基于平衡系数的Active Demons非刚性配准算法

经典的Active demons算法利用参考图像和浮动图像的梯度信息作为驱动力,并使用均化系数调节两种驱动力之间的强度.该算法克服了Demons算法单一使用参考图像的梯度信息作为驱动力的缺点,但是Active demons算法中的均化系数无法同时兼顾大形变和小形变区域的准确配准,还会导致配准的收敛速度和精确度相互制约的问题.为此,本文提出一种新的Active demons非刚性配准算法.提出的算法在Active demons扩散方程中引入一个称为平衡系数的新参数,与均化系数联合调整驱动力,不仅可以兼顾图像中同时具有的大形变和小形变区域的准确配准,而且在一定程度上缓和了收敛速度和精确度相互制约的问题.为了进一步提高配准的收敛速度和精确度,避免陷入局部极值,在新的配准算法的实现中引入由粗到细的多分辨率策略.在Checkboard测试图像、自然图像和医学图像上的实验结果表明,提出的算法较经典的Active demons算法收敛速度更快,配准精度平均提高了54.28%,接近最新的TV-L1光流场图像配准算法的配准精度,解决了Active demons算法存在的问题.     

非刚性医学图像配准研究综述

非刚性配准技术是医学图像配准中的一个重要研究课题,是非刚性组织配准,不同个体之间的配准以及个体同图谱配准的基础。该文提出了多项式法、样条函数法等基于空间变换的配准方法,以及弹性模型、粘性流体模型和光流场模型等基于物理模型的配准方法两大类方法。同刚性配准相比,非刚性配准技术还不成熟,计算效率和稳定性还需要进一步提高,仍是一个非常活跃的研究领域。     

基于改进Demons算法的乳腺X线摄片非刚性配准

Demons算法是一种基于灰度信息的全自动非刚性配准方法,其配准结果容易受图像之间灰度不一致的影响,且迭代收敛速度较慢.针对这两个问题,提出了一种基于多项式最小二乘拟合的灰度归一化方法对灰度进行匹配,并在迭代过程中自适应调整浮动图像所受作用力以加快收敛速度.用改进后的算法与原算法及其他改进算法分别对乳腺X线摄片进行配准实验,对比结果表明,本文的改进方法能够更快地产生更精确的配准结果,配准后的图像增强了乳腺组织的真实变化,有利于乳腺癌的早期诊断.     

子宫肌瘤MRI影像非刚性配准研究

高强度聚焦超声(High-Intensity Focused Ultrasound,HIFU)治疗和磁共振技术结合(MRI-guided HIFU,MRgHIFU)采用MRI进行目标定位、治疗规划和能量沉积的闭环控制以保障热消融不伤及周围组织,其中图像配准是校正定位误差,实施精确治疗的重要环节。针对三维非刚性配准方法,在子宫肌瘤的治疗计划修正和跟踪方面的应用进行研究。针对前后两个不同时段采集的子宫肌瘤MR影像,分别进行基于自由形变模型(Free-From Deformation,FFD)算法和Demons算法的非刚性配准对比。实验结果表明,该基于FFD的非刚性配准算法,对于形变较小的子宫肌瘤真实数据能够取得较为合适的配准效果,重叠区域的互相关系数(CC)从配准前的0.59提高到配准后的0.74。     

非刚性医学图像配准与融合

非刚性医学图像的突出特点是不同图像间可能存在着较大的形态差异,因此非刚性医学图像的配准与融合是一项极富挑战性的研究工作.本文重点对现有的非刚性医学图像配准与融合的方法进行了归纳、总结和整理,并根据作者自己的研究体会,对这一领域内的发展方向做出了展望.     

