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CN106455955A - 图像处理装置 - Google Patents

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CN106455955A
CN106455955A CN201680001671.7A CN201680001671A CN106455955A CN 106455955 A CN106455955 A CN 106455955A CN 201680001671 A CN201680001671 A CN 201680001671A CN 106455955 A CN106455955 A CN 106455955A
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signal
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image processing
image
matrix
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CN201680001671.7A
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横内文香
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Hoya Corp
Original Assignee
Hoya Corp
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Publication date
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Abstract

本图像处理装置设置有：图像数据获取装置，用于获取表示生物组织的捕获图像的图像数据；以及YC分离处理装置，其执行信号处理以基于图像数据的RGB信号来产生亮度信号和色彩信号。包括在亮度信号中的RGB信号的R分量的百分比大于G分量和B分量的百分比。

Description

图像处理装置
技术领域
本发明涉及一种图像处理装置，其对内窥镜图像执行图像处理。
背景技术
已知一种内窥镜装置，其通过使用具有峰值处于血红蛋白的吸收波长区域的窄带的照明光(以下称为“特殊光”)来捕获包括深部血管的高对比度图像(以下称为“增强深部血管图像”)的内窥镜图像。日本专利第5362149号公开了这种内窥镜装置的示例。
发明内容
通常，使用当捕获增强深部血管图像时的特殊光需要使用特殊光源装置来执行内窥镜观察，该特殊光源装置配备有窄带光学带通滤光器和用于与用作正常观察的白光源分开地产生特殊光的窄带光源。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种不使用特殊光源装置就能够生成增强深部血管图像的图像处理装置。
根据本发明的一个实施方案的一种图像处理装置包括：图像数据获取装置，其用于获取表示生物组织的捕获图像的图像数据；以及YC分离处理装置，其用于执行基于图像数据的RGB信号来产生亮度信号和色彩信号的信号处理，其中，包括在所述亮度信号中的RGB信号的R分量的比率大于G分量和B分量的比率。
在上述图像处理装置中，所述信号处理可以包括：标准信号处理；其中图像在信号处理之前和之后基本上不改变，以及特殊信号处理，其中输出的亮度信号包括比G分量和B分量两者更多的R分量，所述图像处理装置可以包括：选择装置，其用于选择将执行标准信号处理还是执行特殊信号处理，YC分离处理装置可以执行由选择装置选择的信号处理。
在上述图像处理装置中，所述YC分离处理装置可以利用使用色彩矩阵的矩阵运算来执行所述信号处理，并且所述YC分离处理装置可以在标准信号处理中使用标准色彩矩阵，并且可以在特殊信号处理中使用特殊色彩矩阵。
