施慧

一種自適應(yīng)直方圖均衡醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)方法

施慧

目的：提出一種自適應(yīng)直方圖均衡醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)方法，在提高醫(yī)學(xué)圖像對比度的同時(shí)，突出圖像中的細(xì)節(jié)信息。方法：在對醫(yī)學(xué)圖像進(jìn)行直方圖均衡的基礎(chǔ)上，利用Sobel梯度算子提取圖像細(xì)節(jié)信息，經(jīng)自適應(yīng)直方圖均衡法處理后保留到增強(qiáng)后的圖像中。結(jié)果：該方法可保留較多的圖像細(xì)節(jié)信息，從而達(dá)到更好的圖像增強(qiáng)效果。結(jié)論：自適應(yīng)直方圖均衡醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)方法可以很好地達(dá)到預(yù)期效果，對臨床醫(yī)生進(jìn)行準(zhǔn)確及時(shí)的確診具有重要意義。

直方圖均衡；圖像增強(qiáng)；Sobel算子

0 引言

醫(yī)學(xué)圖像常常因?yàn)槌上裣到y(tǒng)噪聲、密度差異、病變組織結(jié)構(gòu)等原因?qū)е鲁上衲：Ρ榷鹊偷痊F(xiàn)象，不利于臨床醫(yī)生及時(shí)準(zhǔn)確地對患者病因進(jìn)行確診。醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)的主要目的就是要消除這些不利因素的影響，增強(qiáng)圖像中感興趣的目標(biāo)，從而可以使觀察者更準(zhǔn)確有效地獲取感興趣信息[1-2]。

傳統(tǒng)的直方圖均衡醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)方法可以增強(qiáng)圖像的對比度，但并不能增強(qiáng)圖像的細(xì)節(jié)信息[3-5]。本論文提出一種自適應(yīng)醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)方法，不僅可以提高圖像對比度，而且可以突出圖像中的細(xì)節(jié)信息。

1 直方圖均衡法

直方圖均衡法的目的就是通過圖像灰度變換，使得變換后圖像的各個(gè)灰度值分布比較一致，從而達(dá)到增強(qiáng)圖像的目的。它的變換函數(shù)是圖像像素灰度值的累積分布函數(shù)。對于離散灰度值圖像f（x，y），假定其具有N個(gè)像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)可取L種灰度級。其中，第k級像素灰度值rk在該圖像中出現(xiàn)的概率為

其中，nk表示圖像中灰度級為rk的像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

用sk表示灰度級rk變換后的灰度值，則直方圖均衡變換函數(shù)可被表示為

故直方圖均衡化方法的步驟可被歸納如下：

（1）利用公式（1）計(jì)算各灰度級的出現(xiàn)概率；

（2）利用公式（2）計(jì)算各灰度級的變換函數(shù)；

（3）利用步驟（2）建立一張灰度級rk～sk（k=0，1，2，…，L-1）的映射表，以便于迅速查找；

（4）利用步驟（3）所建立的映射表完成圖像的灰度變換。

2 自適應(yīng)直方圖均衡法

利用直方圖均衡法進(jìn)行醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)運(yùn)算相對簡單，可大大擴(kuò)展圖像像素灰度值的動態(tài)范圍，使得圖像具有較高的全局對比度。該方法具有僅僅依賴圖像像素點(diǎn)的灰度分布信息，不需要額外的參數(shù)信息的優(yōu)點(diǎn)。該方法的缺點(diǎn)是在數(shù)據(jù)離散化過程中會出現(xiàn)灰度量化級簡并現(xiàn)象，從而導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)信息丟失[6]。因此，本文將提出一種自適應(yīng)直方圖均衡醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)法，在直方圖增強(qiáng)圖像的基礎(chǔ)上，盡可能地保留圖像細(xì)節(jié)信息。

梯度算子可通過圖像微分運(yùn)算來增強(qiáng)圖像邊緣和其他突變的區(qū)域，從而達(dá)到提取圖像細(xì)節(jié)信息的目的。本文可考慮利用Sobel梯度算子[7]來提取圖像細(xì)節(jié)信息，用gSobel（x，y）表示經(jīng)Sobel算子提取的圖像，則有

直方圖均衡法的灰度變換函數(shù)與圖像所處的位置無關(guān)，本文所提出的自適應(yīng)直方圖均衡圖像增強(qiáng)法的灰度變換函數(shù)將與圖像所處的位置相關(guān)，其基本思路是在圖像中細(xì)節(jié)較多處保留較多的圖像細(xì)節(jié)信息?？上鄳?yīng)定義一個(gè)權(quán)值系數(shù)如下：

