JP2017163260A - Imaging control device - Google Patents

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純一 細川
Junichi Hosokawa
純一 細川
浩明 森野
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浩明 森野
正彦 野崎
Masahiko Nozaki
正彦 野崎
直人 三原
Naoto Mihara
直人 三原
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve high-sensitivity while suppressing deterioration of a SNR.SOLUTION: According to an embodiment, an imaging control device includes a liner/non-liner conversion circuit, a non-liner digital gain circuit, a luminance calculation circuit, and a sensitivity control part. The liner/non-liner conversion circuit forms a first non-liner pixel signal with more bit numbers than a second liner pixel signal by applying a liner/non-liner conversion of a 1:1 input output to the second liner pixel signal on the basis of a first liner pixel signal formed by an analog pixel part. The non-liner digital gain circuit multiples a non-liner digital gain to the first non-liner pixel signal, and thereby acquires a second non-liner pixel signal. The luminance calculation circuit calculates a luminance on the basis of the second non-liner pixel signal. The sensitivity control part controls an imaging sensitivity by controlling at least non-liner digital gain on the basis of the luminance.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

実施形態は、撮像感度の制御、すなわち、自動露出(AE;Automatic Exposure)技術に関する。   Embodiments relate to control of imaging sensitivity, that is, automatic exposure (AE) technology.

従来、例えばCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)センサなどの固体撮像素子は、そのシャッタ速度(すなわち、露光時間)および画素信号に適用されるゲインを調整することにより、光学絞りの調整を行わなくても被写体の明るさ(照度)に適した感度で撮像を行うことができる。   Conventionally, solid-state imaging devices such as CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) sensors do not have to adjust the optical aperture by adjusting the shutter speed (that is, the exposure time) and the gain applied to the pixel signal. Imaging can be performed with a sensitivity suitable for the brightness (illuminance) of the subject.

しかしながら、ゲインが大きくなるほどSNR(Signal to Noise Ratio)は劣化するので、ゲインを無制限に大きく設定することは現実的ではない。同様に、シャッタ速度が遅くなるほど被写体ブレは大きくなるうえに、動画像を撮像する場合にはシャッタ速度の上限はフレームレートよって制約されることになる。特に、蛍光灯フリッカレス撮像を行う場合には、設定可能なシャッタ速度はいっそう限られる。また、例えば車載カメラでは、多画素化に伴う画素セルサイズの微細化により感度の低下を招いている。   However, since the SNR (Signal to Noise Ratio) deteriorates as the gain increases, it is not practical to set the gain to an unlimited large value. Similarly, the subject blur increases as the shutter speed decreases, and the upper limit of the shutter speed is limited by the frame rate when a moving image is captured. In particular, when performing fluorescent lamp flickerless imaging, the settable shutter speed is further limited. Further, for example, in an in-vehicle camera, the sensitivity is lowered due to the miniaturization of the pixel cell size accompanying the increase in the number of pixels.

すなわち、固体撮像素子によって適切に撮像することのできる被写体照度には限界があり、特に人間の視覚と同等の可視100万倍光撮像を(例えば、CMOSセンサのシャッタ速度と後段のゲイン調整のみで)実現することは困難である。このため、例えば、車載カメラが夜間走行時に人間には見ることのできる被写体を撮像できないという事態が起こり得る。   That is, there is a limit to the illuminance of an object that can be appropriately captured by a solid-state image sensor, and in particular, visible 1 million magnification light imaging equivalent to human vision (for example, only by adjusting the shutter speed of the CMOS sensor and subsequent gain adjustment). ) It is difficult to realize. For this reason, for example, a situation may occur in which an in-vehicle camera cannot capture a subject that can be seen by a human when traveling at night.

特開2015−192222号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-192222

実施形態は、SNRの劣化を抑制しながら高感度化を達成することを目的とする。   An object of the embodiment is to achieve high sensitivity while suppressing deterioration of SNR.

実施形態によれば、撮像制御装置は、リニア/ノンリニア変換回路と、ノンリニアデジタルゲイン回路と、輝度算出回路と、感度制御部とを含む。リニア/ノンリニア変換回路は、アナログ画素部によって生成された第1のリニア画素信号に基づく第2のリニア画素信号に対して入出力1:1のリニア/ノンリニア変換を適用することで、当該第2のリニア画素信号よりもビット数の多い第1のノンリニア画素信号を生成する。ノンリニアデジタルゲイン回路は、第1のノンリニア画素信号にノンリニアデジタルゲインを乗算し、第2のノンリニア画素信号を得る。輝度算出回路は、第2のノンリニア画素信号に基づいて輝度を算出する。感度制御部は、少なくともノンリニアデジタルゲインを輝度に基づいて制御することで撮像感度を制御する。   According to the embodiment, the imaging control apparatus includes a linear / nonlinear conversion circuit, a non-linear digital gain circuit, a luminance calculation circuit, and a sensitivity control unit. The linear / non-linear conversion circuit applies the input / output 1: 1 linear / non-linear conversion to the second linear pixel signal based on the first linear pixel signal generated by the analog pixel unit, so that the second The first non-linear pixel signal having a larger number of bits than the linear pixel signal is generated. The non-linear digital gain circuit multiplies the first non-linear pixel signal by the non-linear digital gain to obtain a second non-linear pixel signal. The luminance calculation circuit calculates the luminance based on the second non-linear pixel signal. The sensitivity control unit controls the imaging sensitivity by controlling at least the nonlinear digital gain based on the luminance.

第1の実施形態に係る撮像装置を例示するブロック図。1 is a block diagram illustrating an imaging apparatus according to a first embodiment. RAW信号の画素配列を例示する図。The figure which illustrates the pixel array of a RAW signal. 図1のγ補正回路が行うガンマ補正を例示するグラフ。3 is a graph illustrating gamma correction performed by the γ correction circuit of FIG. 1. 入力飽和レベル設定と当該入力飽和レベル設定に対応するリニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインとを例示するテーブル。The table which illustrates an input saturation level setting and the linear digital gain and nonlinear digital gain corresponding to the said input saturation level setting. 図2の画素配列から抽出可能な3×3画素領域の色配列を例示する図。The figure which illustrates the color arrangement | sequence of a 3x3 pixel area | region extractable from the pixel arrangement | sequence of FIG. 図2の画素配列から抽出可能な3×3画素領域の色配列を例示する図。The figure which illustrates the color arrangement | sequence of a 3x3 pixel area | region extractable from the pixel arrangement | sequence of FIG. 図2の画素配列から抽出可能な3×3画素領域の色配列を例示する図。The figure which illustrates the color arrangement | sequence of a 3x3 pixel area | region extractable from the pixel arrangement | sequence of FIG. 図2の画素配列から抽出可能な3×3画素領域の色配列を例示する図。The figure which illustrates the color arrangement | sequence of a 3x3 pixel area | region extractable from the pixel arrangement | sequence of FIG. 図5A、図5B、図5Cおよび図5Dの画素領域に共通に割り当てられる輝度算出用の重みを例示する図。The figure which illustrates the weight for luminance calculation allocated in common to the pixel area of Drawing 5A, Drawing 5B, Drawing 5C, and Drawing 5D. 図1の感度制御部を例示するブロック図。The block diagram which illustrates the sensitivity control part of FIG. 図7の度数算出回路が算出する度数分布の一例を示す図。The figure which shows an example of the frequency distribution which the frequency calculation circuit of FIG. 7 calculates. 図7の逆γ補正回路が行う逆ガンマ補正を例示するグラフ。The graph which illustrates the reverse gamma correction which the reverse gamma correction circuit of FIG. 7 performs. 図7の輝度積算回路がリニア輝度を積算する積算対象領域を例示する図。FIG. 8 is a diagram illustrating an integration target region in which the luminance integration circuit of FIG. 7 integrates linear luminance. 図10の積算対象領域に割り当てられる重みを例示する図。The figure which illustrates the weight allocated to the integration | accumulation object area | region of FIG. 図7のカウンタ制御回路が発生するカウンタ加減算値を例示する図。FIG. 8 is a diagram illustrating counter addition / subtraction values generated by the counter control circuit of FIG. 7. 図12の数値例を示す図。The figure which shows the numerical example of FIG. 比較例に係る撮像感度制御におけるパラメータの推移を例示するグラフ。The graph which illustrates transition of the parameter in imaging sensitivity control concerning a comparative example. 図1の撮像装置における撮像感度制御におけるパラメータの推移を例示するグラフ。2 is a graph illustrating the transition of parameters in imaging sensitivity control in the imaging apparatus of FIG. 1.

以下、図面を参照しながら実施形態の説明が述べられる。尚、以降、説明済みの要素と同一または類似の要素には同一または類似の符号が付され、重複する説明は基本的に省略される。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. Hereinafter, the same or similar elements as those already described are denoted by the same or similar reference numerals, and redundant description is basically omitted.

(第1の実施形態)
図1に例示されるように、第1の実施形態に係る撮像装置は、光学レンズ101と、色フィルタ102と、受光画素103と、ADC(Analog−to−Digital Converter)104と、信号処理回路110と、感度制御部130とを含む。なお、以降の説明では、光学レンズ101、色フィルタ102、受光画素103およびADC104を、まとめてアナログ画素部と呼ぶこともある。また、図1の撮像装置のうち撮像感度の制御に関わる要素(特に、信号処理回路110の一部および感度制御部130)をまとめて撮像制御装置と呼ぶこともできる。
(First embodiment)
As illustrated in FIG. 1, the imaging apparatus according to the first embodiment includes an optical lens 101, a color filter 102, a light receiving pixel 103, an ADC (Analog-to-Digital Converter) 104, and a signal processing circuit. 110 and a sensitivity control unit 130. In the following description, the optical lens 101, the color filter 102, the light receiving pixel 103, and the ADC 104 may be collectively referred to as an analog pixel unit. Also, elements related to control of imaging sensitivity (particularly, part of the signal processing circuit 110 and the sensitivity control unit 130) in the imaging apparatus of FIG. 1 can be collectively referred to as an imaging control apparatus.

光学レンズ101は、外界からの入射光を、色フィルタ102を介して受光画素103に集光する。受光画素103は、光学レンズ101を通過した入射光をその光量に応じた信号レベルを持つ電気信号へと(光電)変換する。受光画素103は、電子シャッタ機能を備えており、設定されたシャッタ速度(ES)によって決まる期間(露光時間)に亘って電荷を蓄積する。受光画素103は、生成した電気信号をADC104へと出力する。   The optical lens 101 condenses incident light from the outside on the light receiving pixel 103 via the color filter 102. The light receiving pixel 103 converts (photoelectric) the incident light that has passed through the optical lens 101 into an electric signal having a signal level corresponding to the amount of light. The light receiving pixel 103 has an electronic shutter function, and accumulates charges over a period (exposure time) determined by a set shutter speed (ES). The light receiving pixel 103 outputs the generated electric signal to the ADC 104.

受光画素103のシャッタ速度は、感度制御部130によって制御される。シャッタ速度は、図1の撮像装置全体のゲイン(感度)に影響する。他の要素(具体的には、ADC104の変換利得であるアナログゲイン(AG)、ならびに、信号処理回路110において適用されるリニアデジタルゲイン(LDG)およびノンリニアデジタルゲイン(NLDG))が固定であれば、シャッタ速度を半分(すなわち、露光時間を2倍)にすることで感度も2倍となる。   The shutter speed of the light receiving pixel 103 is controlled by the sensitivity control unit 130. The shutter speed affects the gain (sensitivity) of the entire imaging apparatus in FIG. If other elements (specifically, analog gain (AG), which is the conversion gain of ADC 104, and linear digital gain (LDG) and non-linear digital gain (NLDG) applied in signal processing circuit 110) are fixed, The sensitivity is also doubled by halving the shutter speed (that is, the exposure time is doubled).

