CN110913182B - 一种腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置及方法，使光线通过包括至少10个具有不同透过率的区域的透光测试卡，通过拍摄一张图像即可获得10个具有不同亮度的图像，配合系统的自适应分析功能，即可以快速分析计算出摄像系统的信噪比数值；整个处理过程步骤少、操作简单，拍摄一张图像，即可获取10个具有不同亮度的图像数据；整个处理耗时短，通过软件算法自动定位取值区域，全自动操作；准确性更高，自动化操作提高了整体操作的可靠性，减少了人手参与，降低不确定因素，从而提高准确性。
Description
技术领域
本发明涉及腹腔镜影像领域，尤其涉及的是一种腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置及方法。
背景技术
腹腔镜影像系统已广泛应用在外科微创手术中，它由光源、镜头及图像处理设备组成。经人体的天然孔道，或是经手术做的小切口进入人体内，可直接窥视有关部位的变化，让病症无所遁形，同时创口相比于传统手术小，对病人伤害小，恢复时间快。
优质的腹腔镜影像系统，能为外科医生提供优质的视频影像，清晰地呈现腔体内的器官、血管等各种生物组织的情况。特别地，噪声是一个衡量图像质量的重要参数，它反映影像系统信号受噪声的干扰程度，如果摄像系统的噪声过大，将会严重影响摄像系统采集的图片的质量，从而影响外科医生在手术中做判断，降低手术的精准度。
目前，现有的噪声评估方案需要预先准备测试标板，该测试标板含有一个面积较大的灰阶板背景、一个面积较小的开孔矩形，通过亮度可调的背照式透射光源分别调节光源亮度后发射光线，摄像系统从正面拍照，逐一保存至少10档不同光源亮度下的n张图像，然后基于所有图像做数据分析，得到信噪比值。但是，这种噪声评估方案需要在至少10档亮度下分别拍照获取图像，整个处理过程步骤繁琐、耗时较长、操作复杂；再者，评估过程需要人工参与取样，增加了不确定因素。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明的目的在于提供一种腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置及方法，旨在解决现有腹腔镜影像系统在图像噪声评估时需要分别在至少10档光源亮度下拍摄图像，操作繁琐、耗时长的问题；同时，评估过程实现全自动化定位、取样，无需人工参与，降低不确定因素，提高可靠性。
本发明的技术方案如下：一种腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置，其中，包括：
灯箱，用于发出均匀的透射光线；
透光测试卡，被分隔成至少10个具有不同透过率的区域；
相机，用于拍摄透过透光测试卡后形成的多张图像；
计算机，接收相机反馈的图像，并对图像进行处理；
灯箱发出均匀的透射光线透过透光测试卡上不同透过率的区域后被相机3拍摄图像并反馈至计算机，透过计算机自动获取各个区域的图像数据，并对各个区域的图像数据进行处理，得到图像的信噪比值。
所述的腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置，其中，所述区域的数量为10个。
所述的腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置，其中，所述10个区域分成两行五列的排列顺序。
所述的腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置，其中，在透光测试卡上设置有至少一个用于定位的标志图案。
所述的腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置，其中，所述标志图案设置两个。
一种腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估方法，其中，具体包括以下步骤：
S1：根据要求构造测试环境；
S2：开启灯箱，灯箱发出的光线透过透光测试卡上至少10个具有不同透过率的区域后形成图像；
S3：相机自动拍摄多张图像并反馈至计算机；
S4：通过计算机对多张图像进行处理，得出腹腔镜影像系统图像信噪比值并输出。
所述的腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估方法，其中，所述S4具体包括以下步骤：
S41：通过模板匹配对透光测试卡上的标志图案进行定位；
S42：根据标志图案的定位坐标，自动将每张输入图像划分成至少10个区域；
S43：分别计算每张图像中每个像素点的亮度信号分量；
S44：根据亮度信号分量、色差通道的输出信号值，计算每张图像中每个区域的平均噪声值；
S45：根据输入的多张图像中不同亮度区域的平均亮度信号分量和每个区域的平均噪声值，计算至少10个不同亮度区域的随机噪声信噪比，并绘制对应的信噪比曲线；
S46：在信噪比曲线上找到腹腔镜影像系统图像信噪比值；
S47：输出腹腔镜影像系统图像信噪比值。
所述的腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估方法，其中，所述S41中，通过计算机先截取透光测试卡上的标志图案作为模板，使用基于余弦相似性的模板匹配算法，对整个输入图像进行全局搜索从而对标志图案进行定位。
