CN105513558A - 医用专业显示器超高位宽图像增强显示装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种医用专业显示器超高位宽图像增强显示装置及方法，一种医用专业显示器超高位宽图像增强显示装置，其特征在于其包括：位宽扩展模块、抖动模块和帧控模块三个模块，对16bit、17bit、18bit、19bit和20bit等5个任意超高位宽图像增强显示的装置和方法，并实现任意超高位宽数据对屏特征曲线的精确描述，其价值在于增加了图像灰度级数和色彩种类，更容易辨识潜在病灶，提高了显示精度，并减少了对屏特征曲线描述的误差，有助于医生提高对患者病灶的诊断效率及准确率。

Description

医用专业显示器超高位宽图像增强显示装置及方法

技术领域

本发明涉及一种医用专业显示器超高位宽图像增强显示装置及方法。

背景技术

色位深度，简称色深(ColorDepth),是用Bit数表示数码相机、显示器、扫描仪等显示设备色彩显示数目的单位，更是衡量上述显示设备色彩显示能力的重要参考指标。然而，众多厂家一般习惯上使用bit位宽来代替色深，以便向公众更加直观形象地描述他们的显示产品的色彩显示能力。目前，例如家用电脑、笔记本等一般民用显示器主流位宽只有8bit，可以显示256级灰阶，呈现16777216种色彩。然而在医用显示领域，由于医学诊断的特殊需要，要求主流的医用显示器位宽达到10bit或12bit，从而可以实现1024（2¹⁰=1024）或4096（2¹²=4096）级灰阶显示。

与普通民用显示器不同，医用专业显示器对亮度、灰阶、分辨率等技术参数有着极高的要求。这是因为医学影像在亮度和灰度上呈现的任何微小差异，都对于早期病灶的诊断、发现和预防有着至关重要的意义。另外，随着技术的发展，医学影像包含越来越丰富的信息，特别是在医用3D影像技术浪潮的推动下，医学影像的数据量急速上升，传统医用显示器10bit或12bit位宽的数据在传输和显示方面，已经越来越难以满足医学诊断需求。因此，在现有显卡位宽已经固化情况下，以一定方式扩展医用显示器显示位宽，不仅提高图像显示精确度，减少不必要的误差，而且实现医用显示器显示更多的灰度级数和色彩种类，更容易辨识潜在病灶，有助于医生提高对患者病灶的诊断效率及准确率。

发明内容

本发明的目的是提供了一种医用专业显示器超高位宽图像增强显示装置及方法，实现任意超高位宽数据对屏特征曲线的精确描述。其价值在于增加了图像灰度级数和色彩种类，更容易辨识潜在病灶，并减少了对屏特征曲线描述的误差，有助于医生提高对患者病灶的诊断效率及准确率。

为达到本发明的目的，本发明采用一种医用专业显示器超高位宽图像增强显示装置其包括：一种医用专业显示器超高位宽图像增强显示装置，其特征在于其包括：位宽扩展模块、抖动模块和帧控模块等三个模块，其中位宽扩展模块实际上是存有一张数据位宽从10bit/12bit扩展成为对应16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽数据的LUT查找表。该查找表的制作方法由上述一种医用专业显示器增加数据位宽的扩展方法所决定，抖动模块采用了动态抖动算法，主要是通过调制像素数据间的空间关系来增加图像显示灰度。抖动算法一般采用抖动矩阵做比较运算，矩阵中的值对应于一个小像素，整个矩阵对应于一个大像素。常见的抖动矩阵有三种，分别是Bayer型、网点型和漩涡型；

Bayer型网点型漩涡型

当用4x4矩阵时，可以使2级灰度通过抖动算法产生16级伪灰度，当用8x8矩阵时，可以使2级灰度通过抖动算法产生64级伪灰度，Bayer型矩阵中2²ⁿx2²ⁿ方阵D_2n，2n可以由Limb提出的标准图案算法递推得到：

其中，为全1方阵，

帧控模块采用了帧率控制技术，主要是利用人眼的视觉惰性，用多帧图像来模拟原图像一帧的效果，从而显示更多的色彩。

在上述技术方案的基础上，进一步包括一种医用专业显示器超高位宽图像增强显示装置及方法，其特征在于其包括步骤如下：

S1.上位机产生10bit、12bit位宽范围内的所有数值，并通过微控制器模块（例如ARM）发送给增强装置，增强装置以非增强模式工作，即不会使用抖动和帧控功能，直接产生不同数值的DDL，最后驱动液晶面板分别显示出1024个不同亮度值和4096个不同亮度值。其中，10bit数据位宽对应范围是0-1023（2¹⁰-1=1023）,12bit数据位宽对应范围是0-4095（2¹²-1=4095）；

