JP5197423B2 - 画像処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は、入力映像信号に対してノイズ低減を行うのに好適な画像処理装置に関するものである。
従来、映像信号のノイズを低減する方法として、ノイズの発生量をモデル化し、そのノイズモデルに基づいて入力映像信号に対するノイズの発生量を推定してノイズ低減処理を行う方法が提案されている。例えば、特開2005−303802号公報では、入力映像信号と基準ノイズモデルに基づきノイズ量を算出する方法が提案されている。
特開2005−303802号公報
しかしながら、特開2005−303802号公報に開示されている方法では、以下のような理由により、暗い箇所でのノイズは、ほとんど低減されないという問題があった。
例えば、基準ノイズモデルを用いたノイズ低減の場合、撮像素子に対応したノイズ量は、入力される映像信号が明るくなるほど増加することとなる。従って、基準ノイズモデルを用いてノイズ低減を行うと、明るい箇所ではノイズ量が多いと判断され、ノイズ低減効果は向上されるが、暗い箇所でのノイズ低減効果はあまり得られなかった。
本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、暗い箇所等の所定の信号値領域と、それ以外の領域に対してノイズ低減の効果に差を与えることのできる画像処理装置、画像処理方法及び画像処理プログラムを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
本発明は、撮像素子から入力される画像信号の信号値とノイズ量との関係を示し、前記信号値が大きくなるほど前記ノイズ量が大きくなる基準ノイズモデルが前記撮像素子の特性に応じて定められており、複数の撮影モードの中から一つの撮影モードを選択する撮影モード選択手段と、該撮影モード選択手段によって選択された撮影モードが、特定の撮影モードであった場合に、前記画像信号のうち、前記撮影モードに応じて定められた閾値以下の信号値を示す領域を信号値領域として設定する信号値領域設定手段と、前記画像信号のうち前記信号値領域以外の領域については前記基準ノイズモデルに基づいてノイズ量を算出すると共に、前記信号値領域について前記撮影モード選択手段によって選択された撮影モードに応じた前記基準ノイズモデルに対してノイズ量を増加させるように変更した適応ノイズモデルに基づいてノイズ量を算出し、前記信号値領域設定手段により前記信号値領域が設定されなかった場合には、前記画像信号の全領域について前記基準ノイズモデルに基づいてノイズ量を算出するノイズ量算出手段と、前記ノイズ量算出手段で算出されたノイズ量に基づいて、前記画像信号のノイズ低減処理を行うノイズ低減処理手段と、を具備することを特徴とする画像処理装置である。
本発明の第二の態様は、複数の撮影モードの中から一つの撮影モードを選択する処理と、前記選択された撮影モードが、特定の撮影モードであった場合に、所定の信号値領域については撮像素子の特性から決まる基準ノイズモデルとは異なるノイズモデルを採用した適応ノイズモデルを用いて、入力された画像信号のノイズ低減処理を行う処理とをコンピュータに実行させるための画像処理プログラムである。
本発明の第三の態様は、複数の撮影モードの中から一つの撮影モードを選択する過程と、前記選択された撮影モードが、特定の撮影モードであった場合に、所定の信号値領域については撮像素子の特性から決まる基準ノイズモデルとは異なるノイズモデルを採用した適応ノイズモデルを用いて、入力された画像信号のノイズ低減処理を行う過程とを有することを特徴とする画像処理方法である。
本発明は、暗い箇所でのノイズの低減効果を向上させることができるという効果を奏する。
本発明の第1および第2の実施形態に係る画像処理装置の構成例を示した図である。 図1に示した基準ノイズモデルが関数で示される場合の適応ノイズモデル設定部の概略構成を示した図である。 離散的な点で示された基準ノイズモデルの図である。 基準ノイズモデルが離散的な点で示される場合の、適応ノイズモデルの一例を示した図である。 基準ノイズモデルが関数で示される場合の、適応ノイズモデルの一例を示した図である。 基準ノイズモデルが離散的な点で示される場合の、適応ノイズモデルの一例を示した図である。 基準ノイズモデルが離散的な点で示される場合の、適応ノイズモデルの一例を示した図である。 関数で示された基準ノイズモデルが複数ある場合の一例を示した図である。 本発明の第1および第2の実施形態に係る処理の動作フローを示した図である。 適応ノイズモデル設定処理の動作フローを示した図である。
