几种OCT图像散斑降噪算法的研究与比较

2015-02-27姚芦鹬余桂英张宝武

中国计量大学学报 2015年3期

关键词：维纳滤波散斑泡沫塑料

姚芦鹬,余桂英,张宝武,毕凯,王毅

(中国计量学院计量测试工程学院,浙江杭州 310018)

几种OCT图像散斑降噪算法的研究与比较

姚芦鹬,余桂英,张宝武,毕凯,王毅

(中国计量学院计量测试工程学院,浙江杭州 310018)

为了探究光学相干层析技术(optical coherence tomography,OCT)中图像散斑的降噪处理方法,以提高图像质量,于是采用猪胃和泡沫塑料管为对象,对比研究了中值滤波、维纳滤波、小波滤波和各向异性扩散法对OCT图像散斑的降噪效果,并且通过信噪比(SNR)、等效视数(ENL)和散斑指数(Speckle-index)三个指标评价去噪效果,以此来弥补视觉对比的不足.结果表明,各向异性扩散算法不仅对OCT图像的散斑噪声具有最好的降噪效果,而且也较有效地保持了图像边缘信息.

光学相干层析技术;散斑噪声;降噪算法

光学相干层析成像技术(OCT)是一种基于光的低相干特性对样品组织内部微观结构进行高分辨率断层成像的技术,该技术的核心是利用迈克尔逊干涉仪,对生物组织进行空间上的扫描成像,具有高分辨率、无接触、无损伤和实时测量的特点.该技术最初在1991年,由David Huang[1]用来对生物组织成像,获得了人眼视网膜微结构和冠状动脉壁结构图像,目前不仅在眼科、牙科等临床诊断上有所应用,而且已拓展至工业检测领域.

由于OCT是一种高分辨率成像技术,对环境变化和信号获取过程要求较高,因此在获得图像时,不可避免地会受到噪声污染,不利于后续图像的准确判断.又由于OCT特殊的成像原理——基于相干探测的技术,致使散斑噪声[2]成为其主要的噪声来源.散斑噪声是由具有随机相位的散射光波相干叠加产生,散斑噪声使图像像素振幅随机分布,产生的粒状分布结构造成图像的细微特征变得模糊,不利于医疗诊断.

现在国内外对散斑处理的研究主要基于两个方面:一是对成像系统设备的改进,即所谓的硬件处理;二是成像后对数字信号或数字图像的后续处理,即软件处理.

硬件方面,OCT的成像质量与光源、数据采集速度、扫描速度等性能参数有关.但改造硬件在一定程度上会增加整个系统的成本，且由于成像原理等因素不能够完全改善图像质量.因此用图像处理方法对图像进行预处理成为OCT技术研究的一个重要方向.

在图像处理方面,中值滤波、维纳滤波、小波滤波和各向异性扩散法是四种成熟的图像处理算法,在实际图像去噪中占有重要位置.虽然它们在OCT散斑降噪方面也被利用到,但哪一种算法能获得较好的散斑去噪效果是一个值得探讨的问题.为此,本文将以猪胃和泡沫塑料管为对象,对比研究上述四种方法对OCT图像散斑降噪的效果,并且通过信噪比(SNR)[3]、等效视数[4](ENL)和散斑指数[5](Speckle-index)三个指标将降噪效果数值化,从而弥补了图像视觉对比的不足并具有较高可靠性.

1 算法简介

由文献[6]知,中值滤波是1971年由J.W.Tukey提出的概念.它是一种在滤除噪声方面有良好效果的非线性信号处理技术,对椒盐噪声的去除非常有效.在某些条件下可以做到既去除噪声又保护图像边缘,因此得到广泛应用.它的思路是把数字图像中每一点的值用它的邻域中各点值的中值代替通过这个过程能够对孤立的噪声点进行有效的消除.

由文献[7]知,维纳滤波是由Norbert Wiener提出，在保护图像的边缘方面,它比类似的线性滤波具有更强的选择性并且可以保护闭合点的形态.它的原理是:估计每个像素的局部均值和方差从而实现图像的自适应去噪.其中均值和方差分别为:

(1)

(2)

式(1)中S为图像中每个像素的M×N领域,维纳滤波估计值为

(3)

式(3)中,δ2是噪声方差,如果没有给出,则自动以所有局部估计方差的均值代替.

小波变换[8]是20世纪80年代中后期逐渐发展起来的,可同时进行时域和频域分析,具有时频局部化和多分辨率特性.小波分析能有效地区分信号中的突变部分和噪声,从而实现信号中的噪声消除.其原理如下:

(4)

其逆变换为

(5)

式(5)中:a—伸缩因子,它不仅影响时频窗口在频率轴上的位置,还影响窗口的大小;b—平移因子,它影响窗口在相平面时间轴上的位置.

