JP3808254B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は撮像装置に係り、特に、所望の間隔で点滅する発光素子を備えた監視用途の撮像装置の自動露光制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の撮像装置の自動露光制御は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の撮像素子を用いて光電変換を行ない、その信号から露光状態を計算し、最適な露光状態になるようにシャッタ値や信号利得制御（以下ＡＧＣ（Auto Gain Control）と略する）値を制御していた。このような撮像装置に関し、特開平０５−２５２４３５号に記載されている。
【０００３】
監視用途のカメラにおいては、照明がない真っ暗なシーンを撮影するため、ＬＥＤなどの発光素子を常時光らせて最適な露光状態を得ていた。しかし、ＬＥＤを常時発光させていると、消費電力が大きくなってしまう。なお、監視用途のカメラでは静止画を数秒おきに決まった間隔で撮影すればよいので、静止画を撮影するときにだけＬＥＤなどを発光すれば消費電力を小さくできる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の自動露光制御ではＬＥＤなどを発光させた時は、ＬＥＤなどを発光させる直前のフィールドの画像の露光状態が最適になるように制御してしまい、ＬＥＤなどを発光させるとそのフィールドの画像はＬＥＤが発光する分だけ明る過ぎてしまう。
【０００５】
本発明の目的は、上記問題を解決しＬＥＤなどを等間隔で点滅発光させたときの露光状態を最適にする撮像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】
上記問題を解決するため、本発明では、光学系によって結像された光信号を電気信号に変換する撮像素子と、該撮像素子の露光時間又は該撮像素子から出力された信号の利得を制御することにより露光を制御する露光制御手段と、所望の間隔で点滅する発光素子を設け、露光制御手段が、該発光素子が発光するときの光量を、前回に発光素子が発光したときの光量と、発光素子が発光しないときの光量とから予測して、該露光時間又は該信号の利得を制御する構成とした。
【０００７】
撮像装置を上記のように構成することで、ＬＥＤなどを発光させたフィールドの画像はＬＥＤが発光する分だけ明る過ぎる状態になってしまうことがなく、最適な明るさとなる画像を得ることができる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面により説明する。図１は本発明による撮像装置の一実施例を示すブロック図である。同図において１はレンズ、２はシャッタ、３はＣＣＤ、４は例えばＬＥＤである光源、５はＡＧＣ、６はＡ／Ｄ変換回路、７は画像信号処理部、８はＮＴＳＣやＰＡＬ等の標準テレビ信号を生成するエンコーダ、９は例えばＪＰＥＧの方式で画像の圧縮および伸張を行なう圧縮伸張部、１０は例えばフラッシュメモリ等の半導体メモリもしくはハードディスク等の磁気ディスクである記録媒体、１１は例えばパソコン等の外部装置に記録画像を出力するためのインターフェイス部、１２はＡ／Ｄ変換回路６から出力される信号をフィールド毎に積分する積分回路部、１３は積分回路部１２の出力をシャッタ２とＡＧＣ５に設定された値で規格化する規格化部、１４は光源４が発光していないときに積分回路部１２から出力値を保持するメモリ部、１５は光源４が発光したときの画像に対する規格化部１３の出力値からメモリ部１４の値を引く差分部、１６は差分部１４の値を保持するメモリ部、１７はメモリ部１４とメモリ部１６の値を足す加算部、１８は制御部である。
【０００９】