以下に、本発明に係る画像処理装置の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
〔第1の実施形態〕
図1は、本発明の第1の実施形態に係る撮像システムの一構成例を示したブロック図である。本実施形態の撮像システムは、例えば、デジタルカメラであり、レンズ系101、CCD102を備える撮像装置と、撮像装置によって取得された画像信号にノイズ低減処理等の種々の画像処理を施す画像処理装置とを備えている。
撮像システムの画像処理装置において、A/D変換部103は撮影モード選択部104に接続されている。撮影モード選択部104はバッファ105、信号値領域設定部106に接続されている。バッファ105はノイズ量算出部109とノイズ低減処理部110に接続されている。信号値領域設定部106は適応ノイズモデル設定部108に接続されている。基準ノイズモデル記憶部107は基準ノイズモデル選択部114に接続されている。基準ノイズモデル選択部114は、適応ノイズモデル設定部108に接続されている適応ノイズモデル設定部108はノイズ量算出部109に接続されている。ノイズ量算出部109はノイズ低減処理部110に接続されている。ノイズ低減処理部110は出力部111に接続されている。
また、マイクロコンピュ−タなどの制御部112はA/D変換部103、撮影モード選択部104、信号値領域設定部106、基準ノイズモデル記憶部107、適応ノイズモデル設定部108、ノイズ量算出部109、ノイズ低減処理部110、出力部111と双方向に接続されている。また、電源スイッチ、変数設定を行うためのインターフェースを備えた外部インターフェース(以下、I/Fと省略する)部113も制御部112と双方向に接続されている。
A/D変換部103は、レンズ系101、CCD(撮像素子)102を介して入力されたアナログ画像信号を、デジタル画像信号に変換し、デジタル画像信号に変換後の入力画像信号を撮影モード選択部104に出力する。
撮影モード選択部104は、予め複数の撮影モードを保有しており、この中から外部I/F部113からユーザによって入力された撮影モードを選択する。さらに、A/D変換部103より取得した入力画像信号に対して、選択した撮影モードに応じた画像処理を施し、信号値領域設定部106およびバッファ105に出力する。例えば、撮影モードとは通常のモードの他には、花火モードおよび夜景モードのような輝度差が大きい被写体を撮影するのに適したモードが挙げられる。
バッファ105は、撮影モードに応じた画像処理が施された画像信号および撮影モードの情報を一時的に格納し、ノイズ量算出部109及びノイズ低減処理部110に出力する。
信号値領域設定部106は、特定の撮影モードに関し、撮影モードと信号値領域を設定するための閾値とが対応付けられた情報を保有しており、撮影モード選択部104によって選択された撮影モ−ドが該特定の撮影モードに該当する場合に限って、該撮影モードに対応する閾値を抽出し、該閾値以下の信号値領域を所定の信号値領域と設定して適応ノイズモデル設定部108に出力する。このため、撮影モード選択部104によって選択された撮影モードが予め登録されている特定の撮影モードに該当しなかった場合には、所定の信号領域の情報が信号値領域設定部106から適応ノイズモデル設定部108に出力されないこととなる。
基準ノイズモデル記憶部107は、CCD102の特性から決まる基準ノイズモデルを複数格納している。具体的には、基準ノイズモデルには、CCD102の種別と撮影モードとに対応した基準ノイズモデルが格納されている。図3に基準ノイズモデルの一例を示す。図3において横軸は信号値、縦軸はノイズ量であり、図3は信号値が大きくなるにつれてノイズ量が大きくなることを示している。
基準ノイズモデル選択部114は、基準ノイズモデル記憶部107に格納されている複数の基準ノイズモデルから、入力画像信号が取得されたときに用いられたCCD102と撮影モードとに対応する基準ノイズモデルを選択する。基準ノイズモデル選択部114により選択された基準ノイズモデルは、適応ノイズモデル設定部108に出力される。
