（生物医学工程专业论文）x光图像处理研究及基于fpgadsp的硬件实现.pdf

硕士学位论文 x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e mt e c h n o l o g y , x - r a yi m a g eh a sb e e n w i d e l yu s e d ，a n d h a ss h o w na l a r g em a r k e tp o t e n t i a la n d a b r i g h tf u t u r e 。 i nt h i s p a p e lw eb a s eo nt h ea n a l y s i s o fc h a r a c t e r i s t i c so fx - r a y i m a g e ，m a k eas t u d yo n t h ep e r f o r m a n c e ，a n df u l f i l li m a g ee n h a n c e m e n t a n d d e v e l o p t h e m o d u l a r i z i n gs y s t e m f o r n o i s e s u p p r e s s i n g w h i l e d e s i g n i n gt h ew h o l es y s t e m ，d s pa n df p g a a r e a d o p t e dt op e r f o r m d i f f e r e n t i m a g en o i s e - s u p p r e s s i n ga l g o r i t h m s i nt h eh a r d w a r ec i r c u i t f l e x i b l y , w h i c hm a d ei ti m p o s s i b l et or e a l i z ear e a l - t i m e ，m i n i a t u r i z i n g a n dm o d u l a r i z i n gs y s t e ms u c c e s s f u l l y i nt h em e a n t i m e ，t h ee x p e r i e n c e s i nt h ec o u r s eo fd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n ga r e s u m m a r i z e d ，a n ds o m e p r o b l e m sa r e d i s c u s s e di nd e t a i l k e yw o r d s ：x r a yi m a g e 、r e a l - t i m ep r o c e s s i n g ，d s p ，f p g a ，i m a g e e n h a n c e m e n t 、n o i s e p r o c e s s i n g 硕士学位论文x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 1 绪论 随着科学：度术的高速发展，x 光成像技术在军事、科研、工农业生产、医 疗卫生等领域的应用越来越广泛。由于以下三方面的原因，使得我国近年来在 x 光图像实时处理器的研究方面得到了迅速的发展： ( 1 ) 由于x 光成像器件自身存在的缺陷，造成了成像的效果并不太理想，需 要对图像进行适当的处理，以得到适合人眼观察或机器识别的图像； ( 2 ) 工程应用中，在很多情况下对图像处理的实时性的有很高的要求，这就 使得各行各业对实时图像处理器的需求越来越迫切； ( 3 ) 由于近些年来微电子的迅速发展，使得器件的功能越来越强，速度越来 越快，容量越来越大，这就为实时处理器的研制提供了良好的条件。 1 1x 光成像技术分类和发展 x 光成像设备是医学影像诊断、医学影像治疗和工业检测中广泛使用的精 密光电仪器，它主要应用于医学临床诊断和医学临床治疗，并可用于铁路、公路、 桥梁、水利、建筑、大型机械的检测工作中。 自从1 8 9 5 年德国物理学家伦琴发现了x 射线( x 光) 以来，近一百多年来， x 射线的应用发展相当迅速，尤其广泛的应用于医学影象诊断和医学影像治疗， 成为医院里面必不可少的医疗设备。 x 光早期主要应用于骨胳、关节等身体部位的检查，随着造影剂和血管造 影技术的出现，x 光可以对肠胃、胆肝系统和血管等进行准确的检查。1 9 7 2 年， 英国工程师汉斯菲尔德( g n h o u n s f i e l d ) 首次研制成功世界上第一台用于 颅脑的c t 机( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y 或c o m p u t e dt o m o g r a p h y ，c t ) ，即电 子计算机断层成像术，这是电子技术、计算机技术和x 光技术相结合的产物； 它的问世，是1 8 9 5 年x 光发现以来医学影象设备的一个革命性进展，为现代医 学影象设备的发展奠定了基础，同时，x - - c t 的出现也使医学影象设备与技术 进入了个以计算机和体层成像相结合、以图象重建为基础的新阶段。