JP2004072262A - 撮像手段のガンマ補正方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】CCDカメラが有する全画素Pを所定の順番で個別に選択し、順次選択される画素について、所定の照明下で撮像した際に単位出力が得られるベース露光時間を決定し(ステップ1〜7)、選択された画素に対して、決定されたベース露光時間S[P]の整数倍を実露光時間Sに設定し、設定された実露光時間毎に前記照明下で撮像して同画素の出力値を測定し(ステップ8〜16)、各画素毎に、測定された各出力値を、該当する実露光時間の算出に使用された整数値からなる各入力値に対応付けて記録したルックアップテーブルを作成し(ステップ17)、作成されたルックアップテーブルに基づいて、前記CCDカメラのガンマ補正を画素を単位に行なう。
【選択図】 図2
Description
【発明が属する技術分野】
本発明は、撮像手段のガンマ補正方法及び装置、特にCCDカメラ等の撮像手段について、ガンマ補正のためのルックアップテーブルを画素を単位に自動的に作成し、該テーブルに基づいて撮像手段を補正する際に適用して好適な、撮像手段のガンマ補正方法及び装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
CCD(Charge Coupled Device)カメラ等の撮像手段では、入射した光の強度に応じた大きさの出力(電圧、電流)が発生し、その出力から画像データ(各画素の輝度値)が作成されるようになっている。ところが、必ずしも入射光の強度に比例した出力が得られるとは限らない。特に、画像計測の分野では、CCDカメラ等を使用し、得られる画像データに基づいて測定や検査を行なう場合には、出力が入力に比例している、即ちγ値が1であることが要求される。従って、このような場合には、使用するCCDカメラ等において、γ値が1でない場合には、その補正(ガンマ補正)を行なう必要がある。又、対象によっては、1以外の任意の値への補正が必要になる場合もある。このガンマ補正は、画像処理の際に利用される補正処理の1つであり、補正時に使われる関数(2次関数)が表わす曲線がギリシャ文字のガンマに似ていることから、このように呼ばれている。
【0003】
従来、このようなガンマ補正には、入力画像の輝度値を出力画像の輝度値に変換するための変換テーブルからなるルックアップテーブルを用いて補正する方法がある。そして、このようなガンマ補正に使用するルックアップテーブルを作成する方法として以下の2つが知られている。
【0004】
(1)テストチャートを使用する方法
濃度が段階的に変化しているパターンで構成された校正板(テストチャート)を撮像し、その際に得られる画像データ(輝度値)からルックアップテーブルを作成する。
【0005】
(2)カメラレンズの絞りを利用する方法
絞りの数値が小さくなるほどカメラに入射する光の強度が大きくなるが、小さくする際の数値1目盛毎に光の強度が倍になることを利用する。絞りを1目盛ずつ変えながら、均一な照明光を撮像し、各絞り毎の画像データからルックアップテーブルを作成する。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記(1)、(2)の従来のルックアップテーブルの作成方法には、それぞれ以下に説明する(A)〜(D)のような多くの問題がある。
【0007】
(A)1画素単位で補正が出来ない。
【0008】
(1)テストチャートを用いた場合
CCDカメラでは1画素毎に感度の差があるので、画素単位でルックアップテーブルを作り、ガンマ補正する方法が最も高い精度が得られる。しかし、従来はi)画面全体で1個のルックアップテーブルを共用する方法、あるいは、ii)各画素をいくつかの領域に分割し、各領域毎にルックアップテーブルを作成す方法、が用いられているに過ぎず、1画素毎のガンマ補正は行われていない。
【0009】
(2)レンズの絞りを用いた場合
画素単位でルックアップテーブルを作成することは可能ではあるが、一般的には行なわれていない。
【0010】
(B)入力する光に起因して精度が低い。
【0011】
(1)テストチャートを用いた場合
