JP2013175003A - Psf estimation method, restoration method of deteriorated image by using method, program recording them, and computer device executing program - Google Patents

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拓生 下向
Masafumi Yoshioka
理文 吉岡
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that: in restoring an image deteriorated due to camera shake, it is important to estimate a PSF which is a locus of the camera shake, and conventionally there is a method for determining the PSF by performing pixel search from a cepstrum of a deteriorated image or the camera shake vector of a deteriorated image is obtained by operation of an operator.SOLUTION: A pseudo deteriorated image obtained by acting a candidate PSF to a template image is generated for a cepstrum of a deteriorated image, and a PSF is estimated by evolving the candidate PSF toward a true PSF by using a genetic algorithm with the similarity between the cepstrum of the pseudo deteriorated image and that of the deteriorated image as a degree of candidate PSF application to restore the deteriorated image.

Description

本発明は、手ブレによって劣化した画像を復元する技術に関する。   The present invention relates to a technique for restoring an image deteriorated due to camera shake.

アナログカメラおよびデジタルカメラ等のように、シャッターを押して、静止画像を撮影する機器では、三脚等の固定治具を使用しない限り、シャッターを押下する際にカメラ自体が動く。すると、画像に手ブレによる「ボケ」と呼ばれる劣化が生じる。この劣化を撮影時に補償する方法としては、手ブレの動きを検知し、その検知信号に基づいてカメラの光学系を動かす方法が知られている(特許文献1)。   In an apparatus such as an analog camera or a digital camera that captures a still image by pressing the shutter, the camera itself moves when the shutter is pressed unless a fixing jig such as a tripod is used. Then, deterioration called “blur” due to camera shake occurs in the image. As a method for compensating for this deterioration at the time of photographing, a method is known in which the movement of a camera shake is detected and the optical system of the camera is moved based on the detection signal (Patent Document 1).

しかし、そのような方法は、カメラという機器自体に複雑なシステムが必要となる。また、撮影した結果、手ブレによる劣化が生じている画像を復元することはできない。   However, such a method requires a complicated system for the camera itself. Further, it is not possible to restore an image that has been deteriorated due to camera shake as a result of photographing.

一方画像自体から手ブレによる劣化を推定し補正する方法も検討されている。特許文献2では、撮影した静止画像から手ブレベクトルを推定し、手ブレベクトルに応じたボケ補正を施す手ブレ画像補正方法が開示されている。   On the other hand, methods for estimating and correcting deterioration due to camera shake from the image itself are also being studied. Patent Document 2 discloses a camera shake image correction method that estimates a camera shake vector from a captured still image and performs blur correction according to the camera shake vector.

手ブレによって劣化した画像とは、原画像を撮影する際に、手ブレという作用が及ぼされた結果生じた画像と考えることができる。そうすると、手ブレによって劣化した画像の復元とは、手ブレによる動き(PSF)を求め、劣化した画像に対して手ブレによる作用と逆の作用を施す事であると考えられる。   An image deteriorated by camera shake can be considered as an image generated as a result of camera shake when an original image is taken. In this case, restoration of an image deteriorated due to camera shake is considered to obtain a motion (PSF) caused by camera shake and to apply an action opposite to the action caused by camera shake on the deteriorated image.

特許文献2で示された手ブレ画像補正方法も、考え方は上記と同じである。ただし、特許文献2の方法では、手ブレベクトルを求めるための、ベクトルの方向および大きさを決定する工程で、操作者による操作が必要である。つまり、操作者の熟練度が劣化画像の復元に大きなウエイトを占める。   The concept of the camera shake image correction method disclosed in Patent Document 2 is the same as described above. However, in the method of Patent Document 2, an operation by an operator is required in the step of determining the direction and size of a vector for obtaining a camera shake vector. That is, the skill level of the operator occupies a great deal of weight for restoring the degraded image.

デジタルカメラやカメラ付携帯電話の普及によって画像データを扱う環境は社会的により一般化する傾向にある。そして通常のカメラの使用に際しては、手ブレの回避は困難であることを考えると、撮影後の手ブレによる劣化画像の補正は、より自動化することが必要である。したがって、人為的な操作を含まない補正方法が必要とされる。   With the widespread use of digital cameras and camera-equipped mobile phones, the environment for handling image data tends to become more general in society. Considering that it is difficult to avoid camera shake when using a normal camera, it is necessary to more automatically correct a deteriorated image due to camera shake after shooting. Therefore, there is a need for a correction method that does not involve human manipulation.

非特許文献1には、手ブレの軌跡を表すPSFを劣化画像から演算処理によって推定する方法が開示されている。劣化画像からの演算処理によってPSFを推定できれば、人為的な操作を経ることなく劣化画像を補正することができる。非特許文献1では、「劣化画像のケプストラム(対数スペクトルの逆フーリエ変換)はPSFの外形を表す」とみなし、劣化画像のケプストラムから画素探索を行いPSFを決定する方法が提案されている。   Non-Patent Document 1 discloses a method for estimating a PSF representing a camera shake locus from a deteriorated image by a calculation process. If the PSF can be estimated by a calculation process from the deteriorated image, the deteriorated image can be corrected without any manual operation. Non-Patent Document 1 considers that “a cepstrum of a degraded image (inverse Fourier transform of logarithmic spectrum) represents the external shape of the PSF” and proposes a method of determining a PSF by performing pixel search from the cepstrum of a degraded image.

特開平1−264372号JP-A-1-264372 特開2000−298300号JP 2000-298300 A

「劣化画像のケプストラムを利用した手ブレ補正」小山田雄二、斉藤英雄、太田垣康二、江口満男 社団法人 情報処理学会 研究報告 2008−CVIM−164 (24)“Image stabilization using cepstrum of degraded images” Yuji Koyamada, Hideo Saito, Koji Otagaki, Mitsuru Eguchi Information Processing Society of Japan Research Report 2008-CVIM-164 (24)

非特許文献1では、PSFを劣化画像のケプストラムから求めている点で、手ブレ補正の自動化を進めていると言える。しかし、ケプストラムは周波数領域での対数の影響を受けているため、PSFを決めるための画素探索だけでなく、補正値による修正が必要となる。また、ケプストラム自体がぼんやりした画像であるため、この方法でPSFを求めるのは容易ではない。   In Non-Patent Document 1, it can be said that automating of camera shake correction is promoted in that the PSF is obtained from the cepstrum of the deteriorated image. However, since the cepstrum is affected by the logarithm in the frequency domain, not only pixel search for determining the PSF but also correction by a correction value is required. Further, since the cepstrum itself is a blurred image, it is not easy to obtain the PSF by this method.

本発明は上記の課題に鑑みて想到されたものであり、周波数特性が似たような画像同士であれば、画像の内容にかかわらずケプストラムは同じになるとみなし、劣化画像と同じケプストラムを生成するPSFを遺伝的アルゴリズムを用いて求めるPSF推定方法と、その推定されたPSFから劣化画像を復元する劣化画像の復元方法を提供する。   The present invention has been conceived in view of the above problems, and if images having similar frequency characteristics are considered to be the same, the cepstrum is considered to be the same regardless of the content of the image, and the same cepstrum as the deteriorated image is generated. A PSF estimation method for obtaining a PSF using a genetic algorithm and a degraded image restoration method for restoring a degraded image from the estimated PSF are provided.

より具体的に本発明のPSF推定方法は、
復元対象となる劣化画像から劣化画像ケプストラム(Cin)を求める工程と、
前記劣化画像ケプストラムと候補PSFを作用させたテンプレート画像のケプストラムの類似度を適応度関数とし、
前記候補PSFを遺伝子として遺伝的アルゴリズムに従って前記候補PSFを進化させ、推定PSFを得る推定工程とを含むことを特徴とする。
More specifically, the PSF estimation method of the present invention includes:
Obtaining a degraded image cepstrum (Cin) from a degraded image to be restored;
The similarity between the degraded image cepstrum and the cepstrum of the template image obtained by acting the candidate PSF is used as an fitness function,
An estimation step of obtaining an estimated PSF by evolving the candidate PSF according to a genetic algorithm using the candidate PSF as a gene.

より詳細には、
前記推定工程は、
テンプレート画像に複数の候補PSFを作用させ複数の疑似劣化画像を求める工程と、
複数の前記疑似劣化画像の疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−i)を求める工程と、
前記劣化画像ケプストラム(Cin)に対して複数の前記疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−i)それぞれの類似度を求める類似度検出工程と、
前記類似度から複数の前記候補PSFを淘汰するPSF淘汰工程と、
前記淘汰工程で生存した前記候補PSFから所定条件の下で前記推定PSFを選択する工程と、
前記淘汰工程で生存した前記候補PSFから新たな候補PSFを発生させるPSF新生工程を含むことを特徴とする。
More specifically,
The estimation step includes
Obtaining a plurality of pseudo-degraded images by applying a plurality of candidate PSFs to the template image;
Obtaining a pseudo-degraded image cepstrum (Cgen-i) of the plurality of pseudo-degraded images;
A similarity detection step of obtaining a similarity of each of the plurality of pseudo-degraded image cepstrum (Cgen-i) with respect to the degraded image cepstrum (Cin);
A PSF selection step of determining a plurality of candidate PSFs from the similarity;
Selecting the estimated PSF under a predetermined condition from the candidate PSFs surviving in the selection step;
It includes a PSF neonatal step of generating a new candidate PSF from the candidate PSF surviving in the drought step.

