TWI428108B - 影像感測裝置及其處理系統 - Google Patents

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影像感測裝置及其處理系統
本發明係與影像感測裝置與影像處理系統有關，並且特別地，本發明是關於一種可同時擷取相同畫面之彩色影像、灰階窄波段影像及彩色的窄波段影像之影像感測裝置及其系統，特別適用於膠囊內視鏡系統。
在醫療用內視鏡系統中，由於傳統的內視鏡裝置大多以侵入人體的方式進行拍攝，通常會造成受檢者有不舒服的感覺。但是近年來，隨著科技發展日新月異，以及積體電路製程與無線傳訊技術的進步，使得影像感測器體積逐漸縮小而發展出膠囊式的內視鏡。由於膠囊式的內視鏡可沿著食道往小腸執行拍攝，檢驗者即可藉由無線控制該膠囊式內視鏡於受檢者體內拍攝可能發生病變的部分後，並根據拍攝的影像判斷可能的病變原因，故能有效地改善傳統侵入式的內視鏡之缺點。
然而，一般膠囊式內視鏡的影像感測器主要係以獲得彩色影像為主，請參見圖一A至圖一D，圖一A至圖一D分別係繪示先前技術之彩色濾光模組20。如圖一A所示，圖一A的陣列為目前最常使用之彩色濾光模組20陣列；圖一B的彩色濾光模組20陣列包含透明像素(clear pixel)、黃色像素(yellow pixel)及青綠色像素(cyan pixel)，實際上，透明像素包含紅色像素、綠色像素及藍色像素，黃色像素包含紅色像素及藍色像素，而青綠色像素包含綠色像素及藍色像素，其藉由相鄰的像素強度的增減而獲得原始紅色(R)像素、綠色(G)像素及藍色(B)像素，最後，將原始像素還原為彩色影像。
圖一C的彩色濾光模組20則是增加一紅外線(Infrared Ray,IR)穿透像素，可運用電子信號處理方式消除其他RGB像素之IR分量，因此系統無需使用紅外線擷取濾波器，即可達到此功效。圖一D的彩色濾光模組20是增加一青綠色(cyan)濾光單元，以四種色素陣列以提升色彩影像之色彩飽和度(color gamut)。
於實際應用中，隨著檢驗者實際操作後發現彩色影像往往無法清楚辨識有病症的區域，通常癌症初期會在表面血管增生，且血色素對415nm及540nm光有顯著的吸收波峰特性，雖然目前的膠囊式內視鏡可進入到小腸內拍攝，但仍停留在拍攝彩色影像，無法針對上述之特定波段或窄波段影像做進一步影像擷取，導致檢驗者無法根據病症的區域做準確之辨識。
因此，本發明之一範疇在於提供一種影像感測裝置與影像處理系統，用以同時觀測組織之彩色影像、高對比灰階窄波段影像以及彩色窄波段影像，使得觀測者除了能夠根據彩色影像觀測組織外，還可藉由高對比之灰階與彩色窄波段影像判讀組織淺層與較深層之異狀。
根據本發明之一具體實施例，本發明之影像感測裝置係透過第一光源及第二光源之混合式照明於一畫面讀取灰階影像及彩色影像。影像感測裝置包含彩色濾光陣列模組及控制模組。彩色濾光陣列模組包含第一濾光單元、第二濾光單元、第三濾光單元及第四濾光單元。第一濾光單元設置於第一區域，第一濾光單元用以感測關於畫面之第一像素資料。第二濾光單元設置於第二區域且鄰近第一區域，第二濾光單元用以感測關於畫面之第二像素資料。第三濾光單元設置於第三區域且鄰近第二區域，第三濾光單元用以感測關於畫面之第三像素資料。第四濾光單元設置於第四區域且鄰近第一區域及第三區域，第四濾光單元用以感測關於畫面之窄波段像素資料。
於此實施例中，控制模組係耦接彩色濾光陣列模組、第一光源及第二光源，控制模組用以根據第一光源或第二光源以控制彩色濾光陣列模組的感測與照明形態。依據打光方式的不同，照明方法可分為交錯式照明模式與混合式照明模式。交錯式照明係在目前的畫面n取得彩色影像並在下一個畫面n+1取得窄波段影像；而混合式照明係在同一個畫面n取得彩色影像與窄波段影像。當選取交錯式照明模式時，第一光源(窄波段光源)在畫面n進行曝光，控制模組啟動第四濾光單元感測窄波段像素資料並根據窄波段像素資料產生具有高對比之灰階窄波段影像，同時也啟動第一濾光單元、第二濾光單元及第三濾光單元感測第一像素資料、第二像素資料及第三像素資料。