DE10324693A1

DE10324693A1 - Vorrichtung zur automatischen Bildsignalverstärkung für ein elektronisches Endoskop

Info

Publication number: DE10324693A1
Application number: DE10324693A
Authority: DE
Inventors: Kohei Iketani
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 2002-05-31
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-01-08
Anticipated expiration: 2023-05-31
Also published as: DE10324693B4; JP4360777B2; US20030222997A1; US7248296B2; JP2003339636A

Abstract

Eine für ein elektronisches Endoskop bestimmte Vorrichtung zur automatischen Bildsignalverstärkung umfasst einen ansteuerbaren Verstärker, einen A/D-Wandler, eine Histogramm-Schaltung und eine CPU. Der ansteuerbare Verstärker verstärkt von einer Bildaufnahmevorrichtung ausgegebene Bildsignale. Die verstärkten Bildsignale werden dem A/D-Wandler zugeführt. Die Histogramm-Schaltung ermittelt eine Häufigkeitsverteilung der verstärkten Bildsignale, wenn in einem Weißabgleich-Zubehörteil eine Bild aufgenommen wird. Abhängig davon, ob festgestellt wird, dass für die Signale in dem Quantisierungsbereich des A/D-Wandlers ein in Sättigung befindliches Bildelement vorhanden ist, stellt die CPU den Verstärkungswert des ansteuerbaren Verstärkers so ein, dass der lineare Bereich der Lichtmengen-Spannungs-Charakteristik der Bildsignale des Verstärkers im wesentlichen den Quantisierungsbereich abdeckt.

Description

Die Erfindung betrifft im weiteren Sinne eine elektronische Endoskopeinrichtung, die eingesetzt wird, um ein inneres Organ im menschlichen Körper, ein Objekt innerhalb einer Leitung oder dergleichen zu betrachten. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur automatischen Bildsignalversärkung.

Eine elektronische Endoskopeinrichtung umfasst üblicherweise ein elektronisches Endoskop mit einem einen Einführteil bildenden flexiblen Rohr, das in den Körper oder eine Leitung eingeführt wird, eine Bildsignalverarbeitungsvorrichtung, die Bildsignale aus einer am distalen Ende des flexiblen Rohrs angeordneten CCD verarbeitet, sowie eine Bilddarstellungsvorrichtung, z. B. einen Fernsehmonitor, über den mit der CCD aufgenommene Bilder überwacht werden können.

An die Bildsignalverarbeitungsvorrichtung können unterschiedliche elektronische Endoskope lösbar angeschlossen werden. Auf diese Weise ist es möglich, nach Bedarf ein geeignetes elektronisches Endoskop an der Bildsignalverarbeitungsvorrichtung anzubringen. Ist ein solches Endoskop an der Bildsignalverarbei tungsvorrichtung angebracht, so werden die Bildsignale aus dem Endoskop verstärkt, einer Analog/Digital-Wandlung, kurz A/D-Wandlung, unterzogen und noch Signalverarbeitungsoperationen anderer Art an den Bildsignalen vorgenommen.

Die Beziehung zwischen der auf einer CCD empfangenen Lichtmenge und der Intensität des von der CCD ausgegebenen Signals, d. h. der Spannung, ist durch eine Kennlinie gegeben, die einen linearen Bereich und einen nichtlinearen Sättigungsbereich aufweist. Eine Schwellenspannung, welche die Grenze zwischen dem linearen Bereich und dem Sättigungsbereich bestimmt, ist als Sättigungsspannung definiert. Die Signalverstärkung, die ein in der Bildsignalverarbeitungsvorrichtung zum Verarbeiten der aus dem elektronischen Endoskop stammenden Bildsignale vorgesehener Verstärker liefert, ist vorzugsweise auf einen Wert oder Pegel eingestellt, der den Sättigungspegel der verstärkten Bildsignale aus dem Toleranzbereich des A/D-Wandlers ausschließt. Da jedoch die Sättigungsspannung für CCDs gleichen Typs, die in der gleichen Produktcharge hergestellt werden, unterschiedlich ist, ist auch die geeignete Verstärkung der Bildsignale in der Bildsignalverarbeitungsvorrichtung für die verschiedenen an der Bildsignalverarbeitungsvorrichtung anbringbaren elektronischen Endoskope unterschiedlich. Die Verstärkung einer Bildsignalverarbeitungsvorrichtung wird deshalb üblicherweise auf einen Pegel eingestellt, durch den auch eine CCD mit minimalem Sättigungsspannungspegel abgedeckt ist, wodurch verhindert wird, dass für ein beliebiges elektronisches Endoskop die Ausgangssignale nicht ausreichend sind.

