JP2004282242A

JP2004282242A - テレビジョンカメラ

Info

Publication number: JP2004282242A
Application number: JP2003068537A
Authority: JP
Inventors: Daiki Kosaka; 大樹小坂
Original assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Current assignee: Hitachi Kokusai Electric Inc
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07
Anticipated expiration: 2023-03-13
Also published as: JP4373689B2

Abstract

【課題】撮像素子の解像度特性を充分に活かしながら高いフレームレートが維持できるようにしたテレビジョンカメラを提供すること。
【解決手段】撮像素子の全画素から信号を読出す全画素読出方式による動作と、撮像素子から信号を読出す際、画素からの信号の読出しを間引くようにしたドラフト読出方式による動作を交互に行い、全画素読出しによるフレーム画像００１、００３と、ドラフト読出方式によるフレーム画像００２、００４を順番に取出すようにして、フレームレートが高くできるようにしたもの。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、イメージセンサとして電荷結合素子を用いたテレビジョンカメラに係り、特に、画素数の多い高解像度のイメージセンサを用いたテレビジョンカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、テレビジョンカメラは、ほとんどがイメージセンサ（撮像素子）としてＣＣＤ（電荷結合素子）を用いたもので占められるようになっているが、このＣＣＤによる撮像素子も、近年は画素密度の高さを競っている状況にあり、数１０万オーダーは無論のこと、数１００万オーダーの画素数も珍しくなくなっいる。
【０００３】
ところで、このＣＣＤによる撮像素子（以下、単に撮像素子という）は、画素数によりフレームレートに上限が与えられるという特性があり、このため高解像度の撮像素子を用いた場合には、それに応じてフレームレートが低下し、例えばＮＴＳＣ方式における３０ｆｐｓ（フレーム／秒）というフレームレートには対応できなくなってしまう。
【０００４】
そこで、このようなフレームレートの低下を抑える技法として、撮像素子から信号を読出す際、画素からの信号の読出しを間引くようにした、いわゆるドラフト読出方式が従来から知られている。そこで、このようなドラフト読出方式を適用した従来技術によるテレビジョンカメラについて、図７により説明する。
【０００５】
なお、ここに示したテレビジョンカメラは、全画素読出方式とドラフト読出方式に任意に切換えて使用することができるようにした場合の一例で、このとき、上記したドラフト読出方式に対して、撮像素子の全ての画素から信号を読出すようにする通常の読出方法については、全画素読出方式と呼ぶことにする。
【０００６】
図７において、まず、ドラフト読出パルス発生回路１は、フレームレートを上げるため、撮像素子４からの画像信号の読出しをドラフト読出方式で行なわせるのに必要なドラフト読出し用駆動パルス１ａとドラフト読出し用同期パルス１ｂを生成する働きをする。
【０００７】
次に、全画素読出パルス発生回路２は、高解像度の画像信号が得られるようにするため、撮像素子４からの画像信号の読出しを全画素読出方式で行わせるのに必要な全画素読出し用駆動パルス２ａと全画素読出し用同期パルス２ｂを生成する働きをする。
【０００８】
また、動作モードセレクタ３は、図示のように、上述の２方式の切換えのために、連動して操作される２個のスイッチＳ１、Ｓ２を備え、スイッチＳ１は、ドラフト読出し用駆動パルス１ａと全画素読出し用駆動パルス２ａを切換え、選択された方のパルスを駆動パルス３ａとして出力し、スイッチＳ２は、ドラフト読出し用同期パルス１ｂと全画素読出し用同期パルス２ｂを切換え、選択された方のパルスを駆動パルス３ａとして出力する働きをする。
【０００９】
そこで、撮像素子４は、駆動パルス３ａで駆動され、被写体の画像信号４ａを出力し、映像処理回路５は、画像信号４ａを同期パルス３ｂのタイミングで外部機器に接続できるように映像処理し、ビデオ信号５ａとして出力する。
【００１０】