ADC104は、受光画素103から電気信号を受け取り、当該電気信号をアナログ/デジタル変換することによって、デジタルのリニアRAW信号(第1のリニア画素信号)を生成する。ADC104は、リニアRAW信号を信号処理回路110へと出力する。   The ADC 104 receives an electrical signal from the light receiving pixel 103 and performs analog / digital conversion on the electrical signal to generate a digital linear RAW signal (first linear pixel signal). The ADC 104 outputs a linear RAW signal to the signal processing circuit 110.

ADC104の変換利得であるアナログゲインは、感度制御部130によって制御される。アナログゲインは、図1の撮像装置全体のゲインに影響する。他の要素(具体的には、前述のシャッタ速度、リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲイン)が固定であれば、アナログゲインを2倍にすることで感度も2倍となる。   The analog gain that is the conversion gain of the ADC 104 is controlled by the sensitivity control unit 130. The analog gain affects the gain of the entire imaging apparatus in FIG. If other elements (specifically, the shutter speed, the linear digital gain, and the non-linear digital gain described above) are fixed, doubling the analog gain doubles the sensitivity.

RAW信号の値は、対応する受光画素103における入射光の光量に依存する。RAW信号は、例えば図2に示されるような原色ベイヤー配列のRGB信号となる。図2の画素配列では、赤画素(R)、2つの緑画素(Gr,Gb)および青画素(B)からなる4画素のブロックが規則的に並べられる。なお、RAW信号の画素配列は、色フィルタ102の配列に依存して定められる。RAW信号の画素配列は、後述される信号処理回路110によって行われる一連の画像処理(ISP前処理)の過程で不変である。   The value of the RAW signal depends on the amount of incident light in the corresponding light receiving pixel 103. The RAW signal is, for example, an RGB signal having a primary color Bayer array as shown in FIG. In the pixel array of FIG. 2, a block of four pixels including a red pixel (R), two green pixels (Gr, Gb), and a blue pixel (B) is regularly arranged. Note that the pixel array of the RAW signal is determined depending on the array of the color filters 102. The pixel array of the RAW signal is unchanged during a series of image processing (ISP preprocessing) performed by the signal processing circuit 110 described later.

信号処理回路110は、ADC104からリニアRAW信号を受け取る。信号処理回路110は、リニアRAW信号に対してリニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインの適用を含む種々の画像処理を施す。リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインは、感度制御部130によって制御される。信号処理回路110は、処理済みの信号を図示されない後段の装置(例えば、表示装置、通信装置、記録装置など)へと出力する。さらに、信号処理回路110は、感度制御のために画素の(ノンリニア)輝度を表す輝度信号を感度制御部130へとフィードバックする。   The signal processing circuit 110 receives a linear RAW signal from the ADC 104. The signal processing circuit 110 performs various image processing including application of linear digital gain and nonlinear digital gain to the linear RAW signal. The linear digital gain and the non-linear digital gain are controlled by the sensitivity control unit 130. The signal processing circuit 110 outputs the processed signal to a subsequent device (for example, a display device, a communication device, a recording device, etc.) not shown. Furthermore, the signal processing circuit 110 feeds back a luminance signal representing the (non-linear) luminance of the pixel to the sensitivity control unit 130 for sensitivity control.

具体的には、信号処理回路110は、第1のデジタルゲイン回路111と、γ補正回路112と、5ライン同時化回路113と、キズ検出・補正回路114と、ノイズ低減回路115と、第2のデジタルゲイン回路116と、3ライン同時化回路117と、HDR圧縮回路118と、輝度算出回路119と、HDR圧縮係数発生回路120とを含む。   Specifically, the signal processing circuit 110 includes a first digital gain circuit 111, a γ correction circuit 112, a 5-line synchronization circuit 113, a flaw detection / correction circuit 114, a noise reduction circuit 115, a second Digital gain circuit 116, three-line synchronization circuit 117, HDR compression circuit 118, luminance calculation circuit 119, and HDR compression coefficient generation circuit 120.

第1のデジタルゲイン回路111(リニアデジタルゲイン回路)は、ADC104からリニアRAW信号を受け取る。第1のデジタルゲイン回路111は、リニアRAW信号にリニアデジタルゲインを乗算し、第1のゲイン補正済信号(第2のリニア画素信号)を得る。第1のデジタルゲイン回路111は、第1のゲイン補正済信号をγ補正回路112へと出力する。   The first digital gain circuit 111 (linear digital gain circuit) receives a linear RAW signal from the ADC 104. The first digital gain circuit 111 multiplies the linear RAW signal by the linear digital gain to obtain a first gain-corrected signal (second linear pixel signal). The first digital gain circuit 111 outputs the first gain corrected signal to the γ correction circuit 112.

このリニアデジタルゲインは、感度制御部130によって制御される。リニアデジタルゲインは、図1の撮像装置全体のゲインに影響する。他の要素(具体的には、前述のシャッタ速度、アナログゲインおよびノンリニアデジタルゲイン)が固定であれば、リニアデジタルゲインを2倍にすることで感度も2倍となる。   This linear digital gain is controlled by the sensitivity control unit 130. The linear digital gain affects the gain of the entire imaging apparatus in FIG. If other elements (specifically, the shutter speed, analog gain, and non-linear digital gain) are fixed, the sensitivity is doubled by doubling the linear digital gain.

このリニアデジタルゲインは、図1の撮像装置全体の撮像感度設定に加えて、色調を補正(典型的には、ホワイトバランスを調整)するための色毎に設定される第1のゲイン、ならびに、シェーディング補正のために画面内位置に応じて設定される第2のゲイン、のうち少なくとも1つに依存して定められてもよい。   This linear digital gain includes a first gain set for each color for correcting the color tone (typically adjusting the white balance) in addition to the imaging sensitivity setting of the entire imaging apparatus in FIG. It may be determined depending on at least one of the second gains set according to the position in the screen for shading correction.

γ補正回路112は、第1のデジタルゲイン回路111から第1のゲイン補正済信号を受け取る。γ補正回路112は、第1のゲイン補正済信号にガンマ補正(リニア/ノンリニア変換に相当)を適用することによって、当該第1のゲイン補正済信号よりもビット数の多いガンマ補正済信号(第1のノンリニア画素信号)を生成する。γ補正回路112は、ガンマ補正済信号を5ライン同時化回路113へと出力する。   The γ correction circuit 112 receives the first gain corrected signal from the first digital gain circuit 111. The γ correction circuit 112 applies gamma correction (corresponding to linear / non-linear conversion) to the first gain-corrected signal, so that the gamma-corrected signal (the first number) having a larger number of bits than the first gain-corrected signal. 1 non-linear pixel signal). The γ correction circuit 112 outputs the gamma corrected signal to the 5-line synchronization circuit 113.

具体的には、γ補正回路112は、例えば下記数式(1)に示される入出力1:1(すなわち、異なる入力に対応する出力同士に重複がない)の多ビット化ガンマ補正を第1のゲイン補正済信号に適用することができる。   Specifically, the γ correction circuit 112 performs the first multi-bit gamma correction of the input / output 1: 1 shown in the following formula (1) (that is, there is no overlap between outputs corresponding to different inputs). It can be applied to gain corrected signals.

数式(1)は、ガンマ補正における理想特性を示し、この場合は計算上で求められる理想的なリニア/ノンリニア変換になる(小数点以下は四捨五入)。   Equation (1) shows ideal characteristics in gamma correction, and in this case, ideal linear / nonlinear conversion obtained by calculation (rounded off after the decimal point).

数式(1)において、OUT(x)はADC104の入力信号レベルがx[%]の場合のガンマ補正済信号の値を表し、IN(x)は入力信号レベルがx[%]の場合の第1のゲイン補正済信号の値を表す。IN(0)およびIN(100)は、それぞれ、入力信号レベルが0[%](黒)および100[%](白)の場合の第1のゲイン補正済信号の設定値を表す。   In Equation (1), OUT (x) represents the value of the gamma corrected signal when the input signal level of the ADC 104 is x [%], and IN (x) is the first value when the input signal level is x [%]. 1 represents the value of the gain-corrected signal. IN (0) and IN (100) represent the setting values of the first gain-corrected signal when the input signal level is 0 [%] (black) and 100 [%] (white), respectively.

γは、例えば信号処理回路110の後段に設けられる図示されない表示装置の入出力特性に応じて定められるガンマ補正係数である。例えばγ=0.45の場合には、入出力1:1を守ると、出力ビット数は入力ビット数よりも2ビット以上多くなる。   γ is a gamma correction coefficient determined according to input / output characteristics of a display device (not shown) provided at the subsequent stage of the signal processing circuit 110, for example. For example, in the case of γ = 0.45, the number of output bits becomes 2 bits or more than the number of input bits if the input / output 1: 1 is maintained.

OUT(0)およびOUT(100)は、それぞれ、入力信号レベルが0[%](黒)および100[%](白)の場合のガンマ補正済信号の設定値を表す。OUT(100)−OUT(0)を大きくすれば、ガンマ補正済信号のビット数を任意に増加させることができる。ガンマ補正は入出力1:1のリニア/ノンリニア変換であるから、ガンマ補正済信号のビット数が第1のゲイン補正済信号に比べてどれだけ増加しても、ガンマ補正済信号自体の階調数は第1のゲイン補正済信号の階調数よりも下回ることはないし超えることもない。しかしながら、ガンマ補正済信号のビット数を大きく設定すれば、後述される種々のビット演算(具体的には、キズ補正およびノイズ低減)の過程で量子化精度を改善する効果がある。   OUT (0) and OUT (100) represent the set values of the gamma corrected signal when the input signal level is 0 [%] (black) and 100 [%] (white), respectively. If OUT (100) -OUT (0) is increased, the number of bits of the gamma corrected signal can be arbitrarily increased. Since the gamma correction is an input / output 1: 1 linear / nonlinear conversion, no matter how much the number of bits of the gamma-corrected signal is increased compared to the first gain-corrected signal, the gradation of the gamma-corrected signal itself The number does not fall below or exceed the number of gradations of the first gain-corrected signal. However, if the number of bits of the gamma-corrected signal is set large, there is an effect of improving the quantization accuracy in the process of various bit operations (specifically, flaw correction and noise reduction) described later.

IN(0)=256、IN(100)=2816、γ=0.45、OUT(0)=15360、OUT(100)=56320の場合に、γ補正回路112は図3に例示されるガンマ補正を12ビットの第1のゲイン補正済信号に適用して16ビットのガンマ補正済信号を生成する。   In the case of IN (0) = 256, IN (100) = 2816, γ = 0.45, OUT (0) = 15360, OUT (100) = 56320, the γ correction circuit 112 performs the gamma correction illustrated in FIG. Is applied to the 12-bit first gain-corrected signal to generate a 16-bit gamma-corrected signal.

図3のガンマ補正によれば、第1のゲイン補正済信号には信号レベル毎に個別のゲインが与えられる。そして、ガンマ補正済信号は、高輝度側(第1のゲイン補正済信号の値が大きい側)に比べて低輝度側(第1のゲイン補正済信号の値が小さい側)の解像度(分解能)が粗い。また、低輝度側では、階調の刻み幅が大きく、かつ、変化しやすい(輝度が高くなるにつれて階調の刻み幅は単調に減少する)。他方、高輝度側では、階調の刻み幅が小さく、かつ、階調の刻み幅は殆ど変化しない。なお、前述の通り、入出力1:1であるから、高輝度側であっても、階調の刻み幅が0となることはない。   According to the gamma correction of FIG. 3, the first gain corrected signal is given an individual gain for each signal level. The gamma-corrected signal has a resolution (resolution) on the low luminance side (side where the value of the first gain corrected signal is small) compared to the high luminance side (side where the value of the first gain corrected signal is large). Is rough. On the low luminance side, the gradation step size is large and is likely to change (the gradation step size monotonously decreases as the luminance increases). On the other hand, on the high luminance side, the gradation step width is small, and the gradation step width hardly changes. As described above, since the input / output is 1: 1, the gradation step size does not become 0 even on the high luminance side.

