图像检索中的自然辩证法初探

图像检索中的自然辩证法初探

中文摘要：图像检索技术是图像处理的一个重要应用，其在图像数据库中搜索并查找出符合查询条件的相应图片并反馈给查询者。自然辩证法是以自然界、自然科学和技术为研究对象, 以自然观、认识论、科学观为研究内容, 以辩证法为研究方法的科学。本文阐明了自然辩证法对学科学习的指导意义，并结合自然辩证法观点去阐述图像检索技术，用自然辩证法关于科学观以及技术观的原理去指导图像检索技术的研究,并促进其健康发展。

关键词：自然辩证法、自然观、方法论、科技观、图像检索、基于文本的图像检索、基于内容的图像检索

一、自然辩证法简介

自然辩证法是马克思主义哲学的一个重要的组成部分，它包含了辩证唯物主义的自然观、辩证唯物主义的科学技术方法论和辩证唯物主义的科学技术观。自然辩证法是马克思主义哲学的一个二级学科，是当今最活跃的哲学研究方向。在19世纪，马克思和恩格斯共同创立了自然辩证法。自然辩证法的创立，是人类自然观、自然科学方法论和科学技术观发展中的划时代的变革。

自然辩证法是总结了哲学、自然科学和社会历史的理论与实践而取得的成果。人们的一切思想和言行不论自觉与否都受哲学思想所支配，学习组织学亦如此。哲学是对自然科学和社会科学的高度概括和总结，所回答的是整个世界的普遍规律，是有关世界最普遍、最本质的问题。因此，哲学是对世界总的根本看法，是世界观。人们用一定的世界观去看世界，并研究和解决一切问题，是方法论。世界观和方法论支配着人们对一切事物的看法、想法和做法，只有用自然辩证法的观点和方法研究机体的形态结构及其功能，才能符合客观世界的规律。

在自然观上，克服了传统的自然观的认识上的直观、思辨上的局限和近代自然观的形而上学与机械论，对自然界的根本看法和观点做出了唯物的同时又是辩证的回答。

在科学认识论和方法论方面，马克思和恩格斯克服了先验论的形而上学和唯理论的唯心主义倾向，将归纳法和演绎法辩证的结合。第一次将社会实践放到认识论和方法论的首要地位，强调了实践的重要作用，从方法论的高度阐明了科学研究的一般方法。

在科学技术观方面，马克思和恩格斯深刻的揭示了科技自身发展的内在逻辑，并且把科技的发展作为一种社会现象来考察。社会的需求，首先是经济的、生产的需求推动科技的发展；而科技的发展又推动了社会历史的前进。从而，把辩证唯物主义和历史唯物主义贯串于对科技的认识之中。

二、科学技术方法论的指导意义

科学技术方法论是关于科学技术研究中常用的一般方法的理论，是关于科学研究和工程技术研究一般方法的性质、特点、内在联系和发展变化的理论体系。科技方法论中的原理、方法在我们自然科学的学习中有着重要的指导意义。我们各科的理论知识的学习都可以也应该自觉地用自然辩证法来指导。科技方法论系统的阐述了我们在学习中所用到的方法、技术、逻辑过程，对我们的理论学习和具体实践都有重要的指导意义。

科技方法论作为自然辩证法的一个有机的组成部分，对我们正确的学习理论知识有着重要的指导作用。

首先，它提出了实践是一切科学问题的来源，这是“实践是检验真理的唯一标准”，这

是马克思主义理论在科学实践中的具体应用而得出的结论。虽然，科学实践有其特殊性，科学问题的提出有多种途径，但是，归根结底，一切问题的来源的本源是人们的生产实践和科学实践。

其次，它强调了用系统的方法去分析问题和解决问题。当今的时代，科学已经发展为大科学，技术发展为高技术，科学技术比以往任何时候都更加贴近我们的生活，已经成为我们这个社会大系统的一个组成部分。这使我们必然的用系统的眼光来看问题。即使是单个的学科，由于研究的深入，它和其他学科的联系越来越密切，越发的表现出边沿性和交叉性，用系统的观点来研究问题也就成了必然的选择。

