JP5588394B2 - 色補正装置、色補正方法および色補正プログラム - Google Patents

色補正装置、色補正方法および色補正プログラム Download PDF

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Description

本発明は、複数の視点位置から撮像した映像を用いてパノラマ映像を合成する際に、カメラの個体差によって生じる合成映像の色ずれを抑制し、ユーザ視点から見て違和感のない映像を合成するための色補正装置、色補正方法および色補正プログラムに関する。
複数視点から撮像された映像を一つのパノラマ映像として合成する際の手法は、複数のカメラを用いることによる合成時の色ずれを回避・補正するための色補正技術(例えば、特許文献1参照)と、複数視点の映像をユーザ視点からの映像に変換する幾何補正技術(例えば、特許文献2参照)に分けられる。前者の技術は、カメラの分光感度特性の違いによって複数視点映像の接合部分に生じる色ずれを解決するためのものである。
また、特許文献1に記載の方法は、カメラ自体のキャリブレーションを行うことでカメラの個体差を取り除いた後、パノラマ合成を行う方法である。事前に複数種類の色領域が含まれる色票を基準のカメラと参照カメラの両方で撮像し、双方のカメラで得られた画像の色票領域の色(画素値)の対応関係を求め、参照カメラで被写体を撮像した際の画像の色を上記対応関係に基づいて補正する方法である。
また、特許文献2に記載の方法は、複数視点での共通の被写体領域の映像から三次元情報を構成し、ユーザ視点を原点とする空間に個々の被写体が存在する確率と色情報を求め、ユーザ視点に合わせて映像をレンダリングする手法である。
特開2004−88247号公報 特開2009−193221号公報
撮像中に極端なハイライトや全体に輝度の低いシーンが混在すると、露出や色温度(ホワイトバランス)が固定のままでは、白とびや黒つぶれが発生する。特許文献1に記載の方法を上述のようなシーンに適用する場合には、撮像時の条件を考慮して全ての露出や色温度(カメラパラメータ)等について基準カメラと参照カメラとの関係を事前に取得し、シーンに応じて上述のカメラパラメータを切り替える必要がある。
しかしながら、実際に上述のような複数のカメラパラメータの組み合わせを想定してカメラ特性を求めておくこと、さらに、シーンをみながらこれらカメラパラメータを切り替えることは実質上、困難であるという問題がある。
また、特許文献2の方法では、ユーザ視点を原点とした空間における各被写体の存在確率を求め、ユーザ視点からの映像面に被写体を含む空間を投影しているが、合成時に用いる映像自体がカメラ個々の特性がそのまま反映されており、接合境界が滑らかにつながらないことが問題である。図9は被写体を4種類のカメラで撮像する状況を示しており、図10は、図9におけるカメラ2とカメラ3の映像を合成した例であり、領域Aはカメラ2のみの映像、領域Bはカメラ2と3の映像、領域Cはカメラ3のみの映像である。背景技術の冒頭に述べたように、カメラ固体差による影響で、同一被写体領域であっても、A領域とB領域の色、B領域とC領域の色は異なるという問題もある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、パノラマ合成映像における従来の課題を解決するため、カメラの固体差による色ずれを抑制し、ユーザ視点からのパノラマ映像を合成することができる色補正装置、色補正方法および色補正プログラムを提供することを目的とする。
本発明は、複数視点の映像を接合する際にカメラの個体差による接合部の色ずれを補正する色補正装置であって、入力映像に対して領域を指定する色領域指定部と、前記色領域指定部において得られた指定領域の色情報に基づいて色補正情報を計算する色補正情報計算部と、前記色補正情報計算部によって得られた色補正情報に基づいて映像の色補正を行う色補正部とを備えたことを特徴とする。
本発明は、入力機器、または/および、出力機器の非線形性の補正を行う機器特性補正部をさらに備えたことを特徴とする。
本発明は、前記色領域指定部は、映像の複数フレーム分に対して領域を指定し、前記色補正部は、前記色補正情報計算部で得られた色補正情報に基づいて複数フレーム分の色補正を行うことを特徴とする。
本発明は、前記色補正情報計算部は、複数視点の映像から色補正の基準となる視点位置を設定する視点基準設定部を備え、前記視点基準設定部によって得られた視点基準に基づいて、前記映像の色補正情報を計算することを特徴とする。
