JP3926575B2 - Imaging device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、解像度の高い画像を実現するための撮像装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
CCD等の二次元撮像素子を用いた画像入力装置においては、画像と撮像素子との相対位置を微小に変化させ変化させた毎に画像を入力後各画像を合成し、見かけ上の画素数を増加させて解像度を上昇させるものが知られている。このような方法による解像度の向上に当たっては、従来特開平7−236086号公報に記載されるように、撮影光学系と二次元撮像素子との間に平板透明部材を平行に配置し、前記透明部材上に配置される直線上にない3点の傾斜手段の1点を支持部とし他の2点を該透明部材を作動させる作動部として用い撮影光学系からの入射光を変位させることで撮像素子上の画像を微小変位させるものである。
【0003】
図40は、例えば特開平7−236086号公報に示された光学的に画素数を増加させる従来の画像入力装置のブロック図であり、また、図41は、撮像部の機構を示す斜視図である。
【0004】
図40及び図41において、61は画像を結像させるための撮像光学系であるレンズ、2は画像を光電変換するための二次元に配列されたCCD等の撮像素子、103は撮像レンズ61と撮像素子2の間にほぼ平行に配置され撮像レンズ61から撮像素子2への入射光の入射角度に微小変位をもたらす透明平板部材である。
【0005】
また、104はレンズ61及び透明平板部材103を支持するベースユニット、105a、105b、105cは透明平板部材103をベースユニット104に固定すると共に2点を選択的に作動させて透明平板ユニットを傾斜させる圧縮ばね、106a、106b、106cは対応する圧縮ばね105を各々押さえるばね押さえ板、107a、107bは透明平板部材103と圧縮ばね105a、105bを貫通するねじと共に設けられ駆動により透明平板部材103の近傍部位を光軸方向に変位させ透明平板部材103に傾斜をもたらすモータである。
【0006】
さらに、108a、108bは透明平板部材103及び圧縮ばね105a、105b、ばね押さえ板106a、106bを含む第一及び第二作動部である。また、109は透明平板部材103及び圧縮ばね104c、ばね押さえ板106cを含む支持部であり、作動部106a、106bの作動時に透明平板部材103を支持する。これらは図示しない匡体に一体的に固定されると共に、図40に示されるように、後段には光電変換された画像信号を処理するための所定の画像処理回路及び画像合成メモリ110、画像バッファメモリ7等が接続されている。
【0007】
次に、動作について説明する。
【0008】
まず、2つの作動部106a、106bのいずれも作動させない状態で撮像を行い、後段の画像メモリ7に画像を記憶する。次に、2つの作動部のうちひとつ106aを作動させると他の作動部106bと支持部を結ぶ線を回転軸として透明平板部材103が回転する。したがって、透明平板部材103を透過した画像はかかる透明平板部材103の傾斜によって移動されて撮像素子2上に結像し、画像バッファメモリにわずかにずれた画像を記憶する。
【0009】
さらに、同じひとつの作動部106aを作動させれば同一方向に順次画像が移動し、順次画像が撮像素子2に結像され記憶される。また、作動部106bを駆動させると、作動部106aと支持部109を結ぶ線を回転軸として透明平板部材103が傾斜し、前述とは異なる方向に画像の移動が行われる。
【0010】
これら2方向の移動を適宜組み合わせることにより、任意の位置への2次元の画素ずらしを実施の後、画像バッファメモリ7に蓄積された複数の撮影画像を画素ずらしの実施方向を考慮して各対応画素毎に内挿することで光学的に画素数を増加させた画像が画像合成メモリ109に得られる。
【0011】
次に、従来の画素ずらしによって得られた画像から高精細画像を生成する従来の信号処理方式について説明する。
【0012】
図2に示す信号配列は、単板撮像蔵置において最もよく使われているBayer配列をした撮像素子であり、図中のRまたはGまたはB信号は、撮像素子の配置上その画素位置にてサンプリングされる色信号である。
【0013】
図12は、図2に示す撮像素子を斜め1/2画素右下にずらして撮像した画像の色信号と先の色信号とを重ねて表示した図である。
【0014】
図12において、R1,G1,B1が1枚目の撮影画像の色信号であり、R2,G2,B3は画素ずらしを行い2枚目の撮影画像から得られた色信号である。
【0015】
図12に示した画像を高解像度画像として生成する場合、図2と比較して水平垂直とも2倍になっているため、4倍の画素数のフルカラー信号を生成する必要があり、図中撮像画素における非撮影色信号を周辺画素信号から生成するとともに、空白画素の全色信号を同様に内挿する必要がある。
【0016】
例えば、今、Gの信号だけ着目すると、図42に示す位置にだけ撮像によって得られたG信号G1,G2が存在する。従来の技術では、前後左右の信号の平均値からG1’,G2’を補間し、次に、図43に示すように補間して得られたG信号からさらに内挿することにより全画素分のG信号を得ることができる。
【0017】
また、B信号に着目すると、図44に示すように、左右のB1信号からB1’信号を内挿し、さらに、補間したB1’信号からB1”信号を内挿する。B2信号についても同様である。次に、図45に示すように補間したB1’,B1”,B2’,B2”から残りの画素の内挿を行う。R信号においてもB信号と同様の方法にて全画素分の信号を補間することが出来る。上記の方法によって全画素における画素分だけのR,G,B信号を得ることが出来る。
【0018】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した特開平7−236086号公報に示される技術は、光路を二次元的に変更するために、透明平板部材を2つのモータにより機械的に駆動制御するため精度の高い画素ずらし量を実現することが困難であった。特に、近年の固体撮像素子の画素ピッチは、数ミクロンものが主流となっており、機械的にその数分の一の精度を得る為には、複雑な制御系が必要となる。また、機械的な振動を用いて制御するため振動や繰り返し寿命などを十分に考慮した設計を必要とした。
【0019】
さらにまた、上記方法により撮像した画像から高解像度画像を生成する従来の信号処理では、単なる線形補間であるため画素ずらしを行うことによって得られる画素数分だけの解像度を得ることが出来ない。これは、まず、単板撮像素子における図2に示す画像が各画素上に1色の色フィルタを配置しているため画素数分だけのR,G,B信号が得られず、画素数分だけの解像度が得られていないことが第1の原因であり、次に、2枚の画像から高解像度画像を得る際に線形補間法では解像度の向上が見込めないという点に問題があった。
【0020】
かかる問題を解決するために、本出願人は、特開昭62−26984号公報等において、撮像光学系を機械的に振動させることなく微小画素ずらしを行う方法を出願している。
【0021】
この発明は上述した点に鑑みてなされたもので、画素数の増加量に対して十分に解像度が向上した画像を実現することが可能な撮像装置を得ることを目的とする。
【0022】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る撮像装置は、撮像素子に対する入射光の位置を半画素分だけ光学的に変位させる画素ずらし手段と、上記画素ずらし手段による変位前後の撮像素子の撮像画像を記憶する第一の画像記憶手段と、上記第一の画像記憶手段に記憶されている撮像画像を構成する撮像色信号のうち、参照色である撮像色信号について類似性が高いと判断された 1 次元方向に配列する3点の画素座標を横軸にこれら3点の信号レベル値を縦軸にした平面上に形成される三角形と、補間色である非撮像色信号について参照色と同一方向である1次元方向に配列する2点と補間生成しようとする画素の画素座標を横軸にこれら3点の信号レベル値を縦軸にした平面上に形成される三角形の相似比を考慮して色補間を行う補間手段と、変位前後の撮像画像を上記補間手段で各々色補間した結果を記憶する第二の画像記憶手段と、変位前後の撮像素子の撮像画像を合成する合成手段とを備えたものである。
【0023】
また、上記合成手段は、撮像画素が存在しない位置の空白画素を画素補間する場合、画像中のエッジに当たる部分が空白画素を通過するか否かを判定し、その空白画素を通過する時にはエッジ成分の稜線方向に当該空白画素を画素補間することを特徴とするものである。
【0024】
また、撮像素子の撮像画像を圧縮して、その圧縮画像を圧縮画像メモリに格納し、その圧縮画像を伸張して上記第一の画像記憶手段に出力する圧縮・伸張手段を設けたことを特徴とするものである。
【0025】
また、上記第一の画像記憶手段に記憶されている変位前後の撮像素子の撮像画像を構成する撮像色信号の信号レベルを補正する信号レベル補正手段を設けたことを特徴とするものである。
【0026】
また、上記信号レベル補正手段は、変位前後の撮像素子の撮像画像における所定領域の撮像色信号の平均信号レベルを計算し、双方の平均信号レベルが一致するように撮像色信号の信号レベルを補正することを特徴とするものである。
【0027】
また、上記画素ずらし手段は、入射光を撮像素子に導く光路に配置された磁気光学素子を備え、当該磁気光学素子に与える磁界の強度を制御して、撮像素子に対する入射光の位置を変位させることを特徴とするものである。
【0028】
また、上記画素ずらし手段は、入射光を撮像素子に導く光路に配置された電気光学素子を備え、当該電気光学素子に与える電界の強度を制御して、撮像素子に対する入射光の位置を変位させることを特徴とするものである。
【0029】
また、上記画素ずらし手段は、入射光を撮像素子に導く光路に配置された液晶板を備え、当該液晶板に与える電圧の強度を制御して、撮像素子に対する入射光の位置を変位させることを特徴とするものである。
【0030】
また、撮像光学系と撮像素子の間に上記画素ずらし手段を配置することを特徴とするものである。
【0031】
さらに、撮像光学系の前段に上記画素ずらし手段を配置することを特徴とするものである。
【0032】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
以下、この発明の実施の形態1を図について説明する。
【0033】
図1は、この発明の実施の形態1を示す全体ブロック図であり、静止画像を撮影可能なディジタルスチルカメラとして実現した場合について説明している。
【0034】
また、図3は、図1における撮像部5の詳細構成を示したものであり、画素ずらし手段として、例えば本出願人により出願済みの特開昭61−267462号公報に示される如く磁場によって異方性を示す磁気光学素子を用いた場合を例にとって説明する。
【0035】
図1及び図3において、61はレンズ、1はレンズ61に入射する被写体像の光路を変調する画素ずらし光学系、2はRGBの原色フィルタが図2に示すようにBayer型配列をなして表面上に配置された正方形の電荷結合素子(以下、CCDと称す)を面状に備え光学像を光電変換する撮像素子、3は撮像素子2からのアナログ信号出力をデジタル変換するアナログ/デジタル変換回路(以下、A/D変換回路と称す)、4は画素ずらし手段1及び撮像素子2を制御する撮像部制御回路、5はレンズ61、画素ずらし光学系1、撮像素子2、A/D変換回路3、撮像部制御回路4を含む撮像部である。
【0036】
また、6は撮像部5と通信しながら撮像装置全体の制御を行うCPUなどのカメラ制御部、7はデジタル画像信号を受信し一時記憶する第一の画像メモリ、8はA/D変換回路3からのデジタル画像信号を画像メモリ7に書込むダイレクトメモリアクセスコントローラ(以下、DMAコントローラと称す)等のメモリ制御部、9は第一の画像メモリ7に蓄積された撮像データに対してデジタル画像処理を施すソフトウェアあるいは電子回路により構成される画像処理部、127は画像処理部9における画像処理用に使用される第二の画像メモリである。
【0037】
また、10は画像信号に対して白バランス補正や黒レベル補正あるいはガンマ補正等を施す信号レベル補正処理部、11は撮影画像をデジタル画像処理で色補間する補間処理部、128は色補間された2枚の画像を合成し高解像度の1枚の画像を生成する合成処理部、12は合成処理部128で得られる1枚の高解像度化された画像に対し光学系あるいは回路系で発生するノイズ除去を行うノイズ除去フィルタ等を含む画像補正処理部、13は最終的に得られるフルカラー画像を国際標準化方式であるJPEG(Joint Photographic Experts Group)方式等の画像圧縮方式で符号化する画像圧縮処理部である。
【0038】
さらに、14は撮像部5及び画像処理部9を経て最終的に得られる画像を液晶画面表示あるいはフラッシュメモリ等の2次記憶手段に蓄積あるいはシリアルインタフェースや赤外線通信等の伝送路とのデータインタフェースあるいはシャッタスイッチ等のマンマシンインタフェースを行うインタフェース部である。
【0039】
次に、動作について説明する。
【0040】
始めに、撮像装置全体の概略動作を説明し、各部の詳細な動作を後述する。
【0041】
ここでは、画素ずらし光学系1を用いて45度方向に半画素ずらした画像を2枚撮影し、CCDの実際の画素数に対して2×2倍の画素密度を有する高精細画像を得る手順について説明する。
【0042】
高精細モードでの撮影がインタフェース部14より撮影者によって設定され、図示しないレリーズスイッチの押し下げがマンマシンインタフェースからカメラ制御部6に伝達されると、撮像部5では、撮像部制御回路4における第一の磁界印加条件(例えば、印加磁界なし)での撮像動作を行う。これにより、撮影された画像はデジタル化され撮像部5からメモリ制御部8へ伝送される。
【0043】
メモリ制御部8では、入力画像信号を第一の画像メモリ7に後述する規則に従って記憶させ、信号レベル補正処理部10にて画像のRGB各色の信号レベル値に強度補正係数を乗じ白バランス補正処理を施し、補間処理部11で色補間され第二の画像メモリ127に蓄積される。
【0044】
次に、撮像部制御回路4における第二の印加磁界条件により1枚目の撮影画像に比べて−45度方向に1/2画素ずらして撮影された画像は、伝送路を経て撮像部5から画像処理部9へ伝送され、同様に、第一の画像メモリ7に記憶され、信号レベル補正処理部10を経て補間処理部11で色補間され第二の画像メモリ127に蓄積される。次に、画像処理部9では、第二の撮影画像の補間処理部11の処理終了に伴い、第二の画像メモリ127上に記憶されている第一及び第二の補間画像の読み出しを行う。
【0045】
次に、合成処理部128では、第一及び第二の補間画像に対し高解像度化処理を施し2枚の撮影画像を1枚の高解像度画像に合成する。さらに、後段の画像補正処理部12、画像圧縮処理部13を経て図示しない液晶ディスプレイへの表示あるいはコンパクトフラッシュメモリカード等の二次記憶媒体への記憶を行うためにインタフェース部14へ転送される。
【0046】
以下に、撮像部5における画素ずらし光学系1、メモリ制御部8による第一の画像メモリ7への画像記憶、及び補間処理部11及び合成処理部128の詳細な説明を行う。
【0047】
撮像部5の構成及び動作について図3及び図4をもとに詳細に説明する。
【0048】
