JP2005538593A - 信号復元方法、撮像装置、コンピュータプログラムプロダクト - Google Patents

信号復元方法、撮像装置、コンピュータプログラムプロダクト Download PDF

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Abstract

ダイナミックレンジ制御は、暗い部分と明るい部分との間のコントラストが高いシーンにおいて特に興味深い。両方の部分が詳細な情報を含んでいる場合があるが、殆どの場合、信号復元処理中においては暗い部分に優先権が与えられる。そのような場合、シーンの暗い部分は、十分に視認できる内容を与えるレベルまで増幅される。これに対し、殆どの従来のケースでは、明るい部分が許容できる最大の信号振幅を超える場合があり、その際、この明るい部分がクリップされる。そのような手法により、殆どの場合、信号振幅の最大レベルを超えて詳細の全てが失われてしまう。特に、シーンの明るい部分を非線形変換関数によって圧縮することにより、入力信号の特定の要求を考慮することを提案する。

Description

本発明は、出力画像信号を生成するために入力画像信号のダイナミックレンジ制御処理を含む信号復元方法に関する。また、本発明は、出力画像信号を生成するために入力画像信号のダイナミックレンジ制御処理を行なう手段を備える信号復元のための撮像装置に関する。更に、本発明はコンピュータプログラムプロダクトに関する。
撮像装置は、通常、画像を形成するための光学系と、光学画像をアナログ信号に変換するためのセンサ手段とを備えている。アナログ信号は画像情報を含んでいる。センサ手段は、ブラック／ホワイトセンサであっても良く、あるいは、カラーセンサであっても良い。そのようなセンサは、通常、ＣＭＯＳ型装置として或いはＣＣＤ型装置として機能することができる所定の配列で配置された複数のピクセルから成るマトリクスによって構成されている。そのような装置のアナログ信号は、各ピクセルによって検出される光学情報に係る情報を含んでおり、通常、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）によって更なる処理のために変換される。
カラー信号は、Ｙ−ＵＶシステムまたはＲＧＢシステムとして知られる規格のうちの１つで供給されても良い。両方のシステムの輝度・カラー座標は、適切なマトリクス変換によって互いに対して変換される。ＲＧＢシステムにおいては、輝度をＲ，Ｇ，Ｂ−成分から得ることができ、一方、Ｙ−ＵＶシステムにおいては、輝度がＹ−成分として与えられる。
アナログ信号は、アナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）によってデジタル信号に変換される。アナログ・デジタル情報は、ＡＤＣに応じて特定のビット範囲でスケーリングされても良い。この範囲を画像のダイナミックレンジと称する。例えば米国公開公報第２００１／０００５２２７号に開示された方法等の幾つかの従来の方法は、増幅型ＣＭＯＳイメージセンサのダイナミックレンジを著しく増大させることができかつ小さな信号振幅から大きな信号振幅に至るまで良好な画像を得て信号がクリップされることを防止できる適切な撮像装置を提供している。
アナログ・デジタル信号のアナログ・デジタル変換の更に有利な最新の方法、例えば国際公開第９９／６０５２４号によって開示された方法は、アナログ画像信号をデジタル情報に変換する際に使用されるアナログ・デジタル変換器のダイナミックレンジの増大を必要とすることなく、結果として得られる画像のコントラストを増大させることを試みている。画像のダイナミックレンジは、デジタル信号処理中に入力信号の入力レンジを出力信号の出力レンジの更に小さいビット範囲に圧縮することにより、レンジを増大させることなく高めることができる。そのような入力信号の圧縮は、デジタル信号処理中に任意の所望の変換関数を使用することにより有利に行なうことができる。
しかしながら、変換関数として使用できかつ処理モジュールのダイナミックレンジ制御内で入力信号を圧縮できる適切な非線形変換特性を設けると、特定の問題が生じる。
例えば、ダイナミックレンジ圧縮量自体は、画像のホワイトシーンのピーク値を検出するためのピークホワイト検出器と組み合わされた自動露出ユニットによって特定することができる。これにより、ダイナミックレンジの圧縮量を決定することができる。しかしながら、殆どの場合、ダイナミックレンジ制御の処理の後においては、かなり独断的な考え方が適用されてきた。これにより、多くの場合、画像増幅中に画質がかなり悪くなる。これは、ダイナミックレンジ制御処理を入力画像信号に対して明確に適合させることが今までできなかったからである。ダイナミックレンジ制御は、暗い部分と明るい部分との間のコントラストが高いシーンにおいて特に興味深い。両方の部分が詳細な情報を含んでいる場合があるが、最新の装置においては、殆どの場合、暗い部分に優先権が与えられる。これにより、多くの場合、十分に視認できる内容を与えるレベルまでシーンの暗い部分が増幅されるという問題が生じる。これに対し、明るい部分は、そのような場合、許容できる最大の信号振幅を超えてクリップされる。これにより、通常、信号振幅の最大レベルを超えて詳細の全てが失われてしまう。特に適した固有の変換関数を提供できる考え方は、これにより画像信号の特定の質および種類に関する処理のダイナミックレンジを制御する方法を適合させることができるため有利である。
本発明はこれに鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、特定の入力画像信号要求を考慮することができる考え方に基づいて出力画像信号を生成するために入力画像信号のダイナミックレンジ制御処理を含む信号復元方法および信号復元装置を明示することである。
上記方法に関して、前記目的は、最初の部分で述べた方法であって、
入力信号を供給するステップと、
前記入力信号の入力レンジを定めるとともに、前記出力信号の出力レンジを定めることにより、所定の量を決定するステップと、
ダイナミックレンジ制御処理の前記所定の量にしたがって前記入力信号を圧縮できる非線形変換特性として凸関数を選択するステップと、
前記入力信号を処理して、前記入力信号を前記凸関数によって変換するステップと、
前記処理の結果として前記出力信号を生成するステップと、
を含む。
上記装置に関して、前記目的は、最初の部分で述べた撮像装置であって、
入力信号を供給する入力手段と、
所定の量を決定するための手段であって、
前記入力信号の入力レンジを定めるための手段と、
前記出力信号の出力レンジを定めるための手段と、
を有する手段と、
ダイナミックレンジ制御処理の前記所定の量にしたがって前記入力信号を圧縮できる非線形変換特性として凸関数を選択するための計算手段と、
前記凸関数によって前記入力信号を変換するための処理手段と、
前記処理手段によって受けられる信号から出力信号を生成するための出力手段と、
を備える。
また、本発明は、コンピュータシステムによって読み取り可能な媒体上に記憶可能なコンピュータプログラムプロダクトであって、このプロダクトがコンピュータシステム上で実行される際に上記提供される方法をコンピュータシステムに実行させるソフトウェアコード部を含んでいるコンピュータプログラムプロダクトに関する。
提案された考え方は、信号復元中に画像信号を適切に処理することによりダイナミックレンジで信号変換を制御する有利な方法を特定したいという要望から生じたものである。本発明は、従来、例えば国際公開第９９／６２５２４号に記載されているようなダイナミックレンジ制御中に画像信号を処理するのに適した任意の種類の変換関数が考慮されていることに気が付いた。しかしながら、そのような一般的な手法は、特定の画像を特徴付けることができる特定の仕様を考慮していない。提案された考え方の背後にある主な考えは、入力信号を圧縮することができる変換特性を与えて、処理される入力画像の特定の要求に適合できるようにすることである。提案された考え方においては、ダイナミックレンジ制御処理の決定された量にしたがって入力信号を圧縮することができる非線形変換特性として凸関数が選択される。入力信号が処理される場合、入力信号は、ダイナミックレンジ制御処理の決定された量にしたがって凸関数により変換される。したがって、全ての内容、特に暗い部分に比べて明るい部分の内容が特に良く見える出力信号が生成される。従来の方法を用いて失われる情報は、変調深さの避けられない減少を伴うにもかかわらず有利に保たれる。
そのような利点は、少なくとも入力信号の入力レンジおよび出力信号の出力レンジを定めて、ダイナミックレンジ制御処理の量を決定することにより得られる。その結果、入力信号は、入力および出力信号の特定の要求にしたがって凸関数により変換される。したがって、各入力信号における質が最良となる。信号復元のために使用される装置の限界にしたがって方法が実現されても良い。
本発明の更に発展した構成が従属請求項に記載されている。
信号から得られたピーク値および／または露出平均値により入力レンジおよび／または出力レンジが決定されることが好ましい。そのような値は、信号の測定および／またはヒストグラム解析によって決定されても良い。信号としては輝度信号が特に適している。