本実施形態における撮像装置の動作について説明する。レンズ１に入射した光はＣＣＤ３の撮像面上に結像する。ＣＣＤ３から所望の画像フィールドの周波数で読み出された画像信号は、ＡＧＣ５に供給され増幅される。なお、ここでＣＤＳ（Correlated Double Sampling）等、公知の低雑音化処理を行なっても良い。ＡＧＣ５の出力信号は、Ａ／Ｄ変換回路６に供給され、デジタル信号に変換される。画像信号処理部７は、Ａ／Ｄ変換回路６から供給されたデジタル信号から輝度信号と色信号を生成し画像信号として出力する。また、画像信号処理部７は、ＲＧＢの色信号生成時のゲインを設定できる。画像信号処理部７で生成された画像信号は、エンコーダ８でＮＴＳＣ等の所定の信号フォーマットにエンコードされ出力される。エンコーダ８でエンコードされた画像信号は、出力端子としてテレビとつなげることができるし、磁気テープ等の記録媒体に記録することができる。また、画像信号処理部７の出力は圧縮伸長部９でＪＰＥＧ圧縮され記録媒体１０に記録される。このとき、光源４が発光したときの画像だけが記録媒体１０に記録される。逆に、記録媒体１０に記録された画像は所望のタイミングで読み出され圧縮伸長部９でＪＰＥＧ伸長し、もしくはＪＰＥＧストリームのままインターフェース部１１から外部装置に出力される。
【００１０】
一方、Ａ／Ｄ変換回路６の出力信号は積分回路１２によりフィールド毎に積分され、規格化部１３によって画像信号にかけられた対応するシャッタ２とＡＧＣ５の設定値で規格化される。メモリ部１４は、光源４が発光していないときに規格化部１３の出力をフィールド毎に保持する。光源４が発光した直後には、規格化部１３の出力はメモリ部１４に供給されず差分部１５に供給され、この供給された値からメモリ部１４の値が引かれて差分部１５から出力される。光源４が発光した直後にメモリ部１６には、差分部１５の出力が保持される。光源４が発光する直前には、メモリ部１４とメモリ部１６の和が加算部１７から出力される。
【００１１】
光源４は、所望の間隔で撮像装置の画像フィールドに同期して１フィールドの間点火する。発光する期間は、１フィールド未満でも以上でもよい。また、カメラのフィールド周波数が６０ヘルツであり、蛍光灯などの外部光源の電源周波数が５０ヘルツであるときは、図３の３０２に示すように外部光源の強度は３フィールド周期で変化する。そこで、光源４は３の倍数のフィールド間隔で点滅させることにより、光源４を発光させたフィールドの画像の出力輝度レベルがフリッカによりばらつくことがなくなる。
【００１２】
上記動作説明において、Ａ／Ｄ変換回路６、積分回路１２、メモリ部１４、差分部１５、メモリ部１６および加算部１７までの処理のタイミングの動作について図２のタイミングチャート用いて説明する。
【００１３】
同図において、２０１は垂直同期信号であり、”ｌｏｗ”区間が垂直ブランキング期間を表しており、説明のためフィールド毎に番号がつけてある。２０２は光源４が発光する期間を表すパルスであり、”ｌｏｗ”区間が発光する期間を表している。２０３はＣＣＤ３に１フィールド間に入射する相対光量を表しており、各フィールドにおいてＣ１・・・Ｃ７の相対光量が入射されているとする。２０４および２０５は、それぞれ各フィールドで設定されたシャッタ値とＡＧＣ値を表しており、それぞれ各フィールドにおいてＳ１・・・Ｓ７、Ａ１・・・Ａ７の値が設定されているとする。例えば番号１のフィールドのシーンでは、入射した光量Ｃ１はシャッタ値Ｓ１でＣＣＤ３に露光される。このＣＣＤ３に露光された信号は番号２のフィールドで読み出され、Ａ２と設定されたＡＧＣ５とＡ／Ｄ変換回路６を介して、積分回路１２の入力となる。すなわち、番号１のフィールドのシーンの積分結果は、番号３のフィールドで積分回路１２から出力される。２０６は積分回路１２から出力を表し、対応するフィールドの番号でＩ１・・・Ｉ５が出力されるとする。すると番号３のフィールドでは、Ｉ１の値がＳ１とＡ２で規格化される。以下この規格化された値を（Ｉ１、Ｓ１、Ａ２）と表す。２０７は規格化部１３の出力である。２０８はメモリ部１４の値であり、光源４が発光したときの値が規格化部１３から出力されたとき、つまり番号６のフィールド以外で規格化部１３の出力をフィールド毎に保持する。２０９はメモリ部１６の値であり、光源４が発光したときの値が規格化部１３から出力されたとき、つまり番号６のフィールドでのみ規格化部１３の出力値からメモリ部１４の値を引いた値がメモリ部１６に保持される。つまり、このときの値ＳＵＢ２は、
ＳＵＢ２ ＝ （Ｉ４、Ｓ４、Ａ５）− （Ｉ３、Ｓ３、Ａ４） ・・・（数１）
で表される。つまり、ＳＵＢは光源が発光したフィールドの値から、光源が発光した１フィールド前の値を引いた値であり、差分を求めることにより、光源の発光により増加した光量の規格化値を求めたものである。なお、ＳＵＢ１は、前回光源４が発光したときに求めた差分値である。
【００１４】
２１０は加算部１７の出力を表しており、光源４が発光する１フィールド前つまり番号３のフィールドにおいて、メモリ部１６の値とメモリ部１４の値の和を出力する。つまり、このときの値ＡＤＤ２は、
