JP6097597B2 - 画像処理装置及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は、画像中の被写体と背景とを分離する技術、特に、複数枚の連続する画像における被写体と背景を分離する技術に関するものである。
画像中の主とする被写体と背景のそれぞれに対して適切な画像処理を行うため等、画像中の被写体と背景とを分離する技術がある。
例えば、特許文献1では山と空の境界線や人物と背景画像との境界線エッジの両側のテクスチャは異なる場合が多いことを利用して被写体と背景を分離する方法が開示されている。具体的には、色毎の偏りを調べることでテクスチャ分布を求める。テクスチャが一様に分布していれば、全ての色の重心位置が領域の中心近傍に存在することを利用して被写体と背景を分離するものである。
特許文献2では合焦位置を変化させながら撮像された複数の画像を使用して被写体と背景を分離する方法が開示されている。具体的には、ユーザーが画像表示部に表示された撮影された画像の輪郭の一部を選択し、その点を始点にして輪郭抽出を行う。特許文献2では、合焦位置を変化させながら複数の画像を撮影している。従って、画像エッジに奥行きがある対象物でも、複数の画像の中からエッジをより正確に抽出できる画像を選択することで、被写体のエッジを正確に検出して画像を切り出すことが可能になっている。
特開2008−077460号公報 特開2007−293757号公報
しかしながら、上述の特許文献1に開示された従来技術では、合焦した被写体と背景が同じようなテクスチャだった場合には、被写体と背景を分離できない。
また、上述の特許文献2に開示された従来技術では、ユーザーが抽出したい被写体の輪郭を選択する必要がある。
本発明は係る問題に鑑みなされたものであり、画像中の主被写体と背景とを高い精度で分離するための境界を表わす画像を生成する技術を提供しようとするものである。
この課題を解決するため、例えば本発明の画像処理装置は以下の構成を備える。すなわち、
画像中の主被写体と非主被写体とを分離するための、前記主被写体の境界を示すエッジ画像を抽出する画像処理装置であって、
撮像位置が異なる、少なくとも2枚の画像を入力する入力手段と、
入力した画像の1つを基準画像、当該基準画像以外の他の画像を比較対象画像としたとき、前記比較対象画像における予め設定された小領域毎に、前記基準画像に対するズレ量を示すベクトルを求め、当該ベクトルに基づき前記比較対象画像における主被写体の位置を前記基準画像における主被写体に合わせる位置合せ手段と、
前記基準画像における画素についてのエッジの度合を値として持つ第1のエッジ画像、及び、前記位置合せ手段による位置合せ後の比較対象画像における画素についてのエッジの度合を値として持つ第2のエッジ画像を抽出するエッジ抽出手段と、
前記第1のエッジ画像、前記第2のエッジ画像のそれぞれの画素値を比較し、大きい値を持つ画素で構成される画像を生成する第1の画像生成手段と、
前記第1のエッジ画像と前記第2のエッジ画像のそれぞれの画素値の差の絶対値を画素値とする画像を生成する第2の画像生成手段と、
前記第1の画像生成手段で生成された画像の各画素値から、前記第2の画像生成手段で生成された画像の画素値を減じた値を画素値とする第3の画像を生成する第3の画像生成手段とを有する。
本発明に、画像中の主被写体と背景とを高い精度で分離するための境界を表わす画像を生成することが可能になる。
第1の実施形態の画像処理装置を構成するブロック図。 第1の実施形態の処理手順を示すフローチャート。 第2の実施形態の処理手順を示すフローチャート。 第1の実施形態における2枚の撮影画像の例を示す図。 第1の実施形態の位置合わせ後の画像の例を示す図。 第1の実施形態で抽出されたエッジ画像の例を示す図。 第1の実施形態で抽出された被写体と背景のエッジ画像を示す図。 第1の実施形態で抽出された背景のエッジ画像を示す図。 第1の実施形態で抽出された被写体のエッジ画像を示す図。 第1の実施形態で抽出された被写体領域画像を示す図。 第2の実施形態における3枚の画像を示す図。 第2の実施形態で抽出されたエッジ画像を示す図。 第2の実施形態で抽出された背景のエッジ画像を示す図。 第2の実施形態で抽出された被写体のエッジ画像を示す図。 第2の実施形態で抽出された被写体のエッジ画像を示す図。 第2の実施形態で抽出された被写体領域画像を示す図。 第2の実施形態の画像処理装置を構成するブロック図。 第1の実施形態で撮影されたR画像、G画像、B画像を示す図。 図20のR,G,B画像のそれれのエッジ画像を示す図。 図21から生成された被写体のエッジ画像を示す図。 エッジ画像にMAXフィルタを適用した例を示す図。
