一种X射线图像的对比度增强方法与流程

本发明涉及图像增强技术，具体涉及一种高动态范围的x射线图像的对比度增强方法。

背景技术：

随着图像传感器的发展，x射线图像探测器的灰阶已由8bit发展到16bit，图像的灰阶越高，包含的图像细节信息越多。如果灰阶变高，仍映射至相同灰阶范围显示，则显然高灰阶的灰度级间距离小于低灰阶的，说明对同样内容的图像，前者灰度变化的梯度值小，灰度变化平缓，相邻灰度间对比度低。为了提高灰阶范围宽的图像局部即感兴趣区域的对比度，同时，不改变感兴趣区域中各像素之间的灰度关系，传统的做法是在图像灰度的直方图上，提取代表感兴趣区域灰度信息的一个灰度区域，也称窗口区域，将窗内灰度映射至显示的灰阶范围，将窗外的高灰度和低灰度分别压缩至灰阶窗口的上界和下界，这种方法称为调窗技术，使感兴趣区域灰度的级间距离得到拉伸，提高灰度级间的对比度。

通常调窗是将感兴趣灰度区域映射至8bit的图像显示装置，使人眼容易观察到更清晰的图像。在现代工业应用中，而是要求准确并自动地将感兴趣的区域灰度提取出来并获得最大的级间差，增大图像的对比度。针对特定图像，如医学ct和mri图像，南昌航空工业学院周振环等提出基于灰度联通性的种子生长方法确定窗口信息。苏州大学的吕磊等提出直接用最高和次高峰值点计算窗口信息。但上述方法的对象依赖性太强，不同领域图像的特点差异较大，上述方法虽然针对透视人体的医学ct、mr取得较好的效果，但是对于透视工件的工业x射线图像则不能满足应用要求。

为此，研究一种适用于x射线图像的对比度增强具有重要的实用价值和研究意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种x射线图像的对比度增强方法，该方法特别针对铸造类工业产品的x射线图像进行对比度增强，能够解决高bit灰度射线图像存在信息冗余问题，增强方法具有处理速度快，准确率高的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种x射线图像的对比度增强方法，包括步骤：

(1)采集工件灰度图像；

(2)计算图像的灰度直方图；

(3)对灰度直方图进行分帧；

(4)计算图像中第i帧的短时能量；

(5)将第i帧的短时能量与预先设定的上下门限值进行比较，判断当前帧的状态，从中筛选出为有用信号的灰度段，将每段有用信号中最高和最低灰度值对记录在集合d中；

(6)根据集合d自动确定窗位，然后将选定的窗位内的灰度值映射至0-255的灰度区间内。

本发明针对铸造类工业产品提出上述基于分帧短时平均能量的判断方法，确定感兴趣区域的灰度区间后，映射至原灰阶区域以提高感兴趣区域的对比度，为后续的图像自动分析识别提供图像在线自动增强方法，确保质量检测过程具有高自动化。

优选的，所述步骤(1)中，采集工件灰度图像的步骤是：将pc机与x射线系统的平板探测器连接，在每一个检测工位进行图像采集，数据采集模块获取工件图像并存储至内存。本发明特别针对灰阶为16位的x射线图像探测器探测得到的灰度图像。

优选的，在所述步骤(2)计算得到灰度直方图后，对所述直方图进行移动均值平滑，即定义一个窗宽为m的滑动窗口，取窗内m个数据点的均值作为滑动窗中心点的灰度值。从而便于后面的数值处理，减少噪声。

优选的，所述步骤(3)中，对灰度直方图进行分帧的步骤是：定义n个灰度间隔作为帧长，h个灰度间隔作为移帧值，则第i帧包括的灰度值范围为：[(i-1)n,in-1]，其中f表示当前灰度图像灰阶对应的二进制最大数。例如，如果当前采集的图像灰阶为16bit，f就取值65535。

优选的，所述步骤(4)中，第i帧的短时能量的计算公式是：

其中，n为帧长，c(j)是灰度值为j的像素个数，t为一幅图像的像素总数。

优选的，所述步骤(5)中，筛选出为有用信号的灰度段的步骤是：

预先设定上门限值为vh，下门限值为vl；

设定若第i帧的短时能量满足vl＜ei(n)＜vh，将该帧定为待定帧；如果满足vh＜ei(n)，将该帧定为有用帧；如果ei(n)＜vl则定为无用帧；

若当前帧被判定为待定帧和有用帧，则将该帧放入集合s中，定义集合s中元素数量为card(s)；

若当前帧被判定为无用帧，则进一步对当前集合s进行判断，具体是：

a、如果当前集合s中的所有帧都是待定帧，则清空s，继续判断下一帧；

b、如果当前集合s中并非所有都是待定帧，而是包含了至少一个有用帧，则进一步判断当前集合s中的元素个数card(s)，如果card(s)≤k，则判定集合s中的灰度段为噪声信号，清空集合s，继续判断下一帧；k为预设的阈值；

c、如果当前集合s中包含了至少一个有用帧，且card(s)＞k，则判定当前集合s中的灰度段为有用信号，将集合s中的最高和最低灰度值放入用来记录每段有用信号中最高和最低灰度值对的集合d中，再清空当前集合s；

