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摄影机屏幕
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2003-10
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E-publication
WeBSurg.com, Oct 2003;3(10).
URL: http://www.websurg.com/doi-ot02cn307a.htm
URL: http://www.websurg.com/doi-ot02cn307a.htm
摄影机屏幕
1. 简介
内视镜式外科影像一般是透过摄影机所捕获的影像呈现在摄影屏幕来观看.2. 监视器
• 1. 阴极线管(CRT)监视器
大多数手术室使用阴极线管监视器. • 2. 液晶显示(LCD)屏幕
最近引进的平面液晶显示(LCD)屏幕还无法取代传统的屏幕. 对外科医师来说影像监视器是影像链中最后的元素. 对于此链的其它元素, 最微弱的环节将决定整体质量(一条链的强度与其最微弱环节的强度是一致的, 正如古老的谚语所言)3. 功能基本原理
• 1. 功能基本原理
• 影像呈现
一个影像在阴极线管影像监视器屏幕上呈现是以连续横线从上到中快速穿越屏幕, 由3个电子枪所产生的电子束打在涂上磷光蔽荫屏蔽的屏幕上而产生在阴极线管影像监视器上(一个很多洞的金属屏幕)• 遮蔽物的种类
每一种光束都有专用的一种磷光体被敲击后会散发出不同颜色: 红色, 绿色和蓝色(参照RGB格式)• 红, 绿, 蓝
此三种基本原色可加在一起而产生完整可看见的光谱. 电子束以某种程度的强度来照亮每个磷光点以产生影像的颜色.• 标准规格
欧洲标准规格(PAL:Phase Alternate Line, SECAM:Séquentiel Couleur A Mémoire) 和美国规格(NTSL: National Television System Committee) 是不一样的, 可是它们的原理是一样的.• 点缀
CRT摄影系统利用PAL, SECAM 及 NTSC规格是互相交织的. 每个架构是由两个画面由两个传递所呈现. 一开始, 由屏幕的上端往下端扫描只有两条横线的其中一条被扫到(奇数线—基数场). 再来,其它线也被扫描(偶数线=偶数场)到. 所以, 以交织的原理, 整个屏幕会先显示第一次交替线画面, 再来显示第二次画面以填补第一次所留下的缺口. 在欧洲, 影像的更新是以25次/秒呈现在50赫兹的屏幕上.(可以以每秒50次来更新画面).
影片格都是以1/25 画格/秒和两个交错画面呈现1/50画格/秒. 完整的影像(2场)是以每1/25秒更新一次. 由于影像保留在眼睛视网膜的时间(大概1/30秒)比画面更新的速度还久, 所以大脑无法察觉单独画面而是完整的影像呈现. 再加上, 电子冲击之后, 磷光有停滞效应可以帮助它们抓住光线一段时间让大脑察觉一个持久的画面. 双重扫描结构可预防屏幕的闪烁及增加影像的清晰度. 每一范围(基数和偶数)相当于312.2线画面的一半因而产生完整的625线画面(只有576线用于影像, 其余的线用于声音, 同步化及用于其它信号, 例如电视文学广播). 针对进行性的扫描来说, 也就是说在一个画面还没出现之前, 前一个画面的全部线是以由上传到中间方式显示出来用交织的方法是比较被接受的, 因为当扫描的速度不够时, 第一条线在光束到达中间点时已开始消失.
至于标准NTSC, 操作系统是完全一样的. 唯一不同的是横式扫描线的数目及画面刷新的速率(由于电流的震荡频率).
• 2. 阴极线管(CRT)录像屏幕的分辨率.
