TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 15, No. 2, August 201 5, pp. 313 ~  320   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 15i2.837 7        313     Re cei v ed Ap ril 17, 2015; Revi sed  Jun e  24, 2015; Accepted July 1 0 ,  2015   New Method of Content Based Image Retrieval based  on 2-D ESPRIT Method and the Gabor Filters       Cha w k i  Youness*, El As naoui Khalid , Ouanan Mo hammed, Ak sass e Bra h im  ASIA  T eam, M2I Labor ator y, Dep a rtm ent of Comp uter Scie nces,   F a cult y   of Scie nce an d T e chniqu es, Moula y  I s mail Un iversit y , Morocco   *Corres p o ndi n g  author, em ail :  you ness.ch a w k i @gm a il.co m       A b st r a ct  W e  prop ose, in  this pa per, a n e w  meth od for  Cont e n t Base d  Imag e R e triev a l (CBIR) by  e x ploiti n g   the di gita l i m a ge co ntent. O u metho d  is  b a sed  on  t he r epres entati on  of the  di g i tal i m a ge  c onte n t by  a   character i stics  vector of th ind e xe d  i m a g e .  Indee d, w e  h a ve ex pl oite d  the i m ag e texture to  extract its   character i stics  and for c o n s tructing a  ne w  descripto vector by co mb ini ng th Bidi me nsi ona l  Hig h   Resolution Spectral Analysis  2-D ESPRIT  (Estim ation  of Signal Parameters vi a Rotationnal  Invariance  T e chni ques)   method  a n d  Ga bor fi lter. T o   e v alu a te  th e pe rforma nce,  w e   hav teste d  our appr oac h on   Brodat z   i m age  datab ase. T h e results  sh ow  that the repr e s ent atio n of th e dig i tal i m ag e  content a p p e a rs  signific ant in re search of i m a g i ng infor m ation.     Ke y w ords :  in d e xin g , search i m a ges by co ntent, high res o l u ti on, spectra l  ana lysis, 2-d e s prit, Gabor filter    Copy right  ©  2015 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion    The techniq u e s for in dexi ng and info rmation ret r ie val have bee n develop ed  sin c e the   70s. First, Te xt-Based Ima ge Ret r ieval (TBIR) me thods  were the firs t methods   us ed. Howev e r,  these m e thod s have maj o r dra w ba cks: the first is  rela ted to the am ount of wo rk i n volved in the   pro c e ss,  and  the se co nd i s  the lack of  a c cura cy in  th e de scription  in larg e data b a se s. Th erefo r e,  to overco me this problem, i t  is important  to dev elop others syste m s using inh e re nt information  of  the conte n t. Hen c Conte n t-Based Ima ge Retri e va l (CBIR) Syste m  base d  on t he image s di gital  conte n t is de veloped. Inde ed, these a p p r oa che s  con s ist in rep r e s e n ting every i m age by a se t o f   visual fe ature s   su ch  a s  th e colo r, the  shape  an d the  texture. T h e s e vi sual   cha r acte ri stics a r then used to comp are and  to find a query image in a databa se.    Texture i s  the se con d  visual attribute  widel y u s ed i n  image  sea r ch by content . It allows  filling the gaps that the  color i s   unable  to  do, especially when t he color di stributions  are  very  clo s e. More spe c ifically, the texture can be view e d  as a set  of pixels (grayscale)  spat ially  arrang ed in  a numbe r of  spatial rel a tionshi p s , an d creating a  homoge neo us region. T hus,  several app ro ach e s a nd m odel s [1, 2] have been p r o posed for m o deling the tex t ure, whi c we   quote:  statisti cal a p p r oa ch es, g eometri c a pproa che s  a nd the  fre quen cy ap proache s. Fo the  latter, the Ga bor filters are  the mo st kno w n an d most  use d  method.   Gabo r filters  are i n tro d u c e d  by  Hun gari an Physi c i s Den n is Ga bo r in  194 6 [3].  They  prove  to b e  a n  inte re sting t ool fo r texture an al ysi s  a n d  a r wid e ly  adopte d  in  th e literature.  T h e   advantag e of  these filters  is that  their f unctio n in g  is  clo s e to  the   human  visual  treatme nts,  and   they have the advantage of  being p r og ra mmable in  fre quen cy and i n  orient atio n. Indeed, Ga bo filters find  th eir pl ace in  several a r ea su ch  a s segmentatio [4], pattern  reco gnition [5 , 6],  cla ssifi cation  [7, 8], con t ent based i m age  retriev a l [9, 10]. The texture  para m eters are  determi ned b y  calcul ating the avera ge a nd the varian ce of the ima ge filtered by Gabo r filter.    