CN101785655B - 一种生物体内的图像采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物体内的图像采集装置，所述装置包括：光源，用于提供照明光，所述光源包括两个以上限制照明光带域的特定域光限制单元；内窥镜，具有摄像单元，所述摄像单元利用来自被照射所述照明光的被摄体的返回光，拍摄所述被摄体；控制处理单元，用于控制所述摄像单元，处理从所述摄像单元采集的图像信号并生成图像数据；所述控制处理单元具有提速子单元，用于提高图像采集或更新速度；显示单元，用于显示所述图像数据对应的图像。本发明可以提高图像更新速率，抑制拖尾，提高图像质量。

Description

一种生物体内的图像采集装置

技术领域

本发明涉及图像采集技术领域，特别是涉及一种生物体内的图像采集装置。

背景技术

以往，通过照射照明光得到体腔内的内窥镜图像的内窥镜装置获得了广泛的应用。在这种内窥镜装置中，使用具有摄像单元的电子内窥镜，通过视频处理器对来自上述摄像单元的摄像信号进行信号处理，在观察监视器上显示内窥镜图像。其中，上述摄像单元使用光导部件等将来自光源装置的照明光导入体腔内，根据返回光来拍摄被摄体。

在生物体组织中，根据照射的光的波长不同，光的吸收特性及散射特性就不同，因此现有技术的一种窄带域光内窥镜装置，可以得到生物体组织中的深部的组织信息。使用该内窥镜装置对生物体组织进行观察时，由光源装置发出白光，通过特定带域的旋转滤光片将白光分离成R、G、B或者其他特定波长带域的窄带光，再照射到被摄体上。从被摄体反射回来的对应上述R、G、B及窄带光成像在内窥镜中的摄像单元上，图像处理装置将多幅对应上述各特定域光的图像数据合成生成一幅彩色图像，在监视器上显示。

但是，由于该窄带域光内窥镜装置的摄像单元采集图像的速度有限，所以采集多幅图像并合成生成一幅彩色图像，造成图像更新速度成倍减小，图像拖尾严重，影响图像质量。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种生物体内的图像采集装置，以克服现有技术中由于摄像单元采集图像的速度有限，而造成图像更新速度成倍减小，图像拖尾严重的缺陷。

为达到上述目的，本发明提供一种生物体内的图像采集装置，所述装置包括：光源，用于提供照明光，所述光源包括两个以上限制照明光带域的特定域光限制单元；内窥镜，具有摄像单元，所述摄像单元利用来自被照射所述照明光的被摄体的返回光，拍摄所述被摄体；控制处理单元，用于控制所述摄像单元，处理从所述摄像单元采集的图像信号并生成图像数据；所述控制处理单元具有提速子单元，用于提高图像采集或更新速度；显示单元，用于显示所述图像数据对应的图像。

其中，所述提速子单元包括时间压缩子单元和/或输出信号选择子单元，所述时间压缩子单元，用于压缩所述摄像单元的动作时间中的有效像素部分采集时间以外的时间；所述输出信号选择子单元，用于有选择性地采集所述摄像单元的图像信号，通过有效的时序控制，控制所述摄像单元仅输出特定区域的图像信号

其中，所述压缩摄像单元的动作时间中的有效像素部分采集时间以外的时间，包括压缩所述摄像单元中的黑体信号的采集时间、缩短或者取消奇场信号与偶场信号之间的非有效像素信号时间、压缩各有效像素行的行消隐时间、或压缩各有效像素行的水平读出时间。

其中，所述压缩各有效像素行的水平读出时间，包括提高像素时钟或缩短位于各有效像素行末尾的无效像素的采集时间。

其中，所述提速子单元还包括：图像插值模块，用于以部分图像数据为基础插值生成完整的一帧图像数据；图像拖尾抑制模块，用于抑制所述彩色图像的拖尾。

其中，当所述部分图像数据为奇场图像数据时，所述图像插值模块以所述奇场图像数据为基础，插值生成偶场图像数据，从而得到完整的图像数据；或当所述部分图像数据为偶场图像数据时，所述图像插值模块以所述偶场图像数据为基础，插值生成奇场图像数据，从而得到完整的图像数据；或当所述部分图像数据交替为奇场和偶场图像数据时，所述图像插值模块以所述奇场和偶场图像数据为基础，交替插值生成相应的偶场和奇场图像数据，从而得到完整的图像数据。

