JP2008109477A - 画像生成装置および画像生成方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】画像撮影装置100は、サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされて配置された複数の撮像素子上に同一のサイズの光学像をそれぞれ同時に結像させることで、同一の時刻に同一の視点上で撮像された複数の低解像度画像を撮影し、画像処理装置300は、超解像アルゴリズムを適用することにより、それらの複数の低解像度画像から高解像度画像を生成する。
【選択図】 図1
Description
この超解像度技術では、同一の撮像対象に対して、互いにサブピクセル単位で撮影位置をずらした複数枚の低解像度画像からサブピクセル単位の分解能を持つ高解像度画像を生成する方法が知られている(非特許文献2)。また、低解像度画像間の微小なずれ量を推定する方法も知られている(特許文献1)。
図15において、高解像度画像を生成する場合、同一の撮像対象5100に対して、互いにサブピクセル単位で撮影位置の変化5821を撮像装置5811に与えながら複数枚の低解像度画像5311を撮像し、これらの複数枚の低解像度画像5311を合成することで高解像度画像を生成する。
図16において、撮影位置をずらしながら複数枚の低解像度画像5311から高解像度画像を生成する方法では、1枚の低解像度画像5311を撮像するごとに露光1202、画像転送1203および撮像位置移動1204が行われる。そして、これらの露光1202、画像転送1203および撮像位置移動1204が複数回繰り返し行われた後、超解像度化1205が行われる。
なお、撮影位置をずらした複数枚の低解像度画像5311から高解像度画像を生成する方法では、高解像度画像の画質が劣化しないようにするために、(1)撮影位置のずれ量のベクトル値が高精度で既知あるいは推定可能であり、(2)低解像度画像5311間での輝度や色の変化がなく、(3)同一の撮像対象5100が時間的かつ空間的に同じ瞬間に撮影されたものであるという条件を満たす必要がある。
また、撮影位置をずらすことなく複数枚の低解像度画像から高解像度画像を生成するために、同一の撮像対象に対して複数の撮像装置で低解像度画像を異なる視点から同時に撮像し、これらの複数枚の低解像度画像を合成することで高解像度画像を生成する方法も知られている。
さらに、高解像度画像を得るために、高分解能の撮像素子を用いた場合においても、半導体製造プロセスの制約によって撮像素子の分解能には限界がある上に、撮像素子の集積度を上げれば感度の低下を招くという問題があった。
そこで、本発明の目的は、同一の時刻に同一の視点上で撮像された低解像度画像から高解像度画像を精度よく生成することが可能な画像生成装置および画像生成方法を提供することである。
また、請求項7記載の画像生成方法によれば、入射ビームを平行ビームに変換するステップと、前記平行ビームを複数の光ビームに分光するステップと、サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされて配置された複数の撮像素子上に、前記分光された光ビームをそれぞれ同時に入射させるステップと、前記複数の撮像素子にて同時に撮像された低解像度画像から高解像度画像を生成するステップとを備えることを特徴とする。
図1は、本発明の第1実施形態に係る画像生成装置の概略構成を示すブロック図である。
図1において、画像生成装置には、複数の低解像度画像を取得する画像取得装置200および複数の低解像度画像から高解像度画像を生成する画像処理装置300が設けられている。そして、画像取得装置200には、サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされるようにして同一の視点から見た複数の低解像度画像を同時に撮影する画像撮影装置100、画像撮影装置100にて撮影された複数の低解像度画像を転送する画像転送装置211、画像取得装置200を画像処理装置300に接続する接続インターフェース212、画像取得装置200に電源を供給する電源装置213が設けられている。
図2において、画像撮影装置100には、入射ビームを平行ビームに変換するテレセントリックレンズ101、テレセントリックレンズ101から出射された平行ビームを複数の光ビームに分光するビームスプリッタ121〜123、ビームスプリッタ121〜123にて分光された光ビームがそれぞれ入射される撮像素子131〜134、ビームスプリッタ121〜123にて分光された光ビームを撮像素子131〜134上にそれぞれ結像させるレンズ141〜144、サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされた状態で撮像素子131〜134を支持する支持体161が設けられている。
また、撮像素子131〜134上の受光量が同一になるようにビームスプリッタ121〜123の透過光と反射光との分光比率を定めることができ、例えば、4個の撮像素子131〜134が設けられている場合、ビームスプリッタ121の透過光と反射光との分光比率は3:1、ビームスプリッタ122の透過光と反射光との分光比率は2:1、ビームスプリッタ123の透過光と反射光との分光比率は1:1に設定することができる。
