JP2024077420A - Imaging device - Google Patents

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Abstract

【課題】符号化像の画素情報の欠損を無くすることと、再構成画像間のクロストークを低減することを両立し、再構成画像の画質を向上することができる撮像装置を提供する。【解決手段】符号化撮像画像から時間軸に沿った複数枚の画像を復元する撮像装置は、被写体像を分割して、各分割光を符号化パターンで複数回変調し、複数の符号化像を生成する光変調部と、分割光ごとに、複数の前記符号化像を1回の露光で取得し、前記符号化撮像画像を生成する撮像部と、前記符号化撮像画像及び前記符号化パターンに基づいて、時間軸に沿った符号化パターン枚数分の画像を再構成する再構成処理部と、を備えることを特徴とする。【選択図】図1[Problem] To provide an imaging device capable of improving the image quality of a reconstructed image by eliminating loss of pixel information in an encoded image and reducing crosstalk between reconstructed images. [Solution] An imaging device that restores a plurality of images along a time axis from an encoded captured image is characterized by comprising: a light modulation section that divides an image of a subject and modulates each divided light with an encoding pattern a plurality of times to generate a plurality of encoded images, an imaging section that obtains a plurality of the encoded images for each divided light with a single exposure and generates the encoded captured image, and a reconstruction processing section that reconstructs images in the number of encoding patterns along the time axis based on the encoded captured image and the encoding pattern. [Selected Figure] Figure 1

Description

本発明は撮像装置に関し、特に、符号化パターンを利用した撮像装置に関する。 The present invention relates to an imaging device, and in particular to an imaging device that uses a coding pattern.

近年、カメラのフレームレート以上の動画を取得する手法の1つとして、符号化パターンを用いた高フレームレート動画撮影技術の開発が進んでいる。この技術では、被写体とカメラの間に符号化パターンを挿入し、符号化パターンを通して被写体を撮影する。カメラの1回の露光中に符号化パターンを一定時間ごとに複数回変化させて被写体像を変調し、複数の符号化された像(符号化像)を1回の露光で撮影して符号化撮像画像を取得する。1枚の符号化撮像画像と複数枚の符号化パターンから計算機で像を再構成処理することで、1枚の符号化撮像画像から符号化パターン枚数分の画像を時間軸に沿って復元でき、カメラのフレームレート以上の動画を取得することができる。 In recent years, high frame rate video capture technology using coding patterns has been developed as a method for capturing video at rates faster than the frame rate of a camera. With this technology, a coding pattern is inserted between the subject and the camera, and the subject is captured through the coding pattern. During one exposure of the camera, the coding pattern is changed multiple times at regular intervals to modulate the subject image, and multiple coded images (coded images) are captured in one exposure to obtain coded captured images. By using a computer to reconstruct images from one coded captured image and multiple coding patterns, it is possible to restore images from one coded captured image along the time axis as many as the number of coding patterns, and capture video at rates faster than the frame rate of the camera.

この再構成処理では、逆問題Y=AXを解くことが行われている。カメラで取得した画像をY、符号化パターンを用いて表される高フレームレートファクターをAとし、光学系に即した方程式Y=AXを解くことでパターン枚数分の画像情報Xを得ることができ、高フレームレート化が行える。 In this reconstruction process, the inverse problem Y = AX is solved. The image captured by the camera is Y, and the high frame rate factor expressed using the encoded pattern is A. By solving the equation Y = AX that corresponds to the optical system, image information X for the number of patterns can be obtained, enabling a high frame rate.

上述の方程式を解くにあたっては、方程式の条件式数が未知数未満であるため、計算には圧縮センシングが用いられている。圧縮センシングとは、一般に連立方程式において未知数を求めるためには未知数の個数以上の条件式が必要である一方で、未知数がスパース(疎)である場合、条件式が未知数の個数以下の場合でも未知数を推定することができる手法である。画像の場合、離散コサイン変換(DCT:Discrete Cosine Transform)、離散ウェーブレット変換(DWT:Discrete Wavelet Transform)、離散フーリエ変換(DFT:Discrete Fourier Transform)などの、何らかの情報量が圧縮できる基底を用い、周波数成分に変換することで未知数にスパース性をもたせることができる。そして、圧縮センシングを用いて得られたスパースな解を逆DCT、逆DWT、逆DFT等の変換処理を行うことで、時間軸に沿った符号化パターン枚数分の画像を再構成できる。 In solving the above equations, compressed sensing is used for the calculation because the number of conditional expressions in the equations is less than the unknowns. In general, in simultaneous equations, more conditional expressions than the number of unknowns are required to find the unknowns. In compressed sensing, however, when the unknowns are sparse, the unknowns can be estimated even if the conditional expressions are less than the number of unknowns. In the case of images, the unknowns can be made sparse by converting them into frequency components using a basis that can compress some amount of information, such as discrete cosine transform (DCT), discrete wavelet transform (DWT), or discrete Fourier transform (DFT). Then, by performing conversion processing such as inverse DCT, inverse DWT, or inverse DFT on the sparse solution obtained using compressed sensing, images can be reconstructed for the number of coding patterns along the time axis.

従来より、再構成画像の画質向上に向けて、符号化パターンの重畳方法と再構成処理について様々な手法が試みられている。例えば、固定パターンマスクを光軸に直交する方向に機械的に動かして被写体に符号化パターンを与える方法がある(非特許文献1)。図12は、非特許文献1に記載の従来技術の撮像装置の構成例である。被写体からの光をレンズ1で集光し、符号化パターンマスク(Coded Aperture)2に結像する。符号化パターンマスク2は、例えばピエゾ素子(図示せず)により光軸に直交する方向に移動し、被写体の像に符号化パターンを与える。符号化された像は、レンズ3によりカメラ4に結像する。演算処理装置5は、得られた撮像画像と符号化パターンに基づいて、画像を再構成する。非特許文献1では、DCT基底を用いたスパース推定により画像を再構成している。 Conventionally, various methods have been attempted for superimposing the coded pattern and for the reconstruction process in order to improve the image quality of the reconstructed image. For example, there is a method of mechanically moving a fixed pattern mask in a direction perpendicular to the optical axis to provide the subject with a coded pattern (Non-Patent Document 1). FIG. 12 shows an example of the configuration of an imaging device of the conventional technology described in Non-Patent Document 1. Light from the subject is collected by a lens 1 and imaged on a coded pattern mask (Coded Aperture) 2. The coded pattern mask 2 is moved in a direction perpendicular to the optical axis by, for example, a piezoelectric element (not shown), and provides the image of the subject with a coded pattern. The coded image is imaged on a camera 4 by a lens 3. A calculation processing device 5 reconstructs the image based on the obtained captured image and the coded pattern. In Non-Patent Document 1, the image is reconstructed by sparse estimation using a DCT basis.

非特許文献2は、空間光位相変調器に符号化パターンを表示して被写体像を変調する手法を提案している。非特許文献2は、辞書学習により非特許文献1よりも解をスパースに与えられる基底を用いてスパース推定して画像を再構成している。また、非特許文献3は、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)を用いて被写体像に符号化パターンを与える手法を開示している。非特許文献3は、深層学習により画像を再構成している。非特許文献4は、光電変換部1画素から出力される信号を2つのメモリーに記録する回路部を有するイメージセンサーを用いてカメラを構成している。1度の露光中に双方のメモリーへ複数回適宜切り替えながら信号量を記録することで、イメージセンサー側で被写体像に相補的な符号化パターンを与えている。 Non-Patent Document 2 proposes a method of modulating a subject image by displaying an encoded pattern on a spatial light phase modulator. Non-Patent Document 2 reconstructs an image by sparse estimation using a basis that can provide a solution more sparsely than Non-Patent Document 1 by dictionary learning. Non-Patent Document 3 also discloses a method of providing an encoded pattern to a subject image using a digital micromirror device (DMD). Non-Patent Document 3 reconstructs an image by deep learning. Non-Patent Document 4 configures a camera using an image sensor having a circuit unit that records a signal output from one pixel of a photoelectric conversion unit in two memories. By recording the signal amount while switching between both memories multiple times during one exposure, a complementary encoded pattern is provided to the subject image on the image sensor side.

