基于启发式的蚁群航迹恢复方法技术

本发明专利技术公开了一种基于启发式的蚁群航迹恢复方法，每一个航迹对应一个蚁群，每一个蚁群赋予一个颜色身份信息，所有蚂蚁都从航迹的起始位置开始觅食行为，受到启发式函数和信息素强度的影响进行决策；蚂蚁决策包括蚂蚁正向决策和蚂蚁反向决策，觅食过程结束时，该蚂蚁对其信息素场进行一次全局更新，迭代次数增加，蚂蚁受到信息素的影响趋向于选择成本更低的路径，信息素场不断增强，最终对每一个蚁群的信息素场进行归一化处理，利用形态学运算提取出不同颜色的轨迹信息素场映射到原始航迹空间，联合时序信息，获得航迹重新关联部分的信息并提取完整的细胞谱系树。本发明专利技术能修复由于细胞运动过快、漏检测、细胞黏连和分裂检测丢失等导致的航迹碎片。

【技术实现步骤摘要】
基于启发式的蚁群航迹恢复方法
本专利技术涉及细胞行为分析领域，尤其涉及一种基于启发式的蚁群航迹恢复方法。
技术介绍
细胞行为分析对于人类疾病诊断和生物医学研究十分重要，为了更加直观和定量地对细胞行为进行科学评估，延时显微视频通常被用于自动记录细胞形态和动态的变化。在一帧显微图像中，往往有数以百计的细胞经历着迁移、变形、分裂和死亡，这些复杂行为为研究人员人工跟踪每一个细胞并记录其谱系带来了很大的困难，因此细胞的自动跟踪方法引起了广泛的关注。目前，细胞自动跟踪方法主要集中于逐帧关联方法，这类方法在连续的图像序列中可以实现较高的跟踪精度，但由于噪声或分割错误等误差的存在，这类方法仍然会出现一些问题。比如，当出现假阴性分割（即漏检）时，可能会导致跟踪丢失。为了解决这些问题，研究人员提出了全局时空数据关联方法，其中最著名的有多假设跟踪（MHT）和联合概率数据关联滤波器（JPDAF）。多假设跟踪方法通过时空信息寻找全局最优解，联合概率数据关联是一种面向目标的贪婪算法。但是，这类方法没有考虑细胞分裂情况，因此得到的细胞谱系树仍然是不完整的。同时，为了降低计算复杂度，将可靠的航迹碎片进一步进行关联的方法相继被提出，有人利用动态规划来获得航迹之间的最小路径来完成航迹与航迹之间的关联，有人将树结构的全局航迹碎片的关联表示为一个极大后验（MAP）问题，然后通过线性规划来求解。
技术实现思路
本专利技术为了解决由于细胞运动过快、漏检测、细胞黏连、分裂、检测丢失等导致的航迹断裂的恢复问题，提出了一种基于启发式的蚁群航迹恢复方法。本专利技术公开了一种基于启发式的蚁群航迹恢复方法，每一个航迹对应一个蚁群，每一个蚁群赋予一个颜色身份信息，蚁群中的所有蚂蚁都从航迹的起始位置开始觅食行为，蚂蚁受到启发式函数和信息素强度的影响进行决策；蚂蚁决策包括蚂蚁正向决策、反向决策，在蚂蚁决策过程中，包括普通细胞迁移和细胞分裂事件；蚂蚁正向决策，所有蚁群同时开始进入觅食工作状态，首先蚂蚁以时间序列正序移动，当一只蚂蚁抵达某一航迹的结束位置，同时在后三帧内没有其他候选航迹时进入蚂蚁反向决策；蚂蚁反向决策，该蚂蚁再以时间序列逆序反向决策移动，直到该蚂蚁抵达某一航迹片段的起始位置并且前三帧内无候选航迹时，此时此次觅食过程结束，该蚂蚁对其信息素场进行一次全局更新；当一个蚁群中的所有蚂蚁都完成一次觅食，该蚁群结束工作状态；全局信息素更新，当所有蚁群都结束工作状态，根据当前迭代的总成本再对所有信息素场进行一次全局更新；信息素场的提取和航迹的重新关联，随着迭代次数的增加，蚂蚁受到信息素的影响更加趋向于选择成本更低的路径，信息素场不断增强，最终对每一个蚁群的信息素场进行归一化处理，再利用形态学运算提取出不同颜色的轨迹信息素场，将提取到的轨迹信息素场空间反映射到原始航迹空间，联合时序信息，获得航迹重新关联部分的信息，最终提取出完整的细胞谱系树。