TELKOM NIKA , Vol. 11, No. 8, August 2013, pp. 43 5 7 ~4 366   e-ISSN: 2087 -278X           4357      Re cei v ed  Jan uary 5, 2013;  Re vised  Ma y 12, 2013; Accepted Ma y 20 , 2013   An Optimized Iteration Algorithm based on C-V Model  and Graph Cuts        Hong La n* 1,2 , Lequan Min 1,3   1 Schools of Aut o matio n  an d Eclectron i c Engi neer ing,  Un iver sit y  of Scie nce  and T e chno log y  Bei j i ng.   Beiji ng,1 0 0 83, Chin a   2 School of Infor m ation a nd T e chno log y , Ji an gXi Un iversit y   of Science a n d   T e chnol og GanZ hou,3 4 1 0 00, Chi n a   3  Schools of Mathematics a n d  Ph y s ics, U n iv ersit y  of Sci enc e and T e chno l o g y  Bei jin g   Beiji ng,1 0 0 83, Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : lanh on g69 @ 163.com       A b st r a ct   C-V mod e l ca n self-a da pt to the ch ang es  of cu rve to pol ogy b u t req u ir es more  iterati ons a n d   nee ds more co mp utin g time. Graph cuts alg o rith m is goo d at getting the g l ob al opti m u m  in a short time  bu t   not suita b le for  concav e ob je ct ex traction. T o  overc o me th e flaw s of  thes e tw o algor ith m s, an  opti m i z e d   iteratio n al gorit hm  has be en  prop osed.  F i rst the initia l cont our is def or me d w i th an impr oved C-V  mo d e l,   w h ich w a s w i thout re- i n i tial i z ation  dur ing  it erative  proc es s and  the  it er ation st op c o n d itio n is s e t b y   calcul atin g cha ngi ng ar ea w i thin the c onto u r . T hen the ac tive conto u r is  input to gr ap h cuts alg o rith m.   Dilates   the   co ntour into its nei ghb orh ood  and   for m ed  a n  in ner  an a n  o u ter b o u n d a ry se perativ el y,  chan ges thes e tw o bounda ries as sourc e  and si nk , and obta i ns th e final co ntou r by graph c u ts.   Exp e r ime n t s sh o w  th a t  thi s  op ti mi z ed al g o r i t h m  red u c e s  the  i t e r a t i o n tim e , a n d  ha s be tte r e ffe ct a n d   h i gher  efficiency for i m a ge se g m ent ation.      Ke y w ords : C-V mo del, iterati on, grap h cuts  alg o rith m, i m a ge seg m entati o n      Copy right  ©  2013 Un ive r sita s Ah mad  Dah l an . All rig h t s r ese rved .       1. Introduc tion  Active co ntou r mod e ls  hav e gain ed p o p u larity  in ima ge segm enta t ion in recent  years.  They g ene ral l y com e  in  two  kin d s:  on e ki nd  are th e pa ram e tric mod e ls,  su ch a s  the  Sn ake   model [1,  2], and the  othe r are  geo metri c  mo del s, like  the Level  Se t method [3 -5 ]. The first ty pe  model s are the edg e-b a sed model s, d epen ding  on  the gradi ents of the images. The seco nd  kind  one s a r e regi on -ba s ed, whi c re pre s ent  cont ours a s  the  zero level  se t of an impli c it  function d e fined in a hi gher di men s i on and  cal c ul ate the evolution of this ne w functi on.  Comp ared wi th the param etric mo del s, the majo r a d vantage of  geomet ric  m odel s is that they  can  self-ada p t  to the cu rve topolo g y chang es i n   th e evolution  p r ocess, an d t h is  cha r a c teri stic   make s up for the shortag e  of the parameter mod e l s  whi c h ne ed  to track the positio ns of the  curve evol ution .  C-V  mod e l [ 5 ] is a  cla s si c g eom etric  deform a tion  model. T h e   model  can  a c curately  segm ent the  obje c t even whe n  the initial conto u rs a r e not compl e tely in the internal o r  exte rnal   homog ene ou regi on s. Bu t duri ng th e p r ocess of ev o l ution, the  co ntour ha s to   be  re-i nitialized   with  sign ed  distan ce  fun c tion i n  e a ch  iteratio n, which  ma ke s t he al gorith m  sp endi ng  m o re  comp uting ti me and  red u c ing th e se g m entation a c curacy. Chun ming Li [6] p r opo se d a n e variational le vel set mode l without re -i nitializ ation,  whi c h defin e d  an extern al  energy to be a   penalty fun c tion an d d r ive d  the  zero le vel cu rv e toward th e obj ect bound ary. T h is m odel  sa ved  some ite r atio n time,but be cau s e the p e nalty f unction  was b a sed  on the gradie n t, the evolution   results was li mited to stop  at the  bound a r y nearest to the initial co ntour.   Grap h cut s  [7, 8] based  on the gra p h  theory has  also b een wi dely use d  in image   segm entation  becau se of t heir effici en cy and glob al optimizatio n cha r a c teri stics.  