JP3560321B2 - 信号処理方法およびその装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイナミックレンジの広い映像信号を得ることのできる信号処理方法及びその装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、テレビジョンカメラ装置では、撮像素子の電荷蓄積容量による制限から約4倍のダイナミックレンジが限界であった。 従って、室内から室外を撮影する時など、極めて明るい(高輝度)被写体と比較的暗い(低輝度)被写体が混在するような場面を撮像する場合、高輝度被写体か低輝度被写体の何れかが適正レベルで得られるよう露光時間等を制御していたため、低輝度部分を適正レベルとすると高輝度部分が白とびし、高輝度部分を適正レベルとすると低輝度部分が黒つぶれしてしまうことになる。
近年、上記問題を解決するために、図8に示すような、垂直映像期間に通常の露光時間で電荷を蓄積する動作と、垂直ブランキング期間に短い露光時間で電荷を蓄積する動作を行うことで、通常露光によって標準的な明るさの被写体が適正レベルで得られる標準輝度映像信号V1と、短露光により極めて明るい被写体が適正レベルで得られる高輝度映像信号V2を取出すことが可能な広ダイナミックレンジ撮像素子が開発されている。 また、図9に示す様な、撮像素子11から得られる映像信号Cを、増幅率の異なる増幅回路12と増幅回路13でそれぞれ増幅することによって、標準輝度映像信号V1と高輝度映像信号V2を取り出すデュアル増幅方式などが開発されている。
図10に示す様に、これら広ダイナミックレンジ撮像素子やデュアル増幅方式により取り出された標準輝度映像信号V1と高輝度映像信号V2に、後述の加算割合Rに基づいて、乗算係数演算回路7’で算出した固定の乗算係数L,Sを、それぞれ乗算回路8’,9’で乗算した後、加算回路10’で加算することにより、ダイナミックレンジ約64倍の広ダイナミックレンジ映像信号Wが得られるテレビジョンカメラ装置が開発されている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、得られた広ダイナミックレンジ映像信号Wにおいて、高輝度映像信号V2が占める最大の割合である加算割合RをR%、標準輝度映像信号V1の乗算係数をL、高輝度映像信号V2の乗算係数をSとすると、乗算係数L,Sは下記式のように、固定の係数となる。
L=(100%−R%)/100%
S=R%/100%
上記式から分かるようにL+S=1である。 これは標準輝度映像信号V1と高輝度映像信号V2が、それぞれ最大の入力レベルである100%レベルが入力された場合でも、加算後の信号レベルが100%×L+100%×S=100%となり、広ダイナミックレンジ映像信号Wが100%レベル以内に収まるようにするためである。
つまり、加算後の信号レベルが100%を越えると、カメラ装置の最終出力が100%に規制されており、100%以上の信号成分は、100%に圧縮されてしまい白つぶれとなり、広いダイナミックレンジの映像信号が取り出せなくなるからである。
ここで、加算割合R=50とし、標準輝度映像信号V1と高輝度映像信号V2が、50%:50%で加算される、即ち、L=0.5、S=0.5の場合を考えると、図11から分かるように、標準的な明るさの被写体が適正レベルで得られる標準輝度映像信号V1が、100%レベルから50%レベルに圧縮されてしまいコントラストの低い映像となる問題がある。
本発明はこれらの問題点を除去し、標準輝度映像信号と高輝度映像信号の加算後の広ダイナミックレンジ映像信号を損失無く、かつ最適なレベルで得ることのできる広ダイナミックレンジ撮像装置の実現を目的とするものである。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、異なる露光条件、異なるゲイン制御の少なくとも何れか1つによって、標準的な明るさの被写体が適正レベルとなるようにして得た標準輝度映像信号と、所定値より明るい被写体が適正レベルとなるようにして得た高輝度映像信号を加算し、広ダイナミックレンジ映像信号を得る場合、上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号のそれぞれのヒストグラムを検出し、当該ヒストグラムに基づき算出した上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号のそれぞれの非線形処理係数により上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号をそれぞれ非線形処理し、それぞれ所定の乗算係数を乗算した後に加算することにより、広ダイナミックレンジ映像信号を得るようにしたものである。
また、上記非線形処理を、ガンマ処理とし、広ダイナミックレンジな映像信号のレベル分布が最適になるようにしたものである。
その結果、標準輝度被写体と高輝度被写体を加算して得られる映像信号を損失無く、かつ最適なレベル分布で得ることができ、ダイナミックレンジの広い映像信号が取り出し可能になる。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例として、通常露光等によって標準的な明るさの被写体が適正レベルで得られるように制御された標準輝度映像信号と、短露光等により極めて明るい被写体が適正レベルで得られるように制御された高輝度映像信号を加算処理し、広ダイナミックレンジ映像信号を得るテレビジョンカメラ装置における加算処理部分の構成及び動作を図1を用い説明する。
