感知哈希算法原理与实现
今天忽然想做一个图像识别的APP，但是在两张图片相似度的问题上产生了问题，感知哈希算法并不能解决这个问题，只是我在试着解决问题的过程中学到的一点知识。
这里的关键技术叫做”感知哈希算法”（Perceptual hash algorithm），它的作用是对每张图片生成一个”指纹”（fingerprint）字符串，然后比较不同图片的指纹。结果越接近，就说明图片越相似。
下面是一个最简单的实现：
第一步，缩小尺寸。
将图片缩小到8x8的尺寸，总共64个像素。这一步的作用是去除图片的细节，只保留结构、明暗等基本信息，摒弃不同尺寸、比例带来的图片差异。第二步，简化色彩。
将缩小后的图片，转为64级灰度。也就是说，所有像素点总共只有64种颜色。第三步，计算平均值。
计算所有64个像素的灰度平均值。第四步，比较像素的灰度。
将每个像素的灰度，与平均值进行比较。大于或等于平均值，记为1；小于平均值，记为0。第五步，计算哈希值。
将上一步的比较结果，组合在一起，就构成了一个64位的整数，这就是这张图片的指纹。组合的次序并不重要，只要保证所有图片都采用同样次序就行了。
得到指纹以后，就可以对比不同的图片，看看64位中有多少位是不一样的。在理论上，这等同于计算”汉明距离”（Hamming distance）。如果不相同的数据位不超过5，就说明两张图片很相似；如果大于10，就说明这是两张不同的图片。
这种算法的优点是简单快速，不受图片大小缩放的影响，缺点是图片的内容不能变更。如果在图片上加几个文字，它就认不出来了。所以，它的最佳用途是根据缩略图，找出原图。
实际应用中，往往采用更强大的pHash算法和SIFT算法，它们能够识别图片的变形。只要变形程度不超过25%，它们就能匹配原图。这些算法虽然更复杂，但是原理与上面的简便算法是一样的，就是先将图片转化成Hash字符串，然后再进行比较。
具体实现
工具类
/**
* 图片工具类，主要针对图片水印处理
*
* @author WANGHONG
*
*/
public class ImageHelper {
// 项目根目录路径
public static final String path = System.getProperty("user.dir");
/**
* 生成缩略图 <br/>
* 保存:ImageIO.write(BufferedImage, imgType[jpg/png/...], File);
*
* @param source
* 原图片
* @param width
* 缩略图宽
* @param height
* 缩略图高
* @param b
* 是否等比缩放
* */
public static BufferedImage thumb(BufferedImage source, int width, int height, boolean b) {
// targetW，targetH分别表示目标长和宽
int type = source.getType();
BufferedImage target = null;
double sx = (double) width / source.getWidth();
double sy = (double) height / source.getHeight();
if (b) {
if (sx > sy) {
sx = sy;
width = (int) (sx * source.getWidth());
} else {
sy = sx;
height = (int) (sy * source.getHeight());
}
}
if (type == BufferedImage.TYPE_CUSTOM) { // handmade
ColorModel cm = source.getColorModel();
WritableRaster raster = cm.createCompatibleWritableRaster(width, height);
boolean alphaPremultiplied = cm.isAlphaPremultiplied();
target = new BufferedImage(cm, raster, alphaPremultiplied, null);
} else
target = new BufferedImage(width, height, type);
Graphics2D g = target.createGraphics();
// smoother than exlax:
g.setRenderingHint(RenderingHints.KEY_RENDERING, RenderingHints.VALUE_RENDER_QUALITY);
g.drawRenderedImage(source, AffineTransform.getScaleInstance(sx, sy));
g.dispose();
return target;
}
/**
* 图片水印
*
* @param imgPath
* 待处理图片
* @param markPath
* 水印图片
* @param x
* 水印位于图片左上角的 x 坐标值
* @param y
* 水印位于图片左上角的 y 坐标值
* @param alpha
* 水印透明度 0.1f ~ 1.0f
* */
public static void waterMark(String imgPath, String markPath, int x, int y, float alpha) {
try {
// 加载待处理图片文件
Image img = ImageIO.read(new File(imgPath));
BufferedImage image = new BufferedImage(img.getWidth(null), img.getHeight(null), BufferedImage.TYPE_INT_RGB);
Graphics2D g = image.createGraphics();
g.drawImage(img, 0, 0, null);
// 加载水印图片文件
Image src_biao = ImageIO.read(new File(markPath));
g.setComposite(AlphaComposite.getInstance(AlphaComposite.SRC_ATOP, alpha));
g.drawImage(src_biao, x, y, null);
g.dispose();
// 保存处理后的文件
FileOutputStream out = new FileOutputStream(imgPath);
JPEGImageEncoder encoder = JPEGCodec.createJPEGEncoder(out);
encoder.encode(image);
