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提出一种基于超像素仿射传播聚类的视网膜血管分割方法。首先对预处理后的图像提取Hessian最大本征值、Gabor小波、B-COSFIRE滤波特征,构建3维眼底图像像素特征;同时对眼底图像进行超像素分块,并采用一致性准则对所分的超像素块进行筛选,得到超像素候选块;把超像素候选块当作样本点,把候选块内的像素特征的统计平均值当作特征向量,在特征空间中进行仿射传播聚类得出血管类和背景类两个聚类中心;根据血管类和背景类两个聚类中心,采用最近邻方法对眼底像素进行分类,实现对视网膜血管的分割。实验表明:在DRIVE和STARE眼底图像数据库上,本文算法的平均准确率分别为94.63%和94.30%;相较于K-means、模糊C均值(FCM)和其他聚类方法,本方法对血管的识别度高,所分割的视网膜血管有较好的连续性和完整性。
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第
卷
第
期
光
学
学
报
年
月
基于超像素仿射传播聚类的视网膜血管分割
许 言 兵
,
周 阳
,
李 灿 标
,
郑 楚 君
,
张 润 谷
,
王 文 斌
华南师范大学物理与电信工程学院
广东 广州
摘要
提出一种基于超像素仿射传播聚类的视网膜血管分割方法
首先对预处理后的图像提取
最大本征
值
小波
滤波特征
构建
维眼底图像像素特征
同时对眼底图像进行超像素分块
并采 用一 致
性准则对所分的超像素块进行筛选
得到超像素候选块
把超像素候选块当作样本 点
把候 选块 内的像 素特 征的统
计平均值当作特征向量
在特征空间中进行仿射传播聚 类得 出 血管 类和 背 景类 两个 聚 类中 心
根 据血 管类 和 背景
类两个聚类中心
采 用 最 近 邻 方 法 对 眼 底 像 素 进 行 分 类
实 现 对 视 网 膜 血 管 的 分 割
实 验 表 明
在
和
眼底图像数据 库 上
本 文 算 法 的 平 均 准 确 率 分 别 为
和
相 较 于
模 糊
均 值
和其他聚类方法
本方法对血管的识别度高
所分割的视网膜血管有较好的连续性和完整性
关键词
图像处理
视网膜血管分割
超像素
仿射传播聚类
一致性
候选块
中图分类号
文献标志码
doi
RetinalVesselSe
g
mentationBasedonSu
p
erGPixelAffinit
y
Pro
p
a
g
ationClusterin
g
Schoolo
f
Ph
y
sicsandTelecommunicationEn
g
ineerin
g
SouthChinaNormalUniversit
y
Guan
g
zhou
Guan
g
don
g
China
Abstract
Ke
y
words
OCIScodes
收稿日期
修回日期
录用日期
基金项目
国家自然科学基金
EGmail
引
言
视网膜眼底血管宽度
角度
分支状态等特征
对糖尿病
动脉硬化
高血压和青光眼等相关疾病的
诊断和治疗具有重要的研究价值
视网膜血管分割
可看作是将眼底图像像素划分为血管像素和非血管
像素的二分类问题
根据是否需要眼底图像像素点
的类别标签信息
可把视网 膜 血管分割 方 法分为有
监督方法和无监督方法
有监督方法利用专家已标
记好的类别标签来 训练特定 分 类器
一般包括 特 征
光
学
学
报
提取和 分 类 两 环 节
李 媛 媛 等
提 取
矩
阵
小 波
滤 波 和 相 位 一 致 性 的
四维
融合特征
并基于支持向 量机分类器 对眼
底图进行分割
梁礼明等
通过构建眼底血管的线
性
纹理
矩和灰度等多特征融合
采 用 随 机 森 林 对
眼底像 素 进 行 分 类
实 现 视 网 膜 血 管 分 割
吴 奎
等
提出线算 子 与
小 波 的
维 特 征 组 合 并
结合贝叶斯 高斯混 合 模 型 的 眼 底 分 割 方 法
郑 婷
月等
设计了无需 进 行 特 征 提 取 的 多 尺 度 特 征 融
合的全卷 积 神 经 网 络 的 方 法 来 检 测 视 网 膜 血 管
相较于有 监 督 方 法
无 监 督 方 法 不 需 要 类 别 标 签
进行划分
因其计 算 复 杂 度 较 低
没 有 复 杂 的 分 类
器调参过 程
