JP5155871B2 - モザイクドメインにおける画像向上 - Google Patents
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Description
本願は、本願の特許出願と同じ譲受人に譲受され、かつ、その開示内容が引用によって本願明細書に取り込まれている2005年11月10日出願の米国仮特許出願第60/735,520号の優先権の利益を主張する。
図1は、本発明の実施形態に係る電子画像処理カメラ20を概略的に例示するブロック図である。この特定の、単純化されたカメラの設計は、本発明の原理を明確かつ具体的にするために、一例として示すものである。しかしながら、本発明の原理はこの設計に制限されるものではなく、センサが異なる色の多数のサブ画像を生成した後に、これらのサブ画像を結合させて向上したカラー出力画像を生成するような異なる種類の画像処理システムにおける画像のボケを低減させる際にも適用されてもよい。
このセクションは、緑バランスユニット40の動作をより詳細に説明する。理論的には、GrおよびGb形の緑ピクセルに対応するセンサ要素の光感度は同一のはずであるが、実際には、この感度は、設計および製造上の公差により異なることがある。感度の差を補正できない場合、出力画像中に固定パターンアーティファクト(fixed-pattern artifact)を生じることがある。したがって、回路40は、GrまたはGbのいずれか(または両方)のピクセル値に補正係数を乗じる。
f=sumGreenRed/sumGreenBlue=1+ε (1)
ε=(sumGreenRed−sumGreenBlue)/sumGreenBlue (2)
(関与する値がゼロに近い)低照度状態でアーティファクトを生じるのを回避するために、回路40は、sumGreenRedおよびsumGreenBlueがある最小しきい値を越えるときだけfを計算する。さらに、εは、−1/32≦ε≦1/32といったように、緑インバランスのある予想される範囲に制限される。Gbのピクセルの値は、次の式(3)のようにfを乗じることによって補正される。
Gb_output=Gb*f (3)
次の計算では、このような補正値を元のGbのピクセル値に代入する。代替的には、補正係数を計算してGrのピクセル値の代わりに適用してもよく、またGbおよびGr両方を補正するために分割してもよい。
緑バランスの後、ピクセルを入力ボケ付きバイエル(IBB)バッファ42に挿入する。回路26が「オンザフライ(on the fly)」で動作し、ピクセル値の処理がセンサ24によって出力され、フィルタ60がL行の値(例えば、L=15)を含むカーネルを使用すると想定すると、バッファ42は入力ピクセル値のL個の完全な行を保持するように設計してよい。新しい各行がバッファに読み出されると、最も古い行がバッファから廃棄される。画像のマージンの近くのフィルタリングによるアーティファクトの生成を回避するために、実際の画像フレームの上、下、右および左にダミーピクセルの追加の行および列を追加する。
回路26のいくつかの適用分野では、前述のPCT国際出願WO2004/063989 A2号公報および米国特許出願第11/278,255号公報(2006年3月31日出願)にて説明されているように、光学装置22は比較的低品質で、画像センサ24上にボケのある画像を生成する。換言すれば、光学装置のPSFはいくつかの隣接ピクセルにわたって拡張し、光学装置は一種のローパス空間フィルタとして機能する。この結果、画像センサ24中の各々の検出素子は、隣接する検出素子の感知範囲と重なり合う画像被写体の範囲から収集された光を感知する。したがって、入力画像中のエッジおよび他の局所変化は平滑化されるので、あるピクセル値が同じ色の隣接ピクセルの値から大きく異なるということは物理的に不可能である。光学装置のPSFを使用して、あるピクセルの値と同じ色の隣接ピクセルとの間の差がしきい値より大きい場合に上記の差は確実に画像センサのノイズまたは欠陥に起因するものであるというようなしきい値を決定することができる。
エッジ検出ユニット48は何らかの適切なカーネルを使用して入力画像中のエッジの位置を検出してもよい。本願の発明者は、計算を簡素化するために、エッジ計算の際に当該ピクセルと同じ列または行のピクセルだけをエッジ検出カーネルに含めることが有利であることを発見した。代替的には、カーネルは対角線方向の要素を含んでもよい。いくつかのカーネルの例とエッジ検出手順を以下説明する。カーネルの最適な選択は、画像のコンテンツに依存すると共に、エッジの鮮明度と、OEMのエッジ範囲に残り得る残余ノイズとの間のトレードオフを図る際のユーザの好みに依存する。代替的には、ユニット48は当業技術分野で周知の他のエッジ検出方法を利用してもよい。
