（计算机应用技术专业论文）基于断层扫描图像的三维可视化技术研究.pdf

t h r e e d 玎垤e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o nw h i c hi s 2 5川川199m 7叭1y 基于断层扫描图像的三维可视化技术研究 摘要 科学可视化是计算机图形学与医学图像处理领域中的热点问题，在医 疗研究、外科手术、辅助教学等方面有着重大的理论意义和应用价值。 本文在扫描图像数据格式转换、预处理图像增强去噪、面绘制、体绘 制等可视化技术中的关键问题展开研究，取得了如下成果： 分析了d i c o m 标准协议，实现了d i c o m 格式的图像数据采集及传 输，保证了在普通计算机上可以顺利地处理该数据。 将小波阀值理论应用到图像增强和去噪处理中，实现了双阀值自适 应增强和阀值去噪细化，较好地解决了传统增强去噪过程中增强放大噪声和 去噪滤除细节之间的矛盾；在此基础上将形态学边缘提取和膨胀算法相结 合，在完成边缘检测的同时得到光滑的边缘图像。 针对传统光线投射算法中复杂度高、处理数据量大、绘制速度慢的 问题，提出了改进的光投射直方图算法。将面绘制和体绘制结合起来，利用 投射矩阵在坐标系中变化的特点，去除无用的重采样点，减少了光线投影数 目，大大降低了数据处理量，在保证图像质量的基础上提高了绘制速度。 实验表明：改进算法绘制的图像较为逼真地表现了重构组织，绘制速 度也比较理想，得到了较为满意的结果。 关键字：科学可视化，图像预处理，面绘制，体绘制，光投射算 t h i sp a p e rh a ds t u d i e dt h ek e yi s s u e si ns c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o nl i k e ：d a t a f o r m a tc o n v e r s i o ni n i m a g es c a n n i n g ，i m a g ee n h a n c e m e n t , p r e t r e a t m e n t d e n o i s i n gi np r e p r o c e s s i n ga n do b t a i n e dt h ef o l l o w i n gr e s u l t s i i n v e s t i g a t e d i c o ms t a n d a r d p r o t o c o l s ，r e a l i z i n g t h e i m a g e d a t a a c q u i s i t i o na n dt r a n s m i s s i o ni nd i c o mf o r m a t ，e n s u r i n go r d i n a r yc o m p u t e rc a n r e a da n dp r o c e s st h ed a t a i i t h r e s h o l do fw a v e l e tt h e o r yh a sa p p l i e dt o i m a g ee n h a n c e m e n ta n d d e n o i s i n g a d a p t i n gt h et h r e s h o l dt oa c h i e v ead o u b l e t h r e s h o l dd e n o i s i n gt o e n h a n c ea n d r e f i n e t h r o u g ht h ee x p e r i m e n t ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e n t r a d i t i o n a le n h a n c e m e n ta n dd e n o i s i n gp r o c e s so fe n h a n c i n gh a sb e e ns o l v e d r e a l i z e dt h en o i s ea m p l i f i c a t i o na n dn o i s er e m o v a lf i l t e rd e t a i l sc a ns y n c h r o n o u s b a s e do nt h i sm o r p h o l o g i c a le d g ee x t r a c t i o na n d e x p a n s i o na l g o r i t h mc o m b i n i n g e d g ed e t e c t i o n ，a f t e rt h ei m a g ee d g ew a sc o m p l e t e d ，as m o o t hi m a g ec