ＡＤＤ２ ＝ （Ｉ１、Ｓ１、Ａ２）＋ ＳＵＢ１ ・・・（数２）
で表される。ＡＤＤ１は、前回光源４が発光したときの値である。
【００１５】
次に、制御部１８の動作について図２を用いながら説明する。光源４が発光していないときつまり図２において番号１、２、７のフィールドでは、制御部１８は積分回路１２の出力を使用する。積分回路１２の値が目標値より大きいときは、シャッタを閉じる方向に制御するか、若しくはＡＧＣの利得を小さくする。つまり、画像信号の出力輝度レベルが目標に比べて明るいときには暗くなるように制御する。また同様に、積分回路１２の値が目標値より小さいときは、シャッタを開ける方向に制御するかもしくはＡＧＣの利得を大きくする。つまり、画像信号の出力輝度レベルが目標に比べて暗いときには明るくなるように制御する。
【００１６】
一方、光源４が発光する直前つまり図２において番号３のフィールドでは、制御部１８は加算部１７の出力とそのときに設定されているシャッタ値Ｓ３とＡＧＣ値Ａ３から、光源４が発光したときの画像の積分回路１２の値を予測する。以下この予測方法について説明する。
【００１７】
監視用途のカメラは常に固定され常時同じシーンを撮影している。従って、撮像装置の光源以外の光源によってＣＣＤ３に入射する光量は短時間で見ると一定であると仮定できる。つまり図２において、
Ｃ１ ＝ Ｃ２ ＝ Ｃ３ ＝ Ｃ５ ＝ Ｃ６ ＝ Ｃ７ ・・・（数３）
と見ることができる。シャッタ値はＣＣＤ３に露光する信号量の利得を表しているので、番号３のフィールドの積分回路１２の値は、
Ｉ１ ＝ Ｃ１ × Ｓ１ × Ａ２ ・・・（数４）
で表すことができる。規格化部１３では、
（Ｉ１、Ｓ１、Ａ２） ＝ Ｉ１ ÷ Ｓ１ ÷ Ａ２ ・・・（数５）
という計算を行い、ＣＣＤ３に入射する相対光量を求めている。よって、数４、数５より、
Ｃ１ ＝ （Ｉ１、Ｓ１、Ａ２） ・・・（数６）
となる。また、撮像装置の光源のみによるＣＣＤ３に入射する光量も同様に一定となる。この値をＳＵＢ１とし、撮像装置の光源以外の光源によってＣＣＤ３に入射する光量は一定であるとすると、数３より、
Ｃ４’ ＝ Ｃ１ ＋ ＳＵＢ１ ・・・（数７）
が成り立つ。よって、数６と数７より、
Ｃ４’ ＝ （Ｉ１、Ｓ１、Ａ２） ＋ ＳＵＢ１ ・・・（数８）
Ｃ４の値がＣ４’であると予測できる。これは、加算部１７の出力である。この値Ｃ４’と、番号３のフィールドで設定されているシャッタ値とＡＧＣ値から、
Ｉ４’＝ ｛（Ｉ１、Ｓ１、Ａ２） ＋ ＳＵＢ１｝ × Ｓ３ × Ａ３ ・・・（数９）
という計算で、光源４が発光する直前に次のフィールドの積分回路の出力がＩ４’となることが予測できる。制御部１８は、この値Ｉ４’が目標値となるように発光するフィールドの画像に反映するＳ４とＡ５を計算する。ここで、Ａ４の値は、Ａ３もしくはＡ５の値とすればよい。このとき、応答性のよいシャッタ値のみで制御してもよいし、応答性の悪いＡＧＣに関しても１フィールド以上前もってならＡＧＣ値のみで制御することが可能である。
【００１８】
次に、撮像装置の光源のみによるＣＣＤ３に入射する光量の計算方法について説明する。光源４が発光したときの画像の積分値は番号６のフィールドで得られる。すると、
Ｃ４ ＝ （Ｉ４、Ｓ４、Ａ５） ＝ Ｉ４ ÷ Ｓ４ ÷ Ａ５ ・・・（数１０）
となる。ここで、（Ｉ３、Ｓ３、Ａ４）は番号６のフィールドの規格化部１３の値である。今求める撮像装置の光源のみによるＣＣＤ３に入射する相対光量をＳＵＢ２とすると、
Ｃ４ ＝ Ｃ３ ＋ ＳＵＢ２ ＝ （Ｉ３、Ｓ３、Ａ４）＋ ＳＵＢ２ ・・・（数１１）
となる。ここで、（Ｉ３、Ｓ３、Ａ４）は番号６のフィールドのメモリ部１４の値である。よって、数１０と数１１より、
ＳＵＢ２ ＝ （Ｉ４、Ｓ４、Ａ５） − （Ｉ３、Ｓ３、Ａ４） ・・・（数１２）
という計算で撮像装置の光源のみによるＣＣＤ３に入射する相対光量が計算される。このとき、ＳＵＢ２の値が外乱によって変動することを抑制するために、加算部１７の出力を比較的長い時定数で平均してもよい。
【００１９】
本実施形態では、規格化部でＣＣＤに入射する光量を相対値として求め、光源が発光していないときの光量と光源の発光によって増加する光量とから光源が発光するときの光量を予測することで、点滅する光源を有する撮像装置においていつでも画像出力の輝度レベルが最適になるようにすることが可能である。
【００２０】
