KR101531755B1 - Method and apparatus for dynamic image reconstruction using patch based low rank regularization in positron emission tomography - Google Patents
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Abstract
영상 재구성 방법 및 장치가 제공된다. 복수의 사이노그램들에 기반하여 초기의 재구성 영상이 계산되고, 재구성 영상에 기반하여 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상이 생성된다. 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상에 기반하여 재구성 영상이 업데이트됨으로써 소기의 재구성 영상이 생성된다.A method and apparatus for image reconstruction are provided. An initial reconstructed image is calculated based on the plurality of sinograms, and a patch-based minimum-rank normalized image is generated based on the reconstructed image. The reconstructed image is updated based on the patch-based minimum-rank normalized image to generate a desired reconstructed image.
Description
아래의 실시예들은 양전자 방출 단층 촬영(Positron Emission Tomography; PET)에 관련된 것으로, 특히 영상 재구성 방법 및 장치에 관한 것이다.The following embodiments relate to Positron Emission Tomography (PET), and particularly to a method and apparatus for image reconstruction.
단층 촬영은 검출기를 180° 또는 360° 회전하여 물체의 특정 단면을 인접한 다른 단면과의 중첩 없이 비침습적으로 관찰할 수 있는 영상기법이다. Tomographic imaging is an imaging technique that rotates a detector 180 ° or 360 ° so that a specific section of an object can be observed non-invasively without overlap with other adjacent sections.
사이노그램(sinogram)은 단층 촬영에 의해 획득된 복수 개의 영상들을 의미한다. 사이노그램은 3 차원 영상으로 재구성(reconstruct)된다. 관찰자는 재구성된 3 차원 영상을 통해 촬영된 물체의 특정 단면을 관찰할 수 있다.A sinogram refers to a plurality of images acquired by tomography. The sinogram is reconstructed into a three-dimensional image. The observer can observe a specific cross-section of the photographed object through the reconstructed three-dimensional image.
핵의학 단층 영상은, 피촬영자의 체내에 투여된 방사성 의약품이 생화학적 특성에 따라 피촬영자의 체내에서 분포되는 특성이 영상으로 표현된 것이다.The nuclear medicine tomographic image is an image in which the radiopharmaceutical administered to the subject is distributed in the body of the subject according to biochemical characteristics.
체내에 투여되는 방사성 의약품은 기준치에 의해 그 방사선량이 제한된다. 따라서, 극소량의 광자에 의해 기록된 투사값으로부터 높은 해상도의 영상이 재구성되기는 어렵다.The amount of radioactive medicines administered into the body is limited by the reference value. Therefore, it is difficult for a high-resolution image to be reconstructed from a projection value recorded by a very small amount of photons.
핵의학 영상 장비를 사용하여 단층을 촬영하는 경우, 관측된 신호의 세기가 약한 것에 비해, 상대적으로 신호 내의 잡음은 강하다.When imaging a single layer using nuclear medicine imaging equipment, the noise in the signal is relatively strong compared to the intensity of the observed signal.
특히, 동적 영상으로 프레임을 나눌 경우에 각각의 프레임이 가지는 데이터의 양은 매우 적고 상대적으로 잡음은 훨씬 더 증가한다.In particular, when dividing a frame into dynamic images, the amount of data in each frame is very small and the noise is much more increased.
양전자 방출 단층 촬영에서의 동적 영상은 일반적으로 체내 특정 영역의 신진대사를 관측하기 위해 측정되며 재구성 영상 해당 영역의 시간 별 강도 변화(Time Activity Curve; TAC)에 의해 신진대사의 변화가 추정될 수 있다.Dynamic imaging in positron emission tomography is generally measured to observe the metabolism of a specific region of the body, and changes in metabolism can be estimated by the Time Activity Curve (TAC) of the region of the reconstructed image .
일반적으로 체내에 방사선 의약품을 주사하고 나서 3 분 이내에 많은 변화가 발생하는데, 이 때 측정의 시간 간격이 최소 30 초이면, 잡음의 비율이 매우 높아져서 정확한 TAC 가 측정되지 못하는 경우가 많게 된다. 따라서, 신진대사를 대표하는 파라미터 값들이 부정확하게 되고, 오차가 크게 된다.Generally, many changes occur within 3 minutes after injecting a radiopharmaceutical into the body. If the time interval of the measurement is at least 30 seconds, the ratio of noise becomes very high and accurate TAC can not be measured in many cases. Therefore, the parameter values representing the metabolism become inaccurate and the error becomes large.
따라서, 재구성 영상의 해상도 및 잡음 간의 비율은 동적 영상을 통한 신진 대사 측정에 있어서 가장 중요한 요소가 된다.Therefore, the ratio between the resolution and the noise of the reconstructed image is the most important factor in the metabolism measurement through the dynamic image.
양전자 방출 단층 촬영 영상을 재구성 알고리즘은 푸아송(poisson) 확률 모델 기반의 기대치 최대화(Maximum Likelihood Expectation Maximization; ML-EM) 알고리즘을 사용할 수 있다. 동적 영상 재구성에 있어서는, 각각의 프레임 영상의 잡음이 너무 강하다. 따라서, 프레임 영상의 처리에 있어서, 기존의 재구성 알고리즘에 가우시안 블러링(gaussian blurring)을 한번 더 적용함으로써 프레임 영상의 잡음을 감소시킨다.The positron emission tomography reconstruction algorithm can use the maximum Likelihood Expectation Maximization (ML-EM) algorithm based on the poisson probability model. In dynamic image reconstruction, the noise of each frame image is too strong. Therefore, in the processing of the frame image, the noise of the frame image is reduced by applying gaussian blurring to the existing reconstruction algorithm once more.
하지만, 가우시안 블러링의 처리에도 불구하고, 여전히 재구성 영상에서의 잡음 비율은 높은 편이고, 가우시안 블러링의 블러링 효과로 인해 재구성 영상의 해상도는 낮아지게 된다.However, despite the processing of Gaussian blurring, the noise ratio in the reconstructed image is still high, and the resolution of the reconstructed image is lowered due to the blurring effect of Gaussian blurring.
본 발명의 일 실시예는 패치 기반 최소 랭크 정규화를 이용한 영상 재구성 방법 및 장치를 제공할 수 있다.An embodiment of the present invention can provide an image reconstruction method and apparatus using patch-based minimum rank normalization.
본 발명의 일 실시예는 연산이 병렬로 처리됨으로써 향상된 연산 처리 속도를 갖는 패치 기반 최소 랭크 정규화를 이용한 영상 재구성 방법 및 장치를 제공할 수 있다.An embodiment of the present invention can provide a method and apparatus for reconstructing an image using patch-based minimum rank normalization having an improved processing speed by processing operations in parallel.
본 발명의 일 측에 따르면, 영상 재구성 장치에 의해 수행되는, 피사체를 서로 상이한 시각에 측정함으로써 생성된 복수의 사이노그램들을 수신하는 단계, 상기 수신된 사이노그램들에 기반하여 초기의 재구성 영상을 계산하는 단계, 상기 재구성 영상에 기반하여 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 단계 및 상기 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상에 기반하여 상기 재구성 영상을 업데이트하는 단계를 포함하는, 영상 재구성 방법이 제공된다.According to one aspect of the present invention there is provided a method of reconstructing a reconstructed image comprising the steps of: receiving a plurality of sinograms generated by measuring an object at a different time from each other, which is performed by an image reconstruction device; Generating a patch-based minimum-rank normalized image based on the reconstructed image, and updating the reconstructed image based on the patch-based minimum-rank normalized image.
상기 초기의 상기 재구성 영상은 상기 복수의 사이노그램들에 기반하여 생성된 복수의 3 차원 영상들을 시간 별로 개별적으로 재구성함으로써 생성된 4 차원 영상일 수 있다.The initial reconstructed image may be a four-dimensional image generated by separately reconstructing a plurality of three-dimensional images generated based on the plurality of sinograms.
상기 초기의 재구성 영상을 계산하는 단계는, 확률 모델 기반의 기대치 최대화 알고리즘을 이용하여 상기 복수의 3 차원 영상들을 상기 4 차원 영상으로 재구성할 수 있다.The calculating of the initial reconstructed image may reconstruct the plurality of three-dimensional images into the four-dimensional image using a probabilistic model-based expectation maximization algorithm.
상기 영상 재구성 방법은, 상기 업데이트된 상기 재구성 영상이 수렴하는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함할 수 있다.The image reconstruction method may further include determining whether the updated reconstructed image converges.
상기 재구성 영상이 수렴하지 않는 경우, 상기 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 단계 및 상기 재구성 영상을 업데이트하는 단계는 반복해서 수행될 수 있다.If the reconstructed image does not converge, generating the patch-based minimum-rank normalized image and updating the reconstructed image may be performed repeatedly.
상기 업데이트된 영상이 수렴하는지 여부를 판단하는 단계는, 상기 업데이트된 영상이 수렴하는지 여부를 판단하기 위한 소정의 경계값을 설정하는 단계 및 상기 업데이트의 전의 상기 재구성 영상 및 상기 업데이트의 후의 상기 재구성 영상 간의 차이의 평균 제곱 오차(mean square error)가 상기 경계값의 이하인지 여부를 판단하는 단계를 포함할 수 있다.Wherein the step of determining whether the updated image converges comprises the steps of: setting a predetermined boundary value for determining whether the updated image converges; and determining whether the updated image is converged or not by comparing the reconstructed image before the update and the reconstructed image after the update And determining whether a mean square error of a difference between the threshold values is less than or equal to the threshold value.
상기 업데이트된 영상이 수렴하는지 여부를 판단하는 단계는 상기 평균 제곱 오차가 상기 경계값의 이하이면 상기 재구성 영상이 수렴하는 것으로 판단할 수 있다.The step of determining whether the updated image converges may determine that the reconstructed image converges if the mean square error is less than the threshold value.
상기 재구성 영상에 기반하여 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 단계는, 상기 재구성 영상 내의 기준이 되는 패치를 결정하는 단계, 상기 기준이 되는 패치에 기반하여, 상기 기준이 되는 패치와 가장 유사한 소정의 개수의 유사 패치들을 모으는 단계, 상기 유사 패치들을 벡터화함으로써 패치 행렬을 생성하는 단계, 상기 패치 행렬에 대한 SVD 연산을 수행함으로써 상기 패치 행렬의 고유값들을 획득하는 단계, 상기 고유값들에 대한 최소화 연산을 수행함으로써 최소화된 고유값들을 획득하는 단계 및 상기 최소화된 고유값들에 기반하여 상기 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.Wherein the step of generating a patch-based minimum-rank normalized image based on the reconstructed image comprises the steps of: determining a patch as a reference in the reconstructed image; determining, based on the reference patch, Collecting a number of similar patches, generating a patch matrix by vectorizing the similar patches, obtaining eigenvalues of the patch matrix by performing an SVD operation on the patch matrix, performing a minimization operation on the eigenvalues , And generating the patch-based minimum-rank normalized image based on the minimized eigenvalues.
