JP4461165B2 - 画像処理装置、方法およびプログラム - Google Patents
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Description
S. C. Park et al., "Super-Resolution Image Reconstruction: A Technical Overview," IEEE Signal Processing Magazine, pp.21-36, May 2003.
また、本発明の画像処理装置は、少なくとも1フレームの画像を受け付ける第1受付手段と、出力解像度を受け付ける第2受付手段と、前記フレームのうちの1フレームを基準フレームとして設定する第1設定手段と、前記第1受付手段が受け付けたフレームのうち、前記基準フレームを他フレームとして設定する第2設定手段と、予め設定された小数値であるサブピクセルシフト値を1以上記憶している第1記憶手段と、前記他フレームの画素に対応する前記基準フレーム上の対応点の位置を、前記対応点の位置の小数部が前記サブピクセルシフト値に近い値ほど選択されやすいように推定する推定手段と、前記出力解像度の画像上の画素値から前記基準フレームの解像度の画像上の画素値を算出するための点広がり関数を保持する第2記憶手段と、前記基準フレーム上の前記対応点における画素値として、対応する前記他フレーム上の画素値を設定した上で、前記点広がり関数を用いて前記基準フレームの出力解像度での画素値を算出する第1算出手段と、を具備することを特徴とする。
さらに、本発明の画像処理装置は、複数のフレームの画像を受け付ける第1受付手段と、出力解像度を受け付ける第2受付手段と、前記フレームのうちの1フレームを基準フレームとして設定する第1設定手段と、前記第1受付手段が受け付けたフレームのうち、前記基準フレームでない複数のフレームを他フレームとして設定する第2設定手段と、予め設定された小数値であるサブピクセルシフト値を1以上記憶している第1記憶手段と、前記他フレームごとに、前記他フレームの画素に対応する前記基準フレーム上の対応点の位置を、前記対応点の位置の小数部が前記サブピクセルシフト値に近い値ほど選択されやすいように推定する推定手段と、前記出力解像度の画像上の画素値から前記基準フレームの解像度の画像上の画素値を算出するための点広がり関数を保持する第2記憶手段と、前記基準フレーム上の前記対応点における画素値として、対応する前記他フレーム上の画素値を設定した上で、前記点広がり関数を用いて前記基準フレームの出力解像度での画素値を算出する第1算出手段と、を具備することを特徴とする。
どこに問題があるかについて詳細に説明する。
上記の非特許文献1に示されているように、超解像は次のように動き推定と画像再構成の推定の2段階で行われる。以下、便宜上、高解像度画像を算出したいフレーム(基準フレーム)を変換対象フレーム、それ以外のフレームを他フレームと呼ぶことにする。
3の現象を(手法により偏りの程度は変化するものの)完全に回避することは難しい。
以下、背景技術と同様に、高解像度画像を算出したいフレームを変換対象フレーム、それ以外のフレームを他フレームと呼ぶことにする。ただし本実施形態では、背景技術と違い、変換対象フレームを他フレームと同じように扱ってフレーム内対応点を求めたり、1つの他フレームから複数の対応点を求めたりするので、注意が必要である。
上述したように、Aperture問題が起こる領域では、何も工夫しないと図3のような偏りが生じやすい。図3はブロックマッチングを整数画素で行ったうえで関数フィッティングによって修正した場合の例であり、手法によって偏りの種類は変わるが、対応点(=サンプリング点)が必要な位置ではなく別の位置に存在する現象は、Aperture問題によって位置が不定となるために多かれ少なかれ生じることは避けられない。
変換対象フレームで利用できるサンプリング点は、他フレームから変換対象フレームへの動きを推定することで得られる、というのが従来の考え方である。しかし、本実施形態では、他フレームと変換対象フレームで対応する部分があるなら、それが正確な動きでなくてもよいと考える。例えば、直線のように合同なブロックを数多く含む図形ではAperture問題が起こるが、この場合、なるべく正確な動きを求めるのではなく、Aperture問題が起きていればどの動きを使っても悪影響はないと考え、超解像に都合のよい、利用できるサンプリング点が図2に近くなる動きを見つけるようにする。
