JP4017017B2 - カラー撮像装置 - Google Patents
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Description
この発明は、撮像素子等により取得した画像データから、ノイズ成分を除去することにより高画質の画像を得ることができるカラー撮像装置に関する。
従来のカラー撮像装置は、画質の向上のためにノイズ成分の除去を行っている。除去の方法としては、例えば、画像の空間高周波部やエッジ部に現れるいわゆる偽色部を抜き出し、その偽色部の彩度を減少させる方法が採られてきた。
しかし、この方法によると、偽色部の色が一様に灰色に近づくため、ノイズ成分除去後の画像の色が実際の色から離れてしまう欠点があった。また、偽色部でない部分を偽色とみなしてしまって色を薄くしてしまう誤作動を防止するため、不感帯を設ける必要があり、完全にノイズ成分が除去できないこともあった。
さらに、この方法によると、電気的ノイズ等により現れるノイズ成分を除去することができなかった。
さらに、この方法によると、電気的ノイズ等により現れるノイズ成分を除去することができなかった。
この発明は上記実状に鑑みてなされたもので、ノイズ成分を適切に除去し、高画質の画像を得ることができるカラー撮像装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、この発明の第１の観点にかかるカラー撮像装置は、
画素としての受光素子がマトリクス状に配置された撮像素子と、
前記撮像素子の各受光素子に対応させてそれぞれに４色のうちの何れか１色のカラーフィルタ片が配置されたカラーフィルタと、
前記カラーフィルタを介して前記撮像素子により取得した元画像データを入力する入力手段と、
前記入力手段により入力された元画像データに基づき、色成分毎にデータ補間して各画素位置に対して４色分の画素データを対応付けた補間画像データを生成する補間画像データ生成手段と、
前記補間画像データにおける各画素位置の各色成分の画素データｄ１〜ｄ４又は前記元画像データにおける隣接する４色分の画素の各色成分の画素データｄ１〜ｄ４を補正する補正手段と、を備え、
前記補正手段は、前記画素データｄ１〜ｄ４、前記色成分毎に設定された補正係数ａ〜ｄ、及び重み正定数ｗを基に、数式１の行列式により補正後の画素データｄ１´〜ｄ４´を求め、
前記各補正係数ａ〜ｄは、前記カラーフィルタを介した所定光の撮像により取得された、前記元画像データにおける隣接する４色分の画素の各色成分の画素データが、それぞれ対応する当該補正係数と乗算されることにより得られる４つの乗算値の総和が０となるように設定され、
前記カラーフィルタは、前記４色分のカラーフィルタ片がマトリクス状に配置されており、且つ同色のカラーフィルタ片が各々離間した位置に配置されていることを特徴とするカラー撮像装置。
ａ〜ｄ：補正係数
ｗ：重み正定数
ｄ１〜ｄ４：補正前の各色成分の画素データ
ｄ１´〜ｄ４´：補正後の各色成分の画素データ
画素としての受光素子がマトリクス状に配置された撮像素子と、
前記撮像素子の各受光素子に対応させてそれぞれに４色のうちの何れか１色のカラーフィルタ片が配置されたカラーフィルタと、
前記カラーフィルタを介して前記撮像素子により取得した元画像データを入力する入力手段と、
前記入力手段により入力された元画像データに基づき、色成分毎にデータ補間して各画素位置に対して４色分の画素データを対応付けた補間画像データを生成する補間画像データ生成手段と、
前記補間画像データにおける各画素位置の各色成分の画素データｄ１〜ｄ４又は前記元画像データにおける隣接する４色分の画素の各色成分の画素データｄ１〜ｄ４を補正する補正手段と、を備え、
前記補正手段は、前記画素データｄ１〜ｄ４、前記色成分毎に設定された補正係数ａ〜ｄ、及び重み正定数ｗを基に、数式１の行列式により補正後の画素データｄ１´〜ｄ４´を求め、
前記各補正係数ａ〜ｄは、前記カラーフィルタを介した所定光の撮像により取得された、前記元画像データにおける隣接する４色分の画素の各色成分の画素データが、それぞれ対応する当該補正係数と乗算されることにより得られる４つの乗算値の総和が０となるように設定され、
前記カラーフィルタは、前記４色分のカラーフィルタ片がマトリクス状に配置されており、且つ同色のカラーフィルタ片が各々離間した位置に配置されていることを特徴とするカラー撮像装置。
ｗ：重み正定数
ｄ１〜ｄ４：補正前の各色成分の画素データ
ｄ１´〜ｄ４´：補正後の各色成分の画素データ
前記カラーフィルタは、白、緑、水色及び黄色成分の４色分のカラーフィルタ片がマトリクス状に配置されていてもよい。
以上説明したように、この発明によれば、高画質の画像を得ることができる。
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態にかかるカラーカメラ撮像装置及びカラー画像補正方法を説明する。
まず、この実施の形態で行う画像データの補正について説明する。