• 100赫兹屏幕“100 Herz” monitor
使用于外科手术的录像屏幕一般是利用100赫兹版本. 意思就是说影像会以50次/秒的速度更新, 而相对于传统使用的屏幕则以25次/秒的速率来更新. 换言之, 画面是以双倍的频率及双倍的速度更新. 因此影像会更柔和, 平滑及少闪烁因而降低眼睛疲劳.• 分辨率
手术专用录像屏幕的水平分辨率在近十年来已增加二倍, 同时现在已接近高清晰度屏幕.电视屏幕的分辨率取决于水平扫描线数目(相当于录像标准已订定的垂直分辨率)乘以垂直扫描线的数目(＝水平分辨率). 而此分辨率取决于任何扫描线所呈现的肩并肩的点(磷光体)的数目, 也因此取决于将它们分开的距离. 实际上, 这是指水平面的垂直线之间最大的距离, 同时在同一面上分辨出白和黑. 这些线彼此愈靠近的话, 屏幕的表面所能看到的线之数目也相对增加.屏幕的水平规格取是由它的厂商所提供, 而厂商是利用测试图来测量.
举例来讲:
以一个拥有300条水平线的摄影链, 在屏幕正中央的参考表面上可以数出300条交替的暗线及白色空间. 大部份的单一CCD相机拥有400条的水平分辨率的线.
无论如何, 现今最新的录像相机拥有800条, 有时甚至900条的水平分辨率.
适当使用这些镜头需要有高清晰度的屏幕, 目前屏幕大部份提供800到900条水平线的分辨率. 正如上述说明书所述, HDTV(高清晰度电视).屏幕提供1000多条水平线的分辨率. 不过必须谨记在心的是垂直分辨率(水平线的数目)取决于所使用的录像标准规格(PAL=625条线, NTSL=525条线, HDTV PAL=1250条线及HDTV NTSL=1050条线).
• CRT屏幕的型号
录像机屏幕的型号是以其对角线来下衡量的 (包括屏幕的框架). 最普遍的对角线为36, 42, 51或63公分 (14.17.19或25吋). 一般来说, 建议以相当于屏幕对角线的4至5倍的距离来观看手术录像. 就是这个原因建议腹腔镜使用51公分的屏幕, 因为这型屏幕允许外科医师及外科团队在距离监视器2.5公尺(8呎)下仍可看的很清楚. 以更小的屏幕来操作的话会导致眼睛疲劳.• 3. 连接
录像屏幕和内视镜式摄影机的连接雷同以达到兼容性. 这是复合性连接(BNC); 亮度(光强度)及色彩(颜色)合并成单一信号及组成性连接(Y/C及RGB)其中参数部份被分开. 必须注意到的一点是新的数字相机拥有DVI(界面式数字视讯)的数字输出, 可以直接传送一个数字信号而不需要数字及模拟的转换. 此类连接只能用于数字屏幕(例如LCD).以下连接可在出现在屏幕的背后:
- BNC(Bayonet Neill Concelman):电视输出;
--Y/C=S-录像=S-VHS:两个独立电缆, 一个用于光强度, 另一个用于颜色而相
者混合(Y=亮度同步化信号, C=色彩);
-RGB(红-绿-蓝): 三个相同长度的BNC连接管, 每一管负于其基本色.
亮度是不被传达而是将三种颜色以以下的公式相加起来: Y=1:白色=0.3R
0.59V 0.11B;
- RGB-S:第四个电缆传送影像同步化信号, 用来使不一样的录像设备同步化.
被传送影像的质量主要依据所使用的连接. 从电子观点来看, 影像的质量取决于摄影机所捕获影像和屏幕所收到之间数据传送的数量以及信号处理的质量. 最差的质量由合成BNC连接所获得, 最理想的质量由组成式RGB连接所获得.
如果要达到正确的白对比及产生准确可靠的颜色这是必须的. 然而, 一般来说分辨率会被屏幕所限制, 以致于和Y/C连接相比的话RGB连接没有明显的进步. 必须要注意的是如果使用RGB连接, 屏幕上的颜色是无法修饰的.
• 4. 平面屏幕的LCD
• 1
相对于类似录像屏幕, 平面屏幕是数字计算机屏幕.两种主要的LCD屏幕:
- DSTN(双层扫描扭转向列型)屏幕, 更被命名为被动矩阵屏幕, 也就是说每个像素(图像元素)的启动是由一个电荷往下经过一个垂直圆柱及水平列输送来控制的. 当它们相遇时, 它们将像素解开.
