Воспроизведение цветных изображений в медицинских видеосистемах Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2006. Вып. 1

УДК 621.397

О. В. Емельянов

Мариинская больница, г. Санкт-Петербург

А. И. Мазуров

ЗАО «НИПК "Электрон"» г. Санкт-Петербург

Воспроизведение цветных изображений в медицинских видеосистемах

Показано, что в медицинских видеосистемах задачу воспроизведения цветных изображений целесообразно рассматривать с двух точек зрения: анализа и синтеза. Анализ должен быть направлен на классификацию спектров изображения в метамерные группы. В задачу синтеза должно входить отображение контрольных цветов метамерных групп в соответствии с назначением системы (колориметрически точно или с преобразованием в другой цвет).

Метамерные цвета, цветные изображения, видеосистемы, цветокоррекция

В вещательном телевидении цвет играет художественно-эстетическую, психологическую, драматургическую и даже философскую роль [1], а в медицине и биологии он выступает прежде всего как диагностический признак [2]. Поэтому требования к воспроизведению цвета изображений в медицинских системах могут существенно отличаться от требований вещательного телевидения. Однако в любой видеосистеме первоначально должно быть достигнуто точное измерение (анализ) цвета элементов изображения, даже если конечной целью является его художественное воспроизведение или представление в наилучшем виде для диагностической интерпретации.

В любой системе, визуализирующей цветное изображение, решаются две главные задачи: анализ - разделение всего множества спектров входных изображений на неразличимые (метамерные) группы и синтез - воспроизведение каждого из этих классов в своем цвете на экране цветного телевизионного приемника.

Классификация спектров в метамерные группы зависит от спектральных характеристик цветоделенных каналов телевизионной камеры, а цвет, которым будет отображена каждая метамерная группа спектров, - от их параметров и спектральных характеристик основных цветов приемника. После того как множество спектров изображений в телевизионной камере разделено на группы с одинаковыми цветоделенными сигналами и^,

ис, ив (т. е. произведено формирование групп метамеров), никакие преобразования в телевизионном канале не могут разделить эти спектры и отобразить их разными цветами на экране телевизионного приемника.

Единственный способ перераспределения спектров изображения по метамерным группам состоит в изменении спектральных характеристик цветоделенных каналов телевизионной камеры. Задача телевизионного тракта и монитора состоит в отображении этих метамерных групп нужными цветами. Это можно сделать, включив в телевизионный канал цветокорректор [3], [4] или устройство, преобразующее цветовой охват воспроизво-

© О. В. Емельянов, А. И. Мазуров, 2006 47

Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2006. Вып. 1======================================

димых объектов [5]. Если задача цветокорректора заключается в получении изображения, колориметрически тождественного оригиналу, то задача устройства, осуществляющего преобразование цветового охвата, состоит в повышении разрешающей способности по цвету расширением цветового охвата. Поясним необходимость трансформации цветовых объемов на примере медицинских видеосистем.

Трансформация цветовых объемов. Цветовой охват многих классов медицинских изображений, как правило, существенно меньше цветового охвата кинескопа. Типичным примером такого класса изображений являются изображения внутренних полостей пациента, окрашенные главным образом в красные тона. В этих случаях цветовой охват монитора используется не полностью и имеется потенциальная возможность повышения цветовой разрешающей способности видеоэндоскопа трансформацией цветового охвата внутренних полостей в больший цветовой охват. При трансформации не должны быть допущены искажения цвета, разрушающие образ исходного изображения. Наиболее просто реализовать эту трансформацию, применив, как при цветокоррекции, классический метод матрицирования. С математической точки зрения матрицирование сводится к аффинному преобразованию цветового пространства.

Проведенное разделение передачи цвета на два этапа - классификацию спектров объектов в метамерные группы, отображаемые сигналами и^ , ид, ив, и воспроизведение этих групп нужными цветами - имеет важное практическое значение. Такой подход позволяет понять, что отклонение реальных спектральных характеристик от расчетных будет сказываться только на характере классификации спектров в метамерные группы, а от параметров матрицы будет зависеть, каким цветом воспроизведется каждая метамерная группа спектров изображения, т. е. каждый элемент изображения.

С учетом этого, для восприятия цвета подобно зрительному анализатору (первый этап) спектральные характеристики камеры должны быть кривыми смешения одной из стандартизованных колориметрических систем, не имеющими отрицательных ветвей, или линейно с ними связаны. Любые другие спектральные характеристики камеры будут отображать цвет не адекватно зрительному анализатору, что, в принципе, открывает широкие возможности построения медицинских видеосистем, которые будут классифицировать спектры совсем иначе, чем человек.

