JP2016010002A - 撮像装置及びノイズ補正方法 - Google Patents

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【課題】撮影画像に含まれるノイズを適切に補正する撮像装置を提供する。【解決手段】複数の取得条件毎に作成されかつ圧縮された複数のノイズ画像を記憶する記憶部163と、撮影条件を用いて被写体像を撮像し、撮影画像を出力する撮像素子14と、取得条件と撮影条件とを用いてノイズ画像を調整して複数の調整ノイズ画像を作成し、複数の調整ノイズ画像を合算して合算ノイズ画像を作成し、合算ノイズ画像の解像度を変換して減算ノイズ画像を作成し、撮影画像に含まれるノイズを減算ノイズ画像を用いて補正するノイズ補正部162を備える。【選択図】図1

Description

本発明は、画像に含まれるノイズを補正する撮像装置及びノイズ補正方法に関する。
撮影して得られた撮影画像からノイズを除去する種々の方法が知られている。特許文献1は、まず、黒画像を撮影して得られた1フレームの画像信号を複数のブロックに分割し、ブロック毎に平均を算出する。そして、これらを撮影画像の解像度にリサイズし、リサイズした信号を撮影画像から減算してノイズを除去する。
特開2009−21815号公報
しかし、ノイズは様々な原因により発生するものであり、原因によってその形態が異なる。そこで、異なる形態ごとにノイズを撮影画像から除去するため、ノイズに応じて複数のノイズ画像を用意し、これらを撮影画像から減算する手法に前述の技術を適用したとする。このとき、複数のノイズ画像をリサイズしてから撮影画像から減じると、リサイズによって誤差が生じ、撮影画像からノイズを正確に除去できなくなるおそれがある。ノイズを正確に除去できないと、撮影画像を見たユーザに違和感を生じさせるおそれがある。また、複数のノイズ画像をリサイズするとリサイズを行う回数分だけ、処理回数及び処理時間が増加してしまう。
本発明はこれらの問題に鑑みてなされたものであり、処理回数及び処理時間の増加を抑えながら撮影画像に含まれるノイズを適切に補正する撮像装置及びノイズ補正方法を得ることを目的とする。
本願第1の発明による撮像装置は、複数の取得条件毎に作成されかつ圧縮された複数のノイズ画像を記憶する記憶部と、撮影条件を用いて被写体像を撮像し、撮影画像を出力する撮像素子と、取得条件と撮影条件とを用いてノイズ画像を調整して複数の調整ノイズ画像を作成し、複数の調整ノイズ画像を合算して合算ノイズ画像を作成し、合算ノイズ画像の解像度を変換して減算ノイズ画像を作成し、撮影画像に含まれるノイズを減算ノイズ画像を用いて補正するノイズ補正部とを備えることを特徴とする。
ノイズ補正部は、撮影画像から減算ノイズ画像を減じることにより、撮影画像に含まれるノイズを補正することが好ましい。
ノイズ補正部は、複数の調整ノイズ画像をビット伸張した後に、合算して合算ノイズ画像を作成することが好ましい。オーバーフローによる誤差を最小限にとどめることができる。
ノイズ補正部は、複数の調整ノイズ画像と同じビット数に合算ノイズ画像を戻した後に解像度を変換して減算ノイズ画像を作成し、減算ノイズ画像を撮影画像から減じることにより、撮影画像に含まれるノイズを補正することが好ましい。
ノイズ補正部は、複数の調整ノイズ画像を全て合算して合算ノイズ画像を作成することが好ましい。
ノイズ補正部は、合算ノイズ画像の解像度を撮影画像の解像度と同じになるように変換して減算ノイズ画像を作成することが好ましい。
本願第2の発明によるノイズ補正方法は、撮像素子が撮影条件を用いて被写体像を撮像し、撮影画像を出力するステップと、記憶部から複数の取得条件毎に作成されかつ圧縮された複数のノイズ画像を読み出すステップと、ノイズ補正部が、取得条件と撮影条件とを用いて作成された調整係数をノイズ画像ごとに乗じて複数の調整ノイズ画像を作成するステップと、ノイズ補正部が、複数の調整ノイズ画像を合算して合算ノイズ画像を作成するステップと、ノイズ補正部が、合算ノイズ画像の解像度を変換して減算ノイズ画像を作成するステップと、ノイズ補正部が、撮影画像に含まれるノイズを減算ノイズ画像を用いて補正するステップとを備えることを特徴とする。
