JP2009303010A - 撮像装置及び撮像方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】コストの増加を抑制でき、撮像完了までの時間を長くすることなく、ダイナミックレンジを拡大した画像信号を生成することができる撮像装置及び撮像方法を提供する。
【解決手段】撮像装置は、蓄積画像を形成する個体撮像素子2と、蓄積画像に基づく撮像信号SAを複数の利得量で増幅して複数の第1の信号SBを生成する利得手段30と、複数の第1の信号SBを複数のデジタル撮像信号SCにそれぞれ変換するA/D変換手段4(A/D変換器40)と、蓄積画像を電荷の量に応じた複数の領域に分割する輝度分布検出手段53と、複数のデジタル撮像信号SCを複数の輝度増幅量でそれぞれ増幅して複数の第2の信号を生成し、複数の第2の信号を合成して画像信号SEを生成する合成手段50と、前記複数の利得量及び前記複数の輝度増幅量を、蓄積画像の複数の領域ごとの前記蓄積された電荷の量に基づいて設定する制御手段70とを有する。
【選択図】図2
【解決手段】撮像装置は、蓄積画像を形成する個体撮像素子2と、蓄積画像に基づく撮像信号SAを複数の利得量で増幅して複数の第1の信号SBを生成する利得手段30と、複数の第1の信号SBを複数のデジタル撮像信号SCにそれぞれ変換するA/D変換手段4(A/D変換器40)と、蓄積画像を電荷の量に応じた複数の領域に分割する輝度分布検出手段53と、複数のデジタル撮像信号SCを複数の輝度増幅量でそれぞれ増幅して複数の第2の信号を生成し、複数の第2の信号を合成して画像信号SEを生成する合成手段50と、前記複数の利得量及び前記複数の輝度増幅量を、蓄積画像の複数の領域ごとの前記蓄積された電荷の量に基づいて設定する制御手段70とを有する。
【選択図】図2
Description
本発明は、入射光に応じた画像信号を出力する撮像装置及び撮像方法に関するものである。
露出が室内用に調節されているデジタルカメラで室内から窓越しに晴天下の野外の風景を撮影すると、野外の風景が白つぶれを起こしてしまう現象は広く知られている。これは、一般に撮像素子のダイナミックレンジが60dB程度であり、室内から窓越しの野外の風景を撮影するために必要なダイナミックレンジを満たしていないために起こる現象である。また、露出が野外用に調節されているデジタルカメラで室内から窓越しに野外の風景を撮影すると、野外は適切な輝度に撮影できるが、室内の撮影画像に黒つぶれが発生してしまう。
ダイナミックレンジを広くするために、CCD(Charge Coupled Device)撮像素子やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)撮像素子で、種々の方法が提案されてきた。例えば、入力画像データの階調値を調べて明度平均値を検出し、この明度平均値に応じて階調変換テーブルを決定することによって、ダイナミックレンジを拡大する方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、異なる2つの露光時間の撮影により得られた撮像データを合成することによって、ダイナミックレンジを拡大する方法も提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
しかしながら、画像の明度平均値に応じて階調変換テーブルを決定する方法を実施する装置は、高精度に明度平均値を検出する手段及び撮影環境に応じて階調変換テーブルを最適化する手段を必要とするので、装置の構成が複雑になり、装置のコストが増加する問題がある。
また、2つの露光時間の撮影により得られた撮像データを合成する方法を実施する装置は、一つの露光時間の撮影により得られた1画面分の撮像データを記憶するフレームメモリと2枚の画像を合成するための信号処理機能を実現する手段を必要とするので、装置の構成が複雑になり、装置のコストが増加する問題がある。また、この方法では、2つの露光時間の撮影を行うため、1フレームの撮像を完了するまでの時間が長くなるという問題がある。
そこで、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、コストの増加を抑制でき、撮像完了までの時間を長くすることなく、ダイナミックレンジを拡大した画像信号を生成することができる撮像装置及び撮像方法を提供することにある。
本発明の撮像装置は、入射する光の量に応じた量の電荷を蓄積して蓄積画像を形成し、該蓄積画像に基づく撮像信号を出力する撮像手段と、前記撮像信号を複数の利得量で増幅して複数の第1の信号を生成する利得手段と、前記複数の第1の信号を複数のデジタル撮像信号にそれぞれ変換するA/D変換手段と、前記蓄積画像を電荷の量に応じた複数の領域に分割する輝度分布検出手段と、前記複数のデジタル撮像信号を複数の輝度増幅量でそれぞれ増幅して複数の第2の信号を生成し、該複数の第2の信号を合成して画像信号を生成する合成手段と、前記複数の利得量及び前記複数の輝度増幅量を、前記蓄積画像の前記複数の領域ごとの前記蓄積された電荷の量に基づいて設定する制御手段とを有することを特徴としている。
また、本発明の撮像方法は、撮像手段により、入射する光の量に応じた量の電荷を蓄積して蓄積画像を形成し、該蓄積画像に基づく撮像信号を出力するステップと、制御手段により、複数の利得量及び複数の輝度増幅量を設定するステップと、前記撮像信号を前記複数の利得量で増幅して複数の第1の信号を生成するステップと、前記複数の第1の信号を複数のデジタル撮像信号にそれぞれ変換するステップと、前記蓄積画像を電荷の量に応じた複数の領域に分割するステップと、前記複数のデジタル撮像信号を複数の輝度増幅量でそれぞれ増幅して複数の第2の信号を生成し、該複数の第2の信号を合成して画像信号を生成するステップとを有し、前記複数の利得量及び前記複数の輝度増幅量の設定は、前記蓄積画像の前記複数の領域ごとの前記蓄積された電荷の量に基づいて実行されることを特徴としている。
