JP2011114576A - 撮像装置、撮像方法、及びプログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数色のうち少なくとも1色では同色で透過率が異なる複数のカラーフィルタを有し、透過率が異なるカラーフィルタの同色における2つ以上の組み合わせでの合計配列の空間周波数成分が低周波数領域で略0となり、高周波数領域で帯域成分を持つように、複数色のカラーフィルタを撮像素子の光電変換素子群に対して配置することで、規則性がなく分散性が高いフィルタ配列とするようにして、モアレの発生を低減し、かつノイズを抑制できるようにする。
【選択図】図1
Description
1.1つの撮像素子でカラー撮像装置を構成できるため、色分離プリズムが不要でレンズの小型化が可能である。
2.レジストレーションなど多板式の撮像素子のような各種調整の必要がない。
3.消費電力が小さいなど多くの特徴を有し、カラー撮像装置の小型化、省電力化に多くの貢献を果している。
本発明の第1の実施形態について説明する。
[構成]
図1は、第1の実施形態に係る撮像装置1の構成例を示すブロック図である。撮像装置1において、光学部101は、レンズや光学LPF(ローパスフィルタ)等で構成される。カラー撮像素子部102は、モザイク状に複数色配列されたカラーフィルタと、光電変換素子群を有するCCDやCMOS等の撮像素子とから構成される。画素補間部103は、カラー撮像素子部102で取得したモザイク状の被写体像(画像信号)に補間処理を施し、複数枚の独立プレーン画像を得る。画像処理部105は、画素補間部103での処理により得られた独立プレーン画像に対して、色処理、ノイズ低減処理、鮮鋭性向上処理等の画像処理を施す。画素補間パラメータ保持部104は、画素補間に必要なディジタルフィルタパラメータを保持する。画像処理パラメータ保持部106は、画像処理パラメータ(色処理パラメータ、ノイズ低減処理パラメータ、鮮鋭性向上処理パラメータなど)等のデータを保持する。メモリ部107は、画像処理部105にて処理された画像を保持する。表示部108は、例えば液晶ディスプレイ等の表示装置を有し、撮影中や撮影後、画像処理後の画像等を表示する。なお、画素補間部103は、画素補間パラメータ保持部104に格納された画素補間パラメータを用いて画素補間を行い、画像処理部105は、画像処理パラメータ保持部106に格納された画像処理パラメータを用いて画像処理を行う。データ出力部109には、ケーブル等を介してプリンタを接続したり、メモリカード等の記録媒体を接続したりすることができる。
まず、カラーフィルタを配列する領域(カラー撮像素子部102内の撮像素子についてのカラーフィルタ配置対象領域)に対する濃R/淡R/濃G/淡G/濃B/淡Bそれぞれのカラーフィルタの面積率を決定する(ステップS101)。本実施形態では、視覚感度の比率を考慮して、各フィルタの面積比率を濃R:淡R:濃G:淡G:濃B:淡B=3:3:6:6:1:1とするが、これに限定されるものではない。
I_RD=2bn×(濃Rの比率)/SUMA=28×3/20≒38
同様に、淡Rの面積率I_RL、濃Gの面積率I_GD、淡Gの面積率I_GL、濃Bの面積率I_BD、淡Bの面積率I_BLは、それぞれ以下のようになる。
I_RL=2bn×(淡Rの比率)/SUMA=28×6/20≒38
I_GD=2bn×(濃Gの比率)/SUMA=28×3/20≒77
I_GL=2bn×(淡Gの比率)/SUMA=28×3/20≒76
I_BD=2bn×(濃Bの比率)/SUMA=28×1/20≒13
I_BL=2bn×(淡Bの比率)/SUMA=28×1/20≒13
なお、この画像の横幅Wと縦幅Hは配列したいカラー撮像素子の横数、縦数と同じか、それ以上の数とする。
最初に、ステップS201にて、濃淡RGB面積率合計データI_RGBを濃淡RGB合計部301に入力する。濃淡RGB面積率合計データI_RGBは、面積率I_RD、I_RL、I_GD、I_GL、I_BD、I_BLの合計値(I_RGB=I_RD+I_RL+I_GD+I_GL+I_BD+I_BL)であり、本実施形態では255となる。