また、本発明の手ブレ劣化画像の復元方法は、
上記のPSF推定方法で推定された推定PSFを用いて前記劣化画像の復元画像を求める復元工程を有することを特徴とする。
In addition, the method for restoring a camera shake deteriorated image of the present invention includes:
A restoration step of obtaining a restored image of the deteriorated image using the estimated PSF estimated by the PSF estimation method is provided.

また、本発明は、上記のPSF推定方法および劣化画像の復元方法を記録したプログラムとそのプログラムを記録した記録媒体およびそのプログラムを実行可能なコンピュータ装置を含む。   The present invention also includes a program that records the PSF estimation method and the degraded image restoration method, a recording medium that records the program, and a computer device that can execute the program.

本発明の劣化画像の復元方法は、アルゴリズムが完全に決まっているため、復元度が利用者の熟練度に依存することはない。つまり、安定した復元を行うことができる。また、PSFの決定を劣化画像のケプストラムと、テンプレート画像のケプストラムとの類似度で決めるため、ケプストラム上での画素探索でPSFを決定するより高い精度でPSFを推定することができる。したがって、より正確な劣化画像の復元が可能となる。   Since the algorithm for the degraded image restoration method of the present invention is completely determined, the degree of restoration does not depend on the skill level of the user. That is, stable restoration can be performed. Further, since the PSF is determined by the similarity between the cepstrum of the degraded image and the cepstrum of the template image, the PSF can be estimated with higher accuracy than the PSF is determined by pixel search on the cepstrum. Therefore, it is possible to restore the deteriorated image more accurately.

PSFの画像に対する効果を説明する図である。It is a figure explaining the effect with respect to the image of PSF. 本発明の処理の全体フローを示す図である。It is a figure which shows the whole flow of the process of this invention. 劣化画像のケプストラムを求める処理フローを示す図である。It is a figure which shows the processing flow which calculates | requires the cepstrum of a degradation image. 劣化画像と劣化画像ケプストラムを例示する図である。It is a figure which illustrates a degradation image and a degradation image cepstrum. PSFを進化させる工程の処理フローを示す図である。It is a figure which shows the processing flow of the process of evolving PSF. 劣化画像とテンプレート画像を例示する図である。It is a figure which illustrates a degradation image and a template image. 候補PSFを例示する図である。It is a figure which illustrates candidate PSF. テンプレート画像に候補PSFを作用させて疑似劣化画像を生成する例を示す図である。It is a figure which shows the example which makes a candidate PSF act on a template image, and produces | generates a pseudo degradation image. 疑似劣化画像と疑似劣化画像ケプストラムを示す図である。It is a figure which shows a pseudo degradation image and a pseudo degradation image cepstrum. 劣化画像ケプストラムと疑似劣化画像ケプストラムとの類似度を判断した例を示す図である。It is a figure which shows the example which judged the similarity degree of a degradation image cepstrum and a pseudo degradation image cepstrum. 生存した候補PSFから新たな候補PSFを作成する方法を説明する図である。It is a figure explaining the method of producing a new candidate PSF from the surviving candidate PSF. 本発明の復元方法を実行可能にするコンピュータ装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the computer apparatus which enables execution of the decompression | restoration method of this invention. 候補PSFの別の生成方法を提供する処理フローである。It is a processing flow which provides another generation method of candidate PSF. 図13に示した処理フローの具体的な処理を説明する画像図である。It is an image figure explaining the specific process of the processing flow shown in FIG. 候補PSFの他の生成方法を提供する処理フローを示す図である。It is a figure which shows the processing flow which provides the other production | generation method of candidate PSF. 輝度を使って候補PSFを作る例を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the example which makes candidate PSF using a brightness | luminance. 輝度を使って候補PSFを作る例を説明するための他の図である。It is another figure for demonstrating the example which makes candidate PSF using a brightness | luminance.

以下に図面を用いて本発明の実施形態について説明を行う。なお、本発明は下記の説明に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において変更することができる。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following description, In the range which does not deviate from the meaning, it can change.

(実施の形態1)
まず、本発明の復元方法(以下単に「復元方法」ともいう。)を説明するに当たり、いくつかの事項についてあらかじめ説明を行う。
(Embodiment 1)
First, in describing the restoration method of the present invention (hereinafter also simply referred to as “restoration method”), several items will be described in advance.

手ブレによって劣化した画像は、手ブレのない原画像に対して、手ブレという動きの軌跡が作用された結果生まれた画像であると考えることができる。ここで、手ブレの軌跡とは、点広がり関数(Point Spread Function:以下「PSF」と呼ぶ。)で表すことができる。すなわち、劣化画像を復元するには、劣化画像に作用したPSFを求め、PSFの作用を打ち消す操作を加えることで復元することができる。   An image that has deteriorated due to camera shake can be considered to be an image that is generated as a result of a movement locus called camera shake being applied to an original image without camera shake. Here, the locus of camera shake can be represented by a point spread function (hereinafter referred to as “PSF”). That is, in order to restore a deteriorated image, it is possible to restore the deteriorated image by obtaining an PSF that has acted on the deteriorated image and adding an operation to cancel the action of the PSF.

(1)式には、劣化画像が生じる過程を数学的にモデル化した際に、原画像(g)、劣化画像(d)、PSF(p)の関係を示す。ここで原画像とは手ブレによる劣化が生じていない画像である。「*」は畳み込み演算をあらわす。劣化画像は原画像とPSFとの畳み込み演算として表すことができる。   Equation (1) shows the relationship between the original image (g), the deteriorated image (d), and the PSF (p) when the process of generating the deteriorated image is mathematically modeled. Here, the original image is an image that has not deteriorated due to camera shake. “*” Represents a convolution operation. The deteriorated image can be expressed as a convolution operation between the original image and the PSF.

図1には、上記(1)式の効果を例示する。図1(a)は、平面上に点を散在させた画像である。これを原画像とする。図1(b)は、PSFを示す。図1(c)は、図1(a)と図1(b)を(1)式のように畳み込み演算を行った画像(劣化画像)を示す。原画像上(図1(a))に散在させた点は、PSF(図1(b))の動き同様に移動し、その移動軌跡が劣化画像(図1(c))上に残る。劣化画像はこのようにして生じる。   FIG. 1 illustrates the effect of the above formula (1). FIG. 1A is an image in which dots are scattered on a plane. This is the original image. FIG. 1B shows the PSF. FIG. 1C shows an image (degraded image) obtained by performing a convolution operation on FIG. 1A and FIG. The points scattered on the original image (FIG. 1A) move in the same manner as the movement of the PSF (FIG. 1B), and the movement locus remains on the deteriorated image (FIG. 1C). A degraded image is thus produced.

(2)式には、逆に劣化画像(d)を復元する数学的モデルを示す。原画像(g)は、劣化画像(d)にPSF(p)の逆畳み込み演算を施す。(2)式中「/」は逆畳み込み演算を示す。   Equation (2) shows a mathematical model for restoring the deteriorated image (d). The original image (g) is subjected to PSF (p) deconvolution operation on the degraded image (d). In the formula (2), “/” indicates a deconvolution operation.

しかしながら、逆畳み込み演算は解析的に計算することは困難であり、解を一意に求めることはできない。そこで、逆畳み込み演算を近似的に行う手法を利用する。これは後に詳述する。   However, the deconvolution operation is difficult to calculate analytically, and the solution cannot be obtained uniquely. Therefore, a method of approximately performing the deconvolution operation is used. This will be described in detail later.

また、本発明では画像のケプストラムを利用する。ケプストラムとは、画像に対してフーリエ変換を行い、その結果の対数を求め、さらにフーリエ変換を行った結果である。   In the present invention, an image cepstrum is used. The cepstrum is the result of performing Fourier transform on an image, obtaining the logarithm of the result, and further performing Fourier transform.

本発明の劣化画像の復元方法(以下単に「復元方法」ともいう。)の概略を図2に示す。本発明の復元方法は、復元対象となる劣化画像のケプストラム(これを「劣化画像ケプストラム」という)を求める工程(ステップS102)と、劣化画像ケプストラムに近似したケプストラムを生成できるように手ブレの軌跡(PSF)を進化させPSFを推定する工程(ステップS104)と、推定したPSFに基づいて劣化画像を復元する工程(ステップS106)から構成される。なお、ステップS106は、推定PSFで原画像を推定するともいえる。PSFを推定する工程(ステップS104)の結果、劣化画像を生じさせたPSFを推定した「推定PSF」が求められる。各工程を順次詳説する。   FIG. 2 shows an outline of a degraded image restoration method of the present invention (hereinafter also simply referred to as “restoration method”). The restoration method of the present invention includes a step (step S102) of obtaining a cepstrum of a degraded image to be restored (this is referred to as “degraded image cepstrum”), and a camera shake trajectory so that a cepstrum approximated to the degraded image cepstrum can be generated. (PSF) is evolved to estimate the PSF (step S104), and a degraded image is restored based on the estimated PSF (step S106). In addition, it can be said that step S106 estimates an original image by estimated PSF. As a result of the step of estimating the PSF (step S104), an “estimated PSF” obtained by estimating the PSF that caused the deteriorated image is obtained. Each process will be described in detail.

