JP2003319247A - 固体撮像素子ビデオカメラおよびそのための輝度制御 - Google Patents

固体撮像素子ビデオカメラおよびそのための輝度制御

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JP2003319247A JP2003102199A JP2003102199A JP2003319247A JP 2003319247 A JP2003319247 A JP 2003319247A JP 2003102199 A JP2003102199 A JP 2003102199A JP 2003102199 A JP2003102199 A JP 2003102199A JP 2003319247 A JP2003319247 A JP 2003319247A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】ゲイン制御および画像集積の不利点が解消され
て内視鏡検査に適した固体撮像素子ビデオカメラ用のさ
らなる輝度制御モードを提供するとともに、この輝度制
御モードをカメラの制御に組み入れることを可能とす
る。 【解決手段】固体撮像素子ビデオカメラ１にピクセル加
算ロジック１０を備える。これは、輝度信号がしきい値
に達しないときに、リアルタイム表示の損失及びノイズ
要素増加を避けながら画像輝度を向上させる。各場合に
増幅制御がピクセル加算によって発生する輝度の急変を
補償することも可能で、輝度の急変なくユーザになめら
かな転換を提供できるように、ピクセル加算ロジックに
よるピクセル加算がカメラの増幅制御と連携する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、特許請求の範囲の
請求項１および請求項１１の前提部に従う固体撮像素子
ビデオカメラおよびそのための輝度制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】医療および内視鏡検査技術における良好
ではない光状態で通常的に用いられる内視鏡固体撮像素
子ビデオカメラは、ピクセルの露出時間がステップごと
に制御されるシャッター制御モードから、ピクセルの増
幅が制御されるゲイン制御モードへと変わる。ゲイン動
作モードにおいて十分な画像輝度を可能にするために、
結果として画像のノイズを招くことを避けられない増幅
率が必要となる。このノイズは、画像解像度および細部
の認識に、良くない影響を与える。さらに、ユーザに煩
わしい思いをさせる。
【０００３】これを抑制するために、いわゆるインテグ
レーションモード(integration mode)を有する内視鏡固
体撮像素子ビデオカメラもある。インテグレーションモ
ードにおいて、１ビデオフレームシーケンス（１／５０
秒につき２フレーム）で画像センサが２度読み取られる
ことはなく、１回のみであり、これは２倍の露出時間に
相当する。必要に応じて、露出時間は、このフレーム露
出時間の倍数として増加させていくことができる。この
やり方は、ノイズ要素を増幅することなく、集積した画
像数にしたがって輝度を上げ得る。しかし、画像の繰り
返しレートは、それに応じて低下する。画像の繰り返し
周波数の低下は、動きのスローモーション型ジャンプと
いう影響を与え、他方、動いている被写体に対しては広
範囲で焦点が合わなくなることが多く、これは、長いシ
ャッター速度での写真撮影においてよく知られた事象で
ある。
【０００４】画像の集積によって、時間的且つ空間的解
像度が内視鏡の動きシーケンスで失われる。極端な場合
には、意味のある内視鏡検査ができなくなる。
【０００５】医療内視鏡検査に共通の従来の固体撮像素
子ビデオカメラの一例および輝度制御の機能について、
図４および図５を参照して説明する。図４のブロック図
中、符号２０で示される従来の固体撮像素子ビデオカメ
ラは、画像センサ２２、ＣＤＳ／ゲインユニット２３、
Ａ／Ｄ変換器２４、デジタル信号プロセッサ２５、時間
制御ユニット２６、マイクロコントローラ２８、Ｄ／Ａ
変換器ユニット３１、デコーダ３２および出力回路３３
を備えている。
【０００６】図４に示される従来の固体撮像素子ビデオ
カメラ２０のデジタル信号プロセッサ２５は、デジタル
ビデオ信号処理を実行する。マイクロコントローラ２８
は、カメラ制御の機能と、信号プロセッサと協働して輝
度制御の機能をもつ。加えて図４には、オプションのメ
モリユニット２７が示されている。これは、露出延長を
実行する場合に必要である。マイクロコントローラ２８
は、デジタル信号プロセッサ２５、メモリユニット２
７、時間制御ユニット２６およびＣＤＳ／ゲインユニッ
ト２３と接続される。
【０００７】固体撮像素子ビデオカメラのビデオ画像の
