【文章內(nèi)容簡介】 D(u,v)D0上式中，D0是一個非負整數(shù)。D(u,v)是從點(u,v)到頻率平面原點的距離，即：D(u,v)=(u2+v2)12。一般使用理想濾波對圖像進行濾波后，得到的圖像會變得模糊或出現(xiàn)“振鈴”現(xiàn)象。l 巴特沃斯低通濾波器：一個介為n，截斷頻率為D0的巴特沃斯低通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)為：Hu,v=11+Du,vD02n低通巴特沃斯濾波器在高低頻率間的過渡比較光滑，所以用巴特沃斯濾波器得到的輸出圖振鈴效應不明顯。l 梯形低通濾波器：梯形低通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)為：Hu,v= 1 D(u,v)≤D39。Du,vD0D39。D0 D39。D(u,v)≤D0 0 D(u,v) D0 上式中D0是截止頻率，而D39。是對應分段線性函數(shù)的分段點。梯形低通濾波器在高低頻率間的過渡不夠光滑，所以雖然會減弱一些振鈴現(xiàn)象，但是其振鈴現(xiàn)象一般比巴特沃斯低通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)所產(chǎn)生的要強一些。l 指數(shù)低通濾波器：一個介為n的指數(shù)低通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)滿足下列條件：H(u,v)=exp?{D(u,v)D0n}其中，D0為截斷頻率。采用指數(shù)低通濾波器會使圖像較大程度上的模糊，但產(chǎn)生的振鈴現(xiàn)象要比巴特沃斯低通濾波器還要弱。 醫(yī)學圖像邊緣增強是醫(yī)學圖像增強技術(shù)的一種，它是對醫(yī)學圖像的邊緣加以突出處理的一種方法。經(jīng)過邊緣增強后，我們可以得到不同輪廓的醫(yī)學圖像的邊界，以便于確定不同的醫(yī)學圖像的邊界范圍，實現(xiàn)醫(yī)學圖像的邊緣增強。常用的醫(yī)學圖像邊緣增強方法包括空域法和頻域法。其中，空域法包括梯度法和拉普拉斯法；頻域法包括理想高通濾波器、巴特沃斯高通濾波器、梯形高通濾波器和指數(shù)高通濾波器等等。 圖像銳化概述 醫(yī)學圖像增強的實質(zhì)是減少噪聲和增強邊緣，以此來達到圖像質(zhì)量的改善。但是，一般地在減少噪聲的同時會減弱圖像的邊緣，而增強邊緣又會增強了圖像的噪聲。這往往是一個矛盾的過程。醫(yī)學圖像平滑主要用來減弱或消除圖像的噪聲，而圖像銳化主要是用來增強圖像的邊緣信息。從頻率域角度來看，高頻分量的丟失造成了圖像的模糊，因此在頻率域采用高頻濾波器來進行銳化。 圖像銳化方法在空域一般有梯度銳化和拉普拉斯銳化兩種；而在頻域有理想高通濾波器、巴特沃斯高通濾波器、梯形高通濾波器、指數(shù)高通濾波器等。下面主要列舉幾種常見的圖形銳化方法的原理及實現(xiàn)。 幾種常見的圖像銳化方法原理（1） 空域法：l 梯度法：對圖像f(x,y),在點(x,y)處的梯度是一個矢量，可以定義為：G→f(x,y)=?f?x?f?y根據(jù)梯度的性質(zhì)，梯度的方向確定了圖像f(x,y)的最大變化率的方向，梯度的幅度為G→f(x,y)，則：Gfx,y=?f?x2+?f?y212為了提高運算速度，用絕對值表示下列運算并用差分來近似微分，得到：Gf(x,y)≈f(i,j)f(i+1,j)2+fi,jf(i,j+1)212將Gf(x,y)看做圖像在點(x,y)銳化后的值，以此來銳化圖像。l 拉普拉斯法：拉普拉斯算子是常用的邊緣增強處理算子。它具有旋轉(zhuǎn)不變性，可以滿足不同走向的圖像邊緣的銳化要求。相對于梯度算子，它具有增強邊緣精確定位的優(yōu)點。拉普拉斯算子的二階偏導數(shù)表示為：?2f=?2f?x2+?2f?y2其對應的一種拉普拉斯模板為：010151010則銳化后的圖像為：g=fKI?2f其中，KI為與擴散效應有關(guān)的系數(shù)，f和g分別為銳化前后的圖像。