(57)【要約】イメージャの視角で変化する撮像感度特性を有するカメラまたはその他のイメージャを使用してイメージをキャプチャするための方法および装置を提供する。イメージャの特性は、露出、カラー感度、偏光感度、焦点距離、および／またはイメージ検出の他のあらゆる態様に関して一様ではない可能性がある。イメージャは、撮像されるシーンの異なる部分をキャプチャするために回転または並進させる。イメージャは、それぞれのシーン部分がキャプチャされるとき複数の位置にあるため、各シーン部分は、イメージャの感度プロファイルの複数の部分によって撮像される。
2004505512.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像を行うための方法であって、
イメージャを使用して第１のイメージ値を生成するための第１のセットの測定を行う第１のステップであって、前記第１のセットの測定が、第１のシーン領域からの第１の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第１の放射線の束が、前記イメージャの基準フレームの中で第１の主光線を有し、前記イメージャが、前記第１の主光線を有する放射線の束に関して第１の強度感度特性を有し、また前記イメージャが、前記第１の主光線を有する放射線の束の強度に関して第１のダイナミック・レンジを有するステップと、
前記イメージャを使用して第２のイメージ値を生成するための第２のセットの測定を行う第２のステップであって、前記第２のセットの測定が、前記第１のシーン領域から放出される第２の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第２の放射線の束が、前記イメージャの基準フレームの中で第２の主光線を有し、前記第２の主光線が、前記第１の主光線とは異なり、前記イメージャが、前記第２の主光線を有する放射線の束に関して第２の強度感度特性を有し、前記第２の強度感度特性が、前記第１の強度感度特性とは異なり、また前記イメージャが、前記第２の主光線を有する放射線の束の強度に関して第２のダイナミック・レンジを有するステップとを含み、さらに
前記第１の放射線の束の強度と前記第２の放射線の束の強度の少なくとも一方に関して前記イメージャの第３のダイナミック・レンジが関連している第３のイメージ値を生成するため、前記第１のイメージ値および前記第２のイメージ値にモザイク化演算を適用し、前記第３のダイナミック・レンジが、前記イメージャの前記第１のダイナミック・レンジと前記第２のダイナミック・レンジの少なくとも一方より大きいことを含む方法。
【請求項２】
前記第１の放射線の束が、第１の電磁放射線の束を含み、また前記第２の放射線の束が、第２の電磁放射線の束を含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のステップと前記第２のステップの間で前記第１のシーン領域に対して前記イメージャを回転させること、および
前記第１のステップと前記第２のステップの間で前記第１のシーン領域に対して前記イメージャを並進させることの一方をさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記イメージャを較正することをさらに含む方法であって、
前記較正するステップが、
前記イメージャを使用して前記第１の主光線を有する第１の複数の放射線の束の強度の測定を行い、第１のセットの較正測定値を生成すること、および
ａ）前記第１のセットの較正測定値の合計と、ｂ）前記第１のセットの較正測定値の平均の一方を決定することによって前記第１の強度感度特性の第１の推定値を判定すること、ならびに
前記イメージャを使用して前記第２の主光線を有する第２の複数の放射線の束の強度の測定を行い、第２のセットの較正測定値を生成すること、および
ａ）前記第２のセットの較正測定値の合計と、ｂ）前記第２のセットの較正測定値の平均の一方を決定することによって前記第２の強度感度特性の第２の推定値を判定することを含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記イメージャを較正することをさらに含む方法であって、
前記較正するステップが、
前記イメージャを使用して第４のイメージ値を生成するための第３のセットの測定を行い、前記第３のセットの測定が、第３の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第３の放射線の束が、第２のシーン領域から放出され、前記第１の主光線を有すること、および
前記イメージャを使用して第５のイメージ値を生成するための第４のセットの測定を行い、前記第４のセットの測定が、第４の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第４の放射線の束が、第２のシーン領域から放出され、前記第２の主光線を有することを含み、さらに
前記第１の強度感度特性と前記第２の強度感度特性の間の関係を推定するステップであって、ａ）前記第４のイメージ値と前記第５のイメージ値の差と、ｂ）前記第４のイメージ値と前記第５のイメージ値の比の一方を決定することを含むステップを含む請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記イメージャを使用して第４のイメージ値を生成するための第３のセットの測定を行い、前記第３のセットの測定が、第３の放射線の束の少なくとも１つの選択されたスペクトル成分の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第３の放射線の束が、前記第１のシーン領域から放出され、前記イメージャの前記基準フレームの中で第３の主光線を有し、前記イメージャが、前記第３の主光線を有する放射線の束に関して第１のスペクトル感度特性を有し、前記第１のスペクトル感度特性が、第１の波長感度帯域を有する帯域通過特性を含み、また、前記第３の放射線の束の前記少なくとも１つの選択されたスペクトル成分が、前記第１の波長感度帯域内の波長を有すること、および
前記イメージャを使用して第５のイメージ値を生成するための第４のセットの測定を行い、前記第４のセットの測定が、第４の放射線の束の少なくとも１つの選択されたスペクトル成分の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第４の放射線の束が、前記第１のシーン領域から放出され、前記イメージャの前記基準フレームの中で第４の主光線を有し、前記第４の主光線が、前記第３の主光線とは異なり、前記イメージャが、前記第４の主光線を有する放射線の束に関して第２のスペクトル感度特性を有し、前記第２のスペクトル感度特性が、第２の波長感度帯域を有する帯域通過特性を含み、前記第４の放射線の束の前記少なくとも１つの選択されたスペクトル成分が、前記第２の波長感度帯域内の波長を有し、また前記第２の波長感度帯域が、前記第１の波長感度帯域とは異なることをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記イメージャを使用して第４のイメージ値を生成するための第３のセットの測定を行い、前記第３のセットの測定が、前記第１のシーン領域から放出される第３の放射線の束の少なくとも１つの選択された偏光成分の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第３の放射線の束が、前記イメージャの前記基準フレームの中で第３の主光線を有し、前記イメージャが、前記第３の主光線を有する放射線の束に関して第１の偏光感度特性を有し、前記第１の偏光感度特性が、第１の角範囲外の偏光角を有する放射線成分に対する感度がより低いことを含み、また前記第３の放射線の束の前記少なくとも１つの選択された偏光成分が、前記第１の角範囲内の偏光角を有すること、および
前記イメージャを使用して第５のイメージ値を生成するための第４のセットの測定を行い、前記第４のセットの測定が、第４の放射線の束の少なくとも１つの選択された偏光成分の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第４の放射線の束が、前記第１のシーン領域から放出され、前記イメージャの前記基準フレームの中で第４の主光線を有し、前記第４の主光線が、前記第３の主光線とは異なり、前記イメージャが、前記第４の主光線を有する放射線の束に関して第２の偏光感度特性を有し、前記第２の偏光感度特性が、第２の角範囲外の偏光角を有する信号成分に対する感度がより低いことを含み、前記第４の放射線の束の前記少なくとも１つの選択された偏光成分が、前記第２の角範囲内の偏光角を有し、また前記第２の角範囲が、前記第１の角範囲とは異なることをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記イメージャを使用して第４のイメージ値を生成するための第３のセットの測定を行い、前記第３のセットの測定が、前記第１のシーン領域から放出される第３の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第３の放射線の束が、前記イメージャの前記基準フレームの中で第３の主光線を有し、また前記イメージャが、前記第３主光線を有する放射線の束に関して第１の焦点特性を有し、前記第１の焦点特性が、第１の焦点距離を含むこと、および
前記イメージャを使用して第５のイメージ値を生成するための第４のセットの測定を行い、前記第４のセットの測定が、前記第１のシーン領域から放出される第４の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第４の放射線の束が、前記イメージャの前記基準フレームの中で第４の主光線を有し、前記第４の主光線が、前記第３の主光線とは異なり、前記イメージャが、前記第４主光線を有する放射線の束に関して第２の焦点特性を有し、前記第２の焦点特性が、第２の焦点距離を含み、また前記第２の焦点距離が、前記第１の焦点距離とは異なることをさらに含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
撮像を行うための方法であって、
イメージャを使用して第１のイメージ値を生成するための第１のセットの測定を行う第１のステップであって、前記第１のセットの測定が、第１のシーン領域から放出される第１の放射線の束の少なくとも１つの選択された偏光成分の少なくとも１回の測定を含み、前記第１の放射線の束が、前記イメージャの基準フレームの中で第１の主光線を有し、前記イメージャが、前記第１の主光線を有する放射線の束に関して第１の偏光感度特性を有し、また前記第１の偏光感度特性が、第１の角範囲外の偏光角を有する信号成分に対する感度がより低いことを含み、前記第１の放射線の束の前記少なくとも１つの選択された偏光成分が、前記第１の角範囲内の偏光角を有するステップと、
前記イメージャを使用して第２のイメージ値を生成するための第２のセットの測定を行う第２のステップであって、前記第２のセットの測定が、第１のシーン領域から放出される第２の放射線の束の少なくとも１つの選択された偏光成分の少なくとも１回の測定を含み、前記第２の放射線の束が、前記イメージャの前記基準フレームの中で第２の主光線を有し、前記第２の主光線が、前記第１の主光線とは異なり、前記イメージャが、前記第２の主光線を有する放射線の束に関して第２の偏光感度特性を有し、前記第２の偏光感度特性が、第２の角範囲外の偏光角を有する信号成分に対する感度がより低いことを含み、前記第２の放射線の束の前記少なくとも１つの選択された偏光成分が、前記第２の角範囲内の偏光角を有し、また前記第２の角範囲が、前記第１の角範囲とは異なるステップと、
前記イメージャを動かす第３のステップであって、
前記第１のステップと前記第２のステップの間で前記第１のシーン領域に対して前記イメージャを回転させること、
前記第１のステップと前記第２のステップの間で前記第１のシーン領域に対して前記イメージャを並進させること、および
前記第１のイメージ値および前記第２のイメージ値を使用して前記第１の放射線の束および前記第２の放射線の束の一方の偏光状態を判定することのどれかを含むステップとを含む方法。
【請求項１０】
前記第１の放射線の束が、第１の電磁放射線の束を含み、また前記第２の放射線の束が、第２の電磁放射線の束を含む請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
撮像を行うための装置であって、
第１のイメージ値を生成するための第１のセットの測定を行うための第１のイメージャであって、前記第１のセットの測定が、第１のシーン領域から放出される第１の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第１の放射線の束が、前記イメージャの基準フレームの中で第１の主光線を有し、前記イメージャが、前記第１の主光線を有する放射線の束に関して第１の強度感度特性を有し、前記イメージャが、前記第１の主光線を有する前記放射線の束の強度に関して第１のダイナミック・レンジを有する、第１のイメージャと、
第２のイメージ値を生成するための第２のセットの測定を行うための第２のイメージャであって、前記第２のセットの測定が、前記第１のシーン領域から放出される第２の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第２の放射線の束が、前記イメージャの前記基準フレームの中で第２の主光線を有し、前記第２の主光線が、前記第１の主光線とは異なり、前記イメージャが、前記第２の主光線を有する放射線の束に関して第２の強度感度特性を有し、前記第２の強度感度特性が、前記第１の強度感度特性とは異なり、前記イメージャが、前記第２の主光線を有する前記放射信号セットの強度に関して第２のダイナミック・レンジを有する、第２のイメージャと、
前記第１の放射線の束の強度と前記第２の放射線の束の強度の少なくとも一方に関して第３のダイナミック・レンジが関連している第３のイメージ値を生成するため、前記第１の測定値および前記第２の測定値にモザイク化演算を適用するためのプロセッサであって、前記第３のダイナミック・レンジが、前記第１のダイナミック・レンジと前記第２のダイナミック・レンジの少なくとも一方より大きいプロセッサとを含む装置。
【請求項１２】
前記第１の放射線の束が、第１の電磁放射線の束を含み、また前記第２の放射線の束が、第２の電磁放射線の束を含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第２のイメージャが、前記第１のイメージャであり、前記第１のセットの測定が、第１の時刻より前に行われ、前記第２のセットの測定が、第２の時刻の後に行われ、前記第２の時刻が、前記第１の時刻より遅い装置であって、
前記第１の時刻と前記第２の時刻の間で前記第１のシーン領域および前記第２のシーン領域に対して前記第１のイメージャを回転させるための構成と、
前記第１の時刻と前記第２の時刻の間で前記第１のシーン領域および前記第２のシーン領域に対して前記第１のイメージャを並進させるための構成の一方をさらに含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
第１のセットの較正測定値を生成するため、前記イメージャを使用して前記第１の主光線を有する第１の複数の放射線の束の強度を測定するためのプロセッサと、
ａ）前記第１のセットの較正測定値の合計を決定するためのプロセッサと、ｂ）前記第１のセットの較正測定値の平均を決定するためのプロセッサの一方を含む、前記第１の強度感度特性の第１の推定値を決定するためのプロセッサと、
第２のセットの較正測定値を生成するため、前記イメージャを使用して前記２の主光線を有する第２の複数の放射線の束の強度を測定するためのプロセッサと、
ａ）前記第２のセットの較正測定値の合計を決定するためのプロセッサと、ｂ）前記第２のセットの較正測定値の平均を決定するためのプロセッサの一方を含む、前記第２の強度感度特性の第２の推定値を決定するためのプロセッサとをさらに含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
第４のイメージ値を生成するために第３のセットの測定を行うための第３のイメージャであって、前記第３のセットの測定が、第２のシーン領域から放出される第３の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第３の放射線の束が、前記第１の主光線を有する、第３のイメージャと、
第５のイメージ値を生成するために第４のセットの測定を行うための第４のイメージャであって、前記第４のセットの測定が、第２のシーン領域から放出される第４の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第４の放射線の束が、前記第２の主光線を有する、第４のイメージャと、
ａ）前記第４のイメージ値と前記第５のイメージ値の差を決定するためのプロセッサと、ｂ）前記第４のイメージ値と前記第５のイメージ値の比を決定するためのプロセッサの一方を含む、前記第１の強度感度特性と前記第２の強度感度特性の間の関係を推定するためのプロセッサとをさらに含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１６】
第４のイメージ値を生成するために第３のセットの測定を行うための第３のイメージャであって、前記第３の測定セットが、前記第１のシーン領域から放出される第３の放射線の束の少なくとも１つの選択されたスペクトル成分の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第３の放射線の束が、前記イメージャの前記基準フレームの中で第３の主光線を有し、前記イメージャが、前記第３の主光線を有する放射線の束に関して第１のスペクトル感度特性を有し、前記第１のスペクトル感度特性が、第１の波長感度帯域を有する帯域通過特性を含み、前記第３の放射線の束の前記少なくとも１つの選択されたスペクトル成分が、前記第１の波長感度帯域内の波長を有する、第３のイメージャと、
第５のイメージ値を生成するために第４のセットの測定を行うための第４のイメージャであって、前記第４の測定セットが、前記第１のシーン領域から放出される第４の放射線の束の少なくとも１つの選択されたスペクトル成分の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第４の放射線の束が、前記イメージャの前記基準フレームの中で第４の主光線を有し、前記第４の主光線が、前記第３の主光線とは異なり、前記イメージャが、前記第４の主光線を有する放射線の束に関して第２のスペクトル感度特性を有し、前記第２のスペクトル感度特性が、第２の波長感度帯域を有する帯域通過特性を含み、前記第４の放射線の束の前記少なくとも１つの選択されたスペクトル成分が、前記第２の波長感度帯域内の波長を有し、前記第２の波長感度帯域が、前記第１の波長感度帯域とは異なる、第４のイメージャとをさらに含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１７】
第４のイメージ値を生成するために第３のセットの測定を行うための第３のイメージャであって、前記第３のセットの測定が、前記第１のシーン領域から放出される第３の放射線の束の少なくとも１つの選択された偏光成分の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第３の放射線の束が、前記イメージャの前記基準フレームの中で第３の主光線を有し、前記イメージャが、前記第３の主光線を有する放射線の束に関して第１の偏光感度特性を有し、前記第１の偏光感度特性が、第１の角範囲外の偏光角を有する信号成分に対する感度がより低いことを含み、前記第３の放射線の束の前記少なくとも１つの選択された偏光成分が、前記第１の角範囲内の偏光角を有する、第３のイメージャと、
第５のイメージ値を生成するために第４のセットの測定を行うための第４のイメージャであって、前記第４のセットの測定が、前記第１のシーン領域から放出される第４の放射線の束の少なくとも１つの選択された偏光成分の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第４の放射線の束が、前記イメージャの前記基準フレームの中で第４の主光線を有し、前記第４の主光線が、前記第３の主光線とは異なり、前記イメージャが、前記第４の主光線を有する放射線の束に関して第２の偏光感度特性を有し、前記第２の偏光感度特性が、第２の角範囲外の偏光角を有する信号成分に対する感度がより低いことを含み、前記第４の放射線の束の前記少なくとも１つの選択された偏光成分が、前記第２の角範囲内の偏光角を有し、前記第２の角範囲が、前記第１の角範囲とは異なる、第４のイメージャとをさらに含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１８】
