the images to be indexed")
searchArgParser.add_argument("-c", "--colorindex", required=True,help="Path to where the computed color index will be stored")
searchArgParser.add_argument("-s", "--structureindex", required=True,help="Path to where the computed structure index will be stored")
arguments = vars(searchArgParser.parse_args())idealBins = (8, 12, 3)
colorDesriptor = color_descriptor.ColorDescriptor(idealBins)
output = open(arguments["colorindex"], "w")# 色彩空间的特征存储
for imagePath in glob.glob(arguments["dataset"] + "/*.png"):imageName = imagePath[imagePath.rfind("\\") + 1:] # 这里也是需要修改的image = cv2.imread(imagePath)features = colorDesriptor.describe(image)# 将色彩空间的特征写入到csv文件中去features = [str(feature).replace("\n", "") for feature in features]output.write("%s,%s\n" % (imageName, ",".join(features)))
# close index file
output.close()idealDimension = (16, 16)
structureDescriptor = structure_descriptor.StructureDescriptor(idealDimension)
output = open(arguments["structureindex"], "w")# 构图空间的色彩特征存储
for imagePath in glob.glob("dataset" + "/*.png"):imageName = imagePath[imagePath.rfind("\\") + 1:]image = cv2.imread(imagePath)structures = structureDescriptor.describe(image)# 将构图空间的色彩特征写入到文件中去structures = [str(structure).replace("\n", "") for structure in structures]output.write("%s,%s\n" % (imageName, ",".join(structures)))
# close index file
output.close()
4. 设计搜索引擎内核
类成员 colorIndexPath 和 structureIndexPath：记录色彩空间特征索引表路径和结构特征索引表路径。
成员函数 solveColorDistance(self，features，queryFeatures，eps = 1e-5)：求 features和queryFeatures 特征向量的二范数，eps 是为避免除零错误。
成员函数 solveStructureDistance(self，structures，queryStructures，eps = 1e-5)：同样是求特征向量的二范数。需作统一化处理，color 和 structure 特征向量距离相对比例适中，不可过分偏颇。
成员函数 searchByColor(self，queryFeatures)。使用 csv 模块的 reader 方法读入索引表数据：采用 re 的 split 方法解析数据格式。用字典 searchResults 存储 query 图像与库中图像的距离，键为图库内图像名 imageName，值为距离 distance。
成员函数 transformRawQuery(self，rawQueryStructures)：将未处理的 query 图像矩阵转为用于匹配的特征向量形式。
成员函数 search(self， queryFeatures，rawQueryStructures，limit = 3)：将searchByColor方法和 searchByStructure 的结果汇总，获得总匹配分值，分值越低代表综合距离越小，匹配程度越高，返回前 limit 个最佳匹配图像。
# 图片搜索内核import numpy
import csv
import reclass Searcher:# colorIndexPath色彩空间特征索引表路径，structureIndexPath结构特征索引表路径__slot__ = ["colorIndexPath", "structureIndexPath"]def __init__(self, colorIndexPath, structureIndexPath):self.colorIndexPath, self.structureIndexPath = colorIndexPath, structureIndexPath# 计算色彩空间的距离，卡方相似度计算def solveColorDistance(self, features, queryFeatures, eps=1e-5):distance = 0.5 * numpy.sum([((a - b) ** 2) / (a + b + eps) for a, b in zip(features, queryFeatures)])return distance# 计算构图空间的距离def solveStructureDistance(self, structures, queryStructures, eps=1e-5):distance = 0normalizeRatio = 5e3for index in range(len(queryStructures)):for subIndex in range(len(queryStructures[index])):a = structures[index][subIndex]b = queryStructures[index][subIndex]distance += (a - b) ** 2 / (a + b + eps)return distance / normalizeRatiodef searchByColor(self, queryFeatures):searchResults = {}with open(self.colorIndexPath) as indexFile:reader = csv.reader(indexFile)for line in reader:features = []for feature in line[1:]:feature = feature.replace("[", "").replace("]", "")findStartPosition = 0feature = re.split("\s+", feature)rmlist = []for index, strValue in enumerate(feature):if strValue == "":rmlist.append(index)for _ in range(len(rmlist)):currentIndex = rmlist[-1]rmlist.pop()del feature[currentIndex]feature = [float(eachValue) for eachValue in feature]features.append(feature)distance = self.solveColorDistance(features, queryFeatures)searchResults[line[0]] = distanceindexFile.close()# print "feature", sorted(searchResults.iteritems(), key = lambda item: item[1], reverse = False)return searchResultsdef transformRawQuery(self, rawQueryStructures):queryStructures = []for