JP2016193107A - 画像処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】特殊な光源装置を使用することなく深部血管強調画像を取得可能とする。
【解決手段】画像処理装置は、生体組織を撮影した画像を表す画像データを取得する画像データ取得手段と、画像データのRGB信号に基づいて輝度信号と色信号とを生成する信号処理を行うYC分離処理手段と、を備え、輝度信号に含まれるRGB信号のR成分の割合が、G成分及びB成分のいずれの割合よりも多い。
【選択図】図2

Description

本発明は、内視鏡画像の画像処理を行う画像処理装置に関する。
ヘモグロビンの吸収波長域にピークを有する狭帯域の照明光(以下「特殊光」という。)を使用して、深部血管の像のコントラストを高めた内視鏡画像(以下「深部血管強調画像」という。)を撮影する内視鏡装置が知られている。特許文献1には、このようなタイプの内視鏡装置の例が記載されている。
特許第5362149号公報
従来は、深部血管強調画像の撮影に特殊光を使用するため、通常観察用の白色光源とは別に、特殊光を発生するための狭帯域光源や狭帯域の光バンドパスフィルタを装備した特殊な光源装置を使用して内視鏡観察を行う必要があった。
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、特殊な光源装置を使用せずに深部血管強調画像を生成可能な画像処理装置を提供することである。
本発明の一実施形態に係る画像処理装置は、生体組織を撮影した画像を表す画像データを取得する画像データ取得手段と、画像データのRGB信号に基づいて輝度信号と色信号とを生成する信号処理を行うYC分離処理手段と、を備え、輝度信号に含まれるRGB信号のR成分の割合が、G成分及びB成分のいずれの割合よりも多い。
上記の画像処理装置において、信号処理が、信号処理の前後で画像が実質的に変化しない標準信号処理と、R成分をG成分及びB成分のいずれの成分よりも多く含む輝度信号を出力する特殊信号処理と、を含み、標準信号処理及び特殊信号処理のいずれを行うかを選択する選択手段を備え、YC分離処理手段が、選択手段によって選択された信号処理を行う構成としてもよい。
上記の画像処理装置において、YC分離手段が、カラーマトリックスを使用したマトリックス演算により信号処理を行い、標準信号処理においては標準カラーマトリックスを使用し、特殊信号処理においては特殊カラーマトリックスを使用する構成としてもよい。
上記の画像処理装置において、YC分離手段が、標準カラーマトリックスと特殊カラーマトリックスが格納されたメモリと、標準カラーマトリックス及び特殊カラーマトリックスの一方を選択してメモリから読み出すマトリックス選択部と、マトリックス選択部に読み出されたマトリックスを用いてマトリックス演算を行う演算部と、を備えた構成としてもよい。
上記の画像処理装置において、輝度信号がRGB信号のR成分に比例する構成としてもよい。
上記の画像処理装置において、輝度信号が、RGB信号のR成分にゲイン定数を乗じた要素を含み、ゲイン定数を変更する手段を備えた構成としてもよい。
上記の画像処理装置において、輝度信号に基づいてゲイン定数を自動調整するゲイン自動調整手段を備えた構成としてもよい。
上記の画像処理装置において、輝度信号に含まれるRGB信号のR成分の割合が、B成分の割合とG成分の割合との和よりも多い構成としてもよい。
上記の画像処理装置において、輝度信号に含まれるRGB信号のR成分の割合が50%以上である構成としてもよい。
上記の画像処理装置において、色信号が2つの色差信号からなる構成としてもよい。
上記の画像処理装置において、YC分離手段が、YCrCb、YPrPb及びYUVのいずれか一種を生成する構成としてもよい。
本発明の一実施形態に係る画像処理装置は、生体組織を撮影した画像を表す画像データを取得する画像データ取得手段と、画像データのRGB信号に基づいて輝度信号と色信号とを生成する信号処理を行うYC分離処理手段と、を備え、信号処理が、信号処理の前後で画像が実質的に変化しない標準信号処理と、標準信号処理よりも、RGB信号のR成分を多く含む輝度信号を出力する特殊信号処理と、を含み、標準信号処理及び特殊信号処理のいずれを行うかを選択する選択手段を備え、YC分離処理手段が、選択手段によって選択された信号処理を行う。
本発明の一実施形態によれば、特殊な光源装置を使用せずに深部血管強調画像を得ることができる。
