JP5327199B2 - Image processing method and image processing apparatus - Google Patents
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Description
本発明は画像処理方法及び画像処理装置に係り、特に1枚のフレーム単位の解像度変換を行う画像処理方法及び画像処理装置に関する。 The present invention relates to an image processing method and an image processing apparatus, and more particularly to an image processing method and an image processing apparatus that perform resolution conversion in units of one frame.
近年の表示装置の大型化・高精細化に伴い、映像コンテンツに関しても高解像度化が望まれている。新たに制作されるコンテンツに関して高精細な撮影がされる傾向があるのは当然ながら、旧来の非高解像度で制作されているコンテンツに関しても高解像度化された形で視聴したいという要求が高まっている。現状の多くのテレビ装置においても非高解像度コンテンツを補間技術により画素数のみについては高精細パネルに見合ったものに増加させているが、本来の意味での高解像度化は事実上行われていない。 With the recent increase in size and definition of display devices, higher resolution is also demanded for video content. Needless to say, there is a tendency for high-definition shooting of newly produced content, but there is a growing demand for viewing content that has been produced with conventional non-high resolution in a higher resolution form. . In many current television apparatuses, non-high-resolution content is increased by interpolation techniques to match only the number of pixels with a high-definition panel, but high resolution in the original sense has not been practically performed.
一方、低解像度画像から高解像度画像を生成する試みは古くから行われており、複数フレームの位置ずれを有する低解像度画像を統合して、高解像度画像を生成する手法については極めて幅広く検討されている。低解像度動画から高精細動画を作成する手法についても特許文献1記載の手法の他数多く検討されている。また、フレーム内での繰り返し部分や類似部分を利用した高解像度化技術も多数存在する。
On the other hand, attempts to generate a high-resolution image from a low-resolution image have been made for a long time, and a method for generating a high-resolution image by integrating low-resolution images having misalignment of multiple frames has been studied extremely widely. Yes. In addition to the technique described in
従来の高解像度化技術は、多くがフィルタによる補間もしくは類似部分の統合に依存している。フィルタによる補間においては、出力画像は一般的に平板なものになりがちであり、細部における原画の鮮鋭度をそのまま表現することは困難である。なお、「テクスチャ」とは、画像を構成する要素であり、単一の画素若しくは画素群で構成される。類似部分の統合による手法の場合、同一画像内でも成功する部分と失敗する部分があるような、むらのある仕上がりになりがちな傾向にある。いずれにしても入出力間のテクスチャパターンの類似性を安定的に確保することはできない。 Many conventional high resolution techniques rely on interpolation by filters or integration of similar parts. In interpolation using a filter, the output image generally tends to be flat, and it is difficult to express the sharpness of the original image in detail as it is. The “texture” is an element constituting an image, and is composed of a single pixel or a pixel group. In the case of a technique based on the integration of similar parts, the result tends to be uneven, with a part that succeeds and a part that fails even in the same image. In any case, the texture pattern similarity between input and output cannot be secured stably.
本発明は以上の点に鑑みなされたもので、拡大後の画像のテクスチャについて、拡大前の原画からの鮮鋭度の低下を極力抑えることが可能な画像処理方法及び画像処理装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and provides an image processing method and an image processing apparatus that can suppress a reduction in sharpness from an original image before enlargement as much as possible with respect to the texture of the image after enlargement. Objective.
