JP2010199849A - Image processor, image processing method and imaging apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、画像処理装置、画像処理方法、及び当該画像処理を行う撮像装置に関する。 The present invention relates to an image processing apparatus, an image processing method, and an imaging apparatus that performs the image processing.
従来の小型カメラでは、カラー画像を得るためにBayer配列が用いられていた。Bayer配列では原色成分である赤(R)、青(B)、緑(G)の色成分の光を通すカラーフィルタをイメージセンサの前に配置し、1画素ごとに1色の信号を持つRAWデータを得る。その後、欠けた色成分、例えばRのカラーフィルタが配置された画素の位置におけるGとBの原色 信号を周囲から算出しカラー画像を得るデモザイク処理が行われていた。 In a conventional small camera, a Bayer array is used to obtain a color image. In the Bayer array, a color filter that passes light of the primary color components red (R), blue (B), and green (G) is arranged in front of the image sensor, and a RAW having a signal of one color for each pixel. Get the data. Thereafter, a demosaic process for obtaining a color image by calculating from the surroundings the primary color signals of G and B at the position of the missing color component, for example, the pixel where the R color filter is arranged, has been performed.
しかし、画素の前にカラーフィルタを配置するとイメージセンサに入射する光の量が減るため、S/Nが低下する。S/Nの低下に対して、複数の原色成分の組み合わせた光を通すカラーフィルタを一部に配し、入射光量を上げる手法がある。複数の原色成分の組み合わせた光を通すカラーフィルタの1つにRGB全ての光に対して感度を持つ画素(W画素)がある。出力画像のRGB信号とW画素からの信号とに正の相関を持たせることで偽色を抑える提案がなされている(例えば、特許文献1)。ただし特許文献1の手法は、1通りのカラーフィルタの配置にしか対応できず、カラーフィルタの変更やデジタルズーム等に対応できなかった。
However, if a color filter is arranged in front of the pixel, the amount of light incident on the image sensor is reduced, so that the S / N is lowered. To reduce the S / N, there is a method of increasing the amount of incident light by arranging a part of a color filter that transmits light combining a plurality of primary color components. One of the color filters that transmits light combining a plurality of primary color components is a pixel (W pixel) having sensitivity to all RGB light. A proposal has been made to suppress false colors by giving a positive correlation between the RGB signal of the output image and the signal from the W pixel (for example, Patent Document 1). However, the method of
これに対し、デモザイク処理において、注目位置にある画素の撮像データと注目位置の周囲にある複数の画素の撮像データとから、原色の色成分毎に信号値を近似する関数を推定し、注目画素位置における欠落した色成分の信号量を推定する手法が提案されている(例えば、特許文献2)。特許文献2の手法によれば、色ずれを抑え、画素配列の変更やカラーフィルタの変更、デジタルズームにも対応することができる。
On the other hand, in the demosaic process, a function that approximates a signal value for each color component of the primary color is estimated from the imaging data of the pixel at the target position and the imaging data of a plurality of pixels around the target position, and the target pixel A method for estimating the signal amount of a missing color component at a position has been proposed (for example, Patent Document 2). According to the method of
しかし、W画素等の複数の原色成分に感度を持つ画素には多くの光が入射するため、原色成分のみに感度を持つRGB画素より飽和しやすい。そして、飽和した信号と飽和していない信号の間では相関関係が崩れる。特許文献2の手法は全信号が強い相関を持つことを仮定しているため、信号の飽和により相関関係の崩れたRAWデータに適用すると、本来相関を持たない信号間に不自然な相関を持たせ、画像を乱してしまう。
However, since a large amount of light is incident on a pixel having sensitivity to a plurality of primary color components such as a W pixel, it is more likely to be saturated than an RGB pixel having sensitivity only to the primary color component. The correlation between the saturated signal and the non-saturated signal is lost. Since the method of
本発明は、複数の原色成分の組み合わせた光を通すカラーフィルタを有する撮像装置で得た画像信号に対し、画素配列に柔軟に対応可能なデモザイク処理する技術を提供する。 The present invention provides a technique for performing demosaic processing that can flexibly correspond to a pixel arrangement on an image signal obtained by an imaging device having a color filter that transmits light in which a plurality of primary color components are combined.
上記課題を解決するために、画素毎に所定の配列規則に従って、複数の原色成分のうち1の色成分、または前記原色成分の組み合わせで表現される色成分、の信号値を有する入力画像信号の各画素の位置を変数とし、それぞれの前記色成分、の信号値を近似し、かつ下記(a)〜(c)を満たす、近似関数を、前記色成分毎に推定する推定部と、(a)前記原色成分の近似関数の導関数同士が等しいこと; (b)前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数の導関数は、前記組み合わせに該当する前記原色成分について求める前記近似関数の導関数の和と等しいこと; (c)前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数の定数項は、前記複数の原色成分の近似関数とは独立に定義されること;求められた複数の原色成分の前記近似関数に各画素の出力画像信号での位置を代入することで、画素毎に複数の原色成分の信号値のセットを有する前記出力画像信号の信号値を求める算出部と、を備えたことを特徴とする画像処理装置また当該画像処理装置が画像処理をする方法を提供する。 In order to solve the above problem, an input image signal having a signal value of one color component of a plurality of primary color components or a color component expressed by a combination of the primary color components in accordance with a predetermined arrangement rule for each pixel. An estimation unit that estimates the approximate function for each color component, which approximates the signal value of each color component and satisfies the following (a) to (c), with the position of each pixel as a variable: ) Derivatives of the approximate functions of the primary color components are equal to each other; (b) The derivative of the approximate function of the color components expressed by the combination of the primary color components is the approximate function obtained for the primary color component corresponding to the combination (C) the constant term of the approximate function of the color component expressed by the combination of the primary color components is defined independently of the approximate function of the plurality of primary color components; Multiple raw A calculation unit that obtains a signal value of the output image signal having a set of signal values of a plurality of primary color components for each pixel by substituting the position of each pixel in the output image signal for the approximate function of the component. An image processing apparatus characterized by the above and a method for image processing by the image processing apparatus are provided.
