面向对象的煤矿模糊多媒体数据库.pdf

第3 0 卷第1 期 2 0 0 1 年1 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r m t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V o I ．3 0 N o ．1 J a o ．2 0 0 1 文章蛐号；1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 1 0 1 0 0 8 20 5 面向对象的煤矿模糊多媒体数据库 王正友，于洪珍 中国矿业大学信息与电气工程学院．江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要；针对煤矿数据库存储媒体形式越来越多、数据库容量越来越大的应用新背景，运用面向对 象的思想，结舍模糊知识技术，对煤矿多媒体数据库的研究意义、数据库的数据模型和系统结构 等方面，进行了较为详尽的探讨，建立了新的模型和系统构架．结果表明，这种新型数据库系统具 有更强的多媒体数据管理能力和真正的系统开放性．最后．指出了此领域的进一步研究方向． 关键词内容检索；模糊技术I 面向对象；煤矿‘多媒体数据库 中图分类号T D7 1 2文献标识码A 随着计算机、网络技术的发展，煤矿管理的自 动化、信息化水平有了很大提高，表现在媒体形式 上，已不再只是单一的文本或数据，而越来越趋向 于多样化，涉及到文本、图形、图像、视频、音频等各 种媒体} 表现在存储容量上，则为数据库的规模越 来越大[ 1 ～s 3 ．而另一方面，在煤矿，传统的数据库检 索多采用基于关键词的检索方式，通过描述性文本 进行检索．一般说来，这种检索技术已不能满足人 们的需要．这里有几个原因，第一，由于声音、图像 和视频信息的内容具有丰富的内涵，在许多情况下 仅用几个关键词难以充分描述．此外．作为关键词 的图像特征的选取也有很大的主观性，难以满足现 场检索的需要．第二，对检索人员或最终用户来说， 有时候他们的检索目标本来就是不确定的，很难用 精确的关键词来描述．为此，有必要研究基于内容 检索的面向对象的煤矿模糊多媒体数据库． 基于内容的检索技术 C B R ，c o n t e n t b a s e dr e - t i l e v a l 有别于传统的检索手段，融合了图像理解 技术，可以提供一种从巨容的视频库中。根据人们 提出的要求进行有效检索的方法[ “．根据媒体对象 的不同，基于内容的检索可以分为基于图像、视 频、音频、文本、图形等媒体内容的检索．它有如下 特点口] 1 从视频内容中提取信息线索．基于内容 的检索突破了传统的基于表达式检索的局限，它直 接从视频进行分析、抽取特征，并利用这些特征建 立索引．进行检索．2 基于内容的检索是一种近似 匹配．即根据库中各个被检索单元与检索要求的相 似性程度而返回检索结果．3 基于内容检索还提 供了许多其它检索手段，如可通过提供样本图像进 行相似性检索，也可通过人机交互进行浏览检索． 本文将运用模糊技术和面向对象思想，重点研究基 于内容的视频检索． 1 数据模型o 。1 基于内容的查询属于语义查询．它需要知识技 术和数据库技术的结合．而面向对象技术具有自然 的抽象表示、数据／操作封装、类继承的特性，它们 都对多媒体数据库的特点提供了强有力的支持．因 此，本文认为多媒体数据库自然应和模糊技术与面 向对象技术结合起来． 在本文的煤矿多媒体数据库中，采用对象一关 系模型作为原始数据模型，扩展后的分层框架如图 l 所示． 图1面向对象的煤矿模糊多媒体数据库 敷据模型分层框架 F i g ．1 S t r u c t u r eo fo b j e c t o r i e n t e df u z z y m e l t i m e d i ad a t a b a ∞i nc o a lm i n e 箨薯暑霁王2 0 0 垂0 友- O 1 9 - 7 0 2 3 一 ，男．期南省宁乡县人．中国矿业大学博士研究生, 7 - 学礓士．从事多攥体通讯与控制信息融合与田像处理方 面的研究． 万方数据 第1 期 王正友等面向对象的煤矿模糊多媒体数据库 1 ．1 面向对象的模糊数据模型 我们将从模糊中心数、模糊区间数、模糊隶属 函数、模糊可能子集等方面介绍面向对象的模糊数 据模型的构造过程． 1 ．1 ．1 模糊中心数 对于一个模糊中心数 c ，R ，P ，可定义为 C l a s sF u z z y - - C e n t e r ．．