JP2006191307A - 撮像装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水平ライン数及びクロック周波数を変更せずに、フレーム周波数が整数となるような可変速撮影を行う。
【解決手段】 ビデオカメラ１は、１Ｈｚ〜３０Ｈｚまで１Ｈｚきざみでフレーム周波数Ｆ_Ｒが設定され、設定されたフレーム周波数Ｆ_Ｒに応じた同期発生パターンにより垂直及び水平同期信号を発生する同期信号発生部１３を備えている。同期発生パターンは、１秒間を１周期として繰り返され、１周期中にＦ_Ｒ回の垂直同期信号を発生し、各フレーム中にＮ_Ｖ回の水平同期信号を発生するパターンが設定されている。同期発生パターンには、各フレームのクロック数のばらつきがｍクロック以下となるように垂直同期信号の発生タイミングが設定されているとともに、各水平ラインのクロック数が少なくとも水平方向の有効画面部分以上となり、且つ、１周期の総クロック数が（ｆ_ＣＬＫ）となるように、水平ライン毎に水平同期信号のタイミングが設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮影速度（フレーム周波数）の変更機能を有する撮像装置及び方法に関するものである。

映画やコマーシャルフィルム、スポーツ中継等で特殊な映像効果を得るために、撮影速度（フレーム周波数、フレームレート）を変更して撮影する可変速撮影を行うことがある。可変速撮影を行う理由は、高速度で撮影したものを通常の速さで再生すればスローモーション効果を得ることができ、低速度で撮影したものを通常速度で再生すればコマ落とし効果により高速で動いているように見えるからである。このような可変速撮影は、フィルムカメラでは古くから使われてきた撮影方法であるが、近年、電子式のビデオカメラでもこのような撮影方法を取り入れるようになってきた。

ＣＣＤ撮像素子やＣＭＯＳ撮像素子などの固体撮像素子を使ったカメラや、デジタル信号処理によって映像信号処理を行うカメラでは、その信号処理は、基本クロック（マスタークロック）を基準に行われる。例えば、一般的な高品位画像（ＨＤ）を撮影可能な電子式カメラ（以下、ＨＤカメラという。）では、７４．２５ＭＨｚの周波数の基本クロックを基準にして、固体撮像素子の駆動及びデジタル信号処理を行う。

７４．２５ＭＨｚの周波数の基本クロック（ｆ_ＣＬＫ）を用いるのは、ビデオ映像信号の水平走査期間のクロック数（水平クロック数）、垂直走査期間のライン数（水平ライン数）及びフレーム周波数との間に、以下の関係が成り立つためである。

水平クロック数 × 水平ライン数 × フレーム周波数 ＝ クロック周波数

すなわち、６０フィールドインターレース走査のビデオ映像信号（６０Ｉ）、又は３０フレームプログレッシブ走査のビデオ映像信号（３０Ｐ）は、水平クロック数＝２２００、水平ライン数＝１１２５、フレームレート＝３０Ｈｚであるので、次のような関係が成り立つためである。

2200 * 1125 * 30 (Hz) = 74,250,000 (Hz)

ところで、可変速再生をするためには、フレーム周波数を変更しなければならない。しかしながら、水平ライン数（走査線数）又はクロック周波数を調整して、フレーム周波数を変更することは、非常に困難である。そのため、通常、水平クロック数を変更することによって、フレーム周波数を変更し、可変速撮影を行うこととなる。例えば、映画と同じコマ数の２４フレームプログレッシブ走査（２４Ｐ）にする場合は、以下に示すように、水平クロック数を２７５０クロックに調整することにより行われる。
2750 * 1125 * 24 (Hz) = 74,250,000 (Hz)

ここで、フレーム周波数を１（Ｈｚ）から３０（Ｈｚ）まで１（Ｈｚ）刻みで自在に変更することができるＨＤカメラを実現する場合について考える。

以下の表１に、フレーム周波数を１（Ｈｚ）から３０（Ｈｚ）まで１（Ｈｚ）刻みで可変にした場合のＨＤカメラの各パラメータの関係を示す。

この表１を見るとわかるように、フレーム周波数によっては水平クロック数が整数にならない場合が存在する。

水平クロック数が整数でないと、デジタルの処理システムが成り立たない。そのため、水平クロック数の小数点以下を四捨五入して整数に丸める必要がある。

水平クロック数の小数点以下を四捨五入して整数に丸めた場合における、フレーム周波数を可変するＨＤカメラの各パラメータの関係を、以下の表２に示す。

この表２に示すように、水平クロック数を変更すれば、可変速撮影を行うことができる。

ところが、表２を見ると、実は、フレーム周波数が整数になっていない。

もっとも、フレーム周波数が２９（Ｈｚ）の映像と２８．９９８（Ｈｚ）の映像の違いを人間が感知することはまず不可能であるので、１台のＨＤカメラによる可変速撮影を行う場合には、このことは特に大きな問題とはならない。

しかしながら、放送局で複数のカメラを用いてライブ中継を行う場合や、ドラマ撮影など複数のカメラで撮影し、後に編集する場合などは、複数のカメラを同時に用いる。このような場合、それぞれのカメラのフレーム位相が同期していないと都合が悪い。

