JP2011197954A - Signal processing apparatus and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、画像、音声等の信号処理装置及びプログラムに関し、特に、高品質な信号を生成する技術に関する。 The present invention relates to a signal processing apparatus and program for images, sounds, and the like, and more particularly to a technique for generating a high-quality signal.
従来、画像処理の分野において、低解像の画像から高解像の画像を復元または推定する手法として、低解像画像の画素間を内挿補間することにより、高解像画像を生成する手法が知られている。この手法では、内挿処理を行う補間フィルタまたは後処理を行うフィルタに、高域強調特性を持たせることにより、画像信号の先鋭感を向上させることができる。 Conventionally, in the field of image processing, as a method for restoring or estimating a high-resolution image from a low-resolution image, a method for generating a high-resolution image by interpolating between pixels of the low-resolution image It has been known. In this method, the sharpness of the image signal can be improved by providing the interpolation filter for performing the interpolation process or the filter for performing the post-processing with a high frequency emphasis characteristic.
また、画像の局所的な輝度パターン構造(例えば、エッジ、直線、フラクタル性)に着目した1枚超解像方式により、高解像画像を生成する手法が知られている(特許文献1を参照)。この手法は、非線形のフィルタ(方向性フィルタ等)を用いて、高解像画像を生成するものである。具体的には、原画像信号から抽出した大域的なエッジ構造に対応する骨格成分、及び微細な振動成分に対応するテクスチャ成分のそれぞれに最適な補間処理を施す。これにより、高精細な補間処理を実現することができ、エッジ部分の高周波成分を仮想的に生成することができる。 In addition, a technique for generating a high-resolution image by a single super-resolution method focusing on the local luminance pattern structure (for example, edge, straight line, fractal property) of the image is known (see Patent Document 1). ). This method generates a high resolution image using a non-linear filter (directional filter or the like). Specifically, optimum interpolation processing is performed on each of the skeleton component corresponding to the global edge structure extracted from the original image signal and the texture component corresponding to the fine vibration component. As a result, high-definition interpolation processing can be realized, and high-frequency components at the edge portion can be virtually generated.
また、動画像信号に対し、フレーム間の局所的な画像相関を少数画素位置精度で求め、動き補償を行いながら画像を重ね合わせる複数枚超解像方式により、高解像画像を生成する手法も知られている(特許文献2)。この手法によれば、超解像処理の高速化を実現することができると共に、折り返し歪みを打ち消し、エッジ部分の高周波成分を生成することができる。 There is also a method of generating a high resolution image by using a multiple-resolution super-resolution method in which local image correlation between frames is obtained with a small number of pixel position accuracy for moving image signals and images are superimposed while performing motion compensation. Known (Patent Document 2). According to this method, high-speed super-resolution processing can be realized, aliasing distortion can be canceled, and high-frequency components of edge portions can be generated.
また、前述の1枚超解像方式及び複数枚超解像方式による手法等において、画像の信号特性に対するコスト関数である正則化項を導入することにより、低解像画像から高解像画像を推定するという不良設定問題を解決する手法も知られている。例えば、トータルバリエーション正則化の最適化問題を、繰り返し演算によって解決する手法がある(非特許文献1)。 In addition, in the method using the single-frame super-resolution method or the multiple-frame super-resolution method described above, a high-resolution image is converted from a low-resolution image by introducing a regularization term that is a cost function for the signal characteristics of the image. There is also known a method for solving the problem of setting a defect by estimating. For example, there is a method for solving the optimization problem of total variation regularization by iterative calculation (Non-Patent Document 1).
しかしながら、前述の内挿補間による手法では、原理的にみて、低解像画像の信号のナイキスト周波数を超える高周波成分を再現または生成することはできない。仮に高域強調処理を行ったとしても、そもそも有効な信号成分が存在しないから、ナイキスト周波数を超える高周波成分を再現または生成することはできない。 However, in principle, the above-described interpolation method cannot reproduce or generate a high-frequency component exceeding the Nyquist frequency of a low-resolution image signal. Even if the high-frequency emphasis processing is performed, since there is no effective signal component in the first place, a high-frequency component exceeding the Nyquist frequency cannot be reproduced or generated.
また、1枚超解像方式による手法では、例えば、画像の局所領域がエッジであるのか平坦であるのかについての判定を、輝度パターンに応じた場合分けにより行うが、場合分けの切り替わりによって不自然な歪みが生じてしまう可能性がある。また、場合分けの条件及び閾値等についての統一的な指針がないから、その設計は困難であり、1枚超解像方式による手法を容易に実現することができないという問題があった。 In the single-frame super-resolution method, for example, whether the local region of the image is an edge or flat is determined by a case according to the luminance pattern. Distortion may occur. In addition, since there is no uniform guideline regarding conditions for dividing cases, threshold values, etc., the design thereof is difficult, and there is a problem that a method using the single-frame super-resolution method cannot be easily realized.
また、トータルバリエーション正則化による手法では、画像ぼけ、標本化等の物理的な過程をコスト関数として明確に定義することが可能であるから、設計は容易であるが、この最適化問題は非線形であるため、繰り返し演算等の計算負荷が高いという問題があった。 In addition, the total variation regularization method makes it possible to clearly define physical processes such as image blurring and sampling as cost functions, so design is easy, but this optimization problem is nonlinear. For this reason, there is a problem that the calculation load such as repetitive calculation is high.
このように、画像処理の分野では、信号の分解能を向上させるため、低解像画像から高解像画像を生成する際に、画像の品質が劣化したり、計算負荷が高かったり等の様々な問題があった。また、音声処理の分野においても、低品質な音声から高品質な音声を生成する際に、画像処理の分野と同様の問題があった。 Thus, in the field of image processing, in order to improve the resolution of a signal, when generating a high resolution image from a low resolution image, various image quality degradation, high calculation load, etc. There was a problem. Also in the field of audio processing, there is a problem similar to that in the field of image processing when generating high quality audio from low quality audio.
そこで、本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、信号の分解能を向上させる際に、演算の高速化を実現し、高品質な信号を生成することが可能な信号処理装置及びプログラムを提供することにある。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and the object thereof is to realize high-speed calculation and to generate a high-quality signal when improving the signal resolution. The object is to provide a signal processing apparatus and a program.
前記課題を解決するため、請求項1の発明は、低分解能の信号から高分解能の信号を生成する信号処理装置において、前記高分解能の信号に対する複数の候補を仮説群として保持すると共に、前記候補に対する重みを重み群として保持する保持手段と、前記保持手段に保持された仮説群を状態遷移させ、新たな仮説群を生成する状態遷移手段と、前記状態遷移手段により生成された新たな仮説群を、前記低分解能の信号と同じ分解能の観測信号に変換する観測変換手段と、前記観測変換手段により変換された観測信号と前記低分解能の信号とを比較し、信号間の類似度を尤度として演算する尤度演算手段と、前記尤度演算手段により演算された尤度に基づいて前記重み群を更新し、前記新たな仮説群に対する新たな重み群を生成する観測更新手段と、前記状態遷移手段により生成された新たな仮説群、及び前記観測更新手段により更新された新たな重み群に基づいて、前記新たな仮説群における仮説の代表値を、前記高分解能の信号として演算する代表値演算手段と、を備えることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention of
請求項1の発明によれば、状態遷移手段により仮説が状態遷移し、尤度演算手段及び観測更新手段により、低分解能の信号に整合する仮説の重みが大きくなる。これにより、低分解能の信号に整合する仮説から高分解能の信号を生成することができる。また、処理の効率化を図ることができ、従来のように繰り返し演算に伴った計算負荷の高い処理を行う必要がない。 According to the first aspect of the present invention, the hypothesis changes state by the state transition unit, and the weight of the hypothesis that matches the low resolution signal is increased by the likelihood calculating unit and the observation updating unit. This makes it possible to generate a high resolution signal from a hypothesis that matches the low resolution signal. In addition, the processing efficiency can be improved, and there is no need to perform processing with a high calculation load associated with repetitive calculations as in the conventional case.
また、請求項2の発明は、請求項1に記載の信号処理装置において、前記状態遷移手段が、前記仮説群の仮説を構成する各信号点の信号値を所定規則に基づき変化させ、新たな仮説群を生成する、ことを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the signal processing device according to the first aspect, the state transition means changes the signal value of each signal point constituting the hypothesis of the hypothesis group based on a predetermined rule, and a new A hypothesis group is generated.
