JP2001169186A - Image pickup system - Google Patents

Image pickup system

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JP2001169186A
JP2001169186A JP34689499A JP34689499A JP2001169186A JP 2001169186 A JP2001169186 A JP 2001169186A JP 34689499 A JP34689499 A JP 34689499A JP 34689499 A JP34689499 A JP 34689499A JP 2001169186 A JP2001169186 A JP 2001169186A
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JP
Japan
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image
imaging system
frequency
imaging
filter
Prior art date
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Pending
Application number
JP34689499A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takayuki Kimura
孝之 木村
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Japan Science and Technology Agency
Original Assignee
Japan Science and Technology Corp
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Filing date
Publication date
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Publication of JP2001169186A publication Critical patent/JP2001169186A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image pickup system, capable of obtaining the image of resolution higher than that of an image pickup element. SOLUTION: After passing through an optical filter 110, an inputted image is converted into an electrical signal by an image sensor 120 and stored in a storage device 130 as a digital signal. The signal, temporarily stored in the device 130, is shifted to a signal processor 200. The characteristic of the optical filter is changed, and image pickup is executed plural number of times to realize extraction of aliasing components. In order to extract the aliasing components, digital signal processing is used. In the signal processing, the correction of the characteristic of the optical filter, Fourier transformation for transforming a photographed image to a signal in a frequency domain and inverse Fourier transformation for performing the reverse operation are executed.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、画像の撮像装置に
関するもので、特にCCD等の撮像素子の解像度を画像
処理により高める撮像装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an image pickup device for an image, and more particularly to an image pickup device for improving the resolution of an image pickup device such as a CCD by image processing.

【0002】[0002]

【技術的背景】CCD(Charge Coupled Device)は商
業的に成功し、その画素数は今やメガピクセル級になっ
た。近年のマルチメディア指向により、さらに高解像度
な撮像素子が求められてきている。これまで、撮像素子
の高解像度化は主に画素サイズの微細化によって実現さ
れてきた。しかし、画像をCCD等のイメージ・センサ
で取り込む場合、画素サイズの減少により蓄積電荷数が
減少し、画質の低下が問題となる。解像度と画質はトレ
ードオフの関係を持っている。また、画素サイズが小さ
くなると、光学系に精度が要求される。以上述べたとお
り、画素サイズの微細化による撮像素子の高解像度化に
は限界がある。そこで、従来の高解像度化とは異なる、
全く新しい手法の開発が急務である。
TECHNICAL BACKGROUND CCDs (Charge Coupled Devices) have become commercially successful and their pixel count is now on the order of megapixels. With the recent trend toward multimedia, an imaging device with higher resolution has been demanded. Up to now, high resolution of the image sensor has been realized mainly by miniaturization of the pixel size. However, when an image is captured by an image sensor such as a CCD, the number of accumulated charges decreases due to a decrease in the pixel size, and a problem of deterioration in image quality occurs. Resolution and image quality have a trade-off relationship. Further, as the pixel size becomes smaller, the optical system requires higher accuracy. As described above, there is a limit to increasing the resolution of an image sensor by reducing the pixel size. Therefore, unlike the conventional high resolution,
There is an urgent need to develop entirely new methods.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、撮像
素子の解像度より高い解像度の画像を得ることができる
撮像システムを提供することである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an imaging system capable of obtaining an image having a higher resolution than the resolution of an imaging device.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の撮像システムは、複数の光学フィルタと、
前記複数の光学フィルタごとの画像を得る撮像素子を用
いる撮像装置と、前記撮像装置からの複数の画像を処理
する画像処理装置とを備え、前記画像処理装置は、前記
複数の光学フィルタごとの画像をそれぞれ周波数領域に
変換する変換手段と、変換された画像を合成する合成手
段と、合成された画像を逆変換する逆変換手段とを含む
ことを特徴とする。この構成により、撮像素子により定
まるナイキスト周波数以上の空間周波数を復元すること
ができ、撮像素子の解像度より高い解像度の画像を得る
ことができる。この変換手段は、フーリエ変換を行い、
また、逆変換手段は、フーリエ逆変換を行う。また、前
記撮像装置は、光学フィルタごとの複数枚の画像を同時
に撮像可能なものを用いることができる。前記複数の光
学フィルタは、少なくとも前記撮像素子により定まるナ
イキスト周波数以下の画像を得るための低域通過フィル
タと、ナイキスト周波数以上の画像を得るための帯域通
過フィルタとを含むことも、前記複数の光学フィルタ
は、複数種類の低域通過フィルタであることも可能であ
る。低域通過フィルタのときは、フィルタ無しの画像を
含むことが可能であり、合成手段は、複数種類の低域通
過フィルタごとの画像データ等を処理して合成を行う。
画像処理装置は、さらに、複数枚の画像の位置のずれを
補正する位置補正手段を含むことで、さらに原画像に近
い画像を得ることができる。
To achieve the above object, an imaging system according to the present invention comprises a plurality of optical filters,
An imaging device using an imaging element that obtains an image for each of the plurality of optical filters, and an image processing device that processes a plurality of images from the imaging device, the image processing device is an image for each of the plurality of optical filters , Into a frequency domain, a synthesizing unit for synthesizing the converted image, and an inverse transforming unit for inversely converting the synthesized image. With this configuration, a spatial frequency equal to or higher than the Nyquist frequency determined by the image sensor can be restored, and an image having a higher resolution than the resolution of the image sensor can be obtained. This conversion means performs a Fourier transform,
The inverse transform means performs Fourier inverse transform. In addition, the imaging device may be one that can simultaneously capture a plurality of images for each optical filter. The plurality of optical filters may include a low-pass filter for obtaining an image at or below the Nyquist frequency determined by at least the imaging device, and a band-pass filter for obtaining an image at or above the Nyquist frequency. The filter can be a plurality of types of low-pass filters. In the case of a low-pass filter, it is possible to include an image without a filter, and the synthesizing unit processes and synthesizes image data for each of a plurality of types of low-pass filters.
The image processing apparatus further includes a position correcting unit that corrects a positional deviation of a plurality of images, so that an image closer to the original image can be obtained.

