JP2013009172A - Image pickup device and image formation method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、撮像装置及び画像生成方法等に関する。 The present invention relates to an imaging apparatus, an image generation method, and the like.
従来では、デジタルスチルカメラやビデオカメラ等に代表される撮像装置の多くは、単板の固体撮像素子を用いて撮像を行っている。カラー撮影を行うため、複数色のカラーフィルターを有する固体撮像素子により撮像するものが殆どである。また、これらの撮像装置では、動画撮影において、複数の画素を加算して画像を取得するムービースキャンが行われる。 Conventionally, many imaging devices represented by digital still cameras, video cameras, and the like perform imaging using a single-plate solid-state imaging device. In order to perform color photographing, most of the images are picked up by a solid-state imaging device having a plurality of color filters. In these imaging apparatuses, movie scanning is performed in moving image shooting to acquire an image by adding a plurality of pixels.
さて、このような低解像の動画から高解像画像を得たい場合、高解像化処理を行う必要がある。しかしながら、従来の手法(例えば特許文献1、2)では、処理が複雑でハードウェアへの負荷が大きく、小型のカメラに実装することは困難である。
When it is desired to obtain a high resolution image from such a low resolution moving image, it is necessary to perform high resolution processing. However, in the conventional methods (for example,
そこで、高解像化処理を簡素化する手法として、重畳シフト加算により複数枚の低解像画像を取得し、その複数枚の低解像画像から高解像画像を復元する手法が考えられる。重畳シフト加算では、複数色の画素により構成される加算単位が重畳されながらシフトされ、その加算単位内の各画素に所定の重み付けが付与され、複数色が混合された加算が行われる。 Therefore, as a technique for simplifying the high-resolution processing, a technique for acquiring a plurality of low-resolution images by superposition shift addition and restoring the high-resolution images from the plurality of low-resolution images can be considered. In the superposition shift addition, an addition unit composed of pixels of a plurality of colors is shifted while being superimposed, a predetermined weight is given to each pixel in the addition unit, and addition in which a plurality of colors are mixed is performed.
しかしながら、この手法では、高解像化処理により復元された画像に混色が残るという課題がある。そのため、高解像度画像を生成する際に色変換を施し、元の色を復元する必要がある。しかしながら、その色変換を施すことにより、高解像度画像のS/Nが劣化するという課題がある。 However, this method has a problem that mixed colors remain in the image restored by the high resolution processing. Therefore, it is necessary to perform color conversion when generating a high-resolution image and restore the original color. However, there is a problem that the S / N of the high resolution image is deteriorated by performing the color conversion.
本発明の幾つかの態様によれば、S/N劣化を抑制した混色除去を高解像化画像に対して行うことが可能な撮像装置及び画像生成方法等を提供できる。 According to some aspects of the present invention, it is possible to provide an imaging apparatus, an image generation method, and the like that can perform mixed color removal with reduced S / N degradation on a high-resolution image.
本発明の一態様は、カラーフィルターにおいて繰り返し配列される基本ブロックが、Mx×My画素(Mx、Myは2以上の整数)である画素アレイ部と、加算される画素の範囲である加算単位を設定し、前記加算単位に含まれる画素値を重み付け加算して低解像画像を取得する読み出し制御部と、前記低解像画像に基づいて、前記画素アレイ部の画素数に相当する解像度の高解像画像を推定する推定演算部と、推定された前記高解像画像における混色を除去する処理を行う混色除去処理部と、を含み、前記読み出し制御部は、前記画素アレイ部の前記Mx×My画素とは異なるNx×Ny画素(Nx、Nyは2以上の整数)の範囲を前記加算単位に設定し、重畳しながらシフトされた前記加算単位を設定することにより、前記低解像画像として複数の低解像画像を取得する撮像装置に関係する。 One aspect of the present invention, a basic block is repeatedly arranged in the color filter, M x × M y pixels (M x, M y is an integer of 2 or more) and the pixel array unit is in the range of pixels to be added A readout control unit that sets a certain addition unit and obtains a low resolution image by weighted addition of pixel values included in the addition unit, and corresponds to the number of pixels in the pixel array unit based on the low resolution image An estimation calculation unit that estimates a high-resolution image with resolution, and a color mixture removal processing unit that performs a process of removing the color mixture in the estimated high-resolution image, and the readout control unit includes the pixel array unit A range of N x × N y pixels (N x , N y is an integer of 2 or more) different from the M x × M y pixels is set as the addition unit, and the addition unit shifted while being superimposed is set The low solution It relates to an imaging apparatus for obtaining a plurality of low-resolution image as an image.
本発明の一態様によれば、重畳しながらシフトされた加算単位が設定され、加算単位内の画素値が重み付け加算され、複数の低解像画像が取得される。加算単位の画素数Nx×Nyは、カラーフィルターの基本ブロックの画素数Mx×Myとは異なる画素数である。取得された低解像画像に基づいて高解像画像が推定され、その高解像画像における混色を除去する処理が行われる。これにより、S/N劣化を抑制した混色除去を高解像化画像に対して行うことが可能になる。 According to one aspect of the present invention, an addition unit shifted while being superimposed is set, and pixel values in the addition unit are weighted and added to obtain a plurality of low-resolution images. The number of pixels in the addition unit N x × N y is different from the number of pixels M x × M y in the basic block of the color filter. A high-resolution image is estimated based on the acquired low-resolution image, and a process of removing the color mixture in the high-resolution image is performed. As a result, it is possible to remove the color mixture while suppressing the S / N degradation on the high resolution image.
また本発明の一態様では、前記混色除去処理部は、前記複数の低解像画像から前記高解像画像の画素値を推定することによる混色と、前記重み付け加算により複数色の画素値が加算されたことによる混色とを除去する処理を行ってもよい。 In one aspect of the present invention, the color mixture removal processing unit adds a color mixture obtained by estimating a pixel value of the high resolution image from the plurality of low resolution images and a plurality of color pixel values by the weighted addition. A process of removing the color mixture due to this may be performed.
このようにすれば、復元推定処理と重み付け加算処理による混色を除去する処理を行うことができる。 In this way, it is possible to perform the process of removing the color mixture by the restoration estimation process and the weighted addition process.
また本発明の一態様では、前記推定演算部は、前記複数の低解像画像の画素値を、前記重畳シフトにおける前記加算単位の設定位置に応じて1つの画像に再配列し、前記再配列した画像を所定の推定用フィルターで処理することで前記推定を行い、前記混色除去処理部は、前記推定用フィルターにより規定される混色比を表す第1行列と、前記重み付け加算における重み付け係数により規定される混色比を表す第2行列とに基づいて構成された混色除去フィルターにより、前記高解像画像を処理することで前記混色を除去する処理を行ってもよい。 In the aspect of the invention, the estimation calculation unit rearranges the pixel values of the plurality of low-resolution images into one image according to a setting position of the addition unit in the superposition shift, and performs the rearrangement. The estimated image is processed by a predetermined estimation filter, and the color mixture removal processing unit is defined by a first matrix representing a color mixture ratio defined by the estimation filter and a weighting coefficient in the weighted addition. The color mixture may be removed by processing the high-resolution image with a color mixture removal filter configured based on the second matrix representing the color mixture ratio.
このようにすれば、推定用フィルターにより規定される混色比と重み付け係数により規定される混色比とに基づいて、混色除去フィルターを構成できる。そして、その混色除去フィルターを高解像画像に対して演算することで、元のカラーフィルターの色配列を復元することが可能になる。 In this way, a color mixture removal filter can be configured based on the color mixture ratio defined by the estimation filter and the color mixture ratio defined by the weighting coefficient. Then, the color arrangement of the original color filter can be restored by calculating the color mixture removal filter on the high resolution image.
また本発明の一態様では、前記カラーフィルターは、前記Mx×My画素を2×2画素とするベイヤー配列のカラーフィルターであり、前記加算単位は、前記Nx×Ny画素を3×3画素とする加算単位であってもよい。 In one aspect of the present invention, the color filter, the a color filter of Bayer array to 2 × 2 pixels M x × M y pixels, the adding unit, 3 × the N x × N y pixels An addition unit of three pixels may be used.
このようにすれば、3×3画素以外の加算単位を設定した場合に比べて、混色除去後においてより高いS/Nを実現でき、より高画質の高解像画像を得ることができる。 In this way, a higher S / N can be realized after mixed color removal and a higher resolution image with higher image quality can be obtained compared to the case where an addition unit other than 3 × 3 pixels is set.