第４のイメージ値を生成するために第３のセットの測定を行うための第３のイメージャであって、前記第３のセットの測定が、前記第１のシーン領域から放出される第３の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第３の放射線の束が、前記イメージャの前記基準フレームの中で第３の主光線を有し、前記イメージャが、前記第３の主光線を有する放射線の束に関して第１の焦点特性を有し、前記第１の焦点特性が、第１の焦点距離を含む、第３のイメージャと、
第５のイメージ値を生成するために第４のセットの測定を行うための第４のイメージャであって、前記第４のセットの測定が、前記第１のシーン領域から放出される第４の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第４の放射線の束が、前記イメージャの前記基準フレームの中で第４の主光線を有し、前記第４の主光線が前記第３の主光線とは異なり、前記イメージャが、前記第４の主光線を有する放射線の束に関して第２の焦点特性を有し、前記第２の焦点特性が、第２の焦点距離を含み、前記第２の焦点距離が、前記第１の焦点距離とは異なる、第４のイメージャをさらに含む請求項１１に記載の装置。
【請求項１９】
撮像を行うための装置であって、
第１のイメージ値を生成するために第１のセットの測定を行うための第１のイメージャであって、前記第１のセットの測定が、第１のシーン領域から放出される第１の放射線の束の少なくとも１つの選択された偏光成分の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第１の放射線の束が、前記イメージャの基準フレームの中で第１の主光線を有し、前記イメージャが、前記第１の主光線を有する放射線の束に関して第１の偏光感度特性を有し、前記第１の偏光感度特性が、第１の角範囲外の偏光角を有する信号成分に対する感度がより低いことを含み、前記第１の放射線の束の前記少なくとも１つの選択された偏光成分が、前記第１の角範囲内の偏光角を有する、第１のイメージャと、
第２のイメージ値を生成するために第２のセットの測定を行うための第２のイメージャであって、前記第２のセットの測定が、第１のシーン領域から放出される第２の放射線の束の少なくとも１つの選択された偏光成分の強度の少なくとも１回の測定を含み、前記第２の放射線の束が、前記イメージャの前記基準フレームの中で第２の主光線を有し、前記第２の主光線が、前記第１の主光線とは異なり、前記イメージャが、前記第２の主光線を有する放射線の束に関して第２の偏光感度特性を有し、前記第２の偏光感度特性が、第２の角範囲外の偏光角を有する信号成分に対する感度がより低いことを含み、前記第２の放射線の束の前記少なくとも１つの選択された偏光成分が、前記第２の角範囲内の偏光角を有し、前記第２の角範囲が、前記第１の角範囲とは異なり、前記第１のセットの測定が、第１の時刻より前に行われ、前記第２のセットの測定が、第２の時刻より後に行われ、前記第２の時刻が、前記第１の時刻より遅い第２のイメージャと、
前記第１の時刻と前記第２の時刻の間で前記第１のシーン領域および前記第２のシーン領域に対して前記第１のイメージャを回転させるための構成、ならびに、
前記第１の時刻と前記第２の時刻の間で前記第１のシーン領域および前記第２のシーン領域に対して前記第１のイメージャを並進させるための構成の一方を含む駆動デバイスと、
前記第１のイメージ値および前記第２のイメージ値を使用して前記第１の放射線の束と前記第２の放射線の束の一方の偏光状態を判定するためのプロセッサとをさらに含む装置。
【請求項２０】
前記第１の放射線の束が、第１の電磁放射線の束を含み、また前記第２の放射線の束が、第２の電磁放射線の束を含む請求項１９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０００年７月２１日に出願され参照により本明細書に組み込む、「Ｍｕｌｔｉｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｉｍａｇｅ　Ｍｏｓａｉｃｓ」という名称の米国仮特許出願第６０／２２０，０２５号に対する優先権を主張する。
【０００２】
連邦出資研究開発に関する記述
本発明は、部分的に、Ｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ａｗａｒｄ　Ｎｏ．ＩＩＳ−００−８５８６４からの米国政府の支援を得て行われた。したがって、米国政府が、本発明にある権利を有する可能性がある。
【０００３】
発明の背景
発明の分野
本発明は、一般に、イメージ・モザイク化に関し、より詳細には、イメージ・モザイク化を使用して、イメージのダイナミック・レンジを広げ、かつ／またはシーンから受け取られる放射信号のさらなる特性を判定するための方法およびシステムに関する。
【０００４】
関連技術の説明
撮像システム（例えば、カメラ）の主な限界には、視野が限られていること、ダイナミック・レンジが限られていること、スペクトル（例えば、カラー）分解能（ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）が限られていること、および被写界深度が限られていること（すなわち、イメージ平面の中でシーン・ポイントに適切に焦点が合ったままである距離の範囲が限られていること）が含まれる。さらに、従来の撮像システムは、通常、光が受け取られた方向との関係で入ってくる光の強度（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ）だけを測定し、材質、形状、および照明条件の遠隔認識に役立ち、反射の分析に役立つ深度（例えば、カメラからの被写体の距離）および光の偏光状態などの他の特性を測定することができない。さらに、従来のカメラによって行われる測定の品質は、比較的低い傾向にある。例えば、通常のＣＣＤカメラでは、強度解像力が８ビットだけであり、またスペクトル解像力が非常に劣り、３つの広い帯域チャネル、すなわち、通常、レッド・チャネル、グリーン・チャネル、およびブルー・チャネルだけから成っている。
【０００５】
前述した限界を克服しようとする試みが行われた場合でさえ、結果としてもたらされたシステムは、複雑であり、他の限界を無視して狭い問題だけを扱ってきた。例えば、撮像スペクトロメータは、スペクトルの次元で高い分解能を提供するが、センサの強度ダイナミック・レンジは拡張しない。
【０００６】
空間分解能を損なうことなく広い視野を有するイメージを得る一般的な方策は、「イメージ・モザイク」を使用することによる。そのような技法は、シーンの異なるビューをそれぞれがカバーするより小さいイメージを結合して、より幅広い視野を有するより大きいイメージを得ることに関わる。この方法は、電波天文学、合成開口レーダ（ＳＡＲ）、光学観測天文学、ならびに地球および太陽系のその他の物体の遠隔光学探査などの様々な科学分野で使用されている。最近、任意のカメラの動きに対処するアルゴリズムが開発されており、そのようなアルゴリズムにより、ビデオ・カメラでイメージ・モザイクを使用できるようになっている。より小さいコンポーネント・イメージが重なり合う領域において、生のデータを処理して空間分解能を高めることができる。ただし、従来のイメージ・モザイク技法は、各ピクセルのスペクトル、偏光、および明るさ（ｂｒｉｇｔｎｅｓｓ）に関して分解能（例えば、ダイナミック・レンジ）を高めることができない。深度は、イメージのシーケンスに視差を導入した場合、イメージ・モザイクから回復可能である。ただし、視差法は、通常、フォーカス／デフォーカス・キューを使用して深度を推定する方法と比べて堅牢さが劣り、より複雑である。
【０００７】
イメージのダイナミック・レンジを拡張するのに非線形検出器が使用されてきた。例えば、（１）光強度に関して対数の電子出力信号をもたらす、または（２）異なる積分時間を有する２つのイメージを結合するＣＭＯＳ検出器が、製造されている。そのようなセンサの強度ダイナミック・レンジは、１：１０６程度である傾向にあり、このダイナミック・レンジは、大きい（すなわち、高い放射照度の）信号の飽和していない検出を可能にする。ただし、そのようなデバイスにおける強度情報は、圧縮される。というのは、高い強度範囲を（まばらに）サンプリングするため、検出器は、そうでなければより低い強度に専用となる量子化レベルを使用するからである。したがって、出力は、やはり、８〜１２ビットの強度分解能だけしか有さない。
【０００８】
より高い光強度に関してより低い透過率を有する非線形透過率のハードウェアが、任意の所与の検出器のダイナミック・レンジを拡張することができる。ただし、強度ダイナミック・レンジは、それでも、検出器の限られた解像力に従って量子化される。すなわち、通常のＣＣＤにおける８ビットの解像力が、単により高い放射照度範囲をカバーするように非線形式に引き伸ばされる。したがって、非線形の圧縮は、より低い強度範囲における分解能を犠牲にする。
【０００９】
自動利得制御（ＡＧＣ）が、ビデオ・カメラおよびデジタル・カメラにおいて一般的であり、これは、静止画カメラにおける自動露出に類似している。ただし、ＡＧＣの大きな欠点は、その効果が全体的であり、この結果、利得設定が、イメージのいくらかの部分に関して高すぎるが、別の部分に関しては低すぎる可能性が高いことである。例えば、明るいポイントは、比較的暗いイメージの中にある場合、飽和している可能性が高く、また薄暗いポイントは、比較的明るいイメージの中にある場合、適切な検出のためには暗すぎる可能性が高い。シーンが走査される際、ＡＧＣがセンサ利得を適合するように変化させるイメージ・モザイクをシーケンスから構成することができる。ただし、この技法によってダイナミック・レンジのいくらかの拡張が達せられるものの、そのような方法は、やはり、大体において暗いイメージの中の明るいポイント、および大体において明るいイメージの中の暗いポイントを適切に測定することができないという問題を抱えている。
【００１０】
カメラ上に空間的に変化する光学フィルタを取り付けることが、アマチュアの写真撮影およびプロの写真撮影において一般的な慣行である。ただし、そのようなフィルタは、生のイメージを変化させて特殊視覚効果をもたらすために主に使用されてきた。そのようなフィルタは、分解能向上アルゴリズムに関連しては使用されていない。
【００１１】
イメージの各ピクセルのダイナミック・レンジを１組の複数の異なる露出のイメージを使用することによって拡張することが提案されている。１つのそのような方法は、各ピクセルに関して、そのピクセルの複数のサンプルからのデータと最もよく合致する値を推定することに関わる。別の手法は、各ピクセルに関して、局所的コントラストを最大化する値を選択することである。ただし、そのような手法は、静止カメラを使用してイメージのシーケンスをキャプチャし、したがって、視野を広げることは提供しない。
【００１２】
さらなる手法は、イメージャの検出器アレイを覆う小さいフィルタのモザイク・アレイを使用する。各フィルタは特定の検出器のピクセルを覆う。もたらされるのは、検出器に入射する光を変化させる空間的に均質でないマスクである。強度ダイナミック・レンジを拡張するため、センサ・アレイを中性（すなわち、カラー独立の）密度のフィルタの空間的モザイク・アレイで覆うことができる。ただし、そのような構成は、ダイナミック・レンジを拡張するために空間分解能を犠牲にする。検出器をカラー・フィルタのモザイク・アレイで覆うことにより、スペクトル情報を得ることができる。ただし、そのような構成は、何らかのスペクトル分解能（すなわち、カラー情報）を得るために空間分解能を犠牲にする。さらに、様々な異なる方向を向いた線形偏光子のモザイクで検出器を覆うことができる。ただし、そのような構成は、偏光情報のために空間分解能を犠牲にする。
【００１３】
空間的に変化するスペクトル・フィルタで、すなわち、検出器の垂直方向の視角および／または水平方向の視角にわたって変化するスペクトル通過帯域を有するフィルタで検出器アレイを覆うことにより、高い分解能のスペクトル・フィルタリングが得られる。そのようなシステムでは、視野の中の異なるポイントが、異なった仕方でフィルタリングされる。各ポイントにおけるスペクトルは、シーン全体にわたってカメラの視野を走査することによって得られる。ただし、検出器アレイ上に直接にフィルタを配置することにより、スペクトル・フィルタリングの有効特性を変更する、またはシーンから受け取られる光の他のプロパティを測定するのが困難になることで、システムの柔軟性が低くなる。
【００１４】
シーンが、線形スキャナを使用してラインごとに走査される場合、スペクトル情報を得るために空間分解能が犠牲にされることはない。例えば、トライリニア・スキャナにおいて、イメージの各線形部分が、レッド・フィルタ、グリーン・フィルタ、およびブルー・フィルタで連続的に感知される。遠隔探査作業でしばしば、使用されるプッシュブルーム・カメラが、同様に動作する。すなわち、各シーン・ラインが、拡散要素によって２Ｄの検出器アレイ上に回折され、この結果、各ラインが、複数のスペクトル・チャネルで同時に測定される。ただし、そのようなスキャナおよびプッシュブルームは、一定の速度での１次元走査に限定される。さらに、そのようなシステムによって形成されたイメージは、陥凹（ｆｏｖｅａｔｅ）していない。すなわち、イメージ全体が、同じ検出器特性を使用して走査される。したがって、相当な視野をキャプチャするには、多数回の獲得を行う必要がある。というのは、各回の獲得が、１ピクセル幅のコラムだけしかキャプチャしないからである。
【００１５】
イメージは、様々な焦点設定でキャプチャされ、次に結合して大きい被写界深度を有するイメージが生成される。傾けられたセンサを使用する手法が、視野を拡張しながら、焦点が合っているすべてのシーン・ポイントをキャプチャするのに成功している。ただし、この手法は、イメージのダイナミック・レンジは拡張しない。
【００１６】
光学では、撮像システムの前の、または空間的に変化する内部のチョッパおよびレチクルを回転させることが一般的な慣行である。ただし、そのようなシステムは、イメージャが、イメージ獲得中に動く追加の内部部品または外部部品を有することを必要とする。
【００１７】
発明の概要
したがって、本発明の目的は、より大きい視野とより高い明るさのダイナミック・レンジをともに提供する撮像技法を提供することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、より大きい視野とシーンに関するよりスペクトル情報、偏光情報、および／または深度情報をともに提供する撮像技法を提供することである。
【００１９】
以上の目的およびその他の目的が、本発明の以下の態様によって達せられる。
【００２０】
本発明の一態様によれば、より高い分解能のデータを生成するための方法が、以下を含む。イメージャを使用して第１のイメージ値を生成するための第１のセットの測定を行う第１のステップであって、第１のセットの測定が、第１のシーン領域からの第１の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、第１の放射線の束が、イメージャの基準フレームの中で第１の主光線を有し、イメージャが、第１の主光線を有する放射線の束に関して第１の強度感度特性を有し、またイメージャが、第１の主光線を有する放射線の束の強度に関して第１のダイナミック・レンジを有するステップと、イメージャを使用して第２のイメージ値を生成するための第２のセットの測定を行う第２のステップであって、第２のセットの測定が、第１のシーン領域から放出される第２の放射線の束の強度の少なくとも１回の測定を含み、第２の放射線の束が、イメージャの基準フレームの中で第２の主光線を有し、第２の主光線が、第１の主光線とは異なり、イメージャが、第２の主光線を有する放射線の束に関して第２の強度感度特性を有し、第２の強度感度特性が、第１の強度感度特性とは異なり、またイメージャが、第２の主光線を有する放射線の束の強度に関して第２のダイナミック・レンジを有するステップとを含み、さらに第１の放射線の束の強度と第２の放射線の束の強度の少なくとも一方に関してイメージャの第３のダイナミック・レンジが関連している第３のイメージ値を生成するため、第１のイメージ値および第２のイメージ値にモザイク化演算を適用し、第３のダイナミック・レンジが、イメージャの第１のダイナミック・レンジと第２のダイナミック・レンジの少なくとも一方より大きいことを含む撮像を行うための方法。
【００２１】
本発明のさらなる態様によれば、撮像を行うための方法であって、イメージャを使用して第１のイメージ値を生成するための第１のセットの測定を行う第１のステップであって、第１のセットの測定が、第１のシーン領域から放出される第１の放射線の束の少なくとも１つの選択された偏光成分の強度の少なくとも１回の測定を含み、第１の放射線の束が、イメージャの基準フレームの中で第１の主光線を有し、イメージャが、第１の主光線を有する放射線の束に関して第１の偏光感度特性を有し、第１の偏光感度特性が、第１の角範囲外の偏光角を有する信号成分に対する感度がより低いことを含み、第１の放射線の束の前記少なくとも１つの選択された偏光成分が、第１の角範囲内の偏光角を有するステップと、イメージャを使用して第２のイメージ値を生成するための第２のセットの測定を行うステップであって、第２のセットの測定が、第１のシーン領域から放出される第２の放射線の束の少なくとも１つの選択された偏光成分の強度の少なくとも１回の測定を含み、第２の放射線の束が、イメージャの基準フレームの中で第２の主光線を有し、第２の主光線が、第１の主光線とは異なり、イメージャが、第２の主光線を有する放射線の束に関して第２の偏光感度特性を有し、第２の偏光感度特性が、第２の角範囲外の偏光角を有する信号成分に対する感度がより低いことを含み、第２の放射線の束の前記少なくとも１つの選択された偏光成分が、第２の角範囲内の偏光角を有し、また第２の角範囲が、第１の角範囲とは異なるステップと、イメージャを動かす第３のステップであって、第１のステップと第２のステップの間で第１のシーン領域に関してイメージャを回転させること、第１のステップと第２のステップの間で第１のシーン領域に関してイメージャを並進させること、および第１のイメージ値および第２のイメージ値を使用して第１の放射線の束と第２の放射線の束の一方の偏光状態を判定することのどれかを含むステップとを含む方法。
【００２２】
本発明のさらなる目的、特徴、および利点は、本発明の例示としての実施形態を示す添付の図と併せて理解される以下の詳細な説明から明白となる。
【００２３】
図のすべてにわたり、特に明記しない限り、同じ参照番号および参照符号を使用して例示する実施形態の同様の特徴、要素、構成要素、または部分を表す。さらに、本発明を図を参照して、例示する実施形態に関連して以下で詳細に説明するが、頭記の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲および趣旨を逸脱することなく、説明する実施形態に変更または改変を行うことができる。
【００２４】
発明の詳細な説明
本発明によれば、電子静止カメラ、またはビデオ・カメラなどの動画カメラを含むことが可能なイメージャを、イメージャの１つまたは複数の検出特性が垂直方向の視角および／または水平方向の視角にわたって変化するように構成することができる。例えば、イメージャの視野の左側が、視野の右側とは異なる特性を有するように構成すること、または視野の上部が、視野の下部とは異なる特性を有するように構成することが可能である。イメージャの一様でない（すなわち、空間によって異なる）感度特性には、例えば、シーンの明るさに対する感度、特定のカラーを有する光に対する感度、特定の偏光角を有する光に対する感度、および／または焦点距離（すなわち、被写体に焦点が合う距離）が含まれることが可能である。連続するスナップショット間または連続するフレーム間でイメージャを回転させ、かつ／または並進させることにより、連続するスナップショットまたは連続するフレームを結合して、より広い視野を有するより大きいイメージを形成することができる。シーンの異なるビューのそのような結合は、「イメージ・モザイク化」と呼ぶことができる。さらに、スナップショット間またはフレーム間のカメラの動きが十分に小さい場合、シーンのいくつかの領域が複数回、キャプチャされ、各回でカメラの視野の異なる部分がキャプチャされる。イメージャの視野の各部分は、異なる感度特性を有するため、様々な撮像感度特性を使用して結果の「マルチサンプリングされる」シーン部分（すなわち、複数回、サンプリングされる部分）がキャプチャされる。したがって、シーンの各部分に関して追加の情報を得ることができる。例えば、広範囲な強度感度特性を使用してシーン部分を複数回、サンプリングすることができる。例えば、レンズ上に空間的に一様でない減衰器が取り付けられたカメラを使用してシーン全体を垂直方向または水平方向で（または任意の角で）パンしながら複数のフレームをキャプチャすることにより、これを行うことができる。これにより、シーンの各部分は、より広いダイナミック・レンジで効果的にキャプチャされる。さらに、空間的に一様でないカラー感度特性を有するイメージャを使用して複数のスナップショットを撮りながらシーン全体にわたってパンすることにより、各シーン部分に関するスペクトル情報を得ることができる。同様に、一様でない偏光特性を有するイメージャ（例えば、一様でない偏光フィルタを有するカメラ）を使用することによって偏光情報を得ることができ、また一様でない焦点距離を有するイメージを使用して深度（すなわち、距離）情報を得ることができる。
