專利名稱：一種基于控制點(diǎn)無偏變換的圖像配準(zhǔn)方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于圖像處理技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于控制點(diǎn)無偏變換的圖像配準(zhǔn)方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
圖像配準(zhǔn)的目的是尋找兩幅圖像之間的變換，使得圖像中相應(yīng)目標(biāo)的位置對準(zhǔn)。 基于標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系的配準(zhǔn)方法是圖像彈性配準(zhǔn)中一類重要的方法，但由于其變換函數(shù)采用參數(shù)模型，不能保證是可逆的，因此不適用于大形變配準(zhǔn)問題。為了使基于標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系的配準(zhǔn)方法中的變換函數(shù)是可逆的，常用的方法是構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)，通過對變換函數(shù)增加約束條件，可以得到可逆的變換函數(shù)。常用的方法如對B 樣條構(gòu)造的變換函數(shù)系數(shù)進(jìn)行約束，以確保變換函數(shù)可逆。如果變換函數(shù)的Jacobian行列式值恒為正，則變換函數(shù)可以保證是可逆的。這些方法構(gòu)造的變換函數(shù)僅僅是可逆的，不能保證是無偏的。如果正向和反向變換函數(shù)的Jacobian值在1附近對稱分布，則稱為無偏變換。無偏變換對于圖像配準(zhǔn)非常重要，它意味著無論圖像A向圖像B配準(zhǔn)，或是圖像B向圖像A配準(zhǔn)都可以使同一目標(biāo)得到配準(zhǔn)。目前關(guān)于無偏變換的研究比較少，(iholipour定義的對稱代價函數(shù)，使源圖像和目標(biāo)圖像互換后的變換函數(shù)互逆，但該方法采用FFD形變模型， 計算量較大。Johnson構(gòu)造了標(biāo)志點(diǎn)的一致性配準(zhǔn)方法，該方法可以使標(biāo)志點(diǎn)在正、反向的變換達(dá)到一致，但會導(dǎo)致標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系發(fā)生較大誤差，還需要引入一致性強(qiáng)度配準(zhǔn)進(jìn)一步調(diào)整。Leow定義了變換函數(shù)與理想變換之間的對稱KL距離，并定義了對稱目標(biāo)函數(shù)尋找無偏變換函數(shù)，但Leow采用的是粘性流體配準(zhǔn)模型，計算量仍然很大。在保證標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系前提下，構(gòu)造基于基函數(shù)擴(kuò)展的無偏變換是非常吸引人的，因?yàn)檫@類變換函數(shù)可以保證特征點(diǎn)之間的對應(yīng)關(guān)系，同時具有明確的解析式，易于分析，計算簡單，計算量小。但存在以下困難(1)尋找精確的標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系比較困難。標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系往往受局部極值的影響而出現(xiàn)誤差，對配準(zhǔn)結(jié)果產(chǎn)生嚴(yán)重影響；( 構(gòu)造無偏變換比較困難，因?yàn)榛瘮?shù)擴(kuò)展的變換函數(shù)本身不能保證可逆性，不適用于大形變配準(zhǔn)問題。因此很少有文獻(xiàn)討論如何構(gòu)造基于標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系的可逆變換，Miller在保證標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系的前提下構(gòu)造了微分同胚函數(shù)，但該方法采用了光流模型，需要求解偏微分方程， 計算復(fù)雜，而研究基于標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系的無偏變換就更少了。構(gòu)造基于標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系的無偏變換需要解決兩個問題(1)尋找對應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)。目前已經(jīng)提出了許多確定標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系的方法，具有代表行性的是基于信息論的方法，這些方法都需要在搜索最優(yōu)的匹配點(diǎn)，如果能提供較好的初始搜索位置，將對提高匹配精度大有幫助。