2 0 世纪 8 0 年代开发出l 拘数字减影血管造影( d s a ) 和计算机x 光摄影( c r ) 两种数字 成像设备和技术具有少创、实时成像、对比分辨率高、曝光量少和宽度大等优 点，尤为重要的是可作为数字化图象纳入p a c s 。 在我国，x ：光设备的引进最早是在1 9 1 1 年，1 9 5 1 年我国的上海医疗器械厂 首先试制2 0 0 m a 四管单相全波整流x 光机，1 9 5 8 年，x 光摄影胶片在上海感光 胶片厂制成并投如批量生产。到2 0 世纪6 0 年代，国产的旋转阻极x 光机在上 海医疗器械九厂诞生，总之，我国医学影像设备的开发和应用起步较晚，但发 硕士学位论文 x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 展迅速，到2 0 世纪9 0 年代初已形成较为完整的规模，但总体水平还是落后世 界先进水平很多。 根据近几年国内医疗仪器市场需求情况分析，用户对高精度、高效率的自 动化、数字化的医疗仪器的需求量在明显增加，此类仪器销售量最大的主要是 x c t 和数字x 射线成像设备。在国外，一些发达国家电子这类医疗仪器使用早 已普及，我国每年医疗器械的需求量非常大，x c t 、d r 、d s a 的年销售量近万 台。而功能多、效率高的数字化的x 光成像医疗设备之所以没有在国内普及应 用，其主要原因是此类仪器的市场主要由进口仪器占领，进口的质量虽好，但 价格过高，：不适合国内广大用户的购买能力，而国内还没有质优价廉的x 光成 像医疗设备：赶批生产并供应市场口】。 随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，提高读出和建像速度是目前x 光成像技术的主攻方向，而x 光实时高分辨率成像板是最具革命性、最有发展 前途的医学影像设备之一。 1 2x 光图像实时处理背景与研究现状 目前x 光成像系统突出的性能优点还远没有得到充分发挥。因此，国际上 开展x 光成像系统系统性能研究的同时，也在极力进行图像处理技术的研究。 其核心任务j 黾研制模块化图像实时处理系统，从而有效地提高成像系统的动态 范围、抑制图像噪声、改善图像质量。 我国是从上个世纪开始进行x 光图像处理技术的研究工作，x 光图像由于 其自身的特点，处理的方式与处理可见光图像的方式不完全相同，其基本的处 理内容为函数变换、对比度与亮度调节、查询处理以及图像平滑、图像增强( 线 间积累、帧间积累、中值滤波、直方图处理、像素倍增) 等处理功能。x 光图 像由于明显的噪声特点，其基本的去噪处理方法有多帧平均、2 d t d i 、中值滤 波、均值滤波、插值等处理算法”。 在图像信号处理中，一般认为噪声是有害的，因为它扰乱了信号，因此， 总希望采集的信号中尽量不含噪声，但是，这在实际中是不可能的。在对x 光 图像进行去噪处理时，把抑制噪声和减少噪声作为图像处理的目的。这方面， 国内外专家和技术人员做了大量的工作。 近年来，随着大规模可编程器件的发展，采用d s p + a s i c 结构的信号处理系 统显示出了其优越性，正逐步得到重视。与通用集成电路相比，a s i c 芯片具有 体积小、重量轻、功耗低、可靠性高等几个方面的优势，而且在大批量应用时， 可降低成本。 现场可编程门阵列( f p g a ) 和复杂可编程逻辑器件( c p l d ) 是在专用a s i c 的基础上发展出来的，它克服了专用a s i c 不够灵活的缺点。与其他中小规模集 硕士学位论文x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 成电路相比，其优点主要在于它有很强的灵活性，即其内部的具体逻辑功能可 以根据需要配置，对电路的修改和维护很方便。目前，f p g a c p l d 的容量已经 跨过了百万门级，使其成为解决系统级设计的重要选择方案之一。 d s p 十f p g a c p l d 结构最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块 化设计，从而能够提高算法效率。同时其开发周期较短，系统易于维护和扩展， 适合于实时信号处理【3 ”。 1 3 本文研究的主要内容 x 光成像技术作为一门新兴的技术分支学科，随着科学技术的发展和国防 战备经济建设的需要，在不断发展之中。新的概念，新的思想，新的工艺和新 的技术的出现，推动着x 光成像器件与技术的日新月异。本文以x 光图像的特 征为出发点，着重改善图像质量为主要目的，研究了适用于硬件开发的、具有 实用效果的算法，并设计和调试了硬件电路。具体工作如下： l 、x 光图像的特征分析。x 光图像具有不同于日常可见光图像的独有特点， 主要针对x 光图像的直方图进行测试。同时，对x 光图像的固定图像噪声和随 机噪声进行了深入分析。论文中还研究了一些适用x 光图像处理的算法，其中 重点研究了直方图均衡和基于小波变换的插值处理。 2 、x 光图像噪声处理算法的研究。在广泛调研的基础上，重点研究了适用 硬件开发的、具有明显效果的噪声处理算法。