基于區域特征的細胞跟蹤方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了基于區域特征的細胞跟蹤方法及裝置，該方法首先對顯微拍攝的細胞視頻進行轉換得到連續的細胞圖像幀，并對每一幀細胞圖像進行圖像分割，在細胞圖像中標記細胞區域，根據每個細胞區域的質心求出與待跟蹤細胞之間的歐式距離，如果小于細胞運動的平均距離，則認為該細胞是待跟蹤細胞的候選細胞，并記錄所有的候選細胞信息；最后對所有的候選細胞，分別計算與待跟蹤細胞之間的相似度，以相似度值最大的候選細胞為該待跟蹤細胞的匹配細胞。本發明同時還公開了應用該方法進行細胞跟蹤裝置。本發明的對粘連細胞的識別和分離準確率高，能夠快速有效地進行細胞跟蹤。
【專利說明】基于區域特征的細胞跟蹤方法及裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于計算機視覺【技術領域】，尤其涉及基于區域特征的細胞跟蹤方法及裝置。
【背景技術】
[0002]細胞動態分析在細胞生物學和生物醫學中都具有重要的研究意義和應用價值，其通常是通過對細胞進行跟蹤來實現的，然而傳統的細胞跟蹤方法不僅需要大量繁瑣的人為操作，還需要使用物理、化學等操作，使研究結果不能客觀的反映細胞的自然運動。
[0003]隨著計算機視覺技術和數字圖像處理技術的發展，運動目標的檢測和跟蹤作為計算機視覺的研究內容之一，已經越來越受到科研人員的廣泛關注。在大多數的數字圖像視頻分析應用中，主要的目標是在圖像序列中檢測和跟蹤一個或多個物體的運動。分析視頻圖像中物體運動的應用非常廣泛，例如交通控制、機器人控制、海洋監測和人臉檢測識別等。然而，隨著顯微鏡技術的快速發展，把計算機視覺技術和數字圖像處理技術運用到微觀領域進行科學研究也引起了科研人員的興趣。
[0004]由于顯微細胞圖像存在圖像模糊、細胞分布雜亂等特點，通過傳統的人工方法分析顯微鏡下拍攝的大量圖片是一件冗長乏味的事情，而且隨著細胞圖像數據的不斷增加和重復觀察的需要，顯然人工分析的方法是一項不切實際的方法。而且有時候由于使用了物理化學等操作使實驗結果不能夠正確地反映細胞的自然運動，因此傳統的細胞跟蹤方法在技術日益更新的今天已不再適用。隨著計算機技術的發展，運用數字圖像處理技術和計算機視覺的技術定量分析視頻中細胞的運動無疑是很好的選擇，不僅能夠減少人為因素的干擾，而且自動地分析細胞的動態行為，已經成為取代人工方法的一項重要技術。
[0005]然而由于細胞圖像本身具有復雜的自然屬性和結構特性如光照的影響、邊界模糊、信噪比低、重疊細胞等問題，雖然現有技術基于閾值的細胞圖像分割方法和基于形變模型的細胞圖像分割方法在分割細胞圖像時都能夠取得很好的分割效果，但是在分割結果中通常會存在粘連的現象，需要進行進一步處理。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提出一種基于區域特征的細胞跟蹤方法及裝置，用以解決現有技術在細胞圖像分割時存在的粘連現象。
[0007]—種基于區域特征的細胞跟蹤方法，用于根據顯微視頻的幀圖像進行細胞跟蹤，所述方法包括步驟:
[0008]步驟1、對顯微拍攝的細胞視頻進行轉換得到連續的細胞圖像幀，并對每一幀細胞圖像進行圖像分割，在細胞圖像中標記細胞區域；
[0009]步驟2、以第一幀細胞圖像為當前細胞圖像，在該細胞圖像中標記要跟蹤的待跟蹤細胞；
[0010]步驟3、輸入當前細胞圖像的下一幀細胞圖像，根據每個細胞區域的質心求出與待跟蹤細胞之間的歐式距離，如果小于細胞運動的平均距離，則認為該細胞是待跟蹤細胞的候選細胞，并記錄所有的候選細胞信息；