また本発明の一態様では、前記2×2画素が、1つのR画素と2つのG画素と1つのB画素により構成される場合に、前記再配列された画像の画素値は、前記R、G、B画素と重み付け係数との対応が異なる第1〜第3の画素値に分類され、前記第1行列は、前記高解像画像の画素値における前記第1〜第3の画素値の混合比が、前記推定用フィルターの成分により表された行列であり、前記第2行列は、前記第1〜第3の画素値における前記R、G、B画素の混合比が、前記重み付け係数に基づいて表された行列であり、前記混色除去フィルターは、前記第1、第2行列の逆行列の積の成分を、前記高解像画像の画素配列に応じて配列することにより構成されたフィルターであってもよい。 In one aspect of the present invention, when the 2 × 2 pixels are configured by one R pixel, two G pixels, and one B pixel, the pixel values of the rearranged image are R, G and B pixels are classified into first to third pixel values having different correspondences with weighting coefficients, and the first matrix is a mixture of the first to third pixel values in the pixel values of the high resolution image. The ratio is a matrix represented by the components of the estimation filter, and the second matrix is based on the weighting coefficient based on the mixture ratio of the R, G, and B pixels in the first to third pixel values. The color mixing removal filter is a filter configured by arranging the product of the inverse matrix of the first and second matrices in accordance with the pixel arrangement of the high resolution image. There may be.
このようにすれば、推定用フィルターの成分に基づく第1行列と重み付け係数に基づく第2行列により混色除去フィルターを構成できる。これにより、復元推定処理と重み付け加算処理における混色比に基づく混色除去フィルターを構成できる。 In this way, the color mixing removal filter can be configured by the first matrix based on the components of the estimation filter and the second matrix based on the weighting coefficient. Thereby, it is possible to configure a color mixture removal filter based on the color mixture ratio in the restoration estimation process and the weighted addition process.
また本発明の一態様では、前記重畳シフトにより設定される前記加算単位は、前記Nx×Ny画素の前記加算単位が、1列ずつNx回及び1行ずつNy回シフトされたNx×Ny個の加算単位であり、前記Nx×Ny個の加算単位の各列の画素値の重み付け加算値をそれぞれ中間画素値とし、第1列の中間画素値を未知数とする場合に、前記中間画素値は、前記未知数と、前記加算単位による重み付け加算値との関係式で表され、前記推定用フィルターは、前記関係式で表された前記中間画素値と、前記加算単位による重み付け加算値との二乗誤差が最小となるように設定されたフィルターであってもよい。 In one aspect of the present invention, the addition unit set by the superposition shift is an N x obtained by shifting the addition unit of the N x × N y pixels by N x times for each column and N y times for each row. x × N y addition units, where the weighted addition value of the pixel values of each column of the N x × N y addition units is an intermediate pixel value, and the intermediate pixel value of the first column is an unknown number The intermediate pixel value is represented by a relational expression of the unknown and the weighted addition value by the addition unit, and the estimation filter is represented by the intermediate pixel value represented by the relational expression and the addition unit. The filter may be set so that the square error with the weighted addition value is minimized.
このようにすれば、複数の低解像画像から高解像画像を復元するための推定用フィルターを構成できる。また、推定用フィルターをコンボリューション演算するだけで高解像画像を得ることができるため、復元推定処理を簡素化できる。 In this way, an estimation filter for restoring a high resolution image from a plurality of low resolution images can be configured. In addition, since a high-resolution image can be obtained simply by performing a convolution operation on the estimation filter, the restoration estimation process can be simplified.
また本発明の他の態様は、加算される画素の範囲である加算単位を設定し、前記加算単位に含まれる画素値を重み付け加算して低解像画像を取得し、前記低解像画像に基づいて、画素アレイ部の画素数に相当する解像度の高解像画像を推定するとともに、推定された前記高解像画像における混色を除去する処理を行う場合に、前記画素アレイ部のカラーフィルターにおいて繰り返し配列される基本ブロックであるMx×My画素(Mx、Myは2以上の整数)とは異なるNx×Ny画素(Nx、Nyは2以上の整数)の範囲を前記加算単位に設定し、重畳しながらシフトされた前記加算単位を設定することにより、前記低解像画像として複数の低解像画像を取得する画像生成方法に関係する。 In another aspect of the present invention, an addition unit that is a range of pixels to be added is set, a pixel value included in the addition unit is weighted and added to obtain a low resolution image, and the low resolution image is added to the low resolution image. Based on the estimation, a high resolution image having a resolution corresponding to the number of pixels in the pixel array unit is estimated, and in the color filter of the pixel array unit, when processing for removing color mixture in the estimated high resolution image is performed. is a basic block is repeatedly arranged M x × M y pixels (M x, M y is an integer of 2 or more) different N x × N y pixels and a range of (N x, N y is an integer of 2 or more) The present invention relates to an image generation method for acquiring a plurality of low resolution images as the low resolution image by setting the addition unit that is set while being superimposed and shifted while being superimposed.
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and all the configurations described in the present embodiment are indispensable as means for solving the present invention. Not necessarily.
1.本実施形態の概要
まず、本実施形態の概要について説明する。本実施形態では、図4〜図6で後述するように、重畳シフトされた加算単位を設定し、その加算単位に含まれる画素値を重み付け加算することにより低解像動画を取得する。そして、図7で後述するように、その低解像動画に対して推定用フィルターを演算し、撮像素子の解像度に相当する高解像画像を復元する。
1. First, an outline of the present embodiment will be described. In this embodiment, as will be described later with reference to FIGS. 4 to 6, a super-shifted addition unit is set, and a pixel value included in the addition unit is weighted and added to obtain a low-resolution moving image. Then, as will be described later with reference to FIG. 7, an estimation filter is calculated for the low-resolution moving image, and a high-resolution image corresponding to the resolution of the image sensor is restored.
このようにすれば、事後的に高解像画像が得られるため、ユーザが好きなタイミングを指定することができ、決定的瞬間の画像を容易に得ることが可能である。また、加算単位が重畳シフトされていることで、簡素な処理で復元を行うことが可能である。 In this way, since a high-resolution image can be obtained after the fact, the user can designate a desired timing and an image at a decisive moment can be easily obtained. Further, since the addition unit is shifted in a superimposed manner, it is possible to perform restoration by a simple process.
さて本実施形態では、撮像素子はベイヤー(Bayer)配列等のカラー単板撮像素子であり、加算単位には複数の色の画素が含まれている。本実施形態では、この複数の色の画素値が加算された低解像画像から復元を行うが、図10で後述するように、復元された画像では完全には色が復元されておらず、元の色が混色した状態となる。 In the present embodiment, the image sensor is a color single-plate image sensor such as a Bayer array, and the addition unit includes pixels of a plurality of colors. In the present embodiment, restoration is performed from the low-resolution image obtained by adding the pixel values of the plurality of colors. However, as will be described later with reference to FIG. 10, the color is not completely restored in the restored image. The original color is mixed.
そこで本実施形態では、復元画像に対して混色を除去する処理を行い、元の色を復元する。しかしながら、図11で後述するように、加算単位の画素数をカラーフィルターの基本ブロックの画素数(例えばベイヤー配列では2×2)と同じにすると、混色除去の際にノイズがゲインアップされ、復元画像のS/Nが劣化してしまう。 Therefore, in the present embodiment, a process for removing mixed colors is performed on the restored image to restore the original color. However, as will be described later with reference to FIG. 11, if the number of pixels in the addition unit is the same as the number of pixels in the basic block of the color filter (for example, 2 × 2 in the Bayer array), the noise is increased when the color mixture is removed and restored. The S / N of the image is deteriorated.
そこで本実施形態では、加算単位の画素数を、カラーフィルターの基本ブロックの画素数とは異なる画素数に設定する。これにより、図11で後述するように、混色除去によるS/N劣化を抑制でき、復元画像の画像品質を向上することが可能になる。 Therefore, in this embodiment, the number of pixels in the addition unit is set to a number of pixels different from the number of pixels in the basic block of the color filter. As a result, as will be described later with reference to FIG. 11, S / N deterioration due to color mixture removal can be suppressed, and the image quality of the restored image can be improved.