Wird jedoch die Verstärkung einer Bildsignalverarbeitungsvorrichtung auf einen Wert eingestellt, der die minimale Sättigungsspannung für alle CCDs abdeckt, so werden die Bildsignale, die aus einem elektronischen Endoskop mit hoher Ausgangsspannung stammen, überflüssigerweise mit dem voreingestellten Verstärkungswert verstärkt, wodurch das Signal/Rausch- oder S/N-Verhältnis schlechter wird. So werden die wiedergegebenen Bilder infolge von Rauschen schlechter, selbst wenn die Bildsignale mit ausreichend hohem Pegel erhalten werden. Auch wird die Fähigkeit der CCD, Bilder hoher Qualität zu erzeugen, nicht voll ausgeschöpft.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur automatischen Bildsignalverstärkung anzugeben, die es ermöglicht, Bildsignale auf Grundlage der Sättigungsspannungscharakteristik einer Bildaufnahmevorrichtung geeignet zu verstärken. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine elektronische Endoskopeinrichtung anzugeben, die mit einer solchen Vorrichtung zur automatischen Bildsignalverstärkung versehen ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
1 ein Blockdiagramm eines elektronischen Endoskopsystems als erstes Ausführungsbeispiel,
2 den Zusammenhang zwischen der auf die CCD fallenden Lichtmenge und der einem A/D-Wandler zugeführten Spannung für den Fall, dass die Verstärkung einer CCD-Schaltung auf einen Wert eingestellt ist, der für das Ausgangssignal der CCD nicht ausreichend ist,
3 den Zusammenhang zwischen der auf die CCD fallenden Lichtmenge und der dem A/D-Wandler zugeführten Spannung für den Fall, dass die Verstärkung korrekt eingestellt ist,
4 beispielhaft die Ausgabe auf dem Monitorbildschirm unter den in 2 gezeigten Bedingungen,
5 beispielhaft die Ausgabe auf dem Monitorbildschirm unter den in 3 gezeigten Bedingungen,
6 ein Flussdiagramm für eine automatische Verstärkungssteuerung gemäß erstem Ausführungsbeispiel,
7 ein Flussdiagramm für eine modifizierte Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels, die die automatische Verstärkungssteuerung nach 6 beinhaltet,
8 beispielhaft die Ausgabe auf dem Monitorbildschirm für den Fall, dass die Verstärkung nicht im Voraus gespeichert worden ist, und
9 ein Flussdiagramm für eine automatische Verstärkungssteuerung als zweites Ausführungsbeispiel.
Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele beschrieben.
1 ist ein Blockdiagramm einer elektronischen Endoskopeinrichtung gemäß erstem Ausführungsbeispiel. Diese elektronische Endoskopeinrichtung enthält ein elektronisches Endoskop 10, eine Bildsignalverarbeitungsvorrichtung 20 und einen Fernsehmonitor 50. Das elektronische Endoskop 10 ist lösbar an die Bildsignalverarbeitungsvorrichtung 20 angeschlossen. Der Fernsehmonitor 50 ist über ein Videosignalkabel an einen Videoausgangsanschluss der Bildsignalverarbeitungsvorrichtung 20 angeschlossen. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist lediglich der Fernsehmonitor 50 als Beispiel für ein Peripheriegerät gezeigt. An die Bildsignalverarbeitungsvorrichtung 20 können jedoch ebenso ein Videodrucker, ein Videoaufzeichnungsgerät oder ein Computer als Peripheriegerät angeschlossen sein.
Das elektronische Endoskop 10 hat einen Einführteil in Form eines flexiblen Rohrs. Die Bildaufnahmevorrichtung, z. B. eine CCD 11, ist am distalen Ende dieses Rohrs angeordnet, so dass die CCD 11 über das Objektiv 12 ein Bild z. B. aus dem Körperinneren oder einem Rohr aufnehmen kann. In dem elektronischen Endoskop 10 befindet sich ein Lichtleiterkabel (LCB) 13, das aus einem extrafeinen Lichtleitfaserbündel besteht. Das Lichtleiterkabel 13 dient dazu, Beleuchtungslicht zu übertragen, das die CCD 11 zur Bildaufnahme benötigt. In dem elektronischen Endoskop 10 ist ein Speicher 14 vorgesehen. Der Speicher 14 ist ein nichtflüchtiger Speicher. In ihm ist beispielsweise die Modellbezeichnung oder die Seriennummer des elektronischen Endoskops 10 gespeichert, um dieses von anderen Endoskopen unterscheidbar zu machen.
Das elektronische Endoskop 10 ist an der Bildsignalverarbeitungsvorrichtung 20 über eine nicht gezeigte Steckverbindung angeschlossen. Das Lichtleiterkabel 13 ist so optisch an einen Lichtquellenteil 40 gekoppelt, der sich in der Bildsignalverarbeitungsvorrichtung 20 befindet. Der Lichtquellenteilt 40 umfasst eine Lampe 41, eine Blende 42, ein Kondensorlinse 43, einen Blendenmotor 44 etc. Von der Lampe 41 ausgegebenes Licht fällt durch die Blende 42 und die Kondensorlinse 43 auf eine Endfläche des Lichtleiterkabels 13. Die Blende 42 stellt die Lichtmenge ein, die dem Lichtleiterkabel aus der Lampe 41 zugeführt wird. Die Blende 42 wird über den Blendenmotor 44 betätigt. Die Lampe 41 und der Blendenmotor 44 werden von einer CPU 28 gesteuert. Wird für die elektronische Endoskopeinrichtung ein sequenzielles Bildaufnahmesystem benötigt, so kann in dem Strahlengang mit der Blende 42 ein rotierendes RGB-Farbfilter vorgesehen werden.
Die CCD 11 ist mit einem CCD-Treiber 21 und einer CCD-Schaltung 22 elektrisch verbunden, die sich in der Bildsignalverarbeitungsvorrichtung 20 befinden. Die CCD 11 wird über Treibersignale angesteuert, die aus dem CCD-Treiber 21 stammen und fängt am distalen Ende des Einführteils Bilder ein, wobei aus dem distalen Ende Beleuchtungslicht abgegeben wird, das über das Lichtleiterkabel 13 von dem Lichtquellenteil 40 ausgesendet wird. Die von der CCD 11 eingefangenen Bilder werden in analoge Bildsignale gewandelt und der CCD-Schaltung 22 zugeführt. Die analogen Bildsignale werden dann mit einem vorbestimmten Verstärkungswert verstärkt, verschiedenen Signalverarbeitungsprozessen unterzogen und schließlich an einen A/D-Wandler 23 ausgegeben. Die vorstehend genannten Signalverarbeitungsprozesse sind aus dem Stand der Technik bekannt und beinhalten beispielsweise einen Austastprozess, einen Klemmungsprozess, einen Farbtrennprozess, z. B. die Trennung in Luminanzsignale und Farbdifferenzsignale durch eine Matrixschaltung, und dergleichen.