図3の12ビット入力かつ16ビット出力のγ補正においては、黒付近の最大刻み幅=1199で、白付近の刻み幅=7〜8となる。キズ補正およびノイズ低減を用いる事で、黒付近の刻み幅=16程度、白付近の刻み幅=1程度に抑えられ、量子化精度を改善できる。これは、低輝度側での、階調の刻み幅が大きく、かつ、変化しやすいと言う、所謂ノンリニア(非線形)特性による改善効果である。   In the 12-bit input and 16-bit output γ correction of FIG. 3, the maximum step size near black = 1199 and the step size near white = 7-8. By using flaw correction and noise reduction, the step size near black = 16 and the step size near white = 1 can be suppressed, and the quantization accuracy can be improved. This is an improvement effect due to a so-called non-linear characteristic that the step size of the gradation is large and easily changes on the low luminance side.

なお、ガンマ補正は、関数として定義されてもよいし、例えばルックアップテーブルなどのテーブルを用いて定義されてもよい。また、γ補正は、他の入出力1:1の多ビット化リニア/ノンリニア変換に置き換えることもできる。   The gamma correction may be defined as a function, or may be defined using a table such as a lookup table. Further, the γ correction can be replaced with other input / output 1: 1 multi-bit linear / non-linear conversion.

5ライン同時化回路113は、例えばSRAM(Static Random Access Memory)の4Hラインメモリを用いて実装することができる。5ライン同時化回路113は、γ補正回路112からγ補正済信号を受け取る。5ライン同時化回路113は、γ補正済信号を5ライン同時化することにより、5×5画素領域を抽出する。   The 5-line synchronization circuit 113 can be mounted using, for example, a 4H line memory of SRAM (Static Random Access Memory). The 5-line synchronization circuit 113 receives the γ corrected signal from the γ correction circuit 112. The 5-line synchronization circuit 113 extracts a 5 × 5 pixel region by synchronizing 5 lines of the γ-corrected signal.

抽出された5×5画素領域の中央を占める画素が、キズ検出・補正回路114においてキズ検出の対象とされる。対象画素に加えて当該対象画素と同色の周囲画素群に属する8個の画素の値を用いてキズ検出が行われる。キズ検出の対象画素は、受光画素103の有効画素領域の走査順に従って順次選択される。5ライン同時化回路113は、対象画素および周囲画素群の画素値を表す画素信号をキズ検出・補正回路114へと出力する。   A pixel occupying the center of the extracted 5 × 5 pixel region is a target for defect detection in the defect detection / correction circuit 114. In addition to the target pixel, scratch detection is performed using the values of eight pixels belonging to the surrounding pixel group having the same color as the target pixel. Scratch detection target pixels are sequentially selected according to the scanning order of the effective pixel region of the light receiving pixel 103. The 5-line synchronization circuit 113 outputs a pixel signal representing the pixel values of the target pixel and the surrounding pixel group to the defect detection / correction circuit 114.

キズ検出・補正回路114は、5ライン同時化回路113から対象画素および周囲画素群の画素値を表す画素信号を受け取る。キズ検出・補正回路114は、対象画素のキズ検出を行い、当該対象画素がキズとして検出されたならば、当該対象画素の(ガンマ補正済信号の)値を周囲画素群の値を用いて補正する。キズ検出・補正回路114は、キズ補正済信号をノイズ低減回路115へと出力する。   The defect detection / correction circuit 114 receives pixel signals representing pixel values of the target pixel and the surrounding pixel group from the 5-line synchronization circuit 113. The flaw detection / correction circuit 114 detects flaws in the target pixel. If the target pixel is detected as a flaw, the value of the target pixel (of the gamma corrected signal) is corrected using the value of the surrounding pixel group. To do. The scratch detection / correction circuit 114 outputs the scratch corrected signal to the noise reduction circuit 115.

ノイズ低減回路115は、キズ補正済信号に対してノイズ低減処理を適用することによって、ノイズ低減信号を生成する。ノイズ低減回路115は、ノイズ低減信号を第2のデジタルゲイン回路116へと出力する。   The noise reduction circuit 115 generates a noise reduction signal by applying noise reduction processing to the scratch corrected signal. The noise reduction circuit 115 outputs a noise reduction signal to the second digital gain circuit 116.

具体的には、ノイズ低減回路115は、ノイズ低減の対象画素とその周囲画素群の値とに対してメディアンフィルタを適用し、これらの画素の中央値を抽出する。ノイズ低減回路115は、抽出した中央値と対象画素の値との差分をノイズ基本成分として算出する。そして、ノイズ低減回路115は、このノイズ基本成分にノイズ低減の強度を定める係数を乗算し、これらの積を対象画素の値から差し引くことでノイズ低減信号を生成する。なお、ノイズ低減回路115は、ここで説明された技法とは異なる技法を用いてノイズを低減してもよい。   Specifically, the noise reduction circuit 115 applies a median filter to the noise reduction target pixel and the values of the surrounding pixel group, and extracts the median value of these pixels. The noise reduction circuit 115 calculates a difference between the extracted median value and the value of the target pixel as a noise basic component. The noise reduction circuit 115 multiplies this basic noise component by a coefficient that determines the intensity of noise reduction, and subtracts these products from the value of the target pixel to generate a noise reduction signal. Note that the noise reduction circuit 115 may reduce noise using a technique different from the technique described here.

第2のデジタルゲイン回路116(ノンリニアデジタルゲイン回路)は、ノイズ低減回路115からノイズ低減信号を受け取る。第2のデジタルゲイン回路116は、ノイズ低減信号に対してノンリニアデジタルゲインを乗算し、第2のゲイン補正済信号(第2のノンリニア画素信号)を生成する。第2のデジタルゲイン回路116は、第2のゲイン補正済信号を3ライン同時化回路117へと出力する。   The second digital gain circuit 116 (nonlinear digital gain circuit) receives the noise reduction signal from the noise reduction circuit 115. The second digital gain circuit 116 multiplies the noise reduction signal by a non-linear digital gain to generate a second gain-corrected signal (second non-linear pixel signal). The second digital gain circuit 116 outputs the second gain corrected signal to the three-line synchronization circuit 117.

このノンリニアデジタルゲインは、感度制御部130によって制御される。ノンリニアデジタルゲインは、図1の撮像装置全体のゲインに影響する。後述されるように、他の要素(具体的には、前述のシャッタ速度、アナログゲインおよびリニアデジタルゲイン)が固定であれば、ノンリニアデジタルゲインを約1.366倍にすることで感度は2倍となる。   This nonlinear digital gain is controlled by the sensitivity control unit 130. The non-linear digital gain affects the gain of the entire imaging apparatus in FIG. As will be described later, if other factors (specifically, the shutter speed, analog gain, and linear digital gain described above) are fixed, the sensitivity is doubled by increasing the non-linear digital gain by about 1.366 times. It becomes.

すなわち、このノンリニアデジタルゲインは、前述のシャッタ速度、アナログゲインおよびリニアデジタルゲインに比べて低い倍率で感度を同等に向上させることができる。故に、リニアデジタルゲインよりも優先してノンリニアデジタルゲインを増加させれば、SNRの劣化を抑制しながら感度を向上させることができる。   That is, this non-linear digital gain can improve the sensitivity equally at a lower magnification than the shutter speed, analog gain, and linear digital gain described above. Therefore, if the non-linear digital gain is increased in preference to the linear digital gain, the sensitivity can be improved while suppressing the deterioration of SNR.

このノンリニアデジタルゲインは、図1の撮像装置全体の撮像感度設定に加えて、HDR比率(ダイナミックレンジの拡大率)に基づいて全色共通に設定される第3のゲインに依存して定められてもよい。第3のゲインは、HDR比率が×1倍よりも大きければ、HDR比率よりも小さくなる。   This non-linear digital gain is determined depending on the third gain set in common for all colors based on the HDR ratio (dynamic range expansion ratio) in addition to the imaging sensitivity setting of the entire imaging apparatus of FIG. Also good. The third gain is smaller than the HDR ratio if the HDR ratio is greater than x1.

また、このノンリニアデジタルゲインは、図1の撮像装置全体の撮像感度設定(および第3のゲイン)に加えて前述の第1のゲインまたは第2のゲインをさらに考慮して定められてもよい。例えば、第1のデジタルゲイン回路111を取り除き、第2のデジタルゲイン回路116に色調の補正またはシェーディング補正をさらに行わせてもよい。但し、第1のデジタルゲイン回路111はリニアなRAW信号に対してデジタルゲインを乗算するが、第2のデジタルゲイン回路116はノンリニアなノイズ低減信号に対してデジタルゲインを乗算する。故に、第1のデジタルゲイン回路111と第2のデジタルゲイン回路116との間で、色調の補正およびシェーディング補正に必要とされるゲインは相違する。   The nonlinear digital gain may be determined in consideration of the first gain or the second gain described above in addition to the imaging sensitivity setting (and the third gain) of the entire imaging apparatus in FIG. For example, the first digital gain circuit 111 may be removed, and the second digital gain circuit 116 may further perform color tone correction or shading correction. However, while the first digital gain circuit 111 multiplies the linear RAW signal by the digital gain, the second digital gain circuit 116 multiplies the non-linear noise reduction signal by the digital gain. Therefore, the gains required for color tone correction and shading correction differ between the first digital gain circuit 111 and the second digital gain circuit 116.

図4には、入力飽和レベル(すなわち、感度)設定(IDRS:Input Dynamic Range Setting)と、当該感度設定に対応するリニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインが示されている。リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインのいずれも、×1倍以上に設定した場合には、階調間隔を拡大して感度を引き上げる効果がある。例えば、リニアデジタルゲイン(LDG)を2倍にすれば、感度も2倍となる。他方、感度を2倍にするために必要なノンリニアデジタルゲインは約1.366倍に過ぎない。これは、後述する数式(2)より明らかで、20.45=1.366となる。 FIG. 4 shows an input saturation level (ie, sensitivity) setting (IDRS: Input Dynamic Range Setting), and a linear digital gain and a non-linear digital gain corresponding to the sensitivity setting. When both the linear digital gain and the non-linear digital gain are set to x1 or more, there is an effect of increasing the sensitivity by increasing the gradation interval. For example, if the linear digital gain (LDG) is doubled, the sensitivity is also doubled. On the other hand, the non-linear digital gain required to double the sensitivity is only about 1.366 times. This is clear from the formula (2) described later, and 2 0.45 = 1.366.

また、リニアデジタルゲインによる感度の制御は、量子化精度を大きく犠牲にする。リニアデジタルゲインの乗算はnビットの左シフト演算に相当する。故に、感度を2倍にするためにリニアデジタルゲインを2倍にすれば、乗算前の画素信号の上位nビットの情報が失われるので、実質的な量子化精度はnビット分劣化する。換言すれば、乗算後の画素信号の量子化精度を12ビットのまま維持するためには、理論上は、(12+n)ビットの量子化精度を持つ画素信号にリニアデジタルゲインを乗算する必要がある。仮に、感度を256倍にした場合には実質的な量子化精度は8ビット分も劣化することになる。12ビットの画素信号の量子化精度が8ビットも低下すれば、実質的な量子化精度は4ビットとなり、画素信号として使用できるレベルではない。 Also, sensitivity control by linear digital gain sacrifices quantization accuracy greatly. Multiplication of the linear digital gain corresponds to an n-bit left shift operation. Thus, if a linear digital gain to the sensitivity to 2 n times the 2 n times, the upper n bits of information multiplication previous pixel signal is lost, substantial quantization accuracy is deteriorated n bits . In other words, in order to maintain the quantization accuracy of the pixel signal after multiplication as 12 bits, it is theoretically necessary to multiply the pixel signal having the quantization accuracy of (12 + n) bits by the linear digital gain. . If the sensitivity is increased 256 times, the substantial quantization accuracy is deteriorated by 8 bits. If the quantization accuracy of a 12-bit pixel signal is lowered by 8 bits, the substantial quantization accuracy is 4 bits, which is not a level that can be used as a pixel signal.