[0011]步驟4、對所有的候選細胞，分別計算與待跟蹤細胞之間的相似度，以相似度值最大的候選細胞為該待跟蹤細胞的匹配細胞；
[0012]步驟5、判斷是否所有細胞圖像跟蹤完畢，是則結束細胞跟蹤，否則以下一幀細胞圖像為當前細胞圖像，以匹配細胞為待跟蹤細胞，返回步驟3。
[0013]進一步地，所述步驟I包括步驟:
[0014]步驟1.1、對顯微拍攝的細胞視頻進行轉換得到連續的細胞圖像幀，并對每一幀細胞圖像進行分割，將潛在的細胞區域從背景區域中提取出來；
[0015]步驟1.2、將分割后的圖像進行二值化，并基于數學形態學對細胞圖像進行區域填充和噪點去除；
[0016]步驟1.3、查找細胞圖像中的粘連細胞，并進行粘連細胞分離；
[0017]步驟1.4、在細胞圖像中標記細胞區域。
[0018]進一步地，所述查找細胞圖像中的粘連細胞，并進行粘連細胞分離，具體包括步驟:
[0019]步驟1.3.1、查找出細胞區域面積大于預先設定的面積閾值的可能粘連細胞；
[0020]步驟1.3.2、在當前細胞圖像的前一幀中和后一幀中搜索所述可能粘連細胞對應的細胞區域，如果該可能粘連細胞的面積大于對應的細胞區域面積超過一定比例值，則判斷該可能粘連細胞為粘連細胞；
[0021]步驟1.3.3、將粘連細胞進行分離。
[0022]進一步地，所述比例值為40%。由于細胞分裂導致的細胞面積增長不會超過40%，所以將比例值設為40%，可以有效區分粘連細胞與細胞分裂。
[0023]本發明中，所述相似度計算公式如下:
[0024]Er (k, k ) - λ lEdisplacement+ \ 2Earea+ λ sEdeformation
[0025]其中Ee (k, k’ )為待跟蹤細胞k和候選細胞k’的相似度，λ P λ 2和λ 3表示對應的區域特征參數在相似度函數中的權重；
[0026]位移變化參數Edisplaranient反映了細胞在相鄰兩幀圖片之間的移動距離大小:
[0027]
【權利要求】
1.一種基于區域特征的細胞跟蹤方法，用于根據顯微視頻的幀圖像進行細胞跟蹤，其特征在于，所述方法包括步驟: 步驟1、對顯微拍攝的細胞視頻進行轉換得到連續的細胞圖像幀，并對每一幀細胞圖像進行圖像分割，在細胞圖像中標記細胞區域； 步驟2、以第一幀細胞圖像為當前細胞圖像，在該細胞圖像中標記要跟蹤的待跟蹤細胞； 步驟3、輸入當前細胞圖像的下一幀細胞圖像，根據每個細胞區域的質心求出與待跟蹤細胞之間的歐式距離，如果小于細胞運動的平均距離，則認為該細胞是待跟蹤細胞的候選細胞，并記錄所有的候選細胞信息； 步驟4、對所有的候選細胞，分別計算與待跟蹤細胞之間的相似度，以相似度值最大的候選細胞為該待跟蹤細胞的匹配細胞； 步驟5、判斷是否所有細胞圖像跟蹤完畢，是則結束細胞跟蹤，否則以下一幀細胞圖像為當前細胞圖像，以匹配細胞為待跟蹤細胞，返回步驟3。
2.根據權利要求1所述的細胞跟蹤方法，其特征在于，所述步驟I包括步驟: 步驟1.1、對顯微拍攝的細胞視頻進行轉換得到連續的細胞圖像幀，并對每一幀細胞圖像進行分割，將潛在的細胞區域從背景區域中提取出來； 步驟1.2、將分割后的圖像進行二值化，并基于數學形態學對細胞圖像進行區域填充和噪點去除； 步驟1.3、查找細胞圖像中的粘連細胞，并進行粘連細胞分離； 步驟1.4、在細胞圖像中標記細胞區域。
