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太原理工大学硕士研究生学位论文 基于小波变换的医学图像处理研究 摘要 在现代医学中，医学影像技术已成为医生必不可少的手段 和工具。医学图像的好坏，直接影响着医生对病情的诊断和治 疗。但医学图像在获得的过程中都会混有各种噪声。c t 图像也 是如此，当病变组织与正常组织的衰减系数相差很小时，高噪 声c t 将无法分辨此病灶。病交诊断符合率取决于图像质量，优 质c t 图像是诊断准确的先决条件。因此需要尽可能减少噪声的 影响。 小波变换是近十几年发展起来的，它集数学、信息处理于 一体，在图像处理中起着重要作用。因此利用小波变换对医学 图像进行处理，已成为医学图像处理研究和开发的一大热点。 中值滤波是种对脉冲噪声有良好抑制作用，并能较好保持图 像边缘的非线性去噪方法。 本文主要研究了医学图像中的c t 图像的去噪处理。用传统 的去噪方法，中值滤波( 空域法) 、布特沃斯低通滤波器( 频 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 域法) 和小波变换闽值去噪法分别对含有高斯噪声、脉冲噪声 及两者的混合噪声的c t 图像进行了去噪处理；随后对传统去噪 方法进行了改进，将空域法与频域法相结合，中值滤波与布特 沃斯低通滤波器、小波变换闽值去噪法相结合，组成六种方法， 即先中值滤波后布特沃斯低通滤波器、先布特沃斯低通滤波器 后中值滤波、先布特沃斯低通滤波器后小波变换阂值去噪法、 先小波变换阈值去噪法后布特沃斯低通滤波器、先小波变换闽 值去噪法后中值滤波、先中值滤波后小波阈值去噪法即六种算 法，分别对含有高斯噪声、脉冲噪声及两者的混合噪声的c t 图像进行去噪处理，改进后的先中值滤波后其它滤波器的方法， 好于其它几种方法，先中值滤波后小波变换闽值去噪法在改进 的六种方法中去噪效果最好。根据以上的实验结果，提出了一 种去噪新方法( 即新算法) ，在频域法中运用空域法原理，此 算法首先对含噪c t 图像进行中值滤波，然后对滤波后的图像进 行小波变换分解，生成小波系数矩阵，对小波系数( 即近似分 量和各细节分量) 分别利用中值滤波原理进行处理，生成新的 小波系数矩阵，用新的小波系数矩阵进行图像重构，最后再用 小波阈值去噪法对图像进行去噪，生成新的去噪图像。此种方 法与本文中其它方法相比，图像视觉效果最好，图像去噪后的 t t 太原理工大学硕士研究生学位论文 图6 2 2 对含有方差为o 0 5 的高斯噪声与脉冲概率为o 2 的脉冲噪声的混合噪声图 像用六种方法去噪后的图像 f i g u r e6 2 2d e n o j s i n gj m a g eu s i n gs i xm e t h o d sf o ri m a g ej n c l u d i n gm e so fg a u s sn o i s e i s0 0 5 dp u l s ep r o b a b i l j t yo fp u l s en o i s e s0 2 表6 7 为用六种不同方法对含有不同类型噪声图像去噪后的结果。 表6 7 用六种不同方法对含有不同类型噪声图像击噪后的结果( m s e ) t a b l e6 - 7d e n o i s i n gr e s u l t ( m s e ) u s i n gs i xd i f f e r e n t m e t h o d sf o rd i f f e r e n tt y p en o i s e l m a g e 布特沃斯低 通滤波器 小波变换中值滤波 先中值后 布特沃斯 先中值后 太原理工大学硕士研究生学位论文 q u a l i t y h i g hq u a l i t yc ti m a g ei sm ep r e c o n d i t i o no fa c c u r a t e d i a g n o s i s s oi ti sn e c e s s o r yt or e d u c e 廿l ei n n u e n c eo ft h en o i s ea s m u c ha sp o s s i b l e 、v a v e l e tt r a n s f o m lh a sb e e nd e v e l o p e di nr e c e n td e c a d e ，u s i n g w a v e l e tt r a n s f o mt op r o c e s s i n gm e d i c a li m a g eh a sa l r e a d yb e c o m e ag r e a tr e s e a r c h ea n dd e v e l o p e m e n tf o c u si nm e d i c a lp r o c e s s w a v e l e tt r a n s f o m li sw i d e l ya p p l i e dt ot 1 1 ef i e l do fm e d i c a l i m a g e m e d i a nf i l t e r i n gi san o n l i n e a rd e n o i s i n g a l g o r i t h