醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像技術(shù)基礎(chǔ)

醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像技術(shù)基礎(chǔ)教學(xué)目標(biāo)：了解對(duì)數(shù)字圖像及處理技術(shù)與數(shù)字圖像處理系統(tǒng)基本概念及相關(guān)術(shù)語(yǔ)；熟悉圖像分析、圖像重建等數(shù)字圖像處理技術(shù)；掌握?qǐng)D像質(zhì)量改善、圖像數(shù)據(jù)壓縮等數(shù)字圖像處理技術(shù)。第2章數(shù)字圖像技術(shù)基礎(chǔ)2.1數(shù)字圖像

2.2數(shù)字圖像處理

2.3數(shù)字圖像處理系統(tǒng)

2.4數(shù)字圖像處理基本技術(shù)

2.5數(shù)字圖像的制式轉(zhuǎn)換與壓縮

2.1數(shù)字圖像教學(xué)目標(biāo)：了解模擬圖像、數(shù)字圖像的基本概念及相關(guān)術(shù)語(yǔ)；熟悉數(shù)字圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)分析相關(guān)技術(shù)；掌握數(shù)字圖像的分類與表示方法。1、模擬圖像2、數(shù)字圖像2.1.1圖像的相關(guān)概念列(N)行(M)模擬圖像抽樣黑0灰階量化白2553.模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像的過(guò)程（1）抽樣；（2）量化4.

分辨率與顏色數(shù)

分辨率表示圖像垂直與水平方向的像素點(diǎn)的數(shù)量。

顏色數(shù)是指一幅圖像最多能表達(dá)的顏色數(shù)目。

位數(shù)顏色數(shù)1224416825612409616655362416777216像素表達(dá)位數(shù)與對(duì)應(yīng)的顏色數(shù)2.1.2數(shù)字圖像的分類及表示1.數(shù)字圖像的分類數(shù)字圖像的分類主要有黑白圖像、灰度圖像、彩色圖像、三維圖像等。（1）黑白圖像100001110I=2.1.2數(shù)字圖像的分類及表示（2）灰度圖像灰度圖像是指每個(gè)像素的信息由一個(gè)量化的灰度級(jí)來(lái)描述的圖像。015020012050180250220100I=2.1.2數(shù)字圖像的分類及表示（3）彩色圖像彩色圖像是指每個(gè)像素的信息由RGB三原色構(gòu)成的彩色圖像。25524024025508025500R=01608025516016002550G=08016000240255255255B=2.數(shù)字圖像在計(jì)算機(jī)內(nèi)部的表示方法（1）單波段數(shù)字圖像;（2）多波段彩色數(shù)字圖像;（3）二值圖形;（2）多波段彩色數(shù)字圖像由紅、綠、蘭三基色表示的彩色圖像及遙感圖像均屬多波段圖像。這類圖像常用下列三種掃描和存儲(chǔ)方式：按色彩幀掃描存儲(chǔ)方式按行掃描存儲(chǔ)方式按像素點(diǎn)掃描存儲(chǔ)方式

按行掃描存儲(chǔ)方式按像素點(diǎn)掃描存儲(chǔ)方式（3）二值圖形二值圖形是黑白圖像的一種特殊情況。每個(gè)像素只有二個(gè)灰度值1或0，即每個(gè)像素僅用一位二進(jìn)制數(shù)表示即可。一切文字和工程線條圖均可經(jīng)數(shù)字化后用二值圖像的形式來(lái)表示，例如醫(yī)學(xué)心電圖中的線條圖形就是典型的二值圖形。3.數(shù)字圖像的存儲(chǔ)（1）合并儲(chǔ)存；（2）圖像壓縮儲(chǔ)存一般儲(chǔ)存單元是字節(jié)，而二值圖像僅用一位二進(jìn)制碼來(lái)表示即可。采用的方法是將相鄰的8個(gè)像素點(diǎn)值合并儲(chǔ)存在一個(gè)字節(jié)中，以每個(gè)像素占用該字節(jié)一個(gè)位的方式來(lái)表示。優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省儲(chǔ)存空間，缺點(diǎn)是顯示或處理時(shí)，必須先把每個(gè)字節(jié)展開(kāi)成8個(gè)像素，增加了處理的計(jì)算量。（2）圖像壓縮儲(chǔ)存

