用于过滤弯曲特征的方法

专利名称：用于过滤弯曲特征的方法
技术领域：
本发明涉及使用变形细长的(warped elongated)滤波器过滤输入图像 的方法。本发明也涉及用于过滤输入图像的系统，所述系统执行所述方法。 本发明最终涉及用于执行所述方法的计算机程序。本发明在用于增强弯曲特征的图像处理一般领域中，并且尤其在用于 检测引入到患者体内的导丝的医学图像处理领域中有应用。
背景技术：
在医学图像处理中，经常需要对例如血管、肋骨或者导管的细长特征 进行增强。为此，己经开发出多种用于设计定向滤波器的技术。1991 年在《IEEE Transaction on Pattern Analysis and Machine Intelligence》，巻13(9)，第891-906页发表的W. Freeman和E. Adelson的标 题为"The design and use of steerable filters"的文章公开了一类滤波器，当 给定合适的滤波器基础的线性结合时，该类滤波器可以以有效的方式旋转 并具有最小的计算成本。考虑到二维(2D)图像I包括多个图像点X，多 个图像点X又具有多个强度水平(intensity level),将在2D中可操纵 (steerable)的滤波器h定义如下<formula>formula see original document page 5</formula>其中，g是任意各向同性窗体函数，例如，高斯函数。滤波器h在方向e中是可操纵的，这意味着图像I的函数f与h的任意旋转变型(version)的巻 积可由如下线性组合表示<formula>formula see original document page 5</formula>其中X=(x,y)， Rθ旋转矩阵，并且by是与定向相关的微。函数fk,i是f的经过过滤的变型，使得/^，力=/(义,力*乂并且其中，与定向相关的权数by是由下式定义的三角多项式乂=0 /,meS(WJ)其中集合S(Uj)^1， m/0《l^k-i; 0《m《i; k<l"Hm)=j}。一旦确定了fw，可以鹏卩权项的线性和以有效的方式i刊古f与h (Re， X)的巻 积。上面介绍的方法的缺点在于方向是己经被考虑的图像强度水平的单一特点。 这暗示着假定已经根据轴对称或者反)^t莫型设计了这些定向的搶波器。这种假 ^t于^^卖信号通常是^fi有效的，但是在考虑离散图像时，尤其是在小比例处 当搜索小尺寸特征时贝嗵常不是这样。当轴)^tf尔假定麟时，不可避她会出现 模糊和次做滤。特别是，可操纵的滤波器不适于检测弯曲特征，这种弯曲特征 经常出现在医学图像中，例如导丝。发明内容本发明的一个目的在于提出一种更有效地过滤输入图像中弯曲特征的方法和^M^包括多个图像点的输入图像进行过滤的^^实现，所述多个图像 点具有多个3M;Jc平，戶;f^;^4^括如下步骤一计算^M输入图像的中心图像点处的源定向的搶波器图案，戶;f^源定向的^M器图案包^M中线；一分析该中心图像点附近的多个图像点的多个^^K平以确定目标中线； —计算中心图像点处的目标定向的搶波器图案，戶腿步骤包括下列子步骤—计算属于该源定向的滤波器图案的源点与该源中线的对应源线的点之间的对]5^见则；一计算^^规则，以使该源中线的对应源线的点 妾腿该目标中线的对应目标线的点上；一计算该目标中线的对应目标线的点与该以目标定向的滤波器图案的目标点之间的，IS^见则。一根据戶;M目标定向的滤波器图案计算目标定向的滄波器；以及 -将戶腿目标定向的滤波器施加给戶;M输入图像以产生输出图像。 