Добавил:
kiopkiopkiop18@yandex.ru t.me/Prokururor I Вовсе не секретарь, но почту проверяю Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Ординатура / Офтальмология / Английские материалы / Computational Analysis of the Human Eye with Applications_Dua, Acharya, Ng_2011.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
28.03.2026
Размер:
20.45 Mб
Скачать

Jen-Hong Tan et al.

Ocular thermograms for both sets were obtained in a controlled environment where the temperature was kept at 25 ± 1C with a mean humidity of 78%. varioTHERM head II (Germany) (http://www.jenoptik-ir.com/) was the instrument used to capture the ocular IR thermal images in this study. The camera was placed 50 cm from the chin rest where subjects rested their chins for image taking. These thermal images were stored in the irbis format, which records temperature values after each thermogram shooting, and exported to jpeg format with a size of 256 × 256 pixels, by the built-in post-processing software for further processing.

5.3. Methods

The automated localization of the eye and cornea was achieved by using the snake algorithm and the target-tracing function minimized by the genetic algorithm.30,31 Snake,32 or active contour, is a series of points (dubbed snake points) moving under an external force field to lock onto nearby edges. We use it to delineate the edges of the eye under the external force field termed gradient vector flow (GVF).33 However, an accurate localization can be achieved only if the starting contour is closed to the feature of interest and is an appropriate shape. In this algorithm, the problem was overcome by proposing the target-tracing function and solved by using a genetic algorithm to search for the starting contour that is capable of correctly locating the eye. Afterwards, the corneal radius and its center are acquired using the snake that has localized the eye.

5.3.1. Snake and GVF

Traditionally, snake is a curve x(s) = [x(s) y(s)], where s [0, 1], defined on an image domain.32 It moves across the image spatial domain under a combination of external and internal forces to minimize the following energy functional:

 

1 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

E = 0

 

[α|x (s)|2 + β|x (s)|2] + Eext(x(s))ds,

(5.1)

2

and the solution is given by:

 

1

fy (xt

1

 

1)) .

 

yt

=

(A

+ γI)1

(γyt

, yt

(5.2)

xt

 

(A

γI)1

(γxt

1

fx(xt

1

, yt

1))

 

 

=

 

 

+

 

 

 

192

Automated Localization of Eye and Cornea

α andβ are parameters that control the length and rigidity of the snake33; x (s) and x (s) are the first and second derivatives with respect to the contour parameter, s. γ is a step-size, and A is a penta-diagonal banded matrix,32

 

 

K

L

M

N

 

 

 

 

J

 

J

 

 

 

 

L

M

N

 

 

 

 

 

 

 

K

 

 

 

J

K

L

M

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

K

L

M

N

 

 

 

 

 

A

 

 

 

. .

 

. .

 

. .

 

. .

 

. .

 

 

 

,

 

=

 

 

.

.

.

.

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

J

 

K

L

M

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

 

 

 

 

 

J

 

K

L

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

N

 

 

 

 

 

 

J

 

K

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where J = β, K = −α 4β, L = 2α + 6β, M = −α β, N = β.

Eext refers to the external energy, and Eext = [fx(x, y) fy (x, y)]. The external energy function opted for this work is the GVF field,33 Eext = v(x, y) = [u(x, y), v(x, y)]. The GVF is a dense vector field that minimizes

the functional

 

ε = µ(ux2 + uy2 + vx2 + vy2) + | fe|2|v fe|2dxdy,

(5.3)

where µ is a parameter regularizing the first and second terms in the integrand and fe(x, y) is the edge map.30,31

fe = − | [Gσ1 (x, y) I(x, y)]| + re · Gσ2 (x, y) | sobI(x, y)| , (5.4)

where re is a control parameter and sob is the Sobel gradient operator. Gσ1 and Gσ2 are Gaussian blur functions with a standard deviation of σ1 and σ2, respectively.30,31 The proposed edge map combines two slightly different types of image derived forces to smoothen the ocular thermogram and to preserve the subtle pixel difference in the lower eyelid region.30,31

The solution to Eq. (5.3) is given by:

 

= × [fex (x, y)2

 

fey (x, y)2

]

fex (x, y)]

.