三、科学技术观的指导意义

(1)有助于加强哲学素养,增强理论思维能力。恩格斯：“一个民族要想站在科学的高峰，就一刻也不能没有理论思维。”“所谓理论思维就是对客观事物的内部矛盾、规律性以及这一过程和那一过程的内在联系的把握。”“总之，理论思维就是辩证思维。”

(2)有助于正确探索科学、技术与社会的综合发展规律问题。现代化建设面临两大类问题：一类是纯科学技术问题，属实体问题，是硬科学专家的任务；二类是统筹兼顾，协调各方面关系的问题，是软科学专家的任务。

(3)有助于我们进一步确立辩证唯物主义的世界观。 真正科学的世界观是从自然、社会、思维领域的全面理论知识中锤炼出来的，既不是“政治说教”也不是“斗争工具”。西方学者一般称之为“科学的世界图景”。概括哲学与科学的区别与联系：科学：沉于物，解剖而思齐，明理而致用(主要追求知识，聪明)；哲学：源于物，高于物，游弋于方寸之间 (主要追求智慧)。

四、图像检索技术：

近年来，随着多媒体技术和计算机网络的飞速发展，全世界的数字图像的容量正以惊人的速度增长。无论是军用还是民用设备，每天都会产生容量相当于数千兆字节的图像。这些数字图像中包含了大量有用的信息。然而，由于这些图像是无序地分布在世界各地，图像中包含的信息无法被有效地访问和利用。这就要求有一种能够快速而且准确地查找访问图像的技术，也就是所谓的图像检索技术。自从20世纪70年代以来，在数据库系统和计算机视觉两大研究领域的共同推动下，图像检索技术已逐渐成为一个非常活跃的研究领域。数据库和计算机视觉两大领域是从不同的角度来研究图像检索技术的，前者基于文本的，而后者是基于视觉的。

基于文本的图像检索技术（text-based image retrieval）的历史可以追溯到20世纪70年代末期。当时流行的图像检索系统是将图像作为数据库中存储的一个对象，用关键字或自由文本对其进行描述。查询操作是基于该图像的文本描述进行精确匹配或概率匹配，有些系统的检索模型还是有词典支持的。另外，图像数据模型、多维索引、查询评价等技术都在这样一个框架之下发展起来。然而，完全基于文本的图像检索技术存在着严重的问题。首先，目前的计算机视觉和人工智能技术都无法自动对图像进行标注，而必须依赖于人工对图像做出标注。这项工作不但费时费力，而且手工的标注往往是不准确或不完整的，还不可避免地带有主观偏差。也就是说，不同的人对同一幅图像有不同的理解方法，这种主观理解的差异将导致图像检索中的失配错误。此外，图像中所包含的丰富的视觉特征（颜色或纹理等）往往无法用文本进行客观地描述的。

90年代初期，随着大规模数字图像库的出现，上述的问题变得越来越尖锐。为克服这些问题，基于图像的信息检索技术（Content-Based Image Retrieval）应运而生。基于图像的信息检索（Content-Based Retrieval）是一种新的检索技术，是对多媒体对象的内容

及上下文语义环境进行检索，如对图像中的颜色、纹理进行分析和特征提取，并基于这些特征进行相似性匹配。区别于原有系统中对图像进行人工标注的做法，基于内容的检索技术自动提取每幅图像的视觉内容特征作为其索引，如色彩、纹理、形状等。

应该认识到，基于内容的图像检索系统具有与传统基于文本的检索系统完全不同的构架。首先，由于图像依赖其视觉特征而非文本描述进行索引，查询将根据图像视觉特征的相似度进行。用户通过选择具有代表性的一幅或多幅例子图像来构造查询，然后由系统查找与例子图像在视觉内容上比较相似的图像，按相似度大小排列返回给用户。这就是所谓的通过例子图像的检索（query by image example）。另外，基于内容的检索系统一般通过可视化界面和用户进行频繁的交互，以便于用户能够方便地构造查询、评估检索结果和改进检索结果，作为一种多媒体技术,它具有很强的交互性。