根据本发明，在中心图像点处计算源定向的搶波器图案。对该中心图像点附 近的强度水平进行分析以用于确定目标中线的参数。因此，这种目标中线是关于 图像中存在的特征定义的，特别是关于弯曲细长的特征。所定义的目标中线然后 用于使该源定向的滤波器图案发生变形。这fflii计算如下方式的变i^见则而实现:1. 在属于该源定向的滤波器图案的源点和该源中线的对应源线的点之间的对应规则；2. 对应源线的点与该目标中线的对应目i^的点之间的^^规则；3. 该对应目标线的点与目标定向的滤波器图案的目标点之间的逆对应这样，可以通过向属于该源定向的滤波器图案的多个点施加以上定义的变换 规则来计算属于该目标定向的滤波器图案的目标点的位置。因此，获得弯曲定向 的滤波器图案，其MM据对该中心图像点附近的强度水平进行的分析来使定向 的滤波器图案弯曲而获得。最终，OT本领域普通技术人员所公知的技术从该目 标定向的、搶波器图案导出目标定向的搶波器。所产生的目标定向的滤波器图案具有弯曲形tt其是根据对输入图像进行的 分析而设计的，并且因此相当适用于图像强度水M化。从而，在用于增强输入 图像中存在的特征的输入图像上，该目标定向的搶波器比直的细长的定向的滤波 器更有效。在本发明的第一实施方式中，分析步骤用于估计中心图像点处的曲率半径向 量，戶腐曲率判5向觀有曲率判5^S和曲率定向，其定义了r为判5的圆周， 该圆周的判5等于戶腿曲率判5模量，并且其中'。啦于由该曲率向量鋭的中心 图像点处，并且其中，该目标中线^Mr为判圣的圆周的一扇段，m^段具有 扇形角(sector angle)。本发明的第一^^式的优点在于，使该源中线的对应源 线的点娜至跶该目标中线的对应目禾織的点的郷规则非常简单。根据本发明，变换规贝何以以各种方式定义。在下文中，可以看出，该源定 向的滄波器图絲过歡向中定向并且包括局部空间坐^#考系，该参考系以中心图像点为中心并具有与定向, 向中的第~^对应的空间坐标以及与戶;^第一轴垂直的第二空间坐标。在本发明的第二实施方式中，对应规则以如下方式定义对应源线的点具有 与源点相同的第一空间坐标。因此，很容易计算对应源线的点的健。有利的是，^^规则以如下方式定义对应目标线的点具有与源线的点相同 的第一空间坐标。因此，很容易计算Xt应目标线的点的位置。有利的是，m应规则以如下方式定义目标点和目标中线的对应目标线的 点具有相同的第一空间坐标，并且将该目标点连接到该对应目标线的点的向量与 将该源点连接到劍应目+織的点的向量相同。因此，很容易计算对应目标点的 緣在本发明的第三实^"式中，对应规则定义为该源点到该源中线的正^i^。有利的是，将舰应规贝啶义为该目标点到该目标中线的正交投影。另外，il^t应规则指定将该目标点连接到i^t应目f織的点的向量与将该源点连接到该对应目t^的点的向量相同。一错点在于，这些对应和舰应规贝湘当于局部刚性变换。这意赠，对 应源线的点与该源点之间的线段与源中线的切线相垂直，并且该对应目标线的点 与该目标点之间的,与目标中线的切,垂直。有利的是，'娜规则以如下方式定义中心点和源线的点之间的弧长等于中 心图像点和目标线的点之间的弧长。其优点在于，不存在该目标定向的媳波器图 案关于该源定向的搶波器图案的纵向失真。在备选方案中，郷规则以如下方式定义该中心图像点与该源线的点之间 的距离等于该中心图像点与该目标线的点之间的距离。其优点在于，该方法仅引 入目标定向的滄波器图案的很少量的纵向失真，同时易于实现。本发明也涉OT于对包括多个图像点的图舰行过滤的图像处麟统，戶腿 系统舰臓施。本发明的这些以及其它方面将在下文中描述的实施方式中显而易见，并将参 考下文中描述的实 叙阐明。


