JP2013021509A - Image processing apparatus and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超解像処理を利用する画像処理装置およびその方法に関する。 The present invention relates to an image processing apparatus and method using super-resolution processing.
画像、映像を取得した際に失われた信号を復元し、画像、映像の画素そのものを増やすことで画像、映像の解像度を高める技術、いわゆる超解像技術が普及しつつある。超解像技術として、MAP (maximum a posterior)推定に基づく方法が有名である(例えば、非特許文献1)。 A technique for improving the resolution of an image or video by restoring signals lost when the image or video is acquired and increasing the pixels of the image or video itself, so-called super-resolution technology, is becoming widespread. As a super-resolution technique, a method based on MAP (maximum a posterior) estimation is famous (for example, Non-Patent Document 1).
MAP法は、二乗誤差に高解像度画像の確率情報を付加した評価関数を最小化するような高解像度画像を推定する方法である。つまり、高解像度画像に対するある先見情報を利用して、事後確率を最大化する最適化問題として高解像度画像を推定する超解像処理方法である。具体的には、撮像装置の劣化過程をモデル化した撮像モデルを用いて、低解像度の画像から高解像度画像を推定する逆問題を最適化処理によって解決し、超解像画像を演算によって得る。 The MAP method is a method for estimating a high-resolution image that minimizes an evaluation function obtained by adding probability information of a high-resolution image to a square error. In other words, this is a super-resolution processing method that estimates a high-resolution image as an optimization problem that maximizes the posterior probability by using some foresight information for the high-resolution image. Specifically, using an imaging model that models the degradation process of the imaging device, the inverse problem of estimating a high resolution image from a low resolution image is solved by optimization processing, and a super-resolution image is obtained by calculation.
一方、画像取得時に撮像装置が実行可能な電子的な画像拡大方法として、電子ズーム技術がある。電子ズームは、画像取得時における撮像装置のズーム倍率が光学ズームの限界を超えた場合、撮像装置が取得した画像の一部を切り取り、当該部分を拡大する技術である(例えば、特許文献1)。 On the other hand, there is an electronic zoom technique as an electronic image enlargement method that can be executed by the imaging apparatus during image acquisition. Electronic zoom is a technique for cutting out a portion of an image acquired by the imaging device and enlarging the portion when the zoom magnification of the imaging device at the time of image acquisition exceeds the limit of optical zoom (for example, Patent Document 1). .
非特許文献1が開示する技術は、撮像モデルを用いて低解像度画像から高解像度画像を推定する逆問題であり、適切な撮像モデルがなければ良好な超解像画像は得られない。撮像モデルは、撮像装置の光学特性などを加味した劣化過程であり、撮像装置に固有の情報である。言い換えれば、良好な超解像画像を得るには、撮像装置に固有の撮像モデルを、画像データを記録する際に画像データと併せて保持する必要がある。
The technique disclosed in Non-Patent
また、電子ズームされた画像以上の解像度を得るには、電子ズームされた画像に超解像処理を施し、当該画像の解像度を電子的に高めることが考えられる。しかし、電子ズームによって拡大された画像に撮像装置の撮像モデルを考慮した超解像処理を施しても、電子ズーム処理の過程で画像劣化が生じていて、充分な解像度の向上を期待することはできない。 In order to obtain a resolution higher than that of an electronic zoomed image, it is conceivable to perform super-resolution processing on the electronic zoomed image to electronically increase the resolution of the image. However, even if super-resolution processing considering the imaging model of the imaging device is performed on the image enlarged by electronic zoom, image degradation has occurred in the process of electronic zoom processing, and it is expected that sufficient resolution improvement will be expected Can not.
本発明は、電子ズーム処理された画像よりも高解像、高精細な画像の提供を可能にすることを目的とする。 It is an object of the present invention to provide an image with higher resolution and higher definition than an image that has been subjected to electronic zoom processing.
本発明は、前記の目的を達成する一手段として、以下の構成を備える。 The present invention has the following configuration as one means for achieving the above object.
本発明にかかる画像処理装置は、被写体の画像データを撮像する撮像手段と、入力されるズーム倍率情報に従い、前記撮像手段が出力する画像データが表す画像の一部を拡大処理したズーム画像データを生成する生成手段と、前記撮像手段の光学系による画像の劣化情報、および、前記拡大処理による画像の劣化情報を撮像モデル情報として格納する格納手段と、前記拡大処理のオンオフを示す情報、前記ズーム倍率情報、前記撮像モデル情報、前記画像データ、前記ズーム画像データを格納したデータファイルを作成する作成手段とを有することを特徴とする。 An image processing apparatus according to the present invention includes an image capturing unit that captures image data of a subject, and zoom image data obtained by enlarging a part of an image represented by the image data output by the image capturing unit in accordance with input zoom magnification information. Generation means for generating; storage means for storing image degradation information by the optical system of the imaging means; and image degradation information by the enlargement process as imaging model information; information indicating on / off of the enlargement process; the zoom And creating means for creating a data file storing the magnification information, the imaging model information, the image data, and the zoom image data.
本発明によれば、電子ズーム処理された画像よりも高解像、高精細な画像の提供を可能にすることができる。 According to the present invention, it is possible to provide a higher resolution and higher definition image than an image that has been subjected to electronic zoom processing.