また、複数の原色成分のうち1の原色成分の色成分の光、または前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の光、に感度を有する撮像素子が画素毎に所定の配列規則に従って配置されているイメージセンサを有する撮像部と、前記撮像部が撮像した入力画像信号での各画素の位置を変数とし、それぞれの前記色成分の信号値を近似し、かつ下記(a)〜(c)を満たす、近似関数を前記色成分毎に推定する推定部と、(a)前記原色成分の近似関数の導関数同士が等しいこと; (b)前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数の導関数は、前記組み合わせに該当する前記原色成分について求める前記近似関数の導関数の和と等しいこと; (c)前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数の定数項は、前記複数の原色成分の近似関数とは独立に定義されること;求められた複数の原色成分の前記近似関数に各画素の出力画像信号での位置を代入することで、画素毎に複数の原色成分の信号値のセットを有する前記出力画像信号の信号値を求める算出部と、を備えたことを特徴とする撮像装置を提供する。 An imaging device having sensitivity to light of a color component of one primary color component among a plurality of primary color components or light of a color component expressed by a combination of the primary color components is arranged for each pixel according to a predetermined arrangement rule. An imaging unit having an image sensor, and the position of each pixel in the input image signal captured by the imaging unit as a variable, the signal values of the respective color components are approximated, and the following (a) to (c) An estimation unit that estimates an approximate function for each color component, and (a) derivatives of the approximate functions of the primary color components are equal; (b) approximation of color components expressed by a combination of the primary color components The derivative of the function is equal to the sum of the derivatives of the approximate functions obtained for the primary color components corresponding to the combination; (c) the constant term of the approximate function of the color components expressed by the combination of the primary color components is: Above A plurality of primary color components for each pixel by substituting the position of each pixel in the output image signal for the approximate function of the obtained primary color components. And a calculation unit for obtaining a signal value of the output image signal having a set of signal values.
また、画素毎に所定の配列規則に従って、複数の原色成分のうち1の色成分の信号値、または前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の信号値を有する入力画像信号から、各画素位置でのそれぞれの前記色成分の信号値を近似し、かつ下記(a)〜(c)を満たす近似関数を、前記色成分毎に推定する推定部と、(a)前記原色成分の近似関数で表される形状がほぼ等しいこと;(b)前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数は、前記組み合わせに該当する前記原色成分について求める前記近似関数を足し合わせた関数で表される形状とほぼ等しいこと;(c)前記色成分毎の近似関数の定数項は、それぞれ独立に定義されること;求められた複数の原色成分の前記近似関数から、画素毎に複数の原色成分の信号値のセットを有する前記出力画像信号の信号値を求める算出部と、を備えたことを特徴とする画像処理装置を提供する。 Further, according to a predetermined arrangement rule for each pixel, each pixel position is obtained from an input image signal having a signal value of one color component among a plurality of primary color components or a color component signal value expressed by a combination of the primary color components. An approximation unit that approximates the signal values of the respective color components at and satisfies the following (a) to (c) for each color component, and (a) an approximation function of the primary color components (B) The approximate function of the color component expressed by the combination of the primary color components is expressed by a function obtained by adding the approximate functions obtained for the primary color components corresponding to the combination. (C) the constant terms of the approximate function for each color component are defined independently; from the obtained approximate functions of the plurality of primary color components, a plurality of primary color components for each pixel Of signal value Providing a calculation unit for determining the signal value of the output image signal having a dot and an image processing apparatus characterized by comprising a.
本発明によれば、複数の原色成分の組み合わせた光を通すカラーフィルタを有する撮像装置で得た画像信号に対し、画素配列に柔軟に対応可能なデモザイク処理が可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the demosaic process which can respond flexibly to a pixel arrangement | sequence is attained with respect to the image signal obtained with the imaging device which has the color filter which lets the light which combined the several primary color component.
以下、本発明の実施形態について説明する。ここで、互いに同様の構成には共通の符号を付して、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. Here, the same code | symbol is attached | subjected to a mutually similar structure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.
多くのデジタルカメラで採用されている単板式カラーCCD・CMOSイメージセンサ等の撮像素子によって撮像されたRAWデータ(以下、入力画像信号と記載)は各画素が単色の色成分の信号値を有している。そのため、各画素に対して、その画素が有しない色成分の情報を周辺画素から導出することで色成分を補完し、フルカラーの画像信号を作り出すデモザイク処理を行う必要がある。以下の各実施形態では、撮像された入力画像信号の各画素に対して、足りない色情報を補完して3原色成分の画素値を有する出力画像信号を求める方法について例示する。以下の各実施形態では、原色成分の組み合わせで表現される色成分がRGBの和であるホワイト(W)画素(輝度成分)である場合について説明する。しかし、必ずしも原色成分の組み合わせで表現される色成分はホワイト(W)である必要はなく、マゼンタ(Mg)、シアン(Cy)、黄色(Ye)などの色でも良い。例えばMgは原色成分RとBの組み合わせ(和)であってもよい。 RAW data (hereinafter referred to as input image signal) captured by an image sensor such as a single-plate color CCD / CMOS image sensor used in many digital cameras has a signal value of a single color component in each pixel. ing. Therefore, for each pixel, it is necessary to perform demosaic processing that complements the color component by deriving information on the color component that the pixel does not have from the surrounding pixels and generates a full-color image signal. In each of the following embodiments, a method for obtaining an output image signal having pixel values of three primary color components by complementing missing color information for each pixel of a captured input image signal will be exemplified. In each of the following embodiments, a case will be described in which a color component expressed by a combination of primary color components is a white (W) pixel (luminance component) that is the sum of RGB. However, the color component expressed by the combination of the primary color components is not necessarily white (W), and may be a color such as magenta (Mg), cyan (Cy), and yellow (Ye). For example, Mg may be a combination (sum) of primary color components R and B.
