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摘要
近年来，随着信息时代特别是数字时代的来临，超声影像技术的应用越来越广泛。它以安全、方便、无损、廉价等优点在医学诊断以及现代工业无损检测等各个环节中发挥着巨大的作用。
超声成像系统在成像过程中，由于声束的扩散导致图像发生散焦模糊，从而降低了超声图像的横向分辨率。另外，还存在散焦情况不均匀的问题——在声束的焦平面上聚焦较好，而离焦平面越远，声束扩散越严重，图像散焦模糊也越严重。上述原因使得超声影像技术的发展和应用受到了极大限制。为了使超声影像技术更有效地应用于观察、检测和诊断，提高超声检测的灵敏度和准确性，提高超声图像横向分辨率就成为当前一个紧迫的实际应用课题。
目前，主要只能用物理方法来改善超声图像的散焦模糊导致横向分辨率降低的问题，例如采用多阵子系统或者动态聚焦等。然而这些方式都有一定的局限性，例如电路复杂、价格昂贵，特别是如果使用多阵子，会增大换能器的体积，这样在许多检测场合不适用，例如眼科检测。
针对以上问题，本文主要阐述采用数字图像复原技术对超声图像进行后处理。对于散焦模糊不均匀的问题，本文对整幅超声图像不同位置确定不同序列长度的点扩展函数，然后在频率域分别进行迭代维纳滤
波复原处理，从而提高了整幅图像的横向分辨率，实现散焦图像较好的整体复原效果。此外，除了结合现有的医学知识对图像处理前后进行直观评判外，本文还提出一种采用图像灰度阈值与差方和相结合的评价方法，经实验证明，该方法能够有效地对图像质量进行评判。并应用此方法对处理前后的超声图像进行计算和比较，便于从理论上证明超声图像的横向分辨率得到了有效的提高，从而更有力地证明了数字图像复原方法能有效解决超声图像散焦模糊引起横向分辨率降低的问题，为改善超声图像的质量找到了一个新的途径。
关键词：离焦模糊，横向分辨率，质量评价函数，图像复原
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重庆大学硕士学位论文英文摘要
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ABSTRACT
In recent years,with the arrival of information age,especially digital era,the application of ultrasonic imaging technology becomes more and more extensive.It plays a most important role in medical diagnosis and non-destructive testing in modern industry etc.,with its advantage of safety,convenience,non-destruction,cheapness and so on.
In the process of imaging,the lateral resolution of ultrasonic imaging system is lowered and the imag
e is out of focus,becau of beam spreading.What’s more,another problem is that the spread of beam isn’t consistent in whole field,which at the focal surface is better;otherwi which is farther from the focal surface,the beam spreads more riously.As a result the development and application of ultrasonic imaging technology is limited largely.In order to obrve/measure/diagno effectively and advance the nsitivity and veracity of ultrasonic imaging,improving lateral resolution turns to be an imperative and practical task nowadays.
Currently,we can only u physical way to solve the problem of low lateral resolution,for example multi-transducer instrument or dynamical focusing. Nevertheless the above ways all have certain limitation,such as circuital complications, costliness.Especially,the system with multi-transducers must augment the transducer,so it can’t be applied in many cas,for instance,Ophthalmology examination.
For solving above problem,this article adopts digital image post processing to process the ultrasonic image.The spread of beam is various,so different length of PSF is applied in different location of the whole image.Then image is procesd respectively by iterative wiener filter to improve its lateral resolution and recover it wholly.In addition to evaluate the image intuitively by the medical knowledge,we put forward a criterion function of sum of squared difference with threshold;we also pr
ove the availability of the criterion function by experiment.Finally we evaluate the image by the function to prove the availability of the restoration.Besides,it also proves the effectivity of improving the lateral resolution by digital image processing.Therefore we have found a new way to enhancing the quality of image.