以下、本発明にかかる実施例の画像処理である撮像モデル用いた超解像処理による電子ズーム画像の生成処理を図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an electronic zoom image generation process by super-resolution processing using an imaging model, which is image processing according to an embodiment of the present invention, will be described in detail with reference to the drawings.
[装置の構成]
図1のブロック図により実施例1の撮像装置113の構成例を説明する。
[Device configuration]
A configuration example of the
被写体からの光は、レンズ101を介して撮像デバイス102に結像する。撮像デバイス102が出力するアナログ信号は、アナログ-ディジタル変換器(A/D)103によりディジタル信号(撮像データ)に変換されてバッファメモリ104に格納される。
Light from the subject forms an image on the
カメラ信号処理部105は、デモザイキング、ホワイトバランス調整、ガンマ補正などを含む現像処理をバッファメモリ104から読み出した撮像データに施して、例えばRGB各色8ビットの画像データを生成する。また、カメラ信号処理部105は、詳細は後述するが、電子ズーム機能を実現する。
The camera
ファイル作成部112は、詳細は後述するが、カメラ信号処理部105から画像データを入力してデータファイルを作成する。そして、作成したデータファイルをLCDモニタのような表示装置106、および、例えばメモリカードやハードディスクドライブ(HDD)のような記憶装置107に出力する。撮像モデルDB108は、レンズ101のレンズ情報、および、撮像デバイス102のデバイス情報に関連する画像の劣化情報を示す撮像モデル情報を格納する。
Although details will be described later, the
ズーム制御部109は、撮像装置113のズーム機能を制御する。ズーム制御部109は、図には示さない例えばズームボタンのようなユーザインタフェイスを介してユーザの指示であるズーム倍率情報を入力する。そして、ズーム倍率情報が光学ズーム機能の範囲であれば、スイッチの端子110を経てレンズ101にズーム倍率情報を含む制御情報を供給する。ズーム倍率情報が光学ズーム機能の限界に達すると、ズーム制御部109は、スイッチの端子111を経てカメラ信号処理部105に電子ズーム倍率情報を供給する。
The
カメラ信号処理部105は、ズーム制御部109から入力される電子ズーム倍率情報に基づき電子ズームのオンオフを判断する。そして、電子ズームがオンの場合は電子ズーム機能を起動して、電子ズーム倍率情報に従い電子ズーム処理した電子ズーム画像データを出力する。
The camera
図1には、撮像装置113と表示装置106を例えばビデオインタフェイスおよびビデオケーブルを介して接続し、撮像装置113と記憶装置107を例えばUSBのようなシリアルバスやカードインタフェイスを介して接続する例を記載した。しかし、表示装置106と記憶装置107の少なくとも一方は、撮像装置113と一体に構成されていてもよい。
In FIG. 1, the
また、ファイル作成部112は、記憶装置107からデータファイルを読み出し、読み出したデータファイルを表示装置106に出力して、動画を再生させることができる。勿論、表示装置106が記憶装置107用のインタフェイスを有する場合、表示装置106は、記憶装置107から直接読み出したデータファイルに記録された動画を再生することができる。
In addition, the
●カメラ信号処理部
図2のブロック図によりカメラ信号処理部105の構成例を説明する。
Camera Signal Processing Unit A configuration example of the camera
入力端子201は、ズーム制御部109から電子ズーム倍率情報を入力する。電子ズーム判断部203は、電子ズーム倍率情報に基づき電子ズームのオンオフを判断して、電子ズームオンオフ情報を出力する。電子ズーム倍率取得部205は、電子ズーム判断部203から入力される電子ズームオンオフ情報が電子ズームのオンを示す場合、電子ズーム倍率情報を電子ズーム倍率メモリ212に格納する。
The
入力端子202は、バッファメモリ104から撮像データを入力する。画像取得部204は、撮像データに現像処理を施して画像データを生成し、生成した画像データを画像メモリ208に格納する。
The
電子ズーム画像生成部206は、画像メモリ208に格納された画像データの一部から、電子ズーム倍率メモリ212に格納された電子ズーム倍率情報に対応する電子ズーム画像データを生成する。そして、生成した電子ズーム画像データを電子ズーム画像メモリ207に格納する。
The electronic zoom
電子ズームオンオフ情報は出力端子213から出力される。電子ズーム倍率メモリ212に格納された電子ズーム倍率情報は出力端子211から出力される。電子ズーム画像メモリ207に格納された電子ズーム画像データは出力端子209から出力される。画像メモリ208に格納された画像データは出力端子210から出力される。なお、電子ズームがオフの場合、電子ズーム倍率メモリ212と電子ズーム画像メモリ207は空である。
The electronic zoom on / off information is output from the
●ファイル作成部
図3のブロック図によりファイル作成部112の構成例を説明する。
File creation unit A configuration example of the
入力端子311は、カメラ信号処理部105(出力端子213)から電子ズームオンオフ情報を入力する。電子ズームオンオフ情報はデータファイル生成部309に供給される。
The
入力端子301は、カメラ信号処理部105(出力端子211)から電子ズーム倍率情報を入力する。電子ズーム倍率取得部305は、有意の電子ズーム倍率情報が入力された場合、当該電子ズーム倍率情報をデータファイル生成部309に供給する。
The input terminal 301 inputs electronic zoom magnification information from the camera signal processing unit 105 (output terminal 211). When significant electronic zoom magnification information is input, the electronic zoom
入力端子302は、カメラ信号処理部105(出力端子209)から電子ズーム画像データを入力する。電子ズーム画像取得部306は、有意の電子ズーム画像データが入力された場合、当該電子ズーム画像データをデータファイル生成部309に供給する。
The
入力端子303は、カメラ信号処理部105(出力端子210)から画像データを入力する。画像取得部307は、入力された画像データをデータファイル生成部309に供給する。
The
入力端子304は、撮像モデルデータベース108から撮像モデル情報を入力する。撮像モデル取得部308は、入力された撮像モデル情報をデータファイル生成部309に供給する。
The
データファイル生成部309は、電子ズームオンオフ情報、電子ズーム倍率情報、電子ズーム画像データ、画像データ、撮像モデル情報をまとめたデータファイルを生成し、生成したデータファイルを出力端子310から出力する。なお、データファイルの構成は後述するが、電子ズームがオフの場合、データファイルの電子ズーム倍率情報および画像データの格納領域には空(null)を格納する。
The data file
●データファイルの構成
図4により動画像を格納するデータファイルの構成例を説明する。
Data file structure An example of the data file structure for storing moving images will be described with reference to FIG.