o u l db e o b t a i n i i i t h et r a d i t i o n a lr a y c a s t i n ga l g o r i t h mi st o oc o m p l e x l ya n dc a nd e a la l a r g ev o l u m e so fd a t a ，w h i c hc a u s et h ed r a w i n gs p e e dv e r ys l o w l y f o rt h e s e p r o b l e m s ，a ni m p r o v e dl i g h tp r o je c t i o nh i s t o g r a ma l g o r i t h mh a sb e e np r o p o s e d ， e x t r a c t e dt h eb e n e f i t so fs u r f a c er e n d e r i n ga n dv o l u m er e n d e r i n g u s i n gt h e p r o je c t i o nm a t r i c e si nt h ec o o r d i n a t es y s t e mc h a n g ea n dr e m o v et h eu n w a n t e d r e s a m p l i n gp o i n t s ，a l s or e d u c et h en u m b e ro fl i g h tp r o j e c t i o n ，t h ea m o u n to f d a t ah a sb e e n 、g r e a t l yl o wd o w n ，w h i l et h eq u a l i t yo ft h ei m a g ea n dt h et h e r e n d e r i n gs p e e d h a v eg r e a t l yi m p r o v e d 一 e x p e r i m e n t ss h o wt h a t ：i m p r o v e da l g o r i t h mi sm o r er e a l i s t i ct od r a wt h e i m a g er e c o n s t r u c t i o np e r f o r m a n c eo ft h eo r g a n i z a t i o n ，a n dt h er e n d e r i n gs p e e di s a l s or e l a t i v e l yg o o d ，f i n a l l yh a sas a t i s f a c t o r yr e s u l t s 1 1 k e yw o r d s ：s c i e n t i f i cv i s u a l i z a t i o n ，i m a g ep r e p r o c e s s i n g ，s u r f a c er e n d e r i n g ， er e n d e r i n g ，l i g h tp r o je c t i o na l g o r i t h m i i i 目录 摘要i a b s t r a c t i 1 绪论l 1 1 引言1 1 2 研究的目的及意义2 1 3 国内外医学图像的三维可视化研究3 1 4 本课题研究的必要性及可行性4 2 体数据的获取及标准处理6 2 1 引言6 2 2d i c o m 数据的读取8 2 3d i c o m 图像的显示及窗口调节9 2 4 本章小结1 l 3 体数据的预处理1 2 3 1 引言1 2 3 2 医学图像增强? 13 3 2 1 常见的图像增强方法13 3 2 2 多尺度小波双阀值的自适应增强1 6 3 2 3 仿真结果1 7 3 3 图像去噪1 9 3 3 1 二维小波变换及其去噪原理1 9 3 3 2 常用的图像去嗓方法2 0 3 3 3 改进的小波阀值去噪细化2 1 3 3 4m a t la b 仿真2 3 3 4 图像的边缘检测2 5 3 4 1 图像边缘检测及边缘检测技术2 5 3 4 2 传统的边缘检测方法2 6 3 4 3 基于灰度数学形态学的边缘检测2 8 3 4 4 实验验证3 0 3 5 本章小结3 2 4 三维医学图像绘制3 3 4 1 各类经典算法3 3 4 1 1 体数据和等值面3 3 4 1 2 基于物体表面的绘制方法3 4 4 1 3 体绘制3 7 4 1 4 算法性能评价3 9 4 2 光投射的基本原理4 0 4 3 光学模型4 1 4 4 改进的基于光线投射的直接体绘制算法“4 2 4 4 1 改进的基本思路4 2 4 4 2 改进的算法描述4 3 4 5 实验结果4 8 4 6 本章小结5 0 5 总结与展望5 2 5 1 全文总结5 2 5 2 展望5 2 致谢。