Гонсалес Р., Вудс Р. Цифровая обработка изображений (3-е изд., 2012), страница 8

Ïðèìåðû îáëàñòåé ïðèìåíåíèÿ öèôðîâîéîáðàáîòêè èçîáðàæåíèéСегодня в технике нет почти ни одной области, которую в той или иной мерене затрагивала бы цифровая обработка изображений. Наше обсуждение коснется лишь сравнительно небольшого числа таких прикладных областей, однако,несмотря на вынужденную ограниченность материала, у читателя не должноостаться сомнений в широте и важности применения обработки изображений.В этом разделе демонстрируются многочисленные прикладные области, в каждой из которых повседневно используются методы цифровой обработки изображений, описываемые в последующих главах. Многие из приведенных здесьизображений впоследствии упоминаются во встречающихся в книге примерах.Все эти изображения являются цифровыми.Области применения цифровой обработки изображений столь разнообразны, что попытка охватить их во всей широте требует какой-то системы изложения.

Один из простейших способов — классификация прикладных областейв соответствии с видами источников, формирующих соответствующие изображения (например оптические, рентгеновские и т. д.). Главным источникомэнергии для формирования применяемых сегодня изображений является электромагнитное излучение. Среди других важных энергетических источников,которые могут создавать изображения, упомянем акустические и ультразвуковые (механические) колебания, а также электронные пучки, применяемыев электронной микроскопии. Кроме того, имеется целый класс синтетических(искусственных) изображений, которые синтезируются компьютерными программами и используются для моделирования и визуализации.

В этом разделемы кратко обсудим, как регистрируются изображения этих многочисленныхкатегорий и каковы области их применения. Методы преобразования изображений в цифровую форму будут рассмотрены в следующей главе.Наиболее привычны изображения, создаваемые электромагнитным излучением, особенно в видимом спектре или в рентгеновском диапазоне. Электромагнитные волны можно трактовать как распространяющиеся синусоидальныеколебания определенной частоты, а можно — как поток частиц, движущихсясо скоростью света. Каждая такая частица обладает определенной энергией,но нулевой массой и называется квантом излучения (фотоном). Если располо-30Глава 1. ВведениеЭнергия фотона (электрон-вольт)10610510410310210110010–110–2Гамма- Рентгеновское Ультра- Види- Инфраизлучениеизлучение фиолетовое мый красноеизлучение свет излучение10–310–4Микроволновое(или СВЧ)излучение10–510–610–710–810–9РадиоволныРис.

1.5. Спектр электромагнитного излучения в порядке убывания энергиифотонажить диапазоны излучения в порядке убывания энергии фотона, то получимизображенный на рис. 1.5 спектр, простирающийся от гамма-лучей (обладающих максимальной энергией) до радиоволн. Плавное изменение окраски интервалов диапазона на этом рисунке призвано подчеркнуть тот факт, что спектрэлектромагнитного излучения не разграничен строго, а имеет смысл говоритьскорее о плавном переходе одного участка диапазона в другой.1.3.1.

Формирование изображений с помощью гамма-лучейИзображения, полученные с помощью гамма-излучения, используются главным образом в медицинской радиологии и астрономических наблюдениях.В медицинской радиологии применяется подход, при котором пациенту вводится радиоактивный изотоп, распад которого сопровождается гамма-излучением.Это излучение регистрируется детекторами гамма-излучения, сигналы которыхи используются для формирования изображения.

На рис. 1.6(а) приведен полный снимок скелета, полученный с помощью гамма-лучей описанным образом.Изображения такого вида используются для обнаружения участков различныхпатологий костей, в частности при инфекционных или онкологических заболеваниях. Рис. 1.6(б) демонстрирует другой важный вид медицинских радиологических изображений, получаемых методом позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ).

Используется тот же принцип, что и при рентгеновской томографии,кратко описанный в разделе 1.2, однако вместо использования внешнего источника рентгеновского излучения пациент принимает радиоактивный изотоп, распад которого сопровождается позитронным излучением. При встречепозитрона с электроном они аннигилируют с выделением двух гамма-квантов.Это гамма-излучение регистрируется, и формируется томографическое изображение в соответствии с основными принципами томографии. Приведенноена рис. 1.6(б) изображение представляет собой один кадр из последовательности изображений, которые в совокупности дают трехмерное представление телапациента. На этом кадре хорошо видны небольшие белые скопления — опухолив мозге и в легком пациента.Около 15 тыс.

