JP2013127718A - Superresolution image processing device and codebook creation device for superresolution image processing - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a practical superresolution image processing device providing high reproducibility by a relatively small hardware resource, and a codebook creation device for superresolution image processing that creates a codebook used by the superresolution image processing device.SOLUTION: For executing highly versatile superresolution image processing in a short time, a superresolution image processing device 101 according to the present embodiment first, creates an original codebook 202 from an image as a processing object, and creates a codebook 106 formed by selecting only records suited for the superresolution processing, from the original codebook 202. A norm is used for effectively reducing the number of records for use in the codebook 106. The adoption of the techniques can materialize the superresolution image processing device 101 achieving a high recall ratio of high-frequency components by a relatively small calculation amount.

Description

本発明は、超解像画像処理装置及び超解像画像処理用コードブック作成装置に適用して好適な技術に関する。
より詳細には、低解像度の原画像から高解像度の画像を出力する、超解像画像処理装置と、この超解像画像処理装置が利用するコードブックを作成する超解像画像処理用コードブック作成装置に関する。
The present invention relates to a technique suitably applied to a super-resolution image processing device and a super-resolution image processing codebook creation device.
More specifically, a super-resolution image processing device that outputs a high-resolution image from a low-resolution original image, and a code book for super-resolution image processing that creates a code book used by the super-resolution image processing device It relates to a creation device.

超解像技術とは、低解像度の原画像から高解像度の画像を生成することで、違和感の少ない拡大画像を得るための技術である。この超解像技術は、テレビやパソコン等といった画像閲覧装置の高解像度化に伴い、注目され、一部の民生機器等で採用されている。
例えば、携帯電話に付属する比較的低解像度のカメラで撮影した画像を高解像度のディスプレイで閲覧する場合や、アナログテレビ時代に作成された低解像度の動画コンテンツを高解像度のテレビで閲覧する場合、或は低解像度の動画ストリーミングデータを高解像度のディスプレイで閲覧する場合等に、この超解像技術が用いられる。
更には、監視カメラ等の撮影画像データを高解像度化することで、社会基盤の安全性向上に寄与できる可能性もある。
The super-resolution technique is a technique for obtaining a magnified image with little discomfort by generating a high-resolution image from a low-resolution original image. This super-resolution technique has attracted attention and has been adopted in some consumer devices and the like as the resolution of image browsing devices such as televisions and personal computers increases.
For example, when viewing images taken with a relatively low-resolution camera attached to a mobile phone on a high-resolution display, or viewing low-resolution video content created in the analog TV era on a high-resolution television, Alternatively, this super-resolution technique is used when browsing low-resolution video streaming data on a high-resolution display.
Furthermore, by increasing the resolution of the captured image data of a surveillance camera or the like, there is a possibility that it can contribute to improving the safety of the social infrastructure.

前述のように、超解像技術は違和感のない拡大画像を得るための技術であるが、これは転じて「失われた高周波成分を類推する」技術である。
例えば、ある画像データのピクセルサイズを縦横1/2倍ずつ、1/4倍に縮小する場合、隣り合う二つのピクセルの平均値を算出して、一つのピクセルに変換する。この平均値演算は、積分の一種といえる。そして、ピクセルの羅列を信号として捉えた場合、平均値演算を行ってピクセルを間引くことは、信号の高周波成分を除去することと等価である。
逆に、ある画像データのピクセルサイズを縦横2倍ずつ、4倍に拡大する場合、一番簡単な方法としては、隣り合う二つのピクセルの中間値を算出して、間のピクセルを得る方法であるが、この算出方法では失われた高周波成分が再現されない。このため、中間値演算による拡大画像はあたかもピンぼけのような、境界線が曖昧な画像になる。
つまり、超解像技術は、ピクセルのパターンを解析して、適切と思われるピクセルを算出し、元画像の隣接するピクセル同士の間に埋めることで、「失われた高周波成分を類推する」技術である。
As described above, the super-resolution technique is a technique for obtaining an enlarged image without a sense of incongruity, but this is a technique that in turn is a technique for “analyzing a lost high-frequency component”.
For example, when the pixel size of a certain image data is reduced to ¼ times in vertical and horizontal directions, an average value of two adjacent pixels is calculated and converted into one pixel. This average value calculation is a kind of integration. When the enumeration of pixels is regarded as a signal, thinning out the pixels by calculating the average value is equivalent to removing the high-frequency component of the signal.
On the other hand, when the pixel size of a certain image data is enlarged by 4 times by 2 times vertically and horizontally, the simplest method is to obtain an intermediate pixel by calculating the intermediate value between two adjacent pixels. However, this calculation method does not reproduce lost high frequency components. For this reason, the enlarged image obtained by the intermediate value calculation is an image in which the boundary line is ambiguous as if it is out of focus.
In other words, super-resolution technology is a technology that "analyzes lost high-frequency components" by analyzing pixel patterns, calculating appropriate pixels, and filling between adjacent pixels in the original image. It is.

これまで、多くの研究者が超解像画像処理の技術を開発している。発明者が本発明の先行技術文献として参考にした非特許文献を非特許文献1乃至5に挙げる。これらの技術は、予め「高周波成分の辞書ファイル」とも呼べるコードブックを作成しておき、入力画像データから微視的な局所領域を抜き出して、局所領域のデータでコードブックを検索する、という手法において共通する。   Until now, many researchers have developed super-resolution image processing technology. Non-patent documents referred to by the inventors as prior art documents of the present invention are listed in Non-patent documents 1 to 5. These techniques create a code book that can be called a “high-frequency component dictionary file” in advance, extract a microscopic local region from the input image data, and search the code book with the local region data. In common.

W. T. Freeman, E. C. Pasztor, O. T. Carmichael, Learning Low-Level Vision, International Journal of Computer Vision, 40(1), pp. 25-47, 2000.[2011年11月21日検索]、インターネット<URL:http://www.stat.ucla.edu/~sczhu/workshops/sctv99/papers/freeman_sctv99.pdf>WT Freeman, EC Pasztor, OT Carmichael, Learning Low-Level Vision, International Journal of Computer Vision, 40 (1), pp. 25-47, 2000. [Searched November 21, 2011], Internet <URL: http: //www.stat.ucla.edu/~sczhu/workshops/sctv99/papers/freeman_sctv99.pdf> J. Sun, N. N. Zheng, H. Tao, and S. H.-Y. Generic image hallucination with primal sketch prior. CVPR, 2003.[2011年11月21日検索]、インターネット<URL:http://research.microsoft.com/en-us/um/people/jiansun/papers/Hallucination_CVPR03.pdf>J. Sun, NN Zheng, H. Tao, and SH-Y. Generic image hallucination with primal sketch prior. CVPR, 2003. [Searched on November 21, 2011], Internet <URL: http://research.microsoft. com / en-us / um / people / jiansun / papers / Hallucination_CVPR03.pdf> 「自己分解コードブックとマハラノビス距離を用いた画像拡大法」河野 英昭、末竹 規哲、車 炳キ、麻生 隆史、電子情報通信学会論文誌、J91-D,vol. 8, pp. 1983-1985,[2011年12月16日検索]、インターネット<URL:http://ci.nii.ac.jp/naid/110007385952/>“Image Enlargement Method Using Self-Decomposed Codebook and Mahalanobis Distance” Hideaki Kawano, Noriaki Suetake, Kitsuki Kuruma, Takashi Aso, IEICE Transactions, J91-D, vol. 8, pp. 1983-1985, [Search December 16, 2011], Internet <URL: http://ci.nii.ac.jp/naid/110007385952/> Super-Resolution from a Single Image, D. Glasner, S. Bagon, and M. Irani, ICCV 2009.[2011年11月21日検索]、インターネット<URL:http://www.wisdom.weizmann.ac.il/~vision/single_image_SR/files/single_image_SR.pdf>Super-Resolution from a Single Image, D. Glasner, S. Bagon, and M. Irani, ICCV 2009. [Searched November 21, 2011], Internet <URL: http://www.wisdom.weizmann.ac. il / ~ vision / single_image_SR / files / single_image_SR.pdf> J. Sun, J. Sun, Z. B. Xu, and H.-Y. Shum, “Image super-resolution using gradient profile prior,” in Proceedings of IEEE Computer Society Conference Computer Vision and Pattern Recogition, 2008.[2011年11月21日検索]、インターネット<URL:http://nguyendangbinh.org/Proceedings/CVPR/2008/data/papers/319.pdf>J. Sun, J. Sun, ZB Xu, and H.-Y. Shum, “Image super-resolution using gradient profile prior,” in Proceedings of IEEE Computer Society Conference Computer Vision and Pattern Recogition, 2008. [November 2011 21 days search], Internet <URL: http: //nguyendangbinh.org/Proceedings/CVPR/2008/data/papers/319.pdf>

非特許文献1乃至5に開示される先行技術には、超解像画像の再現性や、コードブックのデータサイズに難点がある。再現性が低ければ画像の品質が低下する。コードブックのデータサイズが大きいと演算速度の低下や装置の大型化に繋がり、実用性が低下する。   The prior arts disclosed in Non-Patent Documents 1 to 5 have difficulties in super-resolution image reproducibility and codebook data size. If the reproducibility is low, the image quality is degraded. If the data size of the code book is large, it will lead to a decrease in calculation speed and an increase in the size of the device, which will reduce the practicality.

本発明はかかる課題に鑑みてなされたものであり、比較的少ないハードウェアリソースで高い再現性を実現する、実用的な超解像画像処理装置と、この超解像画像処理装置が利用するコードブックを作成する超解像画像処理用コードブック作成装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a practical super-resolution image processing apparatus that realizes high reproducibility with relatively few hardware resources, and a code used by the super-resolution image processing apparatus. It is an object of the present invention to provide a code book creation device for super-resolution image processing that creates a book.

上記課題を解決するために、本発明の超解像画像処理装置は、入力画像データを拡大する拡大処理部と、拡大処理部で拡大された入力画像データから所定の矩形範囲で抜き出して入力局所領域低周波成分を出力する局所領域抽出部と、入力局所領域低周波成分のノルムを演算して入力局所領域ノルムを出力するノルム演算部と、入力局所領域低周波成分を入力局所領域ノルムで除算して入力局所領域正規化低周波成分を出力する除算器と、画像データを所定の矩形範囲で抜き出した局所領域の低周波成分を正規化した正規化低周波成分が格納される正規化低周波成分フィールドと、局所領域の高周波成分を正規化した正規化高周波成分が格納される正規化高周波成分フィールドとを有すると共に、正規化低周波成分に基づく主成分値でレコードがグルーピングされているコードブックと、入力局所領域正規化低周波成分に基づいてコードブックをツリー検索して所定のレコード群を特定するツリー探索部と、入力局所領域正規化低周波成分と所定のレコード群の正規化低周波成分との類似度を演算して最も類似するレコードを特定するベクトル類似度演算部と、ベクトル類似度演算部によって特定されたレコードの正規化高周波成分と、入力局所領域ノルムとを乗算して局所領域高周波成分を出力する乗算器と、局所領域高周波成分と入力局所領域低周波成分とを加算する加算器とを具備する。   In order to solve the above problems, a super-resolution image processing apparatus of the present invention includes an enlargement processing unit that enlarges input image data, and an input local area that is extracted from the input image data enlarged by the enlargement processing unit within a predetermined rectangular range. A local region extraction unit that outputs region low frequency components, a norm calculation unit that calculates the norm of the input local region low frequency component and outputs the input local region norm, and the input local region low frequency component is divided by the input local region norm And a divider that outputs the input local region normalized low-frequency component, and a normalized low-frequency component that stores the normalized low-frequency component obtained by normalizing the low-frequency component of the local region extracted from the image data in a predetermined rectangular range A component field and a normalized high-frequency component field that stores a normalized high-frequency component obtained by normalizing a high-frequency component in a local region, and records with a principal component value based on the normalized low-frequency component. Are grouped, a tree search unit that searches the codebook based on the input local region normalized low frequency component to identify a predetermined record group, an input local region normalized low frequency component, and a predetermined A vector similarity calculation unit that calculates the similarity between the normalized low frequency component of the record group and identifies the most similar record, a normalized high frequency component of the record specified by the vector similarity calculation unit, and an input local region A multiplier that multiplies the norm and outputs a local region high-frequency component; and an adder that adds the local region high-frequency component and the input local region low-frequency component.