The ai m for  spe c tral  an al ysis i s  to  ch ara c teri ze  th e freq uen cy  conte n t of im age s o r   sign als in g e neral.  We of ten use, for  image s,  the freque ncy inf o rmatio n to extract texture   conte n t. The   high  re solutio n  spe c tral  me thods called   para m etri c m e thod  ca n b e   divided i n to t w categ o rie s : t he first cont ains p s eud o-spe c tru m  me thods while t he  se cond  family group s the  sub s p a ce me thods a nd a r e  base d  on the  exploitati on  of the inheren t structu r e of  the model. Th 2-D ESPRIT  method [11-13] is the most fa mous and the used method i n  bidimensional  freque ncy  e s timation. It  provides t he p a ir  f r eq uen cy an d i t s corre s po n d ing  orie ntation   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 15, No. 2, August 2015 :  313 –  320   314 automatically with  good preci s ion.   These last param e ters  will be  i n jected into the Gabor filt er.  Since it is de pendi ng on th eme.  This  work p r e s ent s a ne approa ch for i ndexing a nd  conte n t base d  image retrie val. The   followin g  sect ions  are arra nged  as foll o w s:  Se ction  2 de scrib e s t he 2 - D ESP RIT metho d and  then the G a bor filters a r e pre s e n ted  in Sectio n   3.   Section 4  e x plains our new app roa c h.  Subse que ntly the experim e n tal re sults a r e pre s e n t ed i n  Section 5.  Finally we  co nclu de ou r work  with co ncl u si ons a nd pe rspective s.      2.  The 2-D ESPRIT Method [12]  The fre quen cy extracted b y  the 2-D ES PRIT me thod  is in the form of two co mpone nts  whi c h a r e a  freque ncy  co uple: one  co mpone nt is  on the first frequ en cy axis and th e ot her  comp one nt is on the  se cond fre que ncy axis; theref ore the f r equ ency mo dule  is define d  a s   follow:     2 2 2 1 i i i f f F          ( 1 )    The co rrespo nding rotation  angle i  is giving by:      ) arctan( 1 2 i i i f f          ( 2 )    Figure 1  depi cts th e relatio n shi p  bet wee n  the frequ en cy compo nen ts   i f 1 i f 2 , and the  modul e   i F , and rotation  angle  i         Figure 1. Rel a tionship bet wee n  the two  compo nent s and the rotati on angl e       Thus ESPRI T  2-D provides  us th e frequencies and its orientat ions that will  be the input  para m eters o f  Gabor filters.  In our  ca se,  the num ber of frequ en ci es   i F  and  ori entation s   i  are the  same  as  numbe r of the freque nci e s compo nent s.         3.  The Gabo r F ilters   Gabo filters are multi-cha nnel  filteri ng t e ch niqu es th at allo w the  d e scriptio n of t e xtures  locali ze d in   freque ncy  an d o r ientation.  In othe word s, the  ch ara c teri stic calcul ation s  a r operated o n   each of the  pixels. The s e  contai n t he intensity  vari ations on  a smalle r scale   of  freque ncy an d orientatio n. The gab or  fu nction  can b e  written a s  follows:    ) 2 cos( )) ( 2 1 exp( ) , , , ( 2 2 2 2 fx y x f y x G y x          ( 3 )   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     New Method  of Content Based Im age Retrie val based on 2-D ESPRIT … (Chawki Youness)  315 Whe r e:     cos sin sin cos y x y y x x         ( 4 )    is the ori enta t ion, F the frequ ency an x   (resp e ctively  y the stand ard deviation   of the gaussian acco rdin g the x axis (y axis  respectively). By applying this fun c tion as a  convol ution  mask, we defi ne a co nvol ut ion filter calle d Gabo r filter.    For a give n frequ en cy  F  an d a given o r i entation , we have a Ga bo r filter, allowi ng  towards the e nd to have  several filters  by cha ngin g  the o r ientation  and al so th e  frequ ency, a n d   finally to have a set of filt ers call ed ba nc  of filters.    