CN113259648B - 一种内窥镜摄像机图像处理设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种内窥镜摄像机图像处理设备，包括：第一色坐标转换单元、色相平衡单元以及第二色坐标转换单元。通过第一色坐标转换单元把红绿蓝三基色图像转换为亮度彩度色相图像，通过色相平衡单元扩展预设的色相范围内的至少一部分色相，同时压缩所述预设的色相范围内至少另一部分色相，以实现色相平衡，最后通过第二色坐标转换单元把亮度彩度色相图像转换成红绿蓝三基色图像以供医生查看。本发明色彩平衡效果显著，能够解决外科医生长时间注视以红色调为主的内窥镜医疗图像容易造成视觉疲劳的问题。

Description

一种内窥镜摄像机图像处理设备和方法

技术领域

本发明涉及医学影像领域，尤其涉及一种内窥镜摄像机图像处理设备和方法。

背景技术

内窥镜摄像机是一种被广泛采用的医疗器械，依赖光源辅助，经人体的自然孔道或经手术做的小切口进入人体内，使用时将内镜导入待检查的器官，可以直接窥视有关部位的变化，做出疾病诊断或取病灶活检进行病理诊断，同时也可以对疾病进行及时治疗或植入具有治疗作用的人造产品。

医疗图像处理是内窥镜摄像机的重要组成部分，与消费或工业用摄像机不同，医疗图像处理需要解决医疗图像面对的独特的困难和问题，提升诊断和微创手术的效率，降低外科医生的劳动强度。内窥镜图像在诊断模式下，与手术模式下相比，对图像处理的要求也是不同的。在诊断模式下，内窥镜医疗图像需要真实呈现场景的形态和色彩，配合生化检验做出诊断。在手术模式下，需要更清楚地呈现场景的形态，并减轻外科医生长时间观察图像时产生的视觉疲劳，对色彩的保真度要求不太严格。

视觉负后像是光刺激停止作用后在脑中暂留的印象，比如眼睛注视一朵红花，约一分钟后将视线转向身边的白墙，那么在白墙上将看到一朵绿花，过一段时间后这朵绿花才会消失。视觉负后像是视觉疲劳的一种极端情况，人眼长时间观察缺乏补色的画面，也容易产生视觉疲劳。不幸的是，内窥镜医疗图像以红、黄为主，缺乏其补色绿和蓝；尤其是手术出血场景以红色调为主，几乎没有其它色调的颜色。所以手术室的医生、护士一般不穿白大褂，而穿绿大褂，就是为了对冲医疗影像中的红色，让医生眼睛得到休息，避免负后像的干扰和减轻视觉疲劳。然而这还不够，外科医生在数个小时的手术期间，注视以红色调为主的内窥镜摄像机医疗图像，必然会产生严重的视觉疲劳。

现有技术中，采用光谱转移模式，把红色调为主的内窥镜医疗图像变换成以偏紫为主的色调。然而这种方法，在光谱转移模式下长时间注视内窥镜医疗图像，会产生另一种视觉疲劳，需要医生在正常模式和光谱转移模式下周期性地切换。因为操作太麻烦，色彩平衡的效果也不明显，虽然在一些实际商品中提供这样的功能，但外科医生很少愿意使用。

在一些静态图像处理工具中，设计师可以对静态图片进行色彩平衡调节。色彩平衡可以对图片中高光、中灰、阴暗部分分别调节。每个部分的色彩平衡又分“青色-红色”平衡、“洋红-绿色”平衡、“黄色-蓝色”平衡。比如在调节阴暗部分的“黄色-蓝色”平衡时，滑块越调往两边则色彩饱和度越高，滑块调到中心位置则色彩饱和度最低；滑块越往黄色靠拢，则图片的阴暗部分的黄色越多；滑块越往蓝色靠拢，则图片的阴暗部分的蓝色越多。又比如在调节高光部分的“青色-红色”平衡时，滑块越调往两边则色彩饱和度越高；滑块调到中心位置则色彩饱和度最低；滑块越往青色靠拢，则图片的高光部分的青色越多；滑块越往红色靠拢，则图片的高光部分的红色越多。这种方法的图像处理效果，需要依靠设计师来做现场调节，无法在内窥镜摄像机图像处理中使用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种内窥镜摄像机图像处理设备，能够解决外科医生长时间注视以红色调为主的内窥镜医疗图像容易造成视觉疲劳的问题。

