JP2007166267A - 画素信号処理回路及び撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】従来の装置に大きな変更を加えることなく、簡単な構成で高感度の画素信号を得ることが可能な画素信号処理回路を提供する。
【解決手段】撮像素子11から出力されるアナログの画素信号はA/D部13でデジタルの画素信号へと変換され、画素信号処理回路14内の取り込み部144で取り込まれる。取り込まれた画素信号は配置入れ替え部145で画素信号の配置を並び替え、メモリ143で記憶される。メモリ143で記憶された画素信号は、加算部1、加算部2で加算処理が行われ、除算部1、除算部2で除算処理を行い、高感度の画素信号を生成する。生成された高感度の画素信号は搬出部148へと出力される。Timing調整部141は画素信号の加算数に応じて各種タイミング信号を調整し、当該タイミング信号と同期して搬出部148からDBE部15へと高感度の画素信号を出力する。
【選択図】図1

Description

本発明は、撮像素子から出力される画素信号の処理を行う画素信号処理回路及び当該画素信号処理回路を備えた撮像装置に関する。
従来、CCD(Charge Coupled Device)等の撮像素子を用いたDSC(Digital Still Camera)、DVC(Digital Video Camera)等の撮像装置においては、撮像素子からA/D変換を介して出力された信号を合成することで、高解像度の画素信号から高感度の画素信号を得る方法が知られている(例えば、特許文献1参照)。
CCD等の撮像素子から画素信号を読み出す方法としては、図2で示すような画素信号の配列を水平、垂直方向に複数のフィールドに分割し、分割したフィールド毎に読み出す方式が知られている(例えば、特許文献2参照)。
なお、本出願に関する従来技術の参考文献として、特許文献1から特許文献3が知られている。
特開平05−041835号公報 特開2000−308072号公報 特開2004−222177号公報
しかし、例えば特許文献2に開示された画素信号の加算方法は、ライン遅延のみで画素信号の加算を行う方法であり、画素信号の垂直方向の加算は分割されたフィールド内のみで行われる。このため、フィールド間の加算は後段の画像処理部(DBE;デジタル バック エンド)で行う必要があり、また、解像度もそのフレーム数によって制限される。
さらに、画素信号の加算のみを行う方法では、加算後の画素信号のビット幅が加算前の画素信号のビット幅より大きくなり、後段のDBEが対応できない場合がある。このとき、同時にAFE(アナログ フロント エンド)で行われた黒レベルのオフセット値も変わってしまうという問題も発生する。
このように、従来の画素信号の加算方法では、画素信号を加算するために後段のDBEにおける処理を大きく変更する必要があり、画素信号の加算処理が複雑になるという課題があった。
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、従来の装置に大きな変更を加えることなく、簡単な構成で高感度の画素信号を得ることが可能な画素信号処理回路を提供することにある。
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、請求項1に記載の発明は、撮像素子が出力する画素信号を取り込む画素信号取り込み手段と、前記取り込んだ画素信号の配置を入れ替える配置入れ替え手段と、前記配置入れ替え手段により配置が入れ替えられた後の画素信号を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された画素信号を読み取り加算処理を行う加算手段と、前記加算処理後の画素信号に対して前記加算処理における加算数で除算処理を行う除算手段と、前記画素信号と同期した同期信号を入力し前記加算数に基づいて当該同期信号の調整を行う同期信号調整手段と、前記除算処理後の画素信号を前記同期信号調整手段で調整後の同期信号と同期して搬出する搬出手段とを具備することを特徴とする画素信号処理回路である。