他方、ノンリニアデジタルゲインによる感度の制御は、量子化精度をあまり犠牲にしない。例えば、感度を256倍にするために必要なノンリニアデジタルゲインは16倍未満であるから、実質的な量子化精度の劣化は4ビット弱に抑えられる。   On the other hand, sensitivity control by nonlinear digital gain does not sacrifice quantization accuracy much. For example, since the non-linear digital gain necessary for increasing the sensitivity to 256 times is less than 16 times, the substantial deterioration of the quantization accuracy can be suppressed to less than 4 bits.

さらに、ガンマ補正自体は信号のビット数を増やすものの量子化精度を改善しないが、キズ補正およびノイズ低減による量子化精度の改善効果は少なくとも+2ビット(実際には、+3ビットから+6ビット程度までの改善効果が見込まれる)と仮定することができる。故に、16ビットのノイズ低減信号の量子化精度は少なくとも12+2=14ビットと見積もられる。すなわち、感度を256倍にするためにノンリニアデジタルゲインを約12.13倍にしたとしても、第2のゲイン補正済信号は少なくとも10ビットもの量子化精度を確保することができ、画素信号として十分に使用できるレベルである。   Further, although the gamma correction itself increases the number of bits of the signal, it does not improve the quantization accuracy. However, the improvement effect of the quantization accuracy by flaw correction and noise reduction is at least +2 bits (in practice, from +3 bits to +6 bits) It can be assumed that an improvement effect is expected). Therefore, the quantization accuracy of a 16-bit noise reduction signal is estimated to be at least 12 + 2 = 14 bits. That is, even if the non-linear digital gain is increased by about 12.13 times in order to increase the sensitivity to 256 times, the second gain-corrected signal can secure a quantization accuracy of at least 10 bits and is sufficient as a pixel signal. It is a level that can be used.

SNRを確保するためには、ノンリニアデジタルゲインの乗算による量子化精度の劣化をキズ補正およびノイズ低減による量子化精度の改善効果でカバーされる程度に抑えることが好ましい。前述のように、キズ補正およびノイズ低減による量子化精度の改善効果は3〜6ビット程度であるが、余裕を見てノンリニアデジタルゲインの上限を×8.877倍としてもリニアゲイン換算で×128倍相当の感度改善効果が得られる。   In order to ensure the SNR, it is preferable to suppress the deterioration of the quantization accuracy due to the multiplication of the non-linear digital gain to the extent that it is covered by the improvement effect of the quantization accuracy by the flaw correction and noise reduction. As described above, the improvement effect of quantization accuracy by flaw correction and noise reduction is about 3 to 6 bits. However, even if the upper limit of the non-linear digital gain is set to x8.877 times with a margin, x128 is converted into linear gain. A sensitivity improvement effect equivalent to double is obtained.

なお、所与の感度を達成するノンリニアデジタルゲイン(NLDG)は、同一の感度を達成するリニアデジタルゲイン(LDG)に基づいて、以下の数式(2)により算出することができる。   The non-linear digital gain (NLDG) that achieves a given sensitivity can be calculated by the following formula (2) based on the linear digital gain (LDG) that achieves the same sensitivity.

数式(2)では、LDGの冪指数を0.45に設定しているが、この冪指数はγ補正回路112によって用いられるγ補正係数(γ)の値に等しい。   In Equation (2), the power index of LDG is set to 0.45, but this power index is equal to the value of the γ correction coefficient (γ) used by the γ correction circuit 112.

3ライン同時化回路117は、例えばSRAMの2Hラインメモリを用いて実装することができる。3ライン同時化回路117は、第2のデジタルゲイン回路116か第2のゲイン補正済信号を受け取る。3ライン同時化回路117は、第2のゲイン補正済信号を3ライン同時化することにより、3×3画素領域を抽出する。   The 3-line synchronization circuit 117 can be mounted using, for example, an SRAM 2H line memory. The three-line synchronization circuit 117 receives the second gain-corrected signal from the second digital gain circuit 116. The 3-line synchronization circuit 117 extracts a 3 × 3 pixel region by synchronizing the second gain-corrected signal with 3 lines.

抽出された3×3画素領域は、輝度算出回路119において輝度算出の対象とされる。3ライン同時化回路117は、3×3画素領域を輝度算出回路119へと出力し、この3×3画素領域の中心画素の値(すなわち、第2のゲイン補正済信号)をHDR圧縮回路118へと出力する。   The extracted 3 × 3 pixel area is subjected to luminance calculation in the luminance calculation circuit 119. The 3-line synchronization circuit 117 outputs the 3 × 3 pixel area to the luminance calculation circuit 119, and the HDR compression circuit 118 uses the value of the central pixel of the 3 × 3 pixel area (ie, the second gain-corrected signal). To output.

HDR圧縮回路118は、第2のデジタルゲイン回路116から第2のゲイン補正済信号を受け取り、HDR圧縮係数発生回路120から圧縮係数を受け取る。HDR圧縮回路118は、第2のゲイン補正済信号のダイナミックレンジを圧縮係数を用いて圧縮することによってHDR圧縮信号を生成する。HDR圧縮回路118は、図示されない後段の装置(例えば、表示装置)へとHDR圧縮信号を出力する。なお、HDR圧縮信号のダイナミックレンジは、上記後段の装置がサポート可能なダイナミックレンジに適合するように定められる。   The HDR compression circuit 118 receives the second gain-corrected signal from the second digital gain circuit 116 and receives the compression coefficient from the HDR compression coefficient generation circuit 120. The HDR compression circuit 118 generates an HDR compressed signal by compressing the dynamic range of the second gain-corrected signal using a compression coefficient. The HDR compression circuit 118 outputs the HDR compression signal to a subsequent device (for example, a display device) (not shown). The dynamic range of the HDR compressed signal is determined so as to be compatible with the dynamic range that can be supported by the latter apparatus.

具体的には、HDR圧縮回路118は、例えばトーンマッピングを用いて局所的なコントラストをできるだけ維持しながら、第2のゲイン補正済信号のダイナミックレンジを圧縮する。   Specifically, the HDR compression circuit 118 compresses the dynamic range of the second gain-corrected signal while maintaining local contrast as much as possible using, for example, tone mapping.

輝度算出回路119は、3ライン同時化回路117から3×3画素領域を受け取る。輝度算出回路119は、3×3画素領域の画素値の加重平均を計算することで当該領域の(ノンリニアな)輝度値を表す輝度信号を得る。輝度算出回路119は、領域毎の輝度信号をHDR圧縮係数発生回路120および感度制御部130へと出力する。   The luminance calculation circuit 119 receives a 3 × 3 pixel region from the three-line synchronization circuit 117. The luminance calculation circuit 119 obtains a luminance signal representing the (non-linear) luminance value of the region by calculating a weighted average of the pixel values of the 3 × 3 pixel region. The luminance calculation circuit 119 outputs a luminance signal for each region to the HDR compression coefficient generation circuit 120 and the sensitivity control unit 130.

例えば図2の画素配列から抽出可能な3×3画素領域の色配列は、図5A、図5B、図5Cおよび図5Dに例示される4つのパターンに大別することができる。すなわち、中心画素の色が赤(R)のパターン(図5A)、中心画素の色が緑(Gr)かつ当該中心画素と同ラインの隣接画素の色が赤のパターン(図5B)、中心画素の色が緑(Gb)かつ当該中心画素と同ラインの隣接画素の色が青(B)のパターン(図5C)、ならびに、中心画素の色が青のパターン(図5D)の4つが存在する。一般に、RGBから輝度(YUVフォーマットのY)への変換式として、以下の数式(3)が知られている。   For example, the color arrangement of a 3 × 3 pixel region that can be extracted from the pixel arrangement of FIG. 2 can be roughly divided into four patterns illustrated in FIGS. 5A, 5B, 5C, and 5D. That is, a pattern in which the color of the center pixel is red (R) (FIG. 5A), a color in which the color of the center pixel is green (Gr), and a color of adjacent pixels on the same line as the center pixel is red (FIG. 5B), There are four patterns: a pattern in which the color of the center pixel is green (Gb) and the color of an adjacent pixel in the same line as the center pixel is blue (B) (FIG. 5C), and a pattern in which the color of the center pixel is blue (FIG. 5D) . In general, the following formula (3) is known as a conversion formula from RGB to luminance (Y in YUV format).

しかしながら、輝度算出回路119は、撮像感度およびHDR圧縮係数の制御に使用できる程度の精度で輝度を算出すればよい。そこで、輝度算出回路119は、下記数式(4)の加重平均を擬似的な輝度として算出する。   However, the luminance calculation circuit 119 may calculate the luminance with an accuracy that can be used for controlling the imaging sensitivity and the HDR compression coefficient. Therefore, the luminance calculation circuit 119 calculates the weighted average of the following formula (4) as pseudo luminance.

数式(4)を用いれば、3×3画素領域の色配列が上記4パターンのいずれであったとしても、輝度算出回路119は図6に示される重みを用いて擬似的な輝度を簡単に算出できる。なお、GrおよびGbを区別する場合には、数式(4)に代えて下記数式(5)を用いることができる。   Using Equation (4), the luminance calculation circuit 119 simply calculates the pseudo luminance using the weights shown in FIG. 6 regardless of the color pattern of the 3 × 3 pixel region in any of the above four patterns. it can. In addition, when distinguishing Gr and Gb, it can replace with Numerical formula (4) and can use the following Numerical formula (5).

HDR圧縮係数発生回路120は、輝度算出回路119から輝度信号を受け取り、感度制御部130から後述される度数分布を受け取る。HDR圧縮係数発生回路120は、度数分布に基づいて輝度階級毎に圧縮係数を発生する。そして、HDR圧縮係数発生回路120は、HDR圧縮回路118によって第2のゲイン補正済信号の各々に適用(乗算)される圧縮係数を当該第2のゲイン補正済信号に対応する輝度信号に基づいて決定する。HDR圧縮係数発生回路120は、圧縮係数をHDR圧縮回路118へと出力する。   The HDR compression coefficient generation circuit 120 receives a luminance signal from the luminance calculation circuit 119 and receives a frequency distribution described later from the sensitivity control unit 130. The HDR compression coefficient generation circuit 120 generates a compression coefficient for each luminance class based on the frequency distribution. Then, the HDR compression coefficient generation circuit 120 applies the compression coefficient applied (multiplied) to each of the second gain corrected signals by the HDR compression circuit 118 based on the luminance signal corresponding to the second gain corrected signal. decide. The HDR compression coefficient generation circuit 120 outputs the compression coefficient to the HDR compression circuit 118.

感度制御部130は、輝度算出回路119から輝度信号を受け取る。感度制御部130は、輝度信号に基づいて前述のシャッタ速度、アナログゲイン、リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインを制御することで撮像感度を制御する。さらに、後述されるように、感度制御部130は、1V毎に輝度信号の度数分布を算出する。感度制御部130は、度数分布を撮像感度の制御のためにその内部で用いるだけでなくHDR圧縮係数発生回路120へも出力する。   The sensitivity control unit 130 receives a luminance signal from the luminance calculation circuit 119. The sensitivity control unit 130 controls the imaging sensitivity by controlling the shutter speed, analog gain, linear digital gain, and nonlinear digital gain described above based on the luminance signal. Further, as will be described later, the sensitivity control unit 130 calculates the frequency distribution of the luminance signal for each 1V. The sensitivity control unit 130 outputs the frequency distribution to the HDR compression coefficient generation circuit 120 as well as using the frequency distribution internally for controlling the imaging sensitivity.

