(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
前記補正パターン決定部が決定する前記補正パターンには、前記走査方向に沿って正の値、負の値の順に値が並ぶ補正パターンと、前記走査方向の逆方向に沿って正の値、負の値の順に値が並ぶ補正パターンとが含まれること
を特徴とする請求項1に記載の超解像装置。
【背景技術】
【0002】
ぼやけた画像などの信号を補正する技術として、ぼやけの点拡がり関数を逆補正する技術がある。逆補正の方法として、ウィーナフィルタを用いる手法や、仮の補正結果をぼやけさせたものが入力信号に一致するよう反復演算を行うことで補正結果を鮮鋭な画像に収束させる手法がある。
【0003】
一方、画像の解像度を変換する場合、入力画像に補間関数を畳み込み、入力画像とは異なる標本化周期で標本化を行うことが行われる。特に、出力画像の解像度の方が入力画像の解像度よりも高い場合には、入力画像のナイキスト周波数を超える信号成分を補うことで精細感のある出力画像を得る超解像技術が用いられることもある。
超解像技術には、画像が時系列で与えられる場合に、注目する画像と、時刻の近い他の画像とを、画像領域ごとにサブピクセル精度で動き補償(位置合わせ)し、当該位置合わせのされた画像同士を重畳することでナイキスト周波数を超える信号成分を再生する複数フレーム超解像技術がある。
【0004】
また、1枚の画像からナイキスト周波数を超える信号成分を人工的に合成することで見た目の精細感を向上する手法もあり、単一フレーム超解像技術と呼ばれる。
例えば、単一フレーム超解像技術の一つである非線形法では、入力画像の高域成分に非線形関数を適用することで高調波を生成する。この手法では、空間方向のぼやけを補償する目的で振幅方向に高調波を重畳することで信号の勾配を高めることが行われる(例えば、特許文献1参照)。
【0005】
また、別の単一フレーム超解像技術として学習型超解像がある。学習型超解像では、予め画像の小領域について低解像度のパッチと高解像度のパッチの対をデータベース化しておき、入力された低解像画像の部分ごとにデータベースを参照しつつ高解像度のパッチに変換していく。このようにすることで、データベースに妥当なテクスチャが登録されていれば自然な高精細化が可能となる(例えば、特許文献2参照)。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかし、ぼやけの点拡がり関数を逆補正する手法では、当該点拡がり関数が既知である必要があり、もし想定した点拡がり関数と実際の点拡がり関数とに齟齬があれば復元結果にはアーチファクトを生じる。
また、ぼやけの点拡がり関数の周波数伝達特性に零点(ヌル)がある場合、該零点の成分については逆伝達特性が特異となるため復元ができない。同様に、ぼやけが理想低域通過型フィルタに近い周波数伝達特性を有する場合には、高域成分がほぼ零となるため、これを逆補正することは困難である。とくに画像に雑音が含まれる場合には、信号成分の補正効果よりも雑音成分の増幅効果が目立つようになり、かえって画質の低下を招くことがある。
【0008】
複数フレーム超解像による場合であっても、入力される画像に該画像のナイキスト周波数を超える成分が折り返し歪として含まれていなければ原理的に高域復元が不可能である。また、複数の画像対から得た動きベクトルの集合について、水平成分の小数部および垂直成分の小数部からなるベクトルの集合が開領域(0,1)×(0,1)(但し、演算子×は直積)内において均一に分布していなければバランスのよい(水平および垂直方向の精細感の差異の少ない)高域復元ができないという問題もある。
単一フレーム超解像の非線形法による場合、空間方向のぼやけを補償する目的で振幅方向に高調波を重畳する。このため、信号波形にオーバシュートやアンダシュート、リンギングなどのアーチファクトを生じやすいという問題がある。
【0009】
