簡(jiǎn)介：

本文介紹了圖像檢索的三種實(shí)現(xiàn)方式，均用python完成，其中前兩種基于直方圖比較，哈希法基于像素分布。
檢索方式是：提前導(dǎo)入圖片庫作為檢索范圍，給出待檢索的圖片，將其與圖片庫中的圖片進(jìn)行比較，得出所有相似度后進(jìn)行排序，從而檢索結(jié)果為相似度由高到低的圖片。由于工程中還包含Qt界面類、觸發(fā)函數(shù)等其他部分，在該文檔中只給出關(guān)鍵函數(shù)的代碼。

開發(fā)系統(tǒng)：MacOS
實(shí)現(xiàn)方式：Qt + Python

方法一：自定義的直方圖比較算法

a) 基本思路

遍歷圖片像素點(diǎn)，提取R\G\B值并進(jìn)行對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)，得到原始直方圖，但由于0-255的范圍太大，因此每一個(gè)像素值的統(tǒng)計(jì)量均偏小，因此分別將R\G\B的256個(gè)像素值映射到0-31共32個(gè)像素值上，將像素值范圍由256*3縮小到32*3。記錄像素值采用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為一維數(shù)組，第1到32個(gè)值為R的像素直方圖，第33到第64個(gè)值為G的像素統(tǒng)計(jì)，第65到96個(gè)值為B的像素統(tǒng)計(jì)。得到直方圖后，計(jì)算待檢索圖的直方圖和圖片庫中圖像的直方圖之間的相似性。

b) 具體實(shí)現(xiàn)

用到的函數(shù)：

• split_Img()
• calc_Hist(img)
• calc_Similar(h1,h2)
• calc_Similar_Split(h1,h2)

遍歷圖片的像素點(diǎn)以計(jì)算直方圖：calc_Hist(img)

嘗試了兩種方式，第一種是對(duì)圖像遍歷時(shí)逐個(gè)調(diào)用getpixel()來獲取R,G,B的值，但發(fā)現(xiàn)這種方式的速度太慢。第二種采用的是內(nèi)存讀取，利用load()函數(shù)一次性讀取圖像的像素值，然后對(duì)像素值進(jìn)行遍歷，該方法的速度比逐個(gè)提取更快。

#統(tǒng)計(jì)直方圖，用load()載入圖片的像素pix，再分別讀取每個(gè)像素點(diǎn)的R\G\B值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（分別為0-255）
#將256個(gè)顏色值的統(tǒng)計(jì)情況投影到32個(gè)，返回R\G\B投影后的統(tǒng)計(jì)值數(shù)組，共32*3=96個(gè)元素
def calc_Hist(img):
  '''
  #120張圖片，4.43s
  w,h = img.size
  pix = img.load() #載入圖片，pix存的是像素
  calcR = [0 for i in range(0,32)]
  calcG = [0 for i in range(0,32)]
  calcB = [0 for i in range(0,32)]
  for i in range(0,w):
    for j in range(0,h):
      (r,g,b) = pix[i,j]
      #print (r,g,b)
      calcR[r/8] += 1
      calcG[g/8] += 1
      calcB[b/8] += 1
  calcG.extend(calcB)
  calcR.extend(calcG)

  return calcR
  '''
  #120張圖，3.49s

  w,h = img.size
  pix = img.load() #載入圖片，pix存的是像素
  calcR = [0 for i in range(0,256)]
  calcG = [0 for i in range(0,256)]
  calcB = [0 for i in range(0,256)]
  for i in range(0,w):
    for j in range(0,h):
      (r,g,b) = pix[i,j]
      #print (r,g,b)
      calcR[r] += 1
      calcG[g] += 1
      calcB[b] += 1
  calcG.extend(calcB)
  calcR.extend(calcG) #256*3

  #calc存放最終結(jié)果，32*3
  calc = [0 for i in range(0,96)]
  step = 0 #calc的下標(biāo)，0~95
  start = 0 #每次統(tǒng)計(jì)的開始位置
  while step < 96:
    for i in range(start,start+8): #8個(gè)值為1組，統(tǒng)計(jì)值相加，eg：色彩值為0~7的統(tǒng)計(jì)值全部轉(zhuǎn)換為色彩值為0的統(tǒng)計(jì)值
      calc[step] += calcR[i]
    start = start+8
    step += 1
  #print calc 
  return calc 

直方圖比較 calc_Similar(h1,h2)

采用的公式是： 

其中N為顏色級(jí)數(shù)，Sim越靠近1則兩幅圖像的相似度越高。

c) 問題和改進(jìn)

簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)直方圖比較后，檢索的結(jié)果并不好，和預(yù)期相比誤差較大。分析原因，直方圖比較主要依靠整幅圖像的色彩統(tǒng)計(jì)來進(jìn)行比較，而對(duì)像素的位置并沒有很好的記錄，因此會(huì)造成誤判。

同時(shí)增加calc_Similar_Split(h1,h2)函數(shù)，加入分塊比較的部分，計(jì)算方法是：對(duì)每個(gè)小塊調(diào)用calc_Similar(h1,h2)，累加計(jì)算結(jié)果，最后除以16取平均值。

測(cè)試發(fā)現(xiàn)效果顯著提升，基于顏色相似的同時(shí)保留了形狀信息。

函數(shù)如下：

#該函數(shù)用于統(tǒng)一圖片大小為256*256，并且分割為16個(gè)塊，返回值是16個(gè)局部圖像句柄的數(shù)組
def split_Img(img, size = (64,64)):
  img = img.resize((256,256)).convert('RGB')
  w,h = img.size
  sw,sh = size
  return [img.crop((i,j,i+sw,j+sh)).copy() for i in xrange(0,w,sw) for j in xrange(0,h,sh)]