mt h a tc a nb e t t e r r e s t r i c tp u l s en o i s ea n db e t t e rk e e pi m a g ee d g e t h i sp a p e rs t u d i e sm a i n l yc ti m a g ed e n o i s i n gp r o c e s s i n g c t i m a g e si n c l u d e dg a u s sn o i s e ，p u l s en o i s ea n d m i xn o i s eo fb o t ha r e d e n o i s e db yt r a d i t i o n a ld e n o i s i n ga l g o r i t ，s u c ha sm e d i a n f i l t e r i n g ( s p a c ed o m a i na l g o r i t h i n ) ，b u t t e n v o r t h1 0 、v p a s sf i l t e ra n d t h r e s h o l dm e t h o do fw a v e l e tt r a n s f o 衄t h e nt r a d i t i o n a ld e n o i s i n g a l g o r i t h m sa r ei m p r o v e d t h e r e a r es i xi m p m v e da l g o r i t s ，s u c h a sc o m b i n a t i o no fs p a c ed o m a i na l g o r i t l l ma n d 矗e q u e n c yd o m a i n a l g o r i t ，c o n l b i n a t i o no fm e d i a nf i l t e r i n ga n db u t t e r w o r t h l a v 巾a s sf i l t e ra n dc o m b i n a t i o n t h r e s h o l dm e m o do fw a v e l e t t r a n s f o m t h a ti st osa y ，a l g o r i t h n l si n c l u d ef i r s tm e d i a nf i l t e r i n g v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 a n db u t t e r w o r t hl o w p a s sf i l t e rl a t e r , f i r s tb u t t e r w o r t hl o w p a s sf i l t e r a n dm e d i a nf i l t e r i n gl a t e r , f i r s tb u t t e r w o r t h l o w p a s sf i l t e ra n d t h r e s h o l dm e t h o do f w a v e l e tt r a n s f o r ml a t e r , f i r s tt h r e s h o l dv a l u e s o fw a v e l e tt r a n s f o r ma n db u t t e r w o r t hl o w p a s sf i l t e rl a t e r , f i r s t t h r e s h o l dm e t h o do f w a v e l e tt r a n s f o r ma n dm e d i a nf i l t e r i n ga n d t h r e s h o l dm e d t h o do fw a v e l e tt r a n s f o r ml a t e ra n df i r s tm e d i a n f i l t e r i n ga n dt h r e s h o l dm e d t h o do fw a v e l e tt r a n s f o r ml a t e nw h e n c t i m a g ei n c l u d eg a u s sn o i s e ，p u l s en o i s ea n db o t ho f t h e ma r e d e n o i s e ds e p a r a t e l y i ti sp r o v e dt h a tt h em e t h o do ff i r s tm e d i a n f i l t e r i n ga n do t h e r sl a t e ri sb e t t e rt h a no t h e r s a m o n gi m p r o v e ds i x a l g o r i t h m s ，t h ea l g o r i t h mo ff i r s tm e d i a nf i l t e r i n ga n dt h r e s h o