專利名稱：通過(guò)空間直方圖分析實(shí)現(xiàn)對(duì)比度增強(qiáng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及圖象處理技術(shù)領(lǐng)域，更具體地涉及通過(guò)數(shù)值與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖象數(shù)字表示的對(duì)比度分析和增強(qiáng)。
在圖象處理中，通常必須或最好通過(guò)有選擇地修改表示圖象的象素?cái)?shù)據(jù)提供某些圖象特征的校正或增強(qiáng)。通常希望改變圖象中所關(guān)注區(qū)域(AOI)的對(duì)比度以強(qiáng)調(diào)或揭示其重要信息內(nèi)容。對(duì)這種圖象對(duì)比度操作，現(xiàn)有技術(shù)已開發(fā)了許多不同的技術(shù)和方法。某些是基于用戶可選參數(shù)的，而另一些在操作中是自動(dòng)的，它們是基于圖象象素?cái)?shù)據(jù)的各種統(tǒng)計(jì)估計(jì)。數(shù)字圖象對(duì)比度增強(qiáng)技術(shù)已應(yīng)用于廣泛領(lǐng)域，其中圖象是由象素?cái)?shù)據(jù)表示的，包括由不可見及可見射線得到的圖象例。如，在射線照像術(shù)領(lǐng)域，數(shù)字圖象處理系統(tǒng)作為常規(guī)的基于膠片的X射線系統(tǒng)的替換或補(bǔ)充正逐步得到認(rèn)可。圖象一旦獲取或被轉(zhuǎn)換成數(shù)字電子格式，就可對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)，檢索、傳輸?shù)竭h(yuǎn)程場(chǎng)所，并且按需要在各種輸出設(shè)備上觀看。另外，可使用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)來(lái)增強(qiáng)圖象的對(duì)比度或其它特性。通過(guò)掃描和數(shù)字化常規(guī)X射線膠片得到這種圖象。或者，在數(shù)字射線照片中裝備成象系統(tǒng)，它使用光敏材料以吸收入射射線并且以電荷載體分布的形式形成和保持物體潛象。通過(guò)掃描一窄束射線經(jīng)過(guò)光敏材料并檢測(cè)它所引起的電荷運(yùn)動(dòng)就能實(shí)現(xiàn)潛象圖象的讀出并將其轉(zhuǎn)換為電子形式。這類系統(tǒng)的示例在Korn等的美國(guó)專利No.4,167,275和Nelson等的美國(guó)專利No.5,268,569中公開。
經(jīng)由數(shù)字射線照像術(shù)或常規(guī)X射線膠片得到的圖象的動(dòng)態(tài)范圍，即記錄細(xì)節(jié)的圖象的最明和最暗部分之間的色調(diào)范圍(對(duì)膠片而言，Dmax和Dmin)，通常超出大部分可能用于觀察圖象的輸出系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍諸如CRT顯示器、膠片和打印機(jī)等。這意味著為了適應(yīng)輸出設(shè)備要以某種方式改變圖象的對(duì)比度范圍。這意味著壓縮色調(diào)范圍以適應(yīng)輸出介質(zhì)。在其他情況下，根據(jù)圖象的用途希望壓縮不包含重要信息的色調(diào)范圍部分并擴(kuò)展AOI的對(duì)比度范圍以揭示最重要信息。例如，用于觀察軟組織的X射線圖象與試圖觀察骨胳結(jié)構(gòu)的X射線圖象具有不同的重要對(duì)比度范圍。