また、上記課題を解決するために、本発明の超解像画像処理用コードブック作成装置は、サンプル画像データを所定の矩形範囲で抜き出した局所領域毎に、正規化した低周波成分と正規化した高周波成分とを作成し、正規化した低周波成分が格納される正規化低周波成分フィールドと正規化した高周波成分が格納される正規化高周波成分フィールドよりなる原コードブックを作成するコードブックレコード作成部と、評価用画像データを所定の矩形範囲で抜き出した局所領域毎に原コードブックに最も類似するレコードを特定して超解像画像処理を施した後、類似度を算出して原コードブックのレコードを選定してコードブックを作成するレコード選定処理部とを具備する。   Further, in order to solve the above-described problem, the super-resolution image processing codebook creation apparatus of the present invention performs normalized low frequency components and normalization for each local region obtained by extracting sample image data within a predetermined rectangular range. Codebook record that creates an original codebook consisting of a normalized low-frequency component field that stores normalized high-frequency components and a normalized high-frequency component field that stores normalized high-frequency components After creating a super-resolution image process by identifying the most similar record to the original codebook for each local region where the image data for evaluation and the image data for evaluation are extracted within a predetermined rectangular range, the similarity is calculated and the original code A record selection processing unit that selects a record of the book and creates a code book.

超解像画像処理に用いるコードブックを作成する際、高品位な出力を得られるレコードだけを選定して、検索速度と画像再現性を向上させる。また、主成分分析を用いてコードブックのレコードをグルーピングすることで、ベクトル演算のステップ数をできる限り低減させる。   When creating a codebook used for super-resolution image processing, only records that can provide high-quality output are selected to improve search speed and image reproducibility. In addition, by grouping the code book records using principal component analysis, the number of vector calculation steps is reduced as much as possible.

本発明により、比較的少ないハードウェアリソースで高い再現性を実現する、実用的な超解像画像処理装置と、この超解像画像処理装置が利用するコードブックを作成する超解像画像処理用コードブック作成装置を提供できる。   According to the present invention, a practical super-resolution image processing device that realizes high reproducibility with relatively few hardware resources and a super-resolution image processing for creating a codebook used by the super-resolution image processing device A code book creation device can be provided.

本発明の実施形態の例である、超解像画像処理装置とコードブック作成装置の概略図である。1 is a schematic diagram of a super-resolution image processing apparatus and a code book creation apparatus that are examples of embodiments of the present invention. コードブック作成装置の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of a code book creation apparatus. コードブック作成装置によるコードブック作成処理のフローチャートである。It is a flowchart of the code book creation process by a code book creation apparatus. コードブックレコード作成部の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of a code book record creation part. コードブックレコード作成部による、コードブックレコード作成処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the code book record creation process by a code book record creation part. 局所領域の取得方法を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the acquisition method of a local region. 画像の低周波成分と高周波成分の関係を説明する概略図である。It is the schematic explaining the relationship between the low frequency component and high frequency component of an image. レコード選定処理部の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of a record selection processing unit. レコード選定処理部による、レコード選定処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the record selection process by a record selection process part. レコード選定処理部による、レコード選定処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the record selection process by a record selection process part. 主成分分析処理部が実施する処理とデータとの関係を示す概略図である。It is the schematic which shows the relationship between the process and data which a principal component analysis process part implements. 主成分分析処理部による、主成分分析処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of a principal component analysis process by a principal component analysis process part. 主成分分析処理部による主成分分析処理の処理内容を説明する概略図である。It is the schematic explaining the processing content of the principal component analysis process by a principal component analysis process part. 主成分分析処理部による主成分分析処理の処理内容を説明する概略図である。It is the schematic explaining the processing content of the principal component analysis process by a principal component analysis process part. 超解像画像処理装置の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of a super-resolution image processing apparatus. 超解像画像処理装置による、超解像画像処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the super-resolution image processing by a super-resolution image processing apparatus. 超解像画像処理装置による、超解像画像処理の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of the super-resolution image processing by a super-resolution image processing apparatus.

本実施形態では、超解像画像処理装置とコードブック作成装置を説明する。
超解像画像処理装置は、入力画像データを所定の倍率で拡大する装置である。画像を拡大する際、超解像画像処理装置は入力画像データに存在しない、高周波成分を推定する。この推定は、入力画像データを矩形範囲で細分化した局所領域毎に、コードブックという辞書ファイルを検索することで実現する。
超解像画像処理装置の性能は、超解像画像処理に要する時間と、超解像画像データの再現性で評価される。
本実施形態に係る超解像画像処理装置は、超解像画像処理に要する時間を短縮させるために、インデキシングに主成分分析を用いて、演算ステップ数を低減させている。
また、本実施形態に係る超解像画像処理装置が超解像画像データの再現性を向上させるために、コードブック作成装置はコードブックを作成する過程で、良質のレコードのみ選択する処理を実行している。
In the present embodiment, a super-resolution image processing device and a code book creation device will be described.
The super-resolution image processing apparatus is an apparatus that enlarges input image data at a predetermined magnification. When enlarging an image, the super-resolution image processing apparatus estimates a high-frequency component that does not exist in the input image data. This estimation is realized by searching a dictionary file called a code book for each local region obtained by subdividing input image data within a rectangular range.
The performance of the super-resolution image processing apparatus is evaluated by the time required for the super-resolution image processing and the reproducibility of the super-resolution image data.
The super-resolution image processing apparatus according to the present embodiment uses principal component analysis for indexing to reduce the number of calculation steps in order to reduce the time required for super-resolution image processing.
In addition, in order for the super-resolution image processing apparatus according to the present embodiment to improve the reproducibility of the super-resolution image data, the code book creation apparatus executes a process of selecting only high-quality records in the process of creating the code book. doing.

[全体構成]
図1は、本発明の実施形態の例である、超解像画像処理装置とコードブック作成装置の概略図である。
超解像画像処理装置101は、デジタルカメラ102や画像ファイル103等から、縦mピクセル×横nピクセルの入力画像データ104を受け取ると、縦k・mピクセル×横k・nピクセルの出力画像データ105を生成する。ここで、kは1より大きい整数であり、m及びnは2以上の自然数である。
超解像画像処理装置101が処理する画像は、静止画像であっても動画像であってもよい。本実施形態では説明を簡単にするため、静止画像を中心に説明する。
[overall structure]
FIG. 1 is a schematic diagram of a super-resolution image processing apparatus and a code book creation apparatus, which are examples of embodiments of the present invention.
When the super-resolution image processing apparatus 101 receives input image data 104 of vertical m pixels × horizontal n pixels from the digital camera 102, the image file 103, or the like, output image data of vertical k × m pixels × horizontal k × n pixels. 105 is generated. Here, k is an integer greater than 1, and m and n are natural numbers of 2 or more.
The image processed by the super-resolution image processing apparatus 101 may be a still image or a moving image. In the present embodiment, for the sake of simplicity, a description will be given centering on still images.

超解像画像処理装置101は、入力画像データ104に対して超解像画像処理を施して出力画像データ105を生成する際、失われた高周波成分を類推するために、コードブック106と、第一主成分基底ベクトル107と、第二主成分基底ベクトル108と、第三主成分基底ベクトル109とを用いる。これらのデータはコードブック作成装置110によって生成され、予め超解像画像処理装置101に組み込まれる。
コードブック作成装置110は、一つ以上のサンプル画像データ111と一つ以上の評価用画像データ112を受け取ると、後述する所定の演算処理を行うことで、コードブック106と、第一主成分基底ベクトル107と、第二主成分基底ベクトル108と、第三主成分基底ベクトル109とを生成する。
ここで、コードブック106、第一主成分基底ベクトル107、第二主成分基底ベクトル108及び第三主成分基底ベクトル109は、これら四つで一つの組である。これ以降、コードブック106、第一主成分基底ベクトル107、第二主成分基底ベクトル108及び第三主成分基底ベクトル109をまとめて「コードブック106等」と呼ぶ。
When the super-resolution image processing apparatus 101 performs super-resolution image processing on the input image data 104 to generate the output image data 105, in order to analogize the lost high-frequency component, One principal component basis vector 107, second principal component basis vector 108, and third principal component basis vector 109 are used. These data are generated by the code book creation device 110 and incorporated in the super-resolution image processing device 101 in advance.
Upon receiving one or more pieces of sample image data 111 and one or more pieces of evaluation image data 112, the code book creation device 110 performs a predetermined calculation process to be described later, whereby the code book 106 and the first principal component basis are obtained. A vector 107, a second principal component basis vector 108, and a third principal component basis vector 109 are generated.
Here, the code book 106, the first principal component basis vector 107, the second principal component basis vector 108, and the third principal component basis vector 109 are one set of these four. Hereinafter, the code book 106, the first principal component basis vector 107, the second principal component basis vector 108, and the third principal component basis vector 109 are collectively referred to as “code book 106”.

図1では、超解像画像処理装置101の具体的な実装形態について明記していないが、超解像画像処理装置101は画像データを処理する演算装置であるので、様々な形態で実装可能である。
例えば、超解像画像処理装置101を周知のパソコンにインストールするプログラムとして実現することができる。その際、コードブック106等はハードディスク装置等の不揮発性ストレージに格納されるであろう。
また、デジタルカメラ102のファームウェアとして、デジタルカメラ102に組み込むこともできる。
更には、FPGA(Field Programmable Gate Array)等のPLD(programmable logic device)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)等を用いて実現することもできる。
In FIG. 1, a specific implementation form of the super-resolution image processing apparatus 101 is not specified, but the super-resolution image processing apparatus 101 is an arithmetic unit that processes image data, and thus can be implemented in various forms. is there.
For example, it can be realized as a program for installing the super-resolution image processing apparatus 101 in a known personal computer. At that time, the code book 106 and the like will be stored in a non-volatile storage such as a hard disk device.
Further, it can be incorporated into the digital camera 102 as firmware of the digital camera 102.
Further, it can be realized by using a programmable logic device (PLD) such as a field programmable gate array (FPGA), an application specific integrated circuit (ASIC), or the like.

