JP2014056225A - Entire visual field compact imaging device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複雑に彎曲する細管内壁、特に生体の消化器官内の観察に、鮮明な映像を３６０°全視野映像取込んで記録できる小型撮影装置の構造を提供するものである。 The present invention provides a structure of a small-sized photographing apparatus capable of capturing and recording a clear image in a 360 ° full-field image for observation in a complicatedly curved inner wall of a thin tube, particularly in a digestive organ of a living body.
２０００年５月、米国サンディエゴで開催された消化器関連の医学学会において、Ｇｉｖｅｎ Ｉｍａｇｉｎｇ社が、嚥下可能なカプセル型内視鏡カメラを世界で初めて一般公開してから１０年余り、医療現場に徐々に普及し始めた。各メーカもしのぎを削って、改良を施しながら独自な製品を世に送り出している。 In May 2000, at the Gastroenterology-related Medical Society held in San Diego, USA, Given Imaging has gradually released the swallowable capsule-type endoscope camera to the public for the first time in the world, and has been gradually entering the medical field. Began to spread. Each manufacturer is also cutting down their own products and sending out unique products to the world while making improvements.
しかし、肝心な映像情報の収集方法は相変わらず、進行方向の前方視野に広視野角レンズ（円周魚眼レンズ）の形式しかなく、医療現場では、嚥下可能なカプセル型内視鏡カメラの画質に対する改善要望の声が強い。
それに対する提案が多数あるが、代表的なものは、下記の２つである。However, the important method of collecting video information remains the same, and there is only a wide-angle lens (circular fisheye lens) in the forward visual field in the direction of travel. The voice is strong.
There are many proposals for this, but the following are two typical ones.
特許文献１に示される先行案１は、カメラユニットを進行方向と直交する側面へ向けて設置し、管内をモータで回転しながら進行するとともに管内壁を螺旋状に平面走査して、比較的簡単な画像処理により、連続的な映像を１枚の展開画像に合成する手法である。しかし、可動部が有するため、構造が複雑の上、又、反動トルクによる画像のブレを抑制するための（回転＝進行→停止→撮影→回転＝進行）撮影制御サイクルもかなり煩雑である。 The prior art 1 shown in Patent Document 1 is relatively simple by installing the camera unit toward the side surface orthogonal to the traveling direction, moving while rotating the inside of the tube with a motor, and scanning the inner wall of the tube in a spiral shape. This is a technique for synthesizing continuous video images into a single developed image by simple image processing. However, since the movable part has, the structure is complicated, and the imaging control cycle for suppressing image blur due to reaction torque (rotation = advance → stop → imaging → rotation = advance) is also quite complicated.
特許文献２に示される先行案２は、湾曲した環状反射面を持つプリズムによって、前進方向と斜交する円周像面を後方のイメージ・センサーに結像させる方法で、実用上の課題は多いものの、理想的な状態の細管内壁の走査と画像展開関しては、光学理論で既に証明済みの構造である。
医療現場において、比較的長い時間（８時間以上）をかけて患者（被験者）から映像情報を収集し、概ね十数分（標準診察時間）に診断を行うのは、カプセル型内視鏡カメラの利用形態である。検査時に患者の負荷（苦痛）が比較的少なく膨大な生体内の情報を得られる反面、数万枚の周辺がボケた画像から標準診察時間内で異常を見つけ出すことは困難な作業で、病変部を見逃す危険性も高いのが現状である。
医療現場の負担を軽減するため、より鮮明な画像を得ることを目的に、複数の画像を連結させ、１枚の展開画像に合成することが当面の開発動向である。In a medical site, it takes a relatively long time (8 hours or more) to collect video information from a patient (subject), and makes a diagnosis in about ten minutes (standard examination time). It is a usage form. While the patient's load (pain) is relatively small at the time of examination, it is possible to obtain a large amount of in-vivo information, but it is difficult to find abnormalities within the standard examination time from images with blurred tens of thousands of peripheral areas. At present, there is a high risk of overlooking.
