JP2015220564A - Image processing system and imaging apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image processing system capable of precisely correcting rolling shutter distortion without increase in scale of correction means.SOLUTION: The image processing system comprises: input means which receives image data generated from an imaging device of a rolling shutter system; acquisition means which acquires first information relating to the travel of an apparatus body; calculation means which uses information on the scanning direction of the imaging device out of the first information to calculate the correction amount of the image data on the basis of second information converted so as to correspond to the coordinates of the image different from the image corresponding to the first information; and correction means which corrects the image data by using the correction amount calculated by the calculation means.

Description

本発明は、画像処理装置および撮像装置に関する。   The present invention relates to an image processing device and an imaging device.

ビデオカメラやデジタルカメラといった撮像装置の小型化、軽量化が進み、画像を携帯型の撮像装置で撮影する機会が増えている。近年、このような撮像装置の撮像素子には、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサが用いられる機会が増加している。CMOSイメージセンサが用いられる主な要因として、低コスト化および多画素化が容易、低消費電力であることが挙げられる。   As imaging devices such as video cameras and digital cameras have become smaller and lighter, opportunities for taking images with portable imaging devices are increasing. In recent years, CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensors are increasingly used as image sensors in such image pickup apparatuses. The main factors for using a CMOS image sensor include low cost, easy increase in the number of pixels, and low power consumption.

CMOSイメージセンサでは、1画素単位あるいは1ライン単位(通常水平方向であり場合によって垂直方向のものもある)で画像情報が順次読み出されるローリングシャッタ型が主流である。このような順次読み出しの場合、画素ごともしくはラインごとに露光期間にずれが生じる。ただし、1画素単位で順次読み出しする場合であってもライン間の読み出し時間差に比べ、1ライン中の読み出し時間差は無視できるほど小さい。以下の説明では、画素単位の読み出しもライン単位の順次読み出しと同一に扱う。ローリングシャッタ型のセンサで画像を撮影する際、画面の一番上のラインから一番下のラインまでの露光期間の間に被写体が動いてしまった場合や、手ぶれが生じた場合、スキャンラインごとの露光期間のずれによって被写体の像が変形してしまう。これが歪みとなる。以下、この歪みをローリングシャッタ歪みと呼ぶ。   In the CMOS image sensor, a rolling shutter type in which image information is sequentially read out in units of one pixel or one line (usually in the horizontal direction and sometimes in the vertical direction) is the mainstream. In the case of such sequential reading, the exposure period varies for each pixel or line. However, even in the case of sequentially reading in units of one pixel, the reading time difference in one line is so small that it can be ignored compared to the reading time difference between lines. In the following description, reading in units of pixels is handled in the same way as sequential reading in units of lines. When taking an image with a rolling shutter sensor, if the subject moves during the exposure period from the top line to the bottom line on the screen or if camera shake occurs, scan lines The image of the subject is deformed by the difference in exposure period. This becomes distortion. Hereinafter, this distortion is referred to as rolling shutter distortion.

図9は、ローリングシャッタ歪みの発生プロセスを説明する図である。図9(a)から(d)の各図の上部は、センサのある行の露光を行い読み出す瞬間のカメラと主被写体の位置関係を表す。下部の左側は、画像の各行をスキャンする期間の各時点におけるカメラ移動速度、言い換えれば画像上での移動速度をあらわすグラフである。丸印はその読み出し行の読みだし時点での速度を表す。下部の右側は、画像上のその瞬間の読み出し行の位置を表す。図9(e)は、最終的に得られる画像を表す。ここでは、カメラが次第に垂直上方に移動していく場合について説明する。   FIG. 9 is a diagram for explaining a rolling shutter distortion generation process. The upper part of each of FIGS. 9A to 9D shows the positional relationship between the camera and the main subject at the moment of exposure and reading of a certain row of sensors. The left side of the lower part is a graph showing the camera moving speed at each point in time during which each row of the image is scanned, in other words, the moving speed on the image. A circle indicates the speed at the time of reading the read line. The lower right side represents the position of the readout line at that moment on the image. FIG. 9E shows an image finally obtained. Here, a case where the camera gradually moves vertically upward will be described.

図9(a)は、ローリングシャッタ歪み補正の基準行をセンサの画像読み出しの先頭行(図中では最上部行)とした場合の先頭行読みだしの瞬間を表している。図9(b)は、読み出し行が主被写体の最上部を露光し、読み出した瞬間を表している。図9(b)の主被写体の最上部が図9(e)の最終画像の主被写体の最上部となる。図9(c)は、主被写体の高さ方向の真ん中近傍を露光、読み出した瞬間を表している。図9(d)は、主被写体の高さ方向の最下部近傍を露光、読み出した瞬間を表す。図9(d)の主被写体の最下部が図9(e)の最終画像の主被写体の最下部となる。すべてのセンサの行を露光、読み出し終わると、図9(e)に示す画像が得られる。露光、読み出し行が順次移動している間もカメラが移動しているため、図9(e)の画像には垂直方向へ延びるようなローリングシャッタ歪みが生じてしまう。   FIG. 9A shows the moment of reading the first row when the reference row for rolling shutter distortion correction is the first row (uppermost row in the figure) of image reading of the sensor. FIG. 9B shows the moment when the readout row exposes the top of the main subject and reads out. The uppermost portion of the main subject in FIG. 9B is the uppermost portion of the main subject in the final image in FIG. FIG. 9C shows the moment when the vicinity of the center of the main subject in the height direction is exposed and read. FIG. 9D shows the moment when the vicinity of the lowermost portion in the height direction of the main subject is exposed and read. The lowermost portion of the main subject in FIG. 9D is the lowermost portion of the main subject in the final image in FIG. When all the sensor rows have been exposed and read, an image shown in FIG. 9E is obtained. Since the camera is moved while the exposure and readout lines are sequentially moved, rolling shutter distortion extending in the vertical direction occurs in the image of FIG.

