KR100952668B1 - Apparatus and method for tracking retinal vessel using Canny edge detection method - Google Patents
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Abstract
본 발명은 한 픽셀 이내의 정확도로 망막 혈관을 측정하고 추적하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 수정된 캐니 에지 검출 방법, 혈관 프로파일의 가우시안 모델 및 가우시안 모델의 이차 미분의 부호 변환점(zero-crossing)에 기반한다. 본 발명에서, 캐니 에지 검출 방법은 처음에 입력 혈관 영상으로부터 에지를 검출하기 위해 사용된다. 다음으로 에지 방향이 설정되며, 이는 혈관의 단면 프로파일을 얻기 위해 사용한다. 다음으로 혈관 단면 프로파일로부터 국부적인 최대값과 국부적인 최소값을 사용하여 혈관 샘플 프로파일이 검색된다. 다음으로 가우시안 모델을 사용하여 혈관 샘플 프로파일을 피트(fit)시킨다. 다음으로 가우시안으로 구한 혈관 샘플 프로파일의 이차 미분의 부호 변환점이 혈관의 경계를 나타내기 위해 사용된다. 다음으로 가우시안으로 구한 혈관 샘플 프로파일의 피크값이 혈관 중심선의 위치로서 사용되고, 이러한 위치에서 혈관의 폭을 계산하기 위해 사용된다. 본 발명에 따르면, 한 픽셀 이내의 정확도로 혈관 벽의 위치 및 혈관의 폭을 구할 수 있다.The present invention is directed to an apparatus and method for measuring and tracking retinal vessels with accuracy within one pixel. The present invention is based on a modified Canny edge detection method, a Gaussian model of the vascular profile and a zero-crossing of the second derivative of the Gaussian model. In the present invention, the canny edge detection method is first used to detect the edge from the input blood vessel image. The edge direction is then set, which is used to obtain the cross-sectional profile of the vessel. The vessel sample profile is then retrieved from the vessel cross-sectional profile using the local maximum and local minimum. The Gaussian model is then used to fit the vascular sample profile. Next, the sign transform point of the second derivative of the vascular sample profile obtained in Gaussian is used to indicate the vessel boundary. Next, the peak value of the vascular sample profile obtained in Gaussian is used as the position of the vessel centerline and used to calculate the width of the vessel at this position. According to the present invention, the position of the vessel wall and the width of the vessel can be obtained with accuracy within one pixel.
망막 혈관 추적, 망막 혈관 중심선 추적, 혈관 폭, 캐니 에지 검출 Retinal Vessel Tracking, Retinal Vessel Centerline Tracking, Vessel Width, Canny Edge Detection
Description
본 발명은 망막 혈관 추적 장치와 그 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 수정된 캐니 에지 검출 방법을 이용하여 망막의 혈관을 추적하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a retinal vessel tracking device and method, and more particularly, to a device and method for tracking the vessel of the retina using a modified Canny edge detection method.
추적 기법은 중요한 혈관 분할 알고리즘 중 하나이다. 망막 혈관 검출에 있어서, 혈관 측정과 추적에 관하여 두 가지 중요한 문제가 존재한다. 하나는 혈관 경계 위치를 검출하는 것이고, 다른 하나는 각각의 지점에서 혈관의 중심선을 추적하고 혈관의 폭을 측정하는 것이다. 망막 혈관을 추적하기 위해 에지 검출과 정합 필터가 사용된다. 좌우측의 혈관 에지를 검출하기 위해, 병렬 에지 검출 기법은 바(bar) 형태의 선 모델을 사용한다. 종래의 선 검출 방법은 병렬 에지를 추적하거나 마루(ridge)를 검출하기 위해 사용되어 왔다. 혈관 경계를 검출하기 위해 캐니 검출기와 같은 에지 검출기와 소벨 검출기가 널리 사용된다. 형태학적인 검출기, 그라디언트 연산기, 직접 정합 저역 통과 차분기 템블릿 및 최적화된 캐니 검출기 또한 혈관을 검출하기 위해 사용되었다. 혈관 프로파일은 소동맥의 중심 광반사를 고려하는 수정된 가우시안 모델에 의해 기술되며, 혈관 측정은 크기 수정된 이차 가우시안 필터를 사용하여 수행된다. Tracking technique is one of the important vessel segmentation algorithms. In retinal vessel detection, two important issues exist with respect to vessel measurement and tracking. One is to detect the vessel boundary location, and the other is to track the vessel's centerline at each point and measure the vessel's width. Edge detection and matched filters are used to track retinal vessels. To detect the left and right vessel edges, the parallel edge detection technique uses a bar model line model. Conventional line detection methods have been used to track parallel edges or detect ridges. Edge detectors such as canny detectors and Sobel detectors are widely used to detect vessel boundaries. Morphological detectors, gradient calculators, direct matched low pass difference templates and optimized canny detectors were also used to detect blood vessels. Vascular profiles are described by a modified Gaussian model that takes into account the central light reflection of the small arteries, and the vascular measurements are performed using a size-corrected secondary Gaussian filter.
