基于改進Canny算子的雙水平集醫學圖像分割

李祥健，朱家明，徐婷宜

(揚州大學 信息工程學院，江蘇 揚州 225127)

0 引言

自20世紀70年代開始，圖像分割得到了廣大學者的重視，提出了上百種的分割方法，大致可以分為基于邊緣的分割方法、基于區域的分割方法、基于能量泛函的方法、基于特定理論的方法[1]。水平集方法在1988年首次被提出來，用于解決流體力學的問題，它將一個二維演化曲線嵌入到一個三維空間函數中，通過求解這個空間函數的極小值得到最終的演化結果[2]。后來有學者在此基礎上改進了水平集模型，克服了基于邊界水平集模型容易發生邊界泄露、對初始條件苛刻的缺點。

CV模型的提出后，受到了學者的廣泛關注。傳統的水平集由于圖像的離散性以及外界噪聲的影響，經過一段時間演化后會逐漸失去光滑性并出現尖角，因此需要周期性地重新初始化函數。為了解決這個問題，文獻[3]提出在水平集函數中加入能量懲罰項，縮短了水平集演化時間。醫學圖像中往往包含多個目標區域，傳統的單相水平集無法分割，文獻[4]提出多相水平集的方法，用N個水平集函數表示2N個相，但是MRI圖像往往存在灰度不均勻的現象，直接運用多相水平集模型進行分割，很難得到理想的分割結果。因此Wells等人在水平集模型中加入了偏移場矯正，可以較為準確地分割醫學圖像，但算法計算量大，運行時間較長。

醫學圖像存在灰度不均勻和邊界復雜的問題，傳統的雙水平集模型無法達到理想的分割效果，因此本文將Canny算子與水平集模型相結合，首先在Canny算子的基礎上加入梯度模板，用來解決傳統Canny算子無法完全檢測出復雜圖像邊緣的問題；然后將檢測后的圖像融入到雙水平集模型中，通過在水平集模型中加入偏移場來解決灰度不均勻的問題，實驗證明，本文模型既提高了分割的精度，又縮短了分割時間。

1 Canny算子

1.1 傳統的Canny算子

Canny算子邊緣檢測根據圖像梯度變化進行檢測[5]，將有用的信息從中提取出來。Canny算子在處理圖像邊緣信息時的精確度較高，是一種標準的多級檢測算法，在實際應用中較為廣泛。Canny算子一般包括高斯濾波、計算梯度強度和方向、非極大值抑制以及閾值算法檢測和連接邊緣四個步驟。

高斯濾波主要作用是去除噪聲，一般噪聲都是集中于高頻信號，在分割時會被誤認為是圖像邊緣，所以首先要減少噪聲，才能提高分割時的精確度。圖像中的邊緣會指向不同的方向，所以需要采用不同的方向模板，以保證檢測的準確性，一般采用水平和垂直兩個方向模板。經過模板檢測后圖像的梯度邊緣具有多個像素寬，為得到清晰的梯度圖，通常采用非極大值抑制的方法，將最大的梯度保留下來。最后，通過雙閾值消除噪聲和顏色變化引起的小梯度值。

1.2 改進的Canny算子

傳統的Canny算子在計算梯度強度和方向時，一般只從水平和垂直兩個方向進行檢測，梯度幅值和梯度方向如下所示：

(1)

θ=arctan(Gy/Gx)。

(2)

在實際應用中圖像邊緣會指向不同方向，僅從水平和垂直兩個方向檢測，往往會檢測出偽邊緣，為解決這個問題，本文在此基礎上增加了對45°和135°方向的檢測，其梯度幅值和梯度方向如下所示：

(3)

(4)

為比較傳統Canny算子與改進后Canny算子對圖像邊緣檢測的區別，選取了腦部MRI圖像，分別用兩種方法對圖像邊緣進行檢測，檢測結果如圖1所示。

2 水平集模型

2.1 雙水平集

CV模型[6]是由MS模型演化而來，它將MS模型中的分段光滑函數用一個分段常值函數替代，可以將圖像分為目標和背景兩個區域，水平集的能量泛函如下所示：

(5)

式中，c1,c2分別為：

(6)

(7)

傳統的CV模型對單目標和灰度均勻的圖像分割效果較好，但是無法分割多目標的復雜圖像。為了完成對復雜圖像的分割，本文采用DCV模型即雙水平集模型進行分割[7]，用兩條水平集函數將圖像分為4個互不重疊的部分Ω1，Ω2，Ω3，Ω4，其能量泛函如下：

(8)

2.2 雙肼勢函數

水平集函數在演化過程中，經過一段時間后會失去光滑性，導致計算結果偏離真實情況，因此在演化過程中需要多次重新初始化水平集函數[8]，造成演化過程耗時太長，為了避免這個現象，提出在水平集模型中加入能量懲罰項，采用單肼勢函數作為距離規則化項，表達式如下：

(9)

(10)

式(9)是距離規則化項表達式，式(10)有唯一的極小值點x=1，由梯度下降流公式得：

(11)

式(11)是一個擴散方程，擴散率D=φdp(|?φ|)，當|?u|趨近于0時，擴散率為負無窮大，會影響數值計算的準確性。為了解決這一問題，本文采用雙肼勢函數來代替單肼勢函數，其表達式為：

(12)

式中，方程的擴散率為有界常數，避免了趨于無窮大的現象，提高了數值解精度。

2.3 偏移場擬合

醫學圖像在成像過程中，由于光照或者成像設備的原因，會導致灰度不均勻的現象[9]，也就是偏移場，偏移場的產生會影響對圖像病灶區域的分割，造成診斷結果的不準確性。目前普遍采用的MRI圖像模型如下：