Min-cut/ma x - flow [9] algori t hm is cla ssi cal one of the m . Ni ng Xu [10] prop osed  GCBAC (Graph Cuts Ba sed  Active Conto u rs) alg o rith m, which  wa s the co mb in ation of max-flow/min-cut  grap h theo ry and  geomet ric  def ormatio n  mo del. GCBA algorith m  imp r oved  com put ing efficie n cy  but not suitab le   for  can c ave  i m age s.  Ref [ 11] ha s presented  dual  Level  sets  a l gorithm  to i m prove  G C B A C.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4357 –  4366   4358 The alg o rith m defined t w o initial co nto u rs i n  the target are a  an set up t w o le vel set fun c tions.  But two co nto u rs  and t w o l e vel set fun c tions in crea se d the co mple xity of  the alg o rithm. And t h e   iteration te rmi nation thresh old was  set a s  10 -4  to 10 -3  times of the i m age  size is  not gen erality  for  all images.  Con s id erin g t he cha r a c teri stics of  C-V  model  and graph cuts,  th e former  is  self-adapt  to  the ch ang es  of cu rve topo logy and th latter is  fa st  spp ed. Thi s   pape r p r op osed an  optimi z ed  iteration alg o r ithm ba sed  on the two al gorithm s. Co ntrast  with the dual level  sets al go rith m in  Ref [11], the  optimize d  al gorithm  de si gned  a sin g l e  level set a s  initial conto u r to si mplify the   evolution pro c e ss a nd set the it erative terminatio n condition b a se d on area wit h in the co nto u r.  The p r op ose d  algo rithm  combine s  b o th  algorith m s’  a d vantage s, ef fectively redu ced th e level  set  iteration times and prevents the  evol ution falling into the local  mi nimum. The  algorithm makes  the conto u r f a ster  co nverge to the obj ect bou nda ry  and imp r ove s  the segme n tation efficie n cy  and effective ness.       2. Rese arch  Metho d   The optimi z e d  algo rithm i s  an integ r ate d  schem a wh ich in clu des f o llowin g  ste p s : firstly,  optimize initia lization with i m prove C-V model; se co n d ly, provide a new app roa c h to set iteration  terminate d  co ndition; thirdl y, to improve iteration effici ency with g r a ph cut s  algo ri thm.     2.1. Impro v e d  C-V Model  to  Optimize Initializ ation  C-V mod e l was ba se d on  curve evol ution t heory an d level set method. Let an  image   (, ) Ix y ,which is  divided into t w homog ene ou s re gion () in C  and  () out C  by a con t our  C Suppo se that   (, ) Ix y  is gray level distributio n uniformity  in there two regio n s, obtain the  energy  function al of the C-V mo del  is     1 2 ml l òò òò 2 12 1 in (C ) 2 2 ou t ( C) Le ngt h( C ) dxdy +d x d y E ( C , c , c ) = + I ( x, y) - c I ( x, y) - c                                                  (1)    In whic h 1 c an 2 c  are  the  a v erage  g r ay  levels i n  the  two  hom og eneo us re gio n s.  0 m ³ 12 0 ll > , are  wei ghting coefficie n ts for  ea ch te rm. The first term  rep r e s en ts the le ngth   of closed curve  C  and the last two are glo bal bina ry fitting term s.  Take  He avisi de and  Dira c function into  E quation (1 ) and get the  level set evolution  equatio n:     e e e jm j j j j dl l WW W + +- - - òò òò òò 12 2 2 11 22 1 E ( ,c ,c ) ( ) ( ) d x d y H ( ) d x d y (H ( ) ) d x d y I(x , y ) c I(x , y ) c           (2)    Whe r e j p e =+ æö ÷ ç ÷ ç ÷ ç èø 12 1( ) 2 Ha r c t a n   and   ' () e e e pe j dj + == 22 1 H  .    Minimizi ng th e energy functional  j 12 E ( ,c ,c )  gets th e fomulation s of  1 c and  2 c  to be:   j j j W W = òò òò 1 (, ) ( (, ) ) () (( , ) ) Ix yH x y d x d y c Hx y d x d y ,      j j j W W - = - òò òò 2 (, ) ( 1 ( (, ) ) ) () 1( ( , ) ) I x y H x y dx dy c Hx y d x d y         (3)    Substitute the  rep r e s entatio ns  (3) of  1 c  and   2 c  into e quatio n (2 ). And th e n  acco rdi ng t o   the variationa l princi ple an d gradi ent de scent  flow me thod, solutio n  of the equation (2 ) is     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       An Optim i zed  Iteration Algorithm  base d  on C-V Mo del  and Graph Cuts (Hong L a n 4359 ( ) ( ) ( ( ,) - ) ( ( ,) - ) di v I x y c I x y c t jj dj m l l j é ù ê ú ê ú ê ú ë û ¶Ñ =- + ¶Ñ 22 11 2 2                                                (4)    In the origin al C-V mo de l, the solutio n   of Equatio n (4)  depe nd s on its initia l signe disten ce fu nction  0 j . Du ring  the iteration p r oce s s, level  set fucntion   j  has to  be  re -ini tialized i n   each iteratio n  with  0 j  , beca u se th e level  set fun c tion  is ea sy to de viate far from  the sig ned   distan ce fun c tion. Its soluti on is  sen s itive to   initial  contour and spend mu ch more com put ing   time.   