医用显示器色彩均匀性测量系统及其测量方法与流程

本发明涉及医用专业显示领域，尤其涉及医用显示器不同色彩空间转换的色彩均匀性问题及其测量方法，并通过实现一种医用显示器色彩转换的色彩均匀性测量系统，即对医用显示器在不同色彩空间下的显示数据进行测量，进而实现对医用显示器色彩空间转换的色彩均匀性进行精准的评估和衡量。

背景技术：

近年来，基于计算机的多媒体图像处理技术在广播通讯、远程视教、医疗影像、绘图制图、消费电子等领域中广泛应用，极大地丰富了人们的生活，而这些技术都离不开图像输入输出设备的支撑。在显示方面，屏幕大小以及比例规格，采用的液晶面板类型、性能参数、工艺水平等都是影响显示设备显示效果的重要因素。如液晶面板的种类(是否采用高端的广视角面板)，性能参数的高低都会影响到液晶显示器色彩效果。由于显示器毕竟是一个终端的显示工具，也是主要的输出渠道，因此显示器产品显示色彩效果的好坏自然就是人们最为关心的问题。

另外，常见的扫描仪及显示器属于RGB色彩空间，彩色打印机及印刷机属于CMY色彩空间，属于不同色彩空间的图像输入输出设备，如何确保同一副图像一致性地显示，成为一个问题。与早期的系统相比，现在这个问题变得更加复杂。

在医用显示领域，医用显示器比与普通民用显示器对色彩重现、亮度、分辨率等技术参数有着更高的要求。同时，随着技术的发展，医学影像包含越来越丰富的信息，特别是未来4K、8K等医用影像的广泛运用，医学诊断对医用显示器在色彩表现上的精准度的要求越来越苛刻。因此，利用对不同色彩空间下医用显示器的色彩均匀性进行评价，成为衡量医用显示器色彩显示能力的重要依据。

技术实现要素：

本发明针对传统医学显示器在不同色彩空间下色彩均匀性难以评估的局限性，提出一种实现医用显示器色彩空间转换的色彩均匀性的测量及评估方法，并实现一种医用显示器色彩空间转换的色彩均匀性测量系统，即对医用显示器在不同色彩空间下的显示数据进行测量和计算，进而实现对医用显示器色彩均匀性进行精准的评估和衡量。

本发明的技术方案是：一种医用显示器色彩均匀性测量系统,即一种实现医用显示器色彩空间转换的色彩均匀性测量系统，其特征在于，包括色彩测量模块、上位机模块、微控制器模块、图像处理模块和光源模块，色彩测量模块测量医用显示器在不同色彩空间下的数据，并发送到微控制器模块，微控制器模块将色彩测量模块测量的数据转发给上位机模块，上位机模块根据测量数据建立不同色彩空间下具有映射关系的数据表并下发给图像处理模块，上位机模块同时得到不同色彩空间下的理论数据值，图像处理模块根据数据表实时计算出目标色彩空间下的数据并输出到医用显示器显示，微控制器模块同时实时控制光源模块，上位机模块根据理论数据和实际显示的测量值计算出医用显示器在目标色彩空间下的色彩均匀性误差分布。

色彩测量模块为专业色彩分析器或其他色彩测量设备，其功能是精确测量医用显示器在不同色彩空间下的颜色分量数值，微控制器模块功能是控制医用显示器色彩均匀性测量系统的工作流程，具体可以由FPGA等可编程器件或ARM等专用集成电路芯片等器件实现。

进一步的，所述图像处理模块包括映射表单元、数据计算单元和处理控制单元；映射表单元用于存储上位机模块计算得到的不同色彩空间下具有映射关系的数据表，为跨色彩空间转化提供依据；数据计算单元实时计算色彩空间输入的数据，实现色彩空间的转化，并将转化后的数据输出给医用显示器；处理控制单元与微控制器模块进行通信，同时控制图像处理模块的工作流程。

进一步的，所述色彩空间包括sRGB色彩空间、Adobe RGB色彩空间、CIE XYZ色彩空间、CIE LAB色彩空间和CIE LUV色彩空间。

进一步的，所述光源模块增强或者减弱背光，使液晶面板亮度达到符合不同色彩标准下要求的亮度值。

一种实现医用显示器色彩空间转化的色彩均匀性测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.使用色彩测量模块精确测量医用显示器在不同色彩空间下的颜色分量数值，并将上述测量数据发送到微控制器模块，在色彩测量模块测量的同时，图像处理模块产生色彩测量模块所需要的测试图像并在医用显示器上显示；

