JP6901895B2 - 帯域制限装置及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、入力画像の帯域制限を行う帯域制限装置及びプログラムに関する。

従来、画像縮小における折り返し歪の抑制、ぼやけ画像やエッジの抽出、画像データの圧縮などを行うために画像の帯域制限が行われている。一般的な帯域制限方法としては、低域通過型（ＬＰＦ：Low-Pass Filter）、帯域通過型（ＢＰＦ：Band-Pass Filter）、高域通過型（ＨＰＦ：High-Pass Filter）の線形フィルタ処理があげられる。

一方、ウェーブレット変換（ウェーブレット分解）を用いたウェーブレット縮退によりノイズ除去を行う手法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

David L. Donoho, Iain M. Johnstone, Gerard Kerkyacharian and Dominique Picard, "Wavelet Shrinkage: Asymptopia?", Journal of the Royal Statistical Society. Series B (Methodological), Vol. 57, No. 2, pp. 301-369, 1995.

しかし、上記のＬＰＦなどの線形フィルタ処理は容易に装置化することができるが、周波数帯域ごとの制御を詳細に行うことが困難である。

また、非特許文献１に開示された手法は、ウェーブレット変換した周波数分解係数のうち、雑音レベル以下の成分をコアリングするなどしてノイズ除去を行うものであり、帯域制限を行うものではなかった。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、周波数帯域ごとの制御を詳細に行うことができ、高精度かつ高画質な帯域制限処理を行うことが可能な帯域制限装置及びプログラムを提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明に係る帯域制限装置は、入力画像の帯域を制限する帯域制限装置であって、前記入力画像に対して周波数分解処理を行って周波数分解係数を生成する周波数分解部と、周波数帯域が制限閾値を超える制限周波数帯域内の前記周波数分解係数を、周波数帯域が前記制限閾値を超えない非制限周波数帯域内の前記周波数分解係数よりも強く縮退させた縮退係数を生成する縮退処理部と、前記縮退係数に対して周波数再構成処理を行って帯域制限画像を生成する周波数再構成部と、前記制限閾値に基づいて、縮退させる前記周波数分解係数の割合を示す帯域制限量を決定し、前記入力画像の前記周波数分解係数の絶対値の総和に対する前記非制限周波数帯域内の前記周波数分解係数の絶対値の総和の比を正規化した重み係数を用いて、前記帯域制限量を調整する帯域制限量決定部と、を備え、前記縮退処理部は、前記帯域制限量決定部により調整された帯域制限量に基づいてパワー閾値を決定し、絶対値が前記パワー閾値以下の前記周波数分解係数について、絶対値が前記パワー閾値を超える前記周波数分解係数よりも強く縮退させることを特徴とする。

さらに、本発明に係る帯域制限装置において、前記縮退処理部は、前記帯域制限量を用いて前記周波数分解係数の入力値に対する出力値を表す縮退関数を決定し、該縮退関数を用いて前記周波数分解係数を縮退させることを特徴とする。

さらに、本発明に係る帯域制限装置において、前記周波数分解部は、前記入力画像を低周波帯域側にオクターブ分解するウェーブレット分解処理、又は前記入力画像を低周波帯域側及び高周波帯域側にオクターブ分解するウェーブレットパケット分解処理を行い、タップ長が閾値以上でかつ線形位相性を有するウェーブレットフィルタを用いることを特徴とする。

また、上記課題を解決するため、本発明に係るプログラムは、コンピュータを、上記帯域制限装置として機能させることを特徴とする。

本発明によれば、周波数帯域ごとに帯域制限の制御を詳細に行うことができ、高精度かつ高画質な帯域制限処理を行うことができる。

本発明の第１の実施形態に係る帯域制限装置の構成例を示すブロック図である。 入力画像を２階ウェーブレットパケット分解した際の周波数分解の様子を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る帯域制限装置で用いられる制限周波数帯域と非制限周波数帯域とを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る帯域制限装置で用いられる縮退関数の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る帯域制限装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係る帯域制限装置で用いられるヒストグラムの例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る帯域制限装置の構成例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る帯域制限装置について、以下に説明する。図１に、本発明の第１の実施形態に係る帯域制限装置の構成例を示す。図１に示す帯域制限装置１は、周波数分解部１１と、縮退処理部１２と、周波数再構成部１３とを備える。

帯域制限装置１は、入力画像の帯域を制限した帯域制限画像を生成し、外部に出力する装置である。

周波数分解部１１は、入力画像に対して周波数分解処理を行って周波数分解係数（周波数分解成分）を生成し、縮退処理部１２に出力する。なお、周波数分解における各階の周波数分解係数間には、パーセバルの等式が成り立つものとする。

