JP6463512B2 - 画像信号処理装置、画像信号処理方法および画像信号処理プログラム - Google Patents

画像信号処理装置、画像信号処理方法および画像信号処理プログラム Download PDF

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Description

本発明は、入力画像信号に対して信号処理を施す画像信号処理装置、画像信号処理方法および画像信号処理プログラムに関する。
従来、医療分野においては、患者等の被検体の臓器を観察する際に内視鏡システムが用いられている。内視鏡システムは、例えば先端に撮像素子が設けられ、被検体の体腔内に挿入される挿入部を有する内視鏡と、挿入部の基端側にケーブルを介して接続され、撮像素子が生成した撮像信号に応じた体内画像の画像処理を行って、体内画像を表示部等に表示させる処理装置と、を備える。
体内画像を観察する際に、血管や粘膜構造等のコントラストの高い対象ではなく、胃粘膜の発赤や、平坦な病変等のコントラストの低い対象を観察したいという要望がある。この要望に対し、撮像により取得した画像に対し、所定の色成分の信号と、所定の色成分間の色差信号とに強調処理を施すことによって、コントラストの低い対象を強調した画像を取得する技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。
特許第５１５９９０４号公報
しかしながら、特許文献１が開示する技術は、所定の色成分に強調処理を施すため、強調処理を施さずに生成した体内画像の色味と異なる色味の体内画像が生成されてしまう。色味が変化した体内画像を用いて病変の診断を行う場合、これまでに培われてきた診断学とは異なる診断学を確立させる必要があった。
また、体内画像を表示部に表示する際、処理装置では、表示部の表示態様に合わせて階調圧縮処理を施す場合がある。この際、一般に、表示用に生成した体内画像に対して階調圧縮処理を施すため、強調処理を施した部分も圧縮されてしまう。このため、特許文献１が開示する技術により強調処理を施したとしても、この強調部分のコントラストも低下してしまい、視認性の低い画像となってしまう。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、階調圧縮を施した場合であっても、色味の変化を抑制しつつ良好な視認性を有する画像を生成することができる画像信号処理装置、画像信号処理方法および画像信号処理プログラムを提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる画像信号処理装置は、映像信号に対し、互いに異なる信号処理を施す第１および第２のモードを設定するモード設定部と、前記映像信号に対して、予め設定されたパラメータに基づいて階調圧縮処理を施す信号処理部と、前記映像信号を、ベース成分およびディテール成分に分割する分割部と、前記ベース成分に対して、前記信号処理部が行う階調圧縮処理に用いられる前記パラメータと同じパラメータを用いて階調圧縮処理を施す圧縮処理部と、前記ディテール成分、および前記圧縮処理部により階調圧縮処理が施された前記ベース成分をもとに合成画像信号を生成する合成部と、前記第１のモードに設定されている場合、前記信号処理部により前記映像信号の信号処理を実行させ、前記第２のモードに設定されている場合、前記分割部、前記圧縮処理部および前記合成部により前記映像信号の信号処理を実行させる制御部と、を備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる画像信号処理装置は、上記発明において、前記ディテール成分は、前記映像信号を前記ベース成分で除算して得られることを特徴とする。
また、本発明にかかる画像信号処理装置は、上記発明において、前記映像信号は、赤色成分、緑色成分および青色成分を含み、前記分割部は、色成分ごとに前記ベース成分および前記ディテール成分を分割し、前記圧縮処理部は、設定されているパラメータに基づき、色成分ごとに階調圧縮処理を施すことを特徴とする。
また、本発明にかかる画像信号処理装置は、上記発明において、前記分割部が分割した成分のうち、前記ディテール成分に対して強調処理を施す強調処理部をさらに備え、前記合成部は、強調処理が施された前記ディテール成分、および前記圧縮処理部により階調圧縮処理が施された前記ベース成分を合成することにより前記合成画像信号を生成することを特徴とする。
また、本発明にかかる画像信号処理装置は、上記発明において、前記圧縮処理部と前記信号処理部とは、共通のＣＰＵを用いて構成されていることを特徴とする。
また、本発明にかかる画像信号処理方法は、第１のモードに設定されている場合に、映像信号に対して、予め設定されたパラメータに基づいて階調圧縮処理を施す信号処理ステップと、前記第１のモードとは異なる第２のモードに設定されている場合に、前記映像信号を、ベース成分およびディテール成分に分割する分割ステップと、前記ベース成分に対して、前記信号処理ステップで行う階調圧縮処理に用いられる前記パラメータと同じパラメータを用いて階調圧縮処理を施す圧縮処理ステップと、前記ディテール成分、および前記圧縮処理ステップにおいて階調圧縮処理が施された前記ベース成分をもとに合成画像信号を生成する合成ステップと、を含むことを特徴とする。
また、本発明にかかる画像信号処理プログラムは、第１のモードに設定されている場合に、映像信号に対して、予め設定されたパラメータに基づいて階調圧縮処理を施す信号処理手順と、前記第１のモードとは異なる第２のモードに設定されている場合に、前記映像信号を、ベース成分およびディテール成分に分割する分割手順と、前記ベース成分に対して、前記信号処理手順で行う階調圧縮処理に用いられる前記パラメータと同じパラメータを用いて階調圧縮処理を施す圧縮処理手順と、前記ディテール成分、および前記圧縮処理手順において階調圧縮処理が施された前記ベース成分をもとに合成画像信号を生成する合成手順と、をコンピュータに実行させることを特徴とする。
