JP3750797B2 - 画像処理方法および装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、テレビジョン、ビデオテープレコーダー、スチルカメラ、ビデオカメラおよびプリンタなど、各種の画像の入出力装置に好適に利用可能なものであり、特に、入力された画像を、相対的によりダイナミックレンジの狭い画像装置において再現するための画像処理方法および装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、画像の階調特性の変換のために、入力画像の各画素に対し、そのレベルを図10の実線で示すような入出力関係を持つ関数(以下、「レベル変換関数」と記す。)で変換する方法(以下、「レベル変換」と記す。)がある。図10において、横軸は入力画像の画素レベル(入力レベル)lを、縦軸はレベル変換処理による出力画像の画素レベル(出力レベル)T(l)を表す。Lmaxは、入出力画像の各画素が取り得る最大レベルを表す。レベル変換後の画像のコントラストは、レベル変換関数の傾きが大きいほど増加することになる。図10の例では、入力レベルlbを境にして高レベル側と入力レベルlsを境にして低レベル側とにおけるレベル変換関数を示す直線の傾きが、中間レベル(入力レベルls〜lb)の傾きに比べて小さくなっている。従って、図10に示した関数を用いたレベル変換では、高レベルおよび低レベルにおけるコントラストを犠牲にすることで、中間レベルのコントラストを増加させていることになる。
【0003】
レベル変換関数は、図10に示したものに限らず、例えば図11の実線で示したものを用いることもできる。図11に示したレベル変換関数は、入力レベルlkを境にして、高レベル側における直線の傾きが、低レベル、中間レベルでの傾きに比べて小さくなっている。従って、図11に示した関数を用いたレベル変換では、高レベルでのコントラストを犠牲にすることで、低レベル、中間レベルでのコントラストを増加させることができる。また、以下の(1)式のガンマ関数や(2)式のLOG関数等、図10および図11に示した関数に比べて、より連続的なレベル変換関数が用いられることもある。なお、(1)式におけるgは関数の傾きを調整するパラメータである。
【0004】
【数1】
【0005】
【数2】
【0006】
また、さらに別の従来例としては、入力画像の画素レベルの頻度分布に応じて、レベル変換関数を適応的に変化させる方法があり、その代表例としてはヒストグラムイコライゼーションと呼ばれる方法が挙げられる。図12(A),(B)に、このヒストグラムイコライゼーションの原理を示す。図12(A)において、横軸は入力画像の画素レベル(入力レベル)lを、縦軸は度数(頻度または累積頻度)を表す。Fmaxは、累積頻度の最大値であり、頻度を算出するために用いる画素の総数である。この方法では、図12(A)に示したように、はじめに入力画像の画素レベルlに関する頻度分布H(l)が生成され、次に以下の(3)式を用いて累積頻度分布C(l)が生成される。
【0007】
【数3】
【0008】
この累積頻度分布C(l)の縦軸を、以下の(4)式を用いて出力画像が取り得るレベル範囲に正規化することにより、レベル変換関数T(l)が生成される(図12(B))。この関数T(l)を用いることにより、出現頻度の高いレベルによって構成される領域(面積が大きい領域)のコントラストを増加させることが可能となる。
【0009】
【数4】
【0010】
入力された画像を、よりダイナミックレンジの小さい、すなわち画素レベルを表現するビット数が少ない環境で利用する場合(ビット数の少ない伝送路で伝送する場合や、表示装置に表示する場合、あるいは記憶装置に保存する場合など)には、ダイナミックレンジの圧縮を行う必要がある。従来は、このような目的でのダイナミックレンジの圧縮処理にも、上述した方法と同様のレベル変換が用いられている。ただし、この場合には、レベル変換関数の出力画像の最大レベルが、入力画像のそれよりも小さい値となる。
【0011】
一方、文献「Z. Rahman, et, alt.:"A Multiscale retinex for color rendition and dynamic range compression in Applications of Digital image Processing", XIX Proc. SPIE 2847 (1996)」では、空間的に緩やかに変化する照明光の成分をローパスフィルタによって抽出し、これを圧縮することで全体的なダイナミックレンジを圧縮する方法が提案されている(以下、この方法を「Multiscale retinex法」と記す。)。照明成分の抽出には帯域の狭い線形ローパスフィルタが用いられている。この方法では、以下の(5)式に示すように、入力画素の値I(x,y)、およびローパスフィルタ出力LPF(I(x,y))の対数値を取り、前者から後者を差し引くことによりダイナミックレンジの圧縮が行われる。
【0012】
【数5】
【0013】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来のレベル変換方法では、不自然な画像が生成されるのを回避するため、単調増加性を有するレベル変換関数を用いている。このため、いずれかのレベル範囲のコントラスト(レベル変換関数の傾き)を増加させた場合、他のレベル範囲では逆にコントラストが低下してしまうといった問題がある。
【0014】
また、Multiscale retinex法では、単調増加性を犠牲にすることで、よりコントラストの高い画像を再現することを可能としているが、照明条件が急激に切り替わる場合、線形フィルタではその変化を抽出することができず、主観的に好ましくないノイズが発生してしまうという問題がある。
