JP3645502B2 - 撮像装置及び映像信号処理方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば監視用ビデオカメラ等の撮像装置及び映像信号処理方法に関し、特に被写体の暗い部分から明るい部分まで十分なコントラスト（階調）が得られるように映像信号のダイナミックレンジを広くする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の監視用ビデオカメラ等で使用される撮像装置にあっては、ＣＣＤ（電荷結合デバイス）等の撮像素子を用いて、撮像素子から得られる映像信号に所定の信号処理（ＫＮＥＥ、ガンマ、ディテール、ホワイトバランス等）を施すことにより最終映像信号を得ている。
【０００３】
ところが、ＣＣＤ等の撮像素子は、一般にダイナミックレンジが狭く、暗い部分から明るい部分の輝度差が大きい被写体を忠実に撮像することが困難である。このような問題を緩和する技術として、被写体を異なる撮像条件で撮像した２種の映像信号を適当な割合で加算（合成）してダイナミックレンジを広げる方法が知られている。その先行技術例として、特開２０００−２０９４９２号公報（以下、第１の先行技術文献と記す）に示される撮像装置を取り上げて簡単に説明する。
【０００４】
この文献に示される撮像装置では、適度に絞りを開いて撮像した第１の映像信号と、絞りを絞って撮像した暗い第２の映像信号を交互に得る。そして、第１の映像信号を規定の振幅レベルまで圧縮した後、所定の明るさに相当する閾値以上においては、圧縮された第１の映像信号を所定の係数で減衰させ、第２の映像信号を所定の係数で増大させて両者を加算することで、広ダイナミックレンジの映像信号を得ている。
【０００５】
また、映像信号のダイナミックレンジを拡大する他の方法が示される先行技術例として、特開平１０−２３３９６６号公報（以下、第２の先行技術文献と記す）、特開平１１−１６４１９５号公報（以下、第３の先行技術文献と記す）がある。
【０００６】
第２の先行技術文献に示される撮像装置では、撮像素子（ＣＣＤ）から露光量の異なる２つの信号を交互に得て、露光量の小さい信号に階調補正を行った後、補正後の信号を露光量の大きい信号と合成することで、高輝度部分で十分な階調特性が得られるようにしている。
【０００７】
また、第３の先行技術文献に示される撮像装置では、低速及び高速のシャッターで互いに明るさの異なる映像信号を交互に取得し合成して最終映像信号を得るが、その合成関数を最大輝度レベルが基準値を超えるか否かに応じて予め用意された複数の合成関数の中から選択するようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１乃至第３の先行技術文献に示されるような従来の撮像装置では、高輝度部の階調は得られるものの、ダイナミックレンジの小さい暗い被写体を撮像した場合には、絞りを絞って撮像（露光量を少なくして撮像）した映像信号に十分な明るさが得られず、加算する信号がほとんどない状態で、通常の絞り（露光量を多くして撮像）で撮像した映像信号を所定の基準レベル以下に圧縮してしまうために、かえってコントラストが低下した映像となってしまう。
【０００９】
また、ダイナミックレンジの大きな被写体を撮像した場合には、通常の絞り（露光量を多くして撮像）で撮像した映像信号の圧縮基準レベルが一定であるため、加算部分のダイナミックレンジが固定となり、明るい部分のコントラストが十分に得られないことがある。
【００１０】
一方、上記のように２種の露光条件の映像信号を交互に得て合成する手法は、フィールド毎に異なる電子シャッター速度（低速１／６０秒と高速）で得られる映像を合成する方式に適用すると、従来のＣＣＤや信号処理ＩＣを流用して低コストにてダイナミックレンジの拡大効果がある。しかしながら、通常（合成しない通常の撮像状態）と比較して、映像の垂直解像度が半分となり、かつ、コマ数も半分（毎秒６０→３０）となってしまう。このため、広いダイナミックレンジが不要な被写体であっても、垂直解像度が低く、動きの不自然な映像しか得られない。
【００１１】
本発明の目的は、被写体の明暗の差に応じて通常撮像モードとダイナミックレンジ拡大撮像モードを自動的に切り換えることができ、広ダイナミックレンジ撮像モードでは被写体の暗い部分から明るい部分まで十分なコントラストが得られ、しかも通常撮像モードとダイナミックレンジ拡大撮像モードとの切り換え時に急激な映像変化を緩和することのできる撮像装置及び映像信号処理方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明に係る撮像装置は、被写体を撮像し１フレーム２フィールドの映像信号を生成する撮像素子と、前記撮像素子への露光量をフィールド毎に少なくとも２段階に設定する露光量制御手段と、この露光量制御手段により露光量を多くして撮像したときに前記撮像素子から出力される第１の映像信号を、そのレベルが第１の基準値以上のときにレベル圧縮する圧縮手段と、前記露光量制御手段により露光量を少なくして撮像したときに前記撮像素子から出力される第２の映像信号を、そのレベルが第２の基準値以上の信号に対してレベル圧縮または伸長する圧縮伸長手段と、前記圧縮手段からの信号と前記圧縮伸長手段からの信号とを加算して、前記撮像素子の持つダイナミックレンジ以上の広ダイナミックレンジの出力映像信号を生成する加算手段と、前記第２の映像信号の明るさから露光量の多い状態での映像信号か露光量の少ない状態での映像信号かを検出する明るさ検出手段と、この明るさ検出手段の検出結果で露光量の多い状態での映像信号であることが検出されたとき、前記第１の基準値及び前記第２の基準値を減少させ、露光量の少ない状態での映像信号であることが検出されたとき、前記第１の基準値及び第２の基準値を増大させる基準値制御手段と、前記第１の基準値が予め決められた設定値以上となった時には、露光量を２段階に設定せずに通常撮像モードとし、前記第１の基準値が前記設定値に満たない時には、露光量を２段階に設定してダイナミックレンジ拡大撮像モードに切り換えるモード切換手段とを具備することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る映像信号処理方法は、撮像素子を用いて被写体を撮像し１フレーム２フィールドの映像信号を生成する場合に、前記撮像素子への露光量を要求に応じてフィールド毎に少なくとも２段階に設定する露光量設定ステップと、この露光量設定ステップにより前記撮像素子への露光量を多くして撮像したときに前記撮像素子から出力される第１の映像信号を、そのレベルが第１の基準値以上のときにレベル圧縮する圧縮ステップと、この露光量設定ステップにより前記撮像素子への露光量を少なくして撮像したときに前記撮像素子から出力される第２の映像信号を、そのレベルが第２の基準値以上の信号に対してレベル圧縮または伸長する圧縮伸長ステップと、前記圧縮ステップで得られる映像信号と前記圧縮伸長ステップで得られる映像信号とを加算して、前記撮像素子の持つダイナミックレンジ以上の広ダイナミックレンジの出力映像信号を生成する加算ステップと、前記第２の映像信号の明るさから露光量の多い状態での映像信号か露光量の少ない状態での映像信号かを検出する明るさ検出ステップと、前記明るさ検出ステップの検出結果で露光量の多い状態での映像信号であることが検出されたとき、前記第１の基準値及び前記第２の基準値を減少させ、露光量の少ない状態での映像信号であることが検出されたとき、前記第１の基準値及び第２の基準値を増大させる基準値制御ステップと、前記第１の基準値が予め決められた設定値以上となった時には、露光量を２段階に設定せずに通常撮像モードとし、前記第１の基準値が前記設定値に満たない時には、露光量を２段階に設定してダイナミックレンジ拡大撮像モードに切り換えるモード切換ステップとを具備することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態における撮像装置の構成を示すブロック図を示している。
