CN112738410A - 一种成像方法及装置、内窥镜设备 - Google Patents

一种成像方法及装置、内窥镜设备 Download PDF

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师永涛
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Abstract

本发明公开了一种成像方法及装置，按照预设规则将感光面获取的光线成像，预设规则包括循环地以预设数量种不同的曝光时间依次对感光面获取的光线成像，每一轮依次获取的各帧图像对应的曝光时间顺序相同，当一次成像的曝光结束时将当前时刻之前依次的预设数量帧图像融合，将融合得到的图像输出。本发明将不同曝光时间获得的图像融合得到图像，能够使图像不同区域具有合适的亮度水平，从而提高所成图像的亮度均匀性，并且能够降低对图像帧率、分辨率或者清晰度的损失。本发明还公开一种内窥镜设备。

Description

一种成像方法及装置、内窥镜设备
技术领域
本发明涉及光电成像技术领域，特别是涉及一种成像方法及装置。本发明还涉及一种内窥镜设备。
背景技术
使用内窥镜观测体内腔体时，经常会遇到在视野范围内不同位置的组织与探测端的距离差异较大，使得不同位置的组织照明亮度极度不均匀，因此若不对采集的图像进行处理，获得的图像容易出现在同一图像中过曝与过暗同时存在，不能满足要求。
现有技术中，使用高动态范围图像(High-Dynamic Range，HDR)技术改善上述情况，具体做法是：将同一成像系统、同一拍摄位置生成的但具有不同平均亮度水平的图像合成为一幅图像。该幅图像高亮度区域以低亮度水平图像的内容为主，低亮度区域则以高亮度水平图像的内容为主，以此实现图像的不同区域均能拥有合适的亮度水平。这样能够扩展成像系统的亮度响应范围，消除图像中过曝和过暗同时出现的情况。
图像的平均亮度水平由镜头光圈、图像传感器感光度以及曝光时间共同决定。在内窥镜成像系统中，镜头光圈通常为固定值，因此平均亮度水平只能通过改变图像传感器感光度以及曝光时间(快门速度)来调节，又由于内窥镜使用的图像传感器像素尺寸较小，为了保持图像的低噪声，感光度基本为固定值，因此内窥镜成像系统只有曝光时间是可变项。具体实施方式有如下两种：
第一种方法：某型号CMOS的帧率为60Hz，即每秒采集60幅图像，单幅图像的采集周期约为16.67ms。可以设定实际图像采集的曝光时间为16ms和8ms交替进行，16ms曝光时间采集的即为高亮度水平图像，8ms曝光时间采集的即为低亮度水平图像。将相邻采集的两幅图像合成为一幅图像，最终实现30Hz的HDR图像。也可以采用三种或者更多种的曝光时间交替进行图像采集，若曝光时间类别为n，则最终HDR图像的帧率为60/n。该方法的缺点为图像帧率下降，画面易有跳跃感，且输出的单帧等效快门时间变长，镜体快速运动时图像清晰度下降。
第二种方法：某型号CMOS的帧率为60Hz，分辨率为1920x1080p即共包括1920列、1080行像素点。将所有像素点按行或者列分为交替排布的两组，两组像素点各自采用不同的曝光时间并生成不同亮度等级的图像后合成，最终实现60Hz但有效像素减半的HDR图像。也可以按行或者列或者按行和列来划分为交替排布的n组像素，最终HDR图像的像素数量为原始图像的1/n。该方法的缺点为图像分辨率下降，细节解析力降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种成像方法及装置，能够提高所成图像的亮度均匀性，并且降低对图像帧率、分辨率或者清晰度的损失。本发明还提供一种内窥镜设备。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种成像方法，包括：
按照预设规则将感光面获取的光线成像，所述预设规则包括循环地以预设数量种不同的曝光时间依次对感光面获取的光线成像，每一轮依次获取的各帧图像对应的曝光时间顺序相同；
当一次成像的曝光结束时将当前时刻之前依次的预设数量帧图像融合，将融合得到的图像输出。
优选的，所述预设数量的取值大于等于二。
优选的，将依次的预设数量帧图像融合包括：