【0015】
例えば、図13に示すように、照明条件の異なる2つの領域が隣接している画像(図中、実線)に対して線形ローパスフィルタを施すと、図中、細い破線で示したように境界のぼけた信号がフィルタ出力として得られる。これを照明成分と見なした場合、照明境界の左側の領域(B領域)において、境界付近(BNB領域)は、境界より離れた部分(BFB領域)よりも照明レベルが低いことになる。上述の(5)式は入力信号を照明成分で割り算することと等価であり、照明成分が大きいほど大きく圧縮されることを意味するため、結果として再現画像(図中、太い破線)のBNB領域にはオーバーシュートが発生する。逆に、照明境界の右側の領域(D領域)において、境界付近(DNB領域)は、境界より離れた部分(DFB)に比べて照明レベルが高いと見なされてアンダーシュートが発生する。Multiscale retinex法ではこの問題を回避するためにスケールの異なる複数の線形ローパスフィルタを用い、それぞれのローパスフィルタによって得られる結果を線形荷重によって合成する方法を用いているが、各スケールに対する重みは固定されており、上記の問題を十分に抑制できていない。
【0016】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の異なる照明が存在する場合にも、それらの境界を適切に抽出することを可能とし、主観的に好ましいダイナミックレンジの圧縮を実現できる画像処理方法および装置を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明による画像処理方法は、分割された複数の入力画像のそれぞれに対して平滑化を行い、平滑化の度合いの異なる複数の平滑化画像を生成する平滑化過程と、複数の平滑化画像に基づいて、エッジ強度を算出するエッジ強度算出過程と、算出されたエッジ強度に基づいて、複数の平滑化画像を合成する合成過程と、複数の平滑化画像を合成することによって生成された合成平滑化画像に基づいて、入力画像の各画素値を変換するための係数を算出する係数算出過程と、算出された係数により、入力画像の各画素値の変換を行う画素値変換過程とを含むものである。
【0018】
なお、平滑化過程において、各平滑化画像の各画素値に対して非線形な変換を施して、各画素値を変換するための複数の係数を算出し、合成過程において、エッジ強度に基づいて、複数の係数を合成し、その合成された係数を、係数算出過程において算出される係数として出力し、画素値変換過程において、複数の係数を合成することによって生成された係数により、入力画像の各画素値の変換を行うようにしても良い。
【0019】
本発明による画像処理装置は、分割された複数の入力画像のそれぞれに対して平滑化を行い、平滑化の度合いの異なる複数の平滑化画像を生成する平滑化手段と、複数の平滑化画像に基づいて、エッジ強度を算出するエッジ強度算出手段と、算出されたエッジ強度に基づいて、複数の平滑化画像を合成する合成手段と、複数の平滑化画像を合成することによって生成された合成平滑化画像に基づいて、入力画像の各画素値を変換するための係数を算出する係数算出手段と、算出された係数により、入力画像の各画素値の変換を行う画素値変換手段とを備えたものである。
【0020】
なお、平滑化手段において、各平滑化画像の各画素値に対して非線形な変換を施して、各画素値を変換するための複数の係数を算出し、合成手段において、エッジ強度に基づいて、複数の係数を合成し、その合成された係数を、係数算出手段において算出される係数として出力し、画素値変換手段において、複数の係数を合成することによって生成された係数により、入力画像の各画素値の変換を行うようにしても良い。
【0021】
本発明による画像処理方法および装置では、平滑化の度合いの異なる複数の平滑化画像が生成され、それら複数の平滑化画像に基づいて、エッジ強度が算出される。そして、算出されたエッジ強度に基づいて、複数の平滑化画像が合成されると共に、その合成平滑化画像に基づいて、入力画像の各画素値を変換するための係数が算出され、その係数により、入力画像の各画素値の変換が行われる。これにより、複数の異なる照明が存在する場合にも、それらの境界の抽出を適切に行うことが可能とされる。
【0022】
本発明において、エッジ強度の算出は、例えば、平滑化画像の1次微分と2次微分との荷重和により行われる。このとき、2次微分の値は、例えば、平滑化の度合いが類似した2つの平滑化画像の差分から算出される。
【0023】
また、本発明において、平滑化画像の合成は、例えば、相対的に平滑化の度合いが大きい、少なくとも1つの平滑化画像から生成された中間合成画像と、相対的に平滑化の度合いが小さく、まだ合成がなされていない他の平滑化画像とを合成することにより行われる。このとき、中間合成画像と他の平滑化画像との合成は、例えば、それらの画像の荷重和により行われる。
【0024】
また、本発明において、画素値の変換を行うための係数は、例えば、合成平滑化画像の各画素値を非線形に変換することにより算出される。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0026】
[第1の実施の形態]
まず、本実施の形態に係る画像処理装置において処理される入力画像信号につて説明する。本画像処理装置において処理される入力画像信号は、2次元ディジタル画像を図2に示すように水平方向、垂直方向の順に走査して得られた時系列な画素値の信号である。本実施の形態では、2次元画像上の任意の位置(x,y)に対応する画素値をI(x,y)と表し、これを入力画像信号として処理する。
【0027】
次に、本実施の形態に係る画像処理装置の構成について説明する。本画像処理装置は、図1に示したように、平滑化画像生成器10と、係数算出器11と、乗算器12とを備えている。
