Глубина цвета информатика: «какой буквой обозначается глубина цвета в информатике?» — Яндекс Кью

Содержание

• 1 Индексированные цвета и палитры
• 2 «Реальные» цвета
  • 2.1 8-битный «реальный» цвет
  • 2.2 12-битный «реальный» цвет
  • 2.3 HighColor
  • 2.4 LCD Displays
  • 2.5 Truecolor
  • 2.6 32-битный «реальный» цвет
  • 2.7 Сверх-Truecolor
  • 2.8 Телевизионный цвет
• 3 Источники
• 4 См. также

Делиться |

Автор:

Майк Флинн, доктор философии; Отделение радиологии, Система здравоохранения Генри Форда

Что такое DICOM GSDF

Стандартная функция отображения в градациях серого (GSDF) для цифровых изображений и коммуникаций в медицине (DICOM) была разработана для обеспечения объективного количественного механизма отображения значений цифрового изображения в заданный диапазон значений яркости, чтобы обеспечивают лучшую визуальную согласованность в том, как изображения отображаются на различных устройствах отображения. Диагностическая ценность медицинского изображения должна быть неизменной независимо от того, на каком дисплее оно представлено, в противном случае возрастает риск ошибок в интерпретации. Связь между значениями цифрового изображения и отображаемой яркостью, как определено GSDF, основана на измерениях и моделях системы восприятия человека в широком диапазоне значений яркости. Он не основан на характеристиках конкретного устройства отображения или модальности отображения; и не зависит от предпочтений пользователя. DICOM GSDF, как следует из названия, предназначен для использования с изображениями в градациях серого (например, рентгеновскими изображениями, МРТ, КТ, УЗИ и т. д.).

Появление контраста на отображаемых изображениях

Когда мы изучаем особенности отображаемого изображения, интересующий объект выделяется на основе относительной яркости объекта по отношению к окружающему фону (Barten, 1999). Однако термин «яркость» следует понимать как термин, используемый только для неколичественной ссылки на восприятие света (Глоссарий ATIS Telecom, 2007 г. ). Количественные измерения яркости производятся с помощью фотометров, которые измеряют яркость в канделах на квадратный метр (кд/м ² ). Фотометрические устройства измеряют только видимые длины волн света, тогда как радиометрические устройства сообщают об наблюдаемой энергии для всех длин волн. Фотометрические устройства всегда будут иметь входной светофильтр, который пропускает свет, соответствующий световой эффективности человеческого глаза, для которой Международная комиссия по освещению (CIE, 2011) определила функцию стандартизации (Wikipedia Luminance Function, 2011).

Количество видимого света, или люменов (лм), излучаемого в определенном направлении в пределах единичного конуса (например, телесный угол в единицах стерадиан (sr)), называется силой света, выраженной в люменах на стерадиан ( лм/ср) или кандела (кд). Яркость (кд/м ² ) в качестве единицы измерения относится к силе света на единицу площади излучающей поверхности (Wikipedia Luminance, 2011). Важно отметить, что единичное значение увеличивается, когда поверхность рассматривается под наклоном, чтобы учесть тот факт, что рецептор в сетчатке глаза собирает свет с большей площади поверхности, если смотреть под углом q от нормали к поверхности. Увеличение составляет 1/cos(q). Многие электронные дисплеи имеют уменьшенное излучение в зависимости от угла обзора на величину cos(q), свойство, известное как ламбертовское излучение, и, таким образом, их яркость и измеренная яркость остаются постоянными в зависимости от угла обзора.

Таким образом, количественной мерой контраста является разница в яркости между интересующим объектом и фоном, L _obj — L _bkg , по отношению к яркости фона, L _bkg .

