基于FPGA的双线性内插方法实现MEE的畸变实时校正

　　医用电子内窥镜是当前应用非常广泛的医疗仪器, 其诊疗优势已为医学界所共识。由于受体腔的限制, 成像系统直径约为3 mm; 同时为了扩大观察范围, 采用视场角为120b的广角成像系统, 因此, 成像系统存在着较大的光学畸变, 对畸变图像进行畸变校正, 对于有效、准确地定位病灶有着重要的意义。

　　目前, 国内外关于内窥镜畸变校正算法[ 1, 2] 的研究已经比较成熟, 按方法可分为采用标准样板校正和拟合镜头畸变曲线校正。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, 因此适用于已装配好的光学系统校正。宋玲玲等[ 3] 利用点阵样板校正畸变电路, 采用零阶插值的方法, 提高了整个系统的通用性。但是其图像质量不高, 需要对电路进一步设计, 以改善图像的校正效果。

　　本文研制了彩色图像畸变实时校正硬件系统,采用Altera 公司的FlEX10KA 型FPGA( 现场可编程门阵列) 作为校正电路的视频图像处理器, 利用流水线技术动态计算校正图像中各个点的位置校正数据和灰度的双线性插值结构, 集成了对视频信号的采集、存储、校正和输出的功能; 同时用硬件实现了双线性内插算法, 大大改善了图像的校正效果。

　　1 彩色视频图像双线性内插畸变校正原理

　　1) 彩色图像亮度与色差校正由于标准视频图像是彩色的, 不能按照灰度图像畸变校正的方法直接进行校正, 首先需要进行空间的选择。

　　彩色图像信号在RGB 颜色空间中, R、G、B 三者是相互关联的, 由于其非线性, 所以不能直接对其进行插值。在本系统中, 采用了YUV 颜色空间,Y 是亮度信号, UV 是色差信号, 该颜色空间是近似线性的, 双线性插值畸变校正只对亮度信号进行插值, 不影响色差信号。本文对CCD 输入的全电视信号进行解码, 转换为YUV4: 2: 2 数据格式。

　　彩色图像在YUV 空间中, 如图1 所示, 每一个像素都对应着一个亮度信号, 每两个像素共用一组色差信号, 数据共有16 bit, 亮度信号占据其中8bit, 另8 bit 是色差信号。因此对亮度信号采用单点校正的方法, 利用双线性内插完成图像的亮度校正。色差信号是成对出现的, 因此对色差信号采用两点一组的校正方法。

　　2) 畸变校正的原理

　　畸变是单色像差中的一种, 它是轴外点在像面上实际成像的高度与理想像高之差。一般来说, 随着视场的改变, 畸变值也改变, 越接近视场的边缘,其畸变值就越大。从数字图像处理的观点来看, 对畸变图像进行校正实际上是图像的恢复问题。畸变主要表现在图像中像素点发生移位, 从而使图像中物体扭曲变形。畸变校正分为两步, 第一步是对原图像进行像素坐标空间的几何变换, 这样做的目的是使像素落在正确的位置上; 第二步是重新确定新像素的灰度值, 因为经过上面的坐标变换后, 有些像素点有时被挤压在一起, 有时又分散开, 使校正的像素不落在离散的坐标点上, 因此需要确定这些像素点的灰度值。灰度校正有一阶插值、双线性内插等方法。