本発明によれば、装置の構成の簡素化により装置のコストの増加を抑制でき、撮像完了までの時間を長くすることなく、ダイナミックレンジを拡大した画像信号を生成することができるという効果を得ることができる。
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係る撮像装置の構成を概略的に示すブロック図である。図1に示されるように、実施の形態1に係る撮像装置は、レンズ1と、撮像手段としての固体撮像素子2と、利得手段を有するアナログ信号処理手段3と、A/D(アナログ/デジタル)変換手段4と、合成手段(後述する図2の符号50)及び輝度分布検出手段(後述する図2の符号53)を含むデジタル信号処理手段5と、タイミング信号発生手段6と、制御手段(後述する図2の符号70)を有するCPU(中央処理装置)7とを有している。
図1は、本発明の実施の形態1に係る撮像装置の構成を概略的に示すブロック図である。図1に示されるように、実施の形態1に係る撮像装置は、レンズ1と、撮像手段としての固体撮像素子2と、利得手段を有するアナログ信号処理手段3と、A/D(アナログ/デジタル)変換手段4と、合成手段(後述する図2の符号50)及び輝度分布検出手段(後述する図2の符号53)を含むデジタル信号処理手段5と、タイミング信号発生手段6と、制御手段(後述する図2の符号70)を有するCPU(中央処理装置)7とを有している。
レンズ1は、図示しない被写体からの光を固体撮像素子2の撮像面に集光する。一般に、撮像装置には、被写体をぼけなく撮像するために、レンズ1の焦点位置の調整を自動的に行う手段(図示せず)が備えられている。なお、焦点位置を調整する手段は、手動によって焦点位置を切り換える手段(図示せず)であってもよい。また、レンズ1として、焦点位置を調整する必要のないパンフォーカスレンズを用いてもよい。さらに、レンズ1として、複数枚のレンズを組み合わせ、レンズ間距離を調整可能に構成した、ズーム機能付きレンズを用いてもよい。
固体撮像素子2は、撮像面にフォトダイオードのような光電変換素子を2次元的に配列している。固体撮像素子2は、被写体からの光を各光電変換素子(画素)で光電変換し、入射光量に応じた量の電荷を蓄積し、蓄積された電荷(蓄積画像)を所定の駆動方法で読み出す。この読み出された電気信号は、固体撮像素子2から撮像信号SAとして出力される。
アナログ信号処理手段3は、固体撮像素子2からの撮像信号SAをタイミング信号発生手段6からのサンプルホールドパルスPBにより相関二重サンプリング(CDS)処理し、撮像信号SAに応じて自動利得調整(AGC)された利得で増幅して、増幅信号SB(後述する図2の符号SB1,SB2,…,SBN)として出力する。なお、Nは2以上の整数である。
A/D変換手段4は、アナログ信号処理手段3からの増幅信号SBをタイミング信号発生手段6からのA/D変換クロックPCに応じてデジタル変換し、デジタル撮像信号(第1の信号)SC(後述する図2の符号SC1,SC2,…,SCN)として出力する。デジタル撮像信号SCの分解能は、8[ビット]が一般的であるが、後段のデジタル信号処理手段5による色分解能の改善、階調特性の改善、微少なコントラスト検出、ダイナミックレンジ拡大など目的に応じて10[ビット]又は14[ビット]などの他の分解能とすることができる。
デジタル信号処理手段5は、RGB信号から輝度色差信号(YCbCr)への変換、ホワイトバランス補正、γ(ガンマ)補正、色補間処理、及び輪郭強調補正等の画像処理を行う。デジタル信号処理手段5は、A/D変換手段4からのデジタル撮像信号SCに画像信号処理を施すことによって、表示装置(図示せず)において表示可能な画像信号SEを出力する。表示装置(図示せず)は、例えば、LCD表示装置であり、デジタル信号処理手段5から出力された画像信号SEに基づく画像を表示する。なお、画像信号SEを、DVD、CD、HDDなどの記憶手段(図示せず)に蓄積するデジタル記憶装置に出力してもよい。
また、デジタル信号処理手段5は、1画面を複数の領域(測光枠)に分割し、分割された測光枠ごとに画素値を積算する積算処理、1画面を分割したRGB信号ごとに積算する積算処理、後述の合成処理、カラーセンサを用いた場合のホワイトバランス処理などの各種機能を有する。前述の積算処理のデータは、信号SFとしてCPU7に出力される。CPU7は、ホワイトバランスの判別結果として得られたR/Gゲイン、B/Gゲインをデジタル信号処理手段5に信号CBとして与え、デジタル信号処理手段5は、信号CB基づいてホワイトバランス処理を行う。
タイミング信号発生手段6は、固体撮像素子2の動作を制御するための信号PAを生成して、個体撮像素子2に供給する。信号PAは、固体撮像素子2に蓄積される電荷の飽和量(蓄積飽和量)の制御のための信号(飽和量制御信号)を含む。また、タイミング信号発生手段6は、例えば、固体撮像素子2としてのCCD撮像素子に、2相の水平CCD(HCCD)を駆動するための水平転送パルスHDPと、4相の垂直CCD(VCCD)を駆動するための垂直転送パルスVDPと、画素電荷を読み出すための読み出しパルスと、CCDの基板から蓄積した画素電荷を排出することにより電子シャッタを実現するための電子シャッタパルスとを所定の手順で供給する。タイミング信号発生手段6による上記動作は、公知であり、例えば、特開2007−89016号公報(段落0032〜0041、図2〜図4)に開示されている。また、タイミング信号発生手段6は、アナログ信号処理手段3の動作を制御するための信号としてサンプルホールドパルスPBを生成し、アナログ信号処理手段3に供給する。さらに、タイミング信号発生手段6は、A/D変換手段4の動作を制御するためのタイミング信号であるA/D変換クロックPCを生成し、A/D変換手段4に供給する。
