JP2005269645A - カラー画像のデモザイク処理を行うための高品質グラディエント補正線形補間 - Google Patents
カラー画像のデモザイク処理を行うための高品質グラディエント補正線形補間 Download PDFInfo
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Abstract
【解決手段】 この方法及びシステムは、任意の現在の手法(好ましくは、計算複雑度を低減する双線形補間法)を使用して補間値を計算し、補正項(所定のピクセル位置の所望色のグラディエントなど)を計算し、補間値と補正項の線形結合を作って1つのピクセル位置の欠落色の補正された高品質補間値を出力する。補正項は現在のピクセルの現在の色から計算で求められたグラディエント補正項とすることができる。このグラディエントを直接使用して、従来技術の補間法により出力される推定色値に影響を及ぼし、補正する。グラディエント補正線形補間の方法及びシステムは、さらにグラディエント補正ゲインをグラディエント補正項に適用することもできる。このグラディエント補正ゲインは、補間値に適用されるグラディエント補正の量に影響を及ぼす。
【選択図】 図4
Description
ほとんどすべての現在のデジタル・カメラはカラー画像内の各ピクセルに対し単一のセンサを使用する。その結果、ピクセル毎に、赤色、緑色、および青色の3色(RGB)のうちの1つのみが取り込まれる。しかし、カラー画像を出力するには、すべてのピクセルでそれぞれのRGB色値が必要である。したがって、カメラは、「デモザイク処理」と呼ばれる手法を使用して、すべてのピクセルのところの欠落色値を生成する。
図3Aおよび3Bは、本明細書で開示されているグラディエント補正線形補間のシステムおよび方法の2つの実施例を説明するブロック図である。図3Aおよび3Bは、単に、グラディエント補正線形補間のシステムおよび方法を実装し、使用できるようにする複数の方法のうちの2つにすぎないことに留意されたい。
図3に示され、そこで使用されるグラディエント補正線形補間システム300および方法の動作について説明する。図4は、図3に示されているグラディエント補正線形補間システムの一般的な動作を説明する一般的な流れ図である。グラディエント補正線形補間法は、まず、カラー画像から現在のピクセルを入力することから始まる(ボックス400)。現在のピクセルは、関連付けられた現在の色を持つ。つまり、現在の色は、現在のピクセルのイメージ・センサがフィルタ処理されて受け取る色である。次に、現在のピクセルの所望の色について補間値が計算される(ボックス410)。つまり、現在のピクセルのところの欠落色は、補間されるか、または推定される。例えば、現在の色が緑色であれば、所望の色は赤色かまたは青色である。この補間は、従来技術の補間法であり、線形、双線形、非線形、双三次、およびランチョス補間法を含む、上述の補間法のいずれかを使用する。好ましい実施形態では、双線形補間法が使用される。さらに、補間値を計算するために、所望の色が使用される。所望の色の近隣ピクセルは、一般に、補間値を計算する際に使用される。
図5は、グラディエント補正計算プロセスを例示する一般的な流れ図である。特に、グラディエント補正ゲインが決定される(ボックス500)。後述のように、ゲインは、さまざまな方法で決定することができる。次に、サポート領域は、カラー画像内の現在のピクセルを中心に定義される(ボックス510)。このサポート領域は、現在のピクセルなどの、所定のピクセルに関連付けられた各計算に関して色値が考慮される近傍のピクセルから成るサイズとして定義される。これらの計算は、補間値を計算すること、および補正項(グラディエントなど)を計算することを含む。
以下の公式は、グラディエント補正を使用してピクセル位置で補正された補間値を与えることを示す。グラディエント補正線形補間の方法およびシステムの詳細を例示するために、補間は、双線形補間法で示されている。しかし、他のタイプの補間法も使用できることに留意されたい。
α
は、その特定の補間パターンに対するグラディエント補正ゲインであり、
ΔR(i,j)
は、そのピクセル位置での赤色(R)のグラディエントであり、これは、計算式
グラディエント補正ゲインに対する適切な値を決定するために(α、β、およびγ、上述のように補間パターンのそれぞれについて1つずつ)、Wiener手法が使用されている。つまり、平均平方誤差補間が最小になる値が計算される。この計算は、通常の画像データ集合から計算された二次統計量を使用して実行されている。次に、最適なWiener係数を1/2の小さな累乗の整数倍で近似している。最適なゲイン値の最終的な値は、α=1/2、β=5/8、およびγ=3/4となる。{α,β,γ}の値から、それぞれの補間の場合の等価な線形有限インパルス応答(FIR)フィルタ係数を計算できる。その結果得られた係数の値により、フィルタは、5×5サポート領域に対する最適なWienerフィルタにきわめて近くなる(平均平方誤差に関して5%以内)。