图像非刚性配准技术及并行策略研究

图像非刚性配准是近几年配准方法的一个研究热点,由于其计算复杂度很高,它的并行化问题成为近几年来的研究热点。本文首先给出了图像非刚性配准的数学模型,并给出了形式化定义;其次分类总结了近年来图像非刚性配准串行算法研究的新进展,从而在此基础上重点讨论了相应的并行化策略。本文还详细分析了设计并行图像非刚性配准算算法需要考虑的几个问题;并比较评价了现有并行算法的性能特点,得出了一些结论;最后提出了有待进一步研究的问题。     

基于混合特征的非刚性点阵配准算法

提出一种基于混合特征的非刚性点阵配准算法.该算法包含了对应关系评估与空间变换更新两个相互交替的步骤.首先定义了两个特征描述法用于描述两个点阵之间的全局和局部几何结构特征差异,随后合并这两个特征描述法建立一个基于混合特征的能量优化方程.该能量优化方程可以利用线性分配技术进行求解,同时可以灵活地选择使用最小化全局结构特征差异或最小化局部结构特征差异来评估两个点阵之间的对应关系.为了增强前述两个步骤之间的协调性,我们利用能量权重调节在整个配准过程中控制能量优化从最小化局部结构特征差异逐步转变为最小化全局结构特征差异,同时控制用于空间变换的薄板样条函数（Thin plate spline）的更新从刚性变换逐步转变为非刚性变换.我们在二维轮廓配准、三维轮廓配准、序列图像配准和图像特征点配准下对本文算法进行了各项性能测试,同时也与当前8种流行算法进行了性能比较.本文算法展现了卓越的非刚性配准性能,并在大部分实验中超越了当前的相关算法.     

基于多薄板样条的多视角非刚性配准算法EI北大核心CSCD

为解决多视角配准中带有低频非刚性形变的深度数据容易产生累积误差、重叠区域未对齐等问题,提出一种基于多薄板样条的多视角非刚性配准算法.首先通过局部迭代最近点刚性配准算法得到重叠视角深度数据之间的对应点;然后基于多薄板样条的全局优化能量公式为每个视角求解一个薄板样条变换,使所有对应点之间距离的平方和最小;最后将优化后的薄板样条变换应用于每个视角的深度数据.通过在优化模型中引入初始点位置约束,该算法能使配准后的数据尽可能保持初始形状.为了加快求解速度,迭代地求解每个薄板样条变换,并且在优化过程中增量式地引入径向基函数.实验室结果表明,文中算法有较高的精度和效率,能够有效地减少累积误差并且提升重叠区域的对齐效果.     

基于迭代的非刚性点阵配准算法

提出的非刚性点阵配准算法把一种鲁棒性全局和局部多特征用于对应关系评估,并结合高斯混合模型进行空间变换更新。首先,定义两个距离特征,分别测定两个点阵间的全局和局部几何结构差异,这两个特征形成了一种基于能量优化方程的多特征,通过最小化此多特征,可以灵活地评估点阵间的对应关系。其次,设计一种基于高斯混合模型的空间变换能量方程,同时借助L-2距离最小化方法将其最小化,以此改善空间变换更新。最后,采用轮廓配准和图像特征点配准测试了算法的性能,并与其他4种先进方法进行了对比,该算法在大部分实验中展现了最好的配准效果。     

基于非刚性配准的交互式医学图像序列分割

提出了一种新的交互式医学图像序列分割算法,该算法将非刚性配准技术和解剖先验知识相结合把图像分割问题转化为图像配准问题。首先采用Demons算法进行图像配准,用光流法计算瞬时位移,设计了一个新的停止准则使其能自适应地确定迭代次数,并将它在金字塔型的多尺度框架下实现。然后用配准得到的形变域对已精确分割的图像进行形变就能自动地获得未分割目标图像的分割结果。扩展上述过程就可实现整个图像序列分割。试验结果表明该算法用户干预少、分割速度快、分割结果准确。     

Compression of 2D Vector Fields Under Guaranteed Topology Preservation

In this paper we introduce a new compression technique for 2D vector fields which preserves the complete topology, i.e., the critical points and the connectivity of the separatrices. As the theoretical foundation of the algorithm, we show in a theorem that for local modifications of a vector field, it is possible to decide entirely by a local analysis whether or not the global topology is preserved. This result is applied in a compression algorithm which is based on a repeated local modification of the vector field ‐ namely a repeated edge collapse of the underlying piecewise linear domain. We apply the compression technique to a number of data sets with a complex topology and obtain significantly improved compression ratios in comparison to pre‐existing topology‐preserving techniques.     

