人眼視覺醫(yī)學(xué)處理措施論文
1、人眼視覺特性的研究
視覺是一個復(fù)雜的生理與心理過程。外界光線通過角膜、虹膜、晶狀體聚焦在視網(wǎng)膜上，刺激感光細(xì)胞發(fā)出神經(jīng)脈沖，經(jīng)視神經(jīng)傳遞到大腦產(chǎn)生視覺。下面，我們從兩方面對視覺特性進(jìn)行探討。
1.1人眼對灰度的分辨能力
眼睛分辨能力通常是指對亮度微小差別的判別能力，以人眼能分辨的最小亮度差ΔL與亮度L之比來表示。在不同的亮度下分辨能力也不同，給出了人眼能判別的亮度差與亮度的關(guān)系[2]。它是這樣得出的:在左右兩半視場上，讓左邊的視場亮度為L，右邊的視場亮度為L+ΔL，當(dāng)觀察出亮度有差別時，把ΔL記錄下來。由圖可見，亮度低于2cd/m2時，亮度越低則ΔL/L越大;亮度在2～10000cd/m2范圍內(nèi)時，ΔL/L大致保持不變，約等于0.02;亮度高于10000cd/m2時，分辨能力反而有所下降。記為BL=ΔLL=fc(L)(1)其中L為亮度，BL為最小相對亮度差。在計(jì)算機(jī)圖像處理中，圖像的色彩是用R，G，B值來表示的。對黑白圖像，R，G，B值均相等，稱為灰度值，每一個像素有一個灰度值。對于8位的灰度圖像，其灰度值范圍為0～255。為了研究人眼對灰度的分辨能力，我們首先要得到灰度與亮度之間的關(guān)系。
雖然一個像素有固定的灰度值，但在顯示器上所對應(yīng)的亮度值并不固定，和顯示器的具體情況有關(guān)。測試表明，一般顯示器所能顯示的亮度范圍大約在10-3～104cd/m2。在屏蔽掉背景光、顯示亮度范圍為4.84×10-2～1.167×102cd/m2(通常使用狀態(tài))時，測得灰度與亮度之間的關(guān)系如所示。記為Li=fb(i)i=0，1，……，255(2)定義第i個灰度級與其相鄰灰度級之間的相對亮度差為Hi=H(i)=fb(i+1)-fb(i)fb(i)(3)灰度與相對亮度差之間的關(guān)系如所示。可見相鄰兩個灰度級之間的相對亮度差并不是恒定的，是隨灰度級的增加而減小，在低灰度級區(qū)域，下降的速度快;在高灰度級區(qū)域，下降的速度緩慢。給定灰度值，通過曲線可得到對應(yīng)亮度值L，根據(jù)亮度值并通過曲線可確定在該亮度下人眼所能分辨的最小相對亮度差BL，再由曲線可得到該灰度級的相對亮度差Hi。為了表示人眼在某一灰度附近所能分辨的灰度級差值，即人眼對灰度的分辨能力，定義N(i)=BLHi(4)式中N(i)是人眼在灰度為i時能分辨的最小灰度級差值，N值越小，表示人眼的分辨能力越強(qiáng)。
由(1)，(2)，(3)式可得N(i)=fc(Li)Hi=fc[fb(i)]H(i)(5)這樣，由已知灰度值，通過fb，fc，H(i)可求出人眼在該灰度級附近所能分辨的灰度級差值N(i)，其曲線如中實(shí)線所示。應(yīng)當(dāng)指出，N的值是近似值，只能反映人眼對灰度的分辨能力隨灰度值變化的趨勢，并不適用于定量計(jì)算。具體原因如下:首先，曲線的測試與目標(biāo)視場、被測試者的視力有關(guān)，在國內(nèi)外不同研究者和機(jī)構(gòu)進(jìn)行的測試中[3-5]，雖然曲線形狀一致，但具體數(shù)值不盡相同;其次，曲線與計(jì)算機(jī)屏幕的顯示特性、背景光的亮度、被測試者的情況有關(guān)。因此，為了將人眼對灰度的分辨能力定量化，需直接在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行測試。我們在屏幕亮度范圍為0.0484～116.7cd/m2的條件下，將屏幕分為兩部分，各取不同的灰度值，記錄下被測試者所能分辨的最小灰度差值。
由于測試對像不止一個，其分辨的灰度級數(shù)也不一樣，我們在數(shù)據(jù)處理中取加權(quán)平均值，得到曲線如中的虛線所示。可以發(fā)現(xiàn)，中兩條曲線的形狀基本一致，說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析互相印證，是可靠的。由可知，在圖像灰度很高或很低的情況下，人眼對灰度分辨力差;而在圖像灰度適中的情況下，人眼的分辨力強(qiáng)。在0級灰度附近，人眼剛可分辨出8個灰度級的差別(即可感到0級灰度和8級灰度的顏色差別，而對于0級與7級灰度則視為同一種顏色);在128級灰度附近，則可分辨出2個灰度級的顏色差別;在255級灰度附近，則可分辨出3個灰度級的顏色差別。根據(jù)人眼的這一視覺特性，可以對圖像進(jìn)行相應(yīng)的處理。在低灰度級和高灰度級區(qū)域，可將灰度級間隔(定義為一灰度級與其相鄰兩個灰度級距離之和的一半)拉伸，使人眼更好分辨。