データファイルのフォーマットは、例えば、既存の動画データを格納するファイルフォーマットに、電子ズームオンオフ情報、電子ズーム倍率情報、画像データ、撮像モデル情報などを組み込む領域を新たに設けたものである。データファイルは、タグ情報部501、動画情報部502、画像情報部503に大別される。
The data file format is, for example, a new area in which electronic zoom on / off information, electronic zoom magnification information, image data, imaging model information, and the like are provided in a file format for storing existing moving image data. Data files are roughly divided into a
タグ情報部501は属性情報を格納する。例えば、属性情報1には撮像モデル情報の撮像レンズ特性値が格納され、属性情報2には撮像モデル情報の撮像デバイス特性値が格納され、属性情報3には電子ズーム倍率情報、属性情報4には電子ズームオンオフ情報が格納される。なお、電子ズーム倍率情報は数値で与えられ、電子ズームオンオフ情報はオンを‘1’、オフを‘0’で示すフラグであり、動画データのコマ数分の情報が格納される。
The
動画情報部502は、通常の再生に使用する動画データ、つまり光学ズームか電子ズームかに関わりなく動画データが格納される格納領域である。画像情報部503は、超解像処理を行う際に必要な画像データを格納する領域である。つまり、電子ズームがオンのコマ(フレーム)の画像データが、当該コマを示す情報とともに画像情報部503に格納される。
The moving
なお、データファイルを通常の動画再生装置に供給すれば、動画情報部502に格納された動画データによって動画を再生することができる。
If the data file is supplied to a normal moving image playback device, the moving image can be played back using the moving image data stored in the moving
●表示装置
図5のブロック図により表示装置106の構成例を説明する。
Display Device A configuration example of the
入力端子401は、ファイル作成部112(の出力端子310)からデータファイルを入力する。ファイル取得部402は、データファイルからタグ情報、動画データ、画像データを分離する。タグ情報取得部403は、分離されたタグ情報から電子ズームオンオフ情報、電子ズーム倍率情報、撮像モデル情報を分離する。
The
超解像画像生成部409は、電子ズームオンオフ情報が‘1’のコマについて、撮像モデル情報、電子ズーム倍率情報、画像データから超解像画像データを生成する。
The super-resolution
動画再構成部410は、電子ズームオンオフ情報が‘0’の場合はファイル取得部402から入力される動画データを表示部411に出力する。また、電子ズームオンオフ情報が‘1’の場合は超解像画像生成部409から入力される超解像画像データを表示部411に出力する。つまり、動画再構成部410は、電子ズームがオンのコマの電子ズーム画像を超解像画像に置き換える置換動作を行う。
The moving
表示部411は、動画再構成部410から入力される動画データを例えばLCDモニタに表示する。
The
図6の概念図により超解像処理を使用した電子ズーム画像の再生を説明する。図6の上部において、符号601-606は撮像装置113によって記録された各コマに対応し、各コマの下にズーム倍率を示す。コマ601-606の中で電子ズーム倍率が×2(二倍)のコマ604-606には電子ズーム画像が記録される。また、符号607-609は電子ズーム画像の元の画像に対応し、画像607-609の中央部(ハッチング部)が電子ズーム画像の生成に使用される画像領域である。
The reproduction of an electronic zoom image using super-resolution processing will be described with reference to the conceptual diagram of FIG. In the upper part of FIG. 6,
図6の下部は動画像の再生を示し、電子ズームがオフのコマ601-603は記録された画像が再生される。一方、電子ズームがオフのコマ604-606においては、画像607-609から超解像処理によって生成した電子ズーム画像610-612が再生される。
The lower part of FIG. 6 shows the reproduction of a moving image, and the recorded images are reproduced on the
[画像処理]
●カメラ信号処理部
図7のフローチャートによりカメラ信号処理部105の画像処理を説明する。なお、カメラ信号処理部105は、動画撮影の開始に伴い、図7に示す処理を開始し、例えばコマ単位に実行する。
[Image processing]
Camera Signal Processing Unit Image processing of the camera
カメラ信号処理部105は、バッファメモリ104から例えば1コマ分の撮像データを入力し(S701)、撮像データに現像処理を施して画像データを生成する(S702)。そして、画像データを画像メモリ208に格納し(S703)、画像メモリ208に格納した画像データを出力する(S704)。そして、電子ズーム倍率情報を入力して、電子ズームのオンオフを判断し(S705)、電子ズームオンオフ情報および電子ズーム倍率を出力する(S706)。
The camera
続いて、カメラ信号処理部105は、電子ズームがオフの場合は処理をステップS709に進める。また、電子ズームがオンの場合は、電子ズーム倍率情報に従い画像メモリ208に格納した画像データから電子ズーム画像データを生成し(S707)、生成した電子ズーム画像データを出力する(S708)。なお、電子ズームにおける補間拡大手法には線形補間またはバイキュービック補間などを用いる。
