JP2012235465A - デジタルカメラ装置における画像処理装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】デジタルカメラで撮像された画像の明るさを処理するための装置及び方法を提供する。
【解決手段】デジタルカメラの画像処理装置であって、レンズ101から受信された光学情報をCIS(CMOS Image Sensor or Contact Image Sensor)素子103によって画像情報として処理する画像信号収集部101〜107,109と、画像信号収集部で収集された情報に対応する補償カーブに応じてルミナンス値を補償し、ルミナンス値に応じて補償された画像信号を出力する画像補正部110とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】デジタルカメラの画像処理装置であって、レンズ101から受信された光学情報をCIS(CMOS Image Sensor or Contact Image Sensor)素子103によって画像情報として処理する画像信号収集部101〜107,109と、画像信号収集部で収集された情報に対応する補償カーブに応じてルミナンス値を補償し、ルミナンス値に応じて補償された画像信号を出力する画像補正部110とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、デジタルカメラの画像を処理するための装置及び方法に関し、特に、デジタルカメラで撮像した画像の明るさを処理するための装置及び方法に関する。
近年、デジタルカメラは様々な分野で使用されている。写真を撮るための一般的なカメラからデジタル映画を撮影するカメラまで、非常に多様な分野で使用されている。このようなデジタルカメラは、半導体で構成される受光素子を利用して画像を撮像する。この受光素子は大別して2つに区分され、第1の素子は、最も広く使用されているCCD(Charge coupled device)素子であり、第2の素子は、CIS(CMOS Image Sensor or Contact Image Sensor)素子である。
2つの素子を比較して簡略に説明すると、CCD素子は、CIS素子を作ることに比べて工程が複雑であるが、解像度が極めて優れているという長所を有する。したがって、CCD素子は、CIS素子と比較して値段が高いという短所がある。しかし、より良質の画像を得るためには、CIS素子を使用するよりも、CCD素子を使用するデジタルカメラの方がより多く使用されている。
ところが近年、様々な画質改善技法を利用することにより、CIS素子を使用するデジタルカメラがCCD素子を使用するデジタルカメラと同等な画質を得ており、最近、台頭してきている広いダイナミックレンジ(Wide Dynamic Range)においても、ある程度の画質補償がなされている。
一方、CIS素子を使用するデジタルカメラの様々な画質改善技法には、低照度及び広いダイナミックレンジにおいて画質を改善するための補償技法として広く知られているレチネックス(RETINEX)技法がある。
レチネックス技法は、ダイナミックレンジ圧縮過程とカラー補償(Color Restoration)過程とを介して画像の補償がなされる。言い替えれば、レチネックス技法は、撮像される1つの画像を画像(Scene:S)と、照度(Illumination:L)と、反射率(Reflectance:R)とにモデル化して画像の補償がなされ、S=L×Rのモデルを使用している。参考までに、画像は撮像することができるが、照度および反射率は直接測定することができない。そのため、レチネックス技法では、両辺に対数(Log)演算を取ってL成分とR成分とを抽出し、これらを増進(Enhancement)して広いダイナミックレンジを得るか、低照度改善効果を得ることができる。
このようなレチネックス技法では、照度成分を表すためにローパスフィルタを使用しなければならず、また、多くのラインメモリを使用しなければならない。
一方、CIS素子を使用するにあたって、レチネックス技法ではない他の技法を使用して画像の照度を改善する場合、明るい領域がより明るくなってしまうという副作用及び/又は本来の色をそのまま維持できないという副作用及び/又は連続したフレームにおいて不自然であるという副作用がある。
したがって、本発明では、CIS素子を使用するデジタルカメラにおいて、容易に画質の改善をすることができる装置及び方法を提供する。
