專利名稱：立體視頻觀察和圖象放大系統的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及立體觀察系統，以及更具體而言涉及要用于手術和其它醫療應用中的立體視頻觀察和放大系統。
背景技術：
當前執行外科手術和其它醫療操作的外科醫生不得不在一系列不同的手術期間或者甚至在單個手術期間中使用不同的觀察方法。每種觀察方法涉及使用不同的儀器和設備。盡管對于一些獨立的手術操作來說自然觀察就足夠了，但是許多種手術需要操作視場的放大以及外科醫生視覺的增強。通過使用具有相關放大能力范圍的一系列光學設備，向執行這種手術程序的外科醫生提供他們所操作的區域的放大圖像。手術放大設備的組合中包括各種光學系統，例如簡單的小型放大器、具有或沒有頭燈的可佩帶的雙目小型放大鏡，或者在顯微外科的情況下采用的手術顯微鏡。一般來說，小型放大鏡輔助的觀察提供在2至3倍的放大(也可以獲得較大的放大倍率，只是這樣的設備是笨重并且不常用的)，而顯微鏡的放大倍率范圍一般為8倍或更多。利用各種觀察方法以及相關設備是當前的手術觀察技術的明顯缺點。沒有這樣一種技術提供“直接通過眼睛觀察”的功能，或者能夠把外科醫生所看到的圖像傳送到外科醫生助手以及執行手術操作的其它專家的眼睛中。
現代手術的趨勢向著更少入侵以及最少入侵手術技術的發展方向而發展，其提供更少的暴露，因此需要更多放大和增強視覺和視力的工具。這種更少入侵式的手術技術包括需要手術顯微鏡的顯微手術、使用腹腔鏡和內窺鏡的內窺手術、計算機鋪助手術、通過使用與增強現實技術特定程序以及傳統手術程序相關的計算機鋪助系統實現的機器人和遠程手術、或者涉及最少到達操作場所的直接最少入侵手術。
在上文所述的一些手術中，例如內窺手術和計算機輔助、機器人和遠程手術需要特殊的觀察系統，并且另外需要使用接口放大和增強視覺設備。例如顯微手術和傳統手術程序這樣涉及使用手術室外科顯微鏡的其它手術方法要求放大的增強外科醫生的視覺。在手術過程以及一般手術步驟中難以暴露和到達的遠處器官和解剖空間的處理，例如顯微手術解剖、縫合技術、游離皮瓣、動脈和靜脈接合、插入血管移植、端到面的接合、神經移植、上頜面顯微手術、輸精管吻合術、器官移植手術、輸卵管接合等等將充分地受益于放大的三維在線成像。現代的手術程序需要提高視覺條件，以改進手術質量、減少手術時間、減少對病人的傷害從而減少并發癥和住院治療的時間。
先進的視覺工具將是一種綜合的系統，包括具有可調節顯示器的實時成像系統，其將提供平衡和優化的三維高分辨率彩色圖像，自動和動態地處理在手術過程中改變的條件、寬范圍的放大工具并且容易由操作員使用以能夠根據主要的狀態改變手術參數。本系統還在手術操作過程中向外科醫生提供“透明”選項。本系統還通過把顯示給外科醫生的相同圖像傳送到在操作過程中在場的其它人員的眼中，以向助手和專家提供“直接通過眼睛觀察”的功能。另外，本系統應當提供記錄功能，以便于重放該操作過程的記錄，以便于學習、分析、存檔等等。現有技術的系統不提供這種功能。
發明內容
本發明一個方面是關于向操員實時地顯示手術操作空間的動態、可變放大倍率、優化和立體圖像的方法，以有助于觀察和操縱在該操作空間中的對象，本方法包括通過圖像感應設備產生操作空間的動態圖像，把所產生的圖像編碼為電信號，把表示動態圖像的信號傳送到位于操作員的眼睛光學對齊的顯示設備，解碼表示動態圖像的信號并且把所得的再現圖像顯示給操作員的眼睛。
本發明的第二方面關于向操作員提供實際操作環境的彩色、高清晰度、可變放大倍率、立體、定性優化和再現圖像的一種方法，以便于在與該環境中的對象相關的觀察和操縱期間有助于操作。該方法包括通過攝像機觀察該過程的圖像，把該圖像轉換為視頻信號，把該視頻信號通過一組適當的通道發送到位于操作環境和操作員的眼睛之間的各個觀察屏幕，把表示視頻圖像的視頻信號解碼為再現圖像，并且在觀察屏幕上顯示所再現的視頻圖像。
本發明的第三方面關于一種立體觀察和放大系統，其中包括機械連接并且嵌入在可由操作員所佩帶的攝象機模塊中的兩個攝像機，嵌入在可由操作員所佩帶的頭部固定的顯示單元中的兩個顯示屏幕，操作員控制單元，接口和處理單元，連接到該攝像機和顯示屏幕的適當視頻電路，攝像機通過該電路發送表示操作環境的動態圖像的視頻信號，串行通信鏈路和電路，通過它把攝像機的圖像質量控制參數值發送到該接口以及操作員控制單元，以便于提供監視，從而平衡和定性優化所述再現圖像。
