自然光條件下醫(yī)學(xué)圖像的拓?fù)淦史?還原模型

自然光條件下醫(yī)學(xué)圖像的拓?fù)淦史?還原模型

醫(yī)學(xué)真彩圖像的圖像采集分析在醫(yī)學(xué)的真彩色圖像處理領(lǐng)域，顏色仍然是一個(gè)重要的研究?jī)?nèi)容之一。人的視覺(jué)具有顏色恒常性,能夠一定程度上排除光照條件對(duì)顏色的影響,正確反應(yīng)實(shí)物本身所固有的顏色。機(jī)器視覺(jué)顏色恒常性問(wèn)題也是機(jī)器視覺(jué)研究的難點(diǎn)之一。在機(jī)器視覺(jué)中,實(shí)現(xiàn)顏色恒常性一般被認(rèn)為是,由一幅未知光照條件的若干景物的彩色圖像,自動(dòng)計(jì)算某種轉(zhuǎn)換,以便得到景物中每個(gè)物體在某一標(biāo)準(zhǔn)或已知光照下的顏色表現(xiàn),因此在求解過(guò)程中應(yīng)有知識(shí)和模型的指導(dǎo)。顏色恒常性模型中經(jīng)常采用的方法比較典型的是白色標(biāo)準(zhǔn)樣品,稱為有監(jiān)督下的顏色恒常性,或運(yùn)用在線監(jiān)督色板,將其與被攝物體一起拍攝,以確定拍攝環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境的顏色對(duì)應(yīng)關(guān)系。但是,環(huán)境光照條件測(cè)量和校準(zhǔn)方法比較復(fù)雜,對(duì)設(shè)備的依賴性也比較強(qiáng),光學(xué)設(shè)備昂貴測(cè)量代價(jià)高,臨床應(yīng)用的可行性差。在臨床面色、口唇、舌象等真彩圖像的采集分析過(guò)程中,對(duì)室內(nèi)不同自然光條件下真彩圖像的顏色穩(wěn)定和準(zhǔn)確具有較高的要求?，F(xiàn)有的顏色校正方法,往往僅針對(duì)RGB(R紅色、G綠色、B藍(lán)色)顏色空間中R、G、B進(jìn)行不同系數(shù)的校正,由于RGB空間不是均勻色度空間,因此也很難實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定精確的顏色校正。在醫(yī)學(xué)真彩圖像采集應(yīng)用中,光照性能、場(chǎng)景反射性能、圖像傳感器性能等都是相對(duì)穩(wěn)定的。光照條件主要針對(duì)符合數(shù)字圖像采集設(shè)備電荷藕合器件(chargecoupleddevice,CCD)的室內(nèi)自然光,光照色溫范圍主要在5000～7000K相對(duì)穩(wěn)定的變化范圍以內(nèi);圖像采集對(duì)象主要為臉部、口唇、舌、指甲等,相對(duì)面積較小,在同一幅圖像中,光照的性能、場(chǎng)景反射性能等是基本穩(wěn)定和一致的;CCD圖像傳感器主要應(yīng)用性能穩(wěn)定的數(shù)碼單反相機(jī)。穩(wěn)定的圖像獲取性能為建立精確的顏色還原奠定了重要基礎(chǔ)。本文設(shè)計(jì)了一種基于均勻色度空間條件下,應(yīng)用色監(jiān)督方法,篩選和自制標(biāo)準(zhǔn)色的拓?fù)淦史?影射-還原(TopologyResolve-Map,TRM)模型。1原則和方法1.1空間-映射-還原l?-bCCD圖像顏色的變化受光照性能、場(chǎng)景反射性能、圖像傳感器性能等多種因素影響,圖像中的顏色改變屬于非線性變化。如果通過(guò)某種方法將這種總體的非線性變化分解轉(zhuǎn)化成局部的近似線性變化,再求解近似線性變化規(guī)律,最大限度降低這種顏色的變化,就可以實(shí)現(xiàn)圖像顏色分析的恒常性。醫(yī)學(xué)圖像中可見(jiàn)光波段的望診圖像采集,主要是在室內(nèi)條件下,應(yīng)用穩(wěn)定的CCD設(shè)備,針對(duì)人臉、舌體、皮膚、口唇、指甲、黏膜等局部區(qū)域進(jìn)行的。因此顏色特征范圍相對(duì)穩(wěn)定,在一幅圖像的特定區(qū)域內(nèi),光照的性能、場(chǎng)景反射性能等是相對(duì)穩(wěn)定和均勻的,即同一圖像內(nèi)的色標(biāo)能夠反映整個(gè)圖像的顏色變化,符合監(jiān)督色方法的使用條件。