JP5752167B2 - 画像データ処理方法及び画像データ処理装置 - Google Patents
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Description
x=(b+e)/2
となる。これを発展させた方法として、より多くの画素値を用いた補間法も提案されている。例えば、上下2個ずつの画素値を用いた3次補間法は次の式で表せる。
x=−0.0625g+0.5625b+0.5625e−0.0625h
m:=min{|a−f|,|b−e|,|c−d|}
|a−f|=mであるとき、x=(a+f)/2
|b−e|=mであるとき、x=(b+e)/2
|c−d|=mであるとき、x=(c+d)/2
ただし、mに一致するものが複数存在する場合には、|b−e|=eであるとみなして処理する。細部に相違はあるものの、APM法、MBI法、LCID法なども基本的には同様である。
a)補間対象画素の上の走査線中の隣接するN個(Nは3以上の整数)の画素からなる画素列及び該補間対象画素の下の走査線中の同じく隣接するN個の画素からなる画素列の右端部同士及び左端部同士を結合した仮想的な環状画素列を生成し、該環状画素列を右方向及び左方向に1画素ずつ回転させつつ垂直方向に位置する二個の画素の画素値の差分をN組の画素の組についてそれぞれ求め、その差分の総和が最小になるときの回転量及び回転方向に基づいて、前記補間対象画素を含む斜線の有無の判定、及び斜線がある場合のその延伸方向の識別を行う斜線判定ステップと、
b)前記斜線判定ステップにおいて前記補間対象画素を含む斜線有りと判定された場合には、その斜線の延伸方向に前記補間対象画素を挟む複数の画素を用いた直線補間により該補間対象画素の画素値を求め、前記補間対象画素を含む斜線無しと判定された場合には、前記補間対象画素を垂直方向に挟む複数の画素を用いた直線補間により該補間対象画素の画素値を求める補間値演算ステップと、
を有することを特徴としている。
a)補間対象画素の上の走査線中の隣接するN個(Nは3以上の整数)の画素からなる画素列及び該補間対象画素の下の走査線中の同じく隣接するN個の画素からなる画素列の右端部同士及び左端部同士を結合した仮想的な環状画素列を生成し、該環状画素列を右方向及び左方向に1画素ずつ回転させつつ垂直方向に位置する二個の画素の画素値の差分をN組の画素の組についてそれぞれ求め、その差分の総和が最小になるときの回転量及び回転方向に基づいて、前記補間対象画素を含む斜線の有無の判定、及び斜線がある場合のその延伸方向の識別を行う斜線判定手段と、
b)前記斜線判定手段により前記補間対象画素を含む斜線有りと判定された場合には、その斜線の延伸方向に前記補間対象画素を挟む複数の画素を用いた直線補間により該補間対象画素の画素値を求め、前記補間対象画素を含む斜線無しと判定された場合には、前記補間対象画素を垂直方向に挟む複数の画素を用いた直線補間により該補間対象画素の画素値を求める補間値演算手段と、
を備えることを特徴としている。
前記補間値演算ステップでは、前記補間対象画素を含む斜線の延伸方向における該補間対象画素の補間又は垂直方向における該補間対象画素の補間の少なくともいずれか一方において、原画像信号を帯域制限フィルタを通して帯域制限したアナログ画像信号と、アナログ画像信号を離散化するサンプラ、サンプル点間に所定数の0点データを挿入するアップサンプラ、フィルタリングを行うデジタルフィルタ、離散信号を連続信号に戻すホールド、を含むアナログ/デジタル/アナログ変換系を通して得られるアナログ画像信号との誤差を小さくするようにデジタルフィルタを設計すべく設定した条件式を、有限次元離散時間系に近似的に変換することで得た計算式を所定の条件に基づいてH∞制御により解くことによって又はそれに相当する厳密な計算で解くことによって算出したパラメータを有するサンプル値H∞フィルタを用いたフィルタリング処理により、前記補間対象画素の画素値を算出することが好ましい。
