JP2012134625A - 光源推定装置及び光源推定方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光源種類推定部109は、被写体を撮像する撮像素子により生成された画像信号から、輝度と色との間の相関係数を算出する輝度−色相関算出部と、前記画像信号における画像全体のカラーバランスと、前記画像信号におけるニュートラルグレー領域のカラーバランスを算出するカラーバランス算出部と、相関係数と、画像全体のカラーバランスと、ニュートラルグレー領域のカラーバランスとに基づく特徴ベクトルを生成する特徴ベクトル生成部と、生成された特徴ベクトルに基づき、前記画像信号における光源の種類を判定する識別器とを備える。
【選択図】図1
Description
また、輝度−色相関は入力データの正規分布を仮定しているため、入力データ数が少なかったりデータにはずれ値が存在したりすると正規分布の仮定から外れ、正しい輝度−色相関を算出できない場合がある。また、物体の鏡面反射により一部の画素が白飛びしてハイライト領域が存在するシーンでは、それらの画素がはずれ値となり、輝度−色相関が不安定になる場合がある。
また、特許文献1に記載された技術では、センサの応答値に基づいて光源の色を示す分光特性を推定するため、計算量が多くなる、という問題がある。また、撮像手段は、複数の異なる分光感度特性を持つセンサを備えなければならない。
図1は、本実施形態によるホワイトバランス調整装置1の機能構成を示すブロック図である。
ホワイトバランス調整装置1は、デジタルビデオカメラ、デジタルスチルカメラやカメラ付携帯端末等の被写体光学像を変換して画像信号を電気的に出力する装置おいて、画像信号のホワイトバランスを調整する装置である。ホワイトバランス調整装置1は、レンズ101と、アイリス102と、撮像素子103と、AGC(Automatic Gain Control)部104と、前処理部105と、画像情報算出部106と、照度検出部107と、駆動部108と、光源種類推定部109と、ホワイトバランスゲイン算出部111と、ホワイトバランス制御部112と、色補正制御部113と、ガンマ補正制御部114と、出力部115とを含んで構成される。
光源種類推定部109は、時系列データバッファ202と、輝度むら解析部203と、特徴量算出部204と、識別器211とを含んで構成される。
時系列データバッファ202は、縮小画像信号201を入力とし、入力された縮小画像信号の画像データ(以下、縮小画像データとする)をフレーム毎に時系列に記憶する。時系列データバッファ202は、例えばDRAM(Dynamic Random Access Memory)等のフラッシュメモリ上に確保されたリングバッファであり、所定フレーム数の画像データを格納することができる。時系列データバッファ202に記憶された縮小画像データは、順次輝度むら解析部203に入力される。
まず、識別部215が、学習結果記憶部214から学習結果を読み込む(ステップS10)。次に、光源種類推定部109は、時系列データバッファ202へ縮小画像データを書き込む(ステップS20)。
なお、この方法に限らず、他の領域近似方法を用いて輝度一定領域を特定してもよい。例えば、画像の領域分割を行う領域近似方法がある。この領域近似方法は、影の領域や鏡面反射で白飛びしている領域を領域分割し、輝度レベルが一定の領域のみを用いる手法である。影の領域は色や輝度のクラスタリングで求めることができる。また、鏡面反射している領域は例えば、2色性反射モデルを用いて推定することができる。なお、これら2つの領域近似手法を併用してもよい。
次に、識別部215が、読み込んだ学習結果に基づいて、算出された特徴ベクトルに対するスコアを光源種類毎に算出する(ステップS60)。そして、識別部215は、光源種類毎に算出されたスコアに基づき、光源種類を判定する(ステップS70)。具体的には、識別部215は、スコアの高い光源種類を、算出された特徴ベクトルに対応する光源種類とする。
まず、特徴量算出部204は、輝度むら解析部203から、時系列に並べられたKフレームの縮小画像データと、各縮小画像データに対応する輝度むら情報と、各縮小画像データに対応するハイライト画素情報とを取得する(ステップS100,S110,S120)。次に、特徴量算出部204は、輝度−色相関算出処理と、カラーテクスチャ解析処理と、画像全体のカラーバランス算出処理と、ニュートラルグレー領域のカラーバランス算出処理とを並行して行う。なお、本実施形態では、輝度−色相関算出処理と、カラーテクスチャ解析処理と、画像全体のカラーバランス算出処理と、ニュートラルグレー領域のカラーバランス算出処理とを並行して行うが、1処理ずつ順に行ってもよい。
