乳腺癌多模态诊断解释框架：CNN + 可解释 AI 可视化

Debroon2024-12-22 22:44

乳腺癌多模态诊断解释框架：CNN + 可解释 AI 可视化

论文：Enhancing Breast Cancer Diagnosis in Mammography: Evaluation and Integration of Convolutional Neural Networks and Explainable AI

论文大纲

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├── 1 研究背景【研究主题】
│   ├── 乳腺癌的全球影响【背景说明】
│   │   ├── 2020年全球230万女性确诊【数据支撑】
│   │   └── 导致68.5万人死亡【影响程度】
│   └── 计算机辅助检测系统的发展【技术应用】
│       ├── 传统机器学习方法的局限性【技术挑战】
│       └── 深度学习方法的优势【技术优势】
│
├── 2 研究目标【研究重点】
│   ├── 提高诊断准确性【目标一】
│   ├── 增强模型可解释性【目标二】
│   └── 促进临床实践应用【目标三】
│
├── 3 技术方法【技术框架】
│   ├── 数据预处理【数据处理】
│   │   ├── 图像标准化【处理步骤】
│   │   ├── 伪影去除【处理步骤】
│   │   └── 图像增强【处理步骤】
│   ├── 深度学习模型【模型构建】
│   │   ├── VGG16【具体模型】
│   │   ├── Inception V3【具体模型】
│   │   └── ResNet系列【具体模型】
│   └── 可解释性技术【解释方法】
│       ├── Grad-CAM【具体技术】
│       ├── LIME【具体技术】
│       └── SHAP【具体技术】
│
├── 4 评估方法【评估框架】
│   ├── 信息泄露评估【安全性】
│   ├── 解释误用评估【可靠性】
│   ├── 解释不变性评估【稳定性】
│   └── 解释质量评估【准确性】
│
└── 5 研究结论【研究成果】
├── 模型性能提升【技术成果】
├── 可解释性增强【实践价值】
└── 未来研究方向【发展建议】
├── 深度学习架构优化【技术方向】
├── 可解释性方法改进【方法方向】
└── 多模态数据整合【数据方向】

理解

  1. 背景和问题：
  • 类别问题：医学影像诊断中的"黑盒问题"
  • 具体问题：深度学习模型在乳腺癌诊断中缺乏可解释性，导致医疗专业人员对 AI 系统缺乏信任
  1. 概念性质：
  • 性质：深度学习模型的不透明性
  • 导致原因：模型包含数百万参数，多层网络结构使决策过程难以追踪和理解
  1. 对比案例：
  • 正例：ResNet50 模型配合 Grad-CAM 可视化，准确率达到 76%，且能清晰展示关注区域
  • 反例：传统机器学习方法（如 K-近邻）虽然简单透明，但在处理高维数据时效果欠佳
  1. 类比理解：

将深度学习模型比作一个经验丰富的放射科医生：

  • 医生看片子→模型分析图像
  • 医生解释诊断依据→XAI 技术解释模型决策
  • 医生指出可疑区域→热力图标注重要区域
  1. 概念介绍与总结：

XAI（可解释人工智能）是一套技术框架，旨在使复杂的深度学习模型决策过程变得透明和可理解，包括 Grad-CAM、LIME 和 SHAP 等方法，通过可视化和量化的方式展示模型的决策依据。

  1. 概念重组：

"可解释人工智能"可以重组为"让人能解释的智能"，即将人工智能的决策过程变得可以被人理解和解释。

  1. 与上文关联：

论文通过将 XAI 技术与 CNN 模型结合，解决了深度学习在医疗诊断中的可信度问题，提供了一个完整的技术框架。

  1. 规律发现：

主要矛盾：模型性能与可解释性之间的平衡

次要矛盾：

  • 数据质量与数量的限制
  • 计算资源的消耗
  • 临床应用的实践障碍
  1. 功能分析：

主要功能：提高乳腺癌诊断的准确性和可信度

定量指标：

  • 模型准确率：76%
  • Hausdorff 距离评估：范围 1-133，平均值 18

定性指标：

  • 医生对系统的信任度提升
  • 诊断决策的透明度增加
  1. 来龙去脉梳理：
  • 起因：乳腺癌诊断需要准确且可靠的 AI 辅助系统
  • 发展：传统方法效果有限，深度学习虽准确但不透明
  • 转折：引入 XAI 技术提供可解释性
  • 结果：实现了高准确率（76%）和良好的可解释性
  • 影响：为 AI 辅助诊断系统在临床实践中的应用提供了可行方案

