肺部CT分割算法实现

肺部CT分割算法实现
肺部CT分割算法实现

肺部CT分割算法实现

蒋黎丽,吕英华

北京邮电大学通信网络综合技术研究所,北京(100876)

E-mail: blueriffle@https://www.360docs.net/doc/0d5040885.html,

摘要:医学图像分割技术发展至今,其相关算法的可谓种类繁多,层出不穷,但依然无法完全满足人们的实际需求。针对医学图像的特点,研究更有效的医学图像分割方法有着重要意义。本文重点介绍了医学图像分割算法中的基于小波的分割算法,并对肺CT图像进行切割,得到较好的实验结果。

关键词:肺,CT图像,分割

中图分类号:TP

1. 引言

近年来,随着计算机及其相关技术的迅速发展及图形图像技术的日渐成熟,使得该技术渗入医学领域中,开创了数字医疗的新时代。自20世纪90年代起,借助计算机影像处理与分析、计算机图形学、虚拟现实和计算机网络等技术的医学影像处理与分析,一直是国内外研究与应用的热点,也逐渐形成了具有特色的一门交叉学科。借助图形图像技术的有力手段,使得诊疗水平大大提高[1]。

医学图像分割技术发展至今,其相关算法的可谓种类繁多,层出不穷,但依然无法完全满足人们的实际需求。包括:无法完全用数学模型来简单描述人们说面临的实际问题;图像结构性质的千差万别;导致图像退化性质迥异以及人们对分割结果预期目标互不相同等。这些都决定了难以实现一种通用的分割方法。因此,针对医学图像的特点,研究更有效的医学图像分割方法有着重要意义。

2. 图像分割技术

图像分割(image segmentation)是一种重要的图像技术,它不仅得到人们广泛的重视和研究,也在实际中得到大量的应用。其实在不同领域中说到的目标轮廓技术、阈值化技术、图像区分或求差技术、目标检测技术、目标识别技术和目标跟踪技术等,这些技术本身或核心实际上也是图像分割技术[2]。

因此,围绕着图像分割的研究,至今为止,产生了许多分割技术。这里,根据处理图像性质的不同将分割算法划分为两类:一类就是对一般的数字图像进行处理的算法,称为传统的分割技术;一类就是对特殊的数字图像(例如医学图像等)进行处理的算法。

2.1传统的分割技术

这里所说的传统的分割方法是指那些已经被人们广泛运用于图像分割的方法,这些方法的特点就是经过时间的验证,对一些常用而比较普遍的图像分割处理问题能比较理想的解决。但是现在社会的高速发展必定会提出更高层次的分割问题,所以我们必须要发掘新的理论领域来结合图像的特征要求,从而发现新的方法。

传统的分割算法有阀值分割算法,边缘检测算法,腐蚀运算,边界跟踪与拟合,直方图等算法,这里就不详细说明。本文重点介绍下面的基于小波的分割技术。

2.2基于小波的分割技术

2.2.1小波变换简介

小波变换是近年得到广泛应用的数学工具。与傅立叶(Fourier )变换、窗口傅立叶变换(Gabor 变换)相比,小波变换是空间(时间)和频率的局域变换,因而能有效地从信号中提取信息。它通过伸缩和平移等运算对函数或信号进行多尺度细化分析,解决了傅立叶变换不能解决的许多困难问题,因而被誉为“数学显微镜” [3]。作为多尺度多通道分析工具,小波变换为信号在不同尺度上的分析和表征提供了一个精确和统一的框架。从图像分割的角度看,小波变换的以下几个优点值得注意:

1.小波分解可以覆盖整个频域(提供了一个数学上完备的描述);

2.小波变换通过选取合适的滤波器,可以极大地减少或去除所提取的不同特征之间的相关性;

3.小波变换具有“变焦”(zooming )特性,在低频段可用高频率分辨率和低时间分辨率(宽分析窗口),在高频段可用低频率分辨率和高时间分辨率(窄分析窗口);

4.小波变换实现上有快速算法(Mallat 小波分解算法)[4]。

设函数()x ψ,满足()0x dx ψ+∞

?∞=∫,用尺度因子S 对()x ψ进行放缩得到一组函数()(/)/s x x S S ψψ=,则在位置处,函数f(x)的尺度为S 的小波变换定义为:

[()]()()()()S s s W f x f x t f x x t dt

ψψ+∞

?∞

=?=

?∫

2.2.1

其中()x ψ称为小波函数,上式称为连续小波变换式。

如尺度S 以二进方式离散取值,2i

S =(i 是整数),则可得到相应的二进小波变换:

22[()]()()

i i W f x f x t ψ=? 2.2.2

反变换为

22()[()]()

i

i i f x W

f x r x +∞

=?∞

=

?∑ 2.2.3

其中r(x)为重构小波函数,其傅立叶变换为:

(2)(2)1

i

i

i w R w ψ+∞

=?∞

=∑ 2.2.4

小波变换可利用半带低通和半带高通滤波器来实现。一般来说的小波变换仅对低通滤波器的输出递归进行。如图2.10所示,给出对2-D 图像的二级分解示意图,其中在每个尺度上分解为四个频道,即LL ,HL ,LH ,HH 。这也称为金字塔结构小波分解。

图2.10 2-D 图像的二级小波分解示意图

如果不仅对低通滤波器的输出进行递归分解,而且也对高通滤波器的输出进行递归分解,这称为小波包变换。如图2.11所示,对2-D 图像的小波包变换形成四叉树结构,给出二级分解的示意图。

图2.11 2-D 图像的二级小波包分解示意图

2.2.2二进小波变换

在实际应用中,特别是计算机信号与图像处理方法的实施中,为了确定有效算法,只考

虑离散抽样。对于连续小波来说,若取尺度

2,j

a j z =∈,并仅考虑时间轴上的进值2j

b K =,而不是所有的b Z ∈,就可以实现均匀离散抽样,由此形成的小波是二进小波[5]。

当信号频带为有限时,移位因子同样可被二进离散化。假定小波函数()x ψ的尺度和移位因子经离散化后可写成

,/2

1

()(),,2

2m n m m x

x n m n Z ψψ=

?∈ 2.2.5

函数

2

()()f x L R ∈对应的二进小波变换便可被写成 *,/221()(),()()()22m m n m m x

W f n f x x f x n dx ψψ∞?∞≤≥?∫ 2.2.6

称此为离散二进小波变换。

离散小波变换具有以下的特性: 1.

,()

j k x ψ是小波函数()x ψ在尺度上的伸缩和时频上的平移得到的。随的变化,

,()

j k x ψ在频域上处于不同的频段上,随k 的变化,

,()

j k x ψ在时域上处于不同的时段。

2.尺度j 增大时,

,()

j k x ψ在时域上伸展,在频域上收缩,中心频率降低,变换的时域

分辨率降低,频域分辨率提高;尺度j 减小时,

,()

j k x ψ在时域上收缩,在频域上伸展,中

心频率升高,变换的时域分辨率提高,频域分辨率降低。

综上可见,离散小波变换时一种多分辨率的时-频分析。 2.2.3多分辨率分析及Mallat 算法

小波变换中,当尺度a 较大时视野宽而分析频率低,可以作概貌的观察;当尺度较小时视野窄而分析频率高,可以作细节的观察;但不同a 值下分析的品质因数(中心频率域带宽之比)却保持不变。这种又粗到细地对事物进行的逐级分析称为多分辨率分析,亦称多尺度分析,是小波分析的核心内容之一,其分析过程符合人类视觉特点和思维方式。它的基本思想是将原始信号按不同分辨率分解为多个信号,然后选择合适的分辨率或者同时在各级分辨率上对该信号进行分析处理。