文字和線條圖像是一種特殊的二值圖，這類圖像由于文字或線條只占全圖少量像素，因此可以采用更緊湊的數(shù)據(jù)壓縮結(jié)構(gòu)來(lái)儲(chǔ)存。經(jīng)常選用下面三種結(jié)構(gòu)來(lái)儲(chǔ)存：坐標(biāo)序列結(jié)構(gòu)坐標(biāo)序列增量結(jié)構(gòu)鏈碼結(jié)構(gòu)1）坐標(biāo)序列結(jié)構(gòu):即由圖中線段某一端頭（非封閉線）或任意像素點(diǎn)（封閉線）的坐標(biāo)開(kāi)始，連續(xù)記錄與之連通的像素點(diǎn)坐標(biāo)，這種方法實(shí)際上僅記錄了圖像上有黑色（值為1）的像素點(diǎn)所在的X，Y坐標(biāo)值，而隱含表示其它沒(méi)有被記錄的坐標(biāo)點(diǎn)為白色，其值均為0。該圖像為512×512像素，則需要2×9×10=180位存儲(chǔ)空間。2）坐標(biāo)序列增量結(jié)構(gòu)：根據(jù)相鄰兩個(gè)像素坐標(biāo)之間的變化，增量為0表示該X或Y方向坐標(biāo)值保持不變，增量為1表示該X或Y方向坐標(biāo)值加1而前進(jìn)一步。坐標(biāo)序列增量的方法可以用(3,6)(1,1)(1,0)(1,-1)(1,-1)(1,0)(1,0)(1,-1)(0,-1)(-1,-1)序列來(lái)表示10個(gè)有效黑點(diǎn)像素所示的線條。存儲(chǔ)該圖形需要4×(10-1)+2×9＝54位。3）鏈碼結(jié)構(gòu)：對(duì)一個(gè)(線條)連續(xù)的像素序列來(lái)說(shuō)，與某一像素連通的后續(xù)像素只可能是0~7中的一個(gè)。因此任何一個(gè)后續(xù)像素均可用0~7這8個(gè)值中的一個(gè)來(lái)表示它的前進(jìn)方向，那么用三位二進(jìn)制碼（八進(jìn)制數(shù)）即可表示連續(xù)的線條圖形。

鏈碼結(jié)構(gòu)法可用(3,6)，7，0，1，1，0，0，1，2，3的鏈碼表示。即用八進(jìn)制數(shù)就可表示，用了2×9+(n－1)×3=45位就可以儲(chǔ)存2.1.3數(shù)字圖像質(zhì)量評(píng)價(jià)

醫(yī)學(xué)成像的目的是要讓觀察者能夠清楚地看到患者體內(nèi)的某一組織器官的病變情況及其與周圍組織的關(guān)系。影響評(píng)價(jià)數(shù)字醫(yī)學(xué)圖像質(zhì)量的因素：噪聲、信噪比、對(duì)比度、分辨率及偽影。其中分辨率還包括：空間分辨率、密度分辨率、時(shí)間分辨率。2.2數(shù)字圖像處理教學(xué)目標(biāo)：了解數(shù)字圖像的基本概念及相關(guān)術(shù)語(yǔ)；熟悉數(shù)字圖像處理的相關(guān)技術(shù)、優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用狀況。2.2數(shù)字圖像處理

數(shù)字圖像處理（DigitalImageProcessing）又稱為計(jì)算機(jī)圖像處理，它是指將圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并利用計(jì)算機(jī)對(duì)其進(jìn)行處理的過(guò)程。

圖像處理目的是改善圖像的質(zhì)量，它以提高圖像的使用價(jià)值為目的。數(shù)字圖像處理的優(yōu)點(diǎn)1.再現(xiàn)性好2.處理精度高3.處理速度快4.處理圖像手段靈活5．易存儲(chǔ)6．發(fā)展快7．操作簡(jiǎn)單8．易傳輸9．安全10.智能化醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像處理的應(yīng)用1、黑白圖像的灰階處理2、彩色圖像的頻譜處理3．圖像信息資料的儲(chǔ)存4．實(shí)時(shí)圖像信息的傳輸5．Internet與醫(yī)學(xué)圖像信息的傳輸6．圖像自動(dòng)識(shí)別7．圖像虛擬8．圖像三維重建9．遠(yuǎn)程醫(yī)學(xué)（Telemedicine）2.3數(shù)字圖像處理系統(tǒng)教學(xué)目標(biāo)：了解數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)與常用的圖像采集設(shè)備；熟悉圖像數(shù)字化設(shè)備常見(jiàn)參數(shù)、常用的數(shù)字圖像處理軟件。2.3.1數(shù)字圖像處理系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)

數(shù)字圖像的采集、處理和輸出是由數(shù)字圖像處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，因此數(shù)字圖像處理系統(tǒng)是由圖像數(shù)字化設(shè)備、圖像處理計(jì)算機(jī)和圖像輸出設(shè)備組成，如圖所示：圖像處理計(jì)算機(jī)圖像數(shù)字化設(shè)備