在進行具體的實驗時，要選取合適的KI值。（2） 頻率域法：l 理想高通濾波器：一個2D理想高通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)滿足下列條件：Hu,v=0 D(u,v)≤D01 D(u,v)D0其中，D0為截斷頻率。l 巴特沃斯高通濾波器：一個階為n，截斷頻率為D0的巴特沃斯高通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)為：Hu,v=11+D0D(u,v)2nl 梯形高通濾波器：梯形高通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)為：Hu,v=0 D(u,v)≤D0Du,vD0D,D0 D0D(u,v)≤D,1 D(u,v)D,其中，D0為截止頻率，D,為對應線性函數(shù)的分段點。l 指數(shù)高通濾波器：一個階為n的指數(shù)高通濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)應滿足下列條件：Hu,v=1expDu,vD0n 本章小結(jié)：本章主要講述了常用的醫(yī)學圖像增強方法：醫(yī)學圖像對比度增強（灰度映射的原理、直方圖均衡化的原理、直方圖規(guī)定化的原理）；醫(yī)學圖像去噪（圖像平滑：包括均值濾波器、中值濾波器、理想低通濾波器、巴特沃斯低通濾波器、梯形低通濾波器、指數(shù)低通濾波器的原理）；醫(yī)學圖像邊緣增強（圖像銳化：包括梯度法、拉普拉斯法、理想高通濾波器、巴特沃斯高通濾波器、梯形高通濾波器、指數(shù)高通濾波器的原理）。通過本章的介紹，了解這幾種常用的醫(yī)學圖像增強方法的原理，并與本文算法進行比較，體現(xiàn)本文算法的重要意義。第三章 人眼視覺綜述 人眼視覺的成像原理類似于照相機。人眼視覺包括人眼的生理機制、人眼的感知以及人眼的視覺特性等等，通過研究人眼的視覺特性，并將之運用到醫(yī)學圖像增強技術(shù)中，能夠從主觀上增強醫(yī)學圖像的質(zhì)量，得到更適合醫(yī)務工作者診斷病情的醫(yī)學圖像。 ，人眼的結(jié)構(gòu)跟照相機類似。眼睛的前部為一圓球晶體，其平均直徑為20mm左右，由角膜和鞏膜外殼、脈絡(luò)膜和視網(wǎng)膜這三層薄膜包圍著[11]。角膜位于正前方六分之一處,是一種硬而透明的組織，覆蓋著眼睛的前表面。鞏膜是一層透明的膜，包圍著眼球的其它部分，與角膜連在一起。鞏膜的里邊是脈絡(luò)膜，脈絡(luò)膜對于眼球至關(guān)重要：首先，它包含有血管網(wǎng)，是眼睛的重要滋養(yǎng)源；其次，脈絡(luò)膜外殼著色很重，有助于減少進入眼內(nèi)的外來光以及外來光在眼球內(nèi)的回射[12]。在最前面角膜的后面的脈絡(luò)膜包含兩部分，分別是睫狀體和虹膜。位于虹膜中間的圓孔稱為瞳孔。瞳孔的直徑在虹膜環(huán)狀肌的作用下能夠在28mm之間調(diào)節(jié)，基于瞳孔的這種調(diào)節(jié)可以對進入人眼的光通量進行調(diào)節(jié)，這跟照相機的光圈調(diào)節(jié)類似。 所謂的“照相機鏡頭”是指位于瞳孔后面的扁球形的透明的晶狀體。由于睫狀肌對它的影響，晶狀體可以通過調(diào)節(jié)曲率來改變焦距，從而使不同距離的景物可以在視網(wǎng)膜上成像。晶狀體的折射能力可大可小，這與眼睛聚集的物體的遠近相關(guān)。當眼睛聚集近的物體時，晶狀體的折射能力強；當眼睛聚集物體的距離遠于3米時，晶狀體的折射能力會變得越來越弱。在這個過程中，晶狀體的聚集中心與視網(wǎng)膜之間的距離也會隨著晶狀體折射能力有強到弱，由14mm變?yōu)?7mm。