醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡畸變實(shí)時校正系統(tǒng)的視頻控制

劉濱安　曾智超　楊光

摘要：為進(jìn)一步研究和分析內(nèi)窺鏡實(shí)施矯正系統(tǒng)并探索內(nèi)窺鏡畸變問題，本文重點(diǎn)加強(qiáng)了對電子內(nèi)窺鏡畸變原理的闡述，同時闡述了實(shí)際運(yùn)用的原理。為能夠完成灰度以及像素點(diǎn)幾何位置的校正，采用了點(diǎn)陣樣版矯正法。在本文中，系統(tǒng)采用點(diǎn)陣樣板矯正方法，以找到理想像和實(shí)際像的關(guān)系，完成對像素點(diǎn)幾何位置和灰度的矯正。其控制中心采用FP-GA，再對I2C 串行總線通信進(jìn)行設(shè)計，協(xié)調(diào)編碼器和解碼器的同步控制，以實(shí)現(xiàn)內(nèi)窺鏡畸變實(shí)時矯正功能。

關(guān)鍵詞：醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡 畸變 實(shí)時矯正系統(tǒng) 視頻控制

中圖分類號：TH773 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0002-01

1 系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)

畸變屬于單色像差，它是指軸外點(diǎn)在鏡像上的實(shí)際成像和理想成像的高度差。而畸變矯正，主要就是指將退化的圖像進(jìn)行恢復(fù)。

在實(shí)際的應(yīng)用過程中，必須要對已經(jīng)畸形的實(shí)際成像做好轉(zhuǎn)變工作，轉(zhuǎn)變的前提就是要做好多項(xiàng)式的擬合工作，這是轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵一步，通過轉(zhuǎn)變，其能得到理想中的成像效果。對畸形的成像進(jìn)行矯正主要有兩個方面，第一是對幾何位置進(jìn)行矯正，其主要是對像素坐標(biāo)空間進(jìn)行利用，該像素空間具有幾何法對原圖像進(jìn)行轉(zhuǎn)變的主要特點(diǎn)，像素點(diǎn)和畸變點(diǎn)是已經(jīng)被知曉的，對這兩點(diǎn)的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行利用，多項(xiàng)式的系數(shù)能有效的完成擬合工作，在恢復(fù)畸變點(diǎn)的變換過程中，獲得的系數(shù)主要起著重要的奠基作用。在經(jīng)過幾何的校正之后，數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)生了改變，不具備之前整數(shù)的特性，這就需要進(jìn)一步的灰度校正。第二，灰度校正，通過對灰度插值進(jìn)行利用能夠完成該點(diǎn)的灰度計算工作，通過對這個灰度值進(jìn)行有效的應(yīng)用，原圖像中的像素點(diǎn)的填充工作也能順利完成。

在所有的樣本中，點(diǎn)陣樣本是比較符合標(biāo)準(zhǔn)的一個，其主要由原點(diǎn)的組成，通過對原點(diǎn)記性有規(guī)律的排列，來完成樣本。其實(shí)在一般情況下，光學(xué)系統(tǒng)本身就具有畸變的特性，對點(diǎn)陣樣本進(jìn)行使用的過程中，光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的圖像已經(jīng)出席那里偏差，因?yàn)槠浔旧砭途哂徐`變性，與之前的實(shí)心圓已經(jīng)大不相同，系統(tǒng)的光學(xué)中心的估算工作離不開畸變圓點(diǎn)的中心，這就需要用圓近似重心的點(diǎn)來對它進(jìn)行替代。之后將光學(xué)的中心作為基點(diǎn)，選取外圍的幾個圓點(diǎn)中心坐標(biāo)，形成一定的對應(yīng)關(guān)系，對樣本理想進(jìn)行利用，從而對設(shè)計參數(shù)和光學(xué)系統(tǒng)的放大率進(jìn)行充分的利用，可以得出樣板理想像，所得出的像具有不失真的主要特點(diǎn)，理想像和實(shí)際像的擬合工作也非常重要，需要得出兩者的函數(shù)關(guān)系，并且對三次樣條插值多項(xiàng)式進(jìn)行利用。通過該函數(shù)能夠完成幾何位置的矯正工作，灰度校正的方法也具有多樣性的特點(diǎn)，除了接插值以外，還有雙線性內(nèi)插和高階插值等，但是因?yàn)榍皟煞N方法容易受到實(shí)際的要求，難以突破FPGA運(yùn)算速度的束縛，所以在實(shí)際采用中，主要是采用階插值法對灰度進(jìn)行矯正，校正點(diǎn)的灰度選取具有一定的規(guī)則，選取的點(diǎn)要滿足離幾何校正所得坐標(biāo)最近。

