抑制DR图像光晕与噪声的处理算法及其优化研究

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 2.67MB 56 页 15积分

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摘要

医学影像已成为现代医学的一个重要组成部分。在各类图像系统中，

图像的获取、传输和转换总是会引入一些噪声。由于人体结构组织的复

杂性，也会使输出的图像存在一定的光晕、对比度和动态范围较低、细

节清晰度较差等现象，影响医生对图像的判读和诊断。

数字 X射线摄影系统（ Digital Radiography）是一种新的成像技术，

在人体的许多部位优于传统的 X线成像，但对于一些无法优于传统成像

的部位，如肺间质与肺泡病变等方面，由于人体组织厚度的不同，会引

起光晕现象而使图像出现部分过亮或过暗，影响医生对图像的判读和诊

断，需要对 DR 图像进行处理。传统的图像增强算法有灰度变换、直方

图均衡、边缘增强处理等, 还有近些年发展起来的具有时频分析及多尺

度思想的小波变换法，但并不存在一种通用的、适应各种场合的增强算

法。

针对 DR 图像光晕与噪声，在实验了多种图像增强算法的基础之上，

本文提出了一种改进的对比度受限直方图均衡算法。通过应用本文提出

的方法对人体各部位采集的图像进行多次增强，证明了本方法可以很好

地抑制光晕的产生。

在软件系统设计方面，本文基于 VC 平台开发出一个医学影像处理

软件。完整地将本文提出的算法集中进去，并开发了库进行封装。软件

系统也可应用于胸透、腹透、胃肠造影、血管造影等方面，具有辅助诊

断的作用。最后使用 Intel VTune 性能分析器对影像处理软件的性能进

行分析，通过应用 Intel IPP（Integrated Performance Primitives）性能基

元库和改进代码，进一步提高了软件的实用性。

本文设计的软件系统已经嵌入在 DR 影像系统中进行实际应用。图

像的处理效果得到了医生的认可，并且处理时间满足点片的时间要求。

关键词：DR CLAHE 光晕图像增强

ABSTRACT

Medical imaging has become an important component of modern

medical. There is always some noise introduced when acquire, transmit or

convert an image in all types of image systems. The complexity of the

human body structural or tissues will also cause the output image kind of

halo, lower contrast or dynamic range, the poor details of definition, which

will impact the doctors to diagnostic.

Digital X-ray camera system (Digital Radiography) is a new imaging

technology, it is superior to traditional X-ray imaging in many parts of the

human body, but for some parts of human body it can’t be superior to

conventional imaging site, such as pulmonary interstitial and alveolar

lesions. Due to the different thickness of the human tissues, it will cause

halo phenomenon that some of the image too bright or too dark, which will

impact the diagnosis of doctor. We need to deal with that kind of DR images.

The traditional image enhancement algorithm has gray-scale transformation,

histogram equalization, edge enhancement, frequency domain processing, as

well as wavelet transform method, but it does not exist a universal

adaptation of the enhancement algorithm on various occasions.

Through the study of halo phenomenon and noise of the DR image,

this thesis introduced an improved contrast limited histogram equalization

algorithm after tried a variety of image processing algorithms. Based on the

experiment, which we analysis a number of images from various parts of the

human body, it’s proved that the method proposed in this thesis inhibit the

emergence of Halo and reduced image noise very well.

In software system design, I developed a medical image processing

software based on VC platform. All algorithms introduced in this thesis are

concentrated in a library package. The software system can be embedded in

DR imaging systems directly and can satisfy the real-time requirements.

Software system can also be applied to chest, peritoneal dialysis,

gastrointestinal imaging, angiography, etc., which can help the doctor on

diagnosis. To enhance the practicality of the software, I use Intel VTune

Performance Analyzer to analyze the image processing software

performance, and use Intel IPP (Integrated Performance Primitives) library

to improve the code.

The software designed in this thesis has been embedded in DR imaging

system. The doctor has approved the r es ult , and the processing time met the

point of Spot film.

Key Word: DR, Halo, CLAHE, image enhancement

摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................................................................................1

§1.1 医学影像设备的发展 ..............................................................................1

§1.2 数字医学图像及其特点 ......................................................................... 4

§1.2.1 医学影像数字化的意义 .............................................................4

§1.2.2 数字医学图像及其特点 .............................................................6

§1.3 本课题研究的内容与目标 .....................................................................7

§1.4 本文的组织结构 .......................................................................................7

第二章传统的图像增强处理算法 ......................................................................... 9

§2.1 图像增强基础 ........................................................................................... 9

§2.2 灰度变换图像增强 ...............................................................................10

§2.2.1 线性灰度变换 ........................................................................... 10

§2.2.2 分段线性灰度变换 .................................................................. 11

§2.2.3 非线性灰度变换 .......................................................................12

