第三节　数字图像形成

一、数字图像采集

数字图像的像素纵横交叉阵列称为图像矩阵。计算机中的图像是一个实数矩阵，其中每一个单元称为像素。一幅灰度连续变化的模拟图像，通过采样后被转换成数字图像。对二维视频图像来说，采样是根据时间进程将空间连续的图像转变成空间离散的图像。为了尽可能真实地表现出原始模拟图像的各个细小部分，要求一幅空间离散的数字图像的像素点越多越好，以便反映出更多的图像细节。一幅图像中包含的像素数目等于矩阵中阵和列的数目乘积，像素的数目与矩阵的行数或列数的平方呈正比，数字图像的矩阵是一个整数值的二维数组。

图像采样是对连续图像在一个空间点阵上取样，也就是空间位置上的数字化、离散化。图像采样的空间像素点阵，并不是随意确定，它首先得满足采样定理，使得采样后的数字图像不失真地反映原始图像信息，这是确定数字图像空间像素点阵数目下限的依据。另一方面，为了追求图像更多的细节和更高的分辨率，人们希望使用更密集的空间像素点阵。但是，每提高一步像素点阵就会使图像数据成倍增加，数字图像成本也提高。同时，空间采样点阵的增加也受到图像数字化前模拟图像视频制式的限制，如50Hz场频的CCIR制式的X-TV视频要求数字图像的空间点阵为512×512，而高清晰度的X-TV每帧图像电视扫描线在1000行以上，数字图像的空间采样点阵为1024×1024。目前，数字图像的空间采样点阵已达到2048×2048。

图像矩阵中的行与列的数目一般是2的倍数，这是由数学系统的二进制特性决定的。构成图像的像素数量越少，像素的尺寸就越大，可观察到的原始图像细节就少，图像的空间分辨率就低。若像素的数量多，像素的尺寸就小，可观察到的图像细节也就多，图像的空间分辨率也就高。在空间分辨率一定的条件下，大图像比小图像需要的像素多，每个单独像素的大小决定图像的空间分辨率。像素数量与像素大小的乘积决定视野，若图像矩阵大小不变，视野范围扩大，图像的空间分辨率则降低。

二、数字图像量化

数字图像的量化就是赋于一幅空间离散后图像中空间像素的数值。在图像的数字化处理中，采样所得到的像素灰度值必须进行量化，即分成有限的灰度级，才能进行编码送入计算机内运算和处理。图像的灰度量化是数字图像的一个重要步骤，由于计算机一般采用二进制，其中每一个电子逻辑单元具有“0”和“1”两种状态，对图像的量化和存储是以这种逻辑单位为基础。数字成像系统的实际量化等级数则由量化过程中实际选用的量化位数所决定。如果采样量化位数为n，图像量化级别数m，则可以表示为：m=2n例如，当n等于8时，m等于256个数量级。

前面讲到图像采样是对连续图像进行空间上的离散，而图像的量化则是把原来连续变化的灰度值变成量值上离散的有限等级。量化后的整数灰度值又称为灰度级（gray level）或灰阶（gray scale），把对应于各个灰度值的黑白程度称为灰标（mark of gray scale）。量化后的灰度级的数量由2N决定，N是二进制数的位数，常称为位（bit），用来表示每个像素的灰度精度。每个像素的灰度精度范围可从1位到8位（256个灰度级），也可从1位到10位（1024个灰度级），甚至更多。图像灰度精度的范围为图像的灰度分辨率，也称图像的对比度分辨率或图像密度分辨率。

模拟视频信号一般是连续电平信号，当进行A/D转换时，希望尽可能用多的量化级来精确表示原来的电平信号，以保持图像不失真。若设想无限量地去增加灰阶数，是一种不切实际的要求。因为模拟信号电路中存在着电子噪声，X线影像中存在着X线光子的量子噪声，两者加在一起，使模拟视频信号本身包含着一定的随机误差。对于任何已知大小的模拟信号的不准确性（噪声），都必须使最小量化级差保持在相同的量级水平，以便在数字转换后不增加信号总体误差水平。对于不同的数字X线成像设备，所能达到的精度水平是不同的，重要的是让成像系统各个部分的参量互相匹配。只有用适当的，有限的灰度级去量化模拟信号，才不会明显增加附加的误差。片面地追求某一参数的高性能，常常是一种浪费，并得不到应有的效果。数字图像与图像矩阵大小密切相关，图像矩阵的大小（像素）一般根据具体的应用和成像系统的容量决定。

三、数字图像转换

数字图像的转换包含模/数转换和数/模转换两个过程。数字图像并不像常规X线照片那样，胶片曝光后经显、定影液处理而成像，它必须经过一个转换过程才能形成影像。数字图像是把扫描或采集期间所收集的数据利用数学方法重新获得的。这种转换是利用模/数（A/D）转换器的电子装置完成，转换器把视频图像的每条线都分成一行像素，测量每个像素信号的电平或者亮度，然后把这些值转换成数字，输入计算机进行处理。

模/数转换是把模拟信号转换为数字形式的信号量化过程，是进行计算机处理的基本步骤之一。模数转换器是把连续的模拟信号分解为彼此分离的信息，并分别赋于相应的数字量级。从数字成像的转换来看，即是把视频影像从“白” 到“黑”的连续灰度分解为不连续的“灰阶”，并赋予每个灰阶相应的数字，模/数转换器产生的灰阶水平数目越大，数字化处理导致的误差就越小。然而，在数字影像的形成中，灰阶水平数不是无限的，数字化样本数也不是无限的，数字化处理中可出现量化误差，使有些数字信息丢失。

