图像空域增强实验教学方法研究

摘 要：图像空域增强是图像增强中很重要和基础的一大类图像处理技术，而图像增强是后续图像分割和图像分析的基础，因此，图像空域增强在医学图像处理课程中占有重要地位。本文对图像空域增强的实验教学方法进行了研究和探索。

关键词：医学图像处理 图像空域增强 实验教学

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1673-9795（2014）03（a）-0059-03

医学图像处理是生物医学工程专业必修的专业课，是生物医学工程专业学员后期发展和钻研的一个重要的方向，其特点是具有很强的理论性和实用性，而医学图像处理实验教学是理论学习和实际应用的之间桥梁，对提高学员对医学图像处理课程学习的兴趣，实现好的学习效果发挥重要作用[1]。随着医学科学的快速发展，大量先进的诊疗手段和方法应用于临床，如B超、CT、PET、MRI等，这为医学图像处理理论和实践教学提供了大量的素材，同时这些素材不同与之前教学过程中提供的范例图片，可以通过单一处理手段实现较好处理效果，这就要求教员通过一定的教学方法培养学员综合运用图像处理技术的能力，从而完成图像处理的任务。接下来我们以图像空域增强实验教学为例，对该部分实验教学方法进行研究和探讨。

1 图像空域增强的实验教学内容

医学图像空域增强方法很多，如灰度变换（点运算）、直方图处理、空间平滑、空间锐化等，针对每种图像增强方法理论课上都给出图像处理的实例，并告诉学员这种方法的用途。在以往的实验教学中，我们对每种图像增强技术的matlab实现方法进行单独讲解，并为学员准备了特定的图片，譬如给出动态范围较窄的放大约700倍的花粉电子扫描显像图片，学员进行简单的分析后，根据所学知识会选择直方图均衡化处理对图像进行增强，完成实验任务。这样的实验教学只是对理论课知识的验证，没有新意，缺乏趣味性，打击了很多学员动手的积极性。这一部分的实验教学还存在以下问题：（1）图像增强方法较多，如果开设多次实验课，每次课的内容略显单薄，一起做，实验内容松散没有连贯性。（2）单一的图像增强技术图像增强效果不佳，有些学员甚至开始质疑所学的知识。如何解决上面存在问题，发挥好实验课的效用？“专题式”教学模式给了我们很大的启发[2]。专题式教学是指教员根据知识结构以专题取代教材或章节，并通过相应的教学方法和手段，使学员综合的，灵活的掌握专题内容。专题式实验教学是在理论课进行专题式教学的基础上进行的，譬如理论课上将图像空域增强设定为一个专题，详细介绍各种空域增强算法及应用，然后实验教学中结合临床影像处理需要，布置实验任务[3～5]，因此在这种专题式实验教学中，实验任务的设定，实验方案的设计是实验教学的关键。在图像空域增强实验中，实验任务要结合临床需要，方案设计就要求应用多种互补的图像增强技术，来提高图像增强效果。

2 图像空域增强实验项目设计

2.1 实验任务

在这次实验中我们选定了一幅人体骨骼核扫描图像（如图1），图像特点动态范围很窄图像较暗并且有噪声，实验目的想得到更多的骨骼细节，以便于临床上对骨骼感染和肿瘤等人体疾病的检查[6]。

2.2 实验任务分析

首先这个实验任务有别于理论课上给出的简单的示范图片，具有较强的临床应用，此类实验任务有助于激发学员学习兴趣。对实验任务进行简单分析后，很多学员很快想到了要用哪些方法来完成实验任务，首先要想得到更多细节需要进行图像锐化，而图像动态范围窄，可以用灰度变换或者直方图均衡化来解决。有了初步想法后，当要求他们进行具体的实验方案设计时，他们就会遇到下面这些问题。首先对于图像锐化，应用二阶拉普拉斯算子处理边界细，但会产生比较严重的噪声问题，一阶梯度算子哪怕是性能比较优越的sobel算子，噪声虽然低了，但存在宽边界的问题；对于调整动态范围是该用直方图均衡化还是用灰度变换呢？

