JP5340233B2 - シーンの入力画像を取得するための方法および装置 - Google Patents
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Description
コンピュテーショナルフォトグラフィの1つの目標は、画像取得の簡潔さと後処理の改良とのトレードオフである。たとえば、空間分解能を低くすることは、角度分解能をより高くしてデジタルリフォーカスをサポートすることに対するトレードオフであり得る。同様に、高速カメラは、空間分解能を時間分解能に対してトレードオフする。
アダマール符号を使用した多重検知によって、画像取得中の信号対雑音比(SNR:signal to noise ratio)が増大し得る。アダマール符号は、フーリエ変換の一般化されたクラスを使用する。他の符号もセンサの雑音及び飽和を減少させることができる。修正均一ランダムアレイ(MURA:modified uniform random array)符号によって、不可視撮像(non−visible imaging)におけるSNRを改善することができる。可逆符号によって、焦点外画像におけるぼけを低減することができる。波面符号化は、開口面において立方相板を使用して、被写界深度(DOF:depth of field)を拡張する。振幅及び位相を組み合わせたマスクによって、DOFを拡張することができる。小型レンズ内の減衰層のアレイによって、視界を分割することができる。これは、単一のレンズでは、達成することができない。センサの近くの、透過率が空間的に変動する光マスクセンサを、高動的レンジ(HDR:high dynamic range)の撮像のために使用することができる。他の撮像変調器(imaging modulator)は、デジタルマイクロミラーアレイ、ホログラム、ミラーを含む。
動きの結果、動的シーンが生じる。静的画像に適用される、指向性フィルタの直行対によって動きをシミュレートすることができる。一度に1ピクセル列ずつ画像を取得する、プッシュブルームカメラ及びスリットスキャンフォトグラフィを、ゴール写真及び衛星撮像に使用して、モーションブラーを回避すると共に、興味深い動きのゆがみを取得することができる。高速カメラは、完全な動き情報を取得することができる。しかしながら、高速カメラは高価であり、高帯域幅を必要とし、動いているオブジェクトのデジタルリフォーカスを可能にしない。
色のような、非幾何学的次元における光学情報を、幾何学的次元にマッピングすることができる。ベイヤフィルタモザイクは、空間分解能をトレードオフすることによって、波長情報をセンサピクセルに直接マッピングする。開口面におけるプリズムを用いて、波長(色)を、2D画像の角度次元にマッピングすることができる。瞳面多重化によって、色情報に加えて偏光を取得することができる。
プレノプティック関数(PF:plenoptic function)は、時空間の任意の点において観察者又はセンサが利用可能な視覚世界の全体ホログラフィック表現である。波長及び偏光効果を無視すると、PFを自由空間における時変4Dライトフィールドによって記述することができる。2平面パラメータ化の場合、センサ平面は(x,y)であり、開口面は(θx,θy)であり、5DPFはL0(x,y,θx,θy,t)である。ただし、tは時間である。シーン内に内在する構造によって、5DPF内に冗長性がもたらされる。
以下のカメラは、シーンに関する基礎を成す想定を用いて、5DPFのサブセットをサンプリングする。
図2に示すように、単一の入力画像129においてシーンを取得する。角度次元及び時間次元における変動を、センサにおいて空間強度変動にマッピングする(301)。
光線150の角度変動は、センサにおいて光線の角度変動をピクセルにマッピングする(210)ことによって取得することができる。これは、静止マスク121上の高周波パターンの配列又はセンサに隣接する小型レンズによって達成される。ヘテロダインマスクは、各センサピクセルにおいて光線の線形結合をサンプリングする。これを周波数領域において反転することができる。ヘテロダインは、光線の線形結合をとり、この結合を反転することによって、ライトフィールドを取得する。小型レンズに基づく設計は、光線ビニング手法において光線をピクセルに方向付ける。
