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数字图像技术报
用于PostgreSQL的图像处理扩展
Denise Guliato,1 Ernani V. de Melo,1 Rangaraj M. Rangayyan,2 和Robson C. Soares
在过去十年中，人们对基于内容的图像检索(CBIR)和相关领域的重新搜索越来越感兴趣。已经提出了一些管理和检索图像的系统，每个系统都适合于特定的应用程序。com- monly在CBIR系统中提供的功能包括:存储和管理复杂数据，开发特征提取器以支持相似查询，开发索引结构以加速图像检索，设计和实现针对每个应用程序的直观图形用户界面。为了促进新的CBIR系统的开发，我们建议对关系数据库管理系统(RDBMS) PostgreSQL进行图像处理扩展。这种被称为PostgreSQL-IE的前张力是独立于应用程序的，它提供了开源和可移植的优点。该系统将结构化查询语言SQL的功能扩展到能够创建新特征提取过程的新功能，新特征向量为combi。以前定义的特性，以及新的访问。方法，以及组成相似性查询。PostgreSQL-IE提供了一种新的图像数据类型，它允许使用给定的唯一图像属性对各种图像进行关联。这一资源使得将不同图像的视觉特征组合在同一个特征向量中成为可能。为了验证所建议的扩展RDBMS中可用的概念和资源，我们建议使用PostgreSQL-IE来分析乳房x光检查的CBIR系统。
关键词:数据库管理系统，数字化乳腺摄影，数字图像管理，图像数据基，图像检索，信息存储和检索，信息系统。
介绍
基于ontent的图像检索(CBIR)。C是计算机中一个重要的领域。视觉和多媒体计算。大量的新技术获得图像特征已经开发了几个CBIR systems8-14用于广泛的应用。与CBIR系统开发相关的一个重要主题是使用相似查询搜索数据库。
根据相似度度量，数据库中的对象与给定的引用相似。一个距离函数给出。最有实现相似查询的已知策略有:k近邻(KNN)、范围搜索和相似性连接。16、17的目的是提高相似性搜索的效率，个指标提出了结构。然而,在18到22岁的少已提出了扩展结构的工作。查询语言SQL为simi- larity查询提供支持，并限制于预定义的访问方法和有限数量的特征提取过程。
CBIR系统开发人员需要参与一些复杂的任务，比如:理解应用程序的领域，组织应用程序的数据和存储。他们使用数据库管理系统(DBMS)或存储库作为操作系统的文件夹，设计布局和开发一个直观的。图形用户界面(GUI)，开发特性。提取算法、访问方法和相似性。最后，定义和实现相似查询策略。然而，许多这些任务在大多数CBIR系统中都是常见的，并且可以在可扩展和可配置的应用程序独立框架中使用。以提供设施为目的。
CBIR系统的开发，我们向PostgreSQL的体系结构提出了一种前张力，27种称为PostgreSQL和图像处理扩展(Post- greSQL-IE)。建议的系统独立于应用程序，利用PostgreSQL提供的强大工具，同时在创建新特性描述符和新特性向量的定义方面更灵活，而不需要额外的成本。在其开发的当前阶段，PostgreSQL-IE可以提供。两个相似的搜索过程:KNN和range。有12个特征提取程序，其中一个与颜色有关:直方图，其余与形状有关。因子:傅立叶描述符(FDs)，面积，周长，紧性、穗状指数(SI)、凹性指数、6个基于转折的穗状指标。角函数，分形维数，指数。凹性的存在，凸性的存在指数，凸度指数。
为了说明和验证在PostgreSQL-IE中可用的资源的能力，我们有开发了一个支持内容的研究系统。根据检索的乳房x光片。该研究系统允许用户通过使用友好的图形Web界面，从一个乳房x光图像数据库中检索信息。本文的其余部分是结构化的。
接下来:“审查CBIR相关工作”，回顾相关工作。“PostgreSQL使用图像处理扩展呈现PostgreSQL-IE相关的damental概念，包括新图像数据类型的数据结构和数据库编目的扩展。“乳腺癌数据库应用程序”提供示例中使用的数据集的描述。“扩展SQL: SQL- ie”概述了扩展的SQL，包括对主要命令的描述。“SISPRIM-A系统设计CBIR应用于乳房x光检查。一个用PostgreSQL-IE设计的重新搜索系统。支持CBIR应用于对哺乳动物的分析。最后，“结论”给出了本文的结论，并对今后的工作提出了建议。
审查CBIR相关工作
为了支持CBIR系统的开发，可以使用关系DBMS (RDBMS)的商业扩展来存储图像。特殊数据类型和包含策略。
