专利名称：基于方向加权中值滤波的超声图像处理方法
技术领域：
本发明涉及超声成像中的数据后处理技术，特别涉及提高超声图像质量的图像处理技术，更具体地说，涉及一种用于超声图像去噪和增强的方向加权中值滤波方法。
背景技术：
在超声图像形成过程中，当超声波长与照射物体表面粗糙度相当时，就会产生斑点噪声，这一现象可以用随机散射模型来解释。这些噪声的存在，使得超声图像的清晰度不高，这也是超声成像的主要缺点之一。超声图像特有的散斑噪声不仅使得超声图像的质量较差，尤其是掩盖和降低了图像某些细节信息，也使得对图像细节的识别和分析变得更加困难。为以后的病情诊断及定量分析，图像特征提取和识别造成不利的影响。因此，抑制这些散斑噪声，改善图像质量是超声图像分析和识别的重要预处理环节。超声图像的斑点噪声去除问题一直是国内外超声成像技术的重要课题之一。超声图像去噪一般要求有效抑制散斑噪声，同时要保留对后期分析和诊断有用的图像细节信息。超声图像去噪的主要难点在于1)散斑噪声可以大致看作为一种乘性噪声；2)噪声的随机性质比较复杂；3)噪声易与图像细节相混，而图像细节又复杂且多样。目前，针对抑制超声图像散斑噪声，改善图像质量，人们已经提出了许多方法。I)图像平均方法利用在不同时间、不同频率或不同扫描方向得到同一目标的一系列图像，将它们平均形成一幅复合图像以提高图像的信噪比(SNR)。尽管这种方法简单、快速，然而它受到一些限制需要严格控制系列图像的形成，而且需要图像的配准；由于图像模糊的影响，一些小的细节(例如小的血管、纹理等)会丢失，因此降低了空间分辨能力。2)自适应加权中值滤波方法对图像中的每一个像素点的值，用其局部邻域窗口的加权中值代替。设定窗口中心点为(in，in)，窗口大小为(2w+l) X (2w+l)，则窗口内各点加权系数计算为weight (i, j) = [w(i0, i0)_a*d* σ 2/m]其中，[·]为取整运算，a为系数，d为点(i, j)到中心点(in, in)的距离，σ 2和m分别为局部邻域窗口内的方差和均值。取邻域窗口内的加权中值代替中心点的像素值。其中，邻域窗口内各点的权值能够根据图像的局部统计特征来自动选取，邻域窗口的大小也能够根据其局部信噪比自动调节。相对于单纯的中值滤波，这种自适应加权处理在保留细节方面取得了一定的效果。但是对窗口的选择很敏感，限制了处理效果，在去除噪声的同时，也会导致一些细微细节的损失。3)小波阈值收缩是一类重要的去除散斑噪声的方法，这种方法主要基于Donoho提出的小波软阈值(soft-thresholding)收缩去噪首先将图像小波分解，设定一个阈值，对于小于阈值的小波系数用零代替，而对于大于阈值的小波系数用它减去阈值代替，被处理后的小波系数作小波反变换，就可以得到重建图像。同时，还有许多对于小波阈值的改进算法。然而，上述方法主要是针对高斯分布的噪声，解决其它分布的噪声时，效果不甚理想；同时，小波阈值的选取也是一个需要着重解决的问题，既不能选的太大而丢失一些边缘和局部细节，也不能选的太小而对噪声的抑制不充分。如何选择小波变换的尺度和阈值尚无确定方法。4)基于各向异性扩散模型的去噪方法。各向异性扩散实际上是一个非线性的偏微分方程，由图像的梯度来决定扩散速度，能够同时兼顾噪声消除和特征保持两个方面。目前，以Perona-Malik(PM)模型为代表的各向异性扩散方程(Anisotropic Diffusion,AD)得到了广泛的应用。Yu等将各向异性扩散方程应用到散斑抑制中，提出了去除散斑噪声的各向异性扩散模型(Speckle Reducing AnisotropicDiffusion, SRAD)。Yu等修正了扩散系数，使扩散方程能够根据图像噪声的情况而调整扩散系数，并且能够对图像的细节信息更加敏感。