TWI573462B - 藉由時間匹配之間歇性照明來控制攝像系統之光強度之系統與方法 - Google Patents

藉由時間匹配之間歇性照明來控制攝像系統之光強度之系統與方法 Download PDF

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Description

藉由時間匹配之間歇性照明來控制攝像系統之光強度之系統與方 法
本發明係有關於提供照明給操作於較暗環境之影像感測器，特定而言係有關於藉由時間匹配之間歇性照明來控制攝像系統之光強度之系統與方法。
整合式攝像及照明系統係可在一較暗的環境中用來記錄影像。其現有的應用包含醫療用內視鏡、蛇管檢視鏡頭、管道鏡以及機械視覺(machine vision)。為了達到期望的影像亮度所需要之光強度係取決於一些因素，上述因素有關於拍攝場景之性質、相對於攝像系統與照明系統之場景配置以及攝像及照明系統的特性。舉例來說，一個具有明亮色彩的物體相較於一個具有較暗色彩之物體而言一般是需要較少的照度。據此，大部分的系統都包含調整光強度的手段。
醫療用內視鏡係用以檢查人體內部，它是一個實例來說明為何合適的光強度對於達到期望的結果是必要的，例如達到精確的診斷或成功的手術。當醫療用內視鏡的操作者在移動攝像系統以檢查不同的位置或在已知場景內描準特定的目標時，其需要調整光源之功率大小以達到期望的影像亮度。
在一實施例中，一種具有光強度控制之攝像系統包含一影像感測器、一光源以及一訊號產生器。影像感測器用以擷取一場景之影像。光源用以照射場景。訊號產生器係耦接於影像感測器及光源，用以產生(a)一第一訊號來控制影像感測器之影像擷取，以及(b)一第二訊號來控制光源之一工作週期。
在一實施例中，一種用以控制攝像系統之光強度之方法，攝像系統包含一影像感測器、一相關聯之光源與一相關聯之訊號產生器。上述方法包含：(a)藉由使用訊號產生器而產生一第一訊號以控制影像感測器之影像擷取； 以及(b)藉由使用訊號產生器而產生一第二訊號以控制光源之一工作週期。
100‧‧‧內視鏡系統
110‧‧‧攝像模組
112‧‧‧影像感測器
114‧‧‧光源
120‧‧‧控制及顯示系統
130‧‧‧連接管
200‧‧‧系統
210、610、710‧‧‧匹配訊號產生器
250‧‧‧影像感測器
255‧‧‧觸發訊號
260‧‧‧光源
265‧‧‧功率訊號(發光訊號)
310‧‧‧時間
320、330、340、350、360、370、420、430、440‧‧‧圖形
322‧‧‧觸發(事件)
323‧‧‧延遲
381‧‧‧讀出週期(影像讀出)
382‧‧‧曝光週期(影像曝光)
500、900‧‧‧方法
510、520、525、530、532、534、910、920、930、940、950、965、970、980‧‧‧步驟
600、700、800‧‧‧系統
620‧‧‧時脈(訊號)產生器
630‧‧‧頻率調整器
635‧‧‧基本發光訊號
640、740‧‧‧工作週期產生器
720‧‧‧設定模組
722‧‧‧基本設定
724‧‧‧工作週期設定
750‧‧‧電力供應器
755‧‧‧電力
760‧‧‧切換器
770‧‧‧工作週期控制器
775‧‧‧切換訊號
810‧‧‧影像訊號處理器
820‧‧‧CMOS影像感測器
825‧‧‧發光二極體
830‧‧‧處理器
831‧‧‧記憶體
832‧‧‧啟動代碼
834‧‧‧設定模組
835‧‧‧切換訊號
840‧‧‧時脈訊號產生器
841‧‧‧週期性時脈訊號
845‧‧‧比率相乘器
846‧‧‧週期性發光訊號
850‧‧‧通用輸入/輸出埠
860‧‧‧連接器
870‧‧‧電力供應器
880‧‧‧使用者介面
882‧‧‧控制面板
884‧‧‧顯示器
890、892‧‧‧封裝體
圖1係根據本發明之一實施例顯示一例示性內視鏡系統，其包含一攝像模組，攝像模組具有一影像感測器及一光源。
圖2係根據本發明之一實施例顯示一例示性用以控制影像感測器所擷取之影像的光強度之系統，其藉由時間匹配(time-matched)間歇性照明來進行。
圖3係根據本發明之一實施例顯示多個訊號之多個例示性週期，上述多個訊號係用以控制影像感測器所擷取之影像的光強度，其藉由時間匹配間歇性照明來進行。
圖4係根據本發明之一實施例顯示一訊號之多個例示性週期，上述訊號用以控制光源，所有週期係對應相同的工作週期。
圖5係根據本發明之一實施例顯示一例示性用以控制影像感測器所擷取之影像的光強度之方法，其藉由時間匹配間歇性照明來進行。
圖6係根據本發明之一實施例顯示一例示性用以控制影像感測器所擷取之影像的光強度之系統，其藉由時間匹配間歇性照明來進行。
圖7係根據本發明之一實施例顯示一例示性用以控制影像感測器所擷取之影像的光強度之系統，其藉由時間匹配間歇性照明來進行。
圖8係根據本發明之一實施例顯示一例示性用以控制影像感測器所擷取之影像的光強度之系統，其藉由時間匹配間歇性照明來進行，上述系統包含一影像訊號處理器、多個設定以及一控制面板。