上記構成の画素信号処理回路によれば、撮像素子から取り込んだ画素信号の配置を入れ替えて記憶手段に記憶し、記憶手段に記憶された中から任意の画素信号を読み出し、読み出した画素信号を加算し、加算後の画素信号を加算数で除算することにより、加算前の画素信号とビット幅が同じであり且つ平均化によるS/N比向上で高感度となる画素信号を生成することが可能であり、同期信号調整手段で加算前の画素信号と同期した同期信号を加算数に応じて調整し、前記高感度の画素信号を調整後の同期信号と同期して出力することが可能である。
また、請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記配置入れ替え部における画素信号の配置入れ替えを制御する制御手段をさらに具備することを特徴とする。
また、請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記記憶手段は、前記撮像素子に存在する画素欠陥の位置情報を記憶し、前記加算手段における画素信号の加算処理では、前記画素欠陥の位置情報に対応する画素信号を加算対象から除き、前記除算手段における除算処理で用いる加算数は前記加算対象から除いた画素信号の数を含まないことを特徴とする。
また、請求項4に記載の発明は、画素信号を出力する撮像素子と、前記画素信号と同期する同期信号を生成する同期信号生成手段と、前記画素信号を取り込む画素信号取り込み手段と、前記取り込んだ画素信号の配置を入れ替える配置入れ替え手段と、前記配置入れ替え手段により配置が入れ替えられた後の画素信号を記憶する記憶手段と、前記記憶手段に記憶された画素信号を読み取り加算処理を行う加算手段と、前記加算処理後の画素信号に対して前記加算処理における加算数で除算処理を行う除算手段と、前記同期信号を入力し前記加算数に基づいて当該同期信号の調整を行う同期信号調整手段と、前記除算処理後の画素信号を前記同期信号調整手段で調整後の同期信号と同期して搬出する搬出手段と、前記同期信号調整手段で調整後の同期信号と前記搬出手段で搬出された画素信号を入力し信号処理を行う信号処理手段とを具備することを特徴とする撮像装置である。
本発明の画素信号処理回路によれば、加算前の画素信号とビット幅と同じであり且つ平均化によるS/N比向上で高感度となる画素信号を生成することが可能であり、さらに高感度の画素信号を調整後の同期信号と同期して出力することが可能であるため、高感度の画素信号に対しても画素信号の信号処理を行う後段の回路は従来の処理から大きく変更することなく、簡単に高感度の画素信号を得ることができる。
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る撮像装置の構成を示す構成図である。図1において、撮像装置1内の撮像素子11は、被写体の光像を光電変換によりR(赤)、G(緑)、B(青)の色成分としてアナログの画素信号を出力するものである。
TG部12(同期信号生成手段)は、DBE部15からの指示を入力し、撮像素子11・A/D部13・Timing調整部141を制御するための各種タイミング信号(同期信号)を生成し出力するタイミングジェネレータである。ここで、タイミング信号とは例えば、ドット・クロック、フィールド識別信号、水平ライン先頭識別信号である。A/D部13は、TG部12から入力したタイミング信号に基づいて、撮像素子11から入力するアナログ画素信号をデジタルの画素信号へ変換し、取り込み部144へと出力するものである。
画素信号処理回路14は、A/D部13からデジタルの画素信号を取り込み、所定の処理を行った後にDBE部15へと処理後の画素信号を出力するものである(詳細は後述する)。画素信号処理回路14内のTiming調整部141(同期信号調整手段)は、TG部12から入力した各種タイミング信号を画素信号の加算数に応じて調整し、DBE部15へ出力するものである。
制御部142(制御手段)は、画素信号処理回路14内の各部を制御するものであり、例えば、Timing調整部141に対して画素信号の加算数を指定するものである。メモリ143(記憶手段)は配置入れ替え部145から出力される画素信号を記憶するメモリであり、少なくともフィールド単位で読み出される全画素信号を記憶することが可能なメモリである。