【００１６】
図１において、符号１は撮像装置に入力される撮像の露光量を調整するためのレンズ絞りである。このレンズ絞り１で撮像の露光量が多段階に設定される。レンズ絞り（露光量調節手段）１で露光量が調整された撮像は撮像素子（ＣＣＤ）２へ導かれ、この撮像素子２によって光電変換されてアナログ映像信号となる。撮像素子２は、電子シャッター機能を有し、多段階のシャッター速度が得られる。露光条件の選択には、レンズ絞り１の絞り値、撮像素子２のシャッター速度のいずれも利用可能である。ここでは、高速シャッターで設定される映像の露光量調整をシャッター速度制御によって行い、低速シャッターで設定される映像の露光量調整にレンズ絞り１の絞り値制御によって行うものとする。
【００１７】
撮像素子２においてそれぞれ異なる露光条件で撮像されたアナログ映像信号は、サンプル／ホールド回路（Ｓ／Ｈ）３及びアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）４によりデジタル映像信号に変換され、信号処理回路５へ出力され、所定の映像信号処理（ＫＮＥＥ、ガンマ、ディテール、ホワイトバランス等）が施される。
【００１８】
上記信号処理回路５は、Ａ／Ｄ４から出力された映像信号の中から、少ない露光量で撮像された映像信号の明るさデータを抽出し、明るさ検出回路１４へ出力する。この明るさ検出回路１４は、入力された明るさデータから、画面全体あるいは所定領域の明るさの積分値またはピーク値を検出して制御回路１３へ出力する。
【００１９】
この制御回路１３は、ＣＰＵ等で構成され、明るさ検出回路１４からの明るさ検出データに基づいて、レンズ絞り１の絞り値、撮像素子２のシャッター速度、後述の切換スイッチ７を切換制御すると共に、後述の圧縮回路８を制御するための基準レベルＲＥＦ１、圧縮／伸長回路９を制御するための基準レベルＲＥＦ２を決定し、それぞれの圧縮率、伸長率を制御する。さらに、入力された明るさデータに基づいて、後述の画質制御回路１５を制御するための画質制御信号を生成する。
【００２０】
尚、画質制御回路１５の機能は、所定のタイミングで信号処理回路５にて行うようにしてもよい。
【００２１】
信号処理回路５から出力される映像信号Ｓ１は、画像の１画面分を記憶する１画面メモリ６に入力される。この１画面メモリ６は、入力された映像信号Ｓ１を１画面分遅延するもので、遅延された映像信号Ｓ２は切換スイッチ７の固定端子ａ１及びｂ２に供給される。また、信号処理回路５から出力される映像信号Ｓ１は、遅延されることなく、直接切換スイッチ７の固定端子ｂ１及びａ２に供給される。
【００２２】
上記１画面メモリ６は、図２に示すように、それぞれ１画面分の映像信号相当の記憶容量を有する第１メモリブロックＡと第２メモリブロックＢと、これらのメモリＡ，Ｂの入出力を切り換えるスイッチＳＷ１，ＳＷ２により構成される。各メモリブロックＡ，Ｂのリード・ライト及びスイッチＳＷ１，ＳＷ２の切り換えは、制御回路１３からのメモリ制御信号に基づいて行われる。
【００２３】
ここで、シャッター速度を低速にした状態で撮像した露光量の多い映像信号をＶＳ、シャッター速度を高速にした状態で撮像した露光量の少ない映像信号をＶＦと定義する。
【００２４】
切換スイッチ７は、制御回路１３により、可動端子ｃ１及びｃ２が適当なタイミングで固定端子ａ１とｂ１、ａ２とｂ２に交互に接続されるように切換制御される。この結果、端子ｃ１からは露光量の多い映像信号ＶＳが出力され、端子ｃ２からは露光量の少ない映像信号ＶＦが出力される。
【００２５】
端子ｃ１から出力された映像信号ＶＳは画質制御回路１５を介して圧縮回路８に入力され、この圧縮回路８によって制御回路１３からの制御信号に基づき圧縮処理が施される。この映像信号をＶＳ′とする。また、端子ｃ２から出力された映像信号ＶＦは、圧縮／伸長回路９に入力され、この圧縮／伸長回路９によって制御回路１３からの制御信号に基づき圧縮／伸長処理が施される。この映像信号をＶＦ′とする。
【００２６】
上記のように、圧縮回路８の圧縮率は制御回路１３により制御される。以下、この制御をＲＥＦ１制御と称する。また、圧縮／伸長回路９の圧縮／伸長率は制御回路１３により制御される。以下、この制御をＲＥＦ２制御と称する。これらのＲＥＦ１制御及びＲＥＦ２制御については後に説明する。
【００２７】
圧縮回路８から出力された映像信号ＶＳ′及び圧縮／伸長回路９から出力された映像信号ＶＦ′は加算器１０で加算された後、ＮＴＳＣエンコーダ１１に入力されてＮＴＳＣ信号にエンコードされた後、デジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ）１２でアナログ映像信号に変換されて、最終映像信号として出力される。
【００２８】
上記構成において、以下にその制御動作について説明する。
【００２９】
本発明の実施の形態では、制御回路１３において、明るさ検出データに応じて映像信号ＶＳ′及びＶＦ′を合成する割合を制御するための合成基準レベルＲＥＦ１，ＲＥＦ２を可変することができるようになっている。そして、明るさ検出回路１４において、入力された明るさデータから露光量が少ない撮像であることが検出された場合には、制御回路１３は基準レベルＲＥＦ１，ＲＥＦ２を大きくし、加算器１０から得られる映像信号に低速シャッターで得られた映像信号ＶＳ′が多く含まれるように制御する。このように構成することでダイナミックレンジの小さい暗い被写体から最適なコントラストを得られる。
【００３０】
また、明るさ検出回路１４において、入力された明るさデータから露光量が多い撮像であることが検出された場合には、制御回路１３は基準レベルＲＥＦ１，ＲＥＦ２を小さくし、加算器１０から得られる映像信号に高速シャッターで得られた映像信号ＶＦ′が多く含まれるように制御する。このように構成することでダイナミックレンジの大きい明るい被写体からも最適なコントラストを得られる。
【００３１】
図３に基準レベルを可変制御させることによって得られる加算信号を模式的に示し、以下にその制御内容を説明する。
【００３２】
まず、切換スイッチ７から出力される低速シャッター時の映像信号ＶＳは、撮像素子２の露光量に応じて出力レベルが上昇するが、この場合の、撮像素子出力の最大値で飽和する。高速シャッター時の映像信号ＶＦも同様である。
【００３３】
低速シャッター時の映像信号ＶＳが入力される圧縮回路８は、入力される映像信号ＶＳを制御回路１３から与えられる基準レベルＲＥＦ１と比較し、映像信号ＶＳのレベルが基準レベルＲＥＦ１以下の場合はそのまま出力し、基準レベルＲＥＦ１と同レベルあるいはそれ以上の場合は全て基準レベルＲＥＦ１へ圧縮して映像信号ＶＳ′として出力する。この図では、露光量が多いため基準レベルＲＥＦ１を低くした場合▲１▼と、露光量が少ないため基準レベルＲＥＦ１を高くした場合▲２▼の両者を示しており、ＶＳ′▲１▼が基準レベルＲＥＦ１を低くした場合、ＶＳ′▲２▼が基準レベルＲＥＦ１を高くした場合の圧縮回路８から出力される映像信号ＶＳ′である。
【００３４】
