DE69030641T2

DE69030641T2 - Videosignalverarbeitung für eine Kamera

Info

Publication number: DE69030641T2
Application number: DE69030641T
Authority: DE
Inventors: Tokuya Fukuda; Hiroaki Matsumoto; Tetsuya Senda
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1989-10-19
Filing date: 1990-10-11
Publication date: 1997-09-04
Anticipated expiration: 2010-10-12
Also published as: JPH03133293A; US5049983A; EP0427400A2; DE69030641D1; KR910009099A; JP3035930B2; EP0427400B1; KR0167770B1; EP0427400A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Digitalkamera.
Es ist ein Festkörper-Farbbildsensor bekannt, bei dem ein Vierfarbenfilter, welches aus drei den Komplementärfarben zyan (Cy), magenta (M) und gelb (Ye) zusätzlich grün (G) besteht, die in einem Schachbrettmuster angeordnet sind, mit einem Festkörper-Bildsensorelement kombiniert ist. Ein Beispiel eines derartigen Festkörper-Bildsensors kann man in der japanischen offengelegten Patentanmeldung 59/161989 finden.
Fig. 1 zeigt ein Farbfilter 10, bei dem Zyan- und Geibfilterelemente 1c und 1y abwechselnd in der Reihe n aufgereiht sind, und Magenta- und Grünfilterelemente 1m und 1g abwechselnd in einer Reihe (n + 1) aufgereiht sind. Die Reihen wechseln dann zwischen Zeilen von Zyan- und Gelbfilterelementen und Reihen von Magenta- und Grünfilterelementen ab. Die Musteranordnung der Zyan- und Gelbfilterelemente in den Reihen n, (n + 2) und (n + 4) ist gleich, jedoch ist die Musteranordnungen der Magenta- und Grünfilterelemente in den Reihen (n + 1), (n + 3) und (n + 5) bezüglich der Phase entgegengesetzt, d.h., sie sind um ein Filterelement bei jeder Reihe versetzt.
Gemäß Fig. 2 besitzt ein Festkörper-Farbbildsensorsystem ein Analogsystem 20 und ein digitales Signalverarbeitungssystem 30. Beim Analogsignalsystem 20 ist ein Festkörper-Bildsensorelement 21 gegenüber dem Farbfilter 10 angeordnet, welches wie in Fig. 1 gezeigt ausgebildet ist. Das Bildsensorelement 21 besitzt Lichtempfangsbildelemente, welche zweidimensional angeordnet sind, d.h., in einer X-Y-Matrix, sowie Übertragungselemente, um Signalladungen von entsprechenden Bildelementen zu übertragen, beispielsweise wenn das Bildsensorelement 21 eine CCD-Einrichtung (ladungsgekoppelte Einrichtung) ist. Ein Ausgangssignal vom Bildsensorelement 21 wird über eine in Wechselbeziehung stehende Doppelabtastschaltung 22 zu einem automatischen Verstärkungsregelverstärker (AGC) 23 geliefert. Ein Ausgangssignal vom AGC-Verstärker 23 wird abgetastet und durch eine Abtast-Halteschaltung 24 gehalten, und ein Ausgangssignal von der Abtast-Halteschaltung 24 wird zu einem Analog-Digital-Umsetzer (A/D) 25 gehefert, wo es in ein Digitalsignal von beispielsweise 10 Bits umgesetzt wird.
Im Digitalsignalverarbeitungssystem 30 wird das vom A/D-Umsetzer 25 gelieferte Digitalsignal zu einem Tiefpaßfilter 31 und zu einem Bandpaßfilter 32 geliefert. Ein Ausgangssignal vom Tiefpaßfilter 31 wird zu einer Luminanzsignalverarbeitungsschaltung 33 geliefert, wo es die notwendige Signalverarbeitung erfährt, beispielsweise eine Aperturkorrektur oder eine Gammakorrektur. Auf der anderen Seite wird ein Ausgangssignal des Bandpaßfilters 32 zu einer Matrixschaltung 34 geliefert, wo es verarbeitet wird, um drei Primärfarbsignale, d.h., rot, grün und blau (R, G und B) zu liefern. Die Rot-, Grün- und Blau-Primärfarbsignale werden zu einer Farbsignalverarbeitungsschaltung 35 geliefert, wo sie der notwendigen Signalverarbeitung unterzogen werden, beispielsweise einer Weißausgleichseinstellung, einer Gammakorrektur, einer Codierung und einer Farbtonkorrektur. Da die Signalverarbeitung in einer digitalen Weise wie oben beschrieben durchgeführt wird, kann dieser Festkörper-Farbbildsensor in kompakter Größe hergestellt werden und erfordert eine relativ niedrige Leistung.
