X光機(jī)數(shù)字圖像增強(qiáng)器的關(guān)鍵技術(shù)研究

饒 謙，田 豐

(上海大學(xué) 影視藝術(shù)技術(shù)學(xué)院 影視工程系，上海200072)

傳統(tǒng)的X射線膠片照相技術(shù)工序復(fù)雜，照相費(fèi)時(shí)且費(fèi)力，需要大量的膠片，成本很高;膠片照相需要經(jīng)過拍片、洗片、評片，最后才能出具膠片的檢測報(bào)告;不能滿足實(shí)時(shí)成像、實(shí)時(shí)檢測與評估的要求;檢測出的大量膠片不便于存儲(chǔ)。因此，傳統(tǒng)的X射線膠片照相已經(jīng)逐漸落后于工業(yè)射線檢測的發(fā)展進(jìn)程。而基于圖像增強(qiáng)器的X射線成像技術(shù)已普遍使用，它能直觀、快速地對物體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，較傳統(tǒng)膠片成像有其優(yōu)勢［1］。

引入圖像增強(qiáng)器技術(shù)后，降低了受照劑量，圖像質(zhì)量也得到了改善。但它在將X光輻射轉(zhuǎn)換成可見光圖像的過程中會(huì)帶來一系列問題，如引入了大量的噪聲，造成了圖像質(zhì)量差、信噪比低以及瑕疵點(diǎn)等問題，使不經(jīng)過處理的視頻圖像無法應(yīng)用到實(shí)際中去［2］。

本文以研制X光數(shù)字圖像增強(qiáng)器為目標(biāo)，構(gòu)建影像處理系統(tǒng)的軟硬件平臺(tái)，研究影響成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素，提出改善影像質(zhì)量的方法。針對現(xiàn)有的預(yù)設(shè)定降噪方法，提出了一種基于動(dòng)態(tài)檢測的動(dòng)態(tài)降噪算法，改善了在運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的降噪質(zhì)量，并且針對瑕疵點(diǎn)存在的問題，提出了一種針對瑕疵點(diǎn)的檢測與校正算法，滿足了用戶的需求。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，視頻通過CCD攝像頭以PAL制式輸入到解碼芯片中，在視頻芯片中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變成符合ITU-BT.656標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字視頻信號，再將其輸入到DSP處理器中。

圖1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

在DSP處理器中:工作狀態(tài)下循環(huán)等待ARM子系統(tǒng)的命令，將接收到的數(shù)字視頻信號根據(jù)對應(yīng)命令完成對視頻圖像的相應(yīng)算法，同時(shí)不斷將每一幀圖像的平均亮度值反饋給ARM子系統(tǒng);在圖片保存狀態(tài)中，將保存在SDRAM中的圖像數(shù)據(jù)回送給ARM子系統(tǒng)。在ARM子系統(tǒng)中:當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，循環(huán)等待鍵盤指令，在驗(yàn)證指令的合法性之后，通過串口將對應(yīng)命令發(fā)送給DSP處理器，同時(shí)不斷接收DSP發(fā)送過來的每一幀圖像的平均亮度值，再經(jīng)過D/A和運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換到0～12 V的模擬信號，為X光機(jī)射線的反饋控制提供一個(gè)接口;當(dāng)處于圖片保存狀態(tài)時(shí)，ARM子系統(tǒng)將接收到的圖片通過SPI總線，依次保存到SD卡中。在完成指定視頻圖像處理算法后，DSP通過其內(nèi)置的視頻編碼器(VENC)將數(shù)字視頻信號編碼為PAL制式模擬信號輸出到監(jiān)視器上。

1.2 視頻編碼/解碼模塊的設(shè)計(jì)

輸入視頻的解碼芯片采用的是PHILIPS公司的SAA7113，該芯片是一種I2C總線控制的視頻處理芯片，能夠方便地進(jìn)行信號采樣和色彩空間轉(zhuǎn)換，可將輸入的標(biāo)準(zhǔn)視頻信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字視頻信號［3］。輸出視頻的編碼芯片采用的是ADI公司的ADV7160［4］，這是一款高度集成的芯片，既包含精密的模擬電路，又包含高速的數(shù)字電路，通過精心設(shè)計(jì)，能確保數(shù)字電路對整個(gè)模擬電路的干擾減少到最小，它通過I2C總線進(jìn)行控制，將數(shù)字形式的ITU-R BT601/656數(shù)字視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成標(biāo)注的模擬基帶電視信號，兼容PAL，NTSC等格式的輸出。

