JP2005086784A

JP2005086784A - デジタルクランプ回路

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Publication number: JP2005086784A
Application number: JP2003320166A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Nakakuki; 俊朗中莖
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2005-03-31
Also published as: CN1595956A; TW200511840A; KR100589572B1; KR20050027007A; CN100346634C; TWI251437B; US20050057693A1

Abstract

【課題】各フレーム毎のデジタルクランプ回路におけるクランプレベルの変動によるハンチング症状を防止し、固体撮像素子からの出力信号の表示を安定化させる。
【解決手段】デジタルクランプ回路３０は、クランプ回路２０及びクランプレベル生成回路１０からなる。クランプレベル生成回路１０は、比較回路１１、更新回路１２、クランプレベルメモリ１３、フレームカウンタ１４とからなる。比較器１１は、信号Ｙ０の各フレームの平均基準黒レベルＢＬとクランプレベルＣＬとを比較する。更新回路は、比較結果を保持すると共に、所定の複数フレーム毎に比較結果に応じてクランプレベルメモリ１３に記憶されたクランプレベルＣＬを更新する。
【選択図】図１

Description

本発明は、デジタル信号をクランプするデジタルクランプ回路に関する。

ＣＣＤ固体撮像素子からの出力信号は、相関二重サンプリング（ＣＤＳ）により断続的な出力信号を連続信号とし、自動利得制御（ＡＧＣ）により自動的に利得制御された信号となる。さらに、後述のＡ／Ｄ変換回路の動作点に収まるように基準黒信号を直流電位にアナログクランプした後、Ａ／Ｄ変換回路によりデジタル映像信号に変換される。このデジタル映像信号は、デジタルクランプ回路により黒レベルの補正（デジタルクランプ）がされた後、デジタルゲインやγ補正等の所定のデジタル信号処理がなされる。

図４は、ＣＣＤ固体撮像素子の画素配列の模式図である。図４のように、ＣＣＤ固体撮像素子１００には有効画素領域１１０の周囲にオプティカルブラック（ＯＰＢ）領域１２０が設けられ、ＯＰＢ領域１２０のうち撮像部の左部（すなわち、ＣＣＤ固体撮像素子１００からの出力信号の１水平期間の先頭に読み出される部分）に基準黒領域１２１が設けられている。基準黒領域１２１は遮光されているので基準黒信号がＣＣＤ固体撮像素子１００から出力され、有効画素領域からは受光画素に蓄積された情報電荷に応じた被写体信号がＣＣＤ固体撮像素子１００から出力される。

図５は、ＣＣＤ固体撮像素子１００からの出力信号に対して施される各信号処理部における波形図であり、横軸は時間を表し、縦軸は輝度を表す。ＣＣＤ固体撮像素子１００からの出力信号がアナログクランプされると、図５（ａ）のように各期間で略同一レベルの基準黒信号とそれに続く被写体信号とで１水平期間１Ｈを成し、更にそれらが周期的に連続して１フレーム、すなわち１画面である１垂直期間１Ｖを成す。そして、１垂直期間１Ｖの信号が周期的に連続することで、画面の連続したアナログ映像信号を成す。

アナログ映像信号は、Ａ／Ｄ変換回路でデジタル信号に変換され、図５（ｂ）のようなデジタル映像信号Ｙ０となる。図５（ｂ）は８ビット（デジタルコード値「０」〜「２５５」）にデジタルコード化した例を示している。このとき、基準黒信号のレベルは温度変化等の影響で変動するため、基準黒信号が確実にデジタルコード化されるようにＡ／Ｄ変換回路の動作範囲が設定される。すなわち、基準黒信号のデジタルコード値は必ずデジタルコード値「０」よりも大きくなるように余裕を持って設定される。

そして、基準黒信号のデジタルコード値の各フレーム毎の平均である平均基準黒レベルＢＬを算出し、これをクランプレベルＣＬとする。この平均基準黒レベルＢＬは、基準黒領域の出力信号をフレーム毎に平均し、被写体信号と同じ精度を持つ８ビットのデジタルコード値とされる。