まず、輝度−色相関算出処理について説明する。
輝度−色相関算出部205は、時系列に並べられたKフレームの縮小画像データと、各縮小画像データに対応する輝度むら情報と、各縮小画像データに対応するハイライト画素情報とに基づいて、輝度−色相関係数を算出する(ステップS140)。
ここで、Kフレームの縮小画像データを用いるのは、後述する相関係数の算出を安定して行うためである。相関係数の算出は、データ分布が正規分布でなければ安定して行うことができないが、相関係数の算出に用いるデータ数が少ないと、データ分布が正規分布になっているかがわからない。このため、複数のフレームを用いて、相関係数を算出するためのデータ数を確保する。また、時系列データを用いる理由は、手振れ、シーン内に存在する被写体の運動、及び照明条件の変化等によって生じる画像情報の時間変化に対応するためである。
次に、輝度−色相関算出部205は、輝度一定領域以外の領域とハイライト画素とを除去した各縮小画像データを縦横にN(Nは2以上の整数)分割する。以下、分割した領域を分割ブロックとする。なお、Nの値は任意であり、例えば画素を1分割ブロックとしてもよい。そして、輝度−色相関算出部205は、分割ブロックi(i=1,2,…,N×K)毎にRチャネルの平均値Riと、Gチャネルの平均値Giと、Bチャネルの平均値Biとを算出する。そして、輝度−色相関算出部205は、次の式(1)により各分割ブロックiの輝度Lumiを算出する。
なお、これらの要因以外にはずれ値が混入する可能性がある。例えばシーン中に自発光する領域が存在する場合である。このような場合には輝度むら解析ではデータのはずれ値を特定できないため、データの分布が正規分布にならない可能性がある。そのため、このような場合には、データの正規分布性を仮定しないスピアマンの順位相関係数を用いてもよい。
図5(a)は、様々な色を含む一般的な被写体に対して赤色光源(ここではハロゲンランプ)を照射して撮像した入力画像である。図5(b)は、図5(a)に示す入力画像における輝度Lumに対する赤みRednessの変化をプロットしたグラフである。このグラフにおける縦軸は赤みRednessであり、横軸は輝度Lumである。本図に示すように、輝度Lumと赤みRednessは正の相関を持つ。図5(c)は、図5(a)に示す入力画像における輝度Lumに対する青みBluenessの変化をプロットしたグラフである。このグラフにおける縦軸は青みBluenessであり、横軸は輝度Lumである。本図に示すように、輝度Lumと青みBluenessは負の相関を持つ。
本図に示すグラフは、図5(a)に示す様々な色を含む一般的な被写体に対して白色光源(ここでは色温度5,500[K]の白色光源)を照射して撮像した入力画像Hにおける輝度に対する色の変化を示す。図6(a)は、入力画像Hにおける輝度Lumに対する赤みRednessの変化をプロットしたグラフである。このグラフにおける縦軸は赤みRednessであり、横軸は輝度Lumである。本図に示すように、輝度Lumと赤みRednessとには相関関係が見られない。また、図6(b)は、入力画像Hにおける輝度に対する青みの変化をプロットしたグラフである。このグラフにおける縦軸は青みBluenessであり、横軸は輝度Lumである。本図に示すように、輝度Lumと青みBluenessとには相関関係が見られない。
これらのことから、赤色光源を照射したときのみ輝度−色相関が生じることが確認できる。
この2次元散布図のグラフにおける横軸は輝度と赤みの相関係数Frであり、縦軸は輝度と青みの相関係数Fbである。プロットの凡例は5種類あり、赤色光源を照射して撮像した3つの被写体(様々な色を含む被写体、24色マクベスカラーチャート、グレーチャート)、および白色光源を照射して撮像した2つの被写体(様々な色を含む被写体、赤色の被写体(赤系物体))である。一つの凡例あたり、撮像位置を変えて10枚の画像を撮像した。本図から、赤色光源で撮像した凡例は、輝度−赤み相関が大きく、かつ輝度−青み相関が小さいため、プロットがグラフの右下の領域に集中することがわかる。一方、白色光源で撮像した凡例は、プロットがグラフ右下の領域以外の領域に散らばることがわかる。よって、図7に示すグラフの右下領域を検出する識別境界を学習部212で指定できれば、その領域に入ったプロットを赤色光源と判定できる。しかし、図7では、赤色光源のプロットと白色光源のプロットとが一部右下領域で混じっている。この現象の要因として、テクスチャレスの被写体に含まれる色の数が少ないため相関係数算出が不安定になり、白色光源を照射しているにも関わらず偶然輝度−赤み相関の値が大きくなることが考えられる。そこで、輝度−色相関特徴を補完するためにカラーテクスチャ特徴、画面全体のカラーバランス、ニュートラルグレー領域のカラーバランスの3つの特徴量を導入する。
