JP2007318224A - 撮像装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】黒レベル基準情報取得時に、限られた黒レベル基準情報記憶領域を有効に使い、黒レベル基準情報取得回数を増加させて加算平均することにより、黒レベル基準情報の精度を上げ、暗電流補正後の画質を向上させることができる撮像装置を提供する。
【解決手段】アイリス11を閉じた状態で黒レベル基準データ取得を開始する。黒レベル基準データ取得回数決定部21は、黒レベル基準データの最大値と最小値及び黒レベル基準データの1画素分の記憶容量に応じて黒レベル基準データ取得回数を決定する。取得回数分画素毎に黒レベル基準データから最小値を減算した値を積算し、終了後に取得回数で割り平均値を算出する。アイリス11を開放した後、取得した撮像データから記憶されている黒レベル基準データ平均値を読み出し、これに黒レベル基準データの最小値を加えた値で減算処理し暗電流成分を除去する。
【選択図】図1

Description

本発明は、CCD(Charge Coupled Device)やCMOSセンサなどの撮像素子を用いた撮像装置に関し、特に暗電流ノイズの補正手段を備えた撮像装置に関する。
CCD撮像素子、若しくはCMOS撮像素子を使用したビデオカメラやデジタルカメラなどの撮像装置においては、暗電流の影響により黒レベルにばらつきが生じ、画質劣化の要因となっている。これを解決するためこれまでに様々な工夫が擬らされてきている。
例えば特許文献1では、CCD撮像装置において遮光した状態で映像信号を取得し、黒レベル基準情報を得る方法、及び得られた黒レベル基準情報をフレームメモリに記憶させる方法、黒レベル基準情報をもとに映像信号から減算する方式で暗電流補正を行う手段が述べられている。
さらに特許文献2では、黒レベル基準情報を数回取得して平均化を行うことで黒レベル基準情報からランダムノイズ成分を除き、精度のよい暗電流補正を行う手段が述べられている。
特開平6−54261号公報 特開平11−112884号公報
特許文献2で述べられているように、黒レベル基準情報を精度よく得るためには、ランダムノイズの影響を少なくする必要があり、このため、できる限り黒レベル基準情報の取得回数を多くしてサンプル数を増やした上で平均化を行うことが望ましい。
従来の暗電流補正方式では、黒レベル基準情報を平均化するために複数回取得して加算する際、ダイナミックレンジに余裕のある黒レベル基準情報記憶領域(ビデオメモリ)を確保しておかないと、撮像素子の状態によって暗電流が大きい場合には加算された黒レベル基準情報の振幅が高くなり、黒レベル基準情報記憶領域がオーバーフローを起こす恐れがあった。
この対策として、黒レベル基準情報記憶領域の大きさに対して黒レベル基準情報取得回数を十分に少なくし、加算後の記憶領域に余裕のある状態で平均化を行う必要があり、取得回数が少なくなるために黒レベル基準情報の精度が低くなり、暗電流補正後の画質を落とす要因となっていた。
本発明はこの点に着目してなされたものであり、黒レベル基準情報取得時に、限られた黒レベル基準情報記憶領域を有効に使い、黒レベル基準情報取得回数を増加させて加算平均することにより、黒レベル基準情報の精度を上げ、暗電流補正後の画質を向上させることを目的とする。
上記目的を達成するために請求項1に記載の発明は、複数の光感応素子を有し、各光感応素子で入射光量に応じて蓄積された電荷を画素信号に変換し、順次読み出して映像信号を生成する撮像手段と、該撮像手段への入射光量を調節するためのアイリスと、前記撮像手段から出力される映像信号を画素単位でデジタルデータに変換するアナログ/デジタル変換手段と、前記デジタルデータ化された映像信号を記憶する映像データ記憶手段とを備える撮像装置において、前記アイリスを閉じて入射光を遮蔽したときに順次取得される前記映像信号から予め定められた期間を抜き出して黒レベル基準データとし、前記黒レベル基準データ内の最大値を予め記憶する黒レベル基準データ最大値記憶手段と、前記黒レベル基準データ内の最小値を予め記憶する黒レベル基準データ最小値記憶手段と、継続して取得される前記黒レベル基準データから前記黒レベル基準データ最小値を減算する最小値減算手段と