基于FPGA的MEE畸变实时校正系统设计

　　1引言

　　医用电子内窥镜是当前应用非常广泛的医疗仪器，医生通过内窥镜能直接观察人体内的病变情况，方便地进行诊断。为了减小病人的不适感，内窥镜的外形尺寸不能很大，其成像光学系统不可能复杂，同时需要较大的视场提高观察范围，因而存在较严重的光学畸变，影响医生正确判断病变部位。对内窥镜系统进行畸变实时校正，可以有效地改善图像的畸变失真，对于快速、准确地定位病灶，具有重要意义。畸变校正有拟合镜头畸变曲线[1]和利用点阵样板[2]等方法。拟合畸变曲线需要知道光学系统的设计参数。并且拆装已制造好的光学系统将带来装配误差。利用点阵样板校正畸变，不需要光学测量仪器和光学系统结构参数，只是根据系统畸变特征进行校正，所以本系统采用该方法，用硬件实现软件的算法，达到畸变实时校正的目的。

　　由于FPGA具有用户可编程特性，缩短了设计周期，减少了设计费用，降低了设计风险，可方便地实现对现有功能的修改和扩充，具有很好的灵活性和通用性，所以采用FPGA作为系统的控制中心。

　　2畸变校正原理

　　畸变是单色像差中的一种，它是轴外点在像面上实际成像高度与理想像高之差。进行畸变校正实际上是对一幅退化图像的恢复。设f(u,v)为原图像，f(x,y)为畸变图像，其坐标间关系可用一个非线性变换T。表示为:

　　(1)式可用多项式来近似:

　　畸变校正就是利用形如(2)式的拟合多项式，完成畸变的实际像到无畸变理想像的转换。畸变校正包括几何位置校正和灰度校正。几何位置校正是通过一些已知的正确像素点和畸变点间的对应关系，拟合出上述多项式的系数，以得到的多项式作为恢复其它畸变点的变换基础。几何位置校正得到的坐标值往往不是整数，还需进行灰度校正。灰度校正有一阶插值、双线性内插等方法。

　　点阵样板校正畸变的思想是把由一些圆点有规则地排列组成的标准点阵样板通过待校正光学系统成像，由于光学系统本身存在着畸变，圆点的像发生变形，不再是规则的实心圆。用重心近似畸变圆点的中心估算出系统的光学中心。根据样板理想设计参数和光学系统的放大率，计算出样板的理想无失真的像。以光学中心为基点，向外依次选取N个圆点中心坐标，构成对应关系:

　　其中，ri和ri'(i=1......N)分别为理想像和畸变像上第i个圆点中心到光学中心的距离。用三次样条插值拟合理想像与实际像的函数关系，即可实现几何位置校正。由于系统实时性的要求及存储器读写速度的限制，采用一阶插值来校正灰度，在畸变图像上选取与几何校正所得坐标最近点的灰度作为校正点的灰度。图1为利用一阶灰度插值进行畸变校正的示意图，待校正图像上点((u ,v)经几何位置校正得到畸变图像上的点((x,y),x,Y通常不是整数，在((x,y)周围有四个相邻点，将与其距离最近点的灰度赋值给点((u,v)，就实现了单点的畸变校正。