本发明的技术方案如下：一种内窥镜摄像机图像处理设备，包括：第一色坐标转换单元、色相平衡单元、以及第二色坐标转换单元；

所述第一色坐标转换单元把红绿蓝三基色图像转换为亮度彩度色相图像；

所述色相平衡单元至少扩展预设的色相范围内的一部分色相，同时至少压缩预设的色相范围内另一部分色相，以实现色相平衡，预设色相范围外的色相保持不变；

所述第二色坐标转换单元把经过所述色相平衡单元进行色相平衡后的亮度彩度色相图像转换成红绿蓝三基色图像。

进一步地，所述预设的色相范围包括红色范围、洋红范围和紫色范围，所述色相平衡单元把红色范围向洋红范围扩展，同时压缩紫色范围。

进一步地，所述预设的色相范围还包括橙黄范围、黄色范围和草绿范围，所述色相平衡单元把橙黄范围的色相范围向黄色范围扩展，同时压缩草绿范围。

本发明还提供一种内窥镜摄像机图像处理方法，包括如下步骤：

步骤1：第一色坐标转换单元把红绿蓝三基色图像转换为亮度彩度色相图像；

步骤2：色相平衡单元至少扩展预设的色相范围内的一部分色相，同时至少压缩预设的色相范围内的另一部分色相，以实现色相平衡，预设的色相范围外的色相保持不变；

步骤3：第二色坐标转换单元把经过色相平衡单元进行色相平衡后的亮度彩度色相图像转换成红绿蓝三基色图像。

进一步地，在所述步骤2中，所述预设的色相范围包括红色范围、洋红范围、紫色范围，所述色相平衡单元采用第一色相平衡映射曲线，把红色范围向洋红范围扩展，同时压缩紫色范围，以实现色相平衡。

进一步地，在所述步骤2中，所述预设的色相范围还包括橙黄范围、黄色范围、草绿范围，所述色相平衡单元采用第二色相平衡映射曲线，把橙黄范围向黄色范围扩展，同时压缩草绿范围，以实现色彩平衡。

进一步地，所述色相平衡单元使用预设的色相范围内的色相直方图，计算色相累积概率分布密度，动态生成第三色相平衡映射曲线或第四色相平衡映射曲线，并将第三色相平衡映射曲线替换第一色相平衡映射曲线，或将第四色相平衡映射曲线替换第二色相平衡映射曲线。

进一步地，所述色相直方图至少包括2个色相柜，每个色相柜中的色相范围内包含有若干像素数，所有色相柜不重叠而且拼接后占满预设的色相范围，统计每个色相柜中的像素数的累加值除以预设的色相范围内的总像素数，得到色相累积概率分布密度。

进一步地，亮度、彩度、色相采用CIE标准规定的明度L^*、彩度C^* _ab、色相h_ab。

进一步地，亮度、彩度、色相采用孟塞尔色坐标的明度、彩度、色相。

采用上述方案，本发明通过第一色坐标转换单元把红绿蓝三基色图像转换为亮度彩度色相图像，通过色相平衡单元实现色相平衡，最后通过第二色坐标转换单元把亮度彩度色相图像转换成红绿蓝三基色图像以供医生查看。本发明色彩平衡效果显著，能够解决外科医生长时间注视以红色调为主的内窥镜医疗图像容易造成视觉疲劳的问题。

