JP2002077736A

JP2002077736A - 画像二値化信号生成装置

Info

Publication number: JP2002077736A
Application number: JP2000264246A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Nomura; 仁野村
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2000-08-31
Filing date: 2000-08-31
Publication date: 2002-03-15

Abstract

(57)【要約】【課題】周囲の温度や被写体の明るさ等の周囲環境が変
化しても誤信号が生じ難い画像二値化信号生成装置を提
供する。【解決手段】マトリクス状に配置され被写界を撮像して
入射光に応じた電気信号を生成し出力する複数の画素、
フレーム間差分二値化信号又は画素間差分二値化信号を
生成する差分二値化信号生成部、周囲の環境状態を示す
モニター信号を出力するモニター回路とを有する画像二
値化素子と、前記差分二値化信号生成部における二値化
条件を決定するための閾値電圧を発生する閾値電圧発生
回路とを有し、前記閾値電圧発生回路は、前記モニター
信号を受けて閾値電圧を決定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、フレーム間又は画
素間の信号を差分した後に二値化信号を生成する画像二
値化信号生成装置に関し、周囲環境の変化による誤信号
が低減された画像二値化信号生成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、駆動回路や信号処理回路などの周
辺回路を同一チップに集積したイメージセンサが注目さ
れている。このようなイメージセンサでは、画素自体が
非破壊読み出し可能であるといった特長がある。これら
の特長を積極的に活用し多機能化を図り、画像処理機能
を組み込んだイメージセンサが開発されている。このよ
うなイメージセンサの例としては、特開平１１−８８０
５に開示された動き検出用固体撮像装置が挙げられる。
図６は特開平１１−８８０５に開示された動き検出用固
体撮像装置の回路図である。光を光電変換し電気信号と
して出力する画素１がマトリクス状に配置される。画素
１から垂直読出し線２ａ，２ｂに出力された信号は、各
垂直読出し線に接続される異値検出回路２０とビデオ回
路３０に入力され列毎に処理される。ここで各画素１か
らは、１フレーム前に対応した信号出力、リセット
後の暗出力、現在のフレームに対応した信号出力が順
番に出力される。異値検出回路２０では、との出力
を取り込み差分処理と閾値処理（２値化）を施す。この
結果、連続した２フレーム間の輝度差がある値を越える
「動き」はすべて検出されることになる。また、差分処
理によりＪＦＥＴの閾値ばらつきは除去されるので高精
度な検出が行える。そして、結果（動体信号）はレジス
タに格納され、水平転送期間にシリアルディジタル信号
として外部に出力される。一方、ビデオ回路３０におい
ては、相関二重サンプリングにより画像信号を生成す
る。すなわち、上記との画素出力を取り込み差分処
理を行う。そのため、画素１のリセットノイズ（いわゆ
るｋＴＣノイズ）や１／ｆノイズ、ＪＦＥＴの閾値ばら
つきを効果的に抑圧できる。ＪＦＥＴの閾値ばらつきは
固定パターンノイズ（ＦＰＮ）の主要因であり、相関二
重サンプリングにより、ＦＰＮの影響を受けない高画質
な画像が得られる。そして、画像信号は水平走査回路３
５により、上記動体信号の水平転送と同期して、順次外
部に出力される。

【０００３】図６に示すように画素１は、入射光に応じ
た電荷を生成・蓄積するフォトダイオード（光検出手
段；光電変換素子）ＰＤと、制御領域（ゲート；電荷保
持部）に供給された電荷に応じてそのソース・ドレイン
間に入射光に応じたアナログ信号を出力する増幅用トラ
ンジスタ（増幅手段と信号生成部；本実施形態では、ｎ
チャネル型の接合型電界効果トランジスタＪＦＥＴ）Ｑ
Ａと、前記フォトダイオードＰＤで生成・蓄積された電
荷を増幅用トランジスタＱＡの制御領域に直接かつ選択
的に転送するためのｐチャネル型の転送用ＭＯＳトラン
ジスタ（転送手段）ＱＴと、前記増幅用トランジスタＱ
Ａの制御領域の電荷をリセットするためのｐチャネル型
のリセット用ＭＯＳトランジスタ（リセット手段）ＱＰ
と、増幅用トランジスタＱＡと当該垂直読み出し線２
ａ，２ｂの間に設けられて増幅用トランジスタＱＡのソ
ースと当該垂直読み出し線２ａまたは２ｂを分離／接続
するｐチャネル型の画素分離用ＭＯＳトランジスタ（接
続分離手段；スイッチ用ＭＯＳトランジスタ）ＱＸとに
よって構成されている。

