專利名稱：用于圖像分割的局部分水嶺算子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，并且尤其涉及使用用于醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)分割的局部分水嶺(watershed)算子。
背景技術(shù)：
在影像采集設(shè)備中的新近技術(shù)進(jìn)步顯著地提高了圖像數(shù)據(jù)的空間分辨率。例如，新的多檢測(cè)器計(jì)算機(jī)斷層攝影機(jī)(“CT”)能夠產(chǎn)生大小為512×512×1000的圖像。由于可用時(shí)間和可用存儲(chǔ)空間的限制，對(duì)于如此大幅圖像的分割算法典型地需要局部地進(jìn)行以保證計(jì)算效率。
分割大幅圖像的一種方法是使用用戶定義的感興趣區(qū)?！案信d趣區(qū)”是指兩維(“2D”)或者三維(“3D”)圖像的一個(gè)選擇部分。雖然通過(guò)用戶定義的感興趣區(qū)對(duì)數(shù)據(jù)剪切可能適用于良好定位的病理學(xué)，但用戶選擇的區(qū)域在很多應(yīng)用中仍然可以非常大(例如，在計(jì)算機(jī)斷層攝影血管造影術(shù)(“CTA”)中的血管分割或者骨頭移除)。在一種可選的方法中，可以對(duì)圖像分界來(lái)減小需要進(jìn)行分割和造影算法的區(qū)域。當(dāng)一幅圖像被“分界”，如果區(qū)域的強(qiáng)度落在提前定義(例如，用戶定義)的值之外，則圖像的區(qū)域不被考慮。然而，圖像的典型分界是以從數(shù)據(jù)中移除解剖學(xué)上重要的結(jié)構(gòu)為代價(jià)的。
在醫(yī)學(xué)圖像分析中，例如，精確檢測(cè)物體分界線對(duì)于量化原因是重要的，使得基于邊緣的算法得到普及。雖然邊緣檢測(cè)算法的發(fā)展已經(jīng)增加了邊緣檢測(cè)器的精確度和性能，但由于邊緣分組和連接的復(fù)雜性，這種算法對(duì)于很多實(shí)際應(yīng)用仍然不是非常穩(wěn)固，尤其在三維中。一個(gè)實(shí)際應(yīng)用實(shí)施例是醫(yī)學(xué)圖像的分割(例如，血管結(jié)構(gòu)分割或者血管結(jié)構(gòu)的病理學(xué))。
與邊緣檢測(cè)算法不同，分水嶺變換產(chǎn)生封閉的輪廓并且在匯合處和物體分界線發(fā)散的地方具有好的性能。然而，分水嶺算法典型地被設(shè)計(jì)用于整個(gè)圖像或者切割的圖像，使得這種算法相對(duì)于大數(shù)據(jù)組而言非常慢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)方面提供了一種分割圖像的方法。該方法包括確定圖像的梯度以形成梯度圖像；通過(guò)獲得所述梯度圖像中用戶選擇的感興趣區(qū)形成第一層；形成多個(gè)直接與所述第一層相鄰的第二層；形成多個(gè)直接與多個(gè)所述第二層相鄰的第三層；利用合并準(zhǔn)則將所述第一層與多個(gè)所述第二層之一合并以形成合并的第一層；和從多個(gè)第三層的鄰域開(kāi)始進(jìn)行填充過(guò)程；本發(fā)明的另一方面提供了存儲(chǔ)有由處理器執(zhí)行的指令來(lái)執(zhí)行分割圖像的方法的機(jī)器可讀媒體。該方法包括確定所述圖像的梯度以形成梯度圖像；通過(guò)獲得所述梯度圖像中的用戶選擇的感興趣區(qū)形成第一層；形成多個(gè)直接與所述第一層相鄰的第二層；形成多個(gè)直接與所述多個(gè)第二層相鄰的第三層；利用合并準(zhǔn)則將所述第一層與所述多個(gè)第二層之一合并以形成合并的第一層；和從所述多個(gè)第三層的鄰域開(kāi)始進(jìn)行填充過(guò)程。
本發(fā)明的另一方面提供了分割圖像的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括用于用于確定圖像梯度以形成梯度圖像的工具；用于通過(guò)獲得梯度圖像中用戶選擇的感興趣區(qū)形成第一層的工具；用于形成多個(gè)直接與所述第一層相鄰的第二層的工具；用于形成多個(gè)直接與所述多個(gè)第二層相鄰的第三層的工具；用于利用合并準(zhǔn)則將所述第一層與所述多個(gè)第二層之一合并以形成合并的第一層的工具；和用于從所述多個(gè)第三層的鄰域開(kāi)始進(jìn)行填充過(guò)程的工具。