【0028】
平滑化画像生成器10は、入力画像Iの各画素値I(x,y)に対して平滑化処理を行う機能を有している。この平滑化画像生成器10は、より詳しくは、例えば図5に示したように、複数のイプシロンフィルタ20,20A,20Bと、複数の線形ローパスフィルタ(図ではLPFと記す。)21A,21Bと、複数のダウンサンプリング器22A,22Bと、複数のアップサンプリング器23A,23Bと、複数の補間器24A,24Bと、複数の合成器25A,25Bとを有して構成されている。
【0029】
平滑化画像生成器10における合成器25A,25Bは、より詳しくは、例えば図7に示したように、エッジ強度算出部70と、合成部71とを有して構成されている。エッジ強度算出部70は、差分器30と、絶対値算出器31と、1次微分算出器32と、乗算器33A,33Bと、第1の加算器34Aを含んで構成されている。合成部71は、乗算器33H,33Lと、第2の加算器34Bと、正規化器35とを含んで構成されている。
【0030】
平滑化画像生成器10で行う処理には、入力画像Iを複数に分割し、その複数の入力画像Iのそれぞれに対して平滑化を行って、図5に示したように、平滑化の度合いの異なる複数の平滑化画像RH0,RH1,R2を生成する処理が含まれる。
【0031】
ここで、第1の平滑化画像RH0は、複数の平滑化画像RH0,RH1,R2の中で、相対的に最も平滑化の度合いが小さく、解像度が最も高い画像であり、第1のイプシロンフィルタ20によって生成されるものである。第2の平滑化画像RH1は、第1の平滑化画像RH0に比べて、相対的に平滑化の度合いが大きく、解像度の低い画像であり、平滑化部51(第1の線形ローパスフィルタ21A、第1のダウンサンプリング器22Aおよび第2のイプシロンフィルタ20A)によって生成されるものである。第3の平滑化画像R2は、相対的に最も平滑化の度合いが大きく、最も解像度の低い画像であり、第1のダウンサンプリング器22Aの出力画像I1から、平滑化部52(第2の線形ローパスフィルタ21B、第2のダウンサンプリング器22Bおよび第3のイプシロンフィルタ20B)によって生成されるものである。
【0032】
平滑化画像生成器10で行う処理には、また、複数の平滑化画像に基づいて、エッジ強度Gを算出する処理と、算出されたエッジ強度Gに基づいて、複数の平滑化画像を合成する処理とが含まれる。これらの処理は、主に合成器25A,25Bによって行われる。すなわち、エッジ強度Gを算出する処理は、合成器25A,25Bにおけるエッジ強度算出部70(図5)によって行われ、平滑化画像を合成する処理は、合成部71によって行われる。
【0033】
より詳しくは、各合成器25A,25Bにおいては、相対的に平滑化の度合いが大きい、少なくとも1つの平滑化画像から生成された中間合成画像RLn(n=1,2)と、相対的に平滑化の度合いが小さく、まだ合成がなされていない他の平滑化画像RHnとに基づいて、エッジ強度Gを算出すると共に、算出されたエッジ強度Gに基づいて、中間合成画像RLnと平滑化画像RHnとを合成するようになっている。例えば、第2の合成器25Bのエッジ強度算出部70においては、平滑化の度合いが小さい2つの平滑化画像RH1,R2を合成することによって生成された中間合成画像RL0と、平滑化の度合いが大きい第1の平滑化画像RH0とが入力され、これらに基づいて、エッジ強度Gが算出される。また、第2の合成器25Bの合成部71においては、算出されたエッジ強度Gに基づいて、中間合成画像RL0と第1の平滑化画像RH0とが合成され、合成平滑化画像Rが生成されるようになっている。
【0034】
平滑化画像生成器10で生成された合成平滑化画像Rの各画素値R(x,y)は、照明成分として係数算出器11に送られるようになっている。
【0035】
係数算出器11は、平滑化画像生成器10で抽出された照明成分としての合成平滑化画像Rの各画素値R(x,y)から、例えば図3に示すような非線形な係数算出関数F(l)を用い、以下の(6)式に示すように、入力画像Iの画素値I(x,y)を変換するための係数C(x,y)を算出する機能を有している。ここで算出された係数C(x,y)は、乗算器12に送られる。
【0036】
【数6】
【0037】
乗算器12は、入力画像上の各画素値I(x,y)に、対応する係数C(x,y)を積算する機能を有している。積算することによって得られた結果である出力画像O(x,y)は、図示しない伝送路、記憶装置、または表示装置などに出力される。
【0038】
なお、(6)式における係数算出関数F(l)は、図4に示すようなレベル変換関数T(l)から、以下の(7)式によって得ることができる。なお、図4において、Lmax,Mmaxは、それぞれ入力レベルおよび出力レベルの最大値を表している。
【0039】
【数7】
【0040】
レベル変換関数T(l)は、従来、画像の階調特性の変換に用いられてきたが、[従来の技術]の項でも述べたとおり、出力レベルのダイナミックレンジを入力レベルのそれよりも小さく設定する(Mmax<Lmax)ことでダイナミックレンジ圧縮処理にも適用できる。この場合、図3における係数の最小値CminはMmax/Lmaxで与えられることになる。(7)式は、このレベル変換関数T(l)によるダイナミックレンジ圧縮前後の画素値の比として係数算出関数F(l)が与えられることを表している。すなわち、(6)式で算出される係数C(x,y)は、照明成分である合成平滑化画像Rの各画素値R(x,y)をレベル変換関数T(l)で圧縮した場合の圧縮率を表している。従って、乗算器12において、各画素値I(x,y)に係数C(x,y)を積算することによって、入力画像Iの各画素ごとに画素値の変換が行われ、ダイナミックレンジの圧縮がなされることになる。