入力信号のピーク値が前記出力レンジを越える場合に入力信号が都合良く圧縮される。画像のごく一部に関して、例えば画像の明るいシーン部分に関して入力信号が圧縮されることが望ましい。
ダイナミックレンジ制御処理の決定された量にしたがって凸関数が選択されることが最も好ましい。特に、入力レンジおよび／または出力レンジに応じて凸関数が選択される。凸関数は一般に上端が湾曲しており、したがって、少なくとも１つの値に関して負の曲率を有している。
好ましい構成において、凸関数は、互いの交点として１つのニーポイントを有する少なくとも第１および第２の部分によって形成されている。この場合、凸関数の前記第１の部分は、凸関数を形成するために、前記第２の部分の平均勾配を越える平均勾配を有していることが好ましい。ニーポイントがｘ座標およびｙ座標によって規定されても良い。この場合、ｙ座標がニーレベルに対応している。
前記ニーポイントは、前記第１の部分を前記第２の部分から分離する１つの特定のニーレベルで前記凸関数上に位置されていることが好ましい。前記凸関数の前記第１および第２の部分はそれぞれ、一定の勾配を有する一次関数によって形成されていることが最も有益である。そのような凸関数形態によれば、信号に関して特に有利な機能的適合を得ることができる。関数自体は、計算労力を低く維持できる程度に十分単純であり、特に便利な方法で信号に適合できる。以下、これらの形態および他の好ましい形態について説明する。
第１の変形例において、前記凸関数は、前記第２の部分の勾配を変化させることにより、特に同時にニーレベルを一定に維持することにより選択されても良い。
第２の変形例において、前記凸関数は、この凸関数のニーレベルを変化させることにより、特に同時に前記第２の部分の勾配を一定に維持することにより選択されても良い。
好ましい構成において、凸関数は、ダイナミックレンジ制御処理機能の量に応じて選択され、特に入力レンジおよび／または出力レンジに応じて選択される。この場合、第１の変形例の勾配の変化と第２の変形例のニーレベルの変化とを組み合わせて利用できる。
凸関数を選択するための特に好ましい基準は以下の通りである。すなわち、前記第２の部分の勾配の変化は、入力信号の前記入力レンジが所定の閾値レベルを超える場合に選択されることが好ましい。また、選択されたニーレベルが出力レンジを越える場合には、第２の部分の勾配を変化させることが好ましい。
画像信号は、最新の撮像装置で画像を描くのに適した任意の信号であっても良い。画像信号は、輝度成分および／または１または複数のクロミナンス成分を含んでいても良い多くの成分を有している。例えば、画像信号はＹ−ＵＶ−信号またはＲＧＢ−信号である。ダイナミックレンジ制御処理の前記所定の量は、Ｙ−信号、特にＲ−，Ｇ−，Ｂ−成分から得られるＹ−信号に基づいて決定され、あるいは、Ｒ−，Ｇ−，Ｂ−成分のうちの少なくとも１つの成分に基づいて決定されることが好ましい。
前述した考え方は、信号復元のための処理チェーンにおいて様々に実施されても良い。詳細な説明で図１を参照して更に詳細に説明するように、入力信号はデジタル信号であることが好ましい。
特に、デジタル信号はホワイト信号バランシングモジュールから受けられ、出力信号はガンマ制御モジュールに供給される。したがって、ダイナミックレンジ制御処理のために画像信号の全ての成分に対して所定の大きさの圧縮範囲を共通に有利に適用することができ、および／または、共通の凸関数によりその成分を処理することができる。
また、詳細な説明で図６を参照して更に詳細に説明するように、入力信号はアナログ信号であっても良い。そのような場合、入力信号は、センサ、特にセンサマトリクスから受けられ、出力信号は、特にアナログ・デジタル変換器に対して供給される。そのような場合には、具体的に、ダイナミックレンジ制御処理のための信号成分の少なくとも１つのまたは全てに対して特定の量の圧縮範囲が適用され、および／または、各成分に固有の決定された量にしたがって特定の凸関数により成分を変換することにより各成分が処理される。その結果、各成分は、各成分の有利な要求にしたがって個別に特定の方法で処理される。勾配および／またはニーレベルおよび／または入力レンジを選択するために各成分が使用されても良い。更に、特に輝度信号から共通の信号が選択されても良い。また、勾配および／またはニーレベルおよび／または入力レンジは、センサマトリクスおよび／または温度値にしたがって、信号の各成分毎に、特に１つの色成分に関して選択されても良い。
更に発展した構成において入力信号がアナログ信号である場合には、詳細な説明で図１０を参照してさらに詳細に説明するように、前記入力レンジおよび／または前記出力レンジがデジタル信号から決定されても良い。
ダイナミックレンジ制御処理と平行な１つのループ内で露出測定を行なうことが特に好ましい。また、ダイナミック制御処理と平行な１つのループ内でホワイトバランス制御を行うことも好ましい。前述した更なる発展した構成においては、露出測定のための１つの平行なループが与えられる。
更なる発展した構成の場合には特に、入力信号のオリジナルデータが検索されることが有益である。ダイナミックレンジ制御処理の量を決定するためには、オリジナルデータが最も信頼できるため、これらは、露出測定およびホワイトバランス制御に対して供給されることが好ましい。オリジナルデータは、逆非線形変換特性によって検索されることが好ましい。しかしながら、露出測定のためにヒストグラムが使用される場合には、これに代えて或いはこれに加えてヒストグラムストレッチャを適用することができる。
最大出力信号振幅をホワイトのピーク値に対して割り当てるために露出測定が制御されることが好ましい。特に、逆非線形変換特性が使用される場合、そのような制御は、増大するシーン照度でエラーを防止するために行なわれることが好ましい。
コンピュータプログラムプロダクトに関しては、ピーク値、露出平均値、入力レンジ、出力レンジ、温度値から成るグループから選択されるパラメータのうちの少なくとも１つに応じて非線形変換特性として凸関数を選択するためにダイナミックルックアップテーブルを計算するモジュールを備えていても良い。
コンピュータプログラムプロダクトは、特に、逆非線形変換特性として逆ダイナミックルックアップテーブルを計算するためのモジュールを備えていても良い。更なる構成において、入力信号がアナログ信号である場合、コンピュータプログラムプロダクトは、特に入力信号の少なくとも１つの成分において適合される特定のダイナミックルックアップテーブルおよび特定の逆ダイナミックルックアップテーブルを計算するモジュールを備えていても良い。
要約すると、暗い部分と明るい部分との間のコントラストが高いシーンにおいて特に興味深いダイナミックレンジ制御について説明してきた。両方の種類の部分が詳細な情報を含んでいる場合があるが、殆どの場合、信号復元処理中においては暗い部分に優先権が与えられる。そのような場合、シーンの暗い部分は、十分に視認できる内容を与えるレベルまで増幅される。これに対し、殆どの従来のケースでは、明るい部分が許容できる最大の信号振幅を超える場合があり、その際、この明るい部分がクリップされる。そのような手法により、殆どの場合、許容できる信号振幅の最大レベルを超えて詳細の全てが失われてしまう。特に、シーンの明るい部分を非線形変換関数によって圧縮することにより、入力信号の特定の要求を考慮することを提案する。好ましい構成においては、シーン、特にシーンの明るい部分が非線形変換関数によって圧縮される。変換関数は、所定量のダイナミックレンジ制御の要求にしたがって選択できる凸関数となるように選択される。そのような手法により、明るいシーン部分の内容を保持することができるが、これにより、変調深さが減少する場合もある。また、そのような内容は、失われることはなく、保持されて都合良く見ることができる状態に保たれる。第１の好ましい実施形態においては、ホワイトバランス制御の後でかつカメラのガンマ制御の前にダイナミックレンジ制御処理がデジタル信号に関して行なわれる。そのような場合、アナログ・デジタル変換器が幾らかの更なるビットを与えてダイナミックレンジ制御処理を行なえるようにしなければならない。第２の好ましい実施形態において、ダイナミックレンジ制御処理は、早い段階、すなわち、イメージセンサのオリジナルのアナログ信号に作用することが好ましいカメラの画像処理の「前段で」行なわれる。そのような場合、第１の好ましい構成よりも少ないビットを用いてアナログ・デジタル変換が有利に適用されても良く、また、デジタル信号が都合良く量子化される。適切な色を再現するため、非線形変換特性としての凸関数は、画像信号の少なくとも１つまたは全ての色成分に対して適用されることが好ましい。更なる発展した構成においては、入力信号がアナログ信号であり、出力信号がデジタル信号から決定される。提案された方法は、イメージセンサのＲＧＢカラー信号の１つの信号に対して適用されることが有益である。具体的には、特に適合されたルックアップテーブル（ＬＵＴ）を計算するためのモジュールを設けることにより、コンピュータプログラムが適合される。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。図面のこれらの特徴は、好ましい実施形態の詳細な説明との関連においてかつ従来技術との比較において、提案された考え方を明確にするための実施例を示そうとするものである。本発明の考慮されている好ましい実施形態を図示して説明するが、無論、本発明の思想や範囲から逸脱することなく、形式または内容において様々な変更や改良を容易に行なうことができることは言うまでもない。したがって、本発明は、ここで図示して説明するそのままの形式および内容に限定されるものではなく、また、ここに開示されかつ請求の範囲に記載された本発明の全体よりも狭い範囲に限定されるものでもない。また、本発明を開示する明細書本文、図面、請求の範囲に記載された特徴は、単独で或いは組み合わされて考慮される発明において欠くことができない。
