JP2014186386A - 画像処理装置、画像処理方法、及び、コンピュータプログラム - Google Patents

画像処理装置、画像処理方法、及び、コンピュータプログラム Download PDF

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Abstract

【課題】多階層処理において、簡単な回路で無効画素領域の画素数を最小限にし、各階層における画像端の画素の重心ずれが少なくなる画像処理技術を提供する。
【解決手段】原画像データから複数の異なる帯域のデジタル画像データを生成する画像処理装置であって、入力された画像データにフィルタ処理を施すフィルタ手段と、前記フィルタ処理が施された前記画像データをダウンサンプリングするダウンサンプリング手段と、を含む、複数の直列に接続された処理手段を備え、前記原画像データ及び前記デジタル画像データは、前記フィルタ処理のために有効画素領域と無効画素領域とに分割され、前記原画像データの前記無効画素領域には水平、垂直方向に前記フィルタ処理のタップ数に応じた画素数の余分画素が含まれ、前記原画像データにおける前記余分画素は、前記デジタル画像データに対する前記フィルタ処理における余分画素としても用いられる。
【選択図】 図1

Description

本発明は、画像処理装置、画像処理方法及びコンピュータプログラムに関する。
撮像素子から読み出された画像データのノイズ成分を精度良く除去するために多階層処理を行うことがある。また、画像データから特徴点追跡を効率良く行うために同様に多階層処理を行うこともある。
一般的に多階層処理では、撮像素子から読み出した画像データを階層的な複数の処理ステップでの低域通過フィルタ処理とダウンサンプリング処理とを行なうことにより、入力画像を複数の周波数成分に分離している。分離された各階層において、ノイズ除去など各種フィルタ処理を行う。その後、下位階層の画像を拡大して各階層の画像を合成することにより最終的な出力画像データとしている。
上記多階層処理では、各階層でローパスフィルタ等のフィルタ処理において多タップ処理を行う。各階層の画像端で多タップ処理を行う場合は、階層ごとに無効画素領域に余分画素を確保する必要がある。無効画素領域においてもローパスフィルタとダウンサンプリング処理が行われるため、下位階層において余分画素を確保するときは上位階層ではほぼ倍の画素数が必要となり、最上位階層においては多くの余分画素が必要になってしまう。例えば、5階層処理で各階層のローパスフィルタを水平3タップにした場合、各階層で必要な余分画素数を図7を参照して説明する。
図7は、従来の各階層の画像端の処理方法を示す図である。図7において、右側が有効画素領域で左側が無効画素領域である。無効画素領域に注目すると、第4階層では1画素必要である。さらに第3階層では3画素、第2階層では7画素、第1階層では15画素必要となる。
フィルタ精度や画質を向上させるためにはフィルタのタップ数は多いほうが良い。しかしフィルタのタップ数を増やすと、入力画像データにおいて必要な余分画素数はさらに多くなる傾向にある。
無効画素領域の余分画素数が多くなると、その分だけ入力画像全体に対して有効画素領域で確保できる画素数が少なくなり、出力画像の画角が狭くなってしまうという問題があった。さらに、各階層の無効画素領域に対しても有効画素領域と同様にローパスフィルタ,ダウンサンプリング処理を行うため、有効画素領域のみ処理する場合に比較して余分な処理時間がかかってしまうという問題があった。
上記問題に対して特許文献1では、多階層処理の際に各階層において無効画素領域の余分画素を近傍の有効画素領域からコピー行うことにより、各階層における余分画素を確保している。
特許文献2では、追跡する特徴点が画像端の無効画素領域にある場合、上位階層の画像をアフィン変換し、特徴点を画像の中心方向を移動することによって抽出し、その後逆アフィン変換を施している。上記処理によって、多階層処理において視野率が低下しても無効画素領域で特徴点を抽出することができる。
特開平05−304621号公報 特願2010−79375号公報
