JP5328165B2 - シーンの4dライトフィールドを取得する装置及び方法 - Google Patents
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Description
各到来方向を別個に測定して全体的な4Dライトフィールド関数を推定する代わりに、ライトフィールドの取得が約1世紀前に初めて、4Dフィルム又はセンサ平面上の1点に到来する全ての光線の方向積分を「やり直す」ように記載された。当初の積分カメラ及びその変形の概観がOkano他著「インテグラルフォトグラフィに基づく3次元映像システム(Three dimensional video system based on integral photography)」(Optical Engineering 38, pp. 1072-1077, 1999)に記載されている。
天文学では、ピンホールカメラの制約を克服するために符号化開口結像法が用いられている(Skinner著「符号化マスクを用いるX線撮像(X-Ray Imaging with Coded Masks)」(Scientific American 259 p. 84, August 1988))。改良均一冗長アレイ(MURA)が遠くの星の光分布を符号化するために用いられている。しかし、開口結像法は、従来のカメラに用いられているようなレンズの使用を除外する。
図1及び図2に示すように、本発明の実施形態は、シーン102の4Dライトフィールド101を取得して再構成するカメラ100及び200を提供する。カメラ100は、従来のレンズ110と、従来の開口115と、従来のセンサ120とを備える。レンズは、複合レンズのように、視差、コマ収差及び歪みを補正するために複数の要素を含み得る。しかし、光路103は1つしかないことを理解すべきである。スキャナはCCDラインスキャナとすることができる。
図3及び図8は、本発明の実施形態の基本的な動作を示す。図3は、符号化ぼけカメラ200の光学素子を示す。図8は、ヘテロダインライトフィールドカメラ100の光学素子を示す。
次に、本明細書中でフーリエ領域ライトフィールド空間(FLS)と呼ぶ周波数領域の2Dライトフィールドに対する、センサ、レンズ及び開口等の様々な光学要素の効果を論じる。(x,θ)空間を一次領域と呼ぶ。
ライトフィールドは、自由空間における光線の4D表現である。2Dセンサは、このライトフィールドの1つの2Dスライスしかサンプリングすることができない。シーンに応じて、ライトフィールド中の情報コンテンツは、ライトフィールドの様々な部分に集中する。
撮像されるシーンが、x平面301において平面ランベルトシーン410を含むものと仮定する。ランベルトシーンからの光線の放射照度には角度変化がないため、そのライトフィールド410の情報コンテンツは、fx軸に沿ったものに制限される。したがって、全ての0でないfθに関してL(fx,fθ)=0である。L(fx,fθ)はfθに依存せず、A(fx,fθ)はfxに依存しないため、式(2)及び(3)から次式が得られる。
一般のシーンに関して、ライトフィールドは、図5に示すようにfx0及びfθ0に帯域制限されているものと仮定する。
全ての|fx|≧fx0,|fθ|≧fθ0に関して、L(fx,fθ)=0
要求される変調は、図8に示すようなレンズとセンサとの間の適切な位置に配置された、適切に選択された2Dマスクを使用することによって周波数領域において達成することができる。このマスクは2D変調器にすぎない。しかし、驚くべきことに、レンズ110と並行して、所望の4D変調を達成することができる。
Oppenheim他による変調理論は、広帯域信号s(x)が周波数f0のコサインで変調されると、その結果はその周波数における信号のレプリカとなると述べている。
図5及び図6に示す変調は、適切に選択された減衰マスクをレンズとセンサとの間の光路に配置することによって達成することができる。
