JP2009146231A - Super-resolution method and super-resolution program - Google Patents

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Shinichi Maeda
新一 前田
Atsunori Kanemura
厚範 兼村
Makoto Ishii
信 石井
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a super-resolution method, capable of automatically detecting a shielding object to attain accurate super-resolution. <P>SOLUTION: A shielding pattern is defined as a probability variable which takes a discrete value for each pixel of an observation image, and it is assumed that an observation image that does not correspond to an original image is obtained in an area where a shielding object or the like is present. A probability distribution of the probability variables expressing the shielding patterns is modeled as spin glass, and the shielding object or the like is expressed as a continuous area of an optional shape by reflecting the property of the shielding object or the like in which it is frequently connected in a spatially smooth manner. Since the presence/absence of shielding is stochastically estimated by the probability distribution expressing a certainty factor of estimation (posterior distribution of the shielding patterns when observed), estimation can be performed according to the certainty factor, and a high-resolution image can be estimated further accurately, compared with a method for deterministically identifying a shielding area. Since the estimation of the shielding patterns and the estimation of the high-resolution image have a strong dependency for the respective estimation results, these are simultaneously estimated without treating them by independent estimation methods. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、複数の低解像度の画像を使用して劣化画像から原画像を高精度に復元する超解像法および超解像プログラムに関するもので、特に、観測画像中に遮蔽物が写り込んだり高ノイズ領域が存在する場合に自動的に遮蔽物等(以下、本明細書において、遮蔽物や高ノイズ領域を総称して遮蔽物等もしくは遮蔽領域と称する。)を除くことが可能な超解像法および超解像プログラムに関する。   The present invention relates to a super-resolution method and a super-resolution program that restores an original image from a degraded image with high accuracy using a plurality of low-resolution images, and in particular, an obstruction is reflected in an observed image. Super solution that can automatically remove a shielding object or the like (hereinafter referred to collectively as a shielding object or a shielding area in this specification). The present invention relates to an imaging method and a super-resolution program.

超解像とは、計算機による画像処理法のうち、特に画像を複数枚撮影し、それらの情報を統合することにより、画素数増大・画質改善された画像を生成する技術をいい、具体的には、カメラ、ビデオなどレンズやCCD(Charge Coupled Device)で構成される結像系に内在する物理的限界を超えて、観測画像の解像度を高めることをいう。カメラ、ビデオなど撮像装置では、レンズやCCDなどの構成部品の品質が撮影される画像の解像度を決定する。また、レンズの収差に起因するボケやCCDの密度に依存するサブサンプリング、さらにCCDのショットノイズなど観測に混入するノイズにより、撮影された画像は、真の観測対象の画像(原画像)よりも劣化したものになる。   Super-resolution is a computer-based image processing method that specifically captures multiple images and integrates the information to generate an image with an increased number of pixels and improved image quality. Means to increase the resolution of the observed image beyond the physical limit inherent in an imaging system composed of a lens such as a camera or video, or a CCD (Charge Coupled Device). In an imaging device such as a camera or a video, the quality of components such as a lens and a CCD determines the resolution of an image to be captured. In addition, due to blur caused by lens aberration, sub-sampling that depends on CCD density, and noise that is mixed in observation, such as CCD shot noise, the captured image is more than the true observation target image (original image). It becomes deteriorated.

撮像装置の物理的な限界を突破した高解像度の画像を得るため、ソフトウエア的な超解像処理を行い、撮像装置の能力を超える高解像度の画像を得る方法が研究されており、撮像対象の物体を僅かずつ異なる位置・角度から撮影した画像を複数枚用意できる場合には、それら複数の観測画像の情報を統計的に処理することで、より高い解像度の画像を生成できることが知られている。   In order to obtain high-resolution images that break through the physical limitations of imaging devices, software super-resolution processing has been studied to obtain high-resolution images that exceed the capabilities of imaging devices. It is known that if a plurality of images obtained by slightly different positions and angles can be prepared, a higher resolution image can be generated by statistically processing the information of the observed images. Yes.

応用現場によっては観測画像中に遮蔽物等が写りこむことがある。しかしながら、上述したような従来の超解像技術は、すべての画像に一貫して目的とする対象物体のみが撮影されていることを前提として設計されていることから、不意の遮蔽等には対応することができず、遮蔽等により乱された低品質なものとなる。例えば、不意の外乱に対応できる超解像法としては、Farsiuらによる高速ロバスト超解像法が知られている(非特許文献1)。これは遮蔽物を明にモデリングするのではなく、各画素で一様な、遮蔽にロバストなL1ノルム基準のノイズ確率分布を仮定したものであるため、遮蔽領域の自動検出は対象外である。   Depending on the application site, there may be a case where a shield or the like is reflected in the observed image. However, the conventional super-resolution technology as described above is designed on the premise that only the target object is captured consistently in all images, so it can cope with unexpected shielding, etc. It is not possible to do so, and the quality is disturbed by shielding or the like. For example, as a super-resolution method that can cope with an unexpected disturbance, a fast and robust super-resolution method by Farsiu et al. Is known (Non-Patent Document 1). This does not explicitly model the shielding object, but assumes a noise probability distribution based on the L1 norm, which is uniform for each pixel and is robust to the shielding. Therefore, automatic detection of the shielding area is out of scope.

一般に、遮蔽物等を検出する画像処理法としては、事前に背景画像を用意しておく背景差分法や、背景画像なしに移動物体を検出するフレーム間差分法、適応的に遮蔽を除去した画像を推定するロバスト背景推定法などが知られている。その他、画像を多数の領域に画像処理によりセグメンテーションして、人手により遮蔽領域をラベリングする方法も存在する。   In general, image processing methods for detecting an occlusion object include a background difference method in which a background image is prepared in advance, an inter-frame difference method in which a moving object is detected without a background image, and an image in which shielding is removed adaptively. There are known robust background estimation methods for estimating. In addition, there is a method in which an image is segmented into a large number of regions by image processing, and a shielding region is labeled manually.

国際公報WO2007/122838号International Publication No. WO2007 / 122838 S. Farsiu, D. Robinson, and P. Milanfar, "Fast and Robust Multiframe Super Resolution," IEEE Trans. Imag. Proc., 13(10), pp. 1327-1344, 2004.S. Farsiu, D. Robinson, and P. Milanfar, "Fast and Robust Multiframe Super Resolution," IEEE Trans. Imag. Proc., 13 (10), pp. 1327-1344, 2004.

従来の超解像技術は、すべての観測画像に一貫して目的とする対象物体のみが撮影されていることを前提としており、対象以外の遮蔽物等が写りこむことを仮定していなかった。しかしながら実際には、例えば衛星写真中の雲や街路写真中の人など、遮蔽物等が写りこみうる状況が少なくない。また遮蔽物等は複数枚の画像ごとに変動しうるものである。このような状況において、従来の超解像技術は、変動する遮蔽物等の影響を受け、非常に低画質な「高解像」度画像を出力してしまうといった問題が生じている。従来の超解像技術が遮蔽等に対応するためには、人間による手作業あるいはまったく独立の画像処理手法によりあらかじめ遮蔽領域を観測画像ごとに特定して超解像法に教える必要があり、また、超解像法は教示された遮蔽領域を除いて超解像をするように設計しなおされなければならなかった。   The conventional super-resolution technique is based on the premise that only the target object is always captured in all observed images, and it is not assumed that a non-target shielding object or the like is reflected. However, in reality, there are many situations in which a shielding object or the like can be reflected, for example, a cloud in a satellite photograph or a person in a street photograph. Further, the shielding object or the like can vary for each of a plurality of images. In such a situation, the conventional super-resolution technique is affected by a fluctuating shield or the like, and a problem arises that a very high-quality “high-resolution” degree image is output. In order for conventional super-resolution technology to deal with occlusion, etc., it is necessary to specify the occlusion area for each observation image in advance by manual operation by a human or completely independent image processing technique, and to teach super-resolution method. The super-resolution method had to be redesigned to super-resolve except for the taught shielding area.

上記問題点に鑑み、本発明は、自動的に遮蔽物等を検出し、高精度の超解像を実現することを可能とする超解像法および超解像プログラムを提供することを目的とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a super-resolution method and a super-resolution program that can automatically detect a shielding object or the like and realize high-precision super-resolution. To do.

上記目的を達成するため、本発明の第1の観点の超解像法は、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力するステップと、
(2)遮蔽パターンを複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数として表現しその確率分布を定義するステップと、
(3)遮蔽パターンの事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定するステップと、
(4)推定した遮蔽パターンの事後分布を用いて、遮蔽パターンを同定し前記低解像度の観測画像から除外するステップと、を備えたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the super-resolution method of the first aspect of the present invention is:
(1) inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) expressing the shielding pattern as a random variable that takes discrete values for each pixel of a plurality of low-resolution observation images and defining the probability distribution;
(3) estimating the posterior distribution of the shielding pattern so that the free energy is minimized;
(4) using the estimated posterior distribution of the shielding pattern, identifying the shielding pattern and excluding it from the low-resolution observation image.

