鄧邦肯，朱鋒煒，王茗祎，羅佳雄，翁嘉瞬，羅曦，張夢(mèng)嬌，吳淋昌，柳錦銘，曾亞光，韓定安

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 物理與光電工程學(xué)院，廣東 佛山 528225）

0 引言

《光電信息與技術(shù)實(shí)驗(yàn)》是光電信息科學(xué)與科學(xué)專業(yè)本科生所必修的實(shí)驗(yàn)課程，課程主要涵蓋光學(xué)和電子兩學(xué)科內(nèi)容，具有實(shí)踐性強(qiáng)、專業(yè)性強(qiáng)、難度較大的特點(diǎn)。但是該實(shí)驗(yàn)課程綜合性欠缺、經(jīng)濟(jì)性與創(chuàng)新性明顯不足，學(xué)科壁壘嚴(yán)重，窄化了工程人才的知識(shí)體系。為此，在該專業(yè)實(shí)驗(yàn)中加入多學(xué)科融合，綜合性強(qiáng)，與產(chǎn)業(yè)聯(lián)系緊密，難度相對(duì)低的實(shí)驗(yàn)十分必要[1]。這一課程改革符合新工科建設(shè)與發(fā)展的基本思路，打破了學(xué)科壁壘，可以為培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、工程能力強(qiáng)、綜合素質(zhì)高的工程人才所服務(wù)[2]。光學(xué)血流造影實(shí)驗(yàn)是基于科研成果開(kāi)發(fā)的一個(gè)綜合性實(shí)驗(yàn)[3-5]，實(shí)驗(yàn)涉及了光學(xué)、生物、電子、機(jī)械、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)等多學(xué)科內(nèi)容。所涉及的技術(shù)可用于生物醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域，應(yīng)用性強(qiáng)。為降低實(shí)驗(yàn)難度，提高實(shí)驗(yàn)的可操作性，論文開(kāi)發(fā)了基于Matlab GUI的光學(xué)血流圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可以通過(guò)該平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果演示與數(shù)據(jù)處理。此外，學(xué)生還可在該平臺(tái)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加入自編模塊。

圖1 光學(xué)血流造影實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of optical hemodynamics experimental platform

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)簡(jiǎn)介

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)利用Matlab GUI設(shè)計(jì)了光學(xué)血流造影成像的交互式圖形界面，該界面分為血流成像、血流監(jiān)測(cè)以及血流圖像處理3大模塊。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。血流成像界面可以實(shí)現(xiàn)從原始散斑圖像到血流造影圖像的轉(zhuǎn)換，該界面包含相機(jī)參數(shù)設(shè)置區(qū)、血流信號(hào)提取窗口設(shè)置區(qū)、圖像顯示區(qū)和運(yùn)行控件區(qū)4個(gè)區(qū)域。血流監(jiān)測(cè)界面可以將原始散斑圖像轉(zhuǎn)換成血流動(dòng)力學(xué)變化監(jiān)測(cè)視頻，該功能在臨床醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)方面具有較高的應(yīng)用價(jià)值。血流圖像處理界面可以改變血流圖像的對(duì)比度，為血流圖像進(jìn)行背景分割、中線提取以及邊緣檢測(cè)。該界面的功能主要是對(duì)血流數(shù)據(jù)進(jìn)行形態(tài)學(xué)分析。

2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)

在血流圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)中，每個(gè)模塊的界面設(shè)計(jì)都包含2個(gè)步驟，即GUI界面的設(shè)計(jì)和回調(diào)函數(shù)的設(shè)計(jì)[6,7]。以 Matlab 用戶界面提供的不同控件為基礎(chǔ)，對(duì)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)；根據(jù)所需實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)控件所對(duì)應(yīng)的函數(shù)進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)回調(diào)函數(shù)的設(shè)計(jì)。

2.1 主界面設(shè)計(jì)

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的主界面設(shè)計(jì)包括引導(dǎo)界面和一級(jí)界面兩部分。如圖2（a）所示，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件開(kāi)始時(shí)，首先顯示的為引導(dǎo)界面。點(diǎn)擊引導(dǎo)界面上的“啟動(dòng)程序”按鈕進(jìn)入一級(jí)實(shí)驗(yàn)界面；點(diǎn)擊“關(guān)閉界面”按鈕，則實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件系統(tǒng)關(guān)閉。如圖2（b）所示，一級(jí)實(shí)驗(yàn)界面包含軟件說(shuō)明、血流成像按鈕、血流監(jiān)測(cè)按鈕，血流圖像處理平臺(tái)按鈕和返回界面按鈕5部分。

2.2 子界面設(shè)計(jì)

圖 2 主界面圖Fig.2 Main interface diagram

圖3 血流圖像處理平臺(tái)界面設(shè)計(jì)Fig.3 Interface design of blood flow image processing platform