(2)在保證標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系的前提下，構(gòu)造基于基函數(shù)擴(kuò)展的無偏變換。如果要保證標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系，基函數(shù)擴(kuò)展構(gòu)造的變換函數(shù)形式是確定的，其無偏性無法保證， 只有通過調(diào)整標(biāo)志點(diǎn)分布的位置，或是在適當(dāng)?shù)奈恢锰砑訕?biāo)志點(diǎn)，可以調(diào)整變換函數(shù)的無偏性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種基于控制點(diǎn)無偏變換的圖像配準(zhǔn)方法， 旨在解決現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用基于標(biāo)志點(diǎn)的圖像配準(zhǔn)插值時存在的標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系難以確定，同時變換函數(shù)無偏性較差的問題。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種基于控制點(diǎn)無偏變換的圖像配準(zhǔn)方法，所述方法包括下述步驟步驟A，根據(jù)待配準(zhǔn)數(shù)字圖像中的當(dāng)前控制點(diǎn)對集合構(gòu)造當(dāng)前變換函數(shù)；所述當(dāng)前控制點(diǎn)對集合包含初始源控制點(diǎn)集合和初始目標(biāo)控制點(diǎn)集合；步驟B，根據(jù)步驟A中構(gòu)造得到的當(dāng)前變換函數(shù)在當(dāng)前源控制點(diǎn)周圍選擇新增源控制點(diǎn)，并將新增源控制點(diǎn)的映射位置作為新增目標(biāo)控制點(diǎn)的初始位置；步驟C，若步驟B中能找到新增源控制點(diǎn)，則根據(jù)變換的無偏性和局部配準(zhǔn)度量， 調(diào)整新增目標(biāo)控制點(diǎn)；步驟D，將新增源控制點(diǎn)和新增目標(biāo)控制點(diǎn)暫時加入到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中，并計算新變換函數(shù)的對稱KL距離，以及圖像全局配準(zhǔn)度量；步驟E，根據(jù)圖像全局配準(zhǔn)度量的變化量，以及新變換函數(shù)的對稱KL距離，確定新增控制點(diǎn)對加入到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中的概率值；所述新增控制點(diǎn)對包含相對應(yīng)的新增源控制點(diǎn)和新增目標(biāo)控制點(diǎn)；步驟F，若步驟E中計算得到概率值大于隨機(jī)產(chǎn)生的概率參考值，則將新增控制點(diǎn)對添加到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中；重復(fù)步驟A至步驟F。本發(fā)明還提供了一種基于控制點(diǎn)無偏變換的圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)，包括；當(dāng)前變換函數(shù)構(gòu)造單元，用于根據(jù)待配準(zhǔn)數(shù)字圖像中的當(dāng)前控制點(diǎn)對集合構(gòu)造當(dāng)前變換函數(shù)；所述當(dāng)前控制點(diǎn)對集合包含初始源控制點(diǎn)集合和初始目標(biāo)控制點(diǎn)集合；新增源控制點(diǎn)選擇單元，用于根據(jù)所述當(dāng)前變換函數(shù)構(gòu)造單元構(gòu)造得到的當(dāng)前變換函數(shù)在當(dāng)前源控制點(diǎn)周圍選擇新增源控制點(diǎn)，并將新增源控制點(diǎn)的映射位置作為新增目標(biāo)控制點(diǎn)的初始位置；新增目標(biāo)控制點(diǎn)確定單元，若所述新增源控制點(diǎn)選擇單元能找到新增源控制點(diǎn)， 則用于根據(jù)變換的無偏性和局部配準(zhǔn)度量，調(diào)整新增目標(biāo)控制點(diǎn)；概率計算單元，用于將新增源控制點(diǎn)和新增目標(biāo)控制點(diǎn)暫時加入到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中，并計算新變換函數(shù)的對稱KL距離，以及圖像全局配準(zhǔn)度量；并根據(jù)圖像全局配準(zhǔn)度量的變化量，以及新變換函數(shù)的對稱KL距離，確定新增控制點(diǎn)對加入到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中的概率值；所述新增控制點(diǎn)對保包含相對應(yīng)的新增源控制點(diǎn)和新增目標(biāo)控制點(diǎn)；當(dāng)前控制點(diǎn)對集合更新單元，若所述概率計算單元中計算得到概率值大于隨機(jī)產(chǎn)生的概率參考值，則將新增控制點(diǎn)對添加到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中。