Endoscopic Vision Augmentation Using Multiscale Bilateral-Weighted Retinex for Robotic Surgery

医疗机器人手术视觉是微创外科手术成功与否的关键所在。由于手术器械医学电子内镜自身内在的局限性，导致了手术视野不清晰、光照不均、多烟雾等诸多问题，使得外科医生无法准确快速感知与识别人体内部器官中的神经血管以及病灶位置等结构信息，这无疑增加了手术风险和手术时间。针对这些手术视觉问题，本论文提出了一种基于双边滤波权重分析的多尺度Retinex模型方法，对达芬奇医疗机器人手术过程中所采集到的病患视频进行处理与分析。经过外科医生对实验结果的主观评价，一致认为该方法能够大幅度地增强手术视野质量；同时客观评价实验结果表明本论文所提出方法优于目前计算机视觉领域内的图像增强与恢复方法。 厦门大学信息科学与技术学院计算机科学系罗雄彪教授为本文第一作者。【Abstract】Endoscopic vision plays a significant role in minimally invasive surgical procedures. The visibility and maintenance of such direct in-situ vision is paramount not only for safety by preventing inadvertent injury, but also to improve precision and reduce operating time. Unfortunately, endoscopic vision is unavoidably degraded due to illumination variations during surgery. This work aims to restore or augment such degraded visualization and quantitatively evaluate it during robotic surgery. A multiscale bilateral-weighted retinex method is proposed to remove non-uniform and highly directional illumination and enhance surgical vision, while an objective noreference image visibility assessment method is defined in terms of sharpness, naturalness, and contrast, to quantitatively and objectively evaluate endoscopic visualization on surgical video sequences. The methods were validated on surgical data, with the experimental results showing that our method outperforms existent retinex approaches. In particular, the combined visibility was improved from 0.81 to 1.06, while three surgeons generally agreed that the results were restored with much better visibility.The authors thank the assistance of Dr. Stephen Pautler for facilitating the data acquisition, Dr. A. Jonathan McLeod and Dr.Uditha Jayarathne for helpful discussions

A Wavelet Perspective on Variational Perceptually-Inspired Color Enhancement

International audienc

Variational image fusion

The main goal of this work is the fusion of multiple images to a single composite that offers more information than the individual input images. We approach those fusion tasks within a variational framework. First, we present iterative schemes that are well-suited for such variational problems and related tasks. They lead to efficient algorithms that are simple to implement and well-parallelisable. Next, we design a general fusion technique that aims for an image with optimal local contrast. This is the key for a versatile method that performs well in many application areas such as multispectral imaging, decolourisation, and exposure fusion. To handle motion within an exposure set, we present the following two-step approach: First, we introduce the complete rank transform to design an optic flow approach that is robust against severe illumination changes. Second, we eliminate remaining misalignments by means of brightness transfer functions that relate the brightness values between frames. Additional knowledge about the exposure set enables us to propose the first fully coupled method that jointly computes an aligned high dynamic range image and dense displacement fields. Finally, we present a technique that infers depth information from differently focused images. In this context, we additionally introduce a novel second order regulariser that adapts to the image structure in an anisotropic way.Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Fusion mehrerer Bilder zu einem Einzelbild, das mehr Informationen bietet als die einzelnen Eingangsbilder. Wir verwirklichen diese Fusionsaufgaben in einem variationellen Rahmen. Zunächst präsentieren wir iterative Schemata, die sich gut für solche variationellen Probleme und verwandte Aufgaben eignen. Danach entwerfen wir eine Fusionstechnik, die ein Bild mit optimalem lokalen Kontrast anstrebt. Dies ist der Schlüssel für eine vielseitige Methode, die gute Ergebnisse für zahlreiche Anwendungsbereiche wie Multispektralaufnahmen, Bildentfärbung oder Belichtungsreihenfusion liefert. Um Bewegungen in einer Belichtungsreihe zu handhaben, präsentieren wir folgenden Zweischrittansatz: Zuerst stellen wir die komplette Rangtransformation vor, um eine optische Flussmethode zu entwerfen, die robust gegenüber starken Beleuchtungsänderungen ist. Dann eliminieren wir verbleibende Registrierungsfehler mit der Helligkeitstransferfunktion, welche die Helligkeitswerte zwischen Bildern in Beziehung setzt. Zusätzliches Wissen über die Belichtungsreihe ermöglicht uns, die erste vollständig gekoppelte Methode vorzustellen, die gemeinsam ein registriertes Hochkontrastbild sowie dichte Bewegungsfelder berechnet. Final präsentieren wir eine Technik, die von unterschiedlich fokussierten Bildern Tiefeninformation ableitet. In diesem Kontext stellen wir zusätzlich einen neuen Regularisierer zweiter Ordnung vor, der sich der Bildstruktur anisotrop anpasst

Variational image fusion

The main goal of this work is the fusion of multiple images to a single composite that offers more information than the individual input images. We approach those fusion tasks within a variational framework. First, we present iterative schemes that are well-suited for such variational problems and related tasks. They lead to efficient algorithms that are simple to implement and well-parallelisable. Next, we design a general fusion technique that aims for an image with optimal local contrast. This is the key for a versatile method that performs well in many application areas such as multispectral imaging, decolourisation, and exposure fusion. To handle motion within an exposure set, we present the following two-step approach: First, we introduce the complete rank transform to design an optic flow approach that is robust against severe illumination changes. Second, we eliminate remaining misalignments by means of brightness transfer functions that relate the brightness values between frames. Additional knowledge about the exposure set enables us to propose the first fully coupled method that jointly computes an aligned high dynamic range image and dense displacement fields. Finally, we present a technique that infers depth information from differently focused images. In this context, we additionally introduce a novel second order regulariser that adapts to the image structure in an anisotropic way.Das Hauptziel dieser Arbeit ist die Fusion mehrerer Bilder zu einem Einzelbild, das mehr Informationen bietet als die einzelnen Eingangsbilder. Wir verwirklichen diese Fusionsaufgaben in einem variationellen Rahmen. Zunächst präsentieren wir iterative Schemata, die sich gut für solche variationellen Probleme und verwandte Aufgaben eignen. Danach entwerfen wir eine Fusionstechnik, die ein Bild mit optimalem lokalen Kontrast anstrebt. Dies ist der Schlüssel für eine vielseitige Methode, die gute Ergebnisse für zahlreiche Anwendungsbereiche wie Multispektralaufnahmen, Bildentfärbung oder Belichtungsreihenfusion liefert. Um Bewegungen in einer Belichtungsreihe zu handhaben, präsentieren wir folgenden Zweischrittansatz: Zuerst stellen wir die komplette Rangtransformation vor, um eine optische Flussmethode zu entwerfen, die robust gegenüber starken Beleuchtungsänderungen ist. Dann eliminieren wir verbleibende Registrierungsfehler mit der Helligkeitstransferfunktion, welche die Helligkeitswerte zwischen Bildern in Beziehung setzt. Zusätzliches Wissen über die Belichtungsreihe ermöglicht uns, die erste vollständig gekoppelte Methode vorzustellen, die gemeinsam ein registriertes Hochkontrastbild sowie dichte Bewegungsfelder berechnet. Final präsentieren wir eine Technik, die von unterschiedlich fokussierten Bildern Tiefeninformation ableitet. In diesem Kontext stellen wir zusätzlich einen neuen Regularisierer zweiter Ordnung vor, der sich der Bildstruktur anisotrop anpasst