従来は、同一フィールド内でも水平方向の1ラインのみを記憶するメモリ(ラインフレームバッファ)が用いられていたために画素信号の加算はライン遅延に限られていたが、本実施形態ではフィールド単位で画素信号を記憶する構成であるため、フィールドの水平分割、垂直分割の方法や同一フィールド内における各画素信号のA/D部13からの搬出順序によらず、任意の画素信号を選択しての加算が可能となる。
取り込み部144(画素信号取り込み手段)は、A/D部13から出力されるデジタルの画素信号を入力し、配置入れ替え部145へ出力するものである。配置入れ替え部145(配置入れ替え手段)は、取り込み部144から入力した画素信号を制御部142からの指示に基づいて並び替え、メモリ143へ書き込むものである。
ここで、撮像素子11における画素信号の配列は図2に示すような配列となるが、取り込み部144で取り込まれる画素信号の配列はA/D部13からの搬出順序に依存しており、フィールドの分割方法等により図2の配列の並びとは異なる順序となる。
配列入れ替え部145は、取り込み部144から入力した画素信号の配列を制御部142からの基づき図2に示した配列となるように並び替え、メモリ143へと出力する。このように、制御部142で配列入れ替え部145へ配置の並び替えを制御可能とすることで、A/D部13からの搬出順序によらず画素信号の配列変更を行うことができる。このため、本実施形態の画素信号処理回路は様々な撮像素子に対応することができる。
加算部1(146a、加算手段)は、メモリ143で記憶する画素信号を取り込み、HD(Horizontal Driving pulse)信号単位での加算、すなわち水平1ラインでの加算を行うものである。除算部1(147a、除算手段)は、加算によるビット数の増加を抑えるために、加算部1の加算結果に対して除算を行うものである。
加算部2(146b、加算手段)は、メモリ143で記憶する画素信号を取り込み、VD(Vertical Driving pulse)信号単位での加算、すなわち垂直方向の加算を行うものである。除算部2(147b、除算手段)は、加算によるビット数の増加を抑えるために、加算部2の加算結果に対して除算を行うものである。
本実施形態では、処理の効率上、加算部及び除算部を水平・垂直方向でそれぞれ二つに分けたが、一つの加算部及び除算部で水平・垂直方向に関して排他的に動作させるようにしてもよい。
搬出部148(搬出手段)は、画素信号の演算結果を除算部2より入力し、DBE部15へと出力するものである。なお、搬出部148から画素信号を出力するタイミングは、Timing調整部141で調整後のタイミングとなる。
DBE部15(信号処理手段)は、搬出部148から画素信号を入力し画像処理を行うものであり、また、メモリーカード16、表示部17、外部メモリ18等との間のインタフェースを制御するものである。
続いて、図1に示した撮像装置における画素信号の加算処理に関して、図2から図4を参照して説明する。
図2は、配置入れ替え部145で配置の入れ替えを行った後の画素信号の配列を示す図である。図3は、高解像度を優先する撮影等において、画素信号の加算を行わない場合に搬出部148が画素信号を出力する際の動作を示すタイミングチャートである。
図2において、画素信号の配列は、最下段の行は左側からG(緑)、B(青)に対応する画素信号が交互に繰り返され、その一段上の行は左側からR(赤)、G(緑)に対応する画素信号が交互に繰り返される。以降、一段毎にG、Bが繰り返される行とR、Gが繰り返される行とが交互に存在する。
続いて、画素信号の加算を行わない場合に、搬出部148が図2に示した配列の画素信号を出力する際の動作に関して図3を参照して説明する。搬出部148から画素信号を出力する際には、Timing調整部141からDBE部15へ出力される水平同期信号(HD)、ドット・クロック(DCLK)等と同期して行われる。