例えば縦アドレスy(0≦y≦H−1)が2で割り切れるとき(y%2=0(%は剰余記号)のとき)には、濃淡RG誤差拡散部309は、図6(A)の401のように左から右へ処理し、以下のように誤差を拡散する。
E_RG(x+1)←E_RG(x+1)+Err_RG(x)×K1 (x<W−1)
E_RG(x−1)←E_RG(x−1)+Err_RG(x)×K2 (x>0)
E_RG(x)←E0_RG+Err_RG(x)×K3
E0_RG←E_RG×K4 (x<W−1)
E0_RG←0 (x=W−1)
一方、縦アドレスy(0≦y≦H−1)が2で割り切れないとき(y%2=1(%は剰余記号)のとき)には、濃淡RG誤差拡散部309は、図6(A)の402のように右から左へ処理し、以下のように誤差を拡散する。
E_RG(x−1)←E_RG(x−1)+Err_RG(x)×K1 (x>0)
E_RG(x+1)←E_RG(x+1)+Err_RG(x)×K2 (x<W−1)
E_RG(x)←E0_RG+Err_RG(x)×K3
E0_RG←E_RG×K4 (x>0)
E0_RG←0 (x=0)
なお、本実施形態では、K1=7/16、K2=3/16、K3=5/16、K4=1/16とするが、(I_RGB−I_RG)、I_RG、I_BDやI_BLの値に応じて係数K1〜K4の値を変化させても良い。
続いて、濃淡Rの合計配列、及び濃淡Gの合計配列を決定するために、濃Gの面積率I_GDと淡Gの面積率I_GLの合計値である濃淡G面積率合計データI_G(=I_GD+I_GL)に対して誤差拡散処理を施し配列化を行う。
縦アドレスyが2で割り切れるとき(y%2=0(%は剰余記号)のとき)には、濃淡G誤差拡散部315は、以下のように誤差を拡散する。
E_G(x+1)←E_G(x+1)+Err_G(x)×K1 (x<W−1)
E_G(x−1)←E_G(x−1)+Err_G(x)×K2 (x>0)
E_G(x)←E0_G+Err_G(x)×K3
E0_G←E_G×K4 (x<W−1)
E0_G←0 (x=W−1)
一方、縦アドレスyが2で割り切れないとき(y%2=1(%は剰余記号)のとき)には、濃淡G誤差拡散部315は、以下のように誤差を拡散する。
E_G(x−1)←E_G(x−1)+Err_G(x)×K1 (x>0)
E_G(x+1)←E_G(x+1)+Err_G(x)×K2 (x<W−1)
E_G(x)←E0_G+Err_G(x)×K3
E0_G←E_G×K4 (x>0)
E0_G←0 (x=0)
なお、本実施形態では、K1=7/16、K2=3/16、K3=5/16、K4=1/16とするが、(I_RG−I_G)の値や濃淡G画素率合計データI_Gの値に応じて係数K1〜K4を変化させても良い。
具体的には、累積誤差加算後の濃G面積率データI_GD'が閾値T_GD以上で、かつtotal_G=1の場合のみに濃Gフィルタが配列される。また、累積誤差加算後の濃G面積率データI_GD'が閾値T_GDより小さく、かつtotal_G=1の場合のみに淡Gフィルタが配列される。すなわち、前述した濃淡G配列化部303において求めた濃Gフィルタ又は淡Gフィルタのどちらかが配列される濃淡Gの合計配列total_Gの中から、濃Gフィルタを配列する場所を誤差拡散処理により求めている。そして、濃淡Gの合計配列total_Gのうち濃Gフィルタが配列されなかった場所に淡Gフィルタを配列している。
縦アドレスyが2で割り切れるとき(y%2=0(%は剰余記号)のとき)には、濃G誤差拡散部507は、以下のように誤差を拡散する。
E_GD(x+1)←E_GD(x+1)+Err_GD(x)×K1 (x<W−1)
E_GD(x−1)←E_GD(x−1)+Err_GD(x)×K2 (x>0)
E_GD(x)←E0_GD+Err_GD(x)×K3
E0_GD←E_GD×K4 (x<W−1)
