JP3854101B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、階調（ガンマ：γ）特性を切り換え可能な撮像装置に係り、特に、階調特性を切り換えることができる露出制御の改良をはかった撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＣＤ等の撮像素子により被写体の画像を撮像して映像信号に変換する撮像装置が盛んに開発されている。このような撮像装置において、階調特性（被写体輝度−出力信号レベル特性）を切り換えることができるものが知られている。具体的には、例えば、放送用ＴＶカメラ、或いは、いわゆる工業用カメラ（ＩＴＶ）では、「ガンマ切り換え」などと称してその階調特性を標準設定モード（γ＝０．４５）及びリニア特性設定モード（γ＝１）のいずれか一つに設定することができる。
【０００３】
ここで、γ（ガンマ）値とは、周知のとおり入出力特性の線形（リニア）からの乖離に着目して、入力ｘと出力ｙとの関係が式で近似表現した場合にｙ＝ａ×ｘγ＋ｂ（ａ，ｂは定数）となるような指数である。従って、γ＝１の時に入出力は、比例関係にある。なお、ｂは、ペデスタル、或いは、オフセット分に相当することから、γ値とは分離して別途考慮されることが多い。
【０００４】
γ＝０．４５は、放送における標準方式の値であり、再生系の階調特性を考慮して総合的な高画質（鑑賞目的や視覚的に良好な画質）を得るための値として選定されている。これに対して、γ＝１は、計測目的やカメラの調整において、階調変換回路に起因する誤差要因を排除するための値として選定される。
【０００５】
上記カメラに対してしばしば自動露出制御が採用される。一般に、この制御では、撮像素子からの出力であって、通常「γ変換回路」と呼ばれる階調変換回路に入力される前のリニア信号がその制御対象とされる。このような制御方法によれば、撮像素子のダイナミックレンジに直接対応する最適な露出制御が可能であるとされている。
【０００６】
ところで、近年、このような電子撮像装置の内、特に、静止画像を記録する電子スチルカメラが所謂「デジタルカメラ」として広く普及するに至り、放送用ＴＶカメラや工業用カメラとは異なる意味での階調特性の切り換えの必要性が求められている。即ち、銀塩写真にも匹敵する、鑑賞用の高画質な画像を求めるために、使用者の好みやシーンの状況に応じて最適な階調を選択的に設定できるデジタルカメラの実現が望まれている。
【０００７】
一方、これら銀塩写真相当の写真撮影を目指すデジタルカメラにおいては、銀塩写真についての経験者の使用に耐え得ることが当然の要件となるため、銀塩写真と同等のスペックや操作性（いわゆる使い勝手）が要求されるという背景もある。このため、例えばデジタルカメラの「感度」を従来の銀塩フィルムのそれに習って、いわゆる「ＩＳＯ表示」することが試みられている。
【０００８】
このような試みの一つとして、「テレビジョン学会技術報告／吉田：デジタルカメラの感度（スピード）表示法の検討：ITE Technical Report Vol.20,No.58,PP.85〜90.CE'96-25(Nov,1996)」がある。この感度表示法の中で採用された測定法は、「デジタルカメラが記録するデジタル値の中間域（良好な階調再現域）の中に規定した所定値（提案値１０６．５／２５５）を与えるような露光量」をもって感度を規定するものである。この測定法を用いて求められた「感度」が同一のカメラは、測定基準に対応する所定の露光量で撮影する場合には、同一のデジタル信号出力が得られる。
【０００９】
なお、この提案がいわゆる「ＩＳＯ表示」に相当するといえるかどうかについては、別の議論が必要であるが、この文献における提案のような「感度」自体は、「同じ明るさ（出力レベル）の画像を得るために必要な露光量を示す指標」であるから極めて有意である。また、以下の説明で特に断りなく感度と記した場合は、この文献に記載される感度（但し、上記「所定値」の数値は問わない。）を指すものとする。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように使用者の好みやシーンの状況に応じて階調特性を切り換えて階調が選択される場合には、撮像系のゲインは一定のままであっても、その階調特性の変化によって上記感度が変化してしまい、そのために得られる出力レベルが変化してしまう問題がある。
【００１１】
詳述すれば、階調特性を変化させることから、被写体の輝度分布全体に対して等しい出力レベルを得ることは、もとより不可能である。しかしながら、被写体の輝度分布の平均的な、或いは、代表的な部分について考えた場合、言い換えれば主要な被写体についてだけ考えれば、これに対する出力レベルは、階調特性を切り換えても変化しないようにすることが望ましい。ところが、従来のデジタルカメラは、このことを配慮していないことから、上記したような出力レベルが大きく変化してしまう問題がある。
【００１２】
この発明は、上述した事情に鑑みなされたものであって、その目的は、階調特性を切り換えた場合にも感度や出力レベルを一定に保つことのできる撮像装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、
被写体からの光線を受けて被写体画像が形成され、この画像をオリジナル画像信号に変換する撮像素子と、
第１及び第２の階調モードの一方を指定する指定手段と、
この指定されたモードに従って前記撮像素子からのオリジナル画像信号を出力画像信号に変換する変換手段であって、前記第１の階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第１の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第２階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第２の階調特性を有する出力画像信号に変換する変換手段と、
前記指定手段で指定された階調モードがどの階調モードに選択された場合であっても、前記出力画像信号の平均的輝度レベルを常に略一定に保つべく、撮像素子から出力され、前記変換手段に入力されるオリジナル画像信号の平均輝度レベルを調整制御する調整手段と、
を具備し、
前記第１及び第２の階調特性を定義する入出力特性曲線は、互いに交差し、この交差点の前記階調変換特性の入力側における値は、前記露出制御目標値にほぼ相当することを特徴とする撮像装置が提供される。
【００１４】
また、この発明によれば、
被写体からの光線を受けて被写体画像が形成され、この画像をオリジナル画像信号に変換する撮像素子と、
第１、第２及び第３の階調モードの一方を指定する指定手段と、
この指定されたモードに従って前記撮像素子からのオリジナル画像信号を出力画像信号に変換する変換手段であって、前記第１の階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第１の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第２階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第２の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第３階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第３の階調特性を有する出力画像信号に変換する変換手段と、
