JP2007088913A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 デジタルカメラ1において、複数の異なる光電変換特性を有する固体撮像素子3と、固体撮像素子3による撮影画像の階調変換における伸張度合いに応じて、この撮影画像のノイズ除去量に関するパラメータを変化させて該撮影画像に対するノイズ除去を行うノイズ除去部6とを備える。
【選択図】 図1
Description
図1は、第1の実施形態に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラ1を示し、このデジタルカメラ1の主に撮像処理に関するブロック構成図を示している。図1に示すようにデジタルカメラ1は、レンズ部2、固体撮像素子3、アンプ4、A/D変換部5、ノイズ除去部6、階調変換部7、画像メモリ8、全体制御部9、モニタ部10及び操作部11を備えている。
ここで、上記コアリング係数の算出の考え方について具体的に説明する。
固体撮像素子3による線形/対数画像の光電変換特性は、以下の(1-1)、(1-2)式に示す入力輝度X(対数値ではない)に対する画素値Y(出力)の関係式で表される。
Y=a*X+b(0≦X≦Xth) …(1-1)
Y=α*Ln(X)+β(X>Xth) …(1-2)
但し、記号「a、b、α及びβ」は係数を示し、記号「*」は乗算を示す(以降も同じ)。また、Xth(及びこのXthに対応するYth)は、上記変曲点のX座標(及びY座標)を示す。このような光電変換特性を有する撮影画像は、0≦X≦Xth及びX>Xthの各場合でコアリング係数の算出方法が異なる。
低輝度側特性領域におけるコアリング係数の算出となる。ここでは、低輝度側特性領域でのコアリング係数thは、上述したように低輝度側特性領域に対して一律に設定した値th0を用いる(以下(1-3)式参照)。
th=th0 …(1-3)
高輝度側特性領域におけるコアリング係数の算出となる。ここでは、階調変換後のノイズ量が、高輝度側特性領域における低輝度部及び高輝度部で等しくなるような条件を導き出す。撮像時に画像信号に対してノイズが付加される場合を考えると、上記(1-2)式より、以下の(1-4)式となる。
Y=α*Ln(X)+β+N …(1-4)
但し、N:画像信号に含まれているノイズ(高輝度部、低輝度部共に同じ)
Y_LIN=exp((Y−β)/α)
=exp((α*Ln(X)+β+N−β)/α)
=exp(Ln(X)+N/α)
=exp(Ln(X))*exp(N/α)
=X*exp(N/α) …(1-5)
低周波成分をLとすると、ノイズ除去処理を行うための高周波成分Hは、上記(1-5)式より、以下の(1-6)式となる。
H=Y_LIN−L
=X*exp(N/α)−L …(1-6)
H’=X*exp(N/α)−L−ΔN …(1-7)
この高周波成分H’に低周波成分Lを加えることで、ノイズ除去後の線形特性出力Y’_LINを算出する。すなわち、Y’_LINは以下の(1-8)式で与えられる。
Y’_LIN=L+H’
=L+X*exp(N/α)−L−ΔN
=X*exp(N/α)−ΔN …(1-8)
Y’_LIN=B*D
よって、D=Y’_LIN/B
また、照明成分Bを圧縮して階調変換を行う。階調変換後の照明成分をB’とすると、
Y’_drc=B’*D
=B’*Y’_LIN/B(この式に上記(1-8)式を代入)
=B’*(X*exp(N/α)−ΔN)/B
したがって、階調変換後のノイズ量N’は、以下の(1-9)式で与えられる。
N’=Y’_drc−B’*X/B
=B’*(X*exp(N/α)−ΔN)/B−B’*X/B
=B’/B*(X*exp(N/α)−ΔN−X)
=B’/B*(X*(exp(N/α)−1)−ΔN) …(1-9)
N1’=L1’/L1*((exp(N/α)−1)−ΔN1) …(1-10-1)