図3及び図4において、15は磁界発生回路、16は磁界発生回路15に印加する電圧に応じて内部に磁界を発生させるコイル、17は磁界発生回路15によってコイル16内に発生した磁場により磁気光学効果を生じる磁気光学素子としてのファラデー素子、18は偏光板、19は複屈折板である。
【0049】
各偏光板18、ファラデー素子17、複屈折板19を、それぞれ図4のA−A線、B−B線、C−C線から見た図を図5、図6、図7にそれぞれ示している。図4において、画像を結像させるためのレンズ61からの光が偏光板18に入射すると、図5に示す振幅方向Waの直線偏光が得られる。図4に示すHaはファラデー素子17に印加されている磁界の方向である。図5に示されている振動方向Waの直線偏光が、例えば鉛ガラスのようなファラデー素子17に入射すると、上記磁界の方向Haの印加磁界により上記直線偏光の偏光面が回転する。
【0050】
なお、ファラデー素子17に磁界の方向Haに進む直線偏光を入射させると、その透過光の偏光面が回転するが、その回転角θは次式(1)により得られる。
【0051】
θ=R×l×H (1)
ここで、lはファラデー素子の厚さ、Hは磁界の強さ、Rはベルデ(Verdet)定数である。なお、上記式(1)に関しては、例えば株式会社朝倉書店発行の「光学的測定ハンドブック」等に記載されている。
【0052】
図4において、回転角θが0度となる磁界の強さをHθ 0とすると、H=Hθの時には図5に示す振動方向Waの直線偏光が得られ、H=Hθ 0の時には、図6に示す振動方向Wθ 0の直線偏光が得られる。振動方向Waの直線偏光が複屈折板19に入射すると、図7に示す常光線Loが得られる。なお、図7に示すQは複屈折板19の光学軸である。また、振動方向Wθ 0の直線偏光が複屈折板19に入射すると、図7に示す異常光線LEが得られる。常光線Loと異常光線LEの距離をPとし、図3及び図4に示す複屈折板19における上記距離Pを、P=PH/2(PHは撮像素子2の水平画素ピッチを示す)に選ぶ。ファラデー素子17に印加される磁界の強さHの変化の位相は、図8(a)に示すフィールドシフトパルスに一致させる(図8(a)、(b)参照)。
【0053】
上述した動作により、この発明による撮像装置では、各A、Bフィールドでの信号電荷蓄積を入射画像と撮像素子2の画素との相対的な位置に関して、PH/2だけ離れた位置で行うことができる。すなわち、ファラデー素子17に印加される磁界の強さHを時間的に変化させ、入射光学像と撮像素子2との相対的な位置関係を時間的に変化させることにより、空間サンプリング領域を増加できる。これに対応して図8(c)に示す信号読み出しパルスのタイミングも、上記PH/2に相当する時間Tだけずらしてある(図8(c)、(d)参照)。その結果、図8(e)に示すように、この発明による撮像装置は、各A、Bフィールドを1フレームとした1周期で高画素密度化画像を得ることが可能になる。
【0054】
本実施の形態1では、説明の簡易化のため、画素ずらし方向として水平方向すなわち一次元空間に対する座標について説明したが、同様な原理で画素ずらし位置を二次元的に行える。その際には、偏光板18、磁気光学効果を有する第一の光学素子、複屈折板19からなるn組の光学素子群を撮像系に配置し、それぞれの光学素子群の間に、例えば直線偏光を円偏光に変換する1/4波長板をn−1個挿入すればよい。上記n組の光学素子群におけるn個の磁気光学効果を有する光学素子に印加する2値的な電圧をそれぞれ設定することにより、2のn乗枚の画素ずらしした画像を得ることができる。
【0055】
上記撮像原理により、図2のBayer型単板カラー撮像素子を用いて、図9に示す黒丸印で表される第一の印加磁界条件による重心を持つ画素位置に対し、−45度方向に1/2画素ずらした白丸印で表される第二の印加磁界条件による画素ずらし画像を撮影することができる。以降に、この場合の補間処理部11及び合成処理部128における高解像度化処理について、図を用いて詳細に説明する。
【0056】
図10は、補間処理部11及び合成処理部128の処理手順を示したフローチャートである。このうち、補間処理部11では、図2に示す配列の撮影画像における各画素で欠落している色成分(例えば、撮影成分がGならばB及びR成分)を色補間し、撮像素子2と同等の画素数からなるフルカラー画像を生成し(ST101、ST102)、合成処理部128では、補間処理部11で生成された2枚のフルカラー画像を図9の画素ずらし方向に対応する位置に挿入して、画像信号が存在しない画素(以下、空白画素と称す)の全色成分を画素補間して(ST103)、撮像素子2の画素数に対して縦横とも2倍の画素数を持つ1枚の画像を生成する。
【0057】
各処理は、色補間または画素補間を行う対象画素(以下、注目画素と称す)を第一の画像メモリ7または第二の画像メモリ127に蓄積される画像に対して順次x方向(主走査)にラスタスキャンを行い、1ラインの処理が終了した場合y方向に1画素進んだラスタスキャンを繰り返し行う。
【0058】
次に、各ステップにおける具体的な動作について説明する。
【0059】
第一の印加磁界条件による撮影画像は、図2のような画素配列で第一の画像メモリ7に記憶され、信号レベル補正処理部10によって補正処理が施される。補正処理は、例えば撮像素子2におけるRGB各色に対応した色フィルタの感度特性を補正し白色を正しい信号レベルに補正する白バランス補正処理や、低感度域あるいは高感度域の信号のダイナミックレンジを補正するガンマ補正処理等が必要に応じて選択される。
【0060】
信号レベル補正処理部10による処理が行われた第一の撮影画像は、第二の画像メモリ127に一旦蓄積された後、補間処理部11による処理が施され、RGBの全色成分を持つフルカラー画像として再度第二の画像メモリ127に蓄積される。
【0061】
次に、第二の印加磁界条件による撮影が行われ、第一の印加磁界条件での撮影画像と同様に、信号レベル補正処理部10及び補間処理部11の処理によって、撮像素子2と同数の画素数で持つRGBの全色成分を持つフルカラー画像として第二の画像メモリ127に蓄積される。この時、第二の画像メモリ127では、第一の印加磁界条件で撮影後補間された画像と第二の印加磁界条件で撮影後補間された画像は、図11のように画素数が縦横とも2倍である1枚の合成画像を構成する画素の一部として配置される。図11において、それぞれの丸印は、図9における1枚目と2枚目の撮像時の画素ずらし位置に対応した合成後の画像における画素の重心位置を示しており、黒丸印は第一の印加磁界条件で撮影して色補間された画像、白丸印は第二の印加磁界条件で撮影して色補間された画像、斜線を施した丸印はこれらのいずれにも該当しない空白画素を示している。
【0062】
図12には、図11で重心の位置関係に対応した、補間処理部11の処理実行前の既存画像信号成分とその位置関係について示している。図12より、1の添え字がついた色信号は1枚目の撮影画像から得られ、2の添え字がついた色信号は2枚目の撮影画像から得られる。補間処理部11の処理により、図12に表記される色成分以外のRGB全ての色信号を補間生成することになる。
【0063】
補間処理部11において、第一の撮影画像の色補間(図10のST101)及び第二の撮影画像の色補間(図10のST102)を行う際には、補間対象の注目画素近傍における補間しようとする色と同色の信号(以下、補間色と称す)及び補間色以外の色で参照用に使用する色信号(以下、参照色と称す)を用いることで相似的に注目画素における色信号レベルを算出する。
【0064】
例えば、撮像色信号がR色である画素の位置(以下、R画素位置と称す)の非撮像色信号のうちG色信号を補間生成する場合、図13(a)に示すR画素位置を中心とした画素ウィンドウに存在する画素のうち、注目するR色信号の他に垂直方向または水平方向に存在する2つのR色信号(R1、R2)または(R3、R4)の組、及びR色信号と同方向の2つのG色信号(G1、G2)または(G3、G4)の組の同方向の組合せのいずれかを用いる。
【0065】
垂直方向または水平方向のいずれか一方を選択する方法としては、参照色または補間色のそれぞれの方向の2画素の信号レベルの差分の絶対値を求めるなどして、算出する方法が知られている。即ち、これらの差分値が小さいほど、その方向に対する局所的な画像の類似性が高いと判断できる。図14(a)には、図13(a)の場合で例えば水平方向の類似性が高いと判断されて水平方向成分の参照色信号を用いて補間色信号の色補間を行う場合について、その考え方を示している。図14(a)において、各色信号毎の参照方向及び信号レベル値の軸を加えた2次元空間上でこれらの点が形成する三角形の形状を破線で示す。
【0066】
本実施の形態1では、補間処理部11により、参照色である撮像色信号Rが形成する三角形と補間色である非撮像色信号Gが形成する三角形を、相似図形にした場合の相似比からG色信号の補間信号gRを算出する。
【0067】
ここで、三角形(R・R1・R2)と、R1、R2をこれらの平均値RAVEで置き換えた点R1H、R2H及びRで形成される三角形(R・R1H・R2H)は、幾何学的に同一の面積を持つことが明らかである。画像信号では、信号分布から求まる積分値(即ち幾何学図形の面積)が画像エネルギーに相当し、同一面積を持つ即ち積分値が同じであればその領域における平均輝度が保存され視覚的に問題がないため、図14(a)の破線による三角形は実線による二等辺三角形(R・R1H・R2H)で置き換えることが可能である。
【0068】
同様にして、補間色であるG色信号が形成する三角形(gR・G1・G2)を二等辺三角形(gR・G1H・G2H)で置き換え、二等辺三角形(R・R1H・R2H)と二等辺三角形(gR・G1H・G2H)が相似図形になるように補間信号値gRを決定することにより、微小領域における画像エネルギーの比に応じた色補間が可能である。従来の線形補間法による色補間を行った場合、再現されるgRは(G1+G2)/2の点となり、R色成分が凸形状であるにもかかわらずG色成分は平坦な推移を示すため、G色成分の解像度が十分でなくR色信号の突出による偽色が発生する。これに対して、本手法を用いた場合、G色信号の推移が局所的な画像エネルギーに応じて良好に再現されるため、高解像度かつ偽色の少ない色補間が実現できる。
【0069】
また、この場合の演算は式(2)を用いることで行う。
【0070】
また、この場合の演算は式(2)を用いることで行う。
【数1】
但し、式(2)において、補間しようとするR画素位置の(x、y)座標を(m、n)とし、GAVE(m、n)はG1とG2の平均値を、RAVE(m、n)はR1とR2の平均値を示し、2つの二等辺三角形の線分相似比として1/2を乗じている。
【0071】
上記例では、R画素位置においてG色信号成分を補間する例を示したが、RをBに置き換えることでB画素位置におけるG色信号成分の補間を行うことが同様に可能である。
【0072】
また、上記例は、R画素位置のG成分を色補間する場合を示したが、任意のJ画素位置におけるK色の色補間に同様の考え方を当てはめることが可能である。図13(b)及び図13(c)は、他の画素位置における他の色成分補間を行う際の参照色の参照画素位置と補間色の参照画素位置の関係を示したものである。図13(b)は、G画素位置におけるR成分及びB成分補間の場合であり、各色成分について、図14(b)に示す三角形について上記モデルを適用する。
【0073】
即ち、これらの3点は三角形を形成するため注目画素以外の2点をそれらの平均値で置きかえることにより二等辺三角形を作成し、これと補間色が相似二等辺三角形を構成するように線分相似比である1/2を乗ずる。さらに、RとBが入れ替わった配置のG画素位置におけるR成分及びB成分の補間も同様に行うことが可能である。
【0074】
また、B画素位置におけるR成分補間時の参照画素位置の様子を図13(c)に示す。この場合は、図14(c)に示すG画素位置における撮像G成分及び注目画素のB画素位置における補間済みG成分を参照色用三角形を形成する点として用い、G画素位置における生成済みR成分を補間色用三角形を形成する点として用い、各二等辺三角形の線分相似比を1/1とすることで、これまでの例と同様の扱いをすることができる。さらに、RとBを入れ替えて考えることで、R画素位置におけるB成分の補間が可能である。
【0075】
以上の説明を元に、式(2)を一般化すると、式(3)のように記述することができる。
【数2】
尚、式(3)におけるK(m,n)は座標(m,n)における補間すべき非撮像色信号、Jは座標(m,n)における参照色としての撮像色信号を示し、CdはJ色がなす二等辺三角形に対するK色がなす二等辺三角形の線分相似比を示している。
【0076】
このようにして、色補間対象の画素位置を水平及び垂直方向に順次走査しながら各画素における全色成分補間を繰返し行うことにより、1画面分の撮影画素における色補間処理を実行することができる。
【0077】
このようにして、第一の印加磁界条件下で撮影した第一の撮影画像に対する色補間を補間処理部11で実行し、第二の画像メモリ127に一時記憶する。続いて、第二の印加磁界条件下で撮影した第二の撮影画像を同様に信号レベル補正処理部10を施した後補間処理部11において色補間処理を実施し、第二の画像メモリ127に一時記憶する。
【0078】
ここで、第二の画像メモリ127に記憶する第一の補間画像と第二の補間画像は、後述する合成処理部128における空白画素での画素補間処理のために、図11のように、1枚の合成画像内の所定の位置を示す物理アドレスに従って格納してもよいが、物理的には個別の画像記憶領域に記憶しておき、次の合成処理部128において、図11の各画素の位置関係を念頭に適宜読み出しを行うようにしてもよい。
【0079】
次に、2枚の補間画像の1枚の画像への合成処理について説明する。
【0080】
始めに、空白画素位置におけるG成分生成について詳細に説明する。
【0081】
図15の網掛け部分は、この段階で画像中に存在するG成分の位置関係を示したものである。空白画素位置のG成分を補間する場合、周辺画素を参照して画像中のエッジにあたる部分が注目画素を通過するか否かを判定し、その場合はエッジ線分の稜線方向に画素補間を実行することでシャープなエッジ再現が可能である。図15における矢印の示す方向は、注目画素を中心とする7×7画素からなる参照画素ウィンドウを元に検出可能な線分方向を示している。
【0082】
線分角度検出は以下の手順に従って実行する。
【0083】
注目画素及び8近傍画素に存在するG成分に対して信号レベル平均値Davを算出する。次に、算出した信号レベル平均値Davをしきい値として7×7画素ウィンドウ内の各G画素の信号値を1または0に2値化する。2値化されたウィンドウ内のG画素は予め定められている複数のパターンと比較され、パターンの一致により中心画素を通る線分角度及び線分のどちら側に明あるいは暗があるかという線分角度情報が認識される。これらの線分角度情報に基づいて、線分の稜線方向に存在する複数の画素値を線形補間して注目画素のG成分が算出される。
【0084】
例えば、7×7画素ウィンドウ内の画素が図16の斜線部画素(2値化データ:0)及びたすき線部画素(2値化データ:1)に2値化された場合、パターンマッチングにより図の矢印方向に画像のエッジが通っていることが検出され、図の太枠で示された画素の上下左右の4つの画素値を単純平均あるいは、注目画素からの距離に対する重み付け平均等により注目画素のG成分を補間する。
【0085】