ローリングシャッタ歪みは最終的に画像処理で補正することが主流となっており、ローリングシャッタ歪みの補正処理としては様々な手法が提案されている。例えば、特許文献1では、姿勢センサからの信号もしくは画像解析に、画像の幾何変形処理を組み合わせて補正を行う手法が提案されている。また、非特許文献1では、センサ信号と同様にラインごとの動きを得て高精度の補正を行なう場合には、モーションの多項式補間と画像との間のフィッティング処理により超解像的にセンサ同等の分解能の動き情報を得る手法が提案されている。   Rolling shutter distortion is finally corrected by image processing, and various methods have been proposed as rolling shutter distortion correction processing. For example, Patent Document 1 proposes a method of performing correction by combining a signal from an orientation sensor or image analysis with geometric deformation processing of an image. Further, in Non-Patent Document 1, when high-precision correction is performed by obtaining movement for each line in the same manner as the sensor signal, the sensor equivalent is super-resolved by a fitting process between the polynomial interpolation of the motion and the image. A method for obtaining motion information with a resolution of 2 is proposed.

前述したように、ローリングシャッタ歪みは、CMOSイメージセンサのラインごとの露光期間のずれにより生じる。非特許文献1にもその一例が例示されているように、ローリングシャッタ歪みは例えば以下のような式によりモデル化できる。   As described above, the rolling shutter distortion is caused by the shift of the exposure period for each line of the CMOS image sensor. As exemplified in Non-Patent Document 1, rolling shutter distortion can be modeled by the following equation, for example.

はローリングシャッタ歪みを受けた画像座標、
Is the image coordinates subjected to rolling shutter distortion,

はローリングシャッタ歪みを受ける前の画像座標、m()は空間動きモデル関数、
Is the image coordinates prior to rolling shutter distortion, m () is the spatial motion model function,

はモデルの動きに関するパラメータである。右辺の第2項は基準行yと幾何変形の対象画素を含む行yとの露光期間のズレ(y−y)τの間に生じた撮像装置の動きによる画像上の動きを再現する項である。tは基準行の撮影時刻、tは補正対象の画素を含む行の撮影時刻を表す。 Is a parameter related to the movement of the model. The second term on the right side reproduces the movement on the image due to the movement of the imaging device that occurs between the exposure period deviation (y−y 1 ) τ between the reference row y 1 and the row y including the target pixel of geometric deformation. Term. t 1 represents the photographing time of the reference row, and t represents the photographing time of the row including the pixel to be corrected.

例えば、特許文献2では、式(1)の右辺の第2項を移動して得られる式(2)にしたがい、ローリングシャッタ歪みを含む画像をカメラ動きにより生じる画像の動きの積分の逆変換により幾何変換することで補正画像を得ている。このように、計測したカメラもしくは画像の動きの積分の逆の動きにより歪み画像を幾何変形することで補正画像を得る手法をフォワードマッピングという。   For example, in Patent Document 2, in accordance with Expression (2) obtained by moving the second term on the right side of Expression (1), an image including rolling shutter distortion is obtained by inverse transformation of integral of image movement caused by camera movement. A corrected image is obtained by geometric transformation. In this way, a technique for obtaining a corrected image by geometrically deforming a distorted image by a movement opposite to the integration of the measured camera or image movement is called forward mapping.

特許第4389779号Japanese Patent No. 438979 特許第3925415号Japanese Patent No. 3925415

Simon Baker et.al., “Removing Rolling Shutter Wobble”, CVPR2010, p.2392−2399Simon Baker et.al., “Removing Rolling Shutter Wobble”, CVPR2010, p. 2392-2399 Won−ho Cho,et.al., “Affine Motion Based CMOS Distortion Analysisand CMOS Digital Image Stabilization”, IEEE2007, Aug.2007, Volume.53, Issue 3, p.833−841Won-ho Cho, et.al., “Affine Motion Based CMOS Distortion Analysis CMOS Digital Image Stabilization”, IEEE 2007, Aug. 2007, Volume. 53, Issue 3, p. 833-841

しかしながら、フォワードマッピングにより補正画像を得ようとする場合、画質を維持するためには、動き変化の大きさに応じ補正後に不均一となる画素サンプリングが出力画像に対し十分高精細にする必要がある。そのため、補正前の画像もしくはセンサ内の画素のサンプリング密度を十分高精度にしなければならない。結果として、処理回路の大規模化や処理時間の長時間化が生じてしまう。   However, when trying to obtain a corrected image by forward mapping, in order to maintain the image quality, pixel sampling that becomes non-uniform after correction according to the magnitude of the motion change needs to be sufficiently high-definition with respect to the output image. . Therefore, the sampling density of the image before correction or the pixels in the sensor must be sufficiently high. As a result, the scale of the processing circuit and the processing time become long.