Die Bildsignale werden in dem A/D-Wandler 23 in digitale Signale gewandelt und anschließend an eine Gammakorrektur-Schaltung 24 und eine Histogramm-Schaltung 25 ausgegeben. Nach Durchführung einer Gammakorrektur gibt die Gammakorrektur-Schaltung 24 die Bildsignale an eine Bildsignalverarbeitungsschaltung 26 aus. In der Bildsignalverarbeitungsschaltung 26 werden übliche, aus dem Stand der Technik bekannte Verarbeitungsprozesse wie z. B. ein Weißabgleich vorgenommen. Die Bildsignale werden dann decodiert und an einen D/A-Wandler 27 ausgegeben. Dann werden die Bildsignale in analoge Videosignale gemäß dem NTSC-Standard, dem PAL-Standard oder dergleichen gewandelt und dem Fernsehmonitor 50 zugeführt. Der in der Bildsignalverarbeitungsschaltung 26 vorgenommene Weißabgleich wird durch die CPU 28 gesteuert.
In der Histogramm-Schaltung 25 wird eine Häufigkeitsverteilung oder ein Histogramm für die Luminanzsignale (Y) oder Referenzbildsignale erzeugt, und die entsprechenden Histogrammdaten werden an die CPU 28 ausgegeben. Dabei werden für jedes Bild oder jeden Satz Bilder Auftrittshäufigkeiten (Frequenzen, Zahl der Pixel) für jedes Werteintervall der digitalen Luminanzsignale (Y) innerhalb des Toleranzbereichs (Wertebereich, Quantisierungsbereich) des A/D-Wandlers 23 erfasst. Die CPU 28 steuert die Verstärkung der CCD-Schaltung 22 auf Grundlage des Histogramms der Luminanzsignale (Y).
Der CCD-Treiber 21, ein nichtflüchtiger Speicher 29 sowie der in dem elektronischen Endoskop 10 vorgesehene Speicher 14 sind an die CPU 28 angeschlossen und werden über Steuersignale angesteuert, welche die CPU 28 ausgibt. Ferner ist mit der CPU 28 ein Bedienfeld 30 mit verschiedenen Schaltern und einer Anzeigevorrichtung verbunden. Die CPU 28 steuert die verschiedenen Schaltungen entsprechend der Betätigung der Schalter.
Unter Bezugnahme auf die 2 bis 5 wird im Folgenden der Zusammenhang zwischen dem Ausgangssignal der CCD 11 und der Verstärkung der CCD-Schaltung 22 erläutert.
In den 2 und 3 sind Graphen dargestellt, die an Hand von Kennlinien den Zusammenhang zwischen der auf die CCD 11 fallenden Lichtmenge und den dem A/D-Wandler 23 zugeführten Spannungswerten zeigen. Die auf die CCD 11 fallende Lichtmenge ist durch die Abszisse gegeben, während die Spannungswerte durch die Ordinate gegeben sind. 2 zeigt die Situation, in der die Verstärkung der CCD-Schaltung 22 für die Ausgangssignale der CCD 11 nicht ausreichend ist. Dagegen zeigt 3 die Situation, in der die Verstärkung geeignet eingestellt ist. In den 4 und 5 ist beispielhaft die Ausgabe auf dem Monitorbildschirm für die in 2 bzw. 3 gezeigten Situationen gezeigt.
Das Ausgangssignal der CCD 11 nimmt proportional mit der Zunahme der einfallenden Lichtmenge zu, bis die einfallende Lichtmenge einen Sättigungswert überschreitet, der der Sättigungsspannung der Fotodioden der CCD 11 (Pixel, Bild- oder Lichtempfangselemente der Bildaunahmevorrichtung) entspricht. Wenn die Lichtmenge den Sättigungsbereich erreicht, so nimmt die Rate, mit der die Ausgangsspannung der CCD 11 zunimmt, mit zunehmender Lichtmenge ab. Die Ausgangsspannung der verstärkten Bildsignale pegelt sich deshalb in dem Sättigungsbereich ein, wie in den 2 und 3 gezeigt ist. Innerhalb einer einzelnen CCD unterscheiden sich die Fotodioden in ihren Sättigungsspannungen voneinander, d. h. die Sättigungsspannungen sind nicht einheitlich. Ist die Verstärkung auf einen nicht ausreichenden Pegel eingestellt, d. h. liegen die Sättigungsbereiche einiger Fotodioden innerhalb des Toleranzbereichs des A/D-Wandlers 23, wie dies in 2 gezeigt ist, so erreichen deshalb diese Fotodioden (Pixel, Lichtempfangselemente) bei hohen Ausgangspegeln der CCD 11 ihren jeweiligen Sättigungspegel und erscheinen auf dem Monitorbildschirm als schwarze Punkte, wie in 4 gezeigt ist. Ist dagegen die Verstärkung auf einen ausreichend hohen Pegel voreingestellt, d. h. sind die linearen Bereiche der verstärkten Bildsignale für alle Fotodioden oder Pixel auf den Toleranzbereich des A/D-Wandlers 23 einge stellt, wie dies in 3 gezeigt ist, so treten auf dem Monitorbildschirm selbst bei hohen Ausgangspegeln der Fotodioden der CCD 11 keine schwarzen Punkte auf.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 6 wird im Folgenden eine in dem ersten Ausführungsbeispiel von der CPU 28 durchgeführte automatische Verstärkungssteuerung erläutert. 6 ist ein Flussdiagramm dieser automatischen Verstärkungssteuerung gemäß erstem Ausführungsbeispiel. Die in 6 gezeigte Operation wird durchgeführt, während das distale Ende des elektronischen Endoskops 10 in ein Weißabgleich-Zubehörteil 60 eingeführt ist. Das Weißabgleich-Zubehörteil 60 ist eine becherförmige Vorrichtung, dessen Inneres mit einem weißen Anstrich versehen ist. Das Weißabgleich-Zubehörteil 60 dient dazu, den Weißabgleich der elektronischen Endoskopeinrichtung zu korrigieren und einzustellen.
