Цветовое кодирование в интроскопии

Сущность метода цветового кодирования заключается в преобразовании черно-белого изображения в цветное по признакам, отображающим определенные свойства изображения. Признаками разделения изображения на цветные области могут быть значения видеосигнала в разных спектральных диапазонах регистрируемого излучения (спектрозональное кодирование), амплитуда видеосигнала (амплитудное кодирование), величина сигнала в разных диапазонах спектра пространственных частот (частотное кодирование), величина сигнала межкадровой разности, главные компоненты, контуры и др.

Цвет приближает согласование параметров изображения с физиологическими особенностями зрения, благодаря чему улучшается дешифрирование раскрашенных изображений. К особенностям восприятия цветных изображений по сравнению с черно-белыми относятся: активное использование цветового тона, насыщенности, цветового контраста как дополнительных дешифровочных признаков, нередко выполняющих основную роль по отношению к признакам нераскрашенного изображения; использование при дешифровании цветовой структуры изображения, облегчающей дифференцирование изображения на отдельные области; сокращение времени обнаружения и опознавания полезной информации.

Нередко правильное перекодирование упрощает сложную задачу распознавания образов. Обобщая, можно сказать, что представление картины в условных цветах является одним из средств препарирования изображения для улучшения условий его дешифрирования и интерпретации. Хорошо известен факт улучшения деятельности человека при введении в какой-либо важный сигнал дополнительного информационного признака. При цветовом кодировании таким признаком является цвет. В этом случае оценка сигнала идет главным образом по указанному дополнительному признаку, особенно если шум по этому признаку незначителен. Напомним, что при любых преобразованиях сигнала, в том числе при цветовом контрастировании, содержащаяся в нем информация не может увеличиться.

Методы амплитудного цветового кодирования различаются по количеству цветов, используемых для кодирования. Это множество цветов может быть непрерывным в цветовом пространстве или состоять из ряда непересекающихся областей. В соответствии с этим устройства амплитудного цветового кодирования разделяют на 2 класса: аналоговые и дискретные. Несмотря на огромное количество публикаций и патентов по амплитудному цветовому кодированию черно-белых изображений и использованию цвета для отображения информации на цветных дисплеях, в них практически нет рекомендаций по выбору цветов, на основании которых можно было бы рассчитывать амплитудные характеристики 3 каналов устройств цветового кодирования. Отсутствие таких рекомендаций обусловлено  неполным знанием механизма цветного зрения, а также нераскрытыми психофизиологическими особенностями восприятия и интерпретации цветных изображений. Ниже, исходя из опыта  разработки и эксплуатации систем с устройствами цветового  кодирования, приведены некоторые рекомендации по выбору
цветов [5].

Очевидно, выбор множества цветов определяется в первую очередь назначением устройства цветового кодирования. Так, в устройствах цветового кодирования дискретного типа преобразование амплитуды видеосигнала в цвет используется в основном для оценки уровней видеосигнала по полю изображения, т. е. для визуальной денситометрии. В этом классе устройств множество выбранных цветов задается следующими параметрами: числом цветов и цветовым тоном, насыщенностью и яркостью каждого цвета. Амплитудные характеристики каналов устройства цветового кодирования определяют чередование цветов в зависимости от уровня видеосигнала.

В известных дискретных устройствах цветового кодирования используются от 2 до 32 цветов. Предельные возможности дискретных преобразователей черно-белого изображения в цветное по числу воспроизводимых цветов ограничиваются равномерностью сигнала и фона по полю изображения, зашумленностью кодируемого видеосигнала и точностью квантующих устройств. Если отвлечься от этих ограничений и исходить только из психофизиологических особенностей восприятия цветных изображений, то оптимальное число одновременно воспроизводимых цветов заключено в пределах 5-9. С увеличением числа используемых для раскраски цветов (свыше 10) плотность потока информации становится больше пропускной способности зрительного анализатора, что ухудшает все показатели дешифровки изображения (обнаружение, различение, толкование). С учетом того, что неравномерность сигнала и фона по полю изображения, а также шумы изображающей системы ограничивают число допустимых уровней квантования до 10–20, рекомендуется при дискретном цветовом кодировании одновременно использовать 8 цветов. Эта рекомендация использована при разработке установок для анализа рентгенограмм УАР-1 и У АР-2 [8, 79]. Для высококачественных изображений (высокое отношение сигнал/шум и хорошая равномерность сигнала и фона по полю) рекомендуется раскраска в 8 цветов только части диапазона яркостей исходного изображения, которую наблюдатель выбирает с помощью оперативных органов управления (амплитудная лупа с раскраской). Остальная часть изображения воспроизводится в черно-белом виде.