、前記最小値減算手段から出力される減算された黒レベル基準データを記憶する黒レベル基準データ記憶手段と、前記黒レベル基準データの最大値と前記黒レベル基準データの最小値と前記黒レベル基準データ記憶手段の画素当たりの記憶容量とに応じて前記黒レベル基準データの取得回数を決定する黒レベル基準データ取得回数決定手段と、前記黒レベル基準データの新たな取得時に前記黒レベル基準データ記憶手段に保持している黒レベル基準データを読み出し、前記最小値減算手段から出力される減算された黒レベル基準データを加算する加算手段と、前記加算手段から出力される黒レベル基準データを再び前記黒レベル基準データ記憶手段に書き込む書き込み手段と、前記黒レベル基準データ取得回数決定手段により決定された取得回数だけ前記黒レベル基準データの取得と最小値の減算と累積加算とを行った後、前記黒レベル基準データを前記黒レベル基準データ記憶手段より読み出し、前記取得回数で除算することにより平均黒レベル基準データを算出する除算手段と、前記算出された平均黒レベル基準データに前記黒レベル基準データの最小値を加算する最小値加算手段と、前記アイリスを開放した後に取得され前記映像データ記憶手段に格納された映像信号から前記最小値加算手段で出力された平均黒レベル基準データの減算処理を行い暗電流成分を除去する暗電流補正手段とを具備することを特徴とする撮像装置。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の撮像装置において、前記黒レベル基準データ取得回数決定手段は、前記黒レベル基準データ記憶手段の1画素当たりの記憶容量がMビットであり、前記黒レベル基準データの最大値から前記黒レベル基準データの最小値を減算した値がNビットであるとき、2の(M−N)乗回を前記取得回数とすることを特徴とする。
請求項1に記載の発明によれば、黒レベル基準情報取得時に、容量が限られた黒レベル基準情報記憶領域を有効に使い、記憶容量を増やすことなく取得回数を増加させて加算平均するので、黒レベル基準情報の精度が高くなり暗電流補正後の撮像装置の映像信号画質を著しく向上させることが可能である。また、従来と同精度の暗電流補正であれば、黒レベル基準データ記憶手段の記憶容量をより少なくすることが可能で撮像装置のコストダウンに効果がある。
さらに、撮像装置の設置環境が変わったり経時変化が有って暗電流が大幅に増加しても適宜取得回数が最適回数に変化するので、オーバーフロー等の破綻のない暗電流補正を行うことができる。
請求項2に記載の発明によれば、黒レベル基準データ取得回数は黒レベル基準データ記憶手段の1画素当たりの記憶容量がMビットであり、黒レベル基準データの最大値と最小値の差分がNビットであるとき、2の(M−N)乗回が黒レベル基準データの取得回数と決定される。これにより、黒レベル基準データ記憶手段の記憶容量が一定であっても黒レベル基準データの最大値と最小値に応じて常に最適な黒レベル基準データ取得回数の設定が行われるものである。
以下本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は本発明の一実施形態にかかる撮像装置の構成を示すブロック図である。この撮像装置は被写体を撮像してその画像をデジタルデータに変換する撮像部1と、デジタル画像の処理を行う処理部2と、各種データを記憶する記憶部3と、各ブロックの同期や制御を行う制御部4とを備えている。なお、撮像部1、処理部2、記憶部3、及び制御部4はバス10を介して接続されている。
撮像部1はアイリス11と、CCD撮像素子若しくはCMOS撮像素子(以下「撮像素子」という)12と、アナログ/デジタル変換器13とを備えている。撮像部1の各種制御は制御部4の指令に基づき行われる。アイリス11は、撮像素子12への入射光量を調節するものであり、制御部4の指令により開閉される。撮像素子12は複数個の光感応素子を配列したもので、各光感応素子で入射光量に応じて蓄積された電荷から映像信号を生成する。アナログ/デジタル変換器13は撮像素子12より出力された電荷をデジタルデータへと変換し、出力する。