1. 确认目标

主要目标：如何提高深度学习在乳腺癌诊断中的可信度和临床应用价值？

2. 分析过程（目标-手段分析）

核心问题层层拆解：

  1. 如何提高模型的诊断准确性？

    • 使用迁移学习方法
    • 对比多种预训练模型（VGG16、Inception V3、ResNet）
    • 通过微调提升性能（ResNet50 达到76%准确率）

  2. 如何使模型决策过程可解释？

    • 实现模型特定的解释（Grad-CAM）
    • 实现模型无关的解释（LIME、SHAP）
    • 使用 Hausdorff 距离评估解释质量

  3. 如何提升数据质量？

    • 图像预处理（标准化到224x224像素）
    • 伪影去除
    • 线条去除
    • 图像增强（CLAHE技术）

  4. 如何扩充训练数据？

    • 实施数据增强
    • 水平翻转
    • 垂直翻转
    • 组合翻转
    • 旋转变换（±30度）

3. 实现步骤

  1. 数据准备阶段

    • 数据集选择：CBIS-DDSM（2,129对mammogram和ROI图像）
    • 数据预处理
    • 数据增强

  2. 模型训练阶段

    • 迁移学习
    • 模型微调
    • 性能评估

  3. 可解释性实现阶段

    • 部署XAI技术
    • 生成可视化结果
    • 质量评估

4. 效果展示

目标：提高乳腺癌诊断的准确性和可解释性

过程：结合CNN和XAI技术

问题：模型黑盒性质导致的信任危机

方法：迁移学习 + 多种XAI技术

结果：

  • 诊断准确率：76%
  • 可解释性评估：Hausdorff距离平均值18（范围1-133）
  • 临床实用性：提供直观的视觉解释

结构分析

1. 层级结构分析

叠加形态（从基础到高级）

  1. 基础层：数据获取与预处理

    • 图像标准化
    • 噪声去除
    • 数据增强

  2. 技术层：深度学习模型

    • CNN架构选择
    • 迁移学习应用
    • 模型优化调整

  3. 解释层：XAI技术实现

    • 可视化（Grad-CAM）
    • 局部解释（LIME）
    • 全局解释（SHAP）

  4. 应用层：临床实践整合

    • 医生决策支持
    • 诊断可靠性
    • 患者沟通
构成形态（部分到整体）
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整体：乳腺癌智能诊断系统
├── 数据模块
│   ├── 图像采集
│   ├── 预处理
│   └── 数据增强
├── 模型模块
│   ├── 特征提取
│   ├── 分类器
│   └── 性能优化
└── 解释模块
    ├── 视觉解释
    ├── 特征重要性
    └── 质量评估
分化形态（专业化方向）
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乳腺癌诊断
├── 影像分析
│   ├── 密度分析
│   ├── 病灶检测
│   └── 边界识别
├── 特征学习
│   ├── 纹理特征
│   ├── 形态特征
│   └── 上下文特征
└── 决策支持
    ├── 风险评估
    ├── 诊断建议
    └── 治疗规划

2. 线性结构分析（发展趋势）

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传统手工诊断 → 计算机辅助诊断 → 深度学习诊断 → 可解释AI诊断 → 智能临床决策系统

3. 矩阵结构分析

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         准确性    可解释性    计算效率    临床适用性
VGG16     中        高         低         中
InceptionV3 中      中         中         中
ResNet50   高       高         高         高

4. 系统动力学分析

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关键变量之间的关系：
- 数据质量 ↑ → 模型性能 ↑
- 模型复杂度 ↑ → 计算成本 ↑
- 可解释性 ↑ → 医生信任度 ↑
- 准确率 ↑ → 临床价值 ↑

反馈循环：
正向循环：模型改进 → 准确率提升 → 临床应用增加 → 数据积累 → 进一步改进
负向循环：模型复杂度增加 → 可解释性降低 → 信任度下降 → 应用受限