In order to reduce the burden on the medical site, the current development trend is to combine a plurality of images and combine them into one developed image for the purpose of obtaining a clearer image.
前述の先行案１には複雑な構造と撮影制御の問題があるものの、先行案１及び先行案２は、共に鮮明な画像取得と画像合成の両方面に効果が期待できるが、非理想状態で撮像した画像の復元、合成には、座標参照の情報がないこと課題である。
従って、小型且つ単純な構造で両立できるカメラシステムが必要とされている。Although the above-mentioned prior plan 1 has a complicated structure and a problem of photographing control, both of the prior plan 1 and the prior plan 2 can be expected to be effective in both clear image acquisition and image synthesis. It is a problem that there is no coordinate reference information for restoration and synthesis of the captured image.
Therefore, there is a need for a camera system that is compatible with a small and simple structure.
本発明は、前進方向の前視野レンズの光軸の同軸に設置した２つの互いに干渉しない入射光路を持つ特殊な光学撮像装置によって、問題解決を図るものである。 The present invention intends to solve the problem by using a special optical imaging device having two incident optical paths that do not interfere with each other and are arranged coaxially with the optical axis of the front field lens in the forward direction.
先ず、前進方向の中心にある広視野角レンズにより、前視野からの入射光が、当該レンズ後方に配置された撮像用イメージ・センサーの中心部の円形エリアに射影される。 First, incident light from the front field of view is projected onto a circular area at the center of the image sensor for imaging disposed behind the lens by the wide viewing angle lens at the center in the forward direction.
回転軸を前視野レンズの光軸と同じにする、中央に空洞のある回転体反射鏡或は同一機能を有する環状プリズムが、前視野レンズの光軸と直交する円周側面から入射光を円周に沿って略９０°屈折し、前記同一のイメージ・センサーに中央円形エリアの外縁ある環状帯エリアに変形射影して、円周面の走査画像情報が得られる。
同一のイメージ・センサーでの撮像より、前視野及び円周面の走査の画像情報がほぼ同時に記録される。A rotating reflector with a central cavity whose rotation axis is the same as the optical axis of the front field lens, or an annular prism having the same function, transmits incident light from a circumferential side surface perpendicular to the optical axis of the front field lens. The image is refracted by about 90 ° along the circumference, and is deformed and projected onto the same image sensor onto the annular band area that is the outer edge of the central circular area, thereby obtaining the scanned image information of the circumferential surface.
The image information of the scanning of the front visual field and the circumferential surface is recorded almost simultaneously by the imaging by the same image sensor.
画像処理において、位置の参照情報を得るため、前視野の撮像と円周面の走査撮像に必ず、重複部分が有るように、前記前視野レンズ及び前記回転体反射面の視野角の一部が重ねてある。
画像処理において容易に連続性を保つため、被写体の像面が隣接の画像には必ず互いに重複部分が存在するように撮像するのが望ましい。In the image processing, in order to obtain position reference information, a part of the viewing angle of the front field lens and the rotating body reflecting surface must be such that there is always an overlapping part in the imaging of the front field and the scanning imaging of the circumferential surface. It is piled up.
In order to easily maintain continuity in image processing, it is desirable to capture images so that there is always an overlapping portion between adjacent image planes of the subject.
その規則的に変形された円周面の走査画像情報を基に、前記の前視野からの画像情報が回転、移動、ずれ等の位置関係の照合情報として加えられ、画像処理を経て、自然な動画や、管壁の展開図が得られる。
本発明は、光学レンズに関する具体的な計算、イメージ・センサーの画像記録等の情報処理方法は、公知のものを利用できる汎用性の高いものである。Based on the scanned image information of the regularly deformed circumferential surface, the image information from the front visual field is added as collation information of positional relationship such as rotation, movement, displacement, etc. You can get a video and an expanded view of the tube wall.
The present invention is highly versatile and can use known information processing methods such as specific calculations relating to optical lenses and image recording by an image sensor.
