數字圖像中偽影或非均勻亮度的定位及顯示方法技術

本發明專利技術以數字圖像的亮度分解為基礎，提供了快速定位及顯示圖像中微弱的偽影或非均勻亮度，及檢測圖像中不同目標亮度分布重疊信息的方法。利用分解圖像序列及其直方圖，提供了兩種方式定位圖像中偽影或非均勻亮度的顯示區間；其中通過采樣的分解圖像序列還可以快速搜索圖像中感興趣目標的亮度范圍，且簡單易行。利用分解圖像序列的性質及彩色映射方式提高顯示偽影或非均勻亮度的精度，并減少視錯覺等主觀偏差。新方法可以用于評估圖像中偽影或非均勻亮度及其校正方法，或檢測成像物體的缺陷，還可以用于檢索圖像的亮度信息及定位感興趣目標的亮度范圍。分解圖像序列直方圖還可以用于圖像的粗分割、背景噪聲估計或抑制，及圖像壓縮。

【技術實現步驟摘要】
數字圖像中偽影或非均勻亮度的定位及顯示方法
本專利技術涉及定位及顯示數字圖像中偽影或非均勻強度的方法、搜索圖像中目標亮度范圍的方法、檢測圖像中不同目標間亮度范圍重疊的方法，及在磁共振影像中用于顯示偏差場偽影及組織亮度重疊信息的特定程序；同時還涉及圖像處理領域中圖像分割方法、背景噪聲估計及抑制方法，及圖像壓縮方法。注：在本說明書中強度與圖像的亮度或灰度為同義詞。
技術介紹
作為醫學影像領域的一個例子，將通過磁共振影像中偏差場偽影及組織重疊信息的顯示、定位，對本專利技術的主要內容加以描述。偏差場(biasfield)或稱非均勻亮度(intensityinhomogeneity)是磁共振成像(MagneticResonanceImaging，MRI)中一種偽影(artifact)，其表現為圖像中與解剖結構無關、緩慢的亮度變化(smoothintensityvariations)。這種偽影造成相同組織在不同區域亮度不一致，以及不同區域對比度不同。圖1為含有嚴重偽影的MRI圖像(Vovk等2007)，其中箭頭所指腦組織部分的亮度明顯低于下部分。然而，在現代磁共振掃描設備所獲取的MRI影像中，這種偽影通常很難被人眼直接觀察到，也不影響以視覺觀察為主的診斷，但其嚴重干擾計算機對MRI圖像的量化分析，諸如圖像分割及配準，繼而限制了相應的MRI應用，如對阿爾茨海默病(AD)的計算機輔助診斷及治療效果的評估。由于這種偽影產生的原因極其復雜，其不僅與掃描設備有關，如不均勻的掃描磁場-靜態場B0、射頻線圈RF等，而且與被測者(或患者)有關，如與被測者的磁化率有關；甚至在同一被測者的同一次掃描所獲取的體數據中，不同斷層圖像中的偏差場也可能不同，使得問題難以從儀器本身解決。為了解決上述偏差場問題，目前已有很多校正方法。但遺憾的是，真實的偏差場很難觀察到。根據現有技術，如果偽影或非均勻強度具有突變特性，即便幅值很小，也容易發現并顯示其，如采用數學形態學tophat變換方法。然而，對于MRI圖像中偏差場這種具有緩慢變化特征的偽影或非均勻強度，定位及顯示則相對困難。盡管在醫療設備中常用的開窗技術能夠在一定范圍內擴展所需的對比度，也能觀察到一些微弱的亮度變化，但其無法準確地定位及顯示偏差場。首先，不清楚真實偏差場的亮度變化范圍，所以無法準確地確定窗寬和窗位。錯誤地選擇窗位，則無法捕捉到偏差場的蹤影。即便能夠正確地選擇窗位，也很難選擇窗寬。窗寬太小會丟失信息，甚至會改變組織邊界的信息，窗寬太寬又無法顯示清楚。最后，開窗技術無法獲取圖像中不同組織間亮度分布重疊信息。在已有文獻中，雖然用開窗技術顯示了真實圖像中偏差場的大致模式，但其存在上述相關問題。首先，此方法不具備通用性，因其視窗調節在白質均值附近，而要確定白質均值，就要對白質進行分割，而偏差場主要影響的就是諸如圖像分割類似的圖像分析，因此難以操作。其次，觀察文獻所顯示的圖像，可明顯發現圖像的空間分辨率降低，圖像的邊界也有損失。其實在這種顯示中還隱藏著其它問題，如最佳視窗問題。相關文獻采用相同的窗參數比較校正前后的偏差場，而對于真實數據，經過校正后圖像的亮度分布都有一定的偏移，最佳顯示窗參數也隨之變化。