（信号与信息处理专业论文）艾滋病PA检测图像处理方法的研究与实现.pdf

哈尔滨理t 人学t 学硕j 学位论文 艾滋病p a 检测图像处理方法的研究与实现 摘要 为了改变目前艾滋病p a 检测法中依靠人眼判断而造成的误判率高的问 题，本文将图像处理应用于艾滋病p a 检测方法上。为了更好的进行图像处 理，首先利用图像滤波、直方图变换等图像预处理技术，对图像的噪声和背 景进行相应的处理，获得比原始图像易于处理的图像。图像预处理之后，对 艾滋病p a 检测图像进行了处理分析，提取了图像中包括：面积、周长、距 离、形状因子等参数，对得到的有关数据进行分析，按照检验的判断原理以 及实践经验对图像进行分类，利用m a t l a b 将各种算法应用于p a 图像处 理中，分析最佳的分割闽值，获得最好的边缘提取算法，为图像的进一步处 理做好预处理和分析工作。 根据图像的特点，论文中提出一种新的思想，坐标定位法，目前还没有 人将此种方法应用于p a 的图像处理中，坐标定位法的原理就是利用图像位 置固定不变的i j 提条件，根据图像种类的判断原则，按照坐标对图像进行划 分和裁剪，根据标本分析获得最佳分割闽值、判断界值。该方法不仅算法简 单，运算上容易实现，提高了检验速度，还符合实际应用，准确率高，可以 达到提高准确率的效果。并且该方法还可以用于其它疾病的p a 检测的图像 处理或相似检测的图像处理工作。 论文中给出了坐标定位法的整个处理流程，首先对标本的数据进行分析 处理，获得每个小容器的中心坐标、底半径以及裁剪坐标、分割阈值和判断 界值等：然后根据已经得到的标准数据对读入的图像进行有效性分析、预处 理、裁剪、分割、界值判断，直至得到最终的检测结果。 p a 检测系统的开发利用软件v i s u a lc + + 完成，该软件在w i n d o w s 下开 发，利用a c t i v e x 控件调用扫描仪进行图像采集，最终形成整个的p a 自动 检测系统。 关键词p a 检测；图像处理；图像裁剪；坐标定位：艾滋病：v i s u a i c + + 坠玺薹矍三尘兰三茎竺! ：兰堡篁圣 r e s e a r c ha n di m p l e m e n to ft h ep r o c e s s i n g t e c h n o l o g y o fp a i m a g ef o ra i d s a b s t r a c t m e d i c a li m a g ep r o c e s s i n gi sak i n do fn e w t e c h n o l o g yw h i c hh a sd e v e l o p e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi m a g ep r o c e s s i n g w eu s ed i g i t a l i m a g ep r o c e s s i n gi n m e d i c a lo r i g i n a li m a g eo fp a ( g e l a t i np a r t i c l e a g g l u t i n a t i o n ) t e s tf o ra i d s ( a c q u i r e di m m u n ed e f i c i e n c ys y n d r o m e ) t or e s o l v et h ep r o b l e mo fh i g he r r o r r a t i o w ed op r e 。p r o c e s s i n gt ot h eo r i g i n a l i m a g ei n c l u d i n gi m a g ef i l t r a t i o n ， c h a n g eo fh i s t o g r a ma n ds oo n a f t e rt h ep r e p r o c e s s i n go fi m a g ew eg e tt h e i m a g ew i t hl e s sn o i s ea n db e t t e ro b j e c ti m a g e a f t e rt h a t ，w ea n a l y s i st h ef e a t u r e o rp a i m a g ea n de x t r a c ts o m ep a r a m e t e r so fi m a g ei n c l u d i n ga r e a ，c i r c u m f e r e n c e ， d i s t a n c e ，s h a p e f a c t o r w ec l a s sp ai m a g ew i t ht h e p a r a m e t e r s a n dt h e d e t e r m i n a t i o no fp at e s t w ep u tm a n ya l g o r i t h m so nt r i a lw i t hm a t l a bt og e t t h eb e s tt h r e s h o l do fs e g m