快速一致性图像变换方法及变换系统的制作方法
快速一致性图像变换方法及变换系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种快速一致性图像变换方法及变换系统。所述方法包括如下步骤：设定一致性误差预设值及最大迭代次数，并根据源控制点与目标控制点的对应关系，构造从源控制点映射到目标控制点的正向变换函数和从目标控制点映射到源控制点的反向变换函数，据此计算相应的正向一致性误差及反向一致性误差，然后判断是否正向一致性误差及反向一致性误差都不大于设定的一致性误差预设值，或者迭代达到设定的最大迭代次数，如果是，则结束，否则根据所述正向一致性误差及反向一致性误差调整正向变换函数及反向变换函数，直到达到结束条件。本发明实现了快速图像一致性变换，可以解决图像小形变弹性配准中的一致性变换问题，有效提高求解一致性变换的效率。
【专利说明】快速一致性图像变换方法及变换系统
【技术领域】
[0001]本发明属于图像处理领域，主要涉及一种快速一致性图像变换方法及变换系统。【背景技术】
[0002]图像配准是图像处理、图像分析、图像融合和图像识别与检测等技术的重要步骤，其已经被广泛运用于医学图像处理、计算机视觉、模式识别等领域。基于控制点对的图像配准方法是图像配准的研究内容，而一致性变换函数的求解是其重要研究内容。基于控制点对的一致性图像配准方法同时求解正反形变函数，保持正向形变函数与反向形变函数的一致性，可以同时得到更准确的正向形变函数及反向形变函数，具有重要的应用价值。其中， H.J.Johnson和G.E.Christensen于2002年提出了一种针对小形变的一致性变换求解方法，通过迭代求解一致性变换，使得正反变换具有最小的扭曲能量和一致性误差。假设正向形变为h,形变位移场为u(x);反向变换为g，形变位移场为w(x),则h(x) = x+u(x), g(x)=x+w(x)。定义正向变换的反函数为h—1,其位移场为--(χ);反向变换的反函数为g_S其位移场为 ?ΡΟ),则 = A-1(I)-X，H<x) =β
[0003]假设控制点对应关系(Pi，Qi)已知，其中Pi是第i个源控制点，Qi是第i个目标控制点，H.J.Johnson和G.E.Christensen给出的求解过程如下:
[0004]步骤Lri = Pi, Si = qi ；u(x) = O ；w(x) = O,设定优化步长α和β ,最大控制点偏移误差(，迭代次数iter，最大迭代次数miter等；
[0005]步骤2，基于控制点的对应关系I', ^ (h，利用薄板样条插值方法求解正向形变函数A(X)，满足A(A) = Qi ;基于控制点的对应关系&#爲》利用薄板样条插值方法求解反向形变函数f2(x)，满足f；E(si) =Pi;
[0006]步骤3，u(x) = u (x) + a [fj (χ) -χ], w (x) = w (x) + a [f2 (χ) -χ]；
[0007]步骤 4, T1 = Pi+u (rj), Si = Qjw(Si), iter = iter+1 ；
[0008]步骤5，求取正向形变的逆函数IT1(X),反向形变的逆函数g—Hx)；
[0009]步骤6,更新正、反形变的位移场。u(x) = u(χ)-Mu(χ)_g-1 (χ)+χ], w(χ)=
w (X) - β [w (X) -tf1 (X) +χ];
[0010]步骤7,检查是否满足终止准则,用avgerrq —ρ表示控制点偏移误差,如果iter >miter,或者avgerrq —ρ < ζ ,或者avgerrp — q < ζ时,迭代结束；否则返回步骤2。
[0011]H.J.Johnson和G.E.Christensen提出的上述数值求解方法非常耗时,在每次迭代中，其步骤2中需要进行两次薄板样条插值运算，其时间复杂度为0(ηΝ) (N为图像中所有像素点个数，η为控制点个数)；步骤3调整U(X)、W(X)的运算复杂度是O(N);步骤5的求逆计算需要对每个像素点进行多次迭代，时间复杂度为O(NT) (Τ为求逆过程中的迭代次数)；步骤6对每个点进行一次误差计算，时间复杂度为O (N)。该算法迭代一共需要进行两次形变、四次调整(包括:两次调整正、反变换的位移场U(X)、W(X))、两次求逆、一次判定，每次迭代需要花费较长时间。而算法需要多次迭代才能收敛，其计算时间是非常惊人的。
【发明内容】
[0012] 本发明所要解决的技术问题是:提供一种快速一致性图像变换方法及变换系统，旨在解决现有的基于控制点对应关系的小形变一致性变换方法中耗时较长的问题。本发明是这样实现的:
[0013]一种快速一致性图像变换方法，包括如下步骤:
[0014]步骤A，设定一致性误差预设值及最大迭代次数，并根据源控制点与目标控制点的对应关系，构造从源控制点映射到目标控制点的正向变换函数和从目标控制点映射到源控制点的反向变换函数，然后执行步骤B ；
[0015]步骤B，根据所述正向变换函数及反向变换函数计算相应的正向一致性误差及反向一致性误差，然后执行步骤C ；
[0016]步骤C，判断所述正向一致性误差及反向一致性误差，并统计迭代次数；如果正向一致性误差及反向一致性误差都不大于设定的一致性误差预设值，或者迭代达到设定的最大迭代次数，则结束；否则执行步骤D ;
[0017]步骤D，根据所述正向一致性误差及反向一致性误差调整正向变换函数及反向变换函数，然后返回步骤B。
[0018]进一步地，所述正向变换函数和反向变换函数按如下方法构造:
[0019]对用户输入的源控制点Pi及目标控制点qi;利用薄板样条基函数构造变换函数，
得到从源控制点Pi映射到目标控制点qi的正向变换函数(X)，以及从目标控制点qi映射
到源控制点Pi的反向变换函数f2(x);其中:
【权利要求】
1.一种快速一致性图像变换方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤A，设定一致性误差预设值及最大迭代次数，并根据源控制点与目标控制点的对应关系，构造从源控制点映射到目标控制点的正向变换函数和从目标控制点映射到源控制点的反向变换函数，然后执行步骤B ； 步骤B，根据所述正向变换函数及反向变换函数计算相应的正向一致性误差及反向一致性误差，然后执行步骤C ; 步骤C，判断所述正向一致性误差及反向一致性误差，并统计迭代次数；如果正向一致性误差及反向一致性误差都不大于设定的一致性误差预设值，或者迭代达到设定的最大迭代次数，则结束；否则执行步骤D ; 步骤D，根据所述正向一致性误差及反向一致性误差调整正向变换函数及反向变换函数，然后返回步骤B。
2.如权利要求1所述的快速一致性图像变换方法，其特征在于，所述正向变换函数和反向变换函数按如下方法构造: 对用户输入的源控制点Pi及目标控制点Qi,利用薄板样条基函数构造变换函数，得到从源控制点Pi映射到目标控制点qi的正向变换函数(X)，以及从目标控制点qi映射到源控制点Pi的反向变换函数f2(x);其中:
3.如权利要求2所述的快速一致性图像变换方法，其特征在于，正向一致性误差及反向一致性误差通过如下公式计算: 正向一致性误差:
4.如权利要求3所述的快速一致性图像变换方法，其特征在于，所述步骤C包括如下步骤: 计算最大正向一致性误差max— δ I及最大反向一致性误差max— δ 2 ；
5.如权利要求3所述的快速一致性图像变换方法，其特征在于，正向变换函数及反向变换函数按如下公式调整:
fi (X) = (X) + α * δ I ;
f2 (X) = f2 (x) + β * δ 2 ； 其中α、β分别是正向变换函数及反向变换函数调整的步长，第k次调整步长设置为:aW= n+akk+l = H 其中，n是预设的调整因子，ο < η < 1.
6.一种快速一致性图像变换系统，其特征在于，包括:函数构造模块、误差计算模块、判断模块、函数调整模块；其中: 函数构造模块用于设定一致性误差预设值及最大迭代次数，并根据源控制点与目标控制点对应关系，构造从源控制点映射到目标控制点的正向变换函数和从目标控制点映射到源控制点的反向变换函数，然后跳转至误差计算模块； 误差计算模块用于根据所述正向变换函数及反向变换函数计算相应的正向一致性误差及反向一致性误差，然后跳转至判断模块； 判断模块用于判断所述正向一致性误差及反向一致性误差，并统计迭代次数；如果正向一致性误差及反向一致性误差都不大于设定的一致性误差预设值，或者迭代达到设定的最大迭代次数，则结束；否则跳转至函数调整模块； 函数调整模块用于根据所述正向一致性误差及反向一致性误差调整所述正向变换函数及反向变换函数，然后跳转至误差计算模块。
7.如权利要求6所述的快速一致性图像变换系统，其特征在于: 从源控制点映射到目标控制点的正向变换函数为:
8.如权利要求7所述的快速一致性图像变换系统，其特征在于: 正向一致性误差及反向一致性误差通过如下公式计算: 正向一致性误差
9.如权利要求8所述的快速一致性图像变换系统，其特征在于，所述判断模块用于: 计算最大正向一致性误差max_ δ I及最大反向一致性误差max_ δ 2:
10.如权利要求8所述的快速一致性图像变换系统，其特征在于，正向变换函数及反向变换函数按如下公式调整:
【文档编号】G06T3/00GK103942752SQ201410177702
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】杨烜, 裴继红, 姚水永 申请人:深圳大学
