JP4672060B2 - シーンの画像におけるぶれを低減する方法及びシーンの画像のぶれを除去する方法 - Google Patents
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Description
露出時間の短縮化は一般的な解決法である。しかしながら、露出時間が短いことによって、雑音が増加し、不必要に、画像の静止エリアに不利益をもたらす。高速度カメラは急速な動きを取り込むことができるが、検知、帯域幅及び記憶の点で費用がかかる。高速度カメラはまた、フレーム間コヒーレンスを利用しない。高速度カメラは、明るい光が必要であることが多い。適度な露出時間を使用するが極めて短い持続時間のフラッシュを使用することによって、高速物体に対する視覚的に驚くような結果を得ることができる。しかしながら、ストロボフラッシュは、屋外又は離れたシーンでは実際的でないことが多い。さらに、フラッシュは、動作の瞬間のみを取り込み、シーンの全体的な動きを示さない。
カメラの動きを克服するために、カメラの動きを補償する慣性センサを使用して適応光学部品を物理的に安定化することができる。別法として、CMOSカメラには、通常の露出時間内で高速フレーム取込みを実行し、複数画像ベースの動きぶれ除去を可能とするものもある。それら技法は、露出時間が妥当であれば、明瞭且つ鮮明な画像を生成することができる。
部分的な情報を結合して、ビデオカメラによって取り込まれた連続フレームに基づくか、又は露出時間がオーバラップした複数の同一場所に配置されたカメラによって取り込まれたフレームから、ビデオを推定しぶれを除去することができる。
ぶれPSFを考慮して画像のぶれを除去する方法には2つの主な種類がある。第1の種類は、周波数領域において、ウィナーフィルタすなわち正規化反転を使用することができ、ぶれが除去された画像のフーリエ(コサイン)変換の計算を必要とする。第2の種類は、反復更新手法を含む。これらは、ルーシー・リチャードソン(Lucy-Richardson)アルゴリズム、及び画像統計に基づいて損失指標を反復的に最適化する他の更新を含む。
一般に、信号処理において、広帯域応答で信号を変調するために、2値の連続した符号が使用される。符号は、パルス間隔中に広い周波数帯域にわたって搬送波を掃引する「チャープ」を含む。最長系列(m系列)及び修正均一冗長アレイ(modified uniform redundant array)(MURA)は、巡回畳み込みによる符号化及び復号に対する一般的な選択である。符号化開口天体結像法(Coded-aperture astronomical imaging)は、従来のレンズに適していないX線及びガンマ線波長を取り込みながら、MURA符号を使用して信号対雑音比を向上させる。
より一般的に、図2及び図3において概略的に示すような線形代数を用いて畳み込みについて説明する。Bが、ぶれのある入力画像ピクセル値を示すものとする。画像Bの各ピクセルは、所望のぶれのない画像Xにおける強度の一次結合であり、以下のように書くことができる。
本発明の目的は、撮像プロセスの反転可能性を向上させる時間符号を選択することである。ここでは、符号化行列の条件数と符号の周波数スペクトルの分散とを調査することによって反転可能性を分析する。
1010000111000001010000110011110111010111001001100111
線形解
PSFが推定されると、既知の画像逆畳み込みプロセスを使用してぶれのある画像のぶれを除去することができる。しかしながら、後述するいくつかの場合において、逆畳み込みを介してさらなる制約を追加することは困難であり、代りに線形代数プロセス法がより実際的であり好ましいことが分かった。ここでは、最小二乗推定を使用して、ぶれが除去された画像
ここで、静止した、ぶれのない背景の前面で不透明物体が動いていることによる動きぶれの問題を扱う。これは、一般的であるが困難な場合であり、それは、動いている物体が背景と「混合する(blend)」傾向にあるためである。画像のぶれを除去するために、動いている物体のPSFを知ることでは不十分である。ここでは、この問題を探求し、事例を分類し、場合によっては、ブレ除去プロセス中に、ぶれた物体のエッジにおいて可視である未知の背景を回復することができることを示す。
1.形状が既知である幅の広い物体及びテクスチャ背景:n>k
2.形状が未知である幅の広い物体:n>k、及び
i.一定の背景、
ii.テクスチャ背景であるが、テクスチャのエッジはぶれ領域の外部にある
iii.テクスチャ背景であり、テクスチャのエッジはぶれ領域を通過する
3.幅の狭い物体であって、その長さより長い距離にわたってぶれた物体:n<k
画像ワーピングを適用することによって、本発明による方法160は、遠近法による消点において接触するラインに沿った動きと同様に、固定中心の周りの平面回転において、アフィン変換として投影する単純な動きのはるかに広いセットを復号することができる。符号化ぶれのPSFは最初は非線形であり位置依存であるが、線形動きの大部分をワーピングすることによって、画像スキャンラインに位置合せされた空間的に不変の一様の長さの変位ベクトルを有する画像を生成することができる。動きぶれがこの同じ変位ベクトル場に従うため、ワーピングされた画像は、この時点で復号に適している一様の幅の符号化ぶれ領域を提供する。最終結果をもたらすために、単に逆ワーピングを適用することによって、復号画像をその元の幾何学的形状に戻す。遠近ワーピングの場合、動きラインの消点を推定した後に順変換を適用することができる。順変換に従い、カメラ画像空間においてワーピングされた動きラインはすべて平行である。