l d m o t h o do fw a v e l e tt r a n s f o r ml a t e ri sb e s t f o l l o w i n gt h er e s u l to f e x p e r i m e n t ，t h i sp a p e rp r e s e n t san e wd e n o i s i n ga l g o r i t h m ( n e w a l g o r i t h m ) ，w h i c hu s e st h ep r i n c i p l eo fs p a c ef i e l da l g o r i t h mi n f r e q u e n c yd o m a i na l g o r i t h m f i r s t l y , n o i s e dc ti m a g ei st r e a t e d u s i n gm e d i a nf i l t e r i n g s e c o n d l y , f i l t e r e di m a g ei sd e c o m p o s e db y w a v e l e tt r a n s f o r ma n dp r o d u c tw a v e l e tc o e f f i c i e n tm a t r i x e m p l o y i n gt h et h e o r yo fm e d i a nf i l t e r i n gt od e a lw i t hw a v e l e t c o e f f i c i e n tm a t r i x ，an e ww a v e l e tc o e f f i c i e n tm a t r i xc a nb ep r d u c e d v t i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t i m ea n do f f e r st h en e ws t a n d a r d i ti sn o to n l yar e s e a r c hf o c u si n r e c e n ty e a r s ，b u ta l s oaf r o n ts u b j e c to ft h ec o n t e m p o r a r ym e d i c a l i m a g ep r o c e s sf i e l d t h i sp a p e ru t i l i z e st h ew a v e l e tt r a n s f o r mt o d i s c u s sp r e l i m i n a r yt ot h em e d i c a li m a g ef u s i o n k e yw o r d s ：d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ，m e d i c a li m a g e ，w a v e l e t t r a n s f o r m ，i m a g ed e n o i s i n g ，i m a g ec o m p r e s s i n g ，i m a g ef u s i o n i x 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 数字图像处理 第一章绪言 1 1 1 数字图像处理简介 当前科学技术正进入学科相互交叉、相互渗透、相互影响的时代，这 一点在计算机领域表现得尤为突出，其新思想、新方法和新工具层出不穷， 在计算技术与信息处理的结合点上，不断涌现出新的学科门类和相关的技 术领域。数字图像处理就是这样的一门新学科。 数字图像信息处理，简略地说，就是使用计算机对图像进行信息加工。 数字图像也叫计算机图像处理，其最早可以追溯到2 0 世纪6 0 年代初，美 国喷气推进实验室( j p l ) 用计算机对航空器发回的数千张月球照片进行 处理，成功地绘出了月球的地形图和彩色图，从而开辟了人类历史上计算 机处理图像的先河。 数字图像处理从其本质上说，就是运用计算机强大的计算能力和“记 忆”能力，对离散图像阵列作某种“运算”、“变换”、“修饰”、或“处理”， 最终实现对图像的“评价”、“识别”和“理解”。 从工程学考虑，数字图像处理一般包括图像处理、图像分析、图像理 解三个层次。 图像处理着重考虑图像之间的变换，是对图像本身进行“加工”，以 改善图像的视觉效果或表现形式，并为图像分析打基础，或对图像压缩编 码，以减少对其存储空间或对传输时间、传输通路的要求。图像处理的输 太原理工大学硕士研究生学位论文 度分辨率，是出光学图像处理中的名称延续下来的。在计算机中其指标用 2 “来表示。例如n 为2 时密度分辨率称为四级；n 为8 时密度分辨率称为 2 5 6 级。图像上每个像素的光强用灰度来表示；它取决于模数转换模块， 也与所用微处理器有关。目前常用的是2 5 6 灰度级，相当于8 位，其数值 由0 到2 5 5 ，这大大优于人眼。人眼分辨略高于1 6 级。一个图像在存储或 处理时都采用一个以像素为位置、灰度值为数组元素的矩阵表达式。 