JP3937616B2 - 画像処理装置、方法及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、原画像の高周波成分を保持した状態で階調変換を行うための画像処理装置、方法及びそれらに用いられるコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
例えば、X線胸部画像は、X線が透過しやすい肺野の画像、及びX線が非常に透過しにくい縦隔部の画像より構成されるため、画素値の存在するレンジが非常に広い。このため、肺野及び縦隔部の両方を同時に観察することが可能なX線胸部画像を得ることは困難であるとされてきた。
【0003】
この問題を回避する方法として、従来よりSPIEVo1.626Medicine XIV/PACSIV(1986)に記載される方法がある。この方法は、処理後の画素値SD 、オリジナル画素値(入力画素値)Sorg 、オリジナル画像(入力画像)の低周波画像の画素値SUS、定数A,B,Cを以て(例えばA=3、B=0.7)、
SD =A〔Sorg −SUS〕+B〔SUS〕+C・・・・(1)
なる式(1)で表わされるものである。
【0004】
この方法は、高周波成分(第1項)、低周波成分(第2項)の重み付けを変えることが可能で、例えばA=3、B=0.7では高周波成分を強調し、かつ全体のダイナミックレンジを圧縮する効果が得られるものである。この方法は5人の放射線医により、処理なし画像と比較して診断に有効であるという評価が得られている。
【0005】
また、特許第2,509,503号公報には、処理後の画素値SD オリジナル画素値(入力画素値)Sorg 、オリジナル画像(入力画像)のY方向プロファイルの平均プロファイルPyとX方向プロファイルの平均プロファイルPxを以て、
SD =Sorg +F〔G(Px,Py)〕・・・・(2)
なる式(2)で表わされる方法が記載されている。
【0006】
ここで、関数f(x)が有する特性について説明すると、まず、「x>Dth」ではf(0)が「0」となり、「0≦x≦Dth」ではf(x)が切片を「E」、傾き「Emth」として単調減少するものであり、(3)式で示される。
F〔x〕=E−(E/Dth)X・・・・(3)
Py=(ΣPyi)/n・・・・・・・・(4)
Px=(ΣPxi)/n・・・・・・・・(5)
但し、(i=1〜n)、Pyi,Pxiはプロファイル。そして例えば
G(Px,Py)=max(Px,Py)・・・(6)
で示されるものである。
【0007】
この方法によれば、低周波画像の画素値でDth以下の濃度レンジが圧縮される。
【0008】
また、上記特許第2,509,503号許公報の方法と同様な方法が、「日本放射線技術学会雑誌第45巻第8号1989年8月1030頁、阿南ほか」に記載されている。この方法は、処理後の画素値SD 、オリジナル画素値(入力画素値)Sorg 、オリジナル画像(入力画像)をマスクサイズM×M画素で移動平均をとった時の平均画素値SUS、単調減少関数f(x)を以て、
SD =Sorg +f(SUS)・・・・(7)
SUS=ΣSorg /M2 ・・・・・・(8)
なる式(7)、(8)式で表わされるものである。
【0009】
この方法は、(2)式と低周波画像の作成方法が異なるものである。即ち、(2)式では、1次元データで低周波画像を作成していたのに対し、2次元データで低周波画像を作成するものである。この方法も低周波画像の画素値でDth以下の濃度値を圧縮するものである。
【0010】
また、特許第2,663,189号公報に記載された方法は、処理後の画素値SD 、オリジナル画素値(入力画素値)Sorg 、オリジナル画像(入力画像)をマスクサイズM×M画素で移動平均をとった時の平均画素値SUS、単調増加関数f1(x)を以て、
SD =Sorg +f1(SUS)・・・・(9)
SUS=ΣSorg /M2 ・・・・・・・(10)
なる(9)、(10)式で表わされるものである。
【0011】
ここで、関数f1(x)が有する特性について説明すると、まず、「x<Dth」ではf1(x)が「0」となり、「Dth≦x」ではf1(x)が切片を「E」、傾き「E/Dth」として単調減少するものであり、(11)式で示される。
f1〔x〕=E−(E/Dth)X・・・・(11)
【0012】
この方法は、低周波画像の画素値Dth以上の濃度値を圧縮するものであり、そのアルゴリズムは、上記の日本放射線技術学会雑誌に記載された方法と変わらない。
