JP5706594B2 - 画像処理装置 - Google Patents
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Description
画像内の揺らぎを補正する技術は幾つか提案されている。その一つに、揺らぎによる像の変形を動きベクトルで求め、補正する技術がある。しかし、この技術は、画素単位で局所揺らぎを求める必要があり、演算量が膨大となる問題がある。
また、時系列の画像(映像)を時間方向に平滑化することにより、揺らぎの影響を緩和する技術もある(例えば特許文献1及び非特許文献1参照)。揺らぎは、時間によって不規則に画素の位置を変位させるが、その変位は正規分布的であり中心点を持っているため、時間の異なる複数の画素を単に重ね合わせ、平滑化することによりその影響が緩和され、被写体本来の形状を取得できる。
時間平滑化による揺らぎの補正は、静止している被写体に対しては高い効果が得られるが、画像内に移動する物体が存在した場合、移動物体が通過した領域には残像が生じ、輪郭も滲んでしまう。
この影響を緩和するため、時間的に近い複数のフレームの画素値を時間平滑化する試みが行われてきた。画像54は時間平均化されて補正された画像を示す。画像54内の554は、補正された被写体(木)17の画像を示す。また、画像54内の564は、補正された被写体(柱)18の画像を示す。この場合、時間平均化されて補正された画像54内の静止した被写体17、18に対しては補正の効果が得られるものの、移動物体19が存在した領域58においては、モーションブラーによる滲みが生じ、画質が劣化してしまう。なお以後、時間平滑化を、複数の画素からなる領域内で一様な方法で時間方向のフィルタリングをすることと定義する。ここで「一様」とは、揺らぎを画素レベルでは考慮しないという意味で、移動体の変形に応じて領域内に一様に施すアフィン変換(後述)を伴う平滑化も「一様」に該当する。
また本発明に更に関連のある技術を、特願2013−57774号(関連発明と呼ぶ)として出願した。
これらを踏まえ、
また、前記動き補償手段は、前記補正対象画像と前記補正用画像とを縮小してから位置合わせを行い大まかな動き情報を求める大まかな動き補償手段と、前記大まかな動き情報を初期値として前記補正対象画像と前記補正用画像を用いて画素精度の動き補償を行う画素精度動き補償手段を備えるようにしてもよい。
また、本発明の画像処理装置は、前記揺らぎ補正手段から出力された前記補正画像を記憶する記憶手段を備え、前記動き補償手段は、前記記憶手段から出力された前記補正画像を前記補正用画像として用いて移動物体の動き情報を求め前記動き補償後の補正用画像を出力するようにしてもよい。
図1は、移動物体に対する時間平均化による揺らぎ補正の概要を説明する図である。
入力画像11、12、13は、監視カメラなどの撮像装置から入力された時系列の入力画像である。入力画像11、12、13内の171、172、173は、揺らぎの影響を受けた被写体(木)17の画像を示す。また、入力画像11、12、13内の181、182、183は、揺らぎの影響を受けた被写体(柱)18の画像を示す。また、入力画像11、12、13内の191、192、193は、揺らぎの影響を受けた被写体(走っている車両)19の画像を示す。本例では、入力画像11〜13の時間間隔は、揺らぎ補正を行う上で、移動物体の変化や陽炎による揺らぎの変化が検出可能な程度に短い時間間隔であるとする。
入力画像11、12、13の中から例えば入力画像12を選んで、補正対象画像12とする。走っている車両のような移動物体に対して揺らぎ補正を行うには、補正対象画像12と時間的に近い画像に存在する移動物体の画素値を用いる必要がある。そのためには、補正対象画像12と、例えばその直前に連続する入力画像11とから、動き検出により移動物体の動き情報を求め、動き補償を行う。画像14は、動き補償を分かりやすく示すために、動き情報を用いて入力画像11全体を移動させた(つまり動き補償した)様子を示している。同様に、補正対象画像12と、例えばその直後に連続する入力画像13とから、動き検出により移動物体の動き情報を求める。画像15は入力画像13に動き補償を施した例である。画像14,15内の194、195は、動き補償された被写体19の画像であり、この画像194、195を用いて時間平滑化を行い、移動物体19に対する補正画像16を得る。
このようにすれば、移動物体19に対して揺らぎ補正が可能となり、移動物体19に対する補正画像16を得ることができる。
