T E L KO M N I KA  T e lec om m u n icat ion ,   Com p u t i n g,   E lec t r on ics   an d   Co n t r ol   Vol.   18 ,   No.   3 ,  J une   2020 ,   pp.   1621 ~ 1632   I S S N:  1693 - 6930,   a c c r e dit e d  F ir s t  G r a de   by  Ke me nr is tekdikti ,   De c r e e   No:   21/E /KP T /2018   DO I :  10. 12928/ T E L KO M NI KA . v18i3. 14746     1621       Jou r n al  h omepage :  ht tp: // jour nal. uad . ac . id/ index . php/T E L K OM N I K A   C on t o u r   e vol u t io n  m e t h o d  f o r  p r e c is e  b o u n d ar y  d e li n e at io n     of  m e d ic al  i m age s       F r is k a  Nat ali a 1 ,   Hi r a  M e id ia 2 ,   Nun i k   Af r il ian a 3 ,   Ju li o  Chris t ia n   Youn g 4 ,   S u d   S u d irm an 5   1 ,2 , 3, 4 U n i v ers i t a s   Mu l t i me d i a  N u s an t ara,   In d o n e s i a   5 L i v erp o o l   J o h n   M o o re s   U n i v er s i t y ,  U n i t ed   K i n g d o m       Ar t icle   I n f o     AB S T RA CT   A r ti c le  h is tor y :   R e c e ived  Aug   22 ,   2019   R e vis e d  J a n   16 ,   2020   Ac c e pted  F e b   25 ,   2020     I m a g e  s e g m e n t a t i o n   i s   a n   i m p o r t a n t   p re c u r s o r  t o   b o u n d a r y   d e l i n e a t i o n     o f   me d i ca l   i m a g e s .   O n e  o f  t h e  ma j o r  c h a l l e n g e s   i n   a p p l y i n g   a u t o ma t i c  i ma g e  s e g m e n t a t i o n   i n   me d i ca l   i m a g e s   i s   t h e  i m p e rf ec t i o n   i n   t h e  i m a g i n g   p r o c e s s   w h i c h   ca n   r e s u l t   i n   i n c o n s i s t e n t   c o n t r a s t   a n d   b r i g h t n es s   l e v e l s ,   a n d   l o w   i ma g e  s h a r p n e s s   a n d   v a n i s h i n g   b o u n d ar i e s .   A l t h o u g h   re ce n t   a d v a n c e s   i n   d e e p   l ea r n i n g   p r o d u c e  v a s t   i m p r o v em e n t s   i n   t h e  q u a l i t y   o f  i ma g e  s e g me n t a t i o n ,   t h e  ac c u r ac y   o f   s e g m e n t a t i o n   a r o u n d   o b j e c t   b o u n d ar i e s   s t i l l   re q u i re s   i m p r o v em e n t .   W e  d e v e l o p e d   a   n e w   a p p r o a c h   t o   c o n t o u r   e v o l u t i o n   t h a t   i s   m o r e   i n t u i t i v e   b u t   s h a re s   s o m e  c o m m o n   p r i n c i p l e s   w i t h   t h e   a c t i v e   c o n t o u r  m o d e l   me t h o d .   T h e  m e t h o d   u s e s   t w o   c o n c e p t s ,   n a me l y   t h e  b o u n d ar y   g r i d   an d   s p a r s e  b o u n d ar y   r e p re s e n t a t i o n ,   a s   a n   i m p l i c i t   a n d   e x p l i c i t   r e p r e s e n t a t i o n   o f  t h e  b o u n d a r y   p o i n t s .   W e   t e s t e d   o u r  me t h o d   u s i n g   l u m b ar   s p i n e   MR I  i ma g e s   o f   5 1 5   p a t i e n t s .   T h e  e x p e r i m e n t   re s u l t s   s h o w   t h a t   o u r  m e t h o d   p e rf o rm s   u p   t o   1 0 . 2   t i m e s   f a s t e r  a n d   m o r e  f l e x i b l e  t h a n   t h e   g e o d e s i c   a c t i v e   c o n t o u r s   m e t h o d .   U s i n g   BF - s c o re  c o n t o u r - b a s e d   me t r i c ,   w e  s h o w   t h a t   o u r  me t h o d   i mp r o v e s   t h e  b o u n d ar y   a c c u r ac y   fr o m  7 4 %   t o   8 4 %   a s   o p p o s e d   t o   6 3 %   b y   t h e  l a t t e r  me t h o d .   K e y w o r d s :   B ounda r y  de li ne a ti on    C ontour   e volut ion   I mage   s e gmenta ti on   M R I   im a ge s   Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l e  u n d e r   t h e  CC  B Y - SA   l i ce n s e .     C or r e s pon din g  A u th or :   S ud  S udir man ,    L iver pool  J ohn  M oor e s   Unive r s it y   L iver pool  L 3  3AF,   United   Kingdom .   E mail:   s . s udir man@ lj mu . a c . uk       1.   I NT RODU C T I ON   A  ba s ic  pr oblem  in  c omput e r   vis ion  is   to  unde r s tand  the  high  leve l  of   inf o r mation  c ontaine d  in     a n  im a ge   or   a   s e r ies   of   im a ge s .   M a ny  o f   the  tas k s   in   c omput e r   vis ion  may  look   t r ivi a l   whe n   pe r f o r med  by     a   human.   T a s ks   s uc h  a s   de tec ti ng   a nd   dis ti nguis hing  f a c e s   a nd   objec ts   in   im a ge s ,   o r   c las s if ying  ha nd   ge s tur e s   in  videos   a r e   s ome  of   the   e xa mpl e s   of   a   p r obl e m  that  hu mans   c a n  do   with   r e lativ e   e a s e   but   c ould  be     a   c ha ll e nge   f or   a   c omput e r   to   pe r f o r m.   M or e   c omp lex  tas ks   s uc h  a s   de tec ti on  o f   a nomalies   in   medic a l   im a ge s   pos e   a n  e ve n  gr e a ter   c ha ll e nge   due   to   it s   high   a c c ur a c y  r e quir e ment  a nd   high - r is k  f a il ur e   c ons e que nc e s .     Unde r s tanding  medic a l  i mage s   r e quir e s   a   s pe c i f ic  s e t  of   s kil ls   a nd  many  ye a r s   of   e xpe r ienc e   wor king  a s   a   medic a l  pr a c ti t ioner   s uc h  a s   a   r a diol ogis t.   T hus ,   in   buil ding   a   c omput e r - a ided  diagnos is   ( C AD )   s ys tem,   it   is   ne c e s s a r y  to  a dopt   the  wor k ing  pr oc e dur e   of   the   r e leva nt  r a diol og is t  a nd   mod e l  it   a s     a n  a lgor it hm   that   c omput e r s   c a n  e xe c ute.   T his   p r oc e s s   is   a   c ompl e x   tas k  a nd   may   r e qui r e   a n   a p pli c a ti on    of   s e ve r a l   im a ge   p r oc e s s ing  a nd  c omput e r   vis i on  tec hniques   that   a s   a   whole   c ompl e ment   e a c h  ot he r .     I mage   s e gmenta ti on  a nd  bounda r y  de li ne a ti on   a r e   two  im po r tant  tas ks   in  many   moder n  i mage   a na lys is   pr oc e s s e s   including  c omput e r - a s s is ted  diagno s is   thr ough  medic a l  im a ge   a na lys is .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l ,  Vol.   18 ,   No .   3 ,  J une   2020:    1621   -   1632   1622   I mage   s e gmenta ti on  ha s   be e n  s uc c e s s f ull y  a ppli e d  in  many  C AD   s ys tems   wor king  on  many   dif f e r e nt   types   o f   medic a l  im a ge s .   