請求項2の発明によれば、低分解能の信号から高分解能の信号を生成する際に、低分解能の信号を構成する信号点の信号値の影響を十分に受け、信号値がさほどばらつかないようにする正則化を実現することができる。
According to the invention of
また、請求項3の発明は、請求項2に記載の信号処理装置において、前記状態遷移手段は、前記仮説群の仮説を構成する各信号点の信号値に対し、隣接する信号点の勾配の絶対値の和を示すトータルバリエーションの値が小さくなるように、新たな仮説群を生成する、ことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the signal processing device according to the second aspect, the state transition means is configured to determine a gradient of an adjacent signal point with respect to a signal value of each signal point constituting a hypothesis of the hypothesis group. A new hypothesis group is generated so that the total variation value indicating the sum of absolute values becomes smaller.
請求項3の発明によれば、トータルバリエーションによる正則化を実現するようにしたから、信号エッジの劣化を少なくした高分解能の信号を生成することができる。 According to the third aspect of the present invention, since regularization by total variation is realized, it is possible to generate a high resolution signal with less signal edge degradation.
また、請求項4の発明は、請求項3に記載の信号処理装置において、前記状態遷移手段が、前記仮説群の仮説を構成する信号における注目点の信号値、及び前記注目点から所定範囲内の信号点の信号値により演算されるトータルバリエーションの値が、前記注目点の信号値を変更したときに小さくなるように規定した確率密度関数を用いて、前記仮説群を状態遷移させ、新たな仮説群を生成する、ことを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the signal processing device according to the third aspect, the state transition means includes a signal value of a point of interest in a signal constituting a hypothesis of the hypothesis group and within a predetermined range from the point of interest. The state of the hypothesis group is changed using a probability density function that is defined so that the total variation value calculated from the signal value of the signal point becomes smaller when the signal value of the target point is changed. A hypothesis group is generated.
請求項4の発明によれば、トータルバリエーションによる正則化を実現する確率密度関数の確率密度分布モデルを利用するから、信号の微小な局所領域からトータルバリエーション値の変化を把握することができ、演算の高速化を図ることができる。
According to the invention of
また、請求項5の発明は、請求項1から4までのいずれか一項に記載の信号処理装置において、前記信号を静止画像の信号とし、前記状態遷移手段、観測変換手段、尤度演算手段及び観測更新手段により、新たな仮説群及び新たな重み群が、所定回数の繰り返し処理にて生成される、ことを特徴とする。
The signal processing device according to any one of
請求項5の発明によれば、低分解能の静止画像から高分解能の静止画像を、効率的に生成することができる。
According to the invention of
また、請求項6の発明は、請求項1から4までのいずれか一項に記載の信号処理装置において、前記信号を、複数フレームにより構成される動画像の信号とし、前記状態遷移手段、観測変換手段、尤度演算手段及び観測更新手段により、新たな仮説群及び新たな重み群が、前記フレーム毎に、または、前記フレームにおいて所定回数の繰り返し処理にて生成される、ことを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, in the signal processing device according to any one of the first to fourth aspects, the signal is a moving image signal composed of a plurality of frames, and the state transition means, the observation A new hypothesis group and a new weight group are generated for each frame or by a predetermined number of iterations in the frame by the conversion means, likelihood calculation means, and observation update means. .
請求項6の発明によれば、時々刻々形状の変化する動画像を状態遷移により予測することができ、低分解能の動画像から高分解能の動画像を、効率的にかつ動画像内の物体の動きに即して生成することができる。
According to the invention of
さらに、請求項7の発明は、コンピュータを、請求項1から6までのいずれか一項に記載の信号処理装置として機能させるための信号処理プログラムにある。
Furthermore, the invention of
請求項7の発明によれば、仮説が状態遷移し、低分解能の信号に整合する仮説の重みが大きくなる。これにより、低分解能の信号に整合する仮説から高分解能の信号を生成することができる。また、処理の効率化を図ることができ、従来のように繰り返し演算に伴った計算負荷の高い処理を行う必要がない。
According to the invention of
以上のように、本発明によれば、信号の分解能を向上させる際に、演算の高速化を実現し、高品質な信号を生成することができる。 As described above, according to the present invention, when improving the resolution of a signal, it is possible to realize high-speed calculation and to generate a high-quality signal.
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
〔信号処理装置の構成〕
まず、本発明の実施形態による信号処理装置の全体構成について説明する。図1は、信号処理装置1の全体構成を示すブロック図である。この信号処理装置1は、切替手段10−1,10−2、初期化手段20、代表値演算手段30、ラッチ手段(保持手段)40、状態遷移手段50、観測値予測手段(観測変換手段)60、尤度演算手段70、観測更新手段80及び再標本化手段90を備えて構成される。信号処理装置1は、画像信号を対象にしており、画像の品質を向上させるための超解像方式の処理を行う。信号処理装置1は、低解像画像y及び初期化信号を入力し、超解像方式の処理によって、低解像画像yから超解像画像sを生成し出力する。超解像画像sは、低解像画像yよりも分解能(解像度)の高い高品質な高解像画像である。
The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Configuration of signal processing device]
First, the overall configuration of a signal processing apparatus according to an embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the
以下、超解像画像sを生成するために内部的に保持する画像群を仮説群と呼び、仮説群を構成する仮説の個数をN個(Nは自然数)とし、各仮説(画像)をx(n)(nは0以上N未満の整数)、仮説群を{x(n)}とする。低解像画像y、超解像画像s、仮説x(n)は、画像を構成する全画素の画素値(グレースケール画像においては輝度のスカラー値、カラー画像または多バンド画像においては各色成分または各波長成分の輝度値を所定の順序で並べたベクトル値)をベクトル(列ベクトル)(以下、画像ベクトルという。)として、所定の順序で並べることにより表現する。画像ベクトルにおいて、画素値を並べる順序は任意であり、例えば、ラスタ走査の順序とする。 Hereinafter, an image group that is internally held to generate the super-resolution image s is referred to as a hypothesis group, the number of hypotheses constituting the hypothesis group is N (N is a natural number), and each hypothesis (image) is x (N) (n is an integer of 0 or more and less than N), and the hypothesis group is {x (n) }. The low-resolution image y, the super-resolution image s, and the hypothesis x (n) are pixel values of all the pixels constituting the image (scalar values of luminance in a grayscale image, each color component in a color image or multiband image, or This is expressed by arranging the luminance values of the respective wavelength components in a predetermined order as vectors (column vectors) (hereinafter referred to as image vectors). In the image vector, the order in which the pixel values are arranged is arbitrary, for example, the order of raster scanning.
また、画像座標をp=[u,v]Tとする。uは水平座標、vは垂直座標である。画像座標pにおける低解像画像yの画素値をy(p)、超解像画像sの画素値をs(p)、仮説x(n)の画素値をx(n)(p)とする。例えば、低解像画像yが幅Lx及び高さLyの画像であり、画像ベクトルにおける画素値の並びが、画像の左上画素から右下画素へ至るラスタ走査の順序である場合、低解像画像yは、以下の式で表される。
切替手段10−1は、低解像画像y及び初期化信号を入力し、超解像方式の処理を初期化するための真の値の初期化信号を入力した場合、入力した低解像画像yを初期化手段20に出力し、超解像方式の処理を行うための偽の値の初期化信号を入力した場合、入力した低解像画像yを尤度演算手段70に出力する。
When the switching unit 10-1 receives the low-resolution image y and the initialization signal and inputs the initialization signal having a true value for initializing the super-resolution processing, the input low-resolution image When y is output to the
切替手段10−2は、初期化手段20からの出力信号、観測更新手段80からの出力信号、及び初期化信号を入力し、真の値の初期化信号を入力した場合、初期化手段20からの出力信号を代表値演算手段30及び再標本化手段90に出力し、偽の値の初期化信号を入力した場合、観測更新手段80からの出力信号を代表値演算手段30及び再標本化手段90に出力する。
The switching means 10-2 receives the output signal from the initialization means 20, the output signal from the observation update means 80, and the initialization signal. When a true value initialization signal is input, the switching means 10-2 Is output to the representative value calculation means 30 and the resampler 90, and when an initialization signal of a false value is input, the output signal from the observation update means 80 is represented by the
初期化手段20は、超解像方式の処理を初期化するために、低解像画像yを入力し、低解像画像yよりも高分解能な画像であるN個の仮説x(n)(超解像画像sの候補)及びN個の重みw(n)を生成し、仮説群{x(n)}及び重み群{w(n)}を代表値演算手段30及び再標本化手段90に出力する。
The
代表値演算手段30は、初期化手段20から仮説群{x(n)}及び重み群{w(n)}を入力し、または、観測更新手段80から予測仮説群{x(n)}及び更新重み群{w(n)}を入力し、重みw(n)を用いて仮説x(n)の代表値を演算し、この代表値を超解像画像sとして出力する。 The representative value calculation means 30 inputs the hypothesis group {x (n) } and the weight group {w (n) } from the initialization means 20, or the prediction hypothesis group {x (n) } and the observation update means 80. The update weight group {w (n) } is input, the representative value of the hypothesis x (n) is calculated using the weight w (n) , and this representative value is output as the super-resolution image s.