以下の詳細な説明は、図面を伴っているとともに、以下の章を含んでいる。
１．マトリクス・ホワイトバランス制御後のダイナミックレンジ制御
１．１ ダイナミックレンジ制御における２つのタイプの変換特性
２．アナログ・デジタル変換器の前のダイナミックレンジ制御
２．１ 測定のために平行処理ループを用いるダイナミックレンジ制御
２．１．１ ニー変換時のマトリクスパラメータおよびホワイトバランスパラメータの影響
２．１．２ ＲＧＢセンサ信号におけるダイナミックルックアップテーブルの計算
２．２ 測定のための逆ダイナミックルックアップテーブルを用いたダイナミックレンジ制御
２．２．１ シーン照度の増大に伴う問題
付録：アナログセンサ信号に適用されるダイナミックレンジ制御の簡略化されたＲＧＢ復元
１．マトリクス・ホワイトバランス制御後のダイナミックレンジ制御
図１は、ＡＷＢ制御（自動ホワイトバランス）とガンマ処理との間に位置されたダイナミックレンジ制御（ＤＲＣ）を含む信号復元の構想のブロック図を示している。
ＲＧＢバイエルカラーアレーを有するイメージセンサの後には１２ビットＡＤＣ（アナログ・デジタル変換器）がある。無論、１２ビットＡＤＣは任意である。用途に応じて、それは１０ビット変換器から１６ビット変換器までの間の任意の変換器であっても良い。この場合、ダイナミックレンジ制御のために２ビットまたは３ビットが確保されるものとする。
画像のダイナミックレンジ制御処理を含む提案された信号復元方法は、各カラー毎に１０〜１６ビット深度を有するコンピュータ画像等の画像に関して適用されることが好ましい。８ビットまたはそれ以下のビット深度のコンピュータ画像においても同様に適用できるが、その場合、目に見える量子化（ｖｉｓｉｂｌｅ ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）の危険がある。
好ましい実施形態においては、ダイナミックレンジ制御のために２ビットを有する１２ビットＡＤＣが選択された。１０ビットを用いると１００％の信号振幅が得られる。これにより、４００％または１２ビットの信号振幅に対応する４ファクタの最大露出オーバーが可能になる。
１２ビットＡＤＣの後、バイエルカラーアレーに起因してＲＧとＧＢが交互に連続する列の形態を成す多重化されたデジタルＲＧＢ信号が得られる。ＲＧＢ復元後、それぞれが１２ビット量子化（ｖｉｓｉｂｌｅ ｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）を有する３つの連続するＲＧＢ信号が得られる。
センサマトリクス・ＡＷＢ制御によりカラー補正の後、平行ループでの自動露出（ＡＥ）測定がある。このＡＥユニットは、イメージセンサの露出時間を決定して制御するとともに、ＤＲＣパラメータを予測する。明確にするために述べておくと、ＡＥ制御は閉じたドループで最良に実行され、一方、ＤＲＣは予測コントローラであることが有利である。
ＡＤＣからＤＲＣに至るまで、各原色毎に１２ビットずつの３６ビットの量子化されたＲＧＢ信号が適用される。ＤＲＣ後、ＲＧＢデータは１色当り１０ビット（ＲＧＢにおいて３０ビット）だけから成り、これは１００％の信号振幅に対応する。図３は４倍のダイナミックレンジ圧縮を例示している。
図１のブロック図においては、ＡＥ測定が輝度Ｙ信号において実行され、そのうち、カラーテレビ伝送規約：Ｙ＝０．３×Ｒ＋０．９５×Ｇ＋０．１１×Ｂにしたがって任意のＲＧＢ重みが選択されるものとする。
輝度信号のＲＧＢ重みは、通常、ＮＴＳＣテレビシステムで使用される初期のＣＲＴ蛍光体の輝度作用によって得られる。今日、蛍光体の輝度出力は大きく向上され、それにより、全く異なる輝度作用（Ｙ＝０．２２Ｒ＋０．７１Ｇ＋０．０７Ｂ）および他の色域が生じている。ＵＳＡや日本等のＮＴＳＣ国を含む既知の技術の全てのビデオカメラにおいて、色域は新たなＣＲＴ蛍光体に適合されてきた。その結果、古い輝度重みは、テレビ信号の伝送についての取り決めだけに関与している。また、カメラとＣＲＴ色域とのマッチングにより、これらは色再現に全く影響を与えない。
ホワイトバランス制御処理後、ＲＧＢ信号は、ホワイトカラーの場合、等しくなるはずである。このことは、３つのＲＧＢ信号のそれぞれに対して同じダイナミックレンジ変換を有利に適用できることを意味している。同様に、同じガンマ変換を適用できる。ルックアップテーブル（ＬＵＴ）が使用される場合、ＤＲＣにおいては１つのＬＵＴだけで十分である。ルックアップテーブルについては後述する。
ＡＥ制御を実現しかつ動的圧縮量を決定する多くの方法が存在する。ＡＥ制御も動的圧縮測定もこの明細書の主題ではないので、全てのシーンの平均信号がＡＥ制御のために使用され、むしろ、動的圧縮を決定するために任意のピークホワイト検出器が使用されると仮定することができる。この章では、４倍圧縮を想定している（４０９６／１０２４）。これにより、ＤＲＣの前において、（２１２−１）＝４０９５の最大ピークホワイト振幅が得られる。マトリクス・ＡＷＢ制御によって簡単かつ単独で形成できる４０９５よりも大きいＤＲＣに対するＲＧＢ入力信号は、（２１０−１）＝１０２３の最大出力レベルに制限される。１２ビットＡＤＣはＲＧＢセンサ信号を最大値４０９５に既に制限してしまっている。ＲＧＢ復元がその値よりも大きいアーチファクトを加えるということはあまり起こりそうもないため、マトリクス・ＡＷＢ制御は、アーチファクトを生じる虞がある残されたたった１つの制御である。
１．１ ダイナミックレンジ制御における２つのタイプの変換特性
ニーレベルの適切な選択が図２に示されている。ニーポイントは、動的圧縮が始まるポイントであると見なすことができる。一般に、これは、どちらかと言うと任意であり、この章で更に説明する。
一般的な方法において、ダイナミックレンジ制御（ＤＲＣ）は、多くの場合、ニー制御と呼ばれる。したがって、ピークホワイトパラメータに加えて、ＤＲＣパラメータは、ワードニー、例えばニーレベルおよびニー圧縮を含んでいる。圧縮量は以下のように規定される。
ニー圧縮＝（最大出力レベル−ニーレベル）／（ピークホワイト−ニーレベル）
図２における最大出力レベルは１０２３であり、これは１０ビットの出力信号に対応している。
２つのタイプの特に有利なニー変換が存在する。これらは、この用途の一般的な部分においては、第１の変形および第２の変形と称されてきており、ここでは、ニータイプ１およびニータイプ２と称する。第１のニータイプはニーレベルが固定されている。そのため、ニーレベルを越える減衰は、図３に示されるように圧縮量に応じて変化する。圧縮画像の性能を考えた場合、小さな動的圧縮ファクタの急な曲線を使用するのは非常に不利である。これは、特に、殆どのシーンが比較的僅かな圧縮量しか必要としないからである。
第２のニータイプは所定の減衰をたどるため、ニーレベルが変化する。そのうちの一例が図４に示されている。画像性能の観点から、このニータイプは、小さな動的圧縮ファクタで幾つかの利点を有しており、実際の殆どのシーンをカバーする。しかしながら、高い圧縮ファクタでは、そのニーレベルが固定された第１のニータイプが更に有利である。両方のタイプのニー変換が組み合わされても良い。パラメータの適合性に応じて、これらのタイプのうちの一方が有利に選択されても良い。
両方のニータイプを組み合せると、性能が最も良くなるため、以下のソフトウェアの説明においては、ダイナミックレンジ制御の計算に両方のニータイプの組み合わせが適用されている。
｛変数の宣言、図５も参照｝
peakwhite ｛ダイナミックレンジ圧縮が無いピークホワイト｝
kneetype ｛ニーレベルが固定されたニータイプ１、圧縮が固定されたタイプ２｝
kneelevel {好ましいニーレベル}
newkneelevel {実際に適用されたニーレベル｝
refkneecompres {好ましい圧縮量}
kneecompres {実際に適用された圧縮}
zerointersection {Yin=0における圧縮ラインの交点}

{kneetypeに応じてnewkneelevelを計算する}
if peakwhite>4095 then peakwhite=4095
newkneelevel=1023
if peakwhite>1023 then {動的圧縮が望ましい}
begin {デフォルトニータイプ＝圧縮が固定されたニータイプ２、そのため}
kneecompres=refkneecompres
{ラインy2に関してzero intersection(Yin=0)を見つけて計算すると、
y2=zero intersection+kneecompres×newkneelevel(Yin方向)
