MỞ ĐẦU Bài toán tìm kiếm ảnh tương tự là một trong những bài toán có tính thời sự và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Nhiều công bố về bài toán này đã được xuất bản trong những năm gần đây. Trong luận văn này, một mô hình tìm kiếm ảnh dựa trên cấu trúc cây R-Tree được thực hiện nhằm nâng cao hiệu suất về độ chính xác cũng như thời gian tìm kiếm. Để tiếp cận được mô hình tìm kiếm ảnh này, nội dung luận văn lần lượt khảo sát các đối tượng nghiên cứu liên quan cũng như các phương pháp nghiên cứu nhằm làm cơ sở cho quá trình thực hiện luận văn.
Đối với phương pháp nghiên cứu, luận văn dựa trên hai nhóm phương pháp chính đó là khảo sát lý thuyết để đưa ra đề xuất và phương pháp thực nghiệm nhằm minh chứng cho cơ sở lý thuyết. Trên cơ sở việc phân tích và đánh giá các phương pháp khai phá dữ liệu, đại diện là kỹ thuật gom cụm và kỹ thuật phân lớp, nội dung luận văn lần lượt phân tích ưu và nhược điểm của các kỹ thuật liên quan, cụ thể là thuật toán K-Means, phân cụm phân cấp và thuật toán KNN. Các kỹ thuật này đều có thể áp dụng được cho bài toán tìm kiếm ảnh, nhưng có một số hạn chế nhất định khi áp dụng cho bộ dữ liệu tăng trưởng cũng như cân bằng thời gian tìm kiếm. Sau quá trình phân tích này, cây R- Tree được sử dụng nhằm vượt qua các hạn chế của các phương pháp phân cụm phân hoạch và phân cụm phân cấp.
Vì vậy, nội dung luận văn lần lượt thực hiện áp dụng cấu trúc cây R-Tree cho bài toán phân cụm dữ liệu hình ảnh, đồng thời đưa ra các cải tiến cho cây R-Tree nhằm nâng cao độ chính xác cũng như giảm chi phí khi thực hiện các thao tác trên cây. Quá trình cải tiến cây R-Tree mà mỗi điểm dữ liệu trên cây là một khối cầu để từ đó hình thành các khối cầu trung gian nhằm thực hiện các phép toán trên các khối cầu này. Việc tách nút trên cây có thể gây ra sự thay đổi lớn cho cấu trúc cây R-Tree, nên nội dung luận văn đã đề xuất cải tiến vùng không gian tại nút lá dựa trên một bộ nhớ đệm kết hợp với ngưỡng tương tự nhằm hạn chế việc tách nút cũng như đưa các phần tử gần nhau về cùng một nút lá. Dựa trên cơ sở đề xuất này, luận văn tiến hành thực nghiệm tìm kiếm ảnh tương tự trên các bộ ảnh thông dụng khác nhau để từ đó làm cơ sở đánh giá và so sánh với các phương pháp khác nhằm minh chứng tính hiệu quả của phương pháp đã đề xuất.
TỔNG QUAN VỀ BÀI TOÁN TÌM KIẾM ẢNH 1. Giới thiệu Bài toán tìm kiếm ảnh tương tự là một bài toán quan trọng và được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, đặc biệt là trong các hệ thống xử lý dữ liệu đa phương tiện nhằm áp dụng giải quyết việc tìm kiếm các đối tượng ảnh tương tự nhau về mặt nội dung dựa trên đặc trưng cấp thấp hoặc đặc trưng ngữ nghĩa cấp cao. Trong chương này, các nội dung cơ sở cho bài toán tìm kiếm ảnh tương tự lần lượt được tiếp cận, bao gồm: (1) các đối tượng cần được nghiên cứu tập trung vào đặc trưng hình ảnh, phương pháp phân cụm nhằm tạo thành các nhóm ảnh tương tự cho bài toán tìm kiếm, các cấu trúc phân cụm phân hoạch, phân cụm phân cấp… để từ đó nội dung luận văn tiếp cận cấu trúc R-Tree và đề xuất cải tiến nhằm giảm chi phí tách nút, tăng hiệu suất của quá trình tìm kiếm ảnh, (2) các phương pháp nghiên cứu lần lượt được tiếp cận theo cơ sở lý thuyết từ các công trình đã công bố, để từ đó đưa ra cấu trúc tiếp cận mới cho cây R-Tree. Trên cơ sở lý thuyết này, phương pháp thực nghiệm được xây dựng nhằm minh chứng tính khả thi của cấu trúc đề xuất.
