JP2016082510A - 画像処理装置及び画像処理方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 周期的な光量変化が生じる光源下で撮影した画像に生じる縞模様を色付きを抑えながら補正できるようにする。【解決手段】 入力された画像の色成分ごとにフリッカ成分を抽出する抽出手段と、前記抽出手段により抽出された色成分ごとのフリッカ成分に基づいて、前記入力された画像の色成分ごとにフリッカ補正のための補正値を算出する算出手段と、前記入力された画像の色成分ごとにフリッカ補正を行う補正手段と、を有し、前記補正手段は、前記算出手段により算出された色成分ごとの補正値に基づいて、算出された補正値の信頼度が所定の閾値を下回る色成分に対して、算出された補正値の信頼度が所定の閾値を下回らない色成分よりもフリッカ補正の補正度合いを弱める。【選択図】 図4

Description

本発明は、蛍光灯下など周期的な光量変化が生じる光源下で撮影した画像に対する画像処理技術に関するものである。
CMOSイメージセンサなどのXYアドレス方式の固体撮像素子を用いた撮像装置により蛍光灯下などフリッカが生じる光源下で被写体を動画記録する場合、画像内に明暗の縞模様が記録されることがある。このような画質の劣化を抑制するために、特許文献1では、画像上の周期的な輝度変化から光源の明滅成分を検出し、この明滅成分をキャンセルする技術が提案されている。
特開2004−222228号公報
特許文献1に記載された技術では、画像中の縞模様をラインごとの画素値の利得として正弦波で近似して検出・補正を行う。
しかしながら、ところが実際の明滅特性と理想特性である正弦波からの乖離は照明の種類によって異なり、特に白色蛍光灯などでは光源内の特定色の感光体の応答性が高く、色成分間でも理想特性からの乖離度合いが異なる。そのため、特許文献1に記載された技術で実際の明滅特性に適した補正を行うのは困難である。さらに、実際の明滅特性に適していない補正値による補正を行った場合、特定色成分だけ部分的に補正残りや過補正が発生して画像に色付きが観測されるという課題があった。
そこで、本発明は、周期的な光量変化が生じる光源下で撮影した画像に生じる縞模様を色付きを抑えながら補正できるようにすることを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る画像処理装置は、入力された画像の色成分ごとにフリッカ成分を抽出する抽出手段と、前記抽出手段により抽出された色成分ごとのフリッカ成分に基づいて、前記入力された画像の色成分ごとにフリッカ補正のための補正値を算出する算出手段と、前記入力された画像の色成分ごとにフリッカ補正を行う補正手段と、を有し、前記補正手段は、前記算出手段により算出された色成分ごとの補正値に基づいて、算出された補正値の信頼度が所定の閾値を下回る色成分に対して、算出された補正値の信頼度が所定の閾値を下回らない色成分よりもフリッカ補正の補正度合いを弱めることを特徴とする。
本発明によれば、周期的な光量変化が生じる光源下で撮影した画像に生じる縞模様を色付きを抑えながら補正できる。
本実施形態にかかる画像処理装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態にかかる画像処理装置のデジタル信号処理回路の詳細を説明するブロック図である。 周期的な光量変化が生じる光源下で撮影して縞模様が生じている画像を示す図である。 補正値修正部102における補正値修正処理のフローチャートを示す図である。 白色蛍光灯下で撮影された画像のG成分、B成分のフリッカ成分を示す図である。 白色蛍光灯下で所定の色の被写体を連続して撮影して得られた複数の画像の所定の行の色空間上の分布を示す図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る画像処理装置であるカメラ100の概略構成の一例を示すブロック図である。カメラ100は、例えば、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、スマートフォン、タブレット端末などを含む。
