数字医学影像设备综述

2024-12-08

数字医学影像设备综述（精选6篇）

1.数字医学影像设备综述篇一

文献综述简称综述，是对某一领域，某一专业或某一方面的课题，问题或研究专题搜集大量相关资料，通过分析，阅读，整理，提炼当前课题，问题或研究专题的最新进展，学术见解或建议，做出综合性介绍和阐述的一种学术论文。

医学论文综述内容要求如下：

医学论文综述内容要求一：选题要新。即所综述的选题必须是近期该刊未曾刊载过的。一片综述文章，若与已发表的综述文章“撞车”，即选题与内容基本一致，同一种期刊是不可能刊用的。

医学论文综述内容要求二：说理要明。说理必须占有充分的资料，处处以事实为依据，决不能异想天开地臆造数据和诊断，将自己的推测作为结论写。

医学论文综述内容要求三：层次要清。这就要求作者在写作时思路要清，先写什么，后写什么，写到什么程度，前后如何呼应，都要有一个统一的构思。

医学论文综述内容要求四：语言要美。科技文章以科学性为生命，但语不达义、晦涩坳口，结果必然阻碍了科技知识的交流。所以，在实际写作中，应不断地加强汉语修辞、表达方面的训练。

医学论文综述内容要求五：文献要新。由于现在的综述多为“现状综述”，所以在引用文献中，70%的应为 3 年内的文献。参考文献依引用先后次序排列在综述文末，并将序号置入该论据 (引文内容) 的右上角。引用文献必须确实，以便读者查阅参考。

医学论文综述内容要求六：校者把关。综述写成之后，要请有关专家审阅，从专业和文字方面进一步修改提高。这一步是必须的，因为作者往往有顾此失彼之误，常注意了此一方而忽视了彼一方。有些结论往往是荒谬的，没有恰到好处地反应某一课题研究的“真面目”。这些问题经过校阅往往可以得到解决。

医学论文综述范文——幽门螺杆菌检测的`进展

1983年澳大利亚学者Marshall等首次从胃炎患者的胃粘膜中分离出一种螺旋弯曲杆菌，引起了广泛关注和研究。由于检测手段的不断进步和发展，提高了临率诊治胃十二指肠疾病的水平，更新了人们对胃十二指肠疾病的传统观念和认识。

1幽门螺杆菌的研究现状

该菌从形态学上看，在体内呈螺旋杆状，在体外培养呈弯杆状，故被正式命名为幽门螺杆菌(Helicobacterpylori，Hp)。1990年8月的悉尼国际胃肠会议肯定了Hp与慢性胃炎(CG)消化性溃疡(PU)的关系。实验证明，此菌的存在与病变程度有密切联系。在一些胃十二指肠疾病中Hp感染率很高，检出率为58%～100%。有人通过对胎儿、新生儿、婴幼儿、正常人免疫学及细菌学的研究认为，人体胃粘膜出现Hp是外源性感染方式，人与人及人与动物之间的传染是Hp的可能传播途径。城市人口感率高于农村人口，澳大利亚土着人的Hp感染率显着低于随机挑选的献血员。揭示密切的社会接触有利于Hp感染的流行。Hp感染的致病机理至今尚未完全阐明。贾博琦认为，可能是隐性感染过程，即在Hp浸润下，胃粘膜充血、水肿造成Hp生长的适宜环境，Hp借机侵入粘膜下层生长繁殖，并逐渐发展为慢性炎症或溃疡。张振华等认为，Hp对人感染过程分为3个价段：①Hp借其螺旋状菌体及其结构的特征，穿透粘膜表面的不溶性粘液层;②借Hp表面菌毛样网状结构与胃粘膜上皮表面相应的受体结合，在胃壁稳定持续地定居;③再由Hp的LPS或其它的细胞毒素引起胃粘膜非特异性炎症。在此基础上再加上胃酸、胃蛋白酶的作用造成炎症或溃疡。从组织学观点看Hp感染加重了洗动性胃炎、中性粒细胞浸润、破坏腺体导致萎缩性胃炎。也可损害胃排空而促进溃疡形成。总之Hp的存在及其致病性已不容置疑，关键在于提高对Hp的检测水平，针对病因进行有效治疗并通过对Hp的临测指导临床治疗。

1.2直接涂片染色Pinlard用相差显微镜直接检查涂于玻璃片上的胃粘膜查Hp，敏感性达100%。

1.3 13C14C呼吸试验有人利用Hp产生的尿素酶能分解尿素的原理，将胃内用核素标记的尿素分解产生CO2和NH2，CO2被吸收后经肺排出，如果胃粘膜有Hp存在，则呼出气中就有核素标记的CO2出现。检测Hp的敏感性和特异性分别达到100%和88%，Hp清除后14CO2呼出减少。Ormand等发现收集服用核素标记的尿素后20min的呼气体即可有效地检测Hp感染。

1.4免疫学方法佐贯等采用乳胶凝集试验检测血中抗HpIgG抗体，并与组织培养法和镜检法进行对照，血中抗Hp抗体与粘膜内Hp检出一致率为73.1%，特异性为60%～100%，敏感度为81.3%，对Hp感染的筛选诊断具有一定的实用价值。Rathbone等用酶联免疫吸附试验(ELISA)测定73例经胃镜检查并活检确诊的患者血清Hp抗体，发现其敏感性和特异性分别达到93%和97%。Engstrand等建立了检测Hp的单克隆抗体方法，为诊断Hp感染提供了更为特异的方法。张启波等利用初步纯化的Hp的尿素酶为抗原对120例病人的血清抗Hp抗体进行了ELISA测定，对照细菌培养等方法显示敏感为95%，特异性为91%。吉林市第222医院用血清免疫荧光方法诊断Hp感染，显示很高的敏感性。浙江医科大学用亲和素一生物素(ABC)法检测活检组中的Hp抗原，可显着提高诊断的灵敏性。

2.其它Sehneider等报道，让患者吞入系线胶囊以收集胃内粘液，再通过涂片和尿素酶试验检测粘液内的Hp，发现其特异性、敏感性也很高。郎大裕等用一种添加了尿素的pH指示剂的酚红，使Hp染色，通过内镜观察Hp在人胃内的分布情况，应用本法的30例胃溃疡患者中26例色素撒布后立即可以见到发红现象。全部病例都可在发红的部位检出Hp。

3 幽门螺杆菌检测的展望为克服Hp检测中的假阳性结果，中山医科大学与澳大利亚学者合作探讨了血清学与尿素呼气试验诊断Hp感染的价值，在血清学试验中对接近界限值的阳性血清再增加一个空肠弯曲菌吸收试验，可提高血清学诊断的特异性，呼气试验的敏感性为98.7%，特异性为97.1%，并能准确测定Hp阴转及复发或再感染，可望成为抗Hp治疗的药物筛选及疗效监测的重要手段。Megraud等用DNA杂交技术检测Hp，从理论上讲其特异性好，有发展前途，但目前尚不能应用于活检标本的Hp检测。

综上所述，Hp感染与胃十二指肠疾病的关系已证明，随着医学研究的不断深入Hp的检查方法也将不断取得突破性进展。

2.数字医学影像设备综述篇二

数字化医疗影像设备在影像质量的多个方面均有自己的特征, 这些成像性能许多都是可以测量的, 并成为评价医疗影像质量的重要参数。这些特征主要包括成像的动态范围与曝光量响应 (输入/输出[I/O]关系) 、噪声与信噪比 (典型表达为噪声功率, 或者威纳频谱) 、空间分辨率与调制传递函数 (MTF) 以及量子检测效率 (DQE) 等。

1 数字化医疗影像设备的噪声

图像噪声随机产生于成像流程中的各个阶段, 是衡量数字化医疗影像设备图像质量的重要特征参数。噪声影响了对图像信号的识别, 影响了图像细节的观察, 同时也限制了通过图像增强来促进图像信号观察的可能性。

1.1 图像噪声的产生

图像噪声客观存在于任何影像系统中, 包括成像过程中的各种电磁波量子噪声和固有噪声两部分。在数字化医疗影像设备中, 作为能量源的X射线、成像设备的固有结构和其它对成像过程有影响的因素均会产生噪声。

1.1.1 X射线辐射过程

X射线以光量子的形式辐射至探测器, 在整个流程中, 噪声主要来源于三方面, 即X射线光量子涨落的量子噪声、探测器的固有噪声、X射线光量子与探测器相互作用所引起的光量子散射噪声。

X射线所具有的波粒二相性中的光子特性引起的统计涨落现象使图像上的灰度产生小幅度变化, 最终在图像上形成细小的颗粒, 量子噪声服从泊松分布, 属于乘性噪声。量子噪声与探测到X射线光子的数目有关, 它随入射剂量而变化。

探测器由闪烁体、光电转换单元、信号传导等多个功能层组成。由于制作工艺的限制, 从结构和物质分布来看, 探测器的各组成部分不可能完全均匀, 这样就必然导致了探测器固有噪声的产生, 它服从高斯分布, 属于加性噪声。探测器的这种多层结构和不均匀性, 导致了光量子在其中的反射与折射, 这也是图像噪声的来源之一, 也是量子噪声。

1.1.2 光探测与光电转换过程

光探测与光电转换过程中, 包括了发射光的滤过、光量子探测吸收和光电转换。此过程中, 噪声主要来源于发射光滤过装置的滤过能力和光量子所导致的量子噪声。另外, 光探测器和光电转换器本身的特性和性能差异也导致了噪声的产生。

探测器在进行光电转换与信号传导的过程中, 会经过一系列光学系统的传导, 该过程同样会产生图像噪声。光学系统本身的结构特性导致了固有噪声的产生, 传导过程中可能会发生的光方向性损失和光量子之间的相互作用也会产生量子噪声。

1.1.3 模/数转换过程

数字化医疗影像设备的基本工作流程包括采样和量化两个组成部分, 模/数转换过程即是其中的量化部分。

模拟信号的量化带来了量化误差, 并产生噪声, 称为量化噪声。量化级数越多, 量化误差就越小, 图像质量就越好。增加量化位数能够把噪声降低到无法察觉的程度, 但随着信号幅度的降低, 量化噪声与信号之间的相关性变得更加明显。

1.1.4 数字图像处理过程

数字图像处理的各种方法同样是图像噪声产生的来源之一。例如扩大灰度动态范围显现细节的同时也会增大噪声, 对图像进行边缘强化等锐化处理时同样会增大噪声, 以及图像处理域变换中引入的变换噪声等。

1.1.5 图像显示过程

在图像显示过程中, 图像噪声主要来源于图像显示设备的特性和显示能力, 如胶片的颗粒、显示器的亮度与质量、胶片打印设备的成像质量等。

1.2 图像噪声的评价

图像噪声可用输出影像感兴趣区中像素值的标准差来测评。但对于一幅图像, 更为有价值的是综合评价整幅图像中信号和噪声的分布特性, 为此引入信噪比、噪声等价量子数、噪声功率谱和量子探测效率。

1.2.1 信噪比 (Signal to Noise Ratio, SNR)

信噪比是表示信号/噪声=有用的图像信息/错误的信息, 并等于信号与噪声的功率谱之比。通常功率谱难以计算, 可以用信号与噪声的方差之比近似估计图像的信噪比。

图像信息的读取需要对图像信号进行识别, 并同时排除图像噪声, 所以单独对噪声数量的多少进行评价并没有实际的意义。即使噪声数量非常多, 也可能对图像信号很好的辨别。因此引入信噪比来对影像质量进行评价, 表明信号与噪声间的相对关系, 信噪比越高, 图像质量越好。

1.2.2 等效量子噪声 (Noise Equivalent Quanta, NEQ)

等效量子噪声来自于量子影像理论, 表达方式是:入射到一个理想探测器上的量子数如果可以用泊松分布来描述, 系统的信噪比就是等效量子噪声数。由于在影像中, 入射的光量子分布符合泊松分布, 所以NEQ一般定义为成像系统中输出侧的信噪比 (SNROUT) 的平方。

NEQ描述的是一个成像系统中输出图像信噪比, 可以通过如下的表述来理解:对于某成像系统, 在进行量子转换时, 必然存在着衰减, 所以输出的噪声量子必然较输入的噪声量子增大;然后假定存在一个理想探测器, 具有无衰减的转换能力, 在应用该探测器进行成像时, 如果其输出的噪声量子与前面成像系统的输出噪声量子相等, 则相应的输出信号量子也与前面成像系统的输出信号量子相等。这样就可以用NEQ来表示输出图像的信噪比。

1.2.3 噪声功率谱 (Noise Power Spectra, NPS)

噪声功率谱是噪声自相关函数的傅立叶变换, 系统的噪声性能常常通过NPS来量化。噪声的涨落是随机的, 所以在放射影像中, 对于均匀的X射线照射, 同一图像上多个采样点的统计累加均值与在同一采样点进行多次曝光所采集累加均值是等效的。因此在一幅X射线图像上某一区域内, NPS的计算结果为相应位置曝光的傅立叶变换的模除以该区域的面积。NPS表达了每个面积单元上单个光子占据的平均面积, 其单位为mm2。

NPS可以全面有效地反映出影像的噪声水平并且相对比较稳定, 因此在影像评估中使用NPS作为全面反映噪声量级的指标。

1.3 图像噪声对图像信号的影响

图像噪声是随机变化的, 客观存在于任何影像系统中, 噪声的增加将导致图像质量下降。放射成像系统中的信号特征主要表现为X射线对比度, 对比度指透过被照体不同组织的X射线强度的差异, 因此噪声对信号的干扰主要体现在对比度上的影响。