また、本発明では、CIS素子を使用するデジタルカメラにおいて、低照度領域を改善するための装置及び方法を提供する。
また、本発明では、CIS素子を使用するデジタルカメラにおいて、安価に画質の改善をすることができる装置及び方法を提供する。
本発明係る装置は、デジタルカメラの画像処理装置であって、レンズから受信された光学情報をCIS素子によって画像情報として処理する画像信号収集部と、前記画像信号収集部で収集された情報に対応する補償カーブに応じてルミナンス値を補償し、前記ルミナンス値に応じて補償された画像信号を出力する画像補正部とを備える。
本発明係る方法は、CIS素子を用いるデジタルカメラの画像処理方法であって、画像の明るさの平均値を抽出し、画像の明るさの平均値が予め設定された明るさ以下である場合、画像に合わせて画像の明るさを補正するためのカーブを適用する過程と、前記カーブが適用された前記画像情報に対してルミナンス補償が必要な場合、前記画像情報にルミナンス補償のための加重値を設定して、ルミナンスを補償する過程とを含む。
本発明に係るCIS素子の低照度改善装置及び方法によると、自然な画質改善効果を得ることができる。また、本発明は、1つの場面に低い明るさと高い明るさとが同時に存在する画像を撮像したとき、明るさが高い領域はそのまま維持しつつ、明るさが低い領域を補償する技法であり、他のアルゴリズムとは異なり、メモリを使用しないため、ハードウェアとして実現する際に大きな長所を有している。
以下、添付した図面を参照して本発明を詳細に説明する。本発明を説明するにあたって、当業者に自明な部分については、本発明の技術的思想が不明確にならない程度に省略する。また、以下の説明において用いる各用語は、本発明の理解を助けるために使用されただけのものであり、各製造会社または研究グループでは、同じ用途にもかかわらず異なる用語で使用され得ることに留意すべきである。
図1は、本発明の好ましい実施形態に係るデジタルカメラで撮像された画像を補償するための装置のブロック構成図である。
本発明を説明するに先立ち、従来技術を確認する。従来技術では、ハードウェア資源を多く使用するという問題を有している。従来の代表的な技術であるレチネックス技法のような場合では、10ライン以上のラインメモリを使用しなければならない。しかしながら、本発明では、ラインメモリを全く使用せず、レチネックス技法と同等な性能を得ることができる。より詳細には、本発明の実施形態では、メモリを使用せずに補償曲線を作って、明るさが低い領域には高い加重値(weight)を乗算し、明るさが高い領域には略1.0に近い加重値を乗算することにより、画質の改善が可能である。
次に、添付した図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明の好ましい実施形態に係る画像処理装置のブロック構成図である。
レンズ部101は、被写体から反射される光を集光して、CIS部103に提供する。CIS部103は、レンズ部101において集光された光を画像の電気的な信号に変換して出力する。レンズ部101とCIS部103とは、駆動部109から提供される駆動信号に基づいて駆動する。駆動部109は、ホスト装置(Host or micro−processor)から提供される信号に応じて、レンズ部101とCIS部103とを駆動させる。このような事項は一般的に広く知られた事項であるので、本明細書ではこれ以上の詳細な説明を省略する。
CIS部103で電気的な信号に変換された画像はアナログ信号となる。CIS部103から出力されたアナログ信号は、A/D変換部105に入力される。A/D変換部105は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。これにより、画像処理部107は、入力された信号をデジタルカメラの静止画または動画に変換する。このように静止画または動画に変換された信号が、本発明に係る画像補正部110に入力される。以下の説明において、レンズ部101から画像処理部107および駆動部109までの構成を「画像信号収集部」と称する。
本発明に係る画像補正部110は、バッファ111と、平均値抽出部112と、カーブ適用部113と、制御部114とを備える。ここで、バッファ111は、画像処理部107からのデータの受信タイミングの調節が可能な場合、使用しないこともある。本実施形態では、説明の便宜のために、バッファを設けることと仮定して説明する。