本發(fā)明針對標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系，提出了一種基于無偏變換的漸進(jìn)式圖像配準(zhǔn)方法， 該方法只需要很少的幾個初始標(biāo)志點(diǎn)，通過迭代不斷加入新的標(biāo)志點(diǎn)逐漸提高配準(zhǔn)精度。 該方法計算簡單，不但可以用于解決小形變配準(zhǔn)問題，也適用于大形變圖像彈性配準(zhǔn)問題。


7
圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的圖像配準(zhǔn)方法的流程圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的獲取新增目標(biāo)點(diǎn)初始位置的流程圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的確定新增對應(yīng)控制點(diǎn)對的流程圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的以模擬退火概率模型接收新增控制點(diǎn)對的流程圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的基于控制點(diǎn)無偏變換的圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)原理圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。在本發(fā)明實(shí)施例中，根據(jù)數(shù)量很少的初始源控制點(diǎn)和目標(biāo)控制點(diǎn)集合，構(gòu)造初始變換函數(shù)。在初始源控制點(diǎn)附近確定新增源控制點(diǎn)，根據(jù)初始變換函數(shù)獲取新增目標(biāo)控制點(diǎn)的初始位置，并確定新增目標(biāo)控制點(diǎn)的搜索范圍。在新增目標(biāo)控制點(diǎn)的搜索范圍中，根據(jù)變換函數(shù)的無偏性和局部配準(zhǔn)度量，獲取新增目標(biāo)控制點(diǎn)的準(zhǔn)確位置；將新增源控制點(diǎn)和新增目標(biāo)控制點(diǎn)暫時添加到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中，計算在該擴(kuò)展控制點(diǎn)對集合下的配準(zhǔn)圖像，并計算圖像的配準(zhǔn)度量。根據(jù)該配準(zhǔn)度量和當(dāng)前變換函數(shù)的無偏性確定模擬退火概率， 以概率接收該標(biāo)志點(diǎn)對加入到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中。重復(fù)上述過程，直至圖像配準(zhǔn)精度達(dá)到要求為止。圖1示出了本發(fā)明實(shí)施例提供的圖像配準(zhǔn)的流程，詳述如下在步驟SlOl中，根據(jù)當(dāng)前控制點(diǎn)對集合，構(gòu)造當(dāng)前變換函數(shù)。在本發(fā)明實(shí)施例中，待插值處理的圖像為數(shù)字圖像，初始控制點(diǎn)對已知且數(shù)量很少(一般少于10對)。假設(shè)初始源控制點(diǎn)集合為P= [Pl，P2，…，pN]T，初始目標(biāo)控制點(diǎn)集合為Q= [q1 Q2,…，qN]T，構(gòu)造的初始函數(shù)為h(X)，
Λ(χ) = χ + Χνν, /(|χ-ρ(||)(1)
/=1其中χ e R2是圖像中的任意點(diǎn)，R為實(shí)數(shù)集合，Pi，i = 1，…，N是源控制點(diǎn)，U(r) 是徑向基函數(shù)，系數(shù)Wi，i = 1，…，N由方程⑵求解得。Kff = Q-P(2)K是NXN矩陣，Kij = U(| Pi-Pj ),ff = [W1, W2,…， ]τ。初始控制點(diǎn)對數(shù)量很少，一般取小于10對。這些控制點(diǎn)對可以通過人工方式設(shè)定，最好均勻分布在整個圖像區(qū)域，其對應(yīng)關(guān)系一般比較準(zhǔn)確。在步驟S102中，根據(jù)步驟SlOl中構(gòu)造得到的當(dāng)前變換函數(shù)在當(dāng)前源控制點(diǎn)周圍選擇新增源控制點(diǎn)，確定新增目標(biāo)控制點(diǎn)的初始位置。本實(shí)施例中，根據(jù)初始控制點(diǎn)對集合可以構(gòu)造基于徑向基函數(shù)的當(dāng)前變換函數(shù)， 在當(dāng)前源控制點(diǎn)附近確定新增源控制點(diǎn)，并根據(jù)當(dāng)前變換函數(shù)確定新增目標(biāo)控制點(diǎn)的初始位置。當(dāng)前變換函數(shù)為h (χ)，其Jacobian行列式值為Dh (χ)。在點(diǎn)χ處的Jacobian行列式的計算方法如下