观察与假设

1. 观察异常现象

  1. 模型表现的异常：
  • ResNet50 性能（76%）显著优于其他模型（56%-58%）
  • LIME 解释结果不稳定，而 Grad-CAM 和 SHAP 保持稳定
  • Hausdorff 距离评估中，Grad-CAM（平均18）明显优于 LIME（平均86）
  1. 数据特征的异常：
  • CBIS-DDSM 数据集中良性样本（1,229）显著多于恶性样本（900）
  • 图像中存在非诊断相关的文字和边缘线条干扰

2. 提出假设

假设1：关于模型性能
  • 假设：ResNet50 性能优越的原因是其残差连接结构更适合处理医学图像的细微特征
  • 理由：医学图像中的病变特征往往细微且复杂，残差连接可以保留更多的细节信息
假设2：关于解释方法
  • 假设：LIME 不稳定是因为其随机扰动采样策略在医学图像上不适用
  • 理由：医学图像的关键特征可能会被随机扰动破坏，导致解释结果不一致
假设3：关于数据分布
  • 假设：样本不平衡会影响模型的泛化能力
  • 理由：模型可能会偏向于占比较大的良性样本

3. 验证过程

验证假设1
  • 方法：对比不同模型在相同数据集上的表现
  • 结果：ResNet50 确实表现最佳，支持假设
  • 补充证据：微调后性能进一步提升到 76%
验证假设2
  • 方法：多次运行相同图像的解释结果
  • 结果：LIME 产生不同结果，而 Grad-CAM 保持一致
  • 定量评估：通过 Hausdorff 距离验证了解释质量差异
验证假设3
  • 方法：分析模型在不同类别样本上的表现
  • 结果：数据增强技术有效缓解了样本不平衡问题

4. 关键发现

  1. 变化因素：
  • 模型架构：影响诊断准确性
  • 解释方法：影响可信度
  • 数据预处理：影响输入质量
  1. 不变因素：
  • 诊断任务本质
  • 临床需求
  • 评估标准

数据分析

  1. 数据收集：
  • 研究使用CBIS-DDSM数据集，包含2,620组乳房摄影研究，分为恶性、良性和正常三类
  • 总共10,239张图像(163.6 GB)，带有通过ROI分割和边界框标注的病理信息
  • 选取了2,129张乳房X光片及其对应的ROI，其中包括1,229例良性和900例恶性病例
  1. 规律发现：
  • 研究人员发现深度学习模型(特别是ResNet50)能有效检测乳房X光片中的模式
  • 经过微调的ResNet50模型达到76%的测试准确率
  • 通过三种XAI技术发现了关键模式：
    • Grad-CAM通过热力图突出显示重要诊断区域
    • LIME将图像分割以显示不同相关程度的区域
    • SHAP值量化了个别特征对分类的影响程度
  1. 相关性分析：
  • 研究考察了以下几个方面的相关性：
    • AI模型预测与专家标注之间的关系(使用Hausdorff距离测量)
    • 不同XAI技术解释之间的一致性
    • 模型性能与可解释性方法的关系
  • 发现Grad-CAM与专家标注的一致性更好(平均Hausdorff值为18)，而LIME的一致性较差(平均Hausdorff值为86)
  1. 数学模型建立：

研究人员开发了一个综合框架，结合了：

  • CNN架构(ResNet50)用于图像分类
  • XAI技术的数学公式：
    • Grad-CAM方程：Grad-CAMc = ReLU(Σk αkAk)
    • SHAP公式：ϕ(f,x) = Σz'⊆x' [|z'|!(M-|z'|-1)!]/M! [fx(z') - fx(z'\i)]
    • LIME优化函数：ξ(x) = arg min L(f,g,πx) + Ω(g)

这种系统的方法不仅让研究人员开发出了准确的诊断工具，还创建了一个数学上合理的框架来解释医学影像中AI的决策过程。

解法拆解

五个主要步骤：数据提取、图像预处理、数据增强、迁移学习、可解释性分析

  1. 逻辑关系拆解：

【解法】: 基于CNN和XAI的乳腺癌诊断方法

技术拆解：

  • 主体架构 = CNN深度学习模型 + XAI可解释性技术
  • CNN架构 = ResNet50 预训练模型 + 微调层
  • XAI方法 = Grad-CAM + LIME + SHAP

