JP3845860B2 - 撮像装置、撮像結果の処理方法及び撮像結果の処理プログラム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置、撮像装置の制御方法及び撮像装置の処理プログラムに関し、例えばテレビジョンカメラに適用することができる。本発明は、アナログディジタル変換処理における基準電圧を変更して撮像結果の利得を補正することにより、従来に比して構成を簡略化することができるようにする。またこのとき各画素が属する領域を判定して基準電圧を可変することにより、簡易な構成で、コントラストの劣化を有効に回避して階調を抑圧する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮像装置においては、ＡＧＣ回路の利得制御により露光制御の処理を実行するようになされている。すなわち図７は、従来の撮像装置を示すブロック図であり、ＣＣＤ（Charge Coupled Device ）２は、単板式のカラー画像用固体撮像素子であり、タイミングジェネレータ（ＴＧ）３より出力される各種駆動信号により動作して、図示しない光学系により撮像面に形成される被写体の画像を光電変換して出力する。
【０００３】
タイミングジェネレータ３は、ＣＣＤ２の各種駆動信号を生成して出力する。この処理において、タイミングジェネレータ３は、カメラマイコン４の制御により、ＣＣＤ２の電荷蓄積時間を可変するように駆動信号のタイミングを可変する。これによりこの撮像装置１では、カメラマイコン４の制御により電子シャッターによるシャッター速度を種々に可変できるようになされている。
【０００４】
相関二重サンプリング回路（ＣＤＳ）５は、ＣＣＤ２の出力信号を相関二重サンプリングして出力する。ＡＧＣ回路６は、相関二重サンプリング回路５の出力信号を所定の利得により増幅して出力する。ＡＧＣ回路６は、この利得がカメラマイコン４の制御により可変し、これによりＡＧＣによる露光制御の処理を、後述するカメラマイコン４、ＤＳＰ（Digital Signal processor）７と共に実行するようになされている。
【０００５】
アナログディジタル変換回路（Ａ／Ｄ）８は、このＡＧＣ回路６の出力信号をアナログディジタル変換処理し、画像データを生成して出力する。
【０００６】
ＤＳＰ７は、アナログディジタル変換回路８から出力される画像データをニー処理、ガンマ補正処理した後、その結果得られる画像データＤＶをモニタ装置９等に出力する。これによりこの撮像装置１では、モニタ装置９を介して撮像結果を確認できるようになされ、さらには他の映像機器により撮像結果を処理できるようになされている。なおＤＳＰ７は、ＣＣＤ２が補色系のカラーフィルタを配置してなる撮像素子の場合、アナログディジタル変換回路８の出力信号を演算処理して色信号を生成した後、これらの色信号によりニー処理等を実行する。ＤＳＰ７は、これらの処理において、例えば撮像結果の輝度レベルを１画面分積分することにより、撮像結果の明るさを示す評価値を検出してカメラマイコン４に出力する。
【０００７】
カメラマイコン４は、この撮像装置１の動作を制御するコントローラであり、ＤＳＰ７から出力される評価値が所定値になるように、タイミングジェネレータ３の動作を制御して露光制御の処理を実行する。この制御において、電荷蓄積時間を充分に長い時間に設定しても、所望の明るさにより撮像結果を取得できない場合、カメラマイコン４は、ＡＧＣ回路６の利得を増大させ、これによりＡＧＣ回路によるゲインアップにより露光制御の処理を実行する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところでこの種の撮像装置の構成を簡略化することができれば、この種の撮像装置の適用範囲をさらに一段と拡大することができると考えられる。
【０００９】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、従来に比して構成を簡略化することができる撮像装置、撮像装置の制御方法及び撮像装置の処理プログラムを提案しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため請求項１の発明においては、撮像装置に適用して、撮像素子と、撮像素子の出力信号と所定の基準電圧との比較により、出力信号をアナログディジタル変換処理して画像データを生成するアナログディジタル変換回路と、出力信号に応じて、基準電圧を可変する制御手段とを備えるようにする。また制御手段は、先の出力信号の各画素が属する領域を判定して判定結果を出力する領域判定手段と、この判定結果の信号レベルに応じて基準電圧を可変する係数出力手段とを有するようにする。
【００１１】
また請求項２の発明においては、撮像結果の処理方法に適用して、撮像素子の出力信号と所定の基準電圧との比較により、前記出力信号をアナログディジタル変換処理して画像データを生成するアナログディジタル変換のステップと、前記出力信号に応じて、前記基準電圧を可変する制御のステップとを備え、前記制御のステップは、前記出力信号の各画素が属する領域を判定して判定結果を出力する領域判定のステップと、前記判定結果の信号レベルに応じて前記基準電圧を可変する係数出力のステップとを有するようにする。
