JP2012205030A - Image signal processing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、画像信号処理装置に関する。 The present invention relates to an image signal processing apparatus.
本技術分野の背景技術として、例えば、特開2002−279256号公報(特許文献1)がある。該公報には、課題として「上記ワイドダイナミックレンジカメラなどのダイナミックレンジの広い画像を撮影可能な撮像装置において,映像信号として再生可能な出力画像のダイナミックレンジが,輝度信号レベルが高輝度に該当する高輝度部分と輝度信号レベルが低輝度/中輝度に該当する低中輝度部分とに割り当てられる割合は,被写体によらず常に固定されていた。」と、[課題を解決するための手段]として、「被写体を撮像し;被写体の撮像された露光時間が相対的に長い長時間露光画像と,露光時間が相対的に短い短時間露光画像の画像信号を検波し;画像信号から決定される切替輝度信号レベルに基づき,長時間露光画像と短時間露光画像とから,合成画像を生成し;合成画像に占める輝度領域に応じて,合成画像を圧縮し,映像信号として出力する出力画像のダイナミックレンジの動的な割当てをし;出力画像のダイナミックレンジの動的な割当てに基づいて,合成画像のダイナミックレンジを圧縮することを特徴としている」と記載されている。 As background art in this technical field, for example, there is JP-A-2002-279256 (Patent Document 1). In this publication, as a problem, “in the imaging apparatus capable of capturing an image having a wide dynamic range such as the above-mentioned wide dynamic range camera, the dynamic range of the output image that can be reproduced as a video signal corresponds to the luminance signal level being high luminance. The ratio of the high luminance portion and the luminance signal level assigned to the low / medium luminance portion corresponding to the low luminance / medium luminance was always fixed regardless of the subject. ”[Means for solving the problem] , “Image picking up the subject; detecting the image signal of the long exposure image in which the exposure time of the subject imaged is relatively long and the short exposure image in which the exposure time is relatively short; switching determined from the image signal Generating a composite image from the long-exposure image and the short-exposure image based on the luminance signal level; compressing the composite image according to the luminance region occupied in the composite image; The dynamic range of the output image to be output as an image signal is dynamically allocated; the dynamic range of the composite image is compressed based on the dynamic allocation of the dynamic range of the output image ” Yes.
また、例えば特開2002−77733号公報(特許文献2)がある。該公報には[課題]として「本発明は、バイアス電圧を切り換えることなく、光電変換部に入射される入射光量に応じて、自動的に対数変換動作及び線形変換動作を切り換えることができる固体撮像装置を提供することを目的とする。」と、解決手段として、「信号φVPSに、撮像時にMOSトランジスタT1のソースに与える電圧VHより低い電圧VLとなるパルス信号を与えることによって、撮像開始時におけるMOSトランジスタT1のゲート電圧をソース電圧より低い電圧とする。よって、撮像時において、被写体が所定の輝度値を超えるまでは、MOSトランジスタT1がカットオフ状態となるので、線形変換された電気信号が出力され、又、被写体が所定の輝度値を超えたとき、MOSトランジスタT1がサブスレッショルド領域で動作するので、対数変換された電気信号が出力される。」と記載されている。 Moreover, there exists Unexamined-Japanese-Patent No. 2002-77733 (patent document 2), for example. In this publication, as a [problem], “the present invention is capable of automatically switching between a logarithmic conversion operation and a linear conversion operation according to the amount of incident light incident on the photoelectric conversion unit without switching the bias voltage. The object is to provide a device. ”As a solution,“ By giving a pulse signal having a voltage VL lower than the voltage VH applied to the source of the MOS transistor T1 to the signal φVPS during imaging, Since the gate voltage of the MOS transistor T1 is lower than the source voltage, the MOS transistor T1 is cut off until the subject exceeds a predetermined luminance value at the time of imaging. When the output of the object exceeds a predetermined luminance value, the MOS transistor T1 is set in the subthreshold region. The logarithm-converted electrical signal is output because the operation is performed. "
高速露光画像と低速露光画像の二枚の画像を合成することで白飛びや黒潰れの少ない画像を得る事の可能なワイドダイナミックレンジ処理(以後、WDR=Wide Dynamic Range処理)を行う画像信号処理装置において、適正なWDR処理画像を得るために、前記特許文献1では、「合成画像が生成されるたびに, 適正なダイナミックレンジの振分割合であるか否かを判断し, 適正でなければ振分割合
を補正する」ことにより画像からえられる検波データ等を取得解析しており、これらは検波データを用いたフィードバック制御である為に、特にWDRが求められる環境においては被写体によって白飛びや黒潰れの状態が多く、極端に白飛びをしている被写体から得られる検波データでは制御が最適となるまでの時間が必要となるってしまうという課題があった。
Image signal processing that performs wide dynamic range processing (hereinafter referred to as WDR = Wide Dynamic Range processing) that can produce images with little overexposure and underexposure by combining two images, a high-speed exposure image and a low-speed exposure image In order to obtain an appropriate WDR-processed image in the apparatus, in
また前記特許文献2では対数(以後、非線形とする)変換動作と線形変換動作を切り替えるとあるが、非線形動作では線形動作時の画像と同等のノイズ量や、色再現に関する画質は得られず、線形動作時ではダイナミックレンジの広い画像は得られないという問題があった。
Further, in
本発明は、線形および非線形の画像処理技術を使用する際に露光制御を高速に制御可能な画像信号処理装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an image signal processing apparatus capable of controlling exposure control at high speed when using linear and nonlinear image processing techniques.
