JP2014220580A - 撮像装置及びその制御方法 - Google Patents

撮像装置及びその制御方法

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Abstract

【課題】撮像装置において、連写や動画といった連続撮影時に、撮影間隔を広げることなく、効果的にノイズを低減する。
【解決手段】撮影レンズにより結像された被写体像を撮像する撮像部と、撮像部の露出条件を制御する露出制御部と、撮像部の温度を測定する温度測定センサと、撮像部から出力される画像信号のノイズを、撮像部を遮光した状態で得られた遮光画像信号を用いて除去するノイズ除去部と、撮像部により連続撮影を行う直前に、遮光画像信号を取得するように撮像部を制御するとともに、連続撮影を行ったときの露出条件と温度とに基づいて、ノイズの除去方法を変更するようにノイズ除去部を制御する制御部とを備える。
【選択図】図5

Description

本発明は、撮像装置における撮像素子のノイズを抑制する技術に関する。
近年、家庭用ビデオカメラやデジタルスチルカメラなどの撮像機器が一般に普及している。 これらの撮像機器は連写撮影や動画撮影といった機能を提供しており、ユーザーにとって利便性が向上している。
しかしながら、これらの撮像機器に用いられる撮像素子は、暗電流という素子固有のノイズ成分を含んでおり、高感度撮影や長秒撮影、高温時撮影で暗電流の影響を大きく受け、画質が劣化することがある。この対策として、通常撮影と同様の条件で、遮光した画像を撮影し、通常画像から減算してノイズ成分を除去する黒引きと言われる技術がある。しかし黒引きは撮影ごとに通常撮影と同じ露光秒時の遮光撮影を行う必要があるため、連写の撮影間隔が長くなったり、動画のフレームレートが低下するという問題があった。
これに対し、特許文献1では連写の直前(事前)に黒画像を撮影し、それ以降はこの事前に撮影した黒画像(遮光画像)を利用して黒引きを行うという提案がなされている。
特開2012−130578号公報
しかしながら特許文献1で提案されている技術では、事前に撮影した黒画像から、撮影している間に暗電流成分が変化しないことを前提としている。しかし、実際には連続撮影において、撮像機器自体の発熱による温度上昇があると、暗電流成分が増えていき、正しい暗電流ノイズ除去を行うことができないという問題があった。
本発明は上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、撮像装置において、連写や動画といった連続撮影時に、撮影間隔を広げることなく、効果的にノイズを低減することである。
本発明に係わる撮像装置は、撮影レンズにより結像された被写体像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段の露出条件を制御する露出制御手段と、前記撮像手段の温度を測定する温度測定手段と、前記撮像手段から出力される画像信号のノイズを、前記撮像手段を遮光した状態で得られた遮光画像信号を用いて除去するノイズ除去手段と、前記撮像手段により連続撮影を行う直前に、前記遮光画像信号を取得するように前記撮像手段を制御するとともに、連続撮影を行ったときの露出条件と温度とに基づいて、ノイズの除去方法を変更するように前記ノイズ除去手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、撮像装置において、連写や動画といった連続撮影時に、撮影間隔を広げることなく、効果的にノイズを低減することが可能となる。
本発明の撮像装置の一実施形態であるデジタルカメラの構成を示す図。 一実施形態のデジタルカメラの撮影動作を示すフローチャート。 本発明の一実施形態における傷ソート動作を説明するための図。 本発明の一実施形態における傷ソート動作を説明するための図。 本発明の一実施形態における傷ソート動作を説明するための図。 傷レベルの推定方法を示した図。 傷レベル別処理を示した図。 黒引き処理を示した図。 傷補正処理を示した図。 リアルタイム傷検出・補正処理を示した図。