【００１２】
また請求項３の発明においては、撮像結果の処理プログラムに適用して、撮像素子の出力信号と所定の基準電圧との比較により、前記出力信号をアナログディジタル変換処理して画像データを生成するアナログディジタル変換のステップと、前記出力信号に応じて、前記基準電圧を可変する制御のステップとを備え、前記制御のステップは、前記出力信号の各画素が属する領域を判定して判定結果を出力する領域判定のステップと、前記判定結果の信号レベルに応じて前記基準電圧を可変する係数出力のステップとを有するようにする。
【００１３】
請求項１の構成によれば、撮像装置に適用して、撮像素子と、撮像素子の出力信号と所定の基準電圧との比較により、出力信号をアナログディジタル変換処理して画像データを生成するアナログディジタル変換回路と、出力信号に応じて、基準電圧を可変する制御手段とを備えることにより、別途、制御信号により利得を可変する増幅回路により撮像素子の出力信号を処理しなくても、基準電圧の制御により出力信号の信号レベルを補正して画像データを生成することができる。これにより従来に比して構成を簡略化することができる。また制御手段は、先の出力信号の各画素が属する領域を判定して判定結果を出力する領域判定手段と、この判定結果の信号レベルに応じて基準電圧を可変する係数出力手段とを有することから、簡易な構成で、コントラストの劣化を有効に回避して階調を抑圧することができる。
【００１４】
また請求項２の構成によれば、撮像結果の処理方法に適用して、撮像素子の出力信号と所定の基準電圧との比較により、前記出力信号をアナログディジタル変換処理して画像データを生成するアナログディジタル変換のステップと、前記出力信号に応じて、前記基準電圧を可変する制御のステップとを備えることにより、別途、制御信号により利得を可変する増幅回路により撮像素子の出力信号を処理しなくても、基準電圧の制御により出力信号の信号レベルを補正して画像データを生成することができる。これにより従来に比して構成を簡略化することができる。また制御のステップは、前記出力信号の各画素が属する領域を判定して判定結果を出力する領域判定のステップと、前記判定結果の信号レベルに応じて前記基準電圧を可変する係数出力のステップとを有することから、簡易な構成で、コントラストの劣化を有効に回避して階調を抑圧することができる。
【００１５】
これにより請求項３の構成によれば、従来に比して構成を簡略化することができる撮像結果の処理プログラムを提供することができる。また簡易な構成で、コントラストの劣化を有効に回避して階調を抑圧することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳述する。
【００１７】
（１）第１の実施の形態
（１−１）第１の実施の形態の構成
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るテレビジョンカメラによる撮像装置を示すブロック図である。この撮像装置１１において、図７について上述した撮像装置１と同一の構成は、対応する符号を付して示し、重複した説明は省略する。なおこの第１の実施の形態は、本願には含まれるものでは無く、本願発明の構成に欠くことができない構成の一部構成による本願発明の前提の実施の形態である。
【００１８】
この撮像装置１１において、アナログディジタル変換回路１２は、相関二重サンプリング回路５の出力信号を直接入力し、この出力信号をアナログディジタル変換処理して画像データを出力する。この処理において、アナログディジタル変換回路１２は、カメラマイコン４による基準電圧ＶＲＴの制御により、量子化ステップサイズを切り換え、これによりＡＧＣ回路の機能を担うようになされている。
【００１９】
すなわちアナログディジタル変換回路１２は、内蔵の低電圧側基準電圧ＶＲＢと、カメラマイコン４から出力される高電圧側基準電圧ＶＲＴとを分圧回路１２Ａにより分圧し、これにより複数の比較基準電圧を生成する。比較回路１２Ｂは、これら複数の比較基準電圧と相関二重サンプリング回路５の出力信号とをそれぞれ比較して比較結果を出力する。デコーダ１２Ｃは、この比較回路１２Ｂより出力される複数の比較結果を所定のクロック信号のタイミングで取り込んでデコードする。これによりアナログディジタル変換回路１２は、これら基準電圧ＶＲＢ及び基準電圧ＶＲＴ間の電位を分圧回路１２Ａにより分圧してなる量子化ステップサイズにより相関二重サンプリング回路５の出力信号をアナログディジタル変換処理する。またこのとき基準電圧ＶＲＴの制御により、量子化ステップサイズを切り換えるようになされている。
【００２０】
カメラマイコン４は、この撮像装置１の動作を制御するコントローラであり、ＤＳＰ７から出力される評価値が所定値になるように、タイミングジェネレータ３の動作を制御して露光制御の処理を実行する。この制御において、電荷蓄積時間を充分に長い時間に設定しても、所望の明るさによる撮像結果を取得できない場合、カメラマイコン４は、基準電圧ＶＲＢとの間の電位差が小さくなるように基準電圧ＶＲＴの電圧を可変し、これにより量子化ステップサイズの切り換えにより等化的にアナログディジタル変換処理されてなる画像データの利得を増大させる。
