专利名称：中值滤波装置和方法以及采用这种装置的超声成像系统的制作方法
技术领域：
一般来说，本发明涉及图像处理领域，更具体来说，涉及超声 成像系统中的图像处理，特别是用于消除图像中的噪声以增强图像 质量的滤波处理。
背景技术：
众所周知，在图像处理领域中，经常需要从复杂背景中分辨出 微弱的目标。由于这类图像信号的信噪比较低，往往会采用各种滤 波预处理来有效地降低图像信号中的背景噪声或突发性的随机噪声 等，以达到增强目标图像质量的目的。例如，在超声成像系统中， 采用频谱多普勒技术检测心脏或动静脉内的血流速度时，所获得的 血流图像中往往存在随机噪声和极值噪声。为了改善血流图像质量， 增强超声检测的准确性，必须通过对图像信号进行滤波来消除或至 少减小这些噪声。视系统的复杂度和可用资源的数量而定来选择诸 如像素点的纵向滤波或横向滤波、非线性中值滤波、空间平滑滤波 之类的各种滤波方法，其中，中值滤波能够很好地消除突发的随机 斑点噪声，因而得到很广泛的应用。
传统的中值滤波方法包括如下步骤，选择一个(2n+l)x(2n+l)的 滑动窗口(通常为3*3或者5*5)，使其沿图像数据的行或者列方向逐 像素滑动(通常为从左至右，从上至下逐行移动)；每次滑动后，对窗 口内的像素值进行排序，排序方法包括经典冒泡法、二分法等等； 用排序所得的中间值代替窗口中心位置像素值。这种方法普遍存在 的问题是排序量很大，需要消耗大量的时间和资源，不利于图像处 理的实时性。
6现有技术中存在对传统中值滤波方法的各种改进方式。
在 一 种用可编程器件实现的改进的中值滤波方法中，采用 一 种
3x3的滑动窗口实现快速排序首先，将滑动窗口中的每一行的3个 像素值进行排序，分别得出每一行的最大值、中值和最小值，共3 行，需3次3值排序；然后，分别对3个最大值、3个中值、3个最 小值排序，共3组，需3次3值排序；最后，由于9个像素值当中， 最大值组中的最大值和最小值组中的最小值一定是9个像素值中的 最大值和最小值，中值组中的最大值和最大值组中的中值至少大于5 个像素值，中值组中的最小值和最小值组中的中值至少小于5个像 素值，所以这6个值不可能是中值，只需比较剩下的3个值，即最 大值组中的最小值，中值组中的中值、最小值组中的最大值，需1 次3值排序。此方法通过缩小比较范围而减少了比较次数(共需7次 3值排序)，占用的组合逻辑资源较少，占用较多的寄存器暂存中间 比较结果。
但是，这种方法不适合用于较大窗口区域中像素值的排序。例 如，对于5x5的区域，需要反复比较并逐步缩小比较区域，比较次 数大幅增加。在10次横纵5点比较后，去除10个点，然后对剩下 的15个点进行3次5点比较，5次3点比4交后，排除6点，最后在 剩下的9点中，7次3点比较后得到中值。在调用每个5点排序时， 用寄存器来暂存每个5点排序的结果，占用大量的寄存器资源，同 时整个中值滤波的时序复杂。因此，这种方法只适合比如3x3的小 区域，却不适合大的中值滤波区域。
在另 一种改进的中值滤波方法中，将大的滤波区域分割成更小 的若干个滤波子区域，针对各个子区域，按照固定顺序对子区域内 的像素值排序，确定子区域中的像素值的中值，计算各个子区域的 中值的平均值，并且利用该平均值来确定与滤波区域的中'"像素对 应的中心像素值。
这种区域分割法能有效地缩小比较量，但是只适合较大区域，
7比如5x5或者更大的中值滤波区域。对于小区域，比如5点或3点，
硬性地分割区域，找出各区域的中值后求平均值，涉及到乘法运算， 这浪费乘法资源。原本对小区域的中值滤波无须分割成子区域，直 接筒单排序即可。
由此可见，现有技术中的各种中值滤波方法不能够灵活地适用 于各种区域大小，用户无法根据实际需要来自行选择滤波区域。