In orde r to solve the re -in i tialization p r obl em a nd i m prove the  speed a nd effi cien cy for   origin al  C-V  model,  we   now refe re nce the  metho d  which p r o posed  by Chunmin g Li  [6].  Introdu ced  a  pen alizi ng  energy into   the si gne d d i stan ce fu nct i on,  the  fo mulation  of t he  penali z ed ite m  is :    2 () (1 ) 2 P dx dy j j W = Ñ- òò                                                                                                      (5)    Cal c ulate its  gradi ent de scent flow     1 () ( 1 ) di v d i v t jj jj jj ¶Ñ =D - = - Ñ ¶Ñ Ñ é ù ê ú ê ú ë û                                                                       (6)    Substuitute  t he Equatio n (6) into Equ a tion (4 ) an d ge t the evolution formulatio for C-V  model with ou t re-initiali z ati on:    22 11 2 2 ( ) [ ( ) ( - ) ( - )] ( ( )) di v I c I c t j jj dj m l l n j j j ¶Ñ Ñ =- + + D - Ñ × ¶Ñ Ñ           (7)    Whe r n  is  the weighted c o effic i ent for the las t  term.   Usi ng Equati on (7 ) gives t he improved  C-V mo del  wi thout re-i nitial ization. Equ a tion (7 is b e tter to  a v oide the  re-i nitialization  t han E quation  (4 ) a n d  imp r oves   C-V m odel’ s   spe e d  in  s o me  de gr e e .    C-V mod e l is base d  on le vel set functi ons,  which in cre a ses the  space dimen s i ons a n d   comp utation  compl e xity. Actually, the  ke y point of  the  algorith m  imp l ementation  for  C-V m odel  i s   nume r ical iteration. Whe n  to  end iteratio n depe nd s on  the iterat ive stop  conditio n s. Althoug h the   more time s the algo rithm  iterates, the  clo s er th e co ntour i s  to the obje c t bou ndary, it spe n d s   much  mo re  time eith er. E s pe cially  wh e n  the  co ntou r is quite  cl ose to th e o b je ct bo und ary,  in   each iteration  the contou r is only ch ang ed a little or sometime s no  cha nge.     Figure 1 sho w s an examp l abo ut  the relation of the iteration ti mes,  co st time  an segm entation  result s with  C-V mod e l.        (a)     (b)     (c )     Figure 1.  Rel a tion Ch art of Evolution Cu rve Cha nge  Rate an d Iteration Time Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4357 –  4366   4360 Figure 1(a) i s  a te sting i m age, bul e a nd re d curve  respe c tively rep r e s ent s the pla c e   after iterated  200 and 3 0 0  times. Figure 1(b) i s   the relation  cha r t between iteration times a nd  curve  chan ge  rate, h e re  we define   S D  den otes the  area  su rro und ed  by the curve  on the  it h   iteration,  i t me ans the itera t ion co st time. curve cha nge rate  ii r St =D / . Figure1(c ) is  the   relation b e tween the iterati on times an d co st time.   From figu re 1  we can  see t hat whe n  the  algor ith m  iterated from 2 0 0  times to 30 0 times,  there’ re no  si gnifica nt cha nge s fo r the  evolution curve. And durin the whol e iteration, the  cost  time is alm o st the sam e . Usually the  suitable it eration time s get  throug h te sts or exp e rim e nts.  The be st on e to be choo sed  sh ould  consi der  s e g m entation a c curacy a nd  cost time. In this  pape we  introdu ce  new metho d  to  set the  end   condition  of it eration s  so t hat imp r ove  the   effic i enc y  of C-V model.     2.2. Iteration  Terminated  Conditio n  ba sed on Ar ea    In the ori g ina l  C-V m odel,  the thre sh old of termin ation iterate d  condition  a  value i s   usu a lly estim a ted throu g h  experiment s.  In our  optimized alg o rith m, we introd uce d  a cha n g ing  variable  P  to b e  the iteratio n terminate d  con d ition.  