周波数分解部１１は、周波数分解処理として、入力画像を低周波帯域側にオクターブ分解するウェーブレット分解処理、又は入力画像を低周波帯域側及び高周波帯域側にオクターブ分解するウェーブレットパケット分解処理を行うのが好適である。また、これらの処理に用いるウェーブレットフィルタは、タップ長が長く（閾値以上）、かつ線形位相性を有するものとするのが好適である。タップ長が３以上で、かつ線形位相性を有するウェーブレットフィルタとして、ＣＤＦ（Cohen-Daubechies-Feauveau）５／３や、ＣＤＦ９／７が知られている。

周波数帯域ごと及び位相位置ごとの制御を行うことが可能な帯域制限方法として、窓関数を用いたフーリエ変換を用いた縮退処理が考えられるが、該処理では、窓関数の特性にもよるが、不連続関数を正弦波関数及び余弦波関数で級数近似することにより、ギブス現象が発生することがある。なお、映像符号化で用いられるブロック分割領域の離散コサイン変換においても、同様の問題がある。さらには、画素数をＮとするとＮ log Ｎオーダーで計算量が増えるという問題がある。その点、ウェーブレットフィルタを用いた周波数分解処理によれば、これらの問題が発生しなくなる。

図２は、周波数分解部１１によるウェーブレットパケット分解について説明する図である。解像度が水平８Ｋ・垂直４Ｋの入力画像を２階ウェーブレットパケット分解した場合、図２に示すように、入力画像の周波数帯域は１６分割され、周波数分解部１１は、各周波数帯域内の周波数分解係数を出力する。以下の説明では、画像の空間周波数を、周波数に対応する解像度で表すこととする。

縮退処理部１２は、帯域制限画像の周波数帯域の目標値である制限閾値を含む帯域制限情報を入力し、帯域制限情報に基づいて、周波数分解部１１により生成された周波数分解係数を縮退させた縮退係数を生成し、周波数再構成部１３に出力する。縮退処理部１２は、制限閾値を超える周波数帯域（制限周波数帯域）の周波数分解係数について、制限閾値以下の周波数帯域（非制限周波数帯域）の周波数分解係数よりも強く縮退させる。

図３に、解像度が水平８Ｋ・垂直４Ｋの入力画像に対して、制限閾値を解像度で水平６Ｋ・垂直３Ｋとした場合の、制限周波数帯域と非制限周波数帯域とを示す。斜線のある帯域が非制限周波数帯域であり、斜線のない帯域が制限周波数帯域である。

全周波数帯域においてほぼ一定の割合で白色ガウス性の熱雑音が含まれることが知られており、絶対値の小さい周波数分解係数は熱雑音の可能性が高い。そこで、縮退処理部１２は、更に絶対値が小さい周波数分解係数ほど強く縮退させるようにしてもよい。例えば、縮退処理部１２は、絶対値がパワー閾値以下の周波数分解係数について、絶対値がパワー閾値を超える周波数分解係数よりも強く縮退させる。

縮退処理部１２は、周波数分解係数を縮退させる際に、周波数分解係数の入力値に対する出力値を表す縮退関数を複数種類あらかじめ用意し、縮退関数を用いて周波数分解係数を縮退させてもよい。３種類の縮退関数を用いる場合の例について、図４を参照して説明する。

図４は、縮退関数の例を示す図である。図４（ａ）に示す第１の縮退関数は、傾き係数ｍ＝１の１次関数であり、入力値に対して出力値をそのまま出力する。図４（ｂ）に示す第２の縮退関数は、傾き係数ｍ＝０．１の１次関数であり、周波数帯域内の周波数分解係数値を２０［ｄＢ］減衰させる。図４（ｃ）に示す第３の縮退関数は、傾き係数ｍ＝０．０１の１次関数であり、周波数帯域内の周波数分解係数値を４０［ｄＢ］減衰させる。

縮退処理部１２は、非制限周波数帯域でスペクトルパワーが高い（パワー閾値を超える）周波数分解係数に対して、第１の縮退関数を適用する。ただし、傾き係数ｍ＝１なので、縮退はない。また、制限周波数帯域でスペクトルパワーが高い（パワー閾値を超える）周波数分解係数に対して、第２の縮退関数を適用する。それ以外の周波数分解係数、すなわち、スペクトルパワーが低い（パワー閾値を超えない）周波数分解係数に対して、第３の縮退関数を適用する。

周波数再構成部１３は、縮退処理部１２により生成された縮退係数に対して周波数再構成処理を行って帯域制限画像を生成し、外部に出力する。周波数分解部１１においてｎ階ウェーブレットパケット分解処理が行われていた場合には、周波数再構成部１３は、ｎ階ウェーブレットパケット再構成処理を行う。

