JP7212466B2 - 画像処理装置、画像処理方法、プログラム、記憶媒体 - Google Patents

画像処理装置、画像処理方法、プログラム、記憶媒体 Download PDF

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Description

本発明は、記録装置よりも広いダイナミックレンジを有する画像データを記録する技術に関する。
近年、高輝度、且つ、広色域の再現範囲を持つHDR(High Dynamic Range)コンテンツが普及している。HDRコンテンツは、最高輝度が1000nit以上を表現する。HDR画像データをインクジェット記録装置で記録する際には、記録装置が再現できる輝度のダイナミックレンジ(以下、Dレンジと記す)に収まるように、トーンカーブ等を用いてDレンジ圧縮を行う必要がある。この場合、通常の方法でDレンジ圧縮を行うと、コントラストが低下するという問題がある。
そこで、Dレンジ圧縮時のコントラストの低下を低減させるために、局所的にDレンジ圧縮を行う方法が提案されている。例えば、入力画像を複数に分割し、分割した領域のそれぞれについてルックアップテーブルを決定してDレンジ圧縮を行う。このような処理が、例えば特許文献1に開示されている。
特許第4641784号公報
特許文献1に開示されているように、領域内の輝度値の分布といった特徴量に基づいてDレンジ圧縮を行う場合、領域内の輝度値のヒストグラムが偏っていればいるほど、コントラストを維持しつつDレンジ圧縮を行うことができる。これは、領域内のヒストグラムの頻度が高い輝度値に対して、コントラストを低下させないようなDレンジ圧縮を行うことが出来るからである。この場合、領域内のヒストグラムの頻度が低い輝度値を、高い圧縮率で圧縮するようなDレンジ圧縮カーブを生成することになる。
ヒストグラム分布に応じたDレンジ圧縮カーブの生成方法について図10を用いて説明する。図10(a)はある領域のヒストグラム分布を示し、図10(b)はそのヒストグラム分布から生成したDレンジ圧縮カーブを示す。プリンタ等の記録装置が表現できるDレンジをD1とすると、ある領域のヒストグラム分布がそれぞれ、H1、H2の場合、ヒストグラムの頻度に応じてそれぞれL1、L2に示すようなDレンジ圧縮カーブが生成される。H1のようなヒストグラム分布の場合、ハイライトにヒストグラム頻度が高い傾向にあるため、ハイライト部のコントラストが高くなるように、L1のようなDレンジ圧縮カーブが生成される。また、H2のようなヒストグラム分布の場合、シャドウにヒストグラム頻度が高い傾向にあるため、シャドウ部のコントラストが高くなるように、L2に示すようなDレンジ圧縮カーブが生成される。しかし、その結果、明るさが領域間で異なる状況が生じてしまう。カメラで撮影する際に露出を合わせた露出点を図1におけるPとする。通常、露出点は18%グレーと呼ばれる。具体的には、L1、L2のDレンジ圧縮カーブによってDレンジ圧縮された場合、露出点Pでの明るさがそれぞれY1、Y2となり、領域間で異なる明るさとなってしまう。つまり、領域によって露出点の明るさにバラつきが発生し、領域ごとに明るさが異なって見えてしまうという問題が発生する。
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、入力画像を領域ごとに異なる圧縮カーブで圧縮する場合の、領域間の明るさのばらつきを低減することができる画像処理装置を提供することである。
本発明に係わる画像処理装置は、画像を入力する入力手段と、入力した前記画像を複数の分割領域に分割する分割手段と、前記分割領域ごとに、画素ごとの輝度の分布を示すヒストグラムにおける輝度分布の範囲を取得する取得手段と、前記分割領域ごとに、前記輝度分布の範囲に基づいて、前記画像のダイナミックレンジを圧縮するための圧縮カーブを生成する生成手段と、入力した前記画像について、前記分割領域ごとに前記圧縮カーブを用いてダイナミックレンジの圧縮を行い、出力画像を生成する圧縮手段と、を備え、前記生成手段は、前記分割領域のそれぞれの前記圧縮カーブの傾きが、画像の暗い領域の輝度から所定の明るさの輝度までの範囲において一致するように、前記分割領域ごとの圧縮カーブを生成することを特徴とする。
