JP3907173B2 - 画像合成方法及びその装置並びにデジタルスチルカメラ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は高感度画像と低感度画像とを合成して広いダイナミックレンジを持つ画像を生成する画像合成方法及びその装置に係り、特に、色の変化が滑らかに繋がり不自然さの少ない合成画像を生成する画像合成方法及びその装置並びにこの画像合成装置を内蔵したデジタルスチルカメラに関する。
【0002】
【従来の技術】
デジタルスチルカメラで、例えば室内風景を撮像した場合、室内に存在する被写体の映像は良く映っても、窓から見える青い空が白飛びしてしまい、全体的に不自然な画像になってしまう。これは画像のダイナミックレンジが狭いためであり、この問題を解決するために、従来から、2枚の画像を撮像し合成することで、画像のダイナミックレンジを広げることが行われている。
【0003】
例えば、高速シャッタを切って低感度の画像を撮像し、これに連続して低速シャッタを切って高感度の画像を撮像し、2枚の画像を合成することで、高感度画像中に映っている窓の外の風景が、室内風景の良く映っている低感度画像に重なるようにしている。しかし、2枚の画像をその色変化が自然に滑らかに連続するように合成するには、工夫が必要となる。
【0004】
図6(a)〜(c)は従来の画像合成方法を説明するグラフであり、横軸が入力光信号のインテンシティを示し、縦軸が色信号S(各色R,G,Bで同じグラフとなるため、Sとして表す。)の電圧値を示す。低感度画像の各画素の色信号はガンマ特性線Lによってガンマ変換された色信号として色信号合成回路に入力され、高感度画像の各画素の色信号はガンマ特性線Hによってガンマ変換された色信号として色信号合成回路に入力される。
【0005】
高感度画像と低感度画像を合成する場合、従来は先ず図6(b)に示す様に、低感度画像のガンマ特性線Lに一定の利得g(<1)を掛けたガンマ特性線gLを作り、次に、図6(c)に示す様に、このガンマ特性線gLに所定のオフセット値S0(直流分)を加算してガンマ特性線SOSを作る。このガンマ特性線SOSに従う信号を、以下、オフセット低感度信号という。
【0006】
そして、絵柄の設計値として定めた点A,B(A点,B点における高感度信号SH(ガンマ特性線Hに従う信号)の電圧値はSA,SB)の間は、高感度信号SHとオフセット低感度信号SOSとを、高感度信号SHに応じた加重係数αSと(1−αS)とを用いて加重加算し、合成画像の色信号SCを、次の様な従来式に基づき求める。
【0007】
SC(x,y)=αSSH(x,y)+(1−αS)SOS(x,y)
但し、SOS=gSL(x,y)+S0
S0:オフセット値
g:一定利得(<1)
αS=1 :SH(x,y)≦SAの場合
αS=(SH(x,y)−SB)/(SB−SA):SA<SH(x,y)<SBの場合
αS=0 :SH(x,y)≧SBの場合
SL:低感度画像の画素信号値
SH:高感度画像の画素信号値
である。
【0008】
即ち、従来は、A点より暗い範囲では高感度信号SHのみを使用して合成画像を生成し、B点より明るい範囲(高感度画像の色信号では飽和値に近い範囲)ではオフセット低感度信号のみを使用して合成画像の画素信号を生成し、区間A,Bの範囲内においては、図6(c)に曲線Cで示した様に、オフセット低感度信号と高感度信号の両方を用いて合成画像の各画素の色信号を生成している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
従来の様に、高感度信号とオフセット低感度信号とを上述した従来式に基づいて合成した場合、区間A,Bの接続点P,Qにおいて合成信号の色変化が滑らかに繋がらず、このため、この接続点P,Q付近で色特性が悪くなり、合成画像が不自然になってしまうという問題がある。特に、フラッシュを使用した場合とかメカニカルシャッタと電子シャッタとを併用した場合などには低感度画像と高感度画像との感度比がバラツクため、上記の接続点P,Q付近での色変化の滑らかさが更に悪くなってしまうという問題がある。また、ハイレベル側の接続点Q付近で高感度信号成分が小さくなるため、S/Nが悪くなり解像度も劣化してしまう。