しかしながら、上述の特許文献1に開示された従来技術では、無効画素領域の画素を同じ階層の有効領域の画素からコピーするため、下位階層において画像端における画素の重心が中心からずれてしまい、画質が低下してしまうという問題があった。
また、上述の特許文献2に開示された従来技術では、アフィン変換回路が必要になるため、回路規模が増大してしまう。また、変換処理により画質が劣化してしまうため、ノイズ除去などの現像処理には適応が困難である。
そこで本発明は、多階層処理において、簡単な回路で無効画素領域の画素数を最小限にし、各階層における画像端の画素の重心ずれが少なくなる画像処理技術を提供する。
上記目的を達成するために、本発明は、
原画像データから複数の異なる帯域のデジタル画像データを生成する画像処理装置であって、
入力された画像データにフィルタ処理を施すフィルタ手段と、
前記フィルタ処理が施された前記画像データをダウンサンプリングするダウンサンプリング手段と、
を含む、複数の直列に接続された処理手段を備え、
前記原画像データ及び前記デジタル画像データは、前記フィルタ処理のために有効画素領域と無効画素領域とに分割され、
前記原画像データの前記無効画素領域には水平、垂直方向に前記フィルタ処理のタップ数に応じた画素数の余分画素が含まれ、
前記原画像データにおける前記余分画素は、前記デジタル画像データに対する前記フィルタ処理における余分画素としても用いられることを特徴とする。
本発明によれば、多階層処理において、簡単な回路で無効画素領域の画素数を最小限にし、各階層における画像端の画素の重心ずれが少なくなる画像処理技術を提供できる。
発明の実施形態に対応する画像処理装置の構成例を示す機能ブロック図 多階層画像生成部104の構成例を示すブロック図 実施形態1による各階層の画像端の処理方法を説明する図 有効画素領域のコピーによる従来の各階層の画像端の処理方法を説明する図 実施形態2による各階層の画像端の処理方法をを説明する図 実施形態3による各階層の画像端の処理方法を説明する図 従来の各階層の画像端の処理方法を説明する図
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
[実施形態1]
以下、図1乃至5を参照して、本発明の実施形態1について説明する。図1は、本発明の画像処理装置の実施形態1の機能ブロック図である。当該画像処理装置は、例えば、カメラなどの撮像装置として実現することができる。また、カメラに限らず、撮影機能を有する装置であれば、ビデオカメラ、携帯電話、スマートフォン、パーソナルコンピュータ等であってもよい。また、撮影機能が無い場合であっても、メモリに記憶されたRAWデータを処理する装置として実現することもできる。
図1において、結像光学部101はレンズや絞り等からなり、フォーカス調節や露出調節を行う。撮像素子102は光学像を電気信号に変換するCCD、CMOS等である。A/D変換回路103は撮像素子102からのアナログ画像信号をデジタル画像データに変換する。多階層画像生成部104はA/D変換回路103から出力された原画像データから複数の異なる帯域のデジタル画像データを生成し、多階層画像を出力する。信号処理部105には多階層画像生成部104から入力された多階層画像に対し、ノイズ除去、ガンマ処理、補間処理、マトリクス変換、合成処理等を施して映像データを作成する。メモリインタフェース(I/F)106はメモリ(DRAM)108との間で映像データや各種制御データの書き込み/読み出しを行う。CPU107は各種制御を司る制御部として機能する。表示部109は液晶モニター等からなり、信号処理部105にて作成された映像データを随時表示し、使用者がリアルタイムで被写体の様子を観察できるようにする。
なお、図1の画像処理装置において、所定のブロックは専用ロジック回路やメモリを用いてハードウェア的に構成されてもよい。或いは、メモリに記憶されている処理プログラムをCPU等のコンピュータが実行することにより、ソフトウェア的に構成されてもよい。
以上の構成において結像光学部101に入射した光は撮像素子102の受光面に結像され、撮像素子102からアナログ画像信号として出力される。アナログ画像信号はA/D変換回路103でデジタル画像データ(RAWデータ)に変換され、多階層画像生成部104に入力される。
