JP2000261814A - カラーフィルタ画像信号生成方法 - Google Patents
カラーフィルタ画像信号生成方法Info
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Abstract
画像信号を生成する方法を提供する。 【解決手段】 本方法において、カラー画素のアレイ
は、2次抽出されたカラー画素のアレイを生成するため
に2次抽出される。新しく均一に配置されるカラー画素
は、同色の周辺の画素を使用して2次抽出されたカラー
画素によって補完され、次に、新カラー画素のアレイか
ら導かれるカラー画像信号は、たとえば、カラーフィル
タアレイ補完によって処理される。この事前処理ステッ
プにおけるこの補正は、従来の不規則2次抽出パターン
によって惹起される濃淡むらおよび波形構造を解消し、
結果として得られる2次抽出されたCFA画像のその他
の処理は、通常の画像処理ハードウェアおよびソフトウ
ェアにより実行することができる。
Description
分野に関し、特にカラーフィルタアレイを使用する形式
の単一センサカメラに関する。
ー撮像センサ、例えば、電荷結合素子(CCD)を使用
し、情景についての色彩を含めて情景として映し出され
るものを記録する。これらのセンサ素子は、通常、アレ
イ上の各点において光を測定する光点画素の二次元アレ
イを含む。これらのセンサがカラー画像を記録すること
ができるようにするために、カラーフィルタアレイ(以
下、CFAと略す)が画素の上に配置される。そのた
め、各画素は画素に対応するフィルタの色の光を測定す
る。普通のCFAフィルタのひとつは、バイエル(Ba
yer)RGBパターンとして知られている。図1に示
すようにBayer CFAは米国特許第3,971,
065号にも開示されており、そこではグリーンフィル
タのチェッカボード構造を含めレッド、グリーンおよび
ブルーのパターンが提供される。したがって、各画素に
対する主要なCFA画像信号は、一色のみ、すなわち、
レッド、グリーンまたはブルーのいずれかが関与するこ
とになる(Bayer CFAの場合)。CFA画像が
記録された後で、各画素点に対する残りの(欠落してい
る)色が、たとえば、周辺の画素から各画素に対して補
完されるので、補完された完全解像度記録が各画像に対
して生成される。したがって、補完された記録中の各画
素は、RGB値のセットを有することになる。
センサの標準解像度より低い解像度において記録する必
要がある。このひとつの理由は、短い低解像度ビデオ連
写のように、最小のメモリおよび画像処理時間必要条件
の状態において迅速に一連の画像を記録する必要がある
ためである。これを実現するために、CCD中の画素
は、多くの場合、2次抽出される。たとえば、米国特許
第5,493,335号には、2×2ブロックの画素を
基礎とするひとつのパターンを含む多様な2次抽出パタ
ーンが開示されている。図2に示すCFAパターンは、
画素を、どのようにして2次抽出し半解像度の2×2ブ
ロックとすることができるかを示す図である。図に示す
ように、このパターンにおいては、R、G、およびB画
素は、抽出されたレッド、グリーン、およびブルー画素
を表し、一方、ダッシュ「−」は、記憶されていない画
素を表す。この構成においては、妥当な画素を通常より
非常に迅速にCCDハードウェアから読み込み、通常よ
り小さいメモリ領域に記憶することができる。その結
果、得られる画像を処理する時間も通常より短くするこ
とができる。
する問題は、画素が不規則に抽出されるので、結果とし
て得られる画像の質が低下することである。例えば、こ
うした抽出パターンの影響により画像においてわずかに
濃淡のむらがあるように見えることや、また、被写体の
端部が波形に見えること等が生じる。従って、上記事前
処理ステップにおける抽出形式を補正し、かつ、その他
の画像処理については通常の画像処理ハードウェアおよ
びソフトウェアを使用することができる方法を見出すこ
とが望ましい。
つ以上の問題を解決することを目的とする。要するに、
本発明の一態様であるカラー画像画素のアレイから導か
れるカラー画像信号を生成するための方法は、カラー画
素画素のアレイを2次抽出して2次抽出されたカラー画
素のアレイを生成するステップと、同色の周辺の画素を
使用して2次抽出されたカラー画素によって新しく均一
に配置されるカラー画素のアレイを補完するステップ
と、新しいカラー画素のアレイから導かれるカラー画像
信号を処理するステップと、を含む。
規則な抽出パターンによって惹起される濃淡のむらおよ
び波形構造が補正されることである。さらに、これらの
構造は事前処理ステップにおいて補正することができる