線分の角度を検出し稜線方向に補間することで、一般的な8近傍画素の単純平均値により成分補間する場合に比べ、エッジをシャープかつ線分を滑らかに補間することが可能となる。これにより、画像の観察者に対して高い解像感を与えることが可能となる。
【0086】
以上の方法で、全画素のG成分が高い解像度で生成され、この結果を参照することでR及びB成分に関しても高解像度に補間生成することができる。
【0087】
また、空白画素位置におけるR及びB成分補間に関しては、前記空白画素位置におけるG成分補間と同様のパターンマッチングを用いた線分に対する稜線ベクトル検出により補間を行う。この時、RGB成分の個別のパターンマッチング結果の相違から生じる誤補間を防止するために、G成分補間時に検出した線分角度結果に基づきR及びB成分補間を行うように構成してもよい。
【0088】
以上のように、撮像素子の2×2倍の画素数を持つ4画素分の高解像度画像が合成処理部128により生成され、生成されたフルカラー画像は画像補正処理部12において光学系及び撮像系の画像歪を補正するノイズ除去フィルタ等の処理が施され、画像圧縮処理部13によりJPEG方式の画像符号化の後、インタフェース部14に送られる。このようにして、2枚の画素ずらし画像から撮像素子2のナイキスト周波数を超える高解像度の画像が形成される。
【0089】
本実施の形態1では、画素ずらし手段を用いて−45度方向に1/2画素ずらして撮影した2枚の画像を用いて高解像度化処理する例を示したが、この限りでない。すなわち、撮像素子2の各受光素子は有限数が面状に配置されており受光素子面における入射光を積分値として信号出力するため、これにより撮影画像の空間周波数は制約(ナイキスト周波数)を受けていることが標本化定理より説明できる。これに対し、「2台のカメラを用いる超高精細画像取得法」(小松、相澤、斎藤:テレビジョン学会誌 Vol.45, No.10, pp.1256〜1262)によると、開口率100%の撮像素子を用いて画素ずらし画像を統合した場合2倍以内の解像度まで改善可能であることが明示されている。本方式を用いて実際の撮像素子の開口率や受光素子の形状等を考慮してずらし方向、ずらし量及び撮影枚数を最適化することで合成画像における解像度を最適化することができる。
【0090】
また、本実施の形態1では、合成処理部128におけるパターンマッチングの際、7×7画素からなるウィンドウを用いて8方向の線分検出を行っているが、この限りでなく、実行するソフトウェアの高速化あるいは回路規模の低減を図る場合は、ウィンドウサイズを小型化し45度刻みの4方向あるいは水平及び垂直のみの2方向の画素間のエッジ線分の相関を用いるように構成してもよい。
【0091】
また、本実施の形態1では、画素ずらし光学系1の撮像条件を変化させた1枚目の画像を撮影し、第一の画像メモリ7に記憶し信号レベル補正処理部10及び補間処理部11の処理を終えた後に、第二の印加磁界条件下での2枚目の撮影を開始する構成としたが、この限りでない。即ち、第一の画像メモリ7に2枚分の撮影画像を記憶させる容量を確保しておき、2枚の撮影画像が揃った時点で画像処理部9における画像処理を開始する構成にしても同様な効果を得ることができる。こられは、実際の装置の設計思想によって柔軟に変更することができる。
【0092】
また、本実施の形態1では、1枚目の撮影画像に対して2枚目の撮影画像を−45度方向に画素ずらしする例を示したが、この限りでなく、45度方向、135度方向あるいは−135度方向にずらしても同一の処理が適用可能であることは言うまでもない。
【0093】
実施の形態2.
以下、実施の形態2を図について説明する。
【0094】
図17は、実施の形態2の全体構成を表すブロック図である。図2において、図1に示す実施の形態1と同一部分は同一符号を付してその説明は省略する。新たな符号として、20は撮影した各画像データを固定長圧縮方式にて符号化する固定長圧縮回路、21は撮像部5から出力される撮像デジタル信号のうち固定長圧縮回路20での圧縮時に使用するライン数分を遅延蓄積するラインバッファ、22は固定長圧縮回路20で圧縮された画像データを蓄積する圧縮画像メモリ、23は固定長伸張処理部である。
【0095】
次に、動作について説明する。画素ずらし機構を含む撮像部5の動作については実施の形態1と同様である。画素ずらし光学系1を用いて撮像部5から入力された撮影画像は、固定長圧縮回路20で画像圧縮するためにラインバッファ21に一時記憶される。以下に、固定長圧縮回路20における圧縮動作について詳細に説明する。
【0096】
固定長符号化手段20における固定長符号化アルゴリズムとしては、例えば4×4画素を1単位とするブロック毎に隣接画素情報の冗長性を排除する符号化法を行うものを用いる。この場合、図2の画素配列では隣接する画素位置に同じ色の画素が存在しないため、固定長圧縮回路20内において同色画素をブロック化する。
【0097】
図18は、固定長圧縮回路20により図2の画素配列が並べ替えられる様子を示した図である。撮影画像データは撮像部5から順次ラインバッファ21に蓄積され、未処理のデータが8ライン分揃った段階で画素配列の並べ替えを始めに、固定長圧縮回路20における符号化が実施される。画素並べ替えは、8×8画素単位に行い各色4×4画素を単位ブロックとしてブロック化する。並べ替え後の画像信号は、ブロックの左上方向のアドレスと右下方向のアドレスにG成分が集められて配列され、左下方向のアドレスにB成分、右上方向のアドレスにR成分が集められて配列される。
【0098】
また、固定長圧縮回路20における画像符号化方法について説明する。
【0099】
図19は、前記並べ替えられた単位ブロック内のカラー画像信号を固定長圧縮回路20で符号化する場合のアドレスを示す図である。すなわち、図19は、縦横4画素分ずつの同一カラーの画像信号の塊である単位ブロックのうち縦方向m行横方向n列(m、nは0<m、n≦4の自然数)のアドレスの画像信号に後述する量子化レベルを付すことを表している。
【0100】
図20は、各画素の画像信号の強度を階層化(量子化)する量子化レベルを表す。図20において、Lminは図19に示した16画素の画像信号強度中の最小値、Lmaxは同じ16画素の画像信号強度中の最大値、P1は最大値Lmaxと最小値Lminとの間を8等分した下から8分の1の値、P2は上から8分の1の値、Q1はLmin以上P1以下の信号強度を有する画素の平均値、Q8はLmax以下P2より大きい信号強度の画素の平均値である。
【0101】
また、LDは単位ブロック内の階調幅指標で、Q8−Q1に等しい。L1〜L7は階調幅指標LDを8等分した値を小さいほうから並べたものである。LAは単位ブロック内の画像データ平均値レベルで(Q1+Q8)/2に等しい。φijkは画素毎の量子化レベルを表す。
【0102】
図21及び図22は、この実施の形態による符号化手順を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを参照しながら符号化手順を説明する。
【0103】
まず、固定長圧縮回路20は、図18の(b)のように並べ替えられた単位ブロック内の画像データを読み込む(ステップST1)。次に、読み込んだ4×4画素分の画像データの信号強度を演算し、以下の各式に従って順次P1、P2、Q1、Q8、LA、LD、L1〜L7の値を求める(ステップST2〜ステップST13)。
【0104】
P1=(Lmax+7Lmin)/8
P2=(7Lmax+Lmin)/8
Q1=Ave(Xmn≦P1)
Q2=Ave(Xmn>P2)
LA=(Q1+Q8)/2
LD=Q8−Q1
L1=LA−3LD/8
L2=LA−LD/4
L3=LA−LD/8
L5=LA+LD/8
L6=LA+LD/4
L7=LA+3LD/8
【0105】
なお、Q1の式はLmin以上P1以下の信号強度を持つ画素の平均値を求めることを意味し、Q8の式はLmax以下P2より大きい信号強度を持つ画素の平均値を求めることを意味する。
【0106】
このようにして、順次P1、P2、Q1、Q8、LA、LD、L1〜L7の値を求めた後、固定長圧縮回路20はn=1、m=1とおいて(ステップST14、15)、この時のアドレス(m,n)の画素の信号強度(以後、画素値と称する)Xmn(すなわち画素値X11)がL1以下であるか否かを判断する(ステップST16)。
【0107】
画素値X11がL1以下である場合には、この画素値の量子化レベルφijkを2進数の000と設定する(ステップST17)。次に、mを1だけインクリメントし(ステップST31)、mが4以下であるか否かを判別する(ステップST32)。mが4以下である場合は、その画素の画素値を再びL1と比較する(ステップST16)。
【0108】
mが4より大きい場合には、nを1だけインクリメントし(ステップST33)、インクリメントしたnが4以下であるか否かを判別する(ステップST34)。nが4以下である場合は、その画素の画素値を再びL1と比較する(ステップST16)。
【0109】
画素値XmnがL1より大きい場合には、L2以下であるか否かを判別し(ステップST18)、が措置XmnがL2以下である場合は、この画素の量子化レベルφijkを2進数の001と設定する(ステップST19)。次に、mを1だけインクリメントし(ステップST31)、mが4以下であるか否かを判別する(ステップST32)。mが4以下である場合は、その画素の画素値を再びL1と比較する(ステップST16)。mが4より大きい場合には、nを1だけインクリメントし(ステップST33)、インクリメントしたnが4以下であるか否かを判別する(ステップST34)。nが4以下である場合には、その画素の画素値を再びL1と比較する(ステップST16)。
【0110】
以下、同様に、画素値がL1〜L2間、L2〜L3間、L3〜LA間、LA〜L5間、L5〜L6間、L6〜L7間のいずれの値を有するかを判別し(ステップST16、ST18、ST20、ST22、ST24、ST26、ST28)、その値に応じてそれぞれ量子化レベルφijk=000、001、010、011、100、101、110、111を当該画素に割り振る(ステップST17、ST19、ST21、ST23、ST25、ST27、ST29)。
【0111】
このようにして、同一単位ブロック内の全画素に量子化レベルを割り振って符号化を終了する。単位ブロックの符号化データはLA、LD、各画素毎のφijkである。
【0112】
これらの処理は、画面全体に対して単位ブロック数分繰り返す。A/D変換回路4からのデジタル信号が1画素あたり10ビットである場合(ビット詰めしない場合2バイト相当)、固定長符号化による画像圧縮率は10/32である。
このように各撮影画像データは、逐次同色画素の画素のみで構成されたブロック毎に固定長圧縮回路20において固定長符号化が行われ、画像データ量の低減が施された上でメモリ制御部8を介して圧縮画像メモリ22に蓄積される。
【0113】
こうして2枚の撮影画像データが圧縮画像メモリ22に蓄積された後に、画像処理部9における画像処理が施される。始めに、固定長圧縮回路20において符号化されている画像データの復号化処理を行う。固定長伸長処理部23における画像復号化方法について図について説明する。図23は、固定長伸長処理部23の動作を示すフローチャートである。以下、このフローチャートを参照しながら固定長伸長処理部23の固定長復号化動作を説明する。
【0114】
固定長復号化動作が開始されると、まず、縦方向座標値nを1に設定し(ステップST40)、に横方向座標値mを1に設定する(ステップST41)。すなわち、ステップST40及びステップST41の動作によってある単位ブロック中の座標値(1,1)のアドレスが指定される。
【0115】
次に、指定したアドレスの量子化レベルΦijkがいくつであるか判定し(ステップST42、ST44、ST46、ST48、ST50、ST52、ST54)、判定した各量子化レベルΦijkに応じて平均値レベルLAと階調幅指標LDとに基づいてその画素の信号強度Ymn(座標値(1,1)の画素であるならばY11)を求める(ステップST43、ST45、ST47、ST49、ST51、ST53、ST55、ST56)。
【0116】
各ステップにおいて平均値レベルLAと階調幅指標値LDとから信号強度Ymnを求めるには、それぞれ次の演算式に従う。
【0117】
Ymn=LA−LD/2 (ステップST43)
Ymn=LA−5LD/14 (ステップST45)
Ymn=LA−3LD/14 (ステップST47)
Ymn=LA−LD/14 (ステップST49)
Ymn=LA+LD/14 (ステップST51)
Ymn=LA+3LD/14 (ステップST53)
Ymn=LA+5LD/14 (ステップST55)
Ymn=LA+LD/2 (ステップST56)
画素(1,1)の信号強度を求めたら、次に横方向に画素を1つ移動し(ステップST57、ST58)、同一の手順で画素(2,1)の信号強度を復号化する(ステップST42〜ST56)。
【0118】
このようにして、単位ブロック内の最上段の画素について信号強度を復号化した後(ステップST58)、縦方向の座標値を1だけインクリメントし(ステップST59)、次の段の画素について同様にして信号強度を復号化する(ステップST42〜ST58)。
【0119】
このようにして単位ブロック内の全画素について信号強度を復号化して(ステップST41〜ST60)復号化動作を終了する。
【0120】
次に、復号化されたデータに、図24に示すように固定長圧縮回路20で並べ替えたデータの逆の並べ替え処理を施して画素信号を走査線方向に読み出したときと同一の順序で並べ替え、第一の画像メモリ7に記憶される。
【0121】
以上のように、第一の画像メモリ7上には固定長圧縮前の画像データと等価な画像データが蓄積されていることになり、実施の形態1と同様の画像処理が画像処理部9の他のブロックにおいて施され、インタフェース部14に出力される。
【0122】
以上のように、複数枚の画像を撮影する際に、各々の画像データを固定長圧縮回路20を用いてデータ圧縮することにより、撮像部5のA/D変換手段3から出力される画像信号を第一の画像メモリ7に蓄積する際、より少ないデータ量をデータバスに供給し記憶手段に蓄積することが可能となり、連写間隔を短縮するための高速なメモリ制御回路あるいは最低1フレーム分の高速書込みが可能な半導体メモリを使用する必要がなくなり、装置を低価格に構成することが可能となる。
【0123】
これは言い換えれば、少量の高速な圧縮画像メモリ22を使用することで記憶手段への撮影したデータ蓄積速度を見かけ上高速化することが可能であり、1枚目の撮影シーケンスが短時間に終了することで2枚目の撮影動作を短時間の間合いで開始することができることになる。そのために、2枚の撮影画像間に生じる被写体の時間的な変化あるいは撮影者の手ぶれ等を最小限に抑えることが可能となり、同一被写体を高精度に1/2画素ずらした撮影が実現できるという効果がある。
【0124】
実施の形態2では、第一の画像メモリ7と圧縮画像メモリ21は別個に設ける構成としたが、この限りでなく、共通の物理アドレス領域を有する半導体メモリ上に併設する構成としてもよい。また、これらのメモリと第二の画像メモリ127についても同一の半導体メモリ上に併設可能であることは言うまでもない。
【0125】
また、実施の形態2では、固定長圧縮回路20と固定長圧縮回路20に用いるラインバッファ22及び圧縮画像メモリ21を別個に設ける構成としたが、この限りでなく、これらの構成要素の2つ以上をLSI等の集積回路1石に包含する構成としてもよい。
【0126】
実施の形態3.