図2は、多階層画像生成部104の構成を示すブロック図である。図2において多階層画像生成部104は、余分画素生成部、ディレイライン(DL)ブロック、低域通過フィルタ(LPF)ブロックおよびダウンサンプリング(DS)ブロックを含む処理回路201から204を複数段直列に接続して構成される。本実施形態では、LPFは例えば水平、垂直3タップフィルタで構成することができる。
図2を参照して多階層画像生成部104における処理について説明する。多階層画像生成部104に入力画像データSinが入力される。Sinは、A/D変換回路から出力された原画像データである。Sinは分岐し、一方はそのまま出力されて、入力画像と同じサイズの第1階層画像Sout1となる。Sinのもう一方は余分画素生成部1に入力される。余分画素生成部1は画像端の無効画素領域に余分画素を生成し、DL1に出力する。DL1は後段で垂直方向にローパスフィルタを掛けるために異なるラインの画像データを保管し、待ち合わせて出力する。DL1から出力された画像データに対してLPF1は水平・垂直方向にローパスフィルタ処理を行う。そしてDS1で水平・垂直方向に2分の1サイズにダウンサンプリングされ、第2階層の出力画像データSout2として生成されて後段及び外部に出力される。同様の処理を複数回実行することで、Sout2、Sout3、Sout4から入力される画像データを使用して第3階層の出力画像データSout3および第4階層の出力画像データSout4、第5階層の出力画像データSout5が生成される。
上記の処理により、本実施形態では多階層画像生成部104は入力画像を5つの階層に分割し、各階層画像Sout1〜Sout5は、最上位階層である第1階層に対して等倍、2分の1、4分の1、8分の1、16分の1の画像データを出力する。また、ローパスフィルタ処理を段階的に施しているので、高周波成分が段階的に除去され、生成されるデジタル画像データの帯域も段階的に低域寄りになる。なお、階層数およびダウンサンプリング倍率はこの限りではなく、また、適用するフィルタを変更して入力画像を他の周波数帯域に分割する等の構成にしてもよい。
図3を参照して、実施形態1における各階層の画像端の処理方法について説明する。図3において、入力される画像データの左端部における画素をA1からM1とする。したがってA1〜M1は第1階層(Sout1)、A2〜G2は第2階層(Sout2)、A3〜D3は第3階層(Sout3)、A4〜C4は第4階層(Sout4)、A5は第5階層(Sout5)となる。第1階層から第4階層までの画像データは、処理回路201から204での処理対象の画像データである。それと同時に、第2階層から第5階層の画像データは、処理回路201から204からの出力画像データである。
点線より左側が無効画素領域、右側が有効画素領域である。有効画素領域の左端画素の座標を0とし、横軸をとっている。無効画素領域の余分画素の画素数は水平方向が1画素である。説明を簡単にするためにローパスフィルタの水平方向タップ数を3タップ、フィルタ係数を[1,2,1]とし、上位階層の同位置および左右の3画素に対してフィルタを掛ける。なお、ここでは3タップのフィルタを用いるために余分画素は1画素で足りるが、タップ数に応じて余分画素の画素数も増加する。例えば、5タップであれば、2画素、7タップであれば3画素になる。
ダウンサンプリングはローパスフィルタ出力を1画素ごとに間引いて出力する。画素と画素をつなぐ線は、DSにおける上位階層と下位階層の画素の関係を表している。例えばB2の画素値は(A1+B1+C1)/4で表すことができる。無効画素領域におけるハッチングブロックは、無効画素のうち、本実施形態では使用されないものを示している。各階層における余分画素を、すべて無効画素領域の画素からのローパスフィルタおよびダウンサンプリングによって生成する場合であれば、これらのハッチングされた画素も必要となる。なお、本実施形態では第1階層における無効画素数は15画素必要になる。
本実施形態では、各下位階層におけるLPF処理時に必要な無効画素領域の画素を、第1階層の余分画素のコピーにより生成する。即ち、第2階層の余分画素A2、第3階層の余分画素A3、及び、第4階層の余分画素A4の各画素値は、余分画素A1の画素値をコピーして用いる。