2.撮像装置
図1に、上記の復元処理と混色除去処理を行う本実施形態の撮像装置の構成例を示す。図1の撮像装置100は、撮像光学系101(レンズ)、制御部102、メモリー103、モニター表示部104、固体撮像素子110(撮像素子)、画像処理部120を含む。
2. Imaging Device FIG. 1 shows a configuration example of an imaging device according to the present embodiment that performs the restoration process and the color mixture removal process. An
撮像装置100は、光学的な画像情報を電気信号に変換し、電子的に記録媒体に記録する装置である。このような撮像装置100として、例えばデジタルスチルカメラ、デジタルムービーカメラ等が想定される。
The
撮像光学系101は、被写体を結像する。固体撮像素子110は、カラー単板撮像素子であり、結像された被写体像を撮像する。具体的には、固体撮像素子110は、画素アレイ部111(受光素子)と、読み出し制御部112(加算サンプリング部)を含む。
The imaging
読み出し制御部112は、画素アレイ部111の複数画素が重み付け加算された低解像画像を読み出し、その加算される画素の範囲を順次シフトすることにより複数の低解像画像を取得する。取得された画像データは、制御部102により、高解像度画像生成部121、又は低解像度画像生成部122、アクセス制御部124へ伝送される。
The
画像処理部120は、撮像された低解像画像に対して、種々の処理を行う。具体的には、画像処理部120は、高解像度画像生成部121、低解像度画像生成部122、表示処理部123、アクセス制御部124(記録処理部)を含む。
The
高解像度画像生成部121には、固体撮像素子110から伝送された低解像画像データ、又は記録媒体105(記録部)から読み出されてアクセス制御部124により展開された低解像度画像データが入力される。高解像度画像生成部121は、入力された低解像画像データに対して処理を行い、低解像度画像データよりも解像度の高い画像データを生成する。具体的には高解像度画像生成部121は、推定演算部200、混色除去処理部210(色変換処理部)を含む。
The high-resolution
推定演算部200は、重畳シフト加算により得られた低解像画像データに対して、後述する復元推定処理を行い、高解像画像データを求める。混色除去処理部210は、復元された高解像画像データに対して、後述する混色除去処理(色変換処理)を行い、重畳シフト加算及び復元推定処理による混色を除去する。
The
低解像度画像生成部122には、固体撮像素子110から伝送された低解像画像データ、又は記録媒体105から読み出されてアクセス制御部124により展開された低解像度画像データが入力される。低解像度画像生成部122は、入力された低解像度画像データに対して、後述する処理を行い、低解像度画像データと同等の解像度の画像データを生成する。
The low resolution
表示処理部123は、高解像度画像生成部121又は低解像度画像生成部122からの画像に対して表示用の変換処理を行い、変換後の画像をモニター表示部104に表示する処理を行う。例えば、表示用の変換処理として、モニター解像度に合致させるためのリサイズ処理や、モニターにおいて違和感のない画像に見せるためのガンマ補正処理や色補正処理を行う。
The
アクセス制御部124は、高解像度画像生成部121又は低解像度画像生成部122からの画像に対して記録用の変換処理を行い、変換後の画像を外部の記録媒体105に記録する制御を行う。例えば、記録用の変換処理として、データサイズを小さくするための圧縮符号化処理や、指定されたデータフォーマットへの変換処理を行う。なお、モニター表示及び記録媒体への記録は、そのいずれか一方のみが行われてもよく、その両方が行われてもよい。
The
3.重畳シフト加算処理
次に、本実施形態が行う重畳シフト加算処理について詳細に説明する。まず図2に、画素アレイ部111の画素配列の例を示す。図2において、xは画素配列の列番号を表し、yは画素配列の行番号を表す(x、yはゼロ以上の整数)。例えば、列番号は水平走査方向の座標であり、行番号は垂直走査方向の座標である。なお以下では適宜、列番号xが小さくなる方向を“左”、大きくなる方向を“右”、行番号yが小さくなる方向を“上”、大きくなる方向を“下”と呼ぶ。
3. Superposition Shift Addition Processing Next, the superposition shift addition processing performed by the present embodiment will be described in detail. First, FIG. 2 shows an example of a pixel array of the
図2に示すように、画素アレイ部111のカラーフィルターは、いわゆるベイヤー配列に配列される。即ち、2×2の4画素を基本ブロックとし、その基本ブロックが繰り返し配列される。基本ブロックとは、カラーフィルターの繰り返し配列における最小の構成単位であり、カラーフィルターにおける全ての色を有するブロックである。ベイヤー配列の基本ブロックには、1つのR(赤)画素、2つのG(緑)画素、1つのB(青)画素が含まれる。
As shown in FIG. 2, the color filters of the
次に、重畳シフト加算における重み付けについて説明する。図3に示すように、読み出し制御部112は、3×3の9画素を1ユニット(加算単位)とし、そのユニット内の画素値を重み付け加算し、加算した画素値を1画素信号として出力する。図3では、ユニット内の画素P1〜P9に対する重み付け係数をかっこ書きで表す。rは重み付けのパラメーターであり、正の実数(例えばr=2)である。なお、図3にはP1がR画素である例を示すが、他の色の場合もP1〜P9と係数の対応は同様である。
Next, weighting in superposition shift addition will be described. As shown in FIG. 3, the
次に、重畳シフトについて説明する。図4〜図6に示すように、固体撮像素子110からの1回の読み出し動作において、画素アレイ部111の全領域又は一部の領域から加算画素信号が読み出される。そして、その加算画素信号が配列された画像が、1フレーム(フィールド)の低解像度画像データとして固体撮像素子110から出力される。
Next, the superposition shift will be described. As shown in FIGS. 4 to 6, in one read operation from the solid-
具体的には、図4に示すように、第0フレームでは画素アレイ部111の全領域又は一部の領域における左上端の3×3画素をユニットに設定する。第1フレームでは、第0フレームのユニットに対して1画素右にずれた3×3画素をユニットに設定する。第2フレームでは、更に1画素右にずれた3×3画素をユニットに設定する。図5に示すように、第3フレームでは、第0フレームのユニットに対して1画素下にずれた3×3画素をユニットに設定する。第4フレームでは、第3フレームのユニットに対して1画素右にずれた3×3画素をユニットに設定する。第5フレームでは、更に1画素右にずれた3×3画素をユニットに設定する。図6に示すように、第6フレームでは、第3フレームのユニットに対して1画素下にずれた3×3画素をユニットに設定する。第7フレームでは、第6フレームのユニットに対して1画素右にずれた3×3画素をユニットに設定する。第8フレームでは、更に1画素右にずれた3×3画素をユニットに設定する。第9フレームでは、第0フレームのユニットと同じ3×3画素をユニットに設定する。
Specifically, as shown in FIG. 4, in the 0th frame, 3 × 3 pixels at the upper left corner in the entire region or a partial region of the
上記重畳シフトにより取得される3×3画素の加算画素信号は、r=2を例にとると、下式(1)により表される。
ここで、vx,yは、画素アレイ部111の位置(x,y)における画素値であり、ai,x,yは、第iフレームの低解像画像の位置(x,y)における画素値である。下式(1)では、vx,yとai,x,yのレンジを同一にするため正規化を行っている。
Here, v x, y is a pixel value at the position (x, y) of the
上式(1)をNx×Ny画素のユニットに一般化すると、下式(2)となる。
ここで、t%sはtのsによる剰余を表し、[t]はtを超えない最大の整数を表す。また、Nx,Nyはそれぞれ水平方向、垂直方向の加算画素数であり、例えば本実施例ではNx=Ny=3である。rx,ryはそれぞれ水平方向、垂直方向の重み付けパラメーターであり、例えば本実施例ではrx=ry=2である。 Here, t% s represents a remainder of t by s, and [t] represents a maximum integer not exceeding t. N x and N y are the numbers of added pixels in the horizontal direction and the vertical direction, respectively. For example, in this embodiment, N x = N y = 3. r x and r y are weighting parameters in the horizontal direction and the vertical direction, respectively. For example, r x = r y = 2 in this embodiment.
なお上記ではカラーフィルターがRGBのベイヤー配列である例を説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えばカラーフィルターはCMY等であってもよいし、ベイヤー配列以外の配列であってもよい。 Although an example in which the color filter is an RGB Bayer array has been described above, the present embodiment is not limited to this. For example, the color filter may be CMY or an array other than the Bayer array.
また上記ではユニットが3×3画素である例を説明したが、本実施形態はこれに限定されず、ユニットの画素数は、カラーフィルターの基本ブロックと異なる画素数であれば他の画素数に設定されてもよい。 Further, the example in which the unit is 3 × 3 pixels has been described above. However, the present embodiment is not limited to this, and the number of pixels of the unit is different from the number of pixels as long as the number of pixels is different from the basic block of the color filter. It may be set.
また上記では固体撮像素子110が第0フレームから低解像画像を順次取得して出力する例を説明したが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、任意のフレームから出力してもよいし、出力する順番を連番に限らず任意の順番で出力してもよい。また、1回の読み出し動作(1フレーム)において、複数の低解像画像を取得又は出力してもよい。
Moreover, although the example which the solid-
ここで、フレームとは、例えば撮像素子による1回の撮影動作タイミングや、画像処理において1つの画像(例えば1つの低解像画像や、後述する画像X)が処理されるタイミングである。あるいは、画像データにおける1つの低解像画像や高解像画像も適宜フレームと呼ぶ。 Here, the frame is, for example, one shooting operation timing by the image sensor or a timing at which one image (for example, one low resolution image or an image X described later) is processed in the image processing. Alternatively, one low resolution image or high resolution image in the image data is also referred to as a frame as appropriate.
