Tik-76.115 Vaatimusmäärittely

PicSearch -- Interactive Picture Searcher

http://
Viimeksi päivitetty .

Sisällysluettelo

1. Johdanto
2. Yleiskuvaus
3. Toiminnot
4. Liittymät
5. Muut ominaisuudet
6. Laatusuunnitelma
7. Extrat

1. Johdanto

PicSearch on kuvan sisällön perusteella tehtävien hakujen (kuvahaku, query by image content) tutkimiseen tarkoitettu prototyyppi-ohjelma. Asiakkaan tavoitteena on saada toimiva kehikko, johon uusien hakualgoritmien lisäys on helppoa ja jolla näiden algoritmien toimivuutta voidaan testata. Ohjelmistoa on tarkoitus käyttää kuvankäsittelyalan tutkimustyössä yliopistolla.

Vaikka järjestelmä on tarkoitettu lähinnä tutkimukseen, tulee PicSearch:n käyttöliittymän olla myös soveltuva "loppukäyttäjälle". Projektin tuloksena syntyy siis ohjelmiston ydin ja liittymät tulevaa kehitystä varten. Lisäksi projektin puitteissa ohjelmoidaan PicSearch:iin valmiiksi asiakkaan määräämä hakualgoritmi.

PicSearch:in keskeinen ominaisuus on vuorovaikutteisuus: käyttäjä tarkentaa hakua sen sijaan että käyttäisi hakuavaimena aina jotain valmista kuvaa + sopivia parametreja.

Määritelmiä ja viitteitä

Kuvahaulla tarkoitetaan kuvien hakemista kuvatietokannasta käyttäjän antamien kriteerien perusteella. Käyttäjän antamia arvoja verrataan kuvista joillakin algoritmeilla määriteltyihin parametreihin (nämä on laskettu haun nopeuttamiseksi kuvista yleensä jo etukäteen). Tällaisten parametrien muodostamaa avainta kutsutaan tässä signature:ksi. Signature:n laskevia algoritmeja kutsutaan tässä dokumentissa D-algoritmeiksi (sanasta "Description"). Metodia, jolla kyseisen algoritmin laskemia signature:ja vertaillaan, kutsumme D-vertailijaksi. Kuvaa muokkaavia algoritmeja kutsumme tässä IP-algoritmeiksi (sanoista "Image Processing"). Kuvista osia hahmottavia algortimeja puolestaan kutsumme S-algoritmeiksi (sanasta "Segmentation").

Eri järjestelmät eroavat paljon siinä kuinka käyttäjä määrittelee hakuparametrit ja mitä algoritmeja käytetään. Lähes aina kuitenkin käytetään jonkinlaista vertailukuvaa, johon haettavia kuvia verrataan (siis eräänlainen esimerkkihaku, query by example). Vertailukuvana voi toimia esim. valmis kuva tai käyttäjän vuorovaikutteisesti maalaama malli. Aiheesta löytyy jo muutamia toimivia järjestelmiä sekä tutkimusta:

1. Jacobs et al. (1995). Fast Multiresolution Image Querying. SIGGRAPH'95
2. Orphanoudakis et al. (1994). I²C: A System for the Indexing, Storage, and Retrieval of Medical Images by Content. *FTP-linkki*
3. Jain et al. (march 1996). Object Matching Using Deformable Templates. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence.
4. Jain et al. (march 1996). Vehicle Segmentation and Classification Using Deformable Templates. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence.
5. Petrakis et al. (1993). A Generalized Approach for Image Indexing and Retrieval Based on 2-D Strings. *FTP-linkki*
6. Petrakis (1993). Image Representation, Indexing and Retrieval Based on Spatial Relationships and Properties of Objects. University of Crete, Department of Computer Science.

7. IBM:n Query by Image Content (QBIC), http://wwwqbic.almaden.ibm.com/%7eqbic/qbic.html
8. MARS, http://quark.ifp.uiuc.edu:2020/mars/alex/mars.html
9. Virage, http://www.virage.com/cgi-bin/random

Tämä dokumentti

2. Yleiskuvaus

Käyttöympäristö

Perusarkkitehtuuri

PicSearch jaetaan erityisiin alijärjestelmiin, joiden väliin määritellään rajapinnat (API:t). Näistä on tarkempi kuvaus luvussa Liittymät. Tietokannan käsittely ohjelmoidaan omaksi erilliseksi osaksi järjestelmän tietokanta-alijärjestelmää. Näin taataan mahdollisuus siirtyä kehittyneemmän tietokannan käyttöön.