次に、Image Reconstructionも含めた、本実施形態の画像処理装置について図4を参照して説明する。
本実施形態の画像処理装置は、図4に示すように、一時記憶部401、演算部402、入出力受付部403、映像受付部404、映像出力部405、不揮発記憶部406、外部入出力部407、映像入力部408、映像表示部409を含む。なお、図4は、汎用的な演算装置を用いてソフトウェアにより実施する場合の一例である。
図7に示す画像処理装置は、DSP1 701、DSP2 702、共有メモリ703、メモリ704,705、映像受付部404、映像入力部408、映像出力部405、映像表示部409を含む。
ステップ1(S801〜S802):演算部402またはDSP1 701が所望の出力解像度を与え、変換対象フレームを入力する、あるいは与えられた画像に変換対象フレームを設定する。
ステップ3−1(S804):演算部402またはDSP1 701が、メモリ704または不揮発記憶部406が予め記憶している、処理中の注目他フレームで考慮するサブピクセル位置ずれ(サブピクセルシフト値)の集合を入力する。これらの集合は、例えば、(0、0)、(0、0.5)、(0.5、0)、(0.5、0.5)の4通りとする。なお、集合はそれぞれのずれについて別の集合であってもよい。このようなパラメータは、例えば、DSP1 701のプログラムあるいはデータ(例えば、メモリ704に格納される)、一時記憶部401あるいは不揮発記憶部406のデータとして予め与えることができる。
(第1手法:バイアスをかける方法を複数フレーム位相ずらしに使う)
ここでは、一例として、他フレームとして3フレームが利用可能な場合を考える。利用できるサンプリング点を図2に近くする方法の1つは、図9に示すように、3つの他フレームを、それぞれ
利用できるサンプリング点を図2に近くする別の方法は、図11に示すように、各他フレームについて
Aperture問題が起こる部分では変換対象フレーム自身が合同な図形を持つことを利用して、変換対象フレームから変換対象フレーム自身への動きを求め、変換対象フレームのみで超解像を行う方法も考えられる。このとき、利用できるサンプリング点を図2に近くする別の方法として、図12に示すように、変換対象フレームから変換対象フレーム自身への動きを、例えばサブピクセル位置ずれが
(POCS)
なお、Image Reconstructionについては上記の非特許文献1に記載されているものが利用できる。例えば、次の方法を用いると逐次的にImage Reconstructionを行うことができる。
はじめに、高解像度画像の各画素について、変換対象フレームにキュービックコンボリューション法などを適用して仮の画素値を与える(高解像度画像での仮の画素値を仮画素値と呼ぶ)。そして、低解像度画像の各画素位置において、対応する高解像度画像の仮画素値を使ったときのサンプリング値(これを仮サンプリング値と呼ぶことにする)を計算する。ここで、画素値とは画面をサンプリング間隔にしたがって複数の矩形に分割したときに、各矩形の輝度の分布を代表する値であり、矩形の中央に位置するものと考える。入力画像と出力画像の矩形の大きさの比は画素の密度によって決まり、例えば解像度が縦横1/2になるのであれば、矩形は縦横2倍になる。各低解像度画像の画素での仮サンプリング値は、対応する高解像度画像の画素に仮画素値が与えられているとき、低解像度画像の画素値をサンプリングする際に利用した高解像度画像での仮画素値の加重平均を求めることで得られる。このとき、高解像度画像が正確なものであれば、低解像度画像として撮影されたものである画素値と仮サンプリング値は一致するが、実際には一致しないことが多い。そこで、これらを近づけるように高解像度画像の仮画素値を更新する。低解像度画像の画素値と仮サンプリング値の差分を求め、それを減らすように高解像度画像中の各仮画素値を加減算する。高解像度画像において対応する画素値は複数あるため、差分をサンプリング時に用いた重みで分け、それぞれの画素値に加減算する。この加減算により、計算を行った低解像度の画素については画素値と仮サンプリング値が近づく。この加減算により、別の低解像度の画素については画素値と仮サンプリング値が遠ざかる可能性もあるが、経験的には、この操作をたくさんの画素について行えば、画素値と仮サンプリング値が近づくことが多いことがわかっている。超解像では、この操作を低解像度画像全体について別途定めた回数だけ行い、得られた高解像度画像の仮画素値を出力する。