バッファ111は、画像処理部107から取得した画像データを一時的に格納して出力する。平均値抽出部112は、入力された画像に対して明るさの平均値を計算して出力する。平均値抽出部112で抽出した画像の明るさの平均値は、入力画像の明るさに応じて適応的(adaptive)に低照度の補償をするために用いられる。平均値抽出部112において画像の明るさの平均値を得る方法としては、次の3つの方法のうちの1つを選択することができる。
第1の方法は、入力された画像の全体領域に対する平均値を抽出する方法である。第2の方法は、入力された画像のうち、予め設定された領域に対する平均値を抽出する方法である。第3の方法は、特定の明るさに対するコード分布を抽出する方法である。
上記の3つの方法の各々について説明する。1つ目の方法は、最も一般的に使用される方法であって、静止画として取得された1つの画像全体に対して明るさの平均値を抽出し、追って補償を適用する際に、明るさの平均値からの差分に応じて補償を適用する方法である。
2つ目の方法は、一般的に人々が画像を撮像する際に、重要な被写体を中央に配置して撮像する点に着目した方法である。一般的に、人々は画像を撮像する際に、重要な被写体を中央または中央の所定部分に配置して撮像する。したがって、撮像された画像の平均の明るさを計算するとき、上記のような特定の関心領域において画像の明るさの平均値を求めて、これを全体の平均値として使用することができる。このとき、中央の所定部分に対する範囲は、実験によって設定、または明るさの値を計算する平均値抽出部の処理速度及び負荷の程度に応じて設定することができる。
さらに、2つ目の方法は、必ず中央または中央の所定部分のみを関心領域として設定しないようにすることもできる。すなわち、必要に応じて、中央部分を関心領域として配置せずに、他の領域、例えば、左上端の所定部分、または画像の上側10%の部分または下側10%の部分、または右下端の所定部分などのように、様々な態様で実現することもできる。
3つ目の方法は、明るさ補償のための一般的な平均値が予め設定されており、取得した画像の特定の位置の明るさが、予め設定された明るさの範囲内に存在するか、または予め設定された明るさの範囲を外れるかを判断する。特定の位置または領域の明るさが予め設定された明るさの範囲を外れると判断される場合、特定の位置または該当領域の明るさの平均値を得る。
一方、本発明は、低照度画像を改善するための発明であるので、これに合わせて3つ目の方法をさらに説明すれば、予め設定された明るさの範囲よりも低い明るさを有する領域を検出し、検出された領域に対する平均値を抽出することもできる。
本発明に係る画像補正部110は、上記の3つの方法のうちいずれの方法を適用してもよいが、説明の便宜上、全体平均を利用する1つ目の方法を例として説明する。
平均値抽出部112は、上記した方法のうちの1つの方法によって画像の平均値を抽出して、これを制御部114に提供する。これにより、制御部114は、画像の明るさの平均値を利用して、低照度部分の画像を補償するように制御する。この処理の部分については、後述する制御フローチャート及びカーブ適用部の説明においてより詳細に説明する。
カーブ適用部113は、制御部114の制御によって、予め決定されたカーブ値のうちの1つを選択して、低照度領域の明るさを補償する。このとき、制御部114から提供されるパラメータに基づいて、カーブ適用部113において画素に適用するカーブとして、予め設定されたカーブではなく、パラメータによって変更されたカーブを適用することもできる。すなわち、カーブ適用部113では、画像の明るさの程度に合わせて互いに異なるカーブを有しており、制御部114から提供されるパラメータに基づいて、加重値を付加してカーブを変更することができる。これにより、カーブ適用部113において、予め設定されたカーブまたは加重値によって変更されたカーブが適用された画像は、明るさが補償されて、低照度領域の明るさが十分明るくなるように補償される。
カーブ適用部113において適用する補償曲線を、一例を挙げてさらに説明する。
本発明において、画像の低照度領域に補償曲線を適用して低照度補償を行う際に、互いに異なる5個のポイントを使用することができる。このように、互いに異なる5個のポイントを使用する理由は、ハードウェアのリソースを減らすためである。したがって、ハードウェアのリソースを減らすための5個の補償ポイントを使用する場合を例に挙げて説明する。また、本発明は、低照度補償に関するものであるから、それについて説明する。画像に適用するカーブの初期値は、下記の(数式1)のとおりである。