濃度の変化(ステップ)が正確なテストチャートを作ることが難しい。仮にテストチャートの濃度の変化が正確に作られたとしても、チャート全体が一様に照明されていなければ、チャートの濃度通りの光は入力されない。チャート全体を一様に照明することは実際には難しく、一般的には不均一な照明光となる。従って、得られるデータには誤差が含まれることになる。
【0012】
(2)レンズの絞りを用いた場合
理論的には絞りの1目盛で光の強度が倍になるとは言え、実際には正確に倍にならないため、得られたデータには誤差が含まれることになる。
【0013】
(C)作成されるルックアップテーブルにおいては、実際に測定できるデータの間隔が広いために、テーブル内のいくつかのデータには補間による推定値を使用せざるを得ないことから、精度が低い。
【0014】
(1)テストチャートを用いた場合
濃度の変化(ステップ)が少ない場合は、上記のようにルックアップテーブルの途中の値を補間しなければならない。データ8ビットのCCDカメラの場合は、濃度の変化を細かくすることで補間するデータを少なくすることは可能であるが、例えば10ビット以上等のデータビット数が多いカメラでは、補間するデータが多くなる。
【0015】
(2)レンズの絞りを用いた場合
絞り1目盛で光の強度が倍になるだけなので、補間しなければルックアップテーブルを作成できない。特に、明るい側のデータ間隔が暗い側に比べて広くなるために、補間の精度が落ちる。
【0016】
(D)機械の制御等を目的とする画像計測用に、FA(Factory Automation)の生産現場等にカメラを設置する場合には、カメラを取り付けた状態でガンマ補正用のルックアップテーブルを自動的に更新する自動化は難しい。
【0017】
(1)テストチャートを用いた場合
対象物の代わりにテストチャートを自動的に退避・復帰する機構等が別途必要になる。使用していないテストチャートを、汚れるなどしてその機能が損なわれない状態に管理保管しておくための機構あるいは作業が必要になる。実際には、こういった機構を設けること自体が、設置スペースの制限等から困難な場合が多い。
【0018】
(2)レンズの絞りを用いた場合
絞りを自動で変えられるレンズを用いれば自動化できる。しかし、機械的な機構によって絞りを変えているため、耐久性の問題から定期的(頻繁)にガンマ補正を行なうことは難しい。
【0019】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、ガンマ補正用の高精度なルックアップテーブルを、補助的な治具を使用することなく、画素を単位に自動的に作成することができ、結果としてCCDカメラ等の撮像手段を正確にガンマ補正することができる撮像手段のガンマ補正方法及び装置を提供することを課題とする。
【0020】
【課題を解決するための手段】
本発明は、撮像手段が有する撮像部を構成する全画素を所定の順番で個別に選択し、順次選択される画素について、所定の照明下で撮像した際に単位出力が得られるベース露光時間を決定し、選択された画素に対して、決定されたベース露光時間の整数倍を実露光時間に設定し、設定された実露光時間毎に前記照明下で撮像して同画素の各出力値を測定し、各画素毎に、測定された各出力値を、該当する実露光時間の算出に使用された整数値からなる各入力値に対応付けて記録したルックアップテーブルを作成し、作成されたルックアップテーブルに基づいて、前記撮像手段のガンマ補正を画素を単位に行なうことにより、前記課題を解決したものである。
【0021】
本発明は、又、撮像手段が有する撮像部を構成する全画素を所定の順番で個別に選択する選択手段と、順次選択される画素について、所定の照明下で撮像した際に単位出力が得られるベース露光時間を決定する決定手段と、選択された画素に対して、決定されたベース露光時間の整数倍を実露光時間に設定する設定手段と、設定された実露光時間毎に前記照明下で撮像して同画素の各出力値を測定する測定手段と、各画素毎に、測定された各出力値を、該当する実露光時間の算出に使用された整数値からなる各入力値に対応付けて記録したルックアップテーブルを作成する作成手段と、作成されたルックアップテーブルに基づいて、前記撮像手段のガンマ補正を画素を単位に行なう補正手段とを備えたことにより、同様に前記課題を解決したものである。
【0022】
即ち、本発明においては、入力画像の輝度値を、順次選択される画素を単位に、単位出力が得られるベース露光時間の整数倍(実露光時間)で設定するようにしたので、画素毎のルックアップテーブルを自動的に作成することが可能となり、ガンマ補正を画素単位で正確に行なうことが可能となる。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0024】