このような課題を鑑みて、本発明は、補正手段の大規模化を行うことなく、高精度にローリングシャッタ歪みを補正可能である。   In view of such a problem, the present invention can correct the rolling shutter distortion with high accuracy without increasing the scale of the correction means.

本発明の一側面としての画像処理装置は、ローリングシャッタ方式の撮像素子から生成された画像データを入力する入力手段と、装置本体の移動に関する第1の情報を取得する取得手段と、前記第1の情報のうち前記撮像素子の走査方向に関する情報を用いて、前記第1の情報に対応する画像とは異なる画像の座標に対応するように変換した第2の情報に基づいて、前記画像データの補正量を算出する算出手段と、前記算出手段により算出された前記補正量を用いて、前記画像データを補正する補正手段と、を有することを特徴とする。   An image processing apparatus according to one aspect of the present invention includes an input unit that inputs image data generated from a rolling shutter type imaging device, an acquisition unit that acquires first information related to movement of the apparatus body, and the first unit. Of the image data based on the second information converted so as to correspond to the coordinates of the image different from the image corresponding to the first information, using the information related to the scanning direction of the image sensor. The image processing apparatus includes: a calculation unit that calculates a correction amount; and a correction unit that corrects the image data using the correction amount calculated by the calculation unit.

本発明の他の側面としての撮像装置は、ローリングシャッタ方式で撮影する撮像素子と、前記撮像素子から生成された画像データを入力する入力手段と、装置本体の移動に関する第1の情報を取得する取得手段と、前記第1の情報のうち前記撮像素子の走査方向に関する情報を用いて、前記第1の情報に対応する画像とは異なる画像の座標に対応するように変換した第2の情報に基づいて、前記画像データの補正量を算出する算出手段と、前記算出手段により算出された前記補正量を用いて、前記画像データを補正する補正手段と、を有することを特徴とする。   An imaging apparatus according to another aspect of the present invention acquires an image sensor that captures images by a rolling shutter system, an input unit that inputs image data generated from the image sensor, and first information relating to movement of the apparatus body. Using the acquisition means and the information related to the scanning direction of the image sensor in the first information, the second information converted to correspond to the coordinates of the image different from the image corresponding to the first information. Based on this, the image processing apparatus includes: a calculation unit that calculates a correction amount of the image data; and a correction unit that corrects the image data using the correction amount calculated by the calculation unit.

本発明によれば、補正手段の大規模化を行うことなく、高精度にローリングシャッタ歪みを補正可能である。   According to the present invention, it is possible to correct the rolling shutter distortion with high accuracy without increasing the scale of the correcting means.

本実施形態に係る画像処理装置のブロック図である。It is a block diagram of an image processing device concerning this embodiment. 撮像装置の画像のフレームや行と時間方向の関係を表す図である。It is a figure showing the relationship of the flame | frame and row | line of an image of an imaging device, and a time direction. ローリングシャッタ歪み補正量の算出手順を説明する図である。It is a figure explaining the calculation procedure of rolling shutter distortion correction amount. フォワードマッピング処理およびバックワードマッピング処理と各補正量の像高に対する関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship with respect to the image height of a forward mapping process, a backward mapping process, and each correction amount. バックワードマッピング処理において各補正量を近似利用した場合に生じる誤差について説明する図である。It is a figure explaining the error which arises when each correction amount is used approximately in the backward mapping process. 画像動きとローリングシャッタ歪みの関係と種類を説明する図である。It is a figure explaining the relationship and kind of image motion and rolling shutter distortion. 動き情報の再構成について説明する図である。It is a figure explaining reconstruction of motion information. サンプリングデータの非線形補間処理による均一化を説明する図である。It is a figure explaining equalization by nonlinear interpolation processing of sampling data. ローリングシャッタ歪みの発生プロセスを説明する図である。It is a figure explaining the generation process of rolling shutter distortion.

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

図1は、本実施形態に係る画像処理装置100のブロック図である。画像処理装置100は、画像入力手段101、姿勢変化取得手段102、ローリングシャッタ歪み補正量算出手段103およびローリングシャッタ歪み補正手段104を有する。なお、本実施形態では、画像処理装置100を撮像装置に搭載した場合について説明する。   FIG. 1 is a block diagram of an image processing apparatus 100 according to the present embodiment. The image processing apparatus 100 includes an image input unit 101, an attitude change acquisition unit 102, a rolling shutter distortion correction amount calculation unit 103, and a rolling shutter distortion correction unit 104. In the present embodiment, a case where the image processing apparatus 100 is mounted on an imaging apparatus will be described.