本發明的每個以及所有上述方面提供改進的觀察質量。
本發明的每個以及所有上述方面提供改進的對象操縱質量以及減少操作時間。
附圖簡述從下文結合附圖的詳細描述中，本發明將得到更好的理解，其中
圖1為示出與人體相關的部件的功能位置的系統的主要部件的示意圖；圖2為示出以功能方式相互連接的系統主要部件的簡化方框圖；圖3為定義在一對攝像機和所觀察對象之間的與立體觀察相關的空間關系的幾何因素的圖形表示；圖4為取決于在給定攝像機中瞳孔間距離到物距的變化的立體系統的性能的曲線圖；圖5為系統部件放置的圖形表示；圖6為示出接口和處理單元的硬件和軟件部件的功能框圖；圖7為該系統的主要操作功能的高階流程圖；圖8為對操作員控制器單元的控制作用的程序的高階流程圖；圖9為與使用攝像機的照明數據的數據顯示裝置的視頻信號電平控制相關的高階流程圖；圖10為使用攝像機的數據顯示裝置的聚焦控制的高階流程圖；圖11為使用聚焦的以前讀數與IPD和DA值的調節相關的高階流程圖；以及圖12A、12B和12C示出包括電機和控制瞳孔間距離(IPD)以及會聚角(DA)的相關機械設備的攝像機模塊的機械結構。
用于執行本發明的最佳方式以及工業應用性本發明通過提供一種新型多用途的立體觀察系統來克服現有技術的缺點，以便于輔助進行手術以及在操作空間中需要細節放大的其它醫療處理。
所提出的發明是一種計算機化的用于手術目的的立體觀察和放大系統。本系統結合高分辨率的視頻圖像質量、靈活的高倍縮放以及通過計算機自動控制而實現的易用性。通過使用這種強大和有效機構，外科醫生將能夠更加有效和準確地工作，因此能夠在短時間內進行有難度和復雜的手術。該系統提供優化的性能，以及最佳的自動控制，以便于提高外科醫生的注意力，并且減少在復雜和漫長的手術過程中所消耗的體力。如果需要的話，本系統通過使用相同的設備在相同的期間內提供可變的視野，從大約1倍(與裸眼相同)到大約10倍的放大的連續控制。整個系統重量輕并且功耗低，這使得緊急救援隊可以把它用作為現場設備。另外，該系統提供一系列先進的特點，例如“透明(see-through)”功能、“通過某人的眼睛觀察”選項以及記錄和再現功能。
現在參見示出該系統的主要部件的圖1和圖2，該系統被設計為用于近距離觀察和對象的手動或半手動操作期間的一種輔助工具。容易理解，該系統的用戶可以是在不同的領域中的幾種工作人員中的一種，這些領域涉及對任意受限制的實際操作空間中的對象進行手動或半手動操作，這需要對所操縱對象的集中、注意觀察，因此只要該操作繼續進行，就需要可變的觀察放大倍率。所公開的實施例僅僅是所提出的發明的一個例子。在此公開的具體細節不被認為是限制而僅僅是作為有助于更加清楚地理解本發明的方式。
在本發明的優選實施例中，用戶10是利用本系統作為執行手術這樣的醫療過程的輔助工具的一個醫生，例如，外科醫生。用戶10最好在其身體上或貼身攜帶本系統的主要部件。攝像機模塊(CM)20包括一對輕量的傳感器設備，專用于圖像接收、圖像解碼和圖像發送，例如安裝在用戶10頭部上的頭帶、頭戴式耳機或者頭盔這樣的支持裝置上的攝像機。頭具(headgear)和兩個攝像機按這樣的方式構成，使得表示兩個單一視覺的適當數字編碼的電子信號被同時但空間上略有差別地傳送到用戶10的眼睛，從而用戶10可以用立體的方式觀察操作空間。表示現實圖像的電子信號被攝像機所接收，并且通過適當的通到發送到松散地附加在用戶10的身體上的接口和處理單元(IPU)50。該附加是通過使用例如帶狀安裝設備等等這樣的適當裝置而實現的。接口和處理單元(IPU)50自動處理數字信號并且根據通過操作員控制器(OC)40輸入的用戶10的手動指令自動處理該數字信號。該用戶通過手動激法各種控制而輸入指令，例如位于OC40的上表面上的按鍵。如圖所示，OC40由例如條帶或者維可牢尼龍搭扣這樣的適當裝置附加到用戶10的上臂。所處理的信號通過適當的電纜發送到頭部固定的顯示器(HMD)30。頭部固定的顯示器30位于用戶10的眼睛和所觀察的操作空間之間。與所有其它提出的系統的主要部件相同，HMD30也是可配帶的，并且在本發明的優選實施例中，以類似于放大鏡的方式位于用戶10的眼睛的前方。發送到HMD30的信號被解碼，構成相應的圖像，并且顯示在例如液晶顯示器(LCD)眼鏡等等這樣的一對顯示設備上。