附图说明

图1为本发明一种内窥镜摄像机图像处理设备的结构框图。

图2A为本发明第一实施例的色相映射示意图。

图2B为本发明第二实施例的色相映射示意图。

图3为本发明的色相直方图示意图。

图4为本发明色相累积概率分布密度示意图。

图5A为本发明孟塞尔色相示意图一。

图5B为本发明孟塞尔色相示意图二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，本发明实施例涉及的“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。此外，术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品、或设备，没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

请参阅图1，本发明提供一种内窥镜摄像机图像处理设备，包括：第一色坐标转换单元100、色相平衡单元200、以及第二色坐标转换单元300。

所述第一色坐标转换单元100把红绿蓝三基色图像转换为亮度彩度色相图像。

所述色相平衡单元200至少扩展预设的色相范围内的一部分色相，同时至少压缩预设的色相范围内另一部分色相，以实现色相平衡，预设色相范围外的色相保持不变。

所述第二色坐标转换单元300把经过所述色相平衡单元进行色相平衡后的亮度彩度色相图像转换成红绿蓝三基色图像。

请参阅图2A，所述预设的色相范围210包括红色范围211、洋红范围212和紫色范围213，所述色相平衡单元200采用第一色相平衡映射曲线214，把红色范围211向洋红范围212扩展，同时压缩紫色范围213，实现色彩平衡。

请参阅图2B，在图2A的基础上，预设的色相范围220还包括橙黄范围221、黄色范围222和草绿范围223，所述色相平衡单元200采用第二色相平衡映射曲线224，把橙黄范围221的色相范围向黄色范围222扩展，同时压缩草绿范围223，以实现色彩平衡。

亮度、彩度、色相可以采用CIE标准规定的明度L^*、彩度C^* _ab、色相h_ab，亮度、彩度、色相还可以采用孟塞尔色坐标的明度、彩度、色相。

本发明还提供一种内窥镜摄像机图像处理方法，包括如下步骤：

步骤1：第一色坐标转换单元100把红绿蓝三基色图像转换为亮度彩度色相图像。

步骤2：色相平衡单元200至少扩展预设的色相范围210内的一部分色相，同时至少压缩预设的色相范围210内的另一部分色相，以实现色相平衡，预设的色相范围210外的色相保持不变。

步骤3：第二色坐标转换单元300把经过色相平衡单元200进行色相平衡后的亮度彩度色相图像转换成红绿蓝三基色图像。所述预设的色相范围210记作[Hue0,Hue0+D],其中D为所述预设的色相范围210的宽度。

所述步骤2中，色相平衡单元200至少扩展预设的色相范围内的一部分色相，同时至少压缩预设的色相范围内的另一部分色相，以实现色相平衡，可以分为以下四个实施例：

实施例一：

如图2A所示，在所述步骤2中，所述预设的色相范围210包括红色范围211、洋红范围212、紫色范围213，所述色相平衡单元200采用第一色相平衡映射曲线一214，把红色范围211向洋红范围212扩展，同时压缩紫色范围213，以实现色相平衡。

实施例二：

如图2B所示，在所述步骤2中，在实施例一的基础上，所述预设的色相范围220还包括橙黄范围221、黄色范围222、草绿范围223，所述色相平衡单元200采用第二色相平衡映射曲线二224，把橙黄范围221向黄色范围222扩展，同时压缩草绿范围223，以实现色彩平衡。

实施例三：

所述色相平衡单元200使用预设的色相范围210内的色相直方图230，计算色相累积概率分布密度，动态生成第三色相平衡映射曲线，并将第三色相平衡映射曲线替换第一色相平衡映射曲线，在本实施例中，预设的色相范围210为实施例一中预设的色相范围210。具体如下：

