一种利用特征描述子度量三维图像材质差异的方法
【专利摘要】本发明提出了一种利用特征描述子度量三维图像材质差异的方法，并将其应用于基于特征的三维医学图像配准，该描述子能够全面支持刚性变换和非刚性的等距形变，步骤为：（1）将热扩散理论和基于随机游走的概率统计理论相结合，在扩散张量空间定义了一种新的基于概率密度函数的距离度量方法，该度量可有效表征三维图像局部区域内任意2点间的材质差异；（2）在步骤（1）的基础上，设计了一种材质敏感的三维图像特征描述子来度量三维图像材质差异。
【专利说明】一种利用特征描述子度量三维图像材质差异的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及三维医学影像数据是以规则体素形式存在的体数据，没有任何拓扑信息可用于器官内部几何结构的提取。然而，除了点特征之外，以曲线、曲面、实体块形式存在的结构特征往往可以更为简洁的刻画器官的拓扑结构，因而在计算机辅助诊断及其他的一些医学应用中有着迫切的应用需求。同时，对于特定类型的结构特征，由于其所依附的组织或器官不同，所具有的材质属性也不同，需要在结构特征提取的基础上再次进行分类。此夕卜，这些结构特征往往只在特定尺度下呈现才更有意义，实际上大量小尺度的特征并不是用户所需要的，他们的存在反而会使得提取的结构特征显得格外凌乱。因此，鲁棒的、自动的、多尺度异构几何特征提取与分类是我本文需研究的另外一个基础问题。
【背景技术】
[0002]材质敏感的三维图像特征描述子定义方法相关方面为特征描述子设计和本征距离度量准则设计两个方面。
[0003]特征描述子设计方面
[0004]目前，根据特征描述子对不变性的支持程度，它们大致可分为刚性变换不变的描述子和非刚性形变不变的描述子两大类。其中，对刚性变换不变性的支持相对简单，如基于相位和梯度局部分布直方图的描述子，基于旋转图像的描述子、基于机器学习的描述子以及基于傅里叶分析采样的描述子均可以很容易的做到这一点。但对于非刚性形变来说，根据目前所见的文献，只有在三维表面网格模型分析领域最新提出了一些具有等距形变不变性的描述子。其中，性能比较好的是基于拉普拉斯特征分析建立的特征描述子，但是由于这种方法需要对整个流形进行全局的特征分解，因此，很难适用于由大量体素构成的三维图像。所以，对三维图像来说，在等距形变不变的特征描述子设计方面亟需进行深入系统的研究。
[0005]本征距离度量准则设计方面
[0006]测地距离可用于度量曲面上两点之间的最短弧长，已在图形处理领域得到了广泛应用。但是，正如文献所指出的，测地距离对形状并不敏感，而且抗噪性不强。另一种比较流行的本征距离度量是在纹理合成、梯度近似计算和形状匹配等方面常用的扩散距离。此夕卜，文献在体数据上提出了一种新的本征距离度量，该度量的定义起源于体数据边界面上的扩散距离，并通过质心坐标插值的方式映射给内部的体素点。基于扩散距离的度量本质上通过时间参数t将扩散时间和布朗运动中的随机游走过程紧密的联系了起来。而对扩散距离进行时间积分就会得到一种可在图上使用的名为通勤时间的距离度量，从物理意义上讲，它实际上表示了两点之间热扩散的平均时间，这跟拉普拉斯算子的格林函数密切相关。后来，Lipman等人对其进行了改进，基于双调和算子格林函数提出了双调和距离度量，这种度量在局部是各向同性的，对全局的形状结构比较敏感，并具有等距形变不变性。但是，由于格林函数是全局定义的，这种度量的一个缺点是很难用于局部或部分形体分析。对于其他的一些度量准则，请参与综述文献。所以，受这些工作的启发，下面本发明将在类似扩散距离的度量准则的辅助下，通过刻画三维图像局部材质信息的分布情况来设计一种利用特征描述子度量三维图像材质差异的方法。
【发明内容】
[0007]—种利用特征描述子度量三维图像材质差异的方法，其特征是包含以下步骤:
[0008](I)将热扩散理论和基于随机游走的概率统计理论相结合，在扩散张量空间定义了一种新的基于概率密度函数的距离度量方法，该度量可有效表征三维图像局部区域内任意2点间的材质差异；
[0009]( 2 )在步骤(I)的基础上，设计了 一种材质敏感的三维图像特征描述子来度量三维图像材质差异。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为材质敏感的特征描述子的设计流程图。