このように複数のカメラで同時に撮影し、かつフレームレートの異なるカメラが混在しているような場合、例えば、通常の６０フィールドインターレース動作（６０Ｉ）のカメラと２４フレームプログレッシブ動作（２４Ｐ）のカメラと１０フレームプログレッシブ（１０Ｐ）のコマ落とし動作のカメラが混在している場合、それぞれのカメラのフレーム同期をロックさせようとすると、１秒間に１度必ずフレーム位相が揃うような関係にあることが、システムを構成し運用する上で都合が良いといえる。

それぞれのカメラが常にこのような関係を保つということは、すなわち、それぞれのカメラのフレーム周波数が、小数点以下の半端の値を持たない整数値であるということを意味する。

つまり、複数のカメラで同時に撮影し、かつフレームレートの異なるカメラが混在している場合には、基本クロック周波数を固定にしたまま、水平クロック数、水平ライン数、フレーム周波数が全て常に整数値であることが、簡便に同期システムを構成することができる条件となる。

本発明は、このような問題を解決するものであり、水平ライン数（走査線数）及びクロック周波数を変更せずに、水平クロック数のみを調整して、フレーム周波数（１秒間のフレーム数）を任意の整数としたフレーム周波数変更を自在に行うことができる撮影装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明に係る撮像装置は、フレーム周波数Ｆ_Ｒ（Ｆ_Ｒは自然数）が変更自在に設定されるレート設定部と、周波数ｆ_ＣＬＫの基本クロックを発生する基本クロック発生部と、フレームの開始タイミングを示す垂直同期信号と、フレームを構成するＮ_ｖ本の水平ラインの開始タイミングを示す水平同期信号とを上記基本クロックに同期させて発生する同期信号発生部と、複数の光電変換素子により被写体を撮像し、上記同期信号発生部から発生された垂直同期信号及び水平同期信号に従って複数の光電変換素子から信号を読み出して、当該垂直同期信号及び水平同期信号に同期した撮像信号を出力する撮像部と、上記撮像部から出力された撮像信号から、有効画面部分の信号を抽出する抽出部とを備え、上記同期信号発生部は、設定された上記フレーム周波数Ｆ_Ｒに基づき垂直同期信号及び水平同期信号の発生タイミングが示されている同期発生パターンを生成し、生成した同期発生パターンに従い垂直同期信号及び水平同期信号を発生し、上記同期発生パターンは、ｎ秒間（ｎは自然数）を１周期として繰り返されるパターンであり、上記同期発生パターンには、１周期中に（ｎ×Ｆ_Ｒ）回の垂直同期信号を発生し、各フレーム中にＮ_Ｖ回の水平同期信号を発生するように、垂直同期信号及び水平同期信号の発生タイミングが設定されており、さらに、上記同期発生パターンには、各フレームのクロック数のばらつきがｍクロック（ｍは自然数。）以下となるように垂直同期信号の発生タイミングが設定されているとともに、各水平ラインのクロック数が少なくとも水平方向の有効画面部分以上となり、且つ、１周期の総クロック数が（ｎ×ｆ_ＣＬＫ）となるように、水平ライン毎に水平同期信号の発生タイミングが設定されていることを特徴とする。

本発明に係る撮像方法は、フレーム周波数Ｆ_Ｒ（Ｆ_Ｒは自然数）が変更自在に設定され、周波数ｆ_ＣＬＫの基本クロックを発生し、フレームの開始タイミングを示す垂直同期信号及びフレームを構成するＮ_ｖ本の水平ラインの開始タイミングを示す水平同期信号の発生タイミングが示されている同期発生パターンを、設定された上記フレーム周波数Ｆ_Ｒに基づき生成し、生成した同期発生パターンに従い、上記基本クロックに同期させた垂直同期信号及び水平同期信号を発生し、複数の光電変換素子により被写体を撮像し、発生された上記垂直同期信号及び水平同期信号に従って複数の光電変換素子から信号を読み出して、当該垂直同期信号及び水平同期信号に同期した撮像信号を生成し、生成された上記撮像信号から、有効画面部分の信号を抽出して画像信号を出力する撮像方法であって、上記同期発生パターンは、ｎ秒間（ｎは自然数）を１周期として繰り返されるパターンであり、上記同期発生パターンには、１周期中に（ｎ×Ｆ_Ｒ）回の垂直同期信号を発生し、各フレーム中にＮ_Ｖ回の水平同期信号を発生するように、垂直同期信号及び水平同期信号の発生タイミングが設定されており、さらに、上記同期発生パターンには、各フレームのクロック数のばらつきがｍクロック（ｍは自然数。）以下となるように垂直同期信号の発生タイミングが設定されているとともに、各水平ラインのクロック数が少なくとも水平方向の有効画面部分以上となり、且つ、１周期の総クロック数が（ｎ×ｆ_ＣＬＫ）となるように、水平ライン毎に水平同期信号の発生タイミングが設定されている。

本発明に係る撮像装置及び方法では、水平ライン数（走査線数）及びクロック周波数を変更せずに、水平クロック数のみを変更して、フレーム周波数（１秒間のフレーム数）を任意の整数としたフレーム周波数変更を自在に行うことができる。このため、本発明に係る撮像装置及び方法では、例えば複数のカメラを同時に用いた撮影においてフレーム周波数を変更した場合、各カメラのフレームの位相が同期するので、後に編集する時に非常に都合が良い。

