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閾值分割的基本原理范文第1篇

關(guān)鍵詞：遺傳算法；肝臟CT圖像；圖像分割；閾值

中圖分類號(hào)：TP391文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1009-3044(2011)04-0864-02

Research on Liver CT Image Segmentation Based on Genetic Algorithm

KONG Xiao-rong1, SHI Yan-xin2, LIU Peng1

(1.Department of Computer Technology，Inner Mongolia Medical College, Huhhot 010059; 2.Department of Mathematics and Physics, Xi'an Technology University, Xi'an 710032, China)

Abstract: Genetic Algorithm (GA) is a global optimization and random search algorithm based on natural selection and genetic mechanism. It is suited to dealing with the tradition searching algorithms which cannot solve difficult and complicated problem. And it have great potentialities. First, this paper discusses fundamental principle and primary features of Genetic Algorithm. And it emphases on image segmentation based on GA. Then applying genetic algorithm to select theproper threshold, and it uses maximum entropy method to process liver CT images by segmentation methods. It obtains the results by segmentation experimentation and analyses the results.

Key words: genetic algorithm; liver CT images; image segmentation; threshold value

遺傳算法(Genetic Algorithm, GA)的基本思想來(lái)源于Darwin的生物進(jìn)化論和Mendel的群體遺傳學(xué)，該算法最早是由美國(guó)Michigan大學(xué)的John Holland教授于20世紀(jì)70年代創(chuàng)建，之后，遺傳算法的研究引起了國(guó)際組織及學(xué)者的關(guān)注。遺傳算法通過(guò)模擬生物的遺傳進(jìn)化過(guò)程形成一種全局優(yōu)化概率搜索算法，提供了一種求解復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化問(wèn)題的通用框架，可以不依賴于問(wèn)題的具體領(lǐng)域[1]。近年來(lái)，遺傳算法已被廣泛應(yīng)用于函數(shù)優(yōu)化、組合優(yōu)化、生產(chǎn)調(diào)度、自動(dòng)控制、人工智能、人工生命、機(jī)器學(xué)習(xí)、圖像處理和模式識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域，具有巨大的發(fā)展?jié)摿Α１疚闹饕榻B遺傳算法在醫(yī)學(xué)圖像處理方面的應(yīng)用。

1 遺傳算法的基本原理

遺傳算法是模擬生物進(jìn)化和遺傳機(jī)制發(fā)展起來(lái)的一種全局優(yōu)化、隨機(jī)、自適應(yīng)搜索算法。它模擬了自然界遺傳過(guò)程中的繁殖、和變異現(xiàn)象，依據(jù)適者生存、優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化原則，利用遺傳算子（即選擇、交叉和變異）逐代產(chǎn)生優(yōu)選個(gè)體（候選解），最終搜索到適合的個(gè)體。

遺傳算法的運(yùn)算對(duì)象是由N個(gè)個(gè)體所組成的集合，稱為群體。遺傳算法的運(yùn)算過(guò)程是一個(gè)群體反復(fù)迭代的過(guò)程，這個(gè)群體不斷地經(jīng)過(guò)遺傳和進(jìn)化操作，每次按照優(yōu)勝劣汰的進(jìn)化原則將適應(yīng)度較高的個(gè)體以更高的概率遺傳到下一代，這樣最終在群體中將會(huì)得到一個(gè)優(yōu)良的個(gè)體，它將達(dá)到或接近于問(wèn)題的最優(yōu)解[2]。

遺傳算法的求解步驟如下：

1）編碼：定義搜索空間解的表示到遺傳空間解的表示的映射，兩個(gè)空間的解需一一對(duì)應(yīng)且編碼盡量簡(jiǎn)明。遺傳算法把問(wèn)題的解也稱為個(gè)體或染色體，個(gè)體通常由字符串表示，字符串的每一位稱為遺傳因子，多個(gè)個(gè)體形成一個(gè)種群。

2）初始化種群 隨機(jī)產(chǎn)生N個(gè)個(gè)體組成一個(gè)種群，此種群代表一些可能解的集合。GA 的任務(wù)是從這些群體出發(fā)，模擬進(jìn)化過(guò)程進(jìn)行優(yōu)勝劣汰，最后得出優(yōu)秀的種群和個(gè)體，滿足優(yōu)化的要求。

3）設(shè)計(jì)適應(yīng)度函數(shù)：將種群中的每個(gè)個(gè)體解碼成適合于計(jì)算機(jī)適應(yīng)度函數(shù)的形式，并計(jì)算其適應(yīng)度。

4）選擇：按一定概率從當(dāng)前群體中選出優(yōu)良個(gè)體，作為雙親用于繁殖后代，一些優(yōu)良的個(gè)體遺傳到下一代群體中，適應(yīng)度越高，則選擇概率越大。進(jìn)行選擇的原則是適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)良個(gè)體將有更多繁殖后代的機(jī)會(huì)，從而使優(yōu)良特性得以遺傳。選擇是遺傳算法的關(guān)鍵，它體現(xiàn)了適者生存原則。

5）交叉：交叉操作是遺傳算法中最主要的遺傳操作。對(duì)于選中的用于繁殖的每一對(duì)個(gè)體，隨機(jī)選擇兩個(gè)用于繁殖下一代的個(gè)體的相同位置，在選中的位置實(shí)行交換。交叉體現(xiàn)了信息交換的思想。

6）變異：從群體中選擇一個(gè)個(gè)體，對(duì)于選中的個(gè)體按一定的概率隨機(jī)選擇改變串結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)中某個(gè)串的值，即對(duì)某個(gè)串中的基因按突變概率進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。變異模擬了生物進(jìn)化過(guò)程中的偶然基因突變現(xiàn)象，遺傳算法中變異發(fā)生的概率很低。對(duì)產(chǎn)生的新一代群體進(jìn)行重新評(píng)價(jià)、選擇、雜交和變異。

7）終止準(zhǔn)則：如此循環(huán)往復(fù)，使群體中最優(yōu)個(gè)體的適應(yīng)度和平均適應(yīng)度不斷提高，直至最優(yōu)個(gè)體的適應(yīng)度滿足某一性能指標(biāo)或規(guī)定的遺傳代數(shù)，迭代過(guò)程收斂，算法結(jié)束。

2 遺傳算法在圖像分割處理中的應(yīng)用

在圖像處理中，圖像分割是圖像三維重建的基礎(chǔ)，常用的分割方法包括閾值法、邊緣檢測(cè)法和區(qū)域跟蹤法，其中閾值法是最常用的方法[3]。圖像閾值分割算法是利用圖像中目標(biāo)物體與背景灰度上的差異，根據(jù)圖像灰度值的分布特性把圖像分為不同灰度級(jí)的目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域，目前已有模糊集法、共生矩陣法、四元樹法、最大類間方差法、最佳直方圖熵法、最小誤差閾值法等多種閾值分割方法。

遺傳算法在圖像分割中的作用是：幫助現(xiàn)存的圖像分割算法在參數(shù)空間內(nèi)搜索參數(shù)，或者在候選的分隔空間內(nèi)搜索最優(yōu)的分隔方案[3]。在參數(shù)空間內(nèi)搜索參數(shù)主要是指利用遺傳算法的全局搜索特性優(yōu)化現(xiàn)有的閾值分割算法，用于幫助確定最佳分割閾值。

3 基于遺傳算法的肝臟CT圖像分割

本文基于遺傳算法選取閾值，采用最大熵原則對(duì)肝臟CT圖像進(jìn)行分割。目的是將圖像的灰度直方圖分成兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的類，使得各類熵的總量最大，根據(jù)信息論，這樣選擇的閾值能獲得的信息量最大[4]。在圖像的灰度直方圖中設(shè)定一個(gè)灰度閾值，可以把圖像分成背景和物體兩類區(qū)域，這是一般的單閾值選擇的情況，而設(shè)定N個(gè)閾值，可以把圖像分成N+1類區(qū)域[4]。

最大熵分割方法步驟為：

用p0,p1,…,pn表示灰度級(jí)的概率分布，如果把閾值設(shè)置在灰度級(jí)s，將獲得兩個(gè)概率分布，一個(gè)包含1到s間的灰度級(jí)，另一個(gè)包含s+1到n間的灰度級(jí)，這兩個(gè)分布如下：

其中，與每一個(gè)分布相關(guān)的熵為：

令: (4)