【００２１】
（１−２）第１の実施の形態の動作
以上の構成において、この撮像装置１１では（図１）、ＣＣＤ２の出力信号が相関二重サンプリング回路５で処理された後、アナログディジタル変換回路１２に入力される。このアナログディジタル変換回路１２において、基準電圧ＶＲＢ及びＶＲＴ間の電位を分圧回路１２Ａにより分圧して得られる複数の分圧電圧と、相関二重サンプリング回路５の出力信号とが比較回路１２Ｂで比較され、その比較結果がデコーダ１２Ｃによりデコードされ、これにより相関二重サンプリング回路５の出力信号がアナログディジタル変換処理されて画像データが生成される。さらにこの画像データがディジタルシグナルプロセッサ７により処理されてモニタ装置９に出力され、さらには他の映像機器に出力される。
【００２２】
撮像装置１１では、このディジタルシグナルプロセッサ７における処理において、画像データの輝度レベルが積分され、これにより撮像結果の明るさを示す評価値が生成される。さらにこの評価値がカメラマイコン４に入力され、ここでこの評価値が所定値となるように露光制御の処理が実行される。すなわちこの評価値より撮像結果の輝度レベルが全体として高く、撮像結果が明る過ぎと判断される場合には、タイミングジェネレータ３の制御によりＣＣＤの電荷蓄積時間が短くなるように制御され、また図示しないレンズの絞りが小さくなるように制御される。またこれとは逆に、撮像結果が暗過ぎると判断される場合には、電荷蓄積時間が長くなるように、また絞りを開くように制御される。
【００２３】
このような制御において、電荷蓄積時間を充分に長くしても、また絞りを充分に開いても、撮像結果が明る過ぎと判断される場合、基準電圧ＶＲＢに対して電位差が小さくなるように、基準電圧ＶＲＴが可変される。これにより図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、撮像装置１１では、充分なダイナミックレンジにより相関二重サンプリング回路５の出力信号Ｓ１が入力されている場合には、このダイナミックレンジに対応する大きな量子化ステップサイズにより相関二重サンプリング回路５の出力信号Ｓ１を画像データに変換するのに対し、相関二重サンプリング回路５の出力信号Ｓ１が小さなダイナミックレンジにより入力されている場合には、量子化ステップサイズを小さくし、これにより等化的に出力信号Ｓ１の利得を増大させて画像データを生成する。すなわち図３（Ｂ）の例では、最大値が１０２３に量子化されるように設定して、充分なダイナミックレンジによる場合には、５１１の値により量子化される信号レベルが、小さなダイナミックレンジによる場合には、１０２３の値により量子化され、これにより信号レベルを併せて補正することができる。
【００２４】
これにより撮像装置１１では、ＡＧＣ回路を省略しても、撮像結果の利得を増大して利得制御することができ、その分、全体構成を簡略化することができる。
【００２５】
またこのようにアナログディジタル変換回路１２により併せて撮像結果の利得を増大させることにより、撮像結果の画質も向上することができる。すなわち図３に示すように、量子化ステップサイズを大きく設定したまま、増幅回路の利得を増大させて撮像結果の利得を増大させる場合、増幅回路における利得の増大により、撮像結果に含まれるノイズ成分についても信号レベルが増大する。この撮像結果を大きな量子化ステップサイズにより画像データに変換すると、さらにアナログディジタル変換処理におけるノイズが重畳され、その結果、輝度レベルの低い箇所で画質の劣化が知覚されるようになる。
【００２６】
しかしながらこの実施の形態においては、このようなアナログ信号における利得の増大処理を省略して、アナログディジタル変換処理により撮像結果の利得を併せて増大させることにより、その分、撮像結果における画質の劣化を防止することができる。
【００２７】
なお、ＡＧＣ回路で利得を増大させて発生する撮像結果のノイズを目立たなくする１つの方法として、画像データの下位ビットを切り捨てる方法もあるが、この方法の場合、階調が粗くなり、滑らかな階調により撮像結果を得ることが困難になる。
【００２８】
しかしながらこの実施の形態においては、滑らかなリニアリティによる階調を確保することができ、その分、高画質による撮像結果を得ることができる。
【００２９】
また従来方式の場合では、実際上、基準電圧ＶＲＴ及びＶＢＴ間の電位差が１．０〔Ｖ〕に設定され、これにより入力信号レベルが小さい場合には、入力信号に割り当てられるビットが少なく固定されてしまうようになる。しかしながらこの実施の形態においては、入力信号そのもののレベルに対してフルにビットを割り当てることが可能となり、これによりモニタ装置９により撮像結果を観察した場合に、このビット割り当ての増大により入力信号レベルが１〔ｍＶ〕程度の部分で高階調による撮像結果を得ることができる。