【0041】
なお、本実施の形態において、主として第1のイプシロンフィルタ20および平滑化部51,52(図5)が、本発明における「平滑化手段」の一具体例に対応する。また、主として乗算器12(図1)が、本発明における「画素値変換手段」の一具体例に対応する。
【0042】
次に、以上のように構成された画像処理装置の作用、動作を説明する。なお、以下の説明は、本実施の形態に係る画像処理方法の説明を兼ねている。
【0043】
まず、図1を参照して本画像処理装置の全体的な動作について説明する。本画像処理装置において、入力画像Iを示す信号は、平滑化画像生成器10と乗算器12とに入力される。平滑化画像生成器10では、後に詳述するように、入力画像Iを分割入力し、その分割された複数の入力画像Iのそれぞれに対して平滑化を行い、平滑化の度合いの異なる複数の平滑化画像RH0,RH1,R2(図7)を生成する。また、平滑化画像生成器10では、複数の平滑化画像RH0,RH1,R2に基づいて、エッジ強度Gを算出し、さらに、算出されたエッジ強度Gに基づいて、複数の平滑化画像RH0,RH1,R2を合成する。平滑化画像生成器10は、複数の平滑化画像RH0,RH1,R2を合成することによって生成された合成平滑化画像Rの各画素値R(x,y)を、照明成分として係数算出器11に出力する。
【0044】
係数算出器11では、平滑化画像生成器10で抽出された照明成分としての合成平滑化画像Rの各画素値R(x,y)から、例えば図3に示すような非線形な係数算出関数F(l)を用い、上述の(6)式に示すように、入力画像Iの画素値I(x,y)を変換するための係数C(x,y)を算出する。係数算出器11は、算出した係数C(x,y)を、乗算器12に出力する。
【0045】
乗算器12では、入力画像上の各画素値I(x,y)に、対応する係数C(x,y)を積算する。この乗算器12での演算により、入力画像Iの各画素ごとに画素値の変換が行われ、ダイナミックレンジの圧縮が施される。
【0046】
以上のようにして乗算器12から出力される画像信号O(x,y)は、入力画像Iよりも相対的にダイナミックレンジの狭い画像装置、すなわち画素レベルを表現するビット数が少ない環境(ビット数の少ない伝送路で伝送する場合や、表示装置に表示する場合、あるいは記憶装置に保存する場合など)において利用される。
【0047】
次に、主として図5および図7を参照して、平滑化画像生成器10での処理について、詳しく説明する。図5に示したように、平滑化画像生成器10に入力された画像Iは、第1のイプシロンフィルタ20と第1の線形ローパスフィルタ21Aとに分割入力される。
【0048】
第1のイプシロンフィルタ20では、入力画像Iに対して以下の(8)式((8A)(8B))に示すような非線形フィルタリング処理を行い、最も平滑化の度合いが小さく、解像度の最も高い第1の平滑化画像RH0を生成し、それを第2の合成器25Bに出力する。
【0049】
【数8】
【0050】
ここで、(8)式において、NBはフィルタリング処理における近傍領域を定義する相対座標の集合でり、Eはあらかじめ設定されたしきい値である。また、h(dx,dy)は、第1のイプシロンフィルタ20内の図示しない線形ローパスフィルタを構成するためのフィルタ係数であり、例えば図6に示すようなものを用いることができる。
【0051】
平滑化部51では、入力画像Iに対して以下で説明するダウンサンプリング処理およびフィルタ処理を施すことにより、第1の平滑化画像RH0に比べて、相対的に平滑化の度合いが大きく、解像度の低い第2の平滑化画像RH1を生成する。また、平滑化部52では、平滑化部51における第1のダウンサンプリング器22Aの出力画像I1に対して、平滑化部51と実質的に同様のダウンサンプリング処理およびフィルタ処理を施し、相対的に最も平滑化の度合いが大きく、最も解像度の低い第3の平滑化画像R2を生成する。
【0052】
平滑化部51における第1の線形ローパスフィルタ21Aは、後段の第1のダウンサンプリング器22Aでのダウンサンプリング処理においてエリアシングの発生を回避するためのものであり、ダウンサンプリングのレートに応じて適当なフィルタ処理を施す。第1の線形ローパスフィルタ21Aの出力ILは、第1のダウンサンプリング器22Aに入力され、そこで、あらかじめ設定されたレートによりダウンサンプリング処理がなされる。第1の線形ローパスフィルタ21Aおよび第1のダウンサンプリング器22Aによって縮小された画像I1は、第2のイプシロンフィルタ20Aおよび第2の線形ローパスフィルタ21Bに入力される。
【0053】
第2のイプシロンフィルタ20Aおよび第2の線形ローパスフィルタ21Bは、入力画像Iの大きさが異なる以外、すなわち、入力画像として第1のダウンサンプリング器22Aからの画像I1が入力される以外、それぞれ、第1のイプシロンフィルタ20および第1の線形ローパスフィルタ21Aと実質的に同じ働きをする。
【0054】
すなわち、第2のイプシロンフィルタ20Aでは、第1のダウンサンプリング器22Aからの出力画像I1に対して、非線形フィルタリング処理を行うことによって第2の平滑化画像RH1を生成し、それを第1の合成器25Aに出力する。また、第2の線形ローパスフィルタ21Bでは、後段の第2のダウンサンプリング器22Bでのダウンサンプリングのレートに応じて適当なフィルタ処理を施す。
【0055】
第2の線形ローパスフィルタ21Bの出力IL1は、第2のダウンサンプリング器22Bに入力され、そこで、あらかじめ設定されたレートによりダウンサンプリング処理がなされる。これにより縮小された画像I2は、第3のイプシロンフィルタ20Bに入力される。
【0056】