在上述图像处理装置中，所述YC分离处理装置可以包括：存储器，其存储标准色彩矩阵和特殊色彩矩阵；矩阵选择单元，其选择所述标准色彩矩阵和所述特殊色彩矩阵中的一个，并从所述存储器读出所选择的矩阵；以及计算单元，其使用由所述矩阵选择单元读出的矩阵来执行所述矩阵运算。
在上述图像处理装置中，所述亮度信号可以与所述RGB信号的R分量成比例。
在上述图像处理装置中，所述亮度信号可以包括通过将所述RGB信号的R分量乘以增益常数而获得的元素，并且所述图像处理装置可以包括用于改变增益常数的装置。
上述图像处理装置可以包括：自动增益调整装置，其用于根据亮度信号自动调整增益常数。
在上述图像处理装置中，包括在所述亮度信号中的RGB信号的R分量的比率可以大于所述G分量的比率和所述B分量的比率之和。
在上述图像处理装置中，包括在所述亮度信号中的RGB信号的R分量的比率可以大于或等于50％。
在上述图像处理装置中，所述色彩信号可以由两个色差信号构成。
在上述图像处理装置中，所述YC分离处理装置可以生成YCrCb信号、YPrPb信号或YUV信号。
根据本发明的实施方案的一种图像处理装置包括：图像数据获取装置，其用于获取表示生物组织的捕获图像的图像数据；以及YC分离处理装置，其用于执行基于图像数据的RGB信号来产生亮度信号和色彩信号的信号处理，其中，所述信号处理包括：标准信号处理，其中图像在信号处理之前和之后基本上不改变；，特殊信号处理，其中输出的亮度信号包括比标准信号处理中的RGB信号的R分量更多的R分量，所述图像处理装置包括：选择装置，其用于选择将要执行标准信号处理还是特殊信号处理，YC分离处理装置执行由选择装置选择的信号处理。
根据本发明的实施方案，可以在不使用特殊光源装置的情况下获得增强深部血管图像。
附图说明
图1为示出根据本发明的实施方案的电子内窥镜系统的配置的方框图。
图2为示出根据本发明的实施方案的前级信号处理电路的配置的方框图。
图3为示出正常观察图像的各种色彩分量的图像信息的视图。
具体实施方式
下面，将参考所附附图对本发明的实施方案进行描述。注意，在以下说明书中，将电子内窥镜系统作为本发明的一个实施方案的示例。
电子内窥镜系统1的总体配置
图1为示出本实施方案的电子内窥镜系统1的示意性配置的方框图。如图1所示，电子内窥镜系统1包括电子内窥镜100、处理器200以及监视器300。
处理器200包括系统控制器202和时序控制器204。系统控制器202执行储存在存储器212中的各种程序，并且执行电子内窥镜系统1的总体控制。此外，系统控制器202连接到操作面板214。系统控制器202根据来自操作者的利用操作面板214所输入的指令而改变电子内窥镜系统1的操作和操作参数。时序控制器204将时钟脉冲输出到电子内窥镜系统1中的电路，所述时钟脉冲用于调整各部分的操作的时序。
灯208由灯电源点火器206启动，并且随后发出照射光L。灯208为LED(发光二极管)或高强度灯(例如氙灯，卤素灯，汞灯或金属卤化物灯)。照射光L是光谱主要覆盖从可见光区域到不可见红外光区域的光(或者是至少包括可见光区域的白色光)。
由灯208发射的照射光L通过聚光透镜210会聚在LCB(光导束，Light CarryingBundle)102的入射端面上，并进入LCB 102。
进入到LCB 102的照射光L在LCB 102内传播，从布置在电子内窥镜100的前端的LCB 102的出射端面射出，然后通过配光透镜104并照射对象。来自由照射光L照射的对象的返回光通过物镜106，并且在固态成像元件108的光接收表面上形成为光学图像。
固态成像元件108是具有拜耳像素配置的单板彩色CCD(电荷耦合器件)图像传感器。固态成像元件108根据在光接收表面上的像素上形成的光学图像的光量来累积电荷，生成R(红色)，G(绿色)和B(蓝色)成像信号，并输出成像信号。注意的是，固态成像元件108不限于是CCD图像传感器，而可以采用CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器或其他类型的成像装置。固态成像元件108可以是包括互补滤色器的元件。