상기 기준이 되는 패치를 결정하는 단계는, 상기 재구성 영상의 픽셀들의 개수만큼의 스레드들을 생성하는 단계 및 상기 복수의 스레드들을 상기 픽셀들의 각각이 중앙에 배치되는 패치에 일 대 일로 대응시키는 단계를 포함할 수 있다.Wherein determining the reference patch comprises generating threads as many as the number of pixels of the reconstructed image and mapping the plurality of threads one-to-one to each patch in the center of each of the pixels can do.
상기 복수의 스레드들은 상기 영상 재구성 장치의 그래픽 처리 장치(Graphics Processing Unit; GPU)의 복수의 코어들에 의해 각각 처리될 수 있다.The plurality of threads may be respectively processed by a plurality of cores of a graphics processing unit (GPU) of the image reconstruction apparatus.
상기 소정의 개수의 유사 패치들을 모으는 단계는, 상기 재구성 영상 내에서 상기 기준이 되는 패치로부터 소정의 검색 영역 이내의 시간 및 공간 축에 존재하는 모든 근접 패치들을 식별하는 단계, 상기 기준의 되는 패치 및 상기 근접 패치들의 각각 간의 유사도들을 계산하는 단계 및 상기 계산된 유사도들에 기반하여 상기 근접 패치들 중 상기 소정의 개수의 상기 유사 패치들을 추출하는 단계를 포함할 수 있다.Wherein the step of collecting the predetermined number of similar patches comprises the steps of: identifying all proximate patches present in the temporal and spatial axes within a predetermined search area from the reference patch in the reconstructed image; Calculating similarities between each of the near patches and extracting the predetermined number of similar patches of the near patches based on the calculated similarities.
상기 최소화된 고유값들을 획득하는 단계는, 상기 고유값들 중 소정의 경계값 이하인 고유 값을 소거함으로써 상기 최소화된 고유값들을 획득할 수 있다.The obtaining of the minimized eigenvalues may obtain the minimized eigenvalues by canceling eigenvalues less than or equal to a predetermined threshold value of the eigenvalues.
상기 최소화된 고유값들에 기반하여 상기 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 단계는, 상기 최소화된 고유값들에 고유벡터들을 곱함으로써 보정된 행렬을 생성하는 단계, 상기 보정된 행렬의 열들을 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상의 생성을 위한 보정 패치들로 변환하는 단계, 상기 보정 패치들의 각 보정 패치를 상기 재구성 영상 내의 상기 각 보정 패치에 대응하는 위치에 합하는 단계 및 상기 재구성 영상 내의 각 픽셀에 대해 상기 각 픽셀의 값을 상기 각 픽셀에 합해진 상기 보정 패치의 값으로 나누는 단계를 포함할 수 있다.Wherein generating the patch-based minimum rank normalized image based on the minimized eigenvalues comprises generating a corrected matrix by multiplying the minimized eigenvalues by eigenvectors, Based minimum-normalized image; summing each correction patch of the correction patches at a position corresponding to each of the correction patches in the reconstruction image; And dividing the value of each pixel by the value of the correction patch added to each pixel.
본 발명의 또 다른 일 측에 따르면, 피사체를 서로 상이한 시각에 측정함으로써 생성된 복수의 사이노그램들을 수신하는 수신부 및 처리부를 포함하며, 상기 처리부는 상기 수신된 사이노그램들에 기반하여 초기의 재구성 영상을 계산하고, 상기 초기의 재구성 영상에 기반하여, 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하고, 상기 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상에 기반하여 상기 재구성 영상을 업데이트하는, 영상 재구성 장치가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided an image processing apparatus including a receiving unit and a processing unit for receiving a plurality of sinograms generated by measuring a subject at different times from each other, Calculating a reconstructed image, generating a patch-based minimum-rank normalized image based on the initial reconstructed image, and updating the reconstructed image based on the patch-based minimum-rank normalized image.
본 발명의 또 다른 일 측에 따르면, 피사체를 서로 상이한 시각에 측정함으로써 생성된 복수의 사이노그램들을 수신하는 수신부, 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU) 및 그래픽 처리 장치(Graphics Processing Unit; GPU)를 포함하고, 상기 그래픽 처리 장치는 복수의 코어들을 포함하며, 상기 중앙 처리 장치는 상기 수신된 사이노그램들에 기반하여 초기의 재구성 영상을 계산하고, 상기 초기의 재구성 영상에 기반하여, 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하고, 상기 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상에 기반하여 상기 재구성 영상을 업데이트하고, 상기 그래픽 처리 장치의 복수의 코어들은 상기 초기의 재구성 영상을 계산하기 위해 사용되는 복수의 스레드들을 병렬로 실행하는, 영상 재구성 장치가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided an image processing apparatus including a receiving unit for receiving a plurality of generated synonyms by measuring a subject at different times from each other, a central processing unit (CPU) and a graphics processing unit (GPU) Wherein the central processing unit computes an initial reconstruction image based on the received sinograms, and based on the initial reconstruction image, generates a patch Based minimum rank normalized image and updates the reconstructed image based on the patch-based minimum-rank normalized image, wherein a plurality of cores of the graphics processing apparatus are operable to generate a plurality of threads used to calculate the initial reconstructed image An image reconstruction device is provided that is executed in parallel.
패치 기반 최소 랭크 정규화를 이용함으로써 재구성 영상의 해상도가 향상되고, 잡음이 감소되는 영상 재구성 방법 및 장치가 제공된다.A method and apparatus for reconstructing an image in which the resolution of the reconstructed image is improved and the noise is reduced by using the patch-based minimum rank normalization is provided.
연산이 병렬로 처리됨으로써 연산 처리 시간을 줄일 수 있는 패치 기반 최소 랭크 정규화를 이용한 영상 재구성 방법 및 장치가 제공된다.There is provided a method and an apparatus for reconstructing an image using patch-based minimum-rank normalization in which arithmetic processing is performed in parallel to reduce computation processing time.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 재구성 장치의 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 재구성 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 재구성 영상 내의 기준이 되는 패치를 결정하는 방법을 나타내는 흐름도이다
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 유사 패치들을 모으는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 예에 따른 최소화된 고유값들에 기반하여 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 재구성 영상을 업데이트하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 예에 따른 업데이트 영상이 수렴하는지 여부를 판단하는 방법을 나타내는 흐름도이다.1 is a structural diagram of an image reconstruction apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating an image reconstruction method according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of generating a patch-based minimum-rank normalized image according to an exemplary embodiment of the present invention.
4 is a flowchart illustrating a method of determining a reference patch in a reconstructed image according to an exemplary embodiment of the present invention
5 is a flowchart illustrating a method of collecting similar patches according to an exemplary embodiment of the present invention.
6 is a flowchart illustrating a method of generating a patch-based minimum-rank normalized image based on minimized eigenvalues according to an exemplary embodiment of the present invention.
7 is a flowchart illustrating a method for updating a reconstructed image according to an embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a flowchart illustrating a method for determining whether an update image according to an exemplary embodiment of the present invention converges.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 상세하게 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
In the following, embodiments will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Like reference symbols in the drawings denote like elements.
실시예에는 다양한 변경이 가해질 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 실시예를 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 실시예는 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Various modifications may be made to the embodiments and may have various embodiments, and specific embodiments are illustrated in the drawings and described in detail in the description. It is to be understood, however, that the intention is not to limit the embodiments to the embodiments, but to include all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the invention.
실시예에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 실시예를 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the examples are used only to illustrate specific embodiments and are not intended to limit the embodiments. The singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present application, the terms "comprises" or "having" and the like are used to specify that there is a feature, a number, a step, an operation, an element, a component or a combination thereof described in the specification, But do not preclude the presence or addition of one or more other features, integers, steps, operations, elements, components, or combinations thereof.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this embodiment belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries are to be interpreted as having a meaning consistent with the contextual meaning of the related art and are to be interpreted as either ideal or overly formal in the sense of the present application Do not.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 실시예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 실시예의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
In the following description of the present invention with reference to the accompanying drawings, the same components are denoted by the same reference numerals regardless of the reference numerals, and redundant explanations thereof will be omitted. In the following description of the embodiments, a detailed description of related arts will be omitted if it is determined that the gist of the embodiments may be unnecessarily blurred.
이하, 본 문서의 전반에서 언급되는 고유값은 특이값(singular)일 수 있다. 예컨대, 용어 "고유값" 및 용어 "특이값"은 서로 간에 대체되어 사용될 수 있다.
Hereinafter, the eigenvalues referred to in the first half of this document may be singular. For example, the terms "eigenvalue" and "singularity" may be used interchangeably.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 재구성 장치의 구조도이다.1 is a structural diagram of an image reconstruction apparatus according to an embodiment of the present invention.
영상 재구성 장치(100)는 수신부(110) 및 처리부(120)를 포함할 수 있다.The
수신부(110)는 피사체를 서로 상이한 시각에 측정함으로써 생성된 복수의 사이노그램들을 수신할 수 있다.The
수신부(110)는 생성된 사이노그램을 나타내는 데이터를 유선 또는 무선 네트워크를 통해 수신할 수 있다. The
처리부(120)는 중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU)(130) 및 그래픽 처리 장치(Graphics Processing Unit; GPU)(140)를 포함할 수 있다. 중앙 처리 장치(130)는 하나 이상의 코어(150)들을 포함할 수 있다. 그래픽 처리 장치(140)는 하나 이상의 코어(160)들을 포함할 수 있다. 예컨대, 그래픽 처리 장치(140)는 수십 내지 수백 개의 코어(160)들을 포함할 수 있다.The
처리부(120)는 영상 재구성 장치(100)가 영상 재구성을 수행함에 있어서 요구되는 연산들을 처리할 수 있다. The
중앙 처리 장치(130)는 영상 재구성 장치(100)가 영상 재구성을 수행함에 요구되는 연산들을 처리할 수 있다. 중앙 처리 장치(130)는 수학적인 연산뿐만 아니라 그래픽 연산도 처리할 수 있다. 중앙 처리 장치(130)는 그래픽 처리 장치(140)의 연산을 제어할 수 있다.The
그래픽 처리 장치(140)는 영상 재구성 장치(100)가 영상 재구성을 수행함에 있어서 요구되는 연산들을 처리할 수 있다. 그래픽 처리 장치(140)는 그래픽 연산뿐만 아니라 수학적인 연산도 처리할 수 있다. The
코어(150 또는 160)들의 각각은 영상 재구성 장치(100)가 영상 재구성을 수행하기 위해 요구되는 연산들을 병렬로 처리할 수 있다. 코어(150 또는 160)들이 수행하는 병렬 처리의 연산 속도를 향상시키기 위해 데이터의 송수신의 빈도가 최소화될 수 있다. 예컨대, 수신부(110)가 양전자 방출 단층 촬영기로부터 생성된 데이터를 수신하는 경우, 수신부(110)는 영상 재구성 장치(100)가 영상을 재구성하기 위해 필요로 하는 사이노그램들을 영상 재구성을 위한 연산들의 처리가 시작되기 전에 한 번에 수신할 수 있다. 영상 재구성을 위한 연산들이 처리된 후 재구성된 영상은 연산들의 처리가 끝난 후 한 번 수신부(110)로 수신될 수 있다.Each of the
코어(150 또는 160)가 수행하는 하나의 연산의 처리는 일반적으로 수 나노 초의 시간 내에 완료될 수 있다. 코어(150 또는 160)가 수행하는 메모리의 독출(read) 또는 기입(write)의 연산의 처리를 위해서는 수백 나노 초 이상의 시간이 소요될 수 있다. 복수의 코어(150 또는 160)들이 연산들을 병렬로 처리함으로써 연산의 처리에 걸리는 시간이 감소될 수 있다.