T r a dit ionally ,   i mage   s e gmenta ti on  is   a c hieve d  us ing   c lus ter ing  methods ,   s uc h  a s   ge n e ti c   a lgor it hm  [ 1]   a nd  f uz z y - mea ns   [ 2] ,   of   a   number   of   manua ll y  de s igned  low - leve l  f e a tu r e s   s uc h  a s   pixel  va lues   di s tr ibut ion  a nd  his togr a ms   of   gr a dients .   S tocha s ti c   methods   a r e   a ls o  a   popul a r   a ppr oa c h  in  im a ge   s e gmenta ti on.   A  r e g r e s s ion  s e gmenta t ion  f r a mew or k  to  de tec t  va s c ular   a nomalies   in  c a r d iac   magne ti c   r e s ona nc e   im a ging  ( M R I )   i mage s   by  de li ne a ti ng  bounda r ies   of   bi - ve ntr icle   f r om   wa s   pr opos e d  [ 3 ] .   I n   thi s   f r a mew or k,   a   r e g r e s s ion  m ode l  ha s   be e n  tr a ined  a utom a ti c a ll y  on  a   de e p  be li e f   ne twor k  by  us ing  e xtr a c ted  DA I S Y  f e a tur e   [ 4]   a s   input   a nd  us ing  a utom a ti c a ll y  ge ne r a ted  bounda r y  point s   a s   labe ls .   T he   method  wa s   r e por ted  to   yield  high   pe r f o r manc e   whe n  tes ted  o n  2, 900  im a ge s   take n  f r om  145   c li nica l  s ubjec ts .   One   of   the  majo r   c ha ll e nge s   in  a pplyi ng   a utom a ti c   im a ge   s e gmenta ti on  in  medic a l  im a ge s   s uc h  a s   C T   a nd   M R I   is   the   im pe r f e c ti on   in   the   im a ging   p r oc e s s   whic h  c a n  o f ten   r e s ult   in   incons is tent  c ont r a s t  a nd  br ight ne s s   leve ls ,   a nd  low  im a ge   s ha r pne s s   a nd  va nis hing  bounda r ies .   R e c e nt  a dva nc e s   in  de e p  lea r ning  pr oduc e   va s t  im pr ove ments   in  the  qua li ty  of   im a ge   s e gmenta ti on.   As   a   r e s ult ,   r e s e a r c h  in  thi s   f ield  ha s   s hif ted  i ts   f oc us   to  us ing  mor e   c ontempor a r y  tec hniques   s uc h  a s   c onvolut ion  ne ur a l  ne twor ks   [5 ,   6]   a nd  r a ndom   f or e s t  [ 7] .   I n  one   o f   our   e a r li e r   publi c a ti ons   [ 5] ,   we   pr opos e d  a   nove l   method  f or   im a ge   s e gmenta ti on  a nd  bounda r y  de l inea ti on  to   a s s is t  diagnos is   of   lum ba r   s pinal  s tenos is   in  M R I   im a ge s   us ing  S e gNe t  [ 8] .   I t  is   noted  the   a c c ur a c y  of   de e p  lea r ning  c las s if ier s   may  a ls o  de pe nd  on   the   a c c ur a c y  of   t he   gr ound   tr uth  labe ls   that  a r e   us e d  to  tr a in   the  models .   P r oduc ing  labe l  im a ge s   manua ll y  is   a   labor ious   a nd  lengthy   pr oc e s s .   I t   is   ve r y   unli ke ly   that   medic a l   e xpe r ts ’   ti me  is   us e d  to   c a r r y   out   thi s   a c ti vi ty  f or   hun dr e ds   or     e ve n  thous a nds   of   im a ge s .   E ve n  i f   thei r   ti me   is   u s e d  to  labe l  a   f e w,   they  may   not  ha ve   the   ne c e s s a r y  s kil ls     in  us ing  digi tal  a ppli c a ti ons   to  pr oduc e   a c c ur a te  s e gmenta ti on.   A  pr a c ti c a l  s olut ion  to  thi s   is   to  ha ve     the  medic a l  e xpe r ts   to  tr a in  s e ve r a l  s kil led  im a ge   labe ll e r s   on  the  im por tant   pr inciples   a nd  wha t  f e a tur e s   to  look  f o r   a nd  a s s ign  the   labe ll e r s   to   pr oduc e   the  g r o und  tr uth   labe l   im a ge s   f or   the   c las s if ier   t r a ini ng.   H owe ve r ,   e ve n  with  thi s   a ppr oa c h,   the r e   is   s ti ll   a   h igh  leve l  of   p r o ba bil it ies   of   inac c ur a c ies ,   e s pe c ially  a long  r e gion  bounda r ies   [ 9] .   T o  im pr ove   the  s e gme ntation  a c c ur a c y  a long  r e g ion  bounda r ies ,   a n  a c ti ve   c ontour   model  c a n  be   a ppli e d  to  the  labe l  im a ge s .   How e ve r ,   in   our   s tudy   of   the  im po r tant  pr inciples   on  im a ge   labe li ng   pr o vided  by  medic a l  e xpe r ts ,   we   f ound  t ha t  the  e xis ti ng  a c ti ve   c ontour   models   ha ve   a   n umber   of   dr a wba c ks   whe n  a r e   us e d  to  labe l  medic a l  i mage s   [ 10] .   T hus ,   we   de ve lop  a   ne w  a ppr oa c h  to  c ontour   e volut ion   that   is   mor e   int uit ive  but  s ha r e s   s ome  c omm on  pr inciples   wit h  the  a c ti ve   c ontour   model  method.   T hr ough  a n a lys is   of     our   e xpe r im e ntal  r e s ult s ,   we   s how  that   our   method   ha s   s e ve r a l  pr ope r ti e s   that  he lp  ove r c ome  the  p r o blems   in  the  e xis ti ng  a c ti ve   c ontour   models .     T his   pa pe r   s ta r ts   by  dis c us s ing  the  pr inciple  o f   a c ti ve   c onto ur   models   whic h  is   f oll owe d  by     the  de s c r ipt ion  of   the  pr oblems   in   a pplyi ng  thes e   to  medic a l  im a ge s .   T he   de s ign  of   ou r   s olut ion  is   pr ovided  in   s e c ti on  3  f oll owe d  by  the  a na lys is   of   the  e xpe r im e ntal  r e s ult s   in  s e c ti on  4.   W e   us e   the  lum ba r   s pin e   im a ge s   that  we   ha ve   c oll e c ted   [ 11]   a nd   their   a s s oc iate d  labe l  im a ge s   [ 12]   in   our   e xpe r im e nt.   T h is   da tas e t  c ontains   a xial  M R I   s c a ns   of   the  las t  thr e e   int e r ve r tebr a l   dis c s   of   515  pa ti e nts .       2.   AC T I VE   CONT OU R  M ODE L   Ac ti ve   c ontour   model  ha s   be e n  us e d  to  s e gm e nt  a nd  de li ne a te  bounda r ies   in  dif f e r e nt  types     of   medic a l   im a ge s   s uc h   a s   e c hoc a r diogr a phs   [ 13] ,   M R I   [ 14] ,   a nd   C omput e d   T omog r a phy  ( C T )   [ 15] .    I t  is   a   popular   c las s   of   im a ge   s e gmenta ti on  a nd  bounda r y  de li ne a ti on  method  due   to  it s   a bil it y  to  f it   a   c ur ve   to   a n  objec t  bounda r y   by   it e r a ti ve ly   e xpa nding   or   c ontr a c ti ng  it s   bounda r y   e s ti mate .   