Subsequently, if the electronic zoom is off, the camera
続いて、カメラ信号処理部105は、動画撮影が終了したか否かを判定し(S709)、未了であれば処理をステップS701に戻す。
Subsequently, the camera
●ファイル作成部
図8のフローチャートによりファイル作成部112のファイル作成処理を説明する。なお、ファイル作成部112は、動画撮影の開始に伴い、図8に示す処理を開始する。
File Creation Unit The file creation process of the
ファイル作成部112は、電子ズームオンオフ情報を入力し(S801)、電子ズームオンオフ情報をデータファイルのタグ情報部501に格納し(S802)、電子ズームのオンオフを判定する(S803)。電子ズームがオフの場合は、画像データを入力し(S804)、画像データをデータファイルの動画情報部502に格納する(S805)。
The
また、電子ズームがオンの場合、ファイル作成部112は、電子ズーム倍率情報、電子ズーム画像データ、画像データを入力する(S806)。そして、電子ズーム倍率情報をデータファイルのタグ情報部501に格納し(S807)、電子ズーム画像データをデータファイルの動画情報部502に格納し(S808)、画像データをデータファイルの画像情報部503に格納する(S809)。
If the electronic zoom is on, the
続いて、ファイル作成部112は、動画撮影が終了したか否かを判定し(S810)、未了であれば処理をステップS801に戻して、例えばコマ単位にステップS801からS809の処理を繰り返す。
Subsequently, the
動画撮影が終了すると、ファイル作成部112は、撮像モデルDB108から撮像モデル情報を取得し(S811)、撮像モデル情報をデータファイルのタグ情報部501に格納する(S812)。そして、データファイルを閉じてデータファイルを出力する(S813)。
When the moving image shooting is completed, the
●表示装置
図9のフローチャートにより表示装置106の動画再生処理を説明する。表示装置106は、例えばファイル作成部112からデータファイルが入力されると図9に示す処理を開始する。
Display Device The moving image playback process of the
表示装置106は、データファイルを入力し(S901)、データファイルからタグ情報を分離し(S902)、タグ情報から撮像モデル情報、電子ズーム倍率情報、電子ズームオンオフ情報を分離する(S903)。そして、電子ズームオンオフ情報を超解像画像生成部409と動画再構成部410に供給し(S904)、撮像モデル情報と電子ズーム倍率情報を超解像画像生成部409に供給する(S905)。
The
次に、表示装置106は、コマ単位にデータファイルから動画データを分離して動画再構成部410に供給し(S906)、コマ単位の電子ズームオンオフ情報に基づき電子ズームのオンオフを判定する(S907)。そして、電子ズームがオンの場合は、データファイルから当該コマの画像データを分離して超解像画像生成部409に供給する(S908)。
Next, the
コマ単位の電子ズームオンオフ情報が電子ズームのオンを示す場合、超解像画像生成部409は、電子ズーム倍率情報に基づき、入力される画像データから超解像処理により電子ズーム画像データ(以下、超解像電子ズーム画像データ)を生成する。また、動画再構成部410は、電子ズームがオンのコマの動画データを超解像電子ズーム画像データに置き換える。
When the electronic zoom on / off information for each frame indicates that the electronic zoom is on, the super-resolution
次に、表示装置106は、データファイルの動画再生処理が終了したか否かを判定し(S909)、未了であれば処理をステップS906に戻して、動画再生処理を継続する。なお、動画再生処理の終了は、コマ単位の電子ズームオンオフ情報が末尾に達したか、動画データが末尾に達したなどによって判定すればよい。
Next, the
[超解像画像生成部]
図10のブロック図により超解像画像生成部409の構成例を説明する。なお、以下では、高解像度(high resolution)の画像を「HR画像」、低解像度(low resolution)の画像を「LR画像」と呼ぶ。
[Super-resolution image generator]
A configuration example of the super-resolution
超解像画像生成部409は、入力端子1001から画像データを、入力端子1012から電子ズーム倍率情報を入力する。なお、説明を簡単にするため、入力画像データは8ビットのグレイスケール画像データとする。
The super-resolution
画像切出部1009は、入力画像データが表す画像の中央部の、電子ズーム倍率情報に対応する領域の画像データをクロップしたLR画像データを出力する。
The
初期HR画像作成部1002は、LR画像データから例えば線形補間処理によりHR画像の初期値である初期HR画像データを作成し、HR画像作成部1005に出力する。HR画像作成部1005は、後述するMAP推定法によって計算される修正量をHR画像データに加えてHR画像データを更新する。劣化画像生成部1011は、劣化条件入力部1006から入力される劣化条件に従い、HR画像作成部1005が出力するHR画像データを劣化させた劣化画像データを生成する。
The initial HR
劣化条件は、入力端子1014から入力される撮像モデル情報が示す、撮像装置113の光学系の劣化関数(PSF: point spread function)と、撮像デバイス102の画素数制限による劣化過程であるダウンサンプリングである。なお、本実施例では扱うダウンサンプリングの劣化条件は、ダウンサンプリングにおける縮小倍率1/Mと1/N(M、Nは自然数)で与えられる。また、劣化条件は、超解像処理に先立ち計測されたデータ、あるいは、既知のデータである。
Degradation conditions are the degradation function (PSF: point spread function) of the optical system of the
