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基于CT技术的图像边缘检测及OpenCV实现

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第4期 微处理机 NO.4 2017年8月 MICROPR0CESSORS Agu.,2017 基于CT技术的图像边缘检测及OpenCV实现术 刘洲洲 ,闫 伟 (1.西安航空学院电子工程学院,西安陕西710077, 2.延安大学附属医院东关放射科,延安陕西716000) 摘要:计算机断层技术(CT)的出现,是人类医学史上的一大突破,标志着现代医学正式跨入数 字化时代。CT图像的三维重建是医学影像学中的一个重要领域,同时口腔CT又是使用率最高的领 域之一。作为图像分割的一种方法,利用开源计算机视觉库(OpenCV)具有多平台支持,多语言接口, 强移植性,快处理速度等优点,使用不同的边缘提取算子提取CT图像的轮廓并进行比较,通过CT机 扫描而得的图像进行双边滤波器平滑滤波,边缘保留,Canny算子边缘提取等图像预处理。在算法实 现上提出了方便调试的轨迹条,可以很好地对各种参数进行可视的实时调节,便于找出最优方案。 关键词:CT技术;数字图像处理;边缘检测;开源计算机视觉库;平滑滤波;边缘提取 DOI:10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.021 中国分类号:TN393 文献标志码:A 文章编号:1002—2279一(2017)04—0087—04 Image Edge Detection and OpenCV Implementation , Based on CT Technology Liu Zhouzhou ,Yan Wei .School of Electronic Engineering,Xi’帆A eronautical University,Xi’air 710077,Chino, 2.Yon’觎University Afifliated Hospital Radiology,Yon’帆716000,China) Abstract:The advent of computed tomography technique(CT)is a breakthrough of human medical history,marking the modelTl medicine officially entered the digital age.CT image 3D reconstruction is an important field of Medical Imageology,and oral CT is one of the fields having highest utilization rate.As a method of image segmentation,using OpenCV has some advantages such as multiple platform supporting, muhilingual interface,strong portability,and quick processing.Using different edge detection operators to extract the outline of CT image and compare,the image preprocessing,such as tow-side filter smoothing ifltering,edges preserv!ng,and Canny operator edge extrcation,is executed to the images from CT scanning. A track bar easy to test is put florwand for algorithm implementation,which can make visible true time control to a variety of parameters to conveniently find optimal scheme. Key words:CT technology;Digital image processing;Edge detection;OpenCV;Smoothing filter; Edge extraction 1 引 言 的地方。边缘是图像的重要信息,是图像分割的一个 重要特征。对人来说,图像的边缘部分是首先映人脑 图像分割作为图像分析、理解的基础,在诸多领 海的,可以区分物体与物体之间的界限,边缘是一个 域具有广泛的应用,如基于内容的图像检索、机器视 区域的结束,又是另一个区域的开端,利用边缘的特 觉、指纹识别以及生物医学图像处理方面的病变检 性就可以对图像进行有效的分 ̄J[31。 测、军事图像处理方面的地形匹配和目标锁定[1_2l。 边缘检测是基于边界识别的一类图像分割方法。边 2边缘检测 缘检测的基本思路是通过寻找图像中不同部分的边 计算机处理得出的边缘并不一定就是图像的真 界,从而达到突出边缘。边缘是指像素灰度有阶跃性 正边缘,只是在图像信息方面引起计算机注意的部 变化的区域,在图像中最直观的边界就是颜色突变 分,具体参数要结合具体情况进行适当的整改凹。由 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61601365) 作者简介:刘洲洲(1981~),男,山西省运城市人,博士生,研究方向:智能优化算法。 