本發(fā)明可以通過(guò)結(jié)合附圖的下列描述來(lái)理解，其中相同的參考數(shù)字指明相同的元素，并且其中圖1描述寬度第一盆地填充的示例性直觀表示；圖2描述深度第一盆地填充的示例性直觀表示；圖3a描述注水過(guò)程中盆地的示例性直觀三層表示；圖3b描述合并并且繼續(xù)注水后的圖3a中示例性三層表示的更新；圖4描述兩個(gè)盆地間平頂分割的示例性表示；以及圖5描述按照本發(fā)明的一種實(shí)施方案說(shuō)明的分割圖像方法的示例性流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明舉例說(shuō)明的實(shí)施方案描述如下。為了清楚，本說(shuō)明書(shū)中沒(méi)有說(shuō)明所有的實(shí)際實(shí)施特性。當(dāng)然應(yīng)該理解的是在任何這種實(shí)際實(shí)施方案的改進(jìn)中，各種具體實(shí)現(xiàn)的結(jié)果必須達(dá)到發(fā)明者的具體目標(biāo)，例如符合制度相關(guān)的和商業(yè)相關(guān)的約束條件，這些約束條件從一種實(shí)現(xiàn)到另一種實(shí)現(xiàn)中是不同的。另外，應(yīng)該理解，如此一種改進(jìn)成就很可能是復(fù)雜的并且費(fèi)時(shí)的，然而卻是本領(lǐng)域技術(shù)人員在獲知本發(fā)明后所進(jìn)行的常規(guī)程序。
雖然本發(fā)明易于進(jìn)行各種修改和可選擇形式，但是具體實(shí)施方案以附圖示例的方式示出并且在此進(jìn)行詳細(xì)描述。然而，應(yīng)該理解的是這里具體實(shí)施方案的描述不是想要把本發(fā)明限制在公開(kāi)的具體形式，而相反地，本發(fā)明涵蓋所有在由附加的權(quán)利要求書(shū)定義的本發(fā)明精神和范圍之內(nèi)的修改、等價(jià)、或者替代。
將理解的是，在此描述的系統(tǒng)和方法可以以硬件、軟件、固件、特殊用途處理器或者上述組合的各種形式實(shí)現(xiàn)。尤其，至少本發(fā)明的一部分優(yōu)選地作為一種包括程序指令的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，所述程序指令確實(shí)包含在一個(gè)或者多個(gè)程序存儲(chǔ)設(shè)備中(例如，硬盤、軟磁盤、RAM、ROM、CD ROM、等等)和由任一包括適當(dāng)結(jié)構(gòu)的設(shè)備和機(jī)器執(zhí)行，例如包括處理器、存儲(chǔ)器和輸入/輸出接口的普通用途數(shù)字計(jì)算機(jī)。另外還要理解的是，由于一些系統(tǒng)組成元件和附圖中描述的過(guò)程步驟優(yōu)選地在軟件中執(zhí)行，系統(tǒng)模塊(或者方法步驟的邏輯流程)間的連接可根據(jù)編程本發(fā)明的方式而有所不同。通過(guò)在此給出的教導(dǎo)，相關(guān)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將可能預(yù)料本發(fā)明的這種或者相似的實(shí)現(xiàn)。
建議采用局部分水嶺算子用于結(jié)構(gòu)分割，例如圖像的醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)。分水嶺變換是一種將一幅圖像分割成很多區(qū)域而實(shí)際上保留邊緣信息的技術(shù)。建議的分水嶺算子是一種具有計(jì)算效率的分水嶺局部實(shí)現(xiàn)，其在其他的分割技術(shù)中，例如種子區(qū)域生長(zhǎng)，區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)和基于標(biāo)記的分水嶺分割，能夠用作算子。術(shù)語(yǔ)“分水嶺”是指沿下坡向最低點(diǎn)排水的圖像區(qū)域。
種子區(qū)域生長(zhǎng)是指一種圖像分割技術(shù)，其中，從一個(gè)種子開(kāi)始，收集具有處于用戶定義區(qū)間的值的像素以產(chǎn)生一種分割結(jié)果。對(duì)每個(gè)區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量計(jì)算，也就是平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差計(jì)算。然后，對(duì)每一個(gè)層-0確定它的相鄰區(qū)域。隨后，確定其中最相似的區(qū)域。最相似性準(zhǔn)數(shù)可以是平均值或者菲希爾試驗(yàn)(Fisher test)結(jié)果的絕對(duì)差值，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所預(yù)料的那樣。再后，把該區(qū)域加到層-0上。繼續(xù)該相加過(guò)程直到相似性準(zhǔn)數(shù)比用戶或者自動(dòng)選擇的值大。