また、高速シャッターの映像信号ＶＦが入力される圧縮／伸張回路９は、入力される映像信号ＶＦを制御回路１３から与えられる基準レベルＲＥＦ２と比較し、映像信号ＶＦのレベルが基準レベルＲＥＦ２以下の場合は出力をカットし、基準レベルＲＥＦ２と同レベルあるいは基準レベルＲＥＦ２を超える場合は、映像信号ＶＦからＲＥＦ２レベル分を差し引いて映像信号ＶＦ′として出力する。この図では露光量が多いため基準レベルＲＥＦ２を低くした場合▲１▼と、露光量が少ないため基準レベルＲＥＦ２を高くした場合▲２▼の両者を示しており、ＶＦ′▲１▼が基準レベルＲＥＦ２を高くした場合、ＶＦ′▲２▼が基準レベルＲＥＦ２を低くした場合の映像信号ＶＦ′である。
【００３５】
加算器１０から出力される加算信号は、上記圧縮回路８から出力された映像信号ＶＳ′と圧縮伸張回路９から出力された映像信号ＶＦ′が加算されたものである。ＲＥＦ１のレベルとＲＥＦ２のレベルを高くした場合は、加算信号▲１▼はＶＳ′▲１▼＋ＶＦ′▲１▼となり、ＲＥＦ１のレベルとＲＥＦ２のレベルを低くした場合は、加算信号▲２▼はＶＳ′▲２▼＋ＶＦ′▲２▼となる。
【００３６】
尚、上記ＲＥＦ１のレベルとＲＥＦ２のレベルは独立に決定されるものではなく、連動して決定されることが望ましい。
【００３７】
次に、被写体の明暗の差に応じて通常撮像モードとダイナミックレンジ拡大撮像モードを自動的に切り換える処理について説明する。ここでは既存の撮像素子や信号処理装置を流用可能とするため、撮像素子２が１フレーム２フィールドの映像信号を生成するものとし、２種類の露光は電子シャッターによりフィールド単位で切り換えるものとして考える。
【００３８】
まず、露光量の多い撮像は１／６０秒固定の低速シャッターを用い、露光量の少ない撮像は速度可変の高速シャッターを用いる。また、２種類の露光量はフィールド毎に切り換える。その様子を図４に示す。ここでは、ＥＶＥＮフィールドのとき高速シャッターで撮像し、ＯＤＤフィールドのとき低速シャッターで撮像するものとする。その２つの映像を先に述べた合成基準レベル（ＲＥＦ１、ＲＥＦ２）に基づいて合成する。
【００３９】
ＥＶＥＮフィールドでは、明るさに応じて高速シャッターの速度を自動制御し、その高速シャッター値に対する最適な合成基準レベルＲＥＦ１、ＲＥＦ２を決定する。すなわち、高速シャッター値がより高速に設定される場合（すなわち明るいものを撮像していてダイナミックレンジが大きい傾向にある）は合成基準レベルＲＥＦ１、ＲＥＦ２を下げる方向に制御する。逆に、高速シャッター値が低速方向に設定される場合（すなわち暗いものを撮像していてダイナミックレンジは小さい傾向にある）は合成基準レベルＲＥＦ１、ＲＥＦ２を上げる方向に制御する。この制御を、図５に示すように行うと、被写体が暗くてダイナミックレンジの必要のない被写体では、合成基準レベルＲＥＦ１が映像出力の最大値（ホワイトクリップ値レベル）まで上昇することになる。
【００４０】
上記の制御により、最終出力は低速シャッターの映像そのものとなる。つまり、ホワイトクリップ値レベル以上には加算できないため、合成基準レベルＲＥＦ１がホワイトクリップ付近に達した状態を検出して、通常撮像モードに切り換えることにより、切り換え前後で明るさ、ダイナミックレンジの変化させることなく自然に映像を切り換えることが可能となる。
【００４１】
一方、切換スイッチ７の端子ｃ１から出力される映像信号ＶＳを画質制御回路１５に入力し、この画質制御回路１５にて、合成後の映像の画質が良くなるように補正を行う。例えば、暗い部分がよりはっきりと見えるように、ガンマ特性のカーブを変えたり、ディテールが良好となるように制御する。このとき、図６に示すように、補正量を通常撮像モードの値に徐々に収束させる。この結果、通常撮像モードに切り換わったときに補正量の変化による画質の変化が目立たないようにすることができる。図６の例では合成基準レベルＲＥＦ１によって補正量を制御している。
【００４２】
次に、１画面メモリ６に対するメモリ制御について説明する。
【００４３】
１画面メモリ６は、図２に示したように、第１及び第２のメモリブロックＡ，Ｂを備える。制御回路１３は、通常撮像モード、２種類の露光によるダイナミックレンジ拡大撮像モード（以後ＷＤＲ撮像モードと記す）でスイッチＳＷ１，ＳＷ２の接続状態を切り換えて、各メモリブロックＡ，Ｂの入出力を選択的に切換制御し、同時に各メモリブロックＡ，Ｂのリード・ライトを切換制御する。
【００４４】
通常撮像モードでは、図７（ａ）に示すように、第１メモリブロックＡに入力データを書き込んでいる状態でその第１メモリブロックＡから既に書き込まれたデータを読み出す。読み出されるデータは、現在書き込んでいるデータではなく、前回書き込んだデータとなる。つまり、１フィールド前のデータである。次のフィールドでは、第２メモリブロックＢに入力データを書き込みながら、同じ第２メモリブロックＢから既に書き込まれた１フィールド前のデータを読み出す。このように、Ａ，Ｂアクセスをフィールド毎に行う。
【００４５】
一方、ＷＤＲ撮像モードでは、１つ前のフィールドの映像（高速シャッターとする）と現在のフィールドの映像（低速シャッターの映像とする）を合成するために、図７（ｂ）に示すような動作となる。つまり、第１メモリブロックＡに書き込んでいるときは、第２メモリブロックＢに書き込まれている１フィールド前のデータを読み出す。そのときの合成画像は第１メモリブロックＡに書き込んでいるデータと第２メモリブロックＢに書き込まれている１フィールド前のデータになる。同様に、第２メモリブロックＢに書き込んでいるときは、第１メモリブロックＡに書き込まれている１フィールド前のデータを読み出す。そのときの合成画像は第２メモリブロックＢに書き込んでいるデータと第１メモリブロックＡに書き込まれている１フィールド前のデータになる。
【００４６】
全体のタイミング図を図８に示す。図８において、Ａ＊、Ｂ＊＊は時間の進行を示している。メモリは第１メモリブロックＡと第２メモリブロックＢの２ブロックである。ここで、図８に示すように、ＷＤＲ撮像モードから通常撮像モードに切り換わる時に、Ｂ４のフィールドは通常撮像モードで出力されるため、映像の明るさに変化が起きないように、低速シャッターの設定にしておく必要がある。すなわち、Ｂ４＋Ａ３の出力は、実際には合成基準レベルＲＥＦ１がホワイトクリップレベルであるため、Ａ３そのものとなり、シャッター値を変更しても問題はない。そこで、Ｂ４は通常撮像モードへの切換直後に出力されるため、明るさを低速シャッターの値に合わせておく。
【００４７】
以上のように制御することによって、通常撮像モードとＷＤＲ撮像モード間で明るさの変化なく自然に切り換えることができる。
【００４８】
図９にモード切換制御の動作フローチャートを示す。２フィールド待ちは図８のＢ４の設定が確実に行われるようにするためである。このフローチャートではモード切換タイミングのフィールド順について触れていないが、実際はＥＶＥＮフィールドから制御が開始されるように設定される。
【００４９】
図９において、まず合成基準レベルＲＥＦ１とホワイトクリップレベルＷＣとを比較し（Ｓ１）、ＲＥＦ１≧ＷＣならば（Ｙ）、現在のモードがＷＤＲ撮像モードか判定する（Ｓ２）。この判定において、ＷＤＲ撮像モードでなければ（Ｎ）、通常撮像モードのまま処理を継続する。
【００５０】
ステップＳ２において、現在のモードがＷＤＲ撮像モードと判定された場合には（Ｙ）、電子シャッターの速度を通常撮像モード（ＥＶＥＮフィールド：１／６０秒、ＯＤＤフィールド：１／６０秒）とし（Ｓ３）、２フィールド待ちを確認した後（Ｓ４）、メモリ制御切換（ＷＤＲをＯＮからＯＦＦへ切り換える）を行い（Ｓ５）、以後、通常撮像モードの処理を行う。