図1では、コードブック作成装置110の具体的な実装形態について明記していないが、コードブック作成装置110はサンプル画像データ111からコードブック106等を生成する演算装置であるので、前述の超解像画像処理装置101と同様に、様々な形態で実装可能である。コードブック作成装置110は、例えばパソコン等にインストールされて実行されるプログラムで実現され、超解像画像処理装置101が製造される工場等の生産現場に設けられ、シーンに応じたコードブック106等を生成する。
ここでシーンとは、画像の特色をいう。例えば風景の撮影画像であったり、医療用レントゲン画像であったり、或はアニメーション等である。風景の撮影画像の場合、そのピクセルパターンには中間色や中間輝度が多く現れる。一方、アニメーションの画像の場合、輪郭が明確であり、色彩や輝度がある境界で急激に変化する(エッジの効いた)ピクセルパターンが多く見受けられる。このように、画像にはそのシーンに応じた特色がある。
そこで、サンプル画像データ111はシーンに応じた画像が集められ、コードブック106等の基となる。どのようなシーンに対しても最適な超解像処理ができる万能なコードブック106等を作成することは困難であるが、シーンに最適化したコードブック106等を作成することで、超解像画像処理装置101が適用されるシーンに適したコードブック106等を与えることができる。勿論、複数のコードブック106等を用意して、超解像画像処理装置101がシーンに応じてコードブック106等を切り替えることで、シーンに最適な超解像画像処理を実現することができる。また、シーンを細分化すればするほど、そのシーンにより適合したコードブック106等を作成することができ、より再現度の高い超解像画像処理を実現することができる。
In FIG. 1, a specific implementation form of the code book creation device 110 is not specified, but since the code book creation device 110 is an arithmetic device that generates the code book 106 and the like from the sample image data 111, the super solution described above is used. Similar to the image processing apparatus 101, it can be implemented in various forms. The code book creation device 110 is realized by a program that is installed and executed on a personal computer, for example, and is provided at a production site such as a factory where the super-resolution image processing device 101 is manufactured. Is generated.
Here, the scene refers to the spot color of the image. For example, it is a photographed image of a landscape, a medical X-ray image, or an animation. In the case of a landscape image, many intermediate colors and intermediate brightness appear in the pixel pattern. On the other hand, in the case of an animation image, there are many pixel patterns with clear outlines and sharply changing (edge-effected) borders with certain colors and brightness. Thus, the image has a special color according to the scene.
Therefore, the sample image data 111 is a collection of images corresponding to the scene, and serves as a basis for the code book 106 and the like. Although it is difficult to create a universal code book 106 that can perform optimum super-resolution processing for any scene, super-resolution can be achieved by creating a code book 106 optimized for a scene. A code book 106 suitable for a scene to which the image processing apparatus 101 is applied can be provided. Of course, by preparing a plurality of code books 106 and the like, and the super resolution image processing apparatus 101 switching the code book 106 and the like according to the scene, it is possible to realize the super resolution image processing optimum for the scene. Further, as the scene is subdivided, the code book 106 and the like more suitable for the scene can be created, and super-resolution image processing with higher reproducibility can be realized.

コードブック106、第一主成分基底ベクトル107、第二主成分基底ベクトル108及び第三主成分基底ベクトル109は、その名称から明らかなように、周知の主成分分析を経て形成されている。このため、コードブック106と、第一主成分基底ベクトル107、第二主成分基底ベクトル108及び第三主成分基底ベクトル109は密接な関係を有する。この関係の詳細は、コードブック作成装置110の説明にて後述する。   The code book 106, the first principal component basis vector 107, the second principal component basis vector 108, and the third principal component basis vector 109 are formed through well-known principal component analysis, as is apparent from their names. For this reason, the code book 106, the first principal component basis vector 107, the second principal component basis vector 108, and the third principal component basis vector 109 have a close relationship. Details of this relationship will be described later in the description of the code book creation device 110.

なお、説明を容易にするために、これ以降の実施形態の説明では、コードブック作成装置110及び超解像画像処理装置101が取り扱う画像は白黒の静止画像であり、一つのピクセルは8ビットとする。このため、一つのピクセルは0〜255の輝度データである。   For ease of explanation, in the following description of the embodiments, the image handled by the codebook creation device 110 and the super-resolution image processing device 101 is a monochrome still image, and one pixel is 8 bits. To do. Therefore, one pixel is 0 to 255 luminance data.

[コードブック作成装置110:全体構成]
図2は、コードブック作成装置110の機能ブロック図である。
コードブックレコード作成部201は、一以上のサンプル画像データ111を読み込み、原コードブック202を作成する。これが、超解像画像処理に用いるコードブック106の基となる。
次に、レコード選定処理部203は評価用画像データ112を読み込み、原コードブック202から所定の条件を満たすレコードのみを選定して、コードブック106へ複写する。
次に、主成分分析処理部204は、コードブック106の全レコードの正規化低周波成分フィールドのデータを読み込み、周知の主成分分析を行い、第一主成分基底ベクトル107と、第二主成分基底ベクトル108と、第三主成分基底ベクトル109とを算出する。
また、主成分分析処理部204は、コードブック106の各レコードを、第一主成分値、第二主成分値及び第三主成分値でグルーピングする。
この主成分分析処理部204によって、コードブック106のレコードに、検索処理のための索引情報となるグループ番号が付与される。
なお、コードブック106のフィールド構成については図11にて後述する。
[Codebook creation device 110: overall configuration]
FIG. 2 is a functional block diagram of the code book creation device 110.
The code book record creation unit 201 reads one or more sample image data 111 and creates an original code book 202. This is the basis of the code book 106 used for super-resolution image processing.
Next, the record selection processing unit 203 reads the evaluation image data 112, selects only records satisfying a predetermined condition from the original code book 202, and copies them to the code book 106.
Next, the principal component analysis processing unit 204 reads the normalized low frequency component field data of all the records of the code book 106, performs a known principal component analysis, and performs the first principal component basis vector 107 and the second principal component analysis. A basis vector 108 and a third principal component basis vector 109 are calculated.
The principal component analysis processing unit 204 groups each record of the code book 106 by the first principal component value, the second principal component value, and the third principal component value.
The principal component analysis processing unit 204 assigns a group number serving as index information for search processing to the record of the code book 106.
The field configuration of the code book 106 will be described later with reference to FIG.

[コードブック作成装置110:フローチャート]
図3は、コードブック作成装置110によるコードブック作成処理のフローチャートである。
処理を開始すると(S301)、コードブックレコード作成部201はサンプル画像データ111を読み込み、原コードブック202を作成する(S302)。
次に、レコード選定処理部203は評価用画像データ112を読み込み、原コードブック202から所定の条件を満たすレコードのみを選定して、コードブック106へ複写する(S303)。
次に、主成分分析処理部204は、コードブック106の全レコードの正規化低周波成分フィールドのデータを読み込み、周知の主成分分析を行い、第一主成分基底ベクトル107と、第二主成分基底ベクトル108と、第三主成分基底ベクトル109とを算出した後、コードブック106の各レコードを、第一主成分値、第二主成分値及び第三主成分値でグルーピングして(S304)、一連の処理を終了する(S305)。
[Codebook creation apparatus 110: flowchart]
FIG. 3 is a flowchart of code book creation processing by the code book creation apparatus 110.
When the process is started (S301), the code book record creation unit 201 reads the sample image data 111 and creates the original code book 202 (S302).
Next, the record selection processing unit 203 reads the evaluation image data 112, selects only records satisfying a predetermined condition from the original code book 202, and copies them to the code book 106 (S303).
Next, the principal component analysis processing unit 204 reads the normalized low frequency component field data of all the records of the code book 106, performs a known principal component analysis, and performs the first principal component basis vector 107 and the second principal component analysis. After calculating the basis vector 108 and the third principal component basis vector 109, each record of the code book 106 is grouped by the first principal component value, the second principal component value, and the third principal component value (S304). The series of processes is terminated (S305).

[コードブックレコード作成部201:全体構成及びフローチャート]
図4は、コードブックレコード作成部201の機能ブロック図である。
図5は、コードブックレコード作成部201による、コードブックレコード作成処理の流れを示すフローチャートである。
以下、図5のフローチャートを説明しつつ、図4のブロック図を説明する。
処理を開始すると(S501)、縮小処理部401はサンプル画像データ111を読み込み、サンプル画像データ111を1/(k×k)倍に縮小して、縮小画像データ402を得る(S502)。
[Codebook record creation unit 201: overall configuration and flowchart]
FIG. 4 is a functional block diagram of the code book record creation unit 201.
FIG. 5 is a flowchart showing the flow of code book record creation processing by the code book record creation unit 201.
Hereinafter, the block diagram of FIG. 4 will be described while explaining the flowchart of FIG.
When the processing is started (S501), the reduction processing unit 401 reads the sample image data 111, reduces the sample image data 111 to 1 / (k × k) times, and obtains reduced image data 402 (S502).

次に、Bicubic拡大処理部403は縮小画像データ402を読み込み、周知のBicubicアルゴリズムにて拡大処理を行う(S503)。そして、エッジ領域判定部404はBicubic拡大処理部403が生成した拡大画像データから局所領域を抜き出して、局所領域内のピクセルデータに変動成分があるか否かを判定し、変動成分がある局所領域のみ抜き出して、サンプルBicubic画像データ405を生成する(S504)。
画像を拡大するアルゴリズムはBicubic法以外にも種々存在するが、本実施形態では、現在広く普及しているアルゴリズムの中で最もシャープな画像を得られる、という理由でBicubic法を採用している。
Next, the Bicubic enlargement processing unit 403 reads the reduced image data 402 and performs an enlargement process using a known Bicubic algorithm (S503). Then, the edge region determination unit 404 extracts a local region from the enlarged image data generated by the Bicubic enlargement processing unit 403, determines whether or not there is a variation component in the pixel data in the local region, and the local region with the variation component Only the sample Bicubic image data 405 is generated (S504).
Various algorithms for enlarging an image exist in addition to the Bicubic method, but in this embodiment, the Bicubic method is adopted because the sharpest image can be obtained among the currently widely used algorithms.

局所領域とは、本実施形態の超解像画像処理装置101及びコードブック作成装置で共通する、画像処理の単位である。膨大なピクセルデータの集合体である画像データを、微小な矩形範囲で区切って、縦pピクセル×横qピクセルの局所領域を構成する。本実施形態の超解像画像処理装置101及びコードブック作成装置110は、その矩形範囲に含まれるピクセルデータに対して、種々の演算処理を施す。一例として、本実施形態の場合は、縦5ピクセル、横5ピクセルの、合計25ピクセルで局所領域を構成する。   The local area is a unit of image processing that is common to the super-resolution image processing apparatus 101 and the code book creation apparatus of the present embodiment. Image data, which is an aggregate of enormous pixel data, is divided by a small rectangular area to form a local region of vertical p pixels × horizontal q pixels. The super-resolution image processing apparatus 101 and the code book creation apparatus 110 according to the present embodiment perform various arithmetic processes on the pixel data included in the rectangular range. As an example, in the case of the present embodiment, the local region is configured by a total of 25 pixels, that is, 5 pixels vertically and 5 pixels horizontally.

図6は、局所領域の取得方法を説明する概念図である。
コードブックレコード作成処理において、コードブックレコード作成部201は、局所領域を縦及び横に1ピクセルずつ移動して生成する。
FIG. 6 is a conceptual diagram illustrating a local area acquisition method.
In the code book record creation process, the code book record creation unit 201 generates the local area by moving the local area vertically and horizontally by one pixel.

図5に戻って説明を続ける。
次に、ノルムデータ演算部406はサンプルBicubic画像データ405を読み込み、局所領域毎にノルム(norm)を算出する。ノルムは周知の以下の式によって算出する。
Returning to FIG.
Next, the norm data calculation unit 406 reads the sample Bicubic image data 405 and calculates a norm for each local region. The norm is calculated by the following well-known formula.