The processing of one operation performed by the
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 재구성 방법을 나타내는 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating an image reconstruction method according to an embodiment of the present invention.
단계(210)에서, 수신부(110)는 피사체를 서로 상이한 시각에 측정함으로써 생성된 복수의 사이노그램들을 수신할 수 있다.In
사이노그램들은 실제 장치, 예컨대, 양전자 방출 단층 촬영기가 피사체를 측정함으로써 생성된 실측 영상들일 수 있다. 사이노그램들은 3 차원 영상들일 수 있다.The sinograms may be real images, such as real images produced by measuring a subject by a positron emission tomograph. The sinograms can be three-dimensional images.
수신부(110)는 생성된 사이노그램을 나타내는 데이터를 수신할 수 있다. 사이노그램들을 나타내는 데이터는 양전자 방출 단층 촬영기로부터 전송된 것일 수 있으며, 또는 데이터 제공을 위한 별도의 서버로부터 전송된 것일 수 있다. 사이노그램들을 나타내는 데이터에는 수신되는 사이노그램의 시간축에 관한 정보가 포함될 수 있다. 예컨대, 수신부(110)는 각 프레임 별로 사이노그램들을 수신할 수 있다.The receiving
단계(220)에서, 처리부(120)는 수신된 사이노그램들에 기반하여 초기의 재구성 영상을 계산할 수 있다. 초기의 재구성 영상은 복수의 사이노그램들에 기반하여 생성된 복수의 3 차원 영상들을 시간 별로 개별적으로 재구성함으로써 생성된 4 차원 영상일 수 있다.In
예컨대, 복수의 사이노그램들은 복수의 3 차원 영상들에 각각 대응할 수 있다. 즉, 초기의 재구성 영상은 3 차원 영상들인 복수의 사이노그램들의 각각을 시간 별로 개별적으로 재구성함으로써 생성된 4 차원 영상이 저장된 것일 수 있다. For example, the plurality of sinograms may correspond to a plurality of three-dimensional images, respectively. That is, the initial reconstruction image may be a four-dimensional image generated by reconstructing each of the plurality of sinograms, which are three-dimensional images, individually by time.
단계(220)에서, 처리부(120)는 확률 모델 기반의 기대치 최대화 알고리즘을 이용하여 복수의 3 차원 영상들을 4 차원 영상으로 재구성할 수 있다. In
단계(220)에서 수행되는 확률 모델 기반의 기대치 최대화 알고리즘의 연산은 하기의 수학식 1로 표현될 수 있다.The computation of the probability maximization algorithm based on the probability model performed in
여기서, x 는 영상을 나타낼 수 있다. y 는 사이노그램을 나타낼 수 있다. a는 시스템 함수를 나타낼 수 있다.Here, x can represent an image. y may represent a sinogram. a can represent a system function.
영상의 업데이트 과정은 반복적으로 이루어지며 k 는 반복의 횟수를 나타낼 수 있다. 말하자면, k 는 단계(220) 및 단계(240)가 수행된 횟수 또는 단계(240)가 수행된 횟수일 수 있다.The updating process of the image is repeated, and k can represent the number of iterations. In other words, k may be the number of times the
n 은 n 번째 복셀(voxel) 또는 n 번째 복셀을 가리키는 지수일 수 있다. n it may be an index that points to the n-th voxel (voxel) or the n-th voxel.
s 는 특정한 시각을 의미할 수 있다. m 은 m 번째 검출기(detector)를 나타내는 지수일 수 있다. s can be a specific time. m may be an exponent representing the mth detector.
x ns EM ( k +1) 는 k+1 번째 반복에서, n 번째 복셀 및 시각 s 에서의 미상의 영상(unknown image)의 확률 모델 기반의 기대치 최대화 업데이트 값일 수 있다. x ns EM ( k +1) may be a probabilistic model-based expectation update update value of the unknown image at the n- th voxel and time s in the k + 1th iteration.
x ns ( k ) 는 k 번째 반복에서, n 번째 복셀 및 시각 s 에서의 미상의 영상일 수 있다. x ns ( k ) may be the nth voxel in the kth iteration and the unknown image in the time s.
y ms 는 시각 s 에서의 m 번째 검출기의 측정값일 수 있다. a mn 은 n 번째 복셀로부터의 방출 광자가 m 번째 검출기 위치에서 검출될 확률일 수 있다. y ms may be the measurement value of the mth detector at time s . a mn May be the probability that the photons emitted from the nth voxel will be detected at the mth detector position.
n' 는 n' 번째 복셀 또는 n' 번째 복셀을 가리키는 지수일 수 있다. n ' N ' Lt; RTI ID = 0.0 > n & Lt; RTI ID = 0.0 > voxel. ≪ / RTI >
x n's (k) 는 k 번째 반복에서, n' 번째 복셀 및 시각 s 에서의 미상의 영상일 수 있다. x n 's (k) may be the unknown image at the n ' th voxel and at time s in the k th iteration.
확률 모델 기반의 기대치 최대화 알고리즘을 이용하여 초기의 재구성 영상을 생성하기 위해 요구되는 연산들은 중앙 처리 장치(130)의 코어(150)들 또는 그래픽 처리 장치(140)의 코어들(160)에 의해 병렬로 처리될 수 있다. The operations required to generate the initial reconstruction image using the probabilistic model based expectation maximization algorithm are performed by the
예컨대, 중앙 처리 장치(130)의 복수의 코어(150)들은 초기의 재구성 영상을 계산하기 위해 사용되는 복수의 스레드들을 병렬로 실행할 수 있다.For example, the plurality of
예컨대, 코어(150)들의 각각은 수신부(110)로 수신되는 시간 별 3 차원 영상들의 각 픽셀에 대응될 수 있고, 3 차원 영상들을 4 차원 영상으로 재구성하기 위해 대응하는 각 픽셀을 위해 요구되는 연산들을 병렬로 처리할 수 있다. For example, each of the
또는, 확률 모델 기반의 기대치 최대화 알고리즘을 이용하여 초기의 재구성 영상을 생성하기 위해 필요한 연산들은 그래픽 처리 장치(140)의 코어(160)들에 의해 병렬로 처리될 수 있다. Alternatively, the operations required to generate the initial reconstruction image using the probabilistic model based expectation maximization algorithm may be processed in parallel by the
예컨대, 그래픽 처리 장치(140)의 복수의 코어(160)들은 초기의 재구성 영상을 계산하기 위해 사용되는 복수의 스레드들을 병렬로 실행할 수 있다.For example, the plurality of
예컨대, 코어(160)들의 각각은 수신부(110)로 수신되는 시간 별 3 차원 영상들의 각 픽셀에 대응될 수 있고, 3 차원 영상들을 4 차원 영상으로 재구성하기 위해 대응하는 각 픽셀을 위해 요구되는 연산들을 병렬로 처리할 수 있다.For example, each of the
단계(230)에서, 중앙 처리 장치(130)는 재구성 영상에 기반하여 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성할 수 있다.In
패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하기 위한 재구성 영상은 단계(220)에서 생성된 초기의 재구성 영상일 수 있다. 또는, 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하기 위한 재구성 영상은 후술될 단계들(240 및 250)이 한 번 이상 수행된 후 생성된 재구성 영상일 수 있다.The reconstructed image for generating the patch-based minimum-rank normalized image may be the initial reconstructed image generated in
패치 기반 최소 랭크 정규화 영상은 재구성 영상으로부터 획득되는 패치들에 기반하여 생성된 영상일 수 있다.The patch-based minimum-rank normalized image may be an image generated based on patches obtained from the reconstructed image.
패치는 재구성 영상 내의 일정한 크기를 갖는 블록일 수 있다. 재구성 영상으로부터 획득된 패치들을 사용하여, 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상이 생성될 수 있다. 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상에 기반하여 재구성 영상을 업데이트하는 알고리즘은 재구성 영상의 잡음 감소를 위해 사용될 수 있다.The patch may be a block of constant size in the reconstruction image. Using the patches obtained from the reconstructed image, a patch-based minimum-rank normalized image can be generated. An algorithm for updating the reconstructed image based on the patch-based minimum-rank normalized image can be used for noise reduction of the reconstructed image.
패치 단위로 재구성 영상의 잡음을 감소시키는 알고리즘은 재구성 영상의 잡음 감소를 위한 다른 알고리즘, 예컨대, 픽셀 단위로 재구성 영상의 잡음을 감소시키는 알고리즘에 비해 더 안정적이고 향상된 성능을 제공할 수 있다.An algorithm for reducing the noise of the reconstructed image on a patch-by-patch basis can provide a more stable and improved performance than other algorithms for noise reduction of the reconstructed image, for example, algorithms for reducing the noise of the reconstructed image on a pixel-by-pixel basis.