本発明によれば、階調圧縮を施した場合であっても、色味の変化を抑制しつつ良好な視認性を有する画像を生成することができるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態１にかかる内視鏡システムの概略構成を示す図である。 図２は、本発明の実施の形態１にかかる内視鏡システムの概略構成を示すブロック図である。 図３は、本発明の実施の形態１にかかる内視鏡システムの概略構成を示すブロック図である。 図４は、本発明の実施の形態１にかかる処理装置が行う画像信号処理方法を示すフローチャートである。 図５は、本発明の実施の形態１にかかる内視鏡システムによる画像信号処理方法を説明する図であって、ある画素ライン上の各画素位置における入力画像およびベース成分画像の相対強度をそれぞれ示す図である。 図６は、本発明の実施の形態１にかかる内視鏡システムによる画像信号処理方法を説明する図であって、ある画素ライン上の各画素位置におけるディテール成分画像の相対強度を示す図である。 図７は、本発明の実施の形態２にかかる内視鏡システムの概略構成を示すブロック図である。 図８は、本発明の実施の形態２にかかる処理装置が行う画像信号処理方法を示すフローチャートである。
以下、本発明を実施するための形態（以下、「実施の形態」という）を説明する。実施の形態では、本発明にかかる画像信号処理装置を含むシステムの一例として、患者等の被検体内の画像を撮像して表示する医療用の内視鏡システムについて説明する。また、この実施の形態により、この発明が限定されるものではない。さらに、図面の記載において、同一部分には同一の符号を付して説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１にかかる内視鏡システムの概略構成を示す図である。図２，３は、本実施の形態１にかかる内視鏡システムの概略構成を示すブロック図である。なお、図２，３では、実線の矢印が画像にかかる電気信号の伝送を示し、破線の矢印が制御にかかる電気信号の伝送を示している。図２は、後述する強調圧縮モードにおける信号の伝送を示している。図３は、後述する通常モードにおける信号の伝送を示している。
図１および図２に示す内視鏡システム１は、被検体内に先端部を挿入することによって被検体の体内画像を撮像する内視鏡２と、内視鏡２の先端から出射する照明光を発生する光源部３ａを有し、内視鏡２が撮像した撮像信号に所定の信号処理を施すとともに、内視鏡システム１全体の動作を統括的に制御する処理装置３と、処理装置３の信号処理により生成された体内画像を表示する表示装置４と、を備える。
内視鏡２は、可撓性を有する細長形状をなす挿入部２１と、挿入部２１の基端側に接続され、各種の操作信号の入力を受け付ける操作部２２と、操作部２２から挿入部２１が延びる方向と異なる方向に延び、処理装置３（光源部３ａを含む）に接続する各種ケーブルを内蔵するユニバーサルコード２３と、を備える。
挿入部２１は、光を受光して光電変換を行うことにより信号を生成する画素が２次元状に配列された撮像素子２４４を内蔵した先端部２４と、複数の湾曲駒によって構成された湾曲自在な湾曲部２５と、湾曲部２５の基端側に接続され、可撓性を有する長尺状の可撓管部２６と、を有する。挿入部２１は、被検体の体腔内に挿入され、外光の届かない位置にある生体組織等の被写体を撮像素子２４４によって撮像する。
先端部２４は、グラスファイバ等を用いて構成されて光源部３ａが発光した光の導光路をなすライトガイド２４１と、ライトガイド２４１の先端に設けられた照明レンズ２４２と、集光用の光学系２４３と、光学系２４３の結像位置に設けられ、光学系２４３が集光した光を受光して電気信号に光電変換して所定の信号処理を施す撮像素子２４４と、を有する。
光学系２４３は、一または複数のレンズを用いて構成され、画角を変化させる光学ズーム機能および焦点を変化させるフォーカス機能を有する。
撮像素子２４４は、光学系２４３からの光を光電変換して電気信号（撮像信号）を生成する。具体的には、撮像素子２４４は、光量に応じた電荷を蓄積するフォトダイオードや、フォトダイオードから転送される電荷を電圧レベルに変換するコンデンサ等をそれぞれ有する複数の画素がマトリックス状に配列され、各画素が光学系２４３からの光を光電変換して電気信号を生成する受光部２４４ａと、受光部２４４ａの複数の画素のうち読み出し対象として任意に設定された画素が生成した電気信号を順次読み出して、撮像信号として出力する読み出し部２４４ｂと、を有する。受光部２４４ａには、カラーフィルタが設けられ、各画素が、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）および青色（Ｂ）の各色成分の波長帯域のうちのいずれかの波長帯域の光を受光する。撮像素子２４４は、処理装置３から受信した駆動信号に従って先端部２４の各種動作を制御する。撮像素子２４４は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサや、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）イメージセンサを用いて実現される。
操作部２２は、湾曲部２５を上下方向および左右方向に湾曲させる湾曲ノブ２２１と、被検体内に生検鉗子、電気メスおよび検査プローブ等の処置具を挿入する処置具挿入部２２２と、処理装置３に加えて、送気手段、送水手段、画面表示制御等の周辺機器の操作指示信号を入力する操作入力部である複数のスイッチ２２３と、を有する。処置具挿入部２２２から挿入される処置具は、先端部２４の処置具チャンネル（図示せず）を経由して開口部（図示せず）から表出する。
ユニバーサルコード２３は、ライトガイド２４１と、一または複数の信号線をまとめた集合ケーブル２４５と、を少なくとも内蔵している。集合ケーブル２４５は、撮像信号を伝送するための信号線や、撮像素子２４４を駆動するための駆動信号を伝送するための信号線、内視鏡２（撮像素子２４４）に関する固有情報等を含む情報を送受信するための信号線を含む。なお、本実施の形態では、信号線を用いて電気信号を伝送するものとして説明するが、光信号を伝送するものであってもよいし、無線通信により内視鏡２と処理装置３との間で信号を伝送するものであってもよい。