3 空间频率 对时间周期变化的信号可用频率度量，为把时间变量改为空间变量， 即成为表示在空间距离上有同期性变化的信号。当周期固定时，其周期的 倒数就表示为空间频率。在图像中这个周期性变量表示图像明暗变化的快 慢。空间频率高的图像主要表征图像的细微变化或细节内容；空间频率低 的图像则表征图像中大的物体轮廓或变化趋势。 从模拟图像形成数字图像的过程可看出，一幅图像的空间分辨率越 高，密度分辨率越高，则图像的质量越好越逼真。但在计算机图像处理中 这两项指标越高，则占用的存储空间越多，或称占用更多的内存量。一般 可按受的，密度分辨率为2 8 即2 5 6 级灰度，空间分辨率m n 为5 1 2 5 1 2 ， 这样的数字图像占内存为5 1 2 5 1 2 8 b i t ，相当于2 5 6 k b 。在某些医学应 用中n 和m 都在1 0 2 4 以上密度分辨率为2 “一2 ”，占用内存就更多了”1 。 1 1 3 数字图像处理方法 数字图像处理方法大致可分为两大类，即空域法和频域法。 1 空域法 这种方法是把图像看作平面中各个像素组成的集合，然后直接对这一 二维函数进行相应处理。空域处理法主要有下面两大类。 邻域处理法 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 目前，图像处理多采用计算机处理，因此，有时也称之为计算机图像 处理( c o m p u t e r i m a g ep r o c e s s i n g ) 。数字图像概括地讲主要包括如下几项 内容：几何处理( g e o m e t r i c a lp r o c e s s i n g ) 、算术处理( a r j t h m e t i c p r o c e s s i n g ) 、图像增强( i m a g e e n h a n c e m e n t ) 、图像复原( i m a g e r e s t o r a t i o n ) 、 图像重建( i m a g er e c o n s t r u c t i o n ) 、图像编码( i m a g ee n c o d i n g ) 、图像识别 ( i m a g er e c o g n i t i o n ) 、图像理解( i m a g eu n d e r s t a n d i n g ) 。 5 图像的输出和显示( i m a g eo u t p u ta 1 1 dd i s p l a y ) 图像处理的最终目的是为人和机器提供一幅更便于解释和识别的图 像。因此，图像输出也是图像处理的重要内容之一。图像的输出有二种， 一种是硬拷贝，另一种是软拷贝“1 。 1 1 5 数字图像处理的应用 随着微电子技术、计算机技术、网络技术及多媒体技术的发展与普及， 数字图像处理的应用已深入到人类生活的各个方面，其成就和作用不胜枚 举。 l 生物医学方面的应用 电子成像技术在医学上有广泛的应用，如x 射线图像、显微镜图像、 放射性同位素图像( r i ) 、超声波图像、电阻抗断层图像( e i t ) 等。运用 计算机对这些图像进行处理，其产品可有效地辅助病理分析和病情诊断。 图像处理的应用还促进了医学研究的发展。同时，与网络技术相结合，催 生了远程病情会诊和治疗新技术。 2 航天和航空技术方面的应用 卫星探测有独特的优势：探测面积大，多颗卫星组网后可覆盖全球： 单位成本低，经济效益高；被动探测，有利于保密；可多种用途结合。因 此，世界各国都在努力发展自身的航天航空技术，以为本国和人类服务。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 图像处理在航天和航空技术中的应用包括两个方面。其一，遥感信息 获取方面的应用，由于受飞行器姿态、位置及环境条件的影响，卫星获取 的初始图像质量不是很好，这时可先在空中对其进行数字化和预编码等处 理，然后再发送到地面接受站。其二，遥感资料分析与理解方面的应用， 如资源调查( 水资源调查、渔业资源调查、森林资源调查等) ，环境监测 ( 污染监测、水涝监测、火灾监测、虫害监测等) ，资源勘探( 石油勘察、 矿产量探测等) ，农业规划( 作物墒情、土壤营养、农作物生产、粮食优 产等) ，城市规划( 地质结构、水源分布、整体布局等) 及气象分析与预 报。 3 通信技术方面的应用 如今的通信主要包括网络、电视广播、可视电话、会议电视、有线电 视、传真等。通信的主导方向是声音、文字、图像和数据相结合。 在上述通信内容中，图像信息占了很大的比例。图像通信数据量大， 传输速度要求高，如彩色电视的传送速率须在1 0 0 m b s 以上，否则会出现 “抖动”现象。为了确保图像通信的要求，除寻求传送速率尽可能高的通 信设备外，对图像数据进行编码压缩是通信技术成败的关键。 4 工业生产中的应用 工业生产中的应用主要表现在下述领域： ( 1 ) 外观检查和挑选，如自动生产线上产品零件质量的检测与分类， 印刷电路板疵病检查等； ( 2 ) 无损探伤； ( 3 ) 生产过程的监控： ( 4 ) 邮件自动分检与包裹的分检识别； ( 5 ) 产品图案设计。 5 刑侦与安全方面的应用 7 太原理丁大学硕士研究生学位论文 主要有身份认定( 如智能身份证、多功能i c 卡) ，协助破案( 如指纹 鉴别、基因分析、犯罪嫌疑人脸谱合成) ，金融防险( 如支票辨伪、印章 识别、签字认定) ，交通管制( 如电子警察、机场监控) ，民航空中管理等。 