请参阅图3，所述色相直方图230至少包括2个色相柜231，每个色相柜231中的色相范围内包含有若干像素数232，每个色相柜231统计一帧图像内落在该色相柜231范围内的像素数232，所有色相柜231不重叠而且拼接后占满预设的色相范围210。每个色相柜231的色相中心值233记作Hue_in(i)，每个色相柜231的像素数232记作Hist(i)，i∈[1,N],N为色相柜231的总个数。

请参阅图4，色相累积概率分布密度图240包括至少两个色相柜231，每个色相柜231包含的色相范围与图3中的色相柜231一样，统计每个色相柜231中的像素数232的累加值除以预设的色相范围210内的总像素数Sum，得到色相累积概率分布密度，记作CDF(i)。也就是：

Hue_out(i)＝Hue0+D*CFD(i)，i∈[1,N]作为N个控制点，把Hue_in(i)与Hue_out(i)插值得到第三色相平衡映射曲线，并将第三色相平衡映射曲线替换第一色相平衡映射曲线。

实施例四：

请参阅图3，所述色相平衡单元200使用预设的色相范围220内的色相直方图230，计算色相累积概率分布密度，动态生成第四色相平衡映射曲线，并将第四色相平衡映射曲线替换第二色相平衡映射曲线224，在本实施例中，预设的色相范围220为实施例二中预设的色相范围220。

实施例一与实施例二中的第一色相平衡映射曲线与第二色相平衡映射曲线为固定曲线，其适用于单一的场景，但是不适用于动态场景。实施例三与实施例四中的第三色相平衡映射曲线与第四色相平衡映射曲线适用于动态场景，但是针对单一场景，动态计算有可能不准确，因此不太适用于单一场景。

所述亮度、彩度、色相可以采用CIE标准规定的明度L^*、彩度C^* _ab、色相h_ab。也就是：

其中0°＜h_ab＜90° if a^*，b^*＞0

90°＜h_ab＜180° if a^*＜0，b^*＞0

180°＜h_ab＜270°if a^*，b^*＜0

270°＜h_ab＜360° if a^*＞0，b^*＜0

所述亮度、彩度、色相还可以采用孟塞尔色坐标的明度、彩度、色相。请参阅图5A，孟塞尔色坐标系250由纵向明度坐标轴251、径向彩度坐标轴252、角度色相坐标轴253组成。明度坐标取值范围为[0，10]，明度为0表示黑色，明度为10表示白色。彩度取值范围为[0，30]，彩度为0表示纯灰色，彩度为30彩色最强。所述色相由后缀和色相刻度表示，色相后缀把角度色相坐标轴分成10个色相区间，分别为R、YR、Y、GY、G、BG、B、PB、P、RP，各色相后缀对应的色相如下表所示：

Red	R
		Yellow-Red	YR
Yellow	Y
		Green-Yellow	GY
Green	G
		Blue-Green	BG
Blue	B
		Purple-Blue	PB
Purple	P
		Red-Purple	RP

每个色相区间用[0,10]表示色相刻度，色相区间的中心色相刻度为5，比如色相5R表示R色相区间中心的色相。为了方便计算，根据本发明的特定实施例，把这10个色相区间按顺序排列，映射到[0,100]，就是图5B中的色相数255。每个颜色孟塞尔坐标254就由明度251、彩度252、色相数255组成。

在步骤1中，所述第一色坐标转换单元100把红绿蓝三基色图像转换为亮度彩度色相图像，具体地，第一色坐标转换单元100预存了从RGB色坐标到孟塞尔色坐标LCH的三维查找表，所述RGB色坐标表示每个像素的红色、绿色、蓝色分量，LCH色坐标代表该像素的明度、彩度、色相数。每个LCH色坐标分量均匀取9个样本，三维查找表中包含9*9*9＝729个项目，729个项目分别对应9个明度分量样本、9个彩度分量样本、9个色相分量样本的全组合，每个项目存储该颜色样本对应的RGB色坐标。在步骤3中，第二色坐标转换单元300使用这个三维查找表的少量样本进行三维线性插值，可以得到每种LCH色坐标对应的RGB色坐标。