S2.微控制器模块接收来自色彩测量模块发送的数据，并将数据转发给上位机模块；

S3.上位机模块根据测量数据建立不同色彩空间下具有映射关系的数据表并下发给图像处理模块，上位机模块同时得到不同色彩空间下的理论数据值；

S4.图像处理模块根据数据表实时计算出目标色彩空间下的数据并输出到医用显示器显示；

S5.色彩测量模块第二次测量医用显示器在目标色彩空间下的实际显示的测量值；

S6.上位机模块根据理论数据和实际显示的测量值计算出医用显示器在目标色彩空间下的色彩均匀性误差分布。

进一步的，S2还包括以下步骤：

S21.微控制器模块接收来自色彩测量模块发送的数据，并将数据转发给上位机模块；

S22.微控制器模块向图像处理模块发送命令，使图像处理模块产生色彩测量模块所需要的测试图像并在医用显示器上显示；

S23.微控制器模块接收来自上位机模块发送的命令，采集图像处理模块在不同色彩空间下不同区域显示的数据。

进一步的，S3还包括以下步骤：

S31.上位机模块接收来自微控制器模块发送的数据；

S32.上位机模块根据一种能够通过计算将医用显示器可显示的色彩从一种色彩空间转化到另一种色彩空间的映射方法，得到在两种不同色彩空间下具有映射关系的数据表；

S33.将得到在两种不同色彩空间下具有映射关系的数据表下发给图像处理模块；

S34.上位机模块经过计算得到医用显示器在不同色彩空间下的理论数据值。

进一步的，S4还包括以下步骤：

S41.图像处理模块接收来自微控制器模块发送的命令，产生上位机模块所需要的测试图像并在医用显示器上显示，

S42.图像处理模块根据微控制器模块发送的在两种不同色彩空间下具有映射关系的数据表，实时计算出从一种色彩空间输入的数据映射到另一种色彩空间输入的数据，完成色彩空间的转化，并输出给医用显示器；

S43.图像处理模块接收来自微控制器模块发送的命令，向上位机模块发送色彩空间转化后的反馈数据。

进一步的，S5还包括以下步骤：

S51.微控制器模块实时控制光源模块正常工作；

S52.色彩测量模块第二次测量医用显示器在目标色彩空间下的实际显示的测量值，并将数据发送到微控制器模块；

S53.微控制器模块将测量值发送给上位机模块。

进一步的，S6还包括以下步骤：

S61.上位机模块根据一种能够通过计算得到医用显示器在不同色彩空间下色彩均匀性误差的方法，得到医用显示器在不同色彩空间下色彩均匀性误差分布；

S62.上位机模块根据医用显示器在不同色彩空间下色彩均匀性误差分布情况，向微控制器模块发送命令，采集图像处理模块在不同色彩空间下不同显示区域的数据。

与现有技术相比，本发明中的一种实现医用显示器色彩空间转化的色彩均匀性测量系统及其测量方法具有以下技术效果：

1、针对传统医学显示器在不同色彩空间下色彩均匀性难以评估的局限性，提出一种实现医用显示器色彩空间转化的色彩均匀性测量及评估方法，并实现一种医用显示器色彩空间转换的色彩均匀性测量及评估系统，即对医用显示器在不同色彩空间下的显示数据进行测量和计算，进而实现对医用显示器色彩空间转换的色彩均匀性进行精准的评估和衡量。医用显示器色彩均匀性测量系统，较为客观地测量和评估了医用显示器色彩均匀性在不同使用条件及不同色彩空间下的差异及分布。

2、充分利用本地电脑主机的计算资源，医用显示器色彩均匀性测量系统针对医用显示器在不同色彩空间下的色彩测量及在色彩均匀性评估过程的大量数据计算由上位机自行完成，保证了医用显示器彩均匀性测量系统在数据计算上的准确性和可靠性。

3、在医用显示器已有部件结构基础上，通过使用医用显示器色彩均匀性测量系统，获得显示器在不同色彩空间下的色彩均匀性误差及分布，为改善医用显示器色彩均匀性提供可靠的数据支持。