図3に劣化画像のケプストラムを求める工程(ステップS102)の詳細を示す。この工程では、復元を目指す劣化画像(d)を画像データとして取り込む(ステップS112)。画像データの形式は特に限定されるものではない。次に劣化画像(d)のケプストラムを求める(ステップS114)。ケプストラムは、スペクトルのスペクトルである。まず劣化画像(d)に2次元フーリエ変換処理を行う。次にこの処理結果を対数処理する。さらに、対数処理された結果をフーリエ変換する。劣化画像(d)のケプストラムを劣化画像ケプストラム(Cin)と呼ぶ。   FIG. 3 shows details of the process (step S102) for obtaining the cepstrum of the deteriorated image. In this step, the degraded image (d) that is to be restored is captured as image data (step S112). The format of the image data is not particularly limited. Next, a cepstrum of the deteriorated image (d) is obtained (step S114). A cepstrum is the spectrum of a spectrum. First, a two-dimensional Fourier transform process is performed on the degraded image (d). Next, logarithmic processing is performed on the processing result. Further, the result of logarithmic processing is Fourier transformed. The cepstrum of the degraded image (d) is called a degraded image cepstrum (Cin).

これらの処理はデジタル信号処理で行う。したがって、劣化画像(d)をサンプリングする際のピッチが問題となる。このサンプリングピッチは、画像の周波数情報をどの程度細かく取得するかに影響する。しかし、本発明の復元方法では、後述するようにPSFは突然変異を含める遺伝的アルゴリズムを使用するため、この段階で画像情報を詳細に取得できなくてもよい。したがって、設計事項として決めてよい。また、デジタルカメラなどで手ブレした電子データを用いてもよい。   These processes are performed by digital signal processing. Therefore, the pitch when sampling the deteriorated image (d) becomes a problem. This sampling pitch affects how finely the image frequency information is acquired. However, in the restoration method of the present invention, since the PSF uses a genetic algorithm including a mutation as described later, it is not necessary to obtain detailed image information at this stage. Therefore, it may be determined as a design item. Also, electronic data that is shaken by a digital camera or the like may be used.

また、サンプリングする前に、劣化画像(d)に対して、階調処理を施してもよい。本工程では劣化画像のケプストラムを求めるので、画像の周波数情報は重要である。この際に、階調が低いために画像の周波数情報を取得できなと正確な復元ができなくなるからである。   Further, gradation processing may be performed on the deteriorated image (d) before sampling. In this step, since the cepstrum of the deteriorated image is obtained, the frequency information of the image is important. At this time, because the gradation is low, accurate restoration cannot be performed unless the frequency information of the image can be acquired.

図4(a)に、劣化画像(d)を、図4(b)にその劣化画像ケプストラム(Cin)を、図4(c)に劣化画像ケプストラムの一部拡大図を例示する。劣化画像ケプストラムは、画像で見ると、白黒画像である。輝度の高い部分が中心付近にあり、その周囲にはややぼやけた部分が存在する。この中心付近(白四角で囲った部分)を拡大したこの中心の輝度の高い部分には、うっすらとPSFに近い軌跡を見ることができる。劣化画像のケプストラムは次の工程で用いられる。   FIG. 4A illustrates a deteriorated image (d), FIG. 4B illustrates the deteriorated image cepstrum (Cin), and FIG. 4C illustrates a partially enlarged view of the deteriorated image cepstrum. The degraded image cepstrum is a black and white image when viewed as an image. A portion with high luminance is near the center, and a slightly blurred portion exists around it. A locus close to the PSF can be seen slightly in the bright portion of the center where the vicinity of the center (the portion surrounded by the white square) is enlarged. The cepstrum of the degraded image is used in the next step.

図5には、PSFを進化させることでPSFを推定する工程(推定工程)の詳細を示す。この工程では、まず、テンプレート画像(tp)に対して複数個の候補PSFを作用させ(ステップS132)、複数個の疑似劣化画像(pd)を生成する(ステップS134)。次にこの疑似劣化画像pdのケプストラムを求める(ステップS136)。これを疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−i)と呼ぶ。疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−i)は候補PSFの数だけ生成される。   FIG. 5 shows details of the process of estimating the PSF by evolving the PSF (estimation process). In this step, first, a plurality of candidate PSFs are applied to the template image (tp) (step S132), and a plurality of pseudo deteriorated images (pd) are generated (step S134). Next, a cepstrum of the pseudo deteriorated image pd is obtained (step S136). This is called a pseudo-degraded image cepstrum (Cgen-i). The pseudo-degraded image cepstrum (Cgen-i) is generated by the number of candidate PSFs.

そして、個々の疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−i)と劣化画像ケプストラム(Cin)の類似度(SIM)を算出する(ステップS138)。類似度(SIM)とは、画像同士の類似の程度を数値化したものである。この類似度が遺伝的アルゴリズムの適応度となる。すなわち、適応度関数は、疑似劣化画像ケプストラムと劣化画像ケプストラムの類似度を求める手段といえる。なお、この工程を類似度検出工程と呼ぶ。   Then, the similarity (SIM) between the individual pseudo-degraded image cepstrum (Cgen-i) and the degraded image cepstrum (Cin) is calculated (step S138). The similarity (SIM) is a numerical value of the degree of similarity between images. This similarity is the fitness of the genetic algorithm. That is, the fitness function can be said to be a means for obtaining the similarity between the pseudo-degraded image cepstrum and the degraded image cepstrum. This process is called a similarity detection process.

次にこの類似度に基づいて複数の候補PSFの中からいくつかの候補PSFを淘汰する(ステップS140)。すなわち、淘汰の対象とされた候補PSFは捨てられる。言い換えると、生存させる候補PSFを決定し、それ以外の候補PSFを捨てるともいえる。これをPSF淘汰工程と呼ぶ。   Next, several candidate PSFs are selected from a plurality of candidate PSFs based on the similarity (step S140). That is, the candidate PSF that is the target of the trap is discarded. In other words, it can be said that candidate PSFs to be alive are determined and other candidate PSFs are discarded. This is called a PSF dredge process.

そして、生存した候補PSFから新たなPSFを生成する(ステップS142)。この際に、交叉および突然変異を発生させる。交叉および突然変異を発生させることで、生存した候補PSFよりさらに類似度の高い疑似劣化画像ケプストラムを生成できる候補PSFができる可能性をさぐるためである。生存した候補PSFから新たな候補PSFを生成させる工程をPSF新生工程と呼ぶ。以下各工程について詳説する。   Then, a new PSF is generated from the surviving candidate PSF (step S142). At this time, crossover and mutation are generated. This is because the possibility of a candidate PSF capable of generating a pseudo-degraded image cepstrum having a higher similarity than the surviving candidate PSF by generating crossover and mutation is investigated. The process of generating a new candidate PSF from the surviving candidate PSF is called a PSF newborn process. Hereinafter, each step will be described in detail.

疑似劣化画像ケプストラムを求める工程(ステップS136)では、テンプレート画像(tp)に候補PSFを作用させ、疑似劣化画像(pd)を生成する。テンプレート画像とは、疑似劣化画像を生成するために用いる画像である。すでに説明したように、画像のケプストラムは、画像の周波数特性を反映するため、画像自体の内容にあまり依存しない。図6(a)に劣化画像を示し、図6(b)にはテンプレート画像を示す。   In the step of obtaining the pseudo deteriorated image cepstrum (step S136), the candidate PSF is applied to the template image (tp) to generate the pseudo deteriorated image (pd). The template image is an image used for generating a pseudo deteriorated image. As already described, the cepstrum of the image reflects the frequency characteristics of the image and therefore does not depend much on the content of the image itself. FIG. 6A shows a deteriorated image, and FIG. 6B shows a template image.

図6の(a)および(b)を比較してわかるように、原画像とテンプレート画像は似ても似つかぬ画像である。しかしながら、ケプストラム上では近似した周波数特性を持つ。テンプレート画像は、原画像に似ていればPSFを進化させる際も、収束が速く、また正確なPSFに進化させることができると考えられる。   As can be seen by comparing (a) and (b) of FIG. 6, the original image and the template image are images that are similar but not similar. However, it has an approximate frequency characteristic on the cepstrum. If the template image is similar to the original image, it is considered that the PSF can be evolved into an accurate PSF with a fast convergence even when the PSF is evolved.

すなわち、人の顔なら、人の顔、風景なら風景と、画像の内容は一致していなくても、同じような構図であって、手ブレがない若しくは手ブレが十分に少ない画像をテンプレート画像として選択することが望ましい。   In other words, even if the content of the image does not match the face of the person, the face of the person, and the scenery of the landscape, the image has the same composition and there is no camera shake or there is not enough camera shake. It is desirable to select as.