画像を構成する各画素の各色の画像データ（又は隣接する複数の画素の各色の画像データ）をｄ１〜ｄｎとすると、補正係数ｋ１〜ｋｎを適当に選択することにより、数式７で得られる値は、ほぼ０となる。この関係は、入射光の分光強度分布によらず、成立する。
まず、この実施の形態で行う画像データの補正について説明する。
画像を構成する各画素の各色の画像データ（又は隣接する複数の画素の各色の画像データ）をｄ１〜ｄｎとすると、補正係数ｋ１〜ｋｎを適当に選択することにより、数式７で得られる値は、ほぼ０となる。この関係は、入射光の分光強度分布によらず、成立する。
［数７］
ｋ１・ｄ１＋ｋ２・ｄ２＋…＋ｋｎ・ｄｎ
ｎ：画像を構成する色成分の数
ｋ１〜ｋｎ：補正係数
ｄ１〜ｄｎ：同一画素位置での各色の画像データ
ｋ１・ｄ１＋ｋ２・ｄ２＋…＋ｋｎ・ｄｎ
ｎ：画像を構成する色成分の数
ｋ１〜ｋｎ：補正係数
ｄ１〜ｄｎ：同一画素位置での各色の画像データ
従って、各画素について、数式７の値がほぼ０とならない画像データの組が得られたときには、その画像データはノイズを含んでいると考えられ、各画像データを、数式７で表される絶対値ができるだけ小さくなるように又は数式７で表される値がほぼ０となるように補正することによりノイズ成分を除去することができる。
そこで、この実施の形態では、種々の分光強度分布の光を用いて実験的に補正係数ｋ１〜ｋｎを予め求めておき、実際に撮像された画像の画像データを数式７ができるだけ小さくなるように補正することにより、画像データに含まれているノイズ成分を除去する。
そこで、この実施の形態では、種々の分光強度分布の光を用いて実験的に補正係数ｋ１〜ｋｎを予め求めておき、実際に撮像された画像の画像データを数式７ができるだけ小さくなるように補正することにより、画像データに含まれているノイズ成分を除去する。
次に、上記の補正を用いた電子カメラ装置の実施の形態を図１〜図７を参照して説明する。
この電子カメラ装置は、図１に示すように、シャッターボタン１と、制御回路２と、撮像レンズ３と、カラーフィルタ４と、撮像素子５と、メモリ６と、画像表示回路７とより構成される。
シャッターボタン１は押ボタン等から構成され、押操作により、一連の撮像動作の開始を指示するトリガ信号を発生する。
撮像レンズ３は、ガラス、プラスチック等の透明な材質から構成されており、撮像レンズ３を通過した光は、撮像素子５の受光面上に結像する。
撮像レンズ３は、ガラス、プラスチック等の透明な材質から構成されており、撮像レンズ３を通過した光は、撮像素子５の受光面上に結像する。
カラーフィルタ４は、撮像素子５の前方（撮像面上）に配置され、セルロース、ゼラチン等からなるカラーフィルタ片から構成される。カラーフィルタ片は白（Ｗｈ）、緑（Ｇ）、水色（Ｃｙ）及び黄色（Ｙｅ）のうちいずれか１色の光を中心とした通過帯域特性を有し、図２に示すようにマトリクス状に配列されている。隣接するカラーフィルタ片の間はブラックマスクにより遮光されている。
撮像素子５は、ＣＣＤ等からなり、図２に示すように開口部を持つ受光素子（光電変換素子）が、マトリクス状に配列された構成を有し、制御回路２からの指示に応答して、各受光素子への入射光量に対応する信号をディジタル画像データとして出力する。
メモリ６は、ＲＡＭ等から構成され、撮像素子５の出力する画像データと、制御回路２で処理された画像データと、後述する行列式の係数とを記憶する。
制御回路２は、ＭＰＵ（マイクロプロセッサユニット）等から構成され、（１）シャッターボタン１の押操作に応答して、撮像素子５による撮像を制御し、（２）撮像により得られた画像データを、光量と比例するように補正するγ補正を行い、（３）γ補正後の画像データを各画素位置でのカラーフィルタ４の各色に対応する画像データに変換する補間処理を行い、（４）補間後の画像データからノイズ成分を除去する補正処理を行い、（５）補正後の画像データを出力（表示、保存、印刷）用に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）各色の輝度データに変換する加工処理を行い、（６）加工処理後の画像データを表示回路７に表示する表示処理を実行する。
次に、この実施の形態の電子カメラ装置が行う画像データの補正について説明する。
この実施の形態の電子カメラ装置の撮像素子５は、図２に示すように、カラーフィルタ４が白（Ｗｈ）、緑（Ｇ）、水色（Ｃｙ）及び黄色（Ｙｅ）の構成となっているため、数式７は、数式８で表される。
この実施の形態の電子カメラ装置の撮像素子５は、図２に示すように、カラーフィルタ４が白（Ｗｈ）、緑（Ｇ）、水色（Ｃｙ）及び黄色（Ｙｅ）の構成となっているため、数式７は、数式８で表される。
［数８］
ａ・Ｗｈ＋ｂ・Ｇ＋ｃ・Ｃｙ＋ｄ・Ｙｅ
Ｗｈ〜Ｙｅ：白、緑、水色、黄色の各フィルタ片を通過後の光を受けて撮像素子５の受光部が出力する画像データ
ａ，ｂ，ｃ，ｄ：補正係数
ａ・Ｗｈ＋ｂ・Ｇ＋ｃ・Ｃｙ＋ｄ・Ｙｅ
Ｗｈ〜Ｙｅ：白、緑、水色、黄色の各フィルタ片を通過後の光を受けて撮像素子５の受光部が出力する画像データ
ａ，ｂ，ｃ，ｄ：補正係数