を具備し、
前記第１、第２及び第３の階調特性を定義する入出力特性曲線は、被写体からの反射率が所定値として定義される黒レベルと白レベルの夫々の反射率の略対数的中点に位置する反射率に相当する点において互いに交差することを特徴とする撮像装置が提供される。
【００１５】
更に、この発明によれば、
被写体からの光線を受けて被写体画像を形成し、この画像をオリジナル画像信号に変換する画像形成工程と、
第１及び第２の階調モードの一方を指定する指定工程と、
この指定されたモードに従って前記撮像素子からのオリジナル画像信号を出力画像信号に変換する変換工程であって、前記第１の階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第１の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第２階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第２の階調特性を有する出力画像信号に変換する変換工程と、
前記指定工程で指定された階調モードがどの階調モードに選択された場合であっても、前記出力画像信号の平均的輝度レベルを常に略一定に保つべく、前記撮像素子から出力され、前記変換手段に入力されるオリジナル画像信号の平均輝度レベルを調整制御する調整工程と、
から構成される被写体を撮影する撮像方法において、
前記第１及び第２の階調特性を定義する入出力特性曲線は、互いに交差し、この交差点の前記階調変換特性の入力側における値が前記露出制御目標値にほぼ相当させることを特徴とする撮像方法が提供される。
【００１６】
更にまた、この発明によれば、
被写体からの光線を受けて被写体画像を形成し、この画像をオリジナル画像信号に変換する画像形成工程と、
第１、第２及び第３の階調モードの一方を指定する指定工程と、
この指定されたモードに従って前記オリジナル画像信号を出力画像信号に変換する変換工程であって、前記第１の階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第１の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第２階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第２の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第３階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第３の階調特性を有する出力画像信号に変換する変換工程と、
から構成される被写体を撮影する撮像方法において、
前記第１、第２及び第３の階調特性を定義する入出力特性曲線は、被写体からの反射率が所定値として定義される黒レベルと白レベルの夫々の反射率の略対数的中点に位置する反射率に相当する点において互いに交差させることを特徴とする撮像方法が提供される。
【００１７】
前述したように、複数の階調特性（ガンマ）を切り換え可能なカメラにおいて、リニア系（ガンマ入力側）で所定の目標値の露出制御を行うと、ガンマ切り換えによって感度（出力信号レベル）が変わってしまう。
そこで、本発明では、複数のガンマ特性を持つ撮像装置において、ガンマ入力側における露出制御目標値（推奨平均露光レベル）が同一であり、その点で複数のガンマカーブがクロスするようにする。３つ以上の特性を有する場合は、全てが共通のクロスポイントを持つようにする。このような構成にすれば、ガンマ特性を切り換えた場合にもクロスポイントにおける出力レベルは同じとなり、このクロスポイント付近に関しては、階調特性を切り換えた場合にも感度や出力レベルを一定に保つことが可能となる。
【００１８】
また、クロスポイントは、入力フルスケールの１８〜２０％（±１／３ＥＶ）対応点とする。この値は、被写体レンジの対数的中点付近であり、主要被写体に対応する可能性が最大の領域が被写体レンジの対数的中点付近であることから、最良の選択と言える。また、特性を交差させつつレンジを確保するためにｋｎｅｅ特性を持たせる。これにより、ガンマが大きい場合に被写体再現域が狭くなるのを防ぐことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施形態に係るデジタルカメラの詳細を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの回路構成を示すブロック図である。この図１において、符号１０１は、被写体を撮影する為の各種レンズからなる撮影レンズ系であり、１０２は、被写体に応じてレンズ系１０１を駆動するためのレンズ駆動機構であり、このレンズ駆動機構１０２によって撮影レンズ系１０１が駆動されて被写体に撮影レンズ系１０１がフォーカスされる。被写体からの反射光線は、レンズ系１０１を介して露出制御機構１０３に含まれる絞りを介してＣＣＤ１０５に向けられる。露出制御機構１０３では、絞りが調整されてこの絞りを通過する光線が制御されて露光量が制御される。絞りを通過した光線は、ローパス及び赤外カット用のフィルタ系１００及びメカシャッタ１０４を通過してＣＣＤカラー撮像素子１０５に入射され、このＣＣＤカラー撮像素子１０５の撮像面上に被写体像が形成される。撮像素子１０５は、ＣＣＤドライバ１０６によって駆動され、撮像面上の被写体像は、画像信号に変換される。この画像信号は、画像信号の増幅率、即ち、ゲインを制御するゲインコントロールアンプ１０７Ａ及び増幅された画像信号をデジタル画像信号に変換するＡ／Ｄ変換器等を含むプリプロセス回路１０７で処理される。このデジタル画像信号は、色信号生成処理，マトリックス変換処理，その他各種のデジタル処理を行うためのデジタルプロセス回路１０８で処理され、カードインターフェース１０９を介してＣＦ等のメモリカード１１０に格納される。また、デジタルプロセス回路１０８からの画像信号に基づいてＬＣＤ画像表示系１１１でその画像が表示される。
【００２１】
また、図１中の符号１１２は、図１に示した各部を統括的に制御するためのシステムコントローラ（ＣＰＵ）、符号１１３は、階調特性、即ち、γ特性を指定する、実際には、標準モード、軟調モード或いは硬調モードを設定するモード設定ＳＷ１１３Ａを含む各種ＳＷからなる操作スイッチ系、１１４は、デジタルカメラの操作状態及びモード状態等を表示するための操作表示系、１１５はレンズ駆動機構１０２を制御するためのレンズドライバ、１１６は、撮影時に撮影光線を発光するストロボ、１１７は、露出制御機構１０３及びストロボ１１６を制御するための露出制御ドライバ、１１８は各種設定情報等を記憶するための不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）を示している。
