JP3617857B2 - カラー撮像装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明はカラーテレビジョンカメラのダイナミックレンジ拡大に関するもので、特に、広範囲な輝度を持つ被写体像を撮像可能にするカラー撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、CCD等の撮像素子を用いたカラーカメラでは、電荷の蓄積容量の限界と、その特性の関係でカメラの入射光量をある範囲内に抑えるようにして撮像していた。このため野外などでの撮像時には被写体の輝度範囲をカバーするダイナミックレンジを得られず撮像画像に問題があった。
【0003】
図10は従来のCCDカラーカメラの構成図である。この図に於いて、撮像レンズ11によって被写体からの光りを撮像素子13に取り込む。このとき光量をあるレベルに設定するため撮像レンズに絞り12を設け、撮像素子13に入る光量を制御していた。光量の制御は撮像素子13の出力を増幅器14によって増幅した後、絞り制御回路15に入力し、この絞り制御回路15によって撮像素子13に最適な光量になるように制御している。撮像素子13の出力が大きくなれば絞りを絞り、小さくなれば絞りを開くよう制御する。このように撮像する被写体の入射光量を撮像素子13に適合するように制御していた。
【0004】
この結果、全体的には明るい被写体で部分的に暗い部分の被写体の撮像ができない。また、この場合と逆に、全体的には暗い被写体で、部分的には高い輝度の被写体に対しては撮像素子が飽和状態になり内容が不明細になり、広範囲な輝度を持つ被写体の明瞭な撮像は不可能であった。このように従来のカメラでは撮像素子単体の特性で決まる光量の範囲でしか良好な撮像はできなかった。
【0005】
また、単板式等カラー撮像装置においては、輝度信号に色信号が多重されているため、高輝度の領域では、色再現ができないか、或いは高輝度部分の映像信号の領域では色信号を遮断する処置をしていた。すなわち、輝度信号処理回路16から得られる輝度信号のレベルを検出部17で検出し、輝度信号が高輝度の場合は、色信号処理回路18の色信号出力を遮断するゲート回路19を設けていた。このため、高輝度信号には色は再現されず無色にするような信号処理を行っていた。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来の撮像装置においては、高輝度の領域では色は再現されずほとんど白色となるような信号処理を行っている。このために、輝度の変化が大きな被写体を画面内に納めると、良好な画像が得られないという問題がある。
【0007】
そこでこの発明は、カラー撮像において、撮像素子に複数のシャッタ時間を設定し、撮像素子に対する撮像可能な範囲の拡大をはかる。すなわち、入射光量の範囲を低輝度用と高輝度用に分け撮像し信号処理することにより、暗い所から明るい所までの広範囲な光量の撮像を可能にするものである。そしてこの場合、特に色信号処理において、広範囲な輝度に渡って良好な色再現が得られるようにしたカラー撮像装置を提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
この発明は、異なる複数のシャッタ動作を持ち、低速シャッタ動作で得た信号に対して、高速シャッタ動作で得た映像信号を加算あるいは切り替えるカラー撮像装置において、色信号に関しては、前記高速シャッタ動作により得られた異なる種類の色差信号(R−Y),(B−Y)のうち大きい方の信号を対数変換して対数変換特性を与えた信号を得ると共に、この対数変換特性を与えた信号と対数変換特性を与える前の信号とを除算して変化率を求め、この変化率と前記色差信号のうち小さい方の色差信号との乗算を行い、乗算により変換特性を与えた信号を得る第1の手段と、前記対数変換特性を与えた信号に第1のバイアス信号を加算して変換後の大きい方の色差信号を得、前記対数変換特性を与えた信号と前記乗算により変換特性を与えた信号との除算で得られた出力に応じて前記第1のバイアス信号を変化させた第2のバイアス信号を作り、この第2のバイアス信号を前記乗算により変換特性を与えた信号に加算して変換後の小さい方の色差信号を得る第2の手段とを有する。
【0009】
【作用】