ラッチ手段40は、後述する再標本化手段90により再標本化(再構成)された新たな仮説群{x(n)}及び新たな重み群{w(n)}を入力し、一時的に保持して状態遷移手段50に出力する。 The latch means 40 inputs a new hypothesis group {x (n) } and a new weight group {w (n) } resampled (reconstructed) by the resampler 90 described later, and temporarily Hold it and output it to the state transition means 50.
状態遷移手段50は、ラッチ手段40から仮説群{x(n)}及び重み群{w(n)}を入力し、確率密度関数Pを用いて、次のサイクルまたは次の時刻(フレーム)の仮説群を予測し、予測仮説群{x(n)}として観測値予測手段60に出力すると共に、予測仮説群{x(n)}及び入力した重み群{w(n)}を観測更新手段80に出力する。確率密度関数Pとしては、例えば、トータルバリエーションの値が小さくなる仮説を生成しやすい関数、または、画像が移動し、変形し、ぼけやぶれを生じ、輝度が変化し、雑音等が付与される過程を定式化した関数が用いられる。この確率密度関数Pは、低解像画像から高解像画像を生成する際に、低解像画像を構成する画素値の影響を十分に受け、画素値がさほどばらつかないようにする、いわゆる正則化を実現するための関数である。確率密度関数Pの詳細については後述する。
The state transition means 50 inputs the hypothesis group {x (n) } and the weight group {w (n) } from the latch means 40 and uses the probability density function P to determine the next cycle or the next time (frame). predict hypotheses, and outputs the observation
観測値予測手段60は、状態遷移手段50から予測仮説群{x(n)}を入力し、画像劣化過程を模擬する観測関数hを用いて、高解像画像である仮説x(n)から低解像画像である観測予測値z(n)を予測し、観測予測値z(n)を尤度演算手段70に出力する。 The observation value predicting means 60 receives the prediction hypothesis group {x (n) } from the state transition means 50, and uses the observation function h that simulates the image degradation process, from the hypothesis x (n) that is a high resolution image. The observed predicted value z (n) , which is a low-resolution image, is predicted, and the observed predicted value z (n) is output to the likelihood calculating means 70.
尤度演算手段70は、観測値予測手段60から観測予測値z(n)を入力すると共に、低解像画像y(状態遷移手段50において予測された仮説群{x(n)}のサイクルまたは時刻(フレーム)に対応した低解像画像y)を入力し、観測予測値z(n)と低解像画像yとを比較し、画像間の類似性を定量化して尤度L(n)を演算し、観測更新手段80に出力する。尤度L(n)は、画像間の類似性が高いほど大きな値となる。 The likelihood calculating means 70 inputs the observed predicted value z (n) from the observed value predicting means 60, and at the same time the cycle of the hypothetical group {x (n) } predicted by the low-resolution image y (the state transition means 50 ) or The low resolution image y) corresponding to the time (frame) is input, the observed predicted value z (n) is compared with the low resolution image y, the similarity between the images is quantified, and the likelihood L (n) Is output to the observation update means 80. The likelihood L (n) becomes a larger value as the similarity between images is higher.
観測更新手段80は、尤度演算手段70から尤度L(n)を入力すると共に、状態遷移手段50から予測仮説群{x(n)}及び重み群{w(n)}を入力し、尤度L(n)に基づいて重みw(n)を更新し、予測仮説群{x(n)}及び更新重み群{w(n)}を代表値演算手段30及び再標本化手段90に出力する。
The
再標本化手段90は、初期化手段20から仮説群{x(n)}及び重み群{w(n)}を入力し、または、観測更新手段80から予測仮説群{x(n)}及び更新重み群{w(n)}を入力し、重みw(n)に基づいて、仮説x(n)を複製または削除し、新たな仮説群{xnew (n)}及び新たな重み群{wnew (n)}に再標本化してラッチ手段40に出力する。
The resampling unit 90 inputs the hypothesis group {x (n) } and the weight group {w (n) } from the
〔信号処理装置の動作〕
次に、図1に示した信号処理装置1の動作について説明する。図2は、信号処理装置1の動作を説明するフロー図である。図2では、信号処理装置1が入力する低解像画像yを、フレーム番号t=0,1,...,Tの動画像とし、信号処理装置1は、超解像方式の処理として、低解像画像yを構成するフレーム毎に、1回の処理サイクルにて超解像画像sを生成し出力するものとする。
[Operation of signal processor]
Next, the operation of the
まず、信号処理装置1は、入力した低解像画像yについてフレーム番号t=0に設定する(ステップS1)。そして、信号処理装置1の初期化手段20は、入力した低解像画像yにおけるフレーム番号t=0のフレーム(フレーム0)に基づいて、初期仮説として仮説群{x(n)}及び重み群{w(n)}を生成する(ステップS2)。
First, the
再標本化手段90は、重みw(n)に基づいて仮説x(n)を複製または削除し、新たな仮説群{xnew (n)}及び新たな重み群{wnew (n)}に再標本化する(ステップS3)。再標本化された新たな仮説群{xnew (n)}及び新たな重み群{wnew (n)}はラッチ手段40に出力され、保持される。そして、信号処理装置1は、フレーム番号tをインクリメント(t=t+1)する(ステップS4)。
The resampling means 90 duplicates or deletes the hypothesis x (n) based on the weight w (n), and creates a new hypothesis group {x new (n) } and a new weight group {w new (n) }. Resampling is performed (step S3). The resampled new hypothesis group {x new (n) } and the new weight group {w new (n) } are output to the latch means 40 and held. Then, the
状態遷移手段50は、ラッチ手段40により保持された仮説群{x(n)}を入力し、確率密度関数Pを用いて仮説群{x(n)}を状態遷移させ、ステップS4においてインクリメントされた新たなフレーム番号tの仮説群を予測し、予測仮説群{x(n)}を生成する(ステップS5)。そして、観測値予測手段60は、状態遷移手段50により生成された予測仮説群{x(n)}を、観測関数hを用いた観測式へ代入し、低解像画像である観測予測値z(n)を予測する(ステップS6)。
The state transition means 50 inputs the hypothesis group {x (n) } held by the latch means 40, causes the hypothesis group {x (n) } to undergo state transition using the probability density function P, and is incremented in step S4. A new hypothesis group with a new frame number t is predicted to generate a prediction hypothesis group {x (n) } (step S5). Then, the observed
尤度演算手段70は、観測値予測手段60により生成されたフレーム番号tの観測予測値z(n)と、低解像画像yにおけるフレーム番号tのフレームとを比較し、画像間の類似性を定量化して尤度L(n)を演算する(ステップS7)。 The likelihood calculating means 70 compares the observed predicted value z (n) of the frame number t generated by the observed value predicting means 60 with the frame of the frame number t in the low resolution image y, and the similarity between the images. And the likelihood L (n) is calculated (step S7).
観測更新手段80は、尤度演算手段70により演算された尤度L(n)に基づいて重みw(n)を更新する(ステップS8)。
The
代表値演算手段30は、ステップS5において生成された予測仮説群{x(n)}及びステップS8において更新された更新重み群{w(n)}から、重みw(n)を用いて仮説x(n)の代表値を演算し、この代表値を超解像画像sとして出力する(ステップS9)。 The representative value calculating means 30 uses the weight w (n) and the hypothesis x from the prediction hypothesis group {x (n) } generated in step S5 and the update weight group {w (n) } updated in step S8. The representative value of (n) is calculated, and this representative value is output as the super-resolution image s (step S9).
信号処理装置1は、フレーム番号tが最終のフレーム番号Tに等しいか否か(t=T)を判定する(ステップS10)。すなわち、低解像画像yにおける全てのフレーム(フレーム番号t=0,1,...,T)の処理が完了したか否かを判定する。信号処理装置1は、ステップS10において、t<Tであると判定した場合(ステップS10:N)、すなわち、低解像画像yにおける全てのフレームの処理が完了していないと判定した場合、ステップS3へ移行し、次のフレームの処理(ステップS3〜ステップS9)を行う。一方、信号処理装置1は、ステップS10において、t=Tであると判定した場合(ステップS10:Y)、すなわち、低解像画像yにおける全てのフレームの処理が完了したと判定した場合、処理を終了する。
The
信号処理装置1は、図2に示したステップS3〜ステップS10の一連の処理単位である現処理サイクルより前の処理サイクルにおいて生成した内部状態(再標本化された新たな仮説群{xnew (n)}及び新たな重み群{wnew (n)})をラッチ手段40に保持する。そして、信号処理装置1は、ラッチ手段40に保持した内部状態を参照しながら、逐次的な処理を行い、現処理サイクルにおける超解像画像sを生成する。
The
このように、信号処理装置1は、低解像画像yがフレーム番号t=0,1,・・・,Tの動画像である場合、図2に示した超解像方式の処理を行い、低解像画像yを構成するフレーム毎に1回の処理サイクルにて、超解像画像sを生成し出力する。
As described above, when the low-resolution image y is a moving image with frame numbers t = 0, 1,..., T, the
ここで、図2に示したステップS3〜ステップS10の処理サイクルは、物理的な時刻に連動したものであっても、連動しないものであっても、それらを組み合わせたものであっても構わない。 Here, the processing cycle of step S3 to step S10 shown in FIG. 2 may be linked to physical time, may not be linked, or may be a combination thereof. .