更进一步，成本函数为：将原有连续航迹上的两个相邻帧细胞状态之间的成本设置为一个非常小的常数，在本专利技术中此常数取值为；假设在某一图像序列中共有个断裂航迹，表示在航迹碎片上第帧的第个细胞位置，表示在航迹碎片上第帧的第个细胞位置，其中是一个小于等于3的正整数，和分别表示航迹索引，并且；那么，在不同的航迹碎片之间的两个细胞状态之间的成本表示为其中，是一个在范围内的常数，表示细胞位置和细胞位置之间的距离成本，表示细胞位置和细胞位置之间的面积成本；距离成本定义为其中，表示细胞位置和细胞位置之间的距离，和分别表示输入细胞图像的高和宽；面积成本定义为其中，表示细胞位置的面积估计，表示细胞位置的面积估计，表示两细胞面积交集，表示两细胞面积求和。更进一步，蚂蚁正向决策：当蚁群以时间序列正序移动时，假定蚁群中的任意一只蚂蚁位于第帧某一细胞位置上，则蚁群正向决策过程实现如下描述：步骤1：初始化：首先设置在细胞位置的蚂蚁的初始搜索范围，获取所有航迹上每一帧细胞的位置信息和形态学信息，包括细胞面积、形状；步骤2：蚁群中的每一只蚂蚁以最大帧间位移为约束条件选择下一步要移动到的细胞位置，以时间序列正序移动；以最大帧间位移为约束条件先确定帧的候选细胞集，定义符号表示集合里元素的数目，根据的值，即候选细胞的数量分为以下三种情况：（1）：若，即在帧的候选细胞集中有且仅有一个细胞，则蚂蚁直接移动到这一候选细胞；（2）：若，即在帧的候选细胞集的数量大于等于2，则候选细胞集中的所有细胞两两之间分别要进行相似度计算，来判断是否有分裂事件发生；设和分别为第帧的两个不同的细胞位置，且，则相似度标准定义为其中，是一个在范围内的常数，且表示面积相似度，表示距离相似度，表示形状相似度，分别定义为其中，表示细胞的面积估计，表示细胞间的距离，表示细胞轮廓估计的长轴长度，表示细胞估计轮廓的短轴长度；若候选细胞集中细胞位置和细胞位置的相似度值大于某一给定阈值，则认为蚂蚁在当前时刻即将发生分裂事件，该蚂蚁复制成两只蚂蚁分别移动到细胞位置和细胞位置，且；若候选细胞集中无任意两细胞的相似度大于某一给定阈值，则认为是普通的细胞迁移，蚂蚁根据概率选择移动到下一细胞位置，蚂蚁出发，在候选细胞集中选择细胞位置的概率为其中，和分别表示信息素和启发式因子的相对重要性系数，表示路径上的轨迹信息素量，表示路径上的启发式信息，为两细胞状态之间成本的倒数：；（3）：，即在帧的候选细胞集中没有候选细胞，则将蚂蚁搜索范围扩大到下一帧，即，若此时，则重新进行步骤2；若，即蚂蚁在接下来三帧内均未找到候选细胞，则该蚂蚁正向移动过程结束，开始进入反向决策；步骤3：当蚂蚁按照步骤2完成一次决策并移动到下一个细胞位置后，则在经过的轨迹上释放一定量的信息素：其中，表示信息素挥发系数，表示一定量的信息素值。