この発明によるカラー撮像装置で得られる作用は、広範囲な光量の被写体の撮像ができる。たとえば、低速のシャッタ速度を60分に1とし撮像、高速のシャッタを1万分の1とすれば60分に1の通常動作シャッタに比べ166倍の広範囲な撮像が可能となる。また、非常にかけ離れた輝度差の被写体も複数のシャッタ速度を設定することにより撮像が可能となる。そして特に、高輝度の部分でも色再現性が良い。
【0010】
【実施例】
以下この発明の実施例を図面を参照して説明する。
図1はこの発明の一実施例である。撮像レンズ101を通った被写体像は、CCD撮像素子102に結像される。CCD撮像素子102は、CCD駆動回路103からの高速シャッタと低速シャッタの制御信号により制御される。CCD撮像素子102からの出力信号は、高速シャッタの信号と低速シャッタの信号が交互に出力される。この信号は、増幅及び前処理部104で所定の大きさに増幅され、輝度信号と色信号とに分離され、輝度信号処理回路105と色信号処理回路106に送られて、それぞれの信号が処理される。
【0011】
輝度信号は、アナログデジタル(A/D)変換部107によってアナログ信号からデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、1垂直期間のメモリである2つの1Vメモリ108、109にそれぞれ入力し、高速シャッタ動作の信号(以下高速シャッタ信号)と低速シャッタ動作の信号(以下低速シャッタ信号)とに分離される。1Vメモリ108の入力側と出力側の信号は、切換回路110へ入力され、1Vメモリ109の入力側と出力側の信号は、切換回路111へ入力される。切換回路110、111は、間欠信号であった高速シャッタ信号と低速シャッタ信号とをそれぞれ連続信号として出力する。つまり切換回路110からは高速シャッタ信号、切換回路111からは低速シャッタ信号がそれぞれ得られる。
【0012】
図2には、低速シャッタと高速シャッタの入射光量に対する映像出力を示している。低速シャッタによる出力特性は303、高速シャッタによる出力特性は304でであり、低速シャッタ出力の飽和点が301、高速シャッタの飽和点が303である。
【0013】
この2つの信号は、それぞれ特性変換部112、113で例えばガンマ特性を得るために対数変換される。この対数変換特性は、異なるシャッタ速度に応じて変える必要がある。高速シャッタ信号は、加算部及びバイアス設定部(図示せず)により図3に示すようにバイアス電圧402が加算される。これらの信号は、図3に示すように切り換え点401で低速シャッタ出力から高速シャッタ出力に切り換えることにする。バイアス電圧402は、低速シャッタ信号から高速シャッタ信号に切り換える時に信号の連続性を保つために加算する電圧である。この切り換え制御信号は、高速シャッタ信号、低速シャッタ信号のいずれを用いても作成することができる。この切換制御信号は、比較器117において作成されており、切換回路(合成器)118の制御端子に供給されている。これにより切換回路118からは、図3に示すように低速シャッタ信号と高速シャッタ信号との合成された信号を得ることができ、この信号は、D/A変換部119において、アナログ信号に変換される。
【0014】
一方、色信号系統については、以下のような処理が行われる。
このシステムでは、色信号処理回路106から得られる線順次の色差信号である(R−Y)、(B−Y)信号を用いている。通常、単板式CCDカラー撮像では(R−Y)信号と(B−Y)信号とが線順次信号となっておりこれを用いている。この色差信号も、高速シャッタ信号と低速シャッタ信号とが輝度信号と同様垂直同期の周期で交互に出力される。
【0015】
この色差信号は、A/D変換部120によってアナログ信号からデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、1垂直期間のメモリである2つの1Vメモリ121、122にそれぞれ入力される。1Vメモリ121の入力側と出力側の信号は、切換回路123へ入力され、1Vメモリ122の入力側と出力側の信号は、切換回路124へ入力される。切換回路123、124は、間欠信号であった高速シャッタ信号と低速シャッタ信号とをそれぞれ連続信号として出力する。つまり切換回路123からは高速シャッタ信号、切換回路124からは低速シャッタ信号がそれぞれ得られる。
【0016】