基于内容的图像检索技术与传统数据库基于关键词的检索方式相比，具有如下特点: (1)突破了关键词检索基于文本特征的局限,直接从媒体内容中提取特征线索,使检索更加接近媒体对象。

(2)提取特征的方法多种多样，例如，可以提取图像的形状特征、颜色特征、纹理特征,视频的动态特征,音频的音调特征等。

(3)人机交互式检索。基于内容的检索系统通常采用参数调整方法、聚类分析方法、概率学习方法和神经网络方法等,通过人机交互的方式来捕捉和建立多媒体信息低层特征和高层语义之间的关联,即所谓相关反馈技术。其目的是在检索过程中根据用户的查询要求返回一组检索结果,用户可以对检索结果进行评价和标记,然后反馈给系统,系统根据这些反馈信息进行学习,再返回新的查询结果,从而使检索结果更接近用户的要求。

(4)相似性匹配检索。基于内容的检索是按照一定的匹配算法将需求特征与特征库中的特征元数据(metadata)进行相似性匹配,满足一定相似性的一组初始结果按照相似度大小排列,提供给用户。这与关键词的精确匹配算法有明显不同。

(5)逐步求精的检索过程。用户通过浏览初始结果,可以从中挑选相似结果,或者选择其中一个结果作为示例,进行特征的调整,并重新进行相似性匹配,经过多次循环后不断缩小查询范围,做到逐步求精,最终得到较为理想的查询结果。

综上所述,基于内容的多媒体信息检索技术的开发重点和技术优势主要包括以下两项:对多媒体信息内容特征的识别和描述技术、对特征的相似性匹配技术。可见,这种检索技术是一项涉及面很广的交叉学科的应用技术,需要利用图像处理、模式识别、计算机视觉、图像理解等领域的知识作为基础,还需从认知科学、人工智能、数据库管理系统、人机交互、信息检索等领域引入新的媒体数据表示和数据模型,从而设计出可靠、有效的检索算法、系统结构以及友好的人机界面。

但是，在检索原理上，无论是基于文本的图像检索还是基于内容的图像检索，主要包括三方面：一方面对用户需求的分析和转化，形成可以检索索引数据库的提问；另一方面，收集和加工图像资源，提取特征，分析并进行标引，建立图像的索引数据库；最后一方面是根据相似度算法，计算用户提问与索引数据库中记录的相似度大小，提取出满足阈值的记录作为结果，按照相似度降序的方式输出。

五、图像检索中的自然辩证法

人们总是在不断地认识自然、改造自然。在此过程中，必然会发现各种问题，对其产生种种困惑与怀疑，进而进行科学探索，以期能加以解决，一部科学发展的历史就是科学家们不断地提出科学问题有不断地解决问题的历史，只要存在着人与自然的矛盾，就会形成科学问题，旧的问题解决了，新的问题又在孕育之中，引导着科学家不断进行探索，人类的认识就会不断走向深入，这部历史也就会不断地写下去。然而，并非所有问题都可以成为科研问

题，因此有必要对科学问题有一个较为清晰地认识。 (1)图像检索技术的产生始于实际问题 明确的认识是从经验开始的，但光有经验事实并不能导致研究，很可能会因未引起注意而轻轻放过。而一项具体的研究活动都是从问题开始的，通过提出问题，分析问题，最后达到解决问题。伽利略发现落体定律以后，人们都认为这件事完全弄清楚了，但300年后，因为爱因斯坦提出惯性力与引力是否等效问题，而直接导致广义相对论的诞生。认识始于现象（经验事实）和研究始于问题两者虽不矛盾，但却是两件事情。传统经验论者将两者混为一谈，误认为科学研究始于观察，那就很难说明同样的观察事实为什么能导致大不相同的结果。

