JP2013157790A - 撮像装置、その制御方法、および制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】画像の劣化を最小限に抑えつつ、高速シャッターの動作の際の輝度変動を抑制する。
【解決手段】露光調整部１０９は光学像の輝度に応じて撮像素子１０２におけるシャッタースピードを制御する。そして、露光調整部はシャッタースピードが所定シャッタースピードよりも高速であるか否かを判定して所定シャッタースピードよりも高速であると、シャッタースピードの変更に同期させて、シャッタースピードの変更に伴う輝度変動を打ち消すようにＡＧＣ１０５のゲインを調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、撮像装置その制御方法、および制御プログラムに関し、特に、高速シャッターの際の露出制御に関する。

従来、撮像装置において被写体を撮影する際には、被写体の明るさをほぼ一定に制御するため輝度レベルを調整している。一般に、撮像装置では、撮像レンズからの光量を調整する絞り機構又は電子シャッターによって露光時間を制御して輝度レベルの調整を行っている。

さらに、被写体が暗い場合には、撮像装置自体又は外部アンプなどによって撮像素子の出力である電気信号の利得を制御して、適正な輝度レベルに制御可能な範囲を拡張している。

ところで、電子シャッターによる露光時間の制御においては、被写体が明るい場合には露光時間を短くする必要がある。ところが、一般に、電子シャッターの制御による露光時間は撮像素子の水平同期信号周期の整数倍となっている関係上、露光時間が水平同期信号周期に近づくほど露光時間を１ステップ変更することに伴う輝度変化が大きくなる。

輝度変化を抑制するために、例えば、特許文献１又は特許文献２においては、被写体の輝度レベルを超えない範囲でシャッタースピードを最小とするとともに増幅部の調整を行い、これによって、被写体の輝度レベルを調整するようにしている。

特登録３８６１７１１号公報 特開平９−５５８７８号公報

しかしながら、特許文献１又は２においては、被写体の輝度に応じて常に利得を付加しているため、画像自体にノイズが生じてしまう。

そこで、本発明の目的は、画像の劣化を最小限に抑えつつ、高速シャッターの動作の際の輝度変動を抑制することのできる撮像装置、その制御方法、および制御プログラムを提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明による撮像装置は、光学像が結像され、前記光学像に応じた出力信号を出力する撮像素子と、前記撮像素子からの出力信号を増幅するための増幅手段と、前記光学像の輝度に応じて前記撮像素子のシャッタースピードを制御するシャッタースピード制御手段と、前記シャッタースピードが所定シャッタースピードよりも高速であるか否かを判定する判定手段と、前記判定手段によって前記シャッタースピードが前記所定シャッタースピードよりも高速であると判定されると、前記シャッタースピードの変更に同期させて、前記シャッタースピードの変更に伴う輝度変動を打ち消すように前記増幅手段の増幅率を調整する増幅率調整手段とを有し、前記増幅率調整手段は、前記増幅手段の増幅率を調整した後、予め設定された時間以内に調整後の増幅率を元の増幅率に段階的に戻すことを特徴とする。

本発明による制御方法は、光学像が結像され、前記光学像に応じた出力信号を出力する撮像素子と、前記撮像素子からの出力信号を増幅するための増幅手段とを備える撮像装置の制御方法であって、前記光学像の輝度に応じて前記撮像素子のシャッタースピードを制御するシャッタースピード制御ステップと、前記シャッタースピードが所定シャッタースピードよりも高速であるか否かを判定する判定ステップと、前記判定ステップで前記シャッタースピードが前記所定シャッタースピードよりも高速であると判定されると、前記シャッタースピードの変更に同期させて、前記シャッタースピードの変更に伴う輝度変動を打ち消すように前記増幅手段の増幅率を調整する増幅率調整ステップとを有し、前記増幅率調整ステップは、前記増幅手段の増幅率を調整した後、予め設定された時間以内に調整後の増幅率を元の増幅率に段階的に戻すことを特徴とする。