図1は、本発明に係る一実施形態の撮像手段のガンマ補正装置が適用されるCCDラインセンサカメラ10の概要を示すブロック図である。
【0025】
このCCDラインセンサカメラ(撮像手段)10は、多数の画素がCCD素子により構成されているイメージセンサ(撮像部)12と、撮像時に該センサ12から出力される電気信号をアナログ/デジタル変換部14を介して入力されるA/D変換値後の信号を記録する測定値記録用RAM15と、該記録用RAM15から読み出された画像信号をガンマ補正するガンマ補正部16と、該補正部16で補正処理する際に参照するルックアップテーブルを格納しておく該テーブル記録用RAM18と、各種演算処理を実行するCPU(中央演算処理装置)20と、該CPU20による処理結果に基づいて、前記イメージセンサ12に対して撮像タイミングを制御するための信号を出力するタイミング発生回路22とを備えている。
【0026】
又、このカメラ10では、前記ガンマ補正部16により補正された画像信号は、RS422規格のシリアルインタフェイス24を介して出力単子からビデオ出力(差動デジタル信号)として出力されるようになっている。又、前記CPU20には、ROM26とRAM28がそれぞれ接続されているとともに、RS232C規格のシリアルインタフェイス30を介して外部端子(I/F)と接続され、各種データの入出力が可能になっている。
【0027】
本実施形態の補正装置は、前記イメージセンサ12を構成する全画素を所定の順番で個別に選択する選択手段と、順次選択される画素について、図示しない所定の照明下で撮像した際に単位出力が得られるベース露光時間を決定する決定手段と、選択された画素に対して、決定されたベース露光時間の整数倍を実露光時間に設定する設定手段と、設定された実露光時間毎に前記照明下で撮像して同画素の出力値を測定する測定手段と、各画素毎に、測定された各出力値を、該当する実露光時間の算出に使用された整数値からなる各入力値に対応付けて記録したルックアップテーブルを作成する作成手段と、作成されたルックアップテーブルに基づいて、前記撮像手段のガンマ補正を画素を単位に行なう前記ガンマ補正部(補正手段)16とを備えている。
【0028】
本実施形態では、前記補正手段16を除き、画像処理を含む演算処理を実行する前記各手段は、前記CPU20においてROM26及びRAM28に格納されているソフトウェア等により実現されている。特に、前記測定手段は、前記測定値記録用RAM15から画素単位で信号を読み込み、その輝度値を認識するCPU20により実現されている。又、γ補正部16は、前記RAM18に記録されているルックアップテーブルと前記RAM15に記録されている画像信号の値から、出力すべき補正後の輝度値を決定して出力するようになっている。但し、この補正手段16も同様に前記CPU20においてソフトウェアにより実現するようにしてもよい。
【0029】
次に、本実施形態の作用を、各画素の輝度データ(階調値)が8ビットで、有効画素数が1024のCCDラインセンサカメラの場合を例に、図2のフローチャートに従って説明する。
【0030】
このフローチャートで使用する各記号の意味は以下のとおりである。
【0031】
P:CCDの画素の通し番号(1〜1024)
H:ルックアップテーブルの入力値(1〜255)
S:撮像する時の実露光時間(時間)
・ラインセンサの場合はスタートパルス間隔になる
・エリアセンサの場合はシャッタースピードになる
S[P]:ベース露光時間(時間)
・画素Pの出力値が1となる時の実露光時間を意味する
Smin:使用するカメラの設定可能な最も短い下限露光時間(時間)
ΔS:ベース露光時間(S[P])を探す時の露光時間の最小増加量(時間)
V[P][S]:実露光時間Sで撮像した時の画素Pの輝度値(0〜255)
L[P][H]:ルックアップテーブルの入力値Hに対する出力値(0〜255)
【0032】
まず、本実施形態の補正装置の初期化を行なう(ステップ1)。この初期化では、使用するカメラにおいて設定可能な最も短い下限露光時間Sminで撮像した時の画素Pの輝度値:V[P][Smin]≦1となるレベルに照明の明るさを調整する。この照明レベルは予め実験的に決めておく。又、このレベルが予め分っている場合は、ここでの作業はしなくてよい。又、このステップ1の初期化では、ルックアップテーブル記録用RAM18の値をゼロクリアする処理も行なう。この時、0列目の値(補正前の値が0のときに補正後の値として0を出力するためのもの)もゼロクリアされる。