T he   it e r a ti ve   p r oc e s s   s tar ts   by  de f ini ng  a n  ini ti a l  c ontour   0   a nd  a t  e a c h  it e r a ti on  ,   the  c ontour     e volves   f r om  the  pr e vious   it e r a ti on  − 1   s uc h  that  = − 1 +   × ∆ ,   whe r e       is   the  c ontour   e volut ion   s pe e d.   T he   c ontour   e volut ion   s pe e d  is   not  a   s ingul a r   e nti ty  but   r a the r   a   mul ti - va lue  one   a s   it   is   de f ined   a da pti ve ly  f or   e a c h  point     a long   the  c ontour   pos it ion  a t  e a c h  it e r a ti on .   T his   is   il lus tr a ted  in  F igu r e   1.     T he   c ontour   e volut ion  s pe e d,   i. e . ,   the  r e d  a r r ow  i ll us tr a ted  in  F igur e   1 ,   ( whic h  is   o f ten  a ls o  r e f e r r e d  to  a s   F or c e   de noted  a s   ) ,   is   the  moveme nt  of   e a c h  point   a long  the  c ontour .   T he   f or c e   ha s   dir e c ti on  pe r pe ndicula r   to   the   tange nt  o f   the  c ur ve .   T he   v a lu e   of     de pe nds   on  loca l   pr ope r ti e s   s uc h  a s   c ur va tur e ,   global  pr ope r ti e s   s uc h   a s   s ha pe ,   a nd  o ther   indepe nde nt  p r ope r ti e s   [ 16] .   One   of   the  e a r l i e s t  a nd  mos t  popular   a c ti ve   c ontour   models   is   S na ke   [ 17] .   I t   c a n   a r gu a bly  be   c ons ider e d  a s   the   ba s is   o f   a lm os t  a ll   s u bs e que nt   a c ti ve   c ontour   models   to   da te.   I n   thi s   model,   the   f or c e   is   c a lcula ted  to   mi nim ize   a n  e ne r gy   f unc ti o n    that    is   a   f unc ti on   of   the  c ur ve ’ s   in ter na l  f a c tor s   e . g . ,   th e   f ir s t  a nd   s e c ond - or de r   de r ivatives   of   the  c ur ve   a s   we ll   a s   e xter na l  f a c tor s   ( e . g . ,   im a ge   de pe nde nt  f e a tur e s   s uc h  a s   im a ge   gr a dient   or   e dge s ) .   T he   va lu e   of       is   the  int e gr a l  o f   th r e e   c omponents   e xpr e s s e d  in  th e   ( 1) :     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l         C ontour   e v olut ion  me thod   for   pr e c is e   boundar y   de li ne ati on  of  me dical   image s   ( F r is k a  N atal ia)   1623   = ∫ | ′ | 2  1 0 + ∫ | ′ ′ | 2  1 0 + ∫ | fe a tu r e ( ) | 2  1 0   ( 1)     whe r e   ′ =   ,  ′′ = 2 2 ,   a nd  fe a tu r e ( )   is   the   im a ge   f e a tur e   va lue   c a lcula ted  a t  the   c ontour   loca ti on.     T he   model  us e s   thr e e   pa r a mete r s   to   c ontr ol   th e   e f f e c t  of   e a c h  c omponent  on  the  c ontour   e volut ion.   P a r a mete r s     a nd    c ontr ol  the  c ontr ibut ion   of   th e   int e r na l  f a c tor s   whe r e a s     c ontr ols   the  c ontr ibu ti on    of   the  e xter na l  f a c tor s .   Almos t  a ll   of   the  s ubs e qu e ntl y  pr opos e d  a c ti ve   c ontour   models   in  the  li ter a tur e     a r e   ba s e d  on   thi s   pr inciple .   Dif f e r e nc e s   a mongs t  them   a r e   mainly   on   the   di f f e r e nt   wa ys   of   c a l c ulating    a nd  de ter mi ning  e a c h  of   the  thr e e   c omponents   a nd  their   pa r a mete r s .           F igur e   1.   T he   e volut ion  o f   the   c ontour     ( b r own  li ne )   a t  ti me    f r om   the  pr e vious   c ontou r   − 1   ( blue  li ne )   with  the  r e d   a r r ows   mar king   the  c ontou r   e volut ion   s pe e d  a t  e a c h  pos it ion  o n  the  c ontou r       T he   im pleme ntation  of   the  S na ke   a c ti ve   c ont our   a lgor it hm  us e s   the  z e r o  leve l  s e t  ( Z L S )     f r a mew or k   [ 18] .   T his   f r a mew or k   pr opa ga tes   a   s ha pe   bou nda r y  pe r pe ndicu lar ly   to   the  c ontou r   b y  mea ns     of   a n   E uler ian   f or mu lation.   I ns tea d  of   r e pr e s e nti ng  the  bounda r y   a nd  s olve  the   e volut ion   pa r a m e tr ica ll y,     Z L S   r e pr e s e nts   2D   c ontour s   im pl icitl y  a s   a   s e t  of   point s   of   whe r e   the   va lue   of   a   f unc ti on  c r os s e s   z e r o    ( e it he r   f r om   po s it ive  to   ne ga ti ve ,   or   vice   ve r s a ) .   T his   f unc ti on  is   a n  e ve r ywhe r e - dif f e r e nti a ble   im a ge   f unc ti on   :   →   with   domain       2 .   T he   f unc ti on     is   a   s pe c ial  i mage   f unc ti on   that   is   de r ived  f r om   a   labe l  im a ge .   Give n  a   binar y  im a ge   de noti ng  a   c los e d  s e t  of   labe ll e d  pixels   with  two  c las s e s   na mely    a nd   ¬ ,  whe r e     is   the  c las s   of   the  objec t  of   int e r e s t  in  the  i mage   a nd  ¬   is   it s   c ompl e ment  c la s s ,   the  f unc ti on    ha s   a   ne ga ti ve   va lue  a t  pixels   that  be long  to    a nd  a   pos it ive  va lue  a t  pixels   whic h  do  not.   S inc e     is   dif f e r e nti a ble  e ve r ywhe r e ,   it s   va lue  s hould  be   z e r o,   or   c los e   to  z e r o,   a t  bounda r y  loca ti ons   be twe e n    a nd  ¬   r e gions .   T he   f unc ti on   is   of ten  il lus tr a ted  in  3D  wit h  the    a nd    a xe s   making  up  the  im a ge   plane   a nd  the    f or   the  va lue  of   the   f unc ti on .   T he   int e r s e c ti on  of   th e   f unc ti on   with   the  = 0   plane   wi ll   c r e a te  a n  out li ne   of     the  bounda r y  o f   the   two   r e gions   in   a   s e gmente d  im a ge .   T h is   s e t  o f   po int s   is   c a ll e d  z e r o   leve l  s e t  a nd  is   de noted  a s   .   C ontour   e volut ion   us ing  the  Z L S   me thod  is   a c hieve d  by  e volvi ng  the    f unc ti on,   he nc e     the  s tate   of   the  f unc ti on  a t  it e r a ti on    is   de noted  s pe c if ica ll y  a s   .   T he r e f o r e ,   a t  a ny  it e r a ti on  ,   the  z e r o - leve l   s e t  = { ( , ) | = 0 }   c ontains   the  int e r media te  s olut ion  to  the  bound a r y  de li ne a ti on  pr oblem.   T he   pr oc e s s   to  c ons tr uc t    f r om   a   binar y   labe l  im a ge   is   il lus tr a te d  in   F igu r e   2 .   