以下、添付図面に従って本発明に係る実施形態を詳細に説明する。
[第1の実施形態]
図1は、実施形態における画像処理装置(デジタルカメラ等に代表される撮像装置)のブロック図である。
同図において、撮像レンズ10は、撮影像を光学的に撮像素子12上に結像させる。撮像素子12は、その撮影像をアナログの電気信号に変換する。A/D変換器14は、この撮像素子12から出力されるアナログ信号をデジタル信号に変換する。
レンズ駆動部16は、撮像レンズ10を水平垂直方向にシフト駆動させたり、ピッチ方向やヨー方向に駆動させたり、ワイド端方向またはテレ端方向に駆動する。
メモリ18は、撮影した画像データを一時的に格納するための揮発性のメモリである。制御回路20は、A/D変換機14、メモリ18、位置ずれ補正部30、エッジ抽出部40、最大値選択部50、差分演算部60、抽出部70の間のデータの流れの制御と、レンズ駆動部16の制御を行う。
距離計測部22は、画像処理装置100と被写体の距離を計測する。位置ずれ補正回路30は、撮影された2枚の画像を入力として、一方の画像の主被写体を位置合わせの基準としたときの他方の主被写体の位置ずれ量を検出して、他方の画像の位置ずれを補正した画像を出力する。
エッジ抽出部40は、撮影された画像中のエッジを抽出する。最大値選択部50は、第1の画像生成手段として機能するものであり、画素毎に、2枚の画像のうち画素値(輝度)が大きい方の値を選択して出力する。差分演算部60は、第2の画像生成手段として機能するものであり、画素毎に、2枚の画像の差分絶対値演算を行った画像を出力する。抽出部70は第3の画像生成手段として機能するもので、最大値選択部50から出力された画像と、差分演算部60から出力された画像から、主被写体のエッジを抽出した画像を出力する。
図2は、本発明の主被写体と背景の分離方法を説明するフローチャートである。
まずステップS202で、撮影位置(撮像位置)をずらして2枚の画像を撮影する。このとき撮影される2枚の画像は例えば図4の画像4a,4bである。撮影位置をずらす方法は、画像処理装置100を撮影者が手で持って撮影することで自然に発生する位置ずれを利用してもよいし、レンズ駆動部16を用いて撮像レンズ10を駆動することで人工的に発生させてもよいし、両者を組み合わせて使用してもよい。
また、後述するように本実施形態では、主被写体の位置ずれ量と背景(非主被写体)の位置ずれ量の差を利用して、主被写体と背景との境界を示すエッジ画像(画素毎のエッジの度合を示す画像)を生成する。そのため、レンズ駆動部16を用いて撮像レンズ10を駆動する場合、画像処理装置100と主被写体と背景との距離関係や画像上の位置に応じて上記要求を満たすように撮像レンズ10の駆動方法を変更してもよい。
例えば、画像処理装置100と主被写体の距離に対して画像処理装置100と背景の距離が遠い場合には、レンズ駆動部16で撮像レンズ10を水平垂直方向にシフト駆動することで、主被写体の位置ずれ量と背景の位置ずれ量に差をつくることができる。また、主被写体が画面中央付近に存在する場合には、レンズ駆動部16で撮像レンズ10をピッチ方向やヨー方向に駆動することで、主被写体の位置ずれ量と背景の位置ずれ量に差をつくることができる。
