JP2003008935A - 画像処理方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 イプシロンフィルタを用いて、複数の異なる
照明が存在する場合にも、それらの境界を適切に抽出す
ることを可能とし、不自然な画像パターンの発生を抑え
て、主観的に好ましいダイナミックレンジの圧縮を実現
する。 【解決手段】 入力画像上の各位置ごとにエッジ強度Ｇ
（ｘ，ｙ）を算出し、そのエッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）に基
づいて、イプシロンフィルタ１２のしきい値Ｅ（ｘ，
ｙ）を制御する。イプシロンフィルタ１２は、その制御
されたしきい値Ｅ（ｘ，ｙ）に基づいて入力画像にフィ
ルタ処理を施す。エッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）に基づいて、
イプシロンフィルタ１２のしきい値Ｅを画素値Ｉ（ｘ，
ｙ）の局所的な勾配に応じて適応的に変化させるように
したので、線形ローパスフィルタを用いた場合やしきい
値固定のイプシロンフィルタを用いた場合よりも、より
正確に照明境界が抽出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、テレビジョン、ビ
デオテープレコーダー、スチルカメラ、ビデオカメラお
よびプリンタなど、各種の画像の入出力装置に好適に利
用可能なものであり、特に、入力された画像を、相対的
によりダイナミックレンジの狭い画像装置において再現
するための画像処理方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば画像の階調特性の変換のた
めに、入力画像の各画素に対し、そのレベルを図１８の
実線で示すような入出力関係を持つ関数（以下、「レベ
ル変換関数」と記す。）で変換する方法（以下、「レベ
ル変換」と記す。）がある。図１８において、横軸は入
力画像の画素レベル（入力レベル）ｌを、縦軸はレベル
変換処理による出力画像の画素レベル（出力レベル）Ｔ
（ｌ）を表す。Ｌmaxは、入出力画像の各画素が取り得
る最大レベルを表す。レベル変換後の画像のコントラス
トは、レベル変換関数の傾きが大きいほど増加すること
になる。図１８の例では、入力レベルｌｂを境にして高
レベル側と入力レベルｌｓを境にして低レベル側とにお
けるレベル変換関数を示す直線の傾きが、中間レベル
（入力レベルｌｓ〜ｌｂ）の傾きに比べて小さくなって
いる。従って、図１８に示した関数を用いたレベル変換
では、高レベルおよび低レベルにおけるコントラストを
犠牲にすることで、中間レベルのコントラストを増加さ
せていることになる。

【０００３】レベル変換関数は、図１８に示したものに
限らず、例えば図１９の実線で示したものを用いること
もできる。図１９に示したレベル変換関数は、入力レベ
ルｌｋを境にして、高レベル側における直線の傾きが、
低レベル、中間レベルでの傾きに比べて小さくなってい
る。従って、図１９に示した関数を用いたレベル変換で
は、高レベルでのコントラストを犠牲にすることで、低
レベル、中間レベルでのコントラストを増加させること
ができる。また、以下の（１）式のガンマ関数や（２）
式のＬＯＧ関数等、図１８および図１９に示した関数に
比べて、より連続的なレベル変換関数が用いられること
もある。なお、（１）式におけるｇは関数の傾きを調整
するパラメータである。

【０００４】

【数１】

【０００５】

【数２】

【０００６】また、さらに別の従来例としては、入力画
像の画素レベルの頻度分布に応じて、レベル変換関数を
適応的に変化させる方法があり、その代表例としてはヒ
ストグラムイコライゼーションと呼ばれる方法が挙げら
れる。図２０（Ａ），（Ｂ）に、このヒストグラムイコ
ライゼーションの原理を示す。図２０（Ａ）において、
横軸は入力画像の画素レベル（入力レベル）ｌを、縦軸
は度数（頻度または累積頻度）を表す。Ｆmaxは、累積
頻度の最大値であり、頻度を算出するために用いる画素
の総数である。この方法では、図２０（Ａ）に示したよ
うに、はじめに入力画像の画素レベルｌに関する頻度分
布Ｈ（ｌ）が生成され、次に以下の（３）式を用いて累
積頻度分布Ｃ（ｌ）が生成される。

【０００７】

【数３】

【０００８】この累積頻度分布Ｃ（ｌ）の縦軸を、以下
の（４）式を用いて出力画像が取り得るレベル範囲に正
規化することにより、レベル変換関数Ｔ（ｌ）が生成さ
れる（図２０（Ｂ））。この関数Ｔ（ｌ）を用いること
により、出現頻度の高いレベルによって構成される領域
（面積が大きい領域）のコントラストを増加させること
が可能となる。

【０００９】

【数４】

【００１０】入力された画像を、よりダイナミックレン
ジの小さい、すなわち画素レベルを表現するビット数が
少ない環境で利用する場合（ビット数の少ない伝送路で
伝送する場合や、表示装置に表示する場合、あるいは記
憶装置に保存する場合など）には、ダイナミックレンジ
の圧縮を行う必要がある。従来は、このような目的での
ダイナミックレンジの圧縮処理にも、上述した方法と同
様のレベル変換が用いられている。ただし、この場合に
は、レベル変換関数の出力画像の最大レベルが、入力画
像のそれよりも小さい値となる。

【００１１】一方、文献「Z. Rahman, et, alt.:"A Mul
tiscale retinex for color rendition and dynamic ra
nge compression in Applications of Digital image P
rocessing", XIX Proc. SPIE 2847 (1996)」では、空間
的に緩やかに変化する照明光の成分をローパスフィルタ
によって抽出し、これを圧縮することで全体的なダイナ
ミックレンジを圧縮する方法が提案されている（以下、
この方法を「Multiscale retinex法」と記す。）。照明
成分の抽出には帯域の狭い線形ローパスフィルタが用い
られている。この方法では、以下の（５）式に示すよう
に、入力画素の値Ｉ（ｘ，ｙ）、およびローパスフィル
タ出力ＬＰＦ（Ｉ（ｘ，ｙ））の対数値を取り、前者か
ら後者を差し引くことによりダイナミックレンジの圧縮
が行われる。

【００１２】

【数５】

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来のレベル変換方法では、不自然な画像が生成されるの
を回避するため、単調増加性を有するレベル変換関数を
用いている。このため、いずれかのレベル範囲のコント
ラスト（レベル変換関数の傾き）を増加させた場合、他
のレベル範囲では逆にコントラストが低下してしまうと
いった問題がある。

【００１４】また、Multiscale retinex法では、単調増
加性を犠牲にすることで、よりコントラストの高い画像
を再現することを可能としているが、照明条件が急激に
切り替わる場合、線形フィルタではその変化を抽出する
ことができず、主観的に好ましくないノイズが発生して
しまうという問題がある。

【００１５】例えば、図２１に示すように、照明条件の
異なる２つの領域が隣接している画像（図中、実線）に
対して線形ローパスフィルタを施すと、図中、細い破線
で示したように境界のぼけた信号がフィルタ出力として
得られる。これを照明成分と見なした場合、照明境界の
左側の領域（Ｂ領域）において、境界付近（ＢＮＢ領
域）は、境界より離れた部分（ＢＦＢ領域）よりも照明
レベルが低いことになる。上述の（５）式は入力信号を
照明成分で割り算することと等価であり、照明成分が大
きいほど大きく圧縮されることを意味するため、結果と
して再現画像（図中、太い破線）のＢＮＢ領域にはオー
バーシュートが発生する。逆に、照明境界の右側の領域
（Ｄ領域）において、境界付近（ＤＮＢ領域）は、境界
より離れた部分（ＤＦＢ）に比べて照明レベルが高いと
見なされてアンダーシュートが発生する。Multiscale r
etinex法ではこの問題を回避するためにスケールの異な
る複数の線形ローパスフィルタを用い、それぞれのロー
パスフィルタによって得られる結果を線形荷重によって
合成する方法を用いているが、各スケールに対する重み
は固定されており、上記の問題を十分に抑制できていな
い。

【００１６】そこで、照明成分の抽出に線形ローパスフ
ィルタではなく、例えばイプシロンフィルタなどの非線
形フィルタを用いることが考えられる。イプシロンフィ
ルタは、線形フィルタに比べエッジを保存する能力にす
ぐれ、異なる照明光が存在する画像においても照明成分
をより有効に抽出することができる。しかしながら、ノ
イズ除去などを目的に一般的に用いられているしきい値
固定のイプシロンフィルタでは、その出力にエッジ近傍
において不連続な波形が形成されるため、これをダイナ
ミックレンジの圧縮用に用いた場合、圧縮後の再現画像
に原画像にはない不自然な画像パターンが発生する可能
性がある。

