JP5067499B2 - 画像処理装置 - Google Patents
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Description
Γ,G1/Γ,B1/Γ)へ変換し、このガンマ空間で補間処理等の画像処理を一本化して行う
ことによって階調変換の繰り返しに伴う量子化誤差を抑える技術が開示されている。特許文献3には、色成分信号を平方根特性のガンマ空間に変換し、このガンマ空間で補間処理を行うことによって画像に含まれているショットノイズの影響を抑えて鮮明な画像を得る技術が開示されている。
請求項2に記載の画像処理装置は、入力色空間における画像信号を画像処理空間における画像信号に変換し、変換後の画像信号を用いて所定の画像処理を行い、画像処理後の画像信号を出力色空間の画像信号に変換する画像処理装置は、前記入力色空間から画像処理空間への変換過程において、各画素が受光量に比例した信号で表された線形階調の画像信号の各々を、前記画像処理空間における非線形階調の画像信号に変換する第1の階調変換部と、前記第1の階調変換部による階調変換後の複数画素の画像信号を用いて、前記所定の画像処理を行う画像処理部と、前記画像処理部による画像処理後の画像信号を、前記出力色空間への変換過程において、線形階調の画像信号に変換する第2の階調変換部と、画像の撮像時に撮像素子に設定されていた撮像感度に応じて、前記非線形階調の特性を変化させるように、前記第1の階調変換部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、撮像感度が低いほど、前記非線形階調特性が平方根階調特性に近づくように、前記第1の階調変換部を制御することを特徴とする。
請求項3に記載の画像処理装置は、請求項1または2に記載の画像処理装置において、前記画像処理空間は、ノイズが均等な均等ノイズ空間であることを特徴とする。
請求項4に記載の画像処理装置は、請求項1または2に記載の画像処理装置において、前記画像処理部は、前記第1の階調変換部による階調変換後の複数画素の画像信号を用いて、第1の画像を第2の画像に変換する処理を行うことを特徴とする。
請求項5に記載の画像処理装置は、請求項1または2に記載の画像処理装置において、前記入力色空間における画像信号は、各画素に少なくとも1つの色成分信号を有した複数種類の色成分信号からなり、それぞれが受光量に比例した信号で表される線形階調の画像信号であり、前記画像処理部は、前記第1の階調変換部による階調変換後の複数画素の画像信号を用いて、各画素に少なくとも1つの共通した色成分信号を生成する処理を行うことを特徴とする。
請求項6に記載の画像処理装置は、請求項5に記載の画像処理装置において、前記画像処理部は、前記各画素に共通した色成分信号を、少なくとも2種類の色成分信号を用いて生成することを特徴とする。
請求項7に記載の画像処理装置は、請求項6に記載の画像処理装置において、前記画像処理部は、前記第1の階調変換部による階調変換後の複数画素の非線形色成分信号を用いて少なくとも2方向について類似度を算出し、各方向についての類似度間の差異を所定の閾値と比較することによって前記各方向についての類似性の強弱を判定し、この判定結果を用いて、前記各画素に共通した色成分信号を生成することを特徴とする。
請求項8に記載の画像処理装置は、請求項1または2に記載の画像処理装置において、前記第1の階調変換部は、前記入力色空間における画像信号が前記線形階調とは異なる画像信号で表されている場合、一旦、線形階調の画像信号に変換する処理を行ってから、前記非線形階調の画像信号に変換することを特徴とする。
請求項9に記載の画像処理装置は、請求項1または2に記載の画像処理装置において、前記画像処理部が行う所定の画像処理には、ノイズ除去処理およびエッジ強調処理の少なくとも1つが含まれることを特徴とする。
上記階調変換部は、階調変換手段と置き換えてもよい。
上記制御部は、制御手段と置き換えてもよい。
(第一の実施形態)
第一の実施形態では、R(赤)、G(緑)、B(青)がベイア配列されたカラーフィルタを通して撮像された画像に対して補間処理を行う画像処理を例にあげて説明する。この場合の画像の色はRGB表色系で示される。
X'[i,j]=X[i,j]+Λ (1)
ただし、オフセットΛは撮影時に撮像素子に対して設定されていた撮像感度(以後ISO
感度と呼ぶ)に応じて決定する。たとえば、ISO6400相当の場合にはΛ=0.05Xmaxに、ISO1600相当の場合にはΛ=0.02Xmaxに、ISO200相当以下ではΛ=0にする。Xmaxは、入力される画像信号Xの階調数の最大値(すなわち、フルス
