Giải pháp tra cứu và quản lý cây dược liệu Việt Nam dựa vào trích chọn đặc trưng của ảnh cây dược liệu trong kho cơ sở dữ liệu - Nguyễn Văn Huân

Nguyễn Văn Huân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 103 - 110 103 GIẢI PHÁP TRA CỨU VÀ QUẢN LÝ CÂY DƯỢC LIỆU VIỆT NAM DỰA VÀO TRÍCH CHỌN ĐẶC TRƯNG CỦA ẢNH CÂY DƯỢC LIỆU TRONG KHO CƠ SỞ DỮ LIỆU Nguyễn Văn Huân1, Nguyễn Văn Tảo1, Nguyễn Thị Bích Hạnh2* 1Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông – ĐH Thái Nguyên 2Trung tâm Nghiên cứu và Phát triển Nông Lâm nghiệp miền núi - Trường Đại học Nông Lâm - ĐH Thái Nguyên TÓM TẮT Cây dược liệu có một vai trò quan trọng đối với đời sống của mỗi con người, đặc biệt là trong chăm sóc sức khoẻ. Vì vậy, việc quản lý dữ liệu về các loại cây dược liệu quý là hết sức quan trọng, góp phần vào việc quản lý và bảo vệ sự tồn tại của mỗi loại cây. Một trong những giải pháp hữu hiệu hiện nay là xây dựng một hệ thống cơ sở dữ liệu về cây dược liệu Việt Nam nhằm phục vụ cho các nhà quản lý, dược liệu trong công tác khai thác, duy trì, bảo vệ và bảo tồn được hiệu quả. Bài báo của nhóm tác giả Huân [3] đã đưa ra một giải pháp xây dựng Kho cơ sở dữ liệu (CSDL) nhằm phục vụ cho việc thu nhận, khai thác và quản lý cây dược liệu, Kho CSDL hiện đang quản lý 500 loại cây. Tiếp theo các kết quả nghiên cứu trong công trình [3], bài báo đề xuất một giải pháp khai thác Kho CSDL cây dược liệu, đó là phân tích và thiết kế hệ thống tra cứu Cây dược liệu Việt Nam dựa vào trích chọn đặc trưng của ảnh lá cây. Kết quả bài báo này làm tiền đề cho đề xuất các giải pháp nhận dạng, xử lý và phát hiện những cây dược liệu một cách nhanh chóng, hiệu quả trên cơ sở những đặc trưng, đặc tính và các công dụng của chúng. Từ khóa: Cây dược liệu, trích chọn đặc trưng, kho cơ sở dữ liệu, phân tích và thiết kế hệ thống, nhận dạng lá cây. GIỚI THIỆU* Cây là một trong những đối tượng có ý nghĩa quan trọng với cuộc sống của mỗi con người, đặc biệt là có ý nghĩa trong chăm sóc sức khoẻ. Trong các loài cây thì có một nhóm các loài cây là những loài thực vật có tác dụng dùng để chữa bệnh hoặc bồi bổ cơ thể khi con người sử dụng. Đất nước ta trải qua mấy ngàn năm lịch sử, nhân dân ta, các ông lang bà mế, các nhà nho yêu nước, các danh y nổi tiếng có rất nhiều kinh nghiệm trong việc sử dụng cây cỏ, động vật, khoáng vật để phòng bệnh, chữa bệnh cho nhân dân. Nước ta nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm nên có nguồn tài nguyên thực vật phong phú, đa dạng và có tiềm năng to lớn về tài nguyên cây thuốc nói riêng và tài nguyên dược liệu nói chung. Cây có nhiều loại khác nhau, chúng đã được con người mà cụ thể là các nhà nông nghiệp, lâm nghiệp, chuyên gia y - dược, đông y, * Tel: 0989 86 96 83; Email: hanhnb08@gmail.com nhận dạng và phát hiện dựa trên nhiều đặc tính của chúng chẳng hạn như: cây có tác dụng chữa bệnh cho con người, động vật, cây sử dụng làm gỗ, cây dùng làm thức ăn, Như vậy, dựa trên các đặc tính, công dụng thì ngày nay người ta đã nhận dạng và phân loại hàng trăm nghìn loại khác nhau. Trong mỗi loại, lại có những cách phân chia khác nhau dựa trên công dụng của chúng đối với con người,[4]. Do vai trò rất quan trọng của cây nói chung và cây dược liệu (cây thuốc) nói riêng thì đưa ra những đề xuất, giải pháp khai thác và quản lý một cách hiệu quả là rất quan trọng, đặc biệt là những đề xuất, giải pháp mang tính công nghệ ứng dụng. Bởi vì, chỉ cần nói đến cây dược liệu, việc khai thác và quản lý đã gặp nhiều khó khăn, do số lượng cây dược liệu có tới hàng trăm nghìn loại cây khác nhau và được chia thành nhiều nhóm ứng với những công dụng khác nhau và phù hợp với điều kiện khí hậu của mỗi vùng, miền và quốc gia khác nhau. Vì vậy, để quản lý một