×

将准共形几何应用于成像的微分同胚映射问题的深度学习框架。 (英语) Zbl 07851440号

总结:许多成像问题都可以表述为映射问题。一般映射问题的目标是获得一个最优映射,使能量泛函在给定约束下最小化。现有的解决映射问题的方法通常效率低下,有时会陷入局部极小。当要求最优映射是微分同构的时,就会产生额外的挑战。在这项工作中,我们通过提出基于准共形(QC)Teichmüller理论的深度学习框架来解决这个问题。主要策略是学习表示映射的Beltrami系数(BC)作为深度神经网络中的潜在特征向量。BC测量映射下的局部几何畸变,从而提高深度神经网络的可解释性。在这个框架下,映射的微分同胚性可以通过网络中的一个简单激活函数来控制。通过将BC集成到损失函数中,也可以很容易地正则化最优映射。该框架的一个关键优点是,一旦网络训练成功,就可以实时获得对应于每个输入数据信息的优化映射。为了检验该框架的有效性,我们将该方法应用于微分图像配准问题。实验结果在效率和准确性方面均优于其他最先进的配准算法,这证明了我们提出的框架解决映射问题的有效性。

MSC公司:

68T07型 人工神经网络与深度学习
68单位10 图像处理的计算方法
94A08型 信息与通信理论中的图像处理(压缩、重建等)
30C62个 复平面上的拟共形映射
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用

参考文献:

[1] Ashburner,J.,《快速微分图像配准算法》,NeuroImage,38(2007),第95-113页。
[2] Balakrishnan,G.,Zhao,A.,Sabuncu,M.R.,Guttag,J.和Dalca,A.V.,《Voxelmorph:可变形医学图像注册的学习框架》,IEEE Trans。《医学成像》,38(2019),第1788-1800页。
[3] Beg,M.F.、Miller,M.I.、Trouvé,A.和Younes,L.,《通过微分几何的测地流计算大变形度量映射》,《国际计算杂志》。《愿景》,61(2005),第139-157页·Zbl 1477.68459号
[4] Bernard,O.,Lalande,A.,Zotti,C.,Cervenansky,F.,Yang,X.,Heng,P.-A.,Cetin,I.,Lekadir,K.,Camara,O.M.、。,Wolf,I.,Engelhardt,S.,Baumgartner,C.F.,Koch,L.M.,Wolterink,J.M.、Išgum,I.、Jang,Y.、Hong,Y.Patravali,J.、Jain,S.、Humbert,O.和Jodoin,P.M.《MRI心脏多结构自动分割和诊断的深度学习技术:问题解决了吗?》?,IEEE传输。《医学成像》,37(2018),第2514-2525页。
[5] Burger,M.,Modersitzki,J.和Ruthotto,L.,用于图像配准的超弹性正则化能量,SIAM J.Sci。计算。,35(2013),第B132-B148页,doi:10.1137/10835955·Zbl 1318.92028号
[6] Chak,W.H.、Lau,C.P.和Lui,L.M.,子采样湍流去除网络,预印本,https://arxiv.org/abs/1807.04418, 2018.
[7] Chan,H.L.,Li,H.,and Lui,L.M.,《用于阿尔茨海默病分析的海马表面准正态统计形状分析》,神经计算,175(2016),第177-187页,doi:10.1016/j.neucom.2015.10.47。
[8] Chan,H.-L.,Yan,S.,Lui,L.-M.和Tai,X.C.,通过形状的Beltrami表示进行保拓扑图像分割,J.Math。《成像视觉》,60(2018),第401-421页·Zbl 1437.94011号
[9] Chan,H.-L.,Yuen,H.-M.,Au,C.-T.,Chan,K.C.-C.,Li,A.M.和Lui,L.-M.,基于准共形几何的儿童OSA分类侧头谱局部变形分析,预印本,https://arxiv.org/abs/2006.11408, 2020.
[10] Chen,K.、Lui,L.M.和Modersitzki,J.,图像和表面注册,《数值分析手册》,第20卷,Elsevier,2019年,第579-611页·Zbl 1446.65011号
[11] Choi,G.P.,Chan,H.L.,Yong,R.,Ranjitkar,S.,Brook,A.,Townsend,G.,Chen,K.,and Lui,L.M.,使用准共形理论进行牙齿形态测量,模式识别。,99 (2020), 107064.