但SRAD模型也存在明显的缺陷模型中尺度函数是由初始图像中尽可能大的均匀区域计算得到的，模型的关键是如何选取图像中一个尽可能大的，合适的均匀区域，这一区域的选取往往很大程度上影响着扩散结果，给实验结果带来较大的偶然性。此外，SRAD模型所使用的局部统计信息实际上是各向同性的，这也背离了各向异性扩散算法的本质。而且各向异性扩散需要多次迭代处理才能取得比较好的效果，迭代又是非常耗时的，所以该算法很难满足超声实时处理的需求。总结一下，现有的去除超声图像散斑噪声的方法有两个比较关键的不足需要提高一是在对图像平滑去除噪声的同时，对细节和边缘的模糊比较严重，导致了一些边缘细节的损失，影响了后期的诊断与分析；二是处理的时间复杂度比较高，难以满足超声成像系 统实时处理显示图像的需求。
发明内容
本发明的目的是提供基于方向加权中值滤波的超声图像处理方法，该处理方法在去噪的同时有效地保护了超声图像的边缘细节信息，而且本处理方法采用的基础算法是中值滤波，算法简单，时间复杂度低。为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案基于方向加权中值滤波的超声图像处理方法，包括以下步骤(I)计算所述超声图像中每个像素点的边缘幅度和边缘方向；(2)取所述图像中的一像素点作为当前点；(3)根据所述当前点的边缘幅度或边缘方向判断该当前点是否为边缘点，如果不是边缘点，则对该当前点进行自适应加权中值滤波处理；如果是边缘点，则对该当前点进行下面步骤(4) (5) (6)的处理；(4)取该当前点的M*N邻域,选择该M*N邻域中与该当前点的边缘方向相关的点作为处理点；(5)取所述处理点的像素值和边缘幅度值，对所述处理点的像素值用相应的边缘幅度值加权，对加权后的值进行排序，找出中间值；(6)用所述中间值对应的像素值替换该当前点的像素值；(7)取下一个像素点作为当前点进行步骤(3)的处理，直到处理完所述图像中的所有像素点，最后输出处理后的图像。步骤(I)的一种具体实施方式
，所述像素点的边缘幅度和边缘方向的计算方法包括(Ia)计算该像素点的水平方向和垂直方向的梯度，设定该像素点的位置为(i，j)，该像素点的像素值为I(i，j)，则该像素点的水平方向的梯度Gx (i，j)、垂直方向的梯度Gy (i, j)的计算方式如下
Gx(i, j) = I (i, j+l)_I (i, j_l) Gy (i, j) = I (i+1, j)-I (i_l, j)；(lb)计算该像素点的梯度幅度GradientAm和梯度方向GradientAn,计算方式如下GradientAm — y Gx2 + Gyz GradientAn = atan (Gy/Gx)(Ic)判断该像素点的梯度幅度GradientAm是否大于预先设定的阈值，如果该梯度幅度GradientAm大于或等于所述阈值，则取该梯度幅度GradientAm、该梯度方向GradientAn为该像素点的边缘幅度和边缘方向，表示该像素点为边缘点；如果该梯度幅度GradientAm小于所述阈值，则设定该像素点的边缘幅度和边缘方向均为负值，表示该像素点不是边缘点。步骤(I)的另一种具体实施方式
，所述像素点的边缘幅度和边缘方向的计算方法包括(Ia)选取不同方向的边缘检测算子；(Ib)将每个方向的边缘检测算子中的数值与该像素点的邻域中的对应像素值相乘后求和，求和后取绝对值作为输出值；(Ic)在不同方向的输出值中，将最大值减去最小值得差值，如果该差值大于或等于预先设定的阈值，则取所述不同方向的输出值中的最大值为该像素点的边缘幅度值，取该最大值对应的边缘检测算子的方向为该像素点的边缘方向，表示该像素点为边缘点；如果该差值小于所述阈值，则设定该像素点的边缘幅度和边缘方向均为负值，表示该像素点不是边缘点。步骤(4)的第一种具体实施方式
