CN101744628A - 一种基于运动信号反馈的降噪装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于运动信号反馈的降噪装置及方法，该装置包括：运动控制部分，接收数字X光机控制面板的控制信号，根据床体的当前状态生成对数字X光机运动机构的控制信号，并将当前数字X光机的床体的运动状态信号由通信接口与工控机进行通讯连接；工控机，通过通信端口接收运动控制部分上传的床体的运动状态信号，通过运行运动降噪处理程序实现运动图像的实时降噪；该方法包括：设定X光机床体的横向、纵向以及X光机影像装置联动的运动速度；图像处理模块计算图像的位移，判断图像的运动方向；对X光机影像增强器采集的图像进行位移、叠加。本发明既降低图像噪声又减小了图像拖尾现象，提高了获得图像运动位移和方向的准确性及效率。

Description

一种基于运动信号反馈的降噪装置及方法

技术领域

本发明涉及医学领域的图像处理技术，具体地说是一种基于运动信号反馈的降噪装置及方法。

背景技术

在目前的数字X光机系统中，图像降噪的方法一般采用递归滤波降噪方法，但是递归滤波无法在降低噪声同时消除运动的尾影。

递归滤波降噪算法的原理是利用多帧图像加权求和，作为当前帧的输出图像。由于在图像采集的过程中噪声是随机的，对于一个像素，在一次采集的过程中可能会由于噪声的污染而失去本来的灰度值。但由于噪声的随机性，如果经过多次采集加权求和就可有效的抑制噪声。假设前一帧的输入图像为X(n-1)，前一帧的输出图像为Y(n-1)，当前帧的输入图像为X(n)，则当前帧的输出图像Y(n)为：

$Y\left(n\right)=\frac{a\·X\left(n\right)+b\·X(n-1)+c\·Y(n-1)}{a+b+c}$

其中权值a、b、c为降噪系数，不同的降噪模式对应不同的降噪系数。

目前我公司的X线机的图像实时降噪都是用递归滤波降噪算法。该类算法对静止图像降噪效果好，但对运动的图像，每帧图像中相同的内容在位置上确不同，递归降噪常看见严重的拖尾，影响医生的诊断。为了解决运动降噪时有拖尾的问题，需要根据图像的运动改变降噪系数，两帧图像之间位移越大时对应的系数应该越小，当系数较小时，改善了运动图像的拖尾现象，但是噪声较大，所以在降低噪声和减小拖尾这两者之间只能折中处理。

现有的运动降噪是先进行运动检测，找到最佳匹配点。然后根据不同的匹配点位移，用不同的系数，进行叠加降噪。

如图1、2所示，首先在前一帧图像中心选择一个矩形区域为特征块，特征块中心为图像中心；然后在当前帧图像中选择一块待匹配区域，划分为5个区域，各个区域以图中的“1”表示，首先以“1”为中心，选择一块与特征块相同大小的区域，计算MAD，找到其中最匹配的区域，然后以该区域作为新的搜索区域，同样划分为5个区域，各个区域以图中的“2”表示，以“2”为中心，选择一块与特征块相同大小的区域，计算MAD，找到其中最匹配的区域，递归使用该方法，直到最后剩余5个点为止，最后再搜索一次，这样找到的点就是匹配点。

该方法是把两帧运动的图像直接加权相加，这样相同的图像对应前后两帧的空间坐标并不一样，直接相加必然产生重影，这样递归下去就导致了拖尾。如图3所示。

此外，现有X线机运动控制部分与工控机采用完全分立的结构，因此，工控机无法获取床体相关运动状态，状态信息的传送准确性差。

发明内容

针对现有技术中运动信号反馈的降噪时有拖尾的缺陷，本发明要解决的技术问题是提供一种既能降低图像的噪声又可减小运动降噪图像拖尾现象的基于运动信号反馈的降噪装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种基于运动信号反馈的降噪装置包括：