本発明の実施形態の電子内視鏡システムの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の前段信号処理回路の構成を示すブロック図である。 通常観察画像の各色成分が有する画像情報を説明する図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下においては、本発明の一実施形態として電子内視鏡システムを例に取り説明する。
[電子内視鏡システム1全体の構成]
図1は、本実施形態の電子内視鏡システム1の概略構成を示すブロック図である。図1に示されるように、電子内視鏡システム1は、電子スコープ100、プロセッサ200及びモニタ300を備えている。
プロセッサ200は、システムコントローラ202及びタイミングコントローラ204を備えている。システムコントローラ202は、メモリ212に記憶された各種プログラムを実行し、電子内視鏡システム1全体を統合的に制御する。また、システムコントローラ202は、操作パネル214に接続されている。システムコントローラ202は、操作パネル214より入力される術者からの指示に応じて、電子内視鏡システム1の各動作及び各動作のためのパラメータを変更する。タイミングコントローラ204は、各部の動作のタイミングを調整するクロックパルスを電子内視鏡システム1内の各回路に出力する。
ランプ208は、ランプ電源イグナイタ206による始動後、照射光Lを射出する。ランプ208は、例えば、キセノンランプ、ハロゲンランプ、水銀ランプ、メタルハライドランプ等の高輝度ランプやLED(Light Emitting Diode)である。照射光Lは、主に可視光領域から不可視である赤外光領域に広がるスペクトルを持つ光(又は少なくとも可視光領域を含む白色光)である。
ランプ208より射出された照射光Lは、集光レンズ210によりLCB(Light Carrying Bundle)102の入射端面に集光されてLCB102内に入射される。
LCB102内に入射された照射光Lは、LCB102内を伝播して電子スコープ100の先端に配置されたLCB102の射出端面より射出され、配光レンズ104を介して被写体に照射される。照射光Lにより照射された被写体からの戻り光は、対物レンズ106を介して固体撮像素子108の受光面上で光学像を結ぶ。
固体撮像素子108は、ベイヤ型画素配置を有する単板式カラーCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサである。固体撮像素子108は、受光面上の各画素で結像した光学像を光量に応じた電荷として蓄積して、R(Red)、G(Green)、B(Blue)の撮像信号を生成して出力する。なお、固体撮像素子108は、CCDイメージセンサに限らず、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサやその他の種類の撮像装置に置き換えられてもよい。固体撮像素子108はまた、補色系フィルタを搭載したものであってもよい。
電子スコープ100の接続部内には、ドライバ信号処理回路110が備えられている。ドライバ信号処理回路110には、撮像信号がフィールド周期で固体撮像素子108より入力される。なお、以降の説明において「フィールド」は「フレーム」に置き替えてもよい。本実施形態において、フィールド周期、フレーム周期はそれぞれ、1/60秒、1/30秒である。ドライバ信号処理回路110は、固体撮像素子108より入力される撮像信号に対して所定の処理を施してプロセッサ200の前段信号処理回路220に出力する。
ドライバ信号処理回路110はまた、メモリ112にアクセスして電子スコープ100の固有情報を読み出す。メモリ112に記録される電子スコープ100の固有情報には、例えば、固体撮像素子108の画素数や感度、動作可能なフィールドレート、型番等が含まれる。ドライバ信号処理回路110は、メモリ112より読み出された固有情報をシステムコントローラ202に出力する。
システムコントローラ202は、電子スコープ100の固有情報に基づいて各種演算を行い、制御信号を生成する。システムコントローラ202は、生成された制御信号を用いて、プロセッサ200に接続されている電子スコープに適した処理がなされるようにプロセッサ200内の各種回路の動作やタイミングを制御する。
