JP2003046808A - 階調補正装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ビデオカメラ等に使用される階調補正装置に
おいて、自然な色再現でコントラストを補正する。 【解決手段】 入力信号レベル判定手段２、ヒストグラ
ム検出手段３、マイクロコンピュータ４及び増幅率算出
手段５で第１の入力信号Ｓ１inに対し入力信号レベルに
応じた増幅率Ｈgainを算出し、第１の階調補正手段６で
第１の入力信号Ｓ１inに対し増幅率算出手段５で算出し
た増幅率Ｈgainにより階調補正を施し、第２の階調補正
手段７で第１の入力信号以外の入力信号Ｓ２inに対し、
その信号レベルに関係なく第１の入力信号に与えた増幅
率Ｈgainにより階調補正を施す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はビデオカメラなどに
用いられる階調補正装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の階調補正装置としては、特開平１
０−２１０３２３号公報に記載されたものが知られてい
る。ここで言う階調補正装置は、映像信号に対して、そ
の映像信号の明るさの分布（ヒストグラム）から、より
分布の多いところに優先的に階調を与え、分布の少ない
ところには階調を与えないようにすることにより、コン
トラストの改善された画像を得ようというものである。

【０００３】図８に従来の階調補正装置の構成図を示
す。図８において、１は入力端子、２は入力信号レベル
判定手段、３はヒストグラム検出手段、４はマイクロコ
ンピュータ、６は階調補正手段、８は出力端子である。

【０００４】従来の階調補正装置では、入力端子１より
入力した入力信号を入力信号レベル判定手段２でレベル
検出し、ヒストグラム検出手段３で入力信号の１画面分
に相当する輝度値のヒストグラムを算出し、マイクロコ
ンピュータ４で入力信号の輝度値の分布の度合いに応じ
て、傾きが変わるような階調特性を算出し、階調補正手
段６でマイクロコンピュータ４で算出した階調補正特性
で階調補正して出力端子８より出力する。

【０００５】ここで、入力信号レベル判定手段２では入
力信号を等間隔の複数のレベルに分割し、そのレベルご
とに輝度値の分布を検出している。

【０００６】図９、図１０に従来の階調補正装置のヒス
トグラム分布及び階調補正特性を示す。図９は、ヒスト
グラムで横軸は入力信号の分割レベル、縦軸は入力信号
の各信号レベルに対応する頻度分布（ヒストグラム）で
ある。図１０は階調補正特性で、横軸は入力信号レベ
ル、縦軸は出力信号レベルである。

【０００７】図１０では、図９で頻度の多かった分割レ
ベルに相当する入力信号レベルに対応する階調補正特性
の傾きが急になるように設定されており、頻度の多かっ
た分割レベルのコントラストが強調される。また、逆に
図９で頻度の少なかった分割レベルに相当する入力信号
レベルに対応する階調補正特性の傾きは緩やかになるよ
うに設定される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような構成では、以下に示すようないくつかの課題があ
る。

【０００９】図８の構成では１系統の信号しか扱ってい
ない。白黒信号の場合は良いが、カラー信号の場合に
は、輝度系と色差系というように複数の信号を扱う場合
がある。この際、輝度信号と色差信号に対して独立に非
線形な階調補正処理を施すと、被写体の色によっては、
ある信号は大きくなるが、ある信号は小さくなるという
ように、各信号の比が変動してしまう。

【００１０】そこで、従来の階調補正装置では色差信号
をはじめに輝度信号で規格化し、規格化された色差信号
に対し、階調補正された輝度信号を掛け合わせることに
よって、輝度信号と色差信号の比を保ちつつ色差信号に
対する階調補正を実現している。

【００１１】この場合、規格化処理に割り算回路が必要
となる。割り算回路は回路規模が非常に大きく、コスト
や電力が大きくなる原因となる。

【００１２】本発明は上記課題に対して、カラー信号の
階調補正を行う際に、色再現性を保ちつつ、割り算回路
を不要として回路規模、コスト及び消費電力の点で優れ
た階調補正装置を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明は、複数の入力信号に対して階調補正を施す装
置であって、第1の入力信号に対し、その入力信号レベ
ルに応じた増幅率を算出する増幅率算出手段と、増幅率
算出手段で算出した増幅率により第１の入力信号に階調
補正を施す第1の階調補正手段と、第１の入力信号以外
の入力信号に対し、各入力信号のレベルに関わりなく増
幅率算出手段で算出した増幅率により階調補正を施す第
２の階調補正手段とを備えたものである。