一方、ビームスプリッタ122にて分光された透過光はビームスプリッタ123に入射し、透過光と反射光に分光される。そして、ビームスプリッタ123にて分光された反射光はレンズ143を介して撮像素子133に入射し、撮像素子131、132上に結像された光学像と同一のサイズの光学像が撮像素子133上に結像される。
なお、ビームスプリッタ121〜123によって撮像素子131〜134の受光量が減少することから、ビームスプリッタ121〜123がない場合に比べて撮像素子131〜134の露光時間を長めに設定することが好ましい。
図3において、テレセントリックレンズ101には、物体側レンズ511、像側レンズ512および絞り521が設けられ、絞り521は物体側レンズ511と像側レンズ512との間に配置されている。ここで、絞り521と像側レンズ512との距離541は、像側レンズ512の焦点距離に等しくなるように設定することができる。
図4において、画像処理装置300には、複数の低解像度画像を記憶する低解像度画像メモリ311、複数の低解像度画像から生成された高解像度画像を記憶する高解像度画像メモリ312、超解像アルゴリズムを適用することにより、複数の低解像度画像から高解像度画像を生成する演算処理部321、画像表示装置350との間で高解像度画像の入出力を行う入出力装置322、演算処理部321にて生成された高解像度画像を記憶する画像データ記憶部331および演算処理部321にて生成された高解像度画像を表示する画像表示装置350が設けられている。
そして、画像取得装置200にて取得された複数の低解像度画像が画像処理装置300に転送されると、それら複数の低解像度画像が低解像度画像メモリ311に記憶される。そして、低解像度画像メモリ311に記憶された複数の低解像度画像は演算処理部321に送られ、超解像アルゴリズムを適用することにより、それらの複数の低解像度画像から高解像度画像が生成され、高解像度画像メモリ312に記憶される。そして、高解像度画像メモリ312に記憶された高解像度画像が画像表示装置350に送られることで、高解像度画像が画像表示装置350に表示される。
図5において、図4の演算処理部321は、複数枚分の低解像度画像データ311を取得すると、複数枚分の低解像度画像間の輝度を調整するために、画素値の正規化411を行う。
ここで、画素値の正規化411の方法としては、以下の式を用いることができる。
d1(x,y)=d0(x,y)/u(i)
ただし、u(i)は観測された低解像度画像の平均輝度、d0(x,y)は変換前の低解像度画像の座標(x,y)における画素値、d1(x,y)は変換後の低解像度画像の座標(x,y)における画素値である。
Y(i)
また、N枚の低解像度画像から生成されるL×L画素のサイズを持つ高解像度画像をベクトル表現し、以下の記号によって表す。
X
そして、これらの低解像度画像Y(i)と高解像度画像Xとの間には、次の関係式が成り立つものとする。
Y(i)=A(i)X+E(i) ・・・(1)
ここで、線形行列A(i)のうち空間変換は既知であるとすることができる。また、光学的ぼかし効果は低解像度画像Y(i)と高解像度画像Xとの間のずれ量に基づいて、ガウス関数と線形和を用いて表すことができる。さらに、アンダーサンプリングは低解像度画像Y(i)のサイズと高解像度画像Xのサイズとによって一意に決定することができる。そして、空間変換、光学的ぼかし効果およびアンダーサンプリングをまとめて結像パラメータ421として表すことができる。
L2≦NM2
例えば、4個の撮像素子131〜134を用いた場合、水平および垂直の解像度を最大で2倍まで上げることができる。また、3個の撮像素子を用いた場合、水平および垂直の解像度を最大で約1.73倍まで上げることができる。
図6において、撮像素子131〜134にて撮像された低解像度画像は画素701〜704からそれぞれ構成されるものとすると、低解像度画像の画素701〜704がサブピクセル単位で互いにずらされるようにして撮像素子131〜134上に光学像が結像される。
そして、低解像度画像の画素701〜704の画素値は、高解像度画像の画素700の空間的移動、ぼかし効果および間引き効果を考慮することで算出することができる。
そして、上述した低解像度画像Y(i)と高解像度画像Xとの間の関係式(1)を番号iについて連立することで、以下の式が得られる。
Y=HX+E ・・・(3)
ただし、Eの期待値について、E[E]=0が成り立つものとする。
また、低解像度画像間のノイズの相関がないものとすると、以下の式が成り立つ。
すなわち、図4の演算処理部321は、設定パラメータ422に基づいて最適化演算処理423を実行することで、高解像度画像Xを求めることができる。
ここで、最適化アルゴリズムにて(3)式の解を求めるために、以下の最適化問題を解くことができる。
また、高解像度画像Xに滑らかさを持たせるために、以下に示すように、滑らかさを考慮した最適化問題を解くことができる。