Patrick Llull, et al. ,“Coded aperture compressive temporal imaging”, Optics Express, Vol.21, No.9, pp.10526-10545, (2013)Patrick Llull, et al., “Coded aperture compressive temporal imaging”, Optics Express, Vol. 21, No. 9, pp. 10526-10545, (2013) Dengyu Liu, et al. ,“Efficient Space-Time Sampling with Pixel-Wise Coded Exposure for High-Speed Imaging”, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol.36, No.2, pp.248-260, (2013)Dengyu Liu, et al., “Efficient Space-Time Sampling with Pixel-Wise Coded Exposure for High-Speed Imaging”, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol.36, No.2, pp.248-260, (2013) Mu Qiao, et al. ,“Deep learning for video compressive sensing”, APL Photonics, Vol.5, No.3, 030801, (2020)Mu Qiao, et al., “Deep learning for video compressive sensing”, APL Photonics, Vol.5, No.3, 030801, (2020) Rahul Gulve, et al. ,“A 39,000 Subexposures/s CMOS Image Sensor with Dual-tap Coded-exposure Data-memory Pixel for Adaptive Single-shot Computational Imaging”, 2022 IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits, Digest of Technical Papers pp.78-79, (2022)Rahul Gulve, et al., “A 39,000 Subexposures/s CMOS Image Sensor with Dual-tap Coded-exposure Data-memory Pixel for Adaptive Single-shot Computational Imaging”, 2022 IEEE Symposium on VLSI Technology and Circuits, Digest of Technical Papers pp.78-79, (2022)

非特許文献1~3では1つの符号化像を生成し、1台のカメラで符号化像を撮影している。そのため、被写体の符号化パターンによってマスクされた箇所の情報は符号化像では欠損し、再構成の際に推定することで欠損個所の情報を復元しているが、画質の低下は免れない。また、画質向上の目的で符号化パターンのマスク箇所を減少させて符号化像の欠損を減らすと、符号化パターン1枚に対して取得できる情報量は増加する一方で、符号化パターン同士の類似度が高くなるため、パターン間の分離性が低下して、再構成画像間のクロストークが増加する。 In Non-Patent Documents 1 to 3, one coded image is generated and captured by one camera. As a result, information in the areas of the subject that are masked by the coding pattern is lost in the coded image, and information in the lost areas is restored by estimation during reconstruction, but a decrease in image quality is unavoidable. Furthermore, if the masked areas of the coding pattern are reduced to reduce loss in the coded image in order to improve image quality, the amount of information that can be obtained from one coding pattern increases, but the similarity between the coding patterns increases, reducing the separability between the patterns and increasing crosstalk between the reconstructed images.

図13は、従来技術による、パターンマスクの開口率と再構成画像の関係を示す図である。具体的には、非特許文献1に記載の手法により、符号化パターンを4枚として、画像の復元(再構成)を行った。(a)は真値(元の被写体の画像)であり、(b)は符号化パターンの開口率を50%としたときの再構成画像をシミュレーションで求めたものである。また、(c)は開口率を100%としたときの再構成画像をシミュレーションで求めたものである。開口率50%では画質が低く、開口率100%(全透過)では画像が分離できないことが見て取れる。 Figure 13 shows the relationship between the aperture ratio of a pattern mask and a reconstructed image according to conventional technology. Specifically, an image was restored (reconstructed) using four coding patterns using the method described in Non-Patent Document 1. (a) is the true value (image of the original subject), and (b) is a reconstructed image obtained by simulation when the aperture ratio of the coding pattern is 50%. Also, (c) is a reconstructed image obtained by simulation when the aperture ratio is 100%. It can be seen that the image quality is low at an aperture ratio of 50%, and that the images cannot be separated at an aperture ratio of 100% (full transmission).

一方、非特許文献4のイメージセンサーは、画素数が320×320であり、QVGA(Quarter Video Graphics Array)以下の規格での撮影しか行えず、表示規格との兼ね合いから用途は限定的となる。撮影には特別なカメラを使用するため、画素数の変更等も容易ではない。また、1画素に対して2個のメモリーを配置しているため、被写体像に同時に3パターン以上の符号化パターンを与えることができない。 On the other hand, the image sensor in Non-Patent Document 4 has a pixel count of 320 x 320 and can only capture images in the QVGA (Quarter Video Graphics Array) or lower standard, so its uses are limited due to display standards. Since a special camera is used for capturing images, it is not easy to change the pixel count. In addition, since two memories are arranged per pixel, it is not possible to simultaneously apply three or more encoding patterns to the subject image.

したがって、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、符号化像の画素情報の欠損を無くすることと、再構成画像間のクロストークを低減することを両立し、再構成画像の画質を向上することができる撮像装置を提供することにある。 Therefore, in consideration of the above problems, the object of the present invention is to provide an imaging device that can eliminate loss of pixel information in an encoded image while simultaneously reducing crosstalk between reconstructed images, thereby improving the image quality of the reconstructed images.

上記課題を解決するために本発明に係る撮像装置は、
(1)符号化撮像画像から時間軸に沿った複数枚の画像を復元する撮像装置であって、被写体像を複数の分割光に分割して、各分割光を符号化パターンで複数回変調し、複数の符号化像を生成する光変調部と、前記分割光ごとに、複数の前記符号化像を1回の露光で取得し、前記符号化撮像画像を生成する撮像部と、前記符号化撮像画像及び前記符号化パターンに基づいて、時間軸に沿った符号化パターン枚数分の画像を再構成する再構成処理部と、を備えることを特徴とする撮像装置である。
In order to solve the above problems, an imaging device according to the present invention comprises:
(1) An imaging device that restores a plurality of images along a time axis from an encoded captured image, the imaging device comprising: a light modulation unit that divides an image of a subject into a plurality of divided lights and modulates each divided light a plurality of times with an encoding pattern to generate a plurality of encoded images; an imaging unit that obtains a plurality of the encoded images for each divided light with a single exposure and generates the encoded captured image; and a reconstruction processing unit that reconstructs images equal to the number of encoding patterns along the time axis based on the encoded captured image and the encoding pattern.

(2)上記(1)の撮像装置は、更に、前記光変調部が、複数の前記分割光のうち、少なくとも2つの前記分割光を、互いに相補的な符号化パターンで変調することが好ましい。 (2) In the imaging device of (1) above, it is further preferable that the light modulation unit modulates at least two of the multiple split light beams with complementary coding patterns.

(3)上記(1)又は(2)の撮像装置は、更に、前記光変調部が、入射光を2つに分割してそれぞれを相補的な符号化パターンで変調する分割・符号化部を多段に接続して構成されることが好ましい。 (3) In the imaging device of (1) or (2) above, it is further preferable that the optical modulation unit is configured by connecting in multiple stages splitting and encoding units that split the incident light into two and modulate each of the light with a complementary encoding pattern.

(4)上記(1)~(3)のいずれかの撮像装置は、更に、前記光変調部が、デジタルマイクロミラーデバイスで構成されることが好ましい。 (4) In any of the imaging devices (1) to (3) above, it is further preferable that the light modulation unit is configured with a digital micromirror device.

(5)上記(1)~(3)のいずれかの撮像装置は、更に、前記光変調部が、ビームスプリッター及び空間光変調器で構成されることが好ましい。 (5) In any of the imaging devices (1) to (3) above, it is preferable that the light modulation unit is further composed of a beam splitter and a spatial light modulator.

(6)上記(1)~(5)のいずれかの撮像装置は、更に、前記再構成処理部が、再構成する画像を、離散コサイン変換、離散ウェーブレット変換、離散フーリエ変換、又は辞書学習で求めた基底関数により画素成分に変換して、前記画素成分を推定する線形方程式を最適化問題により解を求めることで、再構成画像を生成することが好ましい。 (6) In any of the imaging devices described above in (1) to (5), it is preferable that the reconstruction processing unit converts the image to be reconstructed into pixel components using a basis function obtained by discrete cosine transform, discrete wavelet transform, discrete Fourier transform, or dictionary learning, and generates a reconstructed image by solving a linear equation that estimates the pixel components using an optimization problem.

(7)上記(1)~(6)のいずれかの撮像装置は、更に、前記再構成処理部が、圧縮センシング、CGI(計算機ゴーストイメージング)、又は機械学習を用いて、画像を再構成することが好ましい。 (7) In any of the imaging devices (1) to (6) above, it is preferable that the reconstruction processing unit further reconstructs the image using compressed sensing, CGI (computer ghost imaging), or machine learning.

本発明における撮像装置によれば、符号化像の画素情報の欠損を無くすることと、再構成画像間のクロストークを低減することを両立し、再構成画像の画質を向上することができる。 The imaging device of the present invention can eliminate loss of pixel information in the encoded image while reducing crosstalk between reconstructed images, improving the image quality of the reconstructed images.

