JP3110797B2 - 撮像方法及び撮像画面合成装置 - Google Patents

撮像方法及び撮像画面合成装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、画像信号のダイナミッ
クレンジを見かけ上拡大する撮像方法及び撮像画面合成
装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】撮像装置は、カメラ一体形VTRやスチ
ルビデオカメラ等の撮像部として広く使用されている。
これらのビデオカメラ等に用いられる撮像管や固体撮像
素子を用いた撮像装置は、旧来の銀塩写真システムに比
べダイナミツクレンジが狭く、従つて、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。このような場合に
は、通常、主たる被写体が「黒つぶれ」しているので、
従来のビデオカメラ等においては、この主たる被写体に
露出を合わせるために、手動による絞りの操作、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、
撮像素子等の露光量を増加させる様に調節していた。
【0003】しかし、このような逆光補正を適切に行つ
た場合でも、主たる被写体が適正露光量になっても、背
景で「白とび」が発生してしまい、背景が白いだけの画
面になつてしまう。つまり、従来の撮像装置のように主
たる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ツクレンジの狭さは解決さ
れない。そこで、例えばラインスキヤナなどを用いて静
止画像を電気信号に変換するような撮像装置では、従
来、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構成がとられている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】そして、上記の様な従
来の構成を採用した撮像装置においては、撮像装置と被
写体との位置関係は常に一定に固定されているため、夫
々の画面の撮像のタイミングが経時的にずれていても、
画像のずれが生じることがなく全く問題を発生しなかっ
た。しかしながら、上記の様な方法をビデオカメラ、あ
るいはスチルビデオカメラ等に適用した場合には、手ぶ
れ等により、ビデオカメラ等と被写体との位置関係が細
かく変化するため、同一被写体の露光量の異なる複数の
画面を撮像しようとすると、それらの夫々の画面の位置
が僅かづつずれることになり、これらの画面を合成する
と被写体が2重や3重にずれて写ってしまうという問題
点があった。このことは、特に最近の小型軽量化が進ん
だビデオカメラにおいては、手持ち撮影時に手ぶれを発
生し易いことから考えると、より大きな問題となってく
る。
【0005】従って、本発明は上述の課題に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、画面ぶれを
生じ易いビデオカメラ等においても、画像がずれること
なく、且つ実質的なダイナミックレンジが広い画像を撮
像することができる撮像方法及び撮像画面合成装置を提
供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決し、目
的を達成するために、本発明の撮像方法は、異なる露光
条件にて順次撮像した複数の画面を合成することによ
り、映像信号のダイナミックレンジを見かけ上拡大する
撮像方法において、前記複数の画面間の撮像時の経時的
な位置ずれに対応して、前記複数の画面の夫々の座標変
換を行った後、該複数の画面の合成を行なうことを特徴
としている。
【0007】また、本発明の撮像画面合成装置は、異な
る露光条件にて順次撮像した複数の画面を合成すること
により、映像信号のダイナミックレンジを見かけ上拡大
する機能を有する撮像画面合成装置において、前記複数
の画面間の動き情報を検出する検出手段と、該検出手段
の検出情報に基づいて、前記複数の画面の夫々を、平面
座標内で位置変換する画像移動手段とを具備することを
特徴としている。
【0008】
【作用】以上のように、この発明に係わる撮像方法及び
撮像画面合成装置は構成されているので、手ぶれ等のた
めに発生した画面ぶれを有する映像信号に対しても、画
像のずれのない実用的なダイナミックレンジ拡大処理を
施すことができる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の好適な一実施例について、添
付図面を参照して詳細に説明する。図1はカメラ一体形
VTRに一実施例を適用した場合の全体構成ブロツク図
を示す。
【0010】図1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103に結像する。撮像素子
103はMOSや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及び光蓄
積時間の制御などを行なう撮像素子駆動回路105は、
カメラ制御回路108の制御の下で、それぞれ光学系1
01、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補正その他の周知の処理を行うデジタ
ル回路である。
【0011】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でデイジタル信
号に変換され、演算回路202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に提供される。
【0012】204は演算回路202及び画面振れ検出
回路206での演算用の画像メモリであり、205はこ
れを制御するためのメモリ制御回路である。メモリ制御
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