具体的には、感度制御部130は、図7に例示されるように、度数分布算出回路131と、逆γ補正回路132と、輝度積算回路133と、指標算出回路134と、パラメータ制御部140とを含む。   Specifically, as illustrated in FIG. 7, the sensitivity control unit 130 includes a frequency distribution calculation circuit 131, an inverse γ correction circuit 132, a luminance integration circuit 133, an index calculation circuit 134, and a parameter control unit 140. Including.

度数分布算出回路131は、輝度算出回路119から輝度信号を受け取る。度数分布算出回路131は、1V毎に図8に例示されるような輝度信号の度数分布を算出する。図8において、縦軸は度数を表し、横軸は輝度階級を表す。度数分布算出回路131は、度数分布をHDR圧縮回路118およびパラメータ制御部140へと出力する。   The frequency distribution calculation circuit 131 receives a luminance signal from the luminance calculation circuit 119. The frequency distribution calculation circuit 131 calculates the frequency distribution of the luminance signal as illustrated in FIG. 8 for each 1V. In FIG. 8, the vertical axis represents the frequency, and the horizontal axis represents the luminance class. The frequency distribution calculation circuit 131 outputs the frequency distribution to the HDR compression circuit 118 and the parameter control unit 140.

度数分布算出回路131は、1V分の輝度信号を複数の輝度階級に分類して計数することで度数分布を算出できる。輝度階級の幅は、γ補正回路112によって適用されるγ補正の特性およびノンリニアデジタルゲインに依存して決まる。   The frequency distribution calculation circuit 131 can calculate a frequency distribution by classifying and counting luminance signals for 1 V into a plurality of luminance classes. The width of the luminance class is determined depending on the characteristics of γ correction applied by the γ correction circuit 112 and the non-linear digital gain.

例えば、γ補正の入出力信号のビット数をそれぞれ「12」および「16」とし、IN(0)=256、IN(100)=2816、γ=0.45、OUT(0)=15360、OUT(100)=56320とし、ノンリニアデジタルゲインを×16.56424倍とする。この場合に、IN(x)=0および4095(=212−1)を数式(1)にそれぞれ代入すれば、ガンマ補正済信号の最小値および最大値がそれぞれ827および64513であることを導出できる。 For example, the number of bits of the input / output signal for γ correction is “12” and “16”, respectively, and IN (0) = 256, IN (100) = 2816, γ = 0.45, OUT (0) = 15360, OUT (100) = 56320 and the non-linear digital gain is x16.56424 times. In this case, substituting IN (x) = 0 and 4095 (= 2 12 −1) into Equation (1), respectively, derives that the minimum and maximum values of the gamma-corrected signal are 827 and 64513, respectively. it can.

輝度信号の表す輝度は、第2のゲイン補正済信号の加重平均であるから、その最大値および最小値は当該第2のゲイン補正済信号の最大値および最小値にそれぞれ等しい。従って、輝度の最大値は下記数式(6)により算出することができる。   Since the luminance represented by the luminance signal is a weighted average of the second gain-corrected signal, its maximum value and minimum value are equal to the maximum value and minimum value of the second gain-corrected signal, respectively. Therefore, the maximum luminance value can be calculated by the following formula (6).

他方、輝度信号の表す輝度の最小値は、下記数式(7)により算出することができる。   On the other hand, the minimum luminance value represented by the luminance signal can be calculated by the following mathematical formula (7).

OUT(0)に対応する15360からOUT(100)に対応する56320までを10階級に(すなわち、10%刻みで)区分するとすれば、1つの輝度階級の幅は4096(=(56320−15360)/10)値となる。   If 15360 corresponding to OUT (0) to 56320 corresponding to OUT (100) are divided into 10 classes (that is, in increments of 10%), the width of one luminance class is 4096 (= (56320-15360). / 10) value.

故に、輝度が正の領域は下記数式(8)に示されるように203個の輝度階級に区分することができる。   Therefore, the region with positive luminance can be divided into 203 luminance classes as shown in the following formula (8).

同様に、輝度が負の領域は下記数式(9)に示されるように56個の輝度階級に区分することができる。   Similarly, the area where the luminance is negative can be divided into 56 luminance classes as shown in the following formula (9).

故に、上記数値例によれば、度数分布は、正領域に203個および負領域に56個の合計259個の輝度階級を持つ。   Therefore, according to the above numerical example, the frequency distribution has a total of 259 luminance classes of 203 in the positive region and 56 in the negative region.

なお、図7の例では、ガンマ補正後の(ノンリニアな)輝度信号を用いて度数分布が算出されている。人間の視覚特性は、低輝度に対して敏感である一方で高輝度に対して鈍感であることが知られている。そして、ガンマ補正は人間のこのような視覚特性にマッチした補正であるので、人間はガンマ補正後の輝度信号については暗部から明部に亘って概ね一様に知覚することができる。故に、ノンリニアな輝度信号を用いることで、輝度階級の幅を低輝度側と高輝度側とで変えなくても、偏りのない度数分布を算出することが可能となる。   In the example of FIG. 7, the frequency distribution is calculated using a (non-linear) luminance signal after gamma correction. Human visual characteristics are known to be sensitive to low brightness while insensitive to high brightness. Since gamma correction is a correction that matches such visual characteristics of humans, humans can perceive the luminance signal after gamma correction almost uniformly from the dark part to the bright part. Therefore, by using a non-linear luminance signal, it is possible to calculate a non-biased frequency distribution without changing the width of the luminance class between the low luminance side and the high luminance side.

逆γ補正回路132は、輝度算出回路119から輝度信号を受け取る。逆γ補正回路132は、輝度信号に逆ガンマ補正(ノンリニア/リニア変換に相当)を適用することによって、リニア輝度信号を生成する。逆γ補正回路132は、リニア輝度信号を輝度積算回路133へと出力する。具体的には、逆γ補正回路132は、γ補正回路112の用いるガンマ補正係数(γ)の逆数に等しいガンマ補正係数(例えば、2.2=1/0.45)を用いて、輝度信号に対して(逆)ガンマ補正を適用する。   The inverse γ correction circuit 132 receives the luminance signal from the luminance calculation circuit 119. The inverse γ correction circuit 132 generates a linear luminance signal by applying inverse gamma correction (corresponding to non-linear / linear conversion) to the luminance signal. The inverse γ correction circuit 132 outputs a linear luminance signal to the luminance integrating circuit 133. Specifically, the inverse γ correction circuit 132 uses a gamma correction coefficient (for example, 2.2 = 1 / 0.45) equal to the inverse of the gamma correction coefficient (γ) used by the γ correction circuit 112 to generate a luminance signal. Apply (reverse) gamma correction to.

例えば、入力(輝度信号)は、12ビット化され、0[%](黒)および100[%](白)の場合の値がそれぞれ960(=15360/16)、3520(=56320/16)に設定される。また、出力(リニア輝度信号)のビット数は16であり、0[%](黒)および100[%](白)の場合の値がそれぞれ4096(=256×16)、45056(=2816×16)に設定される。このような数値例に基づく逆ガンマ補正が図9に例示される。   For example, the input (luminance signal) is converted to 12 bits, and the values in the case of 0 [%] (black) and 100 [%] (white) are 960 (= 15360/16) and 3520 (= 56320/16), respectively. Set to The number of bits of the output (linear luminance signal) is 16, and the values in the case of 0 [%] (black) and 100 [%] (white) are 4096 (= 256 × 16) and 45056 (= 2816 ×), respectively. 16). Inverse gamma correction based on such numerical examples is illustrated in FIG.

輝度積算回路133は、逆γ補正回路132からリニア輝度信号を受け取る。輝度積算回路133は、1V毎に、複数の積算対象領域のそれぞれにおけるリニア輝度信号の値を積算する。複数の積算対象領域は、例えば図10に示されるように定められてもよい。輝度積算回路133は、各積算対象領域の輝度積算値を指標算出回路134へと出力する。   The luminance integration circuit 133 receives the linear luminance signal from the inverse γ correction circuit 132. The luminance integration circuit 133 integrates the values of the linear luminance signal in each of a plurality of integration target regions every 1V. The plurality of integration target areas may be determined as shown in FIG. 10, for example. The luminance integration circuit 133 outputs the luminance integration value of each integration target area to the index calculation circuit 134.

図10の例では、有効画素領域の一部が9×7個の積算対象領域(A1〜A63)に定められており、残部が積算対象外領域(A0)に定められている。各積算対象領域は、p×q画素(≧2)からなる。なお、p×q画素の全てを積算する必要はなく一部を間引くこともできる。輝度積算回路133は、各積算対象領域におけるリニア輝度信号の値を積算する。   In the example of FIG. 10, a part of the effective pixel area is defined as 9 × 7 integration target areas (A1 to A63), and the remaining part is defined as a non-accumulation area (A0). Each integration target area is composed of p × q pixels (≧ 2). Note that it is not necessary to integrate all of the p × q pixels, and some of them can be thinned out. The luminance integration circuit 133 integrates the linear luminance signal value in each integration target area.

逆γ補正を用いて、リニア輝度信号を積算する理由は、得られた積算値とカメラ感度とが比例関係になり、シャッタ速度、アナログゲイン、リニアデジタルゲインおよびデジタルゲインを用いた露光制御(以降、ALC(Automatic Luminance−level Control)とも呼ばれる)が、行い易い為である。ここで、ALCとは、AEの一種であり、照明光源、撮像レンズ内の光学絞り等に頼らずシャッタ速度および種々のゲインを制御することで感度制御を実現する技術を指す。   The reason for integrating the linear luminance signal using inverse γ correction is that the obtained integrated value is proportional to the camera sensitivity, and exposure control using the shutter speed, analog gain, linear digital gain, and digital gain (hereinafter referred to as “gain control”) , ALC (also called Automatic Luminance-level Control) is easy to perform. Here, ALC is a type of AE, and refers to a technology that realizes sensitivity control by controlling the shutter speed and various gains without depending on the illumination light source, the optical aperture in the imaging lens, or the like.

図10の例では、各積算対象領域の形状、面積(サイズ)および積算画素数は一様である。このような条件を課すことで、後述される輝度積算値の並び替えをシンプルにすることができる。なお、各積算対象領域の形状、面積および積算画素数は図10の例に限られず任意に設定可能である。   In the example of FIG. 10, the shape, area (size), and integrated pixel number of each integration target region are uniform. By imposing such conditions, it is possible to simplify the rearrangement of the luminance integrated values described later. Note that the shape, area, and number of integrated pixels of each integration target region are not limited to the example of FIG. 10 and can be arbitrarily set.

各積算対象領域には、図11に例示されるような重みが割り当てられている。図11に示される重みの割り当ては、中央部重点測光に適しており、中央から離れるほど重みが小さくなる。なお、図11の例では、積算対象領域の4隅に割り当てられる重みは0であるから、これらの積算対象領域の積算は省略することができる。図11に示される重みの割り当ては例示に過ぎず、任意の割り当てが採用可能である。   A weight as illustrated in FIG. 11 is assigned to each integration target area. The weight assignment shown in FIG. 11 is suitable for center-weighted photometry, and the weight decreases as the distance from the center increases. In the example of FIG. 11, since the weights assigned to the four corners of the integration target area are 0, the integration of these integration target areas can be omitted. The weight assignment shown in FIG. 11 is merely an example, and any assignment can be adopted.

図11の例では、重みは0から7までの整数であるから、この情報は3ビットで表現することができる。他方、領域番号は1から63までの整数であるから、この情報を表現するためには6ビット必要である。さらに、後段の指標算出回路134は、各領域の輝度積算値の加重平均を算出できればよく、各輝度積算値に対応する領域番号を把握する必要はない。故に、輝度積算回路133は、回路規模削減のために、輝度積算値に領域番号(6ビット情報)ではなく重み(3ビット情報)を付加して指標算出回路134へと出力してもよい。   In the example of FIG. 11, since the weight is an integer from 0 to 7, this information can be expressed by 3 bits. On the other hand, since the area number is an integer from 1 to 63, 6 bits are required to express this information. Furthermore, the index calculation circuit 134 in the subsequent stage only needs to be able to calculate the weighted average of the luminance integrated values of each region, and does not need to grasp the region number corresponding to each luminance integrated value. Therefore, the luminance integration circuit 133 may add a weight (3-bit information) to the luminance integration value instead of the area number (6-bit information) and output the luminance integration value to the index calculation circuit 134 in order to reduce the circuit scale.