視網(wǎng)膜布滿在整個眼球后部的內(nèi)壁上，是位于眼睛最里層的膜。視網(wǎng)膜是人眼的成像裝置。即：當人眼看到一個物體時，從外部物體來的光就在視網(wǎng)膜上成像。當光信號到達位于整個視網(wǎng)膜表面上分布的分離的光接收器時，就形成了相應的圖案。視網(wǎng)膜上的光接收器分為錐狀體和桿狀體兩類。視錐細胞和視桿細胞統(tǒng)稱為視細胞。錐狀細胞有500萬個，每個錐狀細胞長約40μm，直徑為26μm。錐狀細胞主要位于視網(wǎng)膜的中間部分構(gòu)成中央凹區(qū)，也可以稱為黃斑區(qū)。由于每個錐狀細胞連接著一個視神經(jīng)末梢，所以中央凹區(qū)的分辨率很高，形成人眼的明視。所謂的人眼的明視是指人所感興趣物體的像落在視網(wǎng)膜的中央凹區(qū)上，便于人們利用這些錐體細胞充分地識別圖像的細節(jié)。錐狀細胞主要是在強光下檢測亮度和顏色信息。桿狀細胞分布在視網(wǎng)膜的其他部分，共有750015000萬個，每個桿狀細胞直徑約27004μ m，長約60μm。桿狀細胞對細節(jié)的分辨率較低，只能給出一個一般的輪廓，形成人眼的暗視。所謂人眼的暗視是多個桿狀細胞與一個視覺神經(jīng)末梢相連，雖然桿狀細胞的分布面積較大，但是接收器能夠識別細節(jié)的量較少。桿狀細胞沒有色彩的感覺，僅僅能在弱光下檢測亮度信息。例如，一個物體在白天可以呈現(xiàn)鮮明的顏色，但在夜晚卻不能呈現(xiàn)任何顏色。這可以解釋為：在白天有錐狀細胞受到刺激，錐狀細胞有色彩的感覺；而在夜晚只有桿狀細胞受到了刺激，桿狀細胞沒有色彩的感覺。 人眼視覺感知概述 人眼視覺信息傳遞過程視覺是一個有明確輸入和輸出的信息處理過程。視覺是從圖像獲得對觀察者有用的信息的過程，具體解釋為：視覺是發(fā)現(xiàn)周圍景物中有什么物體和物體在什么地方。由視覺器官、視覺通路和多級視覺中樞組成的人類視覺信息處理系統(tǒng)實現(xiàn)著視覺信息的產(chǎn)生、傳遞和處理。由于視覺信息處理過程具有復雜性，研究學者將視覺信息處理過程劃分為視感覺處理和視知覺處理兩個階段。:視知覺中樞（視知覺處理）視感覺中樞（視感覺處理）視覺通路（視覺傳遞）視覺器官（信息產(chǎn)生）研究發(fā)現(xiàn)，位于視覺通路上不同層次的神經(jīng)元，其感受野尺寸不同，感受野的尺寸隨著神經(jīng)元的層次逐漸深入而越來越大，這種層次體系被稱為感受野等級結(jié)構(gòu)。例如，視網(wǎng)膜中心具有較小的感受野，外周的則較大。視網(wǎng)膜在感受野的中心與外圍，刺激對神經(jīng)節(jié)細胞響應的影響正好相反，這是由于視網(wǎng)膜神經(jīng)節(jié)細胞和外側(cè)膝狀體神經(jīng)元的感受野呈同心圓中心外周頡頏形式。視皮層神經(jīng)元的感受野通常被稱為特征檢測器。這是由于視皮層神經(jīng)元的感受野對具有一定形狀的刺激敏感，對光點刺激沒有反應。視皮層神經(jīng)元的感受野內(nèi)某個特定位置對具有一定朝向和寬度的條形刺激響應最強，而當這個位置上的刺激偏離該朝向時反應急劇降低，甚至消失。所以，這些細胞又被稱為朝向選擇性細胞或者簡單細胞。 人眼視覺系統(tǒng)的注意機制人類視覺的一項重要的心理調(diào)節(jié)機制稱為視覺注意。我們知道，視知覺是串行的信息處理方式，視感受是并行的信息處理方式。由此可見，視知覺過程所能處理的信息量遠遠小于視感覺過程所提供的信息量，這就造成了一個嚴重的失調(diào)現(xiàn)象。我們用視覺注意機制作為將這兩個過程聯(lián)系起來的橋梁，作為視覺感知過程的引導者有其高效性和可靠性。1. 認識視覺注意：由于視覺注意機制在發(fā)生作用，我們可以非常明顯地感受到視覺注意的存在。 上圖中，(a)中的圓環(huán)，(b)中的圓盤和(c)中的135度線段會迅速引起人們的注意。2. 選擇性視覺注意：選擇性是視覺注意眾多功能中最根本的一條，這個可以從視覺注意與視覺感知的關(guān)系中得出。