6 军队建设方面的应用主要用于军事训练模拟和军事现代化两个方 面。如飞机战法模拟，红、蓝军对抗模拟，三军合成模拟，警戒系统及火 炮自动控制。巡航导弹地形识别，导弹目标的识别与制导等。 7 教育与研究领域方面的应用 现代教学课件、远程教育与培训、生命起源研究、人类基因探秘、神 经网络、类人机器人开发等教学与研究领域，都与数字图像处理密切相关。 8 文化艺术方面的应用 可以举出大量的例子，如电子图像游戏、动画片制作、服装设计、工 艺品设计、艺术仿真、文物照片的复制、运动分析等。 1 2c t 技术发展简史及原理 计算机断层扫描系统( c o m p u t e dt o m o g r a p h y 或c o m p u t e r i z e d t o m o g t a p h y ) 简称c t 。c t 是从1 8 9 5 年伦琴( w i l h e l mc o n r a dr 6 e n t g e n ) 发现x 线以来，在x 线诊断方面的最大突破，是近代飞速发展的电子计 算机控制技术和x 线检查摄影技术相结合的产物。它通过x 线管环绕人 体某一层面的扫描，测得该层面中各点吸收x 线的数据，然后利用电子计 算机的高速运算能力及图像重建原理，求得该层面的横断面或冠状面的图 像。 c t 第一个原形设备于1 9 7 1 年9 月安装在a t k i n s o n m o r i e v 医院。1 9 7 1 年1 0 月4 日检查了第一个病人。在1 9 7 2 年4 月英国放射学家研究年会上 8 太原理上大学硕七研究生学位论文 有的采用2 4 0 。、3 6 0 。直线加旋转扫描。主要弱点是扫描过程中病人的生 理运动所引起的伪影，还有x 线源和探测器之间的每束x 线没有分别被 准直，结果使透过病人的部分射线照射在探测器的间隔中而没有得到利 用。 第三代c t 扫描机 这代c t 机有较宽的扇形角( 3 0 5 0 。) ，所以又称为广角扇束扫描 机，可包括整个扫描体截面，探测器增加到3 0 0 8 0 0 个，一个挨着一个 无空隙的排列着。采样系不需再作直线平移运动，而只要x 线管和探测器 系统共同围绕物体进行连续旋转扫描运动。在旋转扫描过程中，可幅射出 极短时间的x 射线脉冲，因此全身扫描时间可缩短到2 9 s 或更短。一般 全身型c t 机都采用此种扫描方式，也是目前最流行一种c t 机型。优点 是构造较简单，使用操作方便，可获得较理想的c t 图像。已成为当代c t 机的主流。 第四代c t 扫描机 这一代c t 机具有更多的探测器约为6 0 0 1 5 0 0 个，全部探测器分布 在3 6 0 。的圆周上，扫描时，只有x 线管做围绕人体一周的旋转运动，探 测器固定不动。扇形线束角度也较大，扫描速度可达l 5 s 。其工作原理 和第三代c t 机没有本质的差别，仅是第三代c t 机的一个变型。第四代 c t 机由于探测器数量多且在扫描过程中不能充分利用，相对于第三代c t 机它已无明显的优越性了，故第四代c t 机只有少量厂家生产。 第五代c t 扫描机 这种扫描机由一个大型特制扫描电子束x 线管、一组由8 6 4 个固定探 测器阵列和一个采样、整理、数据显示的计算机系统构成。该机扫描时间 3 0 ，5 0 和l o o m s ，最大扫描速率每秒2 4 次，重建矩阵为2 5 6 2 ，4 0 0 2 ，重 建时间l o s 。它不仅适于心脏检查，而且适于易动患者检查，是一种新型 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 的c t 扫描机。 c t 自7 0 年代问世以来，有了突飞猛进的发展， 旋式扫描技术的产生，以及超高速c t 技术的诞生， 到一个崭新的水平。 近年来滑环技术、螺 使c t 检查技术提高 与普通x 线检查、核素和超声波检查一样，c t 均不需要采取破坏体 表措掩，是非侵袭性检查，可反复使用不会对病人有什么害处，故称之为 “无损伤性诊断方法( n o n i n v a s i v ed i a g l l o s t i cp r o c e d u r e ) ”。 c t 的出现不但对脑部疾病的检查和诊断带来了革命性的贡献，也使 传统检查法的使用频数大为减少。c t 对脑部疾病的诊断价值已无可置疑， 对颈部、纵隔、肺、胸壁、经皮穿刺检查、大血管、脊椎、后腹膜、肝、 脾、肾、胰、胆囊、肾上腺、子宫、卵巢、膀胱、治疗计划、异物等软组 织病变的发现，病变的位置及其侵犯程度的确认，c t 都有其特殊的价值。 c t 不但对诊断有帮助，对疾病治疗效果的追踪也有很大的参考价值。c t 机已成为人民生活中检测疾病、医生诊断病情必不可少的手段。展望未来 c t 机将向更容易更方便的方向迈进。 c t 检查是用细窄的x 线束穿过病人受检部位，按细窄x 线束厚度在 不同角度上的扫描。一层一层的切层检查，穿过病人受检部位的x 线是被 人体不同厚度和密度衰减后的x 线，又被与x 线管相对位置上的探测器 接收，变成电流信号，再由a d 转换器转换成数字信号送入数字计算机进 行运算，其结果由d a 转换器变成电流信号，再用不同灰阶形式显示在监 视器上或用多幅照相机摄成照片，以供诊断。 c t 扫描成像技术，是应用现代图像理论，将测量到的位于x 线源和 探测器之间的反映人体组织衰减特性的x 线强度转换成电信号。