テンプレート画像に対して複数の候補PSFを作成する。PSFは、画像の中心部分の所定の範囲に存在させる。これをPSF探索範囲と呼ぶ。手ブレの軌跡はそれほど広がらないからである。ここで候補PSFは、画像の中心点と、PSF探索範囲内に設けた任意の2点の一方を始点、他方を終点とし、始点、中心点、終点をそれぞれ白画素1色の直線で結ぶ形状とし、それ以外の部分を黒画素で埋めた画像とする。   A plurality of candidate PSFs are created for the template image. The PSF is present in a predetermined range in the central portion of the image. This is called a PSF search range. This is because the trail of camera shake does not spread so much. Here, the candidate PSF is a shape in which one of the center point of the image and any two points provided in the PSF search range is a start point and the other is an end point, and the start point, the center point, and the end point are each connected by a straight line of one white pixel. And an image in which the other portions are filled with black pixels.

手ブレはシャッター速度の逆数に対応する時間内の出来事であり、頻繁に方向が変化することはほとんどない。従って、PSFは変曲点の少ない線分として近似できると考えられるからである。もちろん、これはもっとも基本的なPSFの生成方法である。図7(a)に生成された候補PSFを示す。PSF探索範囲(A−PSF)の中心点(AC)に重ならないように、始点(AS)と終点(AT)が決められる。   Camera shake is an event in time corresponding to the reciprocal of the shutter speed, and the direction is rarely changed frequently. Therefore, it is considered that the PSF can be approximated as a line segment with few inflection points. Of course, this is the most basic PSF generation method. FIG. 7A shows the candidate PSF generated. The start point (AS) and the end point (AT) are determined so as not to overlap the center point (AC) of the PSF search range (A-PSF).

なお、ここでは、候補PSFを始点、中心点、終点の3点をそれぞれ直線で結んだものとしたが、公知の方法でこれらの3点を結ぶ曲線を用いてもよい。たとえば、3次スプライン曲線やベジェ曲線が好適に用いられる。図7(b)には、3点を3次スプライン曲線で結んだ場合の形状を示す。したがって、候補PSFとは、PSF探索範囲に設けられた始点、中心点、終点を連続線で順に結んで形成されたものと言える。   Here, the candidate PSF is formed by connecting the start point, the center point, and the end point with a straight line, but a curve connecting these three points may be used by a known method. For example, a cubic spline curve or a Bezier curve is preferably used. FIG. 7B shows a shape when three points are connected by a cubic spline curve. Therefore, it can be said that the candidate PSF is formed by connecting the start point, the center point, and the end point provided in the PSF search range in order by a continuous line.

PSF探索範囲(A−PSF)内において、始点(AS)と終点(AT)の2点を選ぶ方法はランダムであってよい。適応度が低い候補PSFは淘汰されるからである。一方、遺伝的アルゴリズムでは、スタート時の遺伝子(候補PSF)によっては収束するのに大変時間がかかる場合がある。従って、できるだけ取り得る可能性の高いPSFの形状を初期値として与えられるようにするのがよい。   In the PSF search range (A-PSF), a method of selecting two points of the start point (AS) and the end point (AT) may be random. This is because a candidate PSF having a low fitness is deceived. On the other hand, in the genetic algorithm, it may take a long time to converge depending on the starting gene (candidate PSF). Therefore, it is preferable that a PSF shape having a high possibility of being taken as much as possible is given as an initial value.

候補PSFは異なる形状のものを複数生成させる。本発明では遺伝的アルゴリズムを利用するので、淘汰させる必要があるからである。すなわち、典型的なPSFを複数用意しておき、それらを候補PSFの初期値として与えることで、真のPSFに近い形状に容易に候補PSFを進化させることができる。   A plurality of candidate PSFs having different shapes are generated. This is because a genetic algorithm is used in the present invention, and therefore it is necessary to be jealous. That is, by preparing a plurality of typical PSFs and giving them as initial values of candidate PSFs, the candidate PSFs can be easily evolved to a shape close to a true PSF.

テンプレート画像に対して候補PSFを作用させた結果生成した画像は疑似劣化画像(pd)である。ここで作用させるというのは、テンプレート画像と候補PSFを畳み込み演算することである。図8には、テンプレート画像(tp)に4つの候補PSFを作用させ、4つの疑似劣化画像(pd)を生成させた様子を示す。4つの候補PSFは、それぞれ異なる形状および大きさをしている。また、4つの候補PSFはそれぞれ候補PSF1、候補PSF2、候補PSF3、候補PSF4とし、それぞれから生成した疑似劣化画像をpd1、pd2、pd3、pd4とした。   An image generated as a result of applying the candidate PSF to the template image is a pseudo-degraded image (pd). The action here is to perform a convolution operation between the template image and the candidate PSF. FIG. 8 shows a state where four candidate PSFs are applied to the template image (tp) to generate four pseudo-degraded images (pd). The four candidate PSFs have different shapes and sizes. The four candidate PSFs are a candidate PSF1, a candidate PSF2, a candidate PSF3, and a candidate PSF4, respectively, and pseudo-degraded images generated from the respective candidates are pd1, pd2, pd3, and pd4.

次に生成させた疑似劣化画像のケプストラムを求める。ケプストラムの求め方は劣化画像のケプストラムの求め方(ステップS102)と同じである。疑似劣化画像(pd)のケプストラムを疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−i)と呼ぶ。疑似劣化画像ケプストラムは、候補PSF毎に生成される。すなわち、疑似劣化画像ケプストラムは、複数個生成される。図9には、図8で生成させた4つの疑似劣化画像に対してそれぞれの疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−i)を求めた結果を示す。なお、4つの疑似劣化画像ケプストラムには順に番号を付与し、それぞれCgen−1、Cgen−2、Cgen−3、Cgen−4とした。   Next, a cepstrum of the generated pseudo-degraded image is obtained. The method for obtaining the cepstrum is the same as the method for obtaining the cepstrum of the deteriorated image (step S102). The cepstrum of the pseudo deteriorated image (pd) is referred to as a pseudo deteriorated image cepstrum (Cgen-i). The pseudo-degraded image cepstrum is generated for each candidate PSF. That is, a plurality of pseudo deteriorated image cepstrum are generated. FIG. 9 shows the result of obtaining each pseudo-degraded image cepstrum (Cgen-i) for the four pseudo-degraded images generated in FIG. It should be noted that the four pseudo-degraded image cepstrum are numbered in order, and are designated as Cgen-1, Cgen-2, Cgen-3, and Cgen-4, respectively.

次に劣化画像ケプストラム(Cin:図4(b)参照)と個々の疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−1乃至Cgen−4)の類似度を求める(ステップS138)。画像の類似度を求める方法自体は特に限定されるものではない。ここでは(3)式で表される正規化相関法を用いた。この方法では同じ画像のRiは1である。すなわち、Riが1に近ければ劣化画像ケプストラム(Cin)と疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−i)は近似し、適切なPSFが選択されていると判断する。総画素数MのCinとCgen−iの正規化相関値Riは以下の式で表される。   Next, the degree of similarity between the deteriorated image cepstrum (Cin: see FIG. 4B) and the individual pseudo deteriorated image cepstrum (Cgen-1 to Cgen-4) is obtained (step S138). The method for obtaining the image similarity is not particularly limited. Here, the normalized correlation method expressed by equation (3) was used. In this method, Ri of the same image is 1. That is, if Ri is close to 1, the deteriorated image cepstrum (Cin) and the pseudo deteriorated image cepstrum (Cgen-i) are approximated, and it is determined that an appropriate PSF is selected. The normalized correlation value Ri of Cin and Cgen-i for the total number of pixels M is expressed by the following equation.

なお、Cinの上バーはCinの画素値の平均値、Cgen−iの上バーはCgen−iの画素値の平均値である。   The upper bar of Cin is the average value of the pixel values of Cin, and the upper bar of Cgen-i is the average value of the pixel values of Cgen-i.

この手順は全ての疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−i)と劣化画像ケプストラム(Cin)との間で行なわれる。結果、候補PSFに対応する類似度が結果として求められる。このように生成させた候補PSFに対して類似度を求める工程を類似度検出工程と呼ぶ。図10には、劣化画像ケプストラム(Cin)と疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−i)の類似度を算出した結果を示す。図10では、疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−1)の類似度が0.8と最も高く、疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−2)の類似度が0.2と最も低かった。   This procedure is performed between all pseudo-degraded image cepstrum (Cgen-i) and degraded image cepstrum (Cin). As a result, the similarity corresponding to the candidate PSF is obtained as a result. The process of obtaining the similarity for the candidate PSF generated in this way is called a similarity detection process. FIG. 10 shows the result of calculating the similarity between the deteriorated image cepstrum (Cin) and the pseudo deteriorated image cepstrum (Cgen-i). In FIG. 10, the similarity of the pseudo-degraded image cepstrum (Cgen-1) is the highest at 0.8, and the similarity of the pseudo-degraded image cepstrum (Cgen-2) is the lowest at 0.2.