节 省 了 眼 科 医 生 对 眼 底 图 像 进 行 手
工标 记的昂贵 的 时 间 开 销
无 监 督 视 网 膜 血 管 分
割方法主要可分为 基 于血管跟 踪
基于形态 学 处
理
基于匹配滤波
以及聚类
等方法
等
对眼底图采用匹配滤波结合基于空间加权模糊
均 值
聚 类 的 分 割 方 法
等
采 用
增强滤波和无监督 方法实现 视 网膜血管 分 割
通过
实验证明采用
滤波和
聚 类 能 取 得
较好的分割性能
基于特征空间
和
的聚类视网膜血管分割方法会对噪声和初始聚类中
心选取较为敏感
容易陷入 局 部最优及 离 群点容易
影响聚类中心等问题
仿射传播
聚类算法将 所有样本数 据 点
作为候选的聚类中心
构建各点间的相似度矩阵
通
过竞争类似于选举 的 方式产生 聚 类中心进 行 聚类
相较于
等 聚 类 算 法
算 法 的 复
杂性 高
具 有 较 强 的 可 靠 性 和 稳 健 性
能 够 防 止
中噪声干扰和最重要 的初始种子 点
选取的问 题
周 阳
将
聚 类 引 入 到 视 网 膜 血
管分割领域
针对
算法在视网膜血管分割中
数
据量大会导致存在 相似度矩 阵 的复杂度 较 高
计算
量大等问题
提出基 于 匹配滤波 引 导的局部 特 征空
间
聚类的视网膜血管分割方法
该方法能根据
眼底图像匹配滤波 响应值进 行 排序
然后分段 选 取
样本点构成小样 本 集
在 小 样 本 集 中 实 现
聚 类
得到血管和背景聚 类中心
根据血管 和 背景聚类 中
心采用最近邻方法 对眼底图 像 像素进行 分 类
从而
实现视网膜血管分 割
然而在视 网 膜血管分 割 中
采取上述分段选取小样本集的
算法采用像素特
征空间聚类
没有考 虑 像素在空 间 域邻近的 关 联信
息
容易受噪声的影响
本文提出一种基于超像素
聚类的视网膜血
管分割的
方 法
超 像 素 的 引
入降低 了
聚 类 相 似 度 矩 阵 的 复 杂 度
降 低 了
聚类算 法 收 敛 的 计 算 时 间
超 像 素 能 充 分 利
用局部像素 间邻近 灰 度 和 空 间 的 关 联 性
超 像 素
的特征由超 像素块 内 所 包 含 像 素 的 特 征 统 计 平 均
得到
具有较 好 的 特 征 表 征 稳 定 性 和 可 靠 性
聚类的视网 膜血管 分 割 方 法 具 有 较 强 的 稳 健 性 和
抗噪性
能解决基于
和
分 割 方 法 对
初始聚类 中 心 选 取 敏 感
离 群 点 对 聚 类 中 心 影 响
较大的问题
基于超像素仿射传播聚类的视网膜
血管分割
首先对彩色眼底图的绿通道进行预处理操作得
到血管增强图
对血管增强图进行特征提取
包括每
个 像 素 的
最 大 本 征 值
小 波 和
滤波的三维像素特征
并进行特征 归一
化
同时对预处理的 血 管增强图 进 行超像素 分 割得
到超像素块
依据超 像 素块内像 素 点特征值 的 一致
性进行筛选
得 到 候 选 超 像 素 块
并 将 其 作 为 样 本
点
用候选超像素块 所 包含像素 点 的每维均 值 特征
表示该 超 像 素 样 本 点 的 特 征
在 特 征 空 间 上 进 行
聚类
产生血管类 和背景类两 个聚类中心
最后
对图像所有像素点与两聚类中心在特征空间上采用
基于曼哈顿距离的 最近邻分 类 器进行分 类
将眼底
图像像素分为血管 类和背景 类
根据像素 空 间的邻
域信息对少量与两个聚类中心距离近似相等的边界
模糊点
采用
近邻进行 再 分类
通过后处理得到
最终分割图
具体流程如图
所示
21
预处理
绿 通 道 眼 底 图 具 有 对 比 度 较 高
噪 声 少
血
管 脉 络 清 晰 的 特 点
本 文 选 取 绿 通 道 进 行 后 续
处 理 和 视 网 膜 血 管 分 割
首先采用直径为
个 像
素的圆盘结 构元素 对 绿 通 道 进 行 先 腐 蚀 再 膨 胀 的
形态学开运 算
去 除 血 管 中 心 反 射 现 象
然 后 利 用
对图像进行 增强处理
预处理结果如
图
所示
22
眼底图像像素特征提取
最大本征值
本文采用标准差为
σ
的高斯核函数对预处理后
的图像进行平滑滤波
滤波后的图像表示为
I
图像
I
的
矩阵定义为
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