基于交互式多模型滤波器的多细胞追踪算法研究

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1、学校代号10532学号S150900770分类号TP391密级公开硕士学位论文基于交互式多模型滤波器的多细胞追踪算法研究学位申请人姓名何悦培养单位电气与信息工程学院导师姓名及职称刘敏教授学科专业控制科学与工程研究方向控制理论与控制工程论文提交日期2018年4月16日学校代号：10532学号：S150900770密级：公开湖南大学硕士学位论文基于交互式多模型滤波器的多细胞追踪算法研究学位申请人姓名：何悦导师姓名及职称：刘敏教授培养单位：电气与信息工程学院论文提交日期：2018年4月16日论文答辩日期：2

2、018年5月15日答辩委员会主席：刘小燕Researchonmulti-celltrackingbasedonInteractingMultipleModelfilteralgorithmbyHEYueB.E.(HenanPolytechnicUniversity)2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftheRequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinControlScienceandEngineerin

3、gintheGraduateSchoolofHunanUniversitySupervisorProfessorLIUMinApril,2018湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了

4、解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密，在______年解密后适用本授权书。2、不保密。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I基于交互式多模型滤波器的多细胞追踪算法研究摘要细胞追踪问题的研究，对建立细胞的生长发育模型并探索生命体基因的

5、结构和功能至关重要。本文研究的主要内容是显微图像栈序列中植物顶端分生组织细胞群的追踪问题。植物细胞的追踪不同于动物细胞以及普通物体的追踪，其主要难点在于：①植物细胞群高度密集，并呈蜂窝状排布；②显微图像栈中含有较多的噪声，对细胞的识别以及细胞轨迹的重建造成干扰；③细胞图像在采集过程中间隔时间较长，导致细胞追踪过程中难免出现间断情况。针对以上难点，本文的主要工作和创新点如下：本文使用了一种基于机器学习的细胞分割方法对植物细胞图像进行自动分割。该方法首先识别出最大稳定极值区域作为候选细胞样区域，接下来使用

6、结构化支持向量机对少量样本点进行训练学习，根据学习到的细胞外观模型对每个候选区域进行评价，动态选择出与模型最匹配的非重叠区域作为细胞识别的结果，以达到细胞分割的目的。对于细胞追踪，本文设计了一种利用局部图匹配模型与交互式多模型（InteractingMultipleModel，IMM）滤波器相结合的方法实现细胞的快速追踪。该滤波器结合了三种运动形式的卡尔曼滤波模型，与单一模型的卡尔曼滤波器相比，具有参数在线自适应的IMM滤波器增强了对不同细胞动力学的跟踪能力，并提供了附加的运动模式识别能力。前期开发的

7、局部图匹配是用图描述细胞之间的拓扑结构进行细胞间的匹配，本文的追踪算法通过IMM滤波器预测细胞的位置，然后利用局部图匹配方法在预测位置的局部邻域搜索目标细胞，将匹配细胞的位置作为观测值再输入给运动滤波器进行校正，从而实现递归追踪。受图像噪声、细胞采样消失或者分割错误等原因的影响，细胞轨迹很容易出现断续情况。因此，在追踪算法得到置信度高的细胞小轨迹片段集合之后，本文提出使用最大后验概率方法在时间特征、空间特征与视觉特征上对细胞小轨迹进行匹配分析，最终将属于同一细胞的多段小轨迹再次连接起来，得到更加完整可

8、靠地细胞生长轨迹数据。最后，通过对细胞分割和追踪算法在三组图像序列数据集上的测试，验证了本文提出的方法能够有效实现对植物细胞序列的并行稳定追踪。关键词：细胞追踪；细胞分割；交互式多模型滤波；局部图匹配；细胞小轨迹关联II硕士学位论文AbstractThestudyofcelltrackingissuesiscriticaltoestablishingcells’growthmodelandexploringitsgeneticstructureandfu