[第1の実施形態]
図1は、本実施形態の撮像装置1を示す図である。撮像装置1は、撮像部100と、撮像部100が撮像した入力画像信号に対してデモザイク処理し、各画素がR,G,B成分の全てを有するカラー画像である出力画像信号を出力する画像処理部200とを有する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a diagram illustrating an
撮像部100は、被写体からの光を集光するレンズ101、画素ごとに集光された光を光電変換して入力画像信号の信号値となる電気信号を生成するイメージセンサ102を有する。イメージセンサ102は、単色の色成分が各画素位置に所定の配列規則に従って割り当てられたカラーフィルタを備えている。イメージセンサ102の各画素から得られる信号値は、当該画素に対応するカラーフィルタに応じた電気信号となっている。たとえば 赤(R)フィルタを持つ画素からは赤成分の信号値が得られるが、他の青(B)および緑(G)成分の信号値は得られていない。なお、レンズ101に入射する光量を調整する絞り(図示しない)等の制御部を備えていてもよい。
The
画像処理部200は、イメージセンサ102から得られない色成分の信号値を周辺画素の信号値を用いて補間・生成するためのデモザイク処理をおこなう。具体的には、入力画像信号の近似関数のパラメータを算出するパラメータ算出部201と、パラメータ算出部201が算出した近似関数を用いて、入力画像信号において各画素が有しなかった色情報を補完する原色信号算出部202とを備えている。なお、近似関数とは、各画素の画像信号中での位置を変数とし、それぞれの色成分の信号値を近似する関数を示す。詳細については後述する。 The image processing unit 200 performs demosaic processing for interpolating and generating signal values of color components that cannot be obtained from the image sensor 102 using signal values of peripheral pixels. Specifically, the parameter calculation unit 201 that calculates the parameters of the approximate function of the input image signal and the approximate function calculated by the parameter calculation unit 201 are used to complement the color information that each pixel did not have in the input image signal. And a primary color signal calculation unit 202. The approximate function refers to a function that approximates the signal value of each color component using the position of each pixel in the image signal as a variable. Details will be described later.
次に、カラーフィルタと入力画像信号が有する色成分との関係を説明する。 Next, the relationship between the color filter and the color component of the input image signal will be described.
図2は、本実施形態で用いるカラーフィルタの色成分の配列規則の例を示す図である。(x,y)はセンサ上での画素位置を示す2次元座標系であり原点は注目画素すなわち注目画素425の中心とする。W画素を白抜きで、B画素を左下がりのストライプで、R画素をドットで、G画素を縦のストライプで表示する。B画素の位置にはBのカラーフィルタが、R画素のRのカラーフィルタが、G画素の位置にはGのカラーフィルタが、W画素の位置には無色のフィルタが配されているので、3原色すべての光を足し合わせた信号値が得られる。B画素と対応する位置のイメージセンサ102の撮像素子からはBの色成分の信号値が得られる。同様に、R画素と対応する位置の撮像素子からはRの色成分の信号値を、G画素と対応する位置の撮像素子からはGの色成分の信号値を、W画素と対応する位置の撮像素子からはWの色成分の信号値が得られる。なお、W画素はカラーフィルタを持たず光の3原色(RGB:赤・緑・青)成分全てに対して感度を持つ。
FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the arrangement rule of the color components of the color filter used in the present embodiment. (x, y) is a two-dimensional coordinate system indicating the pixel position on the sensor, and the origin is the center of the target pixel, that is, the
画像処理部200は、画素毎に異なる色成分を有する入力画像信号値を元に、全ての画素がR,G,B成分を全て有するようにデモザイク処理を施した出力画像信号を生成する。例えば、図2に示すR成分の画素位置で撮像された画素を注目画素425とする。その場合、注目画素425の画素位置(x425,y425)=()でのG成分、B成分、W成分それぞれの信号値の大きさを注目画素425の周辺の画素の信号値から推定し、推定されたB、Gの信号値を含めた3原色(R、B、G)を1セットとする出力画像信号を出力する。
The image processing unit 200 generates an output image signal that has been demosaiced so that all pixels have all R, G, and B components based on input image signal values having different color components for each pixel. For example, a pixel captured at the pixel position of the R component illustrated in FIG. In that case, the magnitudes of the signal values of the G component, the B component, and the W component at the pixel position (x 425 , y 425 ) = () of the pixel of
次に、撮像装置1の動作について説明する。
Next, the operation of the
図3は、撮像装置1の動作を示すフローチャートである。なお、図2に示したカラーフィルタの色成分の配置で撮像された例について説明する。
FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the
まず、イメージセンサ102が撮像して得た入力画像信号を、画像処理部200に送る(ステップ1)。 First, an input image signal obtained by imaging by the image sensor 102 is sent to the image processing unit 200 (step 1).
