Đồ án Tìm hiểu phương pháp tra cứu ảnh y tế

Bộ giáo dục và đào tạo Tr-ờng đại học dân lập hải phòng -------o0o------- Tìm HIểU PHƯƠNG PHáP tra cứu ảnh y tế đồ án tốt nghiệp đại học hệ chính quy Ngành: Công nghệ Thông tin Hải Phòng - 2012 Bộ giáo dục và đào tạo Tr-ờng đại học dân lập hải phòng -------o0o------- Tìm HIểU PHƯƠNG PHáP tra cứu ảnh y tế đồ án tốt nghiệp đại học hệ chính quy Ngành: Công nghệ Thông tin Sinh viên thực hiện: Vũ THị HồNG LIÊN Giáo viên h-ớng dẫn: pgs ts Ngô quốc tạo Mã số sinh viên: 1013101002 Hải Phòng - 2012 bộ giáo dục và đào tạo cộng hoà xã hội chủ nghĩa việt nam tr-ờng đại học dân lập hải phòng Độc lập - Tự do - Hạnh phúc -------o0o------- nhiệm vụ thiết kế tốt nghiệp Sinh viên: Vũ Thị Hồng Liên Mã số: 1013101002 Lớp: CTL401 Ngành: Công nghệ Thông tin Tên đề tài: Tìm hiểu ph-ơng pháp tra cứu ảnh y tế nhiệm vụ đề tài 1. Nội dung và các yêu cầu cần giải quyết trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp a. Nội dung: + Trỡnh bày tổng quan về tra cứu ảnh. + Một số phương phỏp tỡm kiếm ảnh theo nội dung. + Tra cứu ảnh y tế và giới thiệu một ứng dụng của phương phỏp tra cứu ảnh theo nội dung trong y tế; những hạn chế và khả năng mở rộng của chương trỡnh ứng dụng đú. b. Các yêu cầu cần giải quyết + Giới thiệu chi tiết phương phỏp tra cứu ảnh theo nội dung. + Sơ lược về cỏch đỏnh giỏ hiệu năng của một hệ thống tra cứu ảnh. + Xõy dựng được chương trỡnh thử nghiệm theo hai đặc điểm là : Hỡnh dạng và màu sắc. 2. Các số liệu cần thiết để thiết kế, tính toán 3. Địa điểm thực tập Viện khoa học và công nghệ Việt Nam – Số 18 đ-ờng Hoàng Quốc Việt, quận Cầu Giấy, Hà Nội. cán bộ h-ớng dẫn đề tài tốt nghiệp Ng-ời h-ớng dẫn thứ nhất: Họ và tên: Ngô Quốc Tạo Học hàm, học vị: Phó giáo s- – Tiến sĩ Cơ quan công tác: Viện khoa học và công nghệ Việt Nam Nội dung h-ớng dẫn: ................ Ng-ời h-ớng dẫn thứ hai: Họ và tên: ............ Học hàm, học vị...... Cơ quan công tác: .. Nội dung h-ớng dẫn: .................................................................................... Đề tài tốt nghiệp đ-ợc giao ngày tháng năm 2012 Yêu cầu phải hoàn thành tr-ớc ngày tháng năm 2012 Đã nhận nhiệm vụ: Đ.T.T.N Sinh viên Đã nhận nhiệm vụ: Đ.T.T.N Cán bộ h-ớng dẫn Đ.T.T.N Hải Phòng, ngày ............tháng.........năm 2012 Hiệu tr-ởng GS.TS.NGƢT Trần Hữu Nghị Phần nhận xét tóm tắt của cán bộ h-ớng dẫn 1. Tinh thần thái độ của sinh viên trong quá trình làm đề tài tốt nghiệp: ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... 2. Đánh giá chất l-ợng của đề tài tốt nghiệp (so với nội dung yêu cầu đã đề ra trong nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp) ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... 3. Cho điểm của cán bộ h-ớng dẫn: ( Điểm ghi bằng số và chữ ) ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... Ngày.......tháng.........năm 20 Cán bộ h-ớng dẫn chính ( Ký, ghi rõ họ tên ) Phần nhận xét đánh giá của cán bộ chấm phản biện đề tài tốt nghiệp 1. Đánh giá chất l-ợng đề tài tốt nghiệp (về các mặt nh- cơ sở lý luận, thuyết minh ch-ơng trình, giá trị thực tế, ...) ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... 2. Cho điểm của cán bộ phản biện ( Điểm ghi bằng số và chữ ) ..................................................................................................................................................... ..................................................................................................................................................... Ngày.......tháng.........năm 20 Cán bộ chấm phản biện ( Ký, ghi rõ họ tên ) 1 LỜI CẢM ƠN Em xin chõn thành cảm ơn PGS - TS. Ngụ Quốc Tạo, người đó trực tiếp hướng dẫn và tận tỡnh giỳp đỡ em trong quỏ trỡnh thực hiện đồ ỏn này, những kiến thức, và phương phỏp nghiờn cứu em học từ Thầy thực sự rất quý giỏ, khụng những giỳp