本領域內的專業人員容易理解，對于本發明的其它實施例，所述部件的結構位置、位置和排列可以不同。例如，在本發明的一個不同實施例中，操作員控制器單元可以通過手腕、腳、觸摸或者聲音而激活該操作控制。在此公開的具體細節僅僅是下文權利要求的基礎。
在圖3中所述的系統采用兩個圖像傳感設備，例如對應于觀察者的雙眼的兩個攝像機22和24。攝像機22和24相距稱為瞳孔間距離(IPD)25這樣的間距，并且與對象32相距一段距離28。每個攝像機從略有不同的角度對著該對象32，從而視線匯聚在對象32上。該視線形成一個會聚角(DA)34。利用圖1的頭部固定顯示器HMD30，由每個攝像機所攝取的圖像被顯示到觀察者的相應眼睛。大腦通過利用深度感知的能力把兩幅圖像轉換為三維場景。
參見圖4，其中示出根據IPD和會聚距離D的數值的變化的立體系統的性能。已經對給定的情況經過測試以建立所謂的“理想三維系統”。當建立最佳IPD和會聚距離(D)時，測試結果表明存在獲得最佳性能的參數范圍。把IPD與攝像機(D)距該對象的距離之間的比值作為主要的測量，可以區別出次立體視覺(IPD太小)、最佳立體視覺38以及過立體視覺42(IPD太大)。在次立體視覺中，感覺到缺少深度感。過立體視覺在短時間之后產生混淆和疲勞。為了使立體觀察的性能最佳，IPD最好根據到該對象的距離而重新調節。與其它三維視頻系統不同，所提出的系統能夠動態操作IPD和會聚角，以便于實現光學立體視覺，從而使深度效果最佳，而沒有與不集中精力或疲勞相關的不良影響。
本系統采用兩個電荷耦合器件(CCD)或嵌入在攝像機模塊中的固態傳感器攝像機。對于攝像機，可以使用Sony出品的日本型號為EVI 370DG的產品。該攝像機應當具有嵌入的DSP(數字信號處理器)以便于能夠用全自動模式工作，或者通過例如RS232/VISCAT這樣的串行通信端口使用Sony專用的協議進行外部控制。該攝像機的全部工作參數可從遠程計算機來控制(或者通過適當的接口單元進行控制)。攝像機模塊被設計為安裝在例如頭盔、運動的手臂或者固定的吊桿這樣的不同表面上，該攝像機模塊包括使用至少兩個日本制造的連接的微型電機這樣的電機設備改變攝像機之間的瞳孔間距離(IPD)和會聚角(DA)所需的機構。
現在參見圖5，其中示出圖2的系統的部件的更加詳細的示圖。兩個攝像機22和24被組裝為一個攝像機模塊。兩個攝像機具有大約X12的變焦透鏡，提供大約48.8°至大約4.3°水平視野。該攝像機使用串行通信鏈路54和56進行控制，使得每個攝像機可以被分別控制，以改變系統參數，并且平衡與每個攝像機相關的分離的視頻通道。S-視頻(超級VHS)視頻信號作為用于形成更好質量的圖像的兩個亮度和色度成份而發出。本系統的攝像機最好具有S-視頻輸出端。為了實現攝像機之間的視頻信號電平的優化和平衡，亮度(y)用于控制視頻信號電平。
攝像機22和24由IPD/會聚角機構46所連接和控制的機械手44機械鏈接。攝像機22通過通道48以及攝像機24通過通道52把視頻信號發送到IPU50。對應于攝像機22和24的各種工作參數的控制信號被通過能道54和56分別發送到IPU50。由IPU50的數字信號處理所得的控制信號被從IPU50通過通道58發送到IPD/會聚角控制機構，以執行攝像機22和24的相互正確定位。IPU50通過控制通道80鏈接到操作員控制器(OC)40，并且通過通道82鏈接到HMD30。HMD30包括一對顯示單元62和64，例如LCD眼鏡。對于該顯示器，已知的頭部固定顯示器可以使用例如Sony的日本型號為LDI-D100BE等等的產品。該型號LDI-D100BE的產品是一種高分辨率顯示器，適合于具有“透明”特征的立體視覺。從IPU50接收的視頻信號被解碼并且顯示在顯示單元62和64上。在本發明的優選實施例中，OC40被固定布線連接到IPU50上。在本發明的另一個實施例中，OC40被改進用于IR(紅外線)通信控制器(類似于家用電視)，通過聲音激活，無線發送，或者用于現在還不存在或者以后發展適用于本目的的任何其它通信形式。
攝像機模塊連接到接口和處理單元(IPU)。該接口和處理單元，其作為本系統的“大腦”，控制該攝像機、改變攝像機位置(例如，IPD和會聚角)的機構以及顯示器。IPD50控制幾種功能布件。電源控制器67是本系統的主控制器以及位于IPU50上的唯一的手動控制器。電源控制器67最好是避免意外關閉的保護型開關。IPU50的其它功能部件將在下文參照附圖描述。