処理サイクルが物理的な時刻に連動する場合には、信号処理装置1は、例えば、図2に示したフロー図のように、動画像である低解像画像yを入力し、動画像を構成するフレーム(静止画像)の更新と共に処理サイクルを一巡させることにより、超解像方式の処理を実現する。
When the processing cycle is linked to physical time, the
また、処理サイクルが物理的な時刻に連動しない場合には、信号処理装置1は、例えば、静止画像である低解像画像yを入力し、1回以上の処理サイクルを繰り返し、この繰り返し演算を所定回数にて収束させることにより、または、繰り返し演算を行っても超解像画像sの差が所定値以内となったときに収束させることにより、超解像方式の処理を実現する。この場合、図2に示したフロー図において、尤度演算手段70は、観測値予測手段60により生成された観測予測値z(n)と、静止画像である低解像画像yとを比較し、画像間の類似性を定量化して尤度L(n)を演算する。観測予測値z(n)として、観測値予測手段60によって処理サイクル毎に異なる値が生成されるが、尤度演算手段70において比較される低解像画像yは、処理サイクルに関わらず同じ静止画像である。
When the processing cycle is not synchronized with the physical time, the
さらに、処理サイクルが物理的な時刻に連動する場合と連動しない場合とを組み合わせた場合には、信号処理装置1は、動画像である低解像画像yを入力し、個々のフレームに対して1回以上の処理サイクルを繰り返し、繰り返し演算を収束させ、また、次の新たなフレームに対しても同様の繰り返し演算を行うことにより、超解像方式の処理を実現する。
Furthermore, when the case where the processing cycle is linked to the physical time and the case where the processing cycle is not linked are combined, the
次に、図1に示した信号処理装置1の切替手段10−1,10−2、初期化手段20、代表値演算手段30、ラッチ手段40、状態遷移手段50、観測値予測手段60、尤度演算手段70、観測更新手段80及び再標本化手段90の各構成手段について詳細に説明する。
Next, switching means 10-1 and 10-2, initialization means 20, representative value calculation means 30, latch means 40, state transition means 50, observation value prediction means 60, likelihood of the
〔切替手段〕
まず、図1に示した切替手段10−1,10−2について詳細に説明する。切替手段10−1,10−2は、初期化信号を入力し、初期化信号に従って互いに連動しながら、初期化信号の値に応じて出力先を変更する。
[Switching means]
First, the switching means 10-1 and 10-2 shown in FIG. 1 will be described in detail. The switching means 10-1 and 10-2 receive the initialization signal and change the output destination according to the value of the initialization signal while interlocking with each other according to the initialization signal.
初期化信号は、通常は偽の値をとり、信号処理装置1による超解像方式の処理を初期化するタイミングで、例えば、信号処理装置1に低解像画像yが入力される最初のタイミングで真の値をとる。後述する初期化手段20の初期化処理が完了したときに、偽の値になる。つまり、図示しない初期化信号生成手段は、信号処理装置1が低解像画像yを最初に入力したタイミングまたはその直前のタイミングで、真の値の初期化信号を切替手段10−1,10−2に出力する。また、初期化信号生成手段は、初期化手段20による初期化処理が完了するタイミングを監視し、そのタイミングで、偽の値の初期化信号を切替手段10−1,10−2に出力する。
The initialization signal usually takes a false value and is the timing at which the super-resolution processing by the
尚、初期化入力信号は、真偽の値を逆にしてもよい。また、初期化入力信号は、例えば、手動操作または外部に接続された装置による自動操作により、その値を変化させるようにしてもよい。例えば、信号処理装置1による超解像方式の処理を初期化するために、操作者(または外部の操作装置)が、高品質の超解像画像sが生成されないことを判断したとき等の必要性を判断したタイミングにて、初期化信号生成手段は、真の値の初期化信号を切替手段10−1,10−2に出力する。
It should be noted that the initialization input signal may be reversed to a true value. Further, the value of the initialization input signal may be changed by, for example, manual operation or automatic operation by an externally connected device. For example, it is necessary when the operator (or an external operating device) determines that the high-resolution super-resolution image s is not generated in order to initialize the super-resolution processing by the
切替手段10−1は、真の値の初期化信号を入力した場合、超解像方式の処理を初期化するために、低解像画像yが入力される端子を初期化手段20の入力端子に接続し、入力した低解像画像yを初期化手段20に出力する。一方、偽の値の初期化信号を入力した場合、超解像方式の処理を行うために、低解像画像yが入力される端子を尤度演算手段70の入力端子に接続し、入力した低解像画像yを尤度演算手段70に出力する。
When a true value initialization signal is input, the switching unit 10-1 uses a terminal to which the low resolution image y is input as an input terminal of the
切替手段10−2は、真の値の初期化信号を入力した場合、超解像方式の処理を初期化するために、初期化手段20の出力端子を代表値演算手段30及び再標本化手段90の入力端子に接続し、入力した初期化手段20の出力信号を代表値演算手段30及び再標本化手段90に出力する。一方、偽の値の初期化信号を入力した場合、超解像方式の処理を行うために、観測更新手段80の出力端子を代表値演算手段30及び再標本化手段90の入力端子に接続し、観測更新手段80の出力信号を代表値演算手段30及び再標本化手段90に出力する。 When the true value initialization signal is input, the switching means 10-2 uses the output terminal of the initialization means 20 as the representative value calculating means 30 and the resampling means in order to initialize the super-resolution processing. The input signal of the initialization means 20 is output to the representative value calculation means 30 and the resampling means 90. On the other hand, when a false value initialization signal is input, the output terminal of the observation update means 80 is connected to the input terminals of the representative value calculation means 30 and the resampling means 90 in order to perform super-resolution processing. The output signal of the observation update means 80 is output to the representative value calculation means 30 and the resampling means 90.
〔初期化手段〕
次に、図1に示した初期化手段20について詳細に説明する。初期化手段20は、超解像方式の処理を初期化するために、低解像画像yを入力し、低解像画像yよりも高分解能な画像である仮説x(n)及び重みw(n)をそれぞれN個(Nは自然数)生成し、仮説群{x(n)}及び重み群{w(n)}を代表値演算手段30及び再標本化手段90に出力する。ここで、n=0,1,...,N−1であり、仮説群{x(n)}を構成する各仮説x(n)は、全て同一の値(画像)であってもよいし、異なる値を含んでいてもよい。重みw(n)は、0以上の実数とする。例えば、初期化手段20は、幅Lx及び高さLyの低解像画像yに対して補間処理を行い、幅Hx及び高さHyの仮説x(n)を生成する。
[Initialization means]
Next, the initialization means 20 shown in FIG. 1 will be described in detail. The
初期化手段20は、全て同一の値の仮説x(n)を生成する場合、例えば、以下の式により、零次内挿にて仮説x(n)を生成する。
Initialization means 20, all when generating the hypothesis x (n) of the same value, for example, by the following equation, to generate a hypothesis x (n) at zero-order interpolation.
また、初期化手段20は、全て同一の値の仮説x(n)を生成する場合、例えば、以下の式により、補間フィルタaを用いて仮説x(n)を生成する。
尚、前記式(2)の零次内挿は、前記式(3)の補間フィルタaにおいて、
図3は、補間フィルタaのタップ係数a(p)の例を示す図である。この例は、タップ係数a(p)(p=[u,v]T)を65536倍したものを、水平座標u及び垂直座標vについて表したものであり、太枠内の数値を65536で除した結果がタップ係数となる。尚、図3に示した水平座標u及び垂直座標v以外の画像座標[u,v]T(格子点以外の点、|u|>3または|v|>3)については、全てのタップ係数が0であるものとする。 FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the tap coefficient a (p) of the interpolation filter a. In this example, the tap coefficient a (p) (p = [u, v] T ) multiplied by 65536 is expressed with respect to the horizontal coordinate u and the vertical coordinate v, and the numerical value in the bold frame is divided by 65536. The result is the tap coefficient. Note that for all image coordinates [u, v] T (points other than grid points, | u |> 3 or | v |> 3) other than the horizontal coordinate u and the vertical coordinate v shown in FIG. Is assumed to be 0.