现在将通过实例并参考附图更详细地描述本发明，其中 图1示意性地描述了根据本发明的方法；图2是以中心图像点为中心的源定向的滤波器图案的示意图3示意性地描述了根据本发明的用于将源定向的滤波器图案变换成
目标定向的滤波器图案的变换规则；
图4A是根据本发明的第一实施方式确定目标中线的示意图4B示意性地示出了根据本发明第二实施方式的对应和逆对应规则
的定义；
图5A和5B都是根据本发明第二实施方式的变形规则的定义示意图； 图6A是根据本发明第三实施方式的变形规则的定义示意图； 图6B是根据本发明第三实施方式的对应规则的定义示意图； 图7是根据本发明的系统的示意图。
具体实施例方式
本发明涉朋ra滤输入图像以产生输出图像的方法。在下文中，将图像看 作多个图像点的2D阵列，图像点具有^g7jC平并皿过图像参考系的空间坐标定 位在2D阵列中。然而，应该注意的是，多个图像点的3D阵列也在本发明的范围 内。
参考图l，这种方跑蹄骤IO，在i^^骤中，计^il入图像IN的中心图像 点Po处的源定向的滤波器图案SP， 0f^源定向的媳波器图案包括源中线SCL。
在下文中，搶波器图案4^^^波器的理想核心(ideal kernel of a filter)的 函数。该函数可以用参数定义或者其可以以其外延定义，也就是给i^波器核心的 ^h空间坐标^WHl。该函数定义在一组空间点上。
应该注意，为了简单，图1中B^的源中线SCL 线，但是源定向的滤波 器图案SP也可以具有弯曲源中线。在这种情况下，希望该弯曲源中线是可以导出
'根据本发明的方法还包^^骤20和步骤30，在步骤20中，分析中心图像点 P。附近的V中的多个图像点的强敷K平IL以确定目标中线TCL，并且，在步骤 30中，tSlg戶;M目标中线TCL计算中心图像点Po处的目标定向的滤波器图案TP。 臓步骤30包括下列子步骤
-计算31属于源定向的滤波器图案的源点P2与源中线的对应源线的点&之 间的对娜则CR;-计算32使该源中线的i^f应源线的点&^至IJ达该目标中线的对应目标 线的点P、的^^规则WR;
-计算33该目标中线的该对应目标线的点P',与目标定向的滤波器图案的目 标点P'2之间的m应规则ICR。
根据本发明的方法驗包蹄骤40和步骤50，在步骤40中，根据戶腿目标 定向的滤波器图案TP计算目标定向的滤波器TOF，并且在步骤50中，将戶脱目 标定向的搶波器TOF施加给fM输入图像IN以产生输出图像OUT。
参考图2，中心图像点Po包括^^7K平ILo，并且Ml入图像的参考系(0， x， y)中具有与该中心图像点相关联的空间坐标(xo， yo)。根据本发明，源定向的滤
波器图案sp以中心图像点Po为中心，并定向ffil駄向e中。在下文中，考虑局
部参考系(u， v),其以中心图像点Po为中心并定向超默向e中。因此，源定 向的滤波器图案SP的源中线SCL定向在方向u中。
应当注意到，目标中线在中心图像点Po处并不必需具有等ra滤方向e的定
向。因此，根据本发明的方法有利地包掛十算在中心图像点处目标中线的定向cp的 步骤和将局部参考系(u， v)旋转为如图4A戶标的旋转的参考系(uo， vo)的步 骤。在下文中，为了简单，仅考虑局部#%系(u， v)。
参考图3，考虑定位在源定向的滄波器图案SP中的源点P2，该滄波器图案SP
以图像点Po为中心。为了简单，已经将滄波器方向e选择为等于零，但是任意值的
e均落A^发明的范围内。tg^本发明，職戶腿目标中线TCL计算中心图像点 Po处的目标定向的滤波器图案TP的步骤30用于计算对应的目标点P'2在目标定向 的滤波器图案TP中的隨。为此，以如下戶脱的三行步ili十算三种变^^则以