上記の目的を達成するため、本発明の画像処理方法は、供給される画像から第1の所定数の画素からなる第1のブロック単位で第1の所定数の画素の画素値データを抽出する画像抽出ステップと、画像抽出ステップで抽出された第1の所定数の画素の画素値データの統計量を測定するテクスチャ測定ステップと、テクスチャ測定ステップで測定された第1の所定数の画素の画素値データの統計量と同等の統計量を有し、かつ、第1の所定数よりも多い第2の所定数の画素に相当する第2のブロックのサイズ分のノイズデータを発生するノイズ発生ステップと、ノイズ発生ステップで発生された第2の所定数のノイズデータからなる第2のブロックを複数のサブブロックに分割し、一つのサブブロックが第1のブロックの1画素に対応するものとして、第1のブロックの画素値とサブブロック内の画素値の平均との差を最小化し、かつ、ノイズデータの第2のブロック内の隣接画素間の画素値の差分総和を最小にするように、ノイズデータの並べ替えを行う並べ替えステップと、並べ替えステップによる並べ替え後のノイズデータを、拡大処理された画像として出力する出力ステップと、を含むことを特徴とする。 In order to achieve the above object, the image processing method of the present invention extracts pixel value data of a first predetermined number of pixels in a first block unit including a first predetermined number of pixels from a supplied image. An image extraction step, a texture measurement step for measuring a statistic of pixel value data of the first predetermined number of pixels extracted in the image extraction step, and a pixel of the first predetermined number of pixels measured in the texture measurement step A noise generating step for generating noise data corresponding to the size of the second block corresponding to a second predetermined number of pixels larger than the first predetermined number and having a statistic equivalent to the statistic of the value data And dividing the second block of the second predetermined number of noise data generated in the noise generation step into a plurality of sub-blocks, and one sub-block corresponds to one pixel of the first block Then, the difference between the pixel value of the first block and the average of the pixel values in the sub-block is minimized, and the difference sum of the pixel values between adjacent pixels in the second block of noise data is minimized. As described above, the present invention includes a rearrangement step for rearranging the noise data, and an output step for outputting the noise data after rearrangement by the rearrangement step as an enlarged image.
また、上記の目的を達成するため、本発明の画像処理装置は、供給される画像から第1の所定数の画素からなる第1のブロック単位で第1の所定数の画素の画素値データを抽出する画像抽出手段と、画像抽出手段で抽出された第1の所定数の画素の画素値データの統計量を測定するテクスチャ測定手段と、テクスチャ測定手段で測定された第1の所定数の画素の画素値データの統計量と同等の統計量を有し、かつ、第1の所定数よりも多い第2の所定数の画素に相当する第2のブロックのサイズ分のノイズデータを発生するノイズ発生手段と、ノイズ発生手段で発生された第2の所定数のノイズデータからなる第2のブロックを複数のサブブロックに分割し、一つのサブブロックが第1のブロックの1画素に対応するものとして、第1のブロックの画素値とサブブロック内の画素値の平均との差を最小化し、かつ、ノイズデータの第2のブロック内の隣接画素間の画素値の差分総和を最小にするように、ノイズデータの並べ替えを行う並べ替え手段と、並べ替え手段による並べ替え後のノイズデータを、拡大処理された画像として出力する出力手段と、を有することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the image processing apparatus of the present invention obtains pixel value data of a first predetermined number of pixels in a first block unit composed of a first predetermined number of pixels from a supplied image. Extracting image extracting means, texture measuring means for measuring the statistic of pixel value data of the first predetermined number of pixels extracted by the image extracting means, and first predetermined number of pixels measured by the texture measuring means Noise that generates noise data corresponding to the size of the second block corresponding to a second predetermined number of pixels larger than the first predetermined number and having a statistic equivalent to the statistic of the pixel value data of A second block composed of a generation unit and a second predetermined number of noise data generated by the noise generation unit is divided into a plurality of sub-blocks, and one sub-block corresponds to one pixel of the first block As the first block The noise data so as to minimize the difference between the pixel value of the pixel and the average of the pixel values in the sub-block, and to minimize the difference sum of the pixel values between adjacent pixels in the second block of noise data. The image processing apparatus includes: a sorting unit that performs sorting; and an output unit that outputs noise data after sorting by the sorting unit as an enlarged image.
本発明によれば、拡大後の画像のテクスチャについて、拡大前の原画からの鮮鋭度の低下を極力抑えることができる。 According to the present invention, it is possible to suppress a reduction in sharpness from an original image before enlargement as much as possible with respect to the texture of the image after enlargement.
以下、図面と共に本発明の実施の形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明になる画像処理装置の一実施の形態のブロック図、図2は、本発明になる画像処理方法の一実施の形態のフローチャートを示す。 FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of an image processing apparatus according to the present invention, and FIG. 2 is a flowchart of an embodiment of an image processing method according to the present invention.