发明内容
针对现有技术中存在的上述缺点，本发明要解决的技术问题是 提供一种实现任意可选中值滤波区域的实时中值滤波装置和方法， 用于图像信号处理中以降低图像信号中的突发随机噪声，突出图像 中的有用信息，增强图像质量。
为解决该技术问题，作为本发明的一个技术方案，提供一种中 值滤波装置，用于对图像数据进行滤波处理以降低图像中的噪声，
包括数据緩存器，用于按顺序逐行緩存从数据输入端口接收的图 像数据，图像数据由多个像素值构成；单位区域生成器，其中包括 NxN移位寄存器阵列，N为大于或等于3的奇数，单位区域生成器 与数据输入端口和数据緩存器相连，用于同时从数据输入端口和数 据緩存器中取出像素值并且放入移位寄存器阵列中，形成单位区域； 排序器，与单位区域生成器相连，用于对从单位区域生成器接收的 单位区域中的各个像素值进行排序，从而得出每一个单位区域的中 值；中值替换器，与排序器相连，用于以排序器输出的中值来代替 这个中值所在的单位区域的中心处的像素值，其中单位区域生成 器包括取数控制器，取数控制器根据用户选择指令，将单位区域中 的用户所选区域以外的像素值中 一半设置为最大值， 一半设置为最 小值，并将设置后的单位区域中的所有像素值输出到排序器。
在本发明的上述技术方案的 一 个优选实施方式中，单位区域生 成器还包括读写控制器，读写控制器每从数据输入端口取一个像素值，同时从数据緩存器的依次待读出的一行中读出N-l个像素值，
将共N个像素值写入移位寄存器阵列最下端的一行中，移位寄存器 阵列通过逐行移位而丟弃最上端的一行的N个像素值；在移位之后， 读写控制器从移位寄存器阵列最下端的一行中读出最新输入的一个 像素值以及与之相邻的N-2个〗象素值并将共N-l个像素值写入数据 缓存器的所述一行中。
作为本发明的另一个技术方案，提供一种中值滤波方法，用于 对图像数据进行滤波处理以降低图像中的噪声，包括实时地接收 图像数据并按顺序逐行緩存所接收的图像数据，所述图像数据由多 个像素值构成；将接收的像素值以及緩存的像素值排列成单位区域； 对单位区域中的各个像素值进^t排序，从而得出每一个单位区域的 中值；用排序得到的中值代替这个中值所在的单位区域的中心处的 像素值，其中，将像素值排列成NxN单位区域的步骤还包括根据 用户选择指令，将NxN单位区域中的用户所选区域以外的像素值中 一半设置为最大值， 一半设置为最小值，并将设置后的单位区域中 的所有像素值输出以供排序。
作为本发明的又 一 个技术方案，提供 一 种超声图像信号处理系 统，包括用于对超声图像数据进行滤波以降低图像中噪声的中值滤 波装置。
与现有技术相比，本发明的技术方案在传统中值滤波的基础上 添加对数据緩存器的循环读写控制，以移位寄存的方式实时更新数 据緩存器，同时，在不改变排序结构的前提下，通过对滤波区域内 数据的恰当选择和替换，实现中值滤波区域的任意选择，使得用户 可以根据实际需要的滤波效果而定来控制图像处理过程，达到改善 图像质量的目的。
图1是传统多普勒超声成像系统中得到的彩色血流图像信号的处理流程图2是作为本发明的 一个实施例的中值滤波装置的示意框图； 图3是描绘数据緩存器和移位寄存器阵列的读写操作的结构图； 图4是用于不同中值滤滤区域的取数方式示意图。
具体实施例方式
下面结合附图来说明本发明的具体实施方式
。应当指出，附图 中所示的方式只是优选方式之一，在本发明的范围内，本领域的技 术人员还可以想出其它一些替代实施方式。此外，本发明是以超声 成像系统为例进行说明的，但是本发明的中值滤波装置和方法可以 应用于各种各样的图像处理中，并不仅限于超声成像的图像信号。