なお、前述の回転体反射鏡あるいは同一機能を有する環状プリズムの回転軸と、前視野レンズの光軸との間にズレがある場合、これら回転軸と光軸の距離と交差角を検出するなど明らかにすることにより、画像処理技術で補正をかけることができ、前記同様の展開図を得ることができる。 In addition, when there is a deviation between the rotation axis of the rotary reflector described above or the annular prism having the same function and the optical axis of the front field lens, the distance between the rotation axis and the optical axis and the crossing angle are detected. By clarifying it, it is possible to perform correction by an image processing technique and obtain a development view similar to the above.
本発明によれば、回転体反射面を用いて得られた鮮明な円周面の走査画像情報に、前視野レンズ組の位置補助情報を加えることで、比較的容易に復元、連結等画像処理が可能となり、人の目に頼る動画映像判別だけでなく、人手に頼らず、自動判別による画像の連結合成にも可能となる。 According to the present invention, image processing such as reconstruction and connection is relatively easy by adding position auxiliary information of the front-field lens set to the scan image information of the clear circumferential surface obtained by using the rotating body reflecting surface. This makes it possible not only to discriminate moving images depending on human eyes but also to connect and synthesize images by automatic discrimination without relying on human hands.
本発明の実施形態は、撮像した画像外部の記録装置に送信して蓄積する前提で、画像情報処理を経て、合成動画或は合成展開図２つの利用する形態が想定される。 The embodiment of the present invention is assumed to be transmitted to and stored in a recording device outside the captured image, and to use a composite moving image or two composite development views through image information processing.
図１は、本発明の基本原理説明図である。光学機器に回転体反射面の利用は公知であるが、本発明の特徴は同軸且つ互いに干渉しない２つの光路での同時撮像により、位置の参照情報も提供可能である。
前視野の被写体情報が最大視野角１８０°の魚眼式前視野レンズ１を通じて、等角状に中央円形撮像エリア８へ射影される。FIG. 1 is a diagram illustrating the basic principle of the present invention. Although the use of a rotating body reflecting surface is well known for optical devices, the feature of the present invention is that it is possible to provide position reference information by simultaneous imaging in two optical paths that are coaxial and do not interfere with each other.
The subject information of the front field is projected to the central circular imaging area 8 in an equiangular shape through the fish-eye front field lens 1 having a maximum field angle of 180 °.
前視野レンズ１の光軸にと直交する円周側面から入射光３１は回転体反射面２を経由して、被写体３０像面の円柱座標から円座標へ可逆的に変換され、環状撮像エリア９に射影される。 Incident light 31 from a circumferential side surface orthogonal to the optical axis of the front field lens 1 is reversibly converted from cylindrical coordinates to circular coordinates on the subject 30 image plane via the rotator reflecting surface 2, and the annular imaging area 9. Is projected on.
入射光３１の進行方向の近い分は外円側、反対方向は内円側に、円周方向は無変位の規則的な変形で射影される。当該変形は原理的には円柱座標と平面円座標間の可逆的換算であり、簡単な計算式で復元、変形できる。
図２は、図１に示された被写体３０ａ、３０ｂ、３０ｃを撮像した画像情報の位置関係のイメージ図である。A portion of the incident light 31 that is close to the traveling direction is projected on the outer circle side, the opposite direction is projected on the inner circle side, and the circumferential direction is projected with regular deformation without displacement. The deformation is in principle a reversible conversion between the cylindrical coordinates and the plane circle coordinates, and can be restored and deformed with a simple calculation formula.
FIG. 2 is an image diagram of the positional relationship of image information obtained by imaging the subjects 30a, 30b, and 30c shown in FIG.
