JP2006211605A - 単板式カラーカメラおよび単板式カラー撮像方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 低照度でゲインアップが入ったときに色信号だけでなく輝度信号においても低ノイズの映像を出力することができる単板式カラーカメラを提供する。
【解決手段】 固体撮像素子１０２に撮像した信号を信号処理回路１０７によりゲインアップする。ゲインアップする大きさをゲイン読出手段１０５により検出する。信号処理回路１０７は所定フォーマットの映像信号を出力する。信号処理回路１０７は、前記検出手段が検出したゲインアップの大きさが所定レベル未満のときには水平方向の画素加算を行わずに信号処理し、所定のレベル以上のときには水平方向の画素加算を行う信号処理を行う。
【選択図】 図１

Description

この発明は、固体イメージセンサを用いた単板式カラーカメラに関する。

従来の単板式カメラにおいては、低照度時に、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）の画素間の信号加算を行うことにより、信号のノイズを抑圧する方式が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、低照度時に撮像素子から得られた信号をゲインアップ（増幅）しときにノイズが目立つのを抑圧するため、ゲインアップの大きさが所定よりも大きくなると徐々に色信号を抑圧していき、ついにはゼロにする制御を行うものも知られている。
特開平０５−０４８９６１号公報

従来の方式では色信号のノイズは抑圧されるが、輝度信号のノイズには抑圧効果が働かない。このためメモリー等の遅延素子を使用したＤＮＲ（Digital Noise Reducer）を持たない廉価なシステムでは、低照度時にノイズの低い映像を得ることが出来ないという問題があった。

この発明は、低照度でゲインアップが入ったときに色信号だけでなく輝度信号においても低ノイズの映像を出力することができる単板式カラーカメラを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、この発明においては、単板式カラーカメラにおいて、１素子毎に１色が割り当てられると共に全体として所定パターンを構成するカラーフィルタをレンズ側に有し、レンズを介して入射された入射光を光電変換する固体撮像素子と、前記光電変換した映像信号をゲインアップするゲインアップ手段と、前記ゲインアップ手段のゲインアップする大きさを検出する検出手段と、前記所定パターンのカラーフィルタに応じた処理を行い所定フォーマットの映像信号を出力する信号処理手段とを有し、前記信号処理手段は、前記検出手段が検出したゲインアップの大きさが所定レベル未満のときには水平方向の画素加算を行わずに信号処理し、所定のレベル以上のときには水平方向の画素加算を行う信号処理を行うことを特徴とする単板式カラーカメラを提供する。

なお、装置に係る本発明は方法に係る発明としても成立し、方法に係る本発明は装置に係る発明としても成立する。

本発明によれば、色信号と輝度信号双方のノイズの抑圧を行うことができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る単板式カラーカメラの構成を示す図である。
図１において、単板式カラーカメラは、レンズ１０１、ＣＣＤ１０２、ＣＤＳ回路１０３、ＡＤ変換器１０４、ゲイン読出回路１０５、加算器１０６、信号処理回路１０７から構成されている。

レンズ１０１は撮像レンズである。
ＣＣＤ１０２は、ＣＣＤ等を用いた固体イメージセンサである。この例では松下電器産業（株）製のＣＣＤ（型番：ＭＮ３９１４３ＦＴ）を用いる。
ＣＣＤ１０２は、図２（ａ）に示すパターンのカラーフィルタを有している。このフィルタは図２（ｂ）の符号２１０ａ〜２１０ｈに示した８画素分のカラーフィルタのパターン２０１が基本パターンとなっている。

ＣＤＳ回路１０３は、ＣＣＤ１０２の出力をサンプリングして、リセットノイズ等のＣＣＤ固有のノイズを抑圧しながら照度レベルを検出する回路である。
Ａ／Ｄ変換器１０４は、アナログ映像信号をデジタル映像信号に変換する回路である。
ゲイン読出回路１０５は、信号処理回路１０７からゲインレジスタ１０７ａに保存されているゲインの値を読み出し、この値に応じて加算器１０６を制御する。
加算器１０６は、ゲイン読出回路１０５からの制御信号により制御され、Ａ／Ｄ変換器１０４から入力された信号を後述する加算方法により加算し、この加算した信号を信号処理回路１０７へ出力する。これらゲイン読出回路１０５と加算器１０６は、ＰＬＤ（Programable Logic Device）により構成されている。