この類似度は、これらの疑似劣化画像ケプストラムを生成した候補PSFの適応度として利用される。すなわち、図8および図10から候補PSF1の適用度はCgen−1の類似度である0.8とされる。同様に、候補PSF2、候補PSF3、候補PSF4の適用度は、それぞれ0.2、0.3、0.7である。   This similarity is used as the fitness of the candidate PSF that generated these pseudo-degraded image cepstrum. That is, from FIG. 8 and FIG. 10, the applicability of candidate PSF1 is 0.8, which is the similarity of Cgen-1. Similarly, the applicability of candidate PSF2, candidate PSF3, and candidate PSF4 are 0.2, 0.3, and 0.7, respectively.

類似度検出工程(ステップS138)で、類似度が付与された候補PSFは、適応度(類似度)に基づいて淘汰される(ステップS140)。淘汰する方法は、通常遺伝的アルゴリズムでよく知られた方法を用いることができる。例えば、エリート選択やルーレット、トーナメント方式を利用することができる。複数のうち淘汰する数は適宜決定してよい。複数の候補PSFから少なくとも1つ以上の候補PSFを淘汰する工程をPSF淘汰工程と呼ぶ。   In the similarity detection step (step S138), the candidate PSF to which the similarity is given is deceived based on the fitness (similarity) (step S140). As a method of deception, a method well known in general with a genetic algorithm can be used. For example, elite selection, roulette and tournament methods can be used. You may determine the number which hesitates among several suitably. A process of selecting at least one candidate PSF from a plurality of candidate PSFs is referred to as a PSF selection process.

次に生存した複数の候補PSFを進化させる(ステップS142)。生存した候補PSFは類似度が高い疑似劣化画像を生成した候補PSFである。これらの候補PSFから2つを選び出し、交叉と突然変異を生じさせる。図11には、候補PSFの進化の方法を示す。選択された候補PSF−aおよび候補PSF−bにはそれぞれ始点(AS1、AS2)と中心点と終点(AT1、AT2)が存在する。そこで、中心点を重ね合わせ、それぞれの始点と終点を1つのPSF探索範囲に配置する。すなわち、PSF探索範囲(A−PSF)中には、始点と終点が2つずつと1つの中心点の計5点が存在する。   Next, the plurality of surviving candidate PSFs are evolved (step S142). The surviving candidate PSF is a candidate PSF that has generated a pseudo-degraded image with a high degree of similarity. Two of these candidate PSFs are selected to generate crossover and mutation. FIG. 11 shows a method of evolution of candidate PSFs. The selected candidate PSF-a and candidate PSF-b each have a start point (AS1, AS2), a center point, and an end point (AT1, AT2). Therefore, the center points are overlapped, and the respective start points and end points are arranged in one PSF search range. That is, in the PSF search range (A-PSF), there are a total of five points, two start points and two end points, and one central point.

この始点同士(AS1、AS2)、終点同士(AT1、AT2)の中間点を新たな始点(NS)および終点(NT)とする。これを交叉とする。なお、ここで中間点とはPSF探索範囲の中で始点同士、終点同士の距離の中間点である。また、PSF探索範囲中に突然変異として、ランダムな点を1点追加する。これは突然変異点(MU)である。以上のように交叉および突然変異を生じさせた結果、PSF探索範囲(A−PSF)内には、中心点以外に7つの点が生成されたことになる。   An intermediate point between the start points (AS1, AS2) and the end points (AT1, AT2) is set as a new start point (NS) and end point (NT). This is crossover. Here, the intermediate point is an intermediate point of the distance between the start points and the end points in the PSF search range. Also, one random point is added as a mutation in the PSF search range. This is the mutation point (MU). As a result of crossover and mutation as described above, seven points other than the center point are generated in the PSF search range (A-PSF).

PSF淘汰工程で生存した候補PSFを親世代とすると、子世代の新たな候補PSFは、この7つの点から任意に選ばれた2点と中心点によって生成する。すなわち、(=21)通りの子世代を作ることができる。 If the candidate PSF that survived in the PSF selection process is a parent generation, a new candidate PSF of a child generation is generated by two points and a center point arbitrarily selected from these seven points. That is, 7 C 2 (= 21) child generations can be created.

なお、このような候補PSFの進化のさせ方は、遺伝的アルゴリズムとして、多くのやり方が可能であり、本発明もこの推定工程について、図5に示したフローの各要素を含めば、その順番や繰り返しの方法については、適宜改変されてもよい。   It should be noted that there are a number of ways in which such candidate PSFs can be evolved as a genetic algorithm. In the present invention, if the estimation process includes the elements of the flow shown in FIG. The repeating method may be appropriately modified.

例えば、次のような方法を行うことができる。まず、集団サイズ(候補PSFの最大数)、世代数(淘汰の最大回数)、GAの繰り返し回数、の3つのパラメータを用意、入力する(例:集団サイズ=30、世代数=10、GA繰り返し回数=5)。ここでGA繰り返し数とは、淘汰の最大回数を経て最終的に進化した候補PSFを求める個数である。   For example, the following method can be performed. First, prepare and input three parameters: group size (maximum number of candidate PSFs), number of generations (maximum number of wrinkles), number of GA iterations (example: group size = 30, number of generations = 10, GA iterations). Number of times = 5). Here, the number of GA repetitions is the number of candidate PSFs that have finally evolved after the maximum number of wrinkles.

GA1回目の初期集団は、30個体すべてランダムで作成する。次に30個体からランダムに2つ選択し、交叉・突然変異を行う。この交叉・突然変異では、同じ両親から=21通りの子が生成させることができる。今例として、2つの親から2つの子を生成するとする。これを[集団サイズ÷2=15]回繰り返し、親も合わせて60個の候補PSFを生成する。 The initial population for the first GA is created at random for all 30 individuals. Next, two are randomly selected from 30 individuals and crossover / mutation is performed. This crossover / mutation can generate 7 C 2 = 21 children from the same parents. As an example, assume that two children are generated from two parents. This is repeated [group size ÷ 2 = 15] times to generate 60 candidate PSFs including the parent.

同じ親を選ぶ可能性もあり、また同じ両親から集団内に存在する同一の個体も生成される可能性はある。60個体すべての適応度値を調べ、淘汰作業により集団サイズ(30個体)まで淘汰させる。この部分は図5のステップS132からステップS142に対応している。ただし、図5と異なり、親世代から子世代の候補PSFの適応度を算出する工程(ステップS138)より前で行っている。このように、淘汰させてから子供世代を作成しても、子供世代を作成してから淘汰させてもよい。   The same parent may be selected, and the same individual existing in the group may be generated from the same parent. The fitness values of all 60 individuals are examined, and they are drowned to the group size (30 individuals) by dredging work. This part corresponds to step S132 to step S142 in FIG. However, unlike FIG. 5, it is performed before the step of calculating the fitness of candidate PSFs from the parent generation to the child generation (step S138). As described above, the child generation may be created after the user is eclipsed, or the child generation may be eclipsed after the child generation is created.

この交叉と淘汰を世代数の回数(10回)分行い、最終的に適応度が最も高い個体をGA1回目の最適解とする。   This crossover and selection is performed for the number of generations (10 times), and the individual with the highest fitness is finally set as the optimal solution for the first GA.

次にGAn回目(n≧2)以降は、ランダム初期値を[集団サイズの2/3=20]分作成する。そしてGAn−1回目で得られた最適解のPSFの座標を0から数ピクセルずらしたPSF(つまり最適解の代表点付近のPSF)を残りの[集団サイズの1/3=10]分作成し、合わせて30個体の初期集団とする。1回目と同様に交叉と淘汰を行い、世代数の限界が来たら、n回目の最適解を出力する。   Next, after the GAnth time (n ≧ 2), random initial values are created for [2/3 = 20 of the collective size]. Then, the PSF coordinates obtained by shifting the PSF of the optimal solution obtained by GAn-1 for the first time by several pixels (that is, the PSF near the representative point of the optimal solution) are generated for the remaining [1/3 = 10 of the group size]. The initial population is 30 individuals. Crossover and culling are performed in the same way as the first time, and when the number of generations reaches the limit, the nth optimal solution is output.

以上の操作を繰り返すことで、結果[GA繰り返し回数=5]個の最適解が出力されたことになるので、その中で適応度最大のPSFを出力する。以上のやり方は図5の各工程を適宜順序を変えながら、複数回繰り返していることに相当している。   By repeating the above operation, the optimum solution of [GA repetition count = 5] is output, and the PSF having the maximum fitness is output. The above method corresponds to repeating each step of FIG. 5 a plurality of times while appropriately changing the order.

以上のように、推定工程(ステップS104)は、疑似劣化画像を求める工程(ステップS136)と、疑似劣化画像ケプストラムを生成する工程(ステップS134)と、類似度検出工程(ステップS138)と、PSF淘汰工程(ステップS140)と、PSF新生工程(ステップS142)を含む。この推定工程を繰り返すことで、候補PSFは真のPSFに類似するように進化する。   As described above, the estimation step (step S104) includes a step of obtaining a pseudo-degraded image (step S136), a step of generating a pseudo-degraded image cepstrum (step S134), a similarity detection step (step S138), and a PSF. A drought process (step S140) and a PSF newborn process (step S142) are included. By repeating this estimation process, the candidate PSF evolves to resemble a true PSF.