図8に示すように、本発明のマスクは本質的に、レンズとセンサとの間の光路に配置される特別な1D符号c(y)(4Dライトフィールド410の場合は2D)である。このマスクは1Dであるが、その変調関数420は2Dである。本発明のヘテロダインライトフィールドカメラ用の構成を図9及び図10に示す。光線空間において、dにおけるコサインマスクは、図8に示すようにセンサに柔らかな影を落とす。
2Dライトフィールドを取得するために、変調関数M(fx,fθ)は、次式により与えられる、角度αにおける一連のインパルスである。
M(fx,fθ)を傾斜した2D線の一組の1Dインパルスとして達成するために、1Dマスクのフーリエ変換C(f)は一組のインパルスでなければならない。2p+1をM(fx,fθ)におけるインパルス数とする。すると、1Dマスクのフーリエ変換は次式により与えられる。
2Dライトフィールドを1Dセンサ画像から再構成するために、センサ画像のフーリエ変換を求め、1Dフーリエ変換を図7に示すように2Dに再整形し、逆フーリエ変換を求める。したがって、次式が成り立つ。
ライトフィールドの取得のためのマスクベースのヘテロダイン処理の解析及び構造は、2Dライトフィールドに関して明らかにされているが、その手順は、2Dセンサによる4Dライトフィールドの取得でも同一である。4Dの場合への拡張は単純である。
t1=2p1+1、及びt2=2p2+1
ライトフィールドに基づくデジタルリフォーカス
適切なスライスを撮影することによってライトフィールドの再構成フーリエ変換からリフォーカス画像を得ることができる(参照により本明細書中に援用される上記Ng, 2005を参照)。再構成ライトフィールド101を用いることによって、画像の被写界深度を著しく深くすることができる。再構成ライトフィールドに基づくデジタルリフォーカスは、複雑なシーンの場合にもリフォーカスを可能にする。
本発明のライトフィールドカメラは、追加の利点を有する。本発明では、焦点の合ったシーンのランベルト部分の高分解能画像を生成することができる。はっきりと焦点の合ったシーン点を考える。このシーン点からの全ての光線は、同一のセンサピクセルに到達するが、マスクにより様々に減衰される。したがって、センサピクセル値は、シーン放射照度と、そのピクセルに到達する光線の円錐内のマスクの平均値との積である。この減衰γ(x,y)は、ピクセル毎に変化し、解析により求められるか、又は均一強度のランベルトシーンの単一の再構成画像を取得することによって再構成されることができる。
上記では、減衰マスクを用いるライトフィールドカメラを説明した。このセクションでは、ライトフィールドの特定の下位分類、例えば、層状ランベルトシーンから得られるライトフィールドを説明する。そのようなシーンの場合、本発明では、開口での低周波数マスクの使用が、フル分解能デジタルリフォーカスを達成する非常に強力な方法であることを示す。
ライトフィールドの周波数変換にマスク変調関数を掛けるため、最適なマスクは周波数領域において広帯域応答を有する。一般には改良均一冗長アレイ(MURA)符号としても知られる広帯域マスクは、符号化開口天文学において用いられている。
本発明では、画像デコンボリューション技法を用いて、単一の符号化された。焦点外れの画像からフル分解能でのデジタルリフォーカスを達成する。取得画像中の焦点外れによるぼけは、シーンの深度に関連する。焦点外れから深度は既知であるが、単一の焦点外れ画像から深度マップを求めることは、シーンに関する事前知識を仮定するか、又は学習に基づく手法を用いない限り困難である。
本発明は、画像全体が、焦点外れによるぼけの直径がkピクセルである単一の層を有するものと仮定する。取得される画像Bは、畳み込みにより鮮明な画像Iに次のように関連付けられる。
シーンはn個の層を有するため、対応するスケールのn個のぼけ補正画像(I1,...,In)のみを考えればよい。本発明では、前のステップからの内部のラベル付けを用いて、対応するぼけ補正画像から層毎(別個に処理されるチャネル毎)にカラーヒストグラムを作成する。また、所与のぼかし画像を用いて、全ての層の外部の均質領域のヒストグラムを作成する。