が、同時に、それでもなお、通常の画像処理ハードウェ
アまたはソフトウェアの残部を結果として得られる2次
抽出されたCFA画像について使用することができる。
特徴および利点は、添付図面を参照して以下の本発明の
詳細説明および特許請求の範囲を精査することによって
一層明確に理解され評価される。
を図面を用いて説明する。なお、電子センサを利用する
デジタルカメラ、ならびにその結果得られる画像データ
の電子処理および記憶は公知であるため、本明細書で
は、これら電子センサの各要素のうち、特に本発明によ
る装置の一部を構成する、またはさらに本発明による装
置と共に直接に作用する、要素を対象に説明する。従っ
て、本明細書に特に示されていないまたは記述されてい
ない要素が、技術上周知である要素から選択されること
がある。また、記述する必要がある実施形態のある一定
の態様は、ソフトウェアとして提供される。以下の資料
に記載されるシステムを考慮すれば、本発明を実施する
ために必要とされる全てのこのようなソフトウェアの実
用化はこの分野における通常の専門家の技術の範囲内で
ある。
タ32を備えるCFA補正を組み込んだ撮像システムを
示す。図3に示す通り、特にカメラがコンピュータに接
続される場合には、CFA補正をカメラ30またはコン
ピュータ32において実行させることができる。カメラ
30は、画像光を撮像センサ36に向けるための光学セ
クション34を備える。また、この撮像センサ36は、
通常、電荷結合素子(CCD)のような単一の撮像セン
サである。撮像センサ36は、図1に示すバイエルアレ
イのようなカラーフィルタアレイ(CFA)パターンを
重ね合わされたディスクリート感光性撮像要素のアレイ
を備え、CFAパターンに対応するカラー画像データを
生成する。光学セクションは、レンズ38と、撮像セン
サ36に対する画像光の露光を調整するためのシャッタ
−絞り機構40とを備える。クロック発振器およびドラ
イバ回路42によって、カラー画像データを撮像センサ
36から生成するために必要とされる波形が提供され、
出力データは、アナログ信号処理(ASP)およびアナ
ログ/ディジタル(A/D)変換セクション44に向け
られ、ここでカラー画像データからディジタルCFAデ
ータが生成される。ディジタルCFAデータは、センサ
36、すなわち、完全センサまたはセンサの2次抽出さ
れた部分から得られる「生の」CFA画像データを表
す。
ィジタル信号プロセッサ46に送られ、ディジタル信号
プロセッサ46は、たとえば、JPEG圧縮あるいはD
PCMコーディングを使用する数値上無損失または視覚
上無損失の圧縮技術を含む多数の圧縮技術のうちのいず
れかひとつを使用して画像データを圧縮すること、およ
び他の場合は画像データを処理し記憶することができ
る。特に、ディジタル信号プロセッサ46は、ある一定
の状況下において、補正ROM47に記憶されるCFA
補正アルゴリズムを画像データに適用する。たとえば、
ユーザインタフェースセクション49を使用し、カメラ
に低解像度画像の連写を記録すること、およびこれらの
画像にCFA補正を適用することを命令することができ
る。(この実施形態においては、メモリ50は処理前に
ディジタルCFAデータを記憶するためのバッファとし
ての機能を果たすが、独立したバッファを備えることも
できる。)処理されたCFAデータは、出力インタフェ
ース48を経由して交換可能メモリ50に送られる。作
動中は、CFA画像データは、固定解像度の画像、通
常、撮像センサ36の実際の解像度に事実上対応する画
像を表す。それ故、メモリ50は、この固定解像度に対
応する固定数の画像要素から得られるディジタルCFA
画像データを記憶する。しかし、前述した連写画像の場
合は、メモリ50に記憶されるディジタルCFA画像デ
ータは、撮像センサによって提供される固定解像度の低
解像度表現である場合がある。
カードインタフェース標準のような従来のカードインタ
フェース標準に適合するメモリカードインタフェースで
あり、これはカリフォルニア州、Sunnyvaleの
パーソナルコンピュータメモリカード国際協会(The
Personal Computer Memory
Card International Assos
iation)によって1997年に発行された“PC
Card Standard”に記載されているよう
な標準である。したがって、交換可能メモリ50は、フ
ラッシュEPROMメモリのような固体記憶装置、また
は小型ハードドライブ(PCMCIAカードインタフェ
ース標準に基づいてPCMCIA−ATAタイプIIIハ
ードドライブとして類別される)のいずれかを含む不揮
