JP4657365B2 - 空間的に変動する露出を用いて高ダイナミックレンジ画像化をする装置及び方法 - Google Patents
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Description
更に技巧的なトーンカーブ再生技術は、画像の色ヒストグラムを積分することによりトーンカーブを生成するヒストグラム等化である。ヒストグラム等化の結果は色空間の画像中の色の更に一様な再分配をもたらすが、しかしこの技術は、極めて明るい(又は極めて暗い)画素のような幾つかの局所領域を持つ画像の詳細を保存することはできず、そのような局所領域は共に、グレイレベルの全レンジに跨がり得る。それ故に、ヒストグラム等化の過程によって、個々の領域の内部の詳細の質が向上することはない。
この技術の利点は、ヒストグラム等化とは異なり、絶対画素値がさほど寄与しない、という点である。しかしこの技術は周波数成分画像を得るために大量のメモリ及び膨大な計算を必要とする、という不都合がある。
以下、本発明の実施例について図面を参照して説明する。図1に、本発明の第1好適例による画像化システム100の機能図を示す。画像化システム100はマスク101を具え、シーン(図示せず)からの入射光が、画像センサ3に当たる前にこのマスクを通過する。画像センサ3は、マスク101を透過したシーンの画像をセンシングして、これに対応する画素値を画像プロセッサ4に供給し、画像プロセッサ4は、応答関数メモリ6及び露出パターンメモリ5に結合され、そして高ダイナミックレンジのデータを出力画像メモリ7に供給する。マスク101は透明な材料の平板であり、これは入射光の波長に対して無色の特性を有し、かつ入射光2が通過する領域では、固定の透明度の空間的パターンを有する。本明細書で用いる「光」とは、ミリメートル波長領域からガンマ線領域までに広がるスペクトルを有する電磁放射のことを称する。画像センサ3は、光センサ素子(図示せず)のアレイを有する電荷結合素子(CCD)画像検出器を具えていることが好ましいが、写真フィルムを含めた他のいずれの種類の画像センサとすることもできる。一般に画像センサ3は、シーンから発する入射光2のレンジに比べて低いダイナミックレンジを有する。応答関数メモリ6に記憶した応答関数データは画像センサ3の入力/出力特性であり、これは前以て測定して、パラメータ形式または他の適切なデータ形式の早見表として応答関数メモリ6に記憶したものである。メモリ5に記憶した露出値は、各画素位置におけるマスクの透明度を示すものであり、画像センサ3が供給する画素毎に対応する露出値が存在する。これらの露出値は前以て測定して、生データまたは符号化データとして露出パターンメモリ5に記憶したものである。画像プロセッサ4は、画像センサ3が供給する画像値、応答関数メモリ6に記憶している応答関数、及び露出パターンメモリ5に記憶している露出値から、高ダイナミックレンジの画像データを導出する。出力画像メモリ7に記憶している高ダイナミックレンジの画像データは、これに対応するシーンの放射輝度(ラジアンス)値に比例する放射輝度値を有する。
D出力を調整してノイズを低減する前段増幅器404を具えている。前段増幅器404は、相関倍化回路、自動利得制御回路、ガンマ補正回路、及びニー(折点)回路のような、通常ビデオカメラに用いるいくつかのアナログ回路を具えている。図2の実施例のカメラは、画像センシング部401からの捕捉した画像に対応する信号をディジタル化するアナログ−ディジタル変換器406を有する画像処理部405も具えている。このディジタル化した画像をフレームメモリ407に記憶し、このメモリは図1の出力画像メモリに相当する。高ダイナミックレンジの画像データの演算は処理装置411で実行し、この処理装置はフレームメモリ407、ROM409、及びRAM410のデータにアクセスする。ROM409は、露出値及び応答関数データ、並びに処理装置411用の命令を記憶するために用いる。フレームメモリ407の高ダイナミックレンジの画像データを演算したものを、ディジタル−アナログ変換器408によってアナログ信号に変換し、ディジタル−アナログ変換器408はアナログ信号をビデオ出力部412に供給する。ビデオ出力部412はビデオカメラのみに必要なものであり、これに相当するものは図1にはなく、前記変換したアナログ信号をビデオ信号に変換するビデオエンコーダ413を具えている。そしてこのビデオ信号を出力装置414に通し、出力装置414はビデオ出力415を供給する。