P1:水平方向の平行移動
P2:垂直方向の平行移動
の2通りを考えれば、前記第2項は縦横それぞれについて隣接画素のずれの大きさの和を求め、その合計値をλ1、λ2で重みづけした値になる。
なお、ここで示したMAP法のエネルギー関数は一例であり、このエネルギー関数でなくてもかまわない。
以上の例からわかるように、所望のサンプリング点を選択されやすくする方法があれば、それを利用して高い解像度への変換を効果的に行える。次に、所望のサンプリング点を選択されやすくする方法について述べる。
ブロック誤差関数としてLα誤差
ステップ1(S1401):画像の第1フレームを入力する。
ステップ2(S1401):画像の第2フレームを入力する。
ステップ3(S1402):偏らせたいサブピクセル位置ずれの値を入力する。例えば(0.5、0.5)を入力する。
ステップ6(S1405):第1フレームに設定した各画素(あるいはブロック)について、第1フレームから位相ずれ第2フレームへの動きを求める。
ステップ8(S1407):求めた動きベクトルを出力する。
ステップ2:画像の第2フレームを入力する。
ステップ3:偏らせたいサブピクセル位置ずれの値を入力する。例えば(0.5、0.5)を入力する。
ステップ5:位相ずれ第1フレームに動きを求めたい画素あるいはブロックの集合(注目画素集合)を設定する。
ステップ7:各動きベクトルからサブピクセル位置ずれを引くことで、第1フレームから第2フレームへの動きが得られる。ただし、第1フレームの移動元は整数画素位置ではなくサブピクセル位置ずれを引いた位置になる。
Lucas-Kanade法は、フレーム間で対応する2つの画素(x,y,t)と(x+Δx,y+Δy,t+Δt)を考えたときに、次の式を最小化する位置を求める方法である。なお、ブロック内の各画素での誤差に中心を重視するなどの重み係数をつけてもよい。重みの有無により特に計算方法は変わらない(必要な重みをかければよい)ため、以下の式では省略する。
方法1.最小2乗解の算出において次の行列の逆行列を求めることになるが、この逆行列を安定して算出できるかを評価する。
動きを求める別の方法として、Horn-Schunck法のように、個々の動きの整合性と画面全体での動きベクトルの滑らかさのバランスを最適化する方法が知られている。この方法(動きの全体最適化)では、例えば、次のエネルギー関数を(近似的に)最小化する問題として定式化できる。
特定のサブピクセル位置への偏りを制御するには、次のように制御項を加えればよい。
例えばBelief Propagationで解くには次のようにする。まず、各画素を(グラフ理論における)グラフのノードとみなし、各ノードについて、とりうる動きベクトルを適当な間隔で量子化して離散値で表現し、それらにラベルxi={0,1,・・・,Li−1}を割り当てる。ラベルの添え字iはノード番号、あるいは単にノードと呼ぶ。次に、エネルギー関数を次の式に変形する。
ステップ1:t=0とする(tはメッセージ更新回数を表す)。各エッジ(p、q)∈Nに対し、
ステップ4:各qに対して、次のビリーフと呼ばれる値を求める。
以上の方法で各ノードのラベルを選択すれば、エネルギーを最小化する動きベクトルが得られる。
ステップ2(S1401):画像の第2フレームを入力する。
ステップ3(S1402):偏らせたいサブピクセル位置ずれの値(サブピクセルシフト値)を入力する。例えば(0.5、0.5)を入力する。
ステップ6(S1503):求めた動きベクトルを出力する。
以上に説明した方法を用いれば、ブロックマッチングと関数フィッティングの組み合わせ、Lucas-Kanade法や動きの全体最適化の手法において、動きベクトル(画素の対応位置)をAperture問題の起こる部分について所望のサブピクセル位置に偏らせることができるようになる。先に説明したように、例えば、複数のフレームを用いた超解像において、各他フレームについて