e n t a t i o na n de d g ea b s t r a c t i o n w ep r e s e n tan e wt e c h n i q u eo fi m a g ep r o c e s s i n gf o rt h ef e a t u r eo fp at e s t i m a g e ，w h i c hi sn a m e dc o o r d i n a t es e t t i n g n oo n eh a du s e dt h i st e c h n o l o g yi np a t e s ti m a g ep r o c e s s i n gb e f o r eu s t h ep r e c o n d i t i o no ft h i st e c h n o l o g yi st h a tt h e i m a g eh a sf i x i n gc o o r d i n a t e w ea n a l y s i st h es a m p l e st og e tt h ed a t ai n c l u d i n g c o o r d i n a t eo fc e n t e ra n dt h e r a n g o fk i n d si m a g e sa n dt h et h r e s h o l do f s e g m e n t a t i o na n dt h ec u t t i n gr a n g ；t h e nw ec a ns e g m e n tt h ei m a g ew i t ht h ed a t a ； a tl a s t ，t h er e s u l ti se x p o r t e da f t e rd a t aw a sj u d g e d t h i st e c h n i q u ei ss i m p l ea n d v e r a c i o u s ；a n di ta l s ot u r n so u tt h a ti ti ss u i t a b l ef o rt h ep r o c e s s i n ga n da n a l y z i n g o fo t h e ri n f e c t i o u sd i s e a s e s p at e s ti m a g e t h ep a p e rp r o v i d et h ef l o wo fi m a g ep r o c e s s i n g ，f i r s tw ea n a l y s i st h ed a t ao f s a m p l e s ，w ep u tt h ed a t at h a ti n c l u d i n gc e n t e rc o o r d i n a t e ，t h ec o o r d i n a t eo fl i t t l e v e s s e l ，c u t t i n gc o o r d i n a t e ，t h r e s h o l do fs e g m e n t a t i o na n de d g ed a t ai n t op r o g r a m o ft h en e wp at e s ti m a g ep r o c e s s i n g t h e nw ec a np r o c e s st h en e wp at e s ti m a g e w i t ht h e s ed a t a t h ef l o wi s t h a t i m a g ei n p u t t i n g ，i m a g ec u t t i n g ，i m a g e 坠查堡矍二尘兰三兰堡! ：耋堡垒兰 a v a i l a b i l i t ya n a l y s i s ，i m a g ec r o p p i n g ，i m a g ep r e - p r o c e s s i n g ，i m a g es e g m e n t a t i o n ， r e s u l tf i x i n g ，a n dr e s u l to u t p u t w ec o m p l e t et h ew h o l es y s t e mw i t hv i s u a lc + + a n ds c a n n i n gi n s t r u m e n t t h ep at e s ts y s t e mi sd e v e l o p m e n tw i t hs o f t w a r ev i s u a lc + + w h i c hw o r k si nt h e e n v i r o n m e n to fw i n d o w s w ep i c kt h ei m a g ew i t hs c a n n i n gi n s t r u m e n tb y a c t i v e xc o n t r 0 1 k e y w o r d sp at e s t ：i m a g ep r o