CIELAB色空間內窺鏡色彩還原能力對比分析

姬 軍王 丹王云龍蔣昌松袁 青

（1.解放軍第三○五醫院醫學工程科，北京 100017；2.解放軍第三○五醫院物資采購管理辦公室，北京 100017；3.南方醫科大學生物醫學工程學院，廣東 廣州 510515；4.北京大學第三醫院醫學工程科，北京 100191）

CIELAB色空間內窺鏡色彩還原能力對比分析

姬 軍1，王 丹2，王云龍1，3，蔣昌松4，袁 青1，3

（1.解放軍第三○五醫院醫學工程科，北京 100017；2.解放軍第三○五醫院物資采購管理辦公室，北京 100017；3.南方醫科大學生物醫學工程學院，廣東 廣州 510515；4.北京大學第三醫院醫學工程科，北京 100191）

基于CIELAB色空間評價硬性內窺鏡色彩還原能力，并進行4支硬性內窺鏡色彩還原能力對比分析。通過與內窺鏡連接的工業相機拍攝內窺鏡觀測到的色彩標靶圖像，拍攝圖像發送至計算機保存并處理。處理后得到圖像中紅綠藍色塊的RGB值，將RGB值轉換至CIELAB色空間進而求得圖像的L*、a*、b*值，最后利用已知標靶色塊的L*、a*、b*值和求得的圖像L*、a*、b*值計算CIELAB色差ΔE*ab，即色彩還原誤差值。實驗數據表明：4支內窺鏡的色彩還原誤差值都在47.9以上；4號腹腔鏡對紅、綠、藍三色塊的色彩還原誤差值最小，色彩還原能力最好；2號宮腔檢查鏡對三色塊色彩還原誤差值比較大，色彩還原能力最差；1號鼻竇鏡和3號關節鏡的色彩還原能力處于中間水平。CIELAB色空間作為國際通用的測色標準，可以用于評價硬性內窺鏡色彩還原能力。

CIELAB色空間；色彩還原能力；色彩還原誤差；測色標準

0 引 言

醫用硬性內窺鏡可作用于人體體表、淺層或者體腔部位，實現對病變組織或器官的治療和診斷。醫生通過內窺鏡不僅能直接觀察到人體內臟器官的組織形態、體內病變情況，方便進行診斷；而且可以對采集到的圖像進行輸出和存儲并進一步診療和處理，其診療優勢已為醫學界共識[1-2]。

醫用硬性內窺鏡光學系統對顏色分辨能力和色彩還原準確程度是通過數值的方法表示某種顏色給人色彩感覺上的準確度。光學觀察鏡應有良好的顏色分辨能力和色彩還原能力。當采用ISO 10526：1999/ CIE S005規定的A和D65標準照明體的光譜，經照明光路和成像系統傳輸后輸出，其輸出光譜應仍能保持良好的顯色性[3]。

硬性內窺鏡色彩還原能力與正確區分正常組織和病理組織密切相關，對臨床治療的影響至關重要。如果硬性內窺鏡的色彩還原誤差較大，可能影響醫生對視場內人體組織的觀察和操作，造成誤診甚至手術失敗[4]。國外近幾年已經出現了用于檢測醫用內窺鏡的專用設備，但檢測項目局限，沒有形成一種有效的內窺鏡色彩還原能力檢測方法，同時檢測設備價格昂貴，不利于推廣。

醫用硬性內窺鏡光學檢驗標準中，硬性內窺鏡色彩分辨能力和色彩還原性的檢測技術手段和裝置過于專業，方法相對復雜，不適于臨床使用。因此，為方便臨床使用及維護人員對醫用硬性內窺鏡色彩還原能力的評價，本文提出了一種新的關于醫用硬性內窺鏡色彩還原能力評價方法，并且利用該方法對4支硬性內窺鏡色彩還原能力做出對比分析。

1 實驗裝置與實驗原理

1.1 實驗裝置

1.1.1 測試對象

實驗所用硬性內窺鏡有鼻竇鏡LUT HD scope，宮腔檢查鏡SHENDA J0122，關節鏡Rudolf RU 0151-14 Germany Stainless，腹腔鏡Rudolf RU 0360-12/30 Germany Stainless，如表1所示。

表1 實驗所用醫用硬性內窺鏡介紹

1.1.2 光 源

照射冷光源采用機器視覺光源控制器AFT-BL50W，實驗所用到的亮度檔位對應的照度為10330lux（勒克斯，光照強度單位），偏差為±740lux，光照強度誤差在可接受范圍之內。實驗所用光源為均勻面的冷光源。