【００１７】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、イプシロンフィルタを用いて、複数
の異なる照明が存在する場合にも、それらの境界を適切
に抽出することを可能とし、不自然な画像パターンの発
生を抑えて、主観的に好ましいダイナミックレンジの圧
縮を実現できる画像処理方法および装置を提供すること
にある。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明による画像処理方
法は、入力画像上の各位置ごとにエッジ強度を算出する
エッジ強度算出過程と、算出されたエッジ強度に基づい
て、イプシロンフィルタのしきい値を制御するしきい値
制御過程と、しきい値制御過程において制御されたしき
い値を用いて、入力画像にイプシロンフィルタによるフ
ィルタ処理を施すフィルタリング過程と、フィルタリン
グ過程の出力値に応じて、画素値を変換するための係数
を算出し、その算出した係数により、各画素ごとに画素
値の変換を行う画素値変換過程とを含むものである。

【００１９】本発明による画像処理装置は、入力画像上
の各位置ごとにエッジ強度を算出するエッジ強度算出手
段と、設定されたしきい値を用いて、入力画像にフィル
タ処理を施すイプシロンフィルタと、エッジ強度算出手
段によって算出されたエッジ強度に基づいて、イプシロ
ンフィルタで用いられるしきい値を制御するしきい値制
御手段と、イプシロンフィルタからの出力値に応じて、
画素値を変換するための係数を算出し、その算出した係
数により、各画素ごとに画素値の変換を行う画素値変換
手段とを備えたものである。

【００２０】本発明による画像処理方法および装置で
は、入力画像上の各位置ごとにエッジ強度が算出され、
その算出されたエッジ強度に基づいて、イプシロンフィ
ルタで用いられるしきい値が制御される。そして、イプ
シロンフィルタからの出力値に応じて、画素値を変換す
るための係数が算出され、その算出された係数により、
各画素ごとに画素値の変換が行われる。これにより、複
数の異なる照明が存在する場合にも、イプシロンフィル
タによるフィルタ処理において、それらの境界の抽出を
適切に行うことが可能とされる。

【００２１】本発明において、イプシロンフィルタのし
きい値は、例えば、エッジ強度が大きいほど値が小さく
なるように制御される。このとき、さらに、入力画像の
画素値が大きいほどしきい値を大きくするように制御し
ても良い。これにより、イプシロンフィルタによるフィ
ルタ処理において、画素値の変化における照明レベルの
影響が軽減され、より適切に照明成分の抽出がなされ
る。

【００２２】また、大きさの異なる２つのしきい値を算
出して、しきい値の制御を行うようにしても良い。この
とき、イプシロンフィルタでは、例えば、近傍画素の値
が注目画素に比べて大きい場合と小さい場合とで異なる
しきい値を用いてフィルタ処理を行う。これによって
も、フィルタ処理において、画素値の変化における照明
レベルの影響が軽減され、より適切に照明成分の抽出が
なされる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００２４】［第１の実施の形態］まず、本実施の形態
に係る画像処理装置において処理される入力画像信号に
つて説明する。本画像処理装置において処理される入力
画像信号は、２次元ディジタル画像を図２に示すように
水平方向、垂直方向の順に走査して得られた時系列な画
素値の信号である。本実施の形態では、２次元画像上の
任意の位置（ｘ，ｙ）に対応する画素値をＩ（ｘ，ｙ）
と表し、これを入力画像信号として処理する。

【００２５】次に、本実施の形態に係る画像処理装置の
構成について説明する。本画像処理装置は、図１に示し
たように、エッジ強度算出器１０と、しきい値制御器１
１と、イプシロンフィルタ１２と、除算器１３と、レベ
ル変換器１４と、乗算器１５とを備えている。

【００２６】エッジ強度算出器１０は、入力画像の各位
置において画素値Ｉ（ｘ，ｙ）のエッジ強度Ｇ（ｘ，
ｙ）を算出する機能を有している。エッジ強度Ｇ（ｘ，
ｙ）としては、例えば以下の（６）式で与えられるよう
なＩ（ｘ，ｙ）の１次微分値を用いることができる。

【００２７】

【数６】

【００２８】あるいは、ノイズの影響を抑えるために平
滑化効果を持つ以下の（７）式による値をエッジ強度Ｇ
（ｘ，ｙ）として用いることも可能である。

【００２９】

【数７】

【００３０】ここで、（６），（７）式において、ｄは
微分を算出するための微小距離を示す定数である。エッ
ジ強度算出器１０において算出されたエッジ強度Ｇ
（ｘ，ｙ）は、しきい値制御器１１に送られる。

【００３１】しきい値制御器１１は、エッジ強度算出器
１０によって算出されたエッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）に基づ
き、後述のイプシロンフィルタ１２で用いるしきい値Ｅ
（ｘ，ｙ）の大きさを画素ごとに決定する機能を有して
いる。しきい値制御器１１の機能により、しきい値Ｅ
（ｘ，ｙ）は、例えば以下の（８）式を用いることによ
り、エッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）が大きいほど小さな値とな
るように制御される。

【００３２】

【数８】

【００３３】（８）式において、Ｇmin，Ｇmax，Ｅmi
n，Ｅmaxは、エッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）をしきい値Ｅ
（ｘ，ｙ）に変換するための定数であり、それぞれエッ
ジ強度の最小値、最大値、しきい値Ｅ（ｘ，ｙ）の最小
値、最大値を表している。しきい値制御器１１において
決定されたしきい値Ｅ（ｘ，ｙ）は、イプシロンフィル
タ１２に送られる。

【００３４】イプシロンフィルタ１２は、図４に示した
ように、例えば、差分器２０と、絶対値算出器２１と、
比較器２２と、線形ローパスフィルタ（図ではＬＰＦと
記す。）２３とを有して構成されている。このイプシロ
ンフィルタ１２は、２次元のフィルタであり、しきい値
制御器１１によって決定されたしきい値Ｅ（ｘ，ｙ）を
用いて、入力画像に非線形なフィルタ処理を施す機能を
有している。イプシロンフィルタ１２の出力Ｒ（ｘ，
ｙ）は、照明成分として除算器１３およびレベル変換器
１４に送られる。

【００３５】除算器１３は、入力画像からイプシロンフ
ィルタ１２で算出された照明成分を除去するために、以
下の（９）式に示すように、入力画像の各画素値Ｉ
（ｘ，ｙ）を照明成分Ｒ（ｘ，ｙ）で割り算するように
なっている。割り算した結果得られる非照明成分Ｓ
（ｘ，ｙ）は、乗算器１５に送られる。

【００３６】

【数９】

【００３７】レベル変換器１４は、イプシロンフィルタ
１２で算出された照明成分Ｒ（ｘ，ｙ）を、以下の（１
０）式に示すように、レベル変換関数Ｔ（ｌ）によって
レベル変換することによって圧縮し、補正照明成分ＣＲ
（ｘ，ｙ）を算出する機能を有している。

【００３８】

【数１０】

【００３９】レベル変換器１４で用いるレベル変換関数
Ｔ（ｌ）としては、例えば図３に示すような関数を用い
ることができる。なお、図３において、Ｒmax，ＣＲmax
は、それぞれ入力レベルおよび出力レベルの最大値を表
している。

【００４０】乗算器１５は、以下の（１１）式に示すよ
うに、非照明成分Ｓ（ｘ，ｙ）に補正照明成分ＣＲ
（ｘ，ｙ）を積算することで画像信号を復元するように
なっている。復元された結果を示す画像信号Ｏ（ｘ，
ｙ）は、図示しない伝送路、記憶装置、または表示装置
などに出力される。

【００４１】

【数１１】

【００４２】なお、本実施の形態において、除算器１
３、レベル変換器１４および乗算器１５が、本発明にお
ける「画素値変換手段」の一具体例に対応する。

【００４３】次に、以上のように構成された画像処理装
置の作用、動作を説明する。なお、以下の説明は、本実
施の形態に係る画像処理方法の説明を兼ねている。

【００４４】本画像処理装置において、入力画像を示す
信号は、エッジ強度算出器１０、イプシロンフィルタ１
２および乗算器１３に入力される。まず、エッジ強度算
出器１０では、入力画像の各位置ごとにエッジの大き
さ、すなわちエッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）を算出する。この
とき、エッジ強度算出器１０は、例えば上述の（６）式
または（７）式を用いることにより、注目画素の近傍領
域内の画素値の１次微分値が大きいほど大きな値となる
ようにして、エッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）を算出する。エッ
ジ強度算出器１０は、算出したエッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）
をしきい値制御器１１に出力する。