多分辨率分析是由Mallat 提出的,可用于正交小波的分解和重建,也称金字塔算法,或Mallat 算法[6]。

关于多分辨率的理解,下面以一个三层的分解予以说明,其小波分解树如图2.12可以看出,多分辨率分析只是对信号的低频部分进行进一步的分解,而对高频部分则不予考虑。分解具有关系S=A3+D3+D2+D1。依此类推可进行更多层次的分解。

图2.12小波多尺度分解

定义1 空间2()L R 中的多分辨分析是指2

()L R 中满足如下条件的一个空间序列

{}j j z V ∈:

1) 单调性:1j j V V +∈,对于任意j Z ∈; 2) 逼近性:

{0}j

j Z

V

∈=U ,2{}()j close V L R ∞

?∞

=I ;

3) 伸缩性:1()(2)j j f t V f t V +∈?∈;

4) 平移不变性:k Z ?∈,有/2

/2(2

)(2)j j j j j j t V t k V ????∈??∈;

5)Riesz 基存在性:存在0()j t V ?∈,使得/2

{(2)}j j t k k Z ???∈构成j V 的Riesz 基。

对于条件5,可以证明,存在0()j t V ?∈,使它的整数平移系/2

{(2

)}j j t k k Z ???∈构成

j V 的规范正交基,称()t ?为尺度函数。若定义函数,()j k t ?为:

/2,()2(2)j j j k t k ????=? ,j k Z ∈ 2.2.7

则函数系,{()}j k t k Z ?∈是规范正交的。 尺度函数和小波函数满足二尺度差分方程:

0()()(2)k t h k t k ??∞

=?∞

=?∑ 2.2.8

1()()(2)k t h k t k ψ?∞

=?∞

=?∑ 2.2.9

其中0()h k ,1()h k 是加权系数。二尺度差分方程揭示了相邻尺度下小波函数和尺度函 数之间的联系,是多分辨率分析中小波函数和尺度函数的一个重要性质。用小波对信号进行分析时,需要先求小波基函数,求小波基主要集中在求尺度函数上。具体做法是首先找到一个()t φ函数,使它既能满足二尺度差分方程又能满足频域Riesz 条件,然后将()t φ转换为归一正交基,则小波基可由尺度函数()t φ的平移和伸缩的线性组合获得。

在上述多分辨率分析的基础上,下述两个定理给出了如何通过滤波器组实现信号的小波变换及反变换。

定理1:令()j a k ,()j d k 是多分辨率分析中的离散逼近系数,0()h k 、1()h k 是满足二尺度差分方程的两个滤波器,则()j a k 、()j d k 存在如下递推关系:

10

()()(2)j j

n a k a n h n k ∞

+=?∞

=?∑ 2.2.10

11

()()(2)j j

n d k a n h n k ∞

+=?∞

=

?∑

2.2.11

如果令j 由0逐渐增大,即可得到多分辨率的逐级实现。

定理2:若1()j a k +、1()j d k +由上两式得到,则()j a k 可由下式重构:

1

1()()(2)()(2)j j

j n n a k a k h k n d

k h k n ∞∞

+=?∞

=?∞

=

?+?∑∑ 2.2.12

若j 递减,则整个重构过程正好是逆过程。

定理1、定理2给出的迭代算法即是一维情形下的Mallat 小波快速分解重构算法。

因为图像信号为二维信号,所以把小波变换推广到二维:令12(,)f x x 表示一个二维信号, x1 和x2分别是横坐标与纵坐标。设12(,)x x ψ为二维基本小波,12,,12(,)a r r x x ψ表示12(,)x x ψ的的尺度伸缩和位移:

12

1122

,,121(,)(

,)a r r x x x x a a a

ττψψ??= 2.2.13 则二维连续小波变换的定义为:

121122

1212,,1212121(,,)(,),(,)(,)(,)f a r r x x W T a f x x x x f x x dx dx a a a

ττττψψ??==

∫∫ 2.2.14 为把一维多分辨率分析推广到二维多分辨率分析。设:12(,)f x x 是2

()L R 二维实空间内的二维函数,尺度a 按2的幂级数做函数空间的二剖分,其基本尺度函数是

1212(,)()()x x x x φφφ=。有三个基本小波:

(1)1212(2)

1221(3)

1212(,)()()

(,)()()(,)()()

x x x x x x x x x x x x ψφψψφψψψψ?=?=??=? 2.2.15 在二维可分离的情况下,多分辨率分析可分为两步。如图2.13所示,先沿1x 方向分别用

11()()x x φψ作分析,把图像信号12(,)f x x 分解成平滑逼近和细节两部分,然后对这两部分

再沿2x 方向分别用2()x φ和2()x ψ分解,由此得到四路输出,其中有一路平滑逼近

112(,)A f x x 和三路细节输出(1)112(,)D f x x 、(2)112(,)D f x x 和(3)112(,)D f x x 对第j 级分析类

似于以上结果。重构过程为以上分解过程的逆过程。

图2.13 二维小波的多尺度分解

2.2.4多尺度边缘检测

多尺度一般指空间尺度(也有考虑灰度尺度的),它常与多分辨率的方法相联系。一般认为再较大尺度下常能较可靠地消除误检和检测到真正的边缘点,但在大尺度下对边缘的定位不易准确。相反,在较小尺度下对真正边缘点的定位常比较准确,但在小尺度下误检的比例会增加。所以可考虑先在较大尺度下检测出真正的边缘点,再在较小尺度下对真正边缘点进行较精确的定位。

小波变换和分析作为一种多尺度多通道分析工具,比较适合对图像进行多尺度的边缘检测[6]。例如可利用高斯函数的一阶和二阶导数作为小波函数,利用Mallat 算法分解小波,然后基于马尔算子进行多尺度边缘检测。这里小波分解的级数可以控制观察距离的“调焦”,而

改变高斯函数的标准差可选择所检测边缘的细节程度。小波变换的计算复杂度较低,抗噪声能力较强。理论证明以零点为对称点的对称二进小波适合检测屋顶状边缘,而以零点为反对称点的反对称二进小波适合检测阶跃状边缘。近年来多进制小波也开始用于边缘检测。另外,利用正交小波基的小波变换也可提取多尺度边缘,并可通过对图像奇异度的计算和估计来区分一些边缘的类型。

下面介绍一种利用对小波模极大值的计算来进行多尺度边缘检测的方法。

定义θ(x)为二维平滑函数,它在整个平面上的积分为1,并且它在x 或为无限远处收敛

到0。现定义两个小波函数

(1)()x ψ和(2)

()x ψ为: (1)(,)

()x y x x θψ?=? 2.2.16 (2)(,)

()x y x y θψ?=

? 2.2.17

这样,图像f(x,y)的小波变换的两个分量在尺度为S 时定义为:

(1)*(1)[(,)](,)S s W f x y f x y ψ= 2.2.18 (2)*(2)[(,)](,)S s W f x y f x y ψ= 2.2.19

对于二进小波变换,就有

(1)

222(2)22()(,)[(,)]22)(,)[(,)]()(,)i i i i i i i

f x y W f x y x f x y W f x y f x y y θθθ→

???

??????????==?????