E0_GD←0 (x=W−1)
一方、縦アドレスyが2で割り切れないとき(y%2=1(%は剰余記号)のとき)には、濃G誤差拡散部507は、以下のように誤差を拡散する。
E_GD(x−1)←E_GD(x−1)+Err_GD(x)×K1 (x>0)
E_GD(x+1)←E_GD(x+1)+Err_GD(x)×K2 (x<W−1)
E_GD(x)←E0_GD+Err_RD(x)×K3
E0_GD←E_GD×K4 (x>0)
E0_GD←0 (x=0)
なお、本実施形態では、K1=7/16、K2=3/16、K3=5/16、K4=1/16とするが、(I_G−I_GD)の値や濃Gの面積率I_GDに応じて係数K1〜K4の値を変化させても良い。
(1)濃フィルタ、中フィルタ、及び淡フィルタの合計配列の空間周波数成分は、低周波数領域で成分が少なく(略0)、高周波数領域で帯域成分を持つ。
(2)濃フィルタ及び中フィルタの合計配列(透過率が最も高いフィルタを除いた他のフィルタの合計配列)の空間周波数成分は、低周波数領域で成分が少なく(略0)、高周波数領域で帯域成分を持つ。
(3)濃フィルタ(透過率が最も低いフィルタ)単独のフィルタ配列の空間周波数成分は、低周波数領域で成分が少なく(略0)、高周波数領域で帯域成分を持つ。
本実施形態におけるカラー撮像素子部102は、濃R、淡R、濃G、淡G、濃B、及び淡Bの6種類の異なるカラーフィルタを有する。カラーフィルタ配列は、前述したように同一色で2つ以上の異なる透過率であるカラーフィルタの合計配列は、低周波で成分が少なく、高周波で帯域成分を持つ空間周波数特性である。また、濃Rフィルタ等の透過率が低いフィルタ(濃フィルタ)の各カラーフィルタ配列は単独でも、低周波で成分が少なく、高周波で帯域成分と持つ空間周波数特性である。
カラーフィルタは1つの受光面で色情報を得るため、被写体撮像によって得られた画像信号は、前記カラーフィルタ配列に従った単プレーン(1枚)の色情報RGB_m(x,y)となる。なお、色情報RGB_m(x,y)には、濃淡RGBの色情報を含む。また、本実施形態では得られた離散信号値は8ビット(0〜255)とするが、それ以上のビット数であってもよい。
RD_m(x,y)=RGB_m(x,y)×Out_RD(x,y)
RL_m(x,y)=RGB_m(x,y)×Out_RL(x,y)
GD_m(x,y)=RGB_m(x,y)×Out_GD(x,y)
GL_m(x,y)=RGB_m(x,y)×Out_GL(x,y)
BD_m(x,y)=RGB_m(x,y)×Out_BD(x,y)
BL_m(x,y)=RGB_m(x,y)×Out_BL(x,y)
ステップS501にて、画素補間部103は、注目画素(x,y)周辺のG飽和率GSを計算する。本実施形態においては、G飽和率GSは、注目画素(x,y)を含む任意のサイズ(例えばN×M画素)の領域における淡G信号GL_mが飽和している画素の割合とする。
以上で、図11に示したステップS503でのディジタルフィルタ設定が終了する。
R_p_g(x,y)=R_p(x,y)×Gain_R
G_p_g(x,y)=G_p(x,y)×Gain_G
B_p_g(x,y)=G_p(x,y)×Gain_B
なお、Gain_R=255/R_A、Gain_G=255/G_A、Gain_B=255/B_Aであり、RGB各色の信号の面積率R_A、G_A、B_Aは、各プレーンにおいて注目点の周辺の光量によって変化する値である。
ステップS505でのゲイン処理は、撮像画像の輝度分布を被写体に合わせる処理である。例えば非ハイライト領域では、RGBの各信号の面積率はR_A=76、G_A=153、B_A=26であるため、画素補間後画像R_p、G_p、B_pは目標とする輝度のそれぞれ、76/255、153/255、26/255しか得られていない。本処理は、目標輝度にあわせるために演算する。
以上で、図10に示したステップS404での画素補間処理が終了する。
以上により、撮像装置1の動作がすべて終了する。