【００４５】しきい値制御器１１では、エッジ強度Ｇ
（ｘ，ｙ）に基づいて、イプシロンフィルタ１２のしき
い値Ｅを制御する。より詳しくは、しきい値制御器１１
は、例えば上述の（８）式を用いて、しきい値Ｅ（ｘ，
ｙ）の大きさを画素ごとに決定し、エッジ強度Ｇ（ｘ，
ｙ）が大きいほどしきい値Ｅ（ｘ，ｙ）が小さくなるよ
うに制御する。しきい値制御器１１は、決定されたしき
い値Ｅ（ｘ，ｙ）をイプシロンフィルタ１２に出力す
る。

【００４６】イプシロンフィルタ１２では、しきい値制
御器１１によって決定されたしきい値Ｅ（ｘ，ｙ）を用
いて、入力画像にフィルタ処理を施す。

【００４７】イプシロンフィルタ１２でのフィルタ処理
は、より詳しくは、例えば図４に示した構成により、以
下のように行われる。イプシロンフィルタ１２におい
て、差分器２０には、図４に示したように、現在の注目
画素の値Ｉ（ｘ，ｙ）を示す信号とその近傍領域ＮＢ内
の画素の値Ｉ（ｘ＋ｄｘ，ｙ＋ｄｙ）を示す信号とが入
力される。差分器２０では、注目画素の値Ｉ（ｘ，ｙ）
とその近傍領域ＮＢ内の画素の値Ｉ（ｘ＋ｄｘ，ｙ＋ｄ
ｙ）との差分を算出する。差分器２０では、近傍領域Ｎ
Ｂ内のすべての画素に対して順次この差分値を計算し、
各近傍画素に対応づけて、その値Ｄ（ｄｘ，ｄｙ）を絶
対値算出器２１に出力する。

【００４８】絶対値算出器２１では、差分器２０より送
られてくる各差分値Ｄ（ｄｘ，ｄｙ）の絶対値ＡＤ（ｄ
ｘ，ｄｙ）を算出する。絶対値算出器２１では、算出し
た絶対値ＡＤ（ｄｘ，ｄｙ）を比較器２２に出力する。

【００４９】比較器２２には、絶対値算出器２１で算出
された絶対値ＡＤ（ｄｘ，ｄｙ）が入力されると共に、
注目画素の値Ｉ（ｘ，ｙ）を示す信号およびその近傍領
域ＮＢ内の画素の値Ｉ（ｘ＋ｄｘ，ｙ＋ｄｙ）を示す信
号、ならびに、しきい値制御器１１で決定されたしきい
値Ｅ（ｘ，ｙ）が入力される。比較器２２では、以下の
（１２）式に示すように、絶対値ＡＤ（ｄｘ，ｄｙ）と
しきい値Ｅ（ｘ，ｙ）とを比較し、その結果に応じて、
注目画素の値Ｉ（ｘ，ｙ）または近傍画素の値Ｉ（ｘ＋
ｄｘ，ｙ＋ｄｙ）のいずれか一方を選択し、それを値Ｊ
（ｄｘ，ｄｙ）として線形ローパスフィルタ２３に出力
する。

【００５０】

【数１２】

【００５１】線形ローパスフィルタ２３では、近傍領域
ＮＢ内のすべての画素に対応する値Ｊ（ｄｘ，ｄｙ）が
比較器２２によって算出された時点で、以下の（１３）
式による加重平均値Ｒ（ｘ，ｙ）を算出する。

【００５２】

【数１３】

【００５３】ここで、ＮＢはフィルタリング処理におけ
る近傍領域を定義する相対的な座標の集合である。ま
た、ａ（ｄｘ，ｄｙ）は各画素値に対する重み係数であ
り、この線形ローパスフィルタ２３としては、例えば以
下の（１４）式に示すような平均値フィルタなどを用い
ることができる。

【００５４】

【数１４】

【００５５】（１４）式において、Ｎは近傍領域内ＮＢ
の画素の数を表している。なお、イプシロンフィルタ１
２の目的は、画像中の細かい構造を除去し、まとまった
領域を抽出することであり、その近傍領域は大きい方が
望ましい。

【００５６】以上のようにしてイプシロンフィルタ１２
で得られた値Ｒ（ｘ，ｙ）は、近似的に画像に含まれる
照明成分を表しているものと考えられる。イプシロンフ
ィルタ１２は、値Ｒ（ｘ，ｙ）を照明成分として除算器
１３およびレベル変換器１４に出力する。

【００５７】除算器１３では、上述の（９）式に示した
ように、入力画像の各画素値Ｉ（ｘ，ｙ）を照明成分Ｒ
（ｘ，ｙ）で除算することにより、入力画像からイプシ
ロンフィルタ１２で算出された照明成分を除去し、その
結果得られる非照明成分Ｓ（ｘ，ｙ）を乗算器１５に出
力する。

【００５８】一方、レベル変換器１４では、イプシロン
フィルタ１２で算出された照明成分Ｒ（ｘ，ｙ）を、例
えば図３に示すようなレベル変換関数Ｔ（ｌ）によって
レベル変換することによって圧縮し、補正照明成分ＣＲ
（ｘ，ｙ）を算出する。レベル変換器１４は、算出した
補正照明成分ＣＲ（ｘ，ｙ）を乗算器１５に出力する。

【００５９】乗算器１５では、除算器１３からの出力で
ある非照明成分Ｓ（ｘ，ｙ）にレベル変換器１４からの
出力である補正照明成分ＣＲ（ｘ，ｙ）を積算すること
で画像信号を復元する。ここで、以上の除算器１３、レ
ベル変換器１４および乗算器１５での全体の演算につい
て考察すると、非照明成分Ｓ（ｘ，ｙ）に補正照明成分
ＣＲ（ｘ，ｙ）を積算することは、後述する（１６）式
に示すように、イプシロンフィルタ１２からの出力値Ｒ
（ｘ，ｙ）に応じて画素値を変換するための係数Ｆ（Ｒ
（ｘ，ｙ））を算出し、それを対応する入力画素値Ｉ
（ｘ，ｙ）に積算することで、各画素ごとに画素値の変
換を行ってダイナミックレンジの圧縮を行っていること
に相当する。

【００６０】以上のようにして乗算器１５から出力され
る画像信号Ｏ（ｘ，ｙ）は、入力画像よりも相対的にダ
イナミックレンジの狭い画像装置、すなわち画素レベル
を表現するビット数が少ない環境（ビット数の少ない伝
送路で伝送する場合や、表示装置に表示する場合、ある
いは記憶装置に保存する場合など）において利用され
る。

【００６１】次に、図５および図６を参照して、本実施
の形態におけるイプシロンフィルタ１２を用いてダイナ
ミックレンジの圧縮を行った場合の、従来法（単調増加
性を有するレベル変換関数を用いて圧縮を行う場合）に
対する有効性について説明する。

【００６２】図５（Ａ）は、入力画像の画素値Ｉ（ｘ，
ｙ）、および本実施の形態におけるイプシロンフィルタ
１２からの出力Ｒ（ｘ，ｙ）を１次元信号として表した
図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示した入力画像
に対して従来のレベル変換法によるダイナミックレンジ
の圧縮を行った結果（再現画像）を示し、図５（Ｃ）は
本実施の形態におけるダイナミックレンジの圧縮を行っ
た結果を示す。

【００６３】また、図６（Ａ），（Ｂ）には、各領域の
画素レベルとレベル変換関数Ｔ（ｌ）、および係数算出
関数Ｆ（ｌ）との関係を示す。ここで、係数算出関数Ｆ
（ｌ）とは、レベル変換関数Ｔ（ｌ）を用いて以下の
（１５）式のように定義される。

【００６４】

【数１５】

【００６５】この係数算出関数Ｆ（ｌ）を用い、上述の
（９）式および（１０）式を考慮することで、出力画像
Ｏ（ｘ，ｙ）を与える（１１）式は、以下の（１６）式
のように書き換えることが可能となる。

【００６６】

【数１６】

【００６７】この（１６）式は、照明成分Ｒ（ｘ，ｙ）
の圧縮によるダイナミックレンジの圧縮が、画素ごとに
算出される係数Ｆ（Ｒ（ｘ，ｙ））を、対応する入力画
素値Ｉ（ｘ，ｙ）に積算することで実現できることを示
している。このとき、係数算出関数Ｆ（ｌ）は、イプシ
ロンフィルタ１２の出力値を各画素に施すゲイン係数に
変換する機能を持つ。なお、図６（Ｂ）における係数算
出関数Ｆ（ｌ）の値の最小値Ｃminは、次の（１７）式
で与えられることになる。