1.3 DSP圖像處理模塊

考慮到整個(gè)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)功能的多樣性與實(shí)時(shí)性，整個(gè)圖像處理算法的核心硬件DSP芯片的型號，選用了TI公司的TMS320DM6437。作為TI公司C64x+系列的一款芯片，其主頻達(dá)400～700 MHz，同時(shí)其峰值運(yùn)算速率更是高達(dá)3 200～5 600 MInstruction/s(兆指令/秒)［6-7］。相對于TI公司的C64x系列DSP，在保持指令兼容性的同時(shí)，TMS320DM6437有著自己獨(dú)特的擴(kuò)展指令集，同時(shí)擁有更大的cache配置容量和更為靈活的cache配置方式，這樣能夠充分地保障視頻系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性［3，5］。

1.4 ARM控制子系統(tǒng)

ARM控制子系統(tǒng)的主控芯片，選擇性價(jià)比較高的STM32F101VB芯片。該芯片采用了基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的ARM Cortex-M3內(nèi)核，其內(nèi)核性能要優(yōu)于等價(jià)位的ARM7TDMI。

ARM控制子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)的功能有:檢測外圍按鍵/撥碼開關(guān)輸入，解析完成后將對應(yīng)的命令通過串口發(fā)送給DSP處理器;接收DSP傳遞過來的視頻圖像的當(dāng)前平均亮度信號，通過D/A轉(zhuǎn)換到0～12 V模擬輸出，用于自動(dòng)增益控制(AGC);接收DSP從串口傳遞過來的已存儲(chǔ)圖片，將其存入SD卡中。

ARM控制器雖然自帶DAC轉(zhuǎn)換，但其輸出的模擬電壓值范圍是0～3.3 V。而系統(tǒng)所要求的能夠用于AGC控制的信號是0～12 V的模擬電壓輸出。所以必須要加上集成運(yùn)算，將電壓值放大。為了保證放大出來電壓的穩(wěn)定性，采用了2級正向放大電路。

2 系統(tǒng)圖像處理的方法與實(shí)現(xiàn)

2.1 卷積濾波降噪算法

卷積濾波算法是一種相鄰域處理的方法，具體運(yùn)算方法是將鄰域內(nèi)各個(gè)像素與對應(yīng)的系數(shù)相乘，然后累加出響應(yīng)。

卷積濾波的方法能實(shí)現(xiàn)降噪的功能，但效果提升有限，且由于其算法的固有原因，會(huì)導(dǎo)致處理后的圖像分辨力有所下降。

2.2 多幀平均降噪算法

在X射線圖像處理中，消除隨機(jī)噪聲最常用、也是最有效的方法是多幀平均法［8］。

當(dāng)幾幀圖像累加平均后，由于物體的無噪聲源圖像是作重復(fù)線性累加，對應(yīng)的隨機(jī)噪聲卻是作2次項(xiàng)累加，因此，當(dāng)N幀圖像進(jìn)行累加后，無噪聲源圖像部分放大了N倍，而隨機(jī)噪聲放大了倍，對應(yīng)的信噪比SNR就提高了倍。

經(jīng)過平均幀算法處理后，圖像的質(zhì)量有了明顯的改善。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖2a、圖2b、圖2d可以看出隨著平均幀數(shù)的逐步增加，圖像去噪效果越好、圖像越清晰。但上述的分析都是以假設(shè)被測物體未發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)為前提的。而當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，采用此種算法將會(huì)使視頻圖像產(chǎn)生拖影與模糊，累加幀數(shù)越多，此種現(xiàn)象也會(huì)越嚴(yán)重。隨著累加的幀數(shù)增多，需要占用的存儲(chǔ)空間會(huì)更多，算法的時(shí)間運(yùn)算復(fù)雜度也會(huì)增強(qiáng)。因此這對于算法在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的硬件成本也會(huì)大大提高。

圖2 平均幀算法與鄰幀比較降噪算法

2.3 鄰幀比較降噪算法

由于X光成像系統(tǒng)噪聲主要表現(xiàn)特征為圖像上顆粒性的時(shí)間和空間隨機(jī)亮點(diǎn)閃爍［9］。

現(xiàn)采用1鄰幀比較去噪算法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。算法主要可分兩步進(jìn)行:1)將4鄰幀分成2組，兩兩取小，這樣就可以消除離子噪聲的蠕動(dòng)，但同時(shí)，暗噪聲也會(huì)積累變大;2)將上一步處理完的剩余2幀，取大處理，這樣暗噪聲也會(huì)得到有效抑制。該算法的具體數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中:Fs(i，j，k)表示處理前第k幀數(shù)字圖像信號;Fd(i，j，k)表示處理后輸出的第k幀數(shù)字圖像信號。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果由圖2a、圖2c給出，從圖中可以看出鄰幀比較降噪算法能夠有效、有針對地去除系統(tǒng)中的噪聲，效果雖然要比16幀平均算法差，但由于采用的是1鄰幀比較降噪，因此輸出圖像只有相鄰4幀圖像產(chǎn)生關(guān)聯(lián)，使得在被觀測物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的拖影效果要優(yōu)于16幀平均圖像算法。