輝度制御では、平均値、ピーク値認識、ヒストグラム評
価、または、これらの方法の組み合わせによって、ビデ
オ画像の調整可能な測定ウインドウから得られた読取値
を使用し、調整可能な基準値と継続して比較することに
よって画像輝度を加減する。
【０００８】図５は、従来の内視鏡カメラの輝度制御の
過程をグラフで概略的に示したものである。図中、左垂
直軸に増幅ファクタ(factor)が示され、右垂直軸にはシ
ャッター時間が示されている。水平軸は、関連ユニット
の（測定された）被写体輝度を示す。
【０００９】実線によって示されるステップ機能は、シ
ャッターモードＭ２の制御機能である。ステップごとの
シャッター制御は、たとえば６ｄＢステップで行われ
る。シャッター制御Ｍ２のステップ機能は、図中左側の
被写体輝度が強く短いシャッター速度から最長シャッタ
ー速度１／５０秒（ＮＴＳＣ標準では１／６０秒）へと
続いている。シャッター速度をさらに延ばすことは、従
来のビデオカメラではできない。
【００１０】ダイナミクスがさらに増大されると、被写
体輝度のしきい値Ｓ２からカメラの増幅が開始される。
このいわゆるゲイン制御モードＭ３は図５で点線によっ
て示してある。オプションとして、図５に示してあるよ
うに、より高いしきい値Ｓ３で早期に画像集積を開始す
ることもできる。この輝度制御Ｍ４は、図５で一点鎖線
で例示されている。画像集積は６ｄＢステップで行われ
る。図５において画像集積は、制御モードＭ４によっ
て、たとえば４画像に限定される。次いで、輝度制御モ
ードＭにしたがう増幅機能が開始される。
【００１１】シャッター制御（モードＭ２）とゲイン制
御（モードＭ３）の組み合わせは図５に示されていない
が、シャッター制御Ｍ２に起因する輝度の急変が増幅制
御Ｍ３によって補償される。転換点でなめらかとなるよ
うに個別動作モードをお互いに組み合わせるのは同様に
良く知られている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、概略
説明した画像集積の上記不利点およびゲイン制御のノイ
ズ要素増幅について、リアルタイム表示を損なうことな
く回避することができるようにし、医療および内視鏡検
査技術に適切な固体撮像素子ビデオカメラおよびそのた
めの輝度制御方法を可能とすることにある。言い換えれ
ば、本発明の目的は、ゲイン制御および画像集積の不利
点が解消されて内視鏡検査に適した固体撮像素子ビデオ
カメラ用のさらなる輝度制御モードを提供するととも
に、このさらなる動作モードをカメラの制御に組み入れ
ることを可能とすることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】この目的は、請求項１お
よび請求項１１に記載された特徴により解決される。ま
た、さらなる有益な特徴が従属請求項に特定されてい
る。
【００１４】本発明によれば、内視鏡固体撮像素子ビデ
オカメラの画像輝度または感度を上げるために、隣接す
るピクセルの輝度情報が互いにグループ化され、一つの
ピクセルに割り当てられる。これが画像輝度を上げ、さ
らに当該ピクセルにおけるノイズ要素を減少させる。こ
のために、「ピクセル加算」動作モードとカメラの増幅
制御を連携させることが提案され、各種状況において増
幅制御がピクセル加算のために発生する輝度の急変を調
整し、これを補償し、そしてこれによってユーザに対
し、輝度の顕著な急変のない、なめらかな転換を作り出
すようにする。
【００１５】本発明によれば、加算動作へのジャンプで
増幅が減少し、加算のノイズ減少効果に加えて画像のノ
イズを減少させ、したがって画質がさらに改良される。
【００１６】動作モードの「ピクセル加算」は、それ自
体はすでに知られている。この技術は、プログレッシブ
スキャンカメラおよびＣＭＯＳカメラで感度を上げるた
めに使用され、これらのカメラの仕様書では「ピクセル
ビニング(pixel binning)」として使われている。これ
によると、たとえば水平方向または垂直方向における数
ピクセルの情報が互いにグループ化され、新しいピクセ
ルに割り当てられる。結果として得られたピクセルマト
リクスは、加算に対応して小さく、より低い解像度を有
する。この既知の動作モード「ピクセルビニング」はし
かし静的であり、すなわち、スイッチでオンオフされる
もので、制御アルゴリズムに組み入れられたものではな
い。
【００１７】この既知の「ピクセルビニング」機能の一
態様が図６に示されている。同図のＸラインは、例とし
て、本来のセンサ情報の画像ラインを表し、Ｙライン
は、それから２ピクセルビニングを経て決定された画像
ラインを表す。ピクセル解像度がこの方法によって半分
にされるのは明らかである。
【００１８】これとは対照的に、本発明による態様で
は、加えるピクセルグループを固定するのではなく、信