처리부(120)는 재구성 영상으로부터 획득되는 패치들의 각각에 대한 독립적인 연산들의 처리를 반복함으로써 단계(230)를 수행할 수 있다. 재구성 영상으로부터 획득되는 패치들의 각각에 대한 독립적인 연산들은 중앙 처리 장치(130)의 각각의 코어(150)들에 의해 병렬로 처리될 수 있다. 또는, 재구성 영상으로부터 획득되는 패치들의 각각에 대한 독립적인 연산들은 그래픽 처리 장치(140)의 각각의 코어(160)들에 의해 병렬로 처리될 수 있다.The
예컨대, 재구성 영상으로부터 획득되는 패치들의 각각은 그래픽 처리 장치(140)의 스레드들의 각각에 소프트웨어적으로 연결되거나, 중앙 처리 장치(130)의 스레드들의 각각에 소프트웨어적으로 연결될 수 있다.For example, each of the patches obtained from the reconstructed image may be software-linked to each of the threads of the
패치들의 각각에 대한 연산은 그래픽 처리 장치(140)의 스레드들의 각각에 의해 병렬로 처리될 수 있다. 또는, 패치들의 각각에 대한 연산은 중앙 처리 장치(130)의 스레드들의 각각에 의해 병렬로 처리될 수 있다.The operations for each of the patches may be processed in parallel by each of the threads of the
또는, 패치들의 각각에 대한 연산은 물리적으로 중앙 처리 장치(130)에 의해 연속적으로 수행될 수 있다.Alternatively, operations for each of the patches may be performed continuously by the
또는, 패치들의 각각에 대한 연산은 그래픽 처리 장치(140)의 코어(160)들의 각각에 의해 병렬로 수행될 수 있다. 또는, 패치들의 각각에 대한 연산은 중앙 처리 장치(140)의 코어(160)들의 각각에 의해 병렬로 처리될 수 있다.Alternatively, operations for each of the patches may be performed in parallel by each of the
단계(240)에서, 처리부(120)는 단계(230)에서 생성된 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상에 기반하여 재구성 영상을 업데이트할 수 있다.In
단계(240)에서 업데이트되는 재구성 영상은 단계(220)에서 생성된 재구성 영상일 수 있다. 또는, 업데이트되는 재구성 영상은 단계(240) 및 후술될 단계(250)가 한 번 이상 수행된 후 업데이트된 재구성 영상일 수 있다.The reconstructed image updated in
단계(240)는 재구성 영상에 대해 반복적으로 수행될 수 있다. 재구성 영상을 업데이트하는 단계(240)의 반복된 수행은 후술될 단계(250)의 수행의 결과에 의존할 수 있다.Step 240 may be repeatedly performed on the reconstructed image. The repeated execution of
단계(250)에서, 처리부(120)는 단계(240)가 수행됨으로써 생성된 업데이트된 재구성 영상이 수렴하는지 여부를 판단할 수 있다. 예컨대, 처리부(120) 는 업데이트된 재구성 영상이 수렴함 또는 수렴하지 않음을 판단할 수 있다. 처리부(120) 의 판단에 따라, 재구성 영상이 수렴하지 않는 경우, 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 단계(230) 및 재구성 영상을 업데이트하는 단계(240)는 반복해서 수행될 수 있다. 말하자면, 단계들(230 및 240)의 수행은 단계(240)의 수행의 결과로써 생성된 업데이트된 재구성 영상이 수렴할 때까지 반복될 수 있다.In
업데이트된 영상이 수렴하는 경우, 상기 업데이트된 영상은 소기의 재구성 영상일 수 있다.When the updated image converges, the updated image may be a desired reconstructed image.
업데이트된 영상이 수렴하는 경우, 단계들(230 및 240)은 반복 수행되지 않을 수 있다. 처리부(120)에 의해 업데이트된 영상이 최종적으로 수렴하는지 여부가 판단될 수 있다. 업데이트된 영상이 최종적으로 수렴하는 것으로 판단된 경우 방법의 절차가 종료될 수 있다.
If the updated image converges, steps 230 and 240 may not be repeated. It can be determined whether or not the updated image is finally converged by the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of generating a patch-based minimum-rank normalized image according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 2에서 전술된 설명에 따르면, 처리부(120)는 재구성 영상에 기반하여 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 단계(230)를 수행할 수 있다. 단계(230)는 후술될 단계들(310 내지 360)을 포함할 수 있다.2, the
단계(310)에서, 처리부(120)는 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상의 생성에 기준이 되는 패치를 결정할 수 있다.In
패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하기 위한 재구성 영상에 따라서, 기준이 되는 패치는 재구성 영상의 각 픽셀에 대해 하나 이상일 수 있다. 예컨대, 재구성 영상의 동일한 픽셀에 대해 복수의 기준이 되는 패치들이 존재할 수 있다.Depending on the reconstructed image for generating the patch-based minimum-rank normalized image, the reference patch may be one or more for each pixel of the reconstructed image. For example, there may be multiple reference patches for the same pixel of the reconstructed image.
기준이 되는 패치들은 공간 내에서 획득될 수 있다. 예컨대, 기준이 되는 패치들은 2 차원의 패치들 또는 3 차원의 패치들일 수 있다. 재구성 영상이 동적 영상인 경우, 기준이 되는 패치들은 시간 축에서도 획득될 수 있다. 예컨대, 기준이 되는 패치는 동적 영상의 각 프레임 별로 획득될 수 있다.The reference patches can be acquired in space. For example, the reference patches may be two-dimensional patches or three-dimensional patches. If the reconstructed image is a dynamic image, the reference patches may be acquired on the time axis. For example, a reference patch may be obtained for each frame of a dynamic image.
기준이 되는 패치들은 후술될 단계(320)의 유사 패치들을 획득하기 위한 기준 패치일 수 있다.The reference patches may be reference patches to obtain similar patches of
단계(320)에서, 처리부(120)는 단계(310)에서 획득된 기준이 되는 패치와 가장 유사한 소정의 개수의 유사 패치들을 모을 수 있다.In
재구성 영상이 복수의 패치들로 나뉘어질 때, 영상이 갖는 자기 유사성 특성에 의해, 기준이 되는 패치와 서로 유사한 유사 패치들이 존재할 수 있다.When the reconstructed image is divided into a plurality of patches, similar patches similar to the reference patch may exist due to the self-similarity characteristic of the image.
유사 패치들은 공간 축에서 획득될 수 있다. 예컨대, 유사 패치들은 2 차원 또는 3 차원의 패치들일 수 있다. 재구성 영상이 동적 영상인 경우, 유사 패치들은 시간 축에서도 획득될 수 있다. 예컨대, 유사 패치는 동적 영상의 각 프레임 별로 획득될 수 있다.Similar patches can be obtained in the spatial axis. For example, similar patches may be two-dimensional or three-dimensional patches. If the reconstructed image is a dynamic image, similar patches may be acquired on the time axis. For example, a similar patch may be obtained for each frame of the dynamic image.
기준이 되는 패치와 서로 유사한 유사 패치들은 재구성 영상의 잡음 감소를 위해 사용될 수 있다. 기준이 되는 패치와 서로 유사한 유사 패치들이 재구성 영상에 적용될 수 있다. 유사 패치가 적용된 재구성 영상은 유사 패치의 적용 전의 재구성 영상 내의 경계선 또는 형태는 유사 패치의 적용 후의 재구성 영상 내에서도 그대로 유지될 수 있다. 경계선 또는 형태가 그대로 유지되면서 되면서, 유사 패치의 적용 후의 재구성 영상 내의 잡음은 유사 패치의 적용 전의 재구성 영상 내의 잡음에 비해 감소될 수 있다. 유사 패치를 적용하는 방식이 하기에서 상세히 설명된다.Similar patches similar to the reference patch can be used for noise reduction of the reconstructed image. Similar patches similar to the reference patch can be applied to the reconstructed image. In a reconstructed image with similar patches, the boundary line or shape in the reconstructed image before application of the similar patch can be maintained in the reconstructed image after application of the similar patch. The noise in the reconstructed image after application of the similar patch can be reduced as compared with the noise in the reconstructed image before application of the similar patch, as the boundary line or shape remains intact. The manner in which similar patches are applied is described in detail below.
단계(330)에서, 처리부(120)는 유사 패치들을 벡터화함으로써 패치 행렬을 생성할 수 있다. 유사 패치들은 2 차원 또는 3 차원의 패치들일 수 있다. 유사 패치들의 각각은 벡터로 변환될 수 있다. 예컨대, 처리부(120)는 유사 패치들을 각각 2 차원 또는 3 차원의 벡터들로 변환할 수 있다.At
패치 행렬의 각 열은 유사 패치들이 변환된 벡터들의 각각으로 구성될 수 있다. 처리부(120)는 벡터들을 패치 행렬의 열들로써 구성할 수 있다. 동일한 시각에 획득된 유사 패치들은 하나의 패치 행렬의 열들을 각각 구성할 수 있다. 예컨대, 처리부(120)는 프레임들의 각각으로부터 유사 패치들을 획득할 수 있다. 처리부(120)는 유사 패치들이 획득된 프레임들의 각 프레임에 대해, 상기의 각 프레임으로부터 획득된 유사 패치들을 사용함으로써 상기의 각 프레임에 대응하는 패치 행렬을 생성할 수 있다.Each column of the patch matrix may consist of each of the vectors into which similar patches are transformed. The
동일한 기준이 되는 패치를 기준으로 획득된 유사 패치들은 동일한 패치 행렬의 열들을 각각 구성할 수 있다. 예컨대, 기준이 되는 패치들의 각각을 기준으로 획득된 유사 패치들의 각 세트는 기준이 되는 패치에 따라 동일한 패치 행렬을 생성할 수 있다.Similar patches obtained on the basis of the same reference patch can constitute the columns of the same patch matrix, respectively. For example, each set of similar patches obtained on the basis of each of the reference patches may generate the same patch matrix according to the reference patch.
전술된 것처럼, 벡터화된 유사 패치들이 패치 행렬의 열들을 구성함으로써 패치 행렬이 생성될 수 있다. 패치 행렬이 생성됨에 따라, 처리부(120)는 패치 행렬의 고유값을 획득하기 위한 SVD 연산을 수행할 수 있다. As described above, a patch matrix can be generated by constructing the rows of the patch matrix with vectorized similar patches. As the patch matrix is generated, the
단계(340)에서, 처리부(120)는 패치 행렬에 대한 SVD 연산을 수행함으로써 패치 행렬의 고유값들을 획득할 수 있다.In
SVD 연산이 적용되는 패치 행렬의 각 열은 2 차원 또는 3 차원의 유사 패치가 2 차원 또는 3 차원의 벡터로 변환된 것일 수 있다.Each column of the patch matrix to which the SVD operation is applied may be a two-dimensional or three-dimensional similar patch converted into a two-dimensional or three-dimensional vector.
동적 영상의 프레임들은 순서에 따라 구분될 수 있다. k 는 동적 영상의 프레임들의 순서를 나타낼 수 있다. k 는 1 이상의 정수일 수 있다. k 번째 프레임에서 패치 행렬에 대한 SVD 연산은 하기의 수학식 2와 같이 정의될 수 있다. The frames of the dynamic image can be divided in order. k can represent the order of the frames of the dynamic image. k may be an integer of 1 or more. The SVD operation for the patch matrix in the k-th frame can be defined as Equation (2) below.
