数字摄像在舌诊成像中的应用

数字摄像在舌诊成像中的应用

近年来，随着中医现代化和舌诊客观化的发展，舌诊的信息科学和舌诊的结合变得越来越重要。舌象分析仪的问世,为临床诊断提供了重要的工具。目前的舌象分析仪器都是用数码相机采集图像,而且都是针对特定型号的数码相机开发的颜色校正和舌象分析软件。许多颜色校正算法的参数设定,针对性较强。一旦更换了数码相机,原有的颜色校正软件就不能获得良好的校正效果和舌象分析结果。这就给舌象仪的更新换代和产业化推广带来了诸多的不便。基于上述原因,笔者提出了采用数字摄像机作为舌象的采集设备的一套基于数字摄像机的舌象采集平台设计方案。该平台包括两项内容:1、采集装备的设计;2、针对该平台的图像处理和颜色校正技术的研究。本文将对采集装备的设计做重点的介绍。一、完善前实验条件舌图像是医学图像的一种,对图像的清晰度,色彩还原的真实性均有很高的要求。高质量的舌图像,是后期计算机自动分析的基础和保证。因此作为舌象采集平台,首先必须能够提供良好的图像采集条件,这其中包括:良好的光照条件和优质的显色条件。前者使得照射到舌体的光均匀明亮,后者为颜色的真实显示提供保障。其次平台必须保证采集的环境相对封闭稳定,避免外界的杂散光或者是其余物体的反射带来的干扰;此外作为一个实验用的采集平台,还应该提供多种实验条件,为今后研究工作的拓展和深化提供便利。采集设备的设计内容包括:光源的设计、布光的设计以及结构的设计。二、植物的基本指标在光源的设计中,首先考虑的是光源特性的选择。光源的显色性、色温、散热性和使用寿命是光源特性的四大指标。特别是显色指数和色温,由于这两条特性对获取图像的色彩表现有着直接影响。下面先给出光源的两个基本概念。1.系统显色性原理光源的显色性是指与参照标准相比较,一个光源对物体颜色外貌产生的效果,CIE把普朗克辐射体作为低色温光源的参照标准,把标准照明体D作为高色温的参照标准。光源的显色性是衡量光源视觉质量的重要指标,并且可以通过显色指数来衡量。通常情况下,我们认为白炽灯和日光灯的显色效果是最好的,显色指数为100。在彩色摄影中,对光源显色指数的最低要求为85。显色性是由光源的光谱功率分布决定的,白炽灯和日光灯都有连续的光谱。与之有相似光谱的光源都有着很好的显色性,但也有一些非连续光谱的光源也有较好的显色性。比如按一定的比例混成的含450nm,560nm,610nm光谱的光就有较好的显色性。2.光栅的显色性和染色人们用黑体加热到不同温度所发出的不同光色来表达一个光源的颜色,称作光源的颜色温度,简称色温。日光的平均色温约为6500K,色温低时,光的颜色偏红;色温高时,光的颜色偏蓝。光源的显色性和色温之间没有必然的联系。虽然两者都与光谱的功率分布有关,但色温的大小更依赖于长短波光的比例问题,而显色性的好坏则更依赖于全波段光的组成和比例问题。不同光谱功率分布的光源可能有相同的色温,但显色性可能差别较大;而色温不同的光源也可能都有较好的显色性。表1是一些常用光源的性能指标。3.光栅的使用原则从视觉的角度看,用于仪器照明的光源,需要满足三个基本要求:第一,在人眼可以感觉的可见光波长(380～780nm)的范围内,要有一定的辐射强度,力求有较高的发光效率;第二,光源发射出来的光线在人眼里所感觉的颜色称为色表,它应该与人眼的视觉特性匹配;第三,用光源照明物体,力求有完美的显色效果,如果各色物体受照的效果和标准光源照射同样物体的效果一致,这样的光源最为理想。我们在光源的选择时,除了考虑上述三个条件之外,还同时考虑了光源的散热和寿命等因素。最终为实验平台选择了两种光源,一种是高色温高显色性的光源,另一种是低色温高显色性的光源。