【0005】[0005]

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を、図面を参照
して詳細に説明する。図1は、本発明の撮像システムの
概要を示す。このシステムは、撮像装置100と信号処
理装置200からなる。撮像装置100は光学フィルタ
110,イメージ・センサ120,記憶装置130から
なり、信号処理装置200はデジタル信号処理回路21
0からなる。図1において、入力された画像は光学フィ
ルタ110を通過後、イメージ・センサ120により電
気的信号に変換され、デジタル信号として記憶装置13
0に保存される。記憶装置130に一時記憶された画像
は、シリアル通信、メモリーカードなどにより信号処理
装置200に移され、そこで以下に説明するデジタル信
号処理により高解像度な画像が生成される。
Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 shows the outline of the imaging system of the present invention. This system includes an imaging device 100 and a signal processing device 200. The imaging device 100 includes an optical filter 110, an image sensor 120, and a storage device 130, and the signal processing device 200 includes a digital signal processing circuit 21.
Consists of zero. In FIG. 1, an input image passes through an optical filter 110, is converted into an electrical signal by an image sensor 120, and is converted into a digital signal as a digital signal.
0 is stored. The image temporarily stored in the storage device 130 is transferred to the signal processing device 200 by serial communication, a memory card, or the like, where a high-resolution image is generated by digital signal processing described below.

【0006】図1の撮像システムで、光学フィルタの特
性を変え、複数回撮像を行う。この回数は、画像に対す
る解像度を大きく上げる場合には多くする。このように
撮影された画像にはそれぞれ、エリアシングとして、イ
メージ・センサのセルピッチ(すなわち、サンプリング
周波数)で決まるナイキスト周波数(すなわち、サンプ
リング周波数の1/2)以上の信号成分がナイキスト周
波数以下の成分に折り返っている。折り返し後では、エ
リアシング成分とナイキスト周波数以下に元々存在した
周波数成分と区別が付かない。本発明では、光学フィル
タ後の画像を撮像することにより、このエリアシング成
分の抽出を可能にする。エリアシング成分の抽出にはデ
ジタル信号処理を用いる。信号処理では光学フィルタの
特性補正、撮影された画像を周波数領域の信号に変える
ためのフーリエ変換、その逆を行うフーリエ逆変換など
を行う。画像の撮影を行う装置とデジタル信号処理を行
う装置は一体型にすることも可能であるが、図1に示す
ように、別々にすることが有利である。このように別の
装置にすることにより、画像の撮影は小型、低消費電力
にすることができ、モバイル用途に向いている。特に撮
像した画像は信号処理を行わないと解像度が低いため、
この画像をプレビューに使うことができる。これによ
り、画像をプレビューのために低い解像度に変換する必
要がなくなる。メモリー・デバイスに保存された画像は
デジタル信号処理用の端末に移され、信号処理の後、高
解像度画像が得られる。以下に、デジタル信号処理で行
う画像処理について詳しく説明する。
In the imaging system shown in FIG. 1, imaging is performed a plurality of times by changing the characteristics of the optical filter. This number is increased when the resolution of the image is greatly increased. In each of the images captured in this way, as an aliasing, a signal component having a Nyquist frequency (ie, の of the sampling frequency) or more determined by a cell pitch of the image sensor (ie, a sampling frequency) is a component having a Nyquist frequency or less. It is folded back. After the aliasing, the aliasing component cannot be distinguished from the frequency component originally existing below the Nyquist frequency. In the present invention, this aliasing component can be extracted by capturing an image after the optical filter. Digital signal processing is used to extract the aliasing component. In the signal processing, characteristics of an optical filter are corrected, Fourier transform for changing a captured image into a frequency domain signal, and Fourier inverse transform for performing the inverse are performed. Although the device for taking an image and the device for performing digital signal processing can be integrated, it is advantageous to separate them as shown in FIG. By using another device as described above, image capturing can be reduced in size and power consumption, and is suitable for mobile use. Especially, the resolution of the captured image is low unless signal processing is performed,
This image can be used for preview. This eliminates the need to convert the image to a lower resolution for preview. The image stored in the memory device is transferred to a terminal for digital signal processing, and after the signal processing, a high-resolution image is obtained. Hereinafter, image processing performed by digital signal processing will be described in detail.