所述的腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估方法，其中，所述S46中，通过在信噪比曲线上找到归一化后平均亮度信号分量值为0.707的信噪比，即为腹腔镜影像系统图像信噪比值。
所述的腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估方法，其中，所述S46中，通过在信噪比曲线上采用线性插值来计算腹腔镜影像系统图像信噪比值。
本发明的有益效果：本发明通过提供一种腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置及方法，使光线通过包括至少10个具有不同透过率的区域的透光测试卡，通过拍摄一张图像即可获得10个具有不同亮度的图像，配合系统的自适应分析功能，即可以快速分析计算出摄像系统的信噪比数值；整个处理过程步骤少、操作简单，拍摄一张图像，即可获取10个具有不同亮度的图像数据；整个处理耗时短，通过软件算法自动定位取值区域，全自动操作；准确性更高，自动化操作提高了整体操作的可靠性，减少了人手参与，降低不确定因素，从而提高准确性。
附图说明
图1是本发明中腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置的结构示意图。
图2是本发明中透光测试卡的结构示意图。
图3是本发明中腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估方法的步骤流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
如图1所示，一种腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置，包括：
灯箱1，用于发出均匀的透射光线；
透光测试卡2，被分隔成至少10个具有不同透过率的区域21；
相机3，用于拍摄透过透光测试卡2后形成的多张图像；
计算机4，接收相机3反馈的图像，并对图像进行处理；
灯箱1发出均匀的透射光线透过透光测试卡2上不同透过率的区域21后被相机3拍摄图像并反馈至计算机4，透过计算机4自动获取各个区域21的图像数据，并对各个区域21的图像数据进行处理，得到腹腔镜影像系统图像信噪比值。
其中，在透光测试卡2上分隔出至少10个具有不同透过率的区域21，具体的区域数量按实际需要而设定，分隔的区域数量越多，得到的信噪比值精度越高，但计算机4的处理过程越复杂。本实施例中，在满足信噪比值精度的前提下尽可能简化计算机4的处理过程，所述分隔的区域数量为10个，如图2所示。
在某些具体实施例中，在透光测试卡2上分隔有少10个具有不同透过率的区域21，所述区域21的形状可以根据实际需要而设定，如圆形，方形，多边形，等等。本实施例中，为了方便获取区域21的图像数据，所述区域21设置成正方形。
本实施例中，为了便于对区域21图像数据的获取，所述10个区域21分成两行五列的排列顺序。
为了方便对区域21进行定位，在透光测试卡2上设置有至少一个用于定位的标志图案211。
在某些具体实施例中，所述标志图案211设置两个，设置两个标志图案211，有利于提高定位准确性。
本实施例中，两个标志图案211分别置于透光测试卡2的左上角和右下角处。
如图3所示，一种腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估方法，具体包括以下步骤：
S1：根据要求构造测试环境。
其中，如图1，准备用于发出均匀的透射光线的灯箱1，安装透光测试卡2，调整相机3的位置，使相机3的整个视野画面都充满透光测试卡2后固定相机3，并讲相机3连接到具备匹配采集卡的计算机4。其中，透光测试卡2具备10个具有不同透过率的区域21，而且透光测试卡2的左上角和右下角处设置有标志图案211，如图2所示。
S2：开启灯箱1，灯箱1发出的光线透过透光测试卡2上至少10个具有不同透过率的区域21后形成图像。
其中，开启灯箱1，从灯箱1发出的光线透过透光测试卡2，在一张图像上形成10个不同亮度的区域。
S3：相机3自动拍摄多张图像并反馈至计算机4。
其中，相机3自动拍摄多张具备10个不同亮度区域的图像画面并反馈至计算机4进行保存。
S4：通过计算机4对多张图像进行处理，得出腹腔镜影像系统图像信噪比值并输出。
其中，所述步骤S4中，具体包括以下步骤：
S41：通过模板匹配对透光测试卡2上的标志图案211进行定位。
通过计算机4，先截取透光测试卡2上的标志图案211作为模板，使用基于余弦相似性的模板匹配算法，进行全局搜索对标志图案211进行定位，详细方法描述如下：
设定输入图像f（x，y）的大小是P*Q，对图像f（x，y）进行全局搜索，每次搜索的区域为一个模板图像w（s，t）（即上述的标志图案211），大小是J*K。
匹配相关度的计算是通过将图像元素和模板图像元素联合求得的，如，将子图像视为一个按行或按列存储的向量/>，将计算过程中被/>覆盖的图像区域视为另一个按同样方式存储的向量/>，因此匹配相关度计算即向量之间的点积运算，如公式(1)：
，
当和/>具有完全相同的方向时（平行），/>，此时，两个向量的方向完全匹配。因此，将上述过程应用在图像匹配上，可以得到图像描述匹配度的计算公式(2)：
其中，的值越大表示匹配度越高，当/>时，表示图像w（x，y）与模板匹配。
通过上述算法，可以搜索出全局图像有两个位置能成功匹配模板，将靠近左上角的位置坐标记为，将靠近右下角的位置坐标记为/>。