Человеческое зрение и DICOM GSDF

Порог визуального контраста

Когда наблюдателей просят идентифицировать объект на однородном фоне, вероятность обнаружения объекта быстро возрастает, когда контраст превышает пороговое значение. Психометрическая функция вероятности обнаружения по сравнению с коэффициентом контрастности представляет собой сигмовидную функцию, быстро меняющуюся от нуля до 100%, с порогом контраста, определяемым как коэффициент контрастности для определенного, вероятно, такого как 50%. Уже более полувека ученые экспериментально измеряют порог контрастности для объектов разного размера и фонов разной яркости. Чаще всего объекты имели синусоидальные изменения яркости с контрастом, описываемым разностью яркостей между пиками и впадинами рисунка по отношению к фоновой яркости, dL/L. Ранняя экспериментальная литература часто описывала контраст как половину разницы между максимальной и минимальной яркостью рисунка с синусоидальным изменением (например, синусоидальная амплитуда, деленная на фоновую яркость). Это известно как контраст Майкельсона.

Питер Бартен проанализировал экспериментальную литературу по порогу визуального контраста и представил аналитическую модель для описания типичных действий человека-наблюдателя при просмотре синусоидальных узоров разного размера и пространственной частоты, которые вставляются в изображения с одинаковой яркостью (Barten, 1999). . Из рисунков 3-1 и 3-2 видно, что порог контрастности составляет от 0,010 до 0,007 для изображений с яркостью от 20 до 500 кд/м ² . Это типично для ярких изображений, представленных на медицинском мониторе. Однако более темные изображения с яркостью менее 20,0 кд/м ² будет иметь значительно более высокий порог контрастности.

Рисунок 3-1: Сцена изображения с синусоидальным узором, используемая для измерения порога контрастности.
Проиллюстрированы контрастный порог, C _t , и контрастный порог Майкельсона, C _tm .

Рисунок 3-2 Порог контрастности в зависимости от яркости для шаблона квадратного объекта 21 мм
с синусоидальной модуляцией 0,5 цикла на мм, что видно с расстояния 60 см.

Настройка контрастности дисплея для улучшения представления

Медицинские изображения, представленные на дисплеях, имеют значения пикселей изображения, сохраненные в виде чисел. Это могут быть числа Хаунсфилда КТ-изображения или числа, отправленные цифровым рентгенографическим устройством после применения изображения, обработанного для улучшения характеристик. Рабочие станции преобразуют эти значения в значения графического отображения, используемые графической картой компьютера и монитором.

Компьютерные графические объекты операционной системы обычно обрабатывают все изображения как имеющие три цветовых канала: красный, зеленый и синий. На сегодняшний день большинство систем описывают каждый из каналов как 8-битное число в диапазоне от 0 до 255. Хотя новые системы с совместимыми графическими картами и мониторами могут использовать 10-битные каналы со значениями в диапазоне от 0 до 1023, мы рассматриваем здесь традиционные 8-битные системы. Для изображений в градациях серого мы представляем только те цвета, для которых красный, зеленый и синий каналы почти равны. Если мы допускаем разницу в одну единицу между каналами, можно представить палитру из 1786 значений серого с различной яркостью (Flynn, 2003). Специализированные медицинские мониторы быстро регулируют яркость дисплея в чередующихся кадрах, чтобы получить более крупные серые палитры.

Преобразование значений пикселей изображения в градациях серого сначала преобразуется приложением просмотра для линейного преобразования значений на основе ширины и уровня окна в 8-битное число с 256 значениями серого. Затем эти значения серого сопоставляются с оттенками серого из доступной палитры в зависимости от желаемой яркости. Яркость как функция значения серого от 0 до 255 представляет собой яркостную характеристику дисплея. Относительное изменение яркости от одного значения серого к другому, dL/L, влияет на контраст представленного изображения в темных, средних и ярких областях серого.

В целом, мы хотим, чтобы отклик яркости имел одинаковый контраст для каждого перехода уровня серого. Однако, поскольку зрительная система человека не так эффективна в темных областях, мы компенсируем это повышением контрастности дисплея при низких значениях яркостного отклика. При построении графика в виде логарифмической зависимости яркости от значения серого желаемая характеристика яркости имеет плавно изменяющийся наклон, который становится более крутым для низких значений. Эта желаемая форма получается из справочной таблицы (LUT), которая сопоставляет значения серого с элементами палитры серого с желаемой яркостью (см. рис. 3-3).

Рисунок 3-3: Типичная яркостная характеристика системы отображения после преобразования
со справочной таблицей (LUT).

