JP2521986B2

JP2521986B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP2521986B2
Application number: JP62251903A
Authority: JP
Inventors: 力佐藤; 俊之増井; 宏爾 ▲高▼橋; 克二吉村
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-10-06
Filing date: 1987-10-06
Publication date: 1996-08-07
Anticipated expiration: 2011-08-07
Also published as: JPH0193967A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は実質的なダイナミック・レンジの広い撮像装
置に関する。

〔従来の技術〕

撮像装置は、カメラ一体形VTRやスチル・ビデオ・カ
メラなどのビデオ・カメラ部として広く使用されてい
る。撮像管や固体撮像素子を用いるビデオ・カメラは旧
来の銀塩写真システムに比べダイナミック・レンジが狭
く、従って、逆光時などには白とびや黒つぶれ（輝度レ
ベルが著しく高い又は低い部分の俗称）などが発生す
る。従来のビデオ・カメラではこのような場合、手動又
は逆光補正ボタンの操作により絞りを２絞り分程度開放
し、光量を調節していた。

しかし、このような逆光補正を適切に行った場合で
も、主たる被写体が適正露光量であっても背景で白とび
が発生してしまい、背景が白いだけの画面になってしま
う。つまり、従来装置のように主被写体の露光量が適正
になるように光量調節するだけでは、撮像装置のダイナ
ミック・レンジの狭さは解決されない。例えばライン・
スキャナを用いて静止画像を電気信号に変換する従来の
撮像装置では、同一被写体から得られた露光量の異なる
複数の画面から１つの画面を合成するものが考えられて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、そのような撮像装置は静止画像を対象
としており、ダイナミック・レンジの広い動画が得られ
るものではなかった。

このような状況に鑑み、本出願人は、実質的にダイナ
ミック・レンジの広い動画信号の得られる撮像装置を提
示することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る撮像装置は、被写体像を電気信号に変換
する撮像手段と、前記撮像手段の蓄積時間を周期的に変
化させることにより露光量の異なる画像を連続して周期
的に出力させる撮像制御手段と、前記撮像手段から連続
的に出力される露光量の異なる複数の画面の各部分の信
号レベルをそれぞれ所定の基準値と比較することにより
適正レベルの画面部分を選択し、選択された適正レベル
の画面部分を合成して第１の画像として第１の期間に出
力する第１のモードと、前記第１のモードにより得られ
た第１の画像を記憶保持して第２の画像を形成し前記第
１の期間に続く第２の期間に出力する第２のモードとを
有し、前記第１及び第２の画像を選択的に出力する出力
制御手段とを有することを特徴とする。

〔作用〕

異なる電荷蓄積時間の撮像信号の画像を合成すること
により、実質的により広いダイナミック・レンジの撮像
信号が得られる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。
第１図は、カメラ一体形VTRに本発明を適用した場合の
全体構成ブロック図を示す。

第１図において、100はカメラ部、200は処理部、300
は記録部である。カメラ部100において、光学系101から
入射した光線は絞り102により光量制限され、撮像素子1
03に結像する。撮像素子103は撮像管や、MOS,CCDなどの
半導体撮像素子からなる。焦点駆動回路107、絞り駆動
回路106及び撮像素子駆動回路105は、カメラ制御回路10
8の制御の下で、それぞれ光学系101、絞り102及び撮像
素子103を駆動する。カメラ信号処理回路104は通常のビ
デオ・カメラの信号処理回路と同様のγ補正その他の処
理を行う周知回路である。

カメラ部100から出力される映像信号は、処理部200の
A/D変換器201でディジタル信号に変換され、演算回路20
2で後述する画素データの変換を行われ、D/A変換器203
でアナログ信号に戻され記録部300に供給される。204
は、演算回路202での演算用の画像メモリであり、205は
そのアドレッシンング回路である。アドレッシンング回
路205はカメラ部100の制御回路108からのタイミング信
号に応じて画像メモリ204の書込、読出アドレス制御信
号を出力する。