【００２５】
本発明によるシステムは、一般に、図５のブロック図で示すとおり、２つの部分を有するものと見ることができる。システムは、イメージ５０４をキャプチャするのに使用するイメージャ（例えば、カメラ）５０２を含むハードウェア部分を含む。イメージ５０４は、１つまたは複数のイメージ処理アルゴリズム５０６を含むソフトウェアを実行するイメージ処理部によって処理され、アルゴリズム５０６は、向上した出力イメージ５０８および／または撮像されるシーンのプロパティに関する情報５１０を提供する。図６は、そのようなシステムをより詳細に示している。イメージャ５０２は、イメージャ５０２に入る光信号（例えば、光の束）６３２をフィルタにかける１つまたは複数のフィルタ６０４を含む。イメージャ５０２は、撮像光学部品６０６、およびＣＣＤイメージ感知アレイまたはＣＭＯＳイメージ感知アレイなどの検出器アレイ６０８を含む。検出器アレイ６０８は、回路６１０が処理することのできる信号を生成する。イメージャ５０２を回転させ、かつ／または並進させるため、イメージャ５０２をモータ駆動の回転および／または並進サポート６３０の上に取り付けることができ、かつ／または航空機などの動くプラットフォームによって運ぶことができる。
【００２６】
カメラ回路６１０によって生成されたアナログ信号が、アナログ／デジタル変換器６１２によって処理され、変換器６１２は、アナログ信号をフレーム・メモリ６１４の中に記憶することができるデジタル信号に変換する。イメージは、コンピュータのプロセッサであることが可能なプロセッサ６１８を使用して分析され、処理される。プロセッサ６１８は、本発明による様々なアルゴリズムを実行する。また、プロセッサ６１８を使用してシーンの新しいイメージを「レンダリング」（すなわち、生成）することもできる。変換器６１６を使用してイメージを外部デバイス６０２が処理できる形式に変換して、出力イメージ５０８を生成することができる。外部デバイス６０２は、例えば、イメージをビデオ信号、プリンタ信号、またはその他の出力形式に変換するための変換器６２０を含むことが可能である。また、プロセッサ６１８は、撮像されるシーンのプロパティに関する情報６２２を抽出することもできる。前述した技法の例を以下でさらに詳細に説明する。
【００２７】
図８は、本発明によるイメージ・モザイク化を行うためのイメージャの例を示している。イメージャ７１２は、アパーチャ７１０、対物レンズ８０２、および例えば、ＣＣＤ検出器アレイであることが可能なイメージ検出器７０８を有するカメラ７０２を含む。また、空間的に変化する中性（すなわち、波長独立の）密度フィルタ７０４も含まれ、フィルタ７０４は、図示した例では、最上部８１６近くでより低い減衰率を有し、また最下部８２０近くでより高い減衰率を有する。イメージャ７１２は、シーン・ポイントＡ、Ｂ、およびＣからそれぞれ、放射線の束８１０、８１２、および８１４（この例では、光の束）を受け取る。イメージャ７１２の基準フレームの中で、いくつかの主光線が、例えば、光線８０４、８０６、および８０８が存在し、光線８０４、８０６、および８０８は、イメージャ７１２が放射線の束８１０、８１２、および８１４、または他のセットの放射信号を受け取るそれぞれの方向を定義する。光学で周知のとおり、光の束も、通常、その束が伝播する経路を定義するのに使用することができる主光線を有するものと考えられる。図示した例では、束８１０、８１２、および８１４の主光線はそれぞれ、イメージャ７１２の主光線８０４、８０６、および８０８である。さらに、３つの主光線８０４、８０６、および８０８だけを図８で示しているが、イメージャは、理論上、基準フレームの中に無限数の主光線を有する。さらに、図８で示した例としてのイメージャ７１２は、主に光を撮像するのに使用されるが、本発明の技法は、赤外線（ＩＲ）放射、Ｘ線放射、合成開口レーダ（ＳＡＲ）信号、粒子ビーム（例えば、電子顕微鏡のための電子ビーム）、および音響（例えば、超音波）放射を含むが、以上には限定されない任意の電磁放射または任意の他の放射の撮像に適用可能である。
【００２８】
シーンのポイントＡ、Ｂ、およびＣから放出される信号をそれぞれ含む信号セット８１０、８１２、および８１４を、対物レンズ８０２が、検出器７０８上のポイントＡ’、Ｂ’、およびＣ’のそれぞれに集束させる。イメージャ７１２を回転ベクトルｙ＾のまわりで回転させ、これにより、イメージャ７１２が、主光線８０４、８０６、および８０８の任意のどれかに沿って、またはイメージャ７１２の視野の中の任意の他の主光線に沿って放射線の束８１０、８１２、および８１４の任意のどれかを受け取ることができるようにするのが可能である。例えば、図８で示した向きのイメージャ７１２を使用して第１のスナップショットを撮ることができ、その場合、信号セット８１０が、図示するとおり主光線８０４に沿って受け取られる。次に、反時計回り方向にイメージャ７１２を回転させて、光線の束８１０が主光線８０６に沿って受け取られるようにすることができる。次に、さらなるスナップショットを撮ることができる。次に、イメージャ７１２をさらに回転させて、信号セット８１０が主光線８０８に沿って受け取られるようにすることができ、第３のスナップショットを撮ることができる。したがって、それぞれの３つのスナップショットで、光線の束８１０が、フィルタ７０４の３つの部分８１６、８１８、および８２０を介して受け取られており、したがって、検出器７０８の３つのポイントＡ’、Ｂ’、およびＣ’で受け取られている。さらに、図８は、シーン全体をパンするために回転させられるイメージャ７１２を示しているが、イメージャ７１２は、さらに、または代わりに、図７で示すとおり、並進させることもできることに留意されたい。実際、あらゆる任意の動きを使用してシーン７０６全体をイメージャ７１２でパンすることができ、これにより、イメージャ７１２が、シーン・ポイントＡからの放射信号をイメージャ７１２の視野の任意の主光線に沿って受け取ることができるようになる。シーン７０６の複数のスナップショットが撮られた後、本発明によるイメージ・モザイク化手続きのためにそのスナップショットを使用することができる。例えば、図１を参照して以下で詳細に説明するとおり、イメージ・モザイク化手続きを使用して、シーン７０６の様々な領域から受け取られる光信号セットの強度を表すイメージのダイナミック・レンジを広げることができる。
【００２９】
図１は、本発明によるイメージ・モザイク化のための例としての手続きを示している。この手続きは、好ましくは、較正ステップ１００を含み、その例を以下でより詳細に説明する。イメージャ（例えば、空間的に変化する減衰フィルタを有するカメラ）、すなわち、図７〜１９、２３、および３１のアイテム７１２を使用して、撮像されるシーンの第１のセットの測定を行う（ステップ１０２）。イメージャ７１２の基準フレームの中で、第１の主光線（例えば、図８〜１８で示した主光線８０４）が存在し、また第１の主光線に沿って受け取られた信号、例えば、第１の主光線を有する光の束に関して、イメージャ７１２は、第１の強度感度特性および第１のダイナミック・レンジを有する。撮像システムは、第１の強度感度特性および第１のダイナミック・レンジを有する。例えば、第１の主光線は、イメージャ７１２の視野内の特定のビュー方向に相当することが可能であり、また視野のその部分が、第１の減衰量を有する減衰フィルタで覆われていることが可能である。減衰フィルタの特定の部分を通過する光の束に関するイメージャの感度は、フィルタのその特定部分の減衰量に依存する。光の束に関するイメージャのダイナミック・レンジは、通常、その束が集束させられる検出器（例えば、ＣＣＤセル）の部分のダイナミック・レンジで決まる。
【００３０】
第１の測定セットの出力は、例えば、シーン内の第１の領域または第１のポイントから放出される第１の光線の束またはその他の放射の強度（すなわち、明るさ）を表すことが可能な第１の測定値である。第１の光線の束は、イメージャの第１の主光線に相当するか、またはその主光線そのものである主光線を有する。
【００３１】
イメージャ７１２を動かして（例えば、回転および／または並進により）、シーンの異なる部分がキャプチャされるようにする（ステップ１０４）。シーンの第２の部分は、第１のシーン・ポイントまたは第１のシーン領域が、まだイメージャ７１２の視野内にあるが、第１のシーン領域からの光線の束がその時点では、イメージャ７１２の基準フレームの中の第２の主光線（例えば、図８〜１８で示した主光線８０６）に沿って受け取られるように第１の部分と重なり合う。第２の測定セットが、イメージャによって行われ（ステップ１０６）、これにより、第２の測定値が生成される。第２の測定値は、第１のシーン領域からの第２の光線の束の強度を表す。イメージャ７１２は、第２の主光線に沿って受け取られる放射信号セットに関して第２の強度感度特性を有する。例えば、第２の主光線が、第１の減衰量とは異なる第２の減衰量を有する減衰器を通過する場合、第２の光線の束に関するイメージャ７１２の感度は、第１の光線の束に関するイメージャ７１２の感度とは異なる。
【００３２】
第１の測定値および第２の測定値に数学的演算を適用することによって第３の測定値を生成する（ステップ１０８）。例えば、イメージャ７１２が、イメージをキャプチャするのに使用されるＣＣＤ検出器アレイ７０８を含む場合、ＣＣＤアレイ７０８の第１のセル、または第１のグループのセルを使用して第１の光線の束を測定し、これにより、第１の測定値を生成し、またＣＣＤアレイ７０８の第２のセル、または第２のグループのセルを使用して第２の光線の束を測定し、これにより、第２の測定値を生成する。第１の主光線および第２の主光線に沿って受け取られる信号に関するイメージャ７１２の特性に依存して、第１のセルまたは第２のセルによって受け取られる信号は、明るすぎる、または暗すぎることが可能であり、これにより、信号が、セルの正確な範囲外であることが生じる。第１の測定値は、第１の光線の束が正確に測定されたことを示すが、第２の測定値は、第２の光線の束がそれほど正確でなく測定されたことを示す場合、第２の測定値を捨て、第１の測定を第３の測定値として使用することができ、第３の測定値は、第１のシーン領域を表すピクセルに関する出力値の役割をする。第１の主光線が入射するイメージャ７１２の領域の特性が、第２の主光線が入射する領域の特性とは異なる場合、例えば、第１の主光線に沿って受け取られる光が、第２の主光線に沿って受け取られる光より大きく減衰する場合には、イメージャ７１２のダイナミック・レンジを効果的に広げることができる。というのは、第１の主光線に沿って受け取られたとき、高い強度の光が正確に測定され、また第２の主光線に沿って受け取られたとき、低い強度の光が正確に測定されるからである。第１のシーン領域から放出される光は、両方の主光線に沿ってキャプチャされるため、この光は、検出器のこの２つの領域の少なくとも一方によって正確に測定される可能性がより高い。したがって、第３の測定値は、第１の測定値および第２の測定値のそれぞれ有効ダイナミック・レンジの一方、または両方より大きい第３の有効ダイナミック・レンジを有するものと見なすことができる。
【００３３】
強度測定のダイナミック・レンジを効果的に広げるための前述したステップに加えて、図１で示した例としてのイメージ・モザイク化手続きはまた、第１のシーン領域から受け取られた光線の束のさらなる特性を測定するためのステップを含むことも可能である。そのようなさらなる特性には、例えば、スペクトル特性、偏光特性、および／または焦点特性が含まれることが可能であり、これらの特性を使用して、カメラから様々なシーン・フィーチャまでの距離を推定することができる。例えば、第３の測定セットを行って、第１のシーン領域からの第３の光線の束の少なくとも１つのスペクトル成分の強度を測定することができる（ステップ１１０）。第３の測定セットは、第４の測定値を生成する。第３の主光線を有する光線の束に関して第１のスペクトル感度特性を有するように構成されたイメージャ７１２の第３の主光線に沿って、第３の光線の束を受け取ることが可能である。第１のスペクトル感度特性は、好ましくは、第３の光線の束のスペクトル成分を選択するために第１の波長感度帯域を有する帯域通過特性を含む。言い換えれば、選択されたスペクトル成分は、第１の波長感度帯域内にある１つまたは複数の波長を有する。選択されたスペクトル成分は、検出器雑音を超える信号を生成するのに十分なエネルギーを有することも、有していないことも可能である。
【００３４】
次に、カメラを回転させ、または並進させ（ステップ１１２）、第４の測定セットを行う（ステップ１１４）。第５の測定値を生成する第４の測定セットは、第１のシーン領域からの第４の光線の束のスペクトル成分の強度の少なくとも一回の測定を含む。第４の光線の束は、イメージャ７１２の第４の主光線に沿って受け取られる。イメージャ７１２は、第４の主光線を有する放射信号に関して第２のスペクトル感度特性を有する。第２のスペクトル感度特性は、好ましくは、第２の波長感度帯域内の波長を有する成分を選択するため、第２の波長感度帯域を含む帯域通過特性を含む。
【００３５】
さらに、本発明によるイメージ・モザイク化手続きを使用して、第１のシーン領域から放出される光の偏光を測定することができる。そのようなシステムでは、第３の測定セット（ステップ１１０）は、第３の光線の束の選択された偏光成分の強度の少なくとも１回の測定を含む。前述した第３の主光線を有する第３の光線の束は、第１のシーン領域からの第３の放射信号を含む。イメージャ７１２は、第３の主光線に沿って受け取られる放射線の束に関して第１の偏光感度特性を有する。第１の偏光感度特性は、第１の角範囲外の偏光角を有する光線に対する感度がより低いことを含む。第３の光線の束の選択された偏光成分は、第１の角範囲内の偏光角を有するために検出される。次に、イメージャ７１２を回転させ、または並進させ（ステップ１１２）、第４の測定セットを行うのに使用し、これにより、第５の測定値を生成する（ステップ１１４）。第４の測定セットは、第１のシーン領域からの第４の光線の束の選択された偏光成分の強度の少なくとも１回の測定を含む。第４の光線の束は、イメージャ７１２の第４の主光線に沿って受け取られる。イメージャ７１２は、第４の主光線に沿って受け取られる放射線の束に関して第２の偏光感度特性を有する。第２の偏光感度特性は、第２の角範囲外の偏光角を有する信号成分に対する感度がより低いことを含む。第４の光線の束の選択された偏光成分は、第２の角範囲内の偏光角を有するためにイメージャ７１２によって検出される。
【００３６】
さらに、一様でない焦点特性を有するイメージャを使用することにより、第１のシーン領域がイメージャ７１２からどれだけ離れているかを判定することが可能である。詳細には、イメージャ７１２は、第３の主光線に沿って受け取られる光に関して第１の焦点特性を有し、また第４の主光線に沿って受け取られる光に関して第２の焦点特性を有するように構成することができる。第１のシーン領域からの第３の光線の束の強度の少なくとも１回の測定を含む第３の測定セットを行って第４の測定値を生成することができる（ステップ１１０）。第３の放射線の束は、第３の主光線に沿って受け取られる。カメラの第１の焦点特性は、被写体に焦点が合う第１の焦点距離を含む。イメージャ７１２を回転させるか、または並進させ（ステップ１１２）、第４の測定セットを行って第５の測定値を生成する（ステップ１１４）。第４の測定セットは、第１のシーン領域からの第４の光線の束の強度の少なくとも１回の測定を含む。第４の信号セットは、第４の主光線に沿って受け取られる。カメラの第２の焦点特性は、第４の主光線に沿って撮像された場合、被写体に焦点が合う第２の焦点距離を含む。第２の焦点距離は、第１の焦点距離とは異なる。
【００３７】
一様でない強度感度特性を有するイメージャを使用するイメージ・モザイク化の場合、視野全体にわたるカメラの強度感度特性がどのようであるかの推定を得ることによってイメージャを較正することが有益である。そのような較正を行うための一技法は、イメージャを使用して様々な異なるシーンおよびシーン部分をキャプチャし、次に、検出器の各部分によって、例えば、各検出器セルによって生成された測定値を加算し、または平均することである。この結果は、様々な主光線に沿ったイメージャ特性を表す１組の相対値および／またはスケーリングされた値である。図２は、図１で示した手続きで使用することができるそのような較正手続き１００の例を示している。図１で示した手続きの他のステップと同様に、図２で示したステップのシーケンス１００は、イメージャ７１２の基準フレームの中で第１の主光線および第２の主光線を受け取るイメージャを使用して行う。イメージャ７１２を使用して第１の主光線を有する第１の複数の放射線の束（例えば、光線の束）の強度の測定を行い、これにより、第１のセットの較正測定値を生成する（ステップ２０２）。第１のセットの較正測定値を使用して、第１の主光線に沿って受け取られる信号に関するイメージャ７１２の第１の強度感度特性の第１の推定値を判定する（ステップ２０４）。第１の推定値は、第１のセットの較正測定値の合計および／または平均を計算することによって判定する。また、イメージャ７１２を使用して第２の主光線を有する第２の複数の放射線の束の強度の測定を行い、これにより、第２のセットの較正測定値を生成する（ステップ２０６）。第２のセットの較正測定値を使用して、第２の主光線に沿って受け取られる信号に関するイメージャ７１２の第２の強度感度特性の第２の推定値を判定する（ステップ２０８）。第２の推定値は、第２のセットの較正測定値の合計および／または平均を計算することによって判定する。
【００３８】
さらに、イメージャの強度感度特性は、シーン領域がイメージャの視野全体を移動するのにつれてそのシーン領域を追跡することによって較正することができる。例えば、図３が、イメージャによって複数の主光線に沿って受け取られるシーンの選択された部分から受け取られる放射線の束（例えば、光線の束）の測定を使用する較正手続き３００を示している。図３で示した較正手続き１００は、図３で示したイメージ・モザイク化手続きで使用することができる。図示した較正手続き３００では、イメージャ７１２を使用して第３の測定セットを行い、これにより、第４の測定値を生成する（ステップ３０２）。第３の測定セットは、第２のシーン領域からの第３の光線の束の強度の少なくとも１回の測定を含む。第３の光線の束は、イメージャによって受け取られる第１の主光線に沿って受け取られる。次に、イメージャを回転させ、または並進させて、イメージャが、イメージャの第２の主光線に沿って第２のシーン領域からの光線を受け取ることができるようにする（ステップ３０４）。第４の測定セットが、イメージャによって行われ、これにより、第５の測定値が生成される（ステップ３０６）。第４の測定セットは、第２のシーン領域からの第４の光線の束の強度の少なくとも１回の測定を含む。第４の光線の束は、イメージャによって受け取られる第２の主光線に沿って受け取られる。第４の測定値および第５の測定値を使用してイメージャ７１２の第１の強度感度特性（すなわち、第１の主光線を有する光線の束に関するイメージャの感度）とイメージャの第２の強度感度特性（すなわち、第２の主光線に沿って受け取られる光線に関するイメージャの感度）の間の数学的関係を推定する（ステップ３０８）。この数学的関係は、第４の測定値と第５の測定値の差、または第４の測定値と第５の測定値の比のいずれかを計算することによって推定する。
【００３９】
前述した較正手続きは、以下のとおり、さらに詳細に理解することができる。ｘ軸に沿ってだけ透過率を変化させる中性密度のマスクＭ（ｘ）を考慮されたい。シーン・ポイントが、イメージｋの中でイメージ・ポイントｘｋとして表され、イメージ・ポイントｘｋの線形化された強度は、ｇ＾ｋである。同じシーン・ポイントが、イメージｐの中でイメージ・ポイントｘｐとして表され、イメージ・ポイントｘｐの強度は、ｇ＾ｐである。２つのポイントはともに、以下の関係式に従う。
【００４０】
【数１】
2004505512.tif 000003