また、初期化手段20は、全てが同一の値ではない仮説x(n)を生成する場合、例えば、前記式(3)に雑音eを付加し、仮説x(n)を生成する。雑音eが加法性の特性を有するときは、以下の式により仮説x(n)を生成する。
例えば、雑音eは、以下式のように、平均0、分散σ2のガウス雑音としてもよい。
また、初期化手段20は、全てが同一の値ではない仮説x(n)を生成する場合、例えば、仮説x(n)毎に、補間方法を変えて仮説x(n)を生成する。具体的には、初期化手段20は、仮説x(n)毎に、前記式(3)または前記式(4)における補間フィルタaとして別のもの(すなわち、タップ係数の異なるもの)を用いて、仮説x(n)を生成する。
Furthermore, the initialization means 20, when all generates a hypothesis x (n) are not identical values, for example, for each hypothesis x (n), to generate a hypothesis x (n) by changing the interpolation method. Specifically, the
一方、初期化手段20は、仮説x(n)毎に、0以上の実数を重みw(n)として生成する。尚、初期化手段20は、仮説x(n)毎に、重みw(n)をランダムに生成するようにしてもよいし、異なる値の重みw(n)を生成するようにしてもよい。また、初期化手段20は、全ての仮説x(n)に対し、以下の式により、同一の値の重みw(n)を生成するようにしてもよい。
〔代表値演算手段〕
次に、図1に示した代表値演算手段30について詳細に説明する。代表値演算手段30は、初期化手段20から仮説群{x(n)}及び重み群{w(n)}を入力し、または、観測更新手段80から予測仮説群{x(n)}及び更新重み群{w(n)}を入力し、重みw(n)を用いて仮説x(n)の代表値を演算し、この代表値を超解像画像sとして出力する。
[Representative value calculation means]
Next, the representative value calculation means 30 shown in FIG. 1 will be described in detail. The representative value calculation means 30 inputs the hypothesis group {x (n) } and the weight group {w (n) } from the initialization means 20, or the prediction hypothesis group {x (n) } and the observation update means 80. The update weight group {w (n) } is input, the representative value of the hypothesis x (n) is calculated using the weight w (n) , and this representative value is output as the super-resolution image s.
代表値演算手段30は、例えば、以下の式により重み付き平均を演算し、仮説x(n)の代表値を求める。
尚、代表値演算手段30は、仮説群{x(n)}の中から、重みw(n)が最大である仮説x(n)を代表値として求めるようにしてもよい。また、代表値演算手段30は、仮説群{x(n)}をクラスタリングし、クラスタリングした複数のクラスタから、重みw(n)の和が最大となるクラスタを求め、そのクラスタに属する仮説x(n)のみについて、重み付き平均を演算し、演算結果を仮説x(n)の代表値とするようにしてもよい。 The representative value calculation means 30 may obtain a hypothesis x (n) having the maximum weight w (n) as a representative value from the hypothesis group {x (n) }. Further, the representative value calculating means 30 clusters the hypothesis group {x (n) }, obtains a cluster having the maximum sum of the weights w (n) from the clustered clusters, and the hypothesis x ( belonging to the cluster ). Only for n) , a weighted average may be calculated and the calculation result may be a representative value of the hypothesis x (n) .
〔ラッチ手段〕
ラッチ手段40は、再標本化手段90により再標本化(再構成)された新たな仮説群{xnew (n)}及び新たな重み群{wnew (n)}を入力し、一時的に保持して状態遷移手段50に出力する。
[Latch means]
The latch means 40 receives the new hypothesis group {x new (n) } and the new weight group {w new (n) } resampled (reconstructed) by the resampling means 90 and temporarily receives them. Hold it and output it to the state transition means 50.
〔状態遷移手段50〕
次に、図1に示した状態遷移手段50について詳細に説明する。以下、時刻tの第cサイクル(c∈{0,1,...,Ct−1}、Ctは自然数)における仮説及び重みを、xt,c (n)及びwt,c (n)とする。各時刻tにおいては、サイクルが合計Ct回存在するものとする。また、前述したように、処理サイクルが物理的な時刻に連動しない場合は、tを固定し、cのみが計数されるよう動作させればよい。一方、前述したように、処理サイクルが時刻に連動する場合は、c=0に固定したまま(すなわちCt=1)、tのみが計数されるよう動作させればよい。
[State transition means 50]
Next, the state transition means 50 shown in FIG. 1 will be described in detail. Hereinafter, hypotheses and weights in the c-th cycle at time t (cε {0, 1,..., C t −1}, C t is a natural number) are expressed as x t, c (n) and w t, c ( n) . It is assumed that there are a total of C t cycles at each time t. Further, as described above, when the processing cycle is not linked to the physical time, it is only necessary to fix t and operate so that only c is counted. On the other hand, as described above, when the processing cycle is linked to the time, the operation may be performed so that only t is counted while c = 0 is fixed (that is, C t = 1).
状態遷移手段50は、ラッチ手段40から仮説群{x(n)}及び重み群{w(n)}を入力し、次のサイクルまたは次の時刻(フレーム)の仮説群を予測し、予測仮説群{x(n)}として観測値予測手段60に出力すると共に、予測仮説群{x(n)}及び入力した重み群{w(n)}をそのまま観測更新手段80に出力する。具体的には、状態遷移手段50は、ラッチ手段40から時刻t、サイクルcにおける仮説群{xt,c (n)}及び重み群{wt,c (n)}を入力し、仮説群{xt,c (n)}から時刻t、サイクルc+1における仮説群{xt,c+1 (n)}、または、時刻t+1、サイクル0における仮説群{xt+1,0 (n)}を、所定の確率密度関数Pを用いて予測する。そして、状態遷移手段50は、予測した仮説群{xt,c+1 (n)}または仮説群{xt+1,0 (n)}を観測値予測手段60に出力し、仮説群{xt,c+1 (n)}または仮説群{xt+1,0 (n)}と共に、入力した重み群{wt,c (n)}を観測更新手段80に出力する。以下、確率密度関数Pを用いた状態遷移による予測演算について詳細に説明する。
The state transition means 50 inputs the hypothesis group {x (n) } and the weight group {w (n) } from the latch means 40, predicts the hypothesis group of the next cycle or the next time (frame), and predicts the hypothesis. The group {x (n) } is output to the observation
(仮説群{xt,c+1 (n)}を予測する場合)
まず、時刻t、サイクルcにおける仮説群{xt,c (n)}から、時刻t、サイクルc+1における仮説群{xt,c+1 (n)}を予測する場合について説明する。サイクルcがc<Ct−1であるとき(かつ、時刻tにおいて出力すべき超解像画像sが収束に至っていないとき)には、状態遷移手段50は、時刻t、サイクルc+1における仮説群{xt,c+1 (n)}を予測する。
(When predicting a hypothesis group {x t, c + 1 (n) })
First, a case where a hypothesis group {x t, c + 1 (n) } at time t and cycle c + 1 is predicted from a hypothesis group {x t, c (n) } at time t and cycle c will be described. When the cycle c is c <C t −1 (and the super-resolution image s to be output at the time t has not converged), the state transition means 50 determines the hypothesis group at the time t and the
サイクルcからc+1へ増加するときの仮説群の更新(状態遷移)を式(9)により定義する。
ここで、確率密度関数P(xt,c+1|xt,c)は、サイクルcの増加と共に、仮説xが画像として過剰に複雑な画素値パターンとならないように、静定させる機能を有する関数を用いる。つまり、仮説xの画素値が所定規則に基づき変化するような確率密度関数P(xt,c+1|xt,c)を用いる。例えば、確率密度関数P(xt,c+1|xt,c)として、画像のトータルバリエーション(Total Variation)の値が小さくなる仮説xt,c+1を生成し易い関数を用いる。すなわち、画像のトータルバリエーションの値が小さくなるように、元の仮説xt,cを状態遷移させて次のサイクルの仮説xt,c+1を生成する関数を用いる。ここで、トータルバリエーションとは、画像内の画素値における勾配(隣接画素間の画素値の差)の絶対値の和をいう。トータルバリエーションVは、1次元の場合、以下の式で表される。
確率密度関数P(xt,c+1|xt,c)としては、例えば、以下の式が用いられる。
図4は、トータルバリエーションによる正則化を実現する確率密度関数を説明する図である。図4に示すように、確率密度関数P(xt,c+1|xt,c)の特性は、第1項の特性、第2項の特性及び第3項の特性を、式(11)により合成したものである。つまり、式(11)に示した確率密度関数P(xt,c+1|xt,c)により、画像のトータルバリエーションを低減化する正則化ノイズが生成される。 FIG. 4 is a diagram illustrating a probability density function that realizes regularization by total variation. As shown in FIG. 4, the characteristic of the probability density function P (x t, c + 1 | x t, c ) is the first term characteristic, the second term characteristic, and the third term characteristic according to equation (11). It is synthesized. That is, regularization noise that reduces the total variation of the image is generated by the probability density function P (x t, c + 1 | x t, c ) shown in Expression (11).
