(57)【要約】【課題】  ノイズや被写体の動きによるエッジの方向の誤判定を低減し、もって高精度な画素補間処理を実現する。【解決手段】  撮像素子の注目画素に対して画素データの補間処理を行う画像処理装置が提供される。方向判別手段は、複数の画像の注目画素におけるエッジの方向を判別する。算出手段は、前記複数の画像における位置ずれ量を算出する。補正手段は、前記算出された位置ずれ量に基づいて、前記複数の画像の前記注目画素における前記判別されたエッジの方向を補正し、複数の方向判別信号を取得する。生成手段は、前記複数の方向判別信号に基づいて、新たな方向判別信号を生成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子の注目画素に対して画素データの補間処理を行う画像処理装置であって、
複数の画像の前記注目画素におけるエッジの方向を判別する方向判別手段と、
前記複数の画像における位置ずれ量を算出するずれ算出手段と、
前記算出された位置ずれ量に基づいて、前記複数の画像の前記注目画素における前記判別されたエッジの方向を補正し、複数の方向判別信号を取得する補正手段と、
前記複数の方向判別信号に基づいて、新たな方向判別信号を生成する生成手段と、
を備えることを特徴とする画像処理装置。
【請求項２】
前記方向判別手段は、前記注目画素に関して第１の方向と第２の方向とでどちらへの相関が大きいかを判別することを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
【請求項３】
前記第１の方向の画素データを用いて補間を行う第１の補間手段と、
前記第２の方向の画素データを用いて補間を行う第２の補間手段と、
前記方向判別手段による前記相関の大きさの判別結果に応じて前記第１の補間手段で補間された画素データ又は前記第２の補間手段で補間された画素データを選択する選択手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の画像処理装置。
【請求項４】
前記生成手段は、前記複数の方向判別信号について値が正であるものと負であるもののうち数の多い方の方向判別信号の平均値を前記新たな方向判別信号として生成することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の画像処理装置。
【請求項５】
前記画像処理装置は、前記撮像素子の感度が高感度であるほど前記複数の画像の枚数を多く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。
【請求項６】
前記複数の画像から動体領域を検出する動体検出手段を更に備え、
前記生成手段は、前記検出された動体領域における方向判別信号を、前記新たな方向判別信号の生成の基礎から除外することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の画像処理装置。
【請求項７】
前記複数の画像から動体領域を検出する動体検出手段を更に備え、
前記生成手段は、前記動体検出手段の検出結果に応じて、前記複数の方向判別信号を加重加算することで、前記新たな方向判別信号を生成することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の画像処理装置。
【請求項８】
撮像素子の注目画素に対して画素データの補間処理を行う画像処理装置によって実行される画像処理方法であって、
方向判別手段が、複数の画像の前記注目画素におけるエッジの方向を判別するステップと、
ずれ算出手段が、前記複数の画像における位置ずれ量を算出するステップと、
補正手段が、前記算出された位置ずれ量に基づいて、前記複数の画像の前記注目画素における前記判別されたエッジの方向を補正し、複数の方向判別信号を取得するステップと、
生成手段が、前記複数の方向判別信号に基づいて、新たな方向判別信号を生成するステップと、
を有することを特徴とする画像処理方法。
【請求項９】
コンピュータを、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の画像処理装置が有する各手段として機能させるためのプログラム。
【請求項１０】