1.1.3 色彩測試圖卡

色彩測試圖卡是由紅、綠、藍3種顏色色塊組成的薄塑料質彩色標靶，如圖1所示。測試圖卡中的各個色塊的標準RGB值如表2所示。

圖1 色彩還原能力測試標靶

1.2 實驗原理和實驗方法

CIE1976LAB（或CIELAB）系統是國際通用的測色標準，適用于一切光源色或物體色的表示與計算。

CIELAB色空間轉換步驟為：

1）RGB色彩空間轉換成CIEXYZ色彩空間，轉換式：

2）CIEXYZ色彩空間轉換成CIELAB色空間，轉換式：

式中：X、Y、Z——物體的3刺激值；

X0、Y0、Z0——CIE標準照明體（光源）的3刺激值[5-7]。

由X、Y、Z變換為L*、a*、b*時包含有立方根的函數變換，經過這種非線性變換后，原來的馬蹄形光譜軌跡不再保持。轉換后的空間用笛卡爾直角坐標體系來表示，如圖2所示。

圖2 LAB色彩空間示意圖

L*值表示顏色的亮度，范圍0～100；a*值表示顏色由綠到紅的色彩變化，-128（純綠）至+128（純紅），分256級；b*值表示顏色由黃到藍的顏色變化，-128（純藍）至+128（純黃），分256級。

實驗過程中所用到的均勻冷光源的照度為10 330 lux，偏差為±740 lux。冷光源發出的均勻光透射測試圖卡，用上述4支內窺鏡分別對色彩還原測試圖卡進行圖像觀察采集，觀察采集過程中確保測試圖卡占到內窺鏡整個視場中心區域45%～55%的位置。通過與內窺鏡目鏡相連的DH-HV1351UC工業攝像機拍攝內窺鏡采集圖像并將所拍攝圖像輸入計算機。

然后利用Matlab軟件對所得圖像進行處理，處理過程中首先截取不同內窺鏡拍攝的紅綠藍色塊（每個色塊中截取面積≥30%），測出每個所截取圖像色塊的R、G、B值，并利用色彩空間轉換式（1）換算到CIELAB色空間求出各截取色塊對應的L2*、a2*、b2*值，已知紅綠藍三原色的RGB值和相對應的L1*、a1*、b1*值（如表2所示），將截取色塊對應的L、a、b值（L2*、a2*、b2*）和三原色對應的L、a、b值（L1*、a1*、b1*）代入下式計算各項色彩還原誤差，即為CIELAB色差ΔE*ab：

式中：L1*——標靶明度的標準值；

a1*——標靶彩度的標準值；

b1*——標靶彩度的標準值；

L2*——所拍圖像明度的測定值；

a2*——所拍圖像彩度的測定值；

b2*——所拍圖像彩度的測定值；

ΔL*——明度差，+表示偏白，-表示偏黑；

Δa*——彩度差，+表示偏紅，-表示偏綠；

Δb*——彩度差，+表示偏黃，-表示偏藍；

ΔE*ab——總色差的大小[8]。

表2 彩色標靶中色塊RGB值與L*a*b*值對應表

2 實驗結果與結論

2.1 實驗結果圖像與實驗數據

實驗拍攝所得到的以及處理后的部分色塊圖像分別如圖3～圖6所示。

圖3 1號鏡實驗中紅色色塊圖像

圖4 2號鏡實驗中綠色色塊圖像

圖5 3號鏡實驗藍色色塊圖像

圖6 4號鏡實驗紅色色塊圖像

處理后的圖像可以由Photoshop或者Matlab軟件獲得彩色圖像色塊的RGB值，然后將色彩空間由RGB空間轉換到L*a*b*空間，并且得到圖像的L*、a*、b*值以及總色彩還原誤差。所得4支硬性內窺鏡的紅綠藍三色塊的L*a*b*值以及色彩還原誤差值如表3所示。

表3 4支硬性內窺鏡拍攝所得圖像數據

2.2 實驗結論

表3可以看出，4支內窺鏡均有較大的色彩還原誤差值，其誤差值均在47.9以上；4支內窺鏡中4號腹腔鏡Rudolf RU 0360-12/30 Germany Stainless對紅、綠、藍三色塊的色彩還原誤差值最小；2號宮腔檢查鏡SHENDA J0122對三色塊色彩還原誤差值比較大。通過比較得知，4號腹腔鏡Rudolf RU 0360-12/30 Germany Stainless色彩還原能力比較好，其次是3號關節鏡Rudolf RU 0151-14 Germany Stainless和1號鼻竇鏡LUT HD scope，最后是2號宮腔檢查鏡SHENDA J0122。

經查閱相關資料得知，與其他3支內窺鏡相比，2號國產宮腔檢查鏡SHENDA J0122具有較低的色彩還原能力，本實驗結果與理論值一致。基于CIELAB色空間評價硬性內窺鏡色彩還原能力的方法相對簡單客觀，可以為內窺鏡廠家及工程人員提供可靠的硬性內窺鏡色彩還原檢測手段，可以作為醫用硬性內窺鏡光學性能標準中色彩還原檢測方法。