中心円形エリア８の画像情報は前視野レンズ１から得られた等角撮像情報で、その中心は進行方向寄りで、外周は進行方向の反対側寄りである。環状帯エリア９では、図１の論述通り、位置関係は半径に沿って逆である。２つのエリアの画像情報の結合には、まず環状エリア９画像情報を半径に沿って位置反転換算が必要である。
図３は、図２画像情報を、環状帯エリア９の画像情報を位置逆転換算した後のイメージ図である。重複部分３３の存在が明らかである。
図４は、画像処理後のパノラマ画像情報イメージ図である。パターン認識により重複部分の除去後に、外円に沿って隣接撮像画像より不足分を補ったものである。
図５は、環状帯エリア９の画像情報を座標変換計算により復元された管壁の展開イメージ図である。The image information of the central circular area 8 is equiangular imaging information obtained from the front visual field lens 1, and its center is closer to the traveling direction and the outer periphery is closer to the opposite side of the traveling direction. In the annular zone area 9, the positional relationship is reversed along the radius, as discussed in FIG. To combine the image information of the two areas, first, it is necessary to convert the position information of the annular area 9 image information along the radius.
FIG. 3 is an image diagram after the image information of FIG. 2 is subjected to position reversal conversion of the image information of the annular band area 9. The existence of the overlapping portion 33 is clear.
FIG. 4 is a panoramic image information image diagram after image processing. After the overlapping portion is removed by pattern recognition, the shortage is compensated from the adjacent captured image along the outer circle.
FIG. 5 is a developed image view of the tube wall in which the image information of the annular zone area 9 is restored by coordinate conversion calculation.
合成動画の利用において、先ず、図２に示された撮像された画像を、図３のように環状帯エリア９の画像情報を外周と内円の位置逆転の座標変換を行い、パターン認識によって境界部の重複部分を除去して、隣接撮像画像より不足分を位置と角度に合わせて補えば、図４のように臨場感の溢れるトンネルのパノラマ合成画像が得られる。
上記の画像処理において、重複部の除去を除いて、殆ど単純計算であり、リアルタイム処理も実現可能。In using the synthesized moving image, first, the captured image shown in FIG. 2 is subjected to coordinate conversion of the image information of the annular band area 9 as shown in FIG. If the overlapping part is removed and the deficiency is compensated according to the position and angle from the adjacent captured image, a panoramic composite image of a tunnel full of realism can be obtained as shown in FIG.
In the above image processing, except for the removal of overlapping parts, it is almost a simple calculation, and real-time processing can also be realized.
上記処理した合成画像を連続して表示すれば、恰も、トンネルを潜るジェットコースタに先頭にいる３６０°動画映像が得られる。既存のシステムより遥かに、リアルな視覚情報を得られる。 If the processed composite image is continuously displayed, a 360 ° moving image at the head of the roller coaster that goes under the tunnel can be obtained. Realistic visual information can be obtained far more than existing systems.
合成展開図は、最も単純の方法は環状帯エリアの画像情報を平面円座標から円柱座標へ逆算して、図５のように長方形へ展開して、隣接の撮像の画像情報と境界部のパターン認識を経て、重複部分を互いに重なって、連結すれば、連続した合成展開図が得られる。 In the composite development view, the simplest method is to reversely calculate the image information of the annular zone area from the plane circle coordinates to the cylindrical coordinates and develop it into a rectangle as shown in FIG. If the overlapping parts are overlapped with each other after recognition, a continuous development view can be obtained.
図６は、本発明の一般的な構成の立体概要図である。前部半球状に封じた透明な円管保護ケース２０の内部に、レンズ固定筒６を以て、前視野レンズ組１、環状プリズム２、結像レンズ３をイメージ・センサー７の上に装着して、完全隔離された同心の中央円形撮像エリア８と環状帯撮像エリア９を形成する。 FIG. 6 is a three-dimensional schematic diagram of a general configuration of the present invention. The front field lens set 1, the annular prism 2, and the
撮像に必要な照明は、半球状の前視野像面及び円周像面を覆う必要なので、ＥＬのような面発光体が望ましいが、複数のＬＥＤ等点発光体で構成しても支障なし。原則的に公知の構造を採用する。
但し、構造上に照明発光体の電源線が入射光路を遮る可能性があるので、その場合では、透明導電膜を使用する。Since the illumination necessary for imaging needs to cover the hemispherical front field image surface and the circumferential image surface, a surface light emitter such as EL is desirable, but there is no problem even if it is composed of a plurality of LED equal point light emitters. A known structure is adopted in principle.
