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적응적 비선형 히스트그램 스트레칭을 이용한 의료영상의 화질향상
Medical Image Enhancement Using an Adaptive Nonlinear Histogram Stretching 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.16 no.1, 2015년, pp.658 - 665  

김승종 (한양여자대학교 컴퓨터정보과)

초록
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의료영상에서 잡음을 제거하는 것과 명암대비를 좋게하는 것은 화질을 향상시키는 중요한 방법이다. 본 논문에서는 의료영상의 화질 향상을 위해 에지 기반 잡음 제거 방법과 적응적 비선형 히스토그램 스트레칭 알고리즘을 제안한다. 첫째, 웨이블릿 변환을 수행하고 분해된 고주파 부밴드 각각에 대해 Haar 변환을 수행한다. 동시에 수평, 수직, 대각 방향의 Sobel 마스크를 적용하여 방향별 에지를 검출한다. 둘째, 고주파 부밴드에 대해 에지 기반 적응적 문턱치를 이용하여 잡음을 제거한다. 셋째, 적응적 가중치를 이용하여 고주파 부밴드 계수 값을 향상한 후, Haar 역변환 및 웨이블릿 역변환을 수행하여 복원영상을 얻는다. 마지막으로 복원된 영상의 화소 값의 범위가 좁아졌으므로 제안하는 비선형 히스토그램 스트레칭 알고리즘을 이용하여 명암대비가 향상된 영상을 얻는다. 제안한 알고리즘을 낮은 명암대비를 갖는 의료영상에 적용했을 경우 효율적으로 에지를 보존하면서도 시각적으로 우수한 결과를 얻었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the production of medical images, noise reduction and contrast enhancement are important methods to increase qualities of processing results. By using the edge-based denoising and adaptive nonlinear histogram stretching, a novel medical image enhancement algorithm is proposed. First, a medical im...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 잡음이 제거된 고주파 부밴드의 계수 값은 soft threshold 필터링에 의해 계수의 범위가 좁아졌으므로 부밴드의 특성을 반영한 가중치를 적용하여 조정하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 식(9)와 같이 고주파 부밴드의 특성을 반영한 적응적 가중치를 적용하여 좁아진 계수 값을 향상시키고자 한다.
  • 본 논문에서는 에지 기반 잡음 제거와 적응적 비선형 히스토그램 스트레칭을 이용한 의료영상의 화질 향상 알고리즘을 제안한다. 먼저, 화질이 저하된 의료영상에 대해 웨이블릿 변환을 수행한다.
  • 만약 잡음이 포함된 고주파 계수들을 향상시키게 되면 영상의 상세 정보와 더불어 잡음도 더욱 커질 것이다. 본 논문에서는 에지 맵 기반의 필터링 알고리즘을 제안하여 고주파 부밴드에 포함된 잡음을 제거한다. 만약, jil 부밴드의 에지 맵 b(x,y)가 1인 경우는 에지 영역이므로 식(5)와 같이 잡음을 제거하지 않는다.
  • 의료영상의 화질을 향상시키는 기술은 환자를 진단하고 치료하는데 있어 매우 중요하다. 본 논문에서는 에지를 기반으로 의료영상에 포함된 잡음을 효율적으로 제거하고 적응적 비선형 히스토그램 스트레칭을 이용한 의료 영상의 화질 향상 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘이 기존의 방법들에 비해 우수한 주관적 화질을 보였으며, 특히 낮은 명암대비를 갖는 의료영상의 경우 효율적으로 에지를 보존하면서도 시각적으로 우수한 결과를 얻었다.
  • 더욱이 상대적으로 낮은 계조도를 갖는 의료영상의 경우에는 시각적으로 좋지 않은 복원화질을 나타낸다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 논문에서는 입력 영상의 특성을 고려한 적응적 비선형 히스토그램 스트레칭 알고리즘을 제안한다. 즉, 복원된 영상 f(x,y)의 최대 화소 값이 128보다 작은 경우, 식(11)을 적용하고 128보다 크다면 식(12)를 적용하여 향상된 최종 영상을 얻는다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
웨이블릿 변환은 어떤 장점으로 인하여 이미지 프로세싱 응용 분야에 많이 사용되고 있는가? 웨이블릿 변환은 푸리에 변환의 향상된 버전이며, 푸리에 변환은 정상적인 신호의 분석에는 강하나 비정상적인 신호의 분석에는 약하다. 웨이블릿 변환은 비 정상적인 신호의 분석이 가능하며, 국부적인 시간-주파수 특성을 제공 하므로 잡음 제거를 포함하여 이미지 프로세싱 응용 분야에 많이 사용되고 있다[4-5]. 따라서 웨이블릿 변환을 기반으로 하는 의료영상의 화질 향상 알고리즘 또한 꾸준히 제안되었다.
본 연구에서 제시하는 에지 기반 잡음 제거와 적응적 비선형 히스토그램 스트레칭을 이용한 의료영상 화질 향상 알고리즘은 어떻게 이루어지는가? 본 논문에서는 에지 기반 잡음 제거와 적응적 비선형 히스토그램 스트레칭을 이용한 의료영상의 화질 향상 알고리즘을 제안한다. 먼저, 화질이 저하된 의료영상에 대해 웨이블릿 변환을 수행한다. 그러나 에지와 같은 정보는 분해된 고주파 부밴드에 숨겨져 있으므로 각각의 고 주파 부밴드에 대해 Haar 변환을 수행한다. 동시에 원본 영상에 대해 수평, 수직, 대각 방향의 소벨 마스크를 적용하여 방향별 에지를 검출한다. 둘째, 검출된 에지 정보를 바탕으로 고주파 부밴드 각각에 대해 적응적 문턱치를 적용하여 잡음을 제거한다. 셋째, 잡음이 제거된 고주파 부밴드 계수 값은 문턱치에 의해 축소되었으므로 제안하는 적응적 가중치를 적용하여 부밴드 계수 값을 조정한다. 넷째, Haar 역변환 및 웨이블릿 역변환을 수행하여 복원영상을 얻는다. 하지만, 복원된 영상의 화소 값의 범위가 원본 영상에 비해 축소되었으므로 제안하는 비선형 히스토그램 스트레칭 알고리즘을 적용하여 명암대비가 향상된 영상을 얻는다.
웨이블릿 변환은 어떤 분야에 적용될 수 있는가? 웨이블릿 변환은 이미지 매칭, 이미지 분할, 잡음 제거, 이미지 복원, 이미지 향상, 이미지 압축, 의료영상 처리 기술 등 많은 응용 분야에 적용된다. 웨이블릿 변환은 일반적인 비정상적 신호에 대해 적절한 기저를 이용하여 인간의 시각적 특성에 맞게 분해하고 합성함으로써 주관적 화질의 향상을 가져온다.
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참고문헌 (17)