しかし、必ず第1階層の余分画素を使用しなければならないわけではない。例えば、LPF処理を行う階層よりも上位の階層の余分画素をコピーして使うこともできる。この場合、第3階層の余分画素A3の画素値は、余分画素A2の画素値をコピーして用い、第4階層の余分画素A4の画素値は、余分画素A3の画素値をコピーして用いることができる。上位階層の余分画素は、上段の処理回路或いは当該処理回路の余分画素生成部から取得することができる。
次に図3および図4を参照して、実施形態1における余分画素の生成方法と、特許文献1における無効画素領域の画素を近傍の有効画素領域からコピーする方法とで、重心のずれがどの程度違ってくるかを説明する。フィルタ処理に際し、画素の空間的配置に起因して特に第3階層以下の階層で、有効画素領域方向各階層の画像端において余分画素の重心のずれが生じる。図3を参照して本実施形態による画像端の各画素の重心のずれについて説明する。
まず、画素B2の重心は(−1+0×2+1)/4=0である。画素A2は最上位階層のA1からコピーしているので、画素の座標はA1と同一となる。よって、画素B3の重心は(−1+0×2+2)/4=1/4=0.25となる。同様にして上記の方法で算出すると、B4の重心は(−1+1/4×2+4)/4=7/8≒0.9、A5の重心は(−1+7/8×2+8)/4=35/16≒2.2となる。次に、図4を参照して、無効画素領域の画素を近傍の有効画素領域からコピーした場合の、画像端における各画素の重心のずれ量について説明する。図4は図3の方法と比較して、第2から第4階層における余分画素の生成方法が、同じ階層で近傍の有効画素領域の画素からコピーする方法である点で異なる。即ち、余分画素A2の画素値は、画素B2の画素値をコピーしたものであり、同様に余分画素A3、A4の画素値はそれぞれ画素B3、B4の画素値をコピーしたものである。
この場合画素B2の重心は(−1+0×2+1)/4=0である。画素A2は画素B2からコピーして、画素B3の重心は(0+0×2+2)/4=1/2=0.5となる。B4の重心は(1/2+1/2×2+4)/4=11/8≒1.4、A5の重心は(11/8+11/8×2+8)/4=97/32≒3.0となり、下位階層ほど重心のずれは大きくなる。
以上の計算結果を比較すると、本実施形態の場合は、第2、第3、第4、第5階層の順で、0:0.25:0,9:2.2 に対し、従来方法では、0:0.5:1.4:3.0 となる。なお、値が0に近いほどずれが小さくなる。このように、本実施形態による余分画素生成方法によれば、無効画素領域の画素を近傍の有効画素領域からコピーする場合に比べて重心のずれを小さくすることができる。
以上の本実施形態では、多階層処理において無効画素領域の余分画素数を最小限にすることで、無効画素領域の余分画素をローパスフィルタとダウンサンプリング処理によって生成する方法に比較して処理効率と入力画像に対する出力画像の視野率改善することができる。また、余分画素を有効画素領域からコピーする方法に比較して画像端における画素の重心ずれを少なくすることができる。さらに上記の処理は簡単な回路で実現することができるので回路規模の削減効果が期待できる。
[実施形態2]
次に実施形態2について説明する。上記の実施形態1では、下位階層における余分画素を、第1階層又は上位階層の余分画素のコピーにより生成した。これに対して実施形態2では、上位階層における無効領域の画素を縮小して下位階層の余分画素を生成する方法と、帯域の異なる上位階層の余分画素をコピーして下位階層の余分画素を生成する方法とを組み合わせて用いる。
実施形態1では、最上位階層である第1階層における無効画素領域の画素をコピーして、第2階層以下の下位階層の余分画素として用いた。しかし無効画素領域と有効画素領域の境界付近にエッジやノイズがあり高周波成分が大きい場合は、低周波数成分の多い下位階層における画像端で高周波成分の影響を大きく受けてしまう可能性がある。そこで本実施形態では、第1階層における余分画素数を実施形態1よりも多く確保する。具体的に実施形態1では1画素だけだったのに対し、後述する図5の例では7画素を確保している。その上で上位階層における余分画素は画素のダウンサンプリングにより生成し、下位階層における余分画素は上位階層の余分画素内から同じ画素数をコピーする。なお、確保すべき画素数は、フィルタのタップ数と処理回路の段数に基づいて決定できる。