通过相似性搜索，限制到KNN和范围搜索。16、17个这样的扩展RDBMS (XRDBMS)的例子是DB2 with Image Extender,30个Informix和Excalibur Image DataBlade,31个Infor- mix与Image Foundation DataBlade (IFDB)，32。
与媒介物和Oracle。33然而,这些XRDBMS有一个私有的体系结构，即expen。不包括扩展或修改的设施。一般来说，这些系统具有相似的功能，但支持不同的图像数据类型，包括不同的特征提取过程、访问方法(如果可用)和图像处理命令。目的是使资源标准化。
XRDBMS的图像数据类型，国际标准化组织提出的SQL/ MM第5部分:Still image .26,34。标准化为图像数据类型提供了一种描述，称为SI_StillImage，它应该封装:二进制映像、它的维度、格式、宽度和高度，一组5个图像。操作功能包括缩放，rota。一套四种特征提取程序，其中一种基于纹理，其余部分基于颜色(全局色平均，局部颜色平均值，颜色直方图)。每个特性，从执行特征提取过程中派生出来，都可以关联。具有特征向量数据类型。一个特殊的功能
矢量数据类型SI_FeatureList可以将不同的特性组合在一起，使用不同的功能。权值，在同一个特征向量中。然而,
SQL/MM第5部分:静态图像不包括与查询图像相关的方面，通过相似性搜索，并没有提供灵活性来包含新特性。
提取过程。
尽管努力,所有可用的商业XRDBMS都没有完全符合SQL/MM第5部分所提出的标准化，除了Oracle的中级版本10，它包含了SQL/MM的第5部分:除了它自己的图像模块。之前定义的功能。Oracle interMe- dia33支持两种图像数据类型，StillImage和ORDImage，并且仅限于五种特征提取程序(全局颜色、局部颜色、纹理、结构和面部)。图像数据类型可用。在DB2中，使用Image Extender30定义为用户。定义类型(UDT)，称为DB2Image，并且限制为四个特征提取过程(颜色平均值、颜色直方图、位置颜色和纹理)。Informix Excalibur图像DataBlade Module31支持新的图像数据类型。作为一个UDT，称为IfdImageDesc，并取得了成功。有六种特征提取程序(颜色，帐篷，颜色结构，纹理，形状，亮度，结构,纵横比)。IFDB32定义另一个图像数据类型，称为IfxImage;图像存储为二进制大对象(BLOB)类型属性，在此系统中没有特征提取函数。该系统由Baroni等人提出允许执行特征提取过程。
作为系统的一部分，并没有包含存储图像数据的特殊数据类型。特征向量由用户之前获得的特性组成，并作为a存储在数据库中。特殊数据类型称为颗粒的系统使创建与颗粒数据类型相关联的新度量成为可能。相似查询是通过引入的方法进行的描述与用户定义的特征向量相关的度量，以及相似操作符KNN、范围和连接。虽然这个系统扩展了SQL来提出相似的查询，但是方法不同于目前的工作。因为PostgreSQL-IE更接近于商业RDBMS，因此我们限制进一步讨论并将其与相关上下文进行比较。在所有可用的商业XRDBMS中支持CBIR的功能主要限于颜色和纹理。Informix Excalibur形象DataBlade和Oracle RDBMS超越了标准特性，并实现了一个基于形状的功能但是，对于特定的应用程序，需要额外的专门功能。上面描述的所有商业系统都只能在给定的图像数据类型属性(简称为image属性)中存储一个图像，并使它只关联一个特性。每个图像属性的向量。vec -的特性tor可以作为系统中所有可用特性的加权组合:不允许其他用户配置。的系统不允许包含新功能，新的特征提取程序，或新的访问方法。
POSTGRESQL与图像处理
扩展：为了开发CBIR系统，需要XRDBMS提供存储映像的灵活性定义新的特征提取过程。将这些特征组合成没有预先定义的新方式中的向量。为了解决这些问题，我们建议使用PostgreSQL-IE。设计用于支持直接的相似查询前进的方式。管理新功能，PostgreSQL- ie扩展了PostgreSQL数据库目录，并包含了新图像数据类型的定义，如下面几节所述。
扩展的数据库目录
