医学数字图像技术基础

医学数字图像技术基础第一页，共75页。第2章数字图像技术基础2.1数字图像

2.2数字图像处理

2.3数字图像处理系统

2.4数字图像处理基本技术

2.5数字图像的制式转换与压缩

第二页，共75页。2.1数字图像教学目标：了解模拟图像、数字图像的基本概念及相关术语；熟悉数字图像质量评价分析相关技术；掌握数字图像的分类与表示方法。第三页，共75页。1、模拟图像2、数字图像2.1.1图像的相关概念第四页，共75页。列(N)行(M)模拟图像抽样黑0灰阶量化白2553.模拟图像转化为数字图像的过程（1）抽样；（2）量化第五页，共75页。4.

分辨率与颜色数

分辨率表示图像垂直与水平方向的像素点的数量。

颜色数是指一幅图像最多能表达的颜色数目。

位数颜色数12244168256124096166553624像素表达位数与对应的颜色数第六页，共75页。2.1.2数字图像的分类及表示1.数字图像的分类数字图像的分类主要有黑白图像、灰度图像、彩色图像、三维图像等。（1）黑白图像100001110I=第七页，共75页。2.1.2数字图像的分类及表示（2）灰度图像灰度图像是指每个像素的信息由一个量化的灰度级来描述的图像。015020012050180250220100I=第八页，共75页。2.1.2数字图像的分类及表示（3）彩色图像彩色图像是指每个像素的信息由RGB三原色构成的彩色图像。25524024025508025500R=01608025516016002550G=08016000240255255255B=第九页，共75页。2.数字图像在计算机内部的表示方法（1）单波段数字图像;（2）多波段彩色数字图像;（3）二值图形;第十页，共75页。（2）多波段彩色数字图像由红、绿、兰三基色表示的彩色图像及遥感图像均属多波段图像。这类图像常用下列三种扫描和存储方式：按色彩幀扫描存储方式按行扫描存储方式按像素点扫描存储方式

第十一页，共75页。按行扫描存储方式按像素点扫描存储方式第十二页，共75页。（3）二值图形二值图形是黑白图像的一种特殊情况。每个像素只有二个灰度值1或0，即每个像素仅用一位二进制数表示即可。一切文字和工程线条图均可经数字化后用二值图像的形式来表示，例如医学心电图中的线条图形就是典型的二值图形。第十三页，共75页。3.数字图像的存储（1）合并储存；（2）图像压缩储存一般储存单元是字节，而二值图像仅用一位二进制码来表示即可。采用的方法是将相邻的8个像素点值合并储存在一个字节中，以每个像素占用该字节一个位的方式来表示。优点是节省储存空间，缺点是显示或处理时，必须先把每个字节展开成8个像素，增加了处理的计算量。第十四页，共75页。（2）图像压缩储存

文字和线条图像是一种特殊的二值图，这类图像由于文字或线条只占全图少量像素，因此可以采用更紧凑的数据压缩结构来储存。经常选用下面三种结构来储存：坐标序列结构坐标序列增量结构链码结构第十五页，共75页。1）坐标序列结构:即由图中线段某一端头（非封闭线）或任意像素点（封闭线）的坐标开始，连续记录与之连通的像素点坐标，这种方法实际上仅记录了图像上有黑色（值为1）的像素点所在的X，Y坐标值，而隐含表示其它没有被记录的坐标点为白色，其值均为0。该图像为512×512像素，则需要2×9×10=180位存储空间。第十六页，共75页。2）坐标序列增量结构：根据相邻两个像素坐标之间的变化，增量为0表示该X或Y方向坐标值保持不变，增量为1表示该X或Y方向坐标值加1而前进一步。坐标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)序列来表示10个有效黑点像素所示的线条。存储该图形需要4×(10-1)+2×9＝54位。第十七页，共75页。3）链码结构：对一个(线条)连续的像素序列来说，与某一像素连通的后续像素只可能是0~7中的一个。因此任何一个后续像素均可用0~7这8个值中的一个来表示它的前进方向，那么用三位二进制码（八进制数）即可表示连续的线条图形。

链码结构法可用(3,6)，7，0，1，1，0，0，1，2，3的链码表示。即用八进制数就可表示，用了2×9+(n－1)×3=45位就可以储存第十八页，共75页。2.1.3数字图像质量评价

医学成像的目的是要让观察者能够清楚地看到患者体内的某一组织器官的病变情况及其与周围组织的关系。影响评价数字医学图像质量的因素：噪声、信噪比、对比度、分辨率及伪影。其中分辨率还包括：空间分辨率、密度分辨率、时间分辨率。第十九页，共75页。2.2数字图像处理教学目标：了解数字图像的基本概念及相关术语；熟悉数字图像处理的相关技术、优势与应用状况。第二十页，共75页。2.2数字图像处理