После выбора количества цветов определяют каждый цвет, т. е. задают его цветовой фон, насыщенность и яркость. Далее выбирают порядок следования цветов при возрастании уровня видеосигнала и диапазон видеосигнала, который соответствует каждому цвету. При задании параметров каждого цвета учитывают ряд рекомендаций:

1. Принципы цветовой гармонии, чтобы глаз оператора не утомлялся и оператор не раздражался. Наука о цвете в настоящее время не располагает единой системой цветовых гармоний. Здесь можно рекомендовать только некоторые из правил: система отбора цветов должна быть упорядоченная (закономерная), последовательность цветов должна быть привычна наблюдателю; система отбора должна быть недвусмысленно очевидна. Согласно [56] комбинация цветов будет являться гармонической тогда и только тогда, когда закономерность отбора цветов не только существует, но и способна непосредственно восприниматься глазом как закономерность.
2. Не рекомендуется располагать рядом близкие друг к другу цвета, особенно на больших площадях, так как соседство близких цветов взаимно понижает их насыщенность, цвета убивают друг друга, кажутся тусклыми.
3. Насыщенность цвета повышается от соседства контрастного цвета или близкого к нему, поэтому при дискретном цветовом контрастировании одной из наиболее распространенных комбинаций должна быть комбинация контрастных цветов или близких к ним. Сочетание контрастных цветов дает сильный эффект, если сопоставляемые цвета близки к полноцветным (полноцветные цвета при заданных тоне и насыщенностй самые яркие, при заданных тоне и светлоте самые насыщенные). Однако необходимо учитывать, что соседство ярких и насыщенных контрастных цветов вызывает постоянные резкие колебания адаптации различных участков сетчатки, так как глаз постоянно находится в движении. Это создает при длительном рассматривании впечатление «беспокойных» цветов и сдвинутых очертаний. Про такие резкие сочетания говорят, что от них «рябит» в глазах.
4. Длительное рассматривание изображений, имеющих слишком большую яркость, вызывает утомление зрительного аппарата, и подчеркивает дефекты изображения, увеличивает чувствительность глаза к мельканиям изображения. Напротив, применение слишком малых яркостей требует чрезмерного напряжения зрительного аппарата, что приводит к снижению зрительных функций.

Если проанализировать большинство экспериментально установленных фактов в отношении цветовых сочетаний, то можно предложить выбирать цвета для устройства дискретного цветового кодирования следующим образом. Все цветовые тона цветового треугольника кинескопа располагаются по окружности на одинаковом психологическом расстоянии друг от друга. Оценка психологического расстояния между двумя цветами может считаться пропорциональной количеству едва отличимых друг от друга промежуточных цветов. Число таких ступеней определяют, располагая цветовой треугольник кинескопа на одной из равноконтрастных диаграмм, например, МКО-1960. Принимая величину порога цветоразличения равной 0,0038 единиц шкалы U-V (порог Мак-Адама [58]) и зная длину сторон цветового треугольника, можно вычислить число цветовых тонов, различимых на каждой из сторон. Так на сторонах RG, GB и BR треугольника стандартного кинескопа различается 87, 72 и 97 цветовых тонов соответственно. В сумме на сторонах цветового треугольника различается 256 цветовых тонов. Цвета, равноудаленные один от другого по дуге окружности, будут восприниматься на равных психологических расстояниях.
Далее в круг вписывается равносторонний многоугольник, число вершин которого равно числу выбранных цветов. Сдвигая одну из вершин многоугольника, мы вынуждены сдвинуть и другие, чтобы не нарушить цветовой гармонии. В таком круге на концах одного и того же диаметра оказываются контрастные друг к другу цвета. Относительно яркости и насыщенности все цвета обычно берутся возможно более близкими к полноцветным.

На рис. 55 представлены амплитудные характеристики каналов устройства цветового кодирования дискретного типа, служащего для раскраски изображения в 8 цветов (черный, синий, пурпурный, красный, желтый, зеленый, голубой, белый). Все цвета (кроме черного и белого) расположены на психологически равных расстояниях.