タイミングコントローラ204は、システムコントローラ202によるタイミング制御に従って、ドライバ信号処理回路110にクロックパルスを供給する。ドライバ信号処理回路110は、タイミングコントローラ204から供給されるクロックパルスに従って、固体撮像素子108をプロセッサ200側で処理される映像のフィールドレートに同期したタイミングで駆動制御する。
前段信号処理回路220は、ドライバ信号処理回路110より1フィールド周期で入力される画像信号に対して色補間、マトリックス演算、Y/C分離等の所定の信号処理を施して、後段信号処理回路230に出力する。前段信号処理回路220の詳細は後述する。
後段信号処理回路230は、前段信号処理回路220より入力される画像信号を処理してモニタ表示用の画面データを生成し、生成されたモニタ表示用の画面データを所定のビデオフォーマットのビデオ信号に変換する。変換されたビデオ信号は、モニタ300に出力される。これにより、被写体のカラー画像がモニタ300の表示画面に表示される。
[前段信号処理回路220の構成]
本実施形態のプロセッサ200は、2つの動作モードで動作する。一つは、通常観察画像Nをモニタ300の画面に表示する通常表示モードであり、もう一つは、深部血管強調処理が施された深部血管強調画像Eをモニタ300の画面に表示する深部血管強調表示モードである。この2つの動作モードは、以下に説明する前段信号処理回路220のYC分離処理部228によって実現される。
図2は、本実施形態の前段信号処理回路220の構成を示すブロック図である。前段信号処理回路220は、クランプ処理部221、欠陥補正処理部222、デモザイク処理部223、リニアマトリックス処理部224、ホワイトバランス処理部225、輪郭補正処理部226及びYC分離処理部228を備えている。
クランプ処理部221は、画像信号からオフセット成分を除去するクランプ処理を行う機能ブロックである。
欠陥補正処理部222は、欠陥画素の画素値をその周囲の画素の画素値を用いて補正する欠陥補正処理を行う機能ブロックである。
モザイク処理部223は、単色の色情報を有する画素からなる撮像データ(RAWデータ)をフルカラーの画素値を有する画素からなる画像データに変換するデモザイク処理(補間処理)を行う機能ブロックである。
リニアマトリックス処理部224は、カラーマトリックスを用いて撮像素子の分光特性を補正するリニアマトリックス処理を行う機能ブロックである。
ホワイトバランス処理部225は、照明光のスペクトル特性を補正するホワイトバランス処理を行う機能ブロックである。
輪郭補正処理部226は、画像信号の空間周波数特性の劣化を補償する輪郭補正処理を行う機能ブロックである。
[YC分離処理部228の構成]
YC分離処理部228は、マトリックス回路により、RGB信号を輝度信号Y及び色信号C(色差信号Cb、Cr)に変換するYC分離処理を行う機能ブロックである。
本実施形態のYC分離処理部228は、標準YC分離処理(標準信号処理)と本発明の実施形態に係る特殊YC分離処理(特殊信号処理)の2種類のYC分離処理とを切り替えて実行することができる。
標準YC分離処理は、通常表示モードにおいて行われる一般的なYC分離処理であり、輪郭補正処理部226から出力された通常観察画像NのRGB信号に対して、単に色空間の変換のみを行って、通常観察画像NのYCrCb信号(輝度/色差信号)を出力する。この標準YC分離処理によっては、画像は実質的に変化しない。
特殊YC分離処理は、深部血管強調表示モードにおいて行われる特殊なYC分離処理であり、色空間の変換の際に、通常観察画像Nに対して、画像の色合いを変えずに深部血管が引き立つようなカラーバランスの調整を加えて、深部血管強調画像EのYCrCb信号を生成する。この特殊YC分離処理では、標準YC分離処理よりも、RGB信号のR成分を多く含む輝度信号が出力される。
図2に示されるように、YC分離処理部228は、メモリ228aと、マトリックス選択部228bと、演算部228cを備えている。
メモリ228aには、2種類のカラーマトリックス(標準カラーマトリックスM1、特殊カラーマトリックスM2)が格納されている。
マトリックス選択部228bは、システムコントローラ202の制御に従って、使用するカラーマトリックスを選択してメモリ228aから読み出し、演算部228cに供給する。
演算部228cは、マトリックス選択部228bから供給されたカラーマトリックスを使用して、標準YC分離処理又は特殊YC分離処理を行う。