其中，当所述部分图像数据为隔一行以上数据时，所述图像插值模块以所述隔一行以上数据为基础，插值生成其余图像数据，从而得到完整的图像数据；或当所述部分图像数据为隔一列以上数据时，所述图像插值模块以所述隔一列以上数据为基础，插值生成其余图像数据，从而得到完整的图像数据。

其中，所述图像插值模块包括两点插值计算模块，所述两点插值计算模块用上下相邻两个像素插值生成中间一个新的像素；或所述图像插值模块包括四点插值计算模块，所述四点插值计算模块用四个相邻像素插值生成中间新的像素。

其中，所述图像拖尾抑制模块，包括：特征图案抽取模块，用于抽取前一幅图像中的特征图案；特征图案查找模块，用于通过相关计算在当前图像中找到所述特征图案，并计算出当前图像与所述前一幅图像中的特征图案间的相对距离；图像移动模块，用于根据所述相对距离将所述当前图像移动一个特定距离。

其中，所述特定距离小于所述相对距离。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点：

本发明利用控制处理单元压缩摄像单元的动作时间中的有效像素部分采集时间以外的时间，有选择性地采集摄像单元的图像信号，并将对应各特定域光的图像数据合成生成图像数据，并完成图像插值和图像拖尾抑制，从而可以提高图像更新速率，抑制拖尾，提高图像质量。

附图说明

图1是本发明的一种内窥镜装置的结构示意图；

图2-1是本发明的一种分帧图像的生成及合成的示意图；

图2-2是本发明的另一种分帧图像的生成及合成的示意；

图3是本发明实施例一的CCD的结构图；

图4是本发明实施例一的CCD的工作过程的示意图；

图5是本发明实施例一的CCD工作在正常速度下的驱动信号的局部时序图；

图6是本发明实施例一的CCD工作在压缩黑体信号采集时间的状态下的驱动信号的时序图；

图7是本发明实施例一的CCD工作在正常速度下的一帧输出信号的构成图；

图8是本发明实施例一的CCD工作在正常速度下的驱动信号的整体时序图(1帧)；

图9是本发明实施例一的CCD工作在取消奇场与偶场之间的非有效像素信号时间的状态下的一帧输出信号的构成图；

图10是本发明实施例一的CCD工作在取消奇场与偶场之间的非有效像素信号时间的状态下的驱动信号的整体时序图(1帧)；

图11是本发明实施例一的CCD工作在压缩行动作时间的状态下的驱动信号的时序图；

图12是本发明实施例二的CMOS的工作过程的示意图；

图13是本发明实施例三的标准视频模式下的一帧图像的示意图；

图14是本发明实施例三的标准视频模式下的奇场图像的示意图；

图15是本发明实施例三的以奇场数据为基础，两点插值生成偶场数据的示意图；

图16是本发明实施例三的以奇场数据为基础，四点插值生成偶场数据的示意图；

图17是本发明实施例三的隔一列以上图像数据的示意图；

图18是本发明实施例四的图像拖尾抑制的工作流程的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1是本发明的一种内窥镜装置的结构示意图；图2-1是本发明的一种分帧图像的生成及合成的示意图；图2-2是本发明的另一种分帧图像的生成及合成的示意；图3是图1中CCD的结构图。

如图1所示，内窥镜装置1由以下部分构成：作为插入到体腔内对体腔内组织2进行拍摄的具备摄像单元3的电子内窥镜4、为电子内窥镜4提供照明光的光源装置5、对来自电子内窥镜4的摄像单元3的摄像信号进行信号处理而将内窥镜图像显示在显示器6上的控制处理单元7。

除摄像单元3外，电子内窥镜4还包括：成像透镜组8，对体腔内组织2反射回来的光进行成像；光纤9，对照明光进行传导。

光源装置5包括：照明光源10，提供照明光；旋转滤波器11，使照明光成为按面顺序的光；聚光透镜12，使经过了旋转滤波器11的按面顺序的光在配置于电子内窥镜4内的光纤9的入射面上聚光；电机13，控制旋转滤波器11的旋转；光源控制电路14，控制电机13的工作。

控制处理单元7包括提速子单元71，控制摄像单元3的工作，并处理摄像单元3输出的图像信号使其得以显示。

内窥镜装置1的工作过程是：由照明光源10发出白光，经旋转滤波器11后将白光分离成R、G、B或者其他特定波长带域的窄带光，再经过聚光透镜12会聚在电子内窥镜4内的光纤9的入射面上。这些特定域波长的光经过光纤9传导至电子内窥镜4的前端，从而照射到体内组织2上。从体内组织2反射回来的对应上述R、G、B及窄带光通过成像透镜组8成像在内窥镜中的摄像单元3上。摄像单元3在提速子单元71的控制下输出图像信号，输出的图像信号经提速子单元71的处理，在显示器6上显示。

