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基于Matlab的圖像增強(qiáng)與復(fù)原技術(shù)在SEM圖像中的應(yīng)用[圖]
[ 通信界 / 佚名 / m.k-94.cn / 2012/2/14 8:22:06 ]
 

摘要:改善圖像質(zhì)量是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。這里利用Matlab的工具函數(shù),采用灰度直方圖均衡化和低通濾波,以及圖像復(fù)原技術(shù)對(duì)一幅上皮細(xì)胞SEM(即掃描電子顯微鏡圖片)圖像進(jìn)行處理,并比較他們的效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,使用Matlab工具箱大大簡(jiǎn)化了編程工作,為生物醫(yī)學(xué)圖像處理提供了一個(gè)技術(shù)平臺(tái),綜合運(yùn)用直方圖均衡化和低通濾波和自適應(yīng)維納濾波好于簡(jiǎn)單的使用某一方面的技術(shù),如直方圖均衡技術(shù),更好地改善了SEM圖像質(zhì)量,使低對(duì)比度圖像得以改善,上皮細(xì)胞與背景的區(qū)分更加明顯。

0 引言

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的相關(guān)文獻(xiàn),研究和發(fā)展圖像處理工具,改善圖像質(zhì)量是當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。圖像增強(qiáng)與復(fù)原是一種基本的圖像處理技術(shù)。其按照特定的需要突出一幅圖像中的某些信息或強(qiáng)化某些感興趣的特征,將原來(lái)不清晰的圖片變得清晰,使之改善圖像質(zhì)量和豐富信息量,提高圖像的視覺效果和圖像成分的清晰度,加強(qiáng)圖像判讀和識(shí)別效果的圖像處理的方法。圖像增強(qiáng)和復(fù)原的目的是對(duì)圖像進(jìn)行加工,以得到視覺上更好、更加容易區(qū)分的圖像。

1 圖像處理方法

1.1 直方圖均衡化

直方圖均衡化(Histogran Equalization,HE)是利用直方圖的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行直方圖的修改,能有效地處理原始圖像的直方圖分布情況,使各灰度級(jí)具有均勻的概率分布,通過(guò)調(diào)整圖像的灰度值的動(dòng)態(tài)范圍,自動(dòng)地增加整個(gè)圖像的對(duì)比度,以使圖像具有較大的反差,大部分細(xì)節(jié)清晰。傳統(tǒng)的直方圖理論如下:

輸入的直方圖用H(p)表示;輸入的灰度級(jí)范圍為[p0,pk],其目的是找到一個(gè)單調(diào)的像素亮度變換q=T(p),使得輸出的直方圖G(q)在整個(gè)輸出亮度范圍[p0,pk]內(nèi)是均勻的。直方圖可以看作是離散的概率密度函數(shù),變換T的單調(diào)性意味著有如下公式成立:

式(1)中的求和可以理解成離散概率密度函數(shù)的累積。假設(shè)圖像有M行和N列個(gè)像素,則均衡化的直方圖G(q)就對(duì)應(yīng)均衡化的離散概率密度函數(shù)f,其函數(shù)的值是一個(gè)常數(shù):

式(2)的值替換式(1)的左邊,對(duì)于理想化的連續(xù)概率密度來(lái)說(shuō),就可以得到精確的均衡化直方圖,這時(shí)式(1)變化為:

式(4)中的積分被稱為累積的直方圖,在數(shù)字圖像中用求和來(lái)近似,因此結(jié)果直方圖并不是理想地等同的。在離散情況下,對(duì)式(4)的連續(xù)像素亮度變換的近似為:

1.2 頻域低通濾波

對(duì)于圖像這樣的二維信號(hào),經(jīng)過(guò)傅里葉變換可以將其空間域轉(zhuǎn)換到頻率域,在頻域中可以進(jìn)行圖像的增強(qiáng)操作。在分析圖像信號(hào)的頻率特性時(shí),對(duì)于一幅圖像,直流分量表示了圖像的平均灰度;大面積的背景區(qū)域和緩慢變化部分代表了圖像的低頻分量,而它的邊緣,細(xì)節(jié),跳躍部分以及顆粒噪聲都代表圖像的高頻分量。因此,在頻域中對(duì)圖像采用濾波器函數(shù)衰減高頻信息而使低頻信息暢通無(wú)阻的過(guò)程稱為低通濾波。通過(guò)濾波可以去除高頻分量,消除噪聲,起到平滑圖像去噪聲的增強(qiáng)作用。

在頻域中實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像的濾波過(guò)程如下:

(1)對(duì)原始輸入圖像進(jìn)行傅里葉變換,得到頻譜函數(shù)F(u,v);
     (2)利用傳遞函數(shù)H(u,v)對(duì)圖像的頻譜函數(shù)F(u,v)進(jìn)行處理,得到輸出G(u,v);
     (3)G(u,v)再經(jīng)過(guò)傅里葉反變換,得到所希望的圖像。