第3のイプシロンフィルタ20Bも、第1のイプシロンフィルタ20と実質的に同じ働きをする。すなわち、第3のイプシロンフィルタ20Bでは、第2のダウンサンプリング器22Bからの出力画像I2に対して、非線形フィルタリング処理を行うことによって第3の平滑化画像R2を生成し、それを、第1のアップサンプリング器23Aに出力する。
【0057】
第1のアップサンプリング器23Aでは、第3の平滑化画像R2に対して、第2のダウンサンプリング器22Bと同じレートでアップサンプリング処理を行う。すなわち、第2のダウンサンプリング器22Bにおけるダウンサンプルレートが1/Nである場合、第1のアップサンプリング器23Aでは、隣接する画素の間に値が0であるN−1個の画素を挿入する処理を行う。
【0058】
第1の補間器24Aでは、アップサンプリング処理の施された画像に対して適当な補間処理を行うことにより中間合成画像RL1を生成し、第1の合成器25Aに出力する。
【0059】
第1の合成器25Aでは、後に詳述するようにエッジ強度Gの算出を行い、それに基づいて、第2のイプシロンフィルタ20Aからの第2の平滑化画像RH1と第1の補間器24Aからの中間合成画像RL1とを合成して、第1の合成平滑化画像R1を生成し、それを第2のアップサンプリング器23Bに出力する。
【0060】
第2のアップサンプリング器23Bおよび第2の補間器24Bは、それぞれ第1のアップサンプリング器23Aおよび第1の補間器24Aと実質的に同様の働きをする。これらによって生成された中間合成画像RL0は、第2の合成器25Bに送られる。
【0061】
第2の合成器25Bは、第1の合成器25Aと実質的に同様の働きをする。すなわち、第2の合成器25Bは、第1のイプシロンフィルタ20から出力された第1の平滑化画像RH0と第2の補間器24Bから出力された中間合成画像RL0とを合成して、第2の合成平滑化画像R0を生成する。第2の合成器25Bは、生成された第2の合成平滑化画像R0を、照明成分を表す最終的な合成平滑化画像Rとして、係数算出器11(図1)に出力する。
【0062】
合成器25A,25Bでの処理は、より詳しくは、例えば図7に示した構成により、以下のように行われる。本実施の形態では、生成された複数の平滑化画像の数に応じた数の合成器が設けられ、各合成器において、所定の数ごとに複数の平滑化画像の合成処理を行う。この合成処理が、すべての平滑化画像が1つに合成されるまで行われる。
【0063】
各合成器25A,25Bには、上述したように中間合成画像と平滑化画像とが入力される。ところで、図7に示した平滑化画像生成器10の構成では、平滑化画像として、第1、第2および第3の平滑化画像RH0,RH1,R2が生成される。また、中間合成画像として生成されるのは、第3の平滑化画像R2に基づいて生成された中間合成画像RL1と、第2および第3の平滑化画像RH1,R2に基づいて生成された中間合成画像RL0とがある。各合成器25A,25Bには、それらの画像のうち、平滑化の度合いが相対的に類似している2つの画像が入力される。すなわち、第1の合成器25Aには、中間合成画像RL1と第2の平滑化画像RH1とが入力される。第2の合成器25Bには、中間合成画像RL0と第1の平滑化画像RH0とが入力される。
【0064】
すなわち、各合成器25A,25Bには、平滑化の度合いが大きく解像度の低い、少なくとも1つの平滑化画像から生成された中間合成画像RLnと、より解像度が高い平滑化画像RHnとが入力される。このうち、平滑化画像RHnは、エッジ強度算出部70における差分器30と、合成部71における第3の乗算器33Hとに入力される。中間合成画像RLnは、エッジ強度算出部における差分器30および1次微分算出器32と、合成部71における第4の乗算器33Lとに入力される。
【0065】
エッジ強度算出部70において、差分器30では、中間合成画像RLnの各画素値RLn(x,y)と平滑化画像RHnの各画素値RHn(x,y)との差分により2次微分値D2(x,y)を算出する。差分器30は、算出した2次微分値D2(x,y)を絶対値算出器31に出力する。
【0066】
絶対値算出器31では、差分器30で算出された差分値、すなわち2次微分値D2(x,y)の絶対値AD2(x,y)を算出し、それを第1の乗算器33Aに出力する。
【0067】
一方、1次微分算出器32では、中間合成画像RLnの各画素値RLn(x,y)の1次微分の絶対値AD1(x,y)を、例えば以下の(9)式のように算出し、第2の乗算器33Bに出力する。(9)式において、dは微分を算出するための微小距離を示す定数である。
【0068】
【数9】
【0069】
第1および第2の乗算器33A,33Bでは、それぞれ、2次微分の絶対値AD2(x,y)および1次微分の絶対値AD1(x,y)に対して、あらかじめ設定された重み係数p2,p1を積算し、その結果を第1の加算器34Aに出力する。
【0070】
第1の加算器34Aでは、第1および第2の乗算器33A,33Bから送られてくる重み付けのなされた2次微分の絶対値AD2(x,y)と1次微分の絶対値AD1(x,y)とを加算することにより、すなわち、2次微分の絶対値AD2(x,y)と1次微分の絶対値AD1(x,y)との荷重和により、各画素ごとにエッジ強度G(x,y)を算出する。第1の加算器34Aは、算出した各画素ごとのエッジ強度G(x,y)を正規化器35に出力する。
【0071】
正規化器35では、加算器34Aによって算出されたエッジ強度G(x,y)を、例えば以下の(10)式のように正規化し、平滑化画像RHnの各画素値RHn(x,y)に対する重み係数w(x,y)を算出して第3の乗算器33Hに送ると共に、{1−w(x,y)}の値を中間合成画像RLnの各画素値RLn(x,y)に対する重み係数として第4の乗算器33Lに送る。なお、(10)式において、Gmin,Gmaxは、それぞれ、エッジ強度G(x,y)のあらかじめ設定された最小値および最大値である。(10)式から分かるように、重み係数w(x,y)は、エッジ強度G(x,y)に基づいて画素ごとに変化する係数である。また、重み係数w(x,y)は、エッジ強度G(x,y)が大きいほど大きくなる。従って、エッジ強度G(x,y)が小さいほど、中間合成画像RLn(x,y)の重み係数{1−w(x,y)}は大きくなる。