???????????? 2.2.20

可以看出,式中小波变换的两个分量正比于梯度矢量2)(,)

i f x y θ→

??的两个分量。在

任一尺度2i

,梯度矢量的模等于

2[(,)]i M f x y = 2.2.21

梯度矢量与水平轴的夹角为:

(1)(2)222[(,)]arg([(,)][(,)])

i i i A f x y W f x y jW f x y =+ 2.2.22

2(,)(,)

i f x y x y θ?上变化剧烈的点就是沿着梯度方向

2[(,)]i A f x y 上模

2[(,)]

i M f x y 为局

部极大值的那些点。在θ(x,y)是高斯函数的特殊情况下,小波模极大值对外界的检测与坎尼算子对边界的检测是一致的。 2.2.5多分辨率阈值选取

小波变换的多分辨率能力也可用直方图分析,有一种基于直方图分析的阈值选取方法主要有以下两个步骤:

1)利用在粗分辨率下的直方图细节信息确定分割区域的类数 引入尺度函数φ(x),它的傅立叶变换满足条件:

2

2

()()(2)

i ωωωΦ=Φ 2.2.23

可见,φ(x)相当于低通滤波器,这样图像直方图H(x)的低通分量为:

22[()]()()

i i S H x H x x φ=? 2.2.24

设原始图像直方图信号的分辨率为1,最低分辨率尺度为2I

,则尺度2I

和2i

之间的各阶小波变换为

{}

222(),1i I i W H x i I <<。对信号在尺度为2I

时被平滑掉的高频部分可以用

尺度在2I

和2i

之间的小波变换来恢复。这里集合22{[()]},[()],1}

I i S H x W H x i I ≤≤就是直

方图的多分辨率小波分解表示。

先在分辨率为2i

时确定初始的区域分割类数。这可通过判断直方图中独立峰的 个数来进行,这里要求独立峰应满足三个条件:①具有一定的灰度范围;②具有一定的峰下面积;③具有一定的峰谷差。

2)在直方图的相邻峰之间确定最优阈值

可利用多分辨率的层次结构进行。首先在最低分辨率一层进行,然后逐渐向高层推进,直到最高分辨率层。选高斯函数作为平滑函数()x θ,如再选小波函数为()x ψ:

22()

()d x x dx θψ=

2.2.25

则()x ψ对于对应的二进小波变换为:

2

2

2

22[()](2)[()()]i i i d W f x f x x dx θ=? 2.2.26

由上式可知小波变换的零交叉表示了在分辨率2i

时的低通信号

2()()

i f x x θ?,的剧烈

变化点。当尺度2i

减小时,信号的局部细节增多;而当尺度2i

增加时,信号中结构较大的轮廓比较明显。给定直方图,考虑其多分辨率小波分解表示的零交叉点和极值点来确定直方图的峰值点和谷点[7]。

图2.14直方图的峰点和谷点的确定

具体可用以下四个准则(参考图2.14所示):

1)用从负值变化到正值的零交叉点确定峰的起点(图中各s 点); 2)用从正值变化到负值的零交叉点确定峰的终点(图中各e 点); 3)用起点和终点间的最大值点确定峰的位置(图中各T 点);

4)用前一个峰的终点和后一个峰的起点间的最大值点确定这两个峰之间谷点的位置(图中各B 点)。

当分辨率逐渐增加时,阈值数目也会逐渐增加。可用最小距离判据来解决两相邻尺度之

间阈值并非一一对应的问题。设在两相邻尺度1

2i +和2i

所对应的阈值为

1j i T +和j

k T 。这样可对在最低分辨率一层选取的所有阈值逐层跟踪,最后选取相应的最高分辨率一层的对应阈值作为最优阈值。

2.2.6基于小波变换的阈值法分割

其基本思想是首先由二进制小波变换将图像的直方图分解为不同层次的小波系数,然后依照给定的分割准则和小波系数选择阈值门限,最后利用阈值标出图像分割的区域。整个分

割过程是从粗到细,由尺度变化来控制,即起始分割由粗略的2

()L R 子空间上投影的直方图

来实现,如果分割不理想,则利用直方图在粗细的子空间上的小波系数逐步细化图像分割。分割算法的计算量与图像尺寸大小呈线性变化。在这里,先介绍直方图的多分辨率分析。对

于每个整数j Z ∈(Z 是整数集合),j d

表示在分辨率下的二进制有有理数。因此,对于任何j Z ∈,j d 是一组在实数轴上等间隔采样点集合,如果i

表示低分辨(较粗)的

采样点;反之,i>j ,则

j

d 表示高分辨(较细)的采样点。假定f 表示为一幅图像,g 是图像

f 中最大灰度,则直方图表示为

{}()(,):(,);[0,]

f h k x y f x y k k

g ==∈ 2.2.28

式中,“

...

”表示计数操作,

()

f h k 是离散函数。令

()(),[,1]

f f h k h x x k k =∈+离散函数

()

f h k 表示成连续函数

()

f h x ,

()

f h k 看作是由几个分段常数函数组成。对于j Z ∈,f h

采样点

{}

j d 采样,则

j

f h 表示在分辨率下的直方图。进一步

j

f h 可以用Harr

尺度函数()x φ的平移与伸缩表示,即

1,01()0x x φ≤≤?=?

?其他

2.2.29

()(2)(2)

j j j f f n Z

h k h n x n φ??∈=?∑ 2.2.30

由于连续函数()

f h x 有若干个分段常数函数组成,存在阶梯现象,需用滤波操作平滑处

理函数

()

f h x ,去掉其高频成分。

对于多层表达曲线

()

f h x 的有两种表达方式

方式一:,,(),{}{,}

f k j k k f j k k Z

h x a a h φφ∈==∑ 2.2.31

在这里,

/2,()2(2);j j j k x x k φφ=??

表示内积。

方式二:

0,,,0()J

f k k j k j k

n Z

i k z

h x a b φψ∈=∈=+∑∑∑ 2.2.32

在这里

0,,,,{}{,},{}{,},{},{}

k f k j k f j k k j k a h b h a b φφ==统称为小波系数。根据式(2.2.31)

和(2.2.32),有两种阈值分割算法。

算法1[8]:对光滑的直方图曲线按式(2.2.31)进行多分辨分解,利用分解系数{}k a 从

粗到细,找出分割阈值。步骤如下:

1.预设分割区域为M ,分解级数2log ()j L =?L 为图像中的最大灰度值;

2.按上式分解曲线f

h ,得到

,{}{,}k j f j k k z

a h φ∈=;

3.从分解系数{}k j

a 找出满足

1l l a a ?>和1l l a a +<条件的标号l (灰度),并且统计标

号l 的个数;

4.如果n

{}k j

a 中找到多阈值

1,{}i n i i i

l δδ≥≥=

6.象素值与阈值

1,

{}i n i δ≥≥比较,标出其所在区域。

算法2[9]:对直方图进行小波分解,利用小波系数

,{{},{}}

k j k a b 按式(2.2.32)重建直

方图,从近似直方图中选择阈值,完成分割阈值。步骤如下:

1.预设分割区域为M ,分解级数2log ()J L =,L 为图像中的最大灰度值;

2.小波分解曲线f

h ,得到

,{{},{}}k j k a b 令=0,

,,{}{}

j k j k d b =

3.

,,{}{}

j k j k d b =将大于j 分解层次的

,{}

j k b 系数置为零,用式(2.2.32)重建,在重建

直方图~

f h 中,找出满足~

~

,1,f l f l h h +>和~

~

,1,f l f l h h ?>条件的标号l (灰度),并且统计标号l 的个数n ;

4.如果n

f h 中,找到多阈值1,{}i n i i i

l δδ≥≥=

6.象素值与阈值

1,

{}i n i δ≥≥比较,标出其所在区域。

3. 分割算法实现的结果与分析

由于肺部区域内部除肺泡之外包含了血管,小气管,淋巴管和神经,如果有的话还将包括病变组织,这就形成了它的多细节性。加上此类组织都很微小,所以要将它们分割出来必须要采取特定的数学工具。文中就采用了如上面详细描述的有“数学显微镜”之称的小波变换