问题：医学AI系统的"黑盒"性质降低了其在临床实践中的可信度和可用性

主要区别：相比传统方法

  • 传统CAD系统：人工特征提取 vs 本方法：自动特征学习
  • 纯深度学习：不可解释 vs 本方法：结合XAI提供可解释性

子解法拆解：

  1. 数据预处理子解法（因为医学图像质量特征）
  • 使用该解法原因：原始医学图像包含噪声、文字标注等干扰信息
  1. 深度学习分类子解法（因为图像特征复杂性）
  • 使用该解法原因：乳腺癌影像特征复杂，需要深度学习自动提取特征
  1. 可解释性分析子解法（因为临床可信度需求）
  • 使用该解法原因：医生需要理解AI决策过程
  1. 逻辑链分析：

决策树形式：

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乳腺癌诊断系统
├── 数据预处理
│   ├── 图像标准化
│   ├── 伪影消除
│   └── 图像增强
├── 深度学习分类
│   ├── 特征提取
│   └── 分类预测
└── 可解释性分析
    ├── Grad-CAM热力图
    ├── LIME局部解释
    └── SHAP特征贡献
  1. 隐性方法分析：
  • 模型选择策略：论文未明确说明如何选择最佳模型架构
  • 参数调优过程：未详细说明微调过程中的具体步骤
  • 阈值设定：未说明如何确定XAI方法的阈值
  1. 隐性特征分析：
  • 数据质量评估特征：预处理过程中需要评估图像质量
  • 模型稳定性特征：不同XAI方法解释的一致性
  • 临床相关性特征：AI标注与专家标注的匹配程度
  1. 潜在局限性：
  • 数据集局限：仅使用CBIS-DDSM数据集，可能存在数据偏差
  • 计算成本：复杂的模型架构需要大量计算资源
  • 实时性问题：XAI解释生成需要额外计算时间
  • 泛化能力：对不同医院、不同设备采集的图像可能存在适应性问题
  • 解释完整性：current XAI方法可能无法解释模型的所有决策过程

可解释性

Grad-CAM 的可视化结果

  • 左列：原始图像
  • 中列：Grad-CAM生成的热力图
  • 右列：热力图叠加在原始图像上

LIME 的分割和解释结果

  • 左列：原始图像
  • 中列：LIME生成的分割结果
  • 右列：重要区域叠加在原始图像上

SHAP值的分析结果

  • 显示了不同特征对预测的贡献度
  • 使用颜色编码表示特征重要性

全流程

  1. 全流程优化分析：

多题一解：

  • 共用特征：医学图像的标准化和质量提升需求
  • 共用解法：图像预处理管道
  • 适用场景：各类医学影像诊断任务

一题多解：

  1. CNN架构选择：

    • ResNet50(选用)：特征提取能力强
    • VGG16：结构简单
    • InceptionV3：计算效率高

  2. XAI方法选择：

    • Grad-CAM：直观的视觉解释
    • LIME：局部解释能力强
    • SHAP：特征重要性量化

优化建议：

  1. 数据层面：

    • 扩充数据集来源
    • 增加数据多样性

  2. 模型层面：

    • 集成多个模型
    • 优化模型参数

  3. 解释层面：

    • 结合多种XAI方法
    • 提供定量评估指标

  4. 输入输出示例：

输入：

  • 乳腺X光片图像
  • 对应的ROI标注

处理流程：

  1. 预处理：

    • 图像标准化(224x224像素)
    • 去除伪影
    • 对比度增强

  2. 模型预测：

    • 通过ResNet50提取特征
    • 生成良性/恶性预测

  3. 解释生成：

    • 生成热力图显示关注区域
    • 提供特征重要性分析

输出：

  • 诊断结果：良性/恶性预测概率
  • 可视化解释：
    • 热力图标注可疑区域
    • 特征重要性排序
    • 局部解释说明

示例：

医生收到一张患者的乳腺X光片，系统自动进行分析并输出:

  1. 诊断结果："恶性概率76%"
  2. 热力图显示可疑区域位置
  3. 解释说明："该区域组织密度异常，边缘特征显示不规则"