【００２２】
この実施形態に係るデジタルカメラにおいては、システムコントローラ１１２が統括的に各部を制御している。特に、システムコントローラ１１２は、露出制御機構１０３とＣＣＤドライバ１０６によるＣＣＤ撮像素子１０５の駆動を制御して露光（電荷蓄積）を制御している。ＣＣＤ撮像素子１０５からの画像信号の読み出しも同様にシステムコントローラ１１２によって制御されてプリプロセス回路１０７を介してデジタルプロセス回路１０８に画像信号が取り込まれる。さらに、システムコントローラ１１２の制御下で画像信号は、各種信号処理を施された後にカードインターフェース１０９を介してメモリカード１１０に記録される。なお、ＣＣＤ撮像素子１０５は、例えば縦型オーバーフロードレイン構造のインターライン型でプログレッシブ（順次）走査型のものが挙げられる。
【００２３】
また、図１に示されるデジタルプロセス回路１０８には、同一の画像信号に対して異なる階調特性の画像信号を生成することができる階調変換部１０８Ａが設けられている。操作スイッチ１１３内のモード設定ＳＷ１１３Ａで階調特性、即ち、γ特性が設定されると、その設定されたモードの階調指定信号がシステムコントローラ１１２に供給され、このシステムコントローラ１１２がデジタルプロセス回路１０８の階調変換部１０８Ａに対して変換されるべき階調、即ち、γ値を指定することとなる。また、システムコントローラ１１２による階調の指定に伴い、同様にデジタルプロセス回路１０７のゲインコントロールアンプ１０７Ａでゲインが指定された階調に従ってシステムコントローラ１１２の指令で設定される。更に、システムコントローラ１１２から露出制御ドライバ１１７に指定された階調の情報が与えられ、露出制御ドライバ１１７により選択した階調特性に応じて露出が制御される。
【００２４】
図２は、図１に示されたデジタルカメラにおいて制御可能な階調特性及び露出目標値を示すグラフである。この図２のグラフにおいては、説明を簡略化するために、入力デジタル値及び出力デジタル値は、ともに８ビットデータを仮定し、図２中の実線は、標準モードの階調（γ＝０．４５）の特性を示すグラフであり、破線は、γ＝０．７のモードにおける階調特性を示すグラフであり、一点鎖線は、γ＝１のモードにおける階調（入力デジタル値に対する出力デジタル値が直線的な関係となる。）の特性を示すグラフである。なお、図１に示されるデジタルカメラでは、モード設定スイッチ１１３Ａでデフォルトの「標準」から他の２つのモード（γ＝０．７及びγ＝１）に切り換えて何れもγ値をも選択できる。
【００２５】
標準モード（γ＝０．４５）は、実際には、デジタルカメラの標準規格である JEIDA DCF規格の推奨特性：ｙ＝1.099×ｘ0.45−0.099 である。（ただし、ｘ＝入力／２５５，ｙ＝出力／２５５であり、この式は、ｘ≧0.018 に適用され、ｘ＜0.018 においてはｙ＝4.5×ｘが適用される。）また、γ＝０．７は、ｙ＝ｘ0.7 の特性及びγ＝１は、ｙ＝ｘの特性に相当している。
【００２６】
図１に示されるカメラでは、中央重点平均測光で被写体の照度が測定され、測光値（信号レベル平均値）が露出目標値に等しくなるように、演算又はフィードバック制御により露出制御される。従って、フラット（無パターン）被写体の場合に得られる出力値が、露出制御目標値に対応する。通常の露出条件における主要被写体を想定する場合は、このようなフラット被写体をもって代表或いは代用し得ることは周知である。
【００２７】
デジタルプロセス回路１０８に取り込んだ被写体に関する輝度情報をシステムコントローラ１１２が解析（演算）することによって被写体輝度が測光され、この解析結果を基にしてシステムコントローラ１１２が露出制御ドライバ１１７を介して露出制御機構１０３或いはストロボ１１６を駆動することによって露出が制御される。シャッタとして素子シャッタ機能を使用する場合はＣＣＤドライバ１０６でＣＣＤの駆動を制御することによって実現することができる。
【００２８】
図２に示すように、標準（γ＝０．４５）の場合の露出制御ポイント４６は、最大入力デジタル値２５５の１８％に相当している。この入力デジタル値４６は、標準γにおける入力レンジの対数的中点にほぼ相当している。再生系における理想的デガンマ（即ち、トータルリニア）を仮定した場合には、この入力デジタル値４６は、実際には、再生系の表示レンジの対数的中点に相当する。この入力デジタル値４６に対応する出力デジタル値は、図２から値１０４が相当している。
【００２９】
尚、階調特性の中で、一般的に主要被写体を撮影する場合に、被写体照度に対応する可能性が最も多い領域は、被写体レンジの対数的中点付近である。この領域は、数値的には白レベルと黒レベルの対数的中点である１８％に相当することになる。ここで、白レベルとは、拡散反射率が最高の被写体の反射率約９８％を想定し、黒レベルとは、拡散反射率が最低の被写体の反射率約３．３％を想定している。この知見に基づいて、写真技術分野においては、以前から被写体を代表する標準反射率の数値或いは評価用の標準反射版の反射率として１８％が採用されている。
【００３０】
但し、本発明者の検討によれば、実際の撮影においては、上記最低反射率の数値を４％と仮定した対数的中点値２０％を採用した方が良い結果をもたらす場合も多く、この意味で露出制御ポイントの設定値としては１８〜２０％程度が最良の結果を得るための設定目標値（狙い値）ということができる。
【００３１】
ここで、上記は被写体レンジに関して考察されているが、これは撮像−表示系が仮定する理想的なガンマ変換（即ちトータルリニア）を仮定すればこれは「出力装置（表示装置）」における最終的な光出力階調（表示レンジ）においても同様の意味を有している。実際には出力像を観察する場合の視覚特性に関して、ウェーバーの法則或いはフェヒナーの法則に支配される刺激強度に対する対数的認識特性を前提に、上記「対数的中点」が好ましいとされている。
【００３２】
この意味では、露出制御目標値は、（トータルリニアを仮定した）標準的階調変換特性においては変換入力側（被写体比例信号）の値（上記１８〜２０％）を基準とすべきであるが、これから任意の変換特性に切り換えた場合はむしろ標準特性時においてこれに対応する変換出力側（ガンマ後信号）の値を基準に用いることが望ましい。
【００３３】
また、現実のカメラにおいては、種々の誤差要因があり、また製品評価における許容限界にはある程度の自由度があることも併せて、上記設定目標値に対して概ね±１／３ＥＶの範囲（即ち１８％−１／３ＥＶ＝１４．３％以上、２０％＋１／３ＥＶ＝２５．２％以下）にある設定値までは本発明の数値限定範囲に含まれるものであることを付言する。なお、±１／３ＥＶは、例えばＪＩＳやＩＳＯなどの規格においても、当該分野における標準的許容誤差範囲として多く採用されている数値である。尚、念のため付け加えれば、さらに誤差が±０．１ＥＶ以下であれば、当該分野においてほとんど全ての場合に、何の条件も無く同一視され得ることは明らかである。
【００３４】
このように制御することによって、主要被写体（測光値によって代表される被写体）は、標準的階調特性における撮像時とほぼ同じ出力輝度域、即ち出力装置（表示装置）における表示レンジの対数的中点付近に輝度が分布する画像として再現される。