圖9係根據本發明之一實施例顯示一例示性方法，其係用於啟動一用以控制影像感測器所擷取之影像的光強度之系統，其藉由時間匹配間歇性照明來進行，其中多個設定係位於編碼記憶體內。
本發明係有關於提供照明給操作於較暗環境之影像感測器。上述照明係由一光源提供，上述光源具有兩模式：開與關，且能操作在0與100%之間的工作週期。而影像感測器所擷取之圖框的光強度係由調整光源之工作週期來控制。此技術有別於習知系統，在習知系統中光源係一直處於開的模式，且藉由調整功率大小以提供期望的光強度。相較於調整功率大小，調整工作週期 可需要更少的電子元件，因為與調整工作週期有關之許多功能可藉由軟體/韌體來達成。此外，相較於習知的線性調整機制，本發明之調整工作週期在功率消耗方面亦較有效率，因為在線性調整機制中，光源所輸出之光量係藉由控制一電阻元件之功率損失來調整。本發明係提供一種有效率且相當具有彈性之技術，且能以最少電子元件來實現。更重要的是，藉由使間歇性照明的時序匹配影像圖框擷取的時序，可輕易地使每一圖框的光強度達到一致性。
本發明對於位在較暗的環境中之攝像系統具有實用性。例示性應用包含，但不限於，內視鏡例如醫療用內視鏡、蛇管檢視系統與管道鏡，以及非鏡頭式檢視系統與監視系統。
圖1係根據本發明顯示一內視鏡系統100，其包含一攝像模組110。攝像模組110係經由一連接管130與一控制及顯示系統120耦接。攝像模組110內含一整合式攝像照明系統，其具有一影像感測器112以及一光源114。光源114係對一場景提供照明，影像感測器112係對該場景進行拍攝。本發明包含多個系統與方法，其可予以應用以藉由使間歇性照明與影像感測器112之影像擷取率匹配而控制光源114所提供之光強度。在一實施例中，內視鏡系統100係為一醫療用內視鏡。
圖2顯示一用以控制攝像系統之光強度的系統200，其係藉由時間匹配(time-matched)間歇性照明來進行。系統200包含一匹配訊號產生器210，其與一影像感測器250及一光源260耦接。影像感測器250例如為一互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器或一感光耦合元件(CCD)影像感測器。在某些實施例中，光源260為一發光二極體(LED)。在某些其他實施例中，光源260為一白熾(incandescent)光源，例如一鹵素燈。匹配訊號產生器210係輸出一觸發訊號255至影像感測器250以觸發圖框擷取。匹配訊號產生器210亦以一功率訊號265的形式供應電力至光源260。功率訊號265可具有兩狀態：關閉狀態(對應光源關閉)、以及開啟狀態(對應開啟光源至一預設強度)。
在一實施例中，觸發訊號255為一週期性訊號並具有一週期Tc。此週期對應於影像感測器250，影像感測器250係以一固定圖框率擷取影像。功率訊號265為具有與觸發訊號255相同之週期Tc的週期性訊號。功率訊號265於光源260之開啟時間Ton期間係在開啟狀態，其可由下列式子表明： T on =M×T FL’ 式1其中，M為一非負整數，TFL為與觸發訊號之週期Tc有關之一基本發光週期，如下所示：T C =N×T FL’ 式2其中，N為大於或等於M之一正整數。光源260之關閉時間為：T off =(N-M)×T FL’ 式3且光源260之工作週期D為：
同樣地，發光的開啟時間Ton與關閉時間Toff可由頻域參數表示如下：
其中，係與攝像觸發頻率有關，可如下所示：
圖3係根據式1-6顯示觸發訊號255與功率訊號265之例示性週期的示意圖，其非用以限制本發明。標準的影像感測器係由多列的畫素組成。畫素在曝光過程中所累積的電荷一般係一次由一列畫素讀出。在讀出一列畫素之訊號之後，該列畫素係再次累積電荷。下面係以圖3所示之例示性週期以及其中一列畫素來敘述。之後再以全域快門(global shutter)與滾動快門(rolling shutter)的機制延伸到多列畫素。
所有相關的訊號之波形係顯示為時間310的函數。圖形320係顯示複數觸發322之間具有週期Tc 321之觸發訊號255的週期。圖形330係顯示具有從式2中以N的值等於10為例所得到之基本發光週期TFL之一週期性訊號。在圖3中，觸發訊號255之觸發322(圖形320)以及圖形330所示之週期性訊號之波形皆顯示為德爾塔函數(delta function)。應領會者為，這些訊號之任一 者皆可具有任何本領域所熟知之合適波形，例如方波、鋸齒波、三角波、電晶體-電晶體邏輯(transistor-transistor logic)、正弦波或時脈訊號。圖形340、350、360及370係顯示例示性數值的M所對應之功率訊號265。圖形340、350、360及370是藉由設式1中之M分別等於1、5、9、10而從圖形330所示之週期性訊號所得到。當光源260的工作週期分別從10%(圖形340)增加至50%(圖形350)、90%(圖形360)、100%(圖形370)時，圖形340到370中光強度亦逐步上升。一選擇性之延遲323(TD1)係表示觸發訊號255之一觸發322(圖形320)與功率訊號265(圖形340、350、360及370)之開啟狀態之起始之間的延遲。觸發訊號255係觸發畫素之讀出，所讀出之訊號顯示為圖形380，並帶有一選擇性的延遲TD2(位於觸發事件322與一讀出週期TREAD 381之起始之間)。在讀出週期381之間，畫素係在一曝光週期TEXP 382內曝光。