3.根據權利要求2所述的細胞跟蹤方法，其特征在于，所述查找細胞圖像中的粘連細胞，并進行粘連細胞分離，具體包括步驟: 步驟1.3.1、查找出細胞區域面積大于預先設定的面積閾值的可能粘連細胞； 步驟1.3.2、在當前細胞圖像的前一幀中和后一幀中搜索所述可能粘連細胞對應的細胞區域，如果該可能粘連細胞的面積大于所述對應的細胞區域面積超過一定比例值，則判斷該可能粘連細胞為粘連細胞； 步驟1.3.3、將粘連細胞進行分離。
4.根據權利要求3所述的細胞跟蹤方法，其特征在于，所述比例值為40%。
5.根據權利要求1所述的細胞跟蹤方法，其特征在于，所述相似度計算公式如下:
Er (k, k，)= λ
lEdisplacement+ 入 2^area~^"入 3^deformation 其中EK(k，k’)為待跟蹤細胞k和候選細胞k’的相似度，X1,入2和λ 3表示對應的區域特征參數在相似度函數中的權重； 位移變化參數Edispla?反映了細胞在相鄰兩幀圖片之間的移動距離大小:
6.一種基于區域特征的細胞跟蹤裝置，用于根據顯微視頻的幀圖像進行細胞跟蹤，其特征在于，所述裝置包括:圖像分割模塊，用于對顯微拍攝的細胞視頻進行轉換得到連續的細胞圖像幀，并對每一幀細胞圖像進行圖像分割，在細胞圖像中標記細胞區域；待跟蹤細胞標記模塊,用于在當前細胞圖像中標記待跟蹤的待跟蹤細胞；候選細胞查找模塊，用于根據當前細胞圖像的下一幀細胞圖像中每個細胞區域的質心求出與待跟蹤細胞之間的歐式距離，如果小于細胞運動的平均距離，則認為該細胞是待跟蹤細胞的候選細胞，并記錄所有的候選細胞信息；匹配模塊，用于對所有的候選細胞，分別計算與待跟蹤細胞之間的相似度，以相似度值最大的候選細胞為該待跟蹤細胞的匹配細胞；判斷模塊，用于判斷是否所有細胞圖像跟蹤完畢，是則結束細胞跟蹤，否則以下一幀細胞圖像為當前細胞圖像，以匹配細胞為待跟蹤細胞，返回所述候選細胞查找模塊查找下一幀細胞圖像中的候選細胞。
7.根據權利要求6所述的細胞跟蹤裝置，其特征在于，所述圖像分割模塊具體包括:背景分離單元，用于對顯微拍攝的細胞視頻進行轉換得到連續的細胞圖像幀，并對每一幀細胞圖像進行分割，將潛在的細胞區域從背景區域中提取出來；圖像處理單元，用于將分割后的圖像進行二值化，并基于數學形態學對細胞圖像進行區域填充和噪點去除；粘連細胞處理單元，用于查找細胞圖像中的粘連細胞，并進行粘連細胞分離；細胞區域標記單元，用于在細胞圖像中標記細胞區域。
8.根據權利要求7所述的細胞跟蹤裝置，其特征在于，所述粘連細胞處理單元包括:查找子單元，用于查找出細胞區域面積大于預先設定的面積閾值的可能粘連細胞；粘連細胞判定子單元，用于在當前細胞圖像的前一幀中和后一幀中搜索所述可能粘連細胞對應的細胞區域，如果該可能粘連細胞的面積大于所述對應的細胞區域面積超過一定比例值，則判斷該可能粘連細胞為粘連細胞；粘連細胞分離子單元，用于將粘連細胞進行分離。
9.根據權利要求8所述的細胞跟蹤裝置，其特征在于，所述比例值為40%。
10.根據權利要求6所述的細胞跟蹤裝置，其特征在于，所述匹配模塊計算相似度的計算公式如下:
Er (k, k，)= λ lEdisplacement+ 入 2^area~^"入 3^deformation 其中EK(k，k’)為待跟蹤細胞k和候選細胞k’的相似度，X1,入2和λ 3表示對應的區域特征參數在相似度函數中的權重； 位移變化參數Edispla?反映了細胞在相鄰兩幀圖片之間的移動距離大小:
【文檔編號】G06T7/20GK103606173SQ201310611680
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年11月26日 優先權日:2013年11月26日
【發明者】陳磊, 朱辰, 陳勝勇, 管秋, 汪曉妍, 楊延紅 申請人:浙江工業大學