图像对比度性能反映了系统捕获和显示物体真实反差的能力。只要信号上能够区分出来对比度差别, 数字系统的图像处理能力可以通过对比度增强和显示窗宽/窗位的调整把信号表现出来。如果一个系统具有较高对比度检测能力, 但同时噪声也很大, 弱信号将淹没于噪声中, 而无法被检测到;同样, 如果系统噪声很低, 但对比度也很低的话, 整体信号都很弱, 仍然得不到诊断上有用的图像。所以必须是对比度强而同时噪声低, 也就是高信噪比的系统才能获得好的影像。

2 X射线能量响应与动态范围 (Dynamic Range)

X射线光量子探测器是数字化X线影像设备最为重要的因素之一。探测器的选择应该主要考虑不同能量的X射线和不同物质间的相互作用机制, 原则上探测器的探测效率越高越好, 信号收集的时间越短越好, 动态范围越宽越好, 价格越便宜越好。

2.1 探测器的X射线吸收光谱

探测器对不同能量的X射线光量子具有不同的吸收特性。X射线吸收光谱不是单调变化的曲线, 它会在某些位置出现吸收突跃, 称为吸收边。量子理论对此的解释为:当入射X射线光子的能量等于被照射样品某内层电子的电离能时会被大量吸收, 使电子电离为光电子, 在其两侧吸收系数就相差很大, 产生突跃 (吸收边) , 与吸收边对应的能量E为电离阈。

原子中主量子数对吸收边起了主要的作用, 可以按主量子数命名吸收边为K、L等, 主量子数不同的电子的吸收边相距颇远。具有相同主量子数的电子, 因其它量子数的不同, 能量也有差别, 也形成独立的吸收边, 但这些吸收边就靠得较近。吸收边的位置还与元素的价态有关, 氧化价每增加一价, 吸收边位置向高能侧移动约2~3eV。

2.2 探测器的X射线能量响应

数字化医疗影像设备的探测器是由数百万个像素 (感光单元) 组成的, 这些像素在曝光的过程中吸收X射线光量子, 转化成数字信号并成像。探测器上的每一个感光单元所探测并转换的光量子数是不同的, 当这些感光单元满载, 光子便会溢出, 溢出会导致信息 (细节) 损失。

与数字化医疗影像设备的工作流程和能量转换相适应, 从X线光量子辐射至探测器开始到完成光电转换为止, 能量响应也由多环节组成。这里的能量是指光量子强度和能谱综合之后的总能量;能量响应主要包括探测器的X射线能量响应, 光探测与光电转换响应。光子探测器对光子的探测和随后发生的光电转换均为线性响应, 这是由设备的固有特性所决定。

2.3 探测器的动态范围

动态范围指一个信号系统最大不失真电平和噪声电平的差, 多用对数和比值来表示。在医疗影像设备中, 动态范围是指探测器能记录的到达探测器的信号范围, 即所生成图像最暗点的密度 (Dmax) 和最亮处密度值 (Dmin) 的差值。动态范围越大, 它能同时记录的暗部细节和亮部细节越丰富, 所能表现的层次越丰富, 所包含的图像信息也就越多。

光子探测器和光电转换器对能量的响应也有一定的范围, 该范围对数字化医疗影像设备的动态范围有着很大的影响。此外, 动态范围还取决于很多其它的限制因素, 如光探测器和光电倍增管对大量光量子的饱和性和微量光量子的敏感性所引起的非线性;成像过程中各种噪声所引起的非线性叠加等。

3 空间分辨率与调制传递函数 (Modulation TransferFunction, MTF)

放射界最初是用影像的最高可分辨细节来评价影像质量, 即空间分辨率。但仅用空间分辨率不能真正、科学、全面地评价一个成像系统的特征, 因此上世纪60年代, 放射界把光学传递函数引入X线成像系统, 并借用通讯技术中的“调制”概念, 用调制传递函数来评价影像质量。在医疗影像中, 由于更加重视成像系统对人体的真实再现, 所以这一点尤其重要。

成像系统的调制传递函数综合反映了图像的对比度和空间分辨率情况, 可用作单纯图像所包含信息的评价指标。调制传递函数也反映了成像系统对被成像物体结构和组织特性的还原能力, 是影像质量评价的重要指标。

3.1 空间分辨率与调制传递函数的概念

空间分辨率指将点源图像的计数密度分布集中到一点的能力[1]。空间分辨率可以用一个非常小的物体所成的影像是否能够被检测出来的方式定义, 也可以用一个成像系统能够把两个紧靠在一起的物体在图像上分开的能力来定义。在医疗影像领域, 空间分辨率指影像设备在给定背景和对比度水平下所能检测到最小细节的能力。

调制传递函数又可称为“对比度传递函数”, 用于在频率空间描述医学影像系统的空间分辨率, 反映了在某些空间频率下成像设备从输入图像到输出图像的传递图像对比度的能力。在系统MTF中, 对比度是信号空间频率的函数, 空间频率的提高, 系统的对比度分辨能力下降。MTF通常是以一个平图上有多种不同尺寸大小的线条或图案在一定的成像设备和成像条件下摄影所作的分析来进行, 做成图表后称之为MTF图。MTF图坐标的横轴是一定的空间频率 (单一空间的函数) , 纵轴是MTF值 (对比度比及密度比) 。

3.2 空间分辨率与调制传递函数的测量

3.2.1 空间分辨率的测量

临床医疗中, 空间分辨率是医学成像系统中的重要指标, 它决定临床能够观测到的病灶的最小尺寸。在对病灶进行识别的过程中, 首先要求病灶与周围组织存在着一定的密度差, 即病灶与周围组织具有一定的密度对比度;然后要求成像设备对空间差异具有分辨能力。因此, 对空间分辨率进行测量时, 也同样需要在不同背景与对比度情况下进行。在高对比条件下, 空间分辨率可通过曝光线对测试卡获得, 用于评估整个影像的空间分辨率。在低对比条件下, 将线对测试卡置于标准人体组织测试模体输入端进行空间分辨率测试, 以模拟临床医疗影像空间分辨率和对比度的降低[2]。

为了提高空间分辨率测量结果的精确性, 在对数字化医疗影像设备进行测量时, 需要注意许多问题, 主要包括:①采用尽可能低的管电压, 尽可能低的管电流和充足的曝光量和曝光时间;②分辨率测试卡应尽可能的靠近影像探测器的入射端表面;③X线管球与影像探测器的距离要足够远, 最近不低于180cm;④测量前, 还要对X线发生装置进行检测和调试, 以保证X线质量。

3.2.2 调制传递函数的测量

数字X线摄影系统MTF的测量方法主要有两种, 一种是通过系统的线扩散函数 (Line Spread Function, LSF) 计算得到;另一种是通过观察系统的方波响应或使用矩形波测试卡来测量计算。线扩散函数测量法根据所用材料方法又可分为3种:①狭缝 (slit) 方法;②刀刃 (edge) 方法;③栅条 (bar) 方法。其中, 刀刃法已被IEC (国际电工学委员会) 定为测量MTF的标准方法。

线扩散函数 (LSF) 表述的是当一条直线通过成像系统后被展宽的过程。实际工作中, LSF也很难测量, 常常采用的是边缘响应函数 (Edge Spread Function, ESF) 。边缘响应函数通过测量图像边缘来研究图像系统在空间传输的规律。

数字化医疗影像设备的成像流程包括多阶段的图像信号传递与转换, 因此其调制传递函数也是这些不同阶段的不同调制传递函数的综合, 图1为不同的X射线探测器的MTF值。

4 量子探测效率 (Detective Quantum Efficiency, DQE)

量子探测效率是目前评价数字成像系统的最常用技术指标。DQE结合了影像对比度、噪声、空间分辨率和入射X射线剂量等几个重要参数, 对数字影像系统的整体成像能力进行评价。

4.1 量子探测效率的定义

DQE表示探测器探测到的信号相对于入射到该探测器上的光量子的份额, 是成像系统中输出侧的信号与输入侧的信号之比, 即成像系统的有效量子利用率, 是空间频率 (f) 的函数。

理论上完美成像系统的DQE应该达到100%, 即输入与输出信号和噪声的比例都没有损失。由于成像系统不可能将所有的输入信号完全探测, 必然存在影像信息的损失, 信号和噪声比例的改变是不可避免的, 所以输出信号一定小于输入信号, DQE也必定小于1。

数字化X射线影像系统中, 所有输入到探测器上的X射线光量子仅有一部分被转换成有效影像信息, 其它则作为噪声存在, 这些由X射线光量子转换而来的有效影像信息即是DQE值。因此, DQE是描述把输入X射线光量子转化成输出影像效率和能力的指标。

IEC将其定义为辐射探测器输出信号信噪比的平方与辐射探测器输入信号信噪比的平方的比值[3], 即DQE= (SNROUT) 2/ (SNRIN) 2。

4.2 量子探测效率的理解

DQE包含两方面的因素, 即输入信号和输出信号, 因此对DQE的理解也应首先对输入信号与输出信号进行分析。

探测器输入端, 信号表达的是被成像物体的特征。当X射线与人体相互作用后, 穿透的X射线光量子反映了人体的结构特征, 因此X射线光量子的分布情况表达了人体 (被成像物体) 的结构特征。由此分析可以得到, 探测器输入端的信号即是到达探测器表面的X射线光量子。

探测器的输出端, NEQ描述的是一个成像系统中输出图像信噪比, 也就是一个成像系统中输出信号信息的内容。

由于NEQ表示输出侧信号信息, X射线光量子数表示输入侧信号信息, 所以DQE等于NEQ与X射线光量子数之比。即DQE=NEQ/X射线光量子数

NEQ一般定义为成像系统中输出侧的信噪比 (SNROUT) 的平方, X射线光量子数即是输入侧的信噪比 (SNRIN) 的平方。所以DQE可以表示为输出侧的信噪比 (SNROUT) 的平方与输入侧的信噪比 (SNRIN) 的平方之比, 即是实际的信噪比与理想的信噪比之比。

4.3 量子探测效率的影响因素

从DQE的定义中, 可以看到, 所有影响输入与输出图像信号和噪声的因素均会对DQE的值产生影响。

X射线光子的涨落是量子噪声产生的重要原因之一, X射线光子的能量可以影响成像物体的对比度, X射线曝光剂量可以影响探测器的信号强度和噪声, 所以X射线曝光条件可以同时影响图像的信号和噪声, 也就可以影响DQE。

量子图像学理论中对噪声的描述是图像信号的随机误差, 因此X射线的量子噪声即是X射线光量子在探测器上的随机误差。如果X射线光量子数无限多, 则到达探测器表面上的单位面积的量子数 (光子密度) , 可以认为处处相等。然而, 当X射线光量子数目有限时, 则到达探测器表面上的量子数就因位置而不同。当X射线光量子少到一定程度, 达到X线统计涨落限度以外时, 某些成像区域到达的X射线光量子数目无法达到探测器的最低探测能力, 则噪声必然形成。因此, 当曝光剂量过低时, 即使数字化成像设备具有很强的图像处理功能, 也不可能提高影像质量, 所以不能无限制地降低曝光条件。

4.4 量子探测效率的测量方法

DQE是入射X射线剂量、能量和空间频率f, 以及探测器检测灵敏度的函数, 由成像设备的噪声、对比度、空间分辨率、MTF等参数决定, 全面地反映了成像设备的成像能力与影像质量。因此, 当前各数字化X射线摄影设备制造商普遍采用DQE作为评价数字化X射线成像系统的技术指标。

DQE的测量方法有很多种, 不同测量方法之间的测量结果有很大的差异性, 可达40%, 因此不具有可比性。为了使DQE的测量更加标准和规范化, 国际IEC工作组建立了一种在国际上认可的数字X射线成像系统DQE测量方法, 即IEC62220-1。图2为不同X射线探测器的DQE值。

5 结束语

对于数字化医疗影像设备的成像能力, 单独应用任何一种方法均不可能作出完整的评价, 必须综合运用各种评价体系来进行整体性的评价。随着影像分析与处理技术, 特别是计算机视觉与智能技术的向前发展, 以及人们对医疗数字化影像认识理解的进一步加深, 影像质量评价的难点也将随之解决。

一些思考:

对于空间分辨率与密度分辨率的理解?

本文认为, 由于在对图像细节进行分辨时, 必须同时考虑细节与背景之间的空间差异和密度差异, 因此在探讨图像的空间分辨率时, 应当考虑在不同背景密度 (对比度) 下的空间分辨率。

与此相似, 由于设备在成像过程中, 分辨的是不同组织间的密度差, 而不是单纯的密度。因此严格来说, 应该称为密度差分辨率, 即组织的对比度分辨率, 并且在国际上常用的标准与规范中, 也没有发现density resolution的概念解释。

上述问题的产生, 考虑其原因应在于不同角度和领域对这些概念有不同的理解。从工程学角度来看, 空间分辨率指的是设备的极限分辨能力;密度差分辨率则与设备的曝光响应与动态范围, 以及量化级别密切相关。而从临床应用角度来看, 空间分辨率与密度差分辨率必须同时考虑设备的成像能力与临床工作中的实际情况, 二者不能割裂开来。

由于上述的原因, 本文同样认为, 高对比度分辨率不等同于空间分辨率, 低对比度分辨率不等同于密度差分辨率, 而应该解释为“一定密度差情况下的空间分辨率”和“一定空间分辨下的密度差分辨率”。

摘要：本章以工程学和临床影像学为基础, 阐述了数字化医疗影像设备成像能力的评价方法, 并且对具有一定相关性的评价参数进行了分析, 主要内容包括噪声的产生与分析评价、输入/输出的关系 (X射线能量响应与动态范围) 、空间分辨率与调制传递函数以及量子探测效率的基本特性与分析等内容。

参考文献

[1]GB/T17857-1999, 医用放射学术语[S].