T he   ini ti a l  va lue  of   ,   i. e . ,   t he   s tate   of   the  f unc ti on  a t  the  s tar t  of   the  it e r a ti on ,   de noted  a s   0   c a n  be   c a lcula ted  f r om  the  ini t ial  s e gmente d  im a ge .   T he   i nit ial  s e gmente d  im a ge   is   a   binar y  im a ge   with   pix e l  va lues   of   1  f or   e ve r y  pixel  that  is   ins ide  the  s ha pe   a nd  0  other wis e   a s   s ho w n  in  F igur e   2   ( a ) .   One   popular   method  to  c ons tr uc t    f r om   a   s e gmente d  im a ge   is   by  c a lcula ti ng  the  s igned  dis tanc e   f unc ti on  ( s d f )   [ 19 ] .   F or   e a c h  p ixel,       is   c a lcula ted  a s   the  dis tanc e   be twe e n  that  pi xe l  to  the  c los e s t  point   on  .   T his   may  s ound   li ke     a n  e gg - a nd - c hicke n  pr oblem  with  r e ga r ds   to    a nd  ,   but  in   pr a c ti c e ,   the     c a n  be   c a lcula ted  us i ng     the  E uc li dian  dis tanc e   tr a ns f or m  ( Edt )   of   the  bina r y  s e gmente d  im a ge .   M or e   pr e c is e ly,   the     is   c a lcula te d  a s   the  dif f e r e nc e   of   the   E uc li d ian  dis tanc e   t r a ns f or m   of   the   binar y   s e gmente d  im a ge   a nd   the   E uc li dian  dis tanc e   tr a ns f or m  of   the  inver s e   o f   the  b inar y  s e g mente d  im a ge ,   i . e . ,      =  ( ) − ( ¬ )   ( 2)     whe r e     is   the   binar y   s e gmente d  im a ge   a nd  ¬   is   i ts   inver s e .   A  d is tanc e   tr a ns f or m   is   a n  ope r a to r   t ha t     is   a ppli e d  to  e ve r y  pixel  in   it s   input   binar y   im a ge   to  c a lcula te  the  dis tanc e   be twe e n  the  pixel  to  the   ne a r e s t   non - z e r o  pixel  [ 20] .   F igur e   2   ( b )   a nd   F igur e   2   ( c )   s how  the  c or r e s ponding     of   the  binar y   im a ge   in  2 D  a nd  3D,   r e s pe c ti ve ly.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l ,  Vol.   18 ,   No .   3 ,  J une   2020:    1621   -   1632   1624   Us ing  Z L S ,   the  e volut ion   of   the   c ontour   is   a c hie ve d  thr ough  a n  e volut ion   of   thi s   s igned  dis tanc e   f unc ti on .   T he   f i r s t   ,  0   is   r e quir e d   a s   the   ini t ial  va lue   to  s tar t   with.   T he   r e lations hip  be tw e e n  the   ne w      a nd  the  c ontour   e volu ti on  s pe e d    is   given  a s   the  lev e l  s e t  e qua ti on  [ 16] :     = − × | − 1 |   ( 3)     s ince   it s   int r oduc ti on,   ther e   a r e   a   number   of   v a r iations   of   the   Z L S   f r a mew or k.   S ome  methods   a p ply    dif f e r e nt  e ne r gy  m ini mi z a ti on  pr oc e dur e s   whe r e a s   other s   us e   dif f e r e nt  im a ge   f e a tur e s   whe n  c a lcula ti ng  .  One   of   the  mos t  popula r   is   the  e dge - ba s e d  Ge ode s ic  Ac ti ve   C ontour s   ( GA C )   [ 21 ] .   I n  thi s   a ppr oa c h,   t he   f or c e     a c ti ng  on  the   s igned  dis tanc e   f unc ti on  is   c a lcula te d  a s :     = + + ( ⃑ ⃑   )   ( 4)     whe r e     is   the  s pe e d  f unc ti on   c omponent   de r ived   f r om   the   f e a tur e   of   the   input   i mage   .   W he n  a   po s it ive  va lue  of     is   us e d,   thi s   c ompone nt  a lwa ys   a c ts   o utwa r d  to  d r ive  the  c ontou r   to   e xpa nd.   T he   s e c on d   c omponent  of   the  s pe e d  f unc ti on,   ,   is   the  mea n  c ur va tur e   o f   the   c ontour .   T he   pa r a mete r     he nc e   c ontr ols     the  s moot hne s s   of   the  e volvi ng  c ontour .   T he   th ir d  c omponent,   ∇ ⃑ ⃑     is   the  a d ve c ti on  f or c e   that   dr a ws     the  c ontour   towa r ds   the   ne a r e s t  e dge s   a long  the  no r mal  ve c tor   o f   the   c ontour .           ( a )   ( b)       ( c )     F igur e   2.   An  i ll us tr a ti on  o f   the  c ons tr uc ti on   of   the  s igned  dis tanc e   f un c ti on  f r om   a   binar y   labe l  im a ge ;     ( a )   i nput   la be l  im a ge   is   us e d  to  de ve lop  it ,   ( b)   c or r e s ponding   ,     ( c )   s hows   the  s a me     a s   view e d  in  3D  with   it s   z e r o  l e ve l  s e t  mar ke d  in  r e d     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l         C ontour   e v olut ion  me thod   for   pr e c is e   boundar y   de li ne ati on  of  me dical   image s   ( F r is k a  N atal ia)   1625   As   the  na me  s ugge s ts ,   the  GA C   method  c a lcula tes   the  f e a tur e     us ing  the  gr a dient  magnitude  inf or mation  o f   the   input   im a ge .   I n  pa r ti c ula r ,   it   is   c a lcula ted  pe r   p ixel  a s :     = 1 1 + | | 2   ( 5)     whe r e   the  f e a tur e   us e d  is     = ‖ ( ∗ ) ‖  ‖ ( ∗ ) ‖   ( 6)     t his   f e a tur e   is   mor e   popular ly  known   a s   the  nor malize d  gr a dient  magnitude  o f   the   input   i mage   .    T he   ope r a ti on  ( ∗ )   is   a   c onvolut i on  of   the  i mage     with  a   Ga us s ian  ke r ne l    with  width   .     2. 1.   Dr awbacks   in   u s in g  ac t ive   c on t ou r   m od e ls   t o   s e gm e n t   m e d ical  i m age s   Ac c ur a te  s e gmenta ti on  of   im a ge s ,   including  medic a l  im a ge s ,   with  s igni f ica nt  int e ns it y  inhom oge ne it y  withi n   the   s a me  r e gion ,   is   of ten   dif f icult   to   a c hieve   [ 22 ] .   I n   our   s tudy   of   s e ve r a l  medic a l   im a ge   types ,   topol ogy ,   a nd   ge ometr y,   a nd  while   guided  by   the  r e lev a nt   medic a l  e xpe r ts ,   we   f o und  that     the  e xis ti ng  a c ti ve   c ontour   models   ha ve   a   numb e r   of   dr a wba c ks   whe n  they   a r e   us e d  to   s e gment  medic a l   im a ge s .   Although  in  thi s   pa pe r   we   only  f oc us   on   the  s e gmenta ti on  of   lum ba r   s pine  M R I   im a ge s   a s   a   c a s e   s tudy,   our   r a ti ona le  a nd  f indi ngs   s hould  a pply   ge ne r a ll y.   