JP2010273378A - 撮像装置、ノイズ除去方法およびノイズ除去プログラム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】被写体を撮像するための複数の画素を有する撮像手段と、非遮光状態で得られる明時信号を取得する明時信号取得手段と、遮光状態で得られる暗時信号を取得する暗時信号取得手段と、得られる明時信号または暗時信号を増幅する第1の増幅手段と、取得された明時信号から取得された暗時信号を減算して減算信号を出力する減算手段と、減算された減算信号を増幅する第2の増幅手段と、明時信号を取得する際の撮像条件を取得する撮像条件取得手段と、取得した撮像条件に基づいて、第1の増幅手段及び第2の増幅手段のゲインを変更するゲイン補正手段を備える。
【選択図】図1
Description
この種のカメラに用いられる撮像素子には、各画素の出力特性のバラツキや白キズと言われる暗電流の異常な画素、原料の結晶品質などに起因する固定パターンノイズが存在する。そのため、撮像素子の出力信号をそのまま用いると有効な信号成分に上記ノイズが重畳され、撮像画像の画質劣化の原因となる。
これらの固定パターンノイズを除去するために、ノイズリダクション機能を備えた電子スチルカメラがある。
また、画像取得時毎に暗時画像を取得するため、過渡的に発生する後発画素欠陥を含んだほとんどの固定パターンノイズを除去することが可能となる。
撮像素子中の各画素が検出できる画素値には上限があり、そのため、欠陥画素が画素値を検出できる最大値で飽和しているような明時画像信号から暗時画像信号を差し引くと、正しい差分値が得られない。
図23において、露光時間が長時間になるほど、図中の矢印方向に信号値が上昇していることを示している。
図24において、斜線部分が暗電流ムラが発生している画素領域を示している。暗電流ムラの発生傾向は時間というパラメータに限るものではなく、感度設定や温度というパラメータによっても変化する。
このような反転現象を防止するため、感度を低下させるもしくは露光時間を短くした場合、画像全体として適正な光量および信号値が得られず、出力される画像が全体的に非常に暗くなってしまう。そのため、いずれの方法にしても観察者に対して違和感のある不自然な画像しか提供することが出来ないという問題点があった。
すなわち、本発明の一態様によれば、本発明の撮像装置は、被写体を撮像するための複数の画素を有する撮像手段と、上記撮像手段によって非遮光状態で得られる明時信号を取得する明時信号取得手段と、上記撮像手段によって遮光状態で得られる暗時信号を取得する暗時信号取得手段と、上記撮像手段によって得られる明時信号または暗時信号を増幅する第1の増幅手段と、上記明時信号取得手段によって取得された明時信号から上記暗時信号取得手段によって取得された暗時信号を減算して減算信号を出力する減算手段と、上記減算手段によって減算された減算信号を増幅する第2の増幅手段と、上記明時信号取得手段によって明時信号を取得する際の撮像条件を取得する撮像条件取得手段と、上記撮像条件取得手段によって取得した撮像条件に基づいて、上記第1の増幅手段及び第2の増幅手段のゲインを変更するゲイン補正手段とを備えることを特徴とする。
また、本発明の撮像装置は、上記暗時信号取得手段によって取得した暗時信号のうち、予め定められた画素欠陥検出閾値を超える画素位置を検出する欠陥画素位置検出手段と、上記欠陥画素位置検出手段によって検出された画素位置に対応する画素における、上記減算手段によって出力された減算信号に対して補正を行なう画像信号補正手段とをさらに備え、上記撮像条件取得手段が、上記第2の増幅手段のゲインを変更するとともに上記画素欠陥検出閾値を変更することが望ましい。
また、本発明の一態様によれば、本発明のノイズ除去方法は、被写体を撮像するための複数の画素を有する撮像手段を備えた撮像装置が実行するノイズ除去方法であって、上記撮像手段によって非遮光状態で得られる明時信号を取得し、上記撮像手段によって遮光状態で得られる暗時信号を取得し、上記撮像手段によって得られる明時信号または暗時信号を増幅し、上記取得された明時信号から上記取得された暗時信号を減算して減算信号を出力し、上記減算された減算信号を増幅し、上記明時信号を取得する際の撮像条件を取得し、上記取得した撮像条件に基づいて、上記暗時信号の増幅及び上記減算信号の増幅のゲインを変更することを特徴とする。
また、本発明のノイズ除去方法は、さらに、上記取得した暗時信号のうち、予め定められた画素欠陥検出閾値を超える画素位置を検出し、上記検出された画素位置に対応する画素における、上記出力された減算信号に対して補正を行い、上記暗時信号の増幅のゲインを変更するとともに上記画素欠陥検出閾値を変更することが望ましい。