図1において、本実施の形態の画像処理装置10は、画素抽出部11、平均・偏差測定部12、ノイズ発生部13、並べ替え部14、画像入れ込み部15、微調整部16、拡散フィルタ17より構成され、画像処理前の低解像度画像を入力として受け、200%サイズに拡大した高解像度画像を出力する。なお、ここでは、画像処理装置10は画像の輝度についてのみ処理するものとするが、色差や原色系に適用することも可能である。
In FIG. 1, an
画素抽出部11は、供給される低解像度画像から、対象画素を中心とする周囲8画素からなる垂直方向3画素及び水平方向3画素(以下、3×3画素ともいう)の計9画素の第1のブロック単位で画素を抽出する。図3は、上記の3×3画素の第1のブロックの配列を示す。図3において、中央の「4」で示す画素が対象画素である。
The
平均・偏差測定部12は、入力される3×3画素について、テクスチャの統計量として平均と標準偏差を測定してテクスチャ解析を行う。ノイズ発生部13は、入力画像と同等の平均と標準偏差を持つノイズを、垂直方向6画素及び水平方向6画素(以下、6×6画素ともいう)の第2のブロックの画像サイズ分のデータとして発生する。図4は、上記の6×6画素の第2のブロックの配列を示す。ノイズ発生部13によるノイズの発生は、公知の正規乱数に基づくものとする。
The average /
並べ替え部14は、ノイズ発生部13により発生されたノイズを拡大画像の一部として用いることができるように、後述するように上記の1つの第2のブロックを構成する6×6画素を2×2画素で区切った4画素単位をサブブロックとし、各サブブロックを入力低解像度画像の3×3画素の第1のブロックの1画素に対応するものとして、入力低解像度画像の3×3画素の画素値とサブブロック内の画素値の平均の差を最小化するための画素の並び替えを行う。
The
画像入れ込み部15は、入力低解像度画像の3×3画素にエッジが存在する場合、エッジを跨いでのマルコフ性(属性値がごく近傍の属性値のみに依存)を満足する必要がないため、上記の画素の並び替えの際にエッジを跨いでの不連続性を許容した画像の入れ込みを行う。なお、上記のエッジは、隣接する画素間の輝度画素差分値が設定したしきい値を超えた大なる値である場合である。微調整部16は、画素値の原画画質に応じて拡大画像の微調整を行う。拡散フィルタ17は、入力拡大画像のランダムノイズ特有のざらつきを抑えるためのフィルタリングを行う。
When the edge is present in the 3 × 3 pixels of the input low-resolution image, the
次に、図1に示す本実施の形態の信号処理装置10の動作について、図2のフローチャートを併せ参照して説明する。
Next, the operation of the
画素抽出部11は、入力される低解像度画像から、対象画素を中心とする図3に示した配列の3×3画素を原画の一部として抽出する(ステップS1)。続いて、平均・標準偏差測定部12は、画素抽出部11により抽出された上記の3×3画素の第1のブロック毎に、テスクチャの統計量として平均と標準偏差を測定する(ステップS2)。
The
次に、ノイズ発生部13は、平均・標準偏差測定部12により測定された平均と標準偏差を持つノイズを図4に示した6×6画素の第2のブロックのサイズ分のデータとして発生する(ステップS3)。このノイズ発生部13は、例えば、入力される平均をa、標準偏差をσとしたとき、次式によりノイズNを発生する。
Next, the
N=a+σ×BMN (1)
ただし、上式中、BMNは、公知のBox-Muller法により生成される正規乱数である。
N = a + σ × BMN (1)
However, in the above formula, BMN is a normal random number generated by a known Box-Muller method.