在此基础上，为了适应各种不同 特征图像的处理，采用了帧数可调的方式，实现了2 帧、4 帧、8 帧的2 d t d i 和累加平均算法。针对累加以后出现的对比度下降，x 光图像视觉效果变差的 缺点，进行了x 光图像的基于冗余去除的直方图均衡化。 3 、利用可编程逻辑器件( f p g a ) 以及数字信号处理器( d s p ) ，在 d s p + f p g c p l d 的基础上，确定了总体设计方案和具体电路结构，成功实现 了x 光图像处理系统的实时化和模块化。 4 、大量采用贴片元器件，进一步减小了电路板的面积、噪声和功耗；根据 抗干扰原则，对高速印刷电路板进行合理的布局和布线，提高了系统的可靠性 和稳定性。 硕士学位论文 x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 2x 光图像特征分析 2 1x 射线透视成像原理 x 光成像技术在医疗卫生和工业检测等领域中得到了广泛的应用。x 光成像 的原理比较简单，其原理图2 1 1 所示： 图2 1 1x 光成像原理图 由x 射线发生器产生的x 射线，照射到被测目标上，由于x 射线具有很强 的穿透力，它能够穿过目标，而到达另一侧的x 射线探测器上，从而形成透射 后的图像，再经过x 光图像处理，达到去除噪声等目的，从而得到适合于人眼 观察的图像。在x 射线通过目标的过程中，由于目标内部不同结构对x 射线的 透过率是不一样的，造成了不同结构之间存在着灰度的差异，这也就是x 光成 像的基本原理【6 】。比如在医学x 光检测中，人体的骨骼和内脏器官对x 光的透 过率是不一样的，这就造成了骨骼和内脏在成像时存在灰度差别；而在工业检 测中，如果一个物体内部存在裂痕，肉眼是无法发现的，但是采用x 光成像的 方式，由于裂痕处与正常部分的灰度也就存在差别，很容易就可以发现。 处于安全的考虑，在医学上应用时必须使用低能量x 射线，比如乳腺成像 术所用x 射线能量范围在1 5 2 0 k e v 之间。至于胸透术，由于涉及的组织有较 大的内在差别，医师们使用5 0 1 5 0 k e y 的x 射线。而对与工业检测，x 光的能 量可适当加大。 x 射线透视图像是由从黑到白不同灰度的图像所组成。这些不同灰度的像 是以密度来反映人体组织结构的解剖病理状态。人体组织密度越大，则吸收的 x 射线量愈大在图像上呈现黑影；反之呈白色。另外，x 射线图像是x 射线束穿 透某一部位的不同密度和厚度组织结构后的投影总和，是该穿透路径上各个结 构影像相互叠加在一起的影像。例如正位x 射线投影中，即有前部，又有中部 和后部的组织结构。x 射线束是从x 线管对人体作锥形投射，因此，x 射线影像 有一定程度的放大和使被照体的原来形状失真，并产生伴影。伴影使x 射线影 像的清晰度减低。由于物体各部分不同，对x 射线的吸收也不同，同时还有一 部分因为撞击物体内部结构而产生方向不定的散乱的射线，一般情况下这些散 乱射线的波长较长这些散乱的射线到达成像载体时，使图像对比度降低，图像 硕士学位论文x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 变得模糊不清，而且整个画面亮度较高，图像发白。由于图像是灰度图像，无色 彩感，不生动。对于疾病诊断而言，这些缺点显然是不合适的，因此对x 光图 像处理就显得尤为重要”1 1 。 2 2x 射线影像增强器 为了提高x 射线透视的影像亮度，5 0 年代研制出x 射线影像增强器，它可 把普通x 射线透视的荧光屏亮点的亮度提高1 0 0 0 1 0 0 0 0 倍。 x 射线管发出x 射线，透过被检查的人体组织，进入真空玻璃管，并投射 到输入屏，将被检查部位x 射线影像转换为荧光图像。后者的荧光光子作用到 光电阴极上，发出低能光电子，形成电子图像经过聚焦所形成的静电透镜后， 电子图像被聚焦缩小，在加速电场作用下，电子打在输出屏上，电子图像又转 换为荧光图像。这个荧光图像虽然被缩小，但亮度却增强了几千倍【钔。影像增 强器的使用提高了图像的亮度，使x 射线电视、x 射线摄影、磁带录像和遥控 得以实现，也使x 射线图像的存储方式发生了变革。由于采用高荧光灵敏度的 物质及新的：【艺技术，新的影像增强器输出图像的分辨力比普通x 射线透视的 图像分辨力高很多，大大提高了对细微病变检查的效果。同时，用x 射线影像 增强器电视系统进行透视时，仅用相当于普通荧光屏透视剂量的十分之一，便 可获得清晰的x 射线图像，大大降低了被检者的受照剂量，还可从根本上消除 x 射线对操作人员的辐射危害。 2 0 世纪5 0 年代以来，由于电视技术的发展，影像增强器的出现使x 射线电 视在临床诊断上得到广泛的应用。 x 射线电视系统是一种低照度、微光闭路电视，它对信噪比及分辨力的要 求比一般电视高，例如一般电视图像中局部混有极淡薄的固定干扰阴影，往往 无关大局。但在x 射线诊断中对图像中极为淡薄的阴影是非常重视的，它往往 是病兆所在。 2 3x 光图像质量与特点 医学图像的质量决定于成像方法、设备的特点、操作者选用的客观与主观 成像参数以及被检者的配合等等。图像质量是由对比度、模糊度、噪声、伪影 及畸变等多种因素综合体现出来的。 2 3 1 影晌x 光图像对比度的因素 ( 1 ) x 射线胶片特性的影响：不同密度的组织在x 射线胶片上产生的图像密 度差即为图像对比度。