つまり、各ピクセルの値(輝度値)を二乗して、それら二乗した値を全て加算した後、その加算値の平方根を求める。このノルムを、サンプルBicubic画像データ405に存在し得る全ての局所領域に対して演算して、ノルムデータ407を得る(S505)。
ノルムでサンプルBicubic画像データ405の局所領域を割ると、得られる値は0から1の間の値に収められる。つまり、絶対値の変化が相対値の変化に換算される。絶対値の変化を相対値の変化に換算することで、絶対値の異なる輝度の変化も輝度の相対的な変化に変換され、データの汎用性が向上する。これ以降、画像データをノルムで除算して得たデータを正規化画像データと呼ぶ。
除算器408はサンプルBicubic画像データ405とノルムデータ407を読み込み、局所領域毎に対応するノルムで除算して、正規化低周波成分409を得る(S506)。
That is, the value (luminance value) of each pixel is squared, and all the squared values are added, and then the square root of the added value is obtained. This norm is calculated for all local regions that may exist in the sample Bicubic image data 405 to obtain norm data 407 (S505).
When the local area of the sample Bicubic image data 405 is divided by the norm, the obtained value falls within a value between 0 and 1. That is, a change in absolute value is converted into a change in relative value. By converting the change in absolute value into the change in relative value, the change in luminance with different absolute values is also converted into the relative change in luminance, thereby improving the versatility of the data. Hereinafter, data obtained by dividing the image data by the norm is referred to as normalized image data.
The divider 408 reads the sample Bicubic image data 405 and norm data 407, and divides by the norm corresponding to each local region to obtain a normalized low frequency component 409 (S506).

本実施形態の超解像画像処理装置101は、処理対象となる画像データに対して、失われた高周波成分を推定して、局所領域毎に当てはめる。したがって、その前提としてコードブック106に高周波成分が含まれている必要がある。
図7は、画像の低周波成分と高周波成分の関係を説明する概略図である。
画像701を縮小すると、画像701に含まれている高周波成分が失われる。そして、縮小画像702を再び元の大きさに拡大すると、高周波成分が失われているために輪郭がぼやけた画像が生成される。これが、元の画像の低周波成分703である。この低周波成分703を元の画像701から減算すると、元の画像の高周波成分704が得られる。
The super-resolution image processing apparatus 101 of the present embodiment estimates a lost high-frequency component for image data to be processed and applies it to each local region. Therefore, the code book 106 needs to contain a high frequency component as a premise.
FIG. 7 is a schematic diagram illustrating the relationship between the low frequency component and the high frequency component of an image.
When the image 701 is reduced, high frequency components included in the image 701 are lost. When the reduced image 702 is enlarged again to the original size, an image with a blurred outline is generated because the high-frequency component is lost. This is the low frequency component 703 of the original image. By subtracting this low frequency component 703 from the original image 701, a high frequency component 704 of the original image is obtained.

図4及び図5に戻って説明を続ける。
図7で説明したように、加算器410によってサンプル画像データ111からサンプルBicubic画像データ405を減算すると、サンプル画像データ111の高周波成分411が得られる(S507)。なお、この減算処理において、エッジ領域判定部404で除外された領域は演算の対象外である。
さて、先にステップS506において、低周波成分をノルムで正規化した。これと同じ処理を高周波成分にも施す必要がある。そこで、除算器412は高周波成分411とノルムデータ407を読み込み、局所領域毎に対応するノルムで除算して、正規化高周波成分413を得る(S508)。
最後に、ラスタスキャン処理部414は、ステップS506で得られた正規化低周波成分409と、ステップS508で得られた正規化高周波成分413を、共通する局所領域毎にレコードとして組み合わせることで原コードブック202を作成して(S509)、一連の処理を終了する(S510)。
Returning to FIG. 4 and FIG.
As described with reference to FIG. 7, when the sample Bicubic image data 405 is subtracted from the sample image data 111 by the adder 410, a high frequency component 411 of the sample image data 111 is obtained (S507). In this subtraction process, the area excluded by the edge area determination unit 404 is not subject to calculation.
In step S506, the low frequency component is normalized by the norm. It is necessary to perform the same process on the high frequency component. Therefore, the divider 412 reads the high frequency component 411 and the norm data 407, and divides by the norm corresponding to each local region to obtain the normalized high frequency component 413 (S508).
Finally, the raster scan processing unit 414 combines the normalized low-frequency component 409 obtained in step S506 and the normalized high-frequency component 413 obtained in step S508 as a record for each common local region. A book 202 is created (S509), and a series of processing ends (S510).

[レコード選定処理部203:全体構成及びフローチャート]
コードブックレコード作成部201によって作成された原コードブック202は膨大なレコード数を有する。しかし、このレコード数のうち、実際に実用的な結果を得るレコードは極めて少数である。発明者が試算したところ、原コードブックで実用に耐えうるレコードはおよそ3%程度であった。そこで、評価用の画像データを用いて、超解像画像処理を試してみて、使えるレコードだけを抽出する処理を行う。これがレコード選定処理部203の役割である。
図8は、レコード選定処理部203の機能ブロック図である。
図9及び図10は、レコード選定処理部203による、レコード選定処理の流れを示すフローチャートである。
以下、図9及び図10のフローチャートを説明しつつ、図8のブロック図を説明する。
処理を開始すると(S901)、縮小処理部401はサンプル画像データ111とは異なる評価用画像データ112を読み込み、評価用画像データ112を1/(k×k)倍に縮小して、評価用縮小画像データ801を得る(S902)。
[Record Selection Processing Unit 203: Overall Configuration and Flowchart]
The original code book 202 created by the code book record creation unit 201 has an enormous number of records. However, of this number of records, there are very few records that actually obtain practical results. As a result of calculation by the inventor, about 3% of records that can withstand practical use in the original codebook were found. Thus, the super-resolution image processing is tried using the image data for evaluation, and only usable records are extracted. This is the role of the record selection processing unit 203.
FIG. 8 is a functional block diagram of the record selection processing unit 203.
9 and 10 are flowcharts showing the flow of record selection processing by the record selection processing unit 203. FIG.
Hereinafter, the block diagram of FIG. 8 will be described while explaining the flowcharts of FIGS. 9 and 10.
When the processing is started (S901), the reduction processing unit 401 reads the evaluation image data 112 different from the sample image data 111, reduces the evaluation image data 112 to 1 / (k × k) times, and reduces the evaluation. Image data 801 is obtained (S902).

次に、Bicubic拡大処理部403は評価用縮小画像データ801を読み込み、周知のBicubicアルゴリズムにて拡大処理を行う(S903)。そして、エッジ領域判定部404はBicubic拡大処理部403が生成した拡大画像データから局所領域を抜き出して、局所領域内のピクセルデータに変動成分があるか否かを判定し、変動成分がある局所領域のみ抜き出して、評価用Bicubic画像データ802を生成する(S904)。ここで、拡大処理に用いるアルゴリズムは、画像の再現性を高めるため、先に説明したコードブックレコード作成部201のBicubic拡大処理部403と同じアルゴリズムを用いる必要がある。   Next, the Bicubic enlargement processing unit 403 reads the evaluation reduced image data 801 and performs enlargement processing using a known Bicubic algorithm (S903). Then, the edge region determination unit 404 extracts a local region from the enlarged image data generated by the Bicubic enlargement processing unit 403, determines whether or not there is a variation component in the pixel data in the local region, and the local region with the variation component Only the image data 802 for evaluation is generated (S904). Here, the algorithm used for the enlargement processing needs to use the same algorithm as that of the Bicubic enlargement processing unit 403 of the code book record creation unit 201 described above in order to improve the reproducibility of the image.

これ以降はループ処理である。
先ず、図示しない制御部は、カウンタ変数iを1に設定する(S905)。このカウンタ変数iは、評価用Bicubic画像データ802が有する局所領域の数を最大数とする。
次に、局所領域抽出部803は評価用Bicubic画像データ802からi番目の局所領域のデータを抜き出して、評価用局所領域低周波成分804を得る(S906)。この局所領域は、先にコードブックレコード作成処理にて説明した局所領域と同一の形態(縦pピクセル×横qピクセル)である。本実施形態の場合は、5×5ピクセルである。
Subsequent processing is loop processing.
First, a control unit (not shown) sets a counter variable i to 1 (S905). The counter variable i is set to the maximum number of local regions included in the evaluation bicubic image data 802.
Next, the local region extraction unit 803 extracts data of the i-th local region from the evaluation bicubic image data 802, and obtains an evaluation local region low-frequency component 804 (S906). This local area has the same form (vertical p pixels × horizontal q pixels) as the local area described above in the code book record creation process. In the case of this embodiment, it is 5 × 5 pixels.

次に、ノルム演算部805は評価用局所領域低周波成分804を読み込み、評価用局所領域ノルム806を算出する(S907)。
次に、除算器807は評価用局所領域低周波成分804を評価用局所領域ノルム806で除算して、評価用局所領域正規化低周波成分808を得る(S908)。
Next, the norm calculation unit 805 reads the evaluation local region low-frequency component 804 and calculates the evaluation local region norm 806 (S907).
Next, the divider 807 divides the evaluation local region low frequency component 804 by the evaluation local region norm 806 to obtain the evaluation local region normalized low frequency component 808 (S908).

ステップS908にて、除算器807によって算出された評価用局所領域正規化低周波成分808は、原コードブック202に含まれるレコードの正規化低周波成分フィールドの値と対応する。つまり、評価用局所領域正規化低周波成分808に対して最も近い値を持つ、正規化低周波成分フィールドの値のレコードの、正規化高周波成分フィールドの値が、超解像画像処理のために求めたい正規化高周波成分となる。そこで、SSD探索処理部809は評価用局所領域正規化低周波成分808を読み込み、評価用局所領域正規化低周波成分808と、原コードブック202に存在する全てのレコードの正規化低周波成分フィールドの値との距離を算出し、最も近いレコードを特定する(S909)。
SSD探索処理部809は、周知のSSD(Sum of Squared Difference)にて、画像の類似度を算出する。具体的には以下の式(2)である。
In step S 908, the evaluation local region normalized low frequency component 808 calculated by the divider 807 corresponds to the value of the normalized low frequency component field of the record included in the original codebook 202. That is, the value of the normalized high-frequency component field of the record of the value of the normalized low-frequency component field having the closest value to the local region normalized low-frequency component 808 for evaluation is used for super-resolution image processing. This is the normalized high frequency component to be obtained. Therefore, the SSD search processing unit 809 reads the evaluation local region normalized low frequency component 808, and the evaluation local region normalized low frequency component 808 and the normalized low frequency component field of all records existing in the original codebook 202. The distance to the value is calculated, and the closest record is specified (S909).
The SSD search processing unit 809 calculates image similarity using a well-known SSD (Sum of Squared Difference). Specifically, it is the following formula (2).

すなわち、比較対象の局所領域同士の、同じ位置に存在するピクセル同士の輝度を減算して二乗し、その二乗値の合計を算出する。比較する二つの画像データが全く同じ画像であれば、最小値「0」となる。この演算処理を原コードブック202に存在する全てのレコードの正規化低周波成分フィールドに対して行い、最も小さい値のレコードを特定する。   That is, the luminance of pixels existing at the same position in the comparison target local areas is subtracted and squared, and the sum of the square values is calculated. If the two image data to be compared are exactly the same image, the minimum value is “0”. This calculation process is performed on the normalized low frequency component fields of all records existing in the original codebook 202, and the record having the smallest value is specified.