本発明によれば、処理回数及び処理時間の増加を抑えながら撮影画像に含まれるノイズを適切に補正する撮像装置及びノイズ補正方法を得る。
本願発明の第1の実施形態による撮像装置のブロック図である。 第1のノイズ画像を概略的に示した図である。 第2のノイズ画像を概略的に示した図である。 第1の拡大ノイズ画像を概略的に示した図である。 第2の拡大ノイズ画像を概略的に示した図である。 減算ノイズ画像を概略的に示した図である。 第1のノイズ画像を伸張して得られたノイズ画像を概略的に示した図である。 第2のノイズ画像を伸張して得られたノイズ画像を概略的に示した図である。 公知の手法による減算ノイズ画像を概略的に示した図である。 公知の手法による減算ノイズ画像と実際に補正するべき値に近い値を有する減算ノイズ画像との誤差を示した図である。 第1のノイズ画像と第2のノイズ画像とを加算して得られたノイズ画像を概略的に示した図である。 ノイズ画像を伸張して得られた減算ノイズ画像を概略的に示した図である。 本実施形態による画像を概略的に示した図である。 第1の補正処理を示したフローチャートである。 第1の拡大ノイズ画像を概略的に示した図である。 第2の拡大ノイズ画像を概略的に示した図である。 ビット伸張せずに調整係数を乗じて得られた第1の調整ノイズ画像を概略的に示した図である。 ビット伸張せずに調整係数を乗じて得られた第2の調整ノイズ画像を概略的に示した図である。 ビット伸張した後に調整係数を乗じて得られた第1の調整ノイズ画像を概略的に示した図である。 ビット伸張した後に調整係数を乗じて得られた第2の調整ノイズ画像を概略的に示した図である。 図17に示す第1の調整ノイズ画像から図18に示す第2の調整ノイズ画像を減じた画像を概略的に示した図である。 図19に示す第1の調整ノイズ画像から図20に示す第2の調整ノイズ画像を減じた画像を概略的に示した図である。 第2の補正処理を示したフローチャートである。
以下、本願発明による一実施形態である撮像装置及びノイズ補正方法について図を用いて説明する。図1は、撮像装置の第1の実施形態であるデジタルスチルカメラ10を示す。まず、図1を用いてデジタルスチルカメラ10の構成について説明する。
デジタルスチルカメラ10は、撮影レンズ11、絞り機構12、メカニカルシャッタ13、撮像素子であるCMOS14、前処理部15、ノイズ補正部である信号処理装置16と、インタフェース17、表示部18、及び外部メモリ19を主に備える。
撮影レンズ11は複数の光学レンズから成り、CMOS14に被写体像を結像させる。撮影レンズ11の光軸上には、絞り機構12、メカニカルシャッタ13、及びCMOS14が設けられる。
絞り機構12は、後述する制御部161からの信号に応じて、撮影レンズ11からの光路の大きさを変更する。
メカニカルシャッタ13は、後述する制御部161からの信号に応じて、撮影レンズ11からの光路を開閉する。
CMOS14は、撮影レンズ11から被写体像を受光して、撮影画像を出力する。撮影画像を作成したときのCMOS14の温度、露光時間、及び利得を撮影条件という。利得は撮影感度とも呼ばれる。
前処理部15は、CMOS14から撮影画像を受信して、A/D変換、利得制御等の処理を行う。
信号処理装置16は、制御部161、処理部162、及び記憶部である内部メモリ163を備える。
制御部161は、例えばLSIやマイコン等によって構成され、絞り機構12、メカニカルシャッタ13、CMOS14、処理部162、及び内部メモリ163の動作を制御する。
処理部162は、例えばLSIやマイコン等によって構成され、前処理部15から受信した撮影画像からノイズを除去し、補正画像を出力する。ノイズを除去する処理を、第1の補正処理という。第1の補正処理については後述する。
