JP2017203682A - Imaging device - Google Patents

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大崎 誠
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an imaging device with which it is possible to synthesize a plurality of light sources differing in wavelength band in an active illumination method and reduce a color difference of necessary wavelength between the light sources, thereby reducing the occurrence of a flicker.SOLUTION: The imaging device comprises: a plurality of light sources 17 that emit light in different wavelengths; a light source selection unit 22 for selecting a light source 17, out of the light sources 17, that emits light in a specific wavelength specified on the basis o the characteristic of an imaging object 27, in plurality as a selected light source; a light source extraction unit 24 for extracting a light source 17 having a wavelength at which a color difference between one selected light source out of a selected plurality of selected light sources and other selected light sources decreases as they are synthesized into the one selected light source, from among unselected light sources other than the selected light sources; a light source 17 for irradiating the imaging object 27 with a light source in which the selected light source and the extracted unselected light source are synthesized while successively switching the light sources for each selected light source; and an imaging element 11 for imaging the imaging object 27 with the irradiated light source.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、複数の異なる波長帯域を有する光源を切り替えて撮像する撮像装置に関する。   The present invention relates to an imaging apparatus that switches and images a light source having a plurality of different wavelength bands.

人間は光源から直接又は物体に反射して眼に届いた光を三種類の錐体細胞によって知覚する。光の三原色と呼ばれるものが存在するのもこのためである。一般的なカメラも同様で、RGBの三つの成分の組み合わせで色を表現する。言い換えれば、人間や一般的なカメラは光をRGBの三つの成分として計測している。しかしながら、実際の自然界の光はこのようなRGBの合成ではなく、連続したスペクトルとして存在する。RGBの3チャンネルしか計測できない一般的なカメラに対し、十数から数十のスペクトル成分を計測できるカメラはハイパースペクトルカメラと呼ばれ、それを用いた画像計測はハイパースペクトルイメージングと呼ばれる。   Humans perceive light that reaches the eye either directly from a light source or reflected from an object by three types of cone cells. This is why there are so-called three primary colors of light. The same applies to a general camera, and a color is expressed by a combination of three RGB components. In other words, humans and general cameras measure light as three components of RGB. However, actual light in the natural world exists as a continuous spectrum instead of such RGB composition. In contrast to a general camera that can measure only three channels of RGB, a camera that can measure ten to several tens of spectral components is called a hyperspectral camera, and image measurement using it is called hyperspectral imaging.

ハイパースペクトルイメージングは一般的なRGBカメラよりも多いスペクトル情報を利用することによって、人間には識別できないような特徴を抽出したり、可視化することができる。このような利点から、ハイパースペクトルイメージングはリモートセンシングや食品、農業、宇宙など様々な分野で応用されてきた。また、ハイパースペクトルイメージングは医療分野でも利用されている。医療分野において体組織の正常部と異常部の識別は非常に重要であり、例えば手術の際に異常な部分を識別し、その部分にのみ施術をすることで患者の負担を最小限に抑えることができる。さらに、ハイパースペクトルイメージングで得られる多くの情報を利用すれば、より細かな識別も可能であり、手術の成功率を高められる。   Hyperspectral imaging can extract or visualize features that cannot be identified by humans by using more spectral information than a general RGB camera. Because of these advantages, hyperspectral imaging has been applied in various fields such as remote sensing, food, agriculture, and space. Hyperspectral imaging is also used in the medical field. In the medical field, it is very important to distinguish between normal and abnormal parts of body tissue, for example to identify abnormal parts during surgery and minimize the burden on the patient by performing treatment only on those parts. Can do. Furthermore, if much information obtained by hyperspectral imaging is used, more detailed identification is possible and the success rate of the operation can be increased.

ハイパースペクトルカメラに求められる要素として、空間解像度、分光解像度及び撮影速度の3つが挙げられる。空間解像度が高いほど鮮明な画像が取得できるため、対象に関するより詳細な情報を取得できる。また分光解像度が高いほどより多くのスペクトル情報を利用できるため物体の識別精度を高められる。撮影速度が速ければリアルタイムに分光情報を利用することができ、応用先が広がる。したがって、高空間解像度且つ高分光解像度の分光画像を高速に取得することが最も望ましいが、一般的にこれらの要素は、トレードオフの関係にある。高解像度や撮影速度の向上は、ハイパースペクトルイメージングにおいて非常に重要な要素であり、特に空間解像度が高い分光画像の取得に関する技術の向上が強く望まれている。   There are three elements required for a hyperspectral camera: spatial resolution, spectral resolution, and imaging speed. Since the clearer image can be acquired as the spatial resolution is higher, more detailed information about the object can be acquired. Also, the higher the spectral resolution, the more spectral information can be used, so that the object identification accuracy can be improved. Spectral information can be used in real time if the shooting speed is high, and the application destinations are expanded. Therefore, although it is most desirable to obtain a high spatial resolution and high spectral resolution spectral image at high speed, these elements are generally in a trade-off relationship. Improvement in high resolution and imaging speed is a very important factor in hyperspectral imaging, and in particular, improvement in technology relating to acquisition of spectral images with high spatial resolution is strongly desired.

ハイパースペクトルイメージングには、様々な撮影方式がこれまで提案されている。ライン分光方式(例えば、非特許文献1を参照)は、スリットを通過してライン状となった光をプリズムやグレーティングといった光学素子で分光することで、ハイパースペクトルイメージを得る技術である。この方式を用いた場合、水平方向に限っては空間情報と分光情報を同時に取得することができ分光解像度も高いが、対象の2次元画像を得ようとした場合には対象全体をスキャンする必要があり、時間がかかるうえに空間解像度も悪くなる。また、使用する光学素子が高価になってしまうという問題もある。   Various imaging methods have been proposed for hyperspectral imaging. The line spectroscopy method (see, for example, Non-Patent Document 1) is a technique for obtaining a hyperspectral image by dispersing light that has passed through a slit into a line shape with an optical element such as a prism or a grating. When this method is used, spatial information and spectral information can be acquired simultaneously in the horizontal direction and the spectral resolution is high. However, if a two-dimensional image of the target is to be obtained, the entire target must be scanned. It takes time, and the spatial resolution also deteriorates. There is also a problem that the optical element to be used becomes expensive.

このライン分光方式は、上述したように、分光解像度は高いが対象を2次元画像として観測する場合には空間解像度が低く、長い撮影時間を要する。単純に対象の反射光を光学素子で分光してイメージセンサで取得する場合、センサ上では分光された光が干渉してしまう。ライン分光方式ではスリットを通すことでこの干渉を防いでおり、空間情報を一度に1次元しか取得できないのはこのためである。ライン分光方式を用いて2次元分光画像を高速に取得する技術として非特許文献2、3に示す技術が開示されている。非特許文献2に示す技術は、ホールアレイマスクを利用して光学素子を用いて2次元分光画像を高速に取得するものであり、非特許文献3に示す技術は、ハイパースペクトルカメラに空間解像度が高いカメラを組み合わせて、高空間解像度且つ高分光解像度の2次元分光画像を取得するものである。   As described above, this line spectroscopic method has a high spectral resolution, but when the object is observed as a two-dimensional image, the spatial resolution is low and a long photographing time is required. When the target reflected light is simply spectrally separated by an optical element and acquired by an image sensor, the spectrally separated light interferes on the sensor. In the line spectroscopy method, this interference is prevented by passing through a slit, and this is why spatial information can be acquired only one dimension at a time. Non-patent Documents 2 and 3 disclose techniques for acquiring a two-dimensional spectral image at high speed using the line spectroscopic method. The technique shown in Non-Patent Document 2 is to acquire a two-dimensional spectroscopic image at high speed using an optical element using a hole array mask, and the technique shown in Non-Patent Document 3 has a spatial resolution in a hyperspectral camera. A two-dimensional spectral image with a high spatial resolution and a high spectral resolution is acquired by combining a high camera.

しかしながら、非特許文献2に示す技術は、空間解像度が低いという問題がある。また、非特許文献3に示す技術は、カメラ2台に加えてビームスプリッタやホールアレイマスクなどが必要となり、装置が大型化してしまうと共に分光素子やカメラなどの位置や角度の設定も複雑になってしまうという問題がある。   However, the technique shown in Non-Patent Document 2 has a problem that the spatial resolution is low. In addition, the technique shown in Non-Patent Document 3 requires a beam splitter, a hole array mask, etc. in addition to two cameras, which increases the size of the apparatus and complicates the setting of the position and angle of the spectroscopic element, the camera, etc. There is a problem that it ends up.

