JP6088344B2 - Imaging device and noise removal program - Google Patents

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本発明は、ノイズを除去して画像撮影を行う撮影装置およびノイズ除去プログラムに関する。   The present invention relates to a photographing apparatus and a noise removing program that take an image while removing noise.

デジタルカメラをはじめとする撮像系の出力画像には、一般に「ノイズ」が含まれる。ここで、ノイズとは、同じ対象物を撮影しても、撮影試行ごとに生じる画素値のゆらぎを指す。このゆらぎは、撮像系に入力される信号(入力刺激)および撮像系内のイメージセンサの応答(センサ応答)が、ともに確率的な振る舞いをすることに起因する。
一般的に、ノイズを含む画像よりも、各画素値のノイズを除去した「真の画像」(無限回の撮影画像を平均して得られる画像)の方が、画像処理や画像提示の観点から望ましいとされる場合が多い。なお、一回の撮影で得られる画像から「真の画像」またはこれに近い画像を得る問題は、数理的には逆問題に相当し、何らかの統計モデルを仮定した推定処理を必要とする。
従来、点拡がり関数により原画像が劣化する劣化画像モデルを仮定した推定問題を解くことで、カメラ等で撮影された画像から、ボケおよびノイズを軽減する技術が開示されている(特許文献1参照)。
An output image of an imaging system such as a digital camera generally includes “noise”. Here, noise refers to fluctuations in pixel values that occur each time a shooting attempt is made even if the same object is shot. This fluctuation is caused by the fact that the signal (input stimulus) input to the imaging system and the response of the image sensor (sensor response) in the imaging system both behave stochastically.
In general, "true images" (images obtained by averaging infinitely taken images) from which noise of each pixel value is removed are more from the viewpoint of image processing and image presentation than images that contain noise. It is often desirable. It should be noted that the problem of obtaining a “true image” or an image close to this from an image obtained by a single shooting is mathematically equivalent to an inverse problem and requires an estimation process assuming some statistical model.
Conventionally, a technique for reducing blur and noise from an image captured by a camera or the like by solving an estimation problem assuming a deteriorated image model in which an original image deteriorates due to a point spread function has been disclosed (see Patent Document 1). ).

特開2007−183842号公報JP 2007-183842 A

特許文献1に記載された手法は、ノイズ等を軽減するために、イメージセンサで撮像された画像から、劣化画像モデルに基づいて真の画像を推定している。
しかし、本来、画像の劣化は、イメージセンサのみに起因するものではなく、イメージセンサに像を結像させるレンズ等の光学系にも起因している。
すなわち、従来の手法は、光学系を最適化する制御が行われていないため、推定した画像には誤差が含まれ、最適な画像を得ることができないという問題がある。
The technique described in Patent Document 1 estimates a true image from an image captured by an image sensor based on a deteriorated image model in order to reduce noise and the like.
However, image degradation is not inherently caused by only the image sensor, but also by an optical system such as a lens that forms an image on the image sensor.
That is, the conventional method does not perform control for optimizing the optical system, so that there is a problem that an error is included in the estimated image and an optimal image cannot be obtained.

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、適応的に光学系を制御することで、ノイズ除去の精度を向上させる撮影装置およびノイズ除去プログラムを提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a photographing apparatus and a noise removal program that improve the accuracy of noise removal by adaptively controlling the optical system.

前記課題を解決するため、請求項1に記載の撮影装置は、フォーカス制御可能な光学系と、当該光学系によって結像される像を撮像する撮像手段と、当該撮像手段で撮像した画像を記録する画像記録手段と、を備えた撮影装置において、統計量推定手段と、フィルタパラメータ導出手段と、光学系制御手段と、ノイズ除去手段と、を備える構成とした。   In order to solve the above-mentioned problem, an imaging apparatus according to claim 1 records an optical system capable of focus control, an imaging unit that captures an image formed by the optical system, and an image captured by the imaging unit. An image capturing apparatus including an image recording unit configured to include a statistic estimation unit, a filter parameter derivation unit, an optical system control unit, and a noise removal unit.

かかる構成において、撮影装置は、統計量推定手段によって、統計量をパラメータとして撮影対象の真の画像を統計モデルでモデル化した第1の確率分布と、光学系を特定する光学フィルタである点拡がり関数を介して真の画像から予め定めたノイズレベルで画像記録手段に記録される撮像画像が得られる過程をモデル化した第2の確率分布とから、最尤法によって、第1の確率分布の統計量を推定する。なお、ここで、真の画像とは、ノイズが含まれていない理想画像を意味する。
これによって、撮影装置は、現実に撮像された撮像画像から、撮影対象の真の画像の統計的性質を推定することができる。
In such a configuration, the imaging apparatus uses the statistical quantity estimation unit to perform a first probability distribution obtained by modeling a true image to be imaged with a statistical model using the statistical quantity as a parameter, and a point spread that is an optical filter that identifies the optical system. From the second probability distribution that models the process of obtaining a captured image recorded in the image recording means with a predetermined noise level from a true image via a function, the first probability distribution is determined by the maximum likelihood method. Estimate statistics. Here, the true image means an ideal image that does not contain noise.
Thus, the photographing apparatus can estimate the statistical properties of the true image to be photographed from the actually captured image.

そして、撮影装置は、フィルタパラメータ導出手段によって、統計量推定手段で推定された統計量およびノイズレベルを条件として、真の画像とノイズ除去後の画像との誤差の期待値を最小にする点拡がり関数の分布形状を特定するフィルタパラメータ(例えば、標準偏差等)を求める。
これによって、撮影装置は、真の画像とノイズ除去後の画像とが最も近似するときの点拡がり関数の分布形状をフィルタパラメータで特定することができる。
Then, the image capturing device uses the filter parameter deriving unit to perform point spread that minimizes the expected value of the error between the true image and the image after noise removal on the condition that the statistic and the noise level estimated by the statistic estimating unit are used. A filter parameter (for example, standard deviation) specifying the distribution shape of the function is obtained.
Thereby, the photographing apparatus can specify the distribution shape of the point spread function when the true image and the image after noise removal are most approximated by the filter parameter.

そして、撮影装置は、光学系制御手段によって、フィルタパラメータと光学系のフォーカス量との関係を予め対応付けたルックアップテーブルを参照して、フィルタパラメータ導出手段で求められたフィルタパラメータに対応するフォーカス量で、光学系のフォーカスを駆動制御する。
これによって、撮影装置は、真の画像とノイズ除去後の画像とが近似するように、フォーカス制御を行うことができる。
Then, the photographing apparatus refers to the look-up table in which the relationship between the filter parameter and the focus amount of the optical system is previously associated by the optical system control unit, and the focus corresponding to the filter parameter obtained by the filter parameter deriving unit. The amount controls the focus of the optical system.
Thereby, the photographing apparatus can perform focus control so that the true image approximates the image after noise removal.

そして、撮影装置は、ノイズ除去手段によって、統計量推定手段で推定された統計量およびノイズレベルを条件として、フィルタパラメータ導出手段で求められたフィルタパラメータで特定される点拡がり関数を用いて、画像記録手段に記録された撮像画像に対して、第1および第2の確率分布を統合した確率分布の事後確率を最大化する画像をノイズ除去後の画像として生成する。
これによって、撮影装置は、第1および第2の確率分布を統合した確率分布を介して、光学系および撮影系を通した全体の系において、真の画像に最も近似した撮像画像を生成することができる。
Then, the image capturing apparatus uses the point spread function specified by the filter parameter obtained by the filter parameter deriving unit, using the point spread function specified by the filter parameter deriving unit, on the condition that the statistical amount and the noise level estimated by the statistical amount estimating unit are used as a condition. An image that maximizes the posterior probability of the probability distribution obtained by integrating the first and second probability distributions with respect to the captured image recorded in the recording unit is generated as an image after noise removal.
As a result, the imaging device generates a captured image that most closely approximates the true image in the entire system through the optical system and the imaging system via the probability distribution obtained by integrating the first and second probability distributions. Can do.

また、請求項2に記載の撮影装置は、請求項1に記載の撮影装置において、フィルタパラメータ導出手段が、点拡がり関数を特定するフィルタパラメータと統計量とノイズレベルとの組み合わせを予め記憶したルックアップテーブルから、統計量推定手段で推定された統計量およびノイズレベルにおいて最小のフィルタパラメータを選択することを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the photographing apparatus according to the first aspect, the filter parameter deriving unit stores in advance a combination of a filter parameter that specifies a point spread function, a statistic, and a noise level. It is characterized in that the minimum filter parameter is selected from the up-table from the statistical amount and noise level estimated by the statistical amount estimating means.

かかる構成において、撮影装置は、フィルタパラメータ導出手段によって、予め定めたノイズレベルの環境下で、撮影対象の真の画像が統計量推定手段で推定された統計量を有するための点拡がり関数の分布形状を特定するフィルタパラメータを選択することができる。   In such a configuration, the image capturing apparatus uses the filter parameter deriving unit to distribute the point spread function for allowing the true image to be captured to have the statistic estimated by the statistic estimating unit in an environment with a predetermined noise level. Filter parameters that specify the shape can be selected.