以下、本発明が適用された電子式のビデオカメラ（以下、単にビデオカメラという。）について説明する。以下説明を行うビデオカメラは、１０８０（６０ｉ）の高品位画像の撮影をすることができるとともに、フレーム周波数を１フレーム/秒から３０フレーム/秒まで１フレーム刻みで変更した撮影（可変速撮影）をする機能が設けられている。

ビデオカメラの構成
図１に、本発明が適用されたビデオカメラ１のブロック構成図を示す。

ビデオカメラ１は、レンズユニット２と、撮像素子３と、アナログ処理及びＡＤ変換部４と、デジタル処理部５と、メモリコントローラ６と、フレームメモリ７と、デジタル信号処理部８と、出力部９とを備えている。

レンズユニット２は、フォーカスレンズ、ズームレンズ及び絞り羽根等並びにこれらレンズ等を駆動する駆動部が設けられている。レンズユニット２は、撮像対象となる被写体像光を受光して撮像素子３の受光面上に結像させる。

撮像素子３は、Ｃ−ＭＯＳイメージセンサやＣＣＤイメージセンサ等の固体撮像素子である。撮像素子３は、受光面にマトリクス状に配置された単位画素を有しており、各単位画素が照射された光を光電変換する。撮像素子３は、マトリクス状に配置された単位画素をスキャンして電気信号を読み出すことにより、撮像信号を出力する。撮像素子３により読み出された撮像信号は、アナログ処理及びＡ/Ｄ変換部４に供給される。

アナログ処理及びＡ/Ｄ変換部４は、撮像素子３から出力された信号に対してクランプや増幅処理等のアナログ処理を行い、Ａ/Ｄ変換を行ってデジタル化する。アナログ処理及びＡ/Ｄ変換部４から出力されたデジタルの撮像信号は、デジタル処理部５に供給される。

デジタル処理部５は、入力された撮像信号に対して、ホワイトバランス処理、収差補正処理、シェーディング処理等の処理等を行う。

メモリコントローラ６は、デジタル処理部５により各種の処理がされた後の撮像信号をフレームメモリ７に格納する。また、メモリコントローラ６は、フレームメモリ７に格納されている画像信号を読み出してデジタル信号処理部８へ出力する。

デジタル信号処理部８は、例えばニー補正及びガンマ補正の非線形処理等を、入力された画像信号に対して行う。ニー補正及びガンマ補正がされた画像信号は、出力部９に供給される。

出力部９は、入力された画像信号を、所定の映像フォーマットに対応した信号に変換して外部に出力をする。

また、ビデオカメラ１は、基本クロック発生部１１と、パターン記憶部１２と、同期信号発生部１３と、駆動パルス発生部１４とを備えている。

基本クロック発生部１１は、ビデオカメラ１の基本クロックｆ_ＣＬＫを発生する。基本クロック発生部１１から発生される基本クロックｆ_ＣＬＫの周波数は７４．２５ＭＨｚである。

パターン記憶部１２は、同期信号発生パターンを格納している。なお、同期信号発生パターンの具体的な内容については詳細を後述する。

同期信号発生部１３は、外部からフレーム周波数Ｆ_Ｒが設定され、設定されたフレーム周波数Ｆ_Ｒに対応した同期信号発生パターンをパターン記憶部１２内から呼び出し、当該同期信号発生パターンに従って基本クロックｆ_ＣＬＫに同期させた垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈを発生する。同期信号発生部１３から出力された垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈは、駆動パルス発生部１４等の各回路に供給される。

駆動パルス発生部１４は、同期信号発生部１３から発生された垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈに基づき、撮像素子３（ＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサ等）の駆動信号を生成し、当該駆動信号を撮像素子３に供給する。

可変速撮影時の動作
以上のような構成のビデオカメラ１では、可変速撮影が可能となっている。可変速撮影が行われる場合には、例えばユーザ等によって、フレーム周波数Ｆ_Ｒが変更される。ここでは、１フレーム/秒から３０フレーム/秒まで１フレーム刻みでフレーム周波数Ｆ_Ｒを変更することが可能となっているものとする。

ユーザ等により設定されたフレーム周波数Ｆ_Ｒは、同期信号発生部１３に与えられる。

同期信号発生部１３は、設定されたフレーム周波数Ｆ_Ｒに応じた同期信号発生パターンを、パターン記憶部１２から読み出す。同期信号発生パターンには、フレーム周波数Ｆ_Ｒ毎に設定されており、そのフレーム周波数Ｆ_Ｒで撮影動作をする際における垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈの発生パターンが示された情報である。同期信号発生部１３は、読み出した同期信号発生パターンに従って垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈを生成する。すなわち、同期信号発生部１３は、設定されたフレーム周波数Ｆ_Ｒに対応したタイミングの垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈを発生する。

なお、同期信号発生部１３は、設定されたフレーム周波数Ｆ_Ｒに応じた垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈを発生しているとともに、通常のフレーム周波数（３０Ｈｚ）での垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈも同時に発生している。

フレーム周波数Ｆ_Ｒに応じた垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈは、駆動パルス発生部１４、アナログ処理及びＡ/Ｄ変換部４及びデジタル処理部５に供給される。