学習型超解像の効果は、データベースの質と量に左右される。データベースに予め登録されていないテクスチャに対して本手法は無力である。学習型超解像においては、予め、学習用の低解像画像と高解像画像の対を用い、機械学習によってデータベース構築が行われる。このときの学習用画像内のテクスチャに偏りがある場合や、学習用画像の量が十分でない場合には、学習の汎化がなされない。このような汎化がなされていないデータベースを用いた場合、学習型超解像の出力する画像は不自然な画像となってしまう。
【0010】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、より自然にぼやけを補正することができるぼやけ補正装置、超解像装置およびプログラムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【0011】
(1)この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、本発明の一態様は、入力信号の複数の信号位置各々について、当該信号位置において所定の走査方向に走査したときの信号値列の2階差分値の符号変化と、前記信号値列の1階差分値の符号とに基づいて、当該信号位置の周辺の信号値に関する補正パターンを決定する補正パターン決定部と、前記複数の信号位置各々について、前記補正パターン決定部が決定した前記補正パターンを、前記入力信号に加算する補正部とを具備することを特徴とするぼやけ補正装置である。
【0012】
(2)また、本発明の他の態様は、(1)に記載のぼやけ補正装置であって、前記補正パターン決定部が決定する前記補正パターンには、前記走査方向に沿って正の値、負の値の順に値が並ぶ補正パターンと、前記走査方向の逆方向に沿って正の値、負の値の順に値が並ぶ補正パターンとが含まれることを特徴とする。
【0013】
(3)また、本発明の他の態様は、(1)または(2)に記載のぼやけ補正装置であって、前記補正パターン決定部は、前記補正パターンの振幅を、前記1階差分値の大きさに応じた値とすることを特徴とする。
【0014】
(4)また、本発明の他の態様は、入力された信号に対して内挿を行い、前記入力された信号の解像度を高くする内挿部と、前記内挿部が解像度を高くした信号を、前記入力信号とする、(1)から(3)のいずれかの項に記載のぼやけ補正装置とを具備することを特徴とする超解像装置である。
【0015】
(5)また、本発明の他の態様は、コンピュータを、入力信号の複数の信号位置各々について、当該信号位置において所定の走査方向に走査したときの信号値列の2階差分値の符号変化と、前記信号値列の1階差分値の符号とに基づいて、当該信号位置の周辺の信号値に関する補正パターンを決定する補正パターン決定部、前記複数の信号位置各々について、前記補正パターン決定部が決定した前記補正パターンを、前記入力信号に加算する補正部として機能させるためのプログラムである。
【0016】
(6)また、本発明の他の態様は、コンピュータを、入力された信号に対して内挿を行い、前記入力された信号の解像度を高くする内挿部、前記内挿部が解像度を高くした信号を、前記入力信号とする請求項1から請求項3のいずれかの項に記載のぼやけ補正装置として機能させるためのプログラムである。
【発明の効果】
【0017】
この発明によれば、より自然にぼやけを補正することができる。
【発明を実施するための形態】
【0019】
[第1の実施形態]
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図1は、この発明の第1の実施形態によるぼやけ補正装置の構成を示す概略ブロック図である。ぼやけ補正装置1は、入力画像M(入力信号)に対して、ぼやけを補正する処理を行い、その処理の結果である補正画像Hを出力する。ぼやけ補正装置1は、水平差分演算部11と、補正値演算部12と、垂直差分演算部13と、補正値演算部14と、補正部15とを含む。
【0020】
入力画像Mにおける画像座標(x,y)の画素値を、M(x,y)と表記する。他の画像の画素値についても同様に表記する。なお、入力画像Mおよび補正画像Hの解像度(画素数)は、水平方向がX画素、垂直方向がY画素であり、i∈{0,1,…,X−1}かつj∈{0,1,…,Y−1}なる画像座標(i,j)上に画素値が定義されている。