次に上記したように色差信号である(R−Y)、(B−Y)信号は、線順次であるから、同時化するための処理が施される。即ち、切換回路123、124の出力は、1水平期間の遅延量を持つ1Hメモリ125、126にそれぞれ供給される。1Hメモリ125の入力側と出力側の高速シャッタ信号は、切換回路127に入力され、また1Hメモリ126の入力側と出力側の低速シャッタ信号は、切換回路129に入力される。
【0017】
これにより切換回路127からは、同時化された高速シャッタ(R−Y)信号、(B−Y)信号、切換回路124からは、同時化された低速シャッタ(R−Y)信号、(B−Y)信号が得られる。切換回路124から得られる、低速シャッタ(R−Y)信号、(B−Y)信号は、それぞれ基準レベルがレベル設定回路171、172により設定された後、合成部173に入力される。
【0018】
切換回路127から得られる、高速シャッタ(R−Y)信号、(B−Y)信号は、特性変換部181、演算部182で構成される特性変換処理部に入力されて、映像として映し出されたときに、より自然な形の色再現を得るように特性変換されて、合成部173に入力される。
【0019】
ここで特性変換部181で処理される場合、(R−Y)、(B−Y)信号のうちレベルの大きい方が特性変換され、その変換の割合に応じて他方の信号が演算部182において演算処理により変換されると言う手法が取られている。この理由については後述するが、各軸成分に分離されている(R−Y)、(B−Y)信号の双方とも同様な特性変換を行ったのでは、合成時に元の色相からずれてしまうからである。(R−Y)、(B−Y)信号のうちレベルの大きい方を検出するのは比較部183である。また比較部183では、図3で示した切換点も検出しており、合成部173の選択状態を制御している。
【0020】
このシステムは、特に色信号の撮像及びその撮像色信号の色再現性のダイナミックレンジを大幅に拡大しているもので、その信号処理で重要な部分は、特性変換部181、演算部182にある。
【0021】
図4には、特性変換部181、演算部182のうちでも特に重要な構成の例を示している。色差信号のうちレベルの大きい方が、例えば対数変換器501に入力されて特性変換される。この特性変換の変換率は、対数変換器501の入力側と出力側の信号を演算器502で割り算することで求まる。したがって、この変換率を現す係数を、演算器503で他方の色差信号に乗算してやれば、他方の色差信号もレベルの大きい方に適合して特性変換が得られる。
【0022】
このことは、図5により理解できる。図5には、低速シャッタ信号を(RL−YL)、(BL−YL)で示し、高速シャッタ信号を(RH−YH)、(BH−YH)で示している。図の例であると、(RH−YH)>(BH−YH)であるから、(RH−YH)信号が対数変換される。ここで(BH−YH)信号も同様に対数変換したのでは、合成したときに、本来のベクトルが得られず縮小されただけのものになる。そこで、上述した特性変換処理が必要となる。
【0023】
次に、図3で示したように、高速シャッタ信号に対しては、切換え点におけるバイアス電圧を加算してやる必要がある。そこで、まず加算器511において対数変換器501の出力に、バイアス回路512からのバイアス電圧が加算される。一方、演算器503の出力に対しても、バイアス電圧を加算しなければならないが、対数変換器501の出力に加算したのと同様に加算したのでは、合成したときのベクトルが本来の向きと異なってしまう。そこで、対数変換器501の出力と演算器503の出力とを演算器513に入力して割り算を行い、両者間の比率を求める。そしてこの比率を、演算器514においてバイアス電圧に乗算し、この結果得られたバイアス電圧を加算器515において、演算器503の出力に加算するようにしている。これにより、2つの色差信号のそれぞれに対して、バイアス電圧を与える前に合成した時のベクトルの向きと、バイアス電圧を与えた後に合成した時のベクトルの向きが変化することがない。
【0024】
このことは、図6により理解できる。図6に示すように、色相に応じて(R−Y)、(B−Y)信号の大きさは異なる。これらの信号にバイアスを与える場合合、両者に同じバイアス電圧を与えたのでは、本来のベクトルの向きに狂いが生じてしまう。そこで、上記のような処理を行うことにより、2つの色差信号のそれぞれに対して、バイアス電圧を与える前に合成した時のベクトルの向きと、バイアス電圧を与えた後に合成した時のベクトルの向きが変化することがない。