胶片可以把光通量之差转换成图像对比度。所产生的图 硕士学位论文 x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 像对比度的大小取决于其感光乳胶的类型、曝光量、处理过程的标准化和灰雾 度。 ( 2 ) 被检者的影响：在其它条件相同时，图像对比度与被检部位的厚度有关， 厚的组织比薄的组织对x 射线衰减更大，因而与之对应的图像上此处的密度较 小，两部分的厚度差别越大，图像对比度也越大。另外，被检者受检部位组织 器官的原子序数、密度对图像对比度的影响也很大。 ( 3 ) 光子能量的影响：穿透被检人体的x 射线所产生的图像对比度与x 射线 光子能量有关。在诊断用x 射线的能量范围内，x 射线与物质作用主要是光电 效应和康普顿散射。光电效应发生的概率与x 射线光子的能量关系很大。因此 可以通过改变光子能量改变图像的对比度。 ( 4 ) 散射线的影响：一束x 射线进入被检者体内，一部分被组织吸收和散射， 另一部分则穿过身体经探测器形成图像。但事实上，由于散射线穿过身体后方 向发生改变，这些来自组织本身的散射线及任意相邻组织的散射线也能到达探 测器，造成图像对比度降低。 2 3 2 模糊对x 射线影像质量的影响 在x 射线成像过程中，主要有三个方面造成图像的模糊。 ( 1 ) 运动模糊：x 射线成像过程中，被检者的自主或不自主的运动，会产生图 像模糊。 ( 2 ) 焦点模糊：x 射线管焦点的尺寸对图像的模糊度影响很大，从焦点发出 的x 射线光子通过被检部位的每一点，发散并形成物点的模糊图像。 ( 3 ) 检测器模糊：如果x 射线束的检测器输入屏比较厚，那么也会使图像产 生模糊。这种模糊一般发生在增感屏和影像增强器输入屏的磷光涂层。 模糊对图像质量最直接的影响是降低了图像的对比度，进而降低细节的可 见度。这是由于模糊使微小物体( 细节) 的图像向周围背影区扩展，致使细节 的对比度与可见度减小i s 。 2 3 3 x 光图像中的噪声 从x 光成像系统的原理可以看出，x 光图像是经过多次光电转换和电子倍增 而形成的，而无论是在光电转换还是电子倍增的过程中都会引入噪声。噪声的 主要来自于像增强器和x 射线的量子噪声，其中像增强器的噪声主要可以分为 两大类：电子噪声和离子噪声；而量子噪声即x 射线光子在图像内的空间和时 间上随机分布，x 射线量子噪声量与检测器检测到的x 射线量反比，因此也与 堡主堂竺堕窭 兰些望堡竺里翌窭墨堇至! g 垒堡翌堕堡生! ! 翌 入射x 射线量成反比，即入射的x 射线量越小，量子噪声也越大”。此外还有 来自视频系统的光、电予噪声以及胶片、增感屏、增强管屏的颗粒噪声。 一般在x 光图像中常见的噪声主要有以下几种： 1 ) 电子噪声是像增强器正常工作期间由光子流和光电子流所固有的随机性 起伏产生的噪声，其表现特征为整幅画面上基本均匀的极细微的粒子蠕动。 2 ) 离子噪声也称雪花噪声，它基本上存在于设计制造不尽完善的像增强器 中。其表现犹如片片雪花随机的漂浮在画面上，并在它出现处显著改变图像的 细节结构和对比。 3 ) 加性噪声加性噪声和图像信号强度是不相关的，如x 光图像在传输过 程中引进的“信道噪声”，电视摄像机扫描图像的噪声。 4 ) 乘性噪声这类噪声和图像信号是相关的，往往随图像信号的变化而变 化，如电视扫描光栅的噪声。 5 ) 量化噪声这类噪声是数字x 光图像的主要噪声源，其大小显示出数 字图像和原始图像的差异，对这类噪声的减少最好办法就是采用按灰度级概率 密度函数选择量化级的最优量化措施。 2 3 4 x 光图像中的伪影与畸变 ( 1 ) 伪影：在常规x 射线摄影中，常用滤线栅吸收散射线。由于滤线栅经常 被放在被检者与检测器之间，因此有可能对图像的形成造成干扰，形成伪影。 另外，增感屏表面的刻痕、染色等也是造成伪影的原因。 ( 2 ) 畸变：x 射线摄影中，由于厚的组织器官的不同部分距检测嚣距离不同， 会造成各部分组织图像的不等量放大，所以厚的组织器官容易产生畸变而薄的 组织器官不容易产生畸变】。另外，被检者组织器官的形状和位置也会造成图 像畸变。 2 4x 光图像直方图统计分析 对一幅数字图像，若对应于每一个灰度值，统计出具有该灰度值的像素数， 并据此绘出像素数一灰度值图形，则该图形称该图像的一维灰度直方图，简称 一维直方图。有时一维直方图亦采用某一灰度值的像素数占全图总像素的百分 比( 即某一灰度值出现的频数) 作为纵坐标。若全图像中灰度值为q 以上的像 素数为爿( g ，) ，灰度值为0 ，十吼) 以上的像素数为爿0 ，+ g 。) ，则全图中具有 灰度为9 的像素数h ( q ，) 可表示为 巩) = l 札i m 。剑瓮幽钾j 捌1 y 瓦d 地) ( 2 2 2 ，1 ) 硕士学位论文 x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 对离散图像，则 h ( g ) = 4 ( q ) 一a ( q + 1 ) 若图像灰度级别为n ，则可用( 0 ) 日0 1 ) 来表示一维直方图“。 图2 4 ，lx 光图像与对应的直方图 2 5 ，j 、结 综合起来，x 光图像最显著的表现特征就是在图像画面上叠加有明显的颗 粒性和在空间上随机的闪烁噪声。