JP2004350103A - 電子カメラのシェーディング補正回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】受光面に受光素子が配列された撮像素子1と、前記撮像素子の出力信号にシェーディング補正を行うシェーディング補正部3とを備えた電子カメラのシェーディング補正回路であって、
前記撮像素子1は、被写体像を光電変換して画像信号を生成する有効画素領域と、前記有効画素領域の水平方向に沿って形成された水平オプティカルブラック部とを有し、
前記シェーディング補正部3は、前記水平オプティカルブラック部の出力に基づいてシェーディング変化を抽出し、前記シェーディング変化の補正係数を生成する補正係数生成部11と、前記補正係数を用いて前記画像信号にシェーディング補正を行う補正処理部12とを有することを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子カメラのシェーディング補正回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
電子カメラの固体撮像素子によって撮像された画像は、光源の照度むら、レンズの透過むら、センサの感度むら等の影響で、振幅に局所的なひずみ(シェーディング)が生じる。かかるシェーディングの補正方法として、特許文献1に示す方法が従来から公知である。この従来技術の補正方法では、均一輝度面を一度取り込んで、この出力値を補正係数として各画素ごとにメモリに記憶し、被写体を含む画像の出力時に補正係数を用いてシェーディング補正を行なう。
【0003】
【特許文献1】
特開昭63−299575号公報 第3頁
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記従来技術によるシェーディング補正の場合、本来の画像取得動作とは別に、補正係数取得のための特別な動作が必要となるので煩雑である。しかも、補正係数は装置の経年劣化等の環境の変化に伴って変化する。そのため、シェーディング補正の精度を保つためには、一旦補正係数の読み込みを行った後でも、定期的に補正係数を取得する必要がある点で改善の余地があった。
【0005】
また、上記従来技術によるシェーディング補正の場合、各画素ごとの補正係数を保持するためのメモリが要求される。特に、近年では、1つの画像を構成する画素数が飛躍的に増大しており、補正係数保持用のメモリも大容量化が求められ、コスト的に不利である。
本発明は上記従来技術の課題を解決するためにされたものであり、その目的は、補正係数のための特別な動作を事前に行うことなく、環境の変化に対応した精度の高いシェーディング補正が可能なシェーディング補正回路を提供することである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載の発明は、受光面に受光素子が配列された撮像素子と、前記撮像素子の出力信号にシェーディング補正を行うシェーディング補正部とを備えた電子カメラのシェーディング補正回路であって、前記撮像素子は、被写体像を光電変換して画像信号を生成する有効画素領域と、前記有効画素領域の水平方向に沿って形成された上部オプティカルブラック部とを有し、前記シェーディング補正部は、前記上部オプティカルブラック部の出力に基づいてシェーディング変化を抽出し、前記シェーディング変化の補正係数を生成する補正係数生成部と、前記補正係数を用いて前記画像信号にシェーディング補正を行う補正処理部とを有することを特徴とする。
【0007】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記補正係数生成部は、前記上部オプティカルブラック部から複数の受光素子を含んでなるブロックを抽出するブロック抽出手段と、前記ブロックに含まれる前記受光素子の出力の平均値を算出するブロック平均値生成手段とをさらに有し、前記補正係数生成部が、前記平均値を用いて補正係数を生成することを特徴とする。
【0008】
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の発明において、前記ブロック抽出手段が、前記上部オプティカルブラック部を複数の前記ブロックで区画し、前記補正係数生成部は、前記ブロック平均値生成手段で生成された前記平均値を補間してシェーディング変化量を求める補間計算部をさらに有し、前記補正係数生成部が、前記シェーディング変化量を用いて補正係数を生成することを特徴とする。
