基于MatlabGUI的医学灰度图像伪彩色增强判读系统

摘 要：针对医学图像中灰度图像病灶细节难以快速准确判断的缺点，伪彩色化处理可显著提高图像的视觉阅读性，满足医学专业判读需求。采用Matlab图形用户界面设计的灰度图像伪彩色增强判读系统，能够实时调节RGB三色通道参数，实现X光片、CT等医学灰度图像伪彩色处理，实验证明余弦灰度变换函数能够取得较好效果。

关键词：伪彩色；Matlab GUI；图像增强；余弦算子

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.16.108

1 引言

目前B超成像、计算机断层扫描成像（CT）、X射线成像、磁共振成像（MRI）等医学领域获得的原始图像多为灰度图像，常用8位256个灰度级或16位65536个灰度级表示，分辨率已经相当高，但是人眼能够识别的灰度级数却仅几十个，这在灰度差别很小的情况下，图像判读人员无法快速准确地发现病灶或奇异点，信息识别量损失很大，而人眼对色彩的识别却多达上千种，因此，把一副灰度图像转换为一副彩色图像能够大大提高其信息识别率和判读乐趣，这种灰度图像伪彩色化的方法在医学领域有着极为重要的应用价值。

灰度图像伪彩色化增强方法主要有密度分割法、灰度-彩色变换法、频率域滤波法[1-4]，本文基于Matlab图形用户界面GUI，采用灰度-彩色变换法设计了一种医学灰度图像伪彩色增强判读系统，该系统采用了余弦函数对色彩变量进行灰度调节，能够对获取的各类灰度图像进行变色增强，细节识别能力强，色彩效果好，而且实时可调。

2 系统总体设计

Matlab凭借数据处理能力强、函数明了易用、模型构建方便等特点，在我国各大学院校和科研院所得到了广泛的应用，成为了本科生、研究生进行科研数据处理的有力工具，其图形用户界面GUI具有良好的界面程序开发能力，较V++和C++等传统程序编写直白，图像处理色彩效果好。

GUI界面设计有两种方案，可以采用M文件编写完成，也可以采用Matlab自带的GUI（Graphical User Interface）图像用户界面设计向导完成，下面采用MatlabR2014a版本，选择第二种方案进行程序界面设计。

（1）安装并运行Matlab，在“主页”菜单中选择“新建”子菜单里面的“图形用户界面”，在GUIDE的4个界面类型中选择需要的界面窗口，选择默认的BlankGUI，打开后即可用鼠标拖曳左边的控件进行程序界面布局。

（2）界面设计。界面窗口是图形文件，定义为weicaise.fig。根据真彩色图像成像原理，人眼的视网膜把不同波长的入射光混合后整体成像，但研究中一般把视神经仅简化为红、绿、蓝三个色彩通道接收器，大脑根据这三个单色通道的灰度值按比例进行合成成像[5-7]，因此设计RGB三通道伪彩色化图像处理具体流程框图如图1，并根据流程选择需要的控件。这里参数设置即可以采用滚动条实时调節，也可以在文本框输入通道参数直接输出伪彩色图像，控件在weicaise.fig中的布局如图2。

（3）M文件代码的编写，主要是各控件的回调函数Callback和界面初始化函数OpeningFcn。在应用程序的界面设计好后，在weicaise.fig窗口点击“运行图形”按钮即可自动产生界面对应的M文件，其中回调函数是M文件代码编写的关键点，它是对程序界面中相应各控件触发事件处理的响应函数。初始化函数则需要根据实际情况进行设定，可对全局性的参数初始值进行处理。

（4）运行程序仿真。可直接运行M文件，也可在图形用户设计界面打开工具菜单运行或直接点击三角运行按钮，在输出的运行界面窗口中打开灰度图像，设置调节参数得到伪彩色化增强图像。

（5）生成EXE独立可执行文件。安装和调用编译器，在Matlab命令窗口运行mbuild –setup和mex –setup指令，选择编译器，再运行编译器mcc -m weicaise命令。把生成的可执行文件weicaise.exe和Matlab安装目录路径下的MCRInstaller打包存在一起即可在一般的电脑上运行。

3 程序设计

GUI界面运行后，会自动在weicaise.fig文件所在文件夹内生成相应的M文件weicaise.m，根据各控件字段的属性和程序功能的需要，编制M文件内部的有关函数，除下面给出的函数都是需要添加语句修改外，其它函数不必修改。在每个通道的灰度变换中，首先采用余弦函数对图像灰度进行非线性变换，并且把色彩R、G、B变量至于分母，用于调节分子中的图像原灰度值，大大提高了其调节速率。