【００３５】
さて、モードが切り換えられると、露出制御目標値は、モード切り換えに対応してそれぞれの値７１，１０４に切り換えられる。即ち、γ＝０．７についての目標値ｓは、（１０５／２５５）＝（ｓ／２５５）0. ７の解として７１が求まり、γ＝１については、ｙ＝ｘであるから、出力対応値そのまま１０４である。このとき、露出制御制御目標値は、入力レンジの対数的中点には対応しなくなるが、主要被写体（測光値によって代表される被写体）の出力レベルは、変化されない。
【００３６】
このように本実施形態によれば、ガンマ値に対する複数の制御目標値（ガンマ出力値が同一となる）を予め設定し、ガンマ特性を切り換える際に、ガンマ入力側でガンマ値に対応して露出を制御し、複数の制御目標値を切り換えることにより、画像信号の平均的レベルをほぼ一定に保つようにしている。このため、ガンマが切り換えられても平均的露光に対する出力レベルが同一になるような露出制御を行うことができ、その有用性は極めて大である。
【００３７】
より具体的に上述したγ特性の切り替えについて図３及び図４を参照して説明する。なお、以下特記無い限りゲインコントロールアンプ１０７Ａの増幅値は固定されているものとする。
【００３８】
図３および図４は、実際の撮像に先だって行なわれるγ特性の設定制御およびこれに対応した露出目標値の設定制御を説明するフローチャートであり、カメラの動作全体の制御フロー（メインフロー）において適時に呼び出されて実行されるサブフロー（プログラムにおけるサブルーチンに相当）の形式で表現されている。
【００３９】
ユーザによるγの指定は、これらのサブフローの実行以前にモード設定スイッチ１１３Ａによって行なわれており、その指定された設定パラメータ（γＡ、γＢ、γＣのいずれか）が図示しないメモリに格納されているものとする。また、ユーザが意図的にγを指定しない場合にはデフォルト設定γＣが採用される。なお、本カメラにおいてデフォルト設定γＣとしては先に説明した図２における標準γ（＝０．４５）が用いられるものとする。
【００４０】
γ特性の設定は、図３に従って次のように行なわれる。すなわちシステムコントローラ１１２は、上記メモリに格納されたγ設定パラメータを読み出し、ステップＳ２におけるチェックでγ＝γＡが判定されれば、ステップＳ５においてデジタルプロセス回路１０８の階調変換部１０８Ａの変換特性を、γＡに対応した特性（図２におけるγ＝１の特性）に設定する。ステップＳ２においてγ＝γＡが判定されない場合は、次のステップＳ３におけるチェックでγ＝γＢが判定されれば、ステップＳ６においてデジタルプロセス回路１０８階調変換部１０８Ａの変換特性を、γＢに対応した特性（図２におけるγ＝０．７の特性）に設定する。ステップＳ３においてγ＝γＢが判定されない場合は、ステップＳ４においてデジタルプロセス回路１０８の階調変換部１０８Ａの変換特性を、γＣに対応した標準γ特性（図２におけるγ＝０．４５の特性）に設定する。そしていずれの場合も最終的にはステップＳ７によりこのサブフローを終了して、メインフローの所定のステップに戻される。
【００４１】
ガンマ値が設定されると、図４に示す露出の目標値の設定処理が開始される。すなわち、システムコントローラ１１２は、ステップＳ１２におけるチニックでγ＝１が判定されれば、ステップＳ１５において（入力デジタル値における）露出の目標値を１０４に設定する。ステップＳ１２においてγ＝１が判定されない場合は、次のステップＳ１３におけるチェックでγ＝０．７が判定されれば、ステップＳ１６において（入力デジタル値における）露出の目標値を７１に設定する。ステップＳ１３においてγ＝０．７が判定されない場合は、ステップＳ１４において（入力デジタル値における）露出の目標値を４６に設定する。これらいずれの値も、その時設定された各階調特性においては出力デジタル値１０４に対応している。そしていずれの場合も最終的にはステップＳ１７によりこのサブフローを終了して、メインフローの所定のステップに戻される。
【００４２】
なお、上記実施形態においてはプリプロセス回路１０７中のゲインコントロールアンプ１０７Ａのゲインを固定していたが、露出制御方法として、通常の提供素子における蓄積電荷量を調節する方法以外に、ゲインコントロールアンプ１０７Ａを用いて、リニア系における回路ゲインを可変する方法を、単独でまたは併せ用いるようにしても良い。上述したように入力デジタル値１０４、７１、４６のいずれかが（目標値として）設定されると、図１に示されるシステムコントローラ１１２は設定された入力デジタル値を制御目標として露出制御を実行するように露出制御ドライバ１１７をセットすることとなる。また、システムコントローラ１１２は、上述の通りデジタルプロセス回路１０８の階調変換部１０８Ａに対してモード設定スイッチ１１３Ａでユーザによってセットされた階調、即ち、γで入力デジタル画像信号を出力デジタル画像信号に変換する処理を実行するようにこのデジタルプロセス回路１０８を設定する。
【００４３】
撮影が開始されると、設定された階調特性に従って、露出制御機構１０３が制御されて上記露出目標値に基づいた適正露光で被写体の画像がＣＣＤ１０５で撮影される。このＣＣＤ１０５からの画像信号は、プリプロセス回路１０７を経た後デジタルプロセス回路１０８の階調変換部１０８Ａで所定のγ変換処理を受けて目標とするデジタル出力値をその中心的な出力値とする画像信号に変換されてメモリカード１１０に格納され、また、ＬＣＤ１１１に供給されてＬＣＤ１１１に表示される。
【００４４】
以上のように、一連の処理によって、ユーザが階調特性を替えてユーザの好みに応じた撮影をする場合にあっても、入力デジタル値の露出目標値が変更されて出力の中心点が一定の基準点に維持された状態で、ユーザの好みに応じた階調特性を有する被写体像に対応した出力がデジタルプロセス回路１０８から出力される。
【００４５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本実施形態では、露出制御をガンマ入力側で行ったが、目標値を１０４と固定してガンマ出力側で行うことも可能である。この場合、出力特性の制御が単純化できる。但し、被写体の平均演算においてガンマ値の影響が生ずる虞がある。
【００４６】
図５は、この発明の他の実施形態に係る階調特性及び露出目標値の制御系を説明する為のグラフである。この図５においては、説明を簡素化するために入出力デジタルデータは、共に８ビットデータを仮定している。図中の実線は、標準（γ＝０．４５）、破線は、γ＝０．７（ｋｎｅｅ付き）、一点鎖線はγ＝１（ｋｎｅｅ付き）の場合のグラフを示している。既に説明した実施形態と同様に、この実施形態に係るデジタルカメラでは、モード設定スイッチ１１３Ａにおいて、デフォルトの「標準」から他の２つのモード（γ＝０．７、γ＝１）のいずれかに選択的に切替てこれらのモードに設定できる。
【００４７】
既に説明したと同様に、標準γ＝０．４５は実際には、デジタルカメラの標準規格である JEIDA DCF規格の推奨特性：ｙ＝1.099×ｘ0.45−0.099 である。（ただし、ｘ＝入力／２５５，ｙ＝出力／２５５であり、上記式はｘ≧0.018 に適用され、ｘ＜0.018 においてはｙ＝4.5×ｘが適用される。）