以下、本発明の一実施形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。図1は、本発明の撮像装置の一実施形態であるデジタルカメラの構成を示す図である。
図1において、100は撮像装置であるデジタルカメラである。10は被写体像を結像させる撮影レンズ、12は絞り機能を備える機械式シャッター、14は光学像を電気信号に変換し、画像信号を生成する撮像素子、16は撮像素子14のアナログ信号出力をデジタル信号に変換するA/D変換器である。
18は撮像素子14、 A/D変換器16にクロック信号や制御信号を供給するタイミング発生回路であり、メモリ制御回路22及びシステム制御回路50により制御される。機械式シャッター12以外にも、撮像素子14のリセットタイミングの制御によって、電子シャッタとして蓄積時間を制御することが可能であり、動画撮影などに使用可能である。
20は画像処理回路であり、 A/D変換器16からのデータ或いはメモリ制御回路22からのデータに対して所定の画素補間処理や色変換処理を行う。また画像処理回路20によって画像の切り出し、変倍処理を行うことで電子ズーム機能が実現される。また、画像処理回路20においては、撮像した画像データを用いて所定の演算処理を行い、得られた演算結果に基づいてシステム制御回路50が露光制御部40、測距制御部42に対して制御を行う、TTL方式のAF処理、AE処理、EF処理を行っている。さらに、画像処理回路20においては、撮像した画像データを用いて所定の演算処理を行い、得られた演算結果に基づいてTTL方式のAWB(オートホワイトバランス)処理も行っている。
22はメモリ制御回路であり、A/D変換器16、タイミング発生回路18、画像処理回路20、メモリ30、圧縮・伸長回路32を制御する。A/D変換器16のデータが画像処理回路20、メモリ制御回路22を介して、或いはA/D変換器16のデータが直接メモリ制御回路22を介して、メモリ30に書き込まれる。
28はTFT LCD等から成る画像表示部であり、メモリ30に書き込まれた表示用の画像データはメモリ制御回路22を介して画像表示部28により表示される。画像表示部28を用いて撮像した画像データを逐次表示すれば、電子ファインダー機能を実現することが可能である。また、画像表示部28は、システム制御回路50の指示により任意に表示をON/OFFすることが可能であり、表示をOFFにした場合にはデジタルカメラ100の電力消費を大幅に低減することが出来る。
30は撮影した静止画像や動画像を格納するためのメモリであり、所定枚数の静止画像や所定時間の動画像を格納するのに十分な記憶容量を備えている。これにより、複数枚の静止画像を連続して撮影する連写撮影やパノラマ撮影の場合にも、高速かつ大量の画像書き込みをメモリ30に対して行うことが可能となる。また、メモリ30はシステム制御回路50の作業領域としても使用することが可能である。
31はFlashROM等で構成された不揮発性メモリである。システム制御回路50が実行するプログラムコードは不揮発性メモリ31に書き込まれ、逐次読み出しながらプログラムコードが実行される。また、不揮発性メモリ31内にはシステム情報を記憶する領域や、ユーザー設定情報を記憶する領域を設け、さまざまな情報や設定を次回起動時に読み出して、復元することを実現している。
32は適応離散コサイン変換(ADCT)等により画像データを圧縮伸長する圧縮・伸長回路であり、メモリ30に格納された画像を読み込んで圧縮処理或いは伸長処理を行い、処理を終えたデータをメモリ30に書き込む。40は絞り機能を備える機械式シャッター12を制御する露光制御部であり、フラッシュ48と連動することによりフラッシュ調光機能も有するものである。42は撮影レンズ10のフォーカシングを制御する測距制御部、44は撮影レンズ10のズーミングを制御するズーム制御部である。
48はフラッシュであり、AF補助光の投光機能、フラッシュ調光機能も有する。露光制御部40、測距制御部42はTTL方式を用いて制御されており、撮像した画像データを画像処理回路20によって演算した演算結果に基づき、システム制御回路50が露光制御部40、測距制御部42に対して制御を行う。