cách Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Văn Huân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 103 - 110 104 hiệu quả thì việc đề xuất các giải pháp ứng dụng Công nghệ thông tin (CNTT) vào xây dựng Kho cơ sở dữ liệu và hệ thống phần mềm nhằm phục vụ cho việc khai thác, quản lý và tra cứu là hết sức cần thiết. Trên thế giới, nhiều nhà khoa học dược liệu, nhà quản lý đã đề xuất nhiều giải pháp ứng dụng CNTT vào xây dựng các quy trình, phân tích thiết kế và xây dựng phần mềm tra cứu ảnh của cây dược liệu dựa vào việc xây dựng Kho CSDL phục vụ cho việc nhận dạng và tra cứu [2,6,7,8,9,11]. Tuy nhiên, kích thước, công dụng và đặc trưng của mỗi loại cây dược liệu lại phụ thuộc mỗi vùng, miền và quốc gia khác nhau. Vì mỗi vùng, miền và quốc gia có những điều kiện tự nhiên, thời tiết và khí hậu khác nhau. Do đó, những phần mềm trên không phù hợp và khó sử dụng cho việc khai thác, quản lý và tra cứu cho những cây dược liệu Việt Nam. Ở Việt Nam, hiện nay việc khai thác và quản lý cây dược liệu khá phong phú và đã phát hiện và nhận dạng ra hàng trăm cây dược liệu. Tuy nhiên, việc khai thác và quản lý vẫn chưa được hiệu quả. Bên cạnh đó, hiện nay trong nước vẫn chưa có một hệ thống phần mềm nào được đưa vào triển khai ứng dụng trong thực tế cho việc quản lý, phát hiện và nhận dạng. Nhằm tiếp tục kế thừa và phát triển từ các kết quả trong công trình [3] của nhóm tác giả Huân, bài báo đề xuất một giải pháp khai thác Kho CSDL cây dược liệu, đó là phân tích và thiết kế hệ thống tra cứu Cây dược liệu Việt Nam dựa vào trích chọn đặc trưng của ảnh lá cây. Kết quả bài báo này làm tiền đề cho đề xuất các giải pháp nhận dạng, xử lý và phát hiện những cây dược liệu một cách nhanh chóng, hiệu quả trên cơ sở những đặc trưng, đặc tính và các công dụng của chúng. Nhóm: Thuốc bỏng 1. Bỏng 2. Cúc 3. Dâm bụt 4. Diệp hạ châu 5. Đơn lá đỏ 6. Đuôi chuột Nhóm: Thầu dầu 1. Cam xũng 2. Ngọc trai 3. Trinh nữ 4. Ngô đồng 5. Quế 6. Ngũ gia bì Nhóm: Cúc 1. Chút chít 2. Cỏ ngọt 3. Hoắc hương 3. Kim ngân 4.Cam thảo đất 4. Cây ba chạc Hình 1. Các cây trong cơ sở dữ liệu [3,4] Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Văn Huân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 103 - 110 105 PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRA CỨU ẢNH CÂY DƯỢC LIỆU VIỆT NAM Trong thực tế, bất kỳ một hệ thống tra cứu ảnh nào để có thể thực hiện nghiên cứu và triển khai ứng dụng thành công thì cũng đều cần phải có những sơ đồ hay quy trình kiến trúc tổng quát của hệ thống. Vì sơ đồ kiến trúc của một hệ thống là quan trọng, giúp cho việc triển khai ứng dụng được thành công hơn [1,5,10,12]. Đối với bài toán khai thác, quản lý và tra cứu cây dược liệu Việt Nam cũng cần phải có những sơ đồ, quy trình phân tích và thiết kế hệ thống tổng quát. Trên cơ sở kế thừa và tiếp theo các kết quả nghiên cứu trong công trình [3], tác giả đưa ra sơ đồ kiến trúc tổng quát của hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu: Như vậy, sơ đồ kiến trúc tổng quát của hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu gồm hai công đoạn chính sau: Công đoạn tiền xử lý được thực hiện như sau: - Trích rút vector đặc trưng của các ảnh. - Biểu diễn hình ảnh dưới dạng chuỗi dấu hiệu nhị phân Công đoạn tra cứu được thực hiện như sau: Hình 2. Sơ đồ kiến trúc tổng quát của hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu Hình 3. Sơ đồ chi tiết của hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu Người sử dụng cung cấp cho hệ thống ảnh truy vấn thông qua giao diện đồ họa. Sau đó, hệ thống phân đoạn ảnh truy vấn thành các vùng ảnh và trích rút các véc tơ đặc trưng của các ảnh. Chuỗi dấu hiệu nhị phân của ảnh truy vấn sẽ được so sánh với chuỗi dấu hiệu nhị phân của các ảnh trong cơ sở dữ liệu. Kết quả trả về là tập các ảnh có độ tương tự với ảnh truy vấn nhất. Tập ảnh kết quả được phân hạng theo thứ tự giảm dần của độ tương tự. Hình 2 và 3 biễu diễn sơ đồ cho toàn bộ hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu. Hình 3 trên cho thấy rằng đối với hệ thống này, thu thập, khai thác, xử lý, nhận dạng và quản lý các loài cây dược liệu quý cần được tiến hành thông qua 4 công đoạn sau: Công đoạn 1: Thu thập, khai thác và quản lý Trong công đoạn này cho phép chúng ta có thể thu nhận, khai thác, tìm kiếm, phân tích, xử lý, phân loại và quản lý các loài cây dược liệu. Trên cơ sở đó xây dựng kho cơ sở dữ liệu (CSDL) nhằm phục vụ cho việc quản lý, theo dõi và quản lý sau này. Công đoạn 2: Nghiên cứu, trích chọn ra các đặc trưng của các loài cây thông qua kết cấu, mầu sắc, nội dung, đường biên, của từng loài cây trên cơ sở lá, thân, tán cây,Việc lựa chọn những đặc trưng nào phụ thuộc vào kỹ thuật tra cứu của từng bài toán. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Văn Huân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 103 - 110 106 Công đoạn 3: Nghiên cứu và đối sánh độ tương tự (tương đồng) giữa dữ liệu đầu vào (ảnh cây dược liệu cần nhận dạng) và dữ liệu về cây dược liệu trong CSDL. Công đoạn 4: Hiển thị cho ra kết quả tra cứu về cây dược liệu với các đặc trưng về các đặc tính, công dụng của cây dược liệu. Nhìn chung, bốn công đoạn trên đều phục vụ cho hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu. Vì vậy, để thực hiện việc xây dựng hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu thì chúng ta cần hiểu được quy trình, các thành phần của hệ thống, đặc biệt là người sử dụng. Dưới đây là một số biểu đồ phân tích quá trình của một hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu. - Biểu đồ Use Case: Hình 4. Biểu đồ Use Case - Tác nhân tra cứu ảnh cây dược liệu: Mô tả dòng công việc (1). Người sử dụng lựa chọn ảnh truy vấn và nhấn nút tra cứu. (2). Hệ thống sẽ tiến hành trích rút biểu đồ màu của ảnh truy vấn. (3). Hệ thống sẽ tiến hành tìm kiếm ảnh và hiển thị kết quả ra màn hình. + Biểu đồ trình tự: Hình 5. Biểu đồ trình tự của tác nhân tra cứu + Biểu đồ cộng tác: Hình 5. Biểu đồ trình tự của tác nhân tra cứu Hình 6. Biểu đồ cộng tác của tác nhân tra cứu + Biểu đồ hoạt động: Hình 7. Biểu đồ hoạt động của tác nhân tra cứu ảnh - Tác nhân quản lý cơ sở dữ liệu ảnh: Mô tả dòng công việc: (1). Người sử dụng chọn thêm ảnh vào cơ sở dữ liệu: (2). Chọn một thư mục ảnh để đưa vào cơ sở dữ liệu. (3). Hệ thống lấy thông tin về thư mục ảnh và trích chọn các véc tơ đặc trưng. (4). Nếu không có lỗi thì cập nhật vào cơ sở dữ liệu, ngược lại thông báo lỗi. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Văn Huân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 103 - 110 107 + Biểu đồ trình tự: Hình 8. Biểu đồ trình tự của tác nhân quản lý CSDL ảnh + Biểu đồ cộng tác: Hình 9. Biểu đồ cộng tác của tác nhân quản lý CSDL ảnh + Biểu đồ hoạt động: Hình 10. Biểu đồ hoạt động của chức năng quản lý cơ sở dữ liệu ảnh - Thiết kế cơ sở dữ liệu ảnh cây dược liệu: Dựa vào cơ sở phân tích hệ thống ở trên, tác giả đưa ra cơ sở dữ liệu để quản lý, khai thác và tra cứu ảnh cây dược liệu sau: Hình 11. Biểu đồ liên kết giữa các bảng - Thiết kế giao diện hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu: Trên cơ sở phân tích các yêu cầu và quy trình hoạt động của hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu từ Kho CSDL ảnh cây dược liệu Việt Nam, nhóm tác giả đã tiến hành thiết kế giao diện cho hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu nhằm phục vụ cho công tác khai thác, quản lý một cách hiệu quả. Dưới đây là một số giao diện chương trình hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu: Hình 12. Giao diện chính của chương trình Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Văn Huân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 103 - 110 108 Hình 12 mô tả toàn bộ giao diện chương trình bao gồm textbox cho phép chọn thư mục tìm kiếm, chọn ảnh tra cứu, nút button tìm kiếm cho phép thực hiện chương trình và giao diện hiển thị kết quả tra cứu. Hình 13. Giao diện chọn cơ sở dữ liệu ảnh Hình 13 là giao diện chọn CSDL ảnh tra cứu, khi người sử dụng Click vào Chọn thư mục ảnh, giao diện sẽ hiển thị một danh sách các thư mục ảnh để lựa chọn. Trên cơ sở dữ liệu ảnh cây dược liệu cùng với giao diện chương trình đã được thiết kế, nhóm tác giả tiến hành cài đặt kỹ thuật tra cứu ảnh dựa theo các đặc trưng, công dụng, của lá cây để phục vụ cho việc tra cứu. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu được phân tích và thiết kế đã được tiến hành thực nghiệm trên máy tính PC với CPU T2050 @1.60 GHz, 1 GB RAM và Kho CSDL ảnh cây dược liệu đã được xây dựng gồm 500 loại cây. Dựa vào các hình 12, 13 ở trên, hệ thống chọn ảnh truy vấn là lá lốt có giao diện như trong hình 14, 15. Dựa trên cơ sở đưa ra Kho CSDL ảnh cây dược liệu trong công trình [3], bài báo này đã tiến hành phân tích và thiết kế hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu từ Kho CSDL ảnh cây dược liệu. Hệ thống này rất quan trọng và có ý nghĩa thực sự cho việc khai thác, phát hiện, xử lý và nhận dạng chúng một cách chính xác hơn, đồng thời phục vụ cho việc quản lý, phát triển, duy trì và bảo tồn các loài cây dược liệu của Việt Nam, đặc biệt khu rừng núi tỉnh Thái Nguyên được hiệu quả. Hình 14. Giao diện chọn dữ liệu ảnh lá lốt Hình 15. Giao diện trả về kết quả Việc phân tích và thiết kế hệ thống tra cứu ảnh cây dược liệu này là cơ sở cho việc đề xuất ra những giải pháp ứng dụng công nghệ thông tin vào phục vụ cho việc nhận dạng và tra cứu sau này cho các nhà quản lý, nhà dược liệu được hiệu quả và nhanh chóng. Từ đó, giúp cho họ đưa ra được những quyết định đúng đắn, chính xác hơn. KẾT LUẬN Cây dược liệu là nhóm cây có ý nghĩa hết sức quan trọng trong đời sống con người, động vật, Đặc biệt là trong chăm sóc sức khoẻ. Vì vậy, việc khai thác và quản lý chúng một cách hiệu quả là rất quan trọng. Trong công trình [4] của nhóm tác giả Huân đã đề xuất Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Văn Huân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 103 - 110 109 Kho CSDL cây dược liệu với 500 loài cây. Tuy nhiên, để khai thác và quản lý các cây dược liệu một cách hiệu quả từ Kho CSDL, từ những cây dược liệu còn đã và đang được tìm kiếm, phát hiện, nhận dạng và khai thác thì việc đề xuất những giải pháp hữu hiệu là cần thiết. Bài báo này đã đề xuất một giải pháp khai thác Kho CSDL cây dược liệu, đó là phân tích và thiết kế hệ thống tra cứu Cây dược liệu Việt Nam dựa vào trích chọn đặc trưng của ảnh lá cây. Kết quả bài báo này sẽ góp phần làm tiền đề cho đề xuất các giải pháp nhận dạng, xử lý và phát hiện những cây dược liệu một cách nhanh chóng, hiệu quả trên cơ sở những đặc trưng, đặc tính và các công dụng của chúng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Anant Bhardwaj, Manpreet Kaur, and Anupam Kumar. (2013), “Recognition of plants by Leaf Image using Moment Invariant and Texture Analysis”, International Journal of Innovation and Applied Studies, Vol. 3, No. 1, pp. 237-248. [2]. Cihan Sari. (2013), “Shape Based Leaf Recognition”, Proceedings of Sistem ve Kontrol Mühendisli˘gi Bölümü. [3]. Nguyễn Văn Huân, Nguyễn Văn Tảo, Lê Triệu Tuấn, Nguyễn Thị Hằng, Nguyễn Thị Bích Hạnh. (2013), Một giải pháp thu thập và quản lý dữ liệu về Cây dược liệu quý Việt Nam, Báo cáo gửi đăng tại Hội nghị Địa lý Toàn quốc. [4]. Đỗ Tất Lợi. (2004), Những