B or r owing  f r om   the  a ppr oa c h  we   took  in  o ur   pr e vious   s tudy  whe n  de li ne a ti ng  thi s   type    of   im a g e s   [ 5]   to  de tec t  lu mbar   s pinal  s tenos is   [ 23] ,   ther e   a r e   f ive  r e gions   of   int e r e s ts   in  e a c h  im a ge .   T he y     a r e   the  int e r ve r teb r a l  dis c s   ( I VD ) ,   pos ter ior   e leme n t  ( P E ) ,   thec a l  s a c   ( T S ) ,   a r e a   be twe e n  a nter ior   a nd  p os ter ior   ( AA P )   ve r teb r a e   e leme nts ,   a nd  Othe r   ( O T ) .   T he   dr a wba c ks   that  we   f ound  a r e   s umm a r ize d   a s   f oll ow:   −   T he   tr ue   bounda r y   of   a n  objec t   r e gion  may  not   b e   f ound  by   jus t  us in g   a   s ingl e   type  of   im a ge   f e a t ur e s   be c a us e   it   c ould   de pe nd  on   s e ve r a l  di f f e r e nt   one s .   F or   e xa mpl e ,   the  bounda r y   be twe e n   the  I VD   with   A AP  r e gions   is   c ha r a c ter ize d  by  s tr ong   pixel   int e ns it y  d if f e r e nc e s   howe ve r   the  bounda r y  be twe e n  I VD   a n d  T S   is   not.   T he r e f or e ,   if   the  i mage   gr a dient  f e a tur e   a lo ne   is   us e d  to  im pr ove   the  bounda r y  of   I VD   it   may  r e s ult   in  it s   de ter ior a ti on  ins tea d.   W hil e   many  d if f e r e nt  models   of   a c ti ve   c ontour   a lgor it hms   ha ve   be e n  pr opos e d   in  the  li ter a tu r e   whic h  us e   dif f e r e nt  types   of   im a g e   f e a tur e s ,   ther e   is   none ,   to   the  be s t  of   our   knowl e dge ,   whic h  a ll ows   mul ti ple  di f f e r e nt  one s   to   be   a da pti v e ly  a ppli e d  a long  the   c ur va tur e .   −   T he   inclus ion  o f   a ll   thr e e   c omponents   of   s pe e d  f unc ti ons   in   one   c a lcula ti on  make s   it   ha r de r   to   f ind     the  r ight   c ombi na ti on  t o   yield   the  be s t  r e s ult s .   T he   e f f e c t  o f   a djus ti ng   one   c ontr ol   pa r a mete r   may  c o unter   the  e f f e c t  of   a djus ti ng  the  other s .   I n  GA C ,   f or   e xa mpl e ,   ge ne r a ll y  us ing  a   lar ge   γ  va lue  pus he s   the  c o ntour   ha r de r   towa r ds   a n  e dge   r e s ult ing  in  a   c ontour   e volut ion  that  mov e s   s tr ongly  towa r ds   ha r d  e dge s   whic h  will   make   it   f it s   thes e   e dge s   r igi dly.   How e ve r ,   incr e a s ing  the  va lue  of   β   c ould  c a n c e l  that  e f f e c t  out  be c a us e   it   pe na li z e s   high  c ur va tur e .   As   a   r e s ult ,   f i nding  the  r ight   c ombi na ti on  o f   pa r a mete r   va lues   is   ve r y   tr icky  a nd   c a n   be   a ppli c a ti on   de pe nde nt.   T h is   phe nomenon   is   il lus tr a ted   in   F igu r e   3 ,   that   s hows     the  de li ne a ti on  of   a n  unmodi f ied  labe l  im a ge   ( F igu r e   3   ( a ) )   a nd  the  e f f e c ts   of   a pplyi ng  the  GA C   a lgor it hm  us ing  dif f e r e nt   c ombi na ti ons   of   γ   a nd  β   va lues   to   the   labe l  i mage   ( F igur e   3   ( b ) ) .   T he   bounda r y   o f   e a c h  r e gion  pa ir   is   c olor - c ode d  to  a ll ow  e a s ier   ins pe c ti on .  T he   f igur e   s hows   that  ha ving  lo w  va lues   of   γ  a nd  β   pr oduc e s   the  wor s t  r e s ult s   ( top  r ow  a nd  f ir s t  f ou r   c olum ns ) .   T he   r e s ult s   a r e   be tt e r   whe n  a   lar ge   va lue  of   β   is   us e d  ( top  r ow – f i f th  c olum n ) .   W hil e   f ixi ng   thi s   β   va lue,   the  e f f e c t  of   c ha nging  γ  va lues   doe s   not  p r o duc e   s igni f ica ntl y  dif f e r e nt   r e s ult s   ( las t  c olum n ) .   How e ve r ,   whe n  the  lar ge s t  γ  va lue  is   us e d  the   e f f e c t  of   c ha nging  β   a ppe a r s   to  r e ve r s e .   T his   ti me  lowe r i ng  β   va lue  s hows   a n  im pr ove ment  in   the  qua li t y  of     the  de li ne a ti on.   On  a   f ur ther   note,   we   noti c e   that  mos t  a c ti ve   c o ntour   mode ls   a r e   a ppli e d  mainly  to  a n  im a ge   in   it s   or igi na l  s ize .   T his   li mi ts   the  p r e c is ion  of   bounda r y  point s   to   ha lf   a   p ixel.   I nc r e a s ing   the  s ize     by  up  s a mpl ing   the  im a ge   a nd  it s   labe l    number   of   ti mes ,   whe r e   ∈ ℕ ,   c a n  incr e a s e   the  pr e c is ion  to    the  ne a r e s t  2 − ( + 1 ) .  How e ve r ,   thi s   a ppr oa c h  s igni f ica ntl y  incr e a s e s   the  number   of   pixels   to  c ons ider   a n d    our   e xpe r ienc e   s hows   that  a c ti ve   c ontour   models   c a n  s c a le  poor ly  with  the  number   of   pixels .   B a s e d  on     thes e   f a c tor s ,   we   s pe c if y  th r e e   r e quir e ments   tha t  mus t   be   met   f o r   a   s uit a ble  c ontou r   e volut ion   method.     T he y  a r e   1)   it   mus t  a ll ow   a n  a ppli c a ti on   of   e v olut ion  on   a   s ubs e t  of   c ontour   a s   opp os e d  to   t he   e nti r e     c ontour .   T his   will   make   it   pos s ibl e   to  tailor   the   e volut ion  pr oc e s s   us ing  dif f e r e nt  im a ge   f e a tur e   type  f or   dif f e r e nt   pa r ts   o f   the   c ontour   a nd  2 )   it   s hould  de c o uple  the  di f f e r e nt   c omponents   of   e volut ion   f unc ti o n  s o  that   the  bounda r y  f it t ing  c a n  be   opt im ize d  indepe nde ntl y  in  e a c h  c omponent  s pa c e .   L a s tl y,   a s   the  thi r d  r e quir e ment  3)   the  method  mus t  s c a le  we ll   with  th e   incr e a s e   in  pixel  number s   due   to  up  s a mpl ing   to  incr e a s e   the  de li ne a ti on  pr e c is ion.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l ,  Vol.   18 ,   No .   3 ,  J une   2020:    1621   -   1632   1626     ( a )               ( b)     F igur e   3.   ( a )   De li ne a ti on  o f   the  o r igi na l  labe l  im a g e   of   a   lum ba r   s pine  M R I   i mage ,     ( b)   T he   r e s ult   o f   a pplyi ng   the  GA C   a lgor i thm   us in g  dif f e r e nt   c ombi na ti ons   of     a nd    va lues ;     F r om  lef t  to   r ight ,   the     va lues   us e d  a r e   0. 