記録部300では、D/A変換器203からのアナログ信号が
公知の方法でVTRレコーダ301に記録される。

次に撮像素子103の動作を説明する。第３図はNTSC信
号を例にとった場合の、カメラ部100のタイミング・チ
ャートを示す。フィールド・インデックス（FI）信号
は、１フレームを構成する奇（ODD）フィールドと偶（E
VEN）フィールドとを区別するための信号である。V_BLK
信号は垂直ブランキング信号であり、Ｈ（高）の期間が
有効画面、Ｌ（低）の部分が垂直ブランキング期間に対
応する。T_puLseは撮像素子103の電荷蓄積時間制御のた
めの信号であり、例えばCCD撮像素子の場合には画素出
力を垂直転送用CCDに読み出すためのパルスである。ア
イリス・ゲート信号は、後述する自動露出のための基準
となる映像信号として、1/1000秒の蓄積信号か1/60秒の
蓄積信号のどちらを用いるかを指定する信号である。

図示例では、垂直ブランキング期間の間に1/1000秒の
蓄積を行い、次の有効画面期間にその1/1000秒蓄積信号
を出力する。そして、1/1000秒蓄積期間の直後の有効画
面期間に実質1/60秒の電荷蓄積を行い、次フィールドの
有効画面期間にその1/60秒蓄積信号を出力する。このよ
うにして、各フィールド毎に、２種類（1/1000秒と1/60
秒）の光量の信号が交互に出力される。

上記実施例では、1/1000秒と1/60秒の組み合わせであ
り、約４段（2⁴倍）の光量変化であるので、例えばCCD
撮像素子を用いたカメラの場合、EVENフィールドで1/60
秒の蓄積時間を基準に主被写体に露出を合わせると、そ
のEVENフィールドでは背景に白とびが生じ易いのに対
し、４段光量を少なくしたODDフィールドでは主被写体
で黒つぶれが発生することが多い。なお、この例は逆光
補正時に背景側に露出を合わせた場合を想定したもの
で、勿論、その場の状況により1/1000秒以外に設定して
もよい。

本実施例では、このような、一方のフィールドでの白
とび及び／又は黒つぶれを積極的に利用して、画面の改
善を行う。つまり白とび又は黒つぶれの生じる部分につ
いては、他のフィールドの対応部分（露出が異なるので
黒つぶれ又は白とびは生じていない。）を利用し、両フ
ィールドの信号を合成して最終的な映像信号とする。そ
の基本的考え方を第４図を参照して説明する。第４図で
は、主被写体を縦長の長方形で模式的に示している。第
４図でスルー（Ｔ）画とは撮像素子103の直接出力をい
う。スルー画ではODDフィールド毎に逆光時の主被写体
が黒つぶれになり、EVENフィールド毎に背景が白とびに
なっている。メモリinとはフィールド・メモリ（第５図
のメモリ204）に書き込まれる画面であり、メモリoutと
は当該メモリから読み出される画面である。当該メモリ
204には、ODDフィールド期間ではスルー画（Ｔ）が直接
書き込まれ、EVENフィールド期間には、スルー画（Ｔ）
とメモリoutである１フィールド前のODDフィールドの画
面との合成画面が書き込まれる。

この場合、第３図の蓄積時間の欄にA,Bとして示した
異なる蓄積時間の信号を合成する際には、A₁とB₁、A₂と
B₂というような２つの画面を組み合わせて合成するもの
であり、例えば、B₁とA₂という画面の組み合わせでの画
面合成を防止している。従って、合成される２つの画面
を得るための蓄積が行われる期間は互いに近接している
ので、ブレの少ない合成画面を得ることができる。

また、EVENフィールド期間では、所定の閾値と入力デ
ータとを比較し、当該入力データが当該閾値より大きけ
れば１、小さければ０の判定を行い、上記スルー画
（Ｔ）及びメモリoutに対してそれぞれ判定Ａ及び判定
Ｂとして各画素に対応する形で出力する。

第６図はその閾値と画素の輝度値との関係を示す。第
６図の横軸は輝度レベル、縦軸は１画面中の各輝度レベ
ルの出現頻度を示す。第６図に示すように、閾値Th1は
黒つぶれを判定できるように設定され、閾値Th2は、白
とびを判定できるように設定される。即ち、Th1以下が
黒つぶれであり、閾値Th2以上が白とびと判定される。