このエッジ検出器は、ピクセルp(i,j)の付近のエッジを高い解像度で検出する。次の式(5)中のピクセルは、図4に示す方式に従って表示されており、勾配の値(dx-1、dx+1、dy-1、およびdy+1)は以下のように計算される。
dx-1=|p(i,j)−p(i−2,j)|
dx+1=|p(i,j)−p(i+2,j)| (5)
dy-1=|p(i,j)−p(i,j−2)|
dy+1=|p(i,j)−p(i,j+2)|
拡大ユニット52に出力されるエッジ値e(i,j)は、ピクセルp(i,j)がエッジにある場合には1であり、他の場合には0であるので、勾配の値のいずれかがしきい値より大きい場合、すなわち、以下の式(6)に示す不等式のいずれかが真と評価される場合、e(i,j)=1である。
dx-1>Edge_threshold_value
dx+1>Edge_threshold_value (6)
dy-1>Edge_threshold_value
dy+1>Edge_threshold_value
このエッジ検出器は、高い解像度と誤検出を最小にした良好なステップ検出との間の折衷案を呈示するものである。この場合、勾配の値は次の式(7)によって与えられる。
dx-1=p(i−2,j)−p(i,j) gx-1=p(i−4,j)−p(i−2,j)
dx+1=p(i+2,j)−p(i,j) gx+1=p(i+4,j)−p(i+2,j)
dy-1=p(i,j−2)−p(i,j) gy-1=p(i,j−4)−p(i,j−2)
dy+1=p(i,j+2)−p(i,j) gy+1=p(i,j+4)−p(i,j−2)
(7)
このエッジ検出方法はステップエッジを検出する。これは,通常値2に設定されるエッジステップパラメータedge_stepを使用する。この方法の手順は以下の通りである。
●delta_minus1_x=|p(i−3*edge_step,j)−p(i−edge_step,j)|を計算する。
●delta_null_x=|p(i−edge_step,j)−p(i+edge_step,j)|を計算する。
●delta_plus1_x=|p(i+3*edge_step,j)−p(i+edge_step,j)|を計算する。
●delta_minus1_y=|p(i,j−3*edge_step)−p(i,j−edge_step)|を計算する。
●delta_null_y=|p(i,j−edge_step)−p(i,j+edge_step)|を計算する。
●delta_plus1_y=|p(i,j−3*edge_step)−p(i,j+edge_step)|を計算する。
次のいずれかの条件が満たされる場合、エッジ値e(i,j)は1に設定される。
delta_null_y−max(delta_minus1_y,delta_plus1_y)>Edge_Threshold_Value または
delta_null_x−max)delta_minus1_x,delta_plus1_x)>Edge_Threshold_Value
図5は、本発明の実施形態に係る拡大ユニット52により使用されるマスク100の概略図である。エッジ検出ユニット48は、各ピクセルについて決定されたエッジ値e(i,j)を含むエッジマップE(x,y)を出力する。拡大ユニット48は、マップ100を使用するエッジマップに対して形態学的膨張を適用し、これをW(x,y)と呼ぶこととする。この拡大ステップの出力は、次の式(9)に示すように、OEM(x,y)である。
OEM(x,y)=E(x,y)+W(x,y) (9)
上記で説明したように、このOEMは、スイッチング入力としてセレクタ56に印加される。
ノイズフィルタ54は、当該ピクセル値を、図4のピクセル92のような、同じ色の隣接ピクセルの値と平均するカーネルを使用する。フィルタは、次の式(10)(〔数3〕)のように出力ピクセル値を決定する。
Δv=|p(i,j−2)−p(i,j+2)|
Δh=|p(i−2,j)−p(i+2,j)| (11)
Δd1=|p(i−2,j−2)−p(i+2,j+2)|
Δd2=|p(i−2,j+2)−p(i+2,j−2)|
(垂直差分の項Δvをカーネル係数v(i,j)と混同しないこと)。
●Δv>thvhであれば、v(i,j±2)はノイズの除去に関係せず、対応するvpの値は0である。
●Δh>thvhであれば、v(i±2,j)はノイズの除去に関係せず、対応するvpの値は0である。
●Δd1>thvhであれば、v(i+2,j+2)およびv(i−2,j−2)はノイズの除去に関係せず、対応するvfの値は0である。
●Δd2>thdであれば、v(i−2,j+2)およびv(i+2,j−2)はノイズの除去に関係せず、対応するvfの値は0である。