除匹配輸出設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍之外，將重要色調(diào)值置于一中密度范圍內(nèi)使得受訓(xùn)觀察人員能容易地察看它們也是重要的。例如，在1.0的光強(qiáng)度(density)區(qū)域(中暗)，觀察人員容易看到細(xì)微強(qiáng)度變化，而在3.0的光強(qiáng)度區(qū)域(很暗)，很難看到細(xì)微強(qiáng)度變化，即使在兩種圖象中細(xì)節(jié)都適當(dāng)?shù)靥峁┝恕?br> 與X射線膠片通過(guò)曝光和顯影參考僅能得到有限對(duì)比度控制不同，可以用多種不同方式操作數(shù)字化圖象以增強(qiáng)對(duì)比度?？梢杂枚喾N方式改變對(duì)比度曲線的斜率，包括不同范圍的不同斜率?？刹捎脭?shù)值工具變換象素值。數(shù)字圖象處理的問(wèn)題不是缺乏處理圖象工具，而是從多種可能中盡力提供圖象區(qū)域和對(duì)比度曲線的合理選擇。
某些系統(tǒng)提供多個(gè)用戶可選模式或曲線，以調(diào)用預(yù)定對(duì)比度和常數(shù)算法。其思想是提供覆蓋多個(gè)通常期望圖象情況的多個(gè)程序，并允許用戶選擇。該種策略的一個(gè)問(wèn)題是，對(duì)所有情況而言，預(yù)定程序不一定是最佳的。另一問(wèn)題是需要附加的用戶時(shí)間步驟，以及可能的對(duì)用戶的額外培訓(xùn)以便了解哪種模式最優(yōu)或解釋結(jié)果。依據(jù)選擇模式，當(dāng)相同圖象數(shù)據(jù)集能夠在相同的輸出設(shè)備上產(chǎn)生多個(gè)不同外觀的顯示時(shí)，除非用戶已在該系統(tǒng)中受到特寫培訓(xùn)，否則將令人混淆。由于錯(cuò)誤選擇對(duì)比度模式，將導(dǎo)致丟失觀察圖象中重要細(xì)節(jié)的可能性。因此，期望提供以某種方式響應(yīng)特定圖象數(shù)據(jù)的自動(dòng)類型系統(tǒng)，無(wú)需用戶選擇就能生成最佳圖象。
另外，依據(jù)圖象數(shù)據(jù)集的大小和現(xiàn)有計(jì)算能力，切換模式進(jìn)行比較將耗費(fèi)相當(dāng)多的計(jì)算和重新顯示時(shí)間。這可能成為運(yùn)程系統(tǒng)情況下的一個(gè)特定問(wèn)題，此時(shí)數(shù)據(jù)傳輸由于通信鏈路而減慢。
現(xiàn)有技術(shù)提出了用于自動(dòng)圖象分析和對(duì)比度增強(qiáng)的各種技術(shù)。有些檢查圖象數(shù)據(jù)數(shù)組以查找低、高灰度級(jí)值并根據(jù)它們查找某預(yù)定變換比例。另一些基于圖象數(shù)據(jù)集采用復(fù)雜的統(tǒng)計(jì)技術(shù)。它們大部分生成圖象值的直方圖，隨后以不同方式分析該直方圖以制定對(duì)比度決策。
數(shù)據(jù)值的直方圖是所考慮的象素集中所有象素的不同圖象值(即強(qiáng)度值)的相對(duì)頻率圖。各種現(xiàn)有技術(shù)隨后使用各種從直方圖提取的分析或參數(shù)以制定決策。使用直方圖分析的技術(shù)示例在Fynahashi等的美國(guó)專利No.4,859,850，Takeo的美國(guó)專利No.5,179,597和Nakajima的美國(guó)專利No.5,015,853中公開。例如，在胸部X射線情況中，可能有大量超高強(qiáng)度象素對(duì)應(yīng)于相對(duì)未受阻礙的X射線直接到達(dá)膠片的“空氣”輻照?？赡苡辛硪恍?shù)量相對(duì)較大的低強(qiáng)度象素對(duì)應(yīng)于胸腔縱隔區(qū)域。最后，在中間至較暗區(qū)域的較廣范圍上可能有另一些的象素對(duì)應(yīng)于肺組織。這種直方圖表現(xiàn)出一定的三態(tài)特征，并且基于這種分析有可能查找到中間范圍值。在某種程度上，這些技術(shù)能夠成功地確定這些特征，它們能夠提供覆蓋多種情況但在許多其他情況下比最佳差的用于對(duì)比度增強(qiáng)的有用基準(zhǔn)。