差分演算部1010は、初期HR画像データと劣化画像データの差分を演算する。ここでは、初期HR画像データと劣化画像データの差分画像の平均値を計算することにする。終了判定部1007は、差分画像の平均値を用いて、超解像画像の生成が充分に実施されたか否かを判定する。その際の判定閾値は、入力端子1008から与えられ、判定閾値は0から255までの任意の値とする。つまり、終了判定部1007は、差分画像の平均値と判定閾値を比較して、平均値≦判定閾値の場合は判定値‘0’を出力し、平均値>判定閾値の場合は判定値‘1’を出力する。
The
修正量計算部1004は、判定値を入力して、判定値が‘1’の場合は差分画像の平均値から修正量を計算し、修正量をHR画像作成部1005に出力する。また、判定値が‘0’の場合は値が零の修正量をHR画像作成部1005に出力する。
The correction
HR画像作成部1005は、修正量の値が零の場合、HR画像データを出力端子1003から出力する。また、修正量>0の場合はHR画像データに修正量を加えてHR画像データを更新する。つまり、入力画像データと劣化画像データの差分が判定閾値以下になるまでHR画像データの更新が繰り返される。
The HR
[撮像装置の劣化モデル]
図11により撮像装置の劣化モデルを説明する。なお、撮像系の劣化過程を線形モデルを用いて説明する。
[Imaging device deterioration model]
A deterioration model of the image pickup apparatus will be described with reference to FIG. The deterioration process of the imaging system will be described using a linear model.
劣化過程前のHR画像1101(ベクトルX)は、光学系処理1102の光学系処理のPSFによる劣化(以下、光学劣化)(行列B)を受ける。さらに、電子ズーム処理における拡大処理1103のダウンサンプリングによる劣化(以下、ダウンサンプリング劣化)(行列D)を受けて撮影画像1104(ベクトルY)になる。なお、ダウンサンプリング劣化の条件は画像縮小倍率として提供される。
The HR image 1101 (vector X) before the degradation process is subjected to degradation by the PSF of the optical system processing of the optical system processing 1102 (hereinafter, optical degradation) (matrix B). In addition, the captured image 1104 (vector Y) is obtained in response to deterioration due to downsampling (hereinafter referred to as downsampling deterioration) (matrix D) in the
光学劣化を、(2C+1)×(2C+1)サイズ(Cは自然数)の線形フィルタFで表すとすると、光学劣化を受けた画像YPSFはコンボリューション演算により下式によって表される。
YPSF(i, j) = ΣpΣqX(i-p, j-q)*F(p, q) …(1)
ここで、YPSFはPSFにより劣化した画像、
Xは劣化前のHR画像1101、
(i, j)は画素の座標、
F(p, q)は劣化フィルタ、
*はコンボリューション演算を表す、
Σpの演算範囲はp=-CからCまで、
Σqの演算範囲はq=-CからCまで。
If the optical degradation is represented by a linear filter F having a size of (2C + 1) × (2C + 1) (C is a natural number), the image Y PSF subjected to the optical degradation is represented by the following equation by the convolution calculation.
Y PSF (i, j) = Σ p Σ q X (ip, jq) * F (p, q)… (1)
Where Y PSF is an image degraded by PSF,
X is
(i, j) is the pixel coordinates,
F (p, q) is the degradation filter,
* Represents a convolution operation,
Calculation range of sigma p from p = -C to C,
The calculation range of Σ q is from q = -C to C.
超解像処理で扱う都合上、式(1)のコンボリューション演算を式(2)で定義して、線形演算の形式に変更する。式(1)から式(2)への変換方法については後述する。線形演算の形式によると撮像装置の劣化モデルは下式で表される。
Y = DB・X …(2)
ここで、Xは劣化前のHR画像1101のベクトル、
Yは撮影画像1104、
行列Bは光学系劣化に対応する正方行列、
行列Dはダウンサンプリング劣化に対応する行列。
For convenience in super-resolution processing, the convolution operation of Equation (1) is defined by Equation (2) and changed to the linear operation format. A conversion method from Expression (1) to Expression (2) will be described later. According to the linear calculation format, the deterioration model of the image pickup apparatus is expressed by the following equation.