1,   0. 5 ,   1 . 0 ,   1. 2 ,   a nd   5. 0 .     F r om  top   to  b ot tom   the     va lues   us e d  a r e   0. 1,   0. 5 ,   1 . 0,   a nd  1 . 2.   T he   va lue  of     is   f ixed  a t  1   thr oughou t       3.   T HE   P ROP OS E D  CONT OUR  E VOL UT I ON  M E T HO D   I mage   s e gmenta ti o n  is   a   pr oc e s s   that  c lus ter s   pixe ls   int o  mu lt ipl e   r e gions .   T he   mos t  s tr a ight f o r wa r d   wa y  to  r e pr e s e nt  the  r e gions   in   a n  i mage   is   by   u s ing  a   matr ix   of   labe ls   with   the   s a me  s ize   a s   the   or igi na l   im a ge .   As   a n   e xa mpl e ,   a n  ins tanc e   whe r e   a   4x4   im a ge   that   is   s e gme nted  int o   th r e e   r e gions   is   il lus tr a ted    in  F igur e   4.   T he   f igur e   de picts   the   r e gion   bounda r i e s   a s   r e d  li ne s   be twe e n  pixels   that  ha ve   di f f e r e nt  labe ls .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l         C ontour   e v olut ion  me thod   for   pr e c is e   boundar y   de li ne ati on  of  me dical   image s   ( F r is k a  N atal ia)   1627       F igur e   4.   ( a )   An  e xa mpl e   o f   a 4x4   im a ge ,   ( b)   T he   i mage   s e gmente d  int o  thr e e   r e gions       3. 1.     B ou n d ar y   in f or m a t ion   r e p r e s e n t at ion s   B ou nda r y  lo c a ti ons   a r e   n a t u r a ll y  s ub - pi xe ls   be c a us e   i t   e x is ts   be twe e n   a d ja c e nt   p ix e ls .   T h e y   c a n  be   s to r e d   a s   a   b ou nd ar y   g r i d ,     w h ic h  is   a   m a t r ix   w ho s e   s i z e   is   tw ic e   th a t   of   th e   la be l   i ma ge   m in us   o ne .   A   ve r s ion  o f   th e   B o un da r y   G r i d   tha t   is   us e d   in   [ 2 4 ]   us in g   the   la be l   i ma ge   s how n   in   F i gu r e   4   ( b )   is   s h ow n   i n   F i gu r e   5 .           F igur e   5.   B ounda r y  G r id  of   the  labe l   im a ge   s hown  in  F igur e   4   ( b )       I n   t he   a b ove   e x a m pl e ,   c e l ls   wi th   b ou nda r y   in f o r ma ti o n   a r e   s ha de d   in   r e d .   No t   a l l   c e l ls   in   a   b ou nd a r y   g r id   c a n   be   bo un da r y   c e l ls   a n d  i n  ge ne r a l  on l y  c e l ls   t ha t   ha ve   e i t he r   1 )   a n   e ve n   r ow   n u mbe r   a nd   a n   o dd   c ol um n  nu m be r   o r   2 )   a n   e v e n   c o lu mn   n um be r   a nd   a n   o dd   r ow   nu mb e r   c a n   be   bo un da r y   c e ll s .   F u r t he r mo r e ,   bo un da r y  c e l ls   in  c a t e g or y  ( 1 )   ma r k   on ly   h o r iz on ta l   b ou nda r ies   w he r e a s   th os e   i n  c a teg o r y   ( 2 )   ma r k  on ly   ve r t ic a l   b ou nd a r i e s .   Any  o f   th e   c e l ls   t ha t   m e e t   t he   c r it e r ia   bu t   a r e   no t   bo un da r y   c e ll s   a r e   i l lus t r a ted   a s   b la nk   s qu a r e s .   W e   ma de   a   s ma l l  m o di f ica t io n  to   th is   id e a   b y  in c l ud i ng   i ma ge   f e a tu r e   v a l ue s   i nt o   t he s e   c e l ls .   T he   t ype   o f   i ma ge   f e a tu r e   c hos e n   is   a   de s i gn   de c is io n  a n d  i t  i s   im po r ta nt   t o  t he   a c c u r a c y  a n d  s ui ta bi li t y  of   the   a l g or i th m  t o   a   gi ve n   p r ob le m .   How e v e r ,   i n   th is   pa pe r ,   we   us e   a   s im i la r   ty pe   o f   im a ge   f e a tu r e   a s   GA C   t o   e ns ur e   it s   di r e c t  r e le va n c e   wh e n   c om pa r in g   t o   t he   la tt e r .   W e   r e f e r   t o  t h is   mo di f ica ti on   a s   the   mo d if ie d   b ou nd a r y   g r i d ,  d e n o ted   a s   ′ .  T h e   i ma ge   f u nc ti on   o f   ′   is   g ive n   a s :     ′ :   { → ℒ   |     ( 1     2 )   ≠   0   ∧   ( 2     2 )   ≠   0 →   |   ( 1     2 ) = 0   ⊕ ( 2     2 ) = 0   → Ø   |    ℎ           ( 7)     w he r e     i s   the   ℎ   e l e m e n t   o f     a nd   ℒ = { 1 , … , }   w h e r e     is   th e   m a x im um   n um be r   o f   r e gi on s   i n   t he   im a ge .     T h e   a l go r it h m  to   c ons t r u c t   o u r   ′   i s   a s   f ol lo ws :   L e t   :   →   be   t he   i np ut   im a ge   f u nc ti on   a nd     :   → ℒ   b e   i ts   a s s o c i a te d   la be l   im a ge   f u nc ti on ,   b ot h   wi th   d o ma in       2 .   A t   l o c a ti ons   w he r e   ( 1   m od   2 )   ≠   0   ∧ ( 2   m od   2 )   ≠   0 ,  ′   c on ta ins   th e   la be l  in f or ma t io n  a s   p r e s c r ib e d   i n  .   A t  l oc a t io ns   w h e r e   ( 1   m od   2 ) = 0   ∧ ( 2   m od   2 )   ≠   0 ,  ′   c o n tai ns   ve r ti c a l  g r a d ie nts   a nd   a t  lo c a ti ons   w he r e   ( 1   m od   2 ) ≠ 0   ∧   ( 2   m od   2 ) =   0 ,  ′   c on ta ins   ho r iz on ta l   g r a di e n ts .   I n  pr a c ti c e ,   the  gr a dient  va lues   a r e   c a l c ulate d  us ing  the  c onvolut ion  of   the  input   im a ge       with  a   Ga us s ian  ke r ne l    of   width    to  mi n im ize   high - f r e que nc y  e leme nts   in  the  de r ivative  ope r a t ion.   He nc e   the  hor izonta l  a nd   ve r ti c a l  g r a dient   im a g e   f unc ti ons   ℎ :   →   a nd  :   →   a r e   de f ined   a s     ℎ = ∇ ℎ ( ∗ )   a nd  = ∇ ( ∗ ) ,   r e s pe c ti ve ly.   T he   s ize   of   the  hor izo ntal  a nd  ve r ti c a l   gr a dient     im a ge s   a r e   × ( − 1 )   a nd  ( − 1 ) × ,   r e s pe c ti ve ly.   T o   il lus tr a te  the   pr oc e s s   to   c ons tr uc t  our   ′   let’ s   a s s ume  that  the  hor izonta l  a nd   ve r ti c a l   gr a dient  i mage s   of   the  inpu t  im a ge s   we   us e d  p r e vious ly  a r e   s hown  in   F igur e   6  ( a )   a nd   F igur e   6  ( b) ,   r e s pe c ti ve ly.   T he   r e s ult ing  ′   is   s hown  in  F igu r e   6  ( c ) .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l ,  Vol.   18 ,   No .   3 ,  J une   2020:    1621   -   1632   1628         F igur e   6.   