c e s s i n g ：i m a g ec r o p p i n g ：c o o r d i n a t es e t t i n g a l d s ：v i s n a lc + 4 - - 1 1 1 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文艾滋病p a 检测图像处理方 法的研究与实现，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间 独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含 他人己发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：弧；芍、军 日期：工司年多月上日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 艾滋病p a 检测图像处理方法的研究与实现系本人在哈尔滨理工大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈 尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全 了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关 部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内 容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密曰。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名：。贰；芎、军 日期：二司年jn 2 9 日 导师签名屯扛勃日期汐毋；月力白 哈尔滨理t 人学t 学硕i 学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近几十年来计算机技术蓬勃发展，与之相关的各种技术也有了很大的进 步，计算机视觉，计算机智能，图像处理技术也越来越成熟。同时，关于图像 处理的算法研究也越来越多，随着图像技术日益完善，图像处理技术已经广泛 的用于工业，军事，医学，交通，农业等各个部门【1 i 。 目前，我们所指的图像处理基本上都是数字图像处理，所谓数字图像处 理，就是指用数字计算机及其他有关数字技术，对图像施加某种运算和处理， 从而达到某种预想的目的【2 l 。数字图像处理的发展丌始于6 0 年代初期，美国在 航天返回的图片中采用了数字图像处理技术，7 0 年代，医学上也开始运用数字 图像处理技术【1 ”。 医学图像处理是近三十年来发展起来的新兴技术1 3 ”，以前医学上对于图 像包括微观图像、射线图像和检测图像等都是直接依靠肉眼的判断，而医学图 像处理技术就是利用计算机来对医学图像进行辅助处理口l ，解决以前单纯依靠 人为判断而出现的各种问题。目前医学上的图像处理主要是以显微图像和影像 图像为主 3 1 。在细胞分析，射线分析方面，图像处理技术已经比较成熟，应用 也日益广泛，但是在非显微图像方面的应用还比较少。 同时，伴随着计算机技术的发展，图像处理技术的同益成熟以及硬件的只 益完善1 6 1 ，图像处理技术的应用范围越来越广泛。图像采集的工具也越来越完 善，无论是准确率还是速度，都可以达到检测的要求，正是由于图像处理技术 在算法上，软件上还有硬件上都越来越完善，从而为医学上应用图像处理技术 提供了技术支持，为艾滋病p a 检测仪的研制提供了技术上的前提条件。 1 2 艾滋病检测国内外研究现状 现在，世界上在艾滋病检测仪器的研制己经取得了很多的成效，大量判断 准确的大型检测仪器，已经在实际中进行了应用：同时，方便使用、可以于家 中自我检测的艾滋病检测试纸在外国也已经很普及。目前广泛使用的艾滋病检 测仪体积与冰箱大小相仿，检测准确，平均价格大约为7 5 万美会。小型检测 哈尔滨理t 大学t 学硕i 学位论文 仪器的研制近年来也取得了很大的成功，小型检测仪器简单、容易携带，目前 价格一般1 0 0 0 美元左右。自我检测试剂在研制上也基本成熟，在准确度上也 很可靠。总体来说，发达国家目前在检测仪器和检测技术上的研究都很成功， 可以满足检测的需要。 但是我国国内在艾滋病检测技术方面还是比较落后的，2 0 0 2 年四月以厦门 大学为主的科研人员研制出的艾滋病检测试剂盒一艾滋病( h i 第三代抗体 诊断试剂盒，结束了我国必须依靠进口原料来生产艾滋病检测试剂的历史。在 检测仪器方面，我国远没有达到国际水平，国内基本上没有专门研制者，一般 都是从外国进口。 1 3 研究的背景与意义 艾滋病，医学全名为“获得性免疫缺陷综合症”( a c q u i r e di m m u n e d e f i c i e n c ys y n d r o m e - - a i d s ) ，是人体感染了人类免疫缺陷病毒( h i v ) ，又称 艾滋病病毒所导致的传染病n 。通俗地讲，艾滋病就是人体的免疫系统被艾滋 病病毒破坏，使人体对威胁生命的各种病原体丧失了抵抗能力，从而发生多种 感染或肿瘤，最后导致死亡的一种严重传染病。