次に、パラメータ算出部201は、入力画像信号のうち1つの画素を注目画素として設定する(ステップ2)。以後、例えば画素401の画素位置は(x401,y401)、画素401のカラーフィルタはc401、画素401から得られた信号値をs401というように添字を用いて標記する。
Next, the parameter calculation unit 201 sets one pixel of the input image signal as a target pixel (step 2). Hereinafter, for example, the pixel position of the
次に、パラメータ算出部201は、注目画素を中心としたその周辺の7×7画素(以下、単位を省略)のブロック(以下、処理ブロックと記載)の信号値を用いて各カラーフィルタの色成分に対応する近似関数のパラメータを導出する(ステップ3)。近似関数とは、画素位置(x,y)における信号値を近似する式である。多項式を用いた場合の、各原色それぞれの近似関数を式(1)に示す。
式(1)の3つの近似関数fR(x,y), fG(x,y), fB(x,y)は、導関数がすべて同じである。つまり、変数である位置xまたはyによって、fR(x,y), fG(x,y), fB(x,y)1次微分をした場合のそれぞれの偏導関数が同じ関数となる。つまり、定数項を除いた関数の形状が3つの原色成分の近似関数で同じとなることを示す。この条件は、局所的に見た場合、色相が大きく変化することは少ないという画像の性質に合致している。また、式(1)の近似関数のパラメータβ=(βR,βG,βB,β1,β2,β3,β4,β5)tは、全て実数であり入力画像信号から推定する。 The three approximate functions f R (x, y), f G (x, y), and f B (x, y) in Equation (1) have the same derivatives. In other words, depending on the variable position x or y, the partial derivatives of the first derivative of f R (x, y), f G (x, y), f B (x, y) are the same function. Become. That is, the shape of the function excluding the constant term is the same for the approximate functions of the three primary color components. This condition matches the property of the image that the hue hardly changes when viewed locally. In addition, the parameters β = (β R , β G, β B , β 1, β 2 , β 3, β 4 , β 5 ) t of the approximate function of Equation (1) are all real numbers and are estimated from the input image signal. To do.
WRGB画素全てから得られる信号値から導出され、W画素の信号値を近似する近似関数を、式(2)で示す。
wR,wG,wBはそれぞれW画素が原色の信号値R,G,Bに対応する光の波長に対して持つ分光感度が高いほど大きな値を持つ正の実数である。式(3)のようにfW(x,y)の定数項をfR(x,y), fG(x,y), fB(x,y)とは独立に定義する。この値は、イメージセンサ102の設計データから定めることができる。この定式化によりfW(x,y)の導関数はfR(x,y), fG(x,y), fB(x,y)の導関数の重み付け和になる。つまり、Wの色成分は、R,G,Bの組み合わせで表現されるため、Wの色成分の近似関数の導関数は、組み合わせを表現する原色成分の導関数の和で定義される。また、近似関数のパラメータを有するベクトルを式(3)の様に記す。
このパラメータベクトルの推定値β’は、
とした時、各画素位置における入力画像信号の信号値と、近似関数で推定される値との差の二乗和を最小にするパラメータを示す。つまり、式(5)を満たす値を求める。なお、(xi,yi)は処理ブロックに含まれる画素の位置を示し、ciは各画素に付与されたカラーフィルタの色を示し、siは各画素位置(xi,yi)から得られた信号値を示す。
wiは各画素に与える重みであり、正の実数である。具体的な値としてはwi=1としてもよい。
また、式(6)では、注目画素との距離が離れた画素の重みを相対的に小さくしても良い。σは定数であり、設計段階で画質を評価しながら定めればよい。なお、式(6)のCは処理ブロック内のエッジの有無及びその方向に応じて式(7)のような行列に切り替えても良い。なお、エッジとは、画像中で信号値の変化が直線的に起こっている領域を指し、例えば被写体の輪郭線に相当するものである。
エッジに沿う方向が縦方向の処理ブロックに対してはCの代わりにC1を、エッジに沿う方向が横方向の処理ブロックに対してはCの代わりにC2を用いることで、解像度感を保ちつつS/Nを向上させることができる。式(6)の形の最小化問題を解くアルゴリズムは、最急降下法・共役勾配法のような反復型のアルゴリズムや、一般化逆行列など多数の手法が開示されている。 By using C 1 instead of C for processing blocks whose vertical direction is along the edge, and C 2 instead of C for processing blocks whose horizontal direction is along the edge, a sense of resolution is obtained. S / N can be improved while maintaining. As an algorithm for solving the minimization problem in the form of Equation (6), a number of methods such as an iterative algorithm such as the steepest descent method and the conjugate gradient method, and a generalized inverse matrix are disclosed.
次に、原色信号算出部103は、得られた近似関数fR(x,y), fG(x,y), fB(x,y)に注目画素の座標を代入して画像各点の原色成分を算出する(ステップ4)。すなわち注目画素の座標(x425,y425)を式(2)の近似関数に(x425,y425)を代入して得られる値fR(x425,y425), fG(x425,y425), fB(x425,y425)を出力画像信号として算出する。 Next, the primary color signal calculation unit 103 substitutes the coordinates of the pixel of interest into the obtained approximate functions f R (x, y), f G (x, y), f B (x, y), and obtains each point of the image. The primary color components are calculated (step 4). That is, the values f R (x 425 , y 425 ), f G (x 425 ) obtained by substituting (x 425 , y 425 ) for the coordinates (x 425 , y 425 ) of the pixel of interest into the approximate function of equation (2). , y 425 ), f B (x 425 , y 425 ) are calculated as output image signals.
次に、入力画像信号の全ての画素について出力画像信号を算出したか判定する(ステップ5)。 Next, it is determined whether the output image signal has been calculated for all the pixels of the input image signal (step 5).
入力画像信号の全ての画素について出力画像信号を算出した場合には(ステップ5,No)、ステップ2に戻り、次の画素を注目画素とする。入力画像信号の全ての画素について出力画像信号を算出した場合には(ステップ5,Yes)、1フレーム分の出力画像信号を出力し、処理を終了する。 When the output image signal is calculated for all the pixels of the input image signal (step 5, No), the process returns to step 2 and the next pixel is set as the target pixel. When the output image signal is calculated for all the pixels of the input image signal (step 5, Yes), the output image signal for one frame is output, and the process is terminated.
本実施形態では、W画素の色成分の近似関数の定数項をfR(x,y), fG(x,y), fB(x,y)とは独立に定義した。この効果について説明する。 In the present embodiment, the constant term of the approximate function of the color component of the W pixel is defined independently of f R (x, y), f G (x, y), and f B (x, y). This effect will be described.