50はデジタルカメラ100全体を制御するシステム制御回路である。60、62、64、66、70及び72は、システム制御回路50の各種の動作指示を入力するための操作手段であり、スイッチやダイアル、タッチパネル、視線検知によるポインティング、音声認識装置等の単数或いは複数の組み合わせで構成される。
ここで、これらの操作手段の具体的な説明を行う。60はモードダイアルスイッチで、電源オフ、自動撮影モード、撮影モード、パノラマ撮影モード、動画撮影モード、再生モード、PC接続モード等の各機能モードを切り替え設定することが出来る。
62はシャッタースイッチSW1で、シャッターボタンの操作途中でONとなり、AF(オートフォーカス)処理、AE(自動露出制御)処理、AWB(オートホワイトバランス)処理等の動作開始を指示する。64はシャッタースイッチSW2で、シャッターボタンの操作完了でONとなる。フラッシュ撮影の場合、EF(フラッシュプリ発光)処理を行った後に、AE処理で決定された露出条件である露光時間分、撮像素子14を露光させ、この露光期間中に発光させて、露光期間終了と同時に露光制御部40により遮光して、撮像素子14への露光を終了させる。シャッタースイッチSW2は、撮像素子14から読み出した信号をA/D変換器16、メモリ制御回路22を介してメモリ30に書き込む読み出し処理、画像処理回路20やメモリ制御回路22での演算を用いた現像処理、メモリ30から画像データを読み出し、圧縮・伸長回路32で圧縮を行い記録媒体200に書き込む記録処理という一連の処理の動作開始を指示する。
66は表示切替スイッチで、画像表示部28の表示切替をすることが出来る。この機能により、光学ファインダー104を用いて撮影を行う際に、TFT LCD等から成る画像表示部への電流供給を遮断して、省電力を図ることが可能となる。
70は各種ボタン、タッチパネルや回転式ダイアル等からなる操作部で、メニューボタン、セットボタン、マクロボタン、マルチ画面再生改ページボタン、フラッシュ設定ボタン、単写/連写/セルフタイマー切り替えボタン等がある。またメニュー移動+(プラス)ボタン、メニュー移動−(マイナス)ボタン、再生画像移動+(プラス)ボタン、再生画像移動−(マイナス)ボタン、撮影画質選択ボタン、露出補正ボタン、日付/時間設定ボタン等もある。
72はユーザーが撮像画像の倍率変更指示を行うズームスイッチである。このズームスイッチ72は、撮像画角を望遠側に変更させるテレスイッチと、広角側に変更させるワイドスイッチからなる。このズームスイッチ72の操作が、ズーム制御部44に撮影レンズ10の撮像画角の変更を指示し光学ズーム操作を行うトリガとなる。また、画像処理回路20による画像の切り出しや、画素補間処理などによる撮像画角の電子的なズーミング変更のトリガともなる。
74はカメラ内部の温度を測定するサーミスタ(温度測定センサ)である。撮像素子の欠陥画素は温度による影響を受けるため、撮影時の温度により傷補正処理を変える必要がある。サーミスタは撮像装置内の撮像素子の近くに配置し、撮像素子自体の温度を測定する。
86はアルカリ電池等の一次電池やNiCd電池やNiMH電池、Liイオン電池等の二次電池、ACアダプター等からなる電源部である。90はメモリカードやハードディスク等の記録媒体とのインタフェース、92はメモリカードやハードディスク等の記録媒体と接続を行うコネクタである。
102は、デジタルカメラ100のレンズ10を含む撮像部を覆うことにより、撮像部の汚れや破損を防止するバリアである。104は光学ファインダであり、画像表示部28による電子ファインダー機能を使用すること無しに、光学ファインダのみを用いて撮影を行うことが可能である。
110は通信部で、USB、IEEEE1394、LAN、無線通信、等の各種通信機能を有する。112は通信部110により画像処理装置100を他の機器と接続するコネクタ或いは無線通信の場合はアンテナである。