本実施例の画像データ処理装置において、インターレース解除部1は、1枚のインターレース画像を構成する画像データを受けて、サンプル点間補間により飛び越し走査された走査線上の画素を0点データとして埋めるアップサンプラ2と、挿入された0点データの近傍の画素の画素値を用いて0点データに代わる補間値を算出する線形補間フィルタ3と、アップサンプリングされた画像上で補間対象画素毎に斜線に含まれる又は斜めエッジ部に含まれるか否かを判定するとともに、その斜線又は斜めエッジ部の延伸方向を識別する斜線判定部4と、入力された画像データに対し周波数特性を分析する周波数分析部5と、その周波数分析結果に応じてデジタルフィルタのフィルタ係数を選択するフィルタ選択部6と、を含む。
まず、本実施例の画像データ処理装置における線形補間フィルタ3について詳しく説明する。
而して、(2)式を求め、ごく一般的な離散時間H∞制御問題を解けば、所望のIIR型デジタルフィルタの伝達特性K(z)が得られることになる。
なお、上述したサンプル値制御理論によるフィルタ設計手法の基本は特許文献3、4、非特許文献1のほか、本願発明者が各種学会等で発表している論文などに記載されている既知のものである。
(2)インターレース解除処理の対象となる観測画像Yが与えられたとき、K1、…、Kpの中で最も復元性能が高いフィルタKqを選択してその観測画像Yに適用する。本実施例の画像データ処理装置では、このようなフィルタ選択のための処理を、周波数分析部5及びフィルタ選択部6で実行する。
このような方法を採れば、アナログ特性W(s)が未知であってもインターレース解除を実行することができ、さらに、リアルタイムでフィルタを計算する必要もないのでH∞最適化に伴う計算量も問題とならない。
なお、以下の説明において、上述したサンプル値H∞最適化手法に基づく特徴的な構成のフィルタを慣用に従ってYYフィルタと呼ぶこととする。
ここでは、図7に示す二つの態様の斜線を実際に斜線とみなす。図7(a)は画像上の二つの平坦部(画素値がほぼ同じである領域)を斜線が分離している例であり、図7(b)は二つの平坦部の境界(エッジ部)自体が斜線とみなされる例である。この二つの態様以外の、例えば周辺に複雑な模様を伴う斜線は確実な識別が困難であるため、もともと斜線であるとみなさないようにする。このように周囲に平坦部を伴う斜線に限定して斜線を識別することで、本来、斜線であると判断すべきでない部分を斜線であると判断してしまうことを回避でき、確実性の高い斜線判定を可能としている。斜線を検出するために、図8のような仮想的な環状の画素列を考える。
C:={u1 u2 u3 u4 u5 v5 v4 v3 v2 v1} …(3)
る。このように数ベクトルの形式で表された局所的循環部に対し、回転操作を表す関数rotを(4)式、(5)式、(6)式に示すように再帰的に定義する。
rotL(C):={u2 u3 u4 u5 v5 v4 v3 v2 v1 u1} …(4)
rotR(C):={v1 u1 u2 u3 u4 u5 v5 v4 v3 v2} …(5)
rot(C,n):=C (n=0の場合) …(6)
:=rot(rotL(C),n−1) (n<0の場合)
:=rot(rotR(C),n+1) (n>0の場合)
diff(C):=Σ|C[n]−C[5×2+1−n]| …(7)
ここでΣはn=1から5までの総和である。
上記定義は局所的循環部の幅(画素数)が5で、長さ(全画素数)が10=5×2の場合のものであるが、任意の局所的循環部幅Lに対し、上記(7)式中の「5」の部分をLに置き換えることで同様の操作を定義することができる。また、(6)式に示す関数rotと(7)式に示す関数diffとを用いて次の(8)式で定義される値ρCを、局所的循環部Cの最適回転量と呼ぶこととする。ただし、Sは局所的循環部幅Lに対し0<S<L/2を満たす整数であり、具体的な決め方については後述する。
ρC:=argmin diff(rot(C,n)) …(8)
ここで、argminの対象範囲は−S≦n≦Sである(特記しない限り、以下の式でも同じ)。最適回転量がρCであるとき、補間対象画素xを通る、傾きが1/ρCである斜線が存在しているものとみなす。以下、この特徴的な判定方法をLCM(Local Circulation Matching)と呼ぶ。
図9を参照して、このLCMのアルゴリズムを具体的に説明する。
(1)補間対象画素xの上下にある走査線上に値が一致する画素が存在するとき、その両画素を結ぶ斜線があると推定できる。