y2ラインにおけるピークホワイトに関して計算すると、
1023=zero intersection+kneecompres×peakwhite、そのため}
zero intersection=1023-(kneecompres×peakwhite)
{ラインy1とラインy2との交点でnewkneelevelを見つける、
y1=1.0×newkneelevel
y2=zero intersection+kneecompres×newkneelevel}
if (1.0-kneecompres)<>0 then {0による割り算を避ける}
newkneelevel=zero intersection/(1.0-kneecompres)
else newkneelevel=1023
if newkneelevel<kneelevel then {ニータイプ＝１に行く}
begin
newkneelevel=kneelevel {ニーレベルを維持し、ニー圧縮値を見つける}
kneecompres=(1023-newkneelevel)/(peakwhite-newkneelevel)
end
２．ＡＤＣ前のダイナミックレンジ制御
従来のＩＣ技術は未だ図１に示されるように十分なビットをＡＤＣに与えることができないため、ＡＤＣの前にダイナミックレンジコントローラを用いることが必要になる。これは、ＡＤＣが（ＣＭＯＳ）イメージセンサ上または信号処理チップ上に集積されていなければならない場合であっても良い。ＩＣ技術を更に改良すれば、両方の選択肢を実現できるのは時間の問題であると考えられる。しかしながら、ここでは、ＡＤＣに先立って、すなわち、アナログ信号領域でＤＲＣが作用する２つの方法について考える。両方の方法は、第１章で説明した方法と全く同じように、ＡＥ制御および検出されたピークホワイトに応じてダイナミックレンジ圧縮量を予測する。アナログ信号を利用する第１の好ましい実施形態では、独立した平行測定回路を使用する。アナログ信号を使用する第２の好ましい実施形態は、非線形ＤＲＣを介して測定を行なうとともに、マトリクス／ＡＷＢ制御に続いて逆ニー変換を使用して、ＡＥ制御およびピークホワイト検出のために「オリジナル」データを再び検索する。第２．１章では、アナログ信号を処理する第１の実施形態について説明する。第２．２章では、アナログを処理する第２の実施形態について説明する。
２．１ 測定のために平行処理ループを用いるダイナミックレンジ制御
図６は平行処理ループおよびＡＥループを有するＤＲＣブロック図を示している。ＡＥループは、リニアセンサ信号を使用するため、非線形ＤＲＣから独立している。ダイナミックレンジ制御の量はこのＡＥループによって予測される。無論、ＡＥ測定は、ＤＲＣおよび１０ビットＡＤＣの場合と同様に、アナログ信号領域で完全に実現することができ、あるいは、センサそれ自体においても可能である。しかしながら、ここには、簡単なデジタルＡＥループが示されている（センサにおいても実施することができる）。
このデジタル測定ループは、たった８ビットのＡＤＣから開始される。８ビットは、測定目的においては十分であると考えられ、また、コンピュータシミュレーションによって検証された。多重化されたＲＧＢセンサ信号は、その後、２×２アレー内でピクセルを組み合わせることにより、３つの連続するＲＧＢ信号（図中の「ＲＧＢピクセル」）に変換される。これに関しては、その一例が付録に示されている。簡単なＲＧＢ信号復元の後、上側の真の信号経路の場合と同じマトリクス・ＡＷＢ制御が適用される。唯一の違いは、８ビット信号を扱っているという点である。その後、ＲＧＢ信号はＡＥ測定回路に供給される。真の信号経路において、１０ビットＡＤＣはアナログＤＲＣの後に適用される。ガンマ回路の直ぐ前の量子化は、図１のブロック図の場合と同じである。
ホワイトバランス制御後のＲＧＢ信号は、グレイカラーまたはホワイトカラーにおいて等しくなければならない。ＡＷＢ制御からマトリクスを介してアナログＤＲＣへと逆行すると、ＡＷＢ制御後に３つのＲＧＢ信号が依然としてホワイトカラーにおいて等しいということが殆ど有り得ないのは明らかである。これは、例えば、シーンの色温度が６５００Ｋに対応しかつマトリクスが単位マトリクス（ｕｎｉｔｙ ｍａｔｒｉｘ）の場合である。したがって、３ニーは、通常、アナログ信号の処理におけるこの第１の実施形態で与えられなければならない。
２．１．１ ニー変換時のマトリクスパラメータおよびホワイトバランスパラメータの影響
センサマトリクスは以下のようなａｘｘパラメータを使用する。すなわち、ホワイトバランスパラメータとマトリクスパラメータの合計との乗算が単位マトリクスである（ｉｎ ｕｎｉｔｙ）ことが絶対に必要である。
センサマトリクスが以下のようであるとすると、
ａ１１ ａ１２ ａ１３
ａ２１ ａ２２ ａ２３
ａ３１ ａ３２ ａ３３
測定されたホワイトバランスパラメータａｗｂＲ，ａｗｂＢが与えられる。そのような場合、以下の場合にだけ、前段で等しいアナログニー変換が得られる。
（ａ１１＋ａ１２＋ａ１３）×ａｗｂＲ＝１
（ａ２１＋ａ２２＋ａ２３）＝１
（ａ３１＋ａ３２＋ａ３３）×ａｗｂＢ＝１
そのような場合、逆ｂｘｘマトリクスは以下のように規定される。
ｂ１１ ｂ１２ ｂ１３
ｂ２１ ｂ２２ ｂ２３
ｂ３１ ｂ３２ ｂ３３
また、Ａ×Ｂ＝１であるとする。ここで、１は単位マトリクスである。
任意のシーン色温度が与えられると、ａｗｂＲパラメータおよびａｗｂＢパラメータは、測定されたホワイトバランスパラメータである。世界グレイ仮定方法（ＷＧＡ）にしたがって、以下のようになる。
ａｗｂＲ＝totalGreen/totalRed
ａｗｂＢ＝totalGreen/totalBlue
ここで、totalRed,totalGreen,totalBlueは、シーン全体にわたって測定されたＲＧＢカラー振幅の合計を表わしている。逆マトリクスの場合と同様に、各原色毎に前段のアナログＤＲＣのためのニー変換を見出すためには、逆ホワイトバランスパラメータも必要とされる。そのためには、いわゆるΣＸｉｗｂ−パラメータを最初に計算する必要があり、その後にＲＧＢ変換カーブがあるため、相当な計算能力が必要である。ここでは、以下の略語が使用される。すなわち、Σ＝シグマであり、Ｘ＝Ｒ，Ｇ，Ｂ原色である。
ΣＲｉｗｂ＝（１／ａｗｂＲ）×ｂ１１＋ｂ１２＋（１／ａｗｂＢ）×ｂ１
ΣＧｉｗｂ＝（１／ａｗｂＲ）×ｂ２１＋ｂ２２＋（１／ａｗｂＢ）×ｂ２３ ［１］
ΣＢｉｗｂ＝（１／ａｗｂＲ）×ｂ３１＋ｂ３２＋（１／ａｗｂＢ）×ｂ３３
図７は、前段のアナログＤＲＣのための３つの異なるニー変換の一例を示している。適用されるマトリクスは単位マトリクスであり、シーン色温度は約４０００Ｋ（ケルビン）である。レッドニーカーブの出力信号が１０ビットＡＤＣの最大値を１．２２のファクタ分だけ超えているのが分かる。そのため、１１ビットＡＤＣを適用しなければならず、あるいは、１０ビットバージョンを維持する場合には、最大出力レベルを２９−１＝５１１まで下げ、６５００Ｋの平均日光のホワイトよりも低い或いは高いシーン色温度に応じてレッドまたはブルーカーブにおいて１ビットを再び利用できるようにしなければならない。
単位マトリクスの場合には、逆マトリクスも同様に単位マトリクスである。その結果、ΣＸｉｗｂ−パラメータはホワイトバランスパラメータのみによって決定される。
ΣＲｉｗｂ＝１／ａｗｂＲ
ΣＧｉｗｂ＝１．０ ［２］
ΣＢｉｗｂ＝１／ａｗｂＢ
３２００Ｋの黒体放射は、原色に関して以下の割合を与える。
Ｒ：Ｇ：Ｂ＝１．４５：１．００：０．３７
ホワイトバランス制御後にＲ＝Ｇ＝Ｂとなるように、ホワイトバランスパラメータは以下のようにならなければならない。
ａｗｂＲ＝１／１．４５，ａｗｂＢ＝１／０．３７
その結果、
ΣＲｉｗｂ＝１．４５、 ΣＧｉｗｂ＝１．０、 ΣＢｉｗｂ＝０．３７
この場合、ニー変換の最大ＲＧＢ出力はそれぞれ、１０２３の最大出力の１．４５倍、１．０倍、０．３７倍となる
３００００Ｋの色温度の場合、以下のようになる。
Ｒ：Ｇ：Ｂ＝０．８５：１．００：１．８３
ここで、ニー変換後のブルーカラーの最大出力は、１０２３の最大出力の１．８３倍である。したがって、単位行列の場合、更に１ビット付加することによりＡＤＣの信号振幅を増大させるためのファクタは、３２００Ｋ〜３００００Ｋの色温度範囲においては十分である。ＡＤＣにおいて更に余分な１ビットが想定される場合、すなわち、全体で１１ビットになる場合、最大出力値は２１１−１＝２０４７である。実際には、ホワイトバランス回路は、オリジナルシーンの何らかのカラースフィアを維持するために、レッドゲインファクタ（利得係数）およびブルーゲインファクタをかなり低い色温度（３２００Ｋ）または高い色温度（３００００Ｋ）へと制限し始める。そのため、レッド振幅およびブルー振幅の増大はそれぞれ１．４５および１．８３よりも幾分小さい。
しかしながら、図６に示されるマトリクス・ＡＷＢ制御後の最大出力は１０２３を維持する。これは、ホワイトにおいてＲＧＢ振幅が等しいからである。また、図７のグリーンのニー変換が第１章で説明したマトリクス・ＡＷＢ制御後のＤＲＣの変換に対応している点に気付くことも重要である。