以下、実施の形態3を図について説明する。画素ずらし手段を含む撮像部5の構成及び動作、画像処理部9の構成に関しては、実施の形態1及び2と同様に、図1あるいは図17のように構成される。実施の形態3で特徴的である画像処理部9の信号レベル補正処理部10の動作について詳細な説明を行う。
【0127】
撮像部5で撮影された2枚の画像信号は、A/D変換回路3を経て画像処理部9の第一の画像メモリ7に蓄積される。蓄積された画像データは、各々信号レベル補正処理部10で白バランス補正処理やガンマ補正処理等の個別に適用可能な信号補正処理を施される。この時、1枚目の画像と2枚目の画像は時系列的に撮影されているため、例えば50〜60MHzの比較的低周波で発光を繰り返す蛍光灯を光源として撮影した場合、光源の発光タイミングとシャッタ時間の関係で2枚の画像の入射光量に差異が生じる場合がある。即ち、撮影した2枚の画像の平均明度に差が生じ、後段の合成処理部128で補間画像の合成処理を行う際に画質劣化の原因となりうる。
【0128】
図25(a)は1枚目の撮像条件に比して2枚目の撮像条件における照明光量が30%程度低下した場合の同一被写体を撮影した際の明度特性を示している。定照明下で撮影した際の各信号レベルは、照明条件が変化した場合に平均明度の低下とダイナミックレンジの縮小が発生する。図中、Max及びMin値は各画像における最大信号レベル及び最小信号レベルである。実施の形態3における信号レベル補正処理部10では、各画像内の信号レベル補正処理の他、2枚の画像の信号レベル補正処理を行う。
【0129】
即ち、各画像における最大信号レベル値及び最小信号レベル値を検出し、いずれか一方の信号レベル特性に他方を合せ込む処理を行う。通常は、1枚目の画像撮影時に自動露出補正あるいはシャッタ速度最適化を行い最適条件下で撮影を行うため、2枚目の画像を1枚目の明度分布特性に合わせるようにする。
【0130】
補正前後の2枚目の画像における各信号レベルをそれぞれD(j)(jは定照明下での各明度レベル値)及びD’(j)とすると、始めに式(4)に従って補正を行う(図25(b)参照)。
【0131】
D’(j)=D(j)+(Min1−Min2) (4)
【0132】
続いて、式(5)に従って1枚目の画像及び式(4)にて補正した2枚目の画像のダイナミックレンジを補正し最終的な2枚目の補正信号レベルD’’(j)を算出する(図25(c)参照)。
【数3】
以上の手順で信号レベル補正処理部10を構成することにより、撮影した2枚の画像の照明条件が異なる場合においても明度特性を良好に一致させることが可能であり、高精度の画素補間・合成処理が実現可能である。
【0133】
また、撮像装置を図17(実施の形態2)に示す構成にし、撮影画像を固定長圧縮回路20を用いて符号化する場合、各符号におけるLAは16画素からなるブロック内の平均信号レベルを代表する値であることから、上記手順を全てLAを対象に実施しても等価的に同等の効果を実現可能であることは容易に説明できる。このように構成した場合、上記全画素を対象に行っていた最大・最小信号レベル検出及び信号レベル補正に関する演算規模を1/16に抑制することが可能であり、処理の高速化を実現できるという格別の効果がある。
【0134】
実施の形態3では、2枚目の撮影画像に対して式(4)及び式(5)を順次適用するように構成したが、この限りでなく、これらを1回の画像データ走査で行えることは言うまでもない。
【0135】
実施の形態4.
以下、実施の形態4を図について説明する。実施の形態4における全体構成は実施の形態1における図1あるいは実施の形態2における図17の構成と同様である。本実施の形態4では、画素ずらし光学系1として、電界の強さに応じて透過光の屈折現象が変化する電気光学素子を用いる点が、実施の形態1及び実施の形態2と異なる。
【0136】
図26及び図27は、本実施の形態4における撮像部5の構成を示したものである。これら図において、30は電圧印加により電界を発生する電界発生回路、31は電気光学素子である。
【0137】
次に動作について説明する。図26の撮像部5について構成及び動作を説明する。図26の動作原理図である図27中の電気光学素子31及び偏光板18をA−A、B−B、C−Cの方向から見たものをそれぞれ図28、図29、図30に示す。
【0138】
図27において、画像を結像するためのレンズ61から電気光学素子31に入射する自然光は、図28に示すように、互いに直交する2つの偏光成分LX、LYで表すことができる。電気光学素子31に電界が印加されていない場合は、図29のLX0、LY0に示す偏光成分が前記LX、LYが直進した位置に観測される。電気光学素子31に所定の電界E1が印加されると、該電気光学素子31は複屈折現象を呈し、図29のLX1、LY1に示す偏光成分が観測される。
【0139】
ここで、LX1は複屈折現象における常光線としてLXが直進した位置に、LY1は複屈折現象の異常光線としてLYが距離Pだけずれ対置に観測される。ただし、この場合、図30に示すようなP=PH/2(PHは撮像素子2の水平画素ピッチを示す)となるような電界E1を電界発生回路30により電気光学素子31に印加する。
【0140】
上記撮像装置における動作タイミングを図8により説明すると、図8(a)はフィールドシフトパルス、図8(b)は電気光学素子31に印加される電界E1の強さを示す図、図8(c)は信号読み出しパルス、図8(d)は撮像素子2の出力信号を示す図、図8(e)はA、Bフィールドを1フレームとして見た場合の図である。電界E1の強さの変化の位相を図8(a)のフィールドシフトパルスに一致させる。
【0141】
上述の動作により、この実施の形態4の撮像装置は、 A、Bフィールドでの信号電荷蓄積を入射画像と撮像素子2の画素との相対的な位置に関してPH/2だけ離れた位置で行うことができる。これに対応して図8(c)に示す信号読み出しパルスのタイミングもPH/2に相当する時間Tだけずらしてある。その結果、図8(e)に示すように、この撮像装置はA、Bフィールドを1フレームとした1周期で高画素密度化した画像を得ることができる。
【0142】
実施の形態4における画像処理部9の構成及び動作はこれまでの実施の形態で説明したいずれを用いても構成できる。
【0143】
実施の形態5.
以下、実施の形態5を図について説明する。実施の形態5における全体構成は実施の形態1における図1あるいは実施の形態2における図19と同様である。本実施の形態5では、画素ずらし光学系1として直線偏光を作る偏光板及び入射光の方位角を変更する液晶板を用いた場合を例にとって説明する。
【0144】
図31は、本実施の形態5における撮像部5の構成を示したものである。
【0145】
図31において、18は入射光に対して直線偏光を生成する偏光板、92は偏光板18で生成された直線偏光を電圧の印加条件で方位角が変更可能な液晶板、91は液晶板92への印加電圧を制御する駆動電圧制御回路である。
【0146】
次に、動作について説明する。画素ずらし光学系1および撮像素子2の拡大図を図32に示す。図32において、A−Aは偏光板18の入射側、B−Bは偏光板18の出射側、C−Cは液晶板92の出射側、D−Dは複屈折板19の出射側の垂直方向の位置を示している。図33〜図36には図32に示した前記A−AからD−Dまでの各位置における光の偏光方向を示す。
【0147】
被写体を撮像する場合、光学系に入射される光は無偏光であるため、図33のように、垂直方向の偏光成分と水平方向の偏光成分とで示すことができる。偏光板18は入射された光から直線偏光した光を出射する。また、その方位角は、図34に示すように、撮像素子2の水平方向の画素配列を基準角とすると、基準角に対して45°の角度となるように、偏光板18の偏光方向の偏光軸を傾けて配置する。
【0148】
液晶板92は、内部に液晶層を有し、2枚の電極基板で液晶を挟んだ板であり、外部から電圧すなわち電界が加わることにより、内部の液晶の分子配列変化に伴う電気光学効果を引き起こす。この発明にて用いる液晶板92は、入射される直線偏光の光の偏光方向を、液晶板92に電圧を加える、または加えている電圧を切ることにより、変化させるものである。上記液晶板92を実現させるための一例として前記電気光学効果の内、代表的な電界効果型である、ねじれネマチック(TN)型液晶による旋光効果などが挙げられる。その動作を図37および図38に示す。
【0149】
TNモードを示すネマチック液晶は正の誘電異方性をもち、素子の分子配列を図37、38に示す。図37,38中、93が液晶分子である。基板に電圧が印加されたときは、図37に示すように分子長軸方向が両基板面で直行しているように配列するため、偏光板19を介して入射された直線偏光はそのまま出射される。電圧が無印加の時は素子内の液晶分子の配列は連続的に90°ねじれており、光学的には90°旋光効果を起こすため、偏光板19から入射された直線偏光は90°ねじれて、出射光は入射光に対して90°偏光方向が異なるようになる。
【0150】
液晶板92から出射された光の偏光を図35に示す。図35において、c1は前記液晶板92において電圧が印加された状態であり、電圧無印加時にはc2のように基準角度に対して135°の方位角を有した直線偏光となる。今、c1の直線偏光を第1の偏位方向、c2の直線偏光を第2の偏位方向とする。液晶板92から出射された光は次に複屈折板19に入射される。
【0151】
複屈折板19は屈折率が偏光方向によって均一でない、いわゆる複屈折を有する材質であり、撮像装置では被写体の空間周波数が撮像素子2の画素ピッチから求められるサンプリング周波数を超えている場合、追い返しノイズ(エイリアジングノイズ)として画像に現れるため、光学的ローパスフィルタとして水晶板などが良く用いられている。水晶板すなわち複屈折板19は入射する光を常光線と異常光線とに分離し、その分離の距離間は複屈折板19の厚みによって調整することが可能である。
【0152】
第1の偏位方向の入射光を常光線、第2の偏位方向の入射光を異常光線とするように複屈折板を設けると、図4に示すように、異常光線は点線で示されるように、その光軸は常光線と異とし、それぞれの偏位方向を有する入射光は図36中d1,d2に示すように撮像素子2上の異なった位置に結像する。また、前記複屈折板19の厚みを図36に示すように水平方向の撮像素子の画素ピッチwxの半分であるwx/2、垂直方向の撮像素子の画素ピッチwyの半分であるwy/2だけ異常光線が常光線に対して異なるように設ける。
【0153】
よって、前記第1の偏位方向の時に撮像素子2上に結像した像を撮像した第1の画像と、第2の偏位方向の時に撮像した第2の画像の2枚の画像は互いに水平垂直とも1/2画素分、相対的にずれている。
【0154】
以上のことから、撮像装置は、撮像部制御回路4からの制御により撮像素子2を駆動させる際に駆動電圧制御回路91から液晶板92へ駆動電圧を出力する。液晶板92は電圧が加わることにより図39に示す液晶分子配列となり、第1の偏位方向の入射光は撮像素子2上に結像される。撮像素子2は撮像部制御回路4の制御により駆動電圧制御回路91からの駆動信号により撮像を行い第1の画像を得る。
【0155】
次に、第1の画像を撮像した後、駆動電圧制御回路91は液晶板92への印加電圧を0とする。液晶板92の液晶分子配列は、図38に示したようになり、第2の偏位方向の入射光は撮像素子2上に結像される。撮像素子2は駆動電圧制御回路91からの駆動信号により撮像を行い第2の画像を得る。
【0156】
液晶板92への印加電圧パルスを図39に示す。撮像部制御回路4は図39における状態1の間に第1の画像の撮像を終了させ、同図状態2の間に第2の画像の撮像を終了させる。
【0157】
上記のように動作させることにより、水平垂直とも1/2画素ずれた第1の画像および第2の画像を得ることができる。
【0158】
以上のように得られた1枚目の撮影画像と1/2画素ずらして撮影された2枚目の画像は、逐次A/D変換手段3においてデジタル信号に変換された後、画像処理部9に送信される。
【0159】
実施の形態5では、1枚目の画像に対して2枚目の撮影画像を1/2画素ずらす方向として45度方向にずらすものを例に説明したがこの限りでなく、液晶92及び複屈折板19の配置あるいは液晶92への印加電圧を適宜組み合わせることにより135度方向、−45度方向、−135度方向など実現可能である。
【0160】
また、実施の形態5では、入射する直線偏光の偏光方向を変化させる液晶板92として、TN型液晶を一例として挙げたが、光電効果により旋光効果を有する液晶板92であれば、同様の効果を有することができる。
【0161】
なお、実施の形態1において、図3に示した画素ずらし光学系1では、レンズ61は、偏光板18、磁気光学素子17、複屈折板19からなる画素ずらしを行うための手段よりも被写体寄りの位置に配置されているが、この限りでない。即ち、レンズ61をこれらの手段の後段に配置することで同様の画素ずらし効果が得られると共に、画素ずらしのための手段を着脱可能な構成にすることにより、通常の撮像装置でありながら画素ずらしのための手段を装着することで高精細な画像を撮像可能な撮像装置として実現できるという格別な効果が生じる。
【0162】
また、実施の形態4では、図26に示した画素ずらし光学系1では、レンズ61は、偏光板18と電気光学素子31からなる画素ずらしを行うための手段よりも被写体寄りの位置に配置されているが、この限りでない。即ち、レンズ61をこれらの手段の後段に配置することで同様の画素ずらし効果が得られると共に、画素ずらしのための手段を着脱可能な構成にすることにより、通常の撮像装置でありながら画素ずらしのための手段を装着することで高精細な画像を撮像可能な撮像装置として実現できるという格別な効果が生じる。
【0163】
また、以上の全ての実施の形態においては、静止画像を連続的に取り込み可能なディジタルスチルカメラでの構成例を示したが、動画像を取り込み可能なディジタルビデオレコーダにおける高精細静止画撮影モードなどとして構成可能であることは言うまでもない。
【0164】
また、以上の全ての実施の形態においては、撮像装置の内部で色補間処理及び合成処理を実行可能な構成例を示したがこの限りでなく、パーソナルコンピュータやカラープリンタ等、撮像装置に直接あるいは記憶媒体を間接的に経由して接続可能な機器上で構成してもよい。
【0165】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、撮像素子に対する入射光の位置を半画素分だけ光学的に変位させる画素ずらし手段と、上記画素ずらし手段による変位前後の撮像素子の撮像画像を記憶する第一の画像記憶手段と、上記第一の画像記憶手段に記憶されている撮像画像を構成する撮像色信号のうち、参照色である撮像色信号について類似性が高いと判断された 1 次元方向に配列する3点の画素座標を横軸にこれら3点の信号レベル値を縦軸にした平面上に形成される三角形と、補間色である非撮像色信号について参照色と同一方向である1次元方向に配列する2点と補間生成しようとする画素の画素座標を横軸にこれら3点の信号レベル値を縦軸にした平面上に形成される三角形の相似比を考慮して色補間を行う補間手段と、変位前後の撮像画像を上記補間手段で各々色補間した結果を記憶する第二の画像記憶手段と、変位前後の撮像素子の撮像画像を合成する合成手段とを備えたので、画素数の増加量に対して十分に解像度が向上した画像を実現することが可能な撮像装置を得ることができる。
【0166】
また、上記合成手段は、撮像画素が存在しない位置の空白画素を画素補間する場合、画像中のエッジに当たる部分が空白画素を通過するか否かを判定し、その空白画素を通過する時にはエッジ成分の稜線方向に当該空白画素を画素補間するようにしたので、エッジ線分の稜線方向に画素補間を実行することでシャープなエッジ再現が可能となる。
【0167】
また、撮像素子の撮像画像を圧縮して、その圧縮画像を圧縮画像メモリに格納し、その圧縮画像を伸張して上記第一の画像記憶手段に出力する圧縮・伸張手段を設けたので、複数枚の画像を撮影する際に、各々の画像データを圧縮することにより、撮像部の画像信号を第一の画像メモリに蓄積する際、より少ないデータ量をデータバスに供給し記憶手段に蓄積することが可能となり、連写間隔を短縮するための高速なメモリ制御回路あるいは最低1フレーム分の高速書込みが可能な半導体メモリを使用する必要がなくなり、装置を低価格に構成することが可能となる。
【0168】
また、上記第一の画像記憶手段に記憶されている変位前後の撮像素子の撮像画像を構成する撮像色信号の信号レベルを補正する信号レベル補正手段を設けたので、RGB各色に対応して色フィルタの感度特性を良好なものにすることができる。