2.3 实验方案与实验结果

经过对上述问题的分析，教员最终引导学员制定了这样的图像处理方案，具体图像处理结果如图2所示：（1）用拉普拉斯算子突出图像小细节，得到经拉普拉斯操作后的图像（图2（b））；（2）用梯度法突出图像边缘（图2（d）），一阶梯度算子包括Roberts交叉梯度算子、Prewitt算子、Sobel算子，我们选用了Sobel算子，当然可以鼓励学员尝试其他算子的处理效果；（3）一阶梯度算子处理后的图像仍存在噪声问题，为解决这一问题，使用5×5均值滤波器平滑sobel算子处理过的图像（图2（e））。平滑滤波器有很多，包括均值滤波器和中值滤波器等，在这里给学员强调下，中值滤波器属于非线性滤波器，它有可能改变图像性质，因此医学图像中一般不接受这种平滑去噪方法；（4）降噪的sobel图像作为模板图像和拉普拉斯算子处理过的图像相乘，得到掩膜图像（图2（f））。这一步的乘积会保留拉普拉斯算子计算获得的边界细节，同时又降低背景区域的噪声。这一步是整个实验方案设计的亮点，我们可以把这个步骤看作是将拉普拉斯操作与梯度操作的优点的结合；（5）将掩膜图像和原图相加，得到最终图像锐化的结果（图2（g））；（6）应用灰度变换中的幂次变换得到动态范围调整后的图像（图2（h））。这一步可以要求学员通过直方图均衡化完成，同时要求他们比较这两种方法的优略。

2.4 结果分析

比较图2（a），图2（c）拉普拉斯算子锐化增强后的图像和图2（g）可以很明显看出，不管与原图还是单纯的二阶算子锐化增强图像相比较，图2（g）中大部分细节的清晰度的增加都很明显，噪声问题也得到了很好的解决。对比图2（g）和图2（h），我们可以看出通过动态范围的增大，图2（h）又出现了许多重要的细节，譬如手臂骨和腿骨，我们也发现通过扩大了动态范围显现细节的同时也增大了噪声，但与原图，图2（a）相比图像还是显示出视觉效果的显著改进。最后一步的显示出来的噪声问题也解释了，为什么我们在实验方案设计中要先进行图像锐化后进行图像动态范围的调整。

3 结语

医学图像处理是针对于我校大四生物医学工程专业学员开展的必修专业课，这些学员前期已进行了数学，信号与系统等相关课程学习，有较好的编程基础，对于这样的学员，简单的理论知识验证性实验已经不能满足他们的学习需求，也不能满足学校这一阶段学员培养的要求，因此这种专题式，综合性的实验教学，图像改善效果明显，既能激发学员学习兴趣，又能培养学员实际解决问题的能力，创新能力，综合运用知识的能力，授课效果好，值得在医学图像处理课程实验教学中广泛推广（如图2）。

参考文献

[1] 闵晶妍.基于实践的数字图像处理课程研究[J].襄樊学院学报，2009，30（5）：75-77.

[2] 徐美芳，王浩全，桂志国.关于数字图像处理课程专题式教学模式的探讨[J].安徽工业大学学报：社会科学版，2009，26（4）：122-123.

[3] 桑林琼，邱明国，王莉.专题式教学模式在医学图像处理课程教学中的应用[J].局解手术学杂志，2010，19（5）：421.

[4] 黎海涛，王健，陈思浩.如何提高医学影像学课堂教学质量的体会[J].局解手术学杂志，2007，16（3）：200.

[5] 李金萍，陆玲，刘自强，等.数字图像处理课程实验教学改革探索—在实验教学中培养学生创新实践能力[J].科技视界，2012（7）：23-24.

[6] 冈萨雷斯.数字图像处理（中文）[M].3版.北京：电子工业出版社，2011：62-120.

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