N u m b e r C O b j e c t ；R R e a l P R e a l S t r u c t u r e F u z z y C e n t e r N u m b e r C ，R ，尸 一 F C N C ，R ，P M e t h o d O p e r a t i o nD e f i n i t i o n s | 。s u c ha s “ ”、“一”* ／ L i m i t o 一R ；o P 1 ；O b j e c t 为可定义 距离的对象类 E n dF u z z y C e n t e r N u m b e r 1 ．1 ．2 模糊隶属函数 C l a s sM e m b e r s h i p F u n c t i o n F F u n c t i o n X P o w e r s e t R e a l S t r u c t u r e M e m b e r s h i p F u n c t i o n F ，X 一 { F z ，X ∈X M e t h o d O p e r a t i o nD e f i n i t i o n s | * s u c ha s “n l a x ”、“r a i n ”、“d i s t a n c e ”* ／ L i m i t m a x F z 1 z } X O ≤m i nF o ≤1 F b 为凸函数 E n dM e m b e r s h i p F u n c t i o n 类似的，不难得到模糊区间数和模糊可能子集 的构造． 由以上构造过程，我们可以发现，对于不同的 类，有不同的操作或运算与之对应．因此，整个模型 的层次性和模块性都很好，便于分层实现和调试． 1 ．2 面向对象的模糊关系数据库模型 一般地，面向对象的模糊关系数据库模型可按 以下步骤定义． S t e p l 值类 C l a s sV a l u e／* A l lk i n d so fv a l u e sa v a i l - a b l e i n o O F D B M * ／ S t r u c t u r e V a l u e I n t e g e r ／R e a l ／B o o l e a n ／S t r i n g ／ F u z z y - C e n t e r - N u m b e r ／ M e m b e r s h i p - F u n c t i o n ／S t r u c ． t u r e V a l u ee t c ． M e t h o d D e f i n i t i o n so fp o s s i b l eo p e r a t i o n s L i m i t P o s s i b l ec o n d i t i o n s E n dV a l u e S t e p 2 模糊元组 C l a s sF u z z y C e l l N I n t e g e r A 1 V a I n s ；A 2 V a l u e l ．．．} A N V a I n s C F R e a l S t r u c t u r e F u z z y C e i l A 1 ，一 2 ⋯．， A N ，C F 一 A 1 ，A 2 ⋯．， Ⅳ ， C F M e t h o d D e f i n i t i o n so fp o s s i b l eo p e r a t i o n s L i m i t O 一C F O E r l dF u z z y C e l l S t e p 3 模糊有限集 C l a s sF u z z y - F i n i t e - S e t N I n t e g e r A 1 V a I n s ；A 2 V a l u e ；．．．} A N V a i n e C F tR c a l S t r u c t u r e F u z z y F i n i t e - S e t A 1 ，A 2 ，⋯， A Ⅳ 。C F s e t A 1 ，A 2 ⋯．， N ，C F M e t h o d D e f i n i t i o n so fp o s s i b l eo p e r a t i o n s L i r n J t O 一C F 0 E n dF u z z y - F i n i t e S e t S t e p 4 结构值 C 1 a s sS t r u c t u r e V a l u e S t r u c t u r e S t r u c t u r e V a l u e V a l u e ／F u z z y C e l l ／ 万方数据 中国矿业大学学报 第2 9 卷 F u z z y ．