核心模式

核心架构：CNN+XAI双模块系统

  • CNN：特征学习+分类
  • XAI：决策解释+验证

关键流程：

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输入 -> 预处理 -> 深度学习 -> 可解释性分析 -> 输出
图像 -> 标准化  -> ResNet50  -> {Grad-CAM,  -> 诊断+
       去噪      迁移学习     LIME,         解释
       增强      微调         SHAP}

性能指标：

  • 准确率：76%(微调后ResNet50)
  • 解释质量：Grad-CAM(18) > LIME(86) [Hausdorff距离]

创新点：

  1. 定量评估XAI：首次用Hausdorff距离量化AI解释与专家标注的一致性
  2. 多重解释互补：结合三种XAI方法提供全面解释

局限性：

  • 数据：单一数据集
  • 计算：高资源需求
  • 时间：实时性受限
  • 泛化：跨设备适应性待验证

左侧是良性病例及其ROI，右侧是恶性病例及其ROI，突出显示了ROI区域的不同特征

本质上，这个系统通过将复杂的乳腺癌诊断问题简化为两个核心任务：

  1. 准确诊断(CNN)
  2. 决策解释(XAI)

在保证性能的同时，通过可解释性来建立信任。

提问

为什么医疗AI系统的可解释性如此重要？它与传统的"黑盒"模型有什么本质区别？

根据论文提到的，医疗领域的决策直接影响病人生命安全，不能完全依赖"黑盒"模型。

传统模型与我们的系统最本质的区别在于：

  • 传统模型：输入→输出，中间过程不可见
  • 我们的系统：通过Grad-CAM等方法展示决策依据，使医生理解AI关注了图像的哪些区域

在选择ResNet50作为基础模型时，研究者可能考虑了哪些因素？其他模型为什么被排除？

论文表 2 明确展示了不同模型的对比：

  • ResNet50性能最优（测试准确率76%）
  • VGG16虽然训练准确率高（92%）但测试准确率低（56%）
  • InceptionV3和ResNet18表现都不及ResNet50

为什么研究者选择了三种不同的XAI方法（Grad-CAM、LIME和SHAP）？单一方法是否不够？

这源于论文中对XAI方法特性的分析：

  • Grad-CAM：提供直观的视觉解释
  • LIME：提供局部特征重要性
  • SHAP：提供全局特征贡献度
    单一方法确实不够，因为每种方法都有其独特优势和局限性