接著，第二光源(多波段光源)在畫面n+1進行曝光，當第二光源進行曝光時，控制模組啟動第一濾光單元、第二濾光單元、第三濾光單元及第四濾光單元感測第一像素資料、第二像素資料、第三像素資料及第四像素資料，並根據第一像素資料、第二像素資料及第三像素資料產生彩色影像。當選取混合式照明模式時，第二光源(多波段光源)在畫面n進行曝光，此時控制模組關閉第四濾光單元。在同一畫面n下，控制模組接著打開第四濾光單元，第一光源(窄波段光源)在第二光源照明結束後馬上進行曝光。隨後控制模組啟動第一濾光單元、第二濾光單元、第三濾光單元及第四濾光單元感測第一像素資料、第二像素資料、第三像素資料及第四像素資料，並根據第一像素資料、第二像素資料及第三像素資料產生彩色影像，根據第四像素資料產生灰階窄波段影像。
根據本發明之另一具體實施例，本發明之影像處理系統係耦接影像感測裝置，並用以接收第一像素資料、第二像素資料及第三像素資料，及/或用以接收第四像素資料，在彩色濾光陣列解馬賽克後，可還原顯示彩色影像，並顯示灰階窄波段影像。無論是交錯式照明模式或混合式照明模式，影像處理系統係將彩色影像的綠色平面影像(Green plane，由G畫素解馬賽克而得)放入合成影像的紅色平面影像(Red plane)，並分別將窄波段影像的藍色平面影像(Blue plane，由B畫素解馬賽克而得)與窄波段影像的窄波段平面影像(Narrow Band plane，由NB畫素解馬賽克)放入合成影像的藍色平面影像或是綠色平面影像來形成彩色窄波段影像，其中彩色窄波段影像包含彩色影像與灰階窄波段影像的資訊。在交錯式照明模式下，彩色窄波段影像係由彩色影像(第n+1畫面)的一個plane與兩個窄波段影像(第n畫面)的平面影像所構成；在混合式照明模式下，彩色窄波段影像的三個平面影像係由同一個畫面(第n畫面)所構成。
綜上所述，本發明提供之影像感測裝置及系統係藉由新式彩色濾光片的濾光單元陣列組合，配合控制多波段的照明光源及窄波段的照明光源發亮通過該彩色濾光片之濾光單元可獲得各個波段之灰階影像，其中，紅色像素、綠色像素及藍色像素之灰階影像可重建運算成完整波段的彩色影像，而窄波段像素則呈現窄波段影像畫面。因此，本發明之影像感測裝置及其系統可同時或各別透過外部的顯示裝置顯示對應於不同波段的影像。
關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。
請參見圖二A，圖二A係繪示根據本發明之一具體實施例之影像感測裝置4的示意圖。實際上，本發明之影像感測裝置4可以是電荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)或互補性氧化金屬半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)元件，但不以此為限。
於此實施例中，本發明之影像感測裝置4包含彩色濾光陣列(Color Filter Array)模組40及控制模組46。彩色濾光陣列模組40可直接形成於影像感測裝置4表面，或者將彩色濾光陣列模組40與影像感測裝置4組裝於一體。
如圖二A所示，彩色濾光陣列模組40包含第一濾光單元400、第二濾光單元402、第三濾光單元404及第四濾光單元406。第一濾光單元400設置於第一區域，第一濾光單元400用以感測關於畫面之第一像素資料。第二濾光單元402設置於第二區域且鄰近第一區域，第二濾光單元402用以感測關於畫面之第二像素資料。第三濾光單元404設置於一第三區域且鄰近該第二區域，第三濾光單元404用以感測關於畫面之第三像素資料。第四濾光單元406設置於第四區域且鄰近第一區域及第三區域，第四濾光單元406用以感測關於畫面之窄波段像素(Narrow Band)資料。
於此實施例中，紅色(R)像素僅可通過第一濾光單元400，藍色(B)像素僅可通過第二濾光單元402，而綠色(G)像素僅可通過第三濾光單元404。因此，可定義第一像素資料、第二像素資料及第三像素資料分別對應於紅色像素、藍色像素及綠色像素。於實際應用中，第一濾光單元400、第二濾光單元402及第三濾光單元404亦可如圖二B所示之陣列形態，但仍不以此為限。