ホワイトバランスパラメータａｗｂＲ，ａｗｂＢが単位行列となる６５００Ｋの色温度の場合、１つの式を書くことができる。この場合、逆マトリクスパラメータが、２０４７の最大ＡＤＣ値に取って代えられるかどうかを決定する。この特定のケースは、マトリクスの適合において重要となり得るものであり、以下の説明で使用する。
６５００Ｋの色温度において、ΣＸｉｗｂパラメータを計算すると、
ΣＲｉｗｂ＝ｂ１１＋ｂ１２＋ｂ１３
ΣＧｉｗｂ＝ｂ２１＋ｂ２２＋ｂ２３ ［３］
ΣＢｉｗｂ＝ｂ３１＋ｂ３２＋ｂ３３
ＡＤＣの１１ビット範囲内に維持するためには、マトリクスのサイズを変更しなければならない場合がある。この目的のため、式［１］を使用して、色温度範囲の限界、この場合には３２００Ｋ〜３００００Ｋという範囲において、ΣＸｉｗｂ−値を計算しなければならない。そして、ΣＸｉｗｂ−値のうち最も大きい値をとらなければならない。そのうちの１つの値が２よりも大きい場合には、マトリクス全体に比例した調整を行なうことにより、２を下回るまでその値を下げなければならない。これにより、２０４７の最大出力値を超えない。逆に、６５００Ｋにおいて、ΣＧｉｗｂ−値（式［３］）が１よりも小さい場合には、マトリクス全体を比例して増大させることにより、ΣＧｉｗｂ−値が１となるようにしなければならない。これにより、センサ信号の良好な量子化を行なうことができる。しかしながら、最優先事項は、色温度範囲の限界に応じてマトリクスのサイズを変更することである。
この比例したマトリクス調整を明確にするため、既存のマトリクスの２つの例を示す。
第１の例：
マトリクス1(FTマトリクス) 3200K 6500K、30000K
2.000 -0.771 0.006 ΣRiwb=1.560 ΣRiwb=1.454、ΣRiwb=1.540
-0.238 0.762 -0.291 ΣGiwb=2.227 ΣGiwb=2.490、ΣGiwb=2.922
0.045 -0.384 0.915 ΣBiwb=1.256 ΣBiwb=2.066、ΣBiwb=3.155

３００００ＫにおけるΣＢｉｗｂは、２よりもかなり大きく、１．９９に調整される。その結果、以下のマトリクスおよび対応する逆マトリクスが得られる。
3.171 1.222 0.009 0.363 0.422 0.132
-0.377 1.240 -0.461 0.123 1.099 0.349
0.071 -0.609 1.451 0.034 0.440 0.829

当初のマトリクスのゲインが小さかった場合には、これにより同じ結果が得られる。全てのマトリクスパラメータを３．１７１／２．０００＝１．５８５５のファクタ分だけ再調整することにより、自動露出ゲインもまた、閉じられたＡＥループに起因して、マトリクスのために使用される逆ゲインファクタによって自動的に適合される。例えば当初のＡＥゲインが特定のシーンにおいて２．２７である場合、マトリクスの再調整後にＡＥゲインは３．６０になる。したがって、そのシーンにおけるＡＥループの総ゲイン（総利得）が維持される。
第２の例：
マトリクス2(CMOSマトリクス) 3200K 6500K、30000K
1.760 -0.599 0.415 ΣRiwb=1.010 ΣRiwb=0.694、ΣRiwb=0.539
-0.460 1.787 -0.130 ΣGiwb=0.852 ΣGiwb=0.781、ΣGiwb=0.760
-0.469 -0.469 2.908 ΣBiwb=0.441 ΣBiwb=0.594、ΣBiwb=0.851

いずれのΣＸｉｗｂ−値も２のファクタを超えていない。６５００ＫにおけるΣＧｉｗｂ−値は、１よりも小さいため、１．０に調整される。これにより、色温度限界に関し以下のΣＸｉｗｂ−値において更なるチェックを行なった後、以下のマトリクスが得られる。
3200K 6500K、30000K
1.375 -0.468 0.324 ΣRiwb=1.293 ΣRiwb=0.888、ΣRiwb=0.670
-0.359 1.396 -0.103 ΣGiwb=0.935 ΣGiwb=1.000、ΣGiwb=0.973
-0.362 -0.388 2.272 ΣBiwb=1.503 ΣBiwb=0.760、ΣBiwb=1.089
更なるチェックにより、いずれのΣＸｉｗｂ−値も２のファクタを超えていないことが明確になる。しかしながら、２を超えてしまうマトリクスがある。そのような場合には、他の調整が必要となる。逆マトリクスを以下に示す。
0.759 0.227 -0.098
0.207 0.787 0.006
0.163 0.172 0.424
図８は、マトリクス２の調整後におけるニー変換の結果を示している。当初のゲインは非常に大きい。サイズ変更されたマトリクスはニー変換を与え、特にグリーンは１０２３の最大ＲＧＢ出力上もしくはその近傍にあり、結果として量子化が良好である。
図７および図８においては、異なるニー変換に対してニータイプ＝２が適用された。色性能は、ニータイプ＝１（ニーレベルが固定されている）よりもニータイプ＝２（圧縮が固定されている）の方が若干良好である。ニータイプ＝２の場合、処理された画像の結果は、第１章で説明したように、マトリクス・ＡＷＢ制御後のニー処理の場合と同じである。ニータイプ＝１は、色および振幅の僅かな偏りを示す。また、センサマトリクスの重みもホワイトバランスの範囲もこの前段のニー処理の性能に影響を与えないことは言うまでもない。しかしながら、実施において、３つの異なるニー変換のために必要な範囲を認識することは重要である。
センサ信号が多重化された信号である場合、３つの異なるニー変換を実現するには、各カラー毎にニー変換を制御する選択スイッチが必要である。センサによって与えられた実際のカラーに応じてニーレベルＲ（Ｇ，Ｂ）およびピークＲ（Ｇ，Ｂ）を切り換えることにより、好ましい実施方法を達成することができる。図９は、１つの「ＲＧＢニー変換プロセッサ」を使用して３つの異なるニー変換を実現できる方法の一例を示している。このＲＧＢニー変換プロセッサは、センサカラーに関連付けられた段階（位相）で２つのスイッチを介してニーレベルおよびピーク設定を受ける。
２．１．２ ＲＧＢセンサ信号におけるダイナミックルックアップテーブル（ダイナミックラット（ｄｙｎａｍｉｃｌｕｔ））の計算
ここでは、以下においてダイナミックラットとも称されるＤＲＣのルックアップテーブル（ラット）を計算しなければならない。この処理も第１章で説明したようにＤＲＣにおいて考慮するため、４つのダイナミクラットが計算される。
｛変数の宣言｝
EXi {従来のDRCにおける単位マトリクス、さもなければ、前段のDRCにおけるΣXiwb}
dynamiclut^[k,i] {従来のDRC(k=0)および前段のDRC(k=1〜3)におけるニー変換、ハ゜ラメータiは入力位置を表わしている}
peakwhite {タ゛イナミックレンシ゛圧縮が無いヒ゜ークホワイト}
kneetype {ニータイフ゜=0:タ゛イナミックラットが適用されなかった、ニーレヘ゛ルが固定されたニータイフ゜=1、圧縮が固定されているニータイフ゜=2}
newkneelevel {第1.1章で既に計算された実際に適用されたニーレヘ゛ル}
kneecompres {実際に適用された圧縮}

{タ゛イナミックラットの計算の開始}
if (peakwhite>1023) and (kneetype>0) then {peakwhite<1024において、ニー変換は不要である}
for k=0 to 3 do {従来のDRCにおいてはk=0、前段のDRCにおいてはk=1〜3}
begin
case k of
0:EXi=1 {従来のDRC}
1:EXi=ERiwb
2:EXi=EGiwb
3:EXi=EBiwb
end{k case}
for i=0 to EXi*peakwhite do {peakwhiteもEXiと掛けられなければならない}
begin
if i>Exi*newkneelevel then {圧縮された変換部分}
j=Exi*newkneelevel+kneecompres*(i-EXi×newkneelevel)
else j=i {線形変換部分}
dynamiclut^[k,i]=j
end
for i=Exi*peakwhite+1 to 4095 do
dynamiclut^[k,i]=j {peakwhite+1を超えると、変換はフラット}
end
else if kneetype=0 then
begin {タ゛イナミックラットが適用されなかった}
for k=0 to 3 do for i=0 to 1023 do dynamiclut^[k,i]=i
for k=0 to 3 do for i=1024 to 4095 do、dynamiclut^[k,i]=255
end
{第2.2章で説明したアナロク゛DRCにおいては逆ラットが計算される}
if peakwhite>1023 then InverseDynamicLUT {この処理に関しては第2.2章参照}
ｋ＝０の場合、マトリクス・ＡＷＢ制御の後のダイナミックラットが結果であり、その一例が図５に示されている。第１章で既に述べたように、ＲＧＢに対して同じニー変換が適用される。
