一种基于SURF特征点匹配和RANSAC模型估计的牙齿X-ray影像匹配方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于SURF特征点匹配和RANSAC模型估计的牙齿X-ray影像匹配方法，包括：（1）图像采集；（2）图像增强；（3）特征提取；（4）特征的匹配；（5）计算相关匹配系数；（6）匹配结果；（7）若图库中还有没被匹配的参考图像，则返回(1)中继续在图库中选取一张新的参考图像，否则退出；（8）匹配成功，记录下参考图像对应的个人信息，退出。本发明利用SURF算法来提取输入牙齿影像和参考牙齿影像的特征点，然后利用RANSAC算法对各特征点进行匹配，最后通过匹配后的两幅图像之间的相关系数来测定两幅图像的匹配程度。实验表明，该算法实现了高查准率和高实时性。
【专利说明】—种基于SURF特征点匹配和RANSAC模型估计的牙齿X-ray影像匹配方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于SURF和RANSAC算法的牙齿X_ray影像匹配方法，属于刑侦信息的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]无名尸骨的身份鉴定，是司法领域的关键课题。随着恶性刑事案件以及爆炸、空难、海嘯、火灾、车祸等灾难性事故的不断出现，诸多基于有机物质的身份鉴定手段，如唇印、指纹、虹膜等，常常无法起到理想的身份鉴定作用，甚至完全丧失价值。对于此类难以鉴别的无名尸骨，牙齿形态将成为独当一面的身份特征。牙齿是人体最坚硬的组织，具有较强的耐热性和抗腐蚀性。对于不同的个体，牙齿特征完全相同的概率仅有25亿分之一，因此被法齿学家称作人的另一张“身份证”。鉴于这种稳定性和差异性，基于牙齿特征的身份鉴定将成为死亡者身份鉴定最有潜力和价值的个体识别标志群。并且多数国家的司法局确认了法齿学在法庭科学中的重要地位。
[0003]随着口腔医学的发展，人们自我保健、爱牙、护牙的意识不断提升，大众牙科医疗已趋于普及。牙齿影像已成为口腔诊疗中的必备资料，特别是全口曲面断层片投照具有辐射小成本低的特点，目前牙科诊疗中运用最广泛的标准初始检验手段。大量积累和保存的牙病病历档案，为基于牙齿特征的身份鉴定，提供了必要条件。
[0004]近十年来，人类牙齿X-ray影像的匹配算法，一直是法齿学中的热点课题。世界各地的科学家都相继发表了相关领域的文献。
[0005]2003年12月，Anil K.Jain和Hong Chen在文献[I]中提出下列算法:首先利用灰度值累和法来确定牙齿图像的分割边界，并利用该分割边界把牙齿图像分割成单颗牙齿；然后利用贝叶斯概率方法和概率方法，对牙冠部分提取边缘，并利用局部灰度值优化算法，对牙根部分提取边缘；再把提取到的边缘点作为特征点，将输入图像的边缘进行适当的相似变换后，计算输入图像边缘和参考图像边缘的欧式距离；最后选择对应欧式距离最小的若干幅参考图像作为最终的结果图像。该算法虽然比较经典，但提取边缘的过程仍然是个半自动化的算法。并且对于光照不均匀的图像，牙齿分割算法比较繁琐。对于边缘模糊的图像，牙齿的边缘很难提取。
[0006]2004 年 8 月，Mohammad H.Mahoor 和 Mohamed Abdel-Mottaleb 把医学中的牙齿分类引入牙齿影像处理中[2]，并按照医学上的标准牙齿序列对牙齿进行标号。在匹配环节，只把对应标号的牙齿进行匹配，从而提高了系统的实时性。
[0007]2004 年 12 月，Omaima Nomir 和 Mohamed Abdel-Mottaleb 提出了新的牙齿分割算法和牙齿图像匹配算法[3]。在牙齿分割过程中，该算法把原图像Canny边缘处灰度值的均值作为阈值，将图像分割成牙齿部分和背景部分。在匹配过程中，该算法选取了边缘上若干个曲率极大点作为特征点，并把这些特征点之间的几何距离作为特征向量，从而减小了匹配的复杂度。[0008]2005年4月，Gamal Fahmy等人在文献[4]中系统地提出了自动化牙齿影像识别系统(ADIS)的架构。该架构主要包含数字图像存储器(DIR，包括存储功能和查询功能)，潜在检索匹配模块(包括咬翼片图像的边缘提取功能和牙根尖图像的牙冠牙根边缘提取功能)，图像匹配模块(包括增强、分割、匹配三个环节)三部分。模块化提高了系统的易维护性。