【０００４】図７は、異値検出回路図である。各垂直読
出し線に接続された異値検出回路２０は、同図に示すよ
うに、２つのコンデンサＣＡ，ＣＢと、３つのインバー
タＩＮＶ１〜ＩＮＶ３と、２つのスイッチ用ＭＯＳトラ
ンジスタＱＢ１〜ＱＢ２と、ＮＡＮＤ回路ＮＡとによっ
て構成されている。また、ＣＡの一方の端子には、ＱＢ
１を介して第１の二値化閾値制御電圧ＶＲ１（Ｖth−△
Ｖ）が供給され、ＣＢの一方の端子にはＱＢ２を介して
第２の二値化閾値制御電圧ＶＲ２（Ｖth＋△Ｖ）が供給
されている。ここで、Ｖthは、インバータＩＮＶ１，Ｉ
ＮＶ２の閾値電圧に相当する電圧である。

【０００５】このように構成された異値検出回路２０に
おいては、フレーム間の画素出力差が△Ｖを上回ると、
インバータＩＮＶ１は、ローレベルを出力する。一方、
フレーム間の画素出力差が（−△Ｖ）を下回ると、イン
バータＩＮＶ２は、ハイレベルを出力する。その結果、
ＮＡＮＤ回路ＮＡからは、フレーム間の画素出力差が
（−△Ｖ）〜△Ｖの許容範囲内にある場合、ローレベル
が出力される。即ち、ＮＡＮＤ回路ＮＡからは、△Ｖを
閾値としてフレーム間に差があるか否か（動体か否か）
を画素単位に示す２値信号が出力される。

【０００６】ところで、上記従来例は、フレーム間差分
から画像二値化信号を生成する装置の例であるが、同一
の素子構成で画素間の差分から画像二値化信号を生成す
る装置も公知である。そのような例としては、特開平１
１−２２５２８９のエッジ検出用固体撮像装置が挙げら
れる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の画
像二値化信号を生成する装置は、動体の検出やエッジの
検出が簡単且つ安価な構成で可能となるという優れた特
徴がある。しかしながら、近年、さらなる特性の向上が
求められている。その一つとして、周囲環境が変化して
も（具体的には周囲温度や被写体の明るさが変化して
も）誤信号が発生しない装置が求められている。なお、
ここで言う誤信号とは、エッジや動体等が有るのに逆の
信号、又は、エッジや動体等が存在しないのにそれを検
出した信号を言う。前者は主に感度が低いために出力さ
れる信号であり、後者は主にノイズにより出力される信
号である。本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたも
のであり、周囲環境が変化したときの誤信号が低減され
た画像二値化信号生成装置を提供する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の画像二値化信号
生成装置は、上記目的を達成するために、異値検出回路
に入力する閾値を周囲温度や被写界の明るさに応じて常
に好適な値としたものである。例えば、被写体の輝度が
大きくなれば、その周囲の輝度と差が大きくなりコント
ラストが高くなる。このような状態ならば、ランダムノ
イズによる誤信号は低減されるため、上記△Ｖを大きく
することが可能である。換言すれば、△Ｖを大きくして
ランダムノイズによる誤信号を低減するのである。逆
に、被写体の輝度が小さくなれば、周囲の輝度と差が小
さくなりコントラストが低くなる。このようなときは、
コントラストが低くても正しく二値化信号が生成できる
ように上記△Ｖを小さくして誤信号を低減する。

【０００９】また、異値検出回路は半導体基板上に配置
される。半導体は、その温度により特性が変化する。こ
のため、異値検出回路の特性も周囲温度により依存す
る。そこで、温度をモニタして、その温度に好適な△Ｖ
を求めて閾値を印加する。このようにすれば、周囲の温
度変化による誤信号が低減される。