本発明によれば、入力画像を領域ごとに異なる圧縮カーブで圧縮する場合の、領域間の明るさのばらつきを低減することができる画像処理装置を提供することが可能となる。
本発明の第1の実施形態の画像処理装置を適用した印刷システムの構成を示す図。 画像処理装置の機能ブロックの構成を示す図。 Dレンジ圧縮処理方法を示すフローチャート。 入力画像の領域分割を説明する図。 領域間補正を説明する図。 第1の実施形態におけるDレンジ圧縮カーブ作成方法を示すフローチャート。 第1の実施形態における輝度維持範囲設定処理を説明する図。 第2の実施形態におけるDレンジ圧縮カーブ作成方法を示すフローチャート。 第2の実施形態における輝度維持範囲設定処理を説明する図。 従来の手法によるDレンジの圧縮処理を説明する図。
以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
(第1の実施形態)
[システム構成の説明]
図1は、本発明の第1の実施形態の画像処理装置を適用した印刷システムの構成を示す図である。本実施形態において、印刷システムは、画像処理装置201と記録装置(印刷装置)208とを含んで構成される。画像処理装置201は、情報処理装置として機能するホストPCなどから構成される。画像処理装置201は、CPU202、RAM203、HDD204、ディスプレイI/F205、操作部I/F206、およびデータ転送I/F207を含んで構成され、各部位は内部バスを介して通信可能に接続されている。
CPU202は、HDD204に保持されるプログラムに従ってRAM203をワークエリアとして用いて各種処理を実行する。RAM203は、揮発性の記憶領域であり、ワームメモリ等として利用される。HDD204は、不揮発性の記憶領域であり、本実施形態に係るプログラムやOS(Operating System)などが保持される。ディスプレイI/F205は、ディスプレイ215と画像処理装置201との間でデータの送受信を行うためのインターフェースである。操作部I/F206は、キーボードやマウスなどの操作部206を用いたユーザーによる指示を画像処理装置201に入力するためのインターフェースである。データ転送I/F207は、外部装置とのデータの送受信を行うためのインターフェースである。
例えば、CPU202は、操作部216を用いたユーザーによる指示(コマンド等)やHDD204に保持されるプログラムに従って記録装置208が記録可能な画像データ(画像信号)を生成し、これを記録装置208に転送する。また、CPU202は、データ転送I/F207を介して記録装置208から受信した画像データに対し、HDD204に記憶されているプログラムに従って所定の処理を行い、その結果や様々な情報をディスプレイ215に表示する。
記録装置(印刷装置)208は、画像処理アクセラレータ209、データ転送I/F210、CPU211、RAM212、ROM213、および印刷部214を含んで構成され、各部位は内部バスを介して通信可能に接続されている。なお、記録装置208の記録方式は特に限定されるものでは無く、例えば、インクジェット方式の記録装置であってもよいし、電子写真方式の記録装置であってもよい。以下では、インクジェット方式の記録装置を例に挙げて説明する。
CPU211は、ROM213に保持されるプログラムに従ってRAM212をワークエリアとして用いて各種処理を実行する。RAM212は、揮発性の記憶領域であり、ワークメモリ等として利用される。ROM213は、不揮発性の記憶領域であり、本実施形態に係るプログラムやOS(Operating System)などが保持される。データ転送I/F210は、外部装置とのデータの送受信を行うためのインターフェースである。画像処理アクセラレータ209は、CPU211よりも高速に画像処理を実行可能なハードウェアである。画像処理アクセラレータ209は、CPU211が画像処理に必要とするパラメータとデータをRAM212の所定のアドレスに書き込むことにより起動され、上記パラメータとデータを読み込んだ後、上記データに対し所定の画像処理を実行する。但し、画像処理アクセラレータ209は必須な要素ではなく、同等の処理はCPU211でも実行することができる。印刷部214は、画像処理装置201からの指示に基づき、印刷動作を行う。