4.復元推定処理、混色除去処理
次に、本実施形態が行う復元推定処理、混色除去処理について詳細に説明する。図7に、本実施形態が行う処理のフローチャートを示す。
4). Restoration Estimation Process and Color Mixing Removal Process Next, the restoration estimation process and the color mixing removal process performed by this embodiment will be described in detail. FIG. 7 shows a flowchart of processing performed by the present embodiment.
例えば、フローチャートのステップS2〜S5は、高解像度画像生成部121が実行する。ステップS7〜S9は、低解像度画像生成部122が実行する。他のステップS1、S6は、制御部102が実行する。なお、本実施形態の各部はハードウェアとして構成されてもよいし、ソフトウェアにより構成されてもよい。ソフトウェアにより構成される場合、本実施形態の各部を記述したプログラムがCPU等の情報処理装置により実行されることで、各部の処理が実現される。
For example, steps S2 to S5 of the flowchart are executed by the high resolution
図7に示すように、この処理が開始されると、高解像度画像を出力するか否かの判断を行う(S1)。例えば、撮像装置100に対するユーザの指示に基づいて判断する。なお、ユーザの指示は撮像時よりも前に行われていてもよいし、ステップS1を処理するタイミングでユーザに対し要求してもよい。
As shown in FIG. 7, when this process is started, it is determined whether or not to output a high-resolution image (S1). For example, the determination is made based on a user instruction to the
高解像度画像を生成する場合(S1、YES)、固体撮像素子110又は記録媒体105からの画像データを読み込む(S2)。本実施形態では連続する9フレームの画像を必要とするため、連続する9フレームの低解像度画像データを読み込む。次に、読み込まれた低解像度画像データから高解像度画像の画素値を推定する(S3)。
When generating a high-resolution image (S1, YES), image data from the solid-
画素値の推定手法について、詳細に説明する。まず図8に示すように、9フレームの低解像度画像データの画素ai,x,yを配列し、1フレームの画像Xを生成する。下式(3)に、画像Xにおける画素Ax,yと画素ai,x,yとの対応を示す。図8に示すように、画像Xの位置(x,y)には、図4〜図6に示す同一位置(x,y)の加算単位GPxyの加算画素値が配置される。
上式(3)をNx×Ny画素のユニットに一般化すると、下式(4)となる。
次に下式(5)に示すように、画像Xの画素Ax,yと推定用フィルターρとのコンボリューション演算を行い、高解像度画像の画素値ux,yを推定する。下式(6)に示すように、推定用フィルターρは行列により表され、ρkjは、その行列のkj成分である。推定用フィルターρについては、後に詳述する。
推定用フィルターρを、Nx×Ny画素のユニット及びrx、ryの重み付けパラメーターに一般化すると、下式(7)となる。ここで、MTは行列Mの転置行列を表す。
次に、上記の推定演算により求められた画素値ux,yでは、後述するように色が正しく再現されていないため、推定演算後の画像に対して色変換処理を行う(S4)。具体的には、下式(8)に示すように、色変換行列τを用いて色変換処理を行う。
行列α、βは、下式(9)より表される行列である。
ここで、σkjは、下式(10)に示す行列σのkj成分であり、ρkjは、上式(6)に示す行列ρのkj成分である。
上式(10)を、Nx×Ny画素のユニット及びrx、ryの重み付けパラメーターに一般化すると、下式(11)となる。
例えば図3を例にすると、上式(11)の成分σ00、σ10、σ01、σ11は、それぞれ画素P1、P2、P4、P5の色に対応する混色比であり、同色画素の重み付け係数を加算して規格化した値である。図4〜図6に示すように、各画素に対応する色はフレームに依って異なるため、各色の混色比はフレームに応じて変化する。 For example, taking FIG. 3 as an example, the components σ 00 , σ 10 , σ 01 , and σ 11 in the above equation (11) are the color mixture ratios corresponding to the colors of the pixels P1, P2, P4, and P5, respectively. It is a value normalized by adding a weighting coefficient. As shown in FIGS. 4 to 6, since the color corresponding to each pixel differs depending on the frame, the color mixture ratio of each color changes depending on the frame.
本実施形態における行列α、β、τは、上式(6)、(8)〜(10)より下式(12)となる。
下式(13)に示すように、行列τの成分から混色除去フィルターTを構成する。下式(14)に示すように、画素値ux,yと混色除去フィルターTとのコンボリューション演算を行い、画素値u'x,yを求める。
次に、画素値u'x,yに対して現像処理を行う(S5)。例えばカラーフィルターがベイヤー配列である場合、復元された画像はベイヤー配列となる。現像処理では、そのベイヤー配列の画像を補間処理し、全画素のRGB画素値を求める。次に、現像処理後の画像を最終的な画像データとして出力し、処理を終了する(S6)。 Next, development processing is performed on the pixel value u ′ x, y (S5). For example, when the color filter has a Bayer array, the restored image has a Bayer array. In the development process, the Bayer array image is interpolated to obtain RGB pixel values of all pixels. Next, the developed image is output as final image data, and the process ends (S6).
次に、ステップS1において、低解像度の画像を生成すると判断した場合(S1、NO)、固体撮像素子110又は記録媒体105からの低解像画像データを読み込む(S7)。高解像度画像を生成する場合には複数フレームの低解像度画像データを読み込んだが、ステップ5においては1フレームの低解像度画像データでよい。
Next, when it is determined in step S1 that a low-resolution image is to be generated (S1, NO), low-resolution image data from the solid-
次に、読み込んだ低解像度画像データは色を正しく再現していないため、低解像画像データに対して色変換処理を行う(S8)。下式(15)に、色変換行列τを示す。行列αは、上式(9)の行列αである。
上式(13)、(14)と同様に、行列τから混色除去フィルターTを構成し、低解像画像と混色除去フィルターTとのコンボリューション演算を行う。次に、混色除去された画像に対して現像処理を行い(S9)、現像処理後の画像を最終的な画像データとして出力し、処理を終了する(S6)。 Similar to the above equations (13) and (14), a color mixture removal filter T is constructed from the matrix τ, and a convolution operation between the low resolution image and the color mixture removal filter T is performed. Next, development processing is performed on the image from which the color mixture has been removed (S9), the image after the development processing is output as final image data, and the processing ends (S6).
なお上記では、高解像画像の推定処理(S3)と色変換処理(S4)を別個に処理する例を説明したが、本実施形態はこれに限定されず、1回の処理で行ってもよい。この場合、上式(7)の行列ρと上式(8)の行列τとのコンボリューションによって新たな行列を生成する。そして、その行列と画像Xの各画素Ax,yとのコンボリューション演算を行い、混色除去後の画素値u'x,yを求める。 In the above description, the example in which the high-resolution image estimation process (S3) and the color conversion process (S4) are performed separately has been described. However, the present embodiment is not limited to this and may be performed in a single process. Good. In this case, a new matrix is generated by convolution of the matrix ρ in the above equation (7) and the matrix τ in the above equation (8). Then, a convolution operation between the matrix and each pixel A x, y of the image X is performed to obtain a pixel value u ′ x, y after color mixture removal.
また上記では、9枚の低解像画像を読み込んで高解像画像の推定処理を行ったが、本実施形態はこれに限定されない。例えば、補間処理等を行うことでより少ないフレーム数の画像を読み込むようにしてもよいし、推定精度を上げるためにより多いフレーム数の画像を読み込むようにしてもよい。 In the above description, nine low-resolution images are read and high-resolution image estimation processing is performed. However, the present embodiment is not limited to this. For example, an image having a smaller number of frames may be read by performing an interpolation process or the like, or an image having a larger number of frames may be read in order to improve estimation accuracy.
5.混色除去フィルター
次に、上記の混色除去フィルターTにより、実際に混色が除去される点について詳細に説明する。なお以下では説明を簡単にするために、図9に示すように加算単位を2×2画素とし、重み付けパラメーターr=2とする。
5. Next, the fact that the color mixture is actually removed by the color mixture removal filter T will be described in detail. In the following, for the sake of simplicity, the addition unit is 2 × 2 pixels and the weighting parameter r = 2 as shown in FIG.
まず、復元推定後の高解像画像において混色が残る点について説明する。図10に示すように、加算前の画像を仮にVとし、重み付け加算後の画像をXとし、復元処理後の高解像画像をUとし、混色除去後の画像をU’とする。なお図10では、色の混ざり方のみに注目するため、位置xyを省略して同色画素に同じ符号を付す。また以下では、同色画素をまとめて、G=Gr=Gb、a1/2=a1=a2、g=gr=gb、G’=Gr’=Gb’とする。 First, a description will be given of the point where color mixture remains in a high-resolution image after restoration estimation. As shown in FIG. 10, an image before addition is assumed to be V, an image after weighted addition is assumed to be X, a high-resolution image after restoration processing is assumed to be U, and an image after color mixture removal is assumed to be U ′. Note that, in FIG. 10, in order to focus only on how the colors are mixed, the position xy is omitted and the same reference numerals are assigned to the same color pixels. In the following description, the same color pixels are collectively defined as G = Gr = Gb, a 1/2 = a 1 = a 2 , g = gr = gb, and G ′ = Gr ′ = Gb ′.