図4は、本発明の実施形態に係る明るさと加重値との割合を示すグラフである。
上記に説明した内容をさらに図4を参照して説明すると、x軸に画像の明るさに対する割合値が存在する。すなわち、画像の明るさに対する割合が0である場合、P0の地点になり、画像の明るさに対する割合が0.25である場合、P1地点になり、画像の明るさに対する割合が0.5である場合、P2地点になり、画像の明るさに対する割合が0.75である場合、P3の地点になる。そして、画像の明るさに対する割合が1.0である場合、P4の地点になる。各地点P0、P1、P2、P3、P4に対応する加重値は、(数式1)において定義したとおりである。
上記のような形式の加重値を有することについてさらに説明する。まず、本発明は、低照度を補償するための発明である。低照度を補償するための補償曲線の基本概念は、低い明るさを有するピクセルには高い加重値を乗算し、高い明るさであるほど次第に低い加重値(weight)を乗算することである。したがって、明るさの変化を必要としない、すなわち、高い明るさを有する画像の部分には、1.0の加重値を有するようにする。
制御部114では、平均値抽出部112から提供された情報及び/又は予め設定された明るさの範囲などを利用して、加重値を変更するパラメータを決定する。制御部114で決定されたパラメータは、カーブ適用部113に提供することによりカーブを変更させる。この処理については、後述する制御フローチャートの説明においてより詳細に説明する。
図2は、本発明の好ましい実施形態に係る画像補正部で低照度を改善するための制御フローチャートである。
画像処理部107から受信された画像は、バッファ111を介して、または直接平均値抽出部112に入力される。平均値抽出部112は、ステップS200において、入力された画像の平均値を抽出する。このような画像の平均値は、前述したように、全体画像の平均値を抽出することができ、特定部分に対してのみ平均値を取ることもできる。また、3つ目の方法を使用する場合には、予め決定された照度範囲と入力される画像の明るさとを比較して、明るさが予め決定された範囲よりも低い場合にのみ、撮像されて入力された画像の該当部分の照度に対する平均値を出力する。このような場合、平均値抽出部112は、予め制御部114から、または予め設定された照度の範囲を受信して有しているか、または制御部114から受信せずに、直接データを有していなければならない。
次に、ステップS202に進み、制御部114は、自動画像明るさ調節が要請されているかを検査する。ステップS202は、画像を本来の画質でそのまま出力するか、それとも明るさを調節して出力するかについて、使用者が予め設定した情報を検査する過程である。したがって、使用者が自動画像明るさ調節をするように設定した場合、ステップS204に進み、そうでない場合、ステップS208に進む。
ステップS208に進むと、該当画像の各画素に対して、予め決定されたパラメータを適用し、ステップS210に進む。それに対し、ステップS204に進むと、制御部114は、入力される画像の各画素毎に自動パラメータを抽出する。ここで、自動パラメータは、画像の明るさを補償するためのパラメータ値になる。例えば、平均値として設定された値と現在の画像の明るさの程度とを比較することにより、すなわち、平均値と比較して照度が非常に低い状態であるか、または低い状態、あるいは正常状態、あるいは明るい状態、あるいは非常に明るい状態などに予め設定された値との比較によって、適用するパラメータを決定するものである。その後、制御部114は、カーブ適用部113に該当パラメータを提供する。これにより、カーブ適用部113は、ステップS204において制御部114から提供されたパラメータによってカーブを調整する。すなわち、該当する画素の明るさ値を調節する。
ここで、適応的なカーブを画像に適用する方法についてさらに説明する。本発明では、前述したように、補償曲線の初期値が決定される。しかし、入力画像の明るさは常に変わるため、低照度に対する補償を画像の明るさに応じて適応的に処理しなければならない。すなわち、低照度の領域がない画像には、低い加重値を使用し、低照度の領域が多い画像には、高い加重値(weight)を使用する。本発明に係るカーブ適用部113では、適応的なパラメータを求めるために、TMINとTMAXというパラメータを使用して3区間に画像を区分する。この処理についてはさらに後述する。