融合得到的图像中，较高亮度区域包含曝光时间较小的图像权重大于包含曝光时间较大的图像权重，较低亮度区域包含曝光时间较大的图像权重大于包含曝光时间较小的图像权重。
优选的，将依次的预设数量帧图像融合包括：
将该预设数量帧图像的各帧图像分别按照各自对应的平移量进行像素平移，将经过平移的各帧图像融合。
优选的，对于该预设数量帧图像的任一帧图像，获得对应的平移量包括：
将该预设数量帧图像的像素值进行归一化处理；
将本帧图像以像素为单位平移，获得使平移后的图像与第一帧图像的像素值差量最小的平移量，将得到的平移量作为本帧图像对应的平移量，第一帧图像为该预设数量帧图像的第一帧图像。
优选的，具体包括：
对于该预设数量帧图像的第i帧图像，将第i帧图像以像素(xi-1，yi-1)为起始像素的图像依次进行至少两轮平移，每一轮平移中将当前图像按照像素坐标x±1或者y±1平移，选取平移后图像中与所述第一帧图像的像素值差量最小的图像，若连续两轮平移后选取出的图像的起始像素对应为第i帧图像的同一像素，则将第i帧图像的该像素相对于第i帧图像起始像素的平移量作为第i帧图像的平移量，其中第i-1帧图像对应的平移量为(xi-1，yi-1)，3≤i≤N，N表示该预设数量帧图像包括N帧图像。
优选的，具体包括：
对于该预设数量帧图像的第i帧图像，将第i帧图像以像素(0，0)为起始像素的图像依次进行至少两轮平移，每一轮平移中将当前图像按照像素坐标x±1或者y±1平移，选取平移后图像中与所述第一帧图像的像素值差量最小的图像，若连续两轮平移后选取出的图像起始像素对应为第i帧图像的同一像素，则将第i帧图像的该像素相对于第i帧图像的起始像素的平移量作为第i帧图像的平移量，i＝2。
优选的，所述像素值差量为两帧图像相同像素的像素值差量的绝对值总和，或者所述像素值差量为两帧图像相同像素的像素值差量的平方和。
一种成像装置，用于执行以上所述的成像方法。
一种内窥镜设备，采用以上所述的成像方法。
由上述技术方案可知，本发明所提供的一种成像方法及装置，按照预设规则将感光面获取的光线成像，预设规则包括循环地以预设数量种不同的曝光时间依次对感光面获取的光线成像，每一轮依次获取的各帧图像对应的曝光时间顺序相同，当一次成像的曝光结束时将当前时刻之前依次的预设数量帧图像融合，将融合得到的图像输出。本发明的成像方法及装置将不同曝光时间获得的图像融合得到图像，能够使图像不同区域具有合适的亮度水平，从而提高所成图像的亮度均匀性，并且本成像方法能够降低对图像帧率、分辨率或者清晰度的损失。
本发明提供的一种内窥镜设备，能够达到上述有益效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种成像方法的流程图；
图2为本发明实施例中对于预设数量帧图像的任一帧图像获得对应的平移量的方法流程图；
图3(a)为一具体实例中进行像素位置校正前融合后的图像；
图3(b)为一具体实例中进行像素位置校正后融合后的图像。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种成像方法的流程图，由图可知，所述成像方法包括以下步骤：
S10：按照预设规则将感光面获取的光线成像，所述预设规则包括循环地以预设数量种不同的曝光时间依次对感光面获取的光线成像，每一轮依次获取的各帧图像对应的曝光时间顺序相同。
采用预设数量种不同的曝光时间对感光面获取的光线成像，在每一轮过程中进行预设数量次成像，各次成像采用不同的曝光时间，每一轮的各次成像对应的曝光时间顺序不变。
预设数量的取值大于等于二。预设数量的数值越大最终获得图像的亮度范围越广，图像的亮度均匀性越高，但延时越大。因此在实际应用中可以根据实际应用需求相应确定预设数量的数值。
示例性的在一具体实例中，预设数量的数值为三，三种不同曝光时间的比例为1：2：0.5。以图像传感器每秒采集60幅图像为例，单幅图像采集周期为16.67ms，可设置三种曝光时间依次为8ms、16ms、4ms。那么，控制图像传感器循环地依次以曝光时间8ms、16ms、4ms进行成像。
S11：当一次成像的曝光结束时将当前时刻之前依次的预设数量帧图像融合，将融合得到的图像输出。
