CN110689564A - 一种基于超像素聚类的牙弓线绘制方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于超像素聚类的牙弓线绘制方法,将口腔CT图像转换为颜色空间CIE‑G,并对每个像素点对应的三维向量进行超像素聚类,得到聚类中心集合后,通过牙齿骨骼和其他口腔组织的灰度值差异得到牙弓线预选点,之后利用预选点的位置联系得到牙弓线标记点,最后用三次B样条曲线拟合出牙弓线。本发明提出了一种自动化、可靠性高的基于超像素聚类的牙弓线绘制方法,解决了现有的牙弓线绘制方法自动化程度低,绘制准确性较差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及医学图像处理领域,特别是指针对CBCT图像的一种基于超像素聚类的牙弓线绘制方法。
背景技术
牙全景片的绘制在牙科医学图像领域极其重要,而绘制牙全景片的基础是得到牙弓线。牙弓线是牙齿沿着牙槽骨依次排列成的弓形虚拟线,其走形直接影响到牙全景片和牙齿三维模型的建立。牙弓形态的研究一直是学者关注的领域。最早是根据Bonwill_Hawley式原理绘制的个别弓型图,后来各种数学模型被用来模拟牙弓形态:主要有抛物线函数,椭圆线函数,三次样条函数,原锥曲线方程等。
目前牙弓线的绘制方法包括手动采点三次样条函数方法(cubic spline),这种方法主要通过人工在牙片CT图像中选择一些标志点,以其中5个点作为结点 (Knot),用3次方程推断出过结点的光滑曲线,而其余标志点用于检测曲线的拟合度。这是一种较为理想的牙弓线绘制方法,但是需要人为的选择标志点。第二种方法是利用图形形态学来得到牙弓曲线。具体方法为对牙片二值图形进行形态学闭运算,再填充空洞。将填充后的图像进行形态学细化操作,最后将形态学细化的二值图像看成平面中坐标,用最小二乘法拟合四次多项式曲线。这种方法可以实现全自动操作,但是所得到的牙弓线准确性比如手动方法。
2003年,UC Bekeley大学机器视觉实验室Ren等人第一次提出了超像素这个概念,指出超像素是一些局部的、连贯的并且具有极大相似性的像素点的集合,它们各自具有相似的纹理结构、颜色特征或者在轮廓上具有相似性,这些集合块都可以被单独作为一个像素来进行图像分割问题的处理,因此被称为超像素块。利用基于位置信息的超像素聚类来绘制牙弓线是一种新的方法。
发明内容
为了解决现有的牙弓线绘制方法自动化程度低,绘制准确性较差的不足,本发明提出了一种自动化、可靠性高的基于超像素聚类的牙弓线绘制方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于超像素聚类的牙弓线绘制方法,包括以下步骤:
步骤一:图像预处理,将口腔CBCT(Cone beam CT)轴状图转化为0到255 的灰度图M,通过灰度阈值和位置信息选择感兴趣区域,其他区域灰度值设为0;
步骤三:把图M划分为K个超像素区域,区域的初始面积为S×S,其中,N为图M的像素点个数,各超像素的聚类中心初始化为其区域中心周围3×3范围内梯度最小的像素点,其中像素点i的梯度定义为对像素点i设置其所属聚类标签初始值label(i)=-1,到所属聚类中心的距离初始值d(i)=∞;
步骤四:对图M的所有像素点进行归类,更新聚类中心直至收敛;
步骤五:遍历图M,合并面积过小的超像素区域;
步骤六:计算每个超像素区域内所有像素点的灰度平均值,当灰度平均值大于牙齿灰度阈值时,将该超像素的聚类中心加入一个队列;
步骤七:对队列中的各超像素中心按横坐标值进行排序,得到牙弓线标志点;步骤八:用牙弓线标志点构筑三次B样条曲线,得到牙弓线。
进一步,所述步骤四的过程如下:
4.1取第一个聚类中心,聚类中心向量定义为Ck=[gk,xk,yk],其中k=1,对其周围2S×2S区域内的每一个像素点i,计算像素点i和该聚类中心的距离D,其中
m为常数;
4.2如果D<d(i),设置d(i)=D,label(i)=k;
4.3对第2至K个聚类中心重复4.1到4.2操作,计算每个新的超像素区域内所有像素点的坐标重心,将坐标重心作为该超像素的新聚类中心;
4.4重复4.1到4.3步骤n次,直至更新前后的聚类中心向量差值的绝对值之和小于阈值ε。
再进一步,所述步骤五的过程如下:
5.1对每个像素点i,设置其新标号newlabel(i)=-1;
5.2取一个超像素区域,选择该超像素区域内的任一像素点作为当前操作的中心点z,对中心点四邻域内的各个像素点j进行判断是否属于该超像素成员,其中判断条件是该点未被标记过,即newlabel(j)=-1,而且该点和当前操作中心点的聚类标号一致,即newlabel(j)=label(z),如果是该超像素区域的新成员,那么把该新成员作为新的操作中心点,重新判断其四邻域内的像素点直到找不到新成员为止;
5.3超像素理想面积大小为S*S,如果新超像素面积小于理想超像素面积的四分之一,则将该超像素区域所有的像素点合并到前一个相邻的超像素区域里;
5.4重复上述步骤5.2到5.3直到整张图M遍历结束。
本发明的技术构思为:将口腔CT图像转换为颜色空间CIE-G,并对每个像素点对应的三维向量进行超像素聚类,得到聚类中心集合后,通过牙齿骨骼和其他口腔组织的灰度值差异得到牙弓线预选点,之后利用预选点的位置联系得到牙弓线标记点,最后用三次B样条曲线拟合出牙弓线。
本发明的有益效果为:本发明提出了一种自动化、可靠性高的基于超像素聚类的牙弓线绘制方法,解决了现有的牙弓线绘制方法自动化程度低,绘制准确性较差的问题。