いくつかのイメージの中でシーン・ポイントのいくつかを追跡することにより、マスクが各イメージ・ピクセルｘで従うべき多数の数式が提供されることが可能である。数式は、ＦＭ＝０としてマトリックス形式で表現することができる。マトリックスＦの例は、以下のとおりである。
【００４１】
【数２】
2004505512.tif 000004
フレーム数が、ｐで指示される。いくつかのポイントは、信頼できるデータを有さない可能性があり、したがって、解を整えるため、平滑度のさらなる数式を課すことが有益である。例えば、｜∇２Ｍ｜２にペナルティを課すための数式は、ＬＭ＝０を求めるものとして形式化することができ、ただし
【数３】
2004505512.tif 000005
である。
【００４２】
一般に、以上の数式は、互いに矛盾し、したがって、アルゴリズムは、最小２乗法、堅牢な統計法、または最適化のための別の方法を使用して最適解を求める。最小２乗方法の場合、最適解は、以下のとおりである。
【００４３】
【数４】
2004505512.tif 000006
ただし、
【数５】
2004505512.tif 000007
であり、βは、データとの不一致に対するペナルティに関する平滑でない解に対するペナルティに重みを付けるパラメータである。
【００４４】
自明でない解は、特異値分解（ＳＶＤ）を使用して求められ、その場合、ｍａｘ　Ｍ＾（すなわち、Ｍ＾の最大値）は、１に等しく設定する。Ｍの共分散マトリックスは、以上の数式から推定する。
【００４５】
【数６】
2004505512.tif 000008
ただし、ｌは、Ｍの要素の数であり、またｎｒは、Ａにおける行の数である。これは、重み付けの最小２乗問題と見なすことができる。すなわち、Ｌに属する行にβで重みが付けられ、一方、Ｆに属する行は、一般に、より強度の高いピクセル（すなわち、より大きいｇ）に関してより正確である。これは、正規化された行を使用することと等価であり、したがって、各行ｒに√［ΣｃＡ２（ｒ，ｃ）］で重みを付けることと等価である。したがって、アルゴリズムは、ｎｒ＝Σｒ，ｃＡ２（ｒ，ｃ）を使用し、これにより、各行の自乗した重みを加算する。
【００４６】
Ｃｏｖ（Ｍ）の対角成分によって与えられるＭの分散が、Ｍ＾の信頼区間をもたらす。この定式化は、ｌｏｇ　Ｍの定義域の中にはない。したがって、この定式化は、非常に低いＭにおけるデータ間の相対的不一致、または低いＭで比較的大きい可能性がある変動に強くペナルティを課すことはない。最終の処理後ステップとして、ｌｏｇ　Ｍ＾の平滑化も行うことができ、この平滑化は、主に、高い光減衰率を有するエリアの推定に影響を及ぼす。
【００４７】
マスクの自己較正は、実際、シーンを表すイメージを得るために最終的に処理される同じイメージ・シーケンスに依拠することが可能であり、その場合、ポイントｘにおけるマスクの推定は、特定のフレームの中でポイントｘにおいて測定される信号とは統計的に独立ではないことに留意されたい。ただし、各ポイントにおけるＭの推定は、いくつかのフレームの中で多数のポイントを追跡することに基づき、数百の数式、または数万にものぼる数式（Ａの行）によって影響を受けることに留意されたい。したがって、イメージを位置合わせしてマージする際、それぞれの特定のサンプルにおける信号が、実際上は、推定されるマスクとは独立であると想定することが有効である。
【００４８】
本発明による自己較正手続きが、実験的に試験されている。試験は、線形ＣＣＤカメラの２５ｍｍレンズのおよそ３０ｃｍ前にしっかりと取り付けた３ｃｍの長さの市販の線形可変密度フィルタを使用した。このフィルタは、２（１００分の１の減衰に相当する）の最大密度を有していたが、有効マスク特性は、システムにおけるさらなるけられ（ｖｉｇｎｅｔ）効果に起因してより広い範囲を有していた。減衰率が最も低かった視野の部分において、Ｍは、ほぼ一定であった。カメラは、各ポイントが視野全体で１４回、撮像されるようにフレーム間で回転させた。Ｍの粗い推定を使用して、以下で述べる位置合わせ手続きとしてイメージを位置合わせした。次に、ランダムな対応する飽和していない暗くないポイントに基づき、５００００を超える数の数式を生成した。この数式を使用して、６１４ピクセルの分解能を有するマスクの特性を判定した。前述した自己較正手続きによって生成された推定のマスク関数を図３６Ａで示している。この関数の対数を図３６Ｂで示している。
【００４９】
また、Ｍも、多項式曲線、Ｓ字形曲線、またはスプライン曲線などのパラメータ曲線の、データに対する最も適合する解として決定することができる。さらに、ＭＳＥ基準を使用する代わりに、またはＭＳＥ基準を使用することに加えて、堅牢な統計法および反復投影法など、最適化の他の方法も使用することができる。Ｍは、乗法的であるため、各シーン・ポイントにおけるＩの推定と併せて線形最適化形式を使用して最適化することができる加法パラメータとして、ｌｏｇ　Ｍを使用することができる。
【００５０】
さらに、シーンＩが、ｘ軸に沿ってだけ変化し（１Ｄ信号）、各「フレーム」ｐが、量ｔｐだけ全体的座標系に対して並進される場合には、自乗誤りの合計値は、飽和していないｇ＾ｐ（ｘ）に関して、
【数７】
2004505512.tif 000009
である。
【００５１】
このアルゴリズムは、並進パラメータｔｐ、マスクＭ、および変数Ｉに関して前述の誤り関数を最適化する。最適化プロセスの一環として調整することができる追加のパラメータには、フレーム間の動きの特定の量（すなわち、どれだけｔｐとｔｐ＋１の差があるか）に関して、（１）Ｍの平滑度（またはＭをパラメータ設定するのに必要な係数の数）、および（２）Ｉの平滑度が含まれることが可能である。ＩおよびＭは、好ましくは、正であるように制約する。数式（７）の自乗誤りの合計には、例えば、Ｍの関数として（問題を非線形にして）重みを付けることができ、あるいは、ｌｏｇ定義域の中でその誤りを計算して、前述した数式を未知のＩおよびＭに関する線形最適化問題にすることができる。
【００５２】
さらに、マスクは、反復して較正することができる。例えば、較正手続きが、マスクの各ポイントに関する初期推定値で開始することが可能であり、初期に推定されたマスク関数を使用して各イメージ・ピクセルの強度のマージされた値を推定することができる。マージされたイメージ値は、前述した較正手続きを使用してマスクのよりよい推定値を計算するのに使用する。次に、よりよいマスク推定値を使用して、マージされたイメージに関するよりよい推定値を導出し、以下同様である。
【００５３】
本発明によれば、空間的に変化する偏光感度特性を有するイメージャを使用して、そのイメージャが、空間的に変化する強度感度特性も有するかどうかにかかわらず、シーンから放出される放射線の偏光（例えば、光、またはその他の電磁放射）に関する情報を得ることができる。そのような手続きの例を図４で示している。図示した手続き４００は、イメージャ７１２の第１の主光線に沿って受け取られる放射信号セットに関して第１の偏光感度特性を有し、またイメージャ７１２の第２の主光線に沿って受け取られる放射線に関して第２の偏光感度特性を有するイメージャ７１２を使用する。例えば、イメージャ７１２は、視野の第１の部分において第１の偏光角を有する光を透過させ、また視野の第２の部分において第２の偏光角を有する光を透過させる一様でない偏光フィルタを有するカメラ７０２を含むことが可能である。そのようなフィルタの例を図３０Ａで示している。図示した例としてのフィルタ３０１０は、それぞれ偏光角３０２０、３０２２、および３０２４を有する光を透過させる３つの偏光部分３００２、３００４、および３００６を含む。また、フィルタ３０１０は、あらゆる偏光の光を通過させる部分３００８も含む。図３０Ａで示したフィルタ３０１０をカメラ７０２の外部または内部に取り付けて、視野の左側と右側の間で変化する偏光感度特性を有するイメージャ７１２を形成することができる。シーン全体をイメージャでパンして、シーンの複数のスナップショットまたは複数のフレームをキャプチャする際、各シーン・ポイントが、空間的に変化するフィルタ３０１０の部分３００２、３００４、３００６、および３００８の複数を介してキャプチャされる。
【００５４】
空間的に変化する偏光フィルタは、いくつかの異なる仕方で製造することができる。例えば、図３０Ｂでは、そのような偏光フィルタ３０１２が、透過される光の偏光角がディスク３０１８に対して方位角の方向にある材料のディスク３０１８から切り出される。図３０Ｃでは、空間的に変化する偏光フィルタ３０１６が、ディスクに対してラジアル方向にある偏光角を有する光を透過させる材料のディスク３０１４から切り出される。
【００５５】
前述したフィルタのどれかを含むイメージャ７１２は、通常、空間的に変化する偏光感度特性を有する。いずれにしても、どのようにそのようなイメージャが形成されるかに関わらず、図４で示した手続き４００では、イメージャ７１２を使用して第１の測定セットを行い、これにより、第１の測定値を生成する（ステップ４０２）。第１の測定セットは、シーンの第１の領域からの第１の光線の束の少なくとも１つの選択された偏光成分の強度の少なくとも１回の測定を含む。第１の光線の束は、イメージャによって受け取られる第１の主光線に相当する主光線を有する。イメージャの第１の偏光感度特性は、第１の主光線を有する光線の束に関して、第１の角範囲外の偏光角を有する光成分に対する感度がより低いことを含む。第１の信号の選択された偏光成分は、イメージャによって検出される。というのは、この成分が、第１の角範囲内の偏光角を有するからである。シーンの異なる部分をキャプチャするため、イメージャを回転させるか、または並進させる（ステップ４０４）。イメージャを使用して第２の測定セットを行い、これにより、第２の測定値を生成する（ステップ４０６）。第２の測定セットは、第１のシーン領域からの第２の光線の束の少なくとも１つの選択された偏光成分の強度の少なくとも１回の測定を含む。第２の領域は、イメージャによって受け取られる第２の主光線に相当する主光線を有する。イメージャの第２の偏光感度特性は、第２の主光線を有する光線の束に関して、第２の角範囲外の偏光角を有する信号成分に対する感度がより低いことを含む。第２の光線の束の選択された偏光成分は、第２の角範囲内の偏光角を有するため、検出される。
【００５６】
１組のスナップショットおよび／またはビデオ・フレームをキャプチャした後、結果のイメージ・データをいくつかの異なる仕方で分析することができる。できる限り正確に高い精度でシーンのプロパティを測定することが望ましいが、できる限り効率の高いやり方で必要な測定および計算を行うことも望ましい。獲得されるデータの量と、そのデータをキャプチャし、分析するのに必要とされる時間および計算能力の間でトレードオフが存在する。視角の単位変化当りでより多数のスナップショットまたはフレームを撮ることにより、より高い正確さを達することができる。ただし、結果としてより多くの量のデータをキャプチャし、分析することで、より多くの時間が消費され、より高い費用がかかる。通常、より多数のイメージをキャプチャすることの収益の漸減が存在する。というのは、実際には、測定されるシーン・プロパティが、一般に、限られた自由度を有し、したがって、シーンを過度にサンプリングすることにより、冗長なデータがもたらされる可能性があるからである。さらに、外部に取り付けられたフィルタの効果は、フィルタが焦点ぼけしているため、通常、幾分ぼやけており、したがって、スナップショット間で極めて小さい角変化を使用することは、そのデータをキャプチャして処理するのに必要とされる追加の時間および費用を正当化するのに十分な追加の情報をもたらさない可能性がある。したがって、本発明によるイメージ・モザイク化手続きは、好ましくは、追加の情報と、追加の時間および費用の間のバランスをとらなければならない。視角の単位変化当りの効果的で実際的なフレーム・レートを決定するための方法を、強度、波長、偏光、および深度に関して空間的に変化する感度特性を有するイメージャを利用するイメージ・モザイク化手続きに関して以下で述べる。
【００５７】
例えば、カメラ上に取り付けられたマスクからもたらされる空間的に変化する強度感度特性を有する例としてのイメージャを考慮されたい。マスクの透過率をＭとし、またマスクなしでの検出器における光の強度をＩとする。この場合、フィルタリングの後に検出器に当たる光は、以下のとおりである。
【００５８】
【数８】
2004505512.tif 000010
高いコントラストを有するシーンを見る際、通常、強度は、等級またはオクターブの階数の点で定義することが役立つ。この理由で、カメラ・アパーチャ「ｆ値」は、通常、各「絞り値」の増加が、測定される強度が２倍になることに対応するようにオクターブで構成されている。デジタル・カメラ・センサでは、これは、測定の２進表現において１ビットをシフトさせることに相当する。例えば、８ビットのカメラが、イメージの中のあるピクセル位置における光の強度を０００１１０１０として測定した場合には、１つの絞り値の増加により、第２のイメージにおいて００１１０１０（０）の対応する読取りがもたらされ、ここで、新しい最下位ビットは、新しいイメージによって追加された情報である。
【００５９】
例えば、等級の次数の均等な分割を実現するのに最適なマスクは、減衰率オクターブが、視野全体で線形的に変化する、すなわち、減衰率が指数的に変化するマスクである。この場合、ｌｏｇ２Ｍ（ｘ）は、ｘに正比例する。この構成では、一定の走査の増分（例えば、イメージャのビュー方向の等しい変化のシーケンス）が、測定される強度の等級の次数における一定の変化をもたらし、またすべての強度範囲が、等しくサンプリングされる。そのような挙動は、レンズの前で何らかの距離でカメラに線形可変密度のフィルタを取り付けることによってほぼ実現することができる。ただし、けられ、パースペクティブ、およびレンズのひずみに起因して、フィルタ密度の線形性は、正確にはｌｏｇ　Ｍ（ｘ）に保存されないことに留意されたい。
【００６０】
フィルタの透過率が最大（すなわち、Ｍ＝１）であるとき、Ｉを検出器に当たる光の強度（すなわち、放射照度）とする。特定の検出器と併せて使用される特定の線形可変フィルタにより、飽和なしにシステムが感知することのできるシーン放射輝度の最小限度および最大限度が決まる。暗闇における検出器の雑音を超えて検出器が感知することができる（所与のカメラ規格に関して）最小の放射照度をＩｄｅｔｅｃｔｏｒｍｉｎとする。Ｉｄｅｔｅｃｔｏｒｍｉｎにより、システム全体が感知することのできる最小の放射照度が決まる。飽和なしに検出器が測定することのできる最大の放射照度をＩｄｅｔｅｃｔｏｒｍａｘとする。検出器のオクターブでの最適なダイナミック・レンジは、以下のとおりである。
【００６１】
【数９】
2004505512.tif 000011
通常、ＤＲｄｅｔｅｃｔｏｒ＝８ビットである。システム全体が、飽和することなく感知することができる最大の放射照度は、検出器が、最も高い減衰率の下で、すなわち、マスクＭの最小値：Ｉｓｙｓｔｅｍｍａｘ＝Ｉｄｅｔｅｃｔｏｒｍａｘ／ｍｉｎ　Ｍで最大出力をもたらすときのものである。したがって、システムの全体の光学ダイナミック・レンジは、以下のとおりである。
【００６２】
【数１０】
2004505512.tif 000012
問題とされているのは、キャプチャされたイメージが、ＩｄｅｔｅｃｔｏｒｍｉｎとＩｓｙｓｔｅｍｍａｘの間の放射照度範囲を有するものと想定して、シーン情報の最も効率的なサンプリングをどのように行うかである。ビュー方向を変化させることは、実質的に、あるポイントが見られるアパーチャ絞り値を変更することと等価であり（検出器に入れられる光パワーの点で）、また完全な絞り値の各変更（すなわち、減衰率を２分の１に変更すること）が、検出器のダイナミック・レンジＤＲｄｅｔｅｃｔｏｒ内の測定の２進表現における１ビットのシフトと等価である。一部の適用例の場合、走査において最小の情報しか失われないのを必須とすることが好ましい可能性がある。そのようなケースでは、走査が完了したとき、各フレーム増分で獲得されたビット間で全くビットが「欠落している」ことがあってはならない。ただし、冗長性がより少ないことを必要とする適用例の場合、走査が完了したとき、飽和しているポイントが全くないこと、およびすべてのポイントが、検出器のしきい値を超えていることだけが（Ｉ≧Ｉｄｅｔｅｃｔｏｒｍｉｎである限り）必須とされる「損失の多い」走査　を使用することで、多分、十分である。そのような手続きにより、測定の光学ダイナミック・レンジが、各増分において最大に広げられる最も効率的な走査がもたらされる。
【００６３】
例えば、ｌｏｇ２［ｍａｘ（１／Ｍ）］＜ＤＲｄｅｔｅｃｔｏｒであり、またＤＲｄｅｔｅｃｔｏｒ＝８ビットかつｍｉｎ　Ｍ＝１／８であり、したがって、ＤＲｓｙｓｔｅｍ＝１１ビットである撮像システムを考慮されたい。シーン・ポイントが、Ｍ＝１であるとき、２進値１１１１１１１１をもたらし、またＭ＝１／２であるとき、１０１１１００１をもたらすものとする。この場合、１１１１１１１１の測定は飽和しているが、１０１１１００１の測定は、飽和していない。したがって、Ｍ＝１／８（右にさらに２ビットのシフト）である場合、測定は、００１０１１１０をもたらす。したがって、放射照度の１１ビット表現は、００１０１１１００１（０）である。シーン・イメージが、システムの光学ダイナミック・レンジ全体にわたって放射照度値を含むことが可能であると想定すると、最小の情報損失（ビット）を確実にする最も冗長性の小さい走査は、各ポイントが、１オクターブ増分で４回サンプリングされる走査である。線形可変フィルタを使用する場合には、（１）連続するフレーム間の変位と（２）特定のシーン領域が撮像される際の減衰の間に線形関係が存在する。
【００６４】
それほど広くないダイナミック・レンジが必要とされる適用例の場合、例えば、各ポイントに関して、飽和していないが、それでもＩ≧Ｉｄｅｔｅｃｔｏｒｍｉｎである場合、検出器のしきい値を超える単一回の測定を行うだけで十分である可能性がある。そのようなケースでは、Ｍ＝１およびＭ＝１／８を使用するだけで十分である可能性がある。これにより、前述した例としてのピクセルに関して値００１０１１１０（０００）がもたらされ、一方、シーンの中のやや暗いポイントに関して、例えば、０００００００００１１のような値がもたらされる。そのようなシステムでは、中間のマスク値をスキップしながら、マスクの一方の極限値を使用し、次にもう一方の極限値を使用することで、任意のポイントを測定することができる。言い換えれば、各ポイントを２回、サンプリングするだけで十分である。フレーム間の増分は、フレームの長さの半分より短く、またＭ＝１とＭ＝１／８の間の遷移領域が、フレーム間の増分より短いという条件付きで、大きいことが可能である。
【００６５】
次に、ｌｏｇ２［ｍａｘ（１／Ｍ）］≧ＤＲｄｅｔｅｃｔｏｒであるシステムを考慮されたい。マスクを含めて、システムの光学ダイナミック・レンジは、検出器自体のダイナミック・レンジの少なくとも２倍である。１オクターブ増分における各ポイントをサンプリングすることにより、ビットの最小の損失が確実になる。損失が多いが、最も効率的である走査の場合、連続する走査の増分間で重なり合う強度情報なしに各ポイントを測定することが好ましい。例えば、ＤＲｄｅｔｅｃｔｏｒ＝８ビットであり、かつＤＲｓｙｓｔｅｍ＝１６ビットである場合には、値の範囲全体を獲得するのに各ポイントを２回サンプリングするだけで十分である。第１回のサンプリングは、より高い解像力で、システムの量子化器が、Ｉｄｅｔｅｃｔｏｒｍｉｎでスケーリングされたものとして、２５６より小さいイメージ値を生成する各ポイントを感知し、また第２回のサンプリングが、イメージ値が２５５より大きいが、６５５３６より小さい各ポイントを、飽和することなしにキャプチャする。
【００６６】
一般に、「損失のない」効率的な走査の場合、各ポイントは、１＋ｌｏｇ２［ｍａｘ（１／Ｍ）］回、サンプリングしなければならない。最も効率的な走査の場合、各ポイントは、ξ＝［ＤＲｓｙｓｔｅｍ／ＤＲｄｅｔｅｃｔｏｒ］回、サンプリングしなければならず、ここで、ξは、常に最も近い整数に切り上げられる。実際には、以上の数字を単に目安として使用し、幾分より密度の高いサンプリング・レートを使用することが望ましい可能性がある。というのは、より高い密度のサンプリングに関連する冗長性により、雑音のより少ない放射照度の推定が可能になり、さらに、イメージ・シーケンス内のイメージを安定して位置合わせするのに役立つからである。さらに、前述したシーン・サンプリング手続きだけが、シーンをサンプリングするやり方ではなく、その他の周期的サンプリング間隔および／または非周期的サンプリング間隔も使用できることに留意されたい。
【００６７】
