一種腹腔鏡手術視頻幀率自適應的實時去煙霧方法技術

一種腹腔鏡手術視頻幀率自適應的實時去煙霧方法，包括步驟：獲取腹腔鏡手術視頻的幀率；對視頻進行幀率自適應采樣；利用暗通道先驗去霧原理，獲得暗通道圖、估計大氣光照系數(shù)和估計透射率圖；利用暗通道圖、大氣光照系數(shù)、透射率圖，求解霧圖成像模型的方程，獲得去霧圖像；將去霧圖像實時輸出形成去霧視頻。對高幀率視頻進行隔幀采樣，大幅減少了需要處理的數(shù)據(jù)量；通過指針操作符訪問儲存在內存空間的圖像，能夠對數(shù)據(jù)進行高速讀寫；對暗通道圖進行中值濾波處理，能夠更好的保存圖像邊緣；求得透射率圖后，將透射率圖歸一化，保證后續(xù)霧圖成像方程的求解為整型數(shù)運算，解決了暗通道先驗去霧方法中透射率圖大量浮點運算導致算法時間大幅增加的問題。

【技術實現(xiàn)步驟摘要】
一種腹腔鏡手術視頻幀率自適應的實時去煙霧方法
本專利技術涉及數(shù)字圖像處理
，具體涉及一種腹腔鏡手術視頻幀率自適應的實時去煙霧方法。
技術介紹
腹腔鏡手術是一門新發(fā)展起來的微創(chuàng)方法，是未來手術方法發(fā)展的一個必然趨勢。它是電子、光學、攝像等高科技技術在臨床手術中應用的典范，具有創(chuàng)傷小、并發(fā)癥少、安全、康復快的特點，近幾年來，外科腔鏡手術發(fā)展很快，可同時檢查和治療，是目前最先進、最尖端的微創(chuàng)技術。在治療外科疾病中的作用已越來越受到人們的矚目。并在國際上呈風靡性發(fā)展。腹腔鏡手術使用冷光源提供照明，將腹腔鏡鏡頭(直徑為3-10mm)插入腹腔內，運用數(shù)字攝像技術使腹腔鏡鏡頭拍攝到的圖像通過光導纖維傳導至后級信號處理系統(tǒng)，并且實時顯示在專用監(jiān)視器上。然后醫(yī)生通過監(jiān)視器屏幕上所顯示患者器官不同角度的圖像，對病人的病情進行分析判斷，并且運用特殊的腹腔鏡器械進行手術。而高溫切割器械是進行腹腔鏡手術時最常見的一種器械，它在切割人體組織時會產生明顯的固體顆粒狀的煙，同時使腹腔內氣體溫度上升，遇到溫度較低的腹腔鏡鏡片時，會產生腹腔鏡鏡片起霧(Laparoscopiclensfogging，LLF)，嚴重阻擋醫(yī)生的手術視野，常常令手術需要暫停，相當于外科醫(yī)生突然失去視力，大大影響了手術的流暢度，甚至有時引起不必要的醫(yī)療安全問題。目前的研究表明提高腹腔鏡視野清晰度的方法大致可分為四類：a)物理方法加溫腹腔鏡；b)防霧溶液的物理擦拭；c)腹腔鏡設備的材料技術革新；d)組織擦拭。上述方法基本都屬于物理去霧方法，大量的時間耗費在保持手術視野的清晰上，使手術變得冗長，并且效果有限，而且往往費時，成本高，并且沒有足夠的數(shù)據(jù)來支持其改善的效果。而將利用計算機的強大運算能力，將數(shù)字圖像處理運用于視頻去霧具有成本低、操作簡單的特點。對于單幀圖像，暗通道先驗去霧是數(shù)字圖像去霧的常用算法。它通過求取原圖像的暗通道矩陣、大氣光照成分，估計原圖的透射率矩陣，最后由霧圖成像模型計算求得去霧圖。為了獲取更加精細的透射率矩陣，通常采用導向濾波的方法。然而這個過程中包含很多浮點運算，所以處理圖像的速度比較慢，難以滿足近些年腹腔鏡手術高分辨率視頻實時去霧的要求。由于硬件設備的升級，近些年腹腔鏡手術視頻的分辨率普遍為1920*1080，所以優(yōu)化暗通道先驗去霧算法，實現(xiàn)高分辨率視頻的實時去霧，構建一套數(shù)字化去霧系統(tǒng)，將處理后的清晰圖像實時顯示，能夠給醫(yī)生的腹腔鏡手術帶來極大的便利，降低手術風險。因此這樣的一套實時去霧方法是很有必要的。