ケール値)である。すなわち、線形入力階調信号Xの範囲は0≦X≦Xmaxである。本実
施形態では、R成分、G成分、およびB成分に対して共通のオフセットΛを加える。
Y=Ymax×√(X'/Xmax) (2)
ただし、階調変換後の信号Yの範囲は0≦Y≦Ymaxである。
するR成分の信号値をR[i,j]、G成分の信号値をG[i,j]、B成分の信号値をB[i,j]で
表すことにする。
CPUは、画素位置[i,j]で示されるG画素でない画素(R画素もしくはB画素)に関
して、縦方向の類似度CvN[i,j]、および横方向の類似度ChN[i,j]をそれぞれ次式(3)、(4)により算出する。
おける縦横の類似度に基づいて次式(5)により類似性の方向を判定する。
CPUは、判定した類似方向に基づき、R成分もしくはB成分の凸凹情報を利用してG成分の補間を行う。G色補間は、たとえば図4で示される中央のR画素の位置[i,j]に
対して、縦方向類似の場合は次式(6)および(9)により算出し、横方向類似の場合は次式(7)および(10)により算出する。B画素の位置に対してG色補間を行う場合の画素
位置は図5によって示される。
並ぶR成分の信号値R[i,j]、R[i,j-2]およびR[i,j+2]から算出される変化量を
表す。G成分の信号値の平均値にR成分の信号値の変化量を加えることにより、G成分の補間値G[i,j]が得られる。このような補間をG成分の内分点以外も予測可能なことか
ら、便宜的に外挿補間と呼ぶことにする。
横に並ぶ画素の信号値を用いて横方向に外挿補間を行うものである。
R色補間は、たとえば図6で示されるR画素の位置[i,j]以外の画素位置[i+1,j]、[i,j+1]、[i+1,j+1]に対して、それぞれ次式(11)〜(13)により算出される。このとき、上述したG補間により得られた全ての画素位置に対応するG成分信号値(図7)の凸凹情報が利用される。
B成分補間についてもR成分と同様に補間処理を行う。たとえば図8で示されるB画素の位置[i,j]以外の画素位置[i+1,j]、[i,j+1]、[i+1,j+1]に対して、それぞれ次式(14)〜(16)により算出される。このとき、上述したG補間により得られた全ての画
素位置に対応するG成分信号値(図9)の凸凹情報が利用される。
X'=Xmax×(Y/Ymax)2 (17)
ただし、X'=Rout',Gout',Bout'を表す。
ット処理後の信号値X[i,j]を得る。
X[i,j]=X'[i,j]−Λ (18)
ただし、X=Rout,Gout,Boutを表す。
上述した補間処理用の空間について、さらに詳細に説明する。一般に、撮像素子から出力される画像信号には種々のノイズが含まれている。ノイズはランダムノイズと固定パターンノイズとに大別され、ランダムノイズはさらに、ショットノイズとダークノイズとに分類される。
である。
δx=√(Ns2+Nd2) (19)
ただし、Nsはショットノイズ、Ndはダークノイズである。xはA/D変換直後の信号レベルであり、既にアナログゲインによって増幅されている。また、xは便宜上入力される信号の階調数の最大値(すなわち、フルスケール値)で除して規格化されているものとする。
Ns(g)=ms×√(g×x) (20)
Nd(g)=md×g+nd (21)
ただし、mおよびnはノイズモデルのパラメータ、gはアナログゲイン(すなわち、撮像素子に対して設定されているISO感度)である。
δx=2α(g)×√(x+β(g)) (22)
y=√(x+ε) (23)
ただし、x=X/Xmax、y=Y/Ymax、εはオフセットΛに対応する(ε=Λ/Xmax
)。
δy=√((dy/dx)2×δx2) (24)
式(24)に上式(22)および(23)を代入するとノイズδyは次式(25)のように求まる。
δy=α(g)×√((x+β(g))/(x+ε)) (25)
図12は、線形階調空間、平方根階調空間、およびオフセット付き平方根階調空間におけるそれぞれの入出力特性を示す図である。図12において、横軸は線形階調信号入力値xを、縦軸は階調変換後の出力値yをそれぞれ表す。直線21は線形変換時の入出力特性を、曲線22は平方根空間への入出力特性を、曲線23はオフセット付き平方根空間への入出力特性を、それぞれ示す。曲線22によれば、ダークノイズが支配的となる線形入力値が小さい領域(たとえば、0<x<0.1)、すなわち、低輝度領域において傾きが急峻になる。このため、入力値にノイズによる揺らぎが生じると、入力側で生じた揺らぎより大きく増幅された揺らぎが出力される。
