醫用電子內窺鏡畸變實時校正系統的視頻控制

劉濱安　曾智超　楊光

摘要：為進一步研究和分析內窺鏡實施矯正系統并探索內窺鏡畸變問題，本文重點加強了對電子內窺鏡畸變原理的闡述，同時闡述了實際運用的原理。為能夠完成灰度以及像素點幾何位置的校正，采用了點陣樣版矯正法。在本文中，系統采用點陣樣板矯正方法，以找到理想像和實際像的關系，完成對像素點幾何位置和灰度的矯正。其控制中心采用FP-GA，再對I2C 串行總線通信進行設計，協調編碼器和解碼器的同步控制，以實現內窺鏡畸變實時矯正功能。

關鍵詞：醫用電子內窺鏡 畸變 實時矯正系統 視頻控制

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

1 系統的原理與實現

畸變屬于單色像差，它是指軸外點在鏡像上的實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行恢復。

在實際的應用過程中，必須要對已經畸形的實際成像做好轉變工作，轉變的前提就是要做好多項式的擬合工作，這是轉變的關鍵一步，通過轉變，其能得到理想中的成像效果。對畸形的成像進行矯正主要有兩個方面，第一是對幾何位置進行矯正，其主要是對像素坐標空間進行利用，該像素空間具有幾何法對原圖像進行轉變的主要特點，像素點和畸變點是已經被知曉的，對這兩點的對應關系進行利用，多項式的系數能有效的完成擬合工作，在恢復畸變點的變換過程中，獲得的系數主要起著重要的奠基作用。在經過幾何的校正之后，數據已經發生了改變，不具備之前整數的特性，這就需要進一步的灰度校正。第二，灰度校正，通過對灰度插值進行利用能夠完成該點的灰度計算工作，通過對這個灰度值進行有效的應用，原圖像中的像素點的填充工作也能順利完成。

在所有的樣本中，點陣樣本是比較符合標準的一個，其主要由原點的組成，通過對原點記性有規律的排列，來完成樣本。其實在一般情況下，光學系統本身就具有畸變的特性，對點陣樣本進行使用的過程中，光學系統產生的圖像已經出席那里偏差，因為其本身就具有靈變性，與之前的實心圓已經大不相同，系統的光學中心的估算工作離不開畸變圓點的中心，這就需要用圓近似重心的點來對它進行替代。之后將光學的中心作為基點，選取外圍的幾個圓點中心坐標，形成一定的對應關系，對樣本理想進行利用，從而對設計參數和光學系統的放大率進行充分的利用，可以得出樣板理想像，所得出的像具有不失真的主要特點，理想像和實際像的擬合工作也非常重要，需要得出兩者的函數關系，并且對三次樣條插值多項式進行利用。通過該函數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，除了接插值以外，還有雙線性內插和高階插值等，但是因為前兩種方法容易受到實際的要求，難以突破FPGA運算速度的束縛，所以在實際采用中，主要是采用階插值法對灰度進行矯正，校正點的灰度選取具有一定的規則，選取的點要滿足離幾何校正所得坐標最近。

2 硬件的構成與功能

這里所說的畸變實時矯正系統的功能，其實就是對視頻圖像的處理，主要是緩存、編碼和校正等。復合視頻信號從攝像頭輸出之后，需要經過一系列的處理，將其所產生的噪聲進行處理，放大所需的信號，并控制好自動增益等。在經過處理之后，視頻信號會被送入相應的解碼器，使其轉化為數字圖像。這些數字圖像需要根據具體的情況進行分類，一般分為偶場和奇場，并將數據信號分別儲存到到存儲器中。同時，還要根據圖像的內容和順序來獲取需要校正的地址，將其數據信息讀出來之后，存入準備好的儲存器之中。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行轉化，使原本的圖像信號變為復合視頻信號，并輸入到監視器中顯示出來，得到我們所需的數據信息。也可經過A/D轉換之后直接存儲到計算機中。

3 調試的結果

在醫用電子內窺鏡畸變實時校正系統完成之后，數字圖像的編碼、模擬圖像的解碼以及幀存儲器的讀寫控制都將得到實現，如今已經應用于上消化道電子胃鏡樣機系統中，其運行相較于傳統的系統要安全、可靠、穩定很多。在樣機系統中，由于樣機不能應用于臨床，下面將給出點陣樣板經電子內窺鏡系統所成圖像以及其校正的結果。畸變圖像從電子內窺鏡中輸出后，會直接經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窺鏡輸出之后，會經由畸變實時校正系統，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列 ，校正后恢復到一條直線上，達到了畸變校正的目的。

4 結語

本文介紹了醫用電子內窺鏡畸變實時校正系統的原理、構成FPGA設計。FPGA作為系統的視頻處理器，采用模塊化設計，縮短了設計周期，擴展了它的功能。系統工作在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：電子內窺鏡畸變實時校正系統改善了光學系統的畸變失真，實現了在線實時校正畸變的功能。

參考文獻

[1]陳曉冬，宋玲玲，張樹華，等.醫用電子內窺鏡畸變實時校正系統的視頻控制[J].天津大學學報，2004，37（12）：1073-1076.

[2]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.

[3]宋玲玲.醫用電子內窺鏡彩色圖像畸變實時校正硬件系統的研究[D].天津大學，2004.

[4]張樹華.醫用電子內窺鏡畸變實時校正與自動亮度控制硬件系統的研究[D].天津大學，2005.

[5]宋玲玲，郁道銀，謝洪波，等.MEE畸變實時校正系統視頻控制的FPGA設計[J].計算機工程，2004，30（14）：191-192，195.