结合形状先验的水平集灰度纹理图像分割方法

传统水平集图像分割方法多考虑图像底层数据而忽略高层语义特征,对灰度纹理图像的分割效果较差。针对该问题,结合形状先验设计水平集灰度纹理图像分割方法。通过ASLVD滤波获取纹理项,同时对滤波图像进行局部化处理得到形状先验,以形状概率表示形状先验能量项,将其与灰度项、规则化项和纹理项相结合,构造整体水平集曲线演化能量函数,并最小化能量函数得到分割结果。实验结果表明,该方法能够对目标背景遮挡的灰度纹理图像取得较好的分割效果。     

水平集活动轮廓模型的3维牙齿重建

目的 建立患者口腔每颗牙齿独立的3维模型对于计算机口腔修复的精确定位和量化评估具有十分重要的意义。针对口腔CT图像序列的牙齿形态变化和排列特点,提出一种新颖的基于水平集活动轮廓模型的3维牙齿重建方法。方法 基于层间映射机制,对不同部位牙层切片采用不同的分割模型：利用先验形状约束能量、基于Flux模型的边缘梯度能量、基于先验灰度的局部区域能量相结合构造的单相混合水平集模型分割牙根层切片轮廓;利用结合区域竞争约束的双相混合水平集模型分割牙冠层切片轮廓;最后利用这些层间轮廓重建出牙齿3维模型。结果 对不同位置的牙齿CT图像进行分割实验,结果表明,与现有的方法相比,本文方法具有较好的分割效果和较高的准确率,平均分割相似系数达到96%。结论 本文的混合水平集模型能有效克服牙髓腔和牙槽骨的干扰以及图像灰度不均匀等问题,较准确地重建出每颗牙齿独立的3维模型,从而为制定口腔修复规划、生物力学分析等奠定坚实的基础。     

结合形状先验的水平集印刷电路板CT图像分割方法

用CT对印刷电路板(PCB)进行无损检测是近年来发展起来的一种新方法.由于PCB中存在大量的金属元器件,在成像时产生较为严重的金属伪影,导致图像灰度不均匀问题较为严重.为此,提出一种结合形状先验的水平集PCB CT图像分割方法.首先根据PCB CT图像中导线具有明显的方向特征对图像进行不同方向的Gabor滤波并对结果加权求和,获得边缘增强的滤波结果,并通过局部化方法对边缘增强的结果消除背景噪声,经过阈值化处理和形态学闭运算后获得图像形状先验;然后用形状概率表示方法来表示形状先验,并将其作为形状约束项,与CV模型能量项、局部能量一起构成能量函数;最后通过对能量函数最小化实现图像分割.实验结果表明,该方法对多目标及严重灰度不均匀的PCB CT图像具有较好的分割结果.     

一种改进的变分水平集的图像分割算法

为了解决灰度不均匀现象对医学图像的干扰问题,提出了基于局部极性信息的活 动轮廓模型。通过引入局部图像信息,该模型能有效地分割灰度不均匀图像。在规则化项中增 加的能量惩罚项,使得水平集函数在演化过程中保持为近似的符号距离函数。该算法将图像分 割问题归结为曲线能量泛函的最小化,首先建立包含局部灰度信息（极性信息）和改进的符号 距离函数的曲线演化能量泛函;然后采用变分水平集方法求解能量函数的最小值,得到最终的 分割结果。真实医学图像和人工合成图像的实验结果表明,此方法对灰度不均匀的医学图像有 较高的分割精确度,在图像分割速度上有较大提高。由于利用了局部灰度信息,可以有效地分 割灰度不均匀的医学图像,而改进后的变分水平集可以完全避免重新初始化,使得图像分割效 率大大提高了。     