発性PCMCIAメモリカードである。別のカードイン
タフェース標準は、DOSファイルフォーマットを有す
るコンパクトフラッシュATAである。代替方法として
は、フロッピーディスク磁気媒体または光学記憶装置の
ような他の不揮発性記憶装置を使用することができる
(このような場合は、適切なインタフェースおよび従来
の読み取り/書き込み装置がカメラ30に備えられる。
たとえば、磁気または光学読み取り/書き込みヘッドで
ある)。
ンタフェースドライバ52を備え、カメラ30をホスト
コンピュータ32に直接接続し、たとえば、記録された
画像に対応するディジタルCFAデータをダウンロード
する。(この処理においては、交換可能メモリ50がバ
ッファメモリとして機能すること、または独立したバッ
ファメモリ(図示してない)を備えることができる。)
さらに、カメラ30は、制御プロセッサ54を備え、
(a)クロック発振器およびドライバ回路42と、
(b)ASPおよびA/Dセクション44、ディジタル
信号プロセッサ46、出力インタフェース48、および
ユーザインタフェース49を備えるディジタル信号処理
連鎖と、(c)インタフェースドライバ52と、を制御
する。インタフェースドライバ52は、SCSIまたは
IEEE−1394インタフェースのような従来のコン
ピュータインタフェースを提供する。その結果、カメラ
30から得られるディジタルCFAデータは、インタフ
ェースドライバ52経由または交換可能メモリ50を受
け取るカード読み取り装置56経由のいずれかによって
ホストコンピュータ32に連結される。
コンピュータ32はアプリケーションプログラムを含
み、記録された画像を処理し、ディスプレイ58によっ
てソフトコピーを生成、またはプリンタ60(または、
フィルムライタなど)によってハードコピーを生成す
る。たとえば、アプリケーションプログラムは、CFA
データにCFA補完アルゴリズム64を適用するアルゴ
リズムセクション62と、ユーザインタフェース67と
を含む。アプリケーションプログラムによって、CFA
データから各画像要素に対する完全カラーデータが補完
され、補完された出力画像が生成される。CFA補完ア
ルゴリズム64には、任意の数の公知の補完技術を含め
ることができる。たとえば、以下の特許に開示される補
完技術を使用することができる。すなわち、米国特許第
5,373,322号(発明の名称「彩度階調度を利用
し完全カラー画像を適切に補完するための装置および方
法」)、米国特許第5,382,976号(発明の名称
「画像階調性を利用し完全カラー画像を適切に補完する
ための装置および方法」)、並びに米国特許第5,50
6,619号および第5,629,734号(共通の発
明の名称「単一センサカラー電子カメラにおける適切な
カラー面補完法」)である。これらの各内容は、本明細
書に包含される。処理アルゴリズムは、ノイズ減少、ホ
ワイトバランス補正、色補正、エッジ強調などに適用す
ることができる。代替方法としては、カメラ30は、デ
ィジタルCFAデータを補完するためのCFA補完アル
ゴリズム(およびノイズ減少、ホワイトバランス補正、
色補正、またはエッジ強調に適用されるひとつ以上の処
理アルゴリズム)を備えることが可能であり、この場
合、カメラ30は完全に補完されたディジタルデータを
提供し、コンピュータ32におけるその後の補完は不要
となる。
たデータの使用に関する問題は、画素が不規則に抽出さ
れるため、結果として得られる画像の質が低いことにあ
る。抽出パターンのために、画像がわずかに濃淡むらが
あるように見えること、および端部が波形に見えること
が通常である。こうした問題に対して、事前処理ステッ
プとして、この形式のサンプリングを補正し(CFA補
完前に)、同時に、通常の画像処理ハードウェアまたは
ソフトウェアの残部を使用する方法を見出すことが望ま
しい。本発明によれば、CFA補正は、カメラ内部にC
FA補正ROM47として含まれる。代替方法として
は、CFA補正アルゴリズム66をコンピュータ32の
アルゴリズムセクション62に含め、CFA補正をコン
ピュータにおいてCFA補完前にCFAデータに適用す
ることが可能である。
法は、図4に示すように、周辺の画素を使用し原始画素
から対角線方向に半画素離れた位置において画素を補完
することである。この図においては、(大文字)R、
G、およびB画素は、抽出された原始画素であり、(小
文字)r、g、およびb画素は、補完された画素であ
る。新しく補完された画素は通常の長方形CFA形式の
パターンの中央(境界線上)に位置し、原始CFAパタ
ーンの低解像度版を生成することに注意することが重要
である。特に、新たに補完された画素は画像面全体に均