【0010】
本発明の目的は、高感度画像と低感度画像を滑らかに繋ぎ合成画像の色変化の不自然さを抑制した画像合成方法及びその装置並びにデジタルスチルカメラを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、高感度画像の色信号と低感度画像の色信号とを合成して合成画像の色信号を生成する画像合成方法において、明るさが第1所定値よりも暗い範囲では前記高感度画像の色信号のみを用い、該第1所定値よりも明るい第2所定値より明るい範囲では前記高感度画像の色信号と前記低感度画像の色信号との差信号から求めた色信号のみを用い、前記第1所定値と前記第2所定値との間では前記高感度画像の色信号と前記差信号から求めた色信号とを加重係数を用いて加算した色信号を用いて前記合成画像の色信号を生成することで、達成される。このように、高感度画像の画像情報と低感度画像の画像情報の両方を含む差信号を用いて合成画像を生成するため、両画像のつながりが滑らかになり、合成画像の色特性が良好となる。また、この構成により、領域毎に最適な合成信号を選択でき、合成画像全体の不自然さがなくなる。
【0012】
好適には、前記差信号を所定係数倍した信号を前記高感度画像の色信号から差し引いた信号に基づき前記合成画像の色信号を生成することを特徴とする。これにより、感度の優れた高感度画像信号の情報量が多くなり、合成画像のS/Nや解像度の劣化が少なくなる。
【0018】
上記目的はまた、画素座標を(x,y)としたとき、高感度画像の輝度信号YH(x,y)及び色差信号CrH(x,y),CbL(x,y)と、低感度画像の輝度信号YL(x,y)及び色差信号CrL(x,y),CbL(x,y)とを合成して合成画像の輝度信号YC(x,y)及び色差信号CrC(x,y),CbC(x,y)を生成するに当たり、mYを前記YH(x,y)と前記YL(x,y)に依存する係数、mCを係数mYに依存する係数とし、
YC(x,y)=YH(x,y)−mY(YH(x,y)−YL(x,y))
CrC(x,y)=(1−mY)CrH(x,y)+mCCrL(x,y)×YC(x,y)/YL(x,y)
CbC(x,y)=(1−mY)CbH(x,y)+mCCbL(x,y)×YC(x,y)/YL(x,y)
として求める演算手段を備えることで、達成される。これらの構成により、輝度信号及び色差信号からも色変化が滑らかで色特性が優れ、S/Nや解像度が良好な合成画像を生成することができる。
【0019】
上記目的を達成するデジタルスチルカメラは、被写体の高感度画像と前記被写体の低感度画像を撮像する固体撮像装置と、該固体撮像装置が取り込んだ前記高感度画像と前記低感度画像とを上記の様にして合成する画像合成装置と、該画像合成装置の合成した合成画像を記録メディアに記録する記録手段とを備えることを特徴とする。この構成により、不自然さが少なく広いダイナミックレンジを持つ画像を撮像することが可能となる。
【0020】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【0021】
図1は、本発明の第1の実施形態に係るデジタルスチルカメラに搭載される画像合成回路の構成図である。この画像合成回路は、CCDやCMOS等の固体撮像素子から出力されてくる高感度モードの色信号(RGB信号)のホワイトバランスをとる利得調整回路1aと、固体撮像素子から出力されてくる低感度モードの色信号(RGB信号)のホワイトバランスをとる利得調整回路1bと、利得調整された高感度モードの色信号をガンマ変換するガンマ変換回路2aと、利得調整された低感度モードの色信号をガンマ変換するガンマ変換回路2bと、両ガンマ変換回路2a,2bの出力を取り込んで各画素の色信号を合成する色信号合成回路3と、色信号合成回路3の出力信号を取り込み例えばカラー画像信号を生成し、輝度信号と色差信号に分離するなどの処理を施す色信号処理回路4とを備えて構成される。
【0022】
図2は、本発明の第1の実施形態に係る画像合成方法を説明する図である。本実施形態では、先ず、図2(a)に示すガンマ特性線Hの高感度信号SHとガンマ特性線Lの低感度信号SLとの差信号(図中ハッチングを施した範囲)をとり、この差信号をk倍(<1)した信号を高感度信号線Hから減算した信号(以下、近似合成信号という。)SCKを