【0025】
以上、この発明の基本的な実施例を示した。次に、更にこの発明の具体的な他の実施例を示す。
図7には輝度信号系統、図8及び図9には色信号処理系統を示している。
【0026】
図7から説明する。撮像レンズ201で撮像された被写体像はCCD撮像素子202に結像させる。CCD撮像素子202は、CCD駆動回路203からの高速シャッタと低速シャッタの制御信号により制御される。CCD撮像素子202の出力信号としては、高速シャッタの信号と低速シャッタの信号が交互に出力される。この信号は増幅及び前処理部204で所定の大きさに増幅され、輝度信号と色差信号とに分離され、それぞれの信号は、輝度信号処理回路205と色信号処理回路206に送られ処理される。
【0027】
輝度信号は、A/D変換部207によってアナログ信号からデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、1垂直期間のメモリである2つの1Vメモリ208、209にそれぞれ入力され、2つの切換回路210、211により高速シャッタ信号と低速シャッタ信号とに分離されるとともに間欠信号であった高速シャッタ信号と低速シャッタ信号はそれぞれ連続信号となる。切換回路210から高速シャッタ信号、切換回路211から低速シャッタ信号が得られる。
【0028】
この2つの信号は特性変換部212、213で例えば対数変換される。この対数変換特性は異なるシャッタ速度に応じて変える必要がある。高速シャッタ信号は加算部214及びバイアス設定部215により、図3の402の大きさのバイアス電圧が加算される。これらの信号は図3に示すように切り換え点401で低速シャッタ信号出力から高速シャッタ信号出力に切り換えられる。このバイアス電圧は、低速シャッタ信号から高速シャッタ信号に切り換える時に信号の連続性を保つために加算する電圧である。この切り換え制御信号は、高速シャッタ信号、低速シャッタ信号のいずれを用いても作成することができるが、この実施例では低速シャッタ信号を用いている。
【0029】
比較回路217は、比較値設定部216からの設定値と切り換え回路211からの出力との比較を行い切り換え点を検出し、設定値より大きい場合には低速シャッタ信号から高速シャッタ信号が選択されるように切換回路218を制御している。切換回路218の出力信号は、D/A変換部219でデジタル信号からアナログ信号に変換されて出力される。このように低輝度の被写体に対しては低速シャッタ信号として撮像し、高輝度の被写体に対しては高速シャッタ信号として撮像することにより低輝度から高輝度の被写体に対応した撮像が可能となる。
【0030】
次に色信号処理系統について説明する。色信号系統は、図8及び図9に渡ってしめされている。CCD撮像信号は色信号処理回路206によって2つの色差信号である(R−Y)、(B−Y)信号に変換された信号なる。通常、単板式CCDカラー撮像では前記の(R−Y)信号と(B−Y)信号とが線順次信号となっている。この色差信号を用いた方式についての実施例を説明する。
【0031】
色差信号は高速シャッタ信号と低速シャッタ信号が垂直同期の周期で交互に得られる。この色差信号は、A/D変換部220によってアナログ信号からデジタル信号に変換される。このデジタル信号は1垂直期間のメモリである2つの1Vメモリ221、222にそれぞれ入力され、2つの切換回路223、224により高速シャッタ信号と低速シャッタ信号とに分離される。ここまでは輝度信号と同様であるが、前述の通り2つの色差信号は1水平期間毎にが交互に現れる。この信号を連続信号に直すため1水平期間の遅延回路である1Hメモリ225、226で遅延させた信号と、遅延しない信号とを切換回路227、228及び229、230を用いて連続信号に変換する。
【0032】
同時に2つの色差信号の分離も行われる。
切換回路227は、高速シャッタ用(R−Y)信号、切換回路228は高速シャッタ用(B−Y)信号、切換回路229は低速シャッタ用(R−Y)信号、切換回路230は低速シャッタ用(B−Y)信号である。
【0033】
高速シャッタ用の信号系統を説明する。