処理部2は、前記アイリス11を閉じて入射光を遮蔽したときに順次取得される映像信号から予め定められた期間を抜き出して作成した黒レベル基準データを処理する部分であり、黒レベル基準データ取得回数決定部21と、黒レベル基準データ取得時にフレーム数をカウントするカウンタ22と、黒レベル基準データ加算時に用いる加算器23と、加算後の黒レベル基準データを平均化するときに用いる除算器24と、暗電流補正部25と、黒レベル基準データの最小値を減算する最小値減算器26と、同最小値を加算する最小値加算器27とを備えている。処理部2の各種制御は制御部4の指令に基づき行われる。黒レベル基準データ取得回数決定部21は、取得した黒レベル基準データの最大値と最小値及び後述の黒レベル基準データ記憶領域の記憶容量に応じて所定の演算により黒レベル基準データ取得回数を決定する。
カウンタ22は黒レベル基準データ取得開始時に0にリセットされ、1フレーム分のデータを取り込む毎に1加算される。
加算器23は黒レベル基準データ取得時に、画素毎に既得の黒レベル基準データ(初回は0)に、新規に取得した黒レベル基準データから最小値減算器26により黒レベル基準データの最小値が常に減算された値を所定の回数加算する。
除算器24は黒レベル基準データ取得終了後に、画素毎に既得の黒レベル基準データを取得フレーム数(カウンタ22の値)で除算を行い、最小値が減算された黒レベル基準データ平均値を算出する。最小値加算器27は最小値が減算された黒レベル基準データ平均値に黒レベル基準データの最小値を加算し、補正用の黒レベル基準データ平均値を得る。
暗電流補正部25は通常撮像時に撮像データから補正用の黒レベル基準データ平均値を減算することにより、暗電流補正を行う。
記憶部3は黒レベル基準データを記憶する黒レベル基準データ記憶領域31と、撮像データを記憶する映像データ記憶領域32と、黒レベル基準データの最大値を記憶する黒レベル基準データ最大値記憶領域33と、黒レベル基準データの最小値を記憶する黒レベル基準データ最小値記憶領域34とを備えている。記憶部3の各種制御は制御部4の指令に基づき行われる。
黒レベル基準データ記憶領域31は、撮像データのビット幅以上のビット幅を持つ画素毎のフレームメモリで構成され、黒レベル基準データ取得時には取得された黒レベル基準データから黒レベル基準データの最小値が減算された値の合計が画素毎に保存される。又、黒レベル基準データ取得後は、最小値が減算された黒レベル基準データ平均値が記憶され保持される。
映像データ記憶領域32は、撮像データと同じ画素毎のビット深度を持つフレームメモリで構成され、黒レベル基準データ取得時には新規に取得された黒レベル基準データが記憶される。又、通常撮像時には撮像データが記憶される。
次に、図2及び図3を用いて黒レベル基準データ記憶領域31の内訳と黒レベル基準データ取得回数について説明する。図2は黒レベル基準データ記憶領域31の1画素分のビット配分を示したものである。図3は黒レベル基準データ記憶領域31に記憶する黒レベル基準データの大きさを示しており、(A)は説明用に取得した黒レベル基準データそのものを当てはめたときで、(B)は本実施例のように取得した黒レベル基準データから黒レベル基準データ最小値を減算した値を当てはめたものである。
図2において、黒レベル基準データ記憶領域31のメモリは1画素あたりMビット幅の記憶領域があり、黒レベル基準データ最大値から黒レベル基準データ最小値を減算した値をNビットの範囲(「2の(N−1)乗」〜「2のN乗−1」)に当てはめる。
(M−N)ビットの範囲は加算用ビット領域で、取得した黒レベル基準データから黒レベル基準データ最小値を減算した値を逐次加算していき、累積値がNビットの範囲を越えたときに使用する記録領域である。
黒レベル基準データ取得回数決定部21では、累積値がMビットの範囲をオーバーフローしないための黒レベル基準データの取得回数を決定するが、この図に当てはめると、黒レベル基準データ最大値以内のどのレベルの黒レベル基準データが来てもオーバーフローしないための取得回数は「2の(M−N)乗」回以下となる。
次に、本実施例のように黒レベル基準データ最大値から黒レベル基準データ最小値を減算した値をNビットの範囲に当てはめることで黒レベル基準データの取得回数が増加する点について説明する。