一方、フィルタ方式(例えば、非特許文献4、5を参照)では、CCDカメラなどの前に、特定の波長域の光のみを通すフィルタを設置して撮影することで分光画像を得る。解像度が高いCCDカメラを使用することで空間解像度の高い分光画像を得られるが、一般にはフィルタの特性により分光解像度は高くない。この方式は、フィルタを切り替えながら撮影を繰り返すことでハイパースペクトルイメージを取得でき、そのフィルタにはフィルタホイールや液晶チューナブルフィルタが用いられる。フィルタホイールの場合は物理的にフィルタを回転させるため、切り替え速度に問題があり、装置も大型化してしまうという問題がある。液晶チューナブルフィルタの場合は透過させる波長域を電気的に制御するため、フィルタホイールより切り替え速度が速いが、生産コストが高いという問題がある。   On the other hand, in the filter method (see, for example, Non-Patent Documents 4 and 5), a spectral image is obtained by installing a filter that passes only light in a specific wavelength region in front of a CCD camera or the like. Although a spectral image with a high spatial resolution can be obtained by using a CCD camera with a high resolution, the spectral resolution is generally not high due to the characteristics of the filter. In this method, it is possible to acquire a hyperspectral image by repeating photographing while switching filters, and a filter wheel or a liquid crystal tunable filter is used as the filter. In the case of a filter wheel, since the filter is physically rotated, there is a problem in switching speed, and there is a problem that the apparatus is also increased in size. In the case of a liquid crystal tunable filter, since the wavelength range to transmit is electrically controlled, the switching speed is faster than that of the filter wheel, but the production cost is high.

また、フィルタ方式により空間解像度が高い分光画像を取得する技術として、非特許文献6に示す技術が開示されている。非特許文献6に示す技術は、空間解像度が高いRGB画像と分光画像の行列因子分解を利用して、空間解像度が高い分光画像を取得するものである。しかしながら、この装置には機械的な可動部が必要であり、電気的な制御のみの場合と比べて撮像に時間を要する。また、行列計算にも時間が掛かってしまうという問題がある。   Further, as a technique for acquiring a spectral image with a high spatial resolution by a filter method, a technique shown in Non-Patent Document 6 is disclosed. The technique shown in Non-Patent Document 6 acquires a spectral image with a high spatial resolution by using matrix factorization of an RGB image with a high spatial resolution and a spectral image. However, this apparatus requires a mechanical movable part, and it takes time for imaging compared with the case of only electrical control. In addition, there is a problem that it takes time for matrix calculation.

そして、安価な方式としては異なるスペクトルを持つ照明を切り替えながら撮影してハイパースペクトルイメージを得る本願で利用するアクティブ照明方式(例えば、非特許文献7を参照)がある。照明の切り替えは液晶チューナブルフィルタと同様に電気的に制御するため、対象の2次元分光画像を高速に取得できる。しかしながら、ライン分光方式やフィルタ方式と異なり他の照明や太陽光といった環境光の影響を受けてしまうため、屋外では利用できない。また、色の異なる複数の照明を切り替えるため、撮影速度によっては色フリッカが発生してしまう。一般にスペクトル情報を得るためにはスペクトルの異なる照明を切り替える必要があり、それが色の変化となってフリッカが発生する。   As an inexpensive method, there is an active illumination method (see, for example, Non-Patent Document 7) used in the present application for obtaining a hyperspectral image by photographing while switching illuminations having different spectra. Since switching of illumination is electrically controlled in the same manner as the liquid crystal tunable filter, a target two-dimensional spectral image can be acquired at high speed. However, unlike the line spectroscopic method or the filter method, it is affected by environmental light such as other illumination or sunlight, so it cannot be used outdoors. Further, since a plurality of illuminations having different colors are switched, color flicker occurs depending on the photographing speed. In general, in order to obtain spectral information, it is necessary to switch between illuminations having different spectra, which causes a change in color and flicker.

また、アクティブ照明方式に関する技術として、例えば、非特許文献8に示す技術が開示されている。非特許文献8に示す技術は、LEDを用いて安価で実用的なハイパースペクトルイメージング装置で高速な2次元分光画像の取得を実現する技術である。   Further, as a technique related to the active illumination method, for example, a technique shown in Non-Patent Document 8 is disclosed. The technique shown in Non-Patent Document 8 is a technique that realizes high-speed acquisition of a two-dimensional spectral image using an inexpensive and practical hyperspectral imaging apparatus using an LED.

Ye, X. and Sakai, K.: Application of Hyperspectral Imaging in Agriculture, The Institute of Image Information and Television Engineers, Vol. 69, No. 5, ITE, pp. 464-469 (2015).Ye, X. and Sakai, K .: Application of Hyperspectral Imaging in Agriculture, The Institute of Image Information and Television Engineers, Vol. 69, No. 5, ITE, pp. 464-469 (2015). Du, H., Tong, X., Cao, X. and Lin, S.: A prism-based system for multispectral video acquisition, IEEE 12th International Conference on Computer Vision, IEEE, pp. 175-182 (2009).Du, H., Tong, X., Cao, X. and Lin, S .: A prism-based system for multispectral video acquisition, IEEE 12th International Conference on Computer Vision, IEEE, pp. 175-182 (2009). Cao, X., Tong, X., Dai, Q. and Lin, S.: High resolution multispectral video capture with a hybrid camera system, IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), IEEE, pp. 297-304 (2011).Cao, X., Tong, X., Dai, Q. and Lin, S .: High resolution multispectral video capture with a hybrid camera system, IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), IEEE, pp. 297-304 (2011). Brauers, J., Schulte, N. and Aach, T.: Multispectral filterwheel cameras: Geometric distortion model and compensation algorithms, IEEE Transactions on Image Processing, Vol. 17, No. 12, pp. 2368-2380 (2008).Brauers, J., Schulte, N. and Aach, T .: Multispectral filterwheel cameras: Geometric distortion model and compensation algorithms, IEEE Transactions on Image Processing, Vol. 17, No. 12, pp. 2368-2380 (2008). Slawson, R. W., Ninkov, Z. and Horch, E. P.: Hyperspectral Imaging: Wide-Area Spectrophotometry Using a Liquid-Crystal Tunable Filter, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Vol. 111, No. 759, pp. 621-626 (1999).Slawson, RW, Ninkov, Z. and Horch, EP: Hyperspectral Imaging: Wide-Area Spectrophotometry Using a Liquid-Crystal Tunable Filter, Publications of the Astronomical Society of the Pacific, Vol. 111, No. 759, pp. 621-626 (1999). Kawakami, R., Wright, J., Tai, Y.-W., Matsushita, Y., Ben-Ezra, M. and Ikeuchi, K.: High-resolution hyperspectral imaging via matrix factorization, IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), IEEE, pp. 2329-2366 (2011).Kawakami, R., Wright, J., Tai, Y.-W., Matsushita, Y., Ben-Ezra, M. and Ikeuchi, K .: High-resolution hyperspectral imaging via matrix factorization, IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR), IEEE, pp. 2329-2366 (2011). Park, J.-I., Lee, M.-H., Grossberg, M. and Nayar, S. K.: Multispectral imaging using multiplexed illumination, IEEE 11th International Conference on Computer Vision (ICCV), IEEE, pp. 1-8 (2007).Park, J.-I., Lee, M.-H., Grossberg, M. and Nayar, SK: Multispectral imaging using multiplexed illumination, IEEE 11th International Conference on Computer Vision (ICCV), IEEE, pp. 1-8 ( 2007). Goel, M., Whitmire, E., Mariakakis, A., T Saponas, S., Joshi, N., Morris, D., Guenter, B., Gavriliu, M., Borriello, G. and Patel, S.: HyperCam: hyperspectral imaging for ubiquitous computing applications, The 2015 ACM International Joint Conference on Pervasive and Ubiquitous Computing, ACM(2015)Goel, M., Whitmire, E., Mariakakis, A., T Saponas, S., Joshi, N., Morris, D., Guenter, B., Gavriliu, M., Borriello, G. and Patel, S. : HyperCam: hyperspectral imaging for ubiquitous computing applications, The 2015 ACM International Joint Conference on Pervasive and Ubiquitous Computing, ACM (2015)

上述したように、医療分野においてハイパースペクトルイメージングは主に体組織の正常部と異常部との識別に利用される。対象の2次元分光画像の取得が中心となり、手術で利用する場合には高速に分光画像を取得することが重要となる。しかしながら、上述したように、アクティブ照明方式の技術であれば2次元分光画像を高速で且つ安価に取得することが可能になるものの、フリッカの発生が手術の妨げとなってしまい、医療分野においては、使い勝手が悪くなってしまうという課題を有する。   As described above, in the medical field, hyperspectral imaging is mainly used to distinguish between normal and abnormal parts of body tissue. Acquisition of a target two-dimensional spectral image is the center, and when using it in surgery, it is important to acquire a spectral image at high speed. However, as described above, the active illumination technique can obtain a two-dimensional spectroscopic image at a high speed and at a low cost, but the occurrence of flicker hinders surgery, and in the medical field. There is a problem that usability deteriorates.