當(dāng)該函數(shù)取最大值時(shí)即為圖像的最佳分割，用此函數(shù)作為遺傳算法中的適應(yīng)度函數(shù)。通過(guò)遺傳算法的設(shè)計(jì)步驟，取得最佳閾值，既而對(duì)人體肝臟中有病灶組織的CT圖像進(jìn)行分割，得到下面分割處理實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

(a) 原圖 (b) 分割結(jié)果(c)原圖 (d) 分割結(jié)果

圖1 對(duì)有病灶肝臟圖像進(jìn)行分割

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，基于遺傳算法采用最大熵原則，對(duì)人體肝臟CT圖像進(jìn)行分割，能夠使選取的閾值獲得的信息量比較大，從而原始圖像和分割圖像之間的信息量差異最小。因此分割后的圖像效果明顯，具有一定的優(yōu)勢(shì)[5]。

但由于醫(yī)學(xué)圖像的復(fù)雜性和人體的差異性，對(duì)人體同一器官不同狀況的圖像，無(wú)法找出一種最為適合的分割方法處理，必須根據(jù)具體情況具體分析，針對(duì)圖像的特點(diǎn)來(lái)選取相應(yīng)的分割算法，才能較好地解決問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)：

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閾值分割的基本原理范文第2篇

關(guān)鍵詞:圖像分割;閾值分割;直方圖

中圖分類號(hào):TP317文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1009-3044(2010)08-1944-03

Research of Image Segmentation Algorithms

BU Tao-tao, LU Chao

(Department of Physics, Shanxi University of Technology, Hanzhong 723000, China)

Abstract: Image segmentation is a digital image processing, one of the key technologies to study the edge detection and threshold segmentation method to achieve image segmentation. Summarized a variety of segmentation algorithms, including the minimum value method, derivation, histogram transform method, iterative method, averaging method, large law and edge detection method.

Key words: image segmentation; threshold segmentation; histogram

圖像分割是將圖像中有意義的特征部分提取出來(lái),包括圖像中的邊緣、區(qū)域等。圖像分割是數(shù)字圖像處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一,并得到了廣泛的重視、研究和應(yīng)用,圖像分割的技術(shù)和算法種類繁多,是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)經(jīng)典難題,人們至今仍在不斷探索新的分割理論與分割算法。

1 圖像分割方法

圖像分割的方法和種類有很多,有些分割運(yùn)算可直接應(yīng)用于任何圖像,而另一些只能適用于特殊類別的圖像。分割結(jié)果的好壞需要根據(jù)具體的場(chǎng)合及要求衡量。圖像分割是從圖像處理到圖像分析的關(guān)鍵步驟,圖像分割結(jié)果的好壞直接影響對(duì)圖像的理解。分割算法基本可以分為兩大類:邊緣檢測(cè)和閾值分割。

1.1 邊緣檢測(cè)

邊緣是指圖像中灰度發(fā)生急劇變化的區(qū)域。圖像灰度的變化情況可以用灰度分布的梯度來(lái)反映,給定連續(xù)圖像f(x,y),其方向?qū)?shù)在邊緣法線方向上取得局部最大值。圖像的邊緣是指圖像局部區(qū)域亮度變化顯著的部分,該區(qū)域的灰度剖面可以看作是一個(gè)階躍,既從一個(gè)灰度值在很小的緩沖區(qū)域內(nèi)急劇變化到另一個(gè)灰度相差較大的灰度值。圖像的邊緣部分集中了圖像的大部分信息,邊緣檢測(cè)主要是圖像的灰度變化的度量、檢測(cè)和定位。圖像邊緣檢測(cè)的基本步驟如下:

1)濾波。邊緣檢測(cè)主要基于導(dǎo)數(shù)計(jì)算,受噪聲影響,但是濾波器在降低噪聲的同時(shí)也導(dǎo)致邊緣強(qiáng)度的損失。

2)增強(qiáng)。增強(qiáng)算法將鄰域中灰度有顯著變化的點(diǎn)突出顯示,常通過(guò)計(jì)算梯度幅值完成。

3)檢測(cè)。有些圖像中梯度幅值較大的并不是邊緣點(diǎn)。常用的邊緣檢測(cè)是梯度幅值閾值判定。

4)定位。精確確定邊緣的位置。

邊緣檢測(cè)常用的算子有梯度算子Roberts, Sobel, Prewitt;Laplace算子;二階導(dǎo)數(shù)過(guò)零點(diǎn)算子;canny算子等。

1.2 閾值分割

閾值分割法是一種基于區(qū)域的圖像分割技術(shù),其基本原理是通過(guò)設(shè)定不同的特征閾值,把圖像像素點(diǎn)分為若干類。常用的特征包括:直接來(lái)自原始圖像的灰度或彩色特征;由原始灰度或彩色值變換得到的特征。閾值分割法是將灰度圖像變?yōu)槎祱D像以達(dá)到分割目的的方法,它是一種并行區(qū)域法。其過(guò)程是決定一個(gè)灰度值,用以區(qū)分不同的類,這個(gè)灰度值就叫做“閾值”,把灰度值大于閾值的所有像素歸為一類,小于閾值的所有像素歸為另一類。閾值法是一種簡(jiǎn)單但是非常有效的方法,特別是不同物體或結(jié)構(gòu)之間的有很大的強(qiáng)度對(duì)比時(shí),能夠得到很好的效果。閾值分割實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)算量小、性能較穩(wěn)定,已被應(yīng)用于很多的領(lǐng)域。

2 圖像分割算法

對(duì)灰度圖像,基于各像素值的閾值是僅考慮各像素本身灰度值而確定的,因而算法一般較簡(jiǎn)單,但抗噪聲能力不強(qiáng)。所確定的閾值(對(duì)多閾值分割是閾值序列)作用于整幅圖像的每個(gè)像素,因而對(duì)目標(biāo)和背景的灰度有梯度變化的圖像效果較差。

圖像的灰度直方圖是圖像各像素灰度值的一種統(tǒng)計(jì)度量。許多常用的閾值選取方法就是根據(jù)直方圖來(lái)進(jìn)行的。根據(jù)對(duì)圖像模型的描述,如果對(duì)雙峰直方圖選取兩峰之間的谷所對(duì)應(yīng)的灰度值作為閾值就可以將目標(biāo)和背景分開。谷的選取有許多方法,下面介紹幾種算法。

2.1 極小值法

極小值法原理:圖像由前景和背景組成,在灰度直方圖上,前后二景都形成高峰,在雙峰之間的最低谷處就是圖像的閾值所在。如果將直方圖的包絡(luò)看作是一條直線,則選取直方圖的谷可借助求曲線極小值的方法。設(shè)用h(z)代表直方圖,那么極小值點(diǎn)就應(yīng)同時(shí)滿足:h(z0)

其中σ為高斯函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差。

極小值點(diǎn)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、計(jì)算量小,而且只產(chǎn)生一個(gè)閾值,但是它必須準(zhǔn)確算出雙峰的位置,而且要保證不能有毛刺的存在。而且具體圖像要用的高斯濾波器系數(shù)不同,系數(shù)選取又不當(dāng)分割后的效果將很不理想。

2.2 求導(dǎo)法

求導(dǎo)法是改進(jìn)了的極小值法,它也是求極小點(diǎn),不同的是它不是通過(guò)比較的方法,而是通過(guò)求導(dǎo)的方法找閾值。設(shè)用g(z)代表直方圖,那么最小點(diǎn)應(yīng)同時(shí)滿足:

導(dǎo)數(shù)使用gradient指令,一階導(dǎo)數(shù)P=gradient(g),二階也就是Q=gradient(P),那么在圖像灰度范圍1到256內(nèi)尋找滿足條件P=0 and Q>0的點(diǎn),可以得到Z0閾值點(diǎn)。理論上一階導(dǎo)數(shù)應(yīng)該是0,但是實(shí)際中通常由于毛刺的存在,一階導(dǎo)數(shù)是不為零的,而是無(wú)限趨近于零,因而給程序設(shè)計(jì)帶來(lái)不便。可以讓一階導(dǎo)數(shù)P取大些,計(jì)算出的閾值個(gè)數(shù)增加了,要對(duì)比的圖像也多了,但是卻可以找到合適的閾值,通過(guò)調(diào)整P可以來(lái)調(diào)節(jié)計(jì)算出的閾值的個(gè)數(shù)。編程時(shí)我先設(shè)定P