ドレス信号を出力する。
【0013】又、画面合成時に、画面振れ検出回路の出
力に応じ、画面振れを補正する様に、毎画面度に位置合
わせの為のアドレス信号を発生する。読み出した共通信
号を合成し、入力信号と同一形態に合わせる為に、演算
回路202にて拡大補間の処理が行われる。この様にし
て、画面のズレが発生しない様に階調合成された映像信
号が、演算回路202より出力され、D/A変換器20
3にて、アナログ信号に変換され、周知のVTR(映像
信号記録装置)301に記録される。
【0014】このVTRが、デイジタル記録方式の場合
には、当然D/A変換器203は不要である。次に、撮
像素子103の動作を説明する。図2はカメラ部100
のより詳細な構成ブロツク図であり、図3はNTSC信
号を例にとつた場合に、カメラ部100のタイミング・
チヤートを示す。フイールド・インデツクス(FI)信
号は、1フレームを構成する奇(ODD)フイールドと
偶(EVEN)フイールドとを区別するための信号であ
る。VBLK 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。TPU LSA 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、1/1
000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。
【0015】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
秒蓄積期間の直後に実質1/60秒の電荷蓄積を行い、
次フイ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、各フイールド毎に、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。
【0016】なお、図2において、20はカメラ信号処
理回路104からの信号(例えば映像信号)をA/D変
換器201を介して受け、露出制御のための制御信号を
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VBLK 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かでサンプリ
ング・タイミングを決定するかを選択するスイツチであ
る。サンプル・ホールド回路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。
【0017】上記実施例では、1/1000秒と1/6
0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フイールドで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フイール
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フイ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、その場合の状況により1/1000秒以外に設定し
てもよい。
【0018】上記の例以外にも、近年VOD方式の高速
シヤツター機能を有するCCDが実用化されている。こ
れは、CCDの基板の垂直方向に不要電荷に排出するも
ので、非常に細かなシヤツタースピード設定が可能であ
り、主被写体と背景被写体の輝度差に応じ、制御回路1
08内のAE制御回路20の判断で最適なシヤツタース
ピードが駆動回路105により設定可能になる。
【0019】一実施例では、このように、一方のフイー
ルドでの「白とび」及び「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、他のフイールドの対応部
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。)で代替し、両フイ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、図4
を参照して説明する。図4では、主被写体を縦長の長方
形で模式的に示している。図4でスルー(T)画とは撮
像素子103の直接出力をいい、メモリ(M)画又はメ
モリ出力とは画像メモリ204に一旦記憶された直前フ
イールドの信号をいう。スルー画ではODDフイールド
毎に逆光時の主被写体が「黒つぶれ」になり、EVEN
フイールド毎に背景が「白とび」になつている。また、
メモリ画では、1フイールド期間遅延した信号からなる
ので、「白とび」と「黒つぶれ」はスルー画とは異なる
フイールドで生じている。
【0020】従つて、スルー画とメモリ画とを適切に組
み合わせれば、「白とび」及び「黒つぶれ」の無い良好
な映像が得られることになる。つまり各フイールド毎に
スルー画及びメモリ画の信号を所定の閾値と比較して、
当該閾値より大きければ1、小さければ0として、画素
毎に「白とび」又は「黒つぶれ」を判定する。
【0021】図6はその閾値と、画素の輝度値、フイー
ルドとの関係を示す。図6(a)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。図6
(a)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。図6(b)は各フイールドと閾値との関係を示す。
上記の如くODDフイールドとEVENフイールドでは
「白とび」と「黒つぶれ」が交互するので、その判定用
の閾値もフイールド毎に変更する。
【0022】このようにしてどのフイールドのどの画素
部分が「黒つぶれ」又は「白とび」であるかを判定でき
るから、その判定結果を用い、スルー画とメモリ画とで
適正な露光量の画素信号を選択できる。例えば、判定A
と判定Bの論理積をとり、ODDフイールドでは、論理