值得注意的是，第四濾光單元406的表面可鍍上特定波長之薄膜或透明薄膜。假如第四濾光單元406的表面鍍上特定波長的濾光薄膜，則第一光源可為多波段光源，若第四濾光單元406的表面未鍍上濾光薄膜，則第一光源必須為窄波段光源。實際上，若第四濾光單元406的表面鍍上415nm波長的濾光薄膜，使得光束通過第四濾光單元406的光僅有415nm波段能通過且形成高對比的灰階影像，其頻譜由第四濾光單元406決定；相同地，若第四濾光單元406未鍍上濾光薄膜，則窄波段光源將可完全通過第四濾光單元406並形成灰階窄波段影像，其頻譜由光源決定。
於實際應用中，影像感測裝置4係透過第一光源42及第二光源44之混合式照明於一畫面以讀取灰階影像及彩色影像。其中，第一光源42係為窄波段光源而第二光源44係為白光光源，並且第一光源42及第二光源44可選用適當的發光二極體(light emitting diode,LED)。
當選取交錯式照明模式時，第一光源42(窄波段光源)在畫面n進行曝光，控制模組46啟動第四濾光單元406感測窄波段像素資料並根據窄波段像素資料產生具有高對比之灰階窄波段影像，同時也啟動第一濾光單元400、第二濾光單元402及第三濾光單元404感測第一像素資料、第二像素資料及第三像素資料。接著，第二光源44(多波段光源)在畫面n+1進行曝光，當第二光源進行曝光時，控制模組46啟動第一濾光單元400、第二濾光單元402、第三濾光單元404及第四濾光單元406感測第一像素資料、第二像素資料、第三像素資料及第四像素資料，並根據第一像素資料、第二像素資料及第三像素資料產生彩色影像。
當選取混合式照明模式時，第二光源44(多波段光源)在畫面n進行曝光，此時控制模組46關閉第四濾光單元406。在同一畫面n下，控制模組46接著打開第四濾光單元406，第一光源42(窄波段光源)在第二光源44照明結束後馬上進行曝光。隨後控制模組46啟動第一濾光單元400、第二濾光單元402、第三濾光單元404及第四濾光單元403感測第一像素資料、第二像素資料、第三像素資料及第四像素資料，並根據第一像素資料、第二像素資料及第三像素資料產生彩色影像，根據第四像素資料產生灰階窄波段影像。當採用混合式照明時，第一光源42也會對彩色濾光陣列模組40之RGB單元產生作用，造成感測之準位發生位移。因此，於此實施例中，用相鄰的像素值以下述之方程式進行色彩校正，其中t r 、t g 及t b 分別是RGB對NB波段之穿透係數，而R 0、G 0與B 0則分別表示RGB像素的讀值。
R =R 0-t r ×(NB (R )+NB (L ))/2
G =G 0-t g ×(NB (U )+NB (D ))/2
B =B 0-t b ×(NB (RU )+NB (RD ))+NB (LU )+NB (LD ))/4
於此實施例中，影像感測裝置4之控制模組46係耦接彩色濾光陣列模組40、第一光源42及第二光源44。控制模組46可根據第一光源42或第二光源44以控制彩色濾光陣列模組40的感測形態。此外，控制模組46可控制第一光源42及第二光源44的照光模式，為根據彩色濾光陣列模組混合式照明或交錯式照明。於實際應用中，窄波段成像技術可針對人體的腸胃道腫瘤進行檢測，並藉由窄波段光源分辨在小於5mm腸胃道系統的細胞組織病變，相較於白光光源的照射，窄波段光源能夠更有效地幫助觀測者檢測出早期的癌症症狀。
請參見圖二A，圖二A係繪示根據本發明之另一具體實施例之影像處理系統6的示意圖。如圖二A所示，影像處理系統6係耦接影像感測裝置，並用以接收第一像素資料、第二像素資料及第三像素資料，及/或用以接收第四像素資料。影像感測系統6包含影像解碼賽克模組60及資料處理裝置68。影像解碼賽克模組60係用以將彩色濾光陣列模組20、40擷取畫面之灰階碼賽克影像與彩色碼賽克影像解碼賽克。實際上，影像解碼賽克模組60可使用雙線性內插(bi-linear interpolation)、權重和(weighted-sum)或是拉普拉斯法(Laplican)。當選取交錯式照明模式在第一光源42為中心頻率為415nm之窄波段光源，且第四濾光單元406為透明薄膜下，則彩色影像由R1、G1、B1像素組成，灰階窄波段影像由B2、NB2像素組成，如圖二B所示。當選取混合式照明模式在第一光源42為中心頻率為415nm之窄波段光源，且第四濾光單元406為透明薄膜下，則彩色影像為由經過上述公式校正過的R1、G1、B1像素組成，灰階窄波段影像由B1、NB1像素組成，如圖二B所示。實際應用中，彩色影像及灰階窄波段影像在經過影像解碼賽克模組60後可同時顯示於顯示器中，提供檢驗者比較相同畫面於彩色影像及灰階窄波段影像的差異，準確判讀受檢者的小腸是否發生病症。