在一次成像的曝光结束时，将当前时刻之前所获取的依次的预设数量帧图像融合，该依次的预设数量帧图像对应分别采用不同的曝光时间，将融合得到的图像作为输出图像。那么，输出的一帧图像是预设数量种不同曝光时间下获取的图像融合得到的图像，能够使输出图像不同区域具有合适的亮度水平，提高图像的亮度均匀性。
在实际应用中，假设预设数量的数值为N，从第N次成像的曝光时间结束才开始输出图像。请参考以下表1和表2，表1展示了获取图像和输出图像的关系，表2展示了输出图像对应的子图像参数。
表1
Figure BDA0002858122040000051
Figure BDA0002858122040000061
表2
Figure BDA0002858122040000062
结合表1和表2可知，采用三种曝光时间循环地依次成像，三种不同曝光时间的比例为1：2：0.5。从第三次成像的曝光结束开始输出图像，输出的第1帧图像是前三次成像即第1次、第2次和第3次成像所获得图像融合后得到的图像，输出的第2帧图像是第2次、第3次和第4次成像所获得图像融合后的图像，依次类推。那么输出的一帧图像是三种不同曝光时间获得图像融合的图像。
因此本实施例成像方法能够提高所成图像的亮度均匀性，而与现有的高动态成像方法相比本方法能够降低对图像的帧率、分辨率或者清晰度的损失。
优选的，将依次的预设数量帧图像融合包括：融合得到的图像中，较高亮度区域包含曝光时间较小的图像权重大于包含曝光时间较大的图像权重，较低亮度区域包含曝光时间较大的图像权重大于包含曝光时间较小的图像权重。这样使输出图像不同区域具有合适的亮度水平，图像不同区域的亮度更均匀，提高图像的亮度均匀性。
示例性的，以上述采用三种曝光时间的比例为1：2：0.5为例，输出图像中低亮度水平区域，曝光时间比例为2的图像权重最高；中等亮度水平区域对应像素，曝光时间比例为1的图像权重最高；高亮度水平区域对应像素，曝光时间比例为0.5的图像权重最高。在具体实施时，可以通过设置与亮度等级相关的可导权重函数，保证融合图像的亮度梯度不被改变。
进一步优选的，本实施例成像方法还包括：根据预设数量种曝光时间中的任一种曝光时间对应获得的图像亮度，反馈控制照明光源的亮度，这样根据实时成像的亮度反馈调节照明光源的亮度，使得获得图像处于合适的亮度水平。
本实施例的成像方法是将不同次成像得到的各帧图像融合作为输出图像，存在各原始图像采集时间不一致的问题，当成像装置快速移动时目标物在各原始图像的位置差异将明显影响融合后图像的清晰度，因此在融合图像时有必要对各原始图像进行校正。
针对此，本实施例方法在步骤S12中将依次的预设数量帧图像融合具体包括：将该预设数量帧图像的各帧图像分别按照各自对应的平移量进行像素平移，将经过平移的各帧图像融合。这样降低各帧原始图像中目标物存在的位置差异，提高输出图像的成像质量。
进一步的，对于该预设数量帧图像的任一帧图像，可通过以下过程获得本帧图像对应的平移量，请参考图2，图2为本实施例中对于预设数量帧图像的任一帧图像获得对应的平移量的方法流程图，包括以下步骤：
S20：将该预设数量帧图像的像素值进行归一化处理。
可选的，可通过以下方法对该预设数量帧图像进行归一化处理：选取该预设数量帧图像的任一帧图像为基准图像，对于该预设数量帧图像的每一帧图像，将本帧图像的像素值增大M倍，M为基准图像对应的曝光时间与本帧图像对应的曝光时间的比值。
S21：将本帧图像以像素为单位平移，获得使平移后的图像与第一帧图像的像素值差量最小的平移量，将得到的平移量作为本帧图像对应的平移量，第一帧图像为该预设数量帧图像的第一帧图像。
两帧图像的像素值差量是指能反映两帧图像像素值的整体差异大小的参量。对于该预设数量帧图像的任一帧图像，将经过归一化处理的本帧图像以像素为单位平移，获得使平移后的图像与经过归一化处理的第一帧图像的像素值差量最小的平移量，将这一平移量作为本帧图像对应的平移量。
进一步具体的，对于该预设数量帧图像的第2帧图像，将第2帧图像以像素(0，0)为起始像素的图像依次进行至少两轮平移，每一轮平移中将当前图像按照像素坐标x±1或者y±1平移，选取平移后图像中与所述第一帧图像的像素值差量最小的图像，若连续两轮平移后选取出的图像起始像素对应为第2帧图像的同一像素，则将第2帧图像的该像素相对于第2帧图像的起始像素的平移量作为第2帧图像的平移量。第2帧图像的起始像素为像素(0，0)。