内部メモリ163は、半導体メモリであって、撮影画像を一時的に記憶するとともに、制御部161や処理部162が動作するためのプログラム、及び後述するノイズ画像を記憶する。
処理部162により出力された補正画像は、インタフェース17を介して、表示部18、外部メモリ19、及び外部機器20に送信される。
表示部18は、例えばデジタルスチルカメラ10の背面に設けられる液晶ディスプレイや有機ELディスプレイであって、補正画像を表示する。
外部メモリ19は、例えばフラッシュメモリなどの不揮発性メモリであって、補正画像を記憶する。
外部機器20は、例えば外部モニタやコンピュータなどであって、補正画像を表示又は記憶する。
次に、図2から14を用いて第1の補正処理について説明する。第1の補正処理は、複数のノイズ画像を用いて、撮影画像に含まれるノイズを補正する処理である。
CMOS14は、行列状に並べられた複数のフォトダイオードを有する。水平方向に並べられたフォトダイオードをライン(行)と呼ぶ。フォトダイオードは、入射した光を電気エネルギーに変換して蓄積する。これをライン毎に読み出すことにより、撮影画像が出力される。
CMOS14を用いて被写体像を撮像するとき、撮影画像にノイズが発生する。ノイズが発生する原因は、次の理由が主に挙げられる。1つめは、各フォトダイオードに発生する暗電流によるものである。2つめは、各フォトダイオードの特性バラツキによるシェーディング、フォトダイオードの周囲に設けられる各回路の性能誤差によるものである。3つめは、電荷を蓄積し始めてから読み出すまでの期間がライン毎に異なることによるものである。より詳しく説明すると、この期間がライン毎に異なるため、暗電流が蓄積する量がライン毎に異なることにより垂直方向に特性の差異が発生する。これらの原因により、CMOS14の各個体は互いに異なる固定パターンノイズを有する。
ノイズ画像は、これらの原因に応じて予め作成され、内部メモリ163に記憶される。ノイズ画像を作成したときのCMOS14の温度、露光時間、及び利得の値を取得条件といい、ノイズ画像と関連づけられて内部メモリ163に記憶される。
撮影を行うとき、処理部162は、撮影条件と取得条件とを比較して調整係数を算出する。詳しく説明すると、撮影条件の温度と取得条件の温度との比である温度比、撮影条件の露光時間と取得条件の露光時間との比である露光時間比、及び撮影条件の利得と取得条件の利得との比である利得比を求め、温度比と露光時間比と利得比とを乗じる。これにより得られた値を調整係数とする。
図2は第1のノイズ画像を概略的に示し、図3は第2のノイズ画像を概略的に示す。ここでは、説明の簡単のため、第1及び第2のノイズ画像には既に調整係数を乗じてあるものとする。以下、図2から図13において、小さい正方形はノイズ画像の画素を示し、その内部に示される数字は画素の輝度を示す。
図4は、線形補間法を用いて撮影画像と同じ大きさに第1のノイズ画像を伸張して得られた第1の拡大ノイズ画像を概略的に示し、図5は、同様にして第2のノイズ画像を伸張して得られた第2の拡大ノイズ画像を示す。公知の手法では、第1の拡大ノイズ画像と第2の拡大ノイズ画像とを加算して得られた画像を撮影画像から減じることにより、撮影画像に含まれるノイズを補正する。図6は、第1の拡大ノイズ画像と第2の拡大ノイズ画像とを加算して得られた減算ノイズ画像を示す。減算ノイズ画像は、撮影画像に含まれるノイズによって構成される画像であって、撮影画像に含まれるノイズを補正するために用いられる。
他方、図7は、バイリニア補間法を用いて撮影画像と同じ大きさに第1のノイズ画像を伸張して得られたノイズ画像を概略的に示し、図8は、同様にして第2のノイズ画像を伸張して得られたノイズ画像を示す。図7及び8のノイズ画像は、小数点以下の数を含んでおり、丸め誤差が第1及び第2の拡大ノイズ画像よりも小さい。図9は、図7のノイズ画像と図8のノイズ画像とを加算して得られた減算ノイズ画像を示す。図7及び8のノイズ画像の丸め誤差が第1及び第2の拡大ノイズ画像よりも小さいため、図9の減算ノイズ画像は、実際に補正するべき値に近い値を有する。