(5.5)

ut (x, y, t)

 

µ

2u(x, y, t) − [u(x, y, t)

 

 

 

=

 

 

 

− [

 

 

 

 

]

 

 

 

µ

2

2

 

fey

(x, y)

 

 

vt (x, y, t)

 

 

2v(x, y, t)+

 

v(x, y, t)

 

 

 

 

 

 

× [fex (x, y)

+ fey (x, y) ]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

During the GVF snake algorithm run, the snake of interest often gets trapped in the border of the image due to the artifacts introduced during

193

Jen-Hong Tan et al.

the calculation of Gaussian blur and GVF force field.30,31 This problem is resolved by expanding the image matrix, using the following formula and performing a number of iterative calculations. Let A be an image matrix, where the size is m × n. The expanded image after each iteration, labeled matrix B (with a size of [m + 2] × [n + 2]) is obtained by Eq. (5.5).30,31

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a1,1

 

 

 

 

a1,2

 

 

· · ·

 

 

 

 

a1,n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2,1

 

 

 

 

a2,2

 

 

· · ·

 

 

 

 

a2,n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A

 

=

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.. . . .

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

m,n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m,1

 

 

 

 

m,2

 

 

· · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

· · ·

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b1,1

 

 

 

 

 

 

 

 

b1,2

 

 

 

 

 

 

 

 

b1,n+1

 

 

 

b1,n+2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b2,1

 

 

 

 

 

 

 

 

b2,2

 

 

 

 

· · ·

 

 

 

 

b2,n+1

 

 

 

b2,n+2

 

 

 

 

 

 

B =

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

. . .

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

..

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

m+1,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

b

m+1,n+2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m+1,1

 

 

 

 

 

 

 

 

· · ·

 

 

 

 

m+1,n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bm

 

 

2,1

 

 

 

bm

 

2,2

 

 

· · ·

 

 

bm

2,n

1

bm

 

2,n

 

2

 

 

 

Then:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

(bi,j )2im+1;2jn+1 = (ai,j )1im;1jn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

µ a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a1,1

 

 

 

 

a1,2

 

 

 

 

 

 

a1,n

 

 

 

 

,

 

 

 

1,j

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1,j 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+ · · · +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1,j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

− −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for

 

j

 

 

 

2, 3, . . . , n

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

am,1

 

 

 

am,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

am,n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

am,j

 

 

1

 

 

 

 

µ

 

am,j

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

+ · · · +

 

 

 

 

 

 

,

bm 2,j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for

j

 

 

2, 3, . . . , n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

1,1

 

 

 

 

a

2,1

 

 

 

 

 

 

a

m,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ai 1,1

 

 

 

µ ai 1,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+ · · · +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

bi,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for

i = 2, 3, . . . , m + 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

1,n

 

 

 

a

2,n

 

 

 

 

 

 

 

 

a

m,n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ai

 

1,n

 

 

 

 

 

µ

 

 

ai

 

1,n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

+ · · · +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

bi,n 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for

i

 

2, 3, . . . , m

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b1,2

 

 

 

b2,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b1,n 1

 

 

 

b2,n 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

, b1,n 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ +

 

 

 

+ , bm 2,1

 

 

 

 

 

 

 

b1,1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

m

 

1,1

 

 

 

 

b

m

 

2,2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

1,n 2

 

 

 

 

b

 

 

 

2,n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

, bm 2,n 2

 

 

 

 

 

 

+ + +

 

 

 

 

+ + .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ +

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

194

Automated Localization of Eye and Cornea

5.3.2. Target Tracing Function and Genetic Algorithm

The initial contour in this work is constructed by two parabolas,30,31 as illustrated in Fig. 5.1. They are obtained by:

 

 

 

 

 

C(xc, yc, p1, p2, w) = [Cu(s)