本発明による制御プログラムは、光学像が結像され、前記光学像に応じた出力信号を出力する撮像素子と、前記撮像素子からの出力信号を増幅するための増幅手段とを備える撮像装置で用いられる制御プログラムであって、前記撮像装置が備えるコンピュータに、前記光学像の輝度に応じて前記撮像素子のシャッタースピードを制御するシャッタースピード制御ステップと、前記シャッタースピードが所定シャッタースピードよりも高速であるか否かを判定する判定ステップと、前記判定ステップで前記シャッタースピードが前記所定シャッタースピードよりも高速であると判定されると、前記シャッタースピードの変更に同期させて、前記シャッタースピードの変更に伴う輝度変動を打ち消すように前記増幅手段の増幅率を調整する増幅率調整ステップとを実行させ、前記増幅率調整ステップでは、前記増幅手段の増幅率を調整した後、予め設定された時間以内に調整後の増幅率を元の増幅率に段階的に戻させることを特徴とする。

本発明によれば、画像の劣化を最小限に抑えつつ、高速シャッターの動作の際の輝度変動を抑制することができる。

本発明の第１の実施形態による撮像装置の一例についてその構成を示すブロック図である。 図１に示す露光調整部の構成の一例を説明するためのブロック図である。 図２に示す露光調整部における露光調整処理を説明するためのフローチャートである。 図３で説明した露光調整処理を具体的に説明するための図であり、 （ａ）は被写体の輝度を示す図、（ｂ）はシャッタースピードを示す図、（ｃ）はゲインを示す図である。 本発明の第２の実施形態による撮像装置の一例についてその構成を示すブロック図である。 図５に示す露光調整部における露光調整処理を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態による撮像装置の一例について図面を参照して説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態による撮像装置の一例についてその構成を示すブロック図である。

図１において、撮像装置は、例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳセンサなどの撮像素子１０２有している。被写体像（光学像）が数枚のレンズで構成されるレンズ１０１を介して撮像素子１０２に結像する。そして、撮像素子１０２は光学像に応じた電気信号（アナログ信号）を出力信号として出力する。この電気信号（出力信号）は相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ）１０３において処理される。なお、図示はしないが、レンズ１０１あるいはレンズ１０１と撮像素子１０２との間に絞りおよびシャッターが備えられている。

ＣＤＳ１０３の出力（ＣＤＳ処理信号と呼ぶ）はオートゲインコントロール回路（ＡＧＣ：増幅手段）１０４に与えられ、ＡＧＣ１０４はＣＤＳ処理信号を後述するようにして増幅処理して増幅信号とする。この増幅信号はアナログ・デジタル変換器（ＡＤＣ）１０５においてデジタル信号（画像信号）に変換される。

ＡＤＣ１０５から出力された画像信号はデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）などを備える画像処理部１０６に与えられる。画像処理部１０６は画像信号に対して所定の画像処理を行って画像データとする。そして、当該画像データに応じた画像が液晶や有機ＥＬなどを用いた表示部１０７によって表示される。

撮像素子１０２は２次元マトリックス状に配列された複数の画素（素子ともいう）を有し、段階的にシャッタースピードが調整可能ある。被写体輝度取得部１０８は撮像素子１０２の所定領域毎の輝度値を取得する。そして、被写体輝度取得部１０８は当該所定領域毎の輝度値を露光調整部１０９に与える。露光調整部１０９は所定領域毎の輝度値に基づいて絞り、シャッタースピード、およびＡＧＣ１０４におけるゲインを制御して露光の調整を行う。

図２は、図１に示す露光調整部１０９の構成の一例を説明するためのブロック図である。なお、図２において、図１に示すＡＤＣ１０５、画像処理部１０６、および表示部１０７は省略されている。

露光調整部１０９は、絞り制御部２０１、シャッタースピード制御部（シャッタースピード制御手段）２０２、ゲイン制御部２０３、シャッタースピード判定部（判定手段）２０４、およびゲインテーブル記憶部（記憶手段）２０５を備えている。露光調整部１０９は被写体輝度取得部１０８から輝度値を受けると、当該輝度値に応じて、絞り、シャッタースピード、およびゲインを調整する。