这种病毒终生传染，破坏人的 免疫系统，使人体丧失抵抗各种疾病的能力 3 1 。当艾滋病病毒感染者的免疫功 能受到病毒的严重破坏，以至不能维持最低的抗病能力时，感染者便发展为艾 滋病病人唧。随着人体免疫力的降低，人会越来越频繁地感染上各种致病微生 物，而且感染的程度也会变得越来越严重，最终会因各种复合感染而导致死亡 【3 1 。艾滋病主要通过血液、不正当的性行为、吸毒和母婴遗传四种途径传播 1 3 】。 虽然全世界众多医学研究人员付出了巨大的努力，但至今尚未研制出根治 艾滋病的特效药物，也没有可用于预防的有效疫苗，因此，艾滋病也被称为 “超级癌症”和“世纪杀手”。目前，这种病死率几乎高达1 0 0 的“超级癌 症”已被我国列入乙类法定传染病，并被列为国境卫生监测传染病之一。目前 全球有近4 0 0 0 万人感染了艾滋病病毒，据卫生部通报，截至到2 0 0 6 年1 0 月 3 1 同，我国的艾滋病病毒感染者1 8 3 7 3 3 例，其中艾滋病病人4 0 6 6 7 例，死亡 1 2 4 6 4 例。 艾滋病具有传染性1 7 1 ，是一种传染病，同时又没有特效的治疗和预防的药 物，而且，艾滋病毒在人体内的潜伏期平均为1 2 年至1 3 年，在发展成艾滋病 人以前外表看上去币常，他们可以没有任何症状地生活和工作很多年，艾滋病 晴尔滨理t 大学t 学顾i 擘位论文 毒携带者一样具有传染性。因此，艾滋病毒感染者的及早发现至关重要。很多 的情况下，由于艾滋病毒携带者或者艾滋病人自己不知情，等到发现时，已经 传染了很多人，而且也耽误了病人自身的治疗。 正是由于艾滋病及早发现的重要性，使得艾滋病的检测至关重要，所以世 界上投入了大量的人力和物力致力于艾滋病检测仪器和试剂的研制；但是就我 国的实际情况而言，我国在艾滋病的检测技术方面仍比较落后，目前我国大部 分地区仍使用p a ( g e l a t i np a r t i c l ea g g l u t i n a t i o n ) 检测法，单纯依靠肉眼判断检 测结果。针对这种情况，我们提出了利用计算机对检测图像进行辅助处理，希 望可以提高检测准确率，实现检测简单化，为我国的艾滋病防治工作尽一份 力。 1 4 课题来源 正是由于我国在艾滋病检测技术方面还比较落后，所以我国目f j 检测仪器 和试剂上主要还是依靠进口，这些设备价格昂贵，对于我国大型医院，可以引 进艾滋病检测仪，可是普通的小医院尤其是乡镇医院，引进艾滋病检测仪的可 能性很小；同时，由于我国艾滋病集中发病的地区大部份都是比较贫困的地 区，这些地区的医院没有能力购进检测仪器，人们的知识水平也较低，对艾滋 病了解不够，不懂得怎样去做自我检测，使用自我检测试纸的人又极少，所以 主要的检测都集中在医疗部门。因此怎样方便又可以价格低廉的进行艾滋病检 测以及艾滋病普检就是很重要的问题。 正是由于我国的国情，目前我国主要采用p a 检测法，p a 检测法在技术上 已经成熟，判断结果的准确率可以达到实际要求，并且不需要什么特殊仪器， 价格低廉，一般的医疗部门都可以担负，因此在我国得到了很普遍的应用。 p a 检测全称为：明胶颗粒凝集试验( g e l a t i np a r t i c l ea g u t i n a t i o n ，p a ) 法 s l 。它的原理是：当血清或血浆中有h w 抗体存在时，经h i v 抗原致敏的明胶 颗粒与抗体发生抗原抗体作用并产生肉眼可见的凝集反应【8 l 。本试验是一种快 速的h i v 血清抗体检测方法1 8 1 。该技术已经基本成熟，准确率高，操作简便， 可单一标本检测，且无需特殊仪器设备，适合门诊少量标本的检测，所以该检 测方法非常适用于在我国使用，而且目前已经基本普及。 虽然p a 检测技术成熟，实际操作方便，成本低，准确率高，是一种适应 我国国情的有效艾滋病检测方法，但是，在检测结果的判断上，目前仍停留在 人工阶段，完全依靠人眼的判断，在很大程度上依赖于人的主观经验，而且常 哈尔滨理t 人学t 学硕i 学位论文 常会受到外界环境的影响，因此假阴性、假阳性出现的几率较高。病情严重度 的判断，也常会出现差错，很多的情况下，同一化验结果对于不同的化验员会 得出不同的结论，影响了病情的准确判断，以及病人的治疗时机。 正是由于此问题的存在，我们与哈尔滨市疾病预防控制中心合作提出了该 课题，希望利用计算机数据处理迅速、判断准确、客观的特点，对艾滋病检测 图像进行辅助处理，从而降低艾滋病检测的误判率；同时由于检测可以自动进 行，不需要特定的技术人员，而且该仪器成本较低，携带方便，为艾滋病的普 检工作的实现提供了有利条件，使艾滋病毒携带者可以及时被发现，无论对于 国家、他人还是患者，及早发现都是最好的。 1 5 本文的主要研究内容 针对艾滋病p a 检测人为判断出现的问题，本课题拟对艾滋病化验图像自 动分析识别系统的理论和方法，以及系统的实现进行深入的研究，以开发出基 于计算机和扫描仪的艾滋病化验结果自动分析识别系统。其中医学化验及相关 知识方面，由哈尔滨市疾病预防控制中心艾滋病性病研究所提供。 1 、在哈尔滨疾病预防控制中心利用数码相机进行图像采集。目前艾滋病 化验比较少，我们一般是以以前保留的化验标本，以及课题研究过程中采集到 化验标本作为主要研究对象。其中艾滋病p a 检测法的判断标准由哈尔滨疾病 预防控制中心提供。 