§2.3 基于统计的图像增强算法 ................................................................. 12

§2.3.1 直方图图像增强基础 ............................................................... 12

§2.3.2 直方图均衡化 .............................................................................13

§2.3.3 直方图规定化 .............................................................................15

第三章光晕现象产生原因分析及处理算法设计 ............................................17

§3.1 自适应反 S变换法 ................................................................................19

§3.2 改进的对比度受限直方图均衡 ..........................................................20

§3.3 医学图像质量评价 ................................................................................ 25

§3.4 程序实现及结果分析 ............................................................................26

第四章图像处理软件设计与算法性能分析 .....................................................29

§4.1 软件设计 .................................................................................................. 29

§4.1.1 软件界面设计 .............................................................................30

§4.1.2 医学图像的开窗显示技术 .....................................................32

§4.1.3 效果示例 .................................................................................... 33

§4.2 Intel IPP 性能基元的使用 .................................................................35

§4.2.1 IPP 的特点 ................................................................................. 35

§4.2.2 IPP 的使用 ................................................................................. 36

§4.3 算法的 VTune 性能测试分析 ...........................................................37

§4.3.1 Intel VTune 简介 ..................................................................... 37

§4.3.2 使用 Intel VTune 测试 ............................................................ 38

§4.3.3 实验结果分析 .............................................................................40

第五章总结与展望 ..................................................................................................43

§5.1 本文小结 .................................................................................................. 43

§5.2 未来工作展望 ......................................................................................... 43

附录 1 ............................................................................................................................45

附录 2 ............................................................................................................................46

参考文献 ...................................................................................................................... 50

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果................................................ 52

致谢 ...........................................................................................................................53

第一章绪论

随着电子技术在各个方面的应用，图像的数字化进程十分迅速。数

字图像处理的研究以人为对象，以提高图像的质量，改善人或机器的视

觉效果为目的。图像，作为直观的信息表达和反映形式，越来越广泛的

被应用于社会生活的各个方面。而图像处理技术，也随着人们要求的不

断提高，应用领域的不断扩大而快速发展更新。

人们要求高质量的图像，不仅仅为了满足视觉需要，更因为在信号

分析、通信技术和计算机科学的各个方面，都需要对各种图像进行分析

处理从而得出结论和相关数据。但事实上，由于客观环境和条件的限制，

图像往往会受到各种噪声的污染，以及成像技术的限制导致的细节损失，

都会给后期的识别和利用造成困难，所以图像的增强，很自然就成为了

现代图像处理技术中的重要组成部分。

§1.1 医学影像设备的发展

从伦琴发现 X线，到二十世纪五六十年代超声成像与核素γ闪烁成

像(γ-scintigraphy)的问世[1]，人类在医学影像领域进入了飞速发展阶段。

随着物理学、工程学、电子学以及计算机等学科的发展，各种高新技术

不断应用于 X-线诊断设备领域，CT、MRI 和DSA 等以及分子影像技术

的相继问世，医学影像学从平面照相到数字成像，数字化成为当前影像

技术发展的必然趋势。医学影像技术开始进入全新的数字化、智能化、

快速化影像时代，医学影像设备技术的应用和发展，代表着医学发展中

的一个潮流和趋势，推动着医学的发展。

CR (Computed radiography CR)：

96 年进入我国以来，CR 在荧光材料、读出方式、灵敏度、空间分

辨率、后处理等方面都有了很大的进步[2 ] 。近年出现的双面 IP，采用透

明基板，双面都有读出探测器，激光束扫描 IP 时，两侧的探测器同时采

集信号，提高了信号输出幅度，提高了信噪比。同时这种 IP 使用更厚的

荧光层和更细密的荧光体颗粒，提高了二线吸收率、信噪比，增加了空

间分辨率，使图像质量更好。对于乳腺摄影，采用 IP 的两面采集技术，

实现了 20 像素 /毫米的读取 [3 ] 。现在，CR 系统具有动态范围控制和噪声

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摘要：

摘要医学影像已成为现代医学的一个重要组成部分。在各类图像系统中，图像的获取、传输和转换总是会引入一些噪声。由于人体结构组织的复杂性，也会使输出的图像存在一定的光晕、对比度和动态范围较低、细节清晰度较差等现象，影响医生对图像的判读和诊断。数字X射线摄影系统（DigitalRadiography）是一种新的成像技术，在人体的许多部位优于传统的X线成像，但对于一些无法优于传统成像的部位，如肺间质与肺泡病变等方面，由于人体组织厚度的不同，会引起光晕现象而使图像出现部分过亮或过暗，影响医生对图像的判读和诊断，需要对DR图像进行处理。传统的图像增强算法有灰度变换、直方图均衡、边缘增强处理等,还有近些年发展...

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