【００１０】請求項１に記載の画像二値化信号生成装置
は、マトリクス状に配置され被写界を撮像して入射光に
応じた電気信号を生成し出力する複数の画素と、フレー
ム間差分二値化信号又は画素間差分二値化信号を生成す
る差分二値化信号生成部と、周囲の環境状態を示すモニ
ター信号を出力するモニター回路を少なくとも有する画
像二値化素子と、前記差分二値化信号生成部における二
値化条件を決定するための閾値電圧を発生する閾値電圧
発生回路とを有し、前記閾値電圧発生回路は、前記モニ
ター信号を受けて閾値電圧を決定することを特徴とす
る。

【００１１】画像二値化素子は、周囲の環境状態を計測
するモニター回路が配置される。このモニター回路より
出力される周囲の環境状態を示すモニター信号に基づい
て二値化条件を決定するするための差分二値化信号生成
部の閾値電圧を決定するのである。この構成により、周
囲の環境状態に対応して好適な閾値電圧を決定すること
が出来るので、誤信号が低減された画像二値化信号生成
装置を提供することが可能となる。

【００１２】また、請求項２の発明は、請求項１に記載
の画像二値化信号生成装置において、前記モニター回路
は、温度測定回路であることを特徴とする。温度測定回
路は、例えばダイオードである。この構成により、画像
二値化素子の温度を求め、その値に基づいて差分二値化
信号生成部の閾値を決定することが可能となる。このた
め、温度変化による誤信号を低減することが可能とな
る。

【００１３】また、請求項３の発明は、請求項１に記載
の画像二値化信号生成装置において、前記モニター回路
は、光量モニター回路であることを特徴とする。光量モ
ニター回路は、例えばフォトダイオードである。この構
成により、被写界の明るさを求めて、その明るさに基づ
いて差分二値化信号生成部の閾値を決定することが可能
となる。このため、被写界の明るさの変化に伴う誤信号
を低減することが可能となる。

【００１４】請求項４に記載の画像二値化信号生成装置
は、マトリクス状に配置され被写界を撮像して入射光に
応じた電気信号を生成し出力する複数の画素と、フレー
ム間差分二値化信号又は画素間差分二値化信号を生成す
る差分二値化信号生成部と、前記画素から出力される電
気信号を基に画像信号を生成する画像信号生成部を少な
くとも有する画像二値化素子と、前記画像信号を受けて
被写体の明るさを算出し、その算出結果に基づいた輝度
情報信号を出力する輝度情報信号生成回路と、前記差分
二値化信号生成部における二値化条件を決定する閾値電
圧を発生する閾値電圧発生回路とを有し、前記閾値電圧
発生回路は、前記輝度情報信号を受けて閾値電圧を決定
することを特徴とする。この構成により、被写体の輝度
に基づいて差分二値化信号生成部の閾値を決定すること
が可能となる。このため、被写体の輝度変化による誤信
号を低減することが可能となる。

【００１５】請求項５の発明は、請求項４に記載の画像
二値化信号生成装置において、前記輝度情報信号生成回
路は、画面内の平均輝度を検出することを特徴とする。
また、請求項６の発明は、請求項４に記載の画像二値化
信号生成装置において、前記輝度情報信号生成回路は、
画面内のピーク輝度を検出することを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、実施の形態について図面を
参照して説明する。図１は、第１の実施形態による二値
化画像信号生成装置１０の概略構成を示す模式図であ
る。図１に示すように、二値化画像信号生成装置１０
は、モニター回路を内蔵した動き検出用固体撮像素子１
と、前記モニター回路から出力されるモニター信号をデ
ジタル信号に変換するＡＤ変換器２と、ＡＤ変換器２か
ら出力されるデジタル信号をもとに、動き検出用固体撮
像素子１における二値化の閾値を制御する制御信号を生
成するプロセッサ３と、プロセッサ３から出力される制
御信号をアナログ信号に変換する２つのＤＡ変換器４及
び５から構成されている。