また、非特許文献8に示す技術は、アクティブ照明方式を利用して高速な2次元分光画像の取得を実現するものであるが、切り替える照明の色が考慮されていない。すなわち、照明の色が異なる場合には、当該照明の切り替え時にフリッカが発生してしまうという課題を有する。   The technique shown in Non-Patent Document 8 realizes high-speed acquisition of a two-dimensional spectral image using an active illumination method, but does not consider the color of illumination to be switched. That is, when the illumination colors are different, there is a problem that flicker occurs when the illumination is switched.

本発明は、アクティブ照明方式において波長帯域が異なる複数の光源を合成し、必要となる波長の光源間における色差を小さくすることで、フリッカの発生を低減することができる撮像装置を提供する。   The present invention provides an imaging apparatus capable of reducing the occurrence of flicker by combining a plurality of light sources having different wavelength bands in an active illumination system and reducing a color difference between light sources having necessary wavelengths.

本発明に係る撮像装置は、異なる波長で発光する複数の光源と、前記光源のうち、撮像対象物の特性に基づいて特定された特定波長で発光する前記光源を選択光源として複数選択する選択手段と、選択された複数の前記選択光源のうち、一の前記選択光源に合成されることで当該一の選択光源と他の選択光源との色差が低減する波長を有する前記光源を前記選択光源以外の非選択光源から抽出する抽出手段と、選択された前記選択光源と抽出された前記非選択光源とを合成した光源で、前記選択光源ごとに順次光源を切り替えて撮像対象物を撮像する撮像手段とを備えるものである。   An imaging apparatus according to the present invention includes a plurality of light sources that emit light at different wavelengths, and a selection unit that selects a plurality of light sources that emit light at a specific wavelength specified based on characteristics of an imaging target among the light sources as a selection light source. And, other than the selected light source, the light source having a wavelength that reduces the color difference between the selected light source and the other selected light source by combining the selected light sources with the selected light source. An imaging unit that images an imaging target object by sequentially switching the light source for each selected light source by a light source obtained by synthesizing the selected selected light source and the extracted non-selected light source. Are provided.

このように、本発明に係る撮像装置においては、異なる波長で発光する複数の光源から撮像対象物の特性に基づいて特定された特定波長で発光する光源を複数選択し、合成された際に選択された光源間の色差が低減するように非選択光源を抽出し、選択された光源と抽出された光源とを合成した光源で、選択光源ごとに順次光源を切り替えて撮像するため、異なる照明間(一の選択光源と他の選択光源との間)の色差を抑えて、人間には同じ色に見えるような照明で切り替えを行うことでフリッカの発生を低減することができるという効果を奏する。すなわち、フリッカの発生が低減されることで、例えば手術の際に異常な部分を正確に識別し、その部分にのみ施術をすることで患者の負担を最小限に抑えることができるという効果を奏する。   As described above, in the imaging apparatus according to the present invention, a plurality of light sources that emit light at a specific wavelength specified based on characteristics of the imaging target are selected from a plurality of light sources that emit light at different wavelengths, and are selected when they are combined. The non-selected light source is extracted so that the color difference between the selected light sources is reduced, and the selected light source and the extracted light source are combined. By suppressing the color difference (between one selected light source and another selected light source) and switching with illumination that looks like the same color for humans, it is possible to reduce the occurrence of flicker. That is, by reducing the occurrence of flicker, for example, it is possible to accurately identify an abnormal part during surgery, for example, and to perform the operation only on that part, thereby minimizing the burden on the patient. .

本発明に係る撮像装置は、前記撮像手段で撮像された画像から、前記抽出手段で抽出された非選択光源で撮像された画像を取り除く画像除去手段と、前記画像除去手段による除去処理後に残った画像を表示する表示制御手段とを備えるものである。   An image pickup apparatus according to the present invention includes an image removal unit that removes an image picked up by a non-selection light source extracted by the extraction unit from an image picked up by the image pickup unit, and a residual image after the removal process by the image removal unit. Display control means for displaying an image.

このように、本発明に係る撮像装置においては、撮像された画像から、抽出された非選択光源で撮像された画像を取り除き、残った画像を表示するため、撮像対象物ごとに特定される特定波長で撮像されたハイパースペクトル画像を、リアルタイムに高精度に表示することができるという効果を奏する。   As described above, in the imaging device according to the present invention, the image captured by the extracted non-selected light source is removed from the captured image, and the remaining image is displayed. There is an effect that a hyperspectral image captured at a wavelength can be displayed with high accuracy in real time.

本発明に係る撮像装置は、前記抽出手段が、前記一の選択光源に対する他の選択光源の近傍における波長帯域を有する非選択光源を、前記一の選択光源に合成する非選択光源として抽出するものである。   In the imaging apparatus according to the present invention, the extraction unit extracts a non-selected light source having a wavelength band in the vicinity of another selected light source with respect to the one selected light source as a non-selected light source to be combined with the one selected light source. It is.

このように、本発明に係る撮像装置においては、抽出手段が、一の選択光源に対する他の選択光源の近傍における波長帯域を有する非選択光源を、前記一の選択光源に合成する非選択光源として抽出するため、一の選択光源と他の選択光源との間の色差を抑えて、人間には同じ色に見えるような照明で切り替えを行うことでフリッカの発生を低減することができるという効果を奏する。   As described above, in the imaging apparatus according to the present invention, the extraction unit serves as a non-selected light source that combines a non-selected light source having a wavelength band in the vicinity of another selected light source with respect to the one selected light source. Since the color difference between one selected light source and the other selected light source is suppressed and the lighting is switched so that it looks like the same color for humans, the occurrence of flicker can be reduced. Play.

本発明に係る撮像装置は、前記抽出手段が、撮像環境における外光に応じて前記他の選択光源の近傍以外の波長帯域を有する非選択光源を抽出するものである。   In the imaging apparatus according to the present invention, the extraction unit extracts a non-selected light source having a wavelength band other than the vicinity of the other selected light source according to external light in an imaging environment.

このように、本発明に係る撮像装置においては、抽出手段が、撮像環境における外光に応じて前記他の選択光源の近傍以外の波長帯域を有する非選択光源を抽出するため、撮像環境に応じて人間が視認し易い画像を表示することが可能になるという効果を奏する。   As described above, in the imaging apparatus according to the present invention, the extraction unit extracts the non-selected light source having a wavelength band other than the vicinity of the other selected light source according to the external light in the imaging environment. As a result, it is possible to display an image that is easy for a human to visually recognize.

本発明に係る撮像装置は、前記抽出手段が、前記非選択光源の波長帯域及び光強度に基づいて、前記光源を抽出するものである。   In the imaging apparatus according to the present invention, the extraction unit extracts the light source based on a wavelength band and light intensity of the non-selected light source.

このように、本発明に係る撮像装置においては、抽出手段が、非選択光源の波長帯域及び光強度に基づいて光源を抽出するため、一の選択光源と他の選択光源との間の色差をより小さくすることができ、フリッカの発生を格段に低減させることが可能になるという効果を奏する。   As described above, in the imaging apparatus according to the present invention, since the extraction unit extracts the light source based on the wavelength band and the light intensity of the non-selected light source, the color difference between one selected light source and another selected light source is calculated. There is an effect that it can be made smaller and the occurrence of flicker can be remarkably reduced.

本発明に係る撮像装置は、前記抽出手段が、感光特性を考慮した前記光強度に基づいて、前記光源を抽出するものである。   In the imaging apparatus according to the present invention, the extraction unit extracts the light source based on the light intensity in consideration of photosensitive characteristics.

このように、本発明に係る撮像装置においては、抽出手段が、感光特性を考慮した光強度に基づいて光源を抽出するため、一の選択光源と他の選択光源との間の色差をより小さくして、人間には同じ色に見えるような照明で切り替えを行うことができ、フリッカの発生を格段に低減させることが可能になるという効果を奏する。   As described above, in the imaging apparatus according to the present invention, since the extraction unit extracts the light source based on the light intensity considering the photosensitive characteristic, the color difference between one selected light source and the other selected light source is further reduced. Thus, it is possible to perform switching with illumination that looks the same color for humans, and it is possible to significantly reduce the occurrence of flicker.