ｋ＝１〜３の場合、式［１］における逆マトリクスおよび逆ホワイトバランスパラメータに応じて、前段のＲＧＢセンサ信号に関して３つの異なるニー変換カーブが生じる。図７および図８は、これらのニー変換の２つの例を示している。逆センサマトリクスが固定されているため、ホワイトバランスパラメータが変化する度にこれらのアナログニー変換カーブが計算されなければならない。前段の３つの変換カーブがマトリクス・ＡＷＢ制御後に適用される動的圧縮のカーブと一致するのは、理想的な単位マトリクスおよび単位ホワイトバランスパラメータの場合だけである。
２．２ 測定のための逆ダイナミックＬＵＴを用いたダイナミックレンジ制御
ここでは、ＡＤＣの前に行なうアナログＤＲＣの第２の好ましい実施形態について考える。図１０のブロック図は、処理経路を介してＡＥ測定が実行され、したがって前段に非線形ＤＲＣを含んでいる状態を示している。
前段の３つの異なるニー変換は、マトリクス・ＡＷＢ制御後のダイナミックレンジ測定およびＡＥを乱す。したがって、測定を行なう前に逆ダイナミックラットを用いて輝度信号が最初に処理される。これにより、前段の非線形変換の効果が打ち消されるとともに、再びそこで何が起こるのかを予測することができる。逆ダイナミックラットに起因して、測定結果は第１章および第２．１章における結果と全く同じである。しかしながら、それは、シーンの照度が増大している場合には問題である。これは第２．２．１章で解明される
逆ダイナミックＬＵＴの処理については先の章で既に説明した。そして、ダイナミックルックアップテーブルの計算について記したソフトウェアの最後の規則は以下の通りである。
Ｐｅａｋｗｈｉｔｅ＞１０２３である場合、逆ダイナミックＬＵＴ
ここで使用される逆ダイナミックＬＵＴのソフトウェア処理は、可能な計算方法の１つであり、以下のように実現される。
逆ダイナミックＬＵＴ処理
｛変数の宣言｝
peakvalue, {1023または1023とpeakwhiteとの間の値}
maxdynalutvalue, {dynamiclut^[0,i]の最大値}
begin
{逆タ゛イナミックラットを計算}
for i=0 to newkneelevel do dynamiclut^[4,i]=i {線形ニー変換}
for i=newkneelevel+1 to peakvalue do
begin {タ゛イナミックラット[4]の逆数部分}
dynamiclut^[4,i]:=newkneelevel+(i-newkneelevel)/kneecompres
if i=peakvalue then {peakvalue後にmaxdynalutvalueを維持する}
maxdynalut=newkneelevel+(peakwhite-newkneelevel)/kneecompres
end
for i=peakvalue+1 to 4095 do
dynamiclut^[4,i]=maxdynalut
end {逆タ゛イナミックLUT処理の終了}
図１１は、前述したソフトウェアモジュールにおける変数ｄｙｎａｍｉｃｌｕｔ［４］、逆ダイナミックルックアップテーブルの一例を示している。従来のダイナミックルックアップテーブル、すなわち、図１に示されるガンマの前で作用するダイナミックルックアップテーブルは、前述したソフトウェアモジュールにおいては、変数ｄｙｎａｍｉｃｌｕｔ［０］によって表わされる。変数ｋｎｅｅｌｅｖｅｌから変数「ｐｅａｋｗｈｉｔｅ」への変数ｄｙｎａｍｉｃｌｕｔ［０］の圧縮が変数「ｋｎｅｅｃｏｍｐｒｅｓ」と等しい場合、逆変数ｄｙｎａｍｉｃｌｕｔ［４］の同じ部分における増幅は１／ｋｎｅｅｃｏｍｐｒｅｓとなる。例えば、「ｄｙｎａｍｉｃｌｕｔ［０］」における圧縮ファクタが０．２５である場合、「ｄｙｎａｍｉｃｌｕｔ［４］」においてゲインファクタは４となる。「ｄｙｎａｍｉｃｌｕｔ［０］」の出力を「ｄｙｎａｍｉｃｌｕｔ［４］」における入力として使用することにより、ピークホワイトまでの線形変換カーブが再び得られる。
マトリクス・ＡＷＢ制御後の最大輝度出力値が１０２３に制限されるため（入力は「ｄｙｎａｍｉｃｌｕｔ［０］」）、最初の時点で、１０２３に対する逆ダイナミックルックアップテーブルを実現すれば十分である。ＡＥ制御はループ状態で作用しているため、最大輝度出力としての１０２３の値をうまく超えることができる。したがって、１０２３を若干上回る「ｐｅａｋｖａｌｕｅ」、好ましくは１０２３と「ｐｅａｋｗｈｉｔｅ」との間の「ｐｅａｋｖａｌｕｅ」を適用するのがベターである。
図１１は２つの逆ダイナミックルックアップテーブルカーブを示している。そのうちの１つはｐｅａｋｖａｌｕｅ＝１０２３に関するものであり、もう１つはｐｅａｋｖａｌｕｅ＝ｐｅａｋｗｈｉｔｅに関するものである。
なお、ＡＥ測定においてヒストグラムが使用された場合には、ここで説明した逆ダイナミックラットの代わりに変数ｎｅｗｋｎｅｅｌｅｖｅｌ〜ｐｅａｋｗｈｉｔｅの制限内でヒストグラムストレッチャを適用することもできる。当初のヒストグラムを再び回復できるように、ヒストグラムストレッチは、ピークホワイトの限界まで処理されなければならない。
２．１．３ シーン照度の増大に伴う問題
前述したように、前段のＤＲＣにおいて逆ダイナミックルックアップテーブルを使用するという姿勢は、パラレル測定回路を使用する章で説明した方法におけるそれと同じである。シーン照度の減少に伴って何が起こり得るかについて説明する前に、自動露出ループの一般的な処理に付随する幾つかの変数についてまず説明する。
｛変数の宣言｝
measuredpeakwhite, {シーンの測定されたヒ゜ークホワイト値}
measuredAverage, {シーンの測定された平均値}
referenceAverage, {制御するための基準平均値}
measuredAEgain, {シーンからの測定された自動露出ケ゛イン}
Aegain, {イメーシ゛センサを制御するためのmeasuredAEgainとAEケ゛インとの積}
peakwhite {measuredAEgainと乗じられた測定されたヒ゜ークホワイト}
以下では、８個のステップにおいて、前段のＤＲＣおよび逆ダイナミックルックアップテーブルを用いたＡＥ制御の一般的な処理について説明する。
１．初期化で始まる。すなわち、ＡＥｇａｉｎ＝１．００に初期設定される。逆ダイナミックルックアップテーブルを含む全てのダイナミックルックアップテーブルが線形モードに設定される。
２．前段のＤＲＣ、復元、マトリクス・ＡＷＢにより、輝度信号が実現される。輝度信号の「ｍｅａｓｕｒｅｄＡｖｅｒａｇｅ」値および」「ｍｅａｓｕｒｅｄｐｅａｋｗｈｉｔｅ」値は、逆ダイナミックルックアップテーブルによって輝度信号を引き伸ばした後に測定される。「ｍｅａｓｕｒｅｄＡｖｅｒａｇｅ」値および「ｍｅａｓｕｒｅｄｐｅａｋｗｈｉｔｅ」値は、シーンの輝度ヒストグラムからも得ることができる。その場合、逆ダイナミックルックアップテーブルの代替案として、「ｎｅｗｋｎｅｅｌｅｖｅｌ」から「ｐｅａｋｗｈｉｔｅ」まで作用するヒストグラムストレッチャを用いることができる。逆ダイナミックルックアップテーブルによってヒストグラムが測定された場合には、無論、ヒストグラムストレッチャは不要である。
３．その後、以下のパラメータ、すなわち、ｍｅａｓｕｒｅｄＡＥｇａｉｎ 、ＡＥｇａｉｎ、ｐｅａｋｗｈｉｔｅが決定される。
measuredAEgain=referenceAverage/measuredAverage
AEgain=AEgain×measuredAEgain
自動露出制御は、最終的にＡＥｇａｉｎがイメージセンサの露出時間を制御する閉じたループである。
peakwhite=measuredAEgain×measuredpeakwhite
５．逆ダイナミックルックアップテーブルに起因するシーン輝度の増大時のエラーを防止するためには、以下の規則が必要である。
peakwhite<=1023である場合には、AEgain=measuredAEgain×1023/peakwhite
６．peakwhite>1023である場合には、newkneelevelを計算する(第１．１章参照)
７．peakwhite>1023である場合には、dynamiclutsを計算する（第２．１．２章参照）
８．次に、逆ダイナミックルックアップテーブルを計算する（第２．２参照）
peakwhite>1023である場合には、逆ダイナミックＬＵＴ
最後に、ＡＥ測定がステップ２において再開される（以下同様）。
以下、図１２および先に概説したＡＥ制御における一般的な処理を用いて、シーン照度が約１００％から４０％へ減少する場合に何が起こるかについて説明する。結果は、１００％の照度で始まる最初の図から描かれている。色温度が６５００Ｋで単位マトリクスであるとする。その結果、前段のダイナミックＲＧＢルックアップテーブルが等しくなる。
ステップ１の初期化において、ＡＥｇａｉｎ＝１．００であり、全てのルックアップテーブルがリニアに設定される。図１２におけるＡ〜Ｄの全ての状況において、ｒｅｆｅｒｅｎｃｅＡｖｅｒａｇｅ＝５１２であり、ｋｎｅｅｔｙｐｅ＝２においてｋｎｅｅｃｏｍｐｒｅｓ＝０．２５である。シーンの測定されたヒストグラムが図１２の一番上にあるＡ＝ｓｔａｒｔに示されている。輝度ヒストグラムの水平軸は、２ｎ個のセグメントに分割された信号振幅を表わしている。１０ビットＡＤＣを用いると、ｎを６〜１０の間すなわち６４個のセグメント〜１０２４個のセグメントの間で選択できる。垂直軸は、全てのシーンの幾つのピクセルが水平のグレイセグメントの値と一致しているかを表わしている。全ての水平セグメントにおける計算値を加えると、シーンのピクセルの総数が得られる。右側には、プログラムステップ２〜８の実行後において測定されて計算されたパラメータが示されている。図示のダイナミックルックアップテーブルもステップ８の実行後において得られる。ステップ３の最中に以下が計算される。
