"偏光面の角度が異なる3種類以上の直線偏光を、順次、被写体に照射する偏光照明部と、前記3種類以上の直線偏光の各々によって前記被写体が照射されているときに、順次、前記被写体を撮像し、その際に前記被写体からの戻り光を、偏光子を介さずに受けて輝度値を取得する撮像部と、前記撮像部から出力される輝度値を示す信号に基づいて、前記偏光面の角度と各画素の輝度値との関係を求め、各画素について前記輝度値が最大となる前記偏光面の角度によって定義される輝度最大角画像、および各画素について前記偏光面の変化にともなう前記輝度値の変動の振幅と輝度平均値との比率によって定義される輝度変調度画像を生成する変動輝度処理部と、前記輝度最大角画像および前記輝度変調度画像に基づいて、前記被写体の表面に存在するV字グルーブ内の傾斜面の法線を画素単位で推定する法線推定部と、を備える画像処理装置。前記法線推定部は、前記輝度最大角画像から前記法線の方位角の候補を求める方位角処理部と、前記輝度変調度画像から前記法線の天頂角を求める天頂角処理部と、前記法線の方位角の候補から前記法線の1つの方位角を決定する方位角不定性処理部と、有している、請求項1に記載の画像処理装置。前記法線推定部によって推定された法線の画像を生成する法線画像生成部を備えている、請求項1または2に記載の画像処理装置。前記方位角不定性処理部は、非偏光照明下での画像に相当する非偏光輝度画像、または前記輝度変調度画像に基づいて、前記法線の方位角の候補から1つを選択する、請求項1から3のいずれかに記載の画像処理装置。前記変動輝度処理部は、前記撮像部によって取得された複数の輝度画像の加算平均を行うことにより、前記非偏光輝度画像を生成し、前記方位角不定性処理部に与える、請求項4に記載の画像処理装置。前記方位角不定性処理部は、前記非偏光輝度画像の空間的な勾配ベクトル、および、前記輝度変調度画像の空間的な勾配ベクトルの少なくとも一方に基づいて、前記法線の方位角の候補から1つを選択する、請求項4または5に記載の画像処理装置。前記偏光照明部および前記撮像部は、内視鏡に取り付けられている請求項1に記載の画像処理装置。前記偏光照明部は、非偏光の光を、偏光面を可変可能な偏光面変換素子を透過させることによって偏光面が3種類以上に順次変化する直線偏光を照射する請求項1から7のいずれかに記載の画像処理装置。前記偏光照明の光軸と前記撮像部の光軸との間の角度は15°以下である請求項1から8のいずれかに記載の画像処理装置。前記撮像部はモノクロ撮像素子またはカラー撮像素子を有している請求項1から9のいずれかに記載の画像処理装置。前記被写体の照明方向を仮想的に自在変化させるための照明方向設定部と、前記照明方向から照明された状態の前記被写体の輝度画像を前記法線推定部の出力に基づいて生成する輝度画像生成部と、を備える、請求項1から10のいずれかに記載の画像処理装置。前記偏光照明部は、前記被写体の表面の分光反射率特性が極小になる反射率に相当する波長帯域を透過する分光フィルタを出力段に備える請求項1から11のいずれかに記載の画像処理装置。前記偏光照明部は、非偏光の光を放射するリング型照明光源と、前記リング型照明光源から放射された非偏光の光を前記直線偏光に変換するリング型偏光面変換素子であって、前記直線偏光の偏光面の角度を順次変化させることができるリング型偏光面変換素子と、を備える請求項1から12のいずれかに記載の画像処理装置。偏光面の角度が異なる3種類以上の直線偏光を、順次、被写体に照射するステップと、前記3種類以上の直線偏光の各々によって前記被写体が照射されているときに、順次、前記被写体を撮像し、その際に前記被写体からの戻り光を、偏光子を介さずに受けて輝度値を取得するステップと、前記偏光面の角度と各画素の輝度値との関係を求め、各画素について前記輝度値が最大となる前記偏光面の角度によって定義される輝度最大角画像、および各画素について前記偏光面の変化にともなう前記輝度値の変動の振幅と輝度平均値との比率によって定義される輝度変調度画像を生成するステップと、前記輝度最大角画像および前記輝度変調度画像に基づいて、前記被写体の表面に存在するV字グルーブ内の傾斜面の法線を画素単位で推定するステップと、を含む画像処理方法。被写体を照射する直線偏光の偏光面の角度が3種類以上異なる複数の偏光画像を受け取り、画像処理により、前記被写体の表面に存在するV字グルーブ内の傾斜面の法線を画素単位で推定する画像処理プロセッサであって、前記複数の偏光画像から前記偏光面の角度と各画素の輝度値との関係を求め、各画素について前記輝度値が最大となる前記偏光面の角度によって定義される輝度最大角画像、および各画素について前記偏光面の変化にともなう前記輝度値の変動の振幅と輝度平均値との比率によって定義される輝度変調度画像を生成するステップと、前記輝度最大角画像および前記輝度変調度画像に基づいて、前記被写体の表面に存在するV字グルーブ内の傾斜面の法線を画素単位で推定するステップと、を実行する画像処理プロセッサ。本発明者らの実験によると、引用文献1に開示されているような撮像部では、1画素毎の正しい偏光情報を得ることができない。また、被写体の空間周波数との干渉によって偏光画像にモアレ発生が著しく、さらにカラーモザイクの一部が偏光モザイク化されるため、再現されるフルカラー画像の画質も劣化する。本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その主な目的は、画素単位で偏光情報を得ることができ、その偏光情報に基づいて被写体表面の凹凸情報を取得する画像処理装置を提供することにある。本発明の画像処理装置は、偏光面の角度が異なる3種類以上の直線偏光を、順次、被写体に照射する偏光照明部と、前記3種類以上の直線偏光の各々によって前記被写体が照射されているときに、順次、前記被写体を撮像し、その際に前記被写体からの戻り光を、偏光子を介さずに受けて輝度値を取得する撮像部と、前記撮像部から出力される輝度値を示す信号に基づいて、前記偏光面の角度と各画素の輝度値との関係を求め、各画素について前記輝度値が最大となる前記偏光面の角度によって定義される輝度最大角画像、および各画素について前記偏光面の変化にともなう前記輝度値の変動の振幅と輝度平均値との比率によって定義される輝度変調度画像を生成する変動輝度処理部と、前記輝度最大角画像および前記輝度変調度画像に基づいて、前記被写体の表面に存在するV字グルーブ内の傾斜面の法線を画素単位で推定する法線推定部とを備える。ある実施形態において、前記法線推定部は、前記輝度最大角画像から前記法線の方位角の候補を求める方位角処理部と、前記輝度変調度画像から前記法線の天頂角を求める天頂角処理部と、前記法線の方位角の候補から前記法線の1つの方位角を決定する方位角不定性処理部と有している。ある実施形態において、前記法線推定部によって推定された法線の画像を生成する法線画像生成部を備えている。ある実施形態において、前記方位角不定性処理部は、非偏光照明下での画像に相当する非偏光輝度画像、または前記輝度変調度画像に基づいて、前記法線の方位角の候補から1つを選択する。