図4に戻り、次に、カラーテクスチャ解析処理について説明する。
テクスチャ解析部206が、時系列に並べられたKフレームの縮小画像データのカラーテクスチャ解析を行う(ステップS150)。まず、テクスチャ解析部206は、縮小画像データのRGB信号をHSV信号に変換する。HはHue(色相)、SはSaturation(彩度)、VはVlightness(輝度)を表す。次に、テクスチャ解析部206は、H成分の値域を量子化ステップで量子化し、L個のビンからなるヒストグラムを生成する。そのヒストグラムをh(i)(i=1,2,…,L)とする。そして、テクスチャ解析部206は、このヒストグラムから、ノイズとみなす画素、ここでは極端に暗い、または明るい画素の影響をキャンセルした相対ヒストグラムp(i)を次の式(6)より算出する。
次に、画像全体のカラーバランス算出処理について説明する。
まず、平均色算出部207が、Kフレームの縮小画像データ全体におけるR信号の平均値(−)Rと、G信号の平均値(−)Gと、B信号の平均値(−)Bとを算出する。(ステップS160)。次に、カラーバランス算出部209が、画像全体のカラーバランスCBa=((−)R/(−)G,(−)B/(−)G)を算出する(ステップS165)。
次に、ニュートラルグレー領域のカラーバランス算出処理について説明する。
まず、ニュートラルグレー領域探索部208が、各フレームにおけるニュートラルグレー領域の有無を判定する(ステップS170)。具体的には、ニュートラルグレー領域探索部208は、所定サイズの矩形ウィンドウを画像中で走査して、次の式(9)を満たす矩形領域がある場合にニュートラルグレー領域があると判定し、式(9)を満たす矩形領域がない場合にニュートラルグレー領域がないと判定する。
最後に、特徴ベクトル算出部210が、特徴ベクトルV=(輝度−色相関係数F,カラーテクスチャ特徴E、画像全体のカラーバランスCBa,ニュートラルグレー領域のカラーバランスCBn)を算出し、処理を終了する(ステップS200)。なお、本実施形態では、4つの特徴量を全て特徴ベクトルとしたが、少なくとも輝度−色相関係数Fと、画像全体のカラーバランスCBaと、ニュートラルグレー領域のカラーバランスCBnとが特徴ベクトルに含まれていればよい。
本図に示すグラフは、輝度と赤みの相関係数Frと、画像全体のカラーバランスCBaと、ニュートラルグレー領域のカラーバランスCBnとをそれぞれ軸とする。プロットの凡例は5種類あり、赤色光源を照射して撮像した3つの被写体(様々な色を含む被写体、24色マクベスカラーチャート、グレーチャート)、および白色光源を照射して撮像した2つの被写体(様々な色を含む被写体、赤色の被写体(赤系物体))である。一つの凡例あたり、撮像位置を変えて10枚の画像を撮像した。図8に示すように、輝度と赤みの相関係数Frに、画像全体のカラーバランスCBaとニュートラルグレー領域のカラーバランスCBnとを加えることで、赤色光源のプロットと白色光源のプロットとを分離しやすくなる様子が分かる。
また、「コンピュータシステム」は、WWWシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境(あるいは表示環境)も含むものとする。
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。
また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。
例えば、本実施形態では輝度−色相関原理の説明と応用方法について、赤系光源を想定して説明しているが、蛍光灯のように緑成分を多く含む光源や、屋外晴天時のように色温度が高く青成分を含む光源についても同様である。
また、本実施形態におけるホワイト調整装置1は、ハードディスクレコーダなどの電子的画像蓄積装置における画像検索や、外光に応じて画質調整を可能とする電子的映像装置等にも用いることができる。