out.close();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
}
/**
* 文字水印
*
* @param imgPath
* 待处理图片
* @param text
* 水印文字
* @param font
* 水印字体信息
* @param color
* 水印字体颜色
* @param x
* 水印位于图片左上角的 x 坐标值
* @param y
* 水印位于图片左上角的 y 坐标值
* @param alpha
* 水印透明度 0.1f ~ 1.0f
*/
public static void textMark(String imgPath, String text, Font font, Color color, int x, int y, float alpha) {
try {
Font Dfont = (font == null) ? new Font("宋体", 20, 13) : font;
Image img = ImageIO.read(new File(imgPath));
BufferedImage image = new BufferedImage(img.getWidth(null), img.getHeight(null), BufferedImage.TYPE_INT_RGB);
Graphics2D g = image.createGraphics();
g.drawImage(img, 0, 0, null);
g.setColor(color);
g.setFont(Dfont);
g.setComposite(AlphaComposite.getInstance(AlphaComposite.SRC_ATOP, alpha));
g.drawString(text, x, y);
g.dispose();
FileOutputStream out = new FileOutputStream(imgPath);
JPEGImageEncoder encoder = JPEGCodec.createJPEGEncoder(out);
encoder.encode(image);
out.close();
} catch (Exception e) {
System.out.println(e);
}
}
/**
* 读取JPEG图片
*
* @param filename
* 文件名
* @return BufferedImage 图片对象
*/
public static BufferedImage readJPEGImage(String filename) {
try {
InputStream imageIn = new FileInputStream(new File(filename));
// 得到输入的编码器，将文件流进行jpg格式编码
JPEGImageDecoder decoder = JPEGCodec.createJPEGDecoder(imageIn);
// 得到编码后的图片对象
BufferedImage sourceImage = decoder.decodeAsBufferedImage();
return sourceImage;
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ImageFormatException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
/**
* 读取JPEG图片
*
* @param filename
* 文件名
* @return BufferedImage 图片对象
*/
public static BufferedImage readPNGImage(String filename) {
try {
File inputFile = new File(filename);
BufferedImage sourceImage = ImageIO.read(inputFile);
return sourceImage;
} catch (FileNotFoundException e) {
e.printStackTrace();
} catch (ImageFormatException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IOException e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
/**
* 灰度值计算
*
* @param pixels
* 像素
* @return int 灰度值
*/
public static int rgbToGray(int pixels) {
// int _alpha = (pixels >> 24) & 0xFF;
int _red = (pixels >> 16) & 0xFF;
int _green = (pixels >> 8) & 0xFF;
int _blue = (pixels) & 0xFF;
return (int) (0.3 * _red + 0.59 * _green + 0.11 * _blue);
}
/**
* 计算数组的平均值
*
* @param pixels
* 数组
* @return int 平均值
*/
public static int average(int[] pixels) {
float m = 0;
for (int i = 0; i < pixels.length; ++i) {
m += pixels[i];
}
m = m / pixels.length;
return (int) m;
}
}程序入口
package com.test.image;
import java.awt.image.BufferedImage;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class ImageSearch {
/**
* @param args
*/
public static void main(String[] args) {
List<String> hashCodes = new ArrayList<String>();
String filename = ImageHelper.path + "\\images\\";
String hashCode = null;
for (int i = 0; i < 6; i++) {
hashCode = produceFingerPrint(filename + "example" + (i + 1) + ".jpg");
hashCodes.add(hashCode);
}
System.out.println("Resources: ");
System.out.println(hashCodes);