次に、処理装置３の構成について説明する。処理装置３は、撮像信号取得部３１と、分割部３２と、圧縮処理部３３と、合成部３４と、信号処理部３５と、表示画像生成部３６と、入力部３７と、記憶部３８と、制御部３９と、を備える。なお、本発明にかかる画像信号処理装置は、少なくとも分割部３２と、圧縮処理部３３と、合成部３４とを用いて構成される。
撮像信号取得部３１は、内視鏡２から、撮像素子２４４が出力した撮像信号を受信する。撮像信号取得部３１は、取得した撮像信号に対してノイズ除去やＡ／Ｄ変換、同時化処理（例えば、カラーフィルタ等を用いて色成分ごとの撮像信号が得られた場合に行う）等の信号処理を施す。撮像信号取得部３１は、上述した信号処理によりＲＧＢの色成分が付与された入力画像を含む入力画像信号ＳCを生成する。撮像信号取得部３１は、生成した入力画像信号ＳCを分割部３２に入力するとともに、記憶部３８に入力して格納させる。撮像信号取得部３１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の汎用プロセッサや、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、処理内容を書き換え可能なプログラマブルロジックデバイスであるＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の特定の機能を実行する各種演算回路等の専用プロセッサを用いて構成される。
分割部３２は、図２に示すように、入力画像信号ＳCを撮像信号取得部３１から取得して、画像成分を視覚的に相関の弱い成分と強い成分とに分割する。ここでいう画像成分とは、画像を生成するための成分であって、後述するベース成分および／またはディテール成分からなる成分である。分割処理は、例えば、Lightness and retinex theory, E.H.Land, J.J.McCann, Journal of the Optical Society of America, 61（1）, 1-11（1971）に記載された技術（Retinex理論）を用いて行うことができる。Retinex理論に基づく分割処理において、視覚的に相関の弱い成分は、物体の照明光成分に相当する成分である。視覚的に相関の弱い成分は、一般にベース成分と呼ばれている。一方、視覚的に相関の強い成分は、物体の反射率成分に相当する成分である。視覚的に相関の強い成分は、一般にディテール成分と呼ばれている。ディテール成分は、画像を構成する信号をベース成分で除算して得られる成分である。ディテール成分は、物体の輪郭（エッジ）成分や、テクスチャ成分等のコントラスト成分を含んでいる。分割部３２は、ベース成分を成分信号として含む信号（以下「ベース成分信号ＳB」という）を圧縮処理部３３に入力するとともに、ディテール成分を成分信号として含む信号（以下「ディテール成分信号ＳD」という）を合成部３４に入力する。なお、分割部３２は、ＲＧＢの各色成分の入力画像信号が入力された場合、各色成分の信号についてそれぞれ分割処理を行う。以降の信号処理においても、各色成分について同様の処理が施される。
分割部３２による成分分割処理は、例えば、Temporally Coherent Local Tone Mapping of HDR Video, T.O.Aydin, et al., ACM Transactions on Graphics, Vol 33, November 2014に記載されたEdge-aware filtering技術を用いて行うことができる。また、分割部３２は、空間周波数を複数の周波数帯域に分けて分割するようにしてもよい。分割部３２は、ＣＰＵ等の汎用プロセッサや、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の特定の機能を実行する各種演算回路等の専用プロセッサを用いて構成される。
圧縮処理部３３は、分割部３２によって分割された成分信号のうち、ベース成分信号ＳBに対して圧縮処理を施す。圧縮処理部３３は、具体的に、ベース成分信号ＳBに対して、非線形処理等の公知の階調圧縮処理を施す。圧縮処理部３３は、後述する信号処理部３５が行う階調圧縮処理と同じパラメータを用いて階調圧縮処理を行う。ここで、「同じ」パラメータとは、数値が一致するもののほか、この一致する数値の前後数％の数値までを含む。圧縮処理部３３は、階調圧縮処理を施して生成したベース成分信号ＳB´を合成部３４に入力する。圧縮処理部３３は、ＣＰＵ等の汎用プロセッサや、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の特定の機能を実行する各種演算回路等の専用プロセッサを用いて構成される。
合成部３４は、分割部３２が分割したディテール成分信号ＳDと、圧縮処理部３３により階調圧縮処理が施されたベース成分信号ＳB´とを合成する。合成部３４は、ベース成分信号ＳB´とディテール成分信号ＳDとを合成することにより、合成画像信号ＳSを生成する。合成部３４は、生成した合成画像信号ＳSを表示画像生成部３６に入力する。合成部３４は、ＣＰＵ等の汎用プロセッサや、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の特定の機能を実行する各種演算回路等の専用プロセッサを用いて構成される。
信号処理部３５は、図３に示すように、入力画像信号ＳCを撮像信号取得部３１から取得して、各色成分の信号に対して階調圧縮処理を施す等、公知の画像処理を施す。信号処理部３５は、記憶部３８に記憶されている関数を用いることよって、非線形処理により各色成分の信号に対して階調圧縮処理を施す。なお、信号処理部３５は、線形処理による階調圧縮処理を行うようにしてもよいし、複数の関数を予め設定しておき、入力部３７を介して選択可能としてもよい。この際に用いる関数は、入力画像信号ＳCの輝度値を入力値として、この輝度値に対応する圧縮後の輝度値を出力する。これにより、ホワイトバランスを調整しつつ、階調補正を施した入力画像信号ＳC´が生成される。信号処理部３５は、生成した入力画像信号ＳC´を表示画像生成部３６に入力する。信号処理部３５は、ＣＰＵ等の汎用プロセッサや、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の特定の機能を実行する各種演算回路等の専用プロセッサを用いて構成される。
