【Python-torch】torchio & torchvision：transforms API 对比与解析

0. 前言与对比

当处理3d图像数据时，通常我们用的torchvison库里的transforms函数，不能满足我们的需求。

• torchvison：主要处理2d图像
• torchio：主要处理3d图像，经常用来处理图像数据

本文着重来介绍 torchio transforms相关的函数。如果对torchvision不熟悉的可以参考这个：

• torchvison__transforms 函数解析

而关于torchio 更详细的API可以参考这个：https://torchio.readthedocs.io/transforms/transforms.html#invertibility

• TorchIO是一个开源Python库，用于深度学习中3D医学图像的高效加载，预处理，增强和基于补丁的采样，遵循PyTorch的设计。它包括用于数据增强和预处理的多重强度和空间变换。这些变换包括典型的计算机视觉操作，如随机仿射变换，也包括特定领域的操作，如由于MRI磁场不均匀性(偏置)或k空间运动伪影的强度伪影模拟。

1. 预处理部分

• 强度（intensity）变化：
  • RescaleIntensity: 简单来说是基于单张图像的直方图均衡化操作，允许设置原直方图数值区间（如：（-1000， 1000））或者在不清楚数值情况下的百分比区间（如：（0.5，99.5）），并指定输出强度区间（如：（0.0，1.0））
  • ZNormalization：同样是基于单张图像的归一化操作，即计算标准差和均值，将像素值强度的分布转化成高斯分布
  • HistogramStandardization：基于一系列（多张）图像的直方图均衡化操作，针对不同来源（如不同医院，不同设备）采集到的图像可能强度区间不统一的问题，需要先执行train函数，从序列图像中得到直方图关键点，再执行均衡化操作。需要注意该操作应在强度变化的最开头执行。
  • NormalizationTransform：归一化操作的基类，用于扩展定制化变换函数
• 空间（Spatial）变换：
  • CropOrPad：给定目标维度，如果原图大则裁剪，若小则填充，需要注意这一操作在拆分batch之前进行以同一维度，允许指定pad方法。允许通过mask指定裁剪的中心位置（若不指定，则crop操作从各维度中心向外计算，若指定mask，则crop操作会从mask的各维度非0中心向外计算）
  • EnsureShapeMultiple：对各维度指定一个数值，自动将输入图像crop或pad到最近的可以整除指定数值的大小，需要指定pad或crop（只能执行一种）
  • Crop：裁剪，需要指定各维度裁剪的起始位置和结束位置
  • Pad：填充，需要指定各个维度的填充的长度
  • Resample：重采样，改变图像像素的物理尺度，需要指定各个维度的像素长度。允许在重采样之前load一个仿射变换矩阵（作为预先的仿射处理），允许指定差值的方法，允许只对图像本身操作（如分类任务），也可以同时对图像和mask操作（分割任务）
  • ToCanonical：对原图重排列使之转变为RAS方向轴排布（x轴-左右， y轴-前后，z轴-上下），若需要，通常在变换操作的第一位使用
    标签（label或者mask）的变换：
  • RemapLabels：将label图像重新排序与原图匹配，需要给定重排序的label id的的新顺序（dict形式），如（{2：1， 4：3}）就是将label 2原本的内容分配给1，4原本的内容分配给3， 并做相反操作，若需要只单向赋值，则需要声明masking_method选项（“right”或“left”）
  • RemoveLabels：清除label标签，全部重置为背景标签。需要指定将要被移除的标签序列（int sequence），以及将要变更为的背景标签（int）。（可以应用在诸如voc数据集目标边缘的255标签移除）
  • SequentialLabels：将离散分布的标签序号重置为从1开始的顺序排列标签序号，需要注意，新标签是从1开始的。
  • OneHot：将标签转为onehot编码，需要序列化标签值
  • Contour：将label中的边缘,要求输入必须是二值图像，输出为二值图像
  • KeepLargestComponent：只保留最大的非0连通区域，其余非0区域将被置成背景（注意当前tio版本只支持二值图像的操作