また、請求項3に記載の撮影装置は、請求項1または請求項2に記載の撮影装置において、光学系制御手段が、光学系のフォーカスを合わせた後、フォーカスが合ったときのフォーカス値と、点拡がり関数のフィルタパラメータおよびそれに対応するフォーカス値からのずれ量であるデフォーカス量とを予め記憶したルックアップテーブルから、現時点のフォーカス値と、フィルタパラメータ導出手段で導出されたフィルタパラメータが最も近似するフィルタパラメータとに対応するデフォーカス量を選択し、当該デフォーカス量だけフォーカスをずらすように光学系を駆動制御することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided the photographing apparatus according to the first or second aspect, wherein the optical system control means adjusts the focus value of the optical system after the optical system is focused. The current focus value and the filter parameter derived by the filter parameter deriving means are the most from the lookup table in which the filter parameter of the point spread function and the defocus amount corresponding to the deviation from the focus value are stored in advance. A defocus amount corresponding to an approximate filter parameter is selected, and the optical system is driven and controlled so that the focus is shifted by the defocus amount.

かかる構成において、撮影装置は、光学系制御手段によって、撮影対象にフォーカスを合わせた後、ルックアップテーブルから選択したデフォーカス量だけフォーカスをずらす。これによって、撮影装置は、撮影対象をあえて適度なボケを加えて撮影する。
すなわち、撮影装置は、ノイズのレベルによっては、フォーカスが合った状態よりも、あえてボケ(デフォーカス)を加えることで、最適な画像を生成することができる。
In such a configuration, the imaging apparatus shifts the focus by the defocus amount selected from the look-up table after the optical system control means focuses on the imaging target. As a result, the photographing apparatus shoots with an appropriate blur added to the photographing target.
In other words, depending on the level of noise, the photographing apparatus can generate an optimal image by adding blur (defocus) rather than in a focused state.

また、請求項4に記載の撮影装置は、請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の撮影装置において、ノイズ除去手段が、予め定めた回数だけ、光学系の駆動制御を行った結果として、画像記録手段に記録される撮像画像に対して、ノイズ除去後の画像を生成することを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, in the photographing apparatus according to any one of the first to third aspects, the noise removing unit performs drive control of the optical system a predetermined number of times. As a result, an image after noise removal is generated for the captured image recorded in the image recording means.

かかる構成において、撮影装置は、予め定めた回数だけ、光学系の駆動制御を行うことで、統計量推定手段で推定される統計量の精度が高まる方向に作用する。
これによって、撮影装置は、ノイズ除去の精度を高めることができる。
In such a configuration, the imaging apparatus acts to increase the accuracy of the statistic estimated by the statistic estimation means by performing drive control of the optical system a predetermined number of times.
Thereby, the photographing apparatus can improve the accuracy of noise removal.

また、請求項5に記載のノイズ除去プログラムは、フォーカス制御可能な光学系と、当該光学系によって結像される像を撮像する撮像手段と、当該撮像手段で撮像した画像を記録する画像記録手段と、を備えた撮影装置のコンピュータを、統計量推定手段、フィルタパラメータ導出手段、光学系制御手段、ノイズ除去手段、として機能させる構成とした。   According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a noise removal program that includes an optical system capable of focus control, an imaging unit that captures an image formed by the optical system, and an image recording unit that records an image captured by the imaging unit. And the computer of the photographing apparatus having the above functions as statistical quantity estimation means, filter parameter derivation means, optical system control means, and noise removal means.

かかる構成において、ノイズ除去プログラムは、統計量推定手段によって、統計量をパラメータとして撮影対象の真の画像を統計モデルでモデル化した第1の確率分布と、光学系を特定する光学フィルタである点拡がり関数を介して真の画像から予め定めたノイズレベルで画像記録手段に記録される撮像画像が得られる過程をモデル化した第2の確率分布とから、最尤法によって、第1の確率分布の統計量を推定する。   In such a configuration, the noise removal program is a first probability distribution obtained by modeling a true image to be imaged with a statistical model using a statistical amount as a parameter, and an optical filter for specifying an optical system. From the second probability distribution that models the process of obtaining a captured image recorded in the image recording means with a predetermined noise level from the true image via the spread function, the first probability distribution is obtained by the maximum likelihood method. Estimate the statistic of.

そして、ノイズ除去プログラムは、フィルタパラメータ導出手段によって、統計量推定手段で推定された統計量およびノイズレベルを条件として、真の画像とノイズ除去後の画像との誤差の期待値を最小にする点拡がり関数の分布形状を特定するフィルタパラメータ(例えば、標準偏差等)を求める。   Then, the noise removal program minimizes the expected value of the error between the true image and the image after noise removal on the condition that the filter parameter derivation means is the statistic estimated by the statistic estimation means and the noise level. A filter parameter (for example, standard deviation) for specifying the distribution shape of the spread function is obtained.

そして、ノイズ除去プログラムは、光学系制御手段によって、フィルタパラメータと光学系のフォーカス量との関係を予め対応付けたルックアップテーブルを参照して、フィルタパラメータ導出手段で求められたフィルタパラメータに対応するフォーカス量で、光学系のフォーカスを駆動制御する。   The noise removal program corresponds to the filter parameter obtained by the filter parameter deriving means by referring to a look-up table in which the relationship between the filter parameter and the focus amount of the optical system is previously associated by the optical system control means. The focus of the optical system is driven and controlled by the focus amount.

そして、ノイズ除去プログラムは、ノイズ除去手段によって、統計量推定手段で推定された統計量およびノイズレベルを条件として、フィルタパラメータ導出手段で求められたフィルタパラメータで特定される点拡がり関数を用いて、画像記録手段に記録された撮像画像に対して、第1および第2の確率分布を統合した確率分布の事後確率を最大化する画像をノイズ除去後の画像として生成する。   Then, the noise removal program uses the point spread function specified by the filter parameter obtained by the filter parameter deriving unit, using the noise and the noise level estimated by the statistical amount estimating unit as a condition. For the captured image recorded in the image recording means, an image that maximizes the posterior probability of the probability distribution obtained by integrating the first and second probability distributions is generated as an image after noise removal.

本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
請求項1,5に記載の発明によれば、光学系を適応的に制御することで、撮影対象を光学系で撮像し、ノイズを削除する撮影装置の全体の系において、最もノイズを低減した最適な撮影画像を生成することができる。
これによって、請求項1,5に記載の発明は、ノイズ環境下で最も高精度な(真の画像に近い)画像を撮影することができる。
The present invention has the following excellent effects.
According to the first and fifth aspects of the present invention, the noise is reduced most in the entire system of the photographing apparatus that images the photographing object by the optical system and deletes the noise by adaptively controlling the optical system. An optimal captured image can be generated.
Thus, the inventions according to claims 1 and 5 can take an image with the highest accuracy (close to a true image) in a noise environment.

請求項2に記載の発明によれば、請求項1の効果に加え、光学系を特定する光学フィルタ(点拡がり関数)のパラメータをルックアップテーブルから取得するため、高速にパラメータを特定することができ、ノイズ除去後の画像を高速に生成することができる。   According to the second aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect, the parameters of the optical filter (point spread function) for specifying the optical system are obtained from the look-up table. The image after noise removal can be generated at high speed.

請求項3に記載の発明によれば、請求項1の効果に加え、光学系のデフォーカス量をルックアップテーブルから取得するため、高速にデフォーカス量を特定することができ、ノイズ除去後の画像を高速に生成することができる。   According to the third aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect, since the defocus amount of the optical system is acquired from the lookup table, the defocus amount can be specified at a high speed, and noise removal can be performed. Images can be generated at high speed.

請求項4に記載の発明によれば、請求項1の効果に加え、統計量推定手段で推定される統計量が真の画像の統計量に近似する方向に働くため、真の画像の統計量をより精度よく推定することができ、撮像画像から、より精度よくノイズを除去することができる。   According to the fourth aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect, the statistical amount estimated by the statistical amount estimating means works in a direction approximating the statistical amount of the true image. Can be estimated more accurately, and noise can be more accurately removed from the captured image.