この実施形態では、図５に示されるようなγ変換特性で入力画像信号を出力画像信号に変換する特性を図１に示される階調変換部１０８Ａに与えている。この図５に示されるγ特性では、γ＝１，０．７及び０．４５のグラフのいずれも、ある露出制御ポイント（入力デジタル値４６及び出力デジタル値１０４）を通るように図２に示されるγ特性のグラフに夫々係数が乗じられている。換言すれば、γ＝１，０．７及び０．４５のグラフがある露出制御ポイントで交差するように図２に示されるγ特性のグラフに夫々係数が乗じられている。
【００４８】
ｙ＝２．２６０９×ｘ
ｙ＝１．３５２５×ｘ0.7
単に図２に示されるγ特性のグラフに夫々係数を乗じる場合には、被写体再現域が狭くなってしまう。そこで、図５に示すグラフでは、主要被写体の階調領域に対応する上記交差点付近の領域よりも信号値が充分大きい領域であるｙ＞0.75（出力値デジタル値１９２以上）については、いわゆるｋｎｅｅ（ニー）特性を与えて、主要被写体（即ち交差点付近の領域）に対してはハイコントラストであるが、高レベル領域のみ圧縮をかけることで再現域を確保するように特性を工夫している。
【００４９】
ガンマ変換部１０８Ａの入力側、所謂リニア系と称せられる回路部で制御目標値が常にデジタル値４６となるように露出が制御される。このときモードを切り換えても感度は変わらず、感度測定基準点が１０４に維持され、従って、主要被写体の出力レベルにおける階調の中心レベルは、変化されない。
【００５０】
この場合図１に示されるシステムにおいては、先の実施例と同様に露出制御は、システムコントローラ１１２によって露出制御ドライバ１１７のパラメータが設定されることにより実現されるが、制御目標値は、デジタル値４６に固定的に設定され、γが切り換わっても変化させない。また、γ値の設定は、図３に示したと同様の手順で設定される。但し、γＡ、γＢに対応した特性は、それぞれ図５におけるγ＝１，γ＝０．７の特性となる。
【００５１】
なお、この例では３つの特性曲線の各交差点は完全に一致しているが、この一致は「事実上の一致」であれば目的を達成することができ充分であることは言うまでも無い。即ち、例えば上記例では３特性の交差を取り扱っているから、このうち２特性相互について交差点が１つ生じる場合には交差点は計３点生じ得るが、この３点が十分に近接していれば、上記「一致」と全く同様の効果を発揮するものである。
【００５２】
従ってまた、本発明における「共通の特性曲線交差点（１つの入力値が、選択された特性に係らず同一の出力値に変換されるような点）」とはこのような場合をも含んだ「共通の」であり「同一」を意味することは当然である。また、この場合、事実上の一致の判断に関しても、先の場合と同様に概ね±１／３ＥＶの範囲（相対％表示で、−２０．６％、＋２６．０％）が基準となり得る。（あるいは±０．１ＥＶ以下であればさらに望ましいことは勿論である。）
上記のように特性曲線の交差点を表示上の「感度」の測定点に一致させれば、測定，表示上の感度を不変に保つことができる。この観点のみに着目した場合、露出目標値をこの点に合わせることは必須では無い。
【００５３】
つまり、露出制御目標値を特性交差点からずらせば出力レベルは変動するが、それとは無関係に少なくとも測定，表示上の「感度」は一定に保たれるから、これは「露出目標値の設定による出力レベルの一定化」とは異なる独立の効果を有していると言える。
【００５４】
また、出力レベルを一定に保つことに対しての作用に着目したときも、露出制御目標値の設定を特性交差点近傍に設定すれば、仮に若干の設定ずれを含んだとしても、交差点の近傍であるから出力レベル変動は小さく、実用上無視できる程度に納められる可能性が高くなることになる。
【００５５】
そして、特性交差点を感度測定基準点に設定した上で、さらに上記実施例のようにその点に露出目標値を一致させれば、感度不変と出力レベル不変が完全に両立することになり、極めて効果的である。
【００５６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。実施形態では、デジタルカメラは自動露出機能を有しているものであったが、これに限らずマニュアル露出のみを有したカメラであってもよい。この場合、複数の特性曲線の共通の交差点に相当する被写体露光量或いは出力レベルをそれぞれ「推奨平均露光量」「推奨平均露光レベル」としてカメラの使用者（撮影者）に対して提示することによって、撮影者は例えば単体露出計や単独調光機能付き外部ストロボを用いて良好な撮影を行うことができ、その際、露出計やストロボの設定を、階調特性によって切り換える必要が無いという効果を有する。
【００５７】
また、実施形態では、プログレッシブ型のＣＣＤ撮像素子を用いている場合について説明したが、信号読み出し方式はこれに限らず、インターレース型であっても良く、さらにＣＣＤに限らず各種の固体撮像素子を用いることができる。また、本発明は必ずしもデジタルカメラに限るものではなく、ムービーカメラに適用することも可能である。その他、本発明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。
【００５８】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の撮像装置によれば、階調特性を切り換えた場合にも感度や出力レベルを一定に保つことのできる。
【００５９】
より具体的には、撮像装置内回路における一連の処理によって、ユーザが階調特性を替えてユーザの好みに応じた撮影をする場合にあっても、入力デジタル値の露出目標値が変更されて出力の中心点が一定の基準点に維持された状態で、ユーザの好みに応じた階調特性を有する被写体像に対応した出力を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わるデジタルカメラの回路を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１に示した階調変換部で利用される階調特性曲線であって、階調特性と露出目標値との関係を説明する為の階調特性曲線を示すグラフである。
【図３】図１に示されたデジタルカメラおけるγ値を選択的に設定する場合における設定手順を示すフローチャートである。
【図４】図１に示されたデジタルカメラおけるγ値を選択的に設定する場合における露出目標の設定手順を示すフローチャートである。
【図５】同様に図１に示した階調変換部で利用される階調特性曲線であって、階調特性と露出目標値との関係を説明する為の階調特性曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１００…フィルタ系
１０１…レンズ系
１０２…レンズ駆動機構
１０３…露出制御機構
１０５…ＣＣＤカラー撮像素子
１０６…ＣＣＤドライバ
１０７…プリプロセス部
１０８…デジタルプロセス部
１０９…カードインターフェース
１１０…メモリカード
１１１…ＬＣＤ画像表示系
１１２…システムコントローラ（ＣＰＵ）
１１３…操作スイッチ系
１１４…操作表示系
１１５…レンズドライバ