Gr a dient   im a ge s   o f   the   input   i mage   s hown  in  F igu r e   5   ( a ) ,     ( a )   hor izonta l ,   ( b)   ve r ti c a l,   ( c )   the  r e s ult   o f   modi f ie d  bounda r y  g r id       T his   r e pr e s e ntation  is ,   howe ve r ,   ne it he r   e f f icie nt  nor   c ompac t  if   we   wa nt  to  us e   it   in  a n  it e r a ti on     to  s e a r c h  f or   the  c oor dinate s   of   a   s pe c if ic  r e gion's   bounda r y.   T o  c ompens a te  thi s   s hor tcoming,   we   a ls o  us e     a  s par s e   boundar y   r e p r e s e ntat ion ,   de noted  a s   ,   a s   a   look - up  table   to  index  pa ir s   of   ne ighbour ing   r e gions .   T his   is   a   much  mor e   c ompac t  a nd  e f f icie nt  r e pr e s e ntation  of   the  bounda r y   inf or mation   be c a us e   a ny  s e a r c h  or   inf or mation  r e tr ieva l  ope r a ti ons   that  a r e   c a r r ied  o ut  in  thi s   r e pr e s e ntation  a r e   c a r r i e d  out  f a s ter   due   to  them   be ing  de pe nde nt  only  on  the  numbe r   of   bounda r y   pixels   r a ther   than  the   number   o f   pixels .   W e   c a n  c ons tr uc t    f r om   ′   by  pa r s ing  the  latter   onc e ,   to   ga ther   a ll   e dge   c oor dinate s   f or   e a c h  ne ighbor ing   r e gion  pa ir s .     T a ble  1  s hows   th e   s pa r s e   bounda r y  r e pr e s e ntation  of   the  B ounda r y  Gr id   e xa mpl e   we   us e d  e a r li e r .   Note   that  matr ix  s ubs c r ipt s   a r e   e xpr e s s e d  a s   r ow  a nd  c olum n   or de r .       T a ble   1 .   S pa r s e   bounda r y   r e pr e s e ntation   N e ig hbor s   E dge  ma tr ix  s ubs c r ip ts  ( )   a , b   ( 1,6)  ( 2,5)   ( 3,4)   a , c   ( 4,1)  ( 4,3)   b , c   ( 4,5)  ( 5,6)   ( 6,7)       3. 2.     T h e   c on t o u r   e volu t ion   algori t h m   I n  thi s   s e c ti on,   we   will   dis c us s   the  a lgor it hm  to  e volve  the  r e gion  bounda r ies   us ing  the  two  bounda r y  r e pr e s e ntations   de s c r ibed  pr e vious ly.   L e t    be   a   s e t  c ontaining  the  matr ix  s ubs c r ipt   pa ir s   of   a ll     the  bounda r y  point s   that  we   wa nt  to  e volve  us i ng  our   c hos e n  im a ge   f e a tur e .   W e   c ons tr uc t    dir e c tl y  by  que r ying  .   F or   e a c h   e leme nt  in   ,   we   f ind   it s   loca ti on  in   ′ ,   a nd   ba s e d  on   the   va lues   o f   the  c oo r dinate   we   c a n  a s c e r t a in  the  type  of   e dge   it   is .   A  hor izont a l  e dge   is   e volved  hor izonta ll y  by  e va luating  th e   f e a tur e   ve c tor s   in  the  hor izonta l  dir e c ti on .   L ikew is e ,   ve r ti c a l  e dge s   a r e   e volved  ve r ti c a ll y.   W e   ne e d  t o  de c ide    the  va lue  o f   a   pa r a mete r   ,   whe r e   ∈ ℕ   a nd   ≠ 0 ,   whic h   is   t he   s e a r c h  width   ( in   pixel)   o f   the  e volut ion .   T he   va lue  of     a f f e c ts   the  s pe e d  a nd  a c c ur a c y  of   the  e volut ion  a nd  typi c a ll y  we   wa nt  to  us e   a   s mall  number .   L a r ge     va lue  may  r e s ult   in  a   labe l  that   is   ve r y  dif f e r e nt  f r om  the   or igi na l   e s ti mate .   T he   e v olu ti on    of   the  bounda r y   c ontour   will   be   ba s e d  dir e c tl y  on    a nd  is   done   by   a lt e r ing  t he   labe l  c ontent s   of   ′     a s   de s c r ibed  in  Algor it hm   1   s hown  in   F igu r e   7 .   Our   ne w  c ontour   is   then   obtaine d  dir e c tl y   by   pa r s ing    the  e volved  ′   while  ge ne r a ti ng  the   ne w  .   T he   a lgor i thm   is   e xe c uted  it e r a ti ve ly   unti l  the  number   of   pix e ls   in  the  B ounda r y  G r id  that  c ha nge   f r om  one   it e r a t ion  to  the  ne xt,   a ve r a ge d  out  ove r     number   of   it e r a ti ons ,   c onve r ge s   be low  a   s pe c if ied  thr e s hold  .     3. 3.     S u b p ixel  b o u n d ar y  loca t ion   T o  f u r ther   im pr ove   the   pr e c is ion  of   our   method,   we   ups a mpl e   our   input   a nd  labe l  im a ge s   a t  the  e n d   of   e a c h  c ompl e te  e volut ion.   W e   c a n  r e pe a t  thi s   f or     number   of   ti mes ,   whe r e   ∈ ℕ ,   to  incr e a s e   the  bounda r y  pr e c is ion  to  the  ne a r e s t  2 − ( + 1 )   of   a   pixel  a s   de s c r ibed  in   a lgor it hm  2   s hown  in  F igur e   7 .      3. 4.     Adap t ive  c u r ve   s m oot h in g   W e   de s ign  our   method  to  a ll ow  the  de c oupli ng  of   the  dif f e r e nt  c omponents   of   the  c ontour   e volut ion   s pe e d.   T o  th is   e f f e c t,   we   a pply   a n  a da pti ve   c ur ve   s moot hing  f unc ti on   a t  the  e nd   o f   the   a bove   c ontour   e volut ion  pr oc e s s .   T he   r a ti ona le  f or   thi s   is   to  a ll o w  us   to  a djus t  the  ti ghtnes s   of   the  c u r ve   to  the  f e a tur e   a nd  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l         C ontour   e v olut ion  me thod   for   pr e c is e   boundar y   de li ne ati on  of  me dical   image s   ( F r is k a  N atal ia)   1629   only  c onc e r n  a bout  s moot hing  the  r e s ult s   a f ter wa r d.   T he   c u r ve   s moot hing  is   a da pti ve ,   in   s uc h  a   wa y  that  in   a r e a s   whe r e   s t r ong   im a ge   f e a tur e s   a r e   pr e s e nt  it   a ppli e s   a   we a ke r   s moot hing  f unc ti on  to  pr e s e r ve   the  e dge   than  in  a r e a s   whe r e   the  im a ge   f e a tur e s   a r e   we a k.   W e   a c hieve   thi s   by  mea ns   of   va r iable   width  movi ng  a ve r a ge   method.   L e t  = ⟨ | ∈ ℕ   a nd   < ca r d ( ) ⟩   whe r e   ∈ 2   be   a   s o r ted   s e que nc e   of   s e t  .   W e   de f ine     the  s or t  ope r a ti on   s uc h  that  ‖ − − 1 ‖   f or   1 ≤ < ca r d ( )   is   mi nim ize d.   W e   then  a pply   a   movi ng   a ve r a ge   on    a t  e ve r y  point     a long  it s   c ur va tur e   with   va r iable   ha lf - width  ∈ ℕ   s uc h  th a t:     = ∑ + = − 2 × + 1   ( 8)     f o r   ∀   t h a t   me e ts   th e   < < ca r d ( ) −   r e qu i r e m e n t .   