【0007】<1次元画像の高解像度化原理>まず、1
次元画像の高周波成分復元の原理を図2に示す。図2
(a)に示す原画像には、イメージ・センサのフォトダ
イオード・セルピッチによって決まるサンプリング周波
数(fs)の1/2であるナイキスト周波数(fn)より
も大きな空間周波数成分が含まれている。まず、入力画
像は2種類の光学フィルタ(LPF:低域通過フィル
タ,BPF:帯域通過フィルタ)により、ナイキスト周
波数以下のバンド幅の空間周波数成分(0〜fn,fn
s)を持つ2つの画像に分割される(図2(b))。
これら分割された画像は独立に、イメージ・センサの空
間サンプリング周波数fsでサンプリングされる。サン
プリング後、図2(b)下図にある、ナイキスト周波数
より低い周波数成分は、図2(c)下図のように変化し
ない。一方、ナイキスト周波数より高い空間周波数成分
を持つ図2(b)上図の信号は図2(c)上図のよう
に、ナイキスト周波数より低い空間周波数に折り返る。
このとき、BPFにより、低い周波数成分(0〜fn
が除去されているため、高い周波数成分が折り返っても
信号の重なりは生じない。サンプリングされた2つの画
像は、FFT(高速フーリエ変換)により周波数成分に
変換される。周波数成分に変換された信号は、その位置
を移動することにより周波数を変えることが可能であ
る。この原理から、図2(c)上図の低い周波数へ折り
返った信号は、ナイキスト周波数より高い元の周波数に
移動され、図2(c)下図のナイキスト周波数より低い
周波数成分と合成される(図2(d))。最後にこれら
の復元された周波数成分はIFFT(高速フーリエ逆変
換)により空間領域の信号へ変換される。
<Principle for increasing the resolution of a one-dimensional image>
FIG. 2 shows the principle of high-frequency component restoration of a two-dimensional image. FIG.
The original image shown in (a), includes a large spatial frequency components than the Nyquist frequency (f n) is 1/2 of the sampling frequency determined by the photodiode cell pitch of the image sensor (f s). First, the input image is two optical filters (LPF: low-pass filter, BPF: band pass filter), the spatial frequency components of the following bandwidth Nyquist frequency (0~f n, f n ~
f s ) (FIG. 2B).
These divided images are independently sampled at spatial sampling frequency f s of the image sensor. After sampling, the frequency components lower than the Nyquist frequency shown in the lower part of FIG. 2B do not change as shown in the lower part of FIG. 2C. On the other hand, the signal in the upper part of FIG. 2B having a spatial frequency component higher than the Nyquist frequency is folded back to the spatial frequency lower than the Nyquist frequency as shown in the upper part of FIG.
At this time, a low frequency component (0 to f n ) is generated by the BPF.
Has been removed, so that signal overlap does not occur even if high frequency components are turned back. The two sampled images are converted into frequency components by FFT (Fast Fourier Transform). The frequency of the signal converted into the frequency component can be changed by moving its position. Based on this principle, the signal folded back to the lower frequency in the upper part of FIG. 2C is moved to the original frequency higher than the Nyquist frequency, and is combined with the frequency component lower than the Nyquist frequency in the lower part of FIG. FIG. 2 (d)). Finally, these restored frequency components are transformed into spatial domain signals by IFFT (Inverse Fast Fourier Transform).

【0008】<2次元画像の高解像度化原理>前述した
原理を2次元画像に適用するため拡張する。原信号とエ
リアシングとの関係を式(1)に示す。
<Principle for increasing the resolution of a two-dimensional image> The principle described above is extended to apply it to a two-dimensional image. Equation (1) shows the relationship between the original signal and the aliasing.