【００５１】
ステップＳ１において、ＲＥＦ１≧ＷＣでなければ（Ｎ）、現在のモードがＷＤＲ撮像モードか判定する（Ｓ６）。この判定において、ＷＤＲ撮像モードならば（Ｙ）、ＷＤＲ撮像モードのまま処理を継続する。
【００５２】
ステップＳ６において、現在のモードがＷＤＲ撮像モードでないと判定された場合には（Ｎ）、電子シャッターの速度をＷＤＲ撮像モード（ＥＶＥＮフィールド：自動（高速）、ＯＤＤフィールド：１／６０秒（低速））とし（Ｓ７）、メモリ制御切換（ＷＤＲをＯＦＦからＯＮへ切り換える）を行い、以後、ＷＤＲ撮像モードの処理を行う。
【００５３】
以上の映像信号処理方法によれば、ダイナミックレンジの必要な被写体に対しては、２種類の露光で得られた映像を合成することによってダイナミックレンジの拡大した映像出力が得られ、ダイナミックレンジの必要のない被写体に対しては、自動的に、かつ、明るさの変化なく通常露光でフィールド毎に得られた映像に切り換えることができる。
【００５４】
そのため、２種類の露光をフィールド毎に行う方式では、ダイナミックレンジの拡大した合成後の映像は垂直解像度、コマ数が劣化するが、ダイナミックレンジの必要ない被写体を撮像した場合は、通常撮像モードに自動的に切り換えられるため、垂直解像度、コマ数の劣化を防止することができる。
【００５５】
尚、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではない。例えば、露光量の調整にシャッター速度だけでなく、レンズ絞り１の絞り値を併用することも可能である。この外、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ダイナミックレンジの必要な被写体に対しては、２種類の露光で得られた映像を合成することにより、ダイナミックレンジの拡大した映像出力を得られ、ダイナミックレンジの必要のない被写体に対しては、自動的に、かつ、明るさの変化なく通常露光のフィールド毎の映像出力に切り換えることができる。
【００５７】
そのため、２種類の露光をフィールド毎に行う方式において、ダイナミックレンジ拡大撮像モードでは垂直解像度、コマ数は劣化するが最適なコントラストが得られ、ダイナミックレンジの必要ない被写体を撮像した場合は、自動的にフィールド毎の映像信号を順次出力する通常撮像モードに切り換わり、垂直解像度、コマ数の劣化を防止することができる撮像装置及び映像信号処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態における撮像装置の構成を示すブロック図。
【図２】 図１の１画面メモリの具体的な構成を示すブロック図。
【図３】 本発明の実施の形態にかかるダイナミックレンジ拡大時の加算信号を模式的に示す図。
【図４】 本発明の実施の形態にかかる各フィールド出力の合成を概念的に示すタイミング図。
【図５】 本発明の実施の形態にかかる合成基準レベルの制御特性を示す特性図。
【図６】 本発明の実施の形態にかかる画質制御回路の補正量特性を示す特性図。
【図７】 本発明の実施の形態にかかる通常撮像モードとダイナミックレンジ拡大撮像モードのメモリ制御の様子を示すブロック図。
【図８】 本発明の実施の形態にかかるモード切換時のメモリアクセス制御の様子を示すタイミング図。
【図９】 本発明の実施の形態にかかるモード切換制御の動作を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…レンズ絞り
２…撮像素子（ＣＣＤ）
３…サンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）
４…アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）
５…信号処理回路
６…１画面メモリ
７…切換スイッチ
８…圧縮回路
９…圧縮／伸長回路
１０…加算器
１１…ＮＴＳＣエンコーダ
１２…デジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ）
１３…制御回路
１４…明るさ検出回路
１５…画質制御回路
Ａ…第１メモリブロック
Ｂ…第２メモリブロック
ＳＷ１，ＳＷ２…切換スイッチ
ＶＳ…低速シャッター時の映像信号
ＶＦ…高速シャッター時の映像信号
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば監視用ビデオカメラ等の撮像装置及び映像信号処理方法に関し、特に被写体の暗い部分から明るい部分まで十分なコントラスト（階調）が得られるように映像信号のダイナミックレンジを広くする技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の監視用ビデオカメラ等で使用される撮像装置にあっては、ＣＣＤ（電荷結合デバイス）等の撮像素子を用いて、撮像素子から得られる映像信号に所定の信号処理（ＫＮＥＥ、ガンマ、ディテール、ホワイトバランス等）を施すことにより最終映像信号を得ている。
【０００３】
ところが、ＣＣＤ等の撮像素子は、一般にダイナミックレンジが狭く、暗い部分から明るい部分の輝度差が大きい被写体を忠実に撮像することが困難である。このような問題を緩和する技術として、被写体を異なる撮像条件で撮像した２種の映像信号を適当な割合で加算（合成）してダイナミックレンジを広げる方法が知られている。その先行技術例として、特開２０００−２０９４９２号公報（以下、第１の先行技術文献と記す）に示される撮像装置を取り上げて簡単に説明する。
【０００４】
この文献に示される撮像装置では、適度に絞りを開いて撮像した第１の映像信号と、絞りを絞って撮像した暗い第２の映像信号を交互に得る。そして、第１の映像信号を規定の振幅レベルまで圧縮した後、所定の明るさに相当する閾値以上においては、圧縮された第１の映像信号を所定の係数で減衰させ、第２の映像信号を所定の係数で増大させて両者を加算することで、広ダイナミックレンジの映像信号を得ている。
【０００５】
また、映像信号のダイナミックレンジを拡大する他の方法が示される先行技術例として、特開平１０−２３３９６６号公報（以下、第２の先行技術文献と記す）、特開平１１−１６４１９５号公報（以下、第３の先行技術文献と記す）がある。
【０００６】
第２の先行技術文献に示される撮像装置では、撮像素子（ＣＣＤ）から露光量の異なる２つの信号を交互に得て、露光量の小さい信号に階調補正を行った後、補正後の信号を露光量の大きい信号と合成することで、高輝度部分で十分な階調特性が得られるようにしている。
【０００７】
また、第３の先行技術文献に示される撮像装置では、低速及び高速のシャッターで互いに明るさの異なる映像信号を交互に取得し合成して最終映像信号を得るが、その合成関数を最大輝度レベルが基準値を超えるか否かに応じて予め用意された複数の合成関数の中から選択するようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記第１乃至第３の先行技術文献に示されるような従来の撮像装置では、高輝度部の階調は得られるものの、ダイナミックレンジの小さい暗い被写体を撮像した場合には、絞りを絞って撮像（露光量を少なくして撮像）した映像信号に十分な明るさが得られず、加算する信号がほとんどない状態で、通常の絞り（露光量を多くして撮像）で撮像した映像信号を所定の基準レベル以下に圧縮してしまうために、かえってコントラストが低下した映像となってしまう。
【０００９】