【0009】
請求項4に記載の発明は、請求項3に記載の発明において、前記補正係数生成部は、水平方向の1画素毎の前記シェーディング変化量の差を判定する変化量判定手段と、前記シェーディング変化量の差が所定値未満の場合に、シェーディング補正の変化点の位置を乱数変化させる乱数発生手段とをさらに有し、水平方向の画素間の前記シェーディング変化量の差が所定値未満の場合に、前記変化点が、前記有効画素領域の垂直方向に不均一に配列されることを特徴とする。
【0010】
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の発明において、前記乱数発生手段は、前記シェーディング変化量の差が水平方向の1画素毎で1LSB未満の場合に乱数変化させることを特徴とする。
【0011】
(作用)
請求項1の発明では、シェーディング補正部の補正係数生成部が、上部オプティカルブラック部の出力に基づいてシェーディング変化を抽出し、シェーディング変化の補正係数を生成する。シェーディング補正部の補正処理部は、補正係数生成部が生成した補正係数を用いて画像信号にシェーディング補正を行う。
【0012】
請求項2の発明では、請求項1の発明において、補正係数生成部のブロック抽出手段が、上部オプティカルブラック部から複数の受光素子を含んでなるブロックを抽出する。補正係数生成部のブロック平均値生成手段は、ブロックに含まれる受光素子の出力の平均値を算出する。そして、この平均値が補正係数の生成に用いられる。
【0013】
請求項3の発明では、請求項2の発明において、ブロック抽出手段が上部オプティカルブラック部を複数のブロックで区画する。補正係数生成部の補間計算部は、ブロック平均値生成手段で生成された平均値を補間してシェーディング変化量を求める。そして、このシェーディング変化量が補正係数の生成に用いられる。
【0014】
請求項4の発明では、請求項3の発明において、補正係数生成部の変化量判定手段が、水平方向の1画素毎のシェーディング変化量の差を判定する。また、補正係数生成部の乱数発生手段は、シェーディング変化量の差が所定値未満の場合に、補正係数でシェーディング補正される画素の変化点の位置を乱数変化させる。これにより、水平方向の画素間のシェーディング変化量の差が所定値未満の場合には、画素のシェーディング補正された変化点が、有効画素領域の垂直方向に不均一に配列されることになる。
【0015】
請求項5の発明では、請求項4の発明において、シェーディング変化量の差が水平方向の1画素毎で1LSB未満の場合、変化量判定手段が、乱数発生手段に対してシェーディング補正される画素の変化点を乱数変化させる指示を出す。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【0017】
(第1実施形態の構成)
図1は、請求項1、2、3、4、5に対応する第1実施形態のシェーディング補正回路の構成を示す図である。
第1実施形態のシェーディング補正回路は、撮像素子1と、A/D変換回路2と、シェーディング補正部3と、信号処理部4と、回路全体にクロックを供給するクロック発生部(図示を省略する)とから構成されている。
【0018】
まず、第1実施形態の撮像素子1の構成を図2を参照して説明する。撮像素子1の受光面には、有効画素領域5と、オプティカルブラック部6とが形成されている。
撮像素子1の有効画素領域5は、受光素子が2次元配列されて形成される。この有効画素領域5では、撮像素子1の受光面に投影された被写体像を光電変換して画像信号が生成される。この有効画素領域5には、カラーフィルタアレイが配置されており、被写体像は赤色(R)、緑色(G)および青色(B)の画像信号に変換される。
【0019】
オプティカルブラック部6は、有効画素領域5の周囲に形成されている。このオプティカルブラック部6は受光素子が2次元配列されて形成され、オプティカルブラック部6の表面は遮光膜によって覆われている。第1実施形態では、オプティカルブラック部6のうち、有効画素領域5の上側に位置する水平方向ラインの受光素子で、上部オプティカルブラック部7が構成される。そして、第1実施形態では、上部オプティカルブラック部7の遮光された受光素子を利用して、シェーディング補正信号が生成される。
【0020】