本発明の第1の観点の超解像法によれば、自動的に遮蔽物等を検出することができる。
遮蔽パターンを観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数と定義し、遮蔽物等が存在する領域では原画像に対応しない観測画像が得られることを仮定する。遮蔽の有無を推定の確信度を表現する確率分布(観測が与えられたときの遮蔽パターンの事後分布)によって確率的に推定するため、確信度に応じた推定を行え、決定論的に遮蔽領域を同定する手法に比べてより高精度に遮蔽パターンの推定ができる。
According to the super-resolution method of the first aspect of the present invention, a shield or the like can be automatically detected.
The shielding pattern is defined as a random variable that takes a discrete value for each pixel of the observation image, and it is assumed that an observation image that does not correspond to the original image is obtained in an area where a shielding object or the like exists. Since the probability of the presence or absence of occlusion is estimated probabilistically by the probability distribution (the posterior distribution of the occlusion pattern when an observation is given) The shielding pattern can be estimated with higher accuracy than the method of identifying the.

また、本発明の第2の観点の超解像法は、原画像に関連する複数の低解像度の観測画像から高解像度の画像を生成するための方法であって、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力するステップと、
(2)高解像度の画像の事前分布を定義するステップと、
(3)既知の遮蔽パターンを入力するステップと、
(4)前記遮蔽パターンを前記低解像度の観測画像から除外するステップと、
(5)高解像度の画像の事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定するステップと、
(6)前記ステップ(5)で推定した高解像度の画像の事後分布を用いて、高解像度の画像を生成するステップと、を備えたことを特徴とする。
The super-resolution method according to the second aspect of the present invention is a method for generating a high-resolution image from a plurality of low-resolution observation images related to an original image,
(1) inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) defining a prior distribution of the high resolution image;
(3) inputting a known shielding pattern;
(4) excluding the shielding pattern from the low-resolution observation image;
(5) estimating a posterior distribution of the high resolution image so that free energy is minimized;
(6) A step of generating a high resolution image using the posterior distribution of the high resolution image estimated in the step (5) is provided.

本発明の第2の観点の超解像法によれば、既知の遮蔽パターンを用いて、自動的に遮蔽物等を検出して、遮蔽物等が存在する領域では原画像に対応しない観測画像が得られると仮定して観察画像から除外し、高解像度の画像の事後分布を自由エネルギが最小化されるように推定することにより高精度の超解像を実現する。   According to the super-resolution method of the second aspect of the present invention, an observation image that does not correspond to the original image in a region where a shielding object or the like is detected by using a known shielding pattern and automatically detecting the shielding object or the like. Is obtained from the observed image, and the posterior distribution of the high-resolution image is estimated so as to minimize the free energy, thereby realizing high-precision super-resolution.

また、本発明の第3の観点の超解像法は、原画像に関連する複数の低解像度の観測画像から高解像度の画像を生成するための方法であって、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力するステップと、
(2)高解像度の画像の事前分布を定義するステップと、
(3)遮蔽パターンを複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数として表現しその確率分布を定義するステップと、
(4)高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定するステップと、
(5)前記ステップ(4)で推定した高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を用いて、高解像度の画像を生成するステップと、を備えたことを特徴とする。
The super-resolution method according to the third aspect of the present invention is a method for generating a high-resolution image from a plurality of low-resolution observation images related to an original image,
(1) inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) defining a prior distribution of the high resolution image;
(3) expressing the shielding pattern as a random variable that takes discrete values for each pixel of a plurality of low-resolution observation images and defining the probability distribution;
(4) estimating the posterior distribution of the high resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern so that the free energy is minimized;
(5) A step of generating a high-resolution image using the posterior distribution of the high-resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern estimated in step (4) is provided.

原画像に対して、位置ずれ、回転、ボケ、低解像化、ノイズなどが加わることで、観測画像が得られるというのは一般的な状況である。このように劣化された観測画像から原画像を復元する解像は、劣化が不可逆過程であるため、たとえ劣化過程が既知であったとしても直接には不可能であるが、観測画像が複数あり劣化過程が観測画像ごとに異なる場合は、それら複数の観測画像について一種の多数決を用いることで推定できる。この多数決には、統計的推定法の一種であるベイズ推定の手法、例えば、自由エネルギの最小化を用いることで、高精度の解像が可能となる超解像を実現する。   It is a general situation that an observation image can be obtained by adding positional deviation, rotation, blur, low resolution, noise, and the like to the original image. The resolution to restore the original image from the observed image degraded in this way is an irreversible process, so even if the degradation process is known, it is not possible directly, but there are multiple observed images. When the degradation process differs for each observation image, it can be estimated by using a kind of majority vote for the plurality of observation images. In this majority decision, by using a Bayesian estimation method, which is a kind of statistical estimation method, for example, minimization of free energy, super-resolution capable of high-precision resolution is realized.

ここで、従来、観測過程のモデルとしては、フレーム間移動,ボケ,画素数減少,ノイズのみが仮定されているのに対して、本発明の超解像法は、これらに加えて観測過程のモデルに様々な形状の遮蔽物等が存在する可能性を仮定した。
すなわち、遮蔽パターンを観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数と定義したのである。すなわち、遮蔽物等が存在する領域では原画像から期待される画素値とは大きく異なりえることを仮定するのである。遮蔽領域、非遮蔽領域の判断は推定の確信度を表現する確率分布(観測が与えられたときの遮蔽パターンの事後分布)によって確率的に行われるため、確信度に応じた推定を行うことが可能となり、決定論的に遮蔽領域を同定する手法に比べてより高精度に高解像度画像の生成ができることになる。
Here, conventionally, as the model of the observation process, it is assumed that only the movement between frames, the blur, the number of pixels is reduced, and the noise, the super-resolution method of the present invention, in addition to these, We assumed the possibility that there were various shapes of shields in the model.
That is, the shielding pattern is defined as a random variable that takes a discrete value for each pixel of the observation image. That is, it is assumed that the pixel value expected from the original image can be greatly different in the region where the shielding object or the like exists. Judgment of occluded area and non-occluded area is made probabilistically by the probability distribution (the posterior distribution of the occluded pattern when observation is given) expressing the certainty of estimation. As a result, it is possible to generate a high-resolution image with higher accuracy than a method of deterministically identifying the occluded region.

ここで、観測画像の画素ごとに離散値をとる確率分布は、スピングラスモデルであることが好ましい。スピングラスモデル化することで、遮蔽物等は空間的になめらかに接続する(つながっている)ことが多いという性質を反映することが可能となり、遮蔽物等を任意の形状の連続領域として表現することができる。   Here, the probability distribution that takes a discrete value for each pixel of the observed image is preferably a spin glass model. By creating a spin glass model, it is possible to reflect the property that shielding objects are often connected (connected) smoothly and spatially, and the shielding objects are represented as continuous regions of any shape. be able to.

また、自由エネルギが最小化されるように推定するステップにおいて、更に、原画像の劣化過程のパラメータも同時に、自由エネルギが最小化されるように推定することが好ましい。   In the step of estimating the free energy to be minimized, it is preferable to estimate the parameters of the degradation process of the original image so that the free energy is minimized.

なお、真の事後確率分布を厳密計算することは不可能であるため、真の分布を近似する。 近似は、真の分布を自由エネルギの最小化など何らかの基準に基づいて計算可能な分布(試験確率分布)に近づけることで達成される。 高解像度画像と遮蔽パターンの事後分布を近似的に求めることで、遮蔽パターンの推定による遮蔽物除去と超解像の両方を自動的にかつ同時に実現できるものである。遮蔽領域、非遮蔽領域の推定と高解像度画像の推定は、互いの推定結果に強く依存する関係があるため、これらを独立の推定方法で取り扱わず、同時に推定できることも高精度な高解像画像生成に寄与する。   Since it is impossible to strictly calculate the true posterior probability distribution, the true distribution is approximated. The approximation is achieved by bringing the true distribution closer to a distribution (test probability distribution) that can be calculated based on some criterion such as minimization of free energy. By approximately obtaining the posterior distribution of the high-resolution image and the shielding pattern, both the removal of the shielding object and the super-resolution by the estimation of the shielding pattern can be realized automatically and simultaneously. The estimation of the occluded area and non-occluded area and the estimation of the high-resolution image are strongly dependent on each other's estimation results, so they can be estimated at the same time without using an independent estimation method. Contributes to generation.