它表現(xiàn)為在有效地提高重要信息的控制和調(diào)節(jié)能力的同時舍棄一部分信息。也可以解釋為：人們在觀察一個場景時，總是有選擇地將注意力集中在場景中某些最具吸引力的內(nèi)容上。這可以從兩個角度來解釋：（1）從人的角度稱為視覺選擇性，是一個從場景中選擇內(nèi)容進行觀察的過程；（2）從場景的角度稱為視覺顯著性，是指場景中的某些內(nèi)容比其他內(nèi)容更能引起觀察者的注意。兩者從本質(zhì)上來看都是對選擇性視覺注意過程的描述。注意焦點（FOA）就是其中引起注意的場景內(nèi)容。目前各個領(lǐng)域的研究者對于視覺注意機制的研究幾乎全部集中在選擇性視覺注意這一方面，選擇性視覺注意也成為了研究者們共同關(guān)心的一個焦點。選擇性視覺注意的控制和調(diào)節(jié)能力對于人類視覺完成極為復雜的信息處理任務（一般是通過極為有限的信息處理資源）發(fā)揮著決定性的作用。 我們在觀看一幅圖像時，圖像質(zhì)量的好壞要由人眼來鑒定，評價電視或者計算機圖像的的綜合質(zhì)量需用多種儀器進行測量、比較和鑒定，無論是哪種圖像最終都要由人眼觀察并作出評定。人眼的視覺特性包括視敏特性、人眼分辨力、對比度、對比靈敏度、感興趣區(qū)域規(guī)律、邊緣敏感性、人眼的彩色視覺、人眼的視覺停留、人眼視覺心理等等。（1） 視敏特性：對不同波長的光人眼具有不同的靈敏度，稱為人眼的視敏特性。視敏特性可用視敏函數(shù)和相對視敏函數(shù)來描述。人眼對相同輻射功率的各色光具有不同的亮度感覺。在相同輻射功率的條件下，人眼感覺最暗的光是紅光和紫光，感覺最亮的光是黃綠光（555nm）。（2） 人眼的分辨力：人眼分辨景物細節(jié)的能力稱為分辨力，分辨力的大小用分辨角（也稱視敏角或稱視角）表示。人眼分辨景物細節(jié)的能力是有限的。不同的人的人眼分辨力不同，一般在中等亮度和中等對比度情況下，視力正常的人觀察靜止圖像時，’。另外，分辨力還取決于對比度和景物照度。（3） 對比度（亮度）范圍：人眼能夠感覺到的亮度范圍稱為對比度視覺范圍。相對于人眼的視覺范圍來說這個范圍很大，可達109：1。這就導致雖然人眼總的視覺范圍很寬，但也不能在同一時間感受全部的亮度范圍。當平均亮度適中時，在人眼的視覺范圍內(nèi)感受到的亮度范圍為1000：1；當平均亮度較高或較低時，在人眼的視覺范圍內(nèi)感受到的亮度范圍只有10：1；一般狀況下，這個范圍為100：1。另外，顯像管亮度范圍約為30：1，電影銀幕亮度范圍大致為100：1。人眼的明暗感覺是相對的。不僅是景物實際的亮度值對人眼對于景物亮度的主觀感覺有影響，而且周圍環(huán)境的平均亮度也有一定的關(guān)系。人眼對于同一亮度在不同環(huán)境下的主觀感覺不同。（4） 人眼的彩色視覺：人眼的錐狀細胞有三種，分別對紅、綠、藍三種色光最敏感，稱為紅感細胞、綠感細胞、藍感細胞。當一束光射入人眼時，三種錐狀細胞就會產(chǎn)生不同的反應，不同顏色的光對三種錐狀細胞的刺激量是不同的，產(chǎn)生的顏色視覺各異，使人能夠分辨出各種顏色。（5） 人眼的視覺停留：當人們所見到的物體突然從眼前離開時，物體在視網(wǎng)膜上的影像并非同時消失，而會短暫的保留在視覺中，這種現(xiàn)象叫視覺暫留。視覺暫留的時間長短與光線的顏色，強弱，觀看時間長短有關(guān)，一般在1/20秒左右。人眼的視覺暫留在電視技術(shù)中得到了具體應用，成為順序掃描分解與合成電視圖象的基礎(chǔ)。由于視覺惰性的殘留時間有一定限度，當作用人眼的光脈沖重復頻率不夠高時，人眼已能分辨出有光和無光的亮度差別，因而產(chǎn)生一明一暗的感覺，這種現(xiàn)象稱為閃爍效應。當光脈沖的重復頻率增加到某個數(shù)值時，人眼覺察不到有閃爍效應，而是一個連續(xù)的感覺，我們把剛好感覺不到有閃爍效應的頻率稱為臨界閃爍頻率，并用fK表示。利用斷續(xù)投影進行測