權(quán)利要求
1.一種基于控制點(diǎn)無偏變換的圖像配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述方法包括下述步驟 步驟A，根據(jù)待配準(zhǔn)數(shù)字圖像中的當(dāng)前控制點(diǎn)對集合構(gòu)造當(dāng)前變換函數(shù)；所述當(dāng)前控制點(diǎn)對集合包含初始源控制點(diǎn)集合和初始目標(biāo)控制點(diǎn)集合；步驟B，根據(jù)步驟A中構(gòu)造得到的當(dāng)前變換函數(shù)在當(dāng)前源控制點(diǎn)周圍選擇新增源控制點(diǎn)，并將新增源控制點(diǎn)的映射位置作為新增目標(biāo)控制點(diǎn)的初始位置；步驟C，若步驟B中能找到新增源控制點(diǎn)，則根據(jù)變換的無偏性和局部配準(zhǔn)度量，調(diào)整新增目標(biāo)控制點(diǎn)；步驟D，將新增源控制點(diǎn)和新增目標(biāo)控制點(diǎn)暫時加入到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中，并計算新變換函數(shù)的對稱KL距離，以及圖像全局配準(zhǔn)度量；步驟E，根據(jù)圖像全局配準(zhǔn)度量的變化量，以及新變換函數(shù)的對稱KL距離，確定新增控制點(diǎn)對加入到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中的概率值；所述新增控制點(diǎn)對包含相對應(yīng)的新增源控制點(diǎn)和新增目標(biāo)控制點(diǎn)；步驟F，若步驟E中計算得到概率值大于隨機(jī)產(chǎn)生的概率參考值，則將新增控制點(diǎn)對添加到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中； 重復(fù)步驟A至步驟F。
2.如權(quán)利要求1所述的圖像配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟A根據(jù)如下公式構(gòu)造當(dāng)前變換函數(shù)h(x)
3.如權(quán)利要求1所述的圖像配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟B中根據(jù)如下公式選擇的新增源控制點(diǎn)
4.如權(quán)利要求1所述的圖像配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟C具體包括步驟Cl，在以新增目標(biāo)控制點(diǎn)的初始位置為中心的局部區(qū)域中，選取落在圖像邊緣上的點(diǎn)作為備選目標(biāo)控制點(diǎn)，將新增源控制點(diǎn)和備選目標(biāo)控制點(diǎn)臨時添加到控制點(diǎn)集合，構(gòu)造臨時變換函數(shù)h'并計算此臨時變換函數(shù)h'的對稱KL距離sKL(h')； sKL(h' ) = / (|Dh' (x)-l I) log|Dh' (x)|dx其中，χ e R2，R為實(shí)數(shù)集合，h' (χ) I為臨時變換函數(shù)，Dh' (χ)為臨時變換函數(shù) h' (χ) I的Jacobian行列式值；步驟C2，根據(jù)臨時變換函數(shù)h'計算新增源控制點(diǎn)所處局部區(qū)域和新增目標(biāo)控制點(diǎn)所處局部區(qū)域的配準(zhǔn)度量MSD:
5.如權(quán)利要求1所述的圖像配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟E根據(jù)如下公式確定新增控制點(diǎn)對加入到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中的概率值
6.如權(quán)利要求5所述的圖像配準(zhǔn)方法，其特征在于，所述步驟F包括步驟Fl，利用隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生一個W，l]區(qū)間的隨機(jī)數(shù)r ；步驟F2，若滿足MI(Soha，R) >MI (S ο h, R)，則當(dāng)前控制點(diǎn)對集合更新為Pnew = [P， Pj，Qnew = [Q，qj ；否則，若r < P (pa，qa)，則將點(diǎn)對(pa，qa)添加到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合(P， Q)中；其中，P為當(dāng)前源控制點(diǎn)集合，Q為當(dāng)前目標(biāo)控制點(diǎn)集合。