运动控制部分，接收数字X光机控制面板的控制信号，采集数字X光机的床体的限位信号，根据床体的当前状态生成对数字X光机运动机构的控制信号，并将当前数字X光机的床体的运动状态信号由通信接口与工控机进行通讯连接；工控机，通过通信端口接收运动控制部分上传的床体的运动状态信号，通过运行运动降噪处理程序实现运动图像的实时降噪。

所述床体的当前状态包括通过变频器及伺服器采集到的床体是否运动及运动方向信号。

本发明一种基于运动信号反馈的降噪方法包括以下步骤：

设定X光机床体的横向、纵向以及X光机影像装置联动的运动速度，并传递给运动控制部分和图像处理模块；

图像处理模块根据上述设定的床体的横向、纵向、影像装置联动的运动速度计算图像的位移，根据运动控制部分反馈当前床体的运动方向判断图像的运动方向；

根据上述计算出的图像的位移和运动控制部分反馈的床体及影像装置的运动方向对X光机影像增强器采集的图像进行位移、叠加。

所述对图像进行位移、叠加之前还包括以下步骤：利用运动检测块匹配方法检测X光机影像增强器采集的图像实际位移与计算的图像位移之间的误差。

所述运动控制部分反馈当前床体的运动方向包括以下步骤：

通过运动控制部分将与运动相关的状态信息即床体横向是否运动、横向运动方向、床体纵向是否运动、纵向运动方向、影像装置联动是否运动以及联动方向反馈给工控机；

根据床体或影像装置的运动方向判断X光机影像增强器采集的图像的运动方向：

当床体纵向向上或向下运动，则X光机影像增强器采集的图像为纵向向上或向下运动；

当床体横向向左或向右运动，则X光机影像增强器采集的图像为横向向左或向右运动；

当影像装置纵向向上或向下运动，则X光机影像增强器采集的图像为向下或向上运动；当需要运动降噪时，工控机将X光机影像增强器采集的图像的运动状态和运动方向传递给图像处理模块。

所述计算图像的位移的像素个数N通过以下公式计算得到：

$N=v\·t\·\frac{y}{x}\·\frac{H}{l_{\mathrm{cd}}}$

其中，x、y分别为X光机的球管到床体和影像增强器的距离，v为床体的运动速度，t为床体的运动时间，l_cd为影像增强器的直径，H为图像的宽。

所述利用运动检测块匹配方法检测X光机影像增强器采集的图像实际位移与计算的图像位移之间的误差具体为：

选取待匹配点：取前一帧X光机影像增强器采集的图像的中心点作为待匹配点，在当前帧图像中寻找匹配点，中心点坐标为(x，y)；

选取运动检测区域：在当前帧图像中以中心点坐标(x，y)为中心选择一块搜索区域，只检测运动方向上的点，用MAD准则计算出匹配点；

选取检测步长：在搜索区域内取4或6个像素。

本发明具有以下有益效果及优点为：

1.本发明改进了原有的智能降噪算法，从床体运动控制部分获取床体运动信息，采用移位叠加降噪算法，既降低图像的噪声又减小了图像拖尾现象。

2.本发明通过改进运动控制部分与工控机之间的通信方式，与现有技术中仅通过检测图像内容判断图像位移和方向的方式相比，提高了获得图像运动位移和方向的准确性及效率。

附图说明

图1为现有技术中运动检测示意图；

图2为现有技术采用的搜索方法示意图；

图3为现有技术中运动图像叠加降噪示意图；

图4为本发明装置结构框图；

图5为本发明方法流程图；

图6为本发明方法中带运动方向的搜索方法示意图；

图7为本发明方法中判断图像的运动方向流程图；

图8为本发明方法中位移计算示意图；

图9为本发明方法中移位叠加流程图；

图10为本发明方法中移位叠加过程示意图；

图11A为应用本发明方法叠加处理前的效果图；

图11B为应用本发明方法叠加处理后的效果图；

图12为本发明装置床体横向运动组成示意图；

图13为本发明装置床体纵向运动组成示意图；

图14为本发明装置影像装置联动组成示意图。

具体实施方式

如图4所示，本发明装置利用现有数字X光机的运动控制部分接收数字X光机控制面板的控制信号，采集数字X光机的床体的限位信号，根据床体的当前状态生成对数字X光机运动机构的控制信号，通过对其增加与上位机即工控机通信功能，上传床体及影像装置的运动状态信息，工控机根据上述信息通过运行运动降噪处理程序实现运动图像的实时降噪。