在本发明中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以各个单元单独物理存在，也可以是两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以用硬件的形式实现，也可以用硬件加软件单元的形式实现。

上述以软件功能单元的形式实现的集成的单元，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。上述软件功能单元存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备)或数字信号处理器(DSP)或中央处理器(CPU)或图像处理器(GPU)或现场可编程阵列(FPGA)或复杂可编程逻辑器件(CPLD)或片上系统(SoC)执行本发明各个实施例所述方法的部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(Random Accessed Memory，RAM)、磁碟、光碟等各种可以存储程序代码的介质。

本领域技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能单元，以完成以上描述的全部或部分功能。上述描述的装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种内窥镜摄像机图像处理设备，其特征在于，包括：第一色坐标转换单元、色相平衡单元、以及第二色坐标转换单元；

所述第一色坐标转换单元把红绿蓝三基色图像转换为亮度彩度色相图像；

所述色相平衡单元至少扩展预设的色相范围内的一部分色相，同时至少压缩预设的色相范围内另一部分色相，以实现色相平衡，预设色相范围外的色相保持不变；所述预设的色相范围包括红色范围、洋红范围和紫色范围，所述色相平衡单元把红色范围向洋红范围扩展，同时压缩紫色范围；

所述第二色坐标转换单元把经过所述色相平衡单元进行色相平衡后的亮度彩度色相图像转换成红绿蓝三基色图像。

2.根据权利要求1所述的内窥镜摄像机图像处理设备，其特征在于，所述预设的色相范围还包括橙黄范围、黄色范围和草绿范围，所述色相平衡单元把橙黄范围的色相范围向黄色范围扩展，同时压缩草绿范围。

3.一种内窥镜摄像机图像处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：第一色坐标转换单元把红绿蓝三基色图像转换为亮度彩度色相图像；

步骤2：色相平衡单元至少扩展预设的色相范围内的一部分色相，同时至少压缩预设的色相范围内的另一部分色相，以实现色相平衡，预设的色相范围外的色相保持不变；所述预设的色相范围包括红色范围、洋红范围、紫色范围，所述色相平衡单元采用第一色相平衡映射曲线，把红色范围向洋红范围扩展，同时压缩紫色范围，以实现色相平衡；

步骤3：第二色坐标转换单元把经过色相平衡单元进行色相平衡后的亮度彩度色相图像转换成红绿蓝三基色图像。

4.根据权利要求3所述的内窥镜摄像机图像处理方法，其特征在于，在所述步骤2中，所述预设的色相范围还包括橙黄范围、黄色范围、草绿范围，所述色相平衡单元采用第二色相平衡映射曲线，把橙黄范围向黄色范围扩展，同时压缩草绿范围，以实现色彩平衡。

5.根据权利要求3或4所述的内窥镜摄像机图像处理方法，其特征在于，所述色相平衡单元使用预设的色相范围内的色相直方图，计算色相累积概率分布密度，动态生成第三色相平衡映射曲线或第四色相平衡映射曲线，并将第三色相平衡映射曲线替换第一色相平衡映射曲线，或将第四色相平衡映射曲线替换第二色相平衡映射曲线。

6.根据权利要求5所述的内窥镜摄像机图像处理方法，其特征在于，所述色相直方图至少包括2个色相柜，每个色相柜中的色相范围内包含有若干像素数，所有色相柜不重叠而且拼接后占满预设的色相范围，统计每个色相柜中的像素数的累加值除以预设的色相范围内的总像素数，得到色相累积概率分布密度。

7.根据权利要求3所述的内窥镜摄像机图像处理方法，其特征在于，亮度、彩度、色相采用CIE标准规定的明度L^*、彩度C^* _ab、色相h_ab。

8.根据权利要求3所述的内窥镜摄像机图像处理方法，其特征在于，亮度、彩度、色相采用孟塞尔色坐标的明度、彩度、色相。

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