例えばRGBすべての信号に感度を持つW画素の近似関数を、単純にRGB全ての近似関数の和としてモデル化した場合を考える。そのモデルによるW画素の近似関数を式(8)に示す。
W画素は、光に対する感度が高い分、飽和しやすい特徴がある。飽和とは、イメージセンサが物理的に撮像可能な光の信号値を超えた場合をいう。 The W pixel is characterized by being easily saturated because of its high sensitivity to light. Saturation means a case where the image sensor exceeds a signal value of light that can be physically imaged.
単純にRGB全ての近似関数の和としてモデル化してしまうと、W画素で飽和が生じた場合に画質の劣化が生じてしまう。具体的には、f’W(x,y)の定数項はfR(x,y), fG(x,y), fB(x,y)の定数項の重み付き和で表される。飽和したW画素の信号値にあわせてfW(x,y)がとる値を小さくするべくf’W(x,y)の定数項を小さくしようとすると、fR(x,y), fG(x,y), fB(x,y)の値が小さくなってしまう。そうすると、実際に全ての原色成分のセットを撮像時に取得していた場合に得られたであろうRGBの色成分の信号値から外れてしまう結果となっていた。そこで本実施形態では、式(2)のようにfW(x,y)の定数項をfR(x,y), fG(x,y), fB(x,y)と独立に定義することでfW(x,y)の変化がfR(x,y), fG(x,y), fB(x,y)に影響を与えにくくした。なお、W画素とR・G・B画素との間で近似関数の導関数の関係は維持されているので、偽色を抑える効果は失われていない。 If it is simply modeled as the sum of the approximate functions of all RGB, the image quality will deteriorate when saturation occurs in the W pixel. Specifically, the constant term of f ' W (x, y) is represented by the weighted sum of the constant terms of f R (x, y), f G (x, y), f B (x, y). The If the constant term of f ′ W (x, y) is reduced to reduce the value taken by f W (x, y) in accordance with the signal value of the saturated W pixel, f R (x, y), f The values of G (x, y) and f B (x, y) become small. As a result, the RGB color component signal values that would have been obtained when a set of all the primary color components was actually acquired at the time of imaging were obtained. Therefore, in this embodiment, the constant term of f W (x, y) is independent of f R (x, y), f G (x, y), and f B (x, y) as shown in Equation (2). By defining it, the change of f W (x, y) has less influence on f R (x, y), f G (x, y), f B (x, y). Since the relationship of the derivative of the approximate function is maintained between the W pixel and the R / G / B pixel, the effect of suppressing the false color is not lost.
なお、本実施形態の画像処理部100ではブロック中心の注目画素のカラーフィルタの色がRである場合について例示したが、G,B,Wのいずであってもかまわない。式(1)〜式(6)を用いた手法で原色の信号値を算出する点は変わらない。
In the
なお、以下の変更をして実施することも可能である。 It is also possible to carry out with the following changes.
原色の信号値を表す近似関数は必ずしも式(1)の形である必要はない。例えば式(1)は2次多項式であるが、その次数は2次以上であっても良い。また、式(1)は任意の関数をマクローリン展開した形であるが、それ以外の形でも良い。例えばフーリエ級数展開を用いれば式(1)は三角関数の重み付け和となる。三角関数以外にもウェーブレット解析に用いられる基底関数を用いてもよい。ただし、複数の基底関数の重み付け和の形にすると式(5)のを満たす解が求めやすい。また、原色の信号値を表す近似関数のパラメータの個数と前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数のパラメータの個数の和が、パラメータ推定に用いる画素数以下であることが望ましい。 The approximation function representing the primary color signal value is not necessarily in the form of equation (1). For example, equation (1) is a quadratic polynomial, but the order may be second or higher. In addition, equation (1) is a form in which an arbitrary function is expanded by Macrolin, but other forms may also be used. For example, if Fourier series expansion is used, Equation (1) becomes a weighted sum of trigonometric functions. In addition to trigonometric functions, basis functions used for wavelet analysis may be used. However, when the weighted sum of a plurality of basis functions is used, it is easy to find a solution that satisfies Equation (5). Further, it is desirable that the sum of the number of parameters of the approximate function representing the signal value of the primary color and the number of parameters of the approximate function of the color component expressed by the combination of the primary color components is equal to or less than the number of pixels used for parameter estimation.
処理ブロックの形は必ずしも図4に示すような矩形である必要はない。例えば矩形ブロックの角に相当する4画素を処理ブロックに含めない処理であってもかまわない。 The shape of the processing block is not necessarily a rectangle as shown in FIG. For example, a process in which four pixels corresponding to the corners of a rectangular block are not included in the processing block may be used.
ブロック中心の注目画素以外の原色の信号値を算出してもよい。第1の実施形態では原色信号算出部103において、近似関数に注目画素の座標を代入しているが、代入する座標を変えることでブロック内の任意の位置の原色の信号値を算出することが可能である。画素の隙間の座標を代入することで、画素の補間に用いることもできる。 Signal values of primary colors other than the target pixel at the block center may be calculated. In the first embodiment, the primary color signal calculation unit 103 substitutes the coordinates of the pixel of interest in the approximate function. However, the primary color signal value at an arbitrary position in the block can be calculated by changing the substituted coordinates. Is possible. By substituting the coordinates of the pixel gap, it can also be used for pixel interpolation.
本実施形態の撮像部で用いたイメージセンサ102のカラーフィルタの各色成分の配列規則は、図2に示す色成分の配列規則に限定されない。例えば図4のようにWRGBの各色成分が配置されてもかまわない。 The arrangement rule of each color component of the color filter of the image sensor 102 used in the imaging unit of the present embodiment is not limited to the arrangement rule of the color component shown in FIG. For example, the WRGB color components may be arranged as shown in FIG.