図10にてフローチャートの説明を続ける。
次に、乗算器810はステップS909で特定された原コードブック202のレコードにおける正規化高周波成分フィールドの値と、ステップS907にて算出した評価用局所領域ノルム806を乗算して、局所領域高周波成分を得る(S1010)。
次に、加算器811はステップS1010にて乗算器810が算出した局所領域高周波成分と、ステップS906にて得た評価用局所領域低周波成分804とを加算して、評価用局所領域超解像データ812を得る(S1011)。
The description of the flowchart is continued in FIG.
Next, the multiplier 810 multiplies the value of the normalized high frequency component field in the record of the original codebook 202 specified in step S909 by the evaluation local region norm 806 calculated in step S907, and thereby local region high frequency component. Is obtained (S1010).
Next, the adder 811 adds the local region high frequency component calculated by the multiplier 810 in step S1010 and the evaluation local region low frequency component 804 obtained in step S906, and evaluates the local region super-resolution. Data 812 is obtained (S1011).

ステップS1011で、原コードブック202のレコードを基に、評価用局所領域超解像データ812を得た。一方、評価用画像データ112が存在するので、この時点で評価用画像データ112に含まれる本当の高周波成分と、超解像画像処理にて使用した原コードブック202内のレコードにおける正規化高周波成分フィールドの値との類似性を確認することができる。そこで、RMSE演算部813は、評価用局所領域超解像データ812と、評価用画像データ112と、局所領域抽出部803からi番目の局所領域に対応する評価用画像データ112内のアドレスを得て、局所領域同士の類似度を演算する(S1012)。
RMSE演算部813は、周知のRMSE演算値(Root Mean Square Error)を算出する。RMSEとは以下の式(3)に示すように、先に説明したSSDの平方根である。RMSEの意味は、統計学の標準偏差と同じ指標であり、原画像とのピクセル単位での誤差を表す。
In step S 1011, evaluation local region super-resolution data 812 is obtained based on the records of the original code book 202. On the other hand, since the evaluation image data 112 exists, the real high frequency component included in the evaluation image data 112 at this time and the normalized high frequency component in the record in the original codebook 202 used in the super-resolution image processing. Similarity with the value of the field can be confirmed. Therefore, the RMSE calculation unit 813 obtains the evaluation local region super-resolution data 812, the evaluation image data 112, and the address in the evaluation image data 112 corresponding to the i-th local region from the local region extraction unit 803. Then, the similarity between the local regions is calculated (S1012).
The RMSE calculation unit 813 calculates a known RMSE calculation value (Root Mean Square Error). RMSE is the square root of the SSD described above, as shown in the following equation (3). The meaning of RMSE is the same index as the standard deviation of statistics, and represents an error in pixels from the original image.

次に、コンパレータ814はRMSE演算部813が算出したRMSE演算値を、RMSE閾値815と比較して、論理値の比較結果を出力する(S1014)。本実施形態の場合、RMSE閾値815は「5」である。RMSEが「5」とは、原画像と超解像画像との誤差が1ピクセルあたり5(画素値)、ずれていることを意味する。
もし、RMSE閾値815の比較結果が、RMSE閾値815よりRMSE演算値が小さいと判定した場合(S1014のYES)、レコード複写処理部816はRMSE閾値815の比較結果である論理の「真」を受けて、ステップS909で特定した原コードブック202のレコードを、コードブック106へ複写する(S1015)。
逆に、RMSE閾値815の比較結果が、RMSE演算値がRMSE閾値815以上であると判定した場合(S1014のNO)、レコード複写処理部816はRMSE閾値815の比較結果である論理の「偽」を受けて、動作しない。したがって、ステップS909で特定した原コードブック202のレコードは、コードブック106へ複写されない。
Next, the comparator 814 compares the RMSE calculation value calculated by the RMSE calculation unit 813 with the RMSE threshold value 815, and outputs a logical value comparison result (S1014). In the present embodiment, the RMSE threshold value 815 is “5”. The RMSE of “5” means that the error between the original image and the super-resolution image is shifted by 5 (pixel value) per pixel.
If the comparison result of the RMSE threshold 815 determines that the RMSE calculation value is smaller than the RMSE threshold 815 (YES in S1014), the record copy processing unit 816 receives the logical “true” that is the comparison result of the RMSE threshold 815. Then, the record of the original code book 202 identified in step S909 is copied to the code book 106 (S1015).
Conversely, when the comparison result of the RMSE threshold value 815 determines that the RMSE operation value is equal to or greater than the RMSE threshold value 815 (NO in S1014), the record copy processing unit 816 has a logical “false” that is the comparison result of the RMSE threshold value 815. In response, does not work. Therefore, the record of the original code book 202 identified in step S909 is not copied to the code book 106.

ステップS1015の後、或はステップS1014にてRMSE演算値がRMSE閾値815以上であると判定した場合(S1014のNO)の、何れの場合でも、次に図示しない制御部は、カウンタ変数iを1インクリメントする(S1016)。そして、図示しない制御部は、カウンタ変数が最大値、つまり局所領域の最大数を超えたか否か、確認する(S1017)。未だ超えていなければ(S1017のNO)、再び図9のステップS906から処理を繰り返す。
カウンタ変数が最大値、つまり局所領域の最大数に達していれば(S1017のYES)、図示しない制御部は一連の処理を終了する(S1018)。
In any case after step S1015 or when it is determined in step S1014 that the RMSE calculation value is equal to or greater than the RMSE threshold value 815 (NO in S1014), the control unit (not shown) next sets the counter variable i to 1. Increment (S1016). Then, the control unit (not shown) checks whether or not the counter variable exceeds the maximum value, that is, the maximum number of local regions (S1017). If not exceeded yet (NO in S1017), the process is repeated from step S906 in FIG.
If the counter variable has reached the maximum value, that is, the maximum number of local areas (YES in S1017), the control unit (not shown) ends a series of processes (S1018).

[主成分分析処理部204:フローチャートと処理の概要]
超解像画像処理装置101は、入力画像データ104から局所領域を抜き出して、コードブック106を検索する。検索の際、最終的にはベクトルの類似度を計算して、最も類似するレコードを選択する。本実施形態の場合、5×5=25ピクセルであり、変数の数が多い。変数が多い、ということは演算ステップ数が多いことを意味し、検索速度の低下に繋がる。
そこで、変数の数を低減させて、演算ステップ数を削減するために、主成分分析を用いる。主成分分析を用いれば、ベクトルをスカラ値に変換できるので、インデキシングが容易になり、コードブック106の検索速度を向上できる。
[Principal component analysis processing unit 204: Overview of flowchart and processing]
The super-resolution image processing apparatus 101 extracts a local area from the input image data 104 and searches the code book 106. In the search, finally, the similarity of vectors is calculated, and the most similar record is selected. In the present embodiment, 5 × 5 = 25 pixels, and the number of variables is large. A large number of variables means that there are a large number of calculation steps, which leads to a decrease in search speed.
Therefore, principal component analysis is used to reduce the number of variables and the number of calculation steps. If principal component analysis is used, a vector can be converted into a scalar value, so that indexing is facilitated and the search speed of the code book 106 can be improved.

図11は、主成分分析処理部204が実施する処理とデータとの関係を示す概略図である。
コードブック106は、原コードブック202から複写した正規化低周波成分フィールドと、正規化高周波成分フィールドの他、第一主成分値フィールドと、第一主成分グループ番号フィールドと、第二主成分値フィールドと、第二主成分グループ番号フィールドと、第三主成分値フィールドと、第三主成分グループ番号フィールドとよりなる。主成分分析処理部204は、コードブック106の全レコードの正規化低周波成分409から、図12に示す演算処理を行って、第一主成分値フィールドと、第一主成分グループ番号フィールドと、第二主成分値フィールドと、第二主成分グループ番号フィールドと、第三主成分値フィールドと、第三主成分グループ番号フィールドに値を記入すると共に、第一主成分基底ベクトル107と、第二主成分基底ベクトル108と、第三主成分基底ベクトル109とを算出する。
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a relationship between processing performed by the principal component analysis processing unit 204 and data.
The code book 106 includes a normalized low-frequency component field copied from the original code book 202, a normalized high-frequency component field, a first principal component value field, a first principal component group number field, and a second principal component value. The field includes a field, a second principal component group number field, a third principal component value field, and a third principal component group number field. The principal component analysis processing unit 204 performs the arithmetic processing shown in FIG. 12 from the normalized low frequency components 409 of all the records of the code book 106, and a first principal component value field, a first principal component group number field, Enter values in the second principal component value field, the second principal component group number field, the third principal component value field, and the third principal component group number field, the first principal component basis vector 107, A principal component basis vector 108 and a third principal component basis vector 109 are calculated.

図12は、主成分分析処理部204による、主成分分析処理の流れを示すフローチャートである。
処理を開始すると(S1201)、先ず主成分分析処理部204は、コードブック106の全レコードの正規化低周波成分フィールドの値に、周知の主成分分析を行い、第一主成分基底ベクトル107を算出する(S1202)。周知のように、第一主成分基底ベクトル107は第一主成分軸を表し、その起点が主成分分析の対象となるデータの特徴を最も表す基底ベクトルである。
FIG. 12 is a flowchart showing the flow of principal component analysis processing by the principal component analysis processing unit 204.
When the process is started (S1201), first, the principal component analysis processing unit 204 performs a known principal component analysis on the normalized low frequency component field values of all the records of the code book 106 to obtain the first principal component basis vector 107. Calculate (S1202). As is well known, the first principal component basis vector 107 represents the first principal component axis, and its starting point is the basis vector that most represents the feature of the data to be subjected to principal component analysis.

次に主成分分析処理部204は、コードブック106の全レコードの正規化低周波成分フィールドの値と、ステップS1202にて求めた第一主成分基底ベクトル107とを内積演算器1101にて内積演算して第一主成分値を得て、これをレコード毎に記録する(S1203)。
次に主成分分析処理部204は、コードブック106の全レコードの第一主成分値について所定のレコード数でグルーピングし、第一主成分グループ番号をレコード毎に記録する(S1204)。
Next, the principal component analysis processing unit 204 calculates an inner product operation with the inner product calculator 1101 between the normalized low frequency component field values of all the records of the code book 106 and the first principal component basis vector 107 obtained in step S1202. The first principal component value is obtained and recorded for each record (S1203).
Next, the principal component analysis processing unit 204 groups the first principal component values of all the records of the code book 106 with a predetermined number of records, and records the first principal component group number for each record (S1204).

次に主成分分析処理部204は、先に実行した主成分分析の結果から、第一主成分軸と直交する第二主成分基底ベクトル108を取得する(S1205)。第一主成分基底ベクトル107と同様、第二主成分基底ベクトル108も第二主成分軸を表し、第一主成分基底ベクトルに直交するベクトルの中で、最もデータの特徴を捉える基底ベクトルである。   Next, the principal component analysis processing unit 204 acquires a second principal component basis vector 108 orthogonal to the first principal component axis from the result of the principal component analysis performed previously (S1205). Similar to the first principal component basis vector 107, the second principal component basis vector 108 also represents the second principal component axis and is the basis vector that captures the most characteristic of the data among the vectors orthogonal to the first principal component basis vector. .

次に主成分分析処理部204は、コードブック106の全レコードの正規化低周波成分フィールドの値と、ステップS1205にて求めた第二主成分基底ベクトル108とを内積演算器1102にて内積演算して第二主成分値を得て、これをレコード毎に記録する(S1206)。
次に主成分分析処理部204は、コードブック106の第一主成分グループ番号が同じレコードの第二主成分値について所定のレコード数でグルーピングし、第二主成分グループ番号をレコード毎に記録する(S1207)。つまり、第一主成分グループ番号が同じレコードを、第二主成分グループ番号で更に細分化する。
Next, the principal component analysis processing unit 204 calculates an inner product operation by the inner product computing unit 1102 between the normalized low frequency component field values of all the records of the code book 106 and the second principal component basis vector 108 obtained in step S1205. Then, the second principal component value is obtained and recorded for each record (S1206).
Next, the principal component analysis processing unit 204 groups the second principal component values of the records having the same first principal component group number in the code book 106 with a predetermined number of records, and records the second principal component group number for each record. (S1207). That is, records having the same first principal component group number are further subdivided by the second principal component group number.