1は標準的輝度の被写体が適正レベルとなる露光条件により取り出された標準輝度映像信号V1からヒストグラム信号H1を検出する回路、2は高輝度被写体が適正レベルとなる露光条件により取り出された高輝度映像信号V2からヒストグラム信号H2を検出する回路。 3はヒストグラム信号H1から標準輝度映像信号V1を非線形処理するための非線形係数G1を演算する非線形係数演算回路、4はヒストグラム信号H2から高輝度映像信号V2を非線形処理するための非線形係数G2を演算する非線形係数演算回路。 5は標準輝度映像信号V1を非線形係数G1で非線形処理し標準輝度映像信号I1を出力する非線形処理回路、6は高輝度映像信号V2を非線形係数G2で非線形処理し高輝度映像信号I2を出力する非線形処理回路。 7は広ダイナミックレンジ映像信号Wにおいて高輝度映像信号V2が占める最大の割合を決定する加算割合Rに基づき、標準輝度映像信号I1の乗算係数Lと高輝度映像信号I2の乗算係数Sとを演算する乗算係数演算回路。 8は標準輝度映像信号I1に乗算係数Lを乗算し標準輝度映像信号O1を出力する乗算回路、9は高輝度映像信号I2に乗算係数Sを乗算し高輝度映像信号O2を出力する乗算回路。 10は標準輝度映像信号O1と高輝度映像信号O2を加算し広ダイナミックレンジ映像信号Wを出力する加算回路である。
【0006】
以下、この動作について、非線形処理としてガンマ処理を例にして説明する。まず、標準輝度映像信号V1は、ヒストグラム検出回路1に入力され、標準輝度映像信号V1のヒストグラム値H1が検出される。 ここで、該ヒストグラム値H1とは、図2に示すように、1フィールドの標準輝度映像信号V1中において例えば、信号レベルが10〜40%レベルの信号がどのぐらいの割合で含まれているか、即ち、10〜40%レベルの画素が、いくつあるかを表すものである。なお、ここでは、ガンマ処理で重要となる10%〜40%レベルのヒストグラム値を検出したが、このレベル範囲に限定されるものではない。 また、ここでは特定の範囲からヒストグラムを得る方法を例にしているが、これに限定されず、細かいヒストグラムの相関からも取得できる。
次に、ヒストグラム検出回路1で検出されたヒストグラム値H1は非線形係数演算回路3に入力され、ここで、図3に示す様に、ヒストグラム値H1が所定値Xより大きい場合は、例えば、0.3のガンマ係数G1が、所定値Xより小さい場合は、0.45(標準)のガンマ係数G1が出力される。 即ち、特定のレベル範囲に存在する信号部分(総画素数)が所定値より多くなると、ガンマ係数G1が小さくなるように制御される。 つまり、1画面中に多く存在する信号レベルの部分のレベル配分が多くなるように、ガンマ係数G1が適正値に制御される。
なお、本説明では、ガンマ係数G1を、0.3と0.45の2種類としたが、これに限定されず、多種類から選択できるようにテーブル選択としても同様の処理となる。
【0007】
次に、非線形係数演算回路3で演算された適正値のガンマ係数G1は、非線形処理回路5に入力され、ここで、標準輝度映像信号V1にガンマ係数G1によるガンマ処理(I1=V1G1)が施され、図4に示すようにガンマ補正された標準輝度映像信号I1を出力する。
ここで、図5に示すように、標準輝度映像信号V1が40%レベルの場合は、G1=0.45では、標準輝度映像信号I1は66%レベルとなり、G1=03では、標準輝度映像信号I1は76%となる。 即ち、ガンマ係数G1が小さい程、低輝度レベル側の階調へ割付けられる度合が増し、コントラストが上がる。一方、高輝度映像信号V2も、標準輝度映像信号V1と同様に、ヒストグラム検出回路2に入力され、ここで、高輝度映像信号V2中で所定レベル範囲にあるヒストグラム値H2が検出される。
ヒストグラム検出回路2で検出されたヒストグラム値H2は、非線形係数演算回路4に入力され、ここで、ヒストグラム値H2に応じた適正なガンマ係数G2が演算される。
非線形係数演算回路4で演算された当該ガンマ係数G2は、非線形処理回路6に入力され、ここで、高輝度映像信号V2に、ガンマ係数G2によるガンマ処理(I2=V2G2)が施され、図4に示すように適正ガンマ補正された高輝度映像信号I2を出力する。
【0008】
次に、乗算係数演算回路7では、入力される加算割合Rに基づき、乗算係数Lとして、(100%−R%)/100%を、乗算係数Sとして、R%/100%を算出し、出力する。
乗算係数演算回路7で演算された、乗算係数Lは乗算回路8へ、乗算係数Sは乗算回路9へ入力され、乗算回路8で標準輝度映像信号I1と乗算係数Lが乗算され、標準輝度映像信号O1が出力される。 同様に、乗算回路9で高輝度映像信号I2と乗算係数Sが乗算され、高輝度映像信号O2が出力される。
そして、乗算後の標準輝度映像信号O1と高輝度映像信号O2は加算回路10で加算され、広ダイナミックレンジ映像信号Wが出力される。
以上述べた如く、映像信号の所定レベル範囲のヒストグラムに応じ、標準輝度映像信号と高輝度映像信号のガンマ処理におけるガンマ係数をそれぞれ可変し、加算処理を行うことで、標準輝度映像信号と高輝度映像信号が最適なレベル配分で加算された広ダイナミックレンジ映像信号を得ることができる。
【0009】