図3において、水平同期信号が一回パルスを出力すると、その次のドット・クロックのタイミングから図2の最下段の行の左端の画素信号G(1−1)が出力される。この後、ドット・クロックのタイミングに合わせて当該行の左からB(1−2)、G(1−3)、…の順番で画素信号が搬出部148から出力される。
最下段の行の画素信号の出力が終了すると、続いてその一段上の行に移動し、水平同期信号のパルス発生後に左からR(2−1)、G(2−2)、…の順番で画素信号が出力される。このようにして、図2に示した画素信号は搬出部148からDBE部15へと出力される。
続いて、図2に示した高解像度の画素信号から高感度の画素信号を生成する方法に関して説明する。本実施形態では、隣接する四つの画素信号を加算し平均化することにより信号対雑音比S/Nを四倍にする方法について説明する。なお、画素信号の加算において、どの位置の画素信号と加算を行うかに関しては図1の制御部142で制御可能であり、また、画素信号の加算数は四つに限られることはない。
図2の画素信号G(1−1)に関しては、隣接する画素信号であるG(1−3)、G(3−1)、G(3−3)の三つの画素信号と加算し平均化することにより高感度の画素信号G(1−1a)を生成する。
画素信号G(1−1a)を生成するためには、まず加算部1が制御部142からの指示に基づいて、G(1−1)とG(1−3)とに関して水平方向の加算を行い、結果を除算器1へ出力する。
続いて、除算部1が加算部1の加算結果を入力し、制御部142からの指示に基づいて水平方向の加算数(この場合は、2)で割る。ここで、2で割る処理は、例えば1ビットのビットシフトにより実現可能である。
次に、G(3−1)とG(3−3)に対しても加算部1、除算部1で同様の処理を行い、G(3−1)とG(3−3)との加算平均を求める。続いて、加算部2は制御部142からの指示に基づいてG(1−1)及びG(1−3)の加算平均結果とG(3−1)及びG(3−3)の加算平均結果と入力し、垂直方向の加算を行い、結果を除算器2へ出力する。
最後に、除算部2が加算器2の加算結果を入力し、制御部142からの指示に基づいて垂直方向の加算数(この場合は、2)で割ると、G(1−1)、G(1−3)、G(3−1)、G(3−3)の四つの画素信号の平均G(1−1a)が得られる。
同様に、B(1−2)、B(1−4)、B(3−2)、B(3−4)の四つの画素信号に加算平均を行うことにより高感度の画素信号B(1−2a)を生成する。このようにして、四つの画素信号を加算平均することにより、一つの高感度の画素信号を生成する。
続いて、上記方法で得た高感度画素信号G(1−1a)、B(1−2a)、…を搬出部148から出力する際の動作について図4を参照して説明する。
本実施形態では、高感度画素信号を生成するための水平方向の加算数が2であるため、高感度画素信号の配列における水平方向一行の画素数は、加算前の画素信号の配列の1/2となる。そこで、Timing調整部141がドット・クロックの周期を2倍に調整する。
このようにTiming調整部141でドット・クロックの周期を2倍に調整することで、搬出部148は加算平均後の高感度画素信号G(1−1a)、B(1−2a)、…をドット・クロックのタイミングに合わせて、図3を参照して前述したのと同様の方法でDBE部15へ出力することが可能となる。
したがって、調整後のドット・クロック及び加算平均後の高感度画素信号を入力するDBE部15では、加算を行う前の画素信号と同様の方法で画素信号を取り込み、画像処理を行うことができる。
従来の水平方向の一ラインを記憶するラインフレームバッファを用いて行う加算は、ライン遅延による加算を行うことにより同じフレーム上の画素信号に対してのみ加算を行うものである。このため、画素信号を水平、垂直方向の複数のフレームに分割し、かつ隣接する画素信号が同じフレーム上に無い場合には上述したような加算を行うことができない。
これに対して、本実施形態ではメモリ143において、水平方向の一ラインだけでなく同一フレーム上の全ての画素信号を記憶するため異なるフレームに存在する画素信号との加算も可能となり、任意の組み合わせで画素信号の加算を行うことができる。
