專利名稱：一種基于運動信號反饋的降噪裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及醫(yī)學領域的圖像處理技術，具體地說是一種基于運動信號反饋的降噪裝置及方法。

背景技術：
在目前的數字X光機系統(tǒng)中，圖像降噪的方法一般采用遞歸濾波降噪方法，但是遞歸濾波無法在降低噪聲同時消除運動的尾影。
遞歸濾波降噪算法的原理是利用多幀圖像加權求和，作為當前幀的輸出圖像。由于在圖像采集的過程中噪聲是隨機的，對于一個像素，在一次采集的過程中可能會由于噪聲的污染而失去本來的灰度值。但由于噪聲的隨機性，如果經過多次采集加權求和就可有效的抑制噪聲。假設前一幀的輸入圖像為X(n-1)，前一幀的輸出圖像為Y(n-1)，當前幀的輸入圖像為X(n)，則當前幀的輸出圖像Y(n)為 其中權值a、b、c為降噪系數，不同的降噪模式對應不同的降噪系數。
目前我公司的X線機的圖像實時降噪都是用遞歸濾波降噪算法。該類算法對靜止圖像降噪效果好，但對運動的圖像，每幀圖像中相同的內容在位置上確不同，遞歸降噪?？匆妵乐氐耐衔?，影響醫(yī)生的診斷。為了解決運動降噪時有拖尾的問題，需要根據圖像的運動改變降噪系數，兩幀圖像之間位移越大時對應的系數應該越小，當系數較小時，改善了運動圖像的拖尾現象，但是噪聲較大，所以在降低噪聲和減小拖尾這兩者之間只能折中處理。
現有的運動降噪是先進行運動檢測，找到最佳匹配點。然后根據不同的匹配點位移，用不同的系數，進行疊加降噪。
如圖1、2所示，首先在前一幀圖像中心選擇一個矩形區(qū)域為特征塊，特征塊中心為圖像中心；然后在當前幀圖像中選擇一塊待匹配區(qū)域，劃分為5個區(qū)域，各個區(qū)域以圖中的“1”表示，首先以“1”為中心，選擇一塊與特征塊相同大小的區(qū)域，計算MAD，找到其中最匹配的區(qū)域，然后以該區(qū)域作為新的搜索區(qū)域，同樣劃分為5個區(qū)域，各個區(qū)域以圖中的“2”表示，以“2”為中心，選擇一塊與特征塊相同大小的區(qū)域，計算MAD，找到其中最匹配的區(qū)域，遞歸使用該方法，直到最后剩余5個點為止，最后再搜索一次，這樣找到的點就是匹配點。
該方法是把兩幀運動的圖像直接加權相加，這樣相同的圖像對應前后兩幀的空間坐標并不一樣，直接相加必然產生重影，這樣遞歸下去就導致了拖尾。如圖3所示。
此外，現有X線機運動控制部分與工控機采用完全分立的結構，因此，工控機無法獲取床體相關運動狀態(tài)，狀態(tài)信息的傳送準確性差。


發(fā)明內容
針對現有技術中運動信號反饋的降噪時有拖尾的缺陷，本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種既能降低圖像的噪聲又可減小運動降噪圖像拖尾現象的基于運動信號反饋的降噪裝置及方法。
為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是 本發(fā)明一種基于運動信號反饋的降噪裝置包括 運動控制部分，接收數字X光機控制面板的控制信號，采集數字X光機的床體的限位信號，根據床體的當前狀態(tài)生成對數字X光機運動機構的控制信號，并將當前數字X光機的床體的運動狀態(tài)信號由通信接口與工控機進行通訊連接；工控機，通過通信端口接收運動控制部分上傳的床體的運動狀態(tài)信號，通過運行運動降噪處理程序實現運動圖像的實時降噪。
所述床體的當前狀態(tài)包括通過變頻器及伺服器采集到的床體是否運動及運動方向信號。