N2’=L2’/L2*((exp(N/α)−1)−ΔN2) …(1-10-2)
L1’/L1*((exp(N/α)−1)−ΔN1)=L2’/L2*((exp(N/α)−1)−ΔN2) …(1-11)
これを変形すると、
(L1’/L1)/(L2’/L2)*((exp(N/α)−1)−ΔN1)=(exp(N/α)−1)−ΔN2となり、
さらにΔN2について整理すると、以下の(1-12)式となる。
ΔN2=(exp(N/α)−1)/((L1’/L1)/(L2’/L2)*((exp(N/α)−1)−ΔN1)) …(1-12)
th=(exp(N/α)−1)/((L1’/L1)/(L2’/L2)*((exp(N/α)−1)−th0)) …(1-13)
上記第1の実施形態におけるノイズ除去部6は、図7に示すノイズ除去部6aの機能ブロック図の構成であってもよい。すなわち、第2の実施形態に係るノイズ除去部6aは、上記領域判定部61を領域分割抽出部66に変更して、低輝度側特性及び高輝度側特性(線形特性及び対数特性)の光電変換特性毎に異なる処理を行うようにしたものである。ノイズ除去部6aは、領域分割抽出部66、高輝度側特性処理部610m、低輝度側特性処理部610n及び画像合成部67を備えている。領域分割抽出部66は、基画像Iから対数画像(画像I1とする)と線形画像(画像I2とする)とを分割抽出するものである。この分割抽出された画像I1、I2はそれぞれ高輝度側特性処理部610m及び低輝度側特性処理部610nに入力される。
図10は、第3の実施形態に係る撮像装置の一例であるデジタルカメラ1aの主に撮像処理に関するブロック構成図である。デジタルカメラ1aは、第1の実施形態におけるデジタルカメラ1と比べて、先の実施形態で説明したノイズ除去部6を備えずに、当該ノイズ除去の機能を兼ね備えた階調変換部7aを備える点が異なる。その他の構成については第1の実施形態と同じであり、その説明を省略する。
if(I≧Yth)
I1=(I−β)/α、I2=0 (高輝度側特性)
else
I1=0、I2=(I−b)/a (低輝度側特性) …(2-0)
I=L*R …(2-1)
ただし、(2-1)式は、線形画像としての基画像Iに対するものであり、対数画像としての基画像Iに対しては、以下の(2-2)式に示す変形式で表される。
Log(I)=Log(L)+Log(R) …(2-2)
Log(L1)=Log(F(I1)) …(2-3)
なお、Log(F(I1))を近似的にF(Log(I1))としてもよい(以下の(2-3)’式参照)。
Log(L1)=F(Log(I1)) …(2-3)’
但し、上記各式中の“F”は、照明成分抽出用の変換を示している。照明成分は画像の低周波成分で近似できるため、当該変換においてローパスフィルタ(LPF;線形フィルタ)やメディアンフィルタ(非線形フィルタ)等の低周波抽出用のフィルタを用いる。
Log(L1’)=Log(L1)*c1 …(2-4)
Log(I1’)=Log(L1’)+Log(R1’) …(2-5)
I1’=exp(Log(L1’)+Log(R1)) …(2-6)
L2=F(I2) …(2-7)
但し、上記式中の“F”は、照明成分抽出用の変換を示しており、上述と同様、この変換にはローパスフィルタやメディアンフィルタ等の低周波抽出用のフィルタが用いられる。なお、画像I2の反射率成分R2は、上記(2-1)式からR2=I2/L2で求められる。
L2’=exp(Log(L2)*c1) …(2-8)
ここで、第3の実施形態におけるコアリング係数の算出の考え方について具体的に説明する。固体撮像素子3による線形/対数画像の光電変換特性は、第1の実施形態と同様、以下の(3-1)、(3-2)式で表され、上記と同様、0≦X≦Xth及びX>Xthの各場合でコアリング係数の算出方法が異なる。
Y=a*X+b(0≦X≦Xth) …(3-1)
Y=α*Ln(X)+β(X>Xth)…(3-2)