CPU7は、各種演算を実行するとともに、撮像装置全体を制御する。CPU7は、主に、タイミング信号発生手段6、デジタル信号処理手段5、及びアナログ信号処理手段3を制御する。
なお、固体撮像素子2は、色フィルタを備えていないモノクロ型のものであってもよく、原色や補色型の色フィルタを備えたカラー型のものであってもよい。また、固体撮像素子2は、ライン型(一次元)の固体撮像素子であってもよい。さらに、固体撮像素子2は、CCD撮像素子に限定されず、光電変換機能を有する素子であれば、例えば、CMOS撮像素子や赤外線検出素子などの他の素子であってもよい。さらにまた、固体撮像素子2は、上述の2相の水平転送パルスと4相の垂直転送パルスを用いて駆動されるものに限定されず、例えば、3相の垂直転送パルスを用いる固体撮像素子のような他の方式を採用した個体撮像素子であってもよい。
図2は、実施の形態1に係る撮像装置のダイナミックレンジを拡大するための構成を示すブロック図である。図2に示されるように、ダイナミックレンジを拡大するための構成は、アナログ信号処理手段3と、A/D変換手段4と、デジタル信号処理手段5と、CPU7とから構成される。アナログ信号処理手段3は、複数(N個)の利得手段30(各利得手段を区別するために、利得手段30(1),…,30(N)とも表記する。)を有する。ここで、Nは、2以上の予め決められた整数である。また、A/D変換手段4は、複数(N個)のA/D変換器40(各A/D変換手段を区別するために、A/D変換器40(1),…,40(N)とも表記する。)を有する。また、デジタル信号処理手段5は、合成手段50と、輝度分布検出手段53と、階調変換手段54とを有する。合成手段50は、複数(N個)の演算手段51(各演算手段を区別するために、演算手段51(1),…,51(N)とも表記する。)と、複数の演算手段51の出力(第2の信号)SD(SD1,SD2,…,SDNとも表記する。)を加算する加算手段52とを有する。また、CPU7は、複数の利得手段30(1),…,30(N)と合成手段50の動作を制御する制御手段70を有する。
複数の利得手段30(1),…,30(N)には、固体撮像素子2から出力される撮像信号SAが分配されて入力される。複数の利得手段30(1),…,30(N)はそれぞれ、固体撮像素子2からの撮像信号SAを増幅する。各利得手段30(1),…,30(N)の利得量G1,G2,…,GNは、制御手段70からの制御信号CCによって設定される。図3は、利得手段30の利得量の一例を示す図である。図3において、横軸は制御手段70から出力される制御信号CCに含まれる利得調整コードを示し、縦軸は利得手段30の利得量を単位dBで示している。制御手段70は、各利得手段30(1),…,30(N)に出力される利得制御コードを変更することによって、各利得手段30(1),…,30(N)の利得量G1,G2,…,GNを、例えば、0dBから40dBまでの範囲内で調整することができる。ただし、利得調整コード及び利得量は、上記値に限定されず、撮像装置の設計仕様などの種々の条件に応じて決めることができる。なお、図3には、利得量が利得調整コードに対してdB換算で線形関数で表される例を示したが、利得量と利得調整コードの関係はこの関係に限定されず、利得調整コードに対して利得量が一意に定義される関係であれば、利得量が利得調整コードに対して倍換算で表される関係のような他の関係であってもよい。
図2に示されるように、固体撮像素子2からの撮像信号SAは、アナログ信号処理手段3の複数の利得手段30(1),…,30(N)に分配される。実際のアナログ信号処理手段3では、インピーダンスマッチングを考慮した回路設計がなされる。制御手段70は、各利得手段30(1),…,30(N)について個別に利得量の調整を行なう。アナログ信号処理手段3は、1つの増幅器として機能する利得手段を複数備える構成(図2に示す構成)、又は、複数の増幅器として機能する利得手段を1つ備える構成(図示せず)によって実現できる。
デジタル信号処理手段5内の輝度分布検出手段53は、画面の輝度分布を検出することによって、画面(蓄積画像)内の領域的な輝度変化を検出する。輝度分布検出手段53は、デジタル撮像信号SCから輝度信号Yを生成する。ITU−R BT.709規定の場合、輝度信号Yは、RGB信号から、次式(1)で求めることができる。
Y=0.299×R(x,y)+0.587×G(x,y)+0.114×B(x,y)
…式(1)
ここで、R(x,y)は座標(x,y)におけるR信号、G(x,y)は座標(x,y)におけるG信号、B(x,y)は座標(x,y)におけるB信号である。なお、RGB信号から輝度信号Yを求めるための変換式は、上記式(1)に限定されず、画像処理を行うシステムが採用する色空間の規格によって規定される。また、デジタル撮像信号SCに輝度信号Yが含まれる場合は、輝度分布検出手段53は、輝度信号Yを求めるための計算を行わずに、デジタル撮像信号SCを輝度信号Yとして用い、フィルタ処理する。
Y=0.299×R(x,y)+0.587×G(x,y)+0.114×B(x,y)
…式(1)
ここで、R(x,y)は座標(x,y)におけるR信号、G(x,y)は座標(x,y)におけるG信号、B(x,y)は座標(x,y)におけるB信号である。なお、RGB信号から輝度信号Yを求めるための変換式は、上記式(1)に限定されず、画像処理を行うシステムが採用する色空間の規格によって規定される。また、デジタル撮像信号SCに輝度信号Yが含まれる場合は、輝度分布検出手段53は、輝度信号Yを求めるための計算を行わずに、デジタル撮像信号SCを輝度信号Yとして用い、フィルタ処理する。
図4は、輝度分布検出手段53の構成の一部(輝度信号Yの生成手段は図示せず)を示す図である。図4に示されるように、輝度分布検出手段53は、2次元nタップの非巡回型デジタルフィルタであり、ディレイ手段81,82,83と、係数手段84,85,86と、ラインメモリ87,88と、加算手段89と、正規化手段90とを有する。ここで、nは2以上の正の整数である。
