JPH0746836B2 - 内視鏡用画像信号補正回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、固体撮像素子を用いた内視鏡等に対し、照明
むら等を抑制する画像処理を行う画像信号補正回路に関
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して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。

ところで、上記電子スコープによる画像においても、使
用される状況が、管腔状や凸凹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59−183083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補正回路を提供す
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、画像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画像信号の高域側に対し、低域側を
相対的に抑圧する特性の２次元フイルタと、この２次元
フィルタを経た画像信号を指数関数的特性に変換する指
数関数変換手段とによる画像信号処理手段を設けること
により、低域側で生じる照明むら等の影響を軽減した画
質改善を行っている。

［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９図は本発明の第１実施例に係り、第１
図は第１実施例を備えた電子スコープを示し、第２図は
第１実施例の画像信号補正回路としての対数フィルタ回
路の構成を示し、第３図は対数アンプの対数特性が形成
される様子を説明し、第４図は一次元の場合のフィルタ
の空間周波数特性を示し、第５図は第４図の特性を実現
するためのパルス応答波形を示し、第６図は第４図に示
すフィルタ特性を２次元的に得るためのフィルタにおけ
る係数配分の様子を示し、第７図は２次元フィルタの具
体的回路構成を示し、第８図はパラメータの値によっ
て、フィルタ特性が変わることを示し、第９図は指数ア
ンプによる指数特性が形成される様子を示す。

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等の固体撮影素子４が配設して撮影手段が形
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、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16
R、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の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、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、第１実施例の
画像信号補正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図示しないカラーモニタに入力さ
れ、カラー画面上にカラー画像が表示される。

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22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、高域側を通すハイ
パスフィルタ特性を示す２次元フィルタ23と、この２次
元フィルタ23を経た信号を入力し、指数関数の出力にす
る指数アンプ24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22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。上記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23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、Log Ｇ（ｘ′,y′）のみを取り出すことができ
る。この信号は、さらに指数アンプ24を通すことによっ
て、Ｇ（ｘ′,y′）で表される輝度信号を得ることがで
きる。しかして、カラーエンコーダ回路18から出力され
るNTSC方式のカラー映像信号は、照明むらの影響が軽減
され、遠方の部分も暗くなりすぎることなく、診断し易
い画像として表示される信号となる。

以下、第１実施例を第２図以降を参照して、詳細に説明
する。

対数フィルタ回路21は第２図に示すような構成になって
いる。

（第１図に示すマトリックス回路17から出力される）輝
度信号Ｙは対数アンプ22を形成する第１のリニアアンプ
31に入力されると共に、第１の直流再生回路（ダイナミ
ックランプ回路）32に入力される。この第１のリニアア
ンプ31で例えば2dB増幅された信号は、第２のリニアア
ンプ33に入力されると共に第２の直流再生回路34に入力
される。又、第２のリニアアンプ33で例えば2dB増幅さ
れた信号は、第３の直流再生回路35に入力される。上記
各直流再生回路34,35で直流レベルがシフトされた信号
はそれぞれリミッタ回路36,37でそれぞれリミッタレベ
ルLi（ｉ＝1,2でL1とL2とは適宜レベル差に設定され
る）以下の部分が取り出される。しかして、リミッタ回
路36,37及び直流再生回路32の出力は加算器38で加算さ
れ、第３図に示すように、入力信号に対して対数特性の
出力信号Y_LOGが得られる。

尚、上記第３図において、直流再生回路32を経て加算器
38に入力される場合の直流再生回路32の出力特性部分は
32aとなり、それぞれ第１のリニアアンプ31、及び31,33
を経た後の直流再生回路34,35の出力特性部分はそれぞ
れ34a,35aとなる。上記第２の直流再生回路34の出力
は、上部のリミッタレベルL1で切り取られるそのレベル
の下側の範囲が加算器38側に入力される。尚、上記リミ
ッタレベルL1の上部側の入力信号はリニアアンプ31,33
を介さないで（直流再生回路32を経た後）加算器38に入
力される。又、直流再生回路35の出力は、上記リミッタ
レベルL1より適宜レベルだけ下のリミッタレベルL2で上
限が制限される。しかして、上記リミッタ回路36,37等
を経て加算器38で加算された出力信号は入力信号に対し
対数出力になる。

上記対数アンプ22は、第３図に示すような折線近似によ
りLog特性を実現している。リニアアンプの数及びそれ
に付随する直流再生回路、リミッタ回路の数を増せば、
更に精密な対数特性を実現することができる。