【数1】 mnはサンプリング前の2次元画像を、そして、C´mn
はサンプリング後の2次元画像を、それぞれフーリエ級
数に展開した際のフーリエ係数を示す。Pは水平、Qは
垂直の画素数である。m,nは整数で、それぞれ水平、
垂直方向の周波数に対応する。ここで、Cmnがm<−P
/2,P/2≦m,n<−Q/2,Q/2≦nで0の場
合、Cmn=C´mnが成立する。Cmnがm<−P/2,P
/2≦m,n<−Q/2,Q/2≦nで0でない場合、
その成分は全てC´mn(ただし、−P/2≦m<P/
2,−Q/2≦n<Q/2を満たす領域)へ折り返る。
式(1)から、原信号と折り返し成分の関係は図3に示
される。図3では、ナイキスト周波数の2倍の周波数成
分を持つ画像を原画像として、ナイキスト周波数より高
い成分がサンプリングされた際に、どのようにナイキス
ト周波数内に折り返るかを周波数の領域ごとに示してい
る。
(Equation 1) C mn is a two-dimensional image before sampling, and C ′ mn
Indicates the Fourier coefficients when the two-dimensional image after sampling is developed into Fourier series. P is the number of horizontal pixels and Q is the number of vertical pixels. m and n are integers, each horizontal,
Corresponds to the vertical frequency. Here, C mn is m <−P
/ 2, P / 2 ≦ m , n < case of 0 -Q / 2, Q / 2 ≦ n, C mn = C'mn is satisfied. C mn is m <−P / 2, P
/ 2 ≦ m, n <−Q / 2, Q / 2 ≦ n and not 0,
The components are all C ' mn (provided that -P / 2 ≦ m <P /
2, an area satisfying −Q / 2 ≦ n <Q / 2).
From equation (1), the relationship between the original signal and the aliasing component is shown in FIG. FIG. 3 shows, for each frequency region, how an image having a frequency component twice as high as the Nyquist frequency is used as an original image, and when a component higher than the Nyquist frequency is sampled, the image is folded back into the Nyquist frequency. I have.

【0009】図3より、画像がBPFまたはLPFによ
り帯域制限された後にサンプリングされると、図3
(c)〜(e)の領域Bx,Cx,Dxはそれぞれ独立
に、かつ、重なりなしにAxに折り返ることがわかる。
このようにして、ナイキスト周波数より高い周波数成分
は、エリアシングとして低い周波数である領域Axから
取り出すことができる。フィルタを用いて周波数領域ご
とにサンプリングされた画像は、図3(a)で示される
周波数成分に結合、再構成される。最後にIFFTによ
り画像に変換され、イメージ・センサのナイキスト以上
の周波数成分を持つ画像を、折り返し雑音無しで復元す
ることができる。
FIG. 3 shows that when an image is sampled after being band-limited by a BPF or LPF, FIG.
It can be seen that the areas B x , C x , and D x in (c) to (e) are folded back to A x independently and without overlap.
In this way, frequency components higher than the Nyquist frequency may be removed from the region A x is a lower frequency as aliasing. An image sampled for each frequency domain using a filter is combined and reconstructed with the frequency components shown in FIG. Finally, an image converted into an image by IFFT and having a frequency component equal to or higher than the Nyquist of the image sensor can be restored without aliasing noise.

【0010】<低域通過フィルタを用いた2次元画像の
処理>前述したBPFやLPFを用いた方法以外に、L
PFのみを用いても高解像度化は可能である。この処理
を以下に説明する。エリアシングA´の発生は、図3に
示したように、式(2)に示される。
<Processing of two-dimensional image using low-pass filter> In addition to the above-described method using BPF and LPF,
Higher resolution can be achieved by using only the PF. This processing will be described below. The occurrence of aliasing A 'is shown in equation (2) as shown in FIG.

【数2】 ここで、A,B,C,Dは、画像信号の周波数成分であ
る。フィルタ処理後の信号のエリアシングA´は、下記
式(3)のとおり、それぞれの画像信号成分A〜Dにフ
ィルタ係数H1〜H4がかかった形で表される。
(Equation 2) Here, A, B, C, and D are frequency components of the image signal. Aliasing filtering the signal after A'are as the following formula (3), the filter coefficient H 1 to H 4 are represented by suffering form in each of the image signal components to D.

【数3】 ここで、4種類の低域通過フィルタ通過後にサンプリン
グすると、次の関係式が成立する。
(Equation 3) Here, when sampling after passing through four types of low-pass filters, the following relational expression is established.