[12] Choi,G.P.,Qiu,D.和Lui,L.M.,通过不一致表面配准进行形状分析,Proc。罗伊。Soc.A,476(2020),20200147·Zbl 1472.53108号
[13] Choi,P.T.,Lam,K.C.和Lui,L.M.,FLASH:第0代封闭大脑表面的快速地标对齐球面谐波参数化,SIAM J.成像科学。,8(2015),第67-94页,doi:10.1137/13095008·兹比尔1316.65028
[14] de Vos,B.D.、Berendsen,F.F.、Viergever,M.A.、Sokooti,H.、Staring,M.和Išgum,I.,无监督仿射和变形图像配准的深度学习框架,医学图像分析。,52(2019年),第128-143页。
[15] Glocker,B.、Sotiras,A.、Komodakis,N.和Paragios,N.,《可变形医学图像注册:用离散方法设置最新技术》,Annu。生物识别版本。《工程》,13(2011),第219-244页。
[16] Guo,Y.,Liu,Y.、Oerlemans,A.、Lao,S.、Wu,S.和Lew,M.S.,《视觉理解的深度学习:综述》,神经计算,187(2016),第27-48页。
[17] Horn,B.K.和Schunck,B.G.,《确定光流》,Artif。智力。,17(1981),第185-203页·Zbl 1497.68488号
[18] Ibrahim,M.、Chen,K.和Rada,L.,基于线性曲率平滑器的联合分割和配准改进模型,J.算法计算。技术。,10(2016年),第314-324页。
[19] Jaderberg,M.、Simonyan,K.、Zisserman,A.和Kavukcuoglu,K..,《空间变压器网络,神经信息处理系统进展》,第28卷,Cortes,C.、Lawrence,N.、Lee,D.、Sugiyama,M.和Garnett,R.编辑,Curran Associates,2015年,第2017-2025页,https://proceedings.neurips.cc/paper/2015/file/33ceb07bf4eeb3da587e268d663aba1a-paper.pdf。
[20] Joshi,S.C.和Miller,M.I.,通过大变形差异进行Landmark匹配,IEEE Trans。图像处理。,9(2000),第1357-1370页·Zbl 0965.37065号
[21] Lam,K.C.、Gu,X.和Lui,L.M.,通过teichmüller极值映射进行Genus-one表面注册,医学图像计算和计算机辅助干预国际会议,Springer,2014年,第25-32页。
[22] Lam,K.C.,Gu,X.和Lui,L.M.,应用于医学成像中表面配准的地标约束属一表面Teichmüller图,医学图像分析。,25(2015),第45-55页。
[23] Lam,K.C.和Lui,L.M.,通过准整合图进行大变形的基于Landmark和强度的配准,SIAM J.Imaging Sci。,7(2014),第2364-2392页,doi:10.1137/130943406·Zbl 1309.65019号
[24] Lam,K.C.和Lui,L.M.,准一致混合多模态图像配准及其在医学图像融合中的应用,《视觉计算国际研讨会》,Springer,2015年,第809-818页。
[25] Law,H.,Choi,G.P.T.,Lam,K.C.和Lui,L.M.,《大变形图像配准的CNN特征拟共形模型》,逆Prob。《成像》,16(2022),第1019-1046页·Zbl 1492.65051号
[26] Guyader,C.Le和Vese,L.A.,一种具有非线性弹性平滑器的组合分割和配准框架,Comput。视觉。图像理解。,115(2011),第1689-1709页。
[27] Lu,L.,Jin,P.,Pang,G.,Zhang,Z.和Karniadakis,G.E.,基于算子的普遍逼近定理,通过deeponet学习非线性算子,Nature Mach。智力。,3(2021年),第218-229页。
[28] Lui,L.M.,Lam,K.C.,Wong,T.W.和Gu,X.,使用Beltrami表示的纹理图和视频压缩,SIAM J.Imaging Sci。,6(2013),第1880-1902页,doi:10.1137/120866129·Zbl 1281.65036号