【００１４】これにより、割り算回路を備えることな
く、各信号の比率の変動を抑えることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明は、複数の入力信号に対し
て階調補正を施す装置であって、第1の入力信号に対
し、その入力信号レベルに応じた増幅率を算出する増幅
率算出手段と、前記増幅率算出手段で算出した増幅率に
より、前記第１の入力信号に階調補正を施す第1の階調
補正手段と、前記第１の入力信号以外の入力信号に対
し、それぞれの入力信号のレベルに関わりなく前記増幅
率算出手段で算出した増幅率により階調補正を施す第２
の階調補正手段とを備えるものであり、第１の入力信号
に基づき算出された増幅率に応じて、複数の入力信号を
それぞれ階調補正を施すことで各信号の比率を保つとい
う作用を有する。

【００１６】また、本発明の階調補正装置における増幅
率算出手段は、入力信号レベルの分布範囲を複数のレベ
ルに分割し、入力信号が前記複数のレベルのどのレベル
に属するかを判定する入力信号レベル判定手段と、分割
されたレベルごとの代表点の入力信号に対する出力信号
の増幅率を設定する増幅率設定手段と、分割された隣り
合うレベルの代表点間の増幅率を補間する増幅率補間手
段とを有し、前記増幅率補間手段で補間処理された増幅
率を出力信号とするものであり、複数の信号の関係を規
格化するための割り算回路を備えることなく、複数の入
力信号をそれぞれ階調補正を施すことで各信号の比率を
保つという作用を有する。

【００１７】以下、発明の実施の形態について、図面を
用いて説明する。

【００１８】（実施の形態１）図１は、本発明の実施の
形態１による階調補正装置の構成を示すブロック図であ
る。図１において、１ａ，１ｂは入力端子、２は入力信
号レベル判定手段、３はヒストグラム検出手段、４はマ
イクロコンピュータ、５は増幅率算出手段、６は第1の
階調補正手段、７は第2の階調補正手段、８ａ，８ｂは
出力端子である。

【００１９】入力端子１ａより入力された入力信号Ｓ１
inは入力信号レベル判定手段２に入力され、入力信号が
どの分割レベルに対応するかが判定され、分割レベル番
号ｎが出力される。ヒストグラムイコライゼーションに
より輝度信号のコントラストを強調するために、入力信
号Ｓ１inとしては、明るさを表す輝度信号Ｙinが望まし
い。階調補正に用いる信号レベルの分割数は多いほど詳
細な階調補正が可能であるが、回路規模が大きくなる。
実際には、性能と回路規模のバランスから１０ないし２
０程度が好ましい。本実施の形態では説明を容易にする
ため階調補正の分割数を８としている。以下に入力信号
レベル判定手段２の動作の詳細を説明する。

【００２０】図２は入力信号レベル判定手段の構成を示
す構成図である。図２において、９ａ〜９ｈはレジス
タ、１０ａ〜１０ｈは比較器、１１ａは信号レベル判定
回路である。入力信号レベル判定手段２はレジスタ９ａ
〜９ｈに設定された８個の分割レベルデータＸ（０）〜
Ｘ（７）を入力し、比較器１０ａ〜１０ｈで入力信号Ｓ
１inと前記８個の分割レベルデータとを比較する。入力
信号レベルがｎ番目の分割レベルに属する場合、ｎ番目
の比較器の出力はハイ（Ｈｉ）に、（ｎ＋１）番目はロ
ー（Ｌｏ）になる。信号レベル判定回路１１ａでは、８
個の比較器の出力を比較し、入力信号が８個の分割レベ
ルのうちどのレベルに入っているかを判定し、０から７
の間の制御信号ｎを出力する。