F i n i t e ．S e t M e t h o d D e f i n i t i o n so fp o s s i b l eo p e r a t i o n s L i m i t P o s s i b l ec o n d i t i o n s E n dS t r u c t u r e V a l u e S t e p 5 结构元组 C l a s sF u z z y - S t r u c t u r e - V a l u e - C e l l N I n t e g e r A 1 S t r u c t u r e V a l u e ；A 2 S t r u c t u r e V a l u e { ．．，； A Ⅳ S t r u c t u r e v a l u e C F R e a l S t r u c t u r e F u z z y S t r u c t u r e V a l u e C e l l 4 1 ， A 2 ⋯．，A N ，C F 一 A 1 ，A 2 ⋯．．A Ⅳ ，C F M e t h o d D e f i n i t i o n so fp o s s i b l eo p e r a t i o n s L i m i t O C F 0 E n dF u z z y S t r u c t u r e V a l u e C e U S t e p 6 模糊关系 C l a s sO b j e c t O r i e n t e d - F u z z y - - R e l a t i o n X P o w e r s e t F u z z y S t r u c t u r e V a l u e C e l l S t r u c t u r e O b j e c t O r i e n t e d F u z z y - R e l a t i o n z 一．T g ． z ∈X M e t h o d R e t r i e v a l ；U p d a t elI n s e r t ； D e l e t e ；J o i ne r e L i m i t 完整性约束；一致性约束等 E n dO b j e c t - O r i e n t e d - F u z z y - R e l a t i o n 经过以上步骤，面向对象的模糊多媒体数据库 模型最终得以建立．根据以上叙述，不难得到面向 对象的模糊多媒体数据库的系统构架 图2 ． 可见，F M D B M S 主要包括5 个部分用户界 面、模糊数据定义、模糊数据操作、实用程序．这种 新型数据库，保留了传统关系数据模型的集合操 作、视图定义及代数优化等优点，增加了面向对象 和模糊知识的概念，扩充了表达复杂关系语义和数 据抽象的机制，如类型、类层次，规则等，使它不但 具有支持复杂应用所需的语义表达能力，而且具有 较强的数据操作能力和系统效率． 图2面向对象的模糊多媒体数据库管理系统构架 F i g ．2S t r u c t u r eo fo b j e c t o r i e n t e df u z z ym u l t i m e d i a d a t a b a s em a n a g i n gs y s t e m 2 系统结构 如果将面向对象的模糊关系数据库模型也用 一个对象类来描述，那么这个对象类的实例就是一 个具体的面向对象的煤矿模糊多媒体数据库．图3 所示为一个面向对象的煤矿模糊多媒体数据库实 验系统结构． 图3 面向对象的煤矿模糊多媒体数据库系统结构 F i g ．3 S y s t e ms t r u c t u r eo fo b j e c t o r i e n t e df u z z y m u l t i m e d i ad a t a b a s ei nc o a lm i n e 面向对象的煤矿模糊多媒体数据库系统处理 的工业电视图像是具有时空特性的动态影像，由视 频帧构成．图像通信的接口功能是从网络获取影像 媒体的数据以构成图像库和视频库．视频库获取的 方法是把连续视频按帧采集，以视频帧序列表示视 频信号．一段视频图像是由若干帧构成，若干段视 频图像序列，构成了一个视频图像库． 