【００３０】
（１−３）第１の実施の形態の効果
以上の構成によれば、アナログディジタル変換処理における基準電圧を変更して撮像結果の利得を補正することにより、従来に比して構成を簡略化することができる。
【００３１】
（２）第２の実施の形態
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る撮像装置を示すブロック図である。この撮像装置２１において、ＣＣＤ２２は、ライン単位で、長い電荷蓄積時間により入射光を光電変換処理する光電気変換部と、短い電荷蓄積時間により入射光を光電変換処理する光電気変換部とが配置され、これら２種類の光電変換部にそれぞれ対応して２系統の水平転送レジスタ、フローティングディフュージョンアンプが配置される。
【００３２】
これによりＣＣＤ２２は、タイミングジェネレータ（ＴＧ）２３の制御により、長い露光時間による高感度の撮像結果Ｓ３と、短い露光時間による感度の低い撮像結果Ｓ４とを同時並列的に出力するようになされている。かくするにつき、このような高感度の撮像結果Ｓ３においては、図５（Ａ）に示すように、入射光量の少ない、暗い部分についても、充分な感度を有しているのに対し、入射光量の大きな、明るい部分については、飽和した特性により得られる。これに対して感度の低い撮像結果Ｓ４においては、図５（Ｂ）に示すように、入射光量の少ない、暗い部分では感度が不足するのに対し、入射光量の大きな、明るい部分では、充分な直線性、感度を確保することができる。
【００３３】
合成回路２４は、これら２系統の撮像結果Ｓ３及びＳ４を合成することにより、図５（Ｃ）に示すように、入射光量の少ない、暗い部分から入射光量の大きな、明るい部分までの範囲で、充分な感度、直線性を有してなる撮像結果Ｓ５を出力する。かくするにつき、このような撮像結果Ｓ５は、従来に比して格段的に大きなダイナミックレンジを確保していることになる。
【００３４】
領域判定フィルタ２５は、例えばローパスフィルタにより構成され、撮像結果Ｓ５の各画素が属してなる輝度レベルの領域を判定して出力する。係数出力回路２６は、領域判定フィルタ２５の出力信号により、アナログディジタル変換回路１２の基準電圧ＶＲＴを可変する。これによりこの撮像装置２１では、撮像結果Ｓ５の各画素が属してなる輝度レベルの領域に応じた利得により、撮像結果Ｓ５をアナログディジタル変換処理するようになされている。
【００３５】
ここで係数出力回路２６は、図６に示すように、領域判定フィルタ２５の出力値ｒに対して、アナログディジタル変換回路１２の入力値ｘと出力値ｙとの比により表される利得ｙ／ｘが所定の階調抑圧特性により表されるように、入出力特性が設定される。これによりこの撮像装置２１では、撮像結果Ｓ５のダイナミックレンジを抑圧して出力するようになされている。またこの処理において、この階調抑圧特性の横軸を領域判定フィルタ２５の出力値ｒに設定することにより、同一の輝度レベルの画素であっても、平均輝度レベルが異なる領域に属する画素については、異なる利得により信号レベルを補正し、また異なる輝度レベルの画素であっても、平均輝度レベルが同一の領域に属する画素については、同一の利得により信号レベルを補正し、これにより階調を抑圧しても、コントラストの劣化が目立たないようにする。
【００３６】
この撮像装置２１では、このような撮像結果における利得の補正をアナログディジタル変換回路１２における基準電圧ＶＲＴの切り換えにより実行し、これにより全体構成を簡略化することができるようになされている。
【００３７】
特に、このように領域判定フィルタ２５の出力値ｒにより撮像結果Ｓ５の利得を制御する場合にあっては、ＡＧＣ回路における利得の制御に比して、格段的に高速度で利得を制御することが必要になる。しかしながらこの実施の形態においては、アナログディジタル変換回路１２の基準電圧ＶＲＴの切り換えにより、この撮像結果Ｓ５の利得を制御することにより、充分に高速度に利得を制御することができる。
【００３８】
図４に示す構成によれば、アナログディジタル変換処理における基準電圧を変更して撮像結果の利得を補正することにより、従来に比して構成を簡略化することができる。また領域判定フィルタの出力信号に応じて、アナログディジタル変換回路の基準電圧の制御により撮像結果の利得を制御することにより、簡易な構成で、コントラストの劣化を有効に回避して階調を抑圧することができる。
【００４０】
（３）他の実施の形態
なお上述の実施の形態においては、撮像結果全体の信号レベルを補正する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、撮像結果である色信号毎に信号レベルを補正する場合にも広く適用することができる。具体的には、ホワイトバランス調整等に適用することができる。
【００４１】