【００２１】ヒストグラム検出手段３は入力信号レベル
判定手段２から出力される制御信号ｎを入力する。ヒス
トグラム検出手段３には８個のカウンタがあり、制御信
号ｎを入力すると、ｎ番目のカウンタがインクリメント
される。この動作を１画面分行うことによって８個のカ
ウンタには1画面のそれぞれのレベルに対応するヒスト
グラムデータＨ（０）からＨ（７）が得られる。このよ
うにして得られるヒストグラムデータは画面内の明るさ
の分布が多いところはヒストグラムデータが大きく、画
面内の明るさの分布が少ないときはヒストグラムデータ
が小さくなる。以上のようにして求められた８個のレベ
ルに対応するヒストグラムデータＨ（０）からＨ（７）
は、マイクロコンピュータ４に転送される。

【００２２】マイクロコンピュータ４内では、ヒストグ
ラムデータＨ（０）〜Ｈ（７）の累積積分値ＳＨ（０）
からＳＨ（７）により階調補正特性を得る。ｉ番目の累
積積分値ＳＨ（ｉ）は、Ｈ（０）からＨ（７）を用い
て、ＳＨ（ｉ）＝ΣＨ（ｋ）、ｋ＝０，１，２，・・，
ｉで表される。累積積分値ＳＨ（７）の値はヒストグラ
ム検出手段３で１画面の期間にカウントするカウント数
に依存し、階調補正装置としての階調補正特性の入出力
特性に必ずしも一致しない。そこで、マイクロコンピュ
ータ４内では階調補正特性により好ましい画質が得られ
るのと、ＳＨ（０）からＳＨ（７）が階調補正特性の入
出力特性の範囲に対応するように規格化等の処理を行
い、ＳＨ（０）からＳＨ（７）に対応した出力値Ｙ
（０）からＹ（７）を得る。次にマイクロコンピュータ
４では各分割レベルの入力信号の代表点Ｘ（０）〜Ｘ
（７）に対応した増幅率Ｈｇ（０）〜Ｈｇ（７）を算出
する。ｉ番目の増幅率Ｈｇ（ｉ）はＸ（ｉ）とＹ（ｉ）
を用いてＨｇ（ｉ）＝Ｙ（ｉ）／Ｘ（ｉ）で得られる。

【００２３】このようにして得られた各分割レベルの入
力信号の代表点に対応する増幅率Ｈｇ（０）からＨｇ
（７）は、増幅率算出手段５に転送される。

【００２４】増幅率算出手段５では、マイクロコンピュ
ータ４により設定された増幅率Ｈｇ（０）からＨｇ
（７）と、入力信号レベル判定手段２から出力された制
御信号ｎと、入力信号Ｓ１inとから入力信号Ｓ１inに対
応した増幅率Ｈgainを補間演算処理により算出する。

【００２５】図３に増幅率算出手段５の構成を示す。図
３において、１２ａ，１２ｂはセレクタ、１３は増幅率
演算回路である。マイクロコンピュータ４で算出された
増幅率Ｈｇ（０）〜Ｈｇ（７）はレジスタ９ｉ〜９ｐに
設定される。セレクタ１２ａはレジスタ９ｉ〜９ｐの増
幅率Ｈｇ（０）〜Ｈｇ（７）と制御信号ｎを入力し、制
御信号ｎに応じてＨｇ（０）〜Ｈｇ（７）のうち、ｎ番
目とｎ＋１番目の増幅率Ｈｇ（ｎ）、Ｈｇ（ｎ＋１）を
選択し出力する。また、セレクタ１２ｂはレジスタ９ａ
〜９ｈに設定された分割レベルデータＸ（０）からＸ
（７）のうち、ｎ番目とｎ＋１番目の増幅率Ｘ（ｎ）、
Ｘ（ｎ＋１）を選択し出力する。増幅率演算回路１３で
は２つの増幅率Ｈｇ（ｎ）、Ｈｇ（ｎ＋１）と制御信号
ｎに対応した代表点の入力レベルＸ（ｎ）、Ｘ（ｎ＋
１）を入力し、以下の演算により入力信号Ｓ１inに対応
した増幅率Ｈgainを算出し、出力する。

