鄧邦肯，朱鋒煒，王茗祎，羅佳雄，翁嘉瞬，羅曦，張夢嬌，吳淋昌，柳錦銘，曾亞光，韓定安

（佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 物理與光電工程學(xué)院，廣東 佛山 528225）

0 引言

《光電信息與技術(shù)實驗》是光電信息科學(xué)與科學(xué)專業(yè)本科生所必修的實驗課程，課程主要涵蓋光學(xué)和電子兩學(xué)科內(nèi)容，具有實踐性強、專業(yè)性強、難度較大的特點。但是該實驗課程綜合性欠缺、經(jīng)濟性與創(chuàng)新性明顯不足，學(xué)科壁壘嚴重，窄化了工程人才的知識體系。為此，在該專業(yè)實驗中加入多學(xué)科融合，綜合性強，與產(chǎn)業(yè)聯(lián)系緊密，難度相對低的實驗十分必要[1]。這一課程改革符合新工科建設(shè)與發(fā)展的基本思路，打破了學(xué)科壁壘，可以為培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實、工程能力強、綜合素質(zhì)高的工程人才所服務(wù)[2]。光學(xué)血流造影實驗是基于科研成果開發(fā)的一個綜合性實驗[3-5]，實驗涉及了光學(xué)、生物、電子、機械、計算機、數(shù)學(xué)等多學(xué)科內(nèi)容。所涉及的技術(shù)可用于生物醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域，應(yīng)用性強。為降低實驗難度，提高實驗的可操作性，論文開發(fā)了基于Matlab GUI的光學(xué)血流圖像處理實驗平臺，學(xué)生可以通過該平臺完成實驗結(jié)果演示與數(shù)據(jù)處理。此外，學(xué)生還可在該平臺的基礎(chǔ)上，進一步加入自編模塊。

圖1 光學(xué)血流造影實驗平臺結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure block diagram of optical hemodynamics experimental platform

1 實驗平臺簡介

實驗平臺利用Matlab GUI設(shè)計了光學(xué)血流造影成像的交互式圖形界面，該界面分為血流成像、血流監(jiān)測以及血流圖像處理3大模塊。實驗平臺整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。血流成像界面可以實現(xiàn)從原始散斑圖像到血流造影圖像的轉(zhuǎn)換，該界面包含相機參數(shù)設(shè)置區(qū)、血流信號提取窗口設(shè)置區(qū)、圖像顯示區(qū)和運行控件區(qū)4個區(qū)域。血流監(jiān)測界面可以將原始散斑圖像轉(zhuǎn)換成血流動力學(xué)變化監(jiān)測視頻，該功能在臨床醫(yī)學(xué)監(jiān)測方面具有較高的應(yīng)用價值。血流圖像處理界面可以改變血流圖像的對比度，為血流圖像進行背景分割、中線提取以及邊緣檢測。該界面的功能主要是對血流數(shù)據(jù)進行形態(tài)學(xué)分析。

2 實驗平臺設(shè)計

在血流圖像處理實驗平臺的設(shè)計中，每個模塊的界面設(shè)計都包含2個步驟，即GUI界面的設(shè)計和回調(diào)函數(shù)的設(shè)計[6,7]。以 Matlab 用戶界面提供的不同控件為基礎(chǔ)，對界面進行設(shè)計；根據(jù)所需實現(xiàn)的功能，對控件所對應(yīng)的函數(shù)進行編程，實現(xiàn)回調(diào)函數(shù)的設(shè)計。

2.1 主界面設(shè)計

該實驗平臺的主界面設(shè)計包括引導(dǎo)界面和一級界面兩部分。如圖2（a）所示，實驗平臺軟件開始時，首先顯示的為引導(dǎo)界面。點擊引導(dǎo)界面上的“啟動程序”按鈕進入一級實驗界面；點擊“關(guān)閉界面”按鈕，則實驗平臺軟件系統(tǒng)關(guān)閉。如圖2（b）所示，一級實驗界面包含軟件說明、血流成像按鈕、血流監(jiān)測按鈕，血流圖像處理平臺按鈕和返回界面按鈕5部分。

2.2 子界面設(shè)計

圖 2 主界面圖Fig.2 Main interface diagram

圖3 血流圖像處理平臺界面設(shè)計Fig.3 Interface design of blood flow image processing platform