Y = DB · X (2)
Where X is the vector of the
Y is the captured
Matrix B is a square matrix corresponding to optical system degradation,
Matrix D is a matrix corresponding to downsampling degradation.
行列BとDのサイズは、入力画像のサイズにより変化する。図12により行列BとDのサイズを説明する。図12(a)は、入力画像のサイズは横方向の画素数をW、縦方向の画素数をH、ダウンサンプリング劣化の条件である画像縮小率を横方向1/M、縦方向1/Nとする場合の一般的な行列BとDのサイズを示す。 The sizes of the matrices B and D vary depending on the size of the input image. The sizes of the matrices B and D will be described with reference to FIG. In FIG. 12 (a), the size of the input image is W for the number of pixels in the horizontal direction, H for the number of pixels in the vertical direction, and the image reduction ratio, which is a condition for downsampling degradation, 1 / M in the horizontal direction and 1 / N in the vertical direction Shows the size of general matrices B and D.
図13により二次元画像と行列Xの関係を説明する。二次元画像のサイズをW×Hとし、画素位置を(i, j)で表す。つまり、HR画像1101の画素データをラスタ順に走査して、一列、HW行の行列Xにする。
The relationship between the two-dimensional image and the matrix X will be described with reference to FIG. The size of the two-dimensional image is W × H, and the pixel position is represented by (i, j). That is, the pixel data of the
図14により行列Bの構成例を説明する。線形フィルタFのサイズは(2C+1)×(2C+1)であり、式(2)に示すようにすべての画素について線形フィルタFとの積和演算を行う。 A configuration example of the matrix B will be described with reference to FIG. The size of the linear filter F is (2C + 1) × (2C + 1), and a product-sum operation with the linear filter F is performed on all pixels as shown in Expression (2).
画素(i, j)が線形フィルタFの中心にある場合、行列i×j行目にフィルタの値を行列の対応する位置に値を代入する。代入される以外のところは0に代入する。 When the pixel (i, j) is at the center of the linear filter F, the value of the filter is substituted into the corresponding position of the matrix in the matrix i × j row. Assign to 0 except where it is assigned.
図15により行列Dの構成例を説明する。行列Dは、縮小サイズを用いて、画像の画素を間引いた画素データを取得する行列である。行列の値について、画素データを取得すべき画素が存在する位置に対応する行列の値は1とし、その他の行列の値は0にする。 A configuration example of the matrix D will be described with reference to FIG. The matrix D is a matrix for obtaining pixel data obtained by thinning out the pixels of the image using the reduced size. Regarding the matrix values, the matrix value corresponding to the position where the pixel from which the pixel data is to be obtained is 1, and the other matrix values are 0.
図12(b)は行列BとDのサイズの具体例を示す。図12(b)において、HR画像1101のサイズはW=1024、H=1024、ダウンサンプリング劣化の条件である縮小倍率はM=1/2、N=1/2である。つまり、撮影画像1104のサイズはW=512、H=512になる。
FIG. 12 (b) shows a specific example of the sizes of the matrices B and D. In FIG. 12B, the size of the
[超解像画像の生成]
本実施は、超解像画像の生成にMAP法を利用する。MAP法は、二乗誤差に高解像画像の確率情報を付加した評価関数を最小化することで、高解像画像を推定する方法である。つまり、高解像画像に対するある事前情報を利用して、事後確率を最大化する最適化問題として高解像度画像を推定する超解像処理方法である。本実施は、下式使って超解像画像を生成する。
X^ = arg min[α||CX^||2 + 1/σ2||Y-DBX^||2] …(3)
ここで、X^は推定された超解像画像、
Yは劣化した撮影画像、
DとBは劣化を表す行列、
Cは線形フィルタ。
[Generation of super-resolution images]
In this embodiment, the MAP method is used to generate a super-resolution image. The MAP method is a method for estimating a high-resolution image by minimizing an evaluation function obtained by adding probability information of a high-resolution image to a square error. That is, it is a super-resolution processing method that estimates a high-resolution image as an optimization problem that maximizes the posterior probability by using some prior information for the high-resolution image. In this embodiment, a super-resolution image is generated using the following equation.
X ^ = arg min [α || CX ^ || 2 + 1 / σ 2 || Y-DBX ^ || 2 ]… (3)
Where X ^ is the estimated super-resolution image,
Y is a deteriorated captured image,
D and B are matrices representing degradation,
C is a linear filter.
式(3)の右辺第一項の||CX^||2は隣接画素の画素値であり、注目画素は隣接画素に類似する値を有することが多いという事前情報を加味した拘束項であり、画像全体に平滑化を施す効果がある。なお、線形フィルタCとしてラプラシアンフィルタを使用する。係数αは、||CX^||2項の平滑化の度合いを調整するパラメータである。平滑化の度合いが高い結果を得たい場合はαの値を大きくする。 || CX ^ || 2 in the first term on the right side of Equation (3) is the pixel value of the adjacent pixel, and is a constraint term that takes into account prior information that the pixel of interest often has a value similar to the adjacent pixel. There is an effect of smoothing the entire image. A Laplacian filter is used as the linear filter C. The coefficient alpha, which is a parameter for adjusting the degree of smoothing of || CX ^ || 2 Section. To obtain a result with a high degree of smoothing, the value of α is increased.