Das Ausgangssignal von der Luminanzsignalverarbeitungsschaltung 33 und das Ausgangssignal von der Farbsignalverarbeitungsschaltung 35 wird zu einem Digital-Analog-Umsetzer 36 bzw. 37 geliefert, wo es in ein analoges Luminanzsignal Y bzw. ein analoges Farbsignal C umgesetzt wird.
Beim Betrieb des oben beschriebenen Festkörper-Farbbildsensors wird das von einem Objekt reflektierte Licht durch jedes der Filterelemente des Farbfilters 10 räumlich moduliert und jeder modulierte Lichtstrahl wird durch jedes entsprechende Lichtempfangselement (nicht gezeigt) des Bildsensorelements 21 fotoelektrisch umgesetzt und dann abgetastet. Beim Abtastbetrieb wird eine Abtastfrequenz fsp so ausgewählt, daß sie viermal so hoch ist wie die Farbunterträgerfrequenz fsc, beispielsweise kann fsp gleich 14,3 MHz sein. Außerdem wird eine Wiederholungsfrequenz des Farbfilters 10 so ausgewählt, daß sie ungefähr die Hälfte der Abtastfrequenz fsp ist.
Beim ungeradzahlig-numerierten Teilbild werden zwei Reihen der Lichtempfangsbildelemente, die der Reihe n der Reihe (n +1), der Reihe (n + 2) und der Reihe (n + 3) usw. des Farbfilters 10 entsprechen, im gleichen Zeitpunkt sequen tiell horizontal abgetastet, um die fotoelektrisch-umgesetzten Ausgangssignale bei jeder zweiten Spalte zu erzeugen. Das heißt, daß die Ausgangssignale bei jeweils vier Eildelementen von zwei Reihen und zwei Spalten berechnet werden. Bei dem geradzahlig-numerierten Teilbild werden zwei Reihen der Lichtempfangselemente, die der Reihe (n +1) und der Reihe (n + 2), der Reihe (n + 3) und der Reihe (n + 4) usw. des Farbfilters 10 entsprechen, im gleichen Zeitpunkt sequentiell horizontal abgetastet, um fotoelektrisch umgesetzte Ausgangssignale bei jeder zweiten Spalte zu erzeugen.
Die Lichtempfangsbildelemente, die den Zyan- und Nagenta-Filterelementen 1c und 1m der Reihe n und der Reihe (n + 1) entsprechen, leiten Signalkomponenten (B + G) bzw. (R + B) her, und die Lichtempfangsbildelemente, die den Gelb- und Grün-Filterelementen 1y und 1g entsprechen, leiten Signalkomponenten (R + G) bzw. G her, wie in Fig. 3A und 3B gezeigt ist.
Außerdem leiten die Lichtempfangselemente, die den Zyan- und Grün-Filterelementen 1c bzw. 1g der Reihe (n + 2) bzw. der Reihe (n + 3) entsprechen, Signalkomponenten (B + G) und G her, und die Lichtempfangsbildelemente, die den Gelbund Magenta-Filterelementen 1y und 1m entsprechen, leiten Signalkomponenten (R + G) bzw. (R + B) her, wie in Fig. 3C und 3D gezeigt ist.
Beim horizontalen Abtasten der ungeradzahlig-numerierten und geradzahlig-numerierten Teilbilder kann eine Gesamtsumme Ss der Ausgangssignale, die alle vier Bildelemente von zwei Reihen und zwei Spalten erzeugt werden, so ausgedrückt werden: Ss = (2R + 3G + 3B). Danach wird das Signal durch das Tiefpaßfilter 31 verarbeitet und das resultierende Signal ist ein Luminanzsignal, welches gleichmäßig ist und jede Linsenverzerrung kompensiert.
Wenn eine Summe der Ausgangssignale jeder Spalte bei jeweils vier Bildelementen von zwei Reihen und zwei Spalten bezüglich der Reihe n und der Reihe (n + 1) im ungeradzahlignumerierten Teilbild berechnet wird und eine Differenz zwischen den Summensignalen einer jeden Spalte berechnet wird, kann ein Differenzsignal Sdb so ausgedrückt werden:
Sdb = L(B + G) + (R + B)] - L(R + G) + G)] = 2B - G