[2]European Commission.European guidelines for quality assurance in breast cancer screening and diagnosis[M].4th ed.Belgium:European communities, 2006.

3.医学影像设备概述篇三

伴随着其他自然学科的全面发展，人类医学在近一百年来也获得了巨大的发展与进步。现代医学最重要的两个环节是诊断与治疗。诊断是治疗的前提，治疗以诊断的结果为根本依据,诊断结果的准确程度左右着治疗的成功与否。没有一个确切的诊断，治疗便仿若“无的之矢”而无从下手，所以诊断水平和治疗一样，是一个医疗机构水准的重要标志。于是人们在提高医疗技术的同时，更加注重于诊断技术条件和水平的发展与提高，从最原始的“望、闻、问、切”,听诊器加体温表，演化出当今形形色色的诊断检查设备。这是人类医学在发展中对诊断技术不断增高的要求所带来的结果，也是其他自然科学领域（光学、机械、声学、核物理、电磁学、微电子、计算机与网络技术、能源与材料科学等）的技术迅猛发展，推动医学诊断学前进所结出的累累硕果。

医学诊断检查设备的种类尽管比较繁多，大致上也可将之划分为三大类别：①生物物理信号检测仪器（心电、脑电、肌电、血压、血流、呼吸、脉搏和听力等信号的检测与监视）； ②生物化学成分分析检验仪器（血、尿等体液及细胞中包含的各种成分，微生物的分析与检验）；③影像观察用诊断仪器（采用X线、超声、核素、红外线、电子束、微波、可见光等所成影像）。后一类诸多仪器被我们统称为医学影像设备。

4.《医学影像设备学》题集篇四

题

集

练习一

一、填空题（每空1分，共10分）

1、X线的本质是。

2、X线球管的基本结构包括：、、。

3、X线发生装置的基本结构包括：、、。

4、CR的关键是用替代X线胶片，曝光后由读出潜影，并转换成数字信号传入计算机进行图像处理；DR则是利用将穿过人体的X线直接转换成数字信号，经计算机处理成像。

二、是非题（每题1分，共10分）

1、医学影像设备的导向是完成介入治疗的关键。（）A、对 B、错

2、专用的透视X光机将逐步淘汰，原因是图像质量太差。（）A、对 B、错

3、X线管灯丝工作电压一般为5-12V左右，因此灯丝电路绝缘要求不高。

（）A、对 B、错

4、灯丝变压器是降压变压器。（）A、对 B、错

5、荧光屏的作用是将携带人体内部结构信息的X线转换为可见光影像。

（）A、对 B、错

6、逆变器的作用是将低压交流电转换成高压直流电。（）A、对 B、错

7、核医学成像设备是通过有选择地测量摄入人体内的放射性核素所放射的X射线，实现人体组织成像。（）A、对 B、错

8、普通CT只能进行普通扫描,同样螺旋CT只能进行螺旋扫描。（）A、对 B、错

9、靠近X线管阳极端的X线强度大于阴极端。（）A、对 B、错

10、多层螺旋CT成像中，层厚的大小由探测器的组合决定。（）A、对 B、错

三、单项选择题（每题1分，共50分）

1、下列设备中，不属X线成像设备的是：（）

A、CT B、DSA C、PET D、乳腺机

2、下列医学影像设备中，信息载体不是电磁波的是：（）

A、CT B、DSA C、PET D、USG

3、关于X线的质，说法不正确的是：（）A、代表X线穿透力 B、与X线波长成正比 C、与靶物质原子序数有关 D、与管电压呈正比

4、关于X线的量，说法不正确的是：（）

A、与曝光时间有关 B、与X线波长无关 C、与管电压无关 D、与灯丝电流大小有关

5、下列哪项不是X线产生的必要条件：（）

A、电子源 B、高压整流 C、真空中高速电子流 D、靶物质

6、关于固定阳极X线球管，说法有误的是：（）

A、X线管的靶面热量主要通过热传导散热 B、焦点尺寸大，负载功率有限 C、结构简单、价格便宜 D、由于阳极固定，使用寿命较长

7、旋转阳极X线管的阳极旋转的目的是：（）

A、提高X线产生质 B、增大X线产生的量 C、降低阳极效应 D、使单位面积阳极靶面受热减小，从而增大球管的功率，减小焦点

8、关于实际焦点与有效焦点，下列说法不正确的是：（）A、实际焦点指灯丝发射电子聚焦后轰击在阳极靶面上的面积 B、实际焦点一定的情况下，减小靶角可以减小有效焦点 C、有效焦点指实际焦点在X线管长轴方向的投影 D、有效焦点越小得到的影像越清晰

9、下列措施无助减小影像几何模糊的是：（）A、使用小焦点 B、缩小物-片距

C、增加管电压 D、物-片距一定情况下，增大焦-片距

10、关于阳极效应，说法有误的是：（）

A、由于阳极靶面与X线投照方向存在一定的角度，使X线强度分布不均 B、在X线管的长轴方向上，阴极端X线强度低于阳极端 C、阳极效应会造成X线影像的密度不均 D、胸椎摄影时可利用阳极效应，球管阴极朝下

11、X线球管是X线成像设备中关键的部件之一，其最重要的性能指标是：（）A、焦点大小 B、热容量 C、最高管电压 D、最大管电流

12、关于X线管阳极特性曲线，描述正确的是：（）A、灯丝加热电流在某一恒定值下，管电流与管电压的关系 B、管电流在某一恒定值下，灯丝加热电流与管电压的关系 C、管电压在某一恒定值下，灯丝加热电流与管电流的关系 D、灯丝加热电流在某一恒定值下，电源电压与管电压的关系

13、关于X线机高压变压器的叙述，错误的是：（）A、必须浸在绝缘油中使用 B、摄影时初级电流大 C、输入电压低，输出电压高 D、初级绕组匝数比次级多

14、某X线机高压变压器的初、次绕组匝数比3：1000，空载时若次级输出50kV，初级输入电压应是：（）

A、100V B、90V C、150V D、120V

15、目前绝大多数胃肠X线机中，X线影像采集装置为：（）A、荧光屏 B、增感屏 C、I.I-TV D、IP板

16、关于程控X线机(与普通X线机相比)的特点，说法有误的是：（）A、程控机一般采用单片机对KV、mA、S三参数及工作流程等进行编程控制 B、设有开机自检功能 C、设有故障自诊断程序 D、高压必须采用直流逆变技术

17、中高频X线机结构上与工频机最主要的区别是：（）A、采用计算机进行控制 B、X线球管功率大

C、灯丝电路采用直流逆变技术 D、高压变压器的工作频率高

18、胃肠X线机与普通摄影相比最大的优势是：（）

A、影像空间分辨率高 B、动态观察，实时点片； C、影像密度分辨率高 D、连续点片摄影

19、影像增强器中，光电阴极的作用是：（）

A、将穿过人体的X线转换成可见光 B、将X线转换成电子 C、将荧光层发出的可见光转换成电子 D、将电子加速并聚焦 20、自然界中的物理量多为模拟量，下列选项中不属于模拟量的是：（）

A、X线剂量 B、质量 C、原子数 D、温度

21、下列影像设备中，不属于数字化设备的是：（）

A、CT B、电视透视 C、CR D、DR

22、下列处理过程中属于模数转换（A/D）的是：（）A、显示器显示图像 B、激光相机打印胶片 C、激光扫描仪读取IP板上信息 D、用MP3播放器听歌

23、数字图像中，像素的大小为100um时，其空间分辨率为：（）A、10LP/mm B、10LP/cm C、5LP/mm D、50LP/cm

222

224、数字图像中，图像的黑白程度称为灰度，灰度等级多少称为灰阶，灰阶为10Bit时，灰度等级数为：（）A、768 B、1024 C、2048 D、128

25、I.I-TV系统（影像增强器+摄像机）在X线成像中应用非常广泛，其最大优势是：（A、结构简单、价格便宜 B、技术成熟，可进行动态观察 C、图像空间分辨率高 D、易实现数字化

26、关于CR，说法不正确的是：（）

A、Computed Radiography 的缩写，简称CR B、用IP板取代胶片，摄片后由激光扫描仪读出

C、必须配置CR专用的X线机 D、IP板需要使用暗盒

27、CR成像中，曝光条件稍有偏差，同样可得到较满意的图像，这是因为：（）A、CR系统会自动调节曝光量 B、IP板对X剂量不敏感 C、IP板有特大的动态范围 D、通过调节图像窗宽窗位

28、关于CR系统的特点，描述有误的是：（）

A、可对传统X线机进行数字化 B、降低了X线剂量 C、可对图像进行各种后处理，提高了图像质量 D、必须使用激光胶片

29、DR与CR相比，说法不正确的是：（）

A、DR图像清晰度优于CR，信噪比高 B、DR拍片速度快，成像间隔为数秒

C、平板探测器的寿命长，IP板使用次数有限

D、DR图像是数字化图像，可接入PACS系统，而CR图像不能

30、DR摄影比传统增感屏-胶片相比X线剂量大幅降低，这主要由于：（）

A、DR所采用的X线机一般为高频机，射线质量高 B、DR用探测器面积较大，可大范围成像 C、平板探测器有极宽的宽容度及较高灵敏度 D、DR采用自动曝光控制技术（AEC））

31、数字图像与传统胶片相比，没有优势的是：（）

A、数字图像可进行后处理，诊断信息增多 B、成像速度 C、图像空间分辨率 D、图像密度分辨率

32、螺旋CT与普通CT相比关键是采用了：（）

A、固体探测器 B、滑环技术 C、不同重建算法 D、高档计算机

33、CT图像有较好的密度分辨率，这是因为：（）

A、CT探测器的动态范围宽 B、CT所用X球管功率较大 C、CT是断面成像 D、采用特殊重建软件

34、螺旋扫描中，下列那种螺距值会造成漏扫：（）

A、Pitch=1 B、Pitch=0.5 C、Pitch=1.5 D、Pitch=0.8

35、关于CT成像原理，说法不正确的是：（）A、CT是利用人体不同组织对X线衰减系数不同成像 B、CT球管绕人体旋转，进行不同角度投射

C、每个CT探测器探测到的数据，构成CT图像中的一个点即像素 D、CT探测器接收到数据后通过A/D转换成数字信号送计算机处理

36、目前常用CT为第三代CT，其X线束形状为：（）A、笔形 B、锥形 C、扇形 D、圆形

37、CT球管前方一般装有滤过器，关于其作用，错误的是：（）A、吸收软射线 B、使X线能量均匀分布 C、减小信号强度差异 D、提高射线能量

38、CT常规（Sequence）扫描中，控制图像层厚的是：（）A、探测器宽度 B、准直器宽度 C、扫描时间 D、重建算法

39、CT探测器的作用是：（）

A、探测病人位置是否准确 B、接收X线并将其转换为电信号

C、探测扫描时有无散射线 D、将模拟信号转变为数字信号

40、固体探测器与气体探测器相比，主要优点是：（）

A、相邻的探测器之间缝隙小 B、极高的光子转换效率 C、晶体发光后余辉较长 D、一致性较好

41、CT扫描成像基本步骤不包括：（）

A、采集数据 B、数据处理 C、重建图像 D、图像打印

42、下列哪种元素不能进行MR成像：（）

A、13C B、31P C、2H D、23Na

43、氢质子进入外部静磁场后，正确的描述是：（）

A、由于静磁场的作用，氢质子全部顺磁场排列

B、由于静磁场的作用，氢质子全部逆磁场排列

C、由于静磁场的作用，氢质子顺、逆磁场排列数目各半

D、顺磁场排列的质子是低能稳态质子，约多于逆磁场排列的质子

44、下列有关超导磁体的叙述错误的是：（）

A、场强高

B、磁场需电源维持

C、磁场均匀度高

D、磁场稳定性好

45、在1.5Tesla的场强中，氢质子(1H)的共振频率约为：（）

A、6.4MHz B、21.3MHz C、42.6MHz D、63.9MHz

46、横向弛豫是指：（）

A、T1弛豫 B、自旋-自旋弛豫

C、自旋-晶格弛豫 D、氢质子顺磁场方向排列

47、在MR成像过程中，三个梯度磁场启动的先后顺序是：（）

A、层面选择—相位编码—频率编码 B、层面选择—频率编码—相位编码

C、相位编码—频率编码—层面选择 D、频率编码—相位编码—层面选择

48、MR成像中，关于层厚下列说法错误的是()A、、射频频带宽度一定时，梯度场梯度越小，选取层面越厚

B、当层面梯度一定时，射频频带宽度越宽，选取层面越薄 C、层面越厚，图像空间分辨率下降

D、层面越厚，图像SNR(信噪比)越高

49、在SE序列中，采用长TR、长TE所成的图像是：（）

A、T1WI B、T2WI C、FLAIR D、质子密度加权像 50、关于超声的回波,以下说法不正确的是:（）A、超声回波强弱反映组织的声特性阻抗差异 B、超声在人体内不同组织的界面，会产生回波

C、根据接收到回波的时间及声速，可计算出产生回波的界面到体表的距离 D、回波的幅值与组织密度有关，与传播距离无关

四、简答题（每题2分，共10分）

1、简述高压发生器的作用？

2、简述X线电视系统的基本结构？

3、CT扫描成像系统的基本构成?