操作員控制器單元(OC)40通過通道80連接到IPU50。OC40由用戶10用于把指令發送到IPU50，并且從IPU50接收本系統的設置相關的數據以及本系統的一般狀態。用戶10通過位于OC40的一組控制器與系統進行通信。當用戶10開始一個觀察/操縱期間，該初始化控制器68被激活，以調用啟動-復位程序，以設置本系統的基本參數，例如視野、快門速度、焦聚、IPD以及會聚角(DA)的初值。當操作員要確認本系統是否調節好時，或者當改變例如環境光這樣的環境參數時，使用重新調節控制器70。激活重新調節控制器70將自動替換一些通常實時優化本系統所需的自動調節器。
“透明(See-through)”是以兩種不同模式工作的現有顯示設備的先進特征a)圖像顯示模式，以及b)透明模式。在圖像顯示模式中，該屏幕顯示由正確連接的圖像傳感設備所產生和發送的圖像，而在透明模式中，從顯示屏幕上除去已經變得透明的圖像，以便于使觀察者觀看該屏幕之外的實景。當被激活時，透明控制器72通過使各個顯示屏幕變得透明，把顯示單元62和64轉變為透明模式，從而使該觀察設備平衡，并且使觀察者通過他的眼睛在自然的視線上觀看場景。再按一下透明控制器72把顯示設備返回到由通過各個視頻通道來自攝像機22和24的圖像所提供的場景。當顯示單元62和64處于透明模式時，包括攝像機22和24在內的該系統的其它部分繼續正常工作。
模式控制74用于循環工作。為了使用戶10能夠改變特定的參數，模式控制74被重復間斷地激活，以便于選擇正確的模式和要改變的相關參數。向上控制78和向下控制76用于選擇各個參數的數值。例如，在本系統的正常操作過程中，缺省模式被設置為視野(FOV)。在FOV模式中，操作員可以控制所顯示圖像的放大倍率。通過激活向上控制78和向下控制76，設置適當的數值FOV，實現相應的放大或縮小效果，并且該圖像被有效放大或減小尺寸。當操作員要改變不同參數時，模式控制74被激活，并且當前模式被切換到自動白平衡(AWB)。AWB是平衡圖像的顏色成份以產生自然的色彩的一種方法。在切換到所需模式之后，表示新的選擇的相應指示將出現在顯示屏幕66上。當選擇AWB模式時，向上控制78或向下控制76的激活將導致適當選擇AWB的預設參數值，例如，戶內、戶外或者自動。進一步激活模式控制74將導致選擇穩定器模式，并且向上空制78和向下控制76將設置與穩定器模式相關的參數值，例如，開或關。屏幕66可以另外顯示本系統狀態、焦聚、縮放和各種錯誤消息。
可以容易認識到可以把附加的單元連接到上述主單元上。例如任何類型的附加顯示單元(其它頭部固定的顯示器、監視器或者投影儀)可以添加到本系統的基本結構中，以便于使其它人員能夠觀察由用戶10用看到的圖像。該圖像還可以通過電纜或者無線裝置發送到手術室外部，用于教學和指導的目的。另外，本系統可以利用通信編碼器，以把該視頻圖像以壓縮格式發送到遠程位置，用于在線專家協助。
現在參見圖6，其提供接口和處理單元(IPU)的部件的詳細示圖。IPU50包括處理器設備88、存儲設備84、定時和控制單元86、電源/DC轉換器96、控制單元接口98、HMD命令接口100、伺服接口90、攝像機命令接口92以及攝像機視頻接口94。圖6的存儲設備84以可執行二進制文件的方式保存操作軟件功能。軟件功能是由按照適當的數據結構存儲的適當預定和預設參數值所控制的計算機程序。攝像機22和24所表示視頻圖像的信號發送到攝像機視頻接口94。該信號通過HMD命令接口100發送到HMD30，以顯示在各個顯示設備上。如果需要的話，攝像機22和24還把表示亮度數據的數據信號發送到處理器設備88進行處理和作用。根據從攝像機22和24接收的數據，處理器設備88通過攝像機命令接口92和串行通信線路54和56把命令發送到攝像機22和24，以改變與圖像質量相關的參數值，例如攝像機22和24的焦距。處理器88還通過伺服接口90把命令發送到IPD/會聚角機構46，以便于適當地改變攝像機22和24相互之間的空間位置，從而建立最佳的IPD和相關的會聚角，以為用戶獲得最佳的深度感覺，而不容易疲勞。
操作員控制器(OC)40連接到處理器設備88。OC40使用戶10控制本系統的特定參數，例如視野、聚焦、自動白平衡等等。用戶10的指令被傳送到處理器單元88，并且由處理器設備88利用編碼為可執行的二進制格式并且存儲在存儲設備84中的軟件功能轉換為特定的命令。該命令被通過攝像機命令接口92和伺服接口90傳送到攝像機22和24以及IPD/會聚角控制機構46。
