图像的后处理

图像后处理技术

DSP的重要功能在于进行数字图像处理。本装置的图像处理功能包括前处理和后处理，其中前处理分为采样处理（最大值采样、峰值偏差采样、点采样），失径平滑，图像的数字勾边及帧相关处理。而后处理包括有线性插值，H平滑，灰度窗口处理及 校正。

（图像处理功能示意图）

图像的前处理是沿着失径扫描线对数据进行处理的，它不可避免的要受到扫描方式的限制，因而处理功能比较简单。而图像后处理是在经过扫描变换以后的具有标准电视扫描方式的图像上进行处理，因而处理的功能就比较强。可加入的数字图像的内容也比较繁多，它可以将图像送往计算机中进行各种图像运算和处理，但对于实时动态显示的图像，为了满足实时的需要，目前本装置只加入了比较实用的对图像具有一定效果的处理功能。

1．图像的线性插补处理

目前在实时超声扇形扫描仪中数字扫描变换（DSC）已成为不可缺少的部分。这是由于它既可以使用标准显示和记录装置，也可以在图像上叠加别的信息，进行各种冻结方式的处理，并能灵活地，实时地显示多幅图像。然而经过数字扫描变换以后使图像产生了失真，这是将图像由原来的失径扫描经数字扫描变换转换成直角扫描所具有的固有缺陷，最具有代表性的是“云纹斑”（Morie）畸变的出现，显示过密或出现空缺。

1）云纹斑出现的机理

数字扫描转换的像素地址逻辑单元将每一点的极坐标转换成直角坐标，仔细地考虑这一坐标转换过程不难发现，每一采样点在空间的实际位置一般说来不会和显示点准确对应起来。由于在写入存储器时这种地址必须首先进行转换，将其空间地址转换到与实际位置最接近的存储单元。即像素地址首先由极坐标转换直角坐标，此时的直角坐标为地址数字化到最接近的一个像素地址，因而使得扇形图像的进场区域在两条相邻的扫描线上的部分数据采样点会被写在相同的像素地址单元中，即发生重写而造成显示过密。其次随着两条相邻扫描线离探头距离的增加其间隙也所之变大，这样两条扫描线之间某些像素不会被采样，从而形成“黑洞”，云纹斑正是这种预料中未采样的“黑洞”云集

而成的。

许多黑洞云集成的云纹斑使图像质量下降，其对图像所产生的影响如下图所示

云纹斑的出现与以下因素有关：原扇形扫描线矢径数（M ），超声脉冲重复频率（RATE ），探测深度（D ），最大视角（m ax θ），角度间隔（θ ）和帧频（FR ）

等参数。这些参数满足方程

1/2/F R

R A T E M D N V =∙=∙ 式中/M A X N θθ= ，V 为超声波在人体中的平均传播速度。

理论上，为了完全消除失真，需要无数的极坐标和直角坐标像素，但实际的扇形扫描仪仅有有限的数据和像素。由文献可知，合适的取样要满足条件arctan(1/)M θ= 。显然，角度间隔越小，失真也越小。但是，从5.1式可知，扫描线数是有限的，是根据实时应用时的最大视角和帧数决定的。然而，极坐标数据的增加要求DSC 有较高的采样速率。为了减小采样数据和显示数据间的位置误差造成的云纹斑，DSC 的像素必须增加。但为了和标准的显示和记录装置相配，DSC 也仅能有有限像素。从以上讨论比较可知，用原始的数据和像素来直接改善云纹状失真，至今未有满意的方法。从图5-2可见，我们可以在原有像素数据的基础上进行像素的插补处理来消除这种图像重建误差。

2）图像的线性插补处理

对于图像的插补技术最简单的一种办法是平均插补处理，它是在两根邻近的扫描线间插入一根或几根扫描线像素数据，使得直角坐标的整个扫描上布满数据，用这种方法“云纹状”失真相对地减少了，然而图像近场区域写入过密的问题变得更加严重了。

R θ-插补法是目前最复杂和最好的方法。在这种插补方法中，每一个直角坐标数据是从周围的极坐标数据按线性插补进行插值的。

采用这种方法，为了减少重建误差，必然要进行高次插补。由于需要复杂的硬件，甚至仅做一阶插补也需要很复杂和快速的数字电路。这在实时处理时是不现实的。

作者采用的是一种可变的线性像素插补技术，具体电路比R θ-法的简单，

但又避免了平均插入算法中出现的写入过密的问题。

具体方法是：假如从该系统的帧存储器输出的两个相邻的采样点a 和b 之间，出现了几个空缺，需要插入几个像素点来填补遗漏的区域，其插补按下式进行：

()/(1)g a b n =-+

1i i a a g -=-

这里n 为“黑洞”数。

具体如图5-5所示，这里设a>b 。这种插补的特点是可根据“黑洞”的个数来进行插值，近场插的少，远场插的多，最多可插入8个值，因而防止了扇角区域插入过密的现象。

在进行插值的过程中，首先要判断从帧存储器中每次读出的值是否为“黑洞值”---即没有被写入回波信号的存储单元。如果是“黑洞”值则进行插补，如果不是则此单元的像素送到显示器上显示。显然，黑洞是没有写入回波信号的单元，此单元信息为零。但超声回波中也包含有其值为零的信息，这样就需要采取措施将回波中信号的零值与“黑洞”值分开，从而避免对回波信息的错误插值。本装置采用的方法是将A/D 变换器转换后得到的6BIT 超声信息放入帧存储器8BIT 数据的高6位，而低2位在采样时人为地置成高电平，用一检“0”电路来检测这8bit 数据信息，对高6位进行判别后插补，这相当于给图像加入一个背景电平，使图像信号叠加在该电平上，故将回波中信号的零值与“黑洞”值区分开了。

在插补中一个需要解决的问题是对图像边缘的判断。否则，就会插入严重失真的伟值，使图像混乱，为了解决这个问题，我们通过事先算出图像内部最大的“黑洞”点数值（这里数值n=8），然后判断检出的零值。当零值个数超过我们算出的最大值（n=8）时，就说明此时不在图像中间，因此加以抑制。按照这种思想采取一定的控制方式，就能自动检出图形的两个边缘，从而保证了只对图像内部进行插值。

2．ϒ校正

正如我们所知，人眼对亮度的感觉具有对数运算的性质，由弗肯那定律可知B=KlgL ，这里K 是一个比例常数，L 是亮度。并且医生对患者进行诊断时，对于具有代表性的图像要进行拍照纪录，而照相底片特性曲线如图5-9所示。