信号処理回路１０７は、加算器１０６から入力されたデジタル映像信号をデジタル処理する回路である。この例では松下電器産業（株）製のＤＳＰ（型番：ＭＮ６７３２７６）を用いる。この信号処理回路１０７は、内部にゲインレジスタ１０７ａを有している。ゲインレジスタ１０７ａは、後述するゲインの値を外部から読出し可能に保存する。更に信号処理回路１０７は、内部にＤ／Ａ変換器１０７ｂを有している。Ｄ／Ａ変換器１０７ｂは、デジタル映像信号をアナログ映像信号に変換する回路である。

次に、このように構成された単板式カラーカメラの動作を説明する。
図１において、レンズ１０１を通過した入射光はＣＣＤ１０２によって電気信号に変換される。
ＣＣＤ１０２で電気信号に変換された映像信号はＣＤＳ回路１０３で照度レベルが検出された後、Ａ／Ｄ変換器１０４によってデジタルの映像信号へ変換される。
Ａ／Ｄ変換器１０４により変換されたデジタル映像信号は、加算器１０６によってゲイン読出回路１０５からの制御信号に応じて加算処理が行われた後、信号処理回路１０７へ出力される。この加算処理については後で詳細に説明する。

加算器１０６から出力されたデジタル映像信号は、信号処理回路１０７によってデジタル処理された後、Ｄ／Ａ変換器１０８によってアナログ信号へ変換される。このデジタル処理は、デジタル映像信号のゲインの大きさを制御する処理，輝度信号・色信号の映像信号処理等を含んでいる。

図３は、上記信号処理回路１０７によるデジタル映像信号の内、ゲインに対して色信号レベルをどう制御するかを示した図である。以下、ＮＴＳＣの信号を得る例で説明を行う。

信号処理回路１０７の色信号レベルの制御方法について説明する。
信号処理回路１０７は、デジタル映像信号のレベルに応じて、ゲインを変化させる処理を行う。信号処理回路１０７は、ゲインの値を内部のゲインレジスタ１０７ａに保存し、外部から読出せる構成となっている。

信号処理回路１０７は、ゲインを「０」以上「レベル３０１」未満とする間では、色信号レベルは一定とし、例えば１倍とする。
信号処理回路１０７は、ゲインを「レベル３０１」以上「レベル３０２」未満とする間では、ゲインが大きくなるにつれて色信号レベルを徐々に抑圧していき、ゲインを「レベル３０２」としたところで色信号レベルを０とする。

信号処理回路１０７は、ゲインを「レベル３０２」以上では、常に０とする。
次に、画素信号を得るための加算処理について説明する。
加算器１０６は、信号処理回路１０７がゲインを「０」〜「レベル３０２」としている間、信号をスルーさせる制御信号がゲイン読出手段１０５から入力される。
すると信号処理回路１０７は、信号処理回路１０７がゲインを「０」〜「レベル３０２」としている間は、Ａフィールドでは２１０ａ＋２１０ｂ，２１０ｅ＋２１０ｆ，・・・と加算した信号からＡフィールドの１ライン目の映像信号を得、２１０ｃ＋２１０ｄ，２１０ｇ＋２１０ｈ，・・・と加算した信号からＡフィールドの２ライン目の映像信号を得る。同様にしてＢフィールドでは２１０ｂ＋２１０ｃ，２１０ｆ＋２１０ｇ，・・・と加算した信号からＢフィールドの１ライン目の映像信号を得る。