て小さなG成分信号値に重畳するノイズδGinterpolatedは非常に大きな値になる。この結果、補間されるR成分信号値のノイズδRinterpolatedがノイズδGinterpolatedによって大きく振られた場合には当該R成分信号値が0付近まで小さく落ち込むので、この信号値は赤地の中の黒点として表現されてしまう。このように、単なる平方根階調空間で補間処理を行うと、R、G、Bそれぞれの明るさに依存してδRBayerとδGinterpolated
とが振れてしまう。
(1)画像を構成する全ての画素位置において全色成分(上記の例ではRGB)の信号値を得るために、不足する色成分の信号値を補間する処理を以下のように線形階調空間からオフセット付き平方根階調空間に変換して行う。すなわち、線形階調信号xに対して撮像素子に設定されているISO感度の関数として表されるオフセットε(ε=β(ISO感
度))を加え、オフセット後の(x+ε)を1/2乗のガンマ空間へ変換する。したがって
、誤差伝播則によってガンマ変換後の信号値に含まれる誤差は、オフセットεを付加してからガンマ補正するので全階調にわたって均等になる。全階調にわたって均等化されたノイズの揺らぎ幅をISO感度毎のノイズプロファイルとして1つの代表値で表し、この代表値に応じて方向判定閾値Th(Th∝(ISO感度))を定める結果、補間処理時の方向判
定精度が高まると同時に、補間後(画像復元後)の画像の色鮮明性が向上するという、平方根特性が有する高画質な画像復元の性質をも継承できる。
第一の実施形態では均等ノイズ空間(オフセット付き平方根階調空間(もしくは補間処理用空間))で補間処理を行って画像を復元する画像処理装置について説明した。均等ノイズ空間は、補間処理以外の他の処理を行う場合にも有効である。第二の実施形態では、均等ノイズ空間において画像の平坦部(変化がない部分)を検出し、検出した平坦部に対してぼかし処理を行う場合について説明する。
(平坦部検出)
入力された画像信号がモノクロ画像の場合を例にすると、CPUは次式(30)および図15によって示される高周波数成分の抽出(ハイパスフィルタ処理)を行う。
CPUは、上式(31)により得られた判定結果に基づいて次式(32)および図16によって示されるローパスフィルタ処理を行う。この処理により、高周波数成分が除去されてぼかし効果が得られる。CPUは、ローパスフィルタ処理(ぼかし処理)を終了すると図14のステップS5へ進む。
できるので、画像の平坦部検出を極めて簡略に、かつ正確に抽出することができる。このように抽出した平坦部に対してぼかし処理を行うので、画像の明るさによって特性の異なるノイズの影響を受けてぼかし処理を施したり施さなかったりすることがなくなり、全階調にわたって適切にぼかし処理を行うことができる。
第三の実施形態では、均等ノイズ空間においてカラー画像の輝度面、色差面のそれぞれにノイズ除去処理を行う場合について説明する。
閾値σTh(σTh∝α(g))に対する画素値差分|A(x)−A(x')|の変化比に応
じて決定するため、YCbCr各面がノイズ揺らぎの大きさに応じてぼかし処理される。すなわち、平坦部では信号はA(x')≒A(x)であってもA(x')=A(x)±σTh程度の揺らぎをもっており、この程度に揺らぐ似たような信号領域は平滑化対象領域となり、エッジ部などの構造が異なる領域は|A(x')−A(x)|≫σThとなるので平滑
化対象領域からはずれることになる。なお、平滑化の積分範囲は7×7画素や15×15画素といったように目的に応じて任意に設定してよい。CPUは、上記ガウスぼかし処理を終了すると色空間(YCbCr)から色空間(RGB)に変換した後、図14のステップS5へ進む。
わたってISO感度毎のノイズプロファイルを1つの代表値で表すことができ、この代表値に応じてガウスぼかし処理における信号差分に基づいた平滑化加重係数の割合を定めるので、画像の明るさによって特性の異なるノイズの影響を受けてガウスぼかし処理の程度が変化することがなくなり、ガウスぼかし処理が非常に行いやすくなる。また、全階調にわたって抜群のノイズ除去効果を得ることができる。
日本国特許出願2004年第200890号(2004年7月7日出願)
Claims (9)
- 入力色空間における画像信号を画像処理空間における画像信号に変換し、変換後の画像信号を用いて所定の画像処理を行い、画像処理後の画像信号を出力色空間の画像信号に変換する画像処理装置は、