適応ノイズモデル設定部108は、信号値領域設定部106により所定の信号値領域が入力された場合には、基準ノイズモデル選択部114から入力された基準ノイズモデルにおける所定の信号値領域のノイズモデルを変更し、これを適応ノイズモデルとして設定する。これにより、所定の信号値領域に対するノイズモデルと所定の信号値領域以外の信号値領域に対するノイズモデルとが異なる適応ノイズモデルを設定することが可能となる。また、このとき適応ノイズモデル設定部108は、所定の信号値領域と所定の信号値領域以外の信号値領域との境界におけるノイズ量が一致するように適応ノイズモデルを設定する。
これにより、入力された画像信号のうち、暗い箇所などの所定の信号値領域と、所定の信号値領域以外の信号値領域とに対するノイズ低減の効果に差を与えることができる。一方、適応ノイズモデル設定部108は、信号値領域設定部106により所定の信号値領域の情報が入力されなかった場合には、基準ノイズモデル選択部114から入力された基準ノイズモデルをそのままノイズ量算出部109に出力する。
以下、適応ノイズモデル設定部108について、図2を用いて詳しく説明する。
図2に示されるように、適応ノイズモデル設定部108は、関数設定部301、適応ノイズモデル作成部302を備えて構成されている。
関数設定部301は、基準ノイズモデル選択部114から取得した基準ノイズモデルの所定の信号値領域のノイズモデルを変換するための関数を設定する。この関数は、以下の(1)式で与えられる。
f(x)´=α・f(x)+β (1)
上記(1)式において、f(x)´は変換後のノイズモデル、f(x)は変換前の基準ノイズモデル、αは負の係数、βは正の係数である。また、上記(1)式は、例えば、図5のように示される。
上記(1)式は、基準ノイズ選択部114から取得した基準ノイズモデルに対し、負の係数αを乗算するとともに正の値βを加算する関数である。この負の係数α及び正の値βは、ユーザにより外部I/F部113を通して設定可能とされていてもよいし、撮影モードに応じて予め既定されていてもよい。
適応ノイズモデル作成部302は、関数設定部301によって設定された上記(1)式で表される関数を用いて、基準ノイズモデルの所定の信号値領域のノイズモデルを変換し、適応ノイズモデルを作成する。これにより、適応ノイズモデルは、所定の信号値領域のノイズモデルが上記関数で表され、所定の信号値領域以外の信号値領域のノイズモデルに基準ノイズモデルがそのまま採用されたノイズモデルとなる。このとき、適応ノイズモデル作成部302は、所定の信号値領域と所定の信号値領域以外の信号値領域の境界におけるノイズ量が一致するように適応ノイズモデルを作成する。
こうして作成された適応ノイズモデルは、ノイズ量算出部109に出力される。なお、上述したように、信号値領域設定部106により所定の信号値領域の情報が入力されなかった場合、つまり、撮影モードが予め登録されている特定の撮影モードに該当しなかった場合には、適応ノイズモデル設定部108は、上述の適応ノイズモデルの設定処理を行うことなく、基準ノイズモデル選択部114から入力された基準ノイズモデルをそのままノイズ量算出部109に出力する。
ノイズ量算出部109は、適応ノイズモデル設定部108により設定された適応ノイズモデルに基づいて各信号値に対するノイズ量を算出し、ノイズ低減処理部110に出力する。
ノイズ低減処理部110は、バッファ105に格納されている入力画像信号を読み出し、この入力画像信号に対しノイズ量算出部109により算出されたノイズ量に基づいてノイズ低減処理を施す。ノイズ低減処理が施された画像信号は、出力部111に出力される。
出力部111は、ノイズ低減処理部110によりノイズ低減処理が施された画像信号をメモリカードなどの記録媒体に記録および保存する。
次に、上記構成を備える画像処理システムの作用について説明する。