200はメモリカードやハードディスク等の記録媒体である。記録媒体200は、半導体メモリや磁気ディスク等から構成される記録部202、デジタルカメラ100とのインタフェース204、デジタルカメラ100と接続を行うコネクタ206を備えている。
図2は、一実施形態のデジタルカメラの撮影動作を示すフローチャートである。
システム制御回路50はシャッタースイッチSW2(64)が押下されたならば、撮影動作を開始する。撮影するシャッター速度・絞り値・感度は予め自動露出制御により決定された設定値、またはユーザーが任意に指示した設定値が用いられる。
S101では、まず連続撮影の直前に撮像素子14を遮光した状態で黒画像(遮光画像信号)を撮影する。この画像の露出や感度の設定は、これから撮影(取得)する本画像と同じ設定とする。S102ではS101で撮影された黒画像中に存在する傷画素を抽出し、程度別にソートを行う。この処理に関しては図3を用いて、詳細に後述する。撮像素子14の傷画素レベルを想定するため、サーミスタ74の出力を見て、露出と感度の設定と温度を記憶しておく。
S103では予め設定された露出・感度設定にて本画像の撮影を行う。S104ではS101で撮影した黒画像と、S102でソートされた傷データを用いて、傷補正を行う。この処理に関しては図4を用いて、詳細に後述する。S105では撮影指示が継続されているかを判断し、撮影を継続するならS103の本画像撮影から再度同じ処理を行う。
このように黒画像撮影を本画像撮影の度に行わないことで、本画像撮影の撮影間隔を短縮し、連写コマ速の低下を抑制したり、動画フレームレートの低下を抑制することが可能となる。
図3A〜3Cは、本実施形態における傷ソート動作を説明するための図である。図3Aの表の通り、傷は程度別にグレード分けされる。12bit:0LSB〜4095LSBのレンジを取る場合のテーブルである。S101で撮影した黒画像の各画素を表のテーブルとGrade0から照らし合わせ、各GradeのLevelを超えていれば、その画素のGradeはそのGradeとなる。図3BのグラフはGrade0〜Grade9のLevel変化を示している。Grade0ほど傷の程度としては悪く、Grade9は傷の程度としては目立ちにくいLevelである。
黒画像の全画素に対して、グレード付けを行い、Grade9より傷の程度が良い画素は傷でないと判断し、傷補正の対象から外す。Grade0〜9の傷画素に関しては、グレードごとにソートして、画素のアドレス及びレベルを図3Cの形式でメモリ30に記憶しておく。
図4は、本実施形態における傷レベルの推定方法を示した図である。S103で本画像を撮影する際には、撮像素子14の欠陥画素レベルを想定するため、サーミスタ74の出力を見て、露出と感度の設定に基づいて、信号レベルが黒画像の傷画素の信号レベルからどの程度変化したかを推定する。図4は黒画像を撮影したときの温度、露出、感度の差から、傷画素の信号レベルがどれぐらい変化するかを示している。
「温度vs傷レベル」のグラフは温度変化による傷画素の信号レベル変化を示している。黒画像を撮影した温度と本画像を撮影した温度の差ΔTempを求め、グラフから傷画素の信号レベルの変化具合であるTempGainを求める。
「ISOvs傷レベル」のグラフはISO感度変化による傷画素の信号レベル変化を示している。黒画像を撮影したISO感度と本画像を撮影したISO感度の差ΔISOを求め、グラフから傷画素の信号レベル変化具合であるIsoGainを求める。
「シャッター速度vs傷レベル」のグラフはシャッター速度変化による傷画素の信号レベル変化を示している。黒画像を撮影したシャッター速度と本画像を撮影したシャッター速度の差ΔTvを求め、グラフから傷画素の信号レベル変化具合であるTvGainを求める。
これらの3種の傷画素の信号レベル変化を掛けあわせ、最終的な傷画素の信号レベル変化具合DefectGainを式(1)で求める
DefectGain = TempGain × IsoGain × TvGain …式(1)
DefectGainが求まったら、黒画像を撮影したときに保持されている傷データをDefectGainで換算し、グレードごとに傷の補正方法を変更する。この処理は図5を使用して、詳細に後述する。