図5を用いて実施形態2における余分画素の生成方法について説明する。図5において無効画素領域における水平画素数はA1からG1の7画素である。第2から第4階層における余分画素は以下の手順により生成する。第2、第3階層の画像データにおける余分画素はそれぞれ1階層上位の階層、即ち第1、第2階層の画像データの画素をダウンサンプリングすることにより生成する。第4階層の余分画素は第3階層の余分画素をコピーすることにより生成する。なお、ダウンサンプリングの際にローパスフィルタ処理を施してもよい。例えば、A2の余分画素値を決定する際にA1、B1、C1の画素値につき3タップ、フィルタ係数を[1,2,1]のローパスフィルタ処理を施しても良い。以上の処理により、第2、第3、第4階層における画素D2、B3、B4の重心は0となりずれが無くなる。また、画素A5についても、余分画素A3をコピーしているので、(−4+0×2+8)/4=1となり、実施形態1における2.2と比較して、重心のずれが大幅に減少していることが分かる。
以上の実施形態2では、必要な無効画素領域の画素数は、全階層の余分画素をすべて上位階層の画素からダウンサンプリングによって生成する場合の半分程度になり、重心のずれもより少なくなる。よって、実施形態2における余分画素の生成方法は、実施形態1よりも無効画素領域の画素数を多く確保できる場合に有効な方法である。
[実施形態3]
次に実施形態3を説明する。上記の実施形態1では、下位階層における余分画素を、第1階層又は上位階層の余分画素のコピーにより生成した。これに対して実施形態3では、下位階層の余分画素を、帯域の異なる上位階層の無効画素領域における余分画素と、同じ階層の有効画素領域における余分画素とをある係数比で重み付け加算して生成する。図6を用いて実施形態3における余分画素の生成方法について説明する。図6において無効画素領域における水平画素数はA1の1画素である。第2から第4階層における余分画素は以下の手順により生成する。画素A2は第1階層の無効画素領域における余分画素A1のα1倍と第2階層の有効画素領域における近傍の画素B2の(1−α1)倍とを足し合わせた値を生成する。同様にしてA3およびA4画素を算出することにより各階層の余分画素を生成する。なお、下位階層で用いる係数α2、α3はα1と同じ値であっても良いし、異なる値であっても良い。
係数αの値が1に近くなるほどA1の画素値の割合が大きくなり、値が0に近くなるほど同じ階層の有効画素領域の画素の割合が大きくなる。従って、無効画素領域と有効画素領域の境界付近にエッジやノイズがあり高周波成分が大きい場合は、高周波を含むA1の画素値の割合を少なくし、同階層の有効画素領域の画素の割合を大きくする方が画像端での高周波成分の影響を少なくすることができる。一方、無効画素領域と有効画素領域の境界付近で特に高周波成分が大きくない場合、A1の画素値の割合を高くして、重心のずれを少なくすることができる。この傾向は、階層が下に行くほど強くなり、例えば、第4階層では、有効画素は高周波成分がかなり欠落しているので、無効画素領域と有効画素領域の境界付近に高周波成分が多く含まれている場合にはA1の割合を上位階層よりも更に下げる方が望ましい。例えばα1>α2>α3とすることができる。逆に境界付近に高周波成分が多く含まれていない場合には、例えばα1=α2=α3とすることができる。
本実施形態では、必要な無効画素領域の画素数は、実施形態1と同じで1画素である。また、実施形態2と同様、無効画素領域と有効画素領域の境界付近にエッジやノイズがあり高周波成分が大きい場合で、無効画素領域の画素数をあまり確保できない場合に有効である。すなわち、無効画素領域の画素数を最小限にしながら、係数αの値を制御することで境界付近に高周波成分が大きい場合に対応することができる。