攝像機22和24具有幾個自動的內置功能，例如自動光控制(ALC)，用于通過透鏡光圈和快門速度控制攝像機的視頻信號電平。自動的內置功能被用于糾正重要的操作參數，例如焦距，從而使處理器設備88在所有方面提供圖像通道的自動平衡。處理器88在分析所接收數字控制信號之后，設置攝像機22和24的各個參數。兩個圖像被糾正用于正確的聚焦、視頻信號電平、以及色彩平衡。處理器88還負責各種系統級的任務，例如中斷處理、錯誤恢復等等。
所提出的系統的性能取決于對系統的有效工作來說重要的幾個參數。由于攝像機接近于對象而工作，因此必須保持正確的焦距和色溫。該攝像機應當在這些方面保持平衡，以在給定期間內的任何時刻實現兩個攝像機之間一致的性能。
現在參見圖7，其中示出本系統的主要操作功能的邏輯流程。在步驟140，當操作員啟動圖5的電源控制67時，電源被開啟。接著在步驟106，該系統被初始化。該初始化過程是本系統的啟動，在該過程中，所有功能參數被復位為存儲在存儲設備84上的例如表格等等這樣的特定數據結構中的預定數值。下面將結合附圖詳細描述初始化過程。在步驟108中，圖5的OC40被存取，以讀出通過例如圖5中所示的按鍵這樣的特定控制手動輸入的操作員指令。在步驟110中，OC命令被圖6的處理器設備88所處理。下面將結合附圖給出該處理的詳細描述。在步驟112中，從兩個攝像機讀出平均視頻信號電平，并且用該視頻信號電平來平衡該攝像機。下面將結合附圖給出該處理的詳細描述。在步驟114，從兩個攝像機讀出焦距設置，并且用該焦距來平衡該攝像機。下面將結合附圖給出該處理的詳細描述。在步驟116，根據以前獲得的焦距數值設置IPD和DA。下面將結合附圖給出該處理的詳細描述。
現在參見圖8，其中示出在操作員控制器40上激活的控制序列。由操作員利用OC40控制的本系統的操作的基本程序和模式如下a)初始化模式b)重新調節模式c)正常運行(自動模式)d)系統參數的手動改變通過OC40，向該操作員提供激活所有上述程序和操作的選項。圖7的初始化106程序將在兩種情況下發生作用當圖5的電源開關67被激活之后該電源被開啟時，或者當采用圖5的初始化控制68時。通過采用圖5的初始化68，該操作員激活存儲在圖6的存儲設備84中將由圖6的處理器設備88自動執行的一系列預定功能。在步驟120中，初始化程序開始啟動本系統，然后所有功能參數被復位為特定的預定數值。在初始化程序中執行的操作進程如下a)在步驟122，攝像機22和24被開啟；b)在步驟124，在攝像機22和24上的自動白平衡被設置為戶內數值；c)在步驟126，視野被設置為大約35度；d)在步驟128，快門速度被設置為大約1/60秒；e)在步驟130，自動增益控制(AGC)被調節為關閉。AGC是通過增加或降低所輸入的信號補償音頻或視頻輸入電平的改變的電子電路，以匹配預設的電平。使用AGC，改變輸入電平可以使輸出保持在單個恒定的設置上；f)在步驟132，光圈被設置為自動，以進入快門優先模式；g)在步驟134，聚焦被設置為大約1.5米(大約5英尺)的數值；h)在步驟136，瞳孔間距離(IPD)被設置為大約75毫米(大約3英寸)的數值，并且會聚角被設置為大約2-4度(最好為2.9度)；i)在步驟138，穩定器被設置為開啟，以避免當前參數的自動改變。
初始化功能將把控制返回到主要功能，并且隨后進入正常運行(自動模式)操作，以開始操作系統參數的連續調節處理。
當例如環境光的強度這樣的環境因素改變時，調用重新調節程序150，關于IPD和會聚角的攝像機定位被快速改變，或者與攝像機22和24相關的視頻通道變得不平衡。在重新調節程序150過程中執行的步驟與初始化程序120相類似，但是不把本系統的所有參數設置為預定的缺省值。在重新調節程序150過程中，最好啟動圖5的透明控制72，以避免要顯示給用戶10的圖像發生快速改變。在圖5的重新調節控制70啟動之后，將從存儲設備84裝載各種功能并由圖5的處理器設備88所執行。由該功能所執行的步驟如下a)在步驟152，快門速度被設置為大約1/60秒；
b)在步驟154，自動增益控制被設置為關閉；c)在步驟156，光圈被設置為自動模式；d)在步驟157，相對于視頻信號電平來平衡該攝像機；e)在步驟158，聚焦被設置為自動；f)在步驟159，相對于焦距平衡該攝像機。