一に配置され、すなわち、図4に示すように、行方向で
間隔d1だけ、列方向で間隔d2だけ間隔を置いて均一に
配置される(ここで、d1はd2と等しい必要はない)。
4個の画素に対して双一次として補完を実施することに
よって生成することができる。たとえば、新画素r21、
g11、b12およびg22は、原画素R21、G11、B12、お
よびG22から半画素だけ間隔をあけて生成することがで
きる。特に、新画素r21は、下記の式を用いて原始デー
タから半画素だけ離して双一次として補完される。
を用いて近似させることができる。
いて生成し補完することができる。
に、それらを取り巻く近隣画素(大文字R、G、B)を
参照して双一次として補完することができる。これらの
式が2次抽出された画像においてすべての画素に対して
適用されたとき、原始画素に関して半画素だけ間隔を置
いた位置に補完される画素のみを含む新しく2次抽出さ
れた画像が生成される。この新しく2次抽出された画像
は、通常の完全解像度の場合と同じ補完アルゴリズム6
4を使用して処理し完全なRGB画像とすることができ
る。これらの補完アルゴリズムは、前述したように、技
術上公知である。2次抽出のために、いくらかのエイリ
アシング(不鮮明な画像)がまだ発生するが、結果とし
て得られる画像は補正処理しなかった場合に比較して濃
淡むらおよび波形が相当に減少する。
示す。最初に、ユーザシステムまたは撮像システムのい
ずれかが、比較的小さな画像サイズを選択する(ステッ
プ70)。たとえば、ユーザは、連写モードの操作を選
択し、この操作によってシステムが比較的小さい画像サ
イズを選択することが誘導される。次に、完全解像度C
FA画像が撮像センサ36によって記録される(ステッ
プ72)。完全解像度CFA画像データは、次に2次抽
出されて比較的小さいサイズの2次抽出されたCFA画
像を生成する(ステップ74)。この2次抽出は、たと
えば、センサ36から画素行の半分だけを読み取ること
によって実行される。この点は技術上公知である。他の
半分の画素行はセンサ36から読み取られないので、こ
の結果、センサを読み取り期間における速度が相当に増
加される。なお、代替方法としては、CCDおよび処理
ハードウェアを配置することができる。この場合には、
完全解像度画像はセンサ36から読み取られ、次に、バ
ッファメモリに記憶され、そこでバッファメモリは2次
抽出パターンに従って抽出される。しかし、この場合
は、速度の利点はセンサの読み出し時に喪失されること
になる。図2は、2次抽出されたCFA画像の例を示す
図である。
画像上において実行され、新しく2次抽出されたCFA
画像が生成される(ステップ76)。新しく2次抽出さ
れた画像は、図4に小文字のr、g、b値として示され
る。最後に、新しく2次抽出されたCFA画像上におい
て、処理が実行される(ステップ78)。この処理は、
単一の処理ステップ、たとえば、CFA補完、またはノ
イズ減少、ホワイトバランス補正、CFA補完、色補
正、エッジ強調、および画像圧縮を含む全体の撮像連鎖
を包含することができる。
を使用して生成されることに注意することが重要であ
る。これは、別の色のCFA補完後に、補完によって引
き起こされる平滑化はすべての3色面において同一であ
ることを意味する。このために、各3色面の頻度特性は
同じであり、このことはその後の画像処理アルゴリズム
は過剰カラーエイリアシングを有することはないことを
意味する。
ターンにおいてグリーン画素の行と行との間の不整合が
存在する。これは、通常、読み出しエレクトロニクスと
関係があり、この場合、グリーン/レッドラインは1セ
ットのゲインを有し、グリーン/ブルーラインは別の1
セットのゲインを有するので、グリーンはライン間にお
いて完全にはバランスされない。言い換えれば、グリー
ン/レッドラインのグリーン画素は、グリーン/ブルー
ラインのグリーン画素とわずかに異なる。これは、セン
サから読み取られる連続した画素間の前述した相互作用
によって惹起される。グリーン/レッド行においては、
レッド画素はグリーン画素に一方法によって影響を与え
るが、グリーン/ブルー行においては、ブルー画素は別
の方法によってグリーン画素に影響を与える。その結
果、得られる画像は予期されるものより遙かにノイズが
多くなる。
補完するために異なる画素を使用して修正し、この隣接
する行間の不整合問題を解消することができる。各原始
グリーン画素が対向する行形式から得られる他の二つの
グリーン画素の平均と平均化される(すなわち、奇数行
は偶数行と混合され、また逆に)場合は、隣接する行間
のオフセットは自動的に相殺され、一方同時に、新しい
補完グリーン画素が所望の位置に生成される。下記の式