【００１７】ここで、動き検出用固体撮像素子１は、モ
ニター回路（詳細は後述）を除き、上記従来例と同様な
ので説明を省略する。このように構成された二値化画像
信号生成装置１０においては、モニター回路から周囲の
環境状態に応じたモニター信号が出力され、ＡＤ変換器
２でデジタル信号に変換された後、プロセッサ３に入力
される。プロセッサ３では、モニター信号を受けて周囲
の環境状態を判断し、二値化条件を決定するための閾値
ΔＶを決定し、あらかじめ与えられたＶｔｈとあわせて
電圧ＶＲ１（Ｖｔｈ−ΔＶ）とＶＲ２（Ｖｔｈ＋ΔＶ）
を発生する。そして、ＤＡ変換器４及び５は、プロセッ
サ３から出力された電圧ＶＲ１，ＶＲ２をアナログ信号
に変換し、動き検出用固体撮像素子１に入力する。次
に、具体的なモニター回路について説明する。

【００１８】図２は、動き検出用固体撮像素子１に用い
られる温度モニター回路の構成例を示す図である。図２
において、定電流ＩＣを発生する定電流源２１の一方の
端子は電源ＶＣＣに接続され、他方の端子は、ダイオー
ド２２のアノード端子とバッファ２３の入力端子に接続
される。そして、ダイオード２２のカソード端子は接地
され、バッファ２３の出力端子からモニター信号が出力
される構成となっている。このように構成された温度モ
ニター回路においては、ダイオード２２に定電流ＩＣが
流れているので、そのアノード端子の電位ＶＡは次式で
表される。ＶＡ＝（ｋＴ／ｑ）×ｌｎ（ＩＣ／Ｉ０）（１）但し、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子電
荷、Ｉ０は飽和電流である。式（１）で示されるアノー
ド電位ＶＡは、バッファ２３を介して、モニター信号と
して出力される。式（１）で示されるように、アノード
電位ＶＡは温度に比例するので、周囲の温度状態に応じ
たモニター信号を得ることが出来る。プロセッサ３は、
このモニター信号を取り込み、周囲の温度状態に応じて
二値化条件を決定する閾値ΔＶを決定する。すなわち、
周囲温度が高くなると、動き検出用固体撮像素子１にお
ける熱雑音も大きくなるため、ノイズによる誤信号の発
生が多くなる。そこで、プロセッサ３は、周囲温度が高
くなったと判断すると、ΔＶの値を大きくして誤信号の
発生を防止する。

【００１９】一方、プロセッサ３は、周囲温度が低くな
ったと判断すると、ΔＶを小さくする。これにより、動
き検出の感度を高くすることが出来るので、動体がある
にも関わらず、「動体がない」という誤信号が発生する
のを防止する。このように、周囲の温度状態に対応して
好適な閾値電圧を決定することが出来るので、誤信号が
低減された画像二値化信号生成装置を得ることが出来
る。上記の構成では、周囲の環境として温度をモニター
しており、その結果を閾値電圧にフィードバックさせて
いる。次に光量をモニタして、閾値電圧にフィードバッ
クさせる構成を説明する。

【００２０】図３は、動き検出用固体撮像素子１に用い
られる光量モニター回路の構成例を示す図である。図３
において、フォトダイオード３１のカソード端子は電源
ＶＣＣに接続され、アノード端子は、オペアンプ３２の
反転入力端子と抵抗３３の一方の端子に接続される。そ
して、オペアンプ３２の非反転入力端子は接地され、出
力端子は抵抗３３の他方の端子と接続され、オペアンプ
３２の出力端子からモニター信号が出力される構成とな
っている。

【００２１】このように構成された光量モニター回路に
おいては、フォトダイオード３１で発生する光電流をＩ
ｐ、抵抗３３の抵抗値をＲ１とすると、オペアンプ３２
の出力電圧ＶＳは次式で表される。ＶＳ＝−Ｒ１×Ｉｐ（２）式（２）で示される出力電位ＶＳは、モニター信号とし
て出力される。式（２）で示されるように、出力電圧Ｖ
Ｓは光量に比例するので、被写体の明るさ状態に応じた
モニター信号を得ることが出来る。