In ähnlicher Weise kann, wenn eine Summe der Ausgangssignale einer jeden Spalte bei jeweils vier Bildelementen in zwei Reihen und zwei Spalten bezüglich der Reihe (n + 2) und der Reihe (n + 3) berechnet wird und eine Differenz zwischen den Summensignalen einer jeden Spalte berechnet wird, ein Differenzsignal Sdr so ausgedrückt werden:
Sdr = L(B + G) + G)] - [(R + G) + R + B)] = - (2R - G)
Außerdem werden die gleichen Differenzsignale Sdb und Sdr bezüglich der Reihe (n + 1), der Reihe (n + 2), der Reihe (n + 3) und der Reihe (n + 4) des geradzahligen-numerierten Teilbildes erhalten.
Die Differenzsignale Sbd und Sdr sind Unterträger chrominanzsignalkomponenten, die auf der Basis der räumlichen Modulation gebildet sind, die durch die entsprechenden Filterelemente des Farbfilters 10 durchgeführt wird. Die Wiederholungsfrequenzen daraus werden die Hälfte der Abtastfrequenz fsp, d.h., zweimal so hoch wie die Farbunterträgerfrequenz fsc sein, wobei beispielsweise fsd = 7,16 MHz sein kann.
Ungeachtet davon wird bei diesem Festkörper-Farbbildsensor der Pegel der analogen Trägerchrominanzsignalkomponente, die vom AGC-Verstärker 23 geliefert wird, vermindert, beispielsweise auf ¼ bis ½ des Pegels der Luminanzsignalkomponente, so daß, wenn das Analogsignal digital durch den A/D- Umsetzer 25 umgesetzt wird, sogar gemäß dem Linearenquantisierungsprozeß, die Genauigkeit des Trägerchrominanzsignals ungefähr acht bis neun Bits für die Standardeingangspegeläquivalente, die beispielsweise zehn Bits ist, beträgt.
Wenn weiter ein dynamischer Bereich, der dreimal so breit wie der Standardeingangspegel ist, durch die Gammakorrekturschaltung beibehalten wird, wird der Hochpegelbereich komprimiert, so daß mit dem Standardeingangspegel die Genauigkeit der Trägerchrominanzsignalkomponente auf ungefähr sechs bis sieben Bits vermindert wird.
Als Ergebnis kann eine feine Abstufung des Farbsignals nicht erhalten werden, und es tritt eine sogenannte falsche Kontur im Wiedergabebild auf, wo es Stufenänderungen in der Helligkeit gewisser Farben anstelle der gewünschten allmählichen Änderung der Helligkeit gibt. Außerdem kann kein zufriedenstellendes Signal-Rausch-Verhältnis (S/N) aufgrund des Quantisierungsrauschens, welches durch die Analog-Digital-Umsetzung erzeugt wird, erhalten werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Digitalkamera bereitgestellt, mit:
einer Farbfilterbaugruppe, bei der Farbfilterelemente einer Primärfarbe und Farbfilterelemente von drei Komplementärfarben in mehreren Reihen und Spalten in einem Schachbrettmuster angeordnet sind, wobei das Muster erste Reihen aufweist, längs denen Farbfilterelemente der Primärfarbe und Farbfilterelemente einer der Komplementärfarben abwechselnd aufgereiht sind, und zweite Reihen, längs denen Farbfilterelemente der verbleibenden zwei Komplementärfarben abwechselnd aufgereiht sind, wobei sich die ersten Reihen mit den zweiten Reihen abwechseln;
einem Festkörper-Bildabtastelement (21), welches Lichtempfangsbildelemente hat, die in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind, wobei die Primär- und Komplementärfarbfilterelemente und die Lichtempfangsbildelemente einander gegenüberliegen, und von denen eine analoge Luminanzsignalkomponente und eine analoge Farbchrominanzsignalkomponente beim Abtasten bei einer Abtastfrequenz (fsp) durch gleichzeitiges horizontales Abtasten von zwei benachbarten Reihen der Lichtempfangsbildelemente erzeugt werden; und
einer Verarbeitungseinrichtung, um die analoge Luminanzs ignalkomponente und die Trägerchrominanzsignalkomponente digital zu verarbeiten, um ein digitales Luminanzsignal und ein digitales Chrominanzsignal zu erzeugen,
gekennzeichnet durch