号処理の方向でピクセルごとに２以上の隣接ピクセルを
互いにグループ化する途切れのないピクセル加算アルゴ
リズムを適応することが好ましい。このために、当例に
限定される訳ではないが、ピクセル加算のペア手法の一
態様が図７に示されている。この態様の本質的な利点
は、この手順のやり方から得られる解像度が、本来の画
像解像度からわずかに落ちるのみである一方、画像輝度
増加の十分な効果が達成されるということである。
【００１９】
【発明の実施の形態】図面を参照して、本発明の１つの
好適な実施形態およびその変形例を詳細に説明する。
【００２０】まず、図１のブロック図を参照すると、固
体撮像素子ビデオカメラ１の好適な実施形態が概略的に
示されている。同図において、ユニット２〜８，１１〜
１３は、それぞれ図４に示される従来の固体撮像素子ビ
デオカメラのブロック２２〜２８，３１〜３３に相当す
る。
【００２１】図４の構成に加えて、本発明に係る図１の
固体撮像素子ビデオカメラ１は、マイクロコントローラ
８によって制御されるピクセル加算ロジック１０を備え
る。本発明による固体撮像素子ビデオカメラに組み入れ
られ連携するピクセル加算モードＭ１、シャッターモー
ドＭ２、ゲイン制御モードＭ３およびオプションの画像
集積Ｍ４などの制御モードは、マイクロコントローラ８
で実行される制御アルゴリズムまたはプログラムによっ
て実現される。このために、マイクロコントローラ８
は、ＣＤＳ／ゲインユニット３、デジタル信号プロセッ
サ５、時間制御ユニット６およびピクセル加算ロジック
１０に接続されている。図１には、オプションで設けら
れ、マイクロコントローラ８によって制御される画像メ
モリユニット７がさらに示されている。
【００２２】マイクロコントローラ８で実行される輝度
制御ユニットが、本発明にしたがって設けられたＣＤＳ
／ゲインユニット３、時間制御ユニット６、デジタル信
号プロセッサ５およびピクセル加算ロジック１０と協働
して、第１の（ピクセル加算）輝度制御モードＭ１を可
能にする。
【００２３】当該輝度制御ユニットはさらに、第２の輝
度制御モードＭ２、具体的にはシャッターモードを実行
し、これは、所定の時間ステップにおけるピクセルの露
出時間を制御する。次いで、シャッターモードＭ２の可
能最長シャッター時間（たとえば１／５０秒）で測定さ
れた被写体輝度が第１のしきい値Ｓ１を下回るようにな
ると、輝度制御ユニットはピクセル加算ロジック１０を
自動的に作動させる。
【００２４】さらに、ピクセル加算ロジック１０の作動
後に測定される被写体輝度信号が、第１のしきい値Ｓ１
と第２のしきい値Ｓ２との間にある第３のしきい値Ｓ３
を下回ると、輝度制御ユニットは、第３の輝度制御モー
ドＭ３、具体的にはゲイン制御を作動させる。
【００２５】効果的な実施形態として、ピクセル加算ロ
ジック１０の加算ステップ数をセットすることが可能
で、各場合に第１の輝度制御モードＭ１となる輝度制御
ユニットは、ビデオカメラにセットされた加算ステップ
を作動させる。
【００２６】さらに、第１の輝度制御モードＭ１から第
４の輝度制御モードＭ４までのシーケンスをビデオカメ
ラ１に設定してもよい。あるいは、第３の輝度制御モー
ドＭ３として認識されるようにした画像集積を、第１の
輝度制御モードＭ１として認識されるようにしたピクセ
ル加算の前にスイッチオンまたは作動させるようにして
もよい。しかしながら、画像集積をまったく除いておく
ことも可能である。
【００２７】図２は、本発明による制御の過程をグラフ
で例示したもので、オプションの画像集積を組み入れて
ある。図５のグラフでも説明したように、左垂直軸に増
幅ファクタが示され、右垂直軸にはシャッター時間が示
される。水平軸は、関連ユニットの被写体輝度を示す。
【００２８】図５で説明した従来の方法と同様に、被写
体輝度が減少するとまず、実線Ｍ２で示すようにシャッ
ター時間がステップごとに増加する。一例として従来同
様の６ｄＢステップを示してある。シャッター時間がそ
れ以上延びなくなった後に（最長シャッター時間は１／
５０または１／６０秒）、測定された被写体輝度がさら
に下がり、被写体輝度が第１のしきい値Ｓ１に達しなく
なると、輝度制御ユニットすなわちマイクロコントロー
ラ８は、実線Ｍ１で表されるようにピクセル加算を作動
させる。ピクセル加算の作動は、画像集積へ切り換わる
前に行われる。本例では、２段階の画像加算ステップが
例示され、各場合に６ｄＢだけ画像輝度が増加する。ノ
イズ要素の減少も達成されるそのダイナミックスコープ
のゲインは、二重矢印Ｇとして表されている。
【００２９】測定された被写体輝度がさらに減少する場
合には、第２のしきい値Ｓ２に達しなくなった後、ゲイ
ン制御モードＭ３が開始される（図２の点線）。ここで
オプションとして、被写体輝度信号が、第１のしきい値
