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CN102663390B - 一种流式细胞显微图像二值化方法 - Google Patents

一种流式细胞显微图像二值化方法 Download PDF

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CN102663390B
CN102663390B CN201210129984.4A CN201210129984A CN102663390B CN 102663390 B CN102663390 B CN 102663390B CN 201210129984 A CN201210129984 A CN 201210129984A CN 102663390 B CN102663390 B CN 102663390B
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沈继楠
唐松
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Abstract

本发明涉及一种流式细胞显微图像二值化方法，属于显微镜系统图像处理技术。包括）统计图像灰度直方图、统计图像灰度累加直方图、基于累加直方图的计算。本发明方法通过基于灰度图像累加直方图的计算，可以得到较准确的二值化图像。

Description

一种流式细胞显微图像二值化方法
技术领域
本发明属于显微镜系统的图像处理技术领域，尤其是指一种流式细胞显微图像二值化方法。
背景技术
图像二值化是图像处理的基本操作和重要步骤，其功能是将图像上的像素点的灰度值设置为0或255，也就是将整个图像呈现出明显的只有黑和白的视觉效果。二值化方法主要分为全局二值化和局部二值化。全局二值化的基本思想是求取或设定一个阈值T，将源图像中大于T的像素设置为白色（或黑色），将源图像中小于T的像素值设置为黑色（或白色），其优点是处理速度快，对噪声不敏感，缺点是图像灰度分布不均匀时二值效果不理想，代表方法是Otsu方法。局部二值化方法是将源图像分为N份，对每一份分别求取阈值然后二值化，其优点是处理灰度不均匀图像效果较好，缺点是计算量大，对噪声敏感，代表方法是Niblack方法。
其它图像二值化方法也有很多，如专利CN00808969和专利 CN1694119提及和公开的方法。然而，流式细胞显微图像对比度相对较低和局部区域可能不清晰，当前二值化方法很难对绝大多数流式细胞显微图像计算出准确的二值图像。
发明内容
针对现有技术对流式细胞显微图像二值化的不足，本发明的目的是提供一种基于累加直方图的图像二值化方法，该方法能对流式细胞显微图像提供较好的二值化效果。
本发明的技术方案是：一种流式细胞显微图像二值化方法，包括以下步骤：
       （1）、计算待处理图像的灰度分布直方图；
       （2）、计算待处理图像的灰度累加直方图并归一化；
       （3）、在累加直方图横轴上选取一个区间[                                                ,
Figure 675288DEST_PATH_IMAGE002
]，计算此区间内累加直方图中（
Figure 377315DEST_PATH_IMAGE001
, 
Figure 282954DEST_PATH_IMAGE003
）、（
Figure 379086DEST_PATH_IMAGE002
 ，
Figure 277641DEST_PATH_IMAGE004
）两点形成直线l的斜率
Figure 80512DEST_PATH_IMAGE005
和截距
Figure 219369DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 491212DEST_PATH_IMAGE003
、
Figure 678611DEST_PATH_IMAGE004
分别是像素灰度值、
Figure 160594DEST_PATH_IMAGE002
对应的累加值，区间[
Figure 169001DEST_PATH_IMAGE001
,
Figure 222408DEST_PATH_IMAGE002
]的选择尽可能包含图像灰度分布所在的区间，如256级灰度图像，可以选择区间[0,255]；
       （4）、在累加直方图横轴上选取一个区间[,
Figure 166017DEST_PATH_IMAGE008
]（[,]
Figure 134476DEST_PATH_IMAGE009
[
Figure 474453DEST_PATH_IMAGE001
,
Figure 519769DEST_PATH_IMAGE002
]），计算区间[
Figure 852661DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 588405DEST_PATH_IMAGE008
]内累加直方图中各点（x, y）到直线l的距离并排序，距离最大的点的横坐标值即为阈值；区间[
Figure 676447DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 881163DEST_PATH_IMAGE008
]为区间[
Figure 783127DEST_PATH_IMAGE001
,
Figure 186427DEST_PATH_IMAGE002
]子集，应包含累加直方图中累加值变化明显的区域；
（5）、根据阈值对图像二值化。
本发明一种实施方式是在步骤（1）中，设图像灰度级为M，统计图像中像素灰度值为i（i=0,1,2…M-1）的像素总数，记为Hist[i]，得到M级灰度分布直方图Hist[M]。
本发明一种实施方式是在步骤（2）中，由步骤（1）计算得来的M级灰度分布直方图Hist[M]，计算累加直方图AccumulatHist[M], AccumulatHist[0] = Hist[0]/(height*width)，AccumulatHist[i] = AccumulatHist [i-1] +Hist[i]/(height*width) （i=1,2…M-1），其中，i为像素灰度值，AccumulatHist[i]为像素灰度值小于等于i的像素总数的归一化值，其取值区间为[0,1]，height为图像高度，width为图像宽度。