圖像輸出設(shè)備輸入圖像輸出圖像2.3.2常用的圖像采集設(shè)備2.3.3圖像數(shù)字化設(shè)備常見(jiàn)參數(shù)1.像素(Pixel)2.屏幕分辨率屏幕分辨率又稱屏幕頻率，是指顯示器上最大可顯示的像素?cái)?shù)的集合，一般用水平與垂直方向的像素點(diǎn)數(shù)來(lái)表示。3.位分辨率(BitResolution)

圖象的位分辨率也稱位深，是用來(lái)衡量每個(gè)像素儲(chǔ)存信息的位數(shù)。這種分辨率決定了每次在屏幕上可顯示多少種顏色，或者也將位分辨率稱為顏色深度。

4.設(shè)備分辨率(DeviceResolution)

又稱輸出分辨率，指的是各類圖像輸入、輸出設(shè)備每英寸上可產(chǎn)生的點(diǎn)數(shù)。這種分辨率通過(guò)指標(biāo)DPI來(lái)衡量。2.3.4常用的數(shù)字圖像處理軟件2.4數(shù)字圖像處理基本技術(shù)教學(xué)目標(biāo)：了解數(shù)字圖像處理基本技術(shù)的基本概念；熟悉數(shù)字圖像運(yùn)算方法；掌握灰度直方圖、圖像增強(qiáng)、圖像的幾何變換、圖像分割等圖像處理技術(shù)。2.4.1數(shù)字圖像運(yùn)算

數(shù)字圖像運(yùn)算是數(shù)字圖像處理的最基本技術(shù)，包括算術(shù)運(yùn)算與邏輯運(yùn)算。算術(shù)運(yùn)算有：加法、減法、乘法運(yùn)算等，邏輯運(yùn)算有：求反、異或、或、與運(yùn)算等。1.加法加法運(yùn)算的定義：C(x,y)=A(x,y)+B(x,y)。主要應(yīng)用舉例：我們可以得到各種圖像合成的效果，也可以用于兩張圖片的銜接。2.4.1數(shù)字圖像運(yùn)算1.加法圖像的合成圖像的銜接2.減法減法的定義：C(x,y)=A(x,y)-B(x,y)。主要應(yīng)用舉例：檢測(cè)同一場(chǎng)景兩幅圖像之間的變化，設(shè)：時(shí)間1的圖像為T1(x,y)，時(shí)間2的圖像為T2(x,y)，則C(x,y)=T2(x,y)-T1(x,y)。則C(x,y)=A(x,y)–B(x,y)運(yùn)算的結(jié)果是；去除了圖像背景色、得到了相減運(yùn)算的圖像C(x,y)，其中C(x,y)為圖像相減運(yùn)算后，去除了背景的圖像。同一場(chǎng)景兩幅圖像之間的變化2.4.1數(shù)字圖像運(yùn)算3.乘法乘法的定義：C(x,y)=A(x,y)*B(x,y)。主要應(yīng)用舉例：圖像的局部顯示。用二值蒙板圖像與原圖像做乘法。此種圖像處理操作常被稱為“摳圖”或“蒙板”操作。圖像的局部顯示2.4.1數(shù)字圖像運(yùn)算4.求反求反的定義：g(x,y)=255-f(x,y)。主要應(yīng)用舉例：獲得彩色圖片的底片，對(duì)于黑白圖像，還可獲得區(qū)別于背景的、可恢復(fù)的圖形。圖像的求反運(yùn)算示意圖2.4.1數(shù)字圖像運(yùn)算5.異或異或運(yùn)算的定義：g(x,y)=f(x,y)?h(x,y)。主要應(yīng)用舉例：獲得相交子圖像。圖像的異或運(yùn)算2.4.1數(shù)字圖像運(yùn)算6.或運(yùn)算或運(yùn)算的定義：g(x,y)=f(x,y)vh(x,y)。主要應(yīng)用舉例：合并子圖像。圖像的或運(yùn)算2.4.1數(shù)字圖像運(yùn)算7.與運(yùn)算與運(yùn)算的定義：g(x,y)=f(x,y)ùh(x,y)。主要應(yīng)用舉例：求兩個(gè)子圖像的相交子圖。圖像的與運(yùn)算以上七種數(shù)字圖像的運(yùn)算方式在實(shí)際的醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像處理中可用于醫(yī)學(xué)數(shù)字圖像的比較、裁剪、拼接、特征提取等融合技術(shù)中。例如：數(shù)字圖像的減法運(yùn)算可應(yīng)用于DSA（數(shù)字減影血管造影）的圖像處理中蒙片充盈片減影圖b正片與負(fù)片a數(shù)字減影血管造影成像2.4.2灰度直方圖1.灰度直方圖的定義