また、記憶媒体からコンピュータや組み込みシステムにインストールされたプログラムの指示に基づきコンピュータ上で稼働しているOS(オペレーティングシステム)や、データベース管理ソフト、ネットワーク等のMW(ミドルウェア)等が本実施形態を実現するための各処理の一部を実行してもよい。
さらに、本願発明における記憶媒体は、コンピュータあるいは組み込みシステムと独立した媒体に限らず、LANやインターネット等により伝達されたプログラムをダウンロードして記憶または一時記憶した記憶媒体も含まれる。
また、記憶媒体は1つに限られず、複数の媒体から本実施形態における処理が実行される場合も、本発明における記憶媒体に含まれ、媒体の構成は何れの構成であってもよい。
また、本願発明の実施形態におけるコンピュータとは、パソコンに限らず、情報処理機器に含まれる演算処理装置、マイコン等も含み、プログラムによって本発明の実施形態における機能を実現することが可能な機器、装置を総称している。
Claims (12)
- 複数のフレームの画像を受け付ける第1受付手段と、
出力解像度を受け付ける第2受付手段と、
前記フレームのうちの1フレームを基準フレームとして設定する第1設定手段と、
前記第1受付手段が受け付けたフレームのうち、前記基準フレームでない1フレームを他フレームとして設定する第2設定手段と、
予め設定された小数値であるサブピクセルシフト値を1以上記憶している第1記憶手段と、
前記他フレームの画素に対応する前記基準フレーム上の対応点の位置を、前記対応点の位置の小数部が前記サブピクセルシフト値に近い値ほど選択されやすいように推定する推定手段と、
前記出力解像度の画像上の画素値から前記基準フレームの解像度の画像上の画素値を算出するための点広がり関数を保持する第2記憶手段と、
前記基準フレーム上の前記対応点における画素値として、対応する前記他フレーム上の画素値を設定した上で、前記点広がり関数を用いて前記基準フレームの出力解像度での画素値を算出する第1算出手段と、を具備することを特徴とする画像処理装置。 - 少なくとも1フレームの画像を受け付ける第1受付手段と、
出力解像度を受け付ける第2受付手段と、
前記フレームのうちの1フレームを基準フレームとして設定する第1設定手段と、
前記第1受付手段が受け付けたフレームのうち、前記基準フレームを他フレームとして設定する第2設定手段と、
予め設定された小数値であるサブピクセルシフト値を1以上記憶している第1記憶手段と、
前記他フレームの画素に対応する前記基準フレーム上の対応点の位置を、前記対応点の位置の小数部が前記サブピクセルシフト値に近い値ほど選択されやすいように推定する推定手段と、
前記出力解像度の画像上の画素値から前記基準フレームの解像度の画像上の画素値を算出するための点広がり関数を保持する第2記憶手段と、
前記基準フレーム上の前記対応点における画素値として、対応する前記他フレーム上の画素値を設定した上で、前記点広がり関数を用いて前記基準フレームの出力解像度での画素値を算出する第1算出手段と、を具備することを特徴とする画像処理装置。 - 複数のフレームの画像を受け付ける第1受付手段と、
出力解像度を受け付ける第2受付手段と、
前記フレームのうちの1フレームを基準フレームとして設定する第1設定手段と、
前記第1受付手段が受け付けたフレームのうち、前記基準フレームでない複数のフレームを他フレームとして設定する第2設定手段と、
予め設定された小数値であるサブピクセルシフト値を1以上記憶している第1記憶手段と、
前記他フレームごとに、前記他フレームの画素に対応する前記基準フレーム上の対応点の位置を、前記対応点の位置の小数部が前記サブピクセルシフト値に近い値ほど選択されやすいように推定する推定手段と、
前記出力解像度の画像上の画素値から前記基準フレームの解像度の画像上の画素値を算出するための点広がり関数を保持する第2記憶手段と、
前記基準フレーム上の前記対応点における画素値として、対応する前記他フレーム上の画素値を設定した上で、前記点広がり関数を用いて前記基準フレームの出力解像度での画素値を算出する第1算出手段と、を具備することを特徴とする画像処理装置。 - 前記推定手段は、