在區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)中，認(rèn)為有N個(gè)標(biāo)記，和因此有N個(gè)層-0。對(duì)于每個(gè)區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)計(jì)量計(jì)算，也就是平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差。然后，對(duì)每一個(gè)層-0，確定它的相鄰區(qū)域。隨后，確定其中最相似的區(qū)域。最相似性準(zhǔn)數(shù)可以是平均值或者菲希爾試驗(yàn)(Fisher test)結(jié)果的絕對(duì)差值，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所預(yù)料的那樣。再后，得到每一個(gè)零區(qū)域的成本值。從其中選擇最小的層-0區(qū)域，并且確定區(qū)域識(shí)別和標(biāo)記。把該區(qū)域加到相應(yīng)的標(biāo)記(層-0)。繼續(xù)這種迭代算法直到所有區(qū)域在標(biāo)記間被分割開(kāi)。
在基于標(biāo)記的分水嶺分割中，認(rèn)為有N個(gè)由用戶初始化的標(biāo)記。首先，確定每個(gè)層-0區(qū)域的相鄰區(qū)域(也就是，層-1)。然后，對(duì)每一個(gè)層-0，確定在層-0和其所有相鄰區(qū)域之間的最小高度值。對(duì)標(biāo)記Mi，稱該最小值為Vi。隨后，對(duì)每個(gè)層-0(表示每個(gè)標(biāo)記)做同樣的工作。最后，得到N個(gè)Vi。從其中選擇最小的Vi并且確定區(qū)域識(shí)別和標(biāo)記。把該區(qū)域添加到相應(yīng)的標(biāo)記(層-0)。繼續(xù)這種迭代算法直到所有區(qū)域在標(biāo)記間被分割開(kāi)。
所建議的方法是基于從用戶選擇的點(diǎn)開(kāi)始的填充操作。術(shù)語(yǔ)“填充”是指利用區(qū)域生長(zhǎng)算子收集像素。從用戶選擇的點(diǎn)開(kāi)始的填充形成第一個(gè)內(nèi)層。同時(shí)表示和填充每個(gè)區(qū)域的兩個(gè)直接的外層，使得對(duì)區(qū)域進(jìn)行正確填充。第一個(gè)內(nèi)層和兩個(gè)外層形成3-層表示，其保證正確地和局部地計(jì)算用戶選擇的區(qū)域(也就是，匯水盆地)和它的分水嶺線。應(yīng)該理解的是，術(shù)語(yǔ)“層”，“區(qū)域”，“盆地”和“匯水盆地”在本公開(kāi)中被互換地使用。
所建議的方法可以用作分割算法中的算子。尤其，代替在很多局部分割算法中采用的基于像素生長(zhǎng)，通過(guò)建議的局部分水嶺算子可以使用多個(gè)區(qū)域。多個(gè)區(qū)域結(jié)合到局部分割算法允許物體分界線的更精確定位，尤其當(dāng)分界線是發(fā)散的情況時(shí)。定位是指物體分界線的精確計(jì)算。
分水嶺分割是一種形態(tài)學(xué)的基于梯度的技術(shù)，其可以被直觀地進(jìn)行如下描述(1)把梯度圖像看作高度圖，并且把它逐漸沉浸到水中，水漏過(guò)最小的梯度點(diǎn)并且均勻地，整體地漫過(guò)圖像；和(2)在兩個(gè)不同水體(也就是，匯水盆地)相交的地方建筑“水壩”并且繼續(xù)該過(guò)程直到水到達(dá)所有的圖像點(diǎn)。
水壩提供最后分割。在圖像范圍內(nèi)水壩可以被解釋為種子生長(zhǎng)，種子被放置在圖像梯度高度圖的最小值上，每次與他們的高度成比例地生長(zhǎng)并最后聚合到梯度圖的頂線。術(shù)語(yǔ)“最小值”是指不被具有較小值的像素(例如，較低梯度)包圍的點(diǎn)，曲線或者平面。術(shù)語(yǔ)“最大值”是指不被具有較大值(例如，較高梯度)包圍的點(diǎn)，曲線或者平面。
基于分水嶺的分割可以是一種普及的方法，尤其在不能確定局部梯度(例如，具有發(fā)散邊緣)的情況下。因?yàn)榇蟛糠纸Y(jié)構(gòu)包含幾個(gè)匯水盆地，所以典型的分水嶺分割甚至對(duì)簡(jiǎn)單的圖像可以產(chǎn)生大量的區(qū)域。這種過(guò)量產(chǎn)生通常被認(rèn)為是過(guò)分割問(wèn)題。采用非線性平滑過(guò)濾可以有效地去除許多區(qū)域。采用如本領(lǐng)域技術(shù)人員所預(yù)料的區(qū)域生長(zhǎng)技術(shù)或者標(biāo)記方法可以對(duì)其他區(qū)域分組。