資料處理裝置68係用來重疊彩色影像與灰階窄波段影像已便產生高對比的彩色窄波段影像。資料處理裝置68可將彩色影像與灰階窄波段影像的次平面影像(sub-plane)重疊為高對比的彩色窄波段影像，其中彩色窄波段影像包含彩色影像與灰階窄波段影像的資訊。實際上，彩色影像與窄波段影像之影像格式為BMP格式，用來組成彩色窄波段影像的sub-plane依據照明模式與第四濾光單元406而有所不同。事實上，對於兩種照明模式在第一光源42為中心頻率為415nm之窄波段光源，且第四濾光單元406為透明薄膜下，資料處理裝置68將彩色影像的綠色平面影像(由G畫素解馬賽克)放入合成影像的紅色平面影像，並分別將窄波段影像的藍色平面影像(由B畫素解馬賽克)與窄波段影像的窄波段平面影像(由NB畫素解馬賽克)放入合成影像的藍色平面影像或是綠色平面影像來形成彩色窄波段影像。
相較於先前技術，本發明提供之影像感測裝置及系統係藉由新式彩色濾光片的濾光單元陣列組合，配合控制多波段的照明光源及窄波段各種波段的照明光源發亮以通過該彩色濾光片之濾光單元可獲得各個波段之灰階影像，其中，紅色像素、綠色像素及藍色像素之灰階影像可重建運算成完整波段的彩色影像，而灰階之窄波段像素結合彩色影像則呈現高對比的彩色窄波段影像。因此，本發明之影像感測裝置及系統可同時或各別於外部的顯示裝置顯示不同波段的影像。
藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。
4．．．影像感測裝置
20、40．．．彩色濾光陣列模組
400．．．第一濾光單元
402．．．第二濾光單元
404．．．第三濾光單元
406．．．第四濾光單元
42．．．第一光源
44．．．第二光源
46．．．控制模組
6．．．影像感測系統
60．．．影像解碼賽克模組
68．．．資料處理裝置
圖一A係繪示先前技術之彩色濾光模組。
圖一B係繪示先前技術之彩色濾光模組。
圖一C係繪示先前技術之彩色濾光模組。
圖一D係繪示先前技術之彩色濾光模組。
圖二A係繪示根據本發明之一具體實施例之影像感測與處理裝置的示意圖。
圖二B係繪示圖二A中彩色濾光陣列模組的另一陣列示意圖。
4．．．影像感測裝置
40．．．彩色濾光陣列模組
42．．．第一光源
44．．．第二光源
46．．．控制模組
6．．．影像處理系統
60．．．影像解碼賽克模組
68．．．資料處理裝置

Claims (14)

  1. 一種影像感測裝置，係透過一第一光源及一第二光源混合照明於一畫面讀取一灰階影像及一彩色影像，該影像感測裝置包含：一彩色濾光陣列(Color Filter Array)模組，包含：一第一濾光單元，設置於一第一區域，用以感測關於該畫面之一第一像素資料；一第二濾光單元，設置於一第二區域且鄰近該第一區域，用以感測關於該畫面之一第二像素資料；一第三濾光單元，設置於一第三區域且鄰近該第二區域，用以感測關於該畫面之一第三像素資料；以及一第四濾光單元，設置於一第四區域且鄰近該第一區域及該第三區域，用以感測關於該畫面之一窄波段像素(Narrow Band)資料；以及一控制模組，耦接該彩色濾光陣列模組、該第一光源及該第二光源，該控制模組用以根據該第一光源或該第二光源以控制該彩色濾光陣列模組的感測與照明形態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該第一光源係一窄波段光源且該第二光源係一白光光源。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，依據光源波長與照明模式，其中該影像感測裝置進一步包含當該第一光源進行曝光時，該控制模組啟動該第四濾光單元感測該窄波段像素資料並根據該窄波段像素資料產生具有高對比之該灰階影像。