Käyttöliittymän ulkoasu ja toiminnallisuus määritellään yhteistyössä asiakkaan kanssa Määrittely-vaiheen aikana. Joka tapauksessa käytetään ikkunointisysteemiä, jossa käyttäjä voi interaktiivisesti määrittää kuvahaussa käytetyn vertailukuvan sekä seurata haun tuloksia. Käyttöliittymän käsittely ohjelmoidaan osaksi järjestelmän käyttöliittymä-alijärjestelmää.

Esimerkkinäyttö:

Toteutustyökalut

3. Toiminnot

• Kyky hakea kuvia tietokannasta signature:n perusteella.
• Kyky vastaanottaa käyttäjän määrittelemä vertailukuva:
  • Valmis kuva
  • Interaktiivisesti maalattu
• Kyky käyttää erilaisia D-algoritmeja signature:n laskemiseksi.
• Kyky näyttää haun tulokset (kuvat).
• Kyky tallettaa kuvien signature:t tietokantaan.

• Määrittelemään hakutapa (sketch, drawing, texture, color, combination). Toteutetaan ainoastaan sketch (osittain).
• Määrittelemään haussa käytettävät D-vertailijat ja näiden syötteet (esimerkkikuva, laajennettavissa muiden parametrien syöttöä varten).
• Määrittelemään kuvan segmentoinnissa käytettävä S-algoritmi. S-algoritmien ohjelmointi ei kuulu projektin piiriin.
• Prosessoimaan kuva jonkin IP-algoritmin läpi. Projektiin kuuluu ainoastaan liittymän luominen ja yhden yksinkertaisen IP-algoritmin ohjelmointi.
• Lisäämään ja poistamaan kuvia tietokannasta.

Tuettuja kuvaformaatteja ovat:

• "raw"
• SunRaster
• PPM

4. Liittymät

Perusarkkitehtuuri

1. PicCore: ydinohjelma joka käyttää kaikkia muita alijärjestelmiä, toimii järjestelmän "masterina"
2. PicGUI: hoitaa käyttöliittymän toiminnallisuutta
3. PicDbEngine: suorittaa haut kuvatietokannasta signature:jen perusteella, hoitaa kuvien lukemisen/tallettamisen tietokantaan
4. PicDescr: laskee kuvista signature:ja eri D-algoritmeilla
5. PicIP: suorittaa kuvien käsittelyä IP-algoritmeilla
6. PicSegment: suorittaa kuvien segmentointia S-algoritmeilla

Ohjelmointirajapinnat

• PicGuiAPI määrittää mm. kuinka komennot välitetään ytimelle ja kuinka kuvat siirretään näytölle
• PicDbAPI määrittää rajapinnan kuvien lukuun/kirjoitukseen/avaimella hakuun tietokannasta.
• PicDescrAPI määrittää rajapinnan kuvista signature:ja laskeville D-algoritmeille.
• PicIPAPI määrittää rajapinnan kuvia käsitteleville IP-algoritmeille.
• PicSegmentAPI määrittää rajapinnan S-algoritmeille.

5. Muut ominaisuudet

Kolmas keskeinen ei-toiminnallinen ominaisuus on siirrettävyys. Tätä tavoitetta varten ympäristöön tapahtuvat liitännät tulee eristää riittävän hyvin, jotta uuteen ympäristöön siirto edellyttää muutoksia mahdollisimman pienelle alueelle ohjelmistoon.

Käyttöliittymän tulee olla soveltuva helppoon kuvien hakuun ja sen kautta on oltava pääsy kaikkiin järjestelmän toimintoihin.

Järjestelmän luotettavuudelle ei ole asetettu mitään erityisvaatimuksia. Jos joitain alijärjestelmiä toteutetaan erillisinä prosesseina, ei näiden kaatuminen saa aiheuttaa koko systeemin kaatumista (ei koske PicGUI:ta).

Järjestelmän nopeus ei ole ensisijainen tavoite. Koska kuitenkin hauilta yleensä odotetaan interaktiivisuuden vaatimaa vauhtia, on yllä mainituista ominaisuuksista tingittävä jos systeemistä on kehittymässä selkeästi liian hidas.

