CIELAB色空间内窥镜色彩还原能力对比分析

姬 军王 丹王云龙蒋昌松袁 青

（1.解放军第三○五医院医学工程科，北京 100017；2.解放军第三○五医院物资采购管理办公室，北京 100017；3.南方医科大学生物医学工程学院，广东 广州 510515；4.北京大学第三医院医学工程科，北京 100191）

CIELAB色空间内窥镜色彩还原能力对比分析

姬 军1，王 丹2，王云龙1，3，蒋昌松4，袁 青1，3

（1.解放军第三○五医院医学工程科，北京 100017；2.解放军第三○五医院物资采购管理办公室，北京 100017；3.南方医科大学生物医学工程学院，广东 广州 510515；4.北京大学第三医院医学工程科，北京 100191）

基于CIELAB色空间评价硬性内窥镜色彩还原能力，并进行4支硬性内窥镜色彩还原能力对比分析。通过与内窥镜连接的工业相机拍摄内窥镜观测到的色彩标靶图像，拍摄图像发送至计算机保存并处理。处理后得到图像中红绿蓝色块的RGB值，将RGB值转换至CIELAB色空间进而求得图像的L*、a*、b*值，最后利用已知标靶色块的L*、a*、b*值和求得的图像L*、a*、b*值计算CIELAB色差ΔE*ab，即色彩还原误差值。实验数据表明：4支内窥镜的色彩还原误差值都在47.9以上；4号腹腔镜对红、绿、蓝三色块的色彩还原误差值最小，色彩还原能力最好；2号宫腔检查镜对三色块色彩还原误差值比较大，色彩还原能力最差；1号鼻窦镜和3号关节镜的色彩还原能力处于中间水平。CIELAB色空间作为国际通用的测色标准，可以用于评价硬性内窥镜色彩还原能力。

CIELAB色空间；色彩还原能力；色彩还原误差；测色标准

0 引 言

医用硬性内窥镜可作用于人体体表、浅层或者体腔部位，实现对病变组织或器官的治疗和诊断。医生通过内窥镜不仅能直接观察到人体内脏器官的组织形态、体内病变情况，方便进行诊断；而且可以对采集到的图像进行输出和存储并进一步诊疗和处理，其诊疗优势已为医学界共识[1-2]。

医用硬性内窥镜光学系统对颜色分辨能力和色彩还原准确程度是通过数值的方法表示某种颜色给人色彩感觉上的准确度。光学观察镜应有良好的颜色分辨能力和色彩还原能力。当采用ISO 10526：1999/ CIE S005规定的A和D65标准照明体的光谱，经照明光路和成像系统传输后输出，其输出光谱应仍能保持良好的显色性[3]。

硬性内窥镜色彩还原能力与正确区分正常组织和病理组织密切相关，对临床治疗的影响至关重要。如果硬性内窥镜的色彩还原误差较大，可能影响医生对视场内人体组织的观察和操作，造成误诊甚至手术失败[4]。国外近几年已经出现了用于检测医用内窥镜的专用设备，但检测项目局限，没有形成一种有效的内窥镜色彩还原能力检测方法，同时检测设备价格昂贵，不利于推广。

医用硬性内窥镜光学检验标准中，硬性内窥镜色彩分辨能力和色彩还原性的检测技术手段和装置过于专业，方法相对复杂，不适于临床使用。因此，为方便临床使用及维护人员对医用硬性内窥镜色彩还原能力的评价，本文提出了一种新的关于医用硬性内窥镜色彩还原能力评价方法，并且利用该方法对4支硬性内窥镜色彩还原能力做出对比分析。

1 实验装置与实验原理

1.1 实验装置

1.1.1 测试对象

实验所用硬性内窥镜有鼻窦镜LUT HD scope，宫腔检查镜SHENDA J0122，关节镜Rudolf RU 0151-14 Germany Stainless，腹腔镜Rudolf RU 0360-12/30 Germany Stainless，如表1所示。

表1 实验所用医用硬性内窥镜介绍

1.1.2 光 源

照射冷光源采用机器视觉光源控制器AFT-BL50W，实验所用到的亮度档位对应的照度为10330lux（勒克斯，光照强度单位），偏差为±740lux，光照强度误差在可接受范围之内。实验所用光源为均匀面的冷光源。