本発明の実施形態に係る撮影装置の構成を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the structure of the imaging device which concerns on embodiment of this invention. 真の画像およびノイズ除去後の画像の平均2乗誤差と、光学フィルタのフィルタパラメータとの関係を示すグラフ図の例であって、縦軸が平均2乗誤差、横軸がフィルタパラメータである。It is an example of the graph which shows the relationship between the average square error of a true image and the image after noise removal, and the filter parameter of an optical filter, Comprising: A vertical axis is an average square error and a horizontal axis is a filter parameter. 本発明の実施形態に係る撮影装置を動画像カメラとして動作させたときの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement when operating the imaging device which concerns on embodiment of this invention as a moving image camera. 本発明の実施形態に係る撮影装置を静止画カメラとして動作させたときの動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement when the imaging device which concerns on embodiment of this invention is operated as a still image camera. 本発明の実施形態に係る撮影装置のシミュレーション結果を説明するための図であって、(a)は真の画像、(b)は最適なデフォーカス値を適用した画像、(c)はデフォーカスを行っていない画像である。It is a figure for demonstrating the simulation result of the imaging device which concerns on embodiment of this invention, (a) is a true image, (b) is an image which applied the optimal defocus value, (c) is defocused. It is an image that has not been performed.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
[撮影装置の構成]
まず、図1を参照して、本発明の実施形態に係る撮影装置1の構成について説明する。この撮影装置1は、光学系を制御して、撮影対象を撮影した画像からノイズを除去するものである。
ここでは、撮影装置1は、光学系10と、イメージセンサ11と、画像記録手段12と、制御手段13と、統計量記憶手段14と、フィルタパラメータ記憶手段15と、を備える。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[Configuration of Shooting Device]
First, with reference to FIG. 1, the structure of the imaging device 1 which concerns on embodiment of this invention is demonstrated. This photographing apparatus 1 controls an optical system to remove noise from an image obtained by photographing a photographing target.
Here, the photographing apparatus 1 includes an optical system 10, an image sensor 11, an image recording unit 12, a control unit 13, a statistic storage unit 14, and a filter parameter storage unit 15.

光学系10は、イメージセンサ11上に撮影対象(被写体)の像を結像させるレンズ(群)である。この光学系10は、駆動部100によって駆動されることで、光軸方向に移動してフォーカス制御を行うフォーカスレンズを含んでいる。なお、駆動部100に対する駆動量(フォーカス値)は、制御手段13から入力される。
すなわち、光学系10は、真の画像に対して、ボケ等を発生させる光学フィルタとして機能する。ここで、真の画像とは、撮影対象をボケやノイズがない状態で撮影した理想的な仮想画像のことである。
The optical system 10 is a lens (group) that forms an image of a subject to be photographed (subject) on the image sensor 11. The optical system 10 includes a focus lens that is driven by the drive unit 100 and moves in the optical axis direction to perform focus control. The driving amount (focus value) for the driving unit 100 is input from the control means 13.
That is, the optical system 10 functions as an optical filter that generates blur or the like on a true image. Here, the true image is an ideal virtual image obtained by shooting the shooting target without blurring or noise.

イメージセンサ11(撮像手段)は、光学系10によって結像された光学像を電気信号に変換するものである。このイメージセンサ11は、例えば、CCD(Charge-Coupled Device)イメージセンサ、CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)イメージセンサ等である。
このイメージセンサ11は、電気信号に変換した画像(画像データ)を、センサ出力として画像記録手段12に書き込む。
The image sensor 11 (imaging means) converts an optical image formed by the optical system 10 into an electric signal. The image sensor 11 is, for example, a CCD (Charge-Coupled Device) image sensor, a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) image sensor, or the like.
The image sensor 11 writes an image (image data) converted into an electric signal into the image recording means 12 as a sensor output.

画像記録手段12は、イメージセンサ11から出力される画像を記録するもので、半導体メモリ等の一般的な記録媒体である。
この画像記録手段12に記録された画像は、撮影対象の真の画像に対して、光学系10(光学フィルタ)によるボケ、イメージセンサ11によるノイズ等が付加された画像(ノイズ除去前画像)となっている。
この画像記録手段12に記録された画像は、制御手段13によって読み出される。
The image recording means 12 records an image output from the image sensor 11 and is a general recording medium such as a semiconductor memory.
The image recorded in the image recording unit 12 is an image obtained by adding blurring by the optical system 10 (optical filter), noise by the image sensor 11, and the like (image before noise removal) to a true image to be captured. It has become.
The image recorded in the image recording unit 12 is read out by the control unit 13.

制御手段13は、光学系10を駆動制御しつつ、画像記録手段12に記録された画像(ノイズ除去前画像)に対して、光学フィルタの逆処理(逆光学フィルタ)およびノイズ除去処理を行うものである。ここでは、制御手段13は、統計量推定手段130と、フィルタパラメータ導出手段131と、光学系制御手段132と、ノイズ除去手段133と、を備える。   The control means 13 performs reverse processing of the optical filter (reverse optical filter) and noise removal processing on the image (image before noise removal) recorded on the image recording means 12 while controlling the drive of the optical system 10. It is. Here, the control unit 13 includes a statistic estimation unit 130, a filter parameter derivation unit 131, an optical system control unit 132, and a noise removal unit 133.

統計量推定手段130は、予め定めた統計モデルで、撮影対象(被写体)を撮影した真の画像をモデル化したときの統計量(統計パラメータ)を推定するものである。
ここで、数式を用いて、統計量推定手段130が統計量を推定する統計モデル(第1の確率分布、第2の確率分布)について説明する。
The statistic estimation means 130 estimates a statistic (statistical parameter) when a true image obtained by photographing a photographing target (subject) is modeled with a predetermined statistical model.
Here, a statistical model (first probability distribution, second probability distribution) in which the statistic estimation means 130 estimates a statistic will be described using mathematical expressions.

(真の画像の統計モデル:第1の確率分布)
まず、真の画像の統計モデル(第1の確率分布)を、以下の式(1)の条件付き確率分布P(s|β,h)と仮定する。
(Statistical model of true image: first probability distribution)
First, it is assumed that a statistical model (first probability distribution) of a true image is a conditional probability distribution P (s | β, h) of the following equation (1).

ここで、H(s;β,h)は、以下の式(2)で定義される事前分布のエネルギーである。また、sは真の画像の画素値をベクトルの形に並べたものである。また、βとhは統計量(統計パラメータ)であって、式(2)で定義される2次統計量に相当する。   Here, H (s; β, h) is the energy of the prior distribution defined by the following formula (2). Further, s is a pixel value of a true image arranged in a vector form. Β and h are statistics (statistical parameters), which correspond to the secondary statistics defined by equation (2).

ここで、sおよびsは画像sの個々の画素値(1≦i≦N,1≦j≦N;Nは画像sの画素数)を表している。なお、式(2)の第一式の右辺第一項は、互いに隣接する2画素i,jのすべての組み合わせについての差の2乗和にパラメータβを乗算したものであり、右辺第二項は、画像sのすべての画素値の2乗和にパラメータhを乗算したものである。
この式(2)の第一式は、同第二式で表される。この式(2)の第二式のJは、画素i,jが隣接する場合にJij=1、それ以外の場合にJij=0となるような行列であり、Iは単位行列である。また、Tは転置を示す。
Here, s i and s j represent individual pixel values of the image s (1 ≦ i ≦ N, 1 ≦ j ≦ N; N is the number of pixels of the image s). Note that the first term on the right side of the first formula in Formula (2) is obtained by multiplying the sum of squares of the differences for all combinations of two adjacent pixels i and j by the parameter β, and the second term on the right side. Is obtained by multiplying the square sum of all the pixel values of the image s by the parameter h.
The first formula of the formula (2) is represented by the second formula. J in the second expression of the expression (2) is a matrix such that J ij = 1 when the pixels i and j are adjacent to each other, and J ij = 0 in other cases, and I is a unit matrix. . T represents transposition.

この式(1),式(2)で表された統計モデルでは、パラメータβが大きいほど滑らかな画像を表し、パラメータhが大きいほどコントラストが低い画像を表すことになる。
ここで、行列Jは画像に対して並進対象(画像の場所に依存しない)であるため、これを畳み込み処理とみなした場合の点拡がり関数のフーリエ変換をJ(Jチルダ)、真の画像のフーリエ変換をs(sチルダ)とおくと、式(2)は、以下の式(3)に示すように、畳み込み定理を用いて周波数kごとの演算の和として表される。なお、Nは、画像sの画素数を示す。
In the statistical model represented by the equations (1) and (2), the larger the parameter β, the smoother the image, and the larger the parameter h, the lower the contrast.
Here, since the matrix J is an object to be translated with respect to the image (does not depend on the location of the image), the Fourier transform of the point spread function when this is regarded as a convolution process is expressed as J ~ (J tilde), a true image When placing the Fourier transform and s ~ (s tilde), equation (2), as shown in the following equation (3), expressed as the sum of the calculation of each frequency k using convolution theorem. N represents the number of pixels of the image s.

(撮影系の統計モデル:第2の確率分布)
また、真の画像から、撮影画像(ノイズ除去前画像;図1中、画像記録手段12に記録される画像)が得られる過程の統計モデル(第2の確率分布)を、以下の式(4)の条件付き確率分布P(r|s;R)と仮定する。
(Statistical model of imaging system: second probability distribution)
Further, a statistical model (second probability distribution) of a process in which a photographed image (image before noise removal; an image recorded in the image recording unit 12 in FIG. 1) is obtained from a true image is expressed by the following equation (4). ) With a conditional probability distribution P (r | s; R).