絞り制御部２０１は、レンズ１０１の絞りを駆動制御し、輝度値に応じて絞りを開閉制御して撮像素子に対する入射光量を調整する。シャッタースピード制御部２０２は、輝度値に応じて撮像素子１０２において電荷を蓄積する蓄積時間を制御する。この蓄積時間は、例えば、離散的な値であって、撮像素子１０２の水平同期信号周期の整数倍である。ゲイン制御部２０３は、輝度値に応じてＡＧＣ１０４のゲイン値（増幅率）を設定制御する。

シャッタースピード判定部２０４は、シャッタースピード制御部２０２において設定したシャッタースピードが所定シャッタースピードよりも高速か否か（蓄積時間が所定時間よりも短いか否か）を判定する。ゲインテーブル記憶部２０５には、シャッタースピードの変更に伴う輝度変動分に対応し、当該輝度変動分を打ち消すための打ち消しゲイン値が記憶されている。

図３は、図２に示す露光調整部１０９における露光調整処理を説明するためのフローチャートである。

露光調整部１０９が被写体輝度取得部１０８から撮像素子１０２における被写体輝度（輝度値）を取得すると（ステップＳ３０１）、絞り制御部２０１、シャッタースピード制御部２０２、およびゲイン制御部２０３はそれぞれ絞り制御、シャッタースピード制御、およびゲイン制御を行って、画像の輝度が所定の値となるように露光の調整を実行する（ステップＳ３０２）。この際、絞り制御部２０１、シャッタースピード制御部２０２、およびゲイン制御部２０３は被写体輝度（所定領域毎の輝度値）に応じて画像全体の輝度の平均値および輝度のピーク値を求める。

続いて、シャッタースピード判定部２０４は、シャッタースピード制御部２０２で設定されたシャッタースピード（設定シャッタースピード）が所定シャッタースピードよりも高速（高速シャッター）か否かを判定する（ステップＳ３０３）。設定シャッタースピードが所定シャッタースピードよりも高速でないと判定されると（ステップＳ３０３において、ＮＯ）、露光調整部１０９はステップＳ３０１の処理に戻る。

設定シャッタースピードが所定シャッタースピードよりも高速であると判定されると（ステップＳ３０３において、ＹＥＳ）、ゲイン制御部２０３はゲインテーブル記憶部２０５を参照して、ゲインテーブル記憶部２０５から設定シャッタースピードに対応する取り消しゲイン値を取得する（ステップＳ３０４）。

ここで、ゲインテーブル記憶部２０５に記憶されている取り消しゲイン値は、例えば、シャッタースピードが１ステップ変化した際に生じる輝度変動分を打ち消すゲイン値である。つまり、ゲインテーブル記憶部２０５に記憶されている取り消しゲイン値は、シャッタースピードが水平同期信号周期のＭ倍だった場合に、シャッタースピードが水平同期信号周期の（Ｍ＋１）倍又は（Ｍ−１）倍となった際に生じる輝度変動分を打ち消すゲイン値である。

さらに、所定のシャッタースピードは、シャッタースピードが水平同期信号周期のＭ倍から（Ｍ＋１）倍に変化した際又はＭ倍から（Ｍ−１倍）に変化して際の輝度変動分が、例えば、約０．１５［ＥＶ］以上であるシャッタースピードである。ただし、所定のシャッタースピードは輝度変化分が当該０．１５［ＥＶ］以上であるシャッタースピードに限るものではなく、適宜設定することができる。

次に、ゲイン制御部２０３は打ち消しゲイン値に応じてＡＧＣ１０４のゲイン調整を行う。この際、シャッタースピード判定部２０４はタイミング同期信号をシャッタースピード制御部２０２およびゲイン制御部２０３に与える。そして、シャッタースピード制御部２０２およびゲイン制御部２０３はタイミング同期信号によってシャッタースピードおよびゲインを同期して制御して画像データに輝度変動が生じないようにする（ステップＳ３０５）。つまり、ここではシャッタースピードの変化に同期してゲインが調整されることになる。

