醫(yī)學圖像處理專家講座

第四章

圖像增強技術醫(yī)學圖像處理專家講座第1頁4.1圖像增強目標、特點和方法一、目標：改進圖像視覺效果，便于觀察和分析便于人工或機器對圖像深入處理二、特點：人為地突出圖像中部分細節(jié)，壓制另外一部分信號在不考慮圖像降質(zhì)原因條件下，用經(jīng)驗和試探方法進行加工尚無統(tǒng)一質(zhì)量評價標準，無法定量衡量處理效果優(yōu)劣需要注意問題：處理時應考慮人眼視覺特征和硬件表現(xiàn)能力，到達合理匹配處理時必須考慮處理目標，選取適當方法醫(yī)學圖像處理專家講座第2頁三、處理技術分類從處理方法分類頻域方法全局處理局部處理（ROI）灰度圖像(偽)彩色圖像從處理對象分類從處理策略分類點處理（灰度變換）鄰域方法（空域濾波）空域方法從處理目標分類圖像銳化平滑去噪灰度調(diào)整醫(yī)學圖像處理專家講座第3頁

4.2灰度直方圖與圖像點處理一、灰度直方圖：圖像中像素灰度分布概率密度函數(shù)連續(xù)圖像：設A(r)代表灰度小于r全部像素面積，則數(shù)字圖像：設圖像尺寸為M×N，共有K級灰度，而且含有灰度級rk像素數(shù)為g(rk)，則有：例：幾個經(jīng)典醫(yī)學圖像灰度直方圖醫(yī)學圖像處理專家講座第4頁二、灰度直方圖性質(zhì)不包含圖像灰度分布空間信息，所以無法處理目標形狀問題含有不唯一性，即不一樣圖像可能對應相同直方圖含有可加性，即圖像總體直方圖等于切分各個子圖像直方圖之和三、灰度直方圖經(jīng)典使用方法1.經(jīng)過檢驗直方圖確定設備調(diào)整方向或灰度變換規(guī)則rmaxrP(r)rmaxrP(r)rmaxrP(r)醫(yī)學圖像處理專家講座第5頁2.確定閾值，在圖像二值化、灰度變換或進行分割時確定適當閾值3.求面積，或?qū)μ囟▽ο筮M行統(tǒng)計rmaxrP(r)醫(yī)學圖像處理專家講座第6頁原理：經(jīng)過修改p(r)