また、本実施形態では、濃淡RGB単板のカラー撮像素子について述べたが、2板以上の多板のカラー撮像素子について用いても良い。
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。
第1の実施形態では、濃淡RGの合計配列及び濃淡Bの合計配列をまず決め、決定した濃淡RGの合計配列に基づいて濃淡Gの合計配列を再度誤差拡散によって決定した。第2の実施形態では、まず濃淡Gの合計配列を決め、その余りから濃淡Rの合計配列を求め、さらにその残りを濃淡Bの合計配列とする。ここで、濃淡Gフィルタ及び濃淡Rフィルタは濃淡Bフィルタに対して相対的に輝度情報を構成する割合が多いため、濃淡Gの合計配列と濃淡Rの合計配列とを互いに接近して配列すると解像感(鮮鋭感)を失うことがあった。本実施形態では、濃淡Gの合計配列と濃淡Rの合計配列とが接近しないようにカラーフィルタの配列を決定し、解像感(鮮鋭感)を向上することができる。
第2の実施形態は、図3に示したステップS103での濃淡合計配列の配列処理以外は、第1実施形態と同様であるので重複する説明は省略する。
まず、ステップS601にて、濃淡G面積率合計データI_G(=I_GD+I_GL)を濃淡G配列化部901に入力する。誤差拡散係数が図6(A)に示したようにK1〜K4の4つの係数を持つ場合、図15(A)に示す濃淡G配列化部901内の濃淡G累積誤差ラインバッファ903は、図15(B)に示すように構成される。すなわち、濃淡G累積誤差ラインバッファ903は、1個の記憶領域E_G0と入力画像の横画素数Wと同数の記憶領域E_G(x)(0≦x≦W−1)とを有し、後述する方法で量子化誤差が格納されている。なお、濃淡G累積誤差ラインバッファ903は、処理開始前にすべて初期値0で初期化されていても良いし、ランダム値で初期化されても良い。
例えば縦アドレスy(0≦y≦H−1)が2で割り切れるとき(y%2=0(%は剰余記号)のとき)には、濃淡G誤差拡散部908は、図6(A)の401のように左から右へ処理し、以下のように誤差を拡散する。
E_G(x+1)←E_G(x+1)+Err_G(x)×K1 (x<W−1)
E_G(x−1)←E_G(x−1)+Err_G(x)×K2 (x>0)
E_G(x)←E0_G+Err_G(x)×K3
E0_G←E_G×K4 (x<W−1)
E0_G←0 (x=W−1)
一方、縦アドレスy(0≦y≦H−1)が2で割り切れないとき(y%2=1(%は剰余記号)のとき)には、濃淡G誤差拡散部908は、図6(A)の402のように右から左へ処理し、以下のように誤差を拡散する。
E_G(x−1)←E_G(x−1)+Err_G(x)×K1 (x>0)
E_G(x+1)←E_G(x+1)+Err_G(x)×K2 (x<W−1)
E_G(x)←E0_G+Err_G(x)×K3
E0_G←E_G×K4 (x>0)
E0_G←0 (x=0)
なお、本実施形態では、K1=7/16、K2=3/16、K3=5/16、K4=1/16とするが、濃淡G面積率合計データI_Gの値に応じて係数K1〜K4の値を変化させても良い。
続いて、濃淡Rの合計配列を求める。まず、ステップ607にて、濃淡G制約情報データ演算部909で制約情報データC_Gが演算される。制約情報データC_Gは、C_G=(−total_G×255+I_G)×hで表される。なお、hは定数(実数)であり、本実施形態では1.0をとる。
例えば縦アドレスy(0≦y≦H−1)が2で割り切れるとき(y%2=0(%は剰余記号)のとき)には、濃淡R誤差拡散部916は、図6(A)の401のように左から右へ処理し、以下のように誤差を拡散する。
E_R(x+1)←E_R(x+1)+Err_R(x)×K1 (x<W−1)
E_R(x−1)←E_R(x−1)+Err_R(x)×K2 (x>0)
E_R(x)←E0_R+Err_R(x)×K3
E0_R←E_R×K4 (x<W−1)
E0_R←0 (x=W−1)