技術實現(xiàn)思路
針對腹腔鏡手術視頻的去煙霧方法中圖像處理速度慢、實時性低、且獲取的圖像精度低的問題，本申請?zhí)峁┮环N腹腔鏡手術視頻幀率自適應的實時去煙霧方法，包括步驟：獲取腹腔鏡手術視頻的幀率；對視頻進行幀率自適應采樣，獲得原含霧圖像；將原含霧圖像通過暗通道先驗去霧原理計算后獲得暗通道圖像，并根據(jù)暗通道先驗去霧原理估計暗通道圖像的大氣光照系數(shù)和透射率圖；利用原含霧圖像、暗通道圖、大氣光照系數(shù)和透射率圖求解霧圖成像模型方程，獲得去霧圖像；將去霧圖像實時輸出形成去霧后的視頻。一種實施例中，對視頻進行幀率自適應采樣，具體是：判斷幀率是否大于25FPS，若大于，對所述幀率視頻進行隔幀采樣，否則，對所述幀率視頻進行逐幀采樣。一種實施例中，通過指針操作符遍歷儲存在內存空間的原含霧圖像、暗通道圖和透射率圖。一種實施例中，將原含霧圖像通過暗通道先驗去霧原理計算之前還包括對采樣幀的原含霧圖像進行降采樣的步驟。一種實施例中，將原含霧圖像通過暗通道先驗去霧原理計算后獲得暗通道圖的過程中包括步驟：對暗通道圖進行中值濾波處理。一種實施例中，在多核條件下，采用多個中值濾波器對暗通道圖并行處理。一種實施例中，中值濾波器的濾波窗口的大小為3像素*3像素。一種實施例中，獲得透射率之前還包括對透射率圖進行歸一化處理。一種實施例中，求解霧圖成像方程，獲得去霧圖像，包括步驟：對原含霧圖像進行降采樣；將降采樣后的原含霧圖像、大氣光照系數(shù)和透射率圖通過求解霧圖成像模型方程，獲得去霧圖像。一種實施例中，將去霧圖像實時輸出形成去霧視頻之前還包括對去霧圖像進行放大插值處理的步驟。依據(jù)上述實施例的實時去煙霧方法，對視頻進行幀率自適應采樣，對低幀率視頻進行逐幀采樣，對高幀率視頻進行隔幀采樣，并對采樣幀的原含霧圖像進行降采樣，大幅減少了需要處理的數(shù)據(jù)量，進一步，提升了去煙霧的實時性。另外，通過指針操作符訪問儲存在內存空間的圖像，能夠對數(shù)據(jù)進行高速讀寫，大大降低程序運行時間。另外，對暗通道圖進行中值濾波處理，與最小值濾波相比，能夠更好的保存圖像邊緣，將濾波窗口設置為3像素*3像素，保證了暗通道圖的精細程度，也保證了由暗通道計算所得透射率圖的精細程度，腹腔鏡手術中手術刀高溫切割所形成的組織煙塵顆粒較小，圖像特征與椒鹽噪聲近似，可利用3像素*3像素窗口大小的中值濾波剔除。另外，求解透射率圖后，將透射率圖歸一化到8比特灰度范圍內，使得后續(xù)霧圖成像模型方程的求解為整型數(shù)運算，解決了暗通道先驗去霧方法中透射率圖大量浮點運算導致算法時間大幅增加的問題；附圖說明圖1為腹腔鏡手術視頻的實時去煙霧流程圖；圖2為腹腔鏡手術視頻幀率自適應的實時去煙霧細節(jié)流程圖。具體實施方式下面通過具體實施方式結合附圖對本專利技術作進一步詳細說明。本例提供一種腹腔鏡手術視頻的實時去煙霧方法，其流程圖如圖1所示，包括如下具體步驟。S1：獲取腹腔鏡手術視頻的幀率。醫(yī)院實際應用的腹腔鏡手術視頻的幀率有25FPS和50FPS兩種，本例獲取腹腔鏡手術視頻的幀率后對視頻進行幀率自適應采樣，避免高幀率對算法耗時的大幅增加，同時也能滿足醫(yī)生手術操作的要求。S2：對視頻進行幀率自適應采樣，獲得原含霧圖像。