如果用相同參數顯示，則會引入偏差。實際上，由于人眼對亮度級的分辨能力有限，而且相對對比度容易使人產生視錯覺或難以區分原本有差別的亮度級，很難做到精確、客觀地觀察在一幅圖像上顯示的偽影或非均勻強度。如圖2所示仿真MRI偏差場是目前最理想的顯示偏差場的方法，只有仿真MRI圖像才能準確地知道其偏差場、并如此清晰地顯示。但在圖2中我們可以發現其缺陷：人眼很難區分兩圈所示區域的亮度差別。由于無法正確地觀察偽影，真實偏差場仍然不清楚。文獻JMagnResonImaging，29(6)，1271-1279Chua等(2009)及Proc.ofSPIE，7963，Viswanath等(2011)也指出目前尚不清楚在臨床MRI數據或真實數據中偏差場。此外，偏差場引起不同組織的亮度分布重疊是其影響圖像分析的重要原因，因此，檢測這種重疊至關重要。目前，主要以專家手工分割圖像為金標準，以此了解圖像中不同組織亮度分布的重疊，或采用小面積的參數統計。手工分割需要耗費大量的人力，而且這些方法可重復性差，且精度受到質疑。綜上所述，由于現有技術的局限性，很難評估MRI影像中偏差場的校正結果，進而無法得到可靠的量化分析結果，因此限制了MRI相關臨床應用。
技術實現思路
本專利技術是在上述背景下作出的，其目的是提供一種方法能夠定位及顯示人眼無法直接規察到的、數字圖像中微弱的偽影或不均勻強度，同時提高顯示精度、減少視錯覺等主觀因素引起的偏差；提供檢測圖像中不同目標間亮度范圍重疊的方法。本專利技術的第一個方面，在圖像亮度范圍內，用有序閾值序列依次分割原圖像，將一幅圖像分解為一個由二值圖像組成的分解圖像序列；用所述的分解圖像序列顯示圖像中偽影或非均勻亮度，或者定位圖像中感興趣目標亮度范圍，其包括定位偽影或非均勻亮度顯示區間；采用動態顯示方式，按照時間順序依次顯示從高亮度到低亮度順序或相反順序所述的分解圖像序列，或者采用單次靜態顯示方式，將所述的分解圖像序列排列成從高亮度到低亮度順序或相反順序的隊列，或者采用多次靜態顯示方式，所述的多次靜態顯示方式之顯示次數≥2，且每次顯示的分解圖像數≥1。此處亮度指圖像的分解閾值。所述的方法與傳統閾值分割方法不同的是：不是采用單一閾值對圖像分割，而是在圖像亮度范圍內采用閾值序列對圖像進行分割，且該閾值序列是有序的(降序或升序)；不是采用單一圖像顯示圖像中偽影或非均勻強度，而是用所述的分解圖像序列顯示，或根據分解圖像序列的性質，選擇所需要的分解圖像依次顯示。其優勢在于：圖像經分解后不僅微弱的偽影或非均勻強度信息可見，而且可以避免傳統的單一閾值分割圖像或開窗技術所引起的圖像信息損失，同時減少視錯覺等主觀偏差。此外，分解圖像序列的性質，便于定位圖像中目標或信息檢索。下面進一步解釋相關概念。上述分解圖像序列可以用閾值分割技術來實現，在以低亮度(黑色)為背景的圖像中，如果圖像的最高亮度級為L-1，最低亮度級為0，其表達式為：其中CSt(f)表示用閾值t分割原圖像f所得到的二值圖像，閾值t的取值在圖像亮度范圍內；f(x，y)表示位于(x，y)位置像素的亮度值。該分解圖像序列為二值圖像序列，所以觀察其中任一幅分解圖像不會因亮度級差小而無法分辨，也不會因相對對比度產生視錯覺。因此，用這種方法顯示圖像中偽影或非均勻強度時可以清楚地觀察每一級亮度的變化，并減少視錯覺造成的主觀偏差。如果以圖像亮度范圍內全部有序的亮度級為閾值序列且按降序排列，圖像的最高灰度級為L-1，應用公式(1)分解原圖像，得到的分解圖像序列Itd為：Itd＝<CSL-1(f)，CSL-2(f)，……，CS2(f)，CS1(f)，CS0(f)>(2)公式(2)所表示的分解圖像序列與原圖像的關系可以用如下數學公式表示(Soille，Morphologicalimageanalysis：principlesandapplications(2003))：...