如图2-1所示，旋转滤波器11具有圆盘状并且以中心为旋转轴的结构，其上配置了11A、11B、11C三组滤波器。旋转滤波器11的旋转将照明光源10发出的照明光分割成按11A、11B、11C顺序的相应波长的光，经摄像后生成与上述相应波长的光对应的15A、15B、15C三帧分帧图像。上述三帧分帧图像经过图像处理合成为一帧合成图像15，显示在显示器上。

除上述合成模式之外，还可以如图2-2所示，旋转滤波器11上配置了11A、11B、11C、11D、11E五组滤波器。旋转滤波器11的旋转将照明光源10发出的照明光分割成按11A、11B、11C、11D，11E顺序的相应波长的光，从中选取两种波长的光成像，生成与上述两种相应波长的光对应的15B、15D两帧分帧图像。上述两帧分帧图像经过图像处理合成为一帧合成图像15，显示在显示器上。

实施例一

图3至图11涉及本发明的实施例一。本实施例中，摄像单元3是CCD。图3是图1中CCD的结构图；图4是CCD的工作过程的示意图；图5是CCD工作在正常速度下的驱动信号的局部时序图；图6是CCD工作在压缩黑体信号采集时间的状态下的驱动信号的时序图；图7是CCD工作在正常速度下的一帧输出信号的构成图；图8是CCD工作在正常速度下的驱动信号的整体时序图(1帧)；图9是CCD工作在取消奇场与偶场之间的非有效像素信号时间的状态下的一帧输出信号的构成图；图10是CCD工作在取消奇场与偶场之间的非有效像素信号时间的状态下的驱动信号的整体时序图(1帧)；图11是表示CCD工作在压缩行动作时间的状态下的驱动信号的时序图。

如图3所示，摄像单元CCD3包括：有效像素部分31和黑体部分32。以SONY公司生产的ICX229AL为例，a为795，b为752，c为582，d为596，e为2，f为12，g为40，h为3。

如图4所示，在摄像单元CCD3中，感光单元33中积累的像素电荷转移至垂直移位寄存器(Vertical Register)34，垂直移位寄存器(Vertical Register)34中的电荷在V1-V4四个垂直转移脉冲的作用下逐行向下转移至水平移位寄存器(Horizontal Register)35中。每向下转移一行，水平移位寄存器(Horizontal Register)35在H1、H2两个水平转移脉冲的作用下将其中的电荷逐个向左转移输出。

如图5所示，CCD工作在正常速度下时，转移一行信号的时间为T，其中包括：信号从垂直移位寄存器转移至水平移位寄存器中所需的时间Tv，即行消隐时间；信号在水平移位寄存器中逐个转移输出所需的时间Th。

由图3知，摄像单元包括有效像素部分和黑体部分。黑体信号的作用是为有效像素信号提供比较基准，一帧图像信号中只保留一部分黑体信号即可，其余可舍去。因此，为减小CCD的动作时间，可以保留CCD3左、右两边的黑体，舍去在水平方向上的e+f行黑体信号。如图6所示，压缩这部分黑体信号的采集时间，具体做法是：这部分黑体信号从垂直移位寄存器转移至水平移位寄存器中后不做水平读出，直至最后一行黑体信号也转移到水平移位寄存器中时，才将这部分叠加起来的e+f行黑体信号当成一行，一并水平读出。在这种动作状态下，转移一行黑体信号所需的时间是T^*(Th约等于0，T^*约等于Tv)，T^*小于图5中的T，这样就实现了压缩黑体信号的采集时间，从而减小了CCD的动作时间。

如图7所示，CCD的一帧信号由奇场信号、偶场信号及非有效像素信号组成。图8是与之对应的驱动信号的时序图。奇场读出脉冲来时，CCD开始读出B行奇场信号，之后读出C行非有效像素信号；此后偶场读出脉冲来临，CCD开始读出D行偶场信号，之后读出E行非有效像素信号，至此一帧信号全部读出。以SONY公司生产的ICX229AL为例，A为625，B为298，C为14，D为298，E为15。