【0013】
また、特許第1,530,832号公報には、一定濃度値以上の画像の高周波成分を強調する鮮鋭化方法が記載されている。この方法は、超低周波数成分を強調し、コントラストを強くすることにより、診断性能を上げること、超低周波数成分を強調すると同時に、雑音の占める割合が大きい高周波数成分を相対的に低減し、視覚的に見やすい画像が得られるようにすること、偽画像を防止し、また雑音の増大を防止して診断性能を向上させることを目的とするものである。
【0014】
即ち、この鮮鋭化方法は、補償後(処理後)の画素値SD 、オリジナル画素値(入力画素値)Sorg 、オリジナル画像(入力画像)をマスクサイズM×M画素で移動平均をとった時の平均画素値SUSとする。また、BをSorg 又はSUSの値の増大に応じて単調増加する変数とすると、
SD =Sorg +B×(Sorg −SUS)・・・・(12)
SUS=ΣSorg /M2 ・・・・(13)
なる式(12)、(13)で表わされるものである。
【0015】
上記(12)式を実行した場合は、特定濃度値以上の画像の高周波成分を強調できるという効果がある。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記SPIEVol.626MedicineXIV/ACSIV(1986)に記載される方法では、一定濃度範囲のダイナミックレンジを圧縮する思想がないので、画像全体のダイナミックレンジを均等に圧縮し、そのため、一定濃度範囲だけを圧縮することができない。従って、例えば肺正面画像に本手法を用いた場合、縦隔部のみならず診断に有効な師部の濃度レンジをも圧縮してしまい、縦隔部のみを圧縮した場合よりも診断性能が下がるという問題がある。
【0017】
一般にダイナミックレンジ圧縮された画像は、CRT表示、フィルム出力する場合に、再度階調変換する。上記特許第2,509,503号公報の方法及び上記日本放射線技術学会雑誌等の方法では、階調変換後の画像の高周波成分の振幅を調整する思想が無いため、高周波成分の振幅が階調変換曲線の傾きに依存して変換される問題がある。そのため、診断に有効な濃度領域の高周波成分の振幅が小さくなり、有益情報が消失するという問題がある。つまり、一度階調変換された画像の高周波成分を変更することができない。さらに、エッジ部分でオーバーシュートやアンダーシュートが起きるという問題がある。
【0018】
一方、特許第1,530,832号公報の鮮鋭化方法では、高周波成分の足し込みの強さを自由に調整できるが、ダイナミックレンジを圧縮する思想がなく、濃度分布の広い画像を一枚のフィルムなどで表示できないという問題がある。
【0019】
本発明は、上記の問題を解決するために成されたもので、画像の高周波成分の振幅を保持したまま、画像の濃度分布の幅を自在に調節できるようにすることを目的とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像処理方法は、原画像データに対し階調変換処理及び周波数処理を施す画像処理方法であって、上記原画像データから高周波成分を生成する工程と、上記階調変換処理に基づいて上記高周波成分の値を変更する工程と、上記変更された高周波成分に基づいて第二の画像データを生成する工程と、上記第二の画像データの画素値を階調変換処理で変更する工程とを備え、上記高周波成分の値を、階調変換曲線の微分値に基づいて変更することを特徴とする。
【0021】
また、本発明の画像処理装置は、原画像データに対し階調変換処理及び周波数処理を施す画像処理装置であって、上記原画像データから高周波成分を生成する手段と、上記階調変換処理に基づいて上記高周波成分の値を変更する手段と、上記変更された高周波成分に基づいて第二の画像データを生成する手段と、上記第二の画像データの画素値を階調変換処理で変更する手段とを備え、上記高周波成分の値を、階調変換曲線の微分値に基づいて変更することを特徴とする。
【0022】
また、本発明のコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は、原画像データに対し階調変換処理及び周波数処理を施す画像処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、上記原画像データから高周波成分を生成する処理と、上記高周波成分の値を、階調変換曲線の微分値に基づいて変更する処理と、上記変更された高周波成分に基づいて第二の画像データを生成する処理と、上記第二の画像データの画素値を階調変換処理で変更する処理とをコンピュータに実行させるためのプログラムを記憶したことを特徴とする。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