カラーフィルタ４を通過した光は、各フィルタ片（白（Ｗｈ）、緑（Ｇ）、水色（Ｃｙ）、黄色（Ｙｅ））の色を中心とした帯域の光となる。この各フィルタ片の色を中心とした帯域の光が撮像素子５に入射することにより、撮像素子５が出力する画像データをＷｈ〜Ｙｅと表すと、補正係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを適当に選択することにより数式８で得られる値は、ほぼ０となる。
この補正係数ａ，ｂ，ｃ，ｄは、カラーフィルタ４と、撮像素子５との組合せにより変化するため実験的に選択する。実験的に補正係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを選択するため、例えば図５に示すような周波数帯域の異なる複数色の光を、撮像素子５に照射し、任意の隣接する画像データＷｈ〜Ｙｅを測定する。測定した画像データＷｈ〜Ｙｅから、補正係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを例えば、ａ＝１，ｂ＝０．９３５，ｃ＝−１．０４４，ｄ＝−０．９１５と選択したときに、図５に示すように数式８の値がほぼ０となる。
数式８は、同じ画素位置での、４色分の画像データＷｈ〜Ｙｅの関係にも使用することができる。しかし、図２に示すように、４色のカラーフィルタ片がマトリクス状に配置されたカラーフィルタ４を使用しているので、撮像素子５の各画素位置では、図３に示すように、１色分の画像データＷｈ〜Ｙｅしか得られない。そのため、各画素位置で得られない、画像データＷｈ〜Ｙｅを補間処理を用いて求める。求めた画像データをＷｈ’i,j〜Ｙｅ’i,jとし図４に示す。
このようにして求めた画像データＷｈ’i,j〜Ｙｅ’i,jを、数式８で表される値ができるだけ小さくなるように、換言すると、ほぼ０となるように、補正することにより、ノイズ成分等を除去することができる。
なお、補正は数式８の値の絶対値が必ずしも最小値或いは０になる必要はなく、予め定めた基準等に従って、絶対値がほぼ最小値又は値がほぼ０になったことを判別した時点で補正を終了してもよい。
また、画像データの補正に数式８を使用しても良いが、数式８をそのまま使用することにより、補正が過大となり各画素位置での各色のバランスが乱れる場合も考えられるため、画像データの補正が最小限の値とすることができる数式９を使用する。
数式９においても、評価数Ｐi,jの絶対値なるべく小さくなるように又はほぼ０となるように、補正前の画像データＷｈ’i,j〜Ｙｅ’i,jから補正後の画像データＷｈ”i,j〜Ｙｅ”i,jを求める。評価数Ｐi,jを０に近づけることで、補正前の画像データＷｈ’i,j〜Ｙｅ’i,jと補正後の画像データＷｈ”i,j〜Ｙｅ”i,jとの偏差を小さくすることができる。
数式９においても、評価数Ｐi,jの絶対値なるべく小さくなるように又はほぼ０となるように、補正前の画像データＷｈ’i,j〜Ｙｅ’i,jから補正後の画像データＷｈ”i,j〜Ｙｅ”i,jを求める。評価数Ｐi,jを０に近づけることで、補正前の画像データＷｈ’i,j〜Ｙｅ’i,jと補正後の画像データＷｈ”i,j〜Ｙｅ”i,jとの偏差を小さくすることができる。
［数９］
Ｐi,j＝（Ｗｈ”i,j−Ｗｈ’i,j）2＋（Ｇ”i,j−Ｇ’i,j）2＋（Ｃｙ”i,j−Ｃｙ’i,j）2＋（Ｙｅ”i,j−Ｙｅ’i,j）2＋ｗ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）2
Ｗｈ’i,j〜Ｙｅ’i,j：補正前の白、緑、水色、黄色の画像データ
Ｗｈ”i,j〜Ｙｅ”i,j：補正後の白、緑、水色、黄色の画像データ
Ｐi,j：評価数
ｗ：重み正定数
ａ，ｂ，ｃ，ｄ：補正係数
Ｐi,j＝（Ｗｈ”i,j−Ｗｈ’i,j）2＋（Ｇ”i,j−Ｇ’i,j）2＋（Ｃｙ”i,j−Ｃｙ’i,j）2＋（Ｙｅ”i,j−Ｙｅ’i,j）2＋ｗ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）2
Ｗｈ’i,j〜Ｙｅ’i,j：補正前の白、緑、水色、黄色の画像データ
Ｗｈ”i,j〜Ｙｅ”i,j：補正後の白、緑、水色、黄色の画像データ
Ｐi,j：評価数
ｗ：重み正定数
ａ，ｂ，ｃ，ｄ：補正係数
数式９の評価数Ｐi,jの絶対値をなるべく小さくするためにＷｈ’i,j〜Ｙｅ’i,jとＷｈ”i,j〜Ｙｅ”i,jとの関係に着目すると、補正後の画像データＷｈ”i,j〜Ｙｅ”i,jは、補正前の画像データＷｈ’i,j〜Ｙｅ’i,jを基数とした行列式で表すことができる。この行列式を用いれば、補正前の画像データＷｈ’i,j〜Ｙｅ’i,jから、補正後の画像データＷｈ”i,j〜Ｙｅ”i,jを直接求めることができる。以下にその手順の例を示す。
まず、数式１０に示すように、数式９をＷｈ”i,j〜Ｙｅ”i,jでそれぞれ偏微分する。
まず、数式１０に示すように、数式９をＷｈ”i,j〜Ｙｅ”i,jでそれぞれ偏微分する。
［数１０］