2 硬件的構(gòu)成與功能

這里所說的畸變實(shí)時矯正系統(tǒng)的功能，其實(shí)就是對視頻圖像的處理，主要是緩存、編碼和校正等。復(fù)合視頻信號從攝像頭輸出之后，需要經(jīng)過一系列的處理，將其所產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行處理，放大所需的信號，并控制好自動增益等。在經(jīng)過處理之后，視頻信號會被送入相應(yīng)的解碼器，使其轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像。這些數(shù)字圖像需要根據(jù)具體的情況進(jìn)行分類，一般分為偶場和奇場，并將數(shù)據(jù)信號分別儲存到到存儲器中。同時，還要根據(jù)圖像的內(nèi)容和順序來獲取需要校正的地址，將其數(shù)據(jù)信息讀出來之后，存入準(zhǔn)備好的儲存器之中。同時，還需要將上一場的圖像從輸出存儲器中讀取出來，再由解碼器來對其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，使原本的圖像信號變?yōu)閺?fù)合視頻信號，并輸入到監(jiān)視器中顯示出來，得到我們所需的數(shù)據(jù)信息。也可經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換之后直接存儲到計算機(jī)中。

3 調(diào)試的結(jié)果

在醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡畸變實(shí)時校正系統(tǒng)完成之后，數(shù)字圖像的編碼、模擬圖像的解碼以及幀存儲器的讀寫控制都將得到實(shí)現(xiàn)，如今已經(jīng)應(yīng)用于上消化道電子胃鏡樣機(jī)系統(tǒng)中，其運(yùn)行相較于傳統(tǒng)的系統(tǒng)要安全、可靠、穩(wěn)定很多。在樣機(jī)系統(tǒng)中，由于樣機(jī)不能應(yīng)用于臨床，下面將給出點(diǎn)陣樣板經(jīng)電子內(nèi)窺鏡系統(tǒng)所成圖像以及其校正的結(jié)果。畸變圖像從電子內(nèi)窺鏡中輸出后，會直接經(jīng)過圖像采集卡得到新的圖像，如圖所示（圖1）。

而視頻信號在從電子內(nèi)窺鏡輸出之后，會經(jīng)由畸變實(shí)時校正系統(tǒng)，然后得出采集卡采集出來的校正圖像，圖像的大小為702×576。

從圖1、圖2中可以看出 ，畸變圖像上彎曲的點(diǎn)列 ，校正后恢復(fù)到一條直線上，達(dá)到了畸變校正的目的。

4 結(jié)語

本文介紹了醫(yī)用電子內(nèi)窺鏡畸變實(shí)時校正系統(tǒng)的原理、構(gòu)成FPGA設(shè)計。FPGA作為系統(tǒng)的視頻處理器，采用模塊化設(shè)計，縮短了設(shè)計周期，擴(kuò)展了它的功能。系統(tǒng)工作在PAL制式下，輸出校正圖像相對輸入畸變圖像的延時為40ms ，人眼不能察覺，這就證明：電子內(nèi)窺鏡畸變實(shí)時校正系統(tǒng)改善了光學(xué)系統(tǒng)的畸變失真，實(shí)現(xiàn)了在線實(shí)時校正畸變的功能。

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