附图说明

图1为麦克亚当的颜色椭圆宽容量示意图；

图2为CIE1976均匀颜色空间色品图及可分辨的颜色线段示意图；

图3为任意色彩空间的色彩均匀性误差计算示意图；

图4为医用显示器色彩均匀性测量系统工作示意图；

图5为医用显示器色彩均匀性测量系统架构图；

图6为医用显示器色彩均匀性测量系统图像处理模块示意图；

图7为医用显示器色彩均匀性测量系统工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图4至图6所示，本发明包含一种实现医用显示器色彩空间转换的色彩均匀性测量系统，其特征在于，包括色彩测量模块、上位机模块、微控制器模块、图像处理模块和光源模块，色彩测量模块测量医用显示器在不同色彩空间下的数据，并发送到微控制器模块，微控制器模块将色彩测量模块测量的数据转发给上位机模块，上位机模块根据测量数据建立不同色彩空间下具有映射关系的数据表并下发给图像处理模块，上位机模块同时得到不同色彩空间下的理论数据值，图像处理模块根据数据表实时计算出目标色彩空间下的数据并输出到医用显示器显示，微控制器模块同时实时控制光源模块，上位机模块根据理论数据和实际显示的测量值计算出医用显示器在目标色彩空间下的色彩均匀性误差分布。

色彩测量模块为专业色彩分析器或其他色彩测量设备，其功能是精确测量医用显示器在不同色彩空间下的颜色分量数值，微控制器模块功能是控制医用显示器色彩均匀性测量系统的工作流程，具体可以由FPGA等可编程器件或ARM等专用集成电路芯片等器件实现。

所述图像处理模块包括映射表单元、数据计算单元和处理控制单元；映射表单元用于存储上位机模块计算得到的在两种不同色彩空间下具有映射关系的数据表，为跨色彩空间转化提供依据；根据上述的映射表单元中存储的映射数据表，数据计算单元实时计算出从一种色彩空间输入的数据映射到另一种色彩空间输入的数据，实现色彩空间的转化，并将转化后的数据输出给医用显示器；处理控制单元与微控制器模块进行通信，同时控制图像处理模块的工作流程。

所述色彩空间包括sRGB色彩空间、Adobe RGB色彩空间、CIE XYZ色彩空间、CIE LAB色彩空间和CIE LUV色彩空间。

所述光源模块增强或者减弱背光，使液晶面板亮度达到符合不同色彩标准下要求的亮度值。

如图7所示，一种实现医用显示器色彩空间转换的色彩均匀性测量系统的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.使用色彩测量模块精确测量医用显示器在不同色彩空间下的颜色分量数值，并将上述测量数据发送到微控制器模块，在色彩测量模块测量的同时，图像处理模块产生色彩测量模块所需要的测试图像并在医用显示器上显示；

S2.微控制器模块接收来自色彩测量模块发送的数据，并将数据转发给上位机模块；

S2还包括以下步骤：

S21.微控制器模块接收来自色彩测量模块发送的数据，并将数据转发给上位机模块；

S22.微控制器模块向图像处理模块发送命令，使图像处理模块产生色彩测量模块所需要的测试图像并在医用显示器上显示；

S23.微控制器模块接收来自上位机模块发送的命令，采集图像处理模块在不同色彩空间下不同区域显示的数据。

S3.上位机模块根据测量数据建立不同色彩空间下具有映射关系的数据表并下发给图像处理模块，上位机模块同时得到不同色彩空间下的理论数据值；

S3还包括以下步骤：

S31.上位机模块接收来自微控制器模块发送的数据；

S32.上位机模块根据一种能够通过计算将医用显示器可显示的色彩从一种色域空间转化到另一种色彩空间的映射方法，得到在两种不同色彩空间下具有映射关系的数据表；

S33.将得到在两种不同色彩空间下具有映射关系的数据表下发给图像处理模块；

S34.上位机模块经过计算得到医用显示器在不同色彩空间下的理论数据值。

S4.图像处理模块根据数据表实时计算出目标色彩空间下的数据并输出到医用显示器显示；

S4还包括以下步骤：

S41.图像处理模块接收来自微控制器模块发送的命令，产生上位机模块所需要的测试图像并在医用显示器上显示，

S42.图像处理模块根据微控制器模块发送的在两种不同色彩空间下具有映射关系的数据表，实时计算出从一种色彩空间输入的数据映射到另一种色彩空间输入的数据，完成色彩空间的转化，并输出给医用显示器；