式(3)の右辺第二項である1/σ2||Y-DBX^||2は、入力画像と、推定された超解像画像に劣化を与えた画像の差分項である。係数σは、撮像装置の撮影画像Yのノイズの標準偏差である。式(4)は、式(3)の右辺を取り出して、超解像処理時の評価関数として用いる式を示す。
I = α||CX^||2 + 1/σ2||Y-DBX^||2 …(4)
1 / σ 2 || Y-DBX ^ || 2 that is the second term on the right side of Equation (3) is a difference term between the input image and an image that has deteriorated the estimated super-resolution image. The coefficient σ is a standard deviation of noise of the captured image Y of the imaging device. Expression (4) is an expression that is used as an evaluation function during super-resolution processing by extracting the right side of Expression (3).
I = α || CX ^ || 2 + 1 / σ 2 || Y-DBX ^ || 2 … (4)
図16のフローチャートにより超解像画像生成部409の処理例を説明する。
A processing example of the super-resolution
超解像画像生成部409は、画像データ(撮影画像Yに相当)を入力し(S1701)、撮像モデル情報(劣化を表す行列B、Dに相当)を入力し(S1702)、電子ズーム倍率情報(ダウンサンプリング劣化の条件に相当)を入力する(S1703)。そして、画像データが表す画像の中央部の、電子ズーム倍率情報に対応する領域の画像データをクロップしたLR画像データから初期HR画像データを生成する(S1704)。つまり、線形補間により、LR画像データのサイズを横方向にM倍、縦方向にN倍に拡大する。
The super-resolution
次に、超解像画像生成部409は、超解像処理の達成度合いを判定する判定閾値を入力し(S1705)、HR画像データに光学劣化(行列B)Fとダウンサンプリング劣化(行列D)を与えた劣化画像データを生成する(S1706)。式(5)は劣化画像データの生成式を示す。
Y' = DB・Xk …(5)
ここで、Y'は劣化画像データ、
Xkはk回目の演算で生成されたHR画像データ。
Next, the super-resolution
Y '= DB · X k (5)
Where Y ′ is the degraded image data,
X k is the HR image data generated by the kth calculation.
次に、超解像画像生成部409は、式(6)により劣化画像データY'と初期HR画像データYの各画素について値の差分を計算し、それら差分の平均値Δを計算する(S1707)。
Δ = [ΣiΣj{Y'(i, j) - Y(i, j)}]/N …(6)
ここで、Nは総画素数(W/M×H/N)。
Next, the super-resolution
Δ = [Σ i Σ j {Y '(i, j)-Y (i, j)}] / N… (6)
Here, N is the total number of pixels (W / M × H / N).
次に、超解像画像生成部409は、差分の平均値Δと判定閾値Thを比較する(S1708)。Δ>Thの場合は、HR画像データXkの修正量である更新項ΔXkを計算し(S1709)、カウンタkをインクリメントする(S1710)。そして、HR画像データXk-1に更新項ΔXk-1を加えてHR画像データXkを更新して(S1711)、処理をステップS1706に戻す。また、Δ≦Thの場合、超解像画像生成部409は、HR画像データXkを出力する(S1712)。
Next, the super-resolution
本実施例では、更新項ΔXkの計算に下式に示す最急降下法を用いる。最急降下法は最小化したい関数の一次微分を使用した最適化手法である。最急降下法に必要になる更新項(関数の一次微分)ΔXkは下式で計算する。
ΔXk = ∂I/(∂Xk) = 2αCTCXk + 2/σ2(DB)T[Y-DBXk] …(6)
ここで、Tは転置行列を表す。
In the present embodiment, the steepest descent method shown in the following equation is used to calculate the update term ΔXk. The steepest descent method is an optimization method using the first derivative of the function to be minimized. The update term (first derivative of the function) ΔXk required for the steepest descent method is calculated by the following formula.
ΔXk = ∂I / (∂Xk) = 2αC T CXk + 2 / σ 2 (DB) T [Y-DBXk]… (6)
Here, T represents a transposed matrix.
上記では、動画オデータのデータファイルに、電子ズーム処理されたビデオ画像のコマに対応する電子ズーム処理前の画像データ、撮像モデル情報、電子ズーム倍率情報を含める方法を説明した。そして、動画を再生する際に、電子ズーム処理されたコマの画像データを電子ズーム処理前の画像データから超解像処理によって生成し、電子ズーム処理されたコマの画像データを超解像処理によって生成した画像データに置き換える方法を説明した。このようにすれば、電子ズームによって得られる画像よりも高解像、高精細な画像を再生することができる。 In the above description, the method of including the image data before the electronic zoom processing corresponding to the frame of the video image subjected to the electronic zoom processing, the imaging model information, and the electronic zoom magnification information in the data file of the moving image data has been described. Then, when playing back a moving image, the image data of the electronic zoom processed frame is generated from the image data before the electronic zoom processing by super-resolution processing, and the image data of the electronic zoom processed frame is generated by super-resolution processing. The method of replacing with generated image data has been described. In this way, it is possible to reproduce a higher resolution and higher definition image than an image obtained by electronic zoom.