應(yīng)用監(jiān)督色可以反映圖像中顏色的非線性變化規(guī)律,針對(duì)特定顏色空間范圍,可以將變化了的顏色空間還原到標(biāo)準(zhǔn)顏色空間,實(shí)現(xiàn)圖像顏色的校正。根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)原理,可以將非線性變化的空間進(jìn)行剖分,剖分得到的空間與標(biāo)準(zhǔn)條件下的該空間具有對(duì)應(yīng)的同胚影射關(guān)系。所以,如果確定合理的剖分尺度,那么,將非線性變化的顏色空間分解成若干個(gè)近似線性變化的子空間,就可以在相應(yīng)的子空間中,對(duì)顏色進(jìn)行線性的近似還原。CCD圖像設(shè)備采集得到的圖像為RGB顏色空間,但RGB空間為非均勻顏色空間,即色值的距離不能準(zhǔn)確反映顏色間的差別。在運(yùn)用函數(shù)進(jìn)行顏色還原的過(guò)程中,要求色度空間的距離能夠準(zhǔn)確反映顏色的差別,即應(yīng)用均勻色度空間,因此色度空間選擇國(guó)際照明委員會(huì)推薦的CIE1976L*a*b*均勻色空間,簡(jiǎn)稱LAB。因此,實(shí)驗(yàn)應(yīng)用均勻色空間,通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)色在均勻色度空間的變化,進(jìn)行“剖分-映射-還原”,將發(fā)生變化了的圖像顏色影射到對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)條件下色空間內(nèi),求解圖像標(biāo)準(zhǔn)條件下在色空間中影射對(duì)應(yīng)的色度值。又因?yàn)長(zhǎng)AB色空間中,亮度L空間與色度AB空間具有相互獨(dú)立性,因此,可以分別對(duì)一維L值和二維AB空間進(jìn)行還原分析。主要過(guò)程:(1)針對(duì)人體的膚色、黏膜顏色特點(diǎn),在L*a*b*色度空間中選擇相應(yīng)的色度范圍;(2)根據(jù)剖分-映射精度建立標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo),用于顏色監(jiān)督;(3)建立相應(yīng)的映射函數(shù),依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo),分別對(duì)一維L*空間和二維a*b*空間進(jìn)行拓?fù)淦史?影射-還原,求解圖像標(biāo)準(zhǔn)條件下對(duì)應(yīng)的L*、a*、b*色值。L*值的校正主要采用分段校正法,a*b*值的校正主要采用三角形拓?fù)淦史?重心逼近方法(見(jiàn)圖1),具體算法見(jiàn)文獻(xiàn)。1.2色標(biāo)的l#a#b構(gòu)造實(shí)驗(yàn)首先根據(jù)原始圖像RGB信息,完成顏色空間從RGB到LAB的轉(zhuǎn)換。根據(jù)人體皮膚、黏膜等顏色特征確定LAB顏色空間范圍,應(yīng)用接近皮膚漫反射性能的色卡制作色標(biāo)。色標(biāo)的LAB色空間范圍為:L*值10～100;a*值0～50,b*值-10～30。色標(biāo)的L*a*b*色度值通過(guò)EyeoneSpectro分光測(cè)色儀測(cè)試的光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換而來(lái),采用D65光源10°角L*a*b*數(shù)據(jù)。彩色色標(biāo)(見(jiàn)圖2)灰度色標(biāo)(見(jiàn)圖3)范圍基本上覆蓋了面部、皮膚、舌體等在L*a*b*色空間的分布范圍?；叶壬珮?biāo)用于校正L*值,彩色色標(biāo)用于校正a*b*值。色標(biāo)的實(shí)測(cè)色值分別列于表1、表2,彩色色標(biāo)L*a*b*值分布如圖4所示。1.3a#b#色空間范圍內(nèi)校正實(shí)驗(yàn)采用自制色標(biāo)中12級(jí)別的灰度色標(biāo)(見(jiàn)圖3)與彩色色標(biāo)(A1、F1、C1、A4、F4)作為監(jiān)督色,I1、B2、C2、D2、E2、I2、C3、G3、G4作為檢驗(yàn)色塊(見(jiàn)圖2)。