【００６８】

【数１７】

【００６９】図５（Ｂ）からも分かるように、従来法は
低レベル領域（図５（Ａ）に示すレベルｌ１とレベルｌ
３とで構成されている領域）でのコントラストを保存す
ることができるが、高レベル領域（レベルｌ４とレベル
ｌ６とで構成されている領域）においてはコントラスト
の低下を招いている。これは、変曲点ｌｋ以上の高いレ
ベルに対するレベル変換関数Ｔ（ｌ）の傾きの影響を直
接的に受けた結果である。従来法においてコントラスト
を向上させるためにはレベル変換関数Ｔ（ｌ）の傾きを
大きくする必要がある。

【００７０】これに対し、本実施の形態（図５（Ｃ））
では、高レベル領域および低レベル領域のそれぞれに
は、係数算出関数Ｆ（ｌ）によって与えられる単一の補
正係数が施されるため、各領域内のコントラストはこの
補正係数の大きさに依存することになる。本実施の形態
では、低レベル領域に対してはその平均レベルｌ２によ
って決まる補正係数が一様に施されるが、その値は、レ
ベルｌ１およびレベルｌ３に対するものと同じ１．０で
あり、従来法と同程度のコントラストが得られる。ま
た、高レベル領域に対しては、その平均値ｌ５で決まる
一定の補正係数ｃ５が施されるため、レベルｌ４の部分
とレベルｌ６の部分の間のコントラストは、このゲイン
で確保されることになる。

【００７１】実際、図６（Ａ）に示すような、傾きの異
なる２本の直線からなるレベル変換関数Ｔ（ｌ）を用
い、その変極点レベルｌｋ以上に対応する直線が以下の
（１８）式で表される場合には、従来法における高レベ
ル領域のコントラストはその直線の傾きａに依存し、
「ａ（ｌ６−ｌ４）／ｌ５」で与えられる。ただし、こ
こではコントラストを「（最大レベル最小レベル）／平
均レベル」で定義している。

【００７２】

【数１８】

【００７３】一方、本実施の形態において高レベル領域
に適用される補正係数ｃ５は、以下の（１９）式で与え
られる。

【００７４】

【数１９】

【００７５】従って、本実施の形態では、この領域のコ
ントラストは、ｃ５（ｌ６−ｌ４）／ｌ５＝｛ａ（ｌ６
−ｌ４）／ｌ５｝＋｛ｂ／（ｌ５＊ｌ５）｝となるが、
ダイナミックレンジの圧縮におけるレベル変換関数Ｔ
（ｌ）の高レベルにおける傾きは通常１．０より小さい
ため、切片ｂは常に正の値を取る。このことは、従来法
に比べて、イプシロンフィルタ１２を用いた本実施の形
態による方法がより高いコントラストを実現できること
を示している。

【００７６】このように、本実施の形態においては、イ
プシロンフィルタ１２によって抽出された領域内のコン
トラストが、係数算出関数Ｆ（ｌ）によって与えられる
補正係数の値そのものによって決まり、レベル変換関数
Ｔ（ｌ）の傾きは領域間のコントラストに影響を及ぼす
ことになる。従って、本実施の形態によれば、領域間の
コントラストを圧縮することにより、領域内のコントラ
ストを保存することができ、主観的に好ましい出力画像
を得ることができる。

【００７７】次に、線形ローパスフィルタを用いた従来
法に対する本実施の形態の効果について説明する。ただ
しここでは、説明を簡単にするため画像を１次元信号と
して表す。従来法の問題点は既に［発明が解決しようと
する課題］の項目において図２１を用いて説明したとお
りであるが、その問題点を解決するためには、照明条件
の異なる領域の境界（照明境界）を保存したまま、同一
照明下の領域内を平滑化する必要がある。ところで、経
験上、照明強度の変化に起因する画素レベルの変化は、
物体表面の反射率に起因する画素レベルの変化よりもは
るかに大きく、その結果、照明境界では画素レベルの大
きなエッジが発生することになる。

【００７８】図７（Ａ）に示すように、このようなエッ
ジ周辺では、イプシロンフィルタ１２の注目画素の近傍
領域ＮＢ内にしきい値Ｅ（ｘ，ｙ）を超える大きな差分
絶対値ＡＤ（ｄｘ，ｄｙ）を与える画素値Ｉ（ｘ＋ｄ
ｘ，ｙ＋ｄｙ）が存在することになる。この画素値Ｉ
（ｘ＋ｄｘ，ｙ＋ｄｙ）は、比較器２２（図４）によっ
て、図７（Ａ）の太い破線（Ｉ'（ｄｘ，ｄｙ））で示
すように、現在の注目画素の値（近傍領域ＮＢ中央の
値）Ｉ（ｘ，ｙ）に置き換えられるため、（１３）式に
よる平滑化には大きく寄与せず、結果的にエッジの形状
が保存されることになる。これに対し、照明境界以外の
部分では、図７（Ｂ）に示すように、画素レベルの変化
はそれほど大きなものにはならず、注目画素の近傍領域
ＮＢ全体に渡り、差分絶対値ＡＤ（ｄｘ，ｄｙ）がしき
い値Ｅ（ｘ，ｙ）よりも小さくなる。この場合、（１
２）式のＪ（ｄｘ，ｄｙ）はすべて入力画素値Ｉ（ｘ＋
ｄｘ，ｙ＋ｄｙ）と等しく、イプシロンフィルタは単純
な線形ローパスフィルタと等価になり、近傍領域ＮＢ全
体に渡る平滑化が行われる。

【００７９】このようにイプシロンフィルタ１２は、線
形フィルタに比べエッジを保存する能力にすぐれ、異な
る照明光が存在する画像においても照明成分をより有効
に抽出することができる。しかしながら、ノイズ除去な
どを目的に一般的に用いられているしきい値固定の従来
のイプシロンフィルタでは、その出力にエッジ近傍にお
いて不連続な波形が形成されるため、これをダイナミッ
クレンジの圧縮用に用いた場合、圧縮後の再現画像に原
画像にはない不自然な画像パターンが発生する可能性が
ある。

【００８０】この問題点を説明するために、図８
（Ａ），（Ｂ）にモデル化したエッジとその周辺におけ
るしきい値固定の従来のイプシロンフィルタの出力を示
す。ここではエッジ中央部から高レベル側のみを考え、
レベルが急激に変化するエッジ部分は傾きａの直線で、
それ以外のエッジ周辺部分は傾き０の平坦な直線で近似
している。図８（Ａ），（Ｂ）では、入力信号を細い実
線８１で、イプシロンフィルタの出力を太い実線８２
で、対応する線形ローパスフィルタの出力を太い破線８
３で示す。また、用いるイプシロンフィルタでの注目画
素の近傍領域の大きさをＮ、そのしきい値をＥとする。
図８（Ａ）は、ａ，Ｎ，Ｅの間に以下の（２０）式の関
係が成立している場合のイプシロンフィルタの出力であ
る。

【００８１】

【数２０】

【００８２】図８（Ａ）において、横軸は空間的な位置
座標を表し、右に行くほど座標値が大きくなるものとす
る。ｐ０は、エッジの立下り点ｐｅからＮ／２だけ離れ
た位置を示している。この場合、イプシロンフィルタは
線形ローパスフィルタと同等に振る舞う。しかしなが
ら、照明光の変化による画像上のレベル変化は急峻に生
じること（傾きａが大きい）、また上述したように効果
的なダイナミックレンジの圧縮を行うためには大きなフ
ィルタを用いる必要があること（Ｎが大きい）から、照
明条件が変化する照明境界では通常（２０）式の条件は
成立しないと考えられる。

【００８３】一方、図８（Ｂ）には、（２０）式が成立
しない場合のイプシロンフィルタの出力を示す。図８
（Ｂ）において、出力波形を右側から左側へと見ていく
と、ｐ０からｐ０−Ｅ／ａまでは線形フィルタと同じ出
力となり、その後ｐｅまでは一定の値を出力する。ｐｅ
からｐｅ−Ｅ／ａまでは２次曲線に従って下降するが、
（２０）式が成立しない条件のもとでは、この間に必ず
入力信号を示す直線８１と交差する。ｐｅ−Ｅ／ａでは
不連続的に入力信号と同じ値になり、その後入力信号を
そのまま出力することになる。しきい値固定のイプシロ
ンフィルタのこの振る舞いは、単純化したエッジモデル
に対するものであるが、エッジ付近で複雑な波形を出力
することは明らかである。特に、ｐｅ−Ｅ／ａのあたり
では不連続に変化し、入力信号よりも大きな傾きを持っ
た波形を出力する。