デジタルクランプ回路では、デジタル映像信号Ｙ０がクランプレベルＣＬ分だけ減算されることでクランプされ、図５（ｃ）のようなデジタル映像信号Ｙ１となる。このようにして、各フレーム毎に算出された平均基準黒レベルＢＬが、そのフレームでのクランプレベルＣＬとなる。例えば、フレームＴ１での平均基準黒レベルＢＬ（１）が、フレームＴ１でのクランプレベルＣＬとなり、そして、フレームＴ２での平均基準黒レベルＢＬ（２）が、フレームＴ２でのクランプレベルＣＬとなる。なお、映像信号の高速処理が要求されるときには、各フレーム毎に算出された平均基準黒レベルＢＬを、その次のフレームでのクランプレベルＣＬとすることもできる。例えば、フレームＴ１での平均基準黒レベルＢＬ（１）を、フレームＴ２でのクランプレベルＣＬとし、そして、フレームＴ２での平均基準黒レベルＢＬ（２）を、フレームＴ３でのクランプレベルＣＬとする。

図６は図５（ｂ）のうち、デジタルコード化された基準黒信号部分のみを模式的に表示したものである。平均基準黒レベルＢＬは、１フレーム毎に基準黒信号を平均化するので基準黒信号自身よりは変動が抑制されたものとなる。しかし、もともと基準黒信号にはノイズ成分が含まれているため、平均基準黒レベルＢＬであってもその変動を完全には抑制できない。特に、基準黒信号がＡ／Ｄ変換の際のデジタルコードの境界近くのアナログ値である場合には、デジタルコード化された基準黒信号が変動しやすく、その結果各フレーム毎の平均基準黒レベルＢＬが変動することとなる。例えば、基準黒信号のアナログ値がデジタルコード値「１１」と「１２」に変換する境界近くにある場合には、基準黒信号のデジタルコード値が「１１」になったり、「１２」になったりするため、平均基準黒レベルＢＬも「１１」になったり、「１２」になったりする。

平均基準黒レベルＢＬが変動すると、デジタルクランプ後の被写体信号のデジタルコード値が変動することとなり、フレーム毎に輝度が変動するという、いわゆるハンチング症状を呈するという問題がある。また、このようにしてデジタルクランプされたデジタル映像信号Ｙ１を基にして、デジタルゲインやγ補正等のデジタル信号処理がなされると、デジタルコードの「１」コードのずれが何倍にも強調されることとなり、ハンチング症状が強調される結果ともなる。
特開平６−８６０９５

各フレーム毎のデジタルクランプ回路におけるクランプレベルの変動によるハンチング症状を防止し、固体撮像素子からの出力信号の表示を安定化させる。

上記課題を解決するため本願発明は、フレーム単位で被写体映像を表し、各フレーム毎に基準黒信号と被写体信号とが周期的に現れるデジタル映像信号に対して基準黒レベルをクランプするデジタルクランプ回路において、前記デジタル映像信号の前記基準黒信号を所定のレベルにクランプするクランプ回路と、前記クランプ回路でクランプするクランプレベルを生成するクランプレベル生成回路と、を具備し、前記クランプレベル生成回路は、複数フレームの基準黒信号と既成のクランプレベルとを比較し、その比較結果に基づいて、前記クランプレベルを更新することを特徴とするデジタルクランプ回路である。

本発明においては、複数フレーム期間の間の基準黒信号からデジタルクランプのクランプレベルを算出するため、ノイズの影響によるクランプレベルの変動が抑制され、ハンチング症状が改善される。このとき、複数フレーム単位でしかクランプレベルが更新されないようにすることで、フレーム単位での頻繁なクランプレベルの変動が無くなり、これによりハンチング症状がさらに改善される。逆に、過去の複数フレーム期間の間の平均基準黒信号から各フレーム毎にクランプレベルを更新することで、ハンチング症状を改善すると共に、温度変化等で基準黒信号のレベルが変化した場合にもクランプレベルを素早く変化に追従させることができる。