黒レベル基準データ記憶領域31に黒レベル基準データの振幅範囲をそのまま当てはめると図3(A)に示すようになる。すなわち取得した黒レベル基準データの振幅は、同図の(a)の領域で示す最小値から最大値までの範囲内に入り、この振幅は「2の(N-3)乗」の3倍以上で「2の(N-3)乗」の5倍以下であるとする。
次に、取得した黒レベル基準データから黒レベル基準データ最小値(同図(b)の範囲)を減算した値を当てはめると、図3(B)で示すように、記憶する黒レベル基準データは(c)の範囲となり、この振幅の最大値は、図3(A)の(a)の範囲の最大値に比べると2ビット分小さくなる。したがって、この2ビットは加算用ビット領域に用いることができるので、取得した黒レベル基準データをそのまま記憶させるときよりも取得回数を増加することが可能となる。
次に、図4を用いて本撮像装置の黒レベル基準データ取得回数決定時の動作を説明する。図4は図1に示す本撮像装置の黒レベル基準データ取得回数決定部21における処理手順を示すフローチャートである。
電源投入時又は制御部4にある黒レベル基準データ取得開始ボタン(図示せず)が押されると、制御部4は以下に述べる手順で各部を制御し、図4に示す処理を行う。
最初にステップS301にてアイリス11を閉じて撮像を行い、ステップS302に進み、ステップS301で撮像した撮像データを映像データ記憶領域32に記憶させる。次にステップS303に進み、映像データ記憶領域32より1画素分のデータaを読み出す。
ステップS304では、読み出されたデータaが現在の黒レベル基準データ最小値記憶領域34に記憶されている値より小さいか否かを判別する。この答えがYES、つまりデータaが黒レベル基準データ最小値より小さい場合は、ステップS305に進み、読み出したデータaを新たな最小値として黒レベル基準データ最小値記憶領域34に上書きする。
次いでステップS306では、ステップS303で読み出されたデータaが現在の黒レベル基準データ最大値記憶領域33に記憶されている値より大きいか否かを判別する。この答えがYES、つまりデータaが黒レベル基準データ最大値より大きい場合は、ステップS307に進み、読み出したデータaを新たな最大値として黒レベル基準データ最大値記憶領域33に上書きする。
次にステップS308に進み、ステップS303〜S307の処理が全画素について完了したか否かを判別する。その答えがNO、すなわち全画素についての処理が完了していなければステップS303に戻り、次の画素の処理に移る。ステップS308の答えがYESになったとき、つまり全画素についての処理が完了しているときは、ステップS309進み、先に述べたように1画素あたりMビット幅の記憶領域に対して黒レベル基準データ最大値から最小値を減算した値がNビットの範囲(2の(N−1)乗〜2のN乗−1)である場合、黒レベル基準データ取得回数を2の(M−N)乗回と決定する。
次に、図5を用いて本撮像装置の補正用黒レベル基準データ取得の動作を説明する。図5は黒レベル基準データ取得時の処理手順を示すフローチャートである。
電源投入時又は制御部4にある黒レベル基準データ取得開始ボタン(図示せず)が押され、黒レベル基準データ取得回数決定動作が終了した後、制御部4は以下に述べる手順で各部を制御し、処理を行う。
最初にステップS401にて処理部2にあるカウンタ22を0にリセットし、ステップS402に進み、黒レベル基準データ記憶領域31をクリアする(全画素に対して0を書き込む)。次にステップS403にてアイリス11を閉じて撮像を行い、ステップS404にて記憶部3の映像データ記憶領域32に撮像データを記憶させる。
次いでステップS405にて黒レベル基準データ記憶領域31より1画素分のデータaを読み出し、さらにステップS406にて映像データ記憶領域32より当該個所の1画素分のデータbを読み出す。
ステップS407では、データbから記憶部3の黒レベル基準データ最小値記憶領域34より読み出した黒レベル基準データの最小値を減算してデータb’とし、次いでステップS408で読み出したデータa及びデータb’を加算器23により足し合わせて、その結果を黒レベル基準データ記憶領域31の該当部に記憶させる。
