基于HVS和小波多分辨率的X射線圖像質(zhì)量評價(jià)

任青

摘要：針對x射線圖像質(zhì)量評價(jià)問題，研究了HVS（入眼系統(tǒng)）及小波多分辨率，在此基礎(chǔ)上提出一種基于兩者相似性的圖像質(zhì)量評價(jià)方法。通過對不同管電壓作用下產(chǎn)生的x射線圖像感興趣區(qū)域進(jìn)行評價(jià)處理，將評價(jià)結(jié)果與主觀評價(jià)法、傳統(tǒng)客觀圖像質(zhì)量評價(jià)方法作對比，結(jié)果顯示，所提出的圖像質(zhì)量評價(jià)方法，其結(jié)果更接近人眼視覺評價(jià)結(jié)果。

關(guān)鍵詞：HVS；小波多分辨率；x射線圖像；圖像質(zhì)量評價(jià)

中圖分類號：TP391.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-8228（2017）01-01-03

0.引言

成像圖像的質(zhì)量評價(jià)對圖像處理與成像技術(shù)發(fā)展有著極其重要的作用，吸引了越來越多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，目前已出現(xiàn)了大量圖像質(zhì)量評價(jià)方法，評價(jià)方式各異，評價(jià)對象也有所不同。現(xiàn)有的圖像質(zhì)量評價(jià)方法大致可以分為兩大類：主觀評價(jià)法和客觀評價(jià)法。

在實(shí)際應(yīng)用中，人眼是圖像接收處理的終端，評價(jià)的結(jié)果必須符合人類視覺系統(tǒng)的特性，所以，主觀評價(jià)法是最有說服力的方法。但主觀評價(jià)法太費(fèi)時費(fèi)力，成本較高且不可用數(shù)學(xué)模型描述，因此，現(xiàn)階段國內(nèi)外研究的重點(diǎn)是：設(shè)計(jì)與人眼主觀觀察結(jié)果具有良好相關(guān)性的客觀圖像質(zhì)量評價(jià)方法。

醫(yī)用x射線診斷，因其曝光時間短、空間分辨率高，而且圖像中包含了巨大的信息量，故仍是臨床普及度最廣的醫(yī)學(xué)影像檢查手段，尤其在骨骼、胃腸、血管及乳腺等檢查方面，對于x射線圖像處理及成像技術(shù)研究仍具有現(xiàn)實(shí)意義。

1.小波多分辨率和HVS特性的相似性

小波多分辨率分析理論，亦稱多尺度分析，1989年由Mallat提出。在各個不同的尺度或分辨率中信號會包含不同的特性，隨著尺度由大到小變化，在各尺度上可以由粗糙到精細(xì)地觀察目標(biāo)此即為多尺度思想。低分辨率反映圖像大的結(jié)構(gòu)信息，高分辨率反映圖像細(xì)節(jié)信息。采用多分辨率分析的方法，可以對不同結(jié)構(gòu)信息單獨(dú)處理，提取圖像在各個分辨率下的細(xì)節(jié)信息，最終得到一個在不同分辨率下的圖像細(xì)節(jié)序列，即將圖像分解到在對數(shù)尺度上具有相等帶寬的不同頻帶上進(jìn)行分析處理。

從視神經(jīng)通路來看，各種視網(wǎng)膜神經(jīng)細(xì)胞、神經(jīng)纖維、外測膝狀體和部分視皮層細(xì)胞組成了一個低通和視覺多個不同帶寬的高通濾波器組，視網(wǎng)膜圖像在某一階段被分解成一個低頻成分和不同頻帶的高頻成分。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這些帶通濾波器的帶寬約在一個倍頻程左右，也就是說視網(wǎng)膜圖像被分解為在對數(shù)尺度上有大致相等帶寬的頻帶上。而且，研究表明這些濾波器是各向異性的，所以人眼對各個方向的敏感程度是不一致的，其中，對水平方向和垂直方向的信息最敏感，對角線方向最不敏感。可見，計(jì)算機(jī)視覺的多分辨率分析方法與人眼視覺系統(tǒng)信息處理的多通道濾波機(jī)制相似。