なお、上述した帯域制限装置１として機能させるためにコンピュータを好適に用いることができ、そのようなコンピュータは、帯域制限装置１の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを該コンピュータの記憶部に格納しておき、該コンピュータのＣＰＵによってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。

上述したように、第１の実施形態に係る発明によれば、制限周波数帯域内の周波数分解係数について、非制限周波数帯域内の周波数分解係数よりも強く縮退させることで、周波数帯域ごとに帯域制限の制御を詳細に行うことができる。また、パワー閾値を用いることにより、位相位置ごとの帯域制限の制御も可能となる。さらに、周波数分解処理として、ウェーブレット分解処理、又はウェーブレットパケット分解処理を用いることにより、ギブス現象や計算量の増加といった問題が発生しなくなる。このようにして、少ない演算量で高精度かつ高画質な帯域制限処理を行うことが可能となる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係る帯域制限装置について説明する。図５は、第２の実施形態に係る帯域制限装置の構成例を示すブロック図である。図５に示す帯域制限装置２は、周波数分解部１１と、縮退処理部１２’と、周波数再構成部１３と、帯域制限量決定部１４とを備える。第１の実施形態と同一の構成については、同一の参照番号を付して適宜説明を省略する。

周波数分解部１１は、第１の実施形態と同様に、入力画像に対して周波数分解処理を行って周波数分解係数を生成し、縮退処理部１２’に出力する。

帯域制限量決定部１４は、帯域制限画像の周波数帯域の目標値である制限閾値を含む帯域制限情報を入力し、帯域制限情報に基づいて、縮退させる周波数分解係数の割合を示す帯域制限量αを決定し、縮退処理部１２’に出力する。例えば、解像度が水平８Ｋ・垂直４Ｋの入力画像に対し、制限閾値を解像度で水平６Ｋ・垂直３Ｋとした場合には、入力画像の周波数分解係数の総数に対する、制限周波数帯域内の周波数分解係数の割合は７／１６となるため、帯域制限量αを７／１６と決定する。制限閾値はそのまま縮退処理部１２’に出力される。

縮退処理部１２’は、パワー閾値を、帯域制限量αに基づいて決定する。具体的には、縮退処理部１２’は、周波数分解係数の絶対値のヒストグラムを生成する。図６は、縮退処理部１２’が生成するヒストグラムの例を示す図であり、横軸を周波数分解係数の絶対値とし、縦軸を頻度としている。

縮退処理部１２’は、ヒストグラムを用いて、周波数分解係数の絶対値が小さい順から頻度を累積し、入力画像の周波数分解係数の総数に対する累積数の割合が帯域制限量αを超えた時点での周波数分解係数の絶対値をパワー閾値とする。

そして、縮退処理部１２’は、制限閾値及び決定したパワー閾値を用いて、周波数分解係数を縮退させる。具体的には、第１の実施形態と同様に、制限周波数帯域内の周波数分解係数について、非制限周波数帯域内の周波数分解係数よりも強く縮退させる。また、周波数分解係数の絶対値がパワー閾値以下の周波数分解係数について、パワー閾値を超える周波数分解係数よりも強く縮退させる。

周波数再構成部１３は、第１の実施形態と同様に、縮退処理部１２’により生成された縮退係数に対して周波数再構成処理を行って帯域制限画像を生成し、外部に出力する。

なお、上述した帯域制限装置２として機能させるためにコンピュータを好適に用いることができ、そのようなコンピュータは、帯域制限装置２の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを該コンピュータの記憶部に格納しておき、該コンピュータのＣＰＵによってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。

上述したように、第２の実施形態に係る発明によれば、帯域制限量αに基づいて適切なパワー閾値を決定することができる。そのため、第１の実施形態に係る発明よりも、更に高精度かつ高画質な帯域制限処理を行うことが可能となる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係る帯域制限装置について説明する。図７は、第３の実施形態に係る帯域制限装置の構成例を示すブロック図である。図７に示す帯域制限装置３は、周波数分解部１１と、縮退処理部１２’と、周波数再構成部１３と、帯域制限量決定部１４’とを備える。第２の実施形態と同一の構成については、同一の参照番号を付して適宜説明を省略する。

周波数分解部１１は、入力画像に対して周波数分解処理を行って周波数分解係数を生成し、帯域制限量決定部１４’に出力する。第１の実施形態とは、出力先が異なるだけである。

