医用显示器几何失真与显示分辨率的视觉评价方法研究

孟昭阳 马跃 孙智勇 金玉博 辽宁省检验检测认证中心 （辽宁 沈阳 110036）

内容提要： 重点讨论医用显示系统的几何失真和显示分辨率的概念以及视觉评价方法。

医用图像显示是医学成像的最后一个环节。医学图像由不同的成像设备产生，如X射线、超声、核磁共振、计算机断层扫描（CT）、核医学扫描等，这些设备以多维数据集的形式测量患者物理和功能性特性。图像的几何尺寸、显示分辨率和数据深度等特征的不同会使成像变化很大。本文针对图像的几何失真和显示分辨率作如下探讨研究。

1.几何失真

1.1 几何失真概述

几何失真是由从导致所显示的图象几何形状上与原始图像的像差产生的。这种扭曲的实际后果是影响图像特征的相对大小和形状，特别是对于较大的显示器或大偏转角。在CRT显示器中通常有三种类型的失真：线性的改变（其形式为枕形，桶形和倾斜失真）；成角的部分和不合适的屏幕宽高比：非线性。前两种类型的失真能在显示器的活动显示区域的水平和垂直边缘处观察得到，而且可以通过磁或电的调节进行补偿[1]。而非线性失真是存在于显示器的活动显示区域，并引起图像几何形状的局部改变。

某些几何失真可能是显示控制器和/或在显示装置和控制器的长宽比之间的不匹配导致。显示控制器的像素格式可以是工厂安装或用户在软件控制下定义的设置。然而，显示设备通常仅可适应一定长宽比。例如，500万像素的显示设备通常有一个5:4长宽比，而400万像素的有一个4:3比例。不正确的纵横比设定在控制器使得扭曲，如正方形变成长方形，反之亦然。磁场也可能会导致在CRT装置的几何扭曲。这些通常在那些非屏蔽磁场（例如，MRI扫描仪）的附近使用的显示装置中遇到。除了几何扭曲，磁场会降低单色阴极射线管的彩色阴极射线管的分辨率和颜色纯度。在靠近在建筑结构中使用工作站或钢柱运行配电导管可产生大的磁场。

1.2 几何失真的视觉评估

显示系统几何失真的视觉评估可使用TG18-QC（图1）或TG18-LPV/LPH测试图案[2]。图案应当被放大至足以填充整个显示区域。对于矩形显示区域，图案应至少覆盖显示区域的窄尺寸并放置在用于图像的观看区域的中心。图案应当从30cm的观看距离进行检查。图案的线性评估应覆盖整个显示区域包括图像边缘处。一些挡板，与CRT面板的曲率一样，可以产生非线性的错觉，因此不应被用来作为一个直边的视觉参考。

图案应平直并且无显著几何失真，并应适当地缩放到视频源像素格式的宽高比，使得TG18-QC测试图案的栅格结构出现正方形（见图1）。该行应该出现平直，表明适当的线性度，没有任何弯曲或波纹。CRT设备出现一些小的桶形和枕形失真是正常的，但不宜过量。

2.显示分辨率

2.1 显示分辨率概述

空间分辨力是用来定量的衡量一个显示系统能否以高保真度产生物体不同点独立影像的能力。需要使用有足够空间分辨力特征的系统以保证在显示一幅医学影像时能确保兴趣区的空间细节[3]。设计有足够的空间分辨率特性系统是必需的，以保证所显示医用图像的兴趣空间细节被保留。分辨率不足的显示器上描绘的图像数据将破坏放射学解释的准确性。

由CRT中视频放大器的有限带宽所导致的分辨率限制主要在水平方向上明显；在垂直方向，分辨率主要是受电子光学约束。所描述的机制对CRT显示装置的各向异性分辨率有显著影响：在水平方向的调制传递函数（MTF）的幅度通常比在垂直方向上低。因此，与相应的水平线相比，垂直线通常以较低的亮度呈现。经视频放大器后被减小后的信号幅度越大，能量减少越高，因此显示亮度越高。即使在设计合理的高分辨率显示系统中，分辨率的方向依赖性也是显而易见的。由于垂直和水平方向之间的调制传递函数通常存在较大差异，因此一些CRT利用使用各向异性滤波进行分辨率修复。

2.2 显示分辨率的视觉评价方法

通过目测评估TG18-QC或TG18-CX测试模式中Cx图形的外观，可以评估显示分辨率。在显示这些图案时，由于任何数字放大都会隐藏实际响应，因此重要的是验证图案是否显示为一个显示像素/每图像像素。大多数图像查看器具有完成此显示模式的功能。为了不受眼睛MTF的限制，建议使用放大镜。使用TG18-QC图案和放大镜，检验员应检查显示区域中心和四个角所显示的Cx图案，并使用提供的评分标度对其外观进行评分。在水平和垂直方向上的奈奎斯特和半奈奎斯特频率的线对图案也应该根据线的可见度来评估。还应使用灰度级步骤图案作为参考来评估图案的平均亮度。应注意水平和垂直图案之间测试图案的可见性差异。还应使用放大镜检查这些贴片中黑线和白线的相对宽度。可以使用TG18-CX测试图案和放大镜在显示区域上确定分辨率均匀性，其方式与评估TG18-QC图案中的Cx图形的方式相同。

图1. TG18-QC测试图案

图2. 等高线-描绘了半高全宽（FWHM）和最大二十分之一的全宽线

或者，可以使用TG18-PX测试图形在视觉上评估分辨率响应。该图形应被显示成每个图像像素都可以映射到一个显示像素。使用具有标线的放大镜，评估在中心和角落处的图案的不同区域中的几个像素的物理形状和尺寸。最大亮度像素的大小应该在亮度分布的大约50%和5%处测量（图2）。分辨率-可寻址率（RAR）被评估为50%大小（FWHM）与标称显示像素大小的比率。如果在有效显示区域的角落处存在显著的像散，则应测量像散比，或者点椭圆的大轴与短轴的比率。应该注意，这种分辨率测量方法需要经验才能获得一致的结果。

在初级显示系统上对TG18-QC和TG18-CX模式进行目视检查时，Cx元素应在所有位置的0～4进行评分。该限值符合RAR≤1.15。对于次级显示系统，Cx分数应介于0～6（RAR≤1.47）。对于这两个级别，奈奎斯特频率的水平和垂直线对图案应该在所有位置和所有方向都可辨别。