여기서, V p ( k )는 패치 행렬일 수 있다. V p ( k )의 열들은 k 번째 반복에서의 p 번째의 기준이 되는 패치를 기준으로 획득된 유사 패치들을 벡터화함으로써 행성된 벡터들일 수 있다.Here, V p ( k ) may be a patch matrix. The columns of V p ( k ) may be vectors that are formed by vectoring similar patches obtained on the basis of the patch that is the pth reference in the kth iteration.
p 는 1 이상의 정수일 수 있다. p may be an integer of 1 or more.
L 은 정사각 직교 행렬(orthogonal matrix)일 수 있다. L may be a square orthogonal matrix.
Σ 는 대각 행렬일 수 있다. 예컨대, Σ는 대각선 상에 있는 원소들의 값은 0 또는 양수이고, 대각선 상에 있지 않은 원소들의 값은 모두 0 인 행렬일 수 있다. 대각선 상에 있는 원소는 행 번호 및 열 번호가 동일한 원소일 수 있다. [Sigma] may be a diagonal matrix. For example,? May be a matrix where the values of the elements on the diagonal are 0 or positive, and the values of the elements that are not on the diagonal are all zero. The elements on the diagonal line may be elements having the same row number and column number.
Σ 의 원소들의 각각은 V p ( k ) 의 특이값일 수 있다. Σ 의 원소의 개수 및 V p ( k ) 의 특이값의 개수는 서로 동일할 수 있다. Each of the elements of Σ can be the singular value of V p ( k ) . The number of singular values in Σ number of the element, and V p (k) may be equal to each other.
U H 는 행렬 U 의 켤레전치(conjugate transpose) 행렬일 수 있고, 정사각 유니터리 행렬(unitary matrix)일 수 있다. U H May be a conjugate transpose matrix of the matrix U and may be a square unitary matrix.
수학식 2를 이용해 패치 행렬을 전술한 행렬들로 분해함으로써 패치 행렬의 고유값들이 획득될 수 있다.Eigenvalues of the patch matrix can be obtained by decomposing the patch matrix into the above-described matrices using Equation (2).
모든 패치 행렬들에 대한 수학식 2의 연산들의 각각은 중앙 처리장치(130)의 코어(150)들에 의해 병렬로 처리될 수 있다. 또는, 모든 패치 행렬들에 대한 수학식 2의 연산들의 각각은 그래픽 처리장치(140)의 코어(160)들에 의해 병렬로 처리될 수 있다.Each of the operations of Equation (2) for all of the patch matrices may be processed in parallel by the
단계(350)에서, 처리부(120)는 SVD 연산을 통해 획득된 고유값들에 대한 최소화 연산을 수행함으로써 최소화된 고유값들을 획득할 수 있다. 고유값들에 대한 최소화 연산은 고유값들의 개수를 최소화하는 연산일 수 있다.In
처리부(120)는 패치 행렬의 랭크(rank)를 최소화함으로써 패치 단위로 재구성 영상의 잡음을 감소시킬 수 있다. 말하자면, 재구성 영상으로부터 획득된 기준이 되는 패치 및 유사 패치들이 재구성 영상에 적용됨으로써 패치 단위로 재구성 영상의 잡음을 감소시키는 알고리즘은 패치 행렬의 랭크의 최소화에 의해 수행될 수 있다.The
전술된 것과 같이, 패치 행렬의 랭크는 패치 행렬의 랭크의 고유값의 개수일 수 있다. 즉, 패치 행렬의 고유값들에 대한 최소화 연산은 패치 행렬의 랭크를 최소화하는 연산일 수 있다. 패치 행렬의 랭크를 최소화 하는 연산은 패치 행렬의 랭크를 정규화하는 연산일 수 있다.As described above, the rank of the patch matrix may be the number of eigenvalues of the rank of the patch matrix. That is, the minimization operation on the eigenvalues of the patch matrix may be an operation that minimizes the rank of the patch matrix. The operation that minimizes the rank of the patch matrix may be an operation that normalizes the rank of the patch matrix.
상대적으로 잡음이 더 많은 제1 재구성 영상으로부터 생성된 제1 패치 행렬은 상대적으로 잡음이 더 적은 제2 재구성 영상으로부터 생성된 제2 패치 행렬에 비해, 상대적으로 더 작은 크기의 고유값들을 더 많이 포함할 수 있다. 제1 패치 행렬이 더 포함하는 상대적으로 더 작은 크기의 고유값들은 소정의 경계값 이하의 고유값들일 수 있다.The first patch matrix generated from the first reconstructed image having relatively more noise includes a relatively smaller number of eigenvalues that are relatively smaller in size than the second patch matrix generated from the second reconstructed image having relatively less noise can do. The eigenvalues of relatively smaller magnitudes that the first patch matrix further includes may be eigenvalues less than or equal to a predetermined threshold value.
처리부(120)는 패치 행렬이 포함하는 소정의 경계값 이하의 고유값들을 소거함으로써 고유값들에 대한 최소화 연산을 수행할 수 있다. 예컨대, 처리부(120)는 재구성 영상으로부터 생성된 패치 행렬의 고유값들 중 소정의 경계값 이하의 고유값들을 소거함으로써 최소화된 고유값들을 획득할 수 있다.The
패치 행렬의 고유값들 중 소정의 경계값 이하의 고유값을 소거하는 연산은 하기의 수학식 3 및 수학식 4로 표현될 수 있다.An operation for canceling eigenvalues equal to or less than a predetermined boundary value among the eigenvalues of the patch matrix can be expressed by Equation (3) and Equation (4) below.
여기서, W p ( k +1) 는 패치 행렬의 고유 값들 중 소정의 경계값 이하의 고유값들이 소거됨으로써 최소화된 고유 값들을 갖는 행렬일 수 있다. 패치 행렬의 열들은 k+1 번째 반복에서의 p 번째의 기준이 되는 패치를 기준으로 획득된 유사 패치들을 벡터화함으로써 생성된 벡터들일 수 있다.Here, W p ( k +1) may be a matrix having eigenvalues minimized by eliminating eigenvalues less than a predetermined threshold value among eigenvalues of the patch matrix. The columns of the patch matrix may be vectors generated by vectorizing similar patches obtained on the basis of the patch of the pth reference in the ( k + 1) th iteration.
p 는 1 이상의 정수일 수 있다. p may be an integer of 1 or more.
L 은 정사각 직교 행렬(orthogonal matrix)일 수 있다. L may be a square orthogonal matrix.
shrink ν (∑, μ) 는 Σ 에 대한 원소 별 특이값 수축기(element by element singular value shirinkage operator)일 수 있다. 예컨대, shrink ν (∑, μ) 는 Σ 와 동일한 크기의 행렬일 수 있고, 각 원소 별로 연산될 수 있다.Shrink ν ( Σ , μ ) can be an element by element singular value shrink operator for Σ . For example, shrink ν ( Σ , μ ) can be a matrix of the same size as Σ, and can be computed for each element.
shrink ν (∑, μ) 에서, μ 와 υ 에 의해서 결정되는 경계 값 이하를 잘라내는 연산이 각 원소 별로 수행될 수 있다. 이 때, shrink ν (∑, μ) 에서 0 보다 더 작은 값은 0 이 될 수 있다.In shrink ν ( Σ , μ ), an operation that truncates the boundary value determined by μ and υ can be performed for each element. In this case, a value smaller than 0 in shrink ν ( Σ , μ ) can be zero.
Σ 는 대각 행렬일 수 있다. 예컨대, Σ 는 대각선 상에 있는 원소들의 값은 0 또는 양수이고, 대각선 상에 있지 않은 원소들의 값은 모두 0 인 행렬일 수 있다. 대각선 상에 있는 원소는 행 번호 및 열 번호가 동일한 원소일 수 있다. [Sigma] may be a diagonal matrix. For example ,? May be a matrix where the values of the elements on the diagonal are 0 or positive, and the values of the elements that are not on the diagonal are all zero. The elements on the diagonal line may be elements having the same row number and column number.
shrink ν (∑, μ) 의 각 원소는 행렬 W p ( k +1) 의 특이값일 수 있다. shrink ν (∑, μ) 의 원소의 개수 및 행렬 W p ( k +1) 의 특이값의 개수는 서로 동일할 수 있다.Each element of shrink ν ( Σ , μ ) can be the singular value of the matrix W p ( k +1) . The number of elements of shrink ν ( Σ , μ ) and the number of singular values of matrix W p ( k +1) can be the same.
υ 는 재구성(reconstruction) 결과를 콘케이브 프라이어(concave prior)하게 만들기 위한 소정의 값일 수 있다. 예컨대, υ 는 0.01 이상 0.1 이하일 수 있다. v may be a predetermined value to make the reconstruction result concave prior. For example, v may be 0.01 or more and 0.1 or less.
μ 는 영상의 품질에 관련된 인자일 수 있다. μ 는 패치들의 세기를 고려하여 시행착오(trial and error) 방식에 의해 선택된 소정의 값일 수 있다. mu may be a factor related to the quality of the image. μ may be a value predetermined selected by trial and error (trial and error) method in consideration of the strength of the patch.
U H 는 행렬 U 의 켤레전치 행렬일 수 있다. U H 는 정사각 유니터리 행렬일 수 있다. U H May be the conjugate transpose matrix of the matrix U. U H May be a square-unitary matrix.
W p 는 V p 와 ∑ 값이 다를 수 있고, W p 는 V p 에 비해 잡음이 감소된 영상일 수 있다. W p V p And Σ values may be different, and W p V p The noise can be reduced.
모든 패치 행렬들에 대한 수학식 3의 연산들의 각각은 중앙 처리장치(130)의 코어(150)들에 의해 병렬로 처리될 수 있다. 또는, 모든 패치 행렬들에 대한 수학식 3의 연산들의 각각은 그래픽 처리장치(140)의 코어(160)들에 의해 병렬로 처리될 수 있다.Each of the operations of Equation 3 for all of the patch matrices may be processed in parallel by the
상술된 수학식 3에서 사용된, 패치 행렬의 고유값들 중 소정의 경계값 이하의 고유값들을 소거하기 위해 사용되는 shirink υ 함수는 하기의 수학식 4로 표현될 수 있다.As used in the above-described Equation 3, shirink υ function being among the eigenvalues of the matrix patch is used to erase a specific value equal to or less than a predetermined threshold value may be expressed by Equation 4 below.
여기서, t 는 shirink 오퍼레이터(operator)에 입력되는 입력 변수일 수 있다.Here, t may be an input variable input to the shirink operator.
υ 는 재구성(reconstruction) 결과를 콘케이브 프라이어(concave prior)하게 만들기 위한 소정의 값일 수 있다. 예컨대, υ 는 0.01 이상 0.1 이하일 수 있다. v may be a predetermined value to make the reconstruction result concave prior. For example, v may be 0.01 or more and 0.1 or less.