帯域制限量決定部１４’は、周波数分解部１１から周波数分解係数を入力し、入力画像の周波数分解係数の絶対値の総和に対する非制限周波数帯域内の周波数分解係数の絶対値の総和の比を正規化した重み係数βを決定する。また、第２の実施形態と同様に、帯域制限情報に基づいて、縮退させる周波数分解係数の割合を示す帯域制限量αを決定する。そして、帯域制限量決定部１４’は、重み係数βを用いて帯域制限量αを調整し、調整後の帯域制限量α’を縮退処理部１２’に出力する。具体的には、重み係数βが閾値よりも大きい場合には、帯域制限量α’が元の帯域制限量αよりも小さくなるように調整する。

縮退処理部１２’は、第２の実施形態と同様に、周波数分解係数の絶対値のヒストグラムを生成し、帯域制限量決定部１４’から入力された帯域制限量α’に基づいてパワー閾値を決定する。そして、縮退処理部１２’は、第２の実施形態と同様に、制限閾値及び決定したパワー閾値を用いて、周波数分解係数を縮退させる。

また、図４に示したような縮退関数を用いる場合には、帯域制限量α’に基づいて縮退関数の傾き係数ｍを変化させてもよい。例えば、縮退関数の傾き係数ｍの初期値を図４のように設定しておき、帯域制限量α’が帯域制限量αよりも大きい場合には、図４（ｂ）（ｃ）において傾き係数ｍを初期値よりも小さくすることにより縮退量を大きくする。

周波数再構成部１３は、第２の実施形態と同様に、縮退処理部１２’により生成された縮退係数に対して周波数再構成処理を行って帯域制限画像を生成し、外部に出力する。

なお、上述した帯域制限装置３として機能させるためにコンピュータを好適に用いることができ、そのようなコンピュータは、帯域制限装置３の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを該コンピュータの記憶部に格納しておき、該コンピュータのＣＰＵによってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。

上述したように、第３の実施形態に係る発明によれば、重み係数βを用いて帯域制限量αを調整することができる。そのため、第２の実施形態に係る発明よりも、更に高精度かつ高画質な帯域制限処理を行うことが可能となる。

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態の構成図に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。

また、本発明に係るプログラムは、コンピュータ読取り可能媒体に記録されていてもよい。コンピュータ読取り可能媒体を用いれば、コンピュータにインストールすることが可能である。ここで、プログラムが記録されたコンピュータ読取り可能媒体は、非一過性の記録媒体であってもよい。非一過性の記録媒体は、特に限定されるものではないが、例えば、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤ−ＲＯＭなどの記録媒体であってもよい。

１，２，３ 帯域制限装置
１１ 周波数分解部
１２，１２’ 縮退処理部
１３ 周波数再構成部
１４，１４’ 帯域制限量決定部

Claims (4)

1. 入力画像の帯域を制限する帯域制限装置であって、
   前記入力画像に対して周波数分解処理を行って周波数分解係数を生成する周波数分解部と、
   周波数帯域が制限閾値を超える制限周波数帯域内の前記周波数分解係数を、周波数帯域が前記制限閾値を超えない非制限周波数帯域内の前記周波数分解係数よりも強く縮退させた縮退係数を生成する縮退処理部と、
   前記縮退係数に対して周波数再構成処理を行って帯域制限画像を生成する周波数再構成部と、
   前記制限閾値に基づいて、縮退させる前記周波数分解係数の割合を示す帯域制限量を決定し、前記入力画像の前記周波数分解係数の絶対値の総和に対する前記非制限周波数帯域内の前記周波数分解係数の絶対値の総和の比を正規化した重み係数を用いて、前記帯域制限量を調整する帯域制限量決定部と、を備え、
   前記縮退処理部は、前記帯域制限量決定部により調整された帯域制限量に基づいてパワー閾値を決定し、絶対値が前記パワー閾値以下の前記周波数分解係数について、絶対値が前記パワー閾値を超える前記周波数分解係数よりも強く縮退させることを特徴とする帯域制限装置。
2. 前記縮退処理部は、前記帯域制限量を用いて前記周波数分解係数の入力値に対する出力値を表す縮退関数を決定し、該縮退関数を用いて前記周波数分解係数を縮退させることを特徴とする、請求項１に記載の帯域制限装置。
3. 前記周波数分解部は、前記入力画像を低周波帯域側にオクターブ分解するウェーブレット分解処理、又は前記入力画像を低周波帯域側及び高周波帯域側にオクターブ分解するウェーブレットパケット分解処理を行い、タップ長が閾値以上でかつ線形位相性を有するウェーブレットフィルタを用いることを特徴とする、請求項１又は２に記載の帯域制限装置。
4. コンピュータを、請求項１から３のいずれか一項に記載の帯域制限装置として機能させるためのプログラム。
   

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