各向异性扩散算法(AD)由Perona和Malik[9]于1990年提出,是一种非线性算法,拥有良好的降噪和边缘保留效果,在图像压缩和其他算法预处理上有很广泛的应用.其数学表达式如下:

∂I(x1,t)/∂t=▽·[c(x1),t]▽I(x1,t);

(6)

c1(x1,t)=exp[-(|▽I(x1,t)|/k)2];

(7)c2(x1,t)=1/{[|▽I(x1,t)|/k]1+α+1},α>0.

(8)

式(6)～(8)中:I(x1,t)—图像信号;x1—图像坐标轴;t—迭代数;c1(x1,t)、c2(x1,t)—扩散函数;k—扩散因子随图像梯度幅度单调递减情形,k可根据需要选择.

2 试验结果及算法比

为了对OCT图像处理效果作比较,分别对猪胃和泡沫塑料管OCT图像作了实验处理.图1

图1 猪胃OCT图像Figure 1 OCT image of pig stomach

为猪胃样品的横向环形扫描图像,正中间的圆孔为内窥镜探头位置;图2为泡沫塑料管的纵向扫描图像,中间黑色条纹是探头扫过的路径.实验所用的OCT为扫频OCT,其中,扫频光源的中心波长为1 310 nm,总带宽为100 nm.从两种样品的图像中可以看到,由于存在较密集的散斑噪声污染,图像有很强的沙粒感,以致模糊不清.

图2 泡沫塑料管OCT图像Figure 2 OCT image of foam plastic pipe

为此,我们首先进行了灰度处理,然后分别采用前文所述的四种方法对其进行降噪.分别如图3(b)～(e)和图4(b)～(e).其中,维纳滤波的窗口取为4,各向异性扩散算法的梯度阈值k值取40.

图3 猪胃OCT图像处理结果Figure 3 Processing result of pig stomach

图4 泡沫塑料管OCT图像处理结果Figure 4 Processing result of foam plastic pipe

从处理结果中可以看出,四种方法都使图像起到了一定的降噪效果,散斑的数量和面积相对于原始图像都在一定程度上减小了.

为了对各种去噪方法进行更细致、定量地比较,本文以信噪比(SNR)、等效视数(ENL)和散斑指数三个评价指标相结合的方式来综合衡量四种算法的降噪效果.信噪比是用于比较被评价图像与原图像质量的参数,信噪比的数值越大,图像中的散斑噪声越小,图像质量越好.等效视数越大,表示图像上的相干斑越弱.散斑指数用来评价对散斑的抑制能力.散斑指数越小,表示图像受散斑的污染越少.三者的定义如下:

SNR=10log10[max(S2)/σ2];

(9)

(10)

(11)

表1和表2为这三个评价指标下,四种方法的降噪效果,其中表1为猪胃的指标,表2为泡沫塑料管的指标.

表1 不同算法处理猪胃OCT图像的各项指标

表2 不同算法处理泡沫塑料管OCT图像的各项指标

由表1和2可以看出,不管对象如何,灰度图像的SNR和ENL都是最低的,Speckle-index最高,说明灰度图像中散斑噪声含量最高.而从三项指标的对比中可以得到,不管对象如何,各向异性扩散算法在SNR值尤其是Speckle-index上胜出,说明经过它处理的图像质量优于其他三种方法,且散斑噪声含量最少.在ENL这一项,对于猪胃图像,各向异性扩散算法是大于其他方法的,对于塑料管图像,维纳滤波与各向异性扩散法相当.综合各项指标来看,各向异性扩散算法对散斑噪声的抑制效果最好.

3 结语

本文以猪胃和泡沫塑料管OCT图像为对象,在灰度处理的基础上研究了中值滤波、维纳滤波、小波滤波、各向异性扩散四种降噪方法.对两种样品的降噪效果,同时利用信噪比(SNR)、等效视数(ENL)和散斑指数(Speckle-index)三个评价指标相结合的方式对四种算法的降噪效果进行了定量分析,弥补了图像视觉对比的不足,具有较高的可靠性.综合各项指标来看,各向异性扩散算法对散斑噪声的抑制效果最好.

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Comparison of several speckle reduction algorithms of OCT images

YAO Luyu, YU Guiying, ZHANG Baowu, BI Kai, WANG Yi

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

To explore the methods to suppress speckle noise in the Optical Coherence Tomography technology (OCT) and to improve the quality of the image, OCT images of pig stomachs and foam plastic pipes were processed with several common noise suppression algorithms including median filtering, Wiener filtering, wavelet filtering and the anisotropic diffusion method. To make up for the inadequacy of visual contrast, the indices of signal to noise ratio(SNR), the equivalent number of looks (ENL) and the speckle index were used to quantitativly analyze the effect of noise reduction. The results show that the anisotropic diffusion algorithm not only has the best noise reduction effect on the speckle noise of OCT images, but also maintains the edge information effectively.

optical coherence tomography; speckle noise; noise reduction algorithm