"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、前記被写体を撮像する偏光撮像部であって、前記直線偏光の各々によって前記被写体が照射されている間に各画素で偏光透過軸の方向を順次3つ以上変化させることにより得られた複数の偏光画像を取得する偏光撮像部と、前記偏光撮像部から出力される画素信号に基づいて、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、1画素内における前記被写体の表面に存在するV字グルーブの方位角分布を推定する分布推定部と、を備える画像処理装置。前記輝度値は、前記直線偏光の各々によって前記被写体が照射されている間に各画素で前記偏光透過軸の方向を順次3つ以上変化させることによって得られた複数の偏光輝度を画素単位で加算平均した値であり、前記偏光照明部の直線偏光の前記偏光面の角度に依存して変化する、請求項1に記載の画像処理装置。各画素について前記偏光照明部の偏光面の角度ごとに、偏光撮像部の前記偏光輝度が最大となる前記偏光透過軸の方向によって定義される偏光最大角画像、および各画素について前記偏光透過軸の方向の変化にともなう前記偏光輝度の変動の振幅と偏光輝度平均値との比率によって定義される偏光度画像を生成する偏光処理部を更に備え、前記分布推定部は、前記偏光最大角画像および前記偏光度画像に基づいて前記方位角分布の推定精度を高める、請求項2に記載の画像処理装置。前記分布推定部は、前記変動輝度処理部の出力に基づいて、前記V字グルーブの方位角分布を示す関数のフーリエ変換における0次および2次の展開係数を推定する第1の係数推定部と、前記偏光処理部の出力に基づいて、前記関数の前記フーリエ変換における4次の展開係数を推定する第2の係数推定部と、を含む、請求項3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、被写体に照射する偏光照明部と、前記3種類以上の直線偏光のうちの少なくとも1つによって前記被写体が照射されているときに、順次、前記被写体を撮像する偏光撮像部であって、前記直線偏光のうちの少なくとも1つによって前記被写体が照射されている間に各画素で偏光透過軸の方向を順次3つ以上変化させることにより得られた複数の偏光画像を取得する偏光撮像部と、前記偏光撮像部から出力される画素信号に基づいて前記被写体からの反射光画像を表面散乱画像と内部散乱画像とに分離する変動輝度処理部と、を備える画像処理装置。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偏光撮像部では、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1画素内における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、前記被写体を撮像する偏光撮像部であって、前記直線偏光の各々によって前記被写体が照射されている間に各画素で偏光透過軸の方向を順次3つ以上変化させることにより得られた複数の偏光画像を取得する偏光撮像部と、前記偏光撮像部から出力される画素信号に基づいて、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、1画素内における前記被写体の表面に存在するV字グルーブの方位角分布を推定する分布推定部とを備える。ある実施形態において、前記輝度値は、前記直線偏光の各々によって前記被写体が照射されている間に各画素で前記偏光透過軸の方向を順次3つ以上変化させることによって得られた複数の偏光輝度を画素単位で加算平均した値であり、前記偏光照明部の直線偏光の前記偏光面の角度に依存して変化する。ある実施形態において、各画素について前記偏光照明部の偏光面の角度ごとに、偏光撮像部の前記偏光輝度が最大となる前記偏光透過軸の方向によって定義される偏光最大角画像、および各画素について前記偏光透過軸の方向の変化にともなう前記偏光輝度の変動の振幅と偏光輝度平均値との比率によって定義される偏光度画像を生成する偏光処理部を更に備え、前記分布推定部は、前記偏光最大角画像および前記偏光度画像に基づいて前記方位角分布の推定精度を高める。ある実施形態において、前記分布推定部は、前記変動輝度処理部の出力に基づいて、前記V字グルーブの方位角分布を示す関数のフーリエ変換における0次および2次の展開係数を推定する第1の係数推定部と、前記偏光処理部の出力に基づいて、前記関数の前記フーリエ変換における4次の展開係数を推定する第2の係数推定部とを含む。本発明の他の画像処理装置は、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うちの少なくとも1つによって前記被写体が照射されているときに、順次、前記被写体を撮像する偏光撮像部であって、前記直線偏光のうちの少なくとも1つによって前記被写体が照射されている間に各画素で偏光透過軸の方向を順次を3つ以上変化させることにより得られた複数の偏光画像を取得する偏光撮像部と、前記偏光撮像部から出力される画素信号に基づいて前記被写体からの反射光画像を表面散乱画像と内部散乱画像とに分離する変動輝度処理部とを備える。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、被写体を撮像する偏光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1画素内におけるグルーブの方位角分布を推定することができる。