次に、この図７のテレビジョンカメラの動作について説明すると、まず、始めに、カメラ操作者が動作モードセレクタ３を操作し、スイッチＳ１、Ｓ２が図示の状態になるように切換えたとすると、撮像素子４からの画像信号の読出しはドラフト読出方式になり、この結果、このときの画像信号４ａは、図８に示すようになる。
【００１１】
ここで、この図８は、撮像素子４の各画素の中で、フレーム期間に信号が読出される画素の説明図で、連続したフレームからなる画像信号の或る期間で連続しているフレーム画像００１、００２、００３、００４を抜き出して示したものである。
【００１２】
そして、この図８の各フレーム画像００１〜００４において、薄い墨色に着色されている画素が、信号の読出しが間引かれている画素を表わしており、従って、この場合は、横方向ではそのままで、縦方向に順次、２画素づつ間引かれていることになり、２／３の画素が間引かれ、残りの１／３の画素だけから画像信号が読出されている状態になっていることが判る。
【００１３】
次に、同じくカメラ操作者が動作モードセレクタ３を操作し、今度は、スイッチＳ１、Ｓ２を図示とは反対の状態に切換えたとすると、撮像素子４からの画像信号の読出しは全画素読出方式になり、この結果、このときの画像信号４ａは、図９に示すように、全ての画素から画像信号が読出されている状態になっていることが判る。
【００１４】
そうすると、図８のドラフト読出方式の場合は、１／３の画素だけから画像信号が読出されているので、図９の全画素読出方式の場合の１／３の読出し時間で済むことになる。但し、このときは、解像度も図９の全画素読出方式の場合の１／３になってしまうのは仕方がない。
【００１５】
例えば、いま、図９の全画素読出方式の場合、１フレームの読出しに１／２０秒の時間を要したとすると、このときのフレームレートは２０ｆｐｓであるが、図８のドラフト読出方式の場合は、１フレームの読出しが１／６０秒の時間で済み、この結果、フレームレートは６０ｆｐｓと３倍になる。
【００１６】
従って、この図７により説明したテレビジョンカメラによれば、フレームレートの低下が問題になる場合は、動作モードをドラフト読出方式に選択してやればよく、他方、高解像度が要求される場合は、全画素読出方式で動作させることができ、何れの場合にも容易に対応することができる。
【００１７】
ここで、全画素読出方式で動作させたときの解像度は、撮像素子４の画素数に依存して与えられるものであることは、言うまでもない。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、フレームレートが高く保持できるドラフト読出方式と、高解像度が得られる全画素読出方式の何れか１方を選択するしかなく、このため、フレームレートの保持と高解像度の両立に問題があった。
【００１９】
本発明の目的は、撮像素子の解像度特性を充分に活かしながら高いフレームレートが維持できるようにしたテレビジョンカメラを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、撮像素子に電荷結合素子を用いたテレビジョンカメラにおいて、撮像素子を全画素読出方式とドラフト読出方式で交互に動作させるパルス発生手段が設けられているようにて達成される。
【００２１】
同じく上記目的は、撮像素子に電荷結合素子を用いたテレビジョンカメラにおいて、撮像素子を全画素読出方式とドラフト読出方式で交互に動作させるパルス発生手段と、前記撮像手段から読出された画像信号を入力とする補間演算手段を設け、前記補間演算手段により、前記画像信号の中のドラフト読出方式で読出された部分に補間演算が施され、前記画像信号の中の全画素読出方式で読出された部分とドラフト読出方式で読出された部分のフレームレートをそれぞれ変換して一定のフレームレートにする処理が施されるようにして達成される。
【００２２】
このとき、前記撮像手段から読出された画像信号を記録する記録手段が設けられているようにしても良く、前記補間演算手段から出力されるビデオ信号を記録する記録手段が設けられているようにしても良い。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるテレビジョンカメラについて、図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００２４】
まず、図１は、本発明の一実施形態に係るテレビジョンカメラのブロック構成図で、この図において、１０は交互駆動読出パルス発生回路で、その他、撮像素子４と映像処理回路５は、図７で説明した従来技術のテレビジョンカメラと同じである。