P  denote s  the inner a r ea surround ed by  evolution con t our. The formulation of calcultin g   P  is shown as b e lo w :    {} n ij nn ij ij h n ij Ph nu m i j h + j< j- j j< t å , 1 ,, 2 , (, )                                                                 (8)    Whe r (, ) ij  den o t es the  co ord i nate of e a ch  pixel in the  image,  , n ij j  and  n1 i, j + j  are fu nctio n r e sp ec tive ly to  r e pr es en t th e   nth  and  (1 ) nt h +  level s e t func tion. Ac tually  P  is a finite  differen c e fo rmulation, in  whi c h  is the t i me interval  a nd  t  is the  spa c e inte rval. T he value s  of    h and  t  are se t dependi ng  on different  images, u s ually  ., [] 01 1 h Î and   ., [] 00 1  0 . 1 { } , (, ) n ij num i j h j<  mean s the  numbe r of g r ids  whi c satisfy the co nditional in e quality  , n ij h j< . Correspon ding to the term thre sh o l d of  termin ation iterate d  con d ition,  define  2 a= t h In  Equation (8), when  P satisfies the  criterion, the al gorithm will exit  the  iteration   process  of level set functi on. Otherwi se the it eration will continue. Us ing formulation (8)  to  cre a te termin ation iterated  con d ition for  Equation  (7)  spe e d s  up th e iteration efficen c y of abro v improve d  C-V model. In o u r p r op osed  algorith m , improved  C-V model i s  u s e d  to pr-proce ss th inital conto u r.     2.3. Graph Cuts Algo rith m for Image Segmenta tio n       Figure 2.   ST cu t -  Schematic  Diag ram       The ba si c id ea of graph  cuts  algo rith m is to ch an ge the imag e  into a gra p h  and then  use s   gra ph t heory to  reali z se gmenta t ion [7]. Give n an  imag with the  see d of obj ect  and   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       An Optim i zed  Iteration Algorithm  base d  on C-V Mo del  and Graph Cuts (Hong L a n 4361 backg rou nd  respe c tively, as sho w n  in Figure  2(a ) O denote s  obje c t an B denote s   backg rou nd. Con s tru c its weig hted  g r a p h (, ) GV E =  , shown in Figu re 2 ( b) and 2 ( c).  V is the  vertex set of  the grap h an d con s ist s  of  image pixels, additional includi ng two termin als  S and   T , which re sp e c tively denotes the termin al of object and backg ro un d. E  is the edge set of the  grap h re presenting the  co nne ction relat i ons of a d ja c ent pixels in t he imag e, also inclu d ing th ose  edge s from  e a ch  pixel to  termin al  S and  T . Com pute  ed ge  weig hts  b a se d o n  e a ch  vertex a n d   its neigh bou rhood [12].   Define a  ST cu t -   to be a sub s et  C  of the edge  set  E , CE Ì ST cu t -  s e pr a t es   the grap h into two co n necte d su b-grap hs. Th e  vertices  co nne cting wit h   S and  T are   respe c tivelly corre s p ondin g  to the object and backg ro und pixel s . The ca pa city of a  ST cu t -  is  defined  as the  sum m ation of  t he ed g e weig hts acro ssi ng  the  cut , i. e.    ,, ( , ) (, ) (, ) uS v T u v E cS T cu v ÎÎ Î = å . According t o  the Theore m  of Ford-F ulke rson [8] ,  in th e   ST - netwo rk, the  maximum flow from a vertex  S  to vertex  T  is equal  to the capa city  (, ) cS T   of  the minim u m cut sep a rating  S  and   T . The  ST - minimu m cut proble m  can  be  solved by u s i ng max-flo w  algorith m s.   Based  on m a x-flow/min-cu t  algorithm,  Ning Xu  et.al. [10] pro p o s ed  GCBAC  algo rithm in   2007. T he  ba sic idea  of th e algo rithm i s  to re prese n the imag e a s  an a d ja cen cy grap h. Define  an initial  cont our a nd dil a te  the co ntou r i n to it s nei ghb orho od  with the inn e r a nd  outer b oun da ry,  eventrally form a n a rro w  b and. Th en tre a t the ve rti c e s  in th e in ner boun da ry as the sou r ce  S   and the  verti c e s  in th e o u ter b oun dary as the  si nk  T . Cal c ulate  the ed ge  wei ghts  and  use   ST - minimum cut method to obt ain a ne w bo unda ry.   GCBAC alg o r ithm overco mes the defe c ts that  the tradition al def ormatio n  mo dels a r e   easy to  fall in to local optim al, and  be cau s e it cal c ulat ing i s   within a  narro band , the alg o rith m   is high  efficie n cy an d low ti me co mplexit y . But  GCBAC algo ritm is  not goo d at segmentatin g the  con c ave ima ges, an d be cause the initial conto u r in   GCBAC i s  se t randomly, if the conto u r i s  not  clo s e to the  obje c t bou nd ary, it will affect the n a rro w  ba nd to fo rm and  re sult  in the ina c curate  segm entation  result s. Figu re 3 sho w s an  liver image segmentatio n with GCBA C.        (a) Initial contour     (b) Segment ation result    Figure 3  Liver Image Segmentat ion with GCBAC Algorithm                           In Figure 3,  image pixel s  of the fore gran d obj ect  and the b a c kgro und  are  similar.  there’ can c ave i n si de t he live r , fro m  Figu re  3 ( b )   we  ca se e it’s not  go od fo r G C BA C’s  algorith m  to get the object  boun dary.   Aim at the  sh ortage  of G C BAC alg o rith m dep endi ng  on th e initial  co ntour,  we   use  ou improve d  C-V model to pre-pro c e s s the initial  conto u r. Becau s C-V mod e l can adapt to  the   cha nge s of  curve to polo g y, it can help G C BA C algo rithm  to reali z can c ave im a ges  segm entation .  On the oth e r ha nd, G C BAC algo rith m can  help  C-V mo del t o  improve th e   segm enting  speed s an d accuracy.     2.4. Main Process o f  th e Optimized  Algorithm   The o p timize d algo rithm  o f  our  pro p o s ed in cl ud es two p a rt s: initializatio n opti m ization   and ite r ation   pro c e s s opti m ization.  Th e main  p r o c e s s of the  o p timized  alg o rit h m i s   sho w n  as  Figure 4.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4357 –  4366   4362     Figure 4.  The Process of the Optimized  Algorithm       In Figure 4, the first t w steps  (a)  and  (b) i ndi cate t he pre-pro c e ss i n itializatio n with  improve d  C-V  model a nd t he la st three  step s (c)  to  (e) sho w  the e v olution process with  GCB A algorith m (1) Initializati on optimiz ation . First set a sin g le level  set contou as a n  initial contour.   As sho w n in  Figure 4 ( a ) , set an initia l contou 0 l  su rro und ed the  object area,  choo se o u improve d  C-V model, iterate the  evolution conto u by level set  without re -init i alizatio n. Wh en  iteration sto p s  , get the  curve of after evolution  ' 0 l  and output to the next step, sh own a s  Figu re   4 ( b) . Be ca use   ' 0 l  has  been  pre - p r o c e s sed with  the l e vel set  evol ution , mu ch  clo s e r  to th obje c t boun d a ry than ra nd om initial cont our, it is  more  efficiency for next step’s furthe r evoluti on.  (2) Ite r ation  proces s opti m ization . Set  ' 0 l  as a ba sic  boun day, expand to bidire ction   based on the  pixel and its neighb ood i n formatio n u n t il reach the  fixed width field and form the   inner bo und a r y and  oute r   boun dary,  sh own  a s  Fig u re 4(c). Th en  map the s e  vertiex to  ST -   netwo rk, Id en tify all the vertices  co rresp ondin g  to the  inne r bo und ary a s  a  sin g l e  so urce  S  an d   the vertice s   corre s p ondin g  to the oute r  bou nda ry a s  a  singl e si nk  T , sho w n a s  Figu re  4(d ) Finally, use  min-cut/max flow algo rith m to get  the  real obje c t boun dary extractio n , sho w n as  Figure 4 ( e).  From  Figu re  4(c) to  4(e),   the alg o rith m ru ns f r om  step  ②— exp antion, st ep  ③— mappin g , an d step  ④— cutting. This p r ocess is a  cycle,  until the cont our reach the desired  boun dary.     2.5. Realiza t i on Steps o f  the Optimize d Algorithm    Acco rdi ng to  the above introdu ction o f  t he algorith m ’s bai sc id ea, we can get the  spe c ific ste p s of the  optimi z ed  iterative t e rmin ation  al gorithm  ba se d on  the im proved  C-V m o del  and graph  cut  as follows:   Step 1: Initialize the thresh old  2 a= t h  and the contour  0 l Step 2: Creat e the co rre sp ondin g  level set function  0 j Step 3: Use  PDE method  , ie. Equation (7) to it erated  evolution wit h  level set function;   Step 4: Com pute the a r ea   P  in Equatio n  (8) ,  su rro un ded by  conto u after evolu t ion,  Jud ge if the area is le ss th an  a , if  yes, stop iteration a nd go  to Step 5, otherwi se,  go back step  3.  Step 5: O u tp ut the final  contour  l ' 0  as a  new initial  co ntour  , then   expand  the  contour  bidire ction a lly to form a narrow b and a r e a Step 6: Co nst r uct th ST -  network in cludin g   terminal of a  singl e source and  a si ngl sin k  with the  node’ s identit y algrithm.  Step 7:  Use  the max-flo w / m in-cut al gori t hm  to rela zi se th seg m entation ,a nd  get the  final conto u l Summari ze t he step s of  the algorith m , the  flow cha r t of the optimized  iterative  terminatio n al gorithm i s  sh own in Fig u re  5.