S43.图像处理模块接收来自微控制器模块发送的命令，向上位机模块发送色彩空间转化后的反馈数据。

S5.色彩测量模块第二次测量医用显示器在目标色彩空间下的实际显示的测量值；

S5还包括以下步骤：

S51.微控制器模块实时控制光源模块正常工作；

S52.色彩测量模块第二次测量显示器在目标色彩空间下的实际显示的测量值，并将数据发送到微控制器模块；

S53.微控制器模块将测量值发送给上位机模块。

S6.上位机模块根据理论数据和实际显示的测量值计算出医用显示器在目标色彩空间下的色彩均匀性误差分布。

S6还包括以下步骤：

S61.上位机模块根据一种能够通过计算得到医用显示器在不同色彩空间下色彩均匀性误差的方法，得到医用显示器在不同色彩空间下色彩均匀性误差分布；

S62.上位机模块根据医用显示器在不同色彩空间下色彩均匀性误差分布情况，向微控制器模块发送命令，采集图像处理模块在不同色彩空间下不同显示区域的数据。

本发明还包含一种医用显示器色彩均匀性测量系统的测量方法，叙述如下：

人类能够有颜色的概念，主要是由于不同波长的光进入人眼的颜色感受不同。可见光的波长范围是380nm～780nm。例如，波长为700nm的光辐射进入人眼所引起的视觉感受是红色，波长为580hm的光辐射进入人眼所引起的视觉感受是黄色，波长为510nm的光辐射进入人眼所引起的视觉感受是绿色，波长为450hm的光辐射进入人眼所引起的视觉感受是蓝色等等。所以，光的颜色与进入人眼的光辐射的光谱功率分布有关，当进入到眼睛里的光谱辐射波长发生改变或者它们的相对光谱功率分布发生改变时，人眼对光的颜色感受也随着发生了变化。

而在色度学中所应用的方法和工具，都是以目视颜色匹配定律和国际上一致采用的标准为基础的。国际照明委员会(CIE)，通过其色度学委员会，推荐了色度学方法和基本的标准。1931年CIE推荐了根据格拉斯曼颜色混合的定律在实验的基础上获得的一组“CIE标准色度观察者光谱三刺激值”数据，并根据这一颜色系统的线性变换得到了1931CIEXYZ色度系统。

在工程应用和实际的生产中，人们发现人眼对不同波长光谱颜色差异的感受性随着波长区间的不同差别很大。例如，在波长490nm-600nm区间，人眼的分辨颜色的能力很高，波长只要有1nm的差别就能察觉，但在波长430nm-650nm区间，人眼分辨颜色的能力很差，当光谱的波长变化5-6nm时才会发觉颜色的变化。

根据CIE 1931年规定的配色函数和如下列公式：

其中，

S(λ)：光源的相对光谱能量分布

：CIE标准观察者配色函数(1931)，配色函数为等能光谱的三刺激值，为波长的函数，这些函数与人眼的灵敏度相一致。

R(λ)：式样的光谱反射比，取决于材料本身属性

进一步的，xyz色度坐标是由XYZ三刺激值按照下列公式计算得来：

由此得到CIE 1931 xy色度图，如图1所示，图中坐标轴单位为1，椭圆为人眼不能识别的颜色色差范围，椭圆长轴方向为饱和度，椭圆短轴方向为色调。

图2为CIE 1976 UCS色度图，该色度图尝试对于亮度大致相同的颜色提供一种在视觉上更加均匀的色空间。图中坐标轴单位为1，椭圆为人眼不能识别的颜色色差范围，椭圆长轴方向为饱和度，椭圆短轴方向为色调。该UCS色度图中uˊ和vˊ值可以按照下列公式由三刺激值XYZ或由色度坐标xy算出：

其中，X、Y、Z为三刺激值，x、y为CIE 1931 xy色度图中的色度坐标。

在CIE 1976 UCS均匀色度图上建立的均匀色彩空间，可以在相同距离上表示相同知觉的色差。L*u*v*色空间(也称CIE LUV色空间)是CIE于1976年规定的几种均匀色空间之一，L*、u*、v*值可按下列公式计算：

u*＝13L*(u'-u'₀)

v*＝13L*(v'-v'₀)