図1は、本発明の実施の形態による画像処理装置を含むX線デジタル撮影装置100を示す。
図1において、このX線デジタル撮影装置100は、ダイナミックレンジ圧縮(DRC)機能を有するX線画像の画像処理装置であり、前処理回路106、CPU108、メインメモリ109、操作パネル110、画像表示器111、DRC回路112を備えており、CPUバス107を介して互いにデータ授受されるようになされている。
【0024】
また、前処理回路106に接続されたデータ収集回路105と、データ収集回路105に接続された2次元X線センサ104及びX線発生回路101とを備えており、これらの各回路はCPUバス107にも接続されている。
【0025】
図2は本実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。
図3、図4はDRC回路112内の階調変換回路112eで用いる階調変換曲線を示し、横軸が入力画像の画素値、縦軸が出力画像の画素値を示す。図3はS字型の階調変換曲線、図4は入力画素値B以下の傾きがA/B、入力画素値Bより上の傾きが1となっている。
【0026】
図1において、メインメモリ109は、CPU108の処理に必要な各種のデータ等が記憶されると共に、CPU108の作業用としてのワークメモリを含む。CPU108は、メインメモリ109を用いて、操作パネル110からの操作に従って装置全体の動作制御等を行う。これによりX線デジタル撮影装置100は、以下のように動作する。
【0027】
まず、X線発生回路101は、被検査体102に対してX線ビーム102を放射する。放射されたX線ビーム102は、被検査体103を減衰しながら透過して、2次元X線センサ104に到達し、2次元X線センサ104によりX線画像として出力される。ここでは、2次元X線センサ104から出力されるX線画像を、例えば人体胸部画像等とする。
【0028】
データ収集回路105は、2次元X線センサ104から出力されたX線画像を電気信号に変換して前処理回路106に供給する。前処理回路106は、データ収集回路105からの信号(X線画像信号)に対して、オフセット補正処理やゲイン補正処理等の前処理を行う。前処理されたX線画像信号は入力画像として、CPU108の制御により、CPUバス107を介してメインメモリ109、DRC回路112に転送される。
【0029】
また、DRC回路112図において、112aは、階調変換回路112eで行う階調変換の階調変換曲線の微係数を計算する微係数計算回路であり、メインメモリ109は、上記計算された微係数をCPUバス107を介して記憶する。112bは、前処理回路106から出力された原画像113の平滑化画像(低周波画像)114を作成する平滑化画像作成回路、112cは、平滑化画像114と原画像113との差分を計算する高周波成分作成回路、112dは高周波成分作成回路112cで作成された高周波成分を、メインメモリ109に記憶された微係数の値に応じて原画像113に足し込む高周波成分足し込み回路、112eは、上記高周波成分を足し込まれた画像を、微係数計算回路112aで微係数を計算するための元になった階調曲線で階調変換する階調変換回路である。
【0030】
次にDRC回路112の動作について図2の処理の流れに従い説明する。
CPUバス107を介して前処理回路106で処理された原画像113、f0(x,y)を、CPU108の制御を介して受信したDRC回路112は、微係数計算回路112aで階調変換回路112eで用いる階調変換曲線の微係数から係数c(x)を(14)式に従い計算する。ここで係数c(x)は、階調変換曲線の傾きを1から引いた値であり、F(x)はxが入力画素値を示す階調変換曲線である。
c(x)=1/{∂F(x)/∂x}−1・・・・(14)
【0031】
そして、この微係数c(x)をCPUバス107を介してメインメモリ109に記憶する(ステップS201)。
【0032】
次に、平滑化画像作成回路112bは、(15)式に従い平滑化画像fus(x,y)(114)を計算する(ステップS202)。ここでx,yは画像上の座標を示し、dはマスクサイズの大きさを示す定数である。