Ｓ１と第２のしきい値Ｓ２との間にある第３のしきい値
Ｓ３に達しなくなったときに、ゲイン制御Ｍ３の作動前
に画像集積（一点鎖線Ｍ４で示す）を作動させることも
できる。
【００３０】各場合に、ゲイン制御による増幅機能の鋸
歯適用によって輝度の急変を補償する方法により、図３
に示す本発明に係る輝度制御機能のさらなる実施形態の
ように、いっそうの改良が可能である。この好適な実施
形態において、シャッターステップ、加算ステップおよ
び画像集積ステップの切り替りのために発生する輝度の
急変の間で連続増幅機能を調整できるように、点線で示
されるゲイン制御Ｍ３が、実線のシャッター制御Ｍ２お
よびピクセル加算による制御Ｍ１と組み合わされ、さら
には、オプションの画像集積による制御Ｍ４とも組み合
わされる。この例によれば、ダイナミックレンジ全体に
対する高解像で連続した画像輝度の制御が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロコントローラによって制御されるピク
セル加算ロジックを備えた本発明の固体撮像素子ビデオ
カメラのブロック図。
【図２】図１の固体撮像素子ビデオカメラにおける輝度
制御の過程をグラフで概略的に表した図。
【図３】連続制御された輝度転換が実現されるように、
シャッター制御とピクセル加算とオプションの長期露出
とに増幅制御を組み合わせた輝度制御の別の実施形態を
グラフで概略的に表した図。
【図４】従来の固体撮像素子ビデオカメラのブロック
図。
【図５】図４に示された固体撮像素子カメラの輝度制御
の従来過程をグラフで概略的に表した図。
【図６】従来の「ピクセルビニング」機能の例を示した
説明図。
【図７】本発明に係る一対のピクセル加算についての説
明図。
【符号の説明】
１ 固体撮像素子ビデオカメラ ２ 画像センサ ３ ＣＤＳ／ゲインユニット ４ Ａ／Ｄ変換器 ５ デジタル信号プロセッサ ６ 時間制御ユニット ７ 画像メモリユニット ８ マイクロコントローラ １０ ピクセル加算ロジック １１ Ｄ／Ａ変換器 １２ デコーダ １３ 出力回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミヒャエル ヴェゲーレ ドイツ連邦共和国 75236 ケンプフェル バッハ−エルジンゲン ヘルデンシュトラ ーセ35 Ｆターム(参考） 5C022 AA08 AA09 AB01 AB03

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ビデオ画像で測定された輝度信号に基づ
    いて、輝度基準値にしたがい画像輝度を制御し、少なく
    とも１つの輝度制御モード（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）
    を有する輝度制御ユニット（８）を備えた固体撮像素子
    ビデオカメラにおいて、 前記輝度制御ユニット（８）に接続され、数個の隣接す
    るピクセルの輝度情報を加算するピクセル加算ロジック
    （１０）を備えたことを特徴とする固体撮像素子ビデオ
    カメラ。
  2. 【請求項２】 輝度制御ユニット（８）は、輝度制御モ
    ード（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）の互いの転換時および
    ／または前記輝度制御モード（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ
    ４）の中で、輝度急変が回避されるように前記輝度制御
    モード（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）を組み合わせる請求
    項１記載の固体撮像素子ビデオカメラ。
  3. 【請求項３】 ピクセル加算アルゴリズムがフローティ
    ングアルゴリズム(floating algorithm)として設計され
    る請求項１または請求項２記載の固体撮像素子ビデオカ
    メラ。
  4. 【請求項４】 輝度制御ユニット（８）は、測定された
    輝度信号が、輝度制御モードの一つのシャッターモード
    （Ｍ２）で可能な最長シャッター時間で第１のしきい値
    （Ｓ１）に達しないときに、ピクセル加算ロジック（１
    ０）を自動的に作動させる請求項１〜３のいずれか１項
    に記載の固体撮像素子ビデオカメラ。
  5. 【請求項５】 輝度制御ユニット（８）は、第３の輝度
    制御モード（Ｍ３）としてゲイン制御を有し、測定され
    た輝度信号が、ピクセル加算ロジック（１０）の作動
    後、第１のしきい値（Ｓ１）よりも小さい第２のしきい
    値（Ｓ２）に達しないときに、そのゲイン制御を作動さ