雖然圖3係顯示N等於10之週期，然而亦可以被延伸至其他N的值。當N值越大，則光強度的調整可具有更高的解析度(resolution)。
觸發訊號255與功率訊號265具有相同週期性的要求可確保每一圖框之光強度的一致性。若未滿足此要求，則光源260之開啟時間Ton與影像感測器250之個別圖框擷取之間的重疊會隨著每一圖框而不同，這導致每一圖框的光強度不同，乃因兩個未匹配的週期在相位上會互相向內偏移及向外偏移。本發明之一致週期係使光源260之開啟時間Ton與影像感測器250之圖框擷取之間維持固定的相位重疊。
需注意者為，功率訊號265之開啟狀態的起始不需要與觸發訊號255之一觸發事件一致。這在圖3中已經顯示出來，如圖3所示，所有圖形340、350、360及370之開啟狀態之起始相對於觸發訊號255之一觸發事件(圖形320)皆有一偏移，即延遲TD1 323所表示。圖框對圖框(frame-to-frame)之光強度可在TD1為任何值的情況下皆維持一致。同樣地，實際的影像曝光382可與一對應的觸發322在時間上有一偏移量，例如延遲TD2 324所表示，而這不會對圖框對圖框(frame-to-frame)之光強度的一致性有任何影響。
上述關於圖3的敘述可在不需修正的情況下應用於全域快門機制之多列畫素的曝光與訊號讀出，其中所有列的畫素在同時曝光後係依序讀出。在此情況下，圖形380代表每一列具有表示所有列的總讀出時間之TRead。
滾動快門影像感測器係採用滾動讀出與曝光程序，其中當一列畫 素被讀出時，所有其他列畫素係同時曝光。當其中一列畫素完成讀出時，它會回到被曝光的狀態，同時下一列畫素係被讀出，其他列也依此原則。這消除了與全域快門相關的間接費用，於其中當一列畫素被讀出時，其他列畫素處於閒置。如此，利用滾動快門可在已知圖框率(frame rate)之下達到更高的靈敏度。最常被使用的影像感測器，特別是在更能負擔的費用範圍內，皆配置有滾動快門技術。由於滾動快門感測器中各個列的畫素並非同時被曝光，不同列畫素可能會潛在地遭遇到不同的光狀況。在曝光時間遠大於讀出時間的情況下，這樣的影響可被忽略。
本發明一重大優勢在於，光源之間歇特性使得使用配置有滾動快門技術之影像感測器變得可能，同時使每一列的光強度達到一致。在一實施例中，影像感測器(例如圖2之影像感測器250)係配置有一滾動快門，且延遲TD1、TD2係被控制以避免影像讀出與光源的開啟時間發生重疊。當滿足此條件時，滾動快門的功能就等同於全域快門。
由於影像讀出381與光源的開啟時間之間沒有發生重疊，圖3之圖形340及350係顯示於使用滾動快門的影像感測器之實施例中，能夠達到列對列(每一列)畫素光強度一致性之光源週期之實例。另一方面，在圖3之圖形360及370的情況下，光源的開啟時間係與影像讀出時間重疊。因此，當使用滾動快門時，不同列畫素可能會在不同光條件下而曝光，這會造成列對列(row-to-row)光強度的不一致。
由於光源之開啟時間的時序與影像擷取時序皆基於相同的時脈訊號(例如圖3之圖形320所表示之觸發訊號255)，本發明係能在不增加特徵例如額外電路的情況下先天上使延遲量的控制更容易。這也簡化在光源控制訊號與影像擷取之間的相對延遲的控制，特別是在需要相對較低的圖框率的使用情況下。這種使用情況包含，但不限於，影像輸出為一視訊串流(video stream)的應用，其為了使觀看者感到平順所需要之圖框率係定義圖框率需求。例示性應用包含內視鏡，例如醫療用內視鏡。最少每秒24張圖框係產生平順視訊所需要的。醫療用內視鏡頻繁操作於每秒30張圖框的圖框率。在一實施例中，影像感測器250係配置有一滾動快門且操作於每秒24至200張圖框之圖框率範圍內。在一實施例中，影像感測器250係配置有一滾動快門且操作於每秒24至1000張圖框之圖框率範圍內。
在另一實施例中係使用全域快門影像感測器，例如影像感測器250係配置有一全域快門。在此情況下，所有列畫素之光強度的一致性就是系統設計先天的結果。全域快門影像感測器在高圖框率的使用上可能會更有利。
任何已知之開啟時間Ton可實施成圖3所示之單一相鄰的開啟時間或若干個較短之開啟時間的總和。圖4係顯示其非限制性之實例，其中N等於10且M等於5，亦即50%的工作週期。如圖所示，在一觸發訊號週期411(Tc)的情況下，圖形420、430及440之週期皆為時間410的函數且都能產生50%的工作週期。每一圖形皆從相同的週期TFL(例如顯示為圖3之圖形330的週期性訊號)所產生。圖形420係使用單一脈衝421來達到50%工作週期。於圖形430中，不同持續時間之兩脈衝一同產生50%工作週期。於圖形440中，一週期性脈衝串(periodic pulse train)形成了50%工作週期。