运动控制部分以MCU为控制核心，通过CPLD对外围端口进行扩展，采集床体运动限位信号和控制按键信号，输出伺服器的控制信号；MCU通过串口扩展模块分别经485通信接口和422通信接口与变频器和伺服器进行通讯连接，获取变频器和伺服器的运行状态信息；MCU通过422通信接口与工控机进行通信，上传本发明方法所需的床体及影像装置的运动状态信息。MCU通过数据线接有存储器，用于保存床体状态数据，掉电不丢失。

如图12所示，本发明装置中床体的横向运动主要由床体横向控制按钮、床体横向限位开关、床体横向电机等几部分组成。当床体横向控制按钮或床体横向限位开关动作时，运动控制部分接收到触发信号，根据其内部逻辑判断决定对床体横向电机是否供电、控制电机转动方向。由于床体横向采用单相电机，没有调速装置，因此床体横向运动速度为定值。将其速度值存储于工控机。在床体横向运动状态发生变化时，首先由运动控制部分通过限位状态以及位置信息判断床体横向当前运动状态，然后将状态信息经由通信传递给工控机。发往工控机的运动状态主要有床体横向是否运动和床体横向的运动方向。当进行透视时，运动降噪处理程序从工控机上自动调用速度值和当前床体横向的运动状态进行运动降噪的相关计算。

图13所示，本发明装置中床体的纵向运动主要由床体板纵向控制按钮、床体纵向限位开关、床面板纵向伺服器、床面板纵向电机等几部分组成。当床体纵向控制按钮或限位开关动作时，运动控制部分接收到床体纵向相关的触发信号，根据其内部逻辑判断对床体纵向伺服器进行控制，再由床体纵向伺服器控制电机做加速、减速、停止等动作，进而控制床体纵向是否运动以及运动方向。通过运动控制服务软件可以设置床体纵向运动的速度，设置后将速度值保存于工控机。在床体纵向运动状态发生变化时，由运动控制部分通过限位状态以及位置信息判断床体纵向当前运动状态，然后将状态信息经由通信接口传递给工控机，对工控机存储的状态信息进行更新。发往工控机的运动状态主要有床体纵向是否运动和床体纵向的运动方向。当进行透视时，运动降噪处理程序从工控机上自动调用速度值和当前床体纵向的运动状态进行运动降噪的相关计算，实现运动降噪。

如图14所示，影像装置联动主要由影像装置联动控制按钮、立柱限位开关、滑架限位开关、立柱伺服器、滑架伺服器、立柱电机、滑架电机等几部分组成。当影像装置联动控制按钮、立柱限位开关或滑架限位开关动作时，运动控制部分接收到影像装置联动相关的触发信号，根据其内部逻辑判断对立柱伺服器和滑架伺服器进行控制，再由立柱伺服器、滑架伺服器控制电机做加速、减速、停止等动作，进而控制影像装置联动是否运动以及运动方向。通过运动控制服务软件可以设置立柱、滑架运动的速度，设置后将速度值保存于工控机。在影像装置联动状态发生变化时，由运动控制部分通过限位状态以及位置信息判断影像联动当前运动状态，然后将状态信息经由通信传递给上位机，对工控机存储的状态信息进行更新。发往工控机的运动状态主要有影像装置联动是否运动和影像装置联动的运动方向。当进行透视时，运动降噪处理程序从工控机上自动调用速度值和当前影像装置联动的运动状态进行运动降噪的相关计算，实现运动降噪。

