JP2005027206A - 階調変換処理装置、電子カメラおよび階調変換プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＵＴのメモリ容量を削減しつつ、かつ精度の高い階調変換を行う階調変換処理装置を提供する。
【解決手段】 デジタル入力された画像データ（Ｉｘ）を、上位ビットデータ（Ｎ）と下位ビットデータ（Ｘ）とに分離するデータ分離手段２と、上位ビットデータ（Ｎ）と、変換曲線を規定する補正係数群（ａ，ｂ、ｃ）との対応関係を記録したルックアップテーブル３と、ルックアップテーブル３から取得した補正係数群（ａ，ｂ、ｃ）から、高次関数の階調変換関数を生成する変換関数生成手段４と、下位ビットデータ（Ｘ）を前記階調変換関数で演算し、階調変換された画像データ（Ｙ）を出力する階調変換手段５と、を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電子カメラ、スキャナ、プリンタなどに適用される階調変換処理装置に関する。

電子カメラ等における画像処理では、例えば、撮像素子固有の階調特性を補正したり、モニタ装置側の非線形な階調表示特性に合わせる等の目的から、撮像した画像データに対してガンマ補正等の階調変換が施されていた。

この階調変換の手法としては、アナログ的に階調変換特性を付与する方法や、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）により、デジタル的に階調変換特性を付与する方法が用いられている。なかでも、上記のＬＵＴを用いた階調変換は高速演算が可能であり、かつ補正の自由度が非常に高いため、広く一般に用いられている。

しかし、ＬＵＴによる場合には、階調変換特性の数値を全てテーブル化してメモリに保持しなければならず、このＬＵＴのデータ容量は画像処理データのビット数に伴って増加する。例えば、１６ビット入力、１６ビット出力のＬＵＴの場合には、約１３１ｋＢのメモリ容量が必要とされる。特に、電子カメラ等の携帯機器では小型化と省電力化のためにＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）が使用されており、ＡＳＩＣでのＬＵＴのメモリ容量は、コストを考慮すれば小さければ小さいほど望ましい。

ここで、特許文献１には、折れ線近似によって変換曲線を近似して、ＬＵＴのメモリ容量を削減する技術が開示されている。この特許文献１の技術では、画像データをビット分離した後に、上位ビットデータをＬＵＴに入力して、変換関数の傾きおよび基準出力値を求める。そして、下位ビットデータを用いて直線補間演算を行い、階調補正された画像データを得るものである。
特開平６−２３３１３１号公報

しかし、上記の特許文献１の技術では、階調補正の変換曲線を折れ線で近似するため、非線形の変換曲線の微妙なグラデーションを表現することは非常に困難である。仮に、折れ線の節を増加させた場合には折れ線近似の精度は向上するが、その反面、ＬＵＴのメモリ容量は増大するため、この点でなお改善の余地があった。

本発明は上記従来技術の課題を解決するためにされたものであり、その目的は、ＬＵＴのメモリ容量を削減しつつ、かつ精度の高い階調変換を行う階調変換処理装置を提供することである。

請求項１の発明は、デジタル入力された画像データを、上位ビットデータと下位ビットデータとに分離するデータ分離手段と、前記上位ビットデータと、変換曲線を規定する補正係数群との対応関係を記録したルックアップテーブルと、前記ルックアップテーブルから取得した前記補正係数群から、曲線関数の階調変換関数を生成する変換関数生成手段と、前記下位ビットデータを前記階調変換関数で演算し、階調変換された画像データを出力する階調変換手段と、を備えたことを特徴とする階調変換処理装置である。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ルックアップテーブルには、前記上位ビットデータと、２次項の係数、１次項の係数、定数項の係数とからなる補正係数群との対応関係が記録され、前記変換関数生成手段が２次関数の階調変換関数を生成することを特徴とする。

請求項３の発明は、被写体を撮像して画像データを生成する撮像部と、請求項１または請求項２に記載の階調変換処理装置とを備えたことを特徴とする電子カメラである。
請求項４の発明は、入力データと、変換曲線を規定する補正係数群との対応関係を記録したルックアップテーブルを有する階調変換処理プログラムであって、デジタル入力された画像データを、上位ビットデータと下位ビットデータとに分離するデータ分離手順と、前記上位ビットデータを、前記ルックアップテーブルによって前記補正係数群に変換する補正係数群取得手順と、前記補正係数群から、曲線関数の階調変換関数を生成する変換関数生成手順と、前記下位ビットデータを前記階調変換関数で演算する階調変換手順と、をコンピュータに実行させるための階調変換処理プログラムである。
（作用）
本発明の階調変換処理装置では、デジタル入力された画像データは、データ分離手段で、上位ビットデータと下位ビットデータとに分離される。上位ビットデータはルックアップテーブルに入力され、この上位ビットデータに対応する補正係数群が変換関数生成手段に出力される。変換関数生成手段では、高次関数である階調変換関数が補正係数群に基づいて生成され、この階調変換関数は階調変換手段に出力される。一方、下位ビットデータは階調変換手段に入力される。階調変換手段では、下位ビットデータを階調変換関数により演算して、階調変換された画像データが生成される。

