投光原理

環場式膠囊內視鏡與傳統膠囊內視鏡投光方式並不相同[18]，如圖2.10所示，傳統 式膠囊內視鏡利用LED照射在前方的橢圓殼焦平面上，利用橢圓焦平面的特性將LED 打出去之雜散光反彈至另外一顆LED上解決雜散光的問題。環場式膠囊內視鏡因為有 錐狀鏡機構的關係，無法利用橢圓焦平面原理將雜散光打入另一顆LED上，環場式膠 囊內視鏡包含了打在膠囊殼上反射回來的雜散光與打在錐狀鏡直接反射回來的雜散 光，另外因為鏡頭與錐狀鏡之間的距離較短，故所拍攝出來的中間影像較為明亮，而 外部的影像較為暗沉，如圖2.11所示。

圖2.10 膠囊內視鏡與環場式膠囊內視鏡投光比較

圖2.11 影像過曝區域

第 三 章 色 彩 學

3.1 表色系統

利用數值的來表示色彩，稱之為表色(color specification)。表色系統又分為顯色系 統(color appearance system)與混色系統(color mixing system)，如圖3.1所示。顯色系統以 色票作為系統的標準去制定，如孟塞爾表色系統(munsell color specification)；混色系統 以光的混色為系統的定義，如CIE表色系統[19]。

圖3.1 表色系統架構圖

3.1.1 孟塞爾系統

孟塞爾表色系統是在1905年經由阿爾伯特孟塞爾(Albert H. Munsell)所提出，在

1930年由美國光學學會(Optical Society of America, OSA)將此系統加以修正，於1943年 發表了修正孟塞爾表色系統。孟塞爾表色系統大致為一個圓筒座標，圓周部分代表著 色相(hue)，縱軸與橫軸分別代表著明度(brightness)與彩度(chroma)[20]，如圖3.2所示，

彩通系統色票(pantone matching system)與自然顏色系統(Natural Color System, NCS)就是 以這個為基準所設計，如圖3.3所示。

圖3.2 孟塞爾表色系統

圖3.3 (a)Pantone色票, (b)NCS色票

自然顏色系統是由黑、白、紅、綠、藍與黃六種獨立色感所構成，其中黑與白是 不包含彩度的明度，其他的色彩均可由這六種色彩去混加而成。NCS可以由三軸方式 去表示，其中包含了色三角形與色相環[21]，如圖3.4所示。每張色票上面都有編號，

每個編號代表著一個顏色，前面的英文字母代表著NCS第二版的意思與標準，接著數 字分別代表著明度、彩度與色相，如圖所示。

圖3.4 (a)NCS色三角形, (b) NCS色相環

3.1.2 CIE系統

一個風景由照相機所拍攝到顯示器顯示，其中經由了各式各樣的輸入與輸出設 備，在不同設備的色彩規格也不相同，國際照明委員會(Commission Internationale de l'Eclairage, CIE)結合物理與色彩心理所推導的一系列的色彩計算方法，目前的色彩與影 像相關產業大部分都採用了CIE所規定的表色系統作為標準[22]。

色彩可以由三種屬性(色相、彩度與明度)來描述。

色相：

以 八 位 元 編 碼 的 R 、 G 與 B 來 說 明 ， 當 紅 色 全 開 ， 綠 色 與 藍 色 關 閉 ， 編 碼 是 (255,0,0)，就會顯示出紅色。如果當綠色全開，紅色與藍色全關，編碼為(0,255,0)，就 會顯示出綠色。色相代表著就是顏色的名稱，如紅、綠、藍與黃等。不同的色相代表 著不同的顏色。如圖3.5所示。

圖3.5 (a)紅色色相, (b)綠色色相, (c)藍色色相 彩度：

彩度代表著顏色的純度，彩度越高代表著顏色的純度也越高。當紅色全開時，藍 色與綠色全關，代表著這是一個純度很高的紅色，因為沒有藍色與綠色的成分。當紅 色全開時，綠色與藍色並非全關，此時並非一個純度很高的紅色，因為它受到綠色與 藍色的影響。由此可以知道，如果將綠色與藍色的位元編碼提高，此時紅色會慢慢地 變成粉紅色，代表著白色為彩度最低的色彩。如圖3.6所示。