さらに、高解像度画像Xを確率変数とみなし、その自己相関関数をQとおくと、以下の最適化問題を解くことで、事後確率最大化原理に準じた高解像度画像Xを計算することができる。
例えば、最急降下法に倣って繰り返し演算によって(8)式を解く方法を以下に示す。
第k番目の高解像度画像Xの候補をXkとすると、第k番目の高解像度画像Xkから第(k+1)番目の高解像度画像Xk+1を以下の式によって求める。
Xk+1=Xk−αRT(RXk−P) ・・・(9)
ただし、αは最適化問題を解く際の設定パラメータ422であり、非負の値をとる。
また、αは以下の式にて定義される行列Aのスペクトル半径が1未満になるように選択することができる。
A=I−αRTR
第1番目の高解像度画像X1を設定する方法としては、観測画像それ自体を用いる方法や全ての画素値を一定値とする方法などがある。
そして、(9)式で与えられる繰り返し演算を適当な回数だけ実行することにより、最終的な高解像度画像Xを求めることができる。
また、撮像素子131〜134間のサブピクセル精度の位置ずれが固定されることから、FPGAやDSPを用いたハードウェア処理によって超解像アルゴリズムを実行させることができ、高解像度画像を高速に生成することができる。
なお、撮像素子131〜134間の微小なずれ位置は製造過程によってばらつくことがある。このため、キャリブレーション用のパターンを予め撮影し、各撮像素子131〜134によって撮影された画像の違いから撮像素子131〜134間の微小なずれ位置を決定することができる。そして、この決定された微小なずれ位置を結像パラメータ421として利用することにより、撮像素子131〜134間の微小なずれ位置のばらつきを吸収することができる。
図7において、画像取得装置201には、サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされるようにして同一の時刻に同一の視点から見た複数の低解像度画像を同時に撮影する画像撮影装置100、画像撮影装置100にて撮影された複数の低解像度画像を転送する画像転送装置211、画像取得装置201を計算機301に接続する接続インターフェース212、画像取得装置200に電源を供給する電源装置213が設けられている。さらに、超解像アルゴリズムを適用することにより、複数の低解像度画像から高解像度画像を生成する演算処理部321、複数の低解像度画像や低解像度画像から生成された高解像度画像を記憶するメモリ611が設けられている。そして、画像転送装置211、演算処理部321、メモリ611および接続インターフェース212はバス612を介して互いに接続されている。
また、FPGAやDSPなどの高速プロセッサを演算処理部321に用いることで、低コストで高速に一連の処理を実行し、高解像度画像をリアルタイムで出力させることが可能となる。
図8において、図7のメモリ611へ同時に転送できる画像データが、撮像素子131〜134にてそれぞれ撮像された低解像度画像の1枚分に相当する場合、複数の撮像素子131〜134の露光1002が画像撮影装置100にて行われた後、複数枚の低解像度画像の画像転送1003が1枚ずつ行われ、さらに超解像度化1004が行われる。
図9において、図7のメモリ661へ同時に転送できる画像データが、撮像素子131〜134にてそれぞれ撮像された低解像度画像の枚数分に相当する場合、複数の撮像素子131〜134の露光1102が画像撮影装置100にて一度に行われた後、複数枚の低解像度画像の画像転送1103が一度に行われ、さらに超解像度化1104が行われる。
このため、低解像度画像から高解像度画像を生成するまでにかかる処理時間1101は、(露光1102にかかる時間)+(画像転送1103にかかる時間)+(超解像度化1104にかかる時間)となり、図8の方法よりもさらに短縮することができる。
図10において、画像撮影装置2100には、入射ビームを平行ビームに変換するテレセントリックレンズ2101、テレセントリックレンズ2101から出射された平行ビームを複数の光ビームに分光するビームスプリッタ2121〜2123、ビームスプリッタ2121〜2123にて分光された光ビームがそれぞれ入射される撮像素子2131〜2134、ビームスプリッタ2121〜2123にて分光された光ビームを撮像素子2131〜2134上にそれぞれ結像させるレンズ2141〜2144、ビームスプリッタ2121〜2123にて分光された光ビームを反射させるミラー2124、サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされた状態で撮像素子2131〜2134を同一平面上で支持する支持体2161が設けられている。
一方、ビームスプリッタ2122にて分光された透過光はビームスプリッタ2123に入射し、透過光と反射光に分光される。そして、ビームスプリッタ2123にて分光された反射光はレンズ2143を介して撮像素子133に入射し、撮像素子2131、2132上に結像された光学像と同一のサイズの光学像が撮像素子2133上に結像される。
これにより、撮像素子2131〜2134を同一平面上に配置することを可能としつつ、複数の撮像素子2131〜2134上に同一の視点から見た同一のサイズの光学像をそれぞれ同時に結像させることができ、画質の低下を抑制しつつ、複数の低解像度画像から高解像度画像を生成することが可能となるとともに、撮像素子2131〜2134間のすれのキャリブレーションを効率よく行うことができる。