次にステップS409に進み、全画素についての処理が完了したか否かを判別する。ステップS409の答えがNO、つまり、全画素について処理がまだ完了していないときはステップS405に戻り、次の画素の処理に移る。ステップS409の答えがYESとなったとき、つまり全画素について処理が完了したときはステップS410に進み、カウンタ22を1進める。
ステップS411では、カウンタ22が図4に示すステップS309で決定した値(規定数)に達したか否かを判別する。ステップS411の答えがNO、すなわちカウンタ22の値が規定数に達していない場合、ステップS404に戻り、さらに黒レベル基準データの取得、加算を行う。
ステップS411の答がYESとなったとき、すなわちカウンタ22が黒レベル取得回数の規定数に達したときはステップS412に進む。ステップS412では、黒レベル基準データ記憶領域31より1画素分のデータを読み出し、ステップS413では、除算器24を用いて読み出したデータをカウンタ22の値である取得したフレーム数、つまり図4に示すステップS309で決定した値(規定数)で除算し、その商を黒レベル基準データとして黒レベル基準データ記憶領域31の該当部に記憶させる。
次にステップS414にて全画素についての処理が完了したか否かを判別する。ステップS414の答えがNOであるとき、つまり全画素についての処理がまだ完了していないときは、ステップS412に戻り、次の画素の処理を行う。ステップS414の答えがYESとなったとき、つまり全画素について処理が完了したときはステップS415に進む。ステップS415ではアイリス11を開けて、通常撮像が行える状態にして黒レベル基準データ取得の処理を終了する。
次に、図6を用いて本撮像装置の暗電流補正時の動作を説明する。図6は本撮像装置の通常撮像時における暗電流補正の処理手順を示すフローチャートである。
撮像が開始されると、まずステップS501にて映像データ記憶領域32に撮像データを記憶させる。次いでステップS502にて、映像データ記憶領域32より1画素分の撮像データcを読み出す。さらにステップS503にて、黒レベル基準データ記憶領域31より当該個所の1画素分の黒レベル基準データdを読み出す。
次にステップS504では、読み出した黒レベル基準データdに黒レベル基準データ最小値記憶領域34より読み出した黒レベル基準データの最小値を加算して黒レベル基準データd’とする。
次いでステップS505では、読み出した撮像データcから黒レベル基準データd’を減算することで暗電流成分を補正し、補正された撮像データが映像データ記憶領域32の該当部に記憶される。
次にステップS506に進み、全画素についての処理が完了したか否かを判別する。ステップS506の答えがNOであるとき、すなわち全画素についての処理が完了していないときは、ステップS502に戻り、次の画素の処理を行う。ステップS506の答えがYESとなったとき、すなわち全画素について処理が完了したときはステップS506に進み、映像データ記憶領域32の暗電流補正後の撮像データを出力する。その後ステップS501に戻り次のフレームの撮像を開始する。
以上詳述したように本実施形態では、黒レベル基準データの最大値と黒レベル基準データ記憶領域31の1画素当たりのビット幅Mとに応じて黒レベル基準データ取得回数を決定し、決定した回数だけ取得した黒レベル基準データを加算平均する際に、取り込んだ黒レベル基準データから黒レベル基準データの最小値を減算してから加算するようにしたので黒レベル基準データの最大値が小さくなり、黒レベル基準データ取得回数を増加することができるようになる。
このように従来よりも取得回数が増加できるので、補正用の黒レベル基準データの精度を上げ、暗電流補正後の画質を向上させることができる。又、従来と同精度の暗電流補正であれば、より少ない記憶領域で処理を行うことが可能で、装置のコストダウンに効果がある。さらに撮像素子自体や撮像素子状態の変化により暗電流が大幅に増加しても、装置の構成を変えることなく破綻のない暗電流補正を行うことが可能となる。
本発明の一実施形態に係る撮像装置の要部の構成を示すブロック図である。 1画素分の黒レベル基準データ記憶領域の内訳を示す図である。 1画素分の黒レベル基準データのレベル範囲を示し、(A)は取得した黒レベル基準データを当てはめたとき、(B)は黒レベル基準データから黒レベル基準データ最小値を減算した値を当てはめたものである。 黒レベル基準データ取得回数決定の処理手順を示すフローチャートである。 黒レベル基準データ取得の処理手順を示すフローチャートである。 暗電流補正の処理手順を示すフローチャートである。