将源点P2变换为目标点P'2:
1. 考虑属于源中线SCL的对应源线的点P"由用于t^该源点P2的 ，定^f应源线的点P,的子步骤31定J^t应规则CR;
2. 由用于将对应源线的点P,变^M于该目标中线的目标线的点P、 的子步骤32计算，规则WR;
3. 最终定划于将对应目+織的点P' t变,目标点P，2的^t磁见则 ICRo
根据本发明，分析中心图像点PoPf逝V中的多个图像点的^^7K平IL的步骤20包括本领^^术人员所公知的图像处理技术。例如，可以在图像雄加梯度 算子以确定图像中存在的细长特征的方向。另外，可以如本领域公知的那样计算 用于更详细iW征细长特征的,的局，数。
参考图4A,并根据本发明的第一实施方式，分t脉骤用于估计中心图像点P0 处的曲率半径向量C》。曲率半径向量c—>r具有曲率^gM CM和曲率定向a ， 这定义了一个以r为^^的圆周Ci，该圆周具有等于戶脱曲率判劲鍾CM的判圣 P以及定位在由曲率向量C》表达的中心图像点Po的中心C。在这种情况下，目标
中线tcl局部确定为r为半径的圆周ci的一扇段s。戶;fi^扇段s例如由扇形角e
表征。第一实施方式的优点在于易B十算目标中线。财卜，由于曲率雜向量是 :S普通的估计信"^^弯曲(bending)的方式，i^波器非常适^T信号弯曲。
应该注意到，根据本发明，包括对应规则、z娜规则和舰应规贝啲变换规 则可以以各种方式定义。
参考图4B并根据本发明的第二实施方式，对应规则CR以如下方式定义对
于源点&，属于该源中线的对应源线的点P,具有与源点P2相同的第一空间坐标U2。 因此，很容易计算对应源线的点P2的健。
有利的是，^J"i^见则ICR以如下方^义目标点P'2和目标中线的对应目 标线的点P',具有相同的第一空间坐标U'^U、，并且将目标点P'2连接到对应目标
线的点p，,的向量f》',与将源点P2连接到对应目+蔵的点&的向量p; ,相同。因
此，很容易计算对应目标点P'2的隨。
参考图5A，有利;tW^规则以如下诚定义对应目f織的点P、具有与 源线的点&相同的第一空间坐标u、，。因此，很容易if^对应目f織的点的位 置。
在图5B麻的第一备选方案中，有利地^I^^规则WR以如下方貌义中
心图像点Po和源线的点&之间的距离等于中心图像点P()和目+繊的点P、之间的
距离。换而言之，源线的点和目i^的点都包括在以中心图像点P。为中心的圆周 Co上。一4^点在于，源定向的搶波器图案SP的^SM51向目标定向的滤波器图
案TP的郷鄉而得到保存。
在图6A戶标的第二备选方案中，有利ifcltt ^顺lJWR以如下方式定义中
心图像点Po和源线的点&之间的弧长与中心图像点Po和目标线的点P、之间的弧 长相等。参考图6B并根据本发明的第三实航式，将对应规则CR定JW^点P2在源 中线SCL上的正，影。换而言之，对应源线的点&和源点P2之间的线段P2& 与源中线SCL的切线T垂直。
有利地，将i^t应规则定义成目标点P'2在目标中线上的正交據。另外，逆 对应规则还指定将目标点P'2连接到对应目标线的点P、的向量P'》,与将源点P2 连接到对应目标线的点&的向量p^相同。
因此，可以应用局部刚性变换而不会发生横向失真(distortion)。
有利地，分析中心图像点Po附近V中的多个图像点的3M7K平BL的步骤20 可以确定附近存在的弯曲特征的其它参数，例如该弯曲特征的宽度。这些参数可 以进一步用于计算施加给源定向的滄波器图案的变换规则。例如，对于 规则 WR,该宽度可以用于计算与中心图像点Pc和源线的点P！之间的弧长相乘的比例 因子(scale factor),从而计算中心图像点Po和目标线的点P、之间的弧长。