上記対数アンプ22で対数圧縮された輝度信号は、次段の
２次元フィルタ23に入力される。この２次元フィルタ23
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41,42と、遅延なし、1H遅延、2H
遅延された各記号を乗算する係数器43,44,45,46と、３
つの加算器47,48,49と、これら加算器47,48,49に直列の
電流源変換器51,52,53と、２画素分の集中定数型ディレ
イライン54とインピーダンス変換器55とで構成されてい
る。

上記２次元フィルタ23は相対的に、低域側を抑圧し、高
域側の信号成分を強調するフィルタ特性を具体的に実現
するものである。この２次元フィルタ23の動作原理を以
下に説明する。

今、話を簡素化するために、画像中のｘ方向のみに注目
し（つまり一次元で考える）、第４図に示すようなフィ
ルタリングを行うものとする。

即ち、このフィルタリングを行うのに必要とされる特性
関数Ｇ（ｆ）は２つの特性関数G1（ｆ）,G2（ｆ）の
積、つまり、 ［ｋ−lcos（πf/f_N）］・［sin（πf/2f_N）／（πf/2f
_N）］で表されるものとする。

ここでｆは空間周波数、f_Nはナイキスト周波数であり、
k,lはフィルタ特性を可変設定可能とするパラメータで
あり、上記G2（ｆ）つまり sin（πf/2f_N）／（πf/2f_N） はシンク関数と呼ばれるものである。

上記特性関数Ｇ（ｆ）のフィルタ特性を得るための座標
空間でのインパルス応答関数ｈ（ｘ）は第５図に示すよ
うに画素ピッチＤを有する中央のパルスの高さが2k、そ
の両側のパルスが−ｌとなる負のパルスとなる。ここで
画素ピッチＤは、Ｄ＝1/（2f_N）である。

上記第５図に示す波形の関数ｈ（ｘ）と輝度信号ｙ
（ｘ）とのコンボリューション、ｈ（ｘ）＊ｙ（ｘ）を
求めると、周波数たたみ込みの定理により、第４図の実
線で示すような特性のフィルタリングを行うことができ
ることにする。

これを２次元に拡張すると重畳の定理により、縦、横、
斜め２方向の計４方向に重畳になり、第６図に示す様に
中央を8k、その周囲に対しては−ｌとなる係数配分にな
る。この係数配分と画像の輝度信号が出力される時に、
周辺の８画素（x1,y1）〜（x3,y3）も同時に出力し、所
定の係数を乗じて、総合和をとれば良いことになる。そ
れには（x1,y1）〜（x3,y3）迄の画素を時間的に並列す
る必要があり、例えば（x2,y2）の画素は、（1H＋１画
素）分の遅延が必要となる。これを実現する第２図に示
す具体的な回路に沿って説明すると（x2,y2）の画素は
輝度信号は1H CCDディレイライン41を通って1H分の遅
延を受けた後、係数器45により所定の係数を乗ぜられ、
加算器48を通過して、電流源変換器52に入力される。電
流源変換器52により電流信号に変換された後、２画素分
の集中定数型ディレイライン54の中間タップに入力さ
れ、１画素分の遅延を受け、なおかつこのディレイライ
ンの特性インピーダンスにより、電圧信号に再変換され
て出力される。つまり画素（x2,y2）の輝度信号は（1H
＋１画素）分の遅延と所定の係数を乗ぜられたことにな
る。他の画素についても同様に所定の遅延と係数が乗ぜ
られ、加算器47、48,49及び２画素分の集中定数型ディ
レライン54により電流加算され、総合和として出力され
る。ここで電流源変換器51,52,53により電流信号に変換
し、集中定型型ディレイライン54で電流加算を行なう理
由は、第７図に示す様な具体的な回路で構成する都合上
のものである。

即ち、上記２次元フィルタは23は第７図に示すようにわ
ずか３個のトランジスタTr1,Tr2,Tr3で第２図における
係数器43,44,45,46と加算器47,48,49と電流源変換器51,
52,53を形成している。第７図において、第１のトラン
ジスタTr1は、そのベースが接地され、そのエミッタは
バイアス電流設定用抵抗r1を負の給電端−Ｖに接続され
ると共にカップリングコンデンサｃ及び抵抗R1をそれぞ
れ介して第６図に示す（x1,y3），（x2,y3），（x3,y
3）に相当する輝度信号が印加され、この印加された各
輝度信号は電流加算される。又、上記第１のトランジス
タTr1は、そのコレクタが整合用抵抗Roを介して正の給
電端＋Ｖに接続されると共に、中間タップを有する2Hの
ディレイラインDL1に接続されている。