캐니 에지 검출 기술은 국부적인 그라디언트의 크기와 방향에 기반하며, 영상 강도에는 직접적으로 기반하지 않는다. 캐니 에지 검출기는 어떠한 향상 처리 또는 가우시안 스무딩에 의한 광량의 불규칙에 대한 보상 없이 망막 영상에서 중요한 해부학상의 특징을 강인하게 검출할 수 있으며, 경계를 추출하고 혈관의 에지를 검출하고, 상이한 구성과 배경을 분리하기 위해 사용되어 왔다. Canny edge detection is based on the size and orientation of the local gradient, not directly on the image intensity. Canny edge detectors can robustly detect important anatomical features in retinal images without compensating for irregularities in the amount of light by any enhancement process or Gaussian smoothing, extracting boundaries, detecting edges of blood vessels, and detecting different configurations and backgrounds It has been used to separate.
본 발명은 다음과 같이 망막 영상에서 혈관에 대해 관찰된 특성에 기반하여 개발된다. The present invention is developed based on the properties observed for blood vessels in the retinal image as follows.
1) 혈관의 단면 형태의 밀도 분포는 가우시안 형태의 함수를 사용하여 평가될 수 있다.1) The density distribution of the cross-sectional shape of blood vessels can be evaluated using a function of Gaussian shape.
2) 혈관 단편(segment) 방향은 연속적으로 변하며, 단편 사이의 방향 변화는 스무드한 연속 함수이다.2) The vascular segment direction changes continuously, and the change in direction between the fragments is a smooth continuous function.
3) 혈관의 폭은 연속적으로 변하고, 혈관 단편의 폭에서의 순간적인 변화는 존재하지 않는다. 언제나 인접한 단편들 사이에는 스무드한 변화만 존재한다. 필터의 크기 계수가 적절하게 주어질 때 혈관 폭은 정합 필터(matched filter)의 함수라는 실험적인 가정을 하면, 혈관 지름의 절대값은 단순히 미리 조정한 선을 사용하여 결정될 수 있다.3) The width of the vessel changes continuously, and there is no instant change in the width of the vessel fragment. There is always a smooth change between adjacent fragments. Given the experimental assumption that the vessel width is a function of a matched filter when the size coefficient of the filter is properly given, the absolute value of the vessel diameter can be determined using a simply pre-set line.
종래 기술의 혈관 추적에 있어서, 검출된 혈관은 칼만 필터와 가우시안 필터를 결합하여 추적되고 수정된 가우시안 모델을 이용하여 혈관 프로파일을 기술한 다. 또한 혈관의 폭은 데이터 피팅(fitting)에 의해 얻어진다.In prior art vessel tracking, the detected vessels describe vessel profiles using a Gaussian model tracked and modified by combining Kalman and Gaussian filters. The width of the vessel is also obtained by data fitting.