高速シャッタ用の色差信号(R−Y)信号は、正極性変換部231と極性判断部232に送られる。また、(B−Y)信号は正極性変換部233と極性判断部234に送られる。このように高速シャッタ信号の2つの色差信号は正極性変換部で正極性に合わせる。これは色差信号は正と負の信号が有るためでり、後続部での信号処理での取扱を容易にするためである。たとえば8ビットの場合、最大数255の半分の128が中心で色差信号が零信号となるようなA/D変換を行っているので、これより小さい値を128から折り返すような動作を行い、128が0となるようこの正極性変換部で行い、正極性に合わせる。同時に極性判断部で折り返した信号を監視し、後で極性を戻す時の信号に用いる。これら2つの正極性変換部231、234の出力は、大小比較部235に入力されるとともに、それぞれ切換回路236と237(図9)に送られる。
【0034】
比較回路235は、(R−Y)信号と(B−Y)信号とを比較し、大きい方が切換回路236、237で選ばれるように制御し、大きい方が特性変換部238に送られ対数変換特性を与えられる。この対数変換を(R−Y)と(B−Y)信号とに単に対数変換を行った場合は、色相に変化が生じることは先に説明した通りである。たとえば、これら2つの信号が正極性で相対的に(R−Y)信号が(B−Y)信号より大きい場合、変換する前と変換した時で色相が変化し図5に示す(B−Y)軸の方へ近づくことになる。すなわち、対数変換することにより2つの色差信号の比が小さくなり、小さい色差信号の軸に近づくことになる
この色相の変化をなくすため下記の信号処理を行う。特性変換部238の出力と入力信号とで演算部239で演算(割算)を行う。この演算結果を小さい方の信号に対して、演算部204で演算(掛算)を行う。これは特性変換結果を(R−Y)信号と(B−Y)信号に相対的に同じ割合で特性変換を行うことを意味し、これにより色信号が色相歪がなく特性変換できる。
【0035】
次に特性変換部238の出力は、輝度信号と同じく加算部241に送られてバイアス設定部242からバイアス電圧が加算される。このバイアス電圧は、低速シャッタ信号から高速シャッタ信号に色差信号が切り換わる時に色信号が連続してつながるようにするためである。このバイアス電圧は、他方の色差信号にも与える必要がある。しかし同じバイアス電圧では色歪が生じてしまう。これは(R−Y)信号と(B−Y)信号では色によつてその大きさの比率が異なるためである。
【0036】
図6のA点が低速シャッタの色信号ベクトル表示で被写体輝度により0点からA点に向かって色信号が大きくなって行き、A点の飽和に達すると、単板式CCDカラーカメラでは色信号は減少し消えてしま。このため、A点の大きさのバイアス電圧を与える必要があるが、図6に示すように(R−Y)と(B−Y)信号では当然その大きさが異なりA点の(R−Y)軸と(B−Y)軸に分離された大きさのバイアス信号(バイアスR)、(バイアスB)を与える必要がある。例えば、(R−Y)信号が1、(B−Y)信号が0.5の場合、低速(R−Y)信号に2のバイアス電圧が必要な時には、(R−Y)信号と(B−Y)信号の比率を求め、この比率に先のバイアス電圧倍して1を求めて(B−Y)信号に加算すれば色相の変化を生じること無く切り換えることができる。
【0037】
このために、特性変換部238の出力並びに演算部240の結果を用いて、演算部243で2つの色信号間で演算(割算)を行い、この結果を次の演算部244に入力し、バイアス設定部242からのバイアス電圧に対して演算(掛算)を行い色信号の大きさに応じたバイアス電圧を作り、これを(B−Y)信号に加算部245で加算する。これらの色差信号は、2つの極性変換部246、247で前記の正極性変換前の色信号形態に戻す。(R−Y)信号と(B−Y)信号とを判別する信号を、前記の大小比較部235の結果と切換回路248、249の信号を用いて元の形態に戻す。すなわち極性判断部232、233で判断した極性情報の信号を極性変換部246、247に与えて用いることになる。これら2つの極性変換部246、247でもとの信号形態に戻された色信号は(R−Y)信号と(B−Y)信号との判断がなされていないので、低速シャッタの色信号から高速シャッタの色信号とを切り換えるには(R−Y)信号と(B−Y)信号とを判断しておく必要がある。これを前記大小比較部235から信号を用い、切換回路250、251で行い2つの(R−Y)信号と(B−Y)信号との判断がなされ後、後に続く低速シャッタの色信号と高速シャッタの色信号とを切り換える2つの切換回路252、253に送られる。
【0038】