但し、座標(Xth、Yth)はこの光電変換特性の変曲点である。
低輝度側特性領域におけるコアリング係数の算出となる。ここでは、低輝度側特性領域でのコアリング係数thは、第1の実施形態と同様、低輝度側特性領域に対して一律に設定した値th0を用いる(以下(3-3)式参照)。
th=th0 …(3-3)
高輝度側特性領域におけるコアリング係数の算出となる。ここでは、階調変換後のノイズ量が、高輝度側特性領域における低輝度部及び高輝度部で等しくなるような条件を導き出す。撮像時に画像信号に対してノイズが付加される場合を考えると、上記(3-2)式より、以下の(3-4)式となる。
Y=α*Ln(X)+β+N …(3-4)
但し、N:画像信号に含まれているノイズ(高輝度部、低輝度部共に同じ)
Y_LIN=exp((Y−β)/α)
=exp((α*Ln(X)+β+N−β)/α)
=exp(Ln(X)+N/α)
=exp(Ln(X))*exp(N/α)
=X*exp(N/α) …(3-5)
低周波成分をLとすると、ノイズ除去処理を行うための反射率成分Rは、上記(3-5)式より、以下の(3-6)式で与えられる。
R=Y_LIN/L
=X/L*exp(N/α) …(3-6)
Ln(R)=Ln(X/L*exp(N/α))
=Ln(X/L)+Ln(exp(N/α))
=Ln(X/L)+N/α …(3-7)
また、ノイズ除去量ΔNによってノイズ除去を行い、当該ノイズ除去後の反射率成分R’を求める。ノイズ除去後の反射率成分R’は、上記(3-7)より、以下の(3-8)式で与えられる。
Ln(R’)=Ln(X/L)+N/α−ΔN …(3-8)
R’=exp(Ln(X/L)+N/α−ΔN)
=exp(Ln(X/L)*exp(N/α−ΔN)
=(X/L)*exp(N/α−ΔN) …(3-9)
この反射率成分R’と、照明成分Lが圧縮された照明成分L’とを合成して、階調変換後の出力Y’を算出する。出力Y’は、上記(3-9)式より、以下の(3-10)式で与えられる。
Y’=L’*R’
=L’*(X/L)*exp(N/α−ΔN) …(3-10)
したがって、階調変換後のノイズ量N’は、上記(3-10)式より、以下の(3-11)式で与えられる。
N’=Y’−L’*(X/L)
=L’*(X/L)*exp(N/α−ΔN)−L’*(X/L)
=L’*(X/L)*(exp(N/α−ΔN)−1) …(3-11)
N’=L’*(exp(N/α−ΔN)−1) …(3-12)
N1’=L1*(exp(N/α−ΔN1)−1) …(3-13-1)
N2’=L2*(exp(N/α−ΔN2)−1) …(3-13-2)
L1*(exp(N/α−ΔN1)−1)=L2*(exp(N/α−ΔN2)−1) …(3-14)
この(3-14)式を変形してゆくと、
L1/L2*(exp(N/α−ΔN1)−1)=exp(N/α−ΔN2)−1
L1/L2*(exp(N/α−ΔN1)−1)+1=exp(N/α)/exp(ΔN2)
exp(ΔN2)=exp(N/α)/(L1/L2*(exp(N/α−ΔN1)−1)+1)となり、
ΔN2について整理すると、以下の(3-15)式が得られる。
ΔN2=Ln(exp(ΔN2))
=Ln(exp(N/α)/(L1/L2*(exp(N/α−ΔN1)−1)+1))…(3-15)
th=Ln(exp(N/α)/(L1/L2*(exp(N/α−th0)−1)+1)) …(3-16)
上記デジタルカメラ1やデジタルカメラ1aにおいては、ノイズ除去や階調変換(DR圧縮)などの各種信号処理を該デジタルカメラ内で行う構成としているが、これら信号処理をデジタルカメラ内でなく、デジタルカメラにより得られた撮像データが与えられるPC(パーソナルコンピュータ)やPDA(携帯情報端末)等の情報処理装置(デジタルカメラに対する外部装置)内で行う構成としてもよい。このような構成を備えた撮像システムについて説明する。図15に示すように、撮像システム100は、デジタルカメラ1bと情報処理装置200とを備えている。