5 4 参考文献5 5 攻读硕士学位期间发表的论文和著作5 8 原创性声明及关于学位论文使用授权的声明5 9 基于断层扫描图像的三维可视化技术研究 1 绪论 1 1 引言 科学研究表明，人类通过视觉而获得有关外世界的信息占其获取信息的 8 0 以上，也就是说人类从大自然获取信息最主要的来源是通过图像来获取 的。随着计算机软硬件技术的不断发展、科学和工程计算规模的不断增加，社 会飞速发展要求科技不断推陈出新，医学图像可视化技术正是社会发展的巨大 需求和技术水平提高的体现。 早在2 0 世纪初期，可视化技术就已经有了定规模的发展，当时人们开 始在科学数据分析中使用图表和统计等原始的可视化技术。随着计算机不断的 普及和更新，使得人类社会进入了信息化大时代。科学计算可视化 ( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ) 是指：结合计算机视觉与计算机图像 处理，将错综复杂的体表数据结构转换为计算机可以处理的图形图像，利用计 算机程序对图像建模并进行渲染，实现了直观立体的观察图形，并进行交互处 理，。该技术在医学诊断、工业分析中有着十分广泛的应用。目前医疗图像中 常见的成像技术有：计算机断层投影( c o m p u t e dt m o m g r a p h y 简称c t ) 、核 磁共振成像( n u c l e a rm a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g 简称m r i ) 等，但是这些成 像技术提供的都是二维断层图像，这就要求有丰富专业知识的人员运用其专业 知识和技术对图像进行解读。将目标物体在三维结构上表现出来，可以降低在 图像辨识中对专业知识的要求，实现医疗成像设备的普及和推广，是近年来医 学图形图像处理中的一个热门研究方向。 医学图像的三维可视化就是结合计算机图形学和图像处理技术的应用，对 获取的二维医学图像序列进行插值计算和空间变换，最终在三维空间上重建立 体的三维图像心，。三维重建图像除了可以使人们进行重建图像观察，还可以通 过人机交互，对图像进行旋转、缩放、移动、剖面显示等一系列操作，使人们 更加直观的看到人体内部复杂的组织结构图像，为医生对病灶诊断和手术的进 行提供了最有力的技术支持。 现在医学图像中普遍使用的是二维的c t 扫描技术。c t 是一种非入侵式、 安全医学检查的成像技术，通过x 线束对人体不同的组织、器官进行无损伤的 检查。所以采用二维的c t 图像作为数据采集的基础，通过绘制技术对二维图 像进行渲染，经过三维可视化处理后，就可以为医生提供一目了然的人体内部 的、虚拟的、非侵入的窗口，将为外科手术中提供细节丰富、信息位置准确和 陕西科技大学硕士学位论文 形象生动的可视化信息。 1 2 研究的目的及意义 本课题的研究是为了解决项目中的三维可视化中关键技术的问题。所谓医 学图像的三维可视化技术就是指利用一系列的二维切片图像重建三维图像模 型并进行定性、定量分析。三维重构中的信息都是从二维图像中获取的，继承 了二维图像优点的同时，很好地弥补了传统二维影像设备在成像上提供有用信 息不足的缺点，为医务工作者在诊断过程中提供更逼真的定量分析工具和显示 手段，便于医务工作者从多角度、多层次进行观察和分析；辅助医生在诊断过 程中对病灶的确定、手术过程进行体内结构仿真、引导治疗等；在临床医生上 对疾病的判断和病灶的观测提供更加全面、清晰和直观的判断依据；三维医学 图像可视化技术不仅可以为用户提供具有真实感、直观感的三维医学图像，并 且在医疗教学及各种医学研究中也能起到积极的辅助作用。因为该技术在医学 图像上具有重要而特殊的用途，使得社会科研十分重视三维可视化技术的研究 和发展，成为了计算机图形图像学和医学图像处理中的热点研究话题，在此基 础上三维可视化技术逐步形成了一门具有特色的科学。 在三维可视化衡量中有两个重要指标：实时性和精准性。为了得到最好地 空间三维图像，除了要求体数据的精度准确还要数据有较高的实时性，即要求 构成体数据的断层图像清晰、伪影少、细节部分丰富且细腻，同时要求断层图 像具有良好地实时处理能力便于三维显示。此外体绘制的绘制速度也是三维可 视化技术研究中的热门研究问题。目前常见的体绘制加速算法有：基于空间省 略算法、自适应采样等算法等。 其中关键技术主要有： ( 1 ) 医学图像的预处理医学图像的成像多是利用计算机软件和硬件相结 合的方法，通过在c t 或m r i 等扫描设备在得到的二维人体切片图像上进行数 据序列采集，然后在通过重构形成三维图形。然而在二维成像过程中由于设备 等现实存在的问题，会不可避免引起模糊和不均匀等现象，因此在三维可视化 之前，必须采用图像分析技术和预处理技术对二维断层图像进行对比度增强、 去噪、边缘检测等预处理技术，便于准确的识别图像信息内容。 ( 2 ) 体数据绘制体绘制技术与传统的图形学绘制技术有着本质的不同， 体绘制可以将三维空间的离散数据直接转换为二维图像，省略了传统算法中构 造中间几何图元的步骤，直接将体素投影到显示平面，通过对图像空间的重采 2 基于断层扫描图像的三维可视化技术研究 样进行积分得到三维图像。在原始数据中确定每个体素中不同类别组织所占的 百分比，对不同类别的组织进行颜色和阻光度的赋值，然后使用光线跟踪法， 或投影法等生成显示图像。三维体数据中蕴藏着许多丰富并且细腻的物体结 构，为了能更加方便地对物体进行分析处理，采用三维可视化技术对蕴藏在三 维体元素中的物体结构几何信息进行恢复。由于体数据实际上只是对物体的物 理属性进行的空间采样，所以要实现体数据三维重建，必学根据采样值的分布 变化来确定物体边界，然后用适当的数学表达方式进行描述。直接体绘制是近 几年兴起的用于显示体数据的新技术，是指可以在不构造物体表面几何描述的 基础上直接对体数据进行显示，避开了传统方法中体数据的分割的不确定性问 题，将体数据中包含的物体直接进行显示，把其中的细微结构和微小变都在不 同层次表现出来。由于直接体绘制是以体素为操作对象，若是没有特殊硬件支 持，处理和显示速度都很慢，难以实现实时交互的要求。 1 3 国内外医学图像的三维可视化研究 0 上个世纪7 0 年代初期，伴随着成像技术的飞速发展，诞生了科学计算可 视化技术的雏形。7 0 年代中后期，由于当时断层扫描技术的有限性，使得扫描 出的断层图像图层的间距和厚度都很大，造成了当时科研人员研究的主要方向 都集中在轮廓连接的内容上，其中最有著名的算法是k e p p e l 在l 9 7 5 年提出的 三角片拟合三维物体表面的算法。科学计算可视化技术是于7 0 年代末在 h e r m a n 和l i u 提出了立方体算子后最终确立起来。2 0 世纪8 0 年代是三维体视 化技术迅速发展的年代，各种影像技术有如雨后春笋般的迅速出现，同时研究 人员还不断提出大量新的图形图像算法，使得三维图像显示的质量和速度都得 到了飞速的提高。9 0 年代，随着计算机技术迅速的发展，尤其是最近十年内可 视化技术研究有了突飞猛进的发展。 随着三维可视化技术的迅速发展，使得该技术逐渐走向实用化并且出现了 许多成熟产品。在国外，三维可视化软件飞速发展的同时，相应的硬件设备也 应运而生，大型电子医疗设备厂都研发出成套的三维可视化设备。如：通用电 气、西门子、东芝等制造商除了推出可视化成像设备，同时还推出了配套的图 形图像处理软件。此外，美国生物动力学研究中心开发的a n a l y s e 系统和宾 州大学研发的3 d v i e w n i x 系统1 ，加拿大的a l l e g r o 系统等都是比较成熟的处 理系统，。 国外这些比较成熟的系统大多都是与医疗成像设备成套出售的，购买这些 软件和配套设备的开销相当大，而且后期维护的费用也很大，造成这些技术和 陕西科技大学硕士学位论文 设备在我国国内推广和普及存在着相当大的阻力。此外还有一些软件工具库用 于可视化系统的开发，例如：v t k 、i d l 等，但是在我国推广的话还是存在投 入大，经济负担重的问题，这些都严重阻碍了我国医疗水平的进一步提高。应 对这一矛盾，人们采用已被广泛应用的二维成像设备“c t ”、“m r i ”和“u s ”等与 计算机处理设备相结合，通过二维成像设备提供的数据，通过安装的附加设备 进行三维可视化重构。 国内许多科研机构都对医学图像的三维重建及可视化做了大量研究，并开 发了许多医学试验系统。其中比较著名的有我国中科院自动化研究所建立的国 家模式识别实验室，此外浙江大学还在三维重构的基础上进行了比较器官的表 面轮廓实验，对重构模型进行剖切，实现了清晰、准确、方便地观察到内部组 织或病变体的形状、大小及位置，将内部组织结构以最真实的形式呈现在医务 人员的眼前，通过改善可视化的质量，提高了医疗诊断和治疗规划的制定。清 华大学、复旦大学等高校和众多科技研究所都相继开展了可视化技术研究，皆 取得了一系列可喜的研究成果。 由于三维重建技术的研究成本高、周期长，而且在医学方面上的应用环境 要求非常高，这些都制约了该技术在国内的发展和普及，目前我国尚无成熟的 商用系统，所以更进一步的研究可视化技术的发展和临床应用，对我国医疗卫 生事业发展有着重大的意义。 1 4 本课题研究的必要性及可行性 ( 1 )理论依据： 医学数据中存在着相当多的不规则物体，使用体绘制对这类物体进行三维 形态绘制非常合适。常见的体绘制算法有：基于图像空间扫描的光线投射体绘 制算法、基于物体空间扫描的错切一变形算法、基于频域的体绘制算法、基于 纹理映射的硬件体绘制算法。在获取体绘制数据后对体数据进行预处理和组织 分割，通过分析信号与噪声的不同小波特性，进行多尺度小波增强、去噪和边 缘检测等图像预处理方法。在三维空间中对获取的二维切片图像进行光投射绘 制，对原始离散数据场进行三线性插值，取得重采样数据后，再对数据进行分 类、赋值及明暗计算等步骤进行绘制，可以得到比较清晰的等值面图像，加快 图像生成及变换的速度。 ( 2 ) 技术依据 随着断层扫描设备的普及和发展，加上成像设备的图像分辨率不断的提 高，可以为科学可视化技术提供扫描间距越来越小越来越清晰的断层图像，使 4 速处理速度和扫描设备 ，使得三维可视化技术 陕西科技大学硕士学位论文 2 体数据的获取及标准处理 医学成像系统提供的断层扫描图像一般不能直接输入到三维重构模块进 行处理，需对其进行必要的数据转换，其中包括图像数据的读取、d i c o m 格 式的数据，转换数据格式等。二维图像数据读取中要进行处理的是有结构点阵 的数据，其拓扑结构和几何结构都是未显现的，所以二维断层扫描数据转换中 只要求获得数据的维数、数据源和数据空间，读取切片上像素的距离、切片间 的距离。 2 1 引言 2 0 世纪7 0 年代在医学影像信息学的发展和p a c s 的研究过程中，由于医 疗设备生产厂商的不同，造成与各种设备有关的医学图像存储格式、传输方式 差异很大，使得医学影像及其相关信息在不同系统、不同应用之间的交换受到 严重阻碍。为了解决这种阻碍的现象，美国放射学会和全美电子厂商联合会协 商建立一种统一的标准，即d i c o m 标准( d i g i t a l i m a g i n ga n dc o m m u n i c a t i o n si n m e d i c i n e ) 1 。 d i c o m 标准中涵盖了医学数字图像的采集、归档、通信、显示及查询等 几乎所有信息交换的协议；其中还定义了用于信息传递、交换的服务类与命令 集、消息的标准响应、以及一套包含各种类型的医学诊断图像及其相关的分析、 报告等信息的对象集。d i c o m 标准为互联构架和面向对象的方法提供了开放 的平台和若干应用网络环境( o s i 或t c p i p ) 的服务支持，结构化地定义了制 造厂商的兼容性声明“c o n f o r m a n c es t a t e m e n t ”。 d i c o m 文件由d i c o m 文件头和像素数据两部分组成1 。如图2 一l 所示： 文件头数据集 图2 1d i c o m 文件结构 f i 9 2 - 1s t r u c t u r eo ft h ed i c o mf i l e s d i c o m 文件头的最开始是可选的文件前言，它包括前同步码和前缀，其 中前同步码是由l2 8 个全部置为0 0 h 的字节序列和一个固定长度为4 字节的字 符串“d i c m ”组成。 根据图2 2 可知，组成数据集的数据元素主要有4 部分构成：标识符、数 6 基于断层扫描图像的三维可视化技术研究 据表示类型域v r ( v a l u er e p r e s e n t a t i o n ) 、数据长度域、数据值域。 数据集 - 传输顺序 卜 数据元素 数据元素数据元素 一素 | 标签 t 长度碴域 l 一可选域一取决于通讯的传输语法 图2 - 2d i c o m 数据集格式 f i 9 2 - 2s t r u c t u r eo fd i c o md a t aa s s e m b l a g e 读取d i c o m 数据集时先提取传输语法，然后根据具体的传输语法，采取 相应的解读方法。每个d i c o m 数据元素具都具有统一格式和内容阳，： 标示符( t a g )用4 个字节的无符号整数来表示。前面两个字节是 组号，后面两个字节是元素号。 数据类型( v r )数据类型占用两个字节，规定了数据元素的数据 类型和格式。在传输过程中使用了隐式的传输语法，v r 就可以省 略，反之若在显示传输语法则数据元素中必须有v r ，用来说明数 据类型。 。 数据长度( v a l u el e n g t h ) 用2 个字节获4 个字节的无符号整数表 示，表明v a l u ef i e l d 的长度，该长度只是值的长度，不包括数据 元素标签、v r 、数据长度字段。d i c o m 规定数据长度必须是偶数， 否则要用“补丁字符补齐”。 数据域( v a l u ef i e l d ) 必须包含偶数个字节，用来存放数据，该字 段的数据类型由数据元素v r 进行标志，其数据可以有多个值，但 总长度必须是偶数，否则要补齐。 存在通信过程中交换数据不在已有的数据字典中的情况时，定义该数据为 为“私有数据元素”，定义方式与标准的数据元素相同，但是其组号必须是奇数。 在消息数列中包含命令集和数据集两部分，其中命令集中包含了所有的对信息 的操作，数据集中则包含了对现实世界对象的描述。每个数据元素描述一条信 息( 如0 0 10 0 0 10 表示该数据元素里的信息为患者的姓名) ，它由对应的标识符 ( 8 位l6 进制数) ，如( 0 0 0 0 ，0 0 0 8 ) ，前4 位是组号，后4 位是元素号唯一确 7 陕西科技大学硕士学位论文 定n ”。 2 2d i c o m 数据的读取 通常情况下，d i c o m 3 0 标准图像灰度的获取通过标签号( 0 0 2 8 ，10 5 2 ) 和 ( 7 f e 0 ，0 0 1 0 ) 三个数据元素来实现( 压缩数据格式除外) ，( 0 0 2 8 ，1 0 5 3 ) 、( 0 0 2 8 ， 1 0 5 2 ) 分别表示重新调整斜率和重新调整截距。