數(shù)字?jǐn)z像在舌診成像中的應(yīng)用

數(shù)字?jǐn)z像在舌診成像中的應(yīng)用

近年來，隨著中醫(yī)現(xiàn)代化和舌診客觀化的發(fā)展，舌診的信息科學(xué)和舌診的結(jié)合變得越來越重要。舌象分析儀的問世,為臨床診斷提供了重要的工具。目前的舌象分析儀器都是用數(shù)碼相機(jī)采集圖像,而且都是針對(duì)特定型號(hào)的數(shù)碼相機(jī)開發(fā)的顏色校正和舌象分析軟件。許多顏色校正算法的參數(shù)設(shè)定,針對(duì)性較強(qiáng)。一旦更換了數(shù)碼相機(jī),原有的顏色校正軟件就不能獲得良好的校正效果和舌象分析結(jié)果。這就給舌象儀的更新?lián)Q代和產(chǎn)業(yè)化推廣帶來了諸多的不便?；谏鲜鲈?筆者提出了采用數(shù)字?jǐn)z像機(jī)作為舌象的采集設(shè)備的一套基于數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的舌象采集平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。該平臺(tái)包括兩項(xiàng)內(nèi)容:1、采集裝備的設(shè)計(jì);2、針對(duì)該平臺(tái)的圖像處理和顏色校正技術(shù)的研究。本文將對(duì)采集裝備的設(shè)計(jì)做重點(diǎn)的介紹。一、完善前實(shí)驗(yàn)條件舌圖像是醫(yī)學(xué)圖像的一種,對(duì)圖像的清晰度,色彩還原的真實(shí)性均有很高的要求。高質(zhì)量的舌圖像,是后期計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析的基礎(chǔ)和保證。因此作為舌象采集平臺(tái),首先必須能夠提供良好的圖像采集條件,這其中包括:良好的光照條件和優(yōu)質(zhì)的顯色條件。前者使得照射到舌體的光均勻明亮,后者為顏色的真實(shí)顯示提供保障。其次平臺(tái)必須保證采集的環(huán)境相對(duì)封閉穩(wěn)定,避免外界的雜散光或者是其余物體的反射帶來的干擾;此外作為一個(gè)實(shí)驗(yàn)用的采集平臺(tái),還應(yīng)該提供多種實(shí)驗(yàn)條件,為今后研究工作的拓展和深化提供便利。采集設(shè)備的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括:光源的設(shè)計(jì)、布光的設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。二、植物的基本指標(biāo)在光源的設(shè)計(jì)中,首先考慮的是光源特性的選擇。光源的顯色性、色溫、散熱性和使用壽命是光源特性的四大指標(biāo)。特別是顯色指數(shù)和色溫,由于這兩條特性對(duì)獲取圖像的色彩表現(xiàn)有著直接影響。下面先給出光源的兩個(gè)基本概念。1.系統(tǒng)顯色性原理光源的顯色性是指與參照標(biāo)準(zhǔn)相比較,一個(gè)光源對(duì)物體顏色外貌產(chǎn)生的效果,CIE把普朗克輻射體作為低色溫光源的參照標(biāo)準(zhǔn),把標(biāo)準(zhǔn)照明體D作為高色溫的參照標(biāo)準(zhǔn)。光源的顯色性是衡量光源視覺質(zhì)量的重要指標(biāo),并且可以通過顯色指數(shù)來衡量。通常情況下,我們認(rèn)為白熾燈和日光燈的顯色效果是最好的,顯色指數(shù)為100。在彩色攝影中,對(duì)光源顯色指數(shù)的最低要求為85。顯色性是由光源的光譜功率分布決定的,白熾燈和日光燈都有連續(xù)的光譜。與之有相似光譜的光源都有著很好的顯色性,但也有一些非連續(xù)光譜的光源也有較好的顯色性。比如按一定的比例混成的含450nm,560nm,610nm光譜的光就有較好的顯色性。2.光柵的顯色性和染色人們用黑體加熱到不同溫度所發(fā)出的不同光色來表達(dá)一個(gè)光源的顏色,稱作光源的顏色溫度,簡稱色溫。日光的平均色溫約為6500K,色溫低時(shí),光的顏色偏紅;色溫高時(shí),光的顏色偏藍(lán)。光源的顯色性和色溫之間沒有必然的聯(lián)系。雖然兩者都與光譜的功率分布有關(guān),但色溫的大小更依賴于長短波光的比例問題,而顯色性的好壞則更依賴于全波段光的組成和比例問題。不同光譜功率分布的光源可能有相同的色溫,但顯色性可能差別較大;而色溫不同的光源也可能都有較好的顯色性。表1是一些常用光源的性能指標(biāo)。3.光柵的使用原則從視覺的角度看,用于儀器照明的光源,需要滿足三個(gè)基本要求:第一,在人眼可以感覺的可見光波長(380～780nm)的范圍內(nèi),要有一定的輻射強(qiáng)度,力求有較高的發(fā)光效率;第二,光源發(fā)射出來的光線在人眼里所感覺的顏色稱為色表,它應(yīng)該與人眼的視覺特性匹配;第三,用光源照明物體,力求有完美的顯色效果,如果各色物體受照的效果和標(biāo)準(zhǔn)光源照射同樣物體的效果一致,這樣的光源最為理想。我們?cè)诠庠吹倪x擇時(shí),除了考慮上述三個(gè)條件之外,還同時(shí)考慮了光源的散熱和壽命等因素。最終為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)選擇了兩種光源,一種是高色溫高顯色性的光源,另一種是低色溫高顯色性的光源。