本发明一种实施方式是在步骤（3）中，根据步骤（2）计算获得的累加直方图，在平面直角坐标系中得到M个点坐标（i, AccumulatHist[i]）（i=0,1,2…M-1），横轴分量i表示像素灰度值，纵轴分量AccumulatHist[i]表示像素灰度值小于等于i的像素总数的归一化值；根据累加直方图的特点，AccumulatHist[i]在区间[0,1]内是单调递增的，在M个点中取其中从
Figure 383053DEST_PATH_IMAGE001
开始的连续的（-+1）个点，可知其中的极小和极大值点分别为（ ，
Figure 952258DEST_PATH_IMAGE003
）和（ ，
Figure 95105DEST_PATH_IMAGE004
），计算两点连线l的斜率
Figure 738576DEST_PATH_IMAGE005
和截距
Figure 260693DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 989615DEST_PATH_IMAGE005
=（
Figure 6112DEST_PATH_IMAGE004
-
Figure 504090DEST_PATH_IMAGE003
）/（
Figure 695643DEST_PATH_IMAGE002
-
Figure 911861DEST_PATH_IMAGE001
），
Figure 732049DEST_PATH_IMAGE006
=
Figure 271484DEST_PATH_IMAGE003
-
Figure 214032DEST_PATH_IMAGE005
*。
本发明一种实施方式是在步骤（4）中，在累加直方图横轴上选取一个区间[
Figure 10267DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 171252DEST_PATH_IMAGE008
]（[
Figure 19122DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 882036DEST_PATH_IMAGE008
]
Figure 293295DEST_PATH_IMAGE009
[
Figure 620371DEST_PATH_IMAGE001
,
Figure 842405DEST_PATH_IMAGE002
]），计算区间[
Figure 254932DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 708697DEST_PATH_IMAGE008
]内累加直方图中各点（
Figure 890279DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 283214DEST_PATH_IMAGE011
）到直线l的距离（i=0,1,…
Figure 936099DEST_PATH_IMAGE008
-
Figure 909871DEST_PATH_IMAGE007
），其中
Figure 536024DEST_PATH_IMAGE012
=（
Figure 611559DEST_PATH_IMAGE005
*
Figure 715781DEST_PATH_IMAGE010
+
Figure 809639DEST_PATH_IMAGE011
+
Figure 793644DEST_PATH_IMAGE006
）/
Figure 402480DEST_PATH_IMAGE013
；选取
Figure 513656DEST_PATH_IMAGE012
中的最大值，此时对应的i值即可作为待处理图像阈值对图像进行二值化。
本发明的效果在于：采用本发明的图像二值化方法，能取得较好的图像二值化效果，尤其对流式细胞显微图像二值化效果较好，方便后续对图像的处理。
附图说明
图1是待处理细胞灰度图像；
图2是待处理图像的灰度统计直方图；
图3是待处理图像的灰度累加直方图；
图4是在累加直方图基础上的计算示意图；
图5是采用本发明方法的二值化结果图；
图6是采用Otsu方法的二值化结果图。
具体实施方式
包括以下步骤：
（1）、计算待处理图像的灰度分布直方图；
图1所示为待处理的灰度等级为256级细胞显微图像，图2为待处理图像灰度统计直方图，由图2可知图像像素灰度值分布较为集中；设图像灰度级为M，统计图像中像素灰度值为i（i=0,1,2…M-1）的像素总数，记为Hist[i]，得到M级灰度分布直方图Hist[M]；
（2）、计算待处理图像的灰度累加直方图并归一化：
由步骤（1）计算得来的M级灰度分布直方图Hist[M]，计算累加直方图AccumulatHist[M], AccumulatHist[0] = Hist[0]/(height*width)，AccumulatHist[i] = AccumulatHist [i-1] +Hist[i]/(height*width) （i=1,2…M-1），其中，i为像素灰度值，AccumulatHist[i]为像素灰度值小于等于i的像素总数的归一化值，其取值区间为[0,1]，height为图像高度，width为图像宽度；图3所示为待处理图像灰度累加直方图，横坐标为像素灰度值，纵坐标为像素灰度值小于等于横坐标值的像素总数归一化值；
（3）、在累加直方图横轴上选取一个区间[
Figure 524337DEST_PATH_IMAGE001
,
Figure 177779DEST_PATH_IMAGE002
]，计算此区间内累加直方图中（, 
Figure 657619DEST_PATH_IMAGE003
）、（ ，
Figure 114194DEST_PATH_IMAGE004
）两点形成直线l的斜率和截距
Figure 885021DEST_PATH_IMAGE006
，其中、
Figure 868468DEST_PATH_IMAGE004
分别是像素灰度值
Figure 876876DEST_PATH_IMAGE001
、
Figure 117233DEST_PATH_IMAGE002
对应的累加值。区间[
Figure 957013DEST_PATH_IMAGE001
,
Figure 375356DEST_PATH_IMAGE002
]的选择尽可能包含图像灰度分布所在的区间，如256级灰度图像，可以选择区间[0,255]；