このマスクの例では、マスク101は、異なる透明度(減衰率)を有するセルの2次元アレイである。マスク101は、異なる透明度を有する4つのセルの同じグループを反復的に配置したものから構成される。図4Bに、4つのセルのグループ102、103、104及び105を示し、これらの各々を、図4Aのパターンのマスク101を形成するように配置する。このグループは、最明セル102、明セル103、暗セル104、及び最暗セル105を有し、最明セル102が4つのセルのうち最も透明度が高く、最暗セル105が最も透明度が低い。図4A及び図4Bの例では、4つのセルのグループの各々を、マスク101の露出パターンを形成するように配置しているが、異なる透明度を有するセルをより少数あるいはより多数有するグループを同様に反復させて、同じ露出パターンあるいは異なる露出パターンを形成することができる。マスクの露出パターンは周期的である必要はなく、透明度の分布がランダムであってもよい。さらにマスク101を、非線形の光学応答特性を有する材料から構成することができる。こうした材料は、入射光の強度に対して非線形に変化する透過率(または減衰率)を有する。こうしたマスクは、視覚的細部情報を保存しつつ画像システムの有効ダイナミックレンジを拡大する細部保存性の光学フィルタを提供することができる。
元の画像格子150には補間格子152が重なり、これも垂直方向及び水平方向に伸びる直交する離間直線によって規定される。ここで図10Bに示すように、補間フィルタ153が、元の画像格子150の異なる4つの交差領域の各々を包含して、この補間格子のそれぞれの交点における補間値154を導出する。この好適実施例では、補間格子が元の画像格子と同一であり、これらの格子は互いに、水平方向に半グリッド位置分だけ変位し、かつ垂直方向に半グリッド位置分だけ変位している。補間格子が元の画像格子と同一である必要がなく、そして、双線形補間フィルタ、補間フィルタ、双立方補間フィルタ、B−スプライン補間フィルタ、ガウス補間フィルタ、または当業者に既知の他のいずれの補間フィルタのような、2画素×2画素以外の補間フィルタを用いることができることは当業者にとって明らかである。さらに、感光素子の配置は格子の交点である必要がなく、いずれの形態のアレイとすることもできる。
ステップ203では、画素位置に対応する露出値E(x,y)を露出パターンメモリ5から読み込む。E(x,y)が最高露出値であれば、ステップ205を実行する。さもなければステップ204を実行する。ステップ204では、画素を“ブラック化”画素値を有するものとしてマークして、現在行っているループの反復を終了する。一時メモリの当該画素位置に特定値を書き込むことによって、このマーク付けを行う。ステップ205では画素値M(x,y)を評価する。M(x,y)が非常に大きい所定画素値である飽和レベルよりも大きければ、ステップ206を実行する。M(x,y)が飽和レベルよりも大きくなければステップ208及び209を実行する。ステップ206では、露出値E(x,y)をメモリ5から読み込む。E(x,y)が最低露出値であれば、ステップ208及び209を実行する。さもなければステップ207を実行する。ステップ207では、画素を一時メモリ内の“飽和”画素値としてマークして、現在行っているループ201の反復を終了する。ステップ208では、図6、7及び8に関連して説明した方法でM(x,y)を較正する。ステップ209では、図6、7及び8に関連して説明したようにM(x,y)を正規化して、現在行っているループ201の反復を終了する。
ループ212を終了した後に、ステップ215を実行する。ステップ215では、L(x,y)をNで除算し、その後にループを終了する。すべての画素位置についてループ210を完了した後に、画像プロセッサ4による処理を完了する。
フレームメモリ3 174中のモニタ画像データは、デジタル・アナログ変換器176によって、アナログ信号に変換される。モニタ画像のアナログ信号は、ビデオ出力部2 180に供給されて、ビデオ出力部2 180では、ビデオ出力プロセッサ181が、そのアナログ信号を処理して、その出力を、出力ユニット182に送り、出力ユニット182が、モニタ画像であるビデオ出力183を供給する。因みに、ビデオ出力部1 177とビデオ出力部2 180は、ビデオカメラ構成の一部をなしているが、図12の基本的な画像システム図において、対応する構成要素は存在しない。