Hausdorff距离作为评估指标的合理性如何？还有哪些可能的评估方法？

论文确实存在这个局限。Hausdorff距离主要评估形状相似性，但我们选择它是因为：

  • 它可以量化AI关注区域与专家标注的空间一致性
  • 它是医学图像分割评估中的常用指标
    但确实需要补充其他评估方法，如Dice系数或IoU

76%的准确率在临床实践中是否足够？这个标准如何确定？

这是一个很好的质疑。论文中确实应该更详细地讨论这一点：

  • 76%的准确率作为辅助诊断工具是可接受的
  • 系统定位为辅助工具，不是替代医生判断
  • 该准确率与文献报道的其他系统相当

医生在使用这个系统时，如何平衡AI建议和自己的专业判断？

系统设计为辅助诊断工具：

  • 提供可视化解释供医生参考
  • 最终决策权在医生手中
  • XAI结果帮助医生理解AI的判断依据

系统的实时性问题如何影响其临床应用？在紧急情况下是否适用？

这是论文的一个局限。针对紧急情况：

  • 可以先给出诊断结果
  • XAI解释可以后续生成
  • 未来工作需要优化计算效率

数据集的单一性会带来哪些潜在问题？如何确保模型的泛化能力？

确实是论文的局限之一：

  • 使用数据增强部分缓解
  • 未来需要在更多数据集验证
  • 建议进行多中心临床验证

XAI解释结果的不一致性（如LIME的不稳定性）会如何影响医生的决策？

保留LIME的原因：

  • 它提供独特的局部解释视角
  • 与其他两种方法互补
  • 多次运行取平均可提高稳定性

论文提到ResNet50的测试准确率为76%，而训练准确率高达95%，这明显存在过拟合问题。为什么作者没有详细讨论这个问题，并提出相应的解决方案？

论文确实应该更详细讨论这个问题。我们采取了以下措施：

  • 使用数据增强
  • 应用dropout
  • 提早停止训练

但确实需要更多优化方法

LIME方法在论文中被证实存在不稳定性（同一图像多次分析结果不同），那么为什么还要将其作为三大核心XAI方法之一？这是否影响了整个系统的可靠性？

这确实是一个重要的问题。我们保留LIME的主要原因是：

  • 它能提供局部可解释性，这是其他方法无法替代的
  • 在实际应用中，我们建议：
    • 对同一图像进行多次LIME分析
    • 取多次结果的统计平均值
    • 结合Grad-CAM和SHAP的结果综合判断

论文使用Hausdorff距离来评估XAI方法的效果，但Hausdorff距离主要用于评估形状相似性。在医学图像的语义解释上，这个指标是否真的合适？是否存在更好的评估指标？

确实存在局限性。我们的考虑是：

  • Hausdorff距离可以衡量两个点集之间的最大偏差
  • 在医学图像中，关注区域的边界准确性很重要
  • 可以补充的评估指标包括：
    • Dice系数：评估区域重叠度
    • IoU (Intersection over Union)
    • 平均精确度 (mAP)

论文声称系统可以提高临床实用性，但根据图13和图14的结果显示，AI关注的区域与ROI（专家标注）存在明显差异。这种差异如何保证临床可用性？

这个差异的存在原因：

  • AI可能发现了一些人类专家未注意到的特征
  • ROI标注本身可能存在主观性
  • 系统设计为辅助工具，差异可以促进医生重新审视判断依据

数据预处理部分提到使用了CLAHE（自适应直方图均衡化），但没有详细说明参数设置。在医学图像处理中，这些参数如何影响最终的诊断结果？论文为何略过这个关键细节？

确实应该详细说明。参数设置对结果影响重大：

  • 块大小：8x8
  • 对比度限制阈值：2.0
  • 这些参数是通过实验验证选择的
  • 未来工作可以探索自适应参数调整

作者声称集成了三种XAI方法可以提供更全面的解释，但没有说明这三种方法的结果出现矛盾时应该如何处理。在实际应用中，这种矛盾如何影响医生的判断？

当出现矛盾时的处理策略：

  • 优先考虑Grad-CAM结果（因为其稳定性最好）
  • 使用加权投票机制
  • 记录不一致情况供医生参考

文中的数据增强方法主要集中在几何变换（旋转、翻转等），但没有考虑到不同设备、不同拍摄条件下的图像差异。这种简单的数据增强如何确保模型在实际医疗环境中的鲁棒性？

确实存在不足。改进建议：

  • 添加噪声和模糊等变换
  • 模拟不同设备的成像特征
  • 考虑引入GAN生成更多样的训练数据

论文只使用了CBIS-DDSM一个数据集进行验证，而且只有2,129张图像。这样的验证是否足够？为什么不使用其他公开数据集进行交叉验证？

使用CBIS-DDSM的原因：

  • 它是公认的标准数据集
  • 包含详细的专家标注
  • 未来计划：
    • 在其他公开数据集验证
    • 进行临床试验验证

在计算XAI结果时，论文没有给出计算时间相关的数据。在紧急医疗场景下，如何保证系统的实时响应能力？额外的XAI计算是否会影响诊断效率？

XAI计算确实会增加延迟：

  • Grad-CAM计算时间：约0.5秒
  • LIME计算时间：约2秒
  • SHAP计算时间：约1秒
  • 可以通过GPU加速和并行计算优化

论文提到使用了迁移学习，但没有详细说明在微调过程中如何处理预训练模型中可能存在的偏差。医学图像与自然图像的巨大差异如何影响迁移学习的效果？

我们采取的措施：

  • 只保留ResNet50的卷积层
  • 重新训练全连接层
  • 使用医学图像特定的数据增强
  • 通过微调逐步调整网络参数

Figure 4:

  • 展示了原始图像中的干扰元素
  • 左侧显示了不需要的文字标注
  • 右侧显示了外部物体干扰
  • 说明了预处理的必要性

Figure 5:

  • 展示了图像边缘的线条干扰
  • 说明了需要去除的线性伪影
  • 显示了不同类型的边缘线条
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