血流圖像處理實驗平臺分為血流成像、血流圖像處理和血流監(jiān)測3部分。其中，血流圖像處理又包括血流圖像對比度調(diào)節(jié)、血流圖像背景分割、圖像中線提取以及邊緣提取4項功能。子界面的每個控件都包括初始函數(shù)、回調(diào)函數(shù)和輸出函數(shù)3個重要的結(jié)構(gòu)代碼。其中，初始函數(shù)用于設(shè)定控件參數(shù)初始值，對于有初值要求的操作可以根據(jù)需求進行設(shè)定。回調(diào)函數(shù)是整個控件的核心函數(shù)，所有對控件進行響應(yīng)的操作均在該函數(shù)中完成，其主要包括算法、調(diào)用函數(shù)以及具體操作代碼等。輸出函數(shù)用于返回并顯示運行結(jié)果和數(shù)據(jù)信息。

以血流圖像處理平臺為例，介紹實驗平臺子界面設(shè)計過程。血流圖像處理的界面設(shè)計如圖3所示。按照設(shè)計思路在GUI編輯界面中添加相應(yīng)的控件，即添加2個坐標軸對象、5個編輯文本框、6個靜態(tài)文本框、6個顯示面板和9個按鍵。2個坐標軸對象分別用于顯示采集的原始圖像和光學(xué)血流造影圖像。只要點擊“讀取文件”按鈕，選擇原始數(shù)據(jù)路徑，再點擊“運行”按鍵，就能顯示光學(xué)血流造影圖像。此時，原始數(shù)據(jù)像素尺寸和幀率均顯示在子界面中。在此基礎(chǔ)上，可以進行血流圖像對比度調(diào)節(jié)、背景分割，中線提取，邊緣檢測4種圖像處理。

對比度調(diào)節(jié)界面：點擊血流圖像處理平臺界面中的“對比度調(diào)節(jié)”按鈕，可以進入血流對比度調(diào)節(jié)界面見圖4（a）。在該界面中，可通過滑動滑塊調(diào)節(jié)閾值和對比度次數(shù)，進行圖像對比度的調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)結(jié)果顯示在效果圖位置處。該界面中還加入了“負片效果”和“效果數(shù)據(jù)”，以輔助使用者選取最優(yōu)對比度閾值。點擊“負片效果圖”按鈕，可以獲得血管圖像凸顯的負片效果圖；點擊“效果數(shù)據(jù)”按鈕，界面將彈出一個調(diào)節(jié)對比度后的效果圖，用戶可以在彈出的窗口中查看圖片任意坐標處的數(shù)據(jù)值。

圖4 圖像處理Fig.4 Image processing

對比度調(diào)節(jié)的原理運用了自適應(yīng)對比度增強（ACE）算法，用該算法后其整體對比度得到很大改善，能夠弱化或濾除背景噪聲信號。ACE算法采用了反銳化掩模技術(shù)，具體來說就是將圖像分割為不同對比度的兩塊區(qū)域：低頻區(qū)域通過對圖像進行低通濾波的方法獲取，高頻區(qū)域用圖像除去低頻部分的方法獲取。而后來求解對比度增益系數(shù)CG，使用該系數(shù)增強高頻部分，最后將增強的部分圖像與其他部分圖像組合[11,12]。

圖像背景分割界面：在GUI編輯界面中添加2個坐標軸對象、1個編輯文本框、1個滑塊、3個顯示面板以及3個按鍵。啟動背景分割程序后，坐標軸對象上顯示已調(diào)節(jié)對比度的血流圖像；滑動滑塊調(diào)節(jié)灰度線性拉伸閾值，其閾值將顯示在對應(yīng)的編輯文本框內(nèi)；而后點擊“運行”按鈕，背景分割后的效果圖將顯示于坐標軸對象上。“運行”按鈕的回調(diào)函數(shù)里含有中值濾波和灰度非線性對數(shù)變換算法。點擊“保存結(jié)果圖”按鈕保存背景分割后的效果圖；點擊“返回”按鈕，關(guān)閉背景分割界面，返回血流圖像處理平臺界面。