さらに、加算後に除算を行うことで、加算後の高感度画素信号が加算前の画素信号と同じビット幅を持つこととなり、DBE部15は加算前の画素信号と同様の方法で高感度画素信号の処理を行うことができる。具体的には、例えば、画素信号に黒レベルのオフセットを補正する際に、加算前の画素信号と高感度画素信号とを同じオフセットで補正することが可能となる。
また、従来の加算方法では加算後に画素信号のビット幅が大きくなるため、DBE部15は加算後に大きくなったビット幅での処理が可能でなければならないという制限があったが、本実施形態ではビット幅が変化しないため、DBE部15が特定のビット幅以内の画素信号しか扱えない場合においても適用可能である。
次に、画素欠陥がある場合に高感度の画素信号を生成する方法に関して、図5から図7を参照して説明する。図5は、図3のタイミングチャートにおいて、画素信号G(2−4)及びB(3−12)に画素欠陥がある場合のものである。図6は、図4のタイミングチャートにおいて、画素信号G(2−4)及びB(3−12)に画素欠陥がある場合のものである。
なお、画素欠陥のある位置は予めメモリ143に登録されており、制御部142は、このメモリ143の登録情報とTG部12から画素信号処理部14へと出力されるドット・クロック(DCLK)、フィールド識別信号(VD)、水平ライン先頭識別信号(VD)等から画素欠陥の位置に対応する画素信号を検出する。
制御部142は、画素欠陥に対応する画素信号G(2−4)及びB(3−12)を検出すると、当該画素信号を加算部1における加算対象から除外する。このとき、高感度画素信号B(1−6a)を生成する過程では画素信号B(3−12)を除き、B(1−10)、B(1−12)、B(3−10)の三つのみを用いて行い、同様に高感度画素信号G(2−2a)を生成する過程では画素信号G(2−4)を除き、G(2−2)、G(4−2)、G(4−4)の三つのみを用いて行う(図6参照)。
ここで、三つの画素信号を加算する場合において、除算部1及び除算部2により四つの画賛信号を加算する場合と同様の除算を行うとビット幅が異なることになる。そこで、本実施形態では、図7に示すように画素欠陥に対応する画素信号を含む加算に関しては、除算部1及び除算部2における除算処理を変更し、常に加算数で除算を行うようにする。
図6の例では、高感度画素信号B(1−6a)及びG(2−2a)を生成する過程では、加算数である三で除算を行う。この方法を用いることにより、画素欠陥に対応する画素信号がある場合においても、画素欠陥に対応する画素信号を加算対象に含む高感度画素信号と含まない画素信号とのビット幅が同じになり、DBE部15では画素欠陥に対応する画素信号に対して特別な処理を行う必要は無い。
また、画素欠陥等の要因により画素を保管しなければ場合、従来の方法では隣接した画素から新たにデータを作るため、実際にその画素がある領域の情報とは異なり、厳密には解像度を持たない領域を作ることになる。これに対して、本実施形態では画素欠陥の位置に対応する画素信号を取り除いて処理を行うため、解像度を持たない領域を作ることがない。
以上述べたように、本実施形態の画素信号処理回路14を従来の撮像装置と組み合わせることにより、従来の処理(例えば、DBE部15における処理)に大きな変更を加えることなく、簡単に高ダイナミックレンジ、高感度(高S/N比)の撮像装置が実現できる。
また、メモリ143を搭載したことにより、フィールドの分割方法や撮像素子からの画素信号の搬出順序によらず、フィールドの異なる画素同士でも加算を行うことができる。さらにまた、様々な撮像素子に対応することが可能であり、感度もシーン判別で任意に最適な選択ができる。さらにまた、撮像素子からの搬出される画素信号の配列を、制御部142からの制御信号により配置入れ替え部145で簡単に再配列できる。
以上、本発明の実施形態を詳述してきたが、具体的な構成は本実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、図1の配置入れ替え部145における画素信号の配置入れ替えは、メモリ143に記憶する前ではなく、メモリ143から画素信号を読み出す段階で行ってもよい。また、撮像素子に存在する画素欠陥の位置情報を記憶する箇所は、画素信号処理回路4内のメモリ143ではなく、DBE部15で使用するメモリであってもよい。