的方法,很好地利用其的多分辨率的特性,求出肺实质中的多阈值,进行基于小波变换的多阈值分割。

具体实现方法:求出整个区域内CT 值的最大模值,然后就得到分解级数

2log ()1

j L =?+,其中

A

表示不大于A 的最大整数。对于每一个分解级数从小到大求出分解系数

,{}{,}k j f j k k Z a h φ∈=,其中

,j k

φ由Harr 尺度函数平移和伸缩得到。从分解系数

{}k j

a 中,找出满足

1l l a a ?>和1l l a a +<条件的标号l (灰度)。由此对于整个分解级数序列

可以相应的得到一个多阈值

1,

{}i n i δ≥≥从中选出最为理想的阈值(实验中采取的是它们的平均

值)作为最后小波变换得到的分割阈值。

图3.1 肺部CT 图像原始图

图3.2 肺CT图像分割结果

要分割的原始图像如图3.1所示,最后的分割结果如图3.2所示,可见肺区域内那些大大小小的非呼吸组织都能很好的被分割出来了,留下了整个肺部的呼吸组织。

4. 总结

以上结果可见,利用本文的方法能去除图像背景和位于胸腔中的大气管的干扰,正确地分割出肺实质,并保证左右两肺相互分开,最后通过小波变换的分割方法精确搜索和检测肺瘤组织。本文的方法简单、易于实现,且分割速度非常快,能对一个CT图像序列中的每一个图像分别采用阈值、基于形态学和小波变换相结合的方法,完全自动、准确地分割出图像序列中每一帧图像的肺部区域并剔除其中的病变组织。

参考文献

[1] 章毓晋,《图像分割》,科学出版社 2001.2

[2] 孙即祥,《图像分析》,科学出版社,2005.7

[3] 庄天戈,《CT 原理与算法》,上海交通大学出版社,1992.5

[4] 聂生东等,《自动分割CT 图像中肺实质的方法》,上海理工大学出版社,2000.9

[5] R.C.Gonzalez, R.E Woods, Digital Image Processing, Addison-Wesley, 2002

[6] 陈旭,庄天戈,胸部高分辨率CT 片中肺实质的自动分割,上海交通大学学报,2002

[7] R.Wiemker, Optimal thresholding for 3D segmentation of pulmonary nodulesin high resolution CT. International Congress Series, 2001

[8] 薛以锋等,基于CT 图像的肺结节计算机辅助诊断系统,中国医学物理学杂志,2006

[9] Samuel G. William F. Sensakovic. Automated lung segmentation for thoracic CT. Academic Radiology, 2004

The segmentation method for lung parenchyma of CT image

Jiang Lili,Lu Yinghua

Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing, PRC, (100876)

Abstract

There are many kinds of methods of segmentation with the development of medical image segmentation technology, but people’s practical requirement can not be satisfied. In the light of features of medical image, it is very important to search effective segmentation methods. This paper mainly introduces a segmentation method based on wavelet transform, and segmented the CT image of lung, and got a good result.

Keywords: lung , CT image , segmentation

关于图像分割算法的研究

关于图像分割算法的研究 黄斌 (福州大学物理与信息工程学院 福州 350001) 摘要:图像分割是图像处理中的一个重要问题,也是一个经典难题。因此对于图像分割的研究在过去的四十多年里一直受到人们广泛的重视,也提山了数以千计的不同算法。虽然这些算法大都在不同程度上取得了一定的成功,但是图像分割问题还远远没有解决。本文从图像分割的定义、应用等研究背景入手,深入介绍了目前各种经典的图像分割算法,并在此基础比较了各种算法的优缺点,总结了当前图像分割技术中所面临的挑战,最后展望了其未来值得努力的研究方向。 关键词:图像分割 阀值分割 边缘分割 区域分割 一、 引言 图像分割是图像从处理到分析的转变关键,也是一种基本的计算机视觉技术。通过图像的分割、目标的分离、特征的提取和参数的测量将原始图像转化为更抽象更紧凑的形式,使得更高层的分析和理解成为可能,因此它被称为连接低级视觉和高级视觉的桥梁和纽带。所谓图像分割就是要将图像表示为物理上有意义的连通区域的集合,也就是根据目标与背景的先验知识,对图像中的目标、背景进行标记、定位,然后将目标从背景或其它伪目标中分离出来[1]。 图像分割可以形式化定义如下[2]:令有序集合表示图像区域(像素点集),H 表示为具有相同性质的谓词,图像分割是把I 分割成为n 个区域记为Ri ,i=1,2,…,n ,满足: (1) 1,,,,n i i j i R I R R i j i j ===??≠ (2) (),1,2,,i i i n H R True ?== (3) () ,,,i j i j i j H R R False ?≠= 条件(1)表明分割区域要覆盖整个图像且各区域互不重叠,条件(2)表明每个区域都具有相同性质,条件(3)表明相邻的两个区域性质相异不能合并成一个区域。 自上世纪70年代起,图像分割一直受到人们的高度重视,其应用领域非常广泛,几乎出现在有关图像处理的所有领域,并涉及各种类型的图像。主要表现在: 1)医学影像分析:通过图像分割将医学图像中的不同组织分成不同的区域,以便更好的

图像分割算法的比较与分析

中北大学 课程设计说明书 学生姓名:学号: 学生姓名:学号: 学生姓名:学号: 学生姓名:学号: 学院:信息与通信工程学院 专业:电子信息工程 题目:信息处理综合实践: 图像分割算法的比较与分析 指导教师:陈平职称: 副教授 2014 年12 月29 日

中北大学 课程设计任务书 14/15 学年第一学期 学院:信息与通信工程学院专业:电子信息工程 学生姓名:学号: 课程设计题目:信息处理综合实践: 图像分割算法的比较与分析起迄日期:2015年1月5日~2015年1月16日课程设计地点:电子信息工程专业实验室 指导教师:陈平 系主任:王浩全 下达任务书日期: 2014 年12月29 日课程设计任务书

课程设计任务书

目录 第一章绪论 (1) 研究目的和意义 (1) 图像分割的研究进展 (1) 第二章区域生长法分割图像 (4) 区域生长法介绍 (4) 区域生长法的原理 (4) 区域生长法的实现过程 (5) 第三章程序及结果 (6) 区域生长算法及程序 (6) 图像分割结果 (7) 第四章方法比较 (8) 阈值法 (8) 区域法 (8) 分水岭法 (8) 形态学方法 (9) 第五章总结 (10) 参考文献 (11)

第一章绪论 研究目的和意义 图像分割是一种重要的图像技术,在理论研究和实际应用中都得到了人们的广泛重视。图像分割的方法和种类有很多,有些分割运算可直接应用于任何图像,而另一些只能适用于特殊类别的图像。许多不同种类的图像或景物都可作为待分割的图像数据,不同类型的图像,已经有相对应的分割方法对其分割;但某些分割方法只是适合于某些特殊类型的图像分割,所以分割结果的好坏需要根据具体的场合及要求衡量。图像分割是从图像处理到图像分析的关键步骤,可以说,图像分割结果的好坏直接影响对图像的理解。 图像分割是由图像处理到图像分析的关键步骤,在图像工程中占有重要位置。一方面,它是目标表达的基础,对特征测量有重要的影响。另一方面,因为图像分割及其基于分割的目标表达、特征提取和参数测量等将原始图像转化为更抽象、更紧凑的表达形式,使得更高层的图像分析和理解成为可能。因此在实际应用中,图像分割不仅仅要把一幅图像分成满足上面五个条件的各具特性的区域,而且要把其中感兴趣的目标区域提取出来。只有这样才算真正完成了图像分割的任务,为下一步的图像分析做好准备,使更高层的图像分析和理解成为可能。 图像分割在很多方面,如医学图像分析,交通监控等,都有着非常广泛的应用,具有重要的意义。(1)分割的结果常用于图像分析,如不同形式图像的配准与融合,结构的测量,图像重建以及运动跟踪等。(2)在系统仿真,效果评估,图像的3D重建以及三维定位等可视化系统中,图像分割都是预处理的重要步骤。 (3)图像分割可在不丢失有用信息的前提下进行数据压缩,这就降低了传输的带宽,对提高图像在因特网上的传输速度至关重要。(4)分割后的图像与噪声的关系减弱,具有降噪功能,便于图像的理解。 图像分割的研究进展 图像分割是图像处理中的一项关键技术,至今已提出上千种分割算法。但因