重新調節功能將把控制返回到主要邏輯功能，結果將進入正常運行(自動模式)，以便于開始連接、自動和在線的操作系統參數的調節。
向操作員提供利用圖5的模式控制手動改變本系統的幾個參數的選項。通過重復和間斷地在步驟140啟動模式控制74，該操作員選擇所需的工作模式，其中可以改變特定的參數。所有改變將作用于兩個攝像機。根據所作的選擇，對于所選模式特定的可見指示符將出現在圖5的顯示屏幕66上。缺省模式是FOV或者視野的調節。在步驟142通過啟動向上控制76或向下控制78調節FOV，在FOV模式中這兩個控制分別對應于放大和縮小操作。FOV數值改變的結果是有效地增加和減少所接收的圖像尺寸。結果，按照這種方式實現圖像的放大。
在步驟144，另外選擇AWB模式。在AWB模式中，對兩個攝像機調節白平衡。向用戶提供在白平衡調節的三個預定值之間切換的選項。該數值如下a)戶內根據人工照明糾正圖像的色彩；b)戶外把圖像的色彩糾正為大約6500K(開爾文)的自然光。
c)自動-執行自動AWB。
在步驟146，該操作員平衡攝像機之間的聚焦。如果需要的話，檢查和調節兩個攝像機的焦距。當對該攝像機修改焦距時，計算并改變IPD。由于當IPD的一般平均值為能夠進行立體觀察的觀察者與所觀察空間的最接近清楚觀察對象之間的距離的1/20時立體感最佳，因此IPD的數值被設置為大約焦距的1/20，最小值約為50-60毫米(最好為53毫米)。在IPD改變之后，通過存取例如查找表這樣的適當數據結構并且提取適當的數值，獲得會聚角DA。
現在轉到圖9，其中示出自動平衡視頻信號電平112的過程。在步驟166中，從兩個攝像機讀出照明平均視頻信號電平，以及在步驟168中，從攝像機獲得的數值被相互比較。在步驟170中，確定兩個攝像機之間的視頻信號電平的差別是否大于預定數值，例如10％。如果該差別大于預定數值，則在步驟172中，檢查每個攝像機，以確定哪個攝像機具有偏離預定設置的視頻信號電平值的設置，例如大約1.0伏的峰-峰值。根據在步驟176或步驟174的結果，把各個攝像機的光圈調節到預定的設置數值。然后，控制返回到步驟168以重復該平衡處理。當在步驟168發現攝像機的視頻信號電平之間的差別小于預定數值，則該控制返回到步驟166，以再次獲得攝像機的照明視頻信號電平。
現在參見圖10，其中示出與攝像機相互之間相對的焦距設置114的自動平衡相關的控制流。在步驟180，獲得兩個攝像機的焦聚設置并且在步驟182比較它們之間的差別。當沒有發現差別時，則控制返回到步驟180，以重復該平衡處理。如果在步驟186發現該設置不同，則確定哪個攝像機的焦距設置大于另一個攝像機的數值。根據該結果，在步驟190或步驟188中，把具有較高焦距數值的攝像機的焦距復位為另一個攝像機的數值。
現在參見圖11，其中示出與IPD和DA116的自動設置相關的邏輯流程圖。在步驟194中讀取兩個攝像機的焦距設置，并且在步驟196中計算IPD。在步驟198中設置該IPD，以及在步驟202中，通過IPD的數值能夠從在步驟200保存與存儲設備中的查找表提取DA的數值。在步驟204設置DA的數值。該結果被傳送到圖6的伺服接口90，被轉換為適當的信號并且發送到圖6的IPD/DA控制機構46。然后，功能控制返回到步驟194，以從兩個攝像機獲得焦距設置的讀數，并且重復該處理。
現在參見圖12A、12B以及12C，其中示出圖6的攝像機模塊20的機械結構，其中包括具有相關機械部件的電機216和210。從底座218懸吊攝像機22和24，其中該機構固定到底座218上的固定點是支承兩個電機210和216的螺栓。前方電機216具有雙側軸，其具有相反方向的螺紋。螺栓固定的攝像機22和24具有相同的螺紋，因此當電機216在一個方向上旋轉時，攝像機22的前側212和214分別相互靠近或者相互遠離。為了能夠進行所述的運動，螺栓和攝像機22和24的殼體之間的連接可以自由旋轉而不改變位置。后電機210還具有帶螺紋的轉軸，其移動兩個支臂206和208。從而，攝像機22和24的后部之間的距離將根據電機210運動的方向而增加或減小。所述的機構提供IPD和會聚角的控制。
本領或的專業人員將容易認識到，上文描述僅僅是說明本發明的下位概念，并且僅僅對于能夠在所提出的系統的制造中實現的許多可能的設計方案中的一種可能結構進行描述。
在本發明的另一個實施例中，可以添加輔助設備，例如記錄和回放，聲音和通信，以便于對應一般手術室的結構。