本発明では、補正係数群に基づく階調変換関数によって画像データが生成されるので、ルックアップテーブルには補正係数群のデータのみを格納すればよく、ルックアップテーブルの容量を大幅に削減できる。しかも、本発明の階調変換関数は高次関数であるので、変換曲線に近似する精度が高く、変換曲線の微妙なグラデーションに忠実で高精度の階調変換を行うことができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する。

（実施例１の階調変換処理装置の構成）
図１は、本発明の階調変換処理装置１を電子カメラに適用する場合の概要を示す図である（請求項１から請求項３に対応する）。

実施例１では、撮像素子１１、ＣＤＳ回路１２およびＡ／Ｄ変換回路１３から構成される撮像部１０の出力が、階調変換処理装置１に接続されている。階調変換処理装置１は、データ分離部２、ルックアップテーブル（ＬＵＴ）３、変換関数生成部４および階調変換部５とから構成されている。

データ分離部２は、撮像部からデジタル入力される画像データ（Ｉｘ）を、上位ビットデータ（Ｎ）と下位ビットデータ（Ｘ）とに、予め定められたビット数で分離する。このデータ分離部２の出力はＬＵＴ３および階調変換部５に接続されており、上位ビットデータ（Ｎ）がＬＵＴ３に出力され、下位ビットデータ（Ｘ）が階調変換部５に出力される。

ＬＵＴ３は、データ格納部およびデータ読み出し部で構成されている。ＬＵＴ３のデータ格納部には、上位ビットデータ（Ｎ）と、補正係数群との対応関係が格納されている。データ格納部に格納された補正係数群のデータは、例えば図２に示すように、２次項の係数ａ、１次項の係数ｂ、定数項の係数ｃの３つのデータから構成されている。一方、ＬＵＴ３のデータ読み出し部は、入力された上位ビットデータ（Ｎ）に対応する補正係数群のデータ（ａ，ｂ，ｃ）をデータ格納部から読み出して、補正係数群を変換関数生成部４に出力する。

変換関数生成部４は、ＬＵＴ３から入力された補正係数群のデータ（ａ，ｂ，ｃ）から、２次関数の階調変換関数を生成する。変換関数生成部４が生成した階調変換関数のデータは、階調変換部５に出力される。

階調変換部５では、下位ビットデータ（Ｘ）を変換関数生成部４で生成された階調変換関数によって演算して、階調変換された画像データ（Ｙ）を生成する。この階調変換部５の出力は、電子カメラのバスを介して、モニタ表示部や、画像信号を圧縮記録する記憶部などに接続される（バス、モニタ表示部および記憶部の図示は省略する）。
（実施例１の階調変換処理装置の作用）
実施例１の階調変換処理装置１は上記のように構成されており、以下、その作用を説明する。

ユーザーからのシャッタレリーズによって、撮像素子１１は被写体像の光電変換を実行する。撮像素子１１で生成された画像信号は、図示しないクロック発生部から供給されるクロックに同期して撮像素子１１から出力される。撮像素子１１から読み出された画像信号は、ＣＤＳ回路でノイズ成分が低減された後に、Ａ／Ｄ変換回路で１６ビットの画像データ（Ｉｘ）にデジタル変換されて、階調変換処理装置１に出力される。

階調変換処理装置１のデータ分離部２は、入力された１６ビットの画像データ（Ｉｘ）を、上位ビットデータ（Ｎ）および下位ビットデータ（Ｘ）に分割する。具体的には、画像データの上位８ビットが上位ビットデータとなり、下位８ビットが下位ビットデータとなる。

データ分離部２で生成された上位ビットデータ（Ｎ）はＬＵＴ３に出力される。ＬＵＴ３のデータ読み出し部は、入力された上位ビットデータ（Ｎ）を参照してデータ格納部の情報を検索し、上位ビットデータ（Ｎ）に対応する補正係数群のデータ（２次項の係数ａ、１次項の係数ｂ、定数項の係数ｃのデータ）をデータ格納部から読み出す。そして、ＬＵＴ３のデータ読み出し部は、読み出した補正係数群のデータ（ａ，ｂ，ｃ）を変換関数生成部４に出力する。