グラディエント補正線形補間の方法およびシステムを、他のさまざまな種類の補間法と比較した。この比較は、よく知られているパブリック・ドメインに置かれているKodakイメージセットを使用し、ベイヤー・サンプリング・アレイをシミュレートし(単に、ピクセル毎にRGB値のそれぞれのただ1つのみを保持するだけ)、その後、さまざまな補間アルゴリズムを適用して実行された。このサブ・サンプリングのアプローチは、実際には、通常慎重なレンズ設計を用いてわずかな量のロー・パス・フィルタ処理を効果的に実行してベイヤー・パターン・サブ・サンプリングによるエイリアシングを低減する、典型的なデジタル・カメラとは、実際的に異なる。しかし、上述のすべての引用論文では、ロー・パス・フィルタ処理なしでサブ・サンプリングだけを実行しており、結果を比較することができるように、同じことを行った。さらに、すべての補間法は、少量のガウス・ローパス・フィルタ処理でテストしてから、ベイヤー・サブ・サンプリングを行ったが、これらの方法の相対的パフォーマンスは、フィルタ処理を行おうと行うまいと、おおよそ同じであった。グラディエント補正線形補間の方法およびシステムは、双線形補間法に比べてピーク信号対雑音比(PSNR)が改善していることを示した。さらに、Freemanbの補間法を除き、ほとんどの方式では、5dBを超える改善が得られる。平均すると、グラディエント補正線形補間の方法およびシステムは、他のほとんどの補間法よりも優れている。
グラディエント補正線形補間の方法およびシステムは、コンピューティング環境で、デジタル・カメラ・システム310またはコンピューティング・デバイス380に収容さられている処理デバイス370などのコンピューティング・デバイス上で動作するように設計されている。次に、グラディエント補正線形補間のおよびシステムが動作するコンピューティング環境について説明する。以下の説明は、グラディエント補正線形補間の方法およびシステムを実装できる適当なコンピューティング環境について簡潔に述べた一般的な説明である。
図3Aおよび3Bに示されているグラディエント補正線形補間システムは多数のプログラム・モジュールを備え、これらのモジュールによりシステム300は単純で効率的な方法によりピクセルの欠落色の高品質の補間を高速に行うことができる。図10は、図3に示されているグラディエント補正線形補間システム300の詳細を例示するブロック図である。そこで、システム300に含まれるプログラム・モジュールについて説明する。
310 デジタル・カメラ・システム
320 各ピクセルの欠落色値
330 センサ基板
340 カラー・フィルタ・アレイ
350 マイクロ・レンズ・アレイ
360 生(RAW)のモザイク・パターンのピクセル・データ
370 処理デバイス
385 インターフェース接続
380 コンピューティング・デバイス
390 各ピクセルの欠落色値
900 コンピューティング・システム環境
910 コンピュータ
920 処理ユニット
921 システム・バス
930 システム・メモリ
934 オペレーティング・システム
935 アプリケーション・プログラム
936 その他のプログラム・モジュール
937 プログラム・データ
940 取り外し不可能不揮発性メモリ・インターフェース
941 ハードディスク・ドライブ
944 オペレーティング・システム
945 アプリケーション・プログラム
946 その他のプログラム・モジュール
947 プログラム・データ
950 取り外し可能不揮発性メモリ・インターフェース
951 磁気ディスク・ドライブ
952 磁気ディスク
955 光ディスク・ドライブ
956 光ディスク
960 ユーザ入力インターフェース
961 マウス
962 キーボード
970 ネットワーク・インターフェース
971 ローカル・エリア・ネットワーク
972 モデム
973 ワイド・エリア・ネットワーク
980 リモート・コンピュータ
985 リモート・アプリケーション・プログラム
990 ビデオ・インターフェース
991 モニタ
995 出力周辺機器インターフェース
996 プリンタ
997 スピーカ
1000 現在のピクセル・セレクタ
1010 補間モジュール
1020 補正項計算モジュール
1030 線形結合モジュール
1100 現在のピクセルのところの所望の色の補間
1020 補正項計算モジュール
1120 グラディエント補正ゲインセレクタ
1130 サポート領域モジュール
1140 グラディエント補正モジュール
1150 グラディエント補正ゲイン適用モジュール
1110 グラディエント補正を調整する
Claims (40)
- カラー画像内の、現在の色を持つ現在のピクセルのところの所望の色を補間する方法であって、
前記所望の色を使用して前記現在のピクセルのところの前記所望の色の補間値を計算すること、
前記現在の色を使用して補正項を計算すること、および
前記補間値と前記補正項とを線形に結合して、前記現在のピクセルのところの前記所望の色の補正された補間値を得ること