上記目的を解決するために、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。 In order to solve the above object, the configuration described in the claims is adopted.
本発明によれば、線形および非線形の画像処理技術を使用する際に露光制御を高速に制御可能な画像信号処理装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an image signal processing apparatus capable of controlling exposure control at high speed when using linear and non-linear image processing techniques.
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。 Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
実施例1のシステム構成について図1を用いて説明する。
図1は、本発明の実施例1における基本構成の一例を説明する図である。
撮像部101の詳細については図2で説明する。
A system configuration of the first embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a basic configuration according to the first embodiment of the present invention.
Details of the
撮像部101は、被写体からの入射光の光量を調整する絞り(図示せず)、該絞りを通った光を集めるためのレンズ(図示せず)、該レンズが集めた光を光電変換し画像信号として出力し、かつ、その入出力特性が線形である撮像素子と非線形である撮像素子で構成され、各撮像素子には電子シャッタ制御部(図示せず)及び利得制御部(図示せず)が備わっている。
The
画像入力部102は、撮像部101からの画像信号を入力して後段の信号処理を行うブロックにて画像信号処理を行うための入力インタフェース処理であり、例えば、AD(Analog to Digital)変換処理であり、また、例えば、撮像素子と信号処理部との処理タイミングを調整する同期調整処理である。なお、画像入力部102は、信号レベル調整のための利得制御やフィルタ処理など、所定の画像信号処理を含んでも良い。
The
線形センサ露光制御部103は、撮像部101の絞りや、撮像素子の電子シャッタ制御および、利得制御、画像入力部102の利得などの制御を行う。また、WDR画像を得るために時分割で線形センサに対して長時間露光と短時間露光の制御を行い、長時間露光画像と短時間露光画像を得る。
The linear sensor
非線形センサ露光制御部104は、線形センサ露光制御部103が長時間露光と短時間露光を時分割で制御する為に撮像部101の絞りを制御する事で非線形センサに対する入射光の光量が変化する場合や、線形センサ露光制御部103が画像入力部102の利得などを制御する場合に、画像入力部102からの出力される非線形センサ画像信号の量を所定に保つように、撮像素子の電子シャッタや利得、あるいはその両方の制御を行う。
The non-linear sensor
信号レベル検出部105は、画像入力部102からの線形センサと非線形センサからの画像信号の信号レベルを検出する。信号レベル検出部105にて検出する数値は、例えば、入力した画素信号の絶対値である。また、例えば、入力した画素信号のヒストグラム分布、最大値最小値、平均値など、画像領域の信号の輝度分布状態を示す情報となる数値である。以上の情報を検出すれば、画素信号を得た際の入射光の光量を推定することができる。
The signal
画質制御部106は、信号レベル検出部105からの長時間露光画像信号および短時間露光画像信号にノイズ除去、ガンマ補正、輪郭強調、フィルタ処理、ズーム処理、手ぶれ補正、画像認識などの、画像信号処理を行う。
The image
画像合成部107は画質制御部からの長時間露光画像信号および短時間露光画像信号からWDR画像を合成する
画像出力部108は、画像合成部107からの画像信号に所定の処理を行い出力する。
The
所定の処理とは、TVやストレージなどの出力機器の信号フォーマットに変換する出力インタフェース処理であり、例えば、NTSCやPALのビデオ出力に変換するものであり、例えば、HDMI信号に変換するものであり、例えば、ネットワーク伝送のために所定の信号に変換するものである。なお、画像出力部110は、信号レベル調整のための利得制御や、フィルタ処理、エンコードによる圧縮処理など、所定の画像信号処理を含む構成であっても良い。 The predetermined process is an output interface process for converting to a signal format of an output device such as a TV or a storage, for example, converting to an NTSC or PAL video output, for example, converting to an HDMI signal. For example, the signal is converted into a predetermined signal for network transmission. The image output unit 110 may be configured to include predetermined image signal processing such as gain control for signal level adjustment, filter processing, and compression processing by encoding.