由式1至6所展現的實施例是更有利的，乃因其可簡易地實施於僅由較少的電子元件所構成的系統，同時可藉由允許不同數值之M與N而提供應用彈性，M與N的值可藉由硬體、軟體或其組合來改變。
雖然圖2、3及4的實施例係揭露使用功率訊號265來控制光源260的開啟與關閉時間，但應領會者為在不脫離本發明之範圍之下，其他方法亦可被使用來開啟及關閉光源260。這些方法包含，但不限於，有形的電控快門或一選通輪(strobe wheel)。然而，這些機械方式相較於純電控方式皆有其限制及/或短處。舉例來說，快門與選通輪構成一額外的機械元件而佔去一些空間，並且會造成磨損，這對視訊擷取應用來說是很有影響的。選通輪係配置成操作於一設定之工作週期或一連串預配置的工作週期，這都限制了系統的彈性。此外，當需要改變工作週期時，就需要對選通輪進行一機械性的操作或是直接更換選通輪。
在一實施例中，觸發訊號255可為非週期性。然而，將Tc解釋為影像感測器250所擷取之圖框的一曝光時間或一曝光及讀出時間對於式1至4仍然是成立的。此實施例可適用於影像感測器250之圖框率非為固定之使用情況。影像可在不同的圖框率被擷取，及/或在一些要求下被擷取，例如是由操作者下的指令或一外來的觸發事件。參照圖3所示，當操作於此模式時，圖框對圖框(frame-to-frame)之光強度的一致性就仰賴延遲TD1 323、TD2 324、以及開啟時間Ton，其中與一已知影像曝光有關之開啟時間Ton係不與其他影像曝光重疊。
圖2之匹配訊號產生器210可包含軟體、韌體、電腦及其他電子電路。一操作者可控制匹配訊號產生器210之許多方面。舉例來說，操作者可依據式1至3而改變光源260之工作週期以達到某一影像亮度。在另一實例中，匹配訊號產生器210之功能性的某些方面係可預設，例如配置於匹配訊號產生器210內的電子電路中。匹配訊號產生器210可選擇性地包含自動亮度控制。在一實施例中，自動亮度控制係基於影像感測器250所擷取之影像的分析(可由匹配訊號產生器210來執行)，以及後續之光源260工作週期的調整(如式1至3所規定)。在另一實施例中，自動亮度控制係使用一獨立的元件(例如一光二極體)提供一亮度量測給匹配訊號產生器210，使匹配訊號產生器210可據此調整光源260的工作週期。
圖5係根據式1至6顯示一用以控制一攝像系統之光強度的方法500。在步驟510中，係產生帶有週期Tc之一週期性觸發訊號(例如圖2之觸發訊號255)。此訊號係用於方法500的兩部分，此兩部分係可平行地進行。其中一部分係為步驟520及525以控制影像擷取，另一部分為步驟530、532及534以控制相關的發光。在步驟520中，週期性觸發訊號係觸發影像感測器(例如影像感測器250)。在步驟525中，影像係以週期性觸發訊號所定義之圖框率進行擷取。在步驟530中，使用步驟510所產生的觸發訊號來產生帶有週期TFL之一週期性訊號(例如式2中所描述與Tc相關之基本發光週期)。在步驟532中，使用步驟530所產生之週期性訊號來產生一週期性功率訊號(例如圖2之功率訊號(發光訊號)265)，其具有式1所規定之一開啟時間Ton。在步驟534中，週期性功率(或發光)訊號係切換光源(如光源260)的開或關。
圖6係顯示一系統600，其係為圖2之系統200的一實施例且例如使用圖5之方法500。在系統600中，一匹配訊號產生器610係包含一時脈產生器620，其輸出觸發訊號255，亦即時脈訊號產生器620執行方法500之步驟510。匹配訊號產生器610係為圖2之匹配訊號產生器210之一實施例。在系統600中，觸發訊號255係為週期性並帶有一週期Tc。觸發訊號255係傳送至影像感測器250，如圖2所述，以執行方法500之步驟520及525。觸發訊號255亦傳送至一頻率調整器630，其係比率相乘(rate-multiplies)觸發訊號255以輸出一基本發光訊號635。基本發光訊號635之週期TFL係與Tc相關，如式2所述。同樣地，基本發光訊號635之頻率fFL係與攝像觸發頻率fc相關，如式5所述。據 此，頻率調整器630係執行方法500之步驟530。基本發光訊號635係傳送至一工作週期產生器640，其係基於基本發光訊號635且根據式1輸出功率訊號265。亦即，工作週期產生器640係執行方法500之步驟532。工作週期產生器640傳送功率訊號265至光源260以執行方法500之步驟534。
在一實施例中，頻率調整器630係如本領域中具通常知識者所熟知之一標準比率相乘器(rate multiplier)或分頻器(frequency divider)。相同地，時脈產生器620可為本領域中具通常知識者所熟知之一標準時脈產生模組。