本発明は、複数視点の映像を接合する際にカメラの個体差による接合部の色ずれを補正するために、色領域指定部と、色補正情報計算部と、色補正部とを備えた色補正装置における色補正方法であって、前記色領域指定部が、入力映像に対して領域を指定する色領域指定ステップと、前記色補正情報計算部が、前記色領域指定部において得られた指定領域の色情報に基づいて色補正情報を計算する色補正情報計算ステップと、前記色補正部が、前記色補正情報計算部によって得られた色補正情報に基づいて映像の色補正を行う色補正ステップとを有することを特徴とする。
本発明は、前記色補正装置は、機器特性補正部をさらに備え、前記機器特性補正部が、入力機器、または/および、出力機器の非線形性の補正を行う機器特性補正ステップをさらに有することを特徴とする。
本発明は、前記色領域指定ステップは、映像の複数フレーム分に対して領域を指定し、前記色補正ステップは、前記色補正情報計算ステップにより得られた色補正情報に基づいて複数フレーム分の色補正を行うことを特徴とする。
本発明は、前記色補正情報計算ステップは、複数視点の映像から色補正の基準となる視点位置を設定し、設定した視点基準に基づいて、前記映像の色補正情報を計算することを特徴とする。
本発明は、上記色補正方法をコンピュータに行わせることを特徴とする。
本発明によれば、複数視点の映像からパノラマ映像を合成する際に、カメラの個体差によって生じる合成映像の色ずれを抑制し、ユーザ視点から見て違和感のない映像を合成することができるという効果が得られる。
本発明の第1の実施形態の構成を示すブロック図である。 図1に示す装置の動作を示すフローチャートである。 色領域を指定する様子を示す図である。 色空間内の分布から対応点を設定する様子を示す図である。 指定色領域の色情報を用いてカメラ間の対応関係を求める様子を示す図である。 本発明の第2の実施形態の構成を示すブロック図である。 図6に示す装置の動作を示すフローチャートである。 本発明の第3の実施形態における装置の動作を示すフローチャートである。 従来のパノラマ合成手法で同一シーンを撮像する際のカメラ構成を示す図である。 従来のパノラマ合成手法の問題点を説明する図である。
以下、図面を参照して、本発明の第1の実施形態による色補正装置の構成を説明する。図1は、同実施形態の構成を示すブロック図である。この図において、1はカメラ等の複数の入力機器を用いて異なる視点からの映像を入力する映像入力部、2は複数の入力機器から得られた映像の合成結果をディスプレイ等の出力機器に出力する映像出力部、3は映像入力部1から入力された映像および、処理中に得られた途中のデータや映像を記憶する映像・データ蓄積部であり、パーソナルコンピュータ等のメモリ等で構成する。4は色領域指定部であり、映像・データ蓄積部3に記憶されている複数視点の映像に、色補正用の領域を指定し、映像・データ蓄積部3に転送する。
5は色補正情報計算部であり、色領域指定部4にて得られた対応点の色情報を映像・データ蓄積部3から取得し、色補正を行う際に必要なパラメータを計算し、その結果を映像・データ蓄積部3に記憶する。色補正部6では、色補正情報計算部5で得られた情報を映像・データ蓄積部3から取得し、該当の映像フレームに対して色補正を行い、映像合成部7で複数視点の映像を合成し、その結果を映像・データ蓄積部3に記憶する。図1に示す色補正装置はパーソナルコンピュータ等のコンピュータ装置によって構成する。
次に、図2に示すフローチャートを参照しながら、各部の処理動作について説明する。まず、映像入力部1は、複数視点の映像を入力し、映像・データ蓄積部3に記憶する(ステップS1)。続いて、色領域指定部4は、複数視点の映像に対して、色補正に必要な色領域を複数種類指定する(ステップS2)。なお、本発明は、複数(2以上)視点の映像を用いることを前提としているが、以下の説明では簡単のため2視点の場合を説明する。
図3は、図9および図10におけるカメラ2および3の映像に対して、各被写体の領域から同色と思われる領域を指定する様子であり、D,EおよびFが指定領域である。ここで指定領域とは同一被写体において同一の色をもつ領域であり、1点であっても構わないし、複数画素からなる領域でも構わない。また、このような色領域は手動で設定しても構わないし、また、図4に示すように、画素値をRGB等の色空間にマッピング後、色空間内で近い色同士をクラスタリングし、その重心の色を求めても構わない。なお、色空間はRGB空間以外にもXYZ三刺激値の空間、xy色度の空間、HVC等の色相、彩度、明度の三属性からなる空間や、CIELAB、CIELUV空間であっても構わない。
次に、色補正情報計算部5は、指定領域の色を用いて色補正情報を計算する(ステップS3)。以下、色補正情報の計算について説明する。図3において、カメラN(2もしくは3)における対応点D、E,Fの色情報をそれぞれPND1、PND2、PNE,PNFとする。以下、カメラ3の映像の色をカメラ2の映像の色に合わせる場合を例に説明するが、カメラ3と2の中間的な色に合わせても構わないし、仮想的なカメラの色特性に合わせても構わない。