基于水平集和形状描述符的腹部CT序列肝脏自动分割

肝脏分割是计算机辅助肝脏疾病诊断的重要前提和基础.本文提出了一种新的基于水平集和形状描述符的腹部CT序列图像肝脏自动分割方法.首先, 对原始腹部CT序列图像进行预处理, 去除与肝脏不相关的器官和组织.然后, 利用灰度偏移场, 结合周长项、距离正则项和相邻切片肝脏分割结果构建水平集能量函数, 实现CT序列肝脏自动分割.为避免分割误差累积, 提出一种基于形状描述符和瓶颈率的肝脏边缘优化方法, 在每张切片分割完毕后去除由于灰度重叠造成的过分割.通过对XHCSU14数据库和Sliver07数据库中腹部CT序列的肝脏分割实验, 以及与其他肝脏分割算法的比较, 表明了本文方法的有效性, 且分割精度高, 鲁棒性强.     

基于小波多尺度聚类水平集的医学图像分割

针对医学图像低对比度、灰度不均匀等特点,提出了一种小波多尺度聚类水平集的图像分割方法,能够很好地解决医学图像灰度不均匀的问题。首先,利用小波多尺度分析的良好信噪分离能力提取各尺度下图像的有效边缘信息,将边缘信息添加到水平集模型的能量函数中从而提高模型的局部控制能力。然后,基于灰度不均匀的图像模型,派生出对于感兴趣区域的局部灰度聚类,在每个点的邻域内定义基于灰度的局部聚类准则函数。将局部聚类准则函数转化为全局准则函数。在水平集框架中,该准则根据水平集函数定义了代表图像域划分的能量项和引起图像强度不均匀的偏置域。最后,从小波变换的顶层低频子带图像开始逐层采用改进的聚类水平集方法分割图像,并将分割结果通过插值方式传递至下一层作为分割的初始轮廓,最终实现灰度不均匀医学图像的分割。实验结果表明,该方法能够有效地分割医学图像,具有计算更加鲁棒稳定、效率更高和更加准确的优点。     

局部区域拟合的快速水平集图像分割方法

目的 由于灰度不均匀图像在不同目标区域的灰度分布存在严重的重叠,对其进行分割仍然是一个难题;同时,图像中的噪声严重降低了图像分割的准确性。因此,传统水平集方法无法鲁棒、精确、快速地对具有灰度不均匀性和噪声的图像进行分割。针对这一问题,提出一种基于局部区域信息的快速水平集图像分割方法。方法 灰度不均匀图像通常被描述为一个分段常数图像乘以一个缓慢变化的偏移场。首先,通过一个经过微调的多尺度均值滤波器来估计图像的偏移场,并对图像进行预处理以减轻图像的不均匀性;然后,利用基于偏移场校正的方法和基于局部区域信息拟合的方法分别构建能量项,并利用演化曲线轮廓内外图像灰度分布的重叠程度,构建权重函数自适应调整两个能量项之间的权重;最后,引入全方差规则项对水平集进行约束,增强了数值计算的稳定性和对噪声的鲁棒性,并通过加性算子分裂策略实现水平集快速演化。结果 在具有不同灰度不均匀性和噪声图像上的分割结果表明,所提方法不但对初始轮廓的位置、灰度不均匀性和各种噪声具有较强的鲁棒性,而且具有高达94.5%的分割精度和较高的分割效率,与传统水平集方法相比分割精度至少提高了20.6%,分割效率是LIC（local intensity clustering）模型的9倍;结论 本文提出一种基于局部区域信息的快速水平集图像分割方法。实验结果表明,与传统水平集方法相比具有较高的分割精度和分割效率,可以很好地应用于具有灰度不均匀和噪声的医学、红外和自然图像等的分割。     

参数自适应的KPCA先验形状约束目标分割

为克服固定先验形状在分割可变形目标时的困难,提出一种基于核主元分析(KPCA)的参数自适应先验形状约束水平集分割方法.首先使用KPCA变换获取目标先验形状特征空间的基底向量;其次用Parzen窗估计待分割图像的灰度分布以构造图像数据能量项;然后使用仿射变换对齐图像感兴趣区域与先验形状,从而将目标形状先验知识集成到分割模型中;最后在基于水平集方法求解演化方程时自适应地估计参数,实现形变目标的分割.实验结果表明,相比于CV (Chan-Vese)模型和单先验形状约束的水平集方法,该模型能够有效地分割不同姿态的目标形状.     