また、本発明によるイメージ・モザイク化手続きを使用して、強度ドメインで「超分解能」を実現することができる。というのは、平滑に変化するマスクが、アナログ計算デバイスとして作用し、したがって、多くのケースで、単一回の量子化されたイメージ測定よりもより高い量子化精度を提供することができるからである。例えば、イメージ値９６．８と９７．２の区別をすることができない、すなわち、両方のイメージ値が、９７の出力値をもたらす整数量子化器を有するイメージャを考慮されたい。２分の１に信号を減衰させることにより、すなわち、Ｍ＝１／２を使用することにより、イメージャは、値４８および４９をそれぞれ出力し、これにより、より高い識別力が提供される。別の例では、Ｍ＝２−６で、つまり７つのイメージを使用して感知を行った結果を使用して、９５．８と９６．２を区別することができる。一般に、より多くのイメージを使用した場合、マージされた推定の強度分解能は、より良好になる。［具体的には、この場合、正確な結果を与えるためにどのように複数のサンプリングを結合するか。］これが、前述したレートよりも高い密度でシーンをサンプリングすることの別の利点である。［どのレートか。］
シーンのスペクトル特性を測定するのに使用されるイメージ・モザイク化の場合、選択される視角の最適な間隔は、波長に対してどれだけ迅速に検出器の各ピクセル位置の強度対波長関数が変化するかに依存する。この考慮は、多くのタイプの信号のコンテキストにおけるサンプリング問題と同様である。すなわち、サンプルが、信号の変更を感知するにはあまりにもまばらである場合、エイリアシングが生じる。したがって、各シーン・ポイントまたは各シーン領域のスペクトルが、黒体放射においてそうであるように、平滑である場合、そのスペクトルは、まばらにサンプリングすることができる。他方、スペクトルが、原子蒸気の輝線および吸収線などの微細な線を含む場合、そのスペクトルは、高い密度でサンプリングしなければならず、したがって、フレーム間のイメージャの回転または並進の量は、小さくなければならない。
【００６８】
ただし、シーンから来る光のスペクトルが狭いスペクトル帯域を有している場合でさえ、その帯域を測定したとき、測定されるプロファイルは、外部に取り付けられたフィルタの焦点ぼけのぼやけによって平滑化されている可能性が高い。例えば、線形に変化するスペクトル・フィルタを考慮されたい。測定のぼやけは、幅Δλｂｌｕｒの窓関数ｎ（λ）でのスペクトルｓ（λ）の畳込みとしてモデル化することができる。Ｓ（νλ）およびＨ（νλ）をそれぞれ、ｓ（λ）およびｈ（λ）のフーリエ変換とする。Ｈは、≒１／Δλｂｌｕｒの遮断周波数を有する低域フィルタである。このフィルタの透過率特性Ｈの周波数が無限に広がる場合、遮断周波数は、次のとおり定義することができる。すなわち（１）信号エネルギーが非常に低い周波数、（２）Ｈの最初のゼロ、または（３）関数Ｈの標準偏差に正比例する量。いずれの場合も、この「遮断」周波数は、≒１／Δλｂｌｕｒである。必要とされるサンプリング間隔は、以下のとおりである。
【００６９】
【数１１】
2004505512.tif 000013
上記のサンプリング基準は、システムの物理的寸法として表現することができる。長さＬの線形可変フィルタの場合、
【数１２】
2004505512.tif 000014
である。
【００７０】
ただし、λｍａｘおよびλｍｉｎはそれぞれ、フィルタ通過全体の最大波長および最小波長であり、またＢ≡λｍａｘ−λｍｉｎは、フィルタの総帯域幅である。フィルタの焦点ぼけのぼやけに関するモデルが、幅Δｘｂｌｕｒの窓の核による畳込みである場合には、Δｘｂｌｕｒ＝ＢΔｘｂｌｕｒ／Ｌである。したがって、
【数１３】
2004505512.tif 000015
である。
【００７１】
例えば、図８で示したイメージャを考慮されたい。イメージャ７１２の焦点が、無限に合わされている場合には、外部フィルタ７０４は、アパーチャ７１０を通過する被写体の光ビーム（例えば、ビーム８１０、８１２、または８１４）の幅に等しい幅を有する核だけぼやける。したがって、レンズ８０２および外部フィルタ７０４の図示した構成の場合、Δｘｂｌｕｒ＝Ｄであり、ただし、Ｄは、アパーチャ７１０の直径である。したがって、
【数１４】
2004505512.tif 000016
である。
【００７２】
上記の結果は、次のとおり定性的に説明することができる。帯域Ｂを長いフィルタ上で引き伸ばして、ぼやけの核のサイズが小さくなるようにした場合、すなわち、Ｄ＜＜Ｌである場合、元のスペクトル（鮮明な線を有する可能性がある）の微細な詳細は、そのままであり、したがって、サンプリングは、好ましくは、高密度でなければならない。定量的に、数式（１４）から、Ｄ＜＜Ｌのとき、サンプリング周期Δλｓａｍｐｌｅが小さくなるのを見て取ることができる。
【００７３】
イメージャ７１２が、イメージ獲得間にΔΦｓａｍｐｌｅの角増分で回転するものと想定する。フィルタ７０４が、回転軸から距離Ａに位置しているものとし、この回転軸は、例えば、図８で示したシステムにおける投影の中心Ｏであることが可能である。さらに、フィルタ７０４が、光軸に対して垂直であるものとする。次に、シーンから投影の中心に伝播する光の各光線が、視野の全体の角θが小さいものと想定して、すなわち、ｓｉｎθ≒θであると想定して、サンプル間でΔｘｓａｍｐｌｅ≒ＡΔΦｓａｍｐｌｅだけ移動される。数式（１１）を参照すると、
【数１５】
2004505512.tif 000017
である。数式（１４）と（１５）を比較し、またｆ値ｆ＃≡Ｆ／Ｄであり、ただし、Ｆは、焦点距離であることに留意すると、フィルタの寸法または総帯域幅に関わらず、以下のとおりであるのを見て取ることができる。
【００７４】
【数１６】
2004505512.tif 000018
数式１６に対応する定性的説明は、より大きいアパーチャＤにより、より大きい焦点ぼけのぼやけが導入され、したがって、より少ないサンプルが必要とされ、したがって、ΔΦｓａｍｐｌｅを大きくすることができることである。さらに、フィルタと投影の中心の間の距離Ａをより小さくすることにより、所与の回転増分に関して投影の中心Ｏを通過する光線の波長λの変化がより小さくなることがもたらされ、これにより、結果の有効波長サンプリング周期が短くなる。したがって、所望のΔλｓａｍｐｌｅに関して、ΔΦｓａｍｐｌｅは、好ましくは、Ａが小さくなるにつれて大きくしなければならない。
【００７５】
数式（１６）は、検出器アレイ上に直接にフィルタを配置するよりも、外部に取り付けられるフィルタを使用する方が有利であるのを示している。すなわち、外部に取り付けられるフィルタを使用すると、ユーザは、単にレンズのアパーチャのサイズか、またはレンズからの外部フィルタの距離を変更することにより、自らが所望するフレーム・サンプリング・レートを選択することができる。用途が、スペクトル内容に関して高い分解能を必要とする場合には、フィルタは、好ましくは、投影の中心からさらに離して配置し、アパーチャのサイズは、好ましくは、小さくする。他方、ユーザが、シーンを迅速に走査したいと望む場合、これは、一般に、所与の視野に関してフレーム数がより少なくなることを必然的に伴い、ΔΦｓａｍｐｌｅを大きくしなければならない。したがって、アパーチャを大きくしなければならず、かつ／またはフィルタをレンズの比較的近くに配置しなければならない。
【００７６】
さらなる例として、シーンの３６０°のパノラマ・ビューを必要とする適用例を考慮し、使用されるイメージャが、そのイメージャの視野全体を覆う長さＬのフィルタを含むものと想定されたい。イメージャの長さは、Ｌｄで表される。したがって、Ｆ／Ａ＝Ｌｄ／Ｌである。したがって、
【数１７】
2004505512.tif 000019
である。
【００７７】
３６０°のパノラマをキャプチャするため、必要とされるイメージ数は、以下のとおりである。
【００７８】
【数１８】
2004505512.tif 000020
以上の分析は、単純なレンズ・カメラ・システム、小さい角、波長との関係で線形である外部帯域フィルタ・マスクを想定することに基づいているが、上記で適用した一般的原理は、他のシステムに関して同様の関係式を導出するのにも使用できることに留意されたい。さらに、単純なレンズを有するイメージャに関して、または任意の他のシステムに関して、サンプリング間隔を別のものにすることができ、また実際、非周期的にすることができる。
【００７９】
さらに、空間的に変化する偏光感度特性を有するイメージャによってキャプチャされた１組のイメージを分析して、シーンから放出される放射線（例えば、光）の偏光特性を判定することができる。シーン・ポイントから来る光の偏光状態は、４つの自由度、すなわち、当技術分野で周知の４つのストークス・パラメータを有する。したがって、検出器が、シーン・ポイントから放出される光の４回またはそれより多くの回数の測定を行い、各回の測定が、異なる偏光フィルタリングを有する場合、その光の偏光状態を推定することが可能である。多くのケースで、長円形の偏光状態および円形の偏光状態は無視することができ、３つの自由度、すなわち、強度、部分偏光、および偏光平面（すなわち、偏光角）だけが残る。線形偏光子が、光軸の周りの角αの偏光成分を通過させるように調整されるものとする。入射光の偏光平面が、角θにあるものとする。入射光の強度が、Ｉであり、また入射光の部分偏光が、Ｐであるものとする。この場合、フィルタを通過する光の強度は、以下のとおりである。
【００８０】
【数１９】
2004505512.tif 000021
ただし、Ｃ＝Ｉ／２であり、またＡ＝ＰＣである。このケースでは、光の偏光状態を推定するのに一般に、３回の測定で十分である。例えば、各回の測定（フレームｐに対応する）において、偏光子の角αｐだけが変化する場合には、以下のとおりである。
【００８１】
【数２０】
2004505512.tif 000022
ただし、
Ａｃ＝Ａｃｏｓ（２θ）であり、またＡｓ＝Ａｓｉｎ（２θ）である。したがって、
【数２１】
2004505512.tif 000023
であり、
ただし、
【数２２】
2004505512.tif 000024
であり、またｍは、シーン・ポイントが測定されるフレームの数であり、また
【数２３】
2004505512.tif 000025
である。
【００８２】
長円形の偏光成分を無視すると、数式（２１）は、ｍ＝３の数式を使用して逆関数にすることができる。
【００８３】
【数２４】
2004505512.tif 000026
数式（２４）を使用して、光の強度Ｉの値、部分偏光Ｐの値、および偏光平面の角θの値を計算することができる。例えば、イメージャが、視野ΦＦＯＶを覆うフィルタを使用し、偏光フィルタリングが、視野ΦＦＯＶ全体にわたって変化する場合には、各フレーム間でイメージャのビュー方向を、好ましくは、ΔΦｓａｍｐｌｅ≒ΦＦＯＶ／３だけ変化させなければならない。
【００８４】
一部のケースでは、各シーン・ポイントからの偏光された光を２回、測定するだけで、そのシーンに関する偏光情報を得るのに十分であることに留意されたい。これは、特に、偏光に関して何らかの先験的な情報が利用できる場合にそうである。そのような先験的な情報は、シーンの中に存在するものと予期することができる通常のシーン被写体の偏光プロパティに関する情報を含むことが可能である。
【００８５】
検出される放射線の偏光は、フレーム間で変化する感度特性だけである必要はない。例えば、放射線の減衰の合計（Ｉに影響を与える）も変化することが可能である。さらに、イメージャにおいて使用する偏光子は、完全に偏光させるものである必要はなく、ある偏光成分を別の偏光成分より強めるバイアスを有するだけであることが可能である。そのような場合、分析は同様であるが、マトリックスＭの各行を正規化してその行に関連する減衰を補償しなければならない。一部の従来のシステムでは、偏光ビーム・スプリッタを使用して光ビームを分割し、結果の別々の成分を別々のセンサに送ることによって偏光を測定する。その他のシステムは、回転する線形偏光子、または液晶要素などの電気的に制御された偏光装置を使用する。ただし、本発明によれば、空間的に変化する偏光感度特性を有するイメージャ、例えば、空間的に変化する偏光フィルタを使用して偏光測定を行うことができる。そのようなイメージャにより、追加のセンサを追加することなしに、イメージャ獲得中にイメージャの内部部品のどれも動かすことなしに、また電子フィルタを使用することなしに偏光測定を行うことができるようになる。動く内部部品を追加するのを回避することにより、エネルギー消費が低減され、信頼性が高まる。
【００８６】
本発明によるイメージ・モザイク化手続きを行う際、図７および８で示したとおり、カメラ７０２上の外部に取り付けられた空間的に一様でないフィルタ７０４を含むイメージャ７１２を使用するのが、特に有利である。というのは、そのような構成は、外部に取り付けられるフィルタ７０４を単に変更する、または取り替えることによってイメージャ７１２を容易に変更できるようにするからである。外部に取り付けられたフィルタを有するイメージャのさらなる例を図９および１０で示している。図９で示したイメージャ７１２は、フィルタ９０２のすべての部分が、アパーチャ７１０の投影の中心Ｏからほぼ同じ距離を有するように曲がっている外部に取り付けられた空間的に変化するフィルタ９０２を含む。図９で示したシステムでは、アパーチャ７１０への、フィルタ９０２の任意の２つの等しいサイズの部分、例えば、部分９０４および９０６の投影は、ほぼ同じサイズを有する。したがって、イメージャ７１２の感度特性は、フィルタ９０２が形成されている材料の特性および／または厚さに主に依存する。
【００８７】
図１０のシステムは、フィルタ１００２とアパーチャ７１０の投影の中心Ｏの間の距離が、視角とともに変化するような方向になっているフィルタ１００２を含む。詳細には、フィルタ１００２の第１の部分１００４が、フィルタ１００２の第２の部分１００６よりも投影の中心Ｏに近い。図１０で示すとおり、部分１００６は、部分１００６と投影の中心Ｏの両方を通過する主光線８０８に対して角１０１０の方向になっている。部分１００４は、部分１００４と投影の中心Ｏの両方を通過する主光線８０４に対して異なる角１００８の方向になっている。角１０１０は、角１００８より小さく、この結果、部分１００６は、部分１００４より面積が広いが、２つの部分１００４と１００６は、アパーチャ７１０の投影の中心Ｏに対して同じ投影の面積を有する。
【００８８】
減衰フィルタの場合、そのフィルタの特定部分の有効減衰は、光がフィルタを通過する角が鋭くなるとともに増加する。干渉フィルタなどの波長選択フィルタの場合、フィルタによって透過させられる波長は、入射角に依存することが可能である。したがって、フィルタが可撓性を有するか、または動かすことができるように取り付けられる場合、フィルタの角の向きを容易に変更することができ、これにより、イメージャの特性を容易に変更できるようになるため、外部に取り付けられるフィルタは、特に有利である。
【００８９】
以上の考察は、外部フィルタを有するカメラの使用を強調してきたが、空間的に変化するフィルタは、カメラ外部のものである必要はない。例えば、図１１は、検出器７０８上に直接に配置されたフィルタ１１０２を有するイメージャ７１２を示している。フィルタ１１０２を検出器７０８上に直接に配置することの利点は、検出器７０８がレンズ８０２の焦点面にあるため、またフィルタ１１０２が、検出器７０８に極めて近接しているため、フィルタ１１０２の特性のぼやけが、非常にわずかしか存在しないことである。この結果、イメージャ７１２の特性が、フィルタ１１０２によってより正確に定義され、これにより、より微細に変化するフィルタリング特性を有するフィルタを使用することが実際的になる。ただし、この利益とのトレードオフは、外部フィルタではなく、内部フィルタを有するカメラに通常、関連して、フィルタを変更する、または変える際の柔軟性が失われることである。
【００９０】
図１２は、フィルタがカメラ内部に位置しているが、センサ７０８とは直接に接触していないカメラを示している。図１２の構成により、曲がったフィルタ、または傾斜したフィルタの使用が可能になる。
【００９１】
図１３で示すとおり、複合レンズを有するカメラ・システムの場合、その複合レンズの要素１３０６と１３０４の間に空間的に変化するフィルタ１３０２を配置することができる。図１３で示した例では、対物レンズ１３０６が、被写体のイメージを形成し、また追加のレンズ１３０４が、イメージを検出器７０８上に投影する。フィルタ１３０２は、好ましくは、追加のレンズ１３０４の近くに配置する。実質的に、すべてのカメラ・レンズは、収差等を訂正するために複合型であり、通常、２つより多くの要素を有する。
【００９２】
図１４で示すとおり、複合レンズを有するイメージャは、対物レンズ１４０４の焦点面に配置されたディフューザ１４０６も含むことが可能である。空間的に変化する特性を有するフィルタ１４０２が、ディフューザ１４０６のできる限り近くに配置される。対物レンズ１４０４は、ディフューザ１４０６上に、空間的に変化するフィルタ１４０２によって変更された焦点の合ったイメージを形成する。追加のレンズ１４０８が、ディフューザ１４０６からの焦点の合ったイメージを検出器７０８に投影する。
【００９３】
本発明によるイメージャは、空間的に変化する反射率を有する反射板を使用してシーンから放射（例えば、光）線を受け取るように構成することができる。図１５で例を示した、そのようなシステムでは、空間的に変化する反射率を有する反射板１５０２を使用して、シーンからの（すなわち、ポイントＡ、Ｂ、およびＣからの）光信号８１０、８１２、および８１４を反射させて、カメラのアパーチャ７１０の中に入れる。空間的に変化する反射率を有する反射板１５０２が、ある程度、透過性である（すなわち、いくらかの光を透過させる）場合、反射板１５０２は、カメラのアパーチャ７１０と、システムを較正する、またはカメラ７０２からのスプリアス反射を吸収するのに使用することができる基準の被写体１５０６の間に配置することができる。例えば、周知の較正技法は、既知の光源を使用してカメラの中の検出器の特性を較正する。図１５の構成は、実際のカメラ７０２とは異なる角で方向付けられ、また光線の束８１０、８１２、および８１４を直接に、すなわち、反射によってではなく有効に受け取る仮想カメラ１５０４と機能的に等価であると見なすことができる。
【００９４】
イメージャ７１２において外部に取り付けられる反射板１５０２を使用することのさらなる利点は、イメージャ７１２の視野および／または倍率を制御するため、反射板１５０２をオプションとして湾曲させることができることである。
【００９５】
図１６は、カメラ７０２の外部にフィルタ１６０２を有し、またカメラ７０２の内部に追加のフィルタ１６０４を有するイメージャ７１２を示している。
【００９６】
図１７は、カメラ７０２の外部にフィルタ１７０２および基準の被写体１７０８を有し、カメラ７０２の光学構成要素１７１０の内部に追加のフィルタ１７０４を有し、またカメラ７０２の内部に、検出器７０８の近くに配置されたさらに別のフィルタ１７０６を有するイメージャ７１２を示している。
【００９７】
図１８で示すとおり、シーン７０６を走査するため、例えば、図１７で示したイメージャ７１２などの本発明によるイメージャを並進させることができる。イメージャ７１２が、図示した方向で並進するにつれ、シーン７０６の中の任意のポイントを、例えば、図１８のポイントＡを、イメージャ７１２の基準フレームの中の複数の主光線８０４、８０６、および８０８に沿って撮像することができる。さらに、図１９で示すとおり、イメージャ７１２は、直線で動く必要はなく、任意のパス１９０２に沿って移動することができ、さらに、並進と回転を同時に行うようにさせることができる。さらに、図７〜１８で示したフィルタは、上から下に変化するように主に描いているが、本発明によるフィルタ７０４は、任意のすべての方向で変化することが可能である。例えば、フィルタ７０４のプロパティは、方位角の方向で変化することが可能であり、その場合、モザイク手続きは、処理するためのイメージをキャプチャするために光軸の周りでイメージャ７１２を回転させることを含むのが可能である。さらに、フィルタ７０４をカメラに屈曲しないように、かつ／または動かないように取り付けることができるが、カメラ７０２に対して屈曲する、または動くフィルタを使用することもできる。そのようなシステムでは、イメージのシーケンスの各フレーム間でフィルタを屈曲させる、または動かすことができる。
【００９８】
図２０Ａおよび２０Ｂで示すとおり、本発明によるイメージ・モザイク化技法を使用して、イメージ測定の空間範囲（すなわち、視野の幅または高さ）および合計の強度範囲（また、したがって、ダイナミック・レンジ）を拡張することができる。図２０Ａは、単一のフレーム２００２の空間範囲とイメージ・モザイク２００４の空間範囲の差を示している。イメージ・モザイク２００４は、複数のフレームから構成されている。図２０Ｂは、イメージ・モザイク２００４の拡張された空間範囲および拡張された強度範囲を示している。実際には、モザイク２００４のエッジ近くのピクセルがサンプリングされる回数がより少ないため、エッジのピクセルの合計の強度範囲は、イメージ・モザイク２００４の中心部のピクセルの強度範囲より小さい可能性が高い。この効果は、図２１のグラフで見て取ることができ、このグラフは、イメージ・モザイク２００４の空間範囲のエッジ近くの領域２１０２において、合計の強度範囲が低下するのを示している。ただし、エッジから遠ざかった部分２１０４において、強度範囲は、一様に高い。この効果は、視野の中心近くでより高い分解能を有する人間の肉眼の陥凹のある視覚と同様であり、シーンの中心部分がエッジ部分より高い関心を引き、したがって、好ましくは、エッジ部分より高い分解能で撮像される用途に関して有利であることが可能である。