図11において、画像撮影装置3100には、入射ビームを集光する対物レンズ3101、対物レンズ3101から出射された光ビームを複数の光ビームに分光するビームスプリッタ3121〜3123、ビームスプリッタ3121〜3123にて分光された光ビームがそれぞれ入射される撮像素子3131〜3134、サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされた状態で対物レンズ3101から結像面までの光路長が等しくなるように撮像素子3131〜3134を支持する支持体3161が設けられている。
一方、ビームスプリッタ3122にて分光された透過光はビームスプリッタ3123に入射し、透過光と反射光に分光される。そして、ビームスプリッタ3123にて分光された反射光は撮像素子3133に入射し、撮像素子3131、3132上に結像された光学像と同一のサイズの光学像が撮像素子3133上に結像される。
これにより、テレセントリックレンズ2101を用いることなく、複数の撮像素子2131〜2134上に同一の視点から見た同一のサイズの光学像をそれぞれ同時に結像させることができ、画質の低下を抑制しつつ、複数の低解像度画像から高解像度画像を生成することが可能となるとともに、光学系の簡略化を図ることができる。
図12において、図11の対物レンズ3101が単一のレンズで構成されるものとする。この場合、撮像対象3110の物体面から対物レンズ3101までの距離3644は、対物レンズ3101の焦点距離3646と、対物レンズ3101から撮像素子3134の結像面までの距離3645によってガウスの結像公式にて求めることができる。このガウスの結像公式によれば、撮像素子3134の結像面までの距離3645は比較的長くとれるため、撮像対象3110の物体面から対物レンズ3101までの距離3644は短くなる。このため、対物レンズ3101を単一のレンズで構成する方法は、接写距離が比較的小さな微細構造の観察用途などに適している。また、レンズが1つであるため、製造コストを抑えることができる。
図13において、図11の対物レンズ3101が複数のレンズで構成されるものとする。この場合、対物レンズ3101には、物体側レンズ3711、像側レンズ3712および絞り3721が設けられ、絞り3721は物体側レンズ3711と像側レンズ3712との間に配置される。
図14において、画像撮影装置4100には、入射ビームを集光する対物レンズ4101、対物レンズ4101から出射された光ビームを複数の光ビームに分光するビームスプリッタ4121〜4123、ビームスプリッタ4121〜4123にて分光された光ビームがそれぞれ入射される撮像素子4131〜4134が設けられている。ここで、ビームスプリッタ4122はビームスプリッタ4121の反射光が入射されるようにしてビームスプリッタ4121に接するように配置され、ビームスプリッタ4123はビームスプリッタ4121の透過光が入射されるようにしてビームスプリッタ4121に接するように配置されている。そして、撮像素子4131〜4134は、サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされた状態で対物レンズ4101から結像面までの光路長が等しくなるようにビームスプリッタ4121〜4123にて支持されている。
一方、ビームスプリッタ4121にて分光された透過光はビームスプリッタ4123に入射し、ビームスプリッタ4123にてさらに透過光と反射光に分光される。そして、ビームスプリッタ4123にて分光された透過光は撮像素子4133に入射し、撮像素子4131、4132上に結像された光学像と同一のサイズの光学像が撮像素子4133上に結像される。
これにより、テレセントリックレンズ2101を用いることなく、複数の撮像素子4131〜4134上に同一の視点から撮像された同一のサイズの光学像をそれぞれ同時に結像させることができ、画質の低下を抑制しつつ、複数の低解像度画像から高解像度画像を生成することが可能となるとともに、画像撮影装置のコンパクト化を実現しつつ、光学系の簡略化を図ることができる。
101、2101 テレセントリックレンズ
110、2100、3100、4110 撮像対象
121〜123、2121〜2123、3121〜3123、4121〜4123 ビームスプリッタ
131〜134、2131〜2134、3131〜3134、4131〜4134 撮像素子
141〜144、2141〜2144 レンズ
161、2161、3161 支持体
2124 ミラー
200 画像取得装置
211 画像転送装置
212 接続インターフェース
213 電源装置
300 画像処理装置
311 低解像度画像メモリ
312 高解像度画像メモリ
321 演算処理部
322 入出力装置
331 画像データ記憶部
350 画像表示装置
511、3711 物体側レンズ
512、3712 像側レンズ
521、3721 絞り
700〜704 画素
3101、4101 対物レンズ