請求項９に記載のプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像処理装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばCCDなどの撮像素子を利用した単板式カメラでは、撮像素子の各画素に対して複数種類のうち１種類の色フィルタ（例えば、R,G,Bの３色のうちの一つ）が設けられている。例えば図２に示すようなベイヤー配列が知られている。このようなベイヤー配列を有する単板式カメラにおいては、各画素においてRGB全ての色情報を求める場合には、後段の回路で補間処理を行う必要がある。最も単純な補間方法としては、補間対象の色信号以外の色信号レベルを全て０とし、各画素に２次元のローパスフィルタ（LPF）処理を行うことで補間値を得る方法が考えられる。また、補間された後の画像における高周波成分が失われないように、領域のエッジの方向、例えば縦縞か横縞かそれらの中間かの度合に応じてLPF処理を適応的に変えることにより、色信号を補間する方法が知られている。
【０００３】
しかしながら、２方向の相関値を元に相関の強い方向を判別する場合、判別に誤りが生じた結果、偽色やエッジの途切れなどの画質低下を招くという問題があった。そこで、各方向に対して複数の相関値を算出し、それらの相関値を加重加算することにより誤判別を抑える方法が考えられた。特許文献１には、複数の水平相関値と垂直相関値を各々算出し、複数の相関値を重み付け加算することにより、各方向に対する評価用相関値を算出する技術が開示されている。特許文献２には、補間対象の画素が水平又は垂直方向の相関が大きいかを検出し、その度合いに応じて補間信号を生成することで、ナイキスト周波数付近での折り返り信号による方向判別の誤りを抑える技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２０５８０８号公報
【特許文献２】特開２００２−２３２９０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に開示された構成では、相関値に対してフィルタリング処理が行われるため、ナイキスト周波数付近の方向判別信号の精度が低下してしまう可能性がある。また、特許文献２に開示された構成では、高感度時にノイズが増大した場合に正しい相関値が得られず、方向判別信号の精度が低下してしまう可能性がある。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決し、ノイズや被写体の動きによる領域のエッジの方向の誤判定を低減し、もって高精度な画素補間処理を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面によれば、撮像素子の注目画素に対して画素データの補間処理を行う画像処理装置であって、複数の画像の前記注目画素におけるエッジの方向を判別する方向判別手段と、前記複数の画像における位置ずれ量を算出するずれ算出手段と、前記算出された位置ずれ量に基づいて、前記複数の画像の前記注目画素における前記判別されたエッジの方向を補正し、複数の方向判別信号を取得する補正手段と、前記複数の方向判別信号に基づいて、新たな方向判別信号を生成する生成手段とを備えることを特徴とする画像処理装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ノイズや被写体の動きによる領域のエッジの方向の誤判定が低減され、これにより高精度な画素補間処理を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態における画像処理装置の構成図。
【図２】単板撮像素子のベイヤー配列の例を示す図。
【図３】補間処理を行い、輝度信号を生成する処理を示すフローチャート。
【図４】実施形態における画像処理装置の構成図。
【図５】補間処理を行い、輝度信号を生成するまでの流れを示すフローチャート
【図６】複数枚の輝度画像の位置ずれを示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、本発明の実施に有利な具体例を示すにすぎない。また、以下の実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが本発明の課題解決のために必須のものであるとは限らない。