measuredAEgain=512/348=1.47,AEgain=1.00×1.147=1.47,peakwhite=1.47×1004=1476
図１２の状況Ｂに示される第２のループにおいては、ステップ２〜８が繰り返される。ここでは、ＲＧＢダイナミックルックアップテーブルが起動され、逆ダイナミックルックアップテーブルによりヒストグラムが測定された。AEgain、「peakwhite」、「newkneelevel」パラメータが維持される。適用された１．４７の「ＡＥｇａｉｎ」に起因して、測定されたパラメータだけが変化した。シーン照度に何も変化がない場合には、その後のＡＥ測定ループサイクルの間、図１２の状況Ｂが維持される。
図１２の状況Ｃにおいては、シーン照度が１００％から４０％に下げられる。測定されたヒストグラムは振幅（水平軸である）が２．５倍減少する。その結果、「ｍｅａｓｕｒｅｄＡｖｅｒａｇｅ」値および「ｍｅａｓｕｒｅｄｐｅａｋｗｈｉｔｅ」値も２．５のファクタ分だけ減少する。２．５のファクタの照度損失を補償するため、「ｍｅａｓｕｒｅｄＡＥｇａｉｎ」が２．５倍増大され、最終的な「ＡＥｇａｉｎ」は１．４７×２．５＝３．６８となる。
状況Ｄにおいては、照度変化がＡＥｇａｎによって補償された。また、そのパラメータに加え、他の全てのパラメータは状況Ｂにおける場合と同じである。
結論として、シーン照度が減少する場合、逆ダイナミックルックアップテーブルを使用する方法は、パラレルＡＥ測定を用いた第２．１章の方法と同じ手段をとる。
なお、ステップ５は全く行なわれなかった。これは、「ｐｅａｋｗｈｉｔｅ」が１０２３よりも大きかったからである。
しかしながら、シーン照度が増大する場合には、暫定的に一般的なＡＥ測定のステップ５が省略されると、問題が生じ得る。これについては、図の最初の照度を４０％から元の１００％へ再び増大させることにより説明する。
図１３は状況Ｄから始まる。この状況Ｄは、図１２の状況Ｄからコピーされたものである。
図１３の状況Ｅにおいて、照度は１００％まで増加されている。ＡＥｇａｉｎに起因して、スチルは３．６９であり、ダイナミックルックアップテーブルに引き続いて逆ダイナミックルックアップテーブルが作用し、１４７６を上回る全ての輝度値がその値に制限される（クリップされる）。多くのデータがクリップされると、測定されたピークホワイトに対応する値１４７６の近傍で大きなヒストグラムセグメントが生じる。測定された平均も同様に非常に大きくなる（９８８）。ステップ２により以下のパラメータが得られる。
measuredAEgain=988/512=0.52,AEgain=3.69×0.52=1.92,peakwhite=0.52×1476=768
一般的な処理のステップ６，７，８は行なわれない。これは、ピークホワイトが１０２３よりも大きくないからである。これにより、先の（逆）ダイナミックルックアップテーブルが維持される。
一般的なＡＥ処理のステップ５を省くことにより、中間状態Ｅは、最終的に、すなわち、２つのループが既に終わった後、安定した状況であると考えられる状況Ｆになる。ダイナミックルックアップテーブルおよび結果として状況Ｆの右側に示される全ての他のパラメータは、図１２に示される望ましい状況Ｂとは明らかに異なる。これは、シーンデータの一部が依然としてクリップされるという事実によって引き起こされる。ピークホワイトは望ましいピークホワイト値ではない。これは、ヒストグラムの最後のセグメントが規定されていない大きさのクリップデータを含んでいるからである。したがって、どのくらいの量のデータがクリップされたかを表わす解決法を適用することができない。ソフトウェアシミュレーションにより明らかなように、ステップ６，７，８においてピークホワイトが１０２３よりも大きくなければならないという条件を省くと、ＡＥ制御が不安定になる。
無論、他の解決策も可能である。ここで適用される解決策は、一般的なＡＥ処理にステップ５を加える。前述したように、図１３の状況Ｅにおいてはステップ６，７，８が実行されない。ピークホワイトが１０２３よりも小さいため、以下のようにステップ５が作用するようになる。
AEgain=neasuredAEgain×1023/peakwhite=0.52×1023/768=0.69
ステップ５が実行されている状態で、状況Ｅにおける全てのパラメータは、あたかもステップ５が省略されてしまっている場合と同じである。唯一の違いは、１．３３である「ＡＥｇａｉｎ」に関するものである。次のループでは、望ましいダイナミックルックアップテーブルが既に見つけられており、そのヒストグラムが引き伸ばされた次のループ状況Ｆｐが図１３に示されている。図示のように、状況Ｆｐは図１２の状況Ｂと非常に似通っている。
最終的に、以下の点を言及しなければならない。
１．ループ内でステップ５を使用すると、ＡＥ制御において非常に興味深い利点が得られる。例えばステップ５が実行されることなく白紙上の文字が測定される場合には、Ａｅｇａｉｎが幾分０．５よりも大きくなる。白紙に対応する信号振幅は、約５０％になり、したがって白紙の代わりにグレイとして表示される。ステップ５が実行された状態では、Ａｅｇａｉｎは約１．０であり、そのため、紙のホワイトは１００％の信号振幅を受ける。
２．「ｐｅａｋｗｈｉｔｅ」の検出は、イメージセンサの「ｗｈｉｔｅｃｌｉｐ」レベル未満で行なわれなければならない。この処理は、ＤＲＣと共にＡＥ制御において組み込まれても良い。ＡＥ制御ループのソフトウェアシミュレーションに対しては時定数が全く適用されなかった。
付録：前段のＤＲＣにおける簡略化されたＲＧＢ復元
図１４は、アナログＤＲＣが前段に適用された場合におけるパラレルＡＥ測定のための簡略化された復元を示している。Ｇ２ピクセルは、センサによって与えられた現在のピクセルと見なされる。前回のレッドピクセルは、ピクセル遅延を通過しており、Ｇ２と同じ時間で利用できる。前回の横列のＧ１ピクセルは、１つの横列およびピクセル遅延により、Ｇ２と時間が一致している。Ｇ１ピクセルおよびＧ２ピクセルは組み合わされて１つのグリーンピクセルとなる。また、ブルーピクセルは、横列遅延により、Ｇ２と時間が一致されている。ここで、Ｇ２ピクセルが存在すると、３つのパラレルなＲＧＢ信号を利用できる。しかし、偶数の横列および偶数の縦列の場合だけである。図１４に示されないピクセルクロックの速度の半分のサンプル／ホールドにより、偶数横列において連続的なＲＧＢ信号を実現できる。奇数の横列の場合、ＲＧＢ信号は生成されない。図１５に示されるように、偶数横列中にＡＥ測定だけが行なわれる。奇数横列に存在するブルーピクセルに応じた遅延素子間の多数のスイッチにより、連続的なＲＧＢ信号を奇数横列内で同様に実現することができる。しかしながら、ＡＥ測定において、これは不必要である。
前述した簡略化されたＲＧＢ復元は、ＣＣＤおよびＣＭＯＳセンサに適用することができる。無論、ここでは説明しない更なる横列遅延を犠牲にすれば、センサクロック速度の１／４の連続した測定信号を実現することができる。それぞれの連続する測定信号が図１６に示されている。
アナログ・デジタル変換器の後であって、マトリクスモジュール・ホワイトバランスモジュールの次に自動露出測定およびダイナミックレンジ制御がデジタル信号に対して適用される信号復元方法の第１の好ましい実施形態である。 非線形変換特性として凸関数を選択するための好ましい方式である。 その第２の部分でニーレベルが固定されかつ圧縮が変化する凸関数の第１の好ましい実施形態である。 ニーレベルが変化しかつその第２の部分で圧縮が固定された凸関数の第２の好ましい実施形態である。 ニーレベルの計算のためのモジュールのパラメータが規定された凸関数の典型的な実施形態である。 アナログ・デジタル変換器が適用される前にイメージセンサのアナログ信号に対して自動露出制御およびダイナミックレンジ制御が適用される信号復元方法の第２の好ましい実施形態である。 一組の特定のニー変換関数の概略図であり、各ニー変換関数はそれぞれ、信号復元方法の第２の好ましい実施形態にしたがって処理される画像信号の各カラー成分毎に凸非線形変換特性として使用される。 良好な量子化を得るためのマトリクスの適合として使用される、基本的に図７に示された凸関数の計算されたバージョンである。 変数「ｋｎｅｅｌｅｖｅｌ」「ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ」に関する第２の好ましい実施形態にしたがった凸関数の処理および選択を示す流れ図である。 ダイナミックレンジ制御処理がアナログ信号に対して適用されかつ自動露出制御がデジタル信号に対して適用された、図６〜図８に示された信号復元方法に類似する信号復元方法の第３の実施形態である。 対応するソフトフェアコード部によって計算された逆ダイナミックルックアップテーブルの一例の概略図である。 シーン照度が１００％〜４０％の範囲で異なる画像の幾つかの典型的なヒストグラムである。 シーン照度が４０％〜１００％の範囲で異なる場合の図１２と同様の図である。 図６および図１０のそれぞれに示された方法の第２または第３の好ましい実施形態で使用されるセンサピクセルクロックの半分の偶数横列における簡略化されたＲＧＢ復元である。 図１４のＲＧＢ復元において使用される偶数横列での連続ＲＧＢ測定信号を生成する自動露出測定の方式である。 センサクロック速度の１／４で適用可能な連続ＲＧＢ測定信号を生成する自動露出測定の更なる方式である。