上記判定Ａ及び判定Ｂを用い画素選択フラグを計算す
る。ここでは最も簡単な論理積の演算例を示す。この画
素選択フラグに従い、各々の画素領域についてスルー画
（Ｔ）、メモリoutで示した画像信号から信号を選択す
る。その選択結果が第４図の最下段のEVENフィールド期
間の絵である。ODDフィールド期間では１フィールド期
間前の出力画像（メモリout）が再び出力される。

第５図は処理部200の演算回路202において、上記閾値
Th1,Th2との比較及び選択フラグを形成する回路部分の
構成ブロック図を示す。スイッチ501,502は、フィール
ド毎に“H",“L"が反転する切換制御信号（例えばFI信
号）によって切換制御される。図示例では“H"の期間
に、スイッチ501はｂ接点に接続し、スイッチ502はＭ接
点に接続する。そして、“L"の期間では、スイッチ501
はａ接点に接続するが、スイッチ502はアンド回路507の
出力により切換制御される。２つの閾値発生回路503,50
4は各々、第６図に示す閾値Th1,Th2を発生する。比較回
路505はメモリ204の出力信号（メモリout）と閾値Th1と
を比較して判定Ｂを出力し、比較回路506はA/D変換器20
1の出力信号（スルー画）と閾値Th2とを比較して判定Ａ
を出力する。アンド回路507は比較回路505,506の出力A,
Bの論理積をとり、選択フラグとして出力する。上記の
如く、アンド回路507の出力によりスイッチ502の切換を
制御する。

第７図は階調特性図を示す。同（ａ）の実線が通常の
ビデオ・カメラの特性図であり、100％までは入出力が
リニアになっており、それ以上の入力（100〜400％）に
対してはKNEE特性と呼ばれる傾きの緩い関係となってい
る。この変化点をP1とすると、高速シャッタ時にはこの
変化点がP2の位置に移行する。但しP1が1/60秒で、P2が
２段の露光量変化の1/250秒であるとする。上述のよう
に、４段の差の場合には、第７図（ｄ）の（１）と
（５）の関係になる。因みに、第７図（ｄ）の（１）は
1/60秒、（２）は1/125秒、（３）は1/250秒、（４）は
1/500秒、（５）は1/1000秒とした場合の特性図であ
る。傾きの違う２つの特性から好みのカーブを持つ特性
を合成する。第７図（ｂ），（ｃ）がその合成例であ
る。

具体的に階調特性の合成法を説明する。なお、線形部
からKNEE特性部への変化点P1（低速シャッタ・スピード
の場合）と、P2（高速シャッタ・スピードの場合）のど
ちらか一方が100％点になるように制御する場合を例に
とる。第６図に示したように閾値を設け、画面の白とび
及び黒つぶれを判定するが、その閾値の設定により階調
特性が変化する。その変化の様子を第７図（ｂ）に示
す。（１）〜（３）の特性は、白とび判定用の閾値Th2
を低い値から順次高い値へ変化させていった場合に、ス
イッチ57による画素切換で高速シャッタ側を選択する位
置が高輝度側に変化する様子を示す。

第５図ではスイッチ502により一方の画素信号を選択
しているが、対応する２画素のデータを演算処理して目
的の信号を得てもよい。例えば、第７図（ｂ）の特性
（２）を基準として各種の演算方法を選択した場合の特
性変化を第７図（ｃ）に示す。第７図（ｃ）の特性
（２）は第７図（ｂ）の特性（２）と同じである。第７
図（ｃ）の特性（１）は、「白とび」判定がなされた画
素のデータと別画面の対応画素のデータとを用い、平均
値処理を行った場合を示す。特性（３）は減算処理を行
った場合を示す。例えば、「白とび」と判定された対応
する２画素のデータをそれぞれD₁，D₂とし、処理結果を
Ｄとすると、平均値処理ではＤ＝（D₁＋D₂）/2であり、
減算処理ではＤ＝D₁−ｋ（D₁−D₂）である。但し、ｋは
設定閾値に応じて変化させる。第７図（ｃ）の特性
（３）ではｋは約1.88である。このような平均値処理や
減算処理以外にも、定数加算、定数減算などの所謂オフ
セット処理でもよく、またこれらを併用してもよい。