【0033】
【数1】
【0034】
次に、高周波成分作成回路112bは、(16)式で示すように原画像f0(x,y)と上記平滑化画像fus(x,y)から高周波画像fh(x,y)を計算する(ステップS203)。
fh(x,y)=f0(x,y)−fus(x,y)・・・・(16)
【0035】
次に、高周波成分足し込み回路112dは、(17)式で示すように原画像f0(x,y)に上記計算した高周波成分fh(x,y)を、メインメモリ109に記憶した微係数c(x)に基づいて足し込み、足し込み処理後画像f1(x,y)を得る(ステップS204)。
f1(x,y)=f0(x,y)+a×c(f0(x,y))×fh(x,y)・・・・(17)
ここで、aは定数で、例えば1である。
【0036】
また、(18)式で示すように、fus(x,y)を用いても、ほぼ同様の効果が得られることが実験で確認されている。
f1(x,y)=f0(x,y)+a×c(fus(x,y))×fh(x,y)・・・・(18)
【0037】
さらに、(19)、(20)式で示すようにしても、同様の効果が得られることが実験で確認されている。
c1(x)=1/{∂F(x)/∂x}・・・・(19)
f1(x,y)=fus(x,y)+a×c1(f0(x,y))×fh(x,y)・・・・(20)
【0038】
そして、階調変換回路112eは、上記足し込み処理後画像f1(x,y)を(21)式に従って階調変換を行い、最終処理済み画像fd(x,y)を得る。
fd(x,y)=F(f1(x,y))・・・・(21)
【0039】
また、平滑化画像fus(x,y)を(22)〜(25)式で示すように、モルフォロジー演算を用いて計算しても良い。
【0040】
f2(x,y)=min{f0(x+x1,y+y1)−D(x1,y1)|x1×x1+y1×y1≦r1×r1}・・・・(22)
f3(x,y)=max{f2(x+x1,y+y1)+D(x1,y1)|x1×x1+y1×y1≦r1×r1}・・・・(23)
f4(x,y)=max{f3(x+x1,y+y1)+D(x1,y1)|x1×x1+y1×y1≦r1×r1}・・・・(24)
fus(x,y)=min{f4(x+x1,y+y1)−D(x1,y1)|x1×x1+y1×y1≦r1×r1}・・・(25)
【0041】
ここで、D(x,y)を円盤状フィルタ、r1を任意の定数とし、入力画像に応じて選択される。
D(x,y)=0、 x×x+y×y≦r1×r1・・・・(26)
=−∞、 その他(26)
【0042】
モルフォロジー演算は、モルフォロジカルフィルタを用いて行われ、ここで得られたfus(x,y)のプロファイルは、エッジ構造を保存しているものであり、従来のダイナミックレンジ圧縮の欠点であるオーバーシュートやアンダーシュートが起きないものである。
【0043】
本実施の形態によれば、入力画像の任意の階調領域の濃度分布幅を圧縮、伸張することができ、かつ階調変換後の高周波成分の振幅を、階調変換前の画像の高周波成分の振幅に保持できる効果がある。さらに、オーバーシュートやアンダーシュートが起きない効果がある。また、平滑化画像に濃度平均を用いた場合は、計算時間を短縮できる効果がある。
【0044】
次に、本発明の他の実施の形態としての記憶媒体について説明する。
本発明はハードウェア構成により実現することもできるが、CPUやメモリからなるコンピュータシステムに構成することもできる。上記実施の形態による図1の各機能ブロックによるシステムを、CPU108やメインメモリ109等からなるコンピュータシステムに構成する場合、上記メモリは本発明による記憶媒体を構成する。この記憶媒体には、図2のフローチャートを含む前述した動作を制御するための処理手順を実行するためのプログラムが記憶される。
【0045】
また、この記憶媒体としては、半導体メモリ、光ディスク、光磁気ディスク、磁気媒体等を用いてよく、これらをROM、RAM、CD−ROM、フロッピィディスク、磁気テープ、磁気カード、不揮発性メモリカード等に構成して用いてよい。
【0046】
従って、この記憶媒体を図1に示したシステム以外の他のシステムあるいは装置で用い、そのシステムあるいはコンピュータがこの記憶媒体に格納されたプログラムコードを読み出し、実行することによっても、上記実施の形態と同等の機能を実現できると共に、同等の効果を得ることができ、本発明の目的を達成することができる。
