醫(yī)學數字圖像技術基礎

醫(yī)學數字圖像技術基礎教學目標：了解對數字圖像及處理技術與數字圖像處理系統(tǒng)基本概念及相關術語；熟悉圖像分析、圖像重建等數字圖像處理技術；掌握圖像質量改善、圖像數據壓縮等數字圖像處理技術。第2章數字圖像技術基礎2.1數字圖像

2.2數字圖像處理

2.3數字圖像處理系統(tǒng)

2.4數字圖像處理基本技術

2.5數字圖像的制式轉換與壓縮

2.1數字圖像教學目標：了解模擬圖像、數字圖像的基本概念及相關術語；熟悉數字圖像質量評價分析相關技術；掌握數字圖像的分類與表示方法。1、模擬圖像2、數字圖像2.1.1圖像的相關概念列(N)行(M)模擬圖像抽樣黑0灰階量化白2553.模擬圖像轉化為數字圖像的過程（1）抽樣；（2）量化4.

分辨率與顏色數

分辨率表示圖像垂直與水平方向的像素點的數量。

顏色數是指一幅圖像最多能表達的顏色數目。

位數顏色數1224416825612409616655362416777216像素表達位數與對應的顏色數2.1.2數字圖像的分類及表示1.數字圖像的分類數字圖像的分類主要有黑白圖像、灰度圖像、彩色圖像、三維圖像等。（1）黑白圖像100001110I=2.1.2數字圖像的分類及表示（2）灰度圖像灰度圖像是指每個像素的信息由一個量化的灰度級來描述的圖像。015020012050180250220100I=2.1.2數字圖像的分類及表示（3）彩色圖像彩色圖像是指每個像素的信息由RGB三原色構成的彩色圖像。25524024025508025500R=01608025516016002550G=08016000240255255255B=2.數字圖像在計算機內部的表示方法（1）單波段數字圖像;（2）多波段彩色數字圖像;（3）二值圖形;（2）多波段彩色數字圖像由紅、綠、蘭三基色表示的彩色圖像及遙感圖像均屬多波段圖像。這類圖像常用下列三種掃描和存儲方式：按色彩幀掃描存儲方式按行掃描存儲方式按像素點掃描存儲方式

按行掃描存儲方式按像素點掃描存儲方式（3）二值圖形二值圖形是黑白圖像的一種特殊情況。每個像素只有二個灰度值1或0，即每個像素僅用一位二進制數表示即可。一切文字和工程線條圖均可經數字化后用二值圖像的形式來表示，例如醫(yī)學心電圖中的線條圖形就是典型的二值圖形。3.數字圖像的存儲（1）合并儲存；（2）圖像壓縮儲存一般儲存單元是字節(jié)，而二值圖像僅用一位二進制碼來表示即可。采用的方法是將相鄰的8個像素點值合并儲存在一個字節(jié)中，以每個像素占用該字節(jié)一個位的方式來表示。優(yōu)點是節(jié)省儲存空間，缺點是顯示或處理時，必須先把每個字節(jié)展開成8個像素，增加了處理的計算量。（2）圖像壓縮儲存

文字和線條圖像是一種特殊的二值圖，這類圖像由于文字或線條只占全圖少量像素，因此可以采用更緊湊的數據壓縮結構來儲存。經常選用下面三種結構來儲存：坐標序列結構坐標序列增量結構鏈碼結構1）坐標序列結構:即由圖中線段某一端頭（非封閉線）或任意像素點（封閉線）的坐標開始，連續(xù)記錄與之連通的像素點坐標，這種方法實際上僅記錄了圖像上有黑色（值為1）的像素點所在的X，Y坐標值，而隱含表示其它沒有被記錄的坐標點為白色，其值均為0。該圖像為512×512像素，則需要2×9×10=180位存儲空間。2）坐標序列增量結構：根據相鄰兩個像素坐標之間的變化，增量為0表示該X或Y方向坐標值保持不變，增量為1表示該X或Y方向坐標值加1而前進一步。坐標序列增量的方法可以用(3,6)(1,1)(1,0)(1,-1)(1,-1)(1,0)(1,0)(1,-1)(0,-1)(-1,-1)序列來表示10個有效黑點像素所示的線條。存儲該圖形需要4×(10-1)+2×9＝54位。3）鏈碼結構：對一個(線條)連續(xù)的像素序列來說，與某一像素連通的后續(xù)像素只可能是0~7中的一個。因此任何一個后續(xù)像素均可用0~7這8個值中的一個來表示它的前進方向，那么用三位二進制碼（八進制數）即可表示連續(xù)的線條圖形。