Важность коэффициента яркости, L

Порог зрительной контрастности человека обычно измеряется с использованием изображений с однородной фоновой яркостью и небольшого низкоконтрастного объекта с синусоидальным изменением яркости. Для определения порога контрастности в зависимости от яркости используется множество изображений с разной яркостью. Для каждого просматриваемого изображения зрительная система человека способна адаптироваться к представленной яркости фона.

Однако это нетипично для интерпретации медицинских изображений. В этих ситуациях одно изображение имеет области темной, средней и высокой яркости, и в каждой из этих областей могут появиться небольшие низкоконтрастные структуры. Зрительная система человека адаптируется к общей яркости представленной сцены и не способна оптимально адаптироваться к очень ярким и темным участкам (Flynn, 1999; Tchou, 2007).

Необходимо настроить любое устройство отображения так, чтобы соотношение максимальной и минимальной яркости, L _max /L _min , не превышает коэффициента яркости (LR), при котором зрительная система человека имеет достаточно хорошую контрастную реакцию. Для больших LR, таких как 650, не будет восприниматься контраст в темных областях, соответствующих нижнему диапазону ширины окна. Большой LR обычно используется в графических презентациях, где желательны глубокие оттенки черного, но они не подходят для интерпретации медицинских изображений. С другой стороны, при значениях LR ниже примерно 250 снижается контрастность во всем диапазоне яркостей, и изображение выглядит размытым. Хорошим компромиссом для медицинских изображений является коэффициент яркости 350.

Раньше коэффициент яркости устройств с электронно-лучевой трубкой (ЭЛТ) устанавливался путем регулировки контрастности (L _макс. ) и яркости (L _мин. ) при просмотре изображения, такого как тест SMPTE. шаблон. Современные ЖК-дисплеи, использующие цифровой интерфейс, могут устанавливать общую яркость подсветки только для регулировки L _max . Установка L _min выполняется с помощью справочной таблицы, чтобы начать преобразование оттенков серого с желаемого значения.

Рисунок 3-4: Порог контрастности как функция яркости для общей адаптации к
одно изображение проиллюстрировано по отношению к адаптации к нескольким изображениям.

Стандартизация отклика яркости Между L

Связь между яркостью и отображаемыми значениями от 0 до 255 известна как функция отклика яркости. В общем, контрастные характеристики изображения, отображаемого на разных рабочих станциях, будут эквивалентны, если общий коэффициент яркости L _max /L _min и форма функции отклика яркости одинаковы. Поэтому желательно иметь стандартную функцию, которую можно использовать для настройки яркостного отклика рабочих станций во всех медицинских центрах. Для медицинских изображений для этой цели широко используется стандартная функция отображения в оттенках серого (GSDF), определенная в части 14 стандарта DICOM (DICOM, 2009). Связь между яркостью и отображаемым значением, определяемая этой функцией, специально получена из модели порога контрастности Бартона. В частности, контрастность DL/L как функция L пропорциональна порогу контрастности, где DL/L связана с изменением яркости между последовательными уровнями серого. Таким образом, темные участки изображения усиливаются по контрасту, что объясняет плохой отклик системы человеческого зрения.

Важно понимать, что мониторы, сконфигурированные с яркостной характеристикой, следующей за GSDF, не обеспечивают линейно увеличивающееся восприятие яркости в диапазоне значений дисплея от 0 до 255. Это связано с контрастной характеристикой глобально адаптированного человеческого зрения. системы при просмотре одного изображения с широким диапазоном яркости. Если мы представим ступенчатый шаблон оттенков серого с равномерными шагами значений отображения от 0 до 255, контраст на более темных шагах будет заметен меньше. Для просмотра или интерпретации медицинских изображений важно, чтобы все рабочие станции во всех центрах видели одни и те же контрастные характеристики. Это достигается за счет настройки всех рабочих станций на яркостную характеристику, следующую за GSDF, и на один и тот же L _макс /л _мин .