图1给出了传统超声成像系统中的血流图像信号的基本处理流 程100。首先，在步骤110，超声回波信号经过波束合成后形成射频 回波信号。在步骤120,射频回波信号经过解调滤波后分解成两路分 量， 一路是同相分量I，另一路是正交分量Q。在步骤130,同相分 量I和正交分量Q的数据—皮解交织，得到同一视频点的等时间间隔 的多次扫描数据。在步骤140，为了抑制较强的低速血管壁运动，数 据需先通过壁滤波模块进行处理。然后，在步骤150，对壁滤波后的 同一视频点的多次扫描出的IQ分量进行自相关运算，从而得到血流 速度分量。 一般来说，血流图像信号自相关得到速度分量后，即开 始各种滤波处理，以消除血流信号中的随机噪声和极值噪声对血流 图像的影响。如图所示，在步骤160，对血流速度分量进行纵向或横 向平滑滤波，求出血流速度、能量或方差。在步骤170，进行中值滤 波，以便消除血流信号中的突发的随机斑点噪声。在步骤180,滤波 后的血流图像信号经过扫描变换后，在步骤190，将已经过图像预处 理的改善的像素点送至显示器，以显示图像。
本发明在传统中值滤波的基础上，添加对数据存储装置(例如， 由RAM构成的数据緩存器)的读写控制以及对中值滤波区域内数据
10的恰当选择，从而灵活实现不同可选区域的中值滤波，例如3xl、 1
x3、 5点、9点、13点菱形、5x3、 3x5、 5x5。
下面结合图2所示的中值滤波装置200以及图3所示的数据緩 存器和移位寄存器阵列的读写控制示意图，更详细地描述本发明采 用的中值滤波方法。
在图2所示的一个优选实施例中，本发明的中值滤波装置200 主要包括依次相连的数据緩存器220、单位区域生成器230、排序器 240以及中值替换器250。所述数据緩存器220用于暂存要经过中值 滤波的数据，例如血流分量数据，包括速度、能量和方差分量，可 以采用本领域众所周知的存储器件来实现，例如RAM、 DRAM等。 所述单位区域生成器230主要包括读写控制器232、移位寄存器阵列 234以及取数控制器236，其中读写控制器232和取数控制器236可 以是同一个控制器或者分开的两个控制器，可以由可编程器件来实 现。所述排序器240主要包括数据寄存器244和比较器242。
从输入端口 210实时地输入的视频图像数据被数据緩存器220 按顺序緩存起来。下面具体以图3中所示的5x5单位区域为例进行 说明。在数据緩存器220中緩存了四线图像数据(即，4线像素值)之 后，与输入端口 210和数据緩存器220相连的单位区域生成器230 同时从输入端口 210和数据缓存器220中取数据，并且排列起来形 成5 x 5单位区域。
具体来说，读写控制器232每当从输入端口 210取出一个像素 值，就从数据緩存器220的四线RAM1、 RAM2、 RAM3和RAM4 中各取一个像素值，形成共5个像素值的一行，将取出的一行像素 值放入移位寄存器阵列234的最下端，同时丟弃该阵列最上端的一 行的分属5线的5个像素值。用当前输入像素值的序号作为数据緩 存地址，例如addr。完成数据移位操作之后，用5 x 5移位寄存器阵 列234的第二列最下端(例如reg05)的数据去更新数据緩存器220的 第一线RAMI中同一地址(例如addr)的数据，用5 x 5移位寄存器阵
ii列234的第三列最下端(例如reglO)的数据去更新数据緩存器220的 第二线RAM2中同一地址(例如addr)的数据，用5 x 5移位寄存器阵 列234的第四列最下端(例如regl》的数据去更新数据緩存器220的 第三线RAM3中同一地址(例如addr)的数据，用5 x 5移位寄存器阵 列234的第五列最下端(例如reg20)的数据去更新数据緩存器220的 第四线RAM4中同一地址(例如addr)的数据。