∂Ｐi,j／∂Ｗｈ”i,j＝２・（Ｗｈ”i,j−Ｗｈ’i,j）＋２・ｗ・ａ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）
∂Ｐi,j／∂Ｇ”i,j＝２・（Ｇ”i,j−Ｇ’i,j）＋２・ｗ・ｂ・（ａＷｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）
∂Ｐi,j／∂Ｃｙ”i,j＝２・（Ｃｙ”i,j−Ｃｙ’i,j）＋２・ｗ・ｃ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）
∂Ｐi,j／∂Ｙｅ”i,j＝２・（Ｙｅ”i,j−Ｙｅ’i,j）＋２・ｗ・ｄ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）
∂Ｐi,j／∂Ｗｈ”i,j＝２・（Ｗｈ”i,j−Ｗｈ’i,j）＋２・ｗ・ａ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）
∂Ｐi,j／∂Ｇ”i,j＝２・（Ｇ”i,j−Ｇ’i,j）＋２・ｗ・ｂ・（ａＷｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）
∂Ｐi,j／∂Ｃｙ”i,j＝２・（Ｃｙ”i,j−Ｃｙ’i,j）＋２・ｗ・ｃ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）
∂Ｐi,j／∂Ｙｅ”i,j＝２・（Ｙｅ”i,j−Ｙｅ’i,j）＋２・ｗ・ｄ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）
次に、数式１０を、数式１１に示すように、Ｗｈ”i,j〜Ｙｅ”i,jを変数とした４元連立方程式とする。
［数１１］
２・（Ｗｈ”i,j−Ｗｈ’i,j）＋２・ｗ・ａ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）＝０
２・（Ｇ”i,j−Ｇ’i,j）＋２・ｗ・ｂ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）＝０
２・（Ｃｙ”i,j−Ｃｙ’i,j）＋２・ｗ・ｃ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）＝０
２・（Ｙｅ”i,j−Ｙｅ’i,j）＋２・ｗ・ｄ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）＝０
２・（Ｗｈ”i,j−Ｗｈ’i,j）＋２・ｗ・ａ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）＝０
２・（Ｇ”i,j−Ｇ’i,j）＋２・ｗ・ｂ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）＝０
２・（Ｃｙ”i,j−Ｃｙ’i,j）＋２・ｗ・ｃ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）＝０
２・（Ｙｅ”i,j−Ｙｅ’i,j）＋２・ｗ・ｄ・（ａ・Ｗｈ”i,j＋ｂ・Ｇ”i,j＋ｃ・Ｃｙ”i,j＋ｄ・Ｙｅ”i,j）＝０
次に、数式１１を整理し、数式１２に示すような行列式とする。
数式１２は、補正係数ａ，ｂ，ｃ，ｄを、例えば前述の図５から求めたａ＝１，ｂ＝０．９３５，ｃ＝−１．０４４，ｄ＝−０．９１５とし、重み正定数を例えば、ｗ＝５．０と選択すると、数式１３で表すことができる。
Ｗｈ”i,j〜Ｙｅ”i,j：補正後画像データ
すなわち、画像データＷｈ’i,j〜Ｙｅ’i,jを基に、数式１３により補正後の画像データＷｈ”i,j〜Ｙｅ”i,jを直接求めることができる。
なお、数式１３の行列式の係数は、メモリ６に予め格納しておく。
なお、数式１３の行列式の係数は、メモリ６に予め格納しておく。
次に、電子カメラ装置の撮像動作を、図６のフローチャートを参照して説明する。
シャッターボタン１が押されると、シャッターボタン１は制御回路２に撮像開始を指示するトリガ信号を与える。
トリガ信号に応答して、制御回路２は、撮像素子５を制御して露光させ、画像データを出力させる。
撮像素子５の出力する画像データはスミア成分や暗電流値を含むため、数式１４で示すようにこれらを除去する。
シャッターボタン１が押されると、シャッターボタン１は制御回路２に撮像開始を指示するトリガ信号を与える。
トリガ信号に応答して、制御回路２は、撮像素子５を制御して露光させ、画像データを出力させる。
撮像素子５の出力する画像データはスミア成分や暗電流値を含むため、数式１４で示すようにこれらを除去する。
［数１４］
Ｄ’Wh＝ＤWh−ＤD−ＤS
Ｄ’G＝ＤG−ＤD−ＤS
Ｄ’Cy＝ＤCy−ＤD−ＤS
Ｄ’Ye＝ＤYe−ＤD−ＤS
ＤWh〜ＤYe：除去前の白、緑、水色、黄色の画像データ
Ｄ’Wh〜Ｄ’Ye：除去後の白、緑、水色、黄色の画像データ
ＤD：暗電流による成分
ＤS：スミア成分
Ｄ’Wh＝ＤWh−ＤD−ＤS
Ｄ’G＝ＤG−ＤD−ＤS
Ｄ’Cy＝ＤCy−ＤD−ＤS
