基于多特征综合的昆虫识别研究.pdf

1、基 于 多 特 征 综 合 的 昆 虫 识 别 研 究齐 丽 英 (安 康 学 院 数 学 与 应 用 数 学 研 究 所 ,陕 西 安 康 725000)摘 要 对 昆 虫 的 自 动 识 别 进 行 了 研 究 ,利 用 昆 虫 的 数 字 图 像 进 行 计 算 机 自 动 识 别 ,讨 论 了 昆 虫 图 像 的 特 征 提 取 技 术 ,针 对 不 同 昆 虫 具 有不 同 色 彩 、 形 状 、 纹 理 的 特 点 ,利 用 异 步 组 合 检 索 方 式 ,将 色 彩 、 形 状 、 纹 理 特 征 综 合 利 用 ,弥 补 了 使 用 单 一 特 征 无 法 对 昆 虫 图 像

2、 进 行 充 分理 解 的 缺 陷 ,提 高 了 昆 虫 自 动 识 别 的 正 确 率 。关 键 词 昆 虫 ;特 征 ;综 合 ;识 别中 图 分 类 号 S11 + 9 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 0517 - 6611(2009) 03 - 01380 - 02A Study of Automated Insect Identification Based on Multi2Features SynthesisQI Li2ying ( Institute of Pure and Application Mathematics , Ankang University ,Ank

3、ang ,Shaanxi 725000)Abstract This research aimed to study the automatic identification of insects by using computer to automatically recognize insect images and discussthe feature extraction techniques from insect images. According to the fact that different insect has different color , shape and te

4、xture features , this studyused asynchronous combination retrieval method to comprehensively utilize the feature of color , shape and texture so as to make up for the deficiency ofsingle feature which could not adequately understand the insect image. This method improved the accuracy of insect autom

5、atic identification.Key words Insects ; Features ; Synthesis ; Identification作 者 简 介 齐 丽 英 (1973 - ) ,女 ,陕 西 安 康 人 ,讲 师 ,从 事 数 学 与 应 用 数学 研 究 。收 稿 日 期 2008211217传 统 的 昆 虫 分 类 学 研 究 成 果 一 般 表 现 为 特 征 描 述 和 检索 表 等 ,在 缺 乏 相 关 的 标 本 和 对 分 类 学 术 语 的 理 解 存 在 偏 差时 ,使 用 这 些 成 果 对 昆 虫 进 行 识 别 并 不 容 易 。 目 前 ,

6、利 用 计算 机 进 行 自 动 识 别 的 技 术 已 应 用 到 了 社 会 生 活 的 各 个 方 面 ,如 果 品 的 计 算 机 自 动 分 级 、 卫 星 航 空 图 片 解 释 、 字 符 识 别 、 语音 识 别 、 人 脸 及 指 纹 识 别 等 。 因 此 ,利 用 计 算 机 进 行 昆 虫 的自 动 或 半 自 动 鉴 定 已 逐 渐 成 为 可 能 ,也 初 步 研 制 出 了 针 对 个别 类 群 的 昆 虫 图 像 的 自 动 鉴 定 原 型 系 统 1 。不 同 的 昆 虫 图 像 往 往 具 有 不 同 的 色 彩 、 形 状 、 纹 理 等 特征 。 目 前

7、 ,昆 虫 的 自 动 识 别 主 要 根 据 昆 虫 的 形 状 等 单 一 底 层特 征 进 行 2 - 4 ,或 者 仅 利 用 了 色 彩 、 形 状 特 征 5 ,缺 乏 对 各 种底 层 特 征 的 综 合 应 用 。 单 一 底 层 特 征 忽 视 了 不 同 类 别 特 征间 的 相 互 联 系 ,无 法 对 图 像 以 各 种 形 式 提 供 的 信 息 加 以 充 分利 用 ,限 制 了 众 多 特 征 联 合 对 图 像 进 行 诠 释 理 解 的 可 能性 6 。 将 底 层 特 征 进 行 融 合 可 以 同 时 互 补 地 表 示 图 像 中 包含 的 各 类 信

8、息 ,可 以 有 效 地 利 用 特 征 间 的 联 系 ,提 高 昆 虫 图像 自 动 识 别 精 度 。1 多 特 征 综 合 昆 虫 识 别 技 术 框 架采 用 异 步 组 合 检 索 方 式 可 以 有 效 地 在 图 像 识 别 过 程 中对 图 像 的 各 种 底 层 特 征 加 以 综 合 利 用 ,昆 虫 图 像 进 行 多 特 征综 合 识 别 的 模 型 如 图 1 所 示 。图 1 异 步 组 合 多 特 征 识 别Fig. 1 Multi2feature identification of asynchronous combination在 该 方 法 中 ,提 取