J(x)=b(x)I(x)+n(x)，

(13)

式中，J(x)為觀測到的圖像，b(x)表示偏移場，I(x)為真實圖像，n(x)表示噪聲[10]。通常采用一組正交基函數來線性擬合偏移場，或者通過log轉換運算將偏移場線性化[11]，然后引入一個高斯核窗口函數來限定鄰域區間，得到最終的能量方程為：

E=λ1?ΩK(y-x)|J(x)-b(x)c1|2H(φ)dxdy+

λ2?ΩK(y-x)|J(x)-b(x)c2|2(1-H(φ))dxdy。

(14)

這種模型中用分段常值來表示圖像灰度，并且認為灰度的不均勻變化是一個平滑的過程，但實際中真實圖像的灰度不是分段常值，而且偏移場也不是連續光滑的[12]，這樣會影響最終分割結果的精確度。為了解決這個問題，本文采用一個模糊隸屬度函數來表示含偏移場的圖像，假設圖像中含有n個不同的組織，每一個組織的灰度值為一個常數，那么含偏移場的圖像可以表示為：

(15)

(16)

3 Canny算子與水平集模型

用Canny算子對圖像進行邊緣檢測，將處理結果G(x,y)代替水平集算法中的原圖I(x,y)，并且在水平集距離規則化項中采用雙肼勢函數，最后加入偏移場擬合得到能量方程：

E=E(c1,c2,c3,c4,φ1,φ2)+βp(φ)+J(φ)=

(17)

式中，Mi(φ)表示圖像的4個區域，其中，i=1,2,3,4。

(18)

根據Euler-Lagrange方程求解，得到水平集方程分別為：

((u0-c1)2-(u0-c3)2)Hε(φ2)-

βdiv(dp(|?φ1|)?φ1)，

(19)

((u0-c1)2-(u0-c3)2)Hε(φ1)-

βdiv(dp(|?φ2|)?φ2) ，

(20)

(21)

4 實驗結果與分析

本文算法流程：首先通過改進的Canny算子對圖像進行邊緣檢測，避免了偽邊緣的產生，然后在偏移場模型中加入了模糊隸屬度函數，解決了灰度不均勻問題，最后將Canny算子和偏移場融入到雙水平集模型中，實現了對邊界復雜、灰度不均勻圖像的分割。

實驗環境：Matlab 2014a，Windows7，CORE i5 -3230M，CPU 2.60 GHz，4.00 GRAM。

實驗參數：μ=0.001*2552，Δt=0.01，v=1，水平集函數迭代次數為50次。

為了驗證本文Canny算子改進后對醫學圖像的分割效果，選取了圖2(a)作為原始圖像，其邊界較為簡單，圖2(b)是傳統Canny算子的分割效果圖，圖2(c)中Canny算子用自適應中值濾波替換高斯濾波[13]，圖2(d)是本文模型的分割效果圖，從最終的分割效果圖可以看出本文模型優于其他兩種方法，能很好地分割出圖像邊緣。

(a) 醫學圖像

為了驗證本文模型對復雜圖像分割的有效性，選取了圖3(a)作為原圖，分別用三種Canny算子對其進行分割，從最終分割效果圖可以看出，其他兩種算法會出現偽分割現象，而本文模型能準確地分割出邊緣。

(a) 醫學圖像

為了驗證本文模型對于灰度不均勻圖像的分割效果，選取了兩幅信息量不同的醫學圖像。圖4(a)的信息量較小，通過去除偏移場之后能很好地保留原圖像的信息，圖4(d)的信息量較大，從效果圖4(f)可以看出，去除偏移場之后仍然能夠保持原圖像的基本結構信息，證明了本文模型對于灰度不均勻圖像能夠起到很好的分割效果。

(a) 醫學圖像1

為了比較本文與DCV模型以及LGIF模型[14]在分割精度以及運行時間上的區別，選取了圖5(a)作為原始圖像，分別迭代30次之后效果圖如圖5(b)、(c)、(d)所示。

(a) 原始圖像

表1記錄的是分別采用DCV模型、LGIF模型和本文模型迭代30次所需要的時間，可以看出本文模型運行速度要快于其他兩種模型。

表1 3種不同模型運行時間比較Tab.1 Comparison of running time of three different models

為了更加科學直觀地比較三種方法對醫學圖像的分割效果，本文采用JS指標[15]對分割結果進行分析：

(22)

JS的值決定分割結果的好壞，值越大說明算法的分割效果越好。3種不同算法的JS指標如表2所示，可以看出本文模型可以更好地獲取原圖像的信息，并且雙肼勢函數的加入提高了函數數值解的精度，使得曲線演化更加準確，分割的時間也大大縮短。

表2 3種算法分割的JS值Tab.2 JS values divided by three algorithms

5 結束語

針對醫學圖像中灰度不均勻、邊界復雜的問題，本文在Canny算子的基礎上加入45°和135°方向上的梯度模板，解決了傳統Canny算子檢測時出現偽邊緣的問題，提高了對于復雜邊界圖像的檢測能力，在偏移場模型中加入模糊隸屬度函數，提高了分割的準確度，最后在距離規則化項中使用雙肼勢函數，提高了圖像的分割效率。實驗結果表明，本文模型相比于DCV模型以及LGIF模型，在分割速度上更快，而且對于圖像的分割精度也更高。