Claims (10)
- サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされて配置された複数の撮像素子と、
前記複数の撮像素子上に同一の視点から見た同一のサイズの光学像をそれぞれ同時に結像させる光学系と、
前記撮像素子にて同時に撮像された複数の低解像度画像から高解像度画像を生成する画像処理手段とを備えることを特徴とする画像生成装置。 - 入射ビームを平行ビームに変換するテレセントリックレンズと、
前記テレセントリックレンズから出射された平行ビームを複数の光ビームに分光するビームスプリッタと、
サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされて配置され、前記ビームスプリッタにて分光された光ビームをそれぞれ入射させる複数の撮像素子と、
前記撮像素子にて同時に撮像された複数の低解像度画像から高解像度画像を生成する画像処理手段とを備えることを特徴とする請求項1記載の画像生成装置。 - 入射ビームを集光する対物レンズと、
サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされて配置されるとともに、前記対物レンズから結像面までの光路長が等しくなるように配置された複数の撮像素子と、
前記撮像素子にて同時に撮像された複数の低解像度画像から高解像度画像を生成する画像処理手段とを備えることを特徴とする請求項1記載の画像生成装置。 - 入射ビームを集光する対物レンズと、
前記対物レンズにて集光された光ビームを複数の光ビームに分光するビームスプリッタと、
サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされて配置されるとともに、前記ビームスプリッタによる分光回数が互いに一致するようにして前記対物レンズから結像面までの光路長が等しくなるように配置された複数の撮像素子と、
前記撮像素子にて同時に撮像された複数の低解像度画像から高解像度画像を生成する画像処理手段とを備えることを特徴とする請求項3記載の画像生成装置。 - 前記画像処理手段は、
前記低解像度画像の画素値を正規化する画素値正規化手段と、
ベクトル表現した前記複数の低解像度画像と高解像度画像との関係を線形一次方程式化する線形一次方程式化手段と、
前記線形一次方程式を最適化問題として解くことにより、前記高解像度画像を算出する最適化演算処理手段とを備えることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項記載の画像生成装置。 - サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされて配置された複数の撮像素子上に同一のサイズの光学像をそれぞれ同時に結像させるステップと、
前記複数の撮像素子にて同時に撮像された低解像度画像から高解像度画像を生成するステップとを備えることを特徴とする画像生成方法。 - 入射ビームを平行ビームに変換するステップと、
前記平行ビームを複数の光ビームに分光するステップと、
サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされて配置された複数の撮像素子上に、前記分光された光ビームをそれぞれ同時に入射させるステップと、
前記複数の撮像素子にて同時に撮像された低解像度画像から高解像度画像を生成するステップとを備えることを特徴とする請求項6記載の画像生成方法。 - 入射ビームを対物レンズにて集光するステップと、
サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされて配置されるとともに、前記対物レンズから結像面までの光路長が等しくなるように配置された複数の撮像素子上に、前記集光された光ビームをそれぞれ同時に入射させるステップと、
前記撮像素子にて同時に撮像された低解像度画像から高解像度画像を生成するステップとを備えることを特徴とする請求項6記載の画像生成方法。 - 入射ビームを対物レンズにて集光するステップと、
前記対物レンズにて集光された光ビームを複数の光ビームに分光するステップと、
サブピクセル単位で互いに撮像位置がずらされて配置されるとともに、前記分光回数が互いに一致するようにして前記対物レンズから結像面までの光路長が等しくなるように配置された複数の撮像素子上に、前記分光された光ビームをそれぞれ同時に入射させるステップと、
前記撮像素子にて同時に撮像された低解像度画像から高解像度画像を生成するステップとを備えることを特徴とする請求項8記載の画像生成方法。 - 前記低解像度画像から高解像度画像を生成するステップは、
前記低解像度画像の画素値を正規化するステップと、
ベクトル表現した前記複数の低解像度画像と高解像度画像との関係を線形一次方程式化するステップと、
前記線形一次方程式を最適化問題として解くことにより、前記高解像度画像を算出するステップとを備えることを特徴とする請求項6から9のいずれか1項記載の画像生成方法。
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