用ghi（stx，y）表示經(jīng)直方圖均衡增強(qiáng)后的圖像、gadap-hi（stx，y）表示自適應(yīng)直方圖均衡增強(qiáng)后的圖像，則有

則本文所提出的自適應(yīng)直方圖均衡醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)方法可被歸納如下：

（1）利用上節(jié)所述的直方圖均衡法計(jì)算ghist（x，y）；

（2）利用公式（3）計(jì)算Sobel梯度算子提取的圖像細(xì)節(jié)信息gSobel（x，y）；

（3）利用公式（4）計(jì)算自適應(yīng)權(quán)系數(shù)kx，y；

（4）利用公式（5）計(jì)算經(jīng)自適應(yīng)直方圖均衡法處理后的圖像。

3 系統(tǒng)性能仿真及分析

考慮對一幅人腦圖像進(jìn)行圖像增強(qiáng)處理，自適應(yīng)均衡增強(qiáng)算法中取窗口大小為w=5，原始圖像和經(jīng)處理后的圖像如圖1～4所示。由上述結(jié)果可知，直方圖均衡圖像增強(qiáng)雖然能夠提高圖像的對比度，但丟失了圖像的細(xì)節(jié)信息，而本文所提出的自適應(yīng)直方圖均衡圖像增強(qiáng)方法能夠在提高圖像對比度的同時(shí)，保留較多的圖像細(xì)節(jié)信息，從而達(dá)到更好的圖像增強(qiáng)效果。

圖1 原始圖像

圖2 Sobel算子所提取的圖像

圖3 直方圖均衡增強(qiáng)圖像

圖4 自適應(yīng)直方圖均衡增強(qiáng)圖像（k′=2）

圖5、6分別為k′=0.1和k′=10時(shí)的自適應(yīng)直方圖均衡圖像增強(qiáng)結(jié)果，通過圖片可知，k′取值較小時(shí)，圖像細(xì)節(jié)信息保留較少；但是k′取值較大時(shí)，由于梯度算子在提取圖像細(xì)節(jié)信息的同時(shí)，會使圖像噪聲放大，并且產(chǎn)生過增強(qiáng)，圖像增強(qiáng)效果也不好。所以k′的取值需在保留圖像細(xì)節(jié)信息和抑制圖像中噪聲這2個(gè)方面進(jìn)行折中考慮，對于本文中圖像，經(jīng)觀察，k′=2時(shí)可取得相對較好的圖像增強(qiáng)效果。

圖5 自適應(yīng)直方圖均衡增強(qiáng)圖像（k′=0.1）

圖6 自適應(yīng)直方圖均衡增強(qiáng)圖像（k′=10）

4 結(jié)語

直方圖均衡醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)法可以提高圖像的全局對比度，但由于會出現(xiàn)灰度級簡并現(xiàn)象而導(dǎo)致圖像細(xì)節(jié)信息丟失。本文所提出的自適應(yīng)直方圖均衡醫(yī)學(xué)圖像增強(qiáng)法利用Sobel梯度算子提取醫(yī)學(xué)圖像細(xì)節(jié)信息，并將所提取的細(xì)節(jié)信息疊加在直方圖均衡增強(qiáng)后的醫(yī)學(xué)圖像上，不僅可以提高醫(yī)學(xué)圖像對比度，而且可以保留較多的圖像細(xì)節(jié)信息。

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（收稿：2014-10-07 修回：2015-01-17）

（欄目責(zé)任編校：邢 楠 孫麗麗）

Medical image enhancement method by adaptive histogram equalization

SHI Hui
(Sterilization Supply Department,Nanjing General Hospital of Nanjing Military Area Command,Nanjing 210002,China)

ObjectiveTo present an adaptive histogram equalization method for medical image enhancement,which can improve the contrast of medical image while keep image detail information.MethodBased on histogram equalization, Sobel gradient operator was used to extract the detailed information which could be adaptively conserved in the enhanced image.ResultsThe detailed information of medical image could be retained as much as possible,with image enhancement obtained.ConclusionThe adaptive histogram equalization method for medical image meets the desired requirements,and is of great significance for timely and accurate diagnosis.[Chinese Medical Equipment Journal，2015，36（7）：51-52]

histogram equalization;image enhancement;sobel operator

R318；TP751

A

1003-8868（2015）07-0051-02

10.7687/J.ISSN1003-8868.2015.07.051

施 慧（1985—），女，護(hù)師，主要從事醫(yī)療器械維護(hù)及醫(yī)學(xué)圖像處理方面的研究工作，E-mail：shihui_1103@sina.com。

210002南京，南京軍區(qū)南京總醫(yī)院消毒供應(yīng)科（施 慧）