还应强调，在科学研究中，不仅可以首先从经验事实引出问题，而且在许多情况下，只有事先有了问题，才能主动观察到某些异常事实。奥斯特发现电流磁效应的过程就是这样的。1820年，他在一次给学生上课时，随手将通电导线放在一枚磁针的上方，正好与磁针平行，便突然发现磁针发生了近90°的偏转。在场的学生们并不在意。而奥斯特受谢林影响，对自然哲学深感兴趣，从电与磁的排斥、吸引作用相似性中，早就提出了电对磁有什么作用的问题，并于1807年就开始研究它。正是有这样的问题背景，别人视而不见的现象，却使他欣喜万分，引起了极大注意。

同理，图像检索问题的产生也有着其深刻的背景意义的。随着互联网的快速普及，宽带网的全力推行，网络上的多媒体文件越来越多，在这种背景下，传统的文本搜索方式已经不能满足人们的特殊需要，大家希望能更方便快捷地从网络上找到需要的多媒体文件，目前已有不少应用于实践环境的基于内容图像检索系统，如由IBM公司开发的最早商业化QBIC系统，以及由哥伦比亚大学研发的WebSeek系统、麻省理工学院研发的Photobook系统等。 图像检索的产生恰好体现了科学研究始于问题，正是由于互联网的快速普及，暴露了传统的文本检索技术的缺点。在海量的图像及视频数据库中检索自己要搜索的内容，是个非常困难的工作。这个问题的产生促使了研究人员致力于其他检索方法的研究，也就加速了基于内容的图像检索技术及其他检索技术的产生和发展。问题推动着研究，没有问题，科研就失去了动力。

(2)自然辩证法对学习的启发

在进行图像检索技术的学习过程中，我们要用自然辩证法的观点去解释阐述所学内容， 不但可使我们快速地了解和掌握其中的奥秘，还能使我们更好地认识现代技术发展的本质规律，进而正确地认识物质世界，树立自然辩证法的世界观和方法论，培养我们用辩证法去认识客观事物、发现问题、分析问题和独立解决问题的能力。学习的过程中要认清关键问题与一般问题。关键问题，就是对科技进步与社会发展至关重要的问题；而一般问题则是科技进步与社会发展中非主要的，或者是辅助性的问题。显然，关键问题难以解决，但意义重大；而一般问题容易得手，但重要性不大。

将自然辩证法融入到平时的学习中，在平时的学习中要把握两个原则：一是坚持以历史的、普遍联系的、发展的、辨证的观点进行研究，防止静止、孤立地讨论和形而上学的倾向；二是始终摆正理论与实践的关系、理论来源于实践受实践的推动而发展，既要在大量实践经验的基础上总结带有规律性的东西，上升为理论，不唯书、不唯上、只唯实，同时要研究实践中提出的问题并寻找解决方案，供实践参考。理论要由实践检验，未经过多次检验的只能称为“假设”，凡不符合实际的理论、内容都应该予以纠正，防止理论脱离实际的倾向。在平时的学习及研究中坚持以自然辩证法为指导，汲取其正确成分，同时要排除主观主义、唯心主义和形而上学的传统影响，是特别需要注意的工作。

用自然辩证法关于科学方法论的方法和技术方法论的方法去研究图像检索技术。同其他学科一样, 从图像检索理论的创立, 到该理论的实践检验, 以至进一步的发展,都必须遵循科学方法论和技术方法论。

六、总结

用科学的逻辑思维方法认识事物才会清楚的了解其由来、原理及解决思路,图像检索技术的发展同样遵循着科学技术发展的一般规律,以自然辩证法的观点来分析图像检索,有助于我们更加深入地认识图像检索发展的历史、现状和趋势,有了自然辩证法这把开启科学认识大门的钥匙,我们将回首过去、把握现在、放眼未来,正确地选择图像检索的方向,更好的学习、利用和发展图像检索技术。

参考文献：

(1)黄志斌《自然辩证法概论新编》，安徽大学出版社 (2)林德宏《科技哲学十五讲》

(3)黄志斌《当代生态哲学及绿色设计方法论》，安徽人民出版社,2004年版 (4)Richard O.Duda Peter E.Hart《模式分类》,机械工业出版社 (5)冈萨雷斯《数字图像处理》（第二版），电子工业出版社