劉海龍，馬 波

西安石油大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安710065

肺炎在嬰幼兒與老人的呼吸道疾病中極為常見［1］。肺炎X光影像診斷主要依賴專業(yè)醫(yī)生的識別，不能快速獲得診斷結(jié)果，且經(jīng)驗誤差使識別準(zhǔn)確率無法得到保證。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展使醫(yī)學(xué)圖像的識別逐漸成為圖像識別的主流［2-7］。雖然眾多學(xué)者在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化上對肺炎分類上取得了不多的識別效果［2-5］，但對X光圖像預(yù)處理依舊停留在簡單的局部二值模式［6］，濾波去噪、對比度增強等操作［7-8］，未考慮到正常肺部圖像與患病肺部圖像區(qū)別并不明顯，傳統(tǒng)方法導(dǎo)致的原細(xì)小特征的缺失的問題。為了進(jìn)一步提升肺炎識別的準(zhǔn)確率，本研究引入并改進(jìn)了Retinex算法增強肺圖像特征，并通過實驗證明了算法的可行性。

1 基于改進(jìn)Retinex算法的肺炎X光特征增強

1.1 Retinex算法

Retinex算法［9］是1963年提出的建立在科學(xué)實驗與分析上的圖像增強方法，其算法是建立在人眼看到的圖像是由光線在物體上反射的理論上，將圖像分解為入射圖像與反射圖像，即：

其中為反射圖像，為亮度圖像。Retinex的理論就是通過降低入射分量對原始圖像的影響來獲得圖像中物體的反射屬性［10］，從而對圖像進(jìn)行增強。

1.2 改進(jìn)Retinex算法

由于Retinex算法最早是為了去霧以及消除陰影，對于圖像能夠進(jìn)行視覺感官特征增強，一定程度上增強了圖像的特征，降低了圖像的光反射影響因素，但是對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)，經(jīng)過Retinex算法處理過的圖像并不能對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練產(chǎn)生好的效果，因此需要對算法進(jìn)行改進(jìn)，進(jìn)一步的提取出適合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的特征。改進(jìn)后的算法步驟可總結(jié)如下：

（1）利用邊緣中心化矩陣對原圖像進(jìn)行卷積操作，使用原像素點的邊緣像素的平均值來代替原像素點進(jìn)行圖像重建；

（2）將重建后的圖像利用Retinex算法進(jìn)行特征增強；

（3）將特征增強后的圖像按照一定的比例與原圖像進(jìn)行圖像融合，進(jìn)一步的將特征細(xì)化。

1.2.1 圖像重建 通常人類通過計算機顯示器看到的圖像都是由一個個像素點構(gòu)成的。對于灰度圖像，一張圖像由一個個緊密結(jié)合的像素點構(gòu)成，而對于彩色圖像，其存在一個由RBG三通道構(gòu)成的彩色空間，每個通道同樣由一個個緊密結(jié)合的像素點構(gòu)成。

然而，簡單的像素點并不能準(zhǔn)確描述物體的性質(zhì)。物體之間具有緊密的空間聯(lián)系性，單獨的像素數(shù)字描述不能體現(xiàn)出物體之間的緊密聯(lián)系性。提出了邊緣中心化矩陣，使用圍繞中心像素點的8個周圍像素來代替中心像素，對圖像進(jìn)行重建，圖像的每個像素點由其周圍的像素構(gòu)成，失去的原有的特征但同時獲得周圍像素特征，同樣，周圍的像素會獲得該像素點的特征，最終使圖像像素全局化，具有整體聯(lián)系性，邊緣中心化矩陣如下：

使用邊緣中心化矩陣遍歷所有的像素點位置，即使用邊緣中心化矩陣對初始圖像進(jìn)行濾波重建操作，對肺炎圖像進(jìn)行操作，目的是將原像素點周圍8個像素點計算平均值來代替原像素點進(jìn)行圖像重建，圖像重建后效果（圖1）。

圖1 圖像重建對比結(jié)果Fig.1 Image reconstruction contrast results.A：正常肺部初始圖像；B：患肺炎肺部初始圖像；C：正常肺部重建圖像；

1.2.2 Retinex 算法原理 使用最原始的單尺度SSR（Single Scale Retinex）對重建后的圖像進(jìn)行特征增強圖像處理流程（圖2）。

圖2 Retinex算法處理流程圖Fig.2 The flowchart of Retinex algorithm processe.