【数4】 ここで、エリアシングを生じている画像信号A1´〜A4
´とフィルタ係数H11〜H44は既知である。エリアシン
グ前の画像信号成分A〜Dを求めることは、式(4)の
関係式を画像信号成分A〜Dについて解くことと等価で
ある。このように、低域通過フィルタ(LPF)を例え
ば4種類用いて、式(4)の式を解く処理を行うことに
より、エリアシングを生じている画像信号から、エリア
シングが生じる前の画像信号を求めることができる。こ
のとき、LPFを用いない画像を処理対象に含めること
も可能である。なお、フィルタを用いない場合の画像信
号に対するフィルタ係数は、1行の係数において全て1
である。
(Equation 4) Here, the image signal A 1'~A 4 occurring aliasing
'Filter coefficients H 11 to H 44 are known. Obtaining the image signal components A to D before aliasing is equivalent to solving the relational expression of Expression (4) for the image signal components A to D. As described above, by performing processing for solving equation (4) using, for example, four types of low-pass filters (LPFs), the image signal before aliasing is generated from the image signal having aliasing. Can be requested. At this time, an image that does not use the LPF can be included in the processing target. Note that the filter coefficients for the image signal when no filter is used are all 1 in the coefficients of one row.
It is.

【0011】<画像位置補正処理>本発明で用いられて
いるシステムでは、複数枚撮像した画像をその相対位置
精度をいかに取るかが重要である。そのため、その位置
精度を保つ補正処理を以下に説明する。まず、複数枚の
画像を撮像後にFFTにより周波数成分に変換する。F
FTの特性により、位置の情報は周波数成分の位相情報
に反映されている。そのため、この位相情報のずれが最
小になるように、撮像後の複数の画像を信号処理により
ずらす。この位置補正のためにずらす処理は画素よりも
小さい単位で行う。この様にして、周波数成分の位相情
報を用いることにより、位置精度を改善することがで
き、画像自身に混入したノイズやフィルタ等による影響
を抑えることが可能となる。
<Image Position Correction Processing> In the system used in the present invention, it is important how to obtain the relative position accuracy of a plurality of captured images. Therefore, a correction process for maintaining the position accuracy will be described below. First, after capturing a plurality of images, the images are converted into frequency components by FFT. F
Due to the characteristics of the FT, the position information is reflected on the phase information of the frequency component. Therefore, a plurality of images after imaging are shifted by signal processing so that the shift of the phase information is minimized. The shift processing for the position correction is performed in units smaller than the pixel. In this way, by using the phase information of the frequency component, the positional accuracy can be improved, and the influence of noise, filters, and the like mixed into the image itself can be suppressed.

【0012】<実装>処理用のプログラムの開発と実行
は、パーソナル・コンピュータ上で行った。全てのプロ
グラムはC++言語により作成した。原画像は512×
512画素からなるデジタル画像で8bitグレイ・ス
ケールとした。画像にはサーキュラーゾーン・プレート
(CZP)を用いた。このCZPは512×512画素
の中心からの距離に応じて空間周波数が高くなり、画像
の端部でイメージ・センサの空間サンプリング周波数と
等しくなる。イメージ・センサの撮像解像度は256×
256画素とした。イメージ・センサの画素数が原画像
の1/4であることから、原画像はイメージ・センサが
持つ水平、垂直方向それぞれのナイキスト周波数の2倍
までの空間周波数を持つ画像である。イメージ・センサ
による入力画像のサンプリングは、この512×512
画素の原画像において水平、垂直方向にそれぞれ1画素
を飛ばし読みすることにより実現した。光学フィルタと
しては、この例では、シミュレーションにより光学フィ
ルタを実現する周波数領域でのフィルタ処理を用いた。
この処理には通過域の減衰量はゼロで遷移域を介さず、
遮断域の減衰量は無限大である理想フィルタ特性を用い
た。信号処理機構にフィルタ特性補正をするための機能
を組み込むことにより、この様な理想フィルタだけでな
く、なだらかなロールオフを持つフィルタも使うことが
できる。
<Implementation> The processing program was developed and executed on a personal computer. All programs were written in C ++ language. Original image is 512x
An 8-bit gray scale was used for a digital image composed of 512 pixels. Circular zone plates (CZP) were used for the images. This CZP has a higher spatial frequency according to the distance from the center of 512 × 512 pixels, and becomes equal to the spatial sampling frequency of the image sensor at the end of the image. The imaging resolution of the image sensor is 256 ×
The number of pixels was 256. Since the number of pixels of the image sensor is 1/4 of the original image, the original image is an image having a spatial frequency up to twice the Nyquist frequency in each of the horizontal and vertical directions of the image sensor. The sampling of the input image by the image sensor is performed in this 512 × 512.
This is realized by skipping one pixel in each of the horizontal and vertical directions in the original image of pixels. In this example, a filter process in a frequency domain that realizes an optical filter by simulation is used as the optical filter.
In this process, the attenuation in the passband is zero and does not pass through the transition band,
The ideal filter characteristic in which the amount of attenuation in the cutoff region is infinite is used. By incorporating a function for correcting the filter characteristics into the signal processing mechanism, not only such an ideal filter but also a filter having a gentle roll-off can be used.