【００９９】
前述したとおり、外部に取り付けられたフィルタは、カメラの検出器に対して焦点が合っていない傾向にあるため、カメラ特性に対するそのようなフィルタの効果は、ぼやける傾向にある。例えば、図２２Ａは、密度Ｄが、第１の位置２２１４と第２の位置２２１６の間で、フィルタの表面の１つの寸法全体にわたって線形に変化するが、この範囲外では一定であるフィルタ密度関数２２０２を示している。透過率Ｔは、１０−Ｄに等しく、したがって、結果のイメージャの対応する強度感度特性の関数は、フィルタ全体にわたって指数的に変化する。フィルタの有効密度関数２２０４は、フィルタ密度関数２２０２のぼやけに起因して丸みを帯びたコーナを有する。同様に、図２２Ｂで示すとおり、ステップを伴う密度関数２２０６を有するフィルタは、丸みを帯びたコーナを有する有効密度関数２２０８を有する。図２２Ｃで示すとおり、カメラ外部に取り付けられたフィルタは、あらゆる任意の密度関数２２１０を有することが可能であるが、関数２２１０が鮮明なコーナを有する場合、有効関数２２１２は、丸みを帯びたコーナを有する。
【０１００】
一般に、空間的に変化する減衰マスク関数ｆに関して、有効マスク関数Ｍを以下のとおりモデル化することができる。
【０１０１】
【数２５】
2004505512.tif 000027
ただし、ｈ（ｘ，ｙ）は、システムの焦点が遠隔のシーンに合っているとき、フィルタと同じぐらい近くの被写体に関するカメラの焦点ぼけのぼやけポイントの拡散関数（ＰＳＦ）である。回転対称ＰＳＦの場合、マスクは、実質的にｘの１次元関数であり、またｆは、ｈのＡｂｂｅｌ変換であるｈ〜で畳み込まれる。例えば、核がガウス関数としてモデル化される場合には、ｈは、ｒの標準偏差を有するガウス関数であり、またＭ（ｘ）＝ｅｒｆ（−ｘ／ｒ）である。Ｍ（ｘ）は、０と１の間の任意の値をとるので、原則として、どのシーン・ポイントも、適切な場所にあるフィルタを介して見られる場合、そのポイントがどれだけ明るいかに関わらず、飽和なしに撮像することができる。したがって、この単純なシステムは、理論上、無限のダイナミック・レンジを有することが可能である。
【０１０２】
外部に取り付けられる付加物のぼかしの効果は、図２３で描いた単純なオクルーダ２３０２を例として使用して、さらに示すことができる。オクルーダ２３０２自体は、明らかに空間的に急に変化する特性を有するが、カメラ７０２の特性に対する効果は、図２４Ａおよび２４Ｂで示すとおり、カメラ７０２の視野全体にわたってより漸進的に変化する。図２４Ａは、単純なオクルーダ２３０２のより丸みを帯びた有効密度関数２４０２を示している。図２４Ｂは、単純なオクルーダ２３０２の有効密度関数２４０６の対数を示している。さらに、線形に変化する密度フィルタの有効密度関数２４０４に対するぼかし効果も、図２４Ａで示している。線形に変化する密度フィルタの有効密度関数２４０４の２４０８の対数を図２４Ｂで示している。対数関数２４０８は、直線である。
【０１０３】
外部に取り付けられた光学要素を有するイメージャにおいて生じる傾向がある前述したぼかし効果は、イメージャを調整可能にすることに関して有利である。というのは、単にイメージャの光軸に沿って光学要素の位置を変化させることにより、イメージャの光学特性を変更することができるからである。例えば、オクルーダ２３０２をカメラ７０２の焦点距離のより近くに動かすことにより、単純なオクルーダ２３０２の有効密度関数２４０２の中央近くの勾配（図２４Ａおよび２３参照）を増加させ、またオクルーダ２３０２をカメラ７０２の焦点距離から遠くに離すことによってその勾配を減少させることができる。
【０１０４】
以上の考察は、空間的に変化する波長中性の強度感度特性を有するイメージャをもたらす空間的に変化する波長中性密度フィルタを強調してきたが、空間的に変化するカラー・フィルタまたはその他の波長ベースのフィルタを使用することも可能である。そのような空間的に変化するフィルタは、例えば、空間的に変化する中央波長λ０を有する空間的に変化する帯域フィルタ（例えば、干渉フィルタ）であることが可能である。図２５Ａは、視野全体にわたって線形的に変化する中央波長λ０を有するフィルタ全体にわたる位置ｘに対する中央波長λ０の関数２５０２を示している。このフィルタ関数２５０２は、やはり視野全体にわたってほぼ直線的に変化するが、丸みを帯びたコーナを有する波長感度特性の関数２５０４を有するイメージャをもたらす。図２５Ｂは、視野全体にわたってステップで変化する中央波長特性の関数２５０６を有するフィルタの例を示している。そのようなフィルタは、フィルタのステップ的関数２５０６にだいたい対応するが、フィルタの焦点が、カメラに対して幾分、合っていないため、ぼやけに起因する丸みを帯びたコーナを有する波長感度特性の関数２５０８を有するイメージをもたらす。図２５Ｃで示すとおり、あらゆる任意の中央波長関数２５１０を有する帯域フィルタを使用することができるが、フィルタの関数２５１０が鮮明なコーナを有する場合、もたらされるイメージャは、より丸みを帯びたコーナを有する波長感度特性の関数２５１２を有する。
【０１０５】
また、本発明による撮像システムは、空間的に変化する低域フィルタまたは高域フィルタを使用することも可能である。例えば、図２６Ａ〜２６Ｃは、例としての低域フィルタまたは高域フィルタの全体にわたる位置ｘに対する遮断波長λｃｕｔの例としての関数２６０２、２６０６、および２６１０を示している。図２２Ａ〜２２Ｃ、および２５Ａ〜２５Ｃで示したフィルタと同様に、ぼかしにより、それぞれのフィルタを使用して形成されたイメージャのそれぞれの波長感度特性の関数２６０４、２６０８、および２６１２が丸みを帯びることが生じる。
【０１０６】
このぼかし効果を図２７でさらに示しており、図２７は、高域フィルタ・アレイの２つのセグメントの境界近くに主光線を有する光線の束に関する波長λに対する検出器の感度のグラフである。ビームの光の半分は、λｃｕｔ１の遮断波長を有するセグメントを通過し、またビームの残りの半分は、λｃｕｔ２の遮断波長を有するセグメントを通過する。検出器の有効遮断波長は、λｃｕｔ１とλｃｕｔ２の間にあるλｃｕｔｅｆｆｅｃｔｉｖｅである。２つの個別セグメントのそれぞれの遷移帯域と比べて、境界上で主光線を有するこのビームに関する遷移帯域は、より広い。
【０１０７】
前述した空間的に変化する減衰フィルタと同様に、波長フィルタの有効特性も、イメージャの光軸に沿ってそのフィルタの位置を変更することによって調整することができる。詳細には、フィルタのフィーチャは、フィルタがカメラの焦点距離により近い場合、より鮮明で、より丸みが小さく、より勾配が急になり、また、フィルタがカメラの焦点距離から離れるにつれ、より丸みを帯び、それほど勾配が急でなくなる。実際、十分に焦点がはずれている場合、図２５Ｂおよび２６Ｂでそれぞれ、例としての特性２５０６および２６０６を示した波長フィルタのステップ的アレイを使用して、図２５Ａおよび２６Ａでそれぞれ、例としての特性２５０２および２６０２を示した線形に変化するフィルタを近似することができる。
【０１０８】
また、本発明による空間的に変化する帯域フィルタを使用して、シーンから受け取られた信号の波長間の区別に関するカラー・イメージャの精度（すなわち、ダイナミック・レンジ）を高めることもできる。図２８で示したとおり、通常のカラー・イメージャ（例えば、カラー・カメラ）は、それぞれブルー、グリーン、レッドの光を受け取る３つの比較的広いカラー・チャネル２８０２、２８０４、および２８０６を有する。イメージャに比較的狭い通過帯域２８０８を有するフィルタを取り付けることにより、波長間で区別を行うイメージャの能力が高められる。例えば、狭帯域フィルタの通過帯域２８０８が、カメラのより広いブルー帯域２８０２の範囲内にある場合、そのカメラによって最終的に検出されるブルーの光２８１０は、グリーンの光２８１２およびレッドの光２８１４よりもはるかに強い。したがって、その狭帯域フィルタの特性２８０８は、元のカメラの特性２８０２、２８０４、および２８０６ほど広くないので、ある信号を単に「ブルー」として指示することより微細な詳細でカラーが判定される。狭帯域フィルタの通過帯域２８０８の中央波長λ０は、視野全体で変化し、したがって、シーン全体をイメージャでパンして、複数のイメージをキャプチャすることにより、異なる中央波長λ０をそれぞれが有する複数のカラー帯域内でそのシーンの各ポイントを撮像することができる。この結果、シーンの各ポイントから放出される光のスペクトル特性が、より高いカラー分解能で判定される。
【０１０９】
図２９は、３つの大きい部分、ブルー帯域通過特性２９０４を有するブルー・フィルタ部分、グリーン帯域通過特性２９０６を有するグリーン・フィルタ部分、およびレッド帯域通過特性２９０８を有するレッド・フィルタ部分に分割される外部カラー・フィルタの使用を示している。この３つのカラーのフィルタ・アレイは、カメラの検出器にまで通過させられるそれぞれブルーの光、グリーンの光、およびレッドの光の帯域通過特性２９０２、２９１２、および２９１０によって定義される独自のセットの３つのカラーのチャネルを有するカラー・カメラの外部に取り付けられる。イメージャが、シーン全体をパンするにつれ、シーンの各部分が、外部ブルー・フィルタ部分、外部グリーン・フィルタ部分、および外部レッド・フィルタ部分を介して見られ、撮像される。この結果、それぞれのフィルタ部分のブルー特性２９０４、グリーン特性２９０６、およびレッド特性２９０８のそれぞれが、カメラ自体のブルー特性２９０２、グリーン特性２９１２、およびレッド特性２９１０のそれぞれと組み合わせで使用される。したがって、イメージャは、センサ・チャネルと外部フィルタ要素の特性の可能な組み合わせのすべてを表す９つのカラー帯域を実質的に有する。したがって、カメラのカラー分解能が高まる。一般に、カメラ自体が、Ｎｓの帯域を有し、追加のマスクが、Ｎｍの帯域を有する場合には、イメージャ全体として、ＮｓＮｍの帯域を測定することができる。
【０１１０】
本発明のさらなる態様によれば、空間的に変化する焦点特性を有するイメージャでシーン全体をパンすることができ、またイメージャ７１２のパン中にキャプチャされた１組のイメージの各イメージにおいて各シーン・ポイントにどれだけ焦点が合っているかに基づき、イメージャ７１２からのシーン・ポイントの距離を判定することができる。図３１は、シーンの焦点の合った部分３１０４およびシーンの焦点の外れた部分３１０６それぞれから放出される光線の束３１０８および３１１０に対するイメージャ７１２の応答を示している。対物レンズ３１０２が、カメラ７０２の焦点面３１１８から距離ｖ〜で配置されている。焦点の合ったシーン・ポイント３１０４は、単一のポイント３１１４として焦点面３１１８上に投影される。しかし、焦点の外れたシーン・ポイント３１０６は、直径ｄを有する円板３１１６として焦点面３１１８上に投影される。
【０１１１】
一般に、カメラ７０２のアパーチャ７１０から距離ｕ〜にある被写体には、焦点が合っており、したがって、焦点が合っているように見えるあらゆる被写体は、距離ｕ〜にある。これに対して、焦点が合っていないように見えるあらゆる被写体は、アパーチャ７１０から異なる距離（例えば、ｕ）にあることが分かる。
【０１１２】
被写体に焦点が合う距離ｕ〜が、イメージャの視野全体にわたって変化するようにイメージャを構成することができる。この焦点特性の変化が十分に大きく、十分な数のスナップショットが撮られた場合には、そのスナップショットの少なくともどれかにおいてシーンの中のすべてのポイントまたはほとんどのポイントに焦点が合っているか、またはほぼ焦点が合っている。被写体に焦点が合っているイメージャによって受け取られた特定の主光線を判定することにより、またイメージャの空間的に変化する焦点特性を知ることにより、以下の手続きによってすべてのシーン・ポイントの距離を判定することができる。
【０１１３】
あらゆる光学システムは、被写体に焦点が合う、またはほぼ焦点が合う距離の範囲を有し、一方、被写体は、その範囲から離れるにつれてぼける。この範囲のサイズは、一般に、システムの「被写界深度（ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｆｉｅｌｄ）」と呼ばれる。本発明による撮像システムは、距離／深度のこの範囲を、イメージャの光軸に沿ってイメージャ内の場所の範囲に変換する。場所のこの範囲のサイズは、「焦点深度（ｄｅｐｔｈ　ｏｆ　ｆｏｃｕｓ）」と呼ぶことができる。多くの適用例では、シーンの被写体が存在する深度の範囲は、被写界深度より幅広く、したがって、一部の被写体からは、焦点が外れる。図３１で描いた撮像システムを参照すると、距離ｕにある被写体ポイントのぼやけの直径ｄは、以下のとおりである。
【０１１４】
【数２６】
2004505512.tif 000028
ただし、Ｆは、焦点距離であり、またＤは、レンズのアパーチャである。異なる焦点設定で（例えば、獲得中にレンズまたは検出器などのシステムの内部部品を動かすことにより）被写体の複数のイメージをキャプチャすることが可能である。被写体ポイントの焦点の合った状態は、通常、被写体ポイントに対応するイメージ・ポイントにおいてイメージの鮮明度を最大にするイメージを選択することによって検出される。さらに、「マージ」手続きを使用してシーン全体の完全に鮮明なイメージを構成することができる。そのような手続きは、各シーン領域または各シーン・ポイントに関して、そのシーン領域またはシーン・ポイントの鮮明度が最も高いイメージの中で対応するポイントを選択する。次に、選択されたポイントのセット全体を結合してシーン・ポイントのすべての、またはほとんどの鮮明なイメージを形成する。
【０１１５】
また、その他の技法を使用してシーン・ポイントの距離／深度を測定することもできる。例えば、ｖ〜を変更することによって焦点設定を変更し、イメージのラプラシアンで鮮明度を測定した場合には、最良の焦点の場所ｖは、以下のとおり推定することができる。
【０１１６】
【数２７】
2004505512.tif 000029
ただし、∇２ｘ，ｙは、イメージ平面におけるラプラシアンを表し、また各イメージＩ（ｘ，ｙ）は、ｖ〜によってパラメータ設定される、すなわち、ｖ〜の関数として定義される。最良の焦点の平面が決まると、その平面を使用して被写体ポイントの深度ｕを推定できることに留意されたい。さらに、この深度は、最良の焦点の平面を求めることによってだけでなく、２つまたはそれより多くのフレームに基づき、「焦点ぼけからの深度（ｄｅｐｔｈ　ｆｒｏｍ　ｄｅｆｏｃｕｓ）」と呼ばれる方法を使用してぼやけの直径ｄを推定することによっても推定することができる。「焦点ぼけからの深度」の技法は、２００１年５月８日にＮａｙａｒ他に発行され、参照により全体が本明細書に組み込まれる「Ａｐｐａｒａｔｕｓ　ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄｓ　ｆｏｒ　Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ　Ｓｈａｐｅ　ｏｆ　ａｎ　Ｏｂｊｅｃｔ　Ｕｓｉｎｇ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｒｅｌａｔｉｖｅ　Ｂｌｕｒｒｉｎｇ　ｉｎ　Ｔｗｏ−Ｉｍａｇｅｓ　Ｄｕｅ　ｔｏ　Ｄｅｆｏｃｕｓ」という名称の米国特許第６２２９９１３号で詳細に述べている。
【０１１７】
シーン・ポイントは、イメージの中で、収差、回折によるぼけ、または検出器アレイの隣接する要素間の有限の距離Δｘｇｒｉｄに起因することが可能な位置の不確定性Ｕ（すなわち、ぼやけの量）に対応するサイズを有する領域によって表される。ぼやけの直径ｄの大きさが、Ｕを超えない場合、そのシーン・ポイントは、システムの被写界深度の範囲内にあると見なされ、したがって、焦点が合っていると見なされる。ぼやけの直径は、最良の焦点の状態からの距離に依存するため、ｄのＵの変化は、特定の深度（すなわち、距離）の変化に対応する。例えば、特定の間隔の被写界深度にわたって１組のイメージをキャプチャするため、ある量Δｖだけ撮像システムのある構成要素を動かすケースを考慮されたい。Δｖを物理的に変更する代わりに、屈折率ｎを有する透明の誘電体を使用して光学パスの長さを変化させることができる。調整を行うため、誘電体の厚さｔまたは屈折率ｎを変更しなければならない。実際、両方の手法を一緒に適用することができる。視界全体にわたって厚さまたは屈折率が変化する速度に従って、システムは、選択された間隔の被写界深度にわたる所望の有効な軸変化をもたらすフレーム間トラバースの増分を計算する。
【０１１８】
シーンの被写体のより近くに、またはシーンの被写体から遠ざけるように光学システム全体を動かすことにより、部品を動かすのを回避することが可能である。ただし、そのような手法は、顕微鏡の適用例など、深度の範囲が非常に小さい場合にだけ実際的である。他方、ガラスまたはポリカーボネートなどの透明な誘電体を検出器上に配置した場合、検出器とレンズの間の光学パスの長さは、より長くなる。屈折率ｎを有する材料の場合、光線に沿った材料の各ミリメートルが、ｎミリメートルの自由空間の伝播と等価である。これは、実質的にｖ〜の一部分をｎ倍に伸ばす（屈折要素が、カメラ内部にある場合）か、またはｕ〜の一部分を伸ばす（屈折要素が、カメラ外部にある場合）。したがって、焦点が合わされていた被写体ポイントから、焦点が外れる。他方、そうでなければ検出器平面の背後の平面上で焦点が合う一部の被写体ポイントに、検出器上で焦点が合うようになる。
【０１１９】
本発明による空間的に変化する屈折要素の例は、視野全体にわたって変化する厚さを有する透明な材料である。空間的に変化する厚さの代わりに、またはそれに加えて、フィルタは、空間的に変化する屈折率を有することが可能である。そのようなフィルタの特性の例を図３２Ａ〜３２Ｃで示している。図３２Ａは、線形に変化する率を有するプリズムまたは屈折要素の屈折プロパティを示している。そのような要素は、図８で示したイメージャ７１２の外部など、光学システム外部に配置された場合、主に視野だけを屈折させ、これにより、システムの投影の中心を変化させ、イメージャの被写界深度を拡張するのにほとんど役立たない。したがって、この要素を、図１１で示したイメージャ７１２の中など、検出器上または検出器の近くに配置することが好ましい。図１４で示したイメージャ７１２の中など、ディフューザ１４０６上に中間イメージが形成される場合には、要素１４０２は、好ましくは、ディフューザの直前に配置する。
【０１２０】
屈折要素の屈折プロパティおよび／または厚さが、視野内の位置との関係で変化する場合には、もたらされるイメージャは、空間的に変化する焦点特性を有する。図３２Ｂの例では、屈折要素の厚さまたは屈折率は、ステップ的な仕方で変化する。実際、屈折要素は、図３２Ｃで示すとおり、あらゆる任意の関数に従って変化する厚さまたは屈折率を有することが可能である。
【０１２１】
以上の考察は、視野全体にわたって変化する感度特性または焦点特性を有するイメージャの使用を説明してきた。前述したとおり、そのような空間的に変化する感度特性または焦点特性には、空間的に変化する強度感度特性（例えば、空間的に変化する減衰器からもたらされる）、空間的に変化する波長感度特性（例えば、空間的に変化するカラー・フィルタからもたらされる）、空間的に変化する偏光感度特性（例えば、空間的に変化する偏光フィルタからもたらされる）、および／または空間的に変化する焦点特性（例えば、空間的に変化する屈折要素からもたらされる）が含まれることが可能である。本発明のさらなる態様によれば、前述したプロパティの２つまたはそれより多くを単一のイメージャにおいて組み合わせることができる。例えば、図３３で示すとおり、空間的に変化する減衰器３３０２、空間的に変化するスペクトル・フィルタ３３０４、空間的に変化する偏光フィルタ３３０６、および空間的に変化する屈折要素３３０８のいくつか、またはすべてをカメラの内部または外部に同時に付加し、これにより、イメージャの視野全体にわたって変化する複数の特性を有するイメージャをもたらすことができる。
【０１２２】