まず、対応点Dはカメラ2、3共に2つずつあるため平均した値PNDを用いる。図5に、各カメラの対応点の色情報からカメラ間の対応関係を求める様子を示す。図5に示すように、カメラ2とカメラ3の対応点(×で示す)の色情報を2次元座標上にプロットし、最小自乗法等を用いて近似曲線(もしくは直線)を求める。ここで色情報がRGBである場合には、RGB成分毎に上記曲線(直線)を求める。このように得られた近似曲線の情報(形式や係数)を映像・データ蓄積部3に転送する。なお、上記の説明では、カメラ2と3の色情報の対応関係を式で表現する場合を説明したが、LUT(Look Up Table)で画素値がとりうる範囲すべての対応関係を作成しても構わない。
次に、色補正部6は、映像・データ蓄積部3に記憶されているカメラ3の映像に対して、上記ステップS3で得られた色補正情報に基づいて画素値の変換を行う(ステップS4)。例えば、ある色成分の近似直線が、f(P)=a・P+P(但し、Pはカメラ3の色情報、f(P)は色補正後の色情報、aおよびPは係数)で表される場合、Pにカメラ3の画素値のRGB成分を代入することで色補正を行う。
色補正処理の後、映像合成部7は、複数視点の映像を合成し、映像・データ蓄積部3に転送する(ステップS5)。以下では、特許文献2に記載の方法に基づく合成方法を示すが、ユーザ視点からの映像を合成する手法であれば、どのような手法であっても構わない。
ユーザ視点を原点として、被写体の存在する奥行き方向に互いに平行となるように多層のレイヤを仮想的に形成し、その中での座標系を構築する。レイヤL(j=1,2,…,M)上の座標をm(u,v)とすると対応するカメラi(i=1,2,…,N)の座標m(u,v)は(1)式のように表される。
Figure 0005588394
ここで、Hijは(2)式で表される行列である。
Figure 0005588394
(2)式において、A,Aは、ユーザ視点にあるカメラとカメラiの内部行列、Rおよびtはレイヤの座標系からカメラ座標系に変換する際の回転行列と並進ベクトル、nはレイヤLjの正規ベクトル、djはユーザ視点から各レイヤLjまでの距離である。ユーザ視点における合成映像を得るには、レイヤ上の点mに被写体が存在する確率と色情報を先に求める必要がある。レイヤ上の点mに被写体が存在する確率β(m)は、カメラ間の座標mの類似度S(m)を用いて(3)式のように表される。
Figure 0005588394
(3)式において類似度S(m)は、レイヤ上の点mに対応する各カメラの点もしくは領域間の類似度であり、例えば、(4)式で求めることができる。
Figure 0005588394
なお、I()は、カメラiにて得られた画素値、Bは類似度を計算する際の対象領域であり、δはB内に含まれる画素を表す。また、εは類似度S(m)の分母が0になるのを防ぐための微小値であり、nは類似度の閾値処理を行うための調整パラメータである。
レイヤ上の点mにおける色ILj(m)は、カメラiで取得した映像上の点mにおける画素値の重み付け平均によって求める。
Figure 0005588394
(5)式において、重み係数wijはユーザ視点とカメラ位置およびレイヤ内座標との相対関係によって決定されるものであり、例えば、(6)式で求めることができる。
Figure 0005588394
ここで、φij(m)はカメラiとレイヤ上の座標mを結ぶ線と、ユーザ視点とレイヤ上の座標mを結ぶ線のなす角であり、εは分母が0になるのを防ぐための微小値である。
以上によって得られたレイヤ内における被写体の存在確率βと対応する位置の色Iを用いてユーザ視点から見た映像の画素値I(m)が合成画像の画素値である。
Figure 0005588394
次に、映像出力部2は、上記処理で得られた合成画像を映像・データ蓄積部3から取得して出力する(ステップS6)。
次に、本発明の第2の実施の形態による色補正装置を、図6のブロック図および図7のフローチャートを参照しながら説明する。図6、図7において、図1、図2と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。図6に示す色補正装置が図1に示す色補正装置と異なる点は、機器特性補正部8を備えていることである。機器特性補正部8は、入力機器および出力機器に対して入出力特性の非線形性補正の要否を入力し、補正要の場合に映像入力部1における入力機器、および/もしくは、映像出力部2における出力機器の非線形性を補正する。