ớch cho em ở hiện tại mà cũn là tiền đề để em cú thể tiếp thu kiến thức mới một cỏch tốt hơn, một lần nữa em xin cảm ơn Thầy rất nhiều. Em xin cảm ơn Thạc sỹ Ngụ Trường Giang vỡ thụng qua mụn học Đồ họa mỏy tớnh và Xử lý ảnh đó giỳp em cú niềm đam mờ với lĩnh vực đồ họa mỏy tớnh, những kiến thức từ hai mụn học đó gúp phần giỳp em hoàn thành đồ ỏn này. Em xin gửi lời cảm ơn tới khoa CNTT trường ĐHDL Hải Phũng, vỡ trong thời gian học tập ở trường em đó học hỏi được những kiến thức, và tư duy, giỳp em phỏt triển ý tưởng trong đồ ỏn này. Cuối cựng em xin gửi lời cảm ơn tới Gia đỡnh và bạn bố đó bờn cạnh giỳp đỡ đồng thời ủng hộ em trong quỏ trỡnh thực hiện đồ ỏn này. Hải Phũng, thỏng 11 năm 2012 Sinh viờn thực hiện Vũ Thị Hồng Liờn 2 LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... 1 LỜI MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 4 Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ TRA CỨU ẢNH ............................................................ 6 1.1. Giới thiệu về tra cứu ảnh ........................................................................................... 6 1.2. Mụ hỡnh hệ thống tra cứu ảnh theo nội dung .......................................................... 6 1.3. Ứng dụng của tra cứu ảnh theo nội dung ................................................................. 7 Chƣơng 2 :MỘT SỐ PHƢƠNG PHÁP TèM KIẾM ẢNH THEO NỘI DUNG .......... 9 2.1. Phƣơng phỏp trớch chọn theo mầu sắc tổng thể và cục bộ ................................... 10 2.1.1. Khụng gian màu ............................................................................................ 10 2.1.1.1 Khụng gian màu RGB ....................................................................... 11 2.1.1.2. Khụng gian màu CMY...................................................................... 11 2.1.1.3 Khụng gian màu HSx ......................................................................... 12 2.1.1.4. Khụng gian màu YUV và YIQ ......................................................... 13 2.1.1.5. Khụng gian màu CIE XYZ và LUV ................................................ 13 2.1.2. Lƣợng tử hoỏ màu ....................................................................................... 14 2.1.3. Cỏc moment màu .......................................................................................... 14 2.1.4. Biểu đồ màu (Color Histogram) .................................................................. 15 2.1.4.1. Biểu đồ màu toàn cục (Global Color Histogram) .......................... 16 2.1.4.2. Biểu đồ màu cục bộ (Local Color Histogram) ................................ 18 2.2. Phƣơng phỏp trớch chọn đặc trƣng theo kết cấu ................................................... 19 2.2.1. Cỏc đặc trƣng Tamura ................................................................................. 20 2.2.2. Cỏc đặc trƣng Wold...................................................................................... 22 2.2.3. Mụ hỡnh tự thoỏi lui đồng thời (mụ hỡnh SAR) .......................................... 23 2.2.4. Ma trận đồng khả năng (Co-occurrence matrix) ...................................... 24 2.2.5. Lọc Gabor ...................................................................................................... 26 2.2.6. Biến đổi dạng súng (wavelet transform) ..................................................... 27 2.3. Phƣơng phỏp trớch chọn đặc trƣng theo hỡnh dạng .............................................. 28 2.3.1. Biờn và cỏc phƣơng phỏp phỏt hiện biờn ................................................... 29 2.3.2. Xử lý ảnh trong miền tần số và biến đổi Fourier ....................................... 32 3 2.4. Độ đo khoảng cỏch và độ đo tƣơng tự .................................................................... 