圖7顯示一系統700，其係為圖6之系統600之一實施例。系統700包含一匹配訊號產生器710，其係為圖6之匹配訊號產生器610之一實施例。匹配訊號產生器710包含一工作週期產生器740，其係為圖6之工作週期產生器640之一實施例。工作週期產生器740包含一電力供應器750，其係經由一切換器760而連接至光源260。當切換器760為關閉時，電力供應器750係提供電力755給光源260。一工作週期控制器770係部分基於基本發光訊號635而產生一切換訊號775。切換訊號775控制切換器760以使電力供應器750所供應之電力755傳送至光源260以作為功率訊號265。在一實施例中，工作週期控制器770為電腦、微處理器、中央處理單元(CPU)或其組合。在某些實施例中，工作週期控制器770包含一使用者介面以致使用者能控制工作週期控制器770之至少部分功能。
一設定模組720係包含基本設定722以及工作週期設定724。在一實施例中，設定模組720或部分之設定模組720係整合於提供工作週期控制器770之系統內。基本設定722係可由頻率調整器630存取並包含式2之正整數N的一值以依據式2產生觸發訊號255之期望的諧波。類似地，工作週期設定724係可由工作週期控制器770存取並包含式1之非負整數M的一值以依據式1及3產生期望的工作週期。在某些實施例中，基本設定與工作週期設定，或部分之基本設定與工作週期設定，可藉由一操作者來設定。在一實例中，一操作者可從設定庫中選擇，亦即選擇符合式6之N與M的值，以達到某一光強度。
圖8係顯示一系統800，其係分別依據圖2、6及7所示之系統200、600及700以及依據圖5之方法500並藉由時間匹配之間歇性照明來控制一影像感測器所對應之光強度。系統800包含一影像訊號處理器(ISP)810，其係 經由連接器860耦接於一CMOS影像感測器(CIS)820與一發光二極體(LED)825。CMOS影像感測器820與發光二極體825分別為圖2所示之影像感測器250與光源260之實施例。在一實施例中，影像訊號處理器810為台灣豪威科技有限公司(OmniVision)之料號OV570之產品。發光二極體825係提供照光予CMOS影像感測器820所要拍攝之場景。影像訊號處理器810更與一電力供應器870及一使用者介面880耦接。使用者介面880係包含一控制面板以讓使用者能改變發光二極體825所提供之光強度，且包含一顯示器884以顯示影像，例如由CMOS影像感測器820所擷取之視訊。
影像訊號處理器810係包含一時脈訊號產生器840以及一比率相乘器845，二者能產生時間匹配之時序訊號(time-matched timing signals)以透過發光二極體825之間歇性照明而達到期望的光強度。時脈訊號產生器840係輸出一週期性時脈訊號841，此訊號係經由連接器860而傳送至CMOS影像感測器820與比率相乘器845。週期性時脈訊號841例如為圖2、6及7所示之帶有週期Tc之觸發訊號255。在一實施例中，週期Tc係為時脈訊號產生器840之預設特性。在另一實施例中，週期Tc係藉由影像訊號處理器810所包含之一處理器830而傳送至時脈訊號產生器840。比率相乘器845係傳送一週期性發光訊號846至處理器830，週期性發光訊號846例如為圖6及7所示之基本發光訊號635，週期性發光訊號846係為式2所述之週期性時脈訊號841之一諧波。諧波次數(order ofthe harmonic)，例如式2中N的值，係藉由處理器830而傳送至比率相乘器845。處理器830係處理從比率相乘器845所接收之週期性發光訊號846以產生一切換訊號835，例如圖7所示之切換訊號775。在某些實施例中，切換訊號835與週期性發光訊號846係對應式1中的Ton與TFL，且經由式1中的M值而彼此相關。
切換訊號835係作用為通用輸入/輸出埠(GPIO)850之一控制輸入。通用輸入/輸出埠850係連接於一電力供應器870並經由連接器860而連接至發光二極體825。在此態樣中，通用輸入/輸出埠850作用如一切換器，使得切換訊號835能控制何時電力從電力供應器870流入發光二極體825。通用輸入/輸出埠850係為一特別類型的埠，乃因其能浮接一輸出而不造成錯誤或誤差。舉例來說，對一通用輸入/輸出埠850而言，其係能連接於或不連接於發光二極體825。由於發光二極體825可不被連接，因而能提供系統一些彈性。在一實施 例中，通用輸入/輸出埠850為一電晶體閘極。
處理器830係耦接於一使用者介面880，使用者介面880包含一控制面板882與一顯示器884。處理器830更與一選擇性的啟動代碼(boot header)832及/或一選擇性的記憶體831耦接，記憶體831包含一選擇性的設定模組834。處理器830控制週期性時脈訊號841及切換訊號835的產生所需要的設定係由控制面板882、選擇性的設定模組834或其組合來提供。在某些實施例中，設定模組834內含一組設定以產生週期性時脈訊號841與切換訊號835，例如Tc、N及M。這些設定係經由處理器830而傳送至控制面板882，於控制面板882處操作者可選擇一些特定設定，而該些特定設定隨後會傳送回處理器830。