9、昆 虫 图 像 的 不 同 类 别 特 征 ,如 色 彩 特征 、 形 状 特 征 、 纹 理 特 征 等 ,以 层 级 方 式 将 各 类 别 特 征 与 昆 虫样 本 图 像 库 的 样 本 进 行 对 照 ,上 一 级 经 相 似 性 比 较 后 的 输 出结 果 集 成 为 下 一 级 特 征 提 取 与 比 较 的 输 入 ,逐 次 进 行 相 似 性匹 配 ,以 缩 小 匹 配 样 本 空 间 ,提 高 识 别 精 度 ,在 最 后 一 级 的 对照 比 较 中 得 到 最 终 的 识 别 结 果 。 在 该 方 法 中 ,与 样 本 图 像 的匹 配 通 过 计 算 距 离 进

10、行 :d0 ( x , y) = 0d ( x , y) = D1. . . n ( x , y) = Wndn ( x , y) + D1. . . ( n - 1) ( x , y)2 昆 虫 特 征 提 取 方 法2. 1 颜 色 特 征 提 取 颜 色 作 为 物 种 的 固 有 特 征 ,是 进 行 物种 鉴 定 的 重 要 依 据 之 一 ,在 自 动 昆 虫 识 别 系 统 中 ,颜 色 特 征的 提 取 需 要 解 决 光 照 不 均 、 颜 色 归 一 化 、 颜 色 特 征 提 取 等 技术 问 题 7 。 在 研 究 中 ,采 用 了 Harris 彩 色 点 提 取 器

11、 8提 取 昆虫 图 像 的 彩 色 特 征 点 作 为 色 彩 特 征 。 具 体 方 法 为 :(1)对 图 像 的 每 一 点 在 R、 G、 B 3 个 光 谱 通 道 进 行 高 斯平 滑 实 现 降 噪 处 理 ,去 除 绝 大 部 分 噪 声 。(2)根 据 下 式 的 局 部 区 域 极 大 值 定 义 彩 色 点 。Det ( M) - KTrace2( M) ,其 中 , K = 0. 04 ,M =R2x + G2x + B2x RxRy + GxGy + BxByRxRy + GxGy + BxBy R2y + G2y + B2y。(3) 利 用 梯 度 信 息 9 实

12、 现 彩 色 特 征 点 的 表 示 ,构 造 昆 虫图 像 的 色 彩 特 征 。 特 征 点 x 的 色 彩 特 征 向 量 为 :P = ( R , R 2 , G, G 2 , B , B 2 ,| R B | , | G B | , ) (1)其 中 ,梯 度 计 算 采 用 5 5模 板 ,均 匀 选 择 0157. 5的 8个 方 向 ,找 到 色 彩 变 化 最 大 的 方 向 近 似 梯 度 方 向 ,其 中 为 MAX ( R , G , B) 。使 用 该 方 法 进 行 昆 虫 图 像 的 色 彩 特 征 描 述 时 ,梯 度 的 幅值 会 随 图 像 的 光 照 变

13、化 而 改 变 ,但 梯 度 方 向 保 持 不 变 ,并 且 ,梯 度 的 幅 值 和 方 向 角 不 会 随 着 对 象 的 平 移 而 变 化 ;虽 然 梯 度的 方 向 角 会 随 着 图 像 内 容 的 旋 转 而 改 变 ,但 梯 度 的 幅 值 具 有很 好 的 稳 定 性 ;其 次 ,采 用 归 一 化 的 方 法 使 方 向 角 在 图 像 发安 徽 农 业 科 学 ,Journal of Anhui Agri. Sci. 2009 ,37 (3) :1380 - 1381 责 任 编 辑 张 彩 丽 责 任 校 对 吴 晓 燕生 缩 放 变 化 时 保 持 不 变 。2.