標準カラーマトリックスM1は、標準YC分離処理に使用される一般的なカラーマトリックスであり、ITU-R BT.601規格に準拠するものである。
数式1は、標準YC分離処理において行われる、標準カラーマトリックスM1を使用した信号変換を表す変換式である。
Figure 2016193107
標準YC分離処理(数式1)により生成される輝度信号Yには、RGB信号の各色成分が、標準比視感度に応じた比率で配合される。そのため、輝度信号Yには、緑色(G)の成分が多く含まれ、赤色(R)の成分は僅かしか含まれていない。この各色成分の重み付けにより、標準YC分離処理前と同じ明るさに見える画像が生成される。
特殊カラーマトリックスM2は、特殊YC分離処理に使用される専用のカラーマトリックスである。
数式2は、特殊YC分離処理において行われる、特殊カラーマトリックスM2を使用した信号変換を表す変換式である。
Figure 2016193107
但し、ゲイン定数kは1以下の正数である。
特殊YC分離処理で生成される深部血管強調画像EのYCrCb信号は、色差信号Cr、Cbは標準YC分離処理によって生成される通常観察画像Nと同じ値を有するが、輝度信号が赤色(R)の成分のみから構成される点で、標準YC分離処理で生成される通常観察画像NのYCrCb信号と相違する。
生体組織に照射された照明光は、生体組織によって散乱されながら、生体組織内を一定の深さまで進み、その一部が固体撮像素子108の受光面上で結像する。波長が短い光ほど、生体組織によって強く散乱されるため、生体組織内を深く進むことができない。逆に、波長が長い光ほど、散乱が弱くなるため、生体組織内を比較的に深くまで進むことができる。また、血液(ヘモグロビン)は600nm以上の長波長域にはほとんど吸収が無いため、赤色の光は、青色や緑色の光よりも生体組織内を深く進むことができ、また、血液を多く含む血管の光像も鮮明に形成することができる。
その結果、図3に示されるように、内視鏡画像の赤色(R)成分は深部血管の情報を多く含み[図3(d)]、青色(B)成分は生体組織の表層部の情報を多く含む[図3(b)]。また、緑色(G)の成分は、生体組織の深部と表層部の両方の情報を含む[図3(c)]。
本実施形態の特殊YC分離処理によって生成される深部血管強調画像Eは、その輝度Yが赤色(R)成分の強度によって決まる(具体的には、赤色(R)成分に比例する)ため、深部血管の情報を多く含み、表層の情報が少ない(すなわち、深部血管が強調された)画像となる。また、画像の色合いを決める色差信号は通常観察画像Nと同じ値を有するため、自然な色合いを保ちつつ、深部血管が強調された画像が得られる。
[YC分離処理部228の動作]
次に、YC分離処理部228の動作について説明する。
操作パネル214へのユーザ入力操作により、通常表示モードと深部血管強調表示モードが切り換えられる。深部血管強調表示モードを選択するユーザ入力操作が行われると、システムコントローラ202からYC分離処理部228に深部血管強調表示モードへの切り替え命令が出力される。マトリックス選択部228bは、深部血管強調表示モードへの切り替え命令を受けると、メモリ228aから特殊カラーマトリックスM2を読み出して、演算部228cに与える。そして、演算部228cは、マトリックス選択部228bから最後に与えられた特殊カラーマトリックスM2に基づいて、輪郭補正処理部226から出力された通常観察画像NのRGB信号に対して特殊YC分離処理を行い、深部血管強調画像EのYCbCr信号を生成する。
また、操作パネル214に通常表示モードを選択するユーザ入力操作が行われると、システムコントローラ202からYC分離処理部228に通常表示モードへの切り替え命令が出力される。マトリックス選択部228bは、通常表示モードへの切り替え命令を受けると、メモリ228aから標準カラーマトリックスM1を読み出し、演算部228cに与える。そして、演算部228cは、マトリックス選択部228bから最後に与えられた標準カラーマトリックスM1に基づいて、輪郭補正処理部226から出力された通常観察画像NのRGB信号に対して標準YC分離処理を行い、通常観察画像NのYCbCr信号を生成する。
YC分離処理部228が生成した深部血管強調画像E(又は通常観察画像N)のYCbCr信号は、後段信号処理回路230によりビデオ信号に変換されて、モニタ300へ出力され、モニタ300の表示画面に深部血管強調画像E(又は通常観察画像N)が表示される。