画像処理装置201のデータ転送I/F207および記録装置208のデータ転送I/F210における接続方式は、特に限定されるものではないが、例えば、USB(Universal Serial Bus)、IEEE1394等を用いることができる。また、有線接続でも無線接続でもよい。
以下、第1の実施形態の画像処理装置の動作について、図2のブロック図と、図3のフローチャートを用いて具体的に説明する。図2はHDR画像データ(ハイダイナミックレンジ画像データ)を入力してDレンジ圧縮(ダイナミックレンジ圧縮)を行い、記録装置208にDレンジ圧縮後の画像データを出力する際の画像処理機能を説明するブロック図である。
図3のステップS101において、画像入力部1では撮像装置で撮像されたHDR画像データを取得する。本実施形態では、例として、HDR画像データはDレンジが1000nitのRGBデータであるとして説明する。入力されたRGBデータはDレンジ圧縮を行うために輝度成分と色差成分に分解される。ここでは、輝度成分と色差成分に分解する際の色空間として視覚的に均等に近いPQ(Perceptual Quantization Curve)を用いることとする。しかし、これに限定されるものではなく、ガンマ特性がリニアな色空間や、ガンマ値が2.2である色空間を用いてもよい。
ステップS102において、領域分割部2では、入力画像301を複数の領域に分割する。本実施形態では図4に示すように、入力画像301をx方向に4、y方向に3の合計12の領域に分割する場合を例に挙げて説明する。分割の方法は、均等な大きさではなく異なる大きさの領域に分割する方法でもよい。
ステップS103において、Dレンジ圧縮カーブ生成部3では、領域分割部2で分割した領域のそれぞれに対してDレンジ圧縮を行う1次元のルックアップテーブル(以下、LUTと記す)を生成する。Dレンジ圧縮カーブの生成方法の詳細については後述する。
ステップS104において、Dレンジ圧縮部5では、Dレンジ圧縮カーブ生成部3で生成されたLUTを用いて領域内の各画素に対してDレンジ圧縮を行う。
ステップS105において、領域間補正部4では、Dレンジ圧縮部5でDレンジ圧縮した画像に対して領域間の補正を行う。それぞれの領域ごとにDレンジ圧縮カーブ生成部で生成されたLUTでDレンジ圧縮が行われているため、領域の境界では領域ごとのLUTの違いに起因する疑似輪郭などのアーティファクト(不一致)が発生する。領域間補正部4ではそのアーティファクトの低減を図るためのフィルタ処理を行う。
そのフィルタ処理について図5を用いて説明する。図5(a)で示す位置にウインドウ304が位置する場合を例に補正方法について説明する。ウインドウ304は図5(b)に示すように、補正対象となる注目画素Pを中心に、例えば、x方向に5画素、y方向に5画素のウインドウである。ウインドウ304の各画素に対してフィルタ係数を設定し、注目画素Pに対してフィルタ処理を行うことで領域の境界に発生するアーティファクトを低減することができる。フィルタ係数値は全て同じ値を設定する平滑化フィルタ、注目画素を中心に係数値が正規分布するガウシアンフィルタなどが用いられる。このようにして、領域の境界に発生するアーティファクトを低減する。
ステップS106において、画像出力部6では、領域間補正部4において領域間の補正を行った画像データを記録装置208に出力する。
次に、ステップS103において、Dレンジ圧縮カーブ生成部3で行うDレンジ圧縮カーブの生成方法について図6のフローチャートを用いて説明する。
まず、ステップS201において、対象領域のヒストグラムの分布範囲(特徴量)を算出する。具体的には、全画素数のX%(例えば70%など)の画素が分布する輝度の範囲を算出し、その範囲(輝度分布範囲)における最高輝度値を算出する。範囲の算出方法としては累積ヒストグラムなど一般的な手法を用いて算出する。
