基于分段伽马变换的医用LED显示控制系统设计

尹景隆 程宏斌 王瑞光 赵健博 袁庆海

摘要：为了满足大尺寸高清医用显示系统的需求，设计基于FPGA的医用大尺寸高清LED显示控制系统，该系统由HDMI接口信号处理模块、FPGA控制模块、千兆网接口模块和驱动电路等模块组成，利用分段伽马的设计方法来保证在高灰度、中间灰度和低灰度时显示屏显示的特性曲线均严格符合DICOM曲线，并在每一段伽马基础上进行亮度校正，保证整屏在各灰度级下的一致性，来实现医学影像数据的处理和显示。实验测试表明，该新型LED医用显示控制系统满足医用要求，具有较强的实用性。

关键词：医用LED显示;控制系统;伽马变换;亮度校正;影像数据处理;结果分析

中图分类号：TN876-34;TP273

文献标识码：A

文章编号：1004-373X（ 2019）24-0020-05

0 引 言

目前医学影像学科是大型医院现代化的主要标志，是临床最重要的诊断方法，也是进行医学研究的强大手段和重要的治疗手段。在工业互联网时代，不论是医院的诊疗、读片和教学，还是医学影像大数据、基于云平台的医学影像应用、医学影像信息化在区域医疗的应用，这一切都提出了对于大尺寸高清医用显示系统的需求[1-2]。目前医用液晶显示屏，由于工艺技术的限制，单个显示器难以做到100英寸以上;多个液晶显示拼接单元又存在着0.5-4 mm的拼接间隙，大大降低了图像的显示精度，同时各单元的色彩、亮度衰减存在差异性，长期使用后画面一致性难以保证。LED显示技术具有尺寸大、画质高、图像精细、无缝拼接、可逐点校正等优点，是公认的最具市场前景的高端智能显示技术。因此研制具有液晶级分辨精度的大尺寸高清LED医用显示系统以满足数字化临床医疗诊断、读片、远程会诊及教学，填补医用显示系统在110英寸以上医疗应用的不足具有重要的现实意义和紧迫性。

本文针对小间距LED显示屏，设计了大尺寸LED医用显示控制系统。针对医用需求，利用分段伽马的设计方法来保证显示屏显示特性曲线严格符合DICOM曲线，使该显示系统可以作为诊断、教学和会诊当中的显示终端。经测试，该显示系统响应速度快、亮度恒定、均匀性好，显示特性曲线符合DICOM标准，实现医疗影像的精准显示。

1 LED显示控制系统硬件设计

LED显示系统主要由显示控制的计算机、发送卡、接收卡和LED显示屏组成。LED显示屏的分辨率为1 920xl 080，发送卡最大带载能力为1 920xl 200，控制系统只需一张发送卡即可满足要求。接收卡设计最大带载能力为256x256，在应用中带载面积为192x216，需要50张接收卡满足要求。

发送卡的硬件结构如图1所示，发送卡接收视频源的视频数据，并将数据打包传递给远端的接收卡[3-4]。医学影像位宽为10 bit，RGB信号共为30 bit，采用HDMI l.3接口。选用Silicon Image公司的Sil9135图像处理芯片，它能支持HDMI l.3规范要求。千兆网芯片选用博通公司的B50610C芯片，實现显示数据安全、稳定的传输。百兆网接口与PC机进行通信，方便远程操作。

接收卡的硬件结构如图2所示，接收卡通过千兆网网口接收发送卡传递的视频信号，截取自己需要的视频数据进行显示，实现灰度调制，然后通过另一千兆网网口将视频信号转发给下一个接收卡进行显示[5]。

发送卡和接收卡的FPGA芯片都选用Xilinx公司的XC6SLX25芯片，负责各个模块之间协同工作。DDR3用于缓存医学影像数据，选用Micron公司的MT41J64M16芯片，芯片内存大小为256 Mb，位宽为16 bit。FLASH型号为M25P80，存储容量为8 Mb。接收卡FLASH存储区主要分为程序区、配置区、Gamma区和校正区，在Gamma区和校正区分别存储Gamma配置文件和校正系数文件。

2 显示特性曲线校正原理

医学数字成像和通信（Digital Imaging and Commu-nications in Medicine，DICOM）是医学图像和相关信息的国际标准，它定义了质量能满足临床需要的可用于数据交换的医学图像格式。

医用LED显示屏的特性曲线与标准DICOM曲线拟合时，发现单一伽马变换在某些灰度级拟合效果较差，但在不同灰度级区间用不同的y值，拟合效果较好，因此采用分段伽马的方法实现LED显示屏的显示特性曲线校正。

医用LED显示屏驱动数据可以选择12 bit、14 bit或16 bit，接收端主控芯片对10 bit医疗图像灰度数据进行伽马变换及亮度校正的方法如下[6-7]：

1）接收10 bit医疗图像灰度数据，对各像素10 bit灰度数据所属灰度范围进行判断并根据判断结果查找变换系数表，得到对应的调节系数和伽马系数。利用式（1）对各像素10 bit灰度数据进行变换得到各像素的M bit灰度数据。

2）将各像素的Mbit灰度数据与J个校正系数表中对应的亮度校正系数相乘得到各像素的Mbit驱动数据。

所述变换系数表和校正系数表的建立方法如下：

1）建立变换系数表

分别输入属于各灰度范围内的10 bit灰度数据，利用式（2）对其进行变换得到对应的Mbit侍校准灰度数据，用M bit待校准灰度数据驱动医用LED显示屏进行显示[8-9]。