ある実施形態において、前記変動輝度処理部は、前記撮像部によって取得された複数の輝度画像の加算平均を行うことにより、前記非偏光輝度画像を生成し、前記方位角不定性処理部に与える。ある実施形態において、前記方位角不定性処理部は、前記非偏光輝度画像の空間的な勾配ベクトル、および、前記輝度変調度画像の空間的な勾配ベクトルの少なくとも一方に基づいて、前記法線の方位角の候補から1つを選択する。ある実施形態において、前記偏光照明部および前記撮像部は、内視鏡に取り付けられている。ある実施形態において、前記偏光照明部は、非偏光の光を、偏光面を可変可能な偏光面変換素子を透過させることによって偏光面が3種類以上に順次変化する直線偏光を照射する。ある実施形態において、前記偏光照明の光軸と前記撮像部の光軸との間の角度は15°以下である。ある実施形態において、前記撮像部はモノクロ撮像素子またはカラー撮像素子を有している。ある実施形態において、前記被写体の照明方向を仮想的に自在変化させるための照明方向設定部と、前記照明方向から照明された状態の前記被写体の輝度画像を前記法線推定部の出力に基づいて生成するとを備える。ある実施形態において、前記偏光照明部は、前記被写体の表面の分光反射率特性が極小になる反射率に相当する波長帯域を透過する分光フィルタを出力段に備える。ある実施形態において、前記偏光照明部は、非偏光の光を放射するリング型照明光源と、前記リング型照明光源から放射された非偏光の光を前記直線偏光に変換するリング型偏光面変換素子であって、前記直線偏光の偏光面の角度を順次変化させることができるリング型偏光面変換素子とを備える。本発明の画像処理方法は、偏光面の角度が異なる3種類以上の直線偏光を、順次、被写体に照射するステップと、前記3種類以上の直線偏光の各々によって前記被写体が照射されているときに、順次、前記被写体を撮像し、その際に前記被写体からの戻り光を、偏光子を介さずに受けて輝度値を取得するステップと、前記偏光面の角度と各画素の輝度値との関係を求め、各画素について前記輝度値が最大となる前記偏光面の角度によって定義される輝度最大角画像、および各画素について前記偏光面の変化にともなう前記輝度値の変動の振幅と輝度平均値との比率によって定義される輝度変調度画像を生成するステップと、前記輝度最大角画像および前記輝度変調度画像に基づいて、前記被写体の表面に存在するV字グルーブ内の傾斜面の法線を画素単位で推定するステップとを含む。本発明の画像処理プロセッサは、被写体を照射する直線偏光の偏光面の角度が3種類以上異なる複数の偏光画像を受け取り、画像処理により、前記被写体の表面に存在するV字グルーブ内の傾斜面の法線を画素単位で推定する画像処理プロセッサであって、前記複数の偏光画像から前記偏光面の角度と各画素の輝度値との関係を求め、各画素について前記輝度値が最大となる前記偏光面の角度によって定義される輝度最大角画像、および各画素について前記偏光面の変化にともなう前記輝度値の変動の振幅と輝度平均値との比率によって定義される輝度変調度画像を生成するステップと、前記輝度最大角画像および前記輝度変調度画像に基づいて、前記被写体の表面に存在するV字グルーブ内の傾斜面の法線を画素単位で推定するステップとを実行する。本発明の画像処理装置では、偏光面の角度が異なる3種類以上の直線偏光を、順次、被写体に照射する偏光照明部と、3種類以上の直線偏光の各々によって被写体が照射されているときに、順次、被写体を撮像し、その際に前記被写体からの戻り光を、偏光子を介さずに受けて輝度値を取得する撮像部とを備えているため、特別な偏光撮像素子を新たに開発する必要なしにカラー画像と同時に輝度最大角画像、輝度変調度画像に相当する情報を取得することができる。そして、これらの画像から表面凹凸の法線情報を得る。通常のカラー撮像素子をそのまま利用することができるので、高コストの偏光撮像素子を使う必要もモアレなどにより画質を劣化させることもなく、表面凹凸を視認するための情報を取得することができる。本発明による画像処理装置の例は、図1Aに示すように、偏光照明部120と、撮像部140と、変動輝度処理部160と、法線推定部170とを備えている。変動輝度処理部160および法線推定部170は、画像処理部150に含まれている。偏光照明部120は、偏光面の角度が異なる3種類以上の直線偏光を、順次、被写体100に照射する。本発明が撮像の対象とする被写体100の表面には、複数の溝以下、グルーブと称する100aが存在する。被写体100が例えば生体の臓器表面には、複数のグルーブが観察される。直線偏光は、被写体100の表面に存在するグルーブ100aによって反射され、撮像部140に入射する。撮像部140は、3種類以上の直線偏光の各々によって被写体100が照射されているときに、順次、被写体100を撮像し、その際に前記被写体からの戻り光を、偏光子を介さずに受けて輝度値を取得する。本明細書において、戻り光とは、偏光照明部120から出た光のうち、被写体100の表面によって反射され、撮像部140に入射する光を意味する。照明光源120からの光によって被写体100の表面に存在するグルーブ100aの内部を照らすためには、偏光照明部120の光軸と撮像部140の光軸との間の角度を大きくしすぎないことが好ましい。偏光照明部120の光軸と撮像部140の光軸との間の角度は、例えば15°以下に設定される。図1Bは、偏光面の角度が異なる3種類の直線偏光の偏光方向を模式的に示す斜視図である。図示されている3つの偏光状態10、12、14は、それぞれ、角度の異なる偏光面を有している。図1Bの各偏光状態10、12、14を模式的に示すサークルの内部には、双方向の矢印が記載されている。この矢印は、直線偏光の偏光面を規定する電場ベクトルの振動方向を示している。図1Bには、右手系のXYZ座標を示している。本明細書では、撮像部140によって取得される画像面内にX軸およびY軸を設定し、Z軸の向きを視線光軸方向に設定する。直線偏光の偏光面は、振動する電場ベクトルに平行な、光軸を含む平面である。上記の座標系を採用する場合、直線偏光の電場ベクトルの振動方向はXY平面に平行である。このため、偏光面の角度ΨIは、X軸の正方向に対して偏光方向電場ベクトルの振動方向が形成する角度によって規定される。この角度ΨIについては、後に図3を参照して、より詳しく説明する。本発明では、偏光照明部120から、偏光面の角度が異なる3種類以上の直線偏光が、順次、被写体100に照射され、撮像部140が、3種類以上の直線偏光の各々によって被写体100が照射されているときに、順次、被写体100を撮像し、その際に前記被写体からの戻り光を、偏光子を介さずに受けて輝度値を取得する。再び図1Aを参照する。変動輝度処理部160は、撮像部140から出力される輝度値を示す信号に基づいて、偏光面の角度と各画素の輝度値との関係を求め、輝度最大角画像および輝度変調度画像を生成する。本明細書において、輝度最大角画像とは、撮像によって得られた画像を構成する各画素について、輝度値が最大となる偏光面の角度によって定義される画像である。