【0169】
また、上記信号レベル補正手段は、変位前後の撮像素子の撮像画像における所定領域の撮像色信号の平均信号レベルを計算し、双方の平均信号レベルが一致するように撮像色信号の信号レベルを補正するようにしたので、撮像した2枚の画素の照明条件が異なる場合においても明度特性を良好に一致させることが可能であり、高精度の画素補間・合成処理が実現できる。
【0170】
また、上記画素ずらし手段は、入射光を撮像素子に導く光路に配置された磁気光学素子を備え、当該磁気光学素子に与える磁界の強度を制御して、撮像素子に対する入射光の位置を変位させるので、高画素密度化画像を得ることができる。
【0171】
また、上記画素ずらし手段は、入射光を撮像素子に導く光路に配置された電気光学素子を備え、当該電気光学素子に与える電界の強度を制御して、撮像素子に対する入射光の位置を変位させるので、高画素密度化画像を得ることができる。
【0172】
また、上記画素ずらし手段は、入射光を撮像素子に導く光路に配置された液晶板を備え、当該液晶板に与える電圧の強度を制御して、撮像素子に対する入射光の位置を変位させるので、高画素密度化画像を得ることができる。
【0173】
また、撮像光学系と撮像素子の間に上記画素ずらし手段を配置することで、画素ずらし手段を着脱可能な構成にすることにより通常の撮像装置でありながら画素ずらし手段を装着することで高精細度な画像を撮像可能な撮像装置として実現できる。
を特徴とするものである。
【0174】
さらに、撮像光学系の前段に上記画素ずらし手段を配置することで、画素ずらし手段を着脱可能な構成にすることにより通常の撮像装置でありながら画素ずらし手段を装着することで高精細度な画像を撮像可能な撮像装置として実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施の形態1を示す全体ブロック図である。
【図2】 Bayer配列をした撮像素子の説明図である。
【図3】 図1における撮像部5の詳細構成を示した図である。
【図4】 図1における撮像部5の構成及び動作説明のための図である。
【図5】 偏光板18、ファラデー素子17、複屈折板19を、図4のA−A線から見た図である。
【図6】 偏光板18、ファラデー素子17、複屈折板19を、図4のB−B線から見た図である。
【図7】 偏光板18、ファラデー素子17、複屈折板19を、図4のC−C線から見た図である。
【図8】 撮像装置における動作タイミングの説明図である。
【図9】 撮像原理により、図2のBayer型単板カラー撮像素子を用いて、画素ずらし画像を撮影する説明図である。
【図10】 補間処理部11及び合成処理部128の処理手順を示したフローチャートである。
【図11】 画素数が縦横とも2倍である1枚の合成画像を構成する画素の配置説明図である。
【図12】 図11で重心の位置関係に対応した、補間処理部11の処理実行前の既存画像信号成分とその位置関係についての説明図である。
【図13】 撮像色信号がR色である画素の位置(以下、R画素位置と称す)の非撮像色信号のうちG色信号を補間生成する場合の説明図である。
【図14】 図13の場合で水平方向の類似性が高いと判断されて水平方向成分の参照色信号を用いて補間色信号の色補間を行う場合の説明図である。
【図15】 画像中に存在するG成分の位置関係を示ス説明図である。
【図16】 線分角度情報に基づいて線分の稜線方向に存在する複数の画素値を線形補間して注目画素のG成分が算出される場合の説明図である。
【図17】 この発明の実施の形態2の全体構成を表すブロック図である。
【図18】 固定長圧縮回路20により図2の画素配列が並べ替えられる様子を示した図である。
【図19】 並べ替えられた単位ブロック内のカラー画像信号を固定長圧縮回路20で符号化する場合のアドレスを示す図である。
【図20】 各画素の画像信号の強度を階層化(量子化)する量子化レベルを表す図である。
【図21】 実施の形態2による符号化手順を示すフローチャートである。
【図22】 実施の形態2による符号化手順を示すフローチャートである。
【図23】 固定長伸長処理部23の動作を示すフローチャートである。
【図24】 固定長圧縮回路20で並べ替えたデータの逆の並べ替え処理を施して画素信号を走査線方向に読み出したときと同一の順序で並べ替え、第一の画像メモリ7に記憶される場合の説明図である。
【図25】 定照明下での被写体明度の説明図である。
【図26】 この発明の実施の形態4における撮像部5の構成を示した図である。
【図27】 図26の動作原理図である。
【図28】 図27中の電気光学素子31及び偏光板18をA−Aの方向から見た図である。
【図29】 図27中の電気光学素子31及び偏光板18をB−Bの方向から見た図である。
【図30】 図27中の電気光学素子31及び偏光板18をC−Cの方向から見た図である。
【図31】 この発明の本実施の形態5における撮像部5の構成を示した図である。
【図32】 画素ずらし光学系1および撮像素子2の拡大図である。
【図33】 図32に示したA−Aの各位置における光の偏光方向を示す図である。
【図34】 図32に示したB−Bの各位置における光の偏光方向を示す図である。
【図35】 図32に示したC−Cの各位置における光の偏光方向を示す図である。
【図36】 図32に示したD−Dの各位置における光の偏光方向を示す図である。
【図37】 液晶板92を実現させるための一例として前記電気光学効果の内、代表的な電界効果型である、ねじれネマチック(TN)型液晶による旋光効果の説明図である。
【図38】 図37と関連する旋光効果の説明図である。
【図39】 図液晶分子配列の説明図である。
【図40】 特開平7−236086号公報に示された光学的に画素数を増加させる従来の画像入力装置のブロック図である。
【図41】 撮像部の機構を示す斜視図である。
【図42】 撮像によって得られた前後左右の信号の平均値からG1’,G2’を補間する際の説明図である。
【図43】 補間して得られたG信号からさらに内挿することにより全画素分のG信号を得る場合の説明図である。
【図44】 左右のB1信号からB1’信号を内挿し、さらに、補間したB1’信号からB1”信号を内挿する場合の説明図である。
【図45】 補間したB1’,B1”,B2’,B2”から残りの画素の内挿を行う説明図である。
【符号の説明】
1 画素ずらし光学系、2 撮像素子、3 A/D変換回路、4 撮像部制御回路、5 撮像部、6 カメラ制御部、7 第一の画像メモリ、8 メモリ制御部、9 画像処理部、10 信号レベル補正処理部、11 補間処理部、12 画像補正処理部、13 画像圧縮処理部、14 インタフェース部、15 磁界発生回路、16 コイル、17 ファラデー素子、18 偏光板、19 複屈折板、20 固定長圧縮回路、21 ラインバッファ、22 圧縮画像メモリ、23 固定長伸張処理部、30 電界発生回路、31 電気光学素子、61 レンズ、91 駆動電圧発生回路、92 液晶板、127 第二の画像メモリ、128 合成処理部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an imaging apparatus for realizing an image with high resolution.
[0002]
[Prior art]
In an image input device using a two-dimensional image sensor such as a CCD, each image is synthesized after each change of the relative position between the image and the image sensor and changed to obtain an apparent number of pixels. One that increases the resolution by increasing it is known. In order to improve the resolution by such a method, a flat transparent member is disposed in parallel between the photographing optical system and the two-dimensional image sensor as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-236086. An image pickup device is formed by displacing incident light from a photographic optical system using one of the three tilting means not on a straight line arranged above as a support portion and the other two points as an operation portion for operating the transparent member. The image above is slightly displaced.
[0003]
FIG. 40 is a block diagram of a conventional image input device that optically increases the number of pixels disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-236060, and FIG. 41 is a perspective view showing a mechanism of an imaging unit. is there.
[0004]
40 and 41, 61 is a lens that is an imaging optical system for forming an image, 2 is an imaging element such as a CCD that is two-dimensionally arranged for photoelectrically converting the image, and 103 is an
[0005]
[0006]
Further, 108a and 108b are first and second actuating portions including the transparent
[0007]
Next, the operation will be described.
[0008]
First, imaging is performed in a state where neither of the two
[0009]
Furthermore, if the same one
[0010]
By appropriately combining these two-direction movements, a two-dimensional pixel shift to an arbitrary position is carried out, and then a plurality of photographed images stored in the image buffer memory 7 are considered in consideration of the pixel shift execution direction. An image in which the number of pixels is optically increased by interpolation for each pixel is obtained in the image synthesis memory 109.
[0011]
Next, a conventional signal processing method for generating a high-definition image from an image obtained by conventional pixel shifting will be described.
[0012]
The signal array shown in FIG. 2 is an image sensor having a Bayer array that is most often used in a single-plate image storage, and the R, G, or B signal in the figure is sampled at the pixel position on the arrangement of the image sensor. Color signal.
[0013]
FIG. 12 is a diagram in which the color signal of the image captured by shifting the image sensor shown in FIG.
[0014]
In FIG. 12, R1, G1, and B1 are color signals of the first photographed image, and R2, G2, and B3 are color signals obtained from the second photographed image after pixel shifting.
[0015]
When the image shown in FIG. 12 is generated as a high-resolution image, it is necessary to generate a full-color signal having four times the number of pixels because it is doubled both horizontally and vertically compared to FIG. It is necessary to generate a non-photographing color signal in the pixel from the peripheral pixel signal and to interpolate all the color signals of blank pixels in the same manner.
[0016]
For example, now focusing on only the G signal, there are G signals G1, G2 obtained by imaging only at the positions shown in FIG. In the conventional technique, G1 ′ and G2 ′ are interpolated from the average value of the front and rear, left and right signals, and then further interpolated from the G signal obtained by interpolation as shown in FIG. A G signal can be obtained.
[0017]
Further, focusing on the B signal, as shown in FIG. 44, the B1 ′ signal is interpolated from the left and right B1 signals, and further the B1 ″ signal is interpolated from the interpolated B1 ′ signal. The same applies to the B2 signal. 45, the remaining pixels are interpolated from the interpolated B1 ′, B1 ″, B2 ′, B2 ″ as shown in FIG. By the above method, R, G, B signals for all pixels can be obtained.