【００２６】Ｈgain＝（Ｓ１in−Ｘ（ｎ））×（Ｈｇ
（ｎ＋１）−Ｈｇ（ｎ））／（Ｘ（ｎ＋１）−Ｘ
（ｎ）） 次に第１の階調補正手段６は増幅率Ｈgainと入力信号Ｓ
１inを入力しＳ１inに対し増幅率Ｈgainで増幅し、出力
信号Ｓ１outとして出力端子８ａより出力する。

【００２７】また、第２の階調補正手段７は入力端子１
ｂに入力された入力信号Ｓ２inを入力し第１の階調補正
手段６と同様にＳ２inに対し増幅率Ｈgainで増幅し、出
力信号Ｓ２outとして出力端子８ｂより出力する。ここ
で、第２の入力信号Ｓ２inとしては色差信号Ｃinを用い
る。

【００２８】図４に実施の形態１の階調補正装置のヒス
トグラム分布及び階調補正特性を示す。図４において、
同図（ａ）はヒストグラムで横軸は入力信号のレベル、
縦軸は入力信号の各信号レベルに対応する頻度分布（ヒ
ストグラム）である。図４（ａ）では入力信号レベルの
低いところほど、分割レベルの間隔は細かく、入力信号
レベルの高いところほど分割レベルの間隔は広くなって
いる。本実施の形態における階調補正装置は、カメラ信
号処理の前処理として、ガンマ補正前に階調補正を行う
ものを想定している。そのため、カメラ信号処理におけ
るガンマ補正などにより、低輝度部の信号が強調される
ため、ここでは、入力信号レベルの低いところの分割を
細かくしている。図４（ｂ）は階調補正特性で、横軸は
入力信号レベルＸ、縦軸は出力信号レベルＹであり、格
子状の線の交点は各分割レベルに対する代表点（Ｘ
(n)，Ｙ(n)）を表す。図４（ｂ）の階調補正特性では同
図（ａ）のヒストグラムの分布が比較的多い２番目や７
番目の分割レベルに対応する位置の傾きが急になるよう
になっている。このように、信号レベルの集中している
部分の階調を強調することができコントラストの改善が
可能となる。図４（ｂ）で斜めの破線は階調補正しない
場合の特性であり、入力された信号がそのまま出力され
ることになる。図４（ｃ）は増幅率特性で、横軸は入力
信号レベルＸ、縦軸は増幅率Ｈｇである。増幅率は入力
信号と階調補正後の信号の比で表されるので、図４
（ｂ）において、実線の階調補正特性が破線であらわさ
れる入力信号よりも大きなところでは大きな値をとる。

【００２９】ここで、Ｓ１in、Ｓ２in、Ｓ１out、Ｓ２o
utの関係について説明する。

【００３０】Ｓ１inとＳ２inはそれぞれ輝度信号Ｙinと
色差信号Ｃinであり、同一の増幅率Ｈgainで増幅され、
Ｙout、Ｃoutとして出力されることになる。このとき、
輝度信号と色差信号の比Ｒは、入力信号の比をＲin、出
力信号の比をＲoutとすると、Ｒin＝Ｙin／Ｃin、Ｒout
＝Ｙout／Ｃout＝（Ｈgain×Ｙin）／（Ｈgain×Ｃin）
＝Ｙin／Ｃin＝Ｒinとなり、階調補正により輝度信号と
色差信号の比は変化しない。本来、輝度信号と色差信号
は比例する関係にある。信号処理などにより輝度信号と
色差信号の比がずれると、異なる色に見えてしまう。

【００３１】本発明の効果は、カラー信号の階調補正を
行う際に、各信号の比を変動させないようにすることに
より。色再現の良好な階調補正を得ることができるとい
うものである。

【００３２】なお、本実施の形態において、第１の入力
信号を輝度信号Ｙ、第２の入力信号を色差信号Ｃとした
が、第１の入力信号を輝度信号Ｙとし、その他の信号と
してＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３原色信号として
も同様の効果を得ることができる。また、第１の入力信
号をＧ信号とし、その他の信号をＲ、Ｂの信号としても
良い。またさらに、第１の入力信号をＣＣＤ（Charge C
oupled Device）のような撮像素子の出力信号にローパ
スフィルタを通した輝度信号成分とし、第２の入力信号
をＣＣＤのような撮像素子の出力信号にハイパスフィル
タを通した色信号成分としても同様の効果を得ることが
できる。

