[發明專利]一種基于多任務螞蟻系統的多細胞自動跟蹤方法及其系統

有效

• 申請號: 201210465732.9
• 申請日: 2012-11-19
• 公開（公告）號: CN102999922A
• 公開（公告）日: 2013-03-27
• 發明（設計）人: 徐本連;陳慶蘭;魯明麗;毛麗民;朱培逸;王小英
• 申請（專利權）人: 常熟理工學院
• 主分類號: G06T7/20
• 分類號: G06T7/20;G06N3/00
• 代理公司: 蘇州廣正知識產權代理有限公司 32234
• 代理人: 劉述生

技術領域

本發明涉及多細胞跟蹤領域，特別是涉及一種基于多任務螞蟻系統的多細胞自動跟蹤方法及其系統。

背景技術

多細胞運動分析對于生物細胞學過程分析、疾病的診斷、新藥物的研制是必不可少的手段之一。細胞運動分析面臨著眾多難題，如細胞變形，多細胞動力學特性差異、細胞重疊、細胞數量變化、低對照比細胞圖像序列等等。目前細胞跟蹤的方法主要分為三類，分別是基于模型擴散方法、基于檢測方法和基于貝葉斯概率估計技術。模型擴散技術主要代表是主動輪廓法（Active?contours），同時也是一種較早的細胞跟蹤技術，但該方法針對細胞運動慢的情形有效，一般要求相鄰幀同一細胞輪廓之間部分重合；水平集方法（Level?set）能處理細胞變形問題，但是很容易將兩個接觸細胞誤認為一個細胞；平均平移法（Mean-shift）能快速處理細胞跟蹤問題，但是不能給出細胞輪廓信息。基于檢測方法雖然方法有效，但對于多細胞跟蹤，需要解決數據關聯問題，誤關聯很容易造成細胞跟蹤丟失。基于貝葉斯概率估計技術是近年來發展的一種新型多目標跟蹤技術，代表了未來多細胞跟蹤技術的發展方向，一般以基于隨機有限集（RFS）的概率假設密度濾波器（PHD?filter）為代表，該技術無需解決數據關聯問題，但是對于不同細胞圖像序列，特征表示或似然函數的選取非常重要。從目前的文獻、專利搜索結果來看，基于先于測量跟蹤的多細胞跟蹤技術報道很少，相關的研究也是處于起步階段，特別是多個、不同動力學特性、近距離多細胞跟蹤問題仍然是該領域技術難題。

發明內容

本發明主要解決的技術問題是提供一種基于多任務螞蟻系統的多細胞自動跟蹤方法及其系統，能夠實現多種、具有不同動力學特征參數、近距離移動、細胞數量時變的多細胞自動跟蹤難題。

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供一種基于多任務螞蟻系統的多細胞自動跟蹤方法，具體步驟包括：

（100）、初始化：設定多任務螞蟻系統中的螞蟻個體在圖像中的初始狀態分布；初始設定每個螞蟻系統任務完成概率；初始直方圖模板庫構建；設定螞蟻個體最大、最小活動影響區域、模型概率與權重；?

（200）、跟蹤：多個螞蟻系統對細胞進行跟蹤，每個獨立螞蟻系統對應一個細胞的跟蹤；

（300）、找出每個獨立螞蟻系統中的最佳直方圖；

（400）、更新直方圖模板庫：從上述的多個螞蟻系統中找到最佳直方圖；若當前最佳直方圖與直方圖模板庫的平均相似度超過預設閾值，則該最佳直方圖序列加入當前直方圖模板庫，為下一次迭代計算所用；

（500）、篩選螞蟻系統：對每個螞蟻系統任務完成概率進行閾值判斷，若超過設定閾值，則該螞蟻系統為有效的，繼續進行下一步驟；否則刪除該螞蟻系統；?

（600）、提取細胞狀態：對剩余的螞蟻系統的似然函數閾值化，并提取多個細胞狀態。

在本發明一個較佳實施例中，所述步驟（400）和步驟（500）之間有步驟（450），調整螞蟻系統狀態：通過螞蟻移動狀態模塊，實現螞蟻系統狀態進一步調整；更新每個螞蟻個體系統中每只螞蟻的運動模型概率、似然函數值、影響區域、權重和每個螞蟻系統的跟蹤任務完成概率。

在本發明一個較佳實施例中，所述步驟（500）和步驟（600）之間有步驟（550），合并螞蟻系統：若兩個螞蟻系統找得是同一細胞，則兩螞蟻系統進行合并，其個數是原先兩螞蟻系統之和，任務完成程度也是之和，但小于1。

在本發明一個較佳實施例中，所述步驟（300）還包括實現下一步螞蟻個體移動方向與具體位置，通過螞蟻模型概率和似然函數值來實現隨機搜索；在此基礎上，進一步實現螞蟻局部狀態調整。

在本發明一個較佳實施例中，所述步驟（600）還包括：對于所剩余螞蟻系統，計算對應的各螞蟻系統重心位置，對其位置的似然函數重新計算，若該似然函數大于設定閾值，則該重心位置對應細胞估計位置。

本發明的另一個目的是提供一種基于多任務螞蟻系統的多細胞自動跟蹤系統，包括：

多個螞蟻系統，每個獨立螞蟻系統對應一個細胞的跟蹤；

直方圖模板庫，用于存儲細胞直方圖；

初始化模塊，用于設置多個螞蟻系統中的螞蟻個體在圖像中的初始分布情況，假定每個螞蟻系統跟蹤任務完成概率，初始直方圖模板庫構建，設定螞蟻個體最大、最小活動影響區域、模型概率與權重；

多個螞蟻個體決策單元，每個螞蟻個體決策單元對應一個螞蟻系統，實現隨機搜索，決定下一步螞蟻個體的移動方向與具體位置，并進一步對螞蟻個體的局部狀態進行調整；