第1の実施形態の撮像装置の概念図である。1 is a conceptual diagram of an imaging apparatus according to a first embodiment. 第1の実施形態の撮像装置の光学系を、実際に具体化した構成例である。1 is a diagram showing an example of an actual configuration of the optical system of the image pickup apparatus according to the first embodiment. DMDにより符号化像を生成する原理図である。FIG. 2 is a diagram illustrating the principle of generating an encoded image by a DMD. DMDの表示パターンと各カメラの投影画像の関係を示す図である。4A and 4B are diagrams showing the relationship between the display pattern of the DMD and the projected images of each camera. 符号化撮像画像から元の画像を推定する線形方程式を表す図である。FIG. 2 is a diagram showing a linear equation for estimating an original image from an encoded captured image. 本発明と従来技術との再構成画像の比較を示す図である。1A and 1B are diagrams illustrating a comparison of reconstructed images of the present invention and the prior art. 第2の実施形態の撮像装置の概念図である。FIG. 13 is a conceptual diagram of an imaging apparatus according to a second embodiment. 第2の実施形態の撮像装置の光学系を、実際に具体化した構成例である。13 is a diagram showing an example of an actual configuration of an optical system of an image pickup apparatus according to a second embodiment. 第1の実施形態の変形例の撮像装置の概念図である。FIG. 11 is a conceptual diagram of an imaging device according to a modified example of the first embodiment. 第2の実施形態の変形例の撮像装置の概念図である。FIG. 13 is a conceptual diagram of an imaging device according to a modified example of the second embodiment. 本発明を一般化したときの撮像装置の概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram of an imaging device when the present invention is generalized. 従来技術の撮像装置の構成例である。1 is a configuration example of an imaging device according to a conventional technique. 従来技術による、パターンマスクの開口率と再構成画像の関係を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the relationship between the aperture ratio of a pattern mask and a reconstructed image according to the conventional technology.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態の撮像装置の概念図である。撮像装置は、分割・符号化部10と、撮像部20と、同期制御機30と、演算処理装置(計算機)40とを備えている。この概念図では、被写体は、動きのある像(複数の画像)として描かれている。以下、各構成要素について説明する。
First Embodiment
1 is a conceptual diagram of an imaging device according to a first embodiment. The imaging device includes a division/encoding unit 10, an imaging unit 20, a synchronization controller 30, and an arithmetic processing device (computer) 40. In this conceptual diagram, a subject is depicted as a moving image (multiple images). Each component will be described below.

分割・符号化部10は、被写体からの像を2つに分割し、それぞれの像(分割光)を符号化パターンで変調し、複数の符号化像を生成する光変調部としての機能を有している。なお、符号化パターンで変調された像(符号化パターンの与えられた像)を、符号化像とよぶ。本実施形態において、2つの像に与えられた符号化パターンは、相補的なパターン(有効部分と無効部分が反転関係にあるパターン)とするのが望ましい。 The splitting/encoding unit 10 functions as a light modulation unit that splits an image from a subject into two, modulates each image (split light) with an encoding pattern, and generates multiple encoded images. Note that an image modulated with an encoding pattern (an image to which an encoding pattern has been applied) is called an encoded image. In this embodiment, it is desirable for the encoding patterns applied to the two images to be complementary patterns (patterns in which the valid and invalid parts are in an inverted relationship).

撮像部20は、複数(2台)の撮像機21,22からなり、分割・符号化部10から出力された符号化像を撮像し、符号化撮像画像を生成する。ここで、符号化撮像画像は、時間軸に沿って生成された複数(所定枚数)の符号化像を1回の露光で撮影した画像である。 The imaging unit 20 is made up of multiple (two) imaging devices 21 and 22, and captures the encoded image output from the division and encoding unit 10 to generate an encoded captured image. Here, the encoded captured image is an image obtained by capturing multiple (a predetermined number of) encoded images generated along the time axis in a single exposure.

同期制御機30は、分割・符号化部10と、各撮像機21,22の動作の同期制御を行う。具体的には、対応する所定枚数の符号化像を、撮像機21,22がそれぞれ1回の露光で撮像できるように制御を行う。なお、同期制御機30は必須のものではなく、後述の演算処理装置40が、同期制御機30の機能を兼ねてもよい。 The synchronization controller 30 controls the synchronization of the division/encoding unit 10 and the operations of the imagers 21 and 22. Specifically, it controls so that the imagers 21 and 22 can capture a corresponding predetermined number of encoded images with a single exposure. Note that the synchronization controller 30 is not essential, and the calculation processing device 40 described below may also perform the functions of the synchronization controller 30.

演算処理装置40は、撮像部20で撮像した符号化撮像画像を入力とし、また、分割・符号化部10で生成した(変調に用いた)符号化パターンの情報を取得して、演算処理を行い、符号化パターンの枚数に対応する再構成画像を生成する。すなわち、演算処理装置40は、元の時間軸に沿った所定枚数の画像を再構成(復元)する再構成処理部として機能する。 The arithmetic processing device 40 receives the encoded captured image captured by the imaging unit 20 as input, and also acquires information on the encoding pattern (used for modulation) generated by the division/encoding unit 10, performs arithmetic processing, and generates reconstructed images corresponding to the number of encoding patterns. In other words, the arithmetic processing device 40 functions as a reconstruction processing unit that reconstructs (restores) a predetermined number of images along the original time axis.

図2は、第1の実施形態の撮像装置の光学系を、実際に具体化した構成例である。図2の光学系は、分割・符号化部10として、DMD(デジタルマイクロミラーデバイス)11を用いた光学系であり、DMD11と、第1及び第2カメラ(撮像機)21,22と、第1~第3レンズ51~53と、演算処理装置40とを備えている。 Figure 2 shows an example of an actual configuration of the optical system of the imaging device of the first embodiment. The optical system in Figure 2 uses a DMD (digital micromirror device) 11 as the division and encoding unit 10, and includes the DMD 11, first and second cameras (imaging devices) 21, 22, first to third lenses 51 to 53, and an arithmetic processing device 40.

第1レンズ51は、被写体の像をDMD11に結像する。 The first lens 51 forms an image of the subject on the DMD 11.

DMD11は、同期制御機30(又は演算処理装置40)によって制御され、任意の符号化パターンを表示することができ、これによって被写体の像が符号化される。図3は、DMD11により符号化像を生成する原理図である。DMD11に符号化パターンを表示すると、ON状態のピクセル(ミラー)12で反射された光は第1カメラ21に、OFF状態のピクセル(ミラー)13で反射された光は第2カメラ22に、それぞれ結像される。すなわち、DMD11は、被写体像を2つに分割して、それぞれの像を符号化する、分割・符号化部10(光変調部)として機能する。 The DMD 11 is controlled by a synchronous controller 30 (or a processor 40) and can display any coding pattern, which encodes the image of the subject. Figure 3 is a diagram showing the principle of generating a coded image by the DMD 11. When a coding pattern is displayed on the DMD 11, light reflected by pixels (mirrors) 12 that are ON is imaged on the first camera 21, and light reflected by pixels (mirrors) 13 that are OFF is imaged on the second camera 22. In other words, the DMD 11 functions as a splitting and coding unit 10 (light modulation unit) that splits the subject image into two and codes each image.

図4は、DMD11の表示パターンと各カメラの投影画像の関係を示す図である。DMD11の各ピクセル(ミラー)はONとOFFのいずれかであり、図3に示したように、ON/OFFによって第1/第2カメラに像が分配される。したがって、図4に示すように、第1カメラ21に投影される符号化像(符号化された被写体像)と、第2カメラ22に投影される符号化像は、反転したパターン(相補的パターン)で符号化される。したがって、DMD11に結像した光は、第1カメラ21と第2カメラ22のどちらかに投影され、欠落する画素が生じることはない。なお、本実施形態では、DMDのON,OFF制御にランダムパターンを用いているが、アダマールパターンなどの直交基底も含め、任意のパターンを用いてよい。 Figure 4 is a diagram showing the relationship between the display pattern of the DMD 11 and the projected images of each camera. Each pixel (mirror) of the DMD 11 is either ON or OFF, and as shown in Figure 3, the image is distributed to the first and second cameras depending on whether it is ON or OFF. Therefore, as shown in Figure 4, the coded image (coded subject image) projected to the first camera 21 and the coded image projected to the second camera 22 are coded with an inverted pattern (complementary pattern). Therefore, the light imaged on the DMD 11 is projected to either the first camera 21 or the second camera 22, and no missing pixels are generated. Note that in this embodiment, a random pattern is used to control the ON and OFF of the DMD, but any pattern may be used, including an orthogonal basis such as a Hadamard pattern.

第2レンズ52は、DMD11のポジパターンで符号化された画像を、第1カメラ21に投影・結像する。また、第3レンズ53は、DMD11のネガパターンで符号化された画像を、第2カメラ22に投影・結像する。本実施形態では、符号化された被写体像を転送する画像転送手段としてレンズを用いたが、カメラに符号化像を転送し結像する手段として、他の光学素子を用いてもよい。 The second lens 52 projects and forms an image of the image encoded by the positive pattern of the DMD 11 on the first camera 21. The third lens 53 projects and forms an image of the image encoded by the negative pattern of the DMD 11 on the second camera 22. In this embodiment, a lens is used as an image transfer means for transferring the encoded subject image, but other optical elements may be used as a means for transferring the encoded image to the camera and forming an image.