T h e   v a l ue   of     i s   s e t   be t we e n   m i n   a nd   m a x   a nd   t ied   t o   t he   i mag e   f e a tu r e   a t   t he   lo c a ti on   o f   th e   b ou nd a r y   po i n ts .   I n   o ur   e x pe r im e n t ,   w e   us e   t he   s e c ond  d e r i va ti ve   o f   th e   im a g e   f u nc ti on   ′′   a s   th e   im a ge   f e a tur e   a n d   s e t     t o   m i n   w he n   t he   ′′   i s   a t   it s   l ow e s t   v a l ue ,   t o  m a x   w he n   t he   ′′   i s   a t   i ts   h i ghe s t   va l ue   a n d   l in e a r l y   i n te r p ol a ted   a n d   r ou nd e d   t o   t he   n e a r e s t   i nt e g e r   i n   be tw e e n .           F igur e   7 .  ( a )   Algor i thm   1   to  e volve  the  bounda r ies   s tor e d  in  a   B ounda r y   Gr id  a nd   a   S pa r s e   B ounda r y   R e pr e s e ntation  a nd  ( b)   Algor it hm  2   that  i ter a ti ve ly   up - s a mpl e s   the  input   a nd  labe l  im a ge s   a nd  make s   c a ll s   to  Algor it hm   1   to  a c hieve   s ub - pixel  bounda r y  e volut i on.       4.   E XP E RI M E NT AL   RE S U L T S   AN D  AN AL YSI S   W e   tes ted  our   method  on   a   da tas e t  of   lum ba r   s pine   M R I   im a ge s   that  we   ha ve   c oll e c ted  [ 11 ]   a nd  thei r   a s s oc iate d  labe l  im a ge s   [ 12] .   T he   da tas e t  c ontain s   a xial  M R I   s c a ns   of   the   las t  th r e e   int e r ve r tebr a l   dis c s   of     515  pa ti e nts .   W e   pr e s e nt   in   thi s   s e c ti on,   on e – in   our   view   the   be s t – e xa mpl e   c a s e   be c a us e   it   c ontai ns   a ll   o f     the  pr oblems   to  s o lve  a s   de s c r ibed  in  the  las t  pa r t  of   s e c ti on  2.   T his   e xa mpl e   c a s e   is   de s c r ibed  a nd  il lus tr a ted   in   F igur e   8 .   T he   f igu r e   s hows   the  c olo r - c ode d  bounda r ies   of   a   manua ll y  c r e a ted   labe l  im a ge .   T h e   f igur e   s hows   a   number   of   pr oblems   with  the  bounda r i e s .   Ar e a s   labe ll e d   ( a ) - ( d)   a r e   e xa mpl e s   of   ga ps   be twe e n  r e gions   that  we r e   mea nt  to  be   ne ighbour s .   Ar e a   labe ll e d  ( e )   il lus tr a tes   inac c ur a te  bounda r ies   that  a r e   a   f e w  pixels   a wa y  f r om  the  tr ue   e dge .   And  las tl y,   we   note  that  thes e   bounda r ies   in  ge ne r a l  ha ve   high  c ur va tur e   whic h  c a n  be   s e e n  f r om   it s   jagge dne s s   s uc h  a s   thos e   labe ll e d  ( f ) .   T he   pa r a mete r s   that  we   us e   a r e   a s   f oll ows :  im a ge   f e a tur e s   = ∇ ( ∗ ) ,  the  s e a r c h  width  = 2 ,   the   number   of   ups a mpl ing  leve ls   = 2 ,   the  it e r a ti on  a ve r a g ing  window  = 10 ,   the  s tanda r d  de via ti on  thr e s hold  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   1693 - 6930   T E L KO M NI KA   T e lec omm un   C omput   E l  C ontr o l ,  Vol.   18 ,   No .   3 ,  J une   2020:    1621   -   1632   1630   = 2 ,   the  m in  a nd  max   s moot hing  window  ha l f - widths   m i n = 5   a nd  m a x = 20 ,   r e s pe c ti ve ly.   W e   a ppli e d  ou r  method  to   only   e volve   bounda r ies   that  we   ha v e   pr io r   knowle dge   to   be   gr a dient   de pe nde nt   w hil e   a ls o  im pr oving  the  s moot hne s s   of   the  other s .   F or   c ompar is on,   we   a ls o  a pply  the  GA C   a lgor it hm  [ 21]     to  the  labe l  im a ge ,   s e que nti a ll y  f or   a ll   r e gions   e xc e pt  OT .   W e   e xpe r im e nted  wi th  s e ve r a l  c om binati ons   of   ,    a nd    va lues   to  pr oduc e   a n  a c c e pt a ble  c ompr omi s e   be twe e n  a c c ur a c y  a nd  s moot hne s s ,   a nd  we   de c ided    to  us e   = 1 ,  = 160   a nd  = 500   to   be   the  be s t.   W e   a ls o  a pply   a   mo r phologi c a l  c los ing  on   the   input   labe l  im a ge   pr ior   to  a pplyi ng   e a c h  tec hnique  to  r e mo ve   a ny  s mall  holes   a nd  ga ps   in  the   im a ge .             F igur e   8 .   C olor - c ode d  bounda r ies   of   a   manua ll y  c r e a ted  labe l  im a ge   il lus tr a ti ng   ( a - d)   ga ps   be twe e n  s uppos e dly  ne ighbour ing   r e gions ,   ( e )   inac c ur a te  b ounda r y  a nd  ( f )   high  c ur va tu r e       On  a ve r a ge ,   the  e xe c uti on   s pe e d  of   our   method   c ompar e d  to   GA C   a t   up  s a mpl ing   leve ls   = 0 ,  1     a nd  2   a r e   10. 2 ,   8. 6 ,   a nd   5. 2   ti mes   f a s ter ,   r e s pe c ti ve ly.   W e   obs e r ve d   that   the  main  r e a s on  why   our   method    is   s igni f ica ntl y  f a s ter   is   that  it   c a r r ies   out  a   s hor ter   number   of   it e r a ti on   be f or e   it   c onve r ge s .   As   c a n  b e   s e e n  in   F igur e   9 ,   ou r   method   s olv e s   the  bulk   of   the   pixel   c ha nge s   in  the   f ir s t   it e r a ti on   r e s ult ing   in  a   much   quicke r   c onve r ge nc e   than  GA C .           F igur e   9 .   A  typ ica l  number   of   p ixel  c ha nge s   be twe e n  s uc c e s s ive  it e r a ti ons ,     ( a )   pr opos e d,   ( b)   ge ode s ic  a c ti ve   c ontour s       T he   c ontour   e volut ion   r e s ult s   of   the  two  methods   a r e   s hown  in  F igur e   10 .   T he r e   a r e   two  notable   im pr ove ments   of   our   method  c ompar e d   to  GA C .   Our   method  pr im a r il y  p r oduc e s   bounda r ies   that  a r e   mor e   tig htl y  a li gne d  wi th   the  tr ue   e dge - mar ke d  a s   ( e )   in  F igur e   8  while   a t  the  s a me  t im e   pr oduc e s   a   g e ne r a ll y  s moot he r   c ontour   than  the  latter .   Note   a ls o  the  f a c t  that  GA C   wor s e ns   the  bounda r y  be twe e n  I VD     a nd  T S   s ince   thi s   type  of   bounda r y  is   not  c ha r a c ter ize d  by  s tr ong  int e ns i ty   dif f e r e nc e s .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.