4、简述磁共振系统基本构成？

5、简述超声成像仪中，超声探头的作用？

五、问答题（每题5分，共20分）

1、试述影像增强器的工作原理？

2、试述空间电荷效应及空间电荷补偿的原则？

3、什么是CT成像中的部分容积效应，如何减小部分容积效应的影响？

4、何谓图像的空间分辨率，CT成像中影响图像空间分辨率的因素有哪些？

7、核医学成像设备是利用放射性核素所放射的γ射线，对人体进行照射，检测人体对γ射线的衰减程度实现人体组织成像。（）A、对 B、错

8、螺旋CT也可以进行普通扫描（Sequence）。（）A、对 B、错

9、单相全波整流X线机电路中，mA的测量一般通过整流后测量。（）A、对 B、错

10、靠近X线管阳极端的X线强度大于阴极端。（）A、对 B、错

练习二

一、填空题（每题1分，共10分）

1、X线成像是利用人体不同组织的差异进行成像。

2、X线产生的必备条件有：、、。

3、目前MRI设备中，常用的磁体类型有：、、。

二、是非题（每题1分，共10分）

1、立体定向放射外科治疗设备，需要利用以CT、MRI或DSA等影像设备为基础的立体定向装置进行精确定位。（）A、对 B、错

2、专用的透视X光机将逐步淘汰，原因是射线剂量不利于人群健康。（）A、对 B、错

3、由于灯丝公共端与高压阴极相连，因此灯丝电路绝缘性能要求同样很高。

（）A、对 B、错

4、灯丝变压器的初级绕组匝数比次级多。（）A、对 B、错

5、光电转换是利用光电效应将可见光等电磁波转换成电信号。（）A、对 B、错

6、逆变器的作用是将直流电转换成一定频率的交流电。（）A、对 B、错

7、核医学成像设备是利用放射性核素所放射的γ射线，对人体进行照射，检测人体对γ射线的衰减程度实现人体组织成像。（）A、对 B、错

8、螺旋CT也可以进行普通扫描（Sequence）。（）A、对 B、错

9、单相全波整流X线机电路中，mA的测量一般通过整流后测量。（）A、对 B、错

10、靠近X线管阳极端的X线强度大于阴极端。（）A、对 B、错

三、单项选择题（每题1分，共50分）

1、下列医学影像设备中，信息载体不是电磁波的是（）

A、CT B、PET C、DSA D、USG

2、下列哪项不是X线成像设备（）

A、CT B、乳腺机 C、PET D、DSA

3、X线发生装置一般不包括（）

A、X线球管 B、高压发生装置 C、摄影床 D、控制台

4、关于X线的量，说法不正确的是（）

A、与曝光时间有关 B、与X线波长无关 C、与管电压无关 D、与灯丝电流大小有关

5、关于X线的质，说法不正确的是（）

A、代表X线穿透力 B、与X线波长成正比 C、与靶物质原子序数有关 D、与管电压呈正比

6、固定阳极X线管阳极头上罩有阳极帽，其作用是（）A、平衡阳极重量 B、固定靶面

C、散热 D、吸收二次电子及部分吸收散射线

7、旋转阳极X线管的阳极结构：（）A、阳极头、转子 B、阳极头、阳极柄 C、靶面、钼杆、转子 D、阳极帽、转子、钼杆

8、关于实际焦点与有效焦点，下列说法不正确的是（）A、实际焦点指灯丝发射电子聚焦后轰击在阳极靶面上的面积 B、实际焦点一定的情况下，减小靶角可以减小有效焦点 C、有效焦点指实际焦点在X线管长轴方向的投影 D、有效焦点越小得到的影像越清晰

9、下列措施无助减小影像几何模糊的是（）A、使用小焦点 B、缩小物-片距

C、增加曝光时间 D、物-片距一定情况下，增大焦-片距

10、关于阳极效应，说法有误的是（）

11、大功率X线管中，管壳采用陶瓷或金属，其目的是：（）

A、采用金属或陶瓷制成，易于安装，无需管套 B、坚固结构，防止震动 C、防止电子轰击致钨沉积和被击穿 D、吸收散射线

12、对灯丝发射特性曲线的解释，正确的是（）A、一定管电流时，灯丝加热电流与电源电压的关系 B、不同管电流下，灯丝加热电流与管电压的关系 C、不同灯丝加热电流下，管电流与管电压的关系 D、管电压一定时，管电流与灯丝加热电流的关系

13、对钼靶X线管，叙述正确的是（）A、软组织摄影时，主要利用钼产生的连续X线

B、相同灯丝加热电流和相同管电压下，钼靶管比钨靶管获得管电流小 C、钼靶X线管的极间距离比钨靶管的小 D、钼靶产生的X线主要对密度高的组织摄影

14、关于X线机高压交换闸的错误叙述是（）

A、必需浸在绝缘油中使用 B、用来切换高压 C、一般安装在控制台 D、用来切换灯丝电压

15、关于空间电荷补偿，说法不正确的是：()A、灯丝加热电流一定时，由于空间电荷效应，管电流随管电压增大而增大 B、为获得稳定管电流，管电压增大时应适当降低灯丝加热电压 C、为获得稳定管电流，管电压减小时应适当增大灯丝加热电压

D、管电压一定情况下，管电流大小随灯丝加热电压增大而增大，需进行空间电荷补偿

16、胃肠X线机与普通摄影相比最大的优势是（）A、影像空间分辨率高 B、动态观察，实时点片； C、影像密度分辨率高 D、连续点片摄影

17、中高频X线机结构上与工频机最主要的区别是（）A、采用计算机进行控制 B、X线球管功率大

C、灯丝电路采用直流逆变技术 D、高压变压器的工作频率高

18、关于程控X线机(与普通X线机相比)的特点，说法有误的是（）A、程控机一般采用单片机对KV、mA、S三参数及工作流程等进行编程控制 B、设有开机自检功能 C、设有故障自诊断程序 D、高压必须采用直流逆变技术

19、影像增强器中，荧光层的作用是（）

A、将穿过人体的X线转换成可见光 B、将X线转换成电子 C、将荧光层发出的可见光转换成电子 D、将电子加速并聚焦 20、自然界中的物理量多为模拟量，下列选项中不属于模拟量的是（）

A、X线剂量 B、质量 C、原子数 D、温度

21、下列影像设备中，不属于数字化设备的是（）

A、CT B、电视透视 C、CR D、DR

22、数字化环节中，将数字信号转换为模拟信号的电路称为：（）

A、数模转换器 B、积分电路 C、A/D转换器 D、光电转换

23、数字图像中，像素的大小为50um时，其空间分辨率为：（）A、10LP/mm B、10LP/cm C、5LP/mm D、50LP/cm

222

224、数字图像中，图像的黑白程度称为灰度，灰度等级多少称为灰阶，灰阶为8Bit时，灰度等级数为：（）A、768 B、1024 C、256 D、128

25、I.I-TV系统（影像增强器+摄像机）在X线成像中应用非常广泛，其最大优势是（）

A、技术成熟，可进行动态观察 B、易实现数字化 C、图像空间分辨率高 D、结构简单、价格便宜

26、关于CR，说法不正确的是（）

A、Computed Radiography 的缩写，简称CR B、用IP板取代胶片，摄片后由激光扫描仪读出 C、必须配置CR专用的X线机 D、IP板需要使用暗盒

27、CR成像中，曝光条件稍有偏差，同样可得到较满意的图像，这是因为（A、CR系统会自动调节曝光量 B、IP板对X剂量不敏感 C、IP板有特大的动态范围 D、通过调节图像窗宽窗位

28、关于CR系统的特点，描述有误的是：（）

A、可对传统X线机进行数字化 B、降低了X线剂量

C、可对图像进行各种后处理，提高了图像质量 D、必须使用激光胶片

29、DR摄影比传统增感屏-胶片相比X线剂量大幅降低，这主要由于：（）E、DR所采用的X线机一般为高频机，射线质量高 F、DR用探测器面积较大，可大范围成像 G、平板探测器有极宽的宽容度及较高灵敏度 H、DR采用自动曝光控制技术（AEC）30、DR与CR相比，说法不正确的是：（）

E、DR图像清晰度优于CR，信噪比高 F、DR拍片速度快，成像间隔为数秒

G、平板探测器的寿命长，IP板使用次数有限

H、DR图像是数字化图像，可接入PACS系统，而CR图像不能

31、数字图像与传统胶片相比，没有优势的是：（）

B、数字图像可进行后处理，诊断信息增多 B、成像速度 C、图像空间分辨率 D、图像密度分辨率

32、螺旋CT与普通CT相比关键是采用了：（）

A、固体探测器 B、高性能计算机 C、不同重建算法 D、滑环技术）

33、CT图像有较好的密度分辨率，这是因为：（）

B、CT探测器的动态范围宽 B、CT所用X球管功率较大 C、CT是断面成像 D、采用特殊重建软件

34、螺旋扫描中，下列那种螺距值会造成漏扫：（）

A、Pitch=1 B、Pitch=1.5 C、Pitch=0.5 D、Pitch=0.8

35、关于CT成像原理，说法不正确的是：（）E、CT是利用人体不同组织对X线衰减系数不同成像 F、CT球管绕人体旋转，进行不同角度投射

G、每个CT探测器探测到的数据，构成CT图像中的一个点即像素 H、CT探测器接收到数据后通过A/D转换成数字信号送计算机处理

36、目前临床使用的CT多为：（）

A、第五代CT B、第二代CT C、第三代CT D、第四代CT

37、CT成像装置中准直器的作用是：（）

A、吸收软射线 B、使X线能量均匀分布 C、控制X线束的宽度，从而控制层厚 D、提高射线能量

38、CT常规（Sequence）扫描中，控制图像层厚的是：（）A、探测器宽度 B、准直器宽度 C、扫描时间 D、重建算法

39、CT探测器的作用是（）

A、探测病人位置是否准确 B、接收X线并将其转换为电信号

C、探测扫描时有无散射线 D、将模拟信号转变为数字信号

40、与固体探测器相比，气体探测器的优点的是（）

A、光子转换效率高 B、几何利用率高

C、有较好的一致性 D、余辉时间短

41、CT扫描成像基本步骤不包括（）

A、采集数据 B、数据处理 C、重建图像 D、图像处理

42、下列哪种元素不能进行MR成像（）

A、13C B、31P C、2H D、23Na

43、下列哪一项是正确的（）

A、逆磁场方向排列的质子是高能不稳态质子 B、顺磁场方向排列的质子是高能稳态质子 C、顺磁场方向排列的质子是高能不稳态质子

D、逆磁场方向排列的质子是低能稳态质子

44、下列有关永磁体的叙述错误的是（）

A、场强低 B、磁场无需电源维持 C、磁场均匀度高 D、运行费用低

45、在0.3Tesla的场强中，氢质子(1H)的共振频率约为（）

A、12.9MHz B、21.3MHz C、42.6MHz D、63.9MHz

46、纵向弛豫是指（）

A、T2弛豫 B、自旋-自旋弛豫

C、自旋-晶格弛豫 D、氢质子顺磁场方向排列

47、在三个梯度磁场的设置及应用上，下述哪一项正确（）

A、只有层面选择梯度与相位编码梯度能够互换

B、只有层面选择梯度与频率编码梯度能够互换 C、只有相位编码梯度与频率编码梯度能够互换 D、三种梯度磁场均能互换

48、SE序列中，90°射频(RF)的目的是()A、使磁化矢量由最大值衰减到37%的水平 B、使磁化矢量倒向负Z轴

C、使磁化矢量倒向XY平面内进动 D、使失相的质子重聚

49、在SE序列中，采用短TR、短TE所成的图像是（）

A、T1WI B、T2WI C、FLAIR D、质子密度加权像 50、探头是超声成像设备的关键部件，其工作的物理基础是：（）A、多普勒效应 B、压电效应 C、霍尔效应 D、光电效应

四、简答题（每题2分，共10分）

1、简述X线管的基本结构？

2、简述中、高频X线机的主要应用特点？

3、简述X线电视系统的基本结构?