14、2 形 状 特 征 提 取 形 状 特 征 是 人 类 视 觉 系 统 进 行 物 体 识 别时 所 依 据 的 关 键 信 息 之 一 ,但 由 于 所 采 集 的 图 像 存 在 尺 寸 大小 不 统 一 ,方 向 、 相 对 位 置 不 一 致 等 因 素 ,所 以 ,进 行 形 状 特征 提 取 时 ,应 尽 量 避 免 或 少 受 上 述 因 素 的 影 响 。 因 此 ,采 用形 状 全 局 特 征 描 述 子 表 示 形 状 特 征 ,包 括 狭 长 度 、 圆 形 度 、 惯性 主 轴 、 偏 心 率 、 球 状 性 、 紧 凑 度 等 。狭 长 度 10 : L = M ,m

15、axM ,min, 其 中 , M = rNi =1 rMj =1( jcos -isin ) 2 f ( i , j) 。狭 长 度 参 数 反 映 了 物 体 的 狭 长 程 度 特 征 ,如 正 方 形 的 狭长 度 为 1。圆 形 度 : R = 4 AB L ,其 中 A 为 面 积 , B 为 区 域 周 长 , L为 狭 长 度 。惯 性 主 轴 11 方 向 : 0 = 12 tan- 1 2 u11u20 = u02 n2 ,其 中 upq是 ( p + q) 阶 中 心 矩 。偏 心 率 : E = ( A + B) - ( A - B)2 + 4 H2( A + B) +

16、 ( A - B) 2 + 4 H2,其 中 A、B 分 别 是 绕 X、 Y 轴 的 转 动 惯 量 , H 为 惯 性 积 。 该 特 征 不 受 图像 平 移 、 旋 转 以 及 尺 度 变 化 的 影 响 。球 状 性 : S = rirc,其 中 , ri 表 示 区 域 内 切 圆 半 径 , rc 代 表区 域 外 接 圆 半 径 。紧 凑 度 : C = 1 - 4 AP 2 ,其 中 P为 边 界 的 周 长 , A 为 区 域 的面 积 。2. 3 纹 理 特 征 提 取 纹 理 特 征 是 图 像 在 视 觉 上 所 体 现 出 的像 素 间 亮 度 或 颜 色 的 某

17、种 变 化 规 律 ,是 在 图 像 局 部 区 域 内 亮度 、 颜 色 整 体 变 化 的 一 种 相 关 关 系 。 Gabor 小 波 变 换 是 方 向和 尺 度 均 可 变 化 的 边 缘 和 直 线 检 测 器 ,较 好 地 描 述 了 生 物 视觉 神 经 元 的 感 受 问 题 ,可 以 实 现 对 纹 理 特 征 的 精 细 分 析 和 提取 。 该 研 究 采 用 基 于 Gabor 小 波 变 换 改 进 后 的 与 方 向 无 关Gabor 变 换 提 取 昆 虫 图 像 纹 理 。 在 进 行 方 向 - 坐 标 变 换 后 ,传 统 Gabor 滤 波 器 定 义

18、 为 :g x , y , ( x , y) =12 x ye- 12 ( ( xcos + ysin )2 2x +( - xsin + ycos ) 2 2y ) e2 iW( xcos + ysin ) (2)其 中 , 决 定 了 滤 波 器 的 方 向 , W 是 中 心 频 率 。 传 统 Gabor 滤波 器 与 方 向 相 关 ,当 发 生 变 化 时 , g x , y , ( x , y) 在 方 向 上会 有 一 定 的 波 动 。 对 图 像 进 行 Gabor变 换 时 ,需 要 对 0 ,2 内的 角 度 进 行 划 分 ,划 分 方 式 的 不 同 将 导 致 通

19、 过 卷 积 计 算 得 到的 纹 理 特 征 不 一 致 。 为 此 ,通 过 对 Gabor 函 数 在 方 向 上 的 积分 来 解 决 该 问 题 。G x , y ( x , y) = 12 02g x , y , ( x , y) d 12 N x y rN- 1n =0e- 12 ( xcos(2 nN ) + ysin(2 nN ) ) 2 2x +( - xsin(2 nN ) + ycos(2 nN ) ) 2 2y )e2 iWxcos(2 nN ) + ysin(2 nN ) (3)其 中 , N 是 用 于 离 散 0 ,2 内 的 角 度 个 数 。昆 虫 图 像

20、的 纹 理 特 征 定 义 为 :F = ( M x , y , V x , y) (4)其 中 , F x , y ( x , y) = f 3 G x , y ( x , y) , f 为 昆 虫 图 像 , 3 为 卷 积运 算 。在 此 基 础 上 ,计 算 F x , y ( x , y) 的 均 值 和 方 差 作 为 昆 虫 图像 的 纹 理 特 征 。M x , y =- + - + | F x , y ( x , y) | d xd y (5)V x , y =- + - + | F x , y ( x , y) - M x , y | 2d xd y (6)3 试 验 结