１１６…ストロボ
１１７…露出制御ドライバ
１１８…不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、階調（ガンマ：γ）特性を切り換え可能な撮像装置に係り、特に、階調特性を切り換えることができる露出制御の改良をはかった撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ＣＣＤ等の撮像素子により被写体の画像を撮像して映像信号に変換する撮像装置が盛んに開発されている。このような撮像装置において、階調特性（被写体輝度−出力信号レベル特性）を切り換えることができるものが知られている。具体的には、例えば、放送用ＴＶカメラ、或いは、いわゆる工業用カメラ（ＩＴＶ）では、「ガンマ切り換え」などと称してその階調特性を標準設定モード（γ＝０．４５）及びリニア特性設定モード（γ＝１）のいずれか一つに設定することができる。
【０００３】
ここで、γ（ガンマ）値とは、周知のとおり入出力特性の線形（リニア）からの乖離に着目して、入力ｘと出力ｙとの関係が式で近似表現した場合にｙ＝ａ×ｘγ＋ｂ（ａ，ｂは定数）となるような指数である。従って、γ＝１の時に入出力は、比例関係にある。なお、ｂは、ペデスタル、或いは、オフセット分に相当することから、γ値とは分離して別途考慮されることが多い。
【０００４】
γ＝０．４５は、放送における標準方式の値であり、再生系の階調特性を考慮して総合的な高画質（鑑賞目的や視覚的に良好な画質）を得るための値として選定されている。これに対して、γ＝１は、計測目的やカメラの調整において、階調変換回路に起因する誤差要因を排除するための値として選定される。
【０００５】
上記カメラに対してしばしば自動露出制御が採用される。一般に、この制御では、撮像素子からの出力であって、通常「γ変換回路」と呼ばれる階調変換回路に入力される前のリニア信号がその制御対象とされる。このような制御方法によれば、撮像素子のダイナミックレンジに直接対応する最適な露出制御が可能であるとされている。
【０００６】
ところで、近年、このような電子撮像装置の内、特に、静止画像を記録する電子スチルカメラが所謂「デジタルカメラ」として広く普及するに至り、放送用ＴＶカメラや工業用カメラとは異なる意味での階調特性の切り換えの必要性が求められている。即ち、銀塩写真にも匹敵する、鑑賞用の高画質な画像を求めるために、使用者の好みやシーンの状況に応じて最適な階調を選択的に設定できるデジタルカメラの実現が望まれている。
【０００７】
一方、これら銀塩写真相当の写真撮影を目指すデジタルカメラにおいては、銀塩写真についての経験者の使用に耐え得ることが当然の要件となるため、銀塩写真と同等のスペックや操作性（いわゆる使い勝手）が要求されるという背景もある。このため、例えばデジタルカメラの「感度」を従来の銀塩フィルムのそれに習って、いわゆる「ＩＳＯ表示」することが試みられている。
【０００８】
このような試みの一つとして、「テレビジョン学会技術報告／吉田：デジタルカメラの感度（スピード）表示法の検討：ITE Technical Report Vol.20,No.58,PP.85〜90.CE'96-25(Nov,1996)」がある。この感度表示法の中で採用された測定法は、「デジタルカメラが記録するデジタル値の中間域（良好な階調再現域）の中に規定した所定値（提案値１０６．５／２５５）を与えるような露光量」をもって感度を規定するものである。この測定法を用いて求められた「感度」が同一のカメラは、測定基準に対応する所定の露光量で撮影する場合には、同一のデジタル信号出力が得られる。
【０００９】
なお、この提案がいわゆる「ＩＳＯ表示」に相当するといえるかどうかについては、別の議論が必要であるが、この文献における提案のような「感度」自体は、「同じ明るさ（出力レベル）の画像を得るために必要な露光量を示す指標」であるから極めて有意である。また、以下の説明で特に断りなく感度と記した場合は、この文献に記載される感度（但し、上記「所定値」の数値は問わない。）を指すものとする。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように使用者の好みやシーンの状況に応じて階調特性を切り換えて階調が選択される場合には、撮像系のゲインは一定のままであっても、その階調特性の変化によって上記感度が変化してしまい、そのために得られる出力レベルが変化してしまう問題がある。
【００１１】
詳述すれば、階調特性を変化させることから、被写体の輝度分布全体に対して等しい出力レベルを得ることは、もとより不可能である。しかしながら、被写体の輝度分布の平均的な、或いは、代表的な部分について考えた場合、言い換えれば主要な被写体についてだけ考えれば、これに対する出力レベルは、階調特性を切り換えても変化しないようにすることが望ましい。ところが、従来のデジタルカメラは、このことを配慮していないことから、上記したような出力レベルが大きく変化してしまう問題がある。
【００１２】
この発明は、上述した事情に鑑みなされたものであって、その目的は、階調特性を切り換えた場合にも感度や出力レベルを一定に保つことのできる撮像装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
この発明によれば、
被写体からの光線を受けて被写体画像が形成され、この画像をオリジナル画像信号に変換する撮像素子と、
第１及び第２の階調モードの一方を指定する指定手段と、
この指定されたモードに従って前記撮像素子からのオリジナル画像信号を出力画像信号に変換する変換手段であって、前記第１の階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第１の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第２階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第２の階調特性を有する出力画像信号に変換する変換手段と、
前記指定手段で指定された階調モードがどの階調モードに選択された場合であっても、前記出力画像信号の平均的輝度レベルを常に略一定に保つべく、撮像素子から出力され、前記変換手段に入力されるオリジナル画像信号の平均輝度レベルを調整制御する調整手段と、
を具備し、
前記第１及び第２の階調特性を定義する入出力特性曲線は、互いに交差し、この交差点の前記階調変換特性の入力側における値は、前記露出制御目標値にほぼ相当することを特徴とする撮像装置が提供される。
【００１４】
また、この発明によれば、
被写体からの光線を受けて被写体画像が形成され、この画像をオリジナル画像信号に変換する撮像素子と、
第１、第２及び第３の階調モードの一方を指定する指定手段と、