画素値の補間により前記基準フレームを前記サブピクセルシフト値だけずらした仮基準フレームを生成する生成手段と、
前記他フレームに注目位置を設定する注目位置設定手段と、
前記注目位置を基準として注目ブロックを設定する注目ブロック設定手段と、
前記注目ブロック内の画素値パターンと類似した画素値パターンを持つ前記仮基準フレーム内の位置を算出する第2算出手段と、
前記仮基準フレーム内の位置を前記サブピクセルシフト値だけ補正して、前記注目位置に対応する前記基準フレーム内の位置を取得して対応点とする取得手段と、
を具備することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の画像処理装置。 - 前記第2算出手段は、
前記基準フレームに前記注目ブロックと同じ大きさのブロックである候補ブロックを順次設定する設定手段と、
前記注目ブロック内の各画素について前記注目ブロック内の画素値と該画素値に対応する前記候補ブロック内の画素値との差分を画素値間の誤差を求める誤差関数に入力して得られた値である誤差値を求め、該誤差値の総和であるブロック誤差を算出する第3算出手段と、
前記候補ブロックのうちの、前記ブロック誤差が最小となる候補ブロックを最適候補ブロックとして選択する選択手段と、
前記最適候補ブロックの周辺に設定された1以上の候補ブロックである周辺候補ブロックに対しブロック誤差を算出する第4算出手段と、
前記最適候補ブロックのブロック誤差および前記周辺候補ブロックにおけるブロック誤差に基づき、前記誤差関数の係数を算出する第5算出手段と、
係数が算出された誤差関数が最小となる位置を前記基準フレーム内の位置として算出する第6算出手段と、を具備することを特徴とする請求項4に記載の画像処理装置。 - 前記推定手段は、
前記他フレームでの注目画素の画素値と前記基準フレームでの注目画素とを動きベクトルだけずらした位置での画素値の差分の大きさが大きいほどエネルギー値が高くなる項、および動きベクトルの小数部とサブピクセルシフト値の差分の大きさが大きいほどエネルギー値が高くなる項を含むエネルギー関数を設定する設定手段と、
前記エネルギー関数を最小化する動きベクトルを算出し、それを対応点とする算出手段と、
を具備することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の画像処理装置。 - 複数のフレームの画像を受け付け、
出力解像度を受け付け、
前記フレームのうちの1フレーム基準フレームとして設定し、
前記フレームのうち、前記基準フレームでない1フレームを他フレームとして設定し、
予め設定された小数値であるサブピクセルシフト値を1以上記憶している第1記憶手段を用意し、
前記他フレームの画素に対応する前記基準フレーム上の対応点の位置を、前記対応点の位置の小数部が前記サブピクセルシフト値に近い値ほど選択されやすいように推定し、
前記出力解像度の画像上の画素値から前記基準フレームの解像度の画像上の画素値を算出するための点広がり関数を保持する第2記憶手段を用意し、
前記基準フレーム上の前記対応点における画素値として、対応する前記他フレーム上の画素値を設定した上で、前記点広がり関数を用いて前記基準フレームの出力解像度での画素値を算出することを特徴とする画像処理方法。 - 少なくとも1フレームの画像を受け付け、
出力解像度を受け付け、
前記フレームのうちの1フレーム基準フレームとして設定し、
前記フレームのうち、前記基準フレームを他フレームとして設定し、
予め設定された小数値であるサブピクセルシフト値を1以上記憶している第1記憶手段を用意し、
前記他フレームの画素に対応する前記基準フレーム上の対応点の位置を、前記対応点の位置の小数部が前記サブピクセルシフト値に近い値ほど選択されやすいように推定し、
前記出力解像度の画像上の画素値から前記基準フレームの解像度の画像上の画素値を算出するための点広がり関数を保持する第2記憶手段を用意し、
前記基準フレーム上の前記対応点における画素値として、対応する前記他フレーム上の画素値を設定した上で、前記点広がり関数を用いて前記基準フレームの出力解像度での画素値を算出することを特徴とする画像処理方法。 - 複数のフレームの画像を受け付け、