Thực nghiệm của luận văn dựa trên các bộ ảnh phổ dụng nhằm đánh giá và so sánh kết quả với một số công trình đã công bố gần đây để minh chứng tính hiệu quả của cơ sở lý thuyết đề xuất, (3) việc khảo sát tính ứng dụng và tính thời sự của bài toán tìm kiếm ảnh cũng được thực hiện trong nội dung chương này nhằm minh chứng sự cần thiết cũng như ý nghĩa về mặt khoa học, tính ứng dụng. Trên cơ sở các nội dung tổng quát được tiếp cận, nội dung của chương lần lượt đi vào các phần như sau: (1) vai trò và ứng dụng của bài toán tìm kiếm ảnh nhằm minh chứng tính thời sự và tính ứng dụng của bài toán, (2) đối tượng nghiên cứu nhằm định hướng quá trình tìm hiểu, nghiên cứu cũng như đề xuất cải tiến cho một cấu trúc mới dựa trên cấu trúc R-Tree đã có, (3) phương pháp nghiên cứu để mô tả các bước thực hiện cũng như quá trình đánh giá cho các đề xuất, (4) các công trình liên quan được khảo sát và phân tích nhằm minh chứng tính khả thi và sự kế thừa kết quả cơ sở, (5) nội dung tổng quát của các chương cũng lần lượt được tiếp cận và định hướng phát triển các nội dung này trong các chương tiếp theo. Vai trò và ứng dụng của bài toán tìm kiếm ảnh Nhiều ứng dụng của bài toán tìm kiếm ảnh tương tự đã được công bố rộng rãi dựa trên các hệ thống như: hệ thống thông tin địa lý GIS (Geographic Information System), hệ thống thông tin bệnh viện HIS (Hospital Information System), hệ thống thư viện số DLS (Digital Library System)… Dữ liệu ảnh có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, liên quan đến lĩnh vực tìm kiếm ảnh tương tự theo nội dung, làm cơ sở cho bài toán phân tích hình ảnh theo nội dung, kết xuất đối tượng gần nhất theo đặc trưng hình ảnh, phân nhóm các hình ảnh theo chủ đề… [29]. Dữ liệu ảnh được ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau như thiết kế kiến trúc (Yue và cộng sự, 2011) [46], phòng chống tội phạm (Kekre và cộng sự, 2011) [23], kiểm tra an ninh (Iqbal và cộng sự, 2012) [22], viễn thám (Kekre và cộng sự, 2010) [24], chẩn đoán bệnh trong y tế (Muller và cộng sự, 2004) [30], v.
Trong lĩnh vực y tế, ảnh số được sử dụng với số lượng ngày càng tăng, tại Khoa X-quang của Bệnh viện Đại học Geneva có hơn 12.000 hình ảnh mỗi ngày vào năm 2002; Tổng lượng dữ liệu hình ảnh tim mạch được tạo ra tại Bệnh viện Đại học Geneva khoảng 1 TB vào năm 2002 [30]. Các loại hình ảnh khác nhau cũng đang được tạo ra bởi các thiết bị hình ảnh y tế như chụp cắt lớp vi tính (CT), chụp cộng hưởng từ (MRI), hình ảnh hạt nhân,. ngày càng được gia tăng và trở thành các kho dữ liệu lớn và được coi là nguồn dữ liệu hỗ trợ chẩn đoán [35]. Tuy nhiên, do sự gia tăng nhanh chóng của số lượng hình ảnh y tế từng ngày, nên việc khai phá dữ liệu giúp chẩn đoán bệnh nhân tại các cơ sở y tế và bệnh viện ngày càng trở nên khó khăn hơn và đòi hỏi các phương pháp tìm kiếm, lập chỉ mục và truy xuất hình ảnh chính xác và hiệu quả hơn vì vậy việc truy xuất và lập chỉ mục hình ảnh dựa trên nội dung cần được thực hiện.