【0047】
また、コンピュータ上で稼働しているOS等が処理の一部又は全部を行う場合、あるいは記憶媒体から読み出されたプログラムコードが、コンピュータに挿入された拡張機能ボードやコンピュータに接続された拡張機能ユニットに備わるメモリに書き込まれた後、そのプログラムコードの指示に基づいて、上記拡張機能ボードや拡張機能ユニットに備わるCPU等が処理の一部又は全部を行う場合にも、上記実施の形態と同等の機能を実現できると共に、同等の効果を得ることができ、本発明の目的を達成することができる。
【0048】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、入力画像の任意の階調領域の濃度分布幅を圧縮、伸張することができ、かつ階調変換後の高周波成分の振幅を、階調変換前の画像の高周波成分の振幅に保持できる効果がある。
【0049】
また、平滑化画像をモルフォロジカルフィルタを用いて作成するようにした場合には、元画像のエッジ構造を保存することができ、アンダーシュートやオーバーシュートが起きない効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態による画像処理装置を用いたX線デジタル撮影装置示す構成図である。
【図2】本発明の実施の形態の処理の流れを示すフローチャートである。
【図3】本発明実施の形態による階調変換関数F1()を示す図である。
【図4】本発明実施の形態による階調変換関数F1()を示す図である。
【符号の説明】
108 CPU
109 メインメモリ
112 DRC回路
112a 微係数計算回路
112b 平滑化画像作成回路
112c 高周波成分作成回路
112d 高周波成分足し込み回路
112e 階調変換回路
113 原画像
114 平滑化画像
Claims (7)
- 原画像データに対し階調変換処理及び周波数処理を施す画像処理方法であって、
上記原画像データから高周波成分を生成する工程と、
上記階調変換処理に基づいて上記高周波成分の値を変更する工程と、
上記変更された高周波成分に基づいて第二の画像データを生成する工程と、
上記第二の画像データの画素値を階調変換処理で変更する工程とを備え、
上記高周波成分の値を、階調変換曲線の微分値に基づいて変更することを特徴とする画像処理方法。 - 上記階調変換処理は、上記階調変換曲線に基づいて上記第二の画像データの画素値を変更することを特徴とする請求項1に記載の画像処理方法。
- 上記高周波成分は、上記原画像データの平滑化画像を生成し、該平滑化画像を原画像データから減算することで生成されることを特徴とする請求項1に記載の画像処理方法。
- 上記平滑化画像はモルフォロジカルフィルタを用いて生成されることを特徴とする請求項3に記載の画像処理方法。
- 原画像データに対し階調変換処理及び周波数処理を施す画像処理装置であって、
上記原画像データから高周波成分を生成する手段と、
上記階調変換処理に基づいて上記高周波成分の値を変更する手段と、
上記変更された高周波成分に基づいて第二の画像データを生成する手段と、
上記第二の画像データの画素値を階調変換処理で変更する手段とを備え、
上記高周波成分の値を、階調変換曲線の微分値に基づいて変更することを特徴とする画像処理装置。 - X線発生回路と、
該X線発生回路が発するX線を上記原画像データに変換するための2次元X線センサとを備えることを特徴とする請求項5に記載の画像処理装置。 - 原画像データに対し階調変換処理及び周波数処理を施す画像処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを記憶したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体であって、
上記原画像データから高周波成分を生成する処理と、
上記高周波成分の値を、階調変換曲線の微分値に基づいて変更する処理と、
上記変更された高周波成分に基づいて第二の画像データを生成する処理と、
上記第二の画像データの画素値を階調変換処理で変更する処理とをコンピュータに実行させるためのプログラムを記憶したことを特徴とするコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
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