灰度直方圖是灰度級(jí)的函數(shù)，是對(duì)圖像中所有灰度級(jí)狀態(tài)分布的統(tǒng)計(jì)。即：橫坐標(biāo)表示灰度級(jí)，縱坐標(biāo)表示圖像中對(duì)應(yīng)某灰度級(jí)所出現(xiàn)的像素個(gè)數(shù)。較暗的圖像較暗圖像的直方圖較亮的圖像較亮圖像的直方圖對(duì)比度較低圖像對(duì)比度較低圖像的直方圖對(duì)比度較高圖像對(duì)比度較高圖像的直方圖2.直方圖的用途（1）直方圖可用來(lái)判斷一幅圖像是否合理地利用了全部被允許地灰度級(jí)范圍。（2）直方圖可用來(lái)進(jìn)行邊界閾值選擇。圖像的輪廓線提供了一個(gè)確立圖像中簡(jiǎn)單物體邊界的有效方法，使用輪廓線作為邊界的技術(shù)被稱為閾值化。直方圖因?yàn)樘峁┝艘环鶊D像的全部灰度信息，因此可以利用直方圖來(lái)進(jìn)行邊界閾值選擇。2.4.3圖像增強(qiáng)

圖像增強(qiáng)是數(shù)字圖像處理的方法之一，可以改善從外界獲取的圖像的質(zhì)量和外觀，或者把圖像轉(zhuǎn)換成另外某種形式，使其更適合人眼的觀察判斷和圖像分析儀的自動(dòng)處理。在對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)處理時(shí)，可以采用灰度變換、圖像平滑與銳化等多種技術(shù)綜合處理。必須注意的是：圖像增強(qiáng)實(shí)際上是有選擇性地加強(qiáng)圖像中的某些信息，而抑制另一些信息。1.灰度變換（1）線性對(duì)比度展寬局部對(duì)比度增強(qiáng)（2）動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整動(dòng)態(tài)范圍是指圖像中所記錄的場(chǎng)景中從暗到亮的變化范圍。動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整的目的是通過(guò)動(dòng)態(tài)范圍的壓縮或擴(kuò)展，可以將所關(guān)心部分的灰度級(jí)的變化范圍擴(kuò)大。在醫(yī)學(xué)影像中，CT圖像在顯示時(shí)，調(diào)整窗寬和窗位即采用這種技術(shù)，既有選擇性地把人體某一組織器官的灰階值范圍映射到顯示設(shè)備中，如選擇骨窗（窗位調(diào)整），就是選擇輸入X線片中人體骨骼的灰階范圍（窗寬調(diào)整），此時(shí)屏幕中將清晰地增強(qiáng)顯示出骨骼的影像，抑制其他灰階組織的圖像。（3）直方圖方法采用直方圖修正后可使圖像的灰度間距拉大或使灰度分布均勻，從而增大了反差，使圖像細(xì)節(jié)清楚，達(dá)到增強(qiáng)圖像清晰度的目的。直方圖處理方法通常分兩種；直方圖均衡化；直方圖規(guī)定化：1）直方圖均衡化圖像均衡化處理后，圖像的直方圖是平直的，即各灰度級(jí)具有相同的出現(xiàn)頻數(shù)，那么由于灰度級(jí)具有均勻的概率分布，圖像看起來(lái)就更清晰了。直方圖均衡化實(shí)質(zhì)上是減少圖像的灰度級(jí)以換取對(duì)比度的加大。

2）直方圖規(guī)定化直方圖規(guī)定化是指將一幅圖像通過(guò)灰度變換后，使其具有特定的直方圖形式，如使圖像與某一標(biāo)準(zhǔn)圖像具有相同的直方圖，或使圖像具有某一特定函數(shù)形式的直方圖。也就是說(shuō)，直方圖規(guī)定化的基本思想是變換直方圖使之成為某個(gè)特定的形狀，從而可以有控制地達(dá)到預(yù)定的目標(biāo)。（4）偽彩色和假彩色偽彩色(pseudocolor)處理是把黑白圖像處理成偽彩色圖像。

偽彩色處理主要解決的是如何把灰度圖變成偽彩色圖的問(wèn)題，最簡(jiǎn)單的辦法是選擇對(duì)應(yīng)于某一灰度值設(shè)一彩色值來(lái)替代，可稱之為調(diào)色板替代法。另外一種比較好的偽彩色處理方法是設(shè)定三個(gè)獨(dú)立的函數(shù)，給出一個(gè)灰度值，便由計(jì)算機(jī)估算出一個(gè)相應(yīng)的RGB值。偽彩色示意圖（4）偽彩色和假彩色假彩色(falsecolor)處理是把真實(shí)的自然彩色圖像或遙感多光譜圖象處理成假彩色圖像。假彩色處理的主要用途