[0011]图2为概率密度函数在特征点的领域范围内的值域分布情况示意图。
[0012]图3为对三维图像各类刚性旋转变换的配准实验结果。
[0013]图4为多模态三维图像间的配准实验结果。
[0014]图5为呼吸前后胸部MRI图像的非刚性配准结果。
[0015]图6为不同角度获取的腹部CT图像的非刚性配准结果。
[0016]图7为噪声扰动后的人体头部MRI三维图像与原始图像的配准结果。
[0017]图8为其他噪声扰动图像的配准结果。
[0018]图9为不同噪声程度对配准结果影响的量化分析。
[0019]图10为噪声配对不同图像配准结果影响的量化分析。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。
[0021]一种利用特征描述子度量三维图像材质差异的方法，具体实施如下:
[0022]1.材质敏感的特征描述子
[0023]在三维标量图像扩散张量场和各向异性小波核函数的构建方法基础上，介绍了三维图像的多尺度分析和特征提取方法，它们作为特征描述子设计的技术基础，在此不再赘述。材质敏感的特征描述子设计本质上是对每个特征点的局部邻域进行参数化，下面本发明着重基于随机游走理论对描述子的设计方法进行介绍。
[0024]1.1张量空间PDF距离的度量
[0025]在扩散张量空间内，各向异性热传递过程可通过图的拉普拉斯算子来进行刻画。将三维图像I定义为无向图G= (V，E)，其中V表示原始图像中体素的集合，E是满足一环邻域关系的边的集合(E e VXV)，并用Ni来标识该邻域内的体素，那么各向异性热传递算子T可被定义为:
[0026]T (Vi, Vj) = S(Vi)-L (Vi, Vj),
[0027]其中L表示图G上的拉普拉斯算子，L(VilVj)等于张量空间距离dD(Vi，Vj)，并且
【权利要求】
1.一种利用特征描述子度量三维图像材质差异的方法，其特征是包含以下步骤: (1)将热扩散理论和基于随机游走的概率统计理论相结合，在扩散张量空间定义了一种新的基于概率密度函数的距离度量方法，该度量可有效表征三维图像局部区域内任意2点间的材质差异； (2)在步骤(I)的基础上，设计了一种材质敏感的三维图像特征描述子来度量三维图像材质差异。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是:将热扩散理论和基于随机游走的概率统计理论相结合，利用张量空间距离构建的拉普拉斯算子来定义各向异性热传递算子，该热传递算子描述了两点间经η步运动的概率密度，并对该概率密度进行归一化处理，使得概率密度和满足I的要求，以该概率密度为基础，任意两点间的距离被定义为相应概率密度差的L2范数；所定义的距离度量方法具有等距形变不变性、紧支特性和天然的噪声鲁棒性；在扩散张量空间定义了一种基于概率密度函数的距离度量方法，该距离度量方法为:首先，直接继承于各向异性拉普拉斯算子的属性，它具有等距形变不变性；其次，从热扩散的角度看，这种距离度量具有紧支特性；第三，根据布朗运动和马尔科夫链等概率理论，转移概率分布和它的距离度量都天然的对噪声具有很强的鲁棒性。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是:基于提出的材料距离度量方法，一种材质敏感的三维图像特征描述子来度量三维图像材质差异，基于提出的材料距离度量方法，该特征描述子构建过程可概括为:首先，对于每一个提取的特征点，在三维图像中为其选择一个局部邻域，相对于当前特征点来进行概率密度距离场分布情况的统计计算，将这个领域半径设置为8倍的体素间距，根据概率密度距离度量公式的值域范围，以采样步长0.1将O到 其量化为15个采样区间；然后，对每一个采样区间，对属于该区间的体素的灰度(或梯度值)再次进行统计计算；对于规格化后的灰度值，本发明以15为采样间距将其值域范围[0,255]量化为17个采样区间，若采用图像梯度，则以0.1为采样间距将其值域范围[0，1.0]量化为10个采样区间。
【文档编号】G06T15/00GK103700131SQ201310628799
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月1日 优先权日:2013年12月1日
【发明者】李帅, 郝爱民, 秦洪, 王莉莉, 赵沁平 申请人:北京航空航天大学