2 、根据采集到的图像的特点，以及疾病诊断原理，对图像进行分析。为 了得到更好的处理效果，首先对图像进行了预处理，根据需要对图像进行裁 剪，取得适用的图像；由于采集过程中受光线的影响，会出现亮点，这是最主 要的外界噪声，使用边缘判断法，对图像进行预处理，实现噪声的消除，获得 更易于处理的图像。 3 、为了对图像进行分割，寻找最佳算法，首先试验具有可行性的多种算 法，例如o s t u 法等，但是实验结果表明，现有的常用算法并不适合该检测图 像：最后经过分析试验，针对该图像的特点，提出了最为适合的坐标定位法 ( 目前还没有医学图像处理采用坐标定位法) 。 4 、在算法确定后，对图像的各种参数包括面积，圆心，半径等进行统计 分析；为了判断可行性，首先利用m a t l a b 的数字图像处理功能，对算法进 行了仿真，结果表明，图像处理结果可以达到要求，可以降低误判率，基本上 可以实现无假阴、假阳性；由于艾滋病化验标本目前非常有限，目前的化验标 哈尔滨理t 大学t 学硕 1 学位论文 本都可以准确判断，特殊情况有待于在实际情况下进一步完善。 5 、利用v i s u a lc + + 实现了整个自动检测系统。为了实现艾滋病p a 检测的 自动分析，在最初的算法及仿真实现后，最终的目的就是要实现一个可应用的 系统。首先，根据化验标本的特点，图像采集工具使用了扫描仪，利用微软曾 经在9 8 系统下提供的图像扫描控件，在系统中进行注册后，就可以在该系统 中使用此控件，从而实现在v i s u a lc + + 下对扫描仪的直接调用，然后利用 v i s u a lc + + 的界面功能以及其数据处理功能，完成整个界面的开发和系统的实 现。 哈尔演理t 大学t 学硕l 学位论文 第2 章艾滋病p a 检测图像处理方法 2 1 数字图像 通常我们看到的图像是模拟图像，也就是说是一幅连续图像，可以用触，y ) 来表示一幅连续图像，其中毒，) ，为坐标值，厂为幅值。当x ，y 和厂都是有限 的、离散的数值时，则称为数字图像【1 i ，它们是由一个个象素点组成的。正是 由于这个原因，数字图像处理要求很大的存储和计算能力，所以数字图像领域 的发展必须依靠数字计算机和数据存储、显示等技术的提高。 数字图像的研究主要在两个领域，一是为了便于人们分析图像，从而改进 图像，二是为了可以使机器理解图像，机器只可以理解转化为具体数字的图 像，如果利用计算机进行辅助处理，必须首先让机器可以理解图像。 正是伴随着存储、显示技术的进步，2 0 世纪6 0 年代早期第一台可以执行 有意义图像处理任务的大型计算机出现，当时由“旅行者7 号”卫星传送的 月球图像由一台计算机进行了处理1 9 l ，在这一时期，主要是计算机的开始使用 和空间项目的开发【l j l 9 i ；6 0 年代末7 0 年代初开始应用于医学图像、地球遥测、 和天文学领域【1 1 ；迄今为止，己在各行业、各学科广泛应用【1 0 1 ，几乎涉及到了 各个领域。 2 2p a 图像采集工具的选取 数字图像处理的第一步必然是图像的获取，如果需要感知一幅图像，必须 需要两个部分，首先，图像的获取必然需要物理的传感设备，使用感应器将图 像的灰度等特性转化为电信号，根据电信号得到一幅连续图像f ( x ，y ) ，然后要 将连续图像转化为数字图像，也就是图像的取样和量化i 】i 。 对于连续图像，0 ，y ) ，图像x 和y 的坐标和输出值都是连续的，为了把它 转化为数字图像的形式，必须在坐标和幅度上都做取样操作，数字化坐标值称 为取样，数字化幅值称为量化。实际上就是对于连续图像触，y ) 按照一定的规 则进行逐个采样，得到一系列的对应于原始图像的离散值，这些值组成了数字 图像。 取样和量化的结果是一个实际矩阵1 1 i 。可以用下面的紧凑矩阵形式写出完 哈尔演理t 人学丁学硕i ：学位论文 整的m x n 表示如下【“j ： ，o ，) ，) = f ( o ，0 )f ( o ，1 ) f ( o ，n 一1 ) ，q o )，( 1 ，1 ) f 0 , n 一1 ) f ( m - 1 ) f ( m u ) f ( m 一1 ，一1 ) ( 2 1 ) 我们所处理的图像就是形成矩阵形式的数字图像，其中，取样值是一幅图 像空间分辨率的主要参数。我们研究的一般都是灰度图像，所以介绍一下灰度 图像的基本概念，首先介绍一下灰度分辨率，灰度分辨率指在灰度级别中可以 分辨的晟小变化1 4 1 。出于硬件方面的考虑，一般灰度级都会采用2 的整次幂1 1 1 1 4 1 。通常我们把大小为m n ，灰度为l 级的图像称为空间分辨率为m n 象 素，灰度级分辨率为l 级的数字图像。很明显，空间分辨率或灰度级分辨率越 高，图像的效果自然越好，不过两个因素共同作用的时候比较复杂，具体情况 具体分析。 在图像采集工具上，我们对各种图像采集工具，包括扫描仪、摄像头、数 码相机进行了比较分析，针对我们采集的图像的特点，我们选择了扫描仪作为 图像采集的工具。我们选择扫描仪的主要原因有一下几个方面。 1 、我们要处理的图像如图2 1 所示，可以看出试剂容器基本上有一平整的 表面，里面是液体，如果使用扫描仪，可以将容器放到扫描仪上采集，可以很 好的控制容器的位置，从而控制输入的图像，更方便于系统的整体实现和稳定 性的保证；如果使用摄像头或者数码相机，则容器不容易固定位置，给图像采 集带来一定的困难，导致系统的整体稳定性不好。 