本発明によるカメラは、光線をピクセルに「再ビニングする」。カメラに入射する各光線はピクセルにマッピングされる。光線は、取得されるシーンの角度変動、時間変動、又は空間変動に対応する。たとえば、焦点が鮮明な静的シーンは、空間変動のみを有し、角度変動も時間変動も有しない。焦点が鮮明な動いているオブジェクトは、光線の時間変動及び空間変動の双方を有する。焦点が外れた静的シーンは、光線の時間変動及び角度変動の双方を有するが、時間変動を有しない。本発明によるカメラは、これらの光線を、後処理がシーンの異なる部分に対して異なる出力を生成するように取得するユーザ柔軟性を可能にする。
本発明による静的ヘテロダインマスクは、個々のピンホール画像(スポット)160がf数マッチングに起因して互いに重複しないようにセンサから距離dに配置される静的ピンホールアレイの均等物である。各ピンホールは、結果として、開口にわたってK×Kピクセルに対し角度変動をもたらす。
単一の画像の場合、動的マスクは、露光時間を延長すること以外、画像に影響を及ぼさない。静的シーンの場合、動的マスクは時間にわたる光線の角度変動に影響を及ぼさない。各ピンホール位置は、開口面において光線のサブセット151を取得する。動的マスク内のピンホールが開口全体をカバーしている限り、最終的にライトフィールド内の全ての角度変動を取得することができる。したがって、経時的に、動的マスクを用いて取得した入力画像は、より短い露光時間でマスクを用いずに取得した画像に等しくなる。
シーンの焦点の合った静的部分に関して高分解能の2D画像を回復することができる。静的マスクは、このマスクの空間変動する減衰パターンによって、焦点の合った部分の画像を減衰させる。均一強度のランバート平面を使用して、較正画像を用いて正規化することによってこれを補償することができる。
シーンの焦点が合っており、露光時間中静的である場合、開口面112における光線錐150は、所与の時点において同じ放射輝度を有する。光線の任意のサブセット151を取得することによって、その時点におけるシーンの放射輝度を記録することができる。これを利用して、異なる時点に異なる光線のサブセットを取得して、動的シーンの複数の画像を取得することができる。動的マスクの移動ピンホールは、まさにこれを達成する。開口面の移動ピンホールマスクの効果は、光線を異なる時点において異なる角度にマッピングする、すなわち時間を間接的に角度にマッピングする(240)ことである。
カメラに向かって又はカメラから離れて移動しているオブジェクトは、取得画像において焦点ぼけ及びモーションブラーの双方を受ける。一方又は他方を修正するための方法が既知である。Raskarによる、米国特許出願公開第2007/0258707号明細書「Method and apparatus for deblurring images」、及びRaskarによる、米国特許出願公開第2008/0187305号明細書「4D light field cameras」を参照されたい。しかしながら、これらの方法のうちのいずれも、モーションブラー及び焦点ぼけを同時に修正することができない。これらの方法は、点広がり関数(PSF:point spread function)と、焦点の合ったオブジェクトを回復するための、ぼけ除去とを必要とする。
静的シーンのためのライトフィールド
本発明によるカメラを用いて、焦点の合ったシーン部分に関してより高い空間分解能を保つことができる。
静的部分及び動いている部分を有するシーンの場合、動いている部分の焦点の合った特徴を回復することができる。角度サンプルによって、前景及び背景内の静的部分のデジタルリフォーカスも可能になる。
従来のカメラを用いると、単一の画像内の動きを描写することは困難である。これは、センサが露光時間中、光を積分し、オブジェクトの動きの結果、モーションブラーが生じるためである。動的シーンの場合、本発明による取得される入力画像129は、新規であり、興味深い形での動きの描写を提供する。
本発明では、モーションブラーを一切生じずにオブジェクトを焦点外に動かしながら、静的オブジェクトの焦点を鮮明に維持することのような新規の効果を生み出すことができる。
満足のいく顔写真を取得することは難しい。多くの場合、そのような撮影では、写真家が多数の写真を取得する必要がある。一つの解決策は、バッファ内に継続的に画像を取得して、最も良好なものを選択することである。
デジタル写真撮影は、カメラの制限された能力に起因して、写真家に困難な選択を課す。選択のうちの幾つかは、経験則と見なされる。プロの写真家は、通常、撮影中の開口、焦点、及び露光時間に関する主要な決定を行う。