ステップS206以後またはステップS208以後に、ステップS210に進む。ステップS210では、制御部114は、ルミナンス(Luminance)、すなわち、輝度のみを適用するのかを検査する。ルミナンスのみを適用するか否かについては、使用者が決定してもよく、または製品の製造時に予め決定してもよい。
ステップS210の検査結果、輝度のみを適用する場合には、ステップS212に進み、制御部114は、従来技術で説明したY、Cb、Crの値のうち、Y値にのみ輝度を適用するようにカーブ適用部113を制御する。それに対し、ステップS214に進む場合、制御部114は、輝度のみでない、全てに適用しなければならない場合であるため、カーブ適用部113でRGB値の全てに加重値を適用するように制御する。その後、制御部114は、ステップS212またはステップS214で適用された値を用いて、低照度領域が改善された画像を出力するように制御する。
図2において、ステップS214またはステップS216で示したように、低照度画像補償モジュールが入力画像の低照度領域を補償するときには、ルミナンスチャネル(luminance channel)のみ補償する方法と色相チャネル(RGB Channel)を補償する方法とがある。ルミナンスチャネルを補償する場合は、色相カラー空間(RGB Color Space)をYCbCrカラー空間に変換してY成分だけを補償する方法があり、このときの補償方法は、ステップS212で説明したとおりである。このように、Y成分のみを補償する方法は、カラー成分に対する増幅がないため、カラー雑音の誘発を減らすことができる。また、色相チャネルを補償する方法には、明るさ成分のみを補償した場合に、カラー成分を維持してくれる長所がある。これら2つの方法はイメージセンサの特性に応じて選択して使用される。
ステップS216に進むと、加重値が適用された画像にさらに低照度領域の改善を行う。このような低照度領域の改善については、後述する図3を参照してより詳細に説明する。
図3は、本発明の好ましい実施形態に係る加重値を適用するための制御フローチャートである。
ステップS300では、初期加重値が下記(数式2)のような値を有することができる。また、初期加重値であるTMINおよびTMAXは、使用者が状況に応じて変更することもできる。
それに対し、ステップS302の検査結果、予め決定された現在画素の明るさmeanが、予め設定されたTMINより小さくない(大きい)場合、制御部114は、ステップS306に進んで、現在画素の明るさmeanが予め設定されたTMaxより大きいかを検査する。ステップS306の検査の結果、現在画素の明るさmeanが予め設定されたTMaxより大きい場合、制御部114は、ステップS308に進んでパラメータ値PARAを1.0に設定した後、ステップS312に進む。
ステップS306の検査の結果、現在画素の明るさが予め設定されたTMaxより大きくない(小さい)場合、制御部114は、ステップS310に進んでパラメータ値PARAを下記の(数式3)のように設定する。
その後、制御部114は、ステップS312に進んで、画像の適応的なパラメータ値であるPARAを決定する。
以上で説明した図3の制御フローチャートは、明るさを3つの状態に区分するものである。このことを、理解の便宜上さらに詳しく説明すれば、下記のように区分することができる。
状態1:画像の平均明るさがおおむね低い状態
状態2:画像の平均明るさが普通の状態
状態3:画像の平均明るさがおおむね高い状態
状態1の場合には、入力画像が大体低い明るさを有するので、TMAXである最大加重値(maxweight)を適用する。また、状態2の場合には、入力画像の明るさに応じて比例的に最大加重値(maxweight)を適用する。また、状態3の場合には、入力画像が大体高い明るさを有するので、TMINである1.0を適用する。
状態2:画像の平均明るさが普通の状態
状態3:画像の平均明るさがおおむね高い状態
状態1の場合には、入力画像が大体低い明るさを有するので、TMAXである最大加重値(maxweight)を適用する。また、状態2の場合には、入力画像の明るさに応じて比例的に最大加重値(maxweight)を適用する。また、状態3の場合には、入力画像が大体高い明るさを有するので、TMINである1.0を適用する。