在电子内窥镜100的连接部分内设置有驱动器信号处理电路110。驱动器信号处理电路110在场周期内接收来自固态成像元件108的成像信号。注意，在下面的描述中可能切换术语“场”和“帧”。在本实施方案中，场周期和帧周期分别为1/60秒和1/30秒。驱动器信号处理电路110对从固态成像元件108接收的成像信号执行预定处理，并将结果信号输出到处理器200的前级信号处理电路220。
驱动器信号处理电路110访问存储器112，并且读出关于电子内窥镜100的独特信息。记录在存储器112中的关于电子内窥镜100的独特信息包括例如固态成像元件108的像素数，灵敏度，可操作场速率和型号。从存储器112读出的独特信息由驱动器信号处理电路110输出到系统控制器202。
系统控制器202通过基于关于电子内窥镜100的独特信息而进行各种计算来生成控制信号。系统控制器202使用所生成的控制信号来控制处理器200中的各种电路的操作和时序，以便执行适合于连接到处理器200的电子内窥镜的处理。
时序控制器204根据系统控制器202执行的时序控制向驱动器信号处理电路110提供时钟脉冲。根据从时序控制器204提供的时钟脉冲，驱动器信号处理电路110根据与由处理器200处理的图像的场速率同步的时序，控制固态成像元件108的驱动。
前级信号处理电路220在一个场周期中对从驱动器信号处理电路110接收的图像信号执行诸如色彩插值、矩阵运算和Y/C分离的预定信号处理，并将结果信号输出到后级信号处理电路230。关于前级信号处理电路220的细节将在后面描述。
后级信号处理电路230处理从前级信号处理电路220接收的图像信号以生成用于监视器显示的屏幕数据，并且将所生成的用于监视器显示的屏幕数据转换为预定视频格式的视频信号。所得到的视频信号被输出到监视器300。因此，在监视器300的显示屏幕上显示对象的彩色图像。
前级信号处理电路220的配置
本实施方案的处理器200在两种工作模式下工作。一种是正常显示模式，其中正常观察图像N显示在监视器300的屏幕上，而另一种是增强深部血管显示模式，其中通过深部血管增强处理获得的增强深部血管图像E显示在监视器300的屏幕上。这两个工作模式由将在下面描述的前级信号处理电路220的YC分离处理单元228实现。
图2是显示本实施方案的前级信号处理电路220的配置的方框图。前级信号处理电路220包括钳位处理单元221、缺陷校正处理单元222、去马赛克处理单元223、线性矩阵处理单元224、白平衡处理单元225、轮廓校正处理单元226和YC分离处理单元228。
钳位处理单元221是执行用于从图像信号中去除偏移分量的钳位处理的功能块。
缺陷校正处理单元222是执行用于使用周围像素的像素值来校正缺陷像素的像素值的缺陷校正处理的功能块。
去马赛克处理单元223是执行去马赛克处理(插值处理)的功能块，其中由具有单色色彩信息的像素构成的捕获图像数据(RAW数据)被转换为由具有全色像素值的像素构成的图像数据。
线性矩阵处理单元224是执行用于使用色彩矩阵来校正成像元件的光谱特性的线性矩阵处理的功能块。
白平衡处理单元225是执行用于校正照明光的光谱特性的白平衡处理的功能块。
轮廓校正处理单元226是执行用于补偿图像信号的空间频率特性的恶化的轮廓校正处理的功能块。
YC分离处理单元228的配置
YC分离处理单元228是执行用于使用矩阵电路将RGB信号转换为亮度信号Y和色彩信号C(色差信号Cb和Cr)的YC分离处理的功能块。
本实施方案的YC分离处理单元228可以在执行两种类型的YC分离处理(即关于本发明的该实施方案的标准YC分离处理(标准信号处理)和特殊YC分离处理(特殊信号处理))之间切换。
标准YC分离处理是在正常显示模式下执行的正常YC分离处理，并且在该处理中，对从轮廓校正处理单元226输出的正常观察图像N的RGB信号仅执行色彩空间转换，并且输出用于正常观察图像N的YCrCb信号(亮度/色差信号)。由于这种标准YC分离处理，图像基本上不改变。