图像分割常用算法优缺点探析

图像分割常用算法优缺点探析 摘要图像分割是数字图像处理中的重要前期过程,是一项重要的图像分割技术,是图像处理中最基本的技术之一。本文着重介绍了图像分割的常用方法及每种方法中的常用算法,并比较了各自的优缺点,提出了一些改进建议,以期为人们在相关图像数据条件下,根据不同的应用范围选择分割算法时提供依据。 关键词图像分割算法综述 一、引言 图像分割决定了图像分析的最终成败。有效合理的图像分割能够为基于内容的图像检索、对象分析等抽象出十分有用的信息,从而使得更高层的图像理解成为可能。目前图像分割仍然是一个没有得到很好解决的问题,如何提高图像分割的质量得到国内外学者的广泛关注,仍是一个研究热点。 多年来人们对图像分割提出了不同的解释和表达,通俗易懂的定义则表述为:图像分割指的是把一幅图像分割成不同的区域,这些区域在某些图像特征,如边缘、纹理、颜色、亮度等方面是一致的或相似的。 二、几种常用的图像分割算法及其优缺点 (一)大津阈值分割法。 由Otsu于1978年提出大津阈值分割法又称为最大类间方差法。它是一种自动的非参数非监督的门限选取法。该方法的基本思路是选取的t的最佳阈值应当是使得不同类间的分离性最好。它的计算方法是首先计算基于直方图而得到的各分割特征值的发生概率,并以阈值变量t将分割特征值分为两类,然后求出每一类的类内方差及类间方差,选取使得类间方差最大,类内方差最小的t作为最佳阈值。 由于该方法计算简单,在一定条件下不受图像对比度与亮度变化的影响,被认为是阈值自动选取的最优方法。该方法的缺点在于,要求得最佳阈值,需要遍历灰度范围0—(L-1)内的所有像素并计算出方差,当计算量大时效率会很低。同时,在实际图像中,由于图像本身灰度分布以及噪声干扰等因素的影响,仅利用灰度直方

几种图像分割算法在CT图像分割上的实现和比较

第20卷第6期2000年12月北京理工大学学报JOurnaI Of Beijing InStitute Of TechnOIOgy VOI.20NO.6Dec.2000 文章编号21001-0645(2000)06-0720-05几种图像分割算法在CT 图像分割上的 实现和比较 杨 加19吴祈耀19田捷29杨骅2(1-北京理工大学电子工程系9北京1000 1;2-中国科学院自动化研究所9北京1000 0)摘要2对目前几种在图像分割领域得到较多应用的交互式分割 区域生长分割以及阈值 分割算法进行了探讨9并且结合实际CT 片图例分别进行分割实验研究9得到较为满意和 可用性强的结果.实验表明2阈值分割对于CT 切片的效果最好;区域生长分割适宜于对面 积不大的区域进行分割9分割效果较好;基于动态规划的交互式分割算法比较复杂9计算时 间较长9但对于边缘较平滑的区域9同样具有较好的实际效果.几种算法的评估为其在CT 图像分割上的实际应用提供了科学依据. 关键词2图像分割算法;CT 图像分割;交互式分割;阈值分割;区域生长分割 中图分类号2TN 911-73文献标识码2A 收稿日期220000625 基金项目2国家自然科学基金资助项目(69 43001);国家 63 计划项目作者简介2杨加9男91975年生9硕士生. 图像分割可以分解为两个任务9即识别(recOgnitiOn )和描绘(deIineatiOn ).识别的目的在于确定目标物体的大致位置并区别于图像中的其它物体;而描绘的任务在于精确定义和刻画图像中目标物体的区域或边缘的空间范围.人的识别能力通常强于计算机算法9另一方面9计算机算法的描绘能力则优于操作者(人).因此既能利用操作者强大的识别能力9又能利用计算机算法的描绘能力的交互式图像分割则越来越受到人们的关注.在医学领域中9图像分割是病变区域提取 特定组织测量以及实现三维重建的基础9因此图像分割技术在医学图像处理中具有十分重要的意义[1].作者探讨了3种目前在图像分割上得到较多实际应用的分割算法9并结合实际CT 片图例进行了实验研究9得到较为满意和可用性强的结果;最后对这几种方法进行了评估9为这些算法在CT 图像分割上的实际应用提供了科学依据. 1 交互式分割算法1-1基本理论及算法描述 动态规划方法最早应用于图像边缘跟踪[2].可以将图像边缘检测看作一个优化问题[3]9并将其表述为找出一目标函数V =V (I 19I 29I 39~9I H )的最优值M (如取最小值min )9得V 取最优值时的一组自变量值(I 19I 29I 39I 49~9I H 9).若变量离散9目标函数没有特定规律可循时9则该问题将包括一个极大的解空间.如果这个目标函数能够描述成如下形式2 V =V (I 19I 29I 39~9I N )=V 0(I 09I 1)+V 1(I 19I 2)+~+V H-1(I H-19I H )

图像分割技术的原理及方法

浅析图像分割的原理及方法 一.研究背景及意义 研究背景: 随着人工智能的发展,机器人技术不断地应用到各个领域。信息技术的加入是智能机器人出现的必要前提。信息技术泛指包括通信技术、电子技术、信号处理技术等相关信息化技术的一大类技术。它的应用使得人们今天的生活发生了巨大变化。从手机到高清电视等家用电器设备出现使我们的生活越来越丰富多彩。在一些军用及民用领域近几年出现了一些诸如:图像制导、无人飞机、无人巡逻车、人脸识别、指纹识别、语音识别、车辆牌照识别、汉字识别、医学图像识别等高新技术。实现它们的核心就是图像处理、机器视觉、模式识别、智能控制、及机器人学等相关知识。其中图像处理具有重要地位。而图像分割技术是图像分析环节的关键技术。 研究图像分割技术的意义: 人类感知外部世界的两大途径是听觉和视觉,尤其是视觉,同时视觉信息是人类从自然界中获得信息的主要来源,约占人类获得外部世界信息量的80%以上。图像以视觉为基础通过观测系统直接获得客观世界的状态,它直接或间接地作用于人眼,反映的信息与人眼获得的信息一致,这决定了它和客观外界都是人类最主要的信息来源,图像处理也因此成为了人们研究的热点之一。人眼获得的信息是连续的图像,在实际应用中,为便于计算机等对图像进行处理,人们对连续图像进行采样和量化等处理,得到了计算机能够识别的数字图像。数字图像具有信息量大、精度高、内容丰富、可进行复杂的非线性处理等优点,成为计算机视觉和图像处理的重要研究对象。在一幅图像中,人们往往只对其中的某些区域感兴趣,称之为前景,这些区域内的某些空间信息特性(如灰度、颜色、轮廓、纹理等)通常与周围背景之间存在差别。图像分割就是根据这些差异把图像分成若干个特定的、具有独特性质的区域并提取感兴趣目标的技术和过程。在数字图像处理中,图像分割作为早期处理是一个非常重要的步骤。为便于研究图像分割,使其在实

图像阈值分割技术原理和比较要点

图像阈值分割和边缘检测技术原理和比较

摘要 图像分割是一种重要的图像分析技术。对图像分割的研究一直是图像技术研究中的热点和焦点。医学图像分割是图像分割的一个重要应用领域,也是一个经典难题,至今已有上千种分割方法,既有经典的方法也有结合新兴理论的方法。医学图像分割是医学图像处理中的一个经典难题。图像分割能够自动或半自动描绘出医学图像中的解剖结构和其它感兴趣的区域,从而有助于医学诊断。 阈值分割是一种利用图像中要提取的目标物与其背景在灰度特性上的差异,把图像视为具有不同灰度级的两类区域(目标和背景)的组合,选取一个合适的阈值,以确定图像中每个像素点应该属于目标区域还是背景区域,从而产生对应的二值图像。 本文先介绍各种常见图像阈值分割和边缘检测方法的原理和算法,然后通过MATLAB 程序实现,最后通过比较各种分割算法的结果并得出结论。 关键词:图像分割;阈值选择;边缘检测;