例えば、ある座標x、yによって特定される画素Px、yの輝度値が、角度45°の偏光面を有する直線偏光によって被写体100が照射されたときに最大になる場合、その画素Px、yに対して、輝度最大角である45°の値が設定される。1つの輝度最大角画像は、このような輝度最大角の値を各画素に設定することによって構成される。一方、輝度変調度画像とは、各画素について偏光面の変化にともなう輝度値の変動の振幅と輝度平均値との比率によって定義される画像である。ある画素Px、yにおける輝度変調度が0.3であるならば、この画素Px、yに対して0.3の値が設定される。1つの輝度変調度画像は、このような輝度変調度の値を各画素に設定することによって構成される。このように、本明細書における画像とは、人間の視覚によって直接的に認識される輝度画像を意味するだけではなく、複数の画素の各々に与えられた数値の配列を広く含むものとする。例えば1つの輝度最大角画像を表示する場合、輝度最大角画像の各画素に設定されている輝度最大角の値に応じた明度で画像を表示することができる。このようにして表現された輝度最大角画像は、人間の視覚によって認識できる明暗のパターンを含んでいるが、これは、被写体の輝度を示す通常の輝度画像とは異なるものである。また、本明細書では、簡単のため、各種の画像を示すデータそのものを画像と称する場合がある。図1Aに示される法線推定部170は、輝度最大角画像および輝度変調度画像に基づいて、被写体100の表面に存在するV字グルーブ100a内の傾斜面の法線を画素単位で推定する。V字グルーブ100aを真正面から観察するとき、V字グルーブ100a内の傾斜面の法線の方位角は、V字グルーブ100aが延びる方向に垂直である。本発明の好ましい実施形態では、まず、V字グルーブ100aの方向、すなわち、V字グルーブ100a内の傾斜面の法線の方位角を決定する。そして、V字グルーブ100a内の傾斜面の法線の天頂角を決定する。本発明における法線推定部170が、どのような原理に基づいてV字グルーブ100a内の傾斜面の法線を画素単位で推定するかについては、後に詳しく説明する。実施形態1図1Cは、本発明の実施形態1における画像処理装置の全体構成を模式的に示す図である。本画像処理装置は、内視鏡101と制御装置102とを備える。内視鏡101は、撮像センサを有する先端部113、ライトガイド105と映像信号線111を有する挿入部103とを有している。内視鏡101の挿入部103は、図示されているようにも左右に長く、フレキシブルに曲がり得る構造を有している。ライドガイド106は曲がった状態でも光を伝達することができる。なお、内視鏡には、本実施形態のようにフレキシブルな挿入部103を有する軟性鏡と、フレキシブルではない挿入部を有す硬性鏡が存在する。内視鏡のもう1つのタイプである硬性鏡は、挿入部103はリレー光学系などを用いて後方に位置する撮像素子へ戻り光を導く構造を有している。本発明は、軟性鏡と硬性鏡のいずれに対しても適用可能である。制御装置102には光源104と画像処理プロセッサ108と同期装置112とが含まれる。光源104から発した白色非偏光の光は、ライトガイド105を経由して先端部113の偏光面制御素子106に導かれる。偏光面制御素子106は、例えば偏光板と液晶素子から構成されており、電圧により非偏光を任意の偏光面の直線偏光へと変換できる。偏光面制御素子106は、液晶を用いた偏光面を回転させることが可能なデバイスである。その構成例は、特許文献2、3ならびに非特許文献1等に既に開示されている。偏光面制御素子106は、例えば強誘電性液晶と、偏光フィルムと、1/4波長板などを組み合わせた電圧印加型液晶デバイスで構成され得る。偏光面制御素子106は、光源104で発生し、ライトガイド105を通過した非偏光の光を、任意の角度に偏光面を有する直線偏光へと変換する。同期装置112は、偏光面制御素子106に偏光面回転の指示を送って照明の偏光面を回転させる。この偏光照明は、照明レンズ107を通って被写体に照射される。同期装置112は同時に撮像素子110に撮影開始信号を送って映像を取得し、以上の処理を複数回実施する。被写体からの戻り光は、撮影レンズ109を通って撮像素子110上に結像する。この撮像素子110はモノクロ撮像素子、あるいはカラーモザイクを有する単板カラー撮像素子であってよい。撮像映像の信号は映像信号線111を経由して画像プロセッサ108に到達する。本実施形態では、光源104、ライトガイド105、偏光面制御素子106、および照明レンズ107によって図1Aの偏光照明部120が実現されている。また、撮影レンズ109および撮像素子110によって図1Aの撮像部140が実現されている。図1Aの変動輝度処理部160および法線推定部170は、画像プロセッサ108によって実現されている。次に、図2を参照して、偏光面制御素子106の動作を説明する。偏光面が0°状態203で第1の画像を撮像し、偏光面が45°状態204で第2の画像を撮像し、偏光面が90°状態205で第3の画像を撮像し、偏光面が135°状態206で第4の画像を撮像する。この角度は、45°以外でもよく、180°を3以上の整数で除算した角度であればかまわない。撮像素子が高感度である場合、あるいは照明の照度が高い場合には露光時間が短縮できるので、回転角をより細かく設定できる。偏光面の回転に要する時間は、上記文献によれば、動作速度は20ms程度の遅いものから40~100μsec程度の高速型まで存在する。高速型の液晶を用いてかつこの時間での撮像が可能な程度まで撮像素子の感度を上げれば、4方向の偏光回転を実施して撮影しても、動画映像の撮影に十分な性能を持たせることが可能である。図1Cから明らかなように、照明レンズ107の光軸と撮影レンズ109の光軸は略等しい。これは内視鏡での観察時に被写体上になるべく影を発生させないためである。なお、内視鏡の通常の使い方では、非偏光を被写体に照射したい場合が多い。本発明では、例えば上記第1の画像から第4の画像までの別々の偏光画像を加算することによって非偏光の平均輝度画像を生成することができる。本発明者らの実験によると、偏光面の角度ΨIが等間隔の複数の偏光を被写体に照射したときの戻り光の画像を加算すると、偏光の効果が打ち消されるため、結果的に非偏光照明を用いたのと同様の効果が得られることが判明している。図3は、偏光照明における偏光面の角度ΨIの定義を示す図である。前述したように、被写体に向かってX-Y座標系を設定している。偏光面の角度ΨIは、X軸負向きを0°としてY軸正向きを正向に定義するものとする。角度ΨIが反射において保存される場合には、反射光の偏光面の角度と入射光の偏光面の角度は同一となる。偏光面の角度ΨIを増加または減少させていくと、180°の周期で同一の偏光状態が繰り返される。すなわち、偏光面の角度ΨIを変数とする関数は、180°の周期を有する周期関数である。なお、本明細書において、偏光照明における偏光面の角度ΨIを、入射偏光面角度と称する場合がある。図4aおよびbは、それぞれ、撮像素子110の撮像面の構成例を示す図である。図4aに示すように撮像面には、複数の光感知セルフォトダイオードが行および列状に規則的に配列されている。