In Schritt S101 wird der CPU 28 ein Signal zugeführt, das den Zustand (SW) eines an dem Bedienfeld 30 vorgesehenen Schalters angibt, der für die automatische Verstärkungssteuerung vorgesehen ist und im Folgenden als Verstärkungsautomatikschalter bezeichnet wird. In Schritt S102 wird ermittelt, ob der Verstärkungsautomatikschalter eingeschaltet ist. Ist dies nicht der Fall, so kehrt der Prozess zu Schritt S101 zurück, worauf die Schritte S101 und S102 wiederholt werden. Die Schritte S101 und S102 können im Systembetrieb als Unterbrechungsroutine ausgeführt werden.
Wird dagegen in Schritt S101 festgestellt, dass der Verstärkungsautomatikschalter eingeschaltet ist, so wird in Schritt S103 die Lampe 41 eingeschaltet und in Schritt S104 die Blende 42 vollständig geöffnet. In Schritt S105 wird dann der Verstärkungswert eines in der CCD-Schaltung 22 vorgesehenen, ansteuerbaren Verstärkers auf den Maximalwert eingestellt. Zu Beginn des Prozesses werden nämlich Bilder der Bodenfläche des Weißabgleich-Zubehörteils 60 von der CCD 11 bei vollständig geöffneter Blende und mit maximaler Verstärkung aufgenommen. Der Verstärkungswert des in der CCD-Schaltung 22 vorgesehenen, ansteuerbaren Verstärkers kann durch die CPU 28 schrittweise erhöht oder gesenkt werden.
In Schritt S106 steuert die CPU 28 die Histogramm-Schaltung 25 so an, dass die Luminanzsignale (Y), die von der CCD 11 ausgegeben und durch den ansteuerbaren Verstärker der CCD-Schaltung 22 verstärkt werden, überwacht werden und ihr Histogramm ermittelt wird. Aus den gewonnenen Histogrammdaten wird in Schritt S107 ermittelt, ob die Ausgangswerte der Luminanzsignale (Y) für alle Pixel in der CCD 11 gleich einem Maximalwert sind. Wandelt beispielsweise der A/D-Wandler 23 die Luminanzsignale in 8-Bit-Daten, was bedeutet, dass der Maximalwert der Luminanzsignale gleich 255 ist, so wird in Schritt S107 ermittelt, ob die Luminanzsignale (Y) für alle Pixel den Wert 255 haben. Sind die Werte der Luminanzsignale (Y), d. h. die Signalintensitäten, für alle Pixel gleich dem Maximalwert (255), so wird in Schritt S108 der Verstärkungswert des ansteuerbaren Verstärkers um einen Schritt gesenkt, und der Prozess kehrt zu Schritt S106 zurück. Die Schritte S106 und S108 werden so lange wiederholt, bis mindestens ein Pixel auftritt, dessen Luminanzsignal (Y) einen Wert hat, der kleiner als der Maximalwert (255) ist.
Wird in Schritt S107 festgestellt, dass unter sämtlichen Pixeln der CCD 11 eines vorhanden ist, dessen Luminanzsignal (Y) einen Wert hat, der kleiner als der Maximalwert ist, so wird in Schritt S109 der Verstärkungswert des ansteuerbaren Verstärkers um einen Schritt erhöht. Dadurch werden die linearen Bereiche der verstärkten Bildsignale, die auf die einzelnen Pixel bezogen sind, im Wesentlichen auf den Toleranzbereich des A/D-Wandlers 23 eingestellt. In Schritt S110 wird der in Schritt S109 eingestellte Verstärkungswert zusammen mit der Modellbezeichnung oder der Seriennummer des elektronischen Endoskops 10 im Speicher 29 gespeichert. Gleichzeitig wird der Verstärkungswert auch in dem in dem elektronischen Endoskop 10 vorgesehenen Speicher 14 gespeichert, worauf die automatische Verstärkungssteuerung gemäß erstem Ausführungsbeispiel endet.
Die oben beschriebene automatische Verstärkungssteuerung kann in dem Prozess zur Einstellung oder Korrektur des Weißabgleichs durchgeführt werden. Deshalb wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die 6 und 7 eine modifizierte Ausführungsform des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben, bei der die automatische Verstärkungssteuerung in Kombination mit dem Weißabgleich durchgeführt wird.
Wie in der in 6 gezeigten automatischen Verstärkungssteuerung werden der Weißabgleich und die automatische Verstärkungssteuerung gemäß modifizierter Ausführungsform durchgeführt, während sich das distale Ende des Endoskops 10 in dem Weißabgleich-Zubehörteil 60 befindet. In Schritt S201 wird durch die CPU 28 der Zustand (SW) eines Weißabgleich-Schalters erfasst, der sich an dem Bedienfeld 30 befindet. In Schritt S202 wird ermittelt, ob der Weißabgleich-Schalter eingeschaltet ist. Ist der Weißabgleich-Schalter nicht eingeschaltet, so kehrt der Prozess zu Schritt S201 zurück und die Schritte S201 und S202 werden wiederholt. Wird dagegen in Schritt S202 festgestellt, dass der Weißabgleich-Schalter eingeschaltet ist, so fährt der Prozess mit Schritt S203 fort. Die Schritte S201, S202 können im Systembetrieb als Unterbrechungsroutine ausgeführt werden.