ディレイ手段81は、輝度信号Yを水平画素単位で遅延させる遅延素子DL(−1,−1)と、遅延素子DL(−1,−1)の出力を遅延させる遅延素子DL(0,−1)と、遅延素子DL(0,−1)の出力を遅延させる遅延素子DL(1,−1)とを有する。また、ディレイ手段82は、輝度信号Yをラインメモリ87で遅延させた輝度信号Y0を水平画素単位で遅延させる遅延素子DL(−1,0)と、遅延素子DL(−1,0)の出力を遅延させる遅延素子DL(0,0)と、遅延素子DL(0,0)の出力を遅延させる遅延素子DL(1,0)とを有する。また、ディレイ手段83は、ラインメモリ87で遅延させた輝度信号Y0をラインメモリ88で1ライン分遅延させた輝度信号Y1を水平画素単位で遅延させる遅延素子DL(−1,1)と、遅延素子DL(−1,1)の出力を遅延させる遅延素子DL(0,1)と、遅延素子DL(0,1)の出力を遅延させる遅延素子DL(1,1)とを有する。
係数手段84は、遅延素子DL(−1,−1)の出力に乗算係数a(−1,−1)を乗算する乗算器と、遅延素子DL(0,−1)の出力に乗算係数a(0,−1)を乗算する乗算器と、遅延素子DL(1,−1)の出力に乗算係数a(1,−1)を乗算する乗算器とを有する。係数手段85は、遅延素子DL(−1,0)の出力に乗算係数a(−1,0)を乗算する乗算器と、遅延素子DL(0,0)の出力に乗算係数a(0,0)を乗算する乗算器と、遅延素子DL(1,0)の出力に乗算係数a(1,0)を乗算する乗算器とを有する。係数手段86は、遅延素子DL(−1,1)の出力に乗算係数a(−1,1)を乗算する乗算器と、遅延素子DL(0,1)の出力に乗算係数a(0,1)を乗算する乗算器と、遅延素子DL(1,1)の出力に乗算係数a(1,1)を乗算する乗算器とを有する。なお、図4において、タップ数nは、
n=2×k+1(kは正の整数)を満たす。ただし、タップ数nは、
n=2×kであってもよい。ここで、kは正の整数である。例えば、図4において、遅延素子DL(−1,−1)、DL(−1,0)、DL(−1,1)を設けず、輝度信号Y,Y1,Y2を直接遅延素子DL(0,−1)、DL(0,0)、DL(0,1)及び乗算係数a(0,−1)、a(0,0)、a(0,1)の乗算器にそれぞれ入力するようにしてもよい。
n=2×k+1(kは正の整数)を満たす。ただし、タップ数nは、
n=2×kであってもよい。ここで、kは正の整数である。例えば、図4において、遅延素子DL(−1,−1)、DL(−1,0)、DL(−1,1)を設けず、輝度信号Y,Y1,Y2を直接遅延素子DL(0,−1)、DL(0,0)、DL(0,1)及び乗算係数a(0,−1)、a(0,0)、a(0,1)の乗算器にそれぞれ入力するようにしてもよい。
式(2)において、輝度信号Y(−1,−1)、Y(−1,0)、Y(−1,1)はそれぞれ、輝度信号Y(0,−1)、Y(0,0)、Y(0,1)の画素の1画素後の画素の輝度信号を示す。輝度信号Y(1,−1)、Y(1,0)、Y(1,1)はそれぞれ、輝度信号Y(0,−1)、Y(0,0)、Y(0,1)の画素の1画素前の画素の輝度信号を示す。各乗算係数を、
a(−1,−1)=a(−1,0)=a(−1,1)
=a(0,−1)=a(0,0)=a(0,1)
=a(1,−1)=a(1,0)=a(1,1)
=1
とすると、式(2)の分母は、次式(3)のようになり、式(2)は単純平均を求める演算を表すものとなる。
a(−1,−1)=a(−1,0)=a(−1,1)
=a(0,−1)=a(0,0)=a(0,1)
=a(1,−1)=a(1,0)=a(1,1)
=1
とすると、式(2)の分母は、次式(3)のようになり、式(2)は単純平均を求める演算を表すものとなる。
したがって、式(2)により、補正を行う画素と、補正を行う画素の周辺画素の平均輝度を求めることができる。なお、「補正を行う画素の周辺画素」とは、i(水平画素方向)を所定の整数とし、j(垂直画素方向)を所定の整数とし、補正を行う画素の座標を(0,0)としたときに、点(−i,−j)、点(i,−j)、点(i,j)、点(i,−j)を結ぶ四角形領域に含まれる画素の内の、補正を行う画素(0,0)以外の画素である。iが1であり、jが1であるときには、「補正を行う画素の周辺画素」は、補正を行う画素の周囲に隣接する8個の画素である。
このように2次元の非巡回型デジタルフィルタを用いることで、輝度分布検出手段53の輝度信号Yの1次元方向のフィルタ出力を求めることができる。求められたフィルタ出力は、輝度信号Yと補正を行う画素の周辺画素の平均値を求めるように構成することで、2次元方向の明るさの分布の変化を求めることができる。よって、明るさの分布の変化に対応した補正利得を検出することができ、明るさの分布の変化を考慮したコントラストの補正をすることができる。また、2次元の非巡回型デジタルフィルタは、デジタル信号処理回路として一般的な構成であり、回路規模の簡素化が図れ、ゲート規模の削減及びコスト軽減の効果がある。
タップ数nは、3タップに限らず、任意のタップ数とすることができる。タップ数を増やすことで、カットオフ周波数の特性を細かく設定することができ、また、広い範囲に及ぶ緩やかな輝度変化を検出することができる。このように、タップ数nを切替えることで、入力画像内の異なる照明条件による輝度分布の変化に応じてフィルタを構成することができる。
以上の説明においては、輝度分布検出手段53に用いられるフィルタ手段が2次元の非巡回型デジタルフィルタである場合を説明したが、フィルタ手段は1次元の非巡回型デジタルフィルタであってもよい。1次元の非巡回型デジタルフィルタを用いることによって、ラインメモリを用いることなく平均値を求めることができる。