また、本発明の第4の観点の超解像法は、原画像に関連する複数の低解像度の観測画像から高解像度の画像を生成するための方法であって、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力するステップと、
(2)高解像度の画像の事前分布を定義するステップと、
(3)遮蔽パターンを前記複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数として表現しその確率分布を定義するステップと、
(4)高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定するステップと、
(5)高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布が収束するまで、前記ステップ(4)を反復するステップと、
(6)前記ステップ(5)で収束した高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を用いて、高解像度の画像を生成するステップと、を備えたことを特徴とする。
The super-resolution method of the fourth aspect of the present invention is a method for generating a high-resolution image from a plurality of low-resolution observation images related to an original image,
(1) inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) defining a prior distribution of the high resolution image;
(3) expressing the shielding pattern as a random variable that takes discrete values for each pixel of the plurality of low-resolution observation images and defining the probability distribution;
(4) estimating the posterior distribution of the high resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern so that the free energy is minimized;
(5) repeating step (4) until the posterior distribution of the high-resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern converge;
(6) A step of generating a high resolution image using the posterior distribution of the high resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern converged in the step (5) is provided.

本発明の超解像法においては、高解像度画像と遮蔽パターンを隠れ変数とし、それらの確率分布(のパラメータ)と、位置ズレなどのパラメータとを、適当なコスト関数(自由エネルギ)を最適化する方法(変分EMアルゴリズム)を用いている。これらの確率分布、または確率分布のパラメータは同時に最適化することも、交互に最適化することも可能である。どちらの場合でもこれらの確率分布、または確率分布のパラメータに関しての自由エネルギが最小となるようにパラメータを収束させるのである。   In the super-resolution method of the present invention, the high-resolution image and the shielding pattern are hidden variables, their probability distribution (parameters) and parameters such as positional deviation are optimized with an appropriate cost function (free energy). (Variation EM algorithm) is used. These probability distributions or the parameters of the probability distribution can be optimized simultaneously or alternately. In either case, the parameters are converged so that the free energy for these probability distributions or the parameters of the probability distribution is minimized.

次に、本発明の第1の観点の超解像プログラムは、コンピュータに、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力する手順と、
(2)遮蔽パターンを複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数として表現しその確率分布を定義する手順と、
(3)遮蔽パターンの事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定する手順と、
(4)推定した遮蔽パターンの事後分布を用いて、遮蔽パターンを同定し前記低解像度の観測画像から除外する手順と、を実行させるものである。
Next, a super-resolution program according to the first aspect of the present invention is stored in a computer.
(1) a procedure for inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) A procedure for expressing a shielding pattern as a random variable having a discrete value for each pixel of a plurality of low-resolution observation images and defining the probability distribution;
(3) a procedure for estimating the posterior distribution of the shielding pattern so that the free energy is minimized;
(4) Using the estimated posterior distribution of the shielding pattern, the procedure for identifying the shielding pattern and excluding it from the low-resolution observation image is executed.

上述した本発明の第1の観点の超解像法をコンピュータに実行させるプログラムであり、観測画像データファイルをコンピュータに読み込ませ、遮蔽パターンを複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数として表現した確率分布の定義ファイルを用いて、推定処理と除外処理を行うものである。   A program for causing a computer to execute the super-resolution method according to the first aspect of the present invention described above, causing an observation image data file to be read by a computer, and a shielding pattern to be obtained for each pixel of a plurality of low-resolution observation images. The estimation process and the exclusion process are performed using a probability distribution definition file expressed as a random variable.

次に、本発明の第2の観点の超解像プログラムは、コンピュータに、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力する手順と、
(2)高解像度の画像の事前分布を定義する手順と、
(3)既知の遮蔽パターンを入力する手順と、
(4)前記遮蔽パターンを前記低解像度の観測画像から除外する手順と、
(5)高解像度の画像の事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定する手順と、
(6)前記手順(5)で推定した高解像度の画像の事後分布を用いて、高解像度の画像を生成する手順と、
を実行させるものである。
Next, a super-resolution program according to the second aspect of the present invention is stored in a computer.
(1) a procedure for inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) a procedure for defining a prior distribution of a high resolution image;
(3) a procedure for inputting a known shielding pattern;
(4) a procedure for excluding the shielding pattern from the low-resolution observation image;
(5) a procedure for estimating the posterior distribution of the high resolution image so that the free energy is minimized;
(6) A procedure for generating a high resolution image using the posterior distribution of the high resolution image estimated in the procedure (5),
Is to execute.

上述した本発明の第2の観点の超解像法をコンピュータに実行させるプログラムであり、観測画像データファイルをコンピュータに読み込ませ、遮蔽パターンを既知として、高解像度の画像を推定するものである。   A program for causing a computer to execute the super-resolution method according to the second aspect of the present invention described above, which reads an observed image data file into a computer and estimates a high-resolution image with a known shielding pattern.

次に、本発明の第3の観点の超解像プログラムは、コンピュータに、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力する手順と、
(2)高解像度の画像の事前分布を定義する手順と、
(3)遮蔽パターンを複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数として表現しその確率分布を定義する手順と、
(4)高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定する手順と、
(5)前記手順(4)で推定した高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を用いて、高解像度の画像を生成する手順と、
を実行させるものである。
Next, a super-resolution program according to the third aspect of the present invention is stored in a computer.
(1) a procedure for inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) a procedure for defining a prior distribution of a high resolution image;
(3) A procedure for expressing a shielding pattern as a random variable that takes discrete values for each pixel of a plurality of low-resolution observation images and defining a probability distribution thereof;
(4) a procedure for estimating the posterior distribution of the high-resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern so that the free energy is minimized;
(5) A procedure for generating a high-resolution image using the posterior distribution of the high-resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern estimated in step (4);
Is to execute.

上述した本発明の第3の観点の超解像法をコンピュータに実行させるプログラムである。遮蔽パターンを観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数と定義し、遮蔽物等が存在する領域では原画像に対応しない観測画像が得られることを仮定し、遮蔽の有無を推定の確信度を表現する確率分布(観測が与えられたときの遮蔽パターンの事後分布)によって確率的に推定することにより、高解像度画像の推定を行う。遮蔽パターンの推定と高解像度画像の推定は、互いの推定結果に強い依存関係があるため、これらを独立の推定方法で取り扱わず、同時に推定するものである。   A program for causing a computer to execute the super-resolution method according to the third aspect of the present invention described above. Shielding pattern is defined as a random variable that takes discrete values for each pixel of the observed image, and it is assumed that an observed image that does not correspond to the original image will be obtained in an area where there is an obstacle, etc. A high-resolution image is estimated by probabilistic estimation using a probability distribution that expresses (the posterior distribution of the shielding pattern when observation is given). Since the estimation of the occlusion pattern and the estimation of the high-resolution image have a strong dependency relationship between the estimation results, they are estimated simultaneously without being handled by an independent estimation method.

次に、本発明の第4の観点の超解像プログラムは、コンピュータに、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力する手順と、
(2)高解像度の画像の事前分布を定義する手順と、
(3)遮蔽パターンを前記複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数として表現しその確率分布を定義する手順と、
(4)高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定する手順と、
(5)高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布が収束するまで、前記手順(4)を反復する手順と、
(6)前記手順(5)で収束した高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を用いて、高解像度の画像を生成する手順と、
を実行させるものである。
Next, a super-resolution program according to a fourth aspect of the present invention is stored in a computer.
(1) a procedure for inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) a procedure for defining a prior distribution of a high resolution image;
(3) a procedure for expressing the shielding pattern as a random variable having a discrete value for each pixel of the plurality of low-resolution observation images and defining the probability distribution;
(4) a procedure for estimating the posterior distribution of the high-resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern so that the free energy is minimized;
(5) repeating the procedure (4) until the posterior distribution of the high-resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern converge;
(6) A procedure for generating a high resolution image using the posterior distribution of the high resolution image converged in the procedure (5) and the posterior distribution of the shielding pattern;
Is to execute.

上述した本発明の第4の観点の超解像法をコンピュータに実行させるプログラムである。高解像度画像と遮蔽パターンを隠れ変数とし、それらの確率分布(のパラメータ)と、位置ズレなどのパラメータとを、適当なコスト関数(自由エネルギ)を最適化する処理(変分EMアルゴリズム)をコンピュータに実行させるものである。確率分布または確率分布のパラメータに関して、自由エネルギが最小となるようにパラメータを収束させるようコンピュータに実行させる。   A program for causing a computer to execute the super-resolution method according to the fourth aspect of the present invention described above. Using high-resolution images and occlusion patterns as hidden variables, processing (variation EM algorithm) that optimizes the appropriate cost function (free energy) of those probability distributions (parameters) and positional deviation parameters To be executed. With respect to the probability distribution or the parameters of the probability distribution, the computer is caused to converge so that the free energy is minimized.

