JPH0740725B2 - 画像信号処理回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は照明むら等を軽減する信号処理と共に、S/Nの
小さい部分での雑音の抑圧を行う画像信号処理回路に関
する。

［従来の技術］ 近年、細長の挿入部を挿入することによって、切開する
ことを必要としないで、体腔内の患部等を診断したり、
必要に応じて処置具を挿入する治療処置のできる内視鏡
が広く用いられている。上記内視鏡は、挿入部の先端側
に配設した結像レンズによって、患部等の対象部位を結
像し、この結像された光学像はファイババンドル等の光
学的な像伝送手段にて手元側に伝送し、接眼レンズ系に
て拡大観察できるようになっている。

ところで、内視鏡においても、上記光学的な像伝送手段
を用いることなく、結像レンズによって、CCD等の固体
撮像素子の撮像面に光学像を結び、この固体撮像素子で
光電変換した電気的な画像信号をモニタ画面に表示する
電子式の内視鏡（以下、電子スコープと記す）は画像の
記録とか再生等が容易であり、今後広く用いられる状況
にある。

上記電子スコープによう画像においても、使用される状
況が、管腔状や凹凸の激しい被写体が多く、スコープか
ら被写体迄の距離のばらつきは同一画面内においてほぼ
２〜20cmと言う具合に10倍程度の差がある場合が多い。
そして照明が点光源に近いために距離の差は大きな照明
むらとなる。つまり同一画面内において、近い被写体は
強くハレーションを起し、遠い物体は暗くて何も見えな
い現象が起きる。これを解決する手段として、従来電子
スコープにおいて、例えば特願昭59−18083号に示す様
な自動調光システムが用いられている。

［発明が解決すべき問題点］ ところが上記従来の自動調光システムの原理は画像の輝
度の平均値を一定に保つものであり根本的にラチチュー
ドを向上させるものではない。つまり同一画面内に遠く
て暗い部分と近くて明るい部分を適切な明るさで同時表
示することはできない。

本発明は、上述した点にかんがみてなされたもので、照
明むら等による影響を軽減して診断し易い画像を実現で
きる電子スコープ等に適した画像信号処理回路を提供す
ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段及び作用］ 本発明では低域側の利得の抑圧量と、高域側での利得量
とを独立に可変設定できるようにして、照明むらの除去
及び輪郭、構造の強調を行うと共に、S/Nの小さい部分
での雑音抑制を行う画像信号処理を行って、診断し易い
画像表示を行えるようにしている。

［実施例］ 以下、図面を参照して本発明を具体的に説明する。

第１図ないし第７図は本発明の１実施例に係り、第１図
は１実施例を備えた電子スコープを示し、第２図は１実
施例の対数フィルタ回路を示し、第３図はフィルタリン
グを行う場合の画素配置を示し、第４図は各方向にイン
パルス応答を行う場合のパルス波形を示し、第５図は第
４図の波形のインパルス応答により実現される周波数領
域でのフィルタ特性を示し、第６図は雑音抑圧回路を示
し、第７図は１実施例で形成されるフィルタ特性を示
す。

第１図に示すように、第１実施例を備えた電子スコープ
１は、体腔内等に挿入できるように細長の挿入部２の先
端側に結像レンズ３を配設し、この結像レンズ３の焦点
面にはCCD等の固体撮像素子４が配設されて電子式の撮
像手段が形成してある。また、上記挿入部２内にはライ
トガイドファイバ５が挿通され、外部の光源装置６の照
明光を伝送し、その先端面から配光レンズ７を経て対象
物側に照明光を照射できるようにしてある。

上記光源装置６は、光源ランプ８の照明光を凹面鏡９で
反射し、この反射光はコンデンサレンズ11を経て、ライ
トガイドファイバ５に連結されるライトガイドケーブル
の入射端に集光照射される。この集光照射される際、３
原色透過フィルタを回転軸の回りに設け、モータ12で回
転駆動される回転フィルタ13を通すことによって、３原
色の各波長の光で照射される。従って対象物は各３原色
の照明光で順次照明されるようにしてある。