37 2.4.1. Độ đo khoảng cỏch ........................................................................................ 37 2.4.1.1. Độ đo khoảng cỏch Minkowski ........................................................ 37 2.4.1.2 Độ đo khoảng cỏch Quadratic .......................................................... 38 2.4.1.3. Độ đo khoảng cỏch Non-histogram ................................................. 39 2.4.1.4. Khoảng cỏch Mahalanobis ............................................................... 40 2.4.2. Độ đo tƣơng tự .............................................................................................. 40 2.4.2.1. Độ phõn kỳ Kullback-Leibler .......................................................... 40 2.4.2.2. Độ phõn kỳ Jeffrey ............................................................................ 40 2.4.2.3. Độ đo tƣơng tự hỡnh dạng toàn cục ................................................. 41 2.5. Đỏnh giỏ hiệu năng của hệ thống tra cứu ảnh ....................................................... 44 Chƣơng 3 : TRA CỨU ẢNH Y TẾ ................................................................................ 47 3.1. Tỡm hiểu đặc trƣng của ảnh y tế ............................................................................. 47 3.2 Tỏc dụng của tra cứu ảnh y tế .................................................................................. 49 3.3. Chƣơng trỡnh mụ phỏng ......................................................................................... 50 3.4. Khả năng mở rộng của chƣơng trỡnh ..................................................................... 51 3.4.1. Những hạn chế của chƣơng trỡnh ................................................................ 51 3.4.2. Khả năng mở rộng ........................................................................................ 52 KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 53 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 55 4 LỜI MỞ ĐẦU Cựng với sự bựng nổ thụng tin trờn web và sự phỏt triển của cụng nghệ kỹ thuật số, lượng ảnh lưu trữ trờn Web cũng tăng một cỏch nhanh chúng. Vỡ vậy, việc xõy dựng cỏc hệ thống tỡm kiếm là rất cần thiết. Cỏc cụng cụ tỡm kiếm ảnh thường dựa vào hai đặc trưng chớnh là văn bản đi kốm ảnh hoặc nội dung ảnh. Một số cụng cụ tỡm kiếm ảnh theo văn bản đi kốm như Google Image Search, Yahoo!, MSN,Một số cụng cụ tỡm kiếm ảnh dựa vào nội dung ảnh như Google Image Swirl, Bing, Tiltomo, Tineye, Tỡm kiếm ảnh theo nội dung đó nhận được nhiều sự quan tõm của cỏc nhà khoa học. Khi số lượng ảnh trong một bộ sưu tập cũn ớt, việc nhận diện một bức ảnh hay việc so sỏnh sự giống và khỏc nhau giữa nhiều bức ảnh cú thể thực hiện được bằng mắt thường, tuy nhiờn khi cú số lượng rất lớn ảnh thỡ việc so sỏnh bằng mắt thường là rất khú khăn, đũi hỏi phải cú những phương phỏp hiệu quả và chớnh xỏc hơn. Trong thực tế, bài toỏn tra cứu ảnh cú nhiều ứng dụng quan trọng. Đặc biệt trong lĩnh vực y học hiện nay việc ứng dụng tra cứu ảnh y tế cũng hết sức quan trọng. Việc tỡm ra một bức ảnh giống hoặc tương tự với ảnh mẫu hay khụng. Trong trường hợp này nếu sử dụng bằng mắt thường để duyệt thỡ sẽ tốn rất nhiều thời gian và độ chớnh xỏc khụng cao, ngược lại nếu cú cỏc phần mềm cho phộp tỡm kiếm trong cơ sở dữ liệu ảnh cú sẵn những hỡnh ảnh tương tự với hỡnh ảnh mẫu thỡ việc đỏnh giỏ và phỏt hiện bệnh lý sẽ dễ dàng hơn rất nhiều. Trước năm 1990, người ta thường sử dụng phương phỏp tra cứu ảnh theo văn bản (Text Based Image Retrieval). Theo cỏch này người ta sẽ gỏn cho mỗi bức ảnh một lời chỳ thớch phự hợp với nội dung hay một đặc điểm nào đú của ảnh, việc tra cứu ảnh được thực hiện dựa trờn những lời chỳ thớch này. Phương phỏp này khỏ đơn giản. Tuy nhiờn, việc tỡm kiếm chỉ dựa vào văn bản đi kốm cũn cú nhiều nhập nhằng giữa nội dung hiển thị ảnh và nội