MATLAB实现图像恢复设计报告

MATLAB实现图像恢复设计报告

一、设计目标及需求分析

设计目标：希望通过matlab设计一个软件来实现对CT图像的模糊再恢复的过程，是对现实中CT图像复原的一个简单仿真。

需求分析：随着网络和通信技术的发展，数字图像处理与分析技术已经在科学研究、工业生产、医疗卫生、教育等领域得到了广泛应用，对推动社会的发展和提高人们的生活水平都起到了重要作用[1]。而在医学CT影像中，CT图像的影响因素众多，包括部分容积效应，空间分辨力，密度分辨力，相机条件设定和噪声等[2]。这些因素会造成CT 图像模糊失真，需要对图像进行恢复，才能满足对临床诊断的要求。

二、设计概要

图像退化

三、详细设计

在GUI界面设计中选取三个静态文本分别叫“原始图像”、“模糊加噪图像”、“恢复图像”，添加三个坐标轴，三个按钮分别用于“读入原始图像”、“模糊和加噪”、“恢复”。

图一 GUI界面设计

①点击按钮“读入图像”，将选取的原始肺部CT图像导入第一个坐标轴中。

②点击按钮“模糊和加噪”，对原始CT图像进行运动模糊，加入高斯噪声，生成的图像显示在第二个坐标轴中。

图二模糊和加噪

在这里用MATLAB图像处理工具函数fspecial生成了一个运动模糊的点扩展函数PSF，PSF 再与原图卷积得到模糊图像，这一步操作是为了模拟现实CT图像中由于病人身体的移动，心脏搏动和胃肠蠕动这些不自主的运动造成的伪影。在CT图像中的噪声有多种类型，有高斯噪声，椒盐噪声，泊松噪声，斑点噪声等。这里只引入了高斯噪声是由于通过查阅文献得知，CT图像中的噪声主要是高斯噪声[3]，是一个抽象简化的退化模型。

③点击按钮“恢复”，对模糊和加噪的图像进行图像复原，将复原后的图像显示在第三个坐标轴上。

图三约束最小二乘滤波恢复

在这里使用的图像恢复方法为约束最小二乘滤波恢复，利用deconvreg函数实现约束最小均方误差恢复。在使用deconvreg时，通过对输出图像采取某些约束，如默认光滑性约束等，实现对模糊图像的约束最小二乘滤波恢复。J=deconvreg(I,PSF,NP),其中I表示输入图像，PSF表示点扩展函数，NP表示图像的噪声强度，函数调用后的返回值J 表示恢复后的输出图像[4]。过高的估计噪声强度会导致恢复效果大大下降，而对噪声估计不足导致噪声的放大效果，并且产生了振铃现象。针对噪声放大效应和振铃现象，通过调用edgetaper函数，对图像边缘信息进行提取，然后作为deconvreg函数的参数进行图像恢复，在这种情况下，恢复的效果将对噪声强度不敏感，以此来抑制振铃现象和噪声，提高图像的恢复质量。

四、运行结果及分析

图四程序运行结果

程序的运行结果如图四所示，在对导入的原始CT图像进行模糊和加噪后，可以明显的看出图像变得模糊不清晰，再用约束最小二乘滤波进行图像复原后的图像与模糊加噪的图像对

比起来清晰了许多，与原图已经更接近了，但还是有一定程度的失真，说明了这个恢复模型还有一定的局限。

在图像恢复过程中，是在缺乏图像先验知识的情况下，对退化过程建立模型进行描述，进而寻找一种削弱其影响的过程，是一种估计方法。在设计过程中对MATLAB提供的四个图像恢复函数都进行了尝试，对比了维纳滤波恢复，约束最小二乘滤波恢复，Luy-Richardson恢复，盲解卷积算法恢复这四种方法对CT图像的恢复效果发现，约束最小二乘滤波恢复的恢复效果最好，最终选定了这种方法。由于影响CT图像的因素是多种多样的，本次设计只是进行了一个简化的模拟，并且在恢复过程中还会引入新的噪声，这个模型还不能实现100%的复原。

五、调试

在软件系统设计过程中，要经常用到MATLAB中的调试功能，可以帮助我们及时的发现错误并纠正。通过设置和清除断点，来使程序运行到断点的位置，观察命令行窗口的提示，来发现错误。我在程序调试的过程中除了发现一些基本的拼写错误外，还发现了一些程序编写过程中的问题。一开始在CT原始图像的导入过程中发现导入的图像只出现在最新创建的axes3上，通过添入语句axes（handles.axes1）得到了解决。在变量的设置上也出现了问题，在前面设置的变量没有实现参数的传递，在后面的程序运行中提示变量未定义，通过设置全局变量global I，并在后面用到的时候进行声明就可以实现参数的传递。还有在程序的运行过程中，在命令行窗口出现了运行的中间结果，检查程序发现一些语句的结尾没加分号，加上后问题得到了解决，提高了程序的运行速率。

六、总结

在本次小学期的医疗仪器设计——MATLAB软件设计中，我收获了许多知识。在上学期的信号与系统实验中有接触到MATLAB，但那只是对已有程序的一个验证，并没有学习程序的编写。这次的软件设计从假期的自学入门知识，到自主选定课题设计，再到最后的设计成果，展示这些从头到尾都是需要自己去查找资料，文献进行学习来完成的。这过程中也遇到了许多问题，一开始想要做一个CT图像的恢复，打算把所有的影响因素都考虑进去，但现实是能力不足，没办法全都考虑，一再缩水，最后只考虑了伪影和噪声进行简化。在刚开始编写程序时，连全局变量都不会设，只能一点点的去查资料学习，在这个过程中学会了很多matlab 的使用方法，如何调用函数，调参数，help等等。也学会了利用程序调试来发现错误，编写的过程是辛苦的，但到最后有一个成果也是很有成就感的，虽然简单，但毕竟是自己亲手做的。

七、参考文献

[1]龚声蓉，刘纯平，王强.数字图像处理[M].北京：清华大学出版社，2006.46-84,123-144

[2]安瑞金,黄岗.CT图像质量和辐射剂量的影响因素研究[J].生物医学工程与临

床,2009,13(02):92-95.

[3]张元科,张军英,卢虹冰.低剂量CT投影图像噪声分析及去噪算法研究[J].光电子.激光,2010,21(07):1073-1078.

[4]罗军辉，冯平，哈力旦.A.MATLAB7.0在图像处理中的应用.北京：机械工业出版社，2005.268-271

[5]杨宝会. 基于Matlab GUI的医学图像处理系统[D].暨南大学,2014.