由图像的噪声特性决定了对于x 光图像可以 采用时间域或空间域的滤波技术，再采用时间域或空间域的增强技术，具体应 用上可以采用邻帧瞬时比较法，多帧累加平均算法。 另外，x 光图像还存在着动态范围小，对比度差的问题，这个问题可以采 用直方圈均衡的方法得到改善。 硕士学位论文 x 光圈像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 3x 光图像处理算法研究 针对x 光图像在医学、工业方面的广泛应用，人们对图像的质量提出了更 高的要求。通过第二章对x 光图像的特征分析可知，x 图像存在大量的噪声， 图像视觉质量都很低，且动态范围小，对比度差，因此对x 光图像进行噪声处 理是必要且重要的。本章主要探讨和分析了适合x 光图像一些行之有效的算法 处理，并结合硬件进行实时处理系统开发。 3 1 直方图均衡化 灰度直方图是一种函数，它表示数字图像中每一灰度级与该灰度级出现的 频数之间的对应关系。自然图像的灰度级直方图在低值灰度区频数较大，大部 分像素的灰度级低于平均灰度级，这样隐含在较暗区域中细节往往显示不清。 为使较暗区域的结构显示清楚，可把灰度级的分布拉开，这相当于增加了图像 的对比度。这类增强方法通过修改直方图达到，称为直方图调整法，包括直方 图均衡化和直方图匹配“”。前者通过一个变换函数，使变换后图像各灰度级的 频数相同；后者是通过变换函数来修改原始图像的直方图，使之与另一幅图像 直方图相匹配，或者具有某种预定的函数形态，修改的目的是突出感兴趣的灰 度范围，使图像的质量有所改善 直方图均衡就是把一幅已知灰度概率分布的图像，经过一种变换，使之变 成具有均匀概率分布的图像，从而使信息熵最大。在x 光图像处理中，针对图 像的灰度级比较集中，层次感差等问题，采用直方图均衡算法来进行处理，可 以使其灰度级尽量拉开，从而达到了对比度增强的效果 1 5 a 6 1 。 直方图均衡化的原理为：假设一幅灰度级为2 5 6 级的数字图像，其归一化 直方图为( 门) n 0 ，2 5 5 】，经过一个转换函数丁( ，) 后，y ( n ) 转变为均衡化后 的直方图。r ( r ) 的转换关系式为： 2 5 5 丁( ，) = 2 5 5 z ，e o ，2 5 5 i = o ( 3 1 1 ) 从式( 3 1 1 1 ) 可以看出，t ( r ) 是x ( n ) 的数字积分。t ( r ) 即为灰度r 转换后 对应的灰度值。 3 1 1 基于冗余灰度去除的直方图均衡 假如孳原图像 厂g ，y ) 的灰度范围为k 二，厂二j ，均衡化后图像曲g ，y ) 的灰 度范围为b 。，s j ，、s 分别表示正规化前后的灰度级，( ，) 为原图像灰度 级概率分布，0 ) 为经直方图均衡化后的图像灰度级概率分布，s ：f p l 为直方 图均衡化的灰度变换函数，那么妒( ，) 、b ) 与s = r ( ，) 三者关系如下图。 硕士学位论文 x 光凰像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 8 睦 0 ( s ) 中( r ) 图3 i 1 1 庐( ，) 、0 ) 与s = r o ) 三者关系图 首先，将原图像灰度作正规化处理，即将原图像灰度范围l 二，二j 压缩到 0 ，1 】，故有 r ：；! ，【0 ，l 】 r 。一，。 取灰度变换函数为如下形式： s = r o ) = f p ) d r rs 【o ，l 】 式中妒o ) 是r 的分布密度，丁o ) 为r 的积累分布函数 为灰度的图像，该图像的实际灰度素值为 j ：篁二墨辈 s 一一s 。 故有 ( 3 1 1 2 ) 则经上式变换后得到以j s ；b 二一j 二) 卅s ：。 对式( 3 1 2 ) 取离散化形式，令只以) 为灰度级唯的频数，那么有 忙r 0 ) = 只瓴) 代入式( 3 1 4 ) ，则有 ，。= g 二一j 二) 窆只以) + j 二 这就是最后求得的直方图均衡化公式。 直接均衡化以后，新的直方图比原始图像的直方图均衡多了，其动态范围 也大大地加以扩展，在图像上表现为对比度得到增强。而且，在增强反差的同 时也增加了图像的可视粒度“。但是，直接法会造成明显的灰度断层，有像素 数存在的灰度级之间并不是均匀分布的，表现为疏密相间。这是因为直方图是 近似的概率密度函数，直方图修正后出现了简并现象，灰度级有了减少。 硕士学位论文x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 为了改善均衡带来的断层现象，可采用双向均衡法，但处理速度不够快。 而基于冗余去除的灰度均衡法与双向均衡法本质上没有很大差别，突出特点是 处理速度较快 基于冗余灰度去除的均衡法可描述为：图像灰度直方图表示为 h i s i ( i 【0 , 2 5 5 ) 。a 为该直方图的均值，则阈值取t = 0 3 a 。先将个数小于阈值 的灰度全部映射到前面最近的大于闽值的灰度级上，然后进行等距排列，即 朋，瓣二； 如此可得映射函数，如下 r e f l e c t i = 厂( i ) ，( j 【o ，2 5 5 ) 这样得到映射后的灰度级数l ，最后对灰度进行重新等距排列： r e f l e c t 【弘t 2 5 5 啪喇，( f 眦一1 ) ( 3 1 1 9 ) 这就是基于冗余灰度去除的均衡算法。