在增强深部血管显示模式中执行特殊YC分离处理，并且在该处理中，在色彩空间转换期间对正常观察图像N进行用于增强深部血管的色彩平衡调整，而不改变图像色调，从而生成用于增强深部血管图像E的YCrCb信号。在该特殊YC分离处理中输出的亮度信号包括比在标准YC分离处理中更大量的RGB信号的R分量。
如图2所示，YC分离处理单元228包括存储器228a、矩阵选择单元228b和计算单元228c。
存储器228a存储两种类型的色彩矩阵(标准色彩矩阵M1和特殊色彩矩阵M2)。
矩阵选择单元228b选择要在系统控制器202的控制下使用的色彩矩阵，从存储器228a读出所选择的色彩矩阵，并将其提供给计算单元228c。
计算单元228c使用从矩阵选择单元228b提供的色彩矩阵来执行标准YC分离处理或特殊YC分离处理。
标准色彩矩阵M1是在标准YC分离处理中使用的正常色彩矩阵，并且符合ITU-RBT.601标准。
下面的公式1是表示在标准YC分离处理中使用标准色彩矩阵M1执行的信号转换的变换。
公式1
由标准YC分离处理(公式1)产生的亮度信号Y中的RGB信号色彩分量以对应于标准亮度函数的比率混合。为此，亮度信号Y包括大的绿色(G)分量，并且仅包括非常小的红色(R)分量。这些色彩分量的加权产生看起来具有与标准YC分离处理之前相同的亮度的图像。
特殊色彩矩阵M2是特殊YC分离处理中使用的专用色彩矩阵。
下面的公式2是表示在特殊YC分离处理中使用特殊色彩矩阵M2执行的信号转换的变换。
公式2
注意，增益常数k是小于或等于1的正数。
在用于在特殊YC分离处理中生成的增强深部血管图像E的YCrCb信号中，色差信号Cr和Cb具有与在标准YC分离处理中生成的正常观察图像N相同的值，但是用于在特殊YC分离处理中产生的增强深部血管图像E的YCrCb信号与用于在标准YC分离处理中产生的正常观察图像N的YCrCb信号的不同之处在于亮度信号仅由红色(R)分量组成。
照射到生物组织的照明光在生物组织中穿透到一定深度，同时也被生物组织散射，并且照明光的一部分在固态成像元件108的光接收表面上形成图像。光的波长越短，其被生物组织散射越多，因此不能深入穿透生物组织。相反，光的波长越长，其散射越少，并且它可以相对深地穿透进入生物组织。另外，血液(血红蛋白)在600nm或更大的波长区域中几乎不吸收光，因此与蓝色光或绿色光相比，红色光能够更深地穿透到生物组织中，并且可以更生动地形成包括大量的血液的血管的光学图像。
结果，如图3所示，内窥镜图像的红色(R)分量包括关于深部血管的大量信息(图3(d))，而蓝色(B)分量包括关于生物组织的表层部分的大量信息(图3(b))。此外，绿色(G)分量包括关于生物组织的深部和表层部分两者的信息(图3(c))。
在通过本实施方案的特殊YC分离处理产生的增强深部血管图像E中，亮度Y由红色(R)分量的强度(具体地，与红色(R)分量成比例)确定，因此，该图像包括关于深部血管的大量信息和关于表面的少量信息(即，深部血管被增强)。此外，确定图像的色调的色差信号具有与正常观察图像N相同的值，因此获得其中在保持自然色调的同时增强深部血管的图像。
YC分离处理单元228的操作
接下来，将描述YC分离处理单元228的操作。通过在操作面板214上执行的用户输入操作来切换正常显示模式和增强深部血管显示模式。当执行用于选择增强深部血管显示模式的用户输入操作时，从系统控制器202向YC分离处理单元228输出用于切换到增强深部血管显示模式的指令。矩阵选择单元228b接收用于切换到增强深部血管显示模式的指令，从存储器228a读出特殊色彩矩阵M2，并将其发送到计算单元228c。然后，计算单元228c基于从矩阵选择单元228b最后接收的特殊色彩矩阵M2，对从轮廓校正处理单元226输出的正常观察图像N的RGB信号执行特殊YC分离处理，从而生成YCbCr信号，以用于增强深部血管图像E。