由检测系 统所产生的电信号与输入的x 线强度呈线性关系，这些电信号经数字化 后，由电子计算机进行信息处理。图像显示装置通过一定的方法用不同灰 太原理工大学硕士研究生学位论文 度在视频显示器上来表示这个矩阵的信息，即c t 扫描图像。 由于检测器读到的x 线光子流，c t 扫描机产生的系统噪声，利用光 子的效率和重建算法都有可能产生噪声，影响c t 图像的质量，因此要对 c t 图像进行去噪处理嘲。 1 3 医学图像处理 在现代医学中，医学影像技术被广泛应用于诊断和治疗，已成为必不 可少的手段和工具，医学影像技术是医学技术中发展最快的领域之一。医 学图像的分析和处理是医学影像技术极为重要的一个环节，它是使医生获 得病人病情可靠信息的重要保证，也是医生开展进一步治疗的必要条件。 它对医学图像的分析处理主要包括：图像的预处理、特征提取、图像分割、 图像配准、图像融合、纹理分析和伪彩色处理等。 图像的压缩传输技术也是当前研究的一个热点，这种技术依赖于数字 图像的压缩编码技术和现代通信技术。它的出现使得远程医疗成为可能， 并加强了医疗诊断的即时性”1 。 1 图像预处理：从不同成像仪得到的医学图像都存在着不同程度的噪 声和干扰，这些噪声的存在势必影响对图像的进一步分析，所以在这环节 需要考虑使用相关的数字图像滤波方法将含在图像中的噪声滤除掉，从而 为下面的分析打下良好的基础。 2 图像分割：图像分割主要是根据图像的不同特征将图像分割成若干 区域，每个区域形成一个相应的像素集，图像分割得到的像素集可能与不 同的目标相对应，也可能与目标的不同区域相对应。 3 特征提取：特征提取是为了能获得反映图像本质的一些特殊信息， 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 提取的特征既包括直接检测到的信息也包括由计算得到的信息。 4 图像配准：医学图像配准是通过某种空间变换，使两幅图像的对应 点达到空间位置和解剖结构上的完全一致。要求配准的结构能使两幅图像 上所有的解剖点，或至少是所有具有诊断意义的点以及手术区域的点都达 到匹配。图像配准是图像融合的前提，是公认难度较大的图像处理技术， 也是决定医学图像融合技术发展的关键。 5 图像融合：不同的医学图像提供了不同器官的不同信息，图像融合 的作用就在于综合处理应用这些成像设备所得到的信息并以某种方式将 它们有机地合并在一起，从而使观察者可以在一幅图像中同时观察到目标 对象的不同层次上的信息。 6 伪彩色：一般的医学图像都是黑白的灰度图像，而人的眼睛对彩色 是十分敏感的，所以为了使人眼获得更好的视觉效果，通过某种手段给医 学图像加入一些颜色信息的处理方法就是伪彩色处理。 7 多视处理：所谓的多视处理就是运用计算枫技术和光学技术，来获 取目标物体不同角度的摄影图以作为图像重建的基础。 8 图像重建：图像重建是使用图像多视化处理的结果，通过相关的数 字图像技术来重新构建目标物体的三维立体图以获得更好的可视化效果。 医学图像的好坏直接影响着医生对病情的诊断和治疗。但医学图像在 获得的过程中都会混有各种噪声，c t 图像也不例外。当病变组织与正常 组织的衰减系数相差很小时，高噪声c t 将无法分辨此病灶。c t 诊断主要 是依据c t 影像所提供的正常或异常信息做出诊断结论，病变诊断符合率 取决于图像质量，优质c t 图像是诊断准确的先决条件。因此，需要尽可 能减少噪声的影响。目前在医学图像去噪领域，有各种各样的方法，但这 些方法还不够完善，因此，有必要进行进步的研究。 小波变换是近十几年发展起来的，它集数学、信息处理于一体，在图 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 4 本文内容安排和创新点 小波变换是一种强有力的数学分析工具，享有“数学显微镜”的美称， 近年来受到专家学者的广泛关注，在医学图像处理中也得到广泛的应用。 医学图像的好坏，直接影响着医生对病情的诊断和治疗。但医学图像在获 得的过程中都会混有各种噪声，因此需要尽可能减少噪声的影响。医学图 像数据量大，占用存储空间多，传输速度慢，对医学图像的压缩直接关系 着医院数据库的建设及远程诊断和治疗。医学图像融合综合整体信息大于 各部分信息之和。本文用小波变换对医学图像融合进行了初步探讨，对医 学图像压缩进行了研究，本文重点研究了医学图像的去噪，并创新了一种 医学图像去噪新方法。 第一章介绍了数字图像处理及数字图像处理的方法、主要内容和应 用，同时介绍了c t 技术的发展及原理，并指出c t 在图像获取过程中存 在噪声，因此需进行去噪处理，重点介绍了医学图像处理，并说明了医学 图像去噪、压缩、融合的必要性。 第二章图像存储，到目前还没有一个统一的格式，各种图像的存储都 由采集者自行定义格式，随着计算机图像技术的发展各领域逐渐出现了流 行的图像格式标准。本文介绍了几种常见的图像格式。同时介绍了医学图 像格式，医学图像有它自己的存储格式，与普通图像不同，需进行图像转 换。另外仿真软件m a t l a b 小波工具箱，只支持具有线性单调变化的颜 色图的索引文件，所以本文对图像格式的类型也做了介绍。 第三章回顾了小波的发展史，介绍了小波的特点、原理及连续小波变 换、离散小波变换。从小波的发展和特点可以看出，小波的优势越来越明 确，应用越来越广泛。