図１は、本発明の第１の実施形態にかかるデジタルクランプ回路３０の構成を示すブロック図である。デジタルクランプ回路３０は、クランプ回路２０及びクランプレベル生成回路１０からなる。クランプレベル生成回路１０は、比較回路１１、更新回路１２、クランプレベルメモリ１３、フレームカウンタ１４とからなる。さらに、更新回路１２は、アップレジスタ、ホールドレジスタ、ダウンレジスタ、差分レジスタからなる比較結果レジスタ１２ａ及び判定回路１２ｂとからなる。

フレームカウンタ１４は、フレーム毎に生成される垂直ドライバ信号ＶＤが入力され、所定のフレーム数毎に更新回路１２に対して更新クロック信号ＲＣを出力し、これにより比較結果レジスタ１２ａのレジスタ値を「０」にリセットする。

クランプレベルメモリ１３には、整数部８ビット、小数部２ビットの計１０ビットのクランプレベルＣＬが予め記憶されており、これがクランプレベルＣＬとしてクランプ回路２０に入力され、デジタル映像信号Ｙ０がクランプレベルＣＬ分だけデジタルクランプされる。また、クランプレベルＣＬは比較回路１１にも入力される。比較回路１１には、整数部８ビットのデジタル映像信号Ｙ０も入力され、デジタル映像信号Ｙ０から基準黒領域の出力信号を平均し、整数部８ビット、小数部２ビットの計１０ビットの平均基準黒レベルＢＬが、被写体信号よりも精度の高い「０．２５」の精度を持つデジタルコード値で表される。そして、比較器１１は、平均基準黒レベルＢＬとクランプレベルＣＬとを比較する。

各フレーム毎に平均基準黒レベルＢＬとクランプレベルＣＬとを比較回路１１で比較した結果、平均基準黒レベルＢＬの方がクランプレベルＣＬより所定の設定値以上大きい場合には、アップレジスタのレジスタ値を「＋１」加算し、平均基準黒レベルＢＬの方がクランプレベルＣＬより所定の設定値以上小さい場合には、ダウンレジスタのレジスタ値を「＋１」加算し、平均基準黒レベルＢＬとクランプレベルＣＬとの差が所定の設定値以下の場合にはホールドレジスタのレジスタ値を「＋１」加算する。また、平均基準黒レベルＢＬとクランプレベルＣＬとの差分を差分レジスタに既に保持されているレジスタ値に加算し、差分レジスタのレジスタ値を更新する。これにより、差分レジスタには、過去の差分の累積値が保持される。

そして、フレームカウンタ１４により、次の更新クロック信号ＲＣが更新回路１２に入力されると、これにより判定回路１２ｂが判定動作を行うと共に、判定動作後に比較結果レジスタ１２ａのレジスタ値を再度リセットする。このとき、判定回路１２ｂは、更新クロック信号ＲＣが入力されると、比較結果レジスタ１２ａの内容に基づいてクランプレベルメモリ１３に記憶されたクランプレベルＣＬをアップ、ホールド、ダウンのいずれかを行う判定動作を行い、判定動作の結果である新たなクランプレベルＣＬをクランプレベルメモリ１３に上書きして記憶する。こうしてクランプレベルメモリ１３に上書きして記憶されたクランプレベルＣＬにより、それ以後のデジタル映像信号Ｙ０がデジタルクランプされる。

以後、同様にしてフレームカウンタ１４による更新クロック信号ＲＣ毎に、判定回路１２ｂは比較結果レジスタ１２ａの内容に基づいてクランプレベルメモリ１３に記憶されたクランプレベルＣＬを更新する。