SCK(x,y)=SH(x,y)−k(SH(x,y)−SL(x,y))
として算出する。(x,y)は、固体撮像素子の各画素の座標位置である。そして、この近似合成信号SCKを使用して、下式により合成画像の色信号SCを算出する。
【0023】
SC(x,y)=(1−βS)SH(x,y)+βSSCK(x,y)
ここで、βSの値は、
SH(x,y)≦SAの場合: βS=0
SA<SH(x,y)<SBの場合: βS=(SH(x,y)−SA)/(SB−SA)
SH(x,y)≧SBの場合: βS=1
である。
【0024】
図2(b)は、上記式によって合成される色信号出力を説明するグラフである。本実施形態では、高感度信号SHと、近似合成信号SCKとにより画像合成を行うが、区間A,BのA点より暗い領域では、高感度信号SHのみを用いて合成画像の色信号を生成し、B点より明るい領域(高感度信号が飽和に近い領域)では近似合成信号のみを用いて合成画像の色信号を生成する。そして、区間A,Bでは、上記式で決まる特性線Dの様に、高感度信号と近似合成信号とを用いて合成画像の色信号を生成する。
【0025】
この様に、本実施形態に係る画像合成方法によれば、高感度信号SHと近似合成信号SCKの勾配は近い値(kを適度に小さく選ぶため)となるため、係数βSの加重による合成信号は滑らかに繋がる。そのため、色特性のよい合成画像を得ることができる。
【0026】
また、フラッシュを使用した時や、メカニカルシャッタと電子シャッタとを併用した時の様に、高感度と低感度の感度比にバラツキがある場合でも、近似合成信号が滑らかに変化するだけであるため、区間A,Bの接続部分P,Q付近の領域での合成信号の滑らかさが劣化することがなく、良好な色特性が保持される。
【0027】
更にまた、区間A,Bの接続部分、特にハイレベル側Qでも、(1―βSk)の係数は“1”に近い値であるため、高感度信号成分が小さくなることはなく、そのため、S/Nが良く、解像度も劣化せず、良好な合成画像を生成することができる。
【0028】
上述した画像合成方法は、これをパーソナルコンピュータ等で動作するソフトウェアとして構成し、kやβの値等をユーザが任意に調整できるようにすることも可能である。しかし、デジタルスチルカメラの画像処理回路内や固体撮像装置内にハードウェア化して組み込み、同時(固体撮像素子を2個搭載している場合)にあるいは連続(固体撮像素子を1個搭載している場合)して撮像された2つ画像をその場で合成し記録メディア内に格納する様にするのが好ましい。尚、上述した色信号Sは実際にはR,G,B信号であり、R,G,B信号を用いた上記式の詳細を図3に示す。
【0029】
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。上述した第1の実施形態では、固体撮像装置から出力されてくるR,G,B信号をそのまま用いて合成画像の色信号を生成したが、固体撮像装置によっては、R,G,B信号を輝度信号Yと色差信号Cr,Cbに変換して出力するものもある。この第2の実施形態はその場合に対処するものであり、固体撮像装置から出力されてくる輝度信号Y及び色差信号Cr,CbをR,G,B信号に変換し直し、第1の実施形態で述べた合成処理を行い、その後に、輝度信号Yと色差信号Cr,Cbに再変換することとしている。
【0030】
第1の実施形態における各画素(x,y)の信号は、R,G,Bのいずれかであるが、輝度信号Y及び色差信号Cr,Cbを変換して求めたR,G,B信号は、各画素(x,y)の信号としてR,G,Bの3色の成分を持った信号となるため、合成処理を1回行うことで、R,G,Bの合成を並列して行うことになる。この第2の実施形態でも、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0031】
図4は、本発明の第3の実施形態に係る画像合成装置の構成図である。この実施形態に係る画像合成装置の画像信号合成回路10は、固体撮像装置から出力されてくる高感度モードの輝度信号Y及び色差信号Cr,Cbと、低感度モードの輝度信号Y及び色差信号Cr,Cbとが入力され、画像信号合成回路10は、これらの輝度信号Y及び色差信号Cr,CbをR,G,B信号に変換することなく、以下の様に処理することで画像合成を行う。