図10は、図9に示す減算ノイズ画像から図6に示す減算ノイズ画像を減じた画像であって、公知の手法による減算ノイズ画像と、実際に補正するべき値に近い値を有する減算ノイズ画像との誤差を示す。すなわち、公知の手法による減算ノイズ画像は、図10に示すような誤差を有する。
図11は、本実施形態による第1のノイズ画像と第2のノイズ画像とを加算して得られたノイズ画像を示し、図12は、本実施形態による線形補間法を用いて撮影画像と同じ大きさに図11のノイズ画像を伸張して得られた減算ノイズ画像を概略的に示す。
図13は、図9に示す減算ノイズ画像から図12に示す減算ノイズ画像を減じた画像であって、本実施形態による減算ノイズ画像と、実際に補正するべき値に近い値を有する減算ノイズ画像との誤差を示す。図13に示す本実施形態による画像と、図10に示す公知の手法による画像とを比較すると、図13に示す本実施形態による画像は、図10に示す公知の手法による画像よりも小さい誤差を有する。すなわち、図12に示す減算ノイズ画像を用いれば、公知の手法よりも、撮影画像に含まれるノイズを適切に補正することができる。
次に図14を用いて、第1の補正処理の流れについて説明する。第1の補正処理は、信号処理装置16によって実行される処理である。
始めのステップS141では、信号処理装置16がCMOS14に撮像を行わせる。
次のステップS142では、信号処理装置16が、前処理部15を介してCMOS14から撮影画像を取得し、内部メモリ163に一時的に記憶させる。
次のステップS143では、処理部162が、内部メモリ163から第1のノイズ画像を読み出す。次のステップS144では、処理部162が、第1のノイズ画像に調整係数を乗じ、第1の調整ノイズ画像を作成する。すなわち、ステップS143及びS144では、縮小されたままのノイズ画像を撮影条件に応じて調整する。
次のステップS145では、処理部162が、内部メモリ163から第2のノイズ画像を読み出す。
次のステップS146では、処理部162が、第2のノイズ画像に調整係数を乗じ、第2の調整ノイズ画像を作成する。すなわち、ステップS145及びS146では、縮小されたままのノイズ画像を撮影条件に応じて調整する。
次のステップS147では、処理部162が、第1の調整ノイズ画像と第2の調整ノイズ画像とを合算して、合算ノイズ画像を作成する。
次のステップS148では、処理部162が、線形補間法を用いて撮影画像と同じ大きさに合算ノイズ画像を伸張し、減算ノイズ画像を作成する。
次のステップS149では、処理部162が、撮影画像から減算ノイズ画像を減じ、補正ノイズ画像を作成する。
次のステップS150では、処理部162が、補正ノイズ画像に所定の画像処理を行う。そして、処理を終了する。
第1の補正処理によれば、複数のノイズ画像を用いても、解像度を変換する回数及び撮影画像から減算ノイズ画像を減じる処理を1回にすることができ、これにより、計算に要する時間を削減できる。
また、解像度を変換する処理の回数を1回とすることにより、整数に丸め込むことによる計算誤差を減少させることができる。
複数のノイズ画像を用いて撮影画像に含まれるノイズを補正することにより、1つのノイズ画像では補正しきれないノイズを適切に補正できる。いいかえると、依存条件が異なるノイズを適切に補正できる。
また、1つのノイズ画像を用いる補正ではノイズを過剰に補正してしまうおそれがあるが、過剰に補正してしまった場合であっても、他のノイズ画像を用いることにより過剰に補正したノイズを補正し、結果として撮影画像に含まれるノイズを適切に補正できる。
予めノイズ画像を作成して記憶しておくことにより、撮影を行うときにノイズ画像を作成する手法と比較して、ノイズ画像を作成する時間を省くことができ、撮影時間を短縮できる。また、複数のノイズ画像を拡大する構成と比較して、拡大を行う回数を1回まで削減できるとともに、拡大を行う処理時間を削減できる。