続いて、ゲイン制御部２０３は取り消しゲイン値で調整したＡＧＣ１０４のゲインを予め設定された時間以内に元のゲインに戻して（ステップＳ３０６）、露光調整処理を終了する。

図４は、図３で説明した露光調整処理を具体的に説明するための図である。そして、図４（ａ）は被写体の輝度を示す図であり、図４（ｂ）はシャッタースピードを示す図である。また、図４（ｃ）はゲインを示す図である。

図４（ａ）〜図４（ｃ）において、横軸は時間を示しており、また、縦軸はそれぞれ輝度、シャッタースピード、およびゲインを表している。ここでは、図４（ａ）に示すように、被写体の輝度が時間とともに明るく変化するものとする。

被写体の輝度が時間の経過とともに明るく変化すると、図４（ｂ）に示すように、当初のシャッタースピードｗ１が時間ｔ１でシャッタースピードｗ２となる。そして、時間ｔ３でシャッタースピードはシャッタースピードｗ３となる。なお、ｗ１＞ｗ２＞ｗ３であり、時間の経過とともにシャッタースピードは高速となっていく。ここで、シャッタースピードｗ１は、シャッタースピード判定部２０４によって所定シャッタースピードよりも高速であると判定されるシャッタースピードであるとする。

一方、ゲインは当初ゲインｓ０であるが、被写体の輝度の変化に応じて時間ｔ１でゲインｓ１となり、予め設定された時間以内でゲインｓ１はゲインｓ０に逓減する。そして、時間ｔ２でゲインはゲインｓ２となって、予め設定された時間以内でゲインＳ２はゲインｓ０に逓減する。なお、ｓ０＜ｓ１＜ｓ２である。

つまり、被写体の輝度が徐々に明るくなっていく際、時間ｔ１においてシャッタースピードがｗ１からｗ２に変化すると、シャッタースピードの変化に起因する輝度変動分を打ち消すゲインが付加されることになる。ここでは、シャッタースピードがｗ１からｗ２に変化した場合の輝度変動分とゲインがｓ０からｓ１に変化した場合の輝度変動分は等しい。

そして、時刻ｔ１においてゲインがｓ０からｓ１に変化した後、再び予め設定された時間以内にゲインはｓ０に逓減する。この際には、輝度変化が目立たないようにするため、予め設定された時間Δｔ以内で輝度変化率を抑制しつつ、ゲインをｓ１からｓ０に逓減させる。

同様にして、時間ｔ２においても、シャッタースピードの変化による輝度変化分を打ち消すゲインｓ２が付加される。そして、ゲインｓ２を付加した後、予め設定された時間Δｔ以内に、ゲインをｓ２からｓ０に逓減させる。

図示の例では、調整後のゲインであるｓ１又はｓ２から元のゲイン（基準ゲイン）ｓ０に段階的に戻す際、線形的に逓減するようにしたが、予め設定された時間Δｔ以内にゲインを戻せば、曲線状にゲインを戻すようにしてもよい。

なお、図４（ａ）とは逆に被写体の輝度が時間の経過につれて暗く変化する際にも上述の例と同様の処理が行われる。この際には、ゲインが元のゲイン（基準ゲイン）よりも一時的に小さくなって、その分高輝度側の色が変色するなどの不具合が生じることがある。このため、ゲインが基準ゲインよりも小さくなったときにゲインの変化と同期して高輝度側の色を抜く処理が行われる。つまり、図示はしないが、画像処理部１０６はゲインが基準ゲインよりも小さくなったときにゲインの変化と同期して高輝度側（所定の輝度よりも高い輝度）の色を抜く彩度調整を行う。

このように、第１の実施形態では、被写体の輝度変化に応じてシャッタースピードが変化した際、当該シャッタースピードが所定シャッタースピードよりも高速となると、シャッタースピードの変化に起因する輝度変動分に相当するゲインをＡＧＣ１０４に一時的に付加するようにしたので、画像の劣化を最小限に抑えつつ、高速シャッターの際における輝度変動を抑制することができる。