以下では、入力画像Mがモノクロ画像である場合の処理の説明をする。なお、入力画像Mがカラー画像やマルチバンド画像である場合には、色(またはバンド)ごとに独立に同様の処理を行えばよい。
【0021】
ぼやけ補正装置1は、入力画像Mの各画素位置(i,j)について補正処理を行い、その結果を補正画像Hの当該画素位置(i,j)における画素値H(i,j)とする操作を、全ての画素位置(i,j)について実行することで、補正画像Hを生成する。水平差分演算部11は、入力画像Mの各画素位置(i,j)における水平方向(x軸方向)について2階差分値と、1階差分値を算出する。補正値演算部12は、入力画像Mの各画素位置(i,j)について、補強値V
(k)(i,j)を算出し、これらの補強値V
(k)(i,j)を画素値とする補強画像V
(k)を生成する。
【0022】
補正値演算部12による補強値V
(k)(i,j)の算出方法を説明する。補正値演算部12は、補強値V
(k)(i,j)を算出する際に、水平差分演算部11が算出した2階差分値および1階差分値のうち、(式1)に示す2つの2階差分値PおよびQ、ならびに1つの1階差分値Rを用いる。
【0024】
なお、これら2つの2階差分値PおよびQ、ならびに1つの1階差分値Rの算出には、画像座標(i,j)を基準として、その2画素左隣より1画素右隣の画素に至る4画素A、B、C、およびDの画素値が用いられる。
図2(a)は、これらの4画素を示す図である。なお、(式1)におけるM(i−2,j)は、画素Aの画素値であり、M(i−1,j)は、画素Bの画素値であり、M(i,j)は、画素Cの画素値であり、M(i+1,j)は、画素Dの画素値である。
【0025】
補正値演算部12は、上述した2つの2階差分値PおよびQ、ならびに1つの1階差分値Rに基づき、補強値V
(k)(i,j)を(式2)の漸化式を用いて算出する。補正値演算部12は、この補強値V
(k)(i,j)の算出を、全ての画素位置(i,j)について行うことで、入力画像Mのぼやけを補正するための画像V
(k)(補強画像)を生成する。なお、上付きの(k)は、補強画像を反復演算により導出する際の繰り返し回数を示すインデックスである。なお、i∈{0,1,…,X−1}かつj∈{0,1,…,Y−1}なる全ての画素位置(i,j)に対して、V
(−1)(i,j)=0とする。
【0027】
なお、αは、予め決められた正の定数である。
図3(a)に(式2)による更新量(補正パターン)の例を図示する。
図3(a)の例では、(式2)の(1)のとき、すなわち、P(i,j)>0、Q(i,j)<0、かつR(i,j)>0のときの例である。このように、補正値演算部12(補正パターン決定部)は、画素位置(i,j)に対して、左隣の画素と、当該画素とに加算する、正負のパルス(補正パターン)を決定する。なお、(式2)の(2)のときは、
図3(a)におけるαが−αとなり、−αがαとなる。すなわち、(1)のときは、走査方向に沿って正の値、負の値の順に値が並ぶ補正パターンであり、(2)のときは、走査方向の逆方向に沿って正の値、負の値の順に値が並ぶ補正パターンである。
【0028】
なお、補正値演算部12は、加算する正負のパルスの大きさ(振幅)を、1階差分値Rに比例するようにしてもよい。例えば、補正値演算部12は、(式3)の漸化式を用いて、補強値V
(k)(i,j)を算出してもよい。
【0030】
垂直差分演算部13は、入力画像Mの各画素位置(i,j)における垂直方向(y軸方向)について2階差分値と、1階差分値を算出する。補正値演算部14は、入力画像Mの各画素位置(i,j)について、補強値V
(k)(i,j)を算出し、これらの補強値V
(k)(i,j)を画素値とする補強画像V
(k)を生成する。
【0031】
補正値演算部14による補強値V
(k)(i,j)の算出方法を説明する。補正値演算部14は、補強値V
(k)(i,j)を算出する際に、垂直差分演算部13が算出した2階差分値および1階差分値のうち、(式4)に示す2つの2階差分値SおよびT、ならびに1つの1階差分値Uを用いる。
【0033】
なお、これら2つの2階差分値SおよびT、ならびに1つの1階差分値Uの算出には、画像座標(i,j)を基準として、その2画素上隣より1画素下隣の画素に至る4画素E、F、C、およびGの画素値が用いられる。