。

2）建立校正系数表

分别输入属于各灰度范围的10 bit灰度数据，查找变换系数表得到对应的调节系数和伽马系数;利用伽马变换公式对各像素10 bit灰度数据进行变换得到各像素的M bit灰度数据，以此驱动医用LED显示屏进行显示。对医用LED显示屏各像素的亮度数据进行采集，同时将显示屏显示特性曲线与DICOM标准进行比对，调整各像素对应的亮度校正系数，在保证整个显示屏亮度一致的前提下使得显示屏显示特性曲线进一步逼近DICOM标准曲线，最后生成对应于各灰度范围的校正系数表。

3 显示特性曲线校正实现

采用点间距为1.25 mm的LED箱体，箱体尺寸为480 mmx480 mm。控制系统参数：扫描数为20，刷新率为3 840 Hz，灰度等级为16 bit。

发送卡HDMI接口接收PC机传输的10 bit医疗图像，经图像处理芯片转换成R，G，B灰度数据并发送给发送端主控芯片，再经发送端主控芯片进行图像缓存与数据分包处理，通过千兆网输出接口发送给接收卡。接收卡千兆网接口接收发送卡的分包视频数据后交给接收端主控芯片，接收端主控芯片对10 bit医疗图像灰度数据进行伽马变换及亮度校正得到符合DICOM标准的LED显示屏驱动数据。LED控制系统控制流程图见图3。

以M=16为例，划分的灰度范围数量J等于3;低灰度范围为0-255，对应y1选择2.0-2.3;中间灰度范围为256-511，对应y2选择2.3-2.6;高灰度范围为512-1 023，对应y3选择2.6-2.9。

3.1 建立变换系数表

输入属于低灰度范围内的10 bit灰度数据g1（gl可以选择0-255之间任何一个灰度值），属于中间灰度范围内的10 bit灰度数据g2 （g2可以选择256-511之间任何一个灰度值），属于高灰度范围内的10 bit灰度数据93（g3可以选择512-1 023之间任何一个灰度值），利用伽马变换公式进行变换得到对应的16 bit待校准灰度数据Si，S2，S3，分别用16 bit待校准灰度数据S1，S2，S3，驱动医用LED显示屏进行显示。

针对低灰度范围，令调节系数c的初始值为Co，Co=2.44xl0^-4-5.52 X10^-3，对医用LED显示屏各像素的亮度数据进行采集。DICOM标准第十四部分定义了灰度图像的标准显示函数，灰度标准显示函数通过从Barten ' s模型衍生而来的1 023亮度级数学差值法定义的，亮度范围为0.05-4 000 cd/m2，标准DICOM曲线计算方法如下：

亮度校准主要通过显示屏最大亮度值、最小亮度值来进行。利用上面的公式，通过所测得的最大和最小亮度得到标准的DICOM曲线，再通过读取屏本身的灰阶亮度，利用LUT方法，将屏固有的显示曲线调整为DICOM曲线。同时不断调整调节系数c，使得显示屏显示特性曲线（即各像素显示亮度与灰度数据的关系曲线）逼近DICOM标准曲线，最后得到对应于低灰度范围的调节系数Ci。同理，得到对应于中间灰度范围的调节系数C2和对应于高灰度范围的调节系数C3;将y1，y2，y3和Ci，C2，C3，存入变换系数表。

3.2 建立校正系数表

输入属于低灰度范围内的10 bit灰度数据g1，查找变换系数表得到对应的调节系数和伽马系数，利用伽马变换公式对各像素10 bit灰度数据进行变换得到对应的16 bit灰度数据，以此驱动医用LED显示屏进行显示。对医用LED显示屏各像素的亮度数据进行采集，同时将显示屏显示特性曲线与DICOM标准进行比对，调整各像素对应的亮度校正系数，在保证整个显示屏亮度一致的前提下使得显示屏显示特性曲线进一步逼近DICOM标准曲线，最后生成对应于低灰度范围的校正系数表I1。同理，可以生成对应于中间灰度范围的校正系数表I2和对应于高灰度范围的校正系数表I3。接收端主控芯片接收10 bit医疗图像灰度数据，对各像素10 bit灰度数据所属灰度范围进行判断，根据判断结果查找变换系数表，得到对应的调节系数和伽马系数;利用伽马变换公式对各像素10 bit灰度数据进行变换得到各像素的16 bit灰度数据。将各像素的16 bit灰度数据与各灰度范围对应的3个校正系数表中对应的亮度校正系数相乘得到各像素的16 bit驱动数据。显示特性曲线校正方法流程图如图4所示。

LED显示屏显示特性曲线与标准DICOM曲线的对照图如图5所示。其中，A为DICOM标准曲线;I，Ⅱ，Ⅲ分别为低灰度范围、中间灰度范围、高灰度范围对应的显示屏显示特性曲线。从图中可以看出，得到的LED显示屏显示特性曲线与DICOM标准曲线拟合较好，亮度响应误差率小于10%。医学图像在LED显示屏的显示效果如图6所示。

4 结论

本文设计的LED显示控制系统应用在点间距1.25 mm的LED显示屏样机，并在吉林大学第二医院放射科率先开展实验试点。新型LED医用显示系统能够与医院的PACS系统连接，可应用于医疗诊断、教学及科研工作中，对于DR及CT的灰阶图像、CT的三维彩图、磁共振图像都能清晰显示，色彩无失真。经测试，该显示系统可靠耐用，亮度恒定，色彩还原性好，响应速度快，并能够根据光线强弱自动调节亮度，使用安全，大尺寸无缝拼接的图像质量明显要优于现在应用的液晶拼接屏及会诊应用的投影仪。

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作者簡介：尹景隆（1992-），男，河南许昌人，硕士研究生，主要研究方向为LED显示技术。

程宏斌（1972-），男，吉林人，博士，主要研究方向为平板显示技术。

王瑞光（1957-），男，吉林人，研究员，主要研究方向为平板显示技术。