Các hệ thống truy xuất hình ảnh y tế áp dụng bài toán tìm kiếm ảnh tương tự để truy xuất các hình ảnh giống nhất từ một tập ảnh tương tự nhằm hỗ trợ quá trình chẩn đoán bệnh nhân từ các nội dung tham chiếu đối với hình ảnh đã có. Để có thể thực hiện được việc tìm kiếm hình ảnh một cách nhanh chóng, các đặc trưng cấp thấp được sử dụng làm cơ sở đối sánh độ tương tự như: màu sắc, kết cấu, hình dạng, cấu trúc, v. 4 Dữ liệu số trên toàn cầu được gia tăng không ngừng, theo tổ chức IDC (International Data Corporation) dự đoán dữ liệu toàn cầu có kích thước 175ZB vào năm 2025 (1ZB ⁓ 1 nghìn tỷ GB) [48]. Theo thống kê năm 2020, Google xử lý 3.9 tỷ lượt tìm kiếm mỗi ngày.
Một phần ba tổng số tìm kiếm được thực hiện trên Google dành cho hình ảnh và 12.5% hiển thị kết quả hình ảnh [52]. Hơn 70% lượt truy cập trên Instagram để xem ảnh vào năm 2023 [50]. Người dùng chia sẻ 6.9 tỷ hình ảnh trên WhatsApp mỗi ngày, 3.8 tỷ trên Snapchat, 2.1 tỷ trên Facebook và 1.3 tỷ trên Instagram [51]. Cùng với sự phát triển của Internet, ảnh số đã được sử dụng trên nhiều thiết bị khác nhau như: camera, mobile, smartphone, tablet,… Số liệu thống kê về tăng trưởng Internet từ Statista cho thấy tính đến tháng 4 năm 2022, có năm tỷ người dùng Internet trên toàn thế giới, chiếm 63% dân số toàn cầu.
Trong tổng số này, 4.65 tỷ là người dùng mạng xã hội và thiết bị mobile có đến 4.28 tỷ người dùng [49]. Kích thước và số lượng ảnh ngày càng được gia tăng nên cần phải có nhiều hệ thống xử lý đáp ứng yêu cầu của người dùng. Do đó, hệ thống tìm kiếm ảnh phải được xây dựng với mục đích nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quá trình tìm kiếm ảnh. Bài toán khai phá dữ liệu ảnh để tìm ra tập ảnh tương tự là một bài toán quan trọng có tính thời sự và phù hợp với các hệ thống tìm kiếm ảnh hiện nay [15].
Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu Nội dung luận văn tiếp cận xây dựng một mô hình tìm kiếm ảnh tương tự dựa trên đặc trưng cấp thấp như: màu sắc, hình dạng, kích thước, cấu trúc bề mặt… Các đặc trưng này được trích xuất trực tiếp từ một hình ảnh truy vấn đầu vào để từ đó tạo thành một véc-tơ đặc trưng làm cơ sở cho việc đối sánh, tra cứu và tìm kiếm hình ảnh tương tự. Các véc-tơ đặc trưng của bộ dữ liệu ảnh được trích xuất và lưu trữ trên một cấu trúc R-Tree nhằm tăng hiệu suất của quá trình tìm kiếm ảnh. Để tiếp cận được đối tượng nghiên cứu như trên, đề tài luận văn lần lượt nghiên cứu các đối tượng gồm: - Ảnh số và phương pháp trích xuất đặc trưng hình ảnh số để làm cơ sở phân cụm cũng như tổ chức dữ liệu trên cấu trúc cây R-Tree.
5 - Cấu trúc dữ liệu về cây R-Tree, một cấu trúc tìm kiếm hiệu quả cho bài toán tìm kiếm ảnh theo nội dung. Từ đó, một cấu trúc cải tiến được tiếp cận nhằm tăng hiệu suất cho bài toán tìm kiếm.