在中等低灰度級區(qū)域，對灰度級間隔過大的圖像，可適當(dāng)?shù)貕嚎s灰度級間隔，將剩余灰度級數(shù)分配給低灰度級和高灰度級區(qū)域。在對人眼視覺特性的測試中，我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)灰度級差別大到一定程度時，人眼可以很容易地將其分辨出來，這時再加大灰度級間隔對于提高人眼的分辨能力意義不大，反而會壓縮其他灰度級的間隔，使圖像整體質(zhì)量下降。
1.2人眼對圖像結(jié)構(gòu)的敏感性
由人眼的視覺和人的心理特性可知，變化幅度較大，細(xì)節(jié)豐富的區(qū)域容易引起人眼的注意，而變化平坦的區(qū)域則不容易注意。在人們對視覺的研究中[6-7]，進(jìn)行過以下實(shí)驗(yàn):將兩幅圖同時放在測試者的視野中，其中一幅有黑色線條，另一幅全部為白色。用儀器分別記錄下眼睛注視兩幅圖的時間，結(jié)果表明了人眼有70%的時間在注視帶線條的那一幅。這說明變化劇烈的圖像更吸引人的注意，對于灰度圖像而言，人眼會將注意力集中在灰度值變化大的區(qū)域。根據(jù)人眼的這一視覺特性，一幅X光圖像可以分為背景區(qū)和目標(biāo)區(qū)兩部分，成像在背景區(qū)的X射線未穿過人體，強(qiáng)度較高，成像板的曝光充分，所以該區(qū)域的灰度值低;而目標(biāo)區(qū)由于X射線穿過人體引起衰減，故灰度值較高。
圖像所含的信息主要位于目標(biāo)區(qū)，我們希望人眼將注意力集中在目標(biāo)區(qū)，這樣才能充分獲取所需的信息。因此，需調(diào)整灰度級的分布，減小背景區(qū)所占的灰度級間隔，增加目標(biāo)區(qū)所占的灰度級間隔，使目標(biāo)區(qū)的灰度值變化范圍較大，有利于表現(xiàn)圖像的細(xì)節(jié)，而背景區(qū)的變化平坦，這樣來充分突出目標(biāo)區(qū)以吸引人眼的注意。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，首先確定背景區(qū)和目標(biāo)區(qū)。人眼可以識別背景區(qū)和目標(biāo)區(qū)，但計(jì)算機(jī)很難將兩者準(zhǔn)確地分開。對X光圖像進(jìn)行測量和統(tǒng)計(jì)，根據(jù)模糊數(shù)學(xué)的有關(guān)概念，再利用隸屬度函數(shù)來界定背景區(qū)和目標(biāo)區(qū)。
2、人眼視覺特性模型的建立及應(yīng)用
在圖像處理中要對X光影像進(jìn)行灰度變換。灰度變換的實(shí)質(zhì)是對圖像現(xiàn)有灰度級的重新分配，即灰度間隔的調(diào)整，圖像處理的目標(biāo)就是使灰度間隔的分布達(dá)到最好狀態(tài)。在對圖像進(jìn)行直方圖均衡化之后，建立人眼視覺特性模型并進(jìn)行以下處理:根據(jù)人眼的視覺分辨力曲線，定義分辨能力函數(shù)為Fr(i)=N(i)max[N(i)]i=0，1，……，255(6)為了劃分背景區(qū)和目標(biāo)區(qū)，定義目標(biāo)區(qū)的隸屬度函數(shù)為Fd(i)=0k(i)1i∈[0，a]i∈[a，b]i∈[b，255](7)其中k(i)為單調(diào)遞增函數(shù)，且滿足條件:k(a)=0，k(b)=1。灰度值在[0，a]范圍的像素屬于背景區(qū)，在[b，255]范圍的像素屬于目標(biāo)區(qū)，而在[a，b]范圍的像素?zé)o法準(zhǔn)確地確定，只能用模糊函數(shù)來表示。定義灰度級權(quán)函數(shù)Q(i)=Fr(i)?Fd(i)max[Fr(i)?Fd(i)](8)式中Q(i)為灰度級的權(quán)數(shù)。根據(jù)Q值，對相應(yīng)的灰度間隔進(jìn)行調(diào)整，Q值越大，分配到的灰度間隔也越大。依此構(gòu)造出灰度變換表，對圖像進(jìn)行變換。
3、處理結(jié)果
根據(jù)以上論述的原理和方法，對數(shù)字X光圖像進(jìn)行了處理，如所示。中，(a)為原始的X光圖像(顯示部位為頸錐);(b)為常規(guī)增強(qiáng)方法處理后的圖像;(c)為用本文方法處理得到的圖像。可見，(c)的視覺效果更好。在亮區(qū)，由于考慮到視覺分辨力低，拉伸了灰度級間隔，故(c)較(b)更有層次感;根據(jù)視覺的敏感性，對背景區(qū)進(jìn)行了灰度級間隔壓縮，突出了目標(biāo)區(qū)，所以(c)的輪廓更清晰。總的來看，處理后的(c)更符合人眼的視覺特性，視覺效果也最好。結(jié)束語在人和外界交流的過程中，所有的圖像信息都要通過視覺來感知、獲取。因此，研究眼睛視覺特性，對圖像處理有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。本文探討了人眼的視覺分辨能力和敏感性，并應(yīng)用于數(shù)字化X光機(jī)的醫(yī)學(xué)圖像處理系統(tǒng)中，收到了良好的效果。
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