在读取d i c o m 数据时，首先跳 过1 2 8 字节的同步码，读取4 个字节的前缀，判断是否为“d i c m ”。然后对 d i c o m 文件进行解析，按照先后顺序读取数据集中的数据元素，读取t a g 后， 在数据字典里查找该元素所代表的v r 和v m ，确定数据类型和长度后写入接 口文件中，。数据读取流程如图2 3 所示。 例如：从低1 2 8 4b y t e 提取数据到1 2 9 5b y t e 2 80 00 00 00 40 00 00 0f 40 00 00 0 ； 查阅有关数据字典的d i c o m 文档，从12 8 4b y t e 前四字节对应t a g ：( 0 0 2 8 ， 0 0 0 0 ) ，表明该组长度；下面四字节对应双字的值为4 ，该数据值体的长度为4 ； 该组的长度为f 4 ，数据元素按上述模式组织在一起，加上头文件信息就是 d i c o m 文件。下面给出了读取数据并将数据写入接口文件的部分代码： s w i t c h ( n g r o u p ) c a s eo x 0 0 1 0 ： i n f i l e r e a d ( ( c h a r 拳) & n e l e m ，2 ) ； i f ( n e l e m 2 = 0 x 0 010 ) i n f i l e r e a d ( ( c h a r 宰) c v r ，2 ) ； i n f i l e r e a d ( ( c h a r 奎) & n l e n ，2 ) ； i n f i l e r e a d ( ( c h a r 枣) c d a t a ，n l e n ) ； s t r c p y ( c p r e s ，”p a t i e n tn a m e ”) ； s t r c p y ( c p r e s c h ，”n a m eo fp a t i e n t s ”) ； o u t f i l e w r i t e ( ( c h a r 木) c p r e s c h ，3 0 ) ； o u t f i l e w r i t e ( ( c h a r 幸) c p r e s ，3 0 ) ； o u t f i l e w r i t e ( ( c h a r 幸) c v r ，3 ) ； o u t f i l e w r i t e ( ( c h a r 宰) c d a t a ，l0 0 ) ； o u t f i l e f l u s h ( ) ； 图2 3d i c o m 数据读取流程 f i 9 2 - 3t h ef l o wo fd a t aa c c e s si nd i c o m 2 3d i c o m 图像的显示及窗口调节 在显示一个d i c o m 格式图像之前，需要了解下列标签所代表的d i c o m 数 据元素中的数值【1 ”，下面给出每个d i c o m 格式图像都强制存在的标签： ( 1 ) ( 0 0 2 8 ，0 0 0 2 ) s a m p l e sp e rp i x e l 9 陕西科技大学硕士学位论文 ( 2 ) ( 0 0 2 8 ，0 0 0 2 ) n u m b e ro ff r a m e s ( 3 ) ( 0 0 2 8 ，0 0 1 0 ) r o w s ( 4 ) ( 0 0 2 8 ，0 0 1 1 ) c o l u m n s ( 5 ) ( 0 0 2 8 ，0 lo o ) b i t sa l l o c a t e d ( 6 ) ( 0 0 2 8 ，0 1 0 1 ) b i t ss t o r e d ( 7 ) ( 7 f e 0 ，0 010 ) p i x e ld a t a 其中标签( 1 ) 中只有得到一个像素点的三个基础( r e d 、g r e e n 、b l u e ) 颜色分量，才能得到该像素点的值。 在d i c o m 存储中是以字来进行存储的，在转换数据的时候需要进行灰度 值变化，这就要引入加窗操作。窗口操作是指，将窗口区域的图像数据转换到显 示器的最大显示范围内，高于或低于窗口上下限的图像数据则分别设置为最高 或最低的显示值，。窗口算法分为线性加窗和非线性加窗，其中线性加窗操作 为： g 缈) = oy c + 里2 式中： 弘一d i c o m 图像的图像数据； g ( 矿) 图像灰度值函数； 肜一窗宽但示图像的范围为窗位) ； g 肼图像灰度最大值。 