表示画像生成部３６は、合成画像信号ＳSまたは入力画像信号ＳC’に対して、表示装置４で表示可能な態様の信号となるような処理を施して、表示用の画像信号ＳTを生成する。例えば、ＲＧＢの各色成分の合成画像信号をＲＧＢの各チャンネルに割り当てる。表示画像生成部３６は、生成した画像信号ＳTを表示装置４に出力する。
入力部３７は、キーボード、マウス、スイッチ、タッチパネルを用いて実現され、内視鏡システム１の動作を指示する動作指示信号等の各種信号の入力を受け付ける。なお、入力部３７は、操作部２２に設けられたスイッチや、外部のタブレット型のコンピュータ等の可搬型端末を含んでいてもよい。
記憶部３８は、内視鏡システム１を動作させるための各種プログラム、および内視鏡システム１の動作に必要な各種パラメータ等を含むデータを記憶する。また、記憶部３８は、処理装置３の識別情報を記憶する。ここで、識別情報には、処理装置３の固有情報（ＩＤ）、年式およびスペック情報等が含まれる。
記憶部３８は、圧縮処理部３３が階調圧縮処理を行なう際に用いる関数等の信号処理情報を記憶する信号処理情報記憶部３８１を有する。
また、記憶部３８は、処理装置３の画像信号処理方法を実行するための画像信号処理プログラムを含む各種プログラムを記憶する。各種プログラムは、ハードディスク、フラッシュメモリ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して広く流通させることも可能である。なお、上述した各種プログラムは、通信ネットワークを介してダウンロードすることによって取得することも可能である。ここでいう通信ネットワークは、例えば既存の公衆回線網、ＬＡＮ（Local Area Network）、ＷＡＮ（Wide Area Network）等によって実現されるものであり、有線、無線を問わない。
以上の構成を有する記憶部３８は、各種プログラム等が予めインストールされたＲＯＭ（Read Only Memory）、および各処理の演算パラメータやデータ等を記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）やハードディスク等を用いて実現される。
制御部３９は、撮像素子２４４および光源部３ａを含む各構成部の駆動制御、および各構成部に対する情報の入出力制御等を行う。制御部３９は、記憶部３８に記憶されている撮像制御のための制御情報データ（例えば、読み出しタイミング等）を参照し、集合ケーブル２４５に含まれる所定の信号線を介して駆動信号として撮像素子２４４へ送信する。制御部３９は、信号処理情報記憶部３８１に記憶されている関数を読み出して圧縮処理部３３に入力し、階調圧縮処理を実行させる。制御部３９は、ＣＰＵ等の汎用プロセッサや、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の特定の機能を実行する各種演算回路等の専用プロセッサを用いて構成される。
また、制御部３９は、モードの設定を行うモード設定部３９１を有する。モード設定部３９１は、撮像信号に基づく通常の信号処理により画像を生成する通常モードと、分割部３２により分割されたベース成分信号ＳBにのみ圧縮処理を施して、ディテール成分を強調した画像を生成する強調圧縮モードとのうちのいずれかのモードに設定する。モード設定部３９１は、例えば、入力部３７を介して受け付けた指示信号に基づいてモードを設定する。制御部３９は、各ブロックに対して、モード設定部３９１により設定されたモードに応じた信号処理を実行させる。なお、モード設定部３９１は、制御部３９に設けられるものとして説明するが、制御部３９とは別に設けてもよい。
続いて、光源部３ａの構成について説明する。光源部３ａは、照明部３０１と、照明制御部３０２と、を備える。照明部３０１は、照明制御部３０２の制御のもと、被写体（被検体）に対して、異なる露光量の照明光を順次切り替えて出射する。照明部３０１は、光源３０１ａと、光源ドライバ３０１ｂと、を有する。
光源３０１ａは、白色光を出射するＬＥＤ光源や、一または複数のレンズ等を用いて構成され、ＬＥＤ光源の駆動により光（照明光）を出射する。光源３０１ａが発生した照明光は、ライトガイド２４１を経由して先端部２４の先端から被写体に向けて出射される。なお、光源３０１ａは、赤色ＬＥＤ光源、緑色ＬＥＤ光源および青色ＬＥＤ光源を用いて構成し、照明光を出射するものであってもよい。また、光源３０１ａは、レーザー光源や、キセノンランプ、ハロゲンランプ等のランプを用いるものであってもよい。
光源ドライバ３０１ｂは、照明制御部３０２の制御のもと、光源３０１ａに対して電流を供給することにより、光源３０１ａに照明光を出射させる。
照明制御部３０２は、制御部３９からの制御信号に基づいて、光源３０１ａに供給する電力量を制御するとともに、光源３０１ａの駆動タイミングを制御する。
表示装置４は、映像ケーブルを介して処理装置３（表示画像生成部３６）が生成した画像信号ＳTに対応する表示画像を表示する。表示装置４は、液晶または有機ＥＬ（Electro Luminescence）等のモニタを用いて構成される。
以上説明した内視鏡システム１では、モード設定部３９１により強調圧縮モードに設定されると、処理装置３に入力された撮像信号をもとに、分割部３２が、撮像信号に含まれる成分を二つの成分信号に分割し、圧縮処理部３３が、分割された成分信号のうちベース成分信号ＳBに対して階調圧縮処理を施し、合成部３４が、圧縮処理後の成分信号と、ディテール成分信号ＳDとを合成し、表示画像生成部３６が、合成後の信号に基づいて表示用の信号処理を施した画像信号ＳTを生成し、表示装置４が、画像信号ＳTに基づく表示画像を表示する。
図４は、本発明の実施の形態１にかかる処理装置が行う画像信号処理方法を示すフローチャートである。以下、制御部３９の制御のもと、各部が動作するものとして説明する。
