一種基於各向異性熱核分析的三維圖像多尺度特徵提取方法
2023-12-01 07:09:21 1
一種基於各向異性熱核分析的三維圖像多尺度特徵提取方法
【專利摘要】本發明提出一種基於各向異性熱核分析的三維圖像多尺度特徵提取方法,包括如下步驟：（1）藉助於黑塞矩陣的特徵值和特徵向量，設計一種三維圖像局部幾何結構的向量化表示方法；（2）基於定義的向量場，在三維圖像上數學嚴格地定義了一種各向異性熱傳遞描述模型；（3）基於定義的各向異性熱傳遞模型，提出用黑塞矩陣的第一特徵值來定義熱量場；（4）通過引入特徵保持的下採樣方法，設計了一種由粗到細的層次化的熱核加速策略；本發明的算法最核心的思想是：通過將局部和全局特徵結構融入到各向異性熱傳遞的理論框架來實現三維圖像的多尺度特徵提取。
【專利說明】—種基於各向異性熱核分析的三維圖像多尺度特徵提取方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及基於各向異性熱核分析的三維圖像多尺度特徵提取方法，具體涉及一種基於熱核理論的三維醫學圖像分析模型，通過將圖像的局部和全局譜分析融入到熱傳遞的理論框架中，實現魯棒的多尺度點特徵提取。
【背景技術】
[0002]三維醫學影像數據分析的數學建模方法涉及到熱核理論應用、圖像特徵提取和基於熱擴散的圖像處理三個方面。
[0003]在熱核理論應用方面:近年來，物理上的熱核和熱擴散理論在計算機圖形圖像處理領域受到了眾多研究者的青睞，已在二維流形的多尺度特徵提取、平滑處理以及形狀檢索等方面得到了廣泛應用。其中，最重要的原因是:熱核天然地蘊含了多尺度的性質，並具有等距變換不變性，這對圖形或圖像的魯棒特徵提取具有重要意義。如:一種尺度不變的熱核信號計算方法被提出，並被應用於形狀檢索，取得了較好的效果。同時，為了提高在大規模網格模型上進行熱核計算的時間效率，提出了一種多解析度的計算策略來加速熱核信號的計算。
[0004]在圖像的特徵提取方面:圖像的局部特徵可被看作是與周圍領域具有顯著不同、並表徵特定物理意義的一種模態，他們一般蘊含豐富的信息並可通過一些微分量來進行驗證。現有的以Harris、Hessian、LOG以及DOG等算子為核心的圖像特徵提取算法的主要思想是:通過對圖像的微分屬性分析，提取某種物理量的局部極值，並將其作為特徵。因此，這些算法一般對尺度變化、噪聲和圖像形變等因素都比較敏感。將Harris算子和Hessian算子相結合併輔以尺度選擇，是提高圖像特徵提取魯棒性的一個可行的策略，而且該方法已被推廣到了三維情形。應該說，目前2D SIFT算法仍是最為穩定的二維圖像特徵提取算法，而且它的高維形式的擴展已經開始出現。
[0005]在基於熱擴散理論的圖像處理方面:在過去的20年中，藉助高斯核函數，熱擴散理論在圖像的多尺度分析領域被廣為使用。但是，高斯核一般只能一個很小的鄰域內刻畫熱擴散過程，因為其本質上等價於用各向同性的熱傳遞係數作為權重對原始圖像進行卷積處理。自從雙邊濾波方法被提出來用於邊界保持的圖像平滑和去噪處理以後，基於各向異性熱傳遞理論的濾波器才開始在二維圖像處理領域逐漸流行起來。特別值得指出的是，在二維流形上首先提出的熱核信號已被推廣用於三維流形，但是這種擴展尚沒有考慮三維流形內部材質的差異性。這也是啟發我們直接在三維醫學圖像上研究各向異性熱核的一個主要因素。
【發明內容】
[0006]熱核理論在流形網格模型建模分析領域已取得引人矚目的新進展，將其擴展，並與譜圖分析理論相結合，在三維醫學影像數據建模分析方面具有重要的研究價值。本部分研究內容將熱核理論和譜圖分析理論進行優勢結合，探索將三維醫學數據從幾何空間非線性映射到特徵空間的數學模型，為進而在特徵空間對原始醫學影像數據進行分析奠定基礎。
[0007]本發明提出了一種基於各向異性熱核分析的三維圖像多尺度特徵提取方法，包括如下步驟:
[0008](I)藉助於黑塞矩陣的特徵值和特徵向量，設計一種三維圖像局部幾何結構的向量化表示方法；
[0009](2)通過將特徵向量、特徵值和上述局部幾何結構的比率值進行組合，來定義一個高維的向量場；藉助三維圖像的全局拉普拉斯矩陣，該向量場的向量化表示將被用於各向異性熱傳遞模型的構建；基於定義的向量場，在三維圖像上數學嚴格地定義了一種各向異性熱傳遞描述模型；
[0010](3)基於定義的各向異性熱傳遞模型，提出用黑塞矩陣的第一特徵值來定義熱量場；
[0011](4)通過引入特徵保持的下採樣方法，設計了一種由粗到細的層次化的熱核加速策略。
【專利附圖】
【附圖說明】
`[0012]圖1為算法整體處理流程示意圖。
[0013]圖2不同特徵值的不同取值範圍所對應的圖像。
[0014]圖3為特徵保持的下採樣結果。
[0015]圖4為人頭MRI圖像特徵提取結果及其與3D SIFT方法的效果對比。
[0016]圖5為人體盆腔CT圖像的特徵提取結果及其與3D SIFT算法的效果對比。