1.1.3 色彩测试图卡

色彩测试图卡是由红、绿、蓝3种颜色色块组成的薄塑料质彩色标靶，如图1所示。测试图卡中的各个色块的标准RGB值如表2所示。

图1 色彩还原能力测试标靶

1.2 实验原理和实验方法

CIE1976LAB（或CIELAB）系统是国际通用的测色标准，适用于一切光源色或物体色的表示与计算。

CIELAB色空间转换步骤为：

1）RGB色彩空间转换成CIEXYZ色彩空间，转换式：

2）CIEXYZ色彩空间转换成CIELAB色空间，转换式：

式中：X、Y、Z——物体的3刺激值；

X0、Y0、Z0——CIE标准照明体（光源）的3刺激值[5-7]。

由X、Y、Z变换为L*、a*、b*时包含有立方根的函数变换，经过这种非线性变换后，原来的马蹄形光谱轨迹不再保持。转换后的空间用笛卡尔直角坐标体系来表示，如图2所示。

图2 LAB色彩空间示意图

L*值表示颜色的亮度，范围0～100；a*值表示颜色由绿到红的色彩变化，-128（纯绿）至+128（纯红），分256级；b*值表示颜色由黄到蓝的颜色变化，-128（纯蓝）至+128（纯黄），分256级。

实验过程中所用到的均匀冷光源的照度为10 330 lux，偏差为±740 lux。冷光源发出的均匀光透射测试图卡，用上述4支内窥镜分别对色彩还原测试图卡进行图像观察采集，观察采集过程中确保测试图卡占到内窥镜整个视场中心区域45%～55%的位置。通过与内窥镜目镜相连的DH-HV1351UC工业摄像机拍摄内窥镜采集图像并将所拍摄图像输入计算机。

然后利用Matlab软件对所得图像进行处理，处理过程中首先截取不同内窥镜拍摄的红绿蓝色块（每个色块中截取面积≥30%），测出每个所截取图像色块的R、G、B值，并利用色彩空间转换式（1）换算到CIELAB色空间求出各截取色块对应的L2*、a2*、b2*值，已知红绿蓝三原色的RGB值和相对应的L1*、a1*、b1*值（如表2所示），将截取色块对应的L、a、b值（L2*、a2*、b2*）和三原色对应的L、a、b值（L1*、a1*、b1*）代入下式计算各项色彩还原误差，即为CIELAB色差ΔE*ab：

式中：L1*——标靶明度的标准值；

a1*——标靶彩度的标准值；

b1*——标靶彩度的标准值；

L2*——所拍图像明度的测定值；

a2*——所拍图像彩度的测定值；

b2*——所拍图像彩度的测定值；

ΔL*——明度差，+表示偏白，-表示偏黑；

Δa*——彩度差，+表示偏红，-表示偏绿；

Δb*——彩度差，+表示偏黄，-表示偏蓝；

ΔE*ab——总色差的大小[8]。

表2 彩色标靶中色块RGB值与L*a*b*值对应表

2 实验结果与结论

2.1 实验结果图像与实验数据

实验拍摄所得到的以及处理后的部分色块图像分别如图3～图6所示。

图3 1号镜实验中红色色块图像

图4 2号镜实验中绿色色块图像

图5 3号镜实验蓝色色块图像

图6 4号镜实验红色色块图像

处理后的图像可以由Photoshop或者Matlab软件获得彩色图像色块的RGB值，然后将色彩空间由RGB空间转换到L*a*b*空间，并且得到图像的L*、a*、b*值以及总色彩还原误差。所得4支硬性内窥镜的红绿蓝三色块的L*a*b*值以及色彩还原误差值如表3所示。

表3 4支硬性内窥镜拍摄所得图像数据

2.2 实验结论

表3可以看出，4支内窥镜均有较大的色彩还原误差值，其误差值均在47.9以上；4支内窥镜中4号腹腔镜Rudolf RU 0360-12/30 Germany Stainless对红、绿、蓝三色块的色彩还原误差值最小；2号宫腔检查镜SHENDA J0122对三色块色彩还原误差值比较大。通过比较得知，4号腹腔镜Rudolf RU 0360-12/30 Germany Stainless色彩还原能力比较好，其次是3号关节镜Rudolf RU 0151-14 Germany Stainless和1号鼻窦镜LUT HD scope，最后是2号宫腔检查镜SHENDA J0122。

经查阅相关资料得知，与其他3支内窥镜相比，2号国产宫腔检查镜SHENDA J0122具有较低的色彩还原能力，本实验结果与理论值一致。基于CIELAB色空间评价硬性内窥镜色彩还原能力的方法相对简单客观，可以为内窥镜厂家及工程人员提供可靠的硬性内窥镜色彩还原检测手段，可以作为医用硬性内窥镜光学性能标准中色彩还原检测方法。