[29] Lui,L.M.,Lam,K.C.,Yau,S.-T.和Gu,X.,Teichmuller映射(T-map)及其在地标匹配注册中的应用,SIAM J.成像科学。,7(2014),第391-426页,doi:10.1137/120900186·Zbl 1296.65028号
[30] Lui,L.M.和Ng,T.C.,使用Beltrami系数求解微分同态优化问题的分裂方法,J.Sci。计算。,63(2015),第573-611页·Zbl 1318.65033号
[31] Lui,L.M.和Wen,C.,高亏格曲面的几何配准,SIAM J.成像科学。,7(2014),第337-365页,doi:10.1137/130932053·Zbl 1296.65029号
[32] Lui,L.M.、Wong,T.W.、Thompson,P.、Chan,T.、Gu,X.和Yau,S.-T.,使用Beltrami系数压缩表面注册,摘自2010年IEEE计算机视觉和模式识别计算机学会会议记录,IEEE,2010年,第2839-2846页。
[33] Lui,L.M.、Wong,T.W.、Thompson,P.、Chan,T.、Gu,X.和Yau,S.-T.,《使用Beltrami全形流在海马表面进行基于形状的异形注册》,医学图像计算和计算机辅助干预国际会议,施普林格,2010年,第323-330页。
[34] Lui,L.M.、Wong,T.W.、Zeng,W.、Gu,X.、Thompson,P.M.,Chan,T.F.和Yau,S.-T.,使用Beltrami全纯流优化表面注册,科学杂志。计算。,50(2012年),第557-585页·Zbl 1244.65096号
[35] Lui,L.M.,Zeng,W.,Yau,S.T.和Gu,X.,使用保角焊接的平面多连接物体的形状分析,IEEE Trans。模式分析。智力。,36(2013),第1384-1401页。
[36] Meng,M.、Chen,Q.和Wu,J.,用于视觉领域自适应的结构保护对抗网络,Inform。科学。,579(2021),第266-280页。
[37] Meng,T.W.,Choi,G.P.-T.,and Lui,L.M.,TEMPO:点云的特征赋予Teichmuller极值映射,SIAM J.成像科学。,9(2016),第1922-1962页,doi:10.1137/15M1049117·Zbl 1369.30046号
[38] Paszke,A.、Gross,S.、Massa,F.、Lerer,A.、Bradbury,J.、Chanan,G.、Killeen,T.、Lin,Z.、Gimelshein,N.、Antiga,L.、Desmaison,A.、Kopf,A.,Yang,E.、DeVito,Z.,Raison,M.、Tejani,A.、Chilamkurthy,S.,Steiner,B.、Fang,L.,Bai,J.和Chintala,S.《PyTorch:命令式,高性能深度学习库》,《神经信息处理系统进展》,第32卷,Wallach,H.,Larochelle,H.,Beygelzimer,A.,d’Alché-Buc,F.,Fox,E.和Garnett,R.编辑,Curran Associates,2019,第8024-8035页,http://papers.neurips.cc/paper/9015-pytorch-an-imperative-style-high-performance-deep-learning-library.pdf。
[39] 邱,D.,林,K.C.,吕,L.-M.,计算准整合褶皱,SIAM J.Imaging Sci。,12(2019),第1392-1424页,doi:10.1137/18M1220042。
[40] 邱,D.和吕,L.M.,通过优化映射畸变实现不一致曲面配准,科学杂志。计算。,83 (2020), 64. ·Zbl 1435.65042号
[41] Raissi,M.、Perdikaris,P.和Karniadakis,G.E.,《基于物理的神经网络:用于解决涉及非线性偏微分方程的正问题和逆问题的深度学习框架》,J.Compute。物理。,378(2019),第686-707页·Zbl 1415.68175号
[42] Ronneberger,O.、Fischer,P.和Brox,T.,U-net:生物医学图像分割的卷积网络,医学图像计算和计算机辅助干预-MICCAI 2015,Navab,N.、Hornegger,J.、Wells,W.M.和Frangi,A.F.编辑,Springer,Cham,2015,第234-241页。