例えば、ａフィールドの１ライン目の第１番目の画素は、２１０ａ＋２１０ｂであり、Ｍｇ＋Ｃｙ＝Ｒ＋Ｂ＋Ｇ＋Ｂとなるため、Ｒ＋Ｇ＋２Ｂが得られる。
例えば、ａフィールドの１ライン目の第２番目の画素は、２１０ｅ＋２１０ｆであり、Ｇ＋Ｙｅ＝Ｇ＋Ｇ＋Ｒとなるため、２Ｇ＋Ｒが得られる。
このように本実施形態では、画素信号を得るための垂直方向の加算処理については信号処理回路１０７で処理を行う。
次に、映像信号を増幅させるゲインが大きい領域での水平方向の画素加算処理について説明する。
加算器１０６は、信号処理回路１０７がゲインを「レベル３０２」以上としているとき、信号を水平方向に画素加算させる制御信号がゲイン読出手段１０５から入力される。

すると信号処理回路１０７は、信号処理回路１０７がゲインを「レベル３０２」以上としているとき、Ａフィールドでは２１０ａ＋２１０ｂ＋２１０ｅ＋２１０ｆ，・・・と加算した信号からＡフィールドの１ライン目の映像信号を得、２１０ｃ＋２１０ｄ＋２１０ｇ＋２１０ｈ，・・・と加算した信号からＡフィールドの２ライン目の映像信号を得る。同様にしてＢフィールドでは２１０ｂ＋２１０ｃ＋２１０ｆ＋２１０ｇ，・・・と加算した信号からＢフィールドの１ライン目の映像信号を得る。

例えば、ａフィールドの１ライン目の第１番目の画素は、２１０ａ＋２１０ｂ＋２１０ｅ＋２１０ｆであり、Ｍｇ＋Ｃｙ＋Ｇ＋Ｙｅ＝Ｒ＋Ｂ＋Ｇ＋Ｂ＋Ｇ＋Ｙｅ＋Ｇ＋Ｒとなるため、２Ｒ＋３Ｇ＋２Ｂが得られる。ＮＴＳＣフォーマットでは、輝度信号Ｙ＝０．３Ｒ＋０．５９Ｇ＋０．１１Ｂであるので、２Ｒ＋３Ｇ＋２Ｂにより輝度信号Ｙに近い信号を得ることができる。

ゲイン読出回路１０５からの制御信号により制御され、Ａ／Ｄ変換器１０４から入力された信号を加算し、この加算した信号を信号処理回路１０７へ出力する。これらゲイン読出回路１０５と加算器１０６は、ＰＬＤ（Programable Logic Device）により構成されている。

即ち信号処理回路１０７は、信号処理回路１０７に入力されたデジタル映像信号のレベルが、ある程度の大きさを有しており、それ程ゲインアップしなくてよいという領域（ゲインの値が「０」以上「レベル３０２」未満の間）では、図３に示す垂直方向に隣接する２つのカラーフィルタ分の信号を加算することにより、水平方向に高解像度のカラー信号を得る。例えば図２のＡフィールド１ライン目では、Ｍｇ＋Ｃｙにより１画素分の信号とし、次にＧ＋Ｙｅにより１画素分、・・・とした高解像度でカラーのデジタル映像信号を得る。

反対に信号処理回路１０７は、例えば入射光量が少ない等により信号処理回路１０７に入力されたデジタル映像信号のレベルが低く、大きくゲインアップしなければならない領域（ゲインの値が「レベル３０２」以上）では、図３に示す垂直および水平方向に隣接する４つのカラーフィルタ分の信号を加算することにより、水平方向の解像度を半分に落とすが輝度信号のノイズを抑圧した白黒信号を得る。例えば図２のＡフィールド１ライン目では、Ｍｇ＋Ｃｙ＋Ｇ＋Ｙｅにより１画素分の信号とし、次に更に隣の４フィルター（Ｍｇ＋Ｃｙ＋Ｇ＋Ｙｅ）により１画素分、・・・とした低解像度であるがノイズの少ない白黒のデジタル映像信号を得る。

加算器１０６による画素加算の動作をフローチャートで示すと図４に示す通りとなる。
上記したように水平方向に２画素加算した場合には水平方向の解像度は半分となってしまう。しかし、画素ずらしの技術を適用し、ある１つの基本パターンの２１０ｅ＋２１０ｆと、これに水平方向に隣接した基本パターンの２１０ａ＋２１０ｂとを加算した値により補間することにより、画素ずらしの技術を適用しないときと比べて水平方向の解像度を向上させることができる。