上述非有效像素信号对于后面的图像处理及显示而言是可有可无的，因此为减小CCD的动作时间，可以缩短或者取消奇场信号与偶场信号之间的非有效像素信号时间。如图9所示，舍去了非有效像素信号。图10是与之对应的驱动信号的时序图。奇场读出脉冲来时，CCD读出B行奇场信号；此后偶场读出脉冲来临，CCD读出D行偶场信号，至此一帧信号全部读出，节省了C+E行非有效像素信号的转移读出时间。

如图11所示，行消隐时间Tv及水平读出时间Th都可在一个范围内取值，而不是只能取某个固定值。因此，为减小CCD的动作时间，Tv和Th可以取到其允许范围内的最小值。其中，Th可由每行的像素总数N与像素周期Tpixel相乘得到，因此，压缩Th包括：提高像素时钟，即减小像素周期Tpixel；缩短位于各有效像素行末尾的无效像素的采集时间，实质是减少每行像素总数N。

实施例二

图12涉及本发明的实施例二。本实施例中，摄像单元3是CMOS。图12是CMOS的工作过程的示意图。

如图12所示，摄像单元CMOS3的像敏单元阵列按X和Y方向排列成方阵，方阵中的每个像敏单元36都有其在X、Y方向上的地址，并可分别由X地址译码器310和Y地址译码器37进行选择。每一列像敏单元都对应于一个列放大器38。首先由Y地址译码器选通行，该行信号将被传送到列放大器38，列放大器38的输出信号分别接到由X地址译码器进行选择的多路模拟开关39上，再由X地址译码器选通某列模拟开关，最后将选通地址对应的信号输出至A/D转换器311进行模数转换。

由于各像素的信号利用选择的方式取出，具有较高的扫描自由度，因此，为减小CMOS的动作时间，提高图像的更新速度，可通过控制X地址译码器310和Y地址译码器37实现只读取希望得到的像素数据，舍去不需要的像素数据(例如部分黑体信号等)。

CMOS的数字输出通常是8/10/12位。在电子内窥镜中，输出信号线的数目受镜体尺寸的限制，且信号线较多的情况下信号容易互相串扰影响信号质量，因此可在CMOS输出端进行并串转换的处理，减少输出信号线的数目。

实施例三

图13至图17与本发明的实施例三有关。图13是标准视频模式下的一帧图像的示意图；图14是标准视频模式下的奇场图像的示意图；图15是以奇场数据为基础，两点插值生成偶场数据的示意图；图16是以奇场数据为基础，四点插值生成偶场数据的示意图；图17是隔一列以上图像数据的示意图。

如图13所示，标准视频模式下的一帧图像由奇场图像和偶场图像组成。其中，奇数行构成奇场(用×表示)；偶数行构成偶场(用点表示)。由实施例一知，CCD在输出一帧图像信号时，都是分奇场信号和偶场信号进行输出，帧图像的更新速率是场图像更新速率的二分之一。CMOS也可按上述动作模式工作。因此，为提高图像更新速率，可以单场图像数据为基础插值生成完整的一帧图像数据在显示器上显示，插值工作在控制处理单元中完成。如此一来，帧图像的更新速率可提高一倍。

如图14、15、16所示，以奇场图像数据为基础，插值生成偶场图像数据，从而得到完整的一帧图像数据。具体的插值方式包括：如图15所示的用两个上下相邻的奇数行像素插值生成中间一个新的偶数行像素；如图16所示的用四个相邻的奇数行像素插值生成中间一个新的偶数行像素。

同理，除以奇场图像数据为基础插值生成偶场图像数据之外，还可以偶场图像数据为基础插值生成奇场图像数据。或者采用奇偶场交替插值的方式，即：摄像单元在奇场读出脉冲来临时采集奇场图像数据，以该奇场图像数据为基础插值生成偶场图像数据；随后在偶场读出脉冲来临时采集偶场图像数据，以该偶场图像数据为基础插值生成奇场图像数据。图像采集速度可提高一倍。

针对CMOS的情况，还可仅读取隔一行以上数据或仅读取隔一列以上数据(如图17所示)，以隔一行以上数据或隔一列以上数据为基础插值生成其余数据，从而得到完整的一帧图像数据。插值方式与上述类似。