選擇性的記憶體831可為影像訊號處理器810之一部分，如圖8所示；或者可位於影像訊號處理器810之外。在某些實施例中，選擇性的記憶體831為可拆式電子非揮發性電腦儲存裝置，例如為一可抹除可編程唯讀記憶體(EPROM)、快閃記憶體、非快閃可電性式抹除可編程唯讀記憶體(EEPROM)、可編程唯讀記憶體(PROM)、現場可編程唯讀記憶體(FPROM)或一次性可編程非揮發性記憶體(OTP NVM)。在一實施例中，選擇性的記憶體831係為一可抹除可編程唯讀記憶體，其經由一積體電路間(I2C)介面耦接至處理器830。資訊係從可抹除可編程唯讀記憶體轉移至處理器830，且一次一位元組。在另一實施例中，選擇性的記憶體831為一快閃記憶體元件，其係經由一串列週邊(SPI)介面耦接於處理器830。在此情況下，資訊係以512位元組為一區塊(block)而轉移至處理器830。這比可抹除可編程唯讀記憶體之態樣所能達到之轉移速度更為快速。然而，可抹除可編程唯讀記憶體提供較能負擔之解決方案。
CMOS影像感測器820所記錄的影像係經由連接器860傳送至處理器830。在一實施例中，CMOS影像感測器820以類比格式輸出影像資訊，然後再由一選擇性的類比數位轉換器(ADC)838轉換為處理器830可讀之數位格式。在此實施例中，CMOS影像感測器820與類比數位轉換器838可分別為台灣豪威科技有限公司(OmniVision)之料號OV6930與OV420之產品。在其他實施例中，CMOS影像感測器820包含類比數位轉換電路，此情況中選擇性的類比數位轉換器838就可省略。最後，處理器830將數位影像傳送至顯示器884。
影像訊號處理器810與連接器860係容納於一選擇性的封裝體890，一同形成一控制盒以控制CMOS影像感測器820及發光二極體825。CMOS 影像感測器820及發光二極體825係容納於另一選擇性的封裝體892。在特定實施例中，封裝體892連同CMOS影像感測器820與發光二極體825係為一醫療用內視鏡之整合式攝像與發光系統。使用者介面880可設置於選擇性的封裝體890之外，例如設置於一獨立之電腦、可攜式數位助理(PDA)、平板電腦或一智慧型手機上並可選擇性地使用其處理器。使用者介面880係利用本領域中所熟知之任一方法耦接於處理器830，上述本領域中所熟知之任一方法包含，但不限於，有線介面如通用序列匯流排(USB)、乙太網路、火線(FireWire)、樂器數位化介面(Musical Instrument Digital Interface，MIDI)或雷電(Thunderbolt)，以及無線協定如無線保真(Wi-Fi)、藍芽或無線射頻(radio-frequency)。或者，使用者介面880係整合於封裝體890內，且可選擇性地使用處理器830來達到其所有處理的需求。電力供應器870可設置於選擇性的封裝體890之內或之外。
在某些實施例中，例如應用於膠囊內視鏡中，影像訊號處理器810、連接器860、電力供應器870、CMOS影像感測器820及發光二極體825皆整合於單一封裝體內。在此實施例下，處理器830可以無線方式與控制面板882及/或顯示器884耦接；或者，設定可預先載入影像訊號處理器810作為儲存於記憶體831內之設定模組834及/或記錄影像之一部分。
在另一實施例中，記憶體831包含演算法(algorithm)(未顯示於圖8)以藉由從設定模組834中選出合適的設定來自動調整光強度。在又另一實施例中，此演算法係設置於影像訊號處理器810之外，例如成為控制面板882的一部分。
系統800使選擇性的記憶體831的編碼更為容易，以為了避免例如設定被複製以及避免使用未授權及/或仿冒產品取代選擇性的記憶體831之預定版本。本領域中具通常知識者所熟知之標準編碼協定皆可被應用。在一實施例中，只能由影像訊號處理器810存取之啟動代碼832包含位於記憶體831中之一編碼金鑰所對應之位址資訊。只有一有效編碼金鑰能讓影像訊號處理器810作動。
圖9係顯示一例示性啟動程序，亦即方法900，其係用於一使用編碼記憶體之系統。在步驟910中，系統的處理器，例如圖8之系統800之處理器830，係被啟動。在步驟920中，處理器從其相關之啟動代碼，例如圖8之啟動代碼832得到一位址。在步驟930中，處理器讀取相關聯的非揮發性記憶 體(如圖8之記憶體831)中位於步驟920所得到之位址之資訊。在步驟940中，從步驟930得到之資訊係由處理器(如處理器830)評估並與其啟動代碼(如啟動代碼832)內的資訊相比較。若資訊並非一有效碼，則處理器在步驟950中關閉。若資訊的確為一有效碼，則於步驟960中處理器得到位於非揮發性記憶體內之設定(如圖8之記憶體831之設定)。在一選擇性的步驟965中，處理器編譯上述設定。在一實施例中，設定係以組合語言格式儲存於非揮發性記憶體並由處理器編譯成控制面板可讀的語言。在步驟970中，上述設定係上載至一控制面板，如圖8之控制面板882，之後在步驟980中系統係準備好作動。
在不脫離本發明的範圍下，可以對上述方法及系統進行修改。應注意者為，在上述說明中所揭露者或於後附圖式中所顯示者應僅為舉例說明，而非為限制性者。以下申請專利範圍係意圖涵蓋於此所說明之廣義及特定特徵，以及文義上可以說是落於其間之本方法及系統之範疇之所有陳述。
