实验研究
基于循环生成对抗网络的低质量眼底图像增强效果评估
中华实验眼科杂志, 2021,39(9) : 769-775. DOI: 10.3760/cma.j.cn115989-20201028-00718
摘要
目的

构建循环生成对抗网络(CycleGAN)对模糊、曝光不足、曝光过度等低质量眼底图像进行质量提升,并对其效果进行评估。

方法

从EyePACS数据集中分别选取700张高质量和700张低质量眼底图像作为本研究的数据集。对数据集图像进行裁剪并统一缩放至512×512分辨率。采用2个生成模型和2个判别模型构建CycleGAN,生成模型根据输入的低/高质量眼底图像生成匹配的高/低质量图像,判别模型判别原始图像和生成图像。将本研究提出的算法与限制对比度自适应直方图均衡化(CLAHE)、动态直方图均衡化(DHE)、带色彩恢复的多尺度Retinex(MSRCR)3种图像增强算法的结果进行视觉定性评估,并采用清晰度、BRISQUE、色度、饱和度作为定量指标进行评估。应用糖尿病视网膜病变(DR)诊断网络对原图及不同算法增强图像进行诊断;并比较其准确度和特异度。

结果

CycleGAN算法对模糊、曝光不足、曝光过度3类低质量眼底图像的增强均取得最优效果,增强后的眼底图像对比度高、色彩丰富,视盘、血管结构清晰。CycleGAN算法增强的图像清晰度仅次于CLAHE算法;BRISQUE质量分数为0.571,比CLAHE、DHE和MSRCR算法分别高出10.2%、7.3%和10.0%;色度和饱和度分别为103.03、123.24,均高于其他算法;该算法增强100张图像仅需35 s,仅次于CLAHE算法,在速度上具有明显优势。CycleGAN算法增强的图像在DR诊断中的准确率和特异度分别为96.75%和99.60%,均较原图有所提高。

结论

CycleGAN可有效提升模糊、曝光不足、曝光过度眼底图像的质量,并有效提高计算机辅助DR诊断系统的准确率,可能在眼科临床诊断中有很大的应用价值。

引用本文: 周雪婷, 杨卫华, 华骁, 等.  基于循环生成对抗网络的低质量眼底图像增强效果评估 [J] . 中华实验眼科杂志, 2021, 39(9) : 769-775. DOI: 10.3760/cma.j.cn115989-20201028-00718.
参考文献导出:   Endnote    NoteExpress    RefWorks    NoteFirst    医学文献王
扫  描  看  全  文

正文
作者信息
基金 0  关键词  0
English Abstract
评论
阅读 0  评论  0
相关资源
引用 | 论文 | 视频

版权归中华医学会所有。

未经授权,不得转载、摘编本刊文章,不得使用本刊的版式设计。

除非特别声明,本刊刊出的所有文章不代表中华医学会和本刊编委会的观点。

彩色眼底图像广泛用于糖尿病视网膜病变(diabetic retinopathy,DR)、青光眼等疾病的筛查和诊断[1,2,3]。低质量的眼底图像无法清楚展示视网膜血管、视杯、视盘异常等疾病诊断所需的关键信息,容易造成医生和计算机辅助诊断(computer-aided diagnosis,CAD)系统的漏诊,甚至误诊[4]。目前采集的眼底图像数据集中,因质量差而影响医学诊断的图像占比超过1/4[5];从基层医院上传至云平台的眼底图像中低质量图像占比近1/2[6]。对低质量眼底图像进行分析发现,模糊、曝光不足和曝光过度是3个主要原因[7]。除规范眼底照相采集流程外,智能眼科专家一直尝试对眼底图像进行增强,通过技术手段提高图像的清晰度、亮度和对比度,进而降低后续的误诊率并提高CAD系统的准确率。目前主要采用基于直方图的方法增强眼底图像。基于直方图的方法可分为3类:一是采用直方图均衡化,通过增加最大和最小像素之间的差值来增强图像[8];二是通过伽马矫正得到亮度增益矩阵,再利用限制对比度自适应直方图均衡化(contrast limited adaptive histogram equalization,CLAHE)增强亮度通道的对比度[9];三是对模糊直方图预处理,去除眼底图像的不均匀光照[10]。基于直方图算法的本质是提高图像对比度并使灰度分布均匀,因此颜色过渡时会失真,视觉效果不佳。动态直方图均衡化(dynamic histogram equalization,DHE)根据局部最小值对图像直方图进行分割,并为每个分割分配特定的灰度范围,然后分别进行均衡,以保留更多细节信息[11]。带色彩恢复的多尺度Retinex(multi-scale Retinex with color restoration,MSRCR)是一种基于Retinex理论的图像增强算法,可以提高图像锐度并控制动态参数实现色度调节[12];但由于眼底图像背景和前景明暗差别较大,经过对数处理的像素会超出可显示范围,上述方法仍易造成色彩失真。为克服传统眼底图像增强方法中视觉效果不佳、细节丢失、色彩失真等缺陷,解决低质量眼底图像无法用于医学诊断的问题,本研究拟通过构建循环生成对抗网络(cycle-constraint adversarial network,CycleGAN)[13],提出一种基于深度学习的眼底图像增强算法,对模糊、曝光不足、曝光过度等低质量眼底图像进行增强。

 
 
展开/关闭提纲
查看图表详情
回到顶部
放大字体
缩小字体
标签
关键词