對原始圖像進(jìn)行三級小波多分辨分解，在一系列按倍頻程劃分的頻帶上被分解為一個低頻分量和多個高頻分量，圖像的每一級小波分解都是將上一級的低頻分量劃分為更精細(xì)的頻帶。對一幅圖像來說，可認(rèn)為小波圖像的各個高頻成分是圖像中邊緣等細(xì)節(jié)信息的體現(xiàn)，且各個高頻帶所表示細(xì)節(jié)信息呈現(xiàn)各向異性。其中，LL子帶是圖像的近似表示，HL子帶表示圖像水平方向邊緣細(xì)節(jié)，LH子帶表示圖像垂直方向邊緣細(xì)節(jié)，HH子帶表示圖像對角方向邊緣細(xì)節(jié)。可見，圖像的小波的多分辨率分解還具有良好的空間方向選擇性，與人眼視覺特性十分相似，因此，我們可利用圖像的小波多分辨率分解與HVS相類似的特性，將其應(yīng)用到圖像質(zhì)量評價(jià)中。

2.具體算法步驟

基于上述分析，結(jié)合人眼視覺特性，本文建立了一種簡單有效的無參考質(zhì)量評價(jià)方法。其具體步驟如下。

（1）小波分解：對待評價(jià)圖像進(jìn)行小波分解（這里選用“sym8”小波），分解級數(shù)為5級，因?yàn)檠芯勘砻?-6級的小波分解最符合人眼視覺特性。圖像分解后可得到六個頻帶，除了第六頻帶只有一個低頻分量外，其他的五個頻帶各有三個高頻分量，分別為水平、垂直和對角線分量。

（2）計(jì)算圖像質(zhì)量評價(jià)參數(shù)值：x射線圖像質(zhì)量是由對比度、清晰度、噪聲、偽影及畸變等多種因素綜合體現(xiàn)出來的。本文主要通過對比度和清晰度來評價(jià)圖像質(zhì)量。其中，對比度用方差來反映，清晰度由梯度函數(shù)來評價(jià)，熵用來計(jì)算圖像所包含的信息量。分別利用公式2.1、2.2和2.3計(jì)算這16個分量的方差、梯度、熵。

不同頻帶加權(quán)：利用CSF的非線性帶通特性，對不同空間頻帶的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行加權(quán)，加權(quán)值為在相應(yīng)頻帶內(nèi)CSF曲線的平均值，對于五級小波分解，整個頻帶劃分為6個，根據(jù)CSF特性曲線對應(yīng)可得6個加權(quán)值（如圖1所示）。

選用5幅x光機(jī)管電壓變化產(chǎn)生不同曝光條件下.鲅魚的圖像作為待評價(jià)圖像，如圖2所示。圖2的a～e分別是管電流（0 6mA）固定不變，管電壓從35kV-55kV變化，改變間隔為5kV。在x光圖像中選取感興趣區(qū)域以減少計(jì)算量，如圖3所示。

3.評估結(jié)果分析

3.1主觀評價(jià)結(jié)果

選取10名有經(jīng)驗(yàn)的主觀評價(jià)觀察者參與主觀評價(jià)。分別對圖3中所選取的5幅區(qū)域圖進(jìn)行了主觀質(zhì)量評價(jià)，之后對評價(jià)結(jié)果進(jìn)行評分出界檢測處理，設(shè)定的置信水平為97%，剔除出界評分。以圖3中感興趣區(qū)域的圖像為例，其主觀評價(jià)結(jié)果如表1所示，處理后的評價(jià)結(jié)果如表2所示。

3.2客觀評價(jià)結(jié)果

為了說明本文圖像質(zhì)量評價(jià)算法的優(yōu)越性，下面分別用傳統(tǒng)的質(zhì)量評價(jià)方法及基于HVS特性的質(zhì)量評價(jià)方法對圖3中感興趣區(qū)域的圖像進(jìn)行評價(jià)，結(jié)果如表3所示。

主觀評價(jià)結(jié)果顯示圖b的圖像質(zhì)量最好，圖像熵與本文方法的計(jì)算結(jié)果與之相符，而方差與梯度的計(jì)算結(jié)果則顯示圖a的質(zhì)量最好，這與人眼主觀視覺感受不一致；主觀評價(jià)中質(zhì)量僅次于圖b的是圖c，但是圖像熵的計(jì)算結(jié)果顯示圖像質(zhì)量僅次于圖b的是圖a，這也與主觀評價(jià)結(jié)果不相同。因此，本文方法在與主觀視覺感受保持一致性方面具有明顯的優(yōu)勢。

4.結(jié)束語

本文利用小波多分辨率分析與人眼視覺系統(tǒng)對影像信息分析相似的原理提出一種改進(jìn)的圖像質(zhì)量評價(jià)方法，作為一種客觀的圖像質(zhì)量評價(jià)方法，評價(jià)結(jié)果與主觀圖像質(zhì)量評價(jià)方法的評價(jià)結(jié)果一致，證明了方法的可行性，但在算法的精確度和適應(yīng)性方面還有待提高，可作為未來改進(jìn)的方向。