図2(b)は、これらの4画素を示す図である。なお、(式4)におけるM(i,j−2)は、画素Eの画素値であり、M(i,j−1)は、画素Fの画素値であり、M(i,j)は、画素Cの画素値であり、M(i,j+1)は、画素Gの画素値である。
【0034】
補正値演算部14は、上述した2つの2階差分値SおよびT、ならびに1つの1階差分値Uに基づき、補強値V
(k)(i,j)を(式5)の漸化式を用いて算出する。補正値演算部14は、この補強値V
(k)(i,j)の算出を、全ての画素位置(i,j)について行うことで、入力画像Mのぼやけを補正するための画像V
(k)(補強画像)を生成する。なお、V
(XY−1)(i,j)は、補正値演算部12により算出された補強値である。
【0036】
なお、αは、予め決められた正の定数である。
図3(b)に(式5)による更新量の例を図示する。
図3(b)の例では、(式5)の(1)のとき、すなわち、S(i,j)>0、T(i,j)<0、かつU(i,j)>0のときの例である。このように、補正値演算部14(補正パターン決定部)は、画素位置(i,j)に対して、上隣の画素と、当該画素とに加算する、正負のパルス(補正パターン)を決定する。なお、(式5)の(2)のときは、
図3(b)におけるαが−αとなり、−αがαとなる。
【0037】
なお、補正値演算部14は、加算する正負のパルスの大きさを、1階差分値Uに比例するようにしてもよい。例えば、補正値演算部14は、(式6)の漸化式を用いて、補強値V
(k)(i,j)を算出してもよい。
【0039】
補正値演算部14は、(式7)に示すように、最終的には補強画像の最終値(入力画像Mの全画素について走査を行った後の値)であるV
(2XY−1)を補強画像Vとして出力する。
【0041】
なお、水平差分演算部11と垂直差分演算部13を入れ替え、また補正値演算部12と補正値演算部14とを入れ替えて構成しても構わない。
さらに、水平差分演算部11と補正値演算部12のみによる補強画像と、垂直差分演算部13と補正値演算部14のみによる補強画像とを独立に演算してもよい。この場合、これら2補強画像を後述の補正部15において順次適用してもよいし、あるいは2補強画像の和の画像を以て最終的な補強画像とし、この最終的な補強画像を後述の補正部15において適用してもよい。
【0042】
補正部15は、入力画像Mと補強画像Vとの画素毎の画素値の和を求め、その結果を補正画像Hの当該画素位置の画素値として設定する。すなわち、補正部15は、(式8)に示す演算を行う。
【0044】
画素値H(i,j)の決定を、画面内全画素位置について実行して画像化することにより、補正部15は、補正画像Hを生成し、出力する。
【0045】
例えば、(式2)において、(1)となる画素位置は、画素値が増加しており、画素値をプロットした曲線が、下に凸から上に凸に変化している点である。このような画素位置は、被写体などの輪郭であるとみなし、ぼやけ補正装置1は、左隣の画素値に負のパルスを加算し、当該画素値に正のパルスを加算している。すなわち、画素値をプロットした曲線が急峻になるようにしている。また、(2)となる画素位置は、画素値が減少しており、画素値をプロットした曲線が、上に凸から下に凸に変化している点である。このような画素位置は、被写体などの輪郭であるとみなし、ぼやけ補正装置1は、左隣の画素値に正のパルスを加算し、当該画素値に負のパルスを加算している。すなわち、画素値をプロットした曲線が急峻になるようにしている。
このように、ぼやけ補正装置1は、被写体の輪郭などがぼやけているようなときでも、輪郭などにおける画素値変化を急峻にし、より自然にぼやけを補正することができる。
【0046】
[第2の実施形態]
以下、図面を参照して、本発明の第2の実施形態について説明する。
図5は、本実施形態における超解像装置2の構成を説明する概略ブロック図である。超解像装置2は、補間内挿部20と、ぼやけ補正装置1とを含む。超解像装置2は、ぼやけ補正装置1の前段に補間内挿部20を設けた構成となっている。
【0047】