在本發明的另一個優選實施例中，將提供添加光源的更加緊湊的系統，它以電池或車載電池連接器進行工作。在本實施例中，該系統可以由在戶外活動的軍隊或緊急救援隊伍來使用。
在本發明的另一個優選實施例中，所提出的系統將包含單色增強攝像機(ICCD)，用于軍隊進行微光操作。
本領域的技術人員將認識到本發明不限于在此具體示出和描述的內容。本發明的范圍僅僅由下面的權利要求來確定。
權利要求
1.一種向操作員實時地顯示手術操作空間的動態、可變放大倍率、優化和立體仿真圖像的方法，以有助于近距離觀察處理，以及操縱在所述操作空間中的對象，該方法包括通過圖像產生設備產生所述操作空間的動態圖像；把所述動態圖像編碼為電信號；把表示動態圖像的所述編碼的電信號傳送到位于與操作員的眼睛光學對齊的顯示設備；把表示動態圖像的所述編碼信號解碼為再現的信號；把所再現的圖像顯示給操作員的眼睛。
2.根據權利要求1所述的方法，其中進一步包括如下步驟把所述圖像產生設備的圖像質量控制參數編碼為數字信號；把表示所述圖像質量控制參數數值的所述數字信號發送到數字信號處理設備；監控表示該圖像產生設備的圖像質量控制參數數值的數字信號；自動平衡該圖像產生設備的圖像質量控制參數設置；自動調節與立體觀察質量相關的圖像產生設備的實際位置。
3.根據權利要求1所述的方法，其中進一步包括手動控制圖像產生設備的圖像質量控制參數的步驟。
4.根據權利要求3所述的方法，其中手動控制圖像質量控制參數的步驟包括如下步驟初始化圖像產生設置的圖像質量控制參數數值；有選擇地重新調節該圖像產生設備的所述圖像質量控制參數數值；有選擇地復位該圖像產生設備的至少一個圖像質量控制參數數值；穩定該圖像產生設備的圖像質量控制參數數值；有選擇地使該圖像產生設備從所述顯示設備上斷開，以允許通過該顯示設備在視線上觀察所述操作空間。
5.根據權利要求4所述的方法，有選擇地復位的步驟包括如下步驟控制視野和所顯示圖像的放大倍率；調整所顯示圖像的色彩平衡；調節所顯示圖像的清晰度；設置所顯示圖像的亮度。
6.根據權利要求2所述的方法，自動平衡圖像質量控制的步驟包括如下步驟監控第一圖像產生設備的圖像質量控制參數數值；監控第二圖像產生設備的圖像質量控制參數數值；比較所述第一圖像產生設備和所述第二圖像產生設備的圖像質量控制參數數值；使該第一圖像產生設備和第二圖像產生設備的圖像質量控制參數數值相等；重復上述步驟。
7.根據權利要求2所述的方法，自動調節立體觀察質量的步驟包括如下步驟監控圖像產生設備的圖像質量控制參數數值；根據所述監控的圖像質量控制參數數值計算最佳的立體觀察質量控制參數數值；把所述計算的最佳立體觀察質量控制參數數值發送到空間控制設備；把所述計算的最佳立體觀察質量控制參數數值轉換為適當的實際位置信號；把該圖像產生設備實際定位到最佳產生有效的立體觀察圖像的空間位置；以及重復上述步驟。
8.一種向操作員提供實際操作環境的彩色、高清晰度、可變放大倍率、立體、定性優化和再現視頻圖像的方法，以便于在與所述環境中的對象相關的觀察和操縱期間有助于該操作員，該方法包括通過攝像機查看所述觀察和操作過程的動態圖像；把所述動態圖像轉換為編碼的視頻信號；把所述編碼的信號通過一組適當的通道發送到位于操作環境和操作員的眼睛之間的各個觀察屏幕；把表示該動態圖像的電信號解碼為再現的視頻圖像；以及在所述觀察屏幕上顯示所述視覺構造的視頻圖像。
9.根據權利要求8所述的方法，進一步包括如下步驟把攝像機的圖像質量控制參數數值轉換為適當的數字信號；把所述數字信號通過一組通道發送到具有數字信號處理能力的特定計算設備；監控偶然、手動或自動對所述工作的圖像質量控制參數作出的改變；在攝像機之間平衡所述圖像質量控制參數數值，以便于在所述觀察屏幕上獲得統一的圖像；自動優化攝像機相對的實際位置。
10.根據權利要求8所述的方法，進一步包括由操作員手動調節攝像機的工作圖像質量控制參數數值。
11.根據權利要求10所述的方法，手動調節的步驟包括如下步驟把攝像機的工作設置初始化為預先選擇的數值；有選擇地把該攝像機的所述工作設置重新調節為預先選擇的數值；有選擇地把攝像機的至少一個工作設置復位為所確定的數值；禁止自動調節攝像機的工作設置；不在觀察屏幕上顯示視頻圖像，以允許操作員在視線上的清楚地進行觀察。