一部のケースでは、光の各特性は、その他の特性とは独立である。例えば、容積測定の被写体において、各イメージ・ポイントが、異なる深度を有する複数の（または連続体の）ポイントから光を受け取る。このポイントのどれから放出される光も、シーンの異なるポイントまたは異なる領域から来る光（例えば、シーンの異なるポイントまたは異なる領域からの散乱または放出）を含むことが可能である。この結果、各スペクトル成分は、異なる偏光、異なる明るさ、および子となる焦点状態を有することが可能である。
【０１２３】
ただし、ほとんどの場合、特性のいくつかは、縮退している、またはかなり結合していることが可能である。例えば、特定の深度から来る放射線の一部は、特定の偏光成分およびスペクトル帯域の中で、あまりにも強くて飽和なしで検出することができない可能性があり、したがって、強度の等級は、好ましくは、範囲の広い明るさダイナミック・レンジ・フィルタを使用して感知しなければならない。さらに、被写体が３次元ではない場合には、深度測定は、スペクトル測定および偏光測定とは別に行わなければならない。詳細には、検出器の飽和によって生じさせられる深度の推定の誤りを回避するため、可変の厚さまたは可変の屈折率を有するフィルタ内部で可変密度フィルタリングを使用することにより、明るさダイナミック・レンジを拡張することが有益である可能性がある。そのようなケースでは、好ましくは、帯域幅感度、偏光角感度、および強度感度の可能な組み合わせのすべてを使用して、各ピクセル位置において複数の独立した測定を行わなければならない。そのような測定は、各領域が特定の感度特性の空間的変化に専用である様々な領域を有する複合フィルタを使用するように構成されたイメージャによって行うことができる。例えば、図３４で示すとおり、イメージャの第１の感度特性を空間的に変化させるための第１のセグメント３４０２、第２の感度特性を変化させるための第２のセグメント３４０４、第３の感度特性を変化させるための第３のセグメント３４０６、および第４の感度特性を変化させるための第４のセグメント３４０８を有するフィルタ３４１０を使用することができる。さらに、様々なセグメント３４０２、３４０４、３４０６、および３４０８は、何らかの特定の形状または特定の場所を有するように、または何らかの特定の方向で空間的に変化するそれぞれフィルタ特性を有するように定義されている必要はなく、任意の形状および／または場所の領域であることが可能であり、またフィルタ特性は、フィルタ３４１０上の任意の方向で空間的に変化する。
【０１２４】
各フィルタ特性の変化は、フィルタ上で異なる空間周波数を有するように構成するのが可能であることに留意されたい。例えば、深度は、ｃｏｓ　ｘとして変化することが可能であり、中性密度は、ｃｏｓ　２ｘとして変化することが可能であり、また中央波長は、ｃｏｓ　４ｘとして変化することが可能である。さらに、各フィルタ特性の空間的変化は、正弦曲線の形である必要はない。方形波パターン、のこぎり波パターン、およびその他のパターンも使用することができる。
【０１２５】
他方、あるフィルタ特性は、専用の別個のフィルタ領域を必要としない可能性がある。例えば、シーン・ポイントまたはシーン領域から来る光の偏光は、通常、その光の波長には強く依存しない。したがって、空間的に変化する偏光フィルタは、情報をほとんど、または全く損失することなく、空間的に変化する波長フィルタと重なり合うことができる。さらに、シーンのすべての部分からの光を特性に関して測定する、または同じ分解能で測定する必要はない。さらに、測定の速度の方が、測定の完全性よりも重要である適用例の場合、図３４で示した複合フィルタ３４１０ではなく、図３３で示したフィルタ３３０２、３３０４、３３０６、および３３０８などの１組の重なり合うフィルタを使用して、より高速の走査を得ることができる。複合フィルタ３４１０は、通常、所与の分解能を得るのにより低速の走査を必要とする。
【０１２６】
本発明による走査手続きによってイメージが獲得された後、対応するピクセル位置、すなわち、同じシーン・ポイントを表すピクセル位置において獲得されたデータが、処理されるイメージの各ピクセルにおける高いダイナミック・レンジ強度の値、偏光状態の値、深度の値、およびカラーの値を抽出するために処理される。各シーン・ポイントに関して収集されたすべての生のデータのマージを可能にするため、イメージのシーケンスが位置合わせされる。
【０１２７】
図３５Ａは、シーン・ポイントからの光が、それぞれのスナップショット３５０２、３５０４、３５０６、３５０８、および３５１０の中のピクセル位置３５２２、３５２４、３５２６、３５２８、および３５３０において検出されるスナップショット３５０２、３５０４、３５０６、３５０８、および３５１０のシーケンスを示している。各スナップショットの中でシーン・ポイントを表すピクセルがどれであれ、その位置を決定することにより、図３５Ｂで示すとおり、スナップショット３５０２、３５０４、３５０６、３５０８、および３５１０を数学的に揃えることができ、それぞれのピクセル位置３５２２、３５２４、３５２６、３５２８、および３５３０に対応するデータを処理して、本発明による様々なイメージ・モザイク化技法に関連して前述したとおり、より優れたダイナミック・レンジ、スペクトル情報、偏光情報、および／または深度情報を有する向上した品質のピクセルを生成することができる。位置合わせ手続きは、以下の手法の１つまたは複数を含むことが可能である。
【０１２８】
１．フレーム間の動きは、既知であることが可能である。これは、撮像システムが、モータ上に取り付けられ、その速度が、連続するイメージ間のビュー方向のシフトの点で較正される場合、そうである。また、位置が監視されるサテライト、航空機、またはその他の輸送手段から撮られたイメージに関してもそうである。
【０１２９】
２．イメージは、例えば、イメージの中の制御パッチをマッチングすることにより、手作業で位置合わせすることができる。このパッチは、通常、イメージ・フィーチャからの光の特性の変更に対して堅牢である形態を有する顕著なイメージ・フィーチャを含む。言い換えれば、制御パッチの形状は、異なる波長帯域、異なる偏光状態、および広い範囲の光の強度分布において同様である。
【０１３０】
３．イメージは、項目２で説明した制御パッチを追跡することによって自動的に位置合わせすることができる。そのような位置合わせ手続きは、周知である。一部の方法は、フィーチャのより高レベルの記述を使用する。ただし、ほとんどの手法は、パッチ間で相関を最大化するか、または違いを最小化する。そのような方法は、通常、フレーム間でイメージが経る変化が小さい場合、より高いパフォーマンスを示す。そうでなければ、類似性の測定は、失敗する可能性がある。例えば、λ＝６３０ナノメートルにおけるシーンの内容が、λ＝４００ナノメートルにおける内容と全く関連がない可能性がある。ただし、大きな量で違わない波長を使用してイメージがキャプチャされ、イメージをキャプチャするのに使用された光の波長帯域が十分に広い場合には、連続するイメージは、通常、マッチさせるのを可能にするのに十分なだけの類似性を有する。
【０１３１】
４．イメージは、最良の大域的マッチを提供するワーピング・パラメータをイメージの間で探し出すことによって自動的に位置合わせすることができる。そのような手法は、周知である。マッチングを行うための一般に使用される基準には、ＭＳＥ基準を質的に変形させたもの、堅牢な統計誤り基準、および相関が含まれる。そのような方法は、フレーム間でイメージが経る変化が小さい場合、通常、より高いパフォーマンスを示すことで、項目３の方法と同様である。そのような手法は、イメージの効率的な粗−細間（ｃｏａｒｓｅ−ｔｏ−ｆｉｎｅ）比較および位置合わせを提供する。
【０１３２】
５．フレーム間でイメージが経る変化が大きい場合、マッチング問題は、異なるセンサを使用して撮られたイメージを位置合わせする際に遭遇する問題と同様なものと見なすことができる。フレーム間で、シーンは、イメージャの視野全体を移動するように見えるが、マスクが特徴として、イメージを支配する傾向にあり、これにより、そのようなアルゴリズムが、正しいものより小さいイメージの並進を位置合わせすること、または全く並進を位置合わせしないことさえ生じる傾向がある。以上の問題に対する可能な解決策は、項目３の方法と項目４の方法を組み合わせることであるのが、周知である。そのような組み合わせられた方法では、各イメージを高域フィルタにかけて、イメージの中で不変である可能性がより高い顕著なフィーチャに対する依拠を強める。位置合わせは、イメージ間の大域的ワーピング・パラメータを最適化しながら、粗−細間手続きを使用して行う。
【０１３３】
６．マルチセンサ・システムにおいてなど、変化が大きくてもイメージを位置合わせする別の一般的な仕方は、マッチングのための基準として、相互情報、すなわち、イメージ間のフィーチャの類似性を使用することである。この方法は、一般に、イメージが、統計的に完全には独立でないことを必要とし、これは、通常、有効な想定である。
【０１３４】
一部のケースでは、マッチングを容易にするため、フィルタの効果をある程度、補償することが可能である。例えば、イメージャが、変化する密度のフィルタを使用するものと想定する。そのようなフィルタは、視界全体にわたって変化するＭで、視界の各部分を１／Ｍに減衰させるマスクとして作用する。マスクは、この場合、乗法的であるので、マスク関数Ｍを加法的な成分にするため、各イメージの対数を計算するのが有益である可能性がある。次に、結果の対数のイメージを高域フィルタにかけることにより、マスクの効果を小さくすることができる。というのは、マスクは、通常、ゆっくりと変化するからである。Ｍの推定値が、位置合わせ手続きが開始する前に利用可能である場合には、この手続きを開始する前に、１／Ｍの対応する値で各イメージの各ピクセル値を増幅することができる。このステップにより、時間的に一定であるマスクによって生じることが可能な、動きの推定に対するバイアス効果が軽減される。強い減衰に起因してより暗くなった測定は、センサによって量子化された後、比較的雑音が多い傾向にある。イメージを比較し、位置合わせする際、この減衰に依存する不確定性を考慮に入れることが好ましい。
【０１３５】
また、個々のイメージのピクセル格子より高い密度で重なり合うエリアがサンプリングされる場合、位置合わせは、ピクセルより微細な精度で行うのが可能であることに留意されたい。したがって、空間的なスーパー分解能を、シーン・ポイントの多次元プロパティを導出するのと同時に、またはその導出に加えて得ることができる。
【０１３６】
例としてのアルゴリズムは、不確定性ΔＭを伴うマスクＭの粗い推定値に基づく。１／Ｍの推定値を使用してイメージをフラット・フィールド化する。前述したとおり、非常に暗くなるように減衰させられた（特にゼロに量子化された）ピクセルは、マップ反転に起因して雑音が多くなる。したがって、すべての以降のアルゴリズムでは、測定値を比較し、区別し、マージする際、その測定値の不確定性を考慮に入れることが好ましい。この方法は、以下の原理に基づく。
【０１３７】
１．１／Ｍによる粗いフラット・フィールド化。Ｍ＝１であるとき、検出器に当たる光の強度をＩとする。Ｉは、Ｉｄｅｔｅｃｔｏｒｍｉｎの単位で測定されて、無次元になる。光学フィルタリングの後に検出器に当たる光は、ｇ（ｘ，ｙ）＝Ｍ（ｘ，ｙ）Ｉ（ｘ，ｙ）である。各測定ｇ±Δｇに関して、シーン放射照度Ｉ±ΔＩが推定される。１次近似を使用して不確定性が伝播される。
【０１３８】
２．高いダイナミック・レンジのイメージが使用されるので、暗いシーン・ポイントにおける誤りは、明るいものと同程度に有意であると見なされる。例えば、明るいポイントにおける５％の誤りに、暗いポイントにおける等価の誤りと同じ量のペナルティが課せられなければならない。各ピクセルの明るさに合わせて調整するため、それぞれの測定されたシーン放射輝度のｌｏｇ、すなわち、ｓ＝ｌｏｇＩを計算して、ｓ±Δｓをもたらす。
【０１３９】
３．粗−細間パラダイム。周知のとおり、位置合わせの信頼できる効率的な手法は、イメージのピラミッド（マルチ分解能）表現を使用することである。粗い空間分解能レベルでイメージを位置合わせし、ワープさせた後、粗い動きの推定値が、初期条件として作用して、より細かいスケールにおける変形推定等が向上する。ただし、データの不確定性を無視した従来の方法とは対照的に、本発明の手続きは、ｓのイメージの最大尤度ピラミッドを作成する。すなわち、このピラミッドの各レベルで、寄与するピクセルの不確定性を考慮して、ある近傍を表す値が、最も尤度の高い値である。
【０１４０】
４．位置合わせの尤度を最大化すること。測定値ｓは、ガウス分布を有するものと推定される（ただし、この方法は、ガウス分布には限定されない）。最良の位置合わせは、イメージ間のマハラノビス距離を最小化するものである。
【０１４１】
５．モザイクに対する位置合わせ。ペアのイメージだけを位置合わせすることは、全体的な座標系における推定されたイメージ位置の誤りが累積することにつながる。したがって、シーケンスの中のそれぞれの新しいイメージは、好ましくは、最新で更新されたモザイクに位置合わせし、次に、その更新されたモザイクにマージする。
【０１４２】
このアルゴリズムは、以下のとおりさらに詳細に説明される。検出器は、ダイナミック・レンジ内の応答Ｒ（非線形であることが可能な）を有し、したがって、ピクセルにおけるイメージ値ｇ〜は、以下のとおりである。
【０１４３】
【数２８】
2004505512.tif 000030
応答を線形化すると、検出器における推定の強度ｇ＾は、
【数２９】
2004505512.tif 000031
であり、したがって、
【数３０】
2004505512.tif 000032
である。
【０１４４】
推定のマスクが、測定された信号とは独立であるものと想定すると、
【数３１】
2004505512.tif 000033
であり、ただし、Δｇ〜＝０．５であるものと想定する。というのは、カメラの出力が、整数の形である（８ビットの検出器の場合、０〜２５５）からである。暗いポイント（Ｉ＝０である）におけるｌｏｇ演算が不安定になる可能性を回避するため、後続の計算から暗いポイントを除去することができる。したがって、計算のため、Ｉではなく、ｓ＝ｌｏｇ（１＋Ｉ）を使用することが好ましい。いずれにしても、
【数３２】
2004505512.tif 000034
である。
【０１４５】
検出器の応答Ｒが対数である場合、数式（２９）〜（３２）を使用する必要がないので、ｓは、ｇ＾に等しく設定することができる。飽和していると見なされるあらゆるピクセル（例えば、８ビットの検出器の場合、２５５に近いｇ＾）は、非常に不確定なものとして扱われる。したがって、対応するΔｓは、非常に大きい数（すなわち、システムのダイナミック・レンジ外）になるように設定される。
【０１４６】
ｓの測定値は、ガウス形であるものと想定する。したがって、２つの独立した測定値ｓ１±Δｓ１およびｓ２±Δｓ２に関して、値ｓｅに関するｌｏｇ尤度（ｌｏｇ−ｌｉｋｅｌｉｈｏｏｄ）は、以下のような挙動をする。
【０１４７】
【数３３】
2004505512.tif 000035
ｓｅに関する最大尤度の解は、マハラノビス距離Ｅを以下のとおり、最小化するものである。
【０１４８】
【数３４】
2004505512.tif 000036
ただし、
【数３５】
2004505512.tif 000037
である。
【０１４９】
次に、このシーン・ポイントに対応するイメージ測定に関する距離の値は、以下のとおりである。
【０１５０】
【数３６】
2004505512.tif 000038
イメージの中のすべてのピクセルが独立であると想定すると、全部のフレーム、またはピクセルの任意の他のサブグループに関する距離の測定値Ｅ＾ｔｏｔａｌは、以下のとおりである。
【０１５１】
【数３７】
2004505512.tif 000039
上記の目的関数による２つのフレーム間（または新しいフレームと既存のモザイクの間）の最良の位置合わせは、Ｅ＾ｔｏｔａｌを最小にするものである。この場合、測定値ｓ１およびｓ２の各ペアは、対応するピクセルにおけるイメージの値に対応する。
【０１５２】
Ｅ＾ｔｏｔａｌは、一般に、ピクセルの数とともに増大することに留意されたい。これにより、数式（３７）の合計におけるピクセルの数を最小化する方向でバイアスがかかり、イメージ間の重なり合いが小さくなる可能性がある。この効果に対抗するため、重なり合うエリアにおけるピクセルの数で、またはΔｓｔｏｔａｌ−１またはΔｓｔｏｔａｌ−２で数式（３７）を正規化することができ、ただし、
【数３８】
2004505512.tif 000040
である。
【０１５３】
異なる測定値間または異なるピクセル間の統計的な依存関係を無視することができる場合には、Ｅ＾２およびＥ＾ｔｏｔａｌ２に関する数式を一般化して、測定値の分散だけでなく、測定値の共分散マトリックスを使用することができる。
【０１５４】
位置合わせをより堅牢で効率的にするため、粗い分解能から細かい分解能まで階層式に位置合わせを行う。レベルに依存する幅を有する核（レベルが、より高い／より粗いほど、元のイメージに対して作用する核の幅が広くなる）を使用してイメージを低域フィルタにかけた後、そのイメージを２次サンプリングすることにより、特定のピラミッド・レベルにおけるイメージの粗い表現を得ることができる。いずれにしても、この表現におけるピクセルの値は、以下のとおり、測定されたピクセルの重み付けされ、正規化された合計である。
【０１５５】
【数３９】
2004505512.tif 000041
ただし、ωｋは、ピクセル値Ｓｋに関する重みである。
【０１５６】
本明細書の考察は、ピクセルが独立であると見なすことができる、元の十分な分解能のイメージからのピラミッド・レベルの構成について述べていることに留意されたい。これは、導出を簡単にしておくために行っている。ただし、通常、ピラミッドは、反復式に構成され、その場合、中間レベルにおけるピクセルは、統計的に独立ではない。反復プロセスにおいてさらなる精度が求められる場合、重み付けは、中間レベルにおけるピクセルの分散だけでなく、その近傍の十分な共分散マトリックスにも依拠しなければならない。したがって、このマトリックスは、ピラミッドを上るようにも伝播されなければならない。
【０１５７】
従来のピラミッドでは、重みωｋは、ガウス核αｋの値に等しい。ただし、本発明の方法では、数式（３９）は、数式（３４）の一般化と見なすことができる。ピクセルに割り当てられるべき重みωｋは、ガウス重みαｋが減少するのと、不確定性Δｓｋが増大するのとの両方につれて、線形に減少する。したがって、ωｋ＝αｋ／Δｓｋ２であり、かつ
【数４０】
2004505512.tif 000042
である。
【０１５８】
前述した最大尤度ピラミッドでは、各分解能レベルにおける表現が、各ピクセルにおける重み付きの平均値だけでなく、各ピクセルの値の不確定性も含む。より小さい不確定性を有するポイントが、このピラミッドではより大きな重みを受けるので、不確定なエリア（飽和した領域または非常に暗いポイントなどの）は、より粗いレベルでは低い重要度を有し、またその表現が、隣接の安定したポイントによってより大きな影響を受ける。したがって、１つの値による領域の表現が、より信頼できるものになる。したがって、各スケールにおいてｓ±Δｓの表現を使用することにより、マッチの尤度を最大化することによってイメージの効率的な位置合わせが可能になる。
【０１５９】
前述した手続きは、イメージ・シーケンスを位置合わせし、マージする唯一のやり方ではないことに留意されたい。例えば、各ポイントにおける値を判定するためにその他の重みを使用することができ、あるいは各ポイントの単一の良好な測定値を使用してそのポイントを表現することができる。動きのフィールドがパラメータ設定され、中性密度マスクが、時間の経過とともに変化せず、またシーンが、静的である場合、マスク、動き、および未知のシーンのすべてのパラメータを単一の最適化問題として提示することができる。
【０１６０】
１組のイメージがキャプチャされ、位置合わせされて、またイメージャ特性が分かっている（例えば、較正により）と、本発明によるアルゴリズムが、シーンの各ポイントまたは各小さい領域を表す少なくとも１つのデータ（例えば、ピクセル）を生成する。そのようなマージ手続きは、元のイメージのそれぞれからの、表現されるシーン・ポイントに対応する特定のピクセルを使用して、代表的ピクセルを生成する。マージ手続きの選択は、通常、どのシーン特性が、例えば、明るさ、カラー、偏光、または深度が、撮像されているかに依存する。
【０１６１】
例えば、空間的に変化する減衰を使用して撮られた強度（すなわち、明るさ）イメージをヒューズするため、好ましくは、以下のガイドラインを使用する。
【０１６２】
１．ポイントに関して選択される値は、最も尤度の高いもの、したがって、データ・ポイントまでのマハラノビス距離を最小化するものである。したがって、数式（３４）および（３５）は、ｓｋ＝Ｉｋとともに使用し、ただし、Ｉｋ＝ｇ＾ｋ／Ｍである。
【０１６３】
２．前述したとおり、生のイメージの中の飽和したポイント（８ビットのカメラでは、ｇ＾が、２５５に近い）に、非常に大きい不確定性を割り当てる。