3 結束語

基于CIELAB色空間評價硬性內窺鏡色彩還原能力，與醫療儀器行業注冊檢驗檢測相比具有操作相對簡便、檢測成本較低、更加適合臨床應用等優點。

CIELAB色空間是國際照明委員會推薦的均勻顏色空間，較之前的顏色空間，顏色的均勻性有了較大的改善，但是對于人眼的色彩感覺來說CIELAB空間還是不均勻的。利用CIELAB空間進行顏色轉換和校正時，會因為顏色空間的不均勻性產生色偏從而帶來誤差[9]。工業攝像機的引入可能給實驗帶來較大誤差，另外光源均勻度、圖像色塊RGB值測量重復性以及圖像處理過程帶來的誤差等因素也可能會給實驗結果帶來一定的影響。

拍攝保存的圖像為1 248×1 024格式的彩色圖像，并且直接保存所得到的色塊圖像包含多余的黑色以及白色區域，選取Matlab處理所得圖像截取色塊并且色塊區域大于總色塊的80%，最大程度避免了圖像色塊外其它區域的影響和截取過程帶來的影響。

另外，光源均勻度與圖像色塊測量重復性的不斷完善，避免人為因素的影響以及尋找標準的色彩測試圖卡標靶都是本實驗需要解決的問題。目前僅證實CIELAB色彩空間用于評價醫用硬性內窺鏡的色彩還原能力，而能否利用CIELAB色空間評價應用比較廣泛的電子內窺鏡的色彩還原性依然是今后工作的研究方向。

[1]陳曉冬，郁道銀，宋玲玲，等.醫用電子內窺鏡成像系統的研制[J].儀器儀表學報，2005，26（10）：1047-1051.

[2]袁猛.硬性內窺鏡臨床常見故障分析與排除[J].醫療衛生裝備，2013（3）：145-147.

[3]YY 0068.1—2008醫用內窺鏡 硬性內窺鏡 第1部分：光學性能及測試方法[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4]劉勇，高力，宋春軼，等.影響內鏡成-攝像法圖像還原質量的因素分析[J].全科醫學臨床與教育，2010，8（5）：495-497.

[5]YD/T 1607—2007數字移動終端圖像及視頻傳輸特性技術要求和測試方法-照相攝像設備[S].北京：中國標準出版社，2007.

[6]劉浩學.CIE均勻顏色空間與色差公式的應用[J].北京印刷學院學報，2003，11（3）：3-8.

[7]鄭元林，楊淑蕙，周世生，等.CIE 1976 LAB色差公式的均勻性研究[J].包裝工程，2005，26（2）：48-49.

[8]凌華.對標準色度學系統顏色空間的理解[J].包裝工程，2003（2）：4.

[9]呂新廣，趙美京.CIE LAB色度空間的均勻性研究[J].鄭州大學學報：理學版，2002（1）：70-73.

Comparative analysis of color reproduction capability between different medical rigid endoscopes based on the CIELAB color space

JI Jun1，WANG Dan2，WANG Yunlong1，3，JIANG Changsong4，YUAN Qing1，3
（1.Medical Engineering Department of 305 Hospital of PLA，Beijing 100017，China；2.Material Purchase Management Office of 305 Hospital of PLA，Beijing 100017，China；3.College of Biomedical Engineering，Southern Medial University，Guangzhou 510515，China；4.Medical Engineering Department of Peking University Third Hospital，Beijing 100191，China）

To evaluate rigid endoscope color reproduction capability based on the CIELAB color space and conduct color reproduction capability comparative analysis between four rigid endoscopes.Industrial camera which connected with the endoscope shoot the color target image observed by endoscope，then images shot by the industrial camera are sent to the computer for storage and processing.Red，green and blue blockRGBvalues in the image will be achieved after image process，thenRGBvalues are converted to CIELAB color space to get theL*，a*，b*value.Finally，combine the knownL*，a*，b*value of the target color with theL*，a*，b*value of shot images，we will calculate CIELAB color difference ΔE*ab，namely the color reproduction error.Experiment data shows that four endoscopes’color reproduction error value is all above 47.9；4th laparoscope has the smallest error value of color reproduction for red，green，and blue color lumps，so 4th endoscope has the best color reproduction capability；The 2nd hysteroscope has relatively large error value on the three color lump color reproduction，so 2nd endoscope has the worst color reproduction capability；The other two including 1st sinoscope and 3nd arthroscope both have an intermediate level color reproduction capability.CIELAB color space as a common international color measurement standard can be used as a method to evaluate the rigid endoscope color reproduction capability.

CIELAB color space；color reproduction capability；color reproduction error；color measurement standard

A

：1674-5124（2015）05-0013-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.004

2014-10-17；

：2014-12-12

軍事醫學計量科研專項（2011-JL2-027）解放軍第305醫院科研基金項目（12YA2）

姬 軍（1970-），男，山東青島市人，教授，碩士生導師，博士，主要從事醫療器械維修與質控。