【００２２】プロセッサ３は、このモニター信号を取り
込み、被写体の明るさ状態に応じて二値化条件を決定す
る閾値ΔＶを決定する。すなわち、明るくなる（光量が
多くなる）と動き検出用固体撮像素子１におけるショッ
ト雑音も大きくなるため、ノイズによる誤信号の発生が
多くなる。そこで、プロセッサ３は、被写体が明るくな
ったと判断すると、ΔＶの値を大きくして誤信号の発生
を防止する。

【００２３】一方、プロセッサ３は、被写体が暗くなっ
たと判断すると、ΔＶを小さくする。これにより、動き
検出の感度を高くすることが出来るので、動体があるに
も関わらず、「動体がない」という誤信号が発生するの
を防止する。このように、被写体の明るさ状態に対応し
て好適な閾値電圧を決定することが出来るので、誤信号
が低減された画像二値化信号生成装置を得ることが出来
る。なお、上記第１の実施形態では、ＡＤ変換や閾値の
決定やＤＡ変換など、それぞれの機能を有するもので構
成する場合について説明したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、例えばマイコンなどでこれらの機能
を兼ねても良いことはいうまでもない。

【００２４】次に、第２の実施形態について図面を参照
して説明する。図４は、第２の実施形態による二値化画
像信号生成装置４０の概略構成を示す模式図である。図
４に示すように、二値化画像信号生成装置４０は、動き
検出用固体撮像素子１と、動き検出用固体撮像素子１か
ら出力される画像信号をもとに画面内の平均輝度を検出
する平均輝度検出回路４１と、平均輝度検出回路４１の
検出結果を受けて、動き検出用固体撮像素子１における
二値化の閾値を制御する制御信号を生成するマイコン４
２とから構成されている。ここで、動き検出用固体撮像
素子１は、上記従来例と同様なので説明を省略する。

【００２５】このように構成された二値化画像信号生成
装置４０においては、動き検出用固体撮像素子１から出
力される画像信号から、平均輝度検出回路４１で画面内
の平均輝度を検出し、その結果を基に、マイコン４２で
被写体の明るさ状態を判断し、二値化条件を決定するた
めの閾値ΔＶを決定し、あらかじめ与えられたＶｔｈと
あわせて電圧ＶＲ１（Ｖｔｈ−ΔＶ）とＶＲ２（Ｖｔｈ
＋ΔＶ）を発生する。すなわち、画面内が明るくなった
と判断すると、ΔＶの値を大きくしてショット雑音によ
る誤信号の発生を防止する。また、画面内が暗くなった
と判断すると、ΔＶを小さくして、動き検出の感度を高
くすることにより、動体があるにも関わらず、「動体が
ない」という誤信号が発生するのを防止する。このよう
に、画面全体の明るさ状態に対応して好適な閾値電圧を
決定することが出来るので、より精度良く誤信号が低減
された画像二値化信号生成装置を得ることが出来る。

【００２６】次に、第３の実施形態について図面を参照
して説明する。図５は、第３の実施形態による二値化画
像信号生成装置５０の概略構成を示す模式図である。な
お、前記第２の実施例と同じ構成要件については、同一
の参照番号を付与し説明を省略する。第２の実施形態と
の主な相違点は、平均輝度検出回路４１の代わりにピー
ク輝度検出回路５１を設けた点にある。このように構成
された二値化画像信号生成装置５０においては、動き検
出用固体撮像素子１から出力される画像信号から、ピー
ク輝度検出回路５１で画面内のピーク輝度を検出し、そ
の結果を基に、マイコン４２で被写体の明るさ状態を判
断し、二値化条件を決定するための閾値ΔＶを決定し、
あらかじめ与えられたＶｔｈとあわせて電圧ＶＲ１（Ｖ
ｔｈ−ΔＶ）とＶＲ２（Ｖｔｈ＋ΔＶ）を発生する。

【００２７】すなわち、画面内に特に明るい箇所が存在
すると判断した場合、ΔＶの値を大きくしてショット雑
音による誤信号の発生を防止する。また、画面内に特に
明るい箇所が存在しないと判断した場合は、ΔＶを小さ
くして、動き検出の感度を高くすることにより、動体が
あるにも関わらず、「動体がない」という誤信号が発生
するのを防止する。このように、画面内におけるピーク
輝度を求めることにより、極端に明るい箇所が存在した
場合でも状態に対応して好適な閾値電圧を決定すること
が出来るので、精度良く誤信号が低減された画像二値化
信号生成装置を得ることが出来る。

