CN103417228B - 一种图像自动调节方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种图像自动调节方法及系统，通过先静态分配测光权重，再动态调整测光权重；从而实现了动态调节图像亮度，优化对比度与信噪比，使图像更加利于观察。另外，与现有的自动曝光方法相比，本发明的图像自动调节方法成本更低，测光更精确，控制更灵活，市场前景十分良好。

Description

一种图像自动调节方法及系统

技术领域

本发明涉及图像处理技术领域，特别涉及一种图像自动调节方法及系统。

背景技术

随着现代科学技术的发展，一些先进的技术手段和计算机科学技术正在不断地应用在医学领域，特别是在放射诊断和治疗学科中，计算机图像处理技术正发挥着越来越重要的作用。

目前，在动态成像系统中(例如：平板大C)，为使图像质量保持最佳，必须能够实时调整曝光参数。而传统的X光静态成像系统中采用的基于电离室的自动曝光控制技术却无法满足以上要求。首先，电离室系统回路复杂，反应速度较慢；其次，其部署成本高，需要设计专用硬件支持；再次，电离室测光采样点少、采样面积大，不能精确反应图像亮度分布的变化，而且电离室本身会遮挡部分射线。

有鉴于此，现有技术还有待改进和提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种图像自动调节方法及系统，以解决现有技术中基于电离室的自动曝光控制技术存在的反应速度慢、成本高、精度差等问题。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种图像自动调节方法，其中，所述方法包括以下步骤：

A1、设置初始曝光量，根据初始曝光量进行图像采集，并将图像分成若干区域；

A2、根据图像上不同位置所提供的信息的重要程度，从所述若干区域中选定第一模块和第二模块，并给所述第一模块和第二模块分别设定静态权重，第一模块设置为高静态权重，第二模块设置为低静态权重；

A3、确定除第一、第二模块外的其余区域的静态权重，所述其余区域的静态权重为第一模块的高静态权重与第二模块的低静态权重之间的值；

A4、计算各区域灰度均值，并根据灰度相似性对各区域分配动态权重；

A5、对动态权重进行归一化处理，并算出各区域的加权平均值；

A6、通过调节初始曝光量，使所述加权平均值与曝光目标值之间的误差小于预定误差，实现图像亮度调节。

所述的图像自动调节方法，其中，在所述步骤A1中将图像分成若干区域之前，利用变换函数对图像进行灰度变换。

所述的图像自动调节方法，其中，所述变换函数为对数函数或幂函数。

所述的图像自动调节方法，其中，在所述步骤A1中将图像分成若干区域进一步包括：

将图像在水平和竖直方向上等分成所述若干区域。

所述的图像自动调节方法，其中，所述步骤A3进一步包括：

A31、选定曲面原型；

A32、在所述曲面上定义一个距离函数；

A33、求解所述距离函数取最小值时的曲面方程，并带入除第一、第二模块外的区域的坐标后，即得到除第一、第二模块外的区域的静态权重。

所述的图像自动调节方法，其中，所述曲面原型选定为多项式曲面，所述距离函数选择欧式距离d：

$d(a_0,a_1,...,a_k)=\sqrt{\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}f(m,n)-{\mathrm{Ws}}_{m,n}}$

其中，a_k是曲面方程展开式的各项系数，(m，n)是已经确定静态权重的区域的坐标，Ws_m，n是已经确定的各个区域的静态权重，f(m，n)通过拟合函数计算得到，上述k、m、n都是自然数。

所述的图像自动调节方法，其中，所述步骤A4进一步包括：

A41、将第一模块作为参考区域，计算其余各区域与所述参考区域的灰度均值的曼哈顿距离；

A42、设定一个相似度函数，通过所述相似度函数计算各区域的动态权重。

8、根据权利要求7所述的图像自动调节方法，其特征在于，所述步骤A42中的相似度函数为高斯分布函数。

所述的图像自动调节方法，其中，所述步骤A6中调节初始曝光量是采用递归滤波器进行调节。

一种图像自动调节系统，其中，所述系统包括：

初步处理单元，用于设置初始曝光量，根据初始曝光量进行图像采集，并将图像分成若干区域；

第一静态权重分配单元，用于根据图像上不同位置所提供的信息的重要程度，从所述若干区域中选定第一模块和第二模块，并给所述第一模块和第二模块分别设定静态权重，第一模块设置为高静态权重，第二模块设置为低静态权重；