次に主成分分析処理部204は、先に実行した主成分分析の結果から、第一主成分軸及び第二主成分軸と直交する第三主成分基底ベクトル109を取得する(S1208)。第一主成分基底ベクトル107と同様、第三主成分基底ベクトル109も第三主成分軸を表し、第一、第二主成分ベクトルに直交するベクトルの中で最もデータの特徴を捉える基底ベクトルである。   Next, the principal component analysis processing unit 204 acquires a third principal component basis vector 109 orthogonal to the first principal component axis and the second principal component axis from the result of the principal component analysis performed previously (S1208). Similar to the first principal component basis vector 107, the third principal component basis vector 109 also represents the third principal component axis, and is the basis vector that captures the most characteristic of the data among the vectors orthogonal to the first and second principal component vectors. is there.

次に主成分分析処理部204は、コードブック106の全レコードの正規化低周波成分フィールドの値と、ステップS1208にて求めた第三主成分基底ベクトル109とを内積演算器1103にて内積演算して第三主成分値を得て、これをレコード毎に記録する(S1209)。
次に主成分分析処理部204は、コードブック106の第一主成分グループ番号及び第二主成分グループ番号が同じレコードの第三主成分値について所定のレコード数でグルーピングし、第三主成分グループ番号をレコード毎に記録する(S1210)。つまり、第一主成分グループ番号及び第二主成分グループ番号が同じレコードを、第三主成分グループ番号で更に細分化する。そして、一連の処理を終了する(S1211)。
Next, the principal component analysis processing unit 204 performs an inner product operation on the normalized low frequency component field values of all the records in the code book 106 and the third principal component basis vector 109 obtained in step S1208 by the inner product calculator 1103. Then, the third principal component value is obtained and recorded for each record (S1209).
Next, the principal component analysis processing unit 204 groups the third principal component values of the records having the same first principal component group number and second principal component group number in the code book 106 by a predetermined number of records, A number is recorded for each record (S1210). That is, records having the same first principal component group number and second principal component group number are further subdivided by the third principal component group number. Then, a series of processing ends (S1211).

図13(a)、(b)、(c)及び(d)、図14(e)及び(f)は、主成分分析処理部204による主成分分析処理の処理内容を説明する概略図である。
図13(a)は主成分分析の対象となる正規化低周波成分409の概念図である。本来なら正規化低周波成分409は5×5ピクセルの25個のスカラ値の集合体、つまり25次元ベクトルであるが、仮に二次元であるものとして図示する。ある座標系内に、正規化低周波成分409は各々が任意の位置に存在している。
主成分分析とは、これらのデータに対し、最も分散が大きい軸を見つける。この軸が第一主成分軸である。図12のステップS1202の処理に該当する。
FIGS. 13A, 13 </ b> B, 13 </ b> C, 13 </ b> D, 14 </ b> E, and 14 </ b> F are schematic diagrams for explaining the processing content of the principal component analysis processing by the principal component analysis processing unit 204. .
FIG. 13A is a conceptual diagram of a normalized low frequency component 409 that is a target of principal component analysis. Originally, the normalized low-frequency component 409 is an aggregate of 25 scalar values of 5 × 5 pixels, that is, a 25-dimensional vector, but is assumed to be two-dimensional. Within a certain coordinate system, each of the normalized low frequency components 409 exists at an arbitrary position.
Principal component analysis finds the axis with the largest variance for these data. This axis is the first principal component axis. This corresponds to the processing in step S1202 of FIG.

図13(b)は、図13(a)の図を第一主成分軸から見た概念図である。第一主成分軸から各々のデータを見ると、最もデータがばらけて見える。つまり、第一主成分軸は、各データの第一主成分軸上の値(第一主成分値)の最小値から最大値迄の距離が最大である。
第一主成分値は、各々のデータと第一主成分基底ベクトル107とを内積演算して得る(図12のステップS1203)。そして、第一主成分値の出現頻度を縦軸に取ると、図13(c)のように出現頻度の偏りが観察できる。そこで、この出現頻度のグラフを図13(d)のように等面積に分割して、番号を付与する。これが、図12のステップS1204の処理である。
FIG. 13B is a conceptual diagram when the diagram of FIG. 13A is viewed from the first principal component axis. Looking at each data from the first principal component axis, the data appears to be the most scattered. That is, the first principal component axis has the maximum distance from the minimum value to the maximum value on the first principal component axis of each data (first principal component value).
The first principal component value is obtained by calculating the inner product of each data and the first principal component basis vector 107 (step S1203 in FIG. 12). Then, when the appearance frequency of the first principal component value is taken on the vertical axis, an uneven appearance frequency can be observed as shown in FIG. Therefore, this appearance frequency graph is divided into equal areas as shown in FIG. This is the process of step S1204 in FIG.

図14にて主成分分析処理の説明を続ける。
図14(e)は、第一主成分軸、第二主成分軸及び第三主成分軸にて形成される固有空間の概念図である。図12のステップS1210迄処理を進めると、データの集合は第一主成分軸、第二主成分軸及び第三主成分軸で区切られ、等しい要素数の集合が形成される。
コードブック106のレコードが属するグループは、第一主成分値の範囲と、第二主成分値の範囲と、第三主成分値の範囲とを有する。図14(f)に示すように、この主成分値の範囲が、ツリー検索にてレコードを絞り込むために用いられる。
The description of the principal component analysis process will be continued in FIG.
FIG. 14E is a conceptual diagram of the eigenspace formed by the first principal component axis, the second principal component axis, and the third principal component axis. When the processing proceeds to step S1210 in FIG. 12, the data set is divided by the first principal component axis, the second principal component axis, and the third principal component axis, and a set having the same number of elements is formed.
The group to which the record of the code book 106 belongs has a first principal component value range, a second principal component value range, and a third principal component value range. As shown in FIG. 14F, this range of principal component values is used to narrow down records by tree search.

[超解像画像処理装置101:フローチャートと処理の概要]
図15は、超解像画像処理装置101の機能ブロック図である。
図16及び図17は、超解像画像処理装置101による、超解像画像処理の流れを示すフローチャートである。
以下、図16及び図17のフローチャートを説明しつつ、図15のブロック図を説明する。
処理を開始すると(S1601)、Bicubic拡大処理部1501は入力画像データ104を読み込み、周知のBicubicアルゴリズムにて拡大処理を行い、入力Bicubic画像データ1502を生成する(S1602)。
[Super-Resolution Image Processing Device 101: Overview of Flowchart and Processing]
FIG. 15 is a functional block diagram of the super-resolution image processing apparatus 101.
16 and 17 are flowcharts illustrating the flow of super-resolution image processing by the super-resolution image processing apparatus 101.
Hereinafter, the block diagram of FIG. 15 will be described with reference to the flowcharts of FIGS. 16 and 17.
When the process is started (S1601), the Bicubic enlargement processing unit 1501 reads the input image data 104, performs an enlargement process using a known Bicubic algorithm, and generates input Bicubic image data 1502 (S1602).

これ以降はループ処理である。
先ず、図示しない制御部は、カウンタ変数iを1に設定する(S1603)。このカウンタ変数iは、入力Bicubic画像データ1502が有する局所領域の数を最大数とする。なお、超解像画像処理装置101における局所領域の採り方は、図6で説明した重複を有する方法とは異なり、重複を有さないタイル状の採り方である。重複を排除することで、超解像画像処理装置101の処理ステップ数を低減させることができる。
Subsequent processing is loop processing.
First, a control unit (not shown) sets a counter variable i to 1 (S1603). The counter variable i has the maximum number of local regions included in the input Bicubic image data 1502. Note that the method of adopting a local region in the super-resolution image processing apparatus 101 is a tile-shaped method having no overlap unlike the method having overlap described with reference to FIG. By eliminating duplication, the number of processing steps of the super-resolution image processing apparatus 101 can be reduced.

次に、局所領域抽出部1503は入力Bicubic画像データ1502からi番目の局所領域のデータを抜き出して、入力局所領域低周波成分1504を得る(S1604)。この局所領域は、先にコードブックレコード作成処理にて説明した局所領域と同一の形態(縦pピクセル×横qピクセル)である。本実施形態の場合は、5×5ピクセルである。   Next, the local region extraction unit 1503 extracts the data of the i-th local region from the input bicubic image data 1502 to obtain the input local region low frequency component 1504 (S1604). This local area has the same form (vertical p pixels × horizontal q pixels) as the local area described above in the code book record creation process. In the case of this embodiment, it is 5 × 5 pixels.

次に、ノルム演算部1505は入力局所領域低周波成分1504を読み込み、入力局所領域ノルム1506を算出する(S1605)。
次に、除算器1507は入力局所領域低周波成分1504を入力局所領域ノルム1506で除算して、入力局所領域正規化低周波成分1508を得る(S1606)。
Next, the norm calculation unit 1505 reads the input local region low frequency component 1504 and calculates the input local region norm 1506 (S1605).
Next, the divider 1507 divides the input local region low frequency component 1504 by the input local region norm 1506 to obtain an input local region normalized low frequency component 1508 (S1606).

ステップS1606にて、除算器1507によって算出された入力局所領域正規化低周波成分1508は、コードブック106に含まれるレコードの正規化低周波成分と対応する。つまり、入力局所領域正規化低周波成分1508に対して最も近い値を持つ、正規化低周波成分フィールドの値のレコードの正規化高周波成分が、超解像画像処理のために求めたい正規化高周波成分となる。
先に図11及び図12にて説明したように、コードブック106には主成分分析を用いたインデキシングが施されている。そこで、入力局所領域正規化低周波成分1508から第一主成分値、第二主成分値及び第三主成分値を算出する。
第一内積演算器1509は、入力局所領域正規化低周波成分1508と第一主成分基底ベクトル107と内積演算して、第一主成分値を得る(S1607)。
第二内積演算器1510は、入力局所領域正規化低周波成分1508と第二主成分基底ベクトル108と内積演算して、第二主成分値を得る(S1608)。
第三内積演算器1511は、入力局所領域正規化低周波成分1508と第三主成分基底ベクトル109と内積演算して、第三主成分値を得る(S1609)。
In step S 1606, the input local region normalized low frequency component 1508 calculated by the divider 1507 corresponds to the normalized low frequency component of the record included in the code book 106. That is, the normalized high-frequency component of the record of the value of the normalized low-frequency component field having the closest value to the input local region normalized low-frequency component 1508 is the normalized high-frequency to be obtained for super-resolution image processing. Become an ingredient.
As described above with reference to FIGS. 11 and 12, the code book 106 is indexed using principal component analysis. Therefore, the first principal component value, the second principal component value, and the third principal component value are calculated from the input local region normalized low frequency component 1508.
The first inner product calculator 1509 calculates the inner product of the input local region normalized low frequency component 1508 and the first principal component basis vector 107 to obtain a first principal component value (S1607).
The second inner product calculator 1510 calculates the inner product of the input local region normalized low frequency component 1508 and the second principal component basis vector 108 to obtain a second principal component value (S1608).
The third inner product calculator 1511 calculates the inner product of the input local region normalized low frequency component 1508 and the third principal component basis vector 109 to obtain a third principal component value (S1609).