また、特殊カラーマトリックスM2のゲイン値kは変更可能なパラメータであり、その初期値は最大値の1.0に設定されている。内視鏡画像は赤色成分が強いため、初期値のままでは輝度が飽和して(又は飽和に近い状態となり)、深部血管強調画像Eのコントラストが低下する場合がある。そのため、 操作パネル214へのユーザ入力操作により、ゲイン値kを変更することができるようになっている。
操作パネル214に対してゲイン値kの設定を変更するユーザ入力操作が行われると、システムコントローラ202からYC分離処理部228に、ゲイン値kをユーザ入力された値に更新する命令が出力される。マトリックス選択部228bは、ゲイン値kの更新命令を受け付けると、メモリ228aに記憶された特殊カラーマトリックスM2のゲイン値kをユーザ入力された値に書き換える。これにより、深部血管強調画像Eの輝度が調整される。なお、例えば深部血管強調画像Eの輝度分布に基づいて、YC分離処理部228がゲイン値kを自動調整する構成としてもよい。
[変形例]
次に、特殊YC分離処理(特殊カラーマトリックスM2)の変形例について説明する。
数式3は、本発明の実施形態に係る特殊YC分離処理の変換式(特殊カラーマトリックスM2)の変形例である。
Figure 2016193107
但し、ゲイン定数kは1以下の正数である。
本変形例では、深部血管強調画像Eの輝度信号Yが、通常観察画像NのG成分及びB成分も含んでいる。このように、輝度信号YがR成分以外の色成分を含んでいても、生体組織の表層部の情報が最も少ないR成分の重み(輝度信号Yに含まれるR信号の割合。数式3における係数「0.600」。)が最も大きいときには、本発明の効果を得ることができる。
R成分の重みは、B成分の重みの2倍(より効果的には3倍、更に効果的には5倍)以上に設定すると、強い深部血管強調効果が得られる。
また、R成分の重みをG成分の重みよりも2割以上大きい重み(より効果的にはG成分の重みの2倍の重み、更に効果的にはG成分の重みの3倍の重み、更に効果的にはG成分の重みの5倍の重み)に設定すると、より強い深部血管強調効果が得られる。
また、R成分の重みを、G成分及びB成分の重みの和よりも大きくすると、深部血管がより強調された画像が得られる。
また、R成分の重みを、G成分及びB成分の重みの和の2倍(より効果的には、G成分及びB成分の重みの和の3倍、更に効果的には、G成分及びB成分の重みの和の5倍)以上の値に設定すると、深部血管がより強調された画像が得られる。
また、R成分の重みを0.5(各成分の重みの総和の50%)以上にすると、より強い深部血管強調効果が得られる。
以上が本発明の例示的な実施形態の説明である。本発明の実施形態は、上記に説明したものに限定されず、本発明の技術的思想の範囲において様々な変形が可能である。例えば明細書中に例示的に明示される実施形態等又は自明な実施形態等を適宜組み合わせた内容も本発明の実施形態に含まれる。
例えば、上記の実施形態は、YCbCr信号を生成する装置に本発明を適用した例であるが、他の種類の輝度/色差信号(例えば、YUV信号やYPbPr信号)を生成する装置にも本発明を適用することができる。
また、上記の実施形態のプロセッサ200(画像処理装置)は、通常観察画像Nをモニタに表示する通常表示モードと、深部血管強調画像Eをモニタに表示する深部血管強調表示モードの2つのモードで動作するように構成されているが、画像合成により通常観察画像Nと深部血管強調画像Eとを1画面中に並べて表示する画面データを生成してモニタに表示する動作モード(ツインモード)を含めて3つ以上の動作モードで動作する構成としてもよい。
また、上記の実施形態は、操作パネル214へのユーザ入力操作により動作モードが切り替わるように構成されているが、例えば、電子スコープ100の操作部等にモード切替ボタンを設けて、モード切替ボタンのユーザ操作に応じて動作モードが切り替わる構成としてもよい。
また、上記の実施形態は、本発明を電子内視鏡装置に適用した例であるが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、電子内視鏡装置によって撮影された内視鏡観察映像を再生する映像再生装置(或いは、パーソナルコンピュータ用の映像再生プログラム)に本発明を適用することができる。
また、内視鏡画像以外の観察画像(例えば、通常のビデオカメラやスチルカメラにより撮影した体表の観察画像や、手術中の体内の観察画像)の解析にも本発明を適用することができる。
1 電子内視鏡システム