其中，Y为三刺激值Y，u'、v'是来自CIE 1976 UCS色度图上的色度坐标，Y₀和u'₀、v'₀是全反射漫射体的三刺激值Y和色度坐标u'、v'。

在L*u*v*色空间中，色差ΔE*_uv说明色差的程度，但不是方向，它由下列方程确定：

其中，ΔL*，Δu*，Δv*是式样色与目标色之间L*、u*、v*值之差

利用CIE LUV均匀色空间定义的色差公式ΔE*_uv，可以用来评价液晶显示器在L*u*v*色彩空间下显示的颜色均匀性。进一步的，实现医用显示器从不同色彩空间转换到目标色彩空间后，即L*u*v*色彩空间，ΔE*_uv同样可以表示医用显示器色彩空间转换的颜色均匀性，即颜色色差的程度。

如表1所示，ΔE值反映的是医用显示器实际测量值与标准值之间差距的大小，因此其数值越小越好，分数越高说明色彩越失真。

表1用ΔE值评估医用显示器色彩均匀性误差对照表

如图3所示，只要测量显示器在不同色彩空间下的数值，例如sRGB色彩空间、Adobe RGB色彩空间、CIE XYZ色彩空间、CIE LAB色彩空间以及其他色彩空间，然后经计算转换到CIE LUV色彩空间，并使用上述方法计算不同色彩空间在CIE LUV色彩空间下对应的ΔE，就可以测量和评估不同色彩空间转换的色彩均匀性。

综上所述，测量及评估医用显示器在不同色彩空间下的颜色误差，即医用显示器色彩空间转换的色彩均匀度，需要构建一个完整的医用显示器色彩均匀性测量系统，首先测量获得医用显示器在不同色彩空间下相当数量并达到一定规模的数据，然后建立不同色彩空间下具有映射关系的数据表，其次依据这些数据表计算出从一种色彩空间输入的数据映射到另一种目标色彩空间输出的数据，并在上述医用显示器上显示另一种目标色彩空间输出的数据，之后测量得到另一种目标色彩空间输出的数据，最终用是实际测量值与理论计算值比较，得到上述医用显示器的色彩均匀性误差的分布情况。

本发明中医用显示器色彩均匀性测量系统的工作流程具体实施如下：

1.使用色彩测量模块精确测量医用显示器在不同色彩空间下的颜色分量数值，并将上述测量数据发送到微控制模块。在测量的同时，图像处理模块产生色彩测量模块所需要的测试图像并在医用显示器上显示；

2.微控制模块接收来自色彩测量模块发送的数据，并将数据转发给上位机模块。

3.上位机模块作运行在本地主机上的上层软件，利用本地电脑主机的计算资源，计算出将医用显示器可显示的色彩从一种色域空间转化到另一种色彩空间，并得到在两种不同色彩空间下具有映射关系的数据表。另外，经过计算，上位机得到医用显示器在不同色彩空间下的理论数据值。

上位机模块主要工作过程包括：

[1]上位机接收来自微控制器模块发送的数据；

[2]根据一种能够通过计算将医用显示器可显示的色彩从一种色域空间转化到另一种色彩空间的映射方法，得到在两种不同色彩空间下具有映射关系的数据表；

[3]将得到在两种不同色彩空间下具有映射关系的数据表下发给图像处理模块；

[4]上位机经过计算得到医用显示器在不同色彩空间下的理论数据值；

4.图像处理模块根据在任意两种不同色彩空间下具有映射关系的数据表，把从一种色彩空间输入的数据实时映射到另一种色彩空间输入的数据，并输出给医用显示器显示。

图像处理模块主要构成及工作流程如下：

[1]映射表单元用于存储上位机模块计算得到的在两种不同色彩空间下具有映射关系的数据表；

[2]根据映射表单元中存储的映射数据表，数据计算单元实时计算出从一种色彩空间输入的数据映射到另一种色彩空间输入的数据，并输出给医用显示器显示；

[3]处理控制单元负责与微控制器模块进行通信，并控制图像处理模块的整个工作流程。

5.色彩测量模块第二次测量医用显示器在目标色彩空间下的实际显示的测量值，主要工作及流程包括：

[1]微控制器模块实时控制光源模块等组件正常工作；

[2]色彩测量模块第二次测量显示器在目标色彩空间下的实际显示的测量值，并将数据发送到微控制器模块；

[3]微控制器模块将测量值发送给上位机模块；

6.上位机模块根据理论数据和实际显示的测量值计算出显示器在目标色彩空间下的色彩均匀性误差分布。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。