此外，当在操作面板214上执行用于选择正常显示模式的用户输入操作时，从系统控制器202向YC分离处理单元228输出用于切换到正常显示模式的指令。矩阵选择单元228b接收用于切换到正常显示模式的指令，从存储器228a读出标准色彩矩阵M1，并将其发送到计算单元228c。然后，计算单元228c基于最后从矩阵选择单元228b接收到的标准色彩矩阵M1，对从轮廓校正处理单元226输出的正常观察图像N的RGB信号执行标准YC分离处理，从而生成用于正常观察图像N的YCbCr信号。
由YC分离处理单元228生成的用于增强深部血管图像E(或正常观察图像N)的YCbCr信号由后级信号处理电路230转换为视频信号，并输出到监视器300，随后在监视器300的显示屏幕上显示增强深部血管图像E(或正常观察图像N)。
此外，特殊色彩矩阵M2的增益值k是可变参数，并且其初始值被设置为最大值1.0。内窥镜图像具有强红色分量，因此存在当使用初始值时亮度饱和(或接近饱和)，并且增强深部血管图像E的对比度降低的情况。为此，可以通过在操作面板214上执行的用户输入操作来改变增益值k。
当在操作面板214上执行用于改变增益值k的设置的用户输入操作时，将用于将增益值k更新为用户输入的值的指令从系统控制器202输出到YC分离处理单元228。矩阵选择单元228b接收增益值k更新指令，并且将存储在存储器228a中的特殊色彩矩阵M2的增益值k重写为由用户输入的值。由此调整增强深部血管图像E的亮度。注意的是，例如，可以是YC分离处理单元228基于增强深部血管图像E的亮度分布自动调整增益值k的配置。
变型
接下来，将描述特殊YC分离处理(特殊色彩矩阵M2)的变型。
公式3是根据本发明的该实施方案的特殊YC分离处理(特殊色彩矩阵M2)中的变换的变型。
公式3
注意，增益常数k是小于或等于1的正数。
在该变型中，用于增强深部血管图像E的亮度信号Y也包括正常观察图像N的G分量和B分量。以这种方式，即使当亮度信号Y包括除了R分量之外的色彩分量时，如果具有关于生物组织的表层部分的最少信息的R分量(包括在亮度信号Y中的R信号的比率，其在表达式3中为系数“0.600”)被给予最大的权重，则可以获得本发明的效果。
如果R分量的权重设定为B分量的权重的2倍或更多(更有效地为3倍，甚至更有效地为5倍)，则获得更强的增强深部血管的效果。
此外，如果R分量的权重被设定为G分量的权重的1.20倍或更大的权重(更有效地是G分量的权重的2倍的权重，更有效地为G分量的3倍的权重，进一步更有效地为G分量的权重的5倍的权重)，那么获得甚至更强的增强深部血管的效果。
此外，如果R分量的权重被设置为高于G分量和B分量的权重之和，则获得深部血管被进一步增强的图像。
此外，如果R分量的权重被设置为大于或等于G分量和B分量的权重之和的2倍的值(更有效地是G分量和B分量的权重之和的3倍，或者进一步更有效地为G分量和B分量的权重之和的5倍)，那么获得深部血管被更进一步增强的图像。
此外，如果R分量的权重被设置为0.5(色彩分量的权重的总和的50％)或更多，则获得深部血管被更进一步增强的图像。
前面的描述是对本发明的说明性实施方案的描述。本发明的实施方案不限于前述描述，并且可以在本发明的技术思想的范围内进行各种修改。例如，本发明的实施方案还包括在本说明书中明确指定的实施方案等和明显的实施方案等的适当组合。
例如，在上述实施方案的示例中，本发明被应用于生成YCbCr信号的装置，但是本发明还可以应用于生成另一种类型的亮度/色差信号的装置(例如，YUV信号或YPbPr信号)。
此外，上述实施方案的处理器200(图像处理装置)被配置为以两种模式工作，即用于在监视器上显示正常观察图像N的正常显示模式和用于在监视器上显示增强深部血管图像E的增强深部血管显示模式，但是其可以被配置为以三种或更多种工作模式工作，包括用于生成屏幕数据的工作模式，其中正常观察图像N和增强深部血管图像E通过图像合成而并排显示在一个屏幕上，并在监视器上显示该屏幕数据(双模式)。