血流圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)分為血流成像、血流圖像處理和血流監(jiān)測(cè)3部分。其中，血流圖像處理又包括血流圖像對(duì)比度調(diào)節(jié)、血流圖像背景分割、圖像中線提取以及邊緣提取4項(xiàng)功能。子界面的每個(gè)控件都包括初始函數(shù)、回調(diào)函數(shù)和輸出函數(shù)3個(gè)重要的結(jié)構(gòu)代碼。其中，初始函數(shù)用于設(shè)定控件參數(shù)初始值，對(duì)于有初值要求的操作可以根據(jù)需求進(jìn)行設(shè)定?；卣{(diào)函數(shù)是整個(gè)控件的核心函數(shù)，所有對(duì)控件進(jìn)行響應(yīng)的操作均在該函數(shù)中完成，其主要包括算法、調(diào)用函數(shù)以及具體操作代碼等。輸出函數(shù)用于返回并顯示運(yùn)行結(jié)果和數(shù)據(jù)信息。

以血流圖像處理平臺(tái)為例，介紹實(shí)驗(yàn)平臺(tái)子界面設(shè)計(jì)過(guò)程。血流圖像處理的界面設(shè)計(jì)如圖3所示。按照設(shè)計(jì)思路在GUI編輯界面中添加相應(yīng)的控件，即添加2個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)象、5個(gè)編輯文本框、6個(gè)靜態(tài)文本框、6個(gè)顯示面板和9個(gè)按鍵。2個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)象分別用于顯示采集的原始圖像和光學(xué)血流造影圖像。只要點(diǎn)擊“讀取文件”按鈕，選擇原始數(shù)據(jù)路徑，再點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鍵，就能顯示光學(xué)血流造影圖像。此時(shí)，原始數(shù)據(jù)像素尺寸和幀率均顯示在子界面中。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行血流圖像對(duì)比度調(diào)節(jié)、背景分割，中線提取，邊緣檢測(cè)4種圖像處理。

對(duì)比度調(diào)節(jié)界面：點(diǎn)擊血流圖像處理平臺(tái)界面中的“對(duì)比度調(diào)節(jié)”按鈕，可以進(jìn)入血流對(duì)比度調(diào)節(jié)界面見(jiàn)圖4（a）。在該界面中，可通過(guò)滑動(dòng)滑塊調(diào)節(jié)閾值和對(duì)比度次數(shù)，進(jìn)行圖像對(duì)比度的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)結(jié)果顯示在效果圖位置處。該界面中還加入了“負(fù)片效果”和“效果數(shù)據(jù)”，以輔助使用者選取最優(yōu)對(duì)比度閾值。點(diǎn)擊“負(fù)片效果圖”按鈕，可以獲得血管圖像凸顯的負(fù)片效果圖；點(diǎn)擊“效果數(shù)據(jù)”按鈕，界面將彈出一個(gè)調(diào)節(jié)對(duì)比度后的效果圖，用戶可以在彈出的窗口中查看圖片任意坐標(biāo)處的數(shù)據(jù)值。

圖4 圖像處理Fig.4 Image processing

對(duì)比度調(diào)節(jié)的原理運(yùn)用了自適應(yīng)對(duì)比度增強(qiáng)（ACE）算法，用該算法后其整體對(duì)比度得到很大改善，能夠弱化或?yàn)V除背景噪聲信號(hào)。ACE算法采用了反銳化掩模技術(shù)，具體來(lái)說(shuō)就是將圖像分割為不同對(duì)比度的兩塊區(qū)域：低頻區(qū)域通過(guò)對(duì)圖像進(jìn)行低通濾波的方法獲取，高頻區(qū)域用圖像除去低頻部分的方法獲取。而后來(lái)求解對(duì)比度增益系數(shù)CG，使用該系數(shù)增強(qiáng)高頻部分，最后將增強(qiáng)的部分圖像與其他部分圖像組合[11,12]。

圖像背景分割界面：在GUI編輯界面中添加2個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)象、1個(gè)編輯文本框、1個(gè)滑塊、3個(gè)顯示面板以及3個(gè)按鍵。啟動(dòng)背景分割程序后，坐標(biāo)軸對(duì)象上顯示已調(diào)節(jié)對(duì)比度的血流圖像；滑動(dòng)滑塊調(diào)節(jié)灰度線性拉伸閾值，其閾值將顯示在對(duì)應(yīng)的編輯文本框內(nèi)；而后點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，背景分割后的效果圖將顯示于坐標(biāo)軸對(duì)象上?！斑\(yùn)行”按鈕的回調(diào)函數(shù)里含有中值濾波和灰度非線性對(duì)數(shù)變換算法。點(diǎn)擊“保存結(jié)果圖”按鈕保存背景分割后的效果圖；點(diǎn)擊“返回”按鈕，關(guān)閉背景分割界面，返回血流圖像處理平臺(tái)界面。

