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基于Gabor小波变换的医学图像纹理特征分类

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第36卷 第11期 L36 No.1l 计算机工程 2010年6月 June 2010 Computer Engineering ・图形图像处理・ 文章编号:1oo0—3428(2ol0)l1— 200— 3 文献标识码:A 中圈分类号:TP391 基于Gabor小波变换的医学图像纹理特征分类 宋余庆,刘博,谢军 (江苏大学计算机科学与通信工程学院,镇江212013) 摘要:Gabor小波变换技术对医学CT图像进行纹理特征分类时,由于图像拍摄角度的变化会造成分类的误差。针对以上问题,在Gabor 小波变换的基础上提出一种用于分析旋转不变医学图像的方法。该方法采用旋转规范化,即特征元素的循环移位使规范化后所有的图像都 具有相同的主方向。实验结果表明,加入旋转规范化循环算子的Gabor小波变换在医学CT图像纹理特征分类时能够达到较好的精确度。 关健诃:Gabor小波变换;医学图像;纹理特征分类;旋转不变特征;支持向量机 Medical Image Texture Features Classiication fBased on Gabor velet Transform SONG Yu-qing,LIU Bo,XIE Jun (School of Computer Science and Telecommunications Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang 2 1 20 l 3) [Abstract]Gabor wavelet transform lacks in its ability to classify the medical CT image ifit’S rotation invariant image.Aiming at the problem,an approach is presented for rotation invariant medical texture classiicatfion based on Gabor wavelet transform.Rotation normalization is achieved by circular shiR of the feature elements,SO that all images have the same dominant direction.Experimental result shows that Gabor wavelet transform with circular operator ofrotation normalization has well precision to classify the medical CT image. [Key words I Gabor wavelet transform;medical image;texture features classiifcation;rotation invariant features;Support Vector Machine(SVM) 1概述 纹理是图像中非常重要的特征,它为图像识别和理解提 特征分类效率。Gabor小波变换技术可以将图像在多个方向 上进行频带分解,这在某种程度上提高了旋转不变图像的分 类效率l5 J,但对于文章中实验集所采用的医学脑部CT图, 这种复杂的图像,其分类效率仍有待提高。 供了大量的信息。根据纹理特征对图像分类要求对于不同的 图像纹理能够进行适当的描述。在以往的分析研究中已经出 现了许多针对纹理特征提取和分类的方法,如基于统计学知 识的灰度共生矩法(Co.occurrence) 已经被证明是一种成熟 有效的纹理特征分类方法,该方法首先研究图像中2个像素 的灰度级联合分布的统计形式得到纹理特征,如能量、相关 性、方差、熵等,从而实现对图像的纹理特征进行分类。近 年来,基于多通道分析(multi—channe1)的方法,如离散小波变 换方法(DWT) 引起了研究人员的广泛关注。离散小波变换 本文在Gabor小波变换的理论基础上,将图像分解成多 个尺度下的子图像,通过子图像的均值和标准方差旋转规范 化后得出一个相似度判别式,并加入旋转规范化循环算子。 该方法将子图像进行循环移位,从而使原图像与目标图像具 有相同的主方向。