[0018]
[Problems to be solved by the invention]
However, the technique disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-236086 described above has a highly accurate pixel shift amount because the transparent flat plate member is mechanically driven and controlled by two motors in order to change the optical path two-dimensionally. It was difficult to realize. In particular, the pixel pitch of recent solid-state imaging devices is mainly several microns, and a complicated control system is required to obtain a mechanical accuracy that is a fraction of that. In addition, since control is performed using mechanical vibration, a design that fully considers vibration and repeated life is required.
[0019]
Furthermore, in the conventional signal processing that generates a high-resolution image from an image captured by the above method, since it is a simple linear interpolation, it is not possible to obtain a resolution corresponding to the number of pixels obtained by performing pixel shifting. First, since the image shown in FIG. 2 in the single-plate image pickup device has one color filter disposed on each pixel, R, G, and B signals corresponding to the number of pixels cannot be obtained, and the number of pixels is the same. The first cause is that the resolution is not obtained. Next, there is a problem that the linear interpolation method cannot improve the resolution when obtaining a high resolution image from two images.
[0020]
In order to solve such a problem, the present applicant has applied for a method of shifting a minute pixel without mechanically vibrating the imaging optical system in Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-26984.
[0021]
The present invention has been made in view of the above-described points, and an object of the present invention is to obtain an imaging device capable of realizing an image with sufficiently improved resolution with respect to an increase in the number of pixels.
[0022]
[Means for Solving the Problems]
An image pickup apparatus according to the present invention includes a pixel shift unit that optically displaces the position of incident light with respect to the image sensor by a half pixel, and a first image that stores captured images of the image sensor before and after the displacement by the pixel shift unit. Of the captured color signals constituting the captured image stored in the storage unit and the first image storage unit, the captured color signal which is a reference colorIt was judged that the similarity was high 1 It is formed on a plane with the pixel coordinates of three points arranged in the dimension direction as the horizontal axis and the signal level values of these three points as the vertical axis.Triangle and,Non-imaging color signal that is an interpolation colorAre formed on a plane in which two points arranged in a one-dimensional direction that is the same direction as the reference color and the pixel coordinates of the pixel to be interpolated are set on the horizontal axis and the signal level values of these three points are set on the vertical axis.Interpolation means for performing color interpolation in consideration of the similarity ratio of triangles, second image storage means for storing the results of color interpolation of the captured images before and after displacement by the interpolation means, and captured images of the image sensor before and after displacement And a synthesizing means for synthesizing.
[0023]
Further, the above-mentioned combining means determines whether or not the portion corresponding to the edge in the image passes through the blank pixel when performing pixel interpolation on the blank pixel at the position where the imaging pixel does not exist, and when passing through the blank pixel, the edge component The blank pixels are interpolated in the ridge line direction.
[0024]
In addition, compression / expansion means is provided for compressing a captured image of the image sensor, storing the compressed image in a compressed image memory, decompressing the compressed image, and outputting the decompressed image to the first image storage means. It is what.
[0025]
Further, the present invention is characterized in that there is provided signal level correction means for correcting the signal level of the image pickup color signal constituting the picked-up image of the image pickup element before and after displacement stored in the first image storage means.
[0026]
In addition, the signal level correction means calculates the average signal level of the color signal in the predetermined area in the captured image of the image sensor before and after the displacement, and corrects the signal level of the color signal so that both average signal levels match. It is characterized by doing.
[0027]
The pixel shifting means includes a magneto-optical element disposed in an optical path that guides incident light to the image sensor, and controls the intensity of the magnetic field applied to the magneto-optical element to displace the position of the incident light with respect to the image sensor. It is characterized by this.
[0028]
The pixel shifting means includes an electro-optical element disposed in an optical path that guides incident light to the image sensor, and controls the intensity of an electric field applied to the electro-optical element to displace the position of the incident light with respect to the image sensor. It is characterized by this.
[0029]
The pixel shifting means includes a liquid crystal plate disposed in an optical path that guides incident light to the image sensor, and controls the intensity of voltage applied to the liquid crystal plate to displace the position of the incident light with respect to the image sensor. It is a feature.
[0030]
Further, the pixel shifting means is arranged between the imaging optical system and the imaging element.
[0031]
Further, the pixel shifting means is arranged in the preceding stage of the imaging optical system.
[0032]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0033]
FIG. 1 is an overall block
[0034]
FIG. 3 shows a detailed configuration of the
[0035]
1 and 3,
[0036]
[0037]
Further, 10 is a signal level correction processing unit that performs white balance correction, black level correction, gamma correction, and the like on the image signal, 11 is an interpolation processing unit that performs color interpolation on the captured image by digital image processing, and 128 is color-interpolated. A synthesizing processing unit that synthesizes two images to generate a single high-resolution image, and 12 is a noise generated in the optical system or circuit system for one high-resolution image obtained by the synthesizing
[0038]
Furthermore, 14 stores an image finally obtained through the
[0039]
Next, the operation will be described.
[0040]
First, a schematic operation of the entire imaging apparatus will be described, and detailed operations of each unit will be described later.
[0041]
Here, a procedure for obtaining two high-definition images having a
[0042]
When shooting in the high-definition mode is set by the photographer from the
[0043]
In the
[0044]
Next, an image photographed with a shift of ½ pixel in the −45 degree direction compared to the first photographed image due to the second applied magnetic field condition in the image sensing
[0045]
Next, the synthesizing
[0046]
Hereinafter, the pixel shift
[0047]
The configuration and operation of the
[0048]
3 and 4, 15 is a magnetic field generation circuit, 16 is a coil that generates a magnetic field in accordance with a voltage applied to the magnetic
[0049]
FIGS. 5, 6, and 7 show the respective
[0050]
When linearly polarized light traveling in the magnetic field direction Ha is incident on the
[0051]
θ = R × l × H (1)
Here, l is the thickness of the Faraday element, H is the strength of the magnetic field, and R is a Verdet constant. The above formula (1) is described in, for example, “Optical Measurement Handbook” issued by Asakura Shoten Co., Ltd.
[0052]
In FIG. 4, the strength of the magnetic field at which the rotation angle θ is 0 degree is Hθ 0Then, H = HθIn this case, linearly polarized light in the vibration direction Wa shown in FIG. 5 is obtained, and H = Hθ 0At the vibration direction W shown in FIG.θ 0Linearly polarized light is obtained. When linearly polarized light in the vibration direction Wa enters the
[0053]
With the above-described operation, in the imaging apparatus according to the present invention, signal charge accumulation in each of the A and B fields can be performed at a position separated by PH / 2 with respect to the relative position between the incident image and the pixel of the
[0054]
In the first embodiment, for simplification of description, the horizontal direction, that is, the coordinates with respect to the one-dimensional space has been described as the pixel shift direction. However, the pixel shift position can be two-dimensionally performed based on the same principle. In that case, n sets of optical element groups each including a
[0055]
Based on the imaging principle described above, the Bayer type single-plate color imaging device of FIG. 2 is used, and the pixel position having the center of gravity by the first applied magnetic field condition represented by the black circle shown in FIG. A pixel-shifted image can be taken under the second applied magnetic field condition represented by a white circle that is shifted by two pixels. Hereinafter, the high resolution processing in the
[0056]
FIG. 10 is a flowchart illustrating processing procedures of the
[0057]
In each processing, a target pixel (hereinafter referred to as a target pixel) on which color interpolation or pixel interpolation is performed is sequentially applied to the image stored in the first image memory 7 or the
[0058]
Next, specific operations in each step will be described.
[0059]
A captured image under the first applied magnetic field condition is stored in the first image memory 7 in a pixel array as shown in FIG. 2 and subjected to correction processing by the signal level
[0060]
The first captured image that has been processed by the signal level
[0061]
Next, imaging is performed under the second applied magnetic field condition, and the same number of
[0062]
FIG. 12 shows the existing image signal components and the positional relationship before the processing of the
[0063]
When the
[0064]
For example, when the G color signal is generated by interpolation among the non-imaging color signals at the pixel position where the color signal is R (hereinafter referred to as the R pixel position), the R pixel position shown in FIG. Among the pixels existing in the pixel window, a pair of two R color signals (R1, R2) or (R3, R4) existing in the vertical direction or the horizontal direction in addition to the R color signal of interest, and the R color signal Or a combination of two G color signals (G1, G2) or (G3, G4) in the same direction in the same direction.
[0065]
As a method for selecting either the vertical direction or the horizontal direction, a calculation method is known by obtaining an absolute value of a difference between signal levels of two pixels in each direction of the reference color or the interpolation color. . That is, it can be determined that the smaller the difference value is, the higher the similarity of the local image in that direction is. FIG. 14A shows a case where the color interpolation of the interpolated color signal is performed using the reference color signal of the horizontal direction component, for example, when the similarity in the horizontal direction is determined to be high in the case of FIG. It shows the way of thinking. In FIG. 14A, the shape of the triangle formed by these points in a two-dimensional space including the reference direction for each color signal and the axis of the signal level value is indicated by a broken line.
[0066]
In the first embodiment, the
[0067]
Here, the triangle (R · R1 · R2H) and the triangle (R · R1H · R2H) formed by the points R1H, R2H and R obtained by replacing R1 and R2 with the average value RAVE are geometrically identical. It is clear to have an area of In the image signal, the integral value (that is, the area of the geometric figure) obtained from the signal distribution corresponds to the image energy, and if it has the same area, that is, the integral value is the same, the average luminance in the region is stored and there is a visual problem. Therefore, the triangle by the broken line in FIG. 14A can be replaced by the isosceles triangle (R, R1H, R2H) by the solid line.
[0068]
Similarly, the triangles (gR, G1, and G2) formed by the G color signal as the interpolation color are replaced with isosceles triangles (gR, G1H, and G2H), and isosceles triangles (R, R1H, and R2H) and isosceles triangles. By determining the interpolation signal value gR so that (gR · G1H · G2H) becomes a similar figure, color interpolation according to the ratio of image energy in a minute region is possible. When color interpolation by the conventional linear interpolation method is performed, the reproduced gR is a point of (G1 + G2) / 2, and the G color component shows a flat transition despite the convex shape of the R color component. The resolution of the G color component is not sufficient, and a false color is generated due to the protrusion of the R color signal. On the other hand, when this method is used, since the transition of the G color signal is reproduced well according to the local image energy, color interpolation with high resolution and few false colors can be realized.
[0069]
Further, the calculation in this case is performed by using Expression (2).
[0070]
Further, the calculation in this case is performed by using Expression (2).
[Expression 1]
However, in equation (2), the (x, y) coordinate of the R pixel position to be interpolated is (m, n), and GAVE(M, n) is the average value of G1 and G2, RAVE(M, n) represents an average value of R1 and R2, and is multiplied by 1/2 as a line segment similarity ratio of two isosceles triangles.
[0071]
In the above example, the G color signal component is interpolated at the R pixel position. However, by replacing R with B, the G color signal component at the B pixel position can be similarly interpolated.
[0072]
In the above example, the G component at the R pixel position is color-interpolated. However, the same concept can be applied to the K color interpolation at an arbitrary J pixel position. FIGS. 13B and 13C show the relationship between the reference pixel position of the reference color and the reference pixel position of the interpolation color when performing other color component interpolation at other pixel positions. FIG. 13B shows a case of R component and B component interpolation at the G pixel position, and the above model is applied to the triangle shown in FIG. 14B for each color component.
[0073]
That is, since these three points form a triangle, an isosceles triangle is created by replacing the two points other than the pixel of interest with their average value, and a line segment is formed so that this and the interpolation color form a similar isosceles triangle. Multiply by the similarity ratio of 1/2. Further, the interpolation of the R component and the B component at the G pixel position where R and B are interchanged can be performed in the same manner.
[0074]
FIG. 13C shows the state of the reference pixel position at the time of R component interpolation at the B pixel position. In this case, the imaging G component at the G pixel position shown in FIG. 14C and the interpolated G component at the B pixel position of the target pixel are used as points for forming the reference color triangle, and the generated R component at the G pixel position is used. Is used as a point for forming an interpolation color triangle, and the line segment similarity ratio of each isosceles triangle is set to 1/1, so that the same treatment as in the previous examples can be performed. Further, by interchanging R and B, B component interpolation at the R pixel position is possible.
[0075]
Based on the above description, generalizing equation (2) can be described as equation (3).
[Expression 2]
In Equation (3), K (m, n) is a non-imaging color signal to be interpolated at coordinates (m, n), J is an imaging color signal as a reference color at coordinates (m, n), and Cd is The line segment similarity ratio of the isosceles triangle formed by the K color with respect to the isosceles triangle formed by the J color is shown.
[0076]
In this way, it is possible to execute the color interpolation processing for the photographic pixels for one screen by repeatedly performing all color component interpolation in each pixel while sequentially scanning the pixel position to be color-interpolated in the horizontal and vertical directions. .
[0077]
In this manner, the
[0078]
Here, the first interpolation image and the second interpolation image stored in the
[0079]
Next, a process for synthesizing two interpolated images into one image will be described.
[0080]
First, the G component generation at the blank pixel position will be described in detail.
[0081]
The shaded portion in FIG. 15 shows the positional relationship of the G component present in the image at this stage. When interpolating the G component at the blank pixel position, it is determined whether or not the portion corresponding to the edge in the image passes through the target pixel with reference to the surrounding pixels, and in that case, the pixel interpolation is performed in the ridge line direction of the edge line segment. By doing so, sharp edge reproduction is possible. A direction indicated by an arrow in FIG. 15 indicates a line segment direction that can be detected based on a reference pixel window including 7 × 7 pixels centered on the target pixel.
[0082]
The line segment angle detection is executed according to the following procedure.
[0083]
The signal level average value Dav is calculated for the G component existing in the target pixel and the eight neighboring pixels. Next, the signal value of each G pixel in the 7 × 7 pixel window is binarized to 1 or 0 using the calculated signal level average value Dav as a threshold value. The G pixel in the binarized window is compared with a plurality of predetermined patterns, and the line segment angle passing through the central pixel and the line segment on which side the line segment is bright or dark due to pattern matching Angle information is recognized. Based on the line segment angle information, the G component of the target pixel is calculated by linearly interpolating a plurality of pixel values existing in the ridge line direction of the line segment.
