[科普中国]-图像分析系统

理解

图像分析系统是指用于图像测试、图像处理及分析的仪器、设备和方法。 粗略地说，图像是任一二维或三维景物呈现在人们心目中的影像。更确切地说，图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得的，可以直接或间接作业于人眼并进而产生视知觉的实体。1

物理图像是物质或能量的实际分布。它既包括各种波长的电磁波强度的空间分布不同所构成的图像，如可见图像中的光学图像子集等；也包括如温度、压力、高度以及人口密度等等 所构成的不可见物理图像子集。1

图像的另一个子集是抽象的数学图像，即用数学函数代表的图像，它包括了连续型与离散型 (即数字图像)两大类。1

在所有各类图像中，只有数字图像是可以被计算机直接处理的图像。

发展过程图像分析系统是随着科学技术发展的要求而发展起来的。促使它的发展有3个主要因素:1

(1)量和质的关系越来越被人所重视。 这些量的测定往往是难度大、数量多，靠人工测量不仅要花费很多时间 , 而且又难以达到一定的精度。 例如: 细胞密度的分 布、细胞的定性分类、染色体的配对等，都需要求助于仪器。

(2)“体视学”的发展。所谓“体视学”就是由二维图像来解释三维图像的一门科学。显然单靠一个平面的值不能解释和它有关的三维信息，而只有进行大量的统计测量 ,经过一定的几何关系转换，才能有效地解释三维空间的量。 而这统计的量往往是上百个，甚至是上千个值，这又需要求助于仪器。

(3)计算机技术的迅猛发展及计算机价格的不断下降。 从1946年第一台计算机诞生至今，经历了四个发展阶段 ,形成目前运算速度快、计算精度高、记忆能力强、高度自动化等特点，并正向着微型化、网络化发展，计算机的发展极大地促进了图像分析系统的测试功能、速度、精度及自动化程度的大幅度提高。

结构和原理一般图像分析系统由下面几个部分组成：图像源、图像采集、图像处理和分析、图像存储、图像通信、图像显示。1

图像源是一般的显微镜和宏观仪，或者是扫描电子显微镜和透射电镜，也可以是电视等成像设备。在显微镜观察，往往一个视场是不够的，要求多个视场，所以又配备有自动步进移动的载物台和自动聚焦装置 根据不同的要求还可以在显微镜部分附加各种不同的配件，如暗场、偏光、滤光片等。1

宏观仪主要是由一组灯源和一个带透镜的扫描器组成，工作原理和显微镜一样。把照片或负片通过灯光照，反射或透射到扫描器上，进行光电转换成电信号，输入到仪器中去。所用的样品，在宏观仪上可以是照片，也可以是负片。在显微镜上可以是反射样品，也可以是透射样品。但因为测量是通过光电转换后的电信号，所以要求所测样品干净，其图像和背底之间要有一定的衬度。1

图像采集可采用电荷藕合器件照相机、带有视像管 (Vidicon)的视频摄像机和扫描仪(Scanners)等。这些器件均称为数字化器，它能将 (模拟 )电信号转化为数字 (离散 )的形式。1

图像处理和分析(1)图像处理着重强调在图像之间进行变换。主要是指图像进行各种增强以改善图像的视觉效果并为自动识别打基础 ,或对图像进行压缩编码以减少对其所需存储空间或传输时间、传输通路的要求。这是“图像→图像”的变换 ,输入的是图像，输出的还是图像。1

对图像进行增强的一般方法有: 阴影校正、灰度变换、图像锐化、图像平滑等，下面做一些简单介绍：1

①阴影校正 ( Shading Corrected ) 往往由于图像源的光照不均匀，显微镜透镜组的球差、消色差，样品背底各点的反射或透射强度不一等系统光路不均匀性，给测量带来了由于背底灰度不均匀而产生的误差。这些通常称为“阴影”，它会影响被测对象的数值，因此必须进行校正。阴影校正常采取测定空白部分数值 (相片中的空白纸 ,切片中无标本的玻片部分)，把它存入计算机，以便自动扣除校正。

②灰度变换 (Transformation) 在原有灰度数值，每个像素的灰度经计算机按不同的计算公式增减，如可以使灰度转变为倒数 (Invert) ，图像黑白影像对调，也可用对数或指数的计算，改变或扩大灰度级差，使像素灰度级差增加或缩小，使其达到预定的目的。

③图像锐化 (Sharpening ) 用于去掉引起图像质量低下原因之一的“模糊” ，并把图像变得轮廓分明。图像模糊是由于高频成分比低频成分弱这一原因造成的。这一影响表现在灰度均匀区域间的边界部分 (边缘)，因此，消除模糊可以增强高空间频率的成分。 使用高通滤波器即可达到这一目的。 但高频增强滤波不仅使有用的信息增强 ,而且噪音也同时被增强，所以不能随意地使用这种方法。

④图像平滑 ( Smoothing ) 图像中包含着多种噪音，根据噪音具有的一般性质来消除噪音。通常有三种算法: 移动平均法、中值滤波法和有选择的局部平均法。最常用的是中值滤波法，这是把局部区域各像素的灰度从小到大顺序排列，取位于正中的那个像素的灰度值作为输出灰度值。

(2) 图像分析主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量 ,以获得它们的客观信息，从而建立对图像的描述。 这是“图像 描述”的过程，输入的是图像，输出的是对图像的描述。1

检测就是用图像分割 ( Segmentation)的方法将所要测量的特征物提取出来而取掉作为背影的特征物。常用的图像分割的方法有: 阈值法、边缘检测法、线检测、区域分割等。

特征物提取出来后，就可以进行测量，最基本的测量参数包括有颗粒数、坐标、面积、面积百分数、周长、最大径、最小径、圆形因子、图像的取向等形态几何及区域几何特征参数 ,它们可以反映组织细胞的形态区域的变化;还包括有平均灰度、平均光密度、积分光密度等参数，它们可以反映组织细胞被染色的深浅 ,并可以体现组织细胞被染色物质的化学成分。1

(3)图像存储: 图像包含有大量的信息 ,因而存储图像需要大量的空间。在图像分析系统中 ,需要有大容量和快速的图像存储器。 计算机内存就是一种提供快速存储功能的存储器 ,目前一般微型计算机的内存常为几十M byte(兆字节 )；磁盘是另一种比较通用的在线存储器，它的一个特点是需要经常读取数据，目前常用的 Winchester磁盘已可存储多个G byte(吉字节 )的数据，还常用磁光存储器，它可在英寸的光片上存储 G byte的数据。1

(4)图像通信: 近年来随着信息高速公路的建设，各种网络的发展，使不同的系统可以共享图像数据资源，从而推动了图像在各个领域的广泛应用。图像通信可分成近程图像通信和远成图像通信。近程图像通信主要指在不同设备间交换图像数据;远程图像通信主要指图像系统间传输图像。1

(5)图像显示: 常用图像分析系统的主要显示设备是电视显示器、可以随机存取的阴极射线管(CRT)和各种打印机等，它们均可用于图像输出和显示。1