重复上述步骤直至所有帧都处理完毕。

更进一步的，步骤(4)计算出图像中每一帧的短时能量后，提取短时能量最高的前p帧，对短时能量求平均，得到平均值r；根据该平均值定义上门限值为vh，下门限值为vl。例如可设定vl＝r/120，vh＝r/60。

优选的，所述步骤(6)中，定义且j∈q，找到一个满足以下条件的值j：对其中dj是所调窗口灰度值的上界，dj-1为下界，得到窗位。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

(1)本发明针对透视工件的工业x射线图像的特点，可实现对高bit图像自动确定窗宽、窗位，提高了图像的在线处理速度，极大地减轻工人的工作负担。

(2)本发明也是在线图像自动检测的一个必备的自动化技术环节，否则在工业检测的自动流水线上，图像增强只能通过手动进行。

(3)图像增强后，提高了后续图像处理或识别的准确率和效率。

附图说明

图1为本实施例的流程图。

图2为手动调节的任意窗口图与本实施例方法增强结果的对比效果图。

图3为手动调节的理想窗口图与本实施例方法增强结果的对比效果图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

如图1所示，本实施例一种x射线图像的对比度增强方法，包括以下步骤：

(1)将pc机与x射线系统的平板探测器连接，在每一个检测工位进行图像采集，数据采集模块获取工件图像并存储至内存。本发明要求采集的图像其灰度大于8bit，即10、12、14或16bit，本实施例以采集16bit图像为例进行具体说明。

(2)计算当前图像的灰度直方图。

(3)对所述直方图进行移动均值平滑，即定义一个窗宽为m的滑动窗口，取窗内m个数据点的均值作为滑动窗中心点的灰度值。

(4)定义n个灰度间隔作为帧长，h个灰度间隔作为移帧值。则第i帧包括的灰度值范围为：[(i-1)n,in-1]，其中

(5)将第i帧的短时能量定义为：

其中，c(j)是灰度值为j的像素个数，t为一幅图像的像素总数。

(6)在取固定帧长为300时，计算图像中能量最高的前5帧，计算其短时能量平均值r。

(7)定义低阈值为vl＝r/120，高阈值为vh＝r/60。如果第i帧的短时能量满足vl＜ei(n)＜vh，将这帧定为待定帧；如果满足vh＜ei(n)，将这帧定为有用帧；如果ei(n)＜vl则定为无用帧。设s是表示包含有用帧和待定帧的集合，设k是集合s中元素数量card(s)的阈值。

(8)判断当前帧的状态。

如果当前帧被判断为有用帧或待定帧，则放入当前集合s中；

如果当前帧被判断为无用帧，对当前集合s进行判断，如果当前集合s中的所有帧都是待定帧，则清空s，继续判断下一帧；

如果当前集合s中并非所有都是待定帧，而包含了至少一个有用帧，则进一步判断当前集合s中的元素个数card(s)，如果card(s)≤k，则判定集合s中的灰度段为噪声信号，清空集合s，继续判断下一帧；

如果当前集合s中包含了至少一个有用帧，且card(s)＞k，则判定当前集合s中的灰度段为有用信号，将集合s中的最高和最低灰度值放入用来记录每段有用信号中最高和最低灰度值对的集合d中，再清空当前集合s。

(9)重复步骤(8)直至所有帧都处理完毕。

(10)定义且j∈q。找到一个满足以下条件的值j：对其中dj是所调窗口灰度值的上界，dj-1为下界，即得到窗位。将该位内的灰度值映射至0-255的灰度区间内，即可实现对比度增强。

为了说明本实施例方法的增强效果，特做了两个实验，图2显示的是手动调节的任意窗口图与本实施例方法增强结果的对比效果图，左侧为手动调节的任意窗口图，其灰度区间为[13236,21365]，右侧为本实施例方法对比度增强结果图，其灰度区间为[8921,13524]，通过对比，本实施例方法显示了更多的图像细节，增强效果更好。

图3显示的是手动调节的理想窗口图与本实施例方法增强结果的对比效果图。左侧为专家手动调节的理想窗口图，右侧为本实施例方法对比度增强结果图，两图的灰度区间非常接近，分别为[17000,34000]和[16811,32788]。因此，可认为本实施例方法已经非常接近于理想结果，达到了预期效果，完全能够满足实际应用的需求。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。