また、ダイナミックレンジの大きな被写体を撮像した場合には、通常の絞り（露光量を多くして撮像）で撮像した映像信号の圧縮基準レベルが一定であるため、加算部分のダイナミックレンジが固定となり、明るい部分のコントラストが十分に得られないことがある。
【００１０】
一方、上記のように２種の露光条件の映像信号を交互に得て合成する手法は、フィールド毎に異なる電子シャッター速度（低速１／６０秒と高速）で得られる映像を合成する方式に適用すると、従来のＣＣＤや信号処理ＩＣを流用して低コストにてダイナミックレンジの拡大効果がある。しかしながら、通常（合成しない通常の撮像状態）と比較して、映像の垂直解像度が半分となり、かつ、コマ数も半分（毎秒６０→３０）となってしまう。このため、広いダイナミックレンジが不要な被写体であっても、垂直解像度が低く、動きの不自然な映像しか得られない。
【００１１】
本発明の目的は、被写体の明暗の差に応じて通常撮像モードとダイナミックレンジ拡大撮像モードを自動的に切り換えることができ、広ダイナミックレンジ撮像モードでは被写体の暗い部分から明るい部分まで十分なコントラストが得られ、しかも通常撮像モードとダイナミックレンジ拡大撮像モードとの切り換え時に急激な映像変化を緩和することのできる撮像装置及び映像信号処理方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明に係る撮像装置は、被写体を撮像し１フレーム２フィールドの映像信号を生成する撮像素子と、前記撮像素子への露光量をフィールド毎に少なくとも２段階に設定する露光量制御手段と、この露光量制御手段により露光量を多くして撮像したときに前記撮像素子から出力される第１の映像信号を、そのレベルが第１の基準値以上のときにレベル圧縮する圧縮手段と、前記露光量制御手段により露光量を少なくして撮像したときに前記撮像素子から出力される第２の映像信号を、そのレベルが第２の基準値以上の信号に対してレベル圧縮または伸長する圧縮伸長手段と、前記圧縮手段からの信号と前記圧縮伸長手段からの信号とを加算して、前記撮像素子の持つダイナミックレンジ以上の広ダイナミックレンジの出力映像信号を生成する加算手段と、前記第２の映像信号の明るさから露光量の多い状態での映像信号か露光量の少ない状態での映像信号かを検出する明るさ検出手段と、この明るさ検出手段の検出結果で露光量の多い状態での映像信号であることが検出されたとき、前記第１の基準値及び前記第２の基準値を減少させ、露光量の少ない状態での映像信号であることが検出されたとき、前記第１の基準値及び第２の基準値を増大させる基準値制御手段と、前記第１の基準値が予め決められた設定値以上となった時には、露光量を２段階に設定せずに通常撮像モードとし、前記第１の基準値が前記設定値に満たない時には、露光量を２段階に設定してダイナミックレンジ拡大撮像モードに切り換えるモード切換手段とを具備することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る映像信号処理方法は、撮像素子を用いて被写体を撮像し１フレーム２フィールドの映像信号を生成する場合に、前記撮像素子への露光量を要求に応じてフィールド毎に少なくとも２段階に設定する露光量設定ステップと、この露光量設定ステップにより前記撮像素子への露光量を多くして撮像したときに前記撮像素子から出力される第１の映像信号を、そのレベルが第１の基準値以上のときにレベル圧縮する圧縮ステップと、この露光量設定ステップにより前記撮像素子への露光量を少なくして撮像したときに前記撮像素子から出力される第２の映像信号を、そのレベルが第２の基準値以上の信号に対してレベル圧縮または伸長する圧縮伸長ステップと、前記圧縮ステップで得られる映像信号と前記圧縮伸長ステップで得られる映像信号とを加算して、前記撮像素子の持つダイナミックレンジ以上の広ダイナミックレンジの出力映像信号を生成する加算ステップと、前記第２の映像信号の明るさから露光量の多い状態での映像信号か露光量の少ない状態での映像信号かを検出する明るさ検出ステップと、前記明るさ検出ステップの検出結果で露光量の多い状態での映像信号であることが検出されたとき、前記第１の基準値及び前記第２の基準値を減少させ、露光量の少ない状態での映像信号であることが検出されたとき、前記第１の基準値及び第２の基準値を増大させる基準値制御ステップと、前記第１の基準値が予め決められた設定値以上となった時には、露光量を２段階に設定せずに通常撮像モードとし、前記第１の基準値が前記設定値に満たない時には、露光量を２段階に設定してダイナミックレンジ拡大撮像モードに切り換えるモード切換ステップとを具備することを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態における撮像装置の構成を示すブロック図を示している。
【００１６】
図１において、符号１は撮像装置に入力される撮像の露光量を調整するためのレンズ絞りである。このレンズ絞り１で撮像の露光量が多段階に設定される。レンズ絞り（露光量調節手段）１で露光量が調整された撮像は撮像素子（ＣＣＤ）２へ導かれ、この撮像素子２によって光電変換されてアナログ映像信号となる。撮像素子２は、電子シャッター機能を有し、多段階のシャッター速度が得られる。露光条件の選択には、レンズ絞り１の絞り値、撮像素子２のシャッター速度のいずれも利用可能である。ここでは、高速シャッターで設定される映像の露光量調整をシャッター速度制御によって行い、低速シャッターで設定される映像の露光量調整にレンズ絞り１の絞り値制御によって行うものとする。
【００１７】
撮像素子２においてそれぞれ異なる露光条件で撮像されたアナログ映像信号は、サンプル／ホールド回路（Ｓ／Ｈ）３及びアナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）４によりデジタル映像信号に変換され、信号処理回路５へ出力され、所定の映像信号処理（ＫＮＥＥ、ガンマ、ディテール、ホワイトバランス等）が施される。
【００１８】
上記信号処理回路５は、Ａ／Ｄ４から出力された映像信号の中から、少ない露光量で撮像された映像信号の明るさデータを抽出し、明るさ検出回路１４へ出力する。この明るさ検出回路１４は、入力された明るさデータから、画面全体あるいは所定領域の明るさの積分値またはピーク値を検出して制御回路１３へ出力する。
【００１９】
この制御回路１３は、ＣＰＵ等で構成され、明るさ検出回路１４からの明るさ検出データに基づいて、レンズ絞り１の絞り値、撮像素子２のシャッター速度、後述の切換スイッチ７を切換制御すると共に、後述の圧縮回路８を制御するための基準レベルＲＥＦ１、圧縮／伸長回路９を制御するための基準レベルＲＥＦ２を決定し、それぞれの圧縮率、伸長率を制御する。さらに、入力された明るさデータに基づいて、後述の画質制御回路１５を制御するための画質制御信号を生成する。
【００２０】
尚、画質制御回路１５の機能は、所定のタイミングで信号処理回路５にて行うようにしてもよい。
【００２１】
信号処理回路５から出力される映像信号Ｓ１は、画像の１画面分を記憶する１画面メモリ６に入力される。この１画面メモリ６は、入力された映像信号Ｓ１を１画面分遅延するもので、遅延された映像信号Ｓ２は切換スイッチ７の固定端子ａ１及びｂ２に供給される。また、信号処理回路５から出力される映像信号Ｓ１は、遅延されることなく、直接切換スイッチ７の固定端子ｂ１及びａ２に供給される。
【００２２】