对于该预设数量帧图像的第i帧图像，将第i帧图像以像素(xi-1，yi-1)为起始像素的图像依次进行至少两轮平移，每一轮平移中将当前图像按照像素坐标x±1或者y±1平移，选取平移后图像中与所述第一帧图像的像素值差量最小的图像，若连续两轮平移后选取出的图像的起始像素对应为第i帧图像的同一像素，则将第i帧图像的该像素相对于第i帧图像起始像素的平移量作为第i帧图像的平移量，其中第i-1帧图像对应的平移量为(xi-1，yi-1)，3≤i≤N，N表示该预设数量帧图像包括N帧图像。第i帧图像的起始像素为像素(0，0)。
示例性的，以上述采用三种曝光时间的比例为1：2：0.5为例，在一次输出图像时进行融合的子图像包括图像1、图像2和图像3，对应的曝光时间依次为0.5、1、2。将图像1的像素值扩大2倍，将图像3的像素值扩大0.5倍。
以图像1为基准图像。对图像2平移之前图像2以像素(0，0)为起始像素，将图像2按照像素坐标x±1或者y±1平移，具体分别以平移量(1,0)、(0,1)、(1,1)、(-1,0)、(0，-1)、(-1，-1)、(1，-1)和(-1,1)对图像2平移，从平移后图像中选取出平移后图像与图像1的像素值差量最小的图像，比如以平移量(1,1)得到的图像与图像1的像素值差量最小，该以平移量(1,1)得到的图像的起始像素对应为图像2的像素(1,1)。
将以平移量(1,1)得到的图像按照像素坐标x±1或者y±1平移，具体分别以平移量(2,1)、(1,2)、(2,2)、(2,0)和(0,2)对图像2平移，其中省去了平移量(1,1)、(0,1)、(1,0)和(0,0)。从平移后图像中选取出平移后图像与图像1的像素值差量最小的图像。比如仍然是以平移量(1,1)得到的图像与图像1的像素值差量最小，该以平移量(1,1)得到的图像的起始像素对应为图像2的像素(1,1)。则图像2对应的平移量为(1,1)。
将图像3以像素(1，1)为起始像素的图像按照像素坐标x±1或者y±1平移，具体分别以平移量(1,1)、(2,1)、(1,2)、(2,2)、(0,1)、(1,0)、(0，0)、(2,0)和(0,2)对图像3平移。从平移后图像中选取出平移后图像与图像1的像素值差量最小的图像。比如以平移量(2,2)得到的图像与图像1的像素值差量最小，该以平移量(2,2)得到的图像的起始像素对应为图像3的像素(2,2)。
将图像3以平移量(2,2)得到的图像按照像素坐标x±1或者y±1平移，具体分别以平移量(3,2)、(2,3)、(3,3)、(1,2)、(2,1)、(1,1)、(3,1)和(1,3)对图像3平移，其中省去了平移量(2,2)、(1,2)、(2,1)和(1,1)。从平移后图像中选取出平移后图像与图像1的像素值差量最小的图像。比如通过比较仍然是以平移量(2,2)得到的图像与图像1的像素值差量最小，该以平移量(2,2)得到的图像的起始像素对应为图像3的像素(2,2)。则图像3对应的平移量为(2,2)。
进而根据平移量(1,1)对图像2像素平移，根据平移量(2,2)对图像3像素平移。
示例性的请参考图3(a)和图3(b)，图3(a)为一具体实例中进行像素位置校正前融合后的图像，图3(b)为一具体实例中进行像素位置校正后融合后的图像，可以看出若不进行像素位置校正，融合后图像中物体像存在位置差异，经过像素位置校正后图像清晰度得到明显改善。在实际应用中，可以将各次成像获得的各帧图像形成副本并存储在寄存器中，可以根据副本图像进行运算处理获得各帧图像对应的平移量。
可选的，像素值差量可以是两帧图像相同像素的像素值差量的绝对值总和，或者像素值差量为两帧图像相同像素的像素值差量的平方和。在根据上述过程获得各帧图像对应的平移量过程中，在对平移后图像与第一帧图像计算像素值反差量时可以略去边缘像素，或者可以选取图像中预设区域进行计算像素值反差量，比如选取图像的中间区域。
本实施例成像方法在融合图像时将各原始图像进行像素位置校正，使进行融合的各帧图像的像素值差量最小，将各帧图像间位置差异带来的图像清晰度影响降至最小，提高了输出图像的成像质量。
相应的，本发明实施例还提供一种成像装置，用于执行以上所述的成像方法。