外部I/F部113を介して、撮像サイズなどの撮影条件が設定された後、ユーザにより撮影が行われると、被写体の光情報がレンズ系101、CCD102によりアナログ画像信号に変換され、A/D変換部103に入力される。A/D変換部103に入力されたアナログ信号である入力画像信号はデジタル画像信号に変換され、変換後の入力画像信号が撮影モード選択部104に出力される。撮影モード選択部104では、当該入力画像信号が取得されたときの撮影モードが判別されるとともに、この撮影モードに応じた画像処理が入力画像信号に施される。画像処理後の入力画像信号は、撮影モードの情報とともに、バッファ105、信号値領域設定部106、基準ノイズモデル選択部114に出力される。
バッファ105では、撮影モードの情報および入力画像信号が一時的に格納された後、ノイズ量算出部109及びノイズ低減処理部110に出力される。信号値領域設定部106では、撮影モード選択部104により選択された撮影モードが、特定の撮影モードの場合に、その撮影モードに対応する所定の信号値領域が選択され、適応ノイズモデル設定部108に出力される。基準ノイズモデル選択部114では、CCD102に対応する基準ノイズモデルが基準ノイズモデル記憶部107から抽出され、適応ノイズモデル設定部108に出力される。
適応ノイズモデル設定部108では、信号値領域設定部106により所定の信号値領域の情報が入力された場合には、基準ノイズモデル選択部114から入力された基準ノイズモデルのうち、所定の信号値領域のノイズモデルが上記(1)式に示した関数により変換されることにより適応ノイズモデルが作成され、この適応ノイズモデルがノイズ量算出部109に出力される。一方、信号値領域設定部106から所定の信号値領域の情報が入力されなかった場合には、適応ノイズモデル設定部108による適応ノイズモデルの作成処理は行われず、基準ノイズモデル選択部114から入力された基準ノイズモデルがそのままノイズ量算出部109に出力される。
ノイズ量算出部109では、適応ノイズモデル設定部108により設定された適応ノイズモデルに基づいてノイズ量が算出され、算出されたノイズ量がノイズ低減処理部110に出力される。ノイズ低減処理部110では、バッファ105に一時的に格納された入力画像信号に対し、ノイズ量算出部109により算出されたノイズ量に基づいてノイズ低減処理が施され、ノイズ低減処理が施された画像信号は出力部111に出力される。出力部111では、ノイズ低減処理された画像信号がメモリカ−ドなどの記録媒体に記録保存される。
なお、上述した実施形態においては、レンズ系101、CCD102を含む撮像装置を一体化した構成の撮像システムについて説明したが、このような構成に限定される必要はなく、撮像装置が別体であっても構わない。
すなわち、別体の撮像装置により撮像され、未処理のロー(RAW)データの形態でメモリカード等の記録媒体に記録された画像信号を、画像処理装置が該記録媒体から読み出して処理することとしてもよい。
ただし、このときには、撮影時の情報(ISO感度やホワイトバランス係数など)が、ヘッダ部等に記録されているものとする。なお、別体の撮像装置から画像信号処理装置への各種情報の伝送は、記録媒体を介して行う態様に限らず、通信回線等を介して行うようにしてもよい。
さらに、本実施形態においては、ハードウェアによる画像信号処理を前提としていたが、このような構成に限定される必要はない。例えば、CCD102からの信号を未処理のままのロー(RAW)データとしてメモリカード等のコンピュータ読取可能な記録媒体に記録すると共に、制御部112からの撮影時の情報(ISO感度やホワイトバランス係数など)をヘッダ情報として記録媒体に記録しておく。そして、別途のソフトウェアである画像信号処理プログラムをコンピュータに実行させて、記録媒体の情報をコンピュータに読み取らせ、処理することも可能である。
また、撮像装置からコンピュータへの各種情報の伝送は、上述と同様に、記録媒体を介して行うに限らず、通信回線等を介して行うようにしても構わない。
以下、コンピュータが画像処理プログラムを実行することにより実現される画像処理方法の処理手順について図9を参照して説明する。図9は、上述した画像処理装置により実現される画像信号処理に関する動作フローを示した図である。