第1の実施形態に係る撮像装置のハードウェア構成図である。It is a hardware block diagram of the imaging device which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of the imaging device concerning a 1st embodiment. LED照明のスペクトルと色差の第1のイメージ図である(最適化前)。It is a 1st image figure of the spectrum and color difference of LED illumination (before optimization). LED照明のスペクトルと色差の第1のイメージ図である(最適化後)。It is a 1st image figure of the spectrum and color difference of LED illumination (after optimization). LED照明のスペクトルと色差の第2のイメージ図である(最適化後)。It is a 2nd image figure of the spectrum and color difference of LED illumination (after optimization). 第1の実施形態に係る撮像装置の動作を示すフローチャートである。3 is a flowchart illustrating an operation of the imaging apparatus according to the first embodiment. 実施例で用いた15種類のLEDのスペクトルを示す図である。It is a figure which shows the spectrum of 15 types of LED used in the Example. 人体の静脈を撮像した画像を示す図である。It is a figure which shows the image which imaged the vein of the human body. 実施例で用いた作成した照明を示す図である。It is a figure which shows the created illumination used in the Example. LED照明の切り替え時のフリッカの比較をした結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having compared the flicker at the time of switching of LED illumination. ヘモグロビンの吸光特性を示す図である。It is a figure which shows the light absorption characteristic of hemoglobin. 653nm分光画像と834nm分光画像を示す図である。It is a figure which shows a 653 nm spectral image and an 834 nm spectral image. 通常のRGBカメラで撮影した画像と分光反射率の差の画像を示す図である。It is a figure which shows the image imaged with the normal RGB camera, and the image of the difference of a spectral reflectance.

以下、本発明の実施の形態を説明する。また、本実施形態の全体を通して同じ要素には同じ符号を付けている。   Embodiments of the present invention will be described below. Also, the same reference numerals are given to the same elements throughout the present embodiment.

(本発明の第1の実施形態)
本実施形態に係る撮像装置について、図1ないし図6を用いて説明する。本実施形態に係る撮像装置は、ハイパースペクトルイメージングのアクティブ照明方式における照明の切り替え時に発生するフリッカを低減するために、スペクトルが異なっていても人間の目には同じ色に見えるような照明を合成する。本実施形態においては、異なる照明間の色差を抑えるために条件等色(参考文献:Miyazaki, D., Saneshige, T., Baba, M., Furukawa, R., Aoyama, M. and Hiura, S.: Metamerism-based shading illusion, 14th IAPR International Conference on Machine Vision Applications (MVA), IEEE, pp. 255-258 (2015).)を利用する。
(First embodiment of the present invention)
An imaging apparatus according to this embodiment will be described with reference to FIGS. The imaging apparatus according to the present embodiment synthesizes illumination that looks the same color to the human eye even if the spectrum is different, in order to reduce flicker that occurs when switching illumination in the active illumination method of hyperspectral imaging. To do. In this embodiment, in order to suppress the color difference between different illuminations, the same color (reference: Miyazaki, D., Saneshige, T., Baba, M., Furukawa, R., Aoyama, M. and Hiura, S) .: Metamerism-based shading illusion, 14th IAPR International Conference on Machine Vision Applications (MVA), IEEE, pp. 255-258 (2015).

まず、本実施形態に係る撮像装置の構成及び機能について説明する。図1は、本実施形態に係る撮像装置のハードウェア構成図である。撮像装置1は、撮像素子11、CPU12、RAM13、ROM14、入出力I/F15、ディスプレイ16及び光源17を備える。撮像素子11は、カメラレンズから取り込まれた撮像情報を電気信号に変換する。ROM14には各種プログラムやデータ等が格納されており、必要に応じて各種プログラムがRAM13に読み込まれ、CPU12により実行される。入出力I/F15は、シャッター、タッチパネル、各種スイッチ等からの入力を受け付けたり、ディスプレイや外部メモリ等にデータを出力するためのインタフェースである。ディスプレイ16に、撮像された画像を表示するモニタであり、タッチパネルの場合は入力デバイスとしても機能するものである。光源17は、撮像対象物に照射する照明であり、例えば、異なる波長帯域を有する複数のLEDからなる。   First, the configuration and function of the imaging apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 1 is a hardware configuration diagram of the imaging apparatus according to the present embodiment. The imaging apparatus 1 includes an imaging element 11, a CPU 12, a RAM 13, a ROM 14, an input / output I / F 15, a display 16, and a light source 17. The imaging device 11 converts imaging information captured from the camera lens into an electrical signal. Various programs, data, and the like are stored in the ROM 14. Various programs are read into the RAM 13 as necessary and executed by the CPU 12. The input / output I / F 15 is an interface for receiving input from a shutter, a touch panel, various switches, etc., and outputting data to a display, an external memory, or the like. It is a monitor that displays a captured image on the display 16, and in the case of a touch panel, it also functions as an input device. The light source 17 is illumination that irradiates the imaging object, and includes, for example, a plurality of LEDs having different wavelength bands.

なお、上記ハードウェアの構成はあくまで一例であり、必要に応じて変更可能である。例えば、撮像処理までは図1に示す撮像装置により実行され、撮像後の画像編集処理は別途接続されるコンピュータを用いるようにしてもよい。   The hardware configuration is merely an example, and can be changed as necessary. For example, the imaging process shown in FIG. 1 is executed until the imaging process, and a separately connected computer may be used for the image editing process after imaging.

図2は、本実施形態に係る撮像装置の機能ブロック図である。図2において、撮像装置1は、撮像対象物27を撮像するまでの機能を実現する構成として、撮像対象物27の特性に基づいて特定される特定波長等の情報を入力情報26とし、この入力情報26を入力する入力部21と、予め用意されている異なる波長で発光する複数の光源に関する情報が記憶されている光源情報記憶部23から、入力部21に入力された情報に基づいて特定の光源に関する情報を選択光源として複数選択する光源選択部22と、光源選択部22で選択された選択光源以外の非選択光源に関する情報を光源情報記憶部23から取得し、選択光源と合成した場合に当該選択光源間の色差が最小となるような非選択光源を特定して抽出する光源抽出部24とを備え、光源17が、光源選択部22で選択された選択光源と光源抽出部24で抽出された非選択光源とを合成した光源で、選択光源ごとに使用する光源を順次切り替えて撮像対象物27を照射する。   FIG. 2 is a functional block diagram of the imaging apparatus according to the present embodiment. In FIG. 2, the imaging apparatus 1 is configured to realize a function until the imaging object 27 is imaged, and information such as a specific wavelength specified based on the characteristics of the imaging object 27 is input information 26. Based on the information input to the input unit 21 from the input unit 21 that inputs information 26 and the light source information storage unit 23 that stores information about a plurality of light sources that emit light at different wavelengths prepared in advance. A light source selection unit 22 that selects a plurality of pieces of information about the light source as a selected light source, and information on a non-selected light source other than the selected light source selected by the light source selection unit 22 is acquired from the light source information storage unit 23 and combined with the selected light source A light source extraction unit 24 that identifies and extracts a non-selected light source that minimizes the color difference between the selected light sources, and the light source 17 selects the selected light source and the light source extraction selected by the light source selection unit 22. And a non-selected source extracted in section 24 in the synthesized light source, illuminating the imaged object 27 sequentially switches the light source to be used for each selected light source.

さらに、撮像装置1は、撮像対象物27を撮像後の機能を実現する構成として、撮像対象物27の像が撮像素子11により電気信号に変換された撮像情報を記憶する撮像情報記憶部28と、非選択光源及び当該非選択光源に関する光源情報記憶部23に記憶されている情報に基づいて、撮像情報から非選択光源に関する情報を除去する画像除去部29と、残った画像をディスプレイ16に表示する表示制御部30とを備える。   Furthermore, the imaging apparatus 1 is configured to realize a function after imaging the imaging object 27, and an imaging information storage unit 28 that stores imaging information in which an image of the imaging object 27 is converted into an electrical signal by the imaging element 11; Based on the information stored in the light source information storage unit 23 relating to the non-selected light source and the non-selected light source, an image removing unit 29 that removes information related to the non-selected light source from the imaging information, and the remaining image is displayed on the display 16. Display control unit 30.

以下、各処理部の詳細について説明する。アクティブ照明方式でハイパースペクトルイメージングを行うためには、スペクトルが異なる複数の光源(照明)を用意する必要がある。ここでは、n種類の狭帯域LEDを組み合わせることで、m種類のスペクトルが異なる照明を作成するとする。n=mのときには混合照明下で撮影した画像からn種類のLEDの波長における分光画像を復元できる。   Hereinafter, details of each processing unit will be described. In order to perform hyperspectral imaging with the active illumination method, it is necessary to prepare a plurality of light sources (illuminations) having different spectra. Here, it is assumed that illuminations with different m types of spectra are created by combining n types of narrow-band LEDs. When n = m, a spectral image at the wavelength of n types of LEDs can be restored from an image taken under mixed illumination.

まず、照明の合成モデルについて説明する。スペクトルをi個で離散化する場合、照明のスペクトルLは、   First, a composite model of illumination will be described. When discretizing i spectra, the illumination spectrum L is

で表せる。n種類のLEDを組み合わせてm種類の照明を作成する場合、LEDの組み合わせパターンは以下のm×n行列Pで表現できる。   It can be expressed as When m types of illumination are created by combining n types of LEDs, the LED combination pattern can be expressed by the following m × n matrix P.

したがって、照明の合成モデルは以下の式で表せる。   Therefore, the composite model of illumination can be expressed by the following equation.