また上述の第１の実施の形態においては、撮像結果を１画面分積分して得られる評価値を基準にして露光制御することにより、フィールド単位で基準電圧を切り換え、第２の実施の形態においては、リアルタイムで基準電圧を切り換える場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばライン単位で基準電圧を切り換える場合等にも広く適用することができる。因みに、このようにライン単位で基準電圧を切り換える場合にあっては、例えば、露光制御用評価値をライン単位で検出し、水平ブランキング期間中で、各ラインに適した基準電圧を設定する場合等が考えられる。
【００４３】
また上述の実施の形態においては、最大値１０２３により量子化する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、さらに多くの階調により量子化する場合等に広く適用することができる。すなわち近年の撮像装置においては、高画質化により撮像素子の画素数が増大する傾向にあり、また画像データもビット数が増大すると考えられる。このような背景において、アナログディジタル変換処理における基準電圧の制御により撮像結果の信号レベルを補正するようにすれば、より有意義にビットを割り当てることができ、一段と画質を向上することができる。
【００４４】
また上述の実施の形態においては、単板式による撮像装置に本発明を適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、３板式による撮像装置にも広く適用することができる。
【００４５】
また上述の実施の形態においては、本発明をテレビジョンカメラによる撮像装置に適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばカメラ一体型ビデオテープレコーダ等の記録機能を有してなる撮像装置、携帯電話等の通信機能を有してなる撮像装置、さらにはパーソナルコンピュータと一体化されてなる撮像装置等に広く適用することができる。
【００４６】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、アナログディジタル変換処理における基準電圧を変更して撮像結果の利得を補正することにより、従来に比して構成を簡略化することができる。また各画素が属する領域を判定して基準電圧を可変することにより、簡易な構成で、コントラストの劣化を有効に回避して階調を抑圧することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る撮像装置を示すブロック図である。
【図２】図１の撮像装置の動作の説明に供する信号波形図である。
【図３】図２との対比により従来の撮像装置の動作の説明に供する信号波形図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る撮像装置を示すブロック図である。
【図５】図４の撮像装置の動作の説明に供する特性曲線図である。
【図６】図４の撮像装置の係数出力回路の説明に供する特性曲線図である。
【図７】従来の撮像装置を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、１１、２１……撮像装置、２、２２……ＣＣＤ、４……カメラマイコン、６……ＡＧＣ回路、８、１２……アナログディジタル変換回路、７……ディジタルシグナルプロセッサ、２４……合成回路、２５……領域判定フィルタ、２６……係数出力回路

Claims (3)

1. 撮像素子と、
   前記撮像素子の出力信号と所定の基準電圧との比較により、前記出力信号をアナログディジタル変換処理して画像データを生成するアナログディジタル変換回路と、
   前記出力信号に応じて、前記基準電圧を可変する制御手段とを備え、
   前記制御手段は、
   前記出力信号の各画素が属する領域を判定して判定結果を出力する領域判定手段と、
   前記判定結果の信号レベルに応じて前記基準電圧を可変する係数出力手段とを有する
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 撮像素子の出力信号と所定の基準電圧との比較により、前記出力信号をアナログディジタル変換処理して画像データを生成するアナログディジタル変換のステップと、
   前記出力信号に応じて、前記基準電圧を可変する制御のステップとを備え、
   前記制御のステップは、
   前記出力信号の各画素が属する領域を判定して判定結果を出力する領域判定のステップと、
   前記判定結果の信号レベルに応じて前記基準電圧を可変する係数出力のステップとを有する
   ことを特徴とする撮像結果の処理方法。
3. 撮像素子の出力信号と所定の基準電圧との比較により、前記出力信号をアナログディジタル変換処理して画像データを生成するアナログディジタル変換のステップと、
   前記出力信号に応じて、前記基準電圧を可変する制御のステップとを備え、
   前記制御のステップは、
   前記出力信号の各画素が属する領域を判定して判定結果を出力する領域判定のステップと、
   前記判定結果の信号レベルに応じて前記基準電圧を可変する係数出力のステップとを有する
   ことを特徴とする撮像結果の処理プログラム。

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