为了尽量减少灰度级的损失，可对 ，( f ) 进行修改： 。、 f 0 2 h i s i r ( j ) 2 l l , 雠, l j 丁 这样实现了冗余灰度压缩到一个范围，而不是一个固定灰度。经过基于冗 余灰度去除的直方图均衡化，可使图像质量得到明显改善，特别是x 光图像8 帧平均以后，能增强图像的对比度，增加图像的层次感，提升视觉效果。 a 原始图像 b 原始图像直方图 硕士学位论文 x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 c 直方图均衡后图像d 处理后图像的直方图 图3 1 2x 光图像直方图均衡化处理效果 图3 1 2 的a ，b 为原始x 光图像及其对应直方图，c ，d 为基于冗余灰度 去除的直方图均衡后x 光图像及其对应直方图。可以看出，直方图均衡算法对 x 光图像的作用明显。比较处理前图像和处理后图像可知，处理前直方图比较 窄，绝大部分像素集中于某些相邻的灰度级范围，处理后直方图接近于均匀分 布的直方图，扩展到整个范围，从而调节了图像的动态范围，图像对比度得到 了较大的提高。 基于直方图均衡的绝大多数算法并不是普遍适用的，而是某一种方法只能 对某一部分图像有较好的处理效果，而这种基于等差数列方式的均衡算法由于 采用了参数可调的方式，使其较好的克服了以往算法的一些缺陷，具有更好的 处理效果，更加普遍的实用意义。而且由于算法比较简单，可以完全由硬件实 现，从而达到实时处理的要求。 3 2x 光图像去噪处理 3 2 12 d t d i 算法 图像二维时间延迟积分2 d t d i ( 2 d i m e n s i o n - - t i m ed e l a yi n t e g r a l ) 是 指将相邻几帧图像中占据相同空间坐标的像素取和，它是一种帧间滤波算法。 二维时间延迟等效于探测器上光点驻留时间延长，从而提高信噪比；2 d 是指图 像按“帧”相加，即图像累加是在行和列两个方向上进行，区别于多元探测器 在一个方向上进行的时间延迟积分“。 2 d t d i 提高信噪比原理是：假设被探测的目标是静态的或者是缓慢运动的， 由于图像信号的帧间相关性和噪声的非相关性，经过一定时间的延迟积分后， 图像的信噪比就会以平方根的倍数得到显著的提高。 设对图像序列进行 l 帧时间的2 d t d i 处理，则按功率关系相加，其一般表 达式为： 硕士学位论文x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 m m p = 【k 2 = k 2 + 2 c f 巧 r = l i = 1 i 鲥j w 式中c 为图像之间的相关系数，其值为0 c f l 。 对于x 光成像系统来讲，其输出信号中的噪声，不论是信号源产生的还是 系统内部产生的，一般都可以看作是各态遍历的平稳随机过程，噪声之间的相 关性为零( 即c i = 0 ) 。因此对任意m 帧x 光电视图像，在同一像素空间位置 上信号噪声电压的积累结果，由上式可得噪声功率： _ 【圪， 2 = 瑶 ，= li = 1 由概率论及噪声性质可知： m 瑶= 删 ，= l 所以m 帧2 d t d i 处理以后，对应像素的噪声功率可表示为： m = 【k 。 2 = 删 对于图像视频信号来讲，假设电视扫描系统在空间扫描位置上重复误差足 够小，那么当目标静止时，备帧图像在同一空间上所给出的信号是相同的，景 物信号电压幅值相等，各帧信号之间的相关系数q = l 。积累m 帧后，视频信 号的功率谱可表示为： m 信号功率s = 圪 2 = m e 2 = m 2 曙 f = 1 其中是景物信号电压幅值。则x 光图像的功率信噪比在积累m 帧后为 坠筹一s n r n a 4 v ： 。u 其中s n r 。= ；芝_ 为没有积累时任一帧图像的功率信噪比。 由上式可知，对m 帧图像进行2 d t d i 处理以后，图像信号的功率信噪比可 以提高m 倍，因此必将对图像的质量有所改善“”。 当目标运动时，c 。在0 l 之间取值，这时积累后信号功率将小于目标静止 时的积累值。甚至g ，= 0 ，这时积累后信噪比不能获得提高。 2 d t d i 为数字模式逐帧流水运作。当输入的帧序列只为f - “帧时，输出的 帧序列g ，应当是第，= “+ l 帧，2 d t d i 操作可表达为： 硕士学位论文 x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 “一l g ，= g 。= f 从以上分析可以得出，2 d t d i 增强处理获得最佳效果的条件是：目标景物 相对摄像系统静止以及噪声具有随机特征。另外，还应注意到，对图像的积累 增加是以帧时间周期进行的，因而噪声自身的随机起伏相对帧时间来讲应该是 足够快。对于那些起伏时间很慢的，且存在时间相对较长的噪声，使用2 d t d i 处理方法很难获得信噪比，因为变化很慢的噪声具有一定的帧间相关性。故目 标景物运动太快，将出现拖尾和图像模糊现象。 3 2 2 多帧平均法 x 光图像摄取的目标上的噪声如果是加性的互不相关的且均值为零“，可用 多帧叠加平均法来对图像的噪声平滑，这种方法计算速度快，效果明显，能很 好地保护图像边缘不致模糊。 