本発明は、撮像素子から出力される画素信号の処理を行う画素信号処理回路及び当該画素信号処理回路を備えたDSC、DVC等の撮像装置に用いて好適である。
本発明の実施形態に係る撮像装置の構成を示す構成図である。 図1の配置入れ替え部145で配置の入れ替えを行った後の画素信号の配列を示す図である。 画素信号の加算を行わない場合に、図1の搬出部148が図2に示した配列の画素信号を出力する際の動作を示すタイミングチャートである。 図1の搬出部148が高感度の画素信号を出力する際の動作を示すタイミングチャートである。 図3のタイミングチャートにおいて、画素信号G(2−4)及びB(3−12)に画素欠陥がある場合のものである。 図4のタイミングチャートにおいて、画素信号G(2−4)及びB(3−12)に画素欠陥がある場合のものである。 画素欠陥がある場合の、加算及び除算処理を示す模式図である。
符号の説明
1…撮像装置、11…撮像素子、12…TG部(同期信号生成手段)、13…A/D部、14…画素信号処理回路、15…DBE部(信号処理手段)、141…Timing調整部(同期信号調整手段)、142…制御部(制御手段)、143…メモリ(記憶手段)、144…取り込み部(画素信号取り込み手段)、145…配置入れ替え部(配置入れ替え手段)、146a・146b…加算部(加算手段)、147a・147b…除算部(除算手段)、148…搬出部(搬出手段)

Claims (4)

  1. 撮像素子が出力する画素信号を取り込む画素信号取り込み手段と、
    前記取り込んだ画素信号の配置を入れ替える配置入れ替え手段と、
    前記配置入れ替え手段により配置が入れ替えられた後の画素信号を記憶する記憶手段と、
    前記記憶手段に記憶された画素信号を読み取り加算処理を行う加算手段と、
    前記加算処理後の画素信号に対して前記加算処理における加算数で除算処理を行う除算手段と、
    前記画素信号と同期した同期信号を入力し前記加算数に基づいて当該同期信号の調整を行う同期信号調整手段と、
    前記除算処理後の画素信号を前記同期信号調整手段で調整後の同期信号と同期して搬出する搬出手段と
    を具備することを特徴とする画素信号処理回路。
  2. 前記配置入れ替え部における画素信号の配置入れ替えを制御する制御手段をさらに具備することを特徴とする請求項1に記載の画素信号処理回路。
  3. 前記記憶手段は、前記撮像素子に存在する画素欠陥の位置情報を記憶し、前記加算手段における画素信号の加算処理では、前記画素欠陥の位置情報に対応する画素信号を加算対象から除き、前記除算手段における除算処理で用いる加算数は前記加算対象から除いた画素信号の数を含まないことを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の画素信号処理回路。
  4. 画素信号を出力する撮像素子と、
    前記画素信号と同期する同期信号を生成する同期信号生成手段と、
    前記画素信号を取り込む画素信号取り込み手段と、
    前記取り込んだ画素信号の配置を入れ替える配置入れ替え手段と、
    前記配置入れ替え手段により配置が入れ替えられた後の画素信号を記憶する記憶手段と、
    前記記憶手段に記憶された画素信号を読み取り加算処理を行う加算手段と、
    前記加算処理後の画素信号に対して前記加算処理における加算数で除算処理を行う除算手段と、
    前記同期信号を入力し前記加算数に基づいて当該同期信号の調整を行う同期信号調整手段と、
    前記除算処理後の画素信号を前記同期信号調整手段で調整後の同期信号と同期して搬出する搬出手段と、
    前記同期信号調整手段で調整後の同期信号と前記搬出手段で搬出された画素信号を入力し信号処理を行う信号処理手段と
    を具備することを特徴とする撮像装置。
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