Рис. 55. Амплитудные характеристики каналов УЦК дискретного типа

В случае аналогового амплитудного цветового кодирования алгоритм преобразования градаций яркости в градации цвета также определяется назначением изображающей системы. Прежде всего устройства цветового кодирования отличаются множеством используемых для раскраски цветов. В простейшем случае это простое тонирование – окраска изображения одним цветом. Второй предельный случай – использование для раскраски всего цветового тела цветного кинескопа. Известно, что стандартным цветным кинескопом воспроизводится около 4000 цветностей одной яркости и около 100 градаций яркости, т. е. 400 000 цветов. Чтобы иметь возможность получать все эти цвета на изображении, необходимо телевизионное устройство с амплитудными характеристиками, позволяющими получать 400 000 уверенно различимых соотношений видеосигналов UR, UG, Ub. На пути использования большого числа цветов существует целый ряд практических ограничений, которые делают разработку таких цветовых контрастов нецелесообразной. При большом числе используемых для раскраски градаций цвета неравномерность сигнала и фона по полю изображения приводит к раскраске в разные цвета одинаковых по яркости деталей объекта, расположенных на разных участках поля изображения. Например, если использовать цветовой контрастор с амплитудными характеристиками, позволяющими воспроизводить все 256 цветностей, лежащих на сторонах цветового треугольника кинескопа и обеспечивающими линейное распределение градаций цветности по диапазону входного видеосигнала, то уже при 2% неравномерности сигнала или фона 5 соседних градаций цветности будет приходиться на эту неравномерность. Это значит, что равномерно освещенное поле будет раскрашено на экране цветного ВКУ (ЦВКУ) в 5 цветов, т. е. неоднозначность дешифрования по цвету определяется в 5 цветов. Таким образом, чтобы сигнал, равный неравномерности фона или сигнала, окрашивался в один цвет, число используемых для окраски цветов необходимо сократить в 5 раз.

Полученные выводы подтверждаются практикой анализа раскрашенных изображений на телевизионной установке для анализа рентгенограмм УАР-1, в которой неравномерности сигнала и фона достигают 10%. При дешифровании на установке многоградационных изображений с большим числом мелких деталей во всем поле интерпретация изображения в сильной степени затруднена. Часто легче дешифрировать исходное изображение, чем раскрашенное. Поэтому компенсация неравномерности сигнала и фона в исходном видеосигнале перед цветовым кодированием является одной из наиболее важных задач при разработке систем с цветовым кодированием изображения.

Лучшие из существующих устройств компенсации неравномерностей сигнала и фона по полю изображения, позволяющие выравнивать неравномерности с точностью до 3–5% [49] (рис. 56), включают схемы вычитания и умножения, в которых происходит компенсация соответственно аддитивной и мультипликативной составляющих таких искажений.

Рис. 56. Принцип работы устройства компенсации фоновых искажений сигнала изображения: Uа и Uм – аддитивная я мультипликативная составляющие сигнала компенсации

Так как генераторы компенсирующих сигналов, вырабатывающие сигналы компенсации аддитивной и мультипликативной составляющих искажений сигнала по полю изображения, не обеспечивают высокую точность компенсации и не оперативны в настройке, то в системах с цветовым кодированием в качестве аддитивного сигнала компенсации используют сигнал изображения темного для Ua = UT.

Сигналы белого и темного полей, можно запоминать, как правило, в цифровых запоминающих устройствах с точностью до 1 %. Сформированный в соответствии с соотношением (49) сигнал компенсации мультипликативной составляющей поступает на схему умножения.

Так как при смене передаваемого объекта или изменении освещенности на объекте величина и форма неравномерности сигнала, как правило, изменяются, то в устройстве компенсации фоновых искажений предусматривается контроль размаха видеосигнала с целью своевременной коррекции сигналов компенсации.

Особенно, часто неэффективность и ошибочность раскраски черно-белых изображений обнаруживаются при неправильно выбранном алгоритме цветового кодирования.

Цветовая адаптация, цветовая индукция, эффект последовательного и одновременного цветовых контрастов, феномен Бецольда–Брюкке показывают, что при сложной цветовой структуре изображения нельзя, основываясь исключительно на способностях зрительного анализатора к различению цветовых контрастов, судить о действительных перепадах яркости в исходном изображении. Из-за этих эффектов зрения гамма цветов, включаемая в шкалу цветов для кодирования черно-белых изображений, должна быть ограничена. Число цветов нужно выбирать минимально необходимым для каждого конкретного вида исследований. В случае многосторонних исследований алгоритм кодирования по числу цветов должен быть перестраиваемым.

Эффекты цветового контраста, возникающие при восприятии сложных цветных изображений, принципиально неустранимы, поэтому для уменьшения их влияния на дешифруемость изображения оператору необходимо одновременно предъявлять исходное изображение.