Ｄ’Ye＝ＤYe−ＤD−ＤS
ＤWh〜ＤYe：除去前の白、緑、水色、黄色の画像データ
Ｄ’Wh〜Ｄ’Ye：除去後の白、緑、水色、黄色の画像データ
ＤD：暗電流による成分
ＤS：スミア成分
撮像素子５の受光素子は、図７（ａ）で示すようなγ特性を有するため、出力する画像データの値は、受光素子の画素に入射した光量に比例しない。そのため、数式１５で示すように、撮像素子５の示すγ特性を関数として予め求め、その逆関数γ-1（ｘ）に画像データを代入して、γ特性をキャンセルするγ補正を行う（ステップＳ１）。
［数１５］
Ｄ’Wh＝γWh -1（ＤWh）
Ｄ’G＝γG -1（ＤG）
Ｄ’Cy＝γCy -1（ＤCy）
Ｄ’Ye＝γYe -1（ＤYe）
ＤWh〜ＤYe：γ補正前の白、緑、水色、黄色の画像データ
Ｄ’Wh〜Ｄ’Ye：γ補正後の白、緑、水色、黄色の画像データ
γ-1：受光素子の示すγ特性関数の逆関数
［数１５］
Ｄ’Wh＝γWh -1（ＤWh）
Ｄ’G＝γG -1（ＤG）
Ｄ’Cy＝γCy -1（ＤCy）
Ｄ’Ye＝γYe -1（ＤYe）
ＤWh〜ＤYe：γ補正前の白、緑、水色、黄色の画像データ
Ｄ’Wh〜Ｄ’Ye：γ補正後の白、緑、水色、黄色の画像データ
γ-1：受光素子の示すγ特性関数の逆関数
スミア成分や暗電流値の除去とγ補正により、図７（ｂ）に示すように、受光素子の出力する画像データの値は、受光素子の画素に入射した光量に比例する。
撮像素子５の各画素位置では、図２及び図３に示すように、１色分の画像データＷｈ〜Ｙｅしか存在しない。そのため、制御回路２は、γ補正後の画像データから、図４に示すように、各画素位置での４色分の画像データとなるＷｈ’〜Ｙｅ’を、数式１６と数式１７を用いた補間処理により求める（ステップＳ２）。
なお補間処理は、（空間的）ローパスフィルタも兼ねており、各画素位置での４色分の画像データＷｈ’〜Ｙｅ’の画質を高めることができる。
なお補間処理は、（空間的）ローパスフィルタも兼ねており、各画素位置での４色分の画像データＷｈ’〜Ｙｅ’の画質を高めることができる。
［数１６］
Ｗｈ’i,j＝（Ｗｈi-2,j-2＋Ｗｈi-2,j＋Ｗｈi-2,j+2＋Ｗｈi,j-2＋Ｗｈi,j＋Ｗｈi,j+2＋Ｗｈi+2,j-2＋Ｗｈi+2,j＋Ｗｈi+2,j+2）／９
（Ｗｈi,jが存在する場合）
Ｇ’i,j＝（Ｇi-2,j-2＋Ｇi-2,j＋Ｇi-2,j+2＋Ｇi,j-2＋Ｇi,j＋Ｇi,j+2＋Ｇi+2,j-2＋Ｇi+2,j＋Ｇi+2,j+2）／９
（Ｇi,jが存在する場合）
Ｃｙ’i,j＝（Ｃｙi-2,j-2＋Ｃｙi-2,j＋Ｃｙi-2,j+2＋Ｃｙi,j-2＋Ｃｙi,j＋Ｃｙi,j+2＋Ｃｙi+2,j-2＋Ｃｙi+2,j＋Ｃｙi+2,j+2）／９
（Ｃｙi,jが存在する場合）
Ｙｅ’i,j＝（Ｙｅi-2,j-2＋Ｙｅi-2,j＋Ｙｅi-2,j+2＋Ｙｅi,j-2＋Ｙｅi,j＋Ｙｅi,j+2＋Ｙｅi+2,j-2＋Ｙｅi+2,j＋Ｙｅi+2,j+2）／９
（Ｙｅi,jが存在する場合）
Ｗｈi,j〜Ｙｅi,j：白、緑、水色、黄色の補間前画像データ
Ｗｈ’i,j〜Ｙｅ’i,j：白、緑、水色、黄色の補間後画像データ
Ｗｈ’i,j＝（Ｗｈi-2,j-2＋Ｗｈi-2,j＋Ｗｈi-2,j+2＋Ｗｈi,j-2＋Ｗｈi,j＋Ｗｈi,j+2＋Ｗｈi+2,j-2＋Ｗｈi+2,j＋Ｗｈi+2,j+2）／９
（Ｗｈi,jが存在する場合）
Ｇ’i,j＝（Ｇi-2,j-2＋Ｇi-2,j＋Ｇi-2,j+2＋Ｇi,j-2＋Ｇi,j＋Ｇi,j+2＋Ｇi+2,j-2＋Ｇi+2,j＋Ｇi+2,j+2）／９
（Ｇi,jが存在する場合）
Ｃｙ’i,j＝（Ｃｙi-2,j-2＋Ｃｙi-2,j＋Ｃｙi-2,j+2＋Ｃｙi,j-2＋Ｃｙi,j＋Ｃｙi,j+2＋Ｃｙi+2,j-2＋Ｃｙi+2,j＋Ｃｙi+2,j+2）／９
（Ｃｙi,jが存在する場合）
Ｙｅ’i,j＝（Ｙｅi-2,j-2＋Ｙｅi-2,j＋Ｙｅi-2,j+2＋Ｙｅi,j-2＋Ｙｅi,j＋Ｙｅi,j+2＋Ｙｅi+2,j-2＋Ｙｅi+2,j＋Ｙｅi+2,j+2）／９
（Ｙｅi,jが存在する場合）
Ｗｈi,j〜Ｙｅi,j：白、緑、水色、黄色の補間前画像データ
Ｗｈ’i,j〜Ｙｅ’i,j：白、緑、水色、黄色の補間後画像データ
［数１７］
Ｗｈ’i,j＝（Ｗｈi-1,j-1＋Ｗｈi-1,j+1＋Ｗｈi+1,j+1＋Ｗｈi+1,j+1）／４
（Ｗｈi,jが存在しない場合）
Ｇ’i,j＝（Ｇi-1,j-1＋Ｇi-1,j+1＋Ｇi+1,j+1＋Ｇi+1,j+1）／４
（Ｇi,jが存在しない場合）
Ｃｙ’i,j＝（Ｃｙi-1,j-1＋Ｃｙi-1,j+1＋Ｃｙi+1,j+1＋Ｃｙi+1,j+1）／４
（Ｃｙi,jが存在しない場合）
Ｙｅ’i,j＝（Ｙｅi-1,j-1＋Ｙｅi-1,j+1＋Ｙｅi+1,j+1＋Ｙｅi+1,j+1）／４
（Ｙｅi,jが存在しない場合）
Ｗｈi,j〜Ｙｅi,j：白、緑、水色、黄色の補間前画像データ
Ｗｈ’i,j〜Ｙｅ’i,j：白、緑、水色、黄色の補間後画像データ