鏈碼結構法可用(3,6)，7，0，1，1，0，0，1，2，3的鏈碼表示。即用八進制數就可表示，用了2×9+(n－1)×3=45位就可以儲存2.1.3數字圖像質量評價

醫(yī)學成像的目的是要讓觀察者能夠清楚地看到患者體內的某一組織器官的病變情況及其與周圍組織的關系。影響評價數字醫(yī)學圖像質量的因素：噪聲、信噪比、對比度、分辨率及偽影。其中分辨率還包括：空間分辨率、密度分辨率、時間分辨率。2.2數字圖像處理教學目標：了解數字圖像的基本概念及相關術語；熟悉數字圖像處理的相關技術、優(yōu)勢與應用狀況。2.2數字圖像處理

數字圖像處理（DigitalImageProcessing）又稱為計算機圖像處理，它是指將圖像信號轉換成數字信號并利用計算機對其進行處理的過程。

圖像處理目的是改善圖像的質量，它以提高圖像的使用價值為目的。數字圖像處理的優(yōu)點1.再現性好2.處理精度高3.處理速度快4.處理圖像手段靈活5．易存儲6．發(fā)展快7．操作簡單8．易傳輸9．安全10.智能化醫(yī)學數字圖像處理的應用1、黑白圖像的灰階處理2、彩色圖像的頻譜處理3．圖像信息資料的儲存4．實時圖像信息的傳輸5．Internet與醫(yī)學圖像信息的傳輸6．圖像自動識別7．圖像虛擬8．圖像三維重建9．遠程醫(yī)學（Telemedicine）2.3數字圖像處理系統(tǒng)教學目標：了解數字圖像處理系統(tǒng)的基本組成結構與常用的圖像采集設備；熟悉圖像數字化設備常見參數、常用的數字圖像處理軟件。2.3.1數字圖像處理系統(tǒng)的基本組成結構

數字圖像的采集、處理和輸出是由數字圖像處理系統(tǒng)實現的，因此數字圖像處理系統(tǒng)是由圖像數字化設備、圖像處理計算機和圖像輸出設備組成，如圖所示：圖像處理計算機圖像數字化設備

圖像輸出設備輸入圖像輸出圖像2.3.2常用的圖像采集設備2.3.3圖像數字化設備常見參數1.像素(Pixel)2.屏幕分辨率屏幕分辨率又稱屏幕頻率，是指顯示器上最大可顯示的像素數的集合，一般用水平與垂直方向的像素點數來表示。3.位分辨率(BitResolution)

圖象的位分辨率也稱位深，是用來衡量每個像素儲存信息的位數。這種分辨率決定了每次在屏幕上可顯示多少種顏色，或者也將位分辨率稱為顏色深度。

4.設備分辨率(DeviceResolution)

又稱輸出分辨率，指的是各類圖像輸入、輸出設備每英寸上可產生的點數。這種分辨率通過指標DPI來衡量。2.3.4常用的數字圖像處理軟件2.4數字圖像處理基本技術教學目標：了解數字圖像處理基本技術的基本概念；熟悉數字圖像運算方法；掌握灰度直方圖、圖像增強、圖像的幾何變換、圖像分割等圖像處理技術。2.4.1數字圖像運算

數字圖像運算是數字圖像處理的最基本技術，包括算術運算與邏輯運算。算術運算有：加法、減法、乘法運算等，邏輯運算有：求反、異或、或、與運算等。1.加法加法運算的定義：C(x,y)=A(x,y)+B(x,y)。主要應用舉例：我們可以得到各種圖像合成的效果，也可以用于兩張圖片的銜接。2.4.1數字圖像運算1.加法圖像的合成圖像的銜接2.減法減法的定義：C(x,y)=A(x,y)-B(x,y)。主要應用舉例：檢測同一場景兩幅圖像之間的變化，設：時間1的圖像為T1(x,y)，時間2的圖像為T2(x,y)，則C(x,y)=T2(x,y)-T1(x,y)。則C(x,y)=A(x,y)–B(x,y)運算的結果是；去除了圖像背景色、得到了相減運算的圖像C(x,y)，其中C(x,y)為圖像相減運算后，去除了背景的圖像。同一場景兩幅圖像之間的變化2.4.1數字圖像運算3.乘法乘法的定義：C(x,y)=A(x,y)*B(x,y)。主要應用舉例：圖像的局部顯示。用二值蒙板圖像與原圖像做乘法。此種圖像處理操作常被稱為“摳圖”或“蒙板”操作。圖像的局部顯示2.4.1數字圖像運算4.求反求反的定義：g(x,y)=255-f(x,y)。主要應用舉例：獲得彩色圖片的底片，對于黑白圖像，還可獲得區(qū)別于背景的、可恢復的圖形。圖像的求反運算示意圖2.4.1數字圖像運算5.異或異或運算的定義：g(x,y)=f(x,y)?h(x,y)。主要應用舉例：獲得相交子圖像。圖像的異或運算2.4.1數字圖像運算6.或運算或運算的定義：g(x,y)=f(x,y)vh(x,y)。主要應用舉例：合并子圖像。圖像的或運算2.4.1數字圖像運算7.與運算與運算的定義：g(x,y)=f(x,y)ùh(x,y)。主要應用舉例：求兩個子圖像的相交子圖。圖像的與運算以上七種數字圖像的運算方式在實際的醫(yī)學數字圖像處理中可用于醫(yī)學數字圖像的比較、裁剪、拼接、特征提取等融合技術中。例如：數字圖像的減法運算可應用于DSA（數字減影血管造影）的圖像處理中蒙片充盈片減影圖b正片與負片a數字減影血管造影成像2.4.2灰度直方圖1.灰度直方圖的定義