参考图7，提出了一 据本发明的计 1^统，其包括用预^I入图像并 产生输出图像的系统110。计皿系统100包括图像 信号输入120和用于存储 舰输入120输入到系统内的图像,的存储器140。系统110包括被编程为鹏 本发明控制输入图像 处理的处理器，以，统电源180。计 1^皿包括视 Mm職200，郷丰麟经由输出220接te自处理器的^^的输出图像。根据 本发明，用^!滤输入图像IN的方法可以由计M^gmM:存储器140中的常规 编程语言，程，并由系统110利用。或者，系统110可以以硬件实现。
,本发明的系统110包括
一装置iii，其用^H十^r入图像iN的中心图像点Po处的源定向的滤波器
图案SP，所述源定向的滤波器图案SP包拾源中线SCL;
一 U2，其用于分析中心图像点Po附近V中的多个图像点的3赃水平IL 以确定目标中线TCL;
一计算113该中心图像点处的目标定向的波滤器图案，戶脱步骤包括下列子
' —计算114属于源定向的滤波器图案的源点与源中线的对应源线的点之
间的对/SM则；
一计算115用于使源中线的对应源线的点娜至哒目标中线的对应目标 线的点的3^f规则；—计算116目标中线的对应目标点与，定向的图案的目标点之间的逆 对应规则。
—根据所述目标定向的滤波器图案计算H7目标定向的滤波器；以及
—将戶/M目标定向的'搶波器施加118给输入图像以产生输出图像。
附图和上文中的说明书用于解释本发明而不限制本发明。很明显，可以有多
种备选方案，这些 入所附权利要求书的范围内。就这方MM言，进行如下封
闭式注释借助于硬件或者软件项或,两者，有多种方式来实现功能。就这方
丽言，附图只标意性的，^h仅标是本发明的一种可能的实歸式。因此，
尽管附图以不同滩示出不同功能，这并不意赠排除用单个硬件離软件项来 执行多种功能，也不排除用硬件或者软件项的组合或，两者的组合来执行单一 功能。
权利要求中的樹可附图标己不应当離为鄉利要求柳蹄IJ。舰的动词"包 括"以及其 并不排除权利要求中罗列的元件和步外的元件和步骤。元件
赫步mt前娜的单数鋼"一"不排除多个这种元件^i^骤。
权利要求
1、一种用于过滤包括多个图像点的输入图像的方法，所述方法包括下列步骤计算所述输入图像的中心图像点处的源定向的滤波器图案，所述源定向的滤波器图案包括源中线；分析所述中心图像点附近的多个图像点的多个强度水平以确定目标中线；计算所述中心图像点处的目标定向的滤波器图案，所述步骤包括下列子步骤计算属于所述源定向的滤波器图案的源点与所述源中线的对应源线的点之间的对应规则；计算使所述源中线的对应源线的点变形到达所述目标中线的对应目标线的点上的变形规则；计算所述目标中线的对应目标线的点与所述变形定向的图案的目标点之间的逆对应规则；根据所述目标定向的滤波器图案计算目标定向的滤波器；以及将所述目标定向的滤波器施加给所述输入图像以产生输出图像。
2、 如权利要求1所述的用于过滤输入图像的方法，其中，所述源定向 的滤波器图案在过滤方向上定向，并且包括局部空间坐标参考系，其以所 述中心图像点为中心，并且具有与在所述过滤方向上定向的第一轴相对应 的空间坐标以及垂直于所述第一轴的第二空间坐标。
3、 如权利要求1所述的用于过滤输入图像的方法，其中，所述分析步 骤用于估计在所述中心图像点处的曲率半径向量，所述曲率半径向量具有 曲率半径模量和曲率定向，其定义了一个以r为半径的圆周，该圆周的半径等于所述曲率半径模量并且其中心定位在由所述曲率向量表达的所述中心 图像点处，并且其中，所述目标中线是所述以r为半径的圆周的一扇段，所 述扇段具有扇形角。