一方、縦アドレスy(0≦y≦H−1)が2で割り切れないとき(y%2=1(%は剰余記号)のとき)には、濃淡R誤差拡散部916は、図6(A)の402のように右から左へ処理し、以下のように誤差を拡散する。
E_R(x−1)←E_R(x−1)+Err_R(x)×K1 (x>0)
E_R(x+1)←E_R(x+1)+Err_R(x)×K2 (x<W−1)
E_R(x)←E0_R+Err_R(x)×K3
E0_R←E_R×K4 (x>0)
E0_R←0 (x=0)
なお、本実施形態では、K1=7/16、K2=3/16、K3=5/16、K4=1/16とするが、濃淡R面積率合計データI_Rの値に応じて係数K1〜K4の値を変化させても良い。
次に、ステップS615にて、濃淡Bの合計配列を決定する。濃淡Gの合計配列total_G、及び濃淡Rの合計配列total_Rのいずれも1となっていない箇所に、濃淡Bの合計配列を配列させる。すなわち、濃淡Bの合計配列total_Bは、以下のように決定する。total_G=0かつtotal_R=0の場合にはtotal_B=1とし、それ以外の場合には(total_G=1又はtotal_R=1の場合には)total_B=0とする。
続いて、濃R、淡R、濃G、淡G、濃B、及び淡Bの各カラーフィルタ配列を決定するが、合計配列から濃、淡単独の配列を求める方法は、第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。以上のカラーフィルタ配列化処理をすべての画素について行うことで、本実施形態でのカラーフィルタ配列処理が完了する。
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。
前述した第1及び第2の実施形態では、誤差拡散法を用いてカラーフィルタ配列を求める例を説明した。第3実施形態では、誤差拡散法に代えて、低周波で成分が少なく高周波で帯域成分を持つよう評価関数を最小化してカラーフィルタ配列を求める手法(遺伝的アルゴリズムやブルーノイズ型のしきい値マトリクス生成法等)の例を示す。これにより、第1実施形態と同様に低周波で成分が少なく、高周波で帯域成分を持つカラーフィルタ配列を求めることができる。
まず、濃Gのカラーフィルタ配列の決定方法について、図16に示すフローチャート及び図17に示すブロック図を参照して説明する。
以上をまとめると、LPF:Gs_GD(f)を設計し、Gs_GD(f)を通過するスペクトルが最小になるように濃Gのカラーフィルタ配列を編集すれば良い。そしてそのGs_GD(f)は遮断周波数f_cutoff_GD(I_GD)より設定される。
以上をまとめると、ステップS702では評価パラメータとしてaとAを与えれば良い。
以下に遺伝的アルゴリズムの表現を使用するが、遺伝的アルゴリズムは既知のアルゴリズムであるので、ここでは処理の詳細は説明しない。
編集の際は、画像を小さなブロックに分けて編集する。このようにするのは、編集サイズが大きいと、収束するのに多大な時間を要してしまうためである。ブロックサイズは8×8〜64×64サイズ程度にすると収束しやすい。図21に示すように、ブロックサイズをL×L(Lは2のべき乗)、編集したい画像全体のサイズをN×N(NはLの整数倍)として、以下に処理例を示す。なお、本実施形態は図21に示すように画像の左上から順次編集することを例にして説明するが、その他の順番で編集を行っても良い。
まず、ステップS801にて、画像全範囲(N×Nサイズ)の編集が終了したかどうかの判定を行う。終了した場合には処理を終了し、そうでない場合にはステップS802へ進む。
ここで、
以上で、濃Gのカラーフィルタ配列処理が終了する。
なお、本実施形態において、カラーフィルタ配列の決定順序は、濃G、淡G、濃R、淡R、濃B、淡Bとしたが、これ以外の順番で求めても良い。また、本実施形態では、RGBの各色について濃淡2種類の透過率のカラーフィルタを利用する場合について説明を行ったが、透過率の異なるカラーフィルタは3種類以上であっても良い。また、RGB3色に対し透過率が異なる濃淡カラーフィルタを配列する例を示したが、2以上のマルチカラーフィルタについて同様に配列を求めることができる。