まず、入力画像信号およびヘッダ情報が入力されると(ステップSA1−1)、このヘッダ情報に基づいて撮影モ−ドを選択する(ステップSA1−2)。続いて、ステップSA1−2で選択した撮影モ−ドに対応する基準ノイズモデルを設定し(ステップSA1−3)、更に、信号値領域を設定する(ステップSA1−4)。続いて、ステップSA1−3において選択された基準ノイズモデル及びステップSA1−4で設定された所定の信号値領域を用いて適応ノイズモデルを設定し(ステップSA1−5)、該適応ノイズモデルを用いて入力画像信号のノイズ量を算出し(ステップSA1−6)、算出したノイズ量を元にノイズ低減処理を行う(ステップSA1−7)。ステップSA1−7で処理されたノイズ低減後の画像信号を出力し、本処理を終了する(ステップSA1−8)。
図10は、上記ステップSA1−5における適応ノイズモデル設定処理に関する動作フローである。まず、基準ノイズモデルを変換するための関数を設定する(ステップSA2−1)。続いて、ステップSA2−1で設定した関数を用いて適応ノイズモデルを作成する(ステップSA2−2)。
以上、説明してきたように、本実施形態に係る画像処理装置及び方法並びにプログラムによれば、所定の信号値領域に対するノイズモデルと所定の信号値領域以外の信号値領域に対するノイズモデルとを異ならせるので、所定の信号値領域と、所定の信号値領域以外の信号値領域とに対するノイズ低減の効果に差を与えることが可能となる。これにより、入力画像信号のうち、暗い箇所などの撮影モードに応じた所定の信号値領域に対し、より確実にノイズ低減処理を施すことができ、入力画像信号に最適なノイズ低減処理を行うことが可能となる。
〔変形例1〕
本実施形態では、関数設定部が上記(1)式で表すような関数を設定することとしたが、この関数式は、この例に限定されない。例えば、以下の(2)式に示すように、所定の信号値領域においてノイズ量をf(i)で一定とする関数を設定することとしてもよい。
f(x)´=f(i) (2)
なお、例えば、上記(2)式は、図4のように示される。また、上記(2)式において、f(x)´は変換後のノイズモデル、f(i)は、所定の信号値領域と該所定の信号値領域以外の信号値領域との境界iにおける基準ノイズモデルのノイズ量である。
〔変形例2〕
また、上記本実施形態では、基準ノイズモデルは関数で表される連続的な値としていたが、この例に限定されない。例えば、離散的な複数の信号値とその信号値に対するノイズ量の情報と、該ノイズ量間を結ぶ直線の傾斜情報とによって基準ノイズモデルが表されていてもよい。このような基準ノイズモデルは、例えば、図6のように示される。この場合には、適応ノイズモデル設定部108は、これらの値から連続的な値として表される基準ノイズモデルを作成し、これを用いて適応ノイズモデルを作成する。
〔変形例3〕
本実施形態では、適応ノイズモデルの所定の信号値領域以外の信号値領域においては、基準ノイズモデルに処理を施さずに、基準ノイズモデルをそのまま設定することとしていたが、この例に限定されない。例えば、所定の信号値領域以外の信号値領域においてノイズ量を0と設定することとしてもよい。例えば、図7のように示される。
なお、本実施形態では、デジタルカメラに本発明の画像処理装置を適用する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、動画像を想定したその他の撮像システムに適用することも可能である。
また、本実施形態では、信号値領域の設定方法については、特定の撮影モードに対し予め保有されている閾値に基づいて設定していたが、それに限定することではなく、外部I/F部113を通じて、ノイズ低減の効果を高めたい部分の信号値領域を設定する閾値を、ユ−ザが手動で設定することとしてもよい。
また、本実施形態では、適応ノイズモデルの設定において、特定の撮影モードの場合に基準ノイズモデルに基づき、関数を用いてノイズ量の変換処理を行うことで、適応ノイズモデルを設定していたが、これに限定されることではなく、始めから所定の信号値領域と所定の信号値領域以外の信号値領域とのノイズモデルが異なる適応ノイズモデルを登録しておき、撮影モードに応じて既定の適応ノイズモデルを抽出し、設定することとしてもよい。
〔第2の実施形態〕
次に、本発明の第2の実施形態に係る画像処理装置について図を参照して説明する。
本実施形態においては、本発明の画像処理装置を内視鏡装置に適用した場合について説明する。以下、本実施形態に係る画像処理装置について、第1の実施形態と共通する点については説明を省略し、異なる点について主に説明する。