カラー撮像の場合には、図4bに示すにRGB3種の波長を透過するカラーモザイクフィルタが設置される。個々の光感知セルは、光電変換により、入射した光の量に応じて電気信号を生成する。このように撮像素子110としては、従来の輝度画像用のものを利用できる。本実施形態では、照明光を直線偏光として、その偏光面を回転させながら撮像することによって被写体の表面情報を取得する。カラー画像と偏光画像を同時取得する方法では、本発明のように偏光取得を時間軸に展開する方法のほか、カラー撮影を時間軸上に展開するいわゆるカラー面順次方式も考えることができる。図5は、このような別の構成を示す図である。図1Cの構成と異なるのは、光源104からの非偏光白色が回転カラーフィルタ501によってカラー照明となり、時間的に順次照射されることである。ライトガイド105は、このカラー照明をそのまま透過する。被写体からの戻り光は一般に偏光しているが、撮像素子はモノクロ画像用でよい。このため、例えば特許文献4に記載されているようなパターン偏光子を用いたモノクロ偏光画像撮像素子を適用できる。図6は、このようなパターン偏光子を配置したモノクロ偏光画像撮像素子の例である。このような撮像素子は、特許文献4に開示されているフォトニック結晶を用いた偏光イメージング素子によって構成され得る。このモノクロ偏光撮像素子のパターン偏光子は波長依存性を有するため、RGBの全波長帯での偏光画像は得られない。例えばパターン偏光子をBの波長域に対応するもので設計すると、Bの偏光画像しか得られない。さらに偏光画像、特に偏光度および偏光角度を得るためには、偏光モザイクの空間的処理画像にて2×2のセルでの空間的な一種の差分操作を実施することになり、その影響でB偏光画像にはモアレが発生することが避けられない。このパターン偏光子を用いた場合のモアレ発生は、単なる画素サンプリングによるモアレとは異なり上記のように偏光画像を得るための空間的画像処理に主原因があり本願発明者らの実験によれば通常の画素サンプリングのモアレ発生にくらべ非常に著しいことが判明している。このように図5の構成においては偏光観察における画質が大きく劣化してしまう。本実施形態では、通常の撮像素子を用いて偏光情報を1画素単位で得ることができ、この問題が回避される。すなわち、本実施形態における撮像部は、偏光子を介することなく、戻り光を受け、輝度値を示す信号を出力する。さらにカラーRGB各波長成分にて偏光画像が得られる。コスト高となる偏光撮像素子も不要となる。次に偏光照明の偏光面を回転した時の輝度の変動について説明する。以下の説明では、被写体は生体臓器粘膜ではなくプラスチックや木など一般的な材質の物体を例にとる。これは、粘膜表面での反射が基本的には鏡面反射であるためであり、反射は被写体の材質に依存することなく物理現象として同一とみなせるためである。図7Aおよび図7Bは、本発明者らが表面の滑らかな陶器製コップと表面に微細凹凸を有する木の板を被写体として偏光撮像をした画像を示す。図7Aの左側に位置する2つの画像は、入射偏光面角度ΨI=0°の偏光照明で被写体が照射されているときの輝度画像である。一方、図7Aの右側に位置する2つの画像は、入射偏光面角度ΨI=90°の偏光照明で被写体が照射されているときの輝度画像である。図7Bの4つの画像は、それぞれ、図7Aの4つの画像を模式的に描いた図である。図7Aおよび図7Bの上段に位置する画像から明らかなように、表面が滑らかな陶器では、偏光照明の偏光を変化させても輝度パターンの変化はあまり観測されなかった。しかし、多くの凹凸が存在する木の板では、図7Aおよび図7Bの下段に位置する画像から明らかなように、偏光照明の偏光面の角度ΨIを変化させると、観測される輝度画像に大きな変化があることが判明した。このような差は、以下のように説明される。図8は、表面801に対して入射角がゼロに近い偏光が入射して直接反射をカメラで観測する様子を示している。図8a、bでは、入射する偏光の偏光面が90°異なっている。しかし、反射光の直線偏光は、光の進行方向が変わるだけでエネルギーである輝度は入射光とほぼ同一である。これは以下の理由による。図9は、フレネル理論による鏡面反射率の入射角依存性を示すグラフである。横軸が入射角、縦軸がフレネル反射率を示す。屈折率はNN=1.8を想定した。垂直入射とみなせる0°~15°付近の入射角度は、範囲901に相当する。グラフから読み取れるように、この入射角範囲901では、P波もS波も反射率がほぼ同一である。したがって、偏光がほぼ垂直に表面に入射した場合には、表面に対するP波とS波という偏光の区別が無くなって同じ挙動で反射する。なお、この事実は、屈折率n=1.4~2.0の自然物体において、広く成立する。以上のように、滑らかな表面に対して入射角度がほぼゼロで偏光が入射し、それが1回反射して観測される場合、偏光照明の偏光面を角度ΨIだけ回転させても反射光のエネルギーが変わらないため、観測される輝度Yは不変となる。図10Aは、木の板の表面に入射する光偏光照明の偏光面を変化させながら輝度画像を撮影した場合における同一画素の輝度変動を示すグラフである。図10Bは、撮像対象となる木の板の輝度画像非偏光照明時の輝度画像である。図10Cは、図10Bに示される木の板の表面の凹凸を模式的に示した図である。図11は、偏光照明の偏光面の角度ΨIが0°、45°、90°、135°のときに得られた輝度画像の特定の画素における輝度Yの変動を示している。このグラフから、輝度Yは各偏光照明の偏光面の角度ΨIに対して周期的に変動を示すことがわかる。木の板の表面は滑らかではなく多くのグルーブが存在し、そこで入射光が多重反射する。そのため輝度Yは、照明の偏光角度ΨIに依存して変動を起こすのだと考えられる。この理由を詳述する。図12は、表面にグルーブ1201が形成され、その斜面で2回の多重反射が発生している様子を示す。この多重反射は、表面の凹凸が多い被写体表面、例えば布、木材、人の肌、皮など様々な自然物で発生していると考えられる。1回目と2回目の反射の性質が重要となり、3回目以降の多重反射は輝度が小さくほぼ無視できるので2回反射のみを考える。一般に反射の性質を鏡面反射と拡散反射に分離した場合、11回目:拡散反射2回目:鏡面反射21回目:拡散反射2回目:拡散反射31回目:鏡面反射2回目:拡散反射41回目:鏡面反射2回目:鏡面反射の4通りの現象が想定できる。このうち、1と2は最初の反射によって拡散光として非偏光となり、あらゆる方向に反射する。しかし実験によると被写体が着色しており輝度が暗い場合はこの1回目の拡散反射成分は比較的弱い。これは被写体の内部への光の浸透が少ないことを意味し、フレネル理論によればそれと相補的な34の鏡面反射の現象が優位となる。また、3のように2回目を拡散反射と考えた場合には、その入射と反射の幾何学的関係から、当然、4も同時に発生していることがわかる。この場合には、偏光度、輝度のいずれの基準でも、鏡面反射が主たる輝度成分となる。以上から、4の1回目も2回目も鏡面反射という現象を主要な現象として考えればよい。グルーブの斜面の表面は完全に滑らかではなく、照明光も完全な平行光ではない場合には、鏡面反射といえども理想的な鏡面とは異なる。