为今后的实验人员和实验工作提供了双向选择。(1)强化显色性能该光源采用的是松下YH22型三基色环管荧光灯。该光源的功率为22W,显色指数达到了88,色温为7200K,使用寿命为8000小时。是目前市面上显色性能最好,色温最接近于日光的光源。如图1所示。(2)型卤社会主义灯染色该光源采用的是PHILIPS14600型卤钨灯。这是一款日光色的卤钨灯泡,突破性的设计,使该光源的色温达到了4000K,超过了以往卤钨灯色温3200K的极限,同时仍保持了卤钨灯显色指数100的优良特性,并且使用寿命可长达3000小时。结构上,由于一个单体灯泡的功率为50W,如果四个灯泡全开,将达到200W的功率,一段时间后,发热量不可忽视。因此特别在光源中加入了风扇的设计,以便于散热。如图2所示。三、舌体照明方式的设计在色度和色度测量中,CIE于1971年正式推荐了四种测色的标准照明和观测条件。(1)垂直入射,45度角观测;(2)45度角入射,垂直观测;(3)垂直入射,漫反射观测;(4)漫反射入射,垂直观测。舌体照明中追求的是均匀照明,所以本设计采用的是第4种照明方式。即采用积分球的漫射照射样品,要求样品的法线和观测光中心轴之间的夹角不应超过10度,观测角度与观测物体垂直,且观测光束的任一光线和中心轴之间的夹角不超过5度;积分球的大小任意,但开孔总面积与积分球内反射总面积之比不得超过10%,且力求越小越好。四、积分球的设备选择综上所述,考虑到摄像平台的实用性和稳定性。我们采用了积分球漫射照明的方式,整个平台由积分球、摄像机、三脚架组成,如图3所示。积分球的直径为50cm,内壁喷涂的是传统的BaSO4漫反射的材料,它的反射率ρ(λ),在450nm～800nm时大于0.96,在380nm～450nm时大于0.92。为了方便两种光源的更换,在结构设计上,专门设计了一个灯室,光线通过灯室中的入射孔进入积分球体。在使用时,通过灯室底部设计的接口,就可以灵活的实现两种光源的更换。在尺寸设计上,根据人舌头面积的大小,以及摄像机镜头的大小,我们在积分球的两端分别设计了直径为4.5cm的拍摄孔和直径为8cm的观测孔。此外还在积分球的底部设计了8个直径为1.5cm的通光孔,这八个通光孔根据光源的大小,呈环状分部,环的直径为22cm。总的开孔面积为80.3,而整个漫射的面积约为,7774,所以开孔面积仅为漫射面积的1%,完全能够满足积分球设计的要求。在摄像机的选择上,我们采用了大恒公司生产的DH-HV3103UC数字摄像机。该摄像机采用的是CMOS传感器,分辨率达到了2048×1536。模/数转换精度为10位,像素深度为8位,信噪比大于42db,动态范围大于60db,清晰度达到了900线。可以说具有了高分辨率、高精度、高清晰度、低噪声、色彩还原性好的特点,适用于工业生产、医疗、科研、教育、安防、办公自动化等领域。五、强化对比测试结果第一步,用照度计对光源的均匀性进行了测试。测试时,在积分球出光孔的位置上,即舌体放置的位置上,取了17个点进行照度测试。点的分布如图4所示。分别测试了在使用两种不同的光源时,所取17个点位的照度,并对测试结果进行了分析,分析结果表明光源的均匀性完全满足舌象采集的要求的。具体的测试及分析的结果如表2所示。第二步,用PR650对光源的光谱曲线及各项特性做了详细的检测,检测结果表明,光源的显色性较为理想,符合医学图像采集的要求。具体检测结果如下。图5为高色温高显色性光源的光谱曲线,实测显色指数为85,色温为6639。图6是低色温高显色性光源的光谱曲线,实测显色指数为98,色温为3993。六、实验平台的设计针对在舌象的颜色校正过程中,存