In Schritt S203 erfolgt die Korrektur oder Einstellung des Weißabgleichs. Durch eine entsprechende Betätigung der an dem Bedienteil 30 vorgesehenen Schalter wird dabei die Lampe 41 eingeschaltet und die Blende 42 bis auf einen vorbestimmten Blendenwert geöffnet. Außerdem werden die relativen Verstärkungswerte für das R- und das B-Signal auf das G-Signal eingestellt. Dies alles erfolgt in der in 1 gezeigten Bildsignalverarbeitungsvorrichtung 20. Ist die Einstellung des Weißabgleichs abgeschlossen, so wird anschließend in Schritt S204 die automatische Verstärkungssteuerung durchgeführt. Dies bedeutet, dass in Schritt S204 die in 6 gezeigten Schritte S104 bis S110 durchgeführt werden.
Vor Durchführen des Weißabgleichs und der automatischen Verstärkungssteuerung kann zunächst ermittelt werden, ob die auf den Verstärkungswert bezogenen Daten in dem Speicher 14 oder 29 gespeichert sind. Ist der Verstärkungswert nicht im Voraus in den Speicher 14 oder 29 gespeichert worden, so kann auf dem Fernsehmonitor 50, wie in 8 gezeigt, eine Meldung dargestellt werden, durch die zur Ausführung des Weißabgleichs und der automatischen Verstärkungssteuerung aufgefordert wird, z. B. die Meldung "Weißabgleich-Schalter drücken". Ist die automatische Verstärkungssteuerung schon ausgeführt worden und ist der geeignete Verstärkungswert für das an der Bildsignalverarbeitungsvorrichtung angebrachte elektronische Endoskop schon in dem Speicher 14 oder 29 gespeichert, so wird der Verstärkungswert des in der CCD-Schaltung 22 vorgesehenen ansteuerbaren Verstärkers auf den in dem Speicher 14 oder 29 gespeicherten Wert eingestellt.
In dem ersten Ausführungsbeispiel kann also die Verstärkung der Bildsignale in der Bildsignalverarbeitungsvorrichtung automatisch entsprechend der Sättigungsspannung der in dem jeweiligen elektronischen Endoskop montierten Bildaufnahmevorrichtung, genauer gesagt entsprechend der Sättigungsspannung der einzelnen in der Bildaufnahmevorrichtung vorgesehenen Fotodioden, eingestellt werden. Für ein bestimmtes elektronisches Endoskop (oder eine bestimmte Bildaufnahmevorrichtung) kann also die Verstärkung automatisch auf einen Wert eingestellt werden, der auf die Fotodiode in der Bildaufnahmevorrichtung mit der minimalen Sättigungsspannung ausgelegt ist. Für jedes einzelne elektronische Endoskop wird so die Verstärkung automatisch auf den kleinstmöglichen Wert eingestellt, der ausreicht, dass der lineare Bereich aller aus der Bildaufnahmevorrichtung stammenden verstärkten Bildsignale auf den Toleranzbereich des A/D-Wandlers eingestellt ist. Dabei wird das Signal/Rausch-Verhältnis der Bildsignale für alle in der Endoskopeinrichtung verwendeten elektronischen Endoskope maximiert, und man erhält ein Bild hoher Qualität mit verringertem Rauschen. Auf diese Weise ist es möglich, im Rahmen der Endoskopie z. B. eine auf eine schwere Krankheit hinweisenden Stelle einfach zu erfassen und zu diagnostizieren. Außerdem wird in dem beschriebenen Ausführungsbeispiel die Verstärkung automatisch eingestellt, während der Weißabgleich durchgeführt wird, so dass der Benutzer die Einstellung ohne mühsames Hantieren vornehmen kann.
Unter Bezugnahme auf 9 wird im Folgenden ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben. In dem ersten Ausführungsbeispiel beruht die Verstärkungssteuerung oder -einstellung auf dem Luminanzsignal (Y). Dagegen wird in dem zweiten Ausführungsbeispiel die Verstärkung über die Farbdifferenzsignale (R-Y, B-Y) gesteuert. Im übrigen entspricht das zweite Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel, so dass die Aspekte, die das erste und das zweite Ausführungsbeispiel gemeinsam haben, an dieser Stelle nicht nochmals beschrieben werden.
In Schritt S301 erfasst die CPU 28 den Zustand (SW) des an dem Bedienfeld 30 vorgesehenen Verstärkungsautomatikschalters. In Schritt S302 wird ermittelt, ob der Verstärkungsautomatikschalter eingeschaltet ist. Ist der Verstärkungsautomatikschalter nicht eingeschaltet, so kehrt der Prozess zu Schritt S301 zurück und die Schritt S301 und S302 werden wiederholt.
Wird dagegen in Schritt S302 festgestellt, dass der Verstärkungsautomatikschalter eingeschaltet ist, so wird in Schritt S303 die Lampe 41 eingeschaltet und in Schritt S304 die Blende 42 vollständig geöffnet. In Schritt S305 wird dann der Verstärkungswert des in der CCD-Schaltung 22 vorgesehenen ansteuerbaren Verstärkers auf den maximalen Wert oder Pegel eingestellt. So fängt die CCD 11 ein Bild der Bodenfläche des Weißabgleich-Zubehörteils 60 bei vollständig geöffneter Blende 42 und mit maximaler Verstärkung ein.