尚、カラー画像(または多バンド画像)等のように仮説の画素値がベクトル値をとる場合には、各色(または各バンド)成分に関して、それぞれ式(11)を独立して適用する。 When the hypothesized pixel value takes a vector value, such as a color image (or multiband image), Equation (11) is independently applied to each color (or each band) component.
(仮説群{xt+1,0 (n)}を予測する場合)
次に、時刻t、サイクルcにおける仮説群{xt,c (n)}から、時刻t+1、サイクル0における仮説群{xt+1,0 (n)}を予測する場合について説明する。サイクルcがc=Ct−1であるとき(または、時刻tにおいて出力すべき超解像画像が収束に至ったとき)には、状態遷移手段50は、時刻t+1、サイクル0における仮説群{xt+1,0 (n)}を予測する。
(When predicting a hypothesis group {x t + 1,0 (n) })
Next, a case where the hypothesis group {x t + 1,0 (n) } at time t + 1 and
このときの仮説群の更新(状態遷移)を以下の式により定義する。
が与えられたときに、次時刻における仮説xt+1,0のとる確率密度関数をモデル化したものである。
The update (state transition) of the hypothesis group at this time is defined by the following equation.
Is a model of the probability density function taken by the hypothesis x t + 1,0 at the next time.
また、確率密度関数Pは、時刻tの増加と共に、仮説xの表す画像が移動し、変形し、ぼけやぶれを生じ、輝度が変化し、雑音が付与される過程を定式化したものとする。例えば、正規分布Nにより次式とすることができる。
を関数φにより変換する。Σは共分散行列である。つまり、式(13)は、関数φの変換結果を平均値にもつ正規分布の確率密度となる。すなわち、式(12)により生成される仮説xt+1,0は、平均が
共分散行列がΣのガウス雑音である。
Further, the probability density function P is assumed to formulate a process in which the image represented by the hypothesis x moves, deforms, blurs and blurs, changes in luminance, and adds noise as time t increases. For example, the following equation can be obtained from the normal distribution N.
Is converted by the function φ. Σ is a covariance matrix. That is, equation (13) is the probability density of a normal distribution having the conversion result of the function φ as an average value. That is, the hypothesis x t + 1,0 generated by Equation (12)
The covariance matrix is Gaussian noise with Σ.
関数φの定め方について例示する。関数φは、画像の移動、変形等の演算を合成して表現した関数である。すなわち、関数φは、以下の式のように、M個(Mは自然数)の関数φ0乃至φM−1の合成関数として表現することができる。
例えば、関数φmが画像の移動を表現する関数である場合には、以下の式のように、平均0、共分散行列Σvの2次元正規分布に従う動きベクトルvにより画像が移動する。
また、関数φmが画像のアフィン変換を表現する関数である場合には、以下の式のように、平均0、共分散行列Σaの6次元正規分布に従うアフィンパラメータにより画像が変形する。
さらに、関数φmが画像の輝度オフセットを表現する関数である場合には、以下の式のように、平均0、分散行列σω 2の1次元正規分布に従う輝度オフセットにより画像が生成される。
このように、状態遷移手段50は、トータルバリエーションの値が小さくなる仮説xt,c+1を生成しやすい確率密度関数Pを用いて、仮説群{xt,c (n)}から仮説群{xt,c+1 (n)}を予測する。また、状態遷移手段50は、画像が移動し、変形し、ぼけやぶれを生じ、輝度が変化し、雑音等が付与される過程を定式化した確率密度関数Pを用いて、仮説群{xt,c (n)}から仮説群{xt+1,0 (n)}を予測する。
As described above, the
(観測値予測手段60)
次に、図1に示した観測値予測手段60について詳細に説明する。観測値予測手段60は、状態遷移手段50から予測仮説群{x(n)}(仮説群{xt,c+1 (n)}または仮説群{xt+1,0 (n)})を入力し、高解像画像である仮説x(n)から低解像画像である観測予測値z(n)を予測し、観測予測値z(n)を尤度演算手段70に出力する。観測値予測手段60には、高解像画像から低解像画像を生成する過程(以下、観測という。)の処理手段が実装されており、観測値予測手段60は、例えば、高解像画像に対し、ぶれ、標本化、量子化等による画像劣化過程を模擬することにより、観測を実行し、低解像画像を生成する。
(Observed value predicting means 60)
Next, the observation value predicting means 60 shown in FIG. 1 will be described in detail. The observation value predicting means 60 inputs the prediction hypothesis group {x (n) } (the hypothesis group {x t, c + 1 (n) } or the hypothesis group {x t + 1,0 (n) }) from the state transition means 50, An observation predicted value z (n) that is a low-resolution image is predicted from a hypothesis x (n) that is a high-resolution image, and the observation predicted value z (n) is output to the likelihood calculating means 70. The observation value predicting means 60 is equipped with processing means for generating a low resolution image from a high resolution image (hereinafter referred to as observation). The observation value predicting means 60 is, for example, a high resolution image. On the other hand, by simulating the image degradation process due to blurring, sampling, quantization, etc., observation is performed and a low resolution image is generated.
観測による変換演算を関数h(以下、観測関数)とすると、観測値予測手段60は、各仮説画像x(n)に対して観測を実行し、その結果を観測予測値z(n)=h(x(n))として生成する。 Assuming that the conversion operation by observation is a function h (hereinafter referred to as an observation function), the observation value predicting means 60 performs observation on each hypothesis image x (n) , and the result is an observation prediction value z (n) = h. It is generated as (x (n) ).
観測関数hは、複数の要因(ぼけ、ぶれ、標本化、量子化等)の合成関数としてもよい。例えば、観測関数hがJ個(Jは自然数)の要因からなり、そのj番目(jは0以上J未満の整数)の要因が関数hjである場合には、以下の式により表される。
例えば、関数hjがぼけまたはぶれを表す関数である場合、その点の拡がり関数s(定義域を領域Cとおく)との畳み込み演算(演算子*)を行うものとして、以下の式により演算される。
点拡がり関数sとしては、例えば、以下の式に示すガウシアンカーネルが用いられる。
また、関数hjが標本化を表す関数である場合、例えば、2行2列の行列Sと2次元の列ベクトルuとを用いて、以下の式により演算される。
例えば、水平方向にSx、垂直方向にSyの間隔で、かつ、xin上における標本化の原点を(ux,uy)とする場合には、行列S及び画像座標uは、以下の式で表される。
尚、式(22)において、Sp+uが格子点上に存在しない可能性がある場合には、式(22)の代わりに、以下の式を用いて演算するようにしてもよい。
また、関数hjが画素値の輝度変換または量子化を表す関数である場合、例えば、以下の式により演算される。
は、入出力間の輝度変換または量子化を表す関数である。
Further, when the function h j is a function representing luminance conversion or quantization of a pixel value, for example, it is calculated by the following expression.
Is a function representing luminance conversion or quantization between input and output.
例えば、ガンマ値がγのガンマ補正は、以下の式で表される。
また、量子化は、以下の式により表される。
このように、観測値予測手段60は、ぶれ、標本化、量子化等の画像劣化過程を模擬した観測関数hを用いて、高解像画像である仮説x(n)から低解像画像である観測予測値z(n)を予測する。 As described above, the observation value predicting means 60 uses the observation function h that simulates the image degradation process such as blurring, sampling, and quantization to convert the hypothesis x (n) that is a high resolution image into a low resolution image. A certain observed predicted value z (n) is predicted.
