JP2011228807A - 画像処理プログラム、画像処理装置、および画像処理方法 - Google Patents

画像処理プログラム、画像処理装置、および画像処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 見た目のコントラストを維持するとともに、色相および彩度の変化を抑えつつ、明部階調および暗部階調を改善することが可能な画像処理を行うこと。
【解決手段】 処理対象の画像データに対する画像処理をコンピュータで実現するための画像処理プログラムであって、画像データを取得する取得ステップと、階調の中間部において、コントラストを弱める特性を加味した特性を有する入出力特性にしたがって、画像データに対する階調変換処理を行う階調変換処理ステップと、階調変換処理が施された画像データに対して、画像の局所におけるコントラストを示す局所的コントラストを強調する補正を、処理対象の画素の輝度情報に応じて強調度合が変化するゲインカーブを用いて行う補正ステップとをコンピュータで実現する。
【選択図】 図3

Description

本発明は、処理対象の画像データに画像処理を施す画像処理プログラム、画像処理装置、および画像処理方法に関する。
電子カメラなどの撮像装置により生成した画像データを、CRTモニタやプリンタなどの出力機器に出力する場合、見ばえを良くするために、出力機器に対応した階調カーブを用いた階調変換処理が行われている。このような階調変換処理を行わないと、出力機器のフレアや、黒浮き、外光反射などにより見ばえがわるくなる。階調変換処理には、出力機器に対応した階調カーブに加えて、いわゆるS字型の階調カーブが用いられている。このS字型階調カーブによりコントラストを調整することで、出力機器においてメリハリのある出力画像が得られる(例えば、特許文献1参照)。
また、見ばえをよくするために、メリハリを強める輪郭強調処理も行われている。輪郭強調処理には、高周波成分を元の画像データに加算することにより、輪郭を強調する方法や、いわゆる輪郭強調フィルタを用いて輪郭を強調する方法などがある(例えば、特許文献2参照)。
特開2004−222076号公報 特許第3512581号
上述した特許文献1の階調変換処理では、コントラストを強調することが可能である一方、明部階調のコントラストが低下する場合や、暗部階調が暗く潰れてしまう場合があった。また、R,G,B値のそれぞれに対してS字型のカーブを用いた階調変換処理を行うと、明部階調、中間部階調、暗部階調のそれぞれの色相や彩度が変化してしまうという問題があった。
さらに、上述した特許文献2の輪郭強調処理では、大きな半径で輪郭強調処理を行うと、彩度の変化が目立ったり、明部階調が白とびしやすくなったりするという問題があった。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、見た目のコントラストを維持するとともに、色相および彩度の変化を抑えつつ、明部階調および暗部階調を改善することが可能な画像処理を行うことを目的とする。
本発明の画像処理プログラムは、処理対象の画像データに対する画像処理をコンピュータで実現するための画像処理プログラムであって、前記画像データを取得する取得ステップと、階調の中間部において、前記コントラストを弱める特性を加味した特性を有する入出力特性にしたがって、前記画像データに対する階調変換処理を行う階調変換処理ステップと、前記階調変換処理が施された前記画像データに対して、画像の局所におけるコントラストを示す局所的コントラストを強調する補正を、処理対象の画素の輝度情報に応じて強調度合が変化するゲインカーブを用いて行う補正ステップとをコンピュータで実現することを特徴とする。
なお、前記補正ステップでは、前記画像データに基づいて、ボケ画像の画像データを作成し、前記画像データにおける輝度値と、前記ボケ画像の画像データにおける輝度値との差を示す値が、正の値である場合には、前記差を示す値が負の値である場合に比べて、前記強調度合を小さくする前記ゲインカーブを用いて前記補正を行っても良い。
また、前記補正ステップでは、前記画像データに基づいて、ボケ画像の画像データを作成し、前記画像データにおける輝度値と、前記ボケ画像の画像データにおける輝度値との差を示す値が大きくなるほど、前記強調度合を小さくする前記ゲインカーブを用いて前記補正を行っても良い。