次に撮像部101の一部である撮像素子の詳細について図2で説明する。
図2で示すカラーフィルタの配列は一般的ベイヤ配列と呼ばれているRGB各カラーフィルタに対して、R、G、Bフィルタを配置している撮像素子は線形撮像素子を用いており、例えばGフィルタの半数にあたる箇所を非線形撮像素子としている。
Next, the details of the image sensor which is a part of the
The color filter array shown in FIG. 2 uses a linear image sensor as an image sensor in which R, G, and B filters are arranged with respect to each RGB color filter called a general Bayer array. A portion corresponding to half of the filter is a non-linear image sensor.
また、前記線形センサ露光制御部103は、図2のR,G,Bフィルタが配置されている線形画素に対する電子シャッタ及び、利得制御を行う。前記非線形センサ露光制御部104は、図2の非線形画素(Lの画素)に対する電子シャッタ及び利得制御を行う事で、画像入力部102からの出力される線形画素と非線形画素の信号の量を個別に制御が可能となる。
Further, the linear sensor
次に本実施例によって解決されるWDR制御について説明する。まず初めにWDR制御とは高速露光画像と低速露光画像の二枚の画像を合成することで白飛びや黒潰れの少ない画像を得る事の可能な制御であるが、先に課題で述べたとおり、適正なWDR処理画像を得るためには、画像からえられる検波データを取得解析し、合成画像に占める輝度領域に応じて,合成画像を圧縮し,映像信号として出力する出力画像のダイナミックレンジの動的な割当てを行っている。この動的な割り当てを行う為に必要な高速露光画像と低速露光画像の取得には、高速露光画像に対しては白飛びを抑えるようにシャッタ制御や、絞り制御、ゲイン制御を行い、また低速露光画像に対して黒つぶれを抑えるように同様の制御行っている。 Next, WDR control solved by this embodiment will be described. First of all, WDR control is a control that can obtain an image with little overexposure and underexposure by combining two images, a high-speed exposure image and a low-speed exposure image. In order to obtain an appropriate WDR-processed image, the detection data obtained from the image is acquired and analyzed, and the composite image is compressed according to the luminance region occupied in the composite image, and the dynamic range of the output image output as a video signal Dynamic allocation is performed. In order to acquire the high-speed exposure image and low-speed exposure image necessary for this dynamic allocation, shutter control, aperture control, and gain control are performed on the high-speed exposure image to suppress overexposure. The same control is performed so as to suppress blackout on the exposed image.
しかし従来の線形センサでは、ダイナミックレンジが狭い為にこれらの各画像に白飛びや黒つぶれが発生している際、特に白飛びに関してはセンサで取得したデータが飽和している場合は一回の制御で最適画像となる制御量が求めることが出来ないために、検波データ取得と解析と制御を繰り返し実施することが必要となる為に、制御が最適となるまでの時間が必要となるってしまっていた。 However, in the conventional linear sensor, since the dynamic range is narrow, each of these images has whiteout or blackout, especially when the data acquired by the sensor is saturated with regard to whiteout. Since it is not possible to obtain the control amount that will be the optimal image in the control, it is necessary to repeat the detection data acquisition, analysis, and control, so it takes time to optimize the control. I was sorry.
そこで本実施例においては、従来WDR制御のように白飛びや黒潰れした映像から、最適な長時間露光制御と短時間露光制御になるまで繰り返し制御を行うのではなく、線形センサと非線形センサを併用し、非線形センサによって常時取得可能な白飛びや黒潰れのない検波データから得られるヒストグラムや輝度データを解析する事によって、線形撮像素子による撮像データが白飛びや黒つぶれせずに取得できるシャッタ制御値、絞り制御値、ゲイン制御値を求める事が可能となる。 Therefore, in this embodiment, the linear sensor and the non-linear sensor are used instead of repeating the control until the optimum long exposure control and short exposure control are performed from the image that has been blown out or blacked out as in the conventional WDR control. Combined with this, by analyzing the histogram and brightness data obtained from detection data without whiteout or blackout that can always be acquired by a non-linear sensor, the shutter can acquire image data from the linear image sensor without whiteout or blackout. The control value, aperture control value, and gain control value can be obtained.
