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병리 정보 시스템을 위한 이미지 외곽선 추출 기법 연구
Image Edge Detection Technique for Pathological Information System 원문보기

정보처리학회논문지. KIPS transactions on software and data engineering. 소프트웨어 및 데이터 공학, v.5 no.10, 2016년, pp.489 - 496  

(아주대학교 컴퓨터공학과) ,  오상윤 (아주대학교 소프트웨어학과)

초록
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병리 정보시스템(Pathological Information System: PIS)은 매일 수천 장씩 생산되는 환자 병리 이미지를 관리하는데 활용되고 있으며, 이 이미지 정보들을 어떻게 효과적으로 처리할 것인지는 병리 정보 처리에 있어서 중요한 연구 과제 중 하나이다. 이미지의 외곽선을 추출하는 것은 병리 이미지 처리에 있어 가장 중요한 작업이지만 현재 사용되는 알고리즘은 정확도에 있어 많은 개선점을 가지므로, 본 논문에서는 이미지의 외곽선 검측에 있어서 기존의 Canny 알고리즘의 원리를 바탕으로 적응적 임계값 설정이 가능하며 눈금자를 임계값 설정의 기준으로 삼는 방식을 제안하여 기존 외곽선 추출 방식보다 정확한 방식을 제안한다. 제안 방식은 기존 방식과의 비교실험을 통해 성능을 검증하였으며, 이 실험에서는 임의로 선정된 병리 이미지 군, 기존 방식으로는 식별이 제한되었던 병리 이미지 군 및 의도적으로 노이즈를 추가한 이미지 군을 대상으로 실험하였고, 실험 결과를 비교하여 제안하는 이미지 외곽선 식별 방식의 향상된 성능을 증명했다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Thousands of pathological images are produced daily per hospital and they are stored and managed by a pathology information system (PIS). Since image edge detection is one of fundamental analysis tools for pathological images, many researches are targeted to improve accuracy and performance of image...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • Canny가 1986년에 개발하여 발표한 다단계 경계 검출 계산법 중 하나이다[11]. Canny 알고리즘은 1) 정확한 외곽선 탐지, 2) 검출된 외곽 선의 높은 위치 정확성, 3) 검출된 외곽선들은 실제 외곽선을 중복 검출하지 않도록 하는 조건들을 만족하는 최적의 외곽선 검출방법을 찾는 것을 목표로 한다.
  • Canny 선형알고리즘은 정확한 외곽선 탐지, 검출된 외곽 선의 높은 위치 정확성, 검출된 외곽선들은 실제 외곽선을 중복 검출하지 않도록 하는 조건들을 만족하는 최적의 외곽 선을 발견하는 것을 목표로 설계되었다. 따라서 노이즈 저항과 정확한 경계 검출이라는 두 조건을 만족시키는 우수한 결과를 제공할 수 있어서, 노이즈가 섞이기 쉽고 목표 사물 인식 후 분석 작업을 위해 매우 정확한 경계 검출을 요구하는 병리 이미지 외곽선 추출에 적합하다.
  • 본 논문이 제시한 새로운 DGPS 병리 이미지 외곽선 추출 방식의 성능을 측정하기 위해, 기존 DGPS에서 사용되는 Sobel 기반의 이미지 외곽선 추출 방식과 제안 방식을 비교 하는 실험을 진행하였다. 실험 데이터는 무작위로 선정한 일반 병리 이미지, 기존 알고리즘이 식별하는데 문제가 있었던 병리 이미지들, 그리고 새로이 이미지 노이즈를 추가한 시험 이미지를 사용하였으며, 시스템의 분석 기능은 OpenCV와 C++로 구현하였다.
  • DGPS시스템에서 사용하는 소프트웨어가 병리 이미지의 특성을 고려하지 않은 일반적인 이미지 분석 알고리즘을 그대로 사용하여 이미지 외곽선 인식을 진행하게 되면, 이미지 상의 노이즈에 대한 영향을 많이 받거나 인식된 경계 위치가 불확실하여 사진을 성공적으로 식별하지 못하는 문제가 빈번하게 발생하게 된다. 본 장에서는 기존 병리 이미지 처리 방식의 문제점을 제시하고, 이를 보완하여 병리 이미지 외곽선을 보다 정확하게 추출하기 위한 Canny 알고리즘 기반 눈금자 기준 적응형 임계치 설정 방식을 제안한다.
  • 이에 본 논문에서는 보다 정확하고 효과적인 병리 이미지 외곽선 추출 방식을 제안하기 위해 여러 이미지 인식 알고리즘들의 장ㆍ단점을 분석하였으며, 병리 이미지 처리 환경을 고려하는 경우 가장 보편적으로 활용되고 있는 Sobel 알고리즘과 그리고 이를 개선한 Laplace 알고리즘 대비 임계치 설정이 가능한 Canny 알고리즘을 병리 이미지 외곽선 추출에 적합한 알고리즘으로 제안한다. 또한 Canny 알고리즘에서 나타나는 비적응적인 임계값 결정 문제를 보완하고 병리 이미지 분석에 필수적인 단위값(Unit Value)의 동시 인식을 위해 Canny 알고리즘의 적응형 설정(Adaptive Configuration) 과 함께 임계값의 눈금선 기준 제안을 포함하는 새로운 외곽선 추출 방식을 제안한다.
  • 하지만, 여기에서 처리하는 병리 이미지들은 일반적인 디지털 이미지와 상이한 특징을 가지고 있으며, 일반적인 디지털처리기술은 이러한 이미지 처리에 있어서 그 효과가 제한적이다. 이에 본 논문은 병리 정보 시스템 중 DGPS에 대한 이미지처리 알고리즘을 분석하고, Canny 알고리즘을 기반으로 새로운 DGPS 이미지인식기능을 제안하였다.
  • 병리 이미지에 Canny 알고리즘을 이용하여 조직의 이미지를 기준으로 임계값을 설정한후 조직의 외곽선과 눈금자 외곽선을 동시에 추출하면, 외곽선 인식 정확도가 매우 떨어진다. 이에 본 연구에서는 병리 이미지 외곽선 인식을 위한 Canny 알고리즘의 임계값을 눈금자 이미지를 기준으로 정하는 방식을 제안한다.