2.4 改進(jìn)的動(dòng)態(tài)降噪算法

前面提到，多幀平均降噪算法與鄰幀比較降噪算法是現(xiàn)如今常用且有效的兩種針對X光圖像的去噪算法。但是由于多幀平均降噪算法往往要累加較多的幀數(shù)，才能有較好的效果，因此它更適合于處理靜態(tài)視頻圖像。而鄰幀比較法在1鄰幀時(shí)對圖像效果的提升比較明顯，而隨著幀數(shù)的增加效果卻沒有平均幀算法降噪效果好。基于這一系列情況，做出了一種基于動(dòng)態(tài)檢測技術(shù)智能降噪的算法。圖3給出了其算法的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 動(dòng)態(tài)降噪算法框圖

首先，建立一個(gè)能夠存儲(chǔ)16幀圖像的先入先出緩存隊(duì)列(FIFO)，每當(dāng)一幀圖像到來，將其入隊(duì)列。同時(shí)將當(dāng)前圖像與上一幀圖像作絕對值差，得到的幀間差圖像的灰度總值再與當(dāng)前圖像灰度總值作歸一化運(yùn)算。

設(shè)定兩個(gè)歸一化閾值Y1，Y2(0＜Y1＜Y2＜1)。當(dāng)結(jié)果位于［0，Y1］中時(shí)，認(rèn)為圖像沒有發(fā)生運(yùn)動(dòng)，標(biāo)記該幀圖像權(quán)重為1，當(dāng)結(jié)果位于(Y1，Y2］時(shí)，認(rèn)為圖像發(fā)生緩慢運(yùn)動(dòng)，標(biāo)記該幀圖像權(quán)重為0.5，當(dāng)結(jié)果大于Y2時(shí)，認(rèn)為圖像發(fā)生劇烈運(yùn)動(dòng)標(biāo)記該幀圖像為權(quán)重為0。

定義n值為從新到舊圖像中，第一個(gè)權(quán)重為0的圖像前的圖像個(gè)數(shù)。即滿足Kn+1=0或者n=16，表示第n+1張圖像發(fā)生了劇烈運(yùn)動(dòng)，或者緩存中16張圖像的存儲(chǔ)狀態(tài)都是靜止的或者是緩慢運(yùn)動(dòng)的。

當(dāng)動(dòng)態(tài)去噪開關(guān)打開時(shí)，依次從新到舊檢測FIFO中緩存圖像的權(quán)重，如果權(quán)重為1的圖像大于等于6張，則采用基于權(quán)重的多幀平均算法輸出當(dāng)前圖像

式中:Id為輸出圖像幀;I1，I2，…，In(n≤16)為FIFO從新到舊中緩存圖像;K1，K2，…，Kn(n≤16)為權(quán)重值。如果權(quán)重為1的圖像小于6張，且n值大于等于4，則直接采用1鄰幀比較算法輸出圖像;如果權(quán)重為1的圖像小于6張，且n值小于4，判斷當(dāng)前圖像中物體正處于劇烈運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，將源圖像進(jìn)行3×3均值濾波輸出。

經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)Y1=0.15，Y2=0.38時(shí)，能夠有效地進(jìn)行動(dòng)態(tài)去噪而又不產(chǎn)生嚴(yán)重的拖影現(xiàn)象。

2.5 瑕疵點(diǎn)檢測與校正算法

在圖像增強(qiáng)器的生產(chǎn)過程中，由于其生氣工藝水平的限制，不可避免的會(huì)有灰塵、微小的固體顆粒等滲入其中，這些污染物會(huì)導(dǎo)致其產(chǎn)生的X光圖像在某一些區(qū)域的信息失真，呈現(xiàn)出比周圍要過亮(亮點(diǎn))或過暗的點(diǎn)(暗點(diǎn))，稱之為瑕疵點(diǎn)。

如果存在直徑超過0.5 mm的大型污染物或存在超過4個(gè)以上直徑在0.2～0.5 mm間的污染物，此圖像增強(qiáng)器已經(jīng)不符合國家標(biāo)準(zhǔn)，屬于殘次品，需要報(bào)廢，不能對其進(jìn)行校正。相反，如果存在4個(gè)或4個(gè)以下直徑在0.2～0.5 mm間的污染物，此圖像增強(qiáng)器是符合國家安全標(biāo)準(zhǔn)的，可以對其采用算法進(jìn)行校正。

經(jīng)過多次試驗(yàn)證實(shí)，在正常情況下，X光的空屏圖像圓中心點(diǎn)最亮，然后向四周圓邊緣勻速變暗。當(dāng)有瑕疵點(diǎn)出現(xiàn)時(shí)，它與周圍的像素間變化要相對劇烈。根據(jù)這一特點(diǎn)，可將瑕疵點(diǎn)檢測出來，并判斷其大小及個(gè)數(shù)，為后續(xù)是否對其進(jìn)行校正做好前期工作。