读写控制器232从输入端口 210取出下一个像素值，用这个像 素值的序号作为数据緩存地址addr+l，从数据緩存器220的四线 RAM1、 RAM2、 RAM3和RAM4中的这个地址各取一个像素值，形 成共5个像素值的一行，将取出的一行像素值放入移位寄存器阵列234 的最下端，同时丟弃该阵列最上端的一行的分属5线的5个像素值。 完成数据移位操作之后，用移位寄存器阵列234的第二至第五列最 下端的数据去更新数据緩存器220的同一地址addr+l的数据。
上述过程随着数据的输入而不断地进行，从而完成了数据緩存 器的更新以及5x5移位寄存器阵列中数据的更新，在移位寄存器阵 列中得到不断更新的5x5单位区域。
在实际应用中，对于不同类型的数据，例如能量、速度和方差 分量，视图像滤波效果而定可以选择不同大小的中值滤波区域。由 用户操作调节按钮，通过前端软件向取数控制器236发出用户选择 指令270。取数控制器236按照用户选择的区域向排序器240输出数 据。当用户选择5x5的中值滤波区域时，取数控制器236向排序器 240按顺序从5x5移位寄存器阵列中逐一输出所有像素值。当用户 选择小于5 x 5的中值滤波区域时，取数控制器236将移位寄存器阵 列234中用户所选区域以外的#>素值中一半设置为最大值max， 一 半设置为最小值mm,并将经过设置的单位区域中所有像素值输出到 排序器240。本领域的技术人员知道，上述最大值max和最小值min 可以由系统根据所处理的数据的位数来自行设定。例如，如果系统 所处理的像素值是8位，并且都是正数，则最大值一皮设置为255(即，11111111),最小值被设置为O(即，00000000)。如果系统所处理的像 素值是8位，并且最高位是符号位，则最大值被设置为127(即， 01111111)，最小值被设置为-128(即，10000000)。
现在参照图4来举例说明当选择不同中值滤波区域时采用的取 数方式。图4(a)表示用户选择5 x5的中值滤波区域的情况。图4(b) 说明当用户选择5x3的中值滤波区域时，移位寄存器阵列中的5x5 单位区域的第一列和最后一列均是多余数据，如果是第一列数，将 送出去的数设为最大值，如果是最后一列数，将送出去的数设为最 小值。图4(c)说明当用户选择3 x5的中值滤波区域时，移位寄存器 阵列中的5x5单位区域的第一行和最后一行均是多余数据，将第一 行数设为最大值，将最后一行数设为最小值。图4(d)、 4(e)、 4(f)分 别说明当用户选择13点菱形区i或、3x3区域、5点十字区域时的取 数方式。
排序器240对从取数控制器236接收的单位区域中的各个像素 值进行排序，以得出每个单位区域的中值。由于排序器240得到的 始终是5x5单位区域，所以在用户选择不同中值滤波区域时，排序 结构不需要改变。在本发明的一个优选实施例中，采用经典冒泡法
对25个像素值流水排序，但是本发明采用的排序法不限于经典冒泡 法，也可釆用其它的排序法，例如，二分法。将排序的中间结果置 于数据寄存器244中，因为不关心最后面最小的12个值，数据寄存 器244可以是仅需由13个寄存器构成的序列。在比较器242对25 个像素值进行第一次像素值比较之前，将13个寄存器全部置0，如 果送出做比较的值大于13个寄存器中的第一个值，则寄存器中的值 移位，13个值中的最后一个被丟弃，将送出做比较的值代替13个寄 存器中的第一个值；如果送出做比较的值小于或等于13个寄存器中 的第一个值，则和第二个值比4交，比较过程依此类推。直到25个值 全部排序完为止，完成25个值的排序后，寄存器序列中的最后一个 寄存器中便是排序的结果，即25个值中的中值。共用到25个时钟周期，在下一个5x5单位区域的数据到来之前，排序器240向中值 替换器250输出结果(即，中值)，同时将13个寄存器全部清零。