第二静态权重分配单元，用于确定除第一、第二模块外的其余区域的静态权重，所述其余区域的静态权重为第一模块的高静态权重与第二模块的低静态权重之间的值；

动态权重分配单元，用于计算各区域灰度均值，并根据灰度相似性对各区域分配动态权重；

归一化单元，用于对动态权重进行归一化处理，并算出各区域的加权平均值；

图像调节单元，用于调节初始曝光量，使所述加权平均值与曝光目标值之间的误差小于预定误差，实现图像亮度调节。

有益效果：

本发明提供的图像自动调节方法及系统，通过先静态分配测光权重，再动态调整测光权重；从而实现了动态调节图像亮度，优化对比度与信噪比，使图像更加利于观察。另外，与现有的自动曝光方法相比，本发明的图像自动调节方法成本更低，测光更精确，控制更灵活，市场前景十分良好。

附图说明

图1为本发明的图像自动调节方法的流程图。

图2为一腰椎正位的X光图像的示意图。

图3为图2所示腰椎正位的X光图像的测光分区及权重分布示意图。

图4为本发明的图像自动调节系统的结构框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。

请参阅图1，其为本发明的图像自动调节方法的流程图。如图所示，所述方法包括以下步骤：

S1、设置初始曝光量，根据初始曝光量进行图像采集，并将图像分成若干区域；

S2、根据图像上不同位置所提供的信息的重要程度，从所述若干区域中选定第一模块和第二模块，并给所述第一模块和第二模块分别设定静态权重，第一模块设置为高静态权重，第二模块设置为低静态权重；

S3、确定除第一、第二模块外的其余区域的静态权重，所述其余区域的静态权重为第一模块的高静态权重与第二模块的低静态权重之间的值；

S4、计算各区域灰度均值，并根据灰度相似性对各区域分配动态权重；

S5、对动态权重进行归一化处理，并算出各区域的加权平均值；

S6、通过调节初始曝光量，使所述加权平均值与曝光目标值之间的误差小于预定误差，实现图像亮度调节。

下面分别针对上述步骤进行详细描述。

所述步骤S1包括：设置一个初始曝光量，并根据初始曝光量进行图像采集，比如：在动态成像系统中，由操作人员根据经验，按照诊断要求，设置一个适合平均体型病人的初始曝光量，开始采集图像。例如，所采集的图像为如图2所示的腰椎正位的X光图像。需要注意的是，设置初始曝光量的目的是为了加快调控速度，减少病人所受的辐射。然后进行测光分区，将图像分成若干区域，用于下面对不同区域设置不同的静态权重，为了方便操作，可以采用等分的方式对图像进行区域划分。在本实施例中，将所述腰椎正位的X光图像在水平和竖直方向上等分成16x16个区域。对于测光分区，通常保证每个区域内的像素数量不小于100即可。

当采集到的图像不是灰度图像时(比如彩超图像等)，应当利用变换函数对图像进行灰度变换，调整图像亮度，变换函数通常采用对数函数或幂函数。如：幂函数：或对数函数I′＝klog_γI；其中，k是比例调节系数，γ是gamma度。

所述步骤S2为根据图像上不同位置所提供的信息的重要程度，从所述若干区域中选定第一模块和第二模块，并给所述第一模块和第二模块分别设定静态权重，第一模块设置为高静态权重，第二模块设置为低静态权重。图像上不同位置、不同区域所提供的信息的重要程度存在较大的差异，有些区域能够提供较多的信息用于诊断，有些区域的信息则不太重要。参见图3，图3是图2所示腰椎正位X光图像的测光分区及权重分布示意图，由于诊断部位(腰椎)集中在图像中部，因此腰椎所处的图像中央附近的多个区域为重要区域，这些区域通常能够提供重要的诊断信息，本发明的图像自动调节方法将这些重要区域定义为第一模块，设置最高的静态权重，在本实施例中，将第一模块的静态权重设置为最高值10。图像四周边附近的各区域由于有用信息较少，对诊断的帮助不大，因此将这些最不重要的区域定义为第二模块，设置较低的静态权重，在本实施例中，将第二模块的静态权重设置为1，但通常不宜设为0(最低)，以免图像出现过黑或过亮的情况，影响观感。对于第一模块和第二模块的选定，可以由临床医生或者其他相关人员进行判断，并通过计算机等设备进行操作完成。

所述步骤S3是确定其余区域的静态权重。在本实施例中，我们采用的方法是：以所述第一模块的静态权重和第二模块的静态权重为控制点，通过二维曲面拟合，确定除第一、第二模块外的其余区域的静态权重，这些其余区域的静态权重为第一模块的高静态权重与第二模块的低静态权重之间的值。具体包括以下步骤：

S31、选定曲面原型，例如样条曲面或多项式曲面等，先确定一个曲面族，然后通过下面的最优化方法从族中选出一个；

S32、在所述曲面上定义一个距离函数，以多项式曲面为例，距离选择欧式距离，a_k是曲面方程展开式的各项系数，

$d(a_0,a_1,...,a_k)=\sqrt{\underset{m,n}{\mathrm{\Σ}}f(m,n)-{\mathrm{Ws}}_{m,n}}$