21、果将 形 态 上 较 为 相 似 的 5 种 昆 虫 (凤 蝶 、 斑 蛾 、 尺 蛾 、 枯 叶 蛾 、灯 蛾 ) ,每 种 昆 虫 6 幅 图 像 ,共 30 幅 图 像 ,作 为 训 练 集 。 将 5 种昆 虫 ,每 种 5 幅 图 像 作 为 测 试 集 。 图 像 大 小 为 128pixel 128pixel ,应 用 前 面 所 述 方 法 分 别 提 取 色 彩 、 形 状 、 纹 理 特 征 ,将测 试 集 中 的 图 像 分 别 采 用 色 彩 、 形 状 、 纹 理 3 种 单 一 特 征 与 训练 集 中 的 昆 虫 比 较 。 基 于 色 彩 的 特 征 ,正 确

22、识 别 率 为 75 %;基于 形 状 特 征 ,正 确 识 别 率 为 78. 5 %;基 于 纹 理 特 征 ,正 确 识 别 率为 82 %。 采 用 该 研 究 所 提 出 的 异 步 组 合 检 索 方 式 ,综 合 色 彩 、形 状 、 纹 理 特 征 进 行 识 别 ,识 别 正 确 率 为 90 %。 该 研 究 结 果 说明 ,将 色 彩 、 形 状 、 纹 理 等 底 层 特 征 进 行 综 合 利 用 ,实 现 昆 虫 识别 过 程 中 的 特 征 融 合 ,对 识 别 正 确 率 有 较 大 的 提 高 ,在 后 续 研究 中 ,探 索 更 有 效 的 底 层 特 征

23、融 合 方 式 ,是 进 一 步 提 高 昆 虫 正确 识 别 率 的 有 效 途 径 。参 考 文 献1 WATSON A T,O NEILL M A ,KITCHING I J . A qualitative study investigatingautomated identification of living macrolepidoptera using the Digital AutomatedIdentification System (DAISY) J . System Biodiv ,2004 ,1(3) :287 - 300.2 潘 鹏 亮 ,沈 佐 锐 ,高 灵 旺 ,等

24、 . 昆 虫 翅 脉 特 征 自 动 获 取 技 术 的 初 步 研 究J .昆 虫 分 类 学 报 ,2008 ,30(1) :72 - 80.3 潘 鹏 亮 ,杨 红 珍 ,沈 佐 锐 ,等 . 翅 脉 的 数 学 形 态 特 征 在 蝴 蝶 分 类 鉴 定 中的 应 用 研 究 J .昆 虫 分 类 学 报 ,2008 ,30(2) :151 - 159.4 杨 宏 伟 ,张 云 .计 算 机 视 觉 技 术 在 昆 虫 识 别 中 的 应 用 进 展 J . 生 物 信息 学 ,2005(3) :133 - 136.5 杨 红 珍 ,张 建 伟 ,李 湘 涛 ,等 . 基 于 图 像

25、的 昆 虫 远 程 自 动 识 别 系 统 的 研究 J .农 业 工 程 学 报 ,2008 ,24(1) :188 - 192.6 吴 介 ,裘 正 定 .底 层 内 容 特 征 的 融 合 在 图 像 检 索 中 的 研 究 进 展 J . 中国 图 象 图 形 学 报 ,2008 ,13(2) :189 - 197.7 刘 芳 ,沈 佐 锐 ,张 建 伟 ,等 . 基 于 颜 色 特 征 的 昆 虫 自 动 鉴 定 方 法 J . 昆虫 知 识 ,2008 ,45(1) :150 - 153.8 GOUET V ,BOUJ EMAA N. Object2based queries us

26、ing color points of nterestM. IEEE Computer Society ,2001.9 MONTESINOS P , GOUET V ,DERICHE R ,et al. Matching color uncalibratedimages using differential invariants J . Revue Image and Vision Computing ,2000 ,18(9) :659 - 671.10 邬 浩 ,潘 云 鹤 ,庄 越 挺 ,等 .基 于 对 象 形 状 的 图 象 查 询 技 术 J . 软 件 学报 ,1998 ,9(5) :343 - 349.11 CHAN YUK2MING CHAN. Shape - based image retrieval in iconic imagedatabasesM. Hong Kong:The Chinese University of Hong Kong ,1999.183137 卷 3 期 齐 丽 英 基 于 多 特 征 综 合 的 昆 虫 识 别 研 究