なお、上記では、実施例を動画に適用する例を説明したが、静止画の場合も、電子ズーム処理された画像データと、電子ズーム処理前の画像データを保持することができる。そして、電子ズーム処理された画像を表示する場合は、電子ズーム処理前の画像データを超解像処理した画像データによって画像を表示すれば、電子ズームによって得られる画像よりも高解像度、高精細な画像を表示することができる。 In the above description, an example in which the embodiment is applied to a moving image has been described. However, even in the case of a still image, image data that has been subjected to electronic zoom processing and image data that has not been electronically zoomed can be retained. When displaying an image that has been subjected to electronic zoom processing, if the image is displayed using image data obtained by super-resolution processing of the image data before the electronic zoom processing, the resolution is higher than that obtained by the electronic zoom. An image can be displayed.
なお、電子ズーム処理された画像データと、電子ズーム処理前の画像データを保持するため、超解像処理機能を有さない表示装置においては、電子ズーム処理された動画または静止画が再生または表示され、互換性を維持することができる。 In addition, in order to hold the image data that has been subjected to the electronic zoom processing and the image data before the electronic zoom processing, a moving image or still image that has been subjected to the electronic zoom processing is reproduced or displayed on a display device that does not have a super-resolution processing function. And compatibility can be maintained.
[その他の実施例]
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ(又はCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
[Other Examples]
The present invention can also be realized by executing the following processing. That is, software (program) that realizes the functions of the above-described embodiments is supplied to a system or apparatus via a network or various storage media, and a computer (or CPU, MPU, etc.) of the system or apparatus reads the program. It is a process to be executed.
Claims (6)
入力されるズーム倍率情報に従い、前記撮像手段が出力する画像データが表す画像の一部を拡大処理したズーム画像データを生成する生成手段と、
前記撮像手段の光学系による画像の劣化情報、および、前記拡大処理による画像の劣化情報を撮像モデル情報として格納する格納手段と、
前記拡大処理のオンオフを示す情報、前記ズーム倍率情報、前記撮像モデル情報、前記画像データ、前記ズーム画像データを格納したデータファイルを作成する作成手段とを有することを特徴とする画像処理装置。 Imaging means for imaging image data of a subject;
Generating means for generating zoom image data obtained by enlarging a part of the image represented by the image data output by the imaging means according to the zoom magnification information input;
Storage means for storing image degradation information due to the optical system of the imaging means and image degradation information due to the enlargement processing as imaging model information;
An image processing apparatus comprising: information indicating whether the enlargement processing is on / off, the zoom magnification information, the imaging model information, the image data, and a creation unit that creates a data file storing the zoom image data.
前記データファイルから取り出した前記ズーム画像データを前記超解像画像データに置き換える置換手段とを有し、
前記データファイルに格納された前記拡大処理のオンオフを示す情報が前記拡大処理のオンを示す場合、前記超解像手段は超解像画像データを生成し、前記置換手段は置き換えを行うことを特徴とする請求項1に記載された画像処理装置。 Further, super-resolution obtained by enlarging a part of the image represented by the image data according to the zoom magnification information by super-resolution processing from the zoom magnification information, the imaging model information, and the image data stored in the data file. Super-resolution means for generating image image data;
Replacement means for replacing the zoom image data retrieved from the data file with the super-resolution image data,
When the information indicating on / off of the enlargement process stored in the data file indicates that the enlargement process is on, the super-resolution means generates super-resolution image data, and the replacement means performs replacement. 2. The image processing apparatus according to claim 1.
前記制御手段は、ユーザが指示するズーム倍率が前記光学ズーム機能の限界に達した場合、前記生成手段に前記ズーム倍率情報を出力することを特徴とする請求項1または請求項2に記載された画像処理装置。 Furthermore, it has a control means for controlling the optical zoom function of the imaging means,
3. The control unit according to claim 1, wherein the control unit outputs the zoom magnification information to the generation unit when a zoom magnification indicated by a user reaches a limit of the optical zoom function. Image processing device.
前記作成手段が、前記拡大処理のオンオフを示す情報、前記ズーム倍率情報、前記撮像モデル情報、前記画像データ、前記ズーム画像データを格納したデータファイルを作成することを特徴とする画像処理方法。 An imaging unit that captures image data of a subject, a generation unit that generates zoom image data obtained by enlarging a part of an image represented by the image data output by the imaging unit, in accordance with input zoom magnification information, and an optical unit of the imaging unit An image processing method for an image processing apparatus having storage means for storing image degradation information by the system and image degradation information by the enlargement processing as imaging model information, and a creation means,
An image processing method, wherein the creation unit creates a data file storing information indicating on / off of the enlargement process, the zoom magnification information, the imaging model information, the image data, and the zoom image data.
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JP2018067868A (en) * | 2016-10-21 | 2018-04-26 | ナンチャン オー−フィルム オプトエレクトロニクス テクノロジー リミテッドNanchang O−Film Optoelectronics Technology Ltd | Imaging apparatus |
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- 2011-07-11 JP JP2011153271A patent/JP2013021509A/en not_active Withdrawn
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