本步驟對視頻進行幀率自適應采樣，具體是：判斷幀率是否大于25FPS，若大于，對該幀率視頻進行隔幀采樣，否則，對該幀率視頻進行逐幀采樣，即對低幀率視頻進行逐幀采樣，對高幀率視頻進行隔幀采樣，高幀率視頻中未采樣的幀圖像不進行S3中的計算，而是沿用上一幀圖像的計算結果，可以使算法耗時減少50％，而實際上帶來的去霧效果的損失可以忽略不計。S3：將原含霧圖像通過暗通道先驗去霧原理計算后獲得暗通道圖，并根據(jù)暗通道先驗去霧原理估計暗通道圖的大氣光照系數(shù)和透射率圖。在絕大多數(shù)非天空的局部區(qū)域里，某一些像素總會有至少一個顏色通道具有很低的值。換言之，該區(qū)域光強度的最小值是個很小的數(shù)。我們給暗通道一個數(shù)學定義，對于任意的輸入圖像J，其暗通道可以用公式(1)表達：式中Jc表示彩色圖像的每個通道，Ω(x)表示以像素x為中心的一個窗口，c表示r、g、b三通道。暗通道先驗的理論指出：Jdark→0(2)這個結論是基于大量自然圖像暗通道圖的統(tǒng)計而得出的先驗結論。實際生活中造成三原色中低通道值主要有三個因素：a)汽車、建筑物和城市中玻璃窗戶的陰影，或者是樹葉、樹與巖石等自然景觀的投影；b)色彩鮮艷的物體或表面，在RGB的三個通道中有些通道的值很低(比如綠色的草地、樹、植物，紅色或黃色的花朵、葉子，或者藍色的水面)；c)顏色較暗的物體或者表面，例如灰暗色的樹干和石頭。總之，自然景物中到處都是陰影或者彩色，這些景物的圖像的三原色低通道值總是很低的。將暗通道理論應用于腹腔鏡手術中一樣本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術保護點】
一種腹腔鏡手術視頻幀率自適應的實時去煙霧方法，其特征在于，包括步驟：獲取腹腔鏡手術視頻的幀率；對視頻進行幀率自適應采樣，獲得原含霧圖像；將所述原含霧圖像通過暗通道先驗去霧原理計算后獲得暗通道圖，并根據(jù)暗通道先驗去霧原理估計所述暗通道圖的大氣光照系數(shù)和透射率圖；利用所述原含霧圖像、暗通道圖、大氣光照系數(shù)、透射率圖，求解霧圖成像方程，獲得去霧圖像；將所述去霧圖像實時輸出形成去霧視頻。

【技術特征摘要】
1.一種腹腔鏡手術視頻幀率自適應的實時去煙霧方法，其特征在于，包括步驟：獲取腹腔鏡手術視頻的幀率；對視頻進行幀率自適應采樣，獲得原含霧圖像；將所述原含霧圖像通過暗通道先驗去霧原理計算后獲得暗通道圖，并根據(jù)暗通道先驗去霧原理估計所述暗通道圖的大氣光照系數(shù)和透射率圖；利用所述原含霧圖像、暗通道圖、大氣光照系數(shù)、透射率圖，求解霧圖成像方程，獲得去霧圖像；將所述去霧圖像實時輸出形成去霧視頻。2.如權利要求1所述的實時去煙霧方法，其特征在于，對視頻進行幀率自適應采樣，具體是：判斷幀率是否大于25FPS，若大于，對所述幀率視頻進行隔幀采樣，否則，對所述幀率視頻進行逐幀采樣。3.如權利要求2所述的實時去煙霧方法，其特征在于，通過指針操作符訪問儲存在內存空間中的原含霧圖像、暗通道圖像和透射率圖。4.如權利要求3所述的實時去煙霧方法，其特征在于，所述將原含霧圖像通過暗通道先驗去霧原理計算之前還包括對采樣幀的原含霧圖像進行...

【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：顧磊，徐慶，劉澤宇，柳彬，張增輝，郁文賢，劉佩林，
申請(專利權)人：上海交通大學，
類型：發(fā)明
國別省市：上海,31