基于梯度直方图分布匹配确定三维旋转量的方法和系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及图像处理技术领域，特别是设及一种基于梯度直方图分布匹配确定= 维旋转量的方法和系统。
【背景技术】
[0002] =维图像配准是将两幅或多幅包含相同场景或目标的图像进行几何对准的过程， 其中一幅是参考图像，另外一幅是检测图像。图像配准技术主要应用于医学计算机断层扫 描、核磁共振成像、肿瘤监控、治疗验证W及病人的解剖图前后对比分析等。图像配准通常 可被分为刚性配准和非刚性配准，其中刚性配准设及的变换通常只包括平移和旋转，实现 的是将两幅图像整体对齐，计算复杂度低而且具有较高的鲁椿性。
[0003] 在临床医学配准中，一般将刚性配准作为预配准，用于消除影像间较大的全局形 变差异，然后采用非刚性配准作为精配准实现局部形变的配准。因此，快速、高效的刚性配 准在医学临床中仍然是急需的。特别是在=维体数据中如何实现快速准确确定=维旋转 量。
[0004] 目前实现确定待配准的=维体数据的=维旋转量，一般是预先在病人体内植入标 记或基于点、线的特征提取和匹配方式，W及基于相似性度量的迭代优化方式。从而依据标 记点实现=维旋转量的度量。在于体内植入标记点需要手术麻醉完成，增加了病患的负担。 同时，在医学体数据影像中提取标记点和匹配，往往比较繁琐和费时。
【发明内容】
[0005] 基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种简单快速确定=维图像配准中=维 旋转量的基于梯度直方图分布匹配确定=维旋转量的方法和系统。
[0006] 一种基于梯度直方图分布匹配确定=维旋转量的方法，所述方法包括：
[0007] 获取待配准的=维体数据；
[000引通过=维高斯梯度核函数计算所述待配准的=维体数据对应的=维局部梯度；
[0009] 通过累积所述=维局部梯度的每个体素的幅值和方向值构建所述=维局部梯度 对应的幅值加权方向分布直方图；
[0010] 对所述幅值加权方向分布直方图进行直方图归一化匹配确定=维旋转量。
[0011] 在其中一个实施例中，所述对所述幅值加权方向分布直方图进行直方图归一化匹 配确定=维旋转量的步骤之后，所述方法还包括：
[0012] 通过将所述=维旋转量进行直接的矩阵相乘构建=维旋转矩阵。
[0013] 在其中一个实施例中，所述通过=维高斯梯度核函数计算所述待配准的=维体数 据对应的=维局部梯度的步骤，包括：
[0014] 将所述=维体数据与=维高斯梯度核函数进行卷积运算得到=维局部梯度。
[0015] 在其中一个实施例中，所述对所幅值加权方向分布直方图进行直方图归一化匹配 确定=维旋转量的步骤，包括：
[0016] 将幅值加权方向分布直方图代入预设的最小化代价函数进行计算得到最优平移 量，所述最优平移量即为=维旋转量。
[0017] 在其中一个实施例中，所述=维高斯梯度核函数是=维高斯函数对=维坐标系中 =个坐标轴方向分别求一阶导数得到的函数表达式。
[0018] 一种基于梯度直方图分布匹配确定S维旋转量的系统，所述系统包括：
[0019] 数据获取模块，用于获取待配准的S维体数据；
[0020] 梯度计算模块，用于通过=维高斯梯度核函数计算所述待配准的=维体数据对应 的=维局部梯度；
[0021] 直方图构建模块，用于通过累积所述=维局部梯度的每个体素的幅值和方向值构 建所述=维局部梯度对应的幅值加权方向分布直方图；
[0022] 旋转量确定模块，用于对所述幅值加权方向分布直方图进行直方图归一化匹配确 定=维旋转量。
[0023] 在其中一个实施例中，所述系统还包括；
[0024] 矩阵构建模块，用于通过将所述=维旋转量进行直接的矩阵相乘构建=维旋转矩 阵。
[0025] 在其中一个实施例中，梯度计算模块还用于将所述=维体数据与=维高斯梯度核 函数进行卷积运算得到=维局部梯度。
[0026] 在其中一个实施例中，所述旋转量确定模块包括：
[0027] 将幅值加权方向分布直方图代入预设的最小化代价函数进行计算得到最优平移 量，所述最优平移量即为=维旋转量。
[002引在其中一个实施例中，所述=维高斯梯度核函数是=维高斯函数对=维坐标系中 =个坐标轴方向分别求一阶导数得到的函数表达式。
[0029] 上述基于梯度直方图分布匹配确定=维旋转量的方法和系统，由于在确定待配准 的=维体数据的=维旋转量过程中不需要进行任何的迭代优化过程，也不需要在人体内植 入任何标记点或在=维体数据中进行=维特征的提取和匹配，相比传统图像配准技术确定 =维旋转量具有简单、快速的优点。
【附图说明】
[0030] 图1为一个实施例中基于梯度直方图分布匹配确定=维旋转量的方法流程示意 图；
[0031] 图2为一个实施例中S维旋转坐标系统的结构示意图；
[0032] 图3为一个实施例中用图形来表示S维高斯梯度核函数的矩阵图；
[0033] 图4为另一个实施例中基于梯度直方图分布匹配确定=维旋转量的方法流程示 意图；
[0034] 图5为一个实施例中将本发明提供的方法应用于医学=维临床数据处理的效果 图；
[0035] 图6为一个实施例中基于梯度直方图分布匹配确定=维旋转量的系统结构示意 图；
[0036] 图7为另一个实施例中基于梯度直方图分布匹配确定=维旋转量的系统结构示 意图。
