JP4176681B2 - 画像エッジ補正装置及び画像エッジ補正方法 - Google Patents

画像エッジ補正装置及び画像エッジ補正方法 Download PDF

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本発明は、テレビやカメラ等のディジタル画像に対して、画像のエッジ特性を改善する画像エッジ補正装置および画像エッジ補正方法に関するものである。
テレビ信号に周波数帯域が制限されたり、画像の拡大縮小処理(電子ズーム)が行われたりすることでエッジがぼかされ、画像の先鋭性が失われる場合がある。画像の先鋭性を取り戻すために、2つの補正処理が存在する。
1つは大きな低周波数エッジの特性を改善する処理である。このようなエッジは十分広いエッジ領域であるTransient Areaを持ち、十分大きなコントラストのあるエッジである。この処理はTI(Transient Improvement)処理と呼ぶ。もう1つの処理は画像の細部を表すエッジを含め全てのエッジ情報を強調する処理である。この処理はEE(Edge Enhancement)処理と呼ぶ。TI処理はOver/Undershootを付けず、EE処理はOver/Undershootを付ける。
TI処理手法では、遅延手法を用いて注目画素の近隣で画素の最大値と最小値を検出して、注目画素に対して2次微分の値が正の時に最大値を出力し、2次微分の値が負の時に最小値を出力する。しかし、この処理は画像の細部を表すエッジに影響があるので、処理結果は不自然な画像になってしまう。
この問題点に対して後述する特許文献1は、次の解決策を示している。それは前述の出力を直接に使わずに原画像の値と重み付け平均を使う方法である。重み付け係数はST(Step Transient)という信号を使う。STは1次微分に相当する信号を作って、その絶対値を正規化したものである。前述の補正出力にSTを掛けて、原画像信号に(1−ST)を掛けて足し合わせて出力する。
EE処理手法は、Laplacianフィルタなどを用いて行なわれる。Laplacianフィルタの出力は前述のTIの処理結果に足し合わせて最終の補正結果として出力する。
米国特許6094205号明細書
しかし、特許文献1の技術では、エッジの選択性が無いこと、エッジ中心の移動は出来ないこと、EEの処理結果はTIの処理結果に対してズレが生じることの3つの問題点がある。
エッジの選択性が無いという点では次の問題が生じる。すなわち、特許文献1に開示した方法では、重み付け平均で画像の細分補正を抑えることができたが、エッジの選択性が無いので不用な補正処理を無くすことはできず、画像に不自然な補正効果が残ってしまう。
また、エッジ中心の移動はできないという点では次の問題が生じる。従来の技術では常にエッジの中心を境目として傾きを大きくしてエッジの特性を改善するのであるが、表示装置の特性に合わせるために、エッジの中心を移動する必要がある。例えばCRTやLCDの表示装置はTransient Area領域内で黒部分を広くし、白部分を狭くする要求があるため、エッジの中心を移動する必要が生じる。
また、EEの処理結果はTIの処理結果に対してズレが生じるという点では次の問題が生じる。つまり、EEの補正結果とTIの処理結果を足し合わせる時に、補正位置ずれが生じる。このため、TIの補正結果に補正後エッジのTransient Areaは変ったので、EEの結果をTIの補正結果に上乗せすると、不自然な画像になる。
例えば、図6にEE処理におけるUndershoot/Overshootの位置をしめす。図6(a)はエッジのTransient Areaを示し、図6(b)はEEの補正結果とTIの処理結果を足し合わせ結果を示す。このTI結果に対してEE処理を行なうと、図6(a)のTransient Areaの境界においてUndershoot/Overshootが行なわれ、TI処理後のTransient Areaとずれてしまっている。図6(c)は、本来にUndershoot/Overshoot処理行なわれるべき適切な位置を示しているが、図6(b)では、明らかに望ましくない位置にUndershoot/Overshoot処理が行われている。
本発明は、画像エッジの補正処理を行なう際、より自然な補正効果が得られる画像エッジ補正装置および画像エッジ補正方法を提供することにある。