[0084]
For example, when the pixels in the 7 × 7 pixel window are binarized into the hatched pixel (binarized data: 0) and the diagonal line pixel (binarized data: 1) in FIG. It is detected that the edge of the image passes in the direction of the arrow, and the pixel of interest is obtained by simple averaging or weighted averaging with respect to the distance from the pixel of interest, etc. Is interpolated.
[0085]
By detecting the angle of the line segment and interpolating in the ridge line direction, it is possible to interpolate the edge sharply and the line segment more smoothly than in the case of component interpolation using a simple average value of eight neighboring pixels. Thereby, it is possible to give a high resolution to the observer of the image.
[0086]
With the above method, the G components of all the pixels are generated with high resolution, and the R and B components can be interpolated and generated with high resolution by referring to this result.
[0087]
As for R and B component interpolation at blank pixel positions, interpolation is performed by detecting edge line vectors for line segments using pattern matching similar to G component interpolation at the blank pixel positions. At this time, in order to prevent erroneous interpolation caused by differences in individual pattern matching results of RGB components, R and B component interpolation may be performed based on the line segment angle results detected during G component interpolation.
[0088]
As described above, the high-resolution image for four pixels having the number of
[0089]
In the first embodiment, the example in which the high resolution processing is performed using the two images captured by shifting the pixels by ½ pixel in the −45 degrees direction using the pixel shifting unit has been described. In other words, a finite number of light receiving elements of the
[0090]
In the first embodiment, eight line segments are detected using a window of 7 × 7 pixels at the time of pattern matching in the
[0091]
In the first embodiment, the first image obtained by changing the imaging condition of the pixel shifting
[0092]
In the first embodiment, the example in which the second captured image is shifted in the −45 degree direction with respect to the first captured image has been described. It goes without saying that the same processing can be applied even if the direction or the direction of −135 degrees is shifted.
[0093]
The second embodiment will be described below with reference to the drawings.
[0094]
FIG. 17 is a block diagram illustrating the overall configuration of the second embodiment. In FIG. 2, the same parts as those of the first embodiment shown in FIG. As a new code, 20 is a fixed-length compression circuit that encodes each captured image data by a fixed-length compression method, and 21 is a compressed digital signal output from the
[0095]
Next, the operation will be described. The operation of the
[0096]
As the fixed-length encoding algorithm in the fixed-length encoding means 20, for example, an algorithm that performs an encoding method that eliminates redundancy of adjacent pixel information for each block having 4 × 4 pixels as one unit is used. In this case, since the same color pixel does not exist in the adjacent pixel position in the pixel array of FIG. 2, the same color pixel is blocked in the fixed-
[0097]
FIG. 18 is a diagram illustrating a state in which the pixel array in FIG. 2 is rearranged by the fixed-
[0098]
An image encoding method in the fixed
[0099]
FIG. 19 is a diagram showing addresses when the fixed-
[0100]
FIG. 20 shows a quantization level at which the intensity of the image signal of each pixel is hierarchized (quantized). 20, Lmin is the minimum value in the image signal intensity of 16 pixels shown in FIG. 19, Lmax is the maximum value in the image signal intensity of the same 16 pixels, and P1 is 8 between the maximum value Lmax and the minimum value Lmin. Equally divided 1/8 value from the bottom, P2 is 1/8 value from the top, Q1 is an average value of pixels having a signal intensity of Lmin or more and P1 or less, and Q8 is a pixel having a signal intensity greater than Lmax or less than P2. Is the average value.
[0101]
LD is a gradation width index in the unit block, and is equal to Q8-Q1. L1 to L7 are obtained by arranging the values obtained by dividing the gradation width index LD into eight equal parts from the smallest. LA is equal to (Q1 + Q8) / 2 at the average level of image data in the unit block. φijk represents the quantization level for each pixel.
[0102]
21 and 22 are flowcharts showing the encoding procedure according to this embodiment. The encoding procedure will be described below with reference to this flowchart.
[0103]
First, the fixed
[0104]
P1 = (Lmax + 7Lmin) / 8
P2 = (7Lmax + Lmin) / 8
Q1 = Ave (Xmn ≦ P1)
Q2 = Ave (Xmn> P2)
LA = (Q1 + Q8) / 2
LD = Q8-Q1
L1 = LA-3LD / 8
L2 = LA-LD / 4
L3 = LA-LD / 8
L5 = LA + LD / 8
L6 = LA + LD / 4
L7 = LA + 3LD / 8
[0105]
The expression Q1 means obtaining an average value of pixels having a signal intensity not less than Lmin and not more than P1, and the expression Q8 means obtaining an average value of pixels having a signal intensity greater than Lmax and less than P2.
[0106]
In this way, after sequentially obtaining the values of P1, P2, Q1, Q8, LA, LD, and L1 to L7, the fixed
[0107]
If the pixel value X11 is equal to or less than L1, the quantization level φijk of this pixel value is set to binary 000 (step ST17). Next, m is incremented by 1 (step ST31), and it is determined whether m is 4 or less (step ST32). When m is 4 or less, the pixel value of the pixel is compared with L1 again (step ST16).
[0108]
When m is larger than 4, n is incremented by 1 (step ST33), and it is determined whether or not the incremented n is 4 or less (step ST34). When n is 4 or less, the pixel value of the pixel is compared with L1 again (step ST16).
[0109]
If the pixel value Xmn is larger than L1, it is determined whether or not it is L2 or less (step ST18). If the measure Xmn is L2 or less, the quantization level φijk of this pixel is set to
[0110]
Similarly, it is determined whether the pixel value has a value between L1 and L2, between L2 and L3, between L3 and LA, between LA and L5, between L5 and L6, and between L6 and L7 (step ST16). , ST18, ST20, ST22, ST24, ST26, ST28), and according to the values, quantization levels φijk = 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111 are allocated to the pixels (steps ST17, ST19). , ST21, ST23, ST25, ST27, ST29).
[0111]
In this way, the quantization level is assigned to all the pixels in the same unit block, and the encoding is completed. The encoded data of the unit block is LA, LD, and φijk for each pixel.
[0112]
These processes are repeated for the number of unit blocks for the entire screen. When the digital signal from the A /
As described above, each captured image data is subjected to fixed-length encoding in the fixed-
[0113]
After the two photographed image data are accumulated in the
[0114]
When the fixed-length decoding operation is started, first, the vertical coordinate value n is set to 1 (step ST40), and the horizontal coordinate value m is set to 1 (step ST41). That is, the address of the coordinate value (1, 1) in a certain unit block is designated by the operations of step ST40 and step ST41.
[0115]
Next, it is determined how many quantization levels Φijk of the designated address are (steps ST42, ST44, ST46, ST48, ST50, ST52, ST54), and the average value level LA and the respective quantization levels Φijk are determined. Based on the gradation width index LD, the signal intensity Ymn of the pixel (Y11 if the pixel has the coordinate value (1, 1)) is obtained (steps ST43, ST45, ST47, ST49, ST51, ST53, ST55, ST56). .
[0116]
In order to obtain the signal intensity Ymn from the average value level LA and the gradation width index value LD in each step, the following arithmetic expressions are used, respectively.
[0117]
Ymn = LA-LD / 2 (Step ST43)
Ymn = LA-5LD / 14 (Step ST45)
Ymn = LA-3LD / 14 (Step ST47)
Ymn = LA-LD / 14 (step ST49)
Ymn = LA + LD / 14 (Step ST51)
Ymn = LA + 3LD / 14 (Step ST53)
Ymn = LA + 5LD / 14 (Step ST55)
Ymn = LA + LD / 2 (Step ST56)
After obtaining the signal strength of the pixel (1, 1), the pixel is moved one by one in the horizontal direction (steps ST57 and ST58), and the signal strength of the pixel (2, 1) is decoded by the same procedure (step ST57). ST42 to ST56).
[0118]
In this way, after decoding the signal intensity for the uppermost pixel in the unit block (step ST58), the vertical coordinate value is incremented by 1 (step ST59), and the same processing is performed for the next pixel. The signal strength is decoded (steps ST42 to ST58).
[0119]
In this way, the signal strength is decoded for all the pixels in the unit block (steps ST41 to ST60), and the decoding operation is terminated.
[0120]
Next, the decoded data is subjected to the reverse rearrangement process of the data rearranged by the fixed
[0121]
As described above, the image data equivalent to the image data before the fixed length compression is stored in the first image memory 7, and the image processing similar to that in the first embodiment is performed by the
[0122]
As described above, when a plurality of images are taken, each image data is compressed using the fixed
[0123]
In other words, by using a small amount of the high-speed
[0124]
In the second embodiment, the first image memory 7 and the
[0125]
In the second embodiment, the fixed-
[0126]
The third embodiment will be described below with reference to the drawings. The configuration and operation of the
[0127]
Two image signals captured by the
[0128]
FIG. 25A shows the lightness characteristics when the same subject is imaged when the illumination light quantity in the second image capturing condition is reduced by about 30% compared to the first image capturing condition. Each signal level when photographing under constant illumination causes a decrease in average brightness and a reduction in dynamic range when the illumination conditions change. In the figure, the Max and Min values are the maximum signal level and the minimum signal level in each image. The signal level
[0129]
That is, the maximum signal level value and the minimum signal level value in each image are detected, and processing for adjusting the other to one of the signal level characteristics is performed. Normally, automatic exposure correction or shutter speed optimization is performed at the time of photographing the first image, and photographing is performed under the optimum conditions. Therefore, the second image is adjusted to the brightness distribution characteristic of the first image.
[0130]
If each signal level in the second image before and after correction is D (j) (j is each lightness level value under constant illumination) and D ′ (j), correction is first performed according to equation (4). (See FIG. 25 (b)).
[0131]
D '(j) = D (j) + (Min1-Min2) (4)
[0132]
Subsequently, the dynamic range of the first image and the second image corrected by equation (4) is corrected according to equation (5), and the final correction signal level D ″ (j) of the second image is corrected. Calculate (see FIG. 25C).
[Equation 3]
By configuring the signal level
[0133]
Also, when the imaging apparatus is configured as shown in FIG. 17 (Embodiment 2) and the captured image is encoded using the fixed-
[0134]
In the third embodiment, the expressions (4) and (5) are sequentially applied to the second photographed image. However, the present invention is not limited to this, and these can be performed by a single image data scan. Needless to say.
[0135]
Hereinafter, the fourth embodiment will be described with reference to the drawings. The overall configuration in the fourth embodiment is the same as the configuration in FIG. 1 in the first embodiment or the configuration in FIG. 17 in the second embodiment. The fourth embodiment is different from the first and second embodiments in that an electro-optical element that changes the refraction phenomenon of transmitted light according to the strength of the electric field is used as the pixel shifting
[0136]
26 and 27 show a configuration of the
[0137]
Next, the operation will be described. The configuration and operation of the
[0138]
In FIG. 27, natural light incident on the electro-
[0139]
Where LX1Is the position where LX goes straight as an ordinary ray in the birefringence phenomenon.Y1Is L as an extraordinary ray of birefringence phenomenon.YIs observed in the opposite position by a distance P. However, in this case, an electric field E1 such that P = PH / 2 (PH indicates the horizontal pixel pitch of the image sensor 2) as shown in FIG. 30 is applied to the electro-
[0140]
The operation timing in the imaging apparatus will be described with reference to FIG. 8. FIG. 8A shows a field shift pulse, FIG. 8B shows the strength of the electric field E1 applied to the electro-
[0141]
With the above-described operation, the imaging apparatus according to the fourth embodiment performs signal charge accumulation in the A and B fields at a position separated by PH / 2 with respect to the relative position between the incident image and the pixel of the
[0142]
The configuration and operation of the
[0143]
The fifth embodiment will be described below with reference to the drawings. The overall configuration in the fifth embodiment is the same as that in FIG. 1 in the first embodiment or FIG. 19 in the second embodiment. In the fifth embodiment, a case where a polarizing plate that produces linearly polarized light and a liquid crystal plate that changes the azimuth angle of incident light are used as the pixel shifting
[0144]
FIG. 31 shows a configuration of the
[0145]
In FIG. 31, 18 is a polarizing plate that generates linearly polarized light with respect to incident light, 92 is a liquid crystal plate that can change the azimuth angle of the linearly polarized light generated by the
[0146]
Next, the operation will be described. An enlarged view of the pixel shifting
[0147]
When an object is imaged, the light incident on the optical system is non-polarized light and can be represented by a vertical polarization component and a horizontal polarization component as shown in FIG. The
[0148]
The
[0149]
The nematic liquid crystal exhibiting the TN mode has positive dielectric anisotropy, and the molecular arrangement of the element is shown in FIGS. 37 and 38, 93 is a liquid crystal molecule. When a voltage is applied to the substrates, as shown in FIG. 37, the molecular long axis direction is arranged so as to be perpendicular to both substrate surfaces, so that the linearly polarized light incident through the
[0150]
The polarization of the light emitted from the
[0151]
The
[0152]
When a birefringent plate is provided so that incident light in the first deflection direction is an ordinary ray and incident light in the second deviation direction is an extraordinary ray, the extraordinary ray is indicated by a dotted line as shown in FIG. As described above, the optical axis is different from that of the ordinary ray, and the incident light having the respective deflection directions forms images at different positions on the
[0153]
Therefore, the two images, the first image obtained by imaging the image formed on the
[0154]
From the above, the imaging apparatus outputs a driving voltage from the driving
[0155]
Next, after taking the first image, the drive
[0156]
FIG. 39 shows voltage pulses applied to the
[0157]
By operating as described above, it is possible to obtain a first image and a second image that are shifted by 1/2 pixel both horizontally and vertically.
[0158]
The second image captured by shifting the first captured image by 1/2 pixel from the first captured image obtained as described above is sequentially converted into a digital signal by the A /
[0159]
In the fifth embodiment, an example has been described in which the second captured image is shifted by 45 degrees as the direction in which the second captured image is shifted by 1/2 pixel. However, the present invention is not limited to this, and the
[0160]
In the fifth embodiment, the TN liquid crystal is given as an example of the
[0161]
In the first embodiment, in the pixel shifting
[0162]
In the fourth embodiment, in the pixel shifting
[0163]
In all the embodiments described above, the configuration example of the digital still camera capable of continuously capturing still images has been described. However, a high-definition still image shooting mode in a digital video recorder capable of capturing moving images, etc. Needless to say, it can be configured as.