ところで、上記固体撮像素子４で光電変換された光学像
の画像信号は低雑音指数のプリアンプ14で増幅され、図
示しないA/Dコンバータを通した後、手元側のマルチプ
レクサ15を介して赤用フレームメモリ16R、緑用フレー
ムメモリ16G、青用フレームメモリ16Bに各色の照明のも
とで１フレーム分が順次記録される。これらフレームメ
モリ16R、16G、16Bで記録された信号は同時に読み出さ
れ、図示しないD/Aコンバータを通した後、マトリック
ス回路17を経て輝度信号Ｙと２つの色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ
−Ｙが取り出される。

上記２つの色差信号Ｒ−Ｙ、Ｂ−Ｙは、カラーエンコー
ダ回路18に入力され、一方輝度信号Ｙは、１実施例の画
像信号処理回路を形成する対数フィルタ回路21を経て、
前記カラーエンコーダ回路18に入力され、このカラーエ
ンコーダ回路18によって、NTSC方式のカラー画像（映
像）信号が出力される。このカラー映像信号はカラーモ
ニタ22に入力され、カラー画面上にカラー画像が表示さ
れる。

ところで、上記対数フィルタ回路21は入力される輝度信
号Ｙを対数圧縮する対数アンプ23と、この対数圧縮され
た輝度信号Ｙに対し相対的に、低域側を抑圧し、高域側
を強調するハイパス的フィルタ特性を示す２次元フィル
タ24と、この２次元フィルタ24を経た信号が入力され、
このフィルタ特性を可変するフィルタ特性変化回路25
と、このフィルタ特性変化回路25の入力信号が入力さ
れ、指数関数の出力にする指数アンプ26とから構成され
ている。

上記対数フィルタ回路21はほぼ次のような役割をする。

照明光の出射端から座標（x,y）の被写体に至る距離に
依存して、照明むらが生じ、その照明強度をＦ（x,y）
とし、均一照明下における被写体の反射強度をＧ（x,
y）とすると、固対撮像素子４の撮像面に結ばれる光学
像Ｙ（x,y）は、ほぼ Ｙ（x,y）＝Ｆ（x,y）・Ｇ（x,y） のようになる。

上記光学像Ｙ（x,y）の座標は、モニタでの表示画面で
は時間的な座標（ｘ′,y′）に変えられるが、表示画面
における輝度分布も近似的に上記関係が成立する。

従って、対数アンプ23により、対数圧縮された輝度出力
LogY（ｘ′,y′）は Log Y（ｘ′,y′）＝Log F（ｘ′,y′） ＋Log G（ｘ′,y′） となる。ところで、照明むらによる強度分布は通常低周
波であるので、高域側を通す２次元フィルタ24を通すこ
とによって、照明むらによる因子LogF（ｘ′,y′）をほ
ぼ除去して、LogG（ｘ′,y′）のみを取り出すことがで
きる。この信号は、低域側での利得及び高域側での利得
をそれぞれ独立に可変設定できる次段のフィルタ特性変
化回路25を通される。この場合フィルタ特性変化回路25
は低域側の利得を抑圧すれば、低域側で生じる照明むら
による影響を除去ないしは軽減できる。又、高域側を強
調すれば、高域側の周波数帯にある輪郭及び構造の強調
を行うことができる。又、このフィルタ特性変化回路25
内には雑音抑圧回路27とγ補正回路28（第２図参照）が
設けられており、S/Nが小さい場合での雑音とか特に高
域強調によって増大する雑音を抑圧して目ざわりなラン
ダム雑音が視覚上目だたないようにしている。このフィ
ルタ特性変化回路25を経たフィルタリング処理された信
号は指数アンプ29によって指数変換して元の特性に戻さ
れる。