中值替换器250采用所述排序器240输出的中值来代替这个中 值所在的单位区域的中心处的像素值，在输出端口 260处输出中值 滤波后的所有像素值。
本发明的中值滤波装置和方法在现有的超声成像系统中进行过 试^N在不同区域滤波方式下，该装置和方法都能够实时实现血流 分量(能量、速度、方差)按照要求的区域完成中值滤波。本发明实现 了区域任意可选的中值滤波。通过对数据緩存、区域数据移位寄存 器的循环读写，实现线数据的緩存以及区域数据的实时更新。另夕卜， 本发明根据实际所选区域，对区域外的数据一半补最大， 一半补最 小的方式实现较小区域的排序，使得输出排序结构不受所选区域的
权利要求
1. 一种中值滤波装置，用于对图像数据进行滤波处理以降低图像中的噪声，包括数据缓存器，用于按顺序逐行缓存从数据输入端口接收的图像数据，所述图像数据由多个像素值构成；单位区域生成器，其中包括N×N移位寄存器阵列，N为大于或等于3的奇数，所述单位区域生成器与所述数据输入端口和所述数据缓存器相连，用于同时从所述数据输入端口和所述数据缓存器中取出像素值并且放入所述移位寄存器阵列中，形成单位区域；排序器，与所述单位区域生成器相连，用于对从所述单位区域生成器接收的单位区域中的各个像素值进行排序，从而得出每一个单位区域的中值；中值替换器，与所述排序器相连，用于以所述排序器输出的中值来代替这个中值所在的单位区域的中心处的像素值，其特征在于所述单位区域生成器包括取数控制器，所述取数控制器根据用户选择指令，将所述单位区域中的用户所选区域以外的像素值中一半设置为最大值，一半设置为最小值，并将设置后的所述单位区域中的所有像素值输出到所述排序器。
2. 根据权利要求1所述的中值滤波装置，其特征在于所述单 位区域生成器还包括读写控制器，所述读写控制器每从所述数据输 入端口取一个像素值，同时从所述数据緩存器的依次待读出的一行 中读出N-l个像素值，将共N个像素值写入所述移位寄存器阵列最 下端的一行中，所述移位寄存器阵列通过逐行移位而丢弃最上端的 一行的N个像素值；在移位之后，所述读写控制器从所述移位寄存 器阵列最下端的一行中读出最新输入的一个像素值以及与之相邻的 N-2个像素值并将共N-l个^f象素值写入所述数据緩存器的所述一行中。
3. 根据权利要求1或2所述的中值滤波装置，其特征在于所 述排序器包括比较器和用于暂存排序的中间结果的数据寄存器。
4. 根据权利要求3所述的中值滤波装置，其特征在于所述排 序器釆用冒泡法对像素值流水排序。
5. 根据权利要求4所述的中值滤波装置，其特征在于所述数 据寄存器是包含(NxN+l)/2个寄存器的寄存器序列。
6. 根据权利要求1所述的中值滤波装置，其特征在于所述取 数控制器是由可编程器件来实现的。
7. 根据权利要求2所述的中值滤波装置，其特征在于所述读 写控制器是由可编程器件来实现的。
8. 根据权利要求2所述的中值滤波装置，其特征在于所述读 写控制器与所述取数控制器是同 一个控制器或者是分开的控制器。
9. 根据权利要求1或2所述的中值滤波装置，其特征在于所 述单位区域是5x5区域，所述用户所选区域为5x5区域、3x5区域、 5x3区域、3x3区域、13点菱形区域和5点十字区域其中之一。
10. —种中值滤波方法，用于对图像数据进行滤波处理以降低 图像中的噪声，包括实时地接收图像数据并按顺序逐行緩存所接收的图像数据，所 述图像数据由多个像素值构成；将接收的像素值以及緩存的像素值排列成NxN单位区域，其中 N为大于或等于3的奇数；对单位区域中的各个像素值进行排序，从而得出每一个单位区 域的中值；用排序得到的中值代替这个中值所在的单位区域的中心处的像 素值，其特征在于，将像素值排列成NxN单位区域的步骤还包括 根据用户选择指令，将所述NxN单位区域中的用户所选区域以外的像素值中一半设置为最大值， 一半设置为最小值，并将设置后 的所述单位区域中的所有像素值输出以供排序。