However, since the power line of the illumination light emitter may block the incident light path on the structure, a transparent conductive film is used in that case.
本発明は、医療現場の使い捨て検査機器の利用を想定として、射影画質或は製造手段に特段の問題なければ、前視野レンズ及び環状プレズムの個々のレンズ組の一体化、又は安価な鋳造製造も容易に推測できる。
図７は前視野レンズと回転体反射鏡視野角の重複部分の説明イメージ図Assuming the use of disposable inspection equipment in the medical field, the present invention can integrate the individual lens sets of the front-field lens and the annular plasm, or inexpensive casting manufacture, unless there is a particular problem with the projected image quality or manufacturing means. Easy to guess.
FIG. 7 is an explanatory image diagram of the overlapping part of the viewing field angle of the front field lens and the rotating body reflector
図８は撮影位置に関する説明イメージ図である。被験管の内部に運動する略円柱形の撮像装置は、最小抵抗の理由で、被験管の中心軸に並行するが、重力等の外部要因により、必ずしも被験管（被写体）と同軸ではない。 FIG. 8 is an explanatory image diagram regarding the shooting position. The substantially cylindrical imaging device that moves inside the test tube is parallel to the central axis of the test tube for the reason of minimum resistance, but is not necessarily coaxial with the test tube (subject) due to external factors such as gravity.
図９は図８の状況で、被験管（被写体）の中心軸と回転体反射面の中心軸の不一致の状態で、環状エリアに記録した画像情報を、中心軸一致の条件で自動復元した場合生じる画像（展開図）の歪の関係図である。 FIG. 9 shows the situation shown in FIG. 8 in the case where the image information recorded in the annular area is automatically restored under the condition of the coincidence of the central axes in a state where the central axis of the test tube (subject) and the central axis of the reflecting surface of the rotating body do not coincide. It is a related figure of distortion of the image (development figure) which arises.
中心軸が一致する条件（円周に沿って等角）で自動復元された画像と正常な画像を比較して、離れた（長軸）側、還元画像は縮まれる、短軸側は展ばされ現象が生じる。その度合いは被験管の内径と回転体反射面の外径の差、及び軸ズレ度合いに関係する。極限は、環状プリズムが被験管内壁の一側に接触する場合生じる。 Compare the automatically restored image with the normal image under the condition that the central axes match (equal angle along the circumference) and the normal image, the far (long axis) side, the reduced image will be shrunk, the short axis side will be expanded Phenomenon occurs. The degree is related to the difference between the inner diameter of the test tube and the outer diameter of the reflecting surface of the rotating body, and the degree of axial deviation. The limit occurs when the annular prism contacts one side of the inner wall of the test tube.
画像補正は基本的に、前視野レンズ組１経由の画像情報と回転体反射面２経由の画像情報の射影座標の差異により、視野角交差部の同一の被写体に対して、其々画像情報に異なる規則的な変形がある現象を利用して、中心軸の偏差位置を割出して行う、その詳細は、その他技術分野に属し、本発明と直接な関連なく、詳細の論述を省略する。
尚、その歪みが、自動復元する管壁展開図には影響があり、動画では、隣接の画像を連結する必要がなく、人の目で判断するので、影響受けない。Basically, the image correction is performed on the same subject at the viewing angle intersection due to the difference in projection coordinates between the image information via the front field lens set 1 and the image information via the rotating body reflecting surface 2. The details, which are obtained by determining the deviation position of the central axis by utilizing a phenomenon having different regular deformations, belong to other technical fields, and a detailed description thereof is omitted without being directly related to the present invention.
It should be noted that the distortion has an effect on the pipe wall development view that is automatically restored, and in a moving image, it is not necessary to connect adjacent images and is not affected because it is determined by the human eye.
上記の詳細な説明は、本発明の特定な実施形態を説明するものであって、本発明を限定する意図はない。本発明の範囲内での数多くの変更形態及び変形形態が可能である。
本発明は、以下の請求項に示されている。The above detailed description describes specific embodiments of the present invention and is not intended to limit the present invention. Numerous modifications and variations within the scope of the present invention are possible.