次にステップS203では、位置ずれ補正部30で、主被写体の位置が合うように、撮影した2枚の画像を位置合わせを行う。主被写体の画像上の大まかな位置は、撮影時に焦点を合わせた画像上の位置を使用したり、画面中央付近に被写体がいると仮定したりすることで決定する。位置合わせの基準とする画像は、撮影した2枚の画像のどちらを選択してもよい。本実施形態では、1枚目の画像4aを基準画像として、後続して撮像される2枚目の画像4bを位置合わせ対象とする。ステップS203の処理の結果、出力される画像は図5の画像5bである。ただし、画像処理装置100と被写体の距離によって位置ずれの大きさは異なるので、主被写体に位置合わせした場合には1枚目の画像4aと位置合わせ後の2枚目の画像5bを重ね合わせても背景の位置は一致しない。
位置合わせの方法としては、例えば下記方法を用いる。
位置合わせの基準画像4aと位置合わせをする比較画像4bを複数の小領域に分割し、前記小領域毎に、基準画像と比較画像間のズレ量を求める。ズレ量の算出方法としては、基準画像の小領域を比較画像の小領域内で移動させながら相関値を求め、相関値が最も小さい位置までの動きベクトルをその領域のズレ量とする。相関値としては、例えば差分絶対値和(SAD)などを使用する。
検出した各領域におけるズレ量を基に、被写体像の変形を示すアフィン変換のパラメータを算出する。算出したアフィンパラメータに基づいて、比較画像にアフィン変換を施す。アフィン変換によって、比較画像は、基準画像と重なるような形に位置合わせされる。
また、上記以外としては、求めた各領域のズレ量の分布を解析する手法がある。すなわち、水平軸をズレ量、垂直軸を度数のヒストグラムを求める。撮像装置の位置を変えて2枚の画像(基準画像と比較画像)を撮像したとき、その中の前景と背景とを比較すると、撮像装置に近い「前景」の方が画像内での移動距離(ズレ量)が大きい。従って、ヒストグラムを生成した際、予め設定した閾値以上のズレ量のうち、大きい方の山のピーク値を、主被写体(近景)のズレ量として決定する。そして、比較画像を、決定したズレ量だけ移動することで、基準画像に対す比較画像の主被写体の位置合せを行う。
なお、上記の2枚の画像の位置合せ法は、これに限定されるわけではない。
図2の説明に戻る。ステップS204では、エッジ抽出部40を用いて、ステップS203で位置合わせした画像4aと5bに対応する2枚のエッジ画像(第1のエッジ画像、第2のエッジ画像)を抽出する。ステップS204の処理の結果、撮影された1枚目のエッジ画像(図6の符号6a)と、位置合せ後の2枚目の画像のエッジ画像(図6の符号6b)が出力される。
エッジ抽出部40は、画像の輝度値に対して1種類のフィルタ処理で得られた結果からエッジを抽出してもよい。しかし、これに限定されるわけではなく、例えば画像のRGB信号値毎、色差信号に対して複数の帯域のバンドパスフィルタでエッジを抽出して、その中から抽出されたエッジの値が最も大きいものを画素毎に選択してエッジ画像を出力してもよい。この方法について図18、図19、図20を用いて説明する。
1枚目の画像4aのR信号、G信号、B信号の画像をそれぞれ画像18a,画像18b,画像18cとし、それぞれの画像についてエッジ抽出した結果を図19に示す画像19a、19b、19cとする。R信号画像、G信号画像、B信号画像それぞれにおいてエッジを十分に抽出できている領域と、抽出できていない領域がある。そこで、画素ごとに、画像19a、19bと19cの最大値をとり、これらを合成して図20に示す画像を生成することでエッジを抽出してもよい。
また、画素ごとに色相角を求めて、隣接画素との色相角の差分をエッジとして抽出してもよい。
また、エッジが十分に抽出できなかった場合には、以下の方法でエッジ画素を補ってもよい。図21の画像21aはエッジ画像のなかでエッジを含む一部分を拡大した画像であり、1つの四角が1つの画素を表し、白で塗りつぶされた四角は抽出されたエッジ画素を表している。画像21aでは画像の中央付近でエッジが十分に検出できずにエッジが切れている。この画像に3×3の大きさのMAXフィルタ(3×3画素の画素ブロック内の最大値(最大輝度)を、中央の着目画素位置の画素値とするフィルタ)を掛けて、抽出できなかったエッジ画素を補った画像21bをエッジ画像として出力してもよい。
なお、エッジ抽出部40で正確にエッジを抽出する方法であれば、上記方法に限定されるわけではない。