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、偏光撮像部140と、変動輝度処理部160と、分布推定部170とを備えている。変動輝度処理部160および分布推定部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である場合には、被写体100の表面には複数の微細な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、偏光撮像部140に入射する。偏光撮像部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を撮像する。この偏光撮像部140は、直線偏光の各々によって被写体100が照射されている間に各画素で偏光透過軸の方向を順次3つ以上変化させることにより複数の偏光画像を取得する。ここで、各画素で偏光透過軸の方向を順次3つ以上変化させるということの意味は、個々の画素に入射する光の偏光方向が、時間の経過に伴って3つ以上の方向に変化することを意味する。後述するように、すべての画素で偏光透過軸の方向が一致していてもよいし、また、異なっていてもよい。重要な点は、ある方向に偏光した光で被写体100が照らされている間に、個々の画素の前に位置する偏光子の偏光透過軸が3つ以上の方位をとるように変化することにある。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、偏光撮像部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、偏光撮像部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を撮像する。再び図1Aを参照する。変動輝度処理部160は、偏光撮像部140から出力される画素信号に基づいて、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に示される分布推定部170は、輝度最大角画像および輝度変調度画像に基づいて、1画素内における被写体100の表面に存在するV字グルーブ100aの方位角分布を推定する。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。本発明における分布推定部170は、1画素内に1つまたは複数の微細なV字グルーブ100aが存在する場合、画素ごとにV字グルーブ100aの方位角がどのように分布しているかを推定することができる。本発明における分布推定部170が、どのような原理に基づいてV字グルーブ100aの方位角分布を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3002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3001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3001上に結像する。この撮像素子3001の構成および動作は、後述する。撮像素子3001から出力される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3002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3001によって図1Aの偏光撮像部140が実現されている。図1Aの変動輝度処理部160および分布推定部170は、画像プロセッサ3002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は偏光撮像素子3001における主要部の断面構成を示す図であり、図4Bは、偏光撮像素子3001における主要部の構成を示す斜視図である。この偏光撮像素子3001は、光入射側に位置する偏光面変換素子3101と、偏光面変換素子3101を透過した光を受ける輝度撮像素子3102とを備えている。輝度撮像素子3102は、撮像によって輝度情報を取得するイメージセンサCCDまたはMOSセンサである。この偏光撮像素子3001では、従来のパターン偏光子モザイク型の偏光撮像素子とは異なり、輝度撮像素子3102の1画素毎に偏光面変換素子3101の1画素が対応している。より詳細には、偏光面変換素子3101は、液晶層と、この液晶層を挟み込む電極とを有しており、電極に印加される電圧に応じて、液晶層の光学的性質を制御することができる。このような偏光面変換素子3101の各画素は、他の画素から独立して任意の方向に偏光した直線偏光光を透過するように設定され得る。しかし、本実施形態の偏光面変換素子3101は、すべての画素で同一の方向に偏光透過面を有するように動作する。後に詳しく説明するように、偏光面変換素子3101の働きにより、輝度撮像素子の各画素に入射する光の偏光方向を逐次変化させることができる。したがって、本実施形態では、偏光情報を計算する際に、周囲画素値を使う空間的な画像処理操作を必要としない。このため、偏光画像の解像度は、輝度撮像素子3102が有する解像度を維持することができる。偏光面変換素子3101は、信号印加制御部3103からの信号印加の有無により、偏光の透過方向を0度、45度、90度、135度のように時間的に4方向に高速に変化させることができる。これによって本実施形態の変更撮像素子3001は、1画素毎に偏光度や偏光角を取得できる。