画像入力手段101は、被写体を写した画像を入力する。画像入力手段101は、具体的には、光学系、撮像素子および撮像系画像処理回路を有する。まず、被写体の光学像は、光学系により撮像素子上に結像され、撮像素子の光電変換作用により電気信号に変換される。次に、電気信号に変換された被写体像は撮像系画像処理回路においてAD変換されて単版センサの場合、ベイヤー補間処理が行なわれる。その後、アパーチャ補正、ガンマ補正、ホワイトバランス処理等からなる撮像系の信号処理が行なわれ、撮影した被写体に関する出力画像が生成される。これらの撮像系画像処理回路は、実際には1つの回路もしくは複数の部分回路として構成される。特に、撮像系画像処理回路は、実際にはアナログの電気信号を扱うアナログフロントエンド、AD変換後のデジタルバックエンドの2つの構成に分けて構成されることが多い。   The image input unit 101 inputs an image showing a subject. Specifically, the image input unit 101 includes an optical system, an imaging device, and an imaging system image processing circuit. First, an optical image of a subject is formed on an image sensor by an optical system and converted into an electric signal by a photoelectric conversion function of the image sensor. Next, the subject image converted into the electrical signal is AD-converted in the imaging system image processing circuit, and in the case of a single plate sensor, Bayer interpolation processing is performed. Thereafter, signal processing of an imaging system including aperture correction, gamma correction, white balance processing, and the like is performed, and an output image related to the photographed subject is generated. These imaging system image processing circuits are actually configured as one circuit or a plurality of partial circuits. In particular, the image pickup system image processing circuit is actually often divided into two components: an analog front end that handles analog electrical signals, and a digital back end after AD conversion.

姿勢変化取得手段(以下、取得手段という)102は、装置本体の動きを検出し、撮像装置の動き情報、もしくは撮像装置の動き情報を画像上の動きに換算した情報を出力する。取得手段は、ジャイロセンサや加速度センサ等の撮像装置の回転量やシフト量を算出するセンサにより構成される。取得手段は、フレームレートもしくは画像の行ごとのサンプリングレートに対応したサンプリング間隔以上の高い周波数で動き情報を取得する。動き情報は、焦点距離情報のようなパラメータとともに任意の時間に対するベクトル量として式(3)で扱うことができる。   Posture change acquisition means (hereinafter referred to as acquisition means) 102 detects the movement of the apparatus body, and outputs movement information of the imaging apparatus or information obtained by converting the movement information of the imaging apparatus into movement on the image. The acquisition unit includes a sensor that calculates the rotation amount and shift amount of the imaging apparatus such as a gyro sensor and an acceleration sensor. The acquisition means acquires motion information at a frequency higher than the sampling interval corresponding to the frame rate or the sampling rate for each row of the image. The motion information can be handled by Equation (3) as a vector quantity for an arbitrary time together with a parameter such as focal length information.

式(3)では、ベクトルの各成分要素が、ある瞬間におけるセンサの出力信号もしくは出力信号に係数を乗算して撮像装置の動き情報としたもの、もしくはズーミングにより変化する焦点距離のような可変パラメータ等を含んだものに対応する。 In the expression (3), each component element of the vector is obtained by multiplying the sensor output signal or output signal by a coefficient to obtain motion information of the imaging apparatus, or a variable parameter such as a focal length that changes due to zooming. Corresponds to the one that contains.

カメラワークに対応する動き情報を画像上の動きに変換して扱う場合、式(4)の空間動きモデル関数を用いて画像上の動きに変換する。   When motion information corresponding to camera work is converted into motion on the image and handled, it is converted to motion on the image using the spatial motion model function of Equation (4).

は前述したように撮像装置の動き情報に加え、画素サイズ、焦点距離のようなパラメータを含むパラメータベクトルである。m()は各種の撮像装置の動き情報を画像上の動きに変化する空間動きモデル関数である。動き情報が速度情報である場合、動き情報にしたがい、単位時間τに画像座標
Is a parameter vector including parameters such as pixel size and focal length in addition to the motion information of the imaging device as described above. m () is a spatial motion model function that changes motion information of various imaging devices into motion on an image. When the motion information is speed information, the image coordinates are expressed in unit time τ according to the motion information.

に生じる動きベクトル
Resulting in motion vector

を算出する。 Is calculated.

本実施形態の撮像装置では、動き量算出手段として光軸に垂直な2軸を回転軸とするジャイロセンサからなる回転センサを装備する場合を想定している。動き関数モデルを撮像装置の2軸回転に対する光軸近傍の線形近似モデルとした場合には式(5)のように表現できる。   In the imaging apparatus according to the present embodiment, it is assumed that a motion sensor is equipped with a rotation sensor composed of a gyro sensor having two axes perpendicular to the optical axis as rotation axes. When the motion function model is a linear approximation model in the vicinity of the optical axis with respect to the biaxial rotation of the image pickup apparatus, it can be expressed as in equation (5).

式(5)で表現されるように、単位時間に生じる画像上の変化は、画像上の位置
As expressed in Equation (5), the change on the image that occurs in unit time is the position on the image.

によらない一様変化となる。Δθ(t)、Δθ2(t)はヨー方向、ピッチ方向に関する撮像装置の動き情報で回転センサから得られる角速度情報、f(t)は撮像装置の焦点距離、dx、yは画素サイズを表す。 It becomes a uniform change not depending on. Δθ 1 (t) and Δθ 2 (t) are motion information of the imaging device regarding the yaw direction and the pitch direction, angular velocity information obtained from the rotation sensor, f (t) is the focal length of the imaging device, and d x and dy are pixels Represents size.