ぶれが除去された結果は、広範囲のアプリケーションに対して有益である。ここでは、芸術的なぶれを再形成する例について説明し、次のセクションで他のアプリケーションについて説明する。
本発明では、単一のぶれのある画像から任意の動きぶれを生成することができる。ボケは、画像内のさまざまな芸術的に制御された焦点又はグレア効果を説明するために従来から使用される日本語の用語である。さまざまな形状のピンホール又は開口を使用することによって、撮影者は、明るい点状物体を、それらの焦点が合っていない時に、円板、三角形、星及び他の形態として現れるようにすることができる。焦点の合っていない領域の色及び明るさは、一定の品質の光の感じ及び屋外の感覚に寄与する。
図5に示すように、本発明では、回復された動いている物体と背景との間に新たな物体を、それら3つの要素の適当な動き誘引混合を用いて重ね合わせることができる。これを達成するために、対象画像を時間的に、k個の個々のチョップ画像を有する系列に分割する。各チョップに対し、元の車と挿入された車とを、そのチョップに対して線形補間変位を用いて位置決めする。3つの層は、遮蔽関係を画定する。そして、所望のPSFを使用して、生成されたk個の画像を混合する。
カメラの動き
カメラの動きは、従来、光学素子のジャイロベースの物理的安定化を使用して解決される。カメラ振動によってもたらされるぶれのある画像からカメラ動きを回復することも可能である。この場合、PSFは複雑であり、2次元PSFを推定するために別の方法が必要な場合もある。これを、カメラに組み込まれた加速度計若しくはジャイロスコープを介して、又は補助低解像度高フレームレートカメラを用いて達成することができる。ここでは、シフト不変性、すなわちすべての点が同じPSFを共有すると想定するため、単一の特徴のみを追跡すればよい。たとえば、点光源、たとえば発光ダイオードを視野内に配置することができる。光のスミアを本発明によるPSFとして使用する。
動きぶれは、動いている物体の色をその動きラインに沿って広く分散させる。動いている物体が、幅の狭い固定前景物体によって部分的に遮蔽される場合、本発明では、動いている物体の部分的に遮蔽された領域すべてに対して依然として色を回復することができる。画像修復等の技法は、あり得るピクセル値に「幻覚を起こす(hallucinate)」が、符号化ぶれによって、完全に観察されたシステムを包含することができる。
ビデオカメラ及びモーションビデオへの拡張によって、フレーム間コヒーレンスを利用することによって動き推定を向上させることができる。2つ以上のカメラに対するオーバラップしたチョップによって、非常に微細な時間分解能が同様に可能になる。同様に、2つ以上の物体のオーバラップする動きからぶれを復号する方法によって、さらなる複雑な遮蔽効果が可能になる。
本発明による変調技法、サンプリング技法及び復号技法は、超音波及びソナー検知等の他の場でもあり得ることが留意されるべきである。そこでは、検知信号は、デバイスの制限のため、又はソナーデバイスが移動したため、ローパスフィルタリングされる。時間サンプリング符号を使用することによって、高周波数成分の減衰を低減することができる。
本発明による高周波数サンプリング技法を、入力画像にスミアをもたらす他のデバイスで使用することも可能である。たとえば、レンズの焦点が合わないことによって、ピンぼけしたぶれのある画像がもたらされる。レンズの正面に高周波数パターンを配置することによって、後の復号プロセス中に焦点が合った鮮鋭画像を回復することができるように、ピクセルぶれを符号化することができる。
符号化露出は、PSF推定の達成をより容易にする。平坦ぶれでは、動き推定は、単一フレーム内では比較的困難である。符号化露出は高周波数成分のより多くを保存するため、フレーム内オプティカルフロープロセスを適用することができる。画像系列及びビデオからの動きを分析するいくつかの技法が知られている。符号化露出ビデオカメラは、オプティカルフロー、PSF推定及び画像安定化に関して結果を大幅に向上させることができる。連続フレームのコヒーレンスを利用することによって、新たなレンダリング効果も可能である。コヒーレンスを改善された背景モデリングに使用することによって、復号動作中に背景シーンにおける干渉を低減することができる。
一実施態様では、外部からトリガされるシャッタを使用する。内部実施態様は、大域的に分散されたチョップ信号に従ってセンサのピクセルレベルで入射光の積分を開始し停止することができる。
本発明の実施形態による逆畳み込み出力を従来の方法と比較することは有益である。
本発明による復号プロセスにおける雑音は、主に高周波数成分の増幅による。符号化PSFは保存されるが、最低周波数成分以外の周波数成分すべてを適度に減衰させる。線形システムAx=bの場合、独立し且つ同一に分散された雑音及び分散σ2を想定すると、xの共分散行列Cxは以下の式によって与えられる。