理論上固定a*b*色空間范圍內(nèi)監(jiān)督色塊越多,校正精度越高,但計(jì)算代價(jià)也更大。根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)三角剖分的“整齊規(guī)則”剖分原理,a*b*色空間的理想三角剖分模式如圖4(a)所示,但考慮到實(shí)際應(yīng)用的計(jì)算代價(jià),實(shí)驗(yàn)采用了3個(gè)大三角形區(qū)域剖分如圖4(b)所示。同時(shí),可以將三角形以外的色標(biāo)點(diǎn)作為測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行檢驗(yàn)。這種剖分方法大大降低了運(yùn)算代價(jià),實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)钠史志取?.4i,i色,1,2,3.2.3eCIE1976L*a*b*色空間中,各單項(xiàng)色差和總色差(ΔE)計(jì)算公式為式(1)～(6)。ΔL*=L*-L0*(1)Δa*=a*-a0*(2)Δb*=b*-b0*(3)ΔC*=C*-C0*(4)在CIE1976L*a*b*均勻顏色空間中,正數(shù)的ΔL*表示樣品亮度比標(biāo)準(zhǔn)高,負(fù)數(shù)的ΔL*表示樣品亮度比標(biāo)準(zhǔn)低;正數(shù)的Δa*值表示樣品比標(biāo)準(zhǔn)紅,負(fù)數(shù)的Δa*值表示樣品比標(biāo)準(zhǔn)綠;正數(shù)的Δb*值表示樣品比標(biāo)準(zhǔn)黃,負(fù)數(shù)的Δb*值表示樣品比標(biāo)準(zhǔn)藍(lán);ΔC*為正值時(shí),表示樣品色比標(biāo)準(zhǔn)色的色彩度高,含“白光”或“灰分”少,ΔC*為負(fù)值時(shí),表示樣品色比標(biāo)準(zhǔn)色的色彩度低,含“白光”或“灰分”多。總色差ΔE值反應(yīng)顏色之間的總體差別,ΔE值越小代表色差越小,ΔE越大代表色差越大。一般ΔE值大于12.0表示兩種顏色截然不同,ΔE值小于1.5時(shí)人眼感覺(jué)不到差別。統(tǒng)計(jì)方法采用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)方法,檢驗(yàn)水準(zhǔn)為α=0.01。1.5非陰雨天室內(nèi)自然光測(cè)量采用日本柯尼卡美能達(dá)公司生產(chǎn)的CL-200色溫照度計(jì),記錄圖像采集的即刻色溫(K)、照度(Lux);圖像采集用尼康D70610萬(wàn)像素單鏡頭反光數(shù)碼相機(jī),白平衡與曝光均采用自動(dòng)模式,照度補(bǔ)償0。實(shí)驗(yàn)采用12級(jí)別的灰度色標(biāo)與彩色色標(biāo)中的A1、F1、C1、A4、F4作為監(jiān)督色塊,彩色色標(biāo)中的I1、B2、C2、D2、E2、I2、C3、G3、G4作為檢驗(yàn)色塊。在室內(nèi)非陰雨天的自然光條件,色溫范圍在5953.36±287.22K,照度范圍在639.19±410.56lx,拍攝灰度色標(biāo)與彩色色標(biāo)得到不同條件下的22幅圖像,198個(gè)檢驗(yàn)色塊。應(yīng)用灰度色標(biāo)、彩色色標(biāo)對(duì)198個(gè)檢驗(yàn)色塊的L*、a*和b*值進(jìn)行校正。2結(jié)果2.1校正前后l#值的變化對(duì)L*值的校正主要依賴灰度色卡,將灰度變化分段校正還原。校正結(jié)果(見(jiàn)表3)顯示,校正前198個(gè)色標(biāo)△L絕對(duì)值的總體均值為17.83±4.84,校正后ΔL絕對(duì)值的總體均值為6.09±2.88,校正后△L明顯小于校正前(P<0.05),校正后L*值明顯接近標(biāo)準(zhǔn)值(見(jiàn)圖5)。2.2trt-法校正結(jié)果在AB坐標(biāo)中,色度值a*、b*共同確定了一個(gè)坐標(biāo)點(diǎn),ΔC*則反映兩色塊的飽和度,a*、b*值越接近,a*、b*色差越小,飽和度差ΔC*也越小。