收稿日期:2016—09—26 ・88. 微处理机 于实际物体的信息是三维的,而得到的图像数据是 着边缘方向的像素变化比较小,较为平缓,垂直于边 二维,从三维降到二维的投影必然会造成信息的缺 缘方向的像素变化较大,边缘上的这种信息变化可 失,再加上环境和噪声对图像采集带来的影响,使得 以用微分算子检测出来,通常使用一阶或者两阶导 很多边缘不能被有效的识别,识别出的边缘也不一 数来进行边缘检测。边缘大致可分成两种:一种是阶 定为真边缘。方向和幅度是边缘的两个重要属性,沿 跃状的如图1、3、5;另一种是屋顶状的如图2、4、6。 图1 阶跃函数原函数 图2屋顶函数原函数 图3 阶跃函数一阶导数 图4屋顶函数一阶导数 图5阶跃函数二阶导数 图6屋顶函数二次导数 边缘检测首先要对图像进行滤波,因为边缘检 数构成的。John Canny在1986年提出Canny算子,它 测的算法主要是对图像信息进行一阶导数或者二阶 与使用局域窗口梯度的Sobel和Laplace算子不同, 导数,但是导数对噪声很敏感,如果图像中有噪点, 对噪声的敏感度不强,是先对图像进行平滑然后求导 那边缘检测会放大这种噪声效果,通常显示为发光 数的,Gaussian函数与图像的卷积可以达到抗噪的目 亮点。因此必须采用滤波器来模糊噪声带来的影响。 的,导数又可以对边缘进行检测。所以Canny算子在 然后是对图像进行增强,增强算法可以将邻域内比 实际进行图像处理的时候效果比较好,是最常用的边 较明显的灰度变化较为明显地表现出来。经过增强 缘检测手段之一。由于Gaussian函数是一个对称函 的图像在邻域中可能会有一些点的幅度值比较大, 数,图像的边缘在边缘方向是对称的,在垂直于边缘 但是在大部分隋况下,这些幅度值较大的点并不是 的方向上是反对称的,所以Canny算子对边缘两侧的 所需要的边缘,在编程实现中往往通过阈值法来进 变化特别敏感,而对平行于边缘方向的变化不敏感。 行选择性取舍。 设二维Gaussian函数: 1 3 Canny算子 = exp(一 在实际边缘提取的应用中,对噪声的抑制和对 最优阶跃边缘检测算子是基于卷积VG+,( , ), 边缘的提取是很难同时完全满足的嘲,例如高精度零 边缘强度为IVG f(x,圳,边缘方向为 件和CT等对细节边缘有着极高的要求的实例在普 VG通边缘检测步骤下较难实现。因此选择适当的边缘 p *丽f(x ,y) (2) 检测算子、步骤和参数可以使得到的结果接近所需 基于Gaussian函数的可分性,可以把 6的两 要的边缘提取目的。 个滤波卷积模板分解成两个一维行列滤波器: 有一个线性的算子可以在边缘检测和抗噪声中 OG(x,y)=kxexp(~x_ L) e (一取得一个平衡,能很好地在提取边缘的同时保留一些 - ̄-r)=ox 2 d 2^( ) ( )(3) 细节,这个算子就是Gaussian函数的一阶导数。而 aG(x ,y)Cmany边缘检测算子就是由Gaussian函数的一阶导 = e (一番)e ~ : ) )(4) 4 止 儿 一寺). _)=.Jk. x 砉 ) c州一 ¨= ex 熹) 刮 h,( 1=xh (. ),h.(1,)=vh (1,) 、f 8 (5) /r^、… rf_lG(一 )址边缘。I 数; ( )是带宽乃 的低 通滤波器脉冲响 ; /J:( uss 噪, i门均力 差,SNR他越人,提取的边缘质 越高 (6) 定化精度凇fJ!lJ: L= 可把』iIj个一维行列滤波器 /’( . ,)进仃岱币j!: :.lr G (_lY)//( )Uxl j (9)  ),E : (-L (1 ,( ¨ (7) 。 il rlx)dx 令 .G (— )为G(一 )ff 阶导数,D,( Y)为h(-Y)的 4(i 厢....,f』lf,/)=arctan , 一阶导数;L为川术 价定位精确度的 .L f 地 单边缘响应准则: 确保对于边缘像素只仃 个单独的响心,钟:J 的脉7I{J响 导数的零交义, a(i,i) 爪边缘强度, (,, )址垂n边缘的力‘ 向一 大,定他的精确度越岛 平 CaIII1V提…他J}j找川j G 算子与I纠像,, ( . )的 卷积在边缘力‘向㈨,J最大值的方法来定位边缘这 种疗法可以以任意一点的A(i ,)值是否为“( )邻城 均距离 满 : 内的最大值来划断陔点是 为边缘 、f,一个 一 满 足 个条什lj、f.可’fJ芰认为足冈像的一个边缘^ 4边缘提取的评价 Cat v给…r 个评价边缘伶测性能f,f,J指抓 J: 一外源汁l :机 觉 (()f 1 S(1I… ColllllllI¨.-i— 足低火 慨 昝. 幢多的包含虹实边缘,减少将 ; 址 SiOiq 151)rⅢ’y,() 1(: )l 址 特尔公刊 2000 flqfi! I的一个软什 多语 包 ri下多针埘 像处 () n(:v具 多 ‘ 的 支¨ , 库 数,_J『以A接 ・Ⅵ川足边缘的部分0 l为边缘的错误结 ; 址I‘ ̄’,J  I"1 J确度, 得…的检测结 j、 i发都存 F确的实际边 单像素宽.刈边缘 一个唯一的响 , 模 边抖 {- 找f11最优边界针埘以L 个指怀,IJIlI川CⅢ…、,捉… 了H r一阶微分泌 芝器的边缘愉 IJ!iJ ̄:tqfi"准则:f 【 】匕准IJ!lJ: I,姒f{; I't-:.怏处理速度等优点 所他川1 的是CP 乃lntel¨ t i5—2450M n0 64化}】(:fJ1. II)E为、’isual‘ludit}2()l 5,( IlPll ’3.0 边缘滤波、 -5i' ̄9,1tq像如 7所爪. 8 l 7 边}fg 攻』, 的 I冬lf i冬I 8 l,alllⅢ I :r边 挚} 1 = .c熊塞 娑 阈■I一 磐II照:0 【 鲤蛹一 参蠹值:’ 参戢谴:囊—■ .90. 