なお、モニタ画像は、連続的処理に対するビデオ出力であってもよい。
較正を行う画像プロセッサ4が使用できるように、フィルムまたはスキャナの合成された応答関数は、応答関数メモリ6に格納される。露出パターンメモリ5から直接に露出値を受ける代わりに、図22のシステム1000は、露出装置を備える。この露出装置は、スキャナ507の出力と露出パターンメモリ5に格納された露出値とを受け、位置合わせ修正の行われた露出における露出値を、正規化を行う画像プロセッサに供給する。画像プロセッサ4は、高ダイナミックレンジ出力画像を、出力画像メモリ7に供給する。通常のフィルムカメラでは、フィルムは、各フレームをシャッター504の後ろに位置させて、フレーム毎に移動させていく。このフィルムの動きによって、フィルム505の現在露出されているフレームとマスク101の間に配置誤差が生じる。このような配置誤差を修正するために、露出装置508を使用する。
Claims (25)
- 高ダイナミックレンジ画像化システムにおいて、
シーンの画像を検出するために、前記光検出素子の各々に入射する光の強度を表す対応する画素値をもたらす光検出素子のアレイを具える画像センサを備え、
各光検出素子は、それぞれ第1しきい値を有し、前記光検出素子に入射する光の強度が前記第1しきい値より大きい場合には前記画像センサに飽和画素値をもたらし、各光検出素子は、それぞれ第2しきい値を有し、前記光検出素子において入射する光の強度が前記第2しきい値より小さい場合には前記画像センサに黒画素値をもたらし、
前記画像センサが、前記シーンの画像の光強度の範囲に比べて低いダイナミックレンジを有し、
複数の前記光検出素子が、入射光に対してそれぞれ空間的に変化する感光度と、それぞれ該感光度を示す対応する感光度値とを有し、
当該高ダイナミックレンジ画像化システムは、さらに、
前記光検出素子の各々に対応する感高度値を格納する第1メモリと、
前記光検出素子のアレイに結合されて前記画像センサによって供給される前記画素値を受け、前記第1メモリに結合されて前記光検出素子に対応する前記感光度値を受け、前記画素値を前記感光度値の関数によってマッピングして対応する正規化画素値を得る正規化器と、
前記正規化画素値を補間して前記光検出素子のアレイと重なる、前記光検出素子のアレイとは別の第2の光検出素子のアレイの個々の位置における補間画素値を得る補間器とを具える画像プロセッサとを具える、
ことを特徴とする高ダイナミックレンジ画像化システム。 - 請求項1に記載の高ダイナミックレンジ画像化システムにおいて、
前記画像プロセッサの正規化器が、前記画素値を、前記感光度値の関数によって、前記画素値の各々を前記画素値によって表される光の強度を受ける前記光検出素子に対応する感光度値で割ることによってマッピングすることを特徴とする高ダイナミックレンジ画像化システム。 - 請求項1に記載の高ダイナミックレンジ画像化システムにおいて、前記画像センサの光検出素子を、垂直方向及び水平方向において延在する、間隔を置いて直交するラインによって規定される第1格子の個々の交点において配置し、前記補間画素値の位置を、垂直方向及び水平方向において延在する、間隔を置いて直交するラインによって規定される第2格子の個々の交点としたことを特徴とする高ダイナミックレンジ画像化システム。
- 請求項3に記載の高ダイナミックレンジ画像化システムにおいて、前記画像プロセッサの補間器が、前記第1格子の各々の異なった領域における正規化画素値を別々に補間し、各々の領域が、隣接する領域と重なると共に、前記第1格子の予め決められた数の交点を包含することを特徴とする高ダイナミックレンジ画像化システム。
- 請求項3に記載の高ダイナミックレンジ画像化システムにおいて、前記画像センサの光検出素子のアレイが、異なった感光度を有する光検出素子が繰り返し配置された同一のグループを具えることを特徴とする高ダイナミックレンジ画像化システム。
- 請求項5に記載の高ダイナミックレンジ画像化システムにおいて、前記光検出素子の繰り返し配置された同一のグループの各々が、異なった感光度を有する4つの隣接する光検出素子から成り、前記第1及び第2格子が同一の寸法を有し、これらの格子を、水平方向において2分の1の格子位置、垂直方向において2分の1の格子位置だけ互いに移動させたことを特徴とする高ダイナミックレンジ画像化システム。