ステップS210では、最大値選択部50を用いて、ステップS204で生成した2枚のエッジ画像6aと6bを画素毎に比較して、画素値の大きい方を選択して出力する。ステップS210の処理の結果、被写体と背景のエッジを含む画像が出力される(図7)。ステップS203の説明で述べたように画像4aと5bの背景の位置は一致しないので、図7の画像の背景エッジは2重に見える。また、画素毎に画素値の大きい方を選択して出力する代わりに、抽出された2枚のエッジ画像(画像6aと6b)に対して、画像をそれぞれ2値化した後に2枚の画像を画素毎に、論理和演算を実行して被写体エッジと背景エッジを出力してもよい。
ステップS211では、差分演算部60を用いて、ステップS204で生成した2枚のエッジ画像6aと6bを画素毎に差分絶対値演算を行い出力する。ここで、2枚のエッジ画像6aと6bの主被写体エッジの位置は一致しているので、ステップS211の処理の結果、背景のエッジだけを含む画像が出力される(図8)。
ステップS213では、抽出部70を用いて、ステップS210の計算結果である図7で示された画像と、ステップS211の計算結果である図8で示された画像の差分値を画素毎に計算して出力する。図7で示された画像は主被写体のエッジと背景のエッジを含み、図8は背景のエッジだけを含むので、画素ごとに、2つの画像の差分値を取ると主被写体のエッジだけが残る(図9)。ただし、エッジにはノイズ成分も含まれているので、さらに画素ごとに、予め定めた閾値よりもエッジ量が大きいときに、その画素は主被写体のエッジと判定して、主被写体のエッジ画像を出力してもよい。
また、主被写体のエッジと判定する閾値を画像で1つ定めるのではなく、距離測定部22で測定された画像処理装置100と画面内の領域との距離に応じて、主被写体のエッジであるとみなす閾値を変更してもよい。例えば、主被写体に奥行きがあって、主被写体全体に合焦していない場合でも、エッジと判定する閾値を小さくすることで主被写体のエッジを抽出するようにしてもよい。
ステップS220では、ステップS213で生成した主被写体のエッジ画像から主被写体領域を抽出する。主被写体のエッジ画像から被写体領域を抽出する方法としては、例えばエッジ画像上の左上の画素からラスタ順にスキャンする。そして、エッジ画素が検出されたらその画素から時計回り方向にエッジ画素を追跡し、最初に検出されたエッジ画素まで戻ってきたときに囲まれた領域を被写体領域とする方法を用いればよい。ただし、エッジから領域を抽出できる方法であれば上記方法に限定されるわけではない。
ステップS220の処理の結果、主被写体と背景を画素単位で分離した画像が出力される(図10)。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
[第2の実施形態]
以下、図17を参照して、本発明の第2の実施形態による、合焦している被写体(以後、主被写体と表記する)と背景の分離方法について説明する。
上記第1の実施形態では背景のエッジの周辺に似たような方向のエッジが存在すると、主被写体のエッジ画像(図9)に背景エッジが残ってしまうことがある。本第2の実施形態では3枚以上の画像を撮像した際、その1枚を基準画像とし、基準画像以外の画像(本第2の実施形態では2枚の画像)を比較対象画像とし入力して、主被写体のエッジを抽出する。これにより、より精度よく主被写体のエッジを抽出して、主被写体と背景を分離する。第1の実施形態と同じ符号を与えている構成については説明を省略する。
図17において、最小値選択部80は第4の画像生成手段として機能するものであって、与えられた2枚の画像のうち、画素単位に画素値(輝度値)が小さい方の値を選択して出力する。
図3は、本発明の第2の実施形態による主被写体と背景の分離方法を説明するフローチャートである。なお、第1の実施形態と同じ処理を行う場合には、同じ符号を与えているので詳細説明は省略する。
まず、ステップS302で、撮影位置をずらしてn枚の画像を撮影する。ただし、本第2の実施形態ではnは3以上の整数であるが、簡単のため以下では、n=3として説明を行う。図11は、このときの3つの画像を示している。時系列に、1枚目の画像は画像11a、2枚目は画像11b、3枚目は画像11cとする。