【００８４】出力画像Ｏ（ｘ，ｙ）が自然な再現画像と
なるためには、画像上の各位置における局所的な形状
（空間的勾配の向き）が保存されていることが必要とな
る。すなわち、以下の（２１）式に示すように、出力画
像Ｏ（ｘ，ｙ）の微分値Ｏ'（ｘ，ｙ）の符号と入力画
像Ｉ（ｘ，ｙ）の微分値Ｉ'（ｘ，ｙ）の符号とが一致
しなければならない。

【００８５】

【数２１】

【００８６】ここで、sign（ｘ）はｘの符号を表す。
（２１）式の条件が満たされない場合、入力画像と出力
画像との間でレベル勾配の逆転が生じ、入力画像には存
在しない画像パターンが出力画像に現れることになる。
例えば図９（Ａ）に示す入力画像が、図９（Ｂ）に示す
ように出力される。図９（Ｂ）の出力画像では、レベル
勾配の逆転により、入力画像には存在しないパターン９
０が出現している。しかし、図８（Ｂ）に示すエッジ付
近におけるイプシロンフィルタの不連続な振る舞いは、
この（２１）式の条件の成立を困難にする可能性があ
り、レベル勾配の逆転が生じるおそれがある。

【００８７】（２１）式が成立するか否かは、イプシロ
ンフィルタの振る舞いとその出力に施されるレベル変換
関数Ｔ（ｌ）に依存する。このことを明らかにするため
に、はじめに（１１）式に（９）式を代入して入力画像
Ｉ（ｘ，ｙ）と出力画像Ｏ（ｘ，ｙ）との関係（２２）
式を得る。

【００８８】

【数２２】

【００８９】（２２）式の右辺におけるＣＲ（ｘ，ｙ）
／Ｒ（ｘ，ｙ）は、先に述べた係数算出関数Ｆ（Ｒ
（ｘ，ｙ））に相当する。（２２）式の両辺を微分し、
（２１）式に代入することで、出力画像Ｏ（ｘ，ｙ）が
満たすべき条件は以下の（２３）式のように表されるこ
とになる。

【００９０】

【数２３】

【００９１】この条件に対するレベル変換関数Ｔ（ｌ）
の関与をさらに明確にするために、図１０にイプシロン
フィルタの出力に対するレベル変換関数Ｔ（ｌ）の出力
の関係を示す。横軸はイプシロンフィルタの出力（レベ
ル変換関数Ｔ（ｌ）への入力）、縦軸はレベル変換関数
Ｔ（ｌ）の出力を表している。いま、ある画素のイプシ
ロンフィルタの出力をＲ、そのレベル変換後の値をＣＲ
とし、これらの比の値ＣＲ／Ｒをａとする。すなわち、
ａは原点と（Ｒ，ＣＲ）を通過する直線の傾きに相当す
る（（２４）式）。

【００９２】

【数２４】

【００９３】またこの同じ画素におけるイプシロンフィ
ルタの出力の空間微分値をＲ'とすると、これは図１０
の横軸上におけるＲを中心とする微小範囲の大きさに相
当するものと考えられる（ただしＲは微分値を算出する
画像上の方向に応じて適当な符号を有する）。従って、
Ｒに対応するレベル変換関数Ｔ（ｌ）のｌに関する微係
数をｂとすると、レベル変換後の空間微分値は以下の
（２５）式によって近似できる。

【００９４】

【数２５】

【００９５】（２４）式および（２５）式を（２２）式
に代入することで、イプシロンフィルタの出力に関する
部分Ｒ'／Ｒと、レベル変換関数Ｔ（ｌ）の性質に関す
る部分（１−ｂ／ａ）とからなる以下の（２６）式の条
件を得ることができる。

【００９６】

【数２６】

【００９７】なお、照明成分圧縮のためのレベル変換関
数Ｔ（ｌ）は、通常単調増加性を有するため、ａおよび
ｂは正の値となり、以下の（２７）式が成立する。

【００９８】

【数２７】

【００９９】なお、１−ｂ／ａ≧０は、ａ≧ｂを意味す
るが、この場合には照明成分レベルＲの近辺ではレベル
が大きいほど大きな圧縮を施されることを意味してい
る。なぜならば、レベルＲの圧縮率はａであり、その近
辺を一様に圧縮する場合にはレベルＲ近辺におけるレベ
ル変換関数Ｔ（ｌ）の傾きはａである必要があるが、実
際の傾きはより小さいｂであり、図１１（Ａ）に示すよ
うに高レベル側ほど大きく圧縮されることになる。逆に
１−ｂ／ａ、すなわちａ＜ｂの場合には、図１１（Ｂ）
に示すように低レベル側ほど大きく圧縮されることにな
る。なお、図１１（Ａ），（Ｂ）の縦軸および横軸は、
図１０と同様、それぞれイプシロンフィルタの出力（レ
ベル変換関数Ｔ（ｌ）への入力）およびレベル変換関数
Ｔ（ｌ）の出力を表す。

【０１００】エッジ付近以外の平坦部分では、イプシロ
ンフィルタはローパスフィルタとして機能するため、一
般的にその出力における空間的な変化の割合は、入力画
像のそれよりも緩やかなものとなる。従って、これらの
部分では以下の（２８）式（（２８Ａ），（２８Ｂ））
に示す２つの条件が成立していると仮定できる。

【０１０１】

【数２８】

【０１０２】Ｉ'≧０の場合、（２８）式よりＲ'≧０と
なるため、１−ｂ／ａが負であれば常に（２６）式が成
立することになる。また、０≦１−ｂ／ａ≦１である場
合には、（２８）式から得られるＩ'／Ｉ≧Ｒ'／Ｒよ
り、以下の（２９）式のようになる。

【０１０３】

【数２９】

【０１０４】同様に、Ｉ'＜０の場合にも（２６）式が
成立することは容易に分かる。

【０１０５】一方、図８（Ｂ）に示すとおり、エッジ中
央部分においてはイプシロンフィルタは入力信号をその
まま出力することになるため、この部分では以下の（３
０）式が成立すると考えられるが、この場合にも（２
６）式が満足されることは明らかである。

【０１０６】

【数３０】

【０１０７】本実施の形態においてイプシロンフィルタ
１２を除去し、Ｒ（ｘ，ｙ）＝Ｉ（ｘ，ｙ）となるよう
にすれば、その結果はレベル変換のみによる従来法と等
価となるが、これは画像全体に渡って（３０）式の条件
が成立している場合に相当し、従来法ではレベル勾配の
逆転が発生しないことになる。

【０１０８】これらの条件が満たされない部分では、
（２６）式が成立するか否かはイプシロンフィルタ１２
の出力とレベル変換関数Ｔ（ｌ）の特性に依存する。レ
ベル変換関数Ｔ（ｌ）の特性は照明成分をどのように圧
縮するかによって決められるべきものであるため、ここ
ではイプシロンフィルタ１２の出力がどのように（２
６）式の成立に影響を及ぼすかを４つの場合（１）〜
（４）に分けて説明する。

【０１０９】（１）Ｉ'≧０かつＲ'が１−ｂ／ａと同じ
符号の場合；右辺、左辺がともに正となるため、Ｒ'／
Ｒの絶対値が大きいほど（２６）式の成立が困難とな
る。

【０１１０】（２）Ｉ'≧０かつＲ'が１−ｂ／ａと異な
る符号の場合；右辺が正、左辺が負となるため、常に
（２６）式が成立する。

【０１１１】（３）Ｉ'＜０かつＲ'が１−ｂ／ａと同じ
符号の場合；右辺が負、左辺が正となるため、常に（２
６）式が成立する。

【０１１２】（４）Ｉ'＜かつＲ'が１−ｂ／ａと異なる
符号の場合；右辺、左辺がともに負となるため、Ｒ'／
Ｒが大きいほど（２６）式の成立が困難となる。

【０１１３】上記（２）および（３）の条件のもとで
は、近傍領域内において入力画像のレベルが高いほど少
ない圧縮が施されることになるため、勾配の逆転が発生
する可能性がない。従ってＲ'／Ｒがどのような値にな
っても常に（２６）式が成立することになる。これに対
して（１），（４）の条件では、Ｒ'／Ｒの絶対値が大
きいほど（２６）が満たされない可能性が高くなるが、
少なくともその比が入力画像と同じであれば（２６）式
が成立することは上記に述べたとおりである。本実施の
形態では、イプシロンフィルタ１２のしきい値Ｅを可変
とし、エッジ部分においては入力画像にできる限り近い
信号を出力することで、すなわち、エッジ強度Ｇ（ｘ，
ｙ）が大きいほど、イプシロンフィルタ１２のしきい値
Ｅが小さくなるようにしきい値を制御することで、勾配
の逆転を最小限に抑制し、図９（Ｂ）に示したような不
自然なパターン９０が生じることのないよう、自然な画
像を再現することを可能としている。