本発明の超解像法および超解像プログラムによれば、明示的な人間による遮蔽領域の教示もしくは超解像とは独立の遮蔽検出法を必要とせず、自動的に遮蔽領域、非遮蔽領域を推定できる効果がある。 さらにそれらの遮蔽領域、非遮蔽領域の判断は推定の確信度を表現する確率分布(観測が与えられたときの遮蔽パターンの事後分布)によって確率的に行われるため、確信度に応じた推定を行うことが可能となり、より高精度に高解像度画像を生成することができるといった効果がある。高解像度画像も事後確率分布の形で確率的に推定できるが、例えばその確率分布の平均を求めることで、遮蔽に応じて適切に生成された高解像度画像を得ることができる。 また、遮蔽領域、非遮蔽領域の推定と高解像度画像の推定は、互いの推定結果に強く依存する関係があるため、これらを独立の推定方法で取り扱わず、同時に推定できることも高精度な高解像画像生成に寄与する。   According to the super-resolution method and the super-resolution program of the present invention, an explicit human shield area teaching method or a super-resolution independent shield detection method is not required, and a shield area and a non-shield area are automatically set. There is an effect that can be estimated. Furthermore, since the judgment of those shielding areas and non-shielding areas is performed probabilistically by the probability distribution (the posterior distribution of the shielding pattern when observation is given) expressing the certainty of estimation, estimation according to the certainty is performed. Therefore, there is an effect that a high resolution image can be generated with higher accuracy. A high-resolution image can also be estimated probabilistically in the form of a posterior probability distribution. For example, by obtaining an average of the probability distribution, a high-resolution image appropriately generated according to shielding can be obtained. In addition, the estimation of occluded areas and non-occluded areas and the estimation of high-resolution images are strongly dependent on each other's estimation results, so they can be estimated simultaneously without being handled by independent estimation methods. Contributes to image generation.

以下、図面を参照しつつ、本発明の超解像法および超解像プログラムの実施例を説明する。   Hereinafter, embodiments of the super-resolution method and super-resolution program of the present invention will be described with reference to the drawings.

本発明の超解像法の処理フローに関して、図1を参照しながら順をおって説明する。
(1)先ず、2個以上の低解像度の画像を入力する(ステップS10)。ここで、低解像度の画像とは、原画像に対して、位置ずれ、回転、ボケ、ノイズなどが印加され、レンズの収差に起因するボケやCCDの密度に依存するサブサンプリング,さらにCCDのショットノイズなど観測に混入するノイズによって、劣化された画像を指している。
The processing flow of the super-resolution method of the present invention will be described in order with reference to FIG.
(1) First, two or more low-resolution images are input (step S10). Here, the low-resolution image is applied to the original image by positional deviation, rotation, blur, noise, etc., sub-sampling depending on blur and CCD density caused by lens aberration, and CCD shot. It refers to an image that has been degraded by noise such as noise.

(2)次に、高解像度の画像の事前分布について、局所的な滑らかさ(各画素は近傍の画素と相関を有する)を表現した分布として定義する(ステップS20)。例えば、画像の事前分布を、ガウス分布と定義する。 (2) Next, the prior distribution of the high-resolution image is defined as a distribution expressing local smoothness (each pixel has a correlation with a neighboring pixel) (step S20). For example, the prior distribution of the image is defined as a Gaussian distribution.

(2)遮蔽パターンを前記複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数と定義する(ステップS30)。観測画像として、撮像機器の物理的性質によってノイズの混じった低解像度の観測画像が複数枚得られ、同じシーンを撮影しているものの、そこに何らかの遮蔽等が生じていることを仮定する。遮蔽等は観測画像ごとに変動しても一定でもよい。これは例えば、衛星画像において少しずつ移動する雲が遮蔽として写りこんだ状況、観光地での撮影において風景、建物の前を人が往来し遮るような状況、レンズに汚れや傷が存在する状況などを想定している。このような遮蔽が存在するかどうかを各観測画像の画素ごとに二値変数で表し、その分布をスピングラスモデルで表現する。 (2) The shielding pattern is defined as a random variable that takes a discrete value for each pixel of the plurality of low-resolution observation images (step S30). It is assumed that a plurality of low-resolution observation images mixed with noise are obtained as observation images due to the physical properties of the imaging device and the same scene is shot, but some shielding or the like occurs there. The shielding or the like may vary for each observation image or may be constant. For example, in a satellite image, a cloud that moves little by little appears as a shield, a landscape when shooting at a tourist spot, a situation where people come and go in front of a building, or a lens has dirt or scratches Etc. are assumed. Whether or not such a shield exists is represented by a binary variable for each pixel of each observation image, and its distribution is represented by a spin glass model.

遮蔽パターンを観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数と定義し、遮蔽物等が存在する領域では原画像に対応しない観測画像が得られることを仮定し、また遮蔽パターンを表現する確率変数の確率分布をスピングラスとしてモデル化することで、遮蔽物等は空間的になめらかに接続する(つながっている)ことが多いという性質を反映することが可能となり、遮蔽物を任意の形状の連続領域として表現することができることになる。   The occlusion pattern is defined as a random variable that takes discrete values for each pixel of the observed image, and it is assumed that an observed image that does not correspond to the original image is obtained in the area where the occluded object exists, and the random variable that expresses the occluded pattern By modeling the probability distribution of as a spin glass, it is possible to reflect the property that shielding objects are often connected (connected) smoothly and spatially, and the shielding objects can be continuously connected in any shape. It can be expressed as a region.

以下、記法として、xは、P個の画素数をもつ原画像(P次元のベクトル)を意味し、yは、P個の画素数をもつt番目の観測画像(P次元のベクトル)を意味し、zは、t番目の観察画像の画素それぞれに対して、−1もしくは+1で遮蔽の有無を表す遮蔽パターン(P次元のベクトル)を意味するものとする。
T枚の観測画像yが得られるものとし、それらの観測画像のセットを下式で表す。
Hereinafter, the notation, x is means an original image having a P number H pixels (P H-dimensional vector), y t is, t th observation image (P L dimension with P number L pixels It means a vector) of, z t is intended to mean with respect to each pixel of t th observation image shielding pattern representing the presence or absence of blocking at -1 or +1 (P L-dimensional vectors).
Shall T observed images y t is obtained, representing the set of those observed image by the following expression.

観測において画素ごとに独立にガウスノイズが付加されるものとする。画素iに付加されるガウスノイズの逆分散β が、遮蔽の有無によって異なることとし、以下の式で表す。ここで、ztiは、観測画像yの画素iに遮蔽物による遮蔽が生じているかを示すもので、ztiが+1の時は遮蔽が生じておらず観測が信頼できることを意味し、またztiが−1の時は遮蔽により観測が信頼できないことを意味する。ここで、遮蔽が存在するときに観測ノイズが大きくなることを表現するためβ>βである。 It is assumed that Gaussian noise is added independently for each pixel in observation. The inverse dispersion β i of Gaussian noise added to the pixel i is different depending on the presence or absence of shielding, and is expressed by the following equation. Here, z ti is intended to indicate shielding by shielding the pixel i of observed image y t is occurring, when z ti is +1 means that reliable observations not occur shield, also When z ti is −1, it means that observation is not reliable due to shielding. Here, β H > β L in order to express that the observation noise increases when there is shielding.

ここで、i番目の対角要素をβとするP×Pの対角行列をβ(ztt)と表すと、観測過程の確率モデルは、次式で表される。 Here, the i-th diagonal matrix P L × P L of the diagonal elements and beta i is represented as β (z tt), probabilistic model of the observed process is expressed by the following equation.

は、t番目の観測における位置ズレ、PSFによるボケ、ダウンスケールを表すP×Pの線形変換である。なお、ここでは遮蔽物除去に焦点を絞るため、以下では位置ズレ推定の煩雑さを避けWを既知として取り扱うことにする。 W t is the linear transformation of the P L × P H representing misalignment at t-th observation, blurring due to PSF, the downscale. Here, since the focus on shield removed, it will hereinafter be handled W t avoid the complexity of positional displacement estimation as known.

そして、遮蔽パターンの確率モデルについて、隠れ変数zの事前分布は、下式のボルツマンマシンモデルによって与えられる。   For the probability model of the shielding pattern, the prior distribution of the hidden variable z is given by the following Boltzmann machine model.

またエネルギ関数E(z,J)は下式で定義される。   The energy function E (z, J) is defined by the following equation.