【专利摘要】本发明涉及一种快速一致性图像变换方法及变换系统。所述方法包括如下步骤：设定一致性误差预设值及最大迭代次数，并根据源控制点与目标控制点的对应关系，构造从源控制点映射到目标控制点的正向变换函数和从目标控制点映射到源控制点的反向变换函数，据此计算相应的正向一致性误差及反向一致性误差，然后判断是否正向一致性误差及反向一致性误差都不大于设定的一致性误差预设值，或者迭代达到设定的最大迭代次数，如果是，则结束，否则根据所述正向一致性误差及反向一致性误差调整正向变换函数及反向变换函数，直到达到结束条件。本发明实现了快速图像一致性变换，可以解决图像小形变弹性配准中的一致性变换问题，有效提高求解一致性变换的效率。
【专利说明】快速一致性图像变换方法及变换系统
【技术领域】
[0001]本发明属于图像处理领域，主要涉及一种快速一致性图像变换方法及变换系统。【背景技术】
[0002]图像配准是图像处理、图像分析、图像融合和图像识别与检测等技术的重要步骤，其已经被广泛运用于医学图像处理、计算机视觉、模式识别等领域。基于控制点对的图像配准方法是图像配准的研究内容，而一致性变换函数的求解是其重要研究内容。基于控制点对的一致性图像配准方法同时求解正反形变函数，保持正向形变函数与反向形变函数的一致性，可以同时得到更准确的正向形变函数及反向形变函数，具有重要的应用价值。其中， H.J.Johnson和G.E.Christensen于2002年提出了一种针对小形变的一致性变换求解方法，通过迭代求解一致性变换，使得正反变换具有最小的扭曲能量和一致性误差。假设正向形变为h,形变位移场为u(x);反向变换为g，形变位移场为w(x),则h(x) = x+u(x), g(x)=x+w(x)。定义正向变换的反函数为h—1,其位移场为--(χ);反向变换的反函数为g_S其位移场为 ?ΡΟ),则 = A-1(I)-X，H<x) =β
[0003]假设控制点对应关系(Pi，Qi)已知，其中Pi是第i个源控制点，Qi是第i个目标控制点，H.J.Johnson和G.E.Christensen给出的求解过程如下:
[0004]步骤Lri = Pi, Si = qi ；u(x) = O ；w(x) = O,设定优化步长α和β ,最大控制点偏移误差(，迭代次数iter，最大迭代次数miter等；
[0005]步骤2，基于控制点的对应关系I', ^ (h，利用薄板样条插值方法求解正向形变函数A(X)，满足A(A) = Qi ;基于控制点的对应关系&#爲》利用薄板样条插值方法求解反向形变函数f2(x)，满足f；E(si) =Pi;
[0006]步骤3，u(x) = u (x) + a [fj (χ) -χ], w (x) = w (x) + a [f2 (χ) -χ]；
[0007]步骤 4, T1 = Pi+u (rj), Si = Qjw(Si), iter = iter+1 ；
[0008]步骤5，求取正向形变的逆函数IT1(X),反向形变的逆函数g—Hx)；
[0009]步骤6,更新正、反形变的位移场。u(x) = u(χ)-Mu(χ)_g-1 (χ)+χ], w(χ)=
w (X) - β [w (X) -tf1 (X) +χ];
[0010]步骤7,检查是否满足终止准则,用avgerrq —ρ表示控制点偏移误差,如果iter >miter,或者avgerrq —ρ < ζ ,或者avgerrp — q < ζ时,迭代结束；否则返回步骤2。
[0011]H.J.Johnson和G.E.Christensen提出的上述数值求解方法非常耗时,在每次迭代中，其步骤2中需要进行两次薄板样条插值运算，其时间复杂度为0(ηΝ) (N为图像中所有像素点个数，η为控制点个数)；步骤3调整U(X)、W(X)的运算复杂度是O(N);步骤5的求逆计算需要对每个像素点进行多次迭代，时间复杂度为O(NT) (Τ为求逆过程中的迭代次数)；步骤6对每个点进行一次误差计算，时间复杂度为O (N)。该算法迭代一共需要进行两次形变、四次调整(包括:两次调整正、反变换的位移场U(X)、W(X))、两次求逆、一次判定，每次迭代需要花费较长时间。而算法需要多次迭代才能收敛，其计算时间是非常惊人的。
【发明内容】
[0012] 本发明所要解决的技术问题是:提供一种快速一致性图像变换方法及变换系统，旨在解决现有的基于控制点对应关系的小形变一致性变换方法中耗时较长的问题。本发明是这样实现的:
[0013]一种快速一致性图像变换方法，包括如下步骤:
[0014]步骤A，设定一致性误差预设值及最大迭代次数，并根据源控制点与目标控制点的对应关系，构造从源控制点映射到目标控制点的正向变换函数和从目标控制点映射到源控制点的反向变换函数，然后执行步骤B ；