非线性加窗变换方程为： g ( v ) = 2 5 5 牛l o g ( v + 1 ) l o g ( vm a x ) ( 2 - 2 ) 窗口调节部分的代码为： v a r = o l m g - + r e a d ( c t1 d c m ) r e s c a l e i n t e r c e p t = o l m g - - - g e t v a l u e ( 0 0 2 8 x ，10 5 2 x n o c o p y ) r e s c a l e s l o p e = o l m g - - + g e t v a l u e ( 0 0 2 8 x ，10 5 3 x ，n o c o p y ) d a t a2o l m g - + g e t v a l u e ( 7 e f 0 x ，0 0l0 x ，n o c o p y ) a c t u a l g r e y = 半r e s c a l e s l o p e 【0 】牛( d a t a 0 ) + 木r e s c a l e i n t e r c e p t 【0 选择并调整合适的窗宽或窗位可以以使病变部位清晰地呈现出来，便于 d i c o m 数据的读取和处理。 l o 背景及其 据的表明 作用和原 陕西科技大学硕士学位论文 3 体数据的预处理 由于一幅医学图像可以最直观的形式为医生提供辅助诊断和治疗信息，也 就是说在信息可视化技术中图像处理是十分重要的手段。但是由于图像信号在 采集、获取、传输和编码过程中，都会在不同程度上存在噪声的干扰，出现图 像失真、模糊、像素丢失或是几何变形，为了在后续三维图像重构中可以用到 反映较好地可视化效果的体元素，有效的预处理是三维重建的正确性保证。本 章采用了增强、去噪和边缘提取的方法对图像进行了预处理，在提高图像质量 的基础上，解决了在图像扫描时引入的噪声和去除噪声淹没细节信息等问题。 3 1 引言 针对c t 切片图像的特点及其肿瘤组织的特征，本章考虑按照对比度增强、 去噪和边缘检测三个步骤顺序进行图像的预处理，使处理后的图像可以得到最 好地显示效果。由于传统的图像增强会在提高图像对比度的同时，放大图像中 的噪声信号，使得图像部分细节会被噪声淹没，因此在图像增强后要对图像进 行去噪处理。一般的去噪方法是在消除或减弱高频分量的基础上进行的，有时 候过度平滑会引起图像边缘细节特征模糊，这就要求对去噪后的图像进行有效 的边缘提取，对边缘细节的地方进行很好地保护。针对上述这些问题本章对断 层扫描图像进行了以下一系列的预处理操作，在有效的解决了去噪的同时使得 微小信息也得到了很好保留。 通常用到的增强方法有：图像灰度值线性变换灰度值非线性变换直 方图均值化。以上三种方法都是通过均值化直方图后增大灰度级的动态范围， 来增强图像对比度的。对于低对比度的窄边缘图像，上述几种方法都很有效， 但是对于边缘较宽的图像，就会造成图像增强不够或增强过度的现象。本节提 出了基于多尺度小波双阀值自适应增强算法，解决了目标图像特征存在差异时 引起的增强大小不同，根据断层的不同来确定不同的增强系数。 在分析了信号与噪声的不同小波特性，提出了基于多尺度小波阀值萎缩细 化的去噪方法，在不同尺度下设定不同的模值拉伸因子，同时加入了细化的功 能，在提高图像对比度的同时抑制噪声信号，解决了传统阀值去噪中的“一刀 切”时造成的局部细节信息淹没的现象，实现了对于不同的断层图像自适应设 置不同的阀值后，对于被滤掉的高频的成分进行细化，解决了去噪过程中引起 的细节过滤问题。 1 2 基于断层扫描图像的三维可视化技术研究 除此之外在提取弱边缘信息的时候采用了基于形态学的改进抗噪边缘检 测算法，能够较好地解决图像去噪过程中引起不稳定性的问题，保持边缘的连 续性及准确性，并能非线性的增强图像细节信息，保持图像的边缘特征，改善 图像的视觉效果。 3 2 医学图像增强 凭借对断层扫描图像的判断，医生可以从中获取许多重要的信息。但是由 于断层图像要经过一系列成像链，其中每个环节都会降低图像的信噪比，还要 受到成像设备和获取条件等多种因素的影响，必然会出现成像质量退化、伪迹 等现象，往往造成级数较高的细节被噪声淹没，使得医生无法凭借断层扫描图 像来进行病灶判断。因此对获取的断层图像进行增强信噪比的工作是十分重要 的。 增强图象中的有用信息是一个会引起失真的过程，其目的是要增强视觉效 果。将原来不清晰的图像变得清晰或强调某些感兴趣的特征，不感兴趣的特征 进行抑制，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。 3 2 1 常见的图像增强方法 图像增强的目的是改善图像的视觉效果，针对给定图像所处的应用场合， 有目的地强调图像的整体或局部特性，扩大图像中不同物体特征之间的差别， 满足特殊分析的需求。在图像增强过程中，不用分析图像降质的原因，处理后 的图像也不一定要求逼近原始图像。图像增强技术根据增强处理过程所在的空 间不同分为：基于空域的算法和基于频域的算法两大类。基于空域的算法在处 理时直接对图像灰度级做运算；基于频域的算法是在图像的某种变换域内对图 像的变换系数值进行某种修正，是一种间接增强的算法。 基于空域的算法分为点运算算法和邻域增强算法。点运算中运用了灰度级 校正、灰度变换和直方图修正等技术，目的是为了使图像成像均匀，或者是用 于扩大图像动态范围，扩展对比度。