実際には、推定工程の繰り返しは、候補PSFの少なくとも1つが所定の類似度を超えたら終了するか、所定の回数の繰り返しで終了させる。推定工程を経て得られた候補PSF(最も進化した候補PSF)は推定されたPSFと考えてよく、「推定PSF」と呼んでもよい。また、この工程は、候補PSFを遺伝子としてPSFの推定に遺伝的アルゴリズムを適用しているといえる。   Actually, the repetition of the estimation process is terminated when at least one of the candidate PSFs exceeds a predetermined similarity, or is terminated by a predetermined number of repetitions. The candidate PSF obtained through the estimation step (most evolved candidate PSF) may be considered as an estimated PSF, and may be referred to as an “estimated PSF”. In addition, in this step, it can be said that a genetic algorithm is applied to PSF estimation using candidate PSFs as genes.

次に推定工程を経た候補PSF(推定PSF)を用いて、劣化画像を復元する(ステップS106)。この復元は、(2)式で表されるように逆畳み込み演算を行う。逆畳み込み演算は、一般的に解析的な解は無いとされている。したがって、近似解を求める方法であってよい。また、近似解であるので、いくつかの方法が考えられる。本発明で用いる逆畳み込み演算は、推定PSFを用いて劣化画像を復元できる方法であれば、どのような方法であっても特に限定されない。   Next, the degraded image is restored using the candidate PSF (estimated PSF) that has undergone the estimation process (step S106). For this restoration, a deconvolution operation is performed as represented by equation (2). The deconvolution operation is generally considered to have no analytical solution. Therefore, a method for obtaining an approximate solution may be used. Moreover, since it is an approximate solution, several methods can be considered. The deconvolution operation used in the present invention is not particularly limited as long as it is a method that can restore a degraded image using the estimated PSF.

例えば、逆畳み込み演算の近似演算として知られているベイズ理論に基づく逆畳み込み演算が知られており、この方法を利用することができる。より具体的には(4)式で表される計算を行う。   For example, a deconvolution operation based on Bayesian theory known as an approximate operation of the deconvolution operation is known, and this method can be used. More specifically, the calculation represented by equation (4) is performed.

ここで、mは反復回数を表す。また、gmは、m回目の反復計算による復元画像を表し、hは推定PSFである。復元画像の初期値はg(x、y)と表され、劣化画像であるd(x、y)とする。 Here, m represents the number of iterations. Further, gm represents a restored image by the m-th iterative calculation, and h is an estimated PSF. The initial value of the restored image is represented as g 0 (x, y), and is d (x, y), which is a degraded image.

以上のような復元方法は、コンピュータを用いたソフトウェア的な処理で行うことができる。すなわち、図2で示した各ステップ(より詳細には図3乃至図11で示した各工程)を記録したプログラムとそれを実施するハードウェアによって実現することができる。図12には、本発明を実施するハードウエア構成を示す。本発明の復元方法を実施するプログラムを搭載したコンピュータ装置は本発明の復元装置1となる。   The restoration method as described above can be performed by software processing using a computer. That is, it can be realized by a program recording each step shown in FIG. 2 (more specifically, each step shown in FIG. 3 to FIG. 11) and hardware for executing the program. FIG. 12 shows a hardware configuration for implementing the present invention. A computer apparatus equipped with a program for executing the restoration method of the present invention is the restoration apparatus 1 of the present invention.

本発明の復元装置1(コンピュータ装置)は、入力手段10と、制御装置12と、主記憶14と、出力手段16から構成され、外部記憶18が付加されていてもよい。入力手段10は制御装置12と連結されている。制御装置12は、主記憶14と出力手段16と接続されており、外部記憶18と接続されていてもよい。本発明の復元方法およびPSF推定方法を記載したプログラムは主記憶14若しくは外部記憶18に記録される。また、制御装置12から取り外し可能な記録媒体に記憶されていてもよい。このようなプログラムは、実行形式であってもよいし、ソース状態(コンパイルされる前の状態)であってもよい。   The restoration apparatus 1 (computer apparatus) according to the present invention includes an input unit 10, a control unit 12, a main memory 14, and an output unit 16, and an external storage 18 may be added. The input means 10 is connected to the control device 12. The control device 12 is connected to the main memory 14 and the output means 16 and may be connected to the external memory 18. The program describing the restoration method and PSF estimation method of the present invention is recorded in the main memory 14 or the external memory 18. Further, it may be stored in a recording medium removable from the control device 12. Such a program may be in an executable form or in a source state (a state before being compiled).

入力手段10は劣化画像dを電子データDdとして制御装置12に送信する。主記憶14には、上記の復元方法をコードしたプログラムが記憶されている。また、外部記憶18にはその他の必要なデータが記録されている。制御装置12は、最終の復元画像Dgmを出力手段16に出力する。   The input means 10 transmits the deteriorated image d to the control device 12 as electronic data Dd. The main memory 14 stores a program that codes the above restoration method. In addition, other necessary data is recorded in the external storage 18. The control device 12 outputs the final restored image Dgm to the output unit 16.

図12では、写真などの劣化画像dを電子的なデータDdに変換するために入力手段10としてカメラを例示した。しかし、劣化画像dが最初から電子的なデータDdとして供給される場合は、カメラでなくてもよい。制御装置12は通常使用されるMPU(Micro Processor Unit)を好適に利用することができる。   In FIG. 12, a camera is illustrated as the input means 10 in order to convert a deteriorated image d such as a photograph into electronic data Dd. However, when the deteriorated image d is supplied as electronic data Dd from the beginning, the camera may not be a camera. The control device 12 can suitably use a normally used MPU (Micro Processor Unit).

出力手段16は、例えばディスプレイ装置などが好適に利用することができる。しかし、これに限定されるものではなく、復元画像のデータDgmをそのまま出力してもよい。また、図示しないプリンターでプリントアウトしてもよい。   For example, a display device can be suitably used as the output unit 16. However, the present invention is not limited to this, and the restored image data Dgm may be output as it is. Further, it may be printed out by a printer (not shown).

以上のように本発明の復元方法は、PSFを推定するのに、遺伝的アルゴリズムを利用したので、画一的に劣化画像を復元することができる。   As described above, since the restoration method of the present invention uses the genetic algorithm to estimate the PSF, the degraded image can be restored uniformly.

(実施の形態2)
上記の実施の形態1では、候補PSFをPSF探索範囲の中で中心点以外にランダムに始点(AS)と終点(AT)を発生させて、生成した。しかし、遺伝子となる候補PSFの初期値が真のPSFに近似したものを最初に与えることができれば、進化の速度は速くなり、計算時間の短縮若しくはより高精度に復元ができる。そこで、本発明の候補PSFの生成の部分(図5のステップS132)に、ランダムに発生させた候補PSFに加え、劣化画像のケプストラムに基づいて生成したPSFを加える。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the candidate PSF is generated by generating the start point (AS) and the end point (AT) at random in addition to the center point in the PSF search range. However, if the initial value of a candidate candidate PSF that approximates a true PSF can be given first, the speed of evolution becomes faster, and the calculation time can be shortened or restored with higher accuracy. Therefore, the PSF generated based on the cepstrum of the degraded image is added to the candidate PSF generated at random (step S132 in FIG. 5) of the present invention in addition to the randomly generated candidate PSF.

具体的な方法を図13に示す。この処理は、候補PSFを発生させる図5のステップS132中でいつでも呼び出すことができる(ステップS200)。まず、劣化画像ケプストラム(Cin)を2値化する(ステップS202)。図14(a)に、劣化画像ケプストラムの具体的なものを例示する。図14(a)は劣化画像ケプストラムのPSF探索範囲の部分だけ示している。   A specific method is shown in FIG. This process can be invoked at any time during step S132 of FIG. 5 for generating candidate PSFs (step S200). First, the degraded image cepstrum (Cin) is binarized (step S202). FIG. 14A illustrates a specific example of the degraded image cepstrum. FIG. 14A shows only the PSF search range portion of the degraded image cepstrum.

また、図14(b)に2値化した劣化画像ケプストラムを示す。2値化の方法は特に限定されるものではなく、公知の方法を利用できる。例えば、各画素(ピクセル)の輝度に対して閾値を適当に定め、その閾値より輝度が高い画素を白とし、低い画素を黒とするなどである。   FIG. 14B shows a binarized degraded image cepstrum. The binarization method is not particularly limited, and a known method can be used. For example, a threshold value is appropriately determined for the luminance of each pixel (pixel), a pixel having a higher luminance than the threshold is set to white, and a lower pixel is set to black.

図13を再度参照して、次にPSF探索範囲の中心点から最遠の白座標点Wを求める(ステップS204)。図14(c)には、白座標Wを指定している様子を示す。   Referring again to FIG. 13, next, the white coordinate point W farthest from the center point of the PSF search range is obtained (step S204). FIG. 14C shows a state where the white coordinate W is designated.

再び図13を参照して、次に白座標Wを中心として縦横k個のピクセルの全座標を座標群ΣWとして取得する(ステップS206)。従って、座標群ΣWには(k×k)個の座標が含まれる。そして、この座標群ΣWの個々の座標に対して、中心点(AC)を点対象の中心とする対応座標群ΣZを求める(ステップS208)。従って、対応座標群ΣZにも(k×k)個の座標が存在する。   Referring to FIG. 13 again, next, all the coordinates of the vertical and horizontal k pixels centering on the white coordinate W are acquired as a coordinate group ΣW (step S206). Therefore, the coordinate group ΣW includes (k × k) coordinates. Then, for each coordinate of the coordinate group ΣW, a corresponding coordinate group ΣZ having the center point (AC) as the center of the point object is obtained (step S208). Accordingly, there are (k × k) coordinates in the corresponding coordinate group ΣZ.

