基于主动轮廓和深度学习的模糊边界图像自动分割方法与流程

文档序号:19683903发布日期:2020-01-14 17:46阅读:来源:国知局

技术特征:

1.基于主动轮廓和深度学习的模糊边界图像自动分割方法,其特征在于,包括以下步骤:

s1、使用深度学习模型分割模糊边界图像,得到初始化的目标分割结果;

s2、使用主动轮廓模型精调模型的分割结果,得到更加精准的正常边界和模糊边界分割结果,具体包括:

s2.1、使用s1中得到的初始化的目标分割结果中的区域边界初始化主动轮廓模型,构造初始的水平集;

s2.2、使用水平集来表示能量函数,通过能量函数得到曲线演化的偏微分方程;

s2.3、进行轮廓点所在区域的判定;

s2.4、确定各个轮廓点所在的区域之后,计算偏微分方程的值,并迭代演化轮廓,直到达到最大迭代次数或轮廓变动微小或不变则完成分割。

2.根据权利要求1所述的基于主动轮廓和深度学习的模糊边界图像自动分割方法,其特征在于,步骤s2.1中,通过深度学习模型的分割结果构造主动轮廓模型的初始水平集φi(x,y),初始水平集的定义如下:

其中r(x,y)={0,1}为深度学习模型分割结果,r(x,y)=0表示点(x,y)属于目标区域,r(x,y)=1表示点(x,y)属于非目标区域;处于目标区域与非目标区域分界处的点构成目标边界b,d(x,y)为图像上每个点(x,y)与目标边界b的最短距离。

3.根据权利要求1所述的基于主动轮廓和深度学习的模糊边界图像自动分割方法,其特征在于,步骤s2.2中,能量函数中共包含三个部分:1)轮廓的周长、面积;2)轮廓局部区域能量;3)轮廓约束能量;

整个能量函数的定义如下:

其中,c表示当前的分割轮廓,c0表示初始化的分割轮廓,length(c)表示轮廓c的周长,area(inside(c))表示轮廓c内部区域的面积,μ0(x,y)是指源图像i在(x,y)处的像素强度,c1是指轮廓c内部像素强度均值,c2是指轮廓c外部像素强度均值,p是指轮廓c上的点,p∈n(c)表示轮廓点p处于目标边缘区域内,p∈f(c)表示轮廓点p处于前景(目标)区域内,p∈b(c)表示轮廓点p处于背景区域内,ia(p)是指处于轮廓点p周围且在轮廓c内部的点,oa(p)是指处于轮廓点p周围且在轮廓c外部的点,cip是指满足ia(p)的点的像素强度均值,cop是指满足oa(p)的点的像素强度均值,所述轮廓点p周围是指以p为圆心,r为半径的圆的范围内;能量函数中的第一项和第二项表示轮廓的周长和面积,作用是使轮廓保持连续、光滑,只与轮廓本身的大小、形状有关;能量函数中的第三项和第四项是轮廓局部区域能量,作用是使轮廓向目标的边界演化,与图像数据有关;能量函数中的第五项是轮廓约束能量,作用是限制当前轮廓向极大偏离初始化轮廓的区域演化,u,v,λ1,λ2,λ3是相应能量项的系数。

4.根据权利要求3所述的基于主动轮廓和深度学习的模糊边界图像自动分割方法,其特征在于,在能量函数f中,使用水平集方法来表示轮廓c以及轮廓内部和外部;在水平集方法中,图像域ω中轮廓c表示为零水平集即φ=0,定义为:

使用零水平集即φ=0表示轮廓c;

heaviside函数h和dirac函数δ0的定义如下:

使用h表示轮廓c内部和外部:

使用水平集φ、函数h、函数δ0表示轮廓的周长、面积:

area{φ>0}=∫ωh(φ(x,y))dxdy;

轮廓约束能量是当前轮廓c和初始化轮廓c0的差异,使用水平集φ、函数h、φi表示,轮廓约束能量表示为当前水平集φ与初始化水平集φi的差异:

(c-c0)2=∫ω(h(φ(x,y)))-h(φi(x,y))2dxdy;

轮廓局部区域能量是所有轮廓点周围内部和外部能量的总和;轮廓周围区域的能量采用局部计算的方式,对每个轮廓点单独计算其局部区域内轮廓内部和轮廓外部的能量,然后叠加得到总体的能量;使用水平集φ、函数h表示后,轮廓周围区域的能量中的各项定义为:

其中,对于轮廓点c上的点p(xp,yp),φ(p)=0;a(p)表示处于轮廓点p周围,所述轮廓点p周围是指以p为圆心,r为半径的圆的范围内;ia(p)表示处于轮廓点p周围且在轮廓c内部的点,对于满足ia(p)的点a(xa,ya),φ(xa,ya)>0且oa(p)表示处于轮廓点p周围且在轮廓c外部的点,对于满足oa(p)的点a(xa,ya),φ(xa,ya)<0且