实施例四

图18涉及本发明的实施例四。图18是图像拖尾抑制的工作步骤的示意图。

图像更新速率较慢会导致图像拖尾，影响观察。因此为抑制图像拖尾，如图18A所示，可以按照设定的规则抽取At1时刻图像61中的特征图案62；如图18B所示，通过相关计算在At2时刻图像63中找到其中的特征图案64，并计算出At1时刻图像61与At2时刻图像63中的特征图案的相对距离D；如图18C所示，将At2时刻图像63移动Dm(Dm＜D)，得到新的At2时刻图像65，其中包含特征图案66。显示时不显示原At2时刻的图像，而显示移动之后的新At2时刻的图像。移动之后的新At2时刻的图像与At1时刻的图像相比变化较小，从而有效地抑制了图像拖尾。为提高图像质量，还可采用：求出At1时刻图像及移动之后的At2时刻的图像的平均值，将这幅平均值图像作为新At2时刻的图像显示出来。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种生物体内的图像采集装置，其特征在于，所述装置包括：

光源，用于提供照明光，所述光源包括两个以上限制照明光带域的特定域光限制单元；

内窥镜，具有摄像单元，所述摄像单元利用来自被照射所述照明光的被摄体的返回光，拍摄所述被摄体；

控制处理单元，用于控制所述摄像单元，处理从所述摄像单元采集的图像信号并生成图像数据；所述控制处理单元具有提速子单元，用于提高图像采集或更新速度，所述提速子单元包括：

图像插值模块，用于以部分图像数据为基础插值生成完整的一帧图像数据；

图像拖尾抑制模块，用于抑制所述图像的拖尾；

显示单元，用于显示所述图像数据对应的图像。

2.如权利要求1所述的生物体内的图像采集装置，其特征在于，所述提速子单元包括时间压缩子单元和/或输出信号选择子单元，

所述时间压缩子单元，用于压缩所述摄像单元的动作时间中的有效像素部分采集时间以外的时间；

所述输出信号选择子单元，用于有选择性地采集所述摄像单元的图像信号，通过有效的时序控制，控制所述摄像单元仅输出特定区域的图像信号。

3.如权利要求2所述的生物体内的图像采集装置，其特征在于，所述压缩摄像单元的动作时间中的有效像素部分采集时间以外的时间，包括压缩所述摄像单元中的黑体信号的采集时间、缩短或者取消奇场信号与偶场信号之间的非有效像素信号时间、压缩各有效像素行的行消隐时间、或压缩各有效像素行的水平读出时间。

4.如权利要求3所述的生物体内的图像采集装置，其特征在于，所述压缩各有效像素行的水平读出时间，包括提高像素时钟或缩短位于各有效像素行末尾的无效像素的采集时间。

5.如权利要求1至4中任一项所述的生物体内的图像采集装置，其特征在于，

当所述部分图像数据为奇场图像数据时，所述图像插值模块以所述奇场图像数据为基础，插值生成偶场图像数据，从而得到完整的图像数据；或

当所述部分图像数据为偶场图像数据时，所述图像插值模块以所述偶场图像数据为基础，插值生成奇场图像数据，从而得到完整的图像数据；或

当所述部分图像数据交替为奇场和偶场图像数据时，所述图像插值模块以所述奇场和偶场图像数据为基础，交替插值生成相应的偶场和奇场图像数据，从而得到完整的图像数据。

6.如权利要求1至4中任一项所述的生物体内的图像采集装置，其特征在于，

当所述部分图像数据为隔一行以上数据时，所述图像插值模块以所述隔一行以上数据为基础，插值生成其余图像数据，从而得到完整的图像数据；或

当所述部分图像数据为隔一列以上数据时，所述图像插值模块以所述隔一列以上数据为基础，插值生成其余图像数据，从而得到完整的图像数据。

7.如权利要求1至4中任一项所述的生物体内的图像采集装置，其特征在于，

所述图像插值模块包括两点插值计算模块，所述两点插值计算模块用左右或上下相邻两个像素插值生成中间一个新的像素；或

所述图像插值模块包括四点插值计算模块，所述四点插值计算模块用四个相邻像素插值生成中间新的像素。

8.如权利要求1至4中任一项所述的生物体内的图像采集装置，其特征在于，所述图像拖尾抑制模块，包括：

特征图案抽取模块，用于抽取前一幅图像中的特征图案；

特征图案查找模块，用于通过相关计算在当前图像中找到所述特征图案，并计算出当前图像与所述前一幅图像中的特征图案间的相对距离；

图像移动模块，用于根据所述相对距离将所述当前图像移动一个特定距离。

9.如权利要求8所述的生物体内的图像采集装置，其特征在于，所述特定距离小于所述相对距离。

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