Несколько уменьшить затрудняющие дешифрование эффекты цветового зрения позволяет цветовой клин, замешиваемый в изображение, который дает возможность оператору установить корреляцию между яркостью деталей исходного изображения и их цветом в раскрашенном изображении. Положительный эффект дает также использование интерактивных методов выделения и цветовой обработки только интересующих оператора фрагментов изображения, которые после обработки замешиваются в исходное черно-белое изображение.

При преобразовании яркостного контраста в цветовой часто нарушается принцип монотонности яркости (яркость должна быть монотонной функцией от яркости исходного изображения), что приводит к разрушению исходного целостного образа.

К разрушению исходной структуры изображения приводит также нарушение непрерывности траектории в трехмерном цветовом пространстве, определяющей множество цветов в раскрашенном изображении.
Требования монотонности функции яркости раскрашенного изображения и непрерывности траектории в цветовом пространстве ограничивают число допустимых градаций цвета и как следствие число допустимых алгоритмов раскраски.

Все сказанное выше учтено при разработке аппаратуры для анализа рентгенограмм УАР-2, функциональная схема устройства цветового кодирования которой приведена на рис. 57.

Рис. 57. Принцип работы устройства цветового кодирования. 1 – блок компенсации фоновых искажений; 2 – блок выделения зоны интереса; 3 –- электронная лупа; 4 – блок нелинейных усилителей; 5 – блок микширования и коммутации; 6 – устройство контроля; 7 – блок формирования сигналов компенсации; 8 – генератор цветового клина.

Видеосигнал с датчика поступает в блок компенсации фоновых искажений 1, где по рассмотренному выше методу происходит выравнивание сигнала и фона по полю изображения. Аддитивный и мультипликативный компенсирующие сигналы формируются из видеосигналов темного и белого полей в блоке 7. Размах видеосигнала контролируется на выходе блока компенсации с помощью устройства б. При анализе сложных изображений, интерпретация которых затруднена из-за указанных выше особенностей цветового зрения, предусмотрена возможность раскраски изображения только в выделяемом оператором участке. С этой целью в устройство включен блок выделения зоны интереса 2, положение, размеры и форму которой задает оператор. Электронная лупа 3, выделяющая часть видеосигнала, позволяет осуществлять раскраску только в выбранном диапазоне амплитуд. Вне этого диапазона видеосигнал преобразуется на экране ВКУ в черно-белое изображение.

Используемые в устройстве алгоритмы цветового кодирования сохраняют монотонность яркости исходного изображения и непрерывность траектории цветностей, выбранных для раскраски, что исключает появление ложных границ и инверсию контраста яркости. Алгоритм раскраски выбирается в блоке 4, где видеосигнал разделяется на 3 Канала, в которых формируются «красный», «зеленый» и «синий» видеосигналы. Алгоритм раскраски можно изменять так, что количество наблюдаемых цветов изменяется в несколько раз. В блоке микширования и коммутации 5 в раскрашенное изображение замешивается цветовой клин, формируемый в блоке 8.

Вследствие рассмотренных выше ограничений число цветов, включаемое в шкалу цветов для кодирования черно-белых изображений, становится существенно ограниченным; оно определяется амплитудной характеристикой контрастора. В настоящее время не существует единого подхода к выбору амплитудных характеристик цветовых контрасторов.

Если на входе контрастора использовать гамма-корректор с оперативно перестраиваемой кусочно-ломаной характеристикой, то можно перераспределять градации цвета по диапазону входного видеосигнала, а также оперативно изменять длину траектории, не нарушая принципа монотонности преобразования яркости и непрерывности траектории. Так, гамма-корректор с характеристикой 2 (рис. 58) позволяет сузить спектр используемых цветов; гамма-корректор с характеристикой 3 ограничивает часть видеосигнала; а оставшуюся часть усиливает до полного размаха видеосигнала, что позволяет раскрасить его во все цветности, расположенные на полной траектории. Существует методика расчета амплитудных характеристик, позволяющая построить контрастор, в котором яркость закодированного цветом изображения является монотонной функцией от яркости исходного изображения, а используемые для кодирования цветности, отображенные на одной из цветовых диаграмм, образуют непрерывную линию (траекторию), что способствует сохранению исходной структуры изображения. Оперативно перестраиваемый гамма-корректор на входе цветового контрастора перераспределяет градации цветности по диапазону входного видеосигнала и позволяет переходить от характеристик, линейно передающих яркостной контраст, к характеристикам с равномерным распределением градаций цветности.