- 請求項4に記載の高ダイナミックレンジ画像化システムにおいて、前記画像プロセッサの補間器が、前記第1格子の各々の異なった領域における個々の補間画素値を、飽和画素値又は黒画素値に対応しない前記領域におけるすべての正規化画素値の平均をとることによって得ることを特徴とする高ダイナミックレンジ画像化システム。
- 請求項1に記載の高ダイナミックレンジ画像化システムにおいて、前記画像センサが、前記光検出素子の各々において入射する光に対する個々の応答関数を有し、該システムが、さらに、前記画像センサの個々の応答関数を格納する第2メモリを具え、前記画像プロセッサが、前記第2メモリに結合して前記応答関数を受け、前記画像センサによって供給された画素値を、前記画素値が前記正規化器によって正規化される前に前記個々の応答関数に従って線形応答画素値に変換する較正器をさらに具えることを特徴とする高ダイナミックレンジ画像化システム。
- 請求項1に記載の高ダイナミックレンジ画像化システムにおいて、前記画像プロセッサに結合され、前記補間画素値を受けると共に格納する出力画像メモリをさらに具えることを特徴とする高ダイナミックレンジ画像化システム。
- 高ダイナミックレンジ画像化方法において、光検出素子のアレイを具える画像センサを、シーンの画像に、空間的に変化する露出を使用して露出するステップであって、前記画像センサが、前記空間的に変化する露出画像を検出し、前記光検出素子の各々において入射する光の強度を表す対応する画素値を供給し、前記画像センサが、前記光検出素子のうちの対応する光検出素子に入射する光の強度が第1しきい値レベルより大きい場合、飽和画素値を供給し、前記光検出素子のうちの対応する光検出素子に入射する光の強度が第2しきい値レベルより小さい場合、黒画素値を供給し、前記画像センサが、前記場面の画像の光強度の範囲に比べて低ダイナミックレンジを有する、ステップと、前記画像センサによって供給された画素値を、前記光検出素子の空間的に変化する露出に関して正規化し、対応する正規化画素値を得るステップとを含むことを特徴とする、高ダイナミックレンジの画像化方法。
- 請求項10に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記画像センサを、空間的に変化する露出を使用して露出するステップが、前記画像センサの個々の1つ以上の光検出素子の前記シーンからの光に対する露出を各々が制御する複数の光透過セルを有するマスクを使用するステップであって、前記光検出素子の各々が、該光検出素子に入射する光が通過する前記マスクセルの透明度を示す対応する露出値を有する、ステップを含み、前記画像センサによって供給された画素値を正規化するステップが、前記画素値を前記露出値の関数によってマップし、対応する正規化画素値を得るステップを含むことを特徴とする高ダイナミックレンジの画像化方法。
- 請求項11に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記画素値を前記露出値の関数によってマッピングするステップが、前記画素値の各々を、前記画素値によって表される光の強度を受ける前記光検出素子に対応する前記露出値で割るステップを含むことを特徴とする高ダイナミックレンジの画像化方法。
- 請求項10に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記光検出素子に対応する前記露出値を固定し、さらに、前記正規化画素値を補間し、前記光検出素子のアレイに重なる第2アレイの個々の位置における補間画素値を得るステップを含むことを特徴とする高ダイナミックレンジの画像化方法。
- 請求項10に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記補間画素値を補間するステップが、補間フィルタを前記正規化画素値に用いるステップを含むことを特徴とする高ダイナミックレンジの画像化方法。
- 請求項13に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記正規化画素値を補間するステップが、前記光検出素子のアレイの各々の異なった領域における正規化画素値を別々に保管するステップを含み、各領域が、隣接する領域と重なると共に予め決められた数の前記光検出素子位置を包含することを特徴とする高ダイナミックレンジの画像化方法。