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       An Optim i zed  Iteration Algorithm  base d  on C-V Mo del  and Graph Cuts (Hong L a n 4363     Figure 5.  FlowChat of the Optimi ze d Iterative Termi n ation Algorith m       3. Results a nd Analy s is  In orde r to verify the validity of optimized  iterative termin ation al gorithm, the  algorith m   has be en  realized  with  Matlab  an d C++ o n   Wind ow XP ope rating   system  platf o rm.  Comp re hen si ve con s ide r in g the factors of  the images, incl udin g  image types, concave an noises etc. In this pape r,  we cho o se three type s image s to test. Using tradi tional C-V m odel  algorith m , Referen c e  [10] ’s al gorith m   and  our opti m ized  alg o rit h m to  seg m ent the s e th ree   image s re sp e c tively. Comp ared thei r seg m entation results as  sho w n  in Figure 6 to  Figure 8.     3.1. Experiments   Figure 6 sho w ed t w o me d i cal ima g e s  segmentat io results. On e i s  lung  CT im age with  the size of 2 11×225 pixel s  and the ot her is liver  M R  image with  the size of 633 ×10 31 pi xels.  Take th e sam e  operation s .                (a)Initial Cont our  (b)se g mentati on  result of the C-V   model alg o rit h (c) segme n ta tion  res u lt of Ref   [10]’s algo rith ( d )  pr e- p r o c es s   initial contour of  our alg o rithm   (e) segm enta t ion  result of our  algorith m   Figure 6. Co mpari s o n  Ch art of Medical  Im ages Seg m entation Re sults by u s ing  Three  Algorithm , 1 ,, , (, )    n ij nn ij ij h n ij P nu m i j h  2 h Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4357 –  4366   4364 First Set an i n itial conto u sho w n a s  Fig u re  6 ( a ) . Figu re 6(b)  sho w ed the segm entation  results of tra d itional C-V  model al gorit hm, whi c h it erated  300 ti mes, respe c tively cost time  36.985  se co nds a nd 34. 372 second s. From Figu re  6(b )  we  can se e, C-V  model alg o rithm  coul dn’t get good segme n tation re sults f o r those  ima ges  with unh omoge neo us  gray levels a nd  there would  cause many lo cal minim u ms during the ite r ation p r o c e s s.   Figure 6 ( c)  showed th se gmentation  result s of  th algorith m  of  Referen c e [1 0], whi c h   iterated the  same time with Figu re  6(b ) re spe c tively cost time 8.354 second s and 1 0 . 385  se con d s.  Usi ng thi s  al go rithm the  iterati v e co ntou rs  a r almo st cl o s ed  to the  re al target e d g e s,  better avoid the local opti m ums.    F i g u r e  6( d)   s h ow ed  th e   fir s t- pa r t   r e su lts ,  ie . pr e-p r oc es s in itia l co n t o u r s   w i th  ou r   optimiz ed algorithm. Set the s a me threhold  a =0.025 , l ung im age it erated  10 6 times  and live r   image ite r ate d  10 0 time s.  Whe n  ite r atio n sto ped,  get  these  conto u rs a s  n e w init ial contou rs a n d   calle d gra p h s  cut algorith m  for segm enta t ion, get the result s as  sho w n in Figu re  6(e ) .   The optimi z e d  algorith m  total co st time 5. 825 se co n d s an d 6.978  second s respectively.  From Fig u re  6(e )  we can  see that the segm ent ation  result s are  quite clo s ed  to the desire d   boun dari e s a nd the obje c t regio n s h a ve been recogni zed  well.   Figure  7 sh o w ed  t w o gray   image s seg m entation re sults. One is owl im a ge  with  the si ze  of 168 ×1 67  pi xels a nd th other i s  flo w e r  ima ge  with t he  size of  14 3×1 40  pixels.  Ta ke the   sa me   operation s                         (a)Initial Cont our  (b)se g mentati on  res u lt of the  C- V   model alg o rit h (c) se gment ation   result  of Ref [10]’s  algorith m   ( d )  pr e- p r o c ess  initial contour of   our alg o rithm   (e) segm enta t ion  result of our  algorith m     Figure 7. Co mpari s o n  Ch art of  Gray Image Segm entation Results by usin g Thre e Algorit hms      First Set an initial contou r sho w n a s  figure  7(a). Fig u re 7(b) sho w ed the seg m entation   results of tra d itional C-V model alg o rit h m, whic h iterated 3 00 times , re spe c tively cost time   22.558  secon d and  28.8 8 5  second s. F r om the  re sult   we  ca see  t hat the  C-V  model  is go o d  a t   segm enting  g r ay ima g e s but be ca use  its spee d in  the  curve  evo l ution i s   slo w , it need mu ch  more time.    