圖3.6 (a)高彩度紅色, (b)中彩度紅色, (c)低彩度紅色 明度：

明度代表色彩的亮度，當紅色全開時，此時就是一個明度很高的紅色。當紅色色 階降到一半時，這時候的紅色會變較為暗淡。明度會隨著色階降低而降低，如圖3.7所 示。

圖3.7 (a)高明度紅色, (b)中明度紅色, (c)低明度紅色

國際照明委員會在西元1931年利用色彩心理學來進來實驗，利用實驗結果求出人 類的眼睛在可見光範圍內(380 nm~780 nm)內的配色函數(color matching functions)，如 圖3.8所示，並且提出了XYZ色彩空間，利用數學方式來定義真實世界中所有的色彩，

如式3.1所示，式中積分的範圍決定於可見光，一般定義於380 nm~780 nm，S(λ)為照明 光源光譜分布，C(λ)為物體反射光譜分布。

圖3.8 CIE1931 XYZ配色函數 圖(xy chromaticity coordinates) [23]，如圖3.9所示。色度圖的最外圍是一個馬蹄形的光 譜軌跡，在軌跡之外的色座標點都是人眼無法看到的部份，CIE1931 xy色度圖的最大 缺點為在xy色度圖上的不同兩點的距離的色差值都並不相同。所以CIE在西元1964年提 出了uv系統[24]，公式3.2為式。色度圖只能表現色彩的主波長(dominant wavelength)與 刺激純度(excitation purity)，這兩者類似色彩三屬性的色相與彩度，尚未包含明度資訊 的Y軸。加入明度資訊的xy色度圖才能完整的表達色彩特性[25]，如圖3.10所示。

圖3.9 CIE 1931 xy色度圖

Z Y X y Y Z

Y X x X

+

= + +

= + _(3.2)

Z Y X ' Y Z v

Y X ' X

u 15 3

9 3

15 4

+

= + +

= +

圖3.10 CIE1931 xyY色度圖[25]

CIEXYZ色彩空間在於色彩值的量化上是非常好用，但是人類的眼睛對於明度的變 化並非呈現線性，所以造成CIEXYZ色彩空間的呈現並不均勻，相同的色差在CIEXYZ 色彩空間上的距離呈現並不相同。CIE在西元1976年提出了Lab均等表色空間(uniform color space)來改善原本CIEXYZ色彩空間的色差(color difference)不均勻的問題，如圖 3.11所示，XYZ與Lab之間轉換公式如式3.3，L為明度，a為紅色到綠色色相座標，b為 黃色到藍色色相座標，XnYnZn為參考白的三刺激值。

圖3.11 CIE1931 Lab色度圖[26]

⎪⎩

3.2 色彩量測

目前較常使用的色彩量測儀器約分為兩種，第一種是將量測光源或者物體反射光 源穿透以配色函數為基準的色彩濾光片(color filter)，再利用色度儀(colorimeter)來讀取 刺激值[27][28]，如圖3.12。另外一種為光譜儀(spectrophotometer)，是利用稜鏡或光柵 來將光源分散成各頻譜後，再透過透鏡將其聚焦於縫隙上，將縫隙位置改變以得到任 意波長光譜[29]，如圖3.13。

圖3.12 色刺激值色度儀

圖3.13 稜鏡光譜儀

當人類的眼睛再觀看一個色彩物體的時候，會發現到以不同的角度去觀看此物 體，所看到的色彩會有些許的變化，這個說明了入射光的角度與物體反射光的角度與 觀察角度會對於量測色彩有一定的影響，所以CIE對於量測的幾何關係做了以下的十點 建議[30]：

(1) 利用積分球將光源均勻化後照射於樣品上，並且光接收器的位置與樣品之中心 垂直線夾角為八度。

(2) 利用積分球將光源均勻化後照射於樣品上，並且光接收器的位置與樣品之中心 垂直線夾角為八度，接收器前面擺放一個反射片。

(3) 光源以八度角照射在樣品上面，將反射光經由積分球均勻後量測。

(4) 光源以八度角照射在樣品上面，將反射光經由積分球均勻後量測，接收器前面 擺放一個反射片。

(5) 利用積分球將光源均勻化後照射於樣品上，並且光接收器的位置與球面垂直位 置。

(6) 利用積分球將光源均勻化後照射於樣品上，並且光接收器的位置與樣品垂直位 置。

(7) 利用兩右旋圓錐光束照射樣品兩圓錐之半角分別為四十度與五十度，且光接收 器與樣品垂直。

(8) 利用兩右旋圓錐光束照射樣品兩圓錐之半角分別為九十度，且光接收器與樣品 四十五度角量測。

(9) 光線以四十五度角照射在樣品上，將光接收器放置與樣品垂直。

(10)光線以垂直照射在樣品上，將光接收器放置與樣品呈四十五度角。

3.3

S

RGB標準[31]

sRGB標準為網際網路環境與顯示器與印表機下所定義出來的色彩標準，其中它定 義了標準環境下的RGB灰階值以及Gamma特性，下表3.1為sRGB三刺激係數表。

表3.1 sRGB參數表[31]