次に、光源選択部22で選択された選択光源を用いて撮像された画像に対して、画像除去部29の処理により目的とする分光画像を取得する方法について説明する。L’のスペクトルを持つ照明を用いて撮像した画像の輝度値Iは、   Next, a method for acquiring a target spectral image by processing of the image removal unit 29 for an image captured using the selected light source selected by the light source selection unit 22 will be described. The luminance value I of an image captured using illumination having a spectrum of L ′ is

で表される。ここで、Qはカメラの分光感度特性のスペクトルであり、Rは撮影対象の分光反射率のスペクトルである。   It is represented by Here, Q is the spectrum of the spectral sensitivity characteristic of the camera, and R is the spectrum of the spectral reflectance of the subject.

式(3)、(4)より以下の関係が成り立つ。   From the equations (3) and (4), the following relationship is established.

n=mのときLEDの組み合わせパターン行列は正方行列となる。Pに逆行列が存在するときに、以下の式(8)が成り立つため、撮像した画像から各LEDの主波長における分光画像を求めることができる。   When n = m, the LED combination pattern matrix is a square matrix. When an inverse matrix exists in P, the following equation (8) is established, so that a spectral image at the dominant wavelength of each LED can be obtained from the captured image.

また、環境光の影響がある場所でもアクティブ照明方式によって分光画像を取得することができる。環境光を特定のスペクトルを持つLEDの一種と見なし、n+1種類のLEDを組み合わせて照明を作成する。この照明を切り替えて撮影することで、環境光の影響がない場合と同様に分光画像を取得することができる。   In addition, a spectral image can be acquired by an active illumination method even in a place affected by ambient light. The ambient light is regarded as a kind of LED having a specific spectrum, and illumination is created by combining n + 1 kinds of LEDs. By photographing with this illumination switched, a spectral image can be acquired as in the case where there is no influence of ambient light.

このように、LEDを組み合わせて複数の照明を作成し、それらを切り替えて撮影することで分光画像を取得することができる。すなわち、光源選択部22の処理により特定の波長である選択光源で撮像された分光画像を取得することが可能となる。   Thus, a spectral image can be acquired by creating a plurality of illuminations by combining LEDs and switching and photographing them. That is, it is possible to acquire a spectral image captured by a selected light source having a specific wavelength by the processing of the light source selection unit 22.

次に、フリッカを低減するための光源抽出部24の処理について説明する。上記のように照明を切り替えて撮像することで、それぞれの分光画像を取得することができるが、切り替える照明間で色差が大きい場合にフリッカが発生してしまう。逆に、フリッカを低減するためには照明間で色差をできる限り小さくすればよい。色差を扱うためにはまず色や色差を定量的に表現する必要がある。CIE(国際照明委員会)が定めたXYZ表色系に基づき照明の色を数値として表現する。その数値を同じくCIEが定めたL表色系における色座標上の数値に変換し、色差を色座標上でのユークリッド距離として扱う。色差をユークリッド距離として扱うことで、色差を最小化するLEDの組み合わせ最適化が可能となる。nバンドの分光画像を取得するには、n種類のLEDで十分だが、分光画像取得には直接関係のない余分なLEDを組み合わせることで照明間の色差を小さくできる。 Next, processing of the light source extraction unit 24 for reducing flicker will be described. Each spectral image can be acquired by switching the illumination as described above, but flicker occurs when the color difference is large between the switched illuminations. Conversely, in order to reduce flicker, the color difference between the illuminations should be as small as possible. In order to handle color differences, it is first necessary to quantitatively express colors and color differences. The color of illumination is expressed as a numerical value based on the XYZ color system defined by the CIE (International Lighting Commission). The numerical value is converted into a numerical value on the color coordinate in the L * U * V * color system similarly determined by CIE, and the color difference is handled as the Euclidean distance on the color coordinate. By treating the color difference as the Euclidean distance, it is possible to optimize the combination of LEDs that minimize the color difference. In order to acquire an n-band spectral image, n types of LEDs are sufficient, but by combining extra LEDs that are not directly related to spectral image acquisition, the color difference between illuminations can be reduced.

図3及び図4は、LED照明のスペクトルと色差の第1のイメージ図である。図3は、選択光源のスペクトルを示し、図4は、色差を小さくした場合の選択光源及び非選択光源のスペクトルを示している。図3に示すように、選択された複数の選択光源の色差が大きい場合は、これらを切り替えることによりフリッカが発生する。これに対して、図4に示すように、余分な非選択光源を敢えて合成することによって、選択光源間の色差を小さくすることが可能となる。図4に示す状態であれば、選択光源を切り替えた場合であっても、フリッカを低減することが可能となる。   3 and 4 are first image diagrams of the spectrum and color difference of LED illumination. FIG. 3 shows the spectrum of the selected light source, and FIG. 4 shows the spectrum of the selected light source and the non-selected light source when the color difference is reduced. As shown in FIG. 3, when the color difference between a plurality of selected light sources is large, flicker occurs by switching between them. On the other hand, as shown in FIG. 4, it is possible to reduce the color difference between the selected light sources by deliberately combining the extra non-selected light sources. In the state shown in FIG. 4, flicker can be reduced even when the selected light source is switched.

図5は、LED照明のスペクトルと色差の第2のイメージ図である。図5は、図3の選択光源に対して色差を小さくした場合の選択光源及び非選択光源のスペクトルを示している。ここでは、余分な非選択光源を図5に示すように、選択光源の近傍の波長帯域を中心に特定することで、選択光源間の色差を小さくする。すなわち、一の選択光源(図3における照明1の選択光源=図5における照明1の光源A)には他の選択光源(図3における照明2の選択光源=図5における照明1の光源B)の近傍における波長帯域を有する非選択光源(図5における照明1の光源Bの近傍光源)を特定して合成する。逆に他の選択光源(図3における照明2の選択光源=図5における照明2の光源B)には一の選択光源(図3における照明1の選択光源=図5における照明2の光源A)の近傍における波長帯域を有する非選択光源(図5における照明2の光源A近傍光源)を特定して合成する。図5に示すような近傍光源が合成されることで、選択光源間の色差を小さくすることができ、フリッカの発生を防止することができる。   FIG. 5 is a second image diagram of the spectrum and color difference of LED illumination. FIG. 5 shows the spectra of the selected light source and the non-selected light source when the color difference is reduced with respect to the selected light source of FIG. Here, as shown in FIG. 5, an extra non-selected light source is specified centering around the wavelength band near the selected light source, thereby reducing the color difference between the selected light sources. That is, one selected light source (selected light source of illumination 1 in FIG. 3 = light source A of illumination 1 in FIG. 5) has another selected light source (selected light source of illumination 2 in FIG. 3 = light source B of illumination 1 in FIG. 5). A non-selected light source having a wavelength band in the vicinity of (a light source in the vicinity of the light source B of the illumination 1 in FIG. 5) is specified and synthesized. Conversely, for another selected light source (selected light source of illumination 2 in FIG. 3 = light source B of illumination 2 in FIG. 5), one selected light source (selected light source of illumination 1 in FIG. 3 = light source A of illumination 2 in FIG. 5). A non-selected light source having a wavelength band in the vicinity of (a light source in the vicinity of the light source A of the illumination 2 in FIG. 5) is specified and synthesized. By combining the nearby light sources as shown in FIG. 5, the color difference between the selected light sources can be reduced, and the occurrence of flicker can be prevented.

次に、上記に示した色座標について説明する。人間は光源から直接あるいは物体に反射して眼に届いた光を三種類の錐体細胞によって知覚する。三種類の錐体細胞はそれぞれ赤、緑、青に該当する波長に最も高い反応を示す。光の三原色が赤、緑、青となっているのはこのためである。CIE(国際証明委員会)は人間の標準的な色覚を数値化するためにRGB表色系を定めた。CIEは、R(700nm)、G(546.1nm)、B(435.8nm)を原色として等色実験を行い、人間の色覚を等色関数として定義した。しかしRGB表色系では正確に表現できない波長域が存在するという欠点があったため、その波長域を表現可能にするXYZ表色系が定義された。XYZ表色系ではX,Y,Zという実在しない原刺激の混色量で色を表現する。390−830nmの波長域において、波長をλとして等色関数をx ̄(λ),y ̄(λ),z ̄(λ)(「x ̄」、「y ̄」、「z ̄」はそれぞれのバーとする)とすると、X、Y、Zはそれぞれ式(9)、(10)、(11)で表される。   Next, the color coordinates shown above will be described. Humans perceive light that reaches the eye either directly from the light source or reflected from an object by three types of cone cells. The three types of cone cells show the highest response to wavelengths corresponding to red, green, and blue, respectively. This is why the three primary colors of light are red, green, and blue. The CIE (International Certification Board) has defined an RGB color system to quantify human standard color vision. CIE conducted color matching experiments using R (700 nm), G (546.1 nm), and B (435.8 nm) as primary colors, and defined human color vision as a color matching function. However, since there is a drawback that there is a wavelength range that cannot be accurately expressed in the RGB color system, an XYZ color system that can express the wavelength range has been defined. In the XYZ color system, a color is expressed by a mixed color amount of non-existing primal stimuli such as X, Y, and Z. In the wavelength range of 390 to 830 nm, the color matching functions are x ̄ (λ), y ̄ (λ), z ̄ (λ) (“x ̄”, “y ̄”, “z ̄” respectively, where the wavelength is λ. X, Y, and Z are represented by equations (9), (10), and (11), respectively.