指標算出回路134は、輝度積算回路133から各領域の輝度積算値を受け取る。ここで、輝度積算値には輝度が過度に高い領域や輝度が過度に低い領域の値が混入するおそれがあり、特にこのような値に大きな重みが乗じられると、輝度積算値の加重平均が現在の画面の平均的な輝度レベルから大きく乖離するおそれがある。   The index calculation circuit 134 receives the luminance integration value of each region from the luminance integration circuit 133. Here, there is a possibility that values of areas with excessively high luminance or areas with excessively low luminance may be mixed in the luminance integrated value. Especially when such a value is multiplied by a large weight, the weighted average of the luminance integrated value is calculated. There is a risk that the current screen average brightness level may deviate greatly.

そこで、指標算出回路134は、輝度積算値を昇順または降順にソートし、上位のr(例えば31)値および下位のs(例えば16)値を除外してから加重平均を算出してもよい。このように、輝度が過度に高いまたは低い領域の輝度積算値を除外することで、逆光補正の効果を得ることができる。   Therefore, the index calculation circuit 134 may sort the luminance integrated values in ascending or descending order, and calculate the weighted average after excluding the upper r (for example, 31) value and the lower s (for example, 16) value. In this way, the effect of backlight correction can be obtained by excluding the luminance integrated value in a region where the luminance is excessively high or low.

指標算出回路134は、輝度積算値の加重平均を感度制御用の指標としてパラメータ制御部140へと出力する。なお、前述の輝度積算値の除外処理は省略することも可能である。   The index calculation circuit 134 outputs a weighted average of the luminance integrated values to the parameter control unit 140 as an index for sensitivity control. It should be noted that the process of excluding the luminance integrated value described above can be omitted.

パラメータ制御部140は、度数分布算出回路131から度数分布を受け取り、指標算出回路134から指標を受け取る。パラメータ制御部140は、指標に基づいて感度の設定値を調整し、調整後の感度に応じてシャッタ速度、アナログゲイン、リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインを制御する。   The parameter control unit 140 receives the frequency distribution from the frequency distribution calculation circuit 131 and receives the index from the index calculation circuit 134. The parameter control unit 140 adjusts the sensitivity setting value based on the index, and controls the shutter speed, analog gain, linear digital gain, and nonlinear digital gain according to the adjusted sensitivity.

パラメータ制御部140は、感度調整を常時行う必要はない。具体的には、パラメータ制御部140は、感度調整を継続するか省略(現在の感度設定を維持)するかを度数分布に基づいて切り替えてもよい。例えば、逆光時や短いトンネルの走行時など高輝度画素が一時的に増加する場合に、度数分布は低輝度側の山に加えて高輝度側に新たな山を持つことがある。このような状況で感度調整を実行すると、パラメータ制御部140は高輝度画素の影響で感度を引き下げるおそれがある。しかしながら、このような一時的な明るさの変動に翻弄されて感度を調整することは、必ずしも好まれない。故に、例えば高輝度側に新たな山が生じた場合には、感度調整を一時的に省略することで感度の安定化を図るようにしてもよい。   The parameter control unit 140 need not always perform sensitivity adjustment. Specifically, the parameter control unit 140 may switch whether to continue sensitivity adjustment or to omit (maintain current sensitivity setting) based on the frequency distribution. For example, when the high-luminance pixels temporarily increase during backlighting or when traveling in a short tunnel, the frequency distribution may have a new mountain on the high-luminance side in addition to the mountain on the low-luminance side. When sensitivity adjustment is executed in such a situation, the parameter control unit 140 may lower the sensitivity due to the influence of high-luminance pixels. However, it is not always preferable to adjust the sensitivity by being swayed by such temporary brightness fluctuations. Therefore, for example, when a new mountain occurs on the high luminance side, the sensitivity may be stabilized by temporarily omitting the sensitivity adjustment.

なお、パラメータ制御は1V毎に1回行えばよいので、パラメータ制御部140は、ハードウェア実装(図7参照)に限られずソフトウェア実装することもできる。パラメータ制御部140をソフトウェア実装する場合には、例えばマイクロコントローラを用いることができる。パラメータ制御部140をソフトウェア実装することの利点として、制御の自由度が高い点が挙げられる。   In addition, since parameter control should just be performed once for every 1V, the parameter control part 140 is not restricted to hardware mounting (refer FIG. 7), It can also mount software. When the parameter control unit 140 is implemented by software, for example, a microcontroller can be used. An advantage of implementing the parameter control unit 140 by software is that the degree of freedom of control is high.

図7のパラメータ制御部140は、カウンタ制御回路141と、ALCカウンタ142と、アドレス発生回路143と、SRAMコア144と、パラメータ制御回路145とを含む。   7 includes a counter control circuit 141, an ALC counter 142, an address generation circuit 143, an SRAM core 144, and a parameter control circuit 145.

カウンタ制御回路141は、度数分布算出回路131から度数分布を受け取り、指標算出回路134から指標を受け取る。カウンタ制御回路141は、度数分布および指標に基づいて、図1の撮像装置全体の感度の設定値を管理するALCカウンタ142に対する加減算値を発生する。カウンタ制御回路141は、加減算値をALCカウンタ142へと出力する。   The counter control circuit 141 receives the frequency distribution from the frequency distribution calculation circuit 131 and receives the index from the index calculation circuit 134. The counter control circuit 141 generates an addition / subtraction value for the ALC counter 142 that manages the sensitivity setting value of the entire imaging apparatus of FIG. 1 based on the frequency distribution and the index. The counter control circuit 141 outputs the addition / subtraction value to the ALC counter 142.

具体的には、カウンタ制御回路141は、指標を複数の比較基準と比較し、比較結果に対応する加減算値を発生する。概括すれば、カウンタ制御回路141は、指標が目標値に等しければ0を発生し、指標が目標値よりも大きければ負の値(減算値)を発生し、指標が目標値よりも小さければ正の値(加算値)を発生する。目標値は、画面の理想的な明るさを示しており、感度の収束目標を定める。   Specifically, the counter control circuit 141 compares the index with a plurality of comparison criteria, and generates an addition / subtraction value corresponding to the comparison result. In general, the counter control circuit 141 generates 0 if the index is equal to the target value, generates a negative value (subtraction value) if the index is larger than the target value, and is positive if the index is smaller than the target value. Value (added value) is generated. The target value indicates the ideal brightness of the screen and defines a sensitivity convergence target.

複数の比較基準は、例えば、ある目標値を基準にt倍毎および1/t倍毎に定めることができる。t=21/2(=√2)の場合が図12に例示される。図12によれば、指標が目標値の√2倍以上2倍未満であれば、カウンタ制御回路141は「−128×m+n」を発生する。他方、指標が目標値の1/2倍より大きく1/√2倍以下であれば、カウンタ制御回路141は「128×m−n」を発生する。なお、図12において、m,n,j、kは、収束速度を定める任意の係数である。図13には、目標値=1024、m=1、n=1、k=63、j=7の場合の比較基準および加減算値が例示される。 The plurality of comparison criteria can be determined, for example, every t times and every 1 / t times based on a certain target value. The case of t = 2 1/2 (= √2) is illustrated in FIG. According to FIG. 12, if the index is greater than or equal to √2 times and less than twice the target value, the counter control circuit 141 generates “−128 × m + n”. On the other hand, if the index is greater than ½ times the target value and less than 1 / √2 times, the counter control circuit 141 generates “128 × mn”. In FIG. 12, m, n, j, and k are arbitrary coefficients that determine the convergence speed. FIG. 13 illustrates a comparison reference and addition / subtraction values when target value = 1024, m = 1, n = 1, k = 63, and j = 7.

図12の例では、カウント値が「128×m」増える毎に感度設定は21/2倍に上昇する。指標は、リニア輝度信号の各領域の輝度積算値の加重平均に相当するから感度に略比例する。故に、例えば、指標が目標値の2倍であれば感度も収束目標に比して2倍程度大きいと考えられるから、カウンタ制御回路141は「−256×m+n」の値を発生して感度を1/2倍に低下させればよい。 In the example of FIG. 12, each time the count value increases by “128 × m”, the sensitivity setting increases by times. Since the index corresponds to a weighted average of luminance integrated values in each area of the linear luminance signal, it is substantially proportional to the sensitivity. Therefore, for example, if the index is twice the target value, the sensitivity is considered to be about twice as large as the convergence target. Therefore, the counter control circuit 141 generates a value of “−256 × m + n” to increase the sensitivity. What is necessary is just to reduce to 1/2 time.

ALCカウンタ142は、カウンタ制御回路141から加減算値を受け取る。ALCカウンタ142は、カウント値に加減算値を適用し、適用後のカウント値をアドレス発生回路143へと出力する。ALCカウンタ142によってカウントされるカウント値のビット数は特に制限されないが、例えば13であってよい。カウント値が256(=2)増える毎に感度が2倍に増えるように定めれば、13ビットのカウント値によって×1倍から約×232倍までの感度を表現することができる(213/256=8192/256=32)。この例では、感度(S)およびカウント値(C)は、下記数式(10)に示す関係にある。 The ALC counter 142 receives the addition / subtraction value from the counter control circuit 141. The ALC counter 142 applies the addition / subtraction value to the count value, and outputs the count value after application to the address generation circuit 143. The number of bits of the count value counted by the ALC counter 142 is not particularly limited, but may be 13, for example. If the count value is Sadamere such increase to twice the sensitivity for each increase 256 (= 2 8), can be expressed sensitivity to about × 2 32 × 1 × × by 13-bit count value (2 13/256 = 8192/256 = 32). In this example, the sensitivity (S) and the count value (C) have the relationship shown in the following mathematical formula (10).

アドレス発生回路143は、ALCカウンタ142からカウント値を受け取る。アドレス発生回路143は、カウント値に応じてSRAMコア144の読み出しのためのアドレス値を発生する。   The address generation circuit 143 receives the count value from the ALC counter 142. The address generation circuit 143 generates an address value for reading from the SRAM core 144 according to the count value.

SRAMコア144は、カウント値に対応する感度を達成するためのシャッタ速度、アナログゲイン、リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインの組み合わせを、上記アドレス値によって特定される領域に格納している。なお、SRAM144は、これらのパラメータの値を書き換え可能(プログラマブル)に記憶していてもよい。係る構成によれば、ユーザは、感度制御時における各パラメータの推移を自由に設計することができる。   The SRAM core 144 stores a combination of shutter speed, analog gain, linear digital gain, and non-linear digital gain for achieving sensitivity corresponding to the count value in the area specified by the address value. Note that the SRAM 144 may store the values of these parameters in a rewritable (programmable) manner. According to such a configuration, the user can freely design the transition of each parameter during sensitivity control.

パラメータ制御回路145は、アドレス発生回路143の発生したアドレス値を用いてSRAMコア144からシャッタ速度、アナログゲイン、リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインの値を読み出す。パラメータ制御回路145は、読み出したシャッタ速度、アナログゲイン、リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインの値を受光画素103、ADC104、第1のデジタルゲイン回路111および第2のデジタルゲイン回路116にそれぞれ設定する。   The parameter control circuit 145 reads the shutter speed, analog gain, linear digital gain, and non-linear digital gain values from the SRAM core 144 using the address value generated by the address generation circuit 143. The parameter control circuit 145 sets the read shutter speed, analog gain, linear digital gain, and non-linear digital gain values in the light receiving pixel 103, the ADC 104, the first digital gain circuit 111, and the second digital gain circuit 116, respectively.