2 、扫描仪本身可以进行封闭采集，可以减少外界的干扰，比如减弱外界 光线带来的亮点噪声。 3 、从性价比上来考虑，通常的灰度扫描仪，厌度分辨率有2 5 6 级，彩色 扫描仪对应的r g b 三刺激值的分辨率也都有2 5 6 级m l ，足以达到我们图像采 集的分辨率要求，所以低端扫描仪就完全可以适应课题的需求，而且它价格低 廉，一般都在几百元左右，有利于降低成本价格，为进一步实现扫描仪进入乡 镇医院提供了成本上的可行性。 哈尔演理t 人学t 学硕 ：学位论文 圈2 1 艾滋病p a 检测原始图像 f i g 2 1 t h e o g i n a li m a g e o f p a t e s t f o r a i d s 2 3p a 图像预处理 同任何原始图像一样，虽然我们采取了很多措施去避免给图像带来噪声， 希望获得处理起来最方便、效果最好的图像，但是在事实上，我们采集到的图 像仍然会被噪声影响，比如机器本身的噪声，容器上的污渍等等：除此之外， 由于我们采集的实际图像是立体图像，如图2 1 所示，从图中也可以看出，该 容器是有一定的深度的，采集图像时，边缘的图像形状必然会有所偏差，所以 适当的图像预处理工作是非常必要和重要的。 由于图像的前期预处理分析中我们需要大量的图像特征数据，为了得到这 些数据，我们必须对大量的图像进行处理：同时，为了试验各种算法，进而判 定各种算法的优缺性，决定算法的采用，也需要大量的算法分析，这些都意味 着要处理大量的数据，在此前提下，我们选择了采用m a t l a b 软件做前期的 图像预处理和数据分析工作。 m a t l a b 是m a t r i xl a b o r a t o r y 的缩写m 1 1 “i ，如同它的英文名字一样，它的 核心就是大量的矩阵处理，正是由于矩阵处理的采用，m a t l a b 具有强大的 数据处理功能。最仞它由美国的c l e v em o l e r 博士在7 0 年代未讲授矩阵理论和 数据分析等课程时编写的软件包l i n p a c k 与e i s p a c k 组成【1 5 i ，目的在于使应用 人员免去大量的经常重复的矩阵运算和基本的数学运算等繁琐的编程工作；到 1 9 8 4 年，他们组建了m a t h w o r k s 公司，开始币式丌发m a t l a b 软件，并且推 向市场；到1 9 9 0 年m a t h w o r k s 又推出了以框图为基础的控制系统仿真工具 哈尔演理t 人学丁学硕l 学位论文 s i m u l i n k ，1 9 9 3 推出w i n d o w s 版本【1 6 i ；到了1 9 9 9 年的时候，m 棚a b 5 3 版 本推出，真正实现了3 2 位运算，其速度更快、功能更完善、界面更友好，并 且提供了i n t e r a c t 的搜索引擎，可以协助用户寻求网络帮助，使得m a t l a b 的 应用进入更广阔的区域【1 6 1 。到现在m a t l a b 功能更为强大和全面，目前它拥 有大量的工具箱去处理各种数据运算，包括：信号处理工具箱，控制工具箱， 通信工具箱等，几乎涉及到了项目中各方面的应用，并且m a t l a b 的仿真系 统也非常强大，应用范围广泛。 针对我们课题而言，利用m a t l a b 的图像处理工具箱，我们可以使用 m a t l a b 的简单的语句来实现算法的运用，可以方便的比较各种算法的优缺 点，进行图像特征的统计分析，而且m a t l a b 还有灵活的绘图功能，我们可 以轻易的生成用来分析图像的直方图、变换图，函数曲线等。 2 3 1 图像增强 图像增强是指按特定的需要突出一幅图像中的某些信息，同时削弱或去除 某些不需要的信息，它是一种将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣 的特征，抑制不感兴趣的特征，使之改善图像质量、丰富信息量，加强图像判 读和识别效果的图像处理方法i ”。所谓的适合特定的应用也就是指以后的进一 步的图像处理工作，比如图像分割，特征提取等；在获取图像的过程中，由于 多种因素的影响，图像质量可能退化1 1 b l ，进行图像预处理工作就是为下一步图 像处理工作所作的前提准备。 图像增强的方法分为两大类：空间域方法和频域方法【1 9 1 。其中频域方法 就是先将图像进行傅立叶变换，将其变换到频域，然后在频域对图像进行处 理，最后将处理过的结果经过傅立叶反变换回到空间域上。空i 日j 域的图像增强 技术是以对图像象素直接进行处理为基础的，该类方法使用比较简单，运算速 率快。频域变换的方法一般比较复杂，因为我们所处理的图像没有太多的目标 物，从实时性上来考虑尽量避免复杂的计算量大的算法，我们倾向于采用空间 域的方法，而且实践证明，图像处理的效果可以达到要求。 空间域的图像增强主要有三种常用的函数类型：线性函数、对数函数、幂 次函数m j ，其中线性变换主要是图像反转。对数变换的一般变换形式为： s = c l o g ( 1 + r ) 、 ( 2 - 2 ) 式中r 处理后象素 哈尔演理t 大学t 学硕i 辱位论文 广为处理前象素 c 为对数变换的系数 以后的公式中如果没有特殊标记，、s 的表示含义不变。 