なお、原画像データの全体を有効画素領域とすることもできる。この場合、最上段の処理回路201の余分画素生成部1は、第1階層の無効画素領域のA1画素を、原画像データの有効画素領域端部の画素B1をコピーして生成する。2段目以降の余分画素生成部では上位階層の余分画素を使って対象階層の余分画素を算出することができる。よって、すべての階層で有効画素領域からコピーする場合に比べて、下位階層における余分画素の重心ずれを少なくすることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
(その他の実施例)
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (8)

  1. 原画像データから複数の異なる帯域のデジタル画像データを生成する画像処理装置であって、
    入力された画像データにフィルタ処理を施すフィルタ手段と、
    前記フィルタ処理が施された前記画像データをダウンサンプリングするダウンサンプリング手段と、
    を含む、複数の直列に接続された処理手段を備え、
    前記原画像データ及び前記デジタル画像データは、前記フィルタ処理のために有効画素領域と無効画素領域とに分割され、
    前記原画像データの前記無効画素領域には水平、垂直方向に前記フィルタ処理のタップ数に応じた画素数の余分画素が含まれ、
    前記原画像データにおける前記余分画素は、前記デジタル画像データに対する前記フィルタ処理における余分画素としても用いられることを特徴とする画像処理装置。
  2. 前記フィルタ手段がフィルタ処理する際の画像データの余分画素は、該フィルタ手段が属する処理手段より上段の処理手段におけるフィルタ処理に用いられた余分画素をダウンサンプリングして得られた画素であって、
    前記上段の処理手段における余分画素が1画素の場合、前記フィルタ手段は、当該画素をコピーして前記フィルタ処理を実行することを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
  3. 前記複数の処理手段に含まれる各フィルタ手段は、前記原画像データにおける前記余分画素のコピーを用いて前記フィルタ処理を実行することを特徴とする請求項1または2に記載の画像処理装置。
  4. 前記フィルタ手段は、該フィルタ手段が属する処理手段より上段の処理手段におけるフィルタ処理に用いられた余分画素と、該フィルタ手段における処理対象の画像データの有効画素領域の端部の画素とを重み付け加算して得られた画素を前記余分画素として用いて、前記フィルタ処理を実行することを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
  5. 前記重み付けは、前記帯域が低域寄りのデジタル画像データほど、前記上段の処理手段におけるフィルタ処理に用いられた余分画素の重みを小さくすることを特徴とする請求項4に記載の画像処理装置。
  6. 前記複数の処理手段のうち最上段の処理手段では、前記原画像データの全体を前記有効画素領域とし、該有効画素領域の端部の画素を前記余分画素として用いて前記フィルタ処理が実行されることを特徴とする請求項4または5に記載の画像処理装置。
  7. 原画像データから複数の異なる帯域のデジタル画像データを生成する画像処理方法であって、
    フィルタ手段が、入力された画像データにフィルタ処理を施すフィルタ工程と、
    ダウンサンプリング手段が、前記フィルタ処理が施された前記画像データをダウンサンプリングするダウンサンプリング工程と、
    を含む処理を直列に複数回実行する工程を備え、
    前記原画像データ及び前記デジタル画像データは、前記フィルタ処理のために有効画素領域と無効画素領域とに分割され、
    前記原画像データの前記無効画素領域には水平、垂直方向に前記フィルタ処理のタップ数に応じた画素数の余分画素が含まれ、
    前記原画像データにおける前記余分画素は、前記デジタル画像データに対する前記フィルタ処理における余分画素としても用いられることを特徴とする画像処理方法。
  8. コンピュータを請求項1乃至6のいずれか1項に記載の各手段を備える画像処理装置として機能させるためのプログラム。
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