칼만 필터는 잡음에 의해 간섭받는 선형 동적 시스템에서 상태 벡터의 최적의 추정치를 구하기 위한 순환적인 알고리즘이다. 칼만 필터는 위치 필터 및 속도 필터를 이용하여 혈관 위치를 추적하고, 추적된 혈관 위치를 가우시안 필터를 이용하여 혈관 프로파일을 기술한다. 이러한 칼만 필터 및 가우시안 필터의 결합에 의한 망막 혈관 추적은 혈관 위치의 오차 편차 가능성이 크고 데이터 피팅에 의해 혈관의 폭을 얻음으로써 정확한 혈관 위치 및 혈관의 폭 계산에 문제점이 있었다.Kalman filter is a recursive algorithm for obtaining an optimal estimate of a state vector in a linear dynamic system interrupted by noise. Kalman filters track position of vessels using position filters and velocity filters, and describe vessel profiles using Gaussian filters. The retinal vessel tracking by the combination of the Kalman filter and the Gaussian filter has a high possibility of error deviation of the vessel position and has a problem in accurate vessel position and vessel width calculation by obtaining the vessel width by data fitting.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 수정된 캐니 에지 검출 방법을 이용하여 한 픽셀 이내의 정확성이 보장되는 망막의 혈관을 추적하는 장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide an apparatus and method for tracking blood vessels of the retina, which are guaranteed to be within one pixel using a modified Canny edge detection method.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 수정된 캐니 에지 검출 방법을 이용하여 한 픽셀 이내의 정확성이 보장되는 망막의 혈관을 추적하는 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 있다.Another technical problem to be solved by the present invention is to use a computer-readable recording medium that records a program for executing a method of tracking blood vessels of the retina, which is guaranteed to be within one pixel using a modified Canny edge detection method. To provide.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 망막 혈관 추적 장치는, 입력 영상으로부터 에지를 검출하여 에지 영상을 출력하는 에지 검출부; 상기 에지 영상으로부터 에지의 인덱스와 두 개의 이웃하는 에지들 사이의 거리로 표현되는 혈관 벽의 곡선을 추적하는 곡선 추적부; 상기 추적된 혈관 벽의 곡선을 구성하는 각 픽셀의 수평 및 수직 방향으로의 변화량을 기초로 에지점의 방향 벡터를 산출하고, 혈관 벽의 곡선을 상기 방향 벡터에 수직한 방향으로 분할하여 혈관 단면 프로파일을 추출하는 혈관 단면 프로파일 추출부; 상기 혈관 단면 프로파일로부터 국부적인 최소값들 사이에 위치하는 부분을 혈관 샘플 프로파일로 결정하는 혈관 샘플 프로파일 결정부; 상기 각각의 혈관 샘플 프로파일을 가우시안 모델에 기초하여 가우시안 피트(Gaussian fit)를 생성하고, 상기 생성된 가우시안 피트의 이 차 미분의 부호 변환점을 조사하여 한 픽셀(sub-pixel) 이내의 정확도를 갖는 혈관 벽의 에지 위치를 얻는 에지 위치 획득부; 및 상기 에지 위치 및 상기 가우시안 피트의 피크값을 기초로 혈관의 폭, 혈관의 위치 및 혈관의 중심선 중 적어도 하나를 생성하는 데이터 생성부;를 구비한다.In order to achieve the above technical problem, a retinal blood vessel tracking device according to the present invention comprises: an edge detector for detecting an edge from an input image and outputting an edge image; A curve tracker for tracking a curve of a blood vessel wall expressed as an index of an edge and a distance between two neighboring edges from the edge image; A direction vector of an edge point is calculated based on the amount of change in each horizontal and vertical direction of each pixel constituting the tracked vessel wall curve, and the vessel wall profile is divided by dividing the curve of the vessel wall in a direction perpendicular to the direction vector. Blood vessel cross-sectional profile extraction unit for extracting; A blood vessel sample profile determiner determining a portion located between local minimum values from the blood vessel cross-sectional profile as a blood vessel sample profile; A Gaussian fit is generated based on the Gaussian model of each of the blood vessel sample profiles, and the vessels having an accuracy within one pixel are examined by examining the sign transform point of the second derivative of the generated Gaussian fit. An edge position obtaining unit for obtaining an edge position of the wall; And a data generator configured to generate at least one of a width of a blood vessel, a position of the blood vessel, and a centerline of the blood vessel based on the edge position and the peak value of the Gaussian pit.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 망막 혈관 추적 방법은, 입력 영상으로부터 에지를 검출하여 에지 영상을 출력하는 에지 검출 단계; 상기 에지 영상으로부터 에지의 인덱스와 두 개의 이웃하는 에지들 사이의 거리로 표현되는 혈관 벽의 곡선을 추적하는 곡선 추적 단계; 상기 추적된 혈관 벽의 곡선을 구성하는 각 픽셀의 수평 및 수직 방향으로의 변화량을 기초로 에지점의 방향 벡터를 산출하고, 상기 혈관 벽의 곡선을 상기 방향 벡터에 수직한 방향으로 분할하여 혈관 단면 프로파일을 추출하는 혈관 단면 프로파일 추출 단계; 상기 혈관 단면 프로파일로부터 국부적인 최소값들 사이에 위치하는 부분을 혈관 샘플 프로파일로 결정하는 혈관 샘플 프로파일 결정 단계; 상기 각각의 혈관 샘플 프로파일을 가우시안 모델에 기초하여 가우시안 피트(Gaussian fit)를 생성하고, 상기 생성된 가우시안 피트의 이차 미분의 부호 변환점을 조사하여 한 픽셀(sub-pixel) 이내의 정확도를 갖는 혈관 벽의 에지 위치를 얻는 에지 위치 획득 단계; 및 상기 에지 위치 및 상기 가우시안 피트의 피크값을 기초로 혈관의 폭, 혈관의 위치 및 혈관의 중심선 중 적어도 하나를 생성하는 데이터 생성 단계;를 갖는다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a retinal vessel tracking method including: an edge detection step of detecting an edge from an input image and outputting an edge image; A curve tracking step of tracking a curve of the vessel wall represented by the index of the edge and the distance between two neighboring edges from the edge image; A direction vector of an edge point is calculated based on the amount of change in the horizontal and vertical directions of each pixel constituting the tracked vessel wall curve, and the vessel cross section is divided by dividing the curve of the vessel wall in a direction perpendicular to the direction vector. Vascular cross-sectional profile extraction step of extracting the profile; A vessel sample profile determination step of determining a portion located between local minimums from the vessel cross-sectional profile as a vessel sample profile; A Gaussian fit is generated based on each vascular sample profile based on a Gaussian model, and the vascular wall has an accuracy within one pixel by investigating the sign transform point of the second derivative of the generated Gaussian fit. Obtaining an edge position of the edge position; And generating at least one of a blood vessel width, a blood vessel position, and a blood vessel centerline based on the edge position and the peak value of the Gaussian pit.