画像補完及び他の幻覚技法は、画像の欠損領域又は不要な領域を埋めるために用いることができる。しかし、このような技法は、焦点の外れたぼけ画像には機能しない場合がある。幻覚ピクセル値は、焦点外れによるぼけではモデル化されないため、このような画像のぼけ補正はアーティファクトを生じる。
図14A及び図14Bは、傾いた本による空間的に変化する焦点外れによるぼけの一例を示す。焦点の合った画像を得るために、本発明では、ぼけ補正画像I1,...,ITを融合する。本発明では、ぼけ画像上の4点を用いて本のホモグラフィを推定すると共に、端点におけるスケール、及びホモグラフィパラメータを用いて各ピクセルにおけるPSFスケールを推定する。ぼけ補正画像は次に、空間的に変化するスケールに従って合成され、図14Bに示す全ての焦点が合った画像が得られる。なお、「ARCHITECTURE」という単語は、図14Aに示すぼけ画像では読み取ることができないが、図14Bに示す出力画像では鮮明である。
Claims (46)
- シーンの4Dライトフィールドを取得する装置であって、
レンズと、
2D画像を検知するセンサと、
前記レンズ及び前記センサの間の直線光路内に配置されるとともに、前記センサの前面に配置されるマスクと
を備え、
前記マスクは、高空間周波数を有する減衰パターンを含み、前記センサにより前記シーンが前記2D画像として検知される前に、前記4Dライトフィールドを再構成可能とするように、前記シーンに関して前記減衰パターンを用いて空間変調を行う
シーンの4Dライトフィールドを取得する装置。 - 前記マスクは、前記4Dライトフィールドをヘテロダイン処理する
請求項1記載の装置。 - 前記センサは、入力画像を生成し、
前記入力画像から前記4Dライトフィールドを再構成する手段をさらに備える
請求項1記載の装置。 - 前記4Dライトフィールドは、フーリエ領域の復号により再構成される
請求項3記載の装置。 - 前記センサは、焦点外れによるぼけ入力画像を生成する
請求項1記載の装置。 - 分解能の損失なしにデジタルリフォーカスを達成することができる
請求項1記載の装置。 - 前記減衰パターンは、前記マスクに印刷される
請求項1記載の装置。 - 前記マスクは、アクティブであり、
前記マスクの位置及び前記減衰パターンの空間周波数を連続的に変更する手段をさらに備える
請求項1記載の装置。 - 分解能の損失なく、前記再構成された4Dライトフィールドから前記入力画像をリフォーカスして、焦点の合った出力画像を生成する手段をさらに備える
請求項3記載の装置。 - 前記出力画像は、深い被写界深度を有する
請求項9記載の装置。 - 前記再構成された4Dライトフィールドから新たなリフォーカス画像を合成する手段をさらに備える
請求項3記載の装置。 - 前記再構成された4Dライトフィールドから高分解能画像を生成する手段をさらに備える
請求項3記載の装置。 - 前記マスクは、前記直線光路に対して或る角度で配置される
請求項1記載の装置。 - 前記マスクは、コサインパターンを有する
請求項1記載の装置。 - 前記入力画像をぼけ補正して焦点外れによるぼけを除去する手段をさらに備える
請求項5記載の装置。 - 前記センサは、前記4Dライトフィールドを符号化する入力画像を生成し、
前記センサに接続され、前記入力画像から出力画像を生成するマイクロプロセッサをさらに備える
請求項1記載の装置。 - 前記センサは、前記シーンの一連の画像を取得する
請求項1記載の装置。 - シーンの4Dライトフィールドを取得する方法であって、
直線光路に沿ってレンズを通ってセンサへ前記4Dライトフィールドを通過させるステップと、
前記レンズ及び前記センサの間の前記直線光路内に配置されるとともに前記センサの前面に配置され、高空間周波数を有する減衰パターンを含むマスクを用いて、前記センサにより前記シーンが検知される前に、前記4Dライトフィールドを再構成可能とするように、前記シーンに関して前記減衰パターンを用いて空間変調を行うステップと
を含む、シーンの4Dライトフィールドを取得する方法。 - 前記減衰マスクは、前記4Dライトフィールドをヘテロダイン処理する