这种做法在一定程度上纠正了因旋转角度 而造成的图像间的差异,减少了由于图像旋转一定角度而造 成的分类误判率。 方法是将图像进行离散小波变换,将产生的子频带图像记为 LL1,HL1,LH1,HH1,然后将LL1进行下一尺度下的离散小波 变换产生子频带图像,记为LL2,HL2,LH2,HH2,…直至达到要 求的尺度,在DWT分解后的子频带图像上提取统计特征, 如均值和标准差作为图像的纹理特征,从而实现图像的分类。 2 Gabor小波变换理论 Gabor函数是高斯函数调制的正弦波,其函数表达式及 其傅里叶变换可以写成: 1 f l r 2 ,2] 1 g(x, )=(^_z兀D — D )exp{一÷J二【 LD D J一十 了l| +2Nwx}J  (1) Gabor小波变换技术具有尺度与方向可调性,能够获得更多 的图像细节信息。因此,使用Gabor小波变换技术在纹理分 析领域得到了广泛的研究lj J。 由于灰度共生矩方法是在空间域上实现对小规模邻域像 素点问的纹理特征进行分析,因此该方法对于纹理较为单一 的图像虽然能够实现较好的分类效果,但对于纹理特征丰富 基金项目:国家自然科学基金资助项目“基于密度函数的医学图像 有效特征表达及其提取方法研究”(60841003) 唧㈦I[(/1 -w)2 划 其中,将g(x,Y)看成是经过复数正弦函数调制的Gaussian函 的图像,如文章中实验集所采用的医学脑部CT图,其分类 正确率并不高。离散小波变换方法对于输入的图像,只进行 了水平方向、对角线方向和垂直方向3个方向上的子频带分 作者简介:宋余庆(1959一),男,教授、博士生导师,主研方向:医 学图像处理,数据库技术;刘博,硕士研究生,谢军,副教授 解,这就限制了离散小波变换方法对于旋转不变图像的纹理 一收稿日期:2009—12—1O E—mail:andyboliu@163.corn 200一 数;W为调制频率; , 为高斯函数在X轴、Y轴的均方 差,这2个值决定了高斯函数包络的形状;盯 =1 ̄(2nor); O"=v1/(2 )。 Gabor函数形成了完全非正交的基底函数,用这个基底 扩展的信号提供局部频域描述,这类自相似的函数被称为 Gabor小波。让g(x, )作为母小波,Gabor小波变换可以利用 母函数的膨胀和旋转来获得,即: g ( , )=a,ng(x ,y ) a>1,m, ∈Z (3) 其中,Xr:a-m(xcosO+ysin ; =a-m(一xsinO+ycos ;0= ; /1: k是方向总数;a 是尺度因子。 通过方向数和尺度因子的设置,可以将图像的纹理分解 到多个子频带上,这在一定程度上克服了图像由于旋转一定 角度而造成差异,但对于旋转角度较大的图像,运用这种传 统的Gabor小波变换方法进行纹理特征分类,其分类精度并 不高。 3 加入旋转规范化循环算子的Gabor小波变换 Gabor小波变换中每个子波都有特定的尺度和方向,因 此,通过将小波与图像卷积可以估计出图像在此尺度和方向 下的局部频率大小。如果对于给定的图像I(x,Y),其像素大 小为MxN,那么它的离散小波变换通过下列卷积公式计算 得到: Gm ( , )=∑∑l(x— ,Y—t)g ( ,f) (4) S , 其中,S, 为滤波器的模板大小;gm 为g 的卷积。Gabor 小波的非正交意味着在滤波的图像中存在着冗余信息。为了 减少冗余,中心频率表示[Ul,U 1,k表示方向数,m表示尺 度数,在多分辨分解中,设计的策略就是确保多通道滤波, 由下式计算: :[ J UI (a -I)Uh (5) 和2 一 an 运用不同尺度下不同方向的循环Gabor滤波器组对图像 进行处理,图像在各个子空间的能量通过下式计算得到: E(m, )=∑ZIGm ( , )l (6) 用Gabor小波变换系数的模的平均值 和其标准方差 ,来表示抽取的灰度图像目标的特征,即 f I,, m E(m,七) 1 、 — 一一 若尺度数m=4,方向数 6,则图像的纹理特征向量表 示为 【 。 8o。 ・・ 】 (8) 通过式(6)求出各个子空间能量,并找出最大值,该值所 对应的方向被称为主方向。将主方向上的特征元素移到 向 量的首位。然后将其他的元素按顺序循环移动。比如,如果 初始的特征向量是[abcdq】,其中,c 是主方向,则归一化后 的特征向量变为[cdefab]。对于由于旋转一定角度而拍摄出来 的图像经过这种旋转移位归一化的预处理后,可以使查询图 像Q和目标图像 达到相同的主方向。 