Cl(s)]T

 

 

 

 

 

 

 

where

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= C(s),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(5.6)

= [ u

 

 

 

] =

 

 

 

4p1w

 

 

+

 

c +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u

 

u

 

 

 

 

 

 

 

1

 

u

 

c

 

 

u

 

C

 

(s)

y (s) x

(s)

 

 

 

(xu(s)

xc)2

 

(y

 

p w)

 

(h

 

y

)

x

(s) ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for

0 < s

 

 

 

0.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

c

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

= [ l

l

 

] =

 

 

 

 

 

+

 

c

2

 

l c

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

4p2w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(x (s)

x )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

for

0.5 < s

 

 

 

1

 

 

 

(s)

y (s) x (s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(y

 

p w)

 

 

 

,

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(h

y )

x (s)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 5.1. Setting up of initial contour.

195

Jen-Hong Tan et al.

 

 

 

 

 

 

 

 

and

 

 

 

 

 

 

 

 

 

au

 

 

al

 

(w/2)2

p1 =

 

,

p2 =

 

, hu =

 

+ (yc + p1w),

w

w

4p1w

 

 

 

hl =

(w/2)2

+ (yc p2w).

 

 

 

 

4p2w

C(s) is a series of snake points that consists of two parabolas, and is x(s) = [x(s)y(s)] in discrete form. These points move under Eq. (5.2) and stop shifting after some number of iterations when Eq. (5.1) reaches its minimum. For each iteration, an equal-distance redistribution of points is performed after the calculation of Eq. (5.2) to reduce the convergence time. Let vC(s) = vC(xc, yc, p1, p2, w) denotes a snake that deforms from initial contour C(s) = C(xc, yc, p1, p2, w) and converges to minimum in its own total energy, the target-tracing function is defined as30,31:

yft = Ftt (xc, yc, p1, p2, w)

 

 

 

=

 

d2

Isc(vC(s))

× c1 + Isc2 (vC(s)) + |vC (s)| × c2

ds

ds2

 

 

 

 

 

2

v

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sc

(

 

 

 

 

 

+

c3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

I

vC (s) ds

 

 

 

 

 

 

 

 

(s))ds

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

in which

f (x, y) min f

Isc = max f min f ,

d22 Isc(vC(s)) Isc (vC(sn+1)) 2 · Isc (vC(s)) Isc(vC(sn1)) (5.7) ds

where c1, c2, and c3 are control parameters. The vC(s) that gives the minimum in target-tracing function corresponds to the snake that has converged and accurately localized the eye of interest. The search for the minimum on the target-tracing function is performed over the variables xc, yc, p1, pc, and w, and is solved by a genetic algorithm.

A genetic algorithm is a stochastic search technique renowned for its capability of solving tough problems, e.g. objective functions that do not have the desired properties for function optimization. A genetic algorithm starts with a population that has a fixed number of individuals generated

196

Automated Localization of Eye and Cornea

at random. For a single generation, each individual is denoted by a chromosome in that population, representing one of the potential solutions to the problem. The fitness function is used to evaluate the fitness of each individual and assign a fitness value to the individual. Individuals with a greater fitness value are more likely to be reproduced in the future. These individuals evolve generation by generation, according to “survival of the fittest,” through reproduction, crossover, and mutation. These procedures run iteratively until the best fit individual, or the converged snake in this work, gives the minimum in the fitness function (in this work target-tracing function is the fitness function).30,31

Figure 5.2 illustrates a 2D manifold spreading across the spatial domain of an image. In Fig. 5.2, the x- and y-axes are the same as the x and y directions defined in the snake equation; the values of the z-axis are defined as the values of Isc. The dark solid line that falls on the elliptical-like lower region is a snake that has accurately localized the eye. From Fig. 5.2, it can be observed that, as a snake converges under the combination of internal and external forces, it is sliding along the manifold to reach the minimum of its total potential energy, Isc2 (vC(s)).

Fig. 5.2. A converged snake lying on a 2D manifold.

197