形状约束下活动轮廓模型冠脉血管图像多尺度分割

目的 由于计算机断层血管造影(CTA)图像的复杂性,临床诊断冠脉疾病往往需要经验丰富的医师对冠状动脉进行手动分割,快速、准确自动分割出冠状动脉对提高冠脉疾病诊断效率具有重要意义。针对双源CT图像特点以及传统单一基于区域或边界的活动轮廓模型的不足,研究了心脏冠脉3维分割算法,提出一种基于血管形状约束的活动轮廓模型分割方法。方法 首先,利用改进的FCM(fuzzy C-means)对心脏CT图像感兴趣区域初分割,其结果用于初始化C-V模型水平集演化曲线及控制参数,提取感兴趣区域轮廓。接着,由3维心脏图像数据获取多尺度梯度矢量信息构造边界型能量泛函,然后利用基于Hessian矩阵的多尺度血管函数对心脏感兴趣区域3维体数据增强滤波,获取血管先验形状信息用于约束能量泛函。最后融合边界、区域能量泛函并利用变分原理及水平集方法得到适合冠脉血管分割的水平集演化方程。结果 由于血管图像的灰度不均匀,血管末端区域更为细小,所以上述算法的实施是面向被划分多个子区域的血管,在缩小的范围内进行轮廓的演化。相比于传统的血管分割方法,该方法充分融合血管图像的先验信息及梯度场信息,能够从灰度及造影剂分布不均匀的冠脉血管图像中准确分割出冠状动脉,对于细小的血管结构亦能获得较好的分割效果。实验结果表明,该方法只需在给定初始轮廓前提下,有效提取3维冠脉血管。结论 对多组心脏CT图像进行分割,本文基于血管先验形状约束的活动轮廓模型可以准确分割出冠脉结构完整轮廓,并且人工交互简单。该方法在双源CT冠脉图像自动分割方面具有较好的正确率与优越性。     

含先验形状的水平集血管分割方法

针对图像中灰度分布不均匀和弱边缘情况下已有的水平集模型不能正确分割,且现有基于先验形状的水平集模型都要利用大量样本来进行训练的不足,提出一种无需训练的血管先验形状水平集分割方法.首先通过机械应力张量的方法分析Hessian矩阵,并建立血管相似函数;然后根据血管相似函数临界值得到血管的先验形状,并用水平集符号距离隐式表达形状曲线;最后将先验血管形状模型作为约束加入到耦合最小方差和FLUX模型的能量函数中,采用变分水平集法求解能量函数的极值.由于曲线的演化不仅依赖图像的区域信息和梯度信息,还受到血管先验形状的约束,因此该模型不但能精确定位边缘,还能准确地提取出血管.实验结果表明,采用该方法分割严重灰度分布不均匀的血管造影图像,具有准确度好、精度高、鲁棒性好的优点.     

Individual tooth segmentation from CT images using level set method with shape and intensity prior

3D visualization of teeth from CT images provides important assistance for dentists performing orthodontic surgery and treatment. However, dental CT images present several major challenges for the segmentation of tooth, which touches with adjacent teeth as well as surrounding periodontium and jaw bones. Moreover, tooth contour suffers from topological changes and splits into several branches. In this work, we focus on the segmentation of individual teeth with complete crown and root parts. To this end, we propose adaptive active contour tracking algorithms: single level set method tracking for root segmentation to handle the complex image conditions as well as the root branching problem, and coupled level set method tracking for crown segmentation in order to separate the touching teeth and create the virtual common boundaries between them. Furthermore, we improve the variational level set method in several aspects: gradient direction is introduced into the level set framework to prevent catching the surrounding object boundaries; in addition to the shape prior, intensity prior is introduced to provide adaptive shrinking or expanding forces in order to deal with the topological changes. The test results for both tooth segmentation and 3D reconstruction show that the proposed method can visualize individual teeth with high accuracy and efficiency.     