次に、図7のフローチャートを参照して、図6に示す装置の処理動作を説明する。最初に、機器特性補正部8から入力機器および出力機器に対して非線形補正の要否を入力する(ステップS7)。次に、機器特性補正部8は、入力された非線形補正の要否の判定を行い(ステップS8)、補正が必要な場合に、機器特性の入力を行う(ステップS9)。ここで入力する機器特性は、非線形補正が必要な入力機器および出力機器が対象である。補正不要(否)と入力された場合には、ステップS9を行わずに次の処理に進む。
次に、映像入力部1は、複数視点の映像を入力し、映像・データ蓄積部3に記憶する(ステップS1)。そして、機器特性補正部8は、入力機器の補正が必要であるか否かを判定し(ステップS10)、必要である場合に、映像・データ蓄積部3から入力映像を取得し、非線形補正を行う(ステップS11)。
ここで非線形補正とは、カメラ等の入力機器におけるガンマ特性による影響を補正することであり、入力と出力の関係が線形(ガンマ値=1)になるような補正を行う処理である。入力映像における画素値をR,G,Bとすると非線形補正後の画素値R’,G’,B’はRGB成分毎のガンマ値γIR,γIG,γIBを用いて(8)式のように表される。
Figure 0005588394
なお、補正不要(否)の場合には、ステップS11を行わずにステップS2に進む。ステップS2からステップS5までの処理は第1の実施形態を同じであるため、説明を省略する。
次に、機器特性補正部8は、出力機器の補正が必要か否かを判定し(ステップS12)、必要である場合は、出力映像の非線形補正を行う(ステップS13)。出力映像の非線形補正とは、ディスプレイ等の出力機器におけるガンマ特性による影響を補正することであり、入力と出力の関係が線形(ガンマ値=1)になるような補正を行う処理である。補正は入力機器の場合と同様に、出力機器のガンマ値がγOR,γOG,γOBである場合に、(8)式のγIR,γIG,γIBをγOR,γOG,γOBにおきかえた式に基づいて各画素値を変換し、その結果を映像・データ蓄積部3に記憶する。なお、補正不要(否)の場合には、ステップS13を行わずにステップS6に進む。以降の処理は第1の実施の形態と同様であるため説明を省略する。
次に、本発明の第3の実施の形態による色補正装置の処理動作を、図8に示すフローチャートを参照しながら説明する。第3の実施の形態における色補正装置の構成は、図1に示す構成と同様であり、色領域指定部4、色補正情報計算部5および色補正部6にて対象とするフレームを可変にした点が異なる。図8において、図2と同一の部分には同一の符号を付し、その説明を省略する。
まず、映像入力部1が、ステップS1にて映像を入力した後、最初のN(Nは自然数)フレームを対象に以下の処理を行う。色領域指定部4においてNフレーム分について、複数種類の色領域を指定し、該当色領域の色情報を映像・データ記憶部3に転送する(ステップS21)。ここで色情報とは、該当領域の画素値の平均値である。その後、色補正情報計算部5においてステップS21で得られた色情報に基づいて色補正情報を計算する(ステップS31)。ステップS21およびステップS31における処理はステップS2およびステップS3の処理を複数フレーム分一括して行う点が異なる。
色補正部6は、ステップS31の処理にて得られた複数フレーム分の色補正情報に基づいてステップS21およびS31で用いた最初のフレームからM(Mは自然数)フレーム分に対して色補正を行う(ステップS41)。ここで、N=Mであっても、N≠Mであっても構わない。ステップS41においては、ステップS4の場合と同様、ステップS31で得られた色補正情報をそのまま適用しても構わないし、以下に示すように段階的に適用しても構わない。
該当フレームの最初のフレームをfとし、その1つ前のフレームft−1の平均画素値を ̄Pt−1( ̄はPの頭に付く、以下同様)、フレームft+M−1の平均画素値を ̄Pt+M−1とする。ステップS31で得られたある色成分の色補正情報がf(P)=a・P+Pのような近似直線で表される場合、フレームft+k(0≦k≦M−1)における色補正は以下の式にしたがって行う。以下の式では、色補正情報における係数aをMフレームに分散しながら適用することを示している。
Figure 0005588394
また、各フレームに色補正を適用する際の最低コントラストを事前に決めておき、色補正情報の係数aと、適用フレーム群の1つ前のフレームft−1の平均画素値から適用フレーム数Mを、例えばコントラスト感度の弁別域△Cを用いて適応的に決定しても構わない。
Figure 0005588394
上式において、 ̄Pはフレームtにおける平均画素値であり、ここでは、
Figure 0005588394
とし、PmaxおよびPminはそれぞれ対象とする2色の相対的に大きい方と小さい方とし、sは順応環境に応じた係数とする。なお、コントラスト感度の弁別域の定義は上述の△Cに示すものに限定されない。