その制御の違いを図3と図4を用いて説明する。
図3に従来WDRによる白飛びが発生している画像のヒストグラムの制御例を示す。図3(a)はセンサの飽和レベルa以上の信号が存在している状態を表している。図3(a)はWDR制御によって飽和レベルa以上の信号は存在しないが、最適信号レベルb以下にはなっていない状態。図3(b)は最適信号レベルになった状態である。
The difference in control will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 shows a control example of a histogram of an image in which whiteout occurs due to conventional WDR. FIG. 3A shows a state in which a signal having a saturation level a or higher of the sensor exists. FIG. 3A shows a state in which there is no signal above the saturation level a by the WDR control, but it is not below the optimum signal level b. FIG. 3B shows a state where the optimum signal level is reached.
従来WDR制御では、白飛びしている信号がその程度の輝度レベルにあるかが、センサの信号が飽和してしまっているために判断が出来ないため、図3(a)の状態から図3(b)の状態になるまでの制御量が求めることができない。そのため、図3(d)のフローチャートに示すように信号が飽和している場合の制御量は、適当な一定制御量を繰り返し行い徐々に制御値を変えて制御する方法しかできない。仮に制御量を大きくすれば、最適露光状態を超えて制御をかけすぎてしまう可能性があり、また制御量を小さくすれば制御に時間がかかってしまう。 In the conventional WDR control, it cannot be determined whether or not the whiteout signal is at such a luminance level because the signal of the sensor is saturated, so the state shown in FIG. The control amount until the state (b) is reached cannot be obtained. For this reason, as shown in the flowchart of FIG. 3D, the control amount when the signal is saturated can only be controlled by repeatedly changing an appropriate constant control amount and gradually changing the control value. If the control amount is increased, there is a possibility that the control will be excessively performed beyond the optimum exposure state, and if the control amount is decreased, the control will take time.
そこで図4に線形センサと非線形センサを併用した際の画像のヒストグラムの例を示す。 FIG. 4 shows an example of an image histogram when a linear sensor and a nonlinear sensor are used in combination.
図4(a)は図3と同様の被写体を撮影していると仮定しセンサの飽和レベルa以上の信号が存在している状態を表している。図4(b)は図4(a)と同じタイミングで非線形センサにより撮影されたヒストグラムの例である。図4(a)では飽和レベル以上の信号となってしまっている信号が、非線形センサでは図4(b)で示すように最適信号レベルのヒストグラムとして取得することが可能となる様子を示している。また線形センサと非線形センサの信号レベルの相関関係はセンサの入出力特性や、各素子のゲイン量などから決まるので非線形センサで取得したヒストグラムの図4(b)の明るさcに割りあたっている信号レベルを線形センサの図4(c)の最適信号レベルbに制御するための制御量は求めることが可能となる。 FIG. 4A shows a state where a signal equal to or higher than the saturation level a of the sensor exists on the assumption that the same subject as in FIG. 3 is being photographed. FIG. 4B is an example of a histogram photographed by a non-linear sensor at the same timing as FIG. FIG. 4A shows that a signal that has become a signal equal to or higher than the saturation level can be acquired as a histogram of the optimum signal level in the nonlinear sensor as shown in FIG. 4B. . Further, since the correlation between the signal level of the linear sensor and the nonlinear sensor is determined by the input / output characteristics of the sensor, the gain amount of each element, etc., it is assigned to the brightness c in FIG. 4B of the histogram acquired by the nonlinear sensor. A control amount for controlling the signal level to the optimum signal level b in FIG. 4C of the linear sensor can be obtained.
そのため、従来の線形センサのように適当な制御値になるように徐々に制御量を変えていく必要がなく、短時間の制御によって線形センサの最適露光状態に制御することが可能である。 Therefore, it is not necessary to gradually change the control amount so as to obtain an appropriate control value as in the conventional linear sensor, and the linear sensor can be controlled to the optimum exposure state by a short time control.
しかし入力特性が線形である撮像部に対する長時間露光と短時間露光制御を行っている為に両センサで共通に使用されているメカニカルシャッタや絞りが変化することで入出力特性が非線形である撮像部への入力信号も同じく変動してしまう。 However, because long-time exposure and short-time exposure control are performed for an image pickup unit with linear input characteristics, the input / output characteristics are nonlinear by changing the mechanical shutter and diaphragm used in common for both sensors. The input signal to the unit also varies.