本發(fā)明一種基于運動信號反饋的降噪方法包括以下步驟 設定X光機床體的橫向、縱向以及X光機影像裝置聯動的運動速度，并傳遞給運動控制部分和圖像處理模塊； 圖像處理模塊根據上述設定的床體的橫向、縱向、影像裝置聯動的運動速度計算圖像的位移，根據運動控制部分反饋當前床體的運動方向判斷圖像的運動方向； 根據上述計算出的圖像的位移和運動控制部分反饋的床體及影像裝置的運動方向對X光機影像增強器采集的圖像進行位移、疊加。
所述對圖像進行位移、疊加之前還包括以下步驟利用運動檢測塊匹配方法檢測X光機影像增強器采集的圖像實際位移與計算的圖像位移之間的誤差。
所述運動控制部分反饋當前床體的運動方向包括以下步驟 通過運動控制部分將與運動相關的狀態(tài)信息即床體橫向是否運動、橫向運動方向、床體縱向是否運動、縱向運動方向、影像裝置聯動是否運動以及聯動方向反饋給工控機； 根據床體或影像裝置的運動方向判斷X光機影像增強器采集的圖像的運動方向 當床體縱向向上或向下運動，則X光機影像增強器采集的圖像為縱向向上或向下運動； 當床體橫向向左或向右運動，則X光機影像增強器采集的圖像為橫向向左或向右運動； 當影像裝置縱向向上或向下運動，則X光機影像增強器采集的圖像為向下或向上運動；當需要運動降噪時，工控機將X光機影像增強器采集的圖像的運動狀態(tài)和運動方向傳遞給圖像處理模塊。
所述計算圖像的位移的像素個數N通過以下公式計算得到 其中，x、y分別為X光機的球管到床體和影像增強器的距離，v為床體的運動速度，t為床體的運動時間，lcd為影像增強器的直徑，H為圖像的寬。
所述利用運動檢測塊匹配方法檢測X光機影像增強器采集的圖像實際位移與計算的圖像位移之間的誤差具體為 選取待匹配點取前一幀X光機影像增強器采集的圖像的中心點作為待匹配點，在當前幀圖像中尋找匹配點，中心點坐標為(x，y)； 選取運動檢測區(qū)域在當前幀圖像中以中心點坐標(x，y)為中心選擇一塊搜索區(qū)域，只檢測運動方向上的點，用MAD準則計算出匹配點； 選取檢測步長在搜索區(qū)域內取4或6個像素。
本發(fā)明具有以下有益效果及優(yōu)點為 1.本發(fā)明改進了原有的智能降噪算法，從床體運動控制部分獲取床體運動信息，采用移位疊加降噪算法，既降低圖像的噪聲又減小了圖像拖尾現象。
2.本發(fā)明通過改進運動控制部分與工控機之間的通信方式，與現有技術中僅通過檢測圖像內容判斷圖像位移和方向的方式相比，提高了獲得圖像運動位移和方向的準確性及效率。



圖1為現有技術中運動檢測示意圖； 圖2為現有技術采用的搜索方法示意圖； 圖3為現有技術中運動圖像疊加降噪示意圖； 圖4為本發(fā)明裝置結構框圖； 圖5為本發(fā)明方法流程圖； 圖6為本發(fā)明方法中帶運動方向的搜索方法示意圖； 圖7為本發(fā)明方法中判斷圖像的運動方向流程圖； 圖8為本發(fā)明方法中位移計算示意圖； 圖9為本發(fā)明方法中移位疊加流程圖； 圖10為本發(fā)明方法中移位疊加過程示意圖； 圖11A為應用本發(fā)明方法疊加處理前的效果圖； 圖11B為應用本發(fā)明方法疊加處理后的效果圖； 圖12為本發(fā)明裝置床體橫向運動組成示意圖； 圖13為本發(fā)明裝置床體縱向運動組成示意圖； 圖14為本發(fā)明裝置影像裝置聯動組成示意圖。

具體實施例方式 如圖4所示，本發(fā)明裝置利用現有數字X光機的運動控制部分接收數字X光機控制面板的控制信號，采集數字X光機的床體的限位信號，根據床體的當前狀態(tài)生成對數字X光機運動機構的控制信號，通過對其增加與上位機即工控機通信功能，上傳床體及影像裝置的運動狀態(tài)信息，工控機根據上述信息通過運行運動降噪處理程序實現運動圖像的實時降噪。
運動控制部分以MCU為控制核心，通過CPLD對外圍端口進行擴展，采集床體運動限位信號和控制按鍵信號，輸出伺服器的控制信號；MCU通過串口擴展模塊分別經485通信接口和422通信接口與變頻器和伺服器進行通訊連接，獲取變頻器和伺服器的運行狀態(tài)信息；MCU通過422通信接口與工控機進行通信，上傳本發(fā)明方法所需的床體及影像裝置的運動狀態(tài)信息。MCU通過數據線接有存儲器，用于保存床體狀態(tài)數據，掉電不丟失。