図1は、本発明の第2の実施形態にかかる画像処理装置の一構成例を示したブロック図である。図1に示すように、本実施形態に係る画像処理装置では、上述した第1の実施形態において備えている各部は同様であるが、図1のレンズ系101、CCD102は内視鏡スコープに含まれる。
内視鏡装置においては、撮影モードは、通常光により撮影観察される通常撮影モードと、特殊光により撮影観察される特殊撮影モードとがある。例えば、特殊撮影モードの一例としては、周知の狭帯域光観察(NBI)がある。
また、基準ノイズモデル記憶部107には、上記撮影モードや各内視鏡スコープに対応した複数の基準ノイズモデルが格納される。このとき、照度に応じてゲインが自動的に変化する場合は、更に、ゲイン毎に基準ノイズモデルが格納されていてもよい。
図8に、基準ノイズモデルの一例を示す。図8において横軸は信号値、縦軸はノイズ量であり、信号値が大きくなるにつれてノイズ量が大きくなる特性を有している。この特性は、撮影モードや内視鏡スコープの種別、ゲインに応じて異なる。
また、本実施形態においては、基準ノイズモデル選択部114が、複数の基準ノイズモデルの中から、撮影モード、設置された内視鏡スコープ、ゲインに対応する基準ノイズモデルを選択することとなる。
以上説明してきたように、本実施形態に係る画像処理装置および方法並びにプログラムによれば、所定の信号値領域に対するノイズモデルと所定の信号値領域以外の信号値領域に対するノイズモデルとを異ならせるので、所定の信号値領域と、所定の信号値領域以外の信号値領域とに対するノイズ低減の効果に差を与えることが可能となる。これにより、例えば、狭帯域光観察(NBI)を用い、血管を高いコントラストで観察するような場合には、血液と粘膜表層とに対するノイズ低減の効果に差を与えることができ、病片観察の精度を向上させることが可能となる。
更に、入力画像における照度に応じてゲインが自動的に変化する場合には、ゲインに応じた基準ノイズモデルを選択することにより、照度に応じたノイズ低減を行うことが可能となる。これにより、例えば狭帯域光観察(NBI)を用いる場合には、病片観察の精度を向上させることが可能となる。
なお、本実施形態に係る撮像システムは、上述した第1の実施形態と同様に、撮像装置が別体とされた撮像システムであっても構わない。また、画像信号処理プログラムをコンピュータに実行させて同様の処理を行うようにしても良い。
なお、上述では、撮像システムの一例として、デジタルカメラ、内視鏡装置を例に挙げて説明したが、これに限定されることなく、本発明の画像処理装置及び方法並びにプログラムは、画像信号を処理するシステムに対して幅広く適用可能なものである。例えば、動画像を取り扱う動画デジタルカメラ等に適用することができる。
104 撮影モード選択部
106 信号値領域設定部
107 基準ノイズモデル記憶部
108 適応ノイズモデル設定部
109 ノイズ量算出部
110 ノイズ低減処理部
114 基準ノイズモデル選択部
301 関数設定部
302 適応ノイズモデル作成部

Claims (1)

  1. 撮像素子から入力される画像信号の信号値とノイズ量との関係を示し、前記信号値が大きくなるほど前記ノイズ量が大きくなる基準ノイズモデルが前記撮像素子の特性に応じて定められており、
    複数の撮影モードの中から一つの撮影モードを選択する撮影モード選択手段と、
    該撮影モード選択手段によって選択された撮影モードが、特定の撮影モードであった場合に、前記画像信号のうち、前記撮影モードに応じて定められた閾値以下の信号値を示す領域を信号値領域として設定する信号値領域設定手段と、
    前記画像信号のうち前記信号値領域以外の領域については前記基準ノイズモデルに基づいてノイズ量を算出すると共に、前記信号値領域について前記撮影モード選択手段によって選択された撮影モードに応じた前記基準ノイズモデルに対してノイズ量を増加させるように変更した適応ノイズモデルに基づいてノイズ量を算出し、前記信号値領域設定手段により前記信号値領域が設定されなかった場合には、前記画像信号の全領域について前記基準ノイズモデルに基づいてノイズ量を算出するノイズ量算出手段と、
    前記ノイズ量算出手段で算出されたノイズ量に基づいて、前記画像信号のノイズ低減処理を行うノイズ低減処理手段と、を具備することを特徴とする画像処理装置。
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