以後、「時間平滑化」を、複数の画素からなる領域内で一様な方法で時間方向のフィルタリングをすることと定義する。ここで「一様」とは、揺らぎを画素レベルでは考慮しないという意味で、移動体の変形に応じて領域内に一様に施すアフィン変換(後述)を伴う平滑化も「一様」に該当する。
動き補償部202は、補正対象ブロック205及び補正用画像206(1〜N)を入力とし、補正用画像206(1〜N)の中で被写体が移動したとされるブロック(被写体の画像191.192に相当する)である補正用ブロック208(1〜N)と、それら補正用ブロック208(1〜N)毎に補正対象ブロック205との類似度を表すコスト値209(1〜N)を出力する。
揺らぎ補正部203は、補正対象ブロック205と、補正用ブロック208(1〜N)と、コスト値209(1〜N)を入力し、補正済ブロック211と補正の強さを表す補正情報210を出力する。
高画質化部204は、補正された画像211と補正情報210を入力とし、出力画像22を出力する。
画像メモリ201は、動き補償部202で補正対象ブロック205の処理を行うまでに、以下で述べるパラメータの探索に必要な範囲分の補正用画像206(1〜N)のデータを動き補償部202に受け渡す。
動き補償部202は、補正対象ブロック205と補正用画像206(1〜N)を入力とし、それぞれの補正用画像206(1〜N)の中から、補正対象ブロック205に類似する部分を探索し、その類似部分を切り出して補正用ブロック208(1〜N)として出力する。このとき、動き補償部202は、揺らぎによる移動と被写体の移動を区別し、被写体の移動による動きを検出した場合のみ、補正用ブロック208を出力する。これを実現するために、本実施例の動き補償部202は図3のような構成をとればよい。
大まかな動き補償部202aは、揺らぎの幅以上の大まかな精度での動き情報を求める。大まかな動き補償部202aは、補正対象ブロック205と補正用画像206(1〜N)をローパスフィルタ等で縮小してから位置合わせにより動き情報を求める。画像を縮小してから位置合わせを行うことにより、揺らぎの影響を減らすことができるのに加えて、探索に係る演算量を削減できる。
位置合わせは、例えば(数式1)のような評価関数で表されるコスト値を定義し、その値を極小化するパラメータ(Δx’,Δy’) を勾配法などにより探索すればよい。
本例の画素精度動き補償部202bは、物体の形状の変化に対する影響が少ないヒストグラムを用いて動き補償を行う。補正対象ブロック205のヒストグラムと最も形状の近いヒストグラムを持つ補正用画像206(n)内の部分画像(ブロックと同サイズ)を補正用ブロック208(n)とする。これにより、動き補償部202は、揺らぎによる移動と被写体の移動を区別し、被写体の移動のみを補正した補正用ブロック208(n)を出力することができる。
以下に本実施例のパラメータの探索方法を示す。本実施例では例えば(数式2)のようなコスト関数を定義する。
画素精度動き補償部202bはコスト関数の値が最小となったときのブロックを補正用ブロック208(n)とし、そのときのコスト関数の値であるコスト値Cfine209と共に出力する。
揺らぎ補正部203は、コスト値209(1〜N)に応じ、補正対象ブロック205に対して補正用ブロック208(1〜N)と平滑化処理を行うことにより揺らぎ補正処理を行う。時間平滑化の際にコスト値209を考慮するのは、補正用画像内に補正対象ブロックの被写体に相当する被写体がそもそも存在しない場合や、動き補償がうまく収束しなかった場合に補正後の画像の画質劣化を抑えるためである。平滑化処理は一例として、(数式3)のように行うことができる。
揺らぎ補正部203は、(数式3)によって求められた補正済ブロック211と、補正の強さを表す補正情報210を出力する。補正情報には、例えば(数式4)で求められるalpha1〜alphaNの合計値や、非ゼロのをalphanの個数を用いることができる。
適応制御は、揺らぎの幅を直接計測する代わりに、今の部分画像サイズが、揺らぎの幅に対して大きすぎる或いは小さすぎるかを推定することによっても実現できる。例えば、ある共通の部分画像(ブロック)に対して、大まかな動き補償部202aが算出したコスト値Ccoarse(以後SAD:Sum of Absolute Differenceと呼ぶ)と、素精度動き補償部202bが算出したコスト値Cfine(以後DHIST:Dissimilarity of HISTogramsと呼ぶ) との比較により、下記のルール1〜4を順次適用して判断する。ただし容易に比較できるよう、両者のスケールは調整されているものとする。