1.3 自適應(yīng)維納濾波

自適應(yīng)維納濾波圖像復(fù)原試圖利用退化現(xiàn)象的某種先驗(yàn)知識(shí)(即退化模型),對(duì)已退化了的圖像加以重建和復(fù)原,使復(fù)原的圖像盡量接近源圖像。圖像復(fù)原的目的就是盡可能復(fù)原被退化圖像的本來(lái)面目。實(shí)現(xiàn)圖像復(fù)原需要弄清退化原因,建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,并沿著圖像質(zhì)量降低的逆過(guò)程對(duì)圖像進(jìn)行復(fù)原。圖像復(fù)位技術(shù)對(duì)圖像退化的復(fù)原技術(shù)分為非約束復(fù)原方法、約束復(fù)原方法、非線性復(fù)原方法以及其他方法。在此,采用有約束圖像復(fù)原技術(shù)中的自適應(yīng)維納濾波。該算法是用Wiener2函數(shù)進(jìn)行二維自適應(yīng)去噪濾波;該函數(shù)可對(duì)一幅被加性噪聲污染的灰度圖進(jìn)行低通濾波處理。它的運(yùn)算法則是Winner2函數(shù)估計(jì)圖像A中每個(gè)像素周圍的局部均值和方差:

式中:N和M表示每個(gè)像素周圍的N×M局部鄰域。Winener2函數(shù)使用這些估計(jì)值,構(gòu)建像素式維納濾波為:

式中:v2為噪聲方差,如果不指定噪聲方差,Winner2函數(shù)將使用所有局部估計(jì)方差的平均值作為其參數(shù)。

2 基于Matlab中的圖像增強(qiáng)與圖像復(fù)原技術(shù)在SEM圖像中的應(yīng)用

采用該算法對(duì)醫(yī)學(xué)生物圖像進(jìn)行增強(qiáng)和復(fù)原的實(shí)現(xiàn)。如圖1所示,原始圖像的圖像模糊不清,動(dòng)態(tài)范圍小,整個(gè)圖像呈現(xiàn)低對(duì)比度。利用直方圖均衡化處理的圖像2,使整個(gè)圖像的對(duì)比度明顯增強(qiáng),上皮細(xì)胞與周圍環(huán)境的區(qū)別明顯,但是圖像不平滑,有噪聲。經(jīng)過(guò)低通濾波處理后的圖3,通過(guò)濾波去除了高頻分量,消除了噪聲,起到了平滑圖像去除噪聲的增強(qiáng)作用,但因它去除了某些邊界對(duì)應(yīng)的頻率分量,使得上皮細(xì)胞的邊界變得有一點(diǎn)模糊緣效應(yīng)。經(jīng)過(guò)自適應(yīng)維納濾波得到的圖4,很好地改善了上皮細(xì)胞的圖像質(zhì)量,突出了上皮細(xì)胞的整體與局部特征,達(dá)到了很好的視覺效果和區(qū)別特征。

3 結(jié)語(yǔ)

所用的原始圖片,是作者從事掃描電鏡工作過(guò)程中所拍到并且保存的照片,細(xì)胞與背景區(qū)分不明顯,無(wú)論怎么操作電鏡都無(wú)法達(dá)到客戶所希望的、清楚的細(xì)胞輪廓,與周圍環(huán)境區(qū)別明顯。圖像增強(qiáng)可以理解為按需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q,對(duì)圖像的某些特征,如邊緣、輪廓的對(duì)比度等進(jìn)行強(qiáng)調(diào)或銳化,突出某些有用的信息,去除或消弱無(wú)用的信息,以便于顯示、觀察或進(jìn)一步分析和處理。圖像質(zhì)量的視覺評(píng)價(jià)是一個(gè)高度主觀的過(guò)程。

由圖1~圖4可見,原始圖片中的圖像模糊不清,對(duì)比度低,上皮細(xì)胞輪廓不明顯,與背景區(qū)分不大,在經(jīng)過(guò)直方圖均衡化,頻域低通濾波,自適應(yīng)維納濾波處理后,圖像逐步得以改善。最后得到的結(jié)果圖像 (見圖4自適應(yīng)維納濾波處理后的圖像),其上皮細(xì)胞的輪廓非常明顯,對(duì)比度和亮度很適中,能很好地用于生物醫(yī)學(xué)工作來(lái)鑒別上皮細(xì)胞。通過(guò)數(shù)字圖像處理能夠很好地增強(qiáng)與改善生物醫(yī)學(xué)上這類圖像質(zhì)量,在掃描電鏡工作過(guò)程中,因細(xì)胞(上皮細(xì)胞,鈣細(xì)胞,神經(jīng)細(xì)胞等)與周圍環(huán)境太相似,無(wú)論怎么操作電鏡,都無(wú)法得到細(xì)胞輪廓清楚,與背景區(qū)分明顯的理想圖像。數(shù)字圖像處理為醫(yī)學(xué)生物圖像的處理提供了一個(gè)技術(shù)平臺(tái),不僅對(duì)生物醫(yī)學(xué)圖像的分析和診斷有著重要意義,而且對(duì)其他圖像處理也有著重要的參考意義。

 

作者:佚名 合作媒體:不詳 編輯:顧北

 

 

 
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