重み付け加算による混色を表す行列σは、上式(11)より下式(16)となる。画像Xは、画像Vと行列σのコンボリューションであるから、画像Xの画素値a0、a1/2、a3は下式(17)で表される。
推定用フィルターρは、上式(7)より下式(18)となる。画像Uは、画像Xとフィルターρのコンボリューションであるから、画像Uの画素値r、g、bは下式(19)で表される。
上式(17)、(19)の3×3行列をα、βとおくと、下式(20)となる。この行列αは、上式(9)より計算されるαと同一であり、重畳シフト加算処理による(R、G、B)の混色を表す行列である。行列βは、上式(9)より計算されるβと同一であり、復元推定処理による(a0、a1/2、a3)の混色を表す行列である。
上式(17)、(19)、(20)より、下式(21)が成り立つ。下式(21)に示すように、復元推定された画像Uの画素値r、gr、gb、bは、それぞれ元の色R、Gr、Gb、Bの和となっており、元の色が完全には復元されていないことが分かる。
次に、上記混色が、混色除去フィルターTにより除去される点について説明する。混色除去フィルターTは、上式(13)より下式(22)となる。画像U’は、画像UとフィルターTのコンボリューションであるから、画像U’の画素値R’、Gr’、Gb’、B’は下式(23)となる。
上式(23)の3×3行列をτとおくと下式(24)となる。この行列τは、上式(8)より計算されるτと同一であり、混色除去処理における(r、g、b)から(R’、G’、B’)への色変換を表す行列である。
上式(21)、(23)、(24)より、下式(25)が成り立つ。下式(25)より、画像U’ではRGBが分離され、元のベイヤー配列の色が復元されていることが分かる。
6.S/N劣化抑制
次に、ベイヤー配列の基本ブロック2×2とは異なる3×3画素に加算単位を設定することで、混色除去によるS/N劣化が抑制される点について詳細に説明する。
6). S / N Deterioration Suppression Next, the point that S / N deterioration due to color mixture removal is suppressed by setting an addition unit to 3 × 3 pixels different from the
加算単位が2×2画素である場合、行列α、β、τは、上式(20)、(24)で説明した通りである。フィルターσ、ρ、Tは、上式(16)、(18)、(22)で説明した通りである。 When the addition unit is 2 × 2 pixels, the matrices α, β, and τ are as described in the above equations (20) and (24). The filters σ, ρ, and T are as described in the above equations (16), (18), and (22).
また加算単位が3×3画素である場合、行列α、β、τは、上式(12)で説明した通りである。フィルターσ、ρ、Tは、上式(10)、(6)、(13)で説明した通りである。 When the addition unit is 3 × 3 pixels, the matrices α, β, and τ are as described in the above equation (12). The filters σ, ρ, and T are as described in the above equations (10), (6), and (13).
上式(17)等で説明したように、行列α、β、τは、それぞれの処理において各色に乗ぜられる係数を表す。即ち、行列α、β、τは、各色のゲインアップ量を表す行列である。実際の演算では、行列α、β、τから構成したフィルターσ、ρ、Tと、各画素とのコンボリューションを行うことから、ゲインアップ量は、これらのフィルターの演算係数(成分)により規定されることになる。 As described in the above equation (17) and the like, the matrices α, β, and τ represent coefficients that are multiplied by each color in each process. That is, the matrices α, β, and τ are matrices representing the gain increase amounts of the respective colors. In actual computation, the filters σ, ρ, T composed of the matrices α, β, τ are convolved with each pixel, so the gain increase amount is defined by the computation coefficients (components) of these filters. Will be.
画像のノイズレベルはゲインの2乗和に依存することから、各演算におけるノイズレベルの増減は、フィルター演算係数の2乗和で表される。撮像素子によって取得された加算前の画像のノイズレベルをnとすると、各演算後のノイズレベルは、加算単位が2×2画素では下式(26)となり、3×3画素では下式(27)となる。ここで、nαは重み付け加算後のノイズレベルを表し、nβは高解像度化後のノイズレベルを表し、nτは色変換後(最終画像)のノイズレベルを表す。
上式(26)、(27)より、最終画像では、それぞれ2.1倍、1.2倍にノイズが増加する。即ち、2×2画素加算よりも3×3画素加算の方がノイズの増加が小さく、演算によるS/N劣化が抑制される。 From the above equations (26) and (27), the noise increases 2.1 times and 1.2 times in the final image, respectively. That is, the increase in noise is smaller in the 3 × 3 pixel addition than in the 2 × 2 pixel addition, and the S / N deterioration due to the calculation is suppressed.
図11に、加算前の画像のノイズレベルを基準(0dB)とする場合の、混色除去処理後のS/N特性の例を示す。図11のA1に示すように、r=2における3×3画素加算のS/Nは、上記のノイズレベルに対応して、A2に示す2×2画素のS/Nよりも4.5dB程度良い。他のrにおいても、3×3画素加算のS/Nは2×2画素のS/Nよりも高い。またA3に示すように、加算単位を4×4画素にした場合も、2×2画素よりもS/Nを改善できる。以上から、ベイヤー配列の基本ブロック2×2画素と異なる画素数で加算を行うことで、基本ブロックと同じ画素数で加算する場合よりもS/Nを向上できる。
FIG. 11 shows an example of the S / N characteristic after the color mixture removal process when the noise level of the image before addition is set as a reference (0 dB). As shown in A1 of FIG. 11, the S / N of 3 × 3 pixel addition at r = 2 corresponds to the above noise level and is about 4.5 dB than the S / N of 2 × 2 pixels shown in A2. good. In other r, the S / N of 3 × 3 pixel addition is higher than the S / N of 2 × 2 pixels. As indicated by A3, when the addition unit is 4 × 4 pixels, the S / N can be improved as compared with 2 × 2 pixels. From the above, S / N can be improved by performing addition with a different number of pixels from the
また、A3に示す4×4画素加算の場合よりも、A1に示す3×3画素加算の方がS/Nが良い。即ち、加算単位を3×3画素に設定することで、他の画素数に設定した場合よりもS/Nをより高めることが可能となる。 Further, the S / N is better for the 3 × 3 pixel addition shown in A1 than in the case of the 4 × 4 pixel addition shown in A3. That is, by setting the addition unit to 3 × 3 pixels, it is possible to increase the S / N more than when the number of pixels is set.
図12に、加算前の画像の解像度を基準(100%)とする場合の、混色除去処理後の解像度特性の例を示す。図12のB1に示す3×3画素加算の解像度は、rが1に近い場合(例えば1.5以下)を除いて、B2に示す2×2画素加算の解像度との差は僅かである。画像のS/Nと解像度とは逆相関があることが多いが、3×3画素加算と2×2画素加算では目視による解像感の差はほとんど無く、3×3画素加算では解像感を失わずにS/N劣化を抑制できる。B3に示すように、4×4画素加算の場合も、同様に解像感を失わずにS/N劣化を抑制できる。 FIG. 12 shows an example of the resolution characteristics after the color mixture removal process when the resolution of the image before the addition is set as a reference (100%). The resolution of the 3 × 3 pixel addition shown in B1 of FIG. 12 is slightly different from the resolution of the 2 × 2 pixel addition shown in B2 except when r is close to 1 (for example, 1.5 or less). The S / N and resolution of an image often have an inverse correlation, but there is almost no difference in visual resolution between 3 × 3 pixel addition and 2 × 2 pixel addition. S / N degradation can be suppressed without losing the power. As shown in B3, in the case of 4 × 4 pixel addition, S / N deterioration can be suppressed without losing a sense of resolution.
また、B3に示す4×4画素加算の場合よりも、B1に示す3×3画素加算の方が解像度が良い。即ち、加算単位を3×3画素に設定することで、他の画素数に設定した場合よりも、解像感をより維持しながらS/Nを高めることが可能となる。 In addition, the 3 × 3 pixel addition shown in B1 has a better resolution than the 4 × 4 pixel addition shown in B3. That is, by setting the addition unit to 3 × 3 pixels, it is possible to increase the S / N while maintaining a higher resolution than when the number of pixels is set.