【0072】
【数10】
【0073】
第3の乗算器33Hでは、正規化器35から送られてくる重み係数w(x,y)を平滑化画像RHnの各画素値RHn(x,y)に積算し、その結果を第2の加算器34Bに出力する。また、第4の乗算器33Lでは、正規化器35から送られてくる重み係数{1−w(x,y)}を中間合成画像RLnの各画素値RLn(x,y)に積算し、その結果を第2の加算器34Bに出力する。
【0074】
第2の加算器34Bでは、第3および第4の乗算器33H,33Lから送られてくる重み付けのなされた平滑化画像RHnと中間合成画像RLnとを加算することにより、すなわち、平滑化画像RHnと中間合成画像RLnとの荷重和により、平滑化画像RHnと中間合成画像RLnとを合成し、合成平滑化画像Rnを生成する。
【0075】
次に、本実施の形態の効果について説明する。線形ローパスフィルタを用いた従来法の問題点は、既に[発明が解決しようとする課題]の項目において図13を用いて説明したとおりであるが、その問題点を解決するためには、照明条件の異なる領域の境界(照明境界)を保存したまま、同一照明下の領域内を平滑化する必要がある。ところで、経験上、照明強度の変化に起因する画素レベルの変化は、物体表面の反射率に起因する画素レベルの変化よりもはるかに大きく、その結果、照明境界では画素レベルの大きなエッジが発生することになる。一方、イプシロンフィルタは、エッジを保存する能力に優れた平滑化手段として知られており、これを導入することで、より正確な照明成分の抽出が可能となることが期待できる。
【0076】
ところで、1つの照明が影響を及ぼす領域は、一般的に画像上の広い範囲にわたる。従って、照明成分を効果的に抽出するには、注目画素に対して非常に大きな近傍領域を有するフィルタが必要となるが、このことは大きな演算量を要求することになる。この演算量を軽減するための1つの方法としては、比較的小さなフィルタとダウンサンプリング器とを用いて等価的に大きなフィルタを実現することが考えられる。しかし、たとえエッジ保存能力に優れたフィルタを用いても、ダウンサンプリングの施された低解像度の画像ではサンプリング間隔の範囲においてエッジの位置情報があいまいになることは避けられない。照明境界を保存したまま、同一照明下の領域内を平滑化するためには、低解像度の画像と共に高解像度の画像を用い、エッジ近傍では平滑化の度合いの小さい高解像度画像を、それ以外の部分では平滑化の度合いの大きい低解像度画像を選択して合成を行う必要がある。
【0077】
本実施の形態では、図7に示したように、差分器30、絶対値算出器31、1次微分算出器32、第1の乗算器33A、第2の乗算器33B、および第1の加算器34Aを有するエッジ強度算出部70によって、エッジ強度G(x,y)を算出しているが、この演算は数学的には以下の(11)式のように表すことができる。
【0078】
【数11】
【0079】
(11)式において、右辺の第1項は低解像度画像(RLn)の1次微分値であり、エッジ中央部において大きな値を示すのに対して、低解像度画像(RLn)と高解像度画像(RHn)との差分に基づく第2項は、2次微分的にエッジ周辺部で大きな値を示す。このため、これらの和によってエッジ近傍を良好に検出することが可能となっている。本実施の形態では、エッジ強度算出部70において、このような演算を行っているため、エッジ近傍を良好に検出することができる。また、複数の画像を切り替える場合、画像間の差が大きい部分における不連続な切り替わりを回避する必要があるが、本実施の形態では、図7の差分器30において、2次微分情報を低解像度画像と高解像度画像との差として算出し、それに応じた重み付けを行うことにより、合成部71において、合成する2つの画像の差が大きい場合には常に高解像度画像が選択される。このため、複数の画像を切り替える場合にも、不連続な切り替わりは発生しにくい。
【0080】
以上説明したように、本実施の形態によれば、図5に示したように、複数のフィルタ処理とダウンサンプリング処理とを行って複数の平滑化画像を生成し、さらにそれらを合成することにより、入力画像Iに対して等価的に規模の大きなフィルタ処理(平滑化処理)を施すようにしているので、個々のフィルタ処理とダウンサンプリング処理とに要求される演算量を軽減することができ、単一の大きなフィルタを用いた場合よりも、平滑化のための演算量を軽減することができる。また、図7に示したように、複数の平滑化画像(画像RHn,RLn)に基づいてエッジ強度Gを算出し、そのエッジ強度Gに基づいて、複数の平滑化画像を合成するようにしたので、ダウンサンプリング処理を行ったとしても、エッジの検出を良好に行うことができる。これにより、演算量を軽減しつつ、複数の異なる照明が存在する場合にも、それらの境界を適切に抽出することを可能とし、主観的に好ましいダイナミックレンジの圧縮を実現できる。
【0081】
なお、本実施の形態では、平滑化画像を生成するためにイプシロンフィルタ20,20A,20B(図5)を用いる場合について説明したが、メディアンフィルタなど、他の非線形フィルタを用いることも可能である。また、演算規模のさらなる削減を目的として線形フィルタを用いることもできる。
【0082】