【0032】
合成された輝度信号YCは、第1の実施形態に係るR,G,B信号と同様の次式(各画素の座標(x,y)の標記は省略する。)
YC=YH−βYk(YH−YL)
ここで、YH:高感度モードの輝度信号
YL:低感度モードの輝度信号
k:ゲイン(<1)
βY:係数
で算出する。
【0033】
また、係数βYの値は、
βY=0 (YH≦YA)
βY=(YH−YA)/(YB−YA) (YA<YH<YB)
βY=1 (YH≧YB)
ここで、YAは、A点における高感度モードの輝度信号値
YBは、B点における高感度モードの輝度信号値
とする。
【0034】
この様に、輝度信号の合成信号YCを求める式が、第1の実施形態のR,G,B信号(S信号)と同様の式となるのは、図5に示す特性線Yの様に、R,G,B信号と同様に輝度の大きさが明るさに従って飽和特性となるためである。しかし、色差信号は飽和特性とはならず、図5に特性線CH(高感度画像の色差信号)で示すように、明るくなるに従って色差はゼロ(白)になってしまう。
【0035】
このため、色差信号の合成式は、次の式
CrC=(1−βY)CrH+βYkCCrL×YC/YL
CbC=(1−βY)CbH+βYkCCbL×YC/YL
とする。
【0036】
このように、色差信号Cr,Cbに対する加重係数βYとして、輝度信号の加重係数βYの値を用いることが、第1の実施形態と異なる。これは、飽和特性を示す輝度信号により、加重係数βYの値を定める式における上記YH,YA,YBの値が定まるためである。
【0037】
また、本実施形態では、低感度画像の色差信号(図5の特性線CL)の値が合成信号中で支配的となる範囲(B点より明るい範囲)で、即ち、上記CrC,CbCの合成式中の第2項で、輝度信号のゲイン倍(YC/YL)を掛け、更に、係数kC(≦1)を掛けている。輝度信号のゲイン倍を掛けることで、合成画像に色が良く付くようにしており、色が付きすぎて不自然にならない様に、係数kCを掛けている。
【0038】
このように、本実施形態によれば、高感度画像の輝度信号及び色差信号と、低感度画像の輝度信号及び色差信号とから、合成画像の輝度信号及び色差信号を生成することができる。
【0039】
上述した各実施形態では、加重係数βS,βYの値を、高感度信号SH,YHの単純な一次関数としたが、より滑らかな接続性,色特性,解像度を得るために、更に領域を細分化して加重係数の値を設定することも可能である。また、高感度信号だけに依存して加重係数の値を決めたが、低感度信号を用いて加重係数の値を決めることも可能である。
【0040】
また、係数kと係数βとを独立した値として上記各実施形態を説明したが、実際の処理では差信号の係数としてkβが一体となっているため、これを1個の係数mとして扱ってもよい。更に、本発明は、静止画の合成に限られるものではなく、動画の合成にも適用可能である。
【0041】
【発明の効果】
本発明によれば、高感度画像と低感度画像を合成したときに接続部付近での色変化が滑らかとなり、合成画像の色特性が向上する。また、高感度画像と低感度画像の感度比にバラツキがある場合でも、接続部付近の領域で合成画像の色変化の滑らかさが悪くなることがなく、色特性の良さが保持される。更に、接続部付近、特にハイレベル側でも、高感度画像の成分が大きく寄与するため、S/Nが良く、高解像度の合成画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る画像合成装置の構成図である。
【図2】本発明の第1の実施形態に係る画像合成方法を説明するグラフである。
【図3】本発明の第1の実施形態に係る画像合成方法で用いる合成式の詳細図である。
【図4】本発明の第3の実施形態に係る画像合成装置の構成図である。
【図5】本発明の第3の実施形態に係る画像合成方法を説明するグラフである。
【図6】従来の画像合成方法の説明図である。
【符号の説明】
1a,1b 利得調整回路
2a,2b ガンマ変換回路
3 色信号合成回路
4 色信号処理回路
10 画像信号合成回路
Claims (7)