また、前記補正ステップでは、前記画像データに基づいて、ボケ画像の画像データを作成し、前記画像データにおける輝度値と、前記ボケ画像の画像データにおける輝度値との差を示す値が小さくなるほど、前記強調度合を大きくする前記ゲインカーブを用いて前記補正を行っても良い。
また、前記入出力特性は、通常の特性を有する階調カーブと、前記コントラストを弱める特性を有する階調カーブとにより定義されるか、または、前記通常の特性に前記コントラストを弱める特性を加味した1つの階調カーブにより定義されても良い。
また、上記発明に関する構成を、処理対象の画像データに対する画像処理を行う画像処理装置および画像処理方法に変換して表現したものも本発明の具体的態様として有効である。
本発明によれば、上記問題に鑑みてなされたものであり、見た目のコントラストを維持するとともに、色相および彩度の変化を抑えつつ、明部階調および暗部階調を改善することが可能な画像処理を行うことができる。
第1実施形態の電子カメラ1の構成を示す図である。 第1実施形態の電子カメラ1の機能ブロック図である。 第1実施形態の電子カメラ1の撮影時の動作を示すフローチャートである。 階調カーブについて説明する図である。 階調カーブについて説明する別の図である。 ローパスフィルタについて説明する図である。 ガンマカーブについて説明する図 ガンマカーブの決定について説明する図 階調カーブについて説明する別の図である。 第2実施形態の電子カメラ1の撮影時の動作を示すフローチャートである。 階調カーブについて説明する別の図である。
<第1実施形態>
以下、図面を用いて本発明の第1実施形態について説明する。第1実施形態では、本発明の画像処理プログラムを適用した一眼レフタイプの電子カメラを例に挙げて説明する。
図1は、第1実施形態の電子カメラ1の構成を示す図である。図1に示すように、電子カメラ1は、撮影レンズ2、絞り3、クイックリターンミラー4、サブミラー5、拡散スクリーン6、コンデンサレンズ7、ペンタプリズム8、ビームスプリッタ9、接眼レンズ10、結像レンズ11、測光センサ12、シャッタ13、撮像素子14、焦点検出部15の各部を備える。
測光センサ12は、例えば、5分割の測光センサである。撮像素子14は、例えばCCD(Charge Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)などの半導体デバイスである。焦点検出部15は、例えば、位相差方式の焦点検出を行い、撮影レンズ2の焦点状態を検出する。また、電子カメラ1は、測光センサ12により検出される輝度に基づいて、コントラスト方式の焦点検出を行い、撮影レンズ2の焦点状態を検出する。
また、電子カメラ1は、撮像により生成された画像などを表示する液晶モニタなどのモニタ16、各部を制御する制御部17をさらに備える。制御部17は、内部に不図示のメモリを備え、各部を制御するためのプログラムを予め記録する。
非撮影時、すなわち撮影を行わない場合には、クイックリターンミラー4は、図1に示すように、45°の角度に配置される。そして、撮影レンズ2および絞り3を通過した光束は、クイックリターンミラー4で反射され、拡散スクリーン6、コンデンサレンズ7、ペンタプリズム8、ビームスプリッタ9を介して接眼レンズ10に導かれる。ユーザは、接眼レンズ10を介して被写体の像を目視することにより構図確認を行う。一方、ビームスプリッタ9により、上方に分割された光束は、結像レンズ11を介して測光センサ12の撮像面上に再結像される。また、クイックリターンミラー4を透過した光束は、サブミラー5を介して焦点検出部15に導かれる。
一方、撮影時には、クイックリターンミラー4が、破線で示す位置に退避してシャッタ13が開放し、撮影レンズ2からの光束は撮像素子14に導かれる。
図2は、第1実施形態の電子カメラ1の機能ブロック図である。図2に示すように、電子カメラ1は、図1の構成に加えて、タイミングジェネレータ20、信号処理部21、A/D変換部22、バッファメモリ23、バス24、カードインターフェース25、圧縮伸長部26、画像表示部27の各部を備える。タイミングジェネレータ20は、撮像素子14に出力パルスを供給する。また、撮像素子14で生成される画像データは、信号処理部21(撮像感度に対応するゲイン調整部を含む)およびA/D変換部22を介して、バッファメモリ23に一時記憶される。バッファメモリ23は、バス24に接続される。このバス24には、カードインターフェース25、図1で説明した制御部17、圧縮伸張部26、および画像表示部27が接続される。カードインターフェース25は、着脱自在なメモリカード28と接続し、メモリカード28に画像データを記録する。また、制御部17には、電子カメラ1のスイッチ群29(不図示のレリーズ釦などを含む)、タイミングジェネレータ20、および測光センサ12が接続される。さらに、画像表示部27は、電子カメラ1の背面に設けられたモニタ16に画像などを表示する。