ここで、L(s,r;A,R)は、以下の式(5)で定義される尤度のエネルギーである。また、sは真の画像の画素値、rは撮影画像(ノイズ除去前画像)の画素値をそれぞれベクトルの形に並べたものである。また、Aは光学フィルタ(光学系10がイメージセンサ11に像を結ぶ際の点拡がり関数)、Rはノイズレベルを表すパラメータである。なお、ここでは、ノイズを画素ごとに加算されるガウスノイズと仮定する。   Here, L (s, r; A, R) is the energy of likelihood defined by the following equation (5). Further, s is a pixel value of a true image, and r is a pixel value of a captured image (image before noise removal) arranged in a vector form. A is an optical filter (a point spread function when the optical system 10 forms an image on the image sensor 11), and R is a parameter representing a noise level. Here, it is assumed that the noise is Gaussian noise added for each pixel.

ここで、sは画像sの画素値(1≦i≦N)を表し、rは画像rの画素値(1≦j≦N)を表している。また、Aijは、2画素i,jにおいて、i行j列目の画素位置における点拡がり関数の値である。また、Tは転置を示す。
ここで、光学フィルタは並進対象であるため、式(5)は、以下の式(6)に示すように、周波数kごとの演算の和として表される。なお、Nは、画像s,rの画素数を示す。
Here, s j represents a pixel value of the image s (1 ≦ i ≦ N), and r i represents a pixel value of the image r (1 ≦ j ≦ N). A ij is the value of the point spread function at the pixel position of the i-th row and j-th column in the two pixels i and j. T represents transposition.
Here, since the optical filter is a translation target, Equation (5) is expressed as the sum of operations for each frequency k as shown in Equation (6) below. N represents the number of pixels of the images s and r.

ここで、s(sチルダ)は真の画像sのフーリエ変換、r(rチルダ)は撮影画像rのフーリエ変換、A(Aチルダ)は光学フィルタ(点拡がり関数)Aのフーリエ変換を示す。 Here, s ~ (s tilde) is the Fourier transform of the true image s, r ~ (r tilde) is the Fourier transform of the captured image r, and A ~ (A tilde) is the Fourier transform of the optical filter (point spread function) A. Indicates.

統計量推定手段130は、真の画像の統計モデル(前記式(1))と、撮影系の統計モデル(前記式(4))とに基づいて、撮影画像が真の画像に最も近似する統計量(統計パラメータ;ここでは、βおよびh)を推定する。
すなわち、統計量推定手段130は、最尤法により、撮影画像rのもとでの統計量に関する尤度関数(対数尤度関数)の関数値を最大にする統計量を算出する。
前記式(1)と前記式(4)とから、撮影画像rのもとでの統計パラメータβ,hに関する対数尤度関数F(β,h)は、以下の式(7)で与えられる。
The statistic estimation means 130 is a statistic that approximates a captured image to a true image based on a statistical model of the true image (the above formula (1)) and a statistical model of the shooting system (the above formula (4)). The quantities (statistical parameters; here β and h) are estimated.
That is, the statistic estimation means 130 calculates a statistic that maximizes the function value of the likelihood function (log likelihood function) regarding the statistic under the captured image r by the maximum likelihood method.
From the equations (1) and (4), the log likelihood function F (β, h) regarding the statistical parameters β and h under the captured image r is given by the following equation (7).

そこで、統計量推定手段130は、この式(7)で与えられる対数尤度関数F(β,h)を最大化する統計パラメータβ,hを求める。なお、ノイズレベルRは、イメージセンサ11のセンサ感度値(S/N;信号対雑音比〔SNR〕)に対応して、予めR=(N/S)で与えられているものとする。 Therefore, the statistic estimation means 130 obtains statistical parameters β and h that maximize the log-likelihood function F (β, h) given by this equation (7). The noise level R is assumed to be given in advance as R = (N / S) 2 corresponding to the sensor sensitivity value (S / N; signal-to-noise ratio [SNR]) of the image sensor 11.

この対数尤度関数F(β,h)の最大化問題を解く手法は、一般的な手法を用いればよく、例えば、勾配法を用いることができる。
すなわち、統計量推定手段130は、以下の式(8)に示す勾配法の更新ステップを、値が収束するまで繰り返すことで、統計パラメータβ,hを求める。なお、wは更新量を決定するための予め定めた値である。
As a method for solving the maximization problem of the log likelihood function F (β, h), a general method may be used, and for example, a gradient method can be used.
That is, the statistic estimation means 130 obtains the statistical parameters β and h by repeating the gradient method update step shown in the following equation (8) until the value converges. Note that w is a predetermined value for determining the update amount.

これによって、統計量推定手段130は、撮影対象(真の画像)の画像特徴を、予め定めた統計モデルの統計量(統計パラメータβ,h)によって推定することができる。
この統計量推定手段130は、推定した統計量をフィルタパラメータ導出手段131に出力するとともに、統計量記憶手段14に書き込む。
Thereby, the statistic estimation means 130 can estimate the image feature of the photographing target (true image) by the statistic (statistic parameters β, h) of a predetermined statistical model.
The statistic estimation means 130 outputs the estimated statistic to the filter parameter derivation means 131 and writes it to the statistic storage means 14.

フィルタパラメータ導出手段131は、統計量推定手段130で推定された統計量と、予め与えられたノイズレベルとを条件として、光学系(光学フィルタ)のパラメータ(フィルタパラメータ)を導出するものである。
このフィルタパラメータは、光学フィルタのフィルタ形状(分布形状)を特定する情報であって、例えば、光学フィルタの点拡がり関数を正規分布と仮定したときの統計量である標準偏差、分散等である。
ここで、統計量推定手段130で求められた統計量を有すると推定された真の画像をs、逆光学フィルタおよびノイズ除去された結果として得られる画像(ノイズ除去後画像)をs^(sハット)、画像の画素数をNとしたとき、ノイズ除去後画像s^は、真の画像sとの誤差、例えば、以下の式(9)に示す平均2乗誤差MSE(Mean Square Error)が最小であることが望ましい。
The filter parameter deriving unit 131 derives a parameter (filter parameter) of the optical system (optical filter) on the condition that the statistical amount estimated by the statistical amount estimating unit 130 and a noise level given in advance are used as conditions.
This filter parameter is information for specifying the filter shape (distribution shape) of the optical filter, and is, for example, a standard deviation, a variance, etc., which are statistics when the point spread function of the optical filter is assumed to be a normal distribution.
Here, s is a true image estimated to have the statistic obtained by the statistic estimation means 130, and s ^ (s) is an image obtained as a result of noise removal from the inverse optical filter (denoised image). Hat), when the number of pixels of the image is N, the image s ^ after noise removal has an error from the true image s, for example, a mean square error MSE (Mean Square Error) shown in the following equation (9). Desirably minimal.

このMSEの期待値<MSE>は、以下の式(10)に示すように下限を持ち、統計量推定手段130で正しく統計量が推定された場合に、下限値となる。なお、β^(βハット)、h^(hハット)は、ノイズ除去後画像s^(sハット)の統計パラメータを示す。   The expected value <MSE> of the MSE has a lower limit as shown in the following formula (10), and becomes a lower limit when the statistic is correctly estimated by the statistic estimation means 130. Β ^ (β hat) and h ^ (h hat) indicate statistical parameters of the image s ^ (s hat) after noise removal.

この式(10)から分かるように、MSE期待値<MSE>は、光学フィルタAのフィルタ形状(分布形状)に依存する。
例えば、光学フィルタの点拡がり関数を標準偏差γの正規分布と仮定すると、図2で表されるようなフィルタ依存性が示され、特定のフィルタパラメータγにおいて、MSEが最小値をとる。
また、このγの値は、統計パラメータβ,hおよびノイズレベルRに依存する。
As can be seen from this equation (10), the MSE expected value <MSE> depends on the filter shape (distribution shape) of the optical filter A.
For example, assuming that the point spread function of the optical filter is a normal distribution with a standard deviation γ, the filter dependency as shown in FIG. 2 is shown, and the MSE takes the minimum value for a specific filter parameter γ * .
The value of γ * depends on the statistical parameters β and h and the noise level R.

すなわち、フィルタパラメータ導出手段131は、統計量推定手段130で推定された統計量である統計パラメータβ,hと、イメージセンサ11のノイズレベルRのもとで、MSEminに関する最小化問題を解くことで、最適なフィルタパラメータγを導出する。 That is, the filter parameter deriving unit 131 solves the minimization problem regarding the MSE min based on the statistical parameters β and h which are the statistical amounts estimated by the statistical amount estimating unit 130 and the noise level R of the image sensor 11. Thus, an optimum filter parameter γ * is derived.

具体的には、フィルタパラメータ導出手段131は、図示を省略したルックアップテーブル記憶手段に、統計量(統計パラメータβ,h)と、ノイズレベルRと、フィルタパラメータγとの組み合わせに対するMSEminの値を、4次元ルックアップテーブルとして予め記憶しておき、β,h,Rに対応するMSEminの値が最小となるフィルタパラメータγを選択する。 Specifically, the filter parameter deriving unit 131 adds the MSE min value for the combination of the statistic (statistical parameters β, h), the noise level R, and the filter parameter γ to the lookup table storage unit (not shown). Are stored in advance as a four-dimensional lookup table, and a filter parameter γ * that minimizes the value of MSE min corresponding to β, h, R is selected.