建議一種用于局部計(jì)算圖像分水嶺變換的新穎方法。該方法首要是基于從用戶選擇的點(diǎn)對(duì)區(qū)域進(jìn)行填充。該方法的首要目標(biāo)是填充圖像的盆地并準(zhǔn)確和局部地計(jì)算它的分界線。該目標(biāo)通過(guò)三層盆地填充方法實(shí)現(xiàn)，其同時(shí)填充主要區(qū)域和多個(gè)直接相鄰的區(qū)域。
在討論所述三層填充方法之前，首先描述不具有優(yōu)化特性的其他兩個(gè)盆地填充方法。
寬度第一盆地填充盆地選取最顯著的方法應(yīng)該是用水填充盆地并且在盆地背脊上建筑水壩。術(shù)語(yǔ)“背脊”是指分開(kāi)兩個(gè)相鄰區(qū)域的曲線(在2D或者3D表面上)。第一，利用梯度下降法計(jì)算確定用戶選擇區(qū)域的最小值。然后，從最小值開(kāi)始用水對(duì)區(qū)域進(jìn)行填充。當(dāng)水位到達(dá)背脊(也就是，分水嶺線)時(shí)，建造水壩(也就是，最大值點(diǎn))以使水停止流向相鄰區(qū)域。術(shù)語(yǔ)“相鄰區(qū)域”是指主區(qū)域附近的區(qū)域。當(dāng)區(qū)域由水壩包圍時(shí)，填充過(guò)程終止。第二，也采用梯度下降法從水壩(也就是，最大值點(diǎn))確定相鄰區(qū)域的最小值。為用戶選擇區(qū)域的填充和建造水壩所使用的相同手段被遞推地應(yīng)用于填充相鄰區(qū)域。在相鄰區(qū)域填充好后，如果滿足分割準(zhǔn)則，則將相鄰區(qū)域與用戶選擇區(qū)域合并。分割準(zhǔn)則可以來(lái)自，例如，區(qū)域相似性或者合并后對(duì)一定能量進(jìn)行最小化的能量函數(shù)。
寬度第一填充方法的實(shí)施例如下所述。采用區(qū)域生長(zhǎng)類型算子(也就是，像素(或者點(diǎn))在2D中訪問(wèn)8個(gè)鄰域或者在3D中檢查27個(gè)鄰域，并且為了獲得計(jì)算效率采用基于存儲(chǔ)桶的排隊(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)區(qū)域生長(zhǎng))進(jìn)行填充過(guò)程。對(duì)于模擬水位增長(zhǎng)(也就是，從較小的值到較高的值填充區(qū)域)排隊(duì)是必要的。尤其，從區(qū)域最小值點(diǎn)開(kāi)始，訪問(wèn)它的8個(gè)鄰域(在2D中，或者在3D中27個(gè)鄰域)，并且把這些鄰域(也就是，像素或者點(diǎn))放入基于鄰域高度函數(shù)(也就是，高度值)的存儲(chǔ)桶中。存儲(chǔ)桶是指存儲(chǔ)具有某些值的像素的存儲(chǔ)器(例如，在軟件中)。然后，從存儲(chǔ)桶中移除具有最小值的像素用于進(jìn)一步生長(zhǎng)。檢查是否該像素的鄰域有較小的強(qiáng)度值。強(qiáng)度值這里是指高度值。存在具有較小強(qiáng)度值的像素表示在附近有分水嶺線。標(biāo)記該點(diǎn)作為最大值，并且不把其鄰域放入存儲(chǔ)桶中。該生長(zhǎng)過(guò)程繼續(xù)直到?jīng)]有像素留在存儲(chǔ)桶中(也就是，盆地被填充且被最大值點(diǎn)包圍)。
現(xiàn)在參照?qǐng)D1，來(lái)說(shuō)明這里所述寬度第一填充方法的舉例應(yīng)用100。如圖中所示，寬度第一填充方法防止通過(guò)狹窄區(qū)域，瓶頸或者突起。也就是，水不能流經(jīng)狹窄區(qū)域，因?yàn)樽⑺谒畨?最大值)處停止。因此，不能正確地確定盆地。箭頭表示引起最大值停止的像素。數(shù)字表示高度值。圖中1(還有圖4，下面進(jìn)一步描述)的各種陰影表示分離的區(qū)域。標(biāo)記M表示最大值。
圖1中所述的問(wèn)題(也就是，瓶頸問(wèn)題)可以通過(guò)使用微分算子，例如二階導(dǎo)數(shù)解決。然而，這種算子對(duì)于噪聲和過(guò)濾器的大小是靈敏的。理想地，需要有一種沒(méi)有高階梯度計(jì)算的穩(wěn)固的盆地填充方法。
深度第一盆地填充上面較詳細(xì)敘述的寬度第一盆地填充方法是在填充過(guò)程中存在較低高度的地方建造水壩。用于計(jì)算局部分水嶺變換的可替代的方法是，只要水流向相鄰區(qū)域，則填充相鄰區(qū)域而不是建造水壩。尤其，當(dāng)像素訪問(wèn)具有較小的高度值的相鄰像素時(shí)，計(jì)算相鄰區(qū)域的最小值并且水位降低到它的最小值。該填充過(guò)程從新的最小值繼續(xù)直到用戶選擇的盆地被充滿。