前記入力色空間から画像処理空間への変換過程において、各画素が受光量に比例した信号で表された線形階調の画像信号の各々を、前記画像処理空間における非線形階調の画像信号に変換する第1の階調変換部と、
前記第1の階調変換部による階調変換後の複数画素の画像信号を用いて、前記所定の画像処理を行う画像処理部と、
前記画像処理部による画像処理後の画像信号を、前記出力色空間への変換過程において、線形階調の画像信号に変換する第2の階調変換部と、
画像の撮像時に撮像素子に設定されていた撮像感度に応じて、前記非線形階調の特性を変化させるように、前記第1の階調変換部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記撮像感度が低いほど低輝度側の階調特性の曲率を大きくし、該撮像感度が高いほど低輝度側の階調特性の曲率を小さくするように、前記第1の階調変換部を制御することを特徴とする画像処理装置。 - 入力色空間における画像信号を画像処理空間における画像信号に変換し、変換後の画像信号を用いて所定の画像処理を行い、画像処理後の画像信号を出力色空間の画像信号に変換する画像処理装置は、
前記入力色空間から画像処理空間への変換過程において、各画素が受光量に比例した信号で表された線形階調の画像信号の各々を、前記画像処理空間における非線形階調の画像信号に変換する第1の階調変換部と、
前記第1の階調変換部による階調変換後の複数画素の画像信号を用いて、前記所定の画像処理を行う画像処理部と、
前記画像処理部による画像処理後の画像信号を、前記出力色空間への変換過程において、線形階調の画像信号に変換する第2の階調変換部と、
画像の撮像時に撮像素子に設定されていた撮像感度に応じて、前記非線形階調の特性を変化させるように、前記第1の階調変換部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、撮像感度が低いほど、前記非線形階調特性が平方根階調特性に近づくように、前記第1の階調変換部を制御することを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1または2に記載の画像処理装置において、
前記画像処理空間は、ノイズが均等な均等ノイズ空間であることを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1または2に記載の画像処理装置において、
前記画像処理部は、前記第1の階調変換部による階調変換後の複数画素の画像信号を用いて、第1の画像を第2の画像に変換する処理を行うことを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1または2に記載の画像処理装置において、
前記入力色空間における画像信号は、各画素に少なくとも1つの色成分信号を有した複数種類の色成分信号からなり、それぞれが受光量に比例した信号で表される線形階調の画像信号であり、
前記画像処理部は、前記第1の階調変換部による階調変換後の複数画素の画像信号を用いて、各画素に少なくとも1つの共通した色成分信号を生成する処理を行うことを特徴とする画像処理装置。 - 請求項5に記載の画像処理装置において、
前記画像処理部は、前記各画素に共通した色成分信号を、少なくとも2種類の色成分信号を用いて生成することを特徴とする画像処理装置。 - 請求項6に記載の画像処理装置において、
前記画像処理部は、前記第1の階調変換部による階調変換後の複数画素の非線形色成分信号を用いて少なくとも2方向について類似度を算出し、各方向についての類似度間の差異を所定の閾値と比較することによって前記各方向についての類似性の強弱を判定し、この判定結果を用いて、前記各画素に共通した色成分信号を生成することを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1または2に記載の画像処理装置において、
前記第1の階調変換部は、前記入力色空間における画像信号が前記線形階調とは異なる画像信号で表されている場合、一旦、線形階調の画像信号に変換する処理を行ってから、前記非線形階調の画像信号に変換することを特徴とする画像処理装置。 - 請求項1または2に記載の画像処理装置において、
前記画像処理部が行う所定の画像処理には、ノイズ除去処理およびエッジ強調処理の少なくとも1つが含まれることを特徴とする画像処理装置。
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