以上の実施形態によれば、図1に示すように、撮像装置100は、画素アレイ部111と読み出し制御部112と推定演算部200と混色除去処理部210を含む。図2で説明したように、画素アレイ部111は、カラーフィルターにおいて繰り返し配列される基本ブロックが、Mx×My画素(Mx、Myは2以上の整数)である。図3〜図6で説明したように、読み出し制御部112は、加算される画素の範囲である加算単位を設定し、その加算単位に含まれる画素値を重み付け加算して低解像画像を取得する。図7で説明したように、推定演算部200は、その低解像画像に基づいて、画素アレイ部111の画素数に相当する解像度の高解像画像を推定する。混色除去処理部210は、推定された高解像画像における混色を除去する処理を行う。
According to the above embodiment, as illustrated in FIG. 1, the
この場合に、図3で説明したように、読み出し制御部112は、画素アレイ部111のMx×My画素とは異なるNx×Ny画素(Nx、Nyは2以上の整数)の範囲を加算単位に設定する。図4〜図6で説明したように、読み出し制御部112は、重畳しながらシフトされた加算単位を設定することにより、複数の低解像画像(a0,x,y〜a8,x,y)を取得する。
In this case, as described with reference to FIG. 3, the
このようにすれば、S/N劣化を抑制した混色除去を高解像化画像に対して行うことが可能になる。即ち、図11で説明したように、カラーフィルターの基本ブロックとは異なる画素数の加算単位を設定することで、基本ブロックと同じ画素数の場合よりも、色変換の際のゲインアップ量を小さくできる。これにより、高解像度画像におけるS/Nの悪化を抑えることができる。また、図12で説明したように、解像感を維持できる。 In this way, it is possible to remove the mixed color while suppressing the S / N deterioration for the high resolution image. That is, as described with reference to FIG. 11, by setting the addition unit of the number of pixels different from that of the basic block of the color filter, the gain increase amount at the time of color conversion can be made smaller than in the case of the same number of pixels as the basic block. it can. Thereby, the deterioration of S / N in a high resolution image can be suppressed. In addition, as described with reference to FIG. 12, the sense of resolution can be maintained.
また、加算単位を重畳しながらシフトして複数の低解像画像を取得することで、その複数の低解像画像から任意タイミングの高解像画像を復元できる。図13(A)等で後述するように、重畳シフト加算により復元推定処理を簡素化でき、ハードウェアの負荷を軽減できる。 In addition, by shifting while superimposing the addition units, a plurality of low resolution images are acquired, so that a high resolution image at an arbitrary timing can be restored from the plurality of low resolution images. As will be described later with reference to FIG. 13A and the like, restoration estimation processing can be simplified by superimposing shift addition, and hardware load can be reduced.
ここで、加算単位が重畳するとは、2つの加算単位が共通の画素を有することである。例えば図4〜図6では、加算単位が水平又は垂直に1画素ずつシフトされることで複数の加算単位GP00、GP10、・・・、GP22が設定され、その複数の加算単位のうち隣り合う加算単位が共通の画素を有する。例えばGP00とGP10は画素v10〜v12、v20〜v22を共有する。 Here, the addition unit is superimposed means that the two addition units have a common pixel. For example, in FIGS. 4 to 6, a plurality of addition units GP00, GP10,..., GP22 are set by shifting the addition unit horizontally or vertically one pixel at a time, and adjacent additions among the plurality of addition units. The unit has a common pixel. For example GP00 and GP10 share pixel v 10 ~v 12, v 20 ~v 22.
また、混色とは、処理後の画素において処理前の複数の色成分が混ざった状態である。例えば、上式(17)で説明したように、重畳シフト加算後の画素a0では、加算前の複数の色R、G、Bが、行列αで規定される混色比4:4:1で加算された状態となっている。また、混色除去とは、重畳シフト加算前の色成分を復元することである。この復元では、色が分離されて元の色配列が復元されていればよく、元の画素値そのものが復元される必要はない。 The color mixture is a state in which a plurality of color components before processing are mixed in the processed pixel. For example, as described in the above equation (17), in the pixel a 0 after the superposition shift addition, the plurality of colors R, G, B before the addition have a color mixture ratio 4: 4: 1 defined by the matrix α. It has been added. The color mixture removal is to restore the color component before the superposition shift addition. In this restoration, it is only necessary that the colors are separated and the original color arrangement is restored, and the original pixel values themselves do not need to be restored.
また本実施形態では、図10で説明したように、混色除去処理部210は、複数の低解像画像から高解像画像の画素値を推定することにより生じる混色(上式(19))と、重み付け加算により複数色の画素値が加算されたことによる混色(上式(17))とを除去する処理を行う(上式(23)〜(25))。
In this embodiment, as described with reference to FIG. 10, the color mixture
より具体的には、図8で説明したように、推定演算部200は、複数の低解像画像の画素値ai,x,yを、重畳シフトにおける加算単位GPxyの設定位置(x,y)に応じて1つの画像Xに再配列する(上式(3)、(4))。図7で説明したように、推定演算部200は、その再配列した画像X(画素値Ax,y)を所定の推定用フィルターρで処理することで推定を行う(上式(6)、(7))。混色除去処理部210は、その推定用フィルターρにより規定される混色比を表す第1行列βと、重み付け加算における重み付け係数により規定される混色比を表す第2行列αとに基づいて構成された混色除去フィルターTにより、高解像画像(画素値ux,y)を処理することで混色を除去する処理を行う(上式(8)〜(14))。
More specifically, as described with reference to FIG. 8, the
このようにすれば、復元推定処理と重み付け加算処理による混色を除去する処理を行うことができる。具体的には、推定用フィルターρにより規定される混色比と重み付け係数により規定される混色比とに基づいて、これらの混色を除去するための混色除去フィルターTを構成できる。そして、このTを復元画像に対して演算することで、元のカラーフィルターの色配列に復元できる。 In this way, it is possible to perform the process of removing the color mixture by the restoration estimation process and the weighted addition process. Specifically, based on the color mixture ratio defined by the estimation filter ρ and the color mixture ratio defined by the weighting coefficient, the color mixture removal filter T for removing these color mixture can be configured. Then, by calculating T on the restored image, it is possible to restore the original color filter color array.
また本実施形態では、図2で説明したように、カラーフィルターは、Mx×My画素を2×2画素とするベイヤー配列のカラーフィルターである。図3で説明したように、加算単位は、Nx×Ny画素を3×3画素とする加算単位である。 In this embodiment also, as described in FIG. 2, the color filters are color filters of the Bayer array to 2 × 2 pixels M x × M y pixels. As described in FIG. 3, the addition unit is an addition unit in which N x × N y pixels are 3 × 3 pixels.
このようにすれば、図11で説明したように、3×3画素以外(例えば4×4画素)の加算単位を設定した場合に比べて、混色除去後においてより高いS/Nを実現でき、より高画質の高解像画像を得ることができる。また、図12で説明したように、より高い解像感を実現できる。 In this way, as described with reference to FIG. 11, a higher S / N can be realized after the color mixture removal compared to the case where an addition unit other than 3 × 3 pixels (for example, 4 × 4 pixels) is set. Higher resolution and higher resolution images can be obtained. In addition, as described with reference to FIG. 12, a higher resolution can be realized.
また本実施形態では、図2で説明したように、2×2画素は、1つのR画素と2つのG画素と1つのB画素により構成される。図10に示すように、再配列された画像Xの画素値Ax,yは、R、G、B画素と重み付け係数との対応が異なる第1〜第3の画素値a0、a1/2(=a1=a2)、a3に分類される。第1行列βは、高解像画像Uの画素値ux,yにおける第1〜第3の画素値a0、a1/2、a3の混合比が、推定用フィルターρの成分により表された行列である(上式(9)、(18)〜(20))。第2行列αは、第1〜第3の画素値a0、a1/2、a3におけるR、G、B画素の混合比が、重み付け係数(行列σ)に基づいて表された行列である(上式(9)、(16)、(17)、(20))。混色除去フィルターTは、第1、第2行列の逆行列の積τ=α−1β−1の成分を、高解像画像の画素配列に応じて配列することにより構成されたフィルターである(上式(8)、(13)、(22)〜(24))。 In the present embodiment, as described with reference to FIG. 2, the 2 × 2 pixel includes one R pixel, two G pixels, and one B pixel. As shown in FIG. 10, the pixel value A x of rearranged image X, y is, R, G, the first to third pixel value a corresponding to the B pixel and the weighting coefficients are different 0, a 1 / 2 (= a 1 = a 2 ) and a 3 . In the first matrix β, the mixing ratio of the first to third pixel values a 0 , a 1/2 , and a 3 in the pixel values ux , y of the high-resolution image U is expressed by components of the estimation filter ρ. (The above formulas (9), (18) to (20)). The second matrix α is a matrix in which the mixing ratio of R, G, and B pixels in the first to third pixel values a 0 , a 1/2 , and a 3 is expressed based on a weighting coefficient (matrix σ). (The above formulas (9), (16), (17), (20)). The color mixture removal filter T is a filter configured by arranging components of the inverse matrix product τ = α −1 β −1 of the first and second matrices in accordance with the pixel arrangement of the high resolution image ( (8), (13), (22) to (24)).