In Schritt S306 werden die Farbdifferenzsignale (R-Y), die von der CCD 11 ausgegeben und von dem ansteuerbaren Verstärker der CCD-Schaltung 22 verstärkt werden, überwacht und ihre Histogramme ermittelt. In Schritt S307 werden die Farbdifferenzsignale (B-Y), die von der CCD 11 ausgegeben und von dem ansteuerbaren Verstärker der CCD-Schaltung 22 verstärkt werden, überwacht und ihre Histogramme ermittelt. In Schritt S308 wird dann ermittelt, ob die Farbdifferenzsignale (R-Y) und die Farbdifferenzsignale (B-Y) für sämtliche Pixel in ihren Werten in der Mitte liegen, d. h. gleich einem Zentral- oder Mittelwert sind. (Unter "Pixel" ist dabei ein auf die Ausgabevorrichtung, z. B. einen Fernsehmonitor oder dergleichen, bezogenes Bildelement zu verstehen, dessen Farbe durch die Signale mehrerer in der CCD vorhandener Pixel gebildet wird). Werden beispielsweise die Farbdifferenzsignale in 8-Bit-Daten gewandelt, deren Maximalwert gleich 255 ist, so wird in Schritt S308 ermittelt, ob die Intensitäten oder Werte der Farbdifferenzsignale für alle Pixel gleich dem Wert 128 sind, der gleich der Hälfte des maximalen Wertes 255 ist und, wie weiter unten beschrieben, den achromatischen Wert (Position) darstellt.
Die Werte der Farbdifferenzsignale (R-Y, B-Y) stimmen nur dann mit dem Zentralwert, der gleich der Hälfte des maximalen Wertes ist, überein, wenn sie Weiß darstellen. Sind diese Werte größer oder kleiner als der Mittelwert, so ist die erfasste Farbe nicht weiß. Mit zunehmendem Abstand der Werte der Farbdifferenzsignale (R-Y, B-Y) von dem Mittelwert wird diese nichtweiße Farbe vertieft.
In dem ersten Ausführungsbeispiel, bei dem das Luminanzsignal (Y) genutzt wird, wird möglicherweise eine fehlerhafte Verstärkung eingestellt, wenn der Einführteil des elektronischen Endoskops 10 nicht korrekt in das Weißabgleich-Zubehörteil 60 eingeführt ist, so dass z. B. ein Teil eines schwarz gefärbten Halteelementes, der das distale Ende des Einführteils hält, von der Bildaufnahmevorrichtung eingefangen wird, oder wenn in dem Weißabgleich-Zubehörteil 60 ein Schmutz z. B. in Form von schwarzen oder grauen Punkten vorhanden ist. In diesen Fällen liefern nämlich die Luminanzsignale (Y) für einige der Pixel, die den Sättigungspegel nicht erreicht haben, nicht die maximalen Luminanzsignale (Y). Dagegen gilt für die Farbdifferenzsignale (R-Y, B-Y), dass die Ausgangspegel der Signale mit dem Mittelwert 128 bis zum Maximalwert 255 übereinstimmen, wenn das beobachtet Bild weiß ist, und zwar unabhängig von dessen Gradation. Jedoch sind die Werte der Sättigungsspannung für die einzelnen Fotodioden in der CCD 11 ungleich, so dass sich die Farbe eines Pixels (d. h. eines auf die Ausgabevorrichtung bezogenen Bildelementes), das eine Fotodiode unterhalb des Sättigungspegels enthält, zu einer bestimmten nichtweißen Farbe tendiert und sich eines der Farbdifferenzsignale (R-Y) oder (B-Y) gegenüber dem Mittelwert 128 verschiebt. Durch Erfassen dieser Verschiebung kann die Sättigungsspannung für alle Fotodioden in der CCD 11 überwacht werden.
Wird in Schritt S308 ermittelt, dass die Farbdifferenzsignale (R-Y) und (B-Y) für alle Pixel gleich dem Mittelwert 128 sind, so wird in Schritt S309 der Verstärkungswert des ansteuerbaren Verstärkers um einen Schritt gesenkt, worauf der Prozess zu Schritt S306 zurückkehrt. Die Schritte S306 bis S309 werden so lange wiederholt, bis mindestens ein Pixel auftritt, dessen Farbdifferenzsignal (R-Y) oder (B-Y) nicht gleich dem Mittelwert 128 ist.
Wird in Schritt S308 festgestellt, dass unter den Pixeln ein Pixel vorhanden ist, dessen Farbdifferenzsignal (R-Y) oder (B-Y) nicht gleich dem Mittelwert ist, so wird in Schritt S310 der Verstärkungswert des ansteuerbaren Verstärkers um einen Schritt erhöht. Dadurch werden die linearen Bereiche aller verstärkten Bildsignale in geeigneter Weise auf den Toleranzbereich des A/D-Wandlers 23 eingestellt. In Schritt S311 wird der in Schritt S310 eingestellte Verstärkungswert zusammen mit der Modellbezeichnung oder der Seriennummer des elektronischen Endoskops 10 in dem Speicher 29 gespeichert. Gleichzeitig wird der Verstärkungswert auch in dem Speicher 14 des elektronischen Endoskops 10 gespeichert. Damit endet die automatische Verstärkungssteuerung.
Wie aus obiger Beschreibung hervorgeht, erreicht man durch das zweite Ausführungsbeispiel die gleiche Wirkung wie durch das erste Ausführungsbeispiel. Darüber hinaus werden in dem zweiten Ausführungsbeispiel alternativ zur Verwendung der Luminanzsignale gemäß erstem Ausführungsbeispiel die Farbdifferenzsignale zum Überwachen der Sättigungsspannung der Bildaufnahmevorrichtung genutzt, um die Verstärkung einzustellen. Auf diese Weise kann die Verstärkung auch dann korrekt eingestellt werden, wenn das Endoskop nicht korrekt in das für den Weißabgleich bestimmte Weißabgleich-Zubehörteil eingeführt oder wenn das Weißabgleich-Zubehörteil in seinem Inneren verschmutzt ist.