【０１６４】
３．シーム最小化手続きを使用して、イメージ境界上に現れる可能性がある見た目のよくないシームを回避する。モザイクを形成するイメージの境界上で、異なるデータ源を使用して推定されたポイント間の遷移が存在する。モザイクからシームを除去する多数のやり方が存在する。１つの手法は、「最適な」シーム・ライン、すなわち、観察者にとって最も目立たないシーム・ラインを探すことである。最適なシーム・ラインを選択する手続きは、当技術分野で広く使用されている。別の手法は、イメージの中心または境界に対するピクセル位置に従ってイメージに重みが付けられるフェザリング手続きを使用することである。この重み付けは、項目１で説明した重み付きの平均化に容易に組み込むことができ、ピラミッドの構成における重みの前述した使用と同様である。例えば、イメージの境界近くで∞にまで平滑に増大する係数を不確定性に掛けることができる。
【０１６５】
４．また、シームは、不確定性の急な変化が存在し、一方、ｇ〜の変化は、普通、小さい場合、飽和したエリアの境界でも通常、現れる。そのようなシームは、上記の項目３で述べたような手法を使用して除去することができる。以下の手続きを使用して飽和したエリアの解像度を平滑化することが好ましい。「低い飽和の値」ａを定義する（例えば、８ビットのカメラの場合、２３０）。次に、「高い飽和の値」ｂ（例えば、２５０）を定義する。ｇ〜＞ｂである場合、ピクセルは、飽和しているものと見なされる。ｂ≧ｇ〜＞ａであり、かつそのポイントが、飽和したポイントに隣接している場合、ポイントは、「飽和関連」であると見なされる。ｂ≧ｇ〜＞ａであり、かつそのポイントが、「飽和関連」ポイントに隣接している場合、やはり、ポイントは、「飽和関連」であると見なされる。したがって、「飽和関連」であるポイントは、常に、飽和したポイントに結び付いたグループに含まれる。したがって、この手続きは、飽和したポイントに関連していない強度のｇ〜（ｇ〜＞ａ）には影響を与えない。「飽和関連」であると宣言されたすべてのポイントが見つかった後、そのポイントの不確定性に≒（ｂ−ａ）／（ｂ−ｇ〜）を掛けるか、または飽和した値に達するにつれ、通常の不確定性（１の係数が掛けられた）から非常に大きい不確定性までの遷移を漸進的に行う何らかのその他の関数を掛ける。
【０１６６】
本発明によるデータのマージは、前述した例としての手続きに限定されないことに留意されたい。データは、堅牢な統計の方法を使用して異常値の効果を低下させて、または反復投影法を使用してマージすることもできる。また、シームの除去は、当技術分野で周知のとおり、マルチ分解能手法で、すなわち、いくつかの異なる分解能でイメージを分析することにより、行うこともできる。
【０１６７】
また、前述したガイドライン３および４は、高いダイナミック・レンジのモザイクを生成するのに不可欠ではなく、単に結果のイメージをより見栄えよくするために使用していることにも留意されたい。さらなる方法には、（１）各ポイントの単一の「良好な」測定値だけをそのポイントに関する代表値として選択すること、および（２）最大コントラストを生じさせる値を選択すること（例えば、複数のスケールで［説明せよ］）が含まれる。
【０１６８】
偏光データの場合、イメージ・ポイントは、次のとおり分析される。長円形の偏光成分を無視することができるものと想定し、各ポイントに関して３つの測定値を使用すると、数式（２４）を使用して各ピクセルに関する偏光状態の成分が導出される。必要最小限の数より多くのイメージが使用される場合には、重複決定されたセットの数式を使用することができる。このセットの数式は、２乗誤差を最小化することによって解かれ、以下の数式がもたらされる。
【０１６９】
【数４１】
2004505512.tif 000043
次に、この手続きは、Ｉ＝２Ｃ、Ａ＝√［ＡＣ２＋ＡＳ２］、Ｐ＝Ａ／Ｃ、かつθ＝ｓｉｎ−１（ＡＳ／Ａ）＝ｃｏｓ−１（ＡＣ／Ａ）であるように設定する。
【０１７０】
前述した手続きは、データを使用して偏光情報を抽出することができる唯一のやり方ではないことに留意されたい。例えば、堅牢な統計を使用して偏光を推定することができる。Ｐ、θ、およびＩは、直接に、すなわち、中間変数ＡＣ、ＡＳ、およびＣをバイパスすることによって推定することができる。投影反復法（例えば、ＩおよびＰが正になるように強制する）を使用することができ、あるいは、偏光情報を抽出するのではなく、当技術分野で周知のとおり、イメージのラプラシアン・ピラミッド表現を比較し、最大値を有する表現を選択することにより、最大コントラストをもたらす仕方でイメージをマージするだけで十分である可能性がある。
【０１７１】
深度情報を導出するため、従来の焦点深度技法で行われるとおり、最良の焦点を与えるイメージを選択することで、対応するポイントに対して焦点深度手続きを行う。次に、選択されたイメージをマージして、「鮮明な」ピクセルだけがモザイクに寄与するようにすることができる。例えば、ラプラシアンでイメージの鮮明度を測定する場合には、以下のとおりである。
【０１７２】
【数４２】
2004505512.tif 000044
ただし、（ｘ，ｙ）は、静止（外部世界）座標系における座標であり、またｐ〜は、フレームの指標である。ただし、マージは、ピクセル・レベルだけで行う必要はなく、複数の分解能スケールで行うことができる。さらに、この技法は、焦点に関するラプラシアン基準だけに限定されず、その他の焦点基準も適用することができる。
【０１７３】
スペクトルを導出するため、異なる帯域における同じシーン・ポイントの対応する測定値を連結する。フィルタが帯域フィルタではなく、高域フィルタまたは低域フィルタである場合には、隣接する測定値の区別により、狭帯域の中のスペクトル情報を導出することができる。スペクトルは、様々な幅の帯域を使用して測定することができ、また複数の帯域から構成されることさえ可能である。高分解能スペクトルは、帯域の構造、スペクトルが正であること、およびその他の制約を考慮して、生のデータによって提供されるセットの数式を解くことによって抽出する。さらに、既知の光源および既知の材料のスペクトルに関する先験的な情報を使用して、どのタイプの既知の光源および照明成分が、測定値の相対的な強度、温度、および／または空間的場所を含め、測定値と整合性を有するかを判定することが可能である。
【０１７４】
本明細書で説明する本発明の方法を使用して、任意のビデオ・カメラ（または静止カメラ）のダイナミック・レンジを拡張することができ、そのカメラのスペクトル分解能を大幅に高めることができ、かつ／またはカメラのレンズの前に単にフィルタを取り付けることにより、またはカメラの既存のけられ特性を利用することによっても、入ってくる信号の偏光状態および焦点プロパティを分解することができる。
【０１７５】
シーンのスペクトル内容の知識を使用して、写真が撮られた時点にシーンを照らしていた光源に関する情報を推定することができ、また同知識を使用して、被写体の反射率を推定することもできる。この結果、様々なシミュレートされた照明源および照明特性を使用してシーンのイメージをレンダリングすることができる。例えば、白熱灯の下で写真撮影された被写体をシミュレートされた形で、あたかも蛍光灯の下で、または日照の空の下で写真撮影されたかのようにレンダリングすることができる。
【０１７６】
さらに、ほとんどの検出器のスペクトル応答は、検出器においてＲＧＢフィルタが使用されるときでさえ、人間の肉眼のものとは非常に異なることに留意されたい。フィルムおよびカラープリントも、同様の限界を抱えている。したがって、シーンの実際のスペクトル内容を知ることにより、シーンを直接に見ている場合、人間の肉眼が感知することになるものにより近い形でイメージをレンダリングすることができるようになる。また、通常の肉眼の反応とではなく、フィルム、スクリーン、またはプリンタの応答と整合するようにイメージをレンダリングすることもできる。
【０１７７】
本発明の技法は、モザイクを作成しながら、イメージャの光学ダイナミック・レンジを拡張する。ダイナミック・レンジは、周囲のポイントの明るさに関わらず、シーンの中の各ポイントに関して拡張される。イメージャは、内部で動く部品を有している必要は全くなく、イメージャの動きは、通常のイメージャ・モザイクを作成するのに必要とされるものと同じである。また、本発明の技法をアクティブＣＭＯＳ検出器またはＡＧＣなどのダイナミック・レンジを拡張するための他の方法と組み合わせて、さらなる拡張を提供することもできる。光学ダイナミック・レンジは、密度フィルタが、より広い範囲の密度を有する場合、より広くなることに留意されたい。例えば、Ｍ∈［１０−４，１］である場合、検出器のダイナミック・レンジは、その本来の範囲をおよそ１３ビット超えて拡張される（８０ｄＢの向上と等価である）。いくつかのそのようなフィルタを連続して付けることにより、空間的に変化する減衰効果が高まる。というのは、フィルタ密度は、加算的プロパティであるからである。
【０１７８】
焦点深度を拡張することにより、広い距離範囲にわたって鮮明なイメージを作成することができるようになる。偏光データの獲得により、反射視覚効果および半反射視覚効果を除去すること、または高めることができるようになる。
【０１７９】
当分野の技術者には、図１〜６、３５Ａ、および３５Ｂで示した方法を、付録のプログラムによって例示される適切なソフトウェアの制御の下で動作する様々な標準のコンピュータ・プラットフォーム上で実施できることが理解されよう。一部のケースでは、標準のパーソナル・コンピュータまたはワークステーションのバス上に存在する周辺カードなどの専用コンピュータ・ハードウェアにより、前述した方法の動作上の効率を高めることができる。
【０１８０】
図３７および３８は、本発明を実施するのに適した例としてのコンピュータ・ハードウェアを示している。図３７を参照すると、コンピュータ・システムが、プロセッサ・セクション３７１０と、ディスプレイ３７２０と、キーボード３７３０と、マウスとを含む。また、このシステムは、イメージ媒体３７００を走査するための光学スキャナ３７５０、およびカメラ３７８０などの他の入力デバイスを含むことも可能である。さらに、システムは、プリンタ３７６０を含む。このコンピュータ・システムは、通常、データおよびアプリケーション・ソフトウェアを記憶するための、磁気媒体（例えば、ディスケット）または光媒体（すなわち、ＣＤ−ＲＯＭ）などのコンピュータ可読媒体に対して読取りおよび書込みを行うことができる１つまたは複数のディスク・ドライブ３７７０を含む。
【０１８１】
図３８は、プロセッサ・セクション３７１０をさらに示す機能ブロック図である。プロセッサ・セクション３７１０は、一般に、処理ユニット３８１０と、制御論理３８２０と、メモリ・ユニット３８３０と、ハード・ディスク・ドライブと、インターフェースとを含む。プロセッサ・セクション３７１０は、タイマ３８５０（すなわち、クロック回路）と、入力／出力ポート３８４０とをさらに含む。また、プロセッサ・セクション３７１０は、処理ユニットにおいて使用されるマイクロプロセッサに依存して、コプロセッサ３８６０も含むことが可能である。制御論理３８２０は、処理ユニット３８１０と連携して、メモリ・ユニット３８３０と入力／出力ポート３８４０の間の通信を扱うのに必要な制御を提供する。タイマ３８５０は、処理ユニット３８１０および制御論理３８２０のためのタイミング基準信号も提供する。コプロセッサ３８６０は、リアルタイムで複雑な計算を行う拡張された能力を提供する。今日のコンピュータは、コプロセッサよりも複数の処理ユニットを有する可能性の方が高い。
【０１８２】
メモリ・ユニット３８３０は、揮発性メモリや不揮発性メモリ、ならびに読取り専用メモリやプログラマブル・メモリなどの様々なタイプのメモリを含むことが可能である。例えば、図３８で示したとおり、メモリ・ユニット３８３０は、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）３８３１、電気的に消去可能なプログラマブル読取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）３８３２、およびランダムアクセス・メモリ（ＲＡＭ）３８３３を含むことが可能である。様々なコンピュータ・プロセッサ、メモリ構成、データ構造等を使用して本発明を実施することができ、また本発明は、特定のプラットフォームには限定されない。例えば、図３７では、コンピュータ・システムの一部としてプロセッサ・セクション３７１０を示しているが、プロセッサ・セクション３７１０および／またはその図示した構成要素は、静止画カメラまたは動画カメラ（例えば、ビデオ・カメラ）などのイメージャの中に含まれることも可能である。
【０１８３】
付録のソース・コード・リストで例示されるソフトウェアは、当分野の技術者には理解されるとおり、多種多様なプログラミング言語で書くことができる。本発明による例としてのソフトウェア・アルゴリズムは、Ｍａｔｌａｂ（商標）言語で書かれている。この例としてのアルゴリズムのいくつかのためのコンピュータ・ソース・コードを本明細書に添付した付録で提供している。
【０１８４】
本発明は、特定の例としての実施形態に関連して説明してきたが、頭記の特許請求の範囲に記載した本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、開示した実施形態に様々な変更、置換、および改変を行うのが可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明によるイメージ・モザイク化のための例としての手続きを示す流れ図である。
【図２】
本発明による例としての較正手続きを示す流れ図である。
【図３】
本発明によるさらなる例としての較正手続きを示す流れ図である。
【図４】
本発明によるイメージ・モザイク化のための例としての手続きを示す流れ図である。
【図５】
本発明による例としてのイメージ・モザイク化技法を示すブロック図である。
【図６】
本発明による例としてのイメージ・モザイク化システムを示すブロック図である。
【図７】
本発明によるイメージ・モザイク化のためのさらなる例としてのシステムを示す図である。
【図８】
本発明によるイメージ・モザイク化のためのさらに別のシステムを示す図である。
【図９】
本発明によるイメージ・モザイク化のためのさらなる例としてのシステムを示す図である。
【図１０】
本発明によるイメージ・モザイク化のためのさらに別の例としてのシステムを示す図である。
【図１１】
本発明によるイメージ・モザイク化のためのさらなるシステムを示す図である。
【図１２】
本発明によるイメージ・モザイク化のための別の例としてのシステムを示す図である。
【図１３】
本発明によるイメージ・モザイク化のためのさらに別の例としてのシステムを示す図である。
【図１４】
本発明によるイメージ・モザイク化のためのさらなる例としてのシステムを示す図である。
【図１５】
本発明によるイメージ・モザイク化のためのさらに別の例としてのシステムを示す図である。
【図１６】
本発明によるイメージ・モザイク化のためのさらなる例としてのシステムを示す図である。
【図１７】
本発明によるイメージ・モザイク化のためのさらなるシステムを示す図である。
【図１８】
本発明によるイメージ・モザイク化のための別の例としてのシステムを示す図である。
【図１９】
本発明によるイメージ・モザイク化のためのさらなる例としてのシステムを示す図である。
【図２０】
図２０Ａは、本発明によるイメージ・モザイク化のための例としての手続きの空間範囲および強度範囲を示すグラフである。
図２０Ｂは、本発明によるイメージ・モザイク化のためのさらなる例としての手続きの空間範囲および強度範囲を示すグラフである。
【図２１】
本発明によるイメージ・モザイク化のためのさらに別の例としての手続きの空間範囲および強度範囲を示すグラフである。
【図２２】
図２２Ａは、本発明による例としてのフィルタの密度プロファイルおよびそれに対応する有効マスク特性を示すグラフである。
図２２Ｂは、本発明によるさらなる例としてのフィルタの密度プロファイルおよびそれに対応する有効マスク特性を示すグラフである。
図２２Ｃは、本発明によるさらに別の例としてのフィルタの密度プロファイルおよびそれに対応する有効マスク特性を示すグラフである。
【図２３】
本発明によるイメージ・モザイク化のための例としてのシステムを示す図である。
【図２４】
図２４Ａは、本発明による例としてのイメージャ付加物の有効密度プロファイルを示すグラフである。
図２４Ｂは、図２４Ａで示したプロファイルの対数関数を示すグラフである。
【図２５】
図２５Ａは、本発明による例としてのフィルタの中央波長プロファイルおよびそれに対応する有効マスク特性を示すグラフである。
図２５Ｂは、本発明によるさらなる例としてのフィルタの中央波長プロファイルおよびそれに対応する有効マスク特性を示すグラフである。
図２５Ｃは、本発明によるさらに別の例としてのフィルタの中央波長プロファイルおよびそれに対応する有効マスク特性を示すグラフである。
【図２６】
図２６Ａは、本発明による例としてのフィルタの遮断波長プロファイルおよびそれに対応する有効マスク特性を示すグラフである。
図２６Ｂは、本発明によるさらなる例としてのフィルタの遮断波長プロファイルおよびそれに対応する有効マスク特性を示すグラフである。
図２６Ｃは、本発明によるさらに別の例としてのフィルタの遮断波長プロファイルおよびそれに対応する有効マスク特性を示すグラフである。
【図２７】
本発明による高域フィルタ・アレイを有する例としてのイメージャの感度特性の一部分を示すグラフである。
【図２８】
本発明による狭帯域フィルタを有する例としてのイメージャの感度特性を示すグラフである。
【図２９】
本発明による１組の広帯域フィルタを有する例としてのイメージャの感度特性を示すグラフである。
【図３０】
図３０Ａは、本発明による例としての偏光フィルタ・アレイを示す図である。
図３０Ｂは、本発明による例としての偏光フィルタの製造を示す図である。
図３０Ｃは、本発明によるさらなる例としての偏光フィルタの製造を示す図である。
【図３１】
例としてのカメラの焦点特性を示す図である。
【図３２】
図３２Ａは、本発明による例としての屈折要素の屈折プロファイルを示すグラフである。
図３２Ｂは、本発明によるさらなる例としての屈折要素の屈折プロファイルを示すグラフである。
図３２Ｃは、本発明によるさらに別の例としての屈折要素の屈折プロファイルを示すグラフである。
【図３３】
本発明による１組の光学要素の例としての構成を示す図である。
【図３４】
本発明による例としての光学要素を示す図である。
【図３５】
図３５Ａは、本発明によるイメージ部分位置合わせのための例としての手続きを示す図である。
図３５Ｂは、本発明によるイメージ部分位置合わせのためのさらなる例としての手続きを示す図である。
【図３６】
図３６Ａは、本発明による例としてのマスクの減衰プロファイルを示すグラフである。
図３６Ｂは、図３６Ａで示した減衰プロファイルの対数特性を示すグラフである。
【図３７】
本発明によるイメージ・モザイク化アルゴリズムを実施するためのコンピュータ・システムを示す図である。
【図３８】
図３７のコンピュータ・システムで使用するためのプロセッサ・セクションを示すブロック図である。
【添付】
モザイク化、フラット・フィールド化、イメージのマージ、高ダイナミック・レンジ、マルチ分解能の位置合わせ、最大尤度ピラミック、減衰マスクの自己較正、シームおよび飽和した領域のフェザリング等のためのＭＡＴＬＡＢソース・コード
【図１】
2004505512.tif 000045
【図２】
2004505512.tif 000046
【図３】
2004505512.tif 000047
【図４】
2004505512.tif 000048
【図５】
2004505512.tif 000049
【図６】
2004505512.tif 000050
【図７】
2004505512.tif 000051
【図８】
2004505512.tif 000052
【図９】
2004505512.tif 000053
【図１０】
2004505512.tif 000054
【図１１】
2004505512.tif 000055
【図１２】
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【図１３】
2004505512.tif 000057
【図１４】
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【図１５】
2004505512.tif 000059
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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