Mフレーム分の色補正処理の後、以降のフレーム対して上述のステップS21〜S41までの操作を全フレーム分の処理が終了するまで繰り返す(ステップS51)。ステップS5〜S6の処理動作は第1の実施形態と同様であるため説明を省略する。
図8に示すフローチャートでは全てのフレームに対して色補正を行ってから映像の合成(ステップS5)を行う場合を示しているが、Mフレーム分の色補正(ステップS41)の後にMフレーム分の映像合成を行うまでの操作を繰り返す(ステップS51をステップS5の後に行う)という流れであっても構わない。
なお、色補正情報計算部5は、複数視点の映像から色補正の基準となる視点位置を設定する視点基準設定部を備え、視点基準設定部によって得られた視点基準に基づいて、映像の色補正情報を計算するようにしてもよい。
以上説明したように、複数視点の映像からパノラマ映像を合成する際に、カメラの個体差によって生じる合成映像の色ずれを抑制し、ユーザ視点から見て違和感のない映像を合成することができる。
なお、図1、図6に示す各ブロックの機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより色補正処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとするまた、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ(RAM)のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよい。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であってもよい。
複数視点からの映像を接合する際に、ユーザ視点から見て違和感がなく、かつ、カメラ個体差による映像接合部における色ずれが許容されない用途に適用できる。
1…映像入力部、2…映像出力部、3…映像・データ蓄積部、4…色領域指定部、5…色補正情報計算部、6…色補正部、7…映像合成部、8…機器特性補正部

Claims (7)

  1. 複数視点の映像を接合する際にカメラの個体差による接合部の色ずれを補正する色補正装置であって、
    入力映像に対して領域を指定する色領域指定部と、
    前記色領域指定部において得られた指定領域の色情報に基づいて色補正情報を計算する色補正情報計算部と、
    前記色補正情報計算部によって得られた色補正情報に基づいて映像の色補正を行う色補正部と
    を備え、
    前記色領域指定部は、映像の複数フレーム分に対して領域を指定し、
    前記色補正部は、前記色補正情報計算部で得られた色補正情報に基づいて複数フレーム分の色補正を行う
    ことを特徴とする色補正装置。
  2. 入力機器、または/および、出力機器の非線形性の補正を行う機器特性補正部をさらに備えたことを特徴とする請求項1に記載の色補正装置。
  3. 前記色補正情報計算部は、複数視点の映像から色補正の基準となる視点位置を設定する視点基準設定部を備え、前記視点基準設定部によって得られた視点基準に基づいて、前記映像の色補正情報を計算することを特徴とする請求項1または2に記載の色補正装置。
  4. 複数視点の映像を接合する際にカメラの個体差による接合部の色ずれを補正するために、色領域指定部と、色補正情報計算部と、色補正部とを備えた色補正装置における色補正方法であって、
    前記色領域指定部が、入力映像に対して領域を指定する色領域指定ステップと、
    前記色補正情報計算部が、前記色領域指定部において得られた指定領域の色情報に基づいて色補正情報を計算する色補正情報計算ステップと、
    前記色補正部が、前記色補正情報計算部によって得られた色補正情報に基づいて映像の色補正を行う色補正ステップと
    を有し、
    前記色領域指定ステップは、映像の複数フレーム分に対して領域を指定し、
    前記色補正ステップは、前記色補正情報計算ステップにより得られた色補正情報に基づいて複数フレーム分の色補正を行う
    ことを特徴とする色補正方法。
  5. 前記色補正装置は、機器特性補正部をさらに備え、
    前記機器特性補正部が、入力機器、または/および、出力機器の非線形性の補正を行う機器特性補正ステップをさらに有することを特徴とする請求項に記載の色補正方法。
  6. 前記色補正情報計算ステップは、複数視点の映像から色補正の基準となる視点位置を設定し、設定した視点基準に基づいて、前記映像の色補正情報を計算することを特徴とする請求項4または5に記載の色補正方法。
  7. 請求項4から6のいずれか1項に記載の色補正方法をコンピュータに行わせることを特徴とする色補正プログラム。
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