4、试述磁共振系统的基本结构？

5、简述超声成像的特点？

五、问答题（每题5分，共20分）

1、X线发生装置的基本组成及各部分作用？

2、影像增强器的工作原理？

3、CT成像中，何谓图像密度分辨率，影响图像密度分辨率的因素有哪些？

4、试述MRI成像中像素空间位置的确定？

练习三

一、填空题（每空1分，共20分）

1.电容充放电式X线机主要是依靠小容量的高压变压器对电容

，当电压达到一定数值后，电容累积的电荷通过X线管

而产生X线。2.X线管的作用是将

转换成。

3.高压发生器的作用是为X线管提供

及

。4.X线管阴极的作用

和。

5.X线管的三种散热的方式是

、、。6.影像增强器主要是由、、组成。

7.在自整流X线机中，高压整流是利用X线管自身的导电特性进行整流。8.MR设备的磁体类型包括

、、。9.MR中的梯度磁场有

、、。10.MR的组成是

、、、。

二、名词解释（每题5分，共20分）1.有效焦点

2.最高管电压

3.最长曝光时间

4.部分容积效应

三、单项选择题（每题1分，共30分）

1、自然界中的物理量多为模拟量，下列选项中不属于模拟量的是：（）

A、X线剂量 B、质量 C、原子序数 D、温度

2、下列影像设备中，不属于数字化设备的是：（）

A、CT B、电视透视 C、CR D、DR

3、数字化环节中，将模拟信号转换为数字信号称为：（）

A、数模转换器 B、积分电路 C、A/D转换器 D、光电转换

4、数字图像中，像素的大小为100um时，其空间分辨率为：（）A、10LP/mm2 B、10LP/cm2 C、5LP/mm2 D、50LP/cm2

5、数字图像中，图像的黑白程度称为灰度，灰度等级多少称为灰阶，灰阶为10Bit时，可以观察到的等级数为： A、768 B、2048 C、1024 D、1076

6、I.I-TV系统（影像增强器+摄像机）在X线成像中应用非常广泛，其最大优势是：（）A、结构简单 B、可进行动态观察 C、图像空间分辨率高 D、价格便宜

7、关于CR，说法欠妥的是：（）

A、Computed Radiography 的缩写，简称CR B、用IP板取代胶片，摄片后由激光扫描仪读出 C、IP板需要使用暗盒 D、必须配置CR专用的X线机

8、关于IP板，描述不当的是：（）

A、IP板中所含的特殊物质感光后，形成潜影，激光激发可再次发光，经光电转换成数字信号 B、IP板中所含的特殊物质感光后，形成潜影，也可经显影，定影后由扫描仪读出 C、IP板中所含的特殊物质为辉尽性荧光物质，一般用氟卤化钡晶体 D、IP板可重复使用，但使用次数有限

9、关于IP板特性，描述不当的是：（）

A、IP板有特大宽容度，可精确检测组织间差异

B、IP板曝光后，形成的潜影信息会发生自动消退现象，因此必须及时扫描 C、IP板中信息读出后信息自动消退，无需特殊清除处理

D、IP板不仅对X线敏感，对其它电磁波如紫外线、βγ线也敏感，因此需用暗盒

10、CR进行摄片，曝光条件稍有偏差时，同样可得到较满意的图像，这是因为：（）A、CR会自动调节曝光量 B、IP板对X剂量不敏感 C、IP板有特大宽容度，系统自动设定读出条件 D、通过调节图像窗宽窗位

11、关于CR系统的特点，描述有误的是：（）

A、可对传统X线机进行数字化 B、降低了X线剂量 C、可对图像进行各种后处理，提高了图像质量 D、必须使用激光胶片

12、下列处理过程中不存在数模转换（D / A）的是：（）

A、显示器显示图像 B、激光相机打印胶片 C、激光扫描仪读取IP板上信息 D、用MP3播放器听歌

13、关于DR，说法欠妥的是：（）

A、用平板探测器替代胶片，摄片后由激光扫描仪读出

B、平板探测器将穿过人体的X线直接转换成电信号，经A/D转换送至计算机处理 C、必须配置DR专用的X线机 D、无需使用暗盒

14、关于CR与DR，说法不恰当的是：（）

A、CR需要暗盒DR不需要

B、DR图像是真正数字化X线，而CR不是 C、DR成像速度较CR快 D、DR操作较CR简单

15、DR摄影比传统增感屏-胶片相比X线剂量大幅降低，这主要由于：（）

I、DR所采用的X线机一般为高频机，射线质量高 J、DR用探测器面积较大，可大范围成像 K、平板探测器有极宽的宽容度及较高灵敏度 L、DR采用自动曝光控制技术（AEC）

16、数字图像与传统胶片相比，没有优势的是：（）C、数字图像可进行后处理，诊断信息增多 B、成像速度 C、图像空间分辨率 D、图像密度分辨率

17、螺旋CT与普通CT相比关键的采用了：（）

A、增加探测器数目 B、滑环技术 C、不同重建算法 D、高档计算机

18、通常RIS(Radiology Information System)系统能不包括：（）

A、病人登记 B、病人分诊功能 D、报告管理 D、胶片管理

19、DR与CR相比，说法不正确的是：（）

I、DR图像清晰度优于CR，信噪比高 J、DR拍片速度快，成像间隔为5秒

K、平板探测器的寿命长，IP板使用次数有限 L、DR图像可接入PACS系统，而CR图像不能 20、磁共振组成结构不包括：（）

A、磁体

B、梯度线圈

C、射频线圈

D、激光扫描仪

21、CT的时间分辨率指：（）

A、机架旋转一周所用时间长短 B、机架旋转一周检查床的移动距离 C、一次螺旋扫描最长的时间 D、重建出一幅图像所需时间

22、关于CT成像原理，说法不正确的是：（）I、CT是利用人体不同组织对X线衰减系数不同成像 J、CT球管绕人体旋转，进行不同角度透射

K、CT探测器接收到数据后通过A/D转换成数字信号送计算机处理 L、每个CT探测器探测到的数据，构成CT图像中的一个点即像素

23、目前常用CT为第三代CT，其X线束形状为：（）A、笔形 B、锥形 C、扇形 D、圆形

24、CT球管前方一般装有滤过器，其作用是：（）A、吸收软射线 B、使X线能量均匀分布 C、减小信号强度差异 D、提高射线能量

25、CT常规（Sequence）扫描中，控制图像层厚的是：（）A、探测器宽度 B、前准直器宽度 C、扫描时间 D、重建算法

26、关于数字化，下列说法中不妥的是：（）A、所谓数字化，是指利用计算机信息技术把自然界中的声、光、电等模拟量砖变成数字信号； B、数字化是将文字、声音、图像等信息变成数字编码，用于传输和处理的过程； C、数字信号比模拟信号反映物理量更精确；

D、数字化环节中，转换成数字信号目的是便于计算机处理；

27、下列环节中属于模数（A/D）转换的是：（）A、用MP3听歌 B、用数码相机拍照 C、显示器显示图象 D、打印数码相片

28、关于CT图像的密度分辨率，不正确是：（）A、与探测器的灵敏度成正比 B、与扫描层厚成正比

C、与X线的剂量呈正比 C、与重建矩阵大小成正比

29、螺旋扫描中，下列那种螺距值会造成漏扫：（）

A、Pitch=1 B、Pitch=0.5 C、Pitch=1.5 D、Pitch=0.8

30、CT图像有较好的密度分辨率，这是因为：（）

C、CT探测器的动态范围宽 B、CT所用X球管功率较大 C、CT是断面成像 D、采用特殊重建软件

四、多选题（每题1分，共10分）

1、射频系统的组成结构包括（）

A、射频发射接收线圈 B、射频脉冲发生器 C、射频发射接收放大器 D、梯度放大器

2、下列有关超导磁体的叙述正确的是（）

A、场强高 B、磁场稳定性好 C、磁场均匀度高 D、磁场需电源维持

3、通常PACS(Picture Archive and Communication System)系统主要功能包括：（）A、用计算机存储和管理影像科乃至全院的图像

A、通过DICOM标准将所有检查设备、影像工作站、WEB浏览器等连网 B、与异地PACS系统相连，实现远程会诊 D、影像科人员的相关资料保存及管理

4、CT与普通摄片相比，优势在于:（）

A、真正的断面成像 B、图像清晰，密度分辨率极高 C、可利用CT进行骨密度测量 D、可进行三维成像等后处理

5、螺旋CT的扫描特点：（）

A、球管-探测器连续转动 B、探测器连续采集 C、检查床连续移动 D、X线连续产生

6、永久磁体的优点有（）

A、磁体轻 B、造价低 C、维护费用低 D、不耗电

7、数字化X线成像与传统屏片系统相比有很多优点：（）A、降低X剂量

B、可以用计算机对图像进行保存、显示、打印 C、可以进行三维重建等后处理 D、可接入PACS系统，实现远程会诊

8、关于CT图像的空间分辨率，正确是：（）

A、与准直器宽度成反比 B、与扫描视野FOV成反比 C、与扫描层厚成正比 C、与重建矩阵大小成正比

9、螺旋CT扫描与常规扫描相比，优点有：（）A、连续扫描，避免漏扫 B、回顾性重建，提高病变检出率 C、减少呼吸和运动伪影 D、提高了图像Z轴空间分辨率

10、有关MR扫描室射频屏蔽的描述正确的是（）

A、用铜板屏蔽 B、观察窗用铅玻璃 C、门缝用铜弹片贴合 D、通风口用铜网

四、问答题（每题5分，共20分）1.试述光电管自动曝光的控时原理？

2.试述XTV的工作原理

3.请写出X线机电源电路中自耦变压器B1得电工作所必须的条件（工作过程）。

4.试述单相全波桥式整流电路的原理，并画出高压变压器次级两端电压波形图及X线管两端电压波形图。

练习四

一、填空题（每空1分，共20分）

1.X线管的作用是将__________转换成____________;2.高压初级电压的控制方法有____________和___________两种;3.电子限时器是利用_________的充放电特性；

4.XTV由__________、__________、___________、___________几部分组成； 5.高压绝缘油（变压器油）的作用是________________;6.MR的组

成是、、、。7.MR中的梯

度

磁

场有、、。

8.MR设备的磁体类型包括、、。

二、是非题（每题1分，共10分）1.X线管的灯丝变压器是降压变压器；（）2.X线管不需要灯丝加热就可以直接加高压；（）

3.荧光屏的作用是将携带人体内部结构信息的X线转换为可见光影像；（）

4.保持高压变压器初级、次级线圈匝数不变，改变高压变压器初级输入电压对X线管两端电压没有影响；（）

5.X线管的容量主要由mA和时间S决定；（）

6.管电流调节电路的作用实际上是调节X线管的灯丝加热电压；（）7.XTV透视所需的X剂量是荧光屏透视所需的五分之一；（）8.高压电缆的作用是仅给X线管提供管电压；（）9.我国规定接地电阻标准时大于4欧姆；（）10.逆变器的作用是将直流电转换成交流电；（）

三、单项选择题（每题1分，共30分）

1、自然界中的物理量多为模拟量，下列选项中不属于模拟量的是：（）

A、时间 B、开关状态 C、X线剂量 D、温度

2、数字化环节中，将模拟信号转换为数字信号的电路是：（）

A、数模转换器 B、积分电路 C、A/D转换器 D、光电转换

3、下列影像设备中，不属于数字化设备的是：（）A、CT B、CR C、电视透视 D、DR

4、数字图像中，像素的大小为50um时，其空间分辨率为：（）A、10LP/mm B、10LP/cm C、5LP/mm D、50LP/cm

222

25、数字图像中，图像的黑白程度称为灰度，灰度等级多少称为灰阶，灰阶为10Bit时，可以观察到的等级数为：（）A、768 B、1024 C、2048 D、1076

6、I.I-TV系统（影像增强器+摄像机）在X线成像中运用非常广泛，其最大优势是：（）E、结构简单 B、可进行动态观察 C、图像空间分辨率高 D、价格便宜

7、关于CR，说法欠妥的是：（）

E、Computed Radiography 的缩写，简称CR B、IP板需要使用暗盒 C、IP板取代胶片，摄片后由激光扫描仪读出 D、必须配置CR专用的X线机

8、关于IP板，描述不当的是：（）

E、IP板中所含的特殊物质感光后，形成潜影，激光激发可再次发光，经光电转换成数字信号 F、IP板中所含的特殊物质感光后，形成潜影，也可经显影，定影后由扫描仪读出 G、IP板中所含的特殊物质为辉尽性荧光物质，一般用氟卤化钡晶体 H、IP板可重复使用，但使用次数有限

9、关于IP板特性，描述不当的是：（）

A、IP板有特大宽容度，可精确检测组织间差异

F、IP板曝光后，形成的潜影信息会发生自动消退现象，因此必须及时扫描 G、IP板中信息读出后信息自动消退，无需特殊清除处理

H、IP板不仅对X线敏感，对其它电磁波如紫外线、β、γ线等也敏感，因此需用暗盒

11、关于CR系统的特点，描述有误的是：（）

A、可对传统X线机进行数字化 B、降低了X线剂量 C、可对图像进行各种后处理，提高了图像质量 D、必须使用激光胶片

12、下列处理过程中不存在数模转换（D / A）的是：（）

A、显示器显示图像 B、激光相机打印胶片 C、激光扫描仪读取IP板上信息 D、用MP3播放器听歌

13、关于DR，说法欠妥的是：（）

E、用平板探测器替代胶片，摄片后由激光扫描仪读出

F、平板探测器将穿过人体的X线直接转换成电信号，经A/D转换送至计算机处理 G、必须配置DR专用的X线机 H、无需使用暗盒

14、关于CR与DR，说法不恰当的是：（）

E、CR需要暗盒DR不需要

F、DR图像是真正数字化X线，而CR不是 G、DR成像速度较CR快 H、DR操作较CR简单

15、DR摄影比传统增感屏-胶片相比X线剂量大幅降低，这主要由于：（）

M、DR所采用的X线机一般为高频机，射线质量高 N、DR用探测器面积较大，可大范围成像 O、平板探测器有极宽的宽容度及较高灵敏度 P、DR采用自动曝光控制技术（AEC）