図5は、本実施形態における傷レベル別処理を示した図である。GradeとDefectGainに基づいて、傷の補正方法を表から決定する。Aは黒引き、Bは傷補正、Cはリアルタイム傷補正を示す。Grade別に傷の補正方法を変更して、最適な傷の補正を行う。
傷の程度が悪い、すなわちGradeが低い傷は、非常に目立ちやすい傷であり、また傷のレベルが大きいため、黒引きで正しく補正(ノイズ除去)が可能である。しかし、DefectGainが高くなると傷自体も飽和して正しく黒引きできない可能性があるため、Bの周辺画素からの傷補正に切り替える。
傷の程度が中程度、すなわちGradeが中位の傷は、すぐには目立つ傷ではなく、またレベルが高くないため、黒引きでは正しく補正しきれない可能性があり、黒引きではなく周辺画素からの補間による傷補正を行う。
傷の程度が良い、すなわちGradeが高い傷は、ほとんど目立たない傷であり、ノイズを誤検出して傷でない画素を補正する可能性もあるため、リアルタイム傷補正を使用する。すなわち、本画像内でリアルタイムに傷の検出を行い、傷であれば周辺画素からの補間による傷補正を行う。
図6は、本実施形態における黒引き処理を示した図である。メモリ32に記憶された本画像と黒画像の黒引き処理は、補正対象となる画素に対してのみ行う。対象以外の画素を黒引きすると、全体的にS/Nが悪化してしまうので、不要な処理は行わない。
本画像の黒引き補正対象となる画素データと黒画像の黒引き対象となる画素データを読み出し、黒画像の画素に、先に求めた傷レベル変化具合DefectGainを掛けて傷画素のレベル換算を行ってから減算を行い、setup加算する。この演算を式(2)に示す。
PixelDarkSub = PixelNormal − PixelDark × DefectGain + setup
…式(2)
この演算を対象画素すべてに対して行い、黒引きによる傷補正を行う。
図7は、本実施形態における周辺画素からの傷補正処理を示した図である。図7の中央の画素が傷補正の対象として説明する。対象画素はカラーフィルタ「R」の画素なので、周辺の「R」画素を用いて傷補正を行う。最初に対角画素同士のレベル差を求める。
Diff1 = |R0 − R8|
Diff2 = |R1 − R7|
Diff3 = |R2 − R6|
Diff4 = |R3 − R5|
Diff1〜Diff4の中で最小値を探す。差分が最小という事は、その画素間にエッジ部がなく、画素補間による補正が適切であると言える。差分が最小の組み合わせで平均値を求め、傷補正画素の信号とする。
例えば、Diff1が最小となったら、傷補正対象画素の信号PixCorrectは以下のように求まる。
PixCorrect = (R0 + R8) / 2
これを対象の画素全てに対して行い、周辺画素からの補間による傷補正を行う。
図8は、本実施形態におけるリアルタイム傷検出・補正処理を示した図である。リアルタイム傷検出では周辺の同色画素の平均レベルに対し、対象画素が突出していないかを判定する。図8の中央の「R」画素がリアルタイム傷検出の対象画素ならば、周辺のR0〜R8の最大値PixMax、最小値PixMinを求める。PixMaxとPixMinの差分MaxMinDiffが第1の所定レベル以下であれば、対象画素領域にエッジ部がないので、リアルタイム傷判定を行う。R0〜R8の平均値PixAveと対象のPixTargetの差分PixDiffが第2の所定レベル以上であれば、リアルタイム傷と判断する。すなわち、
MaxMinDiff = PixMax − PixMin
であり、MaxMinDiffが第1の所定値以下ならば、リアルタイム傷判定可能である。さらに、
PixDiff = PixTarget − PixAve
であり、PixDiffが第2の所定値以上ならば、リアルタイム傷と判定する。リアルタイム傷と判定されたなら、図7で説明した方法を用いて周辺画素からの補間による傷補正を行う。
本実施形態では、傷補正の種類として黒引き、補間による傷補正、リアルタイム傷補正の3種を用いたが、より簡易的な傷補正方法や、詳細で処理時間の長い傷補正を行う構成にしてもよい。またグレードも10段階としたが、さらに増やして他の傷補正方法と組み合わせてもよい。