#計(jì)算兩個(gè)直方圖之間的相似度，h1和h2為直方圖，zip表示同步遍歷
def calc_Similar(h1,h2):
  return sum(1 - (0 if g==s else float(abs(g-s))/max(g,s)) for g,s in zip(h1,h2)) / len(h1)

方法二：openCV庫的直方圖比較算法實(shí)現(xiàn)

openCV開源庫已經(jīng)集成了直方圖提取、直方圖均衡化以及直方圖比較的功能，調(diào)用方便。為了進(jìn)一步了解直方圖比較的各類實(shí)現(xiàn)方法，利用openCV重新進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

a) 基本思路

對(duì)圖片庫中每個(gè)圖片提取直方圖并均衡化，然后調(diào)用cv庫函數(shù)進(jìn)行直方圖比較，結(jié)果進(jìn)行排序，并顯示。

b) 具體實(shí)現(xiàn)

首先調(diào)用cv2.imread()讀取圖像，然后調(diào)用cv2.calcHist()計(jì)算直方圖，cv2.normalize()均衡化后進(jìn)入比較階段，調(diào)用cv2.compareHist()，比較待檢索圖和圖片庫圖像之間的直方圖差異，然后調(diào)用DisplayTotalPics()進(jìn)行顯示。

關(guān)鍵代碼如下：

results = {} #記錄結(jié)果
reverse = True #correlation/intersection方法reverse為true，另外兩種為false

imgCV = cv2.imread(self.testImg.encode('utf-8'))
#self.testImg為待匹配圖片
testHist = cv2.calcHist([imgCV],[0,1,2],None,[8,8,8],[0,256,0,256,0,256])
#提取直方圖
testHist = cv2.normalize(testHist,testHist,0,255,cv2.NORM_MINMAX).flatten()
#均衡化

#計(jì)算self.testImg和其他圖片的直方圖差異，INTERSECTION方法效果比較好
for (k, hist) in self.index_cv.items(): 
#self.index_cv保存的是圖片庫中圖片的直方圖信息
  d = cv2.compareHist(testHist,hist, cv2.cv.CV_COMP_INTERSECT)
  results[k] = d
  #對(duì)結(jié)果排序，以v即上面的d作為關(guān)鍵字
  results = sorted([(v, k) for (k, v) in results.items()], reverse = reverse) 
  end = time.time()
  print 'OpenCV Time:'
  print end-start     
self.DisplayTotalPics(results)

c) 問題與解決

openCV中的compareHist函數(shù)中提供了4中比較方法：
1．相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)(method=CV_COMP_CORREL) 值越大，相關(guān)度越高，最大值1，最小值0
2．卡方系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)(method=CV_COMP_CHISQR) 值越小，相關(guān)度越高，無上限，最小值0
3．相交系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)(method=CV_COMP_INTERSECT)值大，相關(guān)度越高，最大9.455319，最小0
4．巴氏系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)(method=CV_COMP_BHATTACHARYYA) 值小，相關(guān)度越高，最大值1，最小值0

測(cè)試后選擇的是method = cv2.cv.CV_COMP_INTERSECT

另外，該方法的速度很快，完全基于圖像的色彩分布，但在一些情況下精度并不高。

方法三：平均哈希值比較算法實(shí)現(xiàn)

用到的函數(shù)：getKey(),getCode(),cmpCode()

a) 基本思路

平均哈希值的比較算法是基于像素分布的，比較對(duì)象是灰度圖的圖像指紋。圖像指紋的計(jì)算通過比較每個(gè)圖的像素值和平均像素值來計(jì)算，然后計(jì)算圖像指紋之間的漢明距離，排序后得到相似圖像。

b) 具體實(shí)現(xiàn)

具體方法是：計(jì)算進(jìn)行灰度處理后圖片的所有像素點(diǎn)的平均值，然后遍歷灰度圖片每一個(gè)像素，如果大于平均值記錄為1，否則為0，這一步通過定義函數(shù)getCode(img)完成。接著計(jì)算編碼之間的漢明距離，即一組二進(jìn)制數(shù)據(jù)變?yōu)榱硪唤M數(shù)據(jù)所需的步驟數(shù)，漢明距離越小，說明圖像指紋的相似度越高。計(jì)算漢明距離可以通過簡(jiǎn)單的遍歷和計(jì)數(shù)來完成，函數(shù)為compCode(code1,code2),其中code1和code2為getCode得到的圖像指紋。

關(guān)鍵函數(shù)代碼如下：

#獲取排序時(shí)的關(guān)鍵值（即漢明距離）    
def getKey(x): 
  return int(x[1])

#由灰度圖得到2值“指紋”，從而計(jì)算漢明距離
def getCode(img):
  w,h = img.size
  pixel = []
  for i in range(0,w):
    for j in range(0,h):
      pixel_value = img.getpixel((i,j))
      pixel.append(pixel_value) #加入pixel數(shù)組
  avg = sum(pixel)/len(pixel) #計(jì)算像素平均值

  cp = [] #二值數(shù)組
  for px in pixel:
    if px > avg:
      cp.append(1)
    else:
      cp.append(0)
  return cp

#計(jì)算兩個(gè)編碼之間的漢明距離
def compCode(code1,code2):
  num = 0
  for index in range(0,len(code1)):
    if code1[index] != code2[index]:
      num+=1
  #print num
  #print '\n'
  return num 

c) 問題與優(yōu)化

我們發(fā)現(xiàn)在數(shù)據(jù)量大時(shí)，該方法的檢索速度較慢，因此我們將圖像指紋也作為圖像的屬性存在self.hashCode中，在importFolder時(shí)計(jì)算好，避免后續(xù)操作中的冗余重復(fù)計(jì)算。

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