図17にてフローチャートの説明を続ける。
ツリー探索部1512は、第一内積演算器1509が算出した第一主成分値と、第二内積演算器1510が算出した第二主成分値と、第三内積演算器1511が算出した第三主成分値とを用いて、コードブック106をツリー検索して、入力局所領域正規化低周波成分1508に最も近い値を有するレコードのグループ(レコード群)を特定し、ベクトル類似度演算部1513に当該レコード群を指すアドレス情報を引き渡す(S1710)。
The description of the flowchart is continued in FIG.
The tree search unit 1512 includes a first principal component value calculated by the first dot product calculator 1509, a second principal component value calculated by the second dot product calculator 1510, and a third principal value calculated by the third dot product calculator 1511. Using the component values, the code book 106 is tree-searched to identify a group of records (record group) having a value closest to the input local region normalized low frequency component 1508, and the vector similarity calculation unit 1513 The address information indicating the record group is delivered (S1710).

ベクトル類似度演算部1513は、ツリー探索部1512から引き渡されたレコード群のアドレス情報を得て、レコード群に属する全てのレコードの正規化低周波成分フィールドの値と、入力局所領域正規化低周波成分1508とのSSDを演算し、最も近いレコードを特定する(S1711)。
ステップS1711にて、ベクトル類似度演算部1513がレコードを特定することで、超解像画像処理に必要な当該レコードの正規化高周波成分1514を得ることができる。乗算器1515は、ベクトル類似度演算部1513が特定したレコードの正規化高周波成分1514と、ステップS1605にてノルム演算部1505が算出した入力局所領域ノルム1506を乗算して、局所領域高周波成分1516を算出する(S1712)。
The vector similarity calculation unit 1513 obtains the address information of the record group delivered from the tree search unit 1512, the values of the normalized low frequency component fields of all records belonging to the record group, and the input local region normalized low frequency The SSD with the component 1508 is calculated to identify the closest record (S1711).
In step S1711, the vector similarity calculation unit 1513 identifies the record, whereby the normalized high-frequency component 1514 of the record necessary for super-resolution image processing can be obtained. The multiplier 1515 multiplies the normalized high frequency component 1514 of the record specified by the vector similarity calculation unit 1513 by the input local region norm 1506 calculated by the norm calculation unit 1505 in step S1605 to obtain the local region high frequency component 1516. Calculate (S1712).

加算器1517は、乗算器1515が算出した局所領域高周波成分1516と、ステップS1604にて局所領域抽出部1503が出力した入力局所領域低周波成分1504を加算して、局所領域超解像画像データ1518を作成する(S1713)。そして、結合処理部1519は局所領域抽出部1503からi番目の局所領域に対応するアドレス情報を得て、図示しないRAM上に局所領域超解像画像データ1518を配置する(S1714)。   The adder 1517 adds the local region high-frequency component 1516 calculated by the multiplier 1515 and the input local region low-frequency component 1504 output from the local region extraction unit 1503 in step S1604, and local region super-resolution image data 1518. Is created (S1713). Then, the combination processing unit 1519 obtains address information corresponding to the i-th local region from the local region extraction unit 1503, and places the local region super-resolution image data 1518 on a RAM (not shown) (S1714).

次に、図示しない制御部は、カウンタ変数iを1インクリメントする(S1715)。そして、図示しない制御部は、カウンタ変数iが局所領域の最大値を超えたか否か、確認する(S1716)。未だ超えていなければ(S1716のNO)、再び図16のステップS1604から処理を繰り返す。
カウンタ変数iが局所領域の最大値を超えていれば(S1716のYES)、一連の処理を終了する(S1717)。
ステップS1717の時点で、図示しないRAM上には超解像画像データである出力画像データ105が形成される。
Next, the control unit (not shown) increments the counter variable i by 1 (S1715). Then, the control unit (not shown) checks whether or not the counter variable i has exceeded the maximum value of the local region (S1716). If not exceeded yet (NO in S1716), the process is repeated from step S1604 of FIG.
If the counter variable i exceeds the maximum value of the local area (YES in S1716), the series of processes is terminated (S1717).
At step S1717, output image data 105, which is super-resolution image data, is formed on a RAM (not shown).

本実施形態は、以下のような応用例が考えられる。
(1)上述の実施形態では、白黒の静止画を対象とする装置を説明したが、超解像画像処理装置101の入力画像データ104(ソース)は動画像であってもよい。この場合、評価の対象となる局所領域は時間軸を考慮したものとなる。例えば、時間軸上で隣り合う2枚の画像を対象にして、縦pピクセル×横qピクセル×rサンプル数を局所領域の単位とする。
In this embodiment, the following application examples can be considered.
(1) In the above-described embodiment, an apparatus for a monochrome still image has been described. However, the input image data 104 (source) of the super-resolution image processing apparatus 101 may be a moving image. In this case, the local region to be evaluated takes into account the time axis. For example, for two images that are adjacent on the time axis, the number of vertical p pixels × horizontal q pixels × r samples is used as a local area unit.

(2)上述の実施形態では、白黒の静止画を対象とする装置を説明したが、超解像画像処理装置101の入力画像データ104(ソース)はカラー画像であってもよい。この場合、局所領域は三原色を考慮したものとなる。つまり、各々のビットマップを構成するピクセルの個数が単純に三倍になる。
勿論、扱う画像はカラーの動画像であってもよい。
(2) In the above-described embodiment, an apparatus for a monochrome still image has been described. However, the input image data 104 (source) of the super-resolution image processing apparatus 101 may be a color image. In this case, the local area takes into account the three primary colors. That is, the number of pixels constituting each bitmap is simply tripled.
Of course, the image to be handled may be a color moving image.

(3)例えば、アニメーションやコンピュータグラフィックス等の別の映像に実写の人物を合成する、周知のクロマキー合成によって生成される画像データの場合、一つの画像データ内に複数の全く異なる特徴を備えた部分が混在することとなる。このような画像データの場合は、予め異なる特徴の画像部分とを切り分けて、夫々に適したコードブック106等を用いて超解像画像処理を施すことが望ましい。   (3) For example, in the case of image data generated by well-known chroma key composition that synthesizes a live-action person with another video such as animation or computer graphics, one image data has a plurality of completely different features. The parts will be mixed. In the case of such image data, it is desirable to separate the image portions having different features in advance and perform super-resolution image processing using the code book 106 suitable for each.

(4)周知のように、主成分分析では、主成分分析の対象となる行列の要素数が膨大で、第一主成分軸、第二主成分軸及び第三主成分軸だけでは集合の絞り込みを良好に実施できない場合に、第一主成分軸、第二主成分軸及び第三主成分軸の双方に直交し、最も分散が大きい第四主成分軸を算出することが行われる。そして、主成分軸は第五、第六…と、その用途に応じて増やすことも可能である。これは本実施形態の超解像画像処理装置101及びコードブック作成装置110にも同じことが言える。つまり、コードブック106等に含まれる主成分軸の基底ベクトルは、必ずしも第一主成分軸、第二主成分軸及び第三主成分軸だけではなく、必要に応じて第四主成分軸以降を含めることができる。そして、その際、コードブック106にもこれに応じて「第四主成分」フィールド等が追加されることとなる。   (4) As is well known, in the principal component analysis, the number of elements of the matrix subject to principal component analysis is enormous, and the set is narrowed down only by the first principal component axis, the second principal component axis, and the third principal component axis. Is not performed satisfactorily, a fourth principal component axis that is orthogonal to both the first principal component axis, the second principal component axis, and the third principal component axis and has the largest variance is calculated. And the main component axis can be increased according to the fifth, sixth, and so on. The same applies to the super-resolution image processing apparatus 101 and the code book creation apparatus 110 of the present embodiment. That is, the basis vectors of the principal component axes included in the code book 106 and the like are not necessarily limited to the first principal component axis, the second principal component axis, and the third principal component axis, but may include the fourth principal component axis and the like as necessary. Can be included. At this time, a “fourth principal component” field or the like is added to the code book 106 accordingly.

(5)コードブック106の正規化低周波成分フィールドは、図4のBicubic拡大処理部403によって拡大された局所領域のビットマップデータが基になっている。この、Bicubic拡大処理部403によって拡大された局所領域を用いる代わりに、縮小画像データ402の、局所領域に相当する箇所のビットマップデータをノルムで正規化して、正規化低周波成分として利用してもよい。前述の通り、画像を縮小処理した時点で高周波成分が失われるので、拡大処理を施す前に、縮小処理した時点の画像データをそのまま原コードブック202の正規化低周波成分フィールドの値に利用する。このようにすることで、正規化低周波成分フィールドに格納される要素数が低減されるので、SSD探索処理部809、RMSE演算部813、主成分分析処理部204、ベクトル類似度演算部1513等の演算ステップ数が低減できる。   (5) The normalized low frequency component field of the code book 106 is based on the bitmap data of the local area enlarged by the Bicubic enlargement processing unit 403 in FIG. Instead of using the local area enlarged by the Bicubic enlargement processing unit 403, the bitmap data of the portion corresponding to the local area of the reduced image data 402 is normalized by the norm and used as a normalized low frequency component. Also good. As described above, since the high-frequency component is lost when the image is reduced, the image data at the time of the reduction process is directly used as the value of the normalized low-frequency component field of the original codebook 202 before the enlargement process. . By doing so, the number of elements stored in the normalized low frequency component field is reduced, so the SSD search processing unit 809, the RMSE calculation unit 813, the principal component analysis processing unit 204, the vector similarity calculation unit 1513, and the like. The number of calculation steps can be reduced.

(6)本実施形態の超解像画像処理装置101は、コードブック106を作成する際、ノルムを用いて正規化を施すため、演算処理に浮動小数点演算が含まれる。コードブック106に格納される値を所定の値で逓倍することで、浮動小数点演算を回避して、整数演算処理だけで装置を構成することもできる。   (6) Since the super-resolution image processing apparatus 101 according to the present embodiment performs normalization using the norm when creating the code book 106, the arithmetic processing includes floating-point arithmetic. By multiplying the value stored in the code book 106 by a predetermined value, it is possible to avoid floating point arithmetic and configure the apparatus only with integer arithmetic processing.

本実施形態においては、超解像画像処理装置101と、これに用いるコードブック作成装置110を開示した。
汎用性の高い超解像画像処理を短時間に実行するため、本実施形態の超解像画像処理装置101は、先ず、処理対象とする画像から原コードブック202を作成し、原コードブック202から超解像処理に適したレコードのみを選定したコードブック106を作成した。
また、コードブック106に用いるレコード数を効果的に低減させるために、ノルムを用いた。
これらの技術の採用により、比較的少ない計算量で高い高周波成分の再現率を達成する超解像画像処理装置101を実現できる。
In the present embodiment, the super-resolution image processing apparatus 101 and the code book creation apparatus 110 used therefor have been disclosed.
In order to execute highly versatile super-resolution image processing in a short time, the super-resolution image processing apparatus 101 of the present embodiment first creates an original code book 202 from an image to be processed, and the original code book 202 From this, a code book 106 was selected in which only records suitable for super-resolution processing were selected.
In addition, a norm is used to effectively reduce the number of records used in the code book 106.
By adopting these techniques, it is possible to realize the super-resolution image processing apparatus 101 that achieves a high frequency component reproduction rate with a relatively small amount of calculation.

以上、本発明の実施形態例について説明したが、本発明は上記実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。   The embodiment of the present invention has been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and other modifications may be made without departing from the gist of the present invention described in the claims. Includes application examples.