【技術保護點】
一種定位及顯示數字圖像中偽影或非均勻亮度的方法，其特征包括：在圖像亮度范圍內，用有序閾值序列依次分割原圖像，將一幅圖像分解為一個由二值圖像組成的分解圖像序列；用所述的分解圖像序列顯示圖像中偽影或非均勻亮度，或者定位圖像中感興趣目標亮度范圍，其包括定位偽影或非均勻亮度顯示區間；采用動態顯示方式，按照時間順序依次顯示從高亮度到低亮度順序或相反順序所述的分解圖像序列，或者采用靜態顯示方式，將所述的分解圖像序列排列成從高亮度到低亮度順序或相反順序的隊列。

【技術特征摘要】
1.一種定位及顯示數字圖像中偽影或非均勻亮度的方法，其特征包括：在圖像亮度范圍內，用有序閾值序列依次分割原圖像，將一幅圖像分解為一個由二值圖像組成的分解圖像序列；用所述的分解圖像序列顯示圖像中偽影或非均勻亮度，或者定位圖像中感興趣目標亮度范圍，其包括定位偽影或非均勻亮度顯示區間；采用動態顯示方式，按照時間順序依次顯示從高亮度到低亮度順序或相反順序所述的分解圖像序列，或者采用單次靜態顯示方式，將所述的分解圖像序列排列成從高亮度到低亮度順序或相反順序的隊列，或者采用多次靜態顯示方式，所述的多次靜態顯示方式之顯示次數≥2，且每次顯示的分解圖像數≥1。2.如權利要求1所述的定位及顯示數字圖像中偽影或非均勻亮度的方法，其中所述的分解圖像序列可以用彩色映射圖序列代替，將所述的分解圖像序列中每幅圖像分別用彩色方式映射到原圖像上便得到所述的彩色映射圖序列。3.如權利要求1所述的定位及顯示數字圖像中偽影或非均勻亮度的方法，其中所述的定位圖像中感興趣目標亮度范圍，可以用一種快速搜索方法，其主要由以下步驟組成：在圖像亮度范圍內，用采樣的閾值序列分解原圖像并顯示；選取最鄰近的不含該目標及含有完整該目標的兩幅特征圖像；在所述的兩幅特征圖像所確定的區間內重新采樣并顯示；重復選取最鄰近的特征圖像；直至無新的最鄰近的特征圖像出現，或者出現兩幅分解圖像：一幅含該目標像素與其總和之比小于預定精度值，且另一幅缺失該目標像素與其總和之比小于預定精度值；該目標的亮度范圍大于等于含完整該目標的特征圖像之閾值或所述的缺失該目標像素與其總和之比小于預定精度值的分解圖像之閾值，且小于等于含該目標像素最少的分解圖像之閾值或所述的含該目標像素與其總和之比小于預定精度值的分解圖像之閾值。4.如權利要求3所述的定位及顯示數字圖像中偽影或非均勻亮度的方法，其中所述的重新采樣過程，如果要求精確定位感興趣目標之亮度范圍，采樣點應在所述的區間內包括所述的特征圖像相鄰的分解圖像，且應搜索至無新的所述的特征圖像出現。5.如權利要求3所述的定位及顯示數字圖像中偽影或非均勻亮度的方法，其中所述的定位圖像中感興趣...

【專利技術屬性】
技術研發人員：孫燁，
申請(專利權)人：孫燁，
類型：發明
國別省市：北京;11