值的直方圖在提供圖象內(nèi)容的抽象方面是非常有用的，借助于精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)集，使計(jì)算更容易，并且在更高的統(tǒng)計(jì)級(jí)而非在象素級(jí)提供分析物體的方法。然而，直方圖丟失了空間信息。換句話說(shuō)，保留了象素灰度級(jí)值的頻率而丟失了有關(guān)它們的空間分布信息。
通過(guò)保留某些空間位置，本發(fā)明克服了基于直方圖的圖象分析的主要限制。例如，一個(gè)優(yōu)秀的X射線技術(shù)人員將把醫(yī)生感興趣的身體部分置于接近圖象中心的地方。因此，我們認(rèn)為通常處于圖象中心的信息和象素值比那些例如完全沿圖象邊緣的(信息和象素值)可能更重要，對(duì)圖象而言，其邊緣被假定為不是直接醫(yī)療需求的中心。常規(guī)直方圖技術(shù)的問(wèn)題在于完全忽略了這一空間線索。
因此，本發(fā)明提出了一種方法，它利用直方圖以獲得有關(guān)象素色調(diào)范圍或強(qiáng)度值的統(tǒng)計(jì)性重要信息，并同時(shí)利用該圖象內(nèi)與值的位置有關(guān)的有限但重要的空間信息。如此，提供了一個(gè)能夠完全自動(dòng)化的系統(tǒng)，且該系統(tǒng)以考慮相對(duì)空間方向的方式采用統(tǒng)計(jì)直方圖數(shù)據(jù)分析。
本發(fā)明分析全局和區(qū)域直方圖生成所關(guān)注區(qū)域(AOI)象素明暗強(qiáng)度的估計(jì)以最佳地增強(qiáng)該圖象。這種增強(qiáng)，連同適宜的輸出設(shè)備變換，將生成高質(zhì)量的X射線圖象輸出。
根據(jù)本發(fā)明，數(shù)字圖象被劃分為柵格或跨越其面積的多個(gè)區(qū)域。每一區(qū)域被統(tǒng)計(jì)分析以形成一個(gè)有關(guān)其強(qiáng)度的直方圖數(shù)據(jù)集。隨后這些直方圖數(shù)據(jù)以與原始圖象上與原始方向和位置有關(guān)的模式被排序。由此生成的圖以能夠檢測(cè)出最大、最小值并且和所關(guān)注的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的中央化結(jié)構(gòu)有關(guān)的方式提供強(qiáng)度值分組。一旦確定這些所關(guān)注的色調(diào)范圍，就能夠提供標(biāo)準(zhǔn)化的對(duì)比度變換技術(shù)以將所關(guān)注的值置于輸出設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍上，從而向觀察者提供所關(guān)注區(qū)的最大量信息內(nèi)容。
在一實(shí)施例中，在方圖的空間順序可以按螺線類型模式進(jìn)行，其中首先覆蓋邊緣，朝圖象的中心向內(nèi)處理。根據(jù)本發(fā)明，另外的順序也同樣可能，包括光柵、掃描和皮亞諾類型順序模式。盡管本發(fā)明將根據(jù)應(yīng)用到射線照片領(lǐng)域，即醫(yī)療X射線，的圖象對(duì)比度增強(qiáng)進(jìn)行說(shuō)明，應(yīng)意識(shí)到這只是舉例而已，本發(fā)明可應(yīng)用于其它類型圖象的圖象對(duì)比度增強(qiáng)。


圖1是細(xì)分為15個(gè)區(qū)域的一個(gè)圖象的顯示及某一區(qū)域的示例直方圖。
圖2是可應(yīng)用本發(fā)明的一個(gè)胸部X射線。
圖3是將本發(fā)明應(yīng)用于圖2中的圖象所生成的直方圖空間中的一幅圖象。
圖4a、4b、4c和4d是說(shuō)明在直方圖空間中用于繪制區(qū)域的不同順序的圖示。
圖5是一說(shuō)明本發(fā)明步驟的流程圖。
典型X射線圖象包括至多3個(gè)不同區(qū)域。主關(guān)注區(qū)(AOI)是物體或身體的重要部分，其圖象被得到。另一區(qū)域是一背景區(qū)域，相對(duì)于AOI該區(qū)域具有低劑量(在膠片上為Dmin)，該區(qū)域使用了準(zhǔn)直或X射線遮光材料，例如，以使X射線輻射的曝光最小。第三區(qū)域包括已接收到比AOI區(qū)域更高劑量(在膠片上為Dmax)的區(qū)域，諸如未受阻礙的X射線輻射通過(guò)例如空氣轟擊成象設(shè)備的區(qū)域。
