JP2021097359A - 画像処理装置、撮像装置、画像処理方法、およびプログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】偏光状態を取得できる撮像装置で、入力画像をもとに入力画像とは異なる合成画像を生成する際、合成画像に発生する色づきを低減可能な画像処理装置、撮像装置、画像処理方法およびプログラムを提供する。【解決手段】画像処理装置100は、入力画像における鏡面反射成分と拡散反射成分とを分離する分離手段と、鏡面反射成分の少なくとも一部の色相を変調することで補正鏡面反射成分を生成する補正手段と、補正鏡面反射成分と拡散反射成分とを用いて合成画像を生成する合成手段とを有する。【選択図】図2
Description
本発明は、画像処理装置、撮像装置、画像処理方法、およびプログラムに関する。
従来、被写体からの光の偏光状態を取得することによって、被写体の画像における所定の特徴を強調または低減する方法が知られている。例えば、撮像装置のレンズ前面に偏光フィルタを装着して被写体を撮像することで、画像における被写体の色やコントラスト等の質感を際立たせたり、反射光の写り込みを強調または軽減したりことができる。
特許文献1には、偏光状態を変えて取得した複数の画像に基づく偏光情報を用いて合成画像を生成する際、複数の画像から選択された基準画像の色情報に基づいて合成画像に発生する色づきを補正する方法が開示されている。
しかしながら、特許文献1の方法では、基準画像の色情報が正しくない場合、合成画像に発生する色づきを適切に補正することができない。
本発明は、入力画像をもとに入力画像とは異なる合成画像を生成する際、合成画像に発生する色づきを低減可能な画像処理装置、撮像装置、画像処理方法、およびプログラムを提供することを目的とする。
本発明の一側面としての画像処理装置は、入力画像における鏡面反射成分と拡散反射成分とを算出する分離手段と、鏡面反射成分の少なくとも一部の色相を変調することで補正鏡面反射成分を生成する補正手段と、補正鏡面反射成分と拡散反射成分とを用いて合成画像を生成する合成手段とを有することを特徴とする。
本発明によれば、入力画像をもとに入力画像とは異なる合成画像を生成する際、合成画像に発生する色づきを低減可能な画像処理装置、撮像装置、画像処理方法、およびプログラムを提供することができる。
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。
図1は、本発明の実施形態に係る撮像装置IAの概略図である。撮像装置IAは、レンズ鏡筒LB、カメラ本体CB、およびレンズ鏡筒LBに着脱可能なフィルタ50を有する。レンズ鏡筒LBは、撮像光学系IOSを有する。フィルタ50は、偏光素子を備える。偏光素子は、入射光の偏光状態に応じて透過光の光量を変えることができ、透過光の光量が最大となる入射光の偏光状態を変えることができる素子である。以下、透過光の光量が最大となる入射光の偏光状態のことを、「偏光状態」とする。カメラ本体CBは、撮像素子IEおよび画像処理装置100を有する。撮像素子IEは、カラー画像を取得可能である。画像処理装置100は、撮像素子IEから取得したカラー画像を用いて画像処理を行う。レンズ鏡筒LBは、カメラ本体CBと一体的に構成されていてもよいし、カメラ本体CBに着脱可能に取り付けられるように構成されていてもよい。また、レンズ鏡筒LBが撮像素子IEを保持していてもよい。
なお、図1では、偏光素子が撮像光学系IOSと被写体との間の光路上に配置されたフィルタ50内に配置されているが、本発明はこれに限定されない。偏光素子は、撮像素子IEより光入射側(被写体側)に配置されていればよく、例えば、撮像光学系IOSと撮像素子IEの間や、撮像光学系IOSが複数の光学要素から形成されている場合、複数の光学要素の途中に配置されていてもよい。また、偏光素子は、カメラ本体CBやレンズ鏡筒LB内に設けてもよいし、図1のフィルタ50のようにレンズ鏡筒LBやカメラ本体CBとは別の光学装置として構成されていてもよい。
図2は、画像処理装置100のブロック図である。画像処理装置100は、取得手段11、分離手段12、補正手段13、および合成手段14を有する。なお、分離手段12、補正手段13、および合成手段14はそれぞれ、各機能を実行するためにプログラムされたプロセッサおよびメモリを含んでいてもよい。
取得手段11は、少なくとも一枚の撮影画像(カラー画像)を取得する。分離手段12は、撮影画像を用いて、入力画像の鏡面反射成分と拡散反射成分とを算出する。補正手段13は、分離手段12により算出された鏡面反射成分の少なくとも一部の色相を変調することで補正鏡面反射成分を生成する。合成手段14は、補正手段13により生成された補正鏡面反射成分と画像分離手段により算出された拡散反射成分とを用いて撮影画像とは異なる合成画像を生成する。なお、合成手段14は、合成画像として、拡散反射成分のみから生成された画像、補正鏡面反射成分のみから生成された画像、又は拡散反射成分と補正鏡面反射成分との線形和から生成された画像など用途に応じて生成する。
分離手段12による鏡面反射成分と拡散反射成分とを算出する方法は特に限定されない。算出する方法として、例えば、同一被写体を異なる視点から撮像することで取得された複数の撮影画像を用いて鏡面反射成分と拡散反射成分とを算出する方法、二色性反射モデルを用いて算出する方法、又は偏光情報を用いて算出する方法などがある。以下、偏光情報を用いて算出する方法について説明する。
偏光素子として、例えば偏光板を用いて被写体を撮像する場合、偏光板を光路に垂直な平面上で回転させることにより、偏光状態を変えることができる。また、このときの偏光状態は、偏光板の透過軸と平行な直線偏光である。この直線偏光の角度α(以下、偏光角度)と撮影画像の各画素における輝度I(α)は以下の式(1)の関係がある。
I(α)=Acos2(α−θ)+B (1)
Aは偏光角度α(透過偏光方位)に応じて変化する輝度成分に関する情報(以下、偏光成分)、Bは偏光角度αに応じて変化しない輝度成分に関する情報(以下、無偏光成分)、θは輝度I(α)が最大値となる偏光角度に関する情報(以下、角度成分)である。図3は、偏光角度αに対する輝度I(α)、および偏光成分A、無偏光成分B、角度成分θを示す図である。偏光角度αを3つ以上の異なる角度に変えて撮影画像を取得することで、偏光成分A、無偏光成分B、角度成分θを求めることができ、偏光角度αに対する輝度I(α)を知ることができる。
Aは偏光角度α(透過偏光方位)に応じて変化する輝度成分に関する情報(以下、偏光成分)、Bは偏光角度αに応じて変化しない輝度成分に関する情報(以下、無偏光成分)、θは輝度I(α)が最大値となる偏光角度に関する情報(以下、角度成分)である。図3は、偏光角度αに対する輝度I(α)、および偏光成分A、無偏光成分B、角度成分θを示す図である。偏光角度αを3つ以上の異なる角度に変えて撮影画像を取得することで、偏光成分A、無偏光成分B、角度成分θを求めることができ、偏光角度αに対する輝度I(α)を知ることができる。
本発明では、偏光成分A、無偏光成分B、角度成分θを偏光情報と定義する。また、分離手段12は、偏光成分Aおよび無偏光成分Bを用いて、鏡面反射成分と拡散反射成分とを算出する。
算出方法は限定しないが、例えば、偏光成分Aを鏡面反射成分、無偏光成分Bを拡散反射成分とする。これは、鏡面反射成分はフレネルの法則に従って反射することからp偏光成分よりs偏光成分を多く含み、その多くが偏光しているのに対して、拡散反射成分は偏光依存性がないことを利用している。
偏光情報を算出するのに必要な撮影画像を取得するために、特開2016−145924号公報に開示されている可変位相板を具備した偏光素子や、国際公開第2018/155873号に開示されている偏光センサーを用いてもよい。
可変位相板を具備した偏光素子を用いる場合、偏光情報に色づきが発生することがある。この色づきは、可変位相板の位相差の波長分散に由来する。その結果、偏光情報を用いて算出した鏡面反射成分にも色づきが発生することがある。また、偏光板や偏光センサーを用いた場合にも、偏光情報を用いて鏡面反射成分と拡散反射成分とを算出する場合、ブリュースター角を満たす場合を除いて、拡散反射成分に鏡面反射成分の一部が残存し、鏡面反射成分に色づきが発生する可能性がある。鏡面反射成分に本来は生じない色づきが発生した場合、鏡面反射成分や拡散反射成分を用いて、撮影画像と異なる合成画像を生成する際に合成画像に不自然な色づきが発生してしまう。
そこで、本発明では、鏡面反射成分の少なくとも一部の色相を変調することで補正鏡面反射成分を生成し、補正鏡面反射成分と拡散反射成分とを用いて合成画像を生成する。色相を変調する領域として、画像の全体、または一部を選択できることが好ましい。
なお、画像の一部を選択する方法は特に限定されないが、例えば偏光度(A+2B)/Aが所定値以上となるエリアを自動選択したり、ユーザーが直接エリアを選択したりする等の様々な方法で領域を選択することができる。
また、色相を変調する方法は特に限定されないが、例えば鏡面反射成分の色相が光源の色相に一致することを利用して、鏡面反射成分の色相を照明光の色相に一致するように補正してもよい。照明光の色相は、別途測定したり、既存の方法を用いて撮影画像から推定したりすることができる。また、一般的な照明光の色相情報や標準照明の色相情報を用いてもよい。さらに、最も簡単には、鏡面反射成分の色相を無彩色に変換してもよい。
また、鏡面反射成分の色相の補正に加えて、拡散反射成分の色相を補正してもよい。この場合、鏡面反射成分と分離後、別々に補正処理を行うことが好ましい。拡散反射成分の色相を補正する方法として、例えばホワイトバランス補正のような一般的な補正方法を用いることができる。
本実施例の画像処理装置100は、図2で説明した画像処理装置100と同様の構成を有する。図4を参照して、本実施例の画像処理装置100による画像処理について説明する。図4は、本実施例の画像処理を示すフローチャートである。
ステップS101では、取得手段11は、異なる偏光角度で取得された偏光画像データを撮影画像として取得する。偏光画像データは、RGBの輝度情報を持つカラー画像で、圧縮処理やガンマ処理の行われていない、いわゆるRAW(Raw Image Format)画像である。また、偏光撮影データは、第1のλ/4板、液晶からなる可変位相板、偏光板、および第2のλ/4板から構成された偏光素子50を用いて取得された画像である。第1のλ/4板の遅相軸および偏光板の透過軸はそれぞれ、可変位相板の遅相軸に対して略45度だけ傾いている。また、第2のλ/4板の遅相軸は、偏光板の透過軸に対して略45度だけ傾いている。偏光素子50は、可変位相板が付与する面内位相差を変えることで、偏光状態を変えることができる。また、このときの偏光状態は、面内位相差に応じて偏光角度αが変化する直線偏光である。ここで、偏光角度α(deg)と面内位相差Δ(nm)の関係は、偏光板の透過軸角度θ(deg)および入射光の波長λ(nm)を用いて以下の式(2)で表される。
α=θ−180・Δ/λ (2)
式(2)より、可変位相板を具備する偏光素子50を用いて取得された撮影画像は、波長λによって異なる偏光角度αを持つ。
式(2)より、可変位相板を具備する偏光素子50を用いて取得された撮影画像は、波長λによって異なる偏光角度αを持つ。
本実施例の偏光画像データは、透過軸角度θが90°で、面内位相差Δがそれぞれ10nm,133nm,265nmで取得された3枚の撮影画像である。このときのRGB各色での偏光角度αを表1に示す。
なお、表1では、RGB各色での偏光角度αを取得する際に用いる波長をそれぞれ、600nm,530nm,470nmとしている。波長は、撮像素子のRGB各色の画素に配置されたカラーフィルターの透過光量が最大となる波長を選択している。
ステップS102では、分離手段12は、まず、3つの偏光画像データおよび式(1)を用いて、各画素の偏光情報を取得する。なお、偏光画像データは、1画素につきRGBのいずれかの光の輝度が取得されているため、各画素、対応するRGBに応じて表1の偏光角度αの値が選択され、RGBいずれかに対する偏光情報が取得される。その後、デモザイク処理が行われることによって、全画素のRGBに対する偏光情報が取得される。なお、デモザイク処理として、一般的な画像のデモザイク処理に用いられる方法を使用すればよい。
なお、本実施例では、各画素において、RGBのいずれかに対する偏光情報を取得した後、偏光情報をデモザイク処理して全画素のRGBに対する偏光情報を取得したが、本発明はこれに限定されない。デモザイク処理を行った後、各画素において、RGBのそれぞれに対する偏光情報を取得してもよい。ただし、偏光情報を取得するための計算量は、本実施例の方法のほうが少なくなる。また、本実施例のように複数の偏光画像データから偏光情報を取得する場合、必要に応じて被写体の位置合わせ処理を事前に実施しておくことが好ましい。
ステップS103では、分離手段12は、偏光成分Aを鏡面反射成分、無偏光成分Bを拡散反射成分とする。
ステップS104では、補正手段13は、ステップS103で算出された鏡面反射成分の少なくとも一部の色相を変調することで補正鏡面反射成分を生成する。具体的には、補正手段13は、ステップS103で算出された鏡面反射成分の色相を無彩色に変換することで補正鏡面反射成分を生成する。無彩色に変換する方法として、例えば、RGBデータをHSLやYCbCrなどの輝度および色差に分離された表色系に変換し、色差を調整することで無彩色に変換する方法がある。また、一般的な画像処理によって無彩色に変換してもよい。鏡面反射成分の色相を無彩色に変換することにより、偏光情報起因の鏡面反射成分の色づきを補正し、照明光を白色としたときの画像を作成することができる。
ステップS105では、合成手段14は、ステップS104で生成された補正鏡面反射成分とステップS103で算出された拡散反射成分とを用いて合成画像を生成する。合成画像は、用途に応じて選択すればよい。例えば、補正鏡面反射成分A’と拡散反射成分とみなされる無偏光成分Bの線形和k1A’+k2B(k1,k2は任意の定数)がある。
ステップS106では、合成手段14は、ステップS105で生成された合成画像をJPEG等の一般的な画像フォーマットに変換し、保存する。なお、画像を保存する際、フォーマット変換する前の合成画像や偏光情報も合わせて保存するかどうかを選択できることが好ましい。また、フォーマット変換する前の合成画像を保存する際、合成画像のみを保存するか、補正鏡面反射成分、拡散反射成分および合成時の係数k1,k2を保存するか、等保存するデータ内容を選択可能であることがさらに好ましい。
なお、本実施例では、RGB各色での偏光角度αを取得する際、撮像素子のRGB各色の画素に配置されたカラーフィルターの透過光量が最大となる波長(600nm,530nm,470nm)を用いたが、本発明はこれに限定されない。
また、本実施例では、3つの異なる面内位相差で取得された撮影画像を用いて偏光情報を取得するが、4つ以上の異なる面内位相差で取得された撮影画像を用いて偏光情報を取得してもよい。4つ以上の撮影画像を用いることで、偏光情報を取得する際の撮影時の誤差影響を低減することが可能である。
本実施例の画像処理装置100は、図2で説明した画像処理装置100と同様の構成を有する。図5を参照して、本実施例の画像処理装置100による画像処理について説明する。図5は、本実施例の画像処理を示すフローチャートである。なお、ステップS201乃至ステップS203、およびステップS206の処理は、図4のステップS101乃至ステップS103、およびステップS106の処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。
ステップS204では、補正手段13は、鏡面反射成分の少なくとも一部の色相を変調することで補正鏡面反射成分を生成すると共に、拡散反射成分の少なくとも一部の色相を変調することで補正拡散反射成分を生成する。本実施例では、補正手段13は、拡散反射成分に対してホワイトバランス補正を行うことで補正拡散反射成分を生成する。拡散反射成分に対してホワイトバランス補正を行うことで、拡散反射成分に対する撮影時の照明光の影響を低減することができる。また、鏡面反射成分と拡散反射成分とを分離した後、拡散反射成分にのみホワイトバランス補正を行うことで、被写体の色を直接補正することができる。
なお、ホワイトバランス補正の方法は特に限定されず、一般的に用いられる補正方法を用いることができる。例えば、撮影時の照明の種類や光源の色温度を撮影画像から推定したり、ユーザーが指定したりすることで、拡散反射成分のホワイトバランスを補正することができる。
また、ホワイトバランス補正は、画像全域の拡散反射成分に対して均一に実施してもよいが、事前に画像を複数エリアに分割し、エリアごとにホワイトバランス補正の条件を推定または指定して、ホワイトバランス補正を行ってもよい。エリアを分割する方法として、画像を複数の領域に等分する方法や、エッジ抽出等を用いて被写体を抽出し被写体ごとに分割する方法などが使用できる。また、ステップS202で取得した偏光情報を用いてエリアを分割してもよい。例えば、偏光度(A+2B)/Aが所定値以上、又は所定値以下となるエリアを抽出する方法や、角度成分θに応じてエリアを分割する方法などがある。
ステップS205では、合成手段14は、補正鏡面反射成分と補正拡散反射成分とを用いて合成画像を生成する。
また、補正鏡面反射成分や補正拡散反射成分を用いて生成された合成画像に対して、さらに補正処理を実施してもよい。ここで実施する補正処理は例えば、輝度調整、ノイズ低減処理、又は画像回復処理等の通常、画像に対して行われる一般的な補正処理である。
本実施例の画像処理装置100は、図2で説明した画像処理装置100と同様の構成を有する。図6を参照して、本実施例の画像処理装置100による画像処理について説明する。図6は、本実施例の画像処理を示すフローチャートである。なお、ステップS301乃至ステップS303、およびステップS306の処理は、図4のステップS101乃至ステップS103、およびステップS106の処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。
ステップS304では、補正手段13は、図5のステップS204と同様に、補正鏡面反射成分および補正拡散反射成分を生成すると共に、角度成分θを補正して補正偏光成分θを生成する。本実施例では、本ステップで補正角度成分θ’を生成するが、ステップS302で角度成分θを取得した際に補正角度成分θ’を生成してもよい。
ステップS305では、合成手段14は、補正鏡面反射成分および補正拡散反射成分に加えて補正角度成分θ’を用いて合成画像を生成する。例えば、補正鏡面反射成分A’の特定角度方向の成分と補正角度成分θ’との線形和m1・A’cos2[m2(α―θ’)]+m3・B’(m1,m2,m3は任意の定数)を生成する。
本実施例では、角度成分θをRGBに対して共通化することで補正角度成分θ’を生成する。ここで、角度成分θは反射面の法線の向きに依存するため、本来は波長によらず一定の値をとることが好ましい。しかしながら、角度成分θは波長分散、測定誤差、および測定ノイズ等の影響を受けてRGBで異なる値が算出されることがある。特に、可変位相板を具備する偏光素子を用いると、偏光角度αに波長分散が生じるため、角度成分θもRGBで異なる値になる傾向がある。RGBに対して角度成分θを共通化した補正角度成分θ’を生成することで、波長分散や測定誤差の影響を低減することができる。
角度成分θの補正方法は特に限定しないが、例えばRGBいずれかの値を選択してRGB全てに適用する方法や、RGBの平均値を適用する方法などを用いることができる。RGBいずれかの値を選択する方法として、全画素に対して同様の処理を行う(例えば、G画素の値をRGB全てに適用する)方法、画素ごとに変える方法、又はエリア分割してエリアごとに変える方法がある。画素に応じて採用する色を変える場合、例えばRGBのうち最も偏光度(A+2B)/Aが高い値を持つ色の角度を採用することができる。
本実施例の画像処理装置100は、図2で説明した画像処理装置100と同様の構成を有する。図7を参照して、本実施例の画像処理装置100による画像処理について説明する。図7は、本実施例の画像処理を示すフローチャートである。なお、ステップS401乃至ステップS403、およびステップS406の処理は、図4のステップS101乃至ステップS103、およびステップS106の処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。また、ステップS405の処理は、図5のステップS205の処理と同様であるため、詳細な説明は省略する。
ステップS404では、補正手段13は、鏡面反射成分の少なくとも一部の色相を変調することで補正鏡面反射成分を生成すると共に、補正鏡面反射成分と撮影画像(偏光画像データ)とを用いて補正拡散反射成分を生成する。例えば、偏光成分Aを補正鏡面反射成分A’とし、偏光画像データおよび(1)式を用いて再度、無偏光成分Bと偏光角度θとを算出する。算出された無偏光成分Bを補正拡散反射成分B’とみなすことで、補正拡散反射成分を生成できる。
[その他の実施例]
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。
[その他の実施例]
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。
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および変更が可能である。
12 分離手段
13 補正手段
14 合成手段
100 画像処理装置
13 補正手段
14 合成手段
100 画像処理装置
Claims (11)
- 入力画像における鏡面反射成分と拡散反射成分とを算出する分離手段と、
前記鏡面反射成分の少なくとも一部の色相を変調することで補正鏡面反射成分を生成する補正手段と、
前記補正鏡面反射成分と前記拡散反射成分とを用いて合成画像を生成する合成手段とを有することを特徴とする画像処理装置。 - 前記分離手段は、異なる偏光状態で取得された複数の入力画像に基づく偏光情報を用いて前記鏡面反射成分と前記拡散反射成分とを分離することを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
- 前記偏光情報は、透過偏光方位に応じて変化する輝度成分に関する情報、および前記透過偏光方位に応じて変化しない輝度成分に関する情報を含むことを特徴とする請求項2に記載の画像処理装置。
- 前記入力画像は、被写体からの光に与える位相差を変更する偏光素子を用いて取得されることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の画像処理装置。
- 前記補正手段は、前記鏡面反射成分の少なくとも一部の色相を無彩色に変調することで前記補正鏡面反射成分を生成することを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の画像処理装置。
- 前記補正手段は、前記拡散反射成分の少なくとも一部の色相を変調することで補正拡散反射成分を生成し、
前記合成手段は、前記補正鏡面反射成分と前記補正拡散反射成分とを用いて前記合成画像を生成することを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の画像処理装置。 - 前記補正手段は、前記拡散反射成分に対してホワイトバランス補正を行うことで前記補正拡散反射成分を生成することを特徴とする請求項6に記載の画像処理装置。
- 請求項1乃至7の何れか一項に記載の画像処理装置と、前記入力画像を取得する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
- 第1のλ/4板、可変位相板、偏光板、および第2のλ/4板を更に有し、
前記第1のλ/4板の遅相軸および前記偏光板の透過軸はそれぞれ、前記可変位相板の遅相軸に対して略45度だけ傾いており、
前記第2のλ/4板の遅相軸は、前記偏光板の透過軸に対して略45度だけ傾いていることを特徴とする請求項8に記載の撮像装置。 - 入力画像における鏡面反射成分と拡散反射成分とを分離するステップと、
前記鏡面反射成分の少なくとも一部の色相を変調することで補正鏡面反射成分を生成するステップと、
前記補正鏡面反射成分と前記拡散反射成分とを用いて合成画像を生成するステップとを有することを特徴とする画像処理方法。 - 請求項10に記載の画像処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
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JP2019228455A JP2021097359A (ja) | 2019-12-18 | 2019-12-18 | 画像処理装置、撮像装置、画像処理方法、およびプログラム |
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