求導(dǎo)法是也受圖像毛刺的影響,毛刺會(huì)使圖像產(chǎn)生很多滿足P的點(diǎn),使計(jì)算出的閾值更多而且遠(yuǎn)離理想閾值點(diǎn)。因而要使圖像平滑,必然要濾除掉毛刺?？梢酝ㄟ^(guò)高斯濾波,濾波系數(shù)可以設(shè)為定值。

求導(dǎo)法實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單,計(jì)算量小,性能比較穩(wěn)定,分割結(jié)果也較理想,但是由于它需要人工的比對(duì),花費(fèi)大量的時(shí)間才能算出理想的結(jié)果。

2.3 平均法

平均法原理簡(jiǎn)單,基于對(duì)稱的理論。先統(tǒng)計(jì)出大于零的總的像素個(gè)數(shù)P,然后設(shè)定條件:從1開始到某一點(diǎn)大于零的總的像素個(gè)數(shù)為Q(Z),一旦Q(Z)>P/2就停止運(yùn)算,計(jì)算出的這一點(diǎn)就是閾值點(diǎn)Z0。優(yōu)點(diǎn)是程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,運(yùn)算量小,運(yùn)行也穩(wěn)定,缺點(diǎn)是它是根據(jù)直方圖對(duì)稱的原理計(jì)算的閾值,因而當(dāng)基本對(duì)稱時(shí)分割效果最好,而普遍效果一般。

2.4 直方圖變換法

直方圖變換法,是利用一些像素領(lǐng)域的局部性質(zhì)變換原始的直方圖為一個(gè)新的直方圖。這個(gè)新的直方圖與原始直方圖相比,或者峰之間的谷底更深,或者谷轉(zhuǎn)變成峰從而更易于檢測(cè)。這里的像素領(lǐng)域局部性質(zhì),在很多方法中經(jīng)常用的是像素的梯度值。例如,由于目標(biāo)區(qū)的像素具有一定的一致性和相關(guān)性,因此梯度值應(yīng)該較小,背景區(qū)也類似。而邊界區(qū)域或者噪聲,就具有較大的梯度值。利用直方圖變換方法,根據(jù)梯度值加權(quán),梯度值小的像素權(quán)加大,梯度值大的像素權(quán)減小。這樣,就可以使直方圖的雙峰更加突起,谷底更加凹陷。

直方圖變換法是通過(guò)對(duì)直方圖進(jìn)行變換找到直方圖的谷,然后進(jìn)行分割的。相比其它程序比較復(fù)雜,但可靠性高。

2.5 邊緣檢測(cè)法

邊緣是圖像的特征之一,通過(guò)分離邊緣就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的分割,流程圖如圖1所示。邊緣檢測(cè)是用各種算子模版與圖像作卷積運(yùn)算實(shí)現(xiàn),邊緣檢測(cè)的結(jié)果往往離提取圖像信息的要求還很遠(yuǎn)。

實(shí)現(xiàn)邊緣檢測(cè)的算子很多,各種算子對(duì)邊緣的提取效果也不同,從效果來(lái)看,canny效果比較好,但是邊緣檢測(cè)只能為人們提供不完整的邊緣信息,不是人類所要獲取的信息,還要進(jìn)行處理。

2.6 迭帶法

迭代法是基于逼近的思想,其步驟如下:

1)求出圖像的最大灰度值和最小灰度值,分別記為ZMAX和ZMIN,令初始閾值T0=(ZMAX+ZMIN)/2;

2)根據(jù)閾值TK將圖像分割為前景和背景,分別求出兩者的平均灰度值ZO和ZB;

3)求出新閾值TK+1=(ZO+ZB)/2;

4)若TK=TK+1,則所得即為閾值;否則轉(zhuǎn)2),迭代計(jì)算。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí),首先根據(jù)初始開關(guān)函數(shù)將輸入圖逐個(gè)圖像分為前景和背景,在第一遍對(duì)圖像掃描結(jié)束后,平均兩個(gè)積分器的值以確定一個(gè)閾值。用這個(gè)閾值控制開關(guān)再次將輸入圖分為前景和背景,并用做新的開關(guān)函數(shù)。如此反復(fù)迭帶直到開關(guān)函數(shù)不在發(fā)生變化,此時(shí)得到的前景和背景即為最終分割結(jié)果。迭代所得的閾值分割的圖像效果良好?；诘拈撝的軈^(qū)分出圖像的前景和背景的主要區(qū)域所在,但在圖像的細(xì)微處還沒(méi)有很好的區(qū)分度。對(duì)某些特定圖像,微小數(shù)據(jù)的變化卻會(huì)引起分割效果的巨大改變,兩者的數(shù)據(jù)只是稍有變化,但分割效果卻反差極大。對(duì)于直方圖雙峰明顯,谷底較深的圖像,迭代方法可以較快地獲得滿意結(jié)果,但是對(duì)于直方圖雙峰不明顯,或圖像目標(biāo)和背景比例差異懸殊,迭代法所選取的閾值不如其它方法。

2.7 大津法

圖像記t為前景與背景的分割閾值,前景點(diǎn)數(shù)占圖像比例為w0,平均灰度為u0;背景點(diǎn)數(shù)占圖像比例為w1,平均灰度為u1,則圖像的總平均灰度為:u=w0*u0+w1*u1。從最小灰度值到最大灰度值遍歷t,當(dāng)t使得值g=w0*(u0-u)2+w1*(u1-u)2最大時(shí)t即為分割的最佳閾值。

大津法可作如下理解:該式實(shí)際上就是類間方差值,閾值t分割出的前景和背景兩部分構(gòu)成了整幅圖像,而前景取值u0,概率為w0,背景取值u1,概率為w1,總均值為u,根據(jù)方差的定義即得該式。因方差是灰度分布均勻性的一種度量,方差值越大,說(shuō)明構(gòu)成圖像的兩部分差別越大,當(dāng)部分目標(biāo)錯(cuò)分為背景或部分背景錯(cuò)分為目標(biāo)都會(huì)導(dǎo)致兩部分差別變小,因此使類間方差最大的分割意味著錯(cuò)分概率最小。直接應(yīng)用大津法計(jì)算量較大,因此在實(shí)現(xiàn)時(shí)采用了等價(jià)的公式g=w0*w1*(u0-u1)2。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn),大津法選取出來(lái)的閾值非常理想,表現(xiàn)較為良好。雖然它在很多情況下都不是最佳的分割,但分割質(zhì)量通常都有一定的保障,可以說(shuō)是最穩(wěn)定的分割。

3 結(jié)束語(yǔ)

介紹了多種圖像分割的方法,原理不同,分割的結(jié)果也各異,為我門進(jìn)一步對(duì)圖像分割評(píng)價(jià)和獲取信息提供了重要依據(jù)。極值法、求導(dǎo)法都是直接對(duì)直方圖研究,而直方圖變換法則是通過(guò)變換直方圖,使求谷值轉(zhuǎn)換為極大值的方法;迭代法和大律法則是通過(guò)類間方差公式的不同變換形式來(lái)計(jì)算閾值;平均法是通過(guò)理想情況來(lái)類比尋一般情況求取閾值。

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閾值分割的基本原理范文第3篇

關(guān)鍵詞：缺陷檢測(cè)；Blob；Canny；模板匹配；差影

中圖分類號(hào)：TP18 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2012）28-6775-04

半導(dǎo)體電子元器件被廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品和通信系統(tǒng)中，它的外觀質(zhì)量主要取決于封裝這一工藝技術(shù)。良好的封裝可以保護(hù)芯片或晶體管少受外界環(huán)境的影響，因此封裝后的元器件可以得到更加可靠的電氣性能，當(dāng)然也更加方便后續(xù)的PCB板上的焊接和貼裝[1]。對(duì)半導(dǎo)體器件的視覺檢測(cè)主要包括管腳檢測(cè)和管體檢測(cè)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的結(jié)合和發(fā)展，機(jī)器視覺被廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體行業(yè)的各階段在線檢測(cè)中。利用機(jī)器視覺[2]進(jìn)行檢測(cè)不僅可以排除主觀因素的干擾，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率，還可以對(duì)缺陷進(jìn)行定量描述，具有人工肉眼檢測(cè)無(wú)法比擬的優(yōu)越性。