目录 1.概述 (4) 2.图像阈值分割和边缘检测原理 (4) 2.1.阈值分割原理 (4) 2.1.1.手动(全局)阈值分割 (5) 2.1.2.迭代算法阈值分割 (6) 2.1.3.大津算法阈值分割 (6) 2.2.边缘检测原理 (6) 2.2.1.roberts算子边缘检测 (7) 2.2.2.prewitt算子边缘检测 (7) 2.2.3.sobel算子边缘检测 (7) 2.2.4.高斯laplacian算子边缘检测 (8) 2.2.5.canny算子边缘检测 (8) 3.设计方案 (9) 4.实验过程 (10) 4.1.阈值分割 (12) 4.1.1.手动(全局)阈值分割 (12) 4.1.2.迭代算法阈值分割 (12) 4.1.3.大津算法阈值分割 (12) 4.2.边缘检测 (13) 4.2.1.roberts算子边缘检测 (13) 4.2.2.prewitt算子边缘检测 (13) 4.2.3.sobel算子边缘检测 (13) 4.2.4.高斯laplacian算子边缘检测 (13) 4.2.5.canny算子边缘检测 (14) 5.试验结果及分析 (14) 5.1.实验结果 (14) 5.1.1.手动(全局)阈值分割 (14) 5.1.2.迭代算法阈值分割 (17) 5.1.3.大津算法阈值分割 (18) 5.1.4.roberts算子边缘检测 (19) 5.1.5.prewitt算子边缘检测 (20) 5.1.6.sobel算子边缘检测 (21) 5.1.7.高斯laplacian算子边缘检测 (22) 5.1.8.canny算子边缘检测 (23) 5.2. 实验结果分析和总结 (24) 参考文献 (24)

基于图的快速图像分割算法

Efficient graph-based image segmentation 2.相关工作 G=(V ,E),每个节点V i v 对应图像中一个像素点,E 是连接相邻节点的边,每个边有对应有一个权重,这个权重与像素点的特性相关。 最后,我们将提出一类基于图的查找最小割的分割方法。这个最小割准则是最小化那些被分开像素之间的相似度。【18】原文中叫Component,实质上是一个MST,单独的一个像素点也可以看成一个区域。 预备知识: 图是由顶点集(vertices )和边集(edges )组成,表示为,顶点,在本文中即为单个的像素点,连接一对顶点的边具有权重,本文中的意义为顶点之间的不相似度,所用的是无向图。 树:特殊的图,图中任意两个顶点,都有路径相连接,但是没有回路。如上图中加粗的边所连接而成的图。如果看成一团乱连的珠子,只保留树中的珠子和连线,那么随便选个珠子,都能把这棵树中所有的珠子都提起来。如果,i 和h 这条边也保留下来,那么h,I,c,f,g 就构成了一个回路。 最小生成树(MST, minimum spanning tree ):特殊的树,给定需要连接的顶点,选择边权之和最小的树。上图即是一棵MST 。 本文中,初始化时每一个像素点都是一个顶点,然后逐渐合并得到一个区域,确切地说是连接这个区域中的像素点的一个MST 。如图,棕色圆圈为顶点,线段为边,合并棕色顶点所生成的MST ,对应的就是一个分割区域。分割后的结果其实就是森林。 边的权值: 对于孤立的两个像素点,所不同的是颜色,自然就用颜色的距离来衡量两点 的相似性,本文中是使用RGB 的距离,即

PCB缺陷检测中图像分割算法的分析与比较

PCB 缺陷检测中图像分割算法的分析与比较 摘要:图像分割在图像处理中占有重要的地位,分割结果的好坏直接影响图像的后续处理。本文介绍了4种常用的图像分割方法及其在PCB 缺陷检测中的应用,并且利用实际的分割效果对4种分割方法进行了比较。对PCB 检测的实际应用提出了一种比较好的图像分割思路,并且做了实验研究。 关键词:图像处理;图像分割;PCB 检测 引言: 图像分割是图像处理中的一项关键技术,分割结果的好坏直接影响到图像的后续处理。本文中图像分割的目的是根据图像灰度等级准确划分出其中有意义的目标区域。但是由于系统在PCB 图像的采集、传输过程中,由于光照不均,CCD 摄像机自身的电子干扰,都不同程度的带来噪声,使图像污染。这些噪声也给图像分割带来了一定的难度。而传统的图像分割方法针对实际应用,本文分别采用四种公认比较好的分割方法对PCB 图像进行分割,并对分割效果进行了比较,最后确定了适合PCB 检测的图像分割方法。下面对它们进行具体说明。 1. 基于标准图像的模糊推理法 模糊理论在图像处理中的应用越来越广。在图像分割中,它可以把数据的校验用一些 模糊规则来进行描述。用基于标准图像的模糊推理法进行图像的分割主要包括以下几步[1]: (1) 计算原始图像的灰度直方图并用迭代阈值法计算它的阈值; (2) 寻找目标和背景的像素簇的峰值; (3) 计算LD(象素值低与较低之间的阈值)和LB (像素值高与较高之间的阈值); (4) 使用模糊逻辑方法(FLM-fuzzy linguistic method )来获取二值图像数据; 待处理PCB 图像的灰度直方图如图1所示 图1 像素值直方图 Fig.1 Pixel value histogram 背景和目标对象是直方图中的两个簇。这里采用迭代阈值的方法来求取待检测图像的阈值。具体过程如下[2]: 1) 求出图像中的最小和最大灰度值H min 及H max ,令阈值初始值为: T 0像素数 像素值 Dark max threshold Bright max 255 (= 1 2 (H min +H max ) (1)

图像分割---人工智能大作业

计算机科学与技术学院《高级人工智能》课程设计 学号:S314060094 专业:计算机科学与技术 学生姓名:魏嫚 任课教师:刘杰教授 2014年12月

1. 问题描述 图像分割就是把图像分成若干个特定的、具有独特性质的区域并提出感兴趣目标的技术和过程。是由图像处理到图像分析的关键步骤。现有的图像分割方法主要分以下几类:基于阈值的分割方法、基于区域的分割方法、基于边缘的分割方法以及基于特定理论的分割方法等。其中比较典型的方法是基于阈值的分割方法,在实际的应用中,阈值分割的方法也往往能取得好的分割效果,很大程度上影响着后续的图像处理和图像分析的效果,图像阈值分割是指能够找到一个能把图像分割为目标和背景的最优阈值。 图像阈值分割方法一般根据不同理论将问题转化,根据不同的理论,阈值分割一般先构造一个评价函数,然后求解关于这个函数的最优化问题,因此许多利用群体智慧的算法也被应用到了阈值分割中,例如蚁群算法,神经网络算法,遗传算法,在此我将遗传算法应用到了图像的阈值分割中。 2. 问题表示与算法描述 在算法中根据遗传算法的原理结合图像的特征,将图像中的每一个像素看作一条染色体,并对每一条染色体进行编码,然后通过交叉变异的方法找到最优解。遗传算法主要包括四个部分: 1.编码和种群的初始化,一般采用二进制的方法进行编码,种群的初始化 即是指产生一组可行解X,X是n*m大小的矩阵,n是种群的大小,m 是染色体的长度,X的每一个行向量代表一个染色体; 2.定义适值函数,选择个体。由适值函数可以计算出每个染色体(即可行解) 的适值,按一定的选择机制f对新种群中的染色体进行选择,得到进化 后的种群X′=f(X); 3.交叉变异运算,交叉运算在种群体中按照交叉率选择出父体,这些父体 两个一组,在每组染色体中随机选择一个或多个点进行基因交换,变异 运算在种群中按变异率选出染色体,在每个选出的染色体中随机选择一 个或多个点,并改变该点的基因,种群X′经过交叉变异运算得到一个 新种群X′′,X′′为n*m矩阵; 4.终止条件.将X′′的值赋给X,重复进行交叉变异运算和定义适值函数 并选择个体,直到满足一定的终止条件。 图像中的每个像素可以看作是一个染色体,对像素的灰度值进行编码后可得到染色体的基因序列。染色体应该向着适值最大的方向进化,即在进化过程中越来越适应环境,会产生一个最优的阈值,但最优阈值事先无法确定,所以染色体进化的方向也无法确定,即遗传算法无法进行。所以首先设置一个初始阈值,让个体向着这个阈值代表的方向进化,然后根据选择机制选择出来的新群体更新阈值。群体代表了图像的灰度值特征,阈值更新后应将群体复原。随着阈值的不断更新,群体的进化最后趋于稳定。当群体每次进化得到的阈值趋于稳定时,则说明该阈值是最优的阈值。下面对每一阶段做详细的介绍。 编码和种群的初始化 在文中是对灰度图像进行处理,灰度值的取值范围为0~255,故用二进制表示,染色体的长度L应该为8,染色体的值可用一个向量表示,如若一点的灰度值为255,则染色体的向量可以表示为x=[1 1 1 1 1 1 1 1]。在进行算法计算之前,先生成初始种群,随机生成种群,种群大小为n。在最开始时生成初始种群,随机生成n个染色体。 X={x(i)=round(rand(1,L))}