[0164]
Further, in all the embodiments described above, the configuration examples capable of executing the color interpolation process and the synthesis process inside the imaging apparatus have been shown. However, the present invention is not limited to this, and the configuration is not limited to the imaging apparatus such as a personal computer or a color printer. You may comprise on the apparatus which can be connected via a storage medium indirectly.
[0165]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the pixel shifting unit that optically displaces the position of the incident light with respect to the image sensor by a half pixel and the captured images of the image sensor before and after the displacement by the pixel shifting unit are stored. One image storage means and a captured color signal which is a reference color among the captured color signals constituting the captured image stored in the first image storage meansIt was judged that the similarity was high 1 It is formed on a plane with the pixel coordinates of three points arranged in the dimension direction as the horizontal axis and the signal level values of these three points as the vertical axis.Triangle and,Non-imaging color signal that is an interpolation colorAre formed on a plane in which two points arranged in a one-dimensional direction that is the same direction as the reference color and the pixel coordinates of the pixel to be interpolated are set on the horizontal axis and the signal level values of these three points are set on the vertical axis.Interpolation means for performing color interpolation in consideration of the similarity ratio of triangles, second image storage means for storing the results of color interpolation of the captured images before and after displacement by the interpolation means, and captured images of the image sensor before and after displacement Therefore, it is possible to obtain an imaging device capable of realizing an image with sufficiently improved resolution with respect to an increase in the number of pixels.
[0166]
Further, the above-mentioned combining means determines whether or not the portion corresponding to the edge in the image passes through the blank pixel when performing pixel interpolation on the blank pixel at the position where the imaging pixel does not exist, and when passing through the blank pixel, the edge component Since the blank pixel is subjected to pixel interpolation in the ridge line direction, sharp edge reproduction can be performed by performing pixel interpolation in the ridge line direction of the edge line segment.
[0167]
In addition, since the image picked up by the image pickup device is compressed, the compressed image is stored in the compressed image memory, the compressed image is decompressed and output to the first image storage means, the compression / expansion means is provided. When capturing a single image, each image data is compressed to store an image signal of the imaging unit in the first image memory, and a smaller amount of data is supplied to the data bus and stored in the storage means. Therefore, it is not necessary to use a high-speed memory control circuit for shortening the continuous shooting interval or a semiconductor memory capable of high-speed writing for at least one frame, and the apparatus can be configured at a low price. .
[0168]
In addition, since signal level correction means for correcting the signal level of the image pickup color signal constituting the picked-up image of the image pickup element before and after displacement stored in the first image storage means is provided, color corresponding to each RGB color is provided. The sensitivity characteristic of the filter can be improved.
[0169]
In addition, the signal level correction means calculates the average signal level of the color signal in the predetermined area in the captured image of the image sensor before and after the displacement, and corrects the signal level of the color signal so that both average signal levels match. Thus, even when the illumination conditions of the two captured pixels are different, the brightness characteristics can be matched well, and highly accurate pixel interpolation / synthesis processing can be realized.
[0170]
The pixel shifting means includes a magneto-optical element disposed in an optical path that guides incident light to the image sensor, and controls the intensity of the magnetic field applied to the magneto-optical element to displace the position of the incident light with respect to the image sensor. Therefore, a high pixel density image can be obtained.
[0171]
The pixel shifting means includes an electro-optical element disposed in an optical path that guides incident light to the image sensor, and controls the intensity of an electric field applied to the electro-optical element to displace the position of the incident light with respect to the image sensor. Therefore, a high pixel density image can be obtained.
[0172]
Further, the pixel shifting means includes a liquid crystal plate disposed in an optical path that guides incident light to the image sensor, and controls the intensity of voltage applied to the liquid crystal plate to displace the position of the incident light with respect to the image sensor. A high pixel density image can be obtained.
[0173]
In addition, by arranging the pixel shifting means between the image pickup optical system and the image pickup device so that the pixel shifting means can be attached and detached, a high-definition can be achieved by mounting the pixel shifting means while being a normal imaging device. It can be realized as an image pickup apparatus capable of taking frequent images.
It is characterized by.
[0174]
Furthermore, by arranging the pixel shifting means in the preceding stage of the imaging optical system, the pixel shifting means can be attached and detached, so that a high-definition image can be obtained by mounting the pixel shifting means while being a normal imaging device. Can be realized as an image pickup apparatus capable of picking up images.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall block diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of an image sensor having a Bayer arrangement.
3 is a diagram illustrating a detailed configuration of an
4 is a diagram for explaining the configuration and operation of an
5 is a view of the
6 is a view of the
7 is a view of the
FIG. 8 is an explanatory diagram of operation timing in the imaging apparatus.
FIG. 9 is an explanatory diagram for capturing a pixel-shifted image using the Bayer type single-plate color image sensor of FIG. 2 based on the imaging principle.
10 is a flowchart showing processing procedures of an
FIG. 11 is an explanatory diagram of the arrangement of pixels constituting one composite image in which the number of pixels is double in both length and width.
FIG. 12 is an explanatory diagram of an existing image signal component and its positional relationship before the processing of the
FIG. 13 is an explanatory diagram in a case where a G color signal is generated by interpolation among non-imaging color signals at a pixel position (hereinafter referred to as an R pixel position) where the captured color signal is an R color.
14 is an explanatory diagram of a case where it is determined that the similarity in the horizontal direction is high in the case of FIG. 13 and the color interpolation of the interpolation color signal is performed using the reference color signal of the horizontal direction component.
FIG. 15 is an explanatory diagram showing the positional relationship of G components present in an image.
FIG. 16 is an explanatory diagram when the G component of the target pixel is calculated by linearly interpolating a plurality of pixel values existing in the ridge line direction of the line segment based on the line segment angle information.
FIG. 17 is a block diagram showing an overall configuration of a second embodiment of the present invention.
18 is a diagram showing a state in which the pixel array in FIG. 2 is rearranged by the fixed
FIG. 19 is a diagram illustrating addresses when color image signals in rearranged unit blocks are encoded by the fixed-
FIG. 20 is a diagram illustrating a quantization level for hierarchizing (quantizing) the intensity of an image signal of each pixel.
FIG. 21 is a flowchart showing an encoding procedure according to the second embodiment.
FIG. 22 is a flowchart showing an encoding procedure according to the second embodiment.
23 is a flowchart showing the operation of the fixed length
FIG. 24 shows the reverse order of the data rearranged by the fixed-
FIG. 25 is an explanatory diagram of subject brightness under constant illumination.
FIG. 26 is a diagram showing a configuration of an
27 is an operation principle diagram of FIG. 26. FIG.
28 is a view of the electro-
29 is a view of the electro-
30 is a view of the electro-
FIG. 31 is a diagram showing a configuration of an
FIG. 32 is an enlarged view of the pixel shifting
33 is a diagram showing the polarization direction of light at each position AA shown in FIG. 32;
34 is a diagram showing the polarization direction of light at each position BB shown in FIG. 32;
FIG. 35 is a diagram showing the polarization direction of light at each position of CC shown in FIG. 32;
36 is a diagram showing the polarization direction of light at each position of DD shown in FIG. 32;
FIG. 37 is an explanatory view of an optical rotation effect by a twisted nematic (TN) type liquid crystal, which is a representative field effect type, of the electro-optic effect as an example for realizing the
FIG. 38 is an explanatory diagram of an optical rotation effect related to FIG.
FIG. 39 is an explanatory diagram of a liquid crystal molecular arrangement.
FIG. 40 is a block diagram of a conventional image input apparatus for optically increasing the number of pixels disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-236086.
FIG. 41 is a perspective view illustrating a mechanism of an imaging unit.
FIG. 42 is an explanatory diagram when G1 ′ and G2 ′ are interpolated from the average values of front, rear, left and right signals obtained by imaging.
FIG. 43 is an explanatory diagram in the case of obtaining G signals for all the pixels by further interpolation from the G signals obtained by interpolation.
FIG. 44 is an explanatory diagram in the case of interpolating the B1 ′ signal from the left and right B1 signals and further interpolating the B1 ″ signal from the interpolated B1 ′ signal.
FIG. 45 is an explanatory diagram for interpolating the remaining pixels from the interpolated B1 ′, B1 ″, B2 ′, B2 ″.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (10)
上記画素ずらし手段による変位前後の撮像素子の撮像画像を記憶する第一の画像記憶手段と、
上記第一の画像記憶手段に記憶されている撮像画像を構成する撮像色信号のうち、参照色である撮像色信号について類似性が高いと判断された 1 次元方向に配列する3点の画素座標を横軸にこれら3点の信号レベル値を縦軸にした平面上に形成される三角形と、補間色である非撮像色信号について参照色と同一方向である1次元方向に配列する2点と補間生成しようとする画素の画素座標を横軸にこれら3点の信号レベル値を縦軸にした平面上に形成される三角形の相似比を考慮して色補間を行う補間手段と、
変位前後の撮像画像を上記補間手段で各々色補間した結果を記憶する第二の画像記憶手段と、
変位前後の撮像素子の撮像画像を合成する合成手段と
を備えた撮像装置。Pixel shifting means for optically displacing the position of incident light with respect to the image sensor by half a pixel;
First image storage means for storing captured images of the image sensor before and after displacement by the pixel shifting means;
Three pixel coordinates arranged in a one- dimensional direction that are determined to have high similarity with respect to the captured color signal that is the reference color among the captured color signals that constitute the captured image stored in the first image storage unit And a triangle formed on a plane with the signal level values of these three points on the horizontal axis and two points arranged in a one-dimensional direction that is the same direction as the reference color for the non-imaging color signal that is the interpolation color, Interpolation means for performing color interpolation in consideration of a similarity ratio of triangles formed on a plane in which the pixel coordinate of a pixel to be interpolated is abscissa and the signal level values of these three points are ordinate ;
Second image storage means for storing the results of color interpolation of the captured images before and after displacement by the interpolation means;
An image pickup apparatus comprising: combining means for combining the picked-up images of the image pickup element before and after displacement.
上記合成手段は、撮像画素が存在しない位置の空白画素を画素補間する場合、画像中のエッジに当たる部分が空白画素を通過するか否かを判定し、その空白画素を通過する時にはエッジ成分の稜線方向に当該空白画素を画素補間する
ことを特徴とする撮像装置。The imaging device according to claim 1,
The above synthesis means determines whether or not a portion corresponding to an edge in an image passes through a blank pixel when performing pixel interpolation on a blank pixel at a position where no image pickup pixel exists, and when passing through the blank pixel, the edge line of the edge component An imaging apparatus, wherein the blank pixel is interpolated in the direction.
撮像素子の撮像画像を圧縮して、その圧縮画像を圧縮画像メモリに格納し、その圧縮画像を伸張して上記第一の画像記憶手段に出力する圧縮・伸張手段を設けた
ことを特徴とする撮像装置。The imaging device according to claim 1 or 2,
A compression / expansion unit is provided that compresses a captured image of an image sensor, stores the compressed image in a compressed image memory, decompresses the compressed image, and outputs the decompressed image to the first image storage unit. Imaging device.
上記第一の画像記憶手段に記憶されている変位前後の撮像素子の撮像画像を構成する撮像色信号の信号レベルを補正する信号レベル補正手段を設けた
ことを特徴とする撮像装置。In the imaging device according to any one of claims 1 to 3,
An image pickup apparatus comprising signal level correction means for correcting a signal level of a picked-up color signal constituting a picked-up image of an image pickup element before and after displacement stored in the first image storage means.
上記信号レベル補正手段は、変位前後の撮像素子の撮像画像における所定領域の撮像色信号の平均信号レベルを計算し、双方の平均信号レベルが一致するように撮像色信号の信号レベルを補正する
ことを特徴とする撮像装置。The imaging apparatus according to claim 4.
The signal level correction means calculates the average signal level of the color signal in a predetermined area in the captured image of the image sensor before and after the displacement, and corrects the signal level of the color signal so that the average signal level of both is the same. An imaging apparatus characterized by the above.
上記画素ずらし手段は、入射光を撮像素子に導く光路に配置された磁気光学素子を備え、当該磁気光学素子に与える磁界の強度を制御して、撮像素子に対する入射光の位置を変位させる
ことを特徴とする撮像装置。The imaging device according to any one of claims 1 to 5,
The pixel shifting means includes a magneto-optical element disposed in an optical path that guides incident light to the image sensor, and controls the intensity of the magnetic field applied to the magneto-optical element to displace the position of the incident light with respect to the image sensor. An imaging device that is characterized.
上記画素ずらし手段は、入射光を撮像素子に導く光路に配置された電気光学素子を備え、当該電気光学素子に与える電界の強度を制御して、撮像素子に対する入射光の位置を変位させる ことを特徴とする撮像装置。The imaging device according to any one of claims 1 to 5,
The pixel shifting means includes an electro-optical element disposed in an optical path that guides incident light to the image sensor, and controls the intensity of an electric field applied to the electro-optical element to displace the position of the incident light with respect to the image sensor. An imaging device that is characterized.
上記画素ずらし手段は、入射光を撮像素子に導く光路に配置された液晶板を備え、当該液晶板に与える電圧の強度を制御して、撮像素子に対する入射光の位置を変位させる
ことを特徴とする撮像装置。The imaging device according to any one of claims 1 to 5,
The pixel shifting means includes a liquid crystal plate arranged in an optical path that guides incident light to the image sensor, and controls the intensity of voltage applied to the liquid crystal plate to displace the position of the incident light with respect to the image sensor. An imaging device.
撮像光学系と撮像素子の間に画素ずらし手段を配置する
ことを特徴とする撮像装置。The imaging device according to any one of claims 6 to 8,
An image pickup apparatus comprising: a pixel shifting unit disposed between an image pickup optical system and an image pickup element.
撮像光学系の前段に画素ずらし手段を配置する
ことを特徴とする撮像装置。The imaging device according to any one of claims 6 to 8,
An image pickup apparatus, wherein a pixel shifting unit is arranged in front of an image pickup optical system.
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