ただし、i〜jは画素iと画素jとが互いに近傍であることを示し、ここでは、上下左右に隣接する画素が近傍であるものとした。自己結合Jは、zが+1もしくは−1をとりやすくするバイアスをかける効果をもち、想定される遮蔽の大きさに関する事前知識を表現する。スピン間結合Jijは、スピン同士の相関を表現する。ここでは、近傍関係にある画素i,j間の結合を正の定数(Jij>0)とすることで、近傍関係にあるzとzとが同じ値をとりやすくし、遮蔽が空間的に連続する物体によって生じるという事前知識を表現することとした。 However, i to j indicate that the pixel i and the pixel j are close to each other, and here, the pixels adjacent in the vertical and horizontal directions are close. The self-coupling J i has an effect of biasing z i to easily take +1 or −1, and expresses prior knowledge about an assumed shielding size. The inter-spin coupling J ij represents the correlation between spins. Here, by making the coupling between the pixels i and j in the proximity relationship a positive constant (J ij > 0), it becomes easy for z i and z j in the neighborhood relationship to have the same value, and the shielding is space. To express prior knowledge that is caused by continuous objects.

(3)次に、高解像度の画像の事後分布、遮蔽パターンの事後分布、および原画像の劣化過程のパラメータを推定する(ステップS40)。直接事後分布を計算するには、2Po個の項からなる和を求めねばならないが、現実的な時間では不可能である。
本発明は、現実的な時間で算出すべく、試験分布を計算の容易な形にとった変分EM(Expectation-Maximization)アルゴリズムを用いている。
変分EMアルゴリズムは、近似的な事後分布(試験確率分布)と最尤パラメータを求めるための計算手順であり、自由エネルギを試験確率分布とパラメータに関して最適化するアルゴリズムである。変分学習アルゴリズムを用いると、直接に事後分布を計算するのが困難な場合にでも、より計算の容易となるような試験確率分布を仮定して自由エネルギを計算することで効率的に近似的な事後分布と最尤パラメータを求めることができるのである。
(3) Next, the posterior distribution of the high-resolution image, the posterior distribution of the shielding pattern, and the parameters of the degradation process of the original image are estimated (step S40). To directly calculate the posterior distribution, a sum of 2 Po terms must be obtained, but this is not possible in a realistic time.
The present invention uses a variational EM (Expectation-Maximization) algorithm in which the test distribution is in a form that is easy to calculate in order to calculate in a realistic time.
The variational EM algorithm is a calculation procedure for obtaining an approximate posterior distribution (test probability distribution) and a maximum likelihood parameter, and is an algorithm for optimizing free energy with respect to the test probability distribution and parameters. Using the variational learning algorithm, even if it is difficult to calculate the posterior distribution directly, it is possible to efficiently approximate by calculating the free energy assuming a test probability distribution that makes the calculation easier. Posterior distributions and maximum likelihood parameters can be obtained.

変分EMアルゴリズムは、自由エネルギF[q,θ]の交代最小化として定式化される。自由エネルギF[q,θ]は,確率密度関数qの汎関数かつモデルパラメタθの関数であり、下式のように定義される。 The variational EM algorithm is formulated as alternating minimization of free energy F [q, θ]. The free energy F [q, θ] is a functional of the probability density function q and a function of the model parameter θ, and is defined as the following equation.

変分EMアルゴリズムの実行に際しては、まず適当なモデルパラメタの初期値θを用意する。変分EMアルゴリズムの第l(>1)反復における計算は、下式で表されるEステップとMステップの2ステップからなる。収束に至るまで反復してEステップとMステップの計算をくりかえし、収束したときのθlをモデルパラメタの推定値とする(ステップS50)。 In executing the variational EM algorithm, first, an initial value θ 0 of an appropriate model parameter is prepared. The calculation in the l (> 1) iteration of the variational EM algorithm consists of two steps of E step and M step represented by the following equation. The calculation of E step and M step is repeated until convergence, and θ l at the time of convergence is used as an estimated value of the model parameter (step S50).

以上説明したように、遮蔽の有無を推定の確信度を表現する確率分布(観測が与えられたときの遮蔽パターンの事後分布)によって確率的に推定することで、確信度に応じた推定を行うことが可能となり、決定論的に遮蔽領域を同定する手法に比べてより高精度に高解像度画像の推定ができるのである。遮蔽パターンの推定と高解像度画像の推定は、互いの推定結果に強く依存する関係があるため、これらを独立の推定方法で取り扱わず、同時に推定できることも高精度な高解像画像生成に寄与することとなる。   As explained above, the estimation based on the certainty is performed by probabilistically estimating the presence / absence of the occlusion by the probability distribution (the posterior distribution of the occlusion pattern when the observation is given) expressing the certainty of the estimation. As a result, it is possible to estimate a high-resolution image with higher accuracy than the method of deterministically identifying the occluded region. Occlusion pattern estimation and high-resolution image estimation are highly dependent on each other's estimation results, so they can be estimated at the same time without using an independent estimation method, which contributes to high-resolution image generation with high accuracy. It will be.

ステップS40における高解像度の画像と遮蔽パターンの事後分布の推定は、指数オーダの項からなる和を含むことから、現実的な時間で計算するのは困難である。そこで、本発明では、試験分布q を任意の確率分布にとるのではなく、自由エネルギの計算が可能であるような簡単な形に限定することで変分EMアルゴリズムを実行可能とするのである。すなわち、試験分布q(z,x)を次元ごとに独立に因子分解された下式で表される分布にとるのである。   The estimation of the posterior distribution of the high-resolution image and the shielding pattern in step S40 includes a sum composed of terms in the exponent order, and is difficult to calculate in a realistic time. Therefore, in the present invention, the variational EM algorithm can be executed by limiting the test distribution q to a simple form that allows calculation of free energy, instead of taking an arbitrary probability distribution. That is, the test distribution q (z, x) is a distribution represented by the following equation that is factorized independently for each dimension.

上式により定義される試験分布は、高解像度画像xと各観測画像の各画素の遮蔽の有無を表す隠れ変数ztiが独立である。 The test distribution defined by the above equation is independent of the high-resolution image x and the hidden variable z ti that represents the presence or absence of shielding of each pixel of each observation image.

ここで、自由エネルギを最小にする最適試験分布は次のように与えられる。   Here, the optimum test distribution that minimizes the free energy is given as follows.

但し、それぞれの最適試験分布のパラメータは次の通りである。   However, the parameters of each optimum test distribution are as follows.

(4)図1に示されるフローで、最後に、推定した高解像度の画像の事後分布と遮蔽パターンの事後分布とパラメータを用い、高解像度の画像を生成する(ステップS60)。
これにより、遮蔽等の影響が取り除かれた高精度の高解像度の画像を復元することができる。
(4) Finally, in the flow shown in FIG. 1, a high-resolution image is generated using the estimated posterior distribution of the high-resolution image, the posterior distribution of the shielding pattern, and parameters (step S60).
Thereby, it is possible to restore a high-precision and high-resolution image from which the influence of shielding or the like has been removed.

以下に示す実施例で、本超解像法の特徴である自動的に遮蔽パターンの検出を行うものの有用性を検証するために、遮蔽を仮定しない超解像法との比較実験を行う。   In the embodiment shown below, in order to verify the usefulness of automatically detecting a shielding pattern, which is a feature of this super-resolution method, a comparison experiment with a super-resolution method that does not assume shielding is performed.

原画像として、図2に示す大きさ512×512のLenna標準画像を用いる。観測画像は、原画像(図2)に対して、人為的に位置ズレ、ボケ、ダウンスケール(縦横1/4倍に縮小)、さらに正規ノイズ(遮蔽パターン)の付与を施し、128×128のサイズの低解像度画像を15枚生成している。15枚の観測画像のうちの1枚を図3に示す。ノイズの大きさは画素ごとに異なり、図4に示す遮蔽パターンに応じて、黒(高ノイズ領域と定義)と白(低ノイズ領域と定義)とに変化させたものである。具体的には、縦方向、横方向ともに−2ピクセルから+2ピクセルの間の一様分布からの乱数によってシフト量を定め、−4/(180π)ラジアンから4/(180π)ラジアンの一様分布からの乱数によって回転量を定めている。レンズによるボケとして標準偏差が2(ピクセル) のガウスPSF(PSF:Point Spread function;点拡がり関数)を用い、その後、拡大率r がr=4となるようにダウンスケールを施し、最後に遮蔽の有無を表す隠れ変数zを図4のように生成し、zti=−1では10dB、zti=+1では40dBとなる観測ノイズを付加した。 As the original image, a Lenna standard image having a size of 512 × 512 shown in FIG. 2 is used. The observed image is artificially misaligned, blurred, downscaled (reduced to 1/4 horizontal and vertical), and given normal noise (shielding pattern) to the original image (Fig. 2). Fifteen low-resolution images of the size are generated. One of the 15 observation images is shown in FIG. The magnitude of noise differs for each pixel, and is changed between black (defined as a high noise region) and white (defined as a low noise region) according to the shielding pattern shown in FIG. Specifically, the shift amount is determined by a random number from a uniform distribution between −2 pixels and +2 pixels in both the vertical and horizontal directions, and a uniform distribution of −4 / (180π) radians to 4 / (180π) radians. The amount of rotation is determined by a random number from. A Gaussian PSF (PSF: Point Spread function) with a standard deviation of 2 (pixels) is used as a blur due to the lens, and then down-scale is applied so that the magnification rate r becomes r = 4. A hidden variable z t representing presence / absence is generated as shown in FIG. 4, and an observation noise of 10 dB is added when z ti = −1 and 40 dB is added when z ti = + 1.