System.out.println();
String sourceHashCode = produceFingerPrint(filename + "source.jpg");
System.out.println("Source: ");
System.out.println(sourceHashCode);
System.out.println();
for (int i = 0; i < hashCodes.size(); i++) {
int difference = hammingDistance(sourceHashCode, hashCodes.get(i));
if (difference == 0) {
System.out.print("source.jpg图片跟example" + (i + 1) + ".jpg一样");
} else if (difference <= 5) {
System.out.print("source.jpg图片跟example" + (i + 1) + ".jpg非常相似");
} else if (difference <= 10) {
System.out.print("source.jpg图片跟example" + (i + 1) + ".jpg有点相似");
} else if (difference > 10) {
System.out.print("source.jpg图片跟example" + (i + 1) + ".jpg完全不一样");
}
System.out.println("\t汉明距离\t" + difference);
}
}
/**
* 计算"汉明距离"（Hamming distance）。 如果不相同的数据位不超过5，就说明两张图片很相似；如果大于10，就说明这是两张不同的图片。
*
* @param sourceHashCode
* 源hashCode
* @param hashCode
* 与之比较的hashCode
*/
public static int hammingDistance(String sourceHashCode, String hashCode) {
int difference = 0;
int len = sourceHashCode.length();
for (int i = 0; i < len; i++) {
if (sourceHashCode.charAt(i) != hashCode.charAt(i)) {
difference++;
}
}
return difference;
}
/**
* 生成图片指纹
*
* @param filename
* 文件名
* @return 图片指纹
*/
public static String produceFingerPrint(String filename) {
BufferedImage source = ImageHelper.readPNGImage(filename);// 读取文件
int width = 8;
int height = 8;
// 第一步，缩小尺寸。
// 将图片缩小到8x8的尺寸，总共64个像素。这一步的作用是去除图片的细节，只保留结构、明暗等基本信息，摒弃不同尺寸、比例带来的图片差异。
BufferedImage thumb = ImageHelper.thumb(source, width, height, false);
// 第二步，简化色彩。
// 将缩小后的图片，转为64级灰度。也就是说，所有像素点总共只有64种颜色。
int[] pixels = new int[width * height];
for (int i = 0; i < width; i++) {
for (int j = 0; j < height; j++) {
pixels[i * height + j] = ImageHelper.rgbToGray(thumb.getRGB(i, j));
}
}
// 第三步，计算平均值。
// 计算所有64个像素的灰度平均值。
int avgPixel = ImageHelper.average(pixels);
// 第四步，比较像素的灰度。
// 将每个像素的灰度，与平均值进行比较。大于或等于平均值，记为1；小于平均值，记为0。
int[] comps = new int[width * height];
for (int i = 0; i < comps.length; i++) {
if (pixels[i] >= avgPixel) {
comps[i] = 1;
} else {
comps[i] = 0;
}
}
// 第五步，计算哈希值。
// 将上一步的比较结果，组合在一起，就构成了一个64位的整数，这就是这张图片的指纹。组合的次序并不重要，只要保证所有图片都采用同样次序就行了。
StringBuffer hashCode = new StringBuffer();
for (int i = 0; i < comps.length; i += 4) {
int result = comps[i] * (int) Math.pow(2, 3) + comps[i + 1] * (int) Math.pow(2, 2) + comps[i + 2] * (int) Math.pow(2, 1) + comps[i + 2];
hashCode.append(binaryToHex(result));
}
// 得到指纹以后，就可以对比不同的图片，看看64位中有多少位是不一样的。
return hashCode.toString();
}
/**
* 二进制转为十六进制
*
* @param int binary
* @return char hex
*/
private static char binaryToHex(int binary) {
char ch = ' ';
switch (binary) {
case 0:
ch = '0';
break;
case 1:
ch = '1';
break;
case 2:
ch = '2';
break;
case 3:
ch = '3';
break;
case 4:
ch = '4';
break;
case 5:
ch = '5';
break;
case 6:
ch = '6';
break;
case 7:
ch = '7';
break;
case 8:
ch = '8';
break;
case 9:
ch = '9';
break;
case 10:
ch = 'a';
break;
case 11:
ch = 'b';
break;
case 12:
ch = 'c';
break;
case 13:
ch = 'd';
break;
case 14:
ch = 'e';
break;
case 15:
ch = 'f';
break;
default:
ch = ' ';
}
return ch;
}
}