S2.专业色彩分析仪实时测量液晶屏在10bit、12bit两种不同位宽下不同数值所对应的高精度亮度值，并将测试结果反馈给上位机；

S3.上位机可以根据需求，选择以曲线拟合的方式，用16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽的数据去描述屏特征曲线；

S4.上位机可以根据需求，选择以分段插值的方式，用16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽的数据去描述屏特征曲线；

S5.上位机可以根据需求，选择以直接全数值测试的方式，用16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽的数据去描述屏特征曲线；

S6.上位机依据不同位宽扩展方式的屏特征曲线，进行10bit或12bit多种曲线矫正，最终将10bit或12bit数据对应的超高位宽数据的映射表写入增强装置的位宽扩展模块LUT查找表中；

S7.上位机发送命令启动增强装置的图像显示增强功能。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的装置框架图。

图2为本发明的增强装置中抖动模块结构图。

图3为本发明的增强装置中帧控模块结构图。

图4为本发明的直接全数据测试生成16bit屏特征曲线框架图。

图5为本发明的拟合、插值和直接全数据测试三种位宽扩展方式流程图。

图6为本发明的测试医用显示器后上位机生成的16bit屏特征曲线图。

具体实施方式：

一种医用专业显示器超高位宽图像增强显示装置其包括：一种医用专业显示器超高位宽图像增强显示装置，其特征在于其包括：位宽扩展模块、抖动模块和帧控模块等三个模块，其中位宽扩展模块实际上是存有一张数据位宽从10bit/12bit扩展成为对应16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽数据的LUT查找表。该查找表的制作方法由上述一种医用专业显示器增加数据位宽的扩展方法所决定，抖动模块采用了动态抖动算法，主要是通过调制像素数据间的空间关系来增加图像显示灰度。抖动算法一般采用抖动矩阵做比较运算，矩阵中的值对应于一个小像素，整个矩阵对应于一个大像素。常见的抖动矩阵有三种，分别是Bayer型、网点型和漩涡型；

Bayer型网点型漩涡型

当用4x4矩阵时，可以使2级灰度通过抖动算法产生16级伪灰度，当用8x8矩阵时，可以使2级灰度通过抖动算法产生64级伪灰度，Bayer型矩阵中2²ⁿx2²ⁿ方阵D_2n，2n可以由Limb提出的标准图案算法递推得到：

其中，为全1方阵，

帧控模块采用了帧率控制技术，主要是利用人眼的视觉惰性，用多帧图像来模拟原图像一帧的效果，从而显示更多的色彩。

在上述技术方案的基础上，进一步包括一种医用专业显示器超高位宽图像增强显示装置及方法，其特征在于其包括步骤如下：

S1.上位机产生10bit、12bit位宽范围内的所有数值，并通过微控制器模块（例如ARM）发送给增强装置，增强装置以非增强模式工作，即不会使用抖动和帧控功能，直接产生不同数值的DDL，最后驱动液晶面板分别显示出1024个不同亮度值和4096个不同亮度值。其中，10bit数据位宽对应范围是0-1023（210-1=1023）,12bit数据位宽对应范围是0-4095（212-1=4095）；

S2.专业色彩分析仪实时测量液晶屏在10bit、12bit两种不同位宽下不同数值所对应的高精度亮度值，并将测试结果反馈给上位机；

S3.上位机可以根据需求，选择以曲线拟合的方式，用16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽的数据去描述屏特征曲线；

S4.上位机可以根据需求，选择以分段插值的方式，用16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽的数据去描述屏特征曲线；

S5.上位机可以根据需求，选择以直接全数值测试的方式，用16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽的数据去描述屏特征曲线；

S6.上位机依据不同位宽扩展方式的屏特征曲线，进行10bit或12bit多种曲线矫正，最终将10bit或12bit数据对应的超高位宽数据的映射表写入增强装置的位宽扩展模块LUT查找表中；

S7.上位机发送命令启动增强装置的图像显示增强功能。

根据屏特征曲线，利用专业色彩分析仪测试10bit范围内1024个不同像素点数值对应的亮度值或12bit范围内4096个不同像素点数值对应的亮度值，通过拟合、插值或直接全数值测试三种手段，用16bit、17bit、18bit、19bit和20bit等超高位宽数据去精确描述出该屏特征曲线的变化趋势，即找出超高位宽数据在屏特征曲线上与亮度的函数关系，从而实现医用专业显示器数据位宽的扩展，同时也实现了任意超高位宽数据对屏特征曲线的精确描述。