如圖12所示，本發(fā)明裝置中床體的橫向運動主要由床體橫向控制按鈕、床體橫向限位開關、床體橫向電機等幾部分組成。當床體橫向控制按鈕或床體橫向限位開關動作時，運動控制部分接收到觸發(fā)信號，根據其內部邏輯判斷決定對床體橫向電機是否供電、控制電機轉動方向。由于床體橫向采用單相電機，沒有調速裝置，因此床體橫向運動速度為定值。將其速度值存儲于工控機。在床體橫向運動狀態(tài)發(fā)生變化時，首先由運動控制部分通過限位狀態(tài)以及位置信息判斷床體橫向當前運動狀態(tài)，然后將狀態(tài)信息經由通信傳遞給工控機。發(fā)往工控機的運動狀態(tài)主要有床體橫向是否運動和床體橫向的運動方向。當進行透視時，運動降噪處理程序從工控機上自動調用速度值和當前床體橫向的運動狀態(tài)進行運動降噪的相關計算。
圖13所示，本發(fā)明裝置中床體的縱向運動主要由床體板縱向控制按鈕、床體縱向限位開關、床面板縱向伺服器、床面板縱向電機等幾部分組成。當床體縱向控制按鈕或限位開關動作時，運動控制部分接收到床體縱向相關的觸發(fā)信號，根據其內部邏輯判斷對床體縱向伺服器進行控制，再由床體縱向伺服器控制電機做加速、減速、停止等動作，進而控制床體縱向是否運動以及運動方向。通過運動控制服務軟件可以設置床體縱向運動的速度，設置后將速度值保存于工控機。在床體縱向運動狀態(tài)發(fā)生變化時，由運動控制部分通過限位狀態(tài)以及位置信息判斷床體縱向當前運動狀態(tài)，然后將狀態(tài)信息經由通信接口傳遞給工控機，對工控機存儲的狀態(tài)信息進行更新。發(fā)往工控機的運動狀態(tài)主要有床體縱向是否運動和床體縱向的運動方向。當進行透視時，運動降噪處理程序從工控機上自動調用速度值和當前床體縱向的運動狀態(tài)進行運動降噪的相關計算，實現運動降噪。
如圖14所示，影像裝置聯動主要由影像裝置聯動控制按鈕、立柱限位開關、滑架限位開關、立柱伺服器、滑架伺服器、立柱電機、滑架電機等幾部分組成。當影像裝置聯動控制按鈕、立柱限位開關或滑架限位開關動作時，運動控制部分接收到影像裝置聯動相關的觸發(fā)信號，根據其內部邏輯判斷對立柱伺服器和滑架伺服器進行控制，再由立柱伺服器、滑架伺服器控制電機做加速、減速、停止等動作，進而控制影像裝置聯動是否運動以及運動方向。通過運動控制服務軟件可以設置立柱、滑架運動的速度，設置后將速度值保存于工控機。在影像裝置聯動狀態(tài)發(fā)生變化時，由運動控制部分通過限位狀態(tài)以及位置信息判斷影像聯動當前運動狀態(tài)，然后將狀態(tài)信息經由通信傳遞給上位機，對工控機存儲的狀態(tài)信息進行更新。發(fā)往工控機的運動狀態(tài)主要有影像裝置聯動是否運動和影像裝置聯動的運動方向。當進行透視時，運動降噪處理程序從工控機上自動調用速度值和當前影像裝置聯動的運動狀態(tài)進行運動降噪的相關計算，實現運動降噪。
如圖5所示，本發(fā)明裝置通過運行其運動降噪處理程序實現其降噪方法，包括以下步驟 設定X光機床體的橫向、縱向以及X光機影像裝置聯動的運動速度，并傳遞給運動控制部分和圖像處理模塊； 圖像處理模塊根據上述設定的床體的橫向、縱向、影像裝置聯動的運動速度以及運動控制部分反饋當前床體的運動方向計算圖像的位移； 根據上述計算出的圖像的位移和運動控制部分反饋的床體及影像裝置的運動方向對X光機影像增強器采集的圖像進行位移、疊加。