(2)斜線や斜めエッジ部以外の領域が平坦であるならば、その平坦部に含まれる画素の間での画素値の差異は小さいと推定できる。上記のような局所的循環部における回転操作は、斜線や斜めエッジ部以外の領域を折り返すことでその中での誤差(画素値の差異)を調べる効果を持つ。例えば図9において、回転量n=+1であるときに、u2、u1やu3、v1といった上下に並んだ画素の組において画素値の差をそれぞれ調べることになる。
従来の非線形補間法による斜線部の検出は、斜線そのもののみに注目しており、その斜線の周辺に平坦部があるか否かについては考慮しない。これに対し、このLCMによる斜線の検出手法は、斜線の周囲が平坦であることを条件とすることにより、検出される斜線が確実性の高いものへ限定される効果を持つ。
(1)斜線の方向が不明瞭である場合の対処
図10(a)はこの場合に想定される状況の一例である。この例では、原画像において右上から左下へ向かう黒い斜線が存在する、又は、左上から右下へと向かう白い斜線が存在する、のいずれとも考えられる。この場合、回転量n=+1とn=−1の両方が最適回転量となる。こうした場合、実際にはノイズの影響で正しくないほうに決まることも考えられ、そうなると画質を損なう要因となる。そこで、右回転又は左回転のいずれかを決定するのが難しい状況では、意図的に斜線としての処理を行わないようにする。具体的には、回転方向を左に限定したときの左方向最適回転量ρLと回転方向を右に限定したときの右方向最適回転量ρRとを求め、次の(9)式で定める左右最適回転量差Dgapを計算する。そして、この左右最適回転量差Dgapが所定の閾値TLRを超えた場合にのみ、左回転又は右回転の一方の確実性が高いと判断し、ρL又はρRの一方を最適回転量ρCとして採用する。
Dgap:={|diff(rot(C,ρL))−diff(rot(C,ρR))|}/{diff(rot(C,ρL))+diff(rot(C,ρR))} …(9)
図10(b)はこの場合に想定される状況の一例である。この例では、図中にPで示す枠の中に含まれる幅が5である局所的循環部を考えている。このとき、最適回転量はρC=−2であり、左上から右下へと向かう黒い斜線が存在すると判断される。しかしながら、Cに含まれないさらに外側の領域を見れば、例えば座標(i−1,j−2)にある画素は枠Pの外側の領域の縁部であって、画素xを通る斜線は存在しないというのが正しい判断である。このような誤判定が起きる一つの原因は、最適回転量の探索範囲が局所的循環部Cの幅の両端にまで広がっていると、LCMの特徴である斜線の周囲の状況を判断に反映させるという機能が働かないことにある。実際、図10(b)の例では、座標(i−1,j−2)の左方に存在する画素が局所的循環部に含まれず、回転量n=−2に対して回転前の走査線の上下間で比較を行うという適切な動作が行われない。この種の誤判定を低減するためには、最適回転量の探索範囲を制限するパラメータSを局所的循環部Cの幅Lの半分よりも小さく設定するとよい。
(4)〜(8)式による最適回転量は上下の走査線の差異が最小となる回転量とのみ定義されているため、最小でありさえすれば対応する差異がどれだけ大きくても最適回転量が定まることになる。しかしながら、これは確実性の高い斜線を推定するということを意味しない。そこで、こうした状況を回避するために、rot(C,ρC)に含まれる上半分の画素値列(換言すればrot(C,ρC)[1],…,rot(C,ρC)[L])と下半分の画素値列(換言すればrot(C,ρC)[2L],…,rot(C,ρC)[L+1])との相関係数を求め、その値が所定の閾値Tcorrを超えない場合には、斜線が存在する確実性が低いとみなし、斜線処理を実施しない。
最適回転量の探索範囲は高々±L/2の範囲に制限されるため、水平に近い傾きの斜線を検出するためには、より幅の大きな局所的循環部を用いなければならない。しかしながら、幅の大きな局所的循環部を用いると、小さな傾きを検出するには広すぎる範囲を照合してしまい、本来なら斜線があると判定すべきところを見逃す可能性が高まる。図10(c)はこの場合に想定される状況の一例である。