101…超解像画像処理装置、102…デジタルカメラ、103…画像ファイル、104…入力画像データ、105…出力画像データ、106…コードブック、107…第一主成分基底ベクトル、108…第二主成分基底ベクトル、109…第三主成分基底ベクトル、110…コードブック作成装置、111…サンプル画像データ、112…評価用画像データ、201…コードブックレコード作成部、202…原コードブック、203…レコード選定処理部、204…主成分分析処理部、401…縮小処理部、402…縮小画像データ、403…Bicubic拡大処理部、404…エッジ領域判定部、405…サンプルBicubic画像データ、406…ノルムデータ演算部、407…ノルムデータ、408…除算器、409…正規化低周波成分、410…加算器、411…高周波成分、412…除算器、413…正規化高周波成分、414…ラスタスキャン処理部、701…画像、702…縮小画像、703…低周波成分、704…高周波成分、801…評価用縮小画像データ、802…評価用Bicubic画像データ、803…局所領域抽出部、804…評価用局所領域低周波成分、805…ノルム演算部、806…評価用局所領域ノルム、807…除算器、808…評価用局所領域正規化低周波成分、809…SSD探索処理部、810…乗算器、811…加算器、812…評価用局所領域超解像データ、813…RMSE演算部、814…コンパレータ、815…RMSE閾値、816…レコード複写処理部、1101…内積演算器、1102…内積演算器、1103…内積演算器、1501…Bicubic拡大処理部、1502…入力Bicubic画像データ、1503…局所領域抽出部、1504…入力局所領域低周波成分、1505…ノルム演算部、1506…入力局所領域ノルム、1507…除算器、1508…入力局所領域正規化低周波成分、1509…第一内積演算器、1510…第二内積演算器、1511…第三内積演算器、1512…ツリー探索部、1513…ベクトル類似度演算部、1514…正規化高周波成分、1515…乗算器、1516…局所領域高周波成分、1517…加算器、1518…局所領域超解像画像データ、1519…結合処理部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Super-resolution image processing apparatus, 102 ... Digital camera, 103 ... Image file, 104 ... Input image data, 105 ... Output image data, 106 ... Code book, 107 ... First principal component basis vector, 108 ... Second main Component basis vectors, 109 ... third principal component basis vectors, 110 ... codebook creation device, 111 ... sample image data, 112 ... evaluation image data, 201 ... codebook record creation unit, 202 ... original codebook, 203 ... record Selection processing unit, 204 ... principal component analysis processing unit, 401 ... reduction processing unit, 402 ... reduced image data, 403 ... bicubic enlargement processing unit, 404 ... edge region determination unit, 405 ... sample bibic image data, 406 ... norm data calculation Part, 407 ... norm data, 408 ... divider, 409 ... normalized low Wave component, 410 ... adder, 411 ... high frequency component, 412 ... divider, 413 ... normalized high frequency component, 414 ... raster scan processing unit, 701 ... image, 702 ... reduced image, 703 ... low frequency component, 704 ... high frequency Components: 801... Evaluation reduced image data, 802. Evaluation evaluation Bicubic image data, 803... Local region extraction unit, 804... Evaluation local region low frequency component, 805... Norm calculation unit, 806. ... Divider, 808... Evaluation local region normalized low frequency component, 809... SSD search processing unit, 810... Multiplier, 811 ... Adder, 812 .. Evaluation local region super-resolution data, 813. 814... Comparator 815. RMSE threshold 816 Record copy processing unit 1101 Inner product calculator 1102 Inner product calculator 110 ... inner product calculator, 1501 ... Bicubic enlargement processing unit, 1502 ... input Bicubic image data, 1503 ... local region extraction unit, 1504 ... input local region low frequency component, 1505 ... norm calculation unit, 1506 ... input local region norm, 1507 ... Divider, 1508 ... input local region normalized low frequency component, 1509 ... first inner product operator, 1510 ... second inner product operator, 1511 ... third inner product operator, 1512 ... tree search unit, 1513 ... vector similarity calculation 1515 ... Normalized high frequency component, 1515 ... Multiplier, 1516 ... Local area high frequency component, 1517 ... Adder, 1518 ... Local area super-resolution image data, 1519 ... Join processing section

Claims (6)

入力画像データを拡大する拡大処理部と、
前記拡大処理部で拡大された前記入力画像データから所定の矩形範囲で抜き出して入力局所領域低周波成分を出力する局所領域抽出部と、
前記入力局所領域低周波成分のノルムを演算して入力局所領域ノルムを出力するノルム演算部と、
前記入力局所領域低周波成分を前記入力局所領域ノルムで除算して入力局所領域正規化低周波成分を出力する除算器と、
画像データを所定の矩形範囲で抜き出した局所領域の低周波成分を正規化した正規化低周波成分が格納される正規化低周波成分フィールドと、前記局所領域の高周波成分を正規化した正規化高周波成分が格納される正規化高周波成分フィールドとを有すると共に、前記正規化低周波成分に基づく主成分値でレコードがグルーピングされているコードブックと、
前記入力局所領域正規化低周波成分に基づいて前記コードブックをツリー検索して所定のレコード群を特定するツリー探索部と、
前記入力局所領域正規化低周波成分と前記所定のレコード群の前記正規化低周波成分との類似度を演算して最も類似するレコードを特定するベクトル類似度演算部と、
前記ベクトル類似度演算部によって特定された前記レコードの前記正規化高周波成分と、前記入力局所領域ノルムとを乗算して局所領域高周波成分を出力する乗算器と、
前記局所領域高周波成分と前記入力局所領域低周波成分とを加算する加算器と
を具備する超解像画像処理装置。
An enlargement processing unit for enlarging input image data;
A local region extraction unit that extracts an input local region low-frequency component by extracting a predetermined rectangular range from the input image data enlarged by the enlargement processing unit;
A norm calculation unit for calculating a norm of the input local region low frequency component and outputting an input local region norm;
A divider for dividing the input local region low frequency component by the input local region norm and outputting an input local region normalized low frequency component;
Normalized low frequency component field that stores normalized low frequency components obtained by normalizing low frequency components in a local area obtained by extracting image data within a predetermined rectangular range, and normalized high frequencies obtained by normalizing the high frequency components in the local area A codebook in which records are grouped with principal component values based on the normalized low-frequency components, and a normalized high-frequency component field in which components are stored;
A tree search unit for tree-searching the codebook based on the input local region normalized low-frequency component to identify a predetermined record group;
A vector similarity calculation unit for calculating the similarity between the input local region normalized low frequency component and the normalized low frequency component of the predetermined record group to identify the most similar record;
A multiplier that multiplies the normalized high-frequency component of the record specified by the vector similarity calculation unit and the input local-region norm to output a local-region high-frequency component;
A super-resolution image processing apparatus comprising: an adder that adds the high frequency component of the local region and the low frequency component of the input local region.
更に、
前記入力局所領域正規化低周波成分と前記コードブックの第一主成分基底ベクトルとの内積を演算して第一主成分値を出力する第一内積演算器と、
前記入力局所領域正規化低周波成分と前記コードブックの第二主成分基底ベクトルとの内積を演算して第二主成分値を出力する第二内積演算器と
を有し、
前記コードブックは、前記正規化低周波成分フィールドと、前記正規化高周波成分フィールドと、前記正規化低周波成分の第一主成分値が格納される第一主成分値フィールドと、前記第一主成分値の近似するレコードについてグルーピングした第一主成分グループ番号が格納される第一主成分グループ番号フィールドと、前記正規化低周波成分の第二主成分値が格納される第二主成分値フィールドと、前記第一主成分グループ番号が等しいレコードのうち前記第二主成分値の近似するレコードについてグルーピングした第二主成分グループ番号が格納される第二主成分グループ番号フィールドとを有し、
前記ツリー探索部は、前記第一主成分値と前記第二主成分値で前記コードブックをツリー検索して所定のレコード群を特定する、
請求項1記載の超解像画像処理装置。
Furthermore,
A first inner product calculator that calculates an inner product of the input local region normalized low frequency component and the first principal component basis vector of the codebook and outputs a first principal component value;
A second inner product calculator that calculates an inner product of the input local region normalized low frequency component and the second principal component basis vector of the codebook and outputs a second principal component value;
The codebook includes the normalized low frequency component field, the normalized high frequency component field, a first principal component value field in which a first principal component value of the normalized low frequency component is stored, and the first main component value field. A first principal component group number field that stores a first principal component group number grouped for records that approximate component values, and a second principal component value field that stores a second principal component value of the normalized low-frequency component. And a second principal component group number field in which a second principal component group number grouped with respect to a record that approximates the second principal component value among records having the same first principal component group number is stored,
The tree search unit specifies a predetermined record group by performing a tree search of the codebook with the first principal component value and the second principal component value.
The super-resolution image processing apparatus according to claim 1.
前記拡大処理部はBicubic拡大処理を実行する、請求項1記載の超解像画像処理装置。   The super-resolution image processing apparatus according to claim 1, wherein the enlargement processing unit executes a Bicubic enlargement process. サンプル画像データを所定の矩形範囲で抜き出した局所領域毎に、正規化した低周波成分と正規化した高周波成分とを作成し、前記正規化した低周波成分が格納される正規化低周波成分フィールドと前記正規化した高周波成分が格納される正規化高周波成分フィールドよりなる原コードブックを作成するコードブックレコード作成部と、
評価用画像データを所定の矩形範囲で抜き出した局所領域毎に前記原コードブックに最も類似するレコードを特定して超解像画像処理を施した後、類似度を算出して前記原コードブックのレコードを選定してコードブックを作成するレコード選定処理部と
を具備する超解像画像処理用コードブック作成装置。
A normalized low frequency component field in which a normalized low frequency component and a normalized high frequency component are created for each local region in which sample image data is extracted within a predetermined rectangular range, and the normalized low frequency component is stored. A code book record creation unit for creating an original code book composed of a normalized high-frequency component field in which the normalized high-frequency component is stored;
After specifying the record most similar to the original code book for each local region in which the image data for evaluation is extracted within a predetermined rectangular range and performing super-resolution image processing, the similarity is calculated and the original code book A code book creation device for super-resolution image processing comprising a record selection processing unit for selecting a record and creating a code book.
更に、
前記コードブックに、前記コードブックの前記正規化低周波成分を主成分分析した第一主成分値が格納される第一主成分値フィールドと、前記第一主成分値の近似するレコードについてグルーピングした第一主成分グループ番号が格納される第一主成分グループ番号フィールドと、前記正規化低周波成分の第二主成分値が格納される第二主成分値フィールドと、前記第一主成分グループ番号が等しいレコードのうち前記第二主成分値の近似するレコードについてグルーピングした第二主成分グループ番号が格納される第二主成分グループ番号フィールドを設けると共に、第一主成分基底ベクトルと、第二主成分基底ベクトルとを演算して出力する主成分分析処理部と
を具備する、請求項4記載の超解像画像処理用コードブック作成装置。
Furthermore,
The code book is grouped into a first principal component value field storing a first principal component value obtained by principal component analysis of the normalized low frequency component of the code book, and a record that approximates the first principal component value. A first principal component group number field storing a first principal component group number; a second principal component value field storing a second principal component value of the normalized low frequency component; and the first principal component group number. A second principal component group number field for storing a second principal component group number grouped with respect to a record that approximates the second principal component value among records having the same value, a first principal component basis vector, and a second principal component basis vector, The super-resolution image processing codebook creation apparatus according to claim 4, further comprising a principal component analysis processing unit that calculates and outputs a component basis vector.
前記コードブックレコード作成部はBicubic拡大処理を実行する、請求項5記載の超解像画像処理用コードブック作成装置。   6. The codebook creation device for super-resolution image processing according to claim 5, wherein the codebook record creation unit executes Bicubic enlargement processing.
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