设原图像f ( x ，y ) 受相加性随机噪声n ( x ，y ) 劣化为图像g ，y ) ，即 g ( x ，y ) = f ( x ，_ y ) + n ( x ，y ) ( 3 2 2 1 ) 则变劣图像中的信噪比为 s n r = p ( x ，y ) = ，2 ( x ，y ) e n 2 ( z ，y ) = 厂( 工，y ) e 【n 2 ( x ，y ) ( 3 2 2 2 ) 式中e l * 表期望值。如果取m 幅图像的平均，则有 冰川2 玄善嘣w m 肛朋】- f ( x m朋+ 吉酗m ( ) 一 11 这时，平均后的图像中的信噪比将等于 碌丽 ，2 “圳e 勘训) 】2 b i 磋淼 在不知道相加性噪声的模式的情况下， 且平均值为零，即 e n ，( x ，y ) 】_ 0 因其为随机噪声，可假设其互不相关， ( 3 2 2 5 ) e n ，( x ，y ) + n j ( x ，y ) 】= e n 。( z ，y ) 】+ e - i n j ( 工，y ) 】，i ， 以及 e 【，2 。 ，y ) h ，( x ，y ) 】= e n ，( z ，y ) 】e 胛，( x ，y ) 】，i j 硕士学位论文 x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 于翮击静( 圳2 = 矿1e 争m 州2 = 万1 即2 ( 圳 最后可得： 丽：面s n r 从上可以说明多帧平均可使信噪功率比增加m 倍或信噪电压比增加万 倍，这相当于把噪声方差减少倍或标准差下降万倍幽1 。 实验中取4 帧静止x 光图像进行多帧平均处理，效果明显。结果如图所示： 图3 4 ，3x 光图像多帧平均处理效果 3 2 3x 光图像平滑的主要方法 滤波器方法可以平滑图像，增强图像的信噪比，有效去噪图像噪声，而滤 波器方法可分为中值滤波器法、均值滤波器法、最小均方滤波法等等“，本节 主要介绍一些滤波器平滑图像的原理。 3 2 3 1 均值滤波器原理 均值滤波器是图像在空域下实现平滑的一种方法，能够完成图像局部区域 平均运算的功能，用局部区域的加权均值替代区域中心像素值。局部区域即为 处理窗门，简称窗口。窗口在整幅图像中遍历，实现图像平滑去噪。对一般的 图像进行局部平均处理，可以使背景和景物的灰度值波动减小，使灰度直方图 峰谷更加明显，减少灰度交迭和误分概率嘲1 。 任意帧x 光图像，可把其噪声描述为随机分布的许多灰度恒定的小 区组成，它基本上反映各类图像的结构特征；另外，图像中的噪声为加性的， 且互不相关，所以实际得到的数字图像g ( x ，y 1 为 g ( 工，y ) = f ( x , y ) + n ( z ，y ) 硕士学位论文x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 式中f ( x ，y ) 为原始图像。g ( x ，y ) 经局部平均处理后，得到平滑图像为 而万j = 万1 。丢鲋2 面1 磊厂( f 棚一万1 荟砌 ( 3 - 2 - 3 2 ) 其中，s 为点( x ，y ) 邻域内的点集；m 为点集s 中的像素点数。假定图像是由许 多灰度恒定的小区构成，上式右边第1 项非常接近原始图像，第2 项为平滑后 图像中的噪声，它的均值仍为零，其方差为 盯2 咕1 n ( f ，埘 v i l 。佧s 击以嘶) 咀i , j e s 可见图像经平滑后噪声方差减小m 倍，起到了去噪提高信噪比的目的。 但上式简单的局域平均处理会引起图像模糊，使边缘不清晰，另外考虑到 实现方便，常常选用加权平均方法，用窗口内像素灰度级加权均值来取代窗口 中心像素原有灰度级，即 g ( x ，y ) = ：w ( i ，) g ( x ，y ) ( 3 2 3 4 ) i , j e 8 其中，w ( i ，) 为加权系数矩阵。为了避免处理后图像的平均亮度发生变化， w ( i ，j ) 所有元素之总和应等于1 。w ( i ，j ) 可以看作为模板，平滑过程相当于模 板与图像局部区域的卷积。 模板应具有中心对称性，使平滑作用没有方向性，模板权值应选择使平滑 后的图像更多地保持原始图像的特性。模板尺寸与平滑后图像的模糊程度有关， 模板越大越模糊，一般选择为3x3 。均值滤波的模板选择应使图像相当于进行 低通滤波，使高频噪声得到抑制。 将上式均值滤波公式按3 3 窗口模板写成： g ( x ，y ) li w ( k ，f ) f ( x - k ，y - 1 ) = 一l f ；一l x 光图像经处理后噪声大大减少，图像清晰度提高，如果用适当的窗1 2 1 函 数噪声会得到有效抑制，经过一定的算法改进定能得到较广泛的应用。这种处 理也存在一定的问题，即远方小目标易失去。 3 2 3 2 加权均值滤波滤波法 本方法所用邻域尺寸通常为3 3 方形窗口，并取邻域内各像素灰度级的加 权平均值取代中心像素原来的灰度级。加给某一像素灰度级的权值是该像素与 中心像素在灰度级上接近程度的一种度量。灰度级越接近，权值应越大。