若查询图像为Q,目标图像为丁,则两者的距离公式为 (Q,r)--I/tm 一 『, (Q,71)=I 一 l (9) 定义3个不同的旋转因子如下: ∑( ) = — ~∑( ) ∑( ) m ( 。) =∑(dm ) +∑( ) 最终的判别因子为 af=min(dfa×矾× ) (11) 通过匹配查询图像与目标图像之问的主方向以及距离公 式的循环移位共同作用,可以在很大程度上减小图像由于旋 转一定角度而造成的差异。 4 Gabor小波变换纹理特征分类算法描述 Gabor小波变换纹理特征分类算法如下: 输入医学CT图像 (1)初始化uh,u1,s,k等。 (2)for特定的一幅医学CT图像。 (3)for特定的尺度数m和方向数11。 (4)计算Gabor变换参数6 6 等。 (5)计算0,X ,y,等。 (6)For特定一幅医学CT图像。 (7){扫描图像,计算小波变换后的图像G (x,y), ,6mn。 (8)保存 ,6 。 (9)重新设定m,n,转(3)。 (10)得到图像的纹理特征向量x。 (11)通过循环排序找到图像的主方向,进行旋转规范化得到新的 特征向量X 。 (12)再输入一幅医学CT图像,转(2)。 (13)计算出3个不同的旋转因子以及最终的判别因子。 (14)将数据输入分类器进行分类判别。 5实验结果 实验中数集的划分方法采用的是支持向量机 (Support Vector Machine,SVM),它采用结构风险最小化(1 ̄11 SRM准 则),根据有限的样本信息在模型的复杂性(即对特定训练样 本的学习精度)和学习能力(即无错误地识别任意样本的能力) 之间寻求最佳折衷,以期获得最好的推广能力,是一种表现 卓越的分类方法。实验样本的总数为1 744幅,其中,正常 的脑部CT图像和含有病灶的异常脑部CT图像各有872幅。 从正常图像和异常图像中各随即取出436幅,即总计872幅 作为训练集,为验证本文提出的方法对于旋转一定角度图像 的有效性,将总数据集剩下的872幅图像中每幅均在O。~360。 之问旋转一定的角度而得到一幅新图像,将得到的新图像和 旋转前的图像,即1 744幅图像作为测试集。循环Gabor小 波滤波器组的尺度数设为5,方向数设为6,即每个尺度对应 7个不同的方向(0=0, , 7Cn2 n, , ,Ⅱ),其中,尺度数为 0 j j O 2时,7个方向上的Gabor小波变换结果如图1所示。 201— 圈圈圈 6结束语 尽管基于灰度共生矩的纹理特征分类方法被证明是比较 有效的,但通过实验可以看出,它在应用于带有一定选转角 的医学脑部CT图像分类时,分类正确率并不高。Gabor小波 变换技术可以通过其多频带的分解在一定程度上克服了图像 由于旋转一定角度而造成的分类误差,而本文提出的加入旋 转规范化循环算子的Gabor小波变换技术在包含有旋转不变 ■囵一 医学脑部CT图像集的分类实验中,提高了分类精确度。 参考文献 【1]Davis L S,Johns S A,Aggarwal J K.Texture Analysis Using Generalized Co—occurrence Matrices[J]IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,1 979,1(3):25 1—259. 【2】Aravazhagan S,Ganesan L.Texture Classiifcation Using Wavelet Transform Intemet[J].Pattern Recognition Lett.,2003,24(10): 圈圈 1513.1 521. [31 Chou Chia—Te,Shi Sheng—Wen.Design of Gabor Filter Banks for Iris Rec0gnition【C]//Proc.ot‘the 2nd International Conference on Intelligent Information Hiding and Multimedia Signal Processing. Pasadena,California,USA:Is.n.],2006:403—406. (g) 5n/6 (h)0。。Ⅱ [4]Ahmadian A,Mostafa A.A Texture Classification Method for 圈1尺度数为2时,7个方向上的Gabor小波变换结果 Diffused Liver Diseases Using Gabor Wavelets[C]//Proc.of the 27th International Conference on IEEE Engineering in Medicine and 提取5个特征,即能量、熵、逆差距、惯性和分布均匀 Biology Society_【s.1.]:IEEE Press,2005:1567—1 570. 