本実施形態においては、偏光面変換素子3101と輝度撮像素子3102との距離Dpsは、ほぼゼロである。このため個々の画素の直前に位置する偏光子の偏光透過軸が3つ以上の方位をとって変化した場合、偏光素子と撮像素子の間に画素の位置ずれなどが発生せず、良好な偏光情報を取得できる。このため、精細な1画素内での超解像機能を有効に生かすことができる。図5Aおよび図5Bは、偏光撮像素子3001の別の構成を示す図である。この構成では、カラー画像と偏光画像とを同時に1画素毎に取得できる。図5Aの構成では、入射光がまずカラーフィルタ3201を通過する。次に偏光面変換素子3101を通過してから輝度撮像素子3102に到達する。図5Bの構成では、入射光がまず偏光面変換素子3101を通過する。次にカラーフィルタ3201を通過して輝度撮像素子3102に到達する。図6は、図5Aの構成を更に詳しく示す斜視図である。カラーフィルタ3201と偏光面変換素子3101との間の距離Dcpと、偏光面変換素子3101と輝度撮像素子3102との間の距離Dcsとは、いずれも、ほぼゼロである。図7と図8Aはこの偏光撮像素子の動作を示す図である。図7は、撮像素子の1画素ごとに異なるφの4方向に関する偏光輝度が取得できることを示す。すなわち輝度撮像素子3102の画素3305に入射する光が偏光面変換素子3101の対応画素を透過したとき、その光の偏光状態は、状態3301から状態3304まで変化する。すなわち、偏光面変換素子3101の対応画素では、異なる方向φ=0°、45°、90°、135°に透過偏光面が回転する。このため、それぞれの方向の偏光輝度が時間的に逐次的に観測される。別の画素3306においては、また別に4方向に偏光輝度が観測される。画素3305と画素3306の観測角度は、おのおのが全く独立に動いてかまわないが、ここでは全ての画素において透過偏光面は同一の位相で回転するものとする。図8Aは、図1Cに示す同期装置112によって、偏光面制御素子106による偏光面が回転された照明光と偏光撮像素子の動作とが時間的な同期をとって動作するタイミングを示す図である。図における横軸が時間の経過を示している。図8Aに示す例では、まず、照明の偏光面の角度ΨIが0°の状態において、偏光撮像素子3001の偏光面の角度φが0°45°90°135°の順序で高速に回転しながら撮像が実施される。次に照明の偏光面が、ΨI=45°に回転して、偏光撮像素子3001の動作を繰り返す。この繰り返しを、ΨI=90°、ΨI=135°まで実施することによって合計16枚の撮像が行われて1セットのシーケンスが終了する。1つのΨIの照明を被写体に照射して、1つの偏光観測角φにて観測する1枚の画像撮像にかかる時間をTとすると、16Tの時間がかかる。このため、偏光撮像素子3001は高感度で高速撮像が可能なものを選定し、照明の照度も十分高いことが望ましい。偏光撮像のパターンは、図8Aに示す例に限定されない。例えば、図8Bに示す例のように1種類のφについて照明側の回転角度ΨIを全種類に回転させるタイミングで制御してもかまわない。また両者が入り混じるような別のタイミングチャートによる制御をしても構わない。φが4回回転することによる偏光輝度の変動は実施形態1における輝度変動と同様に三角関数でフィッティング処理される。処理に関する詳細は後述する。次に、被写体100の表面に存在する複数のグルーブの1画素内における方位角分布を推定する方法1画素内の超解像を説明する。図9aおよび図9bは、それぞれ、被写体上の相対的に大きなグルーブを上から見た図、および、1画素よりも小さな複数のグルーブを示す図である。図9aに示される被写体の像では、1個のグルーブ3301が1つの画素3302よりも大きい。一方、図9bに示される被写体の像では、1画素内に微細なグルーブが多数存在している。この場合、画素単位の輝度観測では各グルーブを解像できない。図10は、1画素内に存在するグルーブの分布状態を示す図である。グルーブの方向はその溝の主軸に直交する方向を規定する角度Ψで定義するものとする。図10の中央には、Ψ方向でのヒストグラム頻度を動径の長さとする極座標で分布関数DΨが表示されている。すなわち、図10に示される矢印3502の角度Ψの関数として、原点から矢印3502の先端3503までの距離がDΨで表される。1つ画素内に含まれるグルーブの3301の方向がランダムであり、角度Ψによらない場合、分布関数DΨは円を描くことになる。分布関数DΨの周囲に記載されている8個のグルーブ3301a、3301b、、3301hは、それぞれ、角度Ψが0°、45°、、325°のグルーブを模式的に表している。分布関数DΨを推定することが、被写体の表面におけるグルーブの1画素内における方位角分布を推定することである。分布関数DΨは、以下の式1を満足する。なお、偏光観測においては180度が基本周期となるため、推定できるグルーブ方向も周期はπとなる。この分布関数のΨに関するフーリエ級数展開を行うと、以下のようになる。ここで、係数a0、a1、b1、a2、b2、は、係数である。分布関数DΨを決定するには、これらの係数を求めればよい。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って説明している。