は、これを実行する方法を示す。
なアルゴリズムを追加することなく取り除かれるが、そ
れはグリーンチャネルにおける補完ブルーはレッド、お
よびブルーチャネルにおける補完ブルーとわずかに異な
ることを意味することに留意することが必要である。そ
の結果、結果として得られる最終画像において非常に少
量のカラーエイリアシングが、ある一定の頻度において
目に見えるようになる。一部の資源の制約されるシステ
ムにおいては、このトレードオフは許容できる。
述べた。しかし、通常の当業者は、本発明の範囲を逸脱
することなく異なる形および変形して実行することがで
きることは理解される。
図である。
ルカラーフィルタアレイに対する2次抽出パターンを示
す図である。
込む撮像システムを示すブロック図である。
補完画素の空間構造を示す図である。
示す工程図である。
セクション、36 撮像センサ、38 レンズ、40
シャッタ−絞り機構、42 クロック発振器およびドラ
イバ回路、44 ASPおよびA/D変換セクション、
46 DSP、47 CFA補正ROM、48 出力イ
ンタフェース、49,67 ユーザインタフェース、5
0 交換可能メモリ、52 インタフェースドライバ、
54 制御プロセッサ、56 カード読み取り装置、5
8 ディスプレイ、60 ハードコピープリンタ、62
アルゴリズムセクション、64 CFA補完アルゴリ
ズム、66 CFA補正アルゴリズム。
Claims (11)
- 【請求項1】 カラー画像画素のアレイから導かれるカ
ラー画像信号を生成するための方法であって、 2次抽出されたカラー画素のアレイを生成するために、
カラー画素のアレイを2次抽出するステップと、 同色の周辺の画素を使用し、2次抽出されたカラー画素
によって新しく均一に配置されるカラー画素のアレイを
補完するステップと、 新しくカラー画素のアレイから導かれるカラー画素信号
を処理するステップと、を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載の方法において、前記補
完のステップは双一次補完を含むことを特徴とする方
法。 - 【請求項3】 所定の画素間隔で配列されるカラー画像
画素のアレイから導かれるカラー画像信号を処理するた
めの方法であって、 2次抽出されたカラー画素のアレイを生成するために、
半解像度において2×2ブロックのカラー画素によって
カラー画素のアレイを2次抽出するステップと、 同色の周辺の画素を使用し、前記2次抽出されたカラー
画素によって半画素間隔の新しいカラー画素のアレイを
補完するステップと、 新カラー画素の前記アレイから導かれる前記カラー画素
信号を処理するステップと、を含むことを特徴とする方
法。 - 【請求項4】 請求項3に記載の方法において、前記補
完のステップは双一次補完を含むことを特徴とする方
法。 - 【請求項5】 請求項4に記載の方法において、前記双
一次補完は重み付けして半画素間隔を生成することを特
徴とする方法。 - 【請求項6】 所定の画素間隔で配列されるカラー画像
画素のアレイから導かれるカラー画素信号を処理するた
めの方法であって、 カラーフィルタアレイを通じてカラー画像を記録し、対
応するカラー画素のアレイを生成するステップと、 2次抽出されたカラー画素のアレイを生成するために、
半解像度において2×2ブロックのカラー画素によって
カラー画素のアレイを2次抽出するステップと、 同色の周辺の画素を使用し、前記2次抽出されたカラー
画素によって半画素間隔の新しいカラー画素のアレイを
補完するステップと、 新カラー画素の前記アレイから導かれる前記カラー画素
信号を処理するステップと、を含むことを特徴とする方
法。 - 【請求項7】 請求項6に記載の方法において、前記補
完のステップは双一次補完を含むことを特徴とする方
法。 - 【請求項8】 請求項7に記載の方法において、前記双
一次補完は重みを付けられて半画素間隔を生成すること
を特徴とする方法。 - 【請求項9】 請求項6に記載の方法において、前記カ
ラーフィルタアレイはバイエルカラーフィルタアレイで
あることを特徴とする方法。 - 【請求項10】 請求項6に記載の方法において、前記
処理のステップはカラーフィルタアレイ補完を含むこと
を特徴とする方法。 - 【請求項11】 請求項6に記載の方法において、前記
処理のステップは、ノイズ減少、ホワイトバランス補
正、カラーフィルタアレイ補完、色補正、エッジ強調、
および画像圧縮よりなるグループから選択される一つ以
上のステップを含むことを特徴とする方法。
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