上記１画面メモリ６は、図２に示すように、それぞれ１画面分の映像信号相当の記憶容量を有する第１メモリブロックＡと第２メモリブロックＢと、これらのメモリＡ，Ｂの入出力を切り換えるスイッチＳＷ１，ＳＷ２により構成される。各メモリブロックＡ，Ｂのリード・ライト及びスイッチＳＷ１，ＳＷ２の切り換えは、制御回路１３からのメモリ制御信号に基づいて行われる。
【００２３】
ここで、シャッター速度を低速にした状態で撮像した露光量の多い映像信号をＶＳ、シャッター速度を高速にした状態で撮像した露光量の少ない映像信号をＶＦと定義する。
【００２４】
切換スイッチ７は、制御回路１３により、可動端子ｃ１及びｃ２が適当なタイミングで固定端子ａ１とｂ１、ａ２とｂ２に交互に接続されるように切換制御される。この結果、端子ｃ１からは露光量の多い映像信号ＶＳが出力され、端子ｃ２からは露光量の少ない映像信号ＶＦが出力される。
【００２５】
端子ｃ１から出力された映像信号ＶＳは画質制御回路１５を介して圧縮回路８に入力され、この圧縮回路８によって制御回路１３からの制御信号に基づき圧縮処理が施される。この映像信号をＶＳ′とする。また、端子ｃ２から出力された映像信号ＶＦは、圧縮／伸長回路９に入力され、この圧縮／伸長回路９によって制御回路１３からの制御信号に基づき圧縮／伸長処理が施される。この映像信号をＶＦ′とする。
【００２６】
上記のように、圧縮回路８の圧縮率は制御回路１３により制御される。以下、この制御をＲＥＦ１制御と称する。また、圧縮／伸長回路９の圧縮／伸長率は制御回路１３により制御される。以下、この制御をＲＥＦ２制御と称する。これらのＲＥＦ１制御及びＲＥＦ２制御については後に説明する。
【００２７】
圧縮回路８から出力された映像信号ＶＳ′及び圧縮／伸長回路９から出力された映像信号ＶＦ′は加算器１０で加算された後、ＮＴＳＣエンコーダ１１に入力されてＮＴＳＣ信号にエンコードされた後、デジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ）１２でアナログ映像信号に変換されて、最終映像信号として出力される。
【００２８】
上記構成において、以下にその制御動作について説明する。
【００２９】
本発明の実施の形態では、制御回路１３において、明るさ検出データに応じて映像信号ＶＳ′及びＶＦ′を合成する割合を制御するための合成基準レベルＲＥＦ１，ＲＥＦ２を可変することができるようになっている。そして、明るさ検出回路１４において、入力された明るさデータから露光量が少ない撮像であることが検出された場合には、制御回路１３は基準レベルＲＥＦ１，ＲＥＦ２を大きくし、加算器１０から得られる映像信号に低速シャッターで得られた映像信号ＶＳ′が多く含まれるように制御する。このように構成することでダイナミックレンジの小さい暗い被写体から最適なコントラストを得られる。
【００３０】
また、明るさ検出回路１４において、入力された明るさデータから露光量が多い撮像であることが検出された場合には、制御回路１３は基準レベルＲＥＦ１，ＲＥＦ２を小さくし、加算器１０から得られる映像信号に高速シャッターで得られた映像信号ＶＦ′が多く含まれるように制御する。このように構成することでダイナミックレンジの大きい明るい被写体からも最適なコントラストを得られる。
【００３１】
図３に基準レベルを可変制御させることによって得られる加算信号を模式的に示し、以下にその制御内容を説明する。
【００３２】
まず、切換スイッチ７から出力される低速シャッター時の映像信号ＶＳは、撮像素子２の露光量に応じて出力レベルが上昇するが、この場合の、撮像素子出力の最大値で飽和する。高速シャッター時の映像信号ＶＦも同様である。
【００３３】
低速シャッター時の映像信号ＶＳが入力される圧縮回路８は、入力される映像信号ＶＳを制御回路１３から与えられる基準レベルＲＥＦ１と比較し、映像信号ＶＳのレベルが基準レベルＲＥＦ１以下の場合はそのまま出力し、基準レベルＲＥＦ１と同レベルあるいはそれ以上の場合は全て基準レベルＲＥＦ１へ圧縮して映像信号ＶＳ′として出力する。この図では、露光量が多いため基準レベルＲＥＦ１を低くした場合▲１▼と、露光量が少ないため基準レベルＲＥＦ１を高くした場合▲２▼の両者を示しており、ＶＳ′▲１▼が基準レベルＲＥＦ１を低くした場合、ＶＳ′▲２▼が基準レベルＲＥＦ１を高くした場合の圧縮回路８から出力される映像信号ＶＳ′である。
【００３４】
また、高速シャッターの映像信号ＶＦが入力される圧縮／伸張回路９は、入力される映像信号ＶＦを制御回路１３から与えられる基準レベルＲＥＦ２と比較し、映像信号ＶＦのレベルが基準レベルＲＥＦ２以下の場合は出力をカットし、基準レベルＲＥＦ２と同レベルあるいは基準レベルＲＥＦ２を超える場合は、映像信号ＶＦからＲＥＦ２レベル分を差し引いて映像信号ＶＦ′として出力する。この図では露光量が多いため基準レベルＲＥＦ２を低くした場合▲１▼と、露光量が少ないため基準レベルＲＥＦ２を高くした場合▲２▼の両者を示しており、ＶＦ′▲１▼が基準レベルＲＥＦ２を高くした場合、ＶＦ′▲２▼が基準レベルＲＥＦ２を低くした場合の映像信号ＶＦ′である。
【００３５】
加算器１０から出力される加算信号は、上記圧縮回路８から出力された映像信号ＶＳ′と圧縮伸張回路９から出力された映像信号ＶＦ′が加算されたものである。ＲＥＦ１のレベルとＲＥＦ２のレベルを高くした場合は、加算信号▲１▼はＶＳ′▲１▼＋ＶＦ′▲１▼となり、ＲＥＦ１のレベルとＲＥＦ２のレベルを低くした場合は、加算信号▲２▼はＶＳ′▲２▼＋ＶＦ′▲２▼となる。
【００３６】
尚、上記ＲＥＦ１のレベルとＲＥＦ２のレベルは独立に決定されるものではなく、連動して決定されることが望ましい。
【００３７】
次に、被写体の明暗の差に応じて通常撮像モードとダイナミックレンジ拡大撮像モードを自動的に切り換える処理について説明する。ここでは既存の撮像素子や信号処理装置を流用可能とするため、撮像素子２が１フレーム２フィールドの映像信号を生成するものとし、２種類の露光は電子シャッターによりフィールド単位で切り換えるものとして考える。
【００３８】
まず、露光量の多い撮像は１／６０秒固定の低速シャッターを用い、露光量の少ない撮像は速度可変の高速シャッターを用いる。また、２種類の露光量はフィールド毎に切り換える。その様子を図４に示す。ここでは、ＥＶＥＮフィールドのとき高速シャッターで撮像し、ＯＤＤフィールドのとき低速シャッターで撮像するものとする。その２つの映像を先に述べた合成基準レベル（ＲＥＦ１、ＲＥＦ２）に基づいて合成する。
【００３９】
ＥＶＥＮフィールドでは、明るさに応じて高速シャッターの速度を自動制御し、その高速シャッター値に対する最適な合成基準レベルＲＥＦ１、ＲＥＦ２を決定する。すなわち、高速シャッター値がより高速に設定される場合（すなわち明るいものを撮像していてダイナミックレンジが大きい傾向にある）は合成基準レベルＲＥＦ１、ＲＥＦ２を下げる方向に制御する。逆に、高速シャッター値が低速方向に設定される場合（すなわち暗いものを撮像していてダイナミックレンジは小さい傾向にある）は合成基準レベルＲＥＦ１、ＲＥＦ２を上げる方向に制御する。この制御を、図５に示すように行うと、被写体が暗くてダイナミックレンジの必要のない被写体では、合成基準レベルＲＥＦ１が映像出力の最大値（ホワイトクリップ値レベル）まで上昇することになる。
【００４０】
上記の制御により、最終出力は低速シャッターの映像そのものとなる。つまり、ホワイトクリップ値レベル以上には加算できないため、合成基準レベルＲＥＦ１がホワイトクリップ付近に達した状態を検出して、通常撮像モードに切り換えることにより、切り換え前後で明るさ、ダイナミックレンジの変化させることなく自然に映像を切り換えることが可能となる。