C(L):=[X(i−1,j−L/2),…,X(i−1,j),…,X(i−1,j+L/2),X(i+1,j+L/2),…,X(i+1,j),…,X(i+1,j−L/2)] …(10)
このように定義された可変長の局所的循環部に対し、最適回転量の定義も次の(11)式に示すように修正することができる。
ρC:=argmin diff(rot(C(n+Lw),n)) …(11)
ただし、ここでのパラメータLwは可変長でない局所的循環部を用いる場合のL−Sに相当する値である。このLwをウイング長と呼ぶこととする。以降の説明で、C’はC(n+Lw)を意味するものとし、Cとは区別する。
具体的には、次のような処理を実行する。即ち、x(i,j)を中心とするウイング長Lwの局所的循環部を設定し、これをCと定義する(ステップS11)。そして、0≦n≦Sについて、次式により左方向最適回転量ρLを算出し、
ρL:=argmin diff(rot(C,n))
−S≦n≦0について、次式により右方向最適回転量ρRを算出する(ステップS12)。
ρR:=argmin diff(rot(C,n))
そして、左方向最適回転量ρLと右方向最適回転量ρRとを用い、(9)式により左右最適回転量差Dgapを計算する(ステップS13)。
UpperContent:={rot(C,ρC)[1],…,rot(C,ρC)[ρC+Lw]}
LowerContent:={rot(C,ρC)[2(ρC+Lw)],…,rot(C,ρC)[ρC+Lw+1]}
そして、上半分の画素列UpperContentと下半分の画素列LowerContentとの相関係数corr(UpperContent,LowerContent)を計算し(ステップS20)、その相関係数が閾値Tcorr未満であるか否かを判定する(ステップS21)。相関係数が閾値未満であれば(ステップS21でNoであれば)実際には斜線が存在しない可能性が高いものと判断し、上記ステップS17、S18で定めた最適回転量にかかわらず最適回転量ρCを0とする(ステップS22)。以上の処理により、与えられた局所的循環部に対する最適回転量ρCが確定する。
(1)候補として想定する複数のアナログ特性W(s)
(2)アナログ特性W(s)を識別するために参照する低周波域の範囲
(3)アナログ特性W(s)の識別閾値
(4)局所的循環部のウイング長Lw
(5)最適回転量の探索限界S
(6)左右最適回転量Dgapの判定閾値TLR
(7)画素値の一致度合いの相関係数に対する判定閾値Tcorr
2…アップサンプラ
3…線形補間フィルタ
4…斜線判定部
5…周波数分析部
6…フィルタ選択部
11…アンチエリアシングフィルタ
12…時間遅れ要素
13…サンプラ
14…アップサンプラ
15…デジタルフィルタ
16…0次ホールド
18…減算器
20…連続時間系システム
30…サンプル値系システム
Claims (7)
- 1フィールドのインターレース画像信号を画素の補間処理によってプログレッシブ画像信号に変換する画像データ処理方法であって、
a)補間対象画素の上の走査線中の隣接するN個(Nは3以上の整数)の画素からなる画素列及び該補間対象画素の下の走査線中の同じく隣接するN個の画素からなる画素列の右端部同士及び左端部同士を結合した仮想的な環状画素列を生成し、該環状画素列を右方向及び左方向に1画素ずつ回転させつつ垂直方向に位置する二個の画素の画素値の差分をN組の画素の組についてそれぞれ求め、その差分の総和が最小になるときの回転量及び回転方向に基づいて、前記補間対象画素を含む斜線の有無の判定、及び斜線がある場合のその延伸方向の識別を行う斜線判定ステップと、
b)前記斜線判定ステップにおいて前記補間対象画素を含む斜線有りと判定された場合には、その斜線の延伸方向に前記補間対象画素を挟む複数の画素を用いた直線補間により該補間対象画素の画素値を求め、前記補間対象画素を含む斜線無しと判定された場合には、前記補間対象画素を垂直方向に挟む複数の画素を用いた直線補間により該補間対象画素の画素値を求める補間値演算ステップと、
を有することを特徴とする画像データ処理方法。 - 請求項1に記載の画像データ処理方法であって、