第1カメラ(撮像機1)21は、第2レンズ52で転送された、DMD11のポジパターンで符号化された画像を撮像する。また、第2カメラ(撮像機2)22は、第3レンズ53で転送された、DMD11のネガパターンで符号化された画像を撮像する。なお、第1カメラ21と第2カメラ22のどちらがポジパターン、ネガパターンをそれぞれ撮像するかは、適宜設定することができる。カメラ21,22で取得した符号化撮像画像は、演算処理装置40に転送される。 The first camera (image capture device 1) 21 captures an image encoded with the positive pattern of the DMD 11 transferred by the second lens 52. The second camera (image capture device 2) 22 captures an image encoded with the negative pattern of the DMD 11 transferred by the third lens 53. It is possible to set as appropriate which of the first camera 21 and the second camera 22 captures the positive pattern and which of the negative patterns, respectively. The encoded captured images acquired by the cameras 21 and 22 are transferred to the calculation processing device 40.

本実施形態では、同期制御機30から同期信号を発出し、カメラ21,22の1露光中にDMDにp枚の符号化パターンを高速に表示して被写体からの光を変調し、カメラ21,22でパターンp枚分の符号化像を1回の露光で同時に撮影して、各カメラで1枚ずつ符号化撮像画像を取得する。 In this embodiment, a synchronization signal is issued from the synchronization controller 30, and during one exposure of the cameras 21 and 22, p coded patterns are displayed on the DMD at high speed to modulate the light from the subject, and the cameras 21 and 22 simultaneously capture coded images for p patterns in one exposure, obtaining one coded captured image from each camera.

演算処理装置40は、この符号化撮像画像と符号化パターンの情報に基づいて、再構成処理を行い、符号化パターン枚数分(p枚)の再構成画像を生成する。 The arithmetic processing device 40 performs reconstruction processing based on the encoded captured image and the encoding pattern information, and generates reconstructed images equal to the number of encoding patterns (p).

本実施形態においては、符号化の際に相補的パターンを用いることにより、第1カメラ21のみでは符号化によって被写体の情報を取得できない領域(OFF状態の画素)があっても、かならず第2カメラ22では当該領域の被写体の情報が取得できる。これによって、すべての被写体の情報を符号化像で取得できずに再構成でエラー(欠落画素)が生じる問題(図13(b)参照)が発生しない。また、一つのDMD符号化パターンで同時に2つ(ポジとネガ)の符号化像を生成することができ、再構成画像の画質を向上させることができる。 In this embodiment, by using complementary patterns during encoding, even if there is an area (pixels in the OFF state) where subject information cannot be obtained by encoding using only the first camera 21, the second camera 22 can always obtain subject information in that area. This prevents the problem of not being able to obtain all subject information in the encoded image, resulting in errors (missing pixels) in reconstruction (see FIG. 13(b)). In addition, two encoded images (positive and negative) can be generated simultaneously using one DMD encoding pattern, improving the image quality of the reconstructed image.

(再構成処理)
次に、演算処理装置40が行う画像の再構成処理について説明する。
(Reconstruction process)
Next, the image reconstruction process performed by the processor 40 will be described.

第1カメラ21で取得した符号化撮像画像をY、第1カメラ側の符号化パターンの行列をC、第2カメラ22で取得した符号化撮像画像をY、第2カメラ側の符号化パターンの行列をC、時間軸に沿った符号化パターン枚数分の再構成画像をOとして、光学系を数式に当てはめると、次式(1)が成り立つ。なお、YとYは列方向に結合して一つの行列Yとし、CとCは列方向に結合して一つの行列Cとする。ここで、符号化パターンの行列C,Cには、2値の符号化パターンを用いる。 When the encoded captured image acquired by the first camera 21 is Y1 , the matrix of the encoding pattern on the first camera side is C1 , the encoded captured image acquired by the second camera 22 is Y2 , the matrix of the encoding pattern on the second camera side is C2 , and the number of reconstructed images corresponding to the number of encoding patterns along the time axis is O, the following formula (1) is satisfied when the optical system is applied to the formula. Note that Y1 and Y2 are combined in the column direction to form one matrix Y, and C1 and C2 are combined in the column direction to form one matrix C. Here, binary encoding patterns are used for the encoding pattern matrices C1 and C2 .

次に、DCT基底をB、再構成画像のDCT成分をXとすると、O=BXであり、次式(2)のように変換することができる。なお、CB=Aとする。 Next, if the DCT base is B and the DCT component of the reconstructed image is X, then O = BX, and the transformation can be performed as shown in the following equation (2). Note that CB = A.

各行列の構造について、補足説明する。分割・符号化部10で生成された符号化像、及び、カメラ21,22で取得した符号化撮像画像は、2次元画像(M, N)[画素数M×N]と設定できる。 The structure of each matrix is explained below. The encoded image generated by the segmentation and encoding unit 10 and the encoded captured images acquired by the cameras 21 and 22 can be set as two-dimensional images (M, N) [number of pixels M × N].

図5は、符号化撮像画像から元の画像(複数の再構成画像)を推定する線形方程式を表す図である。画像を一次元信号にする(2次元画像の成分a0,0~aM-1,N-1を一列に配列する)と、1枚の符号化撮像画像Yは、M×N行1列の行列{Y1,…,YM×N}となり、2枚の符号化撮像画像Y(YとY)は、合わせてM×N×2行1列の行列{Y1,…,YM×N×2}となる。同様に、時間軸に沿った符号化パターン枚数分(p枚)の再構成画像Oは、M×N×p行1列の一次元信号であり、これはM×N×p行M×N×p列のDCT基底Bと、M×N×p行1列の再構成画像のDCT成分X={X1, …,XM×N×p}との積で表される。 5 is a diagram showing a linear equation for estimating an original image (multiple reconstructed images) from an encoded captured image. When an image is converted into a one-dimensional signal (two-dimensional image components a0,0 to aM-1,N-1 are arranged in a row), one encoded captured image Y1 is an MxN row and one column matrix { Y1 , ..., YMxN }, and two encoded captured images Y ( Y1 and Y2 ) are combined into an MxNx2 row and one column matrix { Y1 , ..., YMxNx2 }. Similarly, the reconstructed images O, the number of encoding patterns (p images) along the time axis, are one-dimensional signals with MxNxp rows and one column, which are expressed as a product of a DCT basis B with MxNxp rows and MxNxp columns and a DCT component X of a reconstructed image with MxNxp rows and one column, { X1 , ..., XMxNxp }.

1つの符号化パターンは、DMDに表示する各画素のうち有効画素(反射ミラー)を1、無効画素(非反射ミラー)を0として、全画素を一次元信号にしたものをM×N行M×N列の行列の対角上に配列したブロックとなる。p枚の符号化パターンは、このブロックを行方向にp個並べたものである。そして、第1カメラ側の符号化パターン行列Cと第2カメラ側の符号化パターン行列Cを列方向に結合する。 One coding pattern is a block in which all pixels displayed on the DMD are converted into one-dimensional signals, with effective pixels (reflective mirrors) being set to 1 and ineffective pixels (non-reflective mirrors) being set to 0, and arranged on the diagonal of a matrix of M×N rows and M×N columns. The p coding patterns are p such blocks arranged in the row direction. The coding pattern matrix C1 on the first camera side and the coding pattern matrix C2 on the second camera side are then combined in the column direction.

このように、p枚の再構成画像(画素数M×N)と、2台のカメラの符号化撮像画像(画素数M×N)との関係は、X、Y、Yを一次元信号として取り扱うことにより、図5に示す線形な行列の積で表現できる。 In this way, the relationship between the p reconstructed images (number of pixels: M×N) and the encoded captured images (number of pixels: M×N) from the two cameras can be expressed as a linear matrix product as shown in FIG. 5 by treating X, Y1 , and Y2 as one-dimensional signals.

p枚の符号化パターンによる再構成では、符号化撮像画像Y、Y、符号化パターンの行列CとC、DCT基底Bが既知であるため、2つの2次元ベクトルC,BをひとまとめにしたベクトルA(=CB)とすれば、光学系をY=AXと線形方程式で表現でき、Y及びAが既知であり、その2要素からX={X1, …,XM×N×p}を求める逆問題となる。 In reconstruction using p coding patterns, the coded captured images Y1 , Y2 , coding pattern matrices C1 and C2 , and DCT basis B are known, so if two two-dimensional vectors C and B are grouped together into vector A (=CB), the optical system can be expressed by a linear equation Y = AX, and Y and A are known, resulting in an inverse problem of finding X = { X1 , ..., XM×N×p } from these two elements.

一般にM×N×p元連立方程式(すなわち未知数がM×N×pの連立方程式)においては、条件式がM×N×p以上必要である。しかしながら、圧縮センシングを用いれば、解Xがスパース(成分の多くがほぼ0に近い)である場合には条件式数が未知数未満でも求めることができる。本実施形態では、DCTにより画像を疎な解Xとしているため、これを適用した。M×N×p行M×N×p列のDCT基底Bを用いた画像再構成処理は、基底Bを時間成分を加味した三次元基底関数として扱い、複数枚の二次元画像を一括の同時処理でスパースな解に変換することにより再構成処理を行ってもよいし、また、基底Bを複数の二次元基底関数として扱い、各二次元画像を二次元基底関数で変換する処理を複数枚分繰り返すことで再構成処理を行ってもよい。被写体画像の特性により、より効果の高い処理を選択することができる。なお、本実施形態では、画像をスパースな値である画素成分に変換する画像変換基底としてDCT基底(離散コサイン変換の基底関数)を利用したが、これ以外にも、DWT基底(離散ウェーブレット変換の基底関数)やDFT基底(離散フーリエ変換の基底関数)などの画像変換基底の他、辞書学習で求めた基底を用いてもよい。 In general, in a simultaneous equation with M×N×p unknowns (i.e., a simultaneous equation with M×N×p unknowns), M×N×p or more conditional expressions are required. However, by using compressed sensing, if the solution X is sparse (many of the components are almost close to 0), it is possible to obtain the conditional expressions even if the number of unknowns is less than the number of unknowns. In this embodiment, the image is made into a sparse solution X by DCT, so this is applied. The image reconstruction process using the DCT basis B of M×N×p rows and M×N×p columns may be performed by treating the basis B as a three-dimensional basis function that takes into account the time component and converting multiple two-dimensional images into a sparse solution by simultaneous processing at once, or by treating the basis B as multiple two-dimensional basis functions and repeating the process of converting each two-dimensional image with the two-dimensional basis function for multiple images. Depending on the characteristics of the subject image, a more effective process can be selected. In this embodiment, DCT basis (basis function of discrete cosine transform) is used as the image transformation basis for converting the image into pixel components with sparse values. However, other image transformation bases such as DWT basis (basis function of discrete wavelet transform) and DFT basis (basis function of discrete Fourier transform) as well as bases obtained by dictionary learning may also be used.

連立方程式を解く際には、LASSO(Least absolute shrinkage and selection operator)回帰と呼ばれる下記の式(3)の最適化問題をADMM(Alternating Direction Method of Multipliers)法で解いた。最適化問題の解法アルゴリズムはいくつか存在し、ADMM法以外にも、ニュートン法や準ニュートン法、座標降下法やISTA(Iterative shrinkage-thresholding algorithm)、FISTA(Fast iterative shrinkage-thresholding algorithm)などの手法を用いてもよい。 When solving the simultaneous equations, the optimization problem of the following equation (3), called LASSO (Least Absolute Shrinkage and Selection Operator) regression, was solved using the ADMM (Alternating Direction Method of Multipliers) method. There are several algorithms for solving optimization problems, and in addition to the ADMM method, other methods such as Newton's method, quasi-Newton method, coordinate descent method, ISTA (Iterative Shrinkage-thresholding algorithm), and FISTA (Fast Iterative Shrinkage-thresholding algorithm) may also be used.

本実施形態において、符号化パターンの枚数をp=4枚とし、符号化パターンを開口率50%の相補的パターンとして、再構成画像を生成するシミュレーションを行った。図6は、本発明と従来技術との再構成画像の比較を示す図である。(a)は真値(元の被写体の画像)であり、(b)は非特許文献1に記載された先行技術に基いて再構成画像をシミュレーションで求めたものである。また、(c)は本発明(第1実施形態)に基づいて、再構成画像をシミュレーションで求めたものである。また、各画像の画質の評価として、PSNR(Peak Signal to Noise Ratio)を求め、各画像に表示した。相補的なパターンで変調された複数個の符号化像から生成された符号化撮像画像を用いて再構成処理を行うことで、再構成画像の画質が向上することを確認できた。 In this embodiment, a simulation was performed to generate a reconstructed image with the number of coding patterns set to p = 4 and the coding patterns set to complementary patterns with an aperture ratio of 50%. FIG. 6 is a diagram showing a comparison of reconstructed images of the present invention and the prior art. (a) is the true value (image of the original subject), (b) is a reconstructed image obtained by simulation based on the prior art described in Non-Patent Document 1, and (c) is a reconstructed image obtained by simulation based on the present invention (first embodiment). In addition, the PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) was calculated and displayed for each image as an evaluation of the image quality of each image. It was confirmed that the image quality of the reconstructed image was improved by performing reconstruction processing using an encoded captured image generated from multiple encoded images modulated with complementary patterns.

また、本実施形態では、各カメラの画素がDMDの画素に対して1対1に結像するようDMDとカメラを位置合わせしたが、位置ずれがある場合はその情報を、リサンプリングフィルターRを用いて表し、解くべき方程式を次式(4)とすることで、位置ずれに対する補正を行うことが可能となる。 In addition, in this embodiment, the DMD and the cameras are aligned so that the pixels of each camera form a one-to-one image on the pixels of the DMD. However, if there is a positional deviation, this information can be expressed using the resampling filter R, and the equation to be solved can be the following equation (4), making it possible to correct for the positional deviation.

(第2の実施形態)
図7は、第2の実施形態の撮像装置の概念図である。撮像装置は、分割部60と、符号化部70と、撮像部20と、同期制御機30と、演算処理装置(計算機)40とを備えている。第1の実施形態と比較すると、第2の実施形態は、分割部60と符号化部70とがそれぞれ独立した構成となっている。以下、各構成要素について説明するが、図1と共通の要素については説明を簡略化する。
Second Embodiment
7 is a conceptual diagram of an imaging device according to the second embodiment. The imaging device includes a division unit 60, an encoding unit 70, an imaging unit 20, a synchronization controller 30, and an arithmetic processing device (computer) 40. Compared to the first embodiment, the division unit 60 and the encoding unit 70 are independent in the second embodiment. Each component will be described below, but the description of the components common to FIG. 1 will be simplified.

分割部60は、被写体からの像を2つに分割する。この分割とは、同じ被写体像を2つ生成(複製)することである。生成された像は、符号化部70の符号化手段71,72に出力される。 The splitting unit 60 splits the image from the subject into two. This splitting means generating (duplicating) two images of the same subject. The generated images are output to the encoding means 71 and 72 of the encoding unit 70.

符号化部70は、入力されたそれぞれの像(分割光)を符号化パターンで変調する符号化手段71,72を有している。符号化部70は、符号化像(符号化パターンの与えられた像)を撮像部20に出力する。本実施形態において、符号化手段71,72でそれぞれ像に与える符号化パターンは、相補的なパターン(有効部分と無効部分が反転関係にあるパターン)とするのが望ましい。本実施形態では、分割部60と符号化部70が、被写体像を複数の分割光に分割して、各分割光を符号化パターンで複数回変調し、複数の符号化像を生成する光変調部に相当する。 The encoding unit 70 has encoding means 71, 72 that modulate each input image (split light) with an encoding pattern. The encoding unit 70 outputs the encoded image (an image given an encoding pattern) to the imaging unit 20. In this embodiment, it is preferable that the encoding patterns given to the images by the encoding means 71, 72 are complementary patterns (patterns in which the valid and invalid parts are in an inverted relationship). In this embodiment, the splitting unit 60 and the encoding unit 70 correspond to a light modulation unit that splits the subject image into multiple split lights, modulates each split light multiple times with the encoding pattern, and generates multiple encoded images.

撮像部20は、複数(2台)の撮像機21,22からなり、符号化部70から出力された符号化像を撮像し、符号化撮像画像を生成する。 The imaging unit 20 is made up of multiple (two) imaging devices 21 and 22, and captures the encoded image output from the encoding unit 70 to generate an encoded captured image.

同期制御機30は、符号化手段71,72と、各撮像機21,22の動作の同期制御を行う。具体的には、対応する所定枚数の符号化像を、撮像機21,22がそれぞれ1回の露光で撮像できるように制御を行う。なお、演算処理装置40が、同期制御機30の機能を兼ねてもよい。 The synchronous controller 30 controls the synchronous operation of the encoding means 71, 72 and the imagers 21, 22. Specifically, it controls the imagers 21, 22 so that they can capture a corresponding predetermined number of encoded images with a single exposure. The arithmetic processing device 40 may also function as the synchronous controller 30.

演算処理装置40は、撮像部20で撮像した符号化撮像画像を入力とし、また、符号化部70で生成した(変調に用いた)符号化パターンの情報を取得して、演算処理を行い、符号化パターンの枚数に対応する再構成画像を生成する。すなわち、演算処理装置40は、元の時間軸に沿った所定枚数の画像を再構成(復元)する再構成処理部として機能する。 The arithmetic processing device 40 receives the encoded captured image captured by the imaging unit 20 as input, and also acquires information on the encoding pattern generated by the encoding unit 70 (used for modulation), performs arithmetic processing, and generates reconstructed images corresponding to the number of encoding patterns. In other words, the arithmetic processing device 40 functions as a reconstruction processing unit that reconstructs (restores) a predetermined number of images along the original time axis.

図8は、第2の実施形態の撮像装置の光学系を、実際に具体化した構成例である。図8の光学系は、分割部60としてビームスプリッター(BS)61を用い、符号化手段71,72として空間光変調器を用いた光学系であり、ビームスプリッター61と、空間光変調器71,72と、第1及び第2カメラ(撮像素子)21,22と、第1~第5レンズ51~55と、演算処理装置40とを備えている。 Figure 8 shows an example of an actual configuration of the optical system of the imaging device of the second embodiment. The optical system in Figure 8 uses a beam splitter (BS) 61 as the splitting section 60 and spatial light modulators as the encoding means 71, 72, and includes the beam splitter 61, the spatial light modulators 71, 72, first and second cameras (imaging elements) 21, 22, first to fifth lenses 51-55, and an arithmetic processing device 40.

第1レンズ51は、被写体からの光をビームスプリッター61に結像する。 The first lens 51 focuses the light from the subject onto the beam splitter 61.

ビームスプリッター61は、光を2つに分割し、分割光をそれぞれ空間光変調器71,72に向かわせる。第2レンズ52は、一方の分割光を空間光変調器71に結像し、第3レンズ53は、もう一方の分割光を空間光変調器72に結像する。 The beam splitter 61 splits the light into two and directs each of the split lights toward the spatial light modulators 71 and 72. The second lens 52 focuses one of the split lights onto the spatial light modulator 71, and the third lens 53 focuses the other split light onto the spatial light modulator 72.

空間光変調器71,72は、それぞれ分割光を符号化パターンで変調する。透過型の空間光変調器71,72は、例えば、液晶レンズを用いて構成することができる。空間光変調器71,72は、それぞれ任意の符号化パターンを生成することができるが、本実施形態では、符号化パターンは、互いに相補的なパターンとした。 The spatial light modulators 71 and 72 each modulate the split light with an encoding pattern. The transmissive spatial light modulators 71 and 72 can be configured using, for example, a liquid crystal lens. The spatial light modulators 71 and 72 can each generate an arbitrary encoding pattern, but in this embodiment, the encoding patterns are complementary to each other.

第4レンズ54は、空間光変調器71で符号化された画像を、第1カメラ21に投影・結像する。また、第5レンズ55は、空間光変調器72で符号化された画像を、第2カメラ22に投影・結像する。なお、符号化された被写体像を転送する画像転送手段としてレンズを用いたが、他の光学素子を用いてもよい。 The fourth lens 54 projects and forms an image of the image encoded by the spatial light modulator 71 on the first camera 21. The fifth lens 55 projects and forms an image of the image encoded by the spatial light modulator 72 on the second camera 22. Although a lens is used as an image transfer means for transferring the encoded subject image, other optical elements may be used.

第1カメラ(撮像機1)21は、第4レンズ54で転送された、空間光変調器71で符号化された画像を撮像する。また、第2カメラ(撮像機2)22は、第5レンズ55で転送された、空間光変調器72で符号化された画像を撮像する。カメラ21,22で取得した符号化撮像画像は、演算処理装置40に転送される。 The first camera (image capture device 1) 21 captures an image that has been transferred by the fourth lens 54 and encoded by the spatial light modulator 71. The second camera (image capture device 2) 22 captures an image that has been transferred by the fifth lens 55 and encoded by the spatial light modulator 72. The encoded captured images acquired by the cameras 21 and 22 are transferred to the processor 40.

本実施形態では、同期制御機30から同期信号を発出し、カメラ21,22の1露光中に空間光変調器71,72にp枚の符号化パターンを高速に表示して被写体からの光を変調し、カメラ21,22でパターンp枚分の符号化像を1回の露光で同時に撮影して、各カメラで1枚ずつ符号化撮像画像を取得する。演算処理装置40は、この符号化撮像画像と符号化パターンの情報に基づいて、再構成処理を行い、符号化パターン枚数分(p枚)の再構成画像を生成する。 In this embodiment, a synchronization signal is issued from the synchronization controller 30, p coding patterns are displayed at high speed on the spatial light modulators 71 and 72 during one exposure of the cameras 21 and 22 to modulate the light from the subject, and the cameras 21 and 22 simultaneously capture coded images for p patterns in one exposure, acquiring one coded captured image from each camera. The arithmetic processing device 40 performs reconstruction processing based on the coded captured images and the information on the coding patterns, and generates reconstructed images for the number of coding patterns (p).

なお、本実施形態では、被写体像に符号化パターンを与える際に透過型の空間光変調器(液晶レンズ)を用いたが、固定パターンマスクを機械的に動かす方式や、反射型の空間光変調器を用いてもよい。符号化パターンにランダムパターンを用いたが、符号化パターンにはアダマールパターンを含む任意のパターンを用いてもよい。 In this embodiment, a transmissive spatial light modulator (liquid crystal lens) is used to provide the encoding pattern to the subject image, but a method of mechanically moving a fixed pattern mask or a reflective spatial light modulator may also be used. A random pattern is used as the encoding pattern, but any pattern including a Hadamard pattern may also be used as the encoding pattern.

本実施形態では、空間光変調器71,72に相補的な符号化パターンを表示して双方でパターンのマスク部を過不足無く補い合うように変調を行ったが、相補的な符号化パターンからさらに一方もしくは双方の開口部を増やして被写体像の変調を行ってもよい。開口部を増加させることにより、画素の情報をより取得することができる。すなわち、厳密に相補的な符号化パターンでなくとも、画素情報の欠損を無くすることと、再構成画像間のクロストークを低減することの両立ができる範囲で、符号化パターンを作成することができる。 In this embodiment, complementary coding patterns are displayed on the spatial light modulators 71 and 72, and modulation is performed so that the mask portions of the patterns are complemented by each other without excess or deficiency. However, the subject image may be modulated by increasing the opening of one or both of the complementary coding patterns. By increasing the opening, more pixel information can be obtained. In other words, even if the coding patterns are not strictly complementary, coding patterns can be created to the extent that they can eliminate loss of pixel information and reduce crosstalk between reconstructed images.

また、本実施形態においても、各カメラの画素と空間光変調器の画素に位置ずれがある場合は、その情報をリサンプリングフィルターRを用いて表し、解くべき方程式を前述の式(4)とすることで、位置ずれに対する補正を行うことが可能となる。 Also, in this embodiment, if there is a positional misalignment between the pixels of each camera and the pixels of the spatial light modulator, the information is represented using the resampling filter R, and the equation to be solved is the above-mentioned equation (4), making it possible to correct the positional misalignment.

第2の実施形態について、符号化パターンの枚数をp=4枚とし、開口率を50%とした相補的な符号化パターンを用いた場合のシミュレーションを行った。結果は、図6と同様の結果となり、相補的なパターンで変調された複数個の符号化像から生成された符号化撮像画像を用いて再構成処理を行うことで、再構成画像の画質が向上することを確認できた。 For the second embodiment, a simulation was performed in which the number of coding patterns was set to p = 4 and complementary coding patterns with an aperture ratio of 50% were used. The results were similar to those shown in Fig. 6, and it was confirmed that the image quality of the reconstructed image was improved by performing reconstruction processing using an encoded captured image generated from multiple encoded images modulated with complementary patterns.

(第1の実施形態の変形例)
図9は、第1の実施形態の変形例の撮像装置の概念図である。この変形例は、第1の実施形態の分割・符号化部10を多段に接続して光学系を構築し、符号化像の生成個数を増やしたものである。撮像装置は、分割・符号化部10,10,10と、撮像部20(撮像機21~24)と、同期制御機30と、演算処理装置(計算機)40とを備えている。以下、各構成要素について説明するが、図1と共通の要素については説明を簡略化する。
(Modification of the first embodiment)
9 is a conceptual diagram of an imaging device according to a modification of the first embodiment. In this modification, the division/encoding units 10 of the first embodiment are connected in multiple stages to construct an optical system and increase the number of generated encoded images. The imaging device includes division/encoding units 10 1 , 10 2 , and 10 3 , an imaging unit 20 (imagers 21 to 24), a synchronization controller 30, and a processing unit (computer) 40. Each component will be described below, but the description of elements common to FIG. 1 will be simplified.

分割・符号化部10,10,10は、それぞれが入力された像(入射光)を2つに分割し、2つの像(分割光)を符号化パターンで変調する機能を有している。本実施形態において、2つの像に与えられた符号化パターンは、相補的なパターンとするのが望ましい。各分割・符号化部で与える符号化パターンの開口率を50%とすると、図9では2段階の分割・符号化を行うことから、分割・符号化部10,10から出力される符号化像の有効画素は、それぞれ25%程度となる。本実施形態では、分割・符号化部10,10,10の全体が、光変調部に相当する。 The division/encoding units 10 1 , 10 2 , and 10 3 each have a function of dividing an input image (incident light) into two and modulating the two images (divided light) with an encoding pattern. In this embodiment, it is preferable that the encoding patterns given to the two images are complementary patterns. If the aperture ratio of the encoding pattern given by each division/encoding unit is 50%, the effective pixels of the encoded images output from the division/encoding units 10 2 and 10 3 are about 25% each because two stages of division/encoding are performed in FIG. 9. In this embodiment, the division/encoding units 10 1 , 10 2 , and 10 3 as a whole correspond to a light modulation unit.

撮像部20は、複数(4台)の撮像機21~24からなり、分割・符号化部10,10から出力された符号化像を撮像し、符号化撮像画像を生成する。 The imaging section 20 is made up of a plurality of (four) imagers 21 to 24, and captures the encoded images output from the division and encoding sections 10 2 and 10 3 to generate an encoded captured image.

同期制御機30は、分割・符号化部10,10,10と、各撮像機21~24の動作の同期制御を行い、所定枚数の符号化像を、撮像機21~24がそれぞれ1回の露光で撮像できるように制御を行う。なお、演算処理装置40が、同期制御機30の機能を兼ねてもよい。 The synchronous controller 30 controls the synchronous operation of the division/encoding units 10 1 , 10 2 , 10 3 and each of the imagers 21 to 24, and controls each of the imagers 21 to 24 so that a predetermined number of encoded images can be captured by one exposure. The arithmetic processing device 40 may also function as the synchronous controller 30.

演算処理装置40は、撮像部20で撮像した符号化撮像画像を入力とし、また、分割・符号化部10,10,10で生成した符号化パターンの情報を取得して、演算処理を行い、符号化パターンの枚数に対応する再構成画像を生成する。 The arithmetic processing device 40 receives as input the encoded captured image captured by the imaging unit 20, and also acquires information on the encoding patterns generated by the division/encoding units 101 , 102 , and 103 , performs arithmetic processing, and generates a reconstructed image corresponding to the number of encoding patterns.

本変形例は、有効画素を4つの符号化パターンに分けることにより、符号化パターン同士の類似度を低下させることができ、再構成画像間のクロストークを低減することができる。 In this modified example, by dividing the effective pixels into four coding patterns, the similarity between the coding patterns can be reduced, and crosstalk between the reconstructed images can be reduced.

なお、図9に示す変形例では、分割・符号化部10を2段に接続して被写体像を4つの符号化パターンに分けているが、分割・符号化部10を3段以上接続して、被写体像をより多数の符号化パターンに分けることも可能である。 In the modified example shown in FIG. 9, the segmentation/encoding units 10 are connected in two stages to separate the subject image into four encoding patterns, but it is also possible to connect the segmentation/encoding units 10 in three or more stages to separate the subject image into a greater number of encoding patterns.

(第2の実施形態の変形例)
図10は、第2の実施形態の変形例の撮像装置の概念図である。この変形例は、第2の実施形態の光学系を並列に複数形成し、光の分割数を増やして、符号化像の生成個数を増やしたものである。
(Modification of the second embodiment)
10 is a conceptual diagram of an imaging device according to a modification of the second embodiment. In this modification, a plurality of optical systems according to the second embodiment are formed in parallel to increase the number of splits of light and the number of generated encoded images.

撮像装置は、分割部60と、符号化部70と、撮像部20と、同期制御機30と、演算処理装置(計算機)40とを備えている。第2の実施形態の変形例は、分割部60で被写体からの光を4分割し、符号化手段71~74がそれぞれ分割光を符号化パターンで変調し、撮像機21~24が撮像を行う構成となっている。以下、各構成要素について説明するが、図2と共通の要素については説明を簡略化する。 The imaging device comprises a splitting unit 60, an encoding unit 70, an imaging unit 20, a synchronization controller 30, and an arithmetic processing unit (computer) 40. In a variation of the second embodiment, the splitting unit 60 splits the light from the subject into four, the encoding means 71-74 each modulate the split light with an encoding pattern, and the imaging devices 21-24 capture the image. Each component will be described below, but the description of the elements common to FIG. 2 will be simplified.

分割部60は、被写体からの像を4つに分割する。この分割とは、同じ被写体像を4つ生成(複製)することである。生成された像は、符号化部70の符号化手段71~74にそれぞれ出力される。 The division unit 60 divides the image from the subject into four. This division means generating (duplicating) four images of the same subject. The generated images are output to the encoding means 71 to 74 of the encoding unit 70.

符号化部70は、入力されたそれぞれの像を符号化パターンで変調する符号化手段71~74を有している。符号化手段71~74は、符号化像(符号化パターンの与えられた像)を撮像機21~24にそれぞれ出力する。本実施形態において、少なくとも1組の符号化手段(例えば、符号化手段71,72)が像に与える符号化パターンは、相補的なパターンとするのが望ましい。さらに、もう1組の符号化手段(符号化手段73,74)が像に与える符号化パターンを、別の相補的なパターンとしてもよい。本実施形態では、分割部60と符号化部70が、被写体像を複数の分割光に分割して、各分割光を符号化パターンで複数回変調し、複数の符号化像を生成する光変調部に相当する。 The encoding unit 70 has encoding means 71-74 that modulate each input image with an encoding pattern. The encoding means 71-74 output the encoded images (images given an encoding pattern) to the imagers 21-24, respectively. In this embodiment, it is preferable that the encoding patterns given to the images by at least one set of encoding means (e.g., encoding means 71, 72) are complementary patterns. Furthermore, the encoding pattern given to the image by another set of encoding means (encoding means 73, 74) may be another complementary pattern. In this embodiment, the splitting unit 60 and the encoding unit 70 correspond to a light modulation unit that splits the subject image into multiple split lights, modulates each split light multiple times with the encoding pattern, and generates multiple encoded images.

撮像部20は、複数(4台)の撮像機21~24からなり、符号化部70から出力された符号化像をそれぞれ撮像し、符号化撮像画像を生成する。 The imaging unit 20 is made up of multiple (four) imaging devices 21 to 24, which each capture an encoded image output from the encoding unit 70 to generate an encoded captured image.

同期制御機30は、符号化手段71~74と、各撮像機21~24の動作の同期制御を行い、所定枚数の符号化像を、撮像機21~24がそれぞれ1回の露光で撮像できるように制御を行う。なお、演算処理装置40が、同期制御機30の機能を兼ねてもよい。 The synchronous controller 30 controls the synchronous operation of the encoding means 71-74 and each of the imagers 21-24, and controls each of the imagers 21-24 so that a predetermined number of encoded images can be captured with a single exposure. The arithmetic processing device 40 may also function as the synchronous controller 30.

演算処理装置40は、撮像部20で撮像した符号化撮像画像を入力とし、また、符号化部70で生成した符号化パターンの情報を取得して、演算処理を行い、符号化パターンの枚数に対応する再構成画像を生成する。 The arithmetic processing device 40 receives the encoded captured image captured by the imaging unit 20 as input, and also acquires information on the encoding pattern generated by the encoding unit 70, performs arithmetic processing, and generates a reconstructed image corresponding to the number of encoding patterns.

本変形例は、光の分割数を増やすように光学系を構築して符号化像の生成個数を増やすことにより、クロストークを増やすことなく符号化像の有効画素数を増やすことができ、再構成画像の画質を向上させることができる。 In this modified example, by constructing an optical system that increases the number of light divisions and increasing the number of encoded images generated, the number of effective pixels in the encoded image can be increased without increasing crosstalk, thereby improving the image quality of the reconstructed image.

以上のとおり、第1の実施形態の変形例と第2の実施形態の変形例を説明したが、さらに、第1の実施形態と第2の実施形態(又は変形例)を組み合わせた構成とすることもできる。 As described above, a modified version of the first embodiment and a modified version of the second embodiment have been described, but it is also possible to have a configuration in which the first embodiment and the second embodiment (or the modified version) are combined.

(再構成手法の変形例)
再構成手法には、圧縮センシング以外の解法、たとえばCGI(計算機ゴーストイメージング)、又は、機械学習を用いることができる。
(Modification of reconstruction method)
The reconstruction method can use solutions other than compressed sensing, such as computerized ghost imaging (CGI) or machine learning.

(本発明を一般化した形態)
図11は、本発明を一般化したときの撮像装置の概念図である。撮像装置は、分割・符号化部10と、撮像部20と、同期制御機30と、演算処理装置(計算機)40とを備えている。以下、各構成要素について説明する。
(Generalized form of the present invention)
11 is a conceptual diagram of an imaging device when the present invention is generalized. The imaging device includes a division/encoding unit 10, an imaging unit 20, a synchronization controller 30, and a processing unit (computer) 40. Each component will be described below.

分割・符号化部10は、被写体からの像をN個(Nは2以上の整数)に分割し、それぞれの像を互いに異なる符号化パターンで変調する機能を有している。この内、少なくとも2つの像に与えられた符号化パターンは、互いに相補的なパターン(有効部分と無効部分が反転関係にあるパターン)とするのが望ましい。これにより、被写体像の画素の欠落が防止できる。なお、被写体からの像をN個(Nが3以上)に分割する場合は、符号化パターンとして必ずしも相補的なパターンを用いなくとも、N個の符号化パターン全体で欠落画素(被写体の画像情報の欠損)がなく、互いの符号化パターンが異なるように設定すれば、画質の良い再構成画像を得ることができる。分割・符号化部10は、光変調部に相当する。 The splitting and encoding unit 10 has the function of splitting an image from a subject into N pieces (N is an integer of 2 or more) and modulating each image with a different encoding pattern. It is desirable that the encoding patterns given to at least two of these images are complementary to each other (patterns in which the valid and invalid parts are in an inverted relationship). This prevents missing pixels from the subject image. When splitting an image from a subject into N pieces (N is 3 or more), it is not necessary to use complementary patterns as the encoding patterns. If there are no missing pixels (loss of image information of the subject) in the entire N encoding patterns and the encoding patterns are set to be different from each other, a reconstructed image with good image quality can be obtained. The splitting and encoding unit 10 corresponds to an optical modulation unit.

撮像部20は、複数(N台)の撮像機(1~N)からなり、分割・符号化部10から出力された符号化像を撮像し、符号化撮像画像を生成する。 The imaging unit 20 is made up of multiple (N) imaging devices (1 to N), captures the encoded image output from the division and encoding unit 10, and generates an encoded captured image.

同期制御機30は、分割・符号化部10と、撮像部20の動作の同期制御を行い、所定枚数の符号化像を、各撮像機(1~N)がそれぞれ1回の露光で撮像できるように制御を行う。なお、演算処理装置40が、同期制御機30の機能を兼ねてもよい。 The synchronous controller 30 controls the synchronization of the division/encoding unit 10 and the imaging unit 20, and controls each imaging device (1 to N) so that a predetermined number of encoded images can be captured with a single exposure. The arithmetic processing device 40 may also function as the synchronous controller 30.

演算処理装置40は、撮像部20で撮像した符号化撮像画像を入力とし、また、分割・符号化部10で生成した符号化パターンの情報を取得して、演算処理を行い、符号化パターンの枚数に対応する再構成画像を生成する。演算処理装置40は、再構成処理部として機能する。 The arithmetic processing device 40 receives the encoded captured image captured by the imaging unit 20 as input, and also acquires information on the encoding patterns generated by the division and encoding unit 10, performs arithmetic processing, and generates a reconstructed image corresponding to the number of encoding patterns. The arithmetic processing device 40 functions as a reconstruction processing unit.

このように、多数の符号化像を用いることにより、再構成の精度を高めることができ、より画質を向上させることができる。 In this way, by using multiple encoded images, the accuracy of reconstruction can be increased, leading to improved image quality.

本発明の撮像装置は、符号化像の画素情報の欠損を無くすることと、再構成画像間のクロストークを低減することを両立し、再構成画像の画質を向上することができる。さらに、撮像部における撮像機(カメラ)は、任意の構造のカメラを用いることができ、光学系を構築する際に自由度が高い。本発明の撮像装置を動画撮影に利用する場合には、カメラのフレームレートよりも高いフレームレートの動画像を取得することができる。 The imaging device of the present invention can eliminate loss of pixel information in the encoded image while reducing crosstalk between reconstructed images, improving the image quality of the reconstructed image. Furthermore, cameras of any structure can be used as the imaging device (camera) in the imaging section, allowing for a high degree of freedom in constructing an optical system. When the imaging device of the present invention is used for capturing moving images, moving images can be obtained at a frame rate higher than the frame rate of the camera.

上記の実施形態では、撮像装置の構成と動作について説明したが、本発明はこれに限らず、符号化撮像画像から時間軸に沿った複数枚の画像を復元する撮像方法として構成されてもよい。すなわち、図1、図7、図9~図11の画像及びデータの流れに従って、符号化撮像画像を取得し、再構成画像を生成する撮像方法として構成されても良い。 In the above embodiment, the configuration and operation of the imaging device have been described, but the present invention is not limited to this, and may be configured as an imaging method for restoring multiple images along a time axis from an encoded captured image. In other words, the present invention may be configured as an imaging method for acquiring encoded captured images and generating reconstructed images according to the image and data flows in Figures 1, 7, and 9 to 11.

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形又は変更が可能である。例えば、実施形態に記載の各ブロック、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成ブロック、ステップ等を1つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。 The above-mentioned embodiments have been described as representative examples, but it will be apparent to those skilled in the art that many modifications and substitutions can be made within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be interpreted as being limited by the above-mentioned embodiments, and various modifications or changes are possible without departing from the scope of the claims. For example, the functions contained in each block, step, etc. described in the embodiments can be rearranged so as not to cause logical inconsistencies, and multiple constituent blocks, steps, etc. can be combined into one or divided.

1 レンズ
2 符号化パターンマスク
3 レンズ
4 カメラ
5 演算処理装置
10 分割・符号化部
11 DMD
20 撮像部
21~24 撮像機(カメラ)
30 同期制御機
40 演算処理装置
51~55 レンズ
60 分割部
61 ビームスプリッター
70 符号化部
71~74 符号化手段
1 Lens 2 Encoded pattern mask 3 Lens 4 Camera 5 Processing device 10 Division and encoding unit 11 DMD
20 Imaging unit 21 to 24 Imaging device (camera)
30 Synchronization controller 40 Processing device 51 to 55 Lens 60 Splitting section 61 Beam splitter 70 Encoding section 71 to 74 Encoding means

Claims (7)

符号化撮像画像から時間軸に沿った複数枚の画像を復元する撮像装置であって、
被写体像を複数の分割光に分割して、各分割光を符号化パターンで複数回変調し、複数の符号化像を生成する光変調部と、
前記分割光ごとに、複数の前記符号化像を1回の露光で取得し、前記符号化撮像画像を生成する撮像部と、
前記符号化撮像画像及び前記符号化パターンに基づいて、時間軸に沿った符号化パターン枚数分の画像を再構成する再構成処理部と、
を備えることを特徴とする、撮像装置。
An imaging device that reconstructs a plurality of images along a time axis from an encoded captured image, comprising:
a light modulation unit that divides an object image into a plurality of divided light beams and modulates each divided light beam a plurality of times with an encoding pattern to generate a plurality of encoded images;
an imaging unit that acquires a plurality of the encoded images for each of the divided beams in one exposure and generates the encoded captured image;
a reconstruction processing unit that reconstructs images corresponding to the number of encoding patterns along a time axis based on the encoded captured image and the encoding pattern;
An imaging device comprising:
請求項1に記載の撮像装置において、
前記光変調部は、複数の前記分割光のうち、少なくとも2つの前記分割光を、互いに相補的な符号化パターンで変調することを特徴とする、撮像装置。
2. The imaging device according to claim 1,
The imaging device, wherein the light modulation section modulates at least two of the plurality of split light beams with complementary coding patterns.
請求項2に記載の撮像装置において、
前記光変調部は、入射光を2つに分割してそれぞれを相補的な符号化パターンで変調する分割・符号化部を多段に接続して構成されることを特徴とする、撮像装置。
3. The imaging device according to claim 2,
An imaging device, wherein the light modulation section is configured by connecting in multiple stages division/encoding sections which divide incident light into two and modulate each of the light with a complementary encoding pattern.
請求項2に記載の撮像装置において、
前記光変調部は、デジタルマイクロミラーデバイスで構成されることを特徴とする、撮像装置。
3. The imaging device according to claim 2,
11. An imaging device, wherein the light modulation section is composed of a digital micromirror device.
請求項2に記載の撮像装置において、
前記光変調部は、ビームスプリッター及び空間光変調器で構成されることを特徴とする、撮像装置。
3. The imaging device according to claim 2,
11. An imaging device, wherein the light modulation section is composed of a beam splitter and a spatial light modulator.
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の撮像装置において、
前記再構成処理部は、再構成する画像を、離散コサイン変換、離散ウェーブレット変換、離散フーリエ変換、又は辞書学習で求めた基底関数により画素成分に変換して、前記画素成分を推定する線形方程式を最適化問題により解を求めることで、再構成画像を生成することを特徴とする、撮像装置。
6. The imaging device according to claim 1,
The imaging device, characterized in that the reconstruction processing unit converts the image to be reconstructed into pixel components using a basis function obtained by discrete cosine transform, discrete wavelet transform, discrete Fourier transform, or dictionary learning, and generates a reconstructed image by solving a linear equation that estimates the pixel components by an optimization problem.
請求項1乃至5のいずれか一項に記載の撮像装置において、
前記再構成処理部は、圧縮センシング、CGI(計算機ゴーストイメージング)、又は機械学習を用いて、画像を再構成することを特徴とする、撮像装置。
6. The imaging device according to claim 1,
The imaging device, wherein the reconstruction processing unit reconstructs an image using compressed sensing, CGI (computer ghost imaging), or machine learning.
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