【００１１】
＜実施形態１＞
図１に本実施形態における画像処理装置の構成図を示す。図１において、WB（ホワイトバランス）回路１００は、撮像素子から出力され更にA/D変換された画像信号を入力し、この画像信号に対してホワイトバランス補正を行う。R補間回路１０１及びB補間回路１０２はそれぞれ、R信号、B信号の補間処理を線形補間により行う。０挿入回路１０３は、Gフィルタが配置されている画素以外の画素の出力信号レベルを０にする。方向判別回路１２０は、エッジの方向を判別することで、画像が縦縞であるか横縞であるか、あるいは両者の中間的なものであるかを判別する。絶対値化回路１３０は、方向判別回路１２０から出力される方向判別信号を絶対値化する。これら２つの回路における処理については後述する。
【００１２】
２次元LPF１０５は、ナイキスト周波数付近の縦縞あるいは横縞の判別が困難な画像信号に対応して補間処理を行う。ここで２次元LPF１０５は、画像がボケないように補間対象の画素位置に対して近傍の２次元範囲の画素を用いて補間処理を行う。第１の補間手段としてのH-LPF１０６は、補間対象の画素位置に対して水平方向（第１の方向）の画像信号を用いて補間処理を行う。なお、本実施形態において、H-LPFは補間対象の画素位置の水平方向に対して２次元LPF１０５に用いられる画像信号より広い範囲の画像信号を用いて補間処理を行う。第２の補間手段としてのV-LPF１０７は、補間対象の画素位置に対して縦方向（垂直方向）の画像信号を用いて補間処理を行う。なお、本実施形態において、V-LPF１０７は、補間対象の画素位置の水平方向に対して２次元LPF１０５に用いられる画像信号より広い範囲の画像信号を用いて補間処理を行う。
【００１３】
加算器１１０は、H-LPF１０６の出力から２次元LPF１０５の出力の差分をとるためのものである。加算器１１１は、V-LPF１０７の出力から２次元LPF１０５の出力の差分をとるためのものである。また、切換器１１２は、切換器１２５からの方向判別信号に基づいて加算器１１０あるいは加算器１１１の出力を選択する。また、乗算器１１３は、切換器１１２によって選択された信号出力と絶対値化回路１３０の出力とを乗算し、加算器１１４は、２次元LPF１０５の出力と乗算器１１３の出力とを加算する。
【００１４】
ぶれ検出回路１２１は、２つの入力画像から画像全体のぶれ量を検出し、ぶれ補正回路１２２は、ぶれ検出回路１２１の検出結果に基づいて、入力された画像を補正する。方向選択回路１２３は、ぶれ補正回路１２２の複数の出力に基づいて複数の方向判別信号を取得する処理を行う。また、切換器１２５は、方向判別回路１２０と方向選択回路１２３の出力のうちのいずれかを方向判別信号として選択する。絶対値化回路１３０は、切換器１２５から出力される信号を絶対値化する。APC回路１４０は、加算器１１４から出力されたG信号のアパーチャ補正を行う。なお、アパーチャ補正を行うためのAPC回路は、R補間回路１０１及びB補間回路１０２の後段においても設置されてもよい。
【００１５】
以上の補間処理により、各画素位置に対応してR,G,B全ての信号が得られ、さらに後段の処理によって、
Y=0.3R+0.59G+0.11B
の式に従って、輝度信号Yが出力される。
【００１６】
次に、連続して入力された４枚の画像からY信号を生成する処理を、図３のフローチャートを用いて説明する。本実施形態では、連続して４枚の画像のデータ（CCDデータCCD0〜CCD3）が入力され、各画像データに対して、図３（Ａ）及び（Ｂ）のフローに従う処理が行われる。ここでは、１枚目の画像データCCD0を例に説明する。
【００１７】
撮像素子から出力され更にA/D変換された画像データCCD0が入力されると（Ｓ３１０）、CCD0に基づいて輝度信号Y0が生成される（Ｓ３２０）。このＳ３２０の輝度信号生成処理について、図３（Ｂ）を用いて詳細に説明する。
０挿入回路１０３は、G以外、すなわちRとBの色フィルタに対応する画素に０を挿入する（Ｓ３２１）。２次元LPF１０５は、０挿入回路１０３から出力された信号に対して画素補間を行い、２次元G補間信号を生成する（Ｓ３２２）。２次元LPF１０５は、例えば垂直方向の画素を用いて[1 2 1]/2、水平方向の画素を用いて[1 2 1]/2の補間処理が行われるように構成される。例えば、図２のR33の画素位置における補間値G33'は、垂直方向に関して、次式で表される。