在任意給定的X射線圖象上可能不全部出現(xiàn)的這3個(gè)不同區(qū)域的重要性在于有用醫(yī)療信息僅包含在AOI部分。因此，考慮到顯示設(shè)備的限制及人類視覺(jué)反應(yīng)，為在CRT、紙張、膠片等輸出設(shè)備上正確顯示象素?cái)?shù)據(jù)的任何增強(qiáng)應(yīng)在理論上僅考慮圖象的AOI部分.從具有可變尺寸、位置和結(jié)構(gòu)的背景區(qū)域中自動(dòng)分離出AOI區(qū)域是一項(xiàng)困難工作。
本發(fā)明利用了經(jīng)驗(yàn)的觀測(cè)，即大部分(若非全部)背景區(qū)域至少部分緊靠圖象的邊緣。因此獨(dú)立分析圖象邊緣的直方圖和/或?qū)⑦@些序列與來(lái)自圖象內(nèi)部的直方圖相比較將提供有關(guān)背景與AOI相比的有用信息。
在圖1中，參考號(hào)10指示一個(gè)圖畫的圖象域，為進(jìn)行計(jì)算機(jī)增強(qiáng)該圖畫已被數(shù)字化。表示該圖畫的數(shù)據(jù)數(shù)組或矩陣駐留在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)器堆中(未示出)，并且圖1表示該圖畫的圖象空間。如柵格線所示，該圖畫已被細(xì)分為多個(gè)區(qū)域12。區(qū)域的數(shù)量和大小可以改變。該發(fā)明的本最佳方法將一個(gè)1024×1024象素輸入圖象劃分為256個(gè)64×64象素區(qū)域。這是通過(guò)在圖象矩陣上使用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算技術(shù)定義分區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
隨后計(jì)算每一區(qū)域的直方圖。圖1中參考號(hào)14指示作為示例的某個(gè)區(qū)域16的直方圖的圖示。它表示成一條曲線，其中X軸表示圖象值即強(qiáng)度值，y軸表示區(qū)域16中圖象值出現(xiàn)的相對(duì)頻率。顯然，曲線的形狀將取決于區(qū)域的直方圖數(shù)據(jù)。
隨后，通過(guò)使每個(gè)直方圖成為直方象中的一行(或等價(jià)地，一列)本發(fā)明生成許多區(qū)域直方圖的一個(gè)直方象。這可以通過(guò)將每個(gè)區(qū)域的直方圖置于一圖象緩沖器以生成直方圖的一個(gè)‘鏡像’而實(shí)現(xiàn)。應(yīng)注意到這一圖象不是物理空間中任何事物的一個(gè)圖畫圖象，而且直方圖空間中區(qū)域序列的一個(gè)圖象。盡管通常并不需要，如果原意，也可以將其看作一個(gè)圖象，這是因?yàn)樵谟?jì)算機(jī)里它能作為圖像處理，并如這里所述通過(guò)圖象處理技術(shù)進(jìn)行分析，以生成有用信息。
圖2是經(jīng)過(guò)常規(guī)射線照像術(shù)得到的一個(gè)胸部X射線圖象的示例。圖3是根據(jù)本發(fā)明借助空間直方圖分析方法在圖2的胸部X射線圖象的直方圖空間中生成的一個(gè)圖象示例。如上參照?qǐng)D1所述，該胸部X射線圖象被劃分為多個(gè)區(qū)域并根據(jù)每個(gè)區(qū)域中存在的圖象值即強(qiáng)度值生成一獨(dú)立直方圖。盡管為了說(shuō)明的需要圖1所示的圖象空間僅包括64個(gè)區(qū)域，實(shí)際上圖2的胸部X射成圖象是一1024×1024象素的圖象，它劃分為256個(gè)64×64象素區(qū)域以生成圖3的直方象。這些區(qū)域的直方圖在圖3中表示為相對(duì)于圖3方向的圖象的一系列水平掃描線?；蛘撸瑘D3所示的掃描線可以垂直排列。圖3中第一條水平掃描線18表示與圖2的胸部X射線圖象的第一區(qū)域有關(guān)的直方圖數(shù)據(jù)。類似地，另一水平掃描線20表示與圖2的胸部X射線圖象的另一區(qū)域有關(guān)的直方圖數(shù)據(jù)。