数字图像处理（DigitalImageProcessing）又称为计算机图像处理，它是指将图像信号转换成数字信号并利用计算机对其进行处理的过程。

图像处理目的是改善图像的质量，它以提高图像的使用价值为目的。第二十一页，共75页。数字图像处理的优点1.再现性好2.处理精度高3.处理速度快4.处理图像手段灵活5．易存储6．发展快7．操作简单8．易传输9．安全10.智能化医学数字图像处理的应用1、黑白图像的灰阶处理2、彩色图像的频谱处理3．图像信息资料的储存4．实时图像信息的传输5．Internet与医学图像信息的传输6．图像自动识别7．图像虚拟8．图像三维重建9．远程医学（Telemedicine）第二十二页，共75页。2.3数字图像处理系统教学目标：了解数字图像处理系统的基本组成结构与常用的图像采集设备；熟悉图像数字化设备常见参数、常用的数字图像处理软件。第二十三页，共75页。2.3.1数字图像处理系统的基本组成结构

数字图像的采集、处理和输出是由数字图像处理系统实现的，因此数字图像处理系统是由图像数字化设备、图像处理计算机和图像输出设备组成，如图所示：图像处理计算机图像数字化设备

图像输出设备输入图像输出图像第二十四页，共75页。2.3.2常用的图像采集设备第二十五页，共75页。2.3.3图像数字化设备常见参数1.像素(Pixel)2.屏幕分辨率屏幕分辨率又称屏幕频率，是指显示器上最大可显示的像素数的集合，一般用水平与垂直方向的像素点数来表示。3.位分辨率(BitResolution)

图象的位分辨率也称位深，是用来衡量每个像素储存信息的位数。这种分辨率决定了每次在屏幕上可显示多少种颜色，或者也将位分辨率称为颜色深度。

4.设备分辨率(DeviceResolution)

又称输出分辨率，指的是各类图像输入、输出设备每英寸上可产生的点数。这种分辨率通过指标DPI来衡量。第二十六页，共75页。2.3.4常用的数字图像处理软件第二十七页，共75页。2.4数字图像处理基本技术教学目标：了解数字图像处理基本技术的基本概念；熟悉数字图像运算方法；掌握灰度直方图、图像增强、图像的几何变换、图像分割等图像处理技术。第二十八页，共75页。2.4.1数字图像运算

数字图像运算是数字图像处理的最基本技术，包括算术运算与逻辑运算。算术运算有：加法、减法、乘法运算等，逻辑运算有：求反、异或、或、与运算等。1.加法加法运算的定义：C(x,y)=A(x,y)+B(x,y)。主要应用举例：我们可以得到各种图像合成的效果，也可以用于两张图片的衔接。第二十九页，共75页。2.4.1数字图像运算1.加法图像的合成图像的衔接第三十页，共75页。2.减法减法的定义：C(x,y)=A(x,y)-B(x,y)。主要应用举例：检测同一场景两幅图像之间的变化，设：时间1的图像为T1(x,y)，时间2的图像为T2(x,y)，则C(x,y)=T2(x,y)-T1(x,y)。则C(x,y)=A(x,y)–B(x,y)运算的结果是；去除了图像背景色、得到了相减运算的图像C(x,y)，其中C(x,y)为图像相减运算后，去除了背景的图像。同一场景两幅图像之间的变化第三十一页，共75页。2.4.1数字图像运算3.乘法乘法的定义：C(x,y)=A(x,y)*B(x,y)。主要应用举例：图像的局部显示。用二值蒙板图像与原图像做乘法。此种图像处理操作常被称为“抠图”或“蒙板”操作。图像的局部显示第三十二页，共75页。2.4.1数字图像运算4.求反求反的定义：g(x,y)=255-f(x,y)。主要应用举例：获得彩色图片的底片，对于黑白图像，还可获得区别于背景的、可恢复的图形。图像的求反运算示意图第三十三页，共75页。2.4.1数字图像运算5.异或异或运算的定义：g(x,y)=f(x,y)Åh(x,y)。主要应用举例：获得相交子图像。图像的异或运算第三十四页，共75页。2.4.1数字图像运算6.或运算或运算的定义：g(x,y)=f(x,y)vh(x,y)。主要应用举例：合并子图像。图像的或运算第三十五页，共75页。2.4.1数字图像运算7.与运算与运算的定义：g(x,y)=f(x,y)Ùh(x,y)。主要应用举例：求两个子图像的相交子图。图像的与运算第三十六页，共75页。以上七种数字图像的运算方式在实际的医学数字图像处理中可用于医学数字图像的比较、裁剪、拼接、特征提取等融合技术中。例如：数字图像的减法运算可应用于DSA（数字减影血管造影）的图像处理中蒙片充盈片减影图b正片与负片a数字减影血管造影成像第三十七页，共75页。2.4.2灰度直方图1.灰度直方图的定义灰度直方图是灰度级的函数，是对图像中所有灰度级状态分布的统计。即：横坐标表示灰度级，纵坐标表示图像中对应某灰度级所出现的像素个数。第三十八页，共75页。较暗的图像较暗图像的直方图较亮的图像较亮图像的直方图第三十九页，共75页。对比度较低图像对比度较低图像的直方图对比度较高图像对比度较高图像的直方图第四十页，共75页。2.直方图的用途（1）直方图可用来判断一幅图像是否合理地利用了全部被允许地灰度级范围。（2）直方图可用来进行边界阈值选择。图像的轮廓线提供了一个确立图像中简单物体边界的有效方法，使用轮廓线作为边界的技术被称为阈值化。直方图因为提供了一幅图像的全部灰度信息，因此可以利用直方图来进行边界阈值选择。第四十一页，共75页。2.4.3图像增强