なお、タップ数は、除算処理をビットシフト処理で行なうことができるので、2k(kは正の整数)を用いることもできる。除算処理をビットシフト処理で行なうことによって、除算処理を容易に行うことができ、ハードウェア実装面積を少なくでき、コストを低下させる効果がある。
また、フィルタ手段は、上記式(2)に基づく平均輝度Yavgを算出する処理を行う構成に限定されず、明るさの分布の変化を求めることができる構成であればよく、加重平均を出力する構成、ローパスフィルタを用いた構成、又はバンドパスフィルタを用いた構成等のような他の構成とすることができる。
CPU7内の制御手段70は、蓄積画像の複数の領域ごとの蓄積された電荷の量に基づいて、利得量及び輝度増幅量GYを設定するために、各利得手段30(1),…,30(N)の利得量G1,…,GNの設定情報を信号CCとして各利得手段30に出力し、各演算手段51の輝度増幅量の設定情報を信号CBとして各演算手段51に出力する。より具体的に言えば、制御手段70は、設定する輝度分布検出手段53の領域的な輝度情報SFから各利得手段30(1),…,30(N)の利得量G1,…,GNを求め、各利得手段30(1),…,30(N)に求められた利得量を設定する。また、制御手段70は、求められた利得量から輝度増幅量GYを求め、各演算手段51(1),…,51(N)に設定する。制御手段70は、例えば、第1の信号SB1,…,SBNの生成に用いられる利得手段30(1),…,30(N)の利得量G1,…,GNが小さいほど、該第1の信号SB1,…,SBNに対応するデジタル撮像信号SD1,…,SDNの生成に用いられる輝度増幅量GY(各演算手段51(1),…,51(N)の輝度増幅量を区別するために、輝度増幅量をGY(1)…,GY(N)とも表記する。)が大きくなるように実行される。
デジタル信号処理手段5内の合成手段50は、複数の演算手段51と加算手段52とから構成される。合成手段50は、複数のA/D変換器40からのデジタル撮像信号を合成処理して、合成信号として出力する。以下では、利得手段30を2台用いた構成、すなわち、利得手段30(1),30(2)と、A/D変換器40(1),40(2)と、演算手段51(1),51(2)とを有する構成を説明する。
各演算手段51(1),51(2)は、A/D変換手段4からのデジタル撮像信号SCに、各利得手段30(1),30(2)の利得量G1,G2から求められる輝度増幅量GY(1),GY(2)を乗算する。輝度増幅量GY(1),GY(2)の求め方と概念を、図5を用いて説明する。図5は、ダイナミックレンジの広い被写体を撮影した1フレームの画像である。図5において、BRは明るい被写体の領域(明るい領域)を示し、DKは暗い被写体の領域(暗い領域)を示す。輝度分布検出手段53は、複数の利得手段30の内の利得手段30(2)の増幅信号SBを入力し、明るい領域BRの輝度分布の最大の輝度値Y(BR)と暗い領域DKの輝度分布の最大の輝度値Y(DK)を求める。
制御手段70は、明るい領域BRの輝度値Y(BR)と暗い領域DKの輝度値Y(DK)から、次式(4)を用いて、輝度増幅量GYを求める。
GY=Y(BR)/Y(DK) …式(4)
ここで、Y(BR)が‘160’であり、Y(DK)が‘40’であるとすると、式(4)から、GY=160/40=4となり、輝度増幅量GYは4倍となる。このことは、明るい領域BRは、暗い領域DKに比べて、4倍明るいことを示している。なお、輝度分布の最大値を用いて、輝度増幅量GYを求めた例を説明したが、明るい領域BRと暗い領域DKの輝度分布のヒストグラムから、それぞれの領域の明るい輝度の最頻値を求める構成でもよい。
GY=Y(BR)/Y(DK) …式(4)
ここで、Y(BR)が‘160’であり、Y(DK)が‘40’であるとすると、式(4)から、GY=160/40=4となり、輝度増幅量GYは4倍となる。このことは、明るい領域BRは、暗い領域DKに比べて、4倍明るいことを示している。なお、輝度分布の最大値を用いて、輝度増幅量GYを求めた例を説明したが、明るい領域BRと暗い領域DKの輝度分布のヒストグラムから、それぞれの領域の明るい輝度の最頻値を求める構成でもよい。
図6は、暗い領域DKの輝度ヒストグラムの一例を示す図であり、図7は、明るい領域BRの輝度ヒストグラムの一例を示す図である。図6より、暗い領域DKにおいて出現頻度が最も高い輝度範囲は、輝度範囲‘40’〜‘59’であり、この輝度範囲の最小の輝度値‘40’を、輝度増幅量GYを求めるために用いる。また、図7より、明るい領域BRにおいて出現頻度が最も高い輝度範囲は、輝度範囲‘160’〜‘179’であり、この輝度範囲の最大の輝度値‘160’を、輝度増幅量GYを求めるために用いる。
ヒストグラムを用いた場合、Y(BR)が‘160’であり、Y(DK)が‘40’であり、輝度増幅量GYは、式(4)から、GY=160/40=4となる。ここでは、各輝度範囲‘40’〜‘59’及び‘160’〜‘179’の最小値‘40’及び‘160’を用いたが、各輝度範囲の最大値‘59’及び‘179’を用いてもよく、また、各輝度範囲の中央値(例えば、‘50’及び‘170’)を用いてもよい。また、経験的、統計的処理により、ヒストグラムや、最大値、最小値以外の情報をもとに明るい領域BRと暗い領域DKの輝度信号を求めることができる。なお、輝度分布検出手段53による領域の検出は、1フレーム前の画像についての検出でもよいが、現フレームの画像についての検出でもよい。
図2の構成では、利得手段30(1)に設定される利得量G1は、演算手段51(2)で使用される輝度増幅量GY(2)に等しく、利得量G1及び輝度増幅量GY(2)は4倍に設定される。また、利得手段30(2)に設定される利得量G2は、自動露出制御で得られる値を用いる。自動露出制御は、明るい領域BRが最適な露出になるように設定される。
また、同時に、演算手段51(1)の輝度増幅量GY(1)を設定する。例えば、輝度増幅量GY(1)は、利得量が最も小さい利得手段30(2)の利得量G2を用いる。