，从所述M*N邻域中选择与所述当前点的边缘方向相关的点作为处理点的方法包括(4a)选取不同方向的取点模板；(4b)从所述不同方向的取点模板中，取与所述当前点的边缘方向最接近的方向对应的取点模板；(4c)在所述M*N邻域中，取被所述最接近的方向对应的取点模板击中的点作为处理点。步骤(4)的第二种具体实施方式
，从所述M*N邻域中，选择边缘方向与所述当前点的边缘方向的差值小于预先设定的阈值的点作为处理点。步骤(5)具体实施时，所述处理点的像素值用相应的边缘幅度值进行加权处理指得是该像素值与相应的边缘幅度值进行相乘处理。由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点本发明的基于方向加权中值滤波的超声图像处理方法，在中值滤波的基础上，考虑了图像的边缘方向和边缘幅度信息，针对某个具体的当前像素点，只选取邻域窗口中与当前点边缘方向相近的点做中值滤波，而且中值的排序选取是在用边缘幅度加权后的像素值上进行的，本发明的方法能够很好的区分超声图像的噪声和边缘信息，使得在去噪的同时有效地保护了超声图像的边缘细节信息，更加有利于后期的诊断与分析。而且本发明采用的基础算法是中值滤 波，算法简单，时间复杂度低，处理耗时少，更加符合超声成像系统实时处理显示图像的要求。
附图I为本发明的流程示意图；附图2为本发明中通过梯度计算图像像素点的边缘幅度和边缘方向的流程示意图；附图3为本发明中通过边缘检测算子计算图像像素点的边缘幅度和边缘方向的流程示意图；、附图4显示了边缘检测算子作用的2*2邻域的取法示意图；附图5显示了四个不同方向的边缘检测算子；附图6为本发明中通过当前点的边缘方向选择处理点的流程示意图；附图7显示了四个不同方向的取点模板；附图8为本发明中通过当前点与邻域中的点的边缘方向差来选择处理点的流程示意图。
具体实施例方式下面结合附图来进一步阐述本发明。本发明提出了一种方向加权中值滤波算法，该算法的基本思路如图I所示，以超声图像为背景，在中值滤波的基础上，考虑了图像的边缘方向和边缘幅度信息，针对某个具体的当前点，只选取滤波窗口中与当前点边缘方向相近的点做中值滤波，而且中值的排序选取是在用边缘幅度加权后的像素值上进行的。方向加权中值滤波算法考虑到边缘不同于背景，其灰度分布存在明显的差异，而且这种差异具有方向性，因此采用边缘幅度和边缘方向结合的方法。基于方向加权中值滤波算法，用于超声图像的去噪和增强。该算法的流程图参见图1，首先计算图像I中每个像素点的边缘幅度和边缘方向；然后在此基础上，逐点处理，针对每一像素点，根据边缘方向选择其M*N邻域中方向相关的点作为处理点；最后，针对邻域中选出的处理点，用边缘幅度进行加权中值滤波处理。在导入超声图像数据后，主要包括以下步骤(I)计算超声图像中每个像素点的边缘幅度EdgeAm和边缘方向EdgeAn ;(2)取图像中的一像素点作为当前点；(3)根据当前点的边缘幅度或边缘方向判断该当前点是否为边缘点，如果不是边缘点，则对该当前点进行自适应加权中值滤波处理，该自适应加权中值滤波处理的方法采用的是现有技术，具体参见“背景技术”;如果是边缘点，则对该当前点进行下面步骤⑷(5)
(6)的处理；(4)取该当前点的M*N邻域,选择该M*N邻域中与该当前点的边缘方向相关的点作为处理点；(5)取上述处理点的像素值和边缘幅度值，对处理点的像素值用相应的边缘幅度值加权，对加权后的值进行排序，找出中间值；(6)用上述中间值对应的像素值替换当前点的像素值；(7)取下一个像素点作为当前点进行步骤(3)的处理，直到处理完图像中的所有像素点，最后输出处理后的图像。