（1）编写界面初始化函数

这里把读入的灰度图像作为整个窗口的共享数据。

（2）编写滑块回调函数

这里仅给出了一个滑块回调函数的添加语句，其它两个色彩滑块的添加语句基本相同，只是赋值的变量不同。因滑块返回值范围为0-1，因此通过滑块设定的值都乘以255，并把该值传送到文本框显示，文本框中获得的无符号字符型数据转换为Matlab默认的双精度浮点型数据，最后通过三色通道合成输出彩色图像。

滑块设置的参数能够立即在函数内部图像输出语句响应，达到了伪彩色化实时操作的效果。

（3）编写原图按钮回调函数

打开的图像文件支持BMP、JPEG、TIF等常见图像格式，可以是灰度图像，也可以是彩色图像，图像类型没有特殊限制，打开的图像数据通过setappdata函数设置为全局变量供系统其它地方调用。

（4）编写输出伪彩色图按钮回调函数

（5）编写退出按钮回调函数

4 运行结果

编写好M文件后，对X光片和CT光片灰度图像进行增强处理。

可以看出，设计的Matlab GUI图像增强判读系统能够对医学灰度图像进行变色增强处理，效果较好，能够实时调节通道变量参数，从而使得灰度图像的典型细节或特征突出显现，方便了医学工作者对病灶的判读，具有较好的参考应用价值。

5 算子选择

灰度-彩色变换法可采用的灰度变换函数有很多，有线性变换和非线性变换。线性变换增强效果有限，且效果不好，主要采用分段线性变换，这里不做介绍和对比。非线性变换常用的函数有对数、余弦、指数函数。下面对同一副医学CT光片进行处理，在文本框设定参数为R=50，G=120，B=80，并采用“输出伪彩色图”按钮输出图像进行伪彩色视觉效果对比，左图为d（i，j）=50时红色通道灰度在0：255区间的变换情况。

（1）对数变换。这时每个通道可采用对数函数代替余弦函数，以红色通道为例，对原灰度值d（i，j）处理可表示为：I（：，：，1）=0.5+0.3*log（d（i，j）/R）。

（2）指数变换。同样以红色通道为例，对原灰度值d（i，j）处理表示为：I（：，：，1）=0.5+0.3*exp（d（i，j）/R）。

（3）余弦变换。同样以红色通道为例，对原灰度值d（i，j）处理表示为：I（：，：，1）=0.5+0.3*cos（d（i，j）/R）。

通过以上图像变换效果对比，可以看到，余弦函数的伪彩色化效果较好，而且随着d（i，j）的变化其周期性也随着变化，图像调节呈现多样性。由函数特性可知，对数函数对0-50灰度区间的像素调节变换快，而在150-255区间变化较慢；指数函数则恰恰相反，在0-100灰度区间调节缓慢，而在200-250区间调节较快，二者都不如余弦函数调节均匀。

6 结论

通过Matlab良好的图形用户界面GUI开发功能，充分发挥Matlab强大的图像数据处理能力，设计了一种医学灰度图像伪彩色化判读系统，对发现图像病灶奇异点和目标区域具有较好的识别效果，适宜对X光片、B超、CT等各类医学灰度图像进行伪彩色化处理。实验证明，余弦函数能够较好地实现各通道灰度变換增强，输出的伪彩色图像色彩信息丰富，实时调节可突出需要的变换效果，像彩超一样在医学诊疗上具有一定参考应用价值。

参考文献：

[1]冈萨雷斯.数字图像处理（Matlab版）[M].北京：电子工业出版社，2005.

[2]樊晓清，顾国华.一种红外数字图像伪彩色显示设计[J].红外技术，2013，35（07）：398-403.

[3]LU Xiang-Ju DING Ming-Xiao WANG Yun-Kuan.A New Pseudo-color Transform for Fibre Masses Inspection of Industrial Images[J].Acta Automatica Sinica，2009，35（03）：233-237.

[4]孙文杰.相位调制数字图像伪彩色编码[D].天津：天津理工大学，2006：16-22.

[5]Visvanathan A，Reichenbach S E，Tao Q P.Gradient-based value mapping for pseudocolor images[J].Journal of Electronic Imaging，2007，16（03）：1-8.

[6]Yan Yu-Qin，Wang Guang-Bin.A new pseudo color coding method for medical image processing. Journal of Medical Imaging，2003，13（11）：878-879.

[7]郭洪源，许维胜，余有灵.基于Matlab GUI的汽车外灯控制系统演示模型[J].计算机应用与软件，2012，29（02）：187-189.

作者简介：刘强（1971-），男，山东禹城人，本科，教师，研究方向：电气信息技术。