1.SADが閾値未満、且つ、DHISTが閾値未満ならば、揺らぎは生じていない。よって、補正停止。
2.SADが閾値超、且つ、DHISTが閾値超ならば、揺らぎに対して部分画像が小さすぎる(或いは動き補償に失敗した)。よって部分画像を大きくして判断をやり直す。
3.SAD < DHISTならば、揺らぎが存在し、部分画像が小さすぎる。よって部分画像を大きくする。
4.SAD > DHISTならば、揺らぎが存在し、部分画像サイズは適切或いは大きすぎる。
ルール4だけでは部分画像サイズが適切か大きすぎるか判断できないので、ルール4の時に試みに部分画像サイズを小さくし、次にルール3に該当した場合に、直近にルール4に該当したときの部分画像サイズが最適だったと判断する。なお、SADは動き補償付のCcoarseに限らず、動き補償無しのCcoarse(0,0)でもよい。
このように部分画像サイズを評価する手段を設けことで、揺らぎの生じていない部分領域に対して補正のための処理を全て省略することもできる。
以下に、各領域における処理の詳細について説明する。
上記の方法で画素単位の類似度を算出した後に、例えば(数式5)のように画素値を混合して出力する。
また上述の先願では、補正対象画像を単純に時間平滑化して時間平滑化画像を作成し、補正対象画像と時間平滑化画像の画素ごとの類似度を算出し、類似度に応じて補正対象画像と時間平滑化画像を統合することにより揺らぎ補正する。
また上述の関連発明(特願2013−57774号)でも、補正対象画像と複数の補正用画像との間で画素単位で類似度を求め、時間平滑化の対象とするか否かや平滑化の強度を画素毎に判断する。
本実施例では、上記関連発明の構成に近い効果を、演算コストを抑えたまま実現する方法を提案する。
このとき、類似度が高いか低いかの判断は算出した類似度に対して適切な閾値を設定することにより行う。類似度は、閾値が固定であれば高い/低いの1ビットで表現できるが、類似度を算出した画像と補正対象画像の時間的関係より閾値を変えて判断できるよう、値のまま保持してもよい。
画像メモリ31は入力画像を1+N枚以上保持し、直前の入力画像を類似度算出部32に出力するとともに、揺らぎ補正の対象となる補正対象画像と、補正対象画像と時間的に近い補正用画像(1..N)を揺らぎ補正部34に出力する。
類似度算出部32は入力画像と、その直前のフレームの2つの画像を入力とし、2つの画像の画素ごとの類似度を出力する。ここで算出される類似度は揺らぎによる画素の移動に対しては影響されづらく、移動する被写体による画素の移動には反応できるものでなくてはならない。実施例1や2同様、ブロック単位のヒストグラムの比較による類似度算出方法が利用できる。
補正情報算出部33が出力する補正情報は、補正対象画像と補正用画像1〜Nを平滑化して補正済画像を作成する際に、混合する比率を表す係数とする。(数式7)に時間tの補正対象画像の座標(x,y)の位置における、補正情報の算出方法を示す。
揺らぎ補正部34はこの補正情報にもとづき、(数式8)で表される時間平滑化を行う。
図8に本実施例4の画像処理装置のブロック図を示す。本例の画像処理装置は、類似度算出部32と、画像メモリ61と、補正画像メモリ62と、類似度メモリ63と、揺らぎ補正部64と、高画質化部35を備えている。類似度算出部32や高画質化部35は、実施例3と同じである。本例では、最新の入力画像が補正対象画像となるため、入出力間でのフレーム遅延が非常に小さいという利点があり、また、複数の補正用画像に替えて、生成された補正済画像1枚をメモリに保存し、次の補正済画像を生成するのに用いることなどを特徴としている。
補正情報算出部63は、実施例3の類似度マップと同様のマップを有し、現在から遡って何フレーム連続して揺らぎ補正が実行されたかを示す連続補正数と、過去Nフレーム分の類似度(或いは補正情報)と、のうち少なくとも一方を保持し、これらに基づいて補正情報を算出する。連続補正数は、類似度算出部32から閾値処理された0か1の信号を受け取り、1を受け取った時に保持している数をインクリメントし、0が来た時に0に戻すことで容易に得られる。
最も単純な補正情報は、連続補正数そのものである。この補正情報は、今回の補正対象画像が何枚の過去のフレームを参照して補正するかを示しているとも言える。