Ｗｈ’i,j＝（Ｗｈi-1,j-1＋Ｗｈi-1,j+1＋Ｗｈi+1,j+1＋Ｗｈi+1,j+1）／４
（Ｗｈi,jが存在しない場合）
Ｇ’i,j＝（Ｇi-1,j-1＋Ｇi-1,j+1＋Ｇi+1,j+1＋Ｇi+1,j+1）／４
（Ｇi,jが存在しない場合）
Ｃｙ’i,j＝（Ｃｙi-1,j-1＋Ｃｙi-1,j+1＋Ｃｙi+1,j+1＋Ｃｙi+1,j+1）／４
（Ｃｙi,jが存在しない場合）
Ｙｅ’i,j＝（Ｙｅi-1,j-1＋Ｙｅi-1,j+1＋Ｙｅi+1,j+1＋Ｙｅi+1,j+1）／４
（Ｙｅi,jが存在しない場合）
Ｗｈi,j〜Ｙｅi,j：白、緑、水色、黄色の補間前画像データ
Ｗｈ’i,j〜Ｙｅ’i,j：白、緑、水色、黄色の補間後画像データ
例えば、制御回路２が、図４に示す画像データＷｈ’2,2を求める場合には、図３に示すように画像データＷｈ2,2が存在するので、数式１６をあてはめ、Ｗｈ2,2と隣接する８つの画像データＷｈ4,0，Ｗｈ2,0，Ｗｈ0,0，Ｗｈ4,2，Ｗｈ0,2，Ｗｈ4,4，Ｗｈ2,4，Ｗｈ0,4から、平均的な画像データＷｈ’2,2を求める。また、図４に示す画像データＷｈ’1,1を求める場合には、図３に示すように画像データＷｈ1,1が存在しないため、数式１７をあてはめ、Ｙｅ1,1と隣接する４つの画像データＷｈ2,0，Ｗｈ0,0，Ｗｈ2,2，Ｗｈ0,2から、平均的な画像データＷｈ’1,1を求める。同様にして全ての画素位置の補正後の補間データを求める。
求められた画像データの数は、元の画像データの数の４倍となる。制御回路２は、求めた画像データをメモリ６に格納する。
求められた画像データの数は、元の画像データの数の４倍となる。制御回路２は、求めた画像データをメモリ６に格納する。
補間処理後、制御回路２は、個数が４倍となった画像データと、予めメモリ６に格納されている行列式の係数を用いて、数式１３による補正処理を行い、補正後の画像データ求める（ステップＳ３）。
例えば、制御回路２が、メモリ６に格納されている補間処理後の画像データＷｈ’0,0〜Ｙｅ’0,0を基に、メモリ６に格納されている予め実験的に求めた行列式の係数を使用して、補正処理を行い、補正後の画像データＷｈ”0,0〜Ｙｅ”0,0を求める。同様にして、制御回路２は、全ての画素位置の補正後の画像データを求める。
補正処理により、画像データが数式１３に基づき補正され、数式８の関係をも実質的に満たす。従って、画像データからノイズ成分が除去された高画質の画像を取得することができる。制御回路２は、ノイズ成分が除去された画像データをメモリ６に格納する。
補正処理により、画像データが数式１３に基づき補正され、数式８の関係をも実質的に満たす。従って、画像データからノイズ成分が除去された高画質の画像を取得することができる。制御回路２は、ノイズ成分が除去された画像データをメモリ６に格納する。
補正処理後、制御回路２は、ノイズ成分を除去した画像データを、出力（表示、印刷）用として使用できるように、例えば数式１８を用いてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）各色の輝度データに変換する加工処理を行う（ステップＳ４）。
ａ１１〜ａ３４：変換係数
Ｗｈ〜Ｙｅ：白、緑、水色、黄色の画像データ
加工処理により、得られたＲＧＢ輝度データを基に制御回路２は、画像表示回路７に画像データを表示する（ステップＳ５）。
以上説明したように、この実施の形態によれば、画像データを数式８をできるだけ小さくするように補正しているので、ノイズ成分が除去された高画質の画像を得ることができる。
以上の実施の形態の電子カメラ装置では、数式１６、数式１７を用いた補間処理を行っているが、その際数式１６、数式１７で用いる周辺の画素を増加させてもよいし、また別途係数を加えてもよい。
上記実施の形態では、各画素位置での複数色分の画像データＷｈ’〜Ｙｅ’を取得したが、他の手法を用いて各画素位置での各色成分の画像データを取得してもよい。
例えば、図８に示すような光路スイッチをカラーフィルタ４の前方（撮像面上）に配置し、各画素位置での４色分の画像データＷｈ〜Ｙｅ全てを取得してもよい。
この光路スイッチは、偏光板８と第１の液晶板９と第１の屈折板１０と第２の液晶板１１と第２の屈折板１２とから構成される。
この光路スイッチは、偏光板８と第１の液晶板９と第１の屈折板１０と第２の液晶板１１と第２の屈折板１２とから構成される。
偏光板８は、入射光を直線偏光に変化させるものである。
第１の液晶板９と第２の液晶板１１は、対向面にストライプ状の電極が形成され、且つ９０°シフトした方向に配向処理が施された一対の透明基板と、配向処理に従って９０°のツイスト角を有して透明基板の間に封入されたＴＮ（Twisted Nematic）液晶とから構成されている。第１の液晶板９の光入射側の透明基板の配向処理の方向は、偏光板８の透過軸に平行に設定され、第２の液晶板１１の光入射側の透明基板の配向処理の方向は偏光板８の透過軸に垂直に設定される。