After con s tru c ting the  Ga bor filters, th ey are a pplie d to a   MxN  ima ge in o r de r to  extract the a v erage a nd the varian ce  of f iltered image by ea ch  Gabo r. The  average a n varian ce hav e the followin g  expre ssi on s re spe c tively:    M x N y x G xy n m n m  ) , ( , ,         ( 5 )      MxN y x G xy n m n m n m  2 , , , ) ) , ( (        ( 6 )      The value s  of  n m , and  n m , will re prese n t the co mpone nts  of our de scri ptor vector.       4.  The Propos e d  Appro ach    Here, we p r o pose a ne w method for in dexing an d content ba sed  image retri e val using   the bidimensi onal high resolution spectral analys i s  m e thods especially  the 2-D ESPRIT method  and  Gab o r filt ers. In dee d,  each ima ge i s   cha r a c teri zed by th e pai r  given  by the  Gab o r filte r for   each o r ientati on a nd  ea ch f r equ en cy, this la st p a ra me ters are give n  by the  2-D E SPRIT metho d   applie d on th e origin al ima ge.   Indexing a n d  conte n t ba sed imag e retrieval  sy stem  inclu d e s  two main  pha ses, the  indexing an the sea r ch ph ase, Figu re 2  sho w s these two ph ases.            Figure 2. Overall archite c tu re  of co ntent based imag e retrieval       The first invol v es extra c tin g  the  cha r a c t e risti c s of e a c h im age  an d they a r st ored  in  a   databa se. Thi s  step i s  ru nn ing in Offline.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 15, No. 2, August 2015 :  313 –  320   316 The seco nd  pha se is run n ing in Onli n e , the syste m  take s a q uery imag e, extract its   digital  cha r a c teri stics, an d then  mea s ur e the  di stance  bet we en the  que ry image ve ctor  descri p tor a n d  those in the  databa se.   The main  steps in features extraction of   textures image usi ng the  2-D ESPRIT  method  and Ga bor filters a r e illu strated and  sum m ari z ed in Fi gure 3.          Figure 3. The  Main step s o f  the pr opo se d approa che d  are cited b e ll ow        1) Fr eque nc y  pair and orienta t ion  extr action :   The first ste p  is to extract  from the  original image by using the 2- D ESPRIT method the frequency pairs ) , ( 2 1 i i f f . Further m o re, w e   cal c ulate th e  frequ en cy module  and   the ori entat io n.  The s p a rameters will be  inje cted  i n to   Gabo r filters.   2) Av erage  calculation After applyin g  the G abo filters o n  the  image,  with  different   orientatio ns  m and fre que n c y m f , we calculate the av erag m  th a t  c h ar ac te r i ze s  th luminou s inte nsity of the image corre s p ondin g  to t he averag e grayscale of all pi xels in the image  (Equatio n 5).   3) S t and a rd  dev i ation calculation T h e s t an d a r d  de via t io n m   ch ara c te rize s the  variation of th e average i n tensity of all  pi xels.  It corre s pond s to the   cha nge  of the  image  co ntra st  (Equatio n 6).   After extrac ting the charac teris t ics  of e a ch  imag e,  we con s tru c t th e vecto r   de scriptor in  whi c h ea ch  compon ent re pre s ent s two  values: the a v erage a nd th e varian ce. In other wo rd s, for  each freq uen cy and e a ch  orientatio n, we have a p a ir ( , ). Finally, the descriptor vector  will  be define d  as follows:      ) , ,....., , , , ( 1 1 0 0 m m V        ( 7 )    The algo rithm  of our app ro ach i s  the followin g   Algorithm : 2 - D_ESP RIT_ Gabo r metho d   1:     D:  datab ase   2:   For  image i in D  do  3:            i   image    read C                      ) ( s , i ize N M   4:                 ) ( _ 2 , , , , , 3 3 2 2 1 1 C ESPRIT D F F F   5                  3 3 2 2 1 1 , , , , ,   GaborFiltr F F F A     6:                i A n Convolutio FFG ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     New Method  of Content Based Im age Retrie val based on 2-D ESPRIT … (Chawki Youness)  317 7:                  N a M b b a FFG N M Moy 11 , * 1   8:                2 11 ) , ( * 1 Moy b a FFG N M N a M b     9:                Moy DV ,   12:          Return DV   13: EndFo r     The simil a rity measu r e bet wee n  a que ry image  Q and  a target image T is ca rri e d  out by  cal c ulatin g, for each value  of the ve ctor, of the Swain distan ce [14]  ) , ( T Q D  defined by:    ) , ( ) , ( T Q d T Q D m          ( 8 )    Whe r e,      ) ( ), ( T m Q m T m Q m m d         ( 9 )        5.  