積が1である画素に対してはスルー画の信号を選択し、
論理積が0である画素に対してはメモリ画の信号を選択
し、EVENフイールドではその逆の関係にすることに
より、図4に示すような選択フラグが得られる。図4の
最下段の絵は、その選択フラグによる合成画像を示す。
この図では、主被写体が等速度運動を行つた場合を想定
し、時間軸ズレが画像に及ぼす影響を確認したが、実用
上充分な動画になりうることが分かる。
【0023】図5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詳細な構成ブロツク図を示す。T
H切換制御信号は、FI信号などのように、フイールド
毎に“H”,“L”が反転する信号であり、閾値発生回
路53及びインバータ51を介して第2の閾値発生回路
52に印加される。閾値発生回路52,53はその切換
信号に応じて、図6(b)の関係の閾値TH1又は同T
H2を発生する。比較回路54,55はそれぞれメモリ
画,スルー画と閾値発生回路52,53からの閾値とを
比較し、判定結果としてのA信号,B信号を出力する。
アンド・ゲート56はそのA信号とB信号との論理積を
とり、選択フラグ信号を出力する。スイツチ57は当該
選択フラグ信号に従つて切り換わり、メモリ画又はスル
ー画の信号を選択する。
【0024】図7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つており、それ以上の入力(10
0〜400%)に対してはKNEE特性と呼ばれる傾き
の緩い関係となつている。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、図7(d)の(1)と(5)の関係にな
る。因に、図7(d)の(1)は1/60秒,(2)は
1/125秒,(3)は1/250秒,(4)は1/5
00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。図7(b)は「白とび」及び「黒つぶ
れ」判定の閾値が異なる各場合の合成特性例を示し、図
7(c)は、対応する2つの画素の信号を加算平均して
出力とする場合(同(1))、一方を選択する場合(同
(2))、及び適当な計数のもとで加算平均する場合
(同(3))の各特性を示す。
【0025】上記の例では1秒間に実質30枚の時間分
解能になり、フレーム蓄積CCD撮像素子などと同程度
になる。そこで、フイールド蓄積CCD撮像素子と同程
度の時間分解能を実現すべく、1フイールドに2枚の画
面を取り込む例を説明する。その構成例の変更部分を図
9に示し、タイミング・チヤートを図8に示す。原理的
には、通常のビデオ・レートより速い速度で撮像素子1
03の信号を読み出し、それを時間軸変換して通常レツ
ドに戻す。フイールド・メモリ90,91は各々1フイ
ールド分の画像情報に相当する記憶容量を有しており、
メモリ90では1/120秒読出と同時化するために1
/1000秒蓄積信号の遅延を行い、メモリ91では、
1/120秒単位の映像信号を1/60秒単位のNTS
C信号に変更するための2倍の時間伸張処理を行う。図
9中の(a)〜(d)は、図8の信号(a)〜(d)に
対応している。このような作用を試す撮像素子103と
しては、XYアドレス方式のMOS固体撮像素子が考え
られる。
【0026】次に、制御回路108の他の詳細例を図1
0に示す。マスター・クロツク発生器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
ロツクを発生する。1/1000シヤツター用のクロツ
ク発生器41はそのマスター・クロツクに従い高速用ク
ロツクを発生し、1/60シヤツター用のクロツク発生
器42はそのマスター・クロツクに従い低速用クロツク
を発生する。スイツチ45はフイールド毎に切り換わ
り、クロツク発生器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からの映像信号を共に、絞り制
御のためのAE制御信号を発生する。制御信号保持回路
44はその制御信号を1フイールド間保持する。スイツ
チ46は、フイ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、スイツチ45,46の切換を制御する。ス
イツチ45,46は同期して切り換わる。
【0027】上記の例では、低速用,高速用それぞれに
クロツク発生器を設け、そのクロツクを、フイールド毎
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
変えているので、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。
【0028】以上の説明では、シヤツター・スピードを
変化させることで異なる露光量の画面を生成したが、高
速の絞り装置を用意できる場合には、その絞りを高速で
変化させてもよく、また、例えばPLZTなどのよう
に、減光フイルタを電気的に制御する方式で実現しても
よい。
【0029】以上、説明してきた様に、一実施例におい
ては、様々な演算処理が考えられるが、簡単な処理で効
果の高い単純加算による画面合成を例にとり、以下に説
明する。
【0030】図11は画面振れの概念図で、2画面(O
DDフィールド画面とEVENフィールド画面)の被写
体に対する画面(撮像素子103)の位置ずれを示して
いる(図11−a)。
【0031】ODD画面とEVEN画面の共通部分(共
通エリア)の左上部を、メモリ読み出し開始点Pとする
と、ODD画面に対しては、図11−bで示すPODD
点、EVEN画面に対しては、図11−cで示すPEVEN
点が画像メモリ204aよりの読み出し開始位置とな
り、ODDとEVENの共通エリアに関してのズレの無
い、映像信号の生成が可能となる。
【0032】図1の構成図を一実施例に合わせて具体化
したものが図12に示す構成図である。入力された映像