ステップS202において、ステップS201で算出した最高輝度値を用いて輝度維持範囲の設定を行う。図7(b)において、Pinは入力画像の露出点を表し、PoutはPinに対応する出力画像の輝度値を表す。入力画像の最小輝度からPinまでの輝度レンジでは、全ての分割領域において、入力画像と出力画像のコントラストが一致するようにDレンジ圧縮カーブを生成する。つまり、図7(b)において、この範囲については、Dレンジ圧縮カーブの傾きを1に設定する。本実施形態では傾きを1にするように説明したが、傾きは1でなくても構わない。例えば、Bartenモデルに基づく弁別域インデックスの関数であるJND(Just Noticeable Difference)を利用してもよい。JNDインデックスにおける1ステップを超えない範囲で、入力と出力の輝度を大きくしても小さくしても構わない。また、多くのカメラが1/3段の刻みで露出を変えられるように、PinとPoutの明るさは±1/3段の範囲で異なる輝度にしても構わない。
ヒストグラム分布が図7(a)に示すヒストグラムH3の場合、ステップS201で算出した最高輝度値がLmax3であり、許容される出力の最高輝度値D1以下(最高輝度値以下)であるとする。このとき、図7(b)に示すように入力の最小輝度からPoutを含むLmax3までの範囲であるR3を輝度維持範囲、つまり傾き1の範囲として設定する。一方、ヒストグラム分布が図7(a)に示すヒストグラムH4の場合、ステップS201で算出した最高輝度値がLmax4であり、出力の最高輝度値D1よりも大きいとする。このとき、図7(b)に示すように入力の最小輝度から露出点Poutまでの範囲であるR4を輝度維持範囲、つまり傾き1の範囲として設定する。
ステップS203において、ステップS202で設定された輝度維持範囲を用いてDレンジ圧縮カーブを作成する。具体的には、ステップS202で算出した輝度維持範囲までは入力輝度値と一致するように傾きが1となる直線を設定する。輝度維持範囲を超えた範囲については、入力の最高輝度値が出力の最高輝度値D1となるように、輝度維持範囲内での最高輝度値から出力の最高輝度値D1までをつなぐことでDレンジ圧縮カーブを作成する。輝度維持範囲内での最高輝度値から出力の最高輝度値D1までのつなぎ方は、線形的でも非線形的でもよい。ヒストグラム分布が図7(a)に示すヒストグラムH3の場合、Dレンジ圧縮カーブは図7(b)のDレンジ圧縮カーブL3となる。また、ヒストグラム分布が図7(a)に示すヒストグラムH4の場合、輝度維持範囲を超えた範囲については、入力画像のコントラストを保持するために傾きが1となる直線を設定してもよい。具体的には、ヒストグラムH4における最高輝度値Lmax4が出力の最高輝度値D1となるように設定し、ヒストグラムH4における最低輝度値Lmin4から最高輝度値Lmax4までを、傾きが1となる直線に設定する。最低輝度値Lmin4より小さく且つ輝度維持範囲を超える領域については、その間を線形的または非線形的につなぐことでDレンジ圧縮カーブを作成する。その結果、図7(a)に示すヒストグラムH4に対するDレンジ圧縮カーブは、図7(b)のDレンジ圧縮カーブL4となる。
[第1の実施形態の効果]
輝度値のヒストグラム分布範囲を用いることで、分割領域内の輝度値に対する画素分布を取得することができる。それにより、分割領域のそれぞれに応じて適切なDレンジ圧縮カーブを作成することができ、また露出点を含む輝度維持範囲までの輝度を維持することができる。結果として、露出点を含む輝度レンジにおいて、分割領域間の輝度を合わせることができ、明るさの見えのバラつきを低減することが可能となる。
(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について、図8のフローチャートおよび図9を用いて説明する。第2の実施形態においては、図3におけるステップS101からステップS102、およびステップS104からステップS106までは第1の実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
ステップS103での、Dレンジ圧縮カーブ生成部3におけるDレンジ圧縮カーブの生成方法について図8のフローチャートを用いて説明する。
ステップS301において、対象領域の輝度分布のヒストグラムからヒストグラムのピーク位置を算出する。具体的には、ヒストグラムの出現頻度の差分を入力の輝度値の小さい方から順に算出し、差分が最大となる輝度値をピーク位置として算出する。さらに、ピーク位置よりも輝度値が大きく、かつ、ヒストグラムの出現頻度の差分が閾値よりも大きい輝度値をピーク終端位置として算出する。閾値は差分の最大値よりも小さい値を設定するものとする。