このため実験によれば正反射条件を完全に満たさない位置でも、この2回反射は比較的容易に観測、撮像でき、その偏光特性は鏡面反射で起因するものであることが確認できた。次に図12a、bを参照する。図12aおよび図12bには、それぞれ、被写体の表面に存在するグルーブ1201の一部が示されている。グルーブ1201の少なくとも一部は、被写体表面上において、一方向に延長している。この延長方向を主軸方向と称する。現実のグルーブ1201は、直線的に延びている必要はなく、曲線的に延びていてもよい。曲線的に延びているグルーブであっても、その一部は、近似的に主軸方向に延びる直線的なグルーブとみなすことができる。なお、被写体表面に存在するグルーブ1201の断面は、V字形状によって近似することができる。このため、生体の臓器表面に存在するようなグルーブは、V字グルーブと称することができる。このようなV字グルーブの断面は、厳密な意味でV字である必要はなく、曲面を含んでいてもよい。概略的にV字型の断面を有するグルーブが被写体表面に存在すれば、以下の説明が適用可能である。後に参照する図22に示されているような、隣接する2つの凸面に挟まれた凹部が紙面に垂直な方向の延びる構造も、V字グルーブの一例である。図12aで示すように、グルーブの主軸方向1202に対して垂直に入射する偏光照明はP波である。再び図9を参照すると、被写体のグルーブ1201の傾斜角が45°程度と仮定して、そこに真上から照明が入射すると、フレネル反射率のグラフから読み取れるとおり、この入射角範囲902では、S波にくらべてP波の反射率が極めて弱くなる。さらにP波は1回および2回反射を経由する間にさらに弱くなる。一方図12bで示すS偏光は、2回の反射を経てもそれほど弱まらない。その結果、グルーブに対してP波となる入射偏光面においては、反射光はエネルギー的にも極めて弱くなり、輝度が低下する。一方、S波となる入射偏光面においては、反射光はそれほどエネルギーが減衰せず輝度も高い。以上のように表面グルーブを仮定すれば、実験にて得られた入射光の偏光面の回転による反射光の輝度変化が説明できる。グルーブにおける偏光照明の2回反射によって得られる輝度Yの変化の関数形が、非偏光を入射した場合と実質的に同等の変動をすることを本願発明者は見出した。以下、この点を説明する。図13aは、被写体表面のグルーブを表面の直上から見た図である。これは図12を上から見ることに相当する。図13aには、撮像画像面に平行なX-Y座標が記載されている。グルーブ1201の主軸方向1202に垂直な方向とX軸の正部分との間に形成される角度がΨで示されている。図13bは、被写体に入射する偏光照明の偏光面の角度ΨIを示しており、図13cは、図13aの内容と図13bの内容を1つに表示した図である。以降、グルーブの向きを角度Ψにて指定するものとする。これはグルーブの主軸の方位角と90°異なっている。図14Aは、簡単のためΨI=0として偏光面がX軸に合致している場合にグルーブに対して垂直と水平方向に分配される入射光エネルギーを説明するための図である。グルーブの方向は、角度Ψによって特定されている。入射光が図12に示すようにグルーブ内で2回反射を起こすと仮定する。このとき、ある角度φの偏光面を有する直線偏光の輝度を観測する。図14Bは、輝度が観測される直線偏光の角度ψを示す図である。角度φにおける偏光輝度をIΨ、φとすると、これは以下の式で表現できる。ただし、グルーブの方向Ψおよび主軸方向π/2-Ψのエネルギー反射率を、それぞれ、AおよびBとしている。この偏光輝度IΨ、φは、式1の変形をすることにより、以下の式2で表される。この式2から、偏光輝度IΨ、φはφについて周期πで変動することがわかる。ここで、入射偏光面角度を0°でなく、一般的なΨIとする。以上の議論から、入射偏光面角度がΨI、観測角度がφの場合の偏光輝度は、以下の式で与えられる。この式で示される偏光輝度は特定方向の観測角度φにおいて観測される偏光輝度であるから、非偏光の平均輝度の観測を行う場合には、式3に示される偏光輝度を観測角度φについて1周期積分すればよい。1周期とは180°=πである。この積分によってφに関する正弦関数、余弦関数はゼロになる。すなわち、入射偏光面角ΨIの偏光が角度Ψで特定されるグルーブに入射し、2回反射する場合に観測される輝度PYΨI、Ψは、以下の式のようにΨIについて180°の周期関数で表現される。輝度PYΨI、Ψが式4に示すようなΨIの余弦関数となる場合、輝度PYΨI、Ψは、Ψ=ΨIで最大値をとる。このため、輝度PYΨI、Ψが最大となる角度Ψ=ΨIを輝度最大角YPHと称する。また変動の振幅については余弦関数項が1~―1に変動することを考慮し、輝度変動の変調度を考えることができる。この比率を輝度変調度YDと称することとする。この輝度変調度YDは以下の式で得られる。なお、輝度最大角YPHおよび輝度変調度YDは、画素単位で与えられる。このため、画像を構成する各画素に輝度最大角YPHを設定した画像を輝度最大角画像YPHと称する。同様に、画像を構成する各画素に輝度変調度YDを設定した画像を輝度変調度画像YDと称する。この輝度最大角YPHおよび輝度変調度YDは、それぞれ、通常の偏光観測における偏光主軸角および偏光度に対応する量であるが、その量的関係は明確ではなかった。そこで、両者の関係を明確にするため、非偏光の照明をグルーブに入射した場合の2回反射の偏光状態について検討する。図15は、非偏光の光1501がグルーブに入射する場合の図である。非偏光の光1501がΨの角度を有するグルーブに入射する場合には、エネルギーはグルーブの主軸方向とその垂直方向に均等に分配されると考えられるため、エネルギー反射率A,Bを乗じたエネルギーがグルーブの主軸方向とその垂直方向に射出される。φの角度で偏光観測した場合、図12における説明から、偏光輝度はグルーブの主軸方向において最大値反射率Bをとり、主軸の垂直方向にて最小値反射率Aをとる。偏光度DOPを計算すると、となる。上記の議論から、偏光照明における偏光面の角度ΨIを回転させた場合の輝度変動の位相角である輝度最大角YPHと非偏光照明時の偏光主軸とは一致することが判明した。同様に偏光照明における偏光面の角度ΨIを回転させた場合の輝度変動の振幅である輝度変調度YDと非偏光照明時の偏光度DOPとが一致することも判明した。よって、非偏光の照明を前提としたフレネル反射理論と表面法線の議論を本発明における偏光輝度の変動に利用することができる。本実施形態における画像処理プロセッサ108は、上述の輝度最大角画像YPHおよび輝度変調度画像YDを得て、被写体の表面凹凸情報を取得する。次に、図16を参照して、画像処理プロセッサ108の構成例と動作を説明する。図16は画像処理プロセッサ108の構成を示すブロック図である。照明の入射偏光面角度ΨIを0°、45°、90°、135°と変え、それぞれの入射偏光面角度ΨIの偏光で被写体を照明しながら、4枚の輝度画像からなる輝度画像群1601が取得される。こうして撮像された4枚の輝度画像群1601が画像処理プロセッサ108の変動輝度処理部160に入力される。