-TFT(胶卷三极体(晶体管)屏幕, 也被称为活跃矩阵屏幕, 其每个像素是由自己的三极体(晶体管) 所控制.
手术室里只有使用TFT屏幕.
LCD技术背后的原理和CRT屏幕背后的原理是不同的. 除了扫描电子束, 有一个由液晶体聚集在像素下RGB三合一所组成的极板网栅放置在光源前面.
• 2
这些液晶体的特性式它们线样结构及当给予电流时它们改变方向的方式.此特性能修饰光线的极性.然后光可选择通过液晶体.这些屏幕的分辨率不是利用扫描线的数目来计算, 而是以最大的显像表面. 这相当于实际存在于极板网栅上的像素数目(例如1600*1200). 另一个参数是音调; 像素之间的距离已厘米来计算. 音调越低, 像素之间越靠近, 增加其分辨率.
一个好的LCD监视器拥有低于0.28厘米的音调.
刷新速率不是依据交流电(AC)的频率, 而是依据录像信号所定义的刷新频率.(PAL=25影像/秒, NTSC=30, HDTV PAL=50 及 HDTV NTSC=60).
LCD屏幕比CRT屏幕更能提供真正的优点. 由于缺少阴极线管,它们普通来说更亮及比较不笨重. 它们的体积是以测量对角线并以吋来计算此相当于实际观看的范围. 一个19吋的LCD屏幕略相当于一个51公分的CRT屏幕. 另一个好处就是影像不是像CRT监视器一样被扫描, 所以就算当观看者距离屏幕很近时也不会使的眼睛疲劳. 另外, 不再是直接电磁辐射放射, 尤其靠近的话会察觉到的.
最后由液晶体组成的固定极板网栅之系统传送相同质量的影像到屏幕的每个点. 结果, 屏幕的边缘不再模糊不清或扭曲.
不过也有一些缺点. 一开始, 莹幕显示的质量还是有差. 这主要是由于每个像素的反应时间. 当影像快速改变时, 观看者可察觉到滞缓的影像. 另一个主要缺点涉及到观看者角度.
这在被动矩阵屏幕是公然较差的, 因为当观看者不是处在屏幕的对面时, 影像是难看的. 现今活跃矩阵屏幕以做非常大的进步, 观看角度超过70度,平面及垂直为特征. 实际操作时, 当观看者从屏幕正中间往外移动时, 影像的质量持续恶化. 此外, LCD较难产生黑色及深暗灰色. 结论是LCD普遍来说比CRT有更低的对比及对低强度颜色的彩饱和度也相对减少了. 最后, LCD比CRT屏幕更脆弱. LCD可持续的拥有很多微弱或阻塞的像点, 且是远久无法修补的伤害.
• 5. 等离子体屏幕
• 1
等离子体技术可以生产宽大, 平面的屏幕这样可以提供宽的屏幕显示(展弦比:16:9). 一个等离子显示器是由一层空气注射到二片平行玻璃壁板之间, 且两层玻璃都是被多排的电极所覆盖着. 当有电流供应时, 空气会反应而产生等离子体的紫外线光. 而紫外线光会和每个影像点上的红.绿及蓝磷光体起反应产生可见光. 不像其它影像扫描技术, 影像会扫过屏幕, 在等离子体技术...... • 2
等离子体屏幕提供比LCD屏幕更好的影像质量. 然而等离子体屏幕的影像质量仍然次于CRT屏幕的影像质量尤其是颜色准确性及对比而言.等离子体屏幕如果使用于标准的手术房来说太大了, 且在2003年没有一个符合医学标准.