符号の説明
1・・・撮像部
2・・・処理部
3・・・記憶部
4・・・制御部(書き込み手段)
11・・・アイリス
12・・・撮像素子(撮像手段)
13・・・アナログ/デジタル変換器(アナログ/デジタル変換手段)
21・・・黒レベル基準データ取得回数決定部(黒レベル基準データ取得回数決定手段)
22・・・カウンタ
23・・・加算器(加算手段)
24・・・除算器(除算手段)
25・・・暗電流補正部(暗電流補正手段)
26・・・黒レベル基準データ最小値減算器(最小値減算手段)
27・・・黒レベル基準データ最小値加算器(最小値加算手段)
31・・・黒レベル基準データ記憶領域(黒レベル基準データ記憶手段)
32・・・映像データ記憶領域(映像データ記憶手段)
33・・・黒レベル基準データ最大値記憶領域(黒レベル基準データ最大値記憶手段)
34・・・黒レベル基準データ最小値記憶領域(黒レベル基準データ最小値記憶手段)

Claims (2)

  1. 複数の光感応素子を有し、各光感応素子で入射光量に応じて蓄積された電荷を画素信号に変換し、順次読み出して映像信号を生成する撮像手段と、該撮像手段への入射光量を調節するためのアイリスと、前記撮像手段から出力される映像信号を画素単位でデジタルデータに変換するアナログ/デジタル変換手段と、前記デジタルデータ化された映像信号を記憶する映像データ記憶手段とを備える撮像装置において、
    前記アイリスを閉じて入射光を遮蔽したときに順次取得される前記映像信号から予め定められた期間を抜き出して黒レベル基準データとし、前記黒レベル基準データ内の最大値を予め記憶する黒レベル基準データ最大値記憶手段と、
    前記黒レベル基準データ内の最小値を予め記憶する黒レベル基準データ最小値記憶手段と、
    継続して取得される前記黒レベル基準データから前記黒レベル基準データ最小値を減算する最小値減算手段と、
    前記最小値減算手段から出力される減算された黒レベル基準データを記憶する黒レベル基準データ記憶手段と、
    前記黒レベル基準データの最大値と前記黒レベル基準データの最小値と前記黒レベル基準データ記憶手段の画素当たりの記憶容量とに応じて前記黒レベル基準データの取得回数を決定する黒レベル基準データ取得回数決定手段と、
    前記黒レベル基準データの新たな取得時に前記黒レベル基準データ記憶手段に保持している黒レベル基準データを読み出し、前記最小値減算手段から出力される減算された黒レベル基準データを加算する加算手段と、
    前記加算手段から出力される黒レベル基準データを再び前記黒レベル基準データ記憶手段に書き込む書き込み手段と、
    前記黒レベル基準データ取得回数決定手段により決定された取得回数だけ前記黒レベル基準データの取得と最小値の減算と累積加算とを行った後、前記黒レベル基準データを前記黒レベル基準データ記憶手段より読み出し、前記取得回数で除算することにより平均黒レベル基準データを算出する除算手段と、
    前記算出された平均黒レベル基準データに前記黒レベル基準データの最小値を加算する最小値加算手段と、
    前記アイリスを開放した後に取得され前記映像データ記憶手段に格納された映像信号から前記最小値加算手段で出力された平均黒レベル基準データの減算処理を行い暗電流成分を除去する暗電流補正手段と、
    を具備することを特徴とする撮像装置。
  2. 前記黒レベル基準データ取得回数決定手段は、前記黒レベル基準データ記憶手段の1画素当たりの記憶容量がMビットであり、前記黒レベル基準データの最大値から前記黒レベル基準データの最小値を減算した値がNビットであるとき、2の(M−N)乗回を前記取得回数とすることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115278124A (zh) * 2022-08-08 2022-11-01 天津大学 抑制暗电流分布非均匀性的方法及装置

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