出力解像度を受け付け、
前記フレームのうちの1フレームを基準フレームとして設定し、
前記フレームのうち、前記基準フレームでない複数のフレームを他フレームとして設定し、
予め設定された小数値であるサブピクセルシフト値を1以上記憶している第1記憶手段を用意し、
前記他フレームごとに、前記他フレームの画素に対応する前記基準フレーム上の対応点の位置を、前記対応点の位置の小数部が前記サブピクセルシフト値に近い値ほど選択されやすいように推定し、
前記出力解像度の画像上の画素値から前記基準フレームの解像度の画像上の画素値を算出するための点広がり関数を保持する第2記憶手段を用意し、
前記基準フレーム上の前記対応点における画素値として、対応する前記他フレーム上の画素値を設定した上で、前記点広がり関数を用いて前記基準フレームの出力解像度での画素値を算出することを特徴とする画像処理方法。 - コンピュータを、
複数のフレームの画像を受け付ける第1受付手段と、
出力解像度を受け付ける第2受付手段と、
前記フレームのうちの1フレームを基準フレームとして設定する第1設定手段と、
前記第1受付手段が受け付けたフレームのうち、前記基準フレームでない1フレームを他フレームとして設定する第2設定手段と、
予め設定された小数値であるサブピクセルシフト値を1以上記憶している第1記憶手段と、
前記他フレームの画素に対応する前記基準フレーム上の対応点の位置を、前記対応点の位置の小数部が前記サブピクセルシフト値に近い値ほど選択されやすいように推定する推定手段と、
前記出力解像度の画像上の画素値から前記基準フレームの解像度の画像上の画素値を算出するための点広がり関数を保持する第2記憶手段と、
前記基準フレーム上の前記対応点における画素値として、対応する前記他フレーム上の画素値を設定した上で、前記点広がり関数を用いて前記基準フレームの出力解像度での画素値を算出する第1算出手段として機能させるための画像処理プログラム。 - コンピュータを、
少なくとも1フレームの画像を受け付ける第1受付手段と、
出力解像度を受け付ける第2受付手段と、
前記フレームのうちの1フレームを基準フレームとして設定する第1設定手段と、
前記第1受付手段が受け付けたフレームのうち、前記基準フレームを他フレームとして設定する第2設定手段と、
予め設定された小数値であるサブピクセルシフト値を1以上記憶している第1記憶手段と、
前記他フレームの画素に対応する前記基準フレーム上の対応点の位置を、前記対応点の位置の小数部が前記サブピクセルシフト値に近い値ほど選択されやすいように推定する推定手段と、
前記出力解像度の画像上の画素値から前記基準フレームの解像度の画像上の画素値を算出するための点広がり関数を保持する第2記憶手段と、
前記基準フレーム上の前記対応点における画素値として、対応する前記他フレーム上の画素値を設定した上で、前記点広がり関数を用いて前記基準フレームの出力解像度での画素値を算出する第1算出手段として機能させるための画像処理プログラム。 - コンピュータを、
複数のフレームの画像を受け付ける第1受付手段と、
出力解像度を受け付ける第2受付手段と、
前記フレームのうちの1フレームを基準フレームとして設定する第1設定手段と、
前記第1受付手段が受け付けたフレームのうち、前記基準フレームでない複数のフレームを他フレームとして設定する第2設定手段と、
予め設定された小数値であるサブピクセルシフト値を1以上記憶している第1記憶手段と、
前記他フレームごとに、前記他フレームの画素に対応する前記基準フレーム上の対応点の位置を、前記対応点の位置の小数部が前記サブピクセルシフト値に近い値ほど選択されやすいように推定する推定手段と、
前記出力解像度の画像上の画素値から前記基準フレームの解像度の画像上の画素値を算出するための点広がり関数を保持する第2記憶手段と、
前記基準フレーム上の前記対応点における画素値として、対応する前記他フレーム上の画素値を設定した上で、前記点広がり関数を用いて前記基準フレームの出力解像度での画素値を算出する第1算出手段として機能させるための画像処理プログラム。
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