幂次变换的基本形式为1 1 6 l ： s c r ( 2 3 ) 式中c 幂次变换的系数 一般我们称幂次等式中的指数为伽玛值；用于修正幂次响应现象的过程 称为伽玛校正。由于扫描仪内部射线管本身会带来幂次响应，影响图像的灰暗 程度，因此在扫描仪的预处理上就采用了相应的伽玛校正，这样可以使输出的 图像接近于真实图像。具体的指数值，当，1 时，会让图像变得更加灰暗，当 ，c 1 时，会使图像变得明亮【1 6 l 。对于原始较为灰暗的图像，如图2 2 a 1 所示，采 用伽玛因子0 6 校正，伽玛校正的效果如图2 - 2 b ) 所示。 a 1 原始 璺i 像 2 3 2 噪声处理 b 1 伽玛校正后图像 图2 - 2 伽玛校正效果图 f i g 2 2t h ei m a g ec o n t r a s ta f t e rve m e n d a t i o n 在图像的采集过程中，无可避免的会引入噪声，包括机器噪声、传输噪 声，以及图像采集中其他可能的噪声。为了处理图像中进入的亮点等不定性的 噪声，采用了图像平滑处理，因为这些噪声并不相关，出现无规律性，属于随 机噪声，因此使用平滑滤波。 平滑滤波主要有三种处理方法：线性滤波、自适应滤波、中值滤波i 】6 i ：线 性滤波般是指邻域平均滤波，它是一种局部空间域处理的算法m l 。对于给定 的图像彤，) 中的每个象素点伽，n ) ，取其邻域s ，设5 含有m 个象素点，取 其平均值作为处理后所得图像象素点伸，1 ) 处的灰度值。也就是用此象素邻 哈尔滨理t 人学t 学硕l j 学位论文 域内各象素灰度的平均值来代替象素原来的扶度。邻域s 的形状和大小根据图 像的特点确定，一般采用正方形。如s 为正方形，3 3 邻域平均滤波的公式： 砌川- 吾妻室肋“州) ( z 川 采用正方形，5 5 邻域进行平均滤波，原始图像如图2 - 3 a ) 所示，滤波后 图像如图2 - 3 b ) 所示。从图像中可以看出，经过邻域平均滤波，原有的亮点以 及其他噪声都明显减弱，但是同时图像变得模糊，尤其是图像边界，更加难以 提取，这也正是均值滤波所存在的缺点，会因此影响图像进一步的特征提取。 a ) 原始l 璺| 像b ) 邻域均值滤波后| 玺| 像 图2 - 3 邻域均值滤波效果 f i g 2 - 3t h ei m a g ec o n t r a s ta f t e ra v e r a g ea r i t h m e t i cf i l t e r 自适应滤波是一种可以根据图像局部方差来自动调节滤波器的输出的滤波 方法，当局部方差小时，滤波器的平滑效果较弱，当局部方差变大时，滤波器 的平滑效果也相应增强川。一般自适应滤波多用于含有白噪声的图像1 7 1 ，此时 处理效果最好。使用自适应滤波进行图像处理，原始图像如图2 - 4 a ) 所示，滤 波后图像如图2 - 4 b ) 所示。从图像中可以看出，自适应滤波后图像清晰度不 变，噪声的影响减弱，但是减弱幅度比邻域均值滤波小。 a ) 原始幽像b ) 白适应滤波后图像 图2 - 4 白适应滤波效果 f i g 2 - 4t h ei m a g ec o n t r a s ta f t e ra d a p t i v ef i l t e r 哈尔滨理t 大学t 学硕f 。学位论文 中值滤波1 2 1 堤抑制噪声的非线性处理方法，适于处理随机噪声。对于给定 的n 个数值似。口2 ， 口。) ，将它们按照大小有序排列，当n 为奇数时，位于中 间位置的那个数值称为这n 个数值中值；当凡为偶数时，位于中白j 位置的两个 数值的平均值称为这 个数值的中值f “l 。一般记为：m e d ( a j 一3 一。) 。在图像 处理中，中值滤波的过程如下： 1 、在给定的象素与其邻域的范围内取每个象素的灰度值。 2 、将得到的数值按照从大到小排序。 3 、取值位于中间的数值作为给定象素的灰度值。 采用 5 ，5 模块中值滤波，原始图像如图2 5 a ) 所示，滤波后得到图像如 图2 5 b ) 所示。从图中可以看出，对于光线带来的亮点噪声和其他的小噪声点 带来的影响都可以明显减弱，图像并没有变得模糊，边缘仍很清晰。中值滤波 的缺点在于排序算法计算量大，在图像尺寸较大的情况下，算法处理时间过 长，无法满足实时性的要求。为了克服这些问题，近年来出现了多种改进的算 法i ”归1 。由于在该课题中处理的一般都是小尺寸图像，所以可以采用普通的中 值滤波。 a ) 原始图像b 冲值滤波后图像 图2 5 中值滤波效果 f i g 2 - 5t h ei m a g ec o n t r a s ta f t e rm e d i a nf i l t e r 从以上三种方法处理的图像比较来看，中值滤波和线性滤波滤除噪声的效 果相当，自适应滤波效果较差，中值滤波时目标图像受影响较小，线性滤波会 造成图像模糊，所以在平滑滤波时，我们采用的是中值滤波。 2 3 3 直方图处理 直方图是图像处理中最重要的基木概念之- - “i ，直方图处理是图象处理 技术中应用最为广泛的一种处理方法。直方图就是其灰度级的一个概率分布 哈尔滨理t 大学丁学硕f 学位论文 图。设灰度级为【0 ，l - 1 】范围的数字图像直方图是离散函数 ( r d = ，l 肼这里r k 是第k 级扶度；n 。