其中，(m，n)是已经确定静态权重的区域的坐标，Ws_m，n就是已经确定的各个区域的静态权重，f(m，n)则是通过拟合函数计算得到的，d是f(m，n)和Ws_m，n二者之间的欧式距离，d取值最小的时候对应的各个系数a₁到a_k就是最优化的解，上述k、m、n都是自然数。

S33、求解所述距离函数取最小值时的曲面方程，并带入除第一、第二模块外的其余区域的坐标后，即得到除第一、第二模块外的区域的静态权重；

即上述欧氏距离d取最小值，其必须满足： $\left\{\begin{array}{c}\frac{\∂d}{{\∂a}_1}=0\\ \frac{\∂d}{{\∂a}_2}=0\\ .\\ .\\ .\\ \frac{\∂d}{{\∂a}_k}=0\end{array}\right..$ 解上述方程可求得曲面方程，代入各分区坐标即可解得静态权重Ws_i，j＝f(i，j)，其中，(i，j)为区域坐标，i、j是自然数，下同。

确定了图像各个区域的静态权重后，所述步骤S4为根据实际情况动态分配测光权重：计算各区域灰度均值，并根据灰度相似性对各区域分配动态权重。其具体包括：

S41、将第一模块作为参考区域，计算其余各区域与所述参考区域的灰度均值的曼哈顿距离；即当第一模块的灰度均值为I₀，其余各区域的灰度均值I_i，j与第一模块的灰度均值I₀的曼哈顿距离d_i，j＝|I_i，j-I₀|。

S42、设定一个相似度函数，通过该相似度函数计算各区域的动态权重。在本实施例中，所述相似度函数为高斯分配函数，则动态权重

${\mathrm{Wd}}_{i,j}=\frac{1}{\sqrt{2\mathrm{\π}}\mathrm{\σ}}{e}^{-\frac{d_{i,j}^2}{2{\mathrm{\σ}}^2}}$

其中，σ是高斯分布的标准差。

所述步骤S5为计算归一化后的加权平均值。首先对权重做归一化处理，得到归一化后的加权系数：

$W_{i,j}=\frac{{\mathrm{Ws}}_{i,j}\×{\mathrm{Wd}}_{i,j}}{\mathrm{\Σ}({\mathrm{Ws}}_{u,j}\×{\mathrm{Wd}}_{i,j})}$

然后，计算各区域的加权平均值：

$\mathrm{avgI}=\underset{i,j}{\mathrm{\Σ}}{W}_{i,j}{I}_{i,j}$

其中，(i，j)为区域坐标。

最后，所述步骤S6通过调节初始曝光量，使所述加权平均值与曝光目标值之间的误差小于预定误差，实现图像亮度调节，其通过开环控制调节增益将图像亮度调节到最终目标值，从而得到自动曝光自动增益的图像，在亮度/对比度与信噪比之间取得最佳平衡。在使所述加权平均值与曝光目标值之间的误差小于预定误差时，可以通过PID控制器(Proportional-Integral-Derivative Controller、比例积分微分控制器)进行控制将测光值调节到目标值附件允许的误差范围内，即满足：

|avgI-T|≤Err

其中，T是曝光目标值，Err是允许的最大误差。

另外，通过开环控制调节增益将图像亮度调节到最终目标值时，增益：

$\mathrm{Gain}=\frac{I_{t\arg \mathrm{et}}}{\mathrm{avgI}}$

其中，所述I_target为最终目标灰度值，是根据诊断需求预先选定的值。Gain的作用是保持图像亮度，医疗领域成为ABS(Automatic BrightnessStabilization、自动亮度控制)。

进一步地，为保证调节的平滑性，所述步骤S6中调节初始曝光量中，采用IIR滤波器(Infinite Impulse Response、递归滤波器、无限脉冲响应数字滤波器)进行滤波调节，并通过PID控制器来控制。IIR滤波调节的具体方法如下：

expV₁＝W₀×expV₀+W₁×expV₁

其中，expV₀、expV₁分别是上一次和当前估算的曝光值，W₀、W₁是加权系数，在本发明的图像自动调节方法中，自动曝光控制采用闭环控制，每次循环都会算出一个expV，expV₀是上一循环算出的，expV₁是当前循环算出的。W₀、W₁的取值范围均为[0，1]，且二者之和等于1。

针对上述方法，本发明还提供了一种图像自动调节系统，如图4所示，所述系统包括：

初步处理单元100，用于设置初始曝光量，根据初始曝光量进行图像采集，并将图像分成若干区域；

第一静态权重分配单元200，用于根据图像上不同位置所提供的信息的重要程度，从所述若干区域中选定第一模块和第二模块，并给所述第一模块和第二模块分别设定静态权重，第一模块设置为高静态权重，第二模块设置为低静态权重；