次にステップS203では、位置ずれ補正部30で、撮影した2枚の画像を、主被写体を基準に位置合わせを行う。主被写体の画像上の大まかな位置は、撮影時に焦点を合わせた画像上の位置を使用したり、画面中央付近に被写体がいると仮定したりすることで決定する。位置合わせの基準とする画像は、撮影した画像の中から1枚を選択する。本第2の実施形態では、1枚目の画像11aを位置合わせの基準とする画像として選択し、残りの2枚目の画像11bと3枚目の画像11cを位置合わせ対象とし、第1の実施形態と同様にして位置合せを行う。
ステップS204では、エッジ抽出部40を用いて、ステップS203で位置合わせした3枚の画像11a、11b、11cのエッジを抽出する。ステップS204の処理の結果、図12に示すように、撮影された1枚目のエッジ画像12aと、位置合せ後の2枚目の画像のエッジ画像12bと、3枚目の画像のエッジ画像12cが出力される。
ステップS210、ステップS211、ステップS213は、第1の実施形態と同じ処理を行うので処理内容の詳細説明は省略する。ただし、ステップS211とステップS213の結果は、第1の実施形態の結果と異なるところがあるので説明を以下に追加する。
ステップS211で、位置合わせの基準とする画像のエッジ画像12aと、位置合わせした2枚目の画像のエッジ画像12bの差分絶対演算を行い、背景エッジ画像を生成する。ただし、位置合わせの基準とする画像のエッジ画像12aの背景エッジの一部が位置合わせした2枚目の画像のエッジ画像12bの別の背景エッジに重なったため、エッジが重なった部分の背景エッジが出力されていない(図13の画像13b)。位置合わせした3枚目の画像のエッジ画像12cについても同様である(図13の画像13c)。
ステップS213においても、主被写体のエッジだけでなく、2枚の画像間でエッジが重なった部分の背景エッジも画像に出力される(図14の画像14b、14c)。
ステップS314では、撮影した全ての画像についてステップS210、ステップS211、ステップS213の処理を実施している場合には(S314でYES)、ステップS315へと遷移する。
ステップS315では、ステップS314までの処理で生成された主被写体のエッジ画像14b、14cに含まれてしまった背景エッジを除去する。このため、最小値選択部80は、これらエッジ画像14b,14cを入力し、画素毎に最小値を選択して出力する(図15)。
ステップS220の処理は、第1の実施形態と同じなので説明を省略する。ステップS220の処理の結果、被写体と背景を画素単位で分離した画像が出力される(図16)。
以上説明したように本第2の実施形態によれば、第1の実施形態と比較し、より高い精度で主被写体と背景を分離することが可能になる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
[その他の実施例]
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ(またはCPUやMPU等)がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (8)

  1. 画像中の主被写体と非主被写体とを分離するための、前記主被写体の境界を示すエッジ画像を抽出する画像処理装置であって、
    撮像位置が異なる、少なくとも2枚の画像を入力する入力手段と、
    入力した画像の1つを基準画像、当該基準画像以外の他の画像を比較対象画像としたとき、前記比較対象画像における予め設定された小領域毎に、前記基準画像に対するズレ量を示すベクトルを求め、当該ベクトルに基づき前記比較対象画像における主被写体の位置を前記基準画像における主被写体に合わせる位置合せ手段と、
    前記基準画像における画素についてのエッジの度合を値として持つ第1のエッジ画像、及び、前記位置合せ手段による位置合せ後の比較対象画像における画素についてのエッジの度合を値として持つ第2のエッジ画像を抽出するエッジ抽出手段と、