なお、例えば、原色成分の組み合わせで表現される色成分が、Wではなくマゼンタ(Mg)である場合には、マゼンタはRとBの和であるため、式(2)においてwR= wB =1, wG=0 とすることでW画素と同様にデモザイク処理をすることができる。 For example, if the color component expressed by the combination of the primary color components is not W but magenta (Mg), magenta is the sum of R and B, and therefore w R = w B in equation (2). By setting = 1 and w G = 0, demosaic processing can be performed similarly to the W pixel.
式(5)の解き方は様々な方式を用いることができる。例えば、式(5)は変形すると
とできる。なお、Kは重みwiの対角行列
である。また、sは信号値のベクトル
である。行列Wは画素の配置を記述する行列であり、
である。なおδはカラーフィルタの色成分の配列規則によって変化し、
で表される。式(9)の解は行列Wの一般化逆行列をW+として式(14)で算出できる。
行列Wは画素とカラーフィルタの配置に依存するため、周期的な構造を持つイメージセンサでは有限個のパターンしか出現しない。例えば図2に示すイメージセンサの色成分の配列構造を全面に配したしたとしても、中心画素のカラーフィルタに依存した4パターンしか出現しない。また、行列Kの値も式(7)の行列Cを細かに変える場合であっても有限のパターンに限定できる。その場合、各カラーフィルタに及びCに応じた行列(KW)+Kを事前に算出してメモリに蓄積し、撮像時にはカラーフィルタに応じた行列Wをメモリから読み出し式(14)に応じて畳み込み演算を行うことで、画素毎の一般化逆行列や繰り返し演算のような計算コストの高い処理を削減することが可能である。 Since the matrix W depends on the arrangement of pixels and color filters, only a finite number of patterns appear in an image sensor having a periodic structure. For example, even if the arrangement structure of the color components of the image sensor shown in FIG. 2 is arranged on the entire surface, only four patterns depending on the color filter of the central pixel appear. Further, the value of the matrix K can also be limited to a finite pattern even when the matrix C of Expression (7) is changed finely. In that case, a matrix (KW) + K corresponding to each color filter and C is calculated in advance and stored in the memory, and the matrix W corresponding to the color filter is read from the memory and convolved according to the equation (14) at the time of imaging. By performing the calculation, it is possible to reduce processing with high calculation costs such as a generalized inverse matrix for each pixel and iterative calculation.
[第2の実施形態]
図5は、本実施形態の撮像装置2を示す図である。図1の撮像装置1とは、飽和判定部601、パラメータ算出部602,603をさらに備える点が異なる。
[Second Embodiment]
FIG. 5 is a diagram illustrating the
飽和判定部601は、信号値が撮像可能な値を超え、飽和しているW画素が、注目画素と対応する処理ブロック内にいくつ含まれるかを判定する。判定結果に応じて、注目画素の近似関数の導出をパラメータ算出部201、602、603のいずれでおこなうかを決定する。パラメータ算出部602、603は、パラメータ算出部201とは異なる方法で近似関数の導出をおこなう。
The
パラメータ算出部602は、RGB画素つまり原色成分から得られた信号値のみを参照して、式(1)の近似関数fR(x,y),fG(x,y),fB(x,y)のパラメータを算出する。つまり、式(5)を満たす、以下の式(15)に示すパラメータを算出する。
なお、式(5)に示すf(xi,y i,zi)は、式(16)に変更される。
パラメータ算出部603は、RGBW画素それぞれの入力画像信号を参照して、式(1)の近似関数fR(x,y),fG(x,y),fB(x,y)と式(8)の近似関数f’W(x,y)のパラメータを算出する。前述の通り、式(8)の近似関数は、原色成分の近似関数の和で定義される関数である。 The parameter calculation unit 603 refers to the input image signal of each RGBW pixel, and approximates the function f R (x, y), f G (x, y), f B (x, y) of equation (1) and the equation The parameter of the approximate function f ′ W (x, y) in (8) is calculated. As described above, the approximate function of Equation (8) is a function defined by the sum of the approximate functions of the primary color components.
次に、本実施形態の撮像装置2の動作について説明する。
Next, the operation of the
図6は、本実施形態の撮像装置の動作を示すフローチャートである。 FIG. 6 is a flowchart illustrating the operation of the imaging apparatus according to the present embodiment.
まず、撮像部100から入力画像信号を取得する(ステップ11)。本実施形態の撮像部100のイメージセンサの色成分の配列規則は、第1の実施形態と同様に図4に示すものとする。
First, an input image signal is acquired from the imaging unit 100 (step 11). The arrangement rule of the color components of the image sensor of the
次に、入力画像信号中の画素を注目画素として設定する(ステップ12)。 Next, a pixel in the input image signal is set as a target pixel (step 12).
次に、飽和判定部601は処理ブロックに含まれる入力画像信号のW画素の中で飽和レベルに達している画素の数(以下、飽和W画素素数と記載)を数える(ステップ13)。飽和レベルと判定する方法は、所定の閾値を設けて閾値以上の画素値を有する画素を飽和画素とする。飽和した場合、信号値はクリッピングされて一定の値となる。なお、飽和した信号値が読み出し時に信号値が多少変化する場合もあるため、クリッピングされた場合の一定の値から所定の値を引いた値を閾値とするのが好ましい。
Next, the
飽和判定部601が、数えた飽和W画素数があらかじめ定めた基準N1よりも大きいかを判定する(ステップ14)。
The
飽和W画素数がN1よりも大きい場合には(ステップ14,Yes)、パラメータ算出部602が原色成分の信号値のみを参照して、式(1)に示す近似関数のパラメータを導出する。 When the number of saturated W pixels is larger than N1 (Yes in step 14), the parameter calculation unit 602 refers to only the primary color component signal values and derives the parameters of the approximation function shown in the equation (1).