特徵的組合
在不脫離本發明之範疇之下，以上所述之特徵以及以下所請求者可以多種方式合併。舉例來說，將得以領會者為，此處所述之一個用以控制光強度之系統或方法之多個觀點可與此處所述之另一個用以控制光強度之系統或方法之多個特徵合併或替換使用。以下實例係描述以上所述之實施例的可能、非限制性的組合。應明瞭者為，在不脫離本發明之精神及範疇之下，本發明之方法與系統可作許多其他改變及調整。
(A)一具有光強度控制之攝像系統可包含一影像感測器以擷取一場景之影像，以及一光源以照明上述場景。
(B)在(A)所表示的系統中，影像感測器可擷取對應光源之一工作週期之每一週期之單一影像。
(C)(A)所表示的系統可更包含一訊號產生器，其係耦接於影像感測器與光源，用以產生一第一訊號來控制影像感測器之影像擷取以及一第二訊號來控制光源之一工作週期。
(D)在(C)所表示的攝像系統中，第一及第二訊號可為週期性訊號並共有一共同週期。
(E)在(D)所表示的系統中，影像感測器可擷取每一共同週期之單一影像。
(F)在(C)、(D)及(E)所表示的系統中，光源之開啟與關閉狀態可分別對應到第二訊號之第一狀態與第二狀態。
(G)在(F)所表示的系統中，在一共同週期期間，第二訊號之第一狀態的總持續時間可為上述共同週期之一單位分數或多個單位分數。
(H)在(C)至(G)所表示的系統中，訊號產生器可包含一時脈訊號產生器以產生第一訊號。
(I)在(C)至(H)所表示的系統中，訊號產生器可包含一頻率調整器。
(J)在(I)所表示的系統中，頻率調整器可耦接於時脈訊號產生器以產生相乘訊號，上述相乘訊號係為第一訊號之一諧波。
(K)(J)所表示的系統可包含一工作週期產生器，其係耦接於頻率相乘器，用以處理相乘訊號以產生第二訊號。
(L)在(A)至(K)所表示的系統中，影像感測器可具有一滾動快門。
(M)在(A)至(K)所表示的系統中，影像感測器可具有一全域快門。
(N)在(A)至(M)所表示的系統中，光源可在影像讀出期間處於關閉狀態。
(O)(A)至(N)所表示的系統可實現於一醫療用內視鏡。
(P)(A)至(O)所表示的系統可包含非揮發性記憶體，其係能儲存用於光源之編碼工作週期設定。
(Q)(P)所表示的系統可包含一處理器，其係能對編碼工作週期設定進行解碼。
(R)(Q)所表示的系統可包含一控制面板，用以選擇上述經解碼之編碼工作週期設定之其中一特定者。
(S)(P)所表示的系統可包含一控制面板，用以選擇上述編碼工作週期設定之其中一特定者。
(T)一用以控制一攝像系統之光強度的方法，上述攝像系統包含一影像感測器、一相關聯之光源與一相關聯之訊號產生器，上述方法可包含藉由使用訊號產生器而產生一第一訊號以控制影像感測器之影像擷取。
(U)(T)所表示的方法可包含藉由使用訊號產生器而產生一第二訊號以控制光源之一工作週期。
(V)在(T)與(U)所表示的方法中，第一訊號可為週期性訊號並具有一第一訊號週期。
(W)在(U)所表示的方法中，第一訊號可為週期性訊號並具有一第一訊號週期，且第二訊號可為週期性訊號並具有第一訊號週期。
(X)在(V)與(W)所表示的方法中，在一第一訊號週期之間，第二訊號之開啟狀態的總持續時間可為上述第一週期之一單位分數或多個單位分數。
(Y)(W)與(X)所表示的方法可包含產生一相乘訊號，其具有一週期，上述週期為第一訊號週期之一單位分數。
(Z)在(Y)所表示的方法中，第二訊號可產生成使得相乘訊號之每一週期對應至第二訊號之開啟狀態或關閉狀態。
(AA)(X)至(Z)所表示的方法可包含提供對應於以下之設定的組合之工作週期設定：(a)第一設定週期，(b)單位分數的數值，及(c)多個單位分數之數量，於上述多個單位分數期間第二訊號係於開啟狀態。
(AB)(AA)所表示的方法可包含選擇上述工作週期設定之其中一特定者。
(AC)在(AA)與(AB)所表示的方法中，提供工作週期設定可包含對編碼資料進行解碼。
(AD)(T)至(AC)所表示的方法可包含藉由使用影像感測器擷取光源所照射之一場景之影像。
(AE)在(V)至(AD)所表示的方法中，單一影像可在每一第一週期中被擷取。
(AF)在(T)至(AE)所表示的方法中，影像感測器可配置有一滾動快門。
(AG)在(T)至(AE)所表示的方法中，影像感測器可配置有一全域快門。
(AH)在(U)、(W)至(AG)所表示的方法中，第二訊號可在影像感測器所擷取之影像的讀出期間內為關閉狀態。
(AI)在(U)、(W)至(AG)所表示的方法中，光源可在影像感測器所擷取之影像的讀出期間內為關閉。
(AJ)(T)至(AI)所表示的方法可實現於一醫療用內視鏡中。
210‧‧‧匹配訊號產生器
250‧‧‧影像感測器
255‧‧‧觸發訊號
260‧‧‧光源
265‧‧‧功率訊號

Claims (15)