是图像灰度级为k 级的象素个数，经常用除以n ( 象素 总数个数1 来得到归一化的直方图1 1 6 1 ： p ( k ) n k ( 2 5 ) 当直方图分布比较均匀时，图像对比度明显增强，所以我们可以通过对直 方图的变换来改善图像的效果。一幅较暗图像，直方图分布集中；一幅好图 像，直方图分布比较均匀。直方图均衡化就是利用直方图，将原本概率分布比 较集中的图像转换为概率分布比较均匀的图像。离散的函数形式为： tto s r ( ) - p n ) - 兰k 一0 , 1 , 2 l 一1 ( 2 6 ) 式中s 。_ 输出图像灰度级， r ；灰度级为，的像素个数， p 也卜1 出现的近似概率： 只“卜n _ 。l 原始图像如图2 - 6 a ) 所示，经直方图均衡变化后，我们得到图像如图2 - 6 b ) 所示，原始图像对应的直方图如图2 - 7 a ) 所示，变换后图像的直方图如图2 - 7 b ) 所示。从直方图中可以看出，原来的直方图比较集中，处理后，直方图的分布 比较均匀，说明灰度分布更加均匀；从图像效果中可以看出，相比较原始图 像，处理后图像的对比度加强，一部分容器更加接近于白色，目标图像的灰度 加深，视觉效果好了很多，更适合人的视觉特性例。 a ) 原始图像b ) 直方幽均衡化后的幽像 图2 - 6 直方i 生l 均衡前后对比 f i g 2 - 6t h ei m a g ec o n t r a s ta f t e rh i s t o g r a me q u a l i z a t i o n 喻尔滨理t 大学t 学硕i ：学位论文 m u l 卜“也 1 曲原始图像直方图 灰度值 b ) 均衡化后的直方图 图2 - 7 均衡化直方图 f i g 2 - 7 t h eh i s t o g r a me q u a l i z a t i o n 但是，另一方面，在图2 - 6 b ) 中可以看出，一部分容器和背景厌度也加深 了，使得目标和背景的分离更加困难，而且，目标图像边缘的阴影被加强了， 对于图像的进一步处理带来了不好的效果，尤其当图像比较亮时，影响更为严 重，如图2 8 所示。图2 - 8 a ) 为原始较亮的图像，2 - 8 b ) 为直方图均衡化处理 后的图像，可以看到目标物边缘变的难以区分，反倒给图像处理带来了更大的 困难。因此，在图像的分析中我们根据情况使用直方图的均衡，针对某些过 于暗的图像，采用均衡滤波，而最终的自动处理系统不采用均衡化，以免引入 不必要的复杂度。 a ) 较亮的原始图像b ) 直方幽均衡化后的图像 图2 - 8 亮度图像直方幽均衡前厉对比 f i g 2 - 8t h ei m a g ec o n t r a s ta f t e rh i s t o g r a me q u a l i z a t i o no fb r i g h t n e s si m a g e 3 5 童囊 妒 哈尔演理t 人学t 学硕i 学位论文 2 4 灰度图像分割方法 2 4 1 边缘检测 为了获得图像的周长，形状等参数，首先需要对图像进行边缘检测，边缘 检测是图像处理的重要内容，是模式识别和计算机视觉的基础i z q 。所谓边缘或 ( 边沿) 是指其周围像素灰度有阶跃变化或屋顶变化的那些象素的集合。从图 像学上来讲，图像函数的一阶导数可以用于检测图像的一个点是否是边缘上的 点( 也就是判断一个点是否在斜坡上) ，二阶导数的符号可以用于判断一个边缘 象素是在边缘亮的一边还是在暗的一边，一幅数字图像的一阶导数是基于各种 二维梯度的近似值。图像，酝，) ，) 在位置o ，y ) 的梯度定义为下列向量： w 。阶 矽 _ 一 缸 可 _ 。一 砂 ( 2 7 ) 从向量分析中可以看出来，梯度向量指向坐标g ，y ) 的最大变换率方向。 在边缘检测中，一个重要的量是这个向量的大小，利用这个量进行方向变化的 检测，用来寻找边缘。 d a v o i d ! ”i 将边缘检测技术分为两类：串行边缘检测、并行边缘检测。所谓 串行边缘检测技术是指：要想确定当前象素点是否属于欲检测边缘上的一点， 取决于先前象素的验证结果；而在并行边缘检测技术中，一个象素点是否属于 检测边缘上的一点取决于当前正在检测的象素点以及该象素点的一些相邻象素 点，这样该模型可以同时用于图像中的所有象素点，因而称之为并行边缘检测 技术。 显然串行边缘检测技术在很大程度上受起始点的影响，先前检测象素的结 果对下一个象素的判断也有较大影响。另外，并行边缘检测有许多微分算子可 以使用，如s o b e l 梯度算子、r o b e r t s 梯度算子、p r e w i t t 算子、l a p l a c i a n 算子 及m a r r 算子等，这些算子对图像中灰度的变化进行检测，对边缘信息敏感， 从而得到边缘信息。所以，一般倾向于使用并行边缘检测技术。 并行边缘检测技术不同的微分算子有各自的适用范围，其中：r o b e r t s 梯 度算子有利于对具有陡峭边缘的低噪声图像的分割，但在实施过程中大大增强 喻尔演理t 大学t 学硕l ：学位论文 了噪声，恶化了信噪比；l a p l a c i a n 算子具有各向同性的特点，对噪声敏感； p r e w i t t 算子、s o b e l 算子等