本実施形態の空間動きモデル関数は、当然任意のものと代替可能である。例えば、光軸に回転軸が一致するロール軸を追加してもよいし、撮像装置の回転の画像動きへの影響を線形・アフィンカメラで近似することなく射影モデルで扱ってもよい。また、撮像装置の並進移動を検知可能なセンサを追加し、撮像装置の動きを回転だけでなく並進を区別して扱ってもよい。   Naturally, the spatial motion model function of this embodiment can be replaced with an arbitrary one. For example, a roll axis whose rotational axis coincides with the optical axis may be added, or the influence of the rotation of the imaging device on the image motion may be handled by a projection model without being approximated by a linear / affine camera. Further, a sensor capable of detecting the translational movement of the imaging device may be added, and the movement of the imaging device may be handled by distinguishing not only the rotation but also the translation.

ローリングシャッタ歪み補正量算出手段(以下、算出手段という)103は、ローリングシャッタ歪み補正に必要な幾何変換補正量を算出する。すなわち、算出手段103は、ローリングシャッタに起因する画像を形成する行ごとの露光期間のずれの間に撮像装置の動きで生じた幾何学的な歪みを逆変換的な幾何変換で補正するための補正量を算出する。   Rolling shutter distortion correction amount calculation means (hereinafter referred to as calculation means) 103 calculates a geometric transformation correction amount necessary for rolling shutter distortion correction. That is, the calculation unit 103 corrects the geometric distortion caused by the movement of the image pickup device during the shift of the exposure period for each row forming the image due to the rolling shutter by the inverse transformation geometric transformation. A correction amount is calculated.

まず、図2(a)は、ローリングシャッタ方式の撮像装置で画像を撮影した場合の画像のフレームや行と時間方向の関係を表す。各フレームは、垂直同期信号に合わせ各フレームの読み込みを開始する。各フレームの各行は、順次、行ごとに露光・読み出しを行い、画像情報を形成して記録する。図2(a)に示すように行間の読み出しの遅延時間をτ、画像中の全行数をHとすると、先頭行と最終行で(H−1)τの読み出し時間のずれが生じることになる。   First, FIG. 2A shows a relationship between an image frame and a row and a time direction when an image is captured by a rolling shutter type imaging apparatus. Each frame starts to be read in accordance with the vertical synchronization signal. Each row of each frame is sequentially exposed and read for each row to form and record image information. As shown in FIG. 2A, if the delay time for reading between rows is τ and the total number of rows in the image is H, the reading time of (H−1) τ will be shifted between the first row and the last row. Become.

画像を構成する各画素についてのローリングシャッタ歪み補正量は、式(2)の第2項で示したように、露光期間の異なる行のうちの1つの行を基準にして、同一露光期間に撮影したように、動きにより生じた歪みを打ち消す幾何変形量として求められる。   The rolling shutter distortion correction amount for each pixel constituting the image is taken in the same exposure period with reference to one of the lines having different exposure periods as shown in the second term of the equation (2). As described above, it is obtained as a geometric deformation amount that cancels the distortion caused by the movement.

図2(b)は、図2(a)の撮影画像を算出手段103およびローリングシャッタ歪み補正手段(以下、補正手段という)104を用いて、グローバルシャッタで撮影した画像のように補正したものである。図2(b)は、撮像装置もしくは画像の変化を先頭行から3行目を基準行とし、補正を行った状態を図示している。図2(b)では、基準行との露光タイミングのずれの間に生じた幾何変化を各行ごとに積分した値を用いることで、仮想的に露光期間を移動させている。これによりあたかも基準行とすべての行を同時タイミングで撮像した画像を図2(b)に図示したように得ることができる。   FIG. 2B is obtained by correcting the photographed image of FIG. 2A as an image photographed with a global shutter using the calculation unit 103 and the rolling shutter distortion correction unit (hereinafter referred to as correction unit) 104. is there. FIG. 2B illustrates a state in which correction is performed using a change in the imaging device or the image as a reference line from the first line to the third line. In FIG. 2B, the exposure period is virtually moved by using a value obtained by integrating the geometric change generated during the deviation of the exposure timing from the reference row for each row. As a result, an image obtained by capturing the reference row and all the rows at the same time can be obtained as shown in FIG.

図3を用いて、補正量の算出手順について説明する。図3(a)は図2の撮影により得られた垂直方向に対する撮像装置の移動速度の変化情報と、ローリングシャッタ歪みを含む画像データの組である。撮像装置の移動速度を式(2)の右辺第2項の積分式のように積分し(図3(b))、例えば基準行を先頭行として積分値から減算することにより各行の基準行における露光時からの動き変化量を得る(図3(c))。そして、式(4)で説明したように動き変化量を焦点距離や画素の物理サイズ等のパラメータを用いて画像座標上の動き量に変換した後、その逆変換を各行の補正量とする(図3(c)右図)。このようにして各行に対して算出した補正量により補正手段104を用いて各行を補正することにより補正画像を得る(図3(d))。   The correction amount calculation procedure will be described with reference to FIG. FIG. 3A shows a set of change information of the moving speed of the image pickup apparatus with respect to the vertical direction obtained by the shooting of FIG. 2 and image data including rolling shutter distortion. The moving speed of the imaging device is integrated as shown in the integral expression of the second term on the right side of Expression (2) (FIG. 3B), and is subtracted from the integrated value, for example, with the reference line as the first line. The amount of change in motion from the time of exposure is obtained (FIG. 3C). Then, as described in the equation (4), the motion change amount is converted into the motion amount on the image coordinates using parameters such as the focal length and the physical size of the pixel, and then the inverse transform is used as the correction amount of each row ( FIG. 3 (c) right view). A correction image is obtained by correcting each row using the correction means 104 with the correction amount calculated for each row in this way (FIG. 3D).