以上説明した構成の電子カメラ1の撮影時の動作について、図3に示すフローチャートを用いて説明する。
ステップS1において、制御部17は、ユーザによりスイッチ群29を介して撮影開始が指示されたか否かを判定する。そして、制御部17は、撮影開始が指示されたと判定するとステップS2に進む。
ステップS2において、制御部17は、各部を制御し、撮像素子14により被写体像を撮像して画像データを生成する。撮像素子14により生成された画像データは、信号処理部21およびA/D変換部22を介して、バッファメモリ23に一時記憶される。
ステップS3において、制御部17は、バッファメモリ23から画像データを読み出し、通常の画像処理を行う。通常の画像処理とは、ホワイトバランス調整、補間処理、色調補正処理などである。各処理の具体的な方法は公知技術と同様であるため説明を省略する。
ステップS4において、制御部17は、階調カーブG1を選択する。階調カーブG1は、後述するステップS5で行われる階調変換処理に用いられるものであり、CRTなどの出力機器に対応した階調カーブに公知のS字型特性を持たせた階調カーブである。制御部17は、内部の不図示のメモリに、図4および図5に示す2種類の階調カーブ(G1,G2)を予め記録している。
ステップS5において、制御部17は、ステップS4で選択した階調カーブG1にしたがって、ステップS3で画像処理を施した画像データに対して階調変換処理を行う。階調変換処理の詳細は公知技術と同様であるため説明を省略する。
ステップS6において、制御部17は、階調カーブG2を選択する。階調カーブG2は、図5に示すように、1:1の入出力(図5点線参照)と比較して、階調の中間部において、コントラストを弱める特性を有する。
ステップS7において、制御部17は、ステップS6で選択した階調カーブG2にしたがって、ステップS5で1回目の階調変換処理を施した画像データに対して2回目の階調変換処理を行う。階調変換処理の詳細は公知技術と同様であるため説明を省略する。なお、上述した階調カーブG2にしたがって階調変換処理を行うことにより、階調の中間部において階調が軟調化される。
ステップS8において、制御部17は、ステップS7で2回目の階調変換処理を施した画像データに対して局所的コントラスト強調処理を行う。局所的コントラストとは、画像の局所領域におけるコントラストのことである。
各画素R[x,y],G[x,y],B[x,y]における局所的コントラスト強調演算は以下の式1から式6により行う。
Figure 2011228807
式1中のYは、注目画素の輝度値を示す。また、式1中のkr,kg,kbは所定の係数である。また、式2中のLpwは、注目画素周りのローパスフィルタであり、このローパスフィルタは、図6に示す特性を有する。このローパスフィルタは、半値幅(図6中d)が画像の短辺の1/100以上の広い幅のローパスフィルタである。したがって、式2のYlpは、輝度値Yにローパス処理を施したローパス値に相当するので、Ylpの集合は、輝度画像のボケ画像を示す。また、式3のgainは、強調演算時のゲインであり、式3中のGLUTは、強調演算時に用いるゲインカーブである。
ゲインカーブGLUTは、図7に示すように、(Y[x,y]−Ylp[x,y])の値に応じて、強調演算時の強調度合が異なるゲインカーブである。そして、(Y[x,y]−Ylp[x,y])の値が正の値である場合(注目画素が周囲の画素より明るい場合)には、ゲインを上げて明るさをより強調する。一方、(Y[x,y]−Ylp[x,y])の値が負の値である場合(注目画素が周囲の画素より暗い場合)には、ゲインを下げて暗さをより強調する。すなわち、ゲインカーブGLUTは、注目画素が周囲の画素より明るい場合には、式3によって明るさをより強調し、注目画素が周囲の画素より暗い場合には、式3によって暗さを強調するような特性を有する。
