CN104268894A

CN104268894A - 一种基于目标物像素投影判断的断层切片图像配准方法

Info

Publication number: CN104268894A
Application number: CN201410555187.1A
Authority: CN
Inventors: 袁铁军; 孟龙晖; 张秀丽
Original assignee: Yangcheng Institute of Technology
Current assignee: Yangcheng Institute of Technology; Yancheng Institute of Technology
Priority date: 2014-10-17
Filing date: 2014-10-17
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2034-10-17
Also published as: CN104268894B

Abstract

本发明公开了一种基于目标物像素投影判断的断层切片图像配准方法，首先将参考图像和浮动图像进行二值化处理，将其目标物和背景区分开来，通过将浮动图像按照指定的微小的角度增量旋转，每旋转一次计算浮动图像在每一像素列上目标像素的数目，并计算求其与参考图像每一像素列上目标像素数目之差，将所有差值的绝对值求和，当其值达到最小时判断此时浮动图像的角度配准达到最优，其次对其平移配准，在平面的X和Y方向内，浮动图像在给定的范围内以单个像素为增量进行平动，每平动一次计算浮动图像和参考图像在相同坐标点处都是目标物像素的数目，当其值达到最大时候判断浮动图像已经与参考图像达到比较完美配准。

Description

一种基于目标物像素投影判断的断层切片图像配准方法

技术领域

本发明公开了一种基于目标物像素投影判断的断层切片图像配准方法，涉及图像处理技术领域。

背景技术

图像配准是图像处理领域内的一个非常常见的研究内容，从20世纪90年代初期此项研究才逐渐得到重视。其作为一种基础的图像处理方面的技术，其在诸多领域有着广泛的应用，从图像配准的提出到目前为止的几十年时间里，随着计算机科学技术的飞速发展和普及，图像配准被用于许多应用领域，诸如医学应用、计算机辅助制造、机器人等。

图像配准在医学应用领域尤其有用。例如，在诸如病人随访和手术或疗法计划等临床场景中。为了使医学专家能够以精确的方式比较医学图像，这些图像需要被配准以便去除病人的姿势变化。例如，所述配准可能导致两个医学图像中的相应解剖结构的对齐。

一直存在提高图像配准系统的准确度和稳健性以及减少图像配准所花的时间和所需的计算资源的需要。而以往图像进行匹配时，存在计算复杂，计算量大，所耗时间长，效率上提高不上去等弊端。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种基于目标物像素投影判断的断层切片图像配准方法，在保证配准精度的基础上，减少配准计算时间，从而大大提高其配准效率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种基于目标物像素投影判断的断层切片图像配准方法，具体步骤包括：

步骤一、对参考图像和浮动图像进行二值化操作，将目标物和背景进行区分；

步骤二、以参考图像为基准，对浮动图像进行角度配准操作，得到二值化浮动图像的旋转角度；

步骤三、以参考图像为基准，对浮动图像进行平移配准操作，得到二值化浮动图像在平面内横向和纵向移动的距离；

步骤四、将所得到的二值化浮动图像旋转的角度以及在平面内横向和纵向移动的距离分别运用于实际原图像中，使得其按照指定的角度和距离进行旋转和平动，矫正原浮动图像，使其与参考图像现实配准。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤二具体包括：

(201)：对经过二值化处理的浮动图像设置其对应的角度旋转范围，当所述浮动图像在所述角度旋转范围内旋转时，浮动图像将有机会与参考图像的角度一直；

(202)：在(201)设定的角度旋转范围内，对经过二值化处理的浮动图像设置其对应的旋转角度增量，浮动图像以旋转角度增量不停的旋转，每旋转一次分别计算二值化浮动图像和二值化参考图像上每一像素列上目标像素的数目；