制御部３９は、撮像信号取得部３１が、内視鏡２から撮像信号を取得すると（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に移行する。一方、制御部３９は、撮像信号取得部３１が内視鏡２から撮像信号の入力を受け付けていない場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、撮像信号の入力確認を繰り返す。
ステップＳ１０２において、制御部３９は、設定されているモードが、強調圧縮モードであるか否かを判断する。制御部３９は、設定されているモードが強調圧縮モードではない、すなわち通常モードであると判断した場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、ステップＳ１０７に移行する。これに対し、制御部３９は、設定されているモードが強調圧縮モードであると判断した場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、撮像信号取得部３１が生成した入力画像信号ＳCを分割部３２に入力し、ステップＳ１０３に移行する。
ステップＳ１０３において、分割部３２は、入力画像信号ＳCをディテール成分信号ＳDとベース成分信号ＳBとに分割する（分割ステップ）。分割部３２は、上述した分割処理によって生成したベース成分信号ＳBを圧縮処理部３３に入力するとともに、ディテール成分信号ＳDを合成部３４に入力する。
図５は、本発明の実施の形態１にかかる内視鏡システムによる画像信号処理方法を説明する図であって、ある画素ライン上の各画素位置における入力画像およびベース成分画像の相対強度をそれぞれ示す図である。図６は、本発明の実施の形態１にかかる内視鏡システムによる画像信号処理方法を説明する図であって、ある画素ライン上の各画素位置におけるディテール成分画像の相対強度を示す図である。入力画像は入力画像信号ＳCに応じた画像であり、ベース成分画像はベース成分信号ＳBに応じた画像である。図５，６に示す画素ラインは、同一の画素ラインであり、この画素ラインのうちの２００番目から１０００番目の画素の位置についての相対強度を示している。図５は、入力画像の輝度値の最大値を１に正規化した例を示している。図６は、ディテール成分画像の輝度値の最大値を１に正規化した例を示している。
図５に示すように、入力画像の輝度変化から低周波成分がベース成分として抽出されていることが分かる。これが視覚的に相関の弱い成分に相当する。一方、ディテール成分は、入力画像の輝度変化からベース成分を除外した成分であり、反射率成分を多く含む成分である（図６参照）。これが視覚的に相関の強い成分に相当する。
その後、圧縮処理部３３が、分割部３２によって分割された成分信号のうち、ベース成分信号ＳBに対して階調圧縮処理を施す（ステップＳ１０４：圧縮処理ステップ）。この際の階調圧縮処理は、通常モードにおいて信号処理部３５が行う階調圧縮処理に用いられるパラメータと同じパラメータが用いられる。圧縮処理部３３は、階調圧縮処理後のベース成分信号ＳB´を合成部３４に入力する。
合成部３４は、分割部３２からディテール成分信号ＳDが入力され、圧縮処理部３３から階調圧縮処理後のベース成分信号ＳB´が入力されると、該ベース成分信号ＳB´およびディテール成分信号ＳDを合成し、合成画像信号ＳSを生成する（ステップＳ１０５：合成ステップ）。合成部３４は、生成した合成画像信号ＳSを表示画像生成部３６に入力する。
表示画像生成部３６は、合成部３４から合成画像信号ＳSが入力されると、該合成画像信号ＳSに対して表示装置４で表示可能な態様の信号となるような処理を施して、表示用の画像信号ＳTを生成する（ステップＳ１０６）。表示画像生成部３６は、生成した画像信号ＳTを表示装置４に出力する。表示装置４は、入力された画像信号ＳTに応じた画像を表示する。
また、ステップＳ１０２に続くステップＳ１０７において、制御部３９は、撮像信号に基づいて表示用の画像信号ＳTを生成する。具体的には、信号処理部３５が、入力画像信号ＳCに対して階調圧縮処理等の画像処理を施して、入力画像信号ＳC´を生成する（信号処理ステップ）。その後、表示画像生成部３６が、信号処理部３５が生成した入力画像信号ＳC´に対して表示装置４で表示可能な態様の信号となるような処理を施して、表示用の画像信号ＳTを生成する。表示画像生成部３６は、生成した画像信号ＳTを表示装置４に出力する。表示装置４は、入力された画像信号ＳTに応じた画像を表示する。
表示画像生成部３６による画像信号ＳTの生成後、制御部３９は、新たな撮像信号が入力されているか否かを判断する（ステップＳ１０８）。制御部３９は、例えば、撮像信号取得部３１が、新たな撮像信号の入力を受け付けているか否かを判断する。ここで、制御部３９は、新たな撮像信号が入力されていないと判断すると（ステップＳ１０８：Ｎｏ）、画像信号処理を終了する。
制御部３９は、新たな撮像信号が入力されていると判断すると（ステップＳ１０８：Ｙｅｓ）、ステップＳ１０２に戻り、この新たな撮像信号について、画像信号の生成処理を行う。
上述した本発明の実施の形態１によれば、モード設定部３９１により強調圧縮モードに設定された場合、分割部３２が、入力画像信号ＳCを撮像信号取得部３１から取得して、ベース成分信号ＳBと、該ベース成分信号ＳB以外の成分信号、具体的にはコントラスト成分を含むディテール成分信号ＳDとに分割し、圧縮処理部３３が、ベース成分信号ＳBに対して階調圧縮処理を施すようにした。この際、圧縮処理部３３が行う階調圧縮処理のパラメータを、通常モードにおいて信号処理部３５が行う階調圧縮処理に用いられるパラメータと同じパラメータにした。圧縮処理部３３が、信号処理部３５が行う階調圧縮処理と同じパラメータを用いて階調圧縮処理を行うことで、通常画像の色味を維持しつつ、階調圧縮を行えるため、階調圧縮を施した場合であっても、色味の変化を抑制することができる。また、圧縮処理部３３は、ベース成分のみに階調圧縮処理を施し、コントラスト成分を含むディテール成分をそのままとして合成して画像が生成されるため、コントラスト成分が階調圧縮処理により圧縮されることがなく、良好な視認性を有する画像を生成することができる。