まず、第1の実施形態に対する変更点について説明する。ここでは、高輝度側特性が対数特性から線形特性に変更されるのに伴い、ノイズ除去部6(6a)におけるコアリング係数の算出の考え方の変更が必要となる。ただし、このノイズ除去部における構成(機能ブロック構成)については変更不要である。
ここで、第5の実施形態におけるコアリング係数の算出の考え方について具体的に説明する。第1の実施形態の場合と異なり、本実施形態の適応型撮像センサの光電変換特性は、以下の(4-1)、(4-2)式に示す入力輝度Xに対する画素値Y(出力)の関係式で表される(基画像Iの光電変換特性に相当)。
Y=a1*X+b1(0≦X≦Xth) …(4-1)
Y=a2*X+b2(X>Xth) …(4-2)
但し、座標(Xth、Yth)がこの光電変換特性の変曲点である。なお、この(4-1)式及び(4-2)式の光電変換特性を有する固体撮像素子3によって得られる撮影画像のことを線形/線形画像という。
低輝度側特性領域におけるコアリング係数の算出となり、第1の実施形態と同様、コアリング係数thは、値th0となる(以下(4-3)式参照)。
th=th0 …(4-3)
高輝度側特性領域におけるコアリング係数の算出となる。この場合も階調変換後のノイズ量が、高輝度側特性領域における低輝度部及び高輝度部で等しくなるような条件を導き出す。撮像時に画像信号に対してノイズが付加される場合を考えると、上記(4-2)式より、(4-4)式となる。
Y=a2*X+b2+N …(4-4)
但し、N:画像信号に含まれているノイズ(高輝度部、低輝度部共に同じ)
Y_LIN=(Y−b2)/a2
=(a2*X+b2+N−b2)/a2
=X+N/a2 …(4-5)
低周波成分をLとすると、ノイズ除去処理を行うための高周波成分Hは、上記(4-5)式より、以下の(4-6)式で与えられる。
H=Y_LIN−L
=X+N/a2−L …(4-6)
H’=X+N/a2−L−ΔN …(4-7)
この高周波成分H’に低周波成分Lを加えることで、ノイズ除去後の線形特性出力Y’_LINを算出する。すなわち、Y’_LINは以下の(4-8)式で与えられる。
Y’_LIN=L+H’
=L+X+N/a2−L−ΔN
=X+N/a2−ΔN …(4-8)
Y’_LIN=B*D
よって、D=Y’_LIN/B
また、照明成分Bを圧縮して階調変換を行う。階調変換後の照明成分をB’とすると、
Y’_drc=B’*D
=B’*Y’_LIN/B
したがって、階調変換後のノイズ量N’は、以下の(4-9)式で与えられる。
N’=Y’_drc−B’*X/B
=B’*Y’_LIN/B−B’*X/B
=B’/B*(Y’_LIN−X)
=B’/B*(X+N/a2−ΔN−X)
=B’/B*(N/a2−ΔN) …(4-9)
N1’=L1’/L1*(N/a2−ΔN1) …(4-10-1)
N2’=L2’/L2*(N/a2−ΔN2) …(4-10-2)
L1’/L1*(N/a2−ΔN1)=L2’/L2*(N/a2−ΔN2) …(4-11)
この(4-11)式を変形してゆくと、
(L1’/L1)/(L2’/L2)*(N/a2−ΔN1)=N/a2−ΔN2となり、ΔN2について整理すると、以下の(4-12)式が得られる。
ΔN2=N/a2−(L1’/L1)/(L2’/L2)*(N/a2−ΔN1) …(4-12)
th=N/a2−(L1’/L1)/(L2’/L2)*(N/a2−th0) …(4-13)
次に、第3の実施形態に対する変更点について説明する。ここでは、高輝度側特性が対数特性から線形特性に変更されるのに伴い、階調変換部7aにおける構成の変更及び第1ノイズ除去部76mにおけるコアリング係数の算出の考え方の変更が必要となる。まず階調変換部7aの構成が変更された階調変換部7bについて説明する。