本实施例的成像装置按照预设规则将感光面获取的光线成像，预设规则包括循环地以预设数量种不同的曝光时间依次对感光面获取的光线成像，每一轮依次获取的各帧图像对应的曝光时间顺序相同，当一次成像的曝光结束时将当前时刻之前依次的预设数量帧图像融合，将融合得到的图像输出。本实施例的成像装置将不同曝光时间获得的图像融合得到图像，能够使图像不同区域具有合适的亮度水平，从而提高所成图像的亮度均匀性，并且本成像装置能够降低对图像帧率、分辨率或者清晰度的损失。
相应的，本发明实施例还提供一种内窥镜设备，采用以上所述的成像方法。
本实施例的内窥镜设备通过将不同曝光时间获得的图像融合得到图像，能够使图像不同区域具有合适的亮度水平，从而提高所成图像的亮度均匀性，并且能够降低对图像帧率、分辨率或者清晰度的损失。
以上对本发明所提供的一种成像方法及装置、内窥镜设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种成像方法，其特征在于，包括：
按照预设规则将感光面获取的光线成像，所述预设规则包括循环地以预设数量种不同的曝光时间依次对感光面获取的光线成像，每一轮依次获取的各帧图像对应的曝光时间顺序相同；
当一次成像的曝光结束时将当前时刻之前依次的预设数量帧图像融合，将融合得到的图像输出。
2.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，所述预设数量的取值大于等于二。
3.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，将依次的预设数量帧图像融合包括：
融合得到的图像中，较高亮度区域包含曝光时间较小的图像权重大于包含曝光时间较大的图像权重，较低亮度区域包含曝光时间较大的图像权重大于包含曝光时间较小的图像权重。
4.根据权利要求1所述的成像方法，其特征在于，将依次的预设数量帧图像融合包括：将该预设数量帧图像的各帧图像分别按照各自对应的平移量进行像素平移，将经过平移的各帧图像融合。
5.根据权利要求4所述的成像方法，其特征在于，对于该预设数量帧图像的任一帧图像，获得对应的平移量包括：
将该预设数量帧图像的像素值进行归一化处理；
将本帧图像以像素为单位平移，获得使平移后的图像与第一帧图像的像素值差量最小的平移量，将得到的平移量作为本帧图像对应的平移量，第一帧图像为该预设数量帧图像的第一帧图像。
6.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于，具体包括：
对于该预设数量帧图像的第i帧图像，将第i帧图像以像素(xi-1，yi-1)为起始像素的图像依次进行至少两轮平移，每一轮平移中将当前图像按照像素坐标x±1或者y±1平移，选取平移后图像中与所述第一帧图像的像素值差量最小的图像，若连续两轮平移后选取出的图像的起始像素对应为第i帧图像的同一像素，则将第i帧图像的该像素相对于第i帧图像起始像素的平移量作为第i帧图像的平移量，其中第i-1帧图像对应的平移量为(xi-1，yi-1)，3≤i≤N，N表示该预设数量帧图像包括N帧图像。
7.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于，具体包括：
对于该预设数量帧图像的第i帧图像，将第i帧图像以像素(0，0)为起始像素的图像依次进行至少两轮平移，每一轮平移中将当前图像按照像素坐标x±1或者y±1平移，选取平移后图像中与所述第一帧图像的像素值差量最小的图像，若连续两轮平移后选取出的图像起始像素对应为第i帧图像的同一像素，则将第i帧图像的该像素相对于第i帧图像的起始像素的平移量作为第i帧图像的平移量，i＝2。
8.根据权利要求5所述的成像方法，其特征在于，所述像素值差量为两帧图像相同像素的像素值差量的绝对值总和，或者所述像素值差量为两帧图像相同像素的像素值差量的平方和。
9.一种成像装置，其特征在于，用于执行权利要求1-8任一项所述的成像方法。
10.一种内窥镜设备，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的成像方法。
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