eine Anhebungsschaltung zum Anheben des Pegels des analogen Chrominanzsignals in der Nähe einer Frequenz, die einer Hälfte der Abtastfrequenz (fsp) entspricht, und daß die Verarbeitungseinrichtung die angehobene Trägerchrominanzsignalkomponente digital verarbeitet.
Eine Ausführungsform der Erfindung umfaßt somit eine Digitalkamera, die eine Analoganhebungsschaltung besitzt und ein Farbfilter einschließt, bei dem ein Primärfarbfilterelement und drei komplementäre Farbfilterelemente in einem Schachbrettmuster angeordnet sind, und einen Festkörper-Bild sensor, bei dem Lichtempfangsbildelemente in einer zweidimensionalen Weise angeordnet sind, wobei die Filterelemente und die Lichtempfangsbildelemente einander gegenüberliegen. Der Bildsensor erzeugt eine analoge Luminanzsignalkomponente und eine analoge Trägerchrominanzsignalkomponente, wobei eine jede aus einem horizontalen gleichzeitigen Abtasten zweier Reihen von Lichtempfangsbildelementen resultiert. Diese Signalkomponenten werden durch eine Verarbeitungsschaltung in digitaler Weise verarbeitet. Diese Digitalkamera ist außerdem durch eine Anhebungsschaltung gekennzeichnet, um die Trägerchrominanzsignalkomponente anzuheben.
Die Erfindung wird nun durch ein Ausführungsbeispiel mit Hilfe der Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind, und in denen:
Fig. 1 eine Draufsicht ist, die eine Anordnung von Farbfilterelementen zeigt, die bei einem bekannten Festkörper-Bildsensor verwendet werden;
Fig. 2 eine schematische Ansicht in Blockform eines bekannten Festkörper-Farbbildsensors ist;
Fig. 3A bis 3D graphische Darstellungen sind, die entsprechende Farbsignalkomponenten zeigen, um die Wirkungs weise des Bildsensors von Fig. 2 zu erklären;
Fig. 4 eine schematische Darstellung in Blockform einer Ausführungsform der Digitalkamera nach der vorliegenden Erfindung ist; und
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Kennlinie eines Hauptteils der Ausführungsform von Fig. 4 ist.
Gemäß Fig. 4 ist bei einem Analogsignalsystem, welches allgemein mit 20E gezeigt ist, eine Anhebungsschaltung 26 zwischen einem AGC-Verstärker 23 und einer Abtast-Halteschaltung 24 geschaltet, und verschiedene Konstanten einer Matrixschaltung 34 sind entsprechend variiert, insbesondere die Verstärkungsfaktorkonstanten für die De-Emphasisschaltung. Der Rest der Schaltungsanordnung von Fig. 4 ist der gleiche wie der von Fig. 2.
Die Anhebungsschaltung 26 vergrößert oder hebt den Pegel des analogen Trägerchrominanzsignals um beispielsweise 6 dB in der Nähe einer Frequenz an, die der Hälfte der Abtastfrequenz fsp entspricht, d.h., in der Nähe einer Frequenz, die zweimal so hoch ist wie die Farbunterträgerfrequenz fsc auf der Basis der unteren Frequenz und der Abtastfrequenz, wie durch die Frequenzkennlinien-Frequenzgangkurve von Fig. 5 gezeigt ist.
Damit wird die Genauigkeit der digitalen Trägerchrominanzsignalkomponente, die von einem A/D-Umsetzer 25 geliefert wird, um beispielsweise ein Bit vergrößert, wodurch eine feine Abstufung der Farbdifferenzsignale beibehalten werden kann, wodurch der Einfluß des Quantisierungsrauschens reduziert werden kann und das Auftreten einer falschen Kontur wie oben beschrieben reduziert werden kann.
Da die Anhebungsschaltung 26 die analoge Trägerchrominanzsignalkomponente anhebt, die aus einem gleichzeitigen horizontalen Abtasten der Lichtempfangselemente von zwei benachbarten Reihen des Festkörper-Bildsensors resultiert, die dem Komplementärfarb- Schachbrettmusterfilter gegenüberliegen, ist es möglich, eine Digitalkamera bereitzustellen, bei der die Qualität der resultierenden Bilder nicht aufgrund der Quantisierung des Farbsignals verschlechtert wird.