図２は、判定回路１２ｂの判定動作のフローチャートの一例である。フレームカウンタ１４のカウント値が所定のフレーム数になる度に、更新回路１２に更新クロック信号ＲＣが入力され判定回路１２ｂは判定動作を繰り返す。本実施例では、所定のフレーム数を２０としている。

本実施例の判定動作においては、安定状態と過渡状態とで判定動作の方法を変えるようにしている。すなわち、過渡状態では比較的簡単にクランプレベルＣＬを増減させることとしているが、一旦安定状態と判定されるとできるだけクランプレベルＣＬを変化させないこととしている。判定回路１２ｂには、安定状態であるか過渡状態であるかを示すフラグがあり、撮影開始直後の初期設定は過渡状態としている。

まず、ステップＳ０で、判定回路１２ｂのフラグにより過渡状態であるか安定状態であるかを判定し、過渡状態のときはステップＳ１に移り、安定状態のときはステップＳ５に移る。

判定回路１２ｂのフラグが過渡状態に設定されている場合には、ステップＳ１でアップレジスタのレジスタ値が所定のフレーム数の５０％超、すなわち「１１」以上である場合にはステップＳ２に移り、そうでない場合にはステップＳ３に移る。ステップＳ２で、差分レジスタのレジスタ値が「８０」以上である場合にはクランプレベルを「１」だけアップさせ、そうでない場合にはクランプレベルを「０．２５」だけアップさせ、いずれもフラグは過渡状態の設定を維持する。差分レジスタのレジスタ値が「８０」以上であるということは、フレーム平均で平均基準黒レベルＢＬがクランプレベルＣＬよりも「４」以上大きいので、クランプレベルＣＬを「１」だけアップさせてクランプレベルＣＬをすみやかに平均基準黒レベルＢＬに近づけることとしている。また、差分レジスタのレジスタ値が「８０」未満であるということは、フレーム平均で平均基準黒レベルＢＬがクランプレベルＣＬから「４」以上離れてはいないので、クランプレベルＣＬを「０．２５」だけアップさせてクランプレベルＣＬをゆっくりと平均基準黒レベルＢＬに近づけることとしている。

次に、ステップＳ３で、ダウンレジスタのレジスタ値が所定のフレーム数の５０％超、すなわち「１１」以上である場合にはステップＳ４に移り、そうでない場合にはクランプレベルを更新せず、過渡状態から安定状態にフラグの設定を変更する。ステップＳ４で差分レジスタのレジスタ値が、「−８０」以下である場合にはクランプレベルを「１」だけダウンさせ、そうでない場合にはクランプレベルを「０．２５」だけダウンさせ、いずれもフラグは過渡状態の設定を維持する。差分レジスタのレジスタ値が「−８０」以下であるということは、フレーム平均で平均基準黒レベルＢＬがクランプレベルＣＬよりも「４」以上小さいので、クランプレベルＣＬを「１」だけダウンさせてクランプレベルＣＬをすみやかに平均基準黒レベルＢＬに近づけることとしている。また、差分レジスタのレジスタ値が「−８０」未満であるということは、フレーム平均で平均基準黒レベルＢＬがクランプレベルＣＬから「４」以上離れてはいないので、クランプレベルＣＬを「０．２５」だけダウンさせてクランプレベルＣＬをゆっくりと平均基準黒レベルＢＬに近づけることとしている。

一方、判定回路１２ｂのフラグが過渡状態ではなく安定状態に設定されている場合には、ステップＳ５でアップレジスタのレジスタ値が所定のフレーム数の５０％超、すなわち「１１」以上であり、かつ、ダウンレジスタのレジスタ値が「０」である場合にはステップＳ６に移り、そうでない場合にはステップＳ７に移る。ステップＳ６で差分レジスタのレジスタ値が「８０」以上である場合にはクランプレベルを「１」だけアップさせ、そうでない場合にはクランプレベルを「０．２５」だけアップさせ、いずれもフラグの設定を安定状態から過渡状態に変更する。