3 结束语

基于CIELAB色空间评价硬性内窥镜色彩还原能力，与医疗仪器行业注册检验检测相比具有操作相对简便、检测成本较低、更加适合临床应用等优点。

CIELAB色空间是国际照明委员会推荐的均匀颜色空间，较之前的颜色空间，颜色的均匀性有了较大的改善，但是对于人眼的色彩感觉来说CIELAB空间还是不均匀的。利用CIELAB空间进行颜色转换和校正时，会因为颜色空间的不均匀性产生色偏从而带来误差[9]。工业摄像机的引入可能给实验带来较大误差，另外光源均匀度、图像色块RGB值测量重复性以及图像处理过程带来的误差等因素也可能会给实验结果带来一定的影响。

拍摄保存的图像为1 248×1 024格式的彩色图像，并且直接保存所得到的色块图像包含多余的黑色以及白色区域，选取Matlab处理所得图像截取色块并且色块区域大于总色块的80%，最大程度避免了图像色块外其它区域的影响和截取过程带来的影响。

另外，光源均匀度与图像色块测量重复性的不断完善，避免人为因素的影响以及寻找标准的色彩测试图卡标靶都是本实验需要解决的问题。目前仅证实CIELAB色彩空间用于评价医用硬性内窥镜的色彩还原能力，而能否利用CIELAB色空间评价应用比较广泛的电子内窥镜的色彩还原性依然是今后工作的研究方向。

[1]陈晓冬，郁道银，宋玲玲，等.医用电子内窥镜成像系统的研制[J].仪器仪表学报，2005，26（10）：1047-1051.

[2]袁猛.硬性内窥镜临床常见故障分析与排除[J].医疗卫生装备，2013（3）：145-147.

[3]YY 0068.1—2008医用内窥镜 硬性内窥镜 第1部分：光学性能及测试方法[S].北京：中国标准出版社，2008.

[4]刘勇，高力，宋春轶，等.影响内镜成-摄像法图像还原质量的因素分析[J].全科医学临床与教育，2010，8（5）：495-497.

[5]YD/T 1607—2007数字移动终端图像及视频传输特性技术要求和测试方法-照相摄像设备[S].北京：中国标准出版社，2007.

[6]刘浩学.CIE均匀颜色空间与色差公式的应用[J].北京印刷学院学报，2003，11（3）：3-8.

[7]郑元林，杨淑蕙，周世生，等.CIE 1976 LAB色差公式的均匀性研究[J].包装工程，2005，26（2）：48-49.

[8]凌华.对标准色度学系统颜色空间的理解[J].包装工程，2003（2）：4.

[9]吕新广，赵美京.CIE LAB色度空间的均匀性研究[J].郑州大学学报：理学版，2002（1）：70-73.

Comparative analysis of color reproduction capability between different medical rigid endoscopes based on the CIELAB color space

JI Jun1，WANG Dan2，WANG Yunlong1，3，JIANG Changsong4，YUAN Qing1，3
（1.Medical Engineering Department of 305 Hospital of PLA，Beijing 100017，China；2.Material Purchase Management Office of 305 Hospital of PLA，Beijing 100017，China；3.College of Biomedical Engineering，Southern Medial University，Guangzhou 510515，China；4.Medical Engineering Department of Peking University Third Hospital，Beijing 100191，China）

To evaluate rigid endoscope color reproduction capability based on the CIELAB color space and conduct color reproduction capability comparative analysis between four rigid endoscopes.Industrial camera which connected with the endoscope shoot the color target image observed by endoscope，then images shot by the industrial camera are sent to the computer for storage and processing.Red，green and blue blockRGBvalues in the image will be achieved after image process，thenRGBvalues are converted to CIELAB color space to get theL*，a*，b*value.Finally，combine the knownL*，a*，b*value of the target color with theL*，a*，b*value of shot images，we will calculate CIELAB color difference ΔE*ab，namely the color reproduction error.Experiment data shows that four endoscopes’color reproduction error value is all above 47.9；4th laparoscope has the smallest error value of color reproduction for red，green，and blue color lumps，so 4th endoscope has the best color reproduction capability；The 2nd hysteroscope has relatively large error value on the three color lump color reproduction，so 2nd endoscope has the worst color reproduction capability；The other two including 1st sinoscope and 3nd arthroscope both have an intermediate level color reproduction capability.CIELAB color space as a common international color measurement standard can be used as a method to evaluate the rigid endoscope color reproduction capability.

CIELAB color space；color reproduction capability；color reproduction error；color measurement standard

A

：1674-5124（2015）05-0013-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.004

2014-10-17；

：2014-12-12

军事医学计量科研专项（2011-JL2-027）解放军第305医院科研基金项目（12YA2）

姬 军（1970-），男，山东青岛市人，教授，硕士生导师，博士，主要从事医疗器械维修与质控。