抖动就是像素值与其抖动矩阵中相应的阈值进行比较。概念上抖动过程就是将抖动矩阵置于源图像的每一个子区域，这样每一个像素就与抖动矩阵中的每一个阈值一一对应起来。数据比较器对给定的像素值与相应的矩元的值进行比较而确定Ddth为0或1。抖动矩阵的矩元与图像x-y坐标模4后相映射。即D(x,y)=D(i,j),i=x%4,j=y%4。行计数器和像素计数器分别完成水平及垂直坐标的取模功能。当前像素低四位P[3:0]的值抖动矩阵中相应矩元值Dij相比来确定Ddth的值，如果当前像素低四位P[3:0]的值大于或等于其相应矩元值Dij，则比较器输出Ddth=1，否则Ddth=0。

从矩阵的元素空间看，总有一个较大值和一个较小值交替排列，即保证矩阵中数字的中心在矩阵中心的地方，其目的是在输出画面上，子像素在空间上黑白的变化率会比较大，从而进行更好的混色。

表1帧控16级灰度模式表

灰度代码PD[3:0]	灰度密度（n/m）	FRC量化值
			0000	0	0
0001	1/8	10000000
			0010	1/5	10000
0011	1/4	1000
			0100	1/3	100
0101	2/5	10100
			0110	4/9	101010100
0111	1/2	10
			1000	5/9	010101011
1001	3/5	01011
			1010	2/3	011
1011	3/4	0111
			1100	4/5	01111
1101	7/8	01111111
			1110	14/15	011111111111111
1111	1	1

帧控模块采用了帧率控制技术，主要是利用人眼的视觉惰性，用多帧图像来模拟原图像一帧的效果，从而显示更多的色彩。

表1中灰度码PD[3:0]是抖动模块输入，灰度密度n/m是由灰度代码即抖动模块输出的像素值和帧同步信号表征的帧速率来决定。采用帧速率控制技术来控制不同帧中同一位置像素的亮与灭来表征灰度。改用像素点亮灭的模式同时保持像素亮灭比例，可以降低图像的模糊和抖动。

帧速控制过程涉及到灰阶代码PD[3:0]及帧速率控制量化模式值Q。帧速率控制量化模式值Q是由灰阶代码PD[3:0]来决定。例如灰阶代码PD[3:0]=10000，则灰度密度是5/9,相应的帧控制量化模式值Q=010101011。在每一帧中，Q的最高位作为帧速率控制模块的输出Pout。随着时间的推移，帧速控制模式值将不断循环右移，产生010101011、101010101、110101010等数值序列。因此，Q值最高位将不断变化。在9帧中，帧控制模块输出Pout依次是0、1、0、1、0、1、0、1、1。帧控制模块输出Pout值为1或0表征液晶面板相应位置的当前像素的亮和灭。

上述上位机将一张数据位宽从10bit/12bit扩展成为对应16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽数据的LUT查找表，经过微控制器模块，下载到上述增强装置的位宽扩展模块。

拟合是用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表示的坐标之间的函数关系的一种数据处理方法，或用解析表达式逼近离散数据的一种方法。在科学实验或社会活动中，通过实验或观测得到量x与y的一组数据对(xi，yi)（i=1，2，…m），其中各xi是彼此不同的。人们希望用一类与数据的背景材料规律相适应的解析表达式，y=f(x，c）来反映量x与y之间的依赖关系，即在一定意义下“最佳”地逼近或拟合已知数据。f(x，c)常称作拟合模型，式中c=(c1，c2，…cn)是一些待定参数。当c在f中线性出现时，称为线性模型，否则称为非线性模型。有许多衡量拟合优度的标准，最常用的一种做法是选择参数c使得拟合模型与实际观测值在各点的残差(或离差)ek=yk－f(xk，c)的加权平方和达到最小，此时所求曲线称作在加权最小二乘意义下对数据的拟合曲线。有许多求解拟合曲线的成功方法，对于线性模型一般通过建立和求解方程组来确定参数，从而求得拟合曲线。至于非线性模型，则要借助求解非线性方程组或用最优化方法求得所需参数才能得到拟合曲线，有时称之为非线性最小二乘拟合。