現(xiàn)在參照?qǐng)D2，來(lái)說(shuō)明這里所述的深度第一盆地填充的舉例應(yīng)用200。只要水到達(dá)水壩，水便開(kāi)始從相鄰區(qū)域的最小值填充相鄰區(qū)域。該填充過(guò)程迭代地應(yīng)用于所有相鄰區(qū)域，如果相鄰區(qū)域的最小值以單調(diào)遞減的順序排列則導(dǎo)致檢查太多的區(qū)域。黑體箭頭205表示水流的開(kāi)始點(diǎn)。圖2中的曲線箭頭210(還有圖3中，下面更進(jìn)一步描述)表示水的方向流。
在深度第一盆地填充方法中，被來(lái)自不同盆地的水流經(jīng)多于一次的像素被標(biāo)記為“分水嶺像素”，其對(duì)于兩個(gè)或者多個(gè)區(qū)域是等距的。如果選擇的盆地被具有較大最小值的區(qū)域包圍，則該方法效果非常好。然而，當(dāng)區(qū)域與幾個(gè)具有較小最小值的區(qū)域(其接下來(lái)也與具有較小最小值的區(qū)域相鄰)相鄰時(shí)，深度第一盆地填充方法將要填充相當(dāng)大數(shù)量的區(qū)域。因此，當(dāng)局部生長(zhǎng)過(guò)程極其重要時(shí)該方法不是理想的。
三層盆地填充現(xiàn)在提出一種三層盆地填充分水嶺方法，其結(jié)合了上面較詳細(xì)敘述的寬度第一盆地填充和深度第一盆地填充?，F(xiàn)在參照?qǐng)D3，用戶選擇的感興趣區(qū)分配給“層-0”，并且將用戶選擇區(qū)的直接相鄰層標(biāo)記為“層-1”和與將層-1區(qū)域的直接相鄰區(qū)域標(biāo)記為“層-2”。
由傳統(tǒng)的分水嶺算法已經(jīng)表明，如果同時(shí)填充盆地的相鄰區(qū)域(也就是說(shuō)，水同時(shí)到達(dá)背脊)，則可以正確地計(jì)算盆地和它的分水嶺線。恰恰在兩個(gè)相鄰區(qū)域共有最低水平背脊之前，足可以開(kāi)始或者繼續(xù)該填充過(guò)程。然后，三層盆地填充方法仿真這兩個(gè)相鄰區(qū)域之間的區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)，并正確地構(gòu)造這兩個(gè)相鄰區(qū)域共有的所有分水嶺線。這種特性(也就是，區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)特性)被用于層-1對(duì)層-0區(qū)域和層-1對(duì)層-2區(qū)域之間的三層盆地填充方法。換句話說(shuō)，只要層-0和層-1達(dá)到與他們的相鄰區(qū)域共有的第一分水嶺線，層-0和層-1便初始化相鄰區(qū)域，從而允許同時(shí)填充和對(duì)這些層之間的分水嶺線進(jìn)行正確的確定。另一方面，層-2區(qū)域在其檢測(cè)到新區(qū)域的地方建造水壩。因而，可能會(huì)出現(xiàn)由于瓶頸問(wèn)題層-2盆地不能被填滿的情況?！捌款i”問(wèn)題是指物體經(jīng)常由狹小的區(qū)域連接。當(dāng)層-0和所有層-1區(qū)域完全被填滿(也就是，形成所有分水嶺線)時(shí)，該三層盆地填充過(guò)程停止。
分水嶺方法在水到達(dá)平頂(也就是，局部平面區(qū)域)時(shí)典型地應(yīng)用了特殊處理。如果平頂完全在盆地內(nèi)部，則它不會(huì)引起任何問(wèn)題。然而，當(dāng)平頂位于兩個(gè)或者更多盆地之間時(shí)，必須額外注意正確分割區(qū)域之間的平頂。距離變換被用于三層盆地填充方法來(lái)分割區(qū)域之間的平頂。特別假設(shè)像素Pi訪問(wèn)它的相鄰像素Pj。在Pj點(diǎn)的距離值被定義為 其中g(shù)(P)為在P點(diǎn)的高度函數(shù)。上述方程采用簡(jiǎn)單的距離公制。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所預(yù)料的那樣，可以采用更精確的距離公制，例如歐幾里得公制。然而，這樣做通常要花費(fèi)更多的計(jì)算時(shí)間。
方程(1)中的距離變換允許兩個(gè)區(qū)域之間平頂?shù)恼_分割。然而，當(dāng)層-0或?qū)?1從平頂初始化一個(gè)區(qū)域時(shí)，出現(xiàn)特殊情況?，F(xiàn)在參照?qǐng)D4，其示出了兩個(gè)區(qū)域即區(qū)域A和區(qū)域B，它們由虛線405分離開(kāi)。區(qū)域A在平頂410(水平20)上擴(kuò)展直到它檢測(cè)到新的區(qū)域B(也就是，它看見(jiàn)空的較低水平(水平18))。在擴(kuò)展過(guò)程中，所有平頂點(diǎn)和與該平頂相鄰的像素標(biāo)記為區(qū)域A。當(dāng)水從B初始化時(shí)，通過(guò)采用距離變換，水校正在平頂處的像素。然而，與平頂相鄰的像素被標(biāo)記為分水嶺像素(W)，因?yàn)樵谶@些像素上標(biāo)記出區(qū)域A和區(qū)域B的沖突。特別地，區(qū)域B訪問(wèn)這些像素但是區(qū)域B不能改變這些像素的區(qū)域標(biāo)記，因?yàn)樗鐓^(qū)域A一樣得出一個(gè)距離值。這在該方法中引起誤差，當(dāng)分水嶺像素的像素從存儲(chǔ)桶中被選擇時(shí)，該誤差被修正。特別地，如果像素的源不同，則他們被正確地標(biāo)記為分水嶺像素。否則，正確的區(qū)域標(biāo)記被分配給這些像素并且水從這些像素開(kāi)始上升。箭頭指示距離擴(kuò)展。