【００４１】
一方、切換スイッチ７の端子ｃ１から出力される映像信号ＶＳを画質制御回路１５に入力し、この画質制御回路１５にて、合成後の映像の画質が良くなるように補正を行う。例えば、暗い部分がよりはっきりと見えるように、ガンマ特性のカーブを変えたり、ディテールが良好となるように制御する。このとき、図６に示すように、補正量を通常撮像モードの値に徐々に収束させる。この結果、通常撮像モードに切り換わったときに補正量の変化による画質の変化が目立たないようにすることができる。図６の例では合成基準レベルＲＥＦ１によって補正量を制御している。
【００４２】
次に、１画面メモリ６に対するメモリ制御について説明する。
【００４３】
１画面メモリ６は、図２に示したように、第１及び第２のメモリブロックＡ，Ｂを備える。制御回路１３は、通常撮像モード、２種類の露光によるダイナミックレンジ拡大撮像モード（以後ＷＤＲ撮像モードと記す）でスイッチＳＷ１，ＳＷ２の接続状態を切り換えて、各メモリブロックＡ，Ｂの入出力を選択的に切換制御し、同時に各メモリブロックＡ，Ｂのリード・ライトを切換制御する。
【００４４】
通常撮像モードでは、図７（ａ）に示すように、第１メモリブロックＡに入力データを書き込んでいる状態でその第１メモリブロックＡから既に書き込まれたデータを読み出す。読み出されるデータは、現在書き込んでいるデータではなく、前回書き込んだデータとなる。つまり、１フィールド前のデータである。次のフィールドでは、第２メモリブロックＢに入力データを書き込みながら、同じ第２メモリブロックＢから既に書き込まれた１フィールド前のデータを読み出す。このように、Ａ，Ｂアクセスをフィールド毎に行う。
【００４５】
一方、ＷＤＲ撮像モードでは、１つ前のフィールドの映像（高速シャッターとする）と現在のフィールドの映像（低速シャッターの映像とする）を合成するために、図７（ｂ）に示すような動作となる。つまり、第１メモリブロックＡに書き込んでいるときは、第２メモリブロックＢに書き込まれている１フィールド前のデータを読み出す。そのときの合成画像は第１メモリブロックＡに書き込んでいるデータと第２メモリブロックＢに書き込まれている１フィールド前のデータになる。同様に、第２メモリブロックＢに書き込んでいるときは、第１メモリブロックＡに書き込まれている１フィールド前のデータを読み出す。そのときの合成画像は第２メモリブロックＢに書き込んでいるデータと第１メモリブロックＡに書き込まれている１フィールド前のデータになる。
【００４６】
全体のタイミング図を図８に示す。図８において、Ａ＊、Ｂ＊＊は時間の進行を示している。メモリは第１メモリブロックＡと第２メモリブロックＢの２ブロックである。ここで、図８に示すように、ＷＤＲ撮像モードから通常撮像モードに切り換わる時に、Ｂ４のフィールドは通常撮像モードで出力されるため、映像の明るさに変化が起きないように、低速シャッターの設定にしておく必要がある。すなわち、Ｂ４＋Ａ３の出力は、実際には合成基準レベルＲＥＦ１がホワイトクリップレベルであるため、Ａ３そのものとなり、シャッター値を変更しても問題はない。そこで、Ｂ４は通常撮像モードへの切換直後に出力されるため、明るさを低速シャッターの値に合わせておく。
【００４７】
以上のように制御することによって、通常撮像モードとＷＤＲ撮像モード間で明るさの変化なく自然に切り換えることができる。
【００４８】
図９にモード切換制御の動作フローチャートを示す。２フィールド待ちは図８のＢ４の設定が確実に行われるようにするためである。このフローチャートではモード切換タイミングのフィールド順について触れていないが、実際はＥＶＥＮフィールドから制御が開始されるように設定される。
【００４９】
図９において、まず合成基準レベルＲＥＦ１とホワイトクリップレベルＷＣとを比較し（Ｓ１）、ＲＥＦ１≧ＷＣならば（Ｙ）、現在のモードがＷＤＲ撮像モードか判定する（Ｓ２）。この判定において、ＷＤＲ撮像モードでなければ（Ｎ）、通常撮像モードのまま処理を継続する。
【００５０】
ステップＳ２において、現在のモードがＷＤＲ撮像モードと判定された場合には（Ｙ）、電子シャッターの速度を通常撮像モード（ＥＶＥＮフィールド：１／６０秒、ＯＤＤフィールド：１／６０秒）とし（Ｓ３）、２フィールド待ちを確認した後（Ｓ４）、メモリ制御切換（ＷＤＲをＯＮからＯＦＦへ切り換える）を行い（Ｓ５）、以後、通常撮像モードの処理を行う。
【００５１】
ステップＳ１において、ＲＥＦ１≧ＷＣでなければ（Ｎ）、現在のモードがＷＤＲ撮像モードか判定する（Ｓ６）。この判定において、ＷＤＲ撮像モードならば（Ｙ）、ＷＤＲ撮像モードのまま処理を継続する。
【００５２】
ステップＳ６において、現在のモードがＷＤＲ撮像モードでないと判定された場合には（Ｎ）、電子シャッターの速度をＷＤＲ撮像モード（ＥＶＥＮフィールド：自動（高速）、ＯＤＤフィールド：１／６０秒（低速））とし（Ｓ７）、メモリ制御切換（ＷＤＲをＯＦＦからＯＮへ切り換える）を行い、以後、ＷＤＲ撮像モードの処理を行う。
【００５３】
以上の映像信号処理方法によれば、ダイナミックレンジの必要な被写体に対しては、２種類の露光で得られた映像を合成することによってダイナミックレンジの拡大した映像出力が得られ、ダイナミックレンジの必要のない被写体に対しては、自動的に、かつ、明るさの変化なく通常露光でフィールド毎に得られた映像に切り換えることができる。
【００５４】
そのため、２種類の露光をフィールド毎に行う方式では、ダイナミックレンジの拡大した合成後の映像は垂直解像度、コマ数が劣化するが、ダイナミックレンジの必要ない被写体を撮像した場合は、通常撮像モードに自動的に切り換えられるため、垂直解像度、コマ数の劣化を防止することができる。
【００５５】
尚、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではない。例えば、露光量の調整にシャッター速度だけでなく、レンズ絞り１の絞り値を併用することも可能である。この外、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することができる。
【００５６】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、ダイナミックレンジの必要な被写体に対しては、２種類の露光で得られた映像を合成することにより、ダイナミックレンジの拡大した映像出力を得られ、ダイナミックレンジの必要のない被写体に対しては、自動的に、かつ、明るさの変化なく通常露光のフィールド毎の映像出力に切り換えることができる。
【００５７】
そのため、２種類の露光をフィールド毎に行う方式において、ダイナミックレンジ拡大撮像モードでは垂直解像度、コマ数は劣化するが最適なコントラストが得られ、ダイナミックレンジの必要ない被写体を撮像した場合は、自動的にフィールド毎の映像信号を順次出力する通常撮像モードに切り換わり、垂直解像度、コマ数の劣化を防止することができる撮像装置及び映像信号処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態における撮像装置の構成を示すブロック図。
【図２】 図１の１画面メモリの具体的な構成を示すブロック図。
【図３】 本発明の実施の形態にかかるダイナミックレンジ拡大時の加算信号を模式的に示す図。
【図４】 本発明の実施の形態にかかる各フィールド出力の合成を概念的に示すタイミング図。
【図５】 本発明の実施の形態にかかる合成基準レベルの制御特性を示す特性図。
【図６】 本発明の実施の形態にかかる画質制御回路の補正量特性を示す特性図。