校正結(jié)果(見(jiàn)表4)顯示,TRM法校正后與實(shí)際a*、b*值的差很小,a*、b*坐標(biāo)更接近標(biāo)準(zhǔn)值(見(jiàn)圖6),離散度也很小。198個(gè)總樣本,校正前ΔC*絕對(duì)值為7.25±2.50,TRM法校正后ΔC*的絕對(duì)值為1.82±1.16,明顯小于校正前(P<0.05),色飽和度校正效果良好。2.3e07.264.264.263.5ΔE值反應(yīng)顏色的總體差別,直接反映顏色校正后與標(biāo)準(zhǔn)色之間的差別。實(shí)驗(yàn)中198個(gè)總樣本,與標(biāo)準(zhǔn)色值比較(見(jiàn)表5),未校正色差ΔE0平均為19.77±4.26,校正后色差ΔE1平均為7.08±2.68,ΔE校正后顯著小于校正前(P<0.05)。實(shí)驗(yàn)還將TRM校正結(jié)果與NIKONDSLR相機(jī)專業(yè)圖像處理軟件NIKONCAPTURE1.2的自動(dòng)白點(diǎn)平衡顏色校正(AWB)結(jié)果進(jìn)行比較(見(jiàn)圖7),AWB校正后平均色差ΔE為12.12±4.43,結(jié)果顯示TRM法校正的色差和離散度都減小,具有良好的校正效果。3醫(yī)學(xué)圖像的采集與顏色校正醫(yī)生臨床望診都是在自然光或人工光源與自然光源混合的室內(nèi)條件下進(jìn)行的?？紤]到自然光作為主要室內(nèi)光源,以及人工光源多樣性,研究首先針對(duì)光照充足的室內(nèi)自然光條件進(jìn)行研究,后續(xù)的研究將會(huì)進(jìn)一步針對(duì)室內(nèi)混合光源進(jìn)行。自然光是連續(xù)光譜,具有光照均勻、便捷實(shí)用的特點(diǎn),是臨床望診的首選光源,具有其他光源不可替代的優(yōu)勢(shì)。但自然光又常受到天氣、環(huán)境等的影響,在光線照度、色溫、光照角度等方面都存在一定變化。因此臨床真彩圖象采集都采用暗室、暗箱條件下的人工光源來(lái)解決這一問(wèn)題,但這大大增加了臨床圖像采集復(fù)雜性。而且人工光源光譜范圍局限或不連續(xù)、光照不均,和自然光相比存在較大差異。以往自然光觀測(cè)顯示,室內(nèi)自然光在照度上的變化范圍很大,但多數(shù)非陰雨天氣的白晝照度都可以進(jìn)行舌象等望診圖像的采集。所以,針對(duì)自然光條件設(shè)計(jì)一種醫(yī)學(xué)圖像采集分析方法是必要的。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用自制色標(biāo)基于監(jiān)督色原理的TRM顏色校正模型,通過(guò)對(duì)LAB色度空間的拓?fù)渥兓男Ｕ?實(shí)現(xiàn)顏色的校正還原,建立了一種基于監(jiān)督色原理的顏色恒常性模型。在應(yīng)用GretagmacbethDigitalColorCheckerSG(簡(jiǎn)稱SG)色標(biāo)的前期研究中,實(shí)驗(yàn)顯示TRM模型具有良好的顏色還原效果。SG色標(biāo)中有針對(duì)人體膚色顏色設(shè)計(jì)的D-J(7-8)14個(gè)色標(biāo),但分布精度不能夠滿足TRM模型中黏膜等其他顏色的監(jiān)督校正。因此,本實(shí)驗(yàn)針對(duì)醫(yī)學(xué)圖像特征設(shè)計(jì)了一種色分布更加均勻詳細(xì)的監(jiān)督色標(biāo),可以滿足TRM模型不同剖分精度的需要。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,經(jīng)過(guò)校正后的ΔL*、ΔC*和ΔE明顯降低,結(jié)果說(shuō)明校正后圖像顏色值更接近真實(shí)值,飽和度更接近真實(shí)值,與真實(shí)顏色比較色差更小。TRM校正效果明顯優(yōu)于專業(yè)圖像處理軟件NIKONCAPTURE1.2的AWB校正效果。實(shí)驗(yàn)表明,自制監(jiān)督色標(biāo)的TRM校正方法,能明顯降低自然光條件下醫(yī)學(xué)圖像的色差,將自制