The invention is set forth in the following claims.
１・・・・ 前視野レンズ組
２・・・・ 回転体反射鏡、
２ａ・・・ 回転反射鏡
２ｂ・・・ 環状プリズム
３・・・・ 結像レンズ
６・・・・ 前視野レンズ固定（平面照明の床でもある）
７・・・・ イメージ・センサー
８・・・・ 中央円形撮像エリア
９・・・・ 環状帯撮像エリア
１０・・・ 記録エリア境界線
２０・・・ 透明保護ケース
３０・・・ 被写体（３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）
３１・・・ 入射光（３１ａ、３１ｂ）
３２・・・ 射影（３２ａ、３２ｂ、３２ｃ）
３３・・・ 撮像情報の重複部分（３３ａ、３３ｂ、３３ｃ）
３４・・・ 先行隣接撮像情報の射影1 ... Front-field lens set 2 ... Rotating body reflector,
2a ... Rotating reflecting mirror 2b ...
7... Image sensor 8... Central circular imaging area 9... Annular band imaging area 10 .. Recording area boundary line 20 .. Transparent protective case 30 .. Subject (30a, 30b) 30c)
31 ... Incident light (31a, 31b)
32 ... Projection (32a, 32b, 32c)
33 ... Overlapping part of imaging information (33a, 33b, 33c)
34 ... Projection of preceding adjacent imaging information
Claims (7)
該前視野レンズと同軸に配置され、更に前視野レンズ光軸と交差する入射光を屈折する２つ以上の異なる線分で形成された中心に円形空洞のある回転体状の反射鏡又は同一機能を有する環状プリズムで構成された回転体反射鏡を有することを特徴とした撮像装置。A front viewing lens composed of a single optical lens or a set of optical lenses with a wide viewing angle;
Rotating reflector having a circular cavity at the center or having the same function, which is formed by two or more different line segments that are arranged coaxially with the front field lens and refract incident light intersecting the optical axis of the front field lens An imaging apparatus having a rotating body reflecting mirror constituted by an annular prism having
前記前視野レンズと前記回転体反射鏡が互いに干渉しない入射光路を形成し、同一撮像面上に射影する機能を有し、
前記の前視野レンズ経由の入射光は該同一撮像面上の中央円形エリアに、
前記回転体反射鏡経由の入射光は前記中央円形エリアと同心の該同一撮像面上の環状帯エリアに、異なる画像として同時に撮像する撮像装置。The imaging apparatus according to claim 1,
The front field lens and the rotary reflector form an incident optical path that does not interfere with each other, and has a function of projecting on the same imaging surface,
Incident light via the front field lens is in a central circular area on the same imaging surface,
An image pickup apparatus that simultaneously picks up incident light passing through the rotating reflector as different images in an annular band area on the same image pickup surface concentric with the central circular area.
前記前視野レンズと前記回転体反射鏡の視野角は互いに重複する部分を有する撮像装置。In the imaging apparatus according to claim 1 or 2,
The imaging apparatus which has a part with which the viewing angle of the said front visual field lens and the said rotary body reflective mirror overlaps mutually.
前記回転体反射鏡を通した環状撮像画像と、前記前視野レンズを通して形成された内円撮像画像の２画像間に境界線となる少なくとも最小幅は、前記撮像面の１画素である画像データが形成されない又は、画像出力されない分割境界が存在する撮像装置。In the imaging device of claims 1, 2 and 3,
At least the minimum width that becomes a boundary line between the two images of the annular captured image that has passed through the rotating reflector and the inner circle captured image that has been formed through the front field lens is image data that is one pixel of the imaging surface. An imaging device having a dividing boundary that is not formed or that does not output an image.
前記の環状プリズムレンズを経由した入射光により形成された画像情報は、連続の２枚の間、互いに全円周の単位で重複の部分を有する撮像装置。In the imaging device according to claim 1, 2, 3, and 4,
The image information formed by the incident light that has passed through the annular prism lens has an overlapping portion in units of the entire circumference between two consecutive images.
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