なお、図7に示したゲインカーブGLUTは、一例であり、本発明はこの例に限定されない。直線ゲインである図7中のG0と比較して、注目画素が周囲の画素より明るい場合における強調度合が小さければ、どのような形状であっても良い。例えば、曲線ではなく直線であっても良い。また、注目画素が周囲の画素より暗い場合については、どのような形状であっても良い。例えば、図7の例とは逆に、直線ゲインである図7中のG0と比較して、注目画素が周囲の画素より暗い場合における強調度合が小さくても良い。
また、ゲインカーブGLUTは、(Y[x,y]−Ylp[x,y])の値が正の値である場合には、(Y[x,y]−Ylp[x,y])の値が負の値である場合に比べて、強調度合が小さくなるように定められる。一般に、明部における階調が飽和すると、白飛びが発生する。そこで、明部においては、上述したように、強調度合を小さくすることにより、白飛びが目立ってしまうのを防ぐことができる。
ステップS7で説明したように、階調カーブG2にしたがって階調変換処理を行うことにより、階調が軟調化されるので、ゲインカーブGLUTを適切に設定することにより、局所的コントラストを調整して、見た目のコントラストを維持することができる。ゲインカーブGLUTは、固定のゲインカーブであっても良いし、変動するゲインカーブであっても良い。
例えば、制御部17は、ゲインカーブGLUTを、撮影モード(例えば、「ポートレートモード」、「風景モード」など)に応じて決定する構成としても良い。例えば、ポートレートモードにおいては、明部階調の白飛びや暗部階調の黒つぶれが好まれないことが多い。そのため、制御部17は、ポートレートモードにおいては、明部および暗部の両方において強調度合の小さいゲインカーブGLUTを決定する。また、風景モードにおいては、メリハリのある画像が好まれることが多い。そのため、制御部17は、風景モードにおいては、明部および暗部の両方において強調度合の大きいゲインカーブGLUTを決定する。
さらに、制御部17は、ゲインカーブGLUTを、画像のコントラストの強弱に応じて決定する構成としても良いし、画像の調整モードに応じて決定する構成としても良い。また、シーン解析や顔認識による画像判断結果に応じて、ゲインカーブGLUTを決定する構成としても良い。このようにゲインカーブGLUTの決定を適宜行うことにより、画像に最適化した階調変換処理および局所的コントラスト強調処理を行うことができる。
また、制御部17は、ゲインカーブGLUTの決定を、スイッチ群29を介したユーザ操作に基づいて行っても良い。例えば、制御部17は、画像表示部27に、図8に示すような、画像処理時の特性を指定する指定画面を表示する。ユーザは、スイッチ群29を介してスライドバーを移動させて画像処理時の特性を指定する。図8の例では、「硬質な」または「自然な」という言葉を用いているが、これは一例であり、上述したゲインカーブGLUTに応じた画像処理時の特性を示す言葉であればどのようなものであっても良い。そして、制御部17は、ユーザにより指定された画像処理時の特性に応じて、ゲインカーブGLUTを決定する。例えば、図8の例では、ユーザに指定された特性が「自然な」に近いほど、全体的な強調度合の小さいゲインカーブGLUTを決定し、ユーザに指定された特性が「硬質な」に近いほど、全体的な強調度合の大きいゲインカーブGLUTを決定する。なお、ユーザに画像処理時の特性を指定させる場合には、図8に例示したように、プレビュー画面を設け、指定した特性に応じた画像処理の結果をユーザが確認可能な構成としても良い。
また、制御部17は、ステップS6で説明した階調カーブG2と、ゲインカーブGLUTとを関連づけて決定しても良い。例えば、図9に示すように、S字型特性の異なる複数の階調カーブG2a〜G2cを用意しておき、ステップS6において、いずれかの階調カーブを選択可能とする。そして、選択された階調カーブの特性に応じて、ゲインカーブGLUTを決定しても良い。すなわち、ステップS7における階調変換処理による軟調化の度合に応じて、ステップS8における局所的コントラスト強調処理の度合を決定しても良い。
なお、制御部17は、ステップS6で説明した階調カーブG2およびステップS8で説明したゲインカーブGLUTのそれぞれについて、予め記録した複数のカーブからいずれかのカーブを選択して使用しても良いし、階調カーブおよびゲインカーブを適宜調整して使用しても良い。