лет назад в созвездии Лебедя произошел взрыв сверхновой, что привело к образованию расширяющегося облака газа сверхвысокой температуры, которое получило название Петли Лебедя. Столкновениеэтого облака с окружающими газовыми облаками порождает излучение широкого спектра, которое в видимом диапазоне дает эффектную цветовуюкартину. На рис. 1.6(в) приведено изображение Петли Лебедя в диапазонегамма-излучения. В отличие от примеров, показанных на рис.

1.6(а, б), это1.3. Примеры областей применения цифровой обработки изображений31а бв гРис. 1.6. Примеры изображений, полученных с помощью гамма-лучей. (а) Снимок скелета. (б) ПЭТ-изображение. (в) Петля Лебедя. (г) Гаммаизлучение из клапана реактора (яркое пятно). (Изображения предоставили: (а) компания G. E. Medical Systems; (б) д-р Майкл Е.

Кейси,компания CTI PET Systems; (в) профессора Жонг Хи и Дэвид К. Уи,университет шт. Мичиган)изображение было получено с использованием естественного излучения изображаемого объекта. Наконец, на рис. 1.6(г) демонстрируется изображениегамма-излучения из клапана ядерного реактора. В левой нижней части изображения видна область сильной радиации.32Глава 1. Введение1.3.2.

Рентгеновские изображенияРентгеновские лучи — один из самых старых источников электромагнитного излучения, используемых для получения изображений. Хорошо известноприменение рентгеновских лучей для медицинской диагностики, однако онитакже широко используются в промышленности и других областях, в частности астрономии. Рентгеновское излучение для формирования изображенийв медицине и промышленности генерируется с помощью рентгеновской трубки — вакуумного прибора с катодом и анодом. Катод находится в нагретом состоянии, вследствие чего испускает свободные электроны, которые с высокойскоростью летят к положительно заряженному аноду.

При соударении электронов с ядрами атомов материала анода энергия выделяется в форме рентгеновского излучения. Энергия рентгеновских лучей (часто называемая «жесткостью»),определяющая их проникающую способность, регулируется изменением приложенного к аноду напряжения, а интенсивность излучения (количество рентгеновских лучей) регулируется изменением тока, проходящего через нить накала катода. На рис. 1.7(а) показан хорошо знакомый рентгеновский снимокгрудной клетки, получаемый при помещении пациента между рентгеновскойтрубкой и чувствительной к рентгеновскому излучению пленкой.

При прохождении рентгеновских лучей через тело пациента их интенсивность изменяетсяв зависимости от степени поглощения (рассеяния), и окончательный уровеньэнергии фиксируется на рентгеновской пленке, экспонируя ее почти так же,как лучи света формируют изображение на фотопленке. В цифровой рентгенографии применяются два способа получения цифровых изображений: (1) дискретизация (оцифровка) обычных рентгеновских пленок или (2) непосредственная регистрация прошедших через тело пациента рентгеновских лучейустройством, преобразующим рентгеновское излучение в световое (напримерс помощью фосфоресцирующего экрана). Полученный световой сигнал затемсчитывается с помощью цифровой системы, работающей в оптическом диапазоне.

Вопросы дискретизации изображений подробнее рассматриваются в главах 2 и 4.Другое важное применение рентгеновских изображений — ангиография,которая является одним из видов контрастной рентгенографии. Эта процедура используется для получения изображений кровеносных сосудов; такие изображения называются ангиограммами. В артерию или вену в паховой областивводится катетер (тонкая гибкая трубка), который продвигается вдоль сосуда,пока не достигнет обследуемой зоны. Затем через катетер впрыскивается контрастное вещество, хорошо поглощающее рентгеновские лучи.

Благодаря этомуусиливается контраст рентгеновского изображения кровеносных сосудов, чтопозволяет врачу-радиологу видеть аномалии кровоснабжения или места закупорки сосудов. На рис. 1.7(б) демонстрируется ангиограмма аорты, на которойвиден катетер, введенный через крупный кровеносный сосуд внизу слева. Обратим внимание на высокий контраст изображения крупного сосуда в направлении потока контрастного вещества к почкам, которые тоже видны на изображении.