가설 설정

  • 그러나 Laplace알고리즘은 두 가지 단점이 있다. 첫째, 외곽선방향 정보를 잃는다는 점이다. 둘째, Laplace는 2차 미분함수 때문에 1차 미분함수가 포함된 Sobel 알고리즘과 비교했을 때 이미지 중 노이즈 영향이 두 배로 증가한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
효과적인 외곽선 처리를 위해서 고려해야 할 사항은 어떤 것들이 있는가? 효과적인 외곽선 처리를 위해서는 다음과 같은 점이 고려되어야 한다. 첫째, 이미지특징 변화의 형식 검출을 확인하고 이미지에 따라 가장 적합한 변화 검출 방법을 선택적으로 적용해야 한다. 둘째, 명확한 특성 변화는 항상 규칙적인 공간 제한 내에서 발생하기 때문에 맹목적으로 단일한 알고리즘을 통해 모든 이미지의 특징 검출 계산을 하는 것은 좋지 결과를 도출하지 못한다. 셋째, 노이즈의 영향을 고려하여야 한다. 노이즈을 걸러내는 것에는 한계가 있으므로, 신호에 대해 이미지 구역 모델링과 통계신호 분석, 파라메터화 된 검출들을 추가 조건으로 적용해야 한다. 넷째, 위에 제안된 방법들과 다른 각종 방법을 조합하여 사용하는 것도 고려하여야 한다[7]. 외곽선을 찾아내기 이전과 마찬가지로, 이후에도 부분적인 함수 적용 등을 통해 매우 정확한 외곽선 위치를 얻을 수 있다. 일반적인 외곽선 검출 방법은 항상 단속적이고 완전하지 못한 구조 정보만을 검출하며, 노이즈에 대해서도 민감하다. 따라서 노이즈를 효과적으로 억제하기 위해서는 일반적으로 최초의 사진을 평탄하게 하고, 다시 외곽선 검출을 수행하여 성공적으로 정확한 이미지를 검출할 수 있다.
Sobel 연산자는 무엇인가? Sobel 연산자는 대표적인 이미지 외곽선 검출을 위한 1차 미분 연산자로 가우스 스무싱과 미분 도함수를 결합하여 이미지의 그레이스케일로부터 이미지 강도의 경사도를 추정한다. 이미지의 임의의 점에서 이 연산자를 사용하면, 그와 대응되는 경사도 벡터를 계산할 수 있다.
Canny 알고리즘의 목표는 무엇인가? Canny가 1986년에 개발하여 발표한 다단계 경계 검출 계산법 중 하나이다[11]. Canny 알고리즘은 1) 정확한 외곽선 탐지, 2) 검출된 외곽 선의 높은 위치 정확성, 3) 검출된 외곽선들은 실제 외곽선을 중복 검출하지 않도록 하는 조건들을 만족하는 최적의 외곽선 검출방법을 찾는 것을 목표로 한다.
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참고문헌 (15)