【図７】 本発明の実施の形態にかかる通常撮像モードとダイナミックレンジ拡大撮像モードのメモリ制御の様子を示すブロック図。
【図８】 本発明の実施の形態にかかるモード切換時のメモリアクセス制御の様子を示すタイミング図。
【図９】 本発明の実施の形態にかかるモード切換制御の動作を示すフローチャート。
【符号の説明】
１…レンズ絞り
２…撮像素子（ＣＣＤ）
３…サンプルホールド回路（Ｓ／Ｈ）
４…アナログ／デジタル変換器（Ａ／Ｄ）
５…信号処理回路
６…１画面メモリ
７…切換スイッチ
８…圧縮回路
９…圧縮／伸長回路
１０…加算器
１１…ＮＴＳＣエンコーダ
１２…デジタル／アナログ変換器（Ｄ／Ａ）
１３…制御回路
１４…明るさ検出回路
１５…画質制御回路
Ａ…第１メモリブロック
Ｂ…第２メモリブロック
ＳＷ１，ＳＷ２…切換スイッチ
ＶＳ…低速シャッター時の映像信号
ＶＦ…高速シャッター時の映像信号
Claims (12)
- ２種類の露光で撮像しそれぞれの映像信号を合成出力するレンジ拡大撮像モードと単一露光で撮像しその映像信号を出力する通常撮像モードを有する撮像手段と、
前記撮像手段によって得られる映像信号から明るさを検出する明るさ検出手段と、
前記明るさ検出手段の検出レベルに応じて前記撮像手段の通常撮像モードとレンジ拡大撮像モードとを選択的に切り換える制御手段とを具備し、
前記撮像手段は、
撮像時に１フレーム２フィールドの映像信号を生成する撮像素子と、
前記撮像素子への露光量をフィールド毎に切り替えることで少なくとも２段階に設定する露光量切換手段と、
前記露光量切換手段により露光量を多くして撮像したときに前記撮像素子から出力される第１の映像信号を、そのレベルが第１の基準値以上のときにレベル圧縮する圧縮手段と、
前記露光量切換手段により露光量を少なくして撮像したときに前記撮像素子から出力される第２の映像信号を、そのレベルが前記第１の基準値より低い第２の基準値以上のときにレベル圧縮し前記第２の基準値に満たないときにレベル伸長する圧縮伸長手段と、
前記圧縮手段からの信号と前記圧縮伸長手段からの信号とを加算して、前記撮像素子の持つダイナミックレンジ以上の広ダイナミックレンジの映像信号を生成する加算手段とを備え、
前記通常撮像モードでは前記圧縮手段でレベル圧縮された第１の映像信号を出力し、前記レンジ拡大撮像モードでは前記加算手段で得られる映像信号を出力することを特徴する撮像装置。 - 前記明るさ検出手段は、前記第２の映像信号の明るさを検出し、
前記制御手段は、前記明るさ検出手段の検出レベルから前記撮像手段の出力が露光量の多い状態での映像信号か露光量の少ない状態での映像信号かを判断し、露光量の多い状態での映像信号であるとき、前記第１の基準値及び前記第２の基準値を減少させ、露光量の少ない状態での映像信号であるとき、前記第１の基準値及び第２の基準値を増大させ、前記第１の基準値が予め決められた設定値以上となった時には、露光量を２段階に設定せずに通常撮像モードとし、前記第１の基準値が前記設定値に満たない時には、露光量を２段階に設定してレンジ拡大撮像モードに切り換えることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。 - 前記設定値は、前記撮像素子のホワイトクリップ値に相当する値とする請求項１記載の撮像装置。
- 前記露光量切換手段は、前記撮像素子の電子シャッターの速度を切り換えて露光量を切り換えることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
- さらに、前記第１の映像信号に合成後の見栄えを向上させるための画質補正を行う画質補正手段を備え、
前記制御手段は、前記画質補正手段の補正量を前記第１の基準値の制御と連動して制御することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。 - 前記制御手段は、前記第１の基準値が前記設定値以上となったときは、前記補正量を通常撮像モードにおける通常設定値に制御し、前記設定値に満たないときは、補正量を最大値に制御することを特徴とする請求項５記載の撮像装置。
- ２種類の露光で撮像しそれぞれの映像信号を合成出力するレンジ拡大撮像モードと単一露光で撮像しその映像信号を出力する通常撮像モードを有する撮像部で得られる映像信号から明るさを検出し、この明るさ検出レベルに応じて前記通常撮像モードと前記レンジ拡大撮像モードとを選択的に切り換える撮像装置に用いられ、
撮像部が、撮像素子を用いて１フレーム２フィールドの映像信号を生成し、前記撮像素子への露光量を要求に応じてフィールド毎に切り替えることで少なくとも２段階に設定する機能を有するとき、
前記露光量設定により前記撮像素子への露光量を多くして撮像したときに前記撮像素子から出力される第１の映像信号を、そのレベルが第１の基準値以上のときにレベル圧縮する圧縮ステップと、
前記露光量設定により前記撮像素子への露光量を少なくして撮像したときに前記撮像素子から出力される第２の映像信号を、そのレベルが前記第１の基準値より低い第２の基準値以上のときレベル圧縮し、前記第２の基準レベルに満たないときレベル伸長する圧縮伸長ステップと、
前記圧縮ステップで得られる映像信号と前記圧縮伸長ステップで得られる映像信号とを加算して、前記撮像素子の持つダイナミックレンジ以上の広ダイナミックレンジの出力映像信号を生成する加算ステップとを備え、
前記通常撮像モードでは前記圧縮手段でレベル圧縮された第１の映像信号を出力させ、前記レンジ拡大撮像モードでは前記加算ステップで得られた映像信号を出力させることを特徴とする撮像装置の映像信号処理方法。 - さらに、前記第２の映像信号の明るさを検出する明るさ検出ステップと、
この明るさ検出ステップの検出レベルから露光量の多い状態での映像信号か露光量の少ない状態での映像信号かを判断する露光量判断ステップと、
前記露光量判断ステップで露光量の多い状態での映像信号であると判断されたとき、前記第１の基準値及び前記第２の基準値を減少させ、露光量の少ない状態での映像信号であると判断されたとき、前記第１の基準値及び第２の基準値を増大させる基準値制御ステップと、
前記第１の基準値が予め決められた設定値以上となった時には、露光量を２段階に設定せずに通常撮像モードとし、前記第１の基準値が前記設定値に満たない時には、露光量を２段階に設定してダイナミックレンジ拡大撮像モードに切り換えるモード切換ステップとを備えることを特徴とする請求項７記載の撮像装置の映像信号処理方法。 - 前記モード切換ステップは、前記設定値を前記撮像素子のホワイトクリップ値に相当する値とする請求項８記載の撮像装置の映像信号処理方法。
- 前記露光量設定は、前記撮像素子の電子シャッターの速度を切り換えて露光量を設定することを特徴とする請求項７記載の撮像装置の映像信号処理方法。
- さらに、撮像部が前記第１の映像信号に合成後の見栄えを向上させるための画質補正を行う画質補正ステップと、
この画質補正ステップの補正量を前記第１の基準値の制御に連動して制御する補正量制御ステップとを備えることを特徴とする請求項７記載の撮像装置の映像信号処理方法。 - 前記補正量制御ステップは、前記第１の基準値が前記設定値以上となったときは、前記補正量を通常撮像モードにおける通常設定値に制御し、前記設定値に満たないときは、補正量を最大値に制御することを特徴とする請求項１１記載の撮像装置の映像信号処理方法。
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