在對(duì)比度調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)使用者可對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，以達(dá)到背景分割的效果。二值化處理采用的是最大類間方差法求閾值法[8]。圖像背景分割的程序內(nèi)的兩個(gè)前期圖像處理算法，中值濾波和灰度非線性對(duì)數(shù)變換。中值濾波是基于排序統(tǒng)計(jì)理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號(hào)處理技術(shù)，即能抑制圖像背景的噪聲[9]。中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點(diǎn)的值用該點(diǎn)的一個(gè)鄰域中各點(diǎn)值的中值代替，讓周?chē)南袼刂到咏鎸?shí)值，從而消除孤立的噪聲點(diǎn)。灰度非線性對(duì)數(shù)變換，主要用于將圖像的低灰度值部分?jǐn)U展，將其高灰度值部分壓縮，以達(dá)到強(qiáng)調(diào)圖像低灰度部分的目的[10]，從而增強(qiáng)圖像中的血管。用中值濾波和對(duì)數(shù)變換后，能濾掉背景噪聲，防止二值化函數(shù)將背景噪聲當(dāng)成血流信號(hào)，影響圖像效果。

中線提取界面：在GUI編輯界面中添加1個(gè)編輯文本框、1個(gè)滑塊、2個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)象、3個(gè)顯示面板以及3個(gè)按鍵。啟動(dòng)中線提取的程序后，滑動(dòng)滑塊調(diào)節(jié)中線提取閾值，點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，經(jīng)中線提取后的效果圖就顯示于坐標(biāo)軸對(duì)象上。中線提取前對(duì)圖像進(jìn)行開(kāi)運(yùn)算，中線提取后再對(duì)圖像進(jìn)行閉運(yùn)算[13]。

邊緣檢測(cè)界面：在GUI編輯界面中添加1個(gè)編輯文本框、1個(gè)滑塊、2個(gè)坐標(biāo)軸對(duì)象、2個(gè)復(fù)選框、3個(gè)顯示面板以及3個(gè)按鍵。啟動(dòng)邊緣檢測(cè)的程序后，坐標(biāo)軸對(duì)象上顯示經(jīng)邊緣檢測(cè)后的血流圖像，滑動(dòng)滑塊可調(diào)節(jié)邊緣檢測(cè)閾值。本程序還設(shè)定了自動(dòng)閾值檢測(cè)，點(diǎn)擊自動(dòng)閾值復(fù)選框，將進(jìn)行自適應(yīng)邊緣檢測(cè)，其閾值將顯示在其對(duì)應(yīng)的編輯文本框里。點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，邊緣檢測(cè)后的效果圖將顯示于坐標(biāo)軸對(duì)象上。

圖5 血流圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面Fig.5 Interface of blood flow image processing experimental platform

3 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行結(jié)果實(shí)例

以小雞胚胎血流數(shù)據(jù)為例，描述實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行結(jié)果。血流圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)界面如圖5所示，讀取采集的原始數(shù)據(jù)后，顯示讀取的原始小雞胚胎血流圖像和經(jīng)血流成像算法處理而得的血流造影圖像。在此界面可點(diǎn)擊對(duì)比度調(diào)節(jié)，拉動(dòng)滑條選取適宜的閾值并點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，可得到調(diào)節(jié)對(duì)比度后運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖6（a）。經(jīng)對(duì)比度調(diào)節(jié)后，血流信號(hào)強(qiáng)度較弱的毛細(xì)血管將從背景中凸顯出來(lái)。背景分割運(yùn)行結(jié)果見(jiàn)圖6（b）。這一功能可用于血管形態(tài)學(xué)提取，繼而分析血管的直徑、微循環(huán)系統(tǒng)分布等信息。

在對(duì)比度調(diào)節(jié)和圖像背景分割的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)血流中線提取和邊緣提取兩項(xiàng)操作。圖6（c）和圖6（d）分別為小雞胚胎血流中線提取和邊緣提取的結(jié)果。該結(jié)果作為血管分布密度計(jì)算的依據(jù)。此外，在進(jìn)行血流速度測(cè)量、血流流向判定時(shí)，可根據(jù)中線提取結(jié)果進(jìn)行血流定位，繼而提高計(jì)算的準(zhǔn)確性。

圖6 小雞胚胎血流圖像處理結(jié)果圖Fig.6 Image processing results of chicken embryo blood flow

4 結(jié)語(yǔ)

基于Matlab GUI的光學(xué)血流圖像處理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)有效地輔助了光學(xué)血流造影實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)既能直觀地顯示血流成像實(shí)驗(yàn)結(jié)果和血流動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，又能進(jìn)一步地顯示多項(xiàng)圖像處理結(jié)果。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)運(yùn)行實(shí)例顯示，圖像處理算法可以有效地提高圖像對(duì)比度，將血流與背景進(jìn)行分割。圖像處理模塊還具有血流中線提取，邊緣檢測(cè)等功能。此外，該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以促進(jìn)拓展式教學(xué)開(kāi)展，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生既可自主調(diào)節(jié)圖像處理相關(guān)參數(shù)，理解相關(guān)參數(shù)與結(jié)果的關(guān)系；又可自行編譯程序，豐富實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，參與實(shí)驗(yàn)教學(xué)改進(jìn)。