【0033】
上記ステップ1で使用する照明強度の設定が終了した後、画素の通し番号Pを1に設定する(ステップ2)。ここでは、次のステップ3と後述するステップ17とで示されるように、1番目の画素から1024番目の画素まで、順番に選択してガンマ補正用のルックアップテーブルを作成していくことにする。但し、最終的に全画素について作成されるようにできれば選択する順番は任意でよい。
【0034】
次いで、1番目の画素について、ベース露光時間を求めるために、最初の実露光時間Sを設定する。この実露光時間Sとしては、前述した下限露光時間Sminを設定する(ステップ4)。但し、出力値(輝度値)が階調値で1(単位出力)となる場合の露光時間が予め想定できる場合は、その値より若干小さい値を設定するようにしてもよい。このようにすることにより、処理時間を短縮することができる。
【0035】
次いで、上記ステップ4で設定された下限の実露光時間Sで撮像する画像入力を行い(ステップ5)、入力されたP(=1)番目の画素の輝度値(出力)が1か否かを判定し(ステップ6)、該P番目の画素の輝度値が1に達していない場合は、実露光時間Sを変更可能な最も小さな値である最小増加量ΔSだけ長くし(ステップ7)、再びステップ5の画像入力を行なう。
【0036】
上記ステップ6において、P番目の画素の輝度値が1となったときの実露光時間Sを、該画素Pのベース露光時間S[P]として記録(設定)すると共に、入力値H=1のときの該P番目の画素に関するガンマ補正用ルックアップテーブルの出力値L[P][1]に、単位出力値1を設定する(ステップ8、9)。但し、全ての画素において初期出力値L[P][1]の値は1に決まっているので、ステップ1の初期化で一括して設定しておくようにしても、あるいは特にデータとしてもたなくてもよい。
【0037】
初期入力値H=1に対する単位出力値設定の処理が終了した後、ルックアップテーブル作成の対象とする入力値Hに次の入力値2を設定し(ステップ10)、次のステップ11でルックアップテーブルの入力値の全について測定したか否かの判定を行う。この例では、8ビットカメラなので、入力値の最大は255(=28−1)となる。
【0038】
この段階では、当然入力値Pが255以下であるため、ステップ11でYesの方向へ進み、そのときの入力値H=2に相当する実露光時間Sにベース露光時間S[P]のH倍を設定し(ステップ12)、該実露光時間Sで実際に撮像して画像入力を行い(ステップ13)、そのときの輝度値V[P][S]を測定し、測定された該輝度値(階調値)をP番目の画素のガンマ補正用ルックアップテーブルの出力値L[P][V[P][S]]に設定し、画素Pに関する入力値Hに対応する出力値L[P][V[P][S]]としてメモリ(RAM)に保存する(ステップ14)。その後、この入力値Hのときの実測輝度値V[P][S]が255に達していないときには、入力値Hを1増加し(ステップ15、16)、ガンマ補正用のルックアップテーブル作成の対象とする入力値を、未だ出力測定していない次の入力値に変更し、以上のステップ11〜16までの各処理を最後の入力値H=255まで繰り返す。
【0039】
1番目のP=1の画素について、全ての入力値Hに対する出力輝度値の測定が終了したら(ステップ11でNo)、又は実測輝度値V[P][S]が255に達したら(ステップ15でNo)、画素番号Pを1増加させ、ガンマ補正用のルックアップテーブル作成の対象とする画素を、未だ測定していない次の画素に変更し(ステップ17)、該画素について前記ステップ4〜16の各処理を行なうと共に、前記ステップ3により対象とする画素が無くなるまで各処理を繰り返す。全ての画素について上記各処理が終了した後(ステップ3でNo)、テーブル補間処理を行ない(ステップ18)、ルックアップテーブルの作成を終了する。
【0040】
この最後のステップ18で行なうテーブル補間処理では、前記ステップ14に従って補正後の輝度値Lを記録していくと、ルックアップテーブルに値が確定しない箇所(初期値0のまま)が生じている場合があるので、該テーブル全体を走査L、未確定の値を補間して決定する。