到達增強圖像目標，修改是對各像素單獨進行，所以稱為點處理。三、直方圖線性(尺度)變換S=T(r)任一像素，其灰度為r同一像素，其灰度為srmaxrP(r)sP(s)smax例：提升對比度rS=T(r)rmaxsmax醫(yī)學圖像處理專家講座第7頁區(qū)域擴展：三、直方圖線性(尺度)變換(續(xù))rS=T(r)rmaxsmax擴展暗區(qū)rS=T(r)rmaxsmax擴展中部檢測某灰度范圍：rS=T(r)rmaxsmax擴展亮區(qū)rmaxrS=T(r)smaxrS=T(r)rmaxsmax反轉(zhuǎn)：灰度窗口：rS=T(r)rmaxsmax醫(yī)學圖像處理專家講座第8頁四、直方圖均衡化均衡化：將原始圖像直方圖變換為均勻分布形式，從而增加像素灰度值動態(tài)范圍，到達增強圖像整體對比度效果。方法：計算累計分布函數(shù)(CumulativeDistributionFunction,CDF)，并將其作為灰度變換函數(shù)s=T(r),從而將原始圖像關于灰度r分布直方圖，轉(zhuǎn)換為關于灰度s均勻分布。原理：從灰度直方圖定義出發(fā)加以證實，設圖像面積為A0，其灰度已經(jīng)進行歸一化處理P(r)dr表現(xiàn)圖像中灰度為[r,r+dr]像素面積在整個圖像中占百分比經(jīng)過s=T(r)映射，其灰度改變而面積不變，所以：P(r)dr=p(s)ds考慮原始圖像f(x,y)在[0,r]灰度范圍內(nèi)像素面積占圖像面積比率F(r):醫(yī)學圖像處理專家講座第9頁考慮變換后圖像g(x,y)在對應[0,s]灰度范圍內(nèi)像素面積占圖像面積比率G(s):變換前后上述像素在圖像中所占比率不變，所以有：G(s)=F(r)，即均衡化直方圖ps(s)=1(??)，所以故有：例題：給定一幅圖像灰度分布概率密度函數(shù)為:P(r)=-2r+2 0≤r≤10 其它對其進行均衡化處理醫(yī)學圖像處理專家講座第10頁2rP(r)rS=T(r)22sP(s)2數(shù)字圖像直方圖均衡化：計算公式：例題：(略)醫(yī)學圖像處理專家講座第11頁均衡化效果實例：醫(yī)學圖像處理專家講座第12頁均衡化效果實例（續(xù)）：醫(yī)學圖像處理專家講座第13頁均衡化效果實例（續(xù)）：醫(yī)學圖像處理專家講座第14頁均衡化效果實例（續(xù)）：醫(yī)學圖像處理專家講座第15頁均衡化效果實例（續(xù)）：醫(yī)學圖像處理專家講座第16頁五、直方圖要求化要求化：將原始圖像直方圖變換為特定分布形式p(u)，到達增強圖像整體視覺效果目標。原理：經(jīng)過建立給定圖像和特定直方圖間關系，求映射函數(shù)u=T(r)給定圖像均衡化給定直方圖P(u)求直方圖P(r)均衡化s=T1(r)v=T2(u)u=T2-1(v)=T2-1(T1(r))所以直方圖要求化變換函數(shù)為上述均衡化函數(shù)組合函數(shù)。醫(yī)學圖像處理專家講座第17頁直方圖要求化計算步驟(1)對原始圖像直方圖進行均衡化：(2)給出要求直方圖，并進行均衡化處理(3)建立均衡化直方圖對應關系，并將原像素灰度映射到新灰度級SML規(guī)則(singlemappinglaw)：尋找k和l使下式到達極小化，即k=0,1,…,M-1l=0,1,…,N-1然后將pr(ri)對應到pu(uj)去，即完成了變換。醫(yī)學圖像處理專家講座第18頁GML規(guī)則(groupmappinglaw)(自學：ZhangYJ:Improvingtheaccuracyofdirecthistogramspecification.IEEElectronicsLetters,28:213-214,1992)直方圖要求化舉例:給定圖像含有64×64個像素，8個灰度級，其分布以下表，試按表中要求直方圖進行變換原始圖像灰度級01/72/73/74/75/76/77/7原始圖像各灰度級像素790102385065632924512281要求直方圖0000.150.200.300.200.15醫(yī)學圖像處理專家講座第19頁原始圖像灰度級01/72/73/74/75/76/77/7原始圖像各灰度級像素790102385065632924512281計算原始直方圖0.190.250.210.160.080.060.030.02計算原始累計直方圖0.190.440.650.810.890.950.981.00要求直方圖0000.150.200.300.200.15計算要求累計直方圖0000.150.350.650.851.00SML映射34566777確定映射對應關系0→31→42→53，4→65，6，7→7變換后直方圖0000.190.250.210.240.11醫(yī)學圖像處理專家講座第20頁六、圖像間運算 減影: 去噪:醫(yī)學圖像處理專家講座第21頁4.3空域濾波增強一、原理和分類原理：利用相鄰像素關系進行圖像增強，常借助模板進行鄰域操作。分類銳化平滑非線性線性非線性線性二、空域線性濾波算法－模板操作§4.3.1概述將模板在圖中漫游，并將模板中心與某像素重合將模板系數(shù)與模板下對應像素相乘將全部乘積相加將上述求和結(jié)果賦予模板中心對應像素K1,1K1,0K1,-1K0,1K0，0K0,-1K-1,1K-1,0K-1,-1模板醫(yī)學圖像處理專家講座第22頁三、空域線性濾波運算原理－空域卷積將模板在圖中漫游，并將模板中心與某像素重合將模板系數(shù)與模板下對應像素相乘將全部乘積相加將上述求和結(jié)果賦予模板中心對應像素 依據(jù)卷積定理知，空域內(nèi)卷積等價于空間頻率域內(nèi)濾波。所以模板作用能夠經(jīng)過分析其頻率特征而知。四、模板可分解性：0-a0-a1+4a-a0-a0000010000000-aa00000000a00-a00000a-a0000-a00a0000醫(yī)學圖像處理專家講座第23頁二、銳化算法普通考慮§4.3.2圖像銳化一、銳化目標：對正常圖像，經(jīng)過銳化提取邊緣、輪廓、線條等信息，供深入識別經(jīng)過加重圖像輪廓克服降質(zhì)，以到達更加好視覺效果理想輪廓實際輪廓f(x)df(x)/dxd2f(x)/dx2f(x)+kdf/dxf(x)-kdf/dxf(x)-kd2f/dx2抽取輪廓銳化圖像醫(yī)學圖像處理專家講座第24頁三、常見銳化算子1.梯度算子-11-11Roberts1-11-11-1-1-1-1111Prewitt1-12-21-1-1-2-1121Sobel2.拉普拉斯算子-1-14-1-1-1-14-1-1-1-1-1-18-1-1-1-1-1-1-1-19-1-1-1-1？-1-15-1-1-1-15-1-1醫(yī)學圖像處理專家講座第25頁3.方向算子： 利用一組模板分別計算不一樣方向上差分值，取其中最大值作為邊緣強度。比如Kirsch算子(3×3，5×5)，Nevitia算子(5×5)等33-53-513-53-5-53-5333-5-5-533333-5-53-53333-533-53-533333-53-5-5333333-5-5-53333-53-5-5Kirsch算子8方向3×3模板醫(yī)學圖像處理專家講座第26頁4.綜合正交算子： 利用一組正交模板分別檢測圖像邊緣、直線和孤立點，并比較其在圖像中所占比重。010-10-10101-21-24-21-21-10100010-1-21-2141-21-2直線拉普拉斯直線子空間基-1-d-10001d101-d-101d-10-101-d0d-101-d1010-10-1d對稱梯度波紋邊緣子空間基111111111平均子空間銳化處理抽取邊緣例醫(yī)學圖像處理專家講座第27頁三、線性銳化算子特征分析0-a0-a1+4a-a0-a0以右側(cè)3×3算子為例：g(m,n)=(1+4a)f(m,n)-a[f(m-1,n)+f(m+1,n)+f(m,n-1)+f(m,n+1)]為考查其頻率特征，寫出上式Z