まず、図1乃至図5を用いて、本発明に係る第1の実施の形態について説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態に係わるデジタルカメラの基本構成を示すブロック図である。
図2は、本発明の第1の実施の形態を実行するフローチャートであり、図3は、撮像素子上の特定画素xに対する隣接画素を示す図である。
まず、ステップS1において、使用者が撮像動作を開始すると、ステップS2において、タイミングジェネレータ26により設定された露光時間だけシャッター12を開いて撮像素子13を露光し、明時画像を取得する。取得した明時画像は、アナログアンプ14で撮像感度分ゲインアップされると、A/D変換器15を通って明時画像格納部16に記憶される。
その後、ステップS4において、閾値設定部20にて暗時画像格納部17に記憶されている暗時画像から欠陥検出閾値TH(x)を設定する。このとき、図3に示す画素xと画素xに隣接する8つの周辺画素r1乃至r8に対して、下記に示す式(1)を用いて欠陥検出閾値TH(x)を求める。なお、V(x)とは画素xの画素値、加算閥値AddTHとは、設計上あらかじめ定められた定数である。
その後、ステップS5において、欠陥検出式TH(x)と暗時画像格納部17に記憶されている暗時画像を比較して各画素毎に欠陥検出を行う。各画素における閾値TH(x)を越えた画素値を有する画素が、欠陥として検出される。このとき検出した欠陥は、その画素位置を欠陥データとして欠陥格納部22に記憶する。
最後に、ステップS7において、すべての欠陥画素の補正が終了すると、画像データが出力画像格納部24に保存される。
従来の方法によると検出閾値が固定であったため、図5に示すように暗電流ノイズのため欠陥検出できない欠陥(x3、x4)が存在することになり、欠陥補正されない残留欠陥が多数発生する可能性があった。しかし、本第1の実施の形態の方法によると、暗電流ノイズが発生してもすべての領域で精度よく欠陥検出することが出来ることになり、その結果、高品質の画像を取得することが可能となる。
始めに、画素位置と輝度値の関係を表したグラフを示す図である図6乃至図9を用いて本第2の実施の形態に関わるノイズリダクションアルゴリズムにおけるDレンジの範囲について説明する。
明時画像の出力をV(x)、暗時出力をD(x)とし、最大検出レベルをMaxLevelとする。このとき、TH(x)<D(x)を満たす画素xは、画素欠陥として検出されることになる。図6中では画素x2、x3、x5が欠陥画素として検出されることになる。
また、欠陥画素x2、x5のようにMaxLevelによって値がクリップされてしまうと欠陥は残ってしまうが、TH(x2)<D(x2)となるような欠陥検出がなされるため、後に欠陥補正をすることが出来る。また、欠陥画素x3のような大きい欠陥は、通
常は差分により欠陥は消滅するが、欠陥値が大きくなると、暗時画像と明時画像で欠陥のリニアリティが崩れやすくなり、差分後も欠陥が残ってしまう可能性が高い。しかし、欠陥画素x3は閾値TH(x)により欠陥検出がなされるため、後の処理にて補正することが可能である。
欠陥画素x1は、TH(x1)>D(x1)であるため欠陥検出されず、他の欠陥画素と異なり残留欠陥としていつまでも残ることになる。すなわち、式(4)を満たした時点で欠陥画素x1のような検出不可能な画素が存在する可能性が生じることになる。このため、明時画像Vが正常に出力されるためのDレンジは、暗時画像の最大値Dmaxを用いて、下記の式(5)のように示される。
次に、図10乃至図15を用いて、本発明に係る第2の実施の形態について具体的に説明する。
図10において、デジタルカメラ10は、各種レンズからなる光学系11、被写体からの光を選択的に遮光するためのシャッター12、撮像素子13、アナログアンプ(A−AMP)14、A/D変換器15、明時画像格納部16、暗時画像格納部17、加算回路18、撮像状態取得部19、閾値設定部20、欠陥検出部21、欠陥格納部22、欠陥補正部23、出力画像格納部24、CPU25、タイミングジェネレータ(TG)26、暗電流ノイズ発生領域格納部27を備える。
図11は、撮像素子内に発生する暗電流ノイズ領域を説明するための図である。
撮像素子は、長時間露光時、高感度撮像時において暗電流ノイズが発生する領域R1を有している。領域R1は素子固有のため、撮像素子調整時など設計上あらかじめ撮像素子毎に設定する。領域R1の設定方法としては、シャッターを閉じた状態で所定の撮像条件で暗時画像を取得し、暗電流ノイズが一定値以上になる連続した領域を選択するものとする。なお、領域R2はCCD全画素領域からR1を除いた領域を指す。設定した領域R1、R2の位置情報は、予め暗電流ノイズ発生領域格納部27に格納する。
