背景亮度对医用内窥镜摄像系统图像性能测试影响的讨论

高英哲 袁青（ 通信作者） 郑秀玉 侯建勋 杨太康

摘要

随着行业标准YY/T 1603-2018《医用内窥镜 内窥镜供给装置 摄像系统》的启用以及内窥镜设备变为II类产品，市面上的医用内窥镜摄像系统大幅增加，对其测试的需求也随之增加。在该标准中，亮度响应特性，信噪比和静态宽容度的测试对于背景B的要求仅为制造商规定的亮度值。为了研究在测试过程中背景B的亮度对亮度响应特性等参数的影响，本文通过控制变量的方法进行试验并分析原因，最后对相关测试条件提出了补充性建议。

关键词：内窥镜摄像系统 亮度响应特性 信噪比 静态图像宽容度

0 引言

随着医械技术的进步，政策的鼓励，生产内窥镜的厂商越来越多，内窥镜检测的需求越来越大。标准YY/T 1603-2018 《医用内窥镜 内窥镜供给装置 摄像系统》从亮度响应特性，信噪比（SNR），空间频率响应和静态宽容（D_R）度4个参数上对内窥镜摄像系统的图像性能进行评价，其中亮度响应特性，信噪比和静态宽容度的测试均采用了同一种试验模型^[1]（图1）。标准测试方法对于背景B的要求是制造商规定亮度值，而并没有给出一个建议的亮度活设置条件。在具体测试过程中背景B的亮度大小对亮度响应特性，信噪比以及静态宽容度有何影响，本文就此问题进行了试验。

图1 亮度响应特性，信噪比，空间频率响应采用试验模型

1 原理

1.1 试验原理

实验模型如图1所示，固定好背景B的亮度和摄像头的距离，通过改变光源亮度来改变小灰阶块A的亮度，采集不同亮度水平下的多幅图像（图2），按照《YY/T 1603-2018 医用内窥镜 内窥镜供给装置 摄像系统》附录ABD中所述方法进行计算。

图2 采集图像

1.2 测试方法

实验样机采用某制造商生产的医用内窥镜摄像系统，将自动增益调至0，并将灰阶块A移动至自动增益选取范围之外，该目的是避免仍然保留的本底自动增益对灰阶块A亮度变化产生影响。

在《YY/T 1603-2018》附录A中提及的测试方法的基础上做多组测试（本文测试了5组背景亮度），每组测试选择不同的背景B亮度，同时保证每组测试中小灰阶块A的亮度阶梯变化值基本相同（光源会有一定的波动，无法完全控制）。由于在测试中需要计算亮度响应特性，信噪比，静态宽容度，所以在采集亮度的选取上需要从暗区截止覆盖到亮区饱和。

需要注意的是，首先要找到人眼在医用显示器上所感知到的饱和与暗区截止的亮度，记下此时的亮度值。然后将此时光源的暗区亮度继续适度调小，然后以亮度值1.1倍的增长逐阶采集，直到能够明显看到灰阶块A的亮度。并且在采集系统中内置一个能实时读取采集图像RGB的软件，在亮度趋近饱和时，1.1级逐级增加亮度。

记录下采集的亮度值，改变背景B亮度再次采集计算。本文选择了0cd/m²，1.92cd/m²，12.77cd/m²，20cd/m²，57cd/m² 5个背景亮度进行测试。选点考虑因素为无背景亮度，背景亮度在0到暗区截止亮度之间，靠近暗区截止亮度，略高于暗区截止亮度，远高于暗区截止亮度，测试距离为500mm。

2.测试结果

5个背景亮度水平下的亮度响应特性，信噪比如表1所示，静态宽容度结果如表2所示。

背景B亮度L0	L-LR	L-LG	L-LB	SNR/dB
0cd/m2	0.9965	0.996	0.9964	42.0141
1.92cd/m2	0.9962	0.9958	0.996	41.4486
12.77cd/m2	0.9922	0.9923	0.9934	41.2686
20cd/m2	0.9913	0.9909	0.9913	37.5190
57cd/m2	0.9825	0.9838	0.9847	38.3059

表1，亮度响应特性和信噪比数据

背景B亮度L0	Lsat / (cd/m2)	Lmin / (cd/m2)	DR（静态宽容度）
0cd/m2	555	12.27	45.23
1.92cd/m2	551	12.2	46.16
12.77cd/m2	504	10.18	49.50
20cd/m2	500	8.32	60.10
57cd/m2	600	7.23	82.99

表2，静态宽容度数据

将所有信噪比，Lsat，Lmin，静态宽容度作归一化处理，结果如图3所示。结合表1数据从中可以看出随着背景亮度的升高，亮度响应特性和信噪比会逐渐降低，在背景亮度超过20cd/m²时，信噪比并没有下降而应该是略有浮动。图3结合表2数据可以看出随着背景亮度的升高，Lmin即暗区截止亮度在降低，Lsat先降低后升高，静态宽容度在逐渐升高。

图3，测试结果归一化处理

3.结果讨论

在实际采集数据过程中，亮度响应特性和信噪比的的方法是相同的，根据表格，可知在测试亮度响应特性和信噪比时选择较低的背景B亮度会得到更好的测试结果。同时说明在实际检测过程中亮度响应特性和信噪比可以采用同一组数据进行试验，由于亮度对静态宽容度的影响是不同的，静态宽容度的采集可以使用另外的场景。

根据表2中的结果可以发现随着背景B亮度的增加暗区截止亮度是逐渐降低的，这会较大程度上会影响静态宽容度的结果。究其原因，本文认为可能原因和摄像系统内部的增益算法有关，虽然增益参数调至0，但是内部仍会有一些本底数据参与增益，又由于背景亮度在摄像系统的增益采集区域中，这会影响到暗区截止亮度的波动。

从普遍情况考虑亮度越高的时候，自动增益应该会降低整体亮度即暗区截止亮度应该会提升，即亮度补偿。但是这种情况所谓的亮度补偿是为了使肉眼能够看见物体增加的增益处理，而暗区截止亮度的判定并非为肉眼判定刚好能够看见的点。从标准《YY/T 1603-2018》附录D中可知，应该是选取一个基准较暗的点，根据这个点的前五个点算出一个阈值，再通过阈值和Y值的联系最终确定暗区截止点。而如何选取基准暗区点标准中并没有给出，本文的方法是将采集到的数据按亮度顺序排列，观察Y，R，G，B都不再随着亮度升高而波动时为暗区截止点，这种选点方法是为了排除噪声的干扰。

所以可能的情况是背景亮度的升高使得增益算法对较暗区域的RGB造成了影响。而且再试验中亮度测试，亮度调节都有人为参与，可能也会产生部分影响。

4.小结

从测试数据中可以看出不同背景亮度下测试数据会有差异，所以建议有条件的制造商在型式检验前进行多次摸底，找到测试所必要和最合适的背景亮度和背景参数。按照检测最不利的原则，应该是建议企业不同亮度水平多次测试，然后按照最不利的数据选取标称值，而不是让企业直接设置一个条件然后得到一个好的测试结果，毕竟在实际应用过程中摄像系统的设置条件并不能如此设置。

参考文献

[1] YY/T 1603-2018医用内窥镜内窥镜功能供给装置摄像系统[S].2018.

*通信作者：袁青