駆動パルス発生部１４、アナログ処理及びＡ/Ｄ変換部４及びデジタル処理部５は、入力された垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈに同期してデータ処理を行う。このため、これらの各回路は、設定されたフレーム周波数Ｆ_Ｒに応じた速度での処理が行われ、このことにより、設定されたフレーム周波数Ｆ_Ｒでの撮影処理がなされることとなる。

メモリコントローラ６は、デジタル処理部５から出力された撮像信号をフレームメモリ７に転送する処理を行う。ここで、デジタル処理部５から出力された撮像信号には、有効画面の部分の信号の他に、垂直及び水平方向の両端部分に無効な信号部分（例えば、ブランキング期間の信号）も含まれている。そのため、メモリコントローラ６は、フレーム周波数Ｆ_Ｒに応じた垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈを基準として、フレーム内でのライン数及び各ライン内でのクロック数をカウントしてフレームの有効な画像部分を特定し、特定した有効な画像部分のみをフレームメモリ７に格納する。この結果、無効部分については、フレームメモリ７への転送時に削除されることとなる。

また、メモリコントローラ６は、フレームメモリ７に格納されている画像信号（有効画像部分）を読み出して、デジタル信号処理部８へ供給する。ここで、ビデオカメラ１は、外部機器との接続互換性を保つため、可変速撮影動作をしている場合であっても、外部機器へ供給するビデオ信号を通常のフレーム周波数（３０Ｈｚ）の信号に変換しなければならない。そのため、メモリコントローラ６は、通常のフレーム周波数（３０Ｈｚ）に応じた垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈに基づき、フレームメモリ７から画像信号を読み出す。この際に、撮像は通常撮影時よりも低速で行われるために、フレームメモリ７への書き込み速度よりフレームメモリ７からの読み出し速度の方が速くなる。従って、もし、読み出しが間に合わなかった場合には、図２の斜線部分に示すように、メモリコントローラ６は、同一のフレームを複数回読み出すような処理を行う。

デジタル信号処理部８は、通常のフレーム周波数（３０Ｈｚ）で読み出された画像信号に対して、例えばニー補正及びガンマ補正等の非線形デジタル処理を行う。これらの処理がされた画像信号は、出力部９に供給される。出力部９では、所定の映像フォーマットに対応した信号に変換して外部に出力をする。

可変速撮影時の同期信号発生パターン
ビデオカメラ１は、３０フレーム/秒、２９フレーム/秒、２８フレーム/秒、…、３フレーム/秒、２フレーム/秒、１フレーム/秒といった１Ｈｚ刻の各速度（フレーム周波数Ｆ_Ｒ）での可変速撮影をする。

パターン記憶部１２内には、フレーム周波数毎に、同期信号発生パターンが格納されている。同期信号発生パターンは、垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈの発生タイミングが示された情報である。従って、同期信号発生部１３は、設定されたフレーム周波数Ｆ_Ｒに応じた同期信号発生パターンを、パターン記憶部１２から読み出し、読み出した同期信号発生パターンに従って動作をすることによって、垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈを所定のタイミングで発生する。

例えば、同期信号発生パターンには、垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈの各発生タイミングが、基本クロックｆ_ＣＬＫのカウント値で示されている。この場合、同期信号発生部１３は、基本クロックｆ_ＣＬＫをカウンタによりカウントし、当該カウンタの値が同期信号発生パターンに示された値と一致したタイミングで垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈを発生すればよい。

このようにフレーム周波数Ｆ_Ｒ毎に同期信号発生パターンが設定されていることによって、容易に可変速撮影を実現できる。

ここで、ビデオカメラ１では、垂直ライン数Ｎ_Ｖ（走査線数）及びクロック周波数ｆ_ＣＬＫを固定とし、水平クロック数のみが適宜調整された同期信号発生パターンが設定されている。このため、ビデオカメラ１では、他のビデオカメラとフレームタイミング（フレーム位相）が所定秒毎に必ず一致するようにした状態で、１Ｈｚ〜３０Ｈｚのフレーム周波数（１秒間のフレーム数）Ｆ_Ｒで可変速撮影ができる。

以下、このような同期信号発生パターンについてさらに具体的に説明をする。

（周期性）
同期信号発生パターンは、所定の周期性をもったパターンとなっている。換言すれば、同期信号発生部１３が同期信号発生パターンに従い垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈの発生動作を行うと、垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈの発生パターンが、所定の周期で繰り返される。

垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈの発生パターンの周期は、全てのフレーム周波数Ｆ_Ｒで同一である。具体的には、その周期が１秒となっている。つまり、基本クロックの周波数ｆ_ＣＬＫが７４．２５ＭＨｚであるので、パターン周期は、７４２５００００クロックとなる。

ビデオカメラ１では、このように垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈの発生パターンに周期性をもたせ、且つ、その周期を全てのフレーム周波数Ｆ_Ｒで同一としているので、可変速撮影をした場合であっても他のビデオカメラとのフレーム位相を必ずこの周期毎に１回は揃えることができることとなる。

なお、本例では、同期信号の発生パターンの１周期を１秒としているが、本発明では、必ず所定秒毎に垂直同期信号の位相が一致すればよい。従って、１周期＝１秒でなく、１周期＝ｎ×１秒であってもよい。なお、ｎは、自然数である。