画面内で輝度が大きく異なる場合、被写体と背景とい
う２つ（又はそれ以上）の領域に区分けできる。その各
領域内でむやみに信号の切換を行うと、領域内での適切
な階調表現が困難になり、また領域の境界線部分がちら
ついたりするので、各領域内では、どちらか一方の蓄積
時間の信号だけを用いるのが好ましい。このようにする
ためには、周辺画素の情報を参照して閾値Th1,Th2を適
宜に変更すればよく、例えば、閾値にヒステリシス特性
を持たせる。即ち、第６図のTh1以下の画素情報を受け
取った時、閾値をTh1からTh1′（＞Th1）に上げ、比較
回路505,506の出力が容易には反転しないようにする。
そして、比較回路505,506の出力が反転した後は、閾値
をTh1′からTh1に戻す。閾値Th2についても同様であ
り、Th2を越える値を受け取った時、閾値をTh2からTh
2′（＜Th2）に下げる。

第２図はカメラ部100のより詳細な構成ブロック図を
示す。20はカメラ信号処理回路104からの信号（例えば
輝度信号）を受けて、露出制御用の制御信号を演算する
公知のAE制御回路、22は合焦制御のための制御信号を出
力する公知のAF制御回路、24は垂直ブランキング信号V
_BLKを２分周する1/2分周回路である。26,27はサンプル
・ホールド（S/H）回路、28はインバータ、29,30は1/2
分周回路24の出力又はインバータ28によるその反転信号
のどちらでサンプリング・タイミングを決定するかを選
択するスイッチである。S/H回路26,27の出力はそれぞれ
絞り駆動回路106及び焦点駆動回路107に印加され、自動
露出制御、自動焦点調節が実行される。

上記のように、１フィールド内に露光量の異なる複数
の画面の信号が得られる場合には、カメラ信号処理の一
部を変更する必要がある。即ち、AE（自動絞り調節）、
AF（自動焦点調節）及びAWB（自動白バランス調節）な
どの各制御系で内部式の撮像信号を用いている場合であ
る。そこで、主な例として、第２図を用いてAE処理を説
明する。撮像素子103から得られた信号は、AE制御のた
めに、カメラ信号処理回路104からAE制御回路20に送ら
れ、AE制御回路20はAE制御のサーボ・ループが作動する
ように絞り駆動回路106に制御信号を供給する。この制
御信号は、撮像素子103の出力が適当なダイナミック・
レンジの範囲に入るように、即ち明るいときには絞り10
2を絞り込ませ、暗いときには絞り102を聞かせるように
変化する。

しかし、光量が例えばフィールド毎などの周期で変換
する場合には、適切なAE動作は望めない。というのは、
AEサーボの応答速度はフィールドやフレーム周期の変化
に比べると大変長く、中途半端な値に落ち着くからであ
る。これを避けるためには、AE動作の制御信号は複数の
露光量画像の内のただ１つに限定しておくべきである。
第２図ではS/H回路26を設け、また、どれか１つ（例え
ば1/60秒）の画面に相当する制御信号だけを選択するよ
うに、スイッチ29でサンプル・タイミングを規定する。

第２図では垂直ブランキング（V_BLK）信号によりサン
プリング・パルスを形成しており、1/2分周器24によ
り、V_BLK信号毎に反転する信号を形成し、これをスイッ
チ29のａ接点に接続し、当該分周器24の出力をインバー
タ28で反転した信号をスイッチ29のｂ接点に接続する。
スイッチ22でａ接点側を選択すれば、ODDフィールド、1
/1000秒蓄積信号がAEループ制御の基準となるサンプリ
ング・パルスがS/H回路26に印加され、逆にｂ接点側を
選択すれば、1/60秒蓄積信号がAEループ制御の基準とな
るサンプリング・パルスがS/H回路26に印加される。AF
制御についてのAF制御回路22、S/H回路27、スイッチ30
についても同様である。AWB制御については図示を省略
した。