圖3中圖象的x軸表示圖2的胸部X射線圖象中象素強(qiáng)度或灰度級(jí)范圍，從左邊的明(在膠片上為Dmin)至右邊的暗(在膠片上為Dmax)。在圖3中，一個(gè)區(qū)域直方圖每個(gè)值的相對(duì)頻率表示為掃描線的暗度。因此，特定掃描線的灰暗部分意味著大量象素屬于與灰暗部分相匹配的值的特定范圍。相反，明亮部分表示數(shù)量相對(duì)較少的象素屬于與明亮部相匹配的值的特定范圍。應(yīng)理解掃描線部分的相對(duì)陰影決不表示圖2的胸部X射線圖象的直接強(qiáng)度。相反地，掃描線部分的相對(duì)陰影表示相應(yīng)于x軸上與對(duì)應(yīng)部分相匹配的區(qū)域內(nèi)的象素?cái)?shù)。因此，例如，圖3中掃描線18右部的暗條22指示由具有相對(duì)大部分象素處于較暗灰度級(jí)的第一條掃描線表示的第一區(qū)域。
圖3的目的不是為了觀察，而是為了表示計(jì)算機(jī)內(nèi)圖象緩沖器所存儲(chǔ)的直方圖空間圖象，在計(jì)算機(jī)內(nèi)可采用圖象處理技術(shù)以分離相似區(qū)域直方圖組。該直方圖空間圖象數(shù)據(jù)使AOI的灰度級(jí)范圍能夠確定并作出對(duì)比度增強(qiáng)決策以輸出原始圖象。
然而，在確定AOI的灰度級(jí)范圍之前，重要的是注意根據(jù)相似區(qū)域分組區(qū)域的不同空間排序順序?qū)υ谥狈綀D空間圖象內(nèi)形成的模式的影響。必須考慮空間信息?？臻g排序的目標(biāo)是將數(shù)字化的圖象至少劃分為一邊緣區(qū)域和一內(nèi)部區(qū)域。在邊緣區(qū)域和內(nèi)部區(qū)域計(jì)算圖象值頻率的直方圖數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)邊緣區(qū)域和內(nèi)部區(qū)域的直方圖數(shù)據(jù)以在直方圖空間生成圖象的數(shù)據(jù)集。圖4a、4b、4c和4d是說(shuō)明在直方圖空間繪制區(qū)域以生成類似圖3所示直方圖空間圖象的不同示例序列圖示。這些區(qū)域排序被稱為光柵(圖4a)、掃描(圖4b)、螺線(圖4c)和Peano(圖4d)。僅為了說(shuō)明，圖4a-4d所示的細(xì)分圖象僅包括64個(gè)區(qū)域。
圖4a所示的區(qū)域直方圖的光柵次序序列在標(biāo)準(zhǔn)掃描圖象方法之后被組合。直方象的第一條掃描線由諸如圖2所示胸部X射線圖象的圖象左上角區(qū)域24生成的直方圖構(gòu)成。第二條掃描線是基于區(qū)域24右邊的下一水平排列區(qū)域所生成的直方圖，其后順序?yàn)榛陧斝惺Ｓ嗨脚帕袇^(qū)域生成的直方圖的各掃描線，直至取盡頂行區(qū)域。在頂行結(jié)束后，下一掃描線由下一行最右區(qū)域26生成的直方圖構(gòu)成。以圖4a所示的光柵方式執(zhí)行排序直至覆蓋所有區(qū)域。光柵順序不能保留垂直或每行末端相鄰區(qū)域之間的空間關(guān)系，但有助于保留相同行區(qū)域之間的空間關(guān)系。
圖4b的掃描順序以類似于光柵順序的方式運(yùn)行，因?yàn)閽呙桧樞蝽樞虻嘏判蛲恍兄兴脚帕械膮^(qū)域。然而，掃描順序從緊接前一排序行末端下的區(qū)域28開始排序下一行，從而保留了區(qū)域各行末端的空間關(guān)系。盡管掃描順序保留了各行末端的空間關(guān)系，它不能保留總的垂直空間信息。