7.一種基于控制點(diǎn)無偏變換的圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，包括當(dāng)前變換函數(shù)構(gòu)造單元，用于根據(jù)待配準(zhǔn)數(shù)字圖像中的當(dāng)前控制點(diǎn)對集合構(gòu)造當(dāng)前變換函數(shù)；所述當(dāng)前控制點(diǎn)對集合包含初始源控制點(diǎn)集合和初始目標(biāo)控制點(diǎn)集合；新增源控制點(diǎn)選擇單元，用于根據(jù)所述當(dāng)前變換函數(shù)構(gòu)造單元構(gòu)造得到的當(dāng)前變換函數(shù)在當(dāng)前源控制點(diǎn)周圍選擇新增源控制點(diǎn)，并將新增源控制點(diǎn)的映射位置作為新增目標(biāo)控制點(diǎn)的初始位置；新增目標(biāo)控制點(diǎn)確定單元，若所述新增源控制點(diǎn)選擇單元能找到新增源控制點(diǎn)，則用于根據(jù)變換的無偏性和局部配準(zhǔn)度量，調(diào)整新增目標(biāo)控制點(diǎn)；概率計算單元，用于將新增源控制點(diǎn)和新增目標(biāo)控制點(diǎn)暫時加入到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中，并計算新變換函數(shù)的對稱KL距離，以及圖像全局配準(zhǔn)度量；并根據(jù)圖像全局配準(zhǔn)度量的變化量，以及新變換函數(shù)的對稱KL距離，確定新增控制點(diǎn)對加入到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中的概率值；所述新增控制點(diǎn)對保包含相對應(yīng)的新增源控制點(diǎn)和新增目標(biāo)控制點(diǎn)；當(dāng)前控制點(diǎn)對集合更新單元，若所述概率計算單元中計算得到概率值大于隨機(jī)產(chǎn)生的概率參考值，則將新增控制點(diǎn)對添加到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中。
8.如權(quán)利要求7所述的基于控制點(diǎn)無偏變換的圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述當(dāng)前變換函數(shù)構(gòu)造單元根據(jù)如下公式構(gòu)造當(dāng)前變換函數(shù)h(x)
9.如權(quán)利要求7所述的基于控制點(diǎn)無偏變換的圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于，所述新增源控制點(diǎn)選擇單元根據(jù)如下公式選擇的新增源控制點(diǎn)
10.如權(quán)利要求7所述的基于控制點(diǎn)無偏變換的圖像配準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于 所述概率計算單元根據(jù)如下公式確定新增控制點(diǎn)對加入到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中的概率值
全文摘要
本發(fā)明適用于圖像處理領(lǐng)域，提供了一種圖像配準(zhǔn)方法，包括以下步驟根據(jù)待配準(zhǔn)數(shù)字圖像中的當(dāng)前控制點(diǎn)對集合構(gòu)造當(dāng)前變換函數(shù)，并根據(jù)該變換函數(shù)確定新增源控制點(diǎn)以及新增目標(biāo)控制點(diǎn)的初始位置；根據(jù)變換的無偏性和局部配準(zhǔn)度量的綜合度量，在新增目標(biāo)控制點(diǎn)的局部區(qū)域內(nèi)確定與新增源控制點(diǎn)對應(yīng)的目標(biāo)控制點(diǎn)；將新增源控制點(diǎn)和新增目標(biāo)控制點(diǎn)暫時加入到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中，并計算全局圖像的配準(zhǔn)度量；根據(jù)圖像配準(zhǔn)度量的變化量確定該新增控制點(diǎn)對加入到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中的概率值，若概率值大于隨機(jī)產(chǎn)生的概率參考值，則將新增控制點(diǎn)對添加到當(dāng)前控制點(diǎn)對集合中，重復(fù)上述過程直至圖像配準(zhǔn)精度達(dá)到要求或沒有新增控制點(diǎn)。本發(fā)明有效地提高標(biāo)志點(diǎn)對應(yīng)關(guān)系的精度，同時得到無偏性較好的變換函數(shù)。
文檔編號G06T7/00GK102201119SQ201110156498
公開日2011年9月28日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月10日
發(fā)明者楊烜, 裴繼紅 申請人:深圳大學(xué)