図4において、黒がzti=−1、白がzti=+1の画素を表す。このように生成した観測画像について、本発明の超解像法(Ours) を用いて、512×512の高解像度画像の推定を行った。この推定結果と、隠れ変数z を導入せずに画像上に一様な強さの観測ノイズがのるとしたときの結果(Uniform)、単に観測画像の平均を取り、双線形補間を行ったときの結果(Obs. Mean) を比較した。ここでは、推定変数x、z以外のパラメータに関しては既知としている。
各手法による出力画像の評価基準には、下式で定義されるピーク信号対雑音比(PSNR)を用いている。
In FIG. 4, black represents a pixel with z ti = −1, and white represents a pixel with z ti = + 1. With respect to the observation image generated in this manner, a 512 × 512 high-resolution image was estimated using the super-resolution method (Ours) of the present invention. This estimation result and the result when uniform intensity observation noise is on the image without introducing the hidden variable z (Uniform), simply taking the average of the observation image and performing bilinear interpolation We compared the results (Obs. Mean). Here, parameters other than the estimated variables x and z are known.
As an evaluation standard for an output image by each method, a peak signal-to-noise ratio (PSNR) defined by the following equation is used.

ここで、Mは画素値の最大値、xは真の高解像度画像、Pは画像の画素数である。PSNRは平均2乗誤差の負の対数であり、大きいほど性能がよい。PSNRが1dBだけ異なると平均2乗誤差は10倍異なる。
本超解像法により出力されたマスクパターンを図5に示す。かなり正確に真のマスクパターンを再現できていることが理解できる。また、推定された画像を図6に示す。図7は図6の「右目」付近を部分的に拡大したものである。
Here, M is the maximum value of the pixel value, x is the true high resolution images, P H is the number of pixels of the image. PSNR is a negative logarithm of the mean square error. The larger the PSNR, the better the performance. If the PSNR is different by 1 dB, the mean square error is 10 times different.
The mask pattern output by this super-resolution method is shown in FIG. It can be understood that the true mask pattern can be reproduced fairly accurately. The estimated image is shown in FIG. FIG. 7 is a partially enlarged view of the vicinity of the “right eye” in FIG.

上部中央(図6(2))が15枚の観測画像の平均値である。上部右(図6(3))が本超解像法により出力された高解像度画像である。また下部の3つの画像(図6(4)〜(6))は遮蔽を仮定せずに、全ピクセルに一様なノイズを仮定する手法により出力された高解像度画像であり、仮定されたノイズの強さが異なる。下部左(図6(4))は遮蔽領域のノイズ量(高)を、下部右(図6(6))は非遮蔽領域のノイズ量(低)を仮定した出力であり、下部中央(図6(5))は真の画像とのPSNRが最小になるようノイズ量を定めたときの出力である。   The upper center (FIG. 6 (2)) is the average value of 15 observation images. The upper right (FIG. 6 (3)) is a high-resolution image output by this super-resolution method. The lower three images (FIGS. 6 (4) to (6)) are high-resolution images output by a method that assumes uniform noise for all pixels without assuming occlusion. The strength of is different. The lower left (FIG. 6 (4)) is an output assuming the noise amount (high) in the shielding area, and the lower right (FIG. 6 (6)) is the output assuming the noise amount (low) in the non-shielding area. 6 (5)) is an output when the amount of noise is determined so that the PSNR with the true image is minimized.

図7の「右目」付近を部分的に拡大したもので比較すると、本超解像法による出力(図7(3))は、最適な一様ノイズ法の出力(図7(5))に比べて、3.32dB(=31.38−28.06)だけ高いPSNR(したがって低いMSE)を実現しており、遮蔽されていない領域の情報を効率的に利用してより高精細な画像出力ができている。また、視覚的に観察しても、本手法による出力は一様法に比べてよりシャープでノイズの少ない高解像度画像となっている。   Compared with a partially enlarged view of the vicinity of the “right eye” in FIG. 7, the output by this super-resolution method (FIG. 7 (3)) is the output of the optimal uniform noise method (FIG. 7 (5)). In comparison, a high PSNR (and hence a low MSE) of 3.32 dB (= 31.38−28.06) is realized, and higher-definition image output can be performed by efficiently using information in a non-shielded area. Moreover, even when visually observed, the output by this method is a high-resolution image with sharper and less noise than the uniform method.

また、一様な観測ノイズがのることを仮定したUniform の結果は、仮定する観測ノイズの強さを10dBから40dBまでと様々に変えてみたものの、図8に示す通り、PSNRは最高でも29.51dBに留まった。このことから、本発明の超解像法の方法の如く、ノイズが画素ごとに異なるという遮蔽パターンの情報を用いて推定する方が高精細な画像出力が可能なことがわかる。   In addition, Uniform's result assuming that uniform observation noise is present was obtained by changing the assumed observation noise intensity from 10 dB to 40 dB in various ways. However, as shown in FIG. 8, the PSNR is 29.51 at the maximum. Stayed in dB. From this, it can be seen that high-definition image output is possible by using the information of the shielding pattern that the noise is different for each pixel as in the super-resolution method of the present invention.

実施例2では、遮蔽パターンが固定されている状況での超解像の例を示すことにする。すなわち、実施例1では異なる遮蔽パターンを用いて、複数枚の低解像度の画像を生成したのに対して、実施例2では同一の遮蔽パターンを用いて、複数枚の低解像度の画像を生成したものを準備した。同一の遮蔽パターンは、カメラのCCD素子に不良が生じたケース等のモデルである。   In the second embodiment, an example of super-resolution in a situation where the shielding pattern is fixed will be shown. That is, in Example 1, a plurality of low-resolution images were generated using different shielding patterns, whereas in Example 2, a plurality of low-resolution images were generated using the same shielding pattern. I prepared something. The same shielding pattern is a model such as a case where a defect occurs in the CCD element of the camera.

原画像としては、実施例1と同様に、図2に示す大きさ512×512のLenna標準画像を用いる。観測画像は、原画像(図2)に対して、図9に示すような同一の遮蔽パターンを付与し、128×128のサイズの低解像度画像を15枚生成している(図10参照)。図9の遮蔽パターンは、実施例1と同様、黒(高ノイズ領域と定義)と白(低ノイズ領域と定義)で表される。   As the original image, a Lenna standard image having a size of 512 × 512 shown in FIG. As the observed image, the same shielding pattern as shown in FIG. 9 is given to the original image (FIG. 2), and 15 low-resolution images of 128 × 128 size are generated (see FIG. 10). The shielding pattern in FIG. 9 is represented in black (defined as a high noise region) and white (defined as a low noise region), as in the first embodiment.

本発明の超解像法を用いて、生成した128×128のサイズの低解像度画像15枚から縦横4倍にした512×512画像を推定した。出力画像の評価基準には、実施例1と同様にピーク信号対雑音比(PSNR)を用いた。
本超解像法により推定された画像を図11に、推定されたマスクパターンを図12に示す。推定されたマスクパターン(図12(2))は、かなり正確に真のマスクパターン(図12(1))を再現できていることが理解できる。また、図13は図11の「右目」付近を部分的に拡大したものである。
Using the super-resolution method of the present invention, 512 × 512 images that were quadrupled in length and width were estimated from the 15 low-resolution images of 128 × 128 size. As an evaluation criterion for the output image, the peak signal-to-noise ratio (PSNR) was used as in the first embodiment.
FIG. 11 shows an image estimated by this super-resolution method, and FIG. 12 shows an estimated mask pattern. It can be understood that the estimated mask pattern (FIG. 12B) can reproduce the true mask pattern (FIG. 12A) fairly accurately. FIG. 13 is a partially enlarged view of the vicinity of the “right eye” in FIG.