В настоящее время большинство медицинских видеосистем имеет спектральные характеристики, согласованные с цветовым зрением. Это связано как с экономическим фактором (возможностью использования широкого парка телевизионных камер промышленного назначения), так и с необходимостью разработки специальных методик интерпретации изображений, цвета которых не соответствуют цветам исследуемого объекта.

Так как достичь точного согласования спектральных характеристик камеры с кривыми смешения практически невозможно, то метамеры отображаются не в точку цветового пространства, а занимают некоторую область в этом пространстве (площадь на диаграмме цветностей). Для любого цвета эта область на диаграмме цветностей ограничена метамера-ми, полученными из пар дополнительных спектральных цветов или троек, когда дополнительным к взятому спектральному цвету является пурпурный цвет [6]. Поэтому для реше-

ния задачи правильного цветовоспроизведения (второй этап) необходимо выбрать эталонные цвета из каждой метамерной группы и по этим цветам рассчитать цветокорректор.

В вещательном телевидении в качестве испытательных цветов используются эталонные цвета, рекомендованные МКО. Набор состоит из восьми основных и шести дополнительных контрольных образцов [7]. Часто для упрощения расчетов в качестве эталонных цветов выбирают так называемые оптимальные цвета, спектры которых имеют прямоугольный вид, но такие спектры реализовать практически невозможно. Так как отклонения спектральных характеристик камеры от кривых смешения допускаются не более чем на ±10% [6], то рассеяние метамеров по площади цветовой диаграммы будет незначительным. Поэтому в качестве эталонного из каждой группы метамеров можно выбрать любой спектр, находящийся внутри метамерных областей. Как будет показано далее, для медицинских телевизионных систем в качестве представителей метамерных групп, по которым выбирается цветокорректирующая матрица, целесообразно выбрать цвета, имеющие спектры, составленные из спектров основных цветов телевизионного приемника. Данный выбор включает все тело цветового охвата приемника, а цвета, не входящие в этот охват, системой правильно не передаются.

Таким образом, задача сводится к правильной (в колориметрическом смысле) цветопередаче спектров, которые могут быть получены смешением в разных пропорциях спектров красного, зеленого и синего основных цветов приемника.

Расчет цветокорректирующей матрицы. Рассмотрим методику расчета цветокор-ректирующей матрицы для телевизионной камеры со спектральными характеристиками Ек (X), Ес (X ), Ев(X), подобными функциям сложения какой-либо колориметрической системы или связанными с ними линейно. Каждая из спектральных характеристик должна перекрывать весь видимый спектр света. В этом случае реальные цвета изображения без большой погрешности по цветности могут быть заменены их метамерами, составленными из спектров основных цветов приемника, что может быть записано в виде системы уравнений:

да

ия = 11 (X ) Ек (X ) й Х =

0

да да да

= тд |/дб (X ) Ед ( X) йХ + то |/0б ( X) Ед ( X) йХ + тв |/вб ( X) Ед ( X) йX;

000

да

ио = | / (X ) Ео (X ) й X =

(1)

дадада

0

0 0 0

да

= тд |/кб (X)Ес (X) йX + тс |/Сб (X)Ес (X) йХ + тв |/вб (X)Ес (X)йX; 0

да

ив = | / (X ) Ев (X ) й X = 0

да

= mR |/дб (X)Ев (X) йX + тс |/Сб (X)Ев (X)йХ + тв |/вб (X)Ев (X)йX,

0

да да да

, + то |/об ( X ) Ев ( X ) йX + ]

00

Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2006. Вып. 1======================================

где ия, ис, ив - сигналы на выходе камеры; I(X) - спектр передаваемого цвета; ЕЯ(X), ЕО (X), Ев(X) — спектральные характеристики камеры; (X), /дб(X ), /вб (X ) - спектры основных цветов приемника при воспроизведении белого цвета.

Если обозначить величины а ; = \1т (X ) Е] (X ) ёХ , / = Я, О, В, то система уравнений (1) примет вид:

иЯ = тЯаЯЯ + тОаОЯ + тВаВЯ;

иО = тЯ аЯО + то аоо + тваво; (2)

иВ = тЯ аЯВ + тО аОВ + твавв.