[0017]圖6為人體腹部CT圖像的特徵提取結果及其與3D SIFT算法的效果對比。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖以及具體實施例進一步說明本發明。具體實施如下:
[0019]1.三維圖像的局部和全局結構分析
[0020]1.1三維圖像局部結構的向量化
[0021]黑塞矩陣H是刻畫三維圖像局部幾何結構的一種有效方式，它能夠很好的描述表面法向量沿某一等值面的變化情況。作為一種實值的對稱矩陣，H具有實數特徵值，並且滿足|λ?| ^ I λ2| ^ I λ3|，其相應的特徵向量可被記為:el，e2，e3。從某種意義上說，最大特徵值所對應的特徵向量表徵了從一種材質過度到另一種材質時最為迅速的變化方向，而最小特徵值所對應的方向則指明了某種材質在圖像內部流動的方向。並且，最大和最小特徵值恰恰蘊含了圖像的主曲率信息。因此，從各向異性熱傳遞的角度來說，同時考慮黑塞矩陣的特徵值和特徵向量無疑可以克各向同性濾波器的一些局限性。同時，提取三維圖像的局部結構並對三維圖像內部的材質屬性變化進行定量刻畫也正是我們的目的所在。Alfiansyah等人通過將黑塞矩陣的特徵值進行不同形式的組合運算，分析了它們與圖像局部結構(平面、塊和噪聲)之間的關係:
[0022]Rsheet = (I λ3| + | λ2|)/| A1[0023]
【權利要求】
1.一種基於各向異性熱核分析的三維圖像多尺度特徵提取方法，其特徵是包括以下步驟: (1)藉助於黑塞矩陣的特徵值和特徵向量，設計一種三維圖像局部幾何結構的向量化表示方法； (2)通過將特徵向量、特徵值和上述局部幾何結構的比率值進行組合，來定義一個高維的向量場；藉助三維圖像的全局拉普拉斯矩陣，該向量場的向量化表示將被用於各向異性熱傳遞模型的構建；基於定義的向量場，在三維圖像上數學嚴格地定義了一種各向異性熱傳遞描述模型； (3)基於定義的各向異性熱傳遞模型，提出用黑塞矩陣的第一特徵值來定義熱量場； (4)通過引入特徵保持的下採樣方法，設計了一種由粗到細的層次化的熱核加速策略。
2.根據權利要求1所述的基於各向異性熱核分析的三維圖像多尺度特徵提取方法，其特徵是:所述的藉助於黑塞矩陣的特徵值和特徵向量中，設計了一種三維圖像局部幾何結構的向量化表示方法，並且向量空間的距離度量用於表徵三維圖像材質連續性；黑塞矩陣H是刻畫三維圖像局部幾何結構的一種有效方式，它能夠很好的描述表面法向量沿某一等值面的變化情況；作為一種實值的對稱矩陣，H具有實數特徵值，並且滿足: 入1|≥I λ2|≥I λ3|，Xi分別為矩陣特徵值， 其相應的特徵向量可被記為:el，e2，e3 ;從某種意義上說，最大特徵值所對應的特徵向量表徵了從一種材質過度到另一種材質時最為迅速的變化方向，而最小特徵值所對應的方向則指明了某種材質在圖像內部流動的方向，並且，最大和最小特徵值恰恰蘊含了圖像的主曲率信息，通過將黑塞矩陣的特徵值進行不同形式的組合運算，分析了它們與圖像局部結構之間的關係，所述局部結構是指平面、塊、噪聲；
3.根據權利要求1所述的基於各向異性熱核分析的三維圖像多尺度特徵提取方法，其特徵是:所述的基於定義的向量場中，在三維圖像上數學嚴格地定義了一種各向異性熱傳遞描述模型，該模型實現了三維圖像局部結構的向量化，引入了基於局部結構變化加權的全局拉普拉斯算子，在ELSVR所定義的流形上，熱的各向異性傳播由圖的全局拉普拉斯算子來決定，若將三維圖像定義為一個無向圖G= (V，Ε)，其中V代表所有的體素，E代表所有的邊且滿足E e VXV，並且若且唯若相應體素滿足一環領域要求時，邊Eij e E的定義才成立，這裡將某個體素的鄰域體素記為Ni，為了誘使熱沿相同的材質傳播，而抑制其跨材質傳播，以ELSVR空間的距離度量作為邊的權重來對圖的全局拉普拉斯算子進行計算，因此，首先需要度量兩個相鄰體素Vi和 ' 在其所屬材質類型方面的相似度:
4.根據權利要求1所述的基於各向異性熱核分析的三維圖像多尺度特徵提取方法，其特徵是:所述的基於定義的各向異性熱傳遞模型中，用黑塞矩陣的第一特徵值來定義熱量場，並通過將圖像顏色轉換為熱核信號，來輔助三維圖像多尺度特徵的提取，並定義尺度空間熱核信號的極值點為特徵點。
5.根據權利要求1所述的基於各向異性熱核分析的三維圖像多尺度特徵提取方法，其特徵是:所述的通過引入特徵保持的下採樣方法中，設計了一種由粗到細的層次化的熱核加速策略，首先將原始圖像進行下採樣並進行類似金子塔形式的層次化組織，先在數據規模較小的低解析度圖像上進行熱核計算和特徵點位置的粗略定位，然後在原始圖像相應的局部區域內，進行 精細的熱核計算，進而最終找出特徵點的精確位置。
【文檔編號】G06T7/00GK103700090SQ201310632526
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月1日 優先權日:2013年12月1日
【發明者】李帥, 郝愛民, 秦洪, 王莉莉, 趙沁平 申請人:北京航空航天大學