【００２８】なお、前記第２及び第３の実施形態におい
ては、平均輝度検出回路とピーク輝度検出回路のどちら
か一方を用いた場合のみ説明したが、本発明はこれに限
定されるものではなく、両方を用いても良い。この場合
には、平均輝度とピーク輝度の両方を基に閾値を決定出
来るのでより精度の良い動き検出が実現可能である。ま
た、上記第１〜第３の実施形態では、動き検出用固体撮
像素子を用いてフレーム間差分から画像二値化信号を生
成する場合について説明したが、本発明はこれに限定さ
れるものではなく、例えば、特開平１１−２２５２８９
に開示されているような、画素間の差分から画像二値化
信号を生成するエッジ検出用固体撮像装置を用いても良
いことは明らかである。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
周囲温度や被写体の明るさを検出し、それに応じて画像
の二値化条件を決定する閾値を変えることが出来るの
で、周囲環境が変わると誤信号が発生するという不具合
は解消する。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施形態の画像二値化信号生成装置１０
の概略構成を示す図である。

【図２】温度モニター回路の構成例を示す回路図であ
る。

【図３】光量モニター回路の構成例を示す回路図であ
る。

【図４】第２の実施形態の画像二値化信号生成装置４０
の概略構成を示す図である。

【図５】第３の実施形態の画像二値化信号生成装置５０
の概略構成を示す図である。

【図６】動き検出用固体撮像装置の構成を示す回路図で
ある。

【図７】異値検出回路の構成を示す回路図である。

【符号の説明】

１動き検出用固体撮像素子２ＡＤ変換器３プロセッサ４，５ＤＡ変換器１０，４０，５０画像二値化信号生成装置２１定電流源２２ダイオード２３バッファ３１フォトダイオード３２オペアンプ３３抵抗４１平均輝度検出回路４２マイコン５１ピーク輝度検出回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マトリクス状に配置され被写界を撮像し
て入射光に応じた電気信号を生成し出力する複数の画素
と、フレーム間差分二値化信号又は画素間差分二値化信
号を生成する差分二値化信号生成部と、周囲の環境状態
を示すモニター信号を出力するモニター回路を少なくと
も有する画像二値化素子と、前記差分二値化信号生成部における二値化条件を決定す
るするための閾値電圧を発生する閾値電圧発生回路とを
有し、前記閾値電圧発生回路は、前記モニター信号を受けて閾
値電圧を決定することを特徴とする画像二値化信号生成
装置。
【請求項２】前記モニター回路は、温度測定回路であ
ることを特徴とする請求項１に記載の画像二値化信号生
成装置。
【請求項３】前記モニター回路は、光量モニター回路
であることを特徴とする請求項１に記載の画像二値化信
号生成装置。
【請求項４】マトリクス状に配置され被写界を撮像し
て入射光に応じた電気信号を生成し出力する複数の画素
と、フレーム間差分二値化信号又は画素間差分二値化信
号を生成する差分二値化信号生成部と、前記画素から出
力される電気信号を基に画像信号を生成する画像信号生
成部を少なくとも有する画像二値化素子と、前記画像信号を受けて被写体の明るさを算出し、その算
出結果に基づいた輝度情報信号を出力する輝度情報信号
生成回路と、前記差分二値化信号生成部における二値化条件を決定す
る閾値電圧を発生する閾値電圧発生回路とを有し、前記閾値電圧発生回路は、前記輝度情報信号を受けて閾
値電圧を決定することを特徴とする画像二値化信号生成
装置。
【請求項５】前記輝度情報信号生成回路は、画面内の
平均輝度を検出することを特徴とする請求項４に記載の
画像二値化信号生成装置。
【請求項６】前記輝度情報信号生成回路は、画面内の
ピーク輝度を検出することを特徴とする請求項４に記載
の画像二値化信号生成装置。