性作为灰度共生矩纹理特征分类方法的特征向量。取Gabor 【5]Zhang Jianguo,Tan Tieniu Rotation lnvariant Texture 小波变换后的均值和协方差组成的84维特征向量作为Gabor Segmentation via Circular Gabor FiIters【C】,/Proc.of IEEE 小波变换方法以及加入旋转规范化循环算子的Gabor小波变 International Conference on Pattern Recognition.Quebec.Canada: 换方法的特征向量,分别将1 744幅图像的特征向量输入分 Is.n.],2002. 类器进行实验,图像的分类结果如表l所示。 [6]Yin Qinbo,Kim J N.Rotation Invariant Texture Classiifcation Using 表1图像分类结果 Circular Gabor Filter Banks[C]//l roc.of ICCS’07.【S.1.】:Springer- 分类中使用的方法 分类正确率/(%) Verlag,2007. [7]吕世聘,王秀坤改进的支持向量机特征选择算法[J]_计算机工 程,2009,35(1):171—172. 编辑索书志 (上接第199页) 准差、平均梯度的客观评价结果,从表中可以看出,荩于区 com/xspace/html/67/t—l 4867 htm1. 域Bandelet变换的信息熵、标准差、1三均梯度大多数情况F [2J李德忍.电子探针微区分析[z].(2009—02—12).http://www.china— 要比基于区域小波融合方法的值高,在平均梯度方面有时表 baike.corn/article/baike/1 000/2008/200805 l1 l452529.htm1. 现差一点。 [3]李敬明,陶德元,郝莹.小波变换在扫描电镜图像处理中的应 表i EPMA图像融合的客观评价 用研究【JI.电子 微学报,2003,22(1):75—77. [4覃4]征,鲍夏民,李爱国.数字图像融合[M].西安:西安交通大 学出版社,2004. [5]Dossal C,Pennec E L,Mallat S.Geometric Image Estimation with Bandelets ].(2005一J o-2o).http://www.citeseerx.ist.psu.eda/view— 5结束语 doc/summary?doi=l0.1.1.2.5888. 通过引入复合图像融合处理方法,进一步扩展了样品微 [61 Pennec E L,Mallat S Sparse Geometrical Image Representation 表面检测中EPMA图像处理领域,它是样品测试过程中图像 with Bandelets[J].IEEE Transactions on Image Processing,2005, 处理的优化应用,对提高样品图像在检测中的实用价值以及 l4f41:423—438 为进行微表面影像的三维重构奠定了良好的基础。 [7]Pennec E L,Mallat S.Bandelet Image Approximation and 本文仿真实验仍是基于样品静态EPMA影像图片的处 Compression[J].SlAM Journal of Multiscale Modelng and Simulation,2005,4(3):992 1 039. 理,而对于动态图像序列的融合处理,更要考虑到图像帧内 关系与帧间关和帧信号数据的丢失恢复等,还有其他超小波 [8]阎敬文,屈小波.超小波分析与应用[M].北京:国防工业出版 社,2008. 在图像融合中的特殊属性,是F一步需研究的内容。 参考文献 [9]焦李成,侯 彪,王 爽,等.图像多尺度几何分析理论与应 [1]地质分析中的微束分析技术[z].(2008—10-21).http://www.33ge. 用『MJ.西安:西安电子科技大学出版社,2008. 编辑索书志 2O2一 

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