ここで用いられる切り換え信号は、輝度信号の比較部217の切り換え信号を用いることもできる。また、前記高速シャッタの色差信号の大きい信号を切換回路236から信号を受けとり、比較部254で設定部255の設定値と比較し、設定値以上の時の信号を検出し切り換えることもできるが、輝度信号の切り換え信号だけでの切り換えは、切り換え不要な無色の時にも発生する可能性があるのでこの実施例ではアンド回路256を用い輝度信号用と色信号用の2つの信号から切り換え信号を得ている。
【0039】
この信号は切換回路257で(R−Y)信号と(B−Y)信号を線順次信号にした後、D/A変換部258に入力する。ここではデジタル信号からアナログ信号に変換され出力される。切換回路257は特に必要はないが、A/D変換部220の入力信号と同じ信号形態にするためこのような回路構成にした。
【0040】
【発明の効果】
上記したようにこの発明によれば複数種の電子シャッタを用いて撮像し、得られた映像信号を信号処理し、広範囲な光量の撮像が可能となる。また、シャッタ速度を複数種にすれば非常に広範囲な輝度差の被写体が可能となる。撮像映像信号の連続性を無視すれば非常に高輝度の被写体と非常に低輝度の被写体を同時に撮像し見ることができ特殊な監視カラーカメラ装置ができるなど非常に大きな効果が得られる。特に、色信号処理は色差信号を用いたことにより一般のカラー撮像装置にも応用できる効果があるし、また色再現性の良いカラー撮像信号を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施例を示す図。
【図2】はシャッタ動作の映像出力特性を示す図。
【図3】映像切り換えの説明図。
【図4】色信号処理部の構成図。
【図5】色信号のベクトル説明図。
【図6】色信号のベクトル説明図で特にバイアス電圧の説明図。
【図7】この発明の第2の実施例における輝度信号系統の具体的回路図。
【図8】同じくこの発明の第2の実施例における色信号系統の具体的回路図。
【図9】図8の続きを示す図。
【図10】従来のカラー撮像装置の回路図。
【符号の説明】
101、201…撮像レンズ、102、202…CCD撮像素子、103、203…CCD駆動回路、104…増幅及び前処理部、204…増幅器、105、205…輝度信号処理回路、106、206…色信号処理回路、107、207、220…A/D変換部、108、109、121、122、208、209、221、222…1Vメモリ、125、126、225、226…1Hメモリ、112、113、181、212、213、238…特性変換部、214、241、245…加算回路、217、254…比較回路、231、234…正極性変換部、232、233…極性判断部、235…大小比較部、256…アンド回路、119、174、219、258…D/A変換部、110、111、118、123、124、127、129、210、211、218、223、224、227、228、229、230、236、237、246、247、248、249、250、251、252、253、257…切換回路、182、239、240、243、244…演算部、246、247…極性変換部。
Claims (1)
- 異なる複数のシャッタ動作を持ち、低速シャッタ動作で得た信号に対して、高速シャッタ動作で得た映像信号を加算あるいは切り替えるカラー撮像装置において、
色信号に関しては、前記高速シャッタ動作により得られた異なる種類の色差信号(R−Y),(B−Y)のうち大きい方の信号を対数変換して対数変換特性を与えた信号を得ると共に、この対数変換特性を与えた信号と対数変換特性を与える前の信号とを除算して変化率を求め、この変化率と前記色差信号のうち小さい方の色差信号との乗算を行い、乗算により変換特性を与えた信号を得る第1の手段と、
前記対数変換特性を与えた信号に第1のバイアス信号を加算して変換後の大きい方の色差信号を得、前記対数変換特性を与えた信号と前記乗算により変換特性を与えた信号との除算で得られた出力に応じて前記第1のバイアス信号を変化させた第2のバイアス信号を作り、この第2のバイアス信号を前記乗算により変換特性を与えた信号に加算して変換後の小さい方の色差信号を得る第2の手段と
を有することを特徴とするカラー撮像装置。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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