ここで、s(λ)は対象の分光分布である。式(9)、式(10)、式(11)をi個で離散化した場合を式(12)に示す。   Here, s (λ) is the target spectral distribution. Formula (12) shows a case where i is a discretization of Formula (9), Formula (10), and Formula (11).

色の判定にはX,Y,Zの混色比を利用したxy色度図が用いられるが、この色度図の色空間は均等であるとはいえず、色空間での距離が人間が感じる色の差とうまく対応していない。そこでCIEは均等色空間の一つとしてL表色系を定めた。三原刺激X、Y、Zを色座標L,u,vへ変換することで色を定量的に表現する。XYZからLへの変換式は式(13)で表される。ここで、Xn,Yn,Znは、標準光源の三刺激値である。Lは明度指数であり、u、vによって色度図での色が決まる。基準となる白色ではu=0、v=0である。L表色系では色差はL座標上でのユークリッド距離として定義される。 An xy chromaticity diagram using the color mixture ratio of X, Y, and Z is used for color determination, but the color space of this chromaticity diagram is not uniform, and humans feel the distance in the color space. Does not correspond well with the color difference. Therefore, CIE has determined the L * u * v * color system as one of the uniform color spaces. The color is expressed quantitatively by converting the Mihara stimulus X, Y, Z to color coordinates L * , u * , v * . A conversion formula from XYZ to L * u * v * is expressed by Formula (13). Here, Xn, Yn, and Zn are tristimulus values of a standard light source. L * is a lightness index, and the color in the chromaticity diagram is determined by u * and v * . In the reference white color, u * = 0 and v * = 0. In the L * u * v * color system, the color difference is defined as the Euclidean distance on the L * u * v * coordinates.

これらの色座標を用いて分光画像を取得するために必要な条件を満たすLEDの組み合わせの中で、色差が最小となる組み合わせを求める。色差を小さくするために分光画像取得には直接関係がない非選択光源であるLEDを組み合わせるが、そのLEDは環境光と同様に扱うことができる。以下では、n種類のLEDを用意して特定の2波長における分光画像を取得する場合を考える。光源選択部22により選択された特定の2波長を主波長に持つ狭帯域LEDのスペクトルをそれぞれLλ1,Lλ2とし,分光画像取得には直接関係がない非選択光源のLEDのスペクトルをLexとする。Lexが残りのLEDの組み合わせによるスペクトルであるとき、LexAmong these LED combinations that satisfy the conditions necessary for acquiring a spectral image using these color coordinates, a combination that minimizes the color difference is obtained. In order to reduce the color difference, LEDs that are non-selected light sources that are not directly related to spectral image acquisition are combined, but the LEDs can be handled in the same manner as ambient light. In the following, a case is considered where n types of LEDs are prepared and spectral images at two specific wavelengths are acquired. The spectra of the narrow-band LEDs having two specific wavelengths selected by the light source selection unit 22 as the main wavelengths are L λ1 and L λ2 , respectively, and the spectra of the LEDs of the non-selected light sources that are not directly related to spectral image acquisition are L ex And When L ex is the spectrum of the remaining LED combinations, L ex is

で表される。このとき、上記式(3)は、式(15)のようになり、式(4)−(8)に当てはめることで波長λとλの分光画像を取得できる。 It is represented by At this time, the above equation (3) becomes the equation (15), and spectral images of wavelengths λ 1 and λ 2 can be acquired by applying to the equations (4) to (8).

PおよびP’がそれぞれ一つに定まるとき、3種類の照明のスペクトルが定まる。式(12)より照明ごとのX,Y,Zが求まり、式(13)によって照明間の色差を計算することができる。したがって、色差を最小にするPおよびP’を求めることで、フリッカレスLED照明を構成するLEDの組み合わせを求めることができる。ここでは、例えば、この問題を制約付き非線形多変数関数の最適化問題として扱い、SQP法を用いて解くことができる。また、PおよびP’のとり得る範囲を0から1とし、各LEDの混合比として扱い、分光画像のSN比の低下を抑えるため、Lλ1とLλ2の割合に下限を設けるようにしてもよい。例えば、照明に対象のLλ1とLλ2のLEDが50%以上含まれる組み合わせを求めるようにしてもよい。さらにPの逆行列を安定して求めるためにP’の条件数を5以下に制限してもよい。 When P and P ′ are each determined as one, three types of illumination spectra are determined. X, Y, Z for each illumination is obtained from the equation (12), and the color difference between the illuminations can be calculated by the equation (13). Therefore, by obtaining P and P ′ that minimize the color difference, it is possible to obtain a combination of LEDs that constitute flickerless LED illumination. Here, for example, this problem can be treated as a constrained nonlinear multivariable function optimization problem and solved using the SQP method. Further, the range that P and P ′ can take is set to 0 to 1, and is treated as a mixture ratio of each LED, and a lower limit is set to the ratio of L λ1 and L λ2 in order to suppress a decrease in the SN ratio of the spectral image Good. For example, a combination in which 50% or more of the target L λ1 and L λ2 LEDs are included in the illumination may be obtained. Further, the condition number of P ′ may be limited to 5 or less in order to obtain the inverse matrix of P stably.

このように、光源抽出部24は、選択光源と合成した場合に選択光源間の色差が最小となるような非選択光源を抽出することができる。このとき、上記のように光強度や人間の感光特性を考慮することで、より高性能なフリッカレスのハイパースペクトルイメージングを実現することが可能となる。以上が本実施形態に係る撮像装置の構成及び機能についての説明である。   As described above, the light source extraction unit 24 can extract a non-selected light source that minimizes the color difference between the selected light sources when combined with the selected light source. At this time, it is possible to realize higher performance flickerless hyperspectral imaging by considering the light intensity and human photosensitive characteristics as described above. The above is the description of the configuration and functions of the imaging apparatus according to the present embodiment.

次に、本実施形態に係る撮像装置の動作について説明する。図6は、本実施形態に係る撮像装置の動作を示すフローチャートである。まず、入力部21が、撮像対象物27に応じて特定される目的となる特定波長の情報を入力情報26として入力する(S1)。光源選択部22が、特定波長に最も近い波長を主波長とする光源を選択する(S2)。光源抽出部24が、選択された選択光源間の色差が最小となるように使用する光源を最適化する(S3)。撮像対象物27を最適化された光源17で照射し、撮像素子11で撮像する(S4)。画像除去部32が、撮像して得られた画像から最適化時に追加された波長の画像を除去する(S5)。残った画像情報を表示制御部33がディスプレイ16に表示して(S6)、処理を終了する。   Next, the operation of the imaging apparatus according to the present embodiment will be described. FIG. 6 is a flowchart illustrating the operation of the imaging apparatus according to the present embodiment. First, the input unit 21 inputs, as input information 26, information on a specific wavelength that is a target specified according to the imaging object 27 (S1). The light source selection unit 22 selects a light source whose main wavelength is the wavelength closest to the specific wavelength (S2). The light source extraction unit 24 optimizes the light source to be used so that the color difference between the selected selected light sources is minimized (S3). The imaging object 27 is irradiated with the optimized light source 17 and imaged by the imaging device 11 (S4). The image removing unit 32 removes the image of the wavelength added at the time of optimization from the image obtained by imaging (S5). The display control unit 33 displays the remaining image information on the display 16 (S6), and the process ends.

以上のように、本実施形態に係る撮像装置においては、異なる波長で発光する複数の光源から撮像対象物の特性に基づいて特定された特定波長で発光する光源を複数選択し、合成された際に選択された光源間の色差が低減するように非選択光源を抽出し、選択された光源と抽出された光源とを合成した光源で、選択光源ごとに順次光源を切り替えて撮像するため、異なる照明間(一の選択光源と他の選択光源との間)の色差を抑えて、人間には同じ色に見えるような照明で切り替えを行うことでフリッカの発生を低減することができる。すなわち、フリッカの発生が低減されることで、例えば手術の際に異常な部分を正確に識別し、その部分にのみ施術をすることで患者の負担を最小限に抑えることができる。   As described above, in the imaging apparatus according to the present embodiment, when a plurality of light sources that emit light at a specific wavelength specified based on the characteristics of the imaging target are selected from a plurality of light sources that emit light at different wavelengths and combined. The non-selected light source is extracted so that the color difference between the selected light sources is reduced, and the selected light source and the extracted light source are combined. The occurrence of flicker can be reduced by suppressing the color difference between the illuminations (between one selected light source and another selected light source) and switching the illumination so that it appears to the same color for humans. That is, by reducing the occurrence of flicker, for example, an abnormal part can be accurately identified during surgery, and the burden on the patient can be minimized by performing treatment only on that part.