己引起世人的重视，并取得了瞩目的成就，对小波 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 最小。 第七章是对本文整体工作的一个总结，并根据第六章的实验结果得出 最终结论。同时本章还对未来的工作做了分析和展望a 本文中所用的方法都用m a t l a b 仿真软件进行了仿真实验a 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章图像的格式 2 1 常用图像的格式 图像文件就是插绘了一幅图像的计算机磁盘文件。一幅现实世界的图 像经由扫描仪、摄像机等设备采集、数字化后，便需要以图像文件的形式 存储于计算机的磁盘中，然后才能被计算机处理。早期，各种图像的存储 都由其采集者自行定义格式。随着计算机图像技术的发展，各领域逐渐出 现了流行的图像格式标准。微机上常见的图像文件格式有很多，如p c x 、 b m p 、t i f 、g i f 、j p g 等等。 lp c x 图像文件格式 p c x 图像文件格式配套于p cp a i n t b r u s h 绘图软件，目前已成功地移 植到w i n d o w s 环境而风靡世界。 p c x 图像文件格式引人注目的地方是： ( 1 ) 适于处理不同显示方式下的图像数据，是p c 机上最流行的图像 文件格式： ( 2 ) 图像颜色为4 色和1 6 色时，设置调色板项为可选项。当图形方 式为2 5 6 色时，必须定义调色板数据： ( 3 ) 一个p c x 图像文件只存放一帧图像； ( 4 ) 采用r l e 压缩方式。 p c x 图像文件按从左到右、从上到下的顺序读取数据。存储数据时先 从原始图像数据进行压缩，而读取数据时则是解压处理在先。 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 2b m p 图像文件格式 b m p 图像文件格式是m i c m s o f i 公司为w i n d o w s 视窗系统开发的图像 文件格式，且已成为w i n d o w s 环境的一种图像标准。其主要特点可简括为： ( 1 ) 支持单色、1 6 色、2 5 6 色和全彩色( 目前最高位为3 2 位) 四种 图像方式： ( 2 ) 每个文件存储一幅图像； ( 3 ) 存储图像时提供压缩和非压缩两种模式： ( 4 ) 图像数据在文件内排列时从左下角- 丌始，从左到右，从下到上， 有别于图像其他文件格式： ( 5 ) 调色板数据结构中，三种基色数据排列的顺序依次是蓝、绿、 红，与其他图像文件格式相反： ( 6 ) b m p 文件仅适用于w i n d o w s 环境。 b m p 图像文件的图像数据区只存储一幅图像。b m p 图像文件有压缩 和非压缩两种存储方式。 3t i f f 图像文件格式 t i f f 图像文件由a l d u s 公司1 9 8 6 年隆重推出，全称为“标志图像文 件格式( t a g g e di m a g ef i l ef o m l a t ) ”。t i f f 文件格式最初是为扫描仪和类 似图像输入设备设计的，专用于应用软件之间的图像数据交换。现在已发 展成为位映像图像文件格式的超集，适合于目前所有系统，包容已存在的 全部图像文件格式。 t i f f 文件的主要特色为： ( 1 ) 广泛的适应性。t i f f 格式不受系统体系结构的约束，无论是p c 兼容机还是m a c i n t o s h 机器，无论是桌面排版还是w i n d o w s 视窗操作系统 都能够方便地使用t i f f 图像文件： ( 2 ) 图像模式的系统性。t i f f 文件格式支持灰度图像、调色板图像， 2 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 ( 5 ) 提供图像密度校正机制。即不同平台之间传输图像时可以校正 图像像点的三种基色的亮度值，使原始图像得到最真实地移植； ( 6 ) p n g 文件格式允许图像数据压缩前先进行滤波处理( 有5 种滤 波算法可供选择) ，从而进一步提高数据压缩效率； ( 7 ) 可扩充性。允许用户在文件中加入新的私有信息： ( 8 ) 一个p n g 文件只能存储幅图像。 7t g a 图像文件格式 t g a 图像文件格式是t r u e v i s i o n 公司为适应t a r g a 图形板而设计的， 全称为t a r g a 文件格式。该文件格式具有以下特点： ( 1 ) 有极强的颜色映像表达能力，可以支持2 1 、2 8 、2 、2 “、2 3 2 次幂 的颜色等级，广泛应用于动画设计、真彩色扫描以及带有散光的照片图等 领域，是国际上通用的图像文件格式； ( 2 ) 有压缩和非压缩两种图像数据处理方式； ( 3 ) 2 o 及以上的版本允许在图像数据后有用户补充定义区域； ( 4 ) 对硬件有一定的依赖性，即普通图形卡上无法正确显示颜色为 2 4 位或3 2 位的t g a 图像。 当图像颜色层次不大于2 5 6 时，t g a 文件可以采用简单的r l e 算法 进行数据压缩。一般情况下，t g a 图像都采用非压缩方法保存数据，因为 简单r l e 算法只有在图像扫描行中等层次扫描线段达到一定水平时才有 压缩效果“。 