如圖6所示，其中所述對圖像進行位移、疊加之前還包括以下步驟利用運動檢測塊匹配方法檢測X光機影像增強器采集的圖像實際位移與計算的圖像位移之間的誤差，具體為 選取待匹配點如圖6所示，首先在前一幀X光機影像增強器采集的圖像的中心選擇一個矩形區(qū)域為特征塊，特征塊中心為圖像中心，坐標為(x，y)； 運動檢測點的選取在當前幀圖像中選擇一塊待匹配區(qū)域，在運動方向上劃分為3個區(qū)域，各個區(qū)域以圖中的“1”表示，首先以“1”為中心，選擇一塊與特征塊相同大小的區(qū)域，計算MAD，找到其中最匹配的區(qū)域，然后以該區(qū)域作為新的搜索區(qū)域，同樣在運動方向上劃分為3個區(qū)域，各個區(qū)域以圖中的“2”表示，以“2”為中心，選擇一塊與特征塊相同大小的區(qū)域，計算MAD，找到其中最匹配的區(qū)域，遞歸使用該方法，直到最后剩余3個點為止，最后再搜索一次，這樣找到的點就是匹配點。
MAD(Mean Absolute Difference)匹配準則描述如下 令Mk*k為前一幀圖像的特征塊，Dr(u，v)(r＝1、2...N)為在當前幀圖像的搜索區(qū)域中分成的N個小塊在原圖像中的坐標，則 若Ax＝min(Ar)，(r、x＝1、2...N)，則Dx為N塊中與特征塊最匹配的，繼續(xù)比較，其中||表示取絕對值。
選取檢測步長因為床體運動位移已經計算出來，運動檢測只是為了找到更精確的值，所以搜索區(qū)域不用取的太大，本實施例選4，也可選6。
如圖7所示，所述運動控制部分反饋當前床體的運動方向包括以下步驟 通過運動控制部分將與運動相關的狀態(tài)信息即床體橫向是否運動、橫向運動方向、床體縱向是否運動、縱向運動方向、影像裝置聯動是否運動以及聯動方向反饋給工控機； 根據床體或影像裝置的運動方向判斷X光機影像增強器采集的圖像的運動方向 當床體縱向向上或向下運動，則X光機影像增強器采集的圖像為縱向向上或向下運動； 當床體橫向向左或向右運動，則X光機影像增強器采集的圖像為橫向向左或向右運動； 當影像裝置縱向向上或向下運動，則X光機影像增強器采集的圖像為向下或向上運動；當需要運動降噪時，工控機將X光機影像增強器采集的圖像的運動狀態(tài)和運動方向傳遞給圖像處理模塊。
如圖8所示，所述計算圖像在時間t內的位移的像素個數N通過以下公式計算得到 其中，x、y分別為X光機的球管(射線源)到床體和影像增強器的距離，v為床體的運動速度，t為床體的運動時間，lcd為影像增強器的直徑，H為圖像的寬。
床體運動速度為v，那么床體時間t內的運動距離是s＝v·t。
圖中三角形△aob相似于三角形△cod，由三角形相似定理可知

即實際被透視物體的大小與圖像大小的比例，式中l(wèi)ab為X線光束在床板上的投影的長度。
則圖像在時間t內的運動位移 轉化為像素個數 如圖9所示，移位疊加降噪具體過程如下 圖像處理模塊得到圖像的運動方向和位移后，對前一幀的輸入圖像X(n-1)和前一幀的輸出圖像Y(n-1)按照位移和方向進行處理，使處理后的圖像X′(n-1)和Y′(n-1)與當前的輸入圖像X(n)最相似。
將、X′(n-1)、Y′(n-1)按照下面的公式進行疊加處理，Y(n)是處理后的當前輸出圖像。
其中a、b、c為降噪系數。
如圖11A所示，為應用本發(fā)明方法處理前的效果圖； 如圖11B所示，為應用本發(fā)明方法處理后的效果圖；圖11A中的圖像由于被噪聲污染而變得模糊不清，經過處理的圖11B中圖像的噪聲明顯減少，圖像清晰，同時運動尾影非常小。
權利要求
1.一種基于運動信號反饋的降噪裝置，其特征在于包括
運動控制部分，接收數字X光機控制面板的控制信號，采集數字X光機的床體的限位信號，根據床體的當前狀態(tài)生成對數字X光機運動機構的控制信號，并將當前數字X光機的床體的運動狀態(tài)信號由通信接口與工控機進行通訊連接；
工控機，通過通信端口接收運動控制部分上傳的床體的運動狀態(tài)信號，通過運行運動降噪處理程序實現運動圖像的實時降噪。