【0041】
これを、ルックアップテーブル記録用RAM18におけるn行(n画素、フローチャートではP画素)目のテーブルを具体例として説明する。前記ステップ9により初期入力値H=1に対して単位出力値=1が設定された状態は、図3(A)のように表わすことができる。次いで、前記ステップ14により、入力値H=2に対して出力値2が得られたとすると、同図(B)に示すようになるが、同じくステップ14により、次の入力値H=3、H=4に対しては出力値が、それぞれ4、7であったとすると、同図(C)、(D)に示すように、値が初期値0のままの確定しない箇所(列)が生じることになる。
【0042】
このような値が未確定の列が生じている場合には、図4にm列目がWに、(m+k)列目がZ(Z−W=1)にそれぞれ確定している場合の補間方法のイメージを示すように、テーブル上で最も近い位置にある確定値を使って補間する。この補間方法を、前記図3(D)に適用すれば、図5に示すようになる。
【0043】
又、H=256になり、前記ステップ11の判定処理を抜けた状態で255列までテーブルの値が確定していない場合には、図6に示すように、残りは全て255に設定するテーブル補間処理(終端処理)を行なう。
【0044】
本実施形態においては、図7にCCDラインセンサカメラのイメージセンサ12が有する各画素に対応させて、測定値記録用RAM15及びルックアップテーブル記録用RAM18にそれぞれ保存されるデータのイメージを示すように、以上詳述した処理により、実測値に基づく出力値が記録されたルックアップテーブルを作成することができる。
【0045】
ここで使用しているルックアップテーブル記録用RAMには、カメラとして1024画素、8ビット(0〜255階調)のCCDラインセンサカメラを使用しているため、262144[バイト](1024[画素]×256[階調(入力)]×8[ビット(出力)]=1024[行]×256[列]×1[バイト])の容量が必要になる。
【0046】
このルックアップテーブルでは、前記フローチャートに従って作成された実測データに基づいて画素単位でガンマ補正することにより、行番号がCCDの画素の通し番号Pに、列番号がルックアップテーブルの入力値Hに対応し、各行・各列により規定される升目に対応する番地のRAMには実測値に基づく補正後の出力値Lが記録されている。つまり、記録用RAMで「P行H列に値Lが記録されている」場合の補正は、「P番目の画素が入力した輝度値がH階調の場合には、P番目の画素の補正後の出力値をL階調とする」ということを意味する。
【0047】
図8には、1画素についての補正前と補正後の入力値と出力値の関係を示す。補正前の出力値は、前記フローチャートに従って実測された輝度値である。同図(A)、(B)には任意のγ値で実測された輝度値をγ=1に補正する場合のイメージを、同図(C)、(D)は逆の場合のイメージをそれぞれ示している。
【0048】
一般に、スキャナやカラープリンタなどの、画像データの入出力機器は、それぞれ固有のガンマ値をもっている。画像を忠実に再現するためには、画像入力から最終出力までの全体のガンマが1になるようにする必要がある。入出力機器間で画像データを処理するさいにガンマ補正を施すと、ガンマ値は各ガンマ変換の値の積になる。たとえばスキャナのガンマ=0.56で、ディスプレイのガンマ=1.8なら、全体のガンマは0.56×1.8となってほぼ1になる。
【0049】
本実施形態によれば、図4(C)、(D)に示すように1以外の任意のガンマ値に補正できることから、このような入出力機器間のガンマ補正を行なうこともできる。
【0050】
ここに、補正する際の具体的な操作を簡単に説明する。前記測定値記録用RAM15には(A/D変換された)センサからの信号がガンマ補正される前の輝度値として記録されている。又、ルックアップテーブルには、測定値記録用RAM15に記録されている画素Pの輝度値V[P][S]に対応する補正後の輝度値L[P][V[P][S]]が記録されている。
【0051】
具体例ではγ=1となる補正後の輝度値L’を得るには、まずγ=1となる補正後の輝度値Lを求め、次に下記ガンマ補正の式
L’=255×(L/255)1/γ
に従ってLからL’を計算し、Lを書き換える。ルックアップテーブルの全ての値についてこのL’を求める。この任意のγ値への変換作業は、前記フローチャートには省略されているが、CPU20によって前記ステップ18の「テーブル補間処理」を終了した後に行う。