ステップS9において、制御部17は、ステップS8で局所的コントラスト強調処理を施した画像データを、カードインターフェース25を介してメモリカード28に記録し、一連の処理を終了する。なお、画像データをメモリカード28に記録する前に、圧縮伸長部26を介して、必要に応じて画像圧縮処理(JPEG圧縮処理など)を施しても良い。
以上説明したように、第1実施形態によれば、階調の中間部において、コントラストを弱める特性を加味した特性を有する入出力特性にしたがって、画像データに対する階調変換処理を行い、階調変換処理が施された画像データに対して、画像の局所におけるコントラストを示す局所的コントラストを強調する補正を、処理対象の画素の輝度情報に応じて強調度合が変化するゲインカーブを用いて行う。したがって、コントラストを維持するとともに、色相および彩度の変化を抑えつつ、明部階調および暗部階調を改善することができる。
また、第1実施形態で説明した局所的コントラスト強調処理は、従来から広く用いられている輪郭強調処理のアルゴリズムを改良することにより容易に実現することができる。
また、第1実施形態によれば、図6に例示した、半値幅(図6中d)が画像の短辺の1/100以上の広い幅のローパスフィルタを用いて局所的コントラストを強調する補正を行うので、中周波成分に基づいて補正を行うことができる。この補正は、通常1画素毎に行われるエッジ強調など、超高周波成分に基づく補正とは異なり、局所的コントラストを補正して、コントラストを維持しつつ、明部階調および暗部階調を改善することができるこのような効果を得ることができるのは、人間の視覚では、コントラストを知覚するのが局所的であるためである。
<第2実施形態>
以下、図面を用いて本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態は、第1実施形態の変形例であるため、第1実施形態と異なる部分についてのみ説明する。
第2実施形態の電子カメラの構成は、第1実施形態の電子カメラ1と同様である。したがって、以下では第1実施形態と同様の符号を用いて説明する。
図10のフローチャートは、第2実施形態の電子カメラ1の撮影時の動作を示す。
ステップS21からステップS23において、制御部17は、図3のフローチャートのステップS1からステップS3と同様の処理を行う。
そして、ステップS24において、制御部17は、階調カーブG3を選択する。階調カーブG3は、図11に示すように、図3のフローチャートを用いて説明した階調カーブG1の特性と階調カーブG2の特性とをあわせ持つ階調カーブである。
ステップS25において、制御部17は、ステップS24で選択した階調カーブG3にしたがって、ステップS23で画像処理を施した画像データに対して階調変換処理を行う。すなわち、制御部17は、通常の特性(G1に相当)にコントラストを弱める特性(G2に相当)を加味した1つの階調カーブを用いて、1回のみ階調変換処理を行う。
ステップS26からステップS27において、制御部17は、図3のフローチャートのステップS8からステップS9と同様の処理を行う。このような構成とすることにより、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、上述した各実施形態では、本発明の技術を電子カメラ1において実現する例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、コンパクトタイプの電子カメラや動画撮影を行うムービーカメラなどにも本発明を同様に適用することができる。
また、コンピュータと画像処理プログラムとにより、上述した各実施形態で説明した画像処理装置をソフトウェア的に実現しても良い。この場合、図3のフローチャートで説明したステップS4以降の処理の一部または全部をコンピュータで実現する構成とすれば良い。または、図10のフローチャートで説明したステップS24以降の処理の一部または全部をコンピュータで実現する構成とすれば良い。なお、このような画像処理プログラムは、
媒体に記録されたものでも良いし、インターネットなどを介して、サーバーなどからダウンロード可能なものであっても良い。