このようにすれば、推定用フィルターρの成分に基づいて第1行列βを構成し、重み付け係数に基づいて第2行列αを構成し、これらの行列を用いて混色除去フィルターTを構成できる。また、第1、第2行列の逆行列の積τ=α−1β−1に基づいて混色除去フィルターTを構成することで、上式(25)で説明したように、τが色変換βαの逆行列となり、色変換上においてRGBを復元できる。 In this way, the first matrix β can be configured based on the components of the estimation filter ρ, the second matrix α can be configured based on the weighting coefficient, and the color mixing removal filter T can be configured using these matrices. Further, by configuring the color mixture removal filter T based on the product τ = α −1 β −1 of the inverse matrix of the first and second matrices, as described in the above equation (25), τ is the color conversion βα. And can restore RGB in color conversion.
ここで、第1〜第3の画素値a0、a1/2、a3に分類されるとは、加算単位のシフトにより各色と重み付け係数の対応関係が変わり、その対応関係が3種類に分類されることである。例えば、図4〜図6では、加算単位が(GP00、GP20、GP02、GP22)と、(GP10、GP01、GP21、GP12)、(GP11)の3グループに分類され、各グループにおいて色と重み付け係数の対応は同一である。 Here, the classification into the first to third pixel values a 0 , a 1/2 , and a 3 means that the correspondence relationship between each color and the weighting coefficient is changed by the shift of the addition unit, and the correspondence relationship is classified into three types. It is to be classified. For example, in FIGS. 4 to 6, the addition unit is classified into three groups (GP00, GP20, GP02, GP22), (GP10, GP01, GP21, GP12), and (GP11). Are the same.
また、高解像画像の画素配列に応じて配列するとは、上式(23)、(24)に示すように、行列τの成分は画素r、g、bに対する係数(混色比)を表しており、その係数を、図10に示す画像Uの画素r、g、bの配置に対応させ、上式(13)に示すように並べ替えることである。 The arrangement according to the pixel arrangement of the high resolution image means that the components of the matrix τ represent the coefficients (color mixture ratio) for the pixels r, g, and b as shown in the above equations (23) and (24). The coefficients are rearranged as shown in the above equation (13) in correspondence with the arrangement of the pixels r, g, and b of the image U shown in FIG.
7.推定用フィルター
上述の推定用フィルターρについて詳細に説明する。なお以下では説明を簡単にするために、加算単位が2×2画素であり、重み付けパラメーターr=2である場合を例に説明する。
7). Estimation Filter The above estimation filter ρ will be described in detail. In the following, for the sake of simplicity of explanation, a case where the addition unit is 2 × 2 pixels and the weighting parameter r = 2 will be described as an example.
図13(A)に示すように、2×2画素の加算単位の重畳シフトにより加算画素値axyが得られる。下式(28)にa00、a10を示す。ここで、vxyは加算前の画素値である。
a00=v00+(1/2)v01+(1/2)v10+(1/4)v11,
a10=v10+(1/2)v11+(1/2)v20+(1/4)v21 (28)
As shown in FIG. 13A, the addition pixel value a xy is obtained by the superposition shift of the addition unit of 2 × 2 pixels. A 00 and a 10 are shown in the following formula (28). Here, v xy is a pixel value before addition.
a 00 = v 00 + (1/2) v 01 + (1/2) v 10 + (1/4) v 11 ,
a 10 = v 10 + (1/2 )
図13(B)に示すように、中間画素値bxyを定義する。中間画素値bxyは、加算単位の各列に含まれる画素値を重み付け加算したものであり、例えばa00、a10に含まれる画素の第1〜第3列がそれぞれ中間画素値b00、b10、b20である。下式(29)にb00、b10、b20を示す。
b00=v00+(1/2)v01,
b10=v10+(1/2)v11,
b20=v20+(1/2)v21 (29)
As shown in FIG. 13B, an intermediate pixel value b xy is defined. The intermediate pixel value b xy is obtained by weighted addition of pixel values included in each column of the addition unit. For example, the first to third columns of pixels included in a 00 and a 10 are the intermediate pixel value b 00 and b 10 and b 20 . B 00 , b 10 and b 20 are shown in the following formula (29).
b 00 = v 00 + (1/2) v 01 ,
b 10 = v 10 + (1/2) v 11 ,
b 20 = v 20 + (1/2) v 21 (29)
上式(29)を用いて上式(28)を変形すると、下式(30)が成り立つ。
a00=b00+(1/2)b10,
a10=b10+(1/2)b20 (30)
When the above equation (28) is transformed using the above equation (29), the following equation (30) is established.
a 00 = b 00 + (1/2) b 10 ,
a 10 = b 10 + (1/2) b 20 (30)
上式(30)をb10、b20について解くと、下式(31)が成り立つ。
b10=−2b00+2a00,
b20=4b00+2(a10−2a00) (31)
When the above equation (30) is solved for b 10 and b 20 , the following equation (31) is established.
b 10 = -2b 00 + 2a 00 ,
b 20 = 4b 00 +2 (a 10 -2a 00) (31)
下式(32)に示すように、中間画素値bxyと加算画素値axyの2乗誤差により評価関数Eyを求める。
上式(32)に上式(31)を代入し、Eyが最小となる未知数b00を求め、b00を決定する。b01、b11、b21について、未知数をb01として上記と同様にb01を決定する。決定されたb00、b01を下式(33)に示す。ここで、下式(33)では、右辺右側の行列について成分の和が1となるように規格化した。
上式(33)のb00、b01は、下式(34)と表される。上式(30)を下式(34)に置き換え、未知数をv00として上記と同様にv00を決定すると、下式(35)が求まる。
b00=v00+(1/2)v01,
b01=v01+(1/2)v02 (34)
b 00 = v 00 + (1/2) v 01 ,
b 01 = v 01 + (1/2) v 02 (34)
上式(33)、(35)より、下式(36)が求まる。a00、a10、a01、a11の係数を成分ρ00、ρ10、ρ01、ρ11とするフィルターとして書き直すと、下式(37)となる。このようにして、上式(7)や(18)で説明した推定用フィルターρが求められる。
以上の実施形態によれば、図13(A)に示すように、重畳シフトにより設定される加算単位は、Nx×Ny(例えば2×2)画素の加算単位が、1列ずつNx回及び1行ずつNy回シフトされたNx×Ny個の加算単位axyである。図13(B)で説明したように、Nx×Ny個の加算単位の各列の画素値の重み付け加算値をそれぞれ中間画素値bxyとし、第1列の中間画素値b00を未知数とする。上式(30)で説明したように、中間画素値b10、b20は、その未知数b00と、加算単位による重み付け加算値a00、a10との関係式で表される。上式(32)、(33)で説明したように、推定用フィルターρは、その関係式で表された中間画素値b00、b10、b20と、加算単位による重み付け加算値a00、a10との二乗誤差が最小となるように設定されたフィルターである。
According to the above embodiment, as shown in FIG. 13 (A), the addition unit set by superposition shifts, N x ×
このようにすれば、複数の低解像画像から高解像画像を復元するための推定用フィルターρを構成できる。また、高解像画像を復元推定する処理を簡素化できる。即ち、重畳シフト加算により得られた画素値axyに対して推定用フィルターρをコンボリューション演算するだけで高解像画像を得ることができる。これにより、例えば、2次元フィルターの繰り返し演算(特開2009−124621号公報)や、初期値の設定に適当な部分を探索(特開2008−243037号公報)する等の複雑な処理が不要となる。 In this way, the estimation filter ρ for restoring a high resolution image from a plurality of low resolution images can be configured. In addition, it is possible to simplify the process of restoring and estimating a high resolution image. That is, a high-resolution image can be obtained by simply performing the convolution operation on the estimation filter ρ with respect to the pixel value a xy obtained by the superposition shift addition. This eliminates the need for complicated processing such as, for example, repetitive calculation of a two-dimensional filter (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-124621) and searching for an appropriate part for setting an initial value (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-243037). Become.
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また推定演算部、混色除去処理部、撮像装置等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。 Although the present embodiment has been described in detail as described above, it will be easily understood by those skilled in the art that many modifications can be made without departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention. For example, a term described with a different term having a broader meaning or the same meaning at least once in the specification or the drawings can be replaced with the different term in any part of the specification or the drawings. Further, the configurations and operations of the estimation calculation unit, the color mixture removal processing unit, the imaging device, and the like are not limited to those described in the present embodiment, and various modifications can be made.