(1 * G32 + 2 * R33 + 1 * G34) / 2 = (G32 + G34) / 2
補間値G33'は、水平方向に関して、次式で表される。
(1 * G23 + 2 * R33 + 1 * G43) / 2 = (G23 + G43) / 2
【００１８】
次に、方向判別回路１２０は、補間対象である注目画素に関して、水平方向（第１の方向）と垂直方向（第２の方向）とでどちらへの相関が大きいかを判別する（Ｓ３２３）。この判別結果により、画像が縦縞模様であるか横縞模様であるかが判別される。ここで、補間対象の画素位置がR33である場合を例に、方向判別回路１２０による判別方法を説明する。
【００１９】
diffHV33 = diffH33 - diffV33
diffH33 = |G32 - G34| + |2 * R33 - R31 - R35|
diffV33 = |G23 - G43| + |2 * R33 - R13 - R53|
なお、diffHは補間対象の注目画素を中心とした水平方向の画素のレベル差、diffVは補間対象の注目画素を中心とした垂直方向の画素のレベル差を示す。また、diffHVは水平方向の画素のレベル差から垂直方向の画素のレベル差を引いたものである。つまり、diffHVが正の場合は画像が縦縞模様であり、負の場合には横縞模様であることを表す。diffHVは、算出された値をある閾値でクリップし、さらに正規化することで、diffHVの値の範囲を-1から1の範囲にしている。なお、diffHVを求める式は上式に限定されるものではない。このとき、切換器１２５は、方向判別回路１２０の出力を選択する。CCD0について算出したdiffHVをT0とする。diffHVが正の場合（Ｓ３２４でＹＥＳ）はＳ３２５へ進み、diffHVが正でない場合（Ｓ３２４でＮＯ）はＳ３２６へ進む。
【００２０】
Ｓ３２５では、切換器１１２は、加算器１１１から出力される信号Dvを選択する。なお、V-LPF１０７は、垂直方向の画素データを用いて[1 4 6 4 1]/8の補間処理を行うように構成される。例えば、画素位置R33を補間対象としたときのV-LPF１０７の出力値Gv33は、次式で表される。
Gv33 = (1 * R13 + 4 * G23 + 6 * R33 + 4 * G43 + 1 * R53) / 8
= (G23 + G43) / 2
したがって、加算器１１１から出力される差分信号Dvは、画素位置R33を補間対象としたときを例にとると、次式のようになる。
Dv33 = Gv33 - G33' = (G23 + G43 - G32 - G34) / 4
【００２１】
Ｓ３２６では、切換器１１２は、加算器１１０から出力される信号Dhを選択する。なお、H-LPF１０６は、水平方向の画素データを用いて[1 4 6 4 1]/8の補間処理を行うように構成される。例えば、画素位置R33を補間対象としたときのH-LPF１０６の出力値Gh33は、次式で表される。
Gh33 = (1 * R31 + 4 * G32 + 6 * R33 + 4 * G34 + 1 * R35) / 8
= (G32 + G34) / 2
したがって、加算器１１０から出力される差分信号Dhは、画素位置R33を補間対象としたときを例にとると、次式のようになる。
Dh33 = Gv33 - G33' = (G32 + G34 - G23 - G43) / 4
【００２２】
絶対値化回路１３０は、切換器１２５が選択した信号を絶対値化した信号を出力する。乗算器１１３は、切換器１１２において選択された信号と絶対値化回路１３０の出力とを乗算する。そして、加算器１１４は、この乗算結果を、２次元ＬＰＦ１０５の出力に加算する（Ｓ３２７）。ＡＰＣ回路１４０は、加算器１１４の出力をアパーチャ補正し、補間信号Ｇを得る。そして補間信号Ｒ，Ｂを用いて輝度信号Y0を生成する（Ｓ３２８）。
【００２３】
ここまでの処理を４つのＣＣＤデータ（CCD0〜CCD3）に対して行う。これにより、方向判別信号T0〜T3、輝度信号Y0〜Y3が得られる。
【００２４】