図4は、初期に設定された補償曲線であり、適応的なパラメータを、本モジュールにおいて抽出した画像の明るさに適用して、図6に示す低い画像明るさに適応的な補償曲線を生成する。補償方法を、図4の曲線グラフを参照して説明すると、入力ピクセルの明るさがポイントP1とP2との間に存在するならば、P1とP2を通過する直線の方程式を利用して該当する加重値を乗算し、入力ピクセルの明るさがP2とP3との間に存在するならば、P2とP3を通過する直線の方程式を利用して該当する加重値を乗算する。P3およびP4も上記の方法で処理する。P4より高い明るさの値を有するならば、加重値1.0を乗算して入力ピクセルの明るさをそのまま維持してくれる。
テスト結果を図7及び図8に示す。図7及び図8では、入力画像701、801と出力画像702、802とに区分した。入力画像701を説明すると、図7の入力画像701には、中央に低い明るさを有する領域があり、端部には相対的に高い明るさを有する領域がある。したがって、これを補正した図7の出力画像702では、端部の明るさはそのまま維持しつつ、中央の暗い部分のみを明るくして、低い領域の鮮明度を高めたことが分かる。
また、図8の入力画像801を説明すると、全体的に低い明るさの領域を多く有する画像であるが、タワー部分の明るさが高い領域をそのまま維持したまま、残りの明るさが低い領域を補償して、出力画像802のように画像の鮮明度を高めたことが分かる。
Claims (8)
- デジタルカメラの画像処理装置であって、
レンズから受信された光学情報をCIS素子によって画像情報として処理する画像信号収集部と、
前記画像信号収集部で収集された情報に対応する補償カーブに応じてルミナンス値を補償し、前記ルミナンス値に応じて補償された画像信号を出力する画像補正部と、
を備えることを特徴とするデジタルカメラの画像処理装置。 - 前記画像補正部は、
前記画像信号収集部で収集された画像情報の平均ルミナンス値を抽出する平均値抽出部と、
前記平均値抽出部から抽出された平均ルミナンス値が、予め決定されたルミナンス値以下の値である場合、前記ルミナンス補償のためのカーブを決定する制御部と、
前記制御部で決定されたルミナンス補償のための情報を利用して画像情報に反映するカーブ適用部と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のデジタルカメラの画像処理装置。 - 前記画像信号収集部は、
前記レンズから収集された光学情報を画像情報に変換するCIS素子と、
前記CIS素子で画像情報に変換された情報をデジタル信号に変換するデジタル変換器と、
前記デジタル変換器の出力を画像情報に変換する画像処理部と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載のデジタルカメラの画像処理装置。 - 前記制御部は、
前記ルミナンス補償が、予め設定された値未満の領域に対して色相の補正を共に補正するように設定された場合、色相補正のために、予め設定されたカーブを有する加重値を適用することを特徴とする請求項1に記載のデジタルカメラの画像処理装置。 - CIS素子を利用するデジタルカメラの画像処理方法であって、
画像の明るさの平均値を抽出し、画像の明るさの平均値が予め設定された明るさ以下である場合、画像に合わせて画像の明るさを補正するためのカーブを適用する過程と、
前記カーブが適用された前記画像情報に対してルミナンス補償が必要な場合、前記画像情報にルミナンス補償のための加重値を設定して、ルミナンスを補償する過程と、
を含むことを特徴とするデジタルカメラの画像処理方法。 - 前記ルミナンス補償に加えて、色相情報の補正が必要な場合、色相のためのRGB値に、予め設定された加重値を付加する過程をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載のデジタルカメラの画像処理方法。
- 前記画像の明るさ調節時に、明るさ調節が予め設定されたカーブによってのみ適用されるように設定された場合、平均値に関係なく、画像情報の明るさに前記予め設定されたカーブを適用するようにする過程をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載のデジタルカメラの画像処理方法。
- 前記ルミナンス補償が、予め設定された値未満の領域に対して色相の補正を共に行うように設定された場合、予め設定されたカーブを有する加重値を適用して、色相を補正する過程をさらに含むことを特徴とする請求項5に記載のデジタルカメラの画像処理方法。
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