ただし、ここまでで述べたような式(2)にしたがったフォワードマッピングによる補正処理の場合、動き変化の激しさに依存し、補正後画像の画素分布が不均一となってしまう。そのため、本実施形態においては、ローリングシャッタ歪み補正をバックワードマッピング処理により実現するため、以下で説明する工夫を加える。なお、バックワードマッピングとは、出力画像の座標を基準として入力画像上でサンプリングを行うことで、補正を行うことをいう。   However, in the case of correction processing by forward mapping according to the equation (2) as described above, the pixel distribution of the corrected image becomes non-uniform depending on the intensity of motion change. For this reason, in the present embodiment, in order to realize the rolling shutter distortion correction by the backward mapping process, the device described below is added. Note that backward mapping refers to performing correction by sampling on the input image with reference to the coordinates of the output image.

図4は、フォワードマッピング処理およびバックワードマッピング処理と各補正量の像高に対する関係を説明する図である。各図は、撮像装置を鉛直下方に移動した際の速度変化のグラフとその際得られる画像の組である。図4(a)は、フォワードマッピングによる補正結果との関係を示す図である。もし、撮像装置の鉛直方向へ移動した場合に補正を行うと、図4(a)の右図で表されるように画像が幾何変形されるため、それに合わせて像高を基準に計測された画像の動き変化量の形が変化してしまう。この結果から、もし撮像装置の動きに像高方向の動きが含まれる場合、単純にバックワードマッピング処理により補正を行うことができない。具体的には、図4(b)に示すように、補正画像を基準にバックワードマッピングで補正を行う場合、その際に補正後画像の像高に応じた補正量情報が必要となってしまう。   FIG. 4 is a diagram for explaining the relationship between the forward mapping process and the backward mapping process and each correction amount with respect to the image height. Each figure is a set of a graph of a speed change when the imaging apparatus is moved vertically downward and an image obtained at that time. FIG. 4A is a diagram illustrating a relationship with a correction result by forward mapping. If correction is performed when the imaging apparatus moves in the vertical direction, the image is geometrically deformed as shown in the right figure of FIG. 4A, and accordingly, the image height is measured based on the image height. The shape of the movement change amount of the image changes. From this result, if the movement of the imaging device includes a movement in the image height direction, it cannot be simply corrected by the backward mapping process. Specifically, as shown in FIG. 4B, when correction is performed by backward mapping based on the corrected image, correction amount information corresponding to the image height of the corrected image is required at that time. .

また、補正後画像の像高に応じた動き変化量を歪み画像の像高に応じた動き変化量で近似して利用した場合(図5(a))、実際には幾何学的に矛盾する関係のため、図5(b)で示すように、動き変化の大きい部分に幾何誤差が生じてしまう。   Further, when the motion change amount corresponding to the image height of the corrected image is approximated with the motion change amount corresponding to the image height of the distorted image (FIG. 5A), it is actually geometrically contradictory. Due to the relationship, as shown in FIG. 5B, a geometric error occurs in a portion where the motion change is large.

実際には撮像装置の動き、そしてそれにより生じるローリングシャッタ歪みには図6に示すように、(b)水平方向の動き、(c)垂直方向の動き、(d)光軸周りの回転、または図示していない前進等が含まれるため、補正についてさらに考慮する必要がある。   In practice, the movement of the imaging device and the resulting rolling shutter distortion is shown in FIG. 6 as follows: (b) horizontal movement, (c) vertical movement, (d) rotation about the optical axis, or Since forward movement and the like not shown are included, it is necessary to further consider the correction.

このように、ローリングシャッタ歪み補正をバックワードマッピングにより実現しようとすると、撮像装置の動き変化量がローリングシャッタ歪みを含む像高を基準にしたときだけ計測可能となる。従来、この問題に対しては、フレーム間の動きを等速度と仮定し、解析的に補正量を導き出す手法が提案されている(例えば、非特許文献2参照)。   As described above, if the rolling shutter distortion correction is to be realized by backward mapping, the movement change amount of the imaging apparatus can be measured only when the image height including the rolling shutter distortion is used as a reference. Conventionally, for this problem, a method has been proposed in which the motion between frames is assumed to be constant speed and the correction amount is analytically derived (see, for example, Non-Patent Document 2).

本実施形態では、ローリングシャッタ歪み補正の精度と厳密性を両立して維持するため、ローリングシャッタ歪みを含む像高で計測された撮像装置の動き情報を無歪画像(補正画像)の像高を引数とする動き情報に再構成している。   In this embodiment, in order to maintain both accuracy and rigor of rolling shutter distortion correction, the motion information of the imaging apparatus measured at the image height including rolling shutter distortion is used to calculate the image height of the undistorted image (corrected image). Reconstructed into motion information as an argument.