（垂直同期信号の発生タイミング）
同期信号発生パターンには、垂直同期信号Ｖの発生タイミングが示されている。例えば、同期信号発生パターンの開始位置からのクロック数により、垂直同期信号Ｖの発生タイミングが示されている。垂直同期信号Ｖは、フレームの開始位置を示しているので、同期信号発生パターンの１周期（１秒間）中に発生される垂直同期信号Ｖは、設定されたフレーム周波数Ｆ_Ｒの値と同一となる。なお、同期信号発生パターンの１周期がｎ秒の場合には、１周期中に発生される垂直同期信号Ｖの数は、ｎ×Ｆ_Ｒとなる。

ここで、各フレームのフレーム長（＝フレームのクロック数＝垂直同期信号Ｖの時間間隔）は、垂直同期信号Ｖの発生タイミングの間隔により定まるのであるが、同期信号発生パターンにより設定されている各フレームのクロック数は、全てのフレームで一致しているとは限らず、フレーム毎にクロック数が異なる場合もある。

本例の場合では、全てのフレームでクロック数が一致しているフレーム周波数と、１クロック分だけ異なる２種類のフレームが存在するフレーム周波数がある。すなわち、７４２５００００を各フレーム周波数（３０，２９，２８，…）で割ったときに余りがでなければ、全てのフレームで同じクロック数となり、余りがあれば、その余りと同数のフレームだけ１クロック分クロック数が多いフレームが含まれているわけである。

このように、ビデオカメラ１では、フレームのクロック数の異なりを許容している。このため、１秒間に含まれるフレームの数（すなわち、フレーム周波数Ｆ_Ｒ）を整数とすることができ、可変速撮影をした場合であっても他のビデオカメラとのフレーム位相を必ずこの１秒間に１回は揃えることができることとなる。

以下、１クロック分だけクロック数が少ない方のフレームをＡフレーム、１つだけクロック数が多い方のフレームをＢフレームと呼ぶ。また、全てのフレームでクロック数が一致している場合には、全てＢフレームであるものとする。

各フレーム周波数Ｆ_Ｒ（３０，２９，２８，…，３，２，１）のＡフレームとＢフレームの数は、例えば表３に示すようになる。

なお、表３で示した同期信号発生パターンは、ＡフレームとＢフレームとの差のクロック数をｍとしたとき、上述した例ではｍを１以下にしている。しかしながら、ｍの値は１に限らず、充分に小さい自然数であれば、２以上であってもよい。この理由は、次の通りである。

すなわち、各フレームのクロック数が一致していないということは、固体撮像素子で光電荷を蓄積する時間（シャッタースピード）がフレーム毎に異なるということである。従って、フリッカが発生する原因となる。しかしながら、各フレームのクロック数の差、言い換えれば、フレーム毎のクロック数のばらつきｍが充分に小さければ、人間の目で感知できずフリッカとは認識できず特に問題はない。ｍを１以下としたのは、このばらつきを人間の目で認識できないようにするためである。従って、ばらつきがフリッカとして人間に感知できない程度小さい値であれば、ｍを２以上としてもよいわけである。

また、同期信号発生パターンには、ＡフレームとＢフレームの２種類のクロック数のフレームが存在しているが、フレーム間のクロック数のばらつきがｍ以下であれば、２種類に限らず３種類以上あってもよい。

（水平同期信号の発生タイミング）
同期信号発生パターンには、各フレーム中の水平ラインの開始位置を示す水平同期信号Ｈの発生タイミングも示されている。

ビデオカメラ１では、１フレーム中の水平ラインの本数を常時Ｎ_ｖ本（ここでは、Ｎ_Ｖ＝１１２５）で固定としている。このため、同期信号発生パターンには、１フレーム中（すなわち、垂直同期信号Ｖの間の期間）に、Ｎ_Ｖ本（１１２５本）の水平同期信号Ｈを発生するような情報が示されている。

ここで、上述したように既に各フレームのクロック数は設定されているため、水平ラインのクロック数がＮ_Ｖ本全てで均等となるように、水平同期信号Ｈのタイミングを設定することはできない。

そこで、ビデオカメラ１では、特定の１本の水平ライン（ここでは最終ライン）をクロック調整用の水平ラインとし、その他の（Ｎ_Ｖ−１）本の水平ライン（１１２４本の水平ライン）のクロック数を全てのフレームで一致させるように、水平同期信号Ｈの発生タイミングを設定している。

具体的に、各フレーム周波数Ｆ_Ｒでの水平ラインのクロック数の一例を、以下の表４に示す。

なお、各水平ラインのクロック数は、このようなパターンに限られない。具体的には、クロック調整用の水平ライン以外の水平ライン（１１２４本）は、少なくとも、水平方向の有効画像が切り出せるだけの充分な長さのクロック数以上、Ｎ_Ｖ本（ここでは１１２５本）の水平ラインを１フレーム内中に含むことが可能な充分短いクロック数以下の範囲であれば、どのような値であってもよい。

また、クロック調整用の水平ライン（最終ライン）は、フレーム中の全ての水平ラインのクロック数を合計したときに、そのフレームに設定された総クロック数となるように調整がされている。言い換えれば、同期信号発生パターンの１周期の総クロック数が７４２５００００クロックとなるように、調整がなされているためである。この結果、ＡフレームとＢフレームとが存在するフレーム周波数では、当該最終ラインの水平クロック数は、Ａフレームの方がＢフレームよりも１クロック分少なくなっている。