この指定されたモードに従って前記撮像素子からのオリジナル画像信号を出力画像信号に変換する変換手段であって、前記第１の階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第１の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第２階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第２の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第３階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第３の階調特性を有する出力画像信号に変換する変換手段と、
を具備し、
前記第１、第２及び第３の階調特性を定義する入出力特性曲線は、被写体からの反射率が所定値として定義される黒レベルと白レベルの夫々の反射率の略対数的中点に位置する反射率に相当する点において互いに交差することを特徴とする撮像装置が提供される。
【００１５】
更に、この発明によれば、
被写体からの光線を受けて被写体画像を形成し、この画像をオリジナル画像信号に変換する画像形成工程と、
第１及び第２の階調モードの一方を指定する指定工程と、
この指定されたモードに従って前記撮像素子からのオリジナル画像信号を出力画像信号に変換する変換工程であって、前記第１の階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第１の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第２階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第２の階調特性を有する出力画像信号に変換する変換工程と、
前記指定工程で指定された階調モードがどの階調モードに選択された場合であっても、前記出力画像信号の平均的輝度レベルを常に略一定に保つべく、前記撮像素子から出力され、前記変換手段に入力されるオリジナル画像信号の平均輝度レベルを調整制御する調整工程と、
から構成される被写体を撮影する撮像方法において、
前記第１及び第２の階調特性を定義する入出力特性曲線は、互いに交差し、この交差点の前記階調変換特性の入力側における値が前記露出制御目標値にほぼ相当させることを特徴とする撮像方法が提供される。
【００１６】
更にまた、この発明によれば、
被写体からの光線を受けて被写体画像を形成し、この画像をオリジナル画像信号に変換する画像形成工程と、
第１、第２及び第３の階調モードの一方を指定する指定工程と、
この指定されたモードに従って前記オリジナル画像信号を出力画像信号に変換する変換工程であって、前記第１の階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第１の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第２階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第２の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第３階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第３の階調特性を有する出力画像信号に変換する変換工程と、
から構成される被写体を撮影する撮像方法において、
前記第１、第２及び第３の階調特性を定義する入出力特性曲線は、被写体からの反射率が所定値として定義される黒レベルと白レベルの夫々の反射率の略対数的中点に位置する反射率に相当する点において互いに交差させることを特徴とする撮像方法が提供される。
【００１７】
前述したように、複数の階調特性（ガンマ）を切り換え可能なカメラにおいて、リニア系（ガンマ入力側）で所定の目標値の露出制御を行うと、ガンマ切り換えによって感度（出力信号レベル）が変わってしまう。
そこで、本発明では、複数のガンマ特性を持つ撮像装置において、ガンマ入力側における露出制御目標値（推奨平均露光レベル）が同一であり、その点で複数のガンマカーブがクロスするようにする。３つ以上の特性を有する場合は、全てが共通のクロスポイントを持つようにする。このような構成にすれば、ガンマ特性を切り換えた場合にもクロスポイントにおける出力レベルは同じとなり、このクロスポイント付近に関しては、階調特性を切り換えた場合にも感度や出力レベルを一定に保つことが可能となる。
【００１８】
また、クロスポイントは、入力フルスケールの１８〜２０％（±１／３ＥＶ）対応点とする。この値は、被写体レンジの対数的中点付近であり、主要被写体に対応する可能性が最大の領域が被写体レンジの対数的中点付近であることから、最良の選択と言える。また、特性を交差させつつレンジを確保するためにｋｎｅｅ特性を持たせる。これにより、ガンマが大きい場合に被写体再現域が狭くなるのを防ぐことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照してこの発明の実施形態に係るデジタルカメラの詳細を説明する。
【００２０】
図１は、本発明の一実施形態に係るデジタルカメラの回路構成を示すブロック図である。この図１において、符号１０１は、被写体を撮影する為の各種レンズからなる撮影レンズ系であり、１０２は、被写体に応じてレンズ系１０１を駆動するためのレンズ駆動機構であり、このレンズ駆動機構１０２によって撮影レンズ系１０１が駆動されて被写体に撮影レンズ系１０１がフォーカスされる。被写体からの反射光線は、レンズ系１０１を介して露出制御機構１０３に含まれる絞りを介してＣＣＤ１０５に向けられる。露出制御機構１０３では、絞りが調整されてこの絞りを通過する光線が制御されて露光量が制御される。絞りを通過した光線は、ローパス及び赤外カット用のフィルタ系１００及びメカシャッタ１０４を通過してＣＣＤカラー撮像素子１０５に入射され、このＣＣＤカラー撮像素子１０５の撮像面上に被写体像が形成される。撮像素子１０５は、ＣＣＤドライバ１０６によって駆動され、撮像面上の被写体像は、画像信号に変換される。この画像信号は、画像信号の増幅率、即ち、ゲインを制御するゲインコントロールアンプ１０７Ａ及び増幅された画像信号をデジタル画像信号に変換するＡ／Ｄ変換器等を含むプリプロセス回路１０７で処理される。このデジタル画像信号は、色信号生成処理，マトリックス変換処理，その他各種のデジタル処理を行うためのデジタルプロセス回路１０８で処理され、カードインターフェース１０９を介してＣＦ等のメモリカード１１０に格納される。また、デジタルプロセス回路１０８からの画像信号に基づいてＬＣＤ画像表示系１１１でその画像が表示される。
【００２１】
また、図１中の符号１１２は、図１に示した各部を統括的に制御するためのシステムコントローラ（ＣＰＵ）、符号１１３は、階調特性、即ち、γ特性を指定する、実際には、標準モード、軟調モード或いは硬調モードを設定するモード設定ＳＷ１１３Ａを含む各種ＳＷからなる操作スイッチ系、１１４は、デジタルカメラの操作状態及びモード状態等を表示するための操作表示系、１１５はレンズ駆動機構１０２を制御するためのレンズドライバ、１１６は、撮影時に撮影光線を発光するストロボ、１１７は、露出制御機構１０３及びストロボ１１６を制御するための露出制御ドライバ、１１８は各種設定情報等を記憶するための不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）を示している。