该算法中，通过边缘幅度控制减少了噪声对中值滤波的影响，边缘方向信息的加入又使得该算法对边缘方向特别敏感，保留细节能力强，减少了边缘模糊的程度。因此，这种改进的中值滤波算法，在去除散斑噪声能力、保持边缘能力以及处理速度等指标上均取得了比较好的效果。上述算法中，步骤(I)计算图像I中每点的边缘幅度和方向，有很多种方法能够实现。这里给出两种具体的实施方法1.通过图像的梯度幅度和方向得到图像的边缘幅度和方向；2.用不同方向的边缘检测算子得到图像的边缘幅度和方向。但不仅限于这两种方 法。方法I :通过图像的梯度幅度和方向得到图像的边缘幅度和方向的方法，其流程图参见图2。首先，根据水平方向的梯度Gx(i，j)和垂直方向的梯度Gy (i，j)计算图像的梯度幅度GradientAm和梯度方向GraditenAn,计算方式如下设定图像像素点的位置为(i, j)，该像素点的像素值为I(i，j)，则该像素点的Gx (i, j)、Gy (i, j)Gx(i, j) = I (i, j+l)_I (i, j_l) Gy (i, j) = I (i+1, j)-I (i_l, j)则该像素点的梯度幅度GradientAm和梯度方向GraditenAn GradientAm — ^Gx2 + Gy2 GradientAn = atan (Gy/Gx)其次,判断该像素点的梯度幅度值是否大于预先设定的阈值Gradi entAmThresh。如果大于或等于阈值，则表示该像素点为边缘点，把梯度幅度看作是边缘幅度，梯度方向看作是边缘方向；如果小于阈值，则认为无边缘(表示该像素点不是边缘点)，把边缘幅度和方向都设成负值(比如-I)，以便在后面处理中区分像素点是否为边缘点。即
.iEdge^naO = GradientAii1(U) GradientAm[l1) > GradientAmThresh
I (. Edge An (.2, j; = CradientAiiU,])’
I (EdgeAmfU) = —I产t产」· ,-, ,
4^GradientAmiL] j < GradientAmThresh
VtEdgeAiil.!,]; = —I.…对图像I的所有像素点逐点进行上述处理，则得到每个像素点的边缘幅度EdgeAm和边缘方向EdgeAn。方法2 :通过不同方向的边缘检测算子得到图像边缘幅度和方向的方法，参见图3，首先选取一组有不同方向的边缘检测算子；其次把这组算子分别作用于图像上的一像素点的邻域上，得到每个方向上算子的输出；比较各个方向上的输出，如果差别比较大，选取最大的输出作为当前像素点的边缘幅度，最大输出对应的算子的方向为边缘方向；如果差别不大，则认为当前像素点不是边缘点。举例说明，选取如图5所示的四个方向(90度，O度，45度，135度)上的边缘检测算子，使用该组边缘检测算子计算图像上每点的边缘幅度和方向，参见图3，首先，针对图像中的一像素点(i，j)，取如图4所示的2*2邻域上的点；然后，把图5所示的四个方向的边缘检测算子分别作用于图4的2*2邻域，取每个算子模板与邻域模板中的对应数值相乘后求和的绝对值，作为输出值OperatorAm = [am90, amO, am45, aml35]，相应的方向OperatorAn=[90,0,45,135];接着，比较四个方向上的输出值，如果差别比较大，也就是四个方向的输出值中最大值减去最小值的差大于或等于预先设定的阈值OperatorAmThresh,则表示该像素点为边缘点，当前像素点(i，j)的边缘幅度为输出的最大值，边缘方向为最大值对应的边缘检测算子的方向，假设输出的最大值为am45，则边缘幅度为am45，边缘方向为45。如果输出差别很小，也就是最大值减去最小值的差小于阈值，则认为无边缘(表示当前像素点不是边缘点)，当前像素点的边缘幅度和方向都设成负值(比如-I)。用公式表示如下
权利要求