第１の屈折板１０と第２の屈折板１２は、例えば、水晶板、カルサイト等の複屈折性結晶から構成され、常光（結晶光軸を含む平面に垂直な振動方向の光）と異常光とにより異なった屈折率を有する。第１の屈折板１０と第２の屈折板１２は、屈折率と厚さを調整し、入射光が常光の場合には直進し、異常光の場合には、撮像素子５の１画素ピッチ分シフトするように設定される。第１の屈折板１０の光軸は、その水平方向成分が偏光板８の透過軸に垂直となる方向に設定され、第２の屈折板１２の光軸は、その水平方向成分が偏光板８の透過軸に平行となる方向に設定される。
第１の液晶板９と第２の液晶板１１は、対向面にストライプ状の電極が形成され、且つ９０°シフトした方向に配向処理が施された一対の透明基板と、配向処理に従って９０°のツイスト角を有して透明基板の間に封入されたＴＮ（Twisted Nematic）液晶とから構成されている。第１の液晶板９の光入射側の透明基板の配向処理の方向は、偏光板８の透過軸に平行に設定され、第２の液晶板１１の光入射側の透明基板の配向処理の方向は偏光板８の透過軸に垂直に設定される。
第１の屈折板１０と第２の屈折板１２は、例えば、水晶板、カルサイト等の複屈折性結晶から構成され、常光（結晶光軸を含む平面に垂直な振動方向の光）と異常光とにより異なった屈折率を有する。第１の屈折板１０と第２の屈折板１２は、屈折率と厚さを調整し、入射光が常光の場合には直進し、異常光の場合には、撮像素子５の１画素ピッチ分シフトするように設定される。第１の屈折板１０の光軸は、その水平方向成分が偏光板８の透過軸に垂直となる方向に設定され、第２の屈折板１２の光軸は、その水平方向成分が偏光板８の透過軸に平行となる方向に設定される。
以下、上記光路スイッチを用いた各画素位置での４色分の画像データＷｈ〜Ｙｅの取得を、図９及び図１０を参照して説明する。
制御回路２は、第１の液晶板９と第２の液晶板１１に印加する電圧を制御して入射光を、（１）そのまま直進させ、（２）撮像素子５の１画素ピッチ分、図２の行方向にシフトさせ、（３）撮像素子５の１画素ピッチ分、図２の列方向にシフトさせ、（４）撮像素子５の１画素ピッチ分、図２の行方向と列方向にシフトさせる。
制御回路２は、第１の液晶板９と第２の液晶板１１に印加する電圧を制御して入射光を、（１）そのまま直進させ、（２）撮像素子５の１画素ピッチ分、図２の行方向にシフトさせ、（３）撮像素子５の１画素ピッチ分、図２の列方向にシフトさせ、（４）撮像素子５の１画素ピッチ分、図２の行方向と列方向にシフトさせる。
例えば、図１０に示すように、本来カラーフィルタ４の位置Ｗｈ0,0のみに入射される光を、まず、第１のタイミングで、第１の液晶板９と第２の液晶板１１に電圧が印加されていない状態とし（図９（ａ−１））、カラーフィルタ４の位置Ｗｈ0,0で受けて画像データを得る。
次に、第２のタイミングで、第１の液晶板９に電圧が印加されていない状態とし、第２の液晶板１１に電圧が印加されている状態とし（図９（ａ−２））、カラーフィルタ４の位置Ｇ0,1（行方向）に光路をシフトさせて画像データを得る。
次に、第３のタイミングで、第１の液晶板９と第２の液晶板１１を電圧が印加されている状態とし（図９（ｂ−１））、カラーフィルタ４の位置Ｃｙ1,0（列方向）に光路をシフトさせて画像データを得る。
最後に、第４のタイミングで、第１の液晶板９を電圧が印加されている状態とし、第２の液晶板１１を電圧が印加されていない状態とし（図９（ｂ−２））、カラーフィルタ４の位置Ｙｅ1,1（行方向と列方向）に光路をシフトさせて画像データを得る。このようにして得た画像データは、それぞれＷｈ0,0，Ｇ0,0，Ｃｙ0,0，Ｙｅ0,0の画像データとすることができる。
他の画素位置でも同様とすることで、各画素位置での４色分の画像データＷｈ〜Ｙｅ全てを取得することができる。
他の画素位置でも同様とすることで、各画素位置での４色分の画像データＷｈ〜Ｙｅ全てを取得することができる。
また光路スイッチは、第１の液晶板９と第２の液晶板１１に印加する電圧を制御して入射光をシフトさせていたが、カラーフィルタ４と撮像素子５を相対移動させ入射光をシフトさせてもよい。
また、以上の実施の形態では、電子カメラ装置について説明したが、撮像装置は、ビデオカメラ装置、ファクシミリ装置、スキャナー装置、コピー装置でもよい。
さらに、数式９を使用するのではなく、数式８から補正後の画像データを直接計算してもよい。
また、カラーフィルタの色（画像を構成する色成分）はＷｈ（白）、Ｇ（緑）、Ｃｙ（水色）、Ｙｅ（黄色）に限定されず、任意に変更可能である。例えば、カラーフィルタとして、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マジェンダ）、Ｃ（シアン），やＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の組み合わせを使用してもよい。
さらに、回転式のカラーフィルタ等を用いて、Ｙ（イエロー）のカラーフィルタを撮像素子５の前面に配置して、Ｙ（イエロー）の画像データを得て、Ｍ（マジェンダ）のカラーフィルタを配置してＭ（マジェンダ）の画像データを得て、さらに、Ｃ（シアン）のカラーフィルタを配置して、Ｃ（シアン）の画像データを取得するなど、画像データを取得するための手法も任意である。