In den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen werden die Bildsignale aus dem elektronischen Endoskop, die durch den ansteuerbaren Verstärker verstärkt werden, dem A/D-Wandler zugeführt. Es kann jedoch auch ein Signalprozessor vorgesehen sein, der dem ansteuerbaren Verstärker direkt nachgeschaltet, d. h. mit diesem verbunden ist. In diesem Fall wird der Verstärkungswert des ansteuerbaren Verstärkers so auf den Toleranzbereich des Signalprozessors eingestellt, dass der Sättigungsbereich der verstärkten Bildsignale nicht in den Toleranzbereich reicht. In den vorgestellten Ausführungsbeispielen wird der Weißabgleich in der Bildsignalverarbeitungsschaltung vorgenommen, die der CCD-Schaltung nachgeschaltet ist. Der Weißabgleich kann jedoch auch in der CCD-Schaltung vorgenommen werden. Außerdem kann er vor der Verstärkung durch den ansteuerbaren Verstärker durchgeführt werden.
In den vorgestellten Ausführungsbeispielen arbeitet die elektronische Endoskopeinrichtung mit einem simultanen Bildaufnahmesystem, das eine mit einem chipintegrierten Farbfilter versehene Bildaufnahmevorrichtung nutzt, um gleichzeitig alle Farbkomponentenbilder einzufangen. Die Endoskopeinrichtung kann jedoch auch mit einem sequenziellen Bildaufnahmesystem arbeiten. Bei diesem sequenziellen Bildaufnahmesystem werden die R-, G- und B-Bildsignale aus der CCD durch den in der Bildsignalverarbeitungsvorrichtung vorgesehenen ansteuerbaren Verstärker verstärkt und von einem A/D-Wandler in digitale Signale gewandelt. Die R-, G- und B-Bildsignale werden nacheinander temporär in einem Bildspeicher gespeichert. Steht ein Satz aus R-, G- und B-Bildsignalen in dem Bildspeicher bereit, so werden diese Bildsignale gleichzeitig einer Matrixschaltung zugeführt und in Luminanz- und Farbdifferenzsignale gewandelt. Die Luminanz- oder Farbdifferenzsignale werden dann der Histogramm-Schaltung zugeführt, um das Histogramm der Luminanz- oder Farbdifferenzsignale zu ermitteln. Der Verstärkungswert des ansteuerbaren Verstärkers wird dann entsprechend den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen eingestellt.
In den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird für Bildsignale, die in dem Toleranzbereich der nachfolgenden Schaltung liegen, der geeignete Verstärkungswert in der Weise gesucht, dass der Verstärkungswert des ansteuerbaren Verstärkers ausgehend von dem maximalen Wert Schritt für Schritt verringert wird, bis ein gesättigtes Pixel auftritt. Der geeignete Verstärkungswert kann jedoch auch in der Weise ermittelt werden, dass der Verstärkungswert ausgehend von einem vorbestimmten Wert Schritt für Schritt erhöht wird, bis alle gesättigten Pixel verschwinden. In diesem Fall, in dem das Verschwinden aller gesättigten Pixel erfasst wird, erhält man den geeigneten Verstärkungswert ohne die in den Schritten S109 und S310 des ersten bzw. des zweiten Ausführungsbeispiels erforderliche Operation, durch die ein Schritt zurückgegangen wird.
In dem ersten Ausführungsbeispiel wird geprüft, ob die Bildsignale aller Fotodioden der Bildaufnahmevorrichtung gleich dem Maximalpegel sind, um so zu bestimmen, ob eine gesättigte Fotodiode mit einem in dem Toleranzbereich liegenden Bildsignal vorhanden ist. In dem zweiten Ausführungsbeispiel wird geprüft, ob die Bildsignale aller Pixel der Ausgabevorrichtung gleich dem Mittelwert sind, um so zu ermitteln, ob eine gesättigte Fotodiode mit einem in dem Toleranzbereich liegenden Bildsignal vorhanden ist. Es ist jedoch auch möglich, einen vorbestimmten Zulässigkeitsbereich oder eine vorbestimmte Zulässigkeitsbreite um den Maximalwert oder den Mittelwert vorzusehen. So können beispielsweise Pixel oder Fotodioden, deren Werte innerhalb des Zulässigkeitsbereichs oder vorbestimmter Unterteilungen um den Maximalwert oder Mittelwert liegen, nicht als gesättigte Pixel oder Fotodioden angesehen werden. Als gesättigte Pixel oder Fotodioden werden dann nur diejenigen Pixel oder Fotodioden angesehen, deren Werte jenseits des Zulässigkeitsbereichs liegen. Außerdem kann die Häufigkeit (oder die Anzahl der Pixel) innerhalb des Zulässigkeitsbereichs beschränkt werden.