μ 는 영상의 품질에 관련된 인자일 수 있다. μ 는 패치들의 세기를 고려하여 시행착오(trial and error) 방식에 의해 선택된 소정의 값일 수 있다. mu may be a factor related to the quality of the image. μ may be a value predetermined selected by trial and error (trial and error) method in consideration of the strength of the patch.
처리부(120)는 상술된 수학식 4의 연산을 상술된 수학식 3의 연산에 적용함으로써, 패치 행렬의 고유값들 중 소정의 경계값 이하의 고유값들을 소거할 수 있다. 말하자면, 처리부(120)가 수학식 3의 연산 및 수학식 4의 연산을 패치 행렬에 적용함으로써 단계(350)가 수행될 수 있다.The
단계(360)에서, 처리부(120)는 최소화된 고유값들에 기반하여 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성할 수 있다.At
처리부(120)는 상술된 단계(350)에서 획득된 유사 패치들을 재구성 영상에 적용함으로써 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성할 수 있다.The
생성된 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상은 상술된 도 2의 단계들(240 및 250)의 수행을 위해 사용될 수 있다. 예컨대, 단계(360)에서 생성된 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상은, 단계(250)에서 재구성 영상이 수렴되지 않는 것으로 판단된 후 다시 단계(230)가 수행됨으로써 생성된 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상일 수 있다.
The generated patch-based minimum-rank normalization image may be used for performing the
도 4는 본 발명의 일 예에 따른 재구성 영상 내의 기준이 되는 패치를 결정하는 방법을 나타내는 흐름도이다.4 is a flowchart illustrating a method of determining a reference patch in a reconstructed image according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3에서 전술된 단계(310)는 후술될 단계들(410 내지 420)을 포함할 수 있다.The above-described
단계(410)에서, 처리부(120)는 재구성 영상에서 기준이 되는 패치를 결정하기 위해 재구성 영상의 픽셀들의 개수만큼의 스레드들을 생성할 수 있다. 생성되는 스레드들의 개수는 기준이 되는 패치들의 개수와 동일할 수 있다.At
생성된 복수의 스레드들은 영상 재구성 장치(100)의 그래픽 처리 장치(140)의 복수의 코어(160)들에 의해 각각 처리될 수 있다.The generated plurality of threads can be respectively processed by the plurality of
단계(420)에서, 처리부(120)는 생성된 복수의 스레드들을 상기 픽셀들의 각각이 중앙에 배치되는 패치에 일대일로 대응시킬 수 있다. 예컨대, 기준이 되는 패치들의 각각은 생성된 복수의 스레드들 중 하나의 스레드에 대응할 수 있다. 기준이 되는 패치들 및 생성된 복수의 스레드들은 일대일로 대응할 수 있다.In
말하자면, 기준이 되는 패치들의 각 패치을 처리하기 위한 연산 또는 코드는 그래픽 처리 장치(140)의 스레드 또는 중앙 처리 장치(130)의 스레드에 소프트웨어적으로 연결될 수 있다. 기준이 되는 패치들을 처리하기 위한 연산들 또는 코드들은 그래픽 처리 장치(140)의 스레드들에 의해 병렬로 처리될 수 있다. 또는, 기준이 되는 패치들을 처리하기 위한 연산들 또는 코드들은 중앙 처리 장치(130)의 스레드들에 의해 병렬로 처리될 수 있다.That is, an operation or code for processing each patch of the reference patches may be software-linked to a thread of the
또는, 기준이 되는 패치들에 대응하는 스레드들에 대한 연산 처리는, 처리부(120)에 의해 물리적으로 연속적으로 수행될 수 있다.Alternatively, the operation processing for the threads corresponding to the reference patches can be performed physically continuously by the
또는, 기준이 되는 패치들에 대응하는 스레드들에 대한 연산들은 그래픽 처리 장치(140)의 코어(160)들 또는 중앙 처리 장치(130)의 코어(150)들에 의해 병렬로 처리될 수 있다.Or operations for threads corresponding to the underlying patches may be processed in parallel by the
코어(150 또는 160)들의 각각은 기준이 되는 패치들의 각각의 중심에 존재하는 픽셀에 대응할 수 있다.
Each of the
도 5는 본 발명의 일 예에 따른 유사 패치들을 모으는 방법을 나타내는 흐름도이다.5 is a flowchart illustrating a method of collecting similar patches according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3에서 전술된 단계(320)는 후술될 단계들(510 내지 530)을 포함할 수 있다.The above-described
단계(510)에서, 처리부(120)는 재구성 영상 내의 기준이 되는 패치로부터 소정의 검색 영역 이내의 시간 및 공간 축에 존재하는 모든 근접 패치들을 식별할 수 있다.In
소정의 검색 영역은 시간 축 및/또는 공간 축에 존재하는 소정의 영역일 수 있다. 처리부(120)는 기준이 되는 패치들 간의 유사도가 소정의 임계값 이내인지 여부를 판단함으로써 소정의 검색 영역의 범위를 결정할 수 있다.The predetermined search area may be a predetermined area existing on the time axis and / or the space axis. The
시간 축에 있어서, 소정의 검색 영역은 프레임 별로 구분될 수 있다.In the time axis, a predetermined search area may be divided into frames.
공간 축에 있어서, 소정의 검색 영역의 범위는 기준이 되는 패치의 중심으로부터 떨어진 거리를 기준으로 결정될 수 있다. 기준이 되는 패치의 중심에는 픽셀이 위치할 수 있다.In the spatial axis, the range of the predetermined search area can be determined based on the distance from the center of the reference patch. A pixel may be located at the center of the reference patch.
처리부(120)는 기준이 되는 패치들을 기준으로, 시간 축 및/또는 공간 축에서 결정된 소정의 검색 영역의 범위 내에 존재하는 모든 근접 패치들을 식별할 수 있다.The
단계(520)에서, 처리부(120) 는 상기 기준의 되는 패치 및 근접 패치들의 각각 간의 유사도들을 계산할 수 있다.In
전술된 것과 같이, 재구성 영상 내에서 획득된 기준이 되는 패치들은 벡터화될 수 있다. 예컨대, 기준이 되는 패치들은 2 차원 또는 3 차원의 벡터로 변환될 수 있다.As described above, the reference patches obtained in the reconstruction image can be vectorized. For example, the reference patches can be converted into two-dimensional or three-dimensional vectors.
기준의 되는 패치 및 단계(510)에서 식별된 근접 패치들의 각각 간의 유사도는 벡터화된 패치들 간의 유사성을 나타내는 수치일 수 있다. 예컨대, 처리부(120)는 벡터화된 기준이 되는 패치 및 벡터화된 단계(510)에서 식별된 근접 패치들의 각각 간의 거리(L2-distance)를 계산함으로써 유사도를 결정할 수 있다.The similarity between the reference patches and each of the proximity patches identified in
단계(530)에서, 처리부(120)는 계산된 유사도들에 기반하여 상기 근접 패치들 중 상기 소정의 개수의 상기 유사 패치들을 추출할 수 있다.In
처리부(120)는 단계(510)에서 식별된 근접 패치 중 유사 패치로써 추출되는 근접 패치들의 소정의 개수를 사전에 설정할 수 있다. 말하자면, 처리부(120)는 유사 패치들의 개수를 사전에 설정할 수 있다. 처리부(120)는 사전 설정된 유사 패치들의 개수에 맞춰 수학식 2의 SVD 연산 처리에 필요한 양의 메모리를 할당할 수 있다.The
처리부(120)는 처리부(120)에 의해 사전 설정될 수 있는 유사도의 소정의 임계값에 따라 유사 패치로서 추출되는 근접 패치의 개수를 결정할 수 있다.The
처리부(120)는 단계(510)에서 식별된 근접 패치들로부터 유사 패치로써 추출되는 근접 패치들을 유사도가 높은 순서로 추출할 수 있다.The
예컨대, 처리부(120)는 식별된 근접 패치들 중 벡터화된 기준이 되는 패치와의 거리가 소정의 임계값 이하인 패치들을 유사 패치들로써 추출할 수 있다.For example, the
예컨대, 처리부(120)에 의해 유사 패치로써 추출되는 근접 패치의 소정의 개수가 사전 설정된 경우, 처리부(120)는 식별된 근접 패치들 중 벡터화된 기준이 되는 패치와의 거리가 가까운 순서로 사전 설정된 개수만큼의 패치들을 유사 패치들로써 추출할 수 있다.
For example, when a predetermined number of proximate patches extracted as similar patches by the
도 6은 본 발명의 일 예에 따른 최소화된 고유값들에 기반하여 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 방법을 나타내는 흐름도이다.6 is a flowchart illustrating a method of generating a patch-based minimum-rank normalized image based on minimized eigenvalues according to an exemplary embodiment of the present invention.
도 3에서 전술된 단계(360)는 후술될 단계들(610 내지 640)을 포함할 수 있다.Step 360 described above in FIG. 3 may include
단계(610)에서, 처리부(120)는 최소화된 고유값들에 고유벡터들을 곱함으로써 보정된 행렬을 생성할 수 있다.In
도 3의 단계(350)에서 전술된 것처럼, 처리부(120)는 수학식 3 및 수학식 4를 이용함으로써 소정의 경계값 이하의 고유값들을 소거할 수 있고, 소정의 경계값 이하의 고유값들을 소거함으로써, 패치 행렬의 고유값들을 최소화 할 수 있다. 또한, 처리부(120)는 최소화된 고유값들을 사용하여, 패치 행렬에 대한 최소화된 고유 벡터들을 구할 수 있다. 여기서, 최소화된 고유 벡터들 및 최소화된 고유값들은 일대일로 연관될 수 있다. 말하자면, 최소화된 고유 벡터들의 각각은 최소회된 고유값들의 각각은 서로 한 쌍을 이룰 수 있다. 처리부(120)는 최소화된 고유 벡터들 및 최소화된 고유값들 중 한 쌍을 이루는 최소화된 고유 벡터 및 최소화된 고유값을 곱합으로써 벡터들을 획득할 수 있다. 획득된 벡터들의 각각은 단계(610)에서 생성되는 보정된 행렬의 각 열을 구성할 수 있다. 말하자면, 처리부는 획득된 벡터들을 열들로 사용함으로써 보정된 행렬을 생성할 수 있고, 보정된 행렬의 열들 및 획득된 벡터들은 일대일로 대응할 수 있다.As described above in
단계(620)에서, 처리부(130)는 보정된 행렬의 열들을 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상의 생성을 위한 보정 패치들로 변환할 수 있다.In
보정된 행렬의 각 열은 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상의 생성을 위한 벡터일 수 있다. 보정된 행렬의 각 열을 구성하는 벡터는 2 차원 또는 3 차원의 벡터일 수 있다. 보정된 행렬의 각 열을 구성하는 2 차원 또는 3 차원의 벡터는 2 차원 또는 3 차원의 보정 패치로 변환될 수 있다. 예컨대, 보정된 행렬이 2 차원 벡터들로 구성된 열들을 갖는 행렬인 경우, 보정된 행렬의 각 열은 2 차원 보정 패치들로 변환될 수 있다. 보정된 행렬이 3 차원 벡터들로 구성된 열들을 갖는 행렬인 경우, 보정된 행렬의 각 열은 3 차원 보정 패치들로 변환될 수 있다.Each column of the corrected matrix may be a vector for generating a patch-based minimum-rank normalization image. The vector constituting each column of the corrected matrix may be a two-dimensional or three-dimensional vector. The two-dimensional or three-dimensional vector constituting each column of the corrected matrix can be converted into a two-dimensional or three-dimensional correction patch. For example, if the corrected matrix is a matrix having columns of two-dimensional vectors, each column of the corrected matrix may be transformed into two-dimensional correction patches. If the corrected matrix is a matrix having columns of three-dimensional vectors, each column of the corrected matrix may be transformed into three-dimensional correction patches.