變換式：G(zm,zn)=[(1+4a)-a[zm-1+zm+zn-1+zn)]F(zm,zn)所以，其傳遞函數(shù)為：以 帶入，得付立葉變換式：醫(yī)學圖像處理專家講座第28頁作出H(wm,wn)幅頻特征圖形，以下列圖所表示醫(yī)學圖像處理專家講座第29頁§4.3.3圖像平滑二、平滑算子一、平滑目標：抑制或消除噪聲作為其它處理前處理01/501/51/51/501/501/91/91/91/91/91/91/91/91/9鄰區(qū)平均1/101/101/101/101/51/101/101/101/101/161/81/161/81/41/81/161/81/16加權平均選擇平均：參考AnnScher,etal.,SomeNewImageSmoothingtechnique,IEEETrans.SMCVol.SMC10,No3醫(yī)學圖像處理專家講座第30頁三、線性平滑算子特征分析1/91/91/91/91/91/91/91/91/9以右側(cè)3×3鄰區(qū)平均模板為例：求出對應Z變換為：所以：以 帶入，得付立葉變換式：醫(yī)學圖像處理專家講座第31頁作出H(wm,wn)幅頻特征圖形，以下列圖所表示醫(yī)學圖像處理專家講座第32頁四、非線性平滑濾波器－中值濾波，百分比濾波，最大值濾波，最小值濾波中值濾波(參考容觀澳：計算機圖像處理，p132)中值濾波是將選定奇數(shù)像素窗口內(nèi)各像素灰度按大小排隊，用中間灰度值代替窗口中原圖像中間位置像素。所以是一個非線性濾波。百分比濾波與中值濾波類似，是將選定奇數(shù)像素窗口內(nèi)各像素灰度按大小排隊，用最靠近某個亮度百分比灰度值代替窗口中原圖像中間位置像素。最大值濾波最小值濾波方法與上述類似，用于檢測圖像中最亮點。方法與上述類似，用于檢測圖像中最暗點。醫(yī)學圖像處理專家講座第33頁4.4頻域濾波增強§4.4.1概述頻域濾波處理普通方法：G(u,v)=H(u,v)F(u,v)f(x,y)F(u,v)G(u,v)g(x,y)變換乘H(u,v)反變換所以：頻域濾波處理關鍵是選取適當濾波器函數(shù)H(u,v)!醫(yī)學圖像處理專家講座第34頁§4.4.2低通濾波一、理想低通濾波器H(u,v)=式中D0是一個非負整數(shù)，D(u,v)是從點(u,v)到頻率平面原點距離。1 當D(u,v)≦D0理想低通濾波器振鈴現(xiàn)象：0 當D(u,v)>D0D(u,v)＝(u2+v2)1/2醫(yī)學圖像處理專家講座第35頁醫(yī)學圖像處理專家講座第36頁理想低通濾波器處理效果：醫(yī)學圖像處理專家講座第37頁理想低通濾波器處理效果：醫(yī)學圖像處理專家講座第38頁二、巴特沃斯低通濾波器n為濾波器階次，D0為濾波器截止頻率醫(yī)學圖像處理專家講座第39頁巴特沃斯低通濾波器處理效果醫(yī)學圖像處理專家講座第40頁§4.4.3高通濾波一、理想高通濾波器H(u,v)=0 當D(u,v)≦D01 當D(u,v)>D0二、巴特沃斯高通濾波器n為濾波器階次，D0為濾波器截止頻率醫(yī)學圖像處理專家講座第41頁巴特沃斯高通濾波器處理效果例醫(yī)學圖像處理專家講座第42頁巴特沃斯高通濾波器處理效果例醫(yī)學圖像處理專家講座第43頁n為濾波器階次，D0為濾波器放射中心，W為阻帶寬度巴特沃斯帶阻濾波器§4.4.4巴特沃斯帶通與帶阻濾波巴特沃斯帶通濾波器醫(yī)學圖像處理專家講座第44頁§

