CN110232673A - 一种基于医疗显微成像的快速稳健的图像拼接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的公开了一种基于医疗显微成像的快速稳健的图像拼接方法,属于图像处理领域。为了实现高速,高精度的显微图像拼接,本发明选择ORB算法提取图像特征,证明本发明通过处理可以用此方法可以和用SIFT、SURF等算法达到同一精确度,并可以在特征提取上减少计算量,另外,为了消除混合缝隙来产生无缝图像,本发明采用渐入渐出加权平均策略,在最后的融合阶段,本发明采用图像索引操作,最大化避免对像素的多次复制移动,进一步缩短了时间。另外,本发明整个算法流程使用GPU加速,将算法处理时间降至最低。通过计算,本发明在使用分辨率为1360×1024的3×3图像可以在1秒左右完成准确无缝隙拼接。
Description
技术领域
本发明是一种基于医疗显微成像的快速稳健的图像拼接技术,具体的说是一种可以快速自动实现对3×3、5×5或10×10等大量高分辨率显微图片的准确无缝拼接的方法。
背景技术
专利申请号为201710879986.8的专利公开了一种用于大范围显微成像区域的图像获取及拼接方法,该方法中采用:“首先从两幅图像的重叠区域中选出特征点,再采用最邻近方法进行特征点的匹配,匹配结果经RANSAC算法计算出各匹配点的仿射变换矩阵;得到变换矩阵之后利用该矩阵将图像将两幅图变换到同一坐标系下;利用两幅图像的灰度关系进行亮度调整;根据重合的区域的匹配点,对两幅图像进行重合区域覆盖,完成拼接。”方法对相邻图像进行拼接,该图像拼接方法虽然具有提高了图像拼接效率和准确度的优点,但是由于放射变换矩阵和亮度调整的使用增加了计算负担,使该算法在计算速度上没有足够的优势。
发明内容
本发明为克服在需要观察多个视野显微图像做出诊断时,医生或研究者手动观测样本速度慢,效率低的问题,并对于此提出了解决方案,自动将多个视野下的高分辨图片进行自动拼接,并消除混合缝以产生无缝图像,实现快速高效的目的,同时快速的拼接也为提高显微图像识别率打下坚实基础。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:一种基于医疗显微成像的快速稳健的图像拼接方法,该方法包括:
步骤1:通过显微镜按照一定的顺序获取多张不同视野下的灰度图像序列,获取的相邻视野图像需保持有一部分的重叠区域;
步骤2:以某一幅图像为基础图像选取一幅与基础图像相邻视野的待匹配图像;
步骤3:对选取的两幅图像的疑似重叠区域进行提取,依次为基础重叠区域和待匹配重叠区域;
步骤4:分别提取两幅疑似重叠区域的特征点;
步骤5:选中一个基础重叠区域中的特征点,再从待匹配重叠区域的特征点中找出与选中特征点欧几里德距离最近的特征点,形成匹配特征点;然后选中下一个基础重叠区域中的特征点,再从待匹配重叠区域的特征点中找出与选中特征点欧几里德距离最近的特征点,形成匹配特征点;直到基础重叠区域中所有特征点都在待匹配重叠区域有匹配点;
步骤6:将基础重叠区域中的特征点和待匹配重叠区域中对应出的特征点分别构成两个特征向量,根据这两个特征向量计算出待匹配图像相对于基础图像的偏移量;
步骤7:再以另外一幅图像作为基础图像,重复步骤2到步骤6的方法;直到所有图像都计算出了至少一个与相邻图像的偏移量;
步骤8:根据已计算出的偏移量对所有图像进行拼接。
进一步的,所述步骤1中需要的保持的重叠区域为图像尺寸的15%到20%;步骤3中选取的疑似重叠区域不小于图像尺寸的20%。
进一步的,所述步骤4中特征点提取方法为:
步骤4-1:利用高斯滤波图像金字塔建立多尺度图像;
步骤4-2:建立初步特征点:在图像中a点的31×31邻域内随机取5×5的子窗口,若a 点灰度值和窗口中连续的12个像素点的灰度值之差都大于事先设定阈值的话,认为这个像素点为一个特征点;
步骤4-3:利如下函数对初步特征点进行筛选得到最终的特征点向量:
其中,I(x)是某一初始特征点邻域内的灰度值,I(p)是初始特征点的灰度值,circle(p)为p 的邻域,所有邻域圆周点与这个初始特征点的评价函数值为N,当N大于9时认为这个初始特征点为特征点。
进一步的,所述步骤5中匹配特征点的具体方法还可以为:
在基础重叠区域中选取一个特征点m1,在待匹配重叠区域中找到与这个特征点的欧几里德距离最近距离的特征点n1和次近距离的特征点n2,如果最近距离和次近距离的比值小于0.8,就认为最近距离的特征点n1和特征点m1匹配。
进一步的,所述步骤8中的图像拼接方法为:
带拼接重叠区域的两幅图像的原始像素值为I1(i,j)和I2(i,j),(i,j)表示坐标,在计算拼接后的像素值时,给与权重分配系数β,计算公式为:I(i,j)=βI1(i,j)+(1-β)I2(i,j) 0≤β≤1, I(i,j)表示拼接后的像素值,权重β计算方法为:两幅图像重叠区域的内边缘记为ε1、ε2,ε1表示靠近图像I1的内边缘位置,ε2表示靠近图像I2的内边缘位置,当β从 0到1增加的过程中,重叠区域的像素值从I2变化到I1。
本发明由于固定了拼接顺序,并只在重叠区域进行ORB算法特征提取,减少了计算量,提高了拼接效率,再加上GPU的使用,拼接过程中权重的重新分配,使得本发明在速度上,准确率上都有很大的优势,能够使3×3,每张分辨率为1920×1200的图像在1s左右完成准确的无缝拼接(见说明书附图3)。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2是本发明的待处理图样。
图3是本发明拼接完成后的图样。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明,但是本发明的实施方式并不局限于此。
在生物医学和临床研究中,非常希望以高分辨率观察整个组织切片的图像。但是,很难获得具有高分辨率的单个图像来查看整个样本。该问题的通常解决方案是将具有重叠区域的若干图像缝合以形成复合图像,其中用于提取特征的主要算法是尺度不变特征变换(SIFT)。SIFT 对旋转,缩放和照明变化很稳健,但耗时且计算负担沉重。
本发明的目的是开发一种快速自动拼接算法。为了实现高速,高精度的显微图像拼接,本发明选择ORB算法提取图像特征,证明用此方法可以和用SIFT、SURF等算法达到同一精确度,并可以在特征提取上减少计算量,另外,为了消除混合缝隙来产生无缝图像,本发明采用渐入渐出加权平均策略,在最后的融合阶段,本发明采用图像索引操作,最大化避免对像素的多次复制移动,进一步缩短了时间。另外,本发明整个算法流程使用GPU加速,将算法处理时间降至最低。
本发明算法流程图如图1所示,一种基于医疗显微成像的快速稳健的图像拼接技术,具体的来说,包括以下步骤:
一种基于机器视觉的显微成像快速稳健的图像拼接方法,该方法包括:
步骤1:通过显微镜按照一定的顺序自动拍摄多张不同视野下的灰度图像序列,每次移动的时候要求有20%左右的重叠区域;
步骤2:启动GPU加速环境,在之后的步骤6和步骤7中都进行GPU加速处理。
步骤3:在图像序列中依次选取相邻的两幅图像;
步骤4:对于依次选取的两幅相邻图像,将每幅图像的重叠区域提取出来;
步骤5:利用ORB算法对每张图片的重叠区域进行特征提取,得到图像的特征点并利用所得特征点构建特征向量;
步骤6:在两幅图像的特征向量构建完毕后,利用特征向量的欧几里德距离采用最近邻算法策略进行这一张和上一张图像的特征匹配;
步骤7:通过两幅图像匹配成功的特征向量的位置计算此张图片相对于上一张图像的偏移位置;
步骤8:重复执行步骤3到步骤8,直至从第二幅图像开始,都计算得出此副图像相对于上一副图像的偏移位置;
步骤9:当所有偏移位置计算完毕,用所有计算得出的偏移位置进行图像拼接,在图像拼接的过程中,使用像素索引对每张图像和他们的重叠区域重新分配权重,通过权值平均渐入渐出策略来获得无缝隙的拼接大图。
具体实施方案中步骤5的ORB算法选取特征具体过程为:
过程5-1:利用高斯滤波图像金字塔建立多尺度图像;
过程5-2:建立初步特征点:在图像中a点的31×31邻域内随机取5×5的子窗口,若a 点灰度值和窗口中连续的12个像素点的灰度值之差都大于阈值的话,认为这个像素点为一个特征点,并用12位二进制数将其表述出来。
过程5-3:利用Harris角点评价函数对初步特征点进行筛选得到最终的特征点向量:
其中,I(x)是某一初始特征点邻域内的灰度值,I(p)是初始特征点的灰度值,所有邻域圆周点与这个初始特征点的评价函数值为N,当N大于9时认为这个初始特征点为特征点。
具体实施方案中步骤6的特征匹配算法过程为:
步骤6-1:在上一张图像中选取一个特征点m1,在这副图像中找到与这个特征点的欧几里德距离最近的前两个特征点n1,n2,如果最近距离和次近距离的比例在80%之内的话,就认为最近的那个特征点n1和上一张图像的这一特征点m1匹配。
具体实施方案中步骤7的图像拼接过程为:
步骤7-1:在进行权重的相关计算中,不仅考虑连续图像中可能存在的重叠区域的权重计算,也就是考虑步骤一中我们人为创建的重叠区域,另外也会考虑不连续图像所引发的重叠区域;
步骤7-2:在每一个重叠区域中,设重叠区域的两幅图像的原始像素值为I1和I2,在进行权重的相关计算时,给与权重分配系数Bata,像素值计算公式为:
I(i,j)=βI1(i,j)+(1-β)I2(i,j) 0≤β≤1,当Bata从0到1增加的过程中,重叠区域的像素值从I2变化到I1。
Claims (5)
1.一种基于医疗显微成像的快速稳健的图像拼接方法,该方法包括:
步骤1:通过显微镜按照一定的顺序获取多张不同视野下的灰度图像序列,获取的相邻视野图像需保持有一部分的重叠区域;
步骤2:以某一幅图像为基础图像选取一幅与基础图像相邻视野的待匹配图像;
步骤3:对选取的两幅图像的疑似重叠区域进行提取,依次为基础重叠区域和待匹配重叠区域;
步骤4:分别提取两幅疑似重叠区域的特征点;
步骤5:选中一个基础重叠区域中的特征点,再从待匹配重叠区域的特征点中找出与选中特征点欧几里德距离最近的特征点,形成匹配特征点;然后选中下一个基础重叠区域中的特征点,再从待匹配重叠区域的特征点中找出与选中特征点欧几里德距离最近的特征点,形成匹配特征点;直到基础重叠区域中所有特征点都在待匹配重叠区域有匹配点;
步骤6:将基础重叠区域中的特征点和待匹配重叠区域中对应出的特征点分别构成两个特征向量,根据这两个特征向量计算出待匹配图像相对于基础图像的偏移量;
步骤7:再以另外一幅图像作为基础图像,重复步骤2到步骤6的方法;直到所有图像都计算出了至少一个与相邻图像的偏移量;
步骤8:根据已计算出的偏移量对所有图像进行拼接。
2.如权利要求1所述的一种基于医疗显微成像的快速稳健的图像拼接方法,其特征在于所述步骤1中需要的保持的重叠区域为图像尺寸的15%到20%;步骤3中选取的疑似重叠区域不小于图像尺寸的20%。
3.如权利要求1所述的一种基于医疗显微成像的快速稳健的图像拼接方法,其特征在于所述步骤4中特征点提取方法为:
步骤4-1:利用高斯滤波图像金字塔建立多尺度图像;
步骤4-2:建立初步特征点:在图像中a点的31×31邻域内随机取5×5的子窗口,若a点灰度值和窗口中连续的12个像素点的灰度值之差都大于事先设定阈值的话,认为这个像素点为一个特征点;
步骤4-3:利如下函数对初步特征点进行筛选得到最终的特征点向量:
其中,I(x)是某一初始特征点邻域内的灰度值,I(p)是初始特征点的灰度值,circle(p)为p的邻域,所有邻域圆周点与这个初始特征点的评价函数值为N,当N大于9时认为这个初始特征点为特征点。
4.如权利要求1所述的一种基于医疗显微成像的快速稳健的图像拼接方法,其特征在于所述步骤5中匹配特征点的具体方法还可以为:
在基础重叠区域中选取一个特征点m1,在待匹配重叠区域中找到与这个特征点的欧几里德距离最近距离的特征点n1和次近距离的特征点n2,如果最近距离和次近距离的比值小于0.8,就认为最近距离的特征点n1和特征点m1匹配。
5.如权利要求1所述的一种基于医疗显微成像的快速稳健的图像拼接方法,其特征在于所述步骤8中的图像拼接方法为:
带拼接重叠区域的两幅图像的原始像素值为I1(i,j)和I2(i,j),(i,j)表示坐标,在计算拼接后的像素值时,给与权重分配系数β,计算公式为:I(i,j)=βI1(i,j)+(1-β)I2(i,j)0≤β≤1,I(i,j)表示拼接后的像素值,权重β计算方法为:两幅图像重叠区域的内边缘记为ε1、ε2,ε1表示靠近图像I1的内边缘位置,ε2表示靠近图像I2的内边缘位置,当β从0到1增加的过程中,重叠区域的像素值从I2变化到I1。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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