Claims (34)

  1. 画像の出力信号を生成するために画像の入力信号のダイナミックレンジ制御処理を含む信号復元方法であって、
    前記入力信号を供給するステップと、
    前記入力信号の入力レンジを定めるとともに、前記出力信号の出力レンジを定めることにより、所定の量を決定するステップと、
    ダイナミックレンジ制御処理の前記所定の量にしたがって、前記入力信号を圧縮できる非線形変換特性として凸関数を選択するステップと、
    前記入力信号を処理して、前記入力信号を前記凸関数によって変換するステップと、
    前記処理の結果として前記出力信号を生成するステップと、
    を含む方法。
  2. 前記信号から得られる、特に前記信号の測定および／またはヒストグラム解析によって得られる、特に輝度信号から得られる、少なくとも１つのピーク値および／または露出平均値を使用して、前記入力レンジおよび／または前記出力レンジを決定する、請求項１に記載の方法。
  3. 前記入力信号のピーク値が前記出力レンジを越える場合に前記入力信号が圧縮される、請求項１または２に記載の方法。
  4. 前記画像のごく一部に関して前記入力信号が圧縮される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記入力レンジおよび／または前記出力レンジに応じて前記凸関数が選択される、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 前記凸関数は、互いの交点として１つのニーポイントを有する少なくとも第１および第２の部分によって形成され、前記凸関数の前記第１の部分は、前記第２の部分の平均勾配を越える平均勾配を有している、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記ニーポイントは、前記第１の部分と前記第２の部分とを分離する１つの特定のニーレベルで前記凸関数上に位置されている、請求項６に記載の方法。
  8. 前記凸関数の前記第１および第２の部分はそれぞれ、一定の勾配を有する一次関数によって形成されている、請求項６または７に記載の方法。
  9. 前記凸関数は、前記第２の部分の勾配を変化させることにより、特に同時にニーレベルを一定に維持することにより選択される、請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記凸関数は、この凸関数のニーレベルを変化させることにより、特に同時に前記第２の部分の勾配を一定に維持することにより選択される、請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記凸関数が前記入力レンジおよび／または前記出力レンジに応じて選択され、前記勾配の変化と前記ニーレベルの変化とを組み合わせが利用できる、請求項６から１０のいずれか一項に記載の方法。
  12. 前記第２の部分の勾配の変化は、前記入力信号の前記入力レンジが所定の閾値レベルを超える場合に選択される、請求項６から１１のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記画像信号は、多くの成分、特に輝度成分および／または１または複数の色成分を含んでいる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記画像信号がＹ−ＵＶ−信号またはＲＧＢ−信号によって形成される、請求項１３に記載の方法。
  15. ダイナミックレンジ制御処理の前記所定の量は、Ｙ−信号、特にＲ−，Ｇ−，Ｂ−成分から得られるＹ−信号に基づいて決定され、あるいは、Ｒ−，Ｇ−，Ｂ−成分のうちの少なくとも１つの成分に基づいて決定される、請求項１から１４のいずれか一項に記載の方法。
  16. 前記入力信号がデジタル信号である、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
  17. 前記デジタル信号がホワイト信号バランシングモジュールから受けられ、特に、前記出力信号がガンマ制御モジュールに加えられる、請求項１６に記載の方法。
  18. ダイナミックレンジ制御処理のために前記画像信号の全ての成分に対して所定の大きさの圧縮範囲が共通に適用され、および／または、前記画像信号の全ての成分に共通する凸関数により前記成分が処理される、請求項１６または１７に記載の方法。
  19. 前記入力信号がアナログ信号である、請求項１から１５のいずれか一項に記載の方法。
  20. センサ、特にセンサマトリクスから前記入力信号が受けられ、特に前記出力信号がアナログ・デジタル変換器に対して加えられる、請求項１から１５または１９のいずれか一項に記載の方法。
  21. 前記画像信号の成分のうちの少なくとも１つは、この少なくとも１つの成分に関して特に決定されたダイナミックレンジ制御処理の所定の量にしたがって特定の凸関数により前記少なくとも１つの成分を変換することによって処理される、請求項１から１５または１９から２０のいずれか一項に記載の方法。
  22. 前記勾配および／または前記ニーレベルおよび／または前記入力レンジは、特定の信号成分、特に輝度信号から決定されるとともに、全ての信号成分に関して選択される、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
  23. 前記勾配および／または前記ニーレベルおよび／または前記入力レンジは、センサマトリクスおよび／または前記画像の温度値にしたがって、前記信号の各成分毎に、特に１つの色成分に関して選択される、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
  24. 前記入力レンジおよび／または前記出力レンジがデジタル信号から決定される、請求項１から１５または１９から２３のいずれか一項に記載の方法。
  25. 前記ダイナミックレンジ制御処理と平行な１つのループ内で露出測定が行なわれる、請求項１から１５または１９から２４のいずれか一項に記載の方法。
  26. 前記ダイナミックレンジ制御処理と平行な１つのループ内でホワイトバランス制御が行なわれる、請求項１から１５または１９から２５のいずれか一項に記載の方法。
  27. 前記入力信号のオリジナルデータが検索され、前記オリジナルデータが露出測定およびホワイトバランス制御に対して供給される、請求項２５または２６に記載の方法。
  28. 前記入力信号の前記オリジナルデータが逆非線形変換特性によって検索される、請求項２７に記載の方法。
  29. 最大出力信号振幅をホワイトのピーク値に対して割り当てるために前記露出測定が制御される、請求項２７または２８に記載の方法。
  30. 出力画像信号を生成するために入力画像信号のダイナミックレンジ制御処理を行なう手段を備える信号復元のための撮像装置において、
    入力信号を供給する入力手段と、
    所定の量を決定するための手段であって、前記入力信号の入力レンジを定めるための手段と、前記出力信号の出力レンジを定めるための手段と、を有する手段と、
    ダイナミックレンジ制御処理の前記所定の量にしたがって、前記入力信号を圧縮できる非線形変換特性として凸関数を選択するための計算手段と、
    前記凸関数によって入力信号を変換するための処理手段と、
    記処理手段によって受け取られる信号から前記出力信号を生成するための出力手段と、
    を備える撮像装置。
  31. コンピュータシステムによって読み取り可能な媒体上に記憶可能なコンピュータプログラムであって、このプログラムがコンピュータシステム上で実行される際に請求項１から３０のいずれか一項に記載の方法を前記コンピュータシステムに実行させるソフトウェアコード部を含んでいるコンピュータプログラム。
  32. ピーク値、露出平均値、入力レンジ、出力レンジ、温度値から成るグループから選択されるパラメータのうちの少なくとも１つに応じて非線形変換特性として凸関数を選択するためにダイナミックルックアップテーブルを計算するモジュールを備えている請求項３１に記載のコンピュータプログラム。
  33. 逆非線形変換特性として逆ダイナミックルックアップテーブルを計算するためのモジュールを備えている、請求項３１または３２に記載のコンピュータプログラム。
  34. 前記入力信号がアナログ信号である場合には、特に前記入力信号の少なくとも１つの成分において適合されるダイナミックルックアップテーブルおよび／または逆ダイナミックルックアップテーブルを計算するモジュールを備えている、請求項３１から３３のいずれか一項に記載のコンピュータプログラム。
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