2. 数据增强部分

• transform的组合：

  • Compose：将多种增强变换组合，同torchvision.transform.compose
  • OneOf：从给定增强变换序列中随机选择一项执行，允许设置每一项执行的概率{tio.RandomAffine():0.75, tio.RandomNoise():0.25}

• 空间（spatial）增强：

  • RandomFlip：给定中心轴（可以多个）翻转图像，可以使用数字（0，1，2）指定反转轴，也可以用字母（Left，Right，Height，Width）。允许设置翻转的概率，需要对每个反转轴单独指定。
  • RandomAffine：随机仿射变换，包括尺度（scale，需要指定缩放的比例，可以设置缩放时的差值策略），旋转（degrees，需要指定每个轴旋转的角度范围，可以设置旋转时pad的数值），平移（translation），还支持各向同性和设置以中心为基准进行变换。
  • RandomElasticDeformation：随机弹性形变，通过三次B样条插值实现位移，需要指定控制点的数量和最大位移距离，允许控制边缘是否形变（弹性形变的数值计算相对复杂，详细理解需要先学习三次B样条插值）
  • RandomAnistropy：随机各向异性，即先降采样再升采样到原分辨率，模拟从各向异性空间尺度获取的图像被缩放到指定尺度的情况，允许指定降采样的比例，允许只对原图变换

• 强度（Intensity）增强：

  • RandomMotion：添加动态模糊，mri图像的噪声来源一部分是由于被测试者在采集时的动作导致的，通过当前增强来模拟该场景
  • RandomGhosting：添加随机鬼影，mri成像时的成像结构规则变化导致在相位编码方向出现鬼影，如心跳，呼吸，脉搏或者脊髓液的流动都是鬼影出现的主要原因
  • RandomSpike：尖峰缺陷，由图像空间中K空间的多个尖峰导致的不同方向的条纹，属于高频噪声。
  • RandomBiasField：添加随机偏置场伪影，通常由于mri成像设备的磁场不均匀导致的低频强度变化（可以理解为一侧亮度偏低）
  • RandomBlur：使用随机大小的高斯滤波器模糊图像。（高斯模糊，低频滤波）
  • RandomNoise：添加随机高斯噪声。
  • RandomSwap：随机交换图像中的patch的位置。
  • RandomLabelsToImage：从标签模拟生成伪图像。
  • RandomGama：随机gamma校正。

3. 代码示例

import torchio as tio
ct = tio.ScalarImage('ct_scan.nii.gz')
ct_air, ct_bone = -1000, 1000
rescale = tio.RescaleIntensity(
    out_min_max=(-1, 1), in_min_max=(ct_air, ct_bone))
ct_normalized = rescale(ct)

import torch
import torchio as tio
landmarks = {
    't1': 't1_landmarks.npy',
    't2': 't2_landmarks.npy',
}
transform = tio.HistogramStandardization(landmarks)
torch.save(landmarks, 'path_to_landmarks.pth')
transform = tio.HistogramStandardization('path_to_landmarks.pth')

import torchio as tio
image = tio.datasets.Colin27().t1
transform = tio.RandomAffine(
    scales=(0.9, 1.2),
    degrees=15,
)
transformed = transform(image)

import torchio as tio
colin = tio.datasets.Colin27()
transforms_dict = {
    tio.RandomAffine(): 0.75,
    tio.RandomElasticDeformation(): 0.25,
}  # Using 3 and 1 as probabilities would have the same effect
transform = tio.OneOf(transforms_dict)
transformed = transform(colin)

import torchio as tio
subject = tio.datasets.FPG()
transform = tio.RandomGamma(log_gamma=(-0.3, 0.3))  # gamma between 0.74 and 1.34
transformed = transform(subject)

参考

【1】https://zhuanlan.zhihu.com/p/391313749