论文中文题名: | 白细胞分割分类算法研究及ZYNQ实现 |
姓名: | |
学号: | 20307223007 |
保密级别: | 公开 |
论文语种: | chi |
学科代码: | 085400 |
学科名称: | 工学 - 电子信息 |
学生类型: | 硕士 |
学位级别: | 工程硕士 |
学位年度: | 2023 |
培养单位: | 西安科技大学 |
院系: | |
专业: | |
研究方向: | 图像及视频处理 |
第一导师姓名: | |
第一导师单位: | |
论文提交日期: | 2023-06-16 |
论文答辩日期: | 2023-05-28 |
论文外文题名: | Leukocyte segmentation classification algorithm research and ZYNQ implementation |
论文中文关键词: | |
论文外文关键词: | Leukocytes ; Image segmentation ; Image classification ; Convolutional neural network acceleration ; ZYNQ |
论文中文摘要: |
随着医学影像处理技术的发展,利用深度学习技术对血细胞图像中的白细胞进行识别具有较高的实用价值。然而,不同环境下显微镜采集的血细胞图像存在光照不均及白细胞特征不明显的问题,导致白细胞的自动化分割分类具有挑战性。同时,当卷积神经网络在传统的CPU或GPU上运行时有计算吞吐量低及速度慢等问题。因此,论文提出一种白细胞分割分类算法及ZYNQ加速的方法,其主要研究内容包括: (1)针对不同环境下采集的血细胞图像光照不均及白细胞特征不明显的问题,提出一种基于AHE-MSRCR校正的图像预处理算法。该算法结合自适应直方图均衡化和带色彩恢复函数的多尺度视网膜增强算法对血细胞图像进行色彩校正,从而得到背景亮度趋于统一、白细胞特征明显的血细胞图像。 (2)针对血细胞图像背景复杂的问题,提出一种基于改进U-net的白细胞分割算法。该算法利用改进U-net卷积神经网络将白细胞从血细胞图像中分割出来,去除背景仅保留白细胞。在原始的U-net网络中,针对不同种类的白细胞之间存在一定相似性的问题,在4个跳跃连接中加入卷积注意力机制模块,将通道注意力机制和空间注意力机制串联来消除跳跃连接操作中的语义歧义;针对血细胞图像中类不平衡的问题,提出Focal loss和Dice loss相结合的损失函数。 (3)针对在CPU或GPU上运行卷积神经网络时计算吞吐量低及速度慢的问题,提出基于ZYNQ的YOLOv3目标检测算法的模型移植。采用Xilinx特有的Vitis-AI工具对YOLOv3网络进行量化,在损失极少准确率的情况下达到模型的压缩,再利用编译器完成部署。 论文的实验结果表明,所提的分割算法对于类不平衡、特征不明显的白细胞有较好的分割结果,平均交并比达到91.89%,准确率达到99.53%。YOLOv3网络的ZYNQ移植的平均精度均值为92.09%,且相较于GPU推断达到20倍的加速效果。 |
论文外文摘要: |
With the development of medical image processing technology, the identification of leukocytes in blood cell images using deep learning techniques has a high practical value. However, blood cell images captured by microscopes in different environments suffer from uneven illumination and inconspicuous leukocyte features, making automated segmentation and classification of leukocytes challenging. At the same time, convolutional neural networks have problems such as low computational throughput and slow speed when running on conventional CPUs or GPUs. Therefore, the thesis proposes a leukocyte segmentation and classification algorithm and ZYNQ acceleration method: (1) An image pre-processing algorithm based on AHE-MSRCR correction is proposed to address the problems of uneven illumination and inconspicuous leukocyte features in blood cell images acquired under different environments. The algorithm combines Adaptive Histogram Equalization(AHE) and a multi-scale retinal enhancement algorithm with color recovery (MSRCR) to color correct the blood cell images, resulting in blood cell images with uniform background brightness and distinct leukocyte features. (2) An improved U-net-based leukocyte segmentation algorithm is proposed to address the problem of complex backgrounds in blood cell images. The algorithm uses the improved U-net convolutional neural network to segment the leukocytes from the blood cell images, removing the background and keeping only the leukocytes. In the original U-net network, to address the problem of certain similarity between different types of leucocytes, the Convolutional Block Attention Module (CBAM) is added to the four skip connections, and the Channel Attention Module (CAM) and Spatial Attention Module (SAM) are connected in series to eliminate the semantic ambiguity in the skip connection operation; to address the problem of class imbalance in blood cell images, a combination of Focal loss and Dice loss is proposed for the loss function. (3) To address the problems of low computational throughput, slow speed and high power consumption when running convolutional neural networks on CPUs or GPUs, a ZYNQ-based model port of the YOLOv3 target detection algorithm is proposed. Xilinx's unique Vitis-AI tool is used to quantize the YOLOv3 network to achieve model compression with minimal loss of accuracy, and then the compiler is used to complete the deployment. The experimental results of the paper show that the proposed segmentation algorithm has better segmentation results for class-imbalanced and poorly characterized leukocytes, with a mean intersection over union of 91.89% and an accuracy of 99.53%. The mean average precision of the ZYNQ transplantation of the YOLOv3 network is 92.09% and achieves a 20-fold speedup compared to GPU inference. |
参考文献: |
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中图分类号: | TP391.41 |
开放日期: | 2023-06-16 |