しかしメカシャッタや絞り制御などにより線形撮像素子の入力信号が変動する場合でも、非線形撮像素子で撮像した信号から線形撮像素子の制御量を求めることはメカシャッタの制御量や、絞り量を考慮する事で可能である
あるいはシャッタの制御量や、絞りの制御量を非線形撮像素子の電子シャッタ制御やゲイン制御等を用いて相殺するように制御する事で、非線形撮像素子の信号量がシャッタや絞りゲイン制御が固定の状態と同等の状態とする事が可能である。
However, even when the input signal of the linear image sensor fluctuates due to the mechanical shutter or aperture control, the control amount of the linear image sensor can be obtained from the signal imaged by the nonlinear image sensor by considering the control amount of the mechanical shutter and the aperture amount. It is possible to control the amount of control of the shutter and the amount of control of the aperture by using electronic shutter control and gain control of the nonlinear imaging device, so that the signal amount of the nonlinear imaging device can be controlled by the shutter and aperture gain control. Can be equivalent to a fixed state.
すなわち非線形撮像部の電子シャッタやゲインを、線形撮像部による露出制御を打ち消すように制御することで非線形の撮像部への入力信号をある一定の信号量になるようにする事が可能であり、このように制御する事により非線形撮像素子が常に一定の制御量で動作しているとみなすことができ、非線形素子が取得するヒストグラム等の検出結果より線形素子の制御量を簡単に求めることが可能となる。 That is, by controlling the electronic shutter and gain of the nonlinear imaging unit so as to cancel the exposure control by the linear imaging unit, it is possible to make the input signal to the nonlinear imaging unit have a certain signal amount, By controlling in this way, it can be assumed that the nonlinear imaging element is always operating with a constant control amount, and the control amount of the linear element can be easily obtained from the detection result such as a histogram acquired by the nonlinear element. It becomes.
このように制御する事で非線形撮像素子のダイナミックレンジが広い特性より得られる白飛びや黒潰れの状態がない画像からの検波データを線形撮像素子の制御に用いる事が可能となる。 By controlling in this way, it becomes possible to use detection data from an image having no overexposure or underexposure obtained from the characteristic that the dynamic range of the nonlinear imaging device is wide for controlling the linear imaging device.
また短時間露光制御についても同様で、線形撮像素子では黒潰れが発生していた被写体に対して制御時間を必要とせず最適な長時間露光制御量を求める事が可能となる。 The same applies to the short-time exposure control, and it is possible to obtain an optimal long-time exposure control amount without requiring a control time for a subject in which blackout occurs in the linear imaging device.
また、カラーフィルタの配列については図2で示すカラーフィルタの配列以外に、非線形撮像素子とするGフィルタの位置を図5のパターンとしてもよく、また非線形撮像素子の解像度重視のパターンである図6や、Gフィルタ色再現重視のパターンである図7などとしてもよい。 In addition to the color filter arrangement shown in FIG. 2, the arrangement of the color filters may be such that the position of the G filter as the non-linear image sensor is the pattern shown in FIG. Alternatively, FIG. 7 may be used as a G filter color reproduction-oriented pattern.
101…撮像部、102…画像入力部、103…線形センサ露光制御部、104・・・非線形センサ露光制御部、105…信号レベル検出部、106…画質制御部、107.・・・画像合成部、108…画像出力部、201…R:線形画素及びRフィルタ、202・・・G:線形画素および、Gフィルタ。203・・・B:線形画素及び、Bフィルタ、204・・・L:非線形画素
DESCRIPTION OF
Claims (2)
光電変換特性が線形である第2の撮像素子と、
該撮像素子からの信号を入力する画像入力手段と、
該画像入力手段からの信号レベルを検出する信号レベル検出手段と、
高速露光信号と低速露光信号を合成する画像信号合成手段と
光電変換特性が非線形である撮像素子の第1の露光制御手段と、
光電変換特性が線形である撮像素子の第2の露光制御手段と、
を具備し、
前記第2の露光制御手段は、前記光電変換が非線形である撮像素子の信号レベル検出手段によって得られた検波結果に応じて、光電変換特性が線形である撮像素子による長時間露光制御と短時間露光制御を制御する事を特徴とする画像信号処理装置。 A first image sensor having a non-linear photoelectric conversion characteristic and a second image sensor having a linear photoelectric conversion characteristic;
Image input means for inputting a signal from the image sensor;
Signal level detection means for detecting the signal level from the image input means;
Image signal combining means for combining a high-speed exposure signal and a low-speed exposure signal; first exposure control means for an image pickup device whose photoelectric conversion characteristics are nonlinear;
A second exposure control means of the image pickup device having a linear photoelectric conversion characteristic;
Comprising
The second exposure control means includes a long-time exposure control and a short time by an imaging element having a linear photoelectric conversion characteristic according to a detection result obtained by the signal level detection means of the imaging element in which the photoelectric conversion is nonlinear. An image signal processing apparatus for controlling exposure control.
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