Решив систему уравнений (2) относительно т^, тд, тв, получим значения сигналов в системе приемника. Отметим, что спектральные характеристики камеры и спектры излучения экрана монитора нормируются для равенства сигналов ия = ио = ив при передаче белого цвета. Рассмотренный метод цветокоррекции отличается от традиционных (метода трех опорных цветов, метода аппроксимации функций сложения и др.), с описанием которых можно ознакомиться в работах [3], [4], [6], [8]. Основное отличие заключается в том, что рассматриваемый метод позволяет точно воспроизводить один спектр из каждой метамерной группы. Так как метамеры при близких к колориметрическим спектральных характеристиках камеры группируются в ее цветовом пространстве достаточно компактно, велика вероятность того, что и другие метамеры будут воспроизводиться на приемнике достаточно точно.

В вещательном телевидении, где используются камеры с разделением светового потока от объекта на три цветоделенных потока, на первое место выступает не сохранение подобия спектральных характеристик функциям сложения, а обеспечение максимального коэффициента полезного действия светоделения [4]. Поэтому в них в качестве спектральных характеристик используются несколько видоизмененные положительные ветви функций сложения цветовой системы приемника, а в телевизионный канал включают цвето-корректор. При расчете цветокорректора классический метод трех опорных цветов можно усовершенствовать, если разбить диаграмму цветностей с помощью фильтров цветности на ряд областей и в каждой области выбрать три опорные цветности.

Для каждой области можно рассчитать свою матрицу. В ряде случаев фильтрация по цветности может быть осуществлена без преобразования цветоделенных сигналов в сигналы цветности. Например, простые фильтры цветности могут быть реализованы при попарном сравнении цветоделенных сигналов. Как видно из рис. 1, на котором изображена диаграмма цветностей колориметрической системы камеры, в каждом из шести секторов соотношения двух (из трех) цветоделенных сигналов сохраняют знак. Это обстоятельство позволяет избежать операции деления широкополосных сигналов изображения и заменить ее операцией сравнения или вычитания.

В цветных камерах медицинского назначения, где используются многосигнальные преобразователи с цветоделительными светофильтрами, проблемы светоделения не существует, так как в них на каждый элемент изображения падает весь входной световой по-

О (0,1,0)

В ( 0,0,1)

Я (1,0,0) т

Рис. 1

ток. Поэтому выбор спектральных характеристик должен быть подчинен в первую очередь их линейной связи с колориметрическими функциями сложения.

Если возникает необходимость трансформировать цветовой охват рассматриваемого класса изображений в некоторый другой цветовой охват, то наиболее просто это сделать, применив, как и при цветокоррекции, метод матрицирования. В теории аффинных преобразований показано, что при этих преобразованиях объемы всех тел умножаются на постоянный множитель, который равен определителю системы А, образованному из элементов матрицы преобразования. Объем цветового тела уменьшается при А < 1, остается без изменения при А = 1 и увеличивается при А > 1.

Возможно изменять цветовой объем и при одновременном изменении любых сочетаний этих параметров: яркость - насыщенность, яркость - цветовой тон, насыщенность -цветовой тон, яркость - насыщенность - цветовой тон.

На практике применение нашли преобразователи цветовых объемов с использованием колориметрической системы, основанной на психофизиологических параметрах цвета - светлоте, цветовом тоне и насыщенности [5]. Преимущество этой системы заключается в возможности независимой регулировки яркости, насыщенности и цветового тона. Эти параметры соответствуют субъективному восприятию человека и определяют цветовой контраст объектов.

После перехода к психофизиологическим параметрам цвета осуществляют трансформацию цветового охвата. Можно, например, осуществить селекцию шести цветов, а затем произвести трансформацию цветового тона, насыщенности и яркости выделенных цветов так, чтобы эти цвета попали в выбранные точки цветового тела.

Один из возможных вариантов трансформации цветовых объемов осуществлен в системе яркости иу и цветоразностных сигналов ия_у и ив-у.. Эти сигналы получают из цветоделенных сигналов передающей телевизионной камеры матрицированием:

иу = 1Яия + ¡оио + ¡вив; и я-у = иЯ - Щ; ив-у = ив - Щ,

(3)

где ¡я, ¡о, ¡в - коэффициенты преобразования.

Первое равенство в (3) характеризует яркость, а два других, нормированных к яркости, определяют цветность.

Для изменения яркости в К раз необходимо во столько же раз изменить цветоде-

ленные сигналы: иЯ = К-Ция, иО = К-Цио, иВ = К^ив.