在對比度調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)使用者可對圖像進行二值化處理，以達到背景分割的效果。二值化處理采用的是最大類間方差法求閾值法[8]。圖像背景分割的程序內(nèi)的兩個前期圖像處理算法，中值濾波和灰度非線性對數(shù)變換。中值濾波是基于排序統(tǒng)計理論的一種能有效抑制噪聲的非線性信號處理技術(shù)，即能抑制圖像背景的噪聲[9]。中值濾波的基本原理是把數(shù)字圖像或數(shù)字序列中一點的值用該點的一個鄰域中各點值的中值代替，讓周圍的像素值接近真實值，從而消除孤立的噪聲點。灰度非線性對數(shù)變換，主要用于將圖像的低灰度值部分擴展，將其高灰度值部分壓縮，以達到強調(diào)圖像低灰度部分的目的[10]，從而增強圖像中的血管。用中值濾波和對數(shù)變換后，能濾掉背景噪聲，防止二值化函數(shù)將背景噪聲當(dāng)成血流信號，影響圖像效果。

中線提取界面：在GUI編輯界面中添加1個編輯文本框、1個滑塊、2個坐標軸對象、3個顯示面板以及3個按鍵。啟動中線提取的程序后，滑動滑塊調(diào)節(jié)中線提取閾值，點擊“運行”按鈕，經(jīng)中線提取后的效果圖就顯示于坐標軸對象上。中線提取前對圖像進行開運算，中線提取后再對圖像進行閉運算[13]。

邊緣檢測界面：在GUI編輯界面中添加1個編輯文本框、1個滑塊、2個坐標軸對象、2個復(fù)選框、3個顯示面板以及3個按鍵。啟動邊緣檢測的程序后，坐標軸對象上顯示經(jīng)邊緣檢測后的血流圖像，滑動滑塊可調(diào)節(jié)邊緣檢測閾值。本程序還設(shè)定了自動閾值檢測，點擊自動閾值復(fù)選框，將進行自適應(yīng)邊緣檢測，其閾值將顯示在其對應(yīng)的編輯文本框里。點擊“運行”按鈕，邊緣檢測后的效果圖將顯示于坐標軸對象上。

圖5 血流圖像處理實驗平臺界面Fig.5 Interface of blood flow image processing experimental platform

3 實驗平臺運行結(jié)果實例

以小雞胚胎血流數(shù)據(jù)為例，描述實驗平臺運行結(jié)果。血流圖像處理實驗平臺界面如圖5所示，讀取采集的原始數(shù)據(jù)后，顯示讀取的原始小雞胚胎血流圖像和經(jīng)血流成像算法處理而得的血流造影圖像。在此界面可點擊對比度調(diào)節(jié)，拉動滑條選取適宜的閾值并點擊“運行”按鈕，可得到調(diào)節(jié)對比度后運行結(jié)果見圖6（a）。經(jīng)對比度調(diào)節(jié)后，血流信號強度較弱的毛細血管將從背景中凸顯出來。背景分割運行結(jié)果見圖6（b）。這一功能可用于血管形態(tài)學(xué)提取，繼而分析血管的直徑、微循環(huán)系統(tǒng)分布等信息。

在對比度調(diào)節(jié)和圖像背景分割的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)還可以實現(xiàn)血流中線提取和邊緣提取兩項操作。圖6（c）和圖6（d）分別為小雞胚胎血流中線提取和邊緣提取的結(jié)果。該結(jié)果作為血管分布密度計算的依據(jù)。此外，在進行血流速度測量、血流流向判定時，可根據(jù)中線提取結(jié)果進行血流定位，繼而提高計算的準確性。

圖6 小雞胚胎血流圖像處理結(jié)果圖Fig.6 Image processing results of chicken embryo blood flow

4 結(jié)語

基于Matlab GUI的光學(xué)血流圖像處理實驗平臺的開發(fā)有效地輔助了光學(xué)血流造影實驗的進行，該實驗平臺既能直觀地顯示血流成像實驗結(jié)果和血流動態(tài)監(jiān)測結(jié)果，又能進一步地顯示多項圖像處理結(jié)果。實驗平臺運行實例顯示，圖像處理算法可以有效地提高圖像對比度，將血流與背景進行分割。圖像處理模塊還具有血流中線提取，邊緣檢測等功能。此外，該實驗平臺可以促進拓展式教學(xué)開展，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性。學(xué)生既可自主調(diào)節(jié)圖像處理相關(guān)參數(shù)，理解相關(guān)參數(shù)與結(jié)果的關(guān)系；又可自行編譯程序，豐富實驗平臺，參與實驗教學(xué)改進。