【０１１４】なお、図３に示したレベル変換関数Ｔ
（ｌ）はあくまでも一例であり、目的に応じて任意のも
のを用いることができることはいうまでもない。例え
ば、（１）式や（２）式に示した関数を用いても良い。

【０１１５】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、入力画像上の各位置ごとにエッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）
を算出すると共に、このエッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）に基づ
いて、イプシロンフィルタ１２のしきい値Ｅ（ｘ，ｙ）
を制御して入力画像にフィルタ処理を施し、また、その
イプシロンフィルタ１２からの出力値Ｒ（ｘ，ｙ）に応
じて算出される係数Ｆ（Ｒ（ｘ，ｙ））を、（１６）式
に示したように入力画素値Ｉ（ｘ，ｙ）に積算すること
によって、各画素ごとに画素値の変換を行ってダイナミ
ックレンジの圧縮を行うようにしたので、複数の異なる
照明が存在する場合にも、それらの境界を適切に抽出す
ることを可能とし、不自然な画像パターンの発生を抑え
て、主観的に好ましいダイナミックレンジの圧縮を実現
できる。すなわち、イプシロンフィルタ１２を用いて、
入力画像から照明成分を抽出し、その照明成分を圧縮す
ることにより、局所的なコントラストを保存したまま全
体的なダイナミックレンジを削減し、主観的に好ましい
再現画像を得ることができる。このとき、エッジ強度Ｇ
（ｘ，ｙ）に基づいて、イプシロンフィルタ１２のしき
い値Ｅを画素値Ｉ（ｘ，ｙ）の局所的な勾配に応じて適
応的に変化させるようにしたので、線形ローパスフィル
タを用いた場合やしきい値固定のイプシロンフィルタを
用いた場合よりも、より正確に照明境界を抽出すること
ができる。

【０１１６】［第２の実施の形態］次に、本発明の第２
の実施の形態について説明する。なお、以下の説明で
は、上記第１の実施の形態における構成要素と実質的に
同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、適宜説
明を省略する。

【０１１７】図１２は、本発明の第２の実施の形態に係
る画像処理装置の構成を示している。本実施の形態に係
る画像処理装置の全体的な機能は、上記第１の実施の形
態と同様であるが、本実施の形態では、除算器１３およ
びレベル変換器１４（図１）の代わりに、これらの機能
をあわせ持った係数算出器１６が設置されている点が、
上記第１の実施の形態とは異なる。すなわち、本実施の
形態は、上記第１の実施の形態で示した（１６）式に基
づいてダイナミックレンジの圧縮を行うものである。

【０１１８】本実施の形態における係数算出器１６で
は、イプシロンフィルタ１２の出力Ｒ（ｘ，ｙ）に対し
て、図１３に示すような係数算出関数Ｆ（ｌ）を施して
係数Ｃ（ｘ，ｙ）を算出する。係数算出関数Ｆ（ｌ）
は、上記第１の実施の形態で述べたように、レベル変換
関数Ｔ（ｌ）を用いて（１５）式によって得られる。係
数算出器１６によって算出された係数Ｃ（ｘ，ｙ）は、
乗算器１５に送られる。

【０１１９】本実施の形態における乗算器１５には、入
力画像を示す信号が直接入力されると共に、算出器１６
によって算出された係数Ｃ（ｘ，ｙ）が入力される。乗
算器１５では、入力画像の各画素値Ｉ（ｘ，ｙ）に対し
て対応する係数Ｃ（ｘ，ｙ）を積算することで画像信号
を復元し、上記第１の実施の形態と同様、その結果の画
像信号Ｏ（ｘ，ｙ）を図示しない伝送路、記憶装置また
は表示装置などに出力する。

【０１２０】本実施の形態においても、エッジ強度Ｇ
（ｘ，ｙ）に基づいて、イプシロンフィルタ１２のしき
い値Ｅ（ｘ，ｙ）を制御して入力画像にフィルタ処理を
施し、また、そのイプシロンフィルタ１２からの出力値
Ｒ（ｘ，ｙ）に応じて算出される係数Ｆ（Ｒ（ｘ，
ｙ））を、入力画素値Ｉ（ｘ，ｙ）に積算することによ
って、各画素ごとに画素値の変換を行ってダイナミック
レンジの圧縮を行うようにしているので、上記第１の実
施の形態と同様の効果を得ることができる。

【０１２１】［第３の実施の形態］次に、本発明の第３
の実施の形態について説明する。なお、以下の説明で
は、上記第１の実施の形態または上記第２の実施の形態
における構成要素と実質的に同一の機能を有する部分に
は同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

【０１２２】図１４は、本発明の第３の実施の形態に係
る画像処理装置の構成を示している。本実施の形態に係
る画像処理装置の構成は、上記第１の実施の形態（図
１）とほぼ同じであるが、しきい値制御器１１に、エッ
ジ強度算出器１０からの出力であるエッジ強度Ｇ（ｘ，
ｙ）のほかに、さらに、入力画像の画素値Ｉ（ｘ，ｙ）
が直接入力されている点が異なる。

【０１２３】本実施の形態におけるしきい値制御器１１
Ａでは、後段のイプシロンフィルタ１２で用いるしきい
値Ｅ（ｘ，ｙ）を、エッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）のみではな
く、入力画像の画素レベルによっても制御する。より具
体的には、しきい値制御器１１Ａでは、入力画像の画素
値Ｉ（ｘ，ｙ）が大きいほどしきい値Ｅ（ｘ，ｙ）が大
きくなると共に、エッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）が大きいほど
しきい値Ｅ（ｘ，ｙ）が小さくなるようにしきい値Ｅ
（ｘ，ｙ）を制御する。

【０１２４】このようなしきい値制御は、以下のように
して実現できる。例えば、まず、あらかじめ設定された
正の係数ｒ（ｒ≦１．０）を用いて、以下の（３１）式
によって、入力画像の画素値Ｉ（ｘ，ｙ）が大きいほど
その値が大きくなるような、仮のしきい値Ｅtmp（ｘ，
ｙ）を設定する。

【０１２５】

【数３１】

【０１２６】その後、このしきい値Ｅtmp（ｘ，ｙ）を
エッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）により修正して実際に用いるし
きい値Ｅ（ｘ，ｙ）を決定する。例えば、（８）式にお
ける正規化のための定数Ｅmin，Ｅmaxをそれぞれ０．
０，１．０として、（８）式によってエッジ強度に応じ
た係数Ｇ（ｘ，ｙ）を算出するようにする。これを以下
の（３２）式のように、仮のしきい値Ｅtmp（ｘ，ｙ）
に積算して最終的なしきい値Ｅ（ｘ，ｙ）を求める。こ
れにより、入力画像の画素値Ｉ（ｘ，ｙ）が大きいほど
その値が大きくなると共に、エッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）が
大きいほどその値が小さくなるよう、しきい値Ｅ（ｘ，
ｙ）が制御される。

【０１２７】

【数３２】

【０１２８】イプシロンフィルタ１２のしきい値Ｅ
（ｘ，ｙ）は、入力画素の空間的変化が照明成分の変化
によるものか、物体表面の反射率の変化によるものかを
分離する役割を担うが、物体表面の反射率の変化が小さ
い場合でも照明レベル自体が大きいと画素値Ｉ（ｘ，
ｙ）の変化は大きくなる。すなわち、照明レベルの大き
な変化と強い照明下における小さな反射率の変化とをど
のように区別するかが問題となる。本実施の形態では、
画素レベルが大きいほどイプシロンフィルタ１２のしき
い値Ｅ（ｘ，ｙ）を大きく設定するようにしているが、
これにより画素値Ｉ（ｘ，ｙ）の変化における照明レベ
ルの影響を軽減でき、より適切に照明成分を抽出するこ
とが可能となる。