更进一步，蚂蚁反向决策：当蚁群以时间序列逆序反向移动时，此时对应反向细胞运动过程，假定蚁群中的任意一只蚂蚁位于第帧某一细胞位置上，则蚁群决策过程实现如下描述：步骤1：首先设置在细胞位置的蚂蚁的初始搜索范围；步骤2：蚁群中的每一只蚂蚁以最大帧间位移为约束条件选择下一步要移动到的细胞位置，以时间序列逆序移动；以最大帧间位移为约束条件先确定帧的候选细胞集，根据的值，即候选细胞的数量分情况进行：（1）：若，则将候选细胞依次与蚂蚁当前所在细胞位置和当前时刻中满足最大帧间位移约束条件的其他细胞位置分别进行相似度判断，设为帧的一个候选细胞位置，为第帧的另一个细胞位置，且，若相似度值大于某一给定阈值，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于启发式的蚁群航迹恢复方法，其特征在于：每一个航迹对应一个蚁群，每一个蚁群赋予一个颜色身份信息，蚁群中的所有蚂蚁都从航迹的起始位置开始觅食行为，蚂蚁受到启发式函数和信息素强度的影响进行决策；/n蚂蚁决策包括蚂蚁正向决策、反向决策，在蚂蚁决策过程中，包括普通细胞迁移和细胞分裂事件；/n蚂蚁正向决策，所有蚁群同时开始进入觅食工作状态，首先蚂蚁以时间序列正序移动，当一只蚂蚁抵达某一航迹的结束位置，同时在后三帧内没有其他候选航迹时进入蚂蚁反向决策；/n蚂蚁反向决策，该蚂蚁再以时间序列逆序反向决策移动，直到该蚂蚁抵达某一航迹片段的起始位置并且前三帧内无候选航迹时，此时此次觅食过程结束，该蚂蚁对其信息素场进行一次全局更新；当一个蚁群中的所有蚂蚁都完成一次觅食，该蚁群结束工作状态；/n全局信息素更新，当所有蚁群都结束工作状态，根据当前迭代的总成本再对所有信息素场进行一次全局更新；/n信息素场的提取和航迹的重新关联，随着迭代次数的增加，蚂蚁受到信息素的影响更加趋向于选择成本更低的路径，信息素场不断增强，最终对每一个蚁群的信息素场进行归一化处理，再利用形态学运算提取出不同颜色的轨迹信息素场，将提取到的轨迹信息素场空间反映射到原始航迹空间，联合时序信息，获得航迹重新关联部分的信息，最终提取出完整的细胞谱系树。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于启发式的蚁群航迹恢复方法，其特征在于：每一个航迹对应一个蚁群，每一个蚁群赋予一个颜色身份信息，蚁群中的所有蚂蚁都从航迹的起始位置开始觅食行为，蚂蚁受到启发式函数和信息素强度的影响进行决策；
蚂蚁决策包括蚂蚁正向决策、反向决策，在蚂蚁决策过程中，包括普通细胞迁移和细胞分裂事件；
蚂蚁正向决策，所有蚁群同时开始进入觅食工作状态，首先蚂蚁以时间序列正序移动，当一只蚂蚁抵达某一航迹的结束位置，同时在后三帧内没有其他候选航迹时进入蚂蚁反向决策；
蚂蚁反向决策，该蚂蚁再以时间序列逆序反向决策移动，直到该蚂蚁抵达某一航迹片段的起始位置并且前三帧内无候选航迹时，此时此次觅食过程结束，该蚂蚁对其信息素场进行一次全局更新；当一个蚁群中的所有蚂蚁都完成一次觅食，该蚁群结束工作状态；
全局信息素更新，当所有蚁群都结束工作状态，根据当前迭代的总成本再对所有信息素场进行一次全局更新；
信息素场的提取和航迹的重新关联，随着迭代次数的增加，蚂蚁受到信息素的影响更加趋向于选择成本更低的路径，信息素场不断增强，最终对每一个蚁群的信息素场进行归一化处理，再利用形态学运算提取出不同颜色的轨迹信息素场，将提取到的轨迹信息素场空间反映射到原始航迹空间，联合时序信息，获得航迹重新关联部分的信息，最终提取出完整的细胞谱系树。