前述のように、偏光照明の偏光面を回転した場合の輝度変動は周期180°の余弦関数になる。変動輝度処理部160では、輝度変動を余弦関数にフィッティングする。輝度変動を示すYΨIは、照明の偏光面の角度ΨIを変数として以下のように表現される。図17は、この輝度変動の余弦関数を示したものであり、上記の振幅AI、位相Ψo、平均値YΨIaveの意味を表している。4個のサンプル点は、簡単のため、この余弦関数上にちょうど載るように描かれている。4つの等間隔の角度サンプルから余弦関数をフィッティングして上記の値を推定する手法は、以下のとおりである。まず、非偏光照明下での原画像の輝度YΨIaveを以下の式で求める。この式の右辺は、ΨI=0°、45°、90°、135°の偏光照明で照射された被写体から得られる4つの輝度画像を加算し、平均化することを意味している。輝度YΨIaveは近似的に非偏光照明下での輝度画像を再現しており、内視鏡の通常観察画像として利用することができる。このため、輝度YΨIaveを非偏光平均輝度画像と称することができる。次にサンプルされた輝度から余弦関数への最小2乗誤差を用いた最適フィッティングを行う。ここでは、0°、45°、90°、135°という4方向のサンプルから実施する。余弦関数は振幅、位相、平均値の3種の情報で決定されるため、これらを決定するためには3点のサンプル以上であれば実際には何点でもかまわない。しかし、45°サンプルの場合には最適フィッティングが簡単になる性質がある。まず偏光角度が0°、45°=π/4、90°=π/2、135°=3π/4における輝度の2乗誤差Eを以下のように定義する。この2乗誤差を最小化する余弦関数の位相Ψoは、以下の式から求められる。この式から、解は、次の式で与えられる。逆三角関数などの数学関数では一般に以下のような制限が課されている。この角度範囲を考慮すると、aとcの大小関係からの場合わけを行うことによって、最小値をとる角度と最大値をとる角度は以下のように計算できる。この最大値をとるΨ0maxの値を、そのまま、輝度最大角画像YPHとすればよい。次に、振幅の最大値と最小値を求める。まず、振幅AIを求めるため、以下の式を用いて2乗誤差の最小化を行う。振幅AIを用いて、振幅の最大値と最小値は以下のようになる。そこで式5に式18の振幅最大値Ymaxと最小値YminをそれぞれMAX、MINとして用いると輝度変調度画像YDが求められる。なお余弦関数への一般の最適フィッティングは3点以上のサンプルにおいて可能であり、その方法は例えば特許文献5に記載されている。以上の処理によって輝度最大角画像YPHと輝度変調度画像YDが得られる。図16では、輝度最大角画像YPHに参照符号YPH、輝度変調度画像YDに参照符号YPHを付している。図16に示すように、輝度最大角画像YPHは方位角処理部1604に、輝度変調度画像YDは天頂角処理部1606にそれぞれ送られる。図18Aは、被写体の表面の法線方向を特定する2つの角度、すなわち方位角と天頂角を示す図である。法線ベクトルは、3次元ベクトルであるが、長さが1に正規化されている。そのため、法線ベクトルの自由度は2であり、角度で表現する場合には、画面内の方位角Ψと、視線に対する天頂角θとによって表現される。通常の右手系では、画像内にX-Y軸を設定し、Z軸の向きが視線光軸方向となる。法線の3成分Nx,Ny,Nzとの関係は図に示すとおりである。方位角Ψと天頂角θが求められたなら、その点での表面法線は以下のようになる。方位角処理部1604では、輝度最大角画像YPHを用いて方位角Ψを算出する。ここで上述の議論から非偏光を入射した場合の鏡面反射に関するフレネル理論を参考にする。この理論では、非特許文献2にあるように非偏光が入射してそれをカメラの前の偏光板で偏光観測する。このとき、被写体表面で鏡面反射した反射光ではP波が減衰し、S波が優位となる。このため、グルーブ表面の法線の方位角Ψは、輝度が最小となる偏光面の角度に等しくなる。この方位角Ψで定まる方向は、輝度が最大となる偏光面に直角の方向に合致する。これを本発明の偏光照明に適用すると、グルーブ表面の法線の方位角Ψは、偏光輝度最大角の方向に直角の方向に合致する。すなわち、輝度最大角画像YPHを用いて、方位角Ψを求めることができる。ここで問題となるのは、非特許文献2で、180°ambiguityと紹介されているとおり、この方位角Ψに180°の不定性があることである。すなわち、グルーブ表面の法線の方位角Ψとして、180°異なる2つの候補が求められる。この2つの候補から1つを選択することを、ここでは不定性の処理と称する。図16に示す方位角不定性処理部1607では、不定性の処理を行うため、非偏光輝度画像1612、あるいは輝度変調度輝度変調度画像YDを用いる。次に、図19Aおよび図19Bを参照して、方位角不定性処理部1607の処理内容を説明する。図19Aには、グルーブの輝度画像および断面構成1902が示されている。個々の画素のサイズよりもグルーブは大きいため、1つのグルーブ内で輝度分布が存在する。なお、グルーブの断面構成1902は、2つの傾斜面を有しており、傾斜面の傾斜角度は30~60°の範囲内にある。照明光がグルーブにほぼ直上から照射されると、輝度画像においては、網点で示す領域1903で輝度値が高く明るくなり、グルーブの底辺付近領域1913で輝度値が低く暗くなる。すなわち、グルーブの内部で輝度値が勾配を持つ。非偏光照明下で得られた輝度YΨIaveに空間的な微分処理を実施して、輝度値の勾配ベクトルを算出すると、輝度勾配ベクトル1904、1905が得られる。勾配ベクトル1904、1905は、グルーブ内の2つの傾斜面の各々について算出される。一方、輝度最大角画像YPHで求められる方位角Ψは180°の不定性を有するため、A点においては、2つ候補1906a,1906bが得られ、B点においては、2つの候補1907a,1907bが得られる。ここでこれらの候補のベクトルは図19Aでは、グルーブの正しい向きとは多少ずれて表示されているが、これは以下の角度差の説明をわかりやすくするためで本質的ではない。そして、輝度勾配ベクトルに対する角度差の大きい方の方位角Ψを採用すると、A点においては候補1906aが、B点においては候補1907aがそれぞれ採用される。そのため、A点では下向きの矢印で示される候補1906aの方位角Ψが選択され、B点では上向きの矢印で示される候補1907aの方位角Ψが正しく求められる。次に、図19Bを参照しながら、輝度変調度画像YDによって2つの候補から1つを選択する例を説明する。照明光がグルーブに対してほぼ直上から照射されると、グルーブ内での2回反射のため、グルーブ底面付近で偏光度DOPが高くなる。前述の理論から偏光照明を回転した場合の輝度変調度値も同様の挙動を示す。そのため、輝度変調度画像YDにおいては、グルーブ底辺付近1913の領域1908で値輝度変調度が大きくなり、グルーブの外側では値が低くなる。そこで輝度変調度画像YDの勾配ベクトルを計算すると、輝度変調度勾配ベクトル1909、1910が算出される。一方、輝度最大角画像YPHで求められる方位角Ψは、180°の不定性を有するため、A点においては、2つ候補1911a,1911bが得られ、B点においては、2つの候補1912a,1912bが得られる。