フィルタ54は上記の条件を満たすような、各々のピクセルで使用されるカーネルを選択する。この目的で使用され得る9つのフィルタカーネルの組み合わせの例を以下の付録Aに記載する。当業者にとって明らかなように、他のノイズ除去フィルタカーネル(動的または静的)を同様に使用してもよい。
図7は、本発明の実施形態に係るセレクタ56によりDCF60に入力されるピクセル値に適用されるDCFカーネル122の集合120の概略図である。この例では、1600×1200ピクセルの入力画像を各々の100×100ピクセルの192のセグメントに分割するものと想定する。DCF60は、画像中の対応する位置での局所的なPSFに応じて、(K0、K1、...、K32として識別される)異なるカーネル122を適用する。光学装置22は円対称なので、PSFの変化も画像平面にわたって対称的であると想定され、この構成で記憶して使用される必要がある異なるカーネルは33のみである。中央領域124は、すべて21カーネルの同じ集合を使用し、周辺領域126は、12カーネルの別の集合を使用する。代替的には、カーネルを割り当てる目的で、画像範囲はより多数またはより少数のセグメントに分割してもよく、また単一のDCFカーネルを画像全体に適用してもよい。
以下の〔表2〕および〔表3〕は、異なるエッジ条件での例示的なノイズフィルタ係数値を示す。各々のフィルタ中の全ての係数の合計は1であるので、平均ピクセル値はフィルタリングの後でも変化しない。以下の〔表2〕および〔表3〕の例では、フィルタ54中にあり得るカーネルについての全ての係数値を明確に記載する。代替的には、係数の一部のみを暗黙的に付与するだけでもよく、残りは合計が1であるという条件によって推論される。簡素化のために、中心係数vcは、個々のカーネルで使用される他の全ての係数の合計を1から減算したものであると想定してもよい。
Claims (34)
- 各々のモザイク画像センサに入射されるような異なるそれぞれの色の光に応答する複数の入力サブ画像に属する入力ピクセル値のストリームを生成するように構成されるモザイク画像センサと、
各々の前記入力サブ画像中の入力ピクセル値を受信し、ディジタルフィルタリングを行って対応する複数の向上した出力サブ画像を生成するように接続されている画像回復回路と、
複数の前記出力サブ画像を受信し結合させてカラービデオ出力画像を生成するように接続されている画像信号プロセッサ(ISP)とを備え、
各々の前記入力サブ画像が入力ボケを有し、前記出力サブ画像が、前記画像回復回路によるフィルタリングの後、入力ボケより小さい出力ボケを有し、
さらに、入力ボケを生じる光学点広がり関数(PSF)を有する対物光学装置を有し、前記画像回復回路が、PSFに従って決定されたフィルタカーネルを有するデコンボリューションフィルタ(DCF)を備えることを特徴とする、画像処理装置。 - 前記入力サブ画像と前記出力サブ画像とが同一のフォーマットを有しており、それゆえに、前記ISPは、前記出力サブ画像または前記入力サブ画像のいずれかを受信し結合させるように接続されることが可能である、請求項1に記載の画像処理装置。
- 複数の前記入力サブ画像中の入力ピクセル値が、所定のインタリーブパターンで、前記モザイク画像センサが出力する単一の入力ピクセルストリームにインタリーブされ、前記出力サブ画像が、前記画像回復回路が前記所定のインタリーブパターンに従って出力ピクセルストリームにインタリーブされる出力ピクセル値を備える、請求項2に記載の画像処理装置。
- PSFが前記モザイク画像センサの平面にわたって変化し、前記画像回復回路が、前記モザイク画像センサの平面にわたるPSFの変化に応じて前記モザイク画像センサの異なる範囲からの入力ピクセル値に異なるフィルタカーネルを適用するように配置される、請求項1に記載の画像処理装置。
- 前記画像回復回路が、前記入力サブ画像の特性に応じて入力ピクセル値に異なるフィルタカーネルを適用するように配置される、請求項1に記載の画像処理装置。
- 前記モザイク画像センサが、バイエルモザイクパターンに配置されるフィルタのアレイを備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載の画像処理装置。
- 入力ピクセル値が緑と青のピクセルが交互になった第1の行と、緑と赤のピクセルが交互になった第2の行とを備え、前記画像回復回路が、前記第1の行と前記第2の行との間の緑ピクセルの感度の変化を補償するように接続される緑バランスユニットを備える、請求項6に記載の画像処理装置。
- 感度の変化が前記モザイク画像センサの範囲にわたって不均一であり、前記緑バランスユニットが感度の不均一な変化に応じて不均一な補償を適用するように配置される、請求項7に記載の画像処理装置。
