[发明专利]一种基于各向异性热核分析的三维图像多尺度特征提取方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于各向异性热核分析的三维图像多尺度特征提取方法，具体涉及一种基于热核理论的三维医学图像分析模型，通过将图像的局部和全局谱分析融入到热传递的理论框架中，实现鲁棒的多尺度点特征提取。

背景技术

三维医学影像数据分析的数学建模方法涉及到热核理论应用、图像特征提取和基于热扩散的图像处理三个方面。

在热核理论应用方面：近年来，物理上的热核和热扩散理论在计算机图形图像处理领域受到了众多研究者的青睐，已在二维流形的多尺度特征提取、平滑处理以及形状检索等方面得到了广泛应用。其中，最重要的原因是：热核天然地蕴含了多尺度的性质，并具有等距变换不变性，这对图形或图像的鲁棒特征提取具有重要意义。如：一种尺度不变的热核信号计算方法被提出，并被应用于形状检索，取得了较好的效果。同时，为了提高在大规模网格模型上进行热核计算的时间效率，提出了一种多分辨率的计算策略来加速热核信号的计算。

在图像的特征提取方面：图像的局部特征可被看作是与周围领域具有显著不同、并表征特定物理意义的一种模态，他们一般蕴含丰富的信息并可通过一些微分量来进行验证。现有的以Harris、Hessian、LOG以及DOG等算子为核心的图像特征提取算法的主要思想是：通过对图像的微分属性分析，提取某种物理量的局部极值，并将其作为特征。因此，这些算法一般对尺度变化、噪声和图像形变等因素都比较敏感。将Harris算子和Hessian算子相结合并辅以尺度选择，是提高图像特征提取鲁棒性的一个可行的策略，而且该方法已被推广到了三维情形。应该说，目前2D SIFT算法仍是最为稳定的二维图像特征提取算法，而且它的高维形式的扩展已经开始出现。

在基于热扩散理论的图像处理方面：在过去的20年中，借助高斯核函数，热扩散理论在图像的多尺度分析领域被广为使用。但是，高斯核一般只能一个很小的邻域内刻画热扩散过程，因为其本质上等价于用各向同性的热传递系数作为权重对原始图像进行卷积处理。自从双边滤波方法被提出来用于边界保持的图像平滑和去噪处理以后，基于各向异性热传递理论的滤波器才开始在二维图像处理领域逐渐流行起来。特别值得指出的是，在二维流形上首先提出的热核信号已被推广用于三维流形，但是这种扩展尚没有考虑三维流形内部材质的差异性。这也是启发我们直接在三维医学图像上研究各向异性热核的一个主要因素。

发明内容

热核理论在流形网格模型建模分析领域已取得引人瞩目的新进展，将其扩展，并与谱图分析理论相结合，在三维医学影像数据建模分析方面具有重要的研究价值。本部分研究内容将热核理论和谱图分析理论进行优势结合，探索将三维医学数据从几何空间非线性映射到特征空间的数学模型，为进而在特征空间对原始医学影像数据进行分析奠定基础。

本发明提出了一种基于各向异性热核分析的三维图像多尺度特征提取方法，包括如下步骤：

（1）借助于黑塞矩阵的特征值和特征向量，设计一种三维图像局部几何结构的向量化表示方法；

（2）通过将特征向量、特征值和上述局部几何结构的比率值进行组合，来定义一个高维的向量场；借助三维图像的全局拉普拉斯矩阵，该向量场的向量化表示将被用于各向异性热传递模型的构建；基于定义的向量场，在三维图像上数学严格地定义了一种各向异性热传递描述模型；

（3）基于定义的各向异性热传递模型，提出用黑塞矩阵的第一特征值来定义热量场；

（4）通过引入特征保持的下采样方法，设计了一种由粗到细的层次化的热核加速策略。

附图说明

图1为算法整体处理流程示意图。

图2不同特征值的不同取值范围所对应的图像。

图3为特征保持的下采样结果。

图4为人头MRI图像特征提取结果及其与3D SIFT方法的效果对比。

图5为人体盆腔CT图像的特征提取结果及其与3D SIFT算法的效果对比。

图6为人体腹部CT图像的特征提取结果及其与3D SIFT算法的效果对比。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。具体实施如下：

1.三维图像的局部和全局结构分析

1.1三维图像局部结构的向量化