if(I≧Yth)
I1=(I−b2)/a2、I2=0 (高輝度側特性)
else
I1=0、I2=(I−b1)/a1 (低輝度側特性) …(5-1)
L1=F(I1) …(5-2)
但し、上記式中の“F”は、第3の実施形態と同様、照明成分抽出用の変換であり、低周波抽出用のフィルタが用いられる。
L1’=exp(Log(L1)*c3) …(5-3)
ここで、第6の実施形態におけるコアリング係数の算出の考え方について具体的に説明する。本実施形態の適応型撮像センサの光電変換特性は、上記第5の実施形態と同様、以下の(6-1)、(6-2)式に示す入力輝度Xに対する画素値Y(出力)の関係式で表される。
Y=a1*X+b1(0≦X≦Xth) …(6-1)
Y=a2*X+b2(X>Xth) …(6-2)
低輝度側特性領域におけるコアリング係数の算出となり、第5の実施形態と同様、コアリング係数thは、値th0となる(以下(6-3)式参照)。
th=th0 …(6-3)
高輝度側特性領域におけるコアリング係数の算出となる。この場合も階調変換後のノイズ量が、高輝度側特性領域における低輝度部及び高輝度部で等しくなるような条件を導き出す。撮像時に画像信号に対してノイズが付加される場合を考えると、上記(6-2)式より、(6-4)式となる。
Y=a2*X+b2+N …(6-4)
但し、N:画像信号に含まれているノイズ(高輝度部、低輝度部共に同じ)
Y_LIN=(Y−b2)/a2
=(a2*X+b2+N−b2)/a2
=X+N/a2 …(6-5)
低周波成分をLとすると、ノイズ除去処理を行うための反射率成分Rは、上記(6-5)式より、以下の(6-6)式で与えられる。
R=Y_LIN/L
=(X+N/a2)/L …(6-6)
ノイズ除去量ΔNによってノイズ除去を行うと、ノイズ除去後の反射率成分R’は、上記(6-6)より、以下の(6-7)式で与えられる。
R’=(X+N/a2)/L−ΔN …(6-7)
Y’=L’*R’
=L’*((X+N/a2)/L−ΔN) …(6-8)
したがって、階調変換後のノイズ量N’は、上記(6-8)式より、以下の(6-9)式で与えられる。
N’=Y’−L’*(X/L)
=L’*((X+N/a2)/L−ΔN)−L’*(X/L)
=L’*(X/L)+L’*(N/a2)/L−L’*ΔN−L’*(X/L)
=L’*((N/a2)/L−ΔN) …(6-9)
N1’=L1’*((N/a2)/L1−ΔN1) …(6-10-1)
N2’=L2’*((N/a2)/L2−ΔN2) …(6-10-2)
L1’*((N/a2)/L1−ΔN1)=L2’*((N/a2)/L2−ΔN2) …(6-11)
この(6-11)式を変形すると、
L1’/L2’*((N/a2)/L1−ΔN1)= (N/a2)/L2−ΔN2となり、ΔN2について整理すると、以下の(6-12)式が得られる。
ΔN2=(N/a2)/(L2*(L1’/ L2’)*((N/a2)/L1−ΔN1)) …(6-12)
th=(N/a2)/(L2*(L1’/ L2’)*((N/a2)/L1−th0)) …(6-13)
(A)上記第1の実施形態においては、ノイズ除去部6によるノイズ除去処理、階調変換部7による階調変換処理の順で処理を行っているが、この順序を逆にして階調変換処理、ノイズ除去処理の順で処理を行ってもよい。ただしこの場合、ノイズ除去部6に入力される画像に含まれるノイズ成分は階調変換処理に応じて変動する(階調変換による伸張度合いの違いによってノイズ量が異なってくる)ので、ノイズ除去の際には、この階調変換による変動を考慮したノイズ除去量を設定して処理を行う必要がある。
1b デジタルカメラ
3 固体撮像素子
6、6a ノイズ除去部(ノイズ除去手段)
62、62m LPF部(低周波成分抽出手段)
63、63m、762m、762m’ コアリング処理部(コアリング処理手段)
64、64m、761m、761m’ 係数算出部(係数算出手段)