2.按權利要求1所述的基于運動信號反饋的降噪裝置，其特征在于所述床體的當前狀態(tài)包括通過變頻器及伺服器采集到的床體是否運動及運動方向信號。
3.一種基于運動信號反饋的降噪方法，其特征在于包括以下步驟
設定X光機床體的橫向、縱向以及X光機影像裝置聯動的運動速度，并傳遞給運動控制部分和圖像處理模塊；
圖像處理模塊根據上述設定的床體的橫向、縱向、影像裝置聯動的運動速度計算圖像的位移，根據運動控制部分反饋當前床體的運動方向判斷圖像的運動方向；
根據上述計算出的圖像的位移和運動控制部分反饋的床體及影像裝置的運動方向對X光機影像增強器采集的圖像進行位移、疊加。
4.按權利要求3所述的基于運動信號反饋的降噪方法，其特征在于所述對圖像進行位移、疊加之前還包括以下步驟利用運動檢測塊匹配方法檢測X光機影像增強器采集的圖像實際位移與計算的圖像位移之間的誤差。
5.按權利要求3所述的基于運動信號反饋的降噪方法，其特征在于所述運動控制部分反饋當前床體的運動方向包括以下步驟
通過運動控制部分將與運動相關的狀態(tài)信息即床體橫向是否運動、橫向運動方向、床體縱向是否運動、縱向運動方向、影像裝置聯動是否運動以及聯動方向反饋給工控機；
根據床體或影像裝置的運動方向判斷X光機影像增強器采集的圖像的運動方向
當床體縱向向上或向下運動，則X光機影像增強器采集的圖像為縱向向上或向下運動；
當床體橫向向左或向右運動，則X光機影像增強器采集的圖像為橫向向左或向右運動；
當影像裝置縱向向上或向下運動，則X光機影像增強器采集的圖像為向
下或向上運動；當需要運動降噪時，工控機將X光機影像增強器采集的圖像的運動狀態(tài)和運動方向傳遞給圖像處理模塊。
6.按權利要求3所述的基于運動信號反饋的降噪方法，其特征在于所述計算圖像的位移的像素個數N通過以下公式計算得到
其中，x、y分別為X光機的球管到床體和影像增強器的距離，v為床體的運動速度，t為床體的運動時間，lcd為影像增強器的直徑，H為圖像的寬。
7.按權利要求4所述的基于運動信號反饋的降噪方法，其特征在于所述利用運動檢測塊匹配方法檢測X光機影像增強器采集的圖像實際位移與計算的圖像位移之間的誤差具體為
選取待匹配點取前一幀X光機影像增強器采集的圖像的中心點作為待匹配點，在當前幀圖像中尋找匹配點，中心點坐標為(x，y)；
選取運動檢測區(qū)域在當前幀圖像中以中心點坐標(x，y)為中心選擇一塊搜索區(qū)域，只檢測運動方向上的點，用MAD準則計算出匹配點；
選取檢測步長在搜索區(qū)域內取4或6個像素。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于運動信號反饋的降噪裝置及方法，該裝置包括運動控制部分，接收數字X光機控制面板的控制信號，根據床體的當前狀態(tài)生成對數字X光機運動機構的控制信號，并將當前數字X光機的床體的運動狀態(tài)信號由通信接口與工控機進行通訊連接；工控機，通過通信端口接收運動控制部分上傳的床體的運動狀態(tài)信號，通過運行運動降噪處理程序實現運動圖像的實時降噪；該方法包括設定X光機床體的橫向、縱向以及X光機影像裝置聯動的運動速度；圖像處理模塊計算圖像的位移，判斷圖像的運動方向；對X光機影像增強器采集的圖像進行位移、疊加。本發(fā)明既降低圖像噪聲又減小了圖像拖尾現象，提高了獲得圖像運動位移和方向的準確性及效率。
文檔編號A61B6/02GK101744628SQ20081022912
公開日2010年6月23日 申請日期2008年11月28日 優(yōu)先權日2008年11月28日
發(fā)明者張建功, 牛杰, 周海華, 于亦剛, 袁文強, 高強, 吳迪 申請人:東軟飛利浦醫(yī)療設備系統(tǒng)有限責任公司