Keywords:Out of focus,Lateral resolution,Criterion function,Image restoration
1绪论
1绪论
mavs1.1引言
19世纪末至20世纪初物理学上相继发现了压电效应和反压电效应，为揭开超声技术发展历史的新篇章做好了准备。
1912年，英国的Titanic号客轮，在北美海岸附近航行时，与冰山相撞而沉没，使数千名乘客随之丧生，酿成了一件震撼世界的大惨案。1914～1918年第一次世界大战期间，法国舰队屡遭德国潜艇攻击而损失惨重。这一件件历史事实，驱使一些科学家开始致力于研究水下探测与定位技术]1[。
1928年出现了金属探伤技术，使超声的工作频率提高到MHz频段。MHz频段的超声波波长只有mm级以下，它有两个优点：其一是易于获得指向性很强的声波，其二是可对较少数量媒质的声传播参数进行精确测量，这就导致了检测声学和生物医学超声学等声学分支的相继出现。
40年代，工业探伤技术被用于探查人体，从而研制出了A型超声诊断仪；50年代，随之又相继研制出M型超声心动仪及连续波超声多普勒诊断仪，同时开始了B型二维成像原理的探索。1967年实时B型超声显像仪问世，这是B型超声成像技术的重大进步。70年代以后以B型显像为代表的超声诊断技术发展极为迅速，特别是数字扫描变换器与处理器(DSC与DSP)的出现，把B型显像技术推上以计算机数字图像处理为主导的、功能强、自动化程度高、图像质量好的新台阶]2[。
超声波是由压电晶体将电能转化为声能而生成的，也可作逆向转换。这些晶体的振动频率通常为2~10MHz，比可听声波频率（最大20KHz）高得多，因此，超声通常是指频率高于20kHz的高频振动机检波，应用于医学诊断的超声频率一般在1MHz到几十MHz之间。
neversaydie超声波发出脉冲声波，测量反射回声的能量和到达时间，主要是测定超声波源和反射体之间的距离，当回声被适当显示时，即可获得研究区域的解剖图像，从而形成了超声成像技术。近1个世纪的发展表明，超声学是声学发展中最为活跃的一部分，它已经渗透到工农业、国防、生物、医学及航天航空等各个领域。这主要是由于超声波自身具有以下几个特点：
1）在不同介质的界面上具有反射的特性。超声波在介质中传播是通过不同声阻抗介质的分界面的反射实现的。
2）指向性好。超声波与可听波相比，较为容易以束状定向，指向性好。频率越高，指向性越好，以很窄的波束向介质辐射。
3）超声波传播的能量大，它的频率远远高于声波，因此超声波的能量远大于
重庆大学硕士学位论文
奥斯卡2015声波。
鉴于以上因素，目前，由于超声全息、回波频谱分析、超声探头和大规模集成电路、计算机技术的迅速发展，使得数字化、自动化、智能化超声成像技术变成了热点。另一方面，由于各种新型材料，特别是高性能功能材料的发展（如先进复合材料、功能陶瓷材料、微电子材料等），使得超声检测在工业领域中具有广阔的应用前景。目前已经成功用于产品外形检验、表面缺陷检验、内部缺陷检验、几何尺寸精确检测和定位等，此外，在医学诊断领域，超声诊断学由于具有无损伤、无痛苦、能反复进行、适合软组织诊断、灵敏度较高、成像快等特点，也得到广泛应用。同时，随着超声诊断的迅速发展给超声工程技术不断提出了新问题和新要求，而超声诊断仪器新技术的开发又促使超声临床诊断向
更深入、更客观、更科学化方向高速发展。目前已经广泛用于眼、脑、心血管、肾、肝、脾、胆囊和子宫等各种疾病的诊断和鉴别，弥补了X线诊断和同位素诊断的某些不足，而且有其独到之处，日益成为临床上重要的现代诊断方法之一。尽管目前国内外对超声成像技术已经有了大量的研究和应用，但是由于超声设备的不断更新，超声检测和临床诊断等应用要求不断提高，新内容、新技术层出不穷，远远不能满足超声成像应用的需要。
1.2图像复原技术的研究现状
一个成像系统常常受到许多退化因素的影响，例如大气湍流、镜头聚焦不准、系统噪声以及被测物的运动或不稳定等等。由于以上原因，图像在形成、传输和记录过程中质量会有所下降，其典型表现为图像模糊、失真、有噪声等。这一降质过程称为图像的退化，与之相反就是图像复原。