附图说明
图1基于超像素聚类的牙弓线绘制方法操作步骤。
图2基于超像素聚类的牙弓线绘制方法效果。(a)原始图像(b)图像预处理结果(c)超像素聚类结果(d)聚类中心显示(e)三次B样条拟合牙弓线结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
参照图1和图2,一种基于超像素聚类的牙弓线绘制方法,包括以下步骤:
步骤一:图像预处理,将口腔CBCT(Cone beam CT)轴状图转化为0到255 的灰度图M,通过灰度阈值(设灰度阈值为120)和位置信息选择感兴趣区域,其他区域灰度值设为0;
步骤二:定义图M的颜色空间CIE-G和像素点三维向量V,其中CIE-G由图M中所有的像素点向量V组成,任意像素点i的向量其中为位于坐标(xi,yi)的像素点i的灰度值,确定初始聚类个数K(设K=150,对应图像像素为480*480);
步骤三:把图M划分为K个超像素区域,区域的初始面积为S×S,其中,N为图M的像素点个数,各超像素的聚类中心初始化为其区域中心周围3×3范围内梯度最小的像素点,其中像素点i的梯度定义为对像素点i设置其所属聚类标签初始值label(i)=-1,到所属聚类中心的距离初始值d(i)=∞;
步骤四:对图M的所有像素点进行归类,更新聚类中心直至收敛,具体过程如下:
4.1取第一个聚类中心,聚类中心向量定义为Ck=[gk,xk,yk],其中k=1,对其周围2S×2S区域内的每一个像素点i,计算像素点i和该聚类中心的距离D,其中
4.2如果D<d(i),设置d(i)=D,label(i)=k;
4.3对第2至K个聚类中心重复4.1到4.2操作,计算每个新的超像素区域内所有像素点的坐标重心,将坐标重心作为该超像素的新聚类中心;
4.4重复4.1到4.3步骤n次,直至更新前后的聚类中心向量差值的绝对值之和小于阈值ε;
步骤五:遍历图M,合并面积过小的超像素区域,过程如下:
5.1对每个像素点i,设置其新标号newlabel(i)=-1;
5.2取一个超像素区域,选择该超像素区域内的任一个像素点作为当前操作的中心点z,对中心点四邻域内的各个像素点j进行判断是否属于该超像素成员,其中判断条件是该点未被标记过,即newlabel(j)=-1,而且该点和当前操作中心点的聚类标号一致,即newlabel(j)=label(z),如果是该超像素区域的新成员,那么把该新成员作为新的操作中心点,重新判断其四邻域内的像素点直到找不到新成员为止;
5.3超像素理想面积大小为S*S,如果新超像素面积小于理想超像素面积的四分之一,则将该超像素区域所有的像素点合并到前一个相邻的超像素区域里;
5.4重复上述步骤5.2到5.3直到整张图M遍历结束;
步骤六:计算每个超像素区域内所有像素点的灰度平均值,当灰度平均值大于牙齿灰度阈值(设牙齿灰度阈值为110)时,将该超像素的聚类中心加入一个队列;
步骤七:对队列中的各超像素中心按横坐标值进行排序,得到牙弓线标志点;
步骤八:用牙弓线标志点构筑三次B样条曲线,得到牙弓线。
如上所述,本专利实施的具体实现步骤使本发明更加清晰,提供更加直观准确的牙弓线自动绘制方法。在本发明的精神和权利要求的保护范围内,对本发明作出的任何修改和改变,都落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种基于超像素聚类的牙弓线绘制方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
步骤一:图像预处理,将口腔CBCT轴状图转化为0到255的灰度图M,通过灰度阈值和位置信息选择感兴趣区域,其他区域灰度值设为0;
步骤三:把图M划分为K个超像素区域,区域的初始面积为S×S,其中,N为图M的像素点个数,各超像素的聚类中心初始化为其区域中心周围3×3范围内梯度最小的像素点,其中像素点i的梯度定义为对像素点i设置其所属聚类标签初始值label(i)=-1,到所属聚类中心的距离初始值d(i)=∞;
步骤四:对图M的所有像素点进行归类,更新聚类中心直至收敛;
步骤五:遍历图M,合并面积过小的超像素区域;
步骤六:计算每个超像素区域内所有像素点的灰度平均值,当灰度平均值大于牙齿灰度阈值时,将该超像素的聚类中心加入一个队列;
步骤七:对队列中的各超像素中心按横坐标值进行排序,得到牙弓线标志点;
步骤八:用牙弓线标志点构筑三次B样条曲线,得到牙弓线。
3.如权利要求1或2所述的一种基于超像素聚类的牙弓线绘制方法,其特征在于,所述步骤五的过程如下:
5.1对每个像素点i,设置其新标号newlabel(i)=-1;
5.2取一个超像素区域,选择该超像素区域内的任一像素点作为当前操作的中心点z,对中心点四邻域内的各个像素点j进行判断是否属于该超像素成员,其中判断条件是该点未被标记过,即newlabel(j)=-1,而且该点和当前操作中心点的聚类标号一致,即newlabel(j)=label(z),如果是该超像素区域的新成员,那么把该新成员作为新的操作中心点,重新判断其四邻域内的像素点直到找不到新成员为止;
5.3超像素理想面积大小为S*S,如果新超像素面积小于理想超像素面积的四分之一,则将该超像素区域所有的像素点合并到前一个相邻的超像素区域里;
5.4重复上述步骤5.2到5.3直到整张图M遍历结束。
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