본 발명에 따른 망막 혈관 추적 장치 및 방법에 의하면, 수정된 캐니 에지 검출 방법을 사용하여 효율적으로 망막 혈관 중심선을 추적하고 각 중심점에서 혈관 폭을 측정할 수 있다. 또한 곡선 스무딩 또는 한 픽셀 이내의 정확도를 가진 캐니 에지 검출 방법을 이용하여 보다 정확한 혈관 벽 위치를 찾을 수 있고, 혈관 단면 프로파일에 기초하여 혈관의 중심선의 위치 및 중심점에서의 혈관의 폭을 구할 수 있다. 본 발명은 에지의 방향 재설정 및 혈관 단면 프로파일을 피트시키기 위한 가우시안 모델을 이용하여 가우시안 모델로부터 한 픽셀 이하의 정확도를 가진 에지를 획득함으로써, 정확한 망막 혈관의 추적을 보장한다. According to the retinal vessel tracking apparatus and method according to the present invention, the modified canny edge detection method can be used to efficiently track the retinal vessel centerline and measure the vessel width at each center point. In addition, more accurate vessel wall location can be found using curve smoothing or canny edge detection methods with accuracy within one pixel, and the vessel's centerline position and width of the vessel at the center point can be determined based on the vessel cross-sectional profile. . The present invention uses a Gaussian model to reorient the edges and fit the blood vessel cross-sectional profile to obtain an edge with an accuracy of one pixel or less from the Gaussian model, thereby ensuring accurate tracking of the retinal vessels.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 망막 혈관 추적 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail a preferred embodiment of the retinal vessel tracking device and method according to the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 망막 혈관 추적 장치의 블럭도를 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 망막 혈관 추적 방법의 흐름도를 도시한 도면이다. 1 is a block diagram of a retinal blood vessel tracking apparatus according to the present invention, Figure 2 is a view showing a flow chart of the retinal vessel tracking method according to the present invention.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 망막 혈관 추적 장치는 에지 검출부(110), 곡선 추적부(120), 스무딩부(130), 혈관 단면 프로파일 추출부(140), 혈관 샘플 프로파일 결정부(150), 에지 위치 획득부(160) 및 데이터 생성부(170)를 구비한다.1 and 2, the retinal vessel tracking apparatus according to the present invention includes an
에지 검출부(110)는 입력 영상으로부터 에지를 검출하여 에지 영상을 출력한다(S210). 에지 검출부는 혈관 경계와 그라디언트 방향에 대한 선험적인 지식을 제공하는 캐니 에지 검출법을 사용한다. 캐니 에지 검출법은 입력된 영상에서 명암 변화가 다른 지점보다 큰 지점을 찾고, 그 지점을 추적하며 형성되는 선에 속한 점 들을 추출하는 방법이다. 캐니 에지 검출기는 에지 위치에 대한 오차 편차의 가능성을 최소화하고, 혈관 벽에 가까운 에지를 검출하며, 최종적으로 혈관 벽 지점에 대한 에지를 제공한다. 또한 에지 검출부(110)는 바 형태(bar-shape)의 선 모델을 기초로 좌우측의 혈관 에지를 검출할 수 있다. 도 3a에는 망막 영상의 작은 영역에서 추출된 혈관 샘플의 일 예가 도시되어 있고, 도 3b에는 캐니 에지 검출기를 이용하여 도 3a에 도시된 혈관 샘플로부터 추출될 수 있는 픽셀 위치 및 혈관 벽 방향의 일 예가 도시되어 있다. The
곡선 추적부(120)는 에지 영상으로부터 에지의 인덱스와 두 개의 이웃하는 에지들 사이의 거리로 표현되는 혈관 벽의 곡선을 추적한다(S220). C(u,r)= (x(u),y(u))은 혈관 벽 곡선이고, u는 에지의 인덱스, r은 두 개의 이웃하는 에지들 사이의 거리, (x,y)는 영상에서의 픽셀의 위치를 의미한다. The curve tracker 120 tracks the curve of the blood vessel wall expressed as the distance between the index of the edge and two neighboring edges from the edge image (S220). C (u, r) = (x (u), y (u)) is the vessel wall curve, u is the index of the edge, r is the distance between two neighboring edges, and (x, y) is the Means the position of the pixel.