また、ノイズ発生部13が、入力低解像度画像と同じ平均・標準偏差を持つノイズを発生する意味合いは、同じ平均・標準偏差を持たせることにより入力の3×3画素と似通った見え方を確保できることである。また、発生するノイズを6×6画素サイズとする理由は、水平・垂直方向に2倍サイズの拡大画素を得るためである。
In addition, the meaning that the
図5は、入力低解像度画像の3×3画素群の画素値の一例を示す。また、図6は、ノイズ発生部13により発生される入力3×3画素と同じ平均・標準偏差を持つノイズの6×6画素群の画素値の一例を示す。
FIG. 5 shows an example of the pixel values of the 3 × 3 pixel group of the input low resolution image. FIG. 6 shows an example of pixel values of a 6 × 6 pixel group of noise having the same average and standard deviation as the
しかし、ノイズ発生部13により発生されるノイズのデータを、そのまま画素値として用いた拡大画像を構成することはできない。このノイズはランダムテスクチャとして見た場合には入力3×3画素と似通った見え方を確保しているが、拡大画像の一部として用いるには、再縮小した場合に原画に近い画素値になるという第1の条件と、画像として自然に見えるという第2の条件を両方満足しなければならないからである。
However, an enlarged image using the noise data generated by the
第1の条件については、6×6画素の一つのブロックを図7に太線で区切った、2×2画素の計4画素単位をサブブロックとし、そのサブブロックを入力3×3画素の1画素に対応するものとして、入力3×3画素の画素値とサブブロック内の画素値の平均の差を最小化すればよい。第2の条件については、マルコフ性(属性値がごく近傍の属性値のみに依存)の確保によって満足させる。具体的には、図8における両矢印の結ぶ隣接画素間の画素値の差分総和を計算し、これを最小化する。
As for the first condition, one block of 6 × 6 pixels is divided by a bold line in FIG. 7, and a total of 4 × 2 pixel units of 2 × 2 pixels is defined as a subblock, and the subblock is one pixel of
上記の入力3×3画素の画素値とサブブロック内の画素値の平均の差と、隣接画素間の画素値の差分総和の“最小化”とはこれらを最小にするようなノイズデータの並び替えを見つけることである。そこで、並べ替え部14は、上記の6×6画素のノイズデータと近接画素相関に応じた並べ替えを行う(ステップS4)。図9は、並べ替え部14による並び替えの結果の一例を示す。
The difference between the average of the pixel value of the
ただし、入力3×3画素にエッジが存在する場合は、エッジを跨いでのマルコフ性を満足する必要がないため、隣接画素間の画素値の差分総和において相当部分の計算を行わず、不連続性を許容する。この画素間計算の有無を図10の両矢印の有無で示す。図10において、(a)は水平エッジ、(b)は垂直エッジ、(c)は左上―右下エッジ、(d)左下―右上エッジが存在する場合の6×6画素の一例を示す。図10(a)は、3行目の画素群と4行目の画素群との間に水平方向のエッジが存在する場合を示し、同図(b)は3列目の画素群と4列目の画素群との間に垂直方向のエッジが存在する場合を示す。また10(c)は、左上端の画素と右下端の画素とを結ぶ左斜め上がりの直線上の画素群に斜め方向のエッジが存在し、同図(d)は、左下端の画素と右上端の画素とを結ぶ右斜め上がりの直線上の画素群に斜め方向のエッジが存在する例を示す。
However, when there is an edge in the
なお、エッジの有無・方向性については、入力3×3画素につき公知のエッジ検出オペレータを用いて計算すればよい。画像入れ込み部15は、以上の処理を画像全体について行う、画像への入れ込みを行う(ステップS5)。
The presence / absence / direction of the edge may be calculated using a known edge detection operator for each
次に、微調整部16は、画像入れ込み部15により得られた拡大画像について、再縮小した画像が原画像と一致するように微調整する(ステップS6)。すなわち、微調整部16は、原画画素値y[j][i]の1つの画素に対応する拡大画像の4つの画素の画素値Y[j*2][i*2],Y[j*2][i*2+1],Y[j*2+1][i*2],Y[j*2+1][i*2+1]が発生したとして、拡大画像のグラデーションを確保しながら、その平均(aveとする)を原画画素値に一致させるため以下の処理を行う。ただし、以下の式において、ratio=y[j][i]/aveである。
Next, the
Y(j*2)[i*2] =y[j][i]+(Y[j*2][i*2]−ave)*ratio (2)
Y(j*2)[i*2+1]=y[j][i]+(Y[j*2][i*2+1]−ave)*ratio (3)
Y(j*2+1)[i*2]=y[j][i]+(Y[j*2+1][i*2]−ave)*ratio (4)
Y(j*2+1)[i*2+1]=y[j][i]+(Y[j*2+1][i*2+1]−ave)*ratio (5)
そして、拡散フィルタ17は、微調整部16により微調整された拡大画像に対して拡散フィルタのフィルタリングを行う(ステップS7)。拡散フィルタ17は、次式により表される演算式によるフィルタリングを繰り返し入力拡大画像に適用して平滑化を行い、ランダムノイズ特有のざらつきを抑える。ただし、次式中、Y[j][i]は拡大画像の一つの画素の画素値を示す。
Y (j * 2) [i * 2] = y [j] [i] + (Y [j * 2] [i * 2] −ave) * ratio (2)