根据步骤（2）计算获得的累加直方图，在平面直角坐标系中得到M个点坐标（i, AccumulatHist[i]）（i=0,1,2…M-1），横轴分量i表示像素灰度值，纵轴分量AccumulatHist[i]表示像素灰度值小于等于i的像素总数的归一化值；根据累加直方图的特点，AccumulatHist[i]在区间[0,1]内是单调递增的，在M个点中取其中从开始的连续的（
Figure 204521DEST_PATH_IMAGE002
-+1）个点，可知其中的极小和极大值点分别为（
Figure 488052DEST_PATH_IMAGE001
 ，
Figure 720319DEST_PATH_IMAGE003
）和（
Figure 115528DEST_PATH_IMAGE002
 ，
Figure 602004DEST_PATH_IMAGE004
），计算两点连线l的斜率
Figure 378462DEST_PATH_IMAGE005
和截距
Figure 645495DEST_PATH_IMAGE006
，其中
Figure 516499DEST_PATH_IMAGE005
=（
Figure 185378DEST_PATH_IMAGE004
-
Figure 631271DEST_PATH_IMAGE003
）/（
Figure 120022DEST_PATH_IMAGE002
-
Figure 60296DEST_PATH_IMAGE001
），
Figure 269167DEST_PATH_IMAGE006
=
Figure 433432DEST_PATH_IMAGE003
-
Figure 612741DEST_PATH_IMAGE005
*
Figure 153443DEST_PATH_IMAGE001
；
（4）、在累加直方图横轴上选取一个区间[
Figure 718286DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 319031DEST_PATH_IMAGE008
]（[
Figure 720057DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 64451DEST_PATH_IMAGE008
]
Figure 250843DEST_PATH_IMAGE009
[
Figure 694594DEST_PATH_IMAGE001
,
Figure 910812DEST_PATH_IMAGE002
]），计算区间[
Figure 980268DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 332752DEST_PATH_IMAGE008
]内累加直方图中各点（x, y）到直线l的距离并排序，距离最大的点的横坐标值即为阈值。区间[
Figure 947404DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 385339DEST_PATH_IMAGE008
]为区间[
Figure 762880DEST_PATH_IMAGE001
,
Figure 969871DEST_PATH_IMAGE002
]子集，应包含累加直方图中累加值变化明显的区域；
在累加直方图横轴上选取一个区间[
Figure 21003DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 946234DEST_PATH_IMAGE008
]（[
Figure 357492DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 684569DEST_PATH_IMAGE008
]
Figure 906603DEST_PATH_IMAGE009
[
Figure 741966DEST_PATH_IMAGE001
,
Figure 769964DEST_PATH_IMAGE002
]），计算区间[
Figure 889230DEST_PATH_IMAGE007
,
Figure 344482DEST_PATH_IMAGE008
]内累加直方图中各点（
Figure 431256DEST_PATH_IMAGE010
,
Figure 997366DEST_PATH_IMAGE011
）到直线l的距离
Figure 971139DEST_PATH_IMAGE012
（i=0,1,…
Figure 597292DEST_PATH_IMAGE008
-
Figure 404318DEST_PATH_IMAGE007
），其中
Figure 774119DEST_PATH_IMAGE012
=（
Figure 867977DEST_PATH_IMAGE005
*
Figure 665032DEST_PATH_IMAGE010
+
Figure 460818DEST_PATH_IMAGE011
+）/
Figure 317096DEST_PATH_IMAGE013
；选取
Figure 973467DEST_PATH_IMAGE012
中的最大值，此时对应的i值即可作为待处理图像阈值对图像进行二值化；
（5）、根据阈值对图像二值化。
如图4，本实施例中，取[0,255]区间（0, Hist[0]）和(255, Hist[255])两个极值点，其中Hist[0]=0，Hist[255]=1，连接两极值点成直线l， 经上述计算斜率
Figure 69599DEST_PATH_IMAGE005
值为0.00392，截距
Figure 718887DEST_PATH_IMAGE006
值为0。取[0,255]子区间[100,235],计算点（
Figure 849654DEST_PATH_IMAGE010
,AccumulatHist [
Figure 175462DEST_PATH_IMAGE010
]）（i=100,101,…235）到直线l的距离
Figure 493311DEST_PATH_IMAGE012
，选取最大的
Figure 946289DEST_PATH_IMAGE012
对应的i值作为图像二值化阈值。经计算本实例中
Figure 931562DEST_PATH_IMAGE012
最大值为0.1426，对应的i值为204，所以待处理灰度图像二值化阈值为204。
图5为采用本发明方法对源图像进行二值化的结果，其中白色部分为细胞区域，黑色部分为背景区域；图6为采用Otsu方法的二值化结果。不难看出，Otsu方法没有正确获取细胞的二值图像，丢失了很多细胞图像区域。采用本发明方法计算得到的二值图像达到了很好了二值化效果，可以满足实际应用的需求。