また、画像データを取得するための撮像装置と得られた画像データを補正するための制御回路（補正回路）が一体に構成されている必要はなく、他の場所で撮像されて媒体に格納された画像データを、撮像装置とは別体の補正回路で補正してノイズを除去してもよい。
また、同一画素位置の各色の画像データを数式８又は数式９を用いて補正する例を中心に説明したが、隣接する異なった色の画素の画像データが数式８又は数式９をできるだけ小さくするように補正してもよい。例えば、図３に示すような画像データのＷｈ2i,2j、Ｇ2i,2j+1、Ｃｙ2i+1,2j、Ｙｅ2i+1,2j+1（ｉ、ｊは０又は自然数）の組み合わせ毎に補正処理を行っても良い。
さらに、隣接する画素の画像データ同士で補正を行った後、隣接する複数の組の間で調整を行っても良い。
さらに、隣接する画素の画像データ同士で補正を行った後、隣接する複数の組の間で調整を行っても良い。
さらに、数式７の補正係数ｋ１〜ｋｎや、数式８の補正係数ａ〜ｄを選択する方法は任意である。
例えば、前述のように、分光強度分布の異なる複数色の光を撮像素子５に実際に照射して、得られた画像データ（暗電流やスミア成分を除去し、γ補正を行った後の画像データでもよい）から選択してもよい。
例えば、前述のように、分光強度分布の異なる複数色の光を撮像素子５に実際に照射して、得られた画像データ（暗電流やスミア成分を除去し、γ補正を行った後の画像データでもよい）から選択してもよい。
また、実際に撮像により画像を取得した際に、必要に応じて、得られた画像データの多くが数式８又数式９を満たす、係数を選択してもよい。また、係数を論理的に選択してもよい。
以上の実施の形態では、同じ位置の４色のカラーフィルターに対する画像データを元の画像データと同じ数算出したが、これより少なく、例えば、縦横、共に半分づつで１／４（つまり１色のカラーフィルターに対する元の画素データの数と同じ）だけデジタルローパスフィルタなどの計算手法を用い算出してもよい。
本発明は、主に色（差）データに影響することとなる。色（差）データ対する人間の目の解像度は、輝度データ（白黒データ）に対する解像度よりも落ちるため、実質的な影響をあまり与えない。
本発明は、主に色（差）データに影響することとなる。色（差）データ対する人間の目の解像度は、輝度データ（白黒データ）に対する解像度よりも落ちるため、実質的な影響をあまり与えない。
１・・・シャッターボタン、２・・・制御回路、３・・・撮像レンズ、４・・・カラーフィルタ、５・・・撮像素子、６・・・メモリ、７・・・画像表示回路、８・・・偏光板、９・・・第１の液晶板、１０・・・第１の屈折板、１１・・・第２の液晶板、１２・・・第２の屈折板
Claims (2)
- 画素としての受光素子がマトリクス状に配置された撮像素子と、
前記撮像素子の各受光素子に対応させてそれぞれに４色のうちの何れか１色のカラーフィルタ片が配置されたカラーフィルタと、
前記カラーフィルタを介して前記撮像素子により取得した元画像データを入力する入力手段と、
前記入力手段により入力された元画像データに基づき、色成分毎にデータ補間して各画素位置に対して４色分の画素データを対応付けた補間画像データを生成する補間画像データ生成手段と、
前記補間画像データにおける各画素位置の各色成分の画素データｄ１〜ｄ４又は前記元画像データにおける隣接する４色分の画素の各色成分の画素データｄ１〜ｄ４を補正する補正手段と、を備え、
前記補正手段は、前記画素データｄ１〜ｄ４、前記色成分毎に設定された補正係数ａ〜ｄ、及び重み正定数ｗを基に、数式１の行列式により補正後の画素データｄ１´〜ｄ４´を求め、
前記各補正係数ａ〜ｄは、前記カラーフィルタを介した所定光の撮像により取得された、前記元画像データにおける隣接する４色分の画素の各色成分の画素データが、それぞれ対応する当該補正係数と乗算されることにより得られる４つの乗算値の総和が０となるように設定され、
前記カラーフィルタは、前記４色分のカラーフィルタ片がマトリクス状に配置されており、且つ同色のカラーフィルタ片が各々離間した位置に配置されていることを特徴とするカラー撮像装置。
ｗ：重み正定数
ｄ１〜ｄ４：補正前の各色成分の画素データ
ｄ１´〜ｄ４´：補正後の各色成分の画素データ - 前記カラーフィルタは、白、緑、水色及び黄色成分の４色分のカラーフィルタ片がマトリクス状に配置されていることを特徴とする請求項１記載のカラー撮像装置。
Priority Applications (1)
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| CN1314827C (zh) * | 2004-12-08 | 2007-05-09 | 中国科学院金属研究所 | 一种钛合金渗氧－扩散固溶复合表面强化处理方法 |
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