本発明は、画像信号に対して、エッジ領域であるTransient Areaを検出するエッジ検出手段と、検出したTransient AreaがTI処理を行うべきエッジか否かを判定するエッジ判定手段と、該エッジ判定手段が補正処理をすべきエッジと判定した場合にはTI処理を行う補正処理手段とを備え、前記エッジ検出手段は、前記画像の輝度信号Yが入力された5タップのフィルタの出力Lの式(1)用い、エッジの中心点に近傍で、隣接する画素kと画素(k+1)の信号において、式(2)を満たすものをエッジと検出し、前記エッジ判定手段は、検出したエッジ幅が所定値より大きい場合に、前記式(2)を満たす2画素値の差の絶対値d=|Y(k)−Y(k+1)|がTI処理のエッジ範囲を示す最大閾値と最小閾値の間に存在する場合は、補正処理すべきエッジであると判定することを特徴とする画像エッジ補正装置である。
L(i)=Y(i−2)+Y(i−1)+Y(i+2)+Y(i+1)−4Y(i)…(1)、
L(k)×L(k+1)≦0…(2)
また、前記エッジ判定手段は、検出したエッジ幅が所定値より大きい場合に、前記式(2)を満たす2画素値の差の絶対値d=|Y(k)−Y(k+1)|がTI処理のエッジ範囲を示す最大閾値と最小閾値の間に存在する場合は、補正処理すべきエッジであると判定することを特徴とする。
また、該エッジ判定手段が補正処理をすべきエッジと判定した場合、エッジ中心をTI処理において自然な補正効果を得る位置に移動するエッジ中心移動手段を備えたことを特徴とする。
また、前記エッジ中心移動手段は、Transient Areaを暗いエリアと軽いエリアに分け、各エリアの幅がエッジ幅に対して所定の割合になるように明暗の境をエッジ中心に移動することを特徴とする。
前記補正処理手段は、Transient Areaを明暗エリアに分けて、暗いエリアと明るいエリアに対して夫々異なるパラメータで補正処理を行なうことを特徴とする。
また、前記補正処理手段は、Transient Areaの両端から局所最大画素値にある水平線と局所最小画素値にある水平線を基準にして、画像信号との2つの角度変数と明暗の境目へのエッジ中心移動量を用いて補正することを特徴とする。
また、前記補正処理手段は、明るいエリアの補正結果を暗いエリアの補正結果の最大値でクリップし、暗いエリアの補正結果を明るいエリアの最大値でクリップすることを特徴とする。
また、前記補正処理手段は、暗いエリアに正数ゲインgdを、明るいエリアに正数ゲインgbを夫々設け、原画像輝度信号Y、2画素値の差の絶対値を示す差分絶対値d、補正後の画像輝度信号Yzに対し次の式が成り立つように補正することを特徴とする。
Yz=Y−gd×d、Yz=Y+gb×d
また、エッジ強調の補正処理は、TI処理後に行なうことを特徴とする。
また本発明は、画像信号に対して、エッジ領域であるTransient Areaを検出し、検出したTransient AreaがTI処理を行なうべきエッジか否かを判定し、補正処理をすべきエッジと判定した場合にはTI処理を行なうことを特徴とする画像エッジ補正方法であり、上記の各手段が行なう処理と同様の処理を行なう画像エッジ補正方法である。
本発明によれば、TI処理対象エッジのみにTI処理を行い、それ以外のエッジにはTI処理を行わないので、対象外のエッジにはエッジの補正処理を避けることが可能になって、より自然な補正効果が得られる。
また、エッジ中心移動機能を有することにより、Transient Area内でエッジの中心を、CRTやLCDの表示装置の特性に合わせてTransient Area内で明暗エリア幅に合わせて最適に調節することができる。また、ガンマ補正によるエッジ中心のズレを無くすことができる。さらに、パラメータを明暗エリアに分けて設定することができて、明暗に異なる強調効果を出すことができる。
また、EE処理はTI処理の後で行なうことで、TI処理結果とEE処理結果との間に位置ズレは生じない。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。
図1は、本発明に係る画像エッジ補正装置を示すブロック図である。この装置は、原画像輝度信号入力部21、エッジ検出部22、エッジ判定部23、エッジ中心移動部24、補正処理部25、出力選択部26、EE処理部27、補正画像輝度信号出力部28から構成される。
次に、この画像エッジ補正装置の動作の概略を説明する。
入力画像信号の形式は、画像のRGB信号やYUV信号などがあるが、原画像輝度信号入力部21は画像の輝度信号Yを使用する。エッジ検出部22は全てのエッジを検出する機能を持つ。検出したエッジが大きな低周波数エッジか否かの判断はエッジ判定部23で実現する。これで選別した対象エッジにしかTI処理を加えないので、補正処理の必要のないエッジに影響を与えない。エッジの選別はエッジの傾きやエッジの幅を見て行なう。
エッジ中心移動部24は、補正処理後も自然な画像となるエッジ中心を特定する。補正処理部25は選別したエッジに対して、エッジ中心移動量に応じて明暗エリアに分けて補正を行なう。画質に応じて補正信号は2つの異なる方法で生成する。HDTVのような元々ノイズの少ない画像には近隣画素の最大値と最小値を使って補正する。STDTVのようなノイズの多い画像には差分信号を使って補正する。
