医学图像处理教案34.docx

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医学图像处理教案34

教案首页

第3-4次课，授课时间2008.3.3、3.5，教案完成时间2月20日

课程名称

医学图像处理

年级

2004

专业，层次

生物医学工程五年制本科

教员

卢虹冰

专业技

术职务

教授

授课方式

（大，小班）

大班

学时

4

授课题目（章，节）

第二章图像的灰度与几何变换

基本教材或主要参考书

基本教材：

《图像处理和分析》，章毓晋著清华大学出版社

主要参考书：

《医学影像处理与分析》，田捷等，电子工业出版社，2003

教学目的与要求：

通过本次课程的学习，应使学生了解及掌握图像灰度变换的基本形式，

掌握几种常见的图像灰度变换，特别是对比度展宽、动态范围的调整、以及利用直方图进行图像均衡的方法。

大体内容与时间安排，教学方法：

图像的灰度变换概念10分钟

输入图像的校正15分钟

对比度展宽15分钟

灰度级的修正15分钟

动态范围调整25分钟

直方图均衡化30分钟

图像的几何变换40分钟

小结10分钟

时间安排：

3月3日及3月5日共4节课

教学方法：

课堂讲授+上机实习

教研室审阅意见：

同意按照教案进行授课。

（教学组长签名）

年月日

（教研室主任签名）

年月日

教案续页

基本内容

辅助手段和时间分配

上节课我们介绍了数字图像处理的主要研究内容、图像处理系统的主要组成部分，以及相关研究领域和主要应用范围，并了解了数字图像的种类、图像的采样与量化过程、用于表征灰度图像特征的灰度直方图及用于表征彩色图像的颜色术语及颜色模型，今天我们将学习两类最简单的图像变换：

灰度变换和几何变换。

本节课的主要内容如下：

介绍常用的图像灰度变换，包括输入图像的校正，对比度展宽，灰度级的修正，动态范围调整，直方图均衡化等方法，着重掌握对比度展宽、动态范围的调整、以及利用直方图进行图像均衡的方法。

一、图像的灰度变换

1、首先我们看看来图像的灰度变换的作用：

»改善画质，使图像的显示效果更加清晰

»不改变像素位置，改变像素的值

»参见教材第四章第一节“点运算”

2、常见图像灰度变换

✓输入图像的校正

✓对比度展宽

✓灰度级的修正

✓动态范围调整

✓直方图均衡化

3、输入图像的校正

（1）为何要进行输入图像的校正：

很多数字图像信息来自于CCD图像传感器，CCD的输入输出特性不是线性的，若不进行校正处理的话，将无法得到好的图像效果，如图1所示。

图1无校正CCD图像效果示意图

（2）如何进行校正

设CCD的输入（入射光强度）为L，输出（电流强度）为I，则有：

当我们得到信号I之后，必须对其进行校正，使得后面处理的信息为L或L的近似估计值。

例如

:

加洗的照片一般不对颜色进行校正配准，所以效果会比初次整卷洗的略差一些。

进行校正的方法如下：

»值的确定

–通常CCD的值在0.4~0.8之间，值越小，画面的效果越差，如图2所示。

=0.4=0.8

原图

图2不同值的效果示意图

–根据画面对比度的分析，可以大致得到该设备的值（或依据设备的参考值），如下所示：

»对输入信息进行如下校正

•注意：

估计所得值不一定准确，下图表明值不准确时，进行校正后的图像效果：

原图=0.8时得到的图像

按=0.6校正按=0.4校正

图3不准确值的效果示意图

4、对比度展宽

对比度展宽的目的：

»目的：

将人所关心的部分强调出来

方法：

是点对点的灰度级的影射

»设新、旧图的灰度级分别为g和f，g和f均在[0，255]间变化，则有：

图4对比度展宽

对比度展宽的效果如下图所示：

图5对比度展宽效果示意

灰级窗

»只显示指定灰度级范围内的信息

»如:

α=γ=0，如下图所示：

图6灰级窗操作

灰级窗切片

»只保留感兴趣的部分，其余部分灰度置为0，如下所示：

图7灰级窗切片效果示意图

5、灰度级的修正

通过记录装置把一景物变成一幅图像时，景物上每一点所反射的光，并不是按同一比例转化成图像上相应点的灰度的。

靠近光轴的光要比远离光轴的光衰减得要少一些（称为非均匀曝光）。

♦灰度级修正的目的

⏹使画面中的每个关心的细节信息通过灰度级修正之后，可以变得清楚可见

⏹灰度级的逐点修正：

⏹畸变比例因子e（x,y）的获取

●对于确定的记录系统，使其对一亮度均匀的图像g0（x,y）=c进行记录，则有：

图8灰度级修正效果示意

6、动态范围调整

动态范围

»是指图像中从暗到亮的变化范围。

由于人眼所可以分辨的灰度的变化范围是有限的，所以当动态范围太大时，很高的亮度值把暗区的信号都掩盖了

通过动态范围的压缩可以将所关心部分的灰度级的变化范围扩大

主要方法

»线性动态范围调整

»非线性动态范围调整

（1）线性动态范围调整

设h（x,y）为图像的原灰度值，h*（x,y）为调整后的灰度值，两者均在[0，255]间变化，则有：

例：

如下所示线性变换先将亮暗限幅（即灰度<=2的置为2，灰度>=7的置为7，再将其动态范围展宽。

下图所示为对一图像进行线性动态范围调整后的效果。

图9线性动态范围调整效果

（2）非线性动态范围调整

»通常采用取对数的方法。

原因是人眼对信号的处理有一个近似对数算子的环节，如下所示：

例：

如下所示对数变换的作用是将暗的部分扩展，而将亮的部分抑制

下图给出了对过暗图像进行非线性动态范围调整的效果

图10非线性动态范围调整效果

7、直方图均衡化

直方图均衡方法的基本思想

»对在图像中像素个数多的灰度级进行展宽，而对像素个数少的灰度级进行缩减，从而达到清晰图像的目的

算法：

»设f、g分别为原图象和处理后的图像；

»求出原图f的灰度直方图h，则h为一个256维的向量：

»求出图像f的总体像素个数Nf=m*n，其中m,n分别为图像的长和宽；

»计算每个灰度级的像素个数在整个图像中所占的百分比hs（i）=h（i）/Nf（i=0,1,…,255），如下所示：

»计算图像各灰度级的累计分布hp：

»求出均衡后的图像g的灰度值

处理后直方图的结果如下图所示：

图11均衡前后的直方图分布

由上面的分析可知，直方图均衡化的目的是对图像中像素个数多的灰度级进行展宽，而对像素个数少的灰度级进行缩减，从而使变换后的图像具有均匀的直方图分布。

由于在均衡过程中只考虑图像灰度的分布，直方图中并不包括图像的位置信息。

图12给出了对一幅彩色图像进行直方图均衡前后的直方图及图像效果，从图中可以看出，均衡后的图像灰度更加均匀，显示效果更加清晰。

通过本节课的学习，我们了解了五种常用的图像灰度变换，同学们需要注意的是，不同于下节课要介绍的图像几何变换，灰度变换只改变图像中相应像素的值，而不改变像素的位置。

图像灰度变换的效果受具体应用目的的影响，具有较强的主观性，在具体应用时就注意。

图12直方图均衡化的效果

小结

10分钟

配合演示幻灯片1-4，53

主要专业外语词汇：

imageenhancement:

图像增强

Gray-level:

灰度

Transformation:

变换

Histogram:

直方图

Equalization：

均衡

Dynamicrange:

动态范围

10分钟

参见演示幻灯5-6，54

主要专业外语词汇：

gamma:

伽马

correction：

校正

device-dependent

10分钟

参见演示幻灯7-8，55

主要专业外语词汇：

piecewise-linear:

分段线性

contrast:

对比度

stretching:

展宽

10分钟

参见演示幻灯9-10，46-48

主要专业外语词汇：

gray-levelslicing:

灰级窗切片

highlight：

突出

preserve:

保留

10分钟

参见演示幻灯11-14，49

主要专业外语词汇：

gray-levelcorrection:

灰度级修正

aberration:

畸变

linear:

线性

nonlinear：

非线性

compression：

压缩

10分钟

参见演示幻灯15-17，52

主要专业外语词汇：

logtransformation:

对数变换

power-lawtransformation:

幂律变换

contrastmanipulation:

对比度调整

30分钟

参见演示幻灯18-19，50

主要专业外语词汇：

histogramequalization:

直方图均衡

probability:

概率

probabilitydistributionfunction（PDF）:

概率分布函数

normalization:

归一化

uniformPDF

10分钟

参见演示幻灯20-22，51

主要专业外语词汇：

cumulativedistributionfunction（CDF）:

累积分布函数

教案末页

小结

通过本次课程的学习，应使学生了解及掌握图像灰度变换的基本形式，掌握几种常见的图像灰度变换，特别是对比度展宽、动态范围的调整、以及利用直方图进行图像均衡的方法。

教学时应强调图像灰度变换只改变图像中相应像素的值，而不改变像素的位置，其效果受具体应用目的的影响，具有较强的主观性。

复习思考题

作业题

图像灰度变换作业（共3题）

1.如果需要你做校正，但对值无法知道其具体的值，你将采用什么样的方案来实现？

2.假设你有两张同一建筑物的照片，这两张照片是不同的人在同一天站在同一地点上拍下的，时间相差4个小时，在这4个小时中，有人从该建筑物的某个窗口射击了三枪。

负责调查的侦探不知道哪间办公室是事发房间，而对胶片的肉眼视觉检查也无法表明在这段时间内有哪扇窗户被打开或关上，你能帮助他吗？

3.已知一幅图像为：

请对其进行灰度直方图的均衡化处理。

实施情况

及分析

从作业的批改情况来看，大部分同学已掌握了本节课所授方法。

作业中第二题比较灵活，答案中用到两种方法以上的同学较少，说明学生将所学算法应用到实际中的能力还有待继续加强。

2008.3.5