前記斜線判定ステップでは、前記環状画素列を右方向に回転させたときの前記差分の総和の最小値と該環状画素列を左方向に回転させたときの前記差分の総和の最小値との差に基づいて、前記補間対象画素を含む斜線の有無を判定することを特徴とする画像データ処理方法。 - 請求項1又は2に記載の画像データ処理方法であって、
前記補間値演算ステップでは、前記補間対象画素を含む斜線の延伸方向における該補間対象画素の補間又は垂直方向における該補間対象画素の補間の少なくともいずれか一方において、原画像信号を帯域制限フィルタを通して帯域制限したアナログ画像信号と、アナログ画像信号を離散化するサンプラ、サンプル点間に所定数の0点データを挿入するアップサンプラ、フィルタリングを行うデジタルフィルタ、離散信号を連続信号に戻すホールド、を含むアナログ/デジタル/アナログ変換系を通して得られるアナログ画像信号との誤差を小さくするようにデジタルフィルタを設計すべく設定した条件式を、有限次元離散時間系に近似的に変換することで得た計算式を所定の条件に基づいてH∞制御により解くことによって又はそれに相当する厳密な計算で解くことによって算出したパラメータを有するサンプル値H∞フィルタを用いたフィルタリング処理により、前記補間対象画素の画素値を算出することを特徴とする画像データ処理方法。 - 請求項3に記載の画像データ処理方法であって、
前記補間値演算ステップでは、処理対象であるインターレース画像に対し所定周波数域におけるゲインを調べ、そのゲインに応じて前記サンプル値H∞フィルタの伝達特性を変更することを特徴とする画像データ処理方法。 - 1フィールドのインターレース画像信号を画素の補間処理によってプログレッシブ画像信号に変換する画像データ処理装置であって、
a)補間対象画素の上の走査線中の隣接するN個(Nは3以上の整数)の画素からなる画素列及び該補間対象画素の下の走査線中の同じく隣接するN個の画素からなる画素列の右端部同士及び左端部同士を結合した仮想的な環状画素列を生成し、該環状画素列を右方向及び左方向に1画素ずつ回転させつつ垂直方向に位置する二個の画素の画素値の差分をN組の画素の組についてそれぞれ求め、その差分の総和が最小になるときの回転量及び回転方向に基づいて、前記補間対象画素を含む斜線の有無の判定、及び斜線がある場合のその延伸方向の識別を行う斜線判定手段と、
b)前記斜線判定手段により前記補間対象画素を含む斜線有りと判定された場合には、その斜線の延伸方向に前記補間対象画素を挟む複数の画素を用いた直線補間により該補間対象画素の画素値を求め、前記補間対象画素を含む斜線無しと判定された場合には、前記補間対象画素を垂直方向に挟む複数の画素を用いた直線補間により該補間対象画素の画素値を求める補間値演算手段と、
を備えることを特徴とする画像データ処理装置。 - 請求項5に記載の画像データ処理装置であって、
前記斜線判定手段は、前記環状画素列を右方向に回転させたときの前記差分の総和の最小値と該環状画素列を左方向に回転させたときの前記差分の総和の最小値との差に基づいて、前記補間対象画素を含む斜線の有無を判定することを特徴とする画像データ処理装置。 - 請求項5又は6に記載の画像データ処理装置であって、
前記補間値演算手段は、前記補間対象画素を含む斜線の延伸方向における該補間対象画素の補間又は垂直方向における該補間対象画素の補間の少なくともいずれか一方において、原画像信号を帯域制限フィルタを通して帯域制限したアナログ画像信号と、アナログ画像信号を離散化するサンプラ、サンプル点間に所定数の0点データを挿入するアップサンプラ、フィルタリングを行うデジタルフィルタ、離散信号を連続信号に戻すホールド、を含むアナログ/デジタル/アナログ変換系を通して得られるアナログ画像信号との誤差を小さくするようにデジタルフィルタを設計すべく設定した条件式を、有限次元離散時間系に近似的に変換することで得た計算式を所定の条件に基づいてH∞制御により解くことによって又はそれに相当する厳密な計算で解くことによって算出したパラメータを有するサンプル値H∞フィルタを用いたフィルタリング処理により、前記補間対象画素の画素値を算出することを特徴とする画像データ処理装置。
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