Пропорциональные меры яркости изображения были предметом интереса многих других групп. Для графических искусств Международная комиссия по освещению или Международная комиссия по освещению определили шкалу яркости для всех цветов, включая серый, обозначаемую как L* или Lstar. Аналитические отношения, которые начинаются с яркости, как она понимается трехстимульной моделью восприятия человеческим глазом, используются для получения значений L*, которые пропорциональны восприятию яркости наблюдателями. При использовании рабочая станция настраивается таким образом, чтобы значения серого были пропорциональны L*. Это обеспечивает альтернативный стандарт отклика яркости, хотя и несколько отличающийся от GSDF.

На рис. 3-5 показано, как логарифм (яркость) в зависимости от отображаемого значения построен для стандартной функции отображения DICOM в оттенках серого (GSDF) и для отклика яркости CIE L*. Калибровка L* приводит к более низкому усилению контраста яркости, чем DICOM GSDF.

Рисунок 3-5: Отклик яркости монитора после калибровки с использованием справочной таблицы

Рекомендация DICOM: Калибровка мониторов

Пока все в порядке, но как на самом деле откалибровать мониторы? Для большинства пользователей медицинских рабочих станций наиболее частым вопросом является калибровка монитора. Решение зависит от типа используемого монитора:

Professional Medical

Медицинские мониторы с очень высоким разрешением, которые продаются специально для использования рентгенологами и другими специалистами, обычно выполняют калибровку внутри монитора. Раньше большинство медицинских мониторов продавались как монохромные устройства, отображающие только оттенки серого. В настоящее время они чаще продаются как цветные устройства, которые по-прежнему обеспечивают откалиброванное отображение шкалы серого. Шаг пикселя этих устройств составляет около 0,200 микрона, а размер массива — 1536×2048 или больше. Графические значения RGB отправляются на монитор с графической карты, где постоянно хранимая таблица LUT используется для преобразования значений RGB в цифровые уровни возбуждения (DDL) панели дисплея. Значения DDL обычно имеют точность 10-12 бит, что позволяет точно определить яркость для каждого значения RGB.

Калибровочные таблицы для этих устройств предоставляются производителем. Выбор используемой таблицы может быть выполнен с помощью программного обеспечения, предоставленного производителем. Это программное обеспечение можно использовать для установки L _max и коэффициент яркости, или L _min , и отрегулируйте влияние окружающего освещения. Многие системы также будут предоставлять программное обеспечение для удаленного мониторинга производительности монитора, а некоторые будут включать постоянно подключенный экспонометр.

Профессиональная графика

Профессиональные мониторы с хорошим разрешением, которые продаются специально для рынков полиграфии, теперь предоставляют возможность для медицинской визуализации, особенно при использовании для просмотра изображений поперечного сечения. Профессиональные графические мониторы обычно имеют отличные характеристики цветопередачи. Текущие продукты имеют шаг пикселя около 230 микрон при размерах матрицы 2560×1440. Их широкий формат полезен при просмотре заставки. В этих продуктах также предусмотрены внутренние LUT с DDL, имеющими точность 12 бит или более. Некоторые из них теперь специально предназначены для выбора яркостной характеристики DICOM и настройки L 9.0124 макс и L _мин . Многие могут использовать то же медицинское программное обеспечение, которое производитель использует для медицинских мониторов.

Потребительские и бизнес-мониторы

Мониторы, используемые направляющими врачами, медсестрами и рентгенологами, обычно представляют собой устройства общего назначения, продаваемые для потребительского или коммерческого использования. В эту категорию попадает очень большое количество продуктов, и их производительность сильно различается. Следует обратить внимание на то, чтобы использовать только устройства с высокой яркостью и широким углом обзора. Как правило, эти устройства не имеют внутренних LUT, которые могут установить желаемое соотношение яркости и отклик яркости DICOM. Вместо этого LUT должны быть загружены программно в графический драйвер. Для этой цели доступно как коммерческое, так и общедоступное программное обеспечение. Однако, поскольку LUT не установлены в мониторе постоянно, необходимо следить за тем, чтобы программное обеспечение постоянно загружало LUT в драйвер.

Рекомендация DICOM: проверьте мониторы

Второй наиболее часто задаваемый пользователями вопрос: что я могу сделать, чтобы оценить, правильно ли откалиброван мой монитор? В этом случае решение зависит от желаемой точности.