以上説明した通り本発明によれば、被写体が通常の照度であり、ゲインを所定よりも低い場合には、カラーで高解像度の画像を得られる。また、被写体が低照度であり、ゲインを所定よりも上げている場合には白黒のノイズの少ない画像を得られる。

画素加算は図３に示すようにカラーフィルタ色分離された信号間で加算を行う。この画素加算の動作は、色信号がゼロになったところで加算を行う。この結果、色信号が消えてしまうという問題が発生しない。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る単板式カラーカメラの構成を示す図である。
第１の実施形態では、信号処理回路１０７が処理したゲインをゲインレジスタ１０７ａに保存した。
この第２の実施形態では、ゲイン値検出回路５０１は、Ａ／Ｄ変換器１０４の出力信号から得られた照度から映像信号の大きさを検出し、現在、信号処理回路１０７が処理で施していると考えられるゲインの値（以下、予測ゲイン値と記す）を予測する。これはゲインと輝度レベルの間に、例えば信号が小さい場合にはゲインを上げ、信号が大きい場合にはゲインを下げるという相関関係があることを利用しゲイン値を予測している。

この第２の実施形態では、この予測した予測ゲイン値を用いて上記第１の実施形態と同じ動作を行う。
この実施形態においても、第１の実施形態と同様に、被写体が通常の照度であり、ゲインを所定よりも低い場合には、カラーで高解像度の画像を得られる。また、被写体が低照度であり、ゲインを所定よりも上げている場合には白黒のノイズの少ない画像を得られる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る単板式カラーカメラの構成を示すブロック図を示す図。 本発明の単板式カラーカメラに用いられるＣＣＤの持つカラーフィルタのパターンを示す図。 信号処理回路１０７によるデジタル映像信号の内、ゲインに対して色信号レベルをどう制御するかを示した図。 加算器１０６による画素加算の動作を示すフローチャート。 本発明の第２の実施形態に係る単板式カラーカメラの構成を示すブロック図を示す図。

符号の説明

１０１…レンズ、１０２…ＣＣＤ、１０３…ＣＤＳ回路、１０４…ＡＤ変換器、１０５…ゲイン読出回路、１０６…加算器、１０７…信号処理回路、１０７ａ…ゲインレジスタ、１０７ｂ…Ｄ／Ａ変換器。

Claims (3)

1. 単板式カラーカメラにおいて、
   １素子毎に１色が割り当てられると共に全体として所定パターンを構成するカラーフィルタをレンズ側に有し、レンズを介して入射された入射光を光電変換する固体撮像素子と、
   前記光電変換した映像信号をゲインアップするゲインアップ手段と、
   前記ゲインアップ手段のゲインアップする大きさを検出する検出手段と、
   前記所定パターンのカラーフィルタに応じた処理を行い所定フォーマットの映像信号を出力する信号処理手段とを有し、
   前記信号処理手段は、前記検出手段が検出したゲインアップの大きさが所定レベル未満のときには水平方向の画素加算を行わずに信号処理し、所定のレベル以上のときには水平方向の画素加算を行う信号処理を行うことを特徴とする単板式カラーカメラ。
2. 前記増幅手段の増幅の大きさを検出する検出手段は、前記固体撮像素子の出力した信号から増幅の大きさを検出することを特徴とする請求項１記載の単板式カラーカメラ。
3. 固体撮像素子により、１素子毎に１色が割り当てられると共に全体として所定パターンを構成するカラーフィルタをレンズ側に有し、レンズを介して入射された入射光を光電変換し、
   ゲインアップ手段により、前記光電変換した映像信号をゲインアップし、
   検出手段により、前記ゲインアップ手段のゲインアップする大きさを検出し、
   信号処理手段により、前記所定パターンのカラーフィルタに応じた処理を行うと共に、
   前記検出手段が検出したゲインアップの大きさが所定レベル未満のときには水平方向の画素加算を行わずに信号処理し、所定のレベル以上のときには水平方向の画素加算を行う信号処理を行うことにより所定フォーマットの映像信号を出力することを特徴とする単板式カラー撮像方法。

Images