また、クロック調整用の水平ラインは、最終ラインでなくとも、少なくとも垂直ブランキング期間のラインであればよい。もっとも、有効画面の信号が読み出すことが可能な程度にクロック数が充分大きければ、垂直ブランキング期間の水平ラインでなくてもよい。

以上のように、ビデオカメラ１では、水平ライン数Ｎ_Ｖ及びクロック周波数ｆ_ＣＬＫを変更せずに、水平クロック数のみを調整して、フレーム周波数（１秒間のフレーム数）を任意の自然数に設定することができる。

このため、ビデオカメラ１では、例えば複数のカメラを同時に用いた撮影においてフレーム周波数を変更した場合、各カメラのフレームの位相が同期するので、後に編集する時に非常に都合が良い。

第２の実施形態のビデオカメラの構成
つぎに、本発明が適用された第２の実施形態のビデオカメラについて説明をする。

上述したビデオカメラ２０では、フレーム周波数Ｆ_Ｒが低いと、それに伴って１フレームの電荷蓄積時間も長くなる。例えば、フレーム周波数Ｆ_Ｒが１（Ｈｚ）の場合は、撮像素子での電荷の蓄積時間（シャッタースピード）は１秒間になることになる。これでは、別途シャッタによる電荷量の調整をしないかぎり、撮像素子のダイナミックレンジをオーバーし、白クリップしてしまい正常な画像にならない。

そこで、以下に説明をする第２の実施形態のビデオカメラ２０では、ユーザにより設定されたフレーム周波数が低い場合は、実際には撮像素子の露光がオーバーしない程度の早いフレーム周波数により撮影をして、撮像信号のフレームを時間方向に加算することによりダウンコンバートするようにしている。

ビデオカメラの構成
図３に、本発明が適用された第２の実施形態のビデオカメラ２０のブロック構成図を示す。なお、図１に示したビデオカメラ１と同一の構成要素については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

ビデオカメラ２０は、レンズユニット２と、撮像素子３と、アナログ処理及びＡＤ変換部４と、デジタル処理部５と、メモリコントローラ６と、フレームメモリ７と、デジタル信号処理部８と、出力部９と、基本クロック発生部１１と、パターン記憶部１２と、同期信号発生部１３と、駆動パルス発生部１４とを備えている。

また、ビデオカメラ２０は、レート設定部２１と、フレーム加算部２２とを備えている。

レート設定部２１は、例えばユーザ等からフレーム周波数Ｆ_ＲＸ（Ｆ_ＲＸは自然数）が入力される。例えば、フレーム周波数Ｆ_ＲＸは、ここでは、１フレーム/秒から３０フレーム/秒まで１フレーム刻みで入力される。

レート設定部２１は、入力されたフレーム周波数Ｆ_ＲＸと、以下の式（１１）の関係を満たすフレーム周波数Ｆ_Ｒ及びフレーム加算数Ｍを設定する。

Ｆ_ＲＸ＝Ｆ_Ｒ／Ｍ …（１１）

なお、式（１１）において、Ｍは自然数であり、Ｆ_Ｒは撮像素子３により撮像可能な最高のフレーム周波数（例えば、３０Ｈｚ）を超えない値である。

レート設定部２１により設定されたフレーム周波数Ｆ_Ｒは、同期信号発生部１３に供給される。

同期信号発生部１３は、入力されたフレーム周波数Ｆ_Ｒに対応した垂直同期信号Ｖ及び水平同期信号Ｈを発生する。従って、駆動パルス発生部１４、アナログ処理及びＡ/Ｄ変換部４及びデジタル処理部５では、フレーム周波数Ｆ_Ｒに応じた可変速撮影を行う。

フレーム加算部２２は、メモリコントローラ６の出力段と、デジタル信号処理部８との間に設けられている。フレーム加算部２２には、レート設定部２１により設定されたフレーム加算数Ｍが入力される。フレーム加算部２２は、メモリコントローラ６から出力された連続したＭ個のフレームを加算して、１つのフレームを生成する。このようにＭフレーム分の加算処理をすることにより、実質上、フレームレートＦ_Ｒで撮影された画像信号を、フレームレートＦ_ＲＸ（Ｆ_Ｒ／Ｍ）にダウンコンバートすることができる。

具体的に、各フレーム周波数Ｆ_ＲＸでの水平ラインのクロック数の一例を、以下の表５に示す。

以上のように第２の実施形態のビデオカメラ２０では、ユーザにより設定されたフレーム周波数Ｆ_ＲＸが低い場合であっても、撮像素子のダイナミックレンジをオーバーさせずに、可変速の撮影をすることが可能となる。

複数のビデオカメラによるシステム構成
つぎに、このようなフレーム周波数を自在に変更することができるビデオカメラ１やビデオカメラ２０を複数使用して同時撮影する場合のシステムを説明する。

このような複数カメラシステム３０の構成例を図４に示す。複数カメラシステム３０では、設定されているフレーム周波数Ｆ_Ｒが異なる３つのビデオカメラ１（カメラＡ，カメラＢ，カメラＣ）が、同時に同一の被写体を撮影している。

