北大医学数字图像处理11图像处理的分类与特点.docx

1、北大医学数字图像处理11图像处理的分类与特点第 1章 图像的数字表示1. 1 图像处理的分类与特点1. 1. 1 图像(image 的表述形式函数形式图像 I(x,y,z,t函数形式本身是图像的映射关系式(object to image ,函数形式 图像维数并不受限制。缺点:无图像的直观性数字形式图像计算机图像处理、图像远距离传输(有线或无线之基础。 特点:传输和保存过程中抗干扰能力强,保真度高,维数不受限 制。缺点:无图像的直观性,只有计算机图像系统显示。黑白、彩色图像彩色图像(如 两维、三维图像 :真彩:图像与景物的色彩完全一致。假彩:人为编制彩色序列与远景物特征量建立对应关系,彩 色由映

2、射产生。1. 1. 2 成像指各种形成图像的物理方法和工程技术 共同特点:需要信息载子(可传递物的特征各种频段的电磁波,实物粒子 (中子、质子、电子、离子等1. 1. 3 图像处理通过计算机或者光学的方法对原始图像进行处理 1. 1. 4 模拟图像处理 (Anolog Image Processing 光学模拟处理建立在傅立叶光学基础上,进行光学滤波、频谱分析等处理,可 实现图像像质改善、图像识别、图像的几何畸变校正、光度校正、光 信息的编码和存储、图像的伪色彩化、三维图像显示、对非光学信号进行光信号信息处理。电子模拟处理光强转成电讯号,用电子学方法,进行加减乘除、浓度分割、反 差放大、彩色合

3、成、光谱对比等处理。如传统的照相、广播电视等进 行图像处理。优点:速度快,几乎均实时处理,如透镜处理几乎以光速进行。 电视图像是模拟信号处理,是活动图像(25帧 /秒 。缺点:精度差;灵活性差;很难有判断功能和非线性处理功能。 但是, 光学处理技术也在不断发展, 如光学的频域处理技术简单 实用,还在发展中。1. 1. 5 数字图像处理的特点(Digital Image Processing把连续的模拟图像转换成离散的数字图像,然后在数字域进行图 像所含信息的提取、加工、传输等操作。Digitizing (对图像进行抽样,把模拟图像数字化 , 离散图像的网格图 : 一幅数字图像是由 Digiti

4、zed 后形成的离散像点矩阵组成,每一 个离散象点称为象元或象素(picture element , or pixel: The smallest image-forming unit of a video display .数字化:Scanning + Sampling + QuantizationScanning (扫描在一副图像内以 像素 为最小单元进行寻址操作,称为 Scanning 。 对摄影图像底片上的一个个小斑点, 进行顺序扫描就得到其数字化图 像。Sampling (采样测量每一幅图像的每个像素的灰度值, 就是给出上述网格图中的 小方格中点(或方格交叉点的模拟亮度平均值。通常由

5、一个图像传 感元件将每一个像素处的亮度转换成与其成正比的电压值。Quantization (量化用整数表示测量的灰度值,即在图像传感元件后面用一个 ADC (数 /模转换器将电压测量值转换成整数值。Displaying (显示, Digitizing 的逆过程经过了运算 (Operation 操作的数字矩阵重新转换成可视的图像。几个名词:灰度分辨率 (gray-scale resolution, 电视中的灰度级 , 亮度分辨率 , 密度分辨率单位图像幅度上包含的灰度级别,也就是亮度层次的多少。在计算机中如下对应 n 值 灰度分辨率 n22422= 级 8 25628= 级每个象素的灰度级一般用

6、 8 bit(彩色图像 表示, 对应 级的灰度级;高精度用 12 bit或 16 bit表示。25628= Contrast(对比度一幅图像中灰度反差的大小。 空间分辨率指图像网格在水平方向和垂直方向共分为多少格, 记为 M N , 在计算机图像处理中 M 和 N 都用二进制 幂来表示。n2一般分辨率的图像像素数为 512512 , 256256高分辨率的图像像素数为 20482048 , 10241024例如:kb b kB 524524288648256256=MB MB kB482048204818102410242568512512在一些医学应用中, N 和 M 都在 1024以上;

7、x-ray 照片一般为 64256kb ;一幅遥感图像为 Mb 30423403240,给存储、传输和处 理带来很多问题。 空间频率 ( 2cos(+=t x A y 时间变量周期性变化用频率度量对一幅图像的具有周期性的明暗变化,可引入空间频率的概念作为图像频域处理的基础。频率高可显示图像细节。低频可用来表征图像中大的物体。 低频 高频 1. 1. 6数字图像处理优缺点优点:处理精度高;处理内容丰富;可进行复杂的非线性处理;灵活:改变软件就可以改变处理内容。缺点:速度慢:一般情况下处理静止画面多, 如实时处理一般精度的 数字图像,需 100Mips 的能力;精 度 限 制 :一 般 精 度 图

8、 像 是 8512512bit , 分 辨 率 高 的 为 bit 。12204820481. 1. 7 数字医学图像的特点二高一大(高分辨率、高精度和大数据量, CT 和 MRI 等成 像技术一般是在 512512像素的分辨率、12位灰度级下对断层扫 描图像信息进行数字化采集的。若 每次采集 40或 80帧层位片,每 帧图像为 512512点, 40帧总长约 20M, 80帧长 40M。 实际应用中,常将 1024称为1k; 一帧 2k2k12位的胸片(以 2Byte 字为单位 存储约需 8M 存储容量。各种医学图像容量如下表:医学影像信息容量表名 称 一幅图像容量 每次图像数 总容量 MR