補間内挿部20は、入力された低解像画像Lに対して補間内挿を行うことにより画素数を増加させた補間画像を生成し、生成した補間画像をぼやけ補正装置1に対する入力画像Mとして出力する。補間内挿部20による補間内挿に用いる補間関数は、画像信号の滑らかさを損なわないものが好ましい。例えば、0次補間(最近傍補間)よりも、双一次補間、双三次補間、スプライン補間、Lanczosフィルタによる補間などの方が好ましい。
例えば、補間内挿部20は、(式9)を用いて、双一次補間により水平、垂直いずれも2倍に、低解像画像Lを補間内挿する。
【0049】
また、例えば、補間内挿部20は、(式10)を用いて、Lanczos−3関数により水平、垂直いずれも2倍に補間内挿する。
【0051】
但し、(式10)では標本位置を水平および垂直いずれも(低解像画像の画素間隔で)1/4画素ずつずらすことですべての標本点に同様のフィルタ係数がかかるようにしている。
補間内挿部20は、こうして得られた補間画像を入力画像Mとして、ぼやけ補正装置1へ入力する。その結果、ぼやけ補正装置1からは、低解像画像Lよりも画素数が多く、かつ補間内挿部20で生じるぼやけを補正した鮮鋭な補正画像(高解像画像)Hを得ることができる。
【0052】
図5は、超解像装置2に入力される低解像画像Lの例L1である。
図6は、低解像画像Lの例L1を超解像装置2に入力したときに、補間内挿部20により解像度が高められた画像の例M1である。
図7は、低解像画像Lの例L1を超解像装置2に入力したときの超解像装置2による補正画像(高解像画像)Hの例H1である。
図6ではエッジ部分にぼやけが見られるが、
図7では鮮鋭な結果が得られている。なお、
図7の補正画像Hの例H1は、補正値演算部12においては(式3)を、補正値演算部14においては(式6)をそれぞれ用い、定数βはβ=0.75とした場合の例である。
【0053】
なお、上述の各実施形態では、補正値演算部12、14における走査方向が、x軸方向およびy軸方向の場合を説明したが、この他の方向であってもよい。例えば、走査方向が、x軸の負の方向と、y軸の負の方向であってもよい。
【0054】
また、上述の各実施形態では、画像を表す信号を処理するぼやけ補正装置1、超解像装置2を例に挙げたが、ぼやけ補正装置1、超解像装置2は、音声、3次元モデルなど、画像以外のものを表す信号を処理してもよい。また、その信号は、1次元の信号であってもよいし、2以上の次元数の信号であってもよい。
【0055】
また、
図1におけるぼやけ補正装置1、
図4における超解像装置2の機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによりぼやけ補正装置1、超解像装置2を実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、OSや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。
【0056】
また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ROM、CD−ROM等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良く、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであっても良い。
【0057】
また、上述した
図1におけるぼやけ補正装置1、
図4における超解像装置2の各機能ブロックは個別にチップ化してもよいし、一部、または全部を集積してチップ化してもよい。また、集積回路化の手法はLSIに限らず、専用回路、または汎用プロセッサで実現しても良い。ハイブリッド、モノリシックのいずれでも良い。一部は、ハードウェアにより、一部はソフトウェアにより機能を実現させても良い。
また、半導体技術の進歩により、LSIに代替する集積回路化等の技術が出現した場合、当該技術による集積回路を用いることも可能である。
【0058】
以上、この発明の実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。