マスクに基づく設計は、開口、センサ上平面、及び/又は近センサ平面において、静的/動的マスクを配置することとして一般化することができる。マスクは、変調関数m(x,y,θx,θy,t)によって、カメラに入射する光線を変調する。センサ平面における変調されたプレノプティック関数は次式(1)によって与えられる。
Claims (25)
- 装置であって、
レンズと、
P×Pピクセルの空間分解能を有するセンサと、
開口面において前記レンズと前記センサとの間に配置され、K×Kの角度分解能を有する動的マスクと、
空間分解能(P/K)×(P/K)及び角度分解能K×Kを有するライトフィールドを取得する前記センサに直接隣接して配置される静的マスクと、
を備えた装置。 - 前記静的マスクは、高周波ヘテロダインマスクである請求項1に記載の装置。
- 前記センサに接続されるプロセッサであって、前記センサは、前記プロセッサのための単一の入力画像を取得し、前記プロセッサは、出力画像のセットを作成するプロセッサをさらに備える請求項1に記載の装置。
- 前記入力画像は、動的シーンから取得され、前記シーンからの光線の時間変動は、前記動的マスクによって角度変動にマッピングされ、
前記センサにおける前記角度変動を、前記静的マスクを使用してライトフィールドとして取得する手段をさらに含む請求項3に記載の装置。 - 前記動的シーンの動いている部分は、回復される請求項4に記載の装置。
- 前記入力画像は、静的シーンから取得され、前記シーンからの光線の角度次元及び時間次元の変動は、前記センサ上で、前記静的マスクによって空間強度変動にマッピングされる請求項3に記載の装置。
- 前記セットの前記出力画像は、前記シーンの異なる部分に関して異なる請求項6に記載の装置。
- 前記静的シーンの焦点の合った部分は、前記出力画像のセットにおいて、より高い空間分解能を有する請求項6に記載の装置。
- 前記動的マスクは、回転するように構成され、ピンホールのパターンを含む請求項1に記載の装置。
- 前記動的マスクは、回転するように構成され、スリットを含む請求項1に記載の装置。
- シーンからの光線の角度変更は、垂直次元にマッピングされ、前記光線の時間変動は、水平次元にマッピングされる請求項10に記載の装置。
- 前記動的マスクは、低分解能液晶ダイオードを備える請求項1に記載の装置。
- 前記静的マスクと前記センサとを分離するガラス板をさらに備える請求項1に記載の装置。
- 前記静的マスクは、前記静的マスクのためのコサインマスクの和である請求項1に記載の装置。
- 前記静的マスクは、タイル張りされた広帯域マスクである請求項1に記載の装置。
- 前記静的マスクは、小型レンズアレイである請求項1に記載の装置。
- 前記動的マスクは、アダマール符号を使用する請求項1に記載の装置。
- 前記静的マスクは、不均一に離間されたピンホールのアレイである請求項1に記載の装置。
- シーンの入力画像を取得するための方法であって、
レンズを通じてカメラに入射する、前記シーンからのライトフィールドを、開口面において動的マスクを使用して変調するステップと、
センサにおいて、前記変調ライトフィールドを、前記センサに直接隣接して配置される静的マスクを使用して、単一の画像として取得するステップであって、ライトフィールドの時間変動は、露光時間Tを期間T/K 2 のK 2 個の区間に分割することで角度変動にマッピングされ、K 2 個の区間のそれぞれの間、前記動的マスクのK 2 個のロケーションのうちの1つのみが開いており、一方、他の全ては閉じている、取得するステップと、
を含む方法。 - 前記単一の画像から、前記センサに接続されているプロセッサを使用して、出力画像のセットを作成するステップをさらに含む請求項19に記載の方法。
- 前記センサは静的であり、
前記入力画像を高分解能画像に変換するステップをさらに含む請求項19に記載の方法。 - 前記入力画像を4次元プレノプティック関数に変換するステップをさらに含む請求項19に記載の方法。
- 前記単一の画像を、前記シーンの異なる深度の平面においてリフォーカスするステップをさらに含む請求項19に記載の方法。
- 前記シーンは動的であり、
前記入力画像を低空間分解能のビデオに変換するステップをさらに含む請求項19に記載の方法。 - ライトフィールドにおける角度変動、時間変動、又は空間変動を、前記センサの個々のピクセルにマッピングするステップをさらに含む請求項19に記載の方法。
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