9、I 25625612(16 60 8MBCT 51251212(16 40 20MB CR(阴极射线管 2048204812 2 16MB X 光片数字化 2048204812 2 16MB 美国 Johns Hopkins医院曾进行了一次对比实验:对 120例 X 线片(其中 60例是不易判断的阳性病例,60例是有疑点的病例, 然后让医师分成两组,分别轮流在一个分辨率为 2000240012 bit、80朗伯高亮度的高分辨率诊断工作站上读软拷贝图像和在观片 灯上读硬拷贝 X 线片。 读片结果表明, 两组读硬拷贝胶片都比读软拷 贝图像更准确。 但这种差别并不严重影响临床诊断。 该院认为在高分

10、辨率诊断工作站上读软拷贝图像可用于急诊室的初步诊断 。尽管 CR 一般可以被接受, 但是并不能完全代替 X线胶片, 因为 X线胶片具有更高的精度。 在某些条件下, 要求采用 4k4k(1k=1024 图像,以保证诊断信息不丢失。目前 2k2k的图像分辨力即便是用 于初步诊断, 也存在一些问题。 例如, 在观察气胸和肺间质异常或骨 骼的细微裂纹时,需要分辨率为 4K4K12 bit的数字监视器;对于乳房肿瘤测定是不够的, 在乳房胶片上发现微钙化灶簇或对比度低 的乳腺肿瘤则要求高达 6K6K12 bit的数字显示点阵。而这是目 前任何一种监视器都达不到的。目前, 国内 PACS 和远程医疗系统集成

11、商对数字化医学图像质量的临 床要求了解不够, 普遍采用普通的、 非 X 线专业用的平板扫描仪扫读 X 线片, 在没有任何技术措施的情况下, 用微机监视器读医学影像 (一 般分辨率为 800X600,最高 1280X1024,并以此作为疾病诊断的依 据,显然是不负责任的。数字化医学图像的质量评估应引起足够的重视 。 工作站的显示器集片 盒、相机、洗片机和观片灯诸功能于一身。因此,它的分辨率、对比 度、亮度、噪声及失真等的性能好坏直接影响着最终诊断结果。传统医学图像诊断是在荧光屏-胶片-灯箱组合模式下进行的。 计 算机技术为医学图像的观察提供了数字图像信息-监视器或胶片 -数字化仪-监视器组合模式

12、,极大地方便和加速了医学图像资源 的形成、 周转和调阅。 计算机软硬件技术和多媒体技术的发展为医学 图像的显示提供了多种图像监视器和图像工作站, 例如高速高分辨率 医学图形工作站, 其分辨率为 2.5k2.5k, 亮度大于 100FL (普通显 示器为 50-60几乎可瞬时显示整幅图像。对于大部分的医学图像 来说,基本满足诊断的要求。空间分辨率和灰度量化级的提高将使图像数据量急剧增加,对于 PACS 来说,这意味着存储容量和图像传送所需时间的增加。尽管高 压缩比的图像压缩算法可以缓解传送速度和数据存储的限制。 但这种 处理使图像质量下降,将影响诊断的结果 。在医学图像信息系统中, 应尽量采用低

13、压缩比的无失真压缩。医学图像显示技术除了完成胶片模拟图像和各种模式的数字图 像等软拷贝显示任务之外, 还要承担图像后处理的任务。 例如压缩与 解压、窗口(Window/层位(Level的选择和控制、变焦(Zoom、 全景(Pan,直至三维图像的重构等,而且使用简便、快捷,为临床 医生准确诊断提供了有效的工具。1. 1. 8 图像处理技术有很强的综合性图像处理是针对性很强的技术, 根据不同应用和不同要求, 采用 不同处理方法。一般要涉及数学、物理、心理学、生理学、医学、信 号分析技术、通讯技术、计算机技术、电子技术和电视技术等。在图 像处理中涉及到软件、硬件、网络、接口多项技术,特别是并行处理

14、技术在实时图像处理中很重要。图像处理理论是把通讯理论由一维推广到二维。 图像信息理论属 于信息论科学的一个分支, 是在通讯理论研究中发展起来的, 二者比 较如下:通讯理论 图像理论一维时间信息 二维空间信息研究的是时间域和频率域的问题 研究的是空间域和空间频 率域的问题任何一个随时间变化的波形都是 由许多频率不同、振幅不同的正 弦波组成 任一幅平面图像都是由许多 频率、振幅不同的 X-Y 方向 的空间频率波叠加而成; 高频:决定图像的细节 低频:决定图像的背景和动 态范围1. 1. 9 广泛的应用与行业需求 通信新业务图像处理和通信结合,衍生了众多的通信新业务:可视电话、电视会议、远程教育、远

15、程医疗和家庭购物等。例 预计日本数字相机 2001年产量可达 2000万台,成为日本 IT 产业的主打产品。例 日本使用数字放映机的影院有 15家,至 2012年将有 1300家 采用数字化技术。在制作方面,已经有浅间山庄事件等电影全部 使用了数字化技术。电影数字化的优点是没有拷贝成本,可利用多媒体,而且影像清 晰。缺点是放映机价格昂贵,难防盗版。因此,降低放映机价格和整 顿市场秩序已经成为数字化电影能否普及的关键问题。 (09, 11, 2002 例 MVC-4AVS 四路视频合成器 (上海市广播科学研究所研制 , MVC-4A VS 四路视频合成器是专为广播电视及相关电视系统使 用而设计的专业设备。 通过数字图像处理技术, 将画面分割成四个大 小相同的部分, 分别显示四路动态的视频图像。 除具有四画面分割功 能外,还具备音视频信号四选一切换功能。四画面分割功能,可以实现 1台监视器同时监看 4路动态的视 频信号,并通过面板按键,选择其中任意一路音频监听或静音。 AVS401C 适用于演播室、转播车、播控中心、电视发射台等 广播电视领域内的图像监视,以及商场、