圖4c的螺線順序以螺線模式排序原始圖象的所有定義區(qū)域。此螺線順序能保留與掃描順序相同數(shù)量的局部空間信息。然而，靠近圖象邊界的區(qū)域以下一后繼“洋蔥皮”層向內(nèi)、朝向中心的方式被分組。因此，這一將區(qū)域直方圖排序?yàn)橹狈较蟮募夹g(shù)將保留圖象的中心焦點(diǎn)，即，圖象的邊緣區(qū)域?qū)⒏菀讖膬?nèi)部部分中分離出來(lái)。同時(shí)注意螺線可為順時(shí)針或逆時(shí)針，并且可從邊緣開始螺旋向內(nèi)或從中心開始螺旋向外。在每種情況下，生成的直方圖空間圖象將是不同的，但是將保留局部相鄰信息的分組以及邊緣區(qū)域和中心區(qū)域的分離。圖3的直方圖空間圖象是使用圖4c所示的螺線順序生成的。
圖4d所示的最后的順序方法，皮亞諾順序，是一空間填充曲線方案的變形，該空間填充曲線也稱為希爾伯特(Hilbert)或分形類曲線。皮亞諾掃描應(yīng)用于通用圖象數(shù)據(jù)的論述可以在例如“Manipulation andPresentation of Multidimensional Image Data Using the Peano Scan”(使用皮亞諾掃描處理和表示多維圖象數(shù)據(jù))，R.J.Stevens，A.F.Lehar和F.H.Preston，IEEE Transactions on Pattern Analysis and MachineInte Iligence(IEEE模式分析和機(jī)器智能會(huì)刊)，Vol.PAMI-5，No.5，第520-526頁(yè)，9月，1983年，中查到。本發(fā)明的皮亞諾順序方法比其他技術(shù)保留更多鄰域信息，但不能保留和螺線順序技術(shù)一樣多的圖象內(nèi)部/邊緣信息。如圖4d所示，皮亞諾方法以一種貫穿圖象并且接觸每個(gè)區(qū)域一次且僅一次的方式排序所有區(qū)域。
理想直方圖空間圖象應(yīng)將所有背景區(qū)域(圖2所示胸部X射線圖象的邊緣部分)的直方圖歸到一起，且將所有AOI區(qū)域(圖2所示胸部X射線圖象的內(nèi)部部分)的直方圖歸到一起。這樣一種處理將使AOI的灰度級(jí)范圍更易于從背景中分辨出來(lái)。盡管每一順序均能提供有用信息，但螺線順序和皮亞諾順序方法尤其能顯著生成背景區(qū)域和AOI區(qū)域的良好分組。特別地，螺線順序方法保留兩個(gè)局部空間領(lǐng)域信息并且將圖象的邊緣數(shù)據(jù)和中心數(shù)據(jù)分組。
根據(jù)本發(fā)明，在對(duì)每個(gè)區(qū)域生成的直方圖排序以組合直方圖空間圖象之后，可以使用圖象處理技術(shù)分析生成的圖象以從背景區(qū)域中分離出AOI區(qū)域。例如，可將低通濾波應(yīng)用于直方圖空間圖象數(shù)據(jù)以排除較不穩(wěn)定數(shù)據(jù)，同時(shí)保留表示區(qū)域灰度級(jí)趨勢(shì)即背景灰度級(jí)與AOI灰度級(jí)的比值的較連續(xù)數(shù)據(jù)。隨后對(duì)已濾波的數(shù)據(jù)可利用種類繁多的分割技術(shù)中的任何一種從直方圖的直方圖空間圖象中確定AOI的灰度級(jí)?？梢赃m宜的分割技術(shù)包括，如基本峰值檢測(cè)、高斯核相關(guān)、K均值聚類、中軸計(jì)算或力矩計(jì)算。例如，Khoros包是一個(gè)提供廣泛的適宜的分割技術(shù)的商用軟件包，可以從Khoral Research，Albuquerque，New Mexico買到。
從對(duì)圖3所示的直方圖空間圖象的檢測(cè)中可以注意到直方圖空間中的峰值區(qū)域。在采用螺線順序的情況下，在圖3所示圖象的頂部從掃描線18開始的第一號(hào)掃描線表示邊緣區(qū)域，當(dāng)采用螺旋排列時(shí)也是這樣。通過(guò)與第一閾值相比，位于掃描線18右邊的大片灰暗區(qū)域22將被檢出，并被認(rèn)為表示在相對(duì)高灰度級(jí)范圍內(nèi)的大量象素，因此表示背景輻照的灰度級(jí)范圍。通過(guò)與第二閾值相比，朝向圖3中心的大片峰值區(qū)域30將被峰值檢出，并被認(rèn)為表示在低灰度級(jí)范圍內(nèi)的大量象素，因此表示圖2胸部X射線圖象中胸腔縱膈的灰度級(jí)范圍。不象圖3那樣明顯，但能被峰值檢測(cè)圖象處理檢出的將是兩個(gè)中灰度級(jí)，代表肺的較寬峰值。因?yàn)樗鼈儗⑽挥诰哂邢嗨浦狈綀D的區(qū)域所以將是可檢出的，并且由于螺線和皮亞諾順序保留空間信息所以它們將在直方圖空間圖象中空間上相鄰。