出力選択部26はエッジ検出部22とエッジ判定部23の結果によって出力選択を行なう。すなわち、出力選択部26は、TI処理すべきと判定されたエッジに対して補正処理部25による補正信号をEE処理部27に出力して、それ以外の部分は原画像信号をそのままにEE処理部27に出力する。EE処理部27は、従来のように、単にEEの補正結果とTIの処理結果を足し合わせるのではなく、TIの処理結果に対して行なうので、TI補正とEE補正との位置ずれを解消する。補正画像輝度信号出力部28はクリッピングなどの処理を行なって最終補正結果を出力する。
次に、各部の動作について詳細に説明する。
まず、エッジの検出部22は、エッジの検出を次式(1)の5タップのフィルタを使って実現する。ここで、Lはフィルタの出力信号、Yは原画像の輝度信号である。
L(i)=Y(i−2)+Y(i−1)+Y(i+2)+Y(i+1)−4Y(i) … (1)
図2に画像信号に対するエッジ検出とエッジ判定の説明図を示す。
図2(a)の原画像信号のエッジに対して、図2(b)は式(1)によるフィルタ出力である。エッジの中心点の近傍で、隣接する画素kと画素(k+1)の信号において、式(1)の出力が、式(2)の性質を持つものがある。
L(k)×L(k+1)≦0 … (2)
エッジ検出部22は、この性質を用いてエッジを検出する。画素kと画素(k+1)の信号において、式(2)が成立するならエッジ判定部23へ画像信号を送る。そして、検出したエッジが本物のエッジか否か、大きな低周波数エッジか否かをエッジ判定部23で判断を行なう。式(2)は成立しない場合には、出力選択部26へエッジで無いことを出力する。
エッジ判定部23において、図2に示すように、検出したエッジの中心から局所最大値Maxと局所最小値Minまでに両側へ捜索し、エッジの幅wを求める。ハードウエアの実現でタップ数に制限がある場合は最大幅をタップ数にする。そして次式(3)を満たすか否かを判定する。ここで、Wminは予め決めたエッジ幅の閾値である。
w≧Wmin … (3)
式(3)を満たすなら、エッジ判定処理を続ける。そうでなければ、検出したエッジTIに適切なエッジでないので、出力選択部26へTI処理を行なわない信号を出力する。
式(1)の出力符号が変った所における2画素値の差の絶対値|Y(k)−Y(k+1)|をエッジの傾きdと記す。エッジ判定部23は次式(4)を満たすか否かを判別する。ここで、DminとDmaxはTI処理のエッジ範囲を示す閾値で、予め設定する。
Dmin≦d≦Dmax … (4)
低周波エッジであるということは、dがDmaxより小さいことを意味し、Dmaxより大きければ、もともとTIがよいので補正処理を行う必要がない。したがって、Dmaxは、低周波数の上限値であるとも言える。また、dがDminより小さければ、これはエッジではないことを意味する。
従って、式(4)を満たすなら、TI処理に適切なエッジであるので、エッジ中心移動部24にて処理を行う。そうでなければ、検出したエッジは、TI処理に適切なエッジではないので、出力選択部26へTI処理に適切でないエッジであることを出力する。
エッジ中心移動部24において、エッジの暗い側の端を基準として、暗いエリアを占める部分をパーセンテージpで表す。エッジのtransient areaを2つに分けて、暗いエリアの幅をwd、明るいエリアの幅をwbと記す。wdとwbは次式(5a)(5b)で計算する。
wd=w×p … (5a)
wb=w−wd … (5b)
こうしてエッジ中心移動部24は、明暗エリアの境目をエッジ中心とする。
補正処理部25において、画像種類や画質に応じて2つの異なる方法で補正処理を行なう。ノイズの少ない高画質画像(例えばHDTV画像)に対する方法は図3に示す。太い実線は原画像信号である。点線は補正後の画像信号を示す。
エッジ中心移動部で決めたwdとwbを用いて、明暗エリアの境目を決める。エッジ判定部で求めた局所最小値Minと局所最大値Maxにある2本の水平線に対して、2つの角度を変数adとabと記す(図3参照)。補正処理は角度変数ad、abとエッジ移動量で行なう。補正効果は図3にある点線で示す。
図3に示すように、水平線と角度ad、abをなす補正後の画像信号が明暗エリアの境目と交わる点と、前記水平線からの距離をhdとhbとすると、hdとhbは式(6)で算出できる。ここで、iはdまたはbである。
hi=tg(ai)×wi×(Max−Min)/w … (6)