ステップS302において、ステップS301で算出したピークの輝度値を用いて輝度維持範囲の設定を行う。図9(b)において、Pinは入力画像の露出点を表し、PoutはPinに対応する出力画像の輝度を表す。入力画像の最小輝度からPinまでの輝度レンジでは、全ての分割領域において、入力画像と出力画像のコントラストが一致するようにDレンジ圧縮カーブを生成する。つまり、図9(b)において、Dレンジ圧縮カーブの傾きを1に設定する。本実施形態では傾きを1にするように説明したが、傾きは1でなくても構わない。例えば、Bartenモデルに基づく弁別域インデックスの関数であるJND(Just Noticeable Difference)を利用してもよい。JNDインデックスにおける1ステップを超えない範囲で、入力と出力の輝度を大きくしても小さくしても構わない。また、多くのカメラが1/3段の刻みで露出を変えられるように、PinとPoutの明るさは±1/3段の範囲で異なる輝度にしても構わない。
ヒストグラム分布が図9(a)に示すヒストグラムH5の場合、ステップS301で算出した輝度値のピーク位置がLmax5、ピーク終端位置がLmin5であり、どちらも出力の最高輝度値D1以下であるとする。このとき、図9(b)に示すように入力の最小輝度からPoutを含むLmin5までの範囲であるR5を輝度維持範囲、つまり傾き1の範囲として設定する。一方、ヒストグラム分布が図9(a)に示すヒストグラムH6の場合、ステップS301で算出した輝度値のピーク位置がLmax6、ピーク終端位置がLmin6であり、どちらも出力の最高輝度値D1よりも大きいとする。このとき、図9(b)に示すように入力の最小輝度から露出点Poutまでの範囲であるR6を輝度維持範囲、つまり傾き1の範囲として設定する。
ステップS303において、ステップS302で設定された輝度維持範囲を用いてDレンジ圧縮カーブを作成する。Dレンジ圧縮カーブの作成方法は第1の実施形態で示した図6のステップS203と同様であるため、詳細な説明は省略する。
[第2の実施形態の効果]
輝度のヒストグラムのピーク位置とピーク終端位置を用いることで、分割領域内で出現頻度の高い画素値の分布を取得することができる。それにより、分割領域内で占める割合の高い画素値が出力の最高輝度値よりも小さい場合は露出点を含む輝度維持範囲までの輝度を維持することができる。また、分割領域内で占める割合の高い画素値が出力の最高輝度値よりも大きい場合でも露出点までの輝度を維持することができる。よって、分割領域それぞれに応じて適切なDレンジ圧縮カーブを作成することができ、また、露出点を含む輝度レンジにおいて、分割領域間の輝度を合わせることができ、明るさの見えのバラつきを低減することが可能となる。
(第3の実施形態)
第1及び第2の実施形態においては、分割領域ごとに入力の輝度を維持する範囲である入力最小輝度から露出点Pinの範囲の説明で、Pinを、撮影時に適正露出となるように露出を合わせた18%グレーとして説明した。しかし、Pinの輝度はこれに限定されるものではない。例えば、ユーザーによって操作部216から入力された値を出力の最高輝度値D1を超えない範囲で設定してもよい。また、ポートレート印刷モードなど、記録装置208の記録モードに応じて変更しても構わない。例えば、肌色は18%グレーよりも明るいことが多いので、ポートレート印刷モードの場合は、露出点Pinを18%よりも明るい輝度値に設定してもよい。
[第3の実施形態の効果]
露出点Pinの輝度を18%グレーよりも高くすることで、より分割領域間で輝度が一致する輝度レンジを広くすることができる。そうすることによって、分割領域間における輝度の一致性を高めることができる。
(その他の実施形態)
また本発明は、上述の実施形態の1以上の機能を実現するプログラムを、ネットワーク又は記憶媒体を介してシステム又は装置に供給し、そのシステム又は装置のコンピュータにおける1つ以上のプロセッサーがプログラムを読出し実行する処理でも実現できる。また、1以上の機能を実現する回路(例えば、ASIC)によっても実現できる。
1:画像入力部、2:領域分割部、3:Dレンジ圧縮カーブ生成部、4:領域間補正部、5:Dレンジ圧縮部、6:画像出力部

Claims (13)

  1. 画像を入力する入力手段と、
    入力した前記画像を複数の分割領域に分割する分割手段と、