飽和W画素数がN1よりも小さい場合には(ステップ14,No)、飽和判定部601はさらに、飽和W画素数が0よりも大きいかを判定する(ステップ16)。なお、ステップ16における判定基準を0ではなくN2(0<N2<N1)としてもよい。
When the number of saturated W pixels is smaller than N1 (No at Step 14), the
処理ブロック内に飽和W画素が無い場合(ステップ16,Yes)、パラメータ算出部603は式(1)(8)の近似関数のパラメータを導出する(ステップ17)。 If there is no saturated W pixel in the processing block (step 16, Yes), the parameter calculation unit 603 derives the parameters of the approximation function of the equations (1) and (8) (step 17).
処理ブロック内に飽和W画素がある場合(ステップ16,No)、パラメータ算出部201は、第1の実施形態同様に式(1)(2)の近似関数のパラメータを導出する(ステップ18)。 When there is a saturated W pixel in the processing block (No in step 16), the parameter calculation unit 201 derives the parameters of the approximation functions of the expressions (1) and (2) as in the first embodiment (step 18).
原色成分算出部202は、ステップ15、17、18で導出した近似関数(1)に注目画素の座標を代入し、出力画像信号を得る(ステップ19)。
The primary color component calculation unit 202 substitutes the coordinates of the target pixel for the approximate function (1) derived in
次に、入力画像信号の全ての画素について出力画像信号を算出したか判定する(ステップ20)。 Next, it is determined whether the output image signal has been calculated for all the pixels of the input image signal (step 20).
入力画像信号の全ての画素について出力画像信号を算出した場合には(ステップ20,No)、ステップ12に戻り、次の画素を注目画素とする。入力画像信号の全ての画素について出力画像信号を算出した場合には(ステップ20,Yes)、得られた1フレーム分の出力画像信号を出力し(ステップ21)処理を終了する。
When the output image signal is calculated for all the pixels of the input image signal (No at Step 20), the process returns to Step 12, and the next pixel is set as the target pixel. When the output image signal is calculated for all the pixels of the input image signal (
このように、本実施形態の撮像装置によれば、飽和した画素数に応じて近似関数の導出方法を切り替えることで、より一層高画質なカラー画像を出力できる。 As described above, according to the imaging apparatus of the present embodiment, it is possible to output a color image with higher image quality by switching the method of deriving the approximate function according to the number of saturated pixels.
具体的には、処理ブロック内の飽和W画素数が多い場合にW画素の信号値を含めた近似関数の導出を行うと、原色成分の近似関数にずれが生じ、画質が劣化する。本実施形態では、基準よりも飽和W画素数が多い場合には、W画素の信号値及び近似関数を含めず原色色成分のみで近似関数を導出するため、飽和に対してロバストになる。 Specifically, if the approximate function including the signal value of the W pixel is derived when the number of saturated W pixels in the processing block is large, a shift occurs in the approximate function of the primary color component, and the image quality deteriorates. In the present embodiment, when the number of saturated W pixels is larger than the reference, the approximation function is derived only with the primary color components without including the signal value of W pixels and the approximation function, and therefore, robustness against saturation is achieved.
また、処理ブロック内に飽和W画素が存しない場合には、W画素の近似関数の定数項に関してもRGB画素の和であるという条件を加えても、画像の劣化とはならず、より好適な近似関数を導出することが可能となる。 Further, when there is no saturated W pixel in the processing block, even if the condition that the constant term of the approximate function of the W pixel is the sum of the RGB pixels is added, the image is not deteriorated and is more preferable. An approximate function can be derived.
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
また、上記の各実施形態の撮像装置の画像処理部は、例えば、汎用のコンピュータ装置を基本ハードウェアとして用いることでも実現することが可能である。実行されるプログラムは、上述した各機能を含むモジュール構成となっている。プログラムはインストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでCD-ROM、CD−R、DVD等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供しても、ROM等に予め組み込んで提供してもよい。 In addition, the image processing unit of the imaging device of each of the above embodiments can be realized by using, for example, a general-purpose computer device as basic hardware. The program to be executed has a module configuration including each function described above. The program is an installable or executable file that is recorded on a computer-readable recording medium such as a CD-ROM, CD-R, DVD, etc. Also good.
1,2・・・撮像装置
100・・・撮像部
101・・・レンズ
102・・・イメージセンサ
200,210・・・画像処理部
201・・・パラメータ算出部
202・・・原色信号算出部
601・・・判定部
602,603・・・パラメータ算出部
DESCRIPTION OF
Claims (9)
(a)前記原色成分の近似関数の導関数同士が等しいこと;
(b)前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数の導関数は、前記組み合わせに該当する前記原色成分について求める前記近似関数の導関数の和と等しいこと;
(c)前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数の定数項は、前記複数の原色成分の近似関数とは独立に定義されること;
求められた複数の原色成分の前記近似関数に各画素の出力画像信号での位置を代入することで、画素毎に複数の原色成分の信号値のセットを有する前記出力画像信号の信号値を求める算出部と、
を備えたことを特徴とする画像処理装置。 According to a predetermined arrangement rule for each pixel, the position of each pixel of the input image signal having a signal value of one color component of a plurality of primary color components or a color component expressed by a combination of the primary color components is used as a variable, An estimator for approximating the signal values of the respective color components and satisfying the following (a) to (c), and estimating an approximate function for each color component;
(A) the derivatives of the approximate functions of the primary color components are equal;
(B) The derivative of the approximate function of the color component expressed by the combination of the primary color components is equal to the sum of the derivatives of the approximate functions obtained for the primary color component corresponding to the combination;
(C) the constant term of the approximate function of the color component expressed by the combination of the primary color components is defined independently of the approximate function of the plurality of primary color components;
A signal value of the output image signal having a set of signal values of a plurality of primary color components is obtained for each pixel by substituting the position of each pixel in the output image signal for the obtained approximate function of the plurality of primary color components. A calculation unit;
An image processing apparatus comprising:
前記推定部は、前記信号値が基準を超えるものの数が第1の基準以下であった場合、前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数の定数項を前記複数の原色成分を表現する近似関数の定数項の重み付け和とすること、
を特徴とする請求項1記載の画像処理装置。 A determination unit that obtains the number of pixels whose signal value exceeds a reference among pixels having a signal value of a color component that is included in a peripheral region of a target pixel to be processed and expressed by a combination of the primary color components; ,
The estimation unit expresses the plurality of primary color components by expressing a constant term of an approximate function of a color component expressed by a combination of the primary color components when the number of signal values exceeding a reference is equal to or less than a first reference. The weighted sum of the constant terms of the approximate function
The image processing apparatus according to claim 1.