この補正処理を行うと補正結果にリンギングが生じる場合があるので、リンギングを無くす処理が必要となることもある。図4のパラメータで補正を行なうと、リンギング効果(細い破線部分)が出る。明るいエリアの補正結果を暗いエリアの補正の最大値でクリップすれば、このリンギングを無くすことができる。クリップ後の補正結果は太い点線で示す。同様に暗いエリアの補正結果を明るいエリアの補正の最小値でクリップする必要がある(図略)。
この様な補正は折り線で実現するために、不自然なところがある。補正効果を自然にするため、原画像信号とのブレンド処理をする。明暗エリアに分けてブレンド係数を設ける。暗エリアの係数をkdと記し、明エリアの係数をkbと記す。kdとkbは0と1の間にある値である。ここで、iはdまたはbであり、Yは原画像の輝度信号で、Ycは図4に折り線で示す補正信号である。Ysは平滑化した補正信号である。
Ys=(1−ki)×Y+ki×Yc … (7)
ノイズのある画像(例えばSDTV画像)に対する方法は図5に示す。図5(a)にある太い実線は原画像信号で、点線は補正結果である。
補正方法としては先ずtransient area内で原画像輝度信号Yの差分絶対値d(図5(b)参照)を求める。暗いエリアにゲインgdを、明るいエリアにゲインgbを夫々設ける。gdとgbは正数である。補正は次式(8a)(8b)で行なう。
Yz=Y−gd×D … (8a)
Yz=Y+gb×D … (8b)
ここで、式(8a)は暗いエリア補正用式で、式(8b)は明るいエリア用補正式である。Yは原画像信号で、Yzは補正結果である。Dは図5(b)に示されている差分値である。
ゲインgdやgbを大きくすると、undershootまたはovershootが起こることがある。Under/Overshootを無くすために、MinとMaxを使ってクリップ処理を行なう。クリップ処理した結果はYxと記す。
出力選択部26において、エッジ検出部22とエッジ判定部23からTI処理を行なわない信号があれば、原画像信号をEE処理部27へ出力する。そうでなければ、補正結果Ys又はYxをEE処理部27へ出力する。
EE処理部27において、TI処理は大きな低周波数エッジだけに対して、エッジ中心移動とtransient areaの改善を行なった。画像細部を表すエッジには勿論のことで、TI処理で改善したエッジにもEE処理によるエッジ強調が必要である。EE処理は従来のLaplacianフィルタやピンキングフィルタを使うが、EE強調処理をTIの後においてあるので、TI処理結果とEE処理結果との間にズレが生じない。
補正画像輝度信号出力部28において、EE処理部27の結果に範囲の超える値があるので、それらの値をクリップ処理した上に出力する。
本実施形態は、画像エッジ補正装置として記載したが、コンピュータをこの装置の各部として機能させるプログラムによって、コンピュータを動作させて処理することもできる。当然、このプログラムを記録した記録媒体からプログラムを読み出しても処理可能である。
本発明に係る画像エッジ補正装置を示すブロック図である。 画像信号に対するエッジ検出とエッジ判定を示す説明図である。 ノイズの少ない高画質画像に対するTI処理を示す説明図である。 図3の処理においてリンギング防止を示す説明図である。 ノイズのある画像に対するTI処理を示す説明図である。 EE処理におけるUndershoot/Overshootの位置を示す説明図である。
符号の説明
21 原画像輝度信号入力部
22 エッジ検出部
23 エッジ判定部
24 エッジ中心移動部
25 補正処理部
26 出力選択部
27 EE処理部
28 補正画像輝度信号出力部

Claims (16)

  1. 画像信号に対して、エッジ領域であるTransient Areaを検出するエッジ検出手段と、
    検出したTransient AreaがTI処理を行うべきエッジか否かを判定するエッジ判定手段と、
    該エッジ判定手段が補正処理をすべきエッジと判定した場合にはTI処理を行う補正処理手段とを備え、
    前記エッジ検出手段は、前記画像の輝度信号Yが入力された5タップのフィルタの出力Lの式(1)用い、エッジの中心点に近傍で、隣接する画素kと画素(k+1)の信号において、式(2)を満たすものをエッジと検出し、
    前記エッジ判定手段は、検出したエッジ幅が所定値より大きい場合に、前記式(2)を満たす2画素値の差の絶対値d=|Y(k)−Y(k+1)|がTI処理のエッジ範囲を示す最大閾値と最小閾値の間に存在する場合は、補正処理すべきエッジであると判定することを特徴とする画像エッジ補正装置。
    L(i)=Y(i−2)+Y(i−1)+Y(i+2)+Y(i+1)−4Y(i)…(1)、
    L(k)×L(k+1)≦0…(2)