（実施の形態２）
本実施の形態２は、上述したベース成分信号ＳBに対する階調圧縮処理に加え、ディテール成分信号の強調処理を施す。図７は、本実施の形態２にかかる内視鏡システムの概略構成を示すブロック図である。なお、上述した実施の形態１にかかる内視鏡システム１の構成要素と同じ構成要素には、同一の符号が付してある。図７では、実線の矢印が画像にかかる電気信号の伝送を示し、破線の矢印が制御にかかる電気信号の伝送を示している。図７は、強調圧縮モードにおける電気信号の伝送を示している。
本実施の形態２にかかる内視鏡システム１Ａは、上述した実施の形態１にかかる内視鏡システム１の構成に対し、処理装置３に代えて処理装置３Ａを備える。処理装置３Ａは、上述した実施の形態１にかかる処理装置３の構成に加えて、強調処理部４０を有する。本実施の形態２において、分割部３２は、分割後のディテール成分信号ＳDを強調処理部４０に入力する。
強調処理部４０は、分割部３２によって分割された成分信号のうち、ディテール成分信号ＳDに対して強調処理を施す。強調処理部４０は、記憶部３８を参照して、予め設定されている関数を取得して、この関数に基づいて各画素位置における各色成分の信号値を大きくするゲインアップ処理を行なう。具体的には、強調処理部４０は、ディテール成分信号ＳDが含む色成分の信号のうち、赤色成分の信号値をＲDetail、緑色成分の信号値をＧDetail、および青色成分の信号値をＢDetailとしたとき、ＲDetail α、ＧDetail β、ＢDetail γとして、各色成分の信号値を算出する。ここで、本実施の形態２において、α、βおよびγは、互いに独立して設定されるパラメータであり、予め設定されている関数に基づき決定される。例えば、パラメータα、βおよびγについてそれぞれ輝度の関数ｆ(Ｌ)を設定し、入力される輝度値Ｌに応じてパラメータα、βおよびγが算出される。この関数ｆ(Ｌ)は、一次関数であってもよいし、指数関数であってもよい。強調処理部４０は、強調処理後のディテール成分信号ＳD´を合成部３４に入力する。強調処理部４０は、ＣＰＵ等の汎用プロセッサや、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等の特定の機能を実行する各種演算回路等の専用プロセッサを用いて構成される。
なお、パラメータα、βおよびγを同じ値にしてもよいし、各々任意の値に設定するようにしてもよい。パラメータα、βおよびγは、例えば、入力部３７を介して設定される。
本実施の形態２において、合成部３４は、強調処理部４０により強調処理が施されたディテール成分信号ＳD´と、圧縮処理部３３により階調圧縮処理が施されたベース成分信号ＳB´とを合成する。合成部３４は、生成した合成画像信号ＳSを表示画像生成部３６に入力する。
図８は、本発明の実施の形態２にかかる処理装置が行う画像信号処理方法を示すフローチャートである。以下、制御部３９の制御のもと、各部が動作するものとして説明する。
制御部３９は、撮像信号取得部３１が、内視鏡２から撮像信号を取得すると（ステップＳ２０１：Ｙｅｓ）、ステップＳ２０２に移行する。一方、制御部３９は、撮像信号取得部３１が内視鏡２から撮像信号の入力を受け付けていない場合（ステップＳ２０１：Ｎｏ）、撮像信号の入力確認を繰り返す。
ステップＳ２０２において、制御部３９は、設定されているモードが、強調圧縮モードであるか否かを判断する。制御部３９は、設定されているモードが強調圧縮モードではない、すなわち通常モードであると判断した場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ）、ステップＳ２０８に移行する。これに対し、制御部３９は、設定されているモードが強調圧縮モードであると判断した場合（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、撮像信号取得部３１が生成した入力画像信号ＳCを分割部３２に入力し、ステップＳ２０３に移行する。
ステップＳ２０３において、分割部３２は、入力画像信号ＳCが入力されると、該入力画像信号ＳCをディテール成分信号とベース成分信号とに分割する（分割ステップ）。分割部３２は、上述した分割処理によって生成したディテール成分信号ＳDを強調処理部４０に入力するとともに、ベース成分信号ＳBを圧縮処理部３３に入力する。
その後、圧縮処理部３３が、ベース成分信号ＳBに対して圧縮処理を施す（ステップＳ２０４：圧縮処理ステップ）。圧縮処理部３３は、圧縮処理後のベース成分信号ＳB´を合成部３４に入力する。
圧縮処理部３３による階調圧縮処理後、強調処理部４０が、入力されたディテール成分信号ＳDに対して強調処理を施す（ステップＳ２０５）。強調処理部４０は、強調処理後のディテール成分信号ＳD´を合成部３４に入力する。なお、ステップＳ２０４およびステップＳ２０５は、ステップＳ２０５を先に実行するようにしてもよいし、同時に実行するようにしてもよい。
合成部３４は、強調処理部４０から強調処理後のディテール成分信号ＳD´が入力され、圧縮処理部３３から階調圧縮後のベース成分信号ＳB´が入力されると、該ベース成分信号ＳB´およびディテール成分信号ＳD´を合成し、合成画像信号ＳSを生成する（ステップＳ２０６：合成ステップ）。合成部３４は、生成した合成画像信号ＳSを表示画像生成部３６に入力する。
表示画像生成部３６は、合成部３４から合成画像信号ＳSが入力されると、該合成画像信号ＳSに対して表示装置４で表示可能な態様の信号となるような信号処理を施して、表示用の画像信号ＳTを生成する（ステップＳ２０７）。表示画像生成部３６は、生成した画像信号ＳTを表示装置４に出力する。表示装置４は、入力された画像信号ＳTに応じた画像を表示する。
また、ステップＳ２０２に続くステップＳ２０８において、制御部３９は、撮像信号に基づいて表示用の画像信号ＳTを生成する。具体的には、信号処理部３５が、入力画像信号ＳCに対して階調圧縮処理等の画像処理を施して、入力画像信号ＳC’を生成する。その後、表示画像生成部３６が、信号処理部３５が生成した入力画像信号ＳC’に対して表示装置４で表示可能な態様の信号となるような処理を施して、表示用の画像信号ＳTを生成する。表示画像生成部３６は、生成した画像信号ＳTを表示装置４に出力する。表示装置４は、入力された画像信号ＳTに応じた画像を表示する。