【０１２９】以上説明したように、本実施の形態によれ
ば、エッジ強度Ｇ（ｘ，ｙ）のみならず、入力画像の画
素レベルを考慮して、イプシロンフィルタ１２のしきい
値Ｅ（ｘ，ｙ）の制御を行うようにしたので、イプシロ
ンフィルタ１２において、より適切に照明成分を抽出す
ることが可能となる。

【０１３０】［第４の実施の形態］次に、本発明の第４
の実施の形態について説明する。なお、以下の説明で
は、上記第１〜第３の実施の形態における構成要素と実
質的に同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、
適宜説明を省略する。

【０１３１】図１５は、本発明の第４の実施の形態に係
る画像処理装置の構成を示している。本実施の形態に係
る画像処理装置の構成は、上記第３の実施の形態（図１
４）とほぼ同じであるが、特に、各画素ごとに２種類の
しきい値Ｅlo（ｘ，ｙ），Ｅup（ｘ，ｙ）を用いてイプ
シロンフィルタのしきい値制御を行うようにした点が上
記第３の実施の形態とは異なる。

【０１３２】本実施の形態におけるしきい値制御器１１
Ｂでは、各画素ごとに大きさの異なる２種類のしきい値
Ｅlo（ｘ，ｙ），Ｅup（ｘ，ｙ）を算出し、それらによ
ってイプシロンフィルタ１２Ａのしきい値制御を行う。
すなわち、しきい値制御器１１Ｂでは、例えば、あらか
じめ設定された大きさの異なる２つの係数ｒｌ，ｒｕ
（０．０≦ｒｌ，ｒｕ≦１．０）を用いて、以下の（３
３）式（（３３Ａ），（３３Ｂ））のように、２種類の
仮のしきい値Ｅtmplo（ｘ，ｙ），Ｅtmpup（ｘ，ｙ）を
算出する。そして、それらを第１のしきい値Ｅlo（ｘ，
ｙ）および第２のＥup（ｘ，ｙ）として、イプシロンフ
ィルタ１２Ａに出力する。

【０１３３】

【数３３】

【０１３４】本実施の形態におけるイプシロンフィルタ
１２Ａでは、しきい値制御器１１Ｂで算出された２つの
しきい値Ｅlo（ｘ，ｙ），Ｅup（ｘ，ｙ）によりしきい
値処理を行う。イプシロンフィルタ１２Ａでの処理は、
より詳しくは、例えば、図１６に示した構成により、以
下のようにして行われる。差分器２０によって算出され
た差分値Ｄ（ｘ，ｙ）は、本実施の形態においては絶対
値算出器２１のほかに符号判定器２４にも送られる。

【０１３５】符号判定器２４では、差分値Ｄ（ｘ，ｙ）
の符号を判定し、その結果をスイッチ２７に送る。

【０１３６】第１の比較器２５では、しきい値制御器１
１Ｂから送られてくる第１のしきい値Ｅlo（ｘ，ｙ）を
用いて、第１の実施の形態と同様、（１２）式により信
号の選択を行う。すなわち、絶対値算出器２１で算出さ
れた値ＡＤ（ｄｘ，ｄｙ）としきい値Ｅlo（ｘ，ｙ）と
を比較し、その結果に応じて、注目画素の値Ｉ（ｘ，
ｙ）または近傍画素の値Ｉ（ｘ＋ｄｘ，ｙ＋ｄｙ）のい
ずれか一方を選択し、それを値Ｊ（ｄｘ，ｄｙ）として
出力する。

【０１３７】第２の比較器２６では、しきい値制御器１
１Ｂから送られてくる第２のしきい値Ｅup（ｘ，ｙ）を
用いて、第１の実施の形態と同様（１２）式により信号
の選択を行う。すなわち、絶対値算出器２１で算出され
た値ＡＤ（ｄｘ，ｄｙ）としきい値Ｅup（ｘ，ｙ）とを
比較し、その結果に応じて、注目画素の値Ｉ（ｘ，ｙ）
または近傍画素の値Ｉ（ｘ＋ｄｘ，ｙ＋ｄｙ）のいずれ
か一方を選択し、それを値Ｊ（ｄｘ，ｄｙ）として出力
する。

【０１３８】スイッチ２７では、符号判定器２４の判定
結果をもとに、第１の比較器２５または第２の比較器２
６の出力のいずれか一方を選択し、線形ローパスフィル
タ２３に送る。スイッチ２７では、例えば、符号判定結
果が正であることを示している場合には、第１の比較器
２５の出力を選択する。逆に、判定結果が負である場合
には、第２の比較器２６の出力を選択する。

【０１３９】本実施の形態では、近傍画素の値Ｉ（ｘ＋
ｄｘ，ｙ＋ｄｙ）が現在の注目画素の値（近傍領域ＮＢ
の中央の値）Ｉ（ｘ，ｙ）よりも大きい場合にはしきい
値Ｅup（ｘ，ｙ）が用いられ、小さい場合にはＥlo
（ｘ，ｙ）が用いられる。すなわち、イプシロンフィル
タ１２Ａにおいて、高レベル側と低レベル側とで異なる
しきい値を設定することが可能となっている。特に、第
２のしきい値Ｅup（ｘ，ｙ）が第１のしきい値Ｅlo
（ｘ，ｙ）よりも大きくなるようにすることで、第３の
実施の形態と同様、画素値の変化に含まれる照明成分の
影響を軽減することができ、より適切に照明成分を抽出
することが可能となる。

【０１４０】［第５の実施の形態］次に、本発明の第５
の実施の形態について説明する。なお、以下の説明で
は、上記第１〜第４の実施の形態における構成要素と実
質的に同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、
適宜説明を省略する。

【０１４１】図１７は、本発明の第５の実施の形態に係
る画像処理装置の構成を示している。本実施の形態に係
る画像処理装置の構成は、上記第１の実施の形態（図
１）と類似しているが、特に、はじめに入力画像の画素
レベルに例えば対数変換などの非線形な変換を施すよう
にした点が異なる。

【０１４２】すなわち、本実施の形態においては、回路
の入力段に対数変換器１７を設置し、はじめに入力画像
の各画素値Ｉ（ｘ，ｙ）に対して（１）式に示した対数
変換を施すようになっている。またこれに伴い、イプシ
ロンフィルタ１２で得られた照明成分Ｒ（ｘ，ｙ）を差
し引くための除算器１３が減算器１８に、圧縮された照
明成分ＣＲ（ｘ，ｙ）を非照明成分Ｓ（ｘ，ｙ）に積算
するための乗算器１５が加算器１９に置き換えられてい
る。これらは積算、除算が対数変換後には加算、減算と
なるという良く知られた事実に基づくものである。

【０１４３】対数変換器１７によって対数変換された後
の入力画像の画素値ＩＬ（ｘ，ｙ）は、エッジ強度算出
器１０、イプシロンフィルタ１２、および減算器１８に
送られる。エッジ強度算出器１０およびイプシロンフィ
ルタ１２では、その画素値ＩＬ（ｘ，ｙ）に基づいて、
上記第１の実施の形態と同様の処理を行う。一方、減算
器１８では、各画素値ＩＬ（ｘ，ｙ）から、イプシロン
フィルタ１２で得られた照明成分Ｒ（ｘ，ｙ）を減算す
ることにより、入力画像から照明成分を除去し、その結
果得られる非照明成分Ｓ（ｘ，ｙ）を加算器１９に出力
する。加算器１９では、非照明成分Ｓ（ｘ，ｙ）に補正
照明成分ＣＲ（ｘ，ｙ）を加算することで画像信号を復
元し、上記第１の実施の形態と同様、その結果の画像信
号Ｏ（ｘ，ｙ）を図示しない伝送路、記憶装置または表
示装置などに出力する。

【０１４４】本実施の形態で用いた対数変換は、それ自
体がダイナミックレンジの圧縮効果を持ち、入力レベル
が高いほど画素値Ｉ（ｘ，ｙ）が大きく圧縮される。こ
れにより、上記第３および第４の実施の形態と実質的に
同様、画素値の空間的な変化における照明レベルの影響
が軽減されることになり、より適切に照明成分を抽出す
ることが可能となる。