加权 平均的算法可用下式表示： g ( x ，y ) = w o ，j ) g o ( f ，) ( j j ) e s 硕士学位论文 x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 其中( x ，y ) 是邻域s 内的中心像素：g o ( x ，y ) = f ( x ，y ) + n ( x , y ) ，代表有 噪声图像；w ( i ，) 代表权值，它们都是非负数，且所有w ( i ，j ) 的总和应等于1 ， 以免造成图像整个变亮或变暗”。 在实验中采用3 3 ，8 邻域加权窗口，在处理图像边界时采用了边缘舍去 法，即把边缘复制到新的图像。因为采用3 3 的方形窗，所以，对于5 1 2 5 1 2 的图像，方形窗运算出的第一个值只能赋给第二行，第- - y 0 的像素点，而无法 对图像的边缘进行处理。所以，采取把原图像的边复制到处理后的图像，这并 不影响处理效果【6 ”。 图3 4 1x 光图像加权平均处理效果 3 2 3 3 中值滤波法 ( 1 ) 中值滤波的基本原理 所谓中值滤波，即把滤波窗口中的灰度值按一定规律排列，取排在中间的 值赋给窗口的中间值。 一个具有滤波窗口a ；作用于图像拓口，( f ，) d 2 的二维中值滤波器定义 为： 巧= m e d i a n x f = m e d i a n x ，| 。o ，s ) e 彳j ( 2 ) 复合型中值滤波 对于些内容复杂的x 光图像，可以使用复合型中值滤波。如中值滤波线 性组合，高阶中值滤波组合，加权中值滤波以及迭代中值滤波等。 ( a ) 、中值滤波的线性组合：将几种窗口尺寸大小和形状不同的中值滤波器 复合使用，只要各窗1 ：3 都与中心对称，滤波输出可保持几个方向上的边缘跳变， 而且跳变幅度可调节。其线性组合方程式如下： 巧= m e d ( f , j ) k = i 如 硕士学位论文x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 式中为不同中值滤波的系数，a 。为窗口。 ( b ) 、高阶中值滤波组合：可以用式： k = m a x m e d ( x , , ) k 如 这种中值滤波可以使输入图像中任意方向的细线条保持不变，而且又有一定的 噪声平滑性能。 ( c ) 、其它类型的中值滤波：对某些图像，在一定的条件下，尽可能干净地 去除噪声，而又尽可能保持有效的图像细节，可以对中值滤波器参数进行某种 修正。如迭代中值滤波，就是对输入序列重复进行同样的中值滤波，一直到输 出不再有变化为止。加权中值滤波也就是对图像窗口中的数进行某种加权，以 保证滤波的效果 2 7 1 。另外中值滤波器还可以和其他滤波器联合使用。 ( 3 ) 中值滤波的性能评价 ( a ) 、通常的线性低通滤波方法在去噪的同时，往往使图像中原有的清晰轮 廓变模糊，而人的视觉对图像的边缘又很敏感。中值滤波的突出优点是在保持 图像原有清晰轮廓的同时，把图像的噪声滤除掉，对滤除图像脉冲干扰，去掉 尖噪声非常有效，但对一些细节多，特别是点、线、尖顶细节多的图像不适用。 ( b ) 、中值滤波器的窗口尺寸和形状设计对滤波效果影响较大。不同的图像 内容和不同的应用要求，要采用不同的窗口尺寸和形状f 6 4 i 。对同一幅x 光图像 采用不同尺寸不同形状的中值滤波器进行噪声抑制，将获得不同的效果。根据 经验窗口尺寸一般先采用3 3 再5 5 逐渐增大，直到其滤波效果满意为止。对 有缓变的较长轮廓线的图像，采用方形窗口为宜，对有尖顶角的图像，适宜采 用十字形窗口。 ( c ) 、对于n 的图像，在不考虑图像边缘滤波的情况下，图像数据需要 ( m - 2 n ) ( n - 2 n ) 次对窗口的像素值进行排序，显然当图像数据量较大时，用 中值滤波算法是较费时的，不利于图像的快速处理。 3 3 x 光图像的锐化 x 光图像给人感觉画面模糊，线条不清晰，有必要对x 光图像进行锐化处 理。图像锐化处理主要用于增强图像的边缘及灰度跳变部分。通常所讲的勾边 增强方法就是图像锐化处理。图像锐化有多种方法，如针对平均或积分运算使 图像模糊，可逆其道而采取微分运算；使用高通滤波器优化高频分量，提高图 像边界清晰度等f 6 。 。 硕士学位论文 x 光图像处理研究及基于f p g a + d s p 的硬件实现 3 3 1 邻域处理法 与平滑处理的邻域法相似，锐化处理时也可以用锐化窗口进行运算，不同 的是平滑窗口的权重系数是正值而锐化窗口的权重系数是负值。 3 3 2 梯度法边缘锐化 gp。，：r萋它的幅度为gpu，：学，：+。豢：i1 由上式可知梯度的数值就是f ( j ，k ) 在其最大变化率方向上的单位距离所增 加的量。对于数字图像可以改写为 g f ( j ，尼) 】：l ，( ，i ) 一f ( j ，七+ 1 ) 】z + i f ( j ，后) 一f ( j + 1 ，七) 】：乒 “i f ( j ，i ) 一f ( j ，k + 1 ) i + i f ( j ，k ) - f ( j + i ，七) i ( 3 3 1 ) 3 3 3 拉普拉斯算子边缘锐化 前面所述的梯度法虽然可以增强图像的边缘，但是它具有方向性，不能对 各种走向的边缘都具有相同的增强效果。而采用拉普拉斯算子进行边缘增强， 其形式为 v 2 ，= 警+ 警 对于数字图像来说，用二阶差分算法来替代拉普拉斯算子，其形式为： v 2 f = v 。22 。， =