医用电子内窥镜畸变实时校正系统的视频控制

　  医用电子内窥镜在临床疾病的诊断、治疗和研究疾病的发病机制等方面有重要的应用.为了提高内窥镜的观察范围,需要有较大的视场,而内窥镜头的直径又受到人体体腔的限制,成像系统的外形尺寸不可能很大,其成像光学系统也不可能复杂,因此内窥镜光学成像系统一般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.

　　内窥镜畸变校正有利用点阵样板[1]和拟合镜头畸变曲线[2]等方法,这些方法都是基于软件算法的研究.由于运算速度的限制,软件只能实现对静态图像的畸变校正,不能通过软件对动态图像进行畸变的实时校正.拟合畸变曲线需要知道光学系统的设计参数,并且要拆装已制造好的光学系统,这样将带来装配误差.利用点阵样板校正畸变,不需要其它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,适用于光学系统的校正.所以,本系统采用点阵样板的校正方法,拟合理想像与实际像的关系,用硬件实现软件的算法,从而达到畸变实时校正的目的.

　　国外关于实时校正的研究以最小面积估计的方法为校正基础[3],用Altera公司的APEX II FPGA进行控制,SRAM存储输出图像,处理对象是输入的数字图像,图像大小为200×200或256×192像素[4].国内还未见畸变实时校正系统成功研制的报道.与国外设计相比,本系统采用了多种功能芯片,具有视频解码和编码功能,输入为标准视频信号,校正图像的输出也是视频信号,可直接接入监视器显示,校正图像大小可达702×576像素,每秒校正25帧.

1　系统原理与实现

　　畸变是单色像差中的一种,它是轴外点在像面上实际成像与理想像高度之差.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Ta表示为

式中:aij和bij为待定系数;n为多项式次数.

　　畸变校正的过程就是利用式(2)拟合多项式,完成带有畸变的实际像到无畸变的理想像的转换.畸变校正包括几何位置校正和灰度校正.几何位置校正是对原图像进行像素坐标空间的几何变换,即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他畸变点的变换基础.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,即利用灰度插值计算出该点的灰度,并用此灰度来填充原图像上对应的像素点.

　　点阵样板是由一些圆点有规则地排列组成的标准样板.由于光学系统本身存在着畸变,点阵样板通过待校正光学系统所成的像发生变形,不再是规则的实心圆.用重心近似来代替畸变圆点的中心,估算出系统的光学中心.然后以光学中心为基点,向外依次选取N个圆点中心坐标,构成对应关系.根据样板理想设计参数和光学系统的放大率,计算出样板理想的无失真的像,用三次样条插值多项式拟合理想像与实际像之间的函数关系,依据该函数可以完成图像的几何位置校正.灰度校正有一阶插值、双线性内插和高阶插值等方法.由于系统实时性的要求以及FPGA运算速度的限制,本系统采用一阶插值校正灰度,即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.