そして、有効画素領域5、オプティカルブラック部6(上部オプティカルブラック部7を含む)には、受光素子の列単位に垂直読み出し線(図示を省略する)がそれぞれ設けられている。これらの垂直読み出し線の出力端には水平読み出し線9が設けられている。水平読み出し線9の出力は、A/D変換回路2を介してシェーディング補正部3に接続される。
【0021】
なお、撮像素子1の信号出力は以下の要領で行われる。まず、撮像素子1の最上部の水平方向ラインを構成する受光素子の信号が、左端から右端の順に読み出される。次に、最上部の水平方向ラインの信号読み出しが完了すると、その一段下の水平方向ラインの受光素子の信号が、左端から右端の順に読み出される。以下、同様の工程を繰り返して、1画面分の信号読み出しが行われる。
【0022】
また、図1に示すシェーディング補正部3は、データ切換部10と、補正係数生成部11と、補正処理部12とから構成されている。
データ切換部10にはA/D変換回路2の出力が接続され、データ切換部10の出力は補正係数生成部11および補正処理部12に接続されている。データ切換部10は、上部オプティカルブラック部7の水平方向ラインの信号(シェーディング補正信号)を補正係数生成部11に出力し、有効画像領域5を含む水平方向ラインの信号を補正処理部12に出力する切換制御を行う。
【0023】
シェーディング補正部3の補正係数生成部11は、カウンタ部13と、ブロック平均値生成部14と、補間計算部15と、変化量判定部16と、乱数発生部17と、補正係数演算部18とを備えている。
カウンタ部13は、1画面を構成する有効画素領域5およびオプティカルブラック部6(上部オプティカルブラック部7)の位置情報(水平方向のライン数(領域の高さ)、水平方向の1ラインを構成する画素数(領域の幅))の情報を保持している。そして、カウンタ部13は、入力された信号が、上部オプティカルブラック部7の信号か、それ以外かをクロックの計数により判断し、データ切換部10に出力切換を指示する。
【0024】
また、カウンタ部13は、乱数発生部17を介して、水平方向ラインでの画素の順番nと入力信号との対応関係を、補正係数演算部18に出力する。
さらに、カウンタ部13は、上部オプティカルブラック部7を複数の処理単位(ブロック19と称する)に区画するためのブロック抽出手段としても機能する。つまり、カウンタ部13は、ブロック19の位置情報(ブロック19の高さa、ブロック19の幅b、ブロック19の数K)の情報を保持している。そして、カウンタ部13は、クロックを計数して、ブロック19の境界ごとにブロック平均値生成部14に指示を出し、シェーディング補正信号をブロック19ごとに抽出可能としている。
【0025】
ブロック平均値生成部14は、各ブロック19のシェーディング補正信号の平均値AK(以下、平均値AKと称する)をブロック19ごとに計算し、計算結果を補間計算部15および補正係数演算部18に出力する。
ここで、第1実施形態でブロック19の平均値AKを用いてシェーディング補正を行うのは以下の理由による。すなわち、上部オプティカルブラック部7の1画素ごとの出力をそのままシェーディング補正に用いる場合、受光素子の画素欠陥や、受光素子の出力した高周波成分などがそのまま補正に反映されて、補正の精度が低下する場合があるからである。
【0026】
補間計算部15は、各ブロック19の平均値AKを補間して1画素当たりのシェーディング変化量Δを計算する。図3に示すように、隣接するブロック19の平均値を直線補間したシェーディング変化量Δは、現実のシェーディング補正信号のレベルに近似する。第1実施形態の補間計算部15では、隣接するブロック19の平均値の差(AK+1−AK)を求め、この平均値の差をブロック19の幅bで除して、ブロック19内の1画素当たりのシェーディング変化量Δを算出する。補間計算部15が算出したシェーディング変化量Δは、変化量判定部16および補正係数演算部18に出力される。
【0027】
変化量判定部16は、1画素当たりのシェーディング変化量Δが1LSB(Least Significant Bit:2進数の最下位ビット)未満か判定し、判定結果を乱数発生部17に通知する。
乱数発生部17は、変化量判定部16の判定結果が1LSB以上の場合、カウンタ部13の入力を、補正係数演算部18にそのまま出力する。一方、乱数発生部17は、変化量判定部16の判定結果が1LSB未満の場合、水平方向ラインでの変化点の画素の水平方向位置と入力信号との対応関係を乱数変化させて補正係数演算部18に出力する。