Claims (1)

1.一种流式细胞显微图像二值化方法，包括以下步骤：
（1）、计算待处理图像的灰度分布直方图；设图像灰度级为M，统计图像中像素灰度值为i（i=0,1,2…M-1）的像素总数，记为Hist[i]，得到M级灰度分布直方图Hist[M]；
（2）、计算待处理图像的灰度累加直方图并归一化；由步骤（1）计算得来的灰度直方图Hist[M]，计算累加直方图AccumulatHist[M],AccumulatHist[0]=Hist[0]/(height*width)，AccumulatHist[i]=AccumulatHist[i-1]+Hist[i]/(height*width)（i=1,2…M-1），其中，i为像素灰度值，AccumulatHist[i]为像素灰度值小于等于i的像素总数的归一化值，其取值区间为[0,1]，height为图像高度，width为图像宽度；
（3）、在累加直方图横轴上选取一个区间[x1,x2]，计算此区间内累加直方图中（x1,y1）、（x2，y2）两点形成直线l的斜率k和截距b，其中y1、y2分别是像素灰度值x1、x2对应的累加值，区间[x1,x2]的选择包含图像灰度分布所在的区间；
根据步骤（2）计算获得的累加直方图，在平面直角坐标系中得到M个点坐标（i,AccumulatHist[i]）（i=0,1,2…M-1），横轴分量i表示像素灰度值，纵轴分量AccumulatHist[i]表示像素灰度值小于等于i的像素总数的归一化值，根据累加直方图的特点，AccumulatHist[i]在区间[0,1]内是单调递增的，在M个点中取其中从x1开始的连续的（x2-x1+1）个点，可知其中的极小和极大值点分别为（x1，y1）和（x2，y2），计算两点连线l的斜率k和截距b，其中k=（y2-y1）/（x2-x1），b=y1-k*x1；
其特征在于：
（4）、在累加直方图横轴上选取一个区间[x3,x4]
Figure FDA0000420769720000011
计算区间[x3,x4]内累加直方图中各点（xi,yi）到直线l的距离Di（i=0,1,…x4-x3），其中 选取Di中的最大值，此时对应的i值作为待处理图像阈值对图像进行二值化，
（5）、根据阈值对图像二值化。
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