研究過程中，根據(jù)這一特點(diǎn)，經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)出一種瑕疵點(diǎn)校正與檢測算法如下:

首先獲取一個(gè)空屏圖像，對其圓消影內(nèi)遍歷全部像素點(diǎn)，同時(shí)向內(nèi)存申請一幀圖像數(shù)組緩存，初始化為0，用于對瑕疵點(diǎn)像素坐標(biāo)的標(biāo)記。遍歷像素點(diǎn)時(shí)，對于單個(gè)像素而言將其與相鄰4個(gè)像素點(diǎn)作差，如果得到的差中存在絕對值大于閾值A(chǔ)，則將其對應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)記錄下來，并將申請的數(shù)組緩存對應(yīng)位置1。在生成的瑕疵點(diǎn)坐標(biāo)圖像數(shù)組中，遍歷此數(shù)組，當(dāng)檢測左右、上下相鄰為01或10時(shí)，將1對應(yīng)位置標(biāo)記為2，此為上述算法的誤檢測，實(shí)際為包圍瑕疵點(diǎn)的正常像素點(diǎn)。在去除誤檢測后，對瑕疵點(diǎn)坐標(biāo)圖像數(shù)組進(jìn)行連通域檢測，當(dāng)瑕疵點(diǎn)連通域內(nèi)標(biāo)記為1的像素點(diǎn)大于20個(gè)時(shí)，認(rèn)為其產(chǎn)生了過大瑕疵點(diǎn)，算法結(jié)束。

圖4給出了檢測算法示意圖。圖中的灰色區(qū)域?yàn)檎J(rèn)定的瑕疵點(diǎn)區(qū)域，由圖可以看出，此算法最終能夠比較準(zhǔn)確地將瑕疵點(diǎn)區(qū)別檢測出來，方便進(jìn)行下一步的校正工作。

圖4 瑕疵點(diǎn)檢測算法示意圖(A=2)

當(dāng)某個(gè)瑕疵點(diǎn)連通域內(nèi)標(biāo)記為1的像素點(diǎn)小于5個(gè)時(shí)，將其都標(biāo)記為3，認(rèn)為其是無效的瑕疵點(diǎn)連通域;當(dāng)且僅當(dāng)某個(gè)瑕疵點(diǎn)連通域內(nèi)標(biāo)記為1的像素點(diǎn)大于等于5且小于20時(shí)，為有效連通域。當(dāng)連通域個(gè)數(shù)大于4個(gè)時(shí)，認(rèn)為過多瑕疵點(diǎn)產(chǎn)生，算法結(jié)束。

當(dāng)沒有產(chǎn)生過大瑕疵點(diǎn)和過多瑕疵點(diǎn)時(shí)，輸出記錄的瑕疵點(diǎn)坐標(biāo)圖像數(shù)組。

瑕疵點(diǎn)檢測算法在開機(jī)之后只運(yùn)行一次，如果存在需要校正的瑕疵點(diǎn)，圖像就要根據(jù)這個(gè)數(shù)組的內(nèi)容對瑕疵點(diǎn)進(jìn)行校正。

首先，在獲取到有效的瑕疵點(diǎn)坐標(biāo)圖像數(shù)組時(shí)，依次對每個(gè)標(biāo)記為1的有效瑕疵點(diǎn)像素，檢測其上下左右，直到找到相鄰的標(biāo)記為2的正常像素點(diǎn)，按照式(3)計(jì)算該點(diǎn)的估算值。

有了上述步驟后，當(dāng)視頻圖像正常進(jìn)入時(shí)，如果開啟了瑕疵點(diǎn)修復(fù)開關(guān)，則每次檢測瑕疵點(diǎn)坐標(biāo)圖像數(shù)組，如其值標(biāo)記為1，則該像素乘以對應(yīng)的校正系數(shù)后輸出。

圖5給出了本文所研究實(shí)現(xiàn)的X光機(jī)數(shù)字圖像增強(qiáng)器樣機(jī)。

圖5 X光機(jī)數(shù)字圖像增強(qiáng)器樣機(jī)

3 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)開發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的X光機(jī)數(shù)字圖像增強(qiáng)器，本文提出了一種基于自動(dòng)檢測的動(dòng)態(tài)降噪算法與瑕疵點(diǎn)校正算法，并在自行設(shè)計(jì)的X光機(jī)數(shù)字圖像增強(qiáng)器樣機(jī)上實(shí)現(xiàn)，修正了瑕疵點(diǎn)，提高了信噪比，滿足了用戶的需要。本文的工作也為真三維醫(yī)學(xué)影像的生成做了鋪墊。

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