·82·北京生物医学工程1998年第17卷第2期医学图像的色彩处理
刘 毅 邵庆余 李 桥
山东医科大学医学工程研究室(250012)
摘 要 彩色图像显然比单色(黑白)图像更好看。由于大量的医学图像是单色图像,因此将其处理成彩色图像,将有助于医务人员对疾病的诊断与治疗。医学图像的彩色处理方法很多,作者借助于计算机用映射变换法来处理医学图像的色彩问题2伪彩色处理,并详细讨论了转换原理及转换方法。
关键词 医学图像 灰度 伪彩色概述
在医学领域中,存在着大量的图像信息,主要有X射线(包括CT)、核同位素图像、显微图像、超声图像等[1]。人体各器官、组织产生的这种信息大都非常微弱的,且受周围电磁场及各种噪声的干扰,再加上摄像设备本身所带来的误差,通常所得的医学图像是不清晰的,甚至是模糊的,因而应该使用计算机图像增强技术来改善图像的质量,否则会影响医务人员对疾病的诊断与治疗。图像的增强是对质量不好的图像(如受噪声污染或模糊)进行处理,它包括对比度的增强、消除图像噪音、图像的平滑、图像的色彩处理以及改善图像的轮廓等等,侧重点各异。本文讨论如何将黑白图像转换成彩色图像,也即图像的伪彩色处理。
图像的伪色彩处理
一般人眼对黑白图像的灰度变化不很敏感,但却可分辨别出上千种不同色度的彩色,因而对图像进行量化,将某一颜色对应某一灰度等级的像素点,这样黑白图像就转变成了彩色图像,这种处理方法称为伪彩色处理技术[2]。
伪彩色处理技术在医学图像处理中尤为重要。因为将黑白的X射线、B超、CT、核磁共振等医学图像转变成彩色图像,无疑会提高图像的可鉴别度,使人们能从中获得更多的图像信息,有助于医务人员对疾病的诊断。
但是,由于经过摄像机等设备所获得的原始图像一般都不清楚或模糊,因此应对原始图像进行预处理以后再进行伪彩色的处理。
11图像的预处理图像的预处理包括:
(1)用矩阵函数f(x,y)来表示一幅平面图像,x、y的取值范围就是图像的大小,f(x,y)在某点的值称作该像素点的灰度值,表示图像在该点的明亮程度,这样计算机对图像的处理就转换为对图像函数f(x,y)的处理了。
(2)灰度级的修整:利用直方图均衡技术来使整幅图像的灰度分布趋于均匀,提高图像的清晰度。
(3)空间域处理:使用图像平滑技术来清除图像上的随机脉冲噪声或由系统本身所引起
刘毅:女,34岁,山东医科大学生物医学工程研究室,讲师。
北京生物医学工程1998年第17卷第2期·83·
的杂散像点。
(4)频域处理:用巴特沃斯低通滤波器(BLPF)除去大部分噪声,保留原始图像的细节。(5)用微分法来检测图像的边界并用搜索法实现边界点的连接,从而突出物体的轮廓。在预处理的基础上,对图像进行着色处理。21图像的伪彩色处理伪彩色处理就是把黑白图像的各个灰度值,按照一定的函数关系映射成相应的彩色,不同的灰度级对应着不同的彩色。根据色度学原理,任何一种颜色都可以由红、绿、蓝三基色按不同比例来合成,因此图像的伪彩色处理首先要设定红、绿、蓝三个变色函数,对应每一个f(x,y)都有相应的红、绿、蓝输出,之后三者又合成为一个彩色,用下式表示:
R(x,y)=TR{f(x,y)}G(x,y)=TG{f(x,y)}
B(x,y)=TB{f(x,y)}
(R,G,B)=(R(x,y),G(x,y),B(x,y))及
(1)式又称为配色方程。典型的变换函数[3]如下图所示:
(1)
图1 灰度与彩色的映射关系
由图(a)可见,低于L??2的灰度级将映射为最暗的红色;大于3L??4的灰度级将映射为最亮的红色;而在L??2和3L??4之间的灰度将使红色由暗到亮成线性变化。同样图(b)和图(c)表示绿色和蓝色的变化。图(d)表示三种颜色合在一起的情况,图(e)表示合成彩色的线性关系。由此可见合成彩色是由蓝→绿→红连续变化的,而不是阶梯式的,因而整体效果比较好。灰度与彩色变换系统框图如下: 计算机转换处理过程包括A??D转换、图像的量化、图像的编解码、D??A转换等。
在实际处理中,经过预处理后的单色图像首先通过视频卡再输入计算机,在计算机上实现医学图像的同步动态显示。视频卡是图像处理的专用接口设备。采集到的数据首先放入视频缓冲区中,视频缓冲区中存放的不是彩色的RGB数据,而是采用广播电视系统的YUV[4]格式。这样从RGB彩色空间到YUV彩色空间就有一种转换关系,可描述为:
·84·北京生物医学工程1998年第17卷第2期VGA输出R
图像信号
预处理
映射变换
GB
TR(1)TG(1)TB(1)
YR
彩色
UV
计算机转换处理
彩色坐标转换
A??D
GB
坐标转换
A??D
混合器
彩色显示器
VGA
图2灰度与彩色变换系统框图YUV
=01299-0116780150000
01587-013313-014187
011440150000-010813RGB
在此种格式中,Y为亮度信息,U为蓝色信息,V为红色信息,由于输入的是黑白图像,
所以此时的U和V皆为0,根据不同的灰度值(Y值)对U和V进行着色,就可以实现将黑白图像转变成彩色图像。YUV通常按4∶1∶1的格式来组织数据,即Y每采4个样点,U和
按这样的方式组织数据后,同24位的RGB方式相比数据量减少了一半,减V各采一个样点。
少了帧存储的容量,但带来的后果是彩色信号信息丢失较大,图像质量较差,为此我们将
YUV的4∶1∶1格式改为4∶2∶2格式后,改善了图像质量,效果良好。
如将灰度图像变为6个灰度级表示,并用下面6种不同颜色来显示,对应关系为{0,1,2,3,4,5}→{蓝,浅蓝,绿,黄,紫,红},则可得到一幅伪彩色图像。
然而经这种转换以后虽然便于存储,但由于它与计算机显示卡所采用RGB彩色空间不一致,因此不能直接显示在屏幕上,所以必须将YUV空间转换成相应的RGB彩色空间[5],以便于微机的读写和处理,二者的转换关系如下:
R101000011402YG=1-0134414-0171414U
B
1
111772
010000
V
在转换处理过程中仍按YUV的4∶2∶2格式来组织图像数据。为了显示转换后的彩色图像,
利用视频卡的读出电路读出YUV信号值并将其转化为模拟信号,在混频电路中与VGA信号相叠加,从而将彩色图像高质量适时地显示在VGA显示器上。
结束语
本系统的消除噪音、图像增强、色彩转换、图像显示等程序均采用C语言编程[6],在486以上的计算机中实现上述处理过程,效果很好。软件设计简单,对X射线、B超、CT、核磁共振等医学图像进行彩色处理后,使得病变部位彩色分明,层次清晰,对疾病的诊断与治疗有较大的帮助,获得了令人满意的效果。
参考文献
11 朱翠玲,等1现代生物医学工程1北京:中国科学技术出版社,1992:211—23321 李宗荣,等1医药信息学导论1武汉:武汉大学出版社,1992;149—16531 周新伦,等1数字图像处理1北京:国防工业出版社,1986;162—17541 林福宗,等1多媒体与CD2ROM1北京:清华大学出版社,1995;320—330
医学图像的色彩处理_