【００２５】
従って、この実施形態は、ブロック構成上は、図７のテレビジョンカメラにおけるドラフト読出パルス発生回路１と全画素読出パルス発生回路２、それに動作モードセレクタ３に代えて、交互駆動読出パルス発生回路１０を設けたものに相当する。
【００２６】
そして、この交互駆動読出パルス発生回路１０は、全画素／ドラフト交互駆動パルス１０ａと、全画素／ドラフト交互同期パルス１０ｂをそれぞれ生成し、撮像素子４と映像処理回路５に各々供給する働きをする。
【００２７】
ここで、まず、全画素／ドラフト交互駆動パルス１０ａとは、撮像素子４を、１フレーム期間毎に交互に全画素読出し方式とドラフト読出方式に切換えて動作させるのに必要なパルスパターンを持った駆動パルスのことで、従って、全画素／ドラフト交互駆動パルス１０ａは、図示のように、例えば、１０ａ＝（１ａ＋２ａ）として表わせるものである。なお、１０ｂ＝３×１ａ＋２ａ、１０ａ＝２×１ａ＋２ａとしてもよい。
【００２８】
次に、全画素／ドラフト交互同期パルス１０ｂとは、１フレーム期間毎に交互に全画素読出し方式とドラフト読出方式に切換えて撮像素子４から読出されてくる画像信号４ａの信号処理に必要なパルスパターンを持った同期パルスのことで、従って、これも図示のように、１０ｂ＝（１ｂ＋２ｂ）として表わせるものである。なお、上述のように、１０ｂ＝３×１ｂ＋２ｂ、１０ｂ＝２×１ｂ＋２ｂなどとしてもよい。
【００２９】
そこで、撮像素子４は、全画素／ドラフト交互駆動パルス１０ａにより駆動され、高解像度の画像を得ることができる全画素読出し動作と、画素の読出しを間引いてフレームレートを高くすることができるドラフト読出し動作とを交互に繰り返えし、映像処理回路５に画像信号４ａを供給する。
【００３０】
そして、映像処理回路５は、この全画素読出し動作とドラフト読出を交互に繰り返えしている画像信号４ａを入力し、これを全画素／ドラフト交互同期パルス１０ｂのタイミングで外部機器に接続できるように映像処理を行い、ビデオ信号５ａとして出力するのである。
【００３１】
次に、この図１のテレビジョンカメラの動作について説明する。いま、交互駆動読出パルス発生回路１０が動作し、全画素／ドラフト交互駆動パルス１０ａと全画素／ドラフト交互同期パルス１０ｂが交互に供給されたとすると、このときの画像信号４ａは、図２に示すようになる。
【００３２】
ここで、この図２は、撮像素子４の各画素の中で、フレーム期間に信号が読出される画素の説明図で、連続したフレームからなる画像信号の或る期間で連続しているフレーム画像００１、００２、００３、００４を抜き出して示したものである。
【００３３】
そして、この図２から明らかなように、フレーム画像００１とフレーム画像００３が全画素読出し動作による場合で、フレーム画像００２とフレーム画像００４がドラフト読出方式による場合であり、従って、図１の実施形態の場合は、これらが交互になっていることが判る。
【００３４】
この図２のドラフト読出方式によるフレーム画像００２、００４においては、図８と同じく、薄い墨色に着色されている画素が、信号の読出しが間引かれている画素を表わしており、従って、この場合も、横方向ではそのままで、縦方向に順次、２画素づつ間引かれていることになり、２／３の画素が間引かれ、残りの１／３の画素だけから画像信号が読出されている状態になっている。
【００３５】
そうすると、この図２において、フレーム画像００１とフレーム画像００３は全画素読出方式によるため、全ての画素から信号が出力されるが、しかし、このとき、撮像素子が図７の従来技術の場合と同じとすると、１フレーム画像の読出しに１／２０秒かかることになり、この場合、フレームレートは２０ｆｐｓとなる。
【００３６】
一方、フレーム画像００２とフレーム画像００４の場合はドラフト読出方式しなので、信号は３画素中１画素からしか読出されないが、しかし、１フレーム画像の読出しは１／６０秒で終わり、従って、フレームレートは６０ｆｐｓと高速になる。
【００３７】
そして、これらが交互に繰り返えされるので、２フレーム期間でみると、１／２０秒＋１／６０秒で１／１５秒かかることになり、１秒間では３０フレームの画像となるので、映像処理回路５から出力されるビデオ信号５ａの平均的なフレームレートは３０ｆｐｓになり、従って、この実施形態によれば、ＮＴＳＣ方式におけるフレームレート３０ｆｐｓにも充分に対応することができる。
【００３８】