16、数字图像与传统胶片相比，没有优势的是：（）

E、数字图像可进行后处理，诊断信息增多 B、成像速度 C、图像空间分辨率 D、图像密度分辨率

17、螺旋CT与普通CT相比关键是采用了：（）

A、固体探测器 B、滑环技术 C、不同重建算法 D、高档计算机

18、CT图像有较好的密度分辨率，这是因为：（）

D、CT探测器的动态范围宽 B、CT所用X球管功率较大 C、CT是断面成像 D、采用特殊重建软件

19、DR与CR相比，说法不正确的是：（）

M、DR图像清晰度优于CR，信噪比高 N、DR拍片速度快，成像间隔为5秒

O、平板探测器的寿命长，IP板使用次数有限 P、DR图像可接入PACS系统，而CR图像不能 20、螺旋扫描中，下列那种螺距值会造成漏扫：（）A、Pitch=1 B、Pitch=0.5 C、Pitch=1.5 D、Pitch=0.8

21、下列有关超导磁体的叙述错误的是（）

A、场强高 B、磁场需电源维持 C、磁场均匀度高 D、磁场稳定性好

22、关于CT成像原理，说法不正确的是：（）M、CT是利用人体不同组织对X线衰减系数不同成像 N、CT球管绕人体旋转，进行不同角度透射

O、CT探测器接收到数据后通过A/D转换成数字信号送计算机处理 P、每个CT探测器探测到的数据，构成CT图像中的一个点即像素

23、目前常用CT为第三代CT，其X线束形状为：（）A、笔形 B、锥形 C、扇形 D、圆形

24、CT球管前方一般装有滤过器，关于其作用，错误的是：（）A、吸收软射线 B、使X线能量均匀分布 C、减小信号强度差异 D、提高射线能量

25、CT常规（Sequence）扫描中，控制图像层厚的是：（）A、探测器宽度 B、准直器宽度 C、扫描时间 D、重建算法

26、关于数字化，下列说法中不妥的是：（）

A、所谓数字化，是指利用计算机信息技术把自然界中的声、光、电等模拟量砖变成数字信号； B、数字化是将文字、声音、图像等信息变成数字编码，用于传输和处理的过程； C、数字信号比模拟信号反映物理量更精确；

D、数字化环节中，转换成数字信号目的是便于计算机处理；

27、下列环节中属于模数（A/D）转换的是：（）A、用MP3听歌 B、用数码相机拍照 C、显示器显示图象 D、打印数码相片

28、不是永久磁体优点的是（）

A、磁体轻 B、造价低 C、维护费用低 D、不耗电

29、有关MR扫描室射频屏蔽的描述错误的是（）

A、用铜板屏蔽 B、观察窗用铅玻璃 C、门缝用铜弹片贴合 D、通风口用铜网 30、磁共振组成结构一般不包括（）

A、磁体 B、梯度线圈 C、激光扫描仪 D、射频线圈

四、多选题（每题1分，共10分）

1、射频系统的组成结构包括（）

A、射频发射接收线圈 B、梯度放大器 C、射频发射接收放大器 D、射频脉冲发生器

2、对CT的发明做出贡献的有：（）

A、科马克提出计算机断层设计理论方案 B、1917雷当提出图像重建理论 C、1895年伦琴发现X线 D、豪斯菲尔德1971年研制出第一台CT

3、数字化X线成像与传统屏片系统相比有很多优点：（）增加了X剂量

可以用计算机对图像进行保存、显示、打印； C、可以进行三维重建等后处理 D、可接入PACS系统，实现远程会诊

4、通常RIS(Radiology Information System)系统能包括：（）病人登记 B、病人分诊功能 C、报告管理 D、科室管理

5、CT与普通摄片相比，优势在于:（）A、真正的断面成像 B、图像清晰，密度分辨率极高 C、可利用CT进行骨密度测量 D、可进行三维成像等后处理

6、通常PACS(Picture Archive and Communication System)系统主要功能包括：（A、用计算机存储和管理影像科乃至全院的图像

B、通过DICOM标准将所有检查设备、影像工作站、WEB浏览器等连网 C、影像科人员的相关资料保存及管理 D、与异地PACS系统相连，实现远程会诊

7、关于CT图像的密度分辨率，说法正确的是：（）

A、与探测器的灵敏度成正比 B、与扫描层厚成正比

C、与X线的剂量呈正比 C、与重建矩阵大小成正比

8、关于CT图像的空间分辨率，描述正确的是：（）

A、与准直器宽度成反比 B、与扫描视野FOV成反比

C、与扫描层厚成正比 C、与重建矩阵大小成正比

9、螺旋CT扫描与常规扫描相比，优点有：（））A、连续扫描，避免漏扫 B、回顾性重建，提高病变检出率 C、减少呼吸和运动伪影 D、提高了图像Z轴空间分辨率

10、螺旋CT的扫描特点：（）

A、球管-探测器连续转动 B、探测器连续采集

C、检查床连续移动 D、X线连续产生

五、问答题（每题6分，共30分）

1、试述千伏补偿的原理？

2、对X线机电路的基本要求是哪些？

3、试述影像增强器的工作原理？

4、请写出X线机电源电路中自耦变压器B1得电工作所必须的条件（工作过程）。

5.数字电视标准综述篇五

一 .ATSC标准

美国在发展高清晰度电视时首先考虑的是如何通过地面广播网进行传播，并在由美国高级电视系统委员会(ATSC)提出了以数字高清晰度电视为基础的标准：ATSC(Advanced Television System Committee先进电视制式委员会)。

ATSC数字电视标准由四个分离的层级组成：最高层是图像层，确定图像的形式，包括象素阵列和帧频;第二层是图像压缩层，采用MPEG-2图像压缩标准;第三层是系统复用层，特定的数据被纳入不同的压缩包中;最后一层是传输层，确定数据传输的调制和信道编码方案。

二.DVB标准

1993年，欧洲成立了国际数字视频广播组织(DVB组织)。DVB组织决定新的技术必须是建立在MPEG-2压缩算法上的数字技术，必须是以市场为导向的数字技术。DVB的宗旨是要设计一个通用的数字电视系统，在此系统内的各种传输方式之间的转换有最简单的方式，尽可能的增加通用性。DVB标准提供了一套完整的、适用于不同媒介的数字电视系统规范。DVB数字广播传输系统利用了包括卫星、有线、地面、SMATV、MNDSD在内的所有通用电视广播传输媒体。它们分别对应的DVB标准：DVB-S、DVB-C、DVB-T、DVB-SMATV、DVB-MS和DVB-MC。

的加扰方法及条件接收接口。

2. DVB 传输系统

DVB标准的传输系统分为信源编解码(Source Coding)和信道编解码(Channel Coding)两部分。信源编码采用MPEG-2码流，首先对音频和视频进行复用，然后再将多个数字电视节目流进行传输复用。在接受端进行相应的解复用和解码。

信道编解码包括：前向纠错编码、译码、调制、解调和上、下变频3部分。卫星传输采用QPSK(4相相移键控调制)方式，有线传输采用QAM(正交振幅调制)方式，地面传输采用COFDM(编码正交频分复用)或16VSB(16电平残留边带调制)方式。

(1) DVB-S-数字卫星直播系统标准

数字卫星传输系统是为了满足卫星转发器的带宽及卫星信号的传输特点而设计的。该标准以卫星作为传输介质。将视频、音频以及资料放入固定长度打包的MPEG-2传输流中，信号在传输过程中有很强的抗干扰能力，然后进行信道处理。通过卫星转发的压缩数字信号，经过卫星接收机后由卫星机顶盒处理，输出视频信号。这种传输覆盖面广，节目量大。数据流采用四相相移键控调制(QPSK)方式，在使用MPEG-2的MP@ML(主类@主级)格式时，用户端达到CCIR601演播室质量的码率为9Mb/s，达到PAL质量的码率为5Mb/s。在DVB-S标准公布以后，几乎所有的卫星直播数字电视均采用该标准，我国也选用了DVB-S标准。

(2) DVB-C 数字有线广播系统标准

该标准以有线电视网作为传输介质，应用范围广。有线电视系统分为两部分：CATV前端和综合解码接收机(IRD)。采用MPEG-2压缩编码的传输流，由于传输介质采用的是同轴电缆，与卫星传输相比抗外界干扰能力强，信号强度相对较高。调制方式有16、32、64QAM三种方式，对于QAM调制而言，传输信息速率越高，抗干扰能力越低。采用64QAM正交振幅调制时，一个PAL通道的传输码率为41.34Mb/s，还可供多套节目复用。DVB-C传输系统的具有如下几点主要特点：(1)可与多种节目源相适配。DVB-C传输系统所传送的节目既可来源于从卫星系统接收下来的节目，又可来源于本地电视节目，以及其它外来节目信号。(2)可用于标准数字电视又可用于HDTV。

要该设备能够正确接收和处理发射信号，并满足DVB-T中所规定的性能指标。

(4) DVB-SMATV 数字SMATV(卫星共用天线电视)广播系统标准

此标准是在DVB-S和DVB-C基础上制定的。

(5) DVB-MS 高于10GHZ的数字广播MMDS分配系统标准

MMDS是采用调幅微波向多点传送，分配多频道电视节目的系统。该系统基于DVB-S，使携带大量节目的微波信号直接入户。用DVB-S接收机配上一个MMDS频率交换器就可以接收DVB-MS信号。

(6) DVB-MC 低于10GHZ的数字广播MMDS分配系统标准

该标准基于DVB-C，使携带大量节目的微波信号直接入户。用DVB-C接收机配上一个MMDS频率变换器就可以接收DVB-MC信号。

3.DVB 交互业务系统

DVB数字广播系统中的许多业务能根据需要，提供多种形式的交互服务。在通用的DVB数字广播系统的基础上，进一步构成交互业务系统的要素，包括与其他相关国际标准兼容的交互业务网络独立协议，传送交互服务过程命令与控制信号的回传信道等。与此对应的交互业务系统DVB标准有：

DVB-NIP- 交互业务网络独立协议标准;

DVB-RCC -CATV系统DVB反传信道标准;

DVB-RCT-PSTN/ISDN的DVB反传信道标准

三、ISDB标准

ISDB综合业务数字广播，是由日本的DIBEG(Digital Broadcasting Experts Group数字广播专家组)制定的数字广播系统标准。它主要定义传输系统，信源部分仍是MPEG-2，传输方案是COFDM(编码正交频分复用)，利用此方式在一个普通的传输信道上发送各种不同种类的信号，同时已经复用的信号也可以通过各种不同的传输信道发送出去。ISDB具有柔软性、扩展性、共通性等特点，可以灵活的集成和发送多节目的电视和其他数据业务。

ISDB增加了部分接收和分层传输的功能，部分接收是指系统将整个6MHz带宽分为13段，每段423KHz，主要解决窄带和宽带业务的同时接收问题。分层是指对不同段的纠错和调制方式进行不同的设置，以针对不同重要程度的信息和不同接收条件以及不同的接收区域。三种地面电视系统的比较表三种数字地面广播系统的比较

数字编码标准

使用数字信号进行传输有很多优点，但数字信号数码率太高，不易直接进行传输，因此在传输前要进行多种处理，信源编码以压缩信源数码率为目的，尽量减少信源各符号的相关性，使信源的传输效率提高。

视频压缩基本概念

背景知识

在过去的几年里，关于视频压缩的争论己成为-个极其热门的话题。三幅分别显示红，蓝，绿的最高分辨率的图像，共占用18MHz的总带宽;但被压缩成一路仅占6MHz的复合信号-3：1的带宽压缩率被引入了。这种方式虽然简单，但毕竟是压缩了。当然，这种早期的压缩方式是通过模拟技术实现的。今天，更稳定连续的图像质量，更高的压缩率可以通过把模拟信号转换为数字信号，利用一些高度复杂的技术来完成。这些技术最终带来了更高的压缩效率和更精细的压缩图像处理方法。但这些数字技术需要硬件具有极为强大的计算能力。

压缩基本上是这样一个过程：一个图像序列中前后帧图像之间存在着一定的相关性，这种相关性使得图像中存在大量的冗余信息。我们就利用图像之间的相关性来减少图像或图像组的内容信息，只保留少量非相关信息进行传输，接收机就利用这些非相关信息，按照一定的解码算法，可以在保证一定图像质量的前提下尽可能重现原始图像。

一般地讲，数字视频压缩是从分量视频表达开始的，此时信号是以一个亮度分量，两个色度分量来表达的。最广为接受的数字分量视频格式就是CCIR601，该建议使用了“共结点”模型的4：2：2采样结构。所谓“共结点”，是指每个彩色象素点由3个采样来描述：一个亮度采样，两个色差形成的色度采样。因为这三个采样在时间上是重合的，所以称为“共结点”。在525行的系统中，每帧有483个有效行，每行有720个象素点;在625 行的系统中，每帧有576个有效行。通过色度、亮度采样的结合，在不损害图像质量的同时，减少所需带宽得以实现。4：2：2中亮度信号的采样频率实际上是13.5 MHz，色差信号Cb，Cr的采样频率刚好是亮度采样频率的一半(6.75 MHz)。因为625/50系统行频和525/60系统行频的最小公倍数是2.25MHz, 将亮度信号和色差信号的取样频率数值取为2.25MHz的整数倍。

信号的主要部分是有一定可预知性的。一个极端的例子是正弦波信号，它有高度的可预知性，因为每个周期都是相同的，且只有一个频率，这样就不需占用带宽。另一个极端的例子是，噪声信号完全不可预测。当然，实际上所有的信号都介于这两者之间。压缩技术总的来说就是要识别并去除这些冗余，从而减少数据量和所需带宽。