【0028】
第1実施形態で、変化量判定部16および乱数発生部17を設けたのは以下の理由による。すなわち、隣接するブロック19の平均値の差が、ブロック幅b以上の場合、1画素ごとのシェーディング変化量Δは1LSB以上となる。この場合には、図4に示すように、ブロック19内の各画素がシェーディング補正により変化する。すなわち、各画素ごとに変化点があるので、画像では変化点は目立たなくなる。
【0029】
一方、平均値の差がブロック幅よりも小さい場合、1画素ごとのシェーディング変化量Δは1LSB未満となる。この場合は、図5(a)に示すように、各画素に1LSB未満の数値変化を与えることは不可能であるため、数画素おきに1LSBだけ変化するシェーディング補正が行われる。このとき、特に隣接するブロック19の平均値の差が非常に小さい場合、隣接する画素がほぼ均一の出力を得た状態となり、シェーディング補正で変化する画素が目につきやすくなる。そして、シェーディング補正の変化点の画素は、有効画素領域5の垂直方向で同一箇所に位置するため、画像では変化点が縦筋として認識されてしまう(図5(b)参照)。
【0030】
そこで、第1実施形態では、変化量判定部16および乱数発生部17により、水平方向の画素間のシェーディング変化量Δが1LSB未満の場合、シェーディング補正される変化点の画素の位置を画面水平方向に乱数変化させることにした。そのため、画素のシェーディング補正された変化点は有効画素領域5の垂直方向に不均一に配列され、画像では変化点が縦筋として認識されにくくなる(図6参照)。
【0031】
補正係数演算部18は、カウンタ部13の画素の順番nと画像信号の対応関係と、ブロック平均値生成部14が生成した平均値AKと、補間計算部15のシェーディング変化量Δから、シェーディング補正係数Cnを演算する。補正係数演算部18は、シェーディング補正係数Cnを補正処理部12に出力する。
シェーディング補正部3の補正処理部12は、入力遅延調整部20および演算部21とを備えている。入力遅延調整部20は、補正係数演算部18がシェーディング補正係数Cnを演算するまで画像信号の出力を遅延させて、シェーディング補正係数Cnの出力と画像信号の出力とを同期させる。また、演算部21は、入力遅延調整部から入力された画像信号を、シェーディング補正係数Cnで補正して、信号処理部4に出力する。
【0032】
図1に示す信号処理部4は、シェーディング補正処理後の画像信号に画像処理を施す。信号処理部4の出力は、画像信号をモニタ表示するモニタ表示部や、画像信号を圧縮記録する記憶部に接続される(モニタ表示部および記憶部の図示は省略する)。
【0033】
(第1実施形態の動作)
第1実施形態のシェーディング補正回路は上記のように構成され、以下、図7に示すステップ番号に沿って、第1実施形態のシェーディング補正回路の動作説明を行う。
ステップS1:撮像素子1は、図示しないマイクロプロセッサにより決定された露出条件に従って、被写体像の光電変換を実行する。撮像素子1で生成された画像信号およびシェーディング補正信号は、撮像素子1内の垂直読み出し線および水平読み出し線9を経由して、クロック発生部から供給されるクロックに同期して撮像素子1から出力される。
【0034】
ステップS2:A/D変換回路2が、撮像素子1から出力された信号のA/D変換を行なう。A/D変換回路2は、A/D変換後の信号をシェーディング補正部3のデータ切換部10に出力する。
ステップS3:カウンタ部13は、クロック数の計数を行い、データ切換部10に入力された信号が、上部オプティカルブラック部7のシェーディング補正信号か、それ以外かを判定する。上部オプティカルブラック部の信号入力(YES側)の場合、カウンタ部13は、データ切換部10の出力をブロック平均値生成部14側に切り替えて、ステップS4に処理が移行する。同時にカウンタ部13は、水平方向ラインでの画素の順番と入力信号との対応関係を、乱数発生部17に出力する。
【0035】
一方、シェーディング補正信号以外の入力、つまり、有効画素領域5を含む水平ラインの信号入力(NO側)の場合、カウンタ部13は、データ切換部10の出力を補正処理部12側に切り替えて、ステップS11に処理が移行する。