Y (j * 2) [i * 2 + 1] = y [j] [i] + (Y [j * 2] [i * 2 + 1] −ave) * ratio (3)
Y (j * 2 + 1) [i * 2] = y [j] [i] + (Y [j * 2 + 1] [i * 2] −ave) * ratio (4)
Y (j * 2 + 1) [i * 2 + 1] = y [j] [i] + (Y [j * 2 + 1] [i * 2 + 1] −ave) * ratio (5)
Then, the
Y[j][i]=Y[j][i]+ε(-8*Y[j][i]+Y[j-1][i-1]+Y[j-1][i]+Y[j-1][i+1]
+Y[j][[i-1]+Y[j][i+1]+Y[j+1][i-1]+Y[j+1][i]+Y[j+1][i+1]) (6)
(6)式の右辺第二項は、対象画素の画素値Y[j][i]の8倍の値を対象画素の周辺の8画素の画素値の総和から差し引いた差分値に係数εを乗算した値である。なお、(6)式中の係数εと繰り返し回数は実験的に決定される。例えば、係数εは0.005〜0.2の範囲内の値であり、繰り返し回数は2回〜5回である。
Y [j] [i] = Y [j] [i] + ε (-8 * Y [j] [i] + Y [j-1] [i-1] + Y [j-1] [i] + Y [j-1] [i + 1]
+ Y [j] [[i-1] + Y [j] [i + 1] + Y [j + 1] [i-1] + Y [j + 1] [i] + Y [j + 1] [i + 1]) (6)
The second term on the right side of the equation (6) is that the coefficient ε is added to a difference value obtained by subtracting a value eight times the pixel value Y [j] [i] of the target pixel from the sum of the pixel values of the eight pixels around the target pixel. Multiplyed value. Note that the coefficient ε and the number of repetitions in the equation (6) are experimentally determined. For example, the coefficient ε is a value in the range of 0.005 to 0.2, and the number of repetitions is 2 to 5 times.
このように、本実施の形態の画像処理装置10によれば、供給される処理前の低解像度画像の3×3画素のブロック毎に、そのテスクチャの統計量と同等の統計量を有する6×6画素のブロックのサイズのノイズデータを発生する。そして、本実施形態の画像処理装置10によれば、ノイズデータのブロックを複数のサブブロックに分割し、一つのサブブロックを入力3×3画素の1画素に対応するものとして、入力3×3画素の画素値とサブブロック内の画素値の平均の差を最小化し、かつ、ノイズデータの隣接画素間の画素値の差分総和を最小化するように、ノイズデータの並べ替えを行い、並べ替え後のデータから高解像度の画像を得るようにしたため、拡大後の画像のテクスチャについて、拡大前の原画からの鮮鋭度の低下を極力抑えることができる。
Thus, according to the
なお、本発明は、図1のブロック図の画像処理装置10をハードウェアで構成する場合に限定されるものではなく、図2のフローチャートの各ステップの処理をコンピュータにより実行させる画像処理プログラムも包含するものである。この場合、画像処理プログラムは、記録媒体からコンピュータに取り込まれてもよいし、ネットワーク経由でコンピュータに取り込まれてもよい。
The present invention is not limited to the case where the
11 画像抽出部
12 平均・標準偏差測定部
13 ノイズ発生部
14 並べ替え部
15 画像入れ込み部
16 微調整部
17 拡散フィルタ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記画像抽出ステップで抽出された前記第1の所定数の画素の画素値データの統計量を測定するテクスチャ測定ステップと、
前記テクスチャ測定ステップで測定された前記第1の所定数の画素の画素値データの統計量と同等の統計量を有し、かつ、前記第1の所定数よりも多い第2の所定数の画素に相当する第2のブロックのサイズ分のノイズデータを発生するノイズ発生ステップと、
前記ノイズ発生ステップで発生された前記第2の所定数のノイズデータからなる前記第2のブロックを複数のサブブロックに分割し、一つの前記サブブロックが前記第1のブロックの1画素に対応するものとして、前記第1のブロックの画素値と前記サブブロック内の画素値の平均との差を最小化し、かつ、前記ノイズデータの前記第2のブロック内の隣接画素間の画素値の差分総和を最小にするように、前記ノイズデータの並べ替えを行う並べ替えステップと、
前記並べ替えステップによる並べ替え後の前記ノイズデータを、拡大処理された画像として出力する出力ステップと、
を含むことを特徴とする画像処理方法。 An image extracting step of extracting pixel value data of the first predetermined number of pixels in a first block unit including a first predetermined number of pixels from the supplied image;
A texture measurement step of measuring a statistic of pixel value data of the first predetermined number of pixels extracted in the image extraction step;
