圖像空域增強實驗教學方法研究

張靜娜 邱明國 李懿 桑林瓊 王莉 張曄

摘 要：圖像空域增強是圖像增強中很重要和基礎的一大類圖像處理技術，而圖像增強是后續(xù)圖像分割和圖像分析的基礎，因此，圖像空域增強在醫(yī)學圖像處理課程中占有重要地位。本文對圖像空域增強的實驗教學方法進行了研究和探索。

關鍵詞：醫(yī)學圖像處理 圖像空域增強 實驗教學

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1673-9795（2014）03（a）-0059-03

醫(yī)學圖像處理是生物醫(yī)學工程專業(yè)必修的專業(yè)課，是生物醫(yī)學工程專業(yè)學員后期發(fā)展和鉆研的一個重要的方向，其特點是具有很強的理論性和實用性，而醫(yī)學圖像處理實驗教學是理論學習和實際應用的之間橋梁，對提高學員對醫(yī)學圖像處理課程學習的興趣，實現好的學習效果發(fā)揮重要作用[1]。隨著醫(yī)學科學的快速發(fā)展，大量先進的診療手段和方法應用于臨床，如B超、CT、PET、MRI等，這為醫(yī)學圖像處理理論和實踐教學提供了大量的素材，同時這些素材不同與之前教學過程中提供的范例圖片，可以通過單一處理手段實現較好處理效果，這就要求教員通過一定的教學方法培養(yǎng)學員綜合運用圖像處理技術的能力，從而完成圖像處理的任務。接下來我們以圖像空域增強實驗教學為例，對該部分實驗教學方法進行研究和探討。

1 圖像空域增強的實驗教學內容

醫(yī)學圖像空域增強方法很多，如灰度變換（點運算）、直方圖處理、空間平滑、空間銳化等，針對每種圖像增強方法理論課上都給出圖像處理的實例，并告訴學員這種方法的用途。在以往的實驗教學中，我們對每種圖像增強技術的matlab實現方法進行單獨講解，并為學員準備了特定的圖片，譬如給出動態(tài)范圍較窄的放大約700倍的花粉電子掃描顯像圖片，學員進行簡單的分析后，根據所學知識會選擇直方圖均衡化處理對圖像進行增強，完成實驗任務。這樣的實驗教學只是對理論課知識的驗證，沒有新意，缺乏趣味性，打擊了很多學員動手的積極性。這一部分的實驗教學還存在以下問題：（1）圖像增強方法較多，如果開設多次實驗課，每次課的內容略顯單薄，一起做，實驗內容松散沒有連貫性。（2）單一的圖像增強技術圖像增強效果不佳，有些學員甚至開始質疑所學的知識。如何解決上面存在問題，發(fā)揮好實驗課的效用？“專題式”教學模式給了我們很大的啟發(fā)[2]。專題式教學是指教員根據知識結構以專題取代教材或章節(jié)，并通過相應的教學方法和手段，使學員綜合的，靈活的掌握專題內容。專題式實驗教學是在理論課進行專題式教學的基礎上進行的，譬如理論課上將圖像空域增強設定為一個專題，詳細介紹各種空域增強算法及應用，然后實驗教學中結合臨床影像處理需要，布置實驗任務[3～5]，因此在這種專題式實驗教學中，實驗任務的設定，實驗方案的設計是實驗教學的關鍵。在圖像空域增強實驗中，實驗任務要結合臨床需要，方案設計就要求應用多種互補的圖像增強技術，來提高圖像增強效果。

2 圖像空域增強實驗項目設計

2.1 實驗任務

在這次實驗中我們選定了一幅人體骨骼核掃描圖像（如圖1），圖像特點動態(tài)范圍很窄圖像較暗并且有噪聲，實驗目的想得到更多的骨骼細節(jié)，以便于臨床上對骨骼感染和腫瘤等人體疾病的檢查[6]。