  1. 一種具有光強度控制之攝像系統，該攝像系統包含：一影像感測器，用以擷取一場景之影像；一光源，用以照射該場景；一時脈訊號產生器，以產生一觸發訊號週期(TC)之第一訊號，以控制該影像感測器以1/TC之速率擷取影像；一頻率調整器，以處理該第一訊號，以產生一具有基本發光週期(TFL)TFL=TC/N的相乘訊號，其中N為可變整數，N不等於1；以及一工作週期產生器，以處理該相乘訊號，以產生一第二訊號，即時控制該光源，每一週期TC之開啟時間(TON)為TON=TFL*M，其中M為可變整數且不大於N，該工作週期產生器能夠對複數個相異M之任一值，以產生該第二訊號。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之攝像系統，其中該攝像系統係實現於一醫療用內視鏡內。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之攝像系統，更包含：一非揮發性記憶體，其係能儲存包含N值及M值的編碼工作週期設定；一處理器，其係能對該編碼工作週期設定進行解碼；以及一控制面板，用以選擇經解碼之該編碼工作週期設定之其中一特定者，以選擇特定的N值及M值。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之攝像系統，該非揮發性記憶體更可儲存包含TC值之加密基本設定；以及該控制面板經組態成允許選擇特定N值、M值或TC值。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之攝像系統，在不大於N值的任何M值下，該 工作週期產生器可產生開啟時間TON。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之攝像系統，更具有一影像訊號處理器，該影像訊號處理器包含：該時脈訊號產生器；該頻率調整器作為一比率相乘器，以相乘該第一訊號而產生該相乘訊號；該工作週期產生器作為一處理器，以基於自一使用者介面接收之N值及M值處理該相乘訊號產生該第二訊號；以及一連接器用以通訊自該時脈訊號產生器至該影像感測器之該第一訊號、自該處理器至該光源之該第二訊號、以及自該影像感測器至該處理器之影像。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之攝像系統，該影像訊號處理器更包含：一啟動代碼，僅由該處理器存取，以及包含位置資訊使該處理器於一記憶體中找出一編碼金鑰以致存取該記憶體中之一編碼工作週期設定，該編碼工作週期設定包含N值及M值。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之攝像系統，該處理器更經組態成使用該位置資訊及該編碼金鑰以存取包含TC值之加密基本設定。
  9. 一種用以控制一攝像系統之光強度的方法，該攝像系統包含一影像感測器、一相關聯之光源與一相關聯之訊號產生器，該方法包含：藉由使用該訊號產生器而產生一觸發訊號週期(TC)之第一訊號，以控制該影像感測器以1/TC之速率擷取影像；藉由使用該訊號產生器及基於該第一訊號，以產生一基本發光週期(TFL1)=TC/N1之相乘訊號，其中N1為整數；藉由使用該訊號產生器及基於該相乘訊號產生一第二訊號，即時控制該光源，每一週期TC之開啟時間(TON1)TON1=TFL1*M1即時控制該光源，其中 M1為整數且不大於N1；藉由使用該訊號產生器及基於該第一訊號，產生一第二相乘訊號，其週期(TFL2)為TFL2=TC/N2；以及藉由使用該訊號產生器及基於該第二相乘訊號，產生一差異第二訊號，即時控制該光源，每一週期Tc之開啟時間(TON2)TON2=TFL2*M2，M2為整數且不大於N2，N2與M2之至少一者係各別異於N1和M1。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之方法，更包含藉由使用該影像感測器擷取該光源所照射之一場景之該影像。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之方法，更包含：取得對應於N1值與M1值之組合，以及N2值與M2值之組合之工作週期設定；以及選擇該工作週期設定之其中一特定者。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之方法，取得工作週期設定之步驟係包含對該編碼資料進行解碼。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之方法，該解碼之步驟包含：自一啟動代碼讀取一位置資訊；以及利用該位置資訊以找出在一記憶體中一編碼金鑰以存取該記憶體中之該工作週期設定。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之方法，更包含：取得包含TC1及TC2值之基本設定；以及選擇該基本設定之一特定設定。
  15. 如申請專利範圍第9項所述之方法，其中該方法係實現於一醫療用內視鏡內。
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