Experemen t al Results    In our expe riment, we  p e rform  detail ed pe rforma nce  co mpa r i s on  to evalu a te the  efficien cy of  the p r opo se d  app roa c h.  Indee d,  we h a ve teste d  o u app roa c h   on the  texture  Brodat z data base [15] in cludi ng 13 t e xture cl a sses, 16  sam p les e a ch. All image s are  in   grayscal e BMP format, each 256 by  256 pixels. Figure 4 sho w s exam ple s  of images from  Brodat z data base.              Figure 4. Examples of ima ges fro m  Bro datz data b a s     5.1. Implementa tion   In the implem entation ph ase, we have  u s ed  co mput er, Pro c e s sor:  Intel(R) Core  (TM)  2 CPU T5 870  @ 2,00 G H z,  2,00 GH z, 2Go RAM, Win dows 7.   We have  dev elope d an u s er graphi c int e rface for  di splaying the re sults.  We ju st display  the 14 image s simila r to the query ima g e .   Figure 5 sho w s a n  exam ple of query  image (D16 _001 ima ge),  our app roa c h ha returned  14 relevant simil a r imag es  whil e figure  6 illu strate s an  an other exa m pl e of que ry im age  (D8 4_0 01 ) with 12 imag e s  simil a r im a ges in clu d ing  two not rele vant image (D9 4_0 01 a n d   D38 _01 0).           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 15, No. 2, August 2015 :  313 –  320   318 Table1. Th e pre c isi on en d  the recall for each cla s s on  Brodatz ima g es d a taba se   Classes   Fou nd i m ag es   Precison  ( % )   Recall ( % )   D9 169  68,75   60,16   D12  163  71,43   62,50   D15  98  70,09   61,89   D16  55  77,68   87,97   D19  15  84,38   65,23   D24  127  78,57   68,75   D29  174  89,29   78,13   D38  163  77,23   67,58   D68  38  100,00   87,50   D84  167  77,68   64,09   D92  178  82,14   71,88   D94  165  81,25   71,09   D112  167  83,93   73,44       A v e r age Preci si on ( % )   A v e r age  Recall  ( %     80,19  69,24       The Tabl e 1 sho w s the preci s ion a nd recall of  ea ch  cla ss of Bro d a tz datab ase. We ca n   see th at the  pre c isi on i s   more th an 7 0 %  for all cl asse s an d the  averag e p r e c ision i s  e q ual  to   80,19%, whi c h sho w s that our ap proa ch  is accu rate.           Figure 5. Similar imag es fo r D16 _00 1 cl ass          Figure 6. Similar imag es fo r D84 _00 1 cl ass    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     New Method  of Content Based Im age Retrie val based on 2-D ESPRIT … (Chawki Youness)  319 5.2. Ev aluation Protocol   In the i n form ation  retrieval  syst em, the   use r   i s  i n tere sted to  releva nt sy stem  re spon se s.  So the info rm ation  sea r ch  system req u i re the  p r e c isi on eval uation  of the  re spo n s e. T h is type  of  evaluation i s  con s id ere d  as the  re search p e rfo r mance evalu a tion. Thu s ,  to evaluate  the   efficien cy of our sy stem, we are intere sted to  cal c ul ate the two most com m onl y used mea s ure s .   Namely: the  pre c isi on a n d  the recall,  these t w o p a ram e ters m easure th e relevan c e of  our  sy st em.   Rec a ll  is the  ratio betwee n  the numb e r of relevant i m age s in the  set of image s found   and the num b e r of releva nt image in the i m age data b a s e.     R R a Recall           ( 1 0 )   Whe r e:   a R : Numbe r  of relevant imag es in the set of resp on se s.   R  : Number of relevant imag es in the ima ge datab ase.    Precision  is the ratio  be tween th e nu mber  of rel e vant image in the set of  image found an d the  numbe r of re levant image.      A R a   Precision           ( 1 1 )  Whe r e:   A : Numbe r  of image s in the set of re spon se s.     The curve  and 8  sh ow t he preci s io averag e an the re call av erag e respe c tively  o f   our app roa c h   com pared wi th  the  Ga bo r method. We   see th at ou method i s  m o re a c curacy t han  the Gabo r me thod.          Figure 7. Pre c isi on curve o f  our app roa c comp ared wit h  the Gabo Filter  Figure 8. Re call curve of o u r app ro ach  comp ared wit h  the Gabo Filter method       6.  