    前記分割領域ごとに、画素ごとの輝度の分布を示すヒストグラムにおける輝度分布の範囲を取得する取得手段と、
    前記分割領域ごとに、前記輝度分布の範囲に基づいて、前記画像のダイナミックレンジを圧縮するための圧縮カーブを生成する生成手段と、
    入力した前記画像について、前記分割領域ごとに前記圧縮カーブを用いてダイナミックレンジの圧縮を行い、出力画像を生成する圧縮手段と、を備え、
    前記生成手段は、前記分割領域のそれぞれの前記圧縮カーブの傾きが、画像の暗い領域の輝度から所定の明るさの輝度までの範囲において一致するように、前記分割領域ごとの圧縮カーブを生成することを特徴とする画像処理装置。
  2. 前記生成手段は、画像の暗い領域の輝度から所定の明るさの輝度までの範囲において一致する前記分割領域のそれぞれの前記圧縮カーブの傾きを、1に設定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. 前記所定の明るさの輝度は、前記画像を撮影したカメラにおいて適正露出となるように露出を合わせた輝度であることを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
  4. 前記所定の明るさの輝度は、18%グレーの輝度であることを特徴とする請求項3に記載の画像処理装置。
  5. 前記生成手段は、前記ヒストグラムの輝度分布における最高輝度値が、前記出力画像に許容される最大の輝度値以下である前記分割領域については、前記最高輝度値まで、前記圧縮カーブの傾きを1にすることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の画像処理装置。
  6. 前記生成手段は、前記ヒストグラムの輝度分布における最高輝度値が、前記出力画像に許容される最大の輝度値より大きい前記分割領域については、前記所定の明るさの輝度値まで、前記圧縮カーブの傾きを1にすることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の画像処理装置。
  7. 前記所定の明るさの輝度をユーザーが設定する設定手段をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
  8. 前記分割領域のそれぞれの境界においてフィルタ処理を行う補正手段をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の画像処理装置。
  9. 前記出力画像を印刷装置に出力する出力手段をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の画像処理装置。
  10. 入力した前記画像は、ハイダイナミックレンジ画像であることを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載の画像処理装置。
  11. 画像を入力する入力工程と、
    入力した前記画像を複数の分割領域に分割する分割工程と、
    前記分割領域ごとに、画素ごとの輝度の分布を示すヒストグラムにおける輝度分布の範囲を取得する取得工程と、
    前記分割領域ごとに、前記輝度分布の範囲に基づいて、前記画像のダイナミックレンジを圧縮するための圧縮カーブを生成する生成工程と、
    入力した前記画像について、前記分割領域ごとに前記圧縮カーブを用いてダイナミックレンジの圧縮を行い、出力画像を生成する圧縮工程と、を有し、
    前記生成工程では、前記分割領域のそれぞれの前記圧縮カーブの傾きが、画像の暗い領域の輝度から所定の明るさの輝度までの範囲において一致するように、前記分割領域ごとの圧縮カーブを生成することを特徴とする画像処理方法。
  12. コンピュータを、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の画像処理装置の各手段として機能させるためのプログラム。
  13. コンピュータを、請求項1乃至10のいずれか1項に記載の画像処理装置の各手段として機能させるためのプログラムを記憶したコンピュータが読み取り可能な記憶媒体。
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