【０１４５】なお、本実施の形態では、非線形な変換と
して対数変換を行う例について説明したが、対数変換以
外の他の非線形な変換を行うようにしても良い。

【０１４６】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１ないし８
のいずれか１項に記載の画像処理方法または請求項９な
いし１６のいずれか１項に記載の画像処理装置によれ
ば、入力画像上の各位置ごとに算出されたエッジ強度に
基づいて、イプシロンフィルタで用いられるしきい値を
制御すると共に、そのしきい値の制御されたイプシロン
フィルタからの出力値に応じて、画素値を変換するため
の係数を算出し、その算出された係数により、各画素ご
とに画素値の変換を行うようにしたので、複数の異なる
照明が存在する場合にも、それらの境界を適切に抽出す
ることが可能となり、不自然な画像パターンの発生を抑
えて、主観的に好ましいダイナミックレンジの圧縮を実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る画像処理装置
の構成を示すブロック図である。

【図２】画像の走査方向を示す説明図である。

【図３】レベル変換関数の例について示す説明図であ
る。

【図４】図１に示した画像処理装置におけるイプシロン
フィルタの構成を示すブロック図である。

【図５】従来法による再現画像と図１に示した画像処理
装置による再現画像との違いについて示す説明図であ
る。

【図６】レベル変換関数と係数算出関数との関係につい
て示す説明図である。

【図７】イプシロンフィルタの効果について示す説明図
である。

【図８】しきい値固定のイプシロンフィルタのエッジ周
辺における振る舞いについて示す説明図である。

【図９】しきい値固定のイプシロンフィルタにおいて生
ずるレベル勾配の逆転現象について示す説明図である。

【図１０】イプシロンフィルタの出力に用いられるレベ
ル変換関数とその微分値との関係を示す説明図である。

【図１１】レベル変換曲線における入力レベルと圧縮率
の大小関数について示す説明図である。

【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る画像処理装
置の構成を示すブロック図である。

【図１３】図１２に示した画像処理装置における係数算
出器において用いられる係数算出関数の例について示す
説明図である。

【図１４】本発明の第３の実施の形態に係る画像処理装
置の構成を示すブロック図である。

【図１５】本発明の第４の実施の形態に係る画像処理装
置の構成を示すブロック図である。

【図１６】図１５に示した画像処理装置におけるイプシ
ロンフィルタの構成を示す説明図である。

【図１７】本発明の第５の実施の形態に係る画像処理装
置の構成を示すブロック図である。

【図１８】従来用いられているレベル変換関数の例につ
いて示す説明図である。

【図１９】従来用いられている他のレベル変換関数の例
について示す説明図である。

【図２０】ヒストグラムイコライゼーションの原理につ
いて示す説明図である。

【図２１】Multiscale retinex法の問題点について説明
するための図である。

【符号の説明】

１０…エッジ強度算出器、１１…しきい値制御器、１
２，１２Ａ…イプシロンフィルタ、１３…除算器、１４
…レベル変換器、１５…乗算器、１６…係数算出器、１
７…対数変換器、１８，２０…差分器、１９…加算器、
２１…絶対値算出器、２２、２５，２６…比較器、２３
…線形ローパスフィルタ（ＬＰＦ）、２４…符号判定
器、２７…スイッチ。

フロントページの続き Ｆターム(参考） 5B057 AA11 CA08 CA12 CA16 CB08 CB12 CB16 CC01 CE06 CE11 5C021 PA17 PA34 PA53 PA58 PA62 PA66 RA02 XA14 XA35 XA50 5C077 LL04 MP01 PP01 PP10 PP47 PP48 PQ08 PQ12 PQ20 SS02 SS06 TT02

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力された画像を、相対的によりダイナ
   ミックレンジの小さい画像に変換するための画像処理方
   法であって、 入力画像上の各位置ごとにエッジ強度を算出するエッジ
   強度算出過程と、 算出された前記エッジ強度に基づいて、イプシロンフィ
   ルタのしきい値を制御するしきい値制御過程と、 前記しきい値制御過程において制御されたしきい値を用
   いて、前記入力画像に前記イプシロンフィルタによるフ
   ィルタ処理を施すフィルタリング過程と、 前記フィルタリング過程の出力値に応じて、画素値を変
   換するための係数を算出し、その算出した係数により、
   各画素ごとに画素値の変換を行う画素値変換過程とを含
   むことを特徴とする画像処理方法。
2. 【請求項２】 前記エッジ強度算出過程では、前記エッ
   ジ強度として、注目画素の近傍領域内の画素値の１次微
   分値が大きいほど大きな値を算出することを特徴とする
   請求項１記載の画像処理方法。
3. 【請求項３】 前記しきい値制御過程では、前記エッジ
   強度が大きいほど、前記しきい値が小さくなるように前
   記しきい値を制御することを特徴とする請求項１記載の
   画像処理方法。
4. 【請求項４】 前記しきい値制御過程では、前記入力画
   像の画素値が大きいほど前記しきい値が大きくなると共
   に、前記エッジ強度が大きいほど前記しきい値が小さく
   なるように前記しきい値を制御することを特徴とする請
   求項１記載の画像処理方法。
5. 【請求項５】 前記しきい値制御過程において、大きさ
   の異なる２つのしきい値を算出し、 前記フィルタリング過程において、近傍画素の値が注目
   画素に比べて大きい場合と小さい場合とで異なるしきい
   値を用いることを特徴とする請求項１記載の画像処理方
   法。
6. 【請求項６】 前記フィルタリング過程において、近傍
   画素の値が注目画素の値よりも大きい場合には、前記２
   つのしきい値のうち、値の大きい方のしきい値を用い、
   近傍画素の値が注目画素の値よりも小さい場合には、値
   の小さい方のしきい値を用いることを特徴とする請求項
   ５記載の画像処理方法。
7. 【請求項７】 さらに、前記入力画像の画素レベルに、
   非線形な変換を施す過程を有し、 その非線形な変換が行われた後の入力画像に対して前記
   イプシロンフィルタによるフィルタ処理を施すことを特
   徴とする請求項１記載の画像処理方法。
8. 【請求項８】 前記非線形変換は対数変換であることを
   特徴とする請求項７記載の画像処理方法。
9. 【請求項９】 入力された画像を、相対的によりダイナ
   ミックレンジの小さい画像に変換するための画像処理装
   置であって、 入力画像上の各位置ごとにエッジ強度を算出するエッジ
   強度算出手段と、 設定されたしきい値を用いて、前記入力画像にフィルタ
   処理を施すイプシロンフィルタと、 前記エッジ強度算出手段によって算出された前記エッジ
   強度に基づいて、前記イプシロンフィルタで用いられる
   しきい値を制御するしきい値制御手段と、 前記イプシロンフィルタからの出力値に応じて、画素値
   を変換するための係数を算出し、その算出した係数によ
   り、各画素ごとに画素値の変換を行う画素値変換手段と
   を備えたことを特徴とする画像処理装置。
10. 【請求項１０】 前記エッジ強度算出手段は、前記エッ
    ジ強度として、注目画素の近傍領域内の画素値の１次微
    分値が大きいほど大きな値を算出するよう構成されてい
    ることを特徴とする請求項９記載の画像処理装置。
11. 【請求項１１】 前記しきい値制御手段は、前記エッジ
    強度が大きいほど、前記しきい値が小さくなるように前
    記しきい値を制御することを特徴とする請求項９記載の
    画像処理装置。
12. 【請求項１２】 前記しきい値制御手段は、前記入力画
    像の画素値が大きいほど前記しきい値が大きくなると共
    に、前記エッジ強度が大きいほど前記しきい値が小さく
    なるように前記しきい値を制御することを特徴とする請
    求項９記載の画像処理装置。
13. 【請求項１３】 前記しきい値制御手段は、大きさの異
    なる２つのしきい値を算出し、 前記イプシロンフィルタは、近傍画素の値が注目画素に
    比べて大きい場合と小さい場合とで異なるしきい値を用
    いるよう構成されていることを特徴とする請求項９記載
    の画像処理装置。
14. 【請求項１４】 前記イプシロンフィルタは、近傍画素
    の値が注目画素の値よりも大きい場合には、前記２つの
    しきい値のうち、値の大きい方のしきい値を用い、近傍
    画素の値が注目画素の値よりも小さい場合には、値の小
    さい方のしきい値を用いるよう構成されていることを特
    徴とする請求項１３記載の画像処理装置。
15. 【請求項１５】 さらに、前記入力画像の画素レベル
    に、非線形な変換を施す手段を有し、 前記イプシロンフィルタは、前記非線形な変換が行われ
    た後の入力画像に対して前記フィルタ処理を施すよう構
    成されていることを特徴とする請求項９記載の画像処理
    装置。
16. 【請求項１６】 前記非線形な変換を施す手段は、前記
    入力画像の画素レベルに対数変換を施すものであること
    を特徴とする請求項１５記載の画像処理装置。