第二静态权重分配单元300，用于确定除第一、第二模块外的其余区域的静态权重，所述其余区域的静态权重为第一模块的高静态权重与第二模块的低静态权重之间的值；

动态权重分配单元400，用于计算各区域灰度均值，并根据灰度相似性对各区域分配动态权重；

归一化单元500，用于对动态权重进行归一化处理，并算出各区域的加权平均值；

图像调节单元600，用于调节初始曝光量，使所述加权平均值与曝光目标值之间的误差小于预定误差，实现图像亮度调节。

上述各个单元模块的功能分别对应步骤S1-S6，可以参照所述方法中的描述，其具体实现过程就不再赘述了。

进一步地，所述系统还可以包括：图像输出单元，用于输出图像亮度调节到最终目标值的图像。

综上所述，本发明的图像自动调节方法及系统，通过先静态分配测光权重，再动态调整测光权重；从而实现了动态调节图像亮度，优化对比度与信噪比，使图像更加利于观察。另外，与现有的自动曝光方法相比，本发明的图像自动调节方法成本更低，测光更精确，控制更灵活，市场前景十分良好。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种图像自动调节方法，所述方法包括步骤：A1、设置初始曝光量，根据初始曝光量进行图像采集，并将图像分成若干区域；其特征在于，所述方法还包括以下步骤：

A2、根据图像上不同位置所提供的信息的重要程度，从所述若干区域中选定第一模块和第二模块，并给所述第一模块和第二模块分别设定静态权重，第一模块设置为高静态权重，第二模块设置为低静态权重；

A3、确定除第一、第二模块外的其余区域的静态权重，所述其余区域的静态权重为第一模块的高静态权重与第二模块的低静态权重之间的值；

A4、计算各区域灰度均值，并根据灰度相似性对各区域分配动态权重；

A5、对动态权重进行归一化处理，并算出各区域的加权平均值；

A6、通过调节初始曝光量，使所述加权平均值与曝光目标值之间的误差小于预定误差，实现图像亮度调节。

2.根据权利要求1所述的图像自动调节方法，其特征在于，在所述步骤A1中将图像分成若干区域之前，利用变换函数对图像进行灰度变换。

3.根据权利要求2所述的图像自动调节方法，其特征在于，所述变换函数为对数函数或幂函数。

4.根据权利要求1所述的图像自动调节方法，其特征在于，在所述步骤A1中将图像分成若干区域进一步包括：

将图像在水平和竖直方向上等分成所述若干区域。

5.根据权利要求1所述的图像自动调节方法，其特征在于，所述步骤A3进一步包括：

A31、选定曲面原型；

A32、在所述曲面上定义一个距离函数；

A33、求解所述距离函数取最小值时的曲面方程，并带入除第一、第二模块外的区域的坐标后，即得到除第一、第二模块外的区域的静态权重。

6.根据权利要求5所述的图像自动调节方法，其特征在于，所述曲面原型选定为多项式曲面，所述距离函数选择欧式距离d：

                                                  

其中，a_k是曲面方程展开式的各项系数，(m,n)是已经确定静态权重的区域的坐标，Ws_m,n是已经确定的各个区域的静态权重，f(m,n)通过拟合函数计算得到，上述k、m、n都是自然数。

7.根据权利要求1所述的图像自动调节方法，其特征在于，所述步骤A4进一步包括：

A41、将第一模块作为参考区域，计算其余各区域与所述参考区域的灰度均值的曼哈顿距离；

A42、设定一个相似度函数，通过所述相似度函数计算各区域的动态权重。

8.根据权利要求7所述的图像自动调节方法，其特征在于，所述步骤A42中的相似度函数为高斯分布函数。

9.根据权利要求1所述的图像自动调节方法，其特征在于，所述步骤A6中调节初始曝光量是采用递归滤波器进行调节。

10.一种图像自动调节系统，所述系统包括：初步处理单元，用于设置初始曝光量，根据初始曝光量进行图像采集，并将图像分成若干区域；其特征在于，所述系统还包括：

第一静态权重分配单元，用于根据图像上不同位置所提供的信息的重要程度，从所述若干区域中选定第一模块和第二模块，并给所述第一模块和第二模块分别设定静态权重，第一模块设置为高静态权重，第二模块设置为低静态权重；

第二静态权重分配单元，用于确定除第一、第二模块外的其余区域的静态权重，所述其余区域的静态权重为第一模块的高静态权重与第二模块的低静态权重之间的值；

动态权重分配单元，用于计算各区域灰度均值，并根据灰度相似性对各区域分配动态权重；

归一化单元，用于对动态权重进行归一化处理，并算出各区域的加权平均值；

图像调节单元，用于调节初始曝光量，使所述加权平均值与曝光目标值之间的误差小于预定误差，实现图像亮度调节。