このように対数フィルタ回路21は、相対的に低域側を抑
圧し、高域側を強調して、照明むらの除去及び輪郭構造
強調を行うと共に、強調された周波数帯域における雑音
も強調されるため、振幅の小さい本来の信号における小
さな振幅の雑音が視覚上ランダム雑音として、目だち、
S/Nが悪化するため、この小さな振幅の雑音と目される
部分をカットしたり、振幅の小さい側の利得を小さくな
るようにして雑音抑圧を行うことによって、視覚上診断
し易い表示画面を得る画像信号処理を行うものである。

ところで、上記対数フィルタ回路21の具体的構成例を第
２図に示す。

対数ランプ23で対数圧縮された輝度信号は次段の２次元
フィルタ24に入力される。この２次元フィルタ24は入力
信号を１水平期間（1Hと記す）遅延するCCD等を用いた
ディレイライン31,32と、遅延なし、1H遅延、2H遅延さ
れた各信号を加算する３つの加算器33,34,35と、これら
が加算器33,34,35に直列の電流源変換器36,37,38と、２
画素分の集中定数型ディレイライン39と、このディレイ
ライン39の出力に−１の定数を乗じる係数器41と、前記
1Hディレイライン31を経た信号を１画素分遅延するディ
レイライン42と、このディレイライン42の出力信号に対
しそれぞれ−8,8の定数を乗じた出力にする、係数器43,
44と、この各係数器43,44の出力信号と、前記係数器41
の出力信号とをそれぞれ加算して出力する加算器45,46
とから構成されている。

上記２次元フィルタ24は第３図に示すように、各画素位
置（xi,yi）（ここでｉ＝1,2,3）に対応する信号Ｓ（x
i,yi）に対し、水平方向、上下方向45゜の角度の斜め方
向、及び135゜の角度の斜め方向の４つの各方向に対
し、第４図に示すようなインパルス応答FIR（Finite In
pulse Responce）を行うものである。この第４図に示す
インパルス応答処理を行うことは、空間周波数領域にお
いては、第５図のａに示すフィルタ特性、つまり［１−
cos（πf/2fn）／（πf/2fn）］のフィルタ特性を行う
ことになる。（この実施例ではフィルタ特性を可変でき
るようにするため、２次元フィルタ24の出力は、レベル
シフト用信号と、第５図のａ及びｂに示す信号をそれぞ
れ出力する。） 第４図に示すインパルス応答は、パルス幅が画素ピッチ
Ｄを有し、中央でパルスの高さが２、その両側はそれぞ
れ−１となる負のパルスであり、この画素ピッチＤはＤ
＝1/（2f_N）である。ここでf_Nはナイキスト周波数であ
る。

４つの画素の各配列方向に対して第４図のインパルス応
答を行う場合、輝度信号は走査線に沿って水平方向に入
力されるため、第２図に示すようにディレイライン31,3
2,39等が用いてある。

例えば、第１の水平ラインに沿って入力された信号S₁は
ディレイライン31,32を経て2H期間遅延されることによ
って、ディレイライン31を経て1H期間遅延された第２の
水平ラインの信号S₂と同期し、さらに遅延なしで入力さ
れた第３の水平ラインの信号S₃と同期する。

又、上記信号S₁はそれぞれ加算器33,34,35及び直列の電
源源変換器36,37,38を通った後、センタタップを有する
２画素ディレイライン39で２画素遅延、１画素遅延、遅
延なしを行って第１の水平ラインに沿った（x1,y1），
（x2,y1），（x3,y1）の信号が加算されて−１の係数器
41に入力される。同様にディレイライン31を通った信号
S₂はそれぞれ加算器33,35及び直列の電流源変換器36,38
を通し、さらにディレイライン39で２画素遅延及び置換
なしとすることによって（x1,y2），（x3,y2）の信号が
加算されて−１の係数器41に入力される。同様に第３の
水平ラインに沿った信号S₃は、加算33,34,35等を経て
（x1,y3），（x2,y3），（x3,y3）の信号が加算されて
−１の係数器41に入力される。つまり、（第３図の）中
央の画素位置（x2,y2）以外の信号が−１の係数器41に
入力される。上記中央の画素子位置（x2,y2）の信号は
１画素分のディレイライン42を経て（−１の係数器41に
入力される他の信号と同期し）係数器43,44に入力さ
れ、これら各係数器45,46入力され、−１の係数器41を
経た信号と加算される。