[0015]步骤B，根据所述正向变换函数及反向变换函数计算相应的正向一致性误差及反向一致性误差，然后执行步骤C ；
[0016]步骤C，判断所述正向一致性误差及反向一致性误差，并统计迭代次数；如果正向一致性误差及反向一致性误差都不大于设定的一致性误差预设值，或者迭代达到设定的最大迭代次数，则结束；否则执行步骤D ;
[0017]步骤D，根据所述正向一致性误差及反向一致性误差调整正向变换函数及反向变换函数，然后返回步骤B。
[0018]进一步地，所述正向变换函数和反向变换函数按如下方法构造:
[0019]对用户输入的源控制点Pi及目标控制点qi;利用薄板样条基函数构造变换函数，
得到从源控制点Pi映射到目标控制点qi的正向变换函数(X)，以及从目标控制点qi映射
到源控制点Pi的反向变换函数f2(x);其中:
【权利要求】
1.一种快速一致性图像变换方法，其特征在于，包括如下步骤: 步骤A，设定一致性误差预设值及最大迭代次数，并根据源控制点与目标控制点的对应关系，构造从源控制点映射到目标控制点的正向变换函数和从目标控制点映射到源控制点的反向变换函数，然后执行步骤B ； 步骤B，根据所述正向变换函数及反向变换函数计算相应的正向一致性误差及反向一致性误差，然后执行步骤C ; 步骤C，判断所述正向一致性误差及反向一致性误差，并统计迭代次数；如果正向一致性误差及反向一致性误差都不大于设定的一致性误差预设值，或者迭代达到设定的最大迭代次数，则结束；否则执行步骤D ; 步骤D，根据所述正向一致性误差及反向一致性误差调整正向变换函数及反向变换函数，然后返回步骤B。
2.如权利要求1所述的快速一致性图像变换方法，其特征在于，所述正向变换函数和反向变换函数按如下方法构造: 对用户输入的源控制点Pi及目标控制点Qi,利用薄板样条基函数构造变换函数，得到从源控制点Pi映射到目标控制点qi的正向变换函数(X)，以及从目标控制点qi映射到源控制点Pi的反向变换函数f2(x);其中:
3.如权利要求2所述的快速一致性图像变换方法，其特征在于，正向一致性误差及反向一致性误差通过如下公式计算: 正向一致性误差:
4.如权利要求3所述的快速一致性图像变换方法，其特征在于，所述步骤C包括如下步骤: 计算最大正向一致性误差max— δ I及最大反向一致性误差max— δ 2 ；
5.如权利要求3所述的快速一致性图像变换方法，其特征在于，正向变换函数及反向变换函数按如下公式调整:
fi (X) = (X) + α * δ I ;
f2 (X) = f2 (x) + β * δ 2 ； 其中α、β分别是正向变换函数及反向变换函数调整的步长，第k次调整步长设置为:aW= n+akk+l = H 其中，n是预设的调整因子，ο < η < 1.
6.一种快速一致性图像变换系统，其特征在于，包括:函数构造模块、误差计算模块、判断模块、函数调整模块；其中: 函数构造模块用于设定一致性误差预设值及最大迭代次数，并根据源控制点与目标控制点对应关系，构造从源控制点映射到目标控制点的正向变换函数和从目标控制点映射到源控制点的反向变换函数，然后跳转至误差计算模块； 误差计算模块用于根据所述正向变换函数及反向变换函数计算相应的正向一致性误差及反向一致性误差，然后跳转至判断模块； 判断模块用于判断所述正向一致性误差及反向一致性误差，并统计迭代次数；如果正向一致性误差及反向一致性误差都不大于设定的一致性误差预设值，或者迭代达到设定的最大迭代次数，则结束；否则跳转至函数调整模块； 函数调整模块用于根据所述正向一致性误差及反向一致性误差调整所述正向变换函数及反向变换函数，然后跳转至误差计算模块。
7.如权利要求6所述的快速一致性图像变换系统，其特征在于: 从源控制点映射到目标控制点的正向变换函数为:
8.如权利要求7所述的快速一致性图像变换系统，其特征在于: 正向一致性误差及反向一致性误差通过如下公式计算: 正向一致性误差
9.如权利要求8所述的快速一致性图像变换系统，其特征在于，所述判断模块用于: 计算最大正向一致性误差max_ δ I及最大反向一致性误差max_ δ 2:
10.如权利要求8所述的快速一致性图像变换系统，其特征在于，正向变换函数及反向变换函数按如下公式调整:
【文档编号】G06T3/00GK103942752SQ201410177702
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月25日 优先权日:2014年4月25日
【发明者】杨烜, 裴继红, 姚水永 申请人:深圳大学
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