图像增强是数字图像处理的方法之一，可以改善从外界获取的图像的质量和外观，或者把图像转换成另外某种形式，使其更适合人眼的观察判断和图像分析仪的自动处理。在对图像进行增强处理时，可以采用灰度变换、图像平滑与锐化等多种技术综合处理。必须注意的是：图像增强实际上是有选择性地加强图像中的某些信息，而抑制另一些信息。第四十二页，共75页。1.灰度变换（1）线性对比度展宽局部对比度增强第四十三页，共75页。（2）动态范围调整动态范围是指图像中所记录的场景中从暗到亮的变化范围。动态范围调整的目的是通过动态范围的压缩或扩展，可以将所关心部分的灰度级的变化范围扩大。在医学影像中，CT图像在显示时，调整窗宽和窗位即采用这种技术，既有选择性地把人体某一组织器官的灰阶值范围映射到显示设备中，如选择骨窗（窗位调整），就是选择输入X线片中人体骨骼的灰阶范围（窗宽调整），此时屏幕中将清晰地增强显示出骨骼的影像，抑制其他灰阶组织的图像。第四十四页，共75页。（3）直方图方法采用直方图修正后可使图像的灰度间距拉大或使灰度分布均匀，从而增大了反差，使图像细节清楚，达到增强图像清晰度的目的。直方图处理方法通常分两种；直方图均衡化；直方图规定化：第四十五页，共75页。1）直方图均衡化图像均衡化处理后，图像的直方图是平直的，即各灰度级具有相同的出现频数，那么由于灰度级具有均匀的概率分布，图像看起来就更清晰了。直方图均衡化实质上是减少图像的灰度级以换取对比度的加大。

第四十六页，共75页。2）直方图规定化直方图规定化是指将一幅图像通过灰度变换后，使其具有特定的直方图形式，如使图像与某一标准图像具有相同的直方图，或使图像具有某一特定函数形式的直方图。也就是说，直方图规定化的基本思想是变换直方图使之成为某个特定的形状，从而可以有控制地达到预定的目标。第四十七页，共75页。（4）伪彩色和假彩色伪彩色(pseudocolor)处理是把黑白图像处理成伪彩色图像。

伪彩色处理主要解决的是如何把灰度图变成伪彩色图的问题，最简单的办法是选择对应于某一灰度值设一彩色值来替代，可称之为调色板替代法。另外一种比较好的伪彩色处理方法是设定三个独立的函数，给出一个灰度值，便由计算机估算出一个相应的RGB值。第四十八页，共75页。伪彩色示意图第四十九页，共75页。（4）伪彩色和假彩色假彩色(falsecolor)处理是把真实的自然彩色图像或遥感多光谱图象处理成假彩色图像。假彩色处理的主要用途是：（1）景物映射成奇异彩色，比本色更引人注目。（2）适应人眼对颜色的灵敏度，提高鉴别能力。可把细节丰富的物体映射成深浅与亮度不一的颜色。（3）遥感多光谱图象处理成假彩色，可以获得更多信息。