そして、座標群ΣWと対応座標群ΣZの中からそれぞれ1点ずつを選び始点および終点とする候補PSFを全部で(k×k)個作成する。ここで、作成された候補PSFの始点および終点はそれぞれ重複しないようにして作成する。これらの候補PSFを図5のステップS132の候補PSFに加えることで、全体の収束性は高くなる。   Then, one point is selected from each of the coordinate group ΣW and the corresponding coordinate group ΣZ, and a total of (k × k) candidate PSFs having the start point and the end point are created. Here, the start point and the end point of the created candidate PSF are created so as not to overlap each other. By adding these candidate PSFs to the candidate PSFs in step S132 of FIG. 5, the overall convergence becomes high.

(実施の形態3)
PSFは、カメラが露光している間のカメラの移動軌跡と考えることができる。すると、微小単位時間当たりの移動距離を考えることもできる。これを原画像とPSFの畳み込み((1)式)で考えると、微小単位時間に動いた場合は、微小単位時間に相当する微小距離ずれた原画像が畳み込み演算される。一方、微小単位時間にほとんど動かなかった場合は、同じ位置で原画像が畳み込み演算される。この違いは、PSFの輝度の違いとなって現れるはずである。
(Embodiment 3)
The PSF can be considered as a movement trajectory of the camera while the camera is exposed. Then, the movement distance per minute unit time can also be considered. Considering this by convolution of the original image and the PSF (Equation (1)), when moving in a minute unit time, the original image shifted by a minute distance corresponding to the minute unit time is calculated. On the other hand, when there is little movement in a minute unit time, the original image is convolved at the same position. This difference should appear as a difference in PSF brightness.

そこで、本実施の形態では輝度を考慮した推定PSFの求め方を示す。この方法は、まず、実施の形態1若しくは2を用いて、カメラの軌跡に相当する推定PSFを求める。推定PSFは黒のPSF探索範囲の中に白画素によって形成された画像である。そこで、白画素の部分に輝度を付与し、輝度付候補PSFとする。この輝度付候補PSFを遺伝的アルゴリズムを用いて進化させ、輝度付推定PSFを求める。   Therefore, in this embodiment, a method for obtaining an estimated PSF in consideration of luminance is shown. In this method, first, an estimated PSF corresponding to a camera trajectory is obtained using the first or second embodiment. The estimated PSF is an image formed by white pixels in the black PSF search range. Therefore, luminance is given to the white pixel portion to obtain a luminance candidate PSF. The candidate PSF with luminance is evolved using a genetic algorithm to obtain an estimated PSF with luminance.

図15にその処理フローの概略を示す。このフローは、図1のステップS104(PSFを進化させる(PSFを推定する)工程)の中で、呼ばれるサブルーチンとして実現される。もちろん、ステップS104を初めから本実施の形態の方法にしてもよい。   FIG. 15 shows an outline of the processing flow. This flow is realized as a subroutine called in step S104 of FIG. 1 (step of evolving PSF (estimating PSF)). Of course, step S104 may be made the method of this embodiment from the beginning.

図15を参照して、まず、移動軌跡のPSFを求める(ステップS402)。これは実施の形態1若しくは2で求めた最も進化したPSF(推定PSF)である。この推定PSFをPpathと呼ぶ。Ppathは、PSF探索範囲A−PSFのうち、Ppath(推定PSF)だけが白画素であり、後は黒画素となっている。   Referring to FIG. 15, first, the PSF of the movement trajectory is obtained (step S402). This is the most advanced PSF (estimated PSF) obtained in the first or second embodiment. This estimated PSF is referred to as Ppath. In the Ppath, only the Ppath (estimated PSF) in the PSF search range A-PSF is a white pixel, and the rest is a black pixel.

次に白画素の部分に番号付けを行う(ステップS404)。これはPpathを表す白画素に重複なく順次番号を付与する。図16にこのように2値化され、各画素に番号付されたPpathを示す。ここでは例示のため、Ppathは11の画素からなる場合を示している。図16では、始点(AS)、中心点(AC)、終点(AT)および各画素に番号(1乃至11)の番号を付けているが、実際にはこの文字はない。   Next, the white pixel portion is numbered (step S404). This sequentially assigns numbers to white pixels representing Ppaths without duplication. FIG. 16 shows Ppath binarized in this way and numbered for each pixel. Here, for the sake of illustration, Ppath indicates a case of 11 pixels. In FIG. 16, the start point (AS), the center point (AC), the end point (AT), and each pixel are numbered (1 to 11), but this character is not actually present.

次に各白画素に輝度を付与する(ステップS406)。この輝度を、新たな遺伝子として進化させる。この輝度を付与されたPSFを輝度付候補PSFと呼ぶ。輝度の付与の方法は、最初はランダムに値を付与する方法で構わない。たとえば、階調を256段階にできる場合は、この階調を輝度と置き換える。そして、各画素に1から256(若しくは0から255)までの輝度を与える。図17には、図16の11の画素に3段階の輝度を与えた場合を例示する。最も明るい輝度は画素2、4、10、11の4つの画素に与えられた。次の明るさの輝度は画素7、8、9の3つの画素に付与された。最も暗い輝度は、画素1、3、5、6の4つの画素に与えられている。   Next, brightness is given to each white pixel (step S406). This brightness is evolved as a new gene. The PSF to which this luminance is given is called a luminance candidate PSF. The method of giving luminance may be a method of giving a value randomly at first. For example, when the gradation can be made in 256 levels, this gradation is replaced with luminance. Each pixel is given a luminance of 1 to 256 (or 0 to 255). FIG. 17 illustrates a case where three levels of luminance are given to the eleven pixels in FIG. The brightest brightness was given to the four pixels 2, 4, 10, and 11. The brightness of the next brightness was given to the three pixels 7, 8, and 9. The darkest luminance is given to the four pixels 1, 3, 5, and 6.

次に、輝度付候補PSFを進化させる(ステップS408)。進化のさせかたは、実施の形態1と同じ(図5で示すフロー)でよい。すなわち、輝度付候補PSFを発生させたら、テンプレート画像と輝度付候補PSFから疑似劣化画像を求める。そして、疑似劣化画像のケプストラムを求め、劣化画像ケプストラムと比較しながら、輝度付候補PSFを淘汰させる。   Next, the luminance candidate PSF is evolved (step S408). The method of evolution may be the same as in the first embodiment (flow shown in FIG. 5). That is, when the luminance candidate PSF is generated, a pseudo deteriorated image is obtained from the template image and the luminance candidate PSF. Then, the cepstrum of the pseudo-degraded image is obtained, and the candidate PSF with luminance is made to appear while comparing with the degraded image cepstrum.

また、遺伝子となる輝度付候補PSFの子世代の作製の仕方はさまざまなやり方が考えられ、特に限定されるものではない。例を以下に示す。親世代の輝度付候補PSFから2つの親を選択し、各画素毎に輝度の中間値を子世代の輝度値とする。なお、低い確率でいずれかの画素に突然変異を発生させる。   In addition, there are various ways to create the child generation of the candidate PSF with brightness that is a gene, and there is no particular limitation. An example is shown below. Two parents are selected from the parent generation luminance candidate PSF, and the intermediate luminance value is set as the luminance value of the child generation for each pixel. It should be noted that a mutation is generated in any pixel with a low probability.

また、他の方法として、遺伝的アルゴリズムでよく使用される一点交叉を用いることもできる。一点交叉とは、2つの遺伝子(a、b)を選択した後、遺伝子配列の間で1点、交叉点をランダムで決定する。そして、その交叉点において遺伝子を2つに切り離す。遺伝子は(a1、a2、b1、b2)の4つに分割される(番号1、2は遺伝子の順番を表す)。この分割された遺伝子をお互いに交換し、接続する(a1、b2とb1、a2)。   As another method, one-point crossover often used in a genetic algorithm can be used. In the one-point crossover, after selecting two genes (a, b), one point is determined between gene sequences, and the crossover point is determined at random. Then, the gene is cut into two at the intersection. The gene is divided into four (a1, a2, b1, b2) (numbers 1 and 2 indicate the order of the genes). The divided genes are exchanged and connected to each other (a1, b2 and b1, a2).

次に、生成された2つの遺伝子の各画素値を低確率で別の値に置き換え、これを突然変異とする。突然変異確率の一例としては、次のようなものが考えられる。遺伝子長(PSF白画素の数)をnとすると、各画素ごとに1/nの確率で、その画素値を別の値にし、それをn回(n個の画素、順にすべて)行う。つまり、1つの遺伝子で突然変異によって値が変わるのは1画素程度になるように設定する。このように親世代から子世代を生成することで、輝度付候補PSFを進化させることができる。   Next, each pixel value of the generated two genes is replaced with another value with a low probability, and this is set as a mutation. The following can be considered as an example of the mutation probability. If the gene length (the number of PSF white pixels) is n, the pixel value is changed to another value with a probability of 1 / n for each pixel, and this is performed n times (n pixels in order, all). That is, it is set so that the value of one gene changes by mutation is about one pixel. By generating a child generation from the parent generation in this way, the candidate PSF with luminance can be evolved.