上記加算器45から出力される信号出力は、第５図のｂに
示すものになり、加算器46の信号出力は、同図ａに示す
ものになり、ディレイライン42からは第５図のｃで示す
ものになる。尚、第５図のａ及びｂで示すフィルタ特性
は、低域側の利得は小さく、高域側の透過利得が大きく
なり、低域側に含まれる照明むらを除去できる特性を示
す。

上記加算器45の出力信号は、フィルタ特性変化回路25を
形成する乗算器51を経て加算器52に入力され、ディレイ
ライン42を経た輝度信号と加算される。

上記乗算器51は、可変抵抗器53によって、第５図のｂに
示す特性の振幅を乗算係数C1を可変設定でき、この係数
C1を可変することによって、高域側での振幅を（低域側
とは独立に）可変設定でき、高域周波数帯にある輪郭強
調及び構造強調を可変することができる。

上記加算器52で加算された強調信号は、γ補正回路28で
γ補正を行い、加算器55で雑音抑圧回路27を通した側の
強調信号と加算して出力される。

ところで上記雑音抑圧回路27は、加算器46を経た信号を
２倍に増幅する２倍増幅器56と、この増幅器56の出力を
雑音レベルと見なされるレベルＬでスライスして、この
部分を取り出すスライス回路57と、前記加算器46を経た
信号からこのスライス回路57の出力信号を減算する減算
器58とからなる。

上記雑音抑圧回路27に入力される信号部分を第６図の点
線ａで示すと、２倍増幅器56で増幅され、スライス回路
57でスライスされた部分が同図の１点鎖線ｌで示すもの
となり、減算器58によって、このスライスされた部分を
差し引いた実線ａ′で示す雑音抑圧した特性のものにな
る。この実線ａ′で示す雑音を抑圧した特性は、雑音相
当領域（ｎで示す）では−１の勾配を示すため、この範
囲の信号は加算器28で加算した際に消去ないしは十分に
抑圧されることになる。

上記雑音抑圧回路27を経た強調信号は、可変抵抗器61に
よって、乗算される定数C2を可変設定できる乗算器62を
通した後、加算器55で加算される。

この加算器55が加算された信号は第７図の実線ｄで示す
ものとなる。

即ち、加算器45及び乗算器51をて信号ｂ′と、加算器4
6、雑音抑圧回路27、乗算器62を経た信号ａ′とが加算
されるため、実線ｄで示すフィルタ特性になる。尚、こ
の場合ディレイライン42を経た信号も加算されるため、
振幅１だけレベルシフトされることになる。

第７図において、ナイキスト周波数f_Nで最大となる山の
部分の振幅レベル１からの高さC1は、乗算器53によって
調節できる。又、周波数Ｏにおける振幅レベル１からの
落ち込み分（抑圧量）C2は乗算器62によって可変調節で
きる。

従って、C1の値を変えることによって、高域側の強調つ
まり輪郭及び構造強調の大きさを可変設定できる。又、
C2の値を変えることによって、低域側の抑圧度、つまり
照明むらにより暗くなりすぎて輪郭等が見えない場合の
暗部中の輪郭等を明るく浮き上がらせたり、照明むらで
明るくなりすぎる部分の利得を下げたりする等照明むら
の影響を除去ないしは軽減できる。

尚、高域側の強調によって、高域側の雑音レベルも大き
くなり、特に振幅が小さい信号に対してはこの雑音が視
覚上目だつが、雑音抑圧回路27によって、この雑音を除
去ないし抑制できる。