一.CCIR 601号建议

自1948年提出视频数字化的概念后，经过40年的探索，国际无线电咨询委员会(CCIR)于1982年提出了电视演播室数字编码的国际标准CCIR 601号建议，确定以亮度分量Y和两个色差分量R-Y、B-Y为基础进行编码，作为电视演播室数字编码的国际标准。

CCIR 601号建议：(1)亮度抽样频率为525/60和625/50三大制式行频公倍数的2.25MHz的6倍，即Y、R-Y、B-Y三分量的抽样频率分别为13.5MHz、6.75MHz、6.75MHz。现行电视制式亮度信号的最大带宽是6MHz，13.5MHz>2*6MHz=12MHz，满足奈奎斯特定理(抽样频率至少要等于视频带宽的两倍)。考虑到抽样的样点结构应满足正交结构的要求，两个色差信号的抽样频率均为亮度信号抽样频率的一半。(2)抽样后采用线性量化，每个样点的量化比特数用于演播室为10bit，用于传输为8bit。(3)建议两种制式有效行内的取样点数亮度信号取720个，两个色度信号各取360个，这样就统一了数字分量编码标准，使三种不同的制式便于转换和统一。所以有效行Y、R-Y、B-Y三分量样点之间的比例为4：2：2(720：360：360)。

另外在1983年召开的国际无线电咨询委员会上又做了三点补充：(1)明确规定编码信号是经过预校正的Y、R-Y、B-Y信号;(2)相应于量化级0和255的码字专用于同步，1到244的量化级用于视频信号;(3)进一步明确了模拟与数字行的对应关系，并规定了从数字有效行末尾至基准时间样点的间隔，对525/60和625/50两种制式分别为16个和12个样点。

二、H.261标准

H.261也称P*64，即“采用P*64kb/s声像业务的图像编解码”,是最早的一个码率压缩标准。是1984年国际电报电话咨询委员会提出的第一个实用化的、适用于会议电视和可视电话要求的标准。所用的电话网络为综合业务数字网络(ISDN)，目标是推荐一个图像编码标准，因为图像必须和语音密切配合，所以推荐的图像编码算法必须是实时处理的，并且要求最小的延时。

三、JPEG标准

JPEG(Joint Photo -graphic Experts Group联合图像专家组)是数字图像压缩的国际标准。它从1986年正式开始制定，是国际标准化组织ISO、国际电报电话咨询委员会CCITT、国际电工委员会IEC合作的结果，所以它是ISO的标准, 同时也是CCITT推荐的标准。

Motion-JPEG用于空间连续变化的静止图像，包括灰度等级和颜色两方面的连续变化。JPEG包含两种基本压缩方法，一种是以DCT(Discrete Cosine Transform离散余弦变换)为基础的压缩方法，另一种是无损压缩(又称为预测压缩方法)。由于JPEG没有利用时间方向上的冗余，因此JPEG在帧内编码方式上提供了多种多样的方法和选择。

四、MPEG标准

(一)MPEG简介

MPEG(Moving Picture Expert Group活动图像专家组)是运动图像和声音的数字编码标准。它是标准化组织(ISO)和国际电工委员会(IEC)制订的。实际上MPEG是一个标准系列，有MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4和MPEG-7。

1.MPEG-1标准

MPEG-1 标准可以处理各种类型的活动图像，MPEG-1 所支持的输入图像格式有两种：352*240*30和352*288*25。其基本算法对于压缩水平方向360个象素、竖直方向288个象素的空间分辨力，每秒24至30副画面的运动图像有很好的效果。在MPEG-1标准中的一帧图像是成逐行扫描的图像。

MPEG-1 标准采用了一系列的技术获得高压缩比：(1)对色差信号进行亚取样以减少数据量;(2)采用运动补偿技术减少时间冗余度;(3)做二维DCT变换去除空间相关性;(4)对DCT分量进行量化，将量化后的DCT分量按频率重新排序;(5)将DCT分量进行变字长编码;(6)对每数据块的直流分量进行预测。

MPEG-1 是一个开放统一的标准，它为工业标准而设计，可适用于不同带宽的设备。尽管其图像质量仅相当于VHS视频的质量，还不能满足广播级的要求，但已广泛应用于VCD等家庭视像产品中。它也被用于数字电话网络上的视频传输，如非对称数字用户线路(ADSL)、视频点播(VOD)以及教育网络等。MPEG-1也可被用作记录媒体或是在Internet上传输音频。

2.MPEG-2标准

MPEG-2(Generic Coding of Moving Picture Associated Audio Information活动图像及有关声音信息的通用编码)。是由MPEG开发的第二个标准，按计划于1994年11月正式确定为国际标准。在此标准制订期间国际电信联盟电信标准化部门(ITU-T)成立了一个有关ATM的图像编码专家组。

MPEG-2标准特别使用于广播级数字电视的编码和传送。它是针对数字电视和高清晰度电视在各种应用下的压缩方案和系统层的详细规定，并不是MPEG-1的简单升级，MPEG-2在系统和传送方面作了更加详细的规定和进一步的完善，并兼顾了与ATM信元的适配问题。

MPEG-2中的图像类型分四种：I帧，或称内码帧，采用帧内编码，不参照其他帧，是完整的独立编码帧，必须存储或传输;P帧，或称预测帧，参照前一个I帧或P帧做运动补偿编码;B帧,或称双向预测帧，参照前一个或后一个I帧或P帧做双向运动补偿编码;D帧，或称直流帧(DC)，只含直流分量，是为快放功能设计的。

MPEG-2标准目前有9个部分，统称为ISO/IEC13818国际标准。各部分的内容如下：

以上六部分均已获得通过，成为正式的国际标准，并在数字电视领域得到了广泛的实际应用。ATM视频编码专家组与MPEG将ISO/IEC13818标准的第一、二部分合并，因此上述两个部分也成为ITU-T的标准，分别为：ITU-TRec.H.220系统和ITU-TRec.H.262视频。

3、MPEG-4标准

MPEG-4是音视频对象(Object)的编码，是以内容为中心的描述方法。MPEG-4标准主要应用于视像电话(Videophone)，视像电子邮件(VideoEmail)和电子新闻(ElectronicNews)等。MPEG-4利用很窄的带宽，通过帧重建技术、压缩和传输数据，以求从最少的数据获得最佳的图像质量。MPEG-4的目标是建立一个通用有效的编码方法，对称之为音视频对象的应用音视频数据格式进行编码，这些音视频对象可以是自然的(Natural)或合成的(Synthetic)。MPEG-4标准支持7个新功能，可粗略的分3类：基于内容的交互性、高压缩率和灵活多样的存取模式。

(1)基于内容的交互性

MPEG-4是第一个使你由被动变为主动(允许你加入其中，即有交互性)的动态图像标准。MPEG-1或MPEG-2中采用的是矩形、方块的块处理图像的方法，也就是把整帧的图像分割成固定尺寸、固定开头的子块来进行处理。而在MPEG-4中则首次采用了对象(Object)的概念：视频对象(VO)、音频对象(AO)。它将一幅图像按内容分块，如图像中的场景，画面上的物体被分割成不同的子块，将感兴趣的物体从场景中截取出来进行编码处理。

(2)高压缩率(Compression)

MPEG-4标准将提供更好的主观视觉质量的图像。对多个并发数据流的编码，MPEG-4将提供对一景物的有效多视觉编码，加上多伴音声道编码及有效的视听同步。在立体视频应用发面，MPEG-4将利用此功能在足够的观察视点条件下有效的描述三维自然景物。

(3)灵活多样的存取(Universal Access)

“灵活多样”是指允许采用各种有线网和各种存储媒体。MPEG-4是第一个在其音频、视频表示规范中考虑信道特性的标准。基于内容的尺度可变性是MPGE-4的核心，内容尺度可变性就意味着给图像中的各个对象分配优先级，比较重要的对象用较高的空间或时间分辨率表示。一旦图像中所含对象的目录及相应的优先级确定后，其他的基于内容的功能就比较容易实现了。

4、MPEG-7标准

MPEG-7-多媒体内容描述接口，它的由来是1+2+4(因为没有MPEG-3、MPEG-5、MPEG-6)。MPEG-7是针对存储形式(在线、离线)或流形式的应用而指定的，并且可以在实时和非实时环境中操作。它的功能将和其他MPEG标准互为补充，MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4是内容本身的表示，而MPEG-7是有关内容的信息，它是满足特定需求的视听信息的标准表示，并建立在其他MPEG标准的基础之上。

MPEG-7只规定内容描述格式，而不规定如何从原始的多媒体资料中抽取内容描述的方法。MPEG-7是规定一个用于描述各种不同类型多媒体信息的描述符的标准集合，还将对定义其他描述符及其结构(描述方案)以及他们之间的关系的方法进行标准化。这种描述(也就是描述符和描述方案的组合)将与内容本身关联起来，以便对用户感兴趣的素材进行快速高效的搜索。MPEG-7还将标准化一种用来定义描述方案的语言，即描述定义语言(DDL)。带有与之相关的MPEG-7数据的AV素材，就可以加上索引，并可进行检索。这些素材可能包括静止的图像、图形、3D模型、音频、视频、语言以及关于这些成份如何组成一个多媒体表述的信息。在这些通用数据类型中的特殊情况可能包括面部表情和个人特征。

5、MPEG-21

MPEG-21正式名称称为多媒体框架(Multimedia Framework)，是一个刚开始制定的国际标准。它的口号是：将标准集成起来支持和谐的技术以管理多媒体商务。

目前，基于因特网的物品交易正在转化为电子化的数字内容分发和交易，在新的商业市场中，要将与媒体内容相结合的不同的知识产权区分开来越来越困难。所以需要一种综合性的解决方案，以一种协调的.方式管理和发送不同的内容形式，并且要对多媒体服务的用户完全透明。为了支持这种新的商务，需要一个多媒体的框架，这个框架需要一个由其结构就可理解的共享的模式，以保证发送电子内容的系统可以互操作，并保证简化交易。

总体来说，MPEG优于其他压缩/解压缩方案。首先，由于在一开始它就是作为一个国际化的标准来研究制定的，所以，MPEG具有很好的兼容性;其次，MPEG能够比其他算法提供更好的压缩比，最高可达200：1;最重要的是MPEG在提供高压缩比的同时对图像损失很小。

MPEG-2还有不同的处理方法，称为类(Profiles)，每一类都包括压缩和使用方法的一个集合。不同的类意味着使用不同集合的码率压缩工具，MPEG-2共分五类。使用最少工具的类称为简单类(SP：Simple profile);比简单类高的是主类(MP：Main profile),可使用所有简单类使用的压缩工具，但加了一种双向预测的方法。在相同比特率的情况下，将给出比简单类更好的图像质量。

“级”和“类”的若干组合构成MPEG-2视频编码标准在某种特定应用下的子集。对某一输入格式的图像，采用特定集合的压缩编码工具，产生规定速率范围内的编码码流。目前的标准数字电视采用的是MP@ML主类和主级，而HDTV采用的是MP@HL主类和高级。不是所有的级和类的组合都有用，20个所选组合中只有11种是有可能有实际应用的。

数字录像机

录像机是电视节目制作的基本工具，后期制作每经过一次处理，录像带的图像质量就会下降一次，这就使模拟节目的制作受到很大的限制。图像质量下降的主要原因是录放通道的噪声和多次编解码，因此只有采用数字分量记录方式才能克服这一缺点。由于视频信号取样结构处理有4：2：2、4：1：1、4：2：0格式之分，压缩方式有场内DCT、帧内DCT和MPEG-2之分，码率压缩比不同，记录码率有200Mb/s左右、90 Mb/s左右、25 Mb/s和50 Mb/s之分，磁带宽度有3/4、1/2、1/4英寸以及MP与ME之分等等，数字录像机的格式十分多样。例如：不压缩的D1、D5格式，2：1压缩的Digital Betacam格式，5：1压缩的DVCPRO(D7)和DVCAM格式，10：1压缩的Betacam SX 格式，3.3：1压缩的DVCPRO 50和Digital-S(D9)格式等。

1 、D-1格式数字录像机

D-1格式数字录像机可以直接记录符合ITU-R601建议的分量编码数字视频信号和符合AES/EBU格式的数字音频信号。数字视频信号的数码率为216 Mb/s，对于525行/60场制式，每帧有效行数为485，每行记录720个亮度样值和2*360个色度样值，每样值为8比特量化，净数码率为168 Mb/s。

2 、D-2格式数字录像机

复合信号数字录像机的数码率仅为分量数字录像机的一半，磁带消耗量也较小，D-2格式复合信号数字录像机可以用来取代模拟C格式录像机，它具有C格式录象机所有的功能，同时它又有复制多代不会出现质量明显下降的优点。和D-1格式一样，D-2格式也可以录制4路具有专业质量的数字或模拟音频信号，音频数据也记录两次，以提高误码保护能力，音频与视频可以独立进行编辑。

为了减少机械结构的复杂性并降低价格，D-2格式采用了两个记录通道方式，而没有采用D-1格式的4记录通道方式，但仍使用与D-1格式一样的19mm盒式带。D-2格式的记录波长比D-1格式更短，磁带采用13um厚的金属粒子带，并使记录时间分别增加到32、94、208分钟。设计过程中，还尽量使D-2格式的信号处理与D-1格式相类似，以减少对新集成电路的要求，但D-2格式不能与D-1格式兼容，它以经济实用为第一目的。