图像分割算法有哪些

图像分割算法有哪些 数字图像处理技术是一个跨学科的领域。随着计算机科学技术的不断发展,图像处理和分析逐渐形成了自己的科学体系,新的处理方法层出不穷,尽管其发展历史不长,但却引起各方面人士的广泛关注。首先,视觉是人类最重要的感知手段,图像又是视觉的基础,因此,数字图像成为心理学、生理学、计算机科学等诸多领域内的学者们研究视觉感知的有效工具。其次,图像处理在军事、遥感、气象等大型应用中有不断增长的需求。 图像分割就是把图像分成若干个特定的、具有独特性质的区域并提出感兴趣目标的技术和过程。它是由图像处理到图像分析的关键步骤。现有的图像分割方法主要分以下几类:基于阈值的分割方法、基于区域的分割方法、基于边缘的分割方法以及基于特定理论的分割方法等。1998年以来,研究人员不断改进原有的图像分割方法并把其它学科的一些新理论和新方法用于图像分割,提出了不少新的分割方法。图像分割后提取出的目标可以用于图像语义识别,图像搜索等等领域。 图像分割有哪些方法1 基于区域的图像分割 图像分割中常用的直方图门限法、区域生长法、基于图像的随机场模型法、松弛标记区域分割法等均属于基于区域的方法。 (1)直方图门限分割就是在一定的准则下,用一个或几个门限值将图像的灰度直方图(一维的或多维的)分成几个类,认为图像中灰度值在同一个灰度类内的象素属于同一个物体,可以采用的准则包括直方图的谷底、最小类内方差(或最大类间方差)、最大熵(可使用各种形式的熵)、最小错误率、矩不变、最大繁忙度(由共生矩阵定义)等。门限法的缺陷在于它仅仅考虑了图像的灰度信息,而忽略了图像中的空间信息,对于图像中不存在明显的灰度差异或各物体的灰度值范围有较大重叠的图像分割问题难以得到准确的结果。 (2)区域生长是一种古老的图像分割方法,最早的区域生长图像分割方法是由Levine等人提出的。该方法一般有两种方式,一种是先给定图像中要分割的目标物体内的一个小块

图像分割算法的实现与研究 开题报告

电子工程学院本科毕业设计开题报告 学号姓名导师 题目图像分割算法的实现研究 课题的意义(背景需求等,即为什么研究该课题):图像分割是图像处理中的一项关键技术,也还是一经典难题,发展至今人没有找到一个通用的方法,也没有制定出判断分割算法好坏的标准,任何一单独的图像分割算法都难以对一般图像取得令人满意的分割结果,这给图像分割技术的应用带来许多实际问题。因此,对近几年来出现的图像分割方法作较全面的综述,探讨了图像分割技术的发展方向,对从事图像处理研究的科研有一定的启发作用。阈值图像分割,K-means算法和分水岭算法都还有很多的缺陷和很大的发展空间,此课题有助于我们更好地了解,并对三种算法加以改进。 课题之前的研究基础(前人所做的工作):图像分割是图像处理中的一项关键技术,自20世纪70年代起一直受到人们的高度重视,至今已提出上千种分割算法.但因尚无通用的分割理论,现提出的分割算法大都是针对具体问题的,并没有一种适合所有图像的通用分割算法.另外,还没有制定出选择适用分割算法的标准,这给图像分割技术的应用带来许多实际问题.最近几年又出现了许多新思路、新方法或改进算法.现有大部分算法都是集中在阈值确定的研究上,阈值分割方法根据图像本身的特点可分为全局阈值,局部阈值和自适应阈值三种分割算法,但是单阈值不能很好地处理包含多个前景的图像, 多阈值方法也有对于某些像素不能准确判断的缺点,因此,在克服以上理论缺点和承其优点的基础上,我将研究自适应阈值。现有的K-means算法存在很多缺点,如K值要事先给定;要根据初始聚类中心来确定一个初始划分,然后对初始划分进行优化;而且还要不断地进行样本分类调整。基于形态学分水岭的图像分割算法是目前图像分割中探讨较多的算法之一. 传统形态学分水岭算法主要存在过度分割和计算耗时两方面的问题。 课题现在要解决的问题(即研究什么):用Matlab实现基于自适应阈值、K-means和分水岭算法的图像分割算法,同时,了解各个算法的运算原理及各自功能。并用这些算法对不同类型的图像进行分割,找出三个常规算法的不足与缺陷,分析其分

实验六 图像分割

信息工程学院实验报告 课程名称:数字图像处理 实验项目名称:实验六图像分割实验时间: 班级:姓名:学号: 一、实验目的 1. 使用MatLab 软件进行图像的分割。使学生通过实验体会一些主要的分割算子对图像处理的效果,以及各种因素对分割效果的影响。 2. 要求学生能够自行评价各主要算子在无噪声条件下和噪声条件下的分割性能。能够掌握分割条件(阈值等)的选择。完成规定图像的处理并要求正确评价处理结果,能够从理论上作出合理的解释。 二、实验内容与步骤 1.边缘检测 (1)使用Roberts 算子的图像分割实验 调入并显示图像room.tif图像;使用Roberts 算子对图像进行边缘检测处理;Roberts 算子为一对模板: (a)450方向模板(b)1350方向模板 图 1 matlab 2010的Roberts算子模板 相应的矩阵为:rh = [0 1;-1 0];rv = [1 0;0 -1];这里的rh 为45度Roberts 算子,rv 为135度Roberts 算子。分别显示处理后的45度方向和135方向的边界检测结果;用“欧几里德距离”和“街区距离”方式计算梯度的模,并显示检测结果;对于检测结果进行二值化处理,并显示处理结果。 提示:先做检测结果的直方图,参考直方图中灰度的分布尝试确定阈值;应反复调节阈值的大小,直至二值化的效果最为满意为止。 (2)使用Prewitt 算子的图像分割实验