複数カメラシステム３０では、ある一つのビデオカメラ（例えば、カメラＡ）をマスターカメラとして設定する。マスターカメラであるカメラＡは、フレーム同期リセット信号を発生する。マスターカメラであるカメラＡは、あるフレーム周波数Ｆ_Ｒが設定されており、そのフレーム周波数Ｆ_Ｒの同期信号発生パターンに従い動作をしている。フレーム同期リセット信号は、その動作中の同期信号発生パターンの１周期毎（又は所定周期毎）に発生される同期信号である。つまり、同期信号発生パターンの周期は１秒（又はｎ秒）であるので、フレーム同期リセット信号は、１秒毎（又はｎ秒毎）に発生される同期信号である。

マスターカメラ以外のカメラ（カメラＢ，カメラＣ）は、マスターカメラ（カメラＡ）から発生されたフレーム同期リセット信号が入力される。マスターカメラ以外のカメラ（カメラＢ，カメラＣ）は、フレーム同期リセット信号に従い内部カウンタ等をリセットし、同期信号発生パターンの位相調整を行う。

フレーム同期リセット信号、各カメラＡ、Ｂ、Ｃの垂直及び水平同期信号のタイミングチャートを図５に示す。

ここでは、例えば、カメラＡのフレーム周波数が２４Ｈｚ、カメラＢのフレーム周波数が２０Ｈｚ、カメラＣのフレーム周波数が１０Ｈｚに設定されているとする。それぞれのカメラの出力のフレーム周波数は３０Ｈｚである。

この図５のタイミングチャートに表されているように、フレーム同期リセット信号でリセットを行うことによって、各カメラがどのようなフレーム周波数であっても常にそのフレーム周波数は整数値であるので、必ず１秒間に１度全てカメラのフレーム位相が揃う。

また、例えば、カメラＡのフレーム周波数を出力映像周波数と同じ３０Ｈｚにした場合（これはすなわち、既存の固定フレームレートのカメラと同じである。）にも、１秒間に１回全てのカメラのフレーム位相が揃う。つまり、既存の固定フレームレートのカメラシステムの中に可変フレームレートのカメラを混在させて、同期させることも可能である。

フレーム周波数が３０Ｈｚ以上の場合
また、以上の説明では、フレーム周波数Ｆ_Ｒが１（Ｈｚ）から３０（Ｈｚ）までの例を示したが、クロック周波数を適当に選べば、どのようなフレーム周波数でも同様のことが実現可能である。

例えば、１（Ｈｚ）から６０（Ｈｚ）まで、１Ｈｚ刻みで変更可能な場合の設定例を、以下の表６及び表７に示す。

本発明が適用されたビデオカメラのブロック構成図である。 フレームメモリから画像信号を読み出す際の画像信号示す図である。 本発明が適用された他のビデオカメラのブロック構成図である。 本発明が適用されたビデオカメラを複数使用して同時撮影するシステムを示す図である。 フレーム同期リセット信号、各カメラＡ、Ｂ、Ｃの垂直及び水平同期信号のタイミングチャートである。

符号の説明

１，２０ ビデオカメラ、２ レンズユニット、３ 撮像素子、４ アナログ処理及びＡＤ変換部、５ カメラ信号処理部、６ メモリコントローラ、７ フレームメモリ、８ デジタル信号処理部、９ 出力部、１１ 基本クロック発生部、１２ パターン記憶部、１３ 同期信号発生部、１４ 駆動パルス発生部

Claims (8)