1 檢測(cè)系統(tǒng)概要

在線半導(dǎo)體表面缺陷檢測(cè)系統(tǒng)[3]主要由PC機(jī)、圖像處理軟件、圖像采集設(shè)備、光源照明部分以及IO控制裝置和機(jī)械裝置組成。其中圖像采集由CCD、鏡頭、圖像采集卡和光源共同完成，高質(zhì)量的圖像信息是系統(tǒng)正確判斷和決策的原始依據(jù)，是整個(gè)系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵所在。

圖1 缺陷檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用定位槽對(duì)器件進(jìn)行準(zhǔn)確定位，定位槽的底部有一個(gè)通氣孔，下面連接一個(gè)真空吸氣裝置，機(jī)器手將管子放入凹槽，在吸氣裝置的作用下管子沿著凹槽四周的導(dǎo)向斜面滑入槽底部。確保了獲取到的圖像中三極管擁有正確的位姿。

2 基于邊緣的位姿檢測(cè)

硬件系統(tǒng)采用了定位模具保證管子的位姿，但管子在凹槽內(nèi)仍不可避免的存在輕微的傾斜和旋轉(zhuǎn)，采用邊緣點(diǎn)檢測(cè)擬合邊緣線的方法尋找管子矩形，根據(jù)矩形的中心位置和旋轉(zhuǎn)角度來(lái)對(duì)準(zhǔn)參考圖像與目標(biāo)圖像。

實(shí)現(xiàn)圖像的邊緣點(diǎn)檢測(cè)就是用離散化梯度逼近函數(shù)計(jì)算每一個(gè)像素位置的梯度值和梯度方向，滿足閾值要求和方向要求的灰度躍變位置即為邊緣點(diǎn)?，F(xiàn)實(shí)情況的邊緣都是斜坡性邊緣，這就使得邊緣檢測(cè)的首要工作是濾波。對(duì)比Sobel算子，Log算子，Canny算子各自的優(yōu)缺點(diǎn)[4]后本文采用Canny算子尋找邊緣點(diǎn)。

邊緣點(diǎn)檢測(cè)之前，劃定檢測(cè)的感興趣區(qū)域，這里使用的感興趣區(qū)域是一條方向線段，規(guī)定邊緣點(diǎn)的檢測(cè)方向是從線段的起點(diǎn)到終點(diǎn)。本文的圖像處理需要用到的邊緣點(diǎn)檢測(cè)目的主要是在限定區(qū)域檢測(cè)滿足梯度閾值及方向的點(diǎn)，方向即從亮到暗或從暗到亮。判斷方向時(shí)需要兼顧檢測(cè)方向的影響。檢測(cè)方向不同，x向、y向的一階偏導(dǎo)對(duì)于判斷明暗變化的影響比重也不同，因此給出如下的判斷表達(dá)式：

3 缺陷檢測(cè)

3.1 基于差影的雙模板匹配法

用于缺陷檢測(cè)的模板匹配技術(shù)常用的有兩種：差影法和灰度相關(guān)法。差影法的基本原理是將待檢測(cè)圖像與模板圖像做像素差，對(duì)得到的差值圖像進(jìn)行判斷是否存在缺陷及缺陷大小和位置；灰度相關(guān)法則是計(jì)算待檢測(cè)圖像與模板圖像對(duì)應(yīng)像素間的相似度，根據(jù)相似度的大小確定缺陷所在。兩種方法相比較，由于灰度相關(guān)法算法時(shí)間復(fù)雜度明顯高于差影法，對(duì)于在線檢測(cè)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，顯然不可取，本文所述缺陷檢測(cè)思想仍然沿用差影法的基本原理。

在以下的論述中規(guī)定[gr，c]代表理想圖像，即無(wú)缺陷的圖像，也稱為參考圖像。[fr，c]代表待檢測(cè)圖像。[r，?c]代表像素坐標(biāo)。

為檢測(cè)出待測(cè)圖像與理想圖像的偏差，僅需要將兩幅圖像的對(duì)應(yīng)像素相減即可。通常并不關(guān)心缺陷是偏亮區(qū)域還是偏暗區(qū)域，因此通過(guò)預(yù)先設(shè)置閾值[gabs]使用以下的等式便可找到缺陷。

此方法對(duì)圖像對(duì)準(zhǔn)有非常高的精度要求。如果物體發(fā)生略微的偏移。那么在待測(cè)圖像與模板圖像的邊緣便會(huì)很容易產(chǎn)生超過(guò)[gabs]的灰度值差異，誤檢缺陷在所難免。另外受到周圍環(huán)境光線變化的影響，該方法也不能給予任何應(yīng)對(duì)策略。然而在實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用中，這些因素都是無(wú)法避免的，針對(duì)以上存在的問(wèn)題，本了以下的工作。

改進(jìn)的匹配方法使用偏差模型[5]學(xué)習(xí)雙模板[6][g1r，c]和[g2r，c]，其中[g1r，c]作為下限模板，[g2r，c]作為上限模板。下限模板由參考圖像與容許偏差的差值確定，上限模板則由參考圖像與容許偏差的和值確定。容許偏差可以從一組訓(xùn)練圖像中計(jì)算得到。一般使用標(biāo)準(zhǔn)偏差來(lái)計(jì)算需要的容許偏差。另外，為了增強(qiáng)抗干擾和抑制噪聲的能力，參考圖像也不再簡(jiǎn)單的使用某一幅理想圖像簡(jiǎn)單獲取，也應(yīng)該從一組訓(xùn)練圖像中計(jì)算像素均值得到。n幅圖像的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算如下：

這里還需引入可調(diào)倍數(shù)常量[p]，[q]和可調(diào)絕對(duì)常量[a]，[b]。一般情況由一個(gè)小的可調(diào)倍數(shù)乘以標(biāo)準(zhǔn)差即得到所需的容許偏差，用戶只需合理設(shè)置[p]，[q]值調(diào)節(jié)容許偏差。然而當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)偏差大大小于被測(cè)圖像偏差時(shí)，這樣的方法就顯得很不好，因此引入絕對(duì)常量，當(dāng)某處容許偏差小于絕對(duì)常量時(shí)，使用絕對(duì)常量值替代容許偏差值。

考慮到環(huán)境光線變化的影響，引入環(huán)境光因子[θ]，在對(duì)模板與待測(cè)圖像做減法比較之前，計(jì)算待測(cè)圖像像素均值[m0]和模板圖像均值[m1]，[m0]和[m1]的比例關(guān)系即代表[θ]，令模板圖像的每一個(gè)像素乘以環(huán)境光因子[θ]，可有效抑制環(huán)境光帶來(lái)的不穩(wěn)定圖像質(zhì)量造成的缺陷誤檢，以下給出了圖像分割公式：

3.2 缺陷提取

圖像的幾何特征在圖像處理中起著十分重要的作用。利用區(qū)域特征的大小、位置、方向等來(lái)確定物體的位置并識(shí)別它們。特征值量度的合理選取可以有效地減小誤檢率。本文采用Blob算法提取已經(jīng)分割的缺陷特征。Blob算法用于從背景中分離目標(biāo)，測(cè)量目標(biāo)的形態(tài)參數(shù)，包括面積、周長(zhǎng)、寬度、高度、細(xì)長(zhǎng)度、數(shù)量等。與基于逐點(diǎn)像素處理的算法相比，該算法處理速度快，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)在線檢測(cè)系統(tǒng)中。

盡管上述處理方法已經(jīng)在抑制噪聲方面做了很多工作，但分割后的圖像仍可能存在偽缺陷，因此通過(guò)設(shè)置特征閾值來(lái)抑制缺陷誤檢，如寬度閾值、高度閾值、面積閾值、周長(zhǎng)閾值，當(dāng)檢測(cè)的Blob對(duì)象分別滿足各方面的閾值要求時(shí)，則認(rèn)為是缺陷，否則被判定為噪聲點(diǎn)。

4 缺陷檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

硬件環(huán)境如下，相機(jī)：SONY XC-HR50；鏡頭：50mm；曝光時(shí)間：5ms

軟件環(huán)境如下：基于OpenCV的VC++編程實(shí)現(xiàn)

檢測(cè)目標(biāo)：SOD323半導(dǎo)體器件的塑封表面缺陷檢測(cè)