可以利用sRGB反轉換矩陣將XYZ刺激值轉換回RGB刺激值，如式3.6所示。將運算 出來的RGB刺激值將Gamma特性加入其中求得正確的RGB刺激值，如式3.7所示。

⎥⎥

第 四 章

影 像 接 合 處 理 與 色 彩 校 正

4.1 環場式影像接合處理

環場式膠囊內視鏡利用錐狀鏡拍攝到環場式影像，利用重建影像還原所拍攝的環 場立體影像，整體流程圖如圖4.1所示。因為環場影像為極座標形式呈現，故先利用直 角座標轉換，將環場影像由極座標形式轉換至直角座標形成呈現[36]，如圖4.2所示，

笛卡兒轉換公式(cartesian coordinate transformation)如式4.1所示。將直角座標影像利用對 位方式進行影像重建，在此利用皮爾森相關係數(pearson’s correlation coefficient)進行接合影 像，皮爾森相關係數是利用兩張影像兩者的相關性去進行接圖，如式4.2所示，如果兩 者相關係數越高就代表著兩者越相似，反之相關係數越小代表著兩者越不相關[37]，如 圖4.3所示。影像接合完畢時，會受幾何不同與亮度不平均[38]，造成影像接合處會產 生不連續問題出現，這裡提出兩種處理縫隙的方法，分別為平均加權平滑法與最佳化 縫隙法。

圖4.1 環場式膠囊內視鏡拍攝流程

( ) ( )

⎟⎟⎠

⎜⎜ ⎞

⎝

⎛

−

= −

−

−

−

=

−

o o

o o

x x

y tan y

y y x

x z

1

2 2

θ

(4.1)

圖4.2 直角座標轉換

( )( )

( ) _∑∑ ( )

∑∑

∑∑

−

−

−

−

=

i j ij

i j ij

i j

ij ij

Cp

2

2 β β

α α

β β α

α (4.2)

圖4.3 (a)正相關, (b)負相關, (c)完全正相關, (d)完全負相關

4.1.1 平均加權平滑法[39]

平均加權平滑法是利用兩張影像重疊的部分，進行平均加權減少縫隙，如式4.3所 示，越靠近的左邊影像的重疊部分，左邊影像的加權比重就越重，當靠近右邊影像的

重疊部分，右邊影像的加權比重就越重，如圖4.4所示。

4.1.3 影像品質

影像處理過後的影像，利用人眼觀測的統計與數值化兩種模式去評估影像的品 質。一張經過處理後的影像會與原圖放在一起提供給欲觀測者觀看，由觀測者利用問 卷的方法，將其觀測結果用統計的方式呈現，但是此方法容易受到個人主觀意識影響 而變化，故需要利用數值化將影像品質量化。

數值化評估影像品質，通常都是利用峰值雜訊比(Peak Signal to Noise Ratio, PSNR) 當作影像品質的數值。峰值為影像中最大的數值，例如8bits的峰值為255，將峰值與影 像中的雜訊做比值來做為峰值雜訊比的評估依據[42]，如式4.5。均方根差(Mean Square Error, MSE) 是將輸出影像每一個像素值減去輸入影像每一個像素值，將差值平方後相 加取平均值。峰值訊號雜訊比越大時，代表著輸出影像與輸入影像越接近，失真越 少。

( )

dB MSE PSNR

MSE

2 1 2

0 1

0

10 255 1

log m n

n

i m

j

ij ij

=

⋅ −

=

∑∑

⁻

=

−

=

β

α (4.5)

4.2 色彩校正

因為CMOS鏡頭在拍攝時，會受到燈源或者CMOS製程等影響，造成所拍攝到的影 像並非是正確的色彩，故需要利用色彩校正將錯誤的色彩資訊校正至正確的色彩資訊 上[43]。主要利用係數法與複變映射轉換多項式法，將錯誤的色點校正至新的色點。首 先將所拍攝到的影像資訊(RGB)轉換至色彩刺激值(XYZ)，利用色彩三刺激值轉換至xy 座標進行映射，流程如圖4.6所示。

圖4.6 色彩校正流程圖

在文檔中 內視鏡之色彩影像校正 (頁 26-0)