［第２の実施形態］
続いて、本発明の第２の実施形態による撮像装置の一例について説明する。

図５は、本発明の第２の実施形態による撮像装置の一例についてその構成を示すブロック図である。なお、図５において、図２に示す構成要素と同一の構成要素については同一の参照番号を付して説明を省略する。

図５において、露光調整部１０９はさらにシャッタースピード変化検知部５０１を有している。このシャッタースピード変化検知部５０１は、１つ前のフレームにおけるシャッタースピードと現在のシャッタースピードとの差をシャッタースピード差として検知する。そして、シャッタースピード判定部２０４は当該シャッタースピード差に応じて、後述する判定処理を行う。

図６は、図５に示す露光調整部１０９における露光調整処理を説明するためのフローチャートである。なお、図６において、図３に示すフローチャートと同一のステップについては同一の参照符号を付して説明を省略する。

ステップＳ３０３において、シャッタースピードが所定シャッタースピードよりも高速であると判定されると、シャッタースピード判定部２０４はシャッタースピード差が１ステップであるか否かを判定する（ステップＳ６０１）。つまり、シャッタースピード判定部２０４は１フレーム前のシャッタースピードと現在のシャッタースピードとの差を比較してその差が１ステップであるか否かを判定することになる。

ここでは、１フレーム前のシャッタースピードが水平同期信号周期のＭ倍である場合に、現在のシャッタースピードが水平同期信号周期の（Ｍ＋１）倍又は（Ｍ−１）倍でないと（ステップＳ６０１において、ＮＯ）、シャッタースピード判定部２０４はシャッタースピードが２ステップ以上（２段階以上）変化したとする。

この場合、シャッタースピード判定部２０４は輝度が大きく変化し、その結果、シャッタースピード制御部２０２による制御によってシャッタースピードが大きく変化するとする。この際には、露光制御部１０９はステップＳ３０１の処理に戻る。

一方、現在のシャッタースピードが水平同期信号周期の（Ｍ＋１）倍又は（Ｍ−１）倍であると判定されると（ステップＳ６０１において、ＮＯ）、前述したように、ステップＳ３０４において、ゲイン制御部２０３はゲインテーブル記憶部２０５を参照して、ゲインテーブル記憶部２０５から設定シャッタースピードに対応する取り消しゲイン値を取得する。

このように、第２の実施形態では、シャッタースピード差に応じて取り消しゲイン値によるゲイン調整を行うか否かを決定している。そのため、輝度変化分が所定の変化分よりも大きい（シャッタースピードが所定ステップ以上変化する）場合には、輝度変化を抑制することを行わない（シャッタースピードの変化に同期してゲインを制御することは行わない）。従って、不必要にゲイン調整が行われることがなく、第１の実施形態よりもさらに画像の劣化を抑えることができる。

上述の説明から明らかなように、図２に示す例において、ゲイン制御部２０３およびゲインテーブル記憶部２０５が増幅率調整手段として機能する。また、図１に示す例において、画像処理部１０６が彩度調整手段として機能する。さらに、図５に示す例において、シャッタースピード変化検知部５０１、シャッタースピード判定部２０４、ゲイン制御部２０３、およびゲインテーブル記憶部２０５が増幅率調整手段として機能する。

以上、本発明について実施の形態に基づいて説明したが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の様々な形態も本発明に含まれる。

例えば、上記の実施の形態の機能を制御方法として、この制御方法を撮像装置に実行させるようにすればよい。また、上述の実施の形態の機能を有するプログラムを制御プログラムとして、この制御プログラムを撮像装置が備えるコンピュータに実行させるようにしてもよい。なお、制御プログラムは、例えば、コンピュータに読み取り可能な記録媒体に記録される。

この際、制御方法および制御プログラムの各々は、少なくともシャッタースピード制御ステップ、シャッタースピード判定ステップ、および増幅率調整ステップを有することになる。

また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記録媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