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、誘電体表面における鏡面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11Aおよび図11B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11A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11A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11Bの4つの画像は、それぞれ、図11Aの4つの画像を模式的に描いた図である。図11Aおよび図11B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11Aおよび図11B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12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12a、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13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14A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14B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14Cは、図14B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15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16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16a、bを参照する。図16aおよび図16b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し、表面で照明光が2回反射して戻る現象が発生すれば、以下の説明が適用可能である。図16a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13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16b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17a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16を上から見ることに相当する。図17a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17b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17cは、図17aの内容と図17b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18A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16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18B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3の変形をすることにより、以下の式4で表される。この式4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6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19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16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3002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。方向を規定する角度がΨである1個のグルーブに対して偏光ΨIが入射した場合の特定方向φにおける偏光輝度は、上記式5で与えられる。式1の分布を有するグルーブの集合から観測される輝度を計算するために、グルーブ方向と観測方向で2重積分を行う。式9に式1と式5とを代入して積分を実行すると、フーリエ級数の奇数倍周波数項は全て消え、さらに4倍以上の偶数周波数の項も消えてしまう。このため、式9の2重積分の結果は以下のようになる。ここから得られる結論は、ΨIを3回観変化させた輝度変動を観測すると、グルーブ分布関数の展開係数であるa0、a2、b2を推定することが可能ということである。本実施形態においては、照明光の偏光面の角度ΨIを変化させた際に得られるのは輝度変動だけでなく、偏光撮像素子によって1画素ごとにある観測方向φの偏光輝度も観測できる。このため、分布関数の展開係数について、より多くの情報を得ることができる。前述したように、方向を規定する角度がΨである1個のグルーブに対して偏光ΨIが入射した場合の特定方向φにおける偏光輝度は式5で与えられる。したがって、式1の分布を有するグルーブの集合から観測される偏光輝度を計算するためには、グルーブ方向にて積分すればよい。ここに式5および式1を代入して計算するとここでPYは式10で表現された輝度変動部分であり、αとβは以下のようにおいた。