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，依據照明模式，其中當該第二光源進行曝光時，該控制模組啟動該第一濾光單元、該第二濾光單元及該第三濾光單元感測該第一像素資料、該第二像素資料及該第三像素資料，並根據該第一像素資料、該第二像素資料及該第三像素資料產生該彩色影像。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該第一像素資料、該第二像素資料及該第三像素資料分別對應於一紅色像素、一藍色像素及一綠色像素。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該第四濾光單元可鍍上特定波長之薄膜或未鍍上濾光薄膜。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之影像感測裝置，其中該影像感測裝置係為電荷耦合元件(Charge Coupled Device,CCD)或互補性氧化金屬半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor,CMOS)元件。
  8. 一種影像處理系統，包含：一影像解碼賽克模組，用以還原一馬賽克畫面為全尺寸之一灰階窄波段影像與一彩色影像，其中該彩色影像包含一紅色平面影像、一綠色平面影像以及一藍色平面影像；以及一資料處理裝置，耦接該影像解碼賽克模組，用以將該灰階窄波段影像取代該彩色影像之該紅色平面影 像及該藍色平面影像至少之一，以形成一高對比的彩色窄波段影像。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之影像處理系統，當選取交錯式照明模式在第一光源為中心頻率為415nm之窄波段光源，且第四濾光單元為透明薄膜下，影像解碼賽克模組用R1、G1、B1像素組成彩色影像，灰階窄波段影像則由B2、NB2像素組成。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之影像處理系統，當選取交錯式照明模式在第一光源為中心頻率為540nm之窄波段光源，且第四濾光單元為透明薄膜下，影像解碼賽克模組用R1、G1、B1像素組成彩色影像，灰階窄波段影像則由G2、NB2像素組成。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之影像處理系統，當選取混合式照明模式在第一光源為中心頻率為415nm之窄波段光源，且第四濾光單元為透明薄膜下，影像解碼賽克模組用校正過的R1、G1、B1像素組成彩色影像，灰階窄波段 影像則由B1、NB1像素組成。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之影像處理系統，當選取混合式照明模式在第一光源為中心頻率為540nm之窄波段光源，且第四濾光單元為透明薄膜下，影像解碼賽克模組用校正過的R1、G1、B1像素組成彩色影像，灰階窄波段影像則由G1、NB1像素組成。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之影像處理系統，在第一光源為中心頻率為415nm之窄波段光源，且第四濾光單元為透明薄膜下，資料處理裝置用該彩色影像的該綠色平面影像、窄波段影像的一藍色平面影像與窄波段影像的一窄波段平面影像分別放入一合成影像的一紅色平面影像、一藍色平面影像、一綠色平面影像來形成該彩色窄波段影像。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之影像處理系統，在第一光源為中心頻率為540nm之窄波段光源，且第四濾光單元為透明薄膜下，資料處理裝置用該彩色影像的該藍色平面 影像、該窄波段影像的一綠色平面影像與該窄波段影像的一窄波段平面影像分別放入一合成影像的一紅色平面影像、一藍色平面影像、一綠色平面影像來形成該彩色窄波段影像。
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