Claims

Vorrichtung zur automatischen Bildsignalverstärkung für ein elektronisches Endoskop, umfassend einen ansteuerbaren Verstärker zum Verstärken von Bildsignalen mit einem einstellbaren Verstärkungswert, wobei die Bildsignale von Bildelementen einer Bildaufnahmevorrichtung in Abhängigkeit der empfangenen Lichtmenge als analoge Spannungssignale ausgegeben werden und die Bildelemente jeweils eine Lichtmengen-Spannungs-Charakteristik haben, die einen linearen Bereich und einen nichtlinearen Sättigungsbereich aufweist, die durch eine Sättigungsspannung voneinander getrennt sind, einen Wandler zum Digitalisieren der durch den Verstärker verstärkten Bildsignale innerhalb eines vorbestimmten Quantisierungsbereichs, eine Histogramm-Einheit zum Ermitteln einer Häufigkeitsverteilung der digitalisierten Werte von durch den Verstärker verstärkten Referenzbildsignalen, welche die Bildaufnahmevorrichtung in einem Weissabgleich ausgibt, eine Sättigungserfassungseinheit zum Ermitteln, ob für die in dem Quantisierungsbereich des Wandlers liegenden Bildsignale ein in Sättigung befindliches Bildelement vorhanden ist, dessen Bildsignal die Sättigungsspannung erreicht hat, und eine Verstärkungssteuerungseinheit zum Einstellen des Verstärkungswertes in Abhängigkeit des Erfassungsergebnisses der Sättigungserfassungseinheit derart, dass für jedes Bildelement der lineare Bereich des verstärkten Bildsignals den Quantisierungsbereich des Wandlers abdeckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Häufigkeitsverteilung Intervalle umfasst, dass der Wertebereich der digitalisierten Bildsignale in diese Intervalle unterteilt ist und dass für diese Intervalle Auftrittshäufigkeiten ermittelt werden, welche die Anzahl der dem jeweiligen Intervall zugeordneten Bildelemente angeben.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sättigungserfassungseinheit das Vorhandensein eines in Sättigung befindlichen Bildelementes dadurch erfasst, dass sie ermittelt, ob ein Bildelement vorhanden ist, das einem anderen als einem vorbestimmten Intervall zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Histogramm-Einheit zugeführten Referenzbildsignale Luminanzsignale sind und dass die Histogramm-Einheit diese Luminanzsignale überwacht.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sättigungserfassungseinheit das Vorhandensein eines in Sättigung befindlichen Bildelementes dadurch erfasst, dass sie ermittelt, ob für die Referenzbildsignale ein Bildelement mit einem Luminanzwert vorhanden ist, der ungleich dem Maximalwert des Quantisierungsbereichs des Wandlers ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die der Histogramm-Einheit zugeführten Referenzbildsignale Farbdifferenzsignale sind und dass die Histogramm-Einheit diese Farbdifferenzsignale überwacht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sättigungserfassungseinheit das Vorhandensein eines in Sättigung befindlichen Bildelementes dadurch erfasst, dass sie ermittelt, ob für die Bildsignale ein Bildelement vorhanden ist, das einen einer nichtweissen Farbe zugeordneten Wert hat.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungssteuerungseinheit den Verstärkungswert in aufeinander folgenden Schritten jeweils um einen vorbestimmten Wert verringert und in Abhängigkeit des in jedem dieser Schritte von der Sättigungserfassungseinheit gelieferten Erfassungsergebnisses den Verstärkungswert schließlich auf einen Wert einstellt, der einen Schritt vor der Erfassung des in Sättigung befindlichen Bildelementes gegeben ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungssteuerungseinheit den Verstärkungswert in aufeinander folgenden Schritten jeweils um einen vorbestimmten Wert erhöht und in Abhängigkeit des in jedem dieser Schritte von der Sättigungserfassungseinheit gelieferten Erfassungsergebnisses den Verstärkungswert schließlich auf einen Wert einstellt, der bei Erfassung des in Sättigung befindlichen Bildelementes gegeben ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Speicher zum Speichern des durch die Verstärkungssteuerungseinheit eingestellten Verstärkungswertes.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungswert in dem Speicher zusammen mit einer Information gespeichert wird, die das gerade verwendete elektronische Endoskop von anderen elektronischen Endoskopen unterscheidbar macht.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch eine Verifizierungseinheit zum Erfassen, ob der Verstärkungswert in dem Speicher gespeichert ist, und eine Darstellungseinheit zum Darstellen einer Information, durch die zur Aktivierung der automatischen Bildsignalverstärkung aufgefordert wird, wenn durch die Verifizierungseinheit erfasst wird, dass der Verstärkungswert nicht in dem Speicher gespeichert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungssteuerungseinheit aktiviert wird, wenn eine Einstellung des Weissabgleichs vorgenommen wird.
Elektronische Endoskopeinrichtung mit einer Vorrichtung zur automatischen Bildsignalverstärkung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Vorrichtung zur automatischen Bildsignalverstärkung für ein elektronisches Endoskop, umfassend einen ansteuerbaren Verstärker zum Verstärken von Bildsignalen mit einem einstellbaren Verstärkungswert, wobei die Bildsignale von Bildelementen einer Bildaufnahmevorrichtung in Abhängigkeit der empfangenen Lichtmenge als analoge Spannungssignale ausgegeben werden und die Bildelemente jeweils eine Lichtmengen-Spannungs-Charakteristik haben, die einen linearen Bereich und einen nichtlinearen Sättigungsbereich aufweist, die durch eine Sättigungsspannung voneinander getrennt sind, eine Bildsignalverarbeitungsschaltung zum Verarbeiten der durch den Verstärker verstärkten Bildsignale innerhalb eines vorbestimmten Quantisierungsbereichs, eine Histogramm-Einheit zum Ermitteln einer Häufigkeitsverteilung der digitalisierten Werte von durch den Verstärker verstärkten Bildsignalen, welche die Bildaufnahmevorrichtung in einem Weissabgleich ausgibt, eine Sättigungserfassungseinheit zum Ermitteln, ob für die in dem Quantisierungsbereich des Wandlers liegenden Bildsignale ein in Sättigung befindliches Bildelement vorhanden ist, dessen Bildsignal die Sättigungsspannung erreicht hat, und eine Verstärkungssteuerungseinheit zum Einstellen des Verstärkungswertes in Abhängigkeit des Erfassungsergebnisses der Sättigungserfassungseinheit derart, dass für jedes Bildelement der lineare Bereich des verstärkten Bildsignals den Quantisierungsbereich des Wandlers abdeckt.