なお、撮像する光源ごとにシャッタースピードを制御する制御部を備えるようにしてもよい。すなわち、撮像対象物の特性や取得する画像の特性に応じて、波長、光強度、感光特性、及び/又は、シャッタースピードをそれぞれ調整して最適化することで、より高精度に目的とする画像を得ることが可能となる。   In addition, you may make it provide the control part which controls a shutter speed for every light source to image. In other words, by adjusting and optimizing the wavelength, light intensity, photosensitive property, and / or shutter speed according to the characteristics of the object to be imaged and the characteristics of the acquired image, the target image can be obtained with higher accuracy. Can be obtained.

本発明に係る撮像装置について、以下に実験を行った。   The following experiment was conducted on the imaging apparatus according to the present invention.

(1)LEDスペクトル測定
以下の実験においては、光源としてLED照明を用いた。LED照明は、データシートに記載されている特性と実際の特性が異なることがある。正しいスペクトル特性を知るために、照明に用いるLEDのスペクトルを測定した。測定は暗室内で行い、27種類のLEDを1種類ずつ分光器で測定した。分光器にはOcean Optics社のjaz分光器モジュールを使用した。測定したLEDにはスペクトル特性が似ているものが存在したため、27種類のLEDの中から15種類のLEDを選択した。選択した15種類のLEDのスペクトルを図7に示す。
(1) LED spectrum measurement In the following experiment, LED illumination was used as a light source. LED lighting may have different characteristics from those described in the data sheet. In order to know the correct spectral characteristics, the spectrum of the LED used for illumination was measured. Measurement was performed in a dark room, and 27 types of LEDs were measured one by one with a spectroscope. The spectrometer used was a Jaz spectrometer module from Ocean Optics. Since some of the measured LEDs had similar spectral characteristics, 15 types of LEDs were selected from 27 types of LEDs. The spectrum of 15 types of selected LEDs is shown in FIG.

(2)分光画像の取得
LED照明を利用したアクティブ照明方式によって、分光画像を取得できるかどうかを確かめる必要がある。比較対象とするために、液晶チューナブルフィルタ(LCTF)を利用して成人男性の腕の分光画像を取得した。使用した液晶チューナブルフィルタはCRi社のVarispecであり、測定波長域は400−720nmである。本実施例では653nmにおける分光画像を取得した。赤色光付近の波長域では人体内部に進行した光が静脈中の還元ヘモグロビンに吸収されるため、静脈部分の反射光が弱くなり、分光画像中では静脈部分が暗く写るためである。撮影は暗室内で行い、撮影にはApogee社の冷却CCDカメラAlta260を使用し、光源にはセリック社の人工太陽照明灯SOLAX XC−100E形を使用した。撮影時のCCDセンサの温度は−20度、露光時間は2秒である。撮影した画像にはノイズが含まれているので、シャッターを閉じて同条件で撮影したノイズ画像を減算した。結果を図8の(A)に示す。画像では静脈部分が暗く映っていることが確認できる。
(2) Acquisition of spectral image It is necessary to confirm whether a spectral image can be acquired by an active illumination method using LED illumination. For comparison purposes, a spectral image of an adult male arm was obtained using a liquid crystal tunable filter (LCTF). The liquid crystal tunable filter used is Varispe of CRi, and the measurement wavelength range is 400-720 nm. In this example, a spectral image at 653 nm was acquired. This is because in the wavelength region near the red light, the light traveling inside the human body is absorbed by the reduced hemoglobin in the vein, so that the reflected light of the vein portion becomes weak and the vein portion appears dark in the spectroscopic image. Photographing was performed in a dark room, an Apogee cooled CCD camera Alta260 was used for photographing, and an artificial solar illuminating lamp SOLAX XC-100E from Celic was used as a light source. The temperature of the CCD sensor during photographing is -20 degrees, and the exposure time is 2 seconds. Since the captured image contains noise, the noise image captured under the same conditions with the shutter closed was subtracted. The results are shown in FIG. It can be confirmed that the veins appear dark in the image.

次に、単純なアクティブ照明方式によって腕の分光画像を取得した。主波長が653nmの赤色光LEDと主波長が834nmの赤外光LEDを用いて照明を作成した。各LEDを8個ずつブレッドボードに配置し、arduinoを用いて切り替えを行った。単純なアクティブ照明方式におけるLEDの組み合わせパターン行列Pは単位行列である。撮影は暗室内で行い、フィルタ方式と同様にApogee社の冷却CCDカメラAlta260を使用した。センサ温度は−20度で露光時間は0.04秒である。単純なアクティブ照明方式で取得した653nm分光画像を図8の(B)に示す。フィルタ方式による画像と同様に、静脈が暗く映っていることが確認できる。   Next, a spectral image of the arm was acquired by a simple active illumination method. Illumination was created using a red light LED with a dominant wavelength of 653 nm and an infrared light LED with a dominant wavelength of 834 nm. Eight LEDs were arranged on a breadboard and switched using an arduino. The combination pattern matrix P of LEDs in a simple active illumination system is a unit matrix. Photographing was performed in a dark room, and a cooled CCD camera Alta260 manufactured by Apogee was used in the same manner as the filter system. The sensor temperature is -20 degrees and the exposure time is 0.04 seconds. A 653 nm spectral image acquired by a simple active illumination method is shown in FIG. It can be confirmed that the vein appears dark like the image by the filter method.

続いて本発明の手法を用いてフリッカレスLED照明を作成した。主波長が653nmのLEDと主波長が834nmのLEDを対象のLED(選択光源)とし、残りの13種類のLEDを分光画像取得には直接関係のない余分なLED(非選択光源)として、本発明の手法によりLEDの組み合わせを求めた。得られたPとP’をそれぞれ式(16)と式(17)に示す。   Subsequently, flickerless LED lighting was created using the technique of the present invention. An LED having a dominant wavelength of 653 nm and an LED having a dominant wavelength of 834 nm are used as target LEDs (selected light sources), and the remaining 13 types of LEDs are used as extra LEDs (non-selected light sources) that are not directly related to spectral image acquisition. The combination of LEDs was determined by the inventive method. The obtained P and P ′ are shown in Formula (16) and Formula (17), respectively.

計算結果に基づいて、5種類のLEDをブレッドボードに配置した照明を作成し、arduinoで制御した。LEDの明るさはPWMにより調整した。作成した照明を図9に示す。また、LED照明の切り替え時のフリッカの比較をした結果を図10に示す。図10(A)は、単純なLED照明として作成した2種類の照明の画像を並べて切り替えの様子を再現したものであり、図10(B)は、本発明に係るフリッカレスLED照明として作成した3種類の照明の画像を並べて切り替えの様子を再現したものである。図5(A)、(B)から明らかなように、単純なLED照明に比べてフリッカが抑えられていることが確認できる。撮影には同様の冷却CCDカメラを使用し、暗室内で撮影を行った。センサ温度は−20度で露光時間は0.04秒に設定した。フリッカレスアクティブLED照明方式で取得した653nm分光画像を図8(C)に示す。等色関数の値及びLEDのスペクトル値は390nmから830nmまで10nm刻みの値を用いた。他の画像と同様に静脈が暗く映っていることが確認できる。   Based on the calculation results, lighting was prepared by arranging five types of LEDs on a breadboard and controlled by arduino. The brightness of the LED was adjusted by PWM. The created illumination is shown in FIG. Further, FIG. 10 shows a result of comparison of flicker at the time of switching the LED illumination. FIG. 10 (A) reproduces the state of switching by arranging two types of illumination images created as simple LED illumination, and FIG. 10 (B) is created as flickerless LED illumination according to the present invention. The state of switching is reproduced by arranging three types of illumination images. As is clear from FIGS. 5A and 5B, it can be confirmed that flicker is suppressed as compared with simple LED illumination. The same cooled CCD camera was used for photographing, and photographing was performed in a dark room. The sensor temperature was set to -20 degrees and the exposure time was set to 0.04 seconds. FIG. 8C shows a 653 nm spectral image acquired by the flickerless active LED illumination method. As the value of the color matching function and the spectrum value of the LED, values in increments of 10 nm from 390 nm to 830 nm were used. As with the other images, it can be confirmed that the veins appear dark.