(203)：根据(202)得出的二值化参考图像和二值化浮动图像每一列的目标物像素数，列出两个向量表达式：

R＝[R(1),R(2)……R(P)]，F＝[F(1),F(2)……F(P)]；

其中，R表示二值化参考图像中每一列的目标物像素数，F表示二值化浮动图像中每一列的目标物像素数，P表示列数；

(204)：将步骤(203)中，将两个向量表达式中前面的0元素全部去除，使得第一个非零元素作为向量的第一个元素；

(205)：在经过(204)处理的向量中截取其前N个元素，使得这N个元素均能将目标物包含在内，最终得出如下向量表达式：

R'＝[R'(1),R'(2),R'(3)……R'(N-2),R'(N-1),R'(N)]，

F'＝[F'(1),F'(2),F'(3)……F'(N-2),F'(N-1),F'(N)]；

其中，R'和F'分别为R和F对应的变化后表达形式；

(206)：每旋转一次浮动图像分别计算向量R'与F'各对应元素之差的绝对值之和，即表达式的值，最终得到关于M的一个向量：

M＝[M(1),M(2),M(3),……M(j-2),M(j-1),M(j)]；

求出其中的最小值M(k)＝min[M(1),M(2),M(3),……M(j-2),M(j-1),M(j)]，当M的取值为M(k)时，浮动图像矫正完毕。

作为本发明的进一步优选方案，所述步骤三具体包括：

(301)：给定二值化浮动图像在X轴和Y轴方向移动的范围，在此范围内浮动图像将有机会与参考图像重叠；

(302)：在浮动图像的移动过程中，计算浮动图像和参考图像在相同的坐标点都是目标物像素点的像素数S；

(303)：经过步骤(302)得出一个关于S值分布的向量：

[S(1),S(2),S(3),……S(j-2),S(j-1),S(j)]；

求得其最大值：

S(m)＝max[S(1),S(2),S(3),……S(j-2),S(j-1),S(j)]；

在二值化浮动图像平动的过程中，当S的取值为S(m)时，二值化浮动图像与参考图像实现配准。

作为本发明的进一步优选方案，所述参考图像和浮动图像的尺寸大小一致。

作为本发明的进一步优选方案，步骤(201)中，所述角度旋转范围为0°至360°。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明所公开的图像配准方法，显著提高了图像配准系统的准确度和稳健性，减少图像配准所花的时间和所需的计算资源，计算量小、速度快，明显的提升了系统的效率。

附图说明

图1为二值化后的参考图像，其中白色为目标物，黑色为背景；

图2为二值化后的浮动图像，其中白色为目标物，黑色为背景；

图3为二值化浮动图像每一像素列上目标像素的数目坐标图；

图4为二值化参考图像每一像素列上目标像素数目坐标图；

图5.为角度得到矫正后的二值化浮动图像；

图6为四幅简单二值化图像示意图；

图7为最终得到配准的二值化浮动图像；

图8为图像配准流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

对浮动图像的配准操作过程中，其主要包括角度配准以及平移配准两方面。

本发明所公开的方法中，图像配准流程如图8所示。所述基于目标物像素投影判断的断层切片图像配准方法，具体步骤包括：

出于方便操作的考虑，首先将参考图像和浮动图像均进行二值化的操作，将目标物和背景进行区分。二值化后的参考图像和浮动图像分别如图1、图2所示。首先对浮动图像进行角度配准的操作。

给二值化浮动图像一个角度旋转的范围，使得二值化浮动图像的角度在这个旋转范围内能有机会能与参考图像一致。在给定的角度范围内，二值化浮动图像以一个很小的角度增量不停地旋转，每旋转一次分别计算二值化浮动图像和二值化参考图像上每一像素列上目标像素的数目，分别得到如图3、图4所示的坐标图。

根据坐标图可以明显看出，在刚开始一段，目标像素数目是0，这是由于目标物并非是从最左边开始，由于参考图像和浮动图像的目标物的角度存在一定的差异，因此两坐标图的形状存在一定的差异。

根据二值化参考图像和二值化浮动图像每一列的目标物像素数，这里可以列出两个向量R＝[R(1),R(2)……R(700)]以及F＝[F(1),F(2)……F(700)]，其向量的每个元素的值表示对应力的列上的像素数目。两个向量前面的若干元素值都是0，到后面的第一个非零值时说明图像的该列已经有目标物的像素，到最后所有元素值又统一为0，说明在图像的最后数列内并没有目标物的像素，所以R和F应该具有的形式为：

R＝[0,0,0……R(i-1),R(i),R(i+1)……0,0,0]；

F＝[0,0,0……F(i-1),F(i),F(i+1)……0,0,0]；

将两个向量的前面的所有0元素全部去除，使得第一个非零元素作为向量的第一个元素，得到两个新的向量之后同时截取前面的N个元素，使得这N个元素列都能将目标物包含在内，最终得到的两个向量为：

R'＝[R'(1),R'(2),R'(3)……R'(N-2),R'(N-1),R'(N)]；

F'＝[F'(1),F'(2),F'(3)……F'(N-2),F'(N-1),F'(N)]；

每旋转一次浮动图像后，分别计算的值。当浮动图像与参考图像存在角度偏差时，在绝大部情况下|R(i)-F(i)|＞0是成立的，而当两个图像的目标物完全一样而且不存在角度偏差时，即使存在平动偏差，也是成立的。而相邻断层切片图像尽管形状上存在一定的偏差，但是由于其实际空间位置很近，因此在形状上的差别非常小，当相邻的断层切片图像不存在角度上的偏差时，毫无疑问计算得到的值是最小的，因此可以根据此原理对角度矫正进行判断。