3 、D-3格式数字录像机

D-3是一个经济有效的数字复合录像机产品家族。它们特别适用于现存的广播环境。D-3格式具有非常好的慢动作，降低了功耗以及大约只有C格式机机架空间一半等各种优点也促使人们在转播车和体育转播设备中使用D-3格式数字录像机。

4 、D-5格式数字录像机

D-5格式基于D-3格式的设计，目前是最高质量和最高性能的数字录像机，记录码率最高达300 Mb/s。能重放D-3格式带，而且是数字重放。其带速是D-3格式的一倍。为了保持在相同磁迹间距的情况下使记录通道数从2个增加到4个，数字信号处理、记录和重放放大器、旋转变压器和磁头等几乎都加倍。

5 、Betacam SX格式数字录像机

该格式系列产品的数字一体化摄录机及数字视频磁带录像机采用MPEG-2 4：2：2P@ML压缩算法，在保证高图像质量的同时有效高压缩比为10：1，可录制8比特4：2：2数字分量视频信号，并可记录重放4通道16比特不压缩的数字音频信号，使用1/2英寸MP(金属粒子)带，部分型号如DNW-A65P和DNW-A75P还可还可兼容重放模拟信号的Betacam 和Betacam SP格式带子，从而使 Betacam SX向全数字话环境过渡更经济合理。

6、DVCAM格式

7、DVCPRO 25 及DVCPRO 50格式

DVCPRO也是在家用DV格式的基础上由松下开发的专业格式。有三种不同的应用：DVCPRO HD(ATV)100 Mb/s;DVCPRO 25 Mb/s;DVCPRO 50 Mb/s。

DVCPRO 25格式，图像处理中采用4：1：1的取样格式，即取样频率的亮度为13.5MHZ，色差为6.75MHZ，压缩比为5：1，记录码率为25 Mb/s。实际上DVCPRO对于输入信号，经4：1：1转化后进行记录，重放时对4：1：1离带信号进行内插重新形成4：2：2标准格式信号输出。

DVCPRO 50格式为标准的4：2：2输入和输出，内部处理也是4：2：2格式，视频数据率为50 Mb/s，压缩比为3.3：1，确保了高画质图像，是属于广播级数字录像机格式。使用1/4英寸的MP磁带，而且能够以DVCPRO 25格式记录并可重放DVCPRO 25格式记录的节目磁带。

8 、Digital -S(D9)格式

日本JVC公司与1995年4月公布新型数字录像机格式：Digital-S格式，使用使用大量普及的1/2英寸W-VHS高密度金属带，可做到2小时的长时间记录，有较好的实用性。

6.数字水印研究综述篇六

随着计算机多媒体技术和网络技术的迅速发展, 图像、音频、视频等形式的多媒体数字作品纷纷在网络上发布。对数字多媒体产品的非法访问、故意篡改也随之经常出现, 而这极有可能会损害音乐、电影、书籍和软件等出版业的发展。数字水印是新近提出的一种版权保护手段, 它通过在数字产品中嵌入水印信息来确定数字产品的所有权和检验数字内容的原始性。数字水印技术作为信息隐藏技术的一个重要分支, 是实现数字信息产品版权保护和数据安全维护技术的有效方法。

1 数字水印的基本原理

数字水印技术作为信息隐藏的一个较新的研究领域, 是指嵌入在数字化宿主数据 (如图像、音频、视频或软件等) 中的信息, 是嵌入在数字产品中的数字信号。水印信息可以是作者的序列号、公司标志、或有特殊意义的文本等。水印的存在要以不破坏原始作品的欣赏价值和使用价值为原则。数字水印技术可以判别对象是否受到保护、监视被保护数据的传播, 并作为鉴定、起诉非法侵权的证据。同时, 通过对水印的检测和分析, 保证数字信息的完整性。

数字水印应具有如下基本特征:

(1) 不可见性:或称为不可感知性。指根据多媒体信息的类型和几何特性, 利用用户提供的密钥向数字作品中嵌入水印后, 水印信息和原始作品数据集成在一起, 数字水印的存在不应明显干扰被保护的数据, 也不应影响被保护数据的的正常使用。

(2) 鲁棒性:或称为稳健性, 是数字水印技术的重要指标。多媒体信息中的水印在经历了多种有意或无意的信号处理操作或攻击后, 数字水印仍能保持部分完整性, 并能被准确鉴别, 嵌入的水印难以被一般算法清除。这里信号处理操作包括传输过程中的信道噪音、滤波操作、有损编码压缩等。

(3) 安全性:数字水印的信息应该是安全的, 难以被伪造或篡改。同时, 有较低的误检测率。水印信息隐藏的位置和内容不为人知, 数字水印系统使用一个或多个密钥以确保安全。隐藏载体与原始载体具有一致的特性, 如具有一致的统计噪声分布等, 以便使非法拦截者无法判断是否有隐蔽信息。

(4) 自恢复性:指经过一些操作或者变换之后, 可能会使原始载体数据产生较大的破坏, 但可以通过一定的算法从留下的片段数据中恢复出隐藏信号, 而不需要整个原始宿主图像的特性。

(5) 确定性:恢复出的水印或水印判决结果应该能够确定地表明所有权, 不会发生多重所有权的纠纷。

2 数字水印的框架

数字水印就是在多媒体对象中添加某些诸如水印、数字签名、商标等水印信息以至于事后水印能够被检测或者提取出来的一个过程, 从而能够证明产品的真实可靠性。

典型的数字水印技术由3个主要的过程组成: (1) 水印的嵌入过程; (2) 水印的提取过程; (3) 水印的检测过程。每一个所有者都有唯一的水印, 或者一个所有者能够将不同的水印嵌入到不同的对象中。将水印信息预处理后加入到载体中, 称为嵌入。水印的嵌入可理解为在一个宽带信道 (原始图像) 上用扩频通信技术传输一个宽带信号 (水印) 。从水印化数据中提取出水印信息或者检测出水印信息的存在性称为水印的提取和检测。

图1为一般性的水印嵌入框架。其功能是根据密钥Key生成水印信号W, 通过一定的算法加入载体作品中, 得到嵌入了水印的作品S。

图2是一般性的水印提取框架。其功能是对待检测数据进行水印信号相似性检测, 提取出水印。虚框部分表示在提取水印信息时, 原始数据不是必要的。

图3是一般性的水印检测框架。其功能是判断一个水印是否存在, 检测器输出的是一个二值信号 (0或1) 。虚框部分表示在检测水印信号时, 原始数据不是必要的。

3 数字水印的嵌入算法

近年来, 数字水印技术研究取得了很大的进步, 已经产生了很多数字水印算法。数字水印算法主要是指水印的嵌入算法, 而提取算法往往被看成是嵌入算法的逆变换。从嵌入域的角度看, 这些算法可以分为两类:时/空域水印算法和变换域水印算法。

3.1 时/空域水印算法

时/空域水印算法通过改变载体图像某些像素的灰度来嵌入水印信息。算法的复杂度较低, 实时性较强, 具有对攻击的时间和空间位置的定位能力, 很适合设计脆弱水印和半脆弱水印算法。时/空域最典型的算法包括最低有效位 (list significant bit, LSB) 水印算法和双集 (two set) 法等。

(1) 最低有效位 (LSB) 水印算法

最低有效位 (LSB) 水印算法是将信息嵌入到随机选择的图像点中最不重要的像素位上, 这可保证嵌入的水印是不可见的。水印信息的提取很简单, 只需要将对应像素值转换为二进制信息, 然后提取出最低有效位即可。虽然其有较大的信息嵌入量, 但作为数字水印算法, 因其基本原理受到限制, 所隐藏的数字水印信息是极为脆弱的, 水印信息很容易为滤波、几何变形等操作破坏。不过作为一种大数据量的信息隐藏方法, LSB在隐蔽通信中仍占据着相当重要的地位。

(2) 双集法

双集法是指从载体数据中选择一些数据组成两个集合, 然后通过修改这两个集合之间的某种关系来携带水印信息。提取水印时, 则根据对应的关系来提取嵌入的信息。Patchwork算法是最典型的双集法。

Patchwork算法随机选择N对像素点, 然后增加其一点亮度的同时, 相应降低另一点的亮度值, 通过这一调整过程完成水印的嵌入。该算法具有不易觉察性, 并且鲁棒性很强, 对于有损压缩编码和一些恶意攻击处理等具有一定的抵抗力, 但该方法嵌入的信息量有限, 对仿射变换敏感, 对多拷贝平均攻击的抵抗力较弱。

3.2 变换域水印算法

变换域水印算法通过改变载体图像变换域系数来嵌入水印信息, 可嵌入大量比特数据而不会导致可察觉的缺陷, 算法具有较高的鲁棒性。这类技术一般基于常用的变换, 如离散傅里叶变换 (DFT) 、离散余弦变换 (DCT) 、离散小波变换 (DWT) 、Fourier-Mellin变换或其他变换等。变换域水印算法最为典型的是扩频水印算法和量化水印算法。

(1) 扩频水印算法

扩频水印算法可以认为是水印信息经过简单的缩放, 然后加到载体作品上。利用扩频通信原理, 将水印分布在多个载体数据的频域系数中, 加在每个频域系数上的信号能量很小且不可随意检测;水印检测时, 需要知道水印的位置和内容, 检测器能将许多微弱的信号集中起来形成具有较高信噪比的输出值。利用扩频原理的数字水印技术具有较高的鲁棒性和安全性。

(2) 量化水印算法

量化水印算法不是将水印信号简单地加在原始信号上, 而是根据不同的水印信息用不同的量化器去量化原始载体信号, 从而实现水印信息的嵌入。提取时, 根据待测数据与不同量化结果之间的距离恢复水印信息。量化水印算法容易实现盲检测, 但对噪声比较敏感。

时/空域水印算法出现得最早, 但随后发展起来的变换域水印算法更受青睐。总体来说, 变换域的不可见性要比时/空域水印要好, 且抗攻击能力很强, 但是嵌入量较小, 计算更为复杂。实际应用中, 需要选择合适的算法, 以适应不同的需求。

4 数字水印的应用

随着数字水印技术研究的深入, 数字水印的应用领域也得到了迅速发展, 数字水印的基本应用领域主要是以下几个方面:

(1) 版权保护

版权保护是数字水印技术的一个重要应用, 版权保护可以被细分为为所有者鉴别、所有权验证和操作跟踪。利用数字水印数据隐藏原理将版权标志嵌入到原始数据中, 这样既不损害原作品, 又能达到版权保护的目的。例如, 音像公司可以把公司的名字、标志等信息添加到出版的磁带、CD碟片中。这样, 可以通过跟踪多媒体数据中的数字水印信息来保护多媒体数据的版权。

(2) 认证

数字水印在认证方面的应用主要集中在电子商务和数字产品追踪等领域。数字水印可嵌入在IC卡、信用卡和ATM卡上, 数字水印信息中有银行的记录, 个人情况及其他的内容, 数字水印可被自动识别提供认证服务。数字水印技术还可以为各种票据提供不可见的认证标志, 从而大大增加伪造的难度。

(3) 数字指纹

(4) 篡改提示与使用控制

如何防范对图像、录音数据的篡改是当前的一个重要研究课题, 基于数字水印的篡改提示是解决这一问题的理想方法, 通过水印的状态可以判断声像信号是否被篡改。使用控制的一个典型例子是DVD防拷贝系统, 即将水印信息加入DVD数据中, 这样DVD播放机即可通过检测DVD数据中的水印信息而判断其合法性和可拷贝性, 从而保护产品制造商的利益。

(5) 隐蔽通信

数字水印技术还可以应用于信息的安全通信。由于人们很难觉察到数字水印信息在多媒体数据中的存在, 某些重要信息在传输的过程中就可以嵌入在普通的多媒体数据中, 从而避开第三方的监控。网络情报战是信息战的重要组成部分。当采用数字水印技术作为稳健的隐蔽通道时, 产生了一系列新颖的作战方式, 引发了信息战的革命。

5 数字水印研究展望

虽然数字水印技术的研究已经取得了相当的成绩, 但水印技术仍然没有完全成熟和广为人们理解。数字水印技术仍然是一个未成熟的研究领域, 还有很多问题没有得到解决。从目前的技术和应用分析, 数字水印技术未来值得关注的研究领域为:

(1) 数字水印的理论研究

数字水印理论研究方面是要建立数字水印的理论体系框架, 重点要研究的是不同学科理论在数字水印中的应用, 分析数据量与隐蔽性之间的关系。这方面的工作包括感知理论、数字水印模型、水印嵌入对策和水印性能评价标准等。

(2) 数字水印的应用研究

在数字水印的应用上, 以水印的实用化为主要目的, 研究各种水印算法。如何将水印应用于认证、防伪、隐秘通信等领域, 还有很多的路要走。在进一步的应用中, 迫切需要面向电子商务, 提供服务器端的完整性保护和客户端的数据认证的数字水印技术以及不需要原始数据的盲检测。

(3) 数字水印的攻击研究

数字水印技术在实际应用中必然会遭到各种各样的攻击, 对含水印图像的常见攻击方法分为有意的攻击和无意的攻击两大类。攻击的目的在于使相应的水印系统检测工具无法正确地恢复信号, 或不能检测到水印信号的存在。水印攻击与水印算法是矛与盾的关系, 给定一个数字水印方案, 要弄清其能否被成功攻击很重要。

6 结束语

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