스무딩부(130)는 다음의 수학식 1 및 수학식 2에 의해 추적된 혈관 벽의 곡선을 스무딩한다(S230).The
여기서, X(u,r)은 가우시안 스무딩 함수와 함수 x(u)의 콘볼루션, Y(u,r)은 가우시안 스무딩 함수와 함수 y(u)의 콘볼루션, r은 두 개의 이웃하는 에지들 사이의 거리, u는 에지의 인덱스, t는 적분 변수, x(t)는 픽셀의 수평 위치 함수이고, y(t)는 픽셀의 수직 위치 함수, 그리고, 는 가우시안 스무딩 함수이다. Where X (u, r) is the convolution of the Gaussian smoothing function and function x (u), Y (u, r) is the convolution of the Gaussian smoothing function and function y (u), and r is two neighboring edges. Distance, u is the index of the edge, t is the integral variable, x (t) is the horizontal position function of the pixel, y (t) is the vertical position function of the pixel, and Is a Gaussian smoothing function.
도 4는 캐니 에지로부터 검출된 혈관 곡선에 기초하여 혈관 영상 상에 에지 방향 벡터 필드를 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 혈관 벽을 따라 위치하는 에지점의 이동 방향이 스무딩되지 않아서, 결과적으로 일부 이웃하는 혈관의 단면 프로파일(410 및 420)이 교차하고 있다. 이 경우 혈관 형태의 에지 위치와 중심점 위치는 모두 잘못 설정될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 에지 방향을 2차원 공간에서 혈관 벽을 따라 움직이는 에지의 방향으로 정의한다. 그리고 이웃 에지의 방향을 스무딩시키기 위해 필터를 사용한다. 4 illustrates an edge direction vector field on a blood vessel image based on the blood vessel curve detected from the canny edge. Referring to FIG. 4, the direction of movement of the edge points located along the vessel wall is not smoothed, resulting in the
도 5는 7 단계 스무딩 처리를 이용하여 정렬한 후의 에지 방향 벡터 필드를 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 정렬한 후의 에지 방향은 혈관 벽을 따라 작은 방향 변화가 있다. 스무딩 처리에 의해 혈관 벽의 이동 방향이 정렬되어 이웃하는 혈관의 단면 프로파일(510 및 520)은 서로 교차하지 않는다. 캐니 에지 검출 방법에서의 그라디언트 방향과 달리 본 발명에서는 에지 방향은 다음의 수학식과 같이 표현되는 단위 벡터로 정의된다.5 is a diagram illustrating an edge direction vector field after alignment using a seven-step smoothing process. Referring to FIG. 5, the edge direction after alignment has a small change along the vessel wall. The smoothing process aligns the direction of movement of the vessel wall so that the
여기서, u는 에지의 인덱스, (x,y)는 영상에서의 픽셀의 위치이다.Where u is the index of the edge and (x, y) is the position of the pixel in the image.