(a)水平模型(b)垂直模板 图2. Prewitt算子模板 使用Prewitt 算子进行内容(1)中的全部步骤。 (3)使用Sobel 算子的图像分割实验 使用Sobel (a)水平模型(b)垂直模板 图3. Sobel算子模板 (4)使用LoG (拉普拉斯-高斯)算子的图像分割实验 使用LoG (拉普拉斯-高斯)算子进行内容(1)中的全部步骤。提示1:处理后可以直接显示处理结果,无须另外计算梯度的模。提示2:注意调节噪声的强度以及LoG (拉普拉斯-高斯)算子的参数,观察处理结果。 (5) 打印全部结果并进行讨论。 下面是使用sobel算子对图像进行分割的MATLAB程序 f=imread('room.tif'); [gv,t1]=edge(f,'sobel','vertical');%使用edge函数对图像f提取垂直边缘 imshow(gv) [gb,t2]=edge(f,'sobel','horizontal');%使用edge函数对图像f提取水平边缘 figure,imshow(gb) w45=[-2 -1 0;-1 0 1;0 1 2];%指定模版使用imfilter计算45度方向的边缘 g45=imfilter(double(f),w45,'replicate'); T=0.3*max(abs(g45(:))); %设定阈值 g45=g45>=T; %进行阈值处理 figure,imshow(g45); 在函数中使用'prewitt'和'roberts'的过程,类似于使用sobel边缘检测器的过程。

图像分割技术总结

图像分割技术总结 2007-06-28 15:21 图像分割是图像处理领域中的一个基本问题。从大的方面来说,图像分割方法可大致分为基于区域的方法、基于边缘的方法、区域与边缘相结合的方法,以及在此基础上的、采用多分辨率图像处理理论的多尺度分割方法。基于区域的方法采用某种准则,直接将图像划分为多个区域,基于边缘的方法则通过检测包含不同区域的边缘,获得关于各区域的边界轮廓描述,达到图像分割的目的,而区域与边缘相结合的方法通过区域分割与边缘检测的相互作用,得到分割结果。 ·1 基于区域的图像分割 图像分割中常用的直方图门限法、区域生长法、基于图像的随机场模型法、松弛标记区域分割法等均属于基于区域的方法。 (1)直方图门限分割就是在一定的准则下,用一个或几个门限值将图像的灰度直方图(一维的或多维的)分成几个类,认为图像中灰度值在同一个灰度类内的象素属于同一个物体,可以采用的准则包括直方图的谷底、最小类内方差(或最大类间方差)、最大熵(可使用各种形式的熵)、最小错误率、矩不变、最大繁忙度(由共生矩阵定义)等。门限法的缺陷在于它仅仅考虑了图像的灰度信息,而忽略了图像中的空间信息,对于图像中不存在明显的灰度差异或各物体的灰度值范围有较大重叠的图像分割问题难以得到准确的结果。 (2)区域生长是一种古老的图像分割方法,最早的区域生长图像分割方法是由Levine 等人提出的。该方法一般有两种方式,一种是先给定图像中要分割的目标物体内的一个小块或者说种子区域,再在种子区域基础上不断将其周围的像素点以一定的规则加入其中,达到最终将代表该物体的所有像素点结合成一个区域的目的;另一种是先将图像分割成很多的一致性较强,如区域内像素灰度值相同的小区域,再按一定的规则将小区域融合成大区域,达到分割图像的目的,典型的区域生长法如T. C. Pong等人提出的基于小面(facet)模型的区域生长法,区域生长法固有的缺点是往往会造成过度分割,即将图像分割成过多的区域。 (3)基于图像的随机场模型法主要以Markov随机场作为图像模型,并假定该随机场符合Gibbs分布。使用MRF模型进行图像分割的问题包括:邻域系统的定义;能量函数的选择及其参数的估计;极小化能量函数从而获得最大后验概率的策略。邻域系统一般是事先定义的,因而主要是后面两个问题。S. Geman,首次将基于Gibbs分布的Markov随机场模型用于图像处理,详细讨论了MRF模型的邻域系统,能量函数,Gibbs采样方法等各种问题,提出用模拟退火算法来极小化能量函数的方法,并给出了模拟退火算法收敛性的证明,同时给出了MRF模型在图像恢复中的应用实例。在此基础上,人们提出了大量的基于MRF 模型的图像分割算法。 (4)标记法(labeling)就是将图像欲分割成的几个区域各以一个不同的标号来表示,对图像中的每一个象素,用一定的方式赋之以这些标记中的某一个,标记相同的连通象素就组成该标记所代表的区域。标记法常采用松弛技术来给图像中的各个象素赋予标记,一般可分为离散松弛、概率松弛、模糊松弛等三种。Smith等人最先采用松弛标记技术进行图像分割,以后人们又提出了大量的图像松弛分割算法。另外,松弛标记不仅可用于图像分割,还可用于边缘检测、目标识别等。

数字图像分割-迭代法讲解

目录 摘要 (2) 1 原理与实现 (3) 1.1图像分割的概述............................................................................. 错误!未定义书签。 1.2 阈值分割的基本原理 (2) 1.3 阈值分割方法的分类 (3) 2 程序设计 (6) 2.1 主程序............................................................................................ 错误!未定义书签。 2.2 OTSU .............................................................................................. 错误!未定义书签。 2.3 全局阈值........................................................................................ 错误!未定义书签。 2.4 迭代法............................................................................................ 错误!未定义书签。3结果与分析.. (11) 4 心得体会................................................................................................... 错误!未定义书签。参考文献....................................................................................................... 错误!未定义书签。

实验六图像分割

信息工程学院实验报告 课程名称:数字图像处理 实验项目名称:实验六 图像分割 实验时间: 班级: 姓名: 学号: 一、实验目的 1. 使用MatLab 软件进行图像的分割。使学生通过实验体会 一些主要的分割算子对图像处理的效果,以及各种因素对分割效果的影响。 2. 要求学生能够自行评价各主要算子在无噪声条件下和噪声条件下的分割性能。能够掌握分割条件(阈值等)的选择。完成规定图像的处理并要求正确评价处理结果,能够从理论上作出合理的解释。 二、实验内容与步骤 1.边缘检测 (1)使用Roberts 算子的图像分割实验 调入并显示图像图像;使用Roberts 算子对图像进行边缘检测处理; Roberts 算子为一对模板: (a )450方向模板 (b )1350方向模板 图 1 matlab 2010的Roberts 算子模板 相应的矩阵为:rh = [0 1;-1 0]; rv = [1 0;0 -1];这里的rh 为45度Roberts 算子,rv 为135 度Roberts 算子。分别显示处理后的45度方向和135方向的边界检测结果;用“欧几里德距离”和“街区距离”方式计算梯度的模,并显示检测结果;对于检测结果进行二值化处理,并显示处理结果。 提示:先做检测结果的直方图,参考直方图中灰度的分布尝试确定阈值;应反复调节阈值的大小,直至二值化的效果最为满意为止。 (2)使用Prewitt 算子的图像分割实验

(a)水平模型(b)垂直模板 图2. Prewitt算子模板 使用Prewitt 算子进行内容(1)中的全部步骤。 (3)使用Sobel 算子的图像分割实验 使用Sobel (a)水平模型(b)垂直模板 图3. Sobel算子模板 (4)使用LoG (拉普拉斯-高斯)算子的图像分割实验 使用LoG (拉普拉斯-高斯)算子进行内容(1)中的全部步骤。提示1:处理后可以直接显示处理结果,无须另外计算梯度的模。提示2:注意调节噪声的强度以及LoG (拉普拉斯-高斯)算子的参数,观察处理结果。 (5) 打印全部结果并进行讨论。 下面是使用sobel算子对图像进行分割的MATLAB程序 f=imread(''); [gv,t1]=edge(f,'sobel','vertical');%使用edge函数对图像f提取垂直边缘 imshow(gv) [gb,t2]=edge(f,'sobel','horizontal');%使用edge函数对图像f提取水平边缘 figure,imshow(gb) w45=[-2 -1 0;-1 0 1;0 1 2];%指定模版使用imfilter计算45度方向的边缘 g45=imfilter(double(f),w45,'replicate'); T=*max(abs(g45(:))); %设定阈值 g45=g45>=T; %进行阈值处理 figure,imshow(g45); 在函数中使用'prewitt'和'roberts'的过程,类似于使用sobel边缘检测器的过程。 三、实验结果及结果分析 1.边缘检测

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