図7は、動き情報の再構成について説明する図である。本実施形態では、撮像素子の走査方向である垂直動きの積分情報から得られた補正量を、垂直動きの積分情報から得られた補正量を用いて結び付けられた像高に対して幾何変換している。そうすることで、ローリングシャッタ歪みを含む像高に応じて得られた姿勢変化の情報、例えば水平動き、垂直動き、回転動きを、無歪画像(補正画像)の像高を引数とする動き情報に変換する。補正量は、式(4)より、動き情報の積分値からパラメータにしたがい、画像上の動き量に変換して基準行の動きを減算することにより得る。鉛直方向の動き量を打ち消す補正量を像高から減算することにより、無歪画像(補正画像)の像高を引数とする動き情報に変換できる。しかしながら、幾何変換により無歪画像の像高に対し、不均一になってしまった動き情報のサンプリング点を画像の各行(像高)に対応させるために、最後にスプライン補間等の補間手法を用いて動き情報を再構成する。   FIG. 7 is a diagram for explaining the reconstruction of motion information. In the present embodiment, the correction amount obtained from the integration information of the vertical motion that is the scanning direction of the image sensor is geometrically transformed with respect to the image height associated with the correction amount obtained from the integration information of the vertical motion. ing. By doing so, the posture change information obtained according to the image height including the rolling shutter distortion, for example, the horizontal motion, the vertical motion, and the rotational motion, the motion information using the image height of the undistorted image (corrected image) as an argument. Convert to The correction amount is obtained by subtracting the motion of the reference row by converting into the motion amount on the image according to the parameter from the integral value of the motion information according to the equation (4). By subtracting a correction amount that cancels the amount of motion in the vertical direction from the image height, it can be converted into motion information using the image height of an undistorted image (corrected image) as an argument. However, an interpolation method such as spline interpolation is used at the end to match the sampling points of motion information that have become non-uniform with respect to the image height of the undistorted image due to geometric transformation to each row (image height) of the image. To reconstruct motion information.

図8は、サンプリングデータの非線形補間処理による均一化を説明する図である。幾何変換により無歪像高に対し不均一になってしまった動き情報(図8(a))に対する補間を伴う処理により、無歪像高に対し均一分布を持つ動き情報を再構成する(図8(b))。   FIG. 8 is a diagram for explaining uniformization of sampling data by nonlinear interpolation processing. Motion information having a uniform distribution with respect to the undistorted image height is reconstructed by a process involving interpolation on the motion information (FIG. 8A) that has become non-uniform with respect to the undistorted image height due to geometric transformation (see FIG. 8 (b)).

補正手段104は、ローリングシャッタ歪みを幾何変換により補正する。画像および幾何変形のパラメータを入力し、幾何変換によりローリングシャッタ歪みを補正した画像を出力する。算出手段103により算出した補正量に基づき各行ごとに拡縮、面内回転および水平垂直並進を行うことにより補正を実施する。補正手段104から出力された画像は、記録手段(不図示)によって記録媒体等に記録されるか、表示手段(不図示)に表示される。もしくは別の画像処理手段(不図示)、例えば超解像やHDR等の複数枚合成、もしくは認識処理の入力画像情報として扱われる。   The correcting unit 104 corrects rolling shutter distortion by geometric transformation. An image and parameters of geometric deformation are input, and an image in which rolling shutter distortion is corrected by geometric transformation is output. Based on the correction amount calculated by the calculation means 103, correction is performed by performing scaling, in-plane rotation, and horizontal / vertical translation for each row. The image output from the correcting unit 104 is recorded on a recording medium or the like by a recording unit (not shown) or displayed on a display unit (not shown). Alternatively, it is treated as input image information for another image processing means (not shown), for example, a combination of a plurality of images such as super-resolution or HDR, or recognition processing.

以上説明したように、本発明を用いることにより、バックワードマッピング処理で効率的にかつ高精度にローリングシャッタ歪みを補正できる。   As described above, by using the present invention, rolling shutter distortion can be corrected efficiently and with high accuracy by backward mapping processing.

また、本発明は、撮像装置にのみ適用されるものではなく、例えば撮像装置が取り付けられた携帯情報端末、撮影した映像に対し後処理として加工を加える画像処理装置、このような画像処理装置を含んだ画像表示装置にも適用可能である。例えば、入力手段101および取得手段102を記録媒体の入出力手段またはネットワークの終端ノードとする画像処理装置であっても良い。   In addition, the present invention is not applied only to an imaging device. For example, a portable information terminal to which an imaging device is attached, an image processing device that performs post-processing on a captured video, and such an image processing device. The present invention can also be applied to an image display apparatus that includes the image display apparatus. For example, an image processing apparatus having the input unit 101 and the acquisition unit 102 as input / output units of a recording medium or a terminal node of a network may be used.