又、加算器52で加算された高域側の強調信号は、他方の
強調信号と加算器55で加算される前に、γ補正回路28で
γ補正が行われるようにしている。これは、人間の視覚
特性である“輝度の低い信号ほどランダム雑音が目立
ち、逆に輝度の高い信号は同じ振幅の雑音が重畳してい
ても目立たない”と言うことを応用しγ補正を行なう前
の映像信号から強調信号を作り、γ補正回路28を通した
後で加算している。つまり指数アンプ26によって通常の
リニアな入出力特性に戻す前にγ補正を行うことによっ
て、指数アンプ26以後の表示画面上での強調信号を逆γ
特性になるようにする、つまり、輝度信号レベルの振幅
が小さい方の利得を抑圧して、S/Nの小さい信号におけ
る雑音が視覚上目だたないようにしている。

この１実施例によれば、高域側に対する利得量を可変抵
抗器53によるC1の値によって可変でき、又、低域側に対
する抑圧量を可変抵抗器61によるC2の値によってそれぞ
れ独立にマニュアルで可変できるので、画像の輪郭、構
造の強調と照明むらの除去を有効に行うことができる。
又、γ補正を対数アンプ23と指数アンプ26との間の輝度
信号に対して行っているので、γ補正と目ざわりな雑音
の低域を同時に行うことができる。

又、雑音抑圧回路27によって、輪郭、構造の強調と雑音
の抑制を同時に行うことができる。

尚、上記１実施例では４つの方向についてインパルス応
答による画像処理を行っているが、本発明はこれに限定
されるものでなく、例えば第８図に示すように左右と、
上下方向の２方向に対して第４図に示す応答処理を行っ
たものでも良い。この場合には、第２図における２次元
フィルタ部分の構造をより簡単化して構成できる。

尚、本発明は微分操作その他によるフィルタリング等
で、２次元フィルタ特性を形成するものでも良い。

尚、本発明は、カラーの画像信号に対し、その輝度信号
に対して適用できるものであり、当然モノクロの場合に
も適用できる。

又、本発明は色面順次で照明及び際像する内視鏡に限ら
ず、白色照明光で照明し、モザイク状等のカラーフィル
タを前面に設けた固体撮像素子を用いたカラー撮像手段
の場合にも、その輝度信号に対し同様に適用できる。

又、本発明は、内視鏡に限らず、カラーあるいはモノク
ロの画面に画像信号を表示する場合に広く適用できる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、高域側での利得と、
低域側での利得をそれぞれ独立に可変できるようにして
あるので、低域側で生じる照明むらと、高域側に属する
輪郭、構造の強調を有効に行うことができ、診断し易い
画像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第７図は本発明の１実施例に係り、第１図
は１実施例を備えた電子スコープを示す構成図、第２図
は１実施例の対数フィルタ回路の構成例を示すブロック
図、第３図はフィルタリングを行う場合の画素配置を示
す説明図、第４図は各方向にインパルス応答処理を行う
場合の波形図、第５図は第４図の波形のインパルス応答
により実現されるフィルタ特性図、第６図は雑音抑圧回
路の入出力特性図、第７図は１実施例により実現される
フィルタ特性を示す特性図、第８図は上記１実施例とは
若干異る２次元フィルタ処理を行う場合の他の画素配置
を示す説明図である。 １……電子スコープ、２……挿入部 ４……固体撮像素子 ５……ライトガイドファイバ ６……光源装置、13……回転色フィルタ 17……マトリックス、21……対数フィルタ回路 23……対数アンプ、24……２次元フィルタ 25……フィルタ特性変化回路 26……指数アンプ、27……雑音抑圧回路 28……γ補正回路 31,32,39,42……ディレイライン 33,34,35,45,46,55……加算器 41,43,44……係数器 51,62……乗算器、53,61……可変抵抗器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】カラー等の画像信号における輝度信号を対
   数圧縮する対数圧縮手段と、この対数圧縮された輝度信
   号に対し、遅延手段、加算器、係数器等を用いて形成し
   た２次元フィルタと、この２次元フィルタにおける高域
   側での利得と低域側での利得とをそれぞれ独立に可変設
   定できる利得可変手段と、この利得可変手段を経た輝度
   信号を指数変換する指数変換手段とからなる画像信号用
   の処理手段を形成したことを特徴とする内視鏡の画像信
   号処理回路。