- 請求項15に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記光検出素子のアレイの各々の異なった領域における正規化画素値を別々に補間するステップが、各々、飽和画素値又は黒画素値に対応するものを除く前記領域におけるすべての正規化画素値の平均をとり、前記補間画素値の各々を得るステップを含むことを特徴とする高ダイナミックレンジの画像化方法。
- 請求項10に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記画像センサによって供給された画素値を、前記画素値を正規化するステップの前に、前記画像センサの応答関数に従って較正し、線形応答画素値を得るステップをさらに含むことを特徴とする高ダイナミックレンジの画像化方法。
- 請求項13に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記補間画素値を出力画像メモリに格納するステップをさらに含むことを特徴とする高ダイナミックレンジの画像化方法。
- 請求項11に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記シーンの画像を前記マスクにおいて投影するステップと、前記マスクを透過した前記シーンの画像を前記光検出素子のアレイにおいて投影するステップとをさらに含むことを特徴とする高ダイナミックレンジの画像化方法。
- 請求項19に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記マスクを透過した前記シーンの画像を前記光検出素子のアレイにおいて投影するステップが、前記マスクと光拡散器とを透過した前記シーンの画像を前記光検出素子のアレイにおいて投影するステップを含むことを特徴とする高ダイナミックレンジの画像化方法。
- 請求項11に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、各々の光検出素子に対応する前記露出値を、個々の露出制御信号を前記マスクに用いることによって変更可能とし、前記画像センサによって得られた前記画素値から、前記画像センサからの飽和画素値及び黒画素値の数を最小にする露出制御信号を計算するステップと、前記計算された露出制御信号を前記マスクに用いるステップと、前記正規化ステップにおいて使用する、前記用いられた露出制御信号に対応する露出値を供給するステップとをさらに含むことを特徴とする高ダイナミックレンジの画像化方法。
- 請求項21に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記正規化画素値を出力画像メモリに格納するステップをさらに含むことを特徴とする高ダイナミックレンジ画像化方法。
- 請求項21に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記用いられた露出制御信号に対応する前記露出値を、平滑化フィルタを前記露出値に用いることによって平滑化し、前記正規化画素値に対応する平滑化露出値を得るステップと、
前記平滑化露出値を前記正規化画素値に、各々の正規化画素値に対応する平滑化露出値を掛けることによって再適用し、モニタ画像画素値を得るステップと、
前記モニタ画像画素値をモニタ画像メモリに格納するステップとをさらに含むことを特徴とする高ダイナミックレンジの画像化方法。 - 請求項21に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記露出制御信号を計算するステップが、露出制御信号を計算し、前記画像センサによって供給された平均画素値の信号対雑音比を最大にするステップを含むことを特徴とする高ダイナミックレンジ画像化方法。
- 請求項21に記載の高ダイナミックレンジの画像化方法において、前記露出制御信号を計算するステップが、露出制御信号を計算し、前記対応する露出値の空間的平滑さを最大にするステップを含むことを特徴とする高ダイナミックレンジの画像化方法。
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