一旦層-0和層-1區(qū)域被正確填滿(也就是，在存儲(chǔ)桶中不存在像素)，該填充過(guò)程終止?，F(xiàn)在，區(qū)域合并可以應(yīng)用于層-1盆地和層-0盆地之間。當(dāng)通過(guò)某些合并準(zhǔn)則(例如，分界)將層-1區(qū)域合并到層-0盆地時(shí)，將層-1區(qū)域也標(biāo)記為層-0并且層-0的區(qū)域信息相應(yīng)被更新，如圖3所示。圖3a說(shuō)明在注入過(guò)程中盆地的三層表示，圖3b說(shuō)明在合并和繼續(xù)注水后層的更新。
另外，合并的層-1區(qū)域的所有相鄰的層-2區(qū)域被更新成層-1狀態(tài)。合并后，填充過(guò)程從先前水平-2區(qū)域的最大值列表中的最小值點(diǎn)重新開(kāi)始。這可能引起層-2區(qū)域的一些部分被重復(fù)處理，但重要的是，把水位降低到標(biāo)記第一個(gè)最大值的地方。水位降低到第一個(gè)最大值點(diǎn)允許算法對(duì)先前水平-2區(qū)域(合并后轉(zhuǎn)化為層-1)的鄰域初始化為新的水平-2區(qū)域，從而，避免如圖1所示的瓶頸問(wèn)題。填充過(guò)程繼續(xù)直到在存儲(chǔ)桶中不再有像素(也就是，所有新的層-1區(qū)域也被填充)。通過(guò)合并、更新和注水，三層盆地填充方法繼續(xù)直到滿足用戶定義的會(huì)聚準(zhǔn)則或者幾個(gè)準(zhǔn)則的組合，如本領(lǐng)域技術(shù)人員所預(yù)料的那樣。在該生長(zhǎng)過(guò)程中，層-1區(qū)域合并到層-0區(qū)域。該合并引起對(duì)其他區(qū)域的某些更新。然后重新開(kāi)始填充或者注水過(guò)程。
采用分水嶺算子的醫(yī)學(xué)圖像分割現(xiàn)在建議一種新的方法用于局部地和正確地計(jì)算分水嶺變換。該新方法包括填充和合并過(guò)程。該填充和合并過(guò)程被稱為分水嶺算子。類似的，也可以輕易定義一個(gè)刪減算子。這些分水嶺算子(也就是，增加和刪減)可以用作分割過(guò)程的基礎(chǔ)。增加是合并、更新和填充的組合。刪減被定義為從層-0刪除一個(gè)區(qū)域并且標(biāo)記它為層-1區(qū)域。
建議區(qū)域可以代替像素用于生長(zhǎng)/刪減算子。特殊地，我們來(lái)說(shuō)明種子區(qū)域生長(zhǎng)和區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)方法的思想。
與形態(tài)學(xué)運(yùn)算結(jié)合，種子區(qū)域生長(zhǎng)由于它的簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)和近似實(shí)時(shí)的執(zhí)行可以被看作醫(yī)學(xué)圖像應(yīng)用中最實(shí)際的分割算法之一。從用戶選擇的點(diǎn)開(kāi)始將像素典型地加到生長(zhǎng)區(qū)域直到不再滿足分水嶺準(zhǔn)則。如果對(duì)區(qū)域良好地隔離并且確定一個(gè)好的分水嶺值(也就是，用戶定義的值)，則該方法效果良好。然而，區(qū)域生長(zhǎng)方法不能定位邊緣，尤其當(dāng)分界線發(fā)散時(shí)。
建議采用分水嶺算子實(shí)現(xiàn)區(qū)域生長(zhǎng)。不是將像素而是將盆地加到生長(zhǎng)區(qū)域。從溢出準(zhǔn)則中確定分水嶺。特別地，溢出準(zhǔn)則監(jiān)控生長(zhǎng)區(qū)域的大小和分割區(qū)域的直方圖。如果新加的盆地在分割中明顯地改變了直方圖和像素的數(shù)量，則溢出發(fā)生并且終止擴(kuò)展。該方法的首要優(yōu)點(diǎn)是甚至在發(fā)散邊緣的情況下能較好地定位邊緣。圖5示出通過(guò)這種方法的脈管和部分腎的分割。