を備えることを特徴とする方法。 - さらに、前記補間値を計算する際に前記所望の色の近隣ピクセルを使用することを備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- さらに、前記補正項を計算する際に前記現在のピクセルを使用することを備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- さらに、前記補正項を計算する際に前記現在の色の近隣ピクセルを使用することを備えることを特徴とする請求項3に記載の方法。
- 前記補間は、双線形補間法であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記補正項は、グラディエント補正であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- さらに、グラディエント補正ゲインを前記グラディエント補正値に適用して、前記補間値に線形に結合される前記グラディエント補正の量を決定することを備えることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- さらに、前記補間値と前記補正項とを加算して補正された補間値を得ることを備えることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- イメージ・センサ内の、第1の色を持つ現在のピクセルのところの所望の色を補間するコンピュータにより実装される方法であって、
前記所望の色を持つピクセルを使用して前記現在のピクセルのところの前記所望の色の第1の補間値を計算すること、
前記第1の色を持つピクセルを使用してグラディエント補正を計算すること、および
前記第1の補間値と前記グラディエント補正とを線形に結合して、前記現在のピクセルのところの前記所望の色のグラディエント補正された補間値を得ること
を備えることを特徴とするコンピュータにより実装される方法。 - さらに、グラディエント補正ゲインを前記グラディエント補正に適用して、前記第1の補間値に線形に結合される前記グラディエント補正の量に影響を及ぼすことを備えることを特徴とする請求項9に記載のコンピュータにより実装される方法。
- さらに、前記グラディエント補正ゲインを、平均平方誤差が最小になり、最適なグラディエント補正ゲインを取り出すように、選択することを備えることを特徴とする請求項10に記載のコンピュータにより実装される方法。
- さらに、(a)整数演算、(b)除算なし演算のうちの少なくとも1つを使用して、計算できるようにする、簡素化されたグラディエント補正を出力するように、前記最適なグラディエント補正ゲインを調整することを備えることを特徴とする請求項11に記載のコンピュータにより実装される方法。
- 前記第1の補間値は、線形補間値であることを特徴とする請求項9に記載のコンピュータにより実装される方法。
- 前記線形補間値は、双線形補間値であることを特徴とする請求項13に記載のコンピュータにより実装される方法。
- 前記第1の補間値は、(a)双線形補間値、(b)双三次補間値、(c)ランチョス補間値のうちの少なくとも1つであることを特徴とする請求項9に記載のコンピュータにより実装される方法。
- さらに、
サポート領域を、その値が所定のピクセルに関連付けられた計算に関して考慮される近傍ピクセルからなるサイズとして定義すること、
前記第1の色を持つ前記現在のピクセルに最も近いピクセルを含むように前記サポート領域を選択すること、および
前記サポート領域を使用して前記第1の補間値および前記グラディエント補正を計算することを備えることを特徴とする請求項9に記載のコンピュータにより実装される方法。 - 前記サポート領域は、前記現在のピクセルを中心とする5×5ピクセル領域であることを特徴とする請求項16に記載のコンピュータにより実装される方法。
- 前記サポート領域は、前記現在のピクセルを中心とする5×5ピクセル領域よりも広いことを特徴とする請求項16に記載のコンピュータにより実装される方法。
- 前記第1の補間値は、非線形補間値であることを特徴とする請求項18に記載のコンピュータにより実装される方法。
- さらに、
第1のサポート領域を使用して前記第1の補間値を計算すること、および
第2のサポート領域を使用して前記グラディエント補正を計算すること
を備えることを特徴とする請求項16に記載のコンピュータにより実装される方法。 - 前記第1のサポート領域は、前記第2のサポート領域と異なることを特徴とする請求項20に記載のコンピュータにより実装される方法。
- 請求項9に記載のコンピュータにより実装される方法を実行するためのコンピュータ実行可能命令を有することを特徴とするコンピュータ可読媒体。
- カラー・イメージ・センサ内の現在の色を持つ現在のピクセルのところの欠落赤色−青色−緑色(RGB)データを補間する方法であって、