また、複数の解像度の平滑化画像を生成する際に、各解像度ごとに異なるパラメータを用いることもできる。例えば、ダウンサンプリング器22A,22Bおよびアップサンプリング器23A,23Bにおけるダウンサンプリングおよびアップサンプリングのレートや、イプシロンフィルタ20,20A,20Bのしきい値などを解像度ごとに変えることも可能である。
【0083】
さらに、本実施の形態では、3つの解像度の平滑化画像RH0,RH1,R2を合成する例について説明したが、入力画像Iの画素数に応じて、生成する平滑化画像の数を増減することが可能なことはいうまでもない。
【0084】
また、図7に示した合成器25A,25Bにおいて、平滑化画像RHnと中間合成画像RLnとの入力関係を逆にし、高解像度側の平滑化画像RHnの1次微分値を算出するようにしても良い。すなわち、中間合成画像RLnを、差分器30と、第3の乗算器33Hとに入力し、平滑化画像RHnを、差分器30および1次微分算出器32と、第4の乗算器33Lとに入力するようにしても良い。
【0085】
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。なお、以下の説明では、上記第1の実施の形態における構成要素と実質的に同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【0086】
図8は、本発明の第2の実施の形態に係る画像処理装置の構成を示している。本実施の形態に係る画像処理装置では、上記第1の実施の形態における係数算出器11の機能を平滑化画像生成器10の内部に組み込み、両者の機能を併せ持ったものを、合成係数算出器13としてあらたに設置している。
【0087】
図8において、合成係数算出器13では、入力画像Iから、その画素値I(x,y)を変換するための係数C(x,y)を算出し、それを乗算器12に出力する。乗算器12では、上記第1の実施の形態と同様、入力画像上の各画素値I(x,y)に、対応する係数C(x,y)を積算し、その結果の画像信号O(x,y)を図示しない伝送路、記憶装置または表示装置などに出力する。
【0088】
図9は、合成係数算出器13の構成を示している。合成係数算出器13の構成は、上記第1の実施の形態における平滑化画像生成器10とほぼ同じであるが、係数算出器11A,11B,11Cが設置されている点が異なる。係数算出器11Aは、第1のイプシロンフィルタ20と第2の合成器25Bとの間の信号経路中に設置されている。係数算出器11Bは、第2のイプシロンフィルタ20Aと第1の合成器25Aとの間の信号経路中に設置されている。係数算出器11Cは、第1の補間器24Aと第1の合成器25Aとの間の信号経路中に設置されている。
【0089】
各係数算出器11A,11B,11Cは、上記第1の実施の形態で用いられている係数算出器11(図1)と実質的には同様の働きをするものである。係数算出器11Aは、第1の平滑化画像RH0の各画素値RH0(x,y)から、上述の(6)式によって画素値を変換するための係数CH0(x,y)を算出し、それを第2の合成器25Bに送る。また、係数算出器11Bは、第2の平滑化画像RH1の画素値RH1(x,y)から、同様にして係数CH1(x,y)を算出し、それを第1の合成器25Aに送る。また、係数算出器11Cは、中間合成画像RL1の画素値RL1(x,y)から、同様にして係数CL1(x,y)を算出し、それを第1の合成器25Aに送る。このようにして算出された係数CH0(x,y),CH1(x,y),CL1(x,y)は、それぞれ異なる解像度を有している。
【0090】
上記第1の実施の形態では、図7に示した構成により、各合成器25A,25Bにおいて、中間合成画像RLnと平滑化画像RHnとを入力し、それらを合成して合成平滑化画像Rnを生成したが、本実施の形態では、中間合成画像RLnと平滑化画像RHnとに代えて係数CHn,CLn(n=0または1)が、各合成器25A,25Bに入力され、それらを合成して合成係数Cnが生成される。そして、最終段の第2の合成器25Bによって算出された合成係数C0が、最終的な係数C(x,y)として、乗算器12に出力される。
【0091】
上記第1の実施の形態と同様に、本実施の形態においても、各合成器25A,25Bにおいて、(11)式によって算出されるエッジ強度G(x,y)に基づいて、低解像度画像RLnに対応する係数CLnと高解像度画像RHnに対応する係数CHnとを切り替えて係数の合成処理を行う。このとき、(11)式の第2項の効果により、上記第1の実施の形態と同様、合成平滑化画像Rnに対応する合成係数Cnには、画素値の差が大きい部分においても、切り替えによる大きな不連続性は発生しにくい。しかし、最終的に入力画像Iに積算される係数C(x,y)の空間的な変化は、係数算出関数F(l)にも依存するため、合成係数Cnのわずかな変化が、係数算出関数F(l)によって増幅され、最終的な係数C(x,y)に大きな不連続をもたらす可能性もある。
【0092】
本実施の形態によれば、係数算出器11A,11B,11Cにおいて、各解像度の平滑化画像ごとに係数算出関数F(l)による演算を施した後、それによって得られた係数CHn,CLnのエッジ強度G(x,y)を各合成器25A,25Bにおいて求め、さらに、そのエッジ強度G(x,y)に基づいて、合成部71(図7)において、2つの係数CLn,CHnを切り替えて係数の合成処理を行うようにしたので、合成による係数Cの不連続の発生を最小限に抑えることが可能となる。
【0093】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1ないし8のいずれか1項に記載の画像処理方法または請求項9に記載の画像処理装置によれば、平滑化の度合いの異なる複数の平滑化画像に基づいて、エッジ強度を算出し、その算出されたエッジ強度に基づいて、複数の平滑化画像を合成すると共に、その合成平滑化画像に基づいて、さらに、入力画像の各画素値を変換するための係数を算出し、その係数により、入力画像の各画素値の変換を行うようにしたので、複数の異なる照明が存在する場合にも、それらの境界を適切に抽出することが可能となり、主観的に好ましいダイナミックレンジの圧縮を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る画像処理装置の構成を示すブロック図である。