図1において、1は絞り4に対して被写体側に位置する第1レンズ群、10は絞り4に対して撮像素子16側(撮像装置の本体側)に配置された第2レンズ群を示している。すなわち、第1レンズ群1には、絞り4の開口を通過する前の光が入射し、第2のレンズ群には、絞り4の開口を通過した後の光が入射する。第1レンズ群1及び第2レンズ群10は、ズーム制御のためレンズ光軸上を前後に制御される。なお、図1では簡略化して1枚のレンズを図示しているが、通常、第1レンズ群1、第2レンズ群10は、それぞれ複数枚のレンズから構成される。また、第1レンズ群1、第2レンズ群10はズーム制御の他に、フォーカス制御、防振制御の機能を有する場合もある。なお、第1レンズ群1や第2レンズ群10は1枚のレンズから構成されていてもよく、本実施形態では、1枚のレンズから構成されている場合も含めてレンズ群と称する。
レンズ駆動モータ2は、ズーム駆動部13から供給される駆動電力に応じて、第1レンズ群1を光軸上を前後に駆動する。同様に、レンズ駆動モータ11もズーム駆動部13から供給される駆動電力に応じて、第2レンズ群10を光軸上を前後に駆動する。レンズ状態検出回路3は第1レンズ群1の駆動状態を検出し、その検出結果をマイクロコンピュータ20に出力する。同様に、レンズ状態検出回路12も第2レンズ群10の駆動状態を検出し、その検出結果をマイクロコンピュータ20に出力する。
絞り4は、カメラ100の外部から入射する光量を調整する絞り羽根などである。絞り駆動モータ5は、絞り駆動部14より供給される駆動電力に応じて絞り4を駆動する。絞り状態検出回路6は、絞り4の駆動状態を検出し、その検出結果をマイクロコンピュータ20に出力する。第1レンズ群1、第2レンズ群10の移動により焦点距離が変化した場合、マイクロコンピュータ20から算出された絞りの開口径となるように、絞り駆動モータ5、絞り状態検出回路6により絞り4の制御を行う。
ND(Neutral Density)フィルタ7は、撮像素子16への入射光路に対して挿入及び退避可能に構成され、挿入することで第1レンズ群1から入射する光を減少させる。NDフィルタ駆動モータ8は、NDフィルタ駆動部15により供給される駆動電力に応じてNDフィルタ7を駆動する。NDフィルタ駆動検出回路9は、NDフィルタ7の駆動状態を検出し、その検出結果をマイクロコンピュータ20に出力する。また、後述するように、絞り4が補正され開口径が変化した場合、マイクロコンピュータ20は、出力された検出結果からNDフィルタ7の位置を算出し、NDフィルタ駆動モータ8、NDフィルタ駆動検出回路9によりNDフィルタ7の制御を行う。なお、本実施形態では、NDフィルタ7として透過率あるいは濃度がグラデーション状に変化するNDフィルタを例にとって説明するが、単濃度のものであってもよい。また、図1では簡略化して1枚のNDフィルタを図示しているが、NDフィルタ7は、複数枚で構成されていても構わない。
16は、CMOSイメージセンサなどのXYアドレス方式の固体撮像素子であり、第1レンズ群1から第2レンズ群10までを介して入射する被写体の光学像を光電変換し、得られた電荷を蓄積する。撮像素子16の各画素に蓄えられた電荷(画像信号)は、後述する撮像素子駆動部27の駆動パルスに応じてCDS/AGC回路17に出力される。CDS/AGC回路17は、出力された画像信号をサンプリング及び増幅する。なお、サンプリングでは相関二重サンプリング(CDS:Correlated Double Sampling)が、増幅では自動利得調整(AGC:Auto Gain Control)が行われる。そして、CDS/AGC回路17により処理された画像信号(アナログ信号)は、A/D変換器18において、デジタル画像信号に変換される。デジタル信号処理回路19は、A/D変換器18から出力されたデジタル画像信号に対して種々の信号処理を行う。
記録部25は、デジタル信号処理回路19で信号処理が施された画像信号をメモリカードなどの外部メモリに書き出す。
マイクロコンピュータ20は、マイクロコントローラや単にコントローラと称される回路であり、カメラ100の動作を統括的に制御する。例えば、マイクロコンピュータ20は、デジタル信号処理回路19からの輝度や色等の情報を受けて、各種の演算処理を行う。
絞り駆動部14は、マイクロコンピュータ20による制御に基づき、絞り駆動モータ5へ駆動電力を供給する。例えば、絞り駆動部14は、撮像素子16が撮像した画像の測光値(輝度値)に応じてマイクロコンピュータ20により求められた露出値に基づく制御により、絞り4を絞る、または、開くための駆動電力を供給する。これにより、カメラ100では、撮像素子16に適正な光量が入射するように絞り調整を行うことが可能となる。なお、測光センサを別に設け、測光センサから得られた測光値を用いて絞り4を制御しても構わない。
NDフィルタ駆動部15は、マイクロコンピュータ20による制御に基づき、NDフィルタ駆動モータ8へ駆動電力を供給する。例えば、NDフィルタ駆動部15は、撮像素子16が撮像した画像の測光値(輝度値)に応じてマイクロコンピュータ20により求められた露出値に基づく制御により、NDフィルタ7の挿入位置を変えるための駆動電力を供給する。
これにより、撮像装置では、撮像された画像の測光値に応じて撮像素子16に入射する光の光量を調整することが可能となる。
撮像素子駆動部27は、マイクロコンピュータ20による制御に基づき、撮像素子16を駆動するための駆動パルス等を撮像素子16へ供給し、撮像素子16で撮像した画像の読み出しや露光時間の調整を行う。例えば、撮像素子駆動部27は、撮像素子16により撮像された画像の測光値に応じたマイクロコンピュータ20の制御により、所定の露光時間で撮像素子16の露光を行うための駆動パルスを供給する。これにより、カメラ100では、撮像された画像の測光値に応じて撮像素子16の露光時間を調整し、その画像を読み出すことが可能となる。
メモリ22は、RAM(Random Access Memory)などであり、一時的にデータを保存する。例えば、メモリ22は、撮像素子16で撮像されてデジタル信号処理回路19で処理された後の画像データなどを一時的に保存する。また、カメラ100を駆動するためのプログラムもメモリ22に保存され、マイクロコンピュータ20で逐次呼び出され実行される。また、事前にシミュレーションによる絞り4、NDフィルタ7の補正位置を使用する場合は、補正位置データを保存するものとする。
外部キー23は、カメラ100のズーム倍率の変更や各種設定を行うために使用する。このとき、外部キーの操作をユーザに知らせるために表示装置24にアイコンやメッセージを表示する。
次に、デジタル信号処理回路19の詳細について図2を用いて説明する。
デジタル信号処理回路19の処理対象となる画像信号(A/D変換器18から出力されたデジタル画像信号)は、評価値取得部100とフリッカ補正部103とに並列に入力される。ここでデジタル信号処理回路19に入力される画像信号は、一般的なテレビジョンで入力可能な輝度・色差信号(YCC)でもよいし、RGB画像を時系列順に出力したRGB画像信号でもかまわない。
評価値取得部100は、入力された画像信号を複合し、RGBの色信号値を画像の行ごとに積分値として取得し、補正値予測部101へ出力する。補正値予測部101は、入力された各行ごとの色信号の積分値から画像内で列方向に生じる周期的な信号レベルの変化成分(以下、フリッカ成分とする)を抽出し、フリッカ成分を打ち消すための補正パラメータを算出し、補正値修正部102へと出力する。
<フリッカ成分の補正値算出について>
CMOSイメージセンサになどのXYアドレス方式の撮像素子を用いて撮影する場合、図3に示すように、画像の列方向(垂直方向)に明暗の縞模様が生じた画像が得られることがある。これは、周期的な光量変化が生じる光源下で撮影される画像の取得周期(フレームレート)と撮影環境の光源の光量変化周期とが一致していないことにより発生する。補正値予測部101は、画像に生じた明暗の縞模様からフリッカ成分を抽出するために、以下の式により時間方向の定常的な信号成分を抽出する。
mem=ave×k+mout×(1−k)
memは上記式の出力としてメモリに格納される値であり、aveは評価値取得部100から入力される画像内の各行の色成分の信号値である。kは巡回型ローパスフィルタのフィルタ係数であり、moutは1フレーム前の画像の信号値が入力された時に演算された上記式の演算結果(すなわち、前回入力された画像に対して上記式で演算されたmem)である。上記演算を各色成分で各行について行うことにより、時間方向の定常的な信号成分を抽出できる。補正値予測部101は、抽出された定常的な信号成分を、現在のフレームで評価値取得部100から入力された信号レベルで各色成分の各信号値を除算することにより、フリッカ成分を算出する。さらに、補正値予測部101は、算出されたフリッカ成分から、垂直方向の信号のレベルの変動特性であるフリッカモデルを生成する。つまり、フリッカモデルは、画像の行ごとに算出したフリッカ成分を列方向に並べたときのフリッカ成分の変動特性を表していて、例えば垂直方向に振幅w、周波数f、位相θを持つ正弦波で近似することができる。周波数fは、フレームレートと光源の光量変化周期に基づいて算出され、各行の位相θは、行ごとに算出したフリッカ成分のうち隣接する最小値と最大値の中間値をとる行の位相をθ=0として算出される。振幅Wは、位相がπ/2または3π/2となる行のフリッカ成分と位相が0となる行のフリッカ成分との差から算出される。生成されたフリッカモデルは各色成分ごとに生成され、それを打ち消す補正値として、算出されたフリッカモデルから位相をπずらした正弦波の位相・振幅・周波数を補正値予測部101は補正値修正部102へ出力する。
補正値修正部102における補正値修正処理について図4を用いて説明する。
ステップS1にて補正値修正部102は、各色成分の補正値の信頼度を算出する。シャッター速度が高速になると、理想とする正弦波と実際のフリッカモデルとの乖離が大きくなる。さらに、光源によっては色成分間でフリッカ成分の振幅に差が生じ、振幅の大きな色成分は補正残りも大きくなる。そのため、シャッター速度が高速であるほど補正値の信頼度が小さいと考えることができる。そこで、本実施形態では、入力された画像に付加されたメタ情報からシャッター速度を取得し、補正値に含まれる振幅の値とシャッター速度から各色成分の信頼度を算出する。なお、本実施形態では信頼度の算出にはシャッター速度と振幅の値を用いたが、信頼度算出の方法は他の方法であってもかまわない。さらに、シャッター速度を取得する方法として画像に付加されたメタ情報を例として挙げているが、マイクロコンピュータ20からシャッター速度を取得するなど、他の方法を用いてもかまわない。
ここで、図5に白色蛍光灯下における高速シャッター時のフリッカ成分の信号レベルと補正後の信号レベルを示す。図5(a)は、列方向を横軸、信号レベルを縦軸にしたG成分のフリッカ成分を示していて、図5(b)は、列方向を横軸、信号レベルを縦軸にしたB成分のフリッカ成分を示している。
白色蛍光灯などでは、B成分の振幅が他の色成分に対して大きく、B成分が他の色成分よりも理想特性からの乖離が大きくなる。そのため、図5(b)に示すようにB成分のみ補正残りが発生しRGBのバランスが崩れ、色付きが発生してしまう。
ところで、生体情報工学の見地から人間の視覚特性を分析によると高速で画像の色が切り替わる場合は知覚性能に限界があり、また色成分によっても知覚性能に差があることが知られている。主にR成分とG成分を知覚するL錐体、M錐体の応答速度は60Hz以上の時間方向の知覚性能を持っており、一方B成分を知覚するS錐体の知覚性能は50Hz未満である。そして、知覚性能以上の周波数で切り替わる色信号については、時間方向に平滑化された信号として知覚される。
フレームレート60fpsで得られた画像信号に対する画像中に生じる縞模様の補正(以下、フリッカ補正とする)を考えると、図5(b)に示すようにB成分で補正残りが発生する。100Hzの光量変化が生じる光源下で60fpsで画像を得るときに発生するフリッカ成分をB成分の特性を考慮せずに補正した場合、この補正残りの様子が約3フレームで循環する。そのため、画像内のある領域を注視すると3フレームの内2フレームはある程度良好に補正され、1フレームでは補正残りが発生する。良好に補正された2フレームのB成分は安定した信号レベルとして連続するため、60fpsで画像を表示すると1/60(秒)×2=1/30(秒)の期間は同じ色が続くことになる。この1/30(秒)という期間は人間の知覚性能範囲内の更新周期である。一方、補正の残った1フレームは1/60(秒)の間続くことになる。この1/60(秒)という期間は人間の知覚性能範囲外の更新周期である。知覚性能範囲外の更新周期で画像が表示される場合、人間には時間方向に平滑化された信号として知覚されるため、補正残りのある画像と良好に補正された画像の間の信号値として知覚される。そのため、良好に補正されたB成分画像と補正の残った画像が上記のような周期で混在すると、時間方向に平滑化して知覚された場合に色信号としてはある方向に偏って知覚されてしまう。そこで、フリッカ補正の信頼性が小さく補正残りの発生が予想される場合においては、B成分の補正残りを大きくすると、1枚1枚の画像の色の偏りは大きくなるが時間方向に平滑化した場合の偏りを小さくすることができる。
図6は、白色蛍光灯下において所定の色の被写体を連続して撮影して得られた複数の画像の所定の行の代表色信号の色空間上の分布を示している。ここでの代表色信号は、所定の行のR成分、G成分、B成分から所定の公知の演算方法により求められる。図6(a)は、複数の画像に対してB成分の補正を通常通りに行った場合の分布を示し、図6(b)は、B成分の補正を弱めて行った場合のベクトル空間上の分布を示している。B成分の補正を通常通りに行った場合は、図6(a)に示すように、円で囲んだ一部の領域に集中した分布となるため、時間方向に平滑化した場合の偏りが大きくなる。一方、B成分の補正を弱めて行った場合は、図6(b)に示すように、円で囲んだ広範囲にばらけた分布となるため、時間方向に平滑化した場合の偏りは小さくなる。すなわち、B成分の補正を通常通りに行うよりもB成分の補正を弱めて行うほうが、時間方向に平滑化した場合の色付きを抑えることができる。
なお、知覚特性はあくまで画像の更新周期に影響するものであり、フレームレートによってはB成分に限らず知覚されないものがある。視聴されるフレームレートが50fps以上100fps以下であれば、色信号の信頼度によってB成分のみ補正値を修正し、視聴されるフレームレートが100fps以上であればRGB各成分の信頼度に応じて補正値の修正により色付きの改善が可能である。
そのため、図4のステップのS2にて補正値修正部102は、画像の更新周期としてのフレームレートが100Hz以上か否か(更新周期が所定の周期より長くないか否か)の判定を行う。ここで画像信号のフレームレートに関する情報は画像信号のメタ情報に付加された情報を用いてもよいし、マイクロコンピュータ20から取得する方法を用いても、またはその他の方法であってもかまわない。
フレームレートが100Hz以上であれば、ステップS3にて補正値修正部102は、各色成分の信頼度が所定の閾値以下か否かの判定を行う。信頼度が閾値を下回った色成分が存在する場合、ステップS4にて補正値修正部102は、信頼度が所定の閾値を下回った色成分に対する補正度合いを小さく抑える補正値の修正を行う。ここでは、信頼度が所定の閾値を下回っていない色成分に対する補正度合いは修正しない。すなわち、信頼度が所定の閾値を下回った色成分に対する補正度合いを、信頼度が所定の閾値を下回らない色成分に対する補正度合いよりも弱くする。
フレームレートが100fps以下であれば、ステップS5にて補正値修正部102は、フレームレートが50fps以上か否かの判定を行う。
50fps以上であれば、ステップS6にて補正値修正部102は、B成分の信頼度が所定の閾値以下か否かの判定を行う。B成分の信頼度が所定の閾値を下回っていれば、B成分に対する補正度合いを小さく抑える補正値の修正を行う。ここでは、R成分、G成分に対する補正度合いは修正しない。
以上のように各色成分に対する補正値修正処理を行った後、補正値修正部102は、各色成分に対する補正値をフリッカ補正部103に出力する。
フリッカ補正部103は、入力された補正値に従って、補正対象の画像の各行・各色成分ごとに信号に対するゲインを制御して補正処理をかけ、フリッカ補正された画像を出力する。
以上のように、本実施形態では、信頼度が閾値を下回った色成分に対して、信頼度が所定の閾値を下回らない色成分よりも補正度合いを弱くすることで、周期的な光量変化が生じる光源下で撮影した画像に生じる縞模様を色付きを抑えながら補正できる。また、B成分に対して他の色成分よりも補正度合いを弱くすることで、周期的な光量変化が生じる光源下で撮影した画像に生じる縞模様を色付きを抑えながら補正できる。
なお、上記の実施形態において、補正度合いを弱くすることには補正を行わないことも含まれてよい。
また、上記の実施形態では、信頼度の判定を行っているが、信頼度の判定を行うことなく、B成分に対する補正度合いを、R成分、G成分に対する補正度合いより弱くするようにしてもよい。
また、上記の実施形態では、撮像機能を有する画像処理装置の例を説明したが、撮像機能を有していない画像処理装置であってもよい。撮像機能を有していない画像処理装置の場合、外部機器から入力された画像に対して上記の補正処理を行えばよい。なお、撮像機能を有する画像処理装置において、外部機器から入力された画像に対して上記の補正処理を行ってもよい。
(その他の実施形態)
本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現可能である。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現可能である。
16 撮像素子
19 デジタル信号処理回路
20 マイクロコンピュータ
100 評価値取得部
101 補正値予測部
102 補正値修正部
103 フリッカ補正部

Claims (6)

  1. 入力された画像の色成分ごとにフリッカ成分を抽出する抽出手段と、
    前記抽出手段により抽出された色成分ごとのフリッカ成分に基づいて、前記入力された画像の色成分ごとにフリッカ補正のための補正値を算出する算出手段と、
    前記入力された画像の色成分ごとにフリッカ補正を行う補正手段と、を有し、
    前記補正手段は、前記算出手段により算出された色成分ごとの補正値に基づいて、算出された補正値の信頼度が所定の閾値を下回る色成分に対して、算出された補正値の信頼度が所定の閾値を下回らない色成分よりもフリッカ補正の補正度合いを弱めることを特徴とする画像処理装置。
  2. 前記補正手段は、前記入力された画像を表示する際の更新周期が所定の周期より長くない場合、前記算出手段により算出された色成分ごとの補正値に基づいて、算出された補正値の信頼度が所定の閾値を下回る色成分に対して、算出された補正値の信頼度が所定の閾値を下回らない色成分よりもフリッカ補正の補正度合いを弱めることを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
  3. 前記抽出された色成分ごとのフリッカ成分とシャッター速度に基づいて、前記算出手段により算出された色成分ごとの補正値の信頼度を算出する信頼度算出手段を有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. 入力された画像のR成分、G成分、B成分ごとにフリッカ成分を抽出する抽出手段と、
    前記抽出手段により抽出された色成分ごとのフリッカ成分に基づいて、前記入力された画像の色成分ごとにフリッカ補正のための補正値を算出する算出手段と、
    前記入力された画像のR成分、G成分、B成分ごとにフリッカ補正を行う補正手段と、を有し、
    前記補正手段は、前記入力された画像のB成分に対して、当該入力された画像のG成分とB成分よりもフリッカ補正の補正度合いを弱めることを特徴とする画像処理装置。
  5. 入力された画像の色成分ごとにフリッカ成分を抽出する抽出ステップと、
    前記抽出ステップで抽出された色成分ごとのフリッカ成分に基づいて、前記入力された画像の色成分ごとにフリッカ補正のための補正値を算出する算出ステップと、
    前記入力された画像の色成分ごとにフリッカ補正を行う補正ステップと、を有し、
    前記補正ステップは、前記算出ステップで算出された色成分ごとの補正値に基づいて、算出された補正値の信頼度が所定の閾値を下回る色成分に対して、算出された補正値の信頼度が所定の閾値を下回らない色成分よりもフリッカ補正の補正度合いを弱めることを特徴とする画像処理方法。
  6. 入力された画像のR成分、G成分、B成分ごとにフリッカ成分を抽出する抽出ステップと、
    前記抽出ステップで抽出された色成分ごとのフリッカ成分に基づいて、前記入力された画像の色成分ごとにフリッカ補正のための補正値を算出する算出ステップと、
    前記入力された画像のR成分、G成分、B成分ごとにフリッカ補正を行う補正ステップと、を有し、
    前記補正ステップは、前記入力された画像のB成分に対して、当該入力された画像のG成分とB成分よりもフリッカ補正の補正度合いを弱めることを特徴とする画像処理方法。
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