図12のステップS1乃至ステップS3は、図2を用いて説明した第1の実施の形態を実行するフローチャートにおけるステップS1乃至ステップS3と同様である。
そして、ステップS12において、ステップS11で取得した撮影時の露光時間、受光感度の値に基づいて、図13に示す加算閾値決定テーブルに照らし合わせ、領域R1の加算閾値(AddTH2)を決定する。加算閾値決定テーブルには、露光時間が長いほど加算閾値が小さい値になるよう(A4≦A3≦A2≦A1、B、C、D列も同様)設定されており、感度が上がるほど加算閾値が大きい値になるよう(A4≦B4≦C4≦D4、1、2、3行も同様)設定されている。また、領域R2の加算閾値AddTHは不変である。
TH(x)=(V(r1)+V(r2)+V(r3)+V(r4)+V(r5)+V(r6)+V(r7)+V(r8))/9+AddTH ・・・式(7)
そして、以降のステップS5乃至ステップS7は、図2を用いて説明した第1の実施の形態を実行するフローチャートにおけるステップS5乃至ステップS7と同様である。
以上説明したような方法よると、図14に示すように、露光時間が長い撮像条件において加算閾値AddTH2を低下させる(図13:A4≦A3≦A2≦A1)ことで、領域R1のみ閾値を変化させることが可能となる。露光時間が長くなるほど暗電流ノイズが増加するためDレンジが狭くなるが、このときには加算閾値を低下させ、(AddTH−AddTH2)だけ広くDレンジを確保できる。このとき、必要以上に閾値を低下させることから、暗時画像のばらつき画素、画像差分で補正可能な小さい欠陥などが閾値にかかり、欠陥の誤検出が増加することになる(図15におけるx1)。しかし、加算閾値を低下させる範囲を領域R1に限定することで、欠陥の誤検出量を必要最小限に抑えることが可能となり、メモリの消費量、処理時間の増加を最小限に防ぐことができる。
また、第2の実施の形態において、領域R1の設定方法として、撮像素子調整時に決定するものとしたが、ノイズリダクション時に取得した暗時画像の画素値を元に各回領域R1を決定しても良い。
図16は、本発明の第3の実施の形態に係わるデジタルカメラの基本構成を示すブロック図である。
図17は、第3の実施の形態に用いるルックアップテーブル(LUT)の入出力関係を示す図であり、図18は、LUTを説明するための補助説明図である。
図19は、本発明の第3の実施の形態を実行するフローチャートである。
以下に説明する全ての制御は、CPU67が統括的に行う。
本第4の実施の形態は、第3の実施の形態における撮像条件判定部65が、欠陥検出閾値を変更する機能を有していることを特徴としている。
一連のノイズリダクション処理では、欠陥検出閾値(TH)以上の画素欠陥は欠陥補正部61により画素補正を行い、欠陥検出閾値(TH)以下の画素欠陥については信号減算部60による減算で補正を行う。このとき、厳密には欠陥検出閾値(TH)以下の画素欠陥については減算補正しきれずに残るものも存在するが、画素欠陥のレベルは十分小さいため欠陥とみなされない。
図22は、本発明の第4の実施の形態を実行するフローチャートである。
以下に説明する全ての制御は、CPU67が統括的に行う。
その後、ステップS223において、ノイズリダクションを実行する。具体的には、まず、画素欠陥検出部71が、撮像状態判定部73により設定された欠陥検出閾値を用いて画素欠陥を抽出し、欠陥アドレスメモリ59に保存する。一方で、信号減算部60によって明時画像メモリ56に格納された画像信号から暗時画像メモリ57に格納された画像信号を減算し、その結果を出力する。欠陥補正部61では、信号減算部60から出力された減算結果に対して、欠陥アドレスメモリ59に格納された位置に該当する画素を補正する。これら一連の動作により、ノイズリダクションが行われることになる。
以上の方法によると、調整増幅器(AMP2)62のゲイン設定が行われた際に、画素欠陥の検出閾値を通常値より低下させることが可能となる。これにより、通常より低レベルの画素欠陥まで抽出することになるため、調整増幅器(AMP2)62で増幅が行われた際に発達する画素欠陥を抑制することができる。また、あらかじめLUT72を調整しておくことで、出力画像に対してより最適化することが可能となるため、よりノイズ成分の少ない優れた画像を提供できる。
10 デジタルカメラ
11 光学系
12 シャッター
13 撮像素子
14 アナログアンプ(A−AMP)
15 A/D変換器
16 明時画像格納部
17 暗時画像格納部
18 加算回路