【0013】図4に原画像と各プロセスで生成された画
像を示す。図4(a)は原画像を示す。この画像は図4
(b)のように、1つのLPFと3つのBPFを用いて
図3(a)に示した領域AxからDxへ4分割される。こ
のとき、前述の理由から、分割される領域のバンド幅は
イメージ・センサのナイキスト周波数に対応するバンド
幅と同じ値に設定した。続いて、フィルタ処理された画
像(図4(b))は、イメージ・センサのサンプリング
・レートと同じピッチ(256×256画素)でサンプ
リングされる(図4(c))。さらに、この画像はFF
Tにより周波数成分に変換される(図4(d))。FF
T後にはイメージ・センサのナイキスト周波数以内の成
分のみが存在する。よって、図4(c)のサンプリング
により、ナイキスト周波数より高い周波数成分が、イメ
ージ・センサのナイキスト周波数内へ折り返っているこ
とがわかる。つまり、これら図4(d)に見られる画像
は、エリアシングとして現れた図4(b)の高周波成分
にほかならない。周波数成分に変換された信号は、図4
(d)から図4(e)のように位置を変えることにより
周波数を変えることが可能である。この原理を使い、図
4(d)の低い周波数へ折り返っている信号を、図4
(e)に示される元の周波数成分に移動し、さらにこの
4つの信号を図4(f)のように結合する。最後にこの
周波数成分はIFFT(逆FFT)により画像へ変換さ
れる(図4(g))。
FIG. 4 shows an original image and an image generated by each process. FIG. 4A shows an original image. This image is shown in FIG.
As in (b), it is divided into four from the region A x shown in FIGS. 3 (a) using one of the LPF and three BPF to D x. At this time, for the above-described reason, the bandwidth of the divided area was set to the same value as the bandwidth corresponding to the Nyquist frequency of the image sensor. Subsequently, the filtered image (FIG. 4B) is sampled at the same pitch (256 × 256 pixels) as the sampling rate of the image sensor (FIG. 4C). Furthermore, this image is FF
It is converted into a frequency component by T (FIG. 4D). FF
After T, only components within the Nyquist frequency of the image sensor are present. Therefore, it can be seen from the sampling of FIG. 4C that the frequency component higher than the Nyquist frequency is turned back into the Nyquist frequency of the image sensor. That is, these images shown in FIG. 4D are nothing but the high-frequency components shown in FIG. 4B which appeared as aliasing. The signal converted to the frequency component is shown in FIG.
The frequency can be changed from (d) by changing the position as shown in FIG. 4 (e). Using this principle, the signal folded back to the lower frequency in FIG.
Moving to the original frequency component shown in (e), the four signals are combined as shown in FIG. 4 (f). Finally, this frequency component is converted into an image by IFFT (inverse FFT) (FIG. 4 (g)).

【0014】図5(a)に図4(g)の詳細を、図5
(b)にイメージ・センサで撮像可能な空間周波数に帯
域制限したCZPをそれぞれ示す。図5(a)には原画
像と再構成画像を示す。これらの図では、画像の1/4
を抽出し、図5(a)ではその拡大図を左側に示してい
る。図5(a)の拡大図で原画像と再生画像を比較した
場合、違いを見つけることは難しい。また、シミュレー
ションで設定したイメージ・センサの解像度では、図5
(b)に示すように3/4の領域で画像が欠落してしま
う。図5(a),(b)を比較すると、イメージ・セン
サで欠落してしまう周波数成分が、本発明の処理を用い
ることにより、再現可能であることが明らかである。こ
れにより、2次元画像で高解像度化が可能であることが
明らかになった。本発明により、撮像後の処理プロセス
は確立された。
FIG. 5A shows details of FIG. 4G, and FIG.
(B) shows the CZP band-limited to the spatial frequency that can be imaged by the image sensor. FIG. 5A shows an original image and a reconstructed image. In these figures, 1/4 of the image
5A, and an enlarged view thereof is shown on the left side in FIG. When the original image and the reproduced image are compared in the enlarged view of FIG. 5A, it is difficult to find a difference. Also, with the resolution of the image sensor set in the simulation, FIG.
As shown in (b), an image is lost in a 3/4 region. Comparing FIGS. 5A and 5B, it is clear that the frequency component missing in the image sensor can be reproduced by using the processing of the present invention. As a result, it has been clarified that high resolution can be achieved with a two-dimensional image. According to the present invention, a post-imaging processing process has been established.