融合区域和边缘特征的水平集水下图像分割

目的 水平集模型是图像分割中的一种先进方法,在陆地环境图像分割中展现出较好效果。特征融合策略被广泛引入到该模型框架,以拉伸目标-背景对比度,进而提高对高噪声、杂乱纹理等多类复杂图像的处理性能。然而,在水下环境中,由于水体高散射、强衰减等多因素的共同作用,使得现有图像特征及水平集模型难以适用于对水下图像的分割任务,分割结果与目标形态间存在较大差异。鉴于此,提出一种适用于水下图像分割的区域-边缘水平集模型,以提高水下图像目标分割的准确性。方法 综合应用图像的区域特征及边缘特征对水下目标进行辨识。对于区域特征,引入水下图像显著性特征;对于边缘特征,创新性地提出了一种基于深度信息的边缘特征提取方法。所提方法在融合区域级和边缘级特征的基础上,引入距离正则项对水平集函数进行规范,以增强水平集函数演化的稳定性。结果 基于YouTube和Bubblevision的水下数据集的实验结果表明,所提方法不仅对高散射强衰减的低对比度水下图像实现较好的分割效果,同时对处理强背景噪声图像也有较好的鲁棒性,与水平集分割方法（local pre-fitting,LPF）相比,分割精确度至少提高11.5%,与显著性检测方法（hierarchical co-salient detection via color names,HCN）相比,精确度提高6.7%左右。结论 实验表明区域-边缘特征融合以及其基础上的水平集模型能够较好地克服水下图像分割中的部分难点,所提方法能够较好分割水下目标区域并拟合目标轮廓,与现有方法对比获得了较好的分割结果。     

双层水平集描述眼底图像视杯视盘分割

目的 青光眼是一种可导致视力严重减弱甚至失明的高发眼部疾病。在眼底图像中,视杯和视盘的检测是青光眼临床诊断的重要步骤之一。然而,眼底图像普遍是灰度不均匀的,眼底结构复杂,不同结构之间的灰度重叠较多,受到血管和病变的干扰较为严重。这些都给视盘与视杯的分割带来很大挑战。因此,为了更准确地提取眼底图像中的视杯和视盘区域,提出一种基于双层水平集描述的眼底图像视杯视盘分割方法。方法 通过水平集函数的不同层级分别表示视杯轮廓和视盘轮廓,依据视杯与视盘间的位置关系建立距离约束,应用图像的局部信息驱动活动轮廓演化,克服图像的灰度不均匀性。根据视杯与视盘的几何形状特征,引入视杯与视盘形状的先验信息约束活动轮廓的演化,从而实现视杯与视盘的准确分割。结果 本文使用印度Aravind眼科医院提供的具有视杯和视盘真实轮廓注释的CDRISHTI-GS1数据集对本文方法进行实验验证。该数据集主要用来验证视杯及视盘分割方法的鲁棒性和有效性。本文方法在数据集上对视杯和视盘区域进行分割,取得了67.52%的视杯平均重叠率,81.04%的视盘平均重叠率,0.719的视杯F1分数和0.845的视盘F1分数,结果优于基于COSFIRE（combination of shifted filter responses）滤波模型的视杯视盘分割方法、基于先验形状约束的多相Chan-Vese（C-V）模型和基于聚类融合的水平集方法。结论 实验结果表明,本文方法能够有效克服眼底图像灰度不均匀、血管及病变区域的干扰等影响,更为准确地提取视杯与视盘区域。     