ぶれ検出回路１２１は、Y0〜Y3の輝度信号を用いて、Y0を基準としたときのY1〜Y3の位置ずれ量を算出する（Ｓ３３０）。複数枚の画像を撮影した場合に１枚目の画像に対して、２枚目以降の画像が手振れなどの影響で相対位置がずれることがある。その様子を図６に示す。図６において、６００〜６０２はそれぞれ、Y0〜Y3に対応する。Y0に対して、Y1〜Y3がずれていることがわかる。位置ずれ量の算出には公知の技術を用いることができる。例えば、撮像装置内のジャイロが出力する動き量を用いる方法が考えられる。あるいは、特開２００９−８８６２８号公報に開示されているような、画像を所定のブロックごとに分割し手振れに起因する動きベクトルを求める方法を適用することが考えられる。
【００２５】
ぶれ補正回路１２２は、Y1〜Y3に対してぶれ検出回路１２１が算出したぶれ量に基づいて、Ｓ３２３で得られたCCD1〜CCD3に対する方向判別信号T1〜T3を補正する（Ｓ３４０）。例えば、Y1のY0に対するぶれ量を（s, t）とし、Y1の着目画素の座標を(p, q)とすると、座標(p+s, q+t)における方向判別信号が、補正後の着目画素の方向判別信号となる。座標(p+s, q+t)がいずれかの画素の重心と一致しない場合には、座標(p+s, q+t)の周囲に位置する複数の画素の方向判別信号から補間することで、座標(p+s, q+t)における方向判別信号を求めることが可能である。これにより、ぶれの影響を抑えた４つの方向判別信号T0、T1'〜T3'が得られる。
【００２６】
生成手段としての方向選択回路１２３は、ぶれ補正回路１２２が出力した４つの方向判別信号から新たな方向判別信号Tnewを生成する。例えば、４つの方向判別信号の符号から多数決により、どちらかの符号を選択する（Ｓ３５０）。具体的には、値が正（画像が縦縞模様）であるものと負（画像が横縞模様）であるもののうち数の多い方の符号を選択する。さらに、選択された符号を有する方向判別信号の平均値をとることにより、Tnewを算出する。例えば、
T0 = 0.3, T1' = -0.6, T2' = 0.1, T3' = 0.8
である場合を考える。この場合、まず多数決により正の符号（つまり縦縞模様）が選択される。そして、正の符号を持つT0 ,T2',T3'の平均値(0.3 + 0.1 + 0.8) / 3 = 0.4 がTnewとして得られる。なお、正および負である方向判別信号が同数であった場合には、T0の符号を優先することとする。上記の処理を、全ての画素位置に対して行う。
【００２７】
これにより、手振れなどによりわずかに位置ずれした画像を合成することで方向判別信号を誤ることによる折り返りを軽減させることができる。
なお、Tnewを求める式は上記の方法に限定されるものではない。例えば、同じ符号を持つ方向判別信号でも、所定の閾値と比較して平均値をとる対象から除外する方法であってもよい。これによりノイズなどによる誤判定の影響を抑えることが可能となる。
【００２８】
CCD0に対して、新たに輝度信号Y0を生成する（Ｓ３６０）。このとき、切換器１２５は方向選択回路１２３の出力を選択する。すなわち、方向判別信号T0を新たに生成した方向判別信号Tnewと置き換えて補間処理を行うことにより、輝度信号を生成する。
【００２９】
以上、本実施形態では、入力する画像が４枚である場合について説明したが、より多くの枚数を入力として用いてもよい。例えば、撮像素子の感度が高感度になるほどノイズの量が増大し、誤判別する可能性が高まることから、低感度時に比べて枚数を多くすることで誤判定を抑えることが可能となる。また、本実施形態では、方向判別において水平方向と垂直方向の相関を用いる場合について説明したが、２つの斜め方向の相関を用いてもよい。その場合、相関値の算出に用いるフィルタも適切なフィルタに変えることとなる。
【００３０】
また、本実施形態では、位置ずれを検出するためのY0〜Y3を生成するまでに、Ｓ３２１〜Ｓ３２８の処理を行う場合について説明したが、Y0〜Y3を生成するのは簡易的な処理としてもよい。例えば、方向判別処理を行わずに、すなわち、Ｓ３２３〜Ｓ３２７の処理を省略して、Y0〜Y3を生成し、Tnewを用いてY0を再生成するときにのみＳ３２１〜Ｓ３２８の処理を行うようにしてもよい。
【００３１】
したがって、１枚の画像から得られる方向判別信号を元に補間処理を行う場合に比べて、ノイズや折り返りなどによる誤判定を抑えた方向判別信号から補間処理を行い、高品質な輝度信号を生成することが可能となる。
【００３２】