1. フレーム周波数Ｆ_Ｒ（Ｆ_Ｒは自然数）が変更自在に設定されるレート設定部と、
   周波数ｆ_ＣＬＫの基本クロックを発生する基本クロック発生部と、
   フレームの開始タイミングを示す垂直同期信号と、フレームを構成するＮ_ｖ本の水平ラインの開始タイミングを示す水平同期信号とを上記基本クロックに同期させて発生する同期信号発生部と、
   複数の光電変換素子により被写体を撮像し、上記同期信号発生部から発生された垂直同期信号及び水平同期信号に従って複数の光電変換素子から信号を読み出して、当該垂直同期信号及び水平同期信号に同期した撮像信号を出力する撮像部と、
   上記撮像部から出力された撮像信号から、有効画面部分の信号を抽出する抽出部とを備え、
   上記同期信号発生部は、設定された上記フレーム周波数Ｆ_Ｒに基づき垂直同期信号及び水平同期信号の発生タイミングが示されている同期発生パターンを生成し、生成した同期発生パターンに従い垂直同期信号及び水平同期信号を発生し、
   上記同期発生パターンは、ｎ秒間（ｎは自然数）を１周期として繰り返されるパターンであり、
   上記同期発生パターンには、１周期中に（ｎ×Ｆ_Ｒ）回の垂直同期信号を発生し、各フレーム中にＮ_Ｖ回の水平同期信号を発生するように、垂直同期信号及び水平同期信号の発生タイミングが設定されており、
   さらに、上記同期発生パターンには、各フレームのクロック数のばらつきがｍクロック（ｍは自然数。）以下となるように垂直同期信号の発生タイミングが設定されているとともに、各水平ラインのクロック数が少なくとも水平方向の有効画面部分以上となり、且つ、１周期の総クロック数が（ｎ×ｆ_ＣＬＫ）となるように、水平ライン毎に水平同期信号の発生タイミングが設定されていること
   を特徴とする撮像装置。
2. 上記同期発生パターンは、
   ｎ＝１に設定されており、
   垂直ブランキング期間中の特定の１つの水平ライン以外の（Ｎ_Ｖ−１）本の全ての水平ラインのクロック数が、全てのフレームで同一となるように設定され、
   上記垂直ブランキング期間中の特定の１つの水平ラインのクロック数が、当該同期発生パターンの１周期の総クロック数がｆ_ＣＬＫとなり、且つ、フレーム毎のクロック数のばらつきが１クロック以下となるように、調整されていること
   を特徴とする請求項１記載の撮像装置。
3. 上記抽出部から出力される撮像信号のフレーム周波数をダウンコンバートするレート変換部を、さらに備え、
   上記レート設定部は、外部からフレームレートＦ_ＲＸ（Ｆ_ＲＸは自然数）が入力され、入力されたフレームレートＦ_ＲＸと、下記式（１）の関係を満たすフレーム周波数Ｆ_Ｒ及び加算数Ｍを設定し、
   上記レート変換部は、上記抽出部から出力される撮像信号のフレーム周波数を、Ｆ_ＲからＦ_ＲＸに変換すること
   を特徴とする請求項１記載の撮像装置。
   Ｆ_ＲＸ＝Ｆ_Ｒ／Ｍ …（１）
   なお、式（１）において、Ｍは自然数であり、Ｆ_Ｒは撮像可能な最高フレーム周波数を超えない値である。
4. 上記同期発生パターンの自然数倍の周期の位相調整信号が、外部から入力される調整信号入力部を、さらに備え、
   上記同期信号発生部は、同期発生パターンの周期を、上記位相調整信号の周期に同期させて、垂直同期信号及び水平同期信号を出力すること
   を特徴とする請求項１記載の撮像装置。
5. フレーム周波数Ｆ_Ｒ（Ｆ_Ｒは自然数）が変更自在に設定され、
   周波数ｆ_ＣＬＫの基本クロックを発生し、
   フレームの開始タイミングを示す垂直同期信号及びフレームを構成するＮ_ｖ本の水平ラインの開始タイミングを示す水平同期信号の発生タイミングが示されている同期発生パターンを、設定された上記フレーム周波数Ｆ_Ｒに基づき生成し、
   生成した同期発生パターンに従い、上記基本クロックに同期させた垂直同期信号及び水平同期信号を発生し、
   複数の光電変換素子により被写体を撮像し、発生された上記垂直同期信号及び水平同期信号に従って複数の光電変換素子から信号を読み出して、当該垂直同期信号及び水平同期信号に同期した撮像信号を生成し、
   生成された上記撮像信号から、有効画面部分の信号を抽出して画像信号を出力する撮像方法であって、
   上記同期発生パターンは、ｎ秒間（ｎは自然数）を１周期として繰り返されるパターンであり、
   上記同期発生パターンには、１周期中に（ｎ×Ｆ_Ｒ）回の垂直同期信号を発生し、各フレーム中にＮ_Ｖ回の水平同期信号を発生するように、垂直同期信号及び水平同期信号の発生タイミングが設定されており、
   さらに、上記同期発生パターンには、各フレームのクロック数のばらつきがｍクロック（ｍは自然数。）以下となるように垂直同期信号の発生タイミングが設定されているとともに、各水平ラインのクロック数が少なくとも水平方向の有効画面部分以上となり、且つ、１周期の総クロック数が（ｎ×ｆ_ＣＬＫ）となるように、水平ライン毎に水平同期信号の発生タイミングが設定されていること
   を特徴とする撮像方法。
6. 上記同期発生パターンは、
   ｎ＝１に設定されており、
   垂直ブランキング期間中の特定の１つの水平ライン以外の（Ｎ_Ｖ−１）本の全ての水平ラインのクロック数が、全てのフレームで同一となるように設定され、
   上記垂直ブランキング期間中の特定の１つの水平ラインのクロック数が、当該同期発生パターンの１周期の総クロック数がｆ_ＣＬＫとなり、且つ、フレーム毎のクロック数のばらつきが１クロック以下となるように、調整されていること
   を特徴とする請求項５記載の撮像方法。
7. 外部からフレームレートＦ_ＲＸ（Ｆ_ＲＸは自然数）が入力され、
   入力されたフレームレートＦ_ＲＸと、下記式（１）の関係を満たすフレーム周波数Ｆ_Ｒ及び加算数Ｍを設定し、
   上記撮像信号のフレーム周波数を、Ｆ_ＲからＦ_ＲＸに変換すること
   を特徴とする請求項５記載の撮像方法。
   Ｆ_ＲＸ＝Ｆ_Ｒ／Ｍ …（２）
   なお、式（２）において、Ｍは自然数であり、Ｆ_Ｒは撮像可能な最高フレーム周波数を超えない値である。
8. 上記同期発生パターンの自然数倍の周期の位相調整信号が、外部から入力され、
   同期発生パターンの周期を、上記位相調整信号の周期に同期させて垂直同期信号及び水平同期信号を出力すること
   を特徴とする請求項５記載の撮像方法。

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