請求項18記載の方法。 - 前記センサは、入力画像を生成し、
前記入力画像から前記4Dライトフィールドを再構成するステップをさらに含む
請求項18記載の方法。 - 前記4Dライトフィールドは、フーリエ領域の復号により再構成される
請求項20記載の方法。 - 前記センサは、焦点外れによるぼけ入力画像を生成する
請求項18記載の方法。 - 前記入力画像をぼけ補正することにより得られるリフォーカス画像は、前記センサのピクセル分解能と同じ分解能を有する
請求項22記載の方法。 - 前記減衰マスクは、パターンが印刷される
請求項18記載の方法。 - 前記減衰マスクは、アクティブであり、
前記減衰マスクの位置及びパターンの空間周波数を連続的に変更するステップをさらに含む
請求項18記載の方法。 - 前記再構成された4Dライトフィールドから前記入力画像をリフォーカスして焦点の合った出力画像を生成するステップをさらに含む
請求項20記載の方法。 - 前記出力画像は、深い被写界深度を有する
請求項26記載の方法。 - 前記再構成された4Dライトフィールドから新たな画像を合成するステップをさらに含む
請求項20記載の方法。 - 前記再構成された4Dライトフィールドから高分解能画像を生成するステップをさらに含む
請求項20記載の方法。 - 前記減衰マスクは、前記直線光路に対して或る角度で配置される
請求項18記載の方法。 - 前記減衰マスクは、コサインパターンを有する
請求項18記載の方法。 - 前記減衰マスクは、高空間周波数を有すると共に前記レンズの近くに配置されて前記シーン内の深度を正確に検知する
請求項18記載の方法。 - 前記入力画像をぼけ補正するステップをさらに含む
請求項22記載の方法。 - 前記センサは、前記4Dライトフィールドを符号化する入力画像を生成し、
前記センサにより生成される入力画像から出力画像を生成するステップをさらに含む
請求項18記載の方法。 - 前記センサは、前記シーンの一連の画像を取得する
請求項18記載の方法。 - 前記センサにより検知される2D信号にフーリエ変換を適用して2Dタイルを得るステップと、
前記2Dタイルを4D平面群にリアセンブルするステップと、
前記4D平面群に逆フーリエ変換を適用して前記4Dライトフィールドを再構成するステップとをさらに含む
請求項18記載の方法。 - 開口の通過後の前記4Dライトフィールドの前記フーリエ変換は、到来ライトフィールドの前記フーリエ変換の、開口変調関数の前記フーリエ変換による変調により与えられる
請求項36記載の方法。 - 前記入力画像とは異なる深度におけるリフォーカス画像を求めるステップをさらに含む
請求項20記載の方法。 - 前記再構成された4Dライトフィールドとは異なる視点から新たな画像を合成するステップをさらに含む
請求項20記載の方法。 - 複数のマスクが前記直線光路内に配置される
請求項18記載の方法。 - 前記減衰マスクのパターンは、解析2D関数である
請求項18記載の方法。 - 前記減衰マスクのパターンは、2値関数である
請求項18記載の方法。 - 前記減衰マスクのパターンは、連続2D関数である
請求項18記載の方法。 - 前記センサは、前記複数のマスクを用いて前記シーンの一連の画像を取得する
請求項40記載の方法。 - シーンの4Dライトフィールドを取得する方法であって、
レンズ及びセンサの間の直線光路内に配置されるとともに前記センサの前面に配置され、高空間周波数を有する減衰パターンを含むマスクを用いて、前記センサにより前記シーンが検知される前に、前記4Dライトフィールドを再構成可能とするように、前記シーンに関して前記減衰パターンを用いて空間変調を行うステップと、
前記空間変調された前記シーンを前記センサにより検知することで、前記4Dライトフィールドを再構成可能とする入力画像を生成するステップと
を含む、シーンの4Dライトフィールドを取得する方法。 - 前記入力画像を復調して前記4Dライトフィールドを回復するステップをさらに含む
請求項45記載の方法。
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