また、本発明はユーザが手で持って撮影を行なう撮像装置のみに限定して適用されるものではなく、監視カメラのように固定的に設置され、通行人や自動車など主に動被写体を撮影する場合にも適用可能である。   In addition, the present invention is not limited to an imaging device that is photographed with a hand held by a user, but is fixedly installed like a surveillance camera and photographs mainly moving subjects such as passers-by and cars. It is also applicable to

さらに上述した撮像装置の機能はそれぞれの機能を有するハードウェアにより実現させることもできるが、ソフトウェアにより実現させることもできる。ソフトウェアにより実行させる場合には、そのソフトウェアを構成するプログラムが専用ハードウェアに組み込まれたコンピュータ、または各種プログラムを記録媒体またはネットワークからインストールすることで各種機能を実現可能であればよい。例えば、汎用のパーソナルコンピュータを用いて実現可能である。   Further, the functions of the imaging apparatus described above can be realized by hardware having the respective functions, but can also be realized by software. When executed by software, it is only necessary that various functions can be realized by installing a program constituting the software in dedicated hardware, or by installing various programs from a recording medium or a network. For example, it can be realized using a general-purpose personal computer.

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。   As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary.

100 画像処理装置
101 画像入力手段(入力手段)
102 カメラ姿勢変化取得手段(取得手段)
103 ローリングシャッタ歪み補正量算出手段(算出手段)
104 ローリングシャッタ歪み補正手段(補正手段)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Image processing apparatus 101 Image input means (input means)
102 Camera posture change acquisition means (acquisition means)
103 Rolling shutter distortion correction amount calculation means (calculation means)
104 Rolling shutter distortion correction means (correction means)

Claims (8)

ローリングシャッタ方式の撮像素子から生成された画像データを入力する入力手段と、
装置本体の移動に関する第1の情報を取得する取得手段と、
前記第1の情報のうち前記撮像素子の走査方向に関する情報を用いて、前記第1の情報に対応する画像とは異なる画像の座標に対応するように変換した第2の情報に基づいて、前記画像データの補正量を算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された前記補正量を用いて、前記画像データを補正する補正手段と、を有することを特徴とする画像処理装置。
Input means for inputting image data generated from a rolling shutter image sensor;
Obtaining means for obtaining first information relating to movement of the apparatus body;
Based on the second information converted to correspond to the coordinates of an image different from the image corresponding to the first information, using the information related to the scanning direction of the imaging element among the first information, Calculating means for calculating a correction amount of the image data;
An image processing apparatus comprising: a correction unit that corrects the image data using the correction amount calculated by the calculation unit.
前記補正手段は、出力画像の座標を基準として入力画像上でサンプリングを行うバックワードマッピングにより前記画像データを補正することを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。   The image processing apparatus according to claim 1, wherein the correction unit corrects the image data by backward mapping that performs sampling on the input image with reference to the coordinates of the output image. 前記座標は、ローリングシャッタ歪みの影響を受けない無歪画像の座標であることを特徴とする請求項1または2に記載の撮像装置。   The imaging apparatus according to claim 1, wherein the coordinates are coordinates of an undistorted image that is not affected by rolling shutter distortion. 前記第1の情報に対応する画像は、ローリングシャッタ歪みの影響を受けた歪み画像であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の画像処理装置。   The image processing apparatus according to claim 1, wherein the image corresponding to the first information is a distorted image affected by rolling shutter distortion. 前記算出手段は、歪み画像の像高を引数とする前記第1の情報を、前記撮像素子の走査方向に関する情報を用いて、無歪画像の像高を引数とする前記第2の情報に変換することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の画像処理装置。   The calculation means converts the first information having the image height of the distorted image as an argument into the second information using the image height of the undistorted image as an argument, using information regarding the scanning direction of the image sensor. The image processing apparatus according to claim 1, wherein the image processing apparatus is an image processing apparatus. 前記算出手段は、歪み画像の像高を引数とする前記第1の情報を、前記撮像素子の走査方向に関する情報を用いて、無歪画像の像高を引数とする情報に変換した後、前記情報を補間することで前記第2の情報を取得することを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の画像処理装置。   The calculation means converts the first information having the image height of the distorted image as an argument into information using the image height of the undistorted image as an argument, using information related to the scanning direction of the image sensor. The image processing apparatus according to claim 1, wherein the second information is acquired by interpolating information. 前記第1の情報は、少なくとも装置本体の回転量またはシフト量のいずれかに関する情報であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の画像処理装置。   7. The image processing apparatus according to claim 1, wherein the first information is information related to at least one of an amount of rotation and a shift amount of the apparatus main body. ローリングシャッタ方式で撮影する撮像素子と、
前記撮像素子から生成された画像データを入力する入力手段と、
装置本体の移動に関する第1の情報を取得する取得手段と、
前記第1の情報のうち前記撮像素子の走査方向に関する情報を用いて、前記第1の情報に対応する画像とは異なる画像の座標に対応するように変換した第2の情報に基づいて、前記画像データの補正量を算出する算出手段と、
前記算出手段により算出された前記補正量を用いて、前記画像データを補正する補正手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
An image sensor for taking an image with a rolling shutter system;
Input means for inputting image data generated from the image sensor;
Obtaining means for obtaining first information relating to movement of the apparatus body;
Based on the second information converted to correspond to the coordinates of an image different from the image corresponding to the first information, using the information related to the scanning direction of the imaging element among the first information, Calculating means for calculating a correction amount of the image data;
An image pickup apparatus comprising: correction means for correcting the image data using the correction amount calculated by the calculation means.
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