曲线直线化是曲线拟合的重要手段之一。对于某些非线性的数据可以通过简单的变量变换使之直线化，这样就可以按最小二乘法原理求出变换后变量的直线方程，在实际工作中常利用此直线方程绘制数据的标准工作曲线，同时根据需要可将此直线方程还原为曲线方程，实现对数据的曲线拟合。常见的拟合函数有指数函数、对数函数和幂函数。

插值是在离散数据的基础上补插连续函数，使得这条连续曲线通过全部给定的离散数据点。插值是离散函数逼近的重要方法，利用它可通过函数在有限个点处的取值状况，估算出函数在其他点处的近似值。插值也用来填充图像变换时像素之间的空隙。

插值问题的基本形描述是：假定区间[a，b]上的实值函数f（x）在该区间上n+1个互不相同点x0，x1……xn处的值是f(x0)，……f（xn），要求估算f（x）在[a，b]中某点x*的值。基本思路是，找到一个函数P(x)，在x0，x1……xn的节点上与f(x)函数值相同(有时，甚至一阶导数值也相同)，用P(x*)的值作为函数f(x*)的近似。

其通常的做法是：在事先选定的一个由简单函数构成的有n+1个参数C0，C1，……Cn的函数类Φ(C0，C1，……Cn)中求出满足条件P（xi）=f（xi）（i=0，1，……n）的函数P(x)，并以P()作为f()的估值。此处f（x）称为被插值函数，x0，x1，……xn称为插值结(节)点，Φ(C0，C1，……Cn)称为插值函数类，上面等式称为插值条件，Φ（C0，……Cn）中满足上式的函数称为插值函数，R（x）=f（x）－P（x）称为插值余项。当估算点属于包含x0，x1……xn的最小闭区间时，相应的插值称为内插，否则称为外插。插值的基本类型包括多项式、三角函数、埃尔米特插值、分段插值和样条插值。

通过数值分析上的曲线拟合和分段插值，可以实现16bit、17bit、18bit、19bit和20bit等超高位宽数据对屏特征曲线的精确描述。

直接全数值测试，是利用上位机通过微控制器向上述增强装置发出指令，上述增强装置分别直接增强产生16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽范围内的所有数据对应的亮度值，且专业色彩分析仪将实时测量的高精度亮度值反馈给上位机，然后上位机自动生成医用显示器的16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽屏特征曲线。

当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种医用专业显示器超高位宽图像增强显示装置，其特征在于其包括：位宽扩展模块、抖动模块和帧控模块三个模块，其中位宽扩展模块存有一张数据位宽从10bit/12bit扩展成为对应16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽数据的LUT查找表，抖动模块采用动态抖动算法，通过调制像素数据间的空间关系来增加图像显示灰度，且动态抖动算法采用抖动矩阵做比较运算，矩阵中的值对应于一个小像素，整个矩阵对应于一个大像素，其中抖动矩阵有三种，分别是Bayer型、网点型和漩涡型；

Bayer型网点型漩涡型

当用4x4矩阵时，可以使2级灰度通过抖动算法产生16级伪灰度，当用8x8矩阵时，可以使2级灰度通过抖动算法产生64级伪灰度，Bayer型矩阵中2²ⁿx2²ⁿ方阵D_2n，2n可以由Limb提出的标准图案算法递推得到：

其中，为全1方阵，

帧控模块利用人眼的视觉惰性，用多帧图像来模拟原图像一帧的效果。

2.一种医用专业显示器超高位宽图像增强显示方法，其特征在于其包括步骤如下：

S1.上位机产生10bit、12bit位宽范围内的所有数值，并通过微控制器模块发送给增强装置，增强装置以非增强模式工作，直接产生不同数值的DDL，最后驱动液晶面板分别显示出1024个不同亮度值和4096个不同亮度值，其中，10bit数据位宽对应范围是0-1023，12bit数据位宽对应范围是0-4095；

S2.色彩分析仪实时测量液晶屏在10bit、12bit两种不同位宽下不同数值所对应的高精度亮度值，并将测试结果反馈给上位机；

S3.上位机选择以曲线拟合的方式，用16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽的数据去描述屏特征曲线；

S4.上位机选择以分段插值的方式，用16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽的数据去描述屏特征曲线；

S5.上位机选择以直接全数值测试的方式，用16bit、17bit、18bit、19bit和20bit位宽的数据去描述屏特征曲线；

S6.上位机依据不同位宽扩展方式的屏特征曲线，进行10bit或12bit多种曲线矫正，最终将10bit或12bit数据对应的超高位宽数据的映射表写入增强装置的位宽扩展模块LUT查找表中；

S7.上位机发送命令启动图像显示增强。