通過(guò)啟發(fā)技術(shù)，基于圖3的直方象，可以決定為識(shí)別射線照片圖象的特寫區(qū)域采用的規(guī)則。這種技術(shù)可以基于，例如，被成象的骨胳部分，所選的順序方法(即光柵、掃描、螺線、皮亞諾)和正在考慮的直方象部分。因此，這些規(guī)則是非常經(jīng)驗(yàn)性的并且根據(jù)情況極易變化。以下是為表示胸部X射線的射線照片圖象生成的螺線順序直方象的情況下提供的以偽碼實(shí)現(xiàn)的純示例性的規(guī)則集假設(shè)∥1.射線照片圖象表示胸部X射線；∥2.已選定螺線順序；∥3.螺線順序的頂部對(duì)應(yīng)直方象的邊緣；∥4.直方象中每個(gè)直方圖基于射線照片圖象的一個(gè)m×m象素區(qū)域；∥5.圖象尺寸為n×n象素；和∥6.需要肺部區(qū)域?qū)Ρ榷仍鰪?qiáng)，即肺部區(qū)域是AOI。
if(胸部)if(螺線)if(直方象頂部)if(任一峰值在直方象頂部4×n/m內(nèi))if(大于或小于較低峰值)這些灰度級(jí)是背景else可能是大胸部轉(zhuǎn)至大胸部處理else if(直方象底部1/2)if(許多峰值大概在直方象的相同垂直列)低灰度級(jí)(左部)峰值是胸腔縱膈高灰度級(jí)峰值是肺部區(qū)域therefore對(duì)肺部區(qū)域的灰度級(jí)使用60％的輸出設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍。如圖3，通過(guò)確定原始射線照片圖象的類型(胸部)，根據(jù)本發(fā)明采用的順序類型(螺線)，正在考慮的直方圖的區(qū)域(對(duì)螺線順序而言，頂部對(duì)底部是最重要的)以及區(qū)域中的灰度級(jí)值是否超出某峰值，上述偽碼表示直方圖空間圖象的分析。隨后基于直方象區(qū)域中已有峰值確定射線照片圖象的關(guān)注區(qū)。為了清晰，直方象中每條掃描線表示原始射線照片圖象中的單一順序區(qū)域的直方圖數(shù)據(jù)。若峰值是根據(jù)直方象中一系列掃描線確定的，則直方象中對(duì)應(yīng)于峰值的灰度級(jí)范圍可被解釋為原始射線照片圖象對(duì)應(yīng)區(qū)域中存在的灰度級(jí)范圍。一旦通過(guò)上述啟發(fā)峰值檢測(cè)分析確定了所關(guān)注的區(qū)域，就可以調(diào)整輸出設(shè)備的動(dòng)態(tài)范圍為這些區(qū)域增強(qiáng)射線照片圖象中的對(duì)比度。
注意在根據(jù)本發(fā)明的單一直方圖或缺少空間順序的多個(gè)直方圖的情況下，確定胸腔縱膈或肺部的灰度級(jí)值會(huì)較困難。肋骨和肩骨以及胸腔縱膈都將具有某些灰度級(jí)從而難以相互分辨開來(lái)。另外，由于圖像中心大小不同及它們?cè)谀z片上所處位置的差別，不斷查看原始圖象中心的技術(shù)是不可行的。然而，盡管存在這些變化，根據(jù)本發(fā)明的空間直方圖分析方法將也會(huì)得到AOI區(qū)域的識(shí)別。
一旦經(jīng)過(guò)圖象處理確定了AOI的灰度級(jí)范圍，就可以讀出AOI的實(shí)際強(qiáng)度值并且能夠根據(jù)輸出設(shè)備的特性進(jìn)行最佳對(duì)比度范圍的自動(dòng)調(diào)整。