なお実施例3では類似度により比重を適応的に変化させていた。本例でも(数式10)のように類似度を反映した補正情報を用いれば、同様のことができる。
20 画像処理装置、 21 入力画像、 22 出力画像、 201 画像メモリ、 202 動き補償部、 203 揺らぎ補正部、 204 高画質化部、 205 補正対象ブロック、 206 補正用画像、 207 大まかな動きベクトル(大まかな動き情報)、 208 補正用ブロック、 209 コスト値、 210 補正情報、 211 補正ブロック、 202a 大まかな動き補償部、 202b 画素精度動き補償部、
40 画像処理装置、 41 補正対象画像、 42 出力画像、 401 画像メモリ、 402 動き補償部、 403 揺らぎ補正部、 404 高画質化部、 405 補正用画像、 406 動き補償後の補正用画像、 407 補正画像、 54 画像、 554 補正された被写体17の画像、 564 補正された被写体18の画像、 58 移動物体57が存在した領域。
Claims (7)
- 入力画像に対し局所的な揺らぎを補正する画像処理装置において、前記入力画像の中の補正対象画像に対し時間的に近い補正用画像を用いて移動物体の動き情報を求め、該動き情報を用いた動き補償後の補正用画像を出力する動き補償出段と、前記補正対象画像と前記動き補償後の補正用画像を用いて時間平滑化処理を行い移動物体の揺らぎが補正された補正済画像を出力する揺らぎ補正手段と、を備え、
前記動き補償手段は、前記補正対象画像と前記補正用画像とを縮小してから位置合わせを行い大まかな動き情報を求める大まかな動き補償手段と、前記大まかな動き情報を初期値として前記補正対象画像と前記補正用画像を用いて少なくとも画素精度の動き補償を行う画素精度動き補償手段とを有することを特徴とする画像処理装置。 - 前記揺らぎ補正手段から出力された前記補正済画像を記憶する記憶手段を備え、前記動き補償手段は、前記記憶手段から出力された前記補正済画像を前記補正用画像として用いて移動物体の動き情報を求め前記動き補償後の補正用画像を出力することを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
- 前記大まかな動き補償手段は、前記補正対象画像と前記補正用画像とをローパスフィルタ後に縮小してから前記位置合わせを行い、
前記画素精度動き補償手段は、前記補正対象画像と前記補正用画像とにそれぞれ設けた部分領域で画素値に関するヒストグラムを求め、該ヒストグラム間の類似度が高くなる該部分領域の位置を探索することにより、前記移動物体の動き情報を少なくとも画素精度で求めることを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。 - 前記揺らぎ補正手段は、前記画素精度動き補償手段が動き補償に用いた前記動き情報を得た時の類似度に応じて、対応する前記動き補償後の補正用画像に与える重みを変化させることを特徴とする請求項3に記載の画像処理装置。
- 前記動き補償出段と前記揺らぎ補正手段は、前記補正対象画像を所定の大きさに分割したブロック単位に処理を行うことを特徴とする請求項3叉は4に記載の画像処理装置。
- 前記動き補償手段は、補正対象画像に対して物体認識技術を施して画像を複数の領域に分割し、該領域に対し拡大および縮小を表現可能な動きモデルを求めてアフィン変換を適用することを特徴とする請求項2に記載の画像処理装置。
- 前記揺らぎ補正手段から出力された前記補正済画像を記憶する記憶手段を更に備え、
前記動き補償手段は、前記記憶手段から出力された前記補正済画像のみを前記補正用画像として用いて移動物体の動き情報を求め、前記動き補償後の補正用画像を出力し、
前記揺らぎ補正手段は、前記動き補償後の補正用画像と前記補正対象画像との類似度を画素単位で算出し、該類似度に応じて前記動き補償後の補正用画像と前記補正対象画像を混合したものを前記補正済画像とし、
該画素単位の類似度は、当該画素を中心に持つ画素ブロックのヒストグラムと、他方の画像で同じ位置にある画素ブロックのヒストグラムとの類似度、或いは、両画像の任意の位置の画素ブロックに対してヒストグラムを求めておき、ある注目画素の類似度を、その画素を含むすべての画素ブロックを、両画像の同じ位置同士で比較したヒストグラム類似度の和であることを特徴とする請求項1記載の画像処理装置。
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