動画用のカメラの動作ループは数秒のレスポンスにな
るように設定され、画面の急激な変化を避けている。そ
こで、例えば1/1000秒と1/60秒の露光時間をフィールド
毎に切り換えた場合には、AEループではおよそ1/250秒
の露光時間を連続して行った場合と同じ応答を示す。こ
れは定常的な誤差と見做せるので、露光量の違いに応じ
たオフセット・バイアスをAEループに付加することで解
決できる。第８図はその変更構成例である。80がそのバ
イアスを発生するバイアス発生回路、81はAEループに当
該バイアスを加算する加算器、82はAFループに同様のオ
フセット・バイアスを付加する加算器である。AWBにつ
いても同様である。

第９図は、制御回路108の他の構成例を示す。マスタ
ー・クロック発生器40は外部からの基準信号に従い、制
御回路108内部用のマスター・クロックを発生する。1/1
000シャッタ用のクロック発生器41はそのマスター・ク
ロックに従い高速用クロックを発生し、1/60シャッタ用
のクロック発生器42はそのマスター・クロックに従い低
速用クロックを発生する。スイッチ45はフィールド毎に
切り換わり、クロック発生器41及び同42の出力を交互に
駆動回路105に印加する。AE制御信号発生器43は、カメ
ラ信号処理回路104からの映像信号を基に、絞り制御の
ためのAE制御回路を発生する。制御信号保持回路44はそ
の制御信号を１フィールド間保持する。スイッチ46は、
フィールド毎に切り換わり、AE制御信号発生器43の出力
及び制御信号保持回路44による保持信号を交互に絞り制
御回路106に印加する。切換信号発生器47は、スイッチ4
5,46の切換を制御する。スイッチ45,46は同期して切り
換わる。

この実施例では、低速用、高速用それぞれにクロック
発生器を設け、そのクロックを、フィールド毎の信号を
発生する切換信号発生器の出力信号により切り換えてい
るので、回路構成及び動作が簡単になるという効果があ
り、特に動画に適している。

〔発明の効果〕

以上の説明から容易に理解できるように、本発明によ
れば、逆光時においても、主被写体のみならず背景まで
も適正露光となるような撮影が可能になり、実質的なダ
イナミック・レンジを拡げうる。また画面の合成を時間
的に近接した画面間で行うことにより、移動物体におい
てもその境界で画像劣化が生ずることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を用いたカメラ一体形VTRの
構成ブロック図、第２図は第１図のカメラ部の制御回路
108の具体的構成ブロック図、第３図は撮像素子の動作
タイミング・チャート、第４図は本発明による画像処理
の概念図、第５図は第１図の演算回路202の具体的構成
ブロック図、第６図は白とび及び黒つぶれ判定の閾値の
決定法を説明する図、第７図は階調特性図、第８図は第
２図の変更構成例、第９図は制御回路108の他の構成例
のブロック図である。 100…カメラ部、200…処理部、300…記録部

フロントページの続き (72)発明者吉村克二神奈川県川崎市高津区下野毛770番地キヤノン株式会社玉川事業所内 (56)参考文献特開昭62−85583（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−71938（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被写体像を電気信号に変換する撮像手段
と、前記撮像手段の蓄積時間を周期的に変化させることによ
り露光量の異なる画像を連続して周期的に出力させる撮
像制御手段と、前記撮像手段から連続的に出力される露光量の異なる複
数の画面の各部分の信号レベルをそれぞれ所定の基準値
と比較することにより適正レベルの画面部分を選択し、
選択された適正レベルの画面部分を合成して第１の画像
として第１の期間に出力する第１のモードと、前記第１
のモードにより得られた第１の画像を記憶保持して第２
の画像を形成し前記第１の期間に続く第２の期間に出力
する第２のモードとを有し、前記第１及び第２の画像を
選択的に出力する出力制御手段とを有することを特徴とする撮像装置。