信号はA/D変換器201にてデイジタル信号化され、
フイールドメモリ204aと動き検出回路206へ供給
される。フイールドメモリ204aの出力は、動き検出
回路206の他の入力端子へ供給され、1フイールド時
間差の映像信号から、画像の動き情報を検出し、画面振
れ補正信号を生成する。この補正信号はメモリ制御回路
205に供給され、このメモリ制御回路205は、面振
れ補正信号をもとにフイールドメモリ204aを制御す
る。
【0033】図11−aで示した共通エリア部分がフイ
ールドメモリ204aより出力され、この信号が次段の
拡大補間回路202aにて、入力信号と同様の信号形態
(例えばNTSC信号)に戻される。
【0034】共通エリア部分が小さい程、この処理での
拡大率が高くなる。どの様な拡大率であつても、画像信
号は元の形態に戻されてから加算器202b経由で、フ
イールドメモリ204bに格納される。格納された画像
信号がODD画面の信号とすると、次のフイールド期間
にはEVEN画面の信号が拡大補間回路202aより出
力され、加算器202bにて対応する画素データが加算
される。加算された信号は選択器207のEVEN側端
子経由でD/A変換器203へ供給される。その一方
で、この加算信号はフイールドメモリ204bにも格納
され、次フイールドのODD期間にはREAD−MOD
IFY−WRITE動作で、同一画面を選択器207の
ODD端子経由で、D/A変換器203へ供給しつつ、
新たなODD画面情報をフイールドメモリ204bへ格
納してゆく。この時、スイツチ208はODDで開、E
VENで閉とし、新たなODD画面をメモリに書き込む
時には、加算器202bがスルーとなる様に切り変え
る。
【0035】この様にして生成された信号は、D/A変
換器203より入力信号と同様のアナログ信号として出
力される。上記の処理の時間的な関係を図13のタイミ
ングチヤートに示す。図13のタイミングチヤートにお
いて、AはODD,EVENフイールドの判別信号であ
り、拡大補間回路202aの出力タイミングである。B
はスイツチ208の開閉タイミングを示しており、加算
器202bは、このスイッチ208の開閉により機能が
変化し、スイッチ208が開の場合には、信号を素通り
させ、スイツチ208が閉の場合には加算器として働
く。Cはメモリ204bへの書込みタイミングを示した
ものであり、AにおけるODD期間はそのままODD画
面を書き込み、AにおけるEVEN期間は、READ−
MODIFY−WRITE動作により、現ODD画面に
EVEN画面を加算し、再度、同一アドレスに書き込み
処理を行なう。Dは選択器207の端子切換のタイミン
グを示したものであり、t1期間におけるODD画面情
報は、同t2のEVEN画面情報と加算され、Dにおけ
るt2期間に出力され、更に、t3期間に同一情報が再
度読み出され、出力される。
【0036】以上、2フイールド期間を単位時間として
処理が完了する。ちなみに、ODDとEVENでライン
補間処理を切換え、インターレース対応にして、いわゆ
る画面妨害を低減させる事も可能である。この妨害低減
の為には、フイールドメモリ204bと選択器207の
間の点Qにライン補間回路を挿入すると良い。なお、本
発明は、その主旨を逸脱しない範囲で上記実施例を修正
または変形したものに適用可能である。
【0037】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、ダ
イナミツク・レンジを実質的に広くすることができ、例
えば、逆光の場合であつても、主被写体のみならず背景
も、適正な露光量の画像が得られるという効果がある。
また、手ぶれ等の為に発生した画面ぶれを有する映像信
号に対しても、画像のずれのない実用的なダイナミツク
・レンジ拡大処理が施せるという効果を有する。これは
小型・軽量化の激しいカムコーダーには、大変な利点で
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を適用したカメラ一体形VR
Tの構成ブロツク図である。
【図2】図1のカメラ部の制御回路の具体的構成ブロツ
ク図である。
【図3】撮像素子の動作タイミング・チヤートである。
【図4】一実施例による画像処理の概念図である。
【図5】図1の演算回路の具体的構成ブロツク図であ
る。
【図6】「白とび」及び「黒つぶれ」判定の閾値の決定
法を説明する図である。
【図7】階調特性図である。
【図8】撮像素子の動作タイミング・チヤートである。
【図9】カメラ部の一部の構成ブロツク図である。
【図10】図1における制御回路の一例である。
【図11】画面振れの概念図である。
【図12】図1の構成図を具体化した図である。
【図13】一実施例の動作を示すタイミングチヤートで
ある。
【符号の説明】
100 カメラ部 101 光学系 102 絞り 200 処理部 300 記録部

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 異なる露光条件にて順次撮像した複数の
    画面を合成することにより、映像信号のダイナミックレ
    ンジを見かけ上拡大する撮像方法において、 前記複数の画面間の撮像時の経時的な位置ずれに対応し
    て、前記複数の画面の夫々の座標変換を行った後、該複
    数の画面の合成を行なうことを特徴とする撮像方法。
  2. 【請求項2】 異なる露光条件にて順次撮像した複数の
    画面を合成することにより、映像信号のダイナミックレ
    ンジを見かけ上拡大する機能を有する撮像画面合成装置
    において、 前記複数の画面間の動き情報を検出する検出手段と、 該検出手段の検出情報に基づいて、前記複数の画面の夫
    々を、平面座標内で位置変換する画像移動手段とを具備
    することを特徴とする撮像画面合成装置。
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