JP2005136715A - 露出制御装置および露出制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 電子カメラにおいて、計測に適する制御を行うこと。
【解決手段】 露出制御装置１においては、露出目標値がＰＧＡ１２の出力ダイナミックレンジの中央付近に設定されている。したがって、撮像画像の輝度を計測する場合に、撮像画像のＳ／Ｎが高いことから精度良く計測を行うことができる。また、撮像画像の色合いを計測する場合に、イメージセンサ１１の出力が線形な領域を使用することから正確な色合いを計測することが可能となる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、撮影された画像から目的となる情報を検出可能な撮像装置を制御するための露出制御装置および露出制御方法に関する。

従来、医療用カメラあるいは製造ライン用カメラ等、特定の対象を計測するために用いられるカメラ（撮像装置）においては、その対象（被写体）の撮影画像から、色合い、輝度レベル（反射率）等が検出されている。
具体的には、撮影画像から色あるいは輝度等を数値化して取得することにより、対象物の状態が認識される。

ところで、撮像装置においては、一般に、撮影画像の明るさを一定範囲に収めるために露出制御が行われている。
通常、露出制御を行う場合、撮影画像の明るさを測定して数値化し、明るさの評価値とする。そして、その評価値を、外部から設定された明るさの基準値（露出目標値）と比較し、両者がほぼ一致するように、撮像装置の電子シャッタ速度やアンプの利得を制御する。その結果、光源の明るさの変動等によらず、撮影画像全体の明るさが、露出目標値とほぼ一致する値となる。

ここで、カメラに備えられるＣＣＤ（Charge Coupled Devices）等のイメージセンサにおいては、従来、被写体標準反射係数との関係から、露出目標値が、ダイナミックレンジの約１８％に設定されている（例えば、特開２００２−２８１３７８号公報参照）。
即ち、ＣＣＤ等のイメージセンサにおいては、高輝度レベル側に広いダイナミックレンジが割り当てられ、低輝度レベル側には狭いダイナミックレンジが割り当てられている。

これにより白つぶれの現象を抑えて、広いダイナミックレンジを確保している。しかしながら一般的な画像処理装置、出力装置は扱えるダイナミックレンジに制限があるため、通常γ補正などのトーンカーブ調整を施し、レベルを非線形圧縮する。例えば、センサ入力側では１２ビット（４０９６階調）のダイナミックレンジがあるのに対し、出力側は８ビット（２５６階調）である。トーンカーブ調整は通常、高輝度レベル側を大きくレベル圧縮し、低輝度レベル側はレベルの圧縮率を低くするか、もしくはそのまま、もしくは増幅（伸張）する。よって通常、暗い側の方が明るい側に比べてノイズ感が大きい。これはノイズ成分の圧縮率に起因する。
特開２００２−２８１３７８号公報

しかしながら、上述のように、従来の技術においては、露出目標値が、イメージセンサのダイナミックレンジに対し、１８％程度の低いレベルに設定されている。そのため、低輝度レベル側では、高輝度レベル側に比べて、イメージセンサの出力がデジタル化される際に伸長され、暗部ノイズが目立つ（Ｓ／Ｎが低下する）こととなる。
一方、特定の対象を計測するために用いられるカメラにおいては、被写体の状態を正確に検出する必要があることから、撮影された画像のＳ／Ｎが高いことが望まれる。

そのため、上述のようなトーンカーブ調整を行うことによってＳ／Ｎが低下することは、計測を行う上で障害となる。
さらに、イメージセンサからの出力は通常後段の増幅器で増幅される。この増幅器は通常Ｓ字特性を示すことから、非線形領域で映像信号が取り扱われると、ＲＧＢのレベルの相対関係に変化が生じ、色合いのバランスが崩れる事態が生ずる。