【0015】図6は、図5と同様にCZP画像におい
て、複数のLPFを用いて、再生画像を得ることを示し
た図である。図6では、図5と同様に1/4の画像を示
している。図6(a)は、例えば、図6(b)に示すよ
うな低域通過フィルタを用いて得られる画像を複数用い
て処理を行い、合成した結果を示している。図6(a)
に示されている再生画像でもわかるように、低域通過フ
ィルタによる画像(図6(b)参照)では得られていな
い領域の画像も再生することができる。この処理は、式
(4)に示すような式を解くことにより行われる。ま
た、画像間の相対位置補正を行う信号処理をさらに行う
ことにより、ノイズの少ない高解像度な画像の再生が可
能となる。
FIG. 6 is a diagram showing that a reproduced image is obtained by using a plurality of LPFs in a CZP image as in FIG. FIG. 6 shows a quarter image as in FIG. FIG. 6A shows a result obtained by performing processing using a plurality of images obtained by using a low-pass filter as shown in FIG. FIG. 6 (a)
As can be seen from the reproduced image shown in FIG. 6, it is also possible to reproduce an image in an area not obtained by the image using the low-pass filter (see FIG. 6B). This processing is performed by solving an equation as shown in equation (4). Further, by further performing signal processing for correcting the relative position between images, it is possible to reproduce a high-resolution image with less noise.

【0016】<撮像装置の構成>図7は、本発明で使用
される撮像システムでの撮像装置の構成例を示す。この
図7に示した撮像装置は、3枚のハーフミラー202,
204および206と4種類の光学フィルタ212,2
22,232および242、4台のイメージ・センサ2
14,224,234および244から構成される例を
示している。図7において、入力された画像はハーフミ
ラー202を通過した際に、等価な2つの画像に分けら
れる。さらにこれらの画像はハーフミラー204および
206により各々2つの画像に分けられ、合計4つの画
像に分けられる。これらの画像はそれぞれ光学フィルタ
212,222,232およびは242で処理をした
後、イメージ・センサ214,224,234および2
44で撮像される。このような構成により、同時に4種
類の異なる画像信号を得ることができる。光学フィルタ
の構成は、前述のような、例えばフィルタ無し+3種類
の低域通過フィルタという構成でも本撮像装置を使用し
て画像を得ることができる。光学フィルタとして、光学
フーリエ系を用いることも可能である。
<Configuration of Imaging Apparatus> FIG. 7 shows an example of the configuration of an imaging apparatus in an imaging system used in the present invention. The imaging device shown in FIG. 7 includes three half mirrors 202,
204 and 206 and four types of optical filters 212 and 2
22, 232 and 242, 4 image sensors 2
14, 224, 234 and 244 are shown. In FIG. 7, the input image is divided into two equivalent images when passing through the half mirror 202. These images are further divided into two images by the half mirrors 204 and 206, respectively, for a total of four images. These images are processed by optical filters 212, 222, 232 and 242, respectively, and then processed by image sensors 214, 224, 234 and 2 respectively.
An image is taken at 44. With such a configuration, four different image signals can be obtained simultaneously. As for the configuration of the optical filter, an image can be obtained using the imaging apparatus even with the configuration of, for example, no filter and three types of low-pass filters as described above. An optical Fourier system can be used as the optical filter.

【0017】本発明は、上述するように、2次元イメー
ジ・センサの解像度を上げることが可能であるため、イ
メージ・センサが用いられるビデオカメラ、デジタルス
チルカメラ、FA用監視装置、科学用撮像装置など、幅
広い分野に利用可能である。本発明の画像処理は、スタ
ンド・アローンのコンピュータ・システムばかりではな
く、複数のシステムから構成される例えばクライアント
・サーバ・システム等に適用してもよい。本発明に関す
る画像処理に関するプログラムを格納した記憶媒体か
ら、プログラムをシステムで読み出して実行することに
より、本発明の機能を実現することができる。この記録
媒体には、フロッピー・ディスク、CD−ROM、磁気
テープ、ROMカセット等がある。
According to the present invention, as described above, since the resolution of a two-dimensional image sensor can be increased, a video camera, a digital still camera, an FA monitoring apparatus, and a scientific imaging apparatus using the image sensor are provided. It can be used in a wide range of fields. The image processing of the present invention may be applied not only to a stand-alone computer system, but also to, for example, a client-server system composed of a plurality of systems. The functions of the present invention can be realized by reading and executing the program from a storage medium storing a program related to image processing according to the present invention by the system. The recording medium includes a floppy disk, a CD-ROM, a magnetic tape, a ROM cassette, and the like.

【0018】[0018]

【発明の効果】上述するように、本発明では、イメージ
・センサに手を加えることなく、デジタル信号処理と光
学フィルタを用いて、2次元イメージ・センサの解像度
を上げることができる。
As described above, according to the present invention, the resolution of a two-dimensional image sensor can be increased by using digital signal processing and an optical filter without changing the image sensor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の撮像システムの構成を示すブロック図
である。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an imaging system according to the present invention.

【図2】1次元における処理を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing processing in one dimension.

【図3】2次元における処理を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing processing in two dimensions.