このαとβの表式において、a0、a2、b2の3変数の値は式9の輝度変動の観測から得られている。そこで、残りの2個の未知数であるa4とb4は、2回以上のΨIの観測から解くことができる。以上の考察からわかることは、偏光ベースでの超解像としてグルーブの直交する2種類の方向についてエネルギー反射係数を仮定すれば、1画素内のグルーブの方位角の角度分布が推定できるということである。具体的には、角度ΨIを変化させて直線偏光を入射する場合の輝度の変動および偏光輝度の変動を観測することにより、1画素内のグルーブの分布関数をフーリエ級数展開の係数a0,a2、b2、a4とb4として推定できる。輝度変動のみを観測すると、a0,a2、b2を推定できる。更に偏光輝度の観測を行うことにより、係数a4とb4をも推定できる。但し、それ以上の係数の推定は不可能である。このため、グルーブの方位角分布は半周期πに対し対称形に推定されることになる。図20は画像処理プロセッサ3002の構成例を示すブロック図である。照明の偏光面角度ΨIを0°、45°、90°、135°と変え、その照明下にてそれぞれ撮像されたφを0°、45°、90°、135°とする合計16枚の偏光輝度画像群3601が入力される。反射率設定部3609では、屈折率などの被写体材質に依存するグルーブの主軸方向とそれと直交する方向へのエネルギー反射率であるAおよびBの数値を事前に設定する。このAおよびBは図13を参照して説明した数値である。例えば屈折率NN=1.8、グルーブ傾斜角度を45°と仮定すると、フレネル理論からA=0.05、B=0.2の設定がなされ得る。偏光輝度画像群3601は、変動輝度処理部1602に与えられる。変動輝度処理部1602では、以下に説明する計算により、非偏光平均輝度画像1612、輝度最大角画像1603、および輝度変調度画像1605が求められる。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1602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21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1603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7に式25の振幅最大値Ymaxと最小値YminをそれぞれMAX、MINとして代入すると、輝度変調度画像1605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4に記載されている。以上の処理によって輝度最大角画像1603と輝度変調度画像1605が得られる。図20では、輝度最大角画像1603に参照符号YPH、輝度変調度画像1605に参照符号YPHを付している。図20に示すように、輝度最大角画像YPHおよび輝度変調度画像YDは2次係数推定部3603にそれぞれ送られる。以上のように変動輝度処理部1602では、偏光観測とは無関係に照明の偏光面角度ΨIの変動に伴う輝度変動を取り扱う。2次係数推定部3603では、輝度変動を処理して得られた輝度最大角画像1603と輝度変調度画像1605から、式9に基づいてフーリエ展開係数を計算する。まず、平均輝度1612を式15と同様に計算する。すなわち照明に偏光光源のみを使いながら、その偏光面を回転させて撮像した輝度画像を加算平均することにより、近似的に非偏光照明下での輝度画像を再現できる。このため、通常観察と偏光観察で照明光を切り替える必要がなくなり、画像処理プロセッサに機能で両方の観察が可能になる。この機能は、モノクロでもカラーにおいても成立する。このため、通常の非偏光白色照明におけるカラー輝度画像を得ることができる。さらに、この平均輝度1612、すなわちYΨIaveから展開係数a0が以下のように求められるa2およびb2は、式9で得られたΨ0、すなわち変動輝度処理部1602によって得られた輝度最大角画像1603YPHおよび平均輝度1612YΨIaveを用いて、と求められる。輝度変動の観測から求められる展開係数は以上であり、a4およびb4については偏光観測が必要になる。偏光処理部3602では、照明を固定した場合のφを0°、45°、90°、135°のサンプルでの輝度変動余弦関数に最適フィティングする。偏光透過面を回転した場合の輝度変動は一般に周期180°の余弦関数になることは、例えば特許文献5にあるように広く知られている。観測する偏光面の角度をφとすると、以下のようにフィッティングされる。この関数には振幅、位相、平均値の3種の情報が含まれている。図22は、この輝度変動の余弦関数を示したもので、上記の振幅、位相、平均値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具体的な手順は、輝度変動のフィッティングと同様であるから省略する。まず、平均輝度Yφaveを式29のように計算する。この加算平均の意味は角ΨIの偏光照明下での偏光画像を平均した輝度画像に相当するものである。この画像を平均輝度画像3610とする。偏光最大角画像PPHは、式12が最大値をとるφ0の値を、そのまま、偏光最大角画像PPHとすることで生成される。偏光度画像DP3606は、式12の最大値、最小値から、式8を用いて生成される。平均輝度画像Yφave3610、偏光最大角画像PPH3604および偏光度画像DP3606は、いずれも、偏光照明ΨIの角度ごとに決定される。このため、図20では、各々が照明に合わせて4枚ずつ存在する。