4.4.5同態(tài)濾波(自學)§

4.4.6局部增強(自學)醫(yī)學圖像處理專家講座第45頁一、顏色光基本物理特征：頻率：明亮度：純度：二、加色與減色混色：§4.5.1彩色制式和色彩變換

§4.5（偽）彩色圖像增強醫(yī)學圖像處理專家講座第46頁為便于討論顏色性質(zhì)，能夠?qū)ε渖俜直冗M行歸一化處理，定義：并取x’+y’+z’=1,則任意可配出顏色可用x’和y’來表示，稱為顏色色度值。為對配出顏色亮度(輻射量)進行衡量，還需要定義亮度規(guī)范，通常取y值作為亮度規(guī)范，于是其余兩個配色量可表示為：CIE(國際照明委員會)1931年定義三種標準基色和一組彩色匹配函數(shù)，稱為XYZ顏色模型。任何一個能夠混出色彩Cl

都能夠表示為：三、標準基色與色彩圖其中X，Y，Z稱為標準基色，x,y,z為為配出Cl所需標準基色量。醫(yī)學圖像處理專家講座第47頁利用CIE色度圖能夠進行配色工作。從CIE色度圖出發(fā)能夠：為不一樣基色組比較可配出顏色范圍標識互補顏色于是，單從衡量顏色角度，能夠用(x’,y’)二維空間位置表示顏色，稱CIE色度圖CIE色度圖醫(yī)學圖像處理專家講座第48頁基于視覺三刺激理論，認為人眼視網(wǎng)膜錐狀細胞經(jīng)過對三種可見光刺激強度相對比較感受而區(qū)分顏色。這三種光波分別在630nm，530nm，450nm到達刺激高峰。這種三刺激理論也是彩色視頻顯示器顯示彩色機理。四、RGB顏色模型其中向量R，G，B代表三個元色坐標軸上單位向量上述配色公式可由R，G，B坐標系中單位立方體表示，坐標原點代表黑色，而(1,1,1)代表明色。落在坐標軸上頂點代表三個基色，而其余頂點則代表每個基色互補色。立方體對角線為灰度線。描述RGB三色混合顏色模型稱為RGB顏色模型，可配出顏色Cl

表為：醫(yī)學圖像處理專家講座第49頁在印刷時，因為是靠顏料吸收白光中一些成份而產(chǎn)生顏色，所以需要采取減色處理。為要求各顏料百分比，慣用CMY(K)模型進行計算和轉(zhuǎn)換。其配色方程為：五、CMY顏色模型在實際處理中，常單獨加入黑色而填補混合色吸收不足造成泛灰現(xiàn)象，從而組成CMYK系統(tǒng)。或CMY系統(tǒng)與RGB系統(tǒng)關系可表為：上述配色公式亦可由C，M，Y坐標系中單位立方體表示醫(yī)學圖像處理專家講座第50頁明暗色澤色調(diào)六、直觀顏色概念與HSV顏色模型為表述上述感受，能夠先選擇一個光來調(diào)色，然后經(jīng)過加入一定量白色和黑色來取得不一樣明暗、色彩和色澤。這種關系能夠用色調(diào)(Hue),色飽和度(Saturation)和明暗度(Value)來描述。HSV模型立體表示如圖示，在使用時首先指定色彩角H，且令V＝S＝1，然后，經(jīng)過加