硬件系統(tǒng)采用了定位模具保證了待測(cè)元件有較精確的定位，每幅圖像中，器件的位置只有細(xì)微的偏差。因此，檢測(cè)開始之前根據(jù)模具的位置劃定感興趣區(qū)域。這種方法稱之為圖像局部分析法。

使用該方法的必要性主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

1） 本系統(tǒng)用于在線工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)用于三個(gè)工位的實(shí)時(shí)檢測(cè)，要求每個(gè)工位的檢測(cè)時(shí)間不得超過(guò)50ms，在硬件上采用四核處理器的計(jì)算機(jī)，軟件上采用多核多線程編程技術(shù)，采用局部分析法可以大大的減少圖像數(shù)據(jù)量，有效地降低圖像處理時(shí)間。

2） 待測(cè)器件表面塑封材料微小顆粒分布的不均勻性以及環(huán)境光造成的光線不均勻都會(huì)影響成像質(zhì)量。圖像中目標(biāo)邊緣幅度大小不一，甚至非邊緣幅度比邊緣更大，這些因素都需要盡量回避，局部分析法將檢測(cè)區(qū)域盡量縮小，干擾量也得以大大減少。

如圖2所示，其中帶箭頭的虛線線段分別代表上下左右四個(gè)感興趣區(qū)域內(nèi)邊緣點(diǎn)的尋找方向，如Top區(qū)域，表示從下到上搜尋邊緣點(diǎn)。十字叉則代表搜尋到的邊緣點(diǎn)。

圖2 邊緣檢測(cè)示意圖

利用OpenCV提供的方法cvFitLine將搜尋到的邊緣點(diǎn)分別擬合為四條邊緣線，圖中管體矩形框已經(jīng)標(biāo)出，計(jì)算矩形的中心位置和旋轉(zhuǎn)角度用于后續(xù)的參考模板與目標(biāo)圖像的對(duì)準(zhǔn)。對(duì)該矩形區(qū)域進(jìn)行平滑圖像處理后計(jì)算該區(qū)域圖像的灰度平均值，得到環(huán)境光因子。對(duì)準(zhǔn)模板和目標(biāo)圖像，逐一比較像素灰度值，如果灰度值不在兩個(gè)模板的閾值范圍內(nèi)則被認(rèn)為缺陷。

5 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的缺陷檢測(cè)算法的分析和運(yùn)用，利用模具和邊緣定位獲取到物體可靠位姿，縮小了在線檢測(cè)范圍，有效提高了檢測(cè)效率。結(jié)合半導(dǎo)體器件的塑封缺陷特征，采用雙模板匹配法，有效的抑制了噪聲和環(huán)境光對(duì)缺陷識(shí)別的影響。

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閾值分割的基本原理范文第4篇

醫(yī)學(xué)圖像處理教學(xué)需要課堂教授，更需要加強(qiáng)實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)[2-3]，但由于課時(shí)和實(shí)驗(yàn)條件的限制，傳統(tǒng)授課有時(shí)難以達(dá)到教學(xué)要求，而虛擬實(shí)驗(yàn)則可彌補(bǔ)這方面的局限[4]：通過(guò)將Matlab仿真技術(shù)與GUI界面設(shè)計(jì)引入到教學(xué)中，開發(fā)可視化的醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既取得理想的教學(xué)效果，也可培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力、獨(dú)立思考能力和綜合應(yīng)用能力[5]。醫(yī)學(xué)生通過(guò)圖像處理仿真熟悉各種醫(yī)學(xué)圖像處理方法的原理，并通過(guò)調(diào)整參數(shù)，了解參數(shù)變化對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理效果的影響。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)

醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想是結(jié)合醫(yī)學(xué)圖像處理的基本理論，通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)的方法強(qiáng)化醫(yī)學(xué)圖像處理的基本思想與核心概念，為醫(yī)學(xué)生的理解和應(yīng)用提供幫助[6]。

通過(guò)GUI界面，醫(yī)學(xué)生可選擇任意感興趣的項(xiàng)目或教師指定的項(xiàng)目進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)[7]。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還提供醫(yī)學(xué)圖像處理相關(guān)課件、圖像處理Matlab編程的教學(xué)視頻、仿真實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書、拓展實(shí)驗(yàn)題等資料，醫(yī)學(xué)生可利用GUI界面隨時(shí)調(diào)入進(jìn)行自學(xué)。

同時(shí)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還提供腦腫瘤fmri處理示例，此示例選取于臨床影像三維顯示的實(shí)際應(yīng)用，幫助醫(yī)學(xué)生了解如何將自己所學(xué)的圖像處理知識(shí)應(yīng)用到工作實(shí)踐中，從而提高醫(yī)學(xué)生的綜合素質(zhì)。

根據(jù)教學(xué)計(jì)劃的要求，醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含醫(yī)學(xué)圖像處理教學(xué)內(nèi)容中所有典型的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，具體內(nèi)容如下：

（1）圖像插值實(shí)驗(yàn)。主要分析最近鄰插值（Nearest Interpolation）、雙線性插值（Bilinear Interpolation）和雙三次插值（Bicubic Interpolation）的原理[8]和Matlab編碼。

（2）圖像銳化實(shí)驗(yàn)。主要分析Roberts算子、Prewitt算子和Sobel算子的原理和Matlab編碼，并且比較每種邊緣檢測(cè)算法對(duì)應(yīng)的6個(gè)結(jié)果，包括原圖、直接梯度輸出圖像、門檻判斷圖像、邊緣規(guī)定圖像、背景規(guī)定圖像和二值圖像。

（3）圖像去噪實(shí)驗(yàn)。主要分析均值濾波、中值濾波、維納濾波等圖像平滑處理算法[9]的原理和Matlab編碼。

（4）圖像融合實(shí)驗(yàn)。主要分析像素灰度值極大/極小融合法、加權(quán)平均融合法、傅里葉變換法的原理[10]和Matlab編碼。

（5）圖像分割實(shí)驗(yàn)。主要分析全局閾值法、大津閾值法、迭代法、最大熵分割法和局部閾值法等圖像分割方法[11]的原理和Matlab編碼。

（6）頭動(dòng)校正實(shí)驗(yàn)。主要研究投影法[12]配準(zhǔn)技術(shù)的原理與Matlab編碼，并且展示投影法頭動(dòng)校正后的效果。

（7）三維可視化實(shí)驗(yàn)。主要研究基于體繪制的三維重建算法[13]原理與Matlab編碼。

例如，在圖像去噪實(shí)驗(yàn)中，加入噪聲的參數(shù)可由用戶自己輸入。針對(duì)噪聲圖像，醫(yī)學(xué)生可以選用不同的平滑算法，自行設(shè)置模板參數(shù)，進(jìn)行圖像去噪處理。通過(guò)觀察加噪效果及比較各種平滑處理算法處理后的結(jié)果，醫(yī)學(xué)生對(duì)平滑算法處理的針對(duì)性、參數(shù)取值范圍和實(shí)驗(yàn)結(jié)果都會(huì)比較熟悉，從而達(dá)到教學(xué)目的（具體操作過(guò)程見第3部分）。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)

使用Matlab圖形用戶界面開發(fā)環(huán)境（Matlab Graphical User Interface Development Environment，GUIDE）創(chuàng)建GUI圖形界面是常用創(chuàng)建Matlab GUI的方法，該方法簡(jiǎn)單易學(xué)，能方便實(shí)現(xiàn)圖形控件的各種功能。醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的GUI界面主要包括虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面、課件界面、實(shí)驗(yàn)名稱界面、各實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面、教學(xué)視頻界面、腦腫瘤fmri處理示例界面等。

醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主界面的主要控件為7個(gè)按鈕（Push Button）。按鈕有多個(gè)功能，如函數(shù)的調(diào)入、界面之間的跳轉(zhuǎn)等。將所需控件移入GUI界面，再對(duì)各控件按照程序要求進(jìn)行屬性編輯，修改完成后，點(diǎn)擊GUI界面工具欄中的運(yùn)行按鈕，即可運(yùn)行設(shè)計(jì)完成的GUI界面，Matlab系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)生成相應(yīng)的M文件。