PostgreSQL- IE扩展数据库目录是一个名为extended_template1的数据库使用template1作为模板，使用一组在C语言中编写的内部函数，一个对查询的响应的setspeed，一个访问方法可以与一个可用的特征向量相关pge_tabvector管理此关系。最后，表pge_regimage对存储在给定数据库中的所有图像进行信息处理，该数据库直接从appli- cation表中访问，如下面的部分所述。使用extended_template1创建的新数据库。该模板继承了管理和处理CBIR操作的所有资源。在plpgsql中编写的16个函数中，有36个是扩展的SQL命令，其详细信息在“扩展SQL: SQL- ie”中描述，以及一组6个表，这些表管理与图像处理相关的所有信息，它们的方案显示在其中图1所示。表pge_extractor pge_vector,
pge_accessmethod跟踪所有新的fea- ture提取过程、新特征向量和新的访问方法添加到系统的au-分别thorized用户。表pge_vector_ extractor将每个特征向量关联到各自的构成向量的一组特征。因为这个方面，PostgreSQL-IE使得可以根据应用程序的需要将一个或多个特性组合在同一个特性向量中。来加快对一个查询的回答，一个访问方法可以与一个可用的特征向量相关联表pge_tabvector管理此关系。最后，表pge_regimage对存储在给定数据库中的所有图像进行信息处理，该数据库直接从appli- cation表中访问，如下面的部分所述。使用extended_template1创建的新数据库。
该模板继承了管理和处理CBIR操作的所有资源。
图1用于PostgreSQL-IE的扩展数据库目录的方案
一种新的图像数据类型
根据plpgsql命令，PostgreSQL-IE实现了一个新的图像数据类型，称为PGImage。这个新的图像数据类型包括在同一个图像属性中存储多个图像的能力，不同于“在CBIR上的相关工作的审查”中所审查的所有其他图像数据类型。
这可以通过将不同的类归为不同的类来实现同一属性的不同图像。这种新颖的方法有助于开发应用程序，其中每个图像属性都由一组图像，如计算机断层扫描(CT)， magnetic共振成像(MRI)，乳房x线照相术或建筑计划。PGImage数据类型封装了一个标识。一个给定的图像集的实例(imgid)和与该图像集的每个图像相关的类(imgclass)。标识符imgid是pge_regimage表的一个键，它存储关于存储在数据库中的每个图像的信息如图像尺寸、宽度、高度、格式等引用的表名、所引用的列和存储为BLOB的二进制映像。
新的数据类型PGImage允许以更简单的方式对数据库应用程序进行建模相比其他XRDBMS。例如,考虑一个包含放射学电子报告的应用程序，包括每个病人的简短临床病史和她的相关考试得到的时间不同。每一个考试set可以由x射线、CT和MRI图像(CT和MRI的切片数)组成。图2说明了使用DB2和PostgreSQL-IE XRDBMS的数据库方案。
因为PGImage允许存储更多。与同一属性中的一个映像相比，使用PostgreSQL-IE的应用程序模型更简单，可以用更少的表来建模，与DB2相比。通过使用Post- greSQL-IE对数据库进行建模，可以在相同的相似查询中组合与在给定时间内对患者进行的所有考试相关的视觉信息。这是不可能使用任何商业XRDBMS，目前可用。
乳腺癌数据库应用程序
为了说明使用PostgreSQL-IE中可用的资源和前处理SQL的命令，我们将使用乳腺癌数据库应用程序。乳房x光检查数据库，叫做乳房x光检查。数据库由两个表建模:患者包含病人和病人的信息。案例中包含有关哺乳动物的信息。
在给定的时间内，对病人进行的图形检查。每个乳房x光片是关联的由专家绘制的病灶轮廓。放射科医生命令图像:一个类的乳房x光图像命名为乳房x光检查和病变轮廓。名称为lesion_contour，由专家radiol- ogist绘制。图3显示了patient_的实例case表及其各自的pge_regimage表。目的为说明PGImage数据类型的管理。
扩展SQL:SQL-IE
SQL-IE由16个新功能组成，其中包括创建新功能的命令，特征提取过程，新特征向量。作为之前定义的特性的组合和新访问方法的详细信息在附录A中可以找到SLQ-IE命令的语法，该命令使用下面章节中描述的函数。
图2 两种数据库方案:一种是用于DB2的图像扩展器，b是带有图像处理扩展的PostgreSQL
图3 病人病例关系方案的一个实例，b对应的pge regimage表
数据定义功能
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