灰度直方圖是灰度級的函數，是對圖像中所有灰度級狀態(tài)分布的統(tǒng)計。即：橫坐標表示灰度級，縱坐標表示圖像中對應某灰度級所出現的像素個數。較暗的圖像較暗圖像的直方圖較亮的圖像較亮圖像的直方圖對比度較低圖像對比度較低圖像的直方圖對比度較高圖像對比度較高圖像的直方圖2.直方圖的用途（1）直方圖可用來判斷一幅圖像是否合理地利用了全部被允許地灰度級范圍。（2）直方圖可用來進行邊界閾值選擇。圖像的輪廓線提供了一個確立圖像中簡單物體邊界的有效方法，使用輪廓線作為邊界的技術被稱為閾值化。直方圖因為提供了一幅圖像的全部灰度信息，因此可以利用直方圖來進行邊界閾值選擇。2.4.3圖像增強

圖像增強是數字圖像處理的方法之一，可以改善從外界獲取的圖像的質量和外觀，或者把圖像轉換成另外某種形式，使其更適合人眼的觀察判斷和圖像分析儀的自動處理。在對圖像進行增強處理時，可以采用灰度變換、圖像平滑與銳化等多種技術綜合處理。必須注意的是：圖像增強實際上是有選擇性地加強圖像中的某些信息，而抑制另一些信息。1.灰度變換（1）線性對比度展寬局部對比度增強（2）動態(tài)范圍調整動態(tài)范圍是指圖像中所記錄的場景中從暗到亮的變化范圍。動態(tài)范圍調整的目的是通過動態(tài)范圍的壓縮或擴展，可以將所關心部分的灰度級的變化范圍擴大。在醫(yī)學影像中，CT圖像在顯示時，調整窗寬和窗位即采用這種技術，既有選擇性地把人體某一組織器官的灰階值范圍映射到顯示設備中，如選擇骨窗（窗位調整），就是選擇輸入X線片中人體骨骼的灰階范圍（窗寬調整），此時屏幕中將清晰地增強顯示出骨骼的影像，抑制其他灰階組織的圖像。（3）直方圖方法采用直方圖修正后可使圖像的灰度間距拉大或使灰度分布均勻，從而增大了反差，使圖像細節(jié)清楚，達到增強圖像清晰度的目的。直方圖處理方法通常分兩種；直方圖均衡化；直方圖規(guī)定化：1）直方圖均衡化圖像均衡化處理后，圖像的直方圖是平直的，即各灰度級具有相同的出現頻數，那么由于灰度級具有均勻的概率分布，圖像看起來就更清晰了。直方圖均衡化實質上是減少圖像的灰度級以換取對比度的加大。

2）直方圖規(guī)定化直方圖規(guī)定化是指將一幅圖像通過灰度變換后，使其具有特定的直方圖形式，如使圖像與某一標準圖像具有相同的直方圖，或使圖像具有某一特定函數形式的直方圖。也就是說，直方圖規(guī)定化的基本思想是變換直方圖使之成為某個特定的形狀，從而可以有控制地達到預定的目標。（4）偽彩色和假彩色偽彩色(pseudocolor)處理是把黑白圖像處理成偽彩色圖像。

偽彩色處理主要解決的是如何把灰度圖變成偽彩色圖的問題，最簡單的辦法是選擇對應于某一灰度值設一彩色值來替代，可稱之為調色板替代法。另外一種比較好的偽彩色處理方法是設定三個獨立的函數，給出一個灰度值，便由計算機估算出一個相應的RGB值。偽彩色示意圖（4）偽彩色和假彩色假彩色(falsecolor)處理是把真實的自然彩色圖像或遙感多光譜圖象處理成假彩色圖像。假彩色處理的主要用途