パラメータ制御回路145がシャッタ速度、アナログゲイン、リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインを例えば図15に示されるように推移させることで、感度は×1倍から×100万倍を超える範囲まで制御することができる。   The parameter control circuit 145 changes the shutter speed, the analog gain, the linear digital gain, and the non-linear digital gain as shown in FIG. it can.

各パラメータの制御例が図15に示される。図15では、シャッタ速度(露光時間)は1H/4から1/2H,1H,2H,4H,・・・,511H,512Hと離散的に制御され、アナログゲインは×1倍から×16倍まで連続的に制御され、リニアデジタルゲインは×1倍か×4倍程度まで連続的に制御され、ノンリニアデジタルゲインは×1倍から×8.877倍(リニアデジタルゲインの×128倍相当)まで離散的に制御される。   An example of control of each parameter is shown in FIG. In FIG. 15, the shutter speed (exposure time) is discretely controlled from 1H / 4 to 1 / 2H, 1H, 2H, 4H,... 511H, 512H, and the analog gain is from x1 to x16 times. Continuously controlled, linear digital gain is continuously controlled from x1 to x4, and non-linear digital gain is discrete from x1 to x8.877 (equivalent to x128 times the linear digital gain). Controlled.

最高被写体照度を定める最低感度(これを×1倍と定義する)は、シャッタ速度、アナログゲイン、リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインを全て最小値に設定することで達成可能である。すなわち、パラメータ制御回路145は、シャッタ速度を1H/4に、アナログゲイン、リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインを×1倍に設定する。   The lowest sensitivity that defines the highest subject illuminance (which is defined as x1) can be achieved by setting the shutter speed, analog gain, linear digital gain, and non-linear digital gain all to the minimum value. That is, the parameter control circuit 145 sets the shutter speed to 1H / 4 and the analog gain, linear digital gain, and non-linear digital gain to x1.

より高い感度を達成するためには、いずれかのパラメータを増加させる必要がある。いずれのパラメータを選択するかは任意ではあるが、SNRの劣化を防ぐ観点からすればシャッタ速度を最初に増加させることが好ましい。但し、シャッタ速度を1H/4から2番目に小さい1/2Hへと変更すれば、感度は×2倍になる。このようにシャッタ速度およびノンリニアデジタルゲインは感度を大幅に変化させてしまうので、図15の例ではアナログゲインを用いた補間が行われる。なお、アナログゲインに代えてリニアデジタルゲインを用いて補間を行うこともできる。   In order to achieve higher sensitivity, either parameter needs to be increased. Which parameter is selected is arbitrary, but it is preferable to increase the shutter speed first from the viewpoint of preventing the deterioration of SNR. However, if the shutter speed is changed from 1H / 4 to the second smallest 1 / 2H, the sensitivity is doubled. As described above, since the shutter speed and the non-linear digital gain greatly change the sensitivity, interpolation using an analog gain is performed in the example of FIG. Note that interpolation can be performed using linear digital gain instead of analog gain.

すなわち、カウント値が1から255まで、パラメータ制御回路145はシャッタ速度を増加させずにアナログゲインを×1倍から約×2倍まで連続的に増加させる。そして、カウント値が256に達すると、パラメータ制御回路145はシャッタ速度を1H/2に増加させてアナログゲインを×1倍に戻す。このように離散制御に対する補間を行うことで、×21/256倍精度の細かい感度制御が可能となる。このような制御を繰り返しながら、パラメータ制御回路145は、シャッタ速度を1H,2H,4H,・・・,128Hと倍々で増加させる。 That is, when the count value is 1 to 255, the parameter control circuit 145 continuously increases the analog gain from x1 to about x2 without increasing the shutter speed. When the count value reaches 256, the parameter control circuit 145 increases the shutter speed to 1H / 2 and returns the analog gain to x1. By performing interpolation for discrete control in this way, fine sensitivity control with × 2 1/256 times accuracy becomes possible. While repeating such control, the parameter control circuit 145 increases the shutter speed by 1H, 2H, 4H,.

さらに、カウント値が2560(=256×10)以降では、パラメータ制御回路145は、カウント値1ビットにつきシャッタ速度を1Hずつ増加させることができるので、アナログゲインを×1倍に固定してシャッタ速度を256Hから上限の512H(感度は×211倍)まで連続的に増加させる。アナログゲインの代わりにシャッタ速度を増加させることで、SNRの劣化を抑制することができる。カウント値が2816(=256×11)に達すると、パラメータ制御回路145は、シャッタ速度を512Hに固定する。それから、パラメータ制御回路145は、再びアナログゲインを×1倍から約×2倍まで連続的に増加させる。 Further, when the count value is 2560 (= 256 × 10) or later, the parameter control circuit 145 can increase the shutter speed by 1H for each bit of the count value, so that the analog gain is fixed to × 1 and the shutter speed is increased. the 512H upper from 256H (sensitivity × 2 11 times) continuously increases up. By increasing the shutter speed instead of the analog gain, SNR degradation can be suppressed. When the count value reaches 2816 (= 256 × 11), the parameter control circuit 145 fixes the shutter speed to 512H. Then, the parameter control circuit 145 continuously increases the analog gain again from x1 to about x2.

カウント値が3072(=256×12)に達すると、パラメータ制御回路145はノンリニアデジタルゲインを×1.366倍(リニアデジタルゲインの×2倍相当)に増加させてアナログゲインを×1倍に戻す。それから、パラメータ制御回路145は、再びアナログゲインを×1倍から約×2倍まで連続的に増加させる。このような制御を繰り返しながら、パラメータ制御回路145は、ノンリニアデジタルゲインを×1.866倍,×2.549倍,・・・,×8.877倍と、倍々(リニアゲイン換算)で増加させる。   When the count value reaches 3072 (= 256 × 12), the parameter control circuit 145 increases the non-linear digital gain by × 1.366 (corresponding to × 2 times the linear digital gain) and returns the analog gain to × 1. . Then, the parameter control circuit 145 continuously increases the analog gain again from x1 to about x2. While repeating such control, the parameter control circuit 145 increases the non-linear digital gain by a factor of 1.86 times, x2.549 times,..., X8.877 times (linear gain conversion). .

カウント値が4608(=256×18)以降では、パラメータ制御回路145はノンリニアデジタルゲインを×8.877倍(リニアゲイン換算で×128倍)に固定し、アナログゲインを×1倍から上限の×16倍まで連続的に増加させる。カウント値が5632(=256×22)に達すると、パラメータ制御回路145はアナログゲインを×16倍に固定する。この時点での感度は×222倍、すなわち×400万倍超である。なお、アナログゲインを×4倍に設定した時点で、感度は×220であり×100万倍を超えている。 When the count value is 4608 (= 256 × 18) or later, the parameter control circuit 145 fixes the non-linear digital gain to × 8.877 times (× 128 times in terms of linear gain conversion) and the analog gain from × 1 to the upper limit × Increase continuously up to 16 times. When the count value reaches 5632 (= 256 × 22), the parameter control circuit 145 fixes the analog gain to x16. The sensitivity at this point is × 22 times, that is, over × 4 million times. Incidentally, at the time of setting the analog gain to × 4 times, the sensitivity is over a million-fold × a × 2 20.

従って、パラメータ制御回路145は、リニアデジタルゲインを制御対象から除外しても感度を×1倍から×100万倍を超える範囲まで制御することができる。但し、パラメータ制御回路145は、リニアデジタルゲインを制御対象に含めることで感度の上限をさらに向上させることができる。   Therefore, the parameter control circuit 145 can control the sensitivity from x1 to over x1,000,000 times even if the linear digital gain is excluded from the control target. However, the parameter control circuit 145 can further improve the upper limit of sensitivity by including the linear digital gain in the control target.

具体的には、カウント値が5632(=256×22)以降に、パラメータ制御回路145は、リニアデジタルゲインを×1倍から約×4倍まで増加させることにより、)最高感度は約×224、すなわち×1600万倍超まで増加させることができる。故に、最低被写体照度は、最高被写体照度の約1600万分の1となる。 Specifically, after the count value is 5632 (= 256 × 22), the parameter control circuit 145 increases the linear digital gain from x1 times to about x4 times) (the maximum sensitivity is about x2 24). That is, it can be increased up to x16 million times. Therefore, the minimum subject illuminance is about 1/16 million of the maximum subject illuminance.

なお、ここで説明された感度は、絶対的な大きさではなく、最低感度を×1倍とした場合の相対的な大きさである。故に、感度の最低値に対する最高値の比率が100万を超えることは、可視100万倍光撮像の実現を必ずしも保証しない。しかしながら、図14の例では、上記比率は1600万超に達するうえにパラメータの上限設定次第でさらなる向上も可能であるから、可視100万倍光撮像を十分に実現できる。   Note that the sensitivity described here is not an absolute size, but a relative size when the minimum sensitivity is x1. Therefore, if the ratio of the maximum value to the minimum value of sensitivity exceeds 1 million, it does not necessarily guarantee the realization of visible 1 million times optical imaging. However, in the example of FIG. 14, the ratio reaches more than 16 million, and further improvement is possible depending on the setting of the upper limit of the parameter.

他方、ノンリニアデジタルゲインを制御対象から除外すると、感度の上限は大幅に下がる。このような比較例が図14に示される。図14では、シャッタ速度、アナログゲインおよびリニアデジタルゲインをそれぞれ512H(上限)、×16倍(上限)および×4倍まで増加させたとしても、感度は×217倍、すなわち×13万倍程度に過ぎない。仮にリニアデジタルゲインを×32倍まで増加させれば、感度を×100万倍超とすることも可能であるが、係るリニアデジタルゲインは5ビットもの量子化精度の劣化をもたらすから実用的ではない。 On the other hand, if the non-linear digital gain is excluded from the control target, the upper limit of sensitivity is greatly reduced. Such a comparative example is shown in FIG. In Figure 14, the shutter speed, analog gain and linear digital gain respectively 512H (upper), even increased to 16 times × (upper limit) and × 4 times, sensitivity × 2 17 times, ie × 13 thousand times approximately Only. If the linear digital gain is increased up to x32 times, it is possible to increase the sensitivity to over x1 million times, but such linear digital gain is not practical because it causes a deterioration of quantization accuracy of 5 bits. .

蛍光灯フリッカレス撮像機能を有効にする場合の撮像感度制御においてもノンリニアデジタルゲインの貢献は大きい。フリッカレス撮像機能を有効にするためには、シャッタ速度を所与の商用電源周波数に基づく値(具体的には、半周期の整数倍)に固定する必要がある。仮に、フレームレートが60fpsに固定されていてシャッタ速度の可変範囲が1H/4から512Hまでであるならば、シャッタ速度は次のいずれかに固定されることになる。   The contribution of non-linear digital gain is also significant in the imaging sensitivity control when the fluorescent lamp flickerless imaging function is enabled. In order to make the flickerless imaging function effective, it is necessary to fix the shutter speed to a value based on a given commercial power supply frequency (specifically, an integral multiple of a half cycle). If the frame rate is fixed at 60 fps and the variable range of the shutter speed is from 1H / 4 to 512H, the shutter speed is fixed to one of the following.

数式(11)において、ES50は商用電源周波数が50Hzの場合に設定可能なシャッタ速度を表す。ES60,1およびES60,2は商用電源周波数が60Hzの場合に設定可能なシャッタ速度を表す。 In Equation (11), ES 50 represents a shutter speed that can be set when the commercial power supply frequency is 50 Hz. ES 60, and ES 60, 2 represents the settable shutter speed when the commercial power supply frequency is 60 Hz.