本發(fā)明的步驟根據(jù)圖5的流程圖。如框51所示，首先一個(gè)數(shù)字化的圖象被劃分為多個(gè)區(qū)域。若原始圖象不是數(shù)字格式，則首先對(duì)其進(jìn)行掃描和數(shù)字化。隨后如框52所示，為每一區(qū)域編譯灰度級(jí)或強(qiáng)度直方圖。其后如框53所示，選擇一種順序并如框54所示在直方圖空間中生成這些區(qū)域的一個(gè)圖象。然后如框55所示，經(jīng)過(guò)低通濾波和峰值檢測(cè)或其他分割技術(shù)和相似直方圖處理該圖象以確定空間分組特征。從這一分組確定對(duì)應(yīng)于AOI的灰度級(jí)范圍，然后增強(qiáng)輸出觀察設(shè)備的對(duì)比度范圍和對(duì)比度功能，可能同時(shí)增強(qiáng)骨胳特定增強(qiáng)功能，從而更好地表示表示AOI，如框56所示。于是，根據(jù)輸出設(shè)備的特性，用于AOI的對(duì)比度增強(qiáng)被應(yīng)用于原始數(shù)字化的圖象。
描述了本發(fā)明示范的實(shí)施例后，通過(guò)考慮這里公開的本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明和操作規(guī)程，熟練的技術(shù)人員將輕易得出更多的優(yōu)點(diǎn)和改進(jìn)。因此，詳細(xì)說(shuō)明和示例應(yīng)被認(rèn)為僅是示范而已，以下權(quán)利要求書指出了本發(fā)明的真正范圍和精神。
權(quán)利要求
1.一種分析數(shù)字化圖象的數(shù)據(jù)集以確定所關(guān)注區(qū)域的方法，該方法包括步驟將數(shù)字化圖象劃分為多個(gè)區(qū)域；在該多個(gè)區(qū)域的每一區(qū)域內(nèi)計(jì)算圖象值頻率的直方圖數(shù)據(jù)；根據(jù)該多個(gè)區(qū)域的一種預(yù)定順序組織每個(gè)區(qū)域的直方圖數(shù)據(jù)以在該多個(gè)區(qū)域的直方圖空間內(nèi)生成一圖象的一數(shù)據(jù)集；以及在該多個(gè)區(qū)域的直方圖空間內(nèi)分析該圖象的所述數(shù)據(jù)集，以在對(duì)應(yīng)于數(shù)字化圖象中所關(guān)注區(qū)域的分組圖象值特征內(nèi)確定局部最大值和最小值。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述預(yù)定順序包括環(huán)繞該數(shù)字化圖象多個(gè)區(qū)域的一螺線順序。
3.權(quán)利要求1的方法，其中所述預(yù)定順序包括環(huán)繞該數(shù)字化圖象多個(gè)區(qū)域的一皮亞諾順序。
4.權(quán)利要求1的方法，其中所述預(yù)定順序包括環(huán)繞該數(shù)字化圖象多個(gè)區(qū)域的一光柵順序。
5.權(quán)利要求1的方法，其中所述預(yù)定順序包括環(huán)繞該數(shù)字化圖象多個(gè)區(qū)域的一掃描順序。
6.權(quán)利要求1的方法，其中所述數(shù)字化圖象表示由射線照相得到的一圖象。
7.一個(gè)使用權(quán)利要求1至6的任一方法的步驟分析一數(shù)字化圖象的一數(shù)據(jù)集以確定所關(guān)注區(qū)域的系統(tǒng)。
全文摘要
一種用于數(shù)字化圖象自動(dòng)分析和增強(qiáng)以從背景區(qū)域中確定所關(guān)注區(qū)域(AOI)的方法，該方法將一數(shù)字化圖象劃分為多個(gè)區(qū)域并計(jì)算每一區(qū)域的灰度級(jí)或強(qiáng)度直方圖。根據(jù)選擇的以保留空間鄰近的該區(qū)域的順序，在直方圖空間中生成該區(qū)域的一圖象。隨后通過(guò)峰值檢測(cè)和相似直方圖處理該圖象以確定空間分組特征。從以上所述確定AOI，并根據(jù)輸出設(shè)備的特性將對(duì)比度增強(qiáng)應(yīng)用于原始圖象。該方法特別適用于為向觀察設(shè)備輸出而增強(qiáng)醫(yī)療X射線圖象。
文檔編號(hào)G06T5/00GK1162363SQ95195896
公開日1997年10月15日 申請(qǐng)日期1995年9月18日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月18日
發(fā)明者約翰·C·舒爾茨 申請(qǐng)人:伊美申公司