Figure 7 ( c)  showed the  segmentatio results  of  the  algo rithm of  Ref.[10] ,wh i ch o n ly  co st time 6.882 se co nd s a nd 7.97 seco nds.Th e  algo rithm saved ti me and the result s are  clo s ed  to the real target edge s.   F i g u r e  7( d)   s h ow ed  th e   fir s t- pa r t   r e su lts ,  ie . pr e-p r oc es s in itia l co n t o u r s   w i th  ou r   optimize d  al g o rithm. Set t he same th re hold  a = 0.0 2 , owl im age ite r ated  77 time s an d flo w er  image iterate d  50 times . Whe n  iteratio n stope d, get  these contou rs a s  ne w initial conto u rs a nd  calle d gra p h s  cut algorith m  for segm enta t ion, get the result s as  sho w n in figure 7 ( e).    The optimi z e d  algorith m  total co st time 5. 476 se co n d s an d 5.867  second s respectively.  From  Fig u re 7(e )   we can see  that  the se gmentation  re sult are q u ite good.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   e-ISSN:  2087 -278X       An Optim i zed  Iteration Algorithm  base d  on C-V Mo del  and Graph Cuts (Hong L a n 4365 Figure 8   sho w ed  two  noi se ima g e s . On e is  star   with  the  si ze   of 28 3×3 87 pixels and  th other is tri ang le with the si ze of 90× 98  p i xe ls . T a ke  th e  s a me  op er atio n s First Set an initial contou r sho w n a s  figure  8(a). Fig u re 8(b) sho w ed the seg m entation   results of tra d itional C-V  model al gorit hm, whi c h it erated  300 ti mes, respe c tively cost time  53.909  secon d and  74.0 6 1 se co nd s.. From the  re sult we  ca see  that the  C-V  model i s  wea k   to segme n t the noise imag es.   Figure 8 ( c)  showed th se gmentation  result s of  th algorith m  of  Referen c e [1 0], whi c h   iterated 3 00 t i mes, respect i vely cost 13. 774 se cond s and  15.4 87 seco nd s.  The results sho w ed   the algorith m  is rob u st but t he se gmentin g c onto u rs are far from the  desired bo un darie s.   F i g u r e  8( d)   s h ow ed  th e   fir s t- pa r t   r e su lts ,  ie . pr e-p r oc es s in itia l co n t o u r s   w i th  ou r   optimize d  alg o rithm. Set the sam e  threhold  a =0.4 star image ite r ated 85 tim e s and flo w e r   image iterate d  79 times.  Whe n  iter atio n stope d, get these  conto u rs   as n e w in itial contou rs  and   calle d gra p h s  cut algorith m  for segm enta t ion, get the result s as  sho w n in Figu re  8(e ) .   The optimi z e d  algorith m  total co st time 6. 204 se co n d s an d 8.372  second s respectively.  From Fig u re  8(e) we ca n see that the seg m ent a t ion results  are quite  clo s e to the ob ject  boun dari e s,  whi c h proved  that  the optimized al gorit m is better d enoi sing pe rf orma nce than the   firs t two algorithms .                           (a)Initial Cont our  (b)se g mentati on  res u lt of the  C-V   model alg o rit h (c) se gment ation   res u lt of  Ref   [10]’s algo rith ( d )  pr e- p r oc es initial contour of  our alg o rithm   (e) segm enta t ion  result of our  algorith m     Figure 8.  Co mpari s o n  Ch art of Two No ised  Imag es  Segmentatio n Re sults by  usin g Three  Algorithm     3.2. Results An y l asis   In orde r to e v aluate the  Experiment s’  resu lts, this pape r we choo se FO M(Figure of  Merit) meth o d  to anylasi s the perfo rma n c e of the  algo rithms. Th e d e finition of the FOM [12] is:    {} 2 1 11 ,1 t N i it i FO M ma x N N d = = +a å                                                                                   (9)    Whe r i N  deno tes the qualiti e s of the ed ge’s pixe l s  from the manu al segm entati ons,  whi c h is th ou ght as a  stan dard  re sult.  t N  denote s  the  qualitie s of the edg e’s  pixels from the   experim ent’s   segme n tatio n a  is compe n sat i o n  coef f i cient  (u su ally  set  1/ 9),   i d is the nea re st  distan ce b e twee n the poi nts on the te sting edge a n d  real ed ge. T he value of F O M is bet we en 0  and 1. Th e value is l a rg er, the effects  of t he seg m e n tation is b e tter. Use FO M on ou r ab ove  image s testin g, get Tabl 1. From   Tabl e 1 we can  see th at mo st of the FOM  values  of o u optimize d  alg o rithm a r e l a rger th an FO M of C-V mo del an d Refe ren c e [1 0]’s  algorith m , wh ich   prove s  that our optimi z ed  al gorith m  hav e good p e rfo r mance.