2 2 医学图像格式的转换 医学图像的格式与常用图像格式不同。医学数字图像通讯标准 2 3 太原理工大学硕十研究生学位论文 ( d i c o m ) 是于1 9 9 3 年推出的一种医疗数字影像及传输标准，其宗旨是： 促进网络环境中医学成像装置间的互操作性，而不管提供这些信息的设备 由何厂制造。d i c o m 是在医学信息学领域中有关医学图像的事实上的国 际标准，它可使医学图像设备的制造厂商和用户在标准网络上实现设备互 连，简化了各类型的医学图像的开发和应用，是目前国际国内研究开发的 热点。 目前d i c o m 已经成为事实上的工业标准，绝大多数医疗设备生产商 ( 如p h i l i p s 、s i e m e n s 等公司) 的产品都遵循d i c o m 标准，也就是说，采 用这些设备生成的图像都遵循d i c 0 m 中定义的图像格式标准。 d i c o m 文件是按照d i c o m 标准存储的医学文件，d i c o m 文件头 ( d i c o m 矗l em e t ai n f o m a t i o n ) 包食了标识数据集合的相关信息。每个 d i c o m 文件都必须包含该文件头。 d i c o m 数据集合是由d i c o m 数据元素按照一定的顺序排列组成 的。它不仅包括医学图像，还包括许多和医学图像有关的信息，如病人姓 名、图像大小等“5 ”1 。 d i c o m 标准规定了自己的医学图像格式。虽然它在医学信息领域中 是通用的，但是这种格式的图像必须经过转换才能显示在浏览器中。我们 可以通过图像阅读器将医学图像转换成常用的图像格式。 图像格式类型又有索引图像、r g b 图像、灰度图像和二值图像。 1 索引图像 索引图像包括一个图像数据矩阵x 与个颜色图数组m a p ，其中x 可以是无符号8 位整型、无符号1 6 位整型或者双精浮点型数据：颜色图 是按图像中颜色值进行排序后的数组。对于每个像素，图像矩阵包含一个 值，这个值就是颜色图数组中的索引。颜色图为m 3 的双精度值矩阵， 各行分别指定红、绿、蓝( r 、g 、b ) 单色值，且r 、g 、b 均为值域 o ， 2 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 示小波分析热潮的到来，说明了小波理论产生的必然性。 ( 2 ) 国际性研究热潮和统一构造时期。真正的小波热潮开始于1 9 8 6 年，1 9 8 6 年法国著名的数学家m e y e r 对m o r l e t 方法进行了系统研究，首 次在理论上建立了确定的函数，成功地构造出了具有一定衰减性质的光滑 函数，这个函数( 算子) 的二进尺度伸缩和二进整倍数平移产生的函数系 构成著名的函数空间r ( r ) 的标准正交基“。这项成果标志“小波分析” 新时期的到来。进入这个时期之后，p l e m a r i e “”和g b a t t l e i “8 1 又分别独 立地构造得到了这样“好的”小波。之后y m e y e r 和计算机科学家s m a l l a t 提出多分辨分析概念。1 ，成功地统一了此前j s t r b 圩1 b e r g 、y m e y e r 、 p l e m a r i e 和g b a n l e 的各别的小波构造方法。同时，s m a l l a t 还简洁地 得到了离散小波的数值算法即m a l l a t 分解和合成算法，并且将此算法用于 数字图像的分解与重构“1 1 ”3 。几乎同时，比利时数学家d a u b e c h i e s 基于多 项式方式构造出具有有限支集的正交小波基，使小波理论进一步系统化， c k c h u i 和中国籍学者王建忠基于样条函数构造出单正交小波函数，并 讨论了具有最好局部化性质的尺度函数和小波函数的一般构造方法。 ( 3 ) 全面应用时期。从1 9 9 2 年开始，小波分析方法进入全面应用阶 段。在前一段研究工作基础上，特别是数字信号和数字图像的m a l l a t 分解 和重构算法的确定，使小波分析的应用迅速波及科学研究和工程技术应用 研究的许多领域。随着小波变换理论研究的不断深入和实际应用的曰益广 泛，小波分析的各种优势也在不断明确，时至今日，小波分析的应用范围 还在不断扩大，许多科技期刊都刊载与小波分析相关的文章，各个学科领 域的地区性和国际性学术会议都有涉及小波分析的各种类型的论文、报 告，同时，在国际互联网玳t e r n e t 和其他有较大影响的网络上，与小波 有关的书籍、论文、报告、软件随时随地都可以找到并可以免费下载，甚 太原理工大学硕+ 研究生学位论文 至颇有国际影响的软件公司像m a t h w o r k s 在它的“科学研究和工程应用” 软件m a t l a b 中，特意把小波分析作为其“t 0 0 l b o x ”的单独一个工具箱1 。 从以上这些可以看出，小波分析及应用已引起了世人广泛的重视，并 取得了瞩目的成就。 2 小波分析具有鲜明的特色： ( 1 ) 局部化特性 傅里叶变换实现时域到频域的转换。以一维变换为例，频谱f ( “) 由任 一时刻的时域厂( x ) 在积分区间( 一。，+ 。) 内的值决定，( x ) 与f ( “) 之f 刚的 整体对应描述，不能反映在局部区域上的特征。因此傅里叶变换难以用 于局部信号分析。小波变换通过尺度参数和定位参数将时域和频域联