ステップS4:ブロック平均値生成部14は、上部オプティカルブラック部7のシェーディング補正信号をブロック毎に加算する。シェーディング補正信号の入力は水平ラインごとに実行されるため、カウンタ部13がクロックを計数して、カウンタ部13がブロック19の境界ごとにブロック切換の指示を出すことで、ブロック19ごとのシェーディング補正信号の加算が行われる。
【0036】
そして、各ブロックのシェーディング補正信号の合計値をブロック内の画素の総数(a×b)で除して、各ブロックの平均値AKを計算する。
その後、ブロック平均値生成部14は、ブロックの平均値AKを、補間計算部15と、補正係数演算部18に出力し、ステップS5に処理が移行する。
ステップS5:補間計算部15は、隣接するブロック19の平均値の差(AK+1−AK)を求め、この平均値の差をブロック19の幅bで除して、1画素当たりのシェーディング変化量Δを各ブロックごとに算出する。そして、補間計算部15は、シェーディング変化量Δを、変化量判定部16と、補正係数演算部18とに出力し、ステップS6に処理が移行する。
【0037】
ステップS6:変化量判定部16は、1画素当たりのシェーディング変化量Δが1LSB未満か判定し、判定結果を乱数発生部17に通知する。判定結果が1LSB未満(YES側)の場合、ステップS7に処理が移行する。また、判定結果が1LSB以上(NO側)の場合、ステップS8に処理が移行する。
ステップS7:この場合、乱数発生部17は、カウンタ部13から入力された水平方向ラインでの変化点の画素の水平方向位置と入力信号との対応関係を乱数変化させる。その結果、シェーディング補正の変化点は有効画素領域5の垂直方向に不均一に配列される。そして、乱数発生部17はその対応関係を補正係数演算部18に出力し、ステップS9に処理が移行する。
【0038】
ステップS8:この場合、乱数発生部17は、カウンタ部13の入力を、補正係数演算部18にそのまま出力して、ステップS9に処理が移行する。
ステップS9:補正係数演算部18は、まず、各ブロック19の平均値AKから、基準となる左端のブロック19の平均値A0を減算して、オフセット量(AK−A0)を計算する。
【0039】
ステップS10:次に、補正係数演算部18は、ブロックのシェーディング変化量Δにブロック内での画素の順番(n−K×b)を乗じ、これにステップS9のオフセット量(AK−A0)を加算して、1画素ごとにシェーディング補正係数Cnを演算する(図8参照)。そして、補正係数演算部18は、シェーディング補正係数Cnを演算部21に出力する。
【0040】
ステップS11:一方、有効画素領域5を含む水平ラインの信号は、入力遅延調整部20に入力される。そして、所定の遅延時間の後、入力遅延調整部20は入力信号を演算部21に出力し、ステップS12に処理が移行する。
ステップS12:演算部21は、画像信号のレベルから、補正係数演算部18が演算したシェーディング補正係数Cnを減算して、画像信号のシェーディング補正を行なう。
【0041】
ステップS13:信号処理部4は、シェーディング補正後の画像信号に、ガンマ補正、色分離、ホワイトバランスなどの信号処理を行う。信号処理部4から出力された画像信号は、その後に圧縮符号化されて記録媒体(メモリーカード等)に記憶される。
(第1実施形態の効果)
第1実施形態では、上部オプティカルブラック部の信号を利用して、毎回の撮影時にリアルタイムでシェーディング補正係数が取得される。したがって、精度の高いシェーディング補正を常時実行でき、補正係数保持用のメモリも必要としない。
【0042】
また、第1実施形態では、シェーディング補正係数の取得は撮影動作により行われる。そのため、補正係数の取得に特別な動作を行う必要がなく、煩雑さは著しく軽減する。
さらに、第1実施形態では、1画素当たりのシェーディング変化量が微少な場合、シェーディング補正の変化点は有効画素領域の垂直方向に不均一に配列されるので、画面の縦筋が補正される。
【0043】
(実施形態の補足事項)
以上、本発明を上記の実施形態によって説明してきたが、本発明の技術的範囲は上記実施形態に限定されるものではない。
例えば、第1実施形態と同様の構成のシェーディング補正回路において、上部オプティカルブラック部7のブロック19の範囲を、水平方向に1画素づつずらして重複するように設定してもよい。この変形例の場合には、水平方向のラインの画素の数だけブロック19が存在するため、補間しなくても画素毎の補正係数を求めることができる。すなわち、各ブロック毎の平均値からオフセット量を減算した値が、そのまま画素ごとのシェーディング補正係数Cnに対応する。
