圖像空域增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法研究

張靜娜 邱明國 李懿 桑林瓊 王莉 張曄

摘 要：圖像空域增強(qiáng)是圖像增強(qiáng)中很重要和基礎(chǔ)的一大類圖像處理技術(shù)，而圖像增強(qiáng)是后續(xù)圖像分割和圖像分析的基礎(chǔ)，因此，圖像空域增強(qiáng)在醫(yī)學(xué)圖像處理課程中占有重要地位。本文對(duì)圖像空域增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行了研究和探索。

關(guān)鍵詞：醫(yī)學(xué)圖像處理 圖像空域增強(qiáng) 實(shí)驗(yàn)教學(xué)

中圖分類號(hào)：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-9795（2014）03（a）-0059-03

醫(yī)學(xué)圖像處理是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)必修的專業(yè)課，是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)員后期發(fā)展和鉆研的一個(gè)重要的方向，其特點(diǎn)是具有很強(qiáng)的理論性和實(shí)用性，而醫(yī)學(xué)圖像處理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是理論學(xué)習(xí)和實(shí)際應(yīng)用的之間橋梁，對(duì)提高學(xué)員對(duì)醫(yī)學(xué)圖像處理課程學(xué)習(xí)的興趣，實(shí)現(xiàn)好的學(xué)習(xí)效果發(fā)揮重要作用[1]。隨著醫(yī)學(xué)科學(xué)的快速發(fā)展，大量先進(jìn)的診療手段和方法應(yīng)用于臨床，如B超、CT、PET、MRI等，這為醫(yī)學(xué)圖像處理理論和實(shí)踐教學(xué)提供了大量的素材，同時(shí)這些素材不同與之前教學(xué)過程中提供的范例圖片，可以通過單一處理手段實(shí)現(xiàn)較好處理效果，這就要求教員通過一定的教學(xué)方法培養(yǎng)學(xué)員綜合運(yùn)用圖像處理技術(shù)的能力，從而完成圖像處理的任務(wù)。接下來我們以圖像空域增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)為例，對(duì)該部分實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法進(jìn)行研究和探討。

1 圖像空域增強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容

醫(yī)學(xué)圖像空域增強(qiáng)方法很多，如灰度變換（點(diǎn)運(yùn)算）、直方圖處理、空間平滑、空間銳化等，針對(duì)每種圖像增強(qiáng)方法理論課上都給出圖像處理的實(shí)例，并告訴學(xué)員這種方法的用途。在以往的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，我們對(duì)每種圖像增強(qiáng)技術(shù)的matlab實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行單獨(dú)講解，并為學(xué)員準(zhǔn)備了特定的圖片，譬如給出動(dòng)態(tài)范圍較窄的放大約700倍的花粉電子掃描顯像圖片，學(xué)員進(jìn)行簡單的分析后，根據(jù)所學(xué)知識(shí)會(huì)選擇直方圖均衡化處理對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)，完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)。這樣的實(shí)驗(yàn)教學(xué)只是對(duì)理論課知識(shí)的驗(yàn)證，沒有新意，缺乏趣味性，打擊了很多學(xué)員動(dòng)手的積極性。這一部分的實(shí)驗(yàn)教學(xué)還存在以下問題：（1）圖像增強(qiáng)方法較多，如果開設(shè)多次實(shí)驗(yàn)課，每次課的內(nèi)容略顯單薄，一起做，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容松散沒有連貫性。（2）單一的圖像增強(qiáng)技術(shù)圖像增強(qiáng)效果不佳，有些學(xué)員甚至開始質(zhì)疑所學(xué)的知識(shí)。如何解決上面存在問題，發(fā)揮好實(shí)驗(yàn)課的效用？“專題式”教學(xué)模式給了我們很大的啟發(fā)[2]。專題式教學(xué)是指教員根據(jù)知識(shí)結(jié)構(gòu)以專題取代教材或章節(jié)，并通過相應(yīng)的教學(xué)方法和手段，使學(xué)員綜合的，靈活的掌握專題內(nèi)容。專題式實(shí)驗(yàn)教學(xué)是在理論課進(jìn)行專題式教學(xué)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，譬如理論課上將圖像空域增強(qiáng)設(shè)定為一個(gè)專題，詳細(xì)介紹各種空域增強(qiáng)算法及應(yīng)用，然后實(shí)驗(yàn)教學(xué)中結(jié)合臨床影像處理需要，布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)[3～5]，因此在這種專題式實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，實(shí)驗(yàn)任務(wù)的設(shè)定，實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)的關(guān)鍵。在圖像空域增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)任務(wù)要結(jié)合臨床需要，方案設(shè)計(jì)就要求應(yīng)用多種互補(bǔ)的圖像增強(qiáng)技術(shù)，來提高圖像增強(qiáng)效果。

2 圖像空域增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

2.1 實(shí)驗(yàn)任務(wù)

在這次實(shí)驗(yàn)中我們選定了一幅人體骨骼核掃描圖像（如圖1），圖像特點(diǎn)動(dòng)態(tài)范圍很窄圖像較暗并且有噪聲，實(shí)驗(yàn)?zāi)康南氲玫礁嗟墓趋兰?xì)節(jié)，以便于臨床上對(duì)骨骼感染和腫瘤等人體疾病的檢查[6]。