上記コンデンサｃ及び抵抗R1を経て入力される各輝度信
号の入力インピーダンス（ほぼR1に等しい）に対し、デ
ィレイラインDL1は整合用抵抗Roと等しいインピーダン
ス（＝Ro）に設定して反射することなく、ディレイライ
ンDL1側にも信号を出力できるようにしてある。又、入
力側のインピーダンスR1と出力側のインピーダンスRo/2
は（Ro/2）/R1＝ｌとなるように設定して出力信号は所
定係数−ｌ倍になるようにしてある。

第２のトランジスタTr2は、そのベースに（x2,y2）に相
当する輝度信号がコンデンサｃを介して印加される。
尚、このベースはバイアス設定用抵抗r2を介して接地さ
れている。又、このトランジスタTr2は、そのコレクタ
がディレイラインDL1の中間タップに接続され、そのエ
ミッタが抵抗r1を介して負の給電端−Ｖに接続されると
共に、コンデンサｃ及び抵抗R1をそれぞれ介して（x1,y
2），（x3,y2）の輝度信号が印課される。このエミッタ
にはさらに係数設定用の抵抗R2と直流素子コンデンサＣ
を介して接地されている。しかして、この抵抗R2の値
は、エミッタ側合成インピーダンスＲがコレクタ側イン
ピーダンスRo/2に対し、8k＝（Ro/2）/Rとなる様に設定
されている。

第３のトランジスタTr3は、第１のトランジスタTr1と同
様の構成であり、そのコレクタが出力端になっている。

上記第２図に示す２次元フィルタ23において、係数器4
3,44,46の値を可変すれば第４図のフィルタ特性におけ
るｌの値を可変することができ、係数器45の値を可変す
ればｋの値を可変することができる。例えばk,lの値を
可変して、第８図（ａ）に示す特性によれば、ハイパス
フィルタとすることができ、照明むら等の低周波成分を
抑制できる。また第８図（ｂ）に示す特性にすれば、低
域側よりも高周波成分を強調することができ、輪郭強
調、構造強調を行なうことができる。また第８図（ｃ）
に示す特性によれば、照明むらを抑制しなおかつ構造強
調も行なうことができる。第８図は振幅を規格化して示
している。

上記２次元フィルタ23で適切なフィルタ処理を受けた輝
度信号は、次段の指数アンプ24に入力され、元のリニア
な特性に戻される。

この指数アンプ24は、入力信号を例えば−２αdB減衰す
る減衰器61に入力されると共に、直流再生回路62及び所
定レベル以下をカットするクリップ回路63の直列回路を
介して例えば−αdBの減衰器64に入力される。又、上記
クリップ回路63でクリップされた輝度信号は直流再生回
路65及び直列のクリップ回路66を経て、上記減衰器61,6
4をそれぞれ経た信号と共に加算器67で加算して出力さ
れる。上記指数アンプ24によって、入力される信号は第
９図に示すような折線近似によって指数特性の信号出力
に変換される。

即ち、指数アンプ24に入力される信号は減衰器61で−２
αdB減衰されて、第９図のA1で示す出力特性を示す波形
にされて加算器67に入力される。又、直流電流再生回路
62でレベルシフトされ、クリップ63で２αdB下側のレベ
ルCL1がカットされた信号は減衰器64を経て、第９図のA
2で示す特性にして加算器67に入力される。又、このク
リップ回路63でクリップされた信号は、同様に直流再生
回65でレベルシフトされ、クリップ回路66によりレベル
CL2でクリップされて第９図のC1で示す出力特性にされ
て加算器67に入力され、これらA1,A2,C1は加算器67で加
算されて第９図に示す指数特性に変換される。

上記指数アンプ24は、クリップ回数の数と、それに附随
する減衰器の数を増せば、さらに精密な近似をすること
ができる。

第10図は本発明の第２実施例における２次元フィルタの
構成を示す。

この２次元フィルタ71では入力信号は３つの第1,第2,第
３の加算器72,73,75に入力されると共に、1Hのディレイ
ライン75を経て、第１及び第３の加算器72、74に入力さ
れる。又、この1Hのディレインライン75の出力は、１画
素分の集中定数型ディレイライン76を経て、乗算器77入
力されて、係数ｋが乗ぜられて減算器78に入力されると
共に、1Hのティレイライン79を経て３つの加算器72,73,
74に入力される。各加算器72,73,74で加算された信号
は、それぞれ電流源回路81,82,83を経て、２画素分の遅
延を行なうディレイライン84の入力端、中間タップ、出
力端に印加される。このディレイライン84の出力は、乗
算器85に入力され、係数ｌが乗ぜられた後、上記減算器
78に入力され、乗算器77の出力から差し引かれて出力端
86から出力される。