第五十页，共75页。假彩色示意图第五十一页，共75页。2.4.3图像增强2.图像平滑与锐化图像平滑和锐化处理可以实现图像增强的目的。目前利用平滑和锐化方法实现图像增强处理，根据其处理所进行的空间不同，可分为基于图像域的方法既空域法和基于变换域的方法既频域法两类。空域法指在图像所在的空间域中直接进行处理；而频域法指先把图像作变换，在频率域中处理后，再反变换回空间域。（1）平滑图像平滑是消除或减少图像中各种噪声的处理方法。图像平滑主要是为了消除噪声。图像平滑处理包括空域法和频域法两大类。第五十二页，共75页。2.4.3图像增强2.图像平滑与锐化（1）平滑1）空域法中，图像平滑的常用方法是采用多图像平均法、邻域平均法和中值滤波等方法。①多图像平均法：多图像平均法使是对同一景物的多幅图像取平均来消除噪声的方法。②邻域平均法：基本思想是用图像上点（X,Y）及其邻域像素的灰度平均值来代替点(X,Y)的灰度值。③中值滤波法：基本思想是：用像素邻域内的中间灰度值代替该像素原来的灰度值。第五十三页，共75页。2.4.3图像增强2.图像平滑与锐化（1）平滑2）频域法中，图像平滑的常用方法是低通滤波法。通过低通滤波的方法使高频分量通过受到抑制和阻止，而允许低频分量的图像信息顺利通过，从而实现图像的平滑处理。图像模糊第五十四页，共75页。2.4.3图像增强2.图像平滑与锐化（2）锐化图像锐化的目的是增强图像中目标的细节边缘和轮廓，使图象看起来比较清晰。锐化的作用是要使灰度反差增强，从增强图像细节的目的来看，它与图像平滑处理的效果正好相反。锐化处理也分为空域法和频域法。图像锐化第五十五页，共75页。2.4.4图像的几何变换图像是对三维实际景物的平面投影。为了观测需要，常常需要进行各种不同的几何变换。值得注意的是，几何变换不改变像素值，而是改变像素所在的位置。图像的位置变换是指图像的大小和形状不发生变化，只是将图像进行旋转和平移，主要是用于目标识别中的目标配准。1.图像的平移图像平移只是改变图像在屏幕上的位置，图像本身并不发生变化。第五十六页，共75页。2.4.4图像的几何变换2.图像的镜像镜像分为水平镜像和垂直镜像,水平镜像变换是指将指定区域的图像左右翻转地显示在屏幕上，垂直镜像是将图像上下翻转显示出来。图像的水平镜像和垂直镜像第五十七页，共75页。2.4.4图像的几何变换3.图像的形状变换所谓图像的形状变换是指图像的形状发生了变化。在这里主介绍图像的放大与缩小。图像的缩小实际上就是对原有的多个数据进行挑选或处理，获得期望缩小尺寸的数据，并且尽量保持原有的特征不丢失。最简单的方法就是等间隔地选取数据。图像放大从字面上看，是图像缩小的逆操作，但是，从信息处理的角度来看，则难易程度完全不一样。图像缩小是从多个信息中选出所需要的信息，而图像放大则是需要对多出的空位填入适当的值，是信息的估计。简单的思想是，如果需要将原图像放大k倍，则将原图像中的每个像素值，填在新图像中对应的k*k大小的子块中。第五十八页，共75页。2.4.5图像分割

把图像空间按照一定的要求分成一些“有意义”的区域的技术叫图像分割。例如：1.要确定航空照片中的森林、耕地、城市区域等，首先需要将这些部分在图像上分割出来。2.要辨认文件中的个别文字，也需先将这些文字分选出来。3.要识别和标定细胞的显微照片中的染色体，需要用图像分割技术。第五十九页，共75页。2.4.5图像分割

图像分割是按照图像的某些特征（如灰度等级、频谱、纹理等）将图像空间分成若干有不同意义的区域的处理技术，它是图像分析的关键步骤，在这些区域内其特性是相同的或者说是均匀的，两个相邻区域彼此特性则是不同的，其间存在着边缘或边界。在分割处理时，有两点应该注意：从主观愿望出发，分割出来的区域和图像中的目标应该准确对应，但要实现完全自动分割是比较困难的，这主要取决于图像的质量（即目标与背景的分离程度），因此在分割时还需借助一些其它手段。一般的软件系统都会提供几种分割方法，操作员可在使用过程中不断总结经验，以提高工作效率。图像分割可采用灰度级门限化方法和边缘检测技术。