１０２ 撮像素子
１０４ オートゲインコントロール回路（ＡＧＣ）
１０８ 被写体輝度取得部
１０９ 露光調整部
２０１ 絞り制御部
２０２ シャッタースピード制御部
２０３ ゲイン制御部
２０４ シャッタースピード判定部
２０５ ゲインテーブル記憶部
５０１ シャッタースピード変化検知部

Claims (6)

1. 光学像が結像され、前記光学像に応じた出力信号を出力する撮像素子と、
   前記撮像素子からの出力信号を増幅するための増幅手段と、
   前記光学像の輝度に応じて前記撮像素子のシャッタースピードを制御するシャッタースピード制御手段と、
   前記シャッタースピードが所定シャッタースピードよりも高速であるか否かを判定する判定手段と、
   前記判定手段によって前記シャッタースピードが前記所定シャッタースピードよりも高速であると判定されると、前記シャッタースピードの変更に同期させて、前記シャッタースピードの変更に伴う輝度変動を打ち消すように前記増幅手段の増幅率を調整する増幅率調整手段とを有し、
   前記増幅率調整手段は、前記増幅手段の増幅率を調整した後、予め設定された時間以内に調整後の増幅率を元の増幅率に段階的に戻すことを特徴とする撮像装置。
2. 前記輝度変動を打ち消すための増幅率が打ち消し増幅率として記憶された記憶手段を有し、
   前記増幅率調整手段は、前記判定手段によって前記シャッタースピードが前記所定シャッタースピードよりも高速であると判定されると、前記輝度変動に対応する打ち消し増幅率を前記記憶手段から読み出して前記増幅手段の増幅率を調整することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 前記増幅率調整手段が前記増幅手段の増幅率を小さくする側に調整した際、前記増幅手段の増幅率の変化に同期して、前記出力信号に対応する画像信号の所定の輝度よりも輝度が高い領域の彩度を下げる処理を行う彩度調整手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像装置。
4. 前記増幅率調整手段は、前記シャッタースピードが所定ステップ以上に変化する場合は前記増幅手段の増幅率の調整を実行しないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の撮像装置。
5. 光学像が結像され、前記光学像に応じた出力信号を出力する撮像素子と、前記撮像素子からの出力信号を増幅するための増幅手段とを備える撮像装置の制御方法であって、
   前記光学像の輝度に応じて前記撮像素子のシャッタースピードを制御するシャッタースピード制御ステップと、
   前記シャッタースピードが所定シャッタースピードよりも高速であるか否かを判定する判定ステップと、
   前記判定ステップで前記シャッタースピードが前記所定シャッタースピードよりも高速であると判定されると、前記シャッタースピードの変更に同期させて、前記シャッタースピードの変更に伴う輝度変動を打ち消すように前記増幅手段の増幅率を調整する増幅率調整ステップとを有し、
   前記増幅率調整ステップは、前記増幅手段の増幅率を調整した後、予め設定された時間以内に調整後の増幅率を元の増幅率に段階的に戻すことを特徴とする制御方法。
6. 光学像が結像され、前記光学像に応じた出力信号を出力する撮像素子と、前記撮像素子からの出力信号を増幅するための増幅手段とを備える撮像装置で用いられる制御プログラムであって、
   前記撮像装置が備えるコンピュータに、
   前記光学像の輝度に応じて前記撮像素子のシャッタースピードを制御するシャッタースピード制御ステップと、
   前記シャッタースピードが所定シャッタースピードよりも高速であるか否かを判定する判定ステップと、
   前記判定ステップで前記シャッタースピードが前記所定シャッタースピードよりも高速であると判定されると、前記シャッタースピードの変更に同期させて、前記シャッタースピードの変更に伴う輝度変動を打ち消すように前記増幅手段の増幅率を調整する増幅率調整ステップとを実行させ、
   前記増幅率調整ステップでは、前記増幅手段の増幅率を調整した後、予め設定された時間以内に調整後の増幅率を元の増幅率に段階的に戻させることを特徴とする制御プログラム。

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