4. 合理的需求/腹腔镜
为达到腹腔镜的理想条件, 高性能的录像系统是必备的. 起初,很多腹腔镜的组件是利用625条垂直分辨率(PAL标准)及300至400条水平分辨率的屏幕来装备的. 现今, CCD(计算机控制显示器)感应器已使摄影机的影像变的完美, 所以建议使用拥有800至900条水平分辨率的屏幕. 原则上, 腹腔镜屏幕的分辨率应该越接近摄影机的分辨率越好, 以预防一些可避免的信号降级.5. 可利用的工具
监视器乃依据屏幕对角线的测量, .水平分辨率及可调整的可能性. 屏幕应该按照摄影机影像来调整. 以标准腹腔镜手术来讲, 建议使用51公分(19 inch) 对角线屏幕, 100赫兹的影像刷新速率及800条水平分辨率的屏幕. 这些容量目前能够提供非常棒的内视镜摄影机所传输来的影像.6. 使用方法及调整
• 1. 安装
监视器在手术房的安装主要依据腹腔镜使用的频率. 通常监视器是放在一组腹腔镜组件上且跟随其它设备一起移动. 建议在手术房安装第二个监视器在第一个监视器的对面以提供助手一个很好的手术视野. 另外它允许整个外科团队,包括麻醉科医师, 不管他们站在哪个角度都能密切注意每一个手术步骤,且顺应手术过程中的每个动作. 合理来讲, 第三个固定式监视器可安装在手术房里预定位置. • 2. 寿命
相对于一般的看法, CRT监视器不会永远的保持良好状态. 扫描屏幕的光束排列在穿过蔽荫屏蔽时会慢慢地的消失其精密度. 电子枪会慢慢地遗失它们的能力及屏幕上的磷光层也慢慢地改变, 尤其当一个固定的影像呈现在屏幕上一段很长的时间. 个人必须考虑到一个录像监视器被使用超过6000小时之后再也无法达到其最大效力同时要记住阴极线管被设计来运作大概20000小时而以.大部份使用者使用此监视器3至6年之后就达到此寿命因为监视器通常被照亮超过其真正被使用的时间. 因此电子束必须重新被厂商校正. 如果它已损失太多电力或如果磷光层已改变, 监视器必须同时被更换.• 3. 色温
正如在冷光源和摄影机章节所提到的, 在录像系列所做的调整必须能够符合冷光源的色温. 目前, 手术一般会使用金属卤化物灯或氙弧形灯来进行, 其色温度是在5600至6000绝对温度(K)之间. 大部份录像屏幕被设定在6500K左右. 一旦已被核对,不需再做特别的调整. 计算机屏幕的色温设定比较高(9500K)所以需要被调整. 这些调整通常可经由屏幕上的选择单来完成(参阅厂商的使用指南). • 4. 相关调整
CRT监视器的相关调整:大部份监视器拥有相同的调整系统:
-颜色或色度: 调整图像大致上的色度. 如果这个屏幕连接到RGB连接的录像源. 此调整是无效的.
-位相: 使红色看起来偏紫色或偏绿色(只有作用在非RGB及NTSC标准).
-对比: 修饰影像中光度最暗与最亮的差异. 它也可修饰颜色的重现及显示.
-孔径: 使影像的轮廓光滑或更清晰. 如果屏幕上有文字, 调整的效果更明显但是使用如果连接到
RGB是无法操作的.
-消磁: 当有不良的磁场扭曲影像或颜色时可将CRT去磁化. 屏幕重新启动之后会自动消磁. 被启动
之后会自动发生. 和最后一次消磁至少10分钟内不可再被消磁.
- -输入选择器(A,B, RGB线): 选择符合所使用录像源的连接之信号(BNC.Y/C.RGB).
7. 使用问题
除了电子束消失所引起的全部影像消失外, 监视器只会被某些改变而影响. 最主要的异常起因于监视器被置于太靠近电磁源或金属物体. 这将导致屏幕上电子束偏离轨道产生色晕大部份为绿色. 此解决方法为将屏幕从电子偏轨源移开. 如果发生显示的改变, 监视器必须送回厂商以确认及重新校正. 如果问题出于阴极线管的缺陷, 必须被替换. 由于修补的高成本, 整组监视器一般都会被换掉.8. 结论
成为摄影链的最终元素, 监视器通常是整个链的界限决定因子所以不容忽略. 其质量及分辨率必须相当于摄影机以提供外科医师最理想的视觉舒适度.