【図4】2次元画像への処理を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing processing on a two-dimensional image.

【図5】原画像と、本発明での再生画像とを比較した図
である。
FIG. 5 is a diagram comparing an original image with a reproduced image according to the present invention.

【図6】LPFを用いた場合の原画像と、本発明での再
生画像とを比較した図である。
FIG. 6 is a diagram comparing an original image when an LPF is used and a reproduced image according to the present invention.

【図7】本発明の撮像装置までの構成例を示す図であ
る。
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration example up to an imaging device according to the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

100 撮像装置 110 光学フィルタ 120 イメージ・センサ 130 記憶装置 200 信号処理装置 202,204,206 ハーフミラー 210 デジタル信号処理回路 212,222,232,242 光学フィ
ルタ 214,224,234,244 イメージ
・センサ
REFERENCE SIGNS LIST 100 imaging device 110 optical filter 120 image sensor 130 storage device 200 signal processing device 202, 204, 206 half mirror 210 digital signal processing circuit 212, 222, 232, 242 optical filter 214, 224, 234, 244 image sensor

Claims (7)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 撮像システムであって、 複数の光学フィルタと、 前記複数の光学フィルタごとの画像を得る撮像素子を用
いる撮像装置と、 前記撮像装置からの複数の画像を処理する画像処理装置
とを備え、 前記画像処理装置は、 前記複数の光学フィルタごとの画像をそれぞれ周波数領
域に変換する変換手段と、 変換された画像を合成する合成手段と、 合成された画像を逆変換する逆変換手段とを含むことを
特徴とする撮像システム。
An imaging system, comprising: a plurality of optical filters; an imaging device that uses an imaging element that obtains an image for each of the plurality of optical filters; and an image processing device that processes a plurality of images from the imaging device. The image processing apparatus further comprises: a conversion unit that converts each of the images for each of the plurality of optical filters into a frequency domain; a synthesis unit that synthesizes the converted image; and an inverse conversion unit that performs an inverse conversion of the synthesized image. An imaging system comprising:
【請求項2】 請求項1記載の撮像システムにおいて、 前記変換手段は、フーリエ変換を行い、 前記逆変換手段は、フーリエ逆変換を行うことを特徴と
する撮像システム。
2. The imaging system according to claim 1, wherein said conversion means performs a Fourier transform, and said inverse transform means performs an inverse Fourier transform.
【請求項3】 請求項1または2記載の撮像システムに
おいて、 前記撮像装置は、光学フィルタごとの複数枚の画像を同
時に撮像可能であることを特徴とする撮像システム。
3. The imaging system according to claim 1, wherein the imaging device can simultaneously capture a plurality of images for each optical filter.
【請求項4】 請求項1〜3いずれか記載の撮像システ
ムにおいて、 前記複数の光学フィルタは、 少なくとも前記撮像素子により定まるナイキスト周波数
以下の画像を得るための低域通過フィルタと、 ナイキスト周波数以上の画像を得るための帯域通過フィ
ルタとを含むことを特徴とする撮像システム。
4. The imaging system according to claim 1, wherein the plurality of optical filters include: a low-pass filter for obtaining an image having a Nyquist frequency or less determined by at least the imaging element; An imaging system, comprising: a band-pass filter for obtaining an image.
【請求項5】 請求項1〜3いずれか記載の撮像システ
ムにおいて、 前記複数の光学フィルタは、複数種類の低域通過フィル
タであり、 前記合成手段は、前記複数種類の低域通過フィルタごと
の画像データを処理して合成を行うことを特徴とする撮
像システム。
5. The imaging system according to claim 1, wherein the plurality of optical filters are a plurality of types of low-pass filters, and the combining unit includes a plurality of types of low-pass filters. An imaging system characterized in that image data is processed and synthesized.
【請求項6】 請求項5の撮像システムにおいて、 前記撮像装置は、さらに、フィルタ無しの画像を得てお
り、 前記合成手段は、フィルタ無しの画像も用いて合成する
ことを特徴とする撮像システム。
6. The imaging system according to claim 5, wherein the imaging device further obtains an image without a filter, and the synthesizing unit synthesizes the image using the image without a filter. .
【請求項7】 請求項1〜6いずれか記載の撮像システ
ムにおいて、 前記画像処理装置は、さらに、複数枚の画像の位置のず
れを補正する位置補正手段を含むことを特徴とする撮像
システム。
7. The imaging system according to claim 1, wherein the image processing apparatus further includes a position correction unit that corrects a positional deviation of a plurality of images.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008046967A (en) * 2006-08-18 2008-02-28 Nohmi Bosai Ltd Fire detection device
JP2015082757A (en) * 2013-10-23 2015-04-27 キヤノン株式会社 Image processor, image processing method and program

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