【図2】画像の走査方向を示す説明図である。
【図3】図1に示した画像処理装置における係数算出器において用いられる係数算出関数の例について示す説明図である。
【図4】図1に示した画像処理装置における係数算出器において用いられるレベル変換関数の例について示す説明図である。
【図5】図1に示した画像処理装置における平滑化画像生成器の構成を示すブロック図である。
【図6】図1に示した平滑化画像生成器における線形ローパスフィルタの例について示す説明図である。
【図7】図1に示した平滑化画像生成器における合成器の構成について示すブロック図である。
【図8】本発明の第2の実施の形態に係る画像処理装置の構成を示すブロック図である。
【図9】図8に示した画像処理装置における合成係数算出器の構成について示すブロック図である。
【図10】従来用いられているレベル変換関数の例について示す説明図である。
【図11】従来用いられている他のレベル変換関数の例について示す説明図である。
【図12】ヒストグラムイコライゼーションの原理について示す説明図である。
【図13】 Multiscale retinex法の問題点について説明するための図である。
【符号の説明】
C…係数、R…合成平滑化画像、RH0,RH1,R2…平滑化画像、RL0,RL1…中間合成画像、p1,p2,w…重み係数、10…平滑化画像生成器、11,11A,11B,11C…係数算出器、12,33A,33B,33H,33L…乗算器、13…合成係数算出器、20,20A,20B…イプシロンフィルタ、21A,21B…線形ローパスフィルタ(LPF)、22A,22B…ダウンサンプリング器、23A,23B…アップサンプリング器、24A,24B…補間器、25A,25B…合成器、30…差分器、31…絶対値算出器、32…1次微分算出器、34A,34B…加算器、35…正規化器、51,52…平滑化部、70…エッジ強度算出部、71…合成部。
Claims (9)
- 入力された画像を、相対的によりダイナミックレンジの小さい画像に変換するための画像処理方法であって、
分割された複数の入力画像のそれぞれに対して平滑化を行い、平滑化の度合いの異なる複数の平滑化画像を生成する平滑化過程と、
前記複数の平滑化画像に基づいて、エッジ強度を算出するエッジ強度算出過程と、
算出された前記エッジ強度に基づいて、前記複数の平滑化画像を合成する合成過程と、
前記複数の平滑化画像を合成することによって生成された合成平滑化画像に基づいて、前記入力画像の各画素値を変換するための係数を算出する係数算出過程と、
算出された前記係数により、前記入力画像の各画素値の変換を行う画素値変換過程と
を含むことを特徴とする画像処理方法。 - 前記エッジ強度算出過程では、前記平滑化画像の1次微分と2次微分との荷重和により前記エッジ強度を算出する
ことを特徴とする請求項1記載の画像処理方法。 - 前記エッジ強度算出過程では、前記2次微分の値を、平滑化の度合いが類似した2つの平滑化画像の差分から算出する
ことを特徴とする請求項2記載の画像処理方法。 - 前記合成過程では、相対的に平滑化の度合いが大きい、少なくとも1つの平滑化画像から生成された中間合成画像と、相対的に平滑化の度合いが小さく、まだ合成がなされていない他の平滑化画像とを合成する処理を行うと共に、この合成処理をすべての平滑化画像が1つに合成されるまで繰り返す
ことを特徴とする請求項1記載の画像処理方法。 - 前記合成過程では、前記中間合成画像と前記他の平滑化画像との合成を、前記中間合成画像と前記他の平滑化画像との荷重和により行う
ことを特徴とする請求項4記載の画像処理方法。 - 前記合成過程では、前記荷重和の重みを、前記エッジ強度に基づいて画素ごとに変化させる
ことを特徴とする請求項5記載の画像処理方法。 - 前記合成過程では、前記中間合成画像と前記他の平滑化画像とを合成するときに、前記エッジ強度が小さいほど前記中間合成画像の重みを大きくする
ことを特徴とする請求項6記載の画像処理方法。 - 前記平滑化過程において、前記各平滑化画像の各画素値に対して非線形な変換を施して、各画素値を変換するための複数の係数を算出し、
前記合成過程において、前記エッジ強度に基づいて、前記複数の係数を合成し、その合成された係数を、前記係数算出過程において算出される係数として出力し、
前記画素値変換過程において、前記複数の係数を合成することによって生成された係数により、前記入力画像の各画素値の変換を行う
ことを特徴とする請求項1記載の画像処理方法。 - 入力された画像を、相対的によりダイナミックレンジの小さい画像に変換するための画像処理装置であって、
分割された複数の入力画像のそれぞれに対して平滑化を行い、平滑化の度合いの異なる複数の平滑化画像を生成する平滑化手段と、
前記複数の平滑化画像に基づいて、エッジ強度を算出するエッジ強度算出手段と、
算出された前記エッジ強度に基づいて、前記複数の平滑化画像を合成する合成手段と、
前記複数の平滑化画像を合成することによって生成された合成平滑化画像に基づいて、前記入力画像の各画素値を変換するための係数を算出する係数算出手段と、
算出された前記係数により、前記入力画像の各画素値の変換を行う画素値変換手段と
を備えたことを特徴とする画像処理装置。
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