и у

ия

ио ив

м1

К1

и

Я-у

и

в-у

и

у

К2

м 2

I

I

к4

и

в-у

Кз

и

I

Я-у ►

мз

и

Я

и

о

и

У А X

I

Рис. 2

Для изменения насыщенности в К2 раз необходимо изменить сигналы и^-у и ив-у, сохраняя соотношение между ними. Наконец, изменение цветового тона достигается изменением этих же сигналов без сохранения соотношения (К3 ф К4). Функциональная схема устройства трансформации цветовых объемов представлена на рис. 2.

Цветоделенные сигналы изображения ия, ио, ив в матрице М1 преобразуются в

сигнал яркости иу и два цветоразностных сигнала и^_у и ив-у. Одновременно цветоделенные сигналы поступают на матрицу фильтров эталонных цветов М2. В качестве

эталонных выбираются наиболее характерные цвета из тела цветового охвата исследуемых объектов. На выходе фильтров эталонных цветов выбираются сигналы, характеризующие распределение эталонных цветов по полю изображения. Эти сигналы управляют регуляторами яркости У, насыщенности А и цветового тона X. В последних формируются функции, управляющие коэффициентами трансформации яркости К1 , насыщенности К2 и цветового тона К3 и К4. Преобразованный сигнал яркости иу пр и цветоразностные сигналы ия-у пр и ив-у пр в матрице М3 преобразуются в трансформированные цветоделенные сигналы ия пр, и о пр, ив пр . В системах с высоким отношением сигнал/шум

(более 50) трансформация цветового объема позволяет в несколько раз увеличить разрешающую способность по цвету.

Проведенное рассмотрение показало, что выбор спектральных характеристик цвето-деленных каналов преобразователя изображений должен быть осуществлен в соответствии с решаемыми задачами классификации спектров изображения в метамерные группы. В процессе выбора параметров цветокоррекции или преобразования цветового объема критерием должно служить отображение контрольных цветов колориметрически точно или с преобразованием в другие цвета в соответствии с назначением видеосистемы. Для колориметрически точного воспроизведения предложена цветокорректирующая матрица, позволяющая из каждой метамерной группы спектров, лежащих в области цветового треугольника приемника, точно воспроизвести не менее одного цвета.

т

г

т

т

т

======================================Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2006. Вып. 1

Библиографический список

1. Рудь И. Д., Цуккерман И. И. Художественное изображение в телевидении. М.: Искусство, 1987. 128 с.

2. Блинов Н. Н., Мазуров А. И. Системы прикладного телевидения. М.: Знание, 1987. 64 с.

3. Быков Р. Е. Теоретические основы телевидения. СПб.: Лань, 1998. 288 с.

4. Певзнер Б. М. Качество цветных телевизионных изображений. М.: Радио и связь, 1988. 224 с.

5. Мазуров А. И. Зрение роботов. М.: Знание, 1991. 64 с.

6. Кустарев А. К. Колориметрия цветного телевидения. М.: Связь, 1967. 335 с.

7. Мешков В. В., Матвеев А. Б. Основы светотехники: В 2 ч. Ч. 2. Физиологическая оптика и колориметрия. М.: Энергоатомиздат, 1989. 432 с.

8. Кустарев А. К., Шендерович А. М. Искажения цветного телевизионного изображения. М.: Связь, 1978. 184 с.

O. V. Emelyanov

St. Maria hospital, Saint-Petersburg A. I. Mazurov

CAS «SRPC "Electron"» SainftPeterrbbrg

Color image reproduction in medical imaging systems

Two sensible approaches to the color image reproduction problem in medical imaging systems - analysis and synthesis - are reviewed. Task of analysis is imaging spectrums classifying into metameric groups. Task of synthesis is displaying of metameric groups reference colors in accordance with the medical system destination (in accordance with colorimetric system or using conversion into another color).

Metameric colors, color image, video system, color correction

Статья поступила в редакцию 8 ноября 2005 г.

Исправления к статье В. В. Леонтьева "Вероятностная модель рассеяния сантиметровых радиоволн морским объектом при высоком разрешении РЛС", опубликованной в четвертом выпуске журнала за 2005 г. На с. 58 формула (4) должна иметь вид

W (Z) = T^exp

2П

' z+г2 ^ '

2П2

In

2Г o4Z

2П2

На с. 59 формула (11) должна иметь вид

D = Т

(U/ 2)2

Т

и=0n! г(n +1)m=o m!

Г (v — 2n-m-1) - Т

(-1)'

l ! (v 2n m 1 l )

Редакция приносит свои извинения автору и читателям.

l =0