dung văn bản đi kốm ảnh trong quỏ trỡnh tỡm kiếm. Vớ dụ, với truy vấn “Apple”, mỏy tỡm kiếm khú phõn biệt được người dựng muốn tỡm hỡnh ảnh quả tỏo hay logo của hóng Apple. Bờn cạnh đú phương phỏp tra cứu ảnh dựa theo văn bản khụng thể ỏp dụng để tra cứu cỏc cơ sở dữ liệu ảnh cú số lượng ảnh lớn. Một trong những phương phỏp được nhiều người quan tõm nghiờn cứu hiện nay là phương phỏp “Tra cứu ảnh dựa theo nội dung” (Content Based Image Retrieval). í tưởng phương phỏp này là trớch chọn cỏc đặc điểm dựa vào nội dung trực quan của ảnh như màu sắc, kết cấu, hỡnh dạng và bố cục khụng gian của ảnh để làm cơ sở cho việc tra cứu, sắp xếp, tổ chức cơ sở dữ liệu ảnh. Một số hệ thống tra cứu ảnh nổi tiếng như QBIC (IBM), Virage (Virage Inc.), Photobook (MIT), VisualSEEK (Columbia University)... đó ỏp dụng khỏ thành cụng phương phỏp tra cứu này. 5 Nội dung của đề tài này là giới thiệu cơ sở lý thuyết và cỏc ứng dụng chớnh của một số phương phỏp tra cứu ảnh, trong đú đi sõu vào giới thiệu phương phỏp tra cứu ảnh theo nội dung ứng dụng tra cứu ảnh y tế. Trờn những cơ sở đú tiến hành thử nghiệm một phương phỏp cụ thể để xõy dựng một chương trỡnh phần mềm tra cứu ảnh cho phộp đọc vào một ảnh mẫu và tỡm kiếm những ảnh tương tự với ảnh mẫu trong một tập hợp cỏc ảnh cho trước theo hai đặc điểm là hỡnh dạng và màu sắc của ảnh. Bỏo cỏo được chia làm ba chương: Chƣơng 1: Trỡnh bày tổng quan về tra cứu ảnh Chƣơng 2: Một số phương phỏp tỡm kiếm ảnh theo nội dung Chƣơng 3: Tra cứu ảnh y tế và giới thiệu một ứng dụng của phương phỏp tra cứu ảnh theo nội dung trong y tế; những hạn chế và khả năng mở rộng của chương trỡnh ứng dụng đú. 6 Chƣơng 1 : TỔNG QUAN VỀ TRA CỨU ẢNH 1.1. Giới thiệu về tra cứu ảnh Ngày nay, lĩnh vực tra cứu ảnh nhận được sự quan tõm ngày càng lớn. Lý do một phần là sự phỏt triển của cụng nghệ chế tạo thiết bị thu nhận và lưu trữ ảnh cũng như sự phỏt triển mạnh mẽ của mạng Internet. Người ta sử dụng trong nhiều lĩnh vực khỏc nhau cú cơ hội để truy cập và sử dụng cỏc kho lưu trữ ảnh thuộc đủ loại chủ đề và với nhiều kiểu định dạng ảnh khỏc nhau. Tuy nhiờn người ta cũng nhận thấy rằng việc tỡm được một bức ảnh mong muốn trong bộ sưu tập ảnh đa dạng cú kớch thước lớn là rất khú khăn. Tra cứu ảnh là một quỏ trỡnh tỡm kiếm trong một cơ sở dữ liệu ảnh - những ảnh thoả món một yờu cầu nào đú. Vớ dụ một người muốn tỡm tất cả cỏc ảnh tương tự với một bức ảnh mẫu nào đú trong một cơ sở dữ liệu ảnh. Vấn đề tra cứu ảnh đó được nhỡn nhận rộng rói và việc tỡm kiếm cỏc giải phỏp cho vấn đề này trở thành một lĩnh vực rất sụi động, thu hỳt sự quan tõm của nhiều nhà nghiờn cứu. Những kỹ thuật tra cứu ảnh số đó được nghiờn cứu từ cuối những năm 70 của thế kỷ 20. Năm 1979 một cuộc hội thảo chuyờn đề về "Cỏc kỹ thuật tổ chức cơ sở dữ liệu cho cỏc ứng dụng đồ hoạ" được tổ chức ở thành phố Florence, Italia. Từ đú đến nay, khả năng ứng dụng cao của cỏc kỹ thuật quản lý cơ sở dữ liệu ảnh đó thu hỳt sự quan tõm của nhiều nhà nghiờn cứu. 1.2. Mụ hỡnh hệ thống tra cứu ảnh theo nội dung Phương phỏp tra cứu ảnh theo nội dung (Content-Based Image Retrieval) sử dụng cỏc nội dung trực quan của ảnh như màu sắc, hỡnh dạng, kết cấu (texture) và phõn bố khụng gian để thể hiện và đỏnh chỉ số cỏc ảnh. Trong một hệ thống tra cứu ảnh theo nội dung điển hỡnh (hỡnh vẽ 1.1) cỏc nội dung trực quan của ảnh được trớch chọn và mụ tả bằng những vộctơ đặc trưng nhiều chiều. Tập hợp cỏc vộctơ đặc trưng của cỏc ảnh trong một cơ sở dữ liệu ảnh tạo thành cơ sở dữ liệu đặc trưng. Quỏ trỡnh tra cứu ảnh được tiến hành như sau: Người sử dụng cung cấp cho hệ thống tra cứu một ảnh mẫu cụ thể. Sau đú hệ thống sẽ chuyển những mẫu này thành cỏc vộc tơ đặc trưng và tớnh toỏn sự giống nhau (hay độ tương tự) giữa vộc tơ đặc trưng của ảnh mẫu và vộc tơ đặc trưng của cỏc ảnh trong cơ sở dữ liệu. Sau cựng vi