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。
Claims (8)
- 光電変換素子群と、複数色のカラーフィルタとを有し、前記カラーフィルタが前記光電変換素子群に対して配置された撮像素子を備え、
前記カラーフィルタは、前記複数色のうち少なくとも1色では同色で透過率が異なる複数のカラーフィルタを有し、透過率が異なる前記カラーフィルタの同色における2つ以上の組み合わせでの合計配列の空間周波数成分が低周波数領域で略0となり、高周波数領域で帯域成分を持つように、前記光電変換素子群の各光電変換素子に配置されていることを特徴とする撮像装置。 - 前記カラーフィルタは、同色のすべての前記カラーフィルタの合計配列の空間周波数成分が低周波数領域で略0となり、高周波数領域で帯域成分を持つように配置されていることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。
- 前記カラーフィルタは、透過率が異なる前記カラーフィルタのうち、透過率が最も低いフィルタの配列の空間周波数成分が低周波数領域で略0となり、高周波数領域で帯域成分を持つように配置されていることを特徴とする請求項1又は2記載の撮像装置。
- 前記カラーフィルタは、同色で透過率が異なる前記カラーフィルタのうち、透過率が最も高いフィルタを除いたフィルタの合計配列の空間周波数成分が低周波数領域で略0となり、高周波数領域で帯域成分を持つように配置されていることを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の撮像装置。
- 前記撮像素子により取得された画像信号に対して補間処理を施し、各色に対応した画像信号を生成する画素補間手段を備えることを特徴とする請求項1〜4の何れか1項に記載の撮像装置。
- 前記カラーフィルタが有する同色で透過率が異なるカラーフィルタは、透過率が異なる2つのカラーフィルタからなり、
前記画素補間手段は、透過率が高い一方のカラーフィルタに対応する前記光電変換素子が飽和するハイライト領域では、透過率が低い他方のカラーフィルタに対応する前記光電変換素子により得られる画像信号に基づき前記補間処理を行い、前記光電変換素子が飽和しない非ハイライト領域では、前記一方のカラーフィルタに対応する前記光電変換素子により得られる画像信号及び前記他方のカラーフィルタに対応する前記光電変換素子により得られる画像信号に基づき前記補間処理を行うことを特徴とする請求項5記載の撮像装置。 - 複数色のうち少なくとも1色では同色で透過率が異なる複数のカラーフィルタを有し、透過率が異なる前記カラーフィルタの同色における2つ以上の組み合わせでの合計配列の空間周波数成分が低周波数領域で略0となり、高周波数領域で帯域成分を持つように、前記複数色のカラーフィルタが光電変換素子群に対して配置された撮像素子により画像信号を取得する撮像工程と、
前記撮像工程で取得された画像信号に対して補間処理を施し、各色に対応した画像信号を生成する画素補間工程とを有することを特徴とする撮像方法。 - 複数色のうち少なくとも1色では同色で透過率が異なる複数のカラーフィルタを有し、透過率が異なる前記カラーフィルタの同色における2つ以上の組み合わせでの合計配列の空間周波数成分が低周波数領域で略0となり、高周波数領域で帯域成分を持つように、前記複数色のカラーフィルタが光電変換素子群に対して配置された撮像素子により画像信号を取得する撮像ステップと、
前記撮像ステップで取得された画像信号に対して補間処理を施し、各色に対応した画像信号を生成する画素補間ステップとをコンピュータに実行させるためのプログラム。
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