A second predetermined number of pixels having a statistic equivalent to the statistic of the pixel value data of the first predetermined number of pixels measured in the texture measurement step and greater than the first predetermined number A noise generation step for generating noise data corresponding to the size of the second block corresponding to
The second block including the second predetermined number of noise data generated in the noise generation step is divided into a plurality of sub blocks, and one sub block corresponds to one pixel of the first block. As a minimum, the difference between the pixel value of the first block and the average of the pixel values in the sub-block is minimized, and the difference sum of pixel values between adjacent pixels in the second block of the noise data A reordering step for reordering the noise data so as to minimize
An output step of outputting the noise data after the rearrangement by the rearrangement step as an enlarged image;
An image processing method comprising:
前記画像抽出手段で抽出された前記第1の所定数の画素の画素値データの統計量を測定するテクスチャ測定手段と、
前記テクスチャ測定手段で測定された前記第1の所定数の画素の画素値データの統計量と同等の統計量を有し、かつ、前記第1の所定数よりも多い第2の所定数の画素に相当する第2のブロックのサイズ分のノイズデータを発生するノイズ発生手段と、
前記ノイズ発生手段で発生された前記第2の所定数のノイズデータからなる前記第2のブロックを複数のサブブロックに分割し、一つの前記サブブロックが前記第1のブロックの1画素に対応するものとして、前記第1のブロックの画素値と前記サブブロック内の画素値の平均との差を最小化し、かつ、前記ノイズデータの前記第2のブロック内の隣接画素間の画素値の差分総和を最小にするように、前記ノイズデータの並べ替えを行う並べ替え手段と、
前記並べ替え手段による並べ替え後の前記ノイズデータを、拡大処理された画像として出力する出力手段と、
を有することを特徴とする画像処理装置。 Image extracting means for extracting pixel value data of the first predetermined number of pixels in a first block unit comprising a first predetermined number of pixels from the supplied image;
Texture measuring means for measuring a statistic of pixel value data of the first predetermined number of pixels extracted by the image extracting means;
A second predetermined number of pixels having a statistic equivalent to the statistic of the pixel value data of the first predetermined number of pixels measured by the texture measuring means and greater than the first predetermined number Noise generating means for generating noise data corresponding to the size of the second block corresponding to
The second block consisting of the second predetermined number of noise data generated by the noise generating means is divided into a plurality of sub-blocks, and one sub-block corresponds to one pixel of the first block. As a minimum, the difference between the pixel value of the first block and the average of the pixel values in the sub-block is minimized, and the difference sum of pixel values between adjacent pixels in the second block of the noise data Reordering means for reordering the noise data so as to minimize
Output means for outputting the noise data after rearrangement by the rearrangement means as an enlarged image;
An image processing apparatus comprising:
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