【００３３】また、本実施の形態の階調補正装置はカメ
ラ信号処理の前処理を想定し、入力信号レベルの低いと
ころを細かく分割するように構成しているが、カメラ信
号処理の出力信号に対して、このような階調補正処理を
施しても良い。その場合には、必ずしも入力信号レベル
の低いところを細かく分割しなくても良い。

【００３４】また、本実施の形態では階調補正を施すの
にヒストグラムを検出し、それに応じた階調補正特性を
変更したが、階調補正特性の算出の仕方は、必ずしもヒ
ストグラム検出によらなくても良い。たとえば、画面内
を複数の領域に分割し、各領域の明るさの平均値から画
面のコントラストの度合いを想定し、特定の階調補正特
性を与えるようなことも可能である。

【００３５】（実施の形態２）実施の形態１では、増幅
率演算回路１３において増幅率を演算する際に割り算処
理を行っている。割り算処理は回路で実現するには回路
規模が大きくなるという課題がある。

【００３６】以下、本発明の実施の形態２の階調補正装
置について、図面を参照しながら説明する。

【００３７】本発明の目的は、実施の形態１に対してよ
り簡単な構成で実施の形態１と同様の効果を得ようと言
うものである。

【００３８】階調補正装置全体の構成は、図５に示す通
り、実施の形態1のものとほぼ同様で、入力信号レベル
判定手段２と増幅率算出手段５の間の制御信号が異なる
だけである。本実施の形態では入力信号レベル判定手段
２の構成が実施の形態1のものと異なる。

【００３９】図６は実施の形態２の階調補正装置の入力
信号レベル判定手段２の構成を示す構成図である。図６
において、１４ａ〜１４ｈは整数化回路、１０ａ〜１０
ｈは減算器である。

【００４０】図６におけるレジスタ９ａ〜９ｈには２の
べき乗の指数が設定される。整数化回路１４ａ〜１４ｈ
はレジスタ９ａ〜９ｈの指数を入力し、２のべき乗され
た整数値を出力する。ここで、整数化回路１４ａ〜１４
ｈから出力される値は実施の形態1における分割レベル
Ｘ（ｎ）ではなく、Ｘ（ｎ＋１）とＸ（ｎ）の差分ｄＸ
（ｎ）（ｄＸ（ｎ）＝Ｘ（ｎ＋１）−Ｘ（ｎ））に相当
する値とする。

【００４１】入力信号Ｓ１inは減算器１０ａに入力され
整数化回路１４ａから出力される差分値ｄＸ（０）が減
算される。ここで、Ｓ１inがｄＸ（０）よりも小さい場
合は減算器１０ａのキャリーが立ち、入力信号Ｓ１inは
分割レベル０に属することがわかる。そして、減算器１
０ａの減算結果がＳ１in−Ｘ（０）に相当する。

【００４２】Ｓ１inがｄＸ（０）よりも大きい場合はＳ
１inは分割レベル０には属していない。次に減算器１０
ｂに減算器１０ａの減算結果と整数化回路１４ｂから出
力されるｄＸ（１）が入力される。ここで、減算器１０
ａの減算結果がｄＸ（１）よりも小さい場合は減算器１
０ｂのキャリーが立ち、入力信号Ｓ１inは分割レベル１
に属することがわかる。そして、減算器１０ｂの減算結
果がＳ１in−Ｘ（１）に相当する。このように減算器１
０ａ〜１０ｈで順次減算結果を求めることにより、入力
信号の分割レベルである制御信号ｎを求めると同時に入
力信号Ｓ１inと分割レベルの代表値Ｘ（ｎ）の差分Ｓ１
in−Ｘ（ｎ）が求まり、出力信号として増幅率算出手段
５に出力される。