도 6은 혈관 벽을 따라 탐색 윈도우를 이동시키면서 혈관 단면 프로파일을 추출하는 과정을 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 혈관 단면 프로파일 추출부(140)는 추적된 혈관 벽의 곡선을 구성하는 각 픽셀의 수평 및 수직 방향으로의 변화량을 기초로 에지점의 방향 벡터를 산출하고, 혈관 벽의 곡선을 방향 벡터에 수직한 방향으로 분할하여 혈관 단면 프로파일을 추출한다(S240). 이때 혈관 단면 프로파일 추출부(140)는 혈관 벽(610, 620)을 따라 소정 크기의 탐색 윈도우(630)를 이동시키면서 에지의 방향(640)에 수직한 방향으로 놓여 있는 영상의 혈관 단면으로 정의되는 혈관 단면 프로파일(650)을 추출한다. 윈도우(630)는 에지의 수직한 방향으로 이동하면서 다수의 혈관 단면 프로파일을 추출한다. 윈도우(630)는 사각형(에지 방향에 수직한 방향으로의 변의 길이:X, 에지 방향으로의 변의 길이:Y)으로 구성되며, 에지 방향에 수직한 방향으로의 변의 길이는 혈관의 최대 폭(680)보다 두 배 이상이 되도록 설정된다. 6 is a diagram illustrating a process of extracting a blood vessel cross-sectional profile while moving a search window along a blood vessel wall. Referring to FIG. 6, the blood vessel
혈관 샘플 프로파일 결정부(150)는 혈관 단면 프로파일의 가우시안 형상의 특성을 기초로 소정의 에지 위치 지점과 이에 대응하는 혈관 단면 프로파일에 의해 혈관 샘플 프로파일을 결정한다(S250). 이때, 혈관 단면 프로파일로부터 혈관 샘플 프로파일의 샘플 위치를 검색하기 위해 혈관의 피크를 찾을 필요가 있다. 본 발명 에서 혈관 샘플의 피크는 에지점의 크기보다 큰 크기를 가지면서 에지점에 가장 가까운 국부적인 최대값으로 정의된다. 그리고 혈관 샘플 프로파일은 피크의 두 개의 이웃하는 최소점들 사이의 혈관 단면 프로파일의 부분으로 정의된다. 따라서 혈관 샘플 프로파일 결정부(150)는 혈관 단면 프로파일로부터 주변의 에지점의 강도보다 큰 강도를 가지면서 에지점에 가장 가까운 국부적인 최대값으로 정의되는 혈관의 피크점을 찾고, 피크점 및 피크점과 이웃하는 최소값을 갖는 점을 기초로 혈관 샘플 프로파일을 결정한다. 혈관 샘플 프로파일은 에지 위치의 두 개의 이웃하는 국부적인 최소값을 갖는 점들을 포함하는 혈관 단면 프로파일의 하위 집합이다. The blood vessel
도 7은 캐니 에지점의 위치, 국부적인 최대값 및 국부적인 최소값을 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 혈관 샘플 프로파일의 피크의 국부적인 최대값을 갖는 점 P는 첫번째로 발견되며, 점 P에 대해 두 개의 이웃하는 최소값을 갖는 점 U와 점 V의 위치가 얻어진다. 따라서, 도 7에 도시된 혈관 단면 프로파일로부터 점 U와 점 P 사이의 곡선이 하나의 혈관 샘플 프로파일로 추출된다. 곡선은 최소값을 갖는 점 U 와 점 V를 양 끝단으로 하고 국부적인 최대값 P를 포함한다. 7 shows the position of the canny edge point, a local maximum and a local minimum. Referring to FIG. 7, the point P with the local maximum of the peak of the vascular sample profile is found first, and the positions of the points U and V with two neighboring minimums with respect to the point P are obtained. Thus, the curve between the points U and P is extracted from one vessel sample profile from the vessel cross-sectional profile shown in FIG. 7. The curve is at both ends with points U and V having the minimum value, and includes the local maximum value P.
에지 획득부(160)는 각각의 혈관 샘플 프로파일을 가우시안 모델에 기초하여 가우시안 피트를 생성하고, 생성된 가우시안 피트의 이차 미분의 부호 변환점을 조사하여 한 픽셀 이내의 정확도를 갖는 혈관 벽의 에지 위치(이하, '하위 픽셀 에지 위치'라 함)를 얻는다(S260). 도 8a는 도 7에 도시된 국부적인 최소값 점 U와 점 V를 양끝단으로 하는 혈관 샘플 프로파일 및 가우시안 피트된 결과를 도시한 도면이다. 도 8b는 대응하는 혈관 단면 프로파일에 대한 캐니 에지 위치와 비교하여 하위 픽셀 에지 위치를 도시한 도면이다. 도 8b를 참조하면, 가우시안 모델은 혈관 샘플보다 약간 확대된 스무딩 함수이다. 하위 픽셀 에지 위치는 가우시안 모델의 이차 미분의 부호 변환점을 조사하여 계산되고, 가우시안 피트 곡선 상에서 점(·)으로 표시되어 있다. 혈관 샘플 프로파일 곡선 상에서 별표(*)로 표시되어 있는 캐니 에지 위치와 비교하면, 하위 픽셀 에지 위치는 캐니 에지 위치로부터 약 1픽셀 정도 왼쪽으로 이동된다. The