4次係数推定部3607では、これらの画像から展開係数a4、b4を以下のように推定する。まず、偏光最大角画像PPHの角度をγとする。DP画像はDPの値そのままである。以下の関係が成立する。すなわちαとβはYφave、γ、DPの値から以下のように求められる。ここで式9から以下のように置き換えを行う。展開係数a4とb4を求めるために解くべき方程式は以下のように拘束過剰の連立方程式になるので擬似逆行列を用いて解くことができる。ただし、ΨI0=0°、ΨI0=45°、ΨI0=90°、ΨI0=135°を意味する。図23Aおよび図23Bは、以上のようにして求めたフーリエ展開係数を用いて実際の1画素内の法線の方位角分布を求めた実験結果である。被写体としては図24Aと図24Bに示した物体のグルーブAからHまでの内部に存在する1画素を対象にしており、展開係数を式1に代入して描画した。図24はこの被写体を示す図であり、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は実物の輝度画像を図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。表1には各グルーブの位置にて求められた展開係数を示した。図23Aおよび図23Bを見るとAからHまでグルーブ分布の主軸が次第に回転している。1画素内のグルーブであるからマクロなグルーブの向きと直接的な相関は無いはずであるがグルーブの傾斜面方向に法線分布の主軸がある結果となった。この超解像手法を実施形態1と組み合わせることにより輝度観測では1画素になってしまうため解像が不可能な表面凹凸についても、偏光を用いて表面に存在するグルーブの向き方位角分布を推定して画像化することができ非常に有効である。また内視鏡画像を高精細に観察する用途以外でも、ここで得られた展開係数をグルーブ統計量から被写体表面を分類、パターン認識する場合の特徴量として利用することにより内視鏡画像の診断支援などに用いることができる。実施形態2図25は実施形態2を示す図であり、図1Cにおける画像プロセッサ3002の一部を示す図である。本実施形態では、臓器表面からの散乱光と組織深部からの散乱光とを分離できる。本実施形態は、図20の構成における偏光処理部3602が図25の偏光処理部3901に置き換わっている点で実施形態1の構成と異なっている。偏光内視鏡の従来例においては、臓器表面からの散乱光と組織深部からの散乱光とを分離してコントラストの高い画像を得ることを主目的としているものが多い。この場合、偏光照明にP波を用いて、画像観測にはS波を用いる。すならち、所定の方向に偏光した照明光を用い、その方向に対して直交する偏光を観察する必要がある。しかし、従来例では、偏光照明と偏光撮像とを組み合せて行う偏光撮影と、非偏光の通常カラー撮影との間で、照明方法が大きく異なることになる。このため、内視鏡自身に照明装置を切り替えるための機構が必要になる。また、偏光撮影と通常カラー撮影との間で光学系を共用すると、偏光撮像が可能な波長帯域と通常撮像が可能な波長帯域とを分離する必要がある。したがって、例えば380~780nmという共通の波長帯域では、通常カラー撮影と偏光撮影とを行うことが困難だった。本実施形態の画像処理装置は、偏光面を回転させる照明と、偏光撮像素子とを備えているため、通常カラー撮影および偏光撮影のいずれも容易に実行することが可能である。本実施形態では、実施形態1と同様に、照明の偏光面角度ΨIを0°、45°、90°、135°と変え、その照明下でそれぞれ撮像されたφを0°、45°、90°、135°とする合計16枚の偏光輝度画像群3601が入力される。このため、照明の偏光方向と観測の偏光方向偏光透過軸の方向とを直交させる組み合わせにはバリエーションがある。例えば、ΨI=0°を選択し、この照明下でのφ=0°、45°、90°、135°の4種類の偏光画像を使うとする。これらの偏光画像に基づくと、各画素における4つの偏光輝度を、図22に○印で示す4点のサンプル点とみなすことができる。それらの4つの偏光輝度を余弦関数にフィッティングする。こうして得られた、偏光輝度と偏光透過軸との関係を示すカーブから、図22に示すYmaxとYminとを決定する。こうして得られたYmaxおよびYminを用いると、以下の式で表面散乱光Isおよび内部散乱光Idを求め、これらの画像を得ることができる。本実施形態では、実施形態1の装置に特別な機構を付加することなく、表面散乱光Isおよび内部散乱光Idを分離することができる。偏光撮像素子がカラー化されている場合には、上記の輝度をカラーの各成分として処理すればよい。この場合、通常の非偏光カラー画像が式29で得られ、かつ式34で偏光によって成分分離された同じ波長帯域におけるカラー画像が得られる。偏光照明角ΨIは0°以外の値に自由に変更することができる。したがって、任意の偏光照明角ΨIで、この偏光方向に直交する方向を偏光透過軸とする観測を実施した場合の結果を計算することが可能である。偏光観測角φを例えば0°に固定しておき、照明偏光角度ΨI=0°、45°、90°、135°の4種類に変えた場合の輝度変動を使ってもよい。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3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。撮像素子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。"