    せる請求項１〜４のいずれか１項に記載の固体撮像素子
    ビデオカメラ。
  6. 【請求項６】 輝度制御ユニット（８）は、第４の制御
    モード（Ｍ４）として画像集積を有し、測定された輝度
    信号が、ピクセル加算ロジック（１０）の作動後、第１
    および第２のしきい値（Ｓ１，Ｓ２）の間にある第３の
    しきい値（Ｓ３）に達しないときに、その画像集積を作
    動させる請求項１〜５のいずれか１項に記載の固体撮像
    素子ビデオカメラ。
  7. 【請求項７】 ピクセル加算ロジック（１０）が数段階
    の加算ステップをもち、第１の輝度制御モード（Ｍ１）
    で輝度制御ユニットによって作動される前記加算ステッ
    プの数が当該ビデオカメラ（１）でセット可能とされて
    いる請求項１〜６のいずれか１項に記載の固体撮像素子
    ビデオカメラ。
  8. 【請求項８】 輝度制御ユニット（８）を実行するマイ
    クロコントローラを備える請求項１〜７のいずれか１項
    に記載の固体撮像素子ビデオカメラ。
  9. 【請求項９】 長期露出を実行するための画像メモリ
    （７）を備える請求項１〜８のいずれか１項に記載の固
    体撮像素子ビデオカメラ。
  10. 【請求項１０】 ピクセル加算ロジック（１０）は、ビ
    デオ信号の経路における画像メモリ（７）の後に接続さ
    れる請求項９記載の固体撮像素子ビデオカメラ。
  11. 【請求項１１】 固体撮像素子画像センサによって記録
    されたビデオ画像から画像輝度の読取値を取得し、少な
    くとも１つの輝度制御モード（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ
    ４）に基づいて前記画像輝度を基準値に照らし合わせる
    固体撮像素子ビデオカメラ（１）の輝度制御方法におい
    て、 ビデオ信号の数個の隣接ピクセルの輝度情報を加算する
    第１の輝度制御モード（Ｍ１）をもつことを特徴とする
    輝度制御方法。
  12. 【請求項１２】 第２の輝度制御モード（Ｍ２）として
    シャッターモードをもち、該シャッターモードにおいて
    ピクセルの露出時間をステップ設定することによって画
    像輝度を制御する請求項１１に記載の輝度制御方法。
  13. 【請求項１３】 シャッターモード（Ｍ２）における画
    像輝度の制御で、最長シャッター時間で測定された輝度
    信号が第１のしきい値（Ｓ１）に達しないときに、第１
    の輝度制御モード（Ｍ１）を自動的に作動させる請求項
    １２記載の輝度制御方法。
  14. 【請求項１４】 第３の輝度制御モード（Ｍ３）として
    ゲイン制御が設定され、第１の輝度制御モード（Ｍ１）
    の作動後、測定された輝度信号が第１のしきい値（Ｓ
    １）よりも小さい第２のしきい値（Ｓ２）に達しないと
    きに、そのゲイン制御を作動させる請求項１１〜１３の
    いずれか１項に記載の輝度制御方法。
  15. 【請求項１５】 輝度制御モード（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，
    Ｍ４）の互いの転換時および／または前記輝度制御モー
    ド（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４）の中で、輝度急変が回避
    されるように前記輝度制御モード（Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，
    Ｍ４）が組み合わせられる請求項１１〜１４のいずれか
    １項に記載の輝度制御方法。
  16. 【請求項１６】 第４の輝度制御モード（Ｍ４）として
    画像集積が設定され、第１の輝度制御モード（Ｍ１）の
    作動後、測定された輝度信号が第１および第２のしきい
    値（Ｓ１，Ｓ２）の間に設けられる第３のしきい値（Ｓ
    ３）に達しないときに、その画像集積を作動させる請求
    項１１〜１５のいずれか１項に記載の輝度制御方法。
  17. 【請求項１７】 数段階の加算ステップによりピクセル
    加算が実行され、第１の輝度制御モード（Ｍ１）で作動
    される前記加算ステップ数がセット可能になっている請
    求項１１記載の輝度制御方法。
JP2003102199A 2002-04-04 2003-04-04 固体撮像素子ビデオカメラおよびそのための輝度制御 Expired - Fee Related JP4058373B2 (ja)

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