図8(a)〜(f)は、実施の形態1における利得手段30と演算手段51の動作を説明するための図である。同図(a)は、利得手段30(1)から出力されるデジタル撮像信号SC1の特性f1の一例を示し、同図(b)は、利得手段30(2)から出力されるデジタル撮像信号SC2の特性f2の一例を示す。また、同図(c)は、演算手段51(1)から出力される第2の信号SD1の特性f1aを示し、同図(d)は、演算手段51(2)から出力されるデジタル撮像信号SD2の特性f2aを示す。また、同図(e)は、同図(c)の一部を拡大して示し、同図(f)は、同図(d)の一部を拡大して示す。図8(a)及び(b)において、横軸は被写体の明るさ(L)を示し、縦軸はデジタル信号処理手段5に入力されるデジタル撮像信号SCの信号レベルを示す。また、図8(c)〜(f)において、横軸は被写体の明るさ(L)を示し、縦軸は演算手段51から出力される第2の信号SDの信号レベルを示す。
図8(b)において、特性f2は、明るい領域BRを撮影する撮像条件の代表的な特性を示す。明るさレベルLbで、デジタル撮像信号SCが‘255’に飽和するように各利得手段30の利得量)が設定される。
図8(a)において、Laは、明るさレベルLbの1/4の明るさレベルを示している。図8(a)において、特性f1は、利得量が4倍に設定された利得手段30(1)の出力特性を示し、明るさレベルLaで、デジタル撮像信号SCが‘255’に達して、飽和する。特性f1は、アナログの撮像信号SAを増幅した増幅信号SB1をA/D変換手段4を用いてA/D変換することで、明るさレベルLa以下においては特性f2におけるデジタル信号レベルに比べて4倍の分解能を持つ。図8(c)において、特性f1aは、演算手段51(1)の出力(第2の信号SD1)であり、図8(e)に示されるように、特性f1aは、特性f1と同様に、明るさレベルLa以下において、4倍の分解能を持つ。
図8(d)において、特性f2aは、演算手段51(2)の出力(第2の信号SD2)であり、図8(b)に示される特性f2のデジタル撮像信号SCが、10[ビット]で1023[階調]にデジタル増幅された信号である。図8(e)及び(f)に示されるように、特性f2aは、明るさレベルLa以下では、特性f1に比べて、階調が1/4であり、階調が荒い。
図2に示される合成手段50内の加算手段52は、複数の演算手段51の出力を加算する手段である。加算手段52は、デジタル信号レベルが‘255’以下のときには、演算手段51(1)から出力される特性f1の信号を出力し、デジタル信号レベルが‘255’より大きいときには、演算手段51(2)から出力される特性f2aの信号を出力する。このように、実施の形態1においては、被写体の明るさ(L)に応じて、階調数を増減することができる。
図9は、実施の形態1に係る撮像装置により得られる効果を説明するための図である。図9において、L0は、被写体80への入射光量、L1は被写体80の透過率T1の部分を通過した透過光量であり、L2は被写体80の透過率T2の部分を通過した透過光量である。被写体80の透過率T1の部分を通過した光は、固体撮像素子2で光電変換されて撮像信号SA1を出力し、透過率T2の部分を通過した光は、固体撮像素子2で光電変換されて撮像信号SA2を出力する。
入射光量L0が大きく、被写体80が明るく撮影される一例として、撮像信号SAが2[V]、利得量が1倍、シャッタスピードが1/30[秒]である場合を考える。A/D変換手段4の性能は、アナログ入力信号2[V]で、255[digits](すなわち、8[ビット])分解能であるとする。アナログ信号処理手段3から出力される増幅信号(第1の信号)SBは、次式(5)で算出できる。
SB=K×SA×利得量×露光時間 …式(5)
となる。ここで、Kは、実施の形態1の撮像装置の露出システム系から得られ定数であり、実験的に、統計処理を用いて得られる。また、A/D変換手段4からのデジタル撮像信号SCは、次式(6)で算出できる。
SC=(SB[V]/2[V])×255 …式(6)
なお、A/D変換手段4からのデジタル撮像信号SCは‘255’で出力が、クリップする。
SB=K×SA×利得量×露光時間 …式(5)
となる。ここで、Kは、実施の形態1の撮像装置の露出システム系から得られ定数であり、実験的に、統計処理を用いて得られる。また、A/D変換手段4からのデジタル撮像信号SCは、次式(6)で算出できる。
SC=(SB[V]/2[V])×255 …式(6)
なお、A/D変換手段4からのデジタル撮像信号SCは‘255’で出力が、クリップする。
被写体が明るい場合、例えば、撮像信号SA2が1[V]のときには、デジタル撮像信号SCは127[digits]となる。また、このとき、撮像信号SA1は、次式から
SA1=0.5×SA2=0.5[V]=63[digits]
0.5[V]となる。被写体80の透過率の分布に伴う信号差(コントラスト信号)は、
127[digits]−63[digits]=64[digits]
となり、十分な信号差、コントラストの信号を得ることができる。
SA1=0.5×SA2=0.5[V]=63[digits]
0.5[V]となる。被写体80の透過率の分布に伴う信号差(コントラスト信号)は、
127[digits]−63[digits]=64[digits]
となり、十分な信号差、コントラストの信号を得ることができる。
被写体80が暗くなった場合、例えば、SA2が100[mV]のときには、デジタル撮像信号SCは12[digits]となる。また、このとき、撮像信号SA1は、次式から
SA1=0.5×SA2=50[mV]=6[digits]
50[mV]となる。被写体80の透過率の分布に伴う信号差(コントラスト信号)は、
12[digits]−6[digits]=6[digits]