面向对象的煤矿模糊多媒体数据库系统的基 本原理就是数据库系统首先通过用户接口或录人 接口对用户输入的命令或操作进行检查，把错误信 息返回给用户，在知识库的帮助下，将正确的命令 或操作映射到具体的查询特征，在M D B M S 的统 一调度下，将查询特征与特征库中的特征按一定的 万方数据 第1 期 王正友等面向对象的煤矿模糊多媒体数据库 检索匹配算法进行相似匹配，满足一定相似的一组 候选运动视频图像和与之相对应的背景从各自数 据库中提取出来，并通过图像处理模块进行图像合 成，按相似度大小排列返回给用户，对系统返回一 组满足初始特征的查询结果，用户可以通过遍历 浏览 来选到满意的结果，或者从候选结果中选择 一个示例，经特征调整，然后形成一个新的查询．逐 步缩小查询范围，直到用户满意查询的结果为止． 实验系统的运行结果表明，相比于传统的煤矿 数据库管理系统，这种面向对象的煤矿模糊多媒体 数据库系统不仅可以管理格式化数据，还能管理图 像、音频、视频等非格式化数据．面向对象思想和模 糊知识技术引入。给多媒体数据的有效管理提供了 有利支持．特别是面向对象的封装特性，使得这种 面向对象的煤矿模糊多媒体数据库系统有可能成 为真正开放的数据库管理系统． 3 视频检索和浏览 对于图像／视频媒体来说，基于内容检索的查 询主要有以下种类 客观属性查询 如图像或视频拍摄的日期、时间，第几路视频 信号，静态图像中下井人数等．与常规数据库的结 构查询语言相似，检索是基于属性值的精确匹配． 主观属性查询 是用户凭主观赋予媒体或媒体内目标的属性 特征值．例如，对于皮带上的矿石，用户可能赋予的 属性是 小、平均、大 ．这是一种相似匹配． 在实际应用中，可利用相似性测度，如模糊对 象之间的语义距离，通过关键帧特征、运动特征，或 二者相结合来实现查询．简单分叙如下 1 基于关键帧的检索一旦视频被抽象为关 键帧，搜索就变成按相似度来检索那些在数据库中 与查询描述相似的关键帧．常用的查询方法是通过 目标特征说明的查询和通过可视示例查询”o ． 一旦检索到关键帧，用户可以就可以利用播放 来观看它所代表的视频片段．用户也可以选择一个 图像作为查询找到所有与该图像相似的关键帧． 2 基于运动的检索基于镜头和目标的时间 特征来检索镜头是视频查询的进一步要求．如查 询。找到皮带打滑的所有镜头”，就需要在知识库 的帮助下，根据皮带和皮带机的运动方向和运动幅 度特征来进行检索． 3 浏览除了查询和检索，对于视频来说，浏 览也同样重要．浏览与检索是密切相关的． 可以采用集束分类技术，即每一路视频信号用 一个图标表示，然后显示在分类浏览器的最高层， 下一层存放关键帧图标，并注上拍摄日期，从而给 出镜头的大致信息．当其被激活时，导致视频信号 的播放．这也可以用于建立索引和辅助视频内容注 释． 4 结论 本文对面向对象的煤矿模糊多媒体数据库，在 其研究意义、数据库的数据模型和系统结构等方 面，结合模糊知识技术和面向对象技术．做了较为 详尽的探讨，然而，仍有一些问题需进一步研究 1 研究在建立图像索引中，适合与图像空间 域表示 通常都是由位图b i t m a p 表示 的数据结 构． 2 查询说明模式．对于特定的查询。专家可能 需要一种功能丰富的图形接口，以支持多种形式的 查询类型．而普通用户可能宁愿用自然语言来说明 查询．映射自然查询语言到通用查询类型仍然需要 进一步研究． 3 研究适合大型媒体库检索的索引结构和过 滤器，缩短系统响应时间，提高效率因子． 4 研究增强系统查询和检索的性能和功能的 匹配／相似性度量算法． 5 目前成熟的数据压缩技术主流是在图像的 频率域上进行压缩的，例如J P E G ，M P E G ，小波变 换压缩等．这样在空间域上建立图像索引与图像压 缩技术难于协调一致．因此，本文认为应该研究图 像频率域上图像表示的数据结构，以至将其与图像 压缩统一起来f 或者在对媒体数据编码表示时就考 虑到媒体的内容，那么对数据内容的检索就会更加 有效和准确 参考文献 [ 1 ] 刘富强．于洪珍。马小平．煤矿调度室多媒体监测监 控管理系统研究[ J ] ．中国矿业大学学报t 1 9 9 8 ，2 7 1 2 3 2 6 ． [ 2 ] 于洪珍．刘富强，擦中立．基于模型的信息融合编码 的视频图象压缩研究[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 8 t 2 7 2 1 7 1 1 7 5 ． [ 3 3 钱建生，陈治国．王新红．等．调度大屏幕投影电视墙 显示系统的应用研究[ J ] ．中国矿业大学学报，1 9 9 8 ， 2 7 3 t 2 6 5 2 6 7 ． [ 4 ] 钟玉琢．多媒体技术 高级 [ M ] ．北京清华大学出版 社．1 9 9 9 ．5 8 0 - 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