  1. Zohair Al-Ameen, Ghazali Sulong and Md. Gapar Md. Johar, "Employing a suitable contrast enhancement technique as a pre-restoration adjustment phase for computed tomography medical images," SERSC International Journal of Bio-Science and Bio-Technology, Vol. 5, No. 1, pp. 73-80, 2013. 

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  3. R. Grag, B. Mittal and S. Grag, "Histogram equalization techniques for image enhancement," International Journal of Electronics & Communication Technology, Vol. 2, Issue 1, pp. 107-111, 2011. 

  4. Vidhyalavanya. R and Madheswaran. M, "An improved denoising algorithm using parametric multiwavelets for image enhancement," SERSC International Journal of Advanced Science and Technology, Vol. 16, pp. 1-10, 2010. 

  5. Kossi Edoh and John Paul Roop, "A fast wavelet multilevel approach to total variation image denoising," SERSC International Journal of Signal Processing, Image Processing and Pattern Recognition, Vol. 2, No. 3, pp. 57-74, 2009. 

  6. Jian Lu, Dennis M. Healy, Jr. and John B. Weaver, "Contrast enhancement of medical images using multi-scale edge representation," Optical Engineering, Vol. 33, pp. 2151-2161, 1994. DOI: http://dx.doi.org/10.1117/12.172254 

  7. Yang, G. and Hansell, D.M., "CT image enhancement with wavelet analysis for the detection of small airways disease," IEEE Trans. Medical Imaging, Vol. 16, pp. 953-961, 1997. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/42.650893 

  8. Fang, Y. and Qi, F., "A method of wavelet image enhancement based on soft threshold," Computer Engineering and Applications, Vol. 23, pp. 16-19, 2002. 

  9. Anamika Bhardwaj and Manish K. Singh, "A novel approach of medical image enhancement based on wavelet transform," International J. of Engineering Research and Applications, Vol. 2, pp. 2356-2359, 2012. 

  10. J. Cheng and C. Liu, "Novel method of color image enhancement based on wavelet analysis," Intelligent Information Technology Application Workshops, pp. 435-438, 2008. 

  11. Yi Wan and Dongbin Shi, "Joint exact histogram specification and image enhancement through the wavelet transform," IEEE Trans. on Image Processing, Vol. 16, No. 9, pp. 2245-2250, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/TIP.2007.902332 

  12. Yang, Y., Su, Z. and Sun, L., "Medical image enhancement algorithm based on wavelet transform," IEE Electronics Letters, Vol. 46, No. 2, pp. 120-121, 2010. DOI: http://dx.doi.org/10.1049/el.2010.2063 

  13. Seung-Jong Kim, "Medical Image Enhancement Using an Adaptive Weight and Threshold Values", The Institute of Internet, Broadcasting and Communication(IIBC), Vol. 12, No. 5, pp. 205-211, 2012. 

  14. A. Grossmann, and J. Morlet, "Decomposition of hardy functions into square integrable wavelets of constant shape," SIAM J. Math. Anal., Vol. 15, pp. 723-736, 1984. DOI: http://dx.doi.org/10.1137/0515056 

  15. S. Mallat, "A theory for multiresolution signal decomposition: the wavelet representation," IEEE Trans. on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 11, pp. 674-693, 1989. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/34.192463 

  16. David L. Donoho and Iain M. Johnstone, "Adapting to unknown smoothness via wavelet shrinkage," Journal of the American Statistical Association, Vol. 90, Issue 432, pp. 1200-1224, 1995. DOI: http://dx.doi.org/10.1080/01621459.1995.10476626 

  17. Daniel J. Jobson, Zia-ur Rahman and Glenn A. Woodell, "The statistics of visual representation," Proc. SPIE 4736, Visual Information Processing XI, 25, 2002. DOI: http://dx.doi.org/doi:10.1117/12.477589 

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