19 撮像状態取得部
20 閾値設定部
21 欠陥検出部
22 欠陥格納部
23 欠陥補正部
24 出力画像格納部
25 CPU
26 タイミングジェネレータ(TG)
27 暗電流ノイズ発生領域格納部
30 デジタルカメラ
40 デジタルカメラ
51 光学系
52 シャッター
53 撮像素子
54 増幅器(AMP1)
55 A/D変換器
56 明時画像メモリ
57 暗時画像メモリ
58 画素欠陥検出部
59 欠陥アドレスメモリ
60 信号減算部
61 欠陥補正部
62 調整増幅器(AMP2)
63 取得画像メモリ
64 ルックアップテーブル(LUT)
65 撮像条件判定部
66 タイミングジェネレータ(TG)
67 CPU
71 画素欠陥検出部
72 ルックアップテーブル(LUT)
73 撮像条件判定部
Claims (8)
- 被写体を撮像するための複数の画素を有する撮像手段と、
前記撮像手段によって非遮光状態で得られる明時信号を取得する明時信号取得手段と、
前記撮像手段によって遮光状態で得られる暗時信号を取得する暗時信号取得手段と、
前記撮像手段によって得られる明時信号または暗時信号を増幅する第1の増幅手段と、
前記明時信号取得手段によって取得された明時信号から前記暗時信号取得手段によって取得された暗時信号を減算して減算信号を出力する減算手段と、
前記減算手段によって減算された減算信号を増幅する第2の増幅手段と、
前記明時信号取得手段によって明時信号を取得する際の撮像条件を取得する撮像条件取得手段と、
前記撮像条件取得手段によって取得した撮像条件に基づいて、前記第1の増幅手段及び第2の増幅手段のゲインを変更するゲイン補正手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。 - 前記撮像条件は、前記撮像手段の露光時間、温度、撮像感度の何れか1つであることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記暗時信号取得手段によって取得した暗時信号のうち、予め定められた画素欠陥検出閾値を超える画素位置を検出する欠陥画素位置検出手段と、
前記欠陥画素位置検出手段によって検出された画素位置に対応する画素における、前記減算手段によって出力された減算信号に対して補正を行なう画像信号補正手段と、
をさらに備え、
前記撮像条件取得手段は、前記第2の増幅手段のゲインを変更するとともに前記画素欠陥検出閾値を変更することを特徴とする請求項1または2に記載の撮像装置。 - 請求項1乃至3の何れか1項に記載の撮像装置を備えることを特徴とするデジタルカメラ。
- 被写体を撮像するための複数の画素を有する撮像手段を備えた撮像装置が実行するノイズ除去方法において、
前記撮像手段によって非遮光状態で得られる明時信号を取得し、
前記撮像手段によって遮光状態で得られる暗時信号を取得し、
前記撮像手段によって得られる明時信号または暗時信号を増幅し、
前記取得された明時信号から前記取得された暗時信号を減算して減算信号を出力し、
前記減算された減算信号を増幅し、
前記明時信号を取得する際の撮像条件を取得し、
前記取得した撮像条件に基づいて、前記暗時信号の増幅及び前記減算信号の増幅のゲインを変更することを特徴とするノイズ除去方法。 - 前記撮像条件は、前記撮像手段の露光時間、温度、撮像感度の何れか1つであることを特徴とする請求項5に記載のノイズ除去方法。
- さらに、
前記取得した暗時信号のうち、予め定められた画素欠陥検出閾値を超える画素位置を検出し、
前記検出された画素位置に対応する画素における、前記出力された減算信号に対して補正を行い、
前記暗時信号の増幅のゲインを変更するとともに前記画素欠陥検出閾値を変更することを特徴とする請求項5または6に記載のノイズ除去方法。 - 被写体を撮像するための複数の画素を有する撮像手段を備えた撮像装置に実行させるためのノイズ除去プログラムであって、
前記撮像手段によって非遮光状態で得られる明時信号を取得する手順と、
前記撮像手段によって遮光状態で得られる暗時信号を取得する手順と、
前記撮像手段によって得られる明時信号または暗時信号を増幅する手順と、
前記取得された明時信号から前記取得された暗時信号を減算して減算信号を出力する手順と、
前記減算された減算信号を増幅する手順と、
前記明時信号を取得する際の撮像条件を取得する手順と、
前記取得した撮像条件に基づいて、前記暗時信号の増幅及び前記減算信号の増幅のゲインを変更する手順と、
を実行させるためのコンピュータ実行可能なノイズ除去プログラム。
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