設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)時(shí)，考慮到醫(yī)學(xué)圖像處理的理論知識(shí)較多，同時(shí)考慮到醫(yī)學(xué)生自學(xué)的要求，將課件與教學(xué)視頻按照由易到難的順序排列。按照教學(xué)要求，設(shè)置7項(xiàng)醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)，而每個(gè)實(shí)驗(yàn)都有實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析等項(xiàng)目，因此設(shè)置成實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析和返回5個(gè)按鈕，以圖像去噪實(shí)驗(yàn)為例。

通過(guò)“實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析”按鈕就可進(jìn)入仿真界面，進(jìn)行仿真分析，如圖1所示。選取相應(yīng)的文件，輸入相應(yīng)的參數(shù)，點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)按鈕，即可對(duì)圖片進(jìn)行加噪去噪處理，并能直接觀察比較處理結(jié)果。

為培養(yǎng)醫(yī)學(xué)生應(yīng)用所學(xué)圖像處理知識(shí)的能力，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)腦腫瘤fmri處理示例板塊。其內(nèi)容是對(duì)腦部fmri原始數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、放大、圖像分割、體重建等操作，對(duì)腦部進(jìn)行三維可視化[14]。腦部MRI圖像的三維顯示就是指利用一系列的二維腦部MRI圖像重建三維圖像模型并進(jìn)行定性定量分析的技術(shù)。通過(guò)三維重建可以科學(xué)、準(zhǔn)確地重建出被檢物體，避免傳統(tǒng)方法中臨床醫(yī)生通過(guò)自己大?X想象的不確定因素[15]。醫(yī)學(xué)生只有親自對(duì)腦部fmri原始數(shù)據(jù)進(jìn)行讀入、預(yù)處理、分割、重建等操作才能得到如圖2所示的腦部輪廓三維圖，從而初步認(rèn)識(shí)自己所學(xué)圖像處理技能的組合應(yīng)用，明確醫(yī)學(xué)圖像處理對(duì)臨床診斷與治療規(guī)劃的意義，達(dá)到學(xué)以致用的效果。

3 仿真實(shí)例分析

每個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目都提供仿真演示示例。以圖像去噪實(shí)驗(yàn)為例，如圖3所示。首先加入方差為0.02的高斯噪聲，修改完參數(shù)后，點(diǎn)擊加入噪聲按鈕就能得到噪聲圖像，如果均值參數(shù)修改為除0以外的任何數(shù)，則不會(huì)顯示任何圖像。然后針對(duì)生成的噪聲圖像，對(duì)其進(jìn)行中值濾波處理、均值濾波處理和維納濾波處理。每次進(jìn)行處理前，都需要輸入模板尺寸，模板尺寸越大，去噪效果越明顯，但是圖像丟失信息也會(huì)更加嚴(yán)重。醫(yī)學(xué)生可通過(guò)反復(fù)修改模板尺寸，比對(duì)每次處理結(jié)果，選出最佳的模板參數(shù)。進(jìn)行三種濾波處理后，醫(yī)學(xué)生可根據(jù)三種濾波處理后的結(jié)果來(lái)總結(jié)每種濾波處理的特點(diǎn)與效果。最后，醫(yī)學(xué)生如果有學(xué)習(xí)或者校驗(yàn)代碼的需要，可以點(diǎn)開對(duì)應(yīng)的主要代碼查看按鈕進(jìn)行代碼查看。

4 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的使用與評(píng)價(jià)

醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的Matlab文件編譯完畢后，生成的可執(zhí)行文件需要Matlab運(yùn)行環(huán)境的支持，如果要將此軟件到其他沒(méi)有Matlab運(yùn)行環(huán)境的機(jī)器，還需要進(jìn)行一項(xiàng)工作，即打包Matlab組件運(yùn)行環(huán)境（Matlab Component Runtime，MCR）[16]。建議采用專業(yè)的安裝包制作軟件Setup Factory將MCR與軟件一起打包，設(shè)置代碼使得安裝包解壓完畢后，自動(dòng)安裝MCR。安裝完成后，點(diǎn)擊編譯的Matlab可執(zhí)行程序，即可運(yùn)行醫(yī)學(xué)圖像處理虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

經(jīng)過(guò)醫(yī)學(xué)圖像處理選修課投入使用后，醫(yī)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性顯著提高。除課堂授課外，大多數(shù)醫(yī)學(xué)生在課后通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行理論自學(xué)和題目自測(cè)，使得總體考核成績(jī)明顯上升，教學(xué)質(zhì)量顯著提高。

閾值分割的基本原理范文第5篇

【關(guān)鍵詞】細(xì)胞分割；分割算法；比較分析

Survey：the research method of cells segmentation algorithm

Chen Aibin，Jiang Xia

（Central South University of Forestry & Technology，College of Computer Science，Hunan Changsha 410004，China）

Abstract：With the development of modern technology，computer processing cells plays an important role in medical diagnostics and medical image processing.Cell division is cellular feature extraction and recognition foundation.Segmentation of accurate medical images is challenging task from the cell image.Automatic identification of the cells produced a study of the demand for effective segmentation.people made a different image segmentation algorithms based on different characteristics，such as the threshold，a watershed algorithm.In this paper，various methods of cell division system analysis，and detail the advantages and disadvantages of each methods.

Key words：cell division；segmentation algorithm；comparative analysis

1.引言

圖像分割是根據(jù)圖像的某些特征或特征相似的集合，對(duì)圖像進(jìn)行分組聚類，把圖像分成若干個(gè)特定的，有意義的區(qū)域并提取出感興趣的目標(biāo)技術(shù)和過(guò)程。它使圖像高級(jí)處理階段的圖像分析和圖像識(shí)別等處理過(guò)程的數(shù)據(jù)量大大減少，并保留圖像結(jié)構(gòu)的重要信息。細(xì)胞分割的精度對(duì)細(xì)胞分割有重要作用，它的好壞直接影響細(xì)胞分析。細(xì)胞分割到今天仍沒(méi)有取得圓滿成功的幾個(gè)重要原因是：（1）細(xì)胞圖像很復(fù)雜，不僅有白血細(xì)胞、紅細(xì)胞和血小板還有其它東西，而且根據(jù)白細(xì)胞的成熟程度不同可以分為20多種不同的類別。（2）細(xì)胞圖像經(jīng)常受染色不均勻，光照不一致的影響，導(dǎo)致灰度值發(fā)生變化。（3）細(xì)胞圖像經(jīng)常重疊，沒(méi)有明顯的邊界。（4）細(xì)胞的大小變化很大，細(xì)胞核的形狀各種各樣。這些使得細(xì)胞分割是一個(gè)困難和富有挑戰(zhàn)的任務(wù)。所以，我們有必要針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像這個(gè)領(lǐng)域?qū)?xì)胞圖像分割方法進(jìn)行研究。本文對(duì)細(xì)胞分割的各種方法進(jìn)行系統(tǒng)分析。

2.常用的圖像分割方法

為了解決醫(yī)學(xué)圖像細(xì)胞分割的難題，多年來(lái)許多研究人員做了大量的工作，研究出了很多有用的分割方法。隨著閾值分割，活動(dòng)輪廓，邊緣檢測(cè)和形態(tài)學(xué)等方法在圖像分割中廣泛應(yīng)用，活動(dòng)輪廓，多光譜等新出現(xiàn)的算法也不斷的用于解決細(xì)胞分割的問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)一些具體應(yīng)用的醫(yī)學(xué)圖像分割提出了不少好的分割方法。