substructure in rawQueryStructures:structure = []for line in substructure:for tripleColor in line:structure.append(float(tripleColor))queryStructures.append(structure)return queryStructuresdef searchByStructure(self, rawQueryStructures):searchResults = {}queryStructures = self.transformRawQuery(rawQueryStructures)with open(self.structureIndexPath) as indexFile:reader = csv.reader(indexFile)for line in reader:structures = []for structure in line[1:]:structure = structure.replace("[", "").replace("]", "")structure = re.split("\s+", structure)if structure[0] == "":structure = structure[1:]structure = [float(eachValue) for eachValue in structure]structures.append(structure)distance = self.solveStructureDistance(structures, queryStructures)searchResults[line[0]] = distanceindexFile.close()# print "structure", sorted(searchResults.iteritems(), key = lambda item: item[1], reverse = False)return searchResultsdef search(self, queryFeatures, rawQueryStructures, limit=10):featureResults = self.searchByColor(queryFeatures)structureResults = self.searchByStructure(rawQueryStructures)results = {}#for key, value in featureResults.items():# results[key] = value + structureResults[key]for key, value in structureResults.items():results[key] = value + featureResults[key]results = sorted(results.items(), key=lambda item: item[1], reverse=False)return results[: limit]
5. 执行搜索
引入 color_descriptor 和 structure_descriptor。用于解析待匹配（搜索）的图像，获得色彩空间特征向量和构图空间特征向量。用 argparse 设置命令行参数。参数包括图片库路径、色彩空间特征索引表路径、构图空间特征索引表路径、待搜索图片路径，成索引表文本并写入.csv 文件。
# 执行搜索
import color_descriptor
import structure_descriptor
import searcher
import argparse
import cv2# 构造解析函数
searchArgParser = argparse.ArgumentParser()
searchArgParser.add_argument("-c", "--colorindex", required=True,help="Path to where the computed color index will be stored")
searchArgParser.add_argument("-s", "--structureindex", required=True,help="Path to where the computed structure index will be stored")
searchArgParser.add_argument("-q", "--query", required=True, help="Path to the query image")
searchArgParser.add_argument("-r", "--resultpath", required=True, help="Path to the result path")
searchArguments = vars(searchArgParser.parse_args())idealBins = (8, 12, 3)
idealDimension = (16, 16)# 传入色彩空间的bins
colorDescriptor = color_descriptor.ColorDescriptor(idealBins)
# 传入构图空间的bins
structureDescriptor = structure_descriptor.StructureDescriptor(idealDimension)queryImage = cv2.imread(searchArguments["query"])
colorIndexPath = searchArguments["colorindex"]
structureIndexPath = searchArguments["structureindex"]
resultPath = searchArguments["resultpath"]queryFeatures = colorDescriptor.describe(queryImage)
queryStructures = structureDescriptor.describe(queryImage)
imageSearcher = searcher.Searcher(colorIndexPath, structureIndexPath)
searchResults = imageSearcher.search(queryFeatures, queryStructures)cv2.imshow("Query", queryImage)
cv2.waitKey(0)
# 对搜索到的图片进行展示
for imageName, score in searchResults:queryResult = cv2.imread(resultPath + "/" + imageName)cv2.imshow("Result Score: " + str(100-int(score)), queryResult)#转换评分cv2.waitKey(0)系统测试
本部分包括处理数据集和执行搜索。
1. 处理数据集
对 INRIA Holidays 数据集进行处理，分别提取色彩空间特征和构图空间特征，得到两个CSV 文件，如图 1和图 2所示。这里给出示例图像 100002.png，如图3所示，色彩空间特征如图 4 所示。在终端输入以下指令：
python index.py --dataset dataset --colorindex color_index.csv --structure structure_index.csv
dataset 为图片库路径，color_index.csv 为色彩空间特征索引表路径，structure_index.csv为构图空间特征索引表路径。
2. 执行搜索
给定待搜索图像，搜索机制对其进行特征提取、比对，匹配后输出结果并评分，同时可调节输出结果的个数。待搜索如图5所示、搜索结果原图最优如图6所示。
在终端输入以下命令：
python searchEngine.py -c color_index.csv -s structure_index.csv -r dataset -q query/pyramid.jpg
dataset 为图片库路径，color_index.csv 为色彩空间特征索引表路径。structure_index.csv为构图空间特征索引表路径，query/pyramid.jpg 为待搜索图片路径。这里给出示例图像100002.png 的搜索结果，输出结果个数为 3。
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