また、例えば、フィルタパラメータ導出手段131は、図示を省略したルックアップテーブル記憶手段に、統計量(統計パラメータβ,h)と、ノイズレベルRと、予めβ,h,Rによって求めたMSEを最小化するγとを、3次元ルックアップテーブルとして予め記憶しておき、β,h,Rに対応するγを、フィルタパラメータγとして選択することとしてもよい。なお、MSEを最小化するγは、全数検索、勾配法、ニュートン法等の一般的な手法によって予め求めておけばよい。 Also, for example, the filter parameter deriving unit 131 minimizes the statistics (statistical parameters β, h), the noise level R, and the MSE obtained in advance by β, h, R in the lookup table storage unit (not shown). Γ to be converted may be stored in advance as a three-dimensional lookup table, and γ corresponding to β, h, R may be selected as the filter parameter γ * . Note that γ for minimizing MSE may be obtained in advance by a general method such as exhaustive search, gradient method, Newton method, or the like.

また、例えば、フィルタパラメータ導出手段131は、ルックアップテーブルを用いずに、演算によって、フィルタパラメータγを算出することとしてもよい。
このMSEを最小化するフィルタパラメータγを演算によって算出する最小化問題を解く手法は、勾配法、ニュートン法等の一般的な手法を用いればよい。例えば、勾配法でMSEを最小化するフィルタパラメータγを演算するには、前記式(10)に示したMSEminに対して、以下の式(11)に示す勾配法の更新ステップを、値が収束するまで繰り返すことで、最小解γ、すなわち、フィルタパラメータγを求める。
Further, for example, the filter parameter deriving unit 131 may calculate the filter parameter γ * by calculation without using a lookup table.
A general method such as a gradient method or a Newton method may be used as a method for solving the minimization problem by calculating the filter parameter γ * for minimizing the MSE. For example, in order to calculate the filter parameter γ * that minimizes the MSE by the gradient method, the update step of the gradient method shown in the following equation (11) is set to the value for the MSE min shown in the equation (10). By repeating until the convergence, the minimum solution γ, that is, the filter parameter γ * is obtained.

これによって、フィルタパラメータ導出手段131は、光学フィルタを制御するためのパラメータ(フィルタパラメータ)を導出することができる。
このフィルタパラメータ導出手段131は、導出したフィルタパラメータを光学系制御手段132に出力するともに、フィルタパラメータ記憶手段15に書き込む。
Accordingly, the filter parameter deriving unit 131 can derive a parameter (filter parameter) for controlling the optical filter.
The filter parameter deriving unit 131 outputs the derived filter parameter to the optical system control unit 132 and writes it to the filter parameter storage unit 15.

光学系制御手段132は、フィルタパラメータ導出手段131で導出されたフィルタパラメータに基づいて、光学系10(光学フィルタ)を駆動制御するものである。
ここでは、光学系制御手段132は、ボケによる点拡がり(光学フィルタを正規分布とした場合、その標準偏差γ)が、フィルタパラメータ導出手段131で導出されたフィルタパラメータγに一致(最近似)するように、光学系10のフォーカス値を制御する。
The optical system control unit 132 controls driving of the optical system 10 (optical filter) based on the filter parameter derived by the filter parameter deriving unit 131.
Here, the optical system control means 132 has a point spread due to blur (when the optical filter is a normal distribution, its standard deviation γ) matches the filter parameter γ * derived by the filter parameter derivation means 131 (most approximate). Thus, the focus value of the optical system 10 is controlled.

具体的には、光学系制御手段132は、既存のオートフォーカス技術(例えば、コントラスト検出方式、位相差検出方式等)によって、フォーカスを合わせた状態から、フォーカスを外す(デフォーカス)方向に光学系10を制御する
ここで、デフォーカス量は、フォーカスが合った状態から、光学フィルタの点拡がり(ここでは、標準偏差)が、フィルタパラメータγと一致(最近似)するまでのフォーカス値の変化量である。
Specifically, the optical system control unit 132 uses an existing autofocus technique (for example, a contrast detection method, a phase difference detection method, etc.) to change the optical system in a defocusing direction from a focused state. Here, the defocus amount is a change in the focus value from the focused state until the point spread (in this case, the standard deviation) of the optical filter coincides with the filter parameter γ * (most approximate). Amount.

なお、このデフォーカス量は、予めフォーカス値に対して、標準偏差γとなるデフォーカス量を対応付けておけばよい。
例えば、フォーカスが合った状態でのフォーカス値をf、そこからのずれ量(デフォーカス量)をΔfとしたときの関数γ(f,Δf)の値を、図示を省略したルックアップテーブル記憶手段に2次元ルックアップテーブルとして記憶しておく。
The defocus amount may be associated with the defocus amount having the standard deviation γ * in advance with respect to the focus value.
For example, the look-up table storage means not shown in the figure shows the value of the function γ (f, Δf) when the focus value in a focused state is f and the deviation (defocus amount) from the focus value is Δf. Is stored as a two-dimensional lookup table.

この2次元ルックアップテーブルは、光学系10内のレンズに依存する。そこで、2次元ルックアップテーブルは、光学系10で用いられるレンズにおいて、予め、様々な(f,Δf)の組み合わせに対する点拡がり関数を測定しておき、これに近似する正規分布の標準偏差γを記憶しておくこととする。
そして、光学系制御手段132は、2次元ルックアップテーブルから、現時点のフォーカス値fに対して、フィルタパラメータγと最も近い値となるデフォーカス量Δfを取得する。
そして、光学系制御手段132は、光学系10のフォーカス制御を行う光学系制御信号として、フォーカス値(f+Δf)を、光学系10に出力する。
This two-dimensional lookup table depends on the lens in the optical system 10. Therefore, the two-dimensional lookup table measures the point spread function for various combinations of (f, Δf) in the lens used in the optical system 10 in advance, and obtains the standard deviation γ of the normal distribution that approximates this. Remember it.
Then, the optical system control unit 132 acquires a defocus amount Δf that is a value closest to the filter parameter γ * with respect to the current focus value f from the two-dimensional lookup table.
Then, the optical system control unit 132 outputs a focus value (f + Δf) to the optical system 10 as an optical system control signal for performing focus control of the optical system 10.

なお、ここで、光学系制御手段132は、フォーカスをぼかす方向に光学系10を駆動している。しかし、これは、イメージセンサ11で撮像される画像が、ノイズレベルによっては、フォーカスが合った状態よりも、デフォーカスした状態の方が、真の画像に近い画像を得ることができるためである。   Here, the optical system control means 132 drives the optical system 10 in the direction of defocusing. However, this is because an image captured by the image sensor 11 can obtain an image closer to the true image in the defocused state than in the focused state depending on the noise level. .

ノイズ除去手段133は、画像記録手段12に記録された撮影画像(ノイズ除去前画像)に対して、逆光学フィルタ処理およびノイズ除去処理を行うものである。
ここでは、ノイズ除去手段133は、統計量推定手段130で推定された統計量と、予め与えられたノイズレベルとを条件として、画像記録手段12に記録された撮像画像に対して、前記式(1)と前記式(4)の確率分布を統合した確率分布の事後確率を最大化する画像をノイズ除去後の画像として生成する。
ここで、撮影画像(ノイズ除去前画像)rのもとでの真の画像sの事後確率分布P(s|r;β,h,R)は、ベイズの定理から、以下の式(12)で与えられる。
The noise removing unit 133 performs reverse optical filter processing and noise removal processing on the captured image (pre-noise removal image) recorded in the image recording unit 12.
Here, the noise removing unit 133 applies the above-described formula (1) to the captured image recorded in the image recording unit 12 on the condition that the statistical amount estimated by the statistical amount estimating unit 130 and a predetermined noise level are used. An image that maximizes the posterior probability of the probability distribution obtained by integrating the probability distribution of 1) and the equation (4) is generated as an image after noise removal.
Here, the posterior probability distribution P (s | r; β, h, R) of the true image s under the captured image (image before noise removal) r is expressed by the following equation (12) from Bayes' theorem. Given in.

このノイズ除去手段133は、この事後確率を最大化するs=s^(sハット)を、ノイズ除去後画像として出力する。
なお、前記式(12)に、前記式(2)および式(5)を代入すると、事後確率分布P(s|r;β,h,R)は、以下の式(13)となる。
The noise removing unit 133 outputs s = s ^ (s hat) that maximizes the posterior probability as an image after noise removal.
In addition, when the formula (2) and the formula (5) are substituted into the formula (12), the posterior probability distribution P (s | r; β, h, R) is represented by the following formula (13).

なお、前記した統計モデルのもとでは、事後確率分布は、正規分布であり、最頻値は平均に等しい。そこで、ノイズ除去手段133は、事後確率を最大化するノイズ除去後画像s^(sハット)を、以下の式(14)により生成する。   Note that, under the statistical model described above, the posterior probability distribution is a normal distribution, and the mode value is equal to the average. Therefore, the noise removing unit 133 generates a noise-removed image s ^ (s hat) that maximizes the posterior probability according to the following equation (14).