【0044】
また、第1実施形態では各ブロックの平均値を直線で補間処理してシェーディング変化量を生成しているが、曲線で補間処理するようにしてもよい。
さらに、第1実施形態では、XYアドレス方式(CMOS方式など)の撮像素子を用いたが、CCD方式の撮像素子を用いてもよい。
さらにまた、第1実施形態の上部オプティカルブラック部を受光面の下辺に沿って配置してもよい。
【0045】
【発明の効果】
本発明では、上部オプティカルブラック部の信号を利用して、毎回の撮影時にリアルタイムでシェーディング補正係数が取得できるので、補正係数のための特別な動作を事前に行うことなく、環境の変化に対応した精度の高いシェーディング補正が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態のシェーディング補正回路の構成を示す図である。
【図2】第1実施形態の撮像素子の構成を示す図である。
【図3】シェーディング補正の信号レベルとシェーディング変化量との関係を示す図である。
【図4】シェーディング変化量が1LSB以上の場合でのシェーディング補正の変化点を示した図である。
【図5】(a)は、シェーディング変化量が1LSB未満の場合でのシェーディング補正の変化点を示した図であり、(b)は、(a)の有効画素領域の表示状態を示した図である。
【図6】シェーディング補正の変化点を乱数変化させた場合での有効画素領域の表示状態を示した図である。
【図7】第1実施形態の流れ図である。
【図8】シェーディング補正係数を示す図である。
【符号の説明】
1 撮像素子
2 A/D変換回路
3 シェーディング補正部
4 信号処理部
5 有効画素領域
6 オプティカルブラック部
7 上部オプティカルブラック部
9 水平読み出し線
10 データ切換部
11 補正係数生成部
12 補正処理部
13 カウンタ部
14 ブロック平均値生成部
15 補間計算部
16 変化量判定部
17 乱数発生部
18 補正係数演算部
19 ブロック
20 入力遅延調整部
21 演算部
Claims (5)
- 受光面に受光素子が配列された撮像素子と、前記撮像素子の出力信号にシェーディング補正を行うシェーディング補正部とを備えた電子カメラのシェーディング補正回路であって、
前記撮像素子は、被写体像を光電変換して画像信号を生成する有効画素領域と、前記有効画素領域の水平方向に沿って形成された上部オプティカルブラック部とを有し、
前記シェーディング補正部は、前記上部オプティカルブラック部の出力に基づいてシェーディング変化を抽出し、前記シェーディング変化の補正係数を生成する補正係数生成部と、前記補正係数を用いて前記画像信号にシェーディング補正を行う補正処理部とを有することを特徴とする電子カメラのシェーディング補正回路。 - 前記補正係数生成部は、前記上部オプティカルブラック部から複数の受光素子を含んでなるブロックを抽出するブロック抽出手段と、前記ブロックに含まれる前記受光素子の出力の平均値を算出するブロック平均値生成手段とをさらに有し、前記補正係数生成部が、前記平均値を用いて補正係数を生成することを特徴とする請求項1に記載の電子カメラのシェーディング補正回路。
- 前記ブロック抽出手段が、前記上部オプティカルブラック部を複数の前記ブロックで区画し、
前記補正係数生成部は、前記ブロック平均値生成手段で生成された前記平均値を補間してシェーディング変化量を求める補間計算部をさらに有し、前記補正係数生成部が、前記シェーディング変化量を用いて補正係数を生成することを特徴とする請求項2に記載の電子カメラのシェーディング補正回路。 - 前記補正係数生成部は、水平方向の1画素毎の前記シェーディング変化量の差を判定する変化量判定手段と、前記シェーディング変化量の差が所定値未満の場合に、シェーディング補正の変化点の位置を乱数変化させる乱数発生手段とをさらに有し、
水平方向の画素間の前記シェーディング変化量の差が所定値未満の場合に、前記変化点が、前記有効画素領域の垂直方向に不均一に配列されることを特徴とする請求項3に記載の電子カメラのシェーディング補正回路。 - 前記乱数発生手段は、前記シェーディング変化量の差が水平方向の1画素毎で1LSB未満の場合に乱数変化させることを特徴とする請求項4に記載の電子カメラのシェーディング補正回路。
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