此外，在上述实施方案的配置中，通过在操作面板214上进行的用户输入操作来切换工作模式，但是可以是例如在电子内窥镜100等的控制主体上设置模式切换按钮的配置，并且根据对模式切换按钮执行的用户操作来切换工作模式。
另外，尽管在上述实施方案中说明了将本发明的示例应用于电子内窥镜装置的示例，但本发明不限于该配置。例如，本发明可以应用于用于回放由电子内窥镜装置捕获的内窥镜视频的视频回放装置(或用于个人计算机的视频回放程序)。
此外，本发明还可应用于除了内窥镜图像之外的观察图像的分析(例如，在手术期间身体表面的观察图像或身体内部的观察图像，其已经由普通的摄像机或照相机捕获)。

Claims (12)

1.一种图像处理装置，其包括：
图像数据获取装置，其用于获取表示生物组织的捕获图像的图像数据；以及
YC分离处理装置，其用于执行基于图像数据的RGB信号来产生亮度信号和色彩信号的信号处理，
其中，包括在所述亮度信号中的RGB信号的R分量的比率大于G分量和B分量的比率。
2.根据权利要求1所述的图像处理装置，
其中，所述信号处理包括：
标准信号处理，其中图像在信号处理之前和之后基本上不改变，以及
特殊信号处理，其中输出的亮度信号包括比G分量和B分量两者更大量的R分量，
所述图像处理装置包括：
选择装置，其用于选择将执行标准信号处理还是执行特殊信号处理，以及
YC分离处理装置执行由选择装置选择的信号处理。
3.根据权利要求2所述的图像处理装置，
其中，所述YC分离处理装置利用使用色彩矩阵的矩阵运算来执行所述信号处理，以及
所述YC分离处理装置在标准信号处理中使用标准色彩矩阵，并且在特殊信号处理中使用特殊色彩矩阵。
4.根据权利要求3所述的图像处理装置，
其中，所述YC分离处理装置包括：
存储器，其存储标准色彩矩阵和特殊色彩矩阵；
矩阵选择单元，其选择所述标准色彩矩阵和所述特殊色彩矩阵中的一个，并从所述存储器读出所选择的矩阵；以及
计算单元，其使用由所述矩阵选择单元读出的矩阵来执行所述矩阵运算。
5.根据权利要求1至4中任意一项所述的图像处理装置，其中所述亮度信号与所述RGB信号的R分量成比例。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的图像处理装置，
其中，所述亮度信号包括通过将所述RGB信号的R分量乘以增益常数而获得的元素，以及
所述图像处理装置包括：
用于改变增益常数的装置。
7.根据权利要求6所述的图像处理装置，其包括：
自动增益调整装置，其用于根据亮度信号自动调整增益常数。
8.根据权利要求1至7中任意一项所述的图像处理装置，其中，包括在所述亮度信号中的RGB信号的R分量的比率大于所述G分量的比率和所述B分量的比率之和。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的图像处理装置，其中，包括在所述亮度信号中的RGB信号的R分量的比率大于或等于50％。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的图像处理装置，其中，所述色彩信号由两个色差信号构成。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的图像处理装置，其中，所述YC分离处理装置生成YCrCb信号、YPrPb信号或YUV信号。
12.一种图像处理装置，其包括：
图像数据获取装置，其用于获取表示生物组织的捕获图像的图像数据；以及
YC分离处理装置，其用于执行基于图像数据的RGB信号来产生亮度信号和色彩信号的信号处理，
其中，所述信号处理包括：
标准信号处理，其中图像在信号处理之前和之后基本上不改变，以及
特殊信号处理，其中输出的亮度信号包括比标准信号处理中的RGB信号的R分量更大量的R分量，
所述图像处理装置包括：
选择装置，其用于选择将要执行标准信号处理还是特殊信号处理，以及
YC分离处理装置执行由选择装置选择的信号处理。
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