数/模转换是将数字化处理的数字图像再转换成模拟影像的过程，以便在显示器显示，供医务人员判读。数模转换实际上是模数转换的逆转，它把二进制数字转换变为视频电压水平，形式视频影像。为了使重建的模拟影像失真度尽可能地小，可通过滤过系统将周围许多点的值加权总和，来填补灰阶的间隙。这样复原的影像显得比未经滤过的影像模糊，但能如实地反映原始影像。

四、数字化图像获取形式

1.过渡方式

主要是指X线平片影像数字化，常采用的方法有：电视摄像机、扫描仪、固态摄像机、图像采集卡等。电视摄像机是将X线平片图像用摄像机进行摄影，像素的大小可通过调节平片至摄像机的距离，调节后的效果可以实时地显示在屏幕上，获取图像的速度快，操作简便，但显示的图像分辨率较低。

扫描仪是用专用设备对X线平片影像进行扫描，采集的图像分辨率较高。由于采集速度较慢，扫描一幅完整的胸片通常需要几分钟，目前仅用有价值的教学片和科研资料。

固态摄像机的核心是电子扫描固态传感器阵列，主要类型有电荷耦合器件（CCD）阵列，电荷注入器件（CID）阵列和光电二极管阵列，是目前平片图像数字化是的一种较好形式，数码相机就属于这种类型。

视频采集卡为所有具备视频输出口的影像设备采用。它分动态和静态两种，动态卡是B超和内窥镜等的主要采集工具，静态卡则可用于CT、MRI等图像的采集。因以插卡形式存在，不占空间，且速度快，能通过软件编程灵活自如地控制，应用较广泛。但所采集的图像比原图像动态范围降低，且图像一经采集，灰度不能调节。

2.间接方式

间接数字化X线图像采集是通过某些媒介（影像增强器、荧光体等），将不可见的X线转换成可见光，再通过光电转换器将光信号转换成电信号，经模/数（A/D）转换器把电信号变成数字信号，再送入计算机进行数字化处理。它可分为计算机X线摄影（computed radiography，CR），影像增强器—电视（Ⅱ-TV）系统，碘化铯非晶硅探测器（panel semiconductor sensor imaging）系统和CCD平面传感器（CCD panel sensor imaging）系统。

CR是目前一种比较成熟的数字化X线摄影技术，它的关键部件是影像板（image plate，IP），它由保护层、成像层、支持层和衬层构成。成像层中含有微量二价铕离子的卤化钡晶体，晶体层内的化合物经X线照射后将接受的X线能量以潜影的方式储存于晶体内，成为模拟影像。随后用激光束扫描带有潜影成像板时，可以激发储存在晶体内的能量，使之发出荧光，经光电二级管、A/D转换器变换为数字信号，再反馈入计算机和数字图像处理系统。

影像增强器-电视系统（Ⅱ-TV）是最为普及的一种数字荧光成像技术，目前使用的数字减影血管造影（Digital Subtraction Angiography，DSA）、数字化透视、数字化胃肠道检查均属这种数字荧光成像技术。影像增强器由输入屏、光电阴极和输出屏组成。输入屏由量子检测率（DQE）较高的碘化铯构成，它吸收X线后产生可见光光子，这些光子撞击输入屏邻近或直接接触光电阴极使之释放光电子。光电子被影像增强器的阳极高压电场加速朝向输出屏高速撞击，其结果被输出屏转换成比输入屏强度大得多的可见光，再用摄像机扫描数字化。

碘化铯非晶硅平板探测器上层是碘化铯闪烁体层，它将X线转换为可见光；然后由光电二极管阵列将可见光转换为电信号；再由读出电路读出各个像素产生的信号，并进行量化后送入计算机处理成像。

CCD平面传感器是一种光敏半导体器件，在光照条件下能够产生电子电荷，并存储其中。这些电荷在序列脉冲驱动下可以按规定方向转移，形成数字图像。

3.直接方式

直接数字化X线图像采集主要有非晶硒平板探测器和多位正比电离室。

非晶硒平板探测器主要是非晶硒层，入射的X线光子在非晶硒层激发出电子-空穴对（电荷潜影），电子和空穴在偏置电压作用下反向运动并传到下层的薄膜晶体管（TFT），形成电信号，电信号的大小与X线投射密度呈正相关。电荷暂存在电容内，将电脉冲（约13V）加到TFT门极，TFT导通，便把存储于漏极的电荷读出至数据读出线，后被数据放大器（电荷放大器）放大，经A/D变换形成对应像素的数字图像信号。

多丝正比电离室是70年代初发展起来的一种核物理探测器，它由许多独立的正比计数管组成，对电离电荷有放大作用，各个金属丝上收集的电荷正比于其附近的初始电荷，即正比于该处的X线的入射强度。从X线管发出的圆锥扇形X线束，经水平狭缝形成平面扇形X线束，通过人体射入水平放置的多丝正比室窗口。机械扫描系统使X线管、水平狭缝及多丝正比室沿垂直方向作均匀的同步运动，到新的位置后再作一次水平检测记录，如此重复进行。从上到下就完成一幅数字X线图像的获取。多丝正比电离室扫描X线机是直接将电离辐射转换为电信号后进行数字化图像处理。