基于 Nyström 低阶近似和谱特征的图像非刚性配准

图像非刚性配准在计算机视觉和医学图像有着重要的作用.然而存在的非刚性配准算法对严重扭曲变形的图像配准精度和效率都比较低.针对该问题,提出基于Nystrm低阶近似和谱特征的图像非刚性配准算法.算法首先提取像素的谱特征,并将谱特征与空间特征、灰度特征融合形成具有扭曲不变性的全局谱特征; 然后在微分同胚配准的框架内使用全局谱匹配,确保算法产生的变形场具有光滑性、可逆性、可微性,以提高配准的精度;其次采用Nystrm抽样方法,随机抽取拉普拉斯矩阵的行与列,低阶逼近该矩阵,降低高维矩阵谱分解的时间,从而提高配准的效率;最后提出基于小波分解的多分辨率图像配准方法,进一步提高配准的精度和效率.理论分析和实验结果均表明,该算法的配准精度和配准效率都有明显的提高.     

Non-rigid registration using gradient of self-similarity response

Locally affine transformation with globally elastic interpolation is a common strategy for non-rigid registration. Current techniques improve the registration accuracy by only processing the sub-images that contain well-defined structures quantified by Moran's spatial correlation. As an indicator, Moran's metric successfully excludes noisy structures that result in misleading global optimum in terms of similarity. However, some well-defined structures with intensity only varying in one direction may also cause mis-registration. In this paper, we propose a new metric based on the response of a similarity function to quantify the ability of being correctly registered for each sub-image. Using receiver operating characteristic analysis, we show that the proposed metric more accurately reflects such ability than Moran's metric. Incorporating the proposed metric into a hierarchical non-rigid registration scheme, we show that registration accuracy is improved relative to Moran's metric.     

基于模糊形状上下文与局部向量相似性约束的配准算法

非刚性点集配准研究是模式识别领域的一项重要基础研究.本文在当前流行的非刚性点集配准算法的基础上提出了两个主要贡献: 1)模糊形状上下文(Fuzzy shape context, FSC)特征; 2)基于局部向量特征的局部空间向量相似性约束项.本文首先进行基于特征互补的对应关系评估, 在这一步骤中定义了模糊形状上下文特征, 然后基于模糊形状上下文特征差异和全局特征差异设计了特征互补的高斯混合模型.其次, 进行基于约束互补的空间变化更新.在这一步骤中, 定义了局部向量特征, 建立了局部空间向量相似性约束项.本文算法通过使用特征互补的高斯混合模型进行对应关系评估, 并将配准问题转化为可以用期望最大化(Expectation maximization, EM)算法解决的参数优化问题, 通过创建包含局部空间向量相似性约束项的能量方程优化了空间变换更新.本文首先测试了模糊形状上下文特征的检索率, 然后采用公开数据集测试了算法在点集配准与图像配准的性能.在与当前流行的十种算法的对比实验中, 本文算法均给出了精确的配准结果, 并在大部分实验中精度超过了当前流行算法.     

三维矢量场的流动拓扑结构抽取

提出一种基于关键点分类的三维矢量场流动拓扑结构抽取算法,可应用于三维曲线网格、结构化网格和分块网格中.在许多计算流体力学计算中,存在非滑移边界,这种边界上流体的速度为0.通过分析流场边界的表面摩擦场的拓扑,展示绕壁面流体的流动结构;使用图标定位关键点,可交互式地标记和显示涡核区域,并通过选择暗示螺旋流动的图标,沿着该关键点的实特征值对应的特征矢量方向积分流线来完成.测试结果清晰地展示了关键特征区域的流体流动特征.