2.1 基于閾值分割的方法

閾值分割法是一種基于區(qū)域的圖像分割技術(shù)，其基本原理是：通過(guò)設(shè)定不同的特征閾值，把圖像象素點(diǎn)分為若干類。常用的特征包括：直接來(lái)自原始圖像的灰度或彩色特征；由原始灰度或彩色值變換得到的特征。閾值選取方法有多種，如Mode法、Otsu法、熵方法、P-tile法和最小誤差法等。由于閾值分割算法原理簡(jiǎn)單，計(jì)算量比較小，但它依賴閾值的選擇，廣泛的應(yīng)用于早期的細(xì)胞分割。在目標(biāo)和背景差異比較大的圖像可以用全局閾值，柯行斌，王汝傳[1]在已經(jīng)經(jīng)過(guò)預(yù)處理的圖像上用全局閾值分割白血細(xì)胞，發(fā)現(xiàn)比匹配法分割的效果好一些。而細(xì)胞的胞漿和背景相差不大，因此用單一的閾值分割很難取得很好的效果。王任揮[2]提出用最大信息熵原理來(lái)確定多閾值分割彩色細(xì)胞，能基本區(qū)分細(xì)胞的細(xì)胞核、細(xì)胞漿及背景區(qū)域，但不能得到清晰的細(xì)胞輪廓。由于多閾值一般是設(shè)置兩個(gè)值，而細(xì)胞圖像一般比較復(fù)雜，很難得到明顯的雙峰的直方圖，這就需要設(shè)置局部閾值。局部閾值分割法是將原始圖像劃分成較小的圖像，并對(duì)每個(gè)子圖像選取相應(yīng)的閾值。自適應(yīng)閾值可以根據(jù)特征不同產(chǎn)生不同的合適的閾值，因此適合分割處理大多數(shù)圖像。馬保國(guó)，喬玲玲[3]提出的自適應(yīng)閾值分割，先對(duì)圖像各像素進(jìn)行梯度計(jì)算，然后局部用最大類間方差法分割。這種算法對(duì)有噪聲的白血細(xì)胞圖像也能取得一定的效果。下列圖1對(duì)四個(gè)圖的細(xì)胞對(duì)比閾值分割的效果?？偟膩?lái)說(shuō)，閾值分割只考慮灰度信息沒(méi)有考慮空間信息，不適用于多通道圖像，也不適用于特征值相差不大的圖像，并且對(duì)噪聲和灰度不均勻敏感。

2.2 分水嶺分割

分水嶺分割方法，是一種基于拓?fù)淅碚摰臄?shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的分割方法，其基本思想是把圖像看作是測(cè)地學(xué)上的拓?fù)涞孛?，圖像中每一點(diǎn)像素的灰度值表示該點(diǎn)的海拔高度，每一個(gè)局部極小值及其影響區(qū)域稱為集水盆，而集水盆的邊界則形成分水嶺。分水嶺的概念和形成可以通過(guò)模擬浸入過(guò)程來(lái)說(shuō)明。在每一個(gè)局部極小值表面，刺穿一個(gè)小孔，然后把整個(gè)模型慢慢浸入水中，隨著浸入的加深，每一個(gè)局部極小值的影響域慢慢向外擴(kuò)展，在兩個(gè)集水盆匯合處構(gòu)筑大壩，即形成分水嶺。在細(xì)胞處理過(guò)程中，由于設(shè)備或人為原因，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)細(xì)胞粘連程度分布不均勻的情況，這樣分割起來(lái)很困難，分水嶺算法經(jīng)常用于處理這類問(wèn)題。丁宏和王澤提出用先對(duì)細(xì)胞圖像用距離變換和對(duì)種子點(diǎn)改進(jìn)，再用分水嶺算法分割，如果種子定位精確的情況下，粘連的細(xì)胞分割能取得很好的效果。分水嶺算法直觀，快速，可以并行處理并具有分割精度高的優(yōu)點(diǎn)。但用分水嶺方法進(jìn)行圖像分割時(shí)，容易造成圖像的過(guò)度分割而且對(duì)噪聲特別敏感。一般都通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理和區(qū)域合并的改進(jìn)來(lái)抑制圖像過(guò)分分割。謝文娟[4]等提出采用形態(tài)學(xué)基本運(yùn)算，運(yùn)用交替序貫濾波對(duì)白血細(xì)胞圖像進(jìn)行濾波處理，然后采用多尺度形態(tài)梯度代替形態(tài)學(xué)梯度。利用開重建細(xì)胞圖像，減少極小值標(biāo)記點(diǎn)，減少過(guò)分割產(chǎn)生的區(qū)域。通過(guò)對(duì)白血細(xì)胞預(yù)處理的改進(jìn)，有效的解決噪音引起的白血細(xì)胞過(guò)分分割。包振健，邸書靈[5]提出一種混合的分水嶺策略來(lái)分割骨髓細(xì)胞圖像，它是用標(biāo)記的形態(tài)學(xué)重建和基于區(qū)域相似度的區(qū)域合并算法來(lái)克服分水嶺對(duì)標(biāo)記點(diǎn)敏感的缺點(diǎn)。針對(duì)分水嶺算法的缺點(diǎn)并結(jié)合自身的研究需求，許多學(xué)者提出4種方法對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，預(yù)處理濾波，這個(gè)主要是在預(yù)處理消除圖像噪聲，標(biāo)記、區(qū)域合并和其它方法，后面這三種方法主要是針對(duì)過(guò)分分割這一優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。圖2為標(biāo)記分水嶺算法實(shí)驗(yàn)效果。

2.3 基于模糊理論算法分割

有些分割方法很容易產(chǎn)生過(guò)分分割，如上面提到的分水嶺算法，而模糊聚類分割算法就很好彌補(bǔ)了這一方面的缺失。模糊聚類是根據(jù)事物間的相似性進(jìn)行區(qū)分和分類的過(guò)程，它將數(shù)據(jù)劃分為不同組或類的過(guò)程，并使同一個(gè)組內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)象具有較高的相似程度，而且不同組中的數(shù)據(jù)對(duì)象則是不相似。模糊理論算法中最常用的是模糊C-均值聚類算法，模糊C均值聚類（FCM），是用隸屬度確定每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)屬于某個(gè)聚類的程度的一種聚類算法。模糊C均值聚類算法的優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)算簡(jiǎn)單，收斂比較快，適合處理數(shù)據(jù)量大的圖像，它的缺點(diǎn)是對(duì)初始中心很敏感，易陷入局部極小值而難收斂到聚類中心。用模糊C均值處理圖像一般采用改進(jìn)的C均值聚類算法，或者用C均值聚類算法和別的算法結(jié)合使用，這樣可以揚(yáng)長(zhǎng)避短。S.Chinwaraphat[6]提出改進(jìn)FCM算法消除由于散射或假的聚類造成不明顏色或像素之間的相似性和等離子體胞質(zhì)背景。Nipon Theera-Umpon[7]用模糊C均值聚類方法對(duì)細(xì)胞過(guò)份分割，然后再結(jié)合形態(tài)學(xué)對(duì)細(xì)胞進(jìn)行開與閉運(yùn)算去除小孔和平滑邊緣。下面圖3為此方法自動(dòng)分割和用手動(dòng)分割圖的比較。聚類算法中還有一個(gè)常用的是K均值聚類。EunSang Bak，KayvanNajarian[8]提出K均值聚類算法和自適應(yīng)閾值分割方法結(jié)合使用分割細(xì)胞，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出分割效果比較好?，F(xiàn)在研究人員主要研究是模糊聚類算法如何優(yōu)化初始中心和如何不陷入局部最小值。

Myeloblast Promylocyte Myelocyte Mctamyclocyte Band PMN

2.4 基于可形變模型的方法

可形變模型最初用來(lái)解決計(jì)算機(jī)視覺和計(jì)算機(jī)圖像的一種方法，但很快就被應(yīng)用到醫(yī)學(xué)圖像細(xì)胞處理技術(shù)中，如邊緣檢測(cè)，匹配等等?？尚巫兡Ｐ涂梢苑譃閰?shù)可形變模型和幾何可形變模型。參數(shù)可形變模型就是把研究的曲線或曲面直接表示出來(lái)，它可以對(duì)模型直接干預(yù)，并且可以為快速實(shí)時(shí)應(yīng)用提供緊湊的表達(dá)形式，但不可以改變模型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而幾何可形變模型容易實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋵W(xué)的變化，容易空間維數(shù)擴(kuò)展。細(xì)胞分割常用的可形變模型有參數(shù)型的Snake算法和幾何型的水平集算法。傳統(tǒng)的可形變模型的缺陷是運(yùn)算量大，難收斂于凹形區(qū)域。Snake模型是通過(guò)尋找自身能量函數(shù)的極小值，這個(gè)值是由內(nèi)部和外部函數(shù)獲得，使曲線由初始區(qū)域向目標(biāo)真實(shí)輪廓靠近并調(diào)整形狀以逼近目標(biāo)輪廓的算法。所以基于參數(shù)的活動(dòng)輪廓算法的缺點(diǎn)是對(duì)初始輪廓的要求很高，優(yōu)點(diǎn)是整個(gè)算法就是一個(gè)特征提取的過(guò)程。一般對(duì)參數(shù)形輪廓進(jìn)行改進(jìn)，一方面會(huì)針對(duì)獲得高質(zhì)量的初始輪廓進(jìn)行改進(jìn)，另一方面對(duì)外部能量算法進(jìn)行改進(jìn)以便有效指引關(guān)鍵點(diǎn)朝著正確的目標(biāo)方向運(yùn)動(dòng)。楊誼[9]提出基于Snake模型的細(xì)胞圖像分割新方法研究就是從這兩方面分別進(jìn)行改進(jìn)的。Farnoosh Sadeghian，Zainina Seman[10]也是先對(duì)細(xì)胞圖像先預(yù)處理再用canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，然后才用改進(jìn)的GVF Snake獲取清晰的邊緣，如圖4。水平集活動(dòng)輪廓對(duì)初始輪廓并不很敏感但它的收斂速度比較慢。傳統(tǒng)的水平集分割比較適合分割不粘在一起的細(xì)胞，而YayunZhou[11]提出的多相水平集能較好的分割粘連細(xì)胞，并提出改進(jìn)水平集收斂于Mumford-Shah函數(shù)以提高收斂速度。