    前記第1のエッジ画像、前記第2のエッジ画像のそれぞれの画素値を比較し、大きい値を持つ画素で構成される画像を生成する第1の画像生成手段と、
    前記第1のエッジ画像と前記第2のエッジ画像のそれぞれの画素値の差の絶対値を画素値とする画像を生成する第2の画像生成手段と、
    前記第1の画像生成手段で生成された画像の画素値と、前記第2の画像生成手段で生成された画像の画素値との差分値を画素値とする第3の画像を生成する第3の画像生成手段と、
    を有することを特徴とする画像処理装置。
  2. 前記入力手段は、3枚以上の画像を入力し、
    前記第3の画像生成手段は、前記第1の画像生成手段で生成された画像から、前記第2の画像生成手段で生成された各画像を減じることで、複数のエッジ画像を生成し、
    当該複数のエッジ画像のそれぞれの画素値を比較し、小さい値を持つ画素で構成される画像を、前記主被写体の境界を示すエッジ画像として生成する第4の画像生成手段を更に有することを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
  3. 前記エッジ抽出手段は、抽出したエッジ画像について、予め設定された画素ブロック内の最大値を出力するフィルタ手段を含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の画像処理装置。
  4. 前記入力手段が入力する対象となる画像を撮像する撮像手段と、
    撮像する被写体と前記撮像手段との距離を計測する距離計測手段と、
    該距離計測手段で計測して得られた距離に応じて、前記位置合せ手段による、合焦している被写体のエッジを判定するための閾値を決定する決定手段と
    を更に有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の画像処理装置。
  5. 前記撮像手段における撮像レンズをずらすことで、前記入力手段が入力することになる、撮像位置が異なる少なくとも2枚の画像を撮像する制御手段を更に有することを特徴とする請求項4に記載の画像処理装置。
  6. 画像中の主被写体と非主被写体とを分離するための、前記主被写体の境界を示すエッジ画像を抽出する画像処理装置の制御方法であって、
    入力手段が、撮像位置が異なる、少なくとも2枚の画像を入力する入力工程と、
    位置合せ手段が、入力した画像の1つを基準画像、当該基準画像以外の他の画像を比較対象画像としたとき、前記比較対象画像における予め設定された小領域毎に、前記基準画像に対するズレ量を示すベクトルを求め、当該ベクトルに基づき前記比較対象画像における主被写体の位置を前記基準画像における主被写体に合わせる位置合せ工程と、
    エッジ抽出手段が、前記基準画像における画素についてのエッジの度合を値として持つ第1のエッジ画像、及び、前記位置合せ工程による位置合せ後の比較対象画像における画素についてのエッジの度合を値として持つ第2のエッジ画像を抽出するエッジ抽出工程と、
    第1の画像生成手段が、前記第1のエッジ画像、前記第2のエッジ画像のそれぞれの画素値を比較し、大きい値を持つ画素で構成される画像を生成する第1の画像生成工程と、
    第2の画像生成手段が、前記第1のエッジ画像と前記第2のエッジ画像のそれぞれの画素値の差の絶対値を画素値とする画像を生成する第2の画像生成工程と、
    第3の画像生成手段が、前記第1の画像生成工程で生成された画像の画素値と、前記第2の画像生成工程で生成された画像の画素値との差分値を画素値とする第3の画像を生成する第3の画像生成工程と、
    を有することを特徴とする画像処理装置の制御方法。
  7. コンピュータに読み込ませ実行させることで、前記コンピュータに、請求項6に記載の各工程を実行させるためのプログラム。
  8. 請求項7に記載のプログラムを格納したことを特徴とするコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。
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