(尤度演算手段70)
次に、図1に示した尤度演算手段70について詳細に説明する。尤度演算手段70は、観測値予測手段60から観測予測値z(n)を入力すると共に、低解像画像y(状態遷移手段50において予測された仮説群{xt,c+1 (n)}または仮説群{xt+1,0 (n)}のサイクルまたは時刻(フレーム)に対応した低解像画像y)を入力する。そして、尤度演算手段70は、観測予測値z(n)と低解像画像yとを比較し、画像間の類似性を定量化して尤度L(n)を演算し(画像間の類似度を演算して尤度L(n)とし、)、観測更新手段80に出力する。
(Likelihood calculation means 70)
Next, the likelihood calculating means 70 shown in FIG. 1 will be described in detail. The likelihood calculating means 70 inputs the observed predicted value z (n) from the observed value predicting means 60 and at the same time the low resolution image y (the hypothesis group {x t, c + 1 (n) } predicted by the state transition means 50 ) . Alternatively, the low resolution image y) corresponding to the cycle or time (frame) of the hypothesis group {x t + 1,0 (n) } is input. Then, the likelihood calculating means 70 compares the observed predicted value z (n) and the low resolution image y, quantifies the similarity between images, and calculates the likelihood L (n) (similarity between images ). The degree is calculated to be a likelihood L (n)) and output to the observation update means 80.
尤度L(n)は、観測予測値z(n)と低解像画像yとの間の距離d(n)に基づいて演算されるようにしてもよく、例えば、以下の式により、尤度L(n)を距離d(n)の指数関数にて定義する。
距離d(n)は、例えば、観測予測値z(n)と低解像画像yとの間のLkノルムにより演算される。
また、距離d(n)は、観測予測値z(n)と低解像画像yとの間のマハラノビス距離により演算される。
このように、尤度演算手段70は、観測予測値z(n)と低解像画像yとを比較し、画像間の類似性を定量化して尤度L(n)を演算する。尤度L(n)は、画像間の類似性が高いほど大きい値になる。 Thus, the likelihood calculating means 70 compares the observed predicted value z (n) and the low resolution image y, quantifies the similarity between the images, and calculates the likelihood L (n) . The likelihood L (n) becomes a larger value as the similarity between images is higher.
(観測更新手段80)
次に、図1に示した観測更新手段80について詳細に説明する。観測更新手段80は、尤度演算手段70から尤度L(n)を入力すると共に、状態遷移手段50から、予測仮説群{x(n)}及び重み群{w(n)}を入力する。そして、観測更新手段80は、各仮説x(n)に対する尤度L(n)に基づいて重みw(n)を更新して新たな重みwnew (n)を求め、予測仮説群{x(n)}及び更新重み群{w(n)}を代表値演算手段30及び再標本化手段90に出力する。
(Observation update means 80)
Next, the observation update means 80 shown in FIG. 1 will be described in detail. The
新たな重みwnew (n)は、例えば以下の式により求められる。
(再標本化手段90)
次に、図1に示した再標本化手段90について詳細に説明する。再標本化手段90は、切替手段10−2の切替えに応じて、最初の動作時に、初期化手段20から仮説群{x(n)}及び重み群{w(n)}を入力し、通常の動作時に、観測更新手段80から予測仮説群{x(n)}及び更新重み群{w(n)}を入力する。そして、再標本化手段90は、重みw(n)に基づいて、仮説x(n)を複製または削除し、新たな仮説群{xnew (n)}及び新たな重み群{wnew (n)}に再標本化してラッチ手段40に出力する。再標本化手段90は、例えば、仮説x(n)に関する確率密度分布D(x)から標本を採り、以下の式により、新しい仮説xnew (n)を生成する。
Next, the resampling means 90 shown in FIG. 1 will be described in detail. The resampling means 90 receives the hypothesis group {x (n) } and the weight group {w (n) } from the initialization means 20 during the initial operation in response to the switching of the switching means 10-2. , The prediction hypothesis group {x (n) } and the update weight group {w (n) } are input from the
まず、再標本化手段90は、重みw(k)(k=0,1,...,N−1)を正規化し、かつ、kに関して累積した数列(αk)を、以下の式により定義する。
次に、再標本化手段90は、以下の式のように、n番目(n=0,1,...,Nnew−1)(Nnewは自然数。好ましくは、Nnew=Nとする。)の標本u(n)を、0以上1未満の連続一様分布U[0,1)から抽出する。この標本抽出過程は、疑似乱数の取り得る値域に基づいて、擬似乱数を0以上1未満に正規化することで近似的に実現される。
そして、再標本化手段90は、以下の式により、n番目の新しい仮説xnew (n)を生成する。
一方、再標本化手段90は、以下の式により、新しい重みwnew (n)として一様な値を設定する。
尚、再標本化手段90は、入力した仮説群{x(n)}及び重み群{w(n)}を再標本化することなく、そのまま出力するようにしてもよい。また、再標本化手段90は、重みw(n)の大きな仮説x(n)を単純に複製して新たな仮説xnew (n)を生成し、これらの重みwnew (n)の総和が、元の仮説x(n)の重みw(n)の総和に等しく(または近似的に等しく)なるように、再標本化してもよい。また、再標本化手段90は、重みw(n)が所定の閾値以下になっている仮説x(n)を削除してもよい。また、図1に示した信号処理装置1の構成において、再標本化手段90自体が存在しなくてもよい。また、再標本化手段90は、再構成の処理を毎回(毎処理サイクル)行ってもよいし、複数回に1回行ってもよい。また、仮説群{x(n)}及び重み群{w(n)}の数を変化させることなく再構成を行ってもよいし、その数を増やしても減らしてもよい。
Note that the resampling means 90 may output the input hypothesis group {x (n) } and the weight group {w (n) } as they are without resampling. Further, resampling means 90 duplicates simply large hypothesis x (n) of the weight w (n) generates new hypotheses x new (n), the sum of these weights w new (n) May be resampled to be equal (or approximately equal ) to the sum of the weights w (n) of the original hypothesis x (n) . Further, the resampling unit 90 may delete the hypothesis x (n) in which the weight w (n) is equal to or less than a predetermined threshold. Further, in the configuration of the
以上のように、本発明の実施形態による信号処理装置1によれば、状態遷移手段50が、トータルバリエーションの値が小さくなる仮説を生成しやすい確率密度関数P、または、画像が移動し、変形し、ぼけやぶれを生じ、輝度が変化し、雑音等が付与される過程を定式化した確率密度関数Pを用いて、次のサイクルまたは次の時刻(フレーム)の仮説群を予測し、予測仮説群{x(n)}を生成するようにした。また、観測値予測手段60が、画像劣化過程を模擬した観測関数hを用いて、予測仮説群{x(n)}を低解像度化して観測予測値z(n)を生成し、尤度演算手段70が、観測予測値z(n)と低解像画像yとを比較し、画像間の類似性が高いほど大きな値の尤度L(n)を演算して求め、観測更新手段80が、尤度L(n)が大きい値ほど重みw(n)が大きくなるように、新たな重みwnew (n)を求め、代表値演算手段30が、予測仮説群{x(n)}及び更新重み群{w(n)}に基づいて代表値を演算し、超解像画像sとして出力するようにした。
As described above, according to the
この場合、状態遷移手段50は、トータルバリエーション正則化等の確率過程を実装しており、従来のように繰り返し演算に伴った計算負荷の高い処理を行う必要がないから、高速化及び効率化を実現することができ、信号処理装置1を実時間処理の必要な機器に適用することができる。また、状態遷移手段50、観測値予測手段60、尤度演算手段70及び観測更新手段80は、仮説x(n)毎に独立した演算を行うことができ、並列演算が可能であるから、並列演算チップとの相性がよく、機器への組み込みにも適している。したがって、低解像画像yの解像度を向上させて超解像画像sを生成する際に、演算の高速化及び効率化を実現することができると共に、高精細な超解像画像sを生成することができる。
In this case, since the state transition means 50 implements a stochastic process such as total variation regularization and does not need to perform processing with a high calculation load due to repeated calculation as in the prior art, speeding up and efficiency improvement are possible. The
また、本発明の実施形態による信号処理装置1によれば、前述した特許文献1の1枚超解像方式及び特許文献2の複数枚超解像方式を、この超解像方式1つで代用することができる。このため、動画像及び静止画像が混在するテレビジョン映像等の処理において、ハードウェア及びソフトウェアのリソースを効率化することができる。
Further, according to the
以上、実施形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、その技術思想を逸脱しない範囲で種々変形可能である。例えば、前記実施形態では、画像信号を対象にして説明したが、本発明は、音声信号等の他の信号にも適用がある。音声信号を対象にする場合には、信号処理装置1は、前記処理により高品質な音声信号を生成して出力する。また、前記実施形態では、低解像画像yを超解像画像sに変換する処理について説明したが、本発明は、ぼけた画像を先鋭な画像に変換する処理、歪みのある画像から歪みを取り除く処理にも適用がある。
The present invention has been described with reference to the embodiment. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the technical idea thereof. For example, although the above embodiment has been described with respect to image signals, the present invention is also applicable to other signals such as audio signals. In the case of targeting an audio signal, the
また、前記実施形態では、2次元画像に対する超解像方式の処理について説明したが、本発明は、2次元以外の次元数の信号についても適用がある。また、前記実施形態では、低解像画像y、超解像画像s、仮説x(n)等のベクトル表現において、2次元画像を規定の順序(例えば、ラスタ走査の順序)で画素値を並べることにより列ベクトルを構成した。2次元以外の任意の次元数の信号を処理対象とする場合には、この構成順序の代わりに、次元の信号を構成する標本値群を、規定の順序により並べて列ベクトルを構成すればよい。1次元信号の場合には、例えば、信号の順序を保って列ベクトルを構成すればよい。3次元信号(動画像)の場合には、例えば、各フレームをラスタ走査の順序で並べたものを、さらに時間方向に並べて列ベクトルを構成すればよい。すなわち、任意の次元数の信号は、ある軸方向に走査して並べた結果群を、さらに別の軸方向に走査して並べ、全次元に渡って繰り返すことにより、列ベクトルを構成すればよい。 In the above-described embodiment, the super-resolution processing for a two-dimensional image has been described. However, the present invention is also applicable to signals having a number of dimensions other than two-dimensional. In the embodiment, in the vector representation of the low resolution image y, the super resolution image s, the hypothesis x (n), etc., the pixel values are arranged in a prescribed order (for example, raster scanning order). Thus, a column vector was constructed. When a signal with an arbitrary number of dimensions other than two dimensions is to be processed, a column vector may be configured by arranging sample value groups constituting a dimensional signal in a prescribed order instead of this configuration order. In the case of a one-dimensional signal, for example, a column vector may be configured while maintaining the signal order. In the case of a three-dimensional signal (moving image), for example, a column vector may be configured by arranging the frames in the order of raster scanning and further arranging them in the time direction. That is, a signal having an arbitrary number of dimensions may be formed by scanning a line in a certain axial direction and arranging the result group in another axial direction and repeating it over all dimensions to form a column vector. .