本発明の他の実施例について、同様に図１を用いて説明する。上記実施例と重複する説明は省略する。同図において、メモリ部１４は光源４が発光するフィールドから決まったフィールドだけ前に規格化部１３の出力を光源４が発光する毎に保持する。
【００２１】
本実施例において、Ａ／Ｄ変換回路６、積分回路１２、メモリ部１４、差分部１５、メモリ部１６および加算部１７までの処理のタイミングの動作について図３のタイミングチャート用いて補足説明する。図３において、図２と重複する部分には、同一符号をつけて重複する説明を省略する。３０１は光源４の発光によりＣＣＤ３に入射する光の強度であり、３０２は蛍光灯によりＣＣＤ３に入射する光の強度である。図３では、カメラのフィールド周波数が６０ヘルツであり、蛍光灯の電源周波数が５０ヘルツとしている。３０３は、ＣＣＤ３の露光時間を１／６０秒固定としたときのＣＣＤ３に蓄積される信号量である。３０３より、蛍光灯によりＣＣＤ３に入射する光量は３フィールド周期で変化することがわかる。そこで、光源４が発光したときのＣＣＤ３に入射する相対光量を予測するためには、光源４が発光する番号４のフィールドの３フィールド前である番号１のフィールドの相対光量を使用すればよい。このとき、番号１のフィールドのシャッタ値Ｓ１と番号４のシャッタ値は同じ値とする。光源４が発光する３フィールド前の相対光量は、番号３のフィールドの規格化部１３の値である。このタイミングで、メモリ部１４は規格化部１３の出力を保持する。そのタイミングを示したものが３０４である。加算部１７は前記実施例と同様の計算をすることで、光源４が発光したときＣＣＤ３に入射する相対光量が正しく求まる。制御部１８は、前記実施例と同様に番号３のフィールドにおいて光源４が発光したときのフィールドに対する積分回路１２の出力を予測し、その値が目標値となるようにＡＧＣ値Ａ５を計算し設定する。このときシャッタ値Ｓ４には、Ｓ１と同じ値が設定される。
【００２２】
メモリ部１６に保持される値は、前記実施例のタイミングで同様に計算すると、
ＳＵＢ２ ＝ （Ｉ４、Ｓ４、Ａ５） − （Ｉ１、Ｓ１、Ａ２）・・・（数１３）
となり、光源４が発光したときの相対光量から３フィールド前の相対光量を引くことになり、光源４が発光することによるＣＣＤ３に入射する光量が正しく求まる。
【００２３】
本実施形態では、メモリ部１４に規格化部１３の値を保持するタイミングを、外部光源の強度変化の周波数と撮像装置の画像フィールドの周波数によって決定することで、点滅する光源を有する撮像装置において蛍光灯下においても撮像装置の光源を発光したときの画像の出力輝度レベルはいつでも最適になるようにすることが可能である。
【００２４】
上記の実施形態においては、撮像装置の露光量をシャッタ値とＡＧＣ値により制御すると説明したが、撮像素子に入射される光量を調節する絞りを撮像素子のレンズ側に設けて、この絞り値もあわせて光量を調節するようにしても、上記の実施例と同様の効果が得られる。
【００２５】
【発明の効果】
本発明により、点滅する発光素子を有する撮像装置において、発光素子が発光するときの画像の輝度レベルを予測することによって、いつでも最適な露光状態の出力画像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による撮像装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図１に示した撮像装置の一実施形態におけるＡ／Ｄ変換回路６、積分回路１２、メモリ部１４、差分部１５、メモリ部１６および加算部１７までの動作を示すタイミングチャートである。
【図３】図１に示した撮像装置の他の実施形態におけるＡ／Ｄ変換回路６、積分回路１２、メモリ部１４、差分部１５、メモリ部１６および加算部１７までの動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１…レンズ、２…シャッタ、３…ＣＣＤ、４…光源、５…ＡＧＣ、６…Ａ／Ｄ変換回路、７…画像信号処理部、８…エンコーダ、９…圧縮伸張部、１０…記録媒体、１１…インターフェイス部、１２…積分回路部、１３…規格化部、１４…メモリ部、１５…差分部、１６・・・メモリ部、１７…加算部、１８…制御部、２０１…垂直同期信号、２０２…光源制御信号、２０３…ＣＣＤに入射する相対光量、２０４…シャッタに設定される値、２０５…ＡＧＣに瀬定される値、２０６…積分回路の出力値、２０７…規格化部の出力値、２０８…メモリ部１４の値、２０９…メモリ部１６の値、２１０…加算部１７の出力、３０１…光源の発光の強度、３０２…蛍光灯の発光強度、３０３…露光時間を１／６０秒固定としたときにＣＣＤに蓄積される信号量、３０４…メモリ部１４の値。