ここで、ノイズ除去手段133は、統計量(統計パラメータβ,h)については、統計量推定手段130で推定され統計量記憶手段14に記憶されている統計量を参照する。なお、行列J,I、ノイズレベルRについては、前記式(2)や式(5)で説明したものと同じであるため、説明を省略するが、これらの情報は、既知の情報として、ノイズ除去手段133に予め設定されている。また、光学フィルタAについては、前記式(5)で説明したとおり、光学系10の点拡がり関数を表すもので、当該関数を特定するパラメータは、フィルタパラメータ記憶手段15に逐次記憶されている。
すなわち、ノイズ除去手段133は、光学フィルタAについては、フィルタパラメータ記憶手段15に記憶されているフィルタパラメータ(例えば、点拡がり関数を正規分布としたときの標準偏差、分散等)を参照し、当該パラメータで特定される点拡がり関数を光学フィルタAとして使用する。
Here, the noise removal unit 133 refers to the statistic estimated by the statistic estimation unit 130 and stored in the statistic storage unit 14 for the statistic (statistical parameters β, h). Note that the matrices J and I and the noise level R are the same as those described in the equations (2) and (5), and thus the description thereof will be omitted. The removal means 133 is preset. The optical filter A represents a point spread function of the optical system 10 as described in the equation (5), and parameters for specifying the function are sequentially stored in the filter parameter storage unit 15.
That is, for the optical filter A, the noise removing unit 133 refers to the filter parameters stored in the filter parameter storage unit 15 (for example, the standard deviation and variance when the point spread function is a normal distribution), and The point spread function specified by the parameter is used as the optical filter A.

統計量記憶手段14は、統計量推定手段130で推定された統計量を記憶するもので、半導体メモリ等の一般的な記録媒体である。
フィルタパラメータ記憶手段15は、フィルタパラメータ導出手段131で導出されたフィルタパラメータを記憶するもので、半導体メモリ等の一般的な記録媒体である。
The statistic storage unit 14 stores the statistic estimated by the statistic estimation unit 130 and is a general recording medium such as a semiconductor memory.
The filter parameter storage unit 15 stores the filter parameter derived by the filter parameter deriving unit 131, and is a general recording medium such as a semiconductor memory.

以上説明したように、撮影装置1を構成することで、撮影装置1は、光学系10を制御して、イメージセンサ11で撮像されたノイズを含んだ画像からノイズを除去することで、光学系や撮影系を通した一連の処理において発生するノイズを精度よく除去することができる。   As described above, by configuring the image capturing apparatus 1, the image capturing apparatus 1 controls the optical system 10 to remove noise from an image including noise captured by the image sensor 11, thereby providing an optical system. And noise generated in a series of processing through the photographing system can be accurately removed.

なお、撮影装置1の制御手段13は、撮影装置1内のコンピュータを前記した各手段として機能させるためのプログラム(ノイズ除去プログラム)によって動作する。
すなわち、撮影装置1は、図示を省略した記憶手段に記憶したノイズ除去プログラムを、RAM(Random Access Memory)に展開し、コンピュータによって動作させることで、制御手段13の各手段の機能を実現することができる。
The control means 13 of the photographing apparatus 1 is operated by a program (noise removal program) for causing the computer in the photographing apparatus 1 to function as each means described above.
That is, the photographing apparatus 1 realizes the functions of the respective units of the control unit 13 by developing a noise removal program stored in a storage unit (not shown) in a RAM (Random Access Memory) and operating it by a computer. Can do.

[撮影装置の動作]
次に、図3を参照(構成については、適宜図1参照)して、本発明の実施形態に係る撮影装置1の動作について説明する。
なお、ここでは、撮影装置1を、動画像カメラ(ビデオカメラ)として説明する。
まず、撮影装置1は、イメージセンサ11によって、光学系10を介して撮影対象を撮像し、画像記録手段12に書き込む(ステップS1)。
[Operation of the camera]
Next, referring to FIG. 3 (refer to FIG. 1 as appropriate for the configuration), the operation of the imaging apparatus 1 according to the embodiment of the present invention will be described.
Here, the photographing apparatus 1 will be described as a moving image camera (video camera).
First, the photographing apparatus 1 captures an image of a photographing object via the optical system 10 by the image sensor 11 and writes it in the image recording means 12 (step S1).

そして、撮影装置1は、制御手段13の統計量推定手段130によって、予め与えられたイメージセンサ11のノイズレベルの条件下で、画像記録手段12に書き込まれた画像(撮影画像)から、予め定めた統計モデルの統計量に関する尤度関数(対数尤度関数;前記式(7参照))が最大となる統計量(統計パラメータ)を算出する(ステップS2)。
これによって、統計量推定手段130は、撮影対象の画像特徴を、予め定めた統計モデルの統計量(統計パラメータ)によって推定する。
Then, the photographing apparatus 1 determines in advance from an image (photographed image) written in the image recording means 12 under the condition of the noise level of the image sensor 11 given in advance by the statistic estimation means 130 of the control means 13. A statistic (statistical parameter) that maximizes the likelihood function (log likelihood function; see Equation (7)) related to the statistic of the statistical model is calculated (step S2).
As a result, the statistic estimation means 130 estimates the image characteristics of the object to be photographed by using a statistic (statistic parameter) of a predetermined statistical model.

そして、撮影装置1は、制御手段13のフィルタパラメータ導出手段131によって、ステップS2で算出(推定)された統計量(統計パラメータ)と、予め与えられたノイズレベルとから、真の画像と、ノイズ除去手段133においてノイズ除去されたノイズ除去後画像との平均2乗誤差MSEが最小となる光学フィルタのパラメータ(フィルタパラメータ)を導出する(ステップS3)。このフィルタパラメータは、例えば、光学フィルタを正規分布とした場合のフィルタを特定する標準偏差等である。
このとき、フィルタパラメータ導出手段131は、事前に準備したルックアップテーブルで、統計パラメータ、ノイズレベル等から、フィルタパラメータを取得することとしてもよいし、平均2乗誤差MSEを最小とするフィルタパラメータについて最小化問題を解くことで計算により求めてもよい。
Then, the photographing apparatus 1 uses the filter parameter deriving unit 131 of the control unit 13 to calculate the true image, the noise from the statistical amount (statistical parameter) calculated (estimated) in step S2 and the noise level given in advance. A parameter (filter parameter) of the optical filter that minimizes the mean square error MSE with the noise-removed image from which noise has been removed by the removing unit 133 is derived (step S3). This filter parameter is, for example, a standard deviation for specifying a filter when the optical filter has a normal distribution.
At this time, the filter parameter deriving unit 131 may acquire the filter parameter from a statistical parameter, a noise level, or the like using a lookup table prepared in advance, or a filter parameter that minimizes the mean square error MSE. You may obtain | require by calculation by solving a minimization problem.

そして、撮影装置1は、制御手段13の光学系制御手段132によって、ステップS3で導出されたフィルタパラメータと、光学系10の光学フィルタのパラメータとが一致(最近似)する光学系10の駆動量を求めて、光学系10を駆動制御する(ステップS4)。
このとき、光学系制御手段132は、フォーカスが合った状態でのフォーカス値と、そこからのずれ量(デフォーカス量)とに、フィルタパラメータ(標準偏差)の値を予め対応付けた2次元ルックアップテーブルから、現時点のフォーカス値に対して、フィルタパラメータと最も近い値となるデフォーカス量を取得する。
The photographing apparatus 1 then drives the optical system 10 so that the filter parameter derived in step S3 by the optical system control unit 132 of the control unit 13 and the optical filter parameter of the optical system 10 match (most approximate). And the optical system 10 is driven and controlled (step S4).
At this time, the optical system control unit 132 performs a two-dimensional look in which the value of the filter parameter (standard deviation) is associated in advance with the focus value in the focused state and the deviation amount (defocus amount) therefrom. From the up table, the defocus amount that is the closest to the filter parameter with respect to the current focus value is acquired.

そして、光学系制御手段132は、現時点のフォーカス値にデフォーカス量を加算したフォーカス値を光学系10に出力する。
これによって、光学系10のフォーカスが制御され、イメージセンサ11に結像する像は、ノイズレベルに応じてデフォーカスされた像(撮影画像〔ノイズ除去前画像〕)となって、画像記録手段12に記録される。
Then, the optical system control unit 132 outputs a focus value obtained by adding the defocus amount to the current focus value to the optical system 10.
As a result, the focus of the optical system 10 is controlled, and the image formed on the image sensor 11 becomes a defocused image (captured image [image before noise removal]) according to the noise level, and the image recording unit 12. To be recorded.