そのため、被写体の輝度のダイナミックレンジが、イメージセンサおよび増幅器のダイナミックレンジにおける線形領域に包含されることが求められる。
ところが、従来のように、露出目標値をイメージセンサの出力ダイナミックレンジの約１８％という低いレベルに設定したのでは、被写体の輝度のダイナミックレンジは、その低輝度レベル側において線形領域を逸脱することとなり、上述のように色合いのバランスが崩れるという事態を招きかねない。

このように、従来の電子カメラにおける制御は、計測に適するものではなかった。
本発明の課題は、電子カメラにおいて、計測に適する制御を行うことである。

以上の課題を解決するため、本発明は、
電子シャッタを備え、かつ所定の色信号に対応するカラーフィルタを備えたイメージセンサ（例えば、図１のイメージセンサ１１）と、該イメージセンサの出力信号を所定利得で増幅する増幅手段（例えば、図１のＰＧＡ１２）とを含み、前記イメージセンサの電子シャッタ速度と前記増幅手段の利得との少なくともいずれかを変化させることにより、撮影された画像の明るさを、明るさの基準となる露出目標値に調整する露出制御を行う露出制御装置であって、前記増幅手段の出力特性における線形領域の中央部（例えば、図３における線形領域の中央付近）に前記露出目標値が設定されていることを特徴としている。

また、本発明は、
電子シャッタを備え、かつ所定の色信号に対応するカラーフィルタを備えたイメージセンサと、該イメージセンサの出力信号を所定利得で増幅する増幅手段とを含み、前記イメージセンサの電子シャッタ速度と前記増幅手段の利得との少なくともいずれかを変化させることにより、撮影された画像の明るさを、明るさの基準となる露出目標値に調整する露出制御方法であって、前記増幅手段の出力特性における線形領域の中央部に前記露出目標値を設定することを特徴としている。

即ち、本発明においては、露出目標値が増幅手段の出力特性の線形領域における中央付近に設定される。
したがって、撮像画像の輝度を計測する場合に、撮像画像のＳ／Ｎが高いものとなることから、精度良く計測を行うことができる。また、撮像画像の色合いを計測する場合に、増幅手段の出力が線形な領域を使用することから正確な色合いを計測することが可能となる。

このように、本発明によれば、電子カメラにおいて計測に適する制御を行うことが可能となる。

以下、図を参照して本発明に係る露出制御装置の実施の形態を説明する。
まず、構成を説明する。
図１は、本実施の形態に係る露出制御装置１の機能構成を示す図である。
図１において、露出制御装置１は、アナログ・デジタル映像信号本線部（以下、「本線部」と言う。）１０と、露出制御ブロック２０と、マイクロコントローラ３０とを含んで構成される。

本線部１０は、Ｒ（Red）、Ｇ（Green）、Ｂ（Blue）それぞれの色信号に対応するカラーフィルタを備えたイメージセンサ１１と、プログラマブルゲインアンプ（PGA:ProgrammableGain Amp）１２と、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）１３とをさらに含んで構成される。
イメージセンサ１１は、電子シャッタを備えており、露出制御ブロック２０によって設定されるシャッタ速度で、レンズから入力される光を受光する。また、イメージセンサ１１は、受光した光（レンズの結像）を光電変換して、被写体の画像を表す信号を出力する。また、イメージセンサ１１の各受光素子は、Ｒ、Ｇ、Ｂ何れかのカラーフィルタを備えており、受光素子（画素）毎にＲ、Ｇ、Ｂ何れかに対応するレベルが出力される。

ＰＧＡ１２は、露出制御ブロック２０によって設定される利得（Gain）で、イメージセンサの出力信号を増幅する。
ＡＤＣ１３は、ＰＧＡ１２の出力信号をデジタル信号に変換し、本線映像信号として出力する。
次に、露出制御ブロック２０について説明する。