原始圖像為，亮度圖像反射圖像為，可推導(dǎo)出單尺度Retinex算法的公式為：

令式（5）中L(x,y)=F(x,y)×S(x,y)，其中中心環(huán)繞函數(shù)為F(x,y)=λe，c為高斯環(huán)繞尺度，λ為尺度。c=300，對圖1重建后的圖像進(jìn)行Retinex特征強化處理，結(jié)果所示（圖3）。

圖3 Retinex算法特征強化結(jié)果Fig.3 Retinex algorithm feature-enhanced results.

1.2.3 圖像融合重建 Retinex算法后圖像已經(jīng)能夠獲得優(yōu)于原圖像的效果，但是圖像特征增強或多或少會損失原有圖像的特征，為了進(jìn)一步提升肺炎X光圖像識別準(zhǔn)確率，加入了圖像融合理論［11］：將特征增強后圖像以及初始圖像賦予相應(yīng)權(quán)重并融合為一個圖像，對圖像特征進(jìn)行增強同時也最大程度保留了原有圖像的特征，實驗證明，取改進(jìn)Retinex算法特征增強后圖像以及初始圖像的權(quán)值分別為0.5，閾值默認(rèn)為0進(jìn)行圖像融合，訓(xùn)練效果最好（圖4）。

圖4 圖像融合效果圖Fig.4 Image fusion effect map.

2 結(jié)果

2.1 實驗環(huán)境

實驗在Windows 10專業(yè)版下進(jìn)行：處理器：Intel（R）Core（TM）i5-8500 CPU@3.00 GHz；內(nèi)存：8.00 GB（7.83 GB可用）；系統(tǒng)類型：64位操作系統(tǒng)，基于x64的處理器；框架：Windows版的Tensorflow框架。

2.2 數(shù)據(jù)集與處理

訓(xùn)練采用了2018年一項公開的肺炎數(shù)據(jù)集：Chest X-Ray Images［12］。采用數(shù)據(jù)集包括5216張訓(xùn)練集以及624張測試集，其中訓(xùn)練集包含1341張正常肺部X光圖片以及3875張肺炎X光圖片，測試集包含234張正常肺部X光圖片以及390張肺炎X光圖片。為提高泛化能力將訓(xùn)練集圖片混合打亂后按照4∶1的比例分為訓(xùn)練集和驗證集，其數(shù)據(jù)分布（表1）。

表1 Chest X-Ray Images 數(shù)據(jù)集分布Tab.1 Distribution of chest X-ray images dataset

2.3 網(wǎng)絡(luò)模型

選取了Google開源的Inception V3［13］作為測試網(wǎng)絡(luò)，其擁有更深的網(wǎng)絡(luò)層數(shù)以及更大的寬度，不僅計算量比以往VGG網(wǎng)絡(luò)［14］要少，還擁有著更高的性能。該網(wǎng)絡(luò)使用兩個3×3的網(wǎng)絡(luò)來代替5×5的網(wǎng)絡(luò)，使用一個1×3的網(wǎng)絡(luò)和一個3×1的網(wǎng)絡(luò)來代替3×3的網(wǎng)絡(luò)，在感受野保持不變的情況下，大大增強了網(wǎng)絡(luò)非線性能力，也降低了計算量，使得網(wǎng)絡(luò)處理速度大大提升。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（表2）。

表2 Inception V3網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Tab.2 Network architecture of Inception V3

2.4 實驗結(jié)果

分別對原始圖像進(jìn)行Retinex以及改進(jìn)Retinex算法處理（圖5）。為了防止圖像打亂對訓(xùn)練結(jié)果產(chǎn)生的隨機性，保證訓(xùn)練結(jié)果的穩(wěn)定性，在同一個CPU環(huán)境下同一時間對Inception V3網(wǎng)絡(luò)的后20層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行3次訓(xùn)練對比，并取其平均值作為最終訓(xùn)練結(jié)果對比。其中準(zhǔn)確率為總測試樣本中預(yù)測準(zhǔn)確的比例，敏感性為患有肺炎病例中預(yù)測準(zhǔn)確的比例，特異性為未患肺炎病例中預(yù)測準(zhǔn)確的比例。訓(xùn)練結(jié)果（表3～6）。從結(jié)果來看，Retinex算法不管是在視覺上還是在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中都不能對X 光圖像的特征增強有著更好的效果，改進(jìn)后的Retinex算法將初始圖像重建后進(jìn)行數(shù)據(jù)增強，賦以權(quán)重與初始圖像相結(jié)合，一定程度上對X光圖像進(jìn)行了增強，也保留了原始圖像的特征，在視覺效果上雖然不盡如人意，但是在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)中卻能表現(xiàn)出更為優(yōu)異的效果。從準(zhǔn)確率上，改進(jìn)后Retinex算法比原圖像準(zhǔn)確率平均提升了2.57個百分點，在敏感性降低0.17個百分點上，使特異性提升了7.15個百分點，大大提升了預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度，降低了誤診幾率。