この第２実施例によれば、フィルタリングを行なうパラ
メータｋとｌの値の可変を乗算器77,85にてマニュアル
的に可変設定することができ、フィルタ特性を自由に設
定することができる。

第11図は第１図とは異なる構成の電子スコープの構成例
を示す。

この電子スコープ91では対数フィルタ回路21がプリアン
プ14とマルチプレクサ15との間に介装されている。

この電子スコープ91における対数フィルタ回路21の動作
は第１図に示すものと同様になる。

尚、上記対数フィルタ回路21におけるフィルタリング特
性を規定するパラメータｋとｌとの値を、表示される画
面中に表示される手段を設けて、診断する際の資料など
に利用できるようにしても良い。例えば、どのような値
のk,lとした場合に、照明むらの影響の少い診断し易い
画像にすることができるか知ることができる。又、高域
側をどの程度強調すると、輪郭を鮮鋭にできるか等を知
ることができる。

尚、上記対数フィルタ回路21における２次元フィルタ23
は、上述したものに限らず、例えば微分演算処理を行う
ことにより、高域強調を行って輪郭を鮮鋭にする等して
も良い。この場合低減側を抑圧するフィルタ特性と併用
したフィルタリングを行い、照明むら等によるラチチュ
ードの低下を防止するようにしても良い。

尚、上述の実施例では、面順次方式の照明及び撮像を行
っているが、本発明ではこの方式のものに限定されるも
のでなく、白色照明のもとで、カラー映像用固体撮像素
子を用いたカラー撮像方式に対しても同様に適用でき
る。

尚、本発明はカラー画像信号に対して適用される場合に
限定されるのみでなく、モノクロの画像信号に対しても
適用できる。

尚、本発明は電子スコープに用いられるものに限定され
るものではない。

又、本発明はアナログ的にフィルタリングを行うものに
限定されるものでなく、非線形な処理が途中に入るため
量子化誤差、回路規模の点で不利がはあるが、ディジタ
ル回路にて構成することができることは容易に推測され
る。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明によれば、対数圧縮した画像信
号における低域側よりも高域側を相対的に強調するフィ
ルタリングを行う２次元フィルタと、この２次元フィル
タを通した画像信号を指数特性の変換手段を経て、元の
画像信号に戻すようにしているので照明むらによるラチ
チュードの低下を防止したり、構造強調して、鮮鋭な画
像を得ることができる。従って、遠方部分まで暗くなり
すぎることなく診断し易い鮮明な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９図は本発明の第１実施例に係り、第１
図は第１実施例を備えた電子スコープを示す構成図、第
２図は第１実施例の画像信号補正回路としての対数フィ
ルタ回路の構成を示すブロック図、第３図は対数アンプ
の対数特性が形成される様子を説明する説明図、第４図
は一次元とした場合のフィルタの空間周波数特性を示す
特性図、第５図は第４図の特性を実現するためのパルス
応答処理を行うためのパルス波形図、第６図は第４図が
示すフィルタ特性を得るための２次元フィルタにおける
係数配分を示す説明図、第７図は２次元フィルタの具体
的回路構成を示す回路図、第８図はパラメータの値によ
って、フィルタ特性が変わることを示す特性図、第９図
は指数アンプの指数特性が形成される様子を示す説明
図、第10図は本発明の第２実施例における２次元フィル
タの構成を示すブロック図、第11図本発明における電子
スコープの他の実施例を示す構成図である。 １……電子スコープ、４……固対撮像素子 ６……光源装置、17……マトリックス回路 21……対数フィルタ回路、22……対数アンプ 23……２次元フィルタ、24……指数アンプ 31,33……リニアアンプ 33,34,35……直流再生回路 36,37……リミッタ回路、38……加算器 41,42……ディレイライン 43,44,45……係数器 47,48,49……加算器 51,52,53,……電流源変換器 54……ディレイライン、61,64……減衰器 63,66……クリップ回路

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】画像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画像信号に対し、遅延しないもの
   と、各遅延手段を経たものとをそれぞれ係数器に入力し
   て乗算する係数乗算手段と、 前記係数器を経た画像信号を加算する加算手段とを用い
   て形成した画像信号における低域側を抑圧する２次元フ
   ィルタと、 この２次元フィルタを経た画像信号を指数変換する指数
   変換手段と、 から画像信号補正手段を形成したことを特徴とする内視
   鏡用画像信号補正回路。