次に、図３は、本発明によるテレビジョンカメラの第２の実施形態で、この実施形態の場合、図１の実施形態における撮像素子４と映像処理回路５、それに交互駆動読出パルス発生回路１０を纏めてテレビジョンカメラ１１とした上で、映像処理回路５から出力されるビデオ信号５ａをそのままテレビジョンカメラ１１から外部に取り出すようにしている。
【００３９】
そして、このテレビジョンカメラ１１に加えて記録装置１２と表示装置１３、それに補間演算回路２０を設け、テレビジョンカメラ１１から外部に取り出されたビデオ信号５ａは、記録装置１２と補間演算回路２０に供給され、表示装置１３には、この補間演算回路２０から出力されるビデオ信号２０ａが供給されるようにしたものである。
【００４０】
ここで、まず、記録装置１２は、例えばＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）、ＶＤＲ（ビデオディスクレコーダ）などの画像信号記録装置で構成され、テレビジョンカメラ１１から外部に取り出されたビデオ信号５ａをそのまま記録する働きをする。そして、このとき、記録したビデオ信号５ａを、必要に応じて再生する働きもする。
【００４１】
次に、表示装置１３は、例えば液晶表示装置やプラズマ表示装置などの画像モニタ装置で構成され、テレビジョンカメラ１１から外部に取り出されたビデオ信号５ａ、又は記録装置１２から再生されたビデオ信号５ａを、補間演算回路２０から、補間が施されフレームレートが一定にされたビデオ信号２０ａを入力し、表示面に画像を再生する働きをする。
【００４２】
そして、補間演算回路２０は、ビデオ信号５ａを入力し、ドラフト読出し時に読出されてこない画素に相当する信号部分を、近傍画素や前後の全画素読出しの画像の情報に基づいて補間し、全画素読出し時と同等の画素数に変換した上で、フレームレートを一定にし、これにより補間が施されフレームレートが一定にされたビデオ信号２０ａを出力する働きをする。
【００４３】
図４は、本発明によるテレビジョンカメラの第３の実施形態で、撮像素子４と映像処理回路５、それに交互駆動読出パルス発生回路１０を纏めてテレビジョンカメラ１１０とした点は、図３の実施形態と同じであるが、この図４の実施形態では、更に、このテレビジョンカメラ１１０に補間演算回路２０を内蔵させ、テレビジョンカメラ１１０から、補間が施されフレームレートが一定にされたビデオ信号２０ａが外部に直ちに出力されるようにしたものである。
【００４４】
従って、この図４の実施形態では、記録装置１２’は、フレームレートが一定のビデオ信号２０ａが記録され、表示装置１３には、テレビジョンカメラ１１０から出力されるビデオ信号２０ａ、又は記録装置１２から再生されたビデオ信号２０ａがそのまま供給され、高フレームレート高解像度のビデオ信号として表示する。
【００４５】
次に、これら図３と図４の実施形態におけるの補間演算回路２０の動作について、更に詳しく説明すると、この場合、図５に示すように、まず、同じフレーム内で近傍にある画素により補間をする方法や、当該フレームの前後にある全画素読出し時のフレーム画像００１、００３から、ドラフト読出し時のフレーム画像００２に相当する同座標の画素を置換して補間する方法を用いてフレーム画像００２’を生成する。
【００４６】
このとき、何れの方法でも、ビデオ信号５ａを少なくとも３フレーム分、記憶することができるフレームメモリを用い、補間に必要な演算を実行する。そして補間したビデオ信号を更に別のフレームメモリに格納し、例えば３０ｆｐｓの一定のフレーム同期パルスにより読出すことにより、補間が施されフレームレートが一定にされたビデオ信号２０ａを出力することができる。
【００４７】
ここで、図６は、移動する物体の画像Ａについての補間演算回路２０の動作の一例で、全画素読出し時のフレーム画像００１とフレーム画像００３における画像Ａから、これらのフレームの間にあるドラフト読出し時のフレーム画像００２における物体の画像Ａの位置が予測できるので、これから補間したフレーム画像００２’が生成できることになる。
【００４８】
そうすると、この補間演算回路２０から出力されるビデオ信号２０ａは、全画素読出しとドラフト読出しによる画像がフレーム単位で交互に入れ替わっているにもかかわらず、ドラフト読出しによる画像については、補間が施されていることにより、全画素読出しによる画像に匹敵する高精細で高解像度を持ちながら、フレームレートは、例えば３０ｆｐにも高められていることになる。
【００４９】
従って、これら図３と図４の実施形態によれば、高解像度で高フレームレートのビデオ信号２０ａが得られることになり、表示装置１３に高解像度の画像を表示することができる。