圖像分割應(yīng)用分水嶺算子的第二個(gè)實(shí)施例是區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)。區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)通常效果良好。然而，由于不容易合并邊緣信息，所以區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)不能保證邊緣點(diǎn)的分界線檢測(cè)。另外，區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)要求高級(jí)的可變形的模型演變。
現(xiàn)在參照?qǐng)D5，結(jié)合本發(fā)明的一種實(shí)施方案，來(lái)說(shuō)明分割圖像的示例方法500。確定圖像梯度(在505)以形成漸進(jìn)圖像。通過(guò)獲得漸進(jìn)圖像中用戶選擇的感興趣區(qū)形成第一層(在510)。形成多個(gè)直接與第一層相鄰的第二層(在515)。形成多個(gè)直接與多個(gè)第二層相鄰的第三層(在520)。利用合并準(zhǔn)則將第一層與多個(gè)第二層之一合并(在525)以形成合并的第一層。從多個(gè)第三層的鄰域開(kāi)始進(jìn)行填充過(guò)程(在530)。
上面較詳細(xì)描述的三層盆地填充方法局部地和精確地計(jì)算分水嶺變換。在其他的實(shí)現(xiàn)中，三層盆地填充方法可以用于大量數(shù)據(jù)集的醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)的半自動(dòng)化分割(例如，從多檢測(cè)器CT機(jī)中獲得CTA數(shù)據(jù))。另外，分水嶺算子可以有效地用于分割算法。
上面公開(kāi)的具體實(shí)施方案只是圖例說(shuō)明，因?yàn)榭梢砸圆煌堑葍r(jià)的、在這里對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員具有教導(dǎo)意義的方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改和實(shí)踐。另外，與下面在權(quán)利要求中所述的不同，對(duì)這里所示的構(gòu)建或者設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)沒(méi)有限制。因此明顯地，對(duì)上面公開(kāi)的具體實(shí)施方案可以進(jìn)行改變或者修正，并且認(rèn)為所有的類似方案都處于本發(fā)明的范圍和精神之內(nèi)。所以，所要尋求的保護(hù)在下面權(quán)利要求書(shū)中給出。
權(quán)利要求
1.分割圖像的方法，包括確定圖像的梯度以形成梯度圖像；通過(guò)獲得所述梯度圖像中用戶選擇的感興趣區(qū)形成第一層；形成多個(gè)直接與所述第一層相鄰的第二層；形成多個(gè)直接與多個(gè)所述第二層相鄰的第三層；利用合并準(zhǔn)則將所述第一層與多個(gè)所述第二層之一合并以形成合并的第一層；和從多個(gè)第三層的鄰域開(kāi)始進(jìn)行填充過(guò)程。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中確定圖像梯度包括把Sobel算子應(yīng)用于所述圖像以形成所述梯度圖像。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中形成第一層包括如果需添加的像素的高度值比在所述梯度圖像中發(fā)現(xiàn)的用戶選擇區(qū)的高度值大，則將像素添加到所述用戶選擇區(qū)；和如果所述高度值較小，則初始化所述第二層。
4.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中形成多個(gè)第二層包括如果需添加的像素的高度值比在所述梯度圖像中發(fā)現(xiàn)的當(dāng)前像素的高度值大，則將像素添加到所述用戶選擇區(qū)；和如果所述高度值較小，則初始化第三層。
5.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中形成多個(gè)第三層包括當(dāng)看見(jiàn)時(shí)，如果所述值小于所述第二層，則在第三層上建造水壩。
6.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中利用合并準(zhǔn)則將所述第一層與多個(gè)第二層進(jìn)行合并包括利用區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)將所述第一層與多個(gè)第二層之一合并。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，其中利用區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)將所述第一層與多個(gè)第二層之一合并包括計(jì)算所述多個(gè)第二層之間的平均強(qiáng)度值；確定所述多個(gè)第二層的每個(gè)的鄰域；選擇領(lǐng)域中具有最小平均強(qiáng)度值的一個(gè)；并且將所述鄰域的一個(gè)添加到所述第一層。