【具体实施方式】
[0037] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用W解释本发明，并 不用于限定本发明。
[003引如图1所示，在一个实施例中，提供了一种基于梯度直方图分布匹配确定=维旋 转量的方法，该方法包括：
[0039] 步骤101，获取待配准的=维体数据。
[0040] 待配准=维体数据包括：参考=维体数据和检测=维体数据。本实施例中，立维 图像配准是指刚性配准，即参考=维体数据和检测=维体数据之间仅存在旋转和平移的变 换。待配准的=维体数据可W通过医学计算机断层扫描成像（CT)、核磁共振成像（MR)等高 端医学影像设备获得。
[0041] 步骤102,通过=维高斯梯度核函数计算待配准的=维体数据对应的=维局部梯 度。
[0042] =维高斯梯度核函数是=维高斯函数对=维坐标系中=个坐标轴方向分别求一 阶导数得到的函数表达式。将=维体数据与=维高斯梯度核函数进行卷积运算得到=维局 部梯度。立维局部梯度的计算直接影响对=维旋转量的估计，
[0043] 本实施例中采用=维高斯梯度核函数分别计算待配准=维体数据在如图2所示 的S维坐标系中X，Y和ZS个坐标轴方向的梯度。高斯函数和高斯梯度函数的表达式如 下：
[0044]
【主权项】
1. 一种基于梯度直方图分布匹配确定=维旋转量的方法，所述方法包括： 获取待配准的=维体数据； 通过=维高斯梯度核函数计算所述待配准的=维体数据对应的=维局部梯度； 通过累积所述=维局部梯度的每个体素的幅值和方向值构建所述=维局部梯度对应 的幅值加权方向分布直方图； 对所述幅值加权方向分布直方图进行直方图归一化匹配确定=维旋转量。
2. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对所述幅值加权方向分布直方图进 行直方图归一化匹配确定=维旋转量的步骤之后，所述方法还包括： 通过将所述=维旋转量进行直接的矩阵相乘构建=维旋转矩阵。
3. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述通过=维高斯梯度核函数计算所述 待配准的=维体数据对应的=维局部梯度的步骤，包括： 将所述=维体数据与=维高斯梯度核函数进行卷积运算得到=维局部梯度。
4. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对幅值加权方向分布直方图进行直 方图归一化匹配确定=维旋转量的步骤，包括： 将幅值加权方向分布直方图代入预设的最小化代价函数进行计算得到最优平移量，所 述最优平移量即为=维旋转量。
5. 根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述=维高斯梯度核函数是=维高斯函 数对=维坐标系中=个坐标轴方向分别求一阶导数得到的函数表达式。
6. -种基于梯度直方图分布匹配确定=维旋转量的系统，其特征在于，所述系统包 括： 数据获取模块，用于获取待配准的=维体数据； 梯度计算模块，用于通过=维高斯梯度核函数计算所述待配准的=维体数据对应的= 维局部梯度； 直方图构建模块，用于通过累积所述=维局部梯度的每个体素的幅值和方向值构建所 述=维局部梯度对应的幅值加权方向分布直方图； 旋转量确定模块，用于对所述幅值加权方向分布直方图进行直方图归一化匹配确定= 维旋转量。
7. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括： 矩阵构建模块，用于通过将所述=维旋转量进行直接的矩阵相乘构建=维旋转矩阵。
8. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，梯度计算模块还用于将所述=维体数据 与=维高斯梯度核函数进行卷积运算得到=维局部梯度。
9. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述旋转量确定模块包括： 将幅值加权方向分布直方图代入预设的最小化代价函数进行计算得到最优平移量，所 述最优平移量即为=维旋转量。
10. 根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述=维高斯梯度核函数是=维高斯函 数对=维坐标系中=个坐标轴方向分别求一阶导数得到的函数表达式。
【专利摘要】本发明提供了一种基于梯度直方图分布匹配确定三维旋转量的方法，其中，所述方法包括：获取待配准的三维体数据；通过三维高斯梯度核函数计算所述待配准的三维体数据对应的三维局部梯度；通过累积所述三维局部梯度的每个体素的幅值和方向值构建所述三维局部梯度对应的幅值加权方向分布直方图；对所述幅值加权方向分布直方图进行直方图归一化匹配确定三维旋转量。上述方法和系统相比传统图像配准技术确定三维旋转量具有简单、快速的优点。
【IPC分类】G06T7-00
【公开号】CN104537640
【申请号】CN201410708512
【发明人】周武, 张丽娟, 谢耀钦
【申请人】中国科学院深圳先进技术研究院
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年11月27日