100 撮像装置、101 撮像光学系、102 制御部、103 メモリー、
104 モニター表示部、105 記録媒体、
110 固体撮像素子、111 画素アレイ部、112 読み出し制御部、
120 画像処理部、121 高解像度画像生成部、
122 低解像度画像生成部、123 表示処理部、124 アクセス制御部、
200 推定演算部、210 混色除去処理部、
Ax,y 画素値、Ey 評価関数、GPxy 加算単位、
Mx×My 基本ブロックの画素数、Nx×Ny 加算単位の画素数、
P1〜P9 画素、R,G,B 色、T 混色除去フィルター、
U,U’,V,X 画像、ai,x,y 画素値、axy 加算画素値、
b00 未知数、bxy 中間画素値、r 重み付けパラメーター、
ux,y 画素値、v10〜v12 画素、x,y 位置、α 第2行列、
β 第1行列、ρ 推定用フィルター、σ 行列
DESCRIPTION OF
104 monitor display unit, 105 recording medium,
110 solid-state imaging device, 111 pixel array unit, 112 readout control unit,
120 image processing units, 121 high-resolution image generation units,
122 low-resolution image generation unit, 123 display processing unit, 124 access control unit,
200 estimation calculation unit, 210 color mixture removal processing unit,
A x, y pixel value, Ey evaluation function, GPxy addition unit,
M x × M y number of basic block pixels, N x × N y number of pixels of addition unit,
P1-P9 pixels, R, G, B colors, T color mixture removal filter,
U, U ′, V, X image, a i, x, y pixel value, a xy addition pixel value,
b 00 unknown, b xy intermediate pixel value, r weighting parameter,
u x, y pixel values, v 10 to v 12 pixels, x, y positions, α second matrix,
β first matrix, ρ estimation filter, σ matrix
Claims (7)
加算される画素の範囲である加算単位を設定し、前記加算単位に含まれる画素値を重み付け加算して低解像画像を取得する読み出し制御部と、
前記低解像画像に基づいて、前記画素アレイ部の画素数に相当する解像度の高解像画像を推定する推定演算部と、
推定された前記高解像画像における混色を除去する処理を行う混色除去処理部と、
を含み、
前記読み出し制御部は、
前記画素アレイ部の前記Mx×My画素とは異なるNx×Ny画素(Nx、Nyは2以上の整数)の範囲を前記加算単位に設定し、重畳しながらシフトされた前記加算単位を設定することにより、前記低解像画像として複数の低解像画像を取得することを特徴とする撮像装置。 Basic blocks are repeatedly arranged in the color filter, a pixel array portion is a M x × M y pixels (M x, M y is an integer of 2 or more),
A readout control unit that sets an addition unit that is a range of pixels to be added, obtains a low resolution image by weighted addition of pixel values included in the addition unit, and
Based on the low-resolution image, an estimation calculation unit that estimates a high-resolution image having a resolution corresponding to the number of pixels of the pixel array unit;
A color mixture removal processing unit that performs a process of removing the color mixture in the estimated high resolution image;
Including
The read control unit
The set the M x × M y different from the pixel N x × N y pixels of the pixel array portion a range of (N x, N y is an integer of 2 or more) to said summation unit, which is shifted with superimposed the An imaging apparatus, wherein a plurality of low resolution images are acquired as the low resolution image by setting an addition unit.
前記混色除去処理部は、
前記複数の低解像画像から前記高解像画像の画素値を推定することによる混色と、前記重み付け加算により複数色の画素値が加算されたことによる混色とを除去する処理を行うことを特徴とする撮像装置。 In claim 1,
The color mixture removal processing unit
A process of removing a color mixture obtained by estimating a pixel value of the high-resolution image from the plurality of low-resolution images and a color mixture obtained by adding pixel values of a plurality of colors by the weighted addition are performed. An imaging device.
前記推定演算部は、
前記複数の低解像画像の画素値を、前記重畳シフトにおける前記加算単位の設定位置に応じて1つの画像に再配列し、前記再配列した画像を所定の推定用フィルターで処理することで前記推定を行い、
前記混色除去処理部は、
前記推定用フィルターにより規定される混色比を表す第1行列と、前記重み付け加算における重み付け係数により規定される混色比を表す第2行列とに基づいて構成された混色除去フィルターにより、前記高解像画像を処理することで前記混色を除去する処理を行うことを特徴とする撮像装置。 In claim 2,
The estimation calculation unit includes:
The pixel values of the plurality of low-resolution images are rearranged into one image according to the setting position of the addition unit in the superposition shift, and the rearranged image is processed by a predetermined estimation filter, thereby Make an estimate,
The color mixture removal processing unit
The high resolution is achieved by the color mixture removal filter configured based on the first matrix representing the color mixture ratio defined by the estimation filter and the second matrix representing the color mixture ratio defined by the weighting coefficient in the weighted addition. An image pickup apparatus that performs a process of removing the color mixture by processing an image.
前記カラーフィルターは、
前記Mx×My画素を2×2画素とするベイヤー配列のカラーフィルターであり、
前記加算単位は、
前記Nx×Ny画素を3×3画素とする加算単位であることを特徴とする撮像装置。 In claim 3,
The color filter is
A color filter of Bayer array to 2 × 2 pixels the M x × M y pixels,
The addition unit is
An imaging apparatus, wherein the imaging unit is an addition unit in which the N x × N y pixels are 3 × 3 pixels.
前記2×2画素が、1つのR画素と2つのG画素と1つのB画素により構成される場合に、
前記再配列された画像の画素値は、
前記R、G、B画素と重み付け係数との対応が異なる第1〜第3の画素値に分類され、
前記第1行列は、
前記高解像画像の画素値における前記第1〜第3の画素値の混合比が、前記推定用フィルターの成分により表された行列であり、
前記第2行列は、
前記第1〜第3の画素値における前記R、G、B画素の混合比が、前記重み付け係数に基づいて表された行列であり、
前記混色除去フィルターは、
前記第1、第2行列の逆行列の積の成分を、前記高解像画像の画素配列に応じて配列することにより構成されたフィルターであることを特徴とする撮像装置。 In claim 4,
When the 2 × 2 pixel is composed of one R pixel, two G pixels, and one B pixel,
The pixel values of the rearranged image are:
The R, G, B pixels are classified into first to third pixel values having different correspondences with weighting coefficients,
The first matrix is
The mixing ratio of the first to third pixel values in the pixel values of the high-resolution image is a matrix represented by components of the estimation filter,
The second matrix is
A mixture ratio of the R, G, and B pixels in the first to third pixel values is expressed based on the weighting coefficient;
The color mixing removal filter is
An image pickup apparatus, comprising: a filter configured by arranging a component of an inverse matrix of the first and second matrices in accordance with a pixel arrangement of the high resolution image.
前記重畳シフトにより設定される前記加算単位は、
前記Nx×Ny画素の前記加算単位が、1列ずつNx回及び1行ずつNy回シフトされたNx×Ny個の加算単位であり、
前記Nx×Ny個の加算単位の各列の画素値の重み付け加算値をそれぞれ中間画素値とし、第1列の中間画素値を未知数とする場合に、
前記中間画素値は、
前記未知数と、前記加算単位による重み付け加算値との関係式で表され、
前記推定用フィルターは、
前記関係式で表された前記中間画素値と、前記加算単位による重み付け加算値との二乗誤差が最小となるように設定されたフィルターであることを特徴とする撮像装置。 In any of claims 3 to 5,
The addition unit set by the superposition shift is
The N x × N y the summation unit pixels, an N x × N y number of summing units which are N y times shifted by N x times and one row by one row,
When the weighted addition value of the pixel value of each column of the N x × N y addition units is an intermediate pixel value and the intermediate pixel value of the first column is an unknown number,
The intermediate pixel value is
It is represented by a relational expression between the unknown and the weighted addition value by the addition unit,
The estimation filter is
An image pickup apparatus, comprising: a filter set to minimize a square error between the intermediate pixel value represented by the relational expression and the weighted addition value based on the addition unit.
前記低解像画像に基づいて、画素アレイ部の画素数に相当する解像度の高解像画像を推定するとともに、
推定された前記高解像画像における混色を除去する処理を行う場合に、
前記画素アレイ部のカラーフィルターにおいて繰り返し配列される基本ブロックであるMx×My画素(Mx、Myは2以上の整数)とは異なるNx×Ny画素(Nx、Nyは2以上の整数)の範囲を前記加算単位に設定し、重畳しながらシフトされた前記加算単位を設定することにより、前記低解像画像として複数の低解像画像を取得することを特徴とする画像生成方法。 Set an addition unit that is a range of pixels to be added, obtain a low-resolution image by weighted addition of pixel values included in the addition unit,
Based on the low-resolution image, estimating a high-resolution image having a resolution corresponding to the number of pixels of the pixel array unit,
When performing the process of removing the color mixture in the estimated high resolution image,
Wherein the color filter of the pixel array unit is a basic block is repeatedly arranged M x × M y pixels (M x, M y is an integer of 2 or more) different from the N x × N y pixels (N x, N y is A plurality of low-resolution images are acquired as the low-resolution image by setting the addition unit shifted while being superimposed. Image generation method.
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