Визуальный

Самая быстрая и простая оценка может быть сделана путем визуального изучения тестового шаблона на контрастность (см. Рисунок 3-6). В то время как шаблон тестирования SMPTE ранее широко использовался, как AAPM (Samei, 2005), так и IEC (IEC, 2011) недавно разработали тестовые шаблоны контроля качества, которые несколько лучше. Самое главное, что должен сделать пользователь, — это ознакомиться с внешним видом рисунка на правильно откалиброванных мониторах. Аберрантный контрастный внешний вид будет быстро оценен. Быстрый просмотр такой тестовой таблицы можно легко выполнять ежедневно.

Рисунок 3-6: Шаблон отображения в градациях серого, полезный для демонстрации характеристик контрастности
изображений, представленных на рабочей станции (из программного пакета pacsDisplay, Henry Ford Health System).

Контроль качества

Для количественной оценки калибровки дисплея требуется фотометр. Обычно они подключаются к компьютеру с дисплеем с помощью USB-кабеля и считываются с помощью программного приложения, которое отображает различные значения серого цвета дисплея. Для быстрой оценки контроля качества контраста по сравнению с уровнем серого можно выполнить около 17 измерений контраста, дл/л, во всем диапазоне яркости. AAPM и IEC рекомендуют (Samei, 2005; IEC, 2011), чтобы это сообщалось с контрастом, нормализованным по стандарту DICOM, дл/л на JND, и по сравнению с контрастом, связанным с GSDF (рис. 3-7). Программное обеспечение, предоставляемое производителями медицинских и профессиональных мониторов, будет выполнять такие измерения и строить графики результатов.

Рисунок 3-7: Результаты проверки качества контрастного отклика для бизнес-класса
монитор, используемый врачом УЗИ (измерения и анализ с помощью pacsDisplay v1.9,
Системы здравоохранения Генри Форда). Максимальное отклонение 18,5 % находится в пределах 20 %, предложенных
. AAPM для дополнительных мониторов.

Расширенный

Многочисленные расширенные тесты производительности монитора используются в лабораторных условиях для оценки важных характеристик дисплея в дополнение к калибровке яркостного отклика (например, однородность, шум, зависимость от угла обзора, коэффициент отражения, артефакты и т. д.). Что касается яркостного отклика, расширенный тест обычно включает измерение возможных уровней серого (Samei, 2005). Для оценки изменений яркости между уровнями серого требуются фотометры с высокой точностью.

Цветные дисплеи DICOM

Цвет для медицинской фотографии и других приложений, основанных на цвете

Цветной дисплей вызывает серьезные проблемы с калибровкой, помимо отклика яркости шкалы серого. В радиологии, где большинство изображений представлено в оттенках серого, мониторы часто отличаются цветовым оттенком шкалы серого. Полностью белое изображение может появиться с несколько синим оттенком или с более теплым оттенком коричневого. Типичная проблема заключается в том, что мониторы имеют похожий белый тон. Многие цветные мониторы могут устанавливать точку белого с помощью элементов управления экранного меню. Использование цветовой температуры 6500 градусов (Wikipedia Color, 2011) популярно и аналогично стандартному источнику дневного света CIE D65.

Как правило, монитор не может отображать насыщенные красный, зеленый или синий цвета, которые способен воспринимать человеческий глаз. Уменьшенная гамма цветового отображения называется цветовым пространством. Логичным выбором для общего цветного отображения является цветовое пространство sRBG, используемое многими камерами и потребительскими/бизнес-мониторами. Для определенных приложений, где требуется лучшее цветовое пространство, aRGB поддерживается профессиональными графическими мониторами и более дорогими цифровыми камерами.

Для учета свойств цветопередачи камеры и точных характеристик отображения монитора доступно программное обеспечение для управления цветом, которое может преобразовывать цветовое пространство исходного устройства в эталонное пространство, а затем преобразовывать из эталонного пространства в цвет монитора. космос (Цвет, 2011). Хотя управление цветом еще не получило широкого распространения в приложениях для обработки медицинских изображений, оно широко используется в обычных приложениях для обработки изображений, включая веб-браузеры (например, Internet Explorer 9).