2.5 其它分割方法

除了上面提到的細(xì)胞分割算法，還有遺傳算法，形態(tài)學(xué)，區(qū)域增長(zhǎng)，光譜算法等。

遺傳算法是模擬達(dá)爾文生物進(jìn)化論的自然選擇和遺傳學(xué)機(jī)理的生物進(jìn)化過(guò)程的計(jì)算模型，是一種通過(guò)模擬自然進(jìn)化過(guò)程搜索最優(yōu)解的方法。它的優(yōu)點(diǎn)是有很好的收斂性，計(jì)算時(shí)間少，魯棒性。缺點(diǎn)是不可以很好的處理大規(guī)模計(jì)算量的問(wèn)題。候振杰，潘新[12]提出一種基于熵的遺傳聚類算法。用遺傳算法和聚類分析及熵結(jié)合分割骨髓細(xì)胞。

數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)是由一組形態(tài)學(xué)的代數(shù)運(yùn)算子組成的，它的基本運(yùn)算有4個(gè)：膨脹、腐蝕、開啟和閉合，它們?cè)诙祱D像和灰度圖像中各有特點(diǎn)?；谶@些基本運(yùn)算還可推導(dǎo)和組合成各種數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)實(shí)用算法，用它們可以進(jìn)行圖像形狀和結(jié)構(gòu)的分析及處理。孫萬(wàn)蓉，俞卞章[13]提出用形態(tài)金字塔分割細(xì)胞圖像，再用流域算法對(duì)低分辨率圖像進(jìn)行分割，然后再?gòu)?fù)合得到原始圖像。

區(qū)域增長(zhǎng)算法一般和別的算法結(jié)合一起使用，單獨(dú)分割效果很差。王瑞胡[14]提出用自適應(yīng)曲面多尺度曲面擬合的方法，對(duì)腐蝕圖像得到的種子區(qū)域進(jìn)行擬合和區(qū)域生長(zhǎng)。在分水嶺算法中有時(shí)也用到區(qū)域增長(zhǎng)算法。由于遺傳算法計(jì)算量很大而且分割效果不是很好，一般和其它的算法結(jié)合使用。

多光譜算法郭寧寧[15][16]提出的多光譜算法和其它算法不同，它更依賴于硬件設(shè)備，是一種新穎的分割方法。它把光譜圖像看成一個(gè)三維的圖像表示光譜信息和空間信息，不同的灰度對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)，得到唯一的光譜曲線。再用支持向量機(jī)分割圖像。Xuqing Wu，Shishir K.Shah[17]提出自下而上和自上而下的條件隨機(jī)域模型，它不僅從光譜域來(lái)考慮還從空間域考慮分割。

3.多種方法結(jié)合

細(xì)胞分割的算法有很多，但每種算法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，單獨(dú)用于分割的時(shí)候算法均不是很理想。所以現(xiàn)在很多的學(xué)者把多種算法結(jié)合利用，取其所長(zhǎng)，避其所短，這樣得到的分割效果就大大的提高，但它的缺點(diǎn)是運(yùn)算量特別的大。蔡雋[17]提出先用HIS空間中的S飽和度分割細(xì)胞核，然后利用連通域標(biāo)記法得到白細(xì)胞個(gè)數(shù)確定細(xì)胞窗再用改進(jìn)的流域算法得到細(xì)胞漿的粗分割并用它作為細(xì)胞的初始輪廓，再用改進(jìn)的GVF算法得到細(xì)胞的精確分割。這樣子分割出來(lái)的細(xì)胞準(zhǔn)確率高，魯棒性好但運(yùn)算時(shí)間特別長(zhǎng)。Farnoosh Sadeghian，Zainina Seman[9]用canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，然后用GVF Snake獲取清晰的邊緣，分割細(xì)胞質(zhì)是用zack閾值分割，并且在這算法中還用到形態(tài)學(xué)里的開與閉運(yùn)算。J.Cheewatanon，T.Leauhatong[19]提出用mean shift濾波方法去除噪音，保持很好的細(xì)胞結(jié)構(gòu)邊緣，再用CIE LAB彩色空間用區(qū)域增長(zhǎng)的方法進(jìn)行分割，再用活動(dòng)輪廓提出提取白血細(xì)胞的邊界。

4.總結(jié)與展望

細(xì)胞分割的算法有很多，但每種算法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，單獨(dú)用于分割的時(shí)候算法均不是很理想。所以現(xiàn)在很多的學(xué)者把多種算法結(jié)合利用，取其所長(zhǎng)，避其所短，這樣得到的分割效果就大大的提高，但它的缺點(diǎn)是運(yùn)算量特別的大。蔡雋[17]提出先用HIS空間中的S飽和度分割細(xì)胞核，然后利用連通域標(biāo)記法得到白細(xì)胞個(gè)數(shù)確定細(xì)胞窗再用改進(jìn)的流域算法得到細(xì)胞漿的粗分割并用它作為細(xì)胞的初始輪廓，再用改進(jìn)的GVF算法得到細(xì)胞的精確分割。這樣子分割出來(lái)的細(xì)胞準(zhǔn)確率高，魯棒性好但運(yùn)算時(shí)間特別長(zhǎng)。Farnoosh Sadeghian，Zainina Seman[8]用canny算子進(jìn)行邊緣檢測(cè)，然后用GVF Snake獲取清晰的邊緣，分割細(xì)胞質(zhì)是用zack閾值分割，并且在這算法中還用到形態(tài)學(xué)里的開與閉運(yùn)算。J.Cheewatanon，T.Leauhatong[18]提出用mean shift濾波方法去除噪音，保持很好的細(xì)胞結(jié)構(gòu)邊緣，再用CIE LAB彩色空間用區(qū)域增長(zhǎng)的方法進(jìn)行分割，再用活動(dòng)輪廓提出提取白血細(xì)胞的邊界。

通過(guò)對(duì)醫(yī)學(xué)領(lǐng)域白血細(xì)胞中常用的圖像分割算法比較，系統(tǒng)分析各種算法的優(yōu)缺點(diǎn)。近年來(lái)，許多研究人員致力于研究白血細(xì)胞分割算法，并出了很多的研究成果。但由于白血細(xì)胞分割本身的困難，至今還沒(méi)有一種通用算法分割細(xì)胞圖像。除了細(xì)胞結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，準(zhǔn)確率要求必須很高。雖然細(xì)胞分割取得一定的成就，但面對(duì)臨床應(yīng)用的準(zhǔn)確率還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。人們逐漸認(rèn)識(shí)到任何一種算法單獨(dú)分割都難達(dá)到很好的效果，在不斷的研究和改進(jìn)某種算法和創(chuàng)新算法的同時(shí)也注重多種算法結(jié)合使用，并研究怎么樣結(jié)合才能突出各自的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)三維甚至多維的彩色圖像分割技術(shù)也一直受到人們的關(guān)注。在彩色圖像中能夠提取到的信息量比灰度圖像更為豐富，有利于后續(xù)的研究。近年來(lái)由用戶參與控制、引導(dǎo)的交互式分割方法技術(shù)在醫(yī)學(xué)圖像分割中正受到越來(lái)越多的人關(guān)注。目前人們?nèi)栽诶^續(xù)研究更先進(jìn)的成像技術(shù)和更復(fù)雜的圖像處理算法。

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