上部中央(図11(2))が15枚の観測画像の平均値である。上部右(図11(3))が本超解像法により出力された高解像度画像である。また下部の3つの画像(図11(4)〜(6))は遮蔽を仮定せずに、全ピクセルに一様なノイズを仮定する手法により出力された高解像度画像であり、仮定されたノイズの強さが異なる。下部左(図11(4))は遮蔽領域のノイズ量(高)を、下部右(図11(6))は非遮蔽領域のノイズ量(低)を仮定した出力であり、下部中央(図11(5))は真の画像とのPSNRが最小になるようノイズ量を定めたときの出力である。   The upper center (FIG. 11 (2)) is the average value of 15 observation images. The upper right (FIG. 11 (3)) is a high-resolution image output by this super-resolution method. The lower three images (FIGS. 11 (4) to (6)) are high-resolution images that are output by a method that assumes uniform noise for all pixels without assuming occlusion. The strength of is different. The lower left (FIG. 11 (4)) is an output assuming the noise amount (high) in the shielding area, and the lower right (FIG. 11 (6)) is the output assuming the noise amount (low) in the non-shielding area. 11 (5)) is an output when the amount of noise is determined so that the PSNR with the true image is minimized.

図11で比較すると、本超解像法による出力(図11(3))は、最適な一様ノイズ法の出力(図11(5))に比べて、1.20dB(=30.06−28.86)だけ高いPSNR(したがって低いMSE)を実現しており、遮蔽されていない領域の情報を効率的に利用してより高精細な画像出力ができている。また、視覚的に観察しても、本手法による出力は一様法に比べてよりシャープでノイズの少ない高解像度画像となっている。   Compared with FIG. 11, the output by this super-resolution method (FIG. 11 (3)) is only 1.20 dB (= 30.06-28.86) compared with the output of the optimal uniform noise method (FIG. 11 (5)). A high PSNR (and hence a low MSE) is realized, and a higher definition image output can be performed by efficiently using information of an unshielded area. Moreover, even when visually observed, the output by this method is a high-resolution image with sharper and less noise than the uniform method.

また、「右目」付近を部分的に拡大した図13で比較すると、本超解像法による出力(図13(3))は、最適な一様ノイズ法の出力(図13(5))に比べて、3.47dB(=31.58−28.10)だけ高いPSNR(したがって低いMSE)を実現しており、遮蔽されていない領域の情報を効率的に利用してより高精細な画像出力ができている。また、視覚的に観察しても、本手法による出力は一様法に比べてよりシャープでノイズの少ない高解像度画像となっている。
なお、拡大した部分は、遮蔽されていない部分であり、遮蔽を仮定せずに全ピクセルに一様な非遮蔽領域のノイズ量(低)を仮定した出力(図13(6))のPSNRの値も大きくなっている。
Further, when comparing the vicinity of the “right eye” with FIG. 13 partially enlarged, the output by this super-resolution method (FIG. 13 (3)) is the output of the optimum uniform noise method (FIG. 13 (5)). In comparison, a high PSNR (and hence a low MSE) of 3.47 dB (= 31.58−28.10) is realized, and higher-definition image output can be performed by efficiently using information in a non-shielded area. Moreover, even when visually observed, the output by this method is a high-resolution image with sharper and less noise than the uniform method.
Note that the enlarged portion is an unshielded portion, and the PSNR of the output (FIG. 13 (6)) assuming a uniform noise amount (low) in the non-shielded region for all pixels without shielding is assumed. The value is also increasing.

次に、実施例3では、人工的なノイズがのったものではなく、実際のカメラで撮影した画像で推定した例について説明する。本実施例は、より現実問題に適しているものと考える。
実施例3では、カメラで本棚を撮影している状況で、カメラレンズの前を右から左に人が横切るケースを考える。ここで、人は遮蔽物となる。人の姿は遮蔽パターンとなるのであるが、この遮蔽パターンは動きがあり、またパターン形状も多少なり変化する(歩く様子が時々刻々と変化する)ものである。
ここでは本棚の背景画像を推定する。すなわち、人が横切っている観測画像から遮蔽物(人の姿)を除去した画像を推定する。図14に人が横切っている観測画像を9枚示す。本超解像法により、遮蔽パターンを推定すると、個々の観察画像に対して図15に示すような遮蔽パターンが推定される。
Next, in the third embodiment, an example will be described in which an artificial noise is not added but an estimation is performed using an image captured by an actual camera. This embodiment is considered to be more suitable for real problems.
In the third embodiment, a case where a person crosses from the right to the left in front of the camera lens in a situation where the book shelf is photographed by the camera is considered. Here, a person becomes a shield. Although the figure of a person becomes a shielding pattern, this shielding pattern has a movement, and the pattern shape also changes somewhat (the walking state changes from moment to moment).
Here, the background image of the bookshelf is estimated. That is, an image obtained by removing a shield (person's figure) from an observation image that a person is crossing is estimated. FIG. 14 shows nine observation images crossed by a person. When the shielding pattern is estimated by the super-resolution method, a shielding pattern as shown in FIG. 15 is estimated for each observation image.

図16(1)が、本超解像法により推定された本棚の画像である。比較のために、図16(3)に9枚の観測画像の平均値により推定した画像(観測平均画像)を示す。図16(3)の画像には中央右側に所謂ゴースト像(遮蔽物の残像)が現れている。また、図16(4)はロバストを使って、ノイズを一様に仮定して推定した画像(観測メジアン画像)を示している。本棚の本が少しボケていることが確認できる。
本実施例からわかるように、本解像法を用いることにより、遮蔽されていない領域の情報を効率的に利用してより高精細な画像出力ができ、また、視覚的に観察しても出力画像は他の手法に比べてよりシャープでノイズの少ない高解像度画像となっている。
FIG. 16A is an image of the bookshelf estimated by the super-resolution method. For comparison, FIG. 16 (3) shows an image (observation average image) estimated from the average value of nine observation images. In the image of FIG. 16 (3), a so-called ghost image (an afterimage of the shielding object) appears on the center right side. FIG. 16 (4) shows an image (observed median image) estimated by using robustness and assuming noise uniformly. It can be confirmed that the books on the bookshelf are slightly blurred.
As can be seen from this example, by using this resolution method, it is possible to output information with higher definition by efficiently using the information of the unshielded area, and output even by visual observation. The image is a high-resolution image with sharper and less noise than other methods.

本発明の超解像法および超解像プログラムは、観光地などで撮影した写真画像から、動きのある人の映り込みを排除し、対象とする背景物体のみを高精細に復元するなど、個人利用のデジタルカメラでの撮影から、衛星画像中に混入する雲の画像を除去し、市街の衛星画像のみを高精細に復元するなどの大規模問題まで、各種画像の復元に関するものであり多くの産業分野での応用が見込まれる。   The super-resolution method and super-resolution program of the present invention eliminates the reflection of a moving person from a photograph image taken at a sightseeing spot and restores only the target background object with high definition. It is related to the restoration of various images, from shooting with the digital camera used, to large-scale problems such as removing the cloud image mixed in the satellite image and restoring only the satellite image of the city with high definition. Applications in the industrial field are expected.

本発明の超解像法のフローチャートFlowchart of the super-resolution method of the present invention 原画像の512×512のLenna(レナ)標準画像512x512 Lenna standard image of the original image 128×128のサイズの観測画像の一例An example of a 128 x 128 observation image 真の遮蔽パターンTrue shielding pattern 推定された遮蔽パターンEstimated shielding pattern 遮蔽物を自動的推定する手法(本発明)と遮蔽物を仮定しない手法の比較のための説明図Explanatory drawing for comparison of the method of automatically estimating the shield (the present invention) and the method that does not assume the shield 「右目」付近の部分拡大画像Partial enlarged image near the right eye 画像上に一様な強さの観測ノイズがのるとしたときの結果(Uniform)を示すグラフ図A graph showing the result (Uniform) when an observation noise of uniform strength appears on the image 実施例2における遮蔽パターンShielding pattern in Example 2 実施例2における15枚の128×128のサイズの観測画像15 observation images having a size of 128 × 128 in the second embodiment 実施例2における遮蔽物を自動的推定する手法(本発明)と遮蔽物を仮定しない手法の比較のための説明図Explanatory drawing for the comparison of the method (invention) which estimates a shield automatically in Example 2, and the method which does not assume a shield 実施例2における真の遮蔽パターンと推定された遮蔽パターンThe shielding pattern estimated as the true shielding pattern in Example 2 実施例2における「右目」付近の部分拡大画像Partial enlarged image near the “right eye” in the second embodiment 実施例3における観察画像Observation image in Example 3 実施例3における推定された遮蔽パターンThe estimated shielding pattern in Example 3 実施例3における遮蔽物を自動的推定する手法(本発明)と他の手法の比較のための説明図Explanatory drawing for the comparison of the method (this invention) and the other method of estimating the obstruction automatically in Example 3

Claims (12)