- さらに、所定のボケを伴って光の焦点を前記モザイク画像センサに合わせるように構成される対物光学装置を備え、前記画像回復回路が、各々の前記入力サブ画像中の隣接ピクセルの入力ピクセル値から、ボケに従って決定された最大差を越える値だけ異なる入力ピクセル値を有する不良ピクセルを識別して不良ピクセルの入力ピクセル値を補正するスパイク除去ユニットを備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載の画像処理装置。
- 前記画像回復回路が、各々の前記入力サブ画像に対するディジタルフィルタリングを行って前記入力サブ画像中のノイズを低減させるように配置されるノイズフィルタを備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載の画像処理装置。
- 前記ノイズフィルタが、前記入力サブ画像中の局所勾配の方向および大きさを決定し、その方向および大きさに応じてノイズを低減させる際に適用されるフィルタカーネルを選択するように配置される、請求項10に記載の画像処理装置。
- 前記画像回復回路が、前記ノイズフィルタによるノイズ低減を行った後に、前記入力サブ画像に対するフィルタリングを行うように配置されるデコンボリューションフィルタ(DCF)を備える、請求項10に記載の画像処理装置。
- 前記画像回復回路が、前記入力サブ画像中のエッジ領域を識別して、前記DCFがエッジ領域内ではノイズフィルタリングなしに入力ピクセル値を受信し、エッジ領域外では前記ノイズフィルタからノイズを低減させた入力ピクセル値を受信するように前記DCFへの入力を制御するように配置されるエッジ検出器を備える、請求項12に記載の画像処理装置。
- 前記エッジ検出器がエッジピクセルを検出するように配置され、前記画像回復回路が、エッジピクセルの周囲のエッジ領域にピクセルを追加することによってエッジ領域を拡大するように配置される拡大ユニットを備える、請求項13に記載の画像処理装置。
- 前記拡大ユニットが、前記エッジ検出器から前記入力サブ画像の中で第1のものにおけるエッジピクセルの識別情報を受信して、エッジ領域に前記入力サブ画像の中で少なくとも第2のものにおけるエッジピクセルの付近のピクセルを追加するように配置される、請求項14に記載の画像処理装置。
- 前記画像回復回路が、前記入力サブ画像を所定のサイズのカーネルとコンボリューションするように配置されるディジタルフィルタと、前記入力サブ画像の周囲のピクセル値の、フィルタカーネルのサイズに応じて選択された幅を有するマージンを追加するように配置されるフレーミング拡張ユニットとを備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載の画像処理装置。
- 複数の前記入力サブ画像中の入力ピクセル値が所定のインタリーブパターンで、前記モザイク画像センサが出力する単一の入力ピクセルストリームにインタリーブされ、前記画像回復回路が、各々の前記入力サブ画像を、インタリーブパターンに応じてマスクされたそれぞれのカーネルとコンボリューションし、各々の前記入力サブ画像を他の入力サブ画像と別個にフィルタリングするように配置されるディジタルフィルタを備える、請求項1〜5のいずれか一項に記載の画像処理装置。
- モザイク画像センサから、各々の前記モザイク画像センサに入射されるような異なるそれぞれの色の光に応答する複数の入力サブ画像に属する入力ピクセル値のストリームを受信するステップと、
各々の前記入力サブ画像中の入力ピクセル値に対するディジタルフィルタリングを行って対応する複数の向上した出力サブ画像を生成するステップと、
画像信号プロセッサ(ISP)において前記出力サブ画像を結合させてカラービデオ出力画像を生成するステップとを有し、
各々の前記入力サブ画像が入力ボケを有し、前記入力ピクセル値に対するディジタルフィルタリングを行う前記ステップが、前記出力サブ画像が入力ボケより小さい出力ボケを有するように各々の前記入力サブ画像中の入力ピクセル値を処理するステップを含み、
入力ボケを生じる光学点広がり関数(PSF)を有する対物光学装置によって光の焦点が前記モザイク画像センサに合わせられ、前記入力ピクセル値を処理する前記ステップが、PSFに従って決定されたフィルタカーネルを有するデコンボリューションフィルタ(DCF)を各々の前記入力サブ画像中の入力ピクセル値に適用するステップを含むことを特徴とする、画像処理を行う方法。 - 前記入力サブ画像と前記出力サブ画像とが同一のフォーマットを有しており、それゆえに、前記ISPは、前記出力サブ画像または前記入力サブ画像のいずれかを受信し結合させるように接続されることが可能である、請求項18に記載の方法。
- 複数の前記入力サブ画像中の入力ピクセル値が、所定のインタリーブパターンで、前記モザイク画像センサが出力する単一の入力ピクセルストリームにインタリーブされ、前記入力ピクセル値に対するディジタルフィルタリングを行う前記ステップが、前記所定のインタリーブパターンに従って出力ピクセルストリーム中の前記出力サブ画像の出力ピクセル値をインタリーブするステップを含む、請求項19に記載の方法。