단계(630)에서, 처리부(120)는 보정 패치들의 각 보정 패치를 재구성 영상 내의 각 보정 패치에 대응하는 위치에 합할 수 있다.In
단계(640)에서, 처리부(120)는 재구성 영상 내의 각 픽셀에 대해 상기 각 픽셀의 값을 각 픽셀에 합해진 보정 패치의 값으로 나눌 수 있다.In
하나의 기준이 되는 패치에 대해 단계들(510 내지 530)이 수행됨으로써 획득되는 복수의 유사 패치들이 존재하는 것과 마찬가지로, 하나의 기준이 되는 패치에 대해, 단계(620)을 통해 획득되는 복수의 보정 패치들이 존재할 수 있다. 하나의 기준이 되는 패치를 중심으로 소정의 검색 범위 내에 복수의 유사 패치들이 존재할 수 있으므로, 재구성 영상의 일부의 픽셀들에 대해서는 적용되는 복수의 패치들이 중복될 수 있다. 마찬가지로, 하나의 기준이 되는 패치에 대해서 소정의 검색 범위 내에 복수의 보정 패치들이 존재할 수 있으므로 재구성 영상의 일부의 픽셀들에 대해서는 패치들이 중복되어 적용될 수 있다.As with a plurality of similar patches obtained by performing
처리부(120)는, 마치 재구성 영상의 각 픽셀에 대해 동일한 횟수의 패치가 적용되는 것과 같이, 각 픽셀에 합해지는 보정 패치들의 값을 보정해 줌으로써 소기의 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성할 수 있다. 예컨대, 처리부(120)는, 마치 재구성 영상의 각 픽셀에 대해 한 번의 보정 패치가 적용되는 것과 같이, 재구성 영상의 각 픽셀에 대해 중복 적용되는 보정 패치들의 값들을 보정할 수 있다.The
예컨대, 처리부(120)는 보정 패치가 중복 적용된 재구성 영상의 각 픽셀에 대해 각 픽셀의 값을 각 픽셀에 합해진 보정 패치들의 개수로 나누어 줄 수 있다. 각 픽셀에 대해 나누어 주는 보정 패치들의 개수는 상기의 각 픽셀에 보정 패치가 중복되어 적용된 횟수일 수 있다.
For example, the
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 재구성 영상을 업데이트하는 방법을 나타내는 흐름도이다.7 is a flowchart illustrating a method for updating a reconstructed image according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하여 전술된 단계(240)는 후술될 단계들(710 내지 730)을 포함할 수 있다.Step 240 described above with reference to FIG. 2 may include
도 2의 단계(230)에서 생성된 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상은 업데이트를 위해 처리부(120)로 입력될 수 있다.The patch-based minimum-rank normalized image generated in
단계(720)에서, 처리부(120)는 확률 모델 기반의 기대치 최대화 알고리즘을 이용하여 재구성 영상을 생성할 수 있다.At
도 2의 단계(220)에서 사용된 확률 모델 기반의 기대치 최대화 알고리즘이 단계(720)에 적용될 수 있다. 단계(720)에서 생성되는 재구성 영상은 도 2의 단계(220)에서 생성된 초기의 재구성 영상일 수 있다. 또는, 단계(720)에서 생성되는 재구성 영상은 도 2의 단계들(230 내지 250)이 한 번 이상 수행된 후 생성된 업데이트된 재구성 영상일 수 있다.The probabilistic model based expectation maximization algorithm used in
단계(730)에서, 처리부(120)는 입력된 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상 및 확률 모델 기반의 기대치 최대화 알고리즘을 이용함으로써 재구성 영상을 업데이트 할 수 있다.In
패치 기반 최소 랭크 정규화 영상 및 확률 모델 기반의 기대치 최대화 알고리즘을 이용함으로써 재구성 영상이 업데이트되는 연산은 하기의 수학식 5로 표현될 수 있다.The operation for updating the reconstructed image by using the patch-based minimum-rank normalized image and the probability-model-based expectation maximization algorithm can be expressed by the following equation (5).
및And
여기서, n 은 n 번째 복셀(voxel)을 나타내는 지수일 수 있다.Here, n may be an index representing an n- th voxel.
s 는 특정 시각을 의미할 수 있다. m 은 m 번째 검출기를 나타내는 지수일 수 있다. s can be a specific time. m may be an exponent representing the m- th detector.
x ns ( k +1) 는 k+1 번째 반복에서의 n 번째 복셀 및 시각 s 에서의 미상의 영상일 수 있다. x ns EM ( k +1) 는 k+1 번째 반복에서의 n 번째 복셀 및 시각 s 에서의 ML-EM 업데이트 값일 수 있다. a mn 은 n 번째 복셀로부터의 방출 광자가 m 번째 검출기 위치에서 검출될 확률일 수 있다. x ns ( k +1) may be the nth voxel in the k + 1th iteration and the unknown image at time s . EM x ns (k +1) may be a value ML-EM updated at k + 1 and n-th voxel time s of the second repeat. a mn May be the probability that the photons emitted from the nth voxel will be detected at the mth detector position.
μ 는 영상의 품질에 관련된 인자일 수 있다. μ 는 패치들의 세기를 고려하여 시행착오(trial and error) 방식에 의해 선택된 소정의 값일 수 있다. mu may be a factor related to the quality of the image. These μ may be a value predetermined by trial and error (trial and error) method in consideration of the strength of the patch.
p 는 p 번째의 기준이 되는 패치를 나타내는 지수일 수 있다. p may be an exponent representing a patch that is a p- th reference.
λ 는 로그-우도(loglikelihood) 및 로우 랭크 정규화(low-rank regularization) 조건들 간의 밸런스 인자(balance factor)를 부과하는 것일 수 있다. lambda may be to impose a balance factor between log-likelihood and low-rank regularization conditions.
w p , ns ( k +1) 는 k+1 번째 반복에서의 수학식 2의 로우 랭크 강제 수축 동작(low-rank constrained shrinkage operation) 후 시각 s 에서 n 번째 복셀에 대한 기여분들(contributions)을 갖는 p번째 패치의 특정 요소를 나타낼 수 있다. w p , ns ( k +1) has contributions for the nth voxel at time s after a low-rank constrained shrinkage operation of Equation 2 in the ( k + 1) and may represent a specific element of the pth patch.
처리부(120)는 일정한 값 c 에 대해 하기의 수학식 6을 충족시키도록 λ 의 값을 선택할 수 있다.The
λ p 는 p 번째 기준이 되는 패치에 대한 λ 일 수 있다. lambda p may be lambda for the patch that is the pth reference.
I ns 는 유사 패치들 내에 x ns 가 사용되도록 하는 패치의 집합을 나타낼 수 있다. I ns Lt; RTI ID = 0.0 > x ns Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI >
a mn 은 n 번째 복셀로부터의 방출 광자가 m번째 검출기 위치에서 검출될 확률일 수 있다. a mn May be the probability that the photons emitted from the nth voxel will be detected at the mth detector position.
∑ p∈I_ ns w p 는 최종 w p , ns 일 수 있다. Σ p∈I_ ns w p May be the final w p , n s .
도 2의 단계(250)에서, 처리부(120)가 단계(730)를 통해 업데이트된 영상이 수렴하지 않은 것으로 판단한 경우, 업데이트된 영상은 단계들(230 내지 240)의 수행을 위한 재구성 영상으로 사용될 수 있다. 처리부(120)가 단계(730)를 통해 업데이트된 영상이 수렴하는 것으로 판단한 경우, 업데이트된 영상은 소기의 재구성 영상이 될 수 있다.
In
도 8은 본 발명의 일 예에 따른 업데이트 영상이 수렴하는지 여부를 판단하는 방법을 나타내는 흐름도이다.FIG. 8 is a flowchart illustrating a method for determining whether an update image according to an exemplary embodiment of the present invention converges.
도 2를 참조하여 전술된 단계(250)는 후술될 단계들(810 및 820)을 포함할 수 있다.Step 250 described above with reference to FIG. 2 may include
단계(810)에서, 처리부(120)는 업데이트된 영상이 수렴하는지 여부를 판단하기 위한 소정의 경계값을 설정할 수 있다.In
단계(820)에서, 처리부(120)는 설정된 소정의 경계값과 업데이트의 전의 재구성 영상 및 상기 업데이트의 후의 재구성 영상 간의 차이를 비교함으로써 업데이트된 영상이 수렴하는지 여부를 판단할 수 있다.In
예컨대, 소정의 경계값은 소정의 값 이하의 평균 제곱 오차(mean square error)일 수 있다.For example, the predetermined boundary value may be a mean square error of a predetermined value or less.
단계(820)에서, 처리부(120)는 업데이트의 전의 재구성 영상 및 업데이트의 후의 재구성 영상들 간의 차이의 평균 제곱 오차(mean square error)가 상기 경계값의 이하인지 여부를 판단하는 단계를 수행할 수 있다.In
중앙 처리 장치(130)는 업데이트의 전의 재구성 영상 및 업데이트의 후의 재구성 영상 간의 평균 제곱 오차가 상기의 경계값의 이하이면 재구성 영상이 수렴하는 것으로 판단할 수 있다.
The
전술된 설명들에서 처리부(120)가 수행할 수 있는 것으로 설명된 단계들은 중앙 처리 장치(130) 또는 그래픽 처리 장치(140)가 수행할 수 있는 것으로 대체될 수 있다. 즉, 처리부(120), 중앙 처리 장치(130) 및 그래픽 처리 장치(140)는 서로 간에 대체되어 사용될 수 있다.