ここで、輝度変調度の勾配ベクトルと輝度最大角との角度差の評価値を使って、角度差の小さいほうの方位角Ψを採用すると、A点においては候補1911aが、B点においては候補1912aがそれぞれ採用される。なお、図19A,図19Bでは、勾配ベクトルの算出箇所と法線ベクトルの算出箇所とが異なるように描いてあるが、これは便宜上のためである。実際の画像処理において、勾配ベクトルは法線ベクトルを推定するA点、B点の位置で正確に算出する。なお、以上の説明では、輝度勾配ベクトル、あるいは輝度変調度ベクトルを単独で使っても正しく法線ベクトルが求められると錯覚するが実際は、これらの情報は空間微分による多くのノイズを含んでおり単独では全く信頼性がない。本発明の偏光照明を用いた輝度最大角画像と一緒に用いて初めて有用な情報となっていることに注意されたい。図19Cは方位角の決定手順のフローチャートである。ステップS19C01でグルーブの方位角Ψの候補Ψ1を、輝度最大角画像YPHの値輝度最大角を90°回転することによって求める。ステップS19C02で、候補Ψ1を180°回転したもう1つの方位角候補Ψ2を求める。ステップS19C03では、輝度勾配、あるいは輝度変調度のいずれかから求められた勾配角gradangleと候補Ψ1、Ψ2との角度差の評価値Δ1、Δ2を算出する。輝度勾配を使うか、輝度変調度を使うかは被写体の表面凹凸の性質に従って決定すればよい。しかし輝度の変動がそのまま表面法線を表現するような簡単な状況は実際には少ない。多重反射、その他の工学的影響によって輝度は法線意外の影響で種々に変化する。それに比較すると輝度変調度画像は、安定的に取得できる特徴で、しかも本発明で開示したように偏光照明に工夫すれば観測する撮像素子側には特別な工夫なしで取得できるため有効性が大きい。ステップS19C04で、輝度勾配を使うのか、輝度変調度勾配を使うのかを選択する。前者の場合には、ステップS19C05の条件が設定されてΨ1、Ψ2のうち角度差が大きい方が選択され、Ψが決定される。一方、後者の場合には、ステップS19C06の条件が設定されて、Ψ1、Ψ2のうち角度差が小さい方が選択されてΨが決定される。天頂角処理部1606では、輝度変調度画像YDを用いて天頂角θを算出する。現段階では表面グルーブの2回反射において偏光度と天頂角θの関係を正確に理論的に解明した従来技術はない。本実施形態では、非偏光を入射した場合のフレネル理論を採用する。この場合には、非特許文献2に記載されているように、非偏光が入射してそれをカメラの前の偏光板で偏光観測する。このとき、被写体表面にて鏡面反射した反射光の偏光度DOPを算出すると、表面の法線の天頂角と、このDOPとの間には屈折率NNを用いたフレネル理論の曲線の関係が成立する。これを本発明の偏光照明に適用すると、輝度変調度画像YD値をDOPの代わりに用いて天頂角が決定される。ただし、非特許文献2、および非特許文献3でも説明されているように、この天頂角にはブリュースター角を挟んだ不定性がある。この不定性を説明する。図20Aは照明の入射角と偏光度DOPの関係を、屈折率NNを1.5から3.0まで変えながら描いたものである。入射角はそのまま表面の天頂角となる。屈折率を大きくすると最大位置が角度の大きな方向に55°から70°付近まで移動する。偏光度DOPは、非偏光の入射光が入射角θで被写体表面に入射しおなじ出射角θにて鏡面反射する場合には、材質の屈折率NNを用いて以下のそのフレネル反射の式から計算される。上記の不定性とは、DOPから天頂角を求める場合に曲線が最大となる角度であるブリュースター角を挟んで2つの角度が推定されて一方に決定できなくなることである。図20Bは、このブリュースター角を挟んだ不定性を解決する方法を示す図である。内視鏡で観察される生体内の表面粘膜によるグルーブ傾斜角は、ほぼブリュースター角相当の55°以下になるという仮定をおく。そして探索範囲を図20Bに示す0°からブリュースター角までに制限することにより困難を解決している。図20Cは、天頂角を決定するためのフローチャートである。ステップS20C01では、偏光度差の最大値MINDIFを設定し、ステップS20C02では、ブリュースター角θBを屈折率NNから理論的に求める。ステップS20C03でθを0°にセットしてS20C04でブリュースター角より小さいならば以降の計算を行う。まずステップS20C05にて式21で示した理論的な偏光度DOPを求めておき、ステップS20C06にて、このDOPと輝度変調度YDとの差分絶対値DIFを計算する。ステップS20C07にてこのDIFがMINDIFより小さい場合には、θMINをこのθにセットし、MINDIFにDIFをセットする。そしてS20C09にてθの角度を1°刻みにて増加してループ処理を継続する。ステップS20C04にてこのループ処理を脱出した場合にはθMINを天頂角に決定する。法線画像生成部1608では、求めた方位角φと天頂角θから式19を用いてカメラ座標系における被写体表面の法線ベクトルNx,Ny,Nzを求め、これを2次元的な法線画像とする。輝度画像生成部1609では、求められた法線画像に対して、カメラ視点方向と照明光源方向を与えることによって物理反射モデル式を用いて輝度画像を生成する。ここでは被写体の鏡面反射をよく表現するモデル式としてクック=トランスモデルを使用する。それによると輝度Isは以下の式で表される。図18Bはクック=トランスモデルを用いる場合のベクトルと角度の関係を示す図であり、表面法線Nと、光源ベクトルLと視点ベクトルVが描かれている。光源ベクトルLと視点ベクトルVの2等分ベクトルHを用いると、上式におけるαは、2等分ベクトルHと法線Nとのなす角度であり、θrは視線ベクトルと法線Nのなす角度である。フレネル係数Fおよび幾何減衰率Gは以下の式で表現される。また係数Kは入射照度に関係する係数である。このクック=トランスモデルを使えば、表面法線画像から輝度画像を生成することができるが、そのためには屈折率NNのほかに、視線ベクトルV、光源ベクトルLなどの幾何学的な設定を与える必要がある。照明方向設定部1610は、この光源ベクトルを設定する要素であって、内視鏡診断などにおいては観察するユーザである医師が自由に設定する。以上の処理によって2次元画像から表面の凹凸を推定し、表面法線画像として輝度に反映した輝度画像1611が生成される。この画像は推定された法線画像に基づいているために照明変更がコンピュータ上で自在に替えることができ、内視鏡の欠点の1つである照明位置の変更ができないため表面凹凸の観察が困難である、という課題を解決することができる。なお、図16に示される各構成要素は、それぞれ、特別のハードウェアによって実現されても良いし、ハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせによって実現されても良い。本実施形態では、プロセッサによって上記の構成要素の少なくとも一部が実現され得る。