＜実施形態２＞
図４に、実施形態２における画像処理装置の構成を示す。ここで実施形態１に係る図１と同じ構成要素には同じ参照番号を付しその説明を省略する。図４では、図１の構成に対して、動体検出回路１２４が付加されている。動体検出回路１２４は、入力された２枚の画像において動きのある被写体領域（動体領域）を検出する処理を行う。図５は、本実施形態における、連続して入力された４枚の画像からY信号を生成する処理のフローチャートである。図３と同じ処理ステップには同じ参照番号を付してその詳細な説明は省略することとし、実施形態１と異なる処理のみ説明する。図５のフローでは、Ｓ３４０とＳ３５０との間に、Ｓ５４１及びＳ５４２の処理ステップが介在し、図１のＳ３５０の代わりに、Ｓ５４３が実行される。
【００３３】
Ｓ５４１において、動体検出回路１２４は、Y0及びぶれ補正回路１２２によりぶれ補正されたY1'〜Y3'を用いて、各画像における動体領域の検出処理を行う。例えば、２枚の画像のフレーム間差分絶対値を動き度として算出し、この動き度が所定の閾値よりも大きい場合、注目画素の位置は動体領域内であると判定する。Y1'〜Y3'それぞれにおいて、各画素位置に対し動体検出処理を行う。なお、動体領域の検出方法はこの方法に限定されるものではない。
【００３４】
次に、Ｓ５４２及びＳ５４３の処理を説明する。Ｓ５４３においては、図１のＳ３５０と同様に、方向選択回路１２３は、ぶれ補正回路１２２が出力した４つの方向判別信号から新たな方向判別信号Tnewを生成する。ここで実施形態１と異なるのは、Y1'〜Y3'において検出された動体領域におけるT1'〜T3'の信号を、Tnew生成の基礎から除外する点である。これにより、動体が存在する領域に対して、この後のＳ５４３で本来の結果とは異なる方向判別信号が生成されるのを抑えることができる。従って、本実施形態のＳ５４３では、方向選択回路１２３は、４つの方向判別信号T0及びＳ５４２で除外されたもの以外のT1'〜T3'を用いて、各画素位置に対する新たな方向判別信号Tnewを生成する。生成方法は、実施形態１で述べた方法と同様でよい。例えば、
T0 = 0.4, T1' = 0.8, T2' = -0.3, T3' = 0.3
である場合を考える。この場合、ある領域においてY1で動体検出の結果、動体が存在すると判定された場合、T1'の値が多数決の対象から除外される。すなわちT0,T2',T3'の中から多数決により正の符号（つまり縦縞模様）が選択され、正の符号を持つT0,T3'の平均値(0.4 + 0.3) / 2 = 0.35 がTnewとして得られる。なお、正及び負である方向判別信号が同数であった場合には、T0の符号を優先することとする。上記の処理を、全ての画素位置に対して行う。
【００３５】
なお、Tnewを求める方法は上記の方法に限定されるものではない。Ｓ５４１では、算出した動き度が所定の閾値よりも大きい場合、その方向判別信号は使用しないようにしたが、動き度に応じて各々の方向判別信号の値を加重加算するような構成としてもよい。
【００３６】
これにより移動している被写体による誤判定の影響を抑えることが可能となる。
【００３７】
本実施形態では、動体検出をする際に輝度信号を用いて行う場合について説明したが、これに限らずR,G,BあるいはY,U,Vの信号を用いてもよい。
【００３８】
したがって、１枚の画像から得られる方向判別信号を元に補間処理を行う場合に比べて、ノイズや折り返りなどによる誤判定を抑えて補間処理を行うことが可能となる。またそのときに、移動している被写体による方向判別の誤判定を抑えることが可能となる。
【００３９】
（他の実施形態）
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（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。この場合、そのプログラム、及び該プログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記憶媒体は本発明を構成することになる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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