- 高感度画像の色信号と低感度画像の色信号とを合成して合成画像の色信号を生成する画像合成方法において、明るさが第1所定値よりも暗い範囲では前記高感度画像の色信号のみを用い、該第1所定値よりも明るい第2所定値より明るい範囲では前記高感度画像の色信号と前記低感度画像の色信号との差信号から求めた色信号のみを用い、前記第1所定値と前記第2所定値との間では前記高感度画像の色信号と前記差信号から求めた色信号とを加重係数を用いて加算した色信号を用いて前記合成画像の色信号を生成することを特徴とする画像合成方法。
- 前記差信号を所定係数倍した信号を前記高感度画像の色信号から差し引いた信号に基づき、前記第1所定値より明るい範囲での前記合成画像の色信号生成を行うことを特徴とする請求項1に記載の画像合成方法。
- 画素座標を (x,y) としたとき、高感度画像の輝度信号Y H (x,y) 及び色差信号C r H (x,y) ,C b L (x,y) と、低感度画像の輝度信号Y L (x,y) 及び色差信号C r L (x,y) ,C b L (x,y) とを合成して合成画像の輝度信号Y C (x,y) 及び色差信号C r C (x,y) ,C b C (x,y) を生成するに当たり、m Y を前記Y H (x,y) と前記Y L (x,y) に依存する係数、m C を係数m Y に依存する係数とし、
Y C (x,y) =Y H (x,y) −m Y ( Y H (x,y) −Y L (x,y))
C r C (x,y) = ( 1−m Y ) C r H (x,y) +m C C r L (x,y) ×Y C (x,y) /Y L (x,y)
C b C (x,y) = ( 1−m Y ) C b H (x,y) +m C C b L (x,y) ×Y C (x,y) /Y L (x,y)
として求めることを特徴とする画像合成方法。 - 高感度画像の色信号と低感度画像の色信号とを合成して合成画像の色信号を生成する画像合成装置において、明るさが第1所定値よりも暗い範囲では前記高感度画像の色信号のみを用い、該第1所定値よりも明るい第2所定値より明るい範囲では前記高感度画像の色信号と前記低感度画像の色信号との差信号から求めた色信号のみを用い、前記第1所定値と前記第2所定値との間では前記高感度画像の色信号と前記差信号から求めた色信号とを加重係数を用いて加算した色信号を用いて前記合成画像の色信号を生成する色信号合成手段を備えることを特徴とする画像合成装置。
- 前記色信号合成手段は、前記差信号を所定係数倍した信号を前記高感度画像の色信号から差し引いた信号に基づき、前記第1所定値より明るい範囲での前記合成画像の色信号生成を行うことを特徴とする請求項4に記載の画像合成装置。
- 画素座標を (x,y) としたとき、高感度画像の輝度信号Y H (x,y) 及び色差信号C r H (x,y) ,C b L (x,y) と、低感度画像の輝度信号Y L (x,y) 及び色差信号C r L (x,y) ,C b L (x,y) とを合成して合成画像の輝度信号Y C (x,y) 及び色差信号C r C (x,y) ,C b C (x,y) を生成するに当たり、m Y を前記Y H (x,y) と前記Y L (x,y) に依存する係数、m C を係数m Y に依存する係数とし、
Y C (x,y) =Y H (x,y) −m Y ( Y H (x,y) −Y L (x,y))
C r C (x,y) = ( 1−m Y ) C r H (x,y) +m C C r L (x,y) ×Y C (x,y) /Y L (x,y)
C b C (x,y) = ( 1−m Y ) C b H (x,y) +m C C b L (x,y) ×Y C (x,y) /Y L (x,y)
として求める演算手段を備えることを特徴とする画像合成装置。 - 被写体の高感度画像と前記被写体の低感度画像を撮像する固体撮像装置と、該固体撮像装置が取り込んだ前記高感度画像と前記低感度画像を合成する前記請求項4乃至請求項6のいずれかに記載の画像合成装置と、該画像合成装置の合成した合成画像を記録メディアに記録する記録手段とを備えることを特徴とするデジタルスチルカメラ。
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