도 9는 국부적인 혈관 영상 상에 하위 픽셀 에지 위치 및 캐니 에지 위치를 도시한 도면이다. 도 9를 참조하면, 사각형 마크는 캐니 에지의 위치(910)를 나타내고, 삼각형 마크는 하위 픽셀 에지 위치(920)를 나타낸다. 또한 도 10은 캐니 에지 검출기 및 본 발명에 따라 검출된 상이한 혈관 경계들 도시한 도면이다. 도 10을 참조하면, 본 발명에 따라 얻어진 하위 픽셀 에지 위치는 케니 에지 위치와 비교하여 보다 완만한 형태의 혈관 벽을 형성하고 있음을 알 수 있다.9 is a diagram illustrating lower pixel edge positions and canny edge positions on a local blood vessel image. Referring to FIG. 9, the square mark indicates the
데이터 생성부(170)는 하위 픽셀 에지 위치 및 가우시안 피트의 피크값을 기초로 혈관의 폭, 혈관의 위치 및 혈관의 중심선 중 적어도 하나를 생성한다(S270). 가우시안 모델의 피크는 혈관의 중심선으로 이용되고, 이 점에서의 혈관의 폭은 중심선과 새로운 에지점에 기초하여 계산된다. 곡선 스무딩 또는 한 픽셀 이내의 정확도를 갖는 캐니 에지 검출 방법을 이용하면 보다 정확한 혈관 벽 위치를 찾을 수 있고, 혈관 단면 프로파일에 기초하여 혈관의 중심선의 위치 및 중심점에서의 혈관의 폭을 구할 수 있다. The
본 발명에 따른 방법을 MATLAB에 의해 구현한 후 실제 영상을 가지고 실험을 수행하였다. 실험을 위해 1032×1032 픽셀 크기를 가진 53개의 테스트 영상 집합을 무작위로 선택하였으며, 선택된 테스트 영상이 도 11에 도시되어 있다. 실험에서 도 11에 도시된 테스트 영상에 대해 커널이 1인 가우시안 필터를 사용하여 영상을 스무딩한 후 임계값을 0.1로 설정한 캐니 에지 검출기로 총 16,775개의 에지점을 검출하였다. 또한 다른 곡선을 따라 위치하는 에지점들을 기록하기 위해 곡선 집합에서 에지 위치를 추적하기 위한 함수를 사용하였고, 각각의 곡선을 스무딩시키기 위해 7 단계 스무딩 처리를 수행하였다. 곡선을 따라 스무딩된 에지 위치에 기초로 수학식 3을 사용하여 방향 벡터를 계산하였으며, 각각의 에지점을 할당하였다. 그리고 혈관 단면 프로파일을 선택하기 위해 각각의 에지점에 대응하는 방향 벡터를 사용하였다. 본 실험에서 50 픽셀 크기의 윈도우를 사용하여 혈관 단면 프로파일을 선택하였다. 각각의 프로파일에 대해 국부적인 최소값을 사용하여 프로파일의 샘플 부분을 검색하였으며, 다음으로 가우시안 피트를 얻었다. 그리고 가우시안 피트의 이차 미분의 부호 변경점을 조사하여 한 픽셀 이내의 정확도를 갖는 새로운 에지를 계산하였다. After the method according to the present invention was implemented by MATLAB, experiments were performed with real images. For the experiment, a set of 53 test images with a size of 1032 × 1032 pixels were randomly selected, and the selected test images are shown in FIG. 11. In the experiment, a total of 16,775 edge points were detected by a Canny edge detector having a threshold value set to 0.1 after smoothing an image using a Gaussian filter with a kernel of 1 for the test image shown in FIG. 11. We also used a function to track the edge position in the set of curves to record the edge points along the other curve, and performed a seven-step smoothing process to smooth each curve. The direction vector was calculated using
본 발명에 따른 결과는 케니 에지 위치와 가우시안 피트로부터 추정된 하위 픽셀 에지 위치를 포함하며, 가우시안 피트의 피크 위치를 이용하여 한 픽셀 이내의 정확도를 갖는 에지를 표현하였고, 그 점에서 혈관의 폭은 하위 픽셀 에지 위치와 가우시안 피트 모델의 피크값 사이의 거리에 기초하여 계산되었다.The results according to the invention include the lower pixel edge position estimated from the Kenny edge position and the Gaussian pit, and represent the edge with accuracy within one pixel using the peak position of the Gaussian pit, where the width of the vessel is It was calculated based on the distance between the lower pixel edge position and the peak value of the Gaussian fit model.
도 12는 입력 혈관 영상의 추출된 중심선 위치를 도시한 도면이다. 도 12에 도시된 중심선의 위치 등에 대하여 다음의 표 1에는 생성된 데이터 샘플 집합이 기 재되어 있다. 12 is a diagram illustrating an extracted center line position of an input blood vessel image. The generated data sample set is described in Table 1 below with respect to the position of the center line illustrated in FIG. 12.