また、処理対象の画像が、上述した各実施形態において説明した階調カーブG1を用いた階調変換処理後の画像である場合にも本発明を同様に適用することができる。この場合、図3のフローチャートで説明したステップS6以降の処理の一部または全部をコンピュータで実現する構成とすれば良い。または、図10のフローチャートで説明したステップS24以降の処理の一部または全部をコンピュータで実現する構成とすれば良い。
なお、本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、前述の実施例はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。
1…電子カメラ,2…撮影レンズ,14…撮像素子,17…制御部

Claims (7)

  1. 処理対象の画像データに対する画像処理をコンピュータで実現するための画像処理プログラムであって、
    前記画像データを取得する取得ステップと、
    階調の中間部において、前記コントラストを弱める特性を加味した特性を有する入出力特性にしたがって、前記画像データに対する階調変換処理を行う階調変換処理ステップと、
    前記階調変換処理が施された前記画像データに対して、画像の局所におけるコントラストを示す局所的コントラストを強調する補正を、処理対象の画素の輝度情報に応じて強調度合が変化するゲインカーブを用いて行う補正ステップと
    をコンピュータで実現することを特徴とする画像処理プログラム。
  2. 請求項1に記載の画像処理プログラムにおいて、
    前記補正ステップでは、前記画像データに基づいて、ボケ画像の画像データを作成し、前記画像データにおける輝度値と、前記ボケ画像の画像データにおける輝度値との差を示す値が、正の値である場合には、前記差を示す値が負の値である場合に比べて、前記強調度合を小さくする前記ゲインカーブを用いて前記補正を行う
    ことを特徴とする画像処理プログラム。
  3. 請求項1に記載の画像処理プログラムにおいて、
    前記補正ステップでは、前記画像データに基づいて、ボケ画像の画像データを作成し、前記画像データにおける輝度値と、前記ボケ画像の画像データにおける輝度値との差を示す値が大きくなるほど、前記強調度合を小さくする前記ゲインカーブを用いて前記補正を行う
    ことを特徴とする画像処理プログラム。
  4. 請求項1に記載の画像処理プログラムにおいて、
    前記補正ステップでは、前記画像データに基づいて、ボケ画像の画像データを作成し、前記画像データにおける輝度値と、前記ボケ画像の画像データにおける輝度値との差を示す値が小さくなるほど、前記強調度合を大きくする前記ゲインカーブを用いて前記補正を行う
    ことを特徴とする画像処理プログラム。
  5. 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の画像処理プログラムにおいて、
    前記入出力特性は、通常の特性を有する階調カーブと、前記コントラストを弱める特性を有する階調カーブとにより定義されるか、または、前記通常の特性に前記コントラストを弱める特性を加味した1つの階調カーブにより定義される
    ことを特徴とする画像処理プログラム。
  6. 処理対象の画像データを取得する取得部と、
    階調の中間部において、前記コントラストを弱める特性を加味した特性を有する入出力特性にしたがって、前記画像データに対する階調変換処理を行う階調変換処理部と、
    前記階調変換処理が施された前記画像データに対して、画像の局所におけるコントラストを示す局所的コントラストを強調する補正を、処理対象の画素の輝度情報に応じて強調度合が変化するゲインカーブを用いて行う補正部と
    を備えたことを特徴とする画像処理装置。
  7. 処理対象の画像データを取得する取得工程と、
    階調の中間部において、前記コントラストを弱める特性を加味した特性を有する入出力特性にしたがって、前記画像データに対する階調変換処理を行う階調変換処理行程と、
    前記階調変換処理が施された前記画像データに対して、画像の局所におけるコントラストを示す局所的コントラストを強調する補正を、処理対象の画素の輝度情報に応じて強調度合が変化するゲインカーブを用いて行う補正行程と
    を有することを特徴とする画像処理方法。
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