また、前記実施形態において、信号処理装置1の状態遷移手段50は、仮説群{xt,c (n)}から時刻t、サイクルc+1における仮説群{xt,c+1 (n)}を予測する際に、前記式(11)の確率密度関数P(xt,c+1|xt,c)を用いて、画像のトータルバリエーションの値が小さくなるように、元の仮説xt,cを状態遷移させて次のサイクルの仮説xt,c+1を生成する、いわゆるトータルバリエーションによる正則化を実現するようにした。前記式(11)は、画像のトータルバリエーションの値が小さくなるようにするための一例の式であり、本発明は、この式に限定されるものではなく、他の式を用いるようにしてもよい。また、トータルバリエーション以外の手法、例えば、滑らかさ(道のり)の手法によって正則化を実現する確率密度関数を用いるようにしてもよい。この確率密度関数は、低解像画像から高解像画像を生成する際に、低解像画像を構成する画素値間を曲線にて関係付けることにより、この画素値の影響を十分に受け、画素値がさほどばらつかないようにする正則化を実現する関数である。
Further, in the embodiment, the state transition means 50 of the
尚、本発明の実施形態による信号処理装置1のハード構成としては、通常のコンピュータを使用することができる。信号処理装置1は、CPU、RAM等の揮発性の記憶媒体、ROM等の不揮発性の記憶媒体、及びインターフェース等を備えたコンピュータによって構成される。信号処理装置1に備えた切替手段10−1,10−2、初期化手段20、代表値演算手段30、ラッチ手段40、状態遷移手段50、観測値予測手段60、尤度演算手段70、観測更新手段80及び再標本化手段90の各機能は、これらの機能を記述したプログラムをCPUに実行させることによりそれぞれ実現される。また、これらのプログラムは、磁気ディスク(フロッピー(登録商標)ディスク、ハードディスク等)、光ディスク(CD−ROM、DVD等)、半導体メモリ等の記憶媒体に格納して頒布することもできる。
An ordinary computer can be used as the hardware configuration of the
1 信号処理装置
10−1,10−2 切替手段
20 初期化手段
30 代表値演算手段
40 ラッチ手段
50 状態遷移手段
60 観測値予測手段
70 尤度演算手段
80 観測更新手段
90 再標本化手段
1 Signal Processing Units 10-1, 10-2
Claims (7)
前記高分解能の信号に対する複数の候補を仮説群として保持すると共に、前記候補に対する重みを重み群として保持する保持手段と、
前記保持手段に保持された仮説群を状態遷移させ、新たな仮説群を生成する状態遷移手段と、
前記状態遷移手段により生成された新たな仮説群を、前記低分解能の信号と同じ分解能の観測信号に変換する観測変換手段と、
前記観測変換手段により変換された観測信号と前記低分解能の信号とを比較し、信号間の類似度を尤度として演算する尤度演算手段と、
前記尤度演算手段により演算された尤度に基づいて前記重み群を更新し、前記新たな仮説群に対する新たな重み群を生成する観測更新手段と、
前記状態遷移手段により生成された新たな仮説群、及び前記観測更新手段により更新された新たな重み群に基づいて、前記新たな仮説群における仮説の代表値を、前記高分解能の信号として演算する代表値演算手段と、
を備えることを特徴とする信号処理装置。 In a signal processing device that generates a high resolution signal from a low resolution signal,
Holding means for holding a plurality of candidates for the high resolution signal as a hypothesis group, and holding a weight for the candidate as a weight group;
State transition means for causing a state transition of a hypothesis group held in the holding means and generating a new hypothesis group;
An observation conversion means for converting a new hypothesis group generated by the state transition means into an observation signal having the same resolution as the low resolution signal;
A likelihood calculation means for comparing the observation signal converted by the observation conversion means with the low resolution signal, and calculating the similarity between the signals as a likelihood;
Updating the weight group based on the likelihood computed by the likelihood computing means, and generating a new weight group for the new hypothesis group;
Based on the new hypothesis group generated by the state transition means and the new weight group updated by the observation update means, the representative value of the hypothesis in the new hypothesis group is calculated as the high-resolution signal. Representative value calculating means;
A signal processing apparatus comprising:
前記状態遷移手段は、前記仮説群の仮説を構成する各信号点の信号値を所定規則に基づき変化させ、新たな仮説群を生成する、ことを特徴とする信号処理装置。 The signal processing device according to claim 1,
The state transition means changes the signal value of each signal point constituting a hypothesis of the hypothesis group based on a predetermined rule, and generates a new hypothesis group.
前記状態遷移手段は、前記仮説群の仮説を構成する各信号点の信号値に対し、隣接する信号点の勾配の絶対値の和を示すトータルバリエーションの値が小さくなるように、新たな仮説群を生成する、ことを特徴とする信号処理装置。 The signal processing device according to claim 2,
The state transition means generates a new hypothesis group such that the total variation value indicating the sum of absolute values of the gradients of adjacent signal points becomes smaller with respect to the signal value of each signal point constituting the hypothesis of the hypothesis group. A signal processing device characterized by generating
前記状態遷移手段は、前記仮説群の仮説を構成する信号における注目点の信号値、及び前記注目点から所定範囲内の信号点の信号値により演算されるトータルバリエーションの値が、前記注目点の信号値を変更したときに小さくなるように規定した確率密度関数を用いて、前記仮説群を状態遷移させ、新たな仮説群を生成する、ことを特徴とする信号処理装置。 The signal processing device according to claim 3.
The state transition means includes a signal value of a target point in a signal constituting a hypothesis of the hypothesis group, and a total variation value calculated from a signal value of a signal point within a predetermined range from the target point. A signal processing apparatus, wherein a state of the hypothesis group is changed using a probability density function defined so as to decrease when a signal value is changed, and a new hypothesis group is generated.
前記信号を静止画像の信号とし、
前記状態遷移手段、観測変換手段、尤度演算手段及び観測更新手段により、新たな仮説群及び新たな重み群が、所定回数の繰り返し処理にて生成される、ことを特徴とする信号処理装置。 In the signal processing device according to any one of claims 1 to 4,
The signal is a still image signal,
A signal processing apparatus characterized in that a new hypothesis group and a new weight group are generated by a predetermined number of iterations by the state transition means, observation conversion means, likelihood calculation means, and observation update means.
前記信号を、複数フレームにより構成される動画像の信号とし、
前記状態遷移手段、観測変換手段、尤度演算手段及び観測更新手段により、新たな仮説群及び新たな重み群が、前記フレーム毎に、または、前記フレームにおいて所定回数の繰り返し処理にて生成される、ことを特徴とする信号処理装置。 In the signal processing device according to any one of claims 1 to 4,
The signal is a moving image signal composed of a plurality of frames,
A new hypothesis group and a new weight group are generated for each frame or by a predetermined number of iterations in the frame by the state transition means, observation conversion means, likelihood calculation means, and observation update means. A signal processing device characterized by that.
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