5.根据权利要求3所述的基于主动轮廓和深度学习的模糊边界图像自动分割方法,其特征在于,在使用水平集方法表示各个能量项后,能量函数f定义为:

其中c1是指轮廓c内部像素强度均值,c2是指轮廓c外部像素强度均值,分别满足:c1(φ)=average(u0)in{φ≥0},c2(φ)=average(u0)in{φ<0};通过水平集φ定义c1和c2:

cip为满足ia(p)的点的像素强度均值,cop为满足oa(p)的点的像素强度均值;

定义为:

能量函数f通过欧拉-拉格朗日变分法和梯度下降流得到曲线演化的偏微分方程:

其中(x,y)∈a(p)表示点(x,y)处于轮廓点p周围,所述轮廓点p周围是指以p为圆心,r为半径的圆的范围内;在曲线演化过程中,第n次迭代的水平集为φn,第n+1次迭代的水平集使用有限差分的方式计算二维图像中水平方向和竖直方向的偏导数。

6.根据权利要求1所述的基于主动轮廓和深度学习的模糊边界图像自动分割方法,其特征在于,步骤s2.3中,通过轮廓内外的像素强度差异判定轮廓点p在目标边缘区域内或者非目标边缘区域内,具体方法如下:在模糊边界图像中,目标边缘区域中轮廓周围内部和外部的像素强度均值差异较大,而非目标边缘区域中轮廓周围内部和外部的像素强度均值差异较小;当轮廓点p在非目标边缘区域时,cip与cop的值相近,即cip≈cop,|cip-cop|≤cd,cd是判定cip与cop是否相近的阈值;判定方法按照以下步骤:

s2.3.1、按照逆时针的顺序计算轮廓上每个轮廓点的cip与cop的差值dp,按照dp得到的顺序构建闭环队列d;

s2.3.2、使用宽度为r的高斯滤波器平滑闭环队列d;

s2.3.3、寻找闭环队列d中长度大于2r且dp≤cd的片段δc;

s2.3.4、若存在满足步骤s2.3.3的片段,则片段中所有轮廓点处于非目标边缘区域,其他轮廓点处于目标边缘区域;

处于目标边缘区域轮廓点的局部区域内轮廓内部的能量和为:

处于目标边缘区域轮廓点的局部区域内轮廓外部的能量和为:

7.根据权利要求6所述的基于主动轮廓和深度学习的模糊边界图像自动分割方法,其特征在于,若轮廓点p处于非目标边缘区域,进一步确定轮廓点p处于前景区域或背景区域;由于轮廓点周围的区域特性和所处区域相似,因此将模糊边界图像根据图像特性分为若干个子区域,在这些子区域中确定轮廓点p处于前景区域或背景区域;具体方法如下:

s2.3.5、首先将模糊边界图像根据图像特性分为若干个子区域,确定轮廓片段δc所处的子区域ο;

s2.3.6、在图像子区域ο中建立二维坐标系,以处于轮廓片段δc中间的轮廓点坐标位置为二维高斯函数f(x,y)中心点center(x0,y0),以x0与子区域边界1/6最大距离作为高斯函数x轴部分的标准差σx,以y0与子区域边界的1/6最大距离作为高斯函数y轴部分的标准差σy;使用二维高斯函数给子区域中的每个点赋予权值wij,并分别对轮廓内部和外部的权值wij做标准化处理,得到轮廓内部标准化后的权值wij_in以及轮廓外部标准化后的权值wij_out;

s2.3.7、使用标准化的权值wij_in、wij_out和像素强度μ0(i,j)计算子区域ο中轮廓内外的均值co1和co2;当点(i,j)处于子区域ο中轮廓内部时,n为处于子区域ο中轮廓内部的点的个数;当点(i,j)处于子区域ο中轮廓外部时,m为处于子区域ο中轮廓外部的点的个数;

s2.3.8、计算轮廓片段δc中所有轮廓点周围区域的像素强度均值mδc,比较mδc与co1和co2的差异,若|mδc-cο1|≤|mδc-cο2|,则轮廓片段δc中的轮廓点处于前景区域,否则处于背景区域。

8.根据权利要求7所述的基于主动轮廓和深度学习的模糊边界图像自动分割方法,其特征在于,若轮廓点p处于前景区域,则轮廓点p的演化方向朝向轮廓外部,在能量函数中,演化方向矫正体现为增加前景轮廓点的局部区域内轮廓外部的能量,增加的能量定义为:

若轮廓点p处于背景区域,则轮廓点p的演化方向朝向轮廓内部,在能量函数中,演化方向矫正体现为增加背景轮廓点的局部区域内轮廓内部的能量,增加的能量定义为:

9.根据权利要求1所述的基于主动轮廓和深度学习的模糊边界图像自动分割方法,其特征在于,步骤s2.4中,通过迭代演化轮廓,直到达到最大迭代次数iter或轮廓变动微小或不变;其中,200≤iter≤10000;轮廓变动表示轮廓的变化情况,若连续多次变动微小则迭代停止。

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