6. Laatusuunnitelma

1. Haku-toiminnot
   • Järjestelmän tulee pystyä hakemaan kuvia signature:iden avulla, sekä näyttämään löydetyt kuvat.
     Kriteeri: Hakujen oikeellisuus pystytään verifioimaan järjestelmätestissä.
   • Hakujen käynnistyksen on oltava helppoa ja signature:iden laskennan kanssa integroitua.
     Kriteeri: Hakujen käynnistys onnistuu korkeintaan kahdella näppäimen painalluksella.
2. Algoritmi-toiminnot
   • Järjestelmän on kyettävä laskemaan annetuista kuvista signature:t ohjelmoiduilla algoritmeilla sekä tallettamaan ne tietokantaan.
     Kriteeri: pystytään verifioimaan testikuvilla järjestelmätestissä.
   • Järjestelmään on oikein toteutettu asiakkaan määräämä algoritmi.
     Kriteeri: pystytään verifioimaan testikuvilla järjestelmätestissä.
3. Laajennettavuus
   • Järjestelmän on oltava laajennettava erityisesti käytettävien algoritmien suhteen.
     Kriteeri: Uusien algoritmien lisäys edellyttää ainoastaan ohjeistuksessa annetun rajapinnan käyttöä. Asiakas hyväksyy algoritmien lisäyksestä kirjoitetut dokumentit.
   • Käyttöliittymä voidaan helposti mukauttaa uusien algoritmien käyttötavan mukaan.
     Kriteeri: Uusien algoritmien lisäys edellyttää ainoastaan ohjeiden mukaisia muutoksia käyttöliittymä-alijärjestelmään. Laajojen muutosten tekemisestä on erilliset ohjeet.
4. Helppokäyttöisyys
   • Järjestelmän toiminnot ovat yksinkertaisia ja helposti käytettävissä.
     Kriteeri: Pääsyt kaikkiin toimintoihin ovat käyttäjän käytössä päänäytöllä. Minkään toiminnon käyttäminen ei vaadi asiakkaalta erillisen ohjekirjan käyttöä.
   • Järjestelmän tarjoaman haku-proseduurin on oltava vuorovaikutteinen ja helppokäyttöinen.
     Kriteeri: Normaaliin haku-proseduuriin sisältyy korkeintaan neljä peräkkäin suoritettavaa vaihetta (esim. hakualgoritmin valinta, esimerkkikuvan maalausta, haku, hakualgoritmin valinta, ... sisältää kolme vaihetta)
5. Siirrettävyys
   • Järjestelmä on siirrettävissä toiseen käyttöjärjestelmään ja toisen tietokannan päälle.
     Kriteeri: Järjestelmän ympäristöriippuvat osat on eristetty PicGUI- ja PicDbEngine-alijärjestelmiin sekä käytettäviin yhteisiin peruskirjastoihin. Näiden sisällä on ympäristöriippuva koodi selkeästi dokumentoitu ja uuteen ympäristöön siirtymiseen tarvittava ohjeistus kirjoitettu.
6. Dokumentointi
   • Järjestelmän dokumentointi on riittävää ylläpidon ja jatkokehityksen mahdollistamiseksi.
     Kriteerit: Järjestelmän kokoaminen lähdekoodista, toimintaan asentaminen, alijärjestelmien toiminta sekä kaikki rajapinnat on dokumentoitu. Ohjeet laajennuksien tekemisen ja toiseen ympäristöön siirtämisen osalta on kirjoitettu. Asiakas hyväksyy dokumentit.
7. Tietokanta-toteutus
   • Yksinkertainen kuvatietokanta on toteutettu.
     Kriteerit: Tietokantaan voi tallettaa kuvia ja näiden signature:ja. Kuvat pystytään lukemaan tietokannasta ja poistamaan sieltä.
8. Hakutoimintojen laajentamismahdollisuus
   • Järjestelmää voidaan kehittää käyttämään haussa useita algoritmeja samanaikaisesti.
     Kriteerit: Käyttöliittymää voi ohjeiden perusteella laajentaa käyttämään samanaikaisesti useita D-vertailijoita. Esimerkkikuva-ikkunoita voi luoda useita.
9. Kuvankäsittelyalgoritmit
   • Järjestelmän kuvankäsittely-alijärjestelmään on toteutettu jokin projektiryhmän valitsema kuvankäsittelyalgoritmi.
     Kriteeri: Algoritmilla voi käsitellä kuvia järjestelmän käyttöliittymän kautta.

7. Extrat

• Useampia signature:n laskevia algoritmeja
• Esim. WWW:n kautta toimiva verkkodemo-versio järjestelmästä
• Kehittyneempi kuvatietokanta: indeksointi tms.
• Useampia kuvankäsittely-algoritmeja