次に、ステップＳ７でダウンレジスタのレジスタ値が所定のフレーム数の５０％超、すなわち「１１」以上であり、かつ、アップレジスタのレジスタ値が「０」である場合にはステップＳ８に移り、そうでない場合にはクランプレベルを更新せず安定状態のフラグの設定を維持する。ステップＳ８で差分レジスタのレジスタ値が「−８０」以下である場合にはクランプレベルを「１」だけダウンさせ、そうでない場合にはクランプレベルを「０．２５」だけダウンさせ、いずれも安定状態から過渡状態にフラグの設定を変更する。

このように、差分レジスタのレジスタ値のみで判定を行わず、アップレジスタ及びダウンレジスタのレジスタ値をも判定動作の対象としたのは、基準黒信号の一部に大きなノイズが乗り、差分レジスタのレジスタ値がたとえ大きく変動しても、アップレジスタ及びダウンレジスタのレジスタ値には大きな影響を与えないため、ノイズによるクランプレベルの変動を抑制できるためである。また、過渡状態と安定状態との２状態に場合分けを行い、安定状態の方が過渡状態よりもクランプレベルを増減させないようにし、いったん安定状態になった場合には、クランプレベルの変動を抑制するようにしている。
判定動作のフローチャートを示す図２は単なる例示であり、ハンチング症状が改善されるように適宜設定すればよい。例えば、過渡状態と安定状態に場合分けせずにステップＳ１〜Ｓ４又はステップＳ５〜Ｓ８だけの判定フローとしても良い。図２の判定動作では、アップレジスタ、ダウンレジスタ、差分レジスタを利用し、ホールドレジスタを利用していないが、もちろん利用することも可能であり、また、差分レジスタのみで判定動作を行うことも可能である。
また、ステップＳ１、Ｓ３における判定値であるアップレジスタのレジスタ値が所定のフレーム数の５０％超またはダウンレジスタのレジスタ値が所定のフレーム数の５０％超、あるいは、ステップＳ５、Ｓ７における判定値であるアップレジスタのレジスタ値が所定のフレーム数の５０％超かつダウンレジスタのレジスタ値が「０」またはダウンレジスタのレジスタ値が所定のフレーム数の５０％超かつアップレジスタのレジスタ値が「０」についても、適宜設定することが可能である。
さらに、差分レジスタのレジスタ値が「８０」以上または「−８０」以下の場合、クランプレベルを「１」だけ増減させているが、差分レジスタのレジスタ値を所定フレーム数で除算した分だけ増減させても良い。

図３は、本発明の第２の実施形態にかかるデジタルクランプ回路６０の構成を示すブロック図である。デジタルクランプ回路６０は、クランプ回路５０及びクランプレベル生成回路４０からなる。クランプレベル生成回路４０は、比較回路４１、更新回路４２、クランプレベルメモリ４３とからなる。さらに、更新回路４２は、比較結果メモリ４２ａ、判定回路４２ｂからなる。クランプ回路５０、比較回路４１、クランプレベルメモリ４３については、図１のクランプ回路２０、比較回路１１、クランプレベルメモリ１３と同様の構成である。

比較結果メモリ４２ａは、所定のフレーム数分の平均基準黒レベルＢＬとクランプレベルＣＬとの差分を順次差分データとして記憶する。比較結果メモリ４２ａとしては、例えばフリップフロップからなるシフトレジスタやリングバッファメモリ等がある。そして、判定回路４２ｂは、フレーム毎に比較結果メモリ４２ａに記憶されているそのフレーム以前の所定のフレーム数分の差分データに基づいてクランプレベルメモリ４３に記憶されたクランプレベルＣＬを更新する。この場合の判定回路４２ｂの判定動作は、図２に示したフローチャートに準じたものであっても良いし、差分データの最大値と最小値を除いたものについての平均でクランプレベルの更新を判断するものであっても良い。要するにノイズの影響による基準黒信号の変動を抑制できるように複数フレームにおける平均基準黒信号ＢＬとクランプレベルＣＬとの比較からクランプレベルを更新する判定方法でありさえすればよい。