Claims (10)
- 被写体を撮像する撮像素子により生成された画像信号から、輝度と色との間の相関係数を算出する輝度−色相関算出部と、
前記画像信号における画像全体のカラーバランスを算出する第1のカラーバランス算出部と、
前記画像信号において平均色が灰色の領域であるニュートラルグレー領域のカラーバランスを算出する第2のカラーバランス算出部と、
前記相関係数と、前記画像全体のカラーバランスと、前記ニュートラルグレー領域のカラーバランスとに基づく特徴ベクトルを生成する特徴ベクトル生成部と、
前記特徴ベクトル生成部により生成された特徴ベクトルに基づき、前記画像信号における光源の種類を判定する識別器と、
を備えることを特徴とする光源推定装置。 - 前記画像信号における色の多様性を示すカラーテクスチャ特徴を算出するテクスチャ解析部を備え、
前記特徴ベクトル生成部は、前記カラーテクスチャ特徴に基づいて、前記特徴ベクトルを生成する
ことを特徴とする請求項1に記載の光源推定装置。 - 前記画像信号において輝度が一定となる輝度一定領域を特定する輝度むら解析部を備え、
輝度−色相関算出部は、前記輝度むら解析部により特定された輝度一定領域において前記相関係数を算出する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の光源推定装置。 - 前記撮像素子により生成された画像信号を時系列に順次記憶する時系列データバッファを備え、
輝度−色相関算出部は、前記時系列に記憶された複数の画像信号から、前記相関係数を算出する
ことを特徴とする請求項1から3いずれか1項に記載の光源推定装置。 - 前記識別器は、
複数の画像信号の特徴ベクトルと各画像信号に対応する光源の種類とからなる学習データに基づいて、特徴ベクトルから光源の種類を導くための判定基準を学習する学習部と、
前記学習部による学習結果に基づき、前記特徴ベクトル生成部により生成された特徴ベクトルに対応する光源の種類を判定する識別部と、
を備えることを特徴とする請求項1から4いずれか1項に記載の光源推定装置。 - 光源推定装置の輝度−色相関算出部が、被写体を撮像する撮像素子により生成された画像信号から、輝度と色との間の相関係数を算出するステップと、
前記光源推定装置の第1のカラーバランス算出部が、前記画像信号における画像全体のカラーバランスを算出するステップと、
前記光源推定装置の第2のカラーバランス算出部が、前記画像信号において平均色が灰色の領域であるニュートラルグレー領域のカラーバランスを算出するステップと、
前記光源推定装置の特徴ベクトル生成部が、前記相関係数と、前記画像全体のカラーバランスと、前記ニュートラルグレー領域のカラーバランスとに基づく特徴ベクトルを生成するステップと、
前記光源推定装置の識別器が、前記特徴ベクトル生成部により生成された特徴ベクトルに基づき、前記画像信号における光源の種類を判定するステップと、
を有することを特徴とする光源推定方法。 - 前記光源推定装置のテクスチャ解析部が、前記画像信号における色の多様性を示すカラーテクスチャ特徴を算出するステップを有し、
前記特徴ベクトル生成部は、前記カラーテクスチャ特徴に基づいて、前記特徴ベクトルを生成する
ことを特徴とする請求項6に記載の光源推定方法。 - 前記光源推定装置の輝度むら解析部が、前記画像信号において輝度が一定となる輝度一定領域を特定するステップを有し、
輝度−色相関算出部は、前記輝度むら解析部により特定された輝度一定領域において前記相関係数を算出する
ことを特徴とする請求項6又7に記載の光源推定方法。 - 前記光源推定装置は、前記撮像素子により生成された画像信号を時系列に順次記憶する時系列データバッファを備え、
輝度−色相関算出部は、前記時系列に記憶された複数の画像信号から、前記相関係数を算出する
ことを特徴とする請求項6から8いずれか1項に記載の光源推定方法。 - 前記識別器は、
前記識別器の学習部が、複数の画像信号と各画像信号に対応する光源の種類とからなる学習データに基づいて、特徴ベクトルから光源の種類を導くための判定基準を学習するステップと、
前記識別器の識別部が、前記学習部による学習結果に基づき、前記特徴ベクトル生成部により生成された特徴ベクトルに対応する光源の種類を判定するステップと、
を有することを特徴とする請求項6から9いずれか1項に記載の光源推定方法。
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