摘 要： 提出了一種基于區(qū)域生長(zhǎng)的彩色圖像" title="彩色圖像">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" 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title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割" title="彩色圖像分割">彩色圖像分割算法，以提取可視人數(shù)據(jù)集中真彩解剖切片的組織器官。通過對(duì)彩色圖像顏色特征" title="顏色特征">顏色特征空間RGB和HSV的分析，選擇出適合可視人數(shù)據(jù)中肺部器官特征的顏色分量作為生長(zhǎng)算法中分割合并的特征度量法則。實(shí)驗(yàn)表明，該方法能較好地分割出可視人真彩胸部圖像中的肺部器官。
關(guān)鍵詞： 區(qū)域生長(zhǎng) 可視人 彩色圖像分割
人體可視化研究是20世紀(jì)后期興起的一項(xiàng)信息技術(shù)與醫(yī)學(xué)學(xué)科相互交叉、綜合發(fā)展起來的世界前沿性研究領(lǐng)域，是將成千上萬個(gè)人體斷面數(shù)據(jù)信息在計(jì)算機(jī)里整合、重建成人體的三維立體結(jié)構(gòu)圖像，構(gòu)成人體形態(tài)學(xué)信息研究的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為開展各種人體相關(guān)研究提供形象而真實(shí)的模型，具有重大的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值?？梢暼擞?jì)劃[1](Visible Human Project)由美國(guó)國(guó)家醫(yī)學(xué)圖書館在1989年率先提出，1994年和1995年相繼推出世界首例一男一女兩具冰凍解剖尸體的高精度、高分辨率的真彩組織切片光學(xué)照片并伴有相應(yīng)的CT和MRI圖像作為輔助數(shù)據(jù)集。中國(guó)可視化人體計(jì)劃于2001年正式啟動(dòng)，由第三軍醫(yī)大學(xué)可視人體計(jì)劃研究項(xiàng)目組在2002年和2003年推出了中國(guó)首例男女尸體數(shù)據(jù)集。該數(shù)據(jù)集較之美國(guó)具有更小切片間距、更高分辨率以及更大容量的優(yōu)點(diǎn)。目前人體可視化研究進(jìn)入到對(duì)人體及組織器官的重建和理解階段，其中對(duì)真彩圖像的組織器官的成功分割是該項(xiàng)目能否順利進(jìn)行的核心環(huán)節(jié)，同時(shí)也是目前最具挑戰(zhàn)性的問題。
彩色圖像的分割方法主要包括彩色特征聚類" title="聚類">聚類[2](clustering)、邊緣檢測(cè)(edge-based)[3]、區(qū)域生長(zhǎng)(region growing)[4]等。其中彩色特征聚類是基于灰度閾值分割的多維擴(kuò)展，通常對(duì)每一顏色分量上的直方圖分別采用閾值分割，再將結(jié)果組合起來。但由于彩色直方圖閾值難于確定以及色彩映射導(dǎo)致信息耗散，采用這種方法通常出現(xiàn)聚類相互重疊?；谶吘壍姆椒ㄖ饕抢脠D像中梯度或曲率等特征的突變來檢測(cè)邊界，但對(duì)細(xì)節(jié)明顯的復(fù)雜醫(yī)學(xué)圖像，其邊緣的連續(xù)性較難保證。區(qū)域生長(zhǎng)的方法是目前采用較多、效果較好的一類方法；缺點(diǎn)是對(duì)種子點(diǎn)的選取會(huì)影響結(jié)果的好壞，但對(duì)于完全采用自動(dòng)分割目前尚屬不易的醫(yī)學(xué)解剖圖像，人工交互選取種子點(diǎn)是可行的方法。
本文選取了第三軍醫(yī)大學(xué)可視人數(shù)據(jù)集女性尸體胸部數(shù)據(jù)20張，分析了肺部的顏色和紋理特征。采取了區(qū)域增長(zhǎng)的方法，初始種子點(diǎn)由手工選取，并以肺部彩色特征作為增長(zhǎng)算法的分割準(zhǔn)則。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能較好地分割出肺部區(qū)域。
1 分析
1.1 區(qū)域增長(zhǎng)
區(qū)域生長(zhǎng)的基本思想是將具有相似性質(zhì)的像素集合起來構(gòu)成區(qū)域。首先在待分割的每個(gè)區(qū)域中選擇一個(gè)種子點(diǎn)作為生長(zhǎng)的起始點(diǎn)，然后在種子點(diǎn)的領(lǐng)域中搜索那些與種子點(diǎn)的相似特征度滿足指定生長(zhǎng)準(zhǔn)則的像素，并與種子點(diǎn)所在區(qū)域合并。此時(shí)將新合并的像素作為新的種子點(diǎn)，繼續(xù)以上搜索和合并過程，直到?jīng)]有可以合并的像素為止。
令F表示衡量像素相似程度的特征函數(shù)，Rk代表第k步時(shí)生長(zhǎng)的區(qū)域，則Rk的區(qū)域特征函數(shù)為F(Rk)。同樣，令當(dāng)前像素為s(i,j)，其特征向量為F(s)，區(qū)域增長(zhǎng)算法的核心就是比較F(Rk)與F(s)的特征距離是否滿足一定的閾值T。如果∣F(Rk)-F(s)∣＜T，則像素s被合并至Rk+1=Rk+s, 否則跳過像素s，搜索下一個(gè)相鄰像素。
1.2 彩色特征空間