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               e-ISSN: 2 087-278X   TELKOM NIKA  Vol. 11, No . 8, August 2013:  4357 –  4366   4366 Table 1. FOM  Values Com pari s on  with Thre e Algorit hms    FOM ( lung)  FOM ( liver)  FOM ( o w l)   FOM ( flo w er )  FOM ( star)   FOM ( triangle)   C-V model  algorithm  0.7203  0.6856   0.8801  0.8423  0.3501   0.3834   Ref [10]’s  algorithm  0.7611  0.8345   0.7612  0.6921  0.5023   0.4256   optimized  algorithm  0.8203  0.8342   0.8501  0.8706  0.8801   0.8234       4. Conclusio n   Based o n  th e improve d  C-V mod e l a nd gra ph cut algorithm, th is pap er p r e s ented an  optimize d  ite r ation al gorith m  for imag segmentat io n.   Thi s  al gorith m  comibin e the adva n tag e of these two  algorithm s a nd improve s   the it eration  spe e d s  and  segm entation  accura cy. The   algorith m  ma y solve  som e  proble m that the  trad itional C-V model algo rit h ne ed m o re  comp uting ti me on  num e r ical  iteratio n s  a nd the   p r oblem th at iteration  termi nation  con d ition i s   difficult to determin e . Simulation re sult s indicat ed that  the pro p o s ed  algorithm i s  robu st and hig h   effic i enc y     Ackn o w l e dg ments   This work is jointly supp orted by the   National Na ture Scie nce  Foundatio n of China  (No.6 107 419 2), the  Re search  Fund  of the  Ji a ngxi Provin ce Edu c ation  Office  (G rant  No.G JJ114 65 ) and the Fu n d s of the US T B  (No s .YJ20 10-0 19, 061 0 8104 ).      Referen ces   [ 1 ]   M Kass,  A Witkin,  D T e rzopo ulo u s.  Snakes:  Act i ve cont o u r  models.   I n t e mat i on al Jo urn a l  of  Co mput e r   Vision.  198 8;  1(4):  321-3 31.   [ 2 ]   V Casel les,  R  Kimmel,  G Sap i ro.  Geod esic a c t i ve cont o u rs.  I n t e rnat io na l Journ a l of  Co mput er Visi on 199 7;  22(1):  61 –79.     [ 3 ]   S Osher,  R F edki w .  Lev el Se t  Met hods an d  D y n a mic I m pl i c it  Surf aces.  Springer-Ver lag . N e w  Y o r k 200 2.   [ 4 ]   Malla di  R,  S e t h ian  JA,  Vem u ri  BC.  Sh ap e m ode lin w i t h  f r o n t  pro p a gat io n:  a  lev e l s e t  a p p r oach.   IE EE  T r ansact i o n s o n  Pat t e rn Ana l ysis and Mac h i ne I n t e ll ig ence .  1995;  1 7 (2):  1 58-1 75.   [ 5 ]   Cha n T F ,  Vese LA.  Act i v e  c ont ours   w i t h ou t  edg es.   IEEE  Transactions on Image Proc essing .  200 1;   10(2):  26 6-2 7 7 .     [ 6 ]   Li C,   Xu C,  G u i C,   et  al.   Le vel set   evol ut i on w i t h o u t  re-i nit i al i z a t i on:  a   new  variat i o n a l  f o r m ul at io n Procee din g s o f  t he 2005 I EEE Comput er  Societ y  C onf erenc e on Co mput er Visio n  and Pat t e r n   Reco gnit i on,  S an Di ego:  I E E E  Press.  2005;  I :  1-7.  [ 7 ]   Y Bo y k ov,  G Funka L ea.  Gra ph cut s  an d ef f i cient  N-D im a ge segm ent at i on.   I n t e rnat i o n a l Jour nal  of   Co mp ut er Visi on .  200 6;  70(2) :  109-13 1.   [ 8 ]   Bo y k ov Y,  Kol m ogor ov V.  An Exp e rime nt al  Comp a riso n of  Min-Cut  / M ax- F lo w  A l g o rit h m s  f o r Energ y   Minimiz a tion in Vision.  I EEE t r ansact i ons o n  pat t e rn an alys i s  and  m a ch in e int e ll ig ence .  2 0 04;  26(9).   [ 9 ]   F o rd LR,  F u lk erson D R .  Ma xim a l f l o w  t h ro ugh  a net w o rk .   Cana dia n  Jo urna l of  Mat h e m at ics . 19 56 ;   8(3):  399- 40 4.   [ 10]   Ning  Xu,  Ahu j a  N,  Bansal  R.  Object  segm en t a t i on us ing  gr aph c u t s  base d  act i ve co nt ou rs.   Comput e r   Visio n  and I m a ge Un derst a ndi ng .  200 7;  107( 3):  210-2 24.   [ 11]   YANG Jian gon g,  WANG Xil i .  I m age se gmen t a t i on a ppr oac h bas ed o n  gr aph c u t s  an dua l lev e l s e t   met hod.   Co mp ut er Engi ne erin g and Ap pl icat i ons .  201 2;  48( 3):  195-1 97.     [ 12]   Lan H ong,  L i Xi ant a o .  Energ y  min i mizat i on  mode f o r imag e segme n t a t i o n  via gra ph cut  opt imizat i on.   Appl icat io n Re search of  Co mput ers .  201 2;  2 9 (11):  43 81- 43 84.   [ 13]   Yuan hui  Yu,  C h inc hen  Ch an g.  A ne w   e d g e  det ect i on  ap proac h b a se on im ag e co nt ext   an al ysi s .   I m ag e an d Visi on Co mput in g .  200 6;  24:  109 0 - 110 2.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.