- PSFが前記画像センサの平面にわたって変化し、前記DCFを適用する前記ステップが、前記モザイク画像センサの平面にわたるPSFの変化に応じて前記モザイク画像センサの異なる範囲からの入力ピクセル値に異なるフィルタカーネルを適用するステップを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記DCFを適用する前記ステップが、前記入力サブ画像の特性に応じて入力ピクセル値に異なるフィルタカーネルを適用するステップを含む、請求項18に記載の方法。
- 前記モザイク画像センサが、バイエルモザイクパターンに配置されるフィルタのアレイを有する、請求項18〜22のいずれか一項に記載の方法。
- 入力ピクセル値が緑と青のピクセルが交互になった第1の行と、緑と赤のピクセルが交互になった第2の行とを備え、さらに、入力ピクセル値に対するディジタルフィルタリングを行う前に、入力ピクセル値を処理して前記第1の行と前記第2の行との間の緑ピクセルの感度の変化を補償するステップを有する、請求項23に記載の方法。
- 感度の変化が前記モザイク画像センサの範囲にわたって不均一であり、前記入力ピクセル値を処理する前記ステップが、感度の不均一な変化に応じて不均一な補償を適用するステップを含む、請求項23に記載の方法。
- 所定のボケを伴う対物光学装置によって光の焦点が前記モザイク画像センサに合わせられ、さらに、各々の前記入力サブ画像中の隣接ピクセルの入力ピクセル値から、ボケに従って決定された最大差を越える値だけ異なる入力ピクセル値を有する不良ピクセルを識別するステップと、不良ピクセルの入力ピクセル値を補正するステップとを有する、請求項18〜22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記入力ピクセル値に対するディジタルフィルタリングを行う前記ステップが、各々の前記入力サブ画像を処理して前記入力サブ画像中のノイズを低減させるステップを含む、請求項18〜22のいずれか一項に記載の方法。
- 各々の前記入力サブ画像を処理する前記ステップが、前記入力サブ画像中の局所勾配の方向および大きさを決定するステップと、その方向および大きさに応じてノイズを低減させる際に適用されるフィルタカーネルを選択するステップとを含む、請求項27に記載の方法。
- 前記入力ピクセル値に対するディジタルフィルタリングを行う前記ステップが、各々の前記入力サブ画像を処理してノイズを低減させた後に、デコンボリューションフィルタ(DCF)を適用して前記入力サブ画像に対するフィルタリングを行うステップを含む、請求項27に記載の方法。
- 前記DCFを適用する前記ステップが、前記入力サブ画像中のエッジ領域を識別するステップと、前記DCFが、エッジ領域内では、ノイズを低減させる処理なしに入力ピクセル値を受信し、エッジ領域外では、ノイズを低減させる処理を行った後に、ノイズを低減させた入力ピクセル値を受信するように前記DCFへの入力を制御するステップとを含む、請求項29に記載の方法。
- 前記エッジ領域を識別する前記ステップが、エッジピクセルを検出するステップと、エッジピクセルの周囲のエッジ領域にピクセルを追加することによってエッジ領域を拡大するステップとを含む、請求項30に記載の方法。
- 前記エッジ領域を拡大する前記ステップが、前記入力サブ画像の中で第1のものにおけるエッジピクセルを検出するステップと、エッジ領域に前記入力サブ画像の中で少なくとも第2のものにおけるエッジピクセルの付近のピクセルを追加するステップとを含む、請求項31に記載の方法。
- 前記入力ピクセル値に対するディジタルフィルタリングを行う前記ステップが、前記入力サブ画像を所定のサイズのカーネルとコンボリューションするステップを含み、さらに、入力ピクセル値に対するディジタルフィルタリングを行う前に、前記入力サブ画像の周囲のピクセル値の、フィルタカーネルのサイズに応じて選択された幅を有するマージンを追加するステップを含む、請求項18〜22のいずれか一項に記載の方法。
- 複数の前記入力サブ画像中の入力ピクセル値が所定のインタリーブパターンで、前記モザイク画像センサが出力する単一の入力ピクセルストリームにインタリーブされ、前記入力ピクセル値をインタリーブする前記ステップが、各々の前記入力サブ画像を、インタリーブパターンに応じてマスクされたそれぞれのカーネルとコンボリューションし、各々の前記入力サブ画像を他の入力サブ画像と別個にフィルタリングするステップを含む、請求項18〜22のいずれか一項に記載の方法。
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