Claims (8)

1. 光学系によって結像された光信号を電気信号に変換する撮像素子と、
   該撮像素子の露光時間又は該撮像素子から出力された信号の利得を制御することにより露光を制御する露光制御手段と、
   所望の間隔で点滅する発光素子とを有し、
   該露光制御手段は、該発光素子が発光するときの光量を前回に発光素子が発光したときの光量と、発光素子が発光しないときの光量とから予測して、該露光時間又は該信号の利得を制御することを特徴とする撮像装置。
2. 光学系によって結像された光信号を電気信号に変換する撮像素子と、
   該撮像素子の露光時間又は該撮像素子から出力された信号の利得を制御することにより露光を制御する露光制御手段と、
   所望の間隔で点滅する発光素子と、
   を有し、
   該露光制御手段は、該発光素子が発光するときの光量を前回に発光素子が発光したときの発光素子による光量と、発光素子が発光する前のフィールドの光量を加算することにより予測して、発光素子の発光時の該露光時間又は該信号の利得を制御することを特徴とする撮像装置。
3. 該露光制御手段は、発光素子が発光したときの光量と、発光素子が発光する前のフィールドの光量との差分を計算することにより発光素子による増加光量を求め、
   次に発光するときの光量を、前回求められた該発光素子による増加光量と発光素子が発光していないフィールドの光量を加算することにより予測することを特徴とする請求項２に記載の撮像装置。
4. 該発光素子は外部光源の強度変化の周波数と撮像装置の画像フィールドの周波数で決まるフィールド数の３の倍数のフィールドの間隔で点滅することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の撮像装置。
5. 光学系によって結像された光信号を電気信号に変換する撮像素子と、該撮像素子を駆動する手段と、該撮像素子の露光時間を制御するシャッタ手段と、該撮像素子からの出力の信号レベルの大きさを制御する信号利得制御手段と、該信号利得手段の出力から画像信号を生成する画像信号処理手段を有する撮像装置において、
   該信号利得制御手段の信号を１フィールド毎に積分する積分手段と、
   所望の間隔で点滅する発光素子と、
   該積分手段の出力を該シャッタ手段と該信号利得制御手段の設定値により規格化する規格化部と、
   該発光素子が発光していないときの該規格化部の出力をフィールド毎に格納する第１のメモリ手段と、
   該発光素子が発光したときの該規格化部の出力と該第１のメモリ手段の値の差分を該発光素子が発光する毎に格納する第２のメモリ手段と、
   該発光素子が消灯している間フィールド毎に該積分手段の出力値が目標値となるように該シャッタ手段と該信号利得制御手段の制御量を計算し次フィールドの画像に反映させる第１の制御手段と、
   該発光素子が発光する直前に第１のメモリ手段と第２のメモリ手段の和から該積分手段の値を予測しその値が目標値となるように該シャッタ手段の制御量を計算し該発光素子が発光するフィールドの画像に反映させる第２の制御手段と、
   から構成されたことを特徴とする撮像装置。
6. 請求項５において、
   該第２の制御手段は該発光素子が発光する直前に第１のメモリ手段と第２のメモリ手段の和から該積分手段の値を予測しその値が目標値となるように該信号利得制御手段の制御量を計算し該発光素子が発光するフィールドの画像に反映させることを特徴とする撮像装置。
7. 請求項５において、
   該第２の制御手段は該発光素子が発光する直前に第１のメモリ手段と第２のメモリ手段の和から該積分手段の値を予測しその値が目標値となるように該シャッタ手段と該信号利得制御手段の制御量を計算し該発光素子が発光するフィールドの画像に反映させることを特徴とする撮像装置。
8. 請求項６において、
   第１のメモリ手段は該発光素子が発光するフィールドから外部光源の強度変化の周波数と撮像装置の画像フィールドの周波数で決まるフィールドだけ前の該規格化部の値を該発光素子が発光する毎に保持することを特徴とする撮像装置。

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