例えば商用電源周波数が50Hzの場合には、アナログゲイン、リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインを制御することで、フリッカレス撮像可能な感度領域は×1228倍〜×1000万倍超となる。なお、仮にノンリニアデジタルゲインを制御対象に含めていなければ、フリッカレス撮像可能な感度領域の上限は約×8万倍にまで低下する点に注意が必要である。   For example, when the commercial power supply frequency is 50 Hz, by controlling the analog gain, the linear digital gain, and the non-linear digital gain, the sensitivity region where flickerless imaging can be performed becomes x1228 times to over x10 million times. It should be noted that if the non-linear digital gain is not included in the control target, the upper limit of the sensitivity region where flickerless imaging can be performed is reduced to about x80,000 times.

同様に、商用電源周波数が60Hzの場合には、アナログゲイン、リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインを制御することで、フリッカレス撮像可能な感度領域は×1024倍〜×1600万倍超となる。なお、仮にノンリニアデジタルゲインを制御対象に含めていなければ、フリッカレス撮像可能な感度領域の上限は約×13万倍にまで低下する点に注意が必要である。   Similarly, when the commercial power supply frequency is 60 Hz, by controlling the analog gain, linear digital gain, and non-linear digital gain, the sensitivity region where flickerless imaging can be performed becomes x1024 times to more than x16 million times. It should be noted that if the non-linear digital gain is not included in the control target, the upper limit of the sensitivity area where flickerless imaging can be performed is reduced to about x130,000 times.

以上説明したように、第1の実施形態に係る撮像装置は、画素信号に入出力1:1のリニア/ノンリニア変換を適用し、可変ノンリニアデジタルゲインを乗算する。この撮像装置は、このノンリニアデジタルゲインを含む複数のパラメータを輝度に基づいて制御することで、撮像感度を広範囲に亘って自動制御できる。特に、ノンリニアデジタルゲインに加えてシャッタ速度およびアナログゲインを制御対象に含めることで、SNRの劣化を抑制しながら×100万倍以上もの高感度を達成することができる。なお、この撮像装置によれば、フリッカレス撮像可能な感度領域を大幅に拡大することも可能となる。   As described above, the imaging apparatus according to the first embodiment applies the input / output 1: 1 linear / nonlinear conversion to the pixel signal and multiplies the variable non-linear digital gain. This imaging apparatus can automatically control imaging sensitivity over a wide range by controlling a plurality of parameters including the nonlinear digital gain based on luminance. In particular, by including the shutter speed and the analog gain in addition to the non-linear digital gain in the control target, it is possible to achieve a high sensitivity of x1 million times or more while suppressing the SNR deterioration. In addition, according to this imaging device, it is also possible to greatly expand the sensitivity area where flickerless imaging is possible.

さらに、この撮像装置において、3ライン同時化回路、輝度算出回路および度数分布算出回路は、撮像感度制御およびHDR圧縮係数発生の両方の処理で共用される。故に、この撮像装置は、撮像感度制御および単一露光HDRを小さな回路規模で実現できる。   Further, in this imaging apparatus, the three-line synchronization circuit, the luminance calculation circuit, and the frequency distribution calculation circuit are shared by both processing of imaging sensitivity control and HDR compression coefficient generation. Therefore, this imaging apparatus can realize imaging sensitivity control and single exposure HDR with a small circuit scale.

加えて、この撮像装置は、撮像感度の制御時に設定されるシャッタ速度、アナログゲイン、リニアデジタルゲインおよびノンリニアデジタルゲインの推移を書き換え可能に記憶する記憶回路を含むことができる。故に、ユーザが撮像感度の制御範囲や所与の撮像感度を達成するためのパラメータの組み合わせなどを自由に設計することができる。   In addition, the imaging apparatus can include a storage circuit that rewritably stores changes in shutter speed, analog gain, linear digital gain, and nonlinear digital gain that are set when imaging sensitivity is controlled. Therefore, the user can freely design a control range of the imaging sensitivity, a combination of parameters for achieving a given imaging sensitivity, and the like.

上記各実施形態において説明された種々の機能部は、回路を用いることで実現されてもよい。回路は、特定の機能を実現する専用回路であってもよいし、プロセッサのような汎用回路であってもよい。   The various functional units described in the above embodiments may be realized by using a circuit. The circuit may be a dedicated circuit that realizes a specific function, or may be a general-purpose circuit such as a processor.

上記各実施形態の処理の少なくとも一部は、汎用のコンピュータを基本ハードウェアとして用いることでも実現可能である。上記処理を実現するプログラムは、コンピュータで読み取り可能な記録媒体に格納して提供されてもよい。プログラムは、インストール可能な形式のファイルまたは実行可能な形式のファイルとして記録媒体に記憶される。記録媒体としては、磁気ディスク、光ディスク(CD−ROM、CD−R、DVD等)、光磁気ディスク(MO等)、半導体メモリなどである。記録媒体は、プログラムを記憶でき、かつ、コンピュータが読み取り可能であれば、何れであってもよい。また、上記処理を実現するプログラムを、インターネットなどのネットワークに接続されたコンピュータ(サーバ)上に格納し、ネットワーク経由でコンピュータ(クライアント)にダウンロードさせてもよい。   At least a part of the processing of each of the above embodiments can also be realized by using a general-purpose computer as basic hardware. A program for realizing the above processing may be provided by being stored in a computer-readable recording medium. The program is stored in the recording medium as an installable file or an executable file. Examples of the recording medium include a magnetic disk, an optical disk (CD-ROM, CD-R, DVD, etc.), a magneto-optical disk (MO, etc.), and a semiconductor memory. The recording medium may be any recording medium as long as it can store the program and can be read by the computer. The program for realizing the above processing may be stored on a computer (server) connected to a network such as the Internet and downloaded to the computer (client) via the network.

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

101・・・光学レンズ
102・・・色フィルタ
103・・・受光画素
104・・・ADC
110・・・信号処理回路
111・・・第1のデジタルゲイン回路
112・・・γ補正回路
113・・・5ライン同時化回路
114・・・キズ検出・補正回路
115・・・ノイズ低減回路
116・・・第2のデジタルゲイン回路
117・・・3ライン同時化回路
118・・・HDR圧縮回路
119・・・輝度算出回路
120・・・HDR圧縮係数発生回路
130・・・感度制御部
131・・・度数分布算出回路
132・・・逆γ補正回路
133・・・輝度積算回路
134・・・指標算出回路
140・・・パラメータ制御部
141・・・カウンタ制御回路
142・・・ALCカウンタ
143・・・アドレス発生回路
144・・・SRAMコア
145・・・パラメータ制御回路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Optical lens 102 ... Color filter 103 ... Light receiving pixel 104 ... ADC
DESCRIPTION OF SYMBOLS 110 ... Signal processing circuit 111 ... 1st digital gain circuit 112 ... gamma correction circuit 113 ... 5-line synchronization circuit 114 ... Scratch detection / correction circuit 115 ... Noise reduction circuit 116 ... Second digital gain circuit 117 ... 3-line synchronization circuit 118 ... HDR compression circuit 119 ... Luminance calculation circuit 120 ... HDR compression coefficient generation circuit 130 ... Sensitivity control unit 131 ... Frequency distribution calculation circuit 132... Inverse gamma correction circuit 133 .. luminance integration circuit 134... Index calculation circuit 140... Parameter control unit 141 ... counter control circuit 142 ... ALC counter 143 .... Address generation circuit 144 ... SRAM core 145 ... parameter control circuit

Claims (9)

アナログ画素部によって生成された第1のリニア画素信号に基づく第2のリニア画素信号に対して入出力1:1のリニア/ノンリニア変換を適用することで、当該第2のリニア画素信号よりもビット数の多い第1のノンリニア画素信号を生成するリニア/ノンリニア変換回路と、
前記第1のノンリニア画素信号にノンリニアデジタルゲインを乗算し、第2のノンリニア画素信号を得るノンリニアデジタルゲイン回路と、
前記第2のノンリニア画素信号に基づいて輝度を算出する輝度算出回路と、
少なくとも前記ノンリニアデジタルゲインを前記輝度に基づいて制御することで撮像感度を制御する感度制御部と
を具備する、撮像制御装置。
By applying linear / non-linear conversion of input / output 1: 1 to the second linear pixel signal based on the first linear pixel signal generated by the analog pixel unit, a bit more than the second linear pixel signal. A linear / nonlinear conversion circuit for generating a large number of first nonlinear pixel signals;
A non-linear digital gain circuit for multiplying the first non-linear pixel signal by a non-linear digital gain to obtain a second non-linear pixel signal;
A luminance calculation circuit for calculating luminance based on the second non-linear pixel signal;
An imaging control apparatus comprising: a sensitivity control unit that controls imaging sensitivity by controlling at least the nonlinear digital gain based on the luminance.
前記感度制御部は、さらに、前記アナログ画素部に設定されるシャッタ速度およびアナログゲインのうち少なくとも一方を前記輝度に基づいて制御する、請求項1記載の撮像制御装置。   The imaging control apparatus according to claim 1, wherein the sensitivity control unit further controls at least one of a shutter speed and an analog gain set in the analog pixel unit based on the luminance. 前記第1のリニア画素信号にリニアデジタルゲインを乗算し、前記第2のリニア画素信号を得るリニアデジタルゲイン回路をさらに具備し、
前記感度制御部は、さらに、前記リニアデジタルゲインを前記輝度に基づいて制御する、
請求項1または請求項2記載の撮像制御装置。
A linear digital gain circuit for multiplying the first linear pixel signal by a linear digital gain to obtain the second linear pixel signal;
The sensitivity control unit further controls the linear digital gain based on the luminance.
The imaging control apparatus according to claim 1 or 2.
前記感度制御部は、前記ノンリニアデジタルゲインを離散的に制御し、前記アナログゲインを連続的に制御して前記ノンリニアデジタルゲインの離散制御を補間する、請求項2記載の撮像制御装置。   The imaging control apparatus according to claim 2, wherein the sensitivity control unit discretely controls the nonlinear digital gain, continuously controls the analog gain, and interpolates the discrete control of the nonlinear digital gain. 前記感度制御部は、前記ノンリニアデジタルゲインを離散的に制御し、前記リニアデジタルゲインを連続的に制御して前記ノンリニアデジタルゲインの離散制御を補間する、請求項3記載の撮像制御装置。   The imaging control apparatus according to claim 3, wherein the sensitivity control unit discretely controls the nonlinear digital gain, and continuously controls the linear digital gain to interpolate the discrete control of the nonlinear digital gain. 前記感度制御部は、前記撮像感度の制御時に設定される前記シャッタ速度、前記アナログゲインおよび前記ノンリニアデジタルゲインの推移を書き換え可能に記憶する記憶回路を含む、請求項2記載の撮像制御装置。   The imaging control apparatus according to claim 2, wherein the sensitivity control unit includes a storage circuit that rewritably stores transitions of the shutter speed, the analog gain, and the nonlinear digital gain that are set when the imaging sensitivity is controlled. 前記撮像感度の最低値に対する最高値の比率が100万を超える、請求項2記載の撮像制御装置。   The imaging control device according to claim 2, wherein a ratio of a maximum value to a minimum value of the imaging sensitivity exceeds 1 million. 前記シャッタ速度は、所与の商用電源周波数に基づく値に固定される、請求項2記載の撮像制御装置。   The imaging control apparatus according to claim 2, wherein the shutter speed is fixed to a value based on a given commercial power supply frequency. 前記輝度の度数分布を算出する度数分布算出回路と、
前記度数分布に基づいて輝度階級毎に圧縮係数を発生する発生回路と、
前記第2のノンリニア画素信号のダイナミックレンジを前記圧縮係数を用いて圧縮する圧縮回路と
をさらに具備する、請求項1記載の撮像制御装置。
A frequency distribution calculation circuit for calculating the frequency distribution of the luminance;
A generating circuit for generating a compression coefficient for each luminance class based on the frequency distribution;
The imaging control apparatus according to claim 1, further comprising: a compression circuit that compresses a dynamic range of the second non-linear pixel signal using the compression coefficient.
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