となり、被写体が明るい場合に比べ、小さな値となる。
SA1=0.5×SA2=50[mV]=6[digits]
50[mV]となる。被写体80の透過率の分布に伴う信号差(コントラスト信号)は、
12[digits]−6[digits]=6[digits]
となり、被写体が明るい場合に比べ、小さな値となる。
このことから分かるように、被写体80が明るい場合には、後段の処理におけるコントラスト信号が大きくなり、被写体80が暗い場合には、後段の処理におけるコントラスト信号は小さくなる。実施の形態1に係る撮像装置は、被写体が低照度の場合であっても、コントラスト信号を大きく得ることができ、低照度におけるコントラストを改善することができる。
なお、図9においては、光透過率の異なる被写体80を撮像した場合を説明したが、光反射率の異なる被写体を撮像する場合にも、同様である。
図10は、階調変換手段54による変換特性の一例を示す図である。階調変換手段54は、合成手段50の出力を後段の信号処理に適した特性のデジタル画像信号に変換する。図10において、横軸は、被写体の明るさ(L)(又は、被写体の明るさ(L)に対応した合成手段50の出力信号レベル)を示し、縦軸は、階調変換手段54から出力される信号のレベル(階調信号レベル)を示す。階調変換手段54による階調変換の特性は、入力信号が小さい領域(主に、明るさレベルLa以下の領域)における出力信号の変化が大きく(図10においては、特性曲線の勾配が急であり)、入力信号が大きい領域(主に、明るさレベルLaより大きい領域)における出力信号の変化が小さい(図10においては、特性曲線の勾配が緩やかであり)、γ特性を示している。
このため、仮に本発明を適用しない(すなわち、コントラスト改善手段を用いない)場合には、明るさレベルLa以下の領域では、階調変換手段54による階調変換後の階調信号レベルが離散的になり、階調信号レベルのばらつきが大きくなる。しかし、本発明を適用した(すなわち、コントラスト改善手段を用いる)実施の形態1の場合には、明るさレベルLa以下の領域において階調数が増加しているので、階調信号レベルが離散的にならず、階調変換の滑らかな特性を実現することができる。このため、低輝度の領域におけるコントラストが向上し、黒つぶれによる情報量の欠落や、視認性の悪化を防ぐことができる。
なお、階調変換手段54の特性は、RETINEXなどの領域的な輝度分布を用いた階調変換であってもよい。
以上に説明したように、実施の形態1に係る撮像装置又は撮像方法によれば、暗い領域の輝度信号の階調数を増やすことができるので、画像の低輝度部の黒つぶれを防止することができる。
また、実施の形態1に係る撮像装置又は撮像方法によれば、ダイナミックレンジを拡大しているので、画像の高輝度部の白つぶれすることを防止することができる。
また、実施の形態1に係る撮像装置は、分解能の低いA/D変換手段と、低容量のASIC(Application Specific Integrated Circuit)又はFPGA(Field Programmable Gate Array)などのハードウェアで実現することができ、フレームメモリを用いる必要が無いので、撮像装置の低コスト化を図ることができる。
また、実施の形態1に係る撮像装置は、コントラスト改善のための低輝度側の撮影と、高輝度側の撮影を同時に行うことができるため、時間的な遅延が無く、動画撮影用の撮像装置にも適用することができる。
実施の形態2.
図11は、本発明の実施の形態2に係る撮像装置のダイナミックレンジを拡大するための構成を示すブロック図である。なお、実施の形態2に係る撮像装置の説明においては、図1をも参照する。
図11は、本発明の実施の形態2に係る撮像装置のダイナミックレンジを拡大するための構成を示すブロック図である。なお、実施の形態2に係る撮像装置の説明においては、図1をも参照する。
図11に示されるように、実施の形態2に係る撮像装置においては、アナログ信号処理手段3は、個体撮像素子からの撮像信号SAを時間分割して撮像信号S1,S2,…とし、時間分割された撮像信号SA(S1,S2,…とも表記する。)を各利得量G1,G2,…,GNで増幅して複数の増幅信号を順次出力する利得手段30aを有する。A/D変換手段4は、利得手段30aから出力された複数の増幅信号をデジタル変換して複数のデジタル撮像信号(第1の信号)G1×S1,G2×S1,…,GN×S1,G1×S2,G2×S2,…を順次出力するA/D変換器40aを有する。
また、図11に示されるように、デジタル信号処理手段5は、合成手段50aと、輝度分布検出手段53aと、階調変換手段54aとを有する。合成手段50aは、複数のデジタル撮像信号G1×S1,G2×S1,…を複数の輝度増幅量GY(各輝度増幅量を区別するために、輝度増幅量GY(1)…,GY(N)とも表記する。)でそれぞれ増幅して複数のデジタル増幅信号(第2の信号)を順次生成する演算手段51aと、この演算手段51aから順次出力される複数のデジタル増幅信号(第2の信号)を合成してデジタル画像信号を生成する加算手段52aとを有する。加算手段52aは、例えば、18時間分割されたシリアル信号をパラレル変換して、加算処理を行い、画像信号f(G1×S1,G2×S1)、f(G1×S2,G2×S2)、…を階調変換手段54aに出力する。ここで、画像信号f(G1×S1,G2×S1)とは、時間分割された信号S1から、利得手段20aで利得量G1,G2を用い、さらに演算手段51aで利得増幅量GY(1),GY(2)を用いて増幅され、合成された信号である。合成手段50a、輝度分布検出手段53a、及び階調変換手段54aはそれぞれ、上記実施の形態1における合成手段50、輝度分布検出手段53、及び階調変換手段54と同様の役割を持ち、デジタル信号処理手段5から出力される画像信号SEは、上記実施の形態1における画像信号SEと同様の信号になる。