【００４３】ヒストグラム検出手段３とマイクロコンピ
ュータ４の動作は実施の形態１に準じるのでここでは省
略する。

【００４４】増幅率算出手段５の動作について説明す
る。図７は実施の形態２の増幅率算出手段５の構成を表
す構成図である。増幅率算出手段５の構成も実施の形態
１と同様であり、異なるのは制御信号の種類である。

【００４５】図７において増幅率演算回路１３では実施
の形態１と同様に以下の演算処理により入力信号Ｓ１in
に対応した増幅率を算出する。

【００４６】Ｈgain＝（Ｓ１in−Ｘ（ｎ））×（Ｈｇ
（ｎ＋１）−Ｈｇ（ｎ））／（Ｘ（ｎ＋１）−Ｘ
（ｎ）） ここで、Ｘ（ｎ＋１）−Ｘ（ｎ）は入力信号レベル判定
手段２で設定された２のべき乗で表される値である。デ
ジタル信号処理においては割り算回路の回路規模は大き
いが、２のＸ（ｎ）乗での割り算の場合は、ビットシフ
トで実現されるため、きわめて小さな回路規模で実現で
きる。

【００４７】本発明の効果は、入力信号を複数のレベル
に分割する際に分割するレベルの間隔を２のべき乗で与
えることにより増幅率算出手段５における割り算回路の
回路規模をおさえ、小さな回路規模で実施の形態１と同
様の階調補正特性を得ることができるというものであ
る。

【００４８】

【発明の効果】以上のように本発明よれば、予め輝度信
号を色信号で正規化する等の割り算回路を備えることな
く、カラー信号の階調補正を行う際に、各信号の比を変
動させないようにすることにより、色再現の良好な階調
補正を得ることができるという効果を奏するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による階調補正装置の構
成を示すブロック図

【図２】同階調補正装置の入力信号レベル判定手段の構
成を示すブロック図

【図３】同階調補正装置の増幅率算出手段の構成を示す
ブロック図

【図４】同階調補正装置のヒストグラムおよび階調補正
特性を表す図

【図５】本発明の実施の形態２による階調補正装置の構
成を示すブロック図

【図６】同階調補正装置の入力信号レベル判定手段の構
成を示すブロック図

【図７】同階調補正装置の増幅率算出手段の構成を示す
ブロック図

【図８】従来の階調補正装置の構成を示すブロック図

【図９】従来の階調補正装置のヒストグラムを表す図

【図１０】従来の階調補正装置の階調補正特性を表す図

【符号の説明】

１ａ，１ｂ 入力端子 ２ 入力信号レベル判定手段 ３ ヒストグラム検出手段 ４ マイクロコンピュータ ５ 増幅率算出手段 ６ 第１の階調補正手段 ７ 第２の階調補正手段 ８ａ，８ｂ 出力端子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渋谷 文紀 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5B057 CE11 CE17 CH20 DC23 5C021 PA02 PA33 PA34 PA52 PA62 PA66 PA77 PA92 XA34 XA35 5C077 LL04 MM03 MP08 PP15 PP32 PP34 PP37 PQ03 PQ12 PQ19 RR19 TT09

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の入力信号に対して階調補正を施す
   装置であって、 第1の入力信号に対し、その入力信号レベルに応じた増
   幅率を算出する増幅率算出手段と、 前記増幅率算出手段で算出した増幅率により、前記第１
   の入力信号に階調補正を施す第1の階調補正手段と、 前記第１の入力信号以外の入力信号に対し、それぞれの
   入力信号のレベルに関わりなく前記増幅率算出手段で算
   出した増幅率により階調補正を施す第２の階調補正手段
   とを備える階調補正装置。
2. 【請求項２】 増幅率算出手段は、入力信号レベルの分
   布範囲を複数のレベルに分割し、入力信号が前記複数の
   レベルのどのレベルに属するかを判定する入力信号レベ
   ル判定手段と、分割されたレベルごとの代表点の入力信
   号に対する出力信号の増幅率を設定する増幅率設定手段
   と、分割された隣り合うレベルの代表点間の増幅率を補
   間する増幅率補間手段とを有し、前記増幅率補間手段で
   補間処理された増幅率を出力信号とする請求項１記載の
   階調補正装置。