彩色圖像分割面臨的最大問題，是需要處理五維信息，其中兩維是幾何信息，三維是彩色信息。一個(gè)像素的顏色分布可以用彩色空間中三維向量來表示。在計(jì)算機(jī)硬件中，彩色圖像用RGB顏色空間來存儲(chǔ)及顯示，而經(jīng)過變換可以得到HSV、XYZ、YIQ等多種顏色空間。其中HSV是面向用戶的一種符合主觀感覺的色彩模型，更接近于人眼對(duì)顏色的感知。Hue表示色度, Saturation表示飽和度,Value表示強(qiáng)度。在對(duì)肺部數(shù)據(jù)的分析處理中，發(fā)現(xiàn)真彩圖像中肺部區(qū)別于胸部其他器官的主要特征表現(xiàn)在V=(R+G+B)/3分量均值和方差都相對(duì)較小，見表1，說明肺部區(qū)域具有V分量較大相似度。因此將用像素的強(qiáng)度特征分量作為判斷法則，RGB顏色空間向HSV顏色空間轉(zhuǎn)換公式如下[5]：
2 實(shí)現(xiàn)
2.1降低分辨率
對(duì)可視人數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的一個(gè)很大挑戰(zhàn)，就是其超大的數(shù)據(jù)量。即使是身體上很小的一部分，要想保持完全分辨率，也將占用很大的硬盤空間和內(nèi)存。例如，一張真彩胸部切片是18MB,分辨率為3072×2048,顏色深度為24位。因此，在分割之前，必須降低分辨率。筆者通過每3×3個(gè)像素采樣，將之降到1024×683。當(dāng)然分辨率的降低可能導(dǎo)致或增強(qiáng)局部體效應(yīng)。
2.2 自適應(yīng)區(qū)域生長(zhǎng)算法
本文采用了自適應(yīng)區(qū)域增長(zhǎng)算法，首先操作者在感興趣區(qū)域(ROI)居中位置選擇一種子點(diǎn)s(i,j)作為初始點(diǎn)，然后搜索其5×5鄰域Φ，計(jì)算該鄰域v分量的均值和方差，并將閾值Thd和方差σ作為判斷準(zhǔn)則，計(jì)算公式如下：
算法中定義了三個(gè)操作集合，集合Cur_Set用于存放分割區(qū)域的像素點(diǎn)；Ready_Set集合存放待檢驗(yàn)的像素點(diǎn)，由于每次都檢驗(yàn)四個(gè)相鄰像素點(diǎn)，所以該集合中元素個(gè)數(shù)始終為4；臨時(shí)集合Temp_Set用于存放新的候選中心點(diǎn)。初始化時(shí)，Cur_Set中僅有初始種子點(diǎn)s, Ready_Set中有s的四個(gè)鄰域點(diǎn)s(i,j-1)、s(i,j+1)、s(i-1,j)、s(i+1,j)，Temp_Set集合為空。程序首先搜索Ready_Set集合中的點(diǎn)，如果與種子點(diǎn)的分量差值小于閾值且方差小于0.02,則將該點(diǎn)放入Cur_Set集合中，并將該點(diǎn)的四個(gè)相鄰像素點(diǎn)放入集合Temp_Set中，等待下一步處理；否則，該點(diǎn)將從Ready_Set中去除。依次計(jì)算，直到Ready_Set集合為空，然后再分別以臨時(shí)集合Temp_Set中元素為種子點(diǎn)，建立新的四鄰域點(diǎn)，更新Ready_Set集合，程序重復(fù)以上步驟，直到Temp_Set集合為空。
2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
實(shí)驗(yàn)中，選取上胸部真彩圖像，該組數(shù)據(jù)經(jīng)過降低分辨率后物理數(shù)據(jù)如表2。
由于數(shù)據(jù)量很大，完成整個(gè)胸部的分割，必須在工作站上進(jìn)行。為了提高運(yùn)算速度" title="運(yùn)算速度">運(yùn)算速度并能在PC機(jī)上運(yùn)行，對(duì)左、右肺分別進(jìn)行分割，在Matlab6.5上分別用時(shí)4分56秒和3分40秒。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1(a)～(d)所示。由圖1可知，該算法能比較好地分割出肺部區(qū)域，但邊界的平滑性還需要進(jìn)一步處理。
本文針對(duì)可視人真彩解剖圖像的待分割器官的顏色特征，采用了基于人工選取種子點(diǎn)的區(qū)域增長(zhǎng)算法進(jìn)行初步研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法對(duì)可視人肺部區(qū)域的分割能較好達(dá)到精度要求。但是還有一些問題需要進(jìn)一步探索和解決，包括肺部血管的提取，如何在提高運(yùn)算速度的同時(shí)不犧牲圖像分辨率和精度，如何將算法有效推廣到其他器官部位等。
參考文獻(xiàn)
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2 Lim Y W， Lee S U. The color image segmentation algo-rithm based on the thresholding and the fuzzy c-means tech-niques[J]. Pattern Recognition, 1990； 23(9):935~952
3 Healey G. Segmenting images using normalized color[J].IEEE Transactions on Systems, Man, And Cybernetics. 1992;22(1),January/February
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5 章毓晉. 圖像分割[M].北京:科學(xué)出版社，2001