  1. Roger S. Riley, Jonathan M. Ben-Ezra, Davis Massey, Rodney L. Slyter, and Gina Romagnoli, "Digital Photography: A Primer for Pathologists," Journal of Clinical Laboratory Analysis, Vol.18, pp.91-128, 2004. 

  2. Manal Y Gabril and George M Yousef, "Informatics for practicing anatomical pathologists: marking a new era in pathology practice," Modern Pathology, Vol.23, pp.349-358, 2010. 

  3. Roger S. Riley, Jonathan M. Ben-Ezra, Davis Massey, Rodney L. Slyter, and Gina Romagnoli, "Digital Photography: A Primer for Pathologists," Journal of Clinical Laboratory Analysis, Vol.18, pp.91-128, 2004. 

  4. Tony Lindeberg, "A computational theory of visual receptive fields," Biol Cybern, Vol.107, pp.589-635, 2013. 

  5. Cemil Kirbas and Francis Quek, "A Review of Vessel Extraction Techniques and Algorithms," ACM Computing Surveys, Vol.36, No.2, pp.81-121. 2004. 

  6. Cui Qi, "Digital Image Processing Technology," Electronic Industry Press, 1997. 

  7. Rafael C. Gonzalrz and Richard E. Woods, "Digital Image Processing," Publishing House of Electonics Industry, 2007. 

  8. Krystian Mikolajczyk and Cordelia Schmid, "Scale & Affine Invariant Interest Point Detectors," International Journal of Computer Vision, Vol.60, No.1, pp.63-86, 2004. 

  9. Wang Wen-hu, "Integrated Method of Recognizing Huge Target," Journal of Beijing Institute of Technology, Vol.7, No.10, pp.423-428, 2001. 

  10. Ron Kimmel and Alfred M. Bruckstein, "Regularized Laplacian Zero Crossings as Optimal Edge Integrators," International Journal of Computer Vision, Vol.53, No.3, pp.225-243, 2003. 

  11. John Canny, "A Computational Approach to Edge Detection," IEEE Trans, Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol.8, No.6, pp.679-698, 1986. 

  12. Tony Lindeberg, "Scale Selection Properties of Generalized Scale-Space Interest Point Detectors," J Math Imaging Vis, Vol.46, pp.177-210, 2013. 

  13. Zhuhuang Zhou, Weiwei Wu, and Shuicai Wu et al., "Semi-automatic Breast Ultrasound Image Segmentation Based on Mean Shift and Graph Cuts," Ultrasonic Imaging, Vol.36, No.4. pp.256-276, 2014. 

  14. Tang Lu-lu, Zhang Qi-can, and Hu Song, "An Improved Algorithm for Canny Edge Detection with Adaptive Threshold," Opto-Electronic Engineering, Vol.38, No.5, 2011. 

  15. David G. Lowe, "Distinctive Image Features from Scale- Invariant Keypoints," International Journal of Computer Vision, Vol.60, Issue 2, pp.91-110, 2004. 

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