In the foregoing description, steps described as being capable of being performed by the
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.The method according to an embodiment may be implemented in the form of a program command that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions to be recorded on the medium may be those specially designed and configured for the embodiments or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the embodiments, and vice versa.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.
100: 영상 재구성 장치
110: 수신부
120: 처리부
130: 중앙 처리 장치
140: 그래픽 처리 장치
150: 코어
160: 코어100: Image reconstruction device
110:
120:
130: central processing unit
140: graphics processing unit
150: Core
160: Core
Claims (13)
피사체를 서로 상이한 시각에 측정함으로써 생성된 복수의 사이노그램들을 수신하는 단계;
상기 수신된 사이노그램들에 기반하여 초기의 재구성 영상을 계산하는 단계;
상기 재구성 영상에 기반하여 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 단계; 및
상기 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상에 기반하여 상기 재구성 영상을 업데이트하는 단계
를 포함하는, 영상 재구성 방법.The image reconstruction device,
The method comprising: receiving a plurality of generated sinograms by measuring a subject at different times;
Calculating an initial reconstruction image based on the received sinograms;
Generating a patch-based minimum-rank normalized image based on the reconstructed image; And
Updating the reconstructed image based on the patch-based minimum-rank normalization image
And reconstructing the image.
상기 초기의 상기 재구성 영상은 상기 복수의 사이노그램들에 기반하여 생성된 복수의 3 차원 영상들을 시간 별로 개별적으로 재구성함으로써 생성된 4 차원 영상인, 영상 재구성 방법.The method according to claim 1,
Wherein the initial reconstructed image is a 4-dimensional image generated by separately reconstructing a plurality of 3-dimensional images generated based on the plurality of sinograms by time.
상기 초기의 재구성 영상을 계산하는 단계는,
확률 모델 기반의 기대치 최대화 알고리즘을 이용하여 상기 복수의 3 차원 영상들을 상기 4 차원 영상으로 재구성하는, 영상 재구성 방법.3. The method of claim 2,
Wherein the step of calculating the initial reconstructed image comprises:
And reconstructing the plurality of three-dimensional images into the four-dimensional image using an expectation maximization algorithm based on a probability model.
상기 업데이트된 상기 재구성 영상이 수렴하는지 여부를 판단하는 단계;
를 더 포함하고,
상기 재구성 영상이 수렴하지 않는 경우, 상기 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 단계 및 상기 재구성 영상을 업데이트하는 단계는 반복해서 수행되는, 영상 재구성 방법. The method according to claim 1,
Determining whether the updated reconstructed image converges;
Further comprising:
Wherein if the reconstructed image does not converge, generating the patch-based minimum-rank normalized image and updating the reconstructed image are repeatedly performed.
상기 업데이트된 재구성 영상이 수렴하는지 여부를 판단하는 단계는,
상기 업데이트된 재구성 영상이 수렴하는지 여부를 판단하기 위한 소정의 경계값을 설정하는 단계; 및
상기 업데이트의 전의 상기 재구성 영상 및 상기 업데이트의 후의 상기 재구성 영상 간의 차이의 평균 제곱 오차(mean square error)가 상기 경계값의 이하인지 여부를 판단하는 단계
를 포함하고,
상기 업데이트된 재구성 영상이 수렴하는지 여부를 판단하는 단계는 상기 평균 제곱 오차가 상기 경계값의 이하이면 상기 재구성 영상이 수렴하는 것으로 판단하는, 영상 재구성 방법.5. The method of claim 4,
Wherein the step of determining whether the updated reconstructed image converges comprises:
Setting a predetermined boundary value for determining whether the updated reconstructed image converges; And
Determining whether a mean square error of a difference between the reconstructed image before the update and the reconstructed image after the update is less than or equal to the threshold value
Lt; / RTI >
Wherein the step of determining whether the updated reconstructed image converges comprises determining that the reconstructed image converges if the mean square error is less than or equal to the threshold value.
상기 재구성 영상에 기반하여 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 단계는,
상기 재구성 영상 내의 기준이 되는 패치를 결정하는 단계;
상기 기준이 되는 패치에 기반하여, 상기 기준이 되는 패치와 가장 유사한 소정의 개수의 유사 패치들을 모으는 단계;
상기 유사 패치들을 벡터화함으로써 패치 행렬을 생성하는 단계;
상기 패치 행렬에 대한 SVD 연산을 수행함으로써 상기 패치 행렬의 고유값들을 획득하는 단계;
상기 고유값들에 대한 최소화 연산을 수행함으로써 최소화된 고유값들을 획득하는 단계;
상기 최소화된 고유값들에 기반하여 상기 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 단계
를 포함하는, 영상 재구성 방법.The method according to claim 1,
Wherein the step of generating a patch-based minimum-rank normalized image based on the reconstructed image comprises:
Determining a reference patch in the reconstructed image;
Collecting, based on the reference patch, a predetermined number of similar patches most similar to the reference patch;
Generating a patch matrix by vectorizing the similar patches;
Obtaining eigenvalues of the patch matrix by performing an SVD operation on the patch matrix;
Obtaining minimized eigenvalues by performing a minimization operation on the eigenvalues;
Generating the patch-based minimum-rank normalized image based on the minimized eigenvalues
And reconstructing the image.
상기 기준이 되는 패치를 결정하는 단계는,
상기 재구성 영상의 픽셀들의 개수만큼의 스레드들을 생성하는 단계; 및
상기 복수의 스레드들을 상기 픽셀들의 각각이 중앙에 배치되는 패치에 일 대 일로 대응시키는 단계
를 포함하는, 영상 재구성 방법.The method according to claim 6,
Wherein the step of determining the reference patch comprises:
Generating threads as many as the number of pixels of the reconstructed image; And
Associating the plurality of threads with a one-to-one correspondence to patches each of which is centrally located
And reconstructing the image.
상기 복수의 스레드들은 상기 영상 재구성 장치의 그래픽 처리 장치(Graphics Processing Unit; GPU)의 복수의 코어들에 의해 각각 처리되는, 영상 재구성 방법8. The method of claim 7,
Wherein the plurality of threads are each processed by a plurality of cores of a graphics processing unit (GPU) of the image reconstruction apparatus,
상기 소정의 개수의 유사 패치들을 모으는 단계는,
상기 재구성 영상 내에서 상기 기준이 되는 패치로부터 소정의 검색 영역 이내의 시간 및 공간 축에 존재하는 모든 근접 패치들을 식별하는 단계;
상기 기준의 되는 패치 및 상기 근접 패치들의 각각 간의 유사도들을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 유사도들에 기반하여 상기 근접 패치들 중 상기 소정의 개수의 상기 유사 패치들을 추출하는 단계;
를 포함하는, 영상 재구성 방법.The method according to claim 6,
Wherein the collecting of the predetermined number of similar patches comprises:
Identifying all proximate patches in the temporal and spatial axes within a predetermined search range from the reference patch in the reconstructed image;
Calculating similarities between the reference patch and each of the near patches; And
Extracting the predetermined number of similar patches of the adjacent patches based on the calculated similarities;
And reconstructing the image.
상기 최소화된 고유값들을 획득하는 단계는,
상기 고유값들 중 소정의 경계값 이하의 고유값들을 소거함으로써 상기 최소화된 고유값들을 획득하는, 영상 재구성 방법.The method according to claim 6,
Wherein the obtaining of the minimized eigenvalues comprises:
And obtaining the minimized eigenvalues by erasing eigenvalues less than or equal to a predetermined threshold value of the eigenvalues.
상기 최소화된 고유값들에 기반하여 상기 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하는 단계는,
상기 최소화된 고유값들에 고유벡터들을 곱함으로써 보정된 행렬을 생성하는 단계;
상기 보정된 행렬의 열들을 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상의 생성을 위한 보정 패치들로 변환하는 단계;
상기 보정 패치들의 각 보정 패치를 상기 재구성 영상 내의 상기 각 보정 패치에 대응하는 위치에 합하는 단계;
상기 재구성 영상 내의 각 픽셀에 대해 상기 각 픽셀의 값을 상기 각 픽셀에 합해진 상기 보정 패치의 값으로 나누는 단계
를 포함하는, 영상 재구성 방법.The method according to claim 6,
Wherein generating the patch-based minimum-rank normalized image based on the minimized eigenvalues comprises:
Generating a corrected matrix by multiplying the minimized eigenvalues by eigenvectors;
Transforming the columns of the corrected matrix into correction patches for generation of a patch-based minimum-rank normalized image;
Summing each correction patch of the correction patches at a position corresponding to each correction patch in the reconstruction image;
Dividing the value of each pixel for each pixel in the reconstructed image by the value of the correction patch added to each pixel
And reconstructing the image.
처리부
를 포함하며,
상기 처리부는 상기 수신된 사이노그램들에 기반하여 초기의 재구성 영상을 계산하고, 상기 초기의 재구성 영상에 기반하여, 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하고, 상기 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상에 기반하여 상기 재구성 영상을 업데이트하는, 영상 재구성 장치.A receiving unit for receiving a plurality of generated sinograms by measuring a subject at different times; And
Processing unit
/ RTI >
Wherein the processor calculates an initial reconstructed image based on the received sinograms, generates a patch-based minimum-rank normalized image based on the initial reconstructed image, and based on the patch-based minimum-rank normalized image, And the image reconstruction unit updates the reconstructed image.
중앙 처리 장치(Central Processing Unit; CPU); 및
그래픽 처리 장치(Graphics Processing Unit; GPU)
를 포함하고,
상기 그래픽 처리 장치는
복수의 코어들
을 포함하고,
상기 중앙 처리 장치는 상기 수신된 사이노그램들에 기반하여 초기의 재구성 영상을 계산하고, 상기 초기의 재구성 영상에 기반하여, 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상을 생성하고, 상기 패치 기반 최소 랭크 정규화 영상에 기반하여 상기 재구성 영상을 업데이트하고,
상기 그래픽 처리 장치의 복수의 코어들은 상기 초기의 재구성 영상을 계산하기 위해 사용되는 복수의 스레드들을 병렬로 실행하는, 영상 재구성 장치.A receiving unit for receiving a plurality of generated sinograms by measuring a subject at different times;
A central processing unit (CPU); And
A graphics processing unit (GPU)
Lt; / RTI >
The graphics processing device
The plurality of cores
/ RTI >
The central processing unit calculates an initial reconstruction image based on the received sinograms, generates a patch-based minimum-rank normalization image based on the initial reconstruction image, and generates a patch-based minimum-rank normalization image Updating the reconstructed image based on the reconstructed image,
Wherein a plurality of cores of the graphics processing unit execute in parallel a plurality of threads used to compute the initial reconstruction image.
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