12.根據權利要求11所述的方法，初始化工作設置的步驟包括如下步驟啟動攝像機；把色彩平衡控制設置為預定數值；把放大倍率設置為預定數值；把快門速度設置為預定數值；斷開自動增益控制；啟動自動光圈控制；把焦距設置為預定數值；根據焦距計算瞳孔間距離的數值；根據瞳孔間距離的數值獲得會聚角的數值；實現攝像機根據瞳孔間距離和會聚角而運動；穩定攝像機控制。
13.根據權利要求11所述的方法，有選擇地重新調節的步驟包括如下步驟把快門速度設置為預定數值；禁止自動增益控制；啟動自動光圈控制；啟動自動聚焦控制；相對于亮度級平衡攝像機；相對于焦距平衡攝像機。
14.根據權利要求9所述的方法，其中自動優化的步驟包括如下步驟監控攝像機的焦距設置；計算瞳孔間距離和相應會聚角的最佳數值；通過工作伺服電機接口，把所得數值轉換為適當的電子控制信號；啟動伺服電機設備的工作，以適當地確定攝像機的相對位置；重復上述步驟。
15.根據權利要求14所述的方法，所述瞳孔間距離計算的結果是通過把焦距除以預定數值而獲得的。
16.根據權利要求14所述的方法，計算會聚角的結果是通過根據所計算瞳孔間距離從預定表格提取所需數值而獲得的。
17.一種立體觀察和放大系統，其中包括機械連接并且嵌入在可由操作員所佩帶的攝像機模塊中的兩個攝像機；嵌入在可由操作員所佩帶的頭部固定的顯示單元中的兩個顯示屏幕；可由操作員所佩帶的操作員控制單元；接口和處理單元；連接到所述兩個攝像機和所述兩個顯示屏幕的適當視頻電路，該攝像機通過該電路發送表示操作環境的動態圖像的適當電信號，以顯示在該顯示屏幕上；串行通信鏈路和串行電路，通過它把表示攝像機的圖像質量控制參數值的數字信號發送到該接口以及操作員控制單元，以便于進行監視，從而自動平衡和定性優化所再現圖像。
18.根據權利要求17所述的系統，該計算機模式進一步包括連接到攝像機的第一伺服電機，用于實現該攝像機相對于兩個攝像機之間距離的定位；連接到兩個攝像機的第二伺服電機，用于實現該攝像機相對于由到達操作空間中的對象的各個視線所形成的會聚角的定位；從而形成可控制的瞳孔間距離/會聚角機構。
19.根據權利要求17所述的系統，其中該操作員控制器單元包括顯示屏，其表示系統狀態、圖像質量控制參數數值以及當前工作模式；初始化控制，其向操作員提供把圖像質量控制參數設置為預定數值的選項；重新調節控制，其向操作員提供重新調節圖像質量控制參數數值的選項；模式控制，其用于手動選擇圖像質量控制參數；向上控制和向下控制，其用于手動調節關于當前模式的參數值；以及透明控制，其用于斷開由攝像機發送到觀察屏幕的視頻信號，以允許操作員通過自然視線觀察操作空間。
20.根據權利要求19所述的系統，其中該控制為按鍵。
21.根據權利要求17所述的系統，該接口和處理單元包括開啟和關閉本系統的主控制設備；攝像機接口，用于處理從攝像機接收的視頻信號；攝像機命令接口，用于處理從攝像機接收的對應于圖像質量控制參數數值的數字信號，以及把所處理的數字信號從處理器設備發送到各個攝像機；頭部固定顯示器接口，用于把對應于視頻圖像的電信號發送到觀察屏幕；伺服接口，用于把與攝像機定位相關的控制信號轉換為適當的伺服命令，并且把所述伺服命令發送到各個位置調節機構；存儲設備，用于保存可執行控制功能、控制表和預定圖像質量控制參數數值；處理器設備，用于對于圖像質量控制參數數值處理數字信號；控制單元接口，用于接收來自操作員的命令；電源/直流轉換器設備；以及定時和控制單元。
22.根據權利要求21所述的系統，其特征在于主控制設備是一個保險開關。
23.根據權利要求17所述的系統，其特征在于該觀察屏幕是液晶顯示設備。
24.根據權利要求17所述的系統，其特征在于該攝像機具有S-VHS輸出端。
25.根據權利要求17所述的系統，其特征在于該觀察屏幕具有內置的透明功能。
26.根據權利要求17所述的系統，其中進一步包括記錄和回放所產生的動態的圖像的功能。
全文摘要
一種立體觀察和放大系統,其中包括攝像機模塊、頭部固定的顯示單元、操作員控制單元、接口和處理單元、視頻電路和串行通信鏈路,以把嵌入到攝像機模塊的攝像機所產生的所再現圖像的可變放大三維顯示提供到嵌入在頭部固定的顯示單元上的顯示屏幕。該系統用于自動平衡該攝像機,以及用于所再現圖像的自動定性優化。
文檔編號H04N13/02GK1373969SQ00812758
公開日2002年10月9日 申請日期2000年7月6日 優先權日1999年7月13日
發明者G·科什卡斯 申請人:瑟吉維森有限公司