そして、撮影装置1は、制御手段13のノイズ除去手段133によって、ステップS2で推定された統計量(統計パラメータ)と、予め与えられたノイズレベルとに基づいて、画像記録手段12に記録された撮影画像(ノイズ除去前画像)に対して、逆光学フィルタ処理およびノイズ除去処理を行う(ステップS5)。
すなわち、ノイズ除去手段133は、撮影画像(ノイズ除去前画像)のもとでの真の画像の事後確率を最大化する画像(ノイズ除去後画像)を生成する(前記式(14)参照)。
その後、撮影装置1は、ステップS1に戻って、動作を続ける。
The photographing apparatus 1 is recorded in the image recording unit 12 by the noise removing unit 133 of the control unit 13 based on the statistical amount (statistical parameter) estimated in step S2 and the noise level given in advance. A reverse optical filter process and a noise removal process are performed on the captured image (image before noise removal) (step S5).
That is, the noise removing unit 133 generates an image (image after noise removal) that maximizes the posterior probability of the true image under the captured image (image before noise removal) (see the above formula (14)).
Thereafter, the photographing apparatus 1 returns to step S1 and continues to operate.

これよって、撮影装置1は、動画像撮影中に、光学系10を順次調整しつつ、ノイズ除去を行った画像を取得することができる。
なお、ここでは、説明を簡略化するため、撮影装置1がステップS1で撮影対象を撮像および記録した後、ステップS2〜S4で光学系を駆動制御することとした。しかし、ステップS2〜S4は、必ずしも撮影対象を撮像および記録するたびに行う必要はない。
例えば、撮影装置1は、最初にステップS1〜S5の動作を行った後、ステップS2〜S4については、ステップS1による撮像および記録が予め定めた回数行われるごとに動作させることとしてもよい。
Accordingly, the imaging apparatus 1 can acquire an image from which noise has been removed while sequentially adjusting the optical system 10 during moving image shooting.
Here, in order to simplify the description, the imaging apparatus 1 drives and controls the optical system in steps S2 to S4 after the imaging apparatus 1 captures and records the imaging target in step S1. However, steps S2 to S4 are not necessarily performed every time an imaging target is imaged and recorded.
For example, after first performing the operations of Steps S1 to S5, the imaging apparatus 1 may be configured to operate Steps S2 to S4 each time imaging and recording in Step S1 are performed a predetermined number of times.

次に、図4を参照(構成については、適宜図1参照)して、本発明の実施形態に係る撮影装置1を静止画カメラ(スチールカメラ)とした場合の動作について説明する。
撮影装置1を静止画カメラとして動作させる場合も、基本的動作は、図3で説明した動画像カメラと同じである。
Next, referring to FIG. 4 (refer to FIG. 1 as appropriate for the configuration), the operation when the photographing apparatus 1 according to the embodiment of the present invention is a still image camera (still camera) will be described.
Even when the photographing apparatus 1 is operated as a still image camera, the basic operation is the same as that of the moving image camera described in FIG.

撮影装置1は、図3で説明した動画像カメラと同様に、ステップS1からステップS4までの動作を行った後、制御手段13が、ステップS1〜S4の動作回数を累計し、所定回数(例えば、3回等)に達したか否かを判定する(ステップS4B)。
そして、ステップS1〜S4の動作回数が所定回数に達していない場合(ステップS4BでNo)、撮影装置1は、ステップS1に戻って操作を続ける。
In the same manner as the moving image camera described with reference to FIG. 3, the photographing apparatus 1 performs the operations from step S1 to step S4, and then the control unit 13 accumulates the number of operations in steps S1 to S4. 3 times, etc.) is determined (step S4B).
If the number of operations in steps S1 to S4 has not reached the predetermined number (No in step S4B), the imaging device 1 returns to step S1 and continues the operation.

一方、ステップS1〜S4の動作回数が所定回数に達した場合(ステップS4BでYes)、撮影装置1は、制御手段13のノイズ除去手段133によって、ステップS2で推定された統計量(統計パラメータ)と、予め与えられたノイズレベルとに基づいて、画像記録手段12に記録された撮影画像(ノイズ除去前画像)に対して、逆光学フィルタ処理およびノイズ除去処理を行う(ステップS5)。
このように、ステップS1〜S4を繰り返し処理することで、撮影装置1は、統計量推定手段130における統計量の推定の精度を高めることができ、ノイズ除去精度を高めることができる。
On the other hand, when the number of operations in steps S1 to S4 reaches a predetermined number (Yes in step S4B), the photographing apparatus 1 uses the noise removal unit 133 of the control unit 13 to estimate the statistics (statistical parameters) in step S2. Based on the noise level given in advance, reverse optical filter processing and noise removal processing are performed on the captured image (image before noise removal) recorded in the image recording means 12 (step S5).
As described above, by repeatedly performing steps S1 to S4, the imaging apparatus 1 can improve the accuracy of estimation of the statistic by the statistic estimation unit 130, and can improve the noise removal accuracy.

以上説明したように、撮影装置1は、適応的に光学系を制御してノイズを除去することで、撮影系全体を通して画像の最適化を行うことができ、イメージセンサにノイズが発生する環境下において、最も劣化の少ない画像を得ることができる。   As described above, the imaging apparatus 1 can optimize an image throughout the entire imaging system by adaptively controlling the optical system to remove noise, and in an environment where noise occurs in the image sensor. The image with the least deterioration can be obtained.

[処理結果]
次に、図5を参照して、撮影装置1のシミュレーション結果について説明する。図5(a)は真の画像として用いたLenna標準画像である。図5(b),(c)は、図5(a)の画像を、光学系10に相当する点拡がり関数によって変換し、所定のノイズ(センサノイズ)によって劣化させた後(画像記録手段12のノイズ除去前画像)、ノイズ除去(ノイズ除去手段133)を行った後の画像である。
[Processing result]
Next, a simulation result of the photographing apparatus 1 will be described with reference to FIG. FIG. 5A is a Lenna standard image used as a true image. 5B and 5C, the image of FIG. 5A is converted by a point spread function corresponding to the optical system 10 and deteriorated by predetermined noise (sensor noise) (image recording means 12). The image after noise removal (noise removal means 133).

なお、図5(b)は、統計量推定手段130およびフィルタパラメータ導出手段131によって得られるフィルタパラメータに対応する点拡がり関数によって、図5(a)の画像を変換し、所定のノイズによって劣化させた後、ノイズ除去を行う処理を複数回行った後の画像である。すなわち、図5(b)の画像は、フィルタパラメータによって、光学系制御手段132が、最適なデフォーカス値となるように光学系10を制御し、ノイズ除去を行った画像に相当する。また、図5(c)の画像は、デフォーカスを行っていない画像に相当する。
ただし、ここでは、処理結果を見やすくするため、画像を劣化させるノイズ(すなわち、イメージセンサ11のセンサ感度値)を“0dB”としている。
Note that FIG. 5B is a diagram in which the image of FIG. 5A is converted by a point spread function corresponding to the filter parameters obtained by the statistic estimation unit 130 and the filter parameter derivation unit 131, and is degraded by predetermined noise. Then, the image after the noise removal processing is performed a plurality of times. That is, the image in FIG. 5B corresponds to an image from which noise is removed by controlling the optical system 10 so that the optical system control unit 132 has an optimum defocus value according to the filter parameter. The image in FIG. 5C corresponds to an image that has not been defocused.
However, here, in order to make the processing result easy to see, noise that degrades the image (that is, the sensor sensitivity value of the image sensor 11) is set to “0 dB”.

図5(b)に示すように、センサノイズによって撮影画像が劣化した場合であっても、撮影装置1の光学系10のフォーカス値(デフォーカス値)を最適化することで、デフォーカスを行わない図5(c)の画像比べ、より真の画像(図5(a))に近い画像を撮影することができる。   As shown in FIG. 5B, defocusing is performed by optimizing the focus value (defocus value) of the optical system 10 of the imaging apparatus 1 even when the captured image is deteriorated due to sensor noise. An image closer to the true image (FIG. 5A) can be taken than the image of FIG.

以上、本発明の実施形態に係る撮影装置1の構成および動作について説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではない。
例えば、ここでは、統計量推定手段130において、画像の滑らかさを特定する統計パラメータβと、コントラストを特定する統計パラメータhとでモデル化した統計モデルを用いて統計量を推定した。しかし、統計量推定手段130は、他の統計量でモデル化した統計モデルで統計量を推定することとしてもよい。例えば、平均輝度等を統計量として用いてもよい。
The configuration and operation of the imaging device 1 according to the embodiment of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to this embodiment.
For example, here, the statistic estimation unit 130 estimates the statistic using a statistical model modeled with a statistical parameter β that specifies the smoothness of the image and a statistical parameter h that specifies the contrast. However, the statistic estimation means 130 may estimate the statistic with a statistical model modeled with another statistic. For example, average luminance or the like may be used as a statistic.

また、ここでは、フィルタパラメータ導出手段131において、光学フィルタの点拡がり関数を正規分布と仮定し、フィルタパラメータが1つ(標準偏差γ)の例で説明した。しかし、点拡がり関数を一般正規分布で表現した場合のように、フィルタパラメータを複数用いることとしてもよい。
例えば、点拡がり関数を、以下の式(15)に示すような一般正規分布とした場合、フィルタパラメータは、γ,γの2つとなる。なお、Γはガンマ関数である。
Further, here, the filter parameter deriving unit 131 has been described with an example in which the point spread function of the optical filter is assumed to be a normal distribution and the number of filter parameters is one (standard deviation γ). However, a plurality of filter parameters may be used as in the case where the point spread function is expressed by a general normal distribution.
For example, when the point spread function is a general normal distribution as shown in the following equation (15), the filter parameters are two , γ 1 and γ 2 . Note that Γ is a gamma function.