  2. 該エッジ判定手段が補正処理をすべきエッジと判定した場合、エッジ中心をTI処理において自然な補正効果を得る位置に移動するエッジ中心移動手段を備えたことを特徴とする請求項1に記載の画像エッジ補正装置。
  3. 前記エッジ中心移動手段は、Transient Areaを暗いエリアと軽いエリアに分け、各エリアの幅がエッジ幅に対して所定の割合になるように明暗の境をエッジ中心に移動することを特徴とする請求項2に記載の画像エッジ補正装置。
  4. 前記補正処理手段は、Transient Areaを明暗エリアに分けて、暗いエリアと明るいエリアに対して夫々異なるパラメータで補正処理を行なうことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の画像エッジ補正装置。
  5. 前記補正処理手段は、Transient Areaの両端から局所最大画素値にある水平線と局所最小画素値にある水平線を基準にして、画像信号との2つの角度変数と明暗の境目へのエッジ中心移動量を用いて補正することを特徴とする請求項4に記載の画像エッジ補正装置。
  6. 前記補正処理手段は、明るいエリアの補正結果を暗いエリアの補正結果の最大値でクリップし、暗いエリアの補正結果を明るいエリアの最大値でクリップすることを特徴とする請求項5に記載の画像エッジ補正装置。
  7. 前記補正処理手段は、暗いエリアに正数ゲインgdを、明るいエリアに正数ゲインgbを夫々設け、原画像輝度信号Y、2画素値の差の絶対値を示す差分絶対値d、補正後の画像輝度信号Yzに対し次の式が成り立つように補正することを特徴とする請求項5に記載の画像エッジ補正装置。
    Yz=Y−gd×d、Yz=Y+gb×d
  8. エッジ強調の補正処理は、TI処理後に行なうことを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の画像エッジ補正装置。
  9. 画像信号に対して、エッジ領域であるTransient Areaを検出し、
    検出したTransient AreaがTI処理を行うべきエッジか否かを判定し、
    補正処理をすべきエッジと判定した場合にはTI処理を行うことを特徴とする画像エッジ補正方法において、
    前記画像の輝度信号Yが入力された5タップのフィルタの出力Lの式(1)用い、エッジの中心点に近傍で、隣接する画素kと画素(k+1)の信号において、式(2)を満たすものをエッジと検出し、
    検出したエッジ幅が所定値より大きい場合に、前記式(2)を満たす2画素値の差の絶対値d=|Y(k)−Y(k+1)|がTI処理のエッジ範囲を示す最大閾値と最小閾値の間に存在する場合は、補正処理すべきエッジであると判定することを特徴とする画像エッジ補正方法。
    L(i)=Y(i−2)+Y(i−1)+Y(i+2)+Y(i+1)−4Y(i)…(1)、
    L(k)×L(k+1)≦0…(2)
  10. 補正処理をすべきエッジと判定した場合、エッジ中心をTI処理において自然な補正効果を得る位置に移動することを特徴とする請求項9に記載の画像エッジ補正方法。
  11. Transient Areaを暗いエリアと軽いエリアに分け、各エリアの幅がエッジ幅に対して所定の割合になるように明暗の境をエッジ中心に移動することを特徴とする請求項10に記載の画像エッジ補正方法。
  12. Transient Areaを明暗エリアに分けて、暗いエリアと明るいエリアに対して夫々異なるパラメータで補正処理を行なうことを特徴とする請求項9から11のいずれか一項に記載の画像エッジ補正方法。
  13. Transient Areaの両端から局所最大画素値にある水平線と局所最小画素値にある水平線を基準にして、画像信号との2つの角度変数と明暗の境目へのエッジ中心移動量を用いて補正することを特徴とする請求項12に記載の画像エッジ補正方法。
  14. 明るいエリアの補正結果を暗いエリアの補正結果の最大値でクリップし、暗いエリアの補正結果を明るいエリアの最大値でクリップすることを特徴とする請求項13に記載の画像エッジ補正方法。
  15. 暗いエリアに正数ゲインgdを、明るいエリアに正数ゲインgbを夫々設け、原画像輝度信号Y、2画素値の差の絶対値を示す差分絶対値d、補正後の画像輝度信号Yzに対し次の式が成り立つように補正することを特徴とする請求項13に記載の画像エッジ補正方法。
    Yz=Y−gd×d、Yz=Y+gb×d
  16. エッジ強調の補正処理は、TI処理後に行なうことを特徴とする請求項9から15のいずれか一項に記載の画像エッジ補正方法。
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