如图5所示，本发明装置通过运行其运动降噪处理程序实现其降噪方法，包括以下步骤：

设定X光机床体的横向、纵向以及X光机影像装置联动的运动速度，并传递给运动控制部分和图像处理模块；

图像处理模块根据上述设定的床体的横向、纵向、影像装置联动的运动速度以及运动控制部分反馈当前床体的运动方向计算图像的位移；

根据上述计算出的图像的位移和运动控制部分反馈的床体及影像装置的运动方向对X光机影像增强器采集的图像进行位移、叠加。

如图6所示，其中所述对图像进行位移、叠加之前还包括以下步骤：利用运动检测块匹配方法检测X光机影像增强器采集的图像实际位移与计算的图像位移之间的误差，具体为：

选取待匹配点：如图6所示，首先在前一帧X光机影像增强器采集的图像的中心选择一个矩形区域为特征块，特征块中心为图像中心，坐标为(x，y)；

运动检测点的选取：在当前帧图像中选择一块待匹配区域，在运动方向上划分为3个区域，各个区域以图中的“1”表示，首先以“1”为中心，选择一块与特征块相同大小的区域，计算MAD，找到其中最匹配的区域，然后以该区域作为新的搜索区域，同样在运动方向上划分为3个区域，各个区域以图中的“2”表示，以“2”为中心，选择一块与特征块相同大小的区域，计算MAD，找到其中最匹配的区域，递归使用该方法，直到最后剩余3个点为止，最后再搜索一次，这样找到的点就是匹配点。

MAD(Mean Absolute Difference)匹配准则描述如下：

令M_k*k为前一帧图像的特征块，D_r(u，v)(r＝1、2...N)为在当前帧图像的搜索区域中分成的N个小块在原图像中的坐标，则

$A_r=\frac{1}{K^2}\underset{j=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}|M(i,j)-D_r(i+u-\frac{k}{2},j+v-\frac{k}{2})|$

若A_x＝min(A_r)，(r、x＝1、2...N)，则D_x为N块中与特征块最匹配的，继续比较，其中||表示取绝对值。

选取检测步长：因为床体运动位移已经计算出来，运动检测只是为了找到更精确的值，所以搜索区域不用取的太大，本实施例选4，也可选6。

如图7所示，所述运动控制部分反馈当前床体的运动方向包括以下步骤：

通过运动控制部分将与运动相关的状态信息即床体横向是否运动、横向运动方向、床体纵向是否运动、纵向运动方向、影像装置联动是否运动以及联动方向反馈给工控机；

根据床体或影像装置的运动方向判断X光机影像增强器采集的图像的运动方向：

当床体纵向向上或向下运动，则X光机影像增强器采集的图像为纵向向上或向下运动；

当床体横向向左或向右运动，则X光机影像增强器采集的图像为横向向左或向右运动；

当影像装置纵向向上或向下运动，则X光机影像增强器采集的图像为向下或向上运动；当需要运动降噪时，工控机将X光机影像增强器采集的图像的运动状态和运动方向传递给图像处理模块。

如图8所示，所述计算图像在时间t内的位移的像素个数N通过以下公式计算得到：

$N=v\·t\·\frac{y}{x}\·\frac{H}{l_{\mathrm{cd}}}$

其中，x、y分别为X光机的球管(射线源)到床体和影像增强器的距离，v为床体的运动速度，t为床体的运动时间，l_cd为影像增强器的直径，H为图像的宽。

床体运动速度为v，那么床体时间t内的运动距离是s＝v·t。

图中三角形△aob相似于三角形△cod，由三角形相似定理可知：

即实际被透视物体的大小与图像大小的比例，式中l_ab为X线光束在床板上的投影的长度。

则图像在时间t内的运动位移 $S=s\·\frac{y}{x}=v\·t\·\frac{y}{x}.$

转化为像素个数 $N=S\÷\left(\frac{l_{\mathrm{cd}}}{H}\right)=(v\·t\·\frac{y}{x})\÷\left(\frac{l_{\mathrm{cd}}}{H}\right)=v\·t\·\frac{y}{x}\·\frac{H}{l_{\mathrm{cd}}}.$

如图9所示，移位叠加降噪具体过程如下：

图像处理模块得到图像的运动方向和位移后，对前一帧的输入图像X(n-1)和前一帧的输出图像Y(n-1)按照位移和方向进行处理，使处理后的图像X′(n-1)和Y′(n-1)与当前的输入图像X(n)最相似。