2値符号選択は、システムの性能に非常に影響を与える。長い符号、すなわち大きいmは、露出時間を細かく再分化し、大量のぶれを復号することができるが、わずかな量のぶれには有効でない。反対に、短い符号はチョップ毎に持続時間が長く、単一チョップ内のぶれは解決することができない。ぶれのあり得る最良のサンプリングを達成するために、比k/mを1ピクセル/チョップよりわずかに大きく維持することが望ましい。
はためく露出シーケンスを介するぶれ除去にはいくつかの利点がある。天文学又は断層撮影法で使用される方法等の符号化撮像方法は、通常、人間の観察者には意味のない生画像を検知する。好都合なことに、本発明の場合、符号化露出画像は、正しく復号されない場合であっても有用である。平坦ぶれと比較して、画像は、最悪の場合、半分の強度で半分ぶれる。符号化系列は、より複雑な連続不透明度制御とは対照的に2値不透明度をトグル(toggle)すればよいため、実装が容易である。デジタルカメラでは、2値切替えプロセスを、シャッタを用いて直接実装することができるか、又は検知チップ自体に実装することができる。
Claims (18)
- カメラによって取得されたシーンの画像におけるぶれを低減する方法であって、
最適な時間符号化パターンを選択するステップであって、前記時間符号化パターンは2値系列である、ステップと、
露出時間中に、カメライメージセンサによって取得され且つ積分されるシーンの光を前記時間符号化パターンに従って時間的に変調して、符号化入力画像を生成するステップと、
前記時間符号化パターンの反転に従って前記符号化入力画像を復号して、ぶれが低減した復号出力画像を生成するステップとを含む、方法。 - 前記時間符号化パターンは最適な2値符号である、請求項1に記載の方法。
- 前記露出時間は200ミリ秒であり、前記変調は、前記露出時間中に52回、カメラシャッタを開閉する、請求項1に記載の方法。
- 前記露出時間は任意の持続時間を有し、前記時間符号化パターンは、任意の長さの2値オン・オフ系列である、請求項1に記載の方法。
- 前記変調は、前記シーンの検知されるオプティカルフローに従って適応的に選択される、請求項1に記載の方法。
- 前記オプティカルフローは前記カメラにおいて検知される、請求項5に記載の方法。
- 前記オプティカルフローは超音波センサを使用して検知される、請求項5に記載の方法。
- 前記カメラの動きは、慣性センサ又はジャイロスコープによって検知される、請求項5に記載の方法。
- 前記時間符号化パターンは、2値系列
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に従って前記カメラのシャッタを開閉する、請求項1に記載の方法。 - 前記入力画像を係数m/kでスケーリングするステップと、
推定出力画像を決定するステップと、
前記推定出力画像を係数k/mでスケーリングして、出力画像を取得するステップであって、mは前記2値系列におけるオン及びオフの数であり、kは、前記カメライメージセンサのスキャンラインにおけるピクセルの数に等しい点像分布関数ベクトルの長さである、ステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記入力画像における背景領域の色と動いている物体の色とを自動的に決定するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記入力画像において静止背景領域を決定するステップと、
前記入力画像において動いている物体を含む前景領域を決定するステップとをさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 前記前景領域は、矩形境界ボックスによって特定される、請求項12に記載の方法。
- 前記前景領域は、不規則な形状の切抜きによって特定される、請求項12に記載の方法。
- 比較的高い勾配を有する動きラインに沿った前記入力画像のピクセルを除外することによって、前記静止背景の影響を低減するステップをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記入力画像から、ぶれている動いている物体を遮蔽する静止物体を除去するステップをさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 後処理ステップ中に、前記入力画像における時間ぶれが、新規な合成効果を達成するように修正される、請求項1に記載の方法。
- 動いている物体を含む、カメラによって取得されたシーンの画像のぶれを除去する方法であって、
動いている物体を含むシーンの光場を、該光場の複数のオン及び複数のオフの系列に従って時間的に変調すること、
露出時間中にカメラのセンサによって前記時間的に変調された光場を積分して、符号化入力画像を生成すること、及び
スミアリング行列の擬似逆行列に従って前記符号化入力画像を復号して、ぶれが低減した復号出力画像を生成することを含む、方法。
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