【００５０】
ところで、上記した図１の実施形態の場合、映像処理回路５から出力されるビデオ信号５ａは、当然のこととして、フレームレートが交互に２０ｆｐｓと６０ｆｐｓに変化しており、従って、いささか使い勝手が良くないといえる。
【００５１】
しかし、これら図３と図４の実施形態によれば、フレームレートが一定のビデオ信号２０ａが得られるので、そのまま表示装置１３などに表示させることができ、しかも、このとき撮像素子４がもつ解像度を充分に活かすことができる。
【００５２】
なお、図３の実施形態では、ビデオ信号５ａをそのままテレビジョンカメラ１１から出力させるようになっているが、この場合、このビデオ信号５ａは、全画素読出し時とドラフト読出し時でフレーム期間が異なっていて、ドラフト読出し時には、間引かれた画素の信号が伝送されないので、その分、ビデオ信号５ａに必要な伝送帯域が狭くでき、且つ記録装置１２は、ドラフト読出し時に読出さない画素が記録されない分、記録すべきデータ量を減らすことができる。
【００５３】
一方、図４の実施形態では、テレビジョンカメラ１１０内に補間演算回路２０が内蔵され、高フレームレートのビデオ信号２０ａがテレビジョンカメラ１１０から直ちに得られるので、高い汎用性を容易に与えることができる。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、撮像素子の解像度特性を充分に活かしながら高いフレームレートが維持できるテレビジョンカメラを容易に提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるテレビジョンカメラの一実施の形態を示すブロック構成図である。
【図２】本発明の実施形態による全画素読出し動作とドラフト読出動作のフレーム期間に信号が読出される画素の説明図である。
【図３】本発明によるテレビジョンカメラの他の一実施の形態を示すブロック構成図である。
【図４】本発明によるテレビジョンカメラの更に別の一実施の形態を示すブロック構成図である。
【図５】本発明の実施の形態における補間演算動作の一例を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態における補間演算動作の一例を示す説明図である。
【図７】従来技術によるテレビジョンカメラの一例を示すブロック構成図である。
【図８】テレビジョンカメラにおけるドラフト読出動作のフレーム期間に信号が読出される画素の説明図である。
【図９】テレビジョンカメラにおける全画素読出し動作のフレーム期間に信号が読出される画素の説明図である。
【符号の説明】
１ドラフト読出パルス発生回路
２全画素読出パルス発生回路
３動作モードセレクタ
４撮像素子（ＣＣＤ撮像素子）
５映像処理回路
１０交互駆動読出パルス発生回路
１１、１１０テレビジョンカメラ、
１２記録装置
１３表示装置
２０補間演算回路
１ａドラフト読出し用駆動パルス
１ｂドラフト読出し用同期パルス
２ａ全画素読出し用駆動パルス
２ｂ全画素読出し用同期パルス
３ａ駆動パルス
３ｂ同期パルス
４ａ画像信号
５ａビデオ信号
１０ａ交互駆動読出し用駆動パルス
１０ｂ交互駆動読出し用同期パルス
２０ａ補間が施されフレームレートが一定にされたビデオ信号
００１、００３全画素読出し時のフレーム画像
００２、００４ドラフト読出し時のフレーム画像
００２’ 補間したフレーム画像

Claims

撮像素子に電荷結合素子を用いたテレビジョンカメラにおいて、
前記撮像素子を全画素読出方式とドラフト読出方式で交互に動作させるパルス発生手段が設けられていることを特徴とするテレビジョンカメラ。
撮像素子に電荷結合素子を用いたテレビジョンカメラにおいて、
前記撮像素子を全画素読出方式とドラフト読出方式で交互に動作させるパルス発生手段と、
前記撮像手段から読出された画像信号を入力とする補間演算手段を設け、
前記補間演算手段により、前記画像信号の中のドラフト読出方式で読出された部分に補間演算が施され、
前記画像信号の中の全画素読出方式で読出された部分とドラフト読出方式で読出された部分のフレームレートをそれぞれ変換して一定のフレームレートにする処理が施されるように構成されていることを特徴とするテレビジョンカメラ。
請求項２に記載の発明において、
前記撮像手段から読出された画像信号を記録する記録手段が設けられていることを特徴とするテレビジョンカメラ。
請求項２に記載の発明において、
前記補間演算手段から出力されるビデオ信号を記録する記録手段が設けられていることを特徴とするテレビジョンカメラ。