次に、図15から23を用いて第2の補正処理について説明する。第2の補正処理は、各画素の輝度のビット数を増加させてから調整係数をノイズ画像に乗じ、合算ノイズ画像を作成してから元のビット数に戻して合算ノイズ画像を作成した後に、撮影画像に含まれるノイズを補正する処理である。
8ビットで表された輝度に調整係数を乗じると、オーバーフロー(桁落ち誤差)が発生して、得られた値の精度が低くなるおそれがある。そこで、8ビットで表されている輝度を一時的に16ビットに変換し、その値に調整係数を乗じることによって、オーバーフローを防ぐ。
図15に示す第1のノイズ画像の輝度は8ビットで表されている。
図15は、8ビットで表された第1のノイズ画像を概略的に示し、図16は、8ビットで表された第2のノイズ画像を概略的に示す。
図17は、第1のノイズ画像に調整係数10を乗じて得られた第1の調整ノイズ画像の各値を示す。ここで、8ビットの最大数は255である。第1のノイズ画像に調整係数10を乗じて得られた値は、いずれも255を超える。そのため、8ビットである第1の調整ノイズ画像の各値はいずれもオーバーフローして、255という値を採ることになる。
図18は、第2のノイズ画像に調整係数10を乗じて得られた第2の調整ノイズ画像の各値を示す。第1の調整ノイズ画像と同様に、第2の調整ノイズ画像の各値はいずれもオーバーフローして、255という値を採ることになる。
図19は、第1のノイズ画像を16ビットに伸張した後に、調整係数10を乗じて得られた第1の調整ノイズ画像を示す。第1の調整ノイズ画像の各値はオーバーフローせずに、正しい値を採る。
図20は、第2のノイズ画像を16ビットに伸張した後に、調整係数10を乗じて得られた第2の調整ノイズ画像を示す。第1の調整ノイズ画像と同様に、第2の調整ノイズ画像の各値はオーバーフローせずに、正しい値を採る。
図21は、図17に示す第1の調整ノイズ画像から図18に示す第2の調整ノイズ画像を減じ、その後に8ビットに戻して得られる画像を示す。オーバーフローにより、各値は0となる。
図22は、図19に示す第1の調整ノイズ画像から図20に示す第2の調整ノイズ画像を減じ、その後に8ビットに戻して得られる画像を示す。各値はオーバーフローしていないため、各値は正しい値を採る。
次に図23を用いて、第2の補正処理の流れについて説明する。第2の補正処理は、信号処理装置16によって実行される処理である。
始めのステップS231では、信号処理装置16がCMOS14に撮像を行わせる。
次のステップS232では、信号処理装置16が、前処理部15を介してCMOS14から撮影画像を取得し、内部メモリ163に一時的に記憶させる。
次のステップS233では、処理部162が、内部メモリ163から第1のノイズ画像を読み出す。次のステップS234では、処理部162が、第1のノイズ画像の各値を16ビットに伸張した後に、第1のノイズ画像に調整係数を乗じ、第1の調整ノイズ画像を作成する。すなわち、ステップS233及びS234では、縮小されたままのノイズ画像を撮影条件に応じて調整する。
次のステップS235では、処理部162が、内部メモリ163から第2のノイズ画像を読み出す。
次のステップS236では、処理部162が、第2のノイズ画像の各値を16ビットに伸張した後に、第2のノイズ画像に調整係数を乗じ、第2の調整ノイズ画像を作成する。すなわち、ステップS235及びS236では、縮小されたままのノイズ画像を撮影条件に応じて調整する。
次のステップS237では、処理部162が、第1の調整ノイズ画像と第2の調整ノイズ画像とを合算し、その後に各値を8ビットに戻し、合算ノイズ画像を作成する。
次のステップS238では、処理部162が、線形補間法を用いて撮影画像と同じ大きさに合算ノイズ画像を伸張し、減算ノイズ画像を作成する。
次のステップS239では、処理部162が、撮影画像から減算ノイズ画像を減じ、補正ノイズ画像を作成する。
次のステップS240では、処理部162が、補正ノイズ画像に所定の画像処理を行う。そして、処理を終了する。
第2の補正処理によれば、調整係数を乗じることにより発生するオーバーフローを防止することができるため、精度良く減算ノイズ画像を作成できる。これにより、撮影画像に含まれるノイズを適切に補正できる。
また、圧縮されている第1及び第2のノイズ画像をビット伸張することにより、圧縮後の画像をビット伸張する場合と比較して、調整係数の乗算を少ないデータ量で行うことができる。
本実施形態によれば、撮影画像に含まれるノイズを適切に補正することができる。
なお、説明の簡単のため、画素データ全体を対象として説明したが、ライン毎に取得条件を設定して記憶部に記憶させ、調整係数を求めてもよい。この場合、ラインは水平方向であってもよく、垂直方向であってもよい。
なお、撮影条件及び取得条件に含まれる条件は、CMOS14の温度、露光時間、及び利得に限定されない。ノイズを生じる他の要素を用いることも可能である。
撮影レンズ11は、着脱可能となるように設けられてもよい。
撮像素子は、CMOS14に限定されず、CCDであってもよい。
10 デジタルスチルカメラ
11 撮影レンズ
12 絞り機構
13 メカニカルシャッタ
14 CMOS
15 前処理部
16 信号処理装置
17 インタフェース
18 表示部
19 外部メモリ
20 外部機器
161 制御部
162 処理部
163 内部メモリ

Claims (7)

  1. 複数の取得条件毎に作成されかつ圧縮された複数のノイズ画像を記憶する記憶部と、
    撮影条件を用いて被写体像を撮像し、撮影画像を出力する撮像素子と、
    前記取得条件と前記撮影条件とを用いて前記ノイズ画像を調整して複数の調整ノイズ画像を作成し、前記複数の調整ノイズ画像を合算して合算ノイズ画像を作成し、前記合算ノイズ画像の解像度を変換して減算ノイズ画像を作成し、前記撮影画像に含まれるノイズを前記減算ノイズ画像を用いて補正するノイズ補正部とを備える撮像装置。
  2. 前記ノイズ補正部は、前記撮影画像から前記減算ノイズ画像を減じることにより、前記撮影画像に含まれるノイズを補正する請求項1に記載の撮像装置。
  3. 前記ノイズ補正部は、前記複数の調整ノイズ画像をビット伸張した後に、合算して前記合算ノイズ画像を作成する請求項1又は2に記載の撮像装置。
  4. 前記ノイズ補正部は、前記複数の調整ノイズ画像と同じビット数に前記合算ノイズ画像を戻した後に解像度を変換して前記減算ノイズ画像を作成し、前記減算ノイズ画像を前記撮影画像から減じることにより、前記撮影画像に含まれるノイズを補正する請求項3に記載の撮像装置。
  5. 前記ノイズ補正部は、前記複数の調整ノイズ画像を全て合算して合算ノイズ画像を作成する請求項1から4のいずれかに記載の撮像装置。
  6. 前記ノイズ補正部は、前記合算ノイズ画像の解像度を前記撮影画像の解像度と同じになるように変換して減算ノイズ画像を作成する請求項1から5のいずれかに記載の撮像装置。
  7. 撮像素子が撮影条件を用いて被写体像を撮像し、撮影画像を出力するステップと、
    記憶部から複数の取得条件毎に作成されかつ圧縮された複数のノイズ画像を読み出すステップと、
    ノイズ補正部が、前記取得条件と前記撮影条件とを用いて作成された調整係数を前記ノイズ画像ごとに乗じて複数の調整ノイズ画像を作成するステップと、
    ノイズ補正部が、前記複数の調整ノイズ画像を合算して合算ノイズ画像を作成するステップと、
    ノイズ補正部が、前記合算ノイズ画像の解像度を変換して減算ノイズ画像を作成するステップと、
    ノイズ補正部が、前記撮影画像に含まれるノイズを前記減算ノイズ画像を用いて補正するステップとを備えるノイズ補正方法。
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