11. 根据权利要求10所迷的中值滤波方法，其特征在于在所述将像素值排列成单位区域的步骤中釆取读写控制和移位寄存方 式，每接收一个像素值，同时从緩存的像素值的依次待读出的一行中读出N-l个像素值，将共N个像素值排列在所述单位区域中最下 端的一行，并通过逐行移位而丟弃单位区域中最上端的一行的N个 像素值；在移位之后，从所述单位区域最下端的一行中读出刚接收 的一个像素值以及与之相邻的N-2个像素值并将共N-l个像素值写 入被读出N-l个像素值的所述一行中。
12. 根据权利要求10或11所述的中值滤波方法，其特征在于 所述对单位区域中的各个像素值进行排序的步骤采用冒泡法。
13. 根据权利要求10或11所述的中值滤波方法，其特征在于 所述单位区域是5x5区域，所述用户所选区域为5x5区域、3x5区域、 5x3区域、3x3区域、13点菱形区域和5点十字区域其中之一。
14. 一种超声图像信号处理系统，包括用于对超声图像数据进 行滤波以降低图像中噪声的中值滤波装置，所述中值滤波装置包括数据緩存器，用于按顺序逐行緩存从数据输入端口接收的超声 图像数据，所述超声图像数据由多个像素值构成；单位区域生成器，其中包括NxN移位寄存器阵列，N为大于或 等于3的奇数，所述单位区域生成器与所述数据输入端口和所述数 据緩存器相连，用于同时从所述数据输入端口和所述数据緩存器中 取出像素值并且放入所述移位寄存器阵列中，形成单位区域；排序器，与所述单位区域生成器相连，用于对从所述单位区域 生成器接收的单位区域中的各个像素值进行排序，从而得出每一个 单位区域的中值；中值替换器，与所述排序器相连，用于以所述排序器输出的中 值来代替这个中值所在的单位区域的中心处的像素值，其特征在于所述单位区域生成器包括取数控制器，所述取数控制器根据用 户选择指令，将所述单位区域中的用户所选区域以外的像素值中一 半设置为最大值， 一半设置为最小值，并将设置后的所述单位区域 中的所有像素值输出到所述排序器。
15.根据权利要求14所述的超声图像信号处理系统，其特征在 于所述单位区域生成器还包括读写控制器，所述读写控制器每从 所述数据输入端口取一个像素值，同时从所述数据緩存器的依次待 读出的一行中读出N-l个像素值，将共N个像素值写入所述移位寄 存器阵列最下端的一行中，所述移位寄存器阵列通过逐行移位而丟 弃最上端的一行的N个像素值；在移位之后，所述读写控制器从所 述移位寄存器阵列最下端的一行中读出最新输入的一个像素值以及 与之相邻的N-2个像素值并将共N-l个像素值写入所述数据緩存器 的所述一行中。
全文摘要
本发明提供一种中值滤波装置和方法以及采用这种装置的超声成像系统，用于图像数据处理以降低噪声。所述中值滤波装置包括数据缓存器、单位区域生成器、排序器和中值替换器。单位区域生成器包括取数控制器，用于根据用户选择指令，将单位区域中的用户所选区域以外的像素值中一半设置为最大值，一半设置为最小值，并将设置后的单位区域中的所有像素值输出到排序器。排序器产生中值并提供给中值替换器以替换中心像素值。本发明以移位寄存方式实时更新数据缓存器，同时，在不改变排序结构的前提下，通过对滤波区域内数据的恰当选择和替换，实现中值滤波区域的任意选择，达到改善图像质量的目的。
文档编号H04N5/21GK101472055SQ200710300879
公开日2009年7月1日 申请日期2007年12月24日 优先权日2007年12月24日
发明者皮兴俊 申请人:深圳迈瑞生物医疗电子股份有限公司