因多张输入图像的环境条件是一致，为简化处理流程，对多张输入图像只进行一次模板匹配即可。
S42：根据位置坐标和/>，自动将每张输入图像f（x，y）划分成10个区域21。
根据上一步得到的两个位置坐标，则可以根据透光测试卡2设定的2行5列的10个区域21的排列顺序，计算出10个区域21的中心位置坐标，并生成10个区域21，设定每个区域21的大小为M*N
S43：分别计算每张图像中每个像素点的亮度信号分量Y。
将输入图像按照RGB颜色模型进行通道分解，根据R、G、B各通道的输出信号值，计算每张图像中每个像素点的亮度信号分量Y，如公式(3)所示：
S44：根据亮度信号分量Y、色差通道（R-Y）的输出信号值与色差通道（B-Y）的输出信号值，计算每张图像中每个区域21的平均噪声值。
设定M*N区域内任意位置变量坐标为（i，j），设为第k张图像在坐标（i，j）位置上的信号输出值，按公式(4)计算该坐标（i，j）位置上n张图像的信号输出平均值/>：
按公式(5)计算坐标（i，j）位置上n张图像的信号输出标准差，记为：
按公式(6)计算在M*N区域内的多张图像的随机噪声的平均值记为：
根据计算出的像素点的亮度信号分量Y，计算色差通道（R-Y）的输出信号值与色差通道（B-Y）的输出信号值。结合公式(5)、公式(6)，将亮度分量标准差、色差通道标准差/>和/>代入公式(7)进行计算，得到每个区域21的平均噪声值/>：
S45：根据输入的多张图像中不同亮度区域21的平均亮度信号分量（/>为多张输入图像中每个区域21的平均亮度信号分量）和每个区域21的平均噪声值/>，计算10个不同亮度区域21的随机噪声信噪比，如公式(8)，并绘制对应的信噪比曲线，纵坐标为信噪比，横坐标为平均亮度信号分量/>值。
S46：在信噪比曲线上找到归一化后平均亮度信号分量值为0.707的信噪比，即为最终结果腹腔镜影像系统图像SNR（如果0.707不完全等于某个灰阶对应的输出信号值，则采用线性插值来计算信噪比的估计值）。
S47：输出结果值SNR（信噪比）。
本技术方案通过使光线通过包括至少10个具有不同透过率的区域21的透光测试卡2，通过拍摄一张图像即可获得10个具有不同亮度的图像，配合系统的自适应分析功能，即可以快速分析计算出摄像系统的信噪比数值；整个处理过程步骤少、操作简单，拍摄一张图像，即可获取10个具有不同亮度的图像数据；整个处理耗时短，通过软件算法自动定位取值区域，全自动操作；准确性更高，自动化操作提高了整体操作的可靠性，减少了人手参与，降低不确定因素，从而提高准确性。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置，其特征在于，包括：
灯箱，用于发出均匀的透射光线；
透光测试卡，被分隔成至少10个具有不同透过率的区域；
相机，用于拍摄透过透光测试卡后形成的多张图像；
计算机，接收相机反馈的图像，并对图像进行处理；
灯箱发出均匀的透射光线透过透光测试卡上不同透过率的区域后被相机拍摄图像并反馈至计算机，通过计算机自动获取各个区域的图像数据，并对各个区域的图像数据进行处理，得到图像的信噪比值；
所述区域的数量为10个；所述10个区域分成两行五列的排列顺序；在透光测试卡上设置有至少一个用于定位的标志图案。
2.根据权利要求1所述的腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估装置，其特征在于，所述标志图案设置两个。
3.一种腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
S1：根据要求构造测试环境；
S2：开启灯箱，灯箱发出的均匀光线透过透光测试卡上至少10个具有不同透过率的区域后形成图像；
S3：相机自动拍摄多张图像并反馈至计算机；
S4：通过计算机对多张图像进行处理，得出腹腔镜影像系统图像信噪比值并输出；
所述S4具体包括以下步骤：
S41：通过模板匹配对透光测试卡上的标志图案进行定位；
S42：根据标志图案的定位坐标，自动将每张输入图像划分成至少10个区域；
S43：分别计算每张图像中每个像素点的亮度信号分量；
S44：根据亮度信号分量、色差通道的输出信号值，计算每张图像中每个区域的平均噪声值；
S45：根据输入的多张图像中不同亮度区域的平均亮度信号分量和每个区域的平均噪声值，计算至少10个不同亮度区域的随机噪声信噪比，并绘制对应的信噪比曲线；
S46：在信噪比曲线上找到腹腔镜影像系统图像信噪比值；
S47：输出腹腔镜影像系统图像信噪比值。
4.根据权利要求3所述的腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估方法，其特征在于，所述S41中，通过计算机先截取透光测试卡上的标志图案作为模板，使用基于余弦相似性的模板匹配算法，对整个输入图像进行全局搜索从而对标志图案进行定位。
5.根据权利要求3所述的腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估方法，其特征在于，所述S46中，通过在信噪比曲线上找到归一化后平均亮度信号分量值为0.707的信噪比，即为腹腔镜影像系统图像信噪比值。
6.根据权利要求3所述的腹腔镜影像系统图像信噪比快速评估方法，其特征在于，所述S46中，通过在信噪比曲线上采用线性插值来计算腹腔镜影像系统图像信噪比值。
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