100 電子スコープ
102 LCB
104 配光レンズ
106 対物レンズ
108 固体撮像素子
110 ドライバ信号処理回路
112 メモリ
200 プロセッサ
202 システムコントローラ
204 タイミングコントローラ
206 ランプ電源イグナイタ
208 ランプ
210 集光レンズ
212 メモリ
214 操作パネル
220 前段信号処理回路
228 YC分離処理部
228a メモリ
228b マトリックス選択部
228c 演算部
230 後段信号処理回路

Claims (12)

  1. 生体組織を撮影した画像を表す画像データを取得する画像データ取得手段と、
    前記画像データのRGB信号に基づいて輝度信号と色信号とを生成する信号処理を行うYC分離処理手段と、
    を備え、
    前記輝度信号に含まれる前記RGB信号のR成分の割合が、G成分及びB成分のいずれの割合よりも多い、
    画像処理装置。
  2. 前記信号処理が、
    前記信号処理の前後で前記画像が実質的に変化しない標準信号処理と、
    前記R成分を前記G成分及び前記B成分のいずれの成分よりも多く含む前記輝度信号を出力する特殊信号処理と、を含み、
    前記標準信号処理及び前記特殊信号処理のいずれを行うかを選択する選択手段を備え、
    前記YC分離処理手段が、
    前記選択手段によって選択された前記信号処理を行う、
    請求項1に記載の画像処理装置。
  3. 前記YC分離手段が、
    カラーマトリックスを使用したマトリックス演算により前記信号処理を行い、
    前記標準信号処理においては標準カラーマトリックスを使用し、
    前記特殊信号処理においては特殊カラーマトリックスを使用する、
    請求項2に記載の画像処理装置。
  4. 前記YC分離手段が、
    前記標準カラーマトリックスと前記特殊カラーマトリックスが格納されたメモリと、
    前記標準カラーマトリックス及び前記特殊カラーマトリックスの一方を選択して前記メモリから読み出すマトリックス選択部と、
    前記マトリックス選択部に読み出された前記マトリックスを用いて前記マトリックス演算を行う演算部と、を備えた、
    請求項3に記載の画像処理装置。
  5. 前記輝度信号が前記RGB信号のR成分に比例する、
    請求項1から請求項4のいずれか一項に記載の画像処理装置。
  6. 前記輝度信号が、前記RGB信号のR成分にゲイン定数を乗じた要素を含み、
    前記ゲイン定数を変更する手段を備えた、
    請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の画像処理装置。
  7. 前記輝度信号に基づいて前記ゲイン定数を自動調整するゲイン自動調整手段を備えた、
    請求項6に記載の画像処理装置。
  8. 前記輝度信号に含まれる前記RGB信号のR成分の割合が、B成分の割合とG成分の割合との和よりも多い、
    請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の画像処理装置。
  9. 前記輝度信号に含まれる前記RGB信号のR成分の割合が50%以上である、
    請求項1から請求項8のいずれか一項に記載の画像処理装置。
  10. 前記色信号が2つの色差信号からなる、
    請求項1から請求項9のいずれか一項に記載の画像処理装置。
  11. 前記YC分離手段が、
    YCrCb、YPrPb及びYUVのいずれか一種を生成する、
    請求項1から請求項10のいずれか一項に記載の画像処理装置。
  12. 生体組織を撮影した画像を表す画像データを取得する画像データ取得手段と、
    前記画像データのRGB信号に基づいて輝度信号と色信号とを生成する信号処理を行うYC分離処理手段と、
    を備え、
    前記信号処理が、
    前記信号処理の前後で前記画像が実質的に変化しない標準信号処理と、
    前記標準信号処理よりも、前記RGB信号のR成分を多く含む前記輝度信号を出力する特殊信号処理と、を含み、
    前記標準信号処理及び前記特殊信号処理のいずれを行うかを選択する選択手段を備え、
    前記YC分離処理手段が、
    前記選択手段によって選択された前記信号処理を行う、
    画像処理装置。
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