変換関数生成部４は、以下の式（１）にＬＵＴ３から入力された補正係数群のデータ（ａ，ｂ，ｃ）をそれぞれ入力して、上位ビットデータに対応する２次関数の階調変換関数を生成し、階調変換部５に出力する。この階調変換関数は、下位ビットデータ（Ｘ）から階調変換処理された画像データ（Ｙ）を生成するものである。

一方、データ分離部２で生成された下位ビットデータ（Ｘ）は階調変換部５に出力される。階調変換部５では、入力された下位ビットデータ（Ｘ）の値を、変換関数生成部４で生成された階調変換関数で演算して、階調変換処理された１６ビットの画像データ（Ｙ）を生成する。なお、階調変換処理された画像データは、その後に圧縮符号化されて記録媒体（メモリーカード等）に記憶される。
（実施例１の効果）
この実施例１の階調変換処理装置では、ＬＵＴは補正係数群のデータのみで構成されるため、ＬＵＴの容量を大幅に削減することができる。具体的には、１６ビット入力、１６ビット出力の場合において階調変換特性を全てテーブル化した場合には約１３１ｋＢの容量が必要となるが、実施例１の場合には１５３６Ｂの容量で足りる。特に、電子カメラ等の携帯機器でＡＳＩＣを用いる場合には、このメモリ容量の差がコストダウンに著しく寄与する。

また、実施例１の階調変換関数は２次関数であるので、変換曲線を折れ線で直線補間する場合に比べて近似する精度が高く、変換曲線の微妙なグラデーションに忠実できる。
（実施例１の補足事項）
以上、本発明を実施例によって説明してきたが、本発明の技術的範囲は上記実施例１のみに限定されるものではない。例えば、実施例１では、階調変換関数に２次関数を用いたが、階調変換関数をＬＵＴの容量に応じて３次以上の高次関数や、指数関数等の関数を用いてもよい。また、階調変換の前後の画像データのビット数や、上位ビットデータおよび下位ビットデータのビット数の設定は、任意に変更することができる。さらに、本発明の階調変換処理装置の用途は、電子カメラに限定されることなく、スキャナ、プリンタ等の他の画像処理装置に用いてもよい。

ＬＵＴを用いた階調変換処理を行う画像処理装置において、特にメモリ容量を削減しつつ、高精度の階調変換処理を行う場合に好適である。

本発明の階調変換処理装置１を電子カメラに適用する場合の概要図である。 ＬＵＴに設定されたデータの一例を示す図である。

符号の説明

１ 階調変換処理装置
２ データ分離部
３ ルックアップテーブル（ＬＵＴ）
４ 変換関数生成部
５ 階調変換部
１０ 撮像部
１１ 撮像素子
１２ ＣＤＳ回路
１３ Ａ／Ｄ変換回路

Claims (4)

1. デジタル入力された画像データを、上位ビットデータと下位ビットデータとに分離するデータ分離手段と、
   前記上位ビットデータと、変換曲線を規定する補正係数群との対応関係を記録したルックアップテーブルと、
   前記ルックアップテーブルから取得した前記補正係数群から、曲線関数の階調変換関数を生成する変換関数生成手段と、
   前記下位ビットデータを前記階調変換関数で演算し、階調変換された画像データを出力する階調変換手段と、を備えたことを特徴とする階調変換処理装置。
2. 前記ルックアップテーブルには、前記上位ビットデータと、２次項の係数、１次項の係数、定数項の係数とからなる補正係数群との対応関係が記録され、前記変換関数生成手段が２次関数の階調変換関数を生成することを特徴とする請求項１に記載の階調変換処理装置。
3. 被写体を撮像して画像データを生成する撮像部と、請求項１または請求項２に記載の階調変換処理装置とを備えたことを特徴とする電子カメラ。
4. 入力データと、変換曲線を規定する補正係数群との対応関係を記録したルックアップテーブルを有する階調変換処理プログラムであって、
   デジタル入力された画像データを、上位ビットデータと下位ビットデータとに分離するデータ分離手順と、
   前記上位ビットデータを、前記ルックアップテーブルによって前記補正係数群に変換する補正係数群取得手順と、
   前記補正係数群から、曲線関数の階調変換関数を生成する変換関数生成手順と、
   前記下位ビットデータを前記階調変換関数で演算する階調変換手順と、
   をコンピュータに実行させるための階調変換処理プログラム。

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