2.根据权利要求1所述的基于启发式的蚁群航迹恢复方法，其特征在于成本函数为：将
原有连续航迹上的两个相邻帧细胞状态之间的成本设置为一个非常小的常数，此常数取值
为；假设在某一图像序列中共有个断裂航迹，表示在航迹碎片上第
帧的第个细胞位置，，表示在航迹碎片上第帧的第个细
胞位置，，其中是一个小于等于3的正整数，和分别表示航迹索引，并且；那么，在不同的航迹碎片之间的两个细胞状态之间的成本表示为



其中，是一个在范围内的常数，表示细胞位置和细胞位
置之间的距离成本，表示细胞位置和细胞位置之
间的面积成本；
距离成本定义为



其中，表示细胞位置和细胞位置之间的距离，和分别表示
输入细胞图像的高和宽；面积成本定义为



其中，表示细胞位置的面积估计，表示细胞位置的面积估
计，表示两细胞面积交集，表示两细胞面积求和。


3.根据权利要求1所述的基于启发式的蚁群航迹恢复方法，其特征在于，蚂蚁正向决
策：当蚁群以时间序列正序移动时，假定蚁群中的任意一只蚂蚁位于第帧某一细胞位
置上，则蚁群正向决策过程实现如下描述：
步骤1：初始化：首先设置在细胞位置的蚂蚁的初始搜索范围，获取所有航
迹上每一帧细胞的位置信息和形态学信息，包括细胞面积、形状；
步骤2：蚁群中的每一只蚂蚁以最大帧间位移为约束条件选择下一步要移动到的细胞
位置，以时间序列正序移动；以最大帧间位移为约束条件先确定帧的候选细胞集，定义符号表示集合里元素的数目，根据的值，即候选细胞的数量分为以
下三种情况：
（1）：若，即在帧的候选细胞集中有且仅有一个细胞，则蚂蚁直
接移动到这一候选细胞；
（2）：若，即在帧的候选细胞集的数量大于等于2，则候选细胞
集中的所有细胞两两之间分别要进行相似度计算，来判断是否有分裂事件发生；设和分别为第帧的两个不同的细胞位置，且
，则相似度标准定义为



其中，是一个在范围内的常数，且表示面积相似度，
表示距离相似度，表示形状相似度，分别定义为









其中，表示细胞的面积估计，表示细胞间的距离，表示细胞轮廓估计的
长轴长度，表示细胞估计轮廓的短轴长度；
若候选细胞集中细胞位置和细胞位置的相似度值大于某一给定
阈值，则认为蚂蚁在当前时刻即将发生分裂事件，该蚂蚁复制成两只蚂蚁分别移动到细
胞位置和细胞位置，且；若候选细胞集中无任意两细胞
的相似度大于某一给定阈值，则认为是普通的细胞迁移，蚂蚁根据概率选择移动到下一
细胞位置，蚂蚁出发，在候选细胞集中选择细胞位置的概率为



其中，和分别表示信息素和启发式因子的相对重要性系数，表示路径上的轨迹信息素量，表示路径上的启发式信息，
为两细胞状态之间成本的倒数：；
（3）：，即在帧的候选细胞集中没有候选细胞，则将蚂蚁搜索范
围扩大到下一帧，即，若此时，则重新进行步骤2；若，即蚂蚁在
接下来三帧内均未找到候选细胞，则该蚂蚁正向移动过程结束，开始进入反向决策；
步骤3：当蚂蚁按照步骤2完成一次决策并移动到下一个细胞位置后，则在经过的轨迹上释放一定量的信息素：



其中，表示信息素挥发系数，表示一定量的信息素值。


4.根据权利要求1所述的基于启发式的蚁群航迹恢复方法，其特征在于，蚂蚁反向决
策：当蚁群以时间序列逆序反向移动时，此时对应反向细胞运动过程，假定蚁群中的任意一
只蚂蚁位于第帧某一细胞位置上，则蚁...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐本连，吴迪，鲁明丽，孙振，施健，从金亮，
申请(专利权)人：常熟理工学院，
类型：发明
国别省市：江苏;32