【００２２】
この実施形態に係るデジタルカメラにおいては、システムコントローラ１１２が統括的に各部を制御している。特に、システムコントローラ１１２は、露出制御機構１０３とＣＣＤドライバ１０６によるＣＣＤ撮像素子１０５の駆動を制御して露光（電荷蓄積）を制御している。ＣＣＤ撮像素子１０５からの画像信号の読み出しも同様にシステムコントローラ１１２によって制御されてプリプロセス回路１０７を介してデジタルプロセス回路１０８に画像信号が取り込まれる。さらに、システムコントローラ１１２の制御下で画像信号は、各種信号処理を施された後にカードインターフェース１０９を介してメモリカード１１０に記録される。なお、ＣＣＤ撮像素子１０５は、例えば縦型オーバーフロードレイン構造のインターライン型でプログレッシブ（順次）走査型のものが挙げられる。
【００２３】
また、図１に示されるデジタルプロセス回路１０８には、同一の画像信号に対して異なる階調特性の画像信号を生成することができる階調変換部１０８Ａが設けられている。操作スイッチ１１３内のモード設定ＳＷ１１３Ａで階調特性、即ち、γ特性が設定されると、その設定されたモードの階調指定信号がシステムコントローラ１１２に供給され、このシステムコントローラ１１２がデジタルプロセス回路１０８の階調変換部１０８Ａに対して変換されるべき階調、即ち、γ値を指定することとなる。また、システムコントローラ１１２による階調の指定に伴い、同様にデジタルプロセス回路１０７のゲインコントロールアンプ１０７Ａでゲインが指定された階調に従ってシステムコントローラ１１２の指令で設定される。更に、システムコントローラ１１２から露出制御ドライバ１１７に指定された階調の情報が与えられ、露出制御ドライバ１１７により選択した階調特性に応じて露出が制御される。
【００２４】
図２は、図１に示されたデジタルカメラにおいて制御可能な階調特性及び露出目標値を示すグラフである。この図２のグラフにおいては、説明を簡略化するために、入力デジタル値及び出力デジタル値は、ともに８ビットデータを仮定し、図２中の実線は、標準モードの階調（γ＝０．４５）の特性を示すグラフであり、破線は、γ＝０．７のモードにおける階調特性を示すグラフであり、一点鎖線は、γ＝１のモードにおける階調（入力デジタル値に対する出力デジタル値が直線的な関係となる。）の特性を示すグラフである。なお、図１に示されるデジタルカメラでは、モード設定スイッチ１１３Ａでデフォルトの「標準」から他の２つのモード（γ＝０．７及びγ＝１）に切り換えて何れもγ値をも選択できる。
【００２５】
標準モード（γ＝０．４５）は、実際には、デジタルカメラの標準規格である JEIDA DCF規格の推奨特性：ｙ＝1.099×ｘ0.45−0.099 である。（ただし、ｘ＝入力／２５５，ｙ＝出力／２５５であり、この式は、ｘ≧0.018 に適用され、ｘ＜0.018 においてはｙ＝4.5×ｘが適用される。）また、γ＝０．７は、ｙ＝ｘ0.7 の特性及びγ＝１は、ｙ＝ｘの特性に相当している。
【００２６】
図１に示されるカメラでは、中央重点平均測光で被写体の照度が測定され、測光値（信号レベル平均値）が露出目標値に等しくなるように、演算又はフィードバック制御により露出制御される。従って、フラット（無パターン）被写体の場合に得られる出力値が、露出制御目標値に対応する。通常の露出条件における主要被写体を想定する場合は、このようなフラット被写体をもって代表或いは代用し得ることは周知である。
【００２７】
デジタルプロセス回路１０８に取り込んだ被写体に関する輝度情報をシステムコントローラ１１２が解析（演算）することによって被写体輝度が測光され、この解析結果を基にしてシステムコントローラ１１２が露出制御ドライバ１１７を介して露出制御機構１０３或いはストロボ１１６を駆動することによって露出が制御される。シャッタとして素子シャッタ機能を使用する場合はＣＣＤドライバ１０６でＣＣＤの駆動を制御することによって実現することができる。
【００２８】
図２に示すように、標準（γ＝０．４５）の場合の露出制御ポイント４６は、最大入力デジタル値２５５の１８％に相当している。この入力デジタル値４６は、標準γにおける入力レンジの対数的中点にほぼ相当している。再生系における理想的デガンマ（即ち、トータルリニア）を仮定した場合には、この入力デジタル値４６は、実際には、再生系の表示レンジの対数的中点に相当する。この入力デジタル値４６に対応する出力デジタル値は、図２から値１０４が相当している。
【００２９】
尚、階調特性の中で、一般的に主要被写体を撮影する場合に、被写体照度に対応する可能性が最も多い領域は、被写体レンジの対数的中点付近である。この領域は、数値的には白レベルと黒レベルの対数的中点である１８％に相当することになる。ここで、白レベルとは、拡散反射率が最高の被写体の反射率約９８％を想定し、黒レベルとは、拡散反射率が最低の被写体の反射率約３．３％を想定している。この知見に基づいて、写真技術分野においては、以前から被写体を代表する標準反射率の数値或いは評価用の標準反射版の反射率として１８％が採用されている。
【００３０】
但し、本発明者の検討によれば、実際の撮影においては、上記最低反射率の数値を４％と仮定した対数的中点値２０％を採用した方が良い結果をもたらす場合も多く、この意味で露出制御ポイントの設定値としては１８〜２０％程度が最良の結果を得るための設定目標値（狙い値）ということができる。
【００３１】
ここで、上記は被写体レンジに関して考察されているが、これは撮像−表示系が仮定する理想的なガンマ変換（即ちトータルリニア）を仮定すればこれは「出力装置（表示装置）」における最終的な光出力階調（表示レンジ）においても同様の意味を有している。実際には出力像を観察する場合の視覚特性に関して、ウェーバーの法則或いはフェヒナーの法則に支配される刺激強度に対する対数的認識特性を前提に、上記「対数的中点」が好ましいとされている。
【００３２】
この意味では、露出制御目標値は、（トータルリニアを仮定した）標準的階調変換特性においては変換入力側（被写体比例信号）の値（上記１８〜２０％）を基準とすべきであるが、これから任意の変換特性に切り換えた場合はむしろ標準特性時においてこれに対応する変換出力側（ガンマ後信号）の値を基準に用いることが望ましい。
【００３３】
また、現実のカメラにおいては、種々の誤差要因があり、また製品評価における許容限界にはある程度の自由度があることも併せて、上記設定目標値に対して概ね±１／３ＥＶの範囲（即ち１８％−１／３ＥＶ＝１４．３％以上、２０％＋１／３ＥＶ＝２５．２％以下）にある設定値までは本発明の数値限定範囲に含まれるものであることを付言する。なお、±１／３ＥＶは、例えばＪＩＳやＩＳＯなどの規格においても、当該分野における標準的許容誤差範囲として多く採用されている数値である。尚、念のため付け加えれば、さらに誤差が±０．１ＥＶ以下であれば、当該分野においてほとんど全ての場合に、何の条件も無く同一視され得ることは明らかである。
【００３４】
このように制御することによって、主要被写体（測光値によって代表される被写体）は、標準的階調特性における撮像時とほぼ同じ出力輝度域、即ち出力装