ここで、輝度付候補PSFとテンプレート画像と畳み込み演算を行う場合は、輝度によって畳み込み演算の際の重みづけを変える。例えば、輝度の高い画素の点で畳み込み演算を行う場合は、その地点での演算結果に高い重みを与え、輝度の低い画素の点で畳み込み演算を行う場合は、その地点での演算結果に低い重みを与える。   Here, when performing a convolution operation on the candidate PSF with brightness and the template image, the weighting in the convolution operation is changed depending on the luminance. For example, when performing a convolution operation at a pixel point with high luminance, a high weight is given to the calculation result at that point, and when performing a convolution operation at a pixel point with low luminance, the calculation result at that point is low. Give weight.

従って、畳み込み演算を行う点毎に、輝度/画像中の輝度の総計という比率で、重みづけがされた輝度付候補PSFを算出すると言える。   Therefore, it can be said that the weighted candidate PSF with weight is calculated at a ratio of luminance / total luminance in the image for each point where the convolution calculation is performed.

本発明は、デジタルカメラを初めとするカメラで撮影された静止画像の劣化を復元することに利用できるほか、動画撮影のカメラなどがパンしたことで、手ブレが生じた1シーンを復元するといった用途にも利用できる。   The present invention can be used to restore degradation of still images taken by a camera such as a digital camera, and can restore one scene in which a camera shake occurs due to panning of a video shooting camera or the like. It can also be used for applications.

1 復元装置(コンピュータ装置)
10 入力手段
12 制御装置
14 主記憶
16 出力手段
18 外部記憶
1. Restoration device (computer device)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Input means 12 Control apparatus 14 Main memory 16 Output means 18 External memory

Claims (15)

復元対象となる劣化画像から劣化画像ケプストラム(Cin)を求める工程と、
前記劣化画像ケプストラムと候補PSFを作用させたテンプレート画像のケプストラムの類似度を適応度関数とし、
前記候補PSFを遺伝子として遺伝的アルゴリズムに従って前記候補PSFを進化させ、推定PSFを得る推定工程とを含むPSF推定方法。
Obtaining a degraded image cepstrum (Cin) from a degraded image to be restored;
The similarity between the degraded image cepstrum and the cepstrum of the template image obtained by acting the candidate PSF is used as an fitness function,
A PSF estimation method including an estimation step of obtaining the estimated PSF by evolving the candidate PSF according to a genetic algorithm using the candidate PSF as a gene.
前記推定工程は、
テンプレート画像に複数の候補PSFを作用させ複数の疑似劣化画像を求める工程と、
複数の前記疑似劣化画像の疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−i)を求める工程と、
前記劣化画像ケプストラム(Cin)に対して複数の前記疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−i)それぞれの類似度を求める類似度検出工程と、
前記類似度から複数の前記候補PSFを淘汰するPSF淘汰工程と、
前記淘汰工程で生存した前記候補PSFから所定条件の下で前記推定PSFを選択する工程と、
前記淘汰工程で生存した前記候補PSFから新たな候補PSFを発生させるPSF新生工程を含むことを特徴とする請求項1に記載されたPSF推定方法。
The estimation step includes
Obtaining a plurality of pseudo-degraded images by applying a plurality of candidate PSFs to the template image;
Obtaining a pseudo-degraded image cepstrum (Cgen-i) of the plurality of pseudo-degraded images;
A similarity detection step of obtaining a similarity of each of the plurality of pseudo-degraded image cepstrum (Cgen-i) with respect to the degraded image cepstrum (Cin);
A PSF selection step of determining a plurality of candidate PSFs from the similarity;
Selecting the estimated PSF under a predetermined condition from the candidate PSFs surviving in the selection step;
2. The PSF estimation method according to claim 1, further comprising a PSF newborn step of generating a new candidate PSF from the candidate PSFs that survived in the selection step.
前記候補PSFは、
前記PSF探索範囲内に設けられた始点と、
前記劣化画像の中心から予め決められたPSF探索範囲の中心点と、
前記PSF探索範囲内に設けられた終点をそれぞれ連続線で結んで作成されたことを特徴とする請求項2に記載されたPSF推定方法。
The candidate PSF is
A starting point provided within the PSF search range;
A center point of a PSF search range determined in advance from the center of the degraded image;
The PSF estimation method according to claim 2, wherein the PSF search method is created by connecting the end points provided in the PSF search range with continuous lines.
前記候補PSFは、前記劣化画像ケプストラム(Cin)を2値化する工程と、
前記劣化画像の中心から予め決められた前記PSF探索範囲の中心点から最遠の白座標を求める工程と、
前記白座標の周囲の点の複数の座標を座標群として取得する工程と、
前記座標群と前記中心点を点対象の中心とする対応座標群を求める工程と、
前記座標群から選んだ始点と、前記中心点と、前記対応座標群から選んだ終点をそれぞれ連続線で結んで形成されたことを特徴とする請求項2に記載されたPSF推定方法。
The candidate PSF binarizes the degraded image cepstrum (Cin);
Obtaining the white coordinate farthest from the center point of the PSF search range predetermined from the center of the degraded image;
Obtaining a plurality of coordinates of points around the white coordinates as a coordinate group;
Obtaining a corresponding coordinate group having the coordinate group and the center point as a center of a point object;
The PSF estimation method according to claim 2, wherein the PSF estimation method is formed by connecting a start point selected from the coordinate group, the center point, and an end point selected from the corresponding coordinate group by continuous lines.
前記類似度検出工程は、
前記劣化画像ケプストラム(Cin)と前記疑似劣化画像ケプストラム(Cgen−i)のSIMを求める工程であることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1の請求項に記載されたPSF推定方法。
The similarity detection step includes:
5. The PSF estimation method according to claim 2, wherein the PSF estimation method is a step of obtaining a SIM of the deteriorated image cepstrum (Cin) and the pseudo deteriorated image cepstrum (Cgen-i).
前記PSF淘汰工程は、
前記類似度が高かった前記疑似劣化画像ケプストラムを生成した前記候補PSFを少なくとも2つ以上生存させる工程であることを特徴とする請求項2乃至5のいずれか1の請求項に記載されたPSF推定方法。
The PSF dredge process includes
The PSF estimation according to any one of claims 2 to 5, which is a step of surviving at least two candidate PSFs that have generated the pseudo-degraded image cepstrum having the high similarity. Method.
前記PSF新生工程は、
生存した前記候補PSFの2つのそれぞれの始点と終点と、始点同士の中間点と、終点同士の中間点と、前記PSF探索範囲内にランダムに発生させた突然変異点の7つの点から2点を同じ確率でランダムに選択し新たな候補PSFとすることを特徴とする請求項2乃至6のいずれか1の請求項に記載されたPSF推定方法。
The PSF renewal process includes
Two points from seven points of the two starting points and the end points of the surviving candidate PSF, the intermediate point between the start points, the intermediate point between the end points, and the mutation point randomly generated in the PSF search range The PSF estimation method according to any one of claims 2 to 6, characterized in that a new candidate PSF is selected at random with the same probability.
請求項1乃至7に記載されたPSFの推定方法によって求めた推定PSFの各白画素に輝度を付与し、輝度付候補PSFを生成する工程と、
前記輝度付候補PSFを進化させる工程を含むPSF推定方法。
Adding a luminance to each white pixel of the estimated PSF obtained by the PSF estimation method according to claim 1 to generate a candidate PSF with luminance;
A PSF estimation method including a step of evolving the luminance candidate PSF.
請求項1乃至8に記載されたPSF推定方法を記録したプログラム。   The program which recorded the PSF estimation method described in Claim 1 thru | or 8. 請求項9に記載されたプログラムを記録した記録媒体。   A recording medium on which the program according to claim 9 is recorded. 入力手段と、制御装置と、主記憶と、出力手段を含み、請求項9に記載されたプログラムを実行可能なコンピュータ装置。   A computer apparatus comprising an input unit, a control device, a main memory, and an output unit, and capable of executing the program according to claim 9. 請求項1乃至8に記載されたPSF推定方法によって推定された前記推定PSFを用いて前記劣化画像の復元画像を求める復元工程を有することを特徴とする劣化画像の復元方法。   9. A degraded image restoration method comprising: a restoration step of obtaining a restored image of the degraded image using the estimated PSF estimated by the PSF estimation method according to claim 1. 請求項12に記載されたPSF推定方法を記録したプログラム。   The program which recorded the PSF estimation method described in Claim 12. 請求項13に記載されたプログラムを記録した記録媒体。   A recording medium on which the program according to claim 13 is recorded. 入力手段と、制御装置と、主記憶と、出力手段を含み、請求項13に記載されたプログラムを実行可能なコンピュータ装置。   14. A computer apparatus including an input unit, a control device, a main memory, and an output unit and capable of executing the program according to claim 13.
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