许多成像系统聚焦程度都会受硬件设备自身的限制，此外，在非聚焦平面不可避免会产生离焦模糊，如何采用图像复原技术提高整个图像的质量成为图像处理的一个重要研究课题，本文主要针对上述离焦模糊情况的复原问题进行研究。
星球大战5
图像复原问题最初是从空间探索计划提出来的]3[。1950年代和1960年代初期，美国和前苏联兴起了一系列空间探索计划，其中一项重要任务是获取关于地球和太阳系的照片，这些照片在当时来说具有重大的科学意义和研究价值。但是这些空间图像因为多种原因降质，图像降质造成的科学意义上的损
失是不可估量的，因此，由降质图像获得不失真图像的努力是非常有意义的。
图像复原的目的就是尽可能复原被降质图像的本来面目。图像复原和图像增强一样，主要目的是要改善给定图像的质量。但是这两者之间是有着重大区别的。
首先，图像复原试图利用退化现象的某种先验知识（即退化模型），把已经退化的图像加以重建和复原。引起图像退化的原因很多，有大气湍流效应、传感器特性的非线性、光学系统的像差、成像设备与物体之间的相对运动等等。图像复原需要
1绪论
dermabrasion
弄清退化原因，建立相应的数学模型，并沿着图像降质的逆过程复原图像。而图像增强技术则对图像退化或降质的过程不建立或很少建立模型。乔治城大学
其次，图像复原技术要明确规定质量标准，以便对得到的结果做出最佳的评估。而增强技术则主要是一种心理感受过程，它很少涉及客观和统一的评价标准。
由于图像复原过程的特殊性，可以根据不同的退化模型、质量评价标准，导出多种的复原方法。
图像降质可以用一个卷积过程来描述，因此可以利用反卷积技术消除卷积因素造成的降质，改善图像ui是什么
的分辨率。另一方面，由于反卷积问题的病态性和观测图像含有噪声，必须在改善分辨率和抑制噪声之间进行折衷。传统的图像复原技术基于反卷积和规整化在信号复原和噪声抑制之间取得平衡。许多一维信号处理和估计理论被用于图像复原领域，如最小二乘估计，最小均方误差估计，贝叶斯估计等等，形成了许多经典的复原算法，包括直接规整复原算法和迭代的、递归的算法。随着技术的不断发展，空间自适应方法、Markov随机场、神经网络、小波等也被引入图像复原领域。
1.3提高超声图像横向分辨率的现状和发展方向
超声成像的横向分辨率是指在垂直于超声束轴线的平面上的相邻两点，超声能形成两个反射回声的上述两点间的最小距离。它是图像质量的重要技术指标，横向分辨率越高，在应用中表现为图像更细腻，微细结构显示更清楚。为了得到更清晰的图像，必须提高超声成像的横向分辨率。在超声反射成像技术中，通常利用回波信号的包络作为投影，按一定算法重建图像，而被测物的某一区域往往可能存在多个尺寸、形状相似或各异的缺陷，如果两个缺陷相距较远，则大多数照射角度下，其声程差明显，其回波信号亦相距较远而不会叠加在一起，那么就能清晰显示出两个缺陷。然而，若两个缺陷相距较近，它们的回波信号将由于声程相近，换能器发射脉冲波束具有一定宽度而产生混叠，显然图像很难分辨这两个缺陷。可见，横向分辨率与超声波束的聚焦程度和其直径有关，当超声束直径小于被观测两点间距时，就能把这两点显示出来，否则，就会降低两点的分辨率甚至变得无法分辨。
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根据超声的指向性要提高横向分辨率就需要使主瓣尽可能变窄，即让能量集中，从而要求圆盘半径大、超声频率高，这与要求盲区短的条件相反。另外为了提高横向分辨率，目前主要通过优化硬件设备来对声束进行更好的聚焦，从而提高超声图像的横向分辨率，即改进声学器件等来实现超声聚焦的最优化]4[：1）超声聚焦系统（包括聚焦超声换能器、凹面反射镜、超声聚焦透镜等）：与光学聚焦类似，在聚焦过程中使超声能量聚集到一个几何点或一条线上，从而提高超声检测技术的分辨率；