第六十页，共75页。2.4.5图像分割

用灰度级门限化方法来分割一幅图像时，若想从亮的背景中分离出暗的物体,利用一门限值T将像素分为“亮”的和“暗”的两类。

灰度级门限化方法图像分割效果图第六十一页，共75页。2.4.5图像分割

与图像分割密切相关的技术是边缘检测，它也是目标区域的识别、区域形状提取等图像分析领域十分重要的基础，图像理解和分析的第一步往往就是边缘检测。所谓边缘就是指图像局部亮度变化最显著的部分，它是检测图像局部显著变化的最基本的运算。将像素分为“边缘”上的点和“非边缘”上的点两类。边缘检测技术图像分割效果图第六十二页，共75页。2.5数字图像的制式转换与压缩教学目标：了解数字图像的制式与制式转换；熟悉医学数字图像通讯（DICOM）标准；掌握图像压缩与解压缩方法。第六十三页，共75页。2.5数字图像的制式转换与压缩2.5.1数字图像的制式与制式转换

数字图像文件因采集方式的不同，其文件存储的格式就不同，当然还原与显示图像的方式也就不同。常见的数字图像有；JPEG图像格式、TIFF图像格式、MPEG图像格式、DICOM医学影像文件格式等。1.JPEG图像格式：扩展名是JPG,国际标准静态图像压缩格式。它利用一种有损的图像压缩方式，既将图像文件合理的压缩到一个较小的储存空间，很适合应用在网页的图像中。JPEG格式的图像主要压缩的是高频信息，对色彩的信息保留较好，因此也普遍应用于需要连续色调的图像中。第六十四页，共75页。2.5.1数字图像的制式与制式转换

2.TIFF图像格式：扩展名是TIF。它是一种非失真的压缩格式(最高也只能做到2～3倍的压缩比)能保持原有图像的颜色及层次，但占用空间却很大。TIFF常被应用于较专业的用途，如书籍出版、海报等，极少应用于互联网上。3.MPEG图像格式：即运动图像专家组格式，也称为国际动态图像压缩格式。通常家里看的VCD、SVCD、DVD大多是这种格式。MPEG文件格式是采用运动图像压缩算法的国际标准，它采用了有损压缩方法从而减少运动图像中的冗余信息。MPEG的压缩方法说的更加深入一点就是保留相邻两幅画面绝大多数相同的部分，而把后续图像中和前面图像有冗余的部分去除，从而达到压缩的目的。第六十五页，共75页。2.5.1数字图像的制式与制式转换

1JPEG格式的灰度图像2TIFF格式的灰度图像图1是JPEG格式的灰度图像，它所占的存储空间大小是20k；图21b是TIFF格式的灰度图像，它所占的存储空间大小是116k。第六十六页，共75页。2.5.2医学数字图像通讯（DICOM）标准DICOM是DigitalImagingandCommunicationsinMedicine的英文缩写，即医学数字成像和通信标准。它以开放式连结系统（OSI）参考模式为基础定下七层协议。由于DICOM标准是一种应用标准，因此它是存在于七层协议之间的最上一层。在DICOM标准中详细定义了影像及其相关信息的组成格式和交换方法，利用这个标准，人们可以在影像设备上建立一个接口来完成影像数据的输入/输出工作。第六十七页，共75页。2.5.2医学数字图像通讯（DICOM）标准2.DICOM文件格式DICOM数据元素主要由四个部分组成：标签、数据描述(VR)、数据长度和数据域。(1)标签是一个4字节的无符号整数。DICOM所有的数据元素都可以用标签来唯一表示(2)数据描述(VR)指明了该数据元素中的数据是哪种类型的。在DICOM文件中，它是一个长度为2的字符串(3)数据长度指明该数据元素的数据域中数据的长度(字节数)。(4)数据域中包含了该数据元素的数值。

DICOM中所有的数据都是以数据元素的形式出现的(除文件头中128字节的文件前言)。第六十八页，共75页。2.5.3图像压缩与解压缩

压缩方法可分为两大类，第一类压缩过程是可逆的，也就是说，经过解压缩后的图像能够完全恢复出原来的图像，信息没有任何丢失的，称为无损压缩；第二类压缩过程是不可逆的，无法完全恢复出原图像，信息有一定的丢失，称为有损压缩。

通常有损压缩的压缩比（即原图像占的字节数与压缩后图像占的字节数之比，压缩比越大，说明压缩效率越高）无损压缩的占用的存储空间高。

第六十九页，共75页。2.5.3图像压缩与解压缩1.无损压缩无损压缩是对文件本身的压缩，原理和其它数据文件的压缩一样，是对文件的数据存储方式进行优化，采用某种算法表示重复的数据信息，文件可以完全还原，不会影响文件内容，对于数字图像而言，也就不会使图像细节有任何损失。图像无损压缩的压缩率在2~10之间，比较纯的图像，尤其是计算机产生的图形具有较高的压缩率，而照片的压缩率则比较低，通常只在