将、X′(n-1)、Y′(n-1)按照下面的公式进行叠加处理，Y(n)是处理后的当前输出图像。

$Y\left(n\right)=\frac{a\·X\left(n\right)+b\·X^{\′}(n-1)+c\·Y^{\′}(n-1)}{a+b+c}$

其中a、b、c为降噪系数。

如图11A所示，为应用本发明方法处理前的效果图；

如图11B所示，为应用本发明方法处理后的效果图；图11A中的图像由于被噪声污染而变得模糊不清，经过处理的图11B中图像的噪声明显减少，图像清晰，同时运动尾影非常小。

Claims (7)

1.一种基于运动信号反馈的降噪装置，其特征在于包括：

运动控制部分，接收数字X光机控制面板的控制信号，采集数字X光机的床体的限位信号，根据床体的当前状态生成对数字X光机运动机构的控制信号，并将当前数字X光机的床体的运动状态信号由通信接口与工控机进行通讯连接；

工控机，通过通信端口接收运动控制部分上传的床体的运动状态信号，通过运行运动降噪处理程序实现运动图像的实时降噪。

2.按权利要求1所述的基于运动信号反馈的降噪装置，其特征在于：所述床体的当前状态包括通过变频器及伺服器采集到的床体是否运动及运动方向信号。

3.一种基于运动信号反馈的降噪方法，其特征在于包括以下步骤：

设定X光机床体的横向、纵向以及X光机影像装置联动的运动速度，并传递给运动控制部分和图像处理模块；

图像处理模块根据上述设定的床体的横向、纵向、影像装置联动的运动速度计算图像的位移，根据运动控制部分反馈当前床体的运动方向判断图像的运动方向；

根据上述计算出的图像的位移和运动控制部分反馈的床体及影像装置的运动方向对X光机影像增强器采集的图像进行位移、叠加。

4.按权利要求3所述的基于运动信号反馈的降噪方法，其特征在于：所述对图像进行位移、叠加之前还包括以下步骤：利用运动检测块匹配方法检测X光机影像增强器采集的图像实际位移与计算的图像位移之间的误差。

5.按权利要求3所述的基于运动信号反馈的降噪方法，其特征在于：所述运动控制部分反馈当前床体的运动方向包括以下步骤：

通过运动控制部分将与运动相关的状态信息即床体横向是否运动、横向运动方向、床体纵向是否运动、纵向运动方向、影像装置联动是否运动以及联动方向反馈给工控机；

根据床体或影像装置的运动方向判断X光机影像增强器采集的图像的运动方向：

当床体纵向向上或向下运动，则X光机影像增强器采集的图像为纵向向上或向下运动；

当床体横向向左或向右运动，则X光机影像增强器采集的图像为横向向左或向右运动；

当影像装置纵向向上或向下运动，则X光机影像增强器采集的图像为向

下或向上运动；当需要运动降噪时，工控机将X光机影像增强器采集的图像的运动状态和运动方向传递给图像处理模块。

6.按权利要求3所述的基于运动信号反馈的降噪方法，其特征在于所述计算图像的位移的像素个数N通过以下公式计算得到：

$N=v\·t\·\frac{y}{x}\·\frac{H}{l_{\mathrm{cd}}}$

其中，x、y分别为X光机的球管到床体和影像增强器的距离，v为床体的运动速度，t为床体的运动时间，l_cd为影像增强器的直径，H为图像的宽。

7.按权利要求4所述的基于运动信号反馈的降噪方法，其特征在于：所述利用运动检测块匹配方法检测X光机影像增强器采集的图像实际位移与计算的图像位移之间的误差具体为：

选取待匹配点：取前一帧X光机影像增强器采集的图像的中心点作为待匹配点，在当前帧图像中寻找匹配点，中心点坐标为(x，y)；

选取运动检测区域：在当前帧图像中以中心点坐标(x，y)为中心选择一块搜索区域，只检测运动方向上的点，用MAD准则计算出匹配点；

选取检测步长：在搜索区域内取4或6个像素。

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