Claims

1. Digitalkamera, mit:

einer Farbfilterbaugruppe (10), bei der Farbfilterelemente einer Primärfarbe und Farbfilterelemente von drei Komplementärfarben in mehreren Reihen und Spalten in einem Schachbrettmuster angeordnet sind, wobei das Muster erste Reihen aufweist, längs denen Farbfilterelemente der Primärfarbe und Farbfilterelemente einer der Komplementärfarben abwechselnd aufgereiht sind, und zweite Reihen, längs denen Farbfilterelemente der verbleibenden zwei Komplementärfarben abwechselnd aufgereiht sind, wobei sich die erstenreihen mit den zweiten Reihen abwechseln;

einem Festkörper-Bildabtastelement (21), welches Lichtempfangsbildelemente hat, die in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind, wobei die Primär- und Komplementärfarbfilterelemente und die Lichtempfangsbildelemente einander gegenüberliegen, und von denen eine analoge Luminanzsignalkomponente und eine analoge Farbchrominanzsignalkomponente beim Abtasten bei einer Abtastfrequenz (fsp) durch gleichzeitiges horizontales Abtasten von zwei benachbarten Reihen der Lichtempfangsbildelemente erzeugt werden; und

einer Verarbeitungseinrichtung (30), um die analoge Luminanzsignalkomponente und die Trägerchrominanzsignalkomponente digital zu verarbeiten, um ein digitales Luminanzsignal und ein digitales Chrominanzsignal zu erzeugen,

gekennzeichnet durch

eine Anhebungsschaltung (26) zum Anheben des Pegels des analogen Chrominanzsignals in der Nähe einer Frequenz, die einer Hälfte der Abtastfrequenz (fsp) entspricht, und daß die Verarbeitungseinrichtung die angehobene Trägerchrominanzsignalkomponente digital verarbeitet.

2. Gerät nach Anspruch 1, wobei ein horizontales Abtastausgangssignal von den Lichtempfangsbildelementen über eine automatische Verstärkungsregelschaltung (23) und eine Abtast-Halteschaltung (24) zur Durchführung der Abtastung zu einem Analog-Digital-Umsetzer (25) geliefert wird, und die Emphasisschaltung (26) zwischen der automatischen Verstärkungsregelschaltung (23) und der Abtast-Halteschaltung (24) geschaltet ist.

3. Gerät nach Anspruch 1, wobei die Trägerchrominanz- Signalkomponenten-Verarbeitungsschaltung (30) eine Farbmatrixschaltung (34) besitzt.

4. Gerät nach Anspruch 2, wobei ein Ausgangssignal vom Analog-Digital-Umsetzer (25) in eine Luminanzsignalkomponente und eine Trägerchrominanzsignalkomponente durch eine Filterschaltung (36, 37) getrennt wird.

5. Gerät nach Anspruch 2, wobei eine Wiederholungsfrequenz der Farbfilterbaugruppe (10), welche aus einer Raummodulation durch entsprechende Filterelemente resultiert, so ausgewählt wird, daß sie die Hälfte des Wertes des Abtastfrequenz der Abtast-Halteschaltung (24) ist.