【0052】
以上詳述した本実施形態によれば、CCDカメラ等のガンマ補正用ルックアップテーブルを、従来の方法より正確に作成することができると共に、画素を単位として、例えばグレースケール等の補正のための補助的な治具を使用することなく、自動的に(定期的に)作成することができることから、該ルックアップテ−ブルを用いることにより、画素単位で高精度なガンマ補正を行なうことができる。
【0053】
以上、本発明について具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に示したものに限られるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【0054】
例えば、本発明に係る補正装置の具体的な構成は前記実施形態に示したものに限定されない。
【0055】
又、前記実施形態では、撮像手段がCCDカメラである場合を示したが、これに限定されず、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)等であってもよい。
【0056】
又、ベース露光時間を決定する単位出力は、階調値ではなく、所定の電流値や電圧値であってもよい。
【0057】
又、入力値Hの設定は必ずしも全階調値について行わなくてもよく、例えば1つ置きや2つ置き等であってもよい。
【0058】
【発明の効果】
以上説明したとおり、本発明によれば、CCDカメラ等の撮像手段のガンマ補正に使用する高精度なルックアップテーブルを、補助的な治具を使用することなく、画素を単位として自動的に作成することができ、結果として撮像手段を正確にガンマ補正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る一実施形態の補正装置の概要を示すブロック図
【図2】ガンマ補正用のルックアップテーブルの作成手順を示すフローチャート
【図3】ルックアップテーブルに未確定値が生じる理由を示す説明図
【図4】ルックアップテーブルの未確定値の補間方法を示す説明図
【図5】ルックアップテーブルの未確定値を補間した結果を示す説明図
【図6】ルックアップテーブルの終端未確定値の補間方法を示す説明図
【図7】作成されるルックアップテーブルの全体のイメージを示す説明図
【図8】ガンマ補正前と後の入力と出力の関係を説明するための線図
【符号の説明】
10…CCDラインセンサカメラ
Claims (4)
- 撮像手段が有する撮像部を構成する全画素を所定の順番で個別に選択し、順次選択される画素について、所定の照明下で撮像した際に単位出力が得られるベース露光時間を決定し、
選択された画素に対して、決定されたベース露光時間の整数倍を実露光時間に設定し、設定された実露光時間毎に前記照明下で撮像して同画素の各出力値を測定し、
各画素毎に、測定された各出力値を、該当する実露光時間の算出に使用された整数値からなる各入力値に対応付けて記録したルックアップテーブルを作成し、
作成されたルックアップテーブルに基づいて、前記撮像手段のガンマ補正を画素を単位に行なうことを特徴とする撮像手段のガンマ補正方法。 - 前記単位出力が、設定可能な単位階調値であることを特徴とする請求項1に記載の撮像手段のガンマ補正方法。
- 撮像手段が有する撮像部を構成する全画素を所定の順番で個別に選択する選択手段と、
順次選択される画素について、所定の照明下で撮像した際に単位出力が得られるベース露光時間を決定する決定手段と、
選択された画素に対して、決定されたベース露光時間の整数倍を実露光時間に設定する設定手段と、
設定された実露光時間毎に前記照明下で撮像して同画素の各出力値を測定する測定手段と、
各画素毎に、測定された各出力値を、該当する実露光時間の算出に使用された整数値からなる各入力値に対応付けて記録したルックアップテーブルを作成する作成手段と、
作成されたルックアップテーブルに基づいて、前記撮像手段のガンマ補正を画素を単位に行なう補正手段とを備えたことを特徴とする撮像手段のガンマ補正装置。 - 前記単位出力が、設定可能な単位階調値であることを特徴とする請求項3に記載の撮像手段のガンマ補正装置。
Priority Applications (1)
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