표 1에서 (Kx, Ky)는 캐니 에지 검출 방법에 의해 검출된 혈관 벽 위치이고, (ψx,ψy)는 본 발명에 따른 방법에 의해 검출된 혈관 위치이고, (φx,φy)는 본 발명에 따라 얻어진 중심선 위치이며, λ는 본 발명에 따라 얻어진 혈관 폭이다. In Table 1, (K x , K y ) is the vessel wall position detected by the Canny edge detection method, (ψ x , ψ y ) is the vessel position detected by the method according to the present invention, (φ x , φ y ) is the centerline position obtained according to the present invention and λ is the vessel width obtained according to the present invention.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.The invention can also be embodied as computer readable code on a computer readable recording medium. The computer-readable recording medium includes all kinds of recording devices in which data that can be read by a computer system is stored. Examples of the computer-readable recording medium include a ROM, a RAM, a CD-ROM, a magnetic tape, a floppy disk, an optical data storage device, and the like, and may be implemented in the form of a carrier wave (for example, transmission via the Internet) . Computer-readable code can also be stored and executed.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific preferred embodiments described above, and the present invention belongs to the present invention without departing from the gist of the present invention as claimed in the claims. Various modifications can be made by those skilled in the art, and such changes are within the scope of the claims.
도 1은 본 발명에 따른 망막 혈관 추적 장치의 블럭도 도시한 도면,1 is a block diagram of a retinal vessel tracking device according to the present invention;
도 2는 본 발명에 따른 망막 혈관 추적 방법의 흐름도를 도시한 도면,2 is a flowchart illustrating a retinal vessel tracking method according to the present invention;
도 3a 는 망막 영상의 작은 영역에서 추출된 혈관 샘플의 일 예를 도시한 도면, 도 3b는 캐니 에지 검출기를 이용하여 추출할 수 있는 픽셀 위치 및 혈관 벽 방향의 일 예를 도시한 도면,3A is a diagram illustrating an example of a blood vessel sample extracted from a small region of a retinal image, and FIG. 3B is a diagram illustrating an example of a pixel position and a vessel wall direction that can be extracted using a canny edge detector.
도 4는 캐니 에지로부터 추출된 혈관 곡선에 기초하여 혈관 영상 상에 에지 방향 벡터 필드를 도시한 도면,4 illustrates an edge direction vector field on a blood vessel image based on a blood vessel curve extracted from a canny edge;
도 5는 에지 방향 정렬 후에 혈관 벽을 따라 위치하는 에지의 방향에 작은 변화가 있음을 도시한 도면,5 shows that there is a small change in the direction of the edge located along the vessel wall after edge direction alignment,
도 6은 혈관 벽을 따라 탐색 윈도우를 이동시키면서 혈관 단면 프로파일을 추출하는 것을 도시한 도면,6 illustrates extracting a blood vessel cross-sectional profile while moving the search window along the vessel wall;
도 7은 캐니 에지점의 위치, 국부적인 최대값 및 국부적인 최소값을 도시한 도면, 7 shows the position, local maximum and local minimum of the canny edge point;
도 8a는 도 7에 도시된 국부적이 최소값 점 U와 점 V를 양끝단으로 하는 혈관 샘플 프로파일 및 가우시안 피트된 결과를 도시한 도면, 도 8b는 대응하는 혈관 단면 프로파일에 대한 캐니 에지 위치와 비교하여 하위 픽셀 에지 위치를 도시한 도면,FIG. 8A shows the vascular sample profile and Gaussian fit results with the local minimum points U and V at both ends shown in FIG. 7, and FIG. 8B compares the canny edge position for the corresponding vessel cross-sectional profile. A drawing showing the subpixel edge locations,
도 9는 국부적인 혈관 영상 상에 하위 픽셀 에지 위치 및 캐니 에지 위치를 도시한 도면,9 illustrates lower pixel edge position and canny edge position on a local vessel image;
도 10은 캐니 에지 검출기 및 본 발명에 따라 검출된 상이한 혈관 경계들 도시한 도면,10 shows a canny edge detector and different vessel boundaries detected in accordance with the present invention;
도 11은 1032 × 1032 픽셀 크기를 가진 53개의 테스트 영상 집합을 무작위로 선택하여 테스트한 영상을 도시한 도면, 그리고,FIG. 11 is a diagram illustrating an image tested by randomly selecting 53 test image sets having a size of 1032 × 1032 pixels.
도 12는 입력 혈관 영상의 추출된 중심선 위치를 도시한 도면이다.12 is a diagram illustrating an extracted center line position of an input blood vessel image.
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