前記現在のピクセルのところの欠落色に基づき第1の補間法を使用して欠落色推定値を決定すること、
前記現在の色に基づきグラディエント補正を計算すること、
前記グラディエント補正にグラディエント補正ゲインを掛けて、調整済みグラディエント補正を得ること、および
前記欠落色推定値と前記調整済みグラディエント補正とを線形に結合して、前記欠落RGBデータの少なくとも一部に対応する線形補正欠落色推定値を得ることを備えることを特徴とする補間する方法。 - 前記第1の補間法は、双線形補間法であることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記グラディエント補正は、線形演算子であることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- さらに、前記カラー・イメージ・センサの特性に基づいて前記グラディエント補正ゲインを調整すること備えることを特徴とする請求項23に記載の方法。
- 前記カラー・イメージ・センサは、デジタル・カメラ・システム内に組み込まれるており、さらに、前記デジタル・カメラ・システムの特性に基づき前記グラディエント補正ゲインを調整することを備えることを特徴とする請求項26に記載の方法。
- イメージ・センサを備えるデジタル・カメラ・システムにより取り出されるカラー画像内の、第1の色を持つ現在のピクセルの欠落色を線形補間するプロセスであって、
前記現在のピクセルを中心とする第1のサポート領域を定義すること、
前記欠落色を持つ前記第1のサポート領域内のピクセルを使用する補間法を使用することにより前記欠落色を補間して第1の欠落色推定値を得ること、
前記現在のピクセルを中心とする第2のサポート領域を定義すること、
前記現在のピクセルおよび前記第1の色を持つ前記第2のサポート領域内のピクセルを使用してグラディエント補正を計算すること、
使用される前記グラディエント補正の割合を表すグラディエント補正ゲインを前記グラディエント補正に適用すること、および
前記第1の欠落色推定値と前記グラディエント補正とを線形に結合して、前記欠落色のグラディエント補正された推定値を得ること
を備えることを特徴とするプロセス。 - さらに、前記カラー画像の統計量に基づいて前記グラディエント補正ゲインを変更させることを備えることを特徴とする請求項28に記載のプロセス。
- さらに、
前記カラー画像の大域的統計量を測定すること、および
前記の大域的統計量に基づいて前記グラディエント補正ゲインを変更させること
を備えることを特徴とする請求項29に記載のプロセス。 - さらに、
前記カラー画像内のそれぞれの領域について局所的統計量を測定すること、および
前記の局所的統計量に基づいて前記グラディエント補正ゲインを変更させること
を備えることを特徴とする請求項29に記載のプロセス。 - さらに、前記欠落色に基づいて前記グラディエント補正ゲインを計算することを備えることを特徴とする請求項28に記載のプロセス。
- 前記欠落色が緑色である場合に、さらに前記グラディエント補正ゲインを1/2の値に設定することを備えることを特徴とする請求項32に記載のプロセス。
- 前記欠落色が赤色である場合に、さらに前記グラディエント補正ゲインを5/8の値に設定することを備えることを特徴とする請求項32に記載のプロセス。
- 前記欠落色は青色である場合に、さらに前記グラディエント補正ゲインを3/4の値に設定することを備えることを特徴とする請求項32に記載のプロセス。
- 前記第1および第2のサポート領域は、ピクセルの5×5マトリックスであることを特徴とする請求項28に記載のプロセス。
- カラー画像内の、現在の色を持つ所定のピクセルのところの欠落色を補間するグラディエント補正線形補間システムであって、
前記欠落色値の補間値を計算する補間モジュール、
前記補間値に対する補正項を計算する補正項計算モジュール、および
前記補間値と補正項とを線形に結合して、前記所定のピクセルのところの前記欠落色に対する補正された補間値を出力する線形結合モジュール
を備えることを特徴とするグラディエント補正線形補間システム。 - 前記補正項計算モジュールは、さらに、前記所定のピクセルを中心とする前記所定のピクセルの周りのサポート領域のサイズを選択するサポート領域モジュールを備えることを特徴とする請求項37に記載のグラディエント補正線形補間システム。
- 前記補正項計算モジュールは、さらに、前記補間値に線形に結合される補正の量を選択するグラディエント補正セレクタを備えることを特徴とする請求項37に記載のグラディエント補正線形補間システム。
- 前記補正項計算モジュールは、さらに、前記所定のピクセルおよび前記現在の色を持つサポート領域内のピクセルを使用してグラディエント補正を計算するグラディエント補正モジュールを備えることを特徴とする請求項37に記載のグラディエント補正線形補間システム。
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