在浮动图像的旋转过程中，求的每次旋转后表达式的值，最终得到关于M的一个向量[M(1),M(2),M(3),……M(j-2),M(j-1),M(j)]，并求的其中的最小值M(k)＝min[M(1),M(2),M(3),……M(j-2),M(j-1),M(j)]，可以确定当M的取值为M(k)时，浮动图像的旋转角度使得浮动图像得到了较好的矫正。

此时已经完成了浮动图像的角度矫正的工作，但有可能浮动图像与参考图像还存在一定的平移的偏差，如图5和图1之间的差别，因此必须继续对角度矫正后的二值化浮动图像进行处理。

这里给定二值化浮动图像在X轴和Y轴方向移动的范围，使得浮动图像在该范围内进行移动时候能与参考图像达到比较完美的重叠。首先，浮动图像和参考图像的尺寸大小是一致的，在浮动图像在移动的过程中，计算两幅图像在相同的坐标点都是目标物像素点的像素数S，最终得到了一个关于S值分布的向量[S(1),S(2),S(3),……S(j-2),S(j-1),S(j)]，并求得其最大值S(m)＝max[S(1),S(2),S(3),……S(j-2),S(j-1),S(j)]，可以得出结论：在二值化浮动图像平动的过程中，当S的取值达到最大S(m)时二值化浮动图像与参考图像达到了较完美的配准。

其原理可以用如图6所示的四幅二值化图像示意图进行阐述，其中1表示目标物像素，0表示背景像素，当目标物在图像内进行平动时，其S值是不断变化的，如(a)、(b)两幅图中相同坐标点处像素值都是1的像素数目共有6个，因此S_ab＝6，(a)、(c)两幅图中相同坐标点处像素值都是1的像素数目共有4个，因此S_ac＝4，而(a)、(d)两幅图中目标物所在的位置其实是一样的，因此相同坐标点处像素值都是1的像素数目达到最大S_ad＝9，说明此时浮动图像已经与参考图像达到了较完美的配准，如图7所示。

当然以上所做的一切都是对二值化后的浮动图像进行配准的操作，而并非对原图所进行的配准的操作，不过前面所得到的二值化浮动图像的旋转的角度以及在平面内横向和纵向内移动的距离分别运用于实际原图像中，使得其按照指定的角度和距离进行旋转和平动，最终原浮动图像将得到了较完美的矫正，与参考图像得到了较好的配准。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

Claims

1.一种基于目标物像素投影判断的断层切片图像配准方法，其特征在于，具体步骤包括：

2.如权利要求1所述的一种基于目标物像素投影判断的断层切片图像配准方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：

(201)：对经过二值化处理的浮动图像设置其对应的角度旋转范围，当所述浮动图像在所述角度旋转范围内旋转时，浮动图像将有机会与参考图像的角度一致；

R＝[R(1),R(2)……R(P)]，F＝[F(1),F(2)……F(P)]；

其中，向量R表示二值化参考图像中每一列的目标物像素数，向量F表示二值化浮动图像中每一列的目标物像素数，P表示列数；

R'＝[R'(1),R'(2),R'(3)……R'(N-2),R'(N-1),R'(N)]；

F'＝[F'(1),F'(2),F'(3)……F'(N-2),F'(N-1),F'(N)]；

其中，R'和F'分别为R和F对应的变化后表达形式；

M＝[M(1),M(2),M(3),……M(j-2),M(j-1),M(j)]；

向量M的元素的个数即浮动图像所旋转的次数。找出向量M所有元素中值最小的元素M(k)＝min[M(1),M(2),M(3),……M(j-2),M(j-1),M(j)]，当M的取值为M(k)时，浮动图像矫正完毕。

3.如权利要求1或2所述的一种基于目标物像素投影判断的断层切片图像配准方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：

(303)：经过步骤(302)得出一个关于S值分布的向量：

[S(1),S(2),S(3),……S(j-2),S(j-1),S(j)]；

求得其最大值：

S(m)＝max[S(1),S(2),S(3),……S(j-2),S(j-1),S(j)]；

4.如权利要求1所述的一种基于目标物像素投影判断的断层切片图像配准方法，其特征在于：所述参考图像和浮动图像的尺寸大小一致。

5.如权利要求2所述的一种基于目标物像素投影判断的断层切片图像配准方法，其特征在于：步骤(201)中，所述角度旋转范围为0°至360°。