このように、フレームが変わる毎に過去の所定のフレーム数分の比較結果から判定を行うので、ノイズの影響によるクランプレベルＣＬの変動が抑制されてハンチング症状が改善されると共に、温度変化等で基準黒信号のレベルが変化した場合にもクランプレベルを素早く変化に追従させることができる。

なお、本発明の第１の実施形態及び第２の実施形態では、比較回路１１又は比較回路４１は平均基準黒レベルＢＬとクランプレベルＣＬとを比較しているが、これに限らず、基準黒信号とクランプレベルを逐次比較してから平均し、その結果をフレーム単位で更新回路１２又は更新回路４２に転送しても良い。

また、本発明ではクランプレベルＣＬを複数フレームの比較結果からできるだけ平均基準黒レベルＢＬと等しくするようにしているが、必ずしも等しくする必要はない。つまり、本発明ではデジタルクランプ後の基準黒信号のデジタル値を「０」にするようにしているが、「０」以外の値にするようにしてもよい。

本発明の第１の実施形態のデジタルクランプ回路の構成を示すブロック図。本発明の第１の実施形態における判定回路のフローチャート。本発明の第２の実施形態のデジタルクランプ回路の構成を示すブロック図。ＣＣＤ固体撮像素子の画素配列の模式図。ＣＣＤ固体撮像素子からの出力信号に対して施される各信号処理部における波形図。基準黒信号及び平均基準黒レベルの説明図。

符号の説明

３０、６０デジタルクランプ回路
２０、５０クランプ回路
１０、４０クランプレベル生成回路
１１、４１比較回路
１２、４２更新回路
１２ａ比較結果レジスタ
１２ｂ判定回路
４２ａ比較結果メモリ
４２ｂ判定回路
１３、４３クランプレベルメモリ
１４フレームカウンタ
１００ＣＣＤ固体撮像素子
１１０有効画素領域
１２０ＯＰＢ領域
１２１基準黒領域

Claims

フレーム単位で被写体映像を表し、各フレーム毎に基準黒信号と被写体信号とが周期的に現れるデジタル映像信号に対して基準黒レベルをクランプするデジタルクランプ回路において、
前記デジタル映像信号の前記基準黒信号を所定のレベルにクランプするクランプ回路と、
前記クランプ回路でクランプするクランプレベルを生成するクランプレベル生成回路と、
を具備し、
前記クランプレベル生成回路は、複数フレームの基準黒信号と既成のクランプレベルとを比較し、その比較結果に基づいて、前記クランプレベルを更新することを特徴とするデジタルクランプ回路。
前記クランプレベル生成回路は、
前記クランプレベルを記憶するクランプレベルメモリと、
前記基準黒信号と前記クランプレベルメモリに記憶された前記クランプレベルとを比較する比較回路と、
前記比較回路の比較結果に基づいて前記クランプレベルメモリに記憶されたクランプレベルを更新する更新回路と、
を備えることを特徴とする請求項１記載のデジタルクランプ回路。
前記更新回路は、
前記比較回路の比較結果をレジスタ値として蓄積する比較結果レジスタと、
前記比較結果レジスタのレジスタ値に基づいて前記クランプレベルメモリに記憶されたクランプレベルを更新する判定回路と、
前記複数フレーム毎に前記判定回路を動作させると共に、前記比較結果レジスタをリセットする更新クロック信号を出力するフレームカウンタと、
を備えることを特徴とする請求項２記載のデジタルクランプ回路。
前記更新回路は、
前記比較回路の比較結果を複数フレーム分記憶する比較結果メモリと、
前記比較結果メモリの内容に基づいて前記クランプレベルメモリに記憶されたクランプレベルを更新する判定回路と、
を備えることを特徴とする請求項２記載のデジタルクランプ回路。