结合局部熵能量泛函与非凸正则项的图像分割

为了克服灰度不均匀对图像分割的影响，结合CV模型的全局能量项和LBF模型的局部能量项，引入图像局部熵信息和非凸正则项，构造新的能量泛函，提出了结合局部熵的局部能量泛函与非凸正则项的图像分割算法。该算法首先采用CV模型中的全局能量泛函得到图像的大致演化轮廓；通过构建具有局部熵信息的局部能量泛函，实现对图像的精确分割。然后，利用非凸正则项作为图像演化过程中零水平集逼近目标的又一驱动力驱动曲线演化和边缘保护。该算法利用变分水平集方法将这一新构建的能量泛函进行最小化，通过迭代更新水平集函数，完成曲线演化。最后，对比实验表明，所提出的算法可以高效、准确地分割灰度不均匀图像。     

多描述子活动轮廓模型的医学图像分割

目的 医学图像分割结果可帮助医生进行预测、诊断及制定治疗方案。医学图像在采集过程中受多种因素影响,同一组织往往具有不同灰度,且伴有强噪声。现有的针对医学图像的分割方法,对图像的灰度分布描述不够充分,不足以为精确的分割图像信息,且抗噪性较差。为实现医学图像的精确分割,提出一种多描述子的活动轮廓（MDAC）模型。方法 首先,引入图像的熵,结合图像的局部均值和方差共同描述图像的灰度分布。其次,在贝叶斯框架下,引入灰度偏移因子,建立活动轮廓模型的能量泛函。最后,利用梯度下降流法得到水平集演化公式,演化的最后在完成分割的同时实现偏移场的矫正。结果 利用合成图像和心脏、血管和脑等医学图像进行了仿真实验。利用MDAC模型对加噪的灰度不均图像进行分割,结果显示,在完成精确分割的同时实现了纠偏。通过对比分割前后图像的灰度直方图,纠偏图像只包含对应两相的两个峰,且界限更加清晰;与经典分割算法进行对比,MDAC在视觉效果和定量分析中,分割效果最好,比LIC的分割精度提高了30%多。结论 实验结果表明,利用均值、方差和局部熵共同描述图像灰度分布,保证了算法的精度。局部熵的引入,在保证算法精度的同时,提高了算法的抗噪性。能泛中嵌入偏移因子,保证算法精确分割的同时实现偏移场纠正,进一步提高分割精度。     

CT图像肺及肺病变区域分割方法综述

计算机断层扫描（computed tomography,CT）技术能为新冠肺炎（corona virus disease 2019,COVID-19）和肺癌等肺部疾病的诊断与治疗提供更全面的信息,但是由于肺部疾病的类型多样且复杂,使得对肺CT图像进行高质量的肺病变区域分割成为计算机辅助诊断的重难点问题。为了对肺CT图像的肺及肺病变区域分割方法的现状进行全面研究,本文综述了近年国内外发表的相关文献：对基于区域和活动轮廓的肺CT图像传统分割方法的优缺点进行比较与总结,传统的肺CT图像分割方法因其实现原理简单且分割速度快等优点,早期使用较多,但其存在分割精度不高的缺点,目前仍有不少基于传统方法的改进策略;重点分析了基于卷积神经网络（convolutional neural network,CNN）、全卷积网络（fully convolutional network,FCN）、U-Net和生成对抗网络（generative adversarial network,GAN）的肺CT图像分割网络结构改进模型的研究进展,基于深度学习的分割方法具有分割精度高、迁移学习能力强和鲁棒性高等优点,特别是在辅助诊断COVID-19病例时,基于深度学习方法的性能明显优于基于传统方法的性能;介绍肺及肺病变区域分割的常用数据集和评价指标,在解决如COVID-19数据样本量少等问题时,使用GAN以合成高质量的对抗性图像用以扩充数据集,从而增加训练样本的数量和多样性;讨论了肺CT图像的肺及肺病变区域的高精度分割策略的研究趋势、现有挑战和未来的研究方向。