(1)複数の低解像度の観測画像を入力するステップと、
(2)遮蔽パターンを複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数として表現しその確率分布を定義するステップと、
(3)遮蔽パターンの事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定するステップと、
(4)推定した遮蔽パターンの事後分布を用いて、遮蔽パターンを同定し前記低解像度の観測画像から除外するステップと、を備えたことを特徴とする超解像法。
(1) inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) expressing the shielding pattern as a random variable that takes discrete values for each pixel of a plurality of low-resolution observation images and defining the probability distribution;
(3) estimating the posterior distribution of the shielding pattern so that the free energy is minimized;
(4) A step of identifying a shielding pattern using the estimated posterior distribution of the shielding pattern and excluding it from the low-resolution observation image.
原画像に関連する複数の低解像度の観測画像から高解像度の画像を生成するための方法であって、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力するステップと、
(2)高解像度の画像の事前分布を定義するステップと、
(3)既知の遮蔽パターンを入力するステップと、
(4)前記遮蔽パターンを前記低解像度の観測画像から除外するステップと、
(5)高解像度の画像の事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定するステップと、
(6)前記ステップ(5)で推定した高解像度の画像の事後分布を用いて、高解像度の画像を生成するステップと、を備えたことを特徴とする超解像法。
A method for generating a high-resolution image from a plurality of low-resolution observation images related to an original image,
(1) inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) defining a prior distribution of the high resolution image;
(3) inputting a known shielding pattern;
(4) excluding the shielding pattern from the low-resolution observation image;
(5) estimating a posterior distribution of the high resolution image so that free energy is minimized;
(6) A super-resolution method comprising: generating a high-resolution image using the posterior distribution of the high-resolution image estimated in step (5).
原画像に関連する複数の低解像度の観測画像から高解像度の画像を生成するための方法であって、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力するステップと、
(2)高解像度の画像の事前分布を定義するステップと、
(3)遮蔽パターンを複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数として表現しその確率分布を定義するステップと、
(4)高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定するステップと、
(5)前記ステップ(4)で推定した高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を用いて、高解像度の画像を生成するステップと、を備えたことを特徴とする超解像法。
A method for generating a high-resolution image from a plurality of low-resolution observation images related to an original image,
(1) inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) defining a prior distribution of the high resolution image;
(3) expressing the shielding pattern as a random variable that takes discrete values for each pixel of a plurality of low-resolution observation images and defining the probability distribution;
(4) estimating the posterior distribution of the high resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern so that the free energy is minimized;
(5) A step of generating a high-resolution image using the posterior distribution of the high-resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern estimated in the step (4). .
原画像に関連する複数の低解像度の観測画像から高解像度の画像を生成するための方法であって、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力するステップと、
(2)高解像度の画像の事前分布を定義するステップと、
(3)遮蔽パターンを前記複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数として表現しその確率分布を定義するステップと、
(4)高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定するステップと、
(5)高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布が収束するまで、前記ステップ(4)を反復するステップと、
(6)前記ステップ(5)で収束した高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を用いて、高解像度の画像を生成するステップと、を備えたことを特徴とする超解像法。
A method for generating a high-resolution image from a plurality of low-resolution observation images related to an original image,
(1) inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) defining a prior distribution of the high resolution image;
(3) expressing the shielding pattern as a random variable that takes discrete values for each pixel of the plurality of low-resolution observation images and defining the probability distribution;
(4) estimating the posterior distribution of the high resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern so that the free energy is minimized;
(5) repeating step (4) until the posterior distribution of the high-resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern converge;
(6) A super-resolution method comprising: a step of generating a high-resolution image using the posterior distribution of the high-resolution image converged in the step (5) and the posterior distribution of the shielding pattern. .
前記ステップ(3)において、観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数および確率分布は、スピングラスモデルであることを特徴とする請求項3又は4に記載の超解像法。   5. The super-resolution method according to claim 3, wherein, in the step (3), the random variable and the probability distribution taking discrete values for each pixel of the observation image are a spin glass model. 前記自由エネルギが最小化されるように推定するステップにおいて、更に、原画像の劣化過程のパラメータも同時に、自由エネルギが最小化されるように推定することを特徴とする請求項3又は4に記載の超解像法。   5. The estimation according to claim 3, wherein in the step of estimating the free energy to be minimized, the parameter of the degradation process of the original image is also estimated so that the free energy is minimized. Super-resolution method. コンピュータに、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力する手順と、
(2)遮蔽パターンを複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数として表現しその確率分布を定義する手順と、
(3)遮蔽パターンの事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定する手順と、
(4)推定した遮蔽パターンの事後分布を用いて、遮蔽パターンを同定し前記低解像度の観測画像から除外する手順と、
を実行させるための超解像プログラム。
On the computer,
(1) a procedure for inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) A procedure for expressing a shielding pattern as a random variable having a discrete value for each pixel of a plurality of low-resolution observation images and defining the probability distribution;
(3) a procedure for estimating the posterior distribution of the shielding pattern so that the free energy is minimized;
(4) Using the estimated posterior distribution of the shielding pattern, identifying the shielding pattern and excluding it from the low-resolution observation image;
Super-resolution program for running
コンピュータに、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力する手順と、
(2)高解像度の画像の事前分布を定義する手順と、
(3)既知の遮蔽パターンを入力する手順と、
(4)前記遮蔽パターンを前記低解像度の観測画像から除外する手順と、
(5)高解像度の画像の事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定する手順と、
(6)前記手順(5)で推定した高解像度の画像の事後分布を用いて、高解像度の画像を生成する手順と、
を実行させるための超解像プログラム。
On the computer,
(1) a procedure for inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) a procedure for defining a prior distribution of a high resolution image;
(3) a procedure for inputting a known shielding pattern;
(4) a procedure for excluding the shielding pattern from the low-resolution observation image;
(5) a procedure for estimating the posterior distribution of the high resolution image so that the free energy is minimized;
(6) A procedure for generating a high resolution image using the posterior distribution of the high resolution image estimated in the procedure (5),
Super-resolution program for running
コンピュータに、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力する手順と、
(2)高解像度の画像の事前分布を定義する手順と、
(3)遮蔽パターンを複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数として表現しその確率分布を定義する手順と、
(4)高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定する手順と、
(5)前記手順(4)で推定した高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を用いて、高解像度の画像を生成する手順と、
を実行させるための超解像プログラム。
On the computer,
(1) a procedure for inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) a procedure for defining a prior distribution of a high resolution image;
(3) A procedure for expressing a shielding pattern as a random variable that takes discrete values for each pixel of a plurality of low-resolution observation images and defining a probability distribution thereof;
(4) a procedure for estimating the posterior distribution of the high-resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern so that the free energy is minimized;
(5) A procedure for generating a high-resolution image using the posterior distribution of the high-resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern estimated in step (4);
Super-resolution program for running
コンピュータに、
(1)複数の低解像度の観測画像を入力する手順と、
(2)高解像度の画像の事前分布を定義する手順と、
(3)遮蔽パターンを前記複数の低解像度の観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数として表現しその確率分布を定義する手順と、
(4)高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を、自由エネルギが最小化されるように推定する手順と、
(5)高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布が収束するまで、前記手順(4)を反復する手順と、
(6)前記手順(5)で収束した高解像度の画像の事後分布および遮蔽パターンの事後分布を用いて、高解像度の画像を生成する手順と、
を実行させるための超解像プログラム。
On the computer,
(1) a procedure for inputting a plurality of low-resolution observation images;
(2) a procedure for defining a prior distribution of a high resolution image;
(3) a procedure for expressing the shielding pattern as a random variable having a discrete value for each pixel of the plurality of low-resolution observation images and defining the probability distribution;
(4) a procedure for estimating the posterior distribution of the high-resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern so that the free energy is minimized;
(5) repeating the procedure (4) until the posterior distribution of the high-resolution image and the posterior distribution of the shielding pattern converge;
(6) A procedure for generating a high resolution image using the posterior distribution of the high resolution image converged in the procedure (5) and the posterior distribution of the shielding pattern;
Super-resolution program for running
前記手順(3)において、観測画像の画素ごとに離散値をとる確率変数および確率分布は、スピングラスモデルであることを特徴とする請求項9又は10に記載の超解像プログラム。   The super-resolution program according to claim 9 or 10, wherein the random variable and probability distribution that take discrete values for each pixel of the observation image in the procedure (3) are a spin glass model. 前記自由エネルギが最小化されるように推定する手順において、更に、原画像の劣化過程のパラメータも同時に、自由エネルギが最小化されるように推定することを特徴とする請求項9又は10に記載の超解像プログラム。   11. The method according to claim 9, wherein in the procedure for estimating the free energy to be minimized, the parameter of the degradation process of the original image is also estimated so that the free energy is minimized. Super resolution program.
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