邻域增强算法又可以分为图像平滑和锐化 两种。平滑一般用于消除图像噪声，但是去噪的同时较容易引起边缘的模糊。 常用算法有均值滤波、中值滤波。锐化的目的在于突出物体的边缘轮廓，便于 目标识别。常用算法有梯度法算子、高通滤波、掩模匹配法、统计差值法等。 ( 1 ) 空域滤波增强 使用空域模板进行的图像处理被称为空域滤波，模板本身被称为空域滤波 器。空域增强不考虑图像降质的原因，只将图像中感兴趣的特征有选择的突出， 陕西科技大学硕士学位论文 而衰减其不需要的特征。按照空间分类，空域滤波器包括可以分为线性滤波器 基于断层扫描图像的三维可视化技术研究 由公式3 2 可知模版间的映射丁是一种变换操作，将其定义在( x ，y ) 的领 域，该邻域是以( x ，j ，) 为中心的一个方形区域，也就是说丁对( x ，y ) 及其邻域都产 生f ( x ，y ) 变换。 ( d ) 图像间的算术运算和逻辑运算两幅或多幅图像进行算术运算或逻辑 运算，以产生新的图像。算术运算是指对应像素之间的操作，逻辑运算可以是 对像素间的操作，也可以是像素间的位操作，即像素的值作为撑2 字符串按位处 理。 ( 2 ) 频域增强 频域增强指在图像的频率域内，对图像的变换系数( 频率成分) 直接进行 运算，然后通过f o u r i e r 逆变换以获得图像的增强效果。首先在在图像中进行 某种域内变换，再对变换后的系数进行运算，然后再反变换回到原来的空域得 到增强的图像。这是一种间接处理方法。主要是通过改变图像中不同频率分量 来实现的。频域空间的增强借助滤波器来实现，不同的滤波器滤除的频率和保 留的频率不同，因而可获得的增强效果也不同。常见的滤波器有低通滤波器、 高通滤波器、带通和带阻滤波器、同态滤波器”。 只有对f o u r i e r 变换( f t ) 和图像的频率域处理技术进行详细的了解，才 可以理解图像增强这个图像处理中最基本的处理任务。一般来说，图像的边缘 和噪声对应f o u r i e r 变换中的高频部分，所以低通滤波能够对图像进行平滑， 去除噪声。图像灰度发生聚变的部分对应的是频谱的高频分量，所以采用高频 滤波器衰减或抑制低频分量，就能够对图像进行锐化处理。频域空间的增强方 法有两个关键点： a 将图像从图像空间转换到频域空间所需的变换( 丁) 以及再将图像从频域 空间转换回图像空间所需的变换 b 在频域空间对图像进行增强加工的操作( e h ) 设函数f ( x ，y ) 与线性位不变算子h ( x ，少) 的卷积结果是g ) ，即： g ( x ，y ) = h ( x ，y ) 幸f ( x ，y ) ( 3 - 3 ) 那么根据卷积定理在频域有： g ( u ，) = h ( u ，v ) f ( u ，1 ，) ( 3 4 ) 其中g ( z f ，1 ，) ，n ( u ，1 ，) ，f ( u ，v ) 分别是g ( x ，y ) ，h ( x ，y ) ，f ( x ，y ) 的傅里叶变换。 在具体的增强应用中，f ( x ，y ) f f a 给定的，需要确定的是n ( u ，v ) ，而具有所需特性 的g ( x ，y ) 为： 1 5 陕西科技大学硕士学位论文 g ( x ，y ) = f 1 【( “，v ) f ( u ，v ) 】 ( 3 - 5 ) 频域空间的增强方法具体步骤： s t e p l ：为使变换后的图像处于频域的中心，首先把输入图像乘( 一1 ) x + y ； s t e p 2 ：计算经过第l 步中心化处理后图像的d f t ，即f ( u ，v ) ； s t e p 3 ：把f ( u ，v ) 与滤波器传递函数h ( u ，1 ，) 相乘； s t e p 4 ：对第3 步的结果计算逆d f t ； s t e p 5 ：取s t e p 4 结果的实部； s t e p 6 ：用( 一1 ) x + y 第5 步的结果以还原滤波后图像的中心点到左上角。 传统的对比度增强技术大多是基于全局和邻域，主要是通过提高边缘两侧 的灰度差，然而边缘的宽度并没有得到改善，如全局( 局域) 直方图均衡化，图 像间的算术运算和逻辑运算等，这些方法对于低对比度的窄边缘有效，但往往 会使边缘较宽的部分陷入欠增强或过增强的结果。通过对传统增强算法的优缺 点的研究，引入了基于多尺度小波双阀值自适应增强算法”，解决了目标图像 特征差异各有不同时引起的增强大小不同，该算法根据目标状态来确定增强系 数，有效的拓宽了目标部分占据的动态范围，实现了提高目标对比度的同时， 又很好地保留了图像边缘信息，同时还大大降低了时间和空间复杂度。 3 2 2 多尺度小波双阀值的自适应增强 双阀值的选取：为了能很好地抑制图像增强时引起的噪声、边缘模糊和降 低对比度等问题，这里采用了最小类间方差法，其中类内方差定义为： c w = c o 。据+ 0 3 l 卯 ( 3 - 6 ) 类间方差定义为： 妒；= o ( 肛。一a t ) 2 + c o l ( p