2.2 實驗任務分析

首先這個實驗任務有別于理論課上給出的簡單的示范圖片，具有較強的臨床應用，此類實驗任務有助于激發(fā)學員學習興趣。對實驗任務進行簡單分析后，很多學員很快想到了要用哪些方法來完成實驗任務，首先要想得到更多細節(jié)需要進行圖像銳化，而圖像動態(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，當要求他們進行具體的實驗方案設計時，他們就會遇到下面這些問題。首先對于圖像銳化，應用二階拉普拉斯算子處理邊界細，但會產生比較嚴重的噪聲問題，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；對于調整動態(tài)范圍是該用直方圖均衡化還是用灰度變換呢？

2.3 實驗方案與實驗結果

經過對上述問題的分析，教員最終引導學員制定了這樣的圖像處理方案，具體圖像處理結果如圖2所示：（1）用拉普拉斯算子突出圖像小細節(jié)，得到經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，當然可以鼓勵學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，在這里給學員強調下，中值濾波器屬于非線性濾波器，它有可能改變圖像性質，因此醫(yī)學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））。這一步的乘積會保留拉普拉斯算子計算獲得的邊界細節(jié)，同時又降低背景區(qū)域的噪聲。這一步是整個實驗方案設計的亮點，我們可以把這個步驟看作是將拉普拉斯操作與梯度操作的優(yōu)點的結合；（5）將掩膜圖像和原圖相加，得到最終圖像銳化的結果（圖2（g））；（6）應用灰度變換中的冪次變換得到動態(tài)范圍調整后的圖像（圖2（h））。這一步可以要求學員通過直方圖均衡化完成，同時要求他們比較這兩種方法的優(yōu)略。

2.4 結果分析

比較圖2（a），圖2（c）拉普拉斯算子銳化增強后的圖像和圖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圖像相比較，圖2（g）中大部分細節(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。對比圖2（g）和圖2（h），我們可以看出通過動態(tài)范圍的增大，圖2（h）又出現了許多重要的細節(jié)，譬如手臂骨和腿骨，我們也發(fā)現通過擴大了動態(tài)范圍顯現細節(jié)的同時也增大了噪聲，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。最后一步的顯示出來的噪聲問題也解釋了，為什么我們在實驗方案設計中要先進行圖像銳化后進行圖像動態(tài)范圍的調整。

3 結語

醫(yī)學圖像處理是針對于我校大四生物醫(yī)學工程專業(yè)學員開展的必修專業(yè)課，這些學員前期已進行了數學，信號與系統等相關課程學習，有較好的編程基礎，對于這樣的學員，簡單的理論知識驗證性實驗已經不能滿足他們的學習需求，也不能滿足學校這一階段學員培養(yǎng)的要求，因此這種專題式，綜合性的實驗教學，圖像改善效果明顯，既能激發(fā)學員學習興趣，又能培養(yǎng)學員實際解決問題的能力，創(chuàng)新能力，綜合運用知識的能力，授課效果好，值得在醫(yī)學圖像處理課程實驗教學中廣泛推廣（如圖2）。

參考文獻

[1] 閔晶妍.基于實踐的數字圖像處理課程研究[J].襄樊學院學報，2009，30（5）：75-77.

[2] 徐美芳，王浩全，桂志國.關于數字圖像處理課程專題式教學模式的探討[J].安徽工業(yè)大學學報：社會科學版，2009，26（4）：122-123.

[3] 桑林瓊，邱明國，王莉.專題式教學模式在醫(yī)學圖像處理課程教學中的應用[J].局解手術學雜志，2010，19（5）：421.

[4] 黎海濤，王健，陳思浩.如何提高醫(yī)學影像學課堂教學質量的體會[J].局解手術學雜志，2007，16（3）：200.

[5] 李金萍，陸玲，劉自強，等.數字圖像處理課程實驗教學改革探索—在實驗教學中培養(yǎng)學生創(chuàng)新實踐能力[J].科技視界，2012（7）：23-24.

[6] 岡薩雷斯.數字圖像處理（中文）[M].3版.北京：電子工業(yè)出版社，2011：62-120.