1.基于噪声先验的CNN医学CT图像去噪方法,具体步骤如下:
步骤1)创建医学CT图像模型:
创建医学CT图像模型采用高斯噪声模型,其数学表达式为:
Y=X+V (1)其中X是为不含噪声的干净图像,Y为实际含噪声图像,V为噪声;V的噪声分布服从高斯分布,高斯噪声是指它的概率密度函数服从高斯分布的一类噪声,即为高斯随机变量z概率密度函数,其数学表达式为:其中μ表示为数学期望,σ表示为标准差;
步骤2)构建噪声先验信息提取网络:
噪声先验信息提取网络将噪声图像作为输入,构建三个网络层,分别为输入层、隐藏层和输出层;输入层采用3×3大小的卷积核,通道数量设置为32,卷积步长设为1,padding为
1;隐藏层设置为5层并且每一层之间采用短跳跃连接,均采用大小为3×3的卷积核,通道数量设置为32,卷积步长设为1,padding为1;输出层输入层采用3×3大小的卷积核,通道数量设置为1,卷积步长设为1,padding为1;噪声先验信息提取网络将噪声图像作为噪声先验信息输入,输出图像尺寸与输入图像尺寸相同,通道数设为32;
步骤3)构建去噪网络:
去噪网络分为三部分:
第一部分将噪声先验信息提取网络的输出和噪声原图作为输入,先经过一个Conv+BN+PReLU层,其中卷积核设置为3×3,步长为1,padding为1,然后通过一个卷积,其卷积核设置为3×3,步长为2,padding为1;
第二部分使用三个相同结构的子网络并联接入;每一个子网络有13层;其中第2层使用Conv+PReLU结构且卷积核设置为3×3,步长为1,padding为1;第4层使用Conv结构且卷积核设置为3×3,步长为1,padding为1;第9、10、11、12、13层使用Conv+BN+PReLU结构且卷积核设置为3×3,步长为1,padding为1;第1、3层使用Conv+PReLU结构且卷积核设置为3×3,步长为2,padding为1;第5、7、8层使用Sub‑pixel convolution;第1、2和3、4采用跳跃连接;子网络第3层的输出分别串行加入第6层中;最后将三个子网络的输出串联拼接;
第三部分使用Conv+PReLU的结构,使用7个卷积核为3×3,步长为1,padding为1的卷积层;在第1—5层中每层之间均使用跳跃连接;在第1层和第4层之间使用跳跃连接;在第2层和第5层之间只用跳跃连接;
步骤4)训练噪声先验信息提取网络并更新参数:
在图像预处理阶段将训练集和验证集裁剪为32×32的尺寸并加入噪声,去噪网络中的权重参数设施为随机初始化,使用高斯加性白噪声替代医学CT图像中的噪声,对原始干净图像分别添加均值为0,标准差为5、10、15、20、25、30、35、40、45、50的高斯白噪声得到去噪网络训练数据,将标准差张成32×32尺寸的张量,该张量为噪声图像的噪声水平图,由此得到先验信息提取网络的标签数据;
为了约束生成的特征图符合噪声信息,将模型输出特征图和标签对应位置的像素做均方误差和计算,求出一个Batch的输出图像和干净图像的平均均方误差;其损失函数公式为:θ1代表训练参数,N代表训练集中图片数量,yi代表噪声图,xi代表标签图,R(yi;θ1)代表估计的特征图;
优化参数,具体包括:
CNN网络使用Adam优化器对噪声先验信息提取网络的参数进行更新,不添加偏置,只对噪声先验信息提取网络中权重进行参数优化更新;
步骤5)训练去噪网络并更新参数:
采用医学脑部CT图像作为去噪目标,在图像预处理阶段将训练集和验证集裁剪为32×
32的尺寸并加入噪声,去噪网络中的权重参数设施为随机初始化,使用高斯加性白噪声替代医学CT图像中的噪声,对原始干净图像分别添加均值为0,标准差为15、30、45的高斯白噪声,将标准差张成32×32尺寸的噪声水平图并将其与噪声图片串行拼接,由此得到去噪网络训练数据;
优化参数,具体包括:
该网络使用Adam优化器对整个去噪网络的参数进行更新,不添加偏置,只对网络中权重进行参数优化更新;其损失函数公式为:θ2代表训练参数,N代表训练集中图片数量,yi代表噪声图和噪声水平图的串联图,xi代表不含噪声的干净图片,R(yi;θ2)代表估计的干净图像;
步骤6)医学CT图像去噪;
使用两个网络进行去噪,分别是:噪声先验信息提取网络、去噪网络;首先向噪声先验信息提取网络中输入测试集中含噪声的医学CT图像,将噪声先验信息提取网络预测出的噪声水平图与噪声图串行拼接,并输入去噪网络进行预测,最后去噪网络输出去除噪声的医学CT图像。