表示画像生成部３６による画像信号ＳTの生成後、制御部３９は、新たな撮像信号が入力されているか否かを判断する（ステップＳ２０９）。制御部３９は、例えば、撮像信号取得部３１が、新たな撮像信号の入力を受け付けているか否かを判断する。ここで、制御部３９は、新たな撮像信号が入力されていないと判断すると（ステップＳ２０９：Ｎｏ）、画像信号処理を終了する。
制御部３９は、新たな撮像信号が入力されていると判断すると（ステップＳ２０９：Ｙｅｓ）、ステップＳ２０２に戻り、この新たな撮像信号について、画像信号の生成処理を行う。
以上説明した本発明の実施の形態２によれば、上述した実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、強調処理部４０が、ディテール成分信号ＳDに対して強調処理を施すようにしたので、ディテール成分信号に含まれる視覚的に相関の強い成分が強調され、コントラストの低い対象を強調した、良好な視認性を有する画像を生成することができる。
なお、上述した実施の形態２において、強調処理部４０が、ベース成分信号ＳBに対しても強調処理を施すようにしてもよい。この場合、強調処理部４０は、ベース成分信号ＳBの強調度合いが、ディテール成分信号ＳDの強調度合いよりも小さくなるような強調処理を施す。
また、上述した実施の形態２では、強調処理部４０が、予め設定されているパラメータα、βおよびγを用いてディテール成分信号ＳDの強調処理を施すものとして説明したが、ベース成分と対応する領域や、病変の種類、観察モード、観察部位、観察深さ、構造等に応じてα、βおよびγの数値を設定し、適応的に強調処理を実施するようにしてもよい。観察モードとしては、通常の白色光を照射して撮像信号を取得する通常観察モードや、特殊光を照射して撮像信号を取得する特殊光観察モードが挙げられる。
また、所定の画素領域の輝度値（平均値や最頻値等）に応じてパラメータα、βおよびγの数値を決定してもよい。撮像して得られる画像は、画像ごとに明るさの調整量（ゲインマップ）が変化し、同じ輝度値であっても画素位置によりゲイン係数が異なる。このような調整量の差異に対して適応的に調整を行うための指標として、例えば、iCAM06: A refind image appearance model for HDR image rendering, Jiangtao Kuang, et al, J.Vis.Commun.Image R, 18(2007) 406−414に記載された手法が知られている。具体的には、この文献に記載されているディテール成分信号の調整式であるＳD’＝ＳD （Ｆ＋０．８）の指数部分（Ｆ＋０．８）に、色成分ごとに決まるパラメータであるα’、β’またはγ’をべき乗することにより、色成分ごとに調整式を設定する。例えば、赤色成分の調整式はＳD’＝ＳD （Ｆ＋０．８）＾α’である。強調処理部４０は、色成分ごとに設定されている調整式を用いてディテール成分信号の強調処理を行う。なお、式中のＦは、各画素位置における低周波数域に適した画像ひいては空間的変化に基づく関数である。
なお、上述した実施の形態１，２では、撮像信号取得部３１が、ＲＧＢの各色成分が付与された画像を含む入力画像信号ＳCを生成するものとして説明したが、ＹＣｂＣｒ色空間に基づいて輝度（Ｙ）成分および色差成分を含むＹＣｂＣｒ色空間を有する入力画像信号ＳCを生成するものであってもよいし、色相（Hue）、彩度（Saturation Chroma）、明度（Value Lightness Brightness）の三つの成分からなるＨＳＶ色空間や、三次元空間を用いるＬ*ａ*ｂ*色空間等を用いて、色と輝度とに分けた成分を有する入力画像信号ＳCを生成するものであってもよい。
また、上述した実施の形態１，２では、圧縮処理部３３と信号処理部３５とが、それぞれ独立した構成要素であるものとして説明したが、信号処理部３５がベース成分信号ＳBに対して階調圧縮処理を施すようにしてもよい。つまり、圧縮処理部３３と信号処理部３５とを共通のＣＰＵを用いて構成し、例えば、信号処理部３５が、モードに応じた信号処理を行うようにしてもよい。この場合、内視鏡システム１，１Ａは圧縮処理部３３を有しない構成となり、分割部３２によって分割されたベース成分信号ＳBが信号処理部３５に入力される。信号処理部３５は、入力されたベース成分信号ＳBに対して階調圧縮処理を施し、合成部３４に入力する。
また、上述した実施の形態１，２では、光源部３ａから白色光が出射され、受光部２４４ａがＲＧＢの各色成分の光を受光する同時式の照明／撮像方式であるものとして説明したが、光源部３ａが、ＲＧＢの各色成分の波長帯域の光を個別に順次出射して、受光部２４４ａが、各色成分の光をそれぞれ受光する面順次式の照明／撮像方式であってもよい。
また、上述した実施の形態１，２では、光源部３ａが内視鏡２とは別体で構成されているものとして説明したが、例えば、内視鏡２の先端に半導体光源を設ける等、光源装置を内視鏡２に設けた構成であってもよい。さらに、内視鏡２に処理装置３の機能を付与してもよい。
また、上述した実施の形態１，２では、光源部３ａが、処理装置３とは一体であるものとして説明したが、光源部３ａおよび処理装置３が別体であって、例えば処理装置３の外部に照明部３０１および照明制御部３０２が設けられているものであってもよい。
また、上述した実施の形態１，２では、本発明にかかる画像信号処理装置が、観察対象が被検体内の生体組織等である軟性の内視鏡２を用いた内視鏡システム１の分割部３２、圧縮処理部３３および合成部３４として機能するものとして説明したが、硬性の内視鏡や、材料の特性を観測する工業用の内視鏡、カプセル型の内視鏡、ファイバースコープ、光学視管等の光学内視鏡の接眼部にカメラヘッドを接続したものを用いた内視鏡システムであっても適用できる。本発明にかかる画像信号処理装置は、体内、体外を問わず適用可能であり、外部で生成された撮像信号や画像信号を含む映像信号に対して分割処理、階調圧縮処理、合成処理を施すものである。