201 7 示了I ap]ac・e钎:于边缘提取 像, 9表玎 Sr l r J 子边缘愉测 像 比较 9(a)、罔9(I1)、网9(f、)参数为0的时候 特点,参数为I时边缘比较清晰.但是细节处存在部 分粘连,都不适合进行重建 箅子进行边缘提取 10表示使用Canny SoMe算子细 较 清楚,但是存在冈像边缘不清等 参数值::70……~ 使川Canto算子对 像进行边缘检测对于细节 r要’ 霸嚼 函圜■■■■■■ 参数值::44 图10(a)canny算子‘街罔像 罔10(h)Canny算子保留颌骨 Lin Hui,Zhao Changsheng,Shu Ning.Detection and Evalu— 的体现比较其他方法更高.参数的可调性也更优秀 图10(a)显示在参数为70时罔像可以只保留牙齿 图像,图10(b)则可以在参数44时保留颌骨部分的 ation of Canny Operator Based on[J1.Joumal of Heihmgjiang Academy of Engineering,2003,(02):6-1 6. 图像=Canny算子可以在实际应用中根据需要调节 参数达到控制边缘部分的功能。 4】余洪山,王耀南.一种改进型Canny边缘检测算法lJ1.计 算机工程与应川,2004.20:27—29. Yu Hongshan.Wang Yaonart.An Improved C ̄mny Edge De— 6结束语 tet‘lion Algorilhm….Computer Engineering and Applica— tions.2004.(20):27—29. 对数字图像处理及其OpenCV实现进行了学 习,在了解CT成像技术的原理进行深入了解之后 51曹璐.戴青云.潘晴.一种改进型Canny联合阈值分割的 图像背景去除在外观专利闭像检索中的应用fJ1.计算机 针对热门的口腔CT罔像进行系统的整理优化,将 CT机扫捕而得的图像进行Canny算子边缘提取等 图像预处理。在算法实现上提 了方便调试的轨迹 条,可以很好地对各种参数进行可视的实时调节.便 于找出最优方案:为口齿排列网像的重建工作做r 较为完善的准备T作一 参考文献: r程与应.【}j,2012,(01):208—21 1 Cao Lu.Dai Q.11gytlI1.Pan Qing. Fhe Ba<。kgroun<I Image of a Modiifed Canny Combined with Threshold Segmenifaifion in the Removal of Design Paifenl hnage Retrie ̄ral Using【J1. Computer Engineering and Applications,20 l 2,(O l 1:208—2 l 1 61刘荣科,张晓林,廖小涛,聂振钢.基于可逆提升小波变换 平1l上下文预测的SAR冈像无损压缩算法IJ1.航空学报. 2002.f06):534-537. Liu Rongke.Zhang Xiaolin,Liao Xiaotao.Nie Zhengang. fl1姜璜.基于 绘制的 像三维可视化算法研究【D1.成都: 电子科技大学.2007. Jiang YIII1.Surfa<・P Rendering/he Image Based on Lossless Compression Algorithm of SAR lnmge Based off Wavelet Transiftrm fin(1 Reversihle Contexl Predit、tion…. Airerafl 2002.(06):534—537. Th,‘PP—dimensi.na1、’isualizalion AIgorifihm IDI.Chengdu: 【J 、’Prsjfv of Electroni(’St‘iem r anti re(、hnoIogy.2007 7l袁勇.一种改进的中值滤波方法 成都理1 大学学报 【2l 群.CT断层 像三维重建巾捕值技术研究 应J{lID]. 苏州大学.2007.  ̄'ang Qnn.Study an(I AI)pli, aifion nf Inlet pnlation rPPh— nique in 3D Reeonsfiflleifion of CT Fauh Images【D1.Suzhou: Suzhou[iniversifiy,2007 (fl然科学版),2013'Y.40;No.17702:125—129. Yuan Yong.An impro ̄red Median Fihering Method【JJ.Jour— nal of Chengdu Universifiv of Technology(N ATI JRAL SCI— EN(:E EDI一1ION).2013.v.40;No.I7702:125-129. 8】陈学奇.罔像测量中的算法研究【D】.长沙:中南大学. 20l3. 林卉.赵长胜.舒宁.基于Canny算子的边缘检测及评价 ….黑龙f1 I 程学院学报.2003.(02):6—1 6. Chert Xueqi.Algorilhm Researeh in Image Measuremenif【D】 .ChHn shH・《 enlfr8l Snlllh【7niversi!v 201 3 

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