[43] Russakovsky,O.、Deng,J.、Su,H.、Krause,J.,Satheesh,S.、Ma,S.,Huang,Z.、Karpathy,A.、Khosla,A.、Bernstein,M.、Berg,A.C.和Fei-Fei,L.,《ImageNet大规模视觉识别挑战》,国际计算机杂志。视觉。(IJCV),115(2015),第211-252页,doi:10.1007/s11263-015-0816-y。
[44] Sdika,M.,将基于地图集的分割和强度分类与最近邻变换和精确加权投票相结合,医学图像分析。,14(2010年),第219-226页。
[45] Siu,C.Y.,Chan,H.L.和Ming Lui,R.L.,在使用离散保形结构之前使用部分凸形状进行图像分割,SIAM J.成像科学。,13(2020年),第2105-2139页·Zbl 1497.68542号
[46] Tieleman,T.、Hinton,G.等人,讲座6.5-rmsprop:将梯度除以最近量级的运行平均值,COURSERA神经网络Mach。学习。,4(2012年),第26-31页。
[47] Vercauteren,T.、Pennec,X.、Perchant,A.和Ayache,N.,《不同形态的恶魔:有效的非参数图像注册》,《神经影像》,45(2009),第S61-S72页。
[48] Voulodimos,A.、Doulamis,N.、Doulamis,A.和Protopapadakis,E.,计算机视觉的深度学习:简评,Comput。智力。神经科学。,2018 (2018), 7068349.
[49] Warfield,S.、Robatino,A.、Dengler,J.、Jolesz,F.和Kikinis,R.,《非线性注册和模板驱动分割》,《大脑扭曲》,4(1999),第67-84页。
[50] Wen,C.、Wang,D.、Shi,L.、Chu,W.C.、Cheng,J.C.和Lui,L.M.,前庭系统形态测量中高属曲面的Landmark约束注册,计算。医学图像。图表。,44(2015),第1-12页。
[51] Yezzi,A.、Zollei,L.和Kapur,T.,《联合分割和注册的变分框架》,摘自IEEE生物医学图像分析数学方法研讨会论文集(MMBIA 2001),IEEE,2001年,第44-51页。
[52] Yung,C.P.,Choi,G.P.,Chen,K.,and Lui,L.M.,通过映射稀疏曲面实现高效的基于特征的图像配准,J.Vis。Commun公司。图像表示。,55(2018),第561-571页。
[53] Zeng,W.,Lui,L.M.,Luo,F.,Chan,T.F.-C.,Yau,S.-T.和Gu,D.X.,使用辅助度量和离散曲率流计算拟共形映射,Numer。数学。,121(2012),第671-703页·Zbl 1246.30037号
[54] Zeng,W.,Ming Lui,L.,Gu,X.,约束微分同态空间中优化的曲面配准,《IEEE计算机视觉与模式识别会议论文集》,2014年,第4169-4176页。
[55] 张丹,程泰,X。和吕,L。M。基于图像配准的保拓扑和保凸图像分割,应用。数学。型号。,100(2021),第218-239页·Zbl 1481.68047号
[56] Zhang,D.和Lui,L.M.,基于超弹性正则化的拓扑保持三维图像分割,科学杂志。计算。,87 (2021), 74. ·Zbl 1470.94027号
[57] Zhang,D.、Theljani,A.和Chen,K.,关于一种新的微分多模态图像配准模型及其收敛的Gauss-Newton解算器,J.Math。研究申请。,39(2019),第633-656页·Zbl 1449.65036号
[58] Zhang,M.,Li,F.,Wang,X.,Wu,Z.,Xin,S.-Q.,Lui,L.-M.,Shi,L.,Wag,D.,and He,Y.,具有精确地标对应的前庭系统的自动注册,图表。《模型》,76(2014),第532-541页。
[59] Zhao,Z.-Q.,Zheng,P.,Xu,S.-t.和Wu,X.,《深度学习的对象检测:综述》,IEEE Trans。神经网络。学习。系统。,30(2019),第3212-3232页。
[60] Zhu,Z.,Choi,G.P.,and Lui,L.M.,通过部分焊接实现多个连接表面的可并行全局准协调参数化,SIAM J.Imaging Sci。,15(2022),第1765-1807页,doi:10.1137/21M1466323·Zbl 1499.65068号
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。