図２は、露出制御ブロック２０の機能構成を示す図である。
露出制御ブロック２０は、輝度測光ブロック２１と、露出誤差検出器２２と、利得設定部２３とを含んで構成される。
輝度測光ブロック２１は、ＡＤＣ１３から本線映像信号が入力されると、１画面分の画像について、各画素の輝度を積分し、積分結果を輝度評価値とする。そして、輝度測光ブロック２１は、輝度評価値を露出誤差検出器２２に出力する。

なお、輝度測光ブロック２１における輝度評価値を生成するロジックは、輝度測光ロジックと呼ばれる。輝度測光ロジックとして、１画面に含まれる画素の輝度を単純に積分する方法の他、画面の中央付近に被写体が存在することを想定し、中央付近の画素を重み付けして積分する方法や、画面を所定のパターンで分割して重み付けを行い、積分する方法等を用いることも可能である。

露出誤差検出器２２は、輝度測光ブロック２１から入力される輝度評価値と、マイクロコントローラ３０から入力される露出目標値との差を算出し、その差分値（以下、「露出誤差」と言う。）を利得設定部２３に出力する。
利得設定部２３は、露出誤差検出器２２から入力される露出誤差に基づいて、露出誤差が所定範囲に収まるように、例えば誤差が零に近づくように、イメージセンサ１１のシャッタ速度およびＰＧＡ１２の利得を調整する。

なお、露出誤差を補正するためには、イメージセンサ１１のシャッタ速度およびＰＧＡ１２の利得のいずれか一方、あるいは両方を変更することが可能であり、その変更量の組み合わせは任意である。
図１に戻り、マイクロコントローラ３０は、露出制御ブロック２０の管理を行う。例えば、マイクロコントローラ３０は、予め指定された値に露出目標値を設定したり、あるいは、利得の初期値を設定するといった各種初期設定を行ったりする。

ここで、露出目標値は、本発明においてはイメージセンサ１１の出力ダイナミックレンジの中央付近に設定されている。
図３は、イメージセンサ１１とＰＧＡ１２の総合的な出力ダイナミックレンジにおける露出目標値を示す図である。
図３において、計測を目的とする撮像装置の場合、Ｓ／Ｎが良好な線形領域（即ち、ノイズの少ない領域）を使用して撮像することが望ましい。また、イメージセンサ１１およびＰＧＡ１２自体に起因するノイズは、露光時間によらず一定であることから、より長い露光時間を確保することが望ましい。さらに、計測を目的とする撮像装置の場合、被写体が特定のものに限定され、被写体の特性（例えば反射率）を予め把握することが可能である。つまり、光源等極端に明るい部分は白とびさせても問題無い。

したがって、これらの条件に鑑み、ノイズが少なく、十分なダイナミックレンジを確保できる露出目標値に設定して被写体を撮像する。
即ち、本発明においては、露出目標値を電子回路におけるバイアスととらえ、図３においては、そのバイアス点を中心に、光学的には、被写体の反射率に応じてＸ軸の左右に振れ、電気的には、Ｙ軸の上下に振れるものと考える。

すると、ダイナミックレンジを最も広範に確保できるバイアス点は、図３における線形領域の中央付近（図３における“本発明の露出目標値”）であると考えられる。
このバイアス点（ダイナミックレンジの約５０％）は、従来の露出目標値（ダイナミックレンジの約１８％）に比べ、長い露出時間を確保できるものであり、Ｓ／Ｎが良好となる。

また、色合いのバランスに関し、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号それぞれに対応するカラーフィルタを備えたイメージセンサ１１からＰＧＡ１２を経た出力はＳ字特性を示すことから、Ｒ，Ｇ，Ｂ信号のいずれかが非線形領域に差し掛かると、Ｒ，Ｇ，Ｂのバランスが崩れ、色合いが変化する結果となる。例えば、ある画素及びその周辺画素に着目し、その部分のＲとＧのレベルは線形領域であるが、Ｂのレベルだけ非線形領域である場合を考える。このとき、ＲとＧのレベル比は変わらないが、Ｂのレベル比は変化が起こり、色合いが変わってしまう。すると、色情報を計測したい場合に問題が生ずる。