651、651m 減算部(高周波成分抽出手段)
7、7a、7b 階調変換部
74m、74m’ 第1照明成分抽出部(照明成分抽出手段)
76m、76m’ 第1ノイズ除去部(ノイズ除去手段)
781m 減算部(反射率成分抽出手段)
781m’除算部(反射率成分抽出手段)
12、260 入出力I/F部(データ授受手段)
171 第1線形特性(第1の線形光電変換特性)
172 第2線形特性(第2の線形光電変換特性)
100 撮像システム(撮像装置)
200 情報処理装置
630 コアリング特性
Claims (8)
- 複数の異なる光電変換特性を有する固体撮像素子と、
前記固体撮像素子による撮影画像の階調変換における伸張度合いに応じて、該撮影画像のノイズ除去量に関するパラメータを変化させて該撮影画像に対するノイズ除去を行うノイズ除去手段とを備えることを特徴とする撮像装置。 - 前記ノイズ除去手段は、
前記撮影画像の前記伸張度合いに相当する輝度レベルに応じて前記ノイズ除去量に関するパラメータとしてのコアリング係数を算出する係数算出手段と、
前記係数算出手段により算出したコアリング係数に基づいて、前記撮影画像からノイズ成分を除去するコアリング処理を行うコアリング処理手段とを備えることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - 前記ノイズ除去手段は、
前記撮影画像から低周波成分を抽出する低周波成分抽出手段と、
前記撮影画像から高周波成分を抽出する高周波成分抽出手段とをさらに備え、
前記係数算出手段は、前記輝度レベルに相当する前記低周波成分のレベルに応じて前記コアリング係数を算出し、
前記コアリング処理手段は、前記低周波成分のレベルに応じて算出されたコアリング係数に基づいて前記高周波成分に対するコアリング処理を行うことを特徴とする請求項2記載の撮像装置。 - 前記撮影画像から照明成分を抽出する照明成分抽出手段と、
前記撮影画像から反射率成分を抽出する反射率成分抽出手段とをさらに備え、
前記係数算出手段は、前記輝度レベルに相当する前記照明成分のレベルに応じて前記コアリング係数を算出し、
前記コアリング処理手段は、前記照明成分のレベルに応じて算出されたコアリング係数に基づいて前記反射率成分に対するコアリング処理を行うことを特徴とする請求項2記載の撮像装置。 - 前記複数の異なる光電変換特性において、
前記係数算出手段は、高輝度側特性に対する前記コアリング係数として、前記階調変換後のノイズ量が該高輝度側特性における低輝度部と高輝度部とで等しくなるようなコアリング係数を算出することを特徴とする請求項2〜4のいずれかに記載の撮像装置。 - 前記固体撮像素子は、入射光量に対して電気信号が線形的に変換されて出力される線形光電変換特性と、該入射光量に対して電気信号が対数的に変換されて出力される対数光電変換特性とからなる光電変換特性を有するものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記固体撮像素子は、入射光量に対して電気信号が線形的に変換されて出力される第1の線形光電変換特性と、該第1の線形光電変換特性とグラフ上の傾きが異なる第2の線形光電変換特性とからなる光電変換特性を有するものであることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の撮像装置。
- 所定のデータ授受手段を用いて撮像装置本体と撮影画像データの授受が可能に構成された所定の情報処理装置をさらに備え、
当該情報処理装置によって前記撮影画像に対する前記ノイズ除去を行うことを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の撮像装置。
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