また、上述した実施の形態１，２では、内視鏡システムを例に挙げて説明したが、例えばデジタルスチルカメラ等に設けられるＥＶＦ（Electronic View Finder）に映像を出力する場合にも適用可能である。
また、上述した実施の形態１，２において、各ブロックの機能は一つのチップに実装してもよいし、複数のチップに分けて実装してもよい。また、各ブロックの機能を複数のチップに分けた場合、一部のチップが別の筐体に配置されていてもよいし、一部のチップに実装される機能がクラウドサーバに配置されていてもよい。
以上のように、本発明にかかる画像信号処理装置、画像信号処理方法および画像信号処理プログラムは、階調圧縮を施した場合であっても、色味の変化を抑制しつつ良好な視認性を有する画像を生成するのに有用である。
１，１Ａ 内視鏡システム
２ 内視鏡
３，３Ａ 処理装置
３ａ 光源部
４ 表示装置
２１ 挿入部
２２ 操作部
２３ ユニバーサルコード
２４ 先端部
２５ 湾曲部
２６ 可撓管部
３１ 撮像信号取得部
３２ 分割部
３３ 圧縮処理部
３４ 合成部
３５ 信号処理部
３６ 表示画像生成部
３７ 入力部
３８ 記憶部
３９ 制御部
４０ 強調処理部
３０１ 照明部
３０２ 照明制御部
３８１ 信号処理情報記憶部
３９１ モード設定部

Claims (6)

  1. 内視鏡に設けられた撮像素子が生成した撮像信号を取得して、当該撮像信号に基づいて赤色成分、緑色成分および青色成分を含む入力画像信号を生成する撮像信号取得部と、
    前記撮像信号取得部から出力される前記入力画像信号の出力先が互いに異なる第１および第２のモードのいずれかにモードを切り替えることが可能なモード設定部と、
    前記モード設定部が前記第１のモードに設定した場合に、前記入力画像信号を取得して、当該入力画像信号を、色成分ごとに、ベース成分信号およびディテール成分信号に分割する分割部と、
    前記分割部が分割した前記ベース成分信号を取得して、各色成分の前記ベース成分信号に対してそれぞれ階調圧縮処理を施すことによって圧縮ベース成分信号を生成する第１の階調圧縮部と、
    前記分割部が分割した前記ディテール成分信号、および前記第１の階調圧縮部が生成した前記圧縮ベース成分信号をもとに合成画像信号を生成する合成部と、
    前記モード設定部が第２のモードに設定した場合に、前記入力画像信号を取得して、当該入力画像信号の階調に対して階調圧縮処理を施す第２の階調圧縮部と、
    を備えたことを特徴とする画像信号処理装置。
  2. 前記ディテール成分は、前記入力画像信号を前記ベース成分で除算して得られる
    ことを特徴とする請求項１に記載の画像信号処理装置。
  3. 前記分割部が分割した成分信号のうち、前記ディテール成分信号に対して強調処理を施す強調処理部をさらに備え、
    前記合成部は、前記強調処理が施された前記ディテール成分信号、および前記第１の階調圧縮部により階調圧縮処理が施された前記圧縮ベース成分信号を合成することにより前記合成画像信号を生成する
    ことを特徴とする請求項１に記載の画像信号処理装置。
  4. 前記第１の階調圧縮部と前記第２の階調圧縮部とは、共通のＣＰＵを用いて構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の画像信号処理装置。
  5. 内視鏡に設けられた撮像素子が生成した撮像信号を取得して、当該撮像信号に基づいて赤色成分、緑色成分および青色成分を含む入力画像信号を生成する撮像信号取得ステップと、
    前記撮像信号取得ステップで生成した前記入力画像信号の出力先が互いに異なる第１および第２のモードのいずれかにモードを切り替えるモード設定ステップと、
    前記モード設定ステップで前記第１のモードに設定された場合に、分割部が、前記入力画像信号を取得して、当該入力画像信号を、色成分ごとに、ベース成分信号およびディテール成分信号に分割する分割ステップと、
    前記分割ステップで分割された各色成分の前記ベース成分信号に対して、第１の階調圧縮部が、階調圧縮処理をそれぞれ施すことによって圧縮ベース成分信号を生成する第１の階調圧縮ステップと、
    前記分割ステップで分割された前記ディテール成分信号、および前記第１の階調圧縮ステップで生成された前記圧縮ベース成分信号をもとに合成画像信号を生成する合成ステップと、
    前記モード設定ステップで第２のモードに設定された場合に、第２の階調圧縮部が、前記入力画像信号を取得して、当該入力画像信号の階調に対して階調圧縮処理を施す第２の階調圧縮ステップと、
    を含むことを特徴とする画像信号処理方法。
  6. 内視鏡に設けられた撮像素子が生成した撮像信号を取得して、当該撮像信号に基づいて赤色成分、緑色成分および青色成分を含む入力画像信号を生成する撮像信号取得手順と、
    前記撮像信号取得手順で取得した前記入力画像信号の出力先が互いに異なる第１および第２のモードのいずれかにモードを切り替えるモード設定手順と、
    前記モード設定手順で前記第１のモードに設定された場合に、分割部が、前記入力画像信号を取得して、当該入力画像信号を、色成分ごとに、ベース成分信号およびディテール成分信号に分割する分割手順と、
    前記分割手順で分割された各色成分の前記ベース成分信号に対して、第１の階調圧縮部が、階調圧縮処理をそれぞれ施すことによって圧縮ベース成分信号を生成する第１の階調圧縮手順と、
    前記分割手順で分割された前記ディテール成分信号、および前記第１の階調圧縮手順で生成された前記圧縮ベース成分信号をもとに合成画像信号を生成する合成手順と、
    前記モード設定手順で第２のモードに設定された場合に、第２の階調圧縮部が、前記入力画像信号を取得して、当該入力画像信号の階調に対して階調圧縮処理を施す第２の階調圧縮手順と、
    をコンピュータに実行させることを特徴とする画像信号処理プログラム。
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