2.2 實(shí)驗(yàn)任務(wù)分析

首先這個(gè)實(shí)驗(yàn)任務(wù)有別于理論課上給出的簡單的示范圖片，具有較強(qiáng)的臨床應(yīng)用，此類實(shí)驗(yàn)任務(wù)有助于激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣。對(duì)實(shí)驗(yàn)任務(wù)進(jìn)行簡單分析后，很多學(xué)員很快想到了要用哪些方法來完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，首先要想得到更多細(xì)節(jié)需要進(jìn)行圖像銳化，而圖像動(dòng)態(tài)范圍窄，可以用灰度變換或者直方圖均衡化來解決。有了初步想法后，當(dāng)要求他們進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)時(shí)，他們就會(huì)遇到下面這些問題。首先對(duì)于圖像銳化，應(yīng)用二階拉普拉斯算子處理邊界細(xì)，但會(huì)產(chǎn)生比較嚴(yán)重的噪聲問題，一階梯度算子哪怕是性能比較優(yōu)越的sobel算子，噪聲雖然低了，但存在寬邊界的問題；對(duì)于調(diào)整動(dòng)態(tài)范圍是該用直方圖均衡化還是用灰度變換呢？

2.3 實(shí)驗(yàn)方案與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)過對(duì)上述問題的分析，教員最終引導(dǎo)學(xué)員制定了這樣的圖像處理方案，具體圖像處理結(jié)果如圖2所示：（1）用拉普拉斯算子突出圖像小細(xì)節(jié)，得到經(jīng)拉普拉斯操作后的圖像（圖2（b））；（2）用梯度法突出圖像邊緣（圖2（d）），一階梯度算子包括Roberts交叉梯度算子、Prewitt算子、Sobel算子，我們選用了Sobel算子，當(dāng)然可以鼓勵(lì)學(xué)員嘗試其他算子的處理效果；（3）一階梯度算子處理后的圖像仍存在噪聲問題，為解決這一問題，使用5×5均值濾波器平滑sobel算子處理過的圖像（圖2（e））。平滑濾波器有很多，包括均值濾波器和中值濾波器等，在這里給學(xué)員強(qiáng)調(diào)下，中值濾波器屬于非線性濾波器，它有可能改變圖像性質(zhì)，因此醫(yī)學(xué)圖像中一般不接受這種平滑去噪方法；（4）降噪的sobel圖像作為模板圖像和拉普拉斯算子處理過的圖像相乘，得到掩膜圖像（圖2（f））。這一步的乘積會(huì)保留拉普拉斯算子計(jì)算獲得的邊界細(xì)節(jié)，同時(shí)又降低背景區(qū)域的噪聲。這一步是整個(gè)實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)的亮點(diǎn)，我們可以把這個(gè)步驟看作是將拉普拉斯操作與梯度操作的優(yōu)點(diǎn)的結(jié)合；（5）將掩膜圖像和原圖相加，得到最終圖像銳化的結(jié)果（圖2（g））；（6）應(yīng)用灰度變換中的冪次變換得到動(dòng)態(tài)范圍調(diào)整后的圖像（圖2（h））。這一步可以要求學(xué)員通過直方圖均衡化完成，同時(shí)要求他們比較這兩種方法的優(yōu)略。

2.4 結(jié)果分析

比較圖2（a），圖2（c）拉普拉斯算子銳化增強(qiáng)后的圖像和圖2（g）可以很明顯看出，不管與原圖還是單純的二階算子銳化增強(qiáng)圖像相比較，圖2（g）中大部分細(xì)節(jié)的清晰度的增加都很明顯，噪聲問題也得到了很好的解決。對(duì)比圖2（g）和圖2（h），我們可以看出通過動(dòng)態(tài)范圍的增大，圖2（h）又出現(xiàn)了許多重要的細(xì)節(jié)，譬如手臂骨和腿骨，我們也發(fā)現(xiàn)通過擴(kuò)大了動(dòng)態(tài)范圍顯現(xiàn)細(xì)節(jié)的同時(shí)也增大了噪聲，但與原圖，圖2（a）相比圖像還是顯示出視覺效果的顯著改進(jìn)。最后一步的顯示出來的噪聲問題也解釋了，為什么我們?cè)趯?shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)中要先進(jìn)行圖像銳化后進(jìn)行圖像動(dòng)態(tài)范圍的調(diào)整。

3 結(jié)語

醫(yī)學(xué)圖像處理是針對(duì)于我校大四生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)學(xué)員開展的必修專業(yè)課，這些學(xué)員前期已進(jìn)行了數(shù)學(xué)，信號(hào)與系統(tǒng)等相關(guān)課程學(xué)習(xí)，有較好的編程基礎(chǔ)，對(duì)于這樣的學(xué)員，簡單的理論知識(shí)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)已經(jīng)不能滿足他們的學(xué)習(xí)需求，也不能滿足學(xué)校這一階段學(xué)員培養(yǎng)的要求，因此這種專題式，綜合性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，圖像改善效果明顯，既能激發(fā)學(xué)員學(xué)習(xí)興趣，又能培養(yǎng)學(xué)員實(shí)際解決問題的能力，創(chuàng)新能力，綜合運(yùn)用知識(shí)的能力，授課效果好，值得在醫(yī)學(xué)圖像處理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中廣泛推廣（如圖2）。

參考文獻(xiàn)

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