為今后的實(shí)驗(yàn)人員和實(shí)驗(yàn)工作提供了雙向選擇。(1)強(qiáng)化顯色性能該光源采用的是松下YH22型三基色環(huán)管熒光燈。該光源的功率為22W,顯色指數(shù)達(dá)到了88,色溫為7200K,使用壽命為8000小時(shí)。是目前市面上顯色性能最好,色溫最接近于日光的光源。如圖1所示。(2)型鹵社會(huì)主義燈染色該光源采用的是PHILIPS14600型鹵鎢燈。這是一款日光色的鹵鎢燈泡,突破性的設(shè)計(jì),使該光源的色溫達(dá)到了4000K,超過了以往鹵鎢燈色溫3200K的極限,同時(shí)仍保持了鹵鎢燈顯色指數(shù)100的優(yōu)良特性,并且使用壽命可長達(dá)3000小時(shí)。結(jié)構(gòu)上,由于一個(gè)單體燈泡的功率為50W,如果四個(gè)燈泡全開,將達(dá)到200W的功率,一段時(shí)間后,發(fā)熱量不可忽視。因此特別在光源中加入了風(fēng)扇的設(shè)計(jì),以便于散熱。如圖2所示。三、舌體照明方式的設(shè)計(jì)在色度和色度測(cè)量中,CIE于1971年正式推薦了四種測(cè)色的標(biāo)準(zhǔn)照明和觀測(cè)條件。(1)垂直入射,45度角觀測(cè);(2)45度角入射,垂直觀測(cè);(3)垂直入射,漫反射觀測(cè);(4)漫反射入射,垂直觀測(cè)。舌體照明中追求的是均勻照明,所以本設(shè)計(jì)采用的是第4種照明方式。即采用積分球的漫射照射樣品,要求樣品的法線和觀測(cè)光中心軸之間的夾角不應(yīng)超過10度,觀測(cè)角度與觀測(cè)物體垂直,且觀測(cè)光束的任一光線和中心軸之間的夾角不超過5度;積分球的大小任意,但開孔總面積與積分球內(nèi)反射總面積之比不得超過10%,且力求越小越好。四、積分球的設(shè)備選擇綜上所述,考慮到攝像平臺(tái)的實(shí)用性和穩(wěn)定性。我們采用了積分球漫射照明的方式,整個(gè)平臺(tái)由積分球、攝像機(jī)、三腳架組成,如圖3所示。積分球的直徑為50cm,內(nèi)壁噴涂的是傳統(tǒng)的BaSO4漫反射的材料,它的反射率ρ(λ),在450nm～800nm時(shí)大于0.96,在380nm～450nm時(shí)大于0.92。為了方便兩種光源的更換,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,專門設(shè)計(jì)了一個(gè)燈室,光線通過燈室中的入射孔進(jìn)入積分球體。在使用時(shí),通過燈室底部設(shè)計(jì)的接口,就可以靈活的實(shí)現(xiàn)兩種光源的更換。在尺寸設(shè)計(jì)上,根據(jù)人舌頭面積的大小,以及攝像機(jī)鏡頭的大小,我們?cè)诜e分球的兩端分別設(shè)計(jì)了直徑為4.5cm的拍攝孔和直徑為8cm的觀測(cè)孔。此外還在積分球的底部設(shè)計(jì)了8個(gè)直徑為1.5cm的通光孔,這八個(gè)通光孔根據(jù)光源的大小,呈環(huán)狀分部,環(huán)的直徑為22cm?？偟拈_孔面積為80.3,而整個(gè)漫射的面積約為,7774,所以開孔面積僅為漫射面積的1%,完全能夠滿足積分球設(shè)計(jì)的要求。在攝像機(jī)的選擇上,我們采用了大恒公司生產(chǎn)的DH-HV3103UC數(shù)字?jǐn)z像機(jī)。該攝像機(jī)采用的是CMOS傳感器,分辨率達(dá)到了2048×1536。模/數(shù)轉(zhuǎn)換精度為10位,像素深度為8位,信噪比大于42db,動(dòng)態(tài)范圍大于60db,清晰度達(dá)到了900線?？梢哉f具有了高分辨率、高精度、高清晰度、低噪聲、色彩還原性好的特點(diǎn),適用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療、科研、教育、安防、辦公自動(dòng)化等領(lǐng)域。五、強(qiáng)化對(duì)比測(cè)試結(jié)果第一步,用照度計(jì)對(duì)光源的均勻性進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試時(shí),在積分球出光孔的位置上,即舌體放置的位置上,取了17個(gè)點(diǎn)進(jìn)行照度測(cè)試。點(diǎn)的分布如圖4所示。分別測(cè)試了在使用兩種不同的光源時(shí),所取17個(gè)點(diǎn)位的照度,并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析,分析結(jié)果表明光源的均勻性完全滿足舌象采集的要求的。具體的測(cè)試及分析的結(jié)果如表2所示。第二步,用PR650對(duì)光源的光譜曲線及各項(xiàng)特性做了詳細(xì)的檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果表明,光源的顯色性較為理想,符合醫(yī)學(xué)圖像采集的要求。具體檢測(cè)結(jié)果如下。圖5為高色溫高顯色性光源的光譜曲線,實(shí)測(cè)顯色指數(shù)為85,色溫為6639。圖6是低色溫高顯色性光源的光譜曲線,實(shí)測(cè)顯色指數(shù)為98,色溫為3993。六、實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)針對(duì)在舌象的顏色校正過程中,存