を特徴とする請求項2記載の画像処理装置。 The estimation unit derives only an approximate function of the primary color component when the number of signal values exceeding a reference is equal to or greater than a second reference greater than the first reference;
The image processing apparatus according to claim 2.
(a)前記原色成分の近似関数の導関数同士が等しいこと;
(b)前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数の導関数は、前記組み合わせに該当する前記原色成分について求める前記近似関数の導関数の和と等しいこと;
(c)前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数の定数項は、前記複数の原色成分の近似関数とは独立に定義されること;
求められた複数の原色成分の前記近似関数に各画素の出力画像信号での位置を代入することで、画素毎に複数の原色成分の信号値のセットを有する前記出力画像信号の信号値を求めるステップと、
を備えたことを特徴とする画像処理方法。 According to a predetermined arrangement rule for each pixel, the position of each pixel of the input image signal having a signal value of one color component of a plurality of primary color components or a color component expressed by a combination of the primary color components is used as a variable, Approximating the signal values of the respective color components and estimating an approximate function satisfying the following (a) to (c) for each color component;
(A) the derivatives of the approximate functions of the primary color components are equal;
(B) The derivative of the approximate function of the color component expressed by the combination of the primary color components is equal to the sum of the derivatives of the approximate functions obtained for the primary color component corresponding to the combination;
(C) the constant term of the approximate function of the color component expressed by the combination of the primary color components is defined independently of the approximate function of the plurality of primary color components;
A signal value of the output image signal having a set of signal values of a plurality of primary color components is obtained for each pixel by substituting the position of each pixel in the output image signal for the obtained approximate function of the plurality of primary color components. Steps,
An image processing method comprising:
前記撮像部が撮像した入力画像信号での各画素の位置を変数とし、それぞれの前記色成分の信号値を近似し、かつ下記(a)〜(c)を満たす、近似関数を前記色成分毎に推定する推定部と、
(a)前記原色成分の近似関数の導関数同士が等しいこと;
(b)前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数の導関数は、前記組み合わせに該当する前記原色成分について求める前記近似関数の導関数の和と等しいこと;
(c)前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数の定数項は、前記複数の原色成分の近似関数とは独立に定義されること;
求められた複数の原色成分の前記近似関数に各画素の出力画像信号での位置を代入することで、画素毎に複数の原色成分の信号値のセットを有する前記出力画像信号の信号値を求める算出部と、
を備えたことを特徴とする撮像装置。 An image sensor having sensitivity to light of a color component of one primary color component among a plurality of primary color components or light of a color component expressed by a combination of the primary color components is arranged for each pixel according to a predetermined arrangement rule. An imaging unit having an image sensor;
The position of each pixel in the input image signal imaged by the imaging unit is a variable, the signal value of each color component is approximated, and an approximate function that satisfies the following (a) to (c) is set for each color component: An estimation unit for estimating
(A) the derivatives of the approximate functions of the primary color components are equal;
(B) The derivative of the approximate function of the color component expressed by the combination of the primary color components is equal to the sum of the derivatives of the approximate functions obtained for the primary color component corresponding to the combination;
(C) the constant term of the approximate function of the color component expressed by the combination of the primary color components is defined independently of the approximate function of the plurality of primary color components;
A signal value of the output image signal having a set of signal values of a plurality of primary color components is obtained for each pixel by substituting the position of each pixel in the output image signal for the obtained approximate function of the plurality of primary color components. A calculation unit;
An imaging apparatus comprising:
(a)前記原色成分の近似関数で表される形状同士がほぼ等しいこと;
(b)前記原色成分の組み合わせで表現される色成分の近似関数は、前記組み合わせに該当する前記原色成分について求める前記近似関数を足し合わせた関数で表される形状とほぼ等しいこと;
(c)前記色成分毎の近似関数の定数項は、それぞれ独立に定義されること;
求められた複数の原色成分の前記近似関数から、画素毎に複数の原色成分の信号値のセットを有する前記出力画像信号の信号値を求める算出部と、
を備えたことを特徴とする画像処理装置。 According to a predetermined arrangement rule for each pixel, from an input image signal having a signal value of one color component among a plurality of primary color components or a color component signal value expressed by a combination of the primary color components at each pixel position An estimation unit that approximates the signal value of each of the color components and estimates an approximation function that satisfies the following (a) to (c) for each color component;
(A) the shapes represented by the approximate functions of the primary color components are substantially equal;
(B) The approximate function of the color component expressed by the combination of the primary color components is substantially equal to the shape expressed by the function obtained by adding the approximate functions obtained for the primary color components corresponding to the combination;
(C) the constant term of the approximate function for each color component is defined independently;
A calculation unit for obtaining a signal value of the output image signal having a set of signal values of a plurality of primary color components for each pixel from the approximate function of the plurality of primary color components obtained;
An image processing apparatus comprising:
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