cây thuốc và vị thuốc Việt Nam, Nhà xuất bản Y Học. [5]. Habdolvahab Ehsanirad and Sharath Kumar Y. (2010), “Leaf recognition for plant classification using GLCM and PCA methods”, Oriental Journal of Computer Science & Technology, Vol. 3, No 1, pp. 36-38. [6]. Ji-Xiang Du, Xiao-Feng Wang, Guo-Jun Zhang. (2007), “Leaf shape based plant species recognition”, Applied Mathematics and Computation, Vol. 185, No 2007, pp. 883-893. [7]. Jyotismita Chaki and Ranjan Parekh. (2011), “Plant Leaf Recognition using Shape based Features and Neural Network classifiers”, International Journal of Advanced Computer Science and Applications, Vol. 2, No. 10. [8]. Kue-Bum Lee, Kwang-Seok Hong. (2012), “Advanced Leaf Recognition based on Leaf Contour and Centroid for Plant Classification”, International Journal of Bio-Science and Bio- Technology, Vol. 5, No. 2. [9]. N.Valliammal and Dr.S.N.Geethalakshmi. (2011), “Automatic Recognition System Using Preferential Image Segmentation For Leaf And Flower Images”, Computer Science & Engineering: An International Journal (CSEIJ), Vol.1, No.4. [10]. M. S. Prasad Babu & B.Srinivasa Rao. (2007), Leaves Recognition Using Back Propagation Neural Network-Advice for Pest & Disease Control On Crops, Technical Report, Department of Computer Science and Systems Engineering, Andhra University, India. [11]. Qingfeng Wu, Changle Zhou and Chaonan Wang. (2006), Feature Extraction and Automatic Recognition of Plant Leaf Using Artificial Neural Network, Published by the Center for Computing Research of IPN, Mexico. [12]. Stephen Gang Wu, Forrest Sheng Bao, Eric You Xu. (2007), A Leaf Recognition Algorithm for Plant Classification Using Probabilistic Neural Network, Published at IEEE 7th International Symposium on Signal Processing and Information Technology, Cario, Egypt. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Nguyễn Văn Huân và Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 106(06): 103 - 110 110 SUMMARY A SOLUTION FOR RETRIEVING AND MANAGING MEDICINAL PLANTS IN VIETNAM BASED ON CHOOSING THE TYPICAL FEATURES OF MEDICIAL PLANTS IN THE DATABASE WAREHOUSE Nguyen Van Huan1, Nguyen Van Tao1, Nguyen Thi Bich Hanh2* 1College of Information and Communcation Technology - TNU 2Agriculture and Forestry Research and Development center for Northern mountainous region - College of Agriculture and Forestry - TNU Medicinal plants have an important role in our life, especially in health care. Therefore, the data management of precious medicinal plants is very important and contributes to the management and conversation of each specie. One of the effective solutions is to build a database system of medicinal plants in Vietnam. This database system will help managers in exploring, maintaining and conserving effectively. The article's authors Huan [3] has given a solution for building ‘a database warehouse ” which will be used to acquisi, explore and manage medicinal plants. This data system is managing 500 trees. Following the results of the research work [3], this paper proposes a solution for exploring the database warehouse of the medicinal plants. That is the analysis and design a system of querying medicinal plants in Vietnam based on choosing the typical features of leaves. This result will be a major premise to give solutions for reorganization and treatment of medicinal plants quickly, effectively based on their characteristics and their use. Key words: Medicinal plants, feature extraction, database warehouse, analysis and design a system, leaf recognition. Ngày nhận bài: 10/6/2013; Ngày phản biện: 19/7/2013; Ngày duyệt đăng: 26/7/2013 * Tel: 0989 86 96 83; Email: hanhnb08@gmail.com Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên