JP3510037B2 - 適応カラー補間単一センサカラー電子カメラ - Google Patents

適応カラー補間単一センサカラー電子カメラ

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JP3510037B2 JP04177096A JP4177096A JP3510037B2 JP 3510037 B2 JP3510037 B2 JP 3510037B2 JP 04177096 A JP04177096 A JP 04177096A JP 4177096 A JP4177096 A JP 4177096A JP 3510037 B2 JP3510037 B2 JP 3510037B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】関連する出願の相互参照Ｊａｍｅｓ Ｅ．
Ａｄａｍｓ，Ｊｒ．及びＪｏｈｎ Ｆ．Ｈａｍｉｌｔｏ
ｎ，Ｊｒ．により本出願と同時に出願された１９９５年
３月１７日出願の米国特許出願０８／４０７４３６を参
照し、その開示を参考として引用する。
【０００２】
【発明の属する技術分野】本発明は電子画像に関し、よ
り詳細には単一のカラーセンサ及びメモリを有する電子
スチルカメラによる電子スチル画像に関する。
【０００３】
【従来の技術】電子カラー画像では通常赤、緑、青であ
る３つのカラー面で画像データを同時に捕捉することが
望ましい。３つのカラー面が結合されると、高品質カラ
ー画像を形成することが可能である。これら３つの画像
の組を捕捉することは多くの方法でなされうる。電子写
真では、赤、緑、青のフィルターにより覆われたセンサ
の単一の２次元配列を用いることにより達成されうる。
このタイプのセンサはカラーフィルター配列又はＣＦＡ
として知られている。以下にＣＦＡセンサ上に一般的に
配列された赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）画素を示す。
【０００４】カラー画像がＣＦＡを用いて捕捉されたと
きに各センサ位置に対する３つのカラー値全ての推定が
なされるよう赤、緑、青の値を補間する必要がある。い
ったん補間がなされると、各画像の要素、又は画素は３
つのカラー値を有し、システムの必要に依存して種々の
知られた画像処理技術により処理されうる。処理は、例
えば画像の鮮明化、カラー補正又はハーフトーン化をな
すために行われる。
【０００５】以下にどのようにして赤、緑、青の画素が
カラーフィルター配列内に配列されるかを示す。より詳
細な記載についてはＢａｙｅｒの米国特許第３９７１０
６５号を参照のこと。
【０００６】
【数１】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的はＣＦＡ
での失われた画素値を発生する改善された装置を提供す
ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】この目的は、行及び列に
整列され、少なくとも３つの異なる色のうちの１つの色
のカラー値を発生するカラーフォトサイトを有する画像
センサから得られたデジタル化された画像信号を処理す
る画像信号処理装置において、 各フォトサイト位置が３
つの異なる色のカラー値を有するように各フォトサイト
位置に対するカラー値を補間する手段は、デジタル化さ
れた画像信号を記憶する手段と；該記憶手段と共に動作
し、対象とするフォトサイト位置のカラー値の色とは異
なる色の適切なカラー値を発生するために、該対象とす
るフォトサイトのカラー値とは異なる色の該対象とする
フォトサイト位置の近傍のフォトサイト位置のカラー値
から該対象とするフォトサイトに対する付加的なカラー
値の補間を行う、プロセッサとからなり、該プロセッサ
は、該対象とするフォトサイト位置と同じ行及び列の該
対象とするフォトサイト位置の近傍のフォトサイトから
少なくとも２つの画像方向にラプラシアン２次値及び傾
斜値を得る手段と；該ラプラシアン２次値と該傾斜値と
を前記各画像方向ごとに加算して分類値を決定し、該分
類値に基づいて該適切なカラー値の補間のための好まし
い方向を選択する手段と；該好ましい方向に一致するよ
うに選択された該対象とするフォトサイト位置の近傍の
複数のカラー値から適切なカラー値を補間する手段とか
らなる画像信号処理装置により達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】カラーフィルタ配列を用いる単一
センサの電子カメラはよく知られており、本願明細書の
記述は、本発明による装置及び方法の一部を形成し又は
本発明による装置及び方法とより直接に協働する要素に
特に関する。ここに特に示さない、又は記載されない要
素は当業者により選択されうるものである。
【０００９】図１及び２をまず参照するに電子スチルカ
メラは一般に、入力部分２と補間及び記録部分４とに分
割される。入力部分２では対象（図示せず）からの画像
光線が画像センサ１２へ導かれる。図示しないが、露出
部分１０は光学的開口を制御するダイアフラムを介して
画像光線を導く従来技術の光学系を含み、また露出時間
を制御するシャッターを含む。画像の画素に対応するフ
ォトサイトの２次元配列を含む画像センサ１２は従来技
術の電荷結合デバイス（ＣＣＤ）であり、よく知られた
ライン間移動又はフレーム移動技術を用いる。画像セン
サ１２はＢａｙｅｒアレイとして知られているカラーフ
ィルタ配列（ＣＦＡ）により覆われる。Ｂａｙｅｒアレ
イは米国特許第３９７１０６５号に記載され、ここに参
考として引用するものである。Ｂａｙｅｒ構造では各カ
ラー（色）はフォトサイト又はセンサの画像要素（画
素）を覆う。特にクロミナンスカラー（赤及び青）は輝
度カラー（緑）のチェッカー盤模様の間に散在する。画
像センサ１２は画像光線に曝され、それによりアナログ
画像電荷情報がそれぞれのフォトサイトで発生する。電
荷情報は出力ダイオード１４に印加され、それぞれの画
素に対応するアナログ画像信号に変換される。アナログ
画像信号は、各画素に対するアナログ入力信号からデジ
タル画像信号を形成するＡ／Ｄ変換器１６に印加され
る。デジタル信号は、複数のスチル画像を記憶する容量
を有するランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）といった画
像バッファ１８に印加される。
【００１０】制御プロセッサ２０は、露出を制御するこ
と（露出部分１０でのダイアフラム及びシャッター（図
示せず）による操作による）、画像センサ１２を駆動
し、そこから画像情報をクロッキングするのに必要な水
平及び垂直クロックを発生すること及び、Ａ／Ｄ変換器
１６が画像バッファ１８と結合し画素に関係する各信号
部分について可能とされることにより、カメラの入力部
分２を制御する。（制御プロセッサ２０は通常システム
タイミング回路と結合されたマイクロプロセッサを含
む）。いったんある数のデジタル画像信号が画像バッフ
ァ１８に集積されると、記憶された信号は、カメラの補
間及び記録部分４に対するスループット処理速度を制御
するデジタル信号プロセッサ２２に印加される。デジタ
ル信号プロセッサ２２はデジタル画像信号に対して補間
アルゴリズムを適用し、補間された信号をコネクタ２６
を介して従来技術の着脱可能なメモリカード２４に送
る。
【００１１】補間及び関連した処理は、通常は幾つかの
段階で生じるため、処理アルゴリズムの中間的な生成物
は処理バッファ２８に記憶される。（処理バッファ２８
はまた画像バッファ１８のメモリ空間の部分として構成
されうる）。デジタル処理の開始前に画像バッファ１８
で必要な画像信号の数は処理の種類に依存し、即ち隣接
補間が開始するにはビデオフレームからなる画像信号の
少なくとも一部分を含む信号のブロックが利用されなけ
ればならない。従ってほとんどの場合において、補間は
画素の必要なブロックがバッファ１８に現れるとすぐに
開始される。
【００１２】入力部分２はカメラの通常の動作と比例し
た速度で動作し、補間はより多くの時間を消費し、入力
速度から比較的離れうる。露出部分１０は、露出要求に
依存する例えば１／１０００秒と数秒の間の時間だけ画
像センサ１２を画像光線に対して露出する。それから画
像電荷は画像センサ１２でフォトサイトから掃引され、
デジタルフォーマットに変換され、画像バッファ１８に
書き込まれる。制御プロセッサ２０により画像センサ１
２、Ａ／Ｄ変換器１６及びバッファ１８へ供給される駆
動信号は、そのような移動を達成するように形成され
る。補間及び記録部分４の処理スループット速度はデジ
タル信号プロセッサ２２の速度により決定される。
【００１３】このアーキテクチャーの一つの望ましい成
果は、補間及び記録部分で用いられる処理アルゴリズム
はスループット速度に対してよりもむしろ画像の品質保
持に対して選択されることである。このことは、写真撮
影間の時間に依存してユーザーに影響を与えうる連続す
る画像間の遅延をもたらす。電子画像化の分野では、デ
ジタルスチルカメラは一連の連続した画像の連続撮影能
力を提供すべきであることがよく知られ、理解されてい
る故に問題である。この理由により、図１に示されるバ
ッファ１８は複数の画像の記憶を提供し、一連の画像を
ビデオレートで「蓄積（スタックアップ）」することを
実際的に許容する。バッファの大きさはほとんどの画像
撮影状況に適用されるために連続した充分な画像を保持
するよう定められる。
【００１４】操作表示パネル３０はカメラの操作に有用
な情報を表示する制御プロセッサ２０に接続される。カ
メラの操作に有用な情報は、シャッター速度、絞り値、
露出バイアス、カラーバランス（自動、タングステン、
蛍光灯、昼光）、フィールド／フレーム、バッテリー低
下、低照度、露出モード（絞り優先、シャッター優
先）、等々の典型的な写真データを含む。更にまたカメ
ラのこの型に独特の他の情報も表示される。例えば着脱
可能メモリカード２４は各記憶された画像の最初と最後
を示す番地を通常含む。これは記憶された画像の数又
は、残り又は残っていると推定される画像空間の数のい
ずれか（又は両方）として表示パネル３０上に示され
る。
【００１５】デジタル信号プロセッサ２２は、図２に示
される補間技術により画像バッファ１８に記憶される各
ビデオ画像を補間する。各画素位置での失われたデータ
値の補間は図２に示されるシーケンスを辿る；即ち最初
に「失われた緑」画素（即ち赤及び青画素位置）に対す
る高周波数情報は輝度表現を改善するよう補間され、第
二にカラー差情報はＣＦＡパタンの他のカラーを形成す
る双線形方法により高周波数位置で補間される。図２に
示される例では水平及び垂直端を有する画像に対するシ
ステムの性能を最適化するために輝度部分３６で適応補
間技術が用いられる。「失われた緑」画素はそのまわり
で垂直及び水平方向にクロミナンス（赤及び青）画素位
置間で確立される傾斜に依存するように水平、垂直、又
は２次元のいずれかで適応的に補間される。
【００１６】「失われた緑」画素を適応的に補間する第
一の段階は補間方法を選択することである。この処理の
詳細は図３のブロック４０に示される。処理は一つは水
平方向、一つは垂直方向である２つの複合画素分類（ｃ
ｌａｓｓｉｆｉｅｒ）値を計算することから開始する
（ブロック５０）。「画素分類値」という用語は画素情
報の更なる処理についての決定をなす目的に対して計算
された値を指す。「複合」という用語はカラー平面の複
数性への値の依存性を示す。この場合には緑平面のラプ
ラシアンの絶対値はどれがＢａｙｅｒカラーフィルター
配列でのカラーに対応するかに依存して赤又は青平面の
ラプラシアンの絶対値に加えられる。
【００１７】２つの分類値は比較され（ブロック５
２）、等しいかどうかテストされる。ある値が他の値よ
り小さい場合には小さい値に対応する補間方法が選択さ
れる（ブロック５４）。値が等しい場合にはデフォルト
の補間方法が選択される（ブロック５６）。どちらの場
合もブロック４０は実行される。
【００１８】緑（ルマ（ｌｕｍａ））補間段階（ブロッ
ク４４）は図４に示されるように２つの部分を有する。
第一の部分（ブロック８０）は選択された補間方法によ
り２つの輝度（緑）値を平均する。第二の部分（ブロッ
ク８２）は問題の画素がＢａｙｅｒカラーフィルタ配列
で赤及び青フィルタにより覆われるかどうかに基づく赤
及び青の隣接値に基づく補正係数を加える。
【００１９】赤／青（クロマ）補間は上記の緑（ルマ）
補間と同様の方法で処理される。この処理の詳細は図５
のブロック４６に示される。処理は、一方は負の対角線
方向、他方は正の対角線方向である２つの複合画素分類
値（ブロック６０）を求めることから開始する。「負の
対角線」という用語は勾配−１のライン（左上と右下を
結ぶ）を示す。「正の対角線」という用語は勾配＋１の
ライン（左下と右上を結ぶ）を示す。再びこれらの複合
分類値は緑平面上のラプラシアンの絶対値を、赤又は青
のどちらの色が補間されるべきかによって赤又は青平面
のいずれか傾斜の絶対値に加えることにより見いだされ
る。
【００２０】それから２つの分類値は比較され（ブロッ
ク６２）、等しいかどうかテストされる。一つの値が他
の値より小さい場合にはより小さな値に対応する補間方
法が選択される（ブロック６４）。値が等しいときには
デフォルトの補間方法が選択される（ブロック６６）。
どちらの場合にもブロック４６は実行される。
【００２１】赤／青（クロマ）補間段階（ブロック４
８）は図６に示すように２つの部分を有する。第一の部
分（ブロック７０）ではＢａｙｅｒカラーフィルタ配列
での画素位置に依存して赤又は青のいずれかである２つ
のクロミナンス値は選択された補間方法により平均化さ
れる。第二の部分（ブロック７２）は緑の隣接する値に
基づく補正係数を加える。
【００２２】以下、Ｂａｙｅｒ配列を用いた特定の例に
対するデジタル信号プロセッサの動作を詳細に説明す
る。 緑平面補間 補間の第一のパスは緑のカラー平面に完全に位置する。
Ｂａｙｅｒカラーフィルタ配列が仮定される。以下の近
傍を考える。
【００２３】
【数２】 Ｇｘは緑画素であり、Ａｘは赤又は青画素である（全て
のＡｘ画素は全体的な近傍で同じカラーである）。簡単
化のために「クロマ」という用語を赤又は青のいずれか
を意味するように用いる。以下の分類値が形成される。
【００２４】
【数３】 これらの分類値はクロマデータに対するラプラシアン２
次項及び緑のデータに対する傾斜で構成される。これら
の分類値は水平（ＤＨ）及び垂直（ＤＶ）の隣接画素に
現れる高空間周波数情報を検知する。
【００２５】次に３つの予測値を形成する。
【００２６】
【数４】 これらの予測値は緑データに対する算術平均及びクロマ
データに対する適切にスケール化されたラプラシアン２
次項で構成される。Ｇ５Ｈは補間に対する好ましい方向
が画素近傍で水平方向にあるときに用いられる。同様に
してＧ５Ｖは補間に対する好ましい方向が画素近傍で垂
直方向にあるときに用いられる。Ｇ５Ａは補間に対する
好ましい方向がないときに用いられる。
【００２７】完全な緑補間処理は以下のように表現され
る。
【００２８】
【数５】 この処理の鍵は緑及びクロマデータの両方は補間に対す
る好ましい方向として選択される所定の方向に対する高
空間周波数情報の最小値を示さなければならないことで
ある。緑のデータ又はクロマデータのいずれかに大量の
高空間周波数情報があれば対応する分類値は増大する。
その場合この方向が補間に対して好ましい方向として選
択される尤度は減少する。
【００２９】実際に緑の補間処理は計算効率に対して以
下のように簡単化される。
【００３０】
【数６】 この簡単化は、水平及び垂直分類値の両方が等しいとき
に補間のためのデフォルトの好ましい方向として水平方
向を決定することによって行われる。水平及び垂直分類
値が等しいときの典型的な画像での発生の数は非常に小
さいのでこの簡単化が最終的に再構成された画像の画質
に与える影響は一般に無視しうるものである。
【００３１】赤及び青（クロマ）補間 補間の第二のパスは赤及び青のカラー平面に完全に位置
する。Ｃｏｋの１９８７年２月１０日に発行された米国
特許第４６４２６７８号（この開示は参考として引用す
る）では以下に要約されるクロマ補間が開示されてい
る。次のような近傍を考える。
【００３２】
【数７】 Ｇｘは緑画素であり、Ａｘは赤又は青画素であり、Ｃ５
はＡｘと反対のカラー画素（即ちＡｘが赤の場合にはＣ
５は青であり、逆もまた成り立つ）。Ｇ１からＧ９まで
の全てのＧｘ画素は知られており対応するＡｘ及びＣ５
画素の全てと一致すると仮定される。
【００３３】３つの場合がある。場合１はＡｘの最も近
接した近傍が同じ列内にあるときである。以下の予測値
が用いられる（Ａ４が例として用いられている。）
【００３４】
【数８】 場合２はＡｘの最も近接した近傍が同じ行内にあるとき
である。以下の予測値が用いられる（Ａ２が例として用
いられている。）
【００３５】
【数９】 場合３はＡｘの最も近接した近傍が四隅にあるときであ
る。以下の予測値が用いられる（Ａ５が例として用いら
れている。）
【００３６】
【数１０】 場合３に対する改善について説明する。以下の２つの分
類値を形成する。
【００３７】
【数１１】 これらの分類値は緑に対するラプラシアン２次項及びク
ロマデータに対する傾斜で形成される。そのようにして
これらの分類値は負の対角線（ＤＮ）及び正の対角線
（ＤＰ）方向の画素近傍に現れる高空間周波数情報を検
知する。
【００３８】それから３つの予測値を形成する。
【００３９】
【数１２】 これらの予測値はクロマデータに対する算術平均及び緑
データに対する適切にスケールされたラプラシアン二次
項で構成される。Ａ５Ｎは補間のための好ましい向きが
画素近傍で負の対角線方向にあるときに用いられる。Ａ
５Ｐは補間に対して好ましい向きが画素近傍で正の対角
線方向にあるときに用いられる。Ａ５Ａは補間のための
好ましい向きが明らかでないときに用いられる。
【００４０】完全な場合３のクロマ補間処理は以下のよ
うに表される。
【００４１】
【数１３】 この処理では緑及びクロマデータの両方は補間のための
好ましい方向として選択される所定の方向に対する高空
間周波数情報の最小値を示さなければならない。所定の
方向に対する緑データ又はクロマデータのいずれかに大
量の高空間周波数情報があれば対応する分類値は増大す
る。その場合この方向が補間に対して好ましい方向とし
て選択される尤度は減少する。
【００４２】特に場合３のクロマ補間処理は計算効率に
対して以下のように簡単化される。
【００４３】
【数１４】 簡単化は負及び正の対角線分類値の両方が等しいときに
補間のためのデフォルトの好ましい方向として負の対角
線方向を決定することにより達成される。正及び負の対
角線分類値が等しいときに典型的な画像で生ずる数は非
常に小さいのでこの簡単化が最終的に再構成された画像
の画質に与える影響は一般に無視しうるものである。
【００４４】本発明はそれの好ましい実施例を特に参照
して詳細に説明されたが、改良及び変更は本発明の精神
及び範囲内で有効である。
【００４５】
【発明の効果】本発明の利点は１）実行時間及びメモリ
ー記憶容量の両方で計算上効率的であり、２）分類値を
形成するためにラプラシアン２次値及び傾斜値の組み合
わせを使用することにより入力画像のアーティファクト
（カラー補間）が実質的に減少することである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による補間処理を用いる電子スチルカメ
ラのブロック図である。
【図２】本発明に関連して用いられる補間処理技術の処
理方法のブロック図である。
【図３】図２での輝度補間部分の処理方法の詳細ブロッ
ク図である。
【図４】図２でのクロミナンス部分の処理方法のより詳
細なブロック図である。
【図５】本発明による補間処理に対する処理方法のブロ
ック図である。
【図６】本発明による補間処理に対する処理方法のブロ
ック図である。
【符号の説明】
２ 入力部分 ４ 記録部分 １０ 露出部分 １２ 画像センサ １４ 出力ダイオード １６ Ａ／Ｄ変換器 １８ 画像バッファ ２０ 制御プロセッサ２２ デジタル信号プロセッサ ２４ 着脱可能メモリカード ２６ コネクタ ２８ 処理バッファ ３０ 表示パネル ３６ 輝度部分 ３８ クロマ部分 ４０ 最良のルマ補間を選択 ４４ 失われたルマ値を補間 ４６ 最良のクロマ補間を選択 ４８ 失われたクロマ値を補間
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−59098（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H04N 9/07

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 行及び列に整列され、少なくとも３つの
    異なる色のうちの１つの色のカラー値を発生するカラー
    フォトサイトを有する画像センサから得られたデジタル
    化された画像信号を処理する画像信号処理装置におい
    て、 各フォトサイト位置が ３つの異なる色のカラー値を有す
    るように各フォトサイト位置に対するカラー値を補間す
    る手段は、 デジタル化された画像信号を記憶する手段と；該記憶手段と共に動作し、対象とするフォトサイト位置
    のカラー値の色とは異なる色の適切なカラー値を発生す
    るために、該対象とするフォトサイトのカラー値とは異
    なる色の該対象とするフォトサイト位置の近傍の フォト
    サイト位置のカラー値から該対象とするフォトサイトに
    対する付加的なカラー値の補間を行う、プロセッサとか
    らなり、 該プロセッサは、該対象とするフォトサイト位置と 同じ行及び列の該対象
    とするフォトサイト位置の近傍のフォトサイトから少な
    くとも２つの画像方向にラプラシアン２次値及び傾斜値
    を得る手段と；該ラプラシアン２次値と該傾斜値とを前記各画像方向ご
    とに加算して 分類値を決定し、該分類値に基づいて該適
    切なカラー値の補間のための好ましい方向を選択する手
    段と；該 好ましい方向に一致するように選択された該対象とす
    るフォトサイト位置の近傍の複数のカラー値から適切な
    カラー値を補間する手段とからなる画像信号処理装置。
  2. 【請求項２】 行及び列に整列され、少なくとも３つの
    異なる色のうちの１つの色のカラー値を発生するカラー
    フォトサイトを有する画像センサから得られたデジタル
    化された画像信号を処理する画像信号処理装置におい
    て、 各フォトサイト位置が ３つの異なる色のカラー値を有す
    るように各フォトサイト位置に対するカラー値を補間す
    る手段は、 デジタル化された画像信号を記憶する手段と；該記憶手段と共に動作し、対象とするフォトサイト位置
    のカラー値の色とは異なる色の適切なカラー値を発生す
    るために、該対象とするフォトサイトのカラー値とは異
    なる色の該対象とするフォトサイト位置の近傍の フォト
    サイト位置のカラー値から該対象とするフォトサイトに
    対する付加的なカラー値の補間を行う、プロセッサとか
    らなり、 該プロセッサは、該対象とするフォトサイト位置と 同じ行及び列の該対象
    とするフォトサイト位置の近傍のフォトサイトから少な
    くとも２つの画像方向にラプラシアン２次値及び傾斜値
    を得る手段と；該ラプラシアン２次値と該傾斜値とを前記各画像方向ご
    とに加算して 分類値を決定し、該分類値に基づいて該適
    切なカラー値の補間のための好ましい方向を選択する手
    段と；該 好ましい方向に一致するように選択された該対象とす
    るフォトサイト位置の近傍の複数のカラー値から適切な
    カラー値を補間する手段とからなり、 該適切なカラー値を補間する手段は、該適切なカラー値
    と同じ色の該対象とするフォトサイトの近傍のフォトサ
    イトのカラー値を平均し、該適切なカラー値とは異なる
    色の該対象とするフォトサイトの近傍のフォトサイトの
    カラー値を用いて補正係数を計算し、該平均されたカラ
    ー値に該補正係数を適用して適切なカラー値を補間す
    る、 画像信号処理装置。
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