このように、フィルタパラメータを2つにした場合、フィルタパラメータ導出手段131、光学系制御手段132で用いるルックアップテーブルの次元をそれぞれ1つ増加させればよい。   Thus, when the number of filter parameters is two, the dimensions of the look-up table used by the filter parameter deriving unit 131 and the optical system control unit 132 may be increased by one.

1 撮影装置
10 光学系(光学フィルタ)
11 イメージセンサ(撮像手段)
12 画像記録手段
13 制御手段
130 統計量推定手段
131 フィルタパラメータ導出手段
132 光学系制御手段
133 ノイズ除去手段
14 統計量記憶手段
1 photographing device 10 optical system (optical filter)
11 Image sensor (imaging means)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 12 Image recording means 13 Control means 130 Statistics estimation means 131 Filter parameter derivation means 132 Optical system control means 133 Noise removal means 14 Statistics storage means

Claims (5)

フォーカス制御可能な光学系と、当該光学系によって結像される像を撮像する撮像手段と、当該撮像手段で撮像した画像を記録する画像記録手段と、を備えた撮影装置において、
統計量をパラメータとして撮影対象の真の画像を統計モデルでモデル化した第1の確率分布と、前記光学系を特定する光学フィルタである点拡がり関数を介して前記真の画像から予め定めたノイズレベルで前記画像記録手段に記録される撮像画像が得られる過程をモデル化した第2の確率分布とから、最尤法によって、前記統計量を推定する統計量推定手段と、
この統計量推定手段で推定された統計量および前記ノイズレベルを条件として、前記真の画像とノイズ除去後の画像との誤差の期待値を最小にする前記点拡がり関数の分布形状を特定するフィルタパラメータを求めるフィルタパラメータ導出手段と、
前記フィルタパラメータと前記光学系のフォーカス量との関係を予め対応付けたルックアップテーブルを参照して、前記フィルタパラメータ導出手段で求められたフィルタパラメータに対応するフォーカス量で、前記光学系のフォーカスを駆動制御する光学系制御手段と、
前記統計量推定手段で推定された統計量および前記ノイズレベルを条件として、前記フィルタパラメータ導出手段で求められたフィルタパラメータで特定される点拡がり関数を用いて、前記画像記録手段に記録された撮像画像に対して、前記第1および第2の確率分布を統合した確率分布の事後確率を最大化する画像をノイズ除去後の画像として生成するノイズ除去手段と、
を備えることを特徴とする撮影装置。
An imaging apparatus comprising: an optical system capable of focus control; an imaging unit that captures an image formed by the optical system; and an image recording unit that records an image captured by the imaging unit.
A first probability distribution obtained by modeling a true image to be photographed with a statistical model using a statistic as a parameter, and a noise determined in advance from the true image via a point spread function that is an optical filter for specifying the optical system A statistic estimation means for estimating the statistic by a maximum likelihood method from a second probability distribution modeling a process of obtaining a captured image recorded in the image recording means at a level;
A filter for specifying a distribution shape of the point spread function that minimizes an expected value of an error between the true image and an image after noise removal on the condition that the statistic estimated by the statistic estimation means and the noise level Filter parameter derivation means for obtaining parameters;
With reference to a look-up table in which the relationship between the filter parameter and the focus amount of the optical system is previously associated, the focus of the optical system is adjusted with the focus amount corresponding to the filter parameter obtained by the filter parameter deriving means. Optical system control means for driving control;
The imaging recorded in the image recording unit using a point spread function specified by the filter parameter obtained by the filter parameter deriving unit on condition of the statistical amount estimated by the statistical amount estimating unit and the noise level Noise removing means for generating an image that maximizes the posterior probability of the probability distribution obtained by integrating the first and second probability distributions as an image after noise removal with respect to the image;
An imaging apparatus comprising:
前記フィルタパラメータ導出手段は、前記点拡がり関数を特定する前記フィルタパラメータと前記統計量と前記ノイズレベルとの組み合わせを予め記憶したルックアップテーブルから、前記統計量推定手段で推定された統計量および前記ノイズレベルにおいて最小のフィルタパラメータを選択することを特徴とする請求項1に記載の撮影装置。   The filter parameter derivation means includes a statistic estimated by the statistic estimation means and a statistic estimated by the statistic estimation means from a look-up table in which a combination of the filter parameter for specifying the point spread function, the statistic and the noise level is stored The photographing apparatus according to claim 1, wherein a minimum filter parameter is selected at a noise level. 前記光学系制御手段は、前記光学系のフォーカスを合わせた後、前記フォーカスが合ったときのフォーカス値と、前記点拡がり関数のフィルタパラメータおよびそれに対応する前記フォーカス値からのずれ量であるデフォーカス量とを予め記憶したルックアップテーブルから、現時点のフォーカス値と、前記フィルタパラメータ導出手段で導出されたフィルタパラメータが最も近似するフィルタパラメータとに対応するデフォーカス量を選択し、当該デフォーカス量だけフォーカスをずらすように前記光学系を駆動制御することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の撮影装置。   The optical system control means, after focusing the optical system, the focus value when the focus is achieved, the filter parameter of the point spread function, and the defocus that is the amount of deviation from the corresponding focus value A defocus amount corresponding to the current focus value and the filter parameter closest to the filter parameter derived by the filter parameter deriving means is selected from a lookup table in which the amount is stored in advance. The photographing apparatus according to claim 1, wherein the optical system is driven and controlled to shift a focus. 前記ノイズ除去手段は、予め定めた回数だけ、前記光学系の駆動制御を行った結果として、前記画像記録手段に記録される撮像画像に対して、前記ノイズ除去後の画像を生成することを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の撮影装置。   The noise removing unit generates the image after the noise removal with respect to a captured image recorded in the image recording unit as a result of performing drive control of the optical system a predetermined number of times. The imaging device according to any one of claims 1 to 3. フォーカス制御可能な光学系と、当該光学系によって結像される像を撮像する撮像手段と、当該撮像手段で撮像した画像を記録する画像記録手段と、を備えた撮影装置のコンピュータを、
統計量をパラメータとして撮影対象の真の画像を統計モデルでモデル化した第1の確率分布と、前記光学系を特定する光学フィルタである点拡がり関数を介して前記真の画像から予め定めたノイズレベルで前記画像記録手段に記録される撮像画像が得られる過程をモデル化した第2の確率分布とから、最尤法によって、前記統計量を推定する統計量推定手段、
この統計量推定手段で推定された統計量および前記ノイズレベルを条件として、前記真の画像とノイズ除去後の画像との誤差の期待値を最小にする前記点拡がり関数の分布形状を特定するフィルタパラメータを求めるフィルタパラメータ導出手段、
前記フィルタパラメータと前記光学系のフォーカス量との関係を予め対応付けたルックアップテーブルを参照して、前記フィルタパラメータ導出手段で求められたフィルタパラメータに対応するフォーカス量で、前記光学系のフォーカスを駆動制御する光学系制御手段、
前記統計量推定手段で推定された統計量および前記ノイズレベルを条件として、前記フィルタパラメータ導出手段で求められたフィルタパラメータで特定される点拡がり関数を用いて、前記画像記録手段に記録された撮像画像に対して、前記第1および第2の確率分布を統合した確率分布の事後確率を最大化する画像をノイズ除去後の画像として生成するノイズ除去手段、
として機能させるためのノイズ除去プログラム。
A computer of an imaging apparatus comprising: an optical system capable of focus control; an imaging unit that captures an image formed by the optical system; and an image recording unit that records an image captured by the imaging unit.
A first probability distribution obtained by modeling a true image to be photographed with a statistical model using a statistic as a parameter, and a noise determined in advance from the true image via a point spread function that is an optical filter for specifying the optical system A statistic estimation means for estimating the statistic by a maximum likelihood method from a second probability distribution modeling a process of obtaining a captured image recorded in the image recording means at a level;
A filter for specifying a distribution shape of the point spread function that minimizes an expected value of an error between the true image and an image after noise removal on the condition that the statistic estimated by the statistic estimation means and the noise level Filter parameter derivation means for obtaining parameters,
With reference to a look-up table in which the relationship between the filter parameter and the focus amount of the optical system is previously associated, the focus of the optical system is adjusted with the focus amount corresponding to the filter parameter obtained by the filter parameter deriving means. Optical system control means for driving control,
The imaging recorded in the image recording unit using a point spread function specified by the filter parameter obtained by the filter parameter deriving unit on condition of the statistical amount estimated by the statistical amount estimating unit and the noise level Noise removal means for generating an image that maximizes the posterior probability of the probability distribution obtained by integrating the first and second probability distributions as an image after noise removal with respect to the image;
Noise removal program to function as.
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