1.基于方向加权中值滤波的超声图像处理方法，其特征在于包括以下步骤 (1)计算所述超声图像中每个像素点的边缘幅度和边缘方向； (2)取所述图像中的一像素点作为当前点； (3)根据所述当前点的边缘幅度或边缘方向判断该当前点是否为边缘点，如果不是边缘点，则对该当前点进行自适应加权中值滤波处理；如果是边缘点，则对该当前点进行下面步骤⑷(5) (6)的处理； ⑷取该当前点的M*N邻域，选择该M*N邻域中与该当前点的边缘方向相关的点作为处理点； (5)取所述处理点的像素值和边缘幅度值，对所述处理点的像素值用相应的边缘幅度值加权，对加权后的值进行排序，找出中间值； (6)用所述中间值对应的像素值替换该当前点的像素值； (7)取下一个像素点作为当前点进行步骤(3)的处理，直到处理完所述图像中的所有像素点，最后输出处理后的图像。
2.根据权利要求I所述的基于方向加权中值滤波的超声图像处理方法，其特征在于在步骤(I)中，所述像素点的边缘幅度和边缘方向的计算方法包括 (Ia)计算该像素点的水平方向和垂直方向的梯度，设定该像素点的位置为(i，j)，该像素点的像素值为I (i，j)，则该像素点的水平方向的梯度Gx (i，j)、垂直方向的梯度Gy (i，j)的计算方式如下Gx (i, j) = I (i，j+l)-I (i，j-1) Gy (i, j) = I (i+1, j)_I (i_l, j)； (lb)计算该像素点的梯度幅度GradientAm和梯度方向GradientAn,计算方式如下
3.根据权利要求I所述的基于方向加权中值滤波的超声图像处理方法，其特征在于在步骤(I)中，所述像素点的边缘幅度和边缘方向的计算方法包括 (Ia)选取不同方向的边缘检测算子； (Ib)将每个方向的边缘检测算子中的数值与该像素点的邻域中的对应像素值相乘后求和，求和后取绝对值作为输出值； (Ic)在不同方向的输出值中，将最大值减去最小值得差值，如果该差值大于或等于预先设定的阈值，则取所述不同方向的输出值中的最大值为该像素点的边缘幅度值，取该最大值对应的边缘检测算子的方向为该像素点的边缘方向，表示该像素点为边缘点；如果该差值小于所述阈值，则设定该像素点的边缘幅度和边缘方向均为负值，表示该像素点不是边缘点。
4.根据权利要求I所述的基于方向加权中值滤波的超声图像处理方法，其特征在于在步骤(4)中，从所述M*N邻域中选择与所述当前点的边缘方向相关的点作为处理点的方法包括(4a)选取不同方向的取点模板； (4b)从所述不同方向的取点模板中，取与所述当前点的边缘方向最接近的方向对应的取点模板； (4c)在所述M*N邻域中，取被所述最接近的方向对应的取点模板击中的点作为处理点。
5.根据权利要求I所述的基于方向加权中值滤波的超声图像处理方法，其特征在于在步骤(4)中，从所述M*N邻域中，选择边缘方向与所述当前点的边缘方向的差值小于预先设定的阈值的点作为处理点。
6.根据权利要求I所述的基于方向加权中值滤波的超声图像处理方法，其特征在于在步骤(5)中，所述处理点的像素值用相应的边缘幅度值进行加权处理指得是该像素值与相应的边缘幅度值进行相乘处理。
全文摘要
本发明公开了基于方向加权中值滤波的超声图像处理方法，该方法在中值滤波的基础上，考虑了图像的边缘方向和边缘幅度信息，针对某个具体的当前像素点，只选取邻域窗口中与当前点边缘方向相近的点做中值滤波，而且中值的排序选取是在用边缘幅度加权后的像素值上进行的，本发明的方法能够很好的区分超声图像的噪声和边缘信息，使得在去噪的同时有效地保护了超声图像的边缘细节信息，更加有利于后期的诊断与分析。而且本发明采用的基础算法是中值滤波，算法简单，时间复杂度低，处理耗时少，更加符合超声成像系统实时处理显示图像的要求。
文档编号G06T5/00GK102663708SQ201210128319
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者马睿 申请人:飞依诺科技(苏州)有限公司