また、本実施形態の画像処理部の動作は、画像処理部のメモリ内に記憶されたコンピュータプログラムによって規定され得る。そのようなコンピュータプグラムは、画像処理装置に設けられたプロセッサに各種のステップ図19C、図20Cを実行させる指令のセットである。図21aは、本実施形態による表面法線推定の実験の結果を示す図である。被写体は、かまぼこ型断面を有するレンチキュラーレンズ板である。被写体は、鏡面反射を支配的にするため、赤色系統、あるいはチョコレート色系統に塗装されている。この被写体に対して、上記の処理を実施した。図21aの上部画像は、図16の非偏光輝度画像1612を示し、図21aの下部画像は、図16の輝度変調度画像YDを示す。非偏光輝度画像では、白い明度の高い画素が高い輝度を示すが、輝度変調度画像では、暗い明度の低い画素が高い値変調度を示している。図21bは、図21aの四角形で囲まれた一部のみを模式的に描いた図である。輝度画像では、凸部2101に相当する高輝度部分白色部分2104と凹部2102に相当する低輝度部分斜線部分2103の繰り返しとなる。一方、輝度変調度画像では、輝度変調度が高い部分網点部分2105と低い部分白色部分2106の繰り返しとなっている。そして低輝度部分が高い輝度変調度に対応している。図22は、図21に示される被写体レンチキュラー板の断面図である。レンチキュラー板では凹凸が周期的に存在し、照明光は、凸部2201においては1回だけ反射してカメラで撮像される。凸部2201の像を形成する光は、1回反射であり、非常な高輝度となる。凹部2202はグルーブを形成しているため、光は2回反射してカメラで撮像される。このため、凹部2202で反射された光の像は、やや低輝度となる。図23は、図21における輝度および輝度変調度のプロファイルを示している。図中の曲線2301が輝度、曲線2302が輝度変調度を表している。低輝度の部分曲線2301の凹部において、輝度変調度が増加していることがわかる。図24は、別の被写体を示す平面図である。この被写体は、プラスチック板上にAからIまでの8本の溝を加工し、塗装したものである。図24Aは、実物の被写体から得られた輝度画像を示す写真を示す図であり、図24Bはその模式図である。平面内の溝どうしの方位角度間隔は22.5°である。図25と図26は、ぞれぞれ図24の被写体のAからIまでの各グルーブについて図16の方位角不定性処理部1607および天頂角処理部1606を実施し、方位角Ψ、天頂角θを推定した結果である。網点を施したグラフが正解を、斜線を施したグラフが推定結果を示す。なお正解は、レーザ変位計を用いて測定している。この結果を見ると、図25の方位角推定結果では、ほぼ10°程度の誤差で推定が行われている。一方26の天頂角の推定では誤差がやや大きい。図27は、図24の被写体に対して図16の処理を全て実施した輝度画像の結果である。図27Aは、照明光源の位置をa画面向かって右側から、b画面向かって左側から、c画面向かって下側からd画面向かって上側からそれぞれ照射した場合の画像を生成している。図27Bはその模式図でありaからdはそのまま対応する。AからIまでで指定したグルーブは照明方向の変化によってグルーブが明瞭に表現されていることがわかる。したがって図24Aで示したような正面からの照明しかない内視鏡画像に対して明瞭な凹凸画像を提供することができる。実施形態2次に、図28を参照しながら、本発明による画像処理装置の第2の実施形態を説明する。本実施形態の画像処理装置は、図1Cとほぼ同じ構成を備えているが、色フィルタ2801が追加されている点で異なる。本発明者による実験によると、被写体の色によってグルーブにおいて観測される偏光状態は大きく変化することが判明している。すなわち、波長520nm付近の狭帯域観測によれば、チョコレート色、赤色などの被写体は、全体として暗い画像となり、グルーブにおいては非常に強い偏光を観測できるのに対し、イエロー系統色においては全体として明るい画像が得られるがグルーブでの偏光が非常に弱くなってしまう。この理由は、明るい色では拡散反射成分が支配的となり、2回反射の鏡面反射がほとんど隠されてしまうためと推察される。本実施形態においては、強い偏光を観測するため、被写体の分光反射率が低い波長帯に合致した偏光照明光を使う。例えば上記のイエローの場合には補色である青系統の照明色を用いて暗い画像を撮影する。照明光の波長域は、被写体の分光反射率を考慮して決定するのが望ましい。図29は、内視鏡観察における代表的臓器である大腸粘膜の分光反射率の例を示す図である。大腸粘膜は、520-600nmに強い吸収を有する。そこで分光フィルタの特性をこの低反射率領域に合致させて2801の特性を持たせれば、この波長帯では比較的暗い色として撮影されるため本発明で述べた偏光による表面グルーブの観察に好適となる。この目的のためにフィルタ2801が光源104の出力段に設置される。なおフィルタ2801は通常のカラー画像観察の場合と切り替えて利用されてよい。またカラーフィルタは撮像側110の前に設置されてもよい。実施形態3以下、図30Aおよび図30Bを参照しながら、本発明による画像処理装置の第2の実施形態を説明する。本実施形態の画像処理装置は、内視鏡のみならず、皮膚科や歯科などメディカル用途の照明付きカメラ、指紋撮影装置、表面検査装置などへ適用される装置である。図30Aは、本実施形態の一構成例を示している。本実施形態の画像処理装置は、図1Cの内視鏡101の代わりに、装置400を備えている。この装置400は、リング照明4001、リング状偏光面制御素子4002、撮影レンズ4003、撮像素子4004を有している。図30Bは、図30Aの概観を示す図である。本実施形態では、リング照明4001上にリング状偏光面制御素子4002が設置されている。リング照明4001および偏光面制御素子4002には、光ファイバーなどのライトガイドから非偏光が入力され、図2に示されるように、照明の偏光面を例えば0°、45°、90°、135°のに回転させる。なお、リング照明4001は、光源からのライトガイドを使わないLEDなどによる自発光光源でもかまわない。また、撮像光軸と照明光の光軸のなす角度が15°以下であればリング照明以外のストロボ発光照明でもかまわない。リング照明を使うことにより、照明が1灯では観察が困難な被写体においても、表面凹凸、グルーブの推定を高精度に実施することができる。特に、照明光の光軸が撮影光軸と略同一であり、かつ均一化されるため、製品表面の傷や凹凸の検査装置、指紋撮影装置、皮膚科用の肌凹凸撮影装置などに好適である。撮影素子4004、図示されていない画像処理プロセッサは実施形態1における画像処理プロセッサが適用可能である。なお、上記の実施形態では、照明の直線偏光の回転角度の間隔を45°に設定しているが、この角度は同一である必要はなく、互いに異なっていてよい。また、この角度の間隔は45°にも限定されない。ただし、余弦関数の3個のパラメータを決定するために、3個以上のサンプルが必要になる。すなわち、照明の直線偏光の回転角度は、3種以上に変動させることが必要になる。サンプル角度が3種類の場合、例えば0°、60°、120°の3つの角度が選択され得る。"