また、本実施形態では温度、感度、シャッター速度の3つのパラメータから傷具合を推定したが、絞りやズームポジション、フラッシュ発光等、それ以外のパラメータを用いてもよい。傷補正の方式も方向別に判断するのではなく、周囲全画素の平均値を用いる方法でもよい。

Claims (9)

  1. 撮影レンズにより結像された被写体像を撮像する撮像手段と、
    前記撮像手段の露出条件を制御する露出制御手段と、
    前記撮像手段の温度を測定する温度測定手段と、
    前記撮像手段から出力される画像信号のノイズを、前記撮像手段を遮光した状態で得られた遮光画像信号を用いて除去するノイズ除去手段と、
    前記撮像手段により連続撮影を行う直前に、前記遮光画像信号を取得するように前記撮像手段を制御するとともに、連続撮影を行ったときの露出条件と温度とに基づいて、ノイズの除去方法を変更するように前記ノイズ除去手段を制御する制御手段と、
    を備えることを特徴とする撮像装置。
  2. 前記露出条件とは、前記露出制御手段により設定される前記撮像手段の感度と、シャッター速度であることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
  3. 前記ノイズの除去方法は、前記撮像手段により撮像された画像信号から前記遮光画像信号を差し引く黒引き処理、周辺画素の信号を用いた補間により傷画素を補正する傷補正処理、リアルタイムに傷画素を検出して該傷画素を補正する傷補正処理のいずれかであることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
  4. 前記遮光画像信号に存在する傷画素を抽出し、傷の程度ごとにソートするソート手段をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
  5. 傷の程度が所定のレベルより大きい傷画素については、該傷画素の信号レベルの換算を行い、前記撮像手段により撮像された画像信号から前記遮光画像信号を差し引く黒引き処理により補正することを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。
  6. 傷の程度が前記所定のレベルより大きい傷画素については、該傷画素の信号レベルの換算を行った結果、換算した信号レベルが第2の信号レベルより大きければ、周辺画素の信号を用いた補間により補正することを特徴とする請求項5に記載の撮像装置。
  7. 傷の程度が第1の所定レベルよりも大きく、前記第1の所定レベルよりも大きい第2の所定レベルよりも小さい傷画素については、周辺画素の信号を用いた補間により補正することを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。
  8. 傷の程度が所定のレベルよりも大きい画素については、当該画素が傷画素であるか否かを画像信号から判定し、傷画素と判定された場合には、周辺画素の信号を用いた補間により補正することを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。
  9. 撮影レンズにより結像された被写体像を撮像する撮像手段を備える撮像装置を制御する方法であって、
    前記撮像手段の露出条件を制御する露出制御工程と、
    前記撮像手段の温度を測定する温度測定工程と、
    前記撮像手段から出力される画像信号のノイズを、前記撮像手段を遮光した状態で得られた遮光画像信号を用いて除去するノイズ除去工程と、
    前記撮像手段により連続撮影を行う直前に、前記遮光画像信号を取得するように前記撮像手段を制御するとともに、連続撮影を行ったときの露出条件と温度とに基づいて、ノイズの除去方法を変更するように前記ノイズ除去工程を制御する制御工程と、
    を備えることを特徴とする撮像装置の制御方法。
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