Рис. 58. Амплитудные характеристики гамма-корректора при линейной зависимости Uвых = f(Uвх) (1), сокращении количества используемых цветов (2) при раскрашивании участка видеосигнала (3)

Предполагается, что преобразование яркостного контраста изображения в цветовой может существенно улучшить обнаружение пороговых контрастов в изображении, а это позволит повысить информативность интерпретации изображения в целом.

Возможности использования цветового контрастирования изображения при различных значениях фонового отношения сигнал/шум можно оценить, анализируя зависимости, приведенные на 1рис. 59, а, б. Как видно из рисунка, так же как при традиционных методах контрастирования объектов, цветовое кодирование одновременно приводит к повышению как вероятности обнаружения (рис. 59, а), так и ложной тревоги (рис. 59, б). Из-за этого вопрос о целесообразности раскраски изображения
необходимо решать в каждом конкретном случае применения.

Рис. 59. Зависимость вероятности обнаружения Р0 (а) и ложной тревоги Рл.т. (б) от контраста объектов К и пороговой контрастной чувствительности зрительного анализатора Кп при 20 (1), 100 (2), ¥ = 300 (3), Кп=0,005 (пунктир), Кп=0,02 (сплошная линия) для рис. 59а.

Наглядно преимущества аналогового цветового контрастора выявились при рассмотрении под микроскопом люминесцирущих объектов. При незначительном изменении степени свечения объекта исследователи не могли обнаружить этого изменения по экрану черно-белого ВКУ. На цветном ВКУ, подключенном к блоку контрастора, изменения интенсивности свечения обнаруживаются сразу же.
Частотное цветовое кодирование основано на раскрашивании разных участков пространственного спектра изображения в свой цвет. Целесообразность сопоставления различных участков пространственного спектра изображения своему цвету при анализе изображений продемонстрирована в ряде опытов [2].

Для получения пространственного спектра изображения может быть использована оптическая схема, включающая источник когерентного света (лазер), коллиматор для расширения лазерного луча, зарегистрированное на фотопленке изображение и расположенную за изображением тонкую линзу. В задней фокальной плоскости первой тонкой линзы образуется пространственный спектр изображения. При этом расстояния элементов пространственного спектра от центра характеризуют частоты пространственных составляющих, а интенсивность элементов– амплитуды этих составляющих. Если поместить в плоскости пространственного спектра маску, выделяющую только определенную зону спектра, то при восстановлении изображения с помощью второй тонкой линзы в нем останутся только выделенные пространственные частоты. Окрашивая их в определенный цвет, получают цветовое контрастирование заданной части пространственного спектра. Техническая реализация этого способа достаточно сложна, но он имеет то существенное преимущество, что при его реализации получается незашумленный двумерный спектр изображения, тогда как в других случаях пространственный спектр получают из зашумленного видеосигнала.

Целесообразность частотного цветового контрастирования несомненна, когда характеристики пространственного спектра контрастируемых объектов хорошо известны и значительно отличаются от фона. В тех случаях, когда эти условия не выполняются, окрашивание различных участков спектра может привести к частичной или полной потере исходной информации в результирующем цветном изображении.
Частотное цветовое контрастирование успешно применяется при обработке рентгенографических изображений [2], например, при обработке томограмм. Томография позволяет получать изображения попадающих в выделяемый слой органов, на которые наложены нерезкие изображения других органов и структур исследуемого органа. Увеличение резкости того или иного слоя можно получить путем отфильтровывания изображения слоя от низкочастотного маскирующего фона. Например, полосовыми
фильтрами можно выделить детали разных размеров, сигналы на выходе каждого фильтра «окрасить» в свой цвет. Эксперименты по выделению верхних пространственных частот на томограммах были проведены на установке для анализа рентгенограмм УАР-1, в которой имеется фильтр пространственных частот на видиконе. Сигнал с выхода фильтра отображается в цвете на экране ЦВКУ вместе с исходным изображением. При этом резко возрастает детальность изображения и подчеркиваются контуры.
Цветовое контрастирование эффективно в рентгенотелевизионных системах для ранней диагностики туберкулеза и рака легких.

Для решения ряда задач – повышения общего контраста малоконтрастных изображений, устранения дефокусировки и смазывания, ослабления шумов и др. – успешно применяются методы пространственной фильтрации [12]. В сочетании с частотным цветовым контрастированием эффективность этих методов существенно повышается.