[0009]2005年8月，Anil K.Jain和Hong Chen在文献[5]中优化了两个关键算法，即特征提取和相似度匹配。特征提取不仅提取了牙齿的边缘，还提取了牙齿的修补区域。相似度匹配算法通过后验概率将边缘距离和修补区面积融合，先计算出单颗牙齿层面的距离，再计算出图像层面的距离，最后根据图像层面的距离来检索最匹配的图像。多特征的融合提高了系统的有效性。
[0010]2006年4月，Diaa Eldin M.Nassar把人工神经网络算法引入到医学牙齿影像识别[6]。该神经网络分为特征提取和判断匹配两个层次。特征提取层利用非线性滤波器对输入图像和参考图像进行特征过滤，然后将过滤得到的特征传递到判断匹配层。最后判断匹配层判断两幅图像是否匹配。该算法可以通过自学习过程自动修正网络权系数，使得系统具有更明显的灵活性。
[0011]2006年6月，Eyad Haj Said等人利用形态学算法对牙齿图像进行去噪、分割和标记[7]，简化了传统的灰度值累和法，从而进一步简化了整个系统的设计。
[0012]2007 年 5 月，Omaima Nomir 和 Mohamed Abdel-Mottaleb 提出 了 多分辨率配准的算法[8]，认为图像的边缘特征可以先从低分辨率进行粗匹配，粗匹配后滤除一部分参考图像，然后将输入图像与剩下的参考图像进行高分辨率的精细匹配，最后筛选出若干幅最佳匹配图像。该算法通过逐层筛选的方法，提高了系统的实时性。
[0013]2007 年 6 月，Omaima Nomir 和 Mohamed Abdel-Mottaleb 将牙齿影像的表观特征引入鉴定系统[9]，认为牙齿特征不止包括边缘特征，也包括灰度特征。本文利用引力场算法求解出牙齿图像中的灰度特征点，并将灰度特征点与边缘特征点融合，使得最终的匹配效果更佳可靠。
[0014]2008 年 6 月，Omaima Nomir 和 Mohamed Abdel-Mottaleb 对牙齿的三种特征进行了融合[10]。他们整合了牙齿的边缘特征、表观特征、多分辨率特征，并分别在特征层、匹配层、决策层进行融合。实验结果证明了融合后的特征可以提高系统的整体性能。
[0015]同时，Diaa Eldin Nassar等人提出了一种建立牙齿数据库的方法[11]。该方法分为两个步骤。首先，根据牙齿的视觉特征，将图库中的每一颗牙齿进行分类存储(门齿、犬齿、前白齿、白齿)。其次，根据牙齿的类别和位置进行标记，同时验证牙齿是否被正确分类。数据库建立完成后，可以将输入的牙齿图像与相应位置的牙齿图像进行对比，从而降低了计算量，提高了系统的实时性。
[0016]2009年11月，Febriliyan等人提出了一种在全齿图像中自动提取臼齿的算法
[12]。作者认为，白齿的形态包含很多身份特征信息，可以完全通过白齿的特征来完成身份鉴定。该算法首先选择全齿图像的关键区域，然后分割上颌牙和下颌牙，最后通过边缘信息来选择所需要提取的臼齿。但该算法仍然是一个半自动化的过程，需要用户在全齿图像中选择三个关键点。
[0017]2013年4月，Vi jayakumari Pushparaj等人将牙齿的相片也列入特征提取范畴
[13]。本文指出，牙齿影像和牙齿相片都包含身份特征，因此引入牙齿相片的分析，可以提高鉴定系统的可靠性。并且统计数据显示，在牙齿相片中，上门齿的匹配就能达到70%的命中率。此外，除了利用牙齿的边缘特征外，本文还提出了牙齿的骨架特征，从而进一步提高了系统的可靠性。
[0018]但以上的算法都存在着缺陷:首先，牙齿分割会破坏牙齿的特征。因为牙齿的特征不仅仅集中在边缘上，牙缝的形状、齿间的重合区域、牙齿的生长角度等也都可以作为特征，而牙齿分割就会割裂牙缝的形状。其次，所有文献都把牙齿的边缘作为特征，但是边缘未必是最有效的特征，因此特征提取的过程都缺少自适应性。再次，医学影像往往都是质量较差、噪声较多、光照不均匀、边缘较模糊的图像，图像分割和边缘提取都很难达到理想的效果，这样就使得系统的灵活性不高。最后，很多文献都把咬翼片图像作为输入图像，但咬翼片图像的拍摄需要被拍摄人咬住纸板翼片来拍摄，而对于实际应用中的无名尸骨，这种拍摄显然是不可行的。
【发明内容】
[0019]针对现有技术的不足，本发明提供一种基于SURF和RANSAC算法的牙齿X_ray影像匹配方法。本发明将SURF算法和RANSAC算法引入到医学牙齿影像匹配领域，提高了基于人类牙齿特征的身份鉴定系统的稳定性和精确度。
[0020]技术术语解释:
[0021]1、RANSAC 算法:RANSAC 为 RANdom SAmple Consensus 的缩写，它是根据一组包含异常数据的样本数据集，计算出数据的数学模型参数，得到有效样本数据的算法。
[0022]2、SURF 算法，即为 SURF 特征点匹配算法:SURF (Speeded-Up Robust Feature)特征点是图像中具有某些空间特性和尺度特性的一类特殊点集；SURF特征描述子是用来描述SURF特征点的特征向量，具有尺度不变、旋转不变、平移不变的特性。SURF特征匹配的过程可以分解为三个步骤，即SURF特征点检测、SURF描述子生成、SURF描述子匹配。
[0023]本发明的技术方案如下:
[0024]一种基于SURF特征点匹配和RANSAC模型估计的牙齿Χ-ray影像匹配方法，包括步骤如下:
[0025](I)采集输入图像；在图库中选取一张新的参考图像；
[0026](2)将输入图像与参考图像进行灰度线性增强；
[0027](3)分别在输入图像和参考图像中检测SURF特征点，并对各个SURF特征点进行SURF特征描述；
[0028](4)将输入图像中的SURF特征描述向量与参考图像中的SURF描述向量进行初步匹配，如步骤(4)中的c所述；根据初步匹配所产生的SURF匹配样本，估算输入图像与参考图像之间的仿射变换模型，如步骤(4)中的g所述；
[0029](5)根据所估算出的最佳仿射变换模型，将输入图像变换为与参考图像大小相同的新图像；
[0030](6)计算新图像的有效区域与参考图像重合部分的灰度相关系数:若相关系数大于90%，则输入图像与参考图像是匹配的，跳至(8);否则就是不匹配的，跳至(7)；
[0031](7)若图库中还有没被匹配的参考图像，则返回(I)，否则退出；
[0032](8)匹配成功，记录下参考图像对应的个人信息，退出。[0033]根据本发明优选的，所述基于SURF特征点匹配和RANSAC模型估计的牙齿X_ray影像匹配方法，包括具体步骤如下:
[0034](I)图像采集
[0035]图像的采集包括输入图像的采集及参考图像的采集，所述的输入图像为待核实牙齿身份的牙齿X-ray影像，所述参考图像为现有牙齿X_ray影像数据库中的任一牙齿X_ray影像；
[0036](2)图像增强
[0037]对输入图像及参考图像的增强方法如下:
[0038]所述的图像增强方法是灰度线性增强，即按照式(i)所示的通式，对图像中每一像素点的灰度进行修改:
【权利要求】
1.一种基于SURF特征点匹配和RANSAC模型估计的牙齿X_ray影像匹配方法，其特征在于，该匹配方法包括步骤如下: (1)采集输入图像；在图库中选取一张新的参考图像； (2)将输入图像与参考图像进行灰度线性增强； (3)分别在输入图像和参考图像中检测SURF特征点，并对各个SURF特征点进行SURF特征描述； (4)将输入图像中的SURF特征描述向量与参考图像中的SURF描述向量进行初步匹配；根据初步匹配所产生的SURF匹配样本，估算输入图像与参考图像之间的仿射变换模型； (5)根据所估算出的最佳仿射变换模型，将输入图像变换为与参考图像大小相同的新图像； (6)计算新图像的有效区域与参考图像重合部分的灰度相关系数:若相关系数大于90%，则输入图像与参考图像是匹配的，跳至(8);否则就是不匹配的，跳至(7)； (7)若图库中还有没被匹配的参考图像，则返回(I)，否则退出； (8)匹配成功，记录下参考图像对应的个人信息，退出。
2.根据权利要求1所述的一种基于SURF特征点匹配和RANSAC模型估计的牙齿X_ray影像匹配方法，其特征在于，所述基于SURF特征点匹配和RANSAC模型估计的牙齿X_ray影像匹配方法，包括具体步骤如下: (1)图像米集 图像的采集包括输入图像的采集及参考图像的采集，所述的输入图像为待核实牙齿身份的牙齿X-ray影像，所述参考图像为现有牙齿X_ray影像数据库中的任一牙齿X_ray影像； (2)图像增强 对输入图像及参考图像的增强方法如下: 所述的图像增强方法是灰度线性增强，即按照式(i)所示的通式，对图像中每一像素点的灰度进行修改:
【文档编号】G06K9/46GK103886306SQ201410139324
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月8日 优先权日:2014年4月8日
【发明者】孙国霞, 刘伟, 孙惠强, 李惠, 周舟 申请人:山东大学