Conclu sion & Perspe ctiv es        In this work, we have p r e s ented a ne method for in dexing and  content ba sed  image  retrieval  usin g Gab o r filte r s p o wered  or feed  by the freq uen cy  and o r ientat ion given by  the   bidimen s io nal  high resoluti on spe c tral a nalysi s  e s pe cially 2-D ESP RIT. This  app roa c h i s  ap pli e d   to the Brod at z data b a s containin g  20 8  image s a nd  has  given g o od results ma king it p o ssibl e  to   say that our a ppro a ch is a c curate.  In terms of p e rspe ctives,  we  will try to apply ou r ap proa ch i n itiall y on image d a taba se other than te xtured datab ase s , and the n  we will co m b ine the Hig h  Resolution Spectral Analysis  method s with  other visual  cha r a c teri stics su ch a s  the  shap e and  color.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                             ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 15, No. 2, August 2015 :  313 –  320   320 Referen ces   [1]  J Z han g, T   T an. Brief r e vie w  of  i n vari ant te xture  a nal ys is  methods.  Pattern Recognition . 20 02;  35:   735- 747.   [2]  D Gabor. T heor y  of commu nic a tion.  Jour na l of the Institute  of Electrical En gin eers . 19 46; 93: 429- 45 7.  [3]  J Z han g, T   T an, L Ma.  Invariant Texture Se gm entation Via  Circular Gabor  Filters . Pattern  Recognition,   Procee din g s 1 6 th Internati o n a Co nferenc e. 200 2; 2: 901-9 04.   [4]  CS Avil a, RS  Reil lo. T w different a ppr oac hes for  ir is  rec ogn ition usi ng Gabor  filters  a nd mu ltiscal e   zero-crossi ng r epres entati on.  Pattern Reco g n itio n . 200 5; 38: 231-2 40.   [5]  K T hangair u la ppa n, JBV Je yasin gh. F a ce  Repr es entati o n  Usin g Com b i n ed Me th od of Gabor  F ilters ,   W a velet T r ans formation  an d  DCV  an d R e cog n itio n Us i ng R B F .   Jour nal  of Intel lig ent L earn i n g   Systems a nd A pplic atio ns . 20 12; 4: 266- 273.   [6]  S Arivazha gan , L Ganesan, SP Pri y a l T e xture classificati on usi ng Gab o w a vel e ts ba sed rotatio n   invari ant featur es.  Pattern Re cogn ition  Lette rs . 2006; 27: 1 976- 198 2.   [7]  Rahm ad w a t i G Nag h d y , M  Ros, C T odd,  E Nor ahma w a t i.  Cervic al Ca n c er  Cl assific a ti on Usin Ga bo Filters . Health care Informati cs, Imaging a nd S y stems  Biol og y  ( H ISB ) , F i rst  IEEE  International  Confer ence. 2 011: 48- 5 2 .   [8]  N Bourkac he,  S Sidh om, M Lag hrouc he.  A ppre n tissag e  n u mériq ue  pour  la rech erche  d inf o rmatio n s   en i m ag eri e  médic a le: Mod é li sation d e s filtre s de Gabor . Internati ona l s y m posi u m ISKO-Maghr eb  ̓  13 ,   Conc epts an d T ools for Kno w led ge Man a g e m ent (KM). Marrakech, Moroc c o. 2013.   [9]  M Agar w a l, RP Mah e sh w a ri. Cont ent  Based Ima g e  Retrieva l Ba sed o n  Lo Gabor W a ve le t   T r ansform.  Ad vance d  Materi als Res earch,  T r ans T e ch Pu blicati ons . 2 0 1 2 : 871-8 78.   [10]  Y Hua. Estima ting T w o-D i me nsio nal F r e q u e n cies  b y  Matri x  En ha ncem en t and Matri x  P ence l IEEE   T r ansactio n s o n  Sign al Proc e ssing.  19 97; 40 (9).   [11]  P Vanp ouck e , M Moon en, Y  Berthoum ieu.  An efficie n t su bspac e al gor ithm for  2D  har mo nic retri e va l IEEE Internatio nal C onfere n ce  on Acoustics,  Speec h an d Si gna l Processi n g . 1994: 4 61-4 64.   [12]  Y Z hou, DZ   F eng, JQ Liu.  A novel alg o r ithm for t w o- dime nsio nal fr equ enc y estim a tion.  Si gn al  Processi ng.  20 07; 87: 1-1 2 [13]  S Ro uq uette,  M Naj i m. F r eq uenc ies  an d a mpi ng f a ctors  b y  t w o - dim e n s ion a l ES PRIT  t y pe m e tho d s.   IEEE Transactions on  Signal Processing.  20 01; 49(1): 2 37- 245.    [14]  Y Berthoum ie u ,  M El Ansari,  B Aksasse, M  Doni as , M Na ji m. A 2-D Ro bu st high r e sol u ti on freq ue nc estimatio n  ap p r oach.  Sig n a l  Processi ng . 20 0 5 ; 85(6): 11 65- 118 8.   [15] USC-SIPI  imag e datab ase. Av aila bl e onl in e a t: http://sipi.usc.edu/dat abas e/. 1977           Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.