表3 Inception V3 網(wǎng)絡(luò)第1次訓(xùn)練結(jié)果對比Tab.3 Comparison of the first training results of Inception V3 network

圖5 算法圖像處理對比圖Fig.5 Algorithmic image processing comparison diagram.

3 討論

表4 Inception V3 網(wǎng)絡(luò)第2次訓(xùn)練結(jié)果對比Tab.4 Comparison of the second training results of Inception V3 network

表5 Inception V3 網(wǎng)絡(luò)第3次訓(xùn)練結(jié)果對比Tab.5 Comparison of the third training results of Inception V3 network

表6 Inception V3 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練結(jié)果平均值Tab.6 Average value of network training results of perception V3

當(dāng)前的肺炎識別優(yōu)化策略基本都是建立在網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化上，如卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［15］以及知識蒸餾法［2,16］對訓(xùn)練模型的改進(jìn)，得到的準(zhǔn)確率明顯高于傳統(tǒng)的機器學(xué)習(xí)算法；有學(xué)者在Inception V3模型上增加了特征提取層［5］，使用隨機森林分類器［17］代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Softmax［18］分類，但由于未考慮到卷積過程中的圖像細(xì)小特征缺失問題，識別準(zhǔn)確率難以再次提升。部分學(xué)者預(yù)先進(jìn)行了局部二值處理，但僅在機器學(xué)習(xí)中進(jìn)行了實驗，需要在卷積網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)一步驗證［7-8］。

通過理論分析，研究確定了肺炎分類在深度學(xué)習(xí)中的難點：肺部細(xì)小特征的缺失。通常卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在Conv、Pooling［19］層中會提取圖像特征，但同時也會損失更多特征；在Dropout層中，隨機失活神經(jīng)單元也會造成大量的特征缺失，由于肺炎與正常肺部X光圖像差異特征在全圖中占據(jù)比例很小，肺炎分類的準(zhǔn)確率難以隨著網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化而進(jìn)一步的提升。研究使用了Inception V3［13］的后20層淺層網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行證明，相對于既往研究驗證的深度分類模型AlexNet［20］而言，本研究算法使用了更淺層的特征提取網(wǎng)絡(luò)，損失了0.02的敏感度卻提升了0.07的特異性，在準(zhǔn)確率上也提升了0.02。

本研究說明算法處理后的特征圖像即便是在提取特征較弱的網(wǎng)絡(luò)上也能得到很好的識別。圖像處理方面，有研究將肺炎X光圖像的局部二值模式［6］特征信息進(jìn)行提?。?］，利用帶有反向傳播的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［21］實現(xiàn)了肺炎影像自診斷，但準(zhǔn)確率不高，易過擬合。有學(xué)者使用了支持向量機［22］算法對相同的特征進(jìn)行了建模，雖然提高了準(zhǔn)確率，卻降低了整體效率［8］。雖然卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［23］能夠很好的提取圖片的特征，但實驗證明，二值化后圖像雖然在一定程度上能夠提高一些肺炎與正常肺部的特征對比，但由于肺部圖像各異，局部二值特征很難把握，難以用到肺部X光中，且由于細(xì)節(jié)缺失，在深度學(xué)習(xí)分類中效果并不顯著。既往文獻(xiàn)中也提到了高斯濾波、中值濾波、對比度增強、圖像銳化等簡單的圖像處理操作，但經(jīng)過實驗證明在相同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)下得不到比原始圖像分類識別更好的效果［24-25］。

綜上所述，研究創(chuàng)新性地提出了新的算法，在簡單的Retinex特征增強上進(jìn)行了圖像重建，得到了新的特征結(jié)果，將新的特征圖像與初始圖像按一定權(quán)重比進(jìn)行圖像融合，大大增強的圖像的特征，在深度學(xué)習(xí)的分類識別中與肺炎分類識別的準(zhǔn)確率提高中有著重大意義。