そこで、露出目標値（バイアス点）を線形領域の中央付近とすることにより、Ｓ字特性の歪みの影響を受けることも回避できる。
次に、動作を説明する。
上述のような構成の下、露出制御装置１は、本線部１０によって撮影画像の映像信号を増幅してデジタル化する。

そして、露出制御ブロック２０の輝度測光ブロック２１において、撮像画像の輝度を数値化し、明るさの評価値（輝度評価値）とする。さらに、露出制御ブロック２０の露出誤差検出器２２において、マイクロコントローラ３０によって設定された露出目標値と輝度評価値とを比較し、利得設定部２３において、両者がほぼ一致するように、イメージセンサ１１の電子シャッタ速度やＰＧＡ１２の利得を補正する。

その結果、露出目標値と撮像画像の輝度レベルがほぼ一致することとなる。
このとき、露出目標値は、イメージセンサ１１およびＰＧＡ１２の出力ダイナミックレンジの線形領域における中央付近に設定されていることから、撮像画像に含まれるノイズは少ないものとなり、撮像画像の輝度に対し、十分なダイナミックレンジが確保される。また、Ｒ、Ｇ、Ｂのレベル比も線形領域を使用しているので、変化は起きず、被写体の色合いを忠実に計測できる。

以上のように、本実施の形態に係る露出制御装置１においては、露出目標値がＰＧＡ１２の出力ダイナミックレンジの中央付近に設定されている。
したがって、撮像画像の輝度を計測する場合に、撮像画像のＳ／Ｎが高いことから精度良く計測を行うことができる。また、撮像画像の色合いを計測する場合に、イメージセンサ１１の出力が線形な領域を使用することから正確な色合いを計測することが可能となる。

なお、本実施の形態に係る露出制御装置１においては、撮像画像をγ補正することなく撮像画像の処理を行う。
これにより、被写体の輝度レベル（反射率）や色合いを正確に計測する目的を達成することが可能となる。
このように、本実施の形態に係る露出制御装置１によれば、電子カメラにおいて計測に適する制御を行うことが可能となる。

本実施の形態に係る露出制御装置１の機能構成を示す図である。 露出制御ブロック２０の機能構成を示す図である。 イメージセンサ１１とＰＧＡ１２の総合的な出力ダイナミックレンジにおける露出目標値を示す図である。

符号の説明

１ 露出制御装置，１０ アナログ・デジタル映像信号本線部，１１ イメージセンサ，１２ ＰＧＡ，１３ ＡＤＣ，２０ 露出制御ブロック，２１ 輝度測光ブロック，２２ 露出誤差検出器，２３ 利得設定部，３０ マイクロコントローラ

Claims (2)

1. 電子シャッタを備え、かつ所定の色信号に対応するカラーフィルタを備えたイメージセンサと、該イメージセンサの出力信号を所定利得で増幅する増幅手段とを含み、前記イメージセンサの電子シャッタ速度と前記増幅手段の利得との少なくともいずれかを変化させることにより、撮影された画像の明るさを、明るさの基準となる露出目標値に調整する露出制御を行う露出制御装置であって、
   前記増幅手段の出力特性における線形領域の中央部に前記露出目標値が設定されていることを特徴とする露出制御装置。
2. 電子シャッタを備え、かつ所定の色信号に対応するカラーフィルタを備えたイメージセンサと、該イメージセンサの出力信号を所定利得で増幅する増幅手段とを含み、前記イメージセンサの電子シャッタ速度と前記増幅手段の利得との少なくともいずれかを変化させることにより、撮影された画像の明るさを、明るさの基準となる露出目標値に調整する露出制御方法であって、
   前記増幅手段の出力特性における線形領域の中央部に前記露出目標値を設定することを特徴とする露出制御方法。

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