また、CPU7は、上記各構成の動作を制御する制御手段70aを有する。上述した実施の形態1に係る撮像装置においては、複数の利得手段30、複数のA/D変換器40、複数の演算手段50を用いて信号を並列処理したが、実施の形態2に係る撮像装置においては、上述したように信号を時間分割処理している。この点を除いて、実施の形態2は、上記実施の形態1と同じである。
図12は、実施の形態2に係る撮像装置のダイナミックレンジを拡大するための構成の動作を説明するためのタイミングチャートである。図12において、入力信号SAは時分割された入力信号S1,S2,…となる。利得量は、利得手段30aに設定される利得量G1,G2,…を示し、(G1×入力信号)は、利得量G1が乗算された撮像信号、すなわち、(G1×S1),(G1×S2),…であり、(G2×入力信号)は、利得量G2が乗算された撮像信号、すなわち、(G2×S1),(G2×S2),…である。また、(サンプリング後のG1×入力信号)は、(G1×入力信号)の処理結果をクロックで再サンプリングした結果を示し、(サンプリング後のG2×入力信号)は、(G2×入力信号)の処理結果をクロックで再サンプリングした結果を示す。図12において、合成出力は、(サンプリング後のG1×入力信号)と(サンプリング後のG2×入力信号)を用いて演算手段51aによる演算処理と加算手段52aによる加算処理からなる合成処理を行って得られた信号f(G1×S1,G2×S1)、f(G1×S2,G2×S2)、f(G1×S3,G2×S3)、…である。
実施の形態2に係る撮像装置のダイナミックレンジを拡大するための構成は、図12に示されるように、撮像信号をシリアルに処理する点を除いて、撮像信号をパラレルに処理する実施の形態1と、動作及び効果は同等である。また、実施の形態2に係る撮像装置においては、撮像信号をシリアル転送しているので、1つのASIC又はFPGAなどのハードウェアで信号処理を実現することができ、装置のコストの低減及び実装面積の縮小の効果を得ることができる。
1 レンズ、 2 固体撮像素子、 3 アナログ信号処理手段、 4 A/D変換手段、 5 デジタル信号処理手段、 6 タイミング信号発生手段、 7 CPU、 30,30(1),…,30(N),30a 利得手段、 40,40(1),…,40(N) A/D変換器、 50,50a 合成手段、 51,51(1),…,51(N),51a 演算手段、 52,52a 加算手段、 53 輝度分布検出手段、 54 階調変換手段、 70,70a 制御手段、 80 被写体、 81,82,83 ディレイ手段、 84,85,86 係数乗算手段、 87,88 ラインメモリ、 89 加算手段、 90 正規化手段、 DK 暗い領域、 BR 明るい領域。
Claims (7)
- 入射する光の量に応じた量の電荷を蓄積して蓄積画像を形成し、該蓄積画像に基づく撮像信号を出力する撮像手段と、
前記撮像信号を複数の利得量で増幅して複数の第1の信号を生成する利得手段と、
前記複数の第1の信号を複数のデジタル撮像信号にそれぞれ変換するA/D変換手段と、
前記蓄積画像を電荷の量に応じた複数の領域に分割する輝度分布検出手段と、
前記複数のデジタル撮像信号を複数の輝度増幅量でそれぞれ増幅して複数の第2の信号を生成し、該複数の第2の信号を合成して画像信号を生成する合成手段と、
前記複数の利得量及び前記複数の輝度増幅量を、前記蓄積画像の前記複数の領域ごとの前記蓄積された電荷の量に基づいて設定する制御手段と
を有することを特徴とする撮像装置。 - 前記制御手段による前記複数の利得量及び前記複数の輝度増幅量の設定は、前記第1の信号の生成に用いられる利得量が小さいほど、該第1の信号に対応する前記デジタル撮像信号の生成に用いられる輝度増幅量が大きくなるように実行されることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記制御手段による前記複数の利得量及び前記複数の輝度増幅量の設定は、前記複数の利得量の内の最小の利得量を用いて生成された前記第1の信号又はこれに対応する前記デジタル撮像信号に基づいて実行されることを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像装置。
- 前記利得手段による前記複数の第1の信号の生成は、並行して実行されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記利得手段による前記複数の第1の信号の生成は、時間分割で順次実行されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の撮像装置。
- 撮像手段により、入射する光の量に応じた量の電荷を蓄積して蓄積画像を形成し、該蓄積画像に基づく撮像信号を出力するステップと、
制御手段により、複数の利得量及び複数の輝度増幅量を設定するステップと、
前記撮像信号を前記複数の利得量で増幅して複数の第1の信号を生成するステップと、
前記複数の第1の信号を複数のデジタル撮像信号にそれぞれ変換するステップと、
前記蓄積画像を電荷の量に応じた複数の領域に分割するステップと、
前記複数のデジタル撮像信号を複数の輝度増幅量でそれぞれ増幅して複数の第2の信号を生成し、該複数の第2の信号を合成して画像信号を生成するステップと
を有し、
前記複数の利得量及び前記複数の輝度増幅量の設定は、前記蓄積画像の前記複数の領域ごとの前記蓄積された電荷の量に基づいて実行される
ことを特徴とする撮像方法。 - 前記複数の利得量及び前記複数の輝度増幅量を設定するステップは、前記第1の信号の生成に用いられる利得量が小さいほど、該第1の信号に対応する前記デジタル撮像信号の生成に用いられる輝度増幅量が大きくなるように実行されることを特徴とする請求項6に記載の撮像方法。
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