4、 如权利要求2所述的用于过滤输入图像的方法，其中，所述对应规则以如下方式定义所述对应源线的点具有与所述源点相同的第一空间坐标。
5、 如权利要求2所述的用于过滤输入图像的方法，其中，所述变形规 则以如下方式定义所述对应目标线的点具有与所述源线的点相同的第一 空间坐标。
6、 如权利要求2所述的用于过滤输入图像的方法，其中，所述逆对应规则以如下方式定义所述目标点和所述目标中线的对应目标线的点具有 相同的第一空间坐标，并且将所述目标点连接到所述对应目标线的点的向 量与将所述源点连接到所述对应目标线的点的向量相同。
7、 如权利要求2所述的用于过滤输入图像的方法，其中，所述对应规 则是所述源点向所述源中线的正交投影。
8、 如权利要求2所述的用于过滤输入图像的方法，其中，所述变形规 则以如下方式定义所述中心图像点和所述源线的点之间的距离等于所述中心图像点和所述目标线的点之间的距离。
9、 如权利要求2所述的用于过滤输入图像的方法，其中，所述变形规 则以如下方式定义所述中心图像点和所述源线的点之间的弧长与所述中心图像点和所述目标线的点之间的弧长相等。
10、 如权利要求2所述的用于过滤输入图像的方法，其中，所述逆对应规则定义成所述目标点在所述目标中线上的正交投影，并且所述逆对应规则以如下方式定义将所述目标点连接到所述对应目标线的点的向量与将所
11、 一种用于过滤包括多个图像点的输入图像的系统，所述系统包括-用于计算所述输入图像的中心图像点处的源定向的滤波器图案的装置，所述源定向的滤波器图案包括源中线；用于分析所述中心图像点附近的多个图像点的多个强度水平以确定目 标中线的装置；用于计算所述中心图像点处的目标定向的滤波器图案的装置，所述装 置包括用于计算属于所述源定向的滤波器图案的源点与所述源中线的对 应源线的点之间的对应规则的子装置；用于计算使所述源中线的对应源线的点变形到达所述目标中线的 对应目标线的点上的变形规则的子装置；用于计算所述目标中线的对应目标线的点与所述目标定向的图案 的目标点之间的逆对应规则的子装置；用于根据所述目标定向的图案计算目标定向的滤波器的装置；以及 用于将所述目标定向的滤波器施加给所述输入图像以产生输出图像的 装置。
12、 一种用于计算机的计算机程序产品，包括当载入所述计算机中时 使所述计算机执行如权利要求1所述的方法的指令集。
全文摘要
本发明涉及一种使用目标定向的滤波器图案过滤输入图像的方法，目标定向的滤波器图案是通过使源定向的滤波器图案变形获得的。这种方法包括如下步骤计算所述输入图像的中心图像点处的源定向的滤波器图案，所述源定向的滤波器图案包括源中线；分析所述中心图像点附近的多个图像点的多个强度水平以确定目标中线；以及通过定义该源的多个点与该目标定向的滤波器图案的多个点之间的变换规则根据所述目标中线和所述源定向的滤波器图案计算中心图像点处的目标定向的滤波器图案。根据本发明的方法最终包括根据所述目标定向的滤波器图案计算目标定向的滤波器的步骤以及将所述目标定向的滤波器施加给所述输入图像以产生输出图像的步骤。
文档编号G06T5/20GK101310306SQ200680042729
公开日2008年11月19日 申请日期2006年11月16日 优先权日2005年11月18日
发明者C·萨姆森, M·皮卡尔, R·弗洛朗 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司