以上の実施例では、非線形処理の説明をガンマ処理の例で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図6に示すように、線形処理とガンマ処理を組合せた、下記の条件演算式に示すような、標準輝度映像信号I1の演算処理を行うようにしても良い。
I1=Y×(V1≦X)+((V1−X)G1+Y)×(V1>X)
また、図7に示すように、複数のガンマ処理を組合せた、下記の条件演算式に示すような、標準輝度映像信号I1の演算処理を行うようにしても良い。
I1=V1G1×(V1×Y/X)×(V1≦X)+V1G1× (Y+V1×(100%−Y)/(100%−X))×(V1>X)
このような、様々な非線形処理により、所望のレベル範囲の映像信号に対して割付けられる階調の度合いを増すことができ、標準輝度映像信号のコントラストを更に上げることができる。
以上述べた如く、映像信号の所定レベル範囲のヒストグラムに応じ、標準輝度映像信号と高輝度映像信号の非線形処理における非線形係数をそれぞれ可変し、加算処理を行うことで、標準輝度映像信号と高輝度映像信号が最適なレベル配分で加算された広ダイナミックレンジ映像信号を得ることができる。
【0010】
【発明の効果】
本発明によれば、映像信号の所定レベル範囲のヒストグラムに応じ、標準輝度映像信号と高輝度映像信号の非線形処理における非線形係数をそれぞれ可変して加算することにより、得られる広ダイナミックレンジ映像信号を損失無く、かつ最適なレベルで得ることができ、ダイナミックレンジの広い映像信号を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の広ダイナミックレンジ撮像装置の加算処理構成を示すブロック図
【図2】本発明のヒストグラム検出回路1,2の動作を説明する図
【図3】本発明の非線形係数演算回路3,4の動作を示すフローチャート
【図4】本発明の広ダイナミックレンジ撮像装置の加算処理動作を示す模式図
【図5】本発明の非線形処理回路5,6の動作を示す模式図
【図6】本発明の非線形処理回路5,6の動作を示す模式図
【図7】本発明の非線形処理回路5,6の動作を示す模式図
【図8】従来の広ダイナミックレンジ撮像装置の動作を示す模式図
【図9】従来の広ダイナミックレンジ撮像装置の構成を示すブロック図
【図10】従来の広ダイナミックレンジ撮像装置の構成を示すブロック図
【図11】従来の広ダイナミックレンジ撮像装置の動作を示す模式図
【符号の説明】
1,2:ヒストグラム検出回路、3,4:非線形係数演算回路、5,6:非線形処理回路、7:乗算係数演算回路、8,9:乗算回路、10:加算回路、V1:標準輝度映像信号、V2:高輝度映像信号、I1:非線形処理後の標準輝度映像信号、I2:非線形処理後の高輝度映像信号、O1:乗算後の標準輝度映像信号、O2:乗算後の高輝度映像信号、H1,H2:ヒストグラム信号、G1,G2:非線形係数、R:加算割合、L,S:乗算係数、W:広ダイナミックレンジ映像信号。
Claims (4)
- 異なる露光条件、異なるゲイン制御の少なくとも何れか1つによって、標準的な明るさの被写体が適正レベルとなるようにして得た標準輝度映像信号と、所定値より明るい被写体が適正レベルとなるようにして得た高輝度映像信号を加算し、広ダイナミックレンジ映像信号を得る場合、上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号のそれぞれのヒストグラムを検出し、当該ヒストグラムに基づき算出した上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号のそれぞれの非線形処理係数により上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号をそれぞれ非線形処理し、それぞれ所定の乗算係数を乗算した後に加算することにより、広ダイナミックレンジ映像信号を得ることを特徴とする信号処理方法。
- 異なる露光条件、異なるゲイン制御の少なくとも何れか1つによって、標準的な明るさの被写体が適正レベルとなるようにして得た標準輝度映像信号と、所定値より明るい被写体が適正レベルとなるようにして得た高輝度映像信号を加算し、広ダイナミックレンジ映像信号を得る場合、上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号のそれぞれのヒストグラムを検出する手段と、当該ヒストグラムに基づき上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号のそれぞれの非線形処理係数を演算する手段と、当該算出したそれぞれの非線形処理係数により上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号をそれぞれ非線形処理する手段と、非線形処理された上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号にそれぞれ所定の乗算係数を乗算した後に加算する手段とを有し、広ダイナミックレンジ映像信号を得ることを特徴とする信号処理装置。
- 請求項2において、非線形処理を、ガンマ処理としたことを特徴とする信号処理装置。
- 請求項2または3において、当該信号処理装置をテレビジョンカメラシステムに適用したことを特徴とする信号処理装置。
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