8.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中利用合并準(zhǔn)則將所述第一層與所述多個(gè)第二層合并包括利用種子區(qū)域生長(zhǎng)將所述第一層與多個(gè)第二層之一合并。
9.按照權(quán)利要求8所述的方法，其中利用種子區(qū)域生長(zhǎng)將所述第一層與多個(gè)第二層之一合并包括計(jì)算所述多個(gè)第二層之間的相似性的統(tǒng)計(jì)量；確定所述多個(gè)第二層的每個(gè)的鄰域；基于所述統(tǒng)計(jì)量選擇一個(gè)具有最高相似性的鄰域；和將所述鄰域之一添加到所述第一層。
10.按照權(quán)利要求9所述的方法，其中計(jì)算所述多個(gè)第二層之間的相似性統(tǒng)計(jì)量包括計(jì)算每個(gè)所述多個(gè)第二層的平均值和標(biāo)準(zhǔn)方差。
11.按照權(quán)利要求9所述的方法，其中基于所述統(tǒng)計(jì)量選擇一個(gè)具有最高相似性的鄰域包括基于平均值之間的絕對(duì)差值選擇一個(gè)具有最高相似性的鄰域。
12.按照權(quán)利要求9所述的方法，其中基于所述統(tǒng)計(jì)量選擇一個(gè)具有最高相似性的鄰域包括基于菲希爾精確試驗(yàn)選擇一個(gè)具有最高相似性的鄰域。
13.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中利用合并準(zhǔn)則將所述第一層與所述多個(gè)第二層合并包括利用基于標(biāo)記的分水嶺分割將所述第一層與所述多個(gè)第二層之一合并。
14.按照權(quán)利要求13所述的方法，其中利用基于標(biāo)記的分水嶺分割將所述第一層與所述第二層之一合并包括確定所述多個(gè)第二層的每個(gè)的鄰域；確定一個(gè)在多個(gè)所述第二層的每個(gè)與所述多個(gè)第二層的每個(gè)的相應(yīng)鄰域之間的最小高度值V；和將所述多個(gè)第二層中具有最小值V的一個(gè)添加到所述第一層；
15.按照權(quán)利要求1所述的方法，另外包括分割位于至少兩個(gè)所述第一層、所述第二層和所述第三層之間的平頂，包括給定一個(gè)訪問(wèn)其相鄰像素Pj的像素Pi，計(jì)算Pj處的距離值 其中g(shù)(P)是P處的高度函數(shù)。
16.存儲(chǔ)有由處理器執(zhí)行的指令來(lái)執(zhí)行分割圖像的方法的機(jī)器可讀媒體，所述方法包括確定所述圖像的梯度以形成梯度圖像；通過(guò)獲得所述梯度圖像中的用戶選擇的感興趣區(qū)形成第一層；形成多個(gè)直接與所述第一層相鄰的第二層；形成多個(gè)直接與所述多個(gè)第二層相鄰的第三層；利用合并準(zhǔn)則將所述第一層與所述多個(gè)第二層之一合并以形成合并的第一層；和從所述多個(gè)第三層的鄰域開(kāi)始進(jìn)行填充過(guò)程。
17.分割圖像的系統(tǒng)，包括用于確定圖像梯度以形成梯度圖像的工具；用于通過(guò)獲得梯度圖像中用戶選擇的感興趣區(qū)形成第一層的工具；用于形成多個(gè)直接與所述第一層相鄰的第二層的工具；用于形成多個(gè)直接與所述多個(gè)第二層相鄰的第三層的工具；用于利用合并準(zhǔn)則將所述第一層與所述多個(gè)第二層之一合并以形成合并的第一層的工具；和用于從所述多個(gè)第三層的鄰域開(kāi)始進(jìn)行填充過(guò)程的工具。
全文摘要
建議局部分水嶺算子用于圖像中的結(jié)構(gòu)分割，例如醫(yī)學(xué)結(jié)構(gòu)。分水嶺變換是一種用于將圖像分割成很多區(qū)域而實(shí)際上保留邊緣信息的技術(shù)。該建議的分水嶺算子是一種具有計(jì)算效率的分水嶺局部實(shí)現(xiàn)，所述分水嶺可以用作其他分割技術(shù)，例如種子區(qū)域生長(zhǎng)、區(qū)域競(jìng)爭(zhēng)和基于標(biāo)記的分水嶺分割中的算子。
文檔編號(hào)G06K9/34GK1670768SQ20051005278
公開(kāi)日2005年9月21日 申請(qǐng)日期2005年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月12日
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