次に、より実際の応用に近い状況を想定した実験として、ヘモグロビンのスペクトル特性を利用して鬱血の識別を行った。ヘモグロビンには酸素と結合した酸化ヘモグロビンHbOと、酸素と結合していない還元ヘモグロビンHbが存在する。ヘモグロビンのうち酸化ヘモグロビンとなっている割合は、酸素飽和度と呼ばれており、血中の酸素濃度を知る指標となる。各ヘモグロビンの吸光特性を図11に示す。図11に示すように、赤色光付近では吸光度の差が大いが、赤外光付近では吸光度の差はほとんどない。これにより、赤外光付近の波長で分光した画像には正常時と異常時でほとんど差はないが、赤色光付近の波長で分光した画像には酸素飽和度の違いによって正常時と異常時で明度に差が生じる。二つの分光画像の差を求め、正常時と比較することで酸素飽和度の変化を知ることができる。酸素飽和度が低下した状態として身近なものに鬱血がある。輪ゴムで縛り鬱血させた指と、何もしていない指を同時に撮影し、取得した分光画像からスペクトルの差を求めて比較した。撮影には作成した単純なLED照明とフリッカレスLED照明を用いた。653nmにおける分光反射率R ̄(バー)653と834nmにおける分光反射率R ̄(バー)834は、それぞれ式(18)と式(19)で求めた。 Next, as an experiment that assumed a situation closer to actual application, we identified congestion using the spectral characteristics of hemoglobin. Hemoglobin includes oxygenated hemoglobin HbO 2 bonded to oxygen and reduced hemoglobin Hb not bonded to oxygen. The proportion of hemoglobin that is oxyhemoglobin is called oxygen saturation and serves as an index for knowing the oxygen concentration in the blood. The light absorption characteristics of each hemoglobin are shown in FIG. As shown in FIG. 11, there is a large difference in absorbance near red light, but there is almost no difference in absorbance near infrared light. As a result, there is almost no difference between normal and abnormal images dispersed at wavelengths near infrared light, but there is no difference between normal and abnormal images dispersed at wavelengths near red light due to differences in oxygen saturation. There is a difference in brightness. The difference between the two spectral images is obtained, and the change in the oxygen saturation can be known by comparing with the normal one. Congestion is a familiar situation where oxygen saturation is low. Fingers tied with a rubber band and letting blood congested and fingers not doing anything were photographed at the same time, and spectral differences were obtained from the acquired spectral images and compared. The photographer used simple LED lighting and flickerless LED lighting. Spectral reflectance R  ̄ (bar) at 653 nm The spectral reflectance R  ̄ (bar) 834 at 653 and 834 nm was obtained by Equation (18) and Equation (19), respectively.

ここでI653とI834は、それぞれ対象の653nmにおける分光画像と834nmにおける分光画像を表し、IR653とIR834はそれぞれ標準白色版の653nmにおける分光画像と834nmにおける分光画像を表す。標準白色版の分光反射率は測定波長域において一定である。式(18)より求めた653nm分光画像と式(19)より求めた834nm分光画像をそれぞれ図12に示す。図12(A)が653nm分光画像で、図12(B)が834nm分光画像である。また、通常のRGBカメラで撮影した画像と式(20)より求めた分光反射率の差の画像をそれぞれ図13に示す。図13(A)がRGBカメラで撮影した画像で、図13(B)が分光反射率の差の画像である。 Here, I 653 and I 834 represent a spectral image at 653 nm and a spectral image at 834 nm, respectively, and IR 653 and IR 834 represent a spectral image at 653 nm and a spectral image at 834 nm of the standard white plate, respectively. The spectral reflectance of the standard white plate is constant in the measurement wavelength range. FIG. 12 shows a 653 nm spectroscopic image obtained from equation (18) and an 834 nm spectroscopic image obtained from equation (19), respectively. 12A is a 653 nm spectral image, and FIG. 12B is an 834 nm spectral image. Further, FIG. 13 shows an image photographed by a normal RGB camera and an image of the difference in spectral reflectance obtained from equation (20). FIG. 13A is an image taken by an RGB camera, and FIG. 13B is an image of a difference in spectral reflectance.

正常部には酸化ヘモグロビンが多く含まれるため2波長間の分光反射率の差が大きく、画像では明るく映る。一方で鬱血により静脈血が溜まると還元ヘモグロビンの割合が大きくなるため、2波長間の分光反射率の差が小さくなり画像では暗く写る。このように、本発明の撮像装置より、アクティブ照明方式においてフリッカの発生を抑えることが可能であると共に、血中の酸素飽和濃度を視覚的に確認することが可能であることが明らかとなった。   Since the normal part contains a lot of oxyhemoglobin, the difference in spectral reflectance between the two wavelengths is large, and the image appears bright. On the other hand, when venous blood accumulates due to congestion, the proportion of deoxyhemoglobin increases, so the difference in spectral reflectance between the two wavelengths decreases and the image appears dark. As described above, from the imaging apparatus according to the present invention, it has been clarified that it is possible to suppress the generation of flicker in the active illumination method and to visually check the oxygen saturation concentration in the blood. .

1 撮像装置
11 撮像素子
12 CPU
13 RAM
14 ROM
15 入出力I/F
16 ディスプレイ
17 光源
21 入力部
22 光源選択部
23 光源情報記憶部
24 光源抽出部
26 入力情報
27 撮像対象部
28 撮像情報記憶部
29 画像除去部
30 表示制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Imaging device 11 Imaging element 12 CPU
13 RAM
14 ROM
15 Input / output I / F
DESCRIPTION OF SYMBOLS 16 Display 17 Light source 21 Input part 22 Light source selection part 23 Light source information storage part 24 Light source extraction part 26 Input information 27 Imaging target part 28 Imaging information storage part 29 Image removal part 30 Display control part

Claims (6)

異なる波長で発光する複数の光源と、
前記光源のうち、撮像対象物の特性に基づいて特定された特定波長で発光する前記光源を選択光源として複数選択する選択手段と、
選択された複数の前記選択光源のうち、一の前記選択光源に合成されることで当該一の選択光源と他の選択光源との色差が低減する波長を有する前記光源を前記選択光源以外の非選択光源から抽出する抽出手段と、
選択された前記選択光源と抽出された前記非選択光源とを合成した光源で、前記選択光源ごとに順次光源を切り替えて撮像対象物を撮像する撮像手段とを備えることを特徴とする撮像装置。
Multiple light sources emitting at different wavelengths;
A selection unit that selects a plurality of the light sources that emit light at a specific wavelength specified based on characteristics of the imaging target among the light sources;
Among the plurality of selected selected light sources, the light source having a wavelength that reduces the color difference between the one selected light source and the other selected light source by being combined with one selected light source is a non-selected light source other than the selected light source. Extraction means for extracting from the selected light source;
An image pickup apparatus comprising: an image pickup unit configured to pick up an image pickup object by sequentially switching the light source for each selected light source by combining the selected selected light source and the extracted non-selected light source.
請求項1に記載の撮像装置において、
前記撮像手段で撮像された画像から、前記抽出手段で抽出された非選択光源で撮像された画像を取り除く画像除去手段と、
前記画像除去手段による除去処理後に残った画像を表示する表示制御手段とを備えることを特徴とする撮像装置。
The imaging device according to claim 1,
An image removing means for removing an image picked up by the non-selection light source extracted by the extracting means from the image picked up by the image pickup means;
An image pickup apparatus comprising: display control means for displaying an image remaining after removal processing by the image removal means.
請求項1又は2に記載の撮像装置において、
前記抽出手段が、前記一の選択光源に対する他の選択光源の近傍における波長帯域を有する非選択光源を、前記一の選択光源に合成する非選択光源として抽出することを特徴とする撮像装置。
The imaging device according to claim 1 or 2,
The image pickup apparatus, wherein the extraction unit extracts a non-selected light source having a wavelength band in the vicinity of another selected light source with respect to the one selected light source as a non-selected light source to be combined with the one selected light source.
請求項3に記載の撮像装置において、
前記抽出手段が、撮像環境における外光に応じて前記他の選択光源の近傍以外の波長帯域を有する非選択光源を抽出することを特徴とする撮像装置。
The imaging device according to claim 3.
The image pickup apparatus, wherein the extraction unit extracts a non-selection light source having a wavelength band other than the vicinity of the other selection light source according to external light in an imaging environment.
請求項1ないし4のいずれかに記載の撮像装置において、
前記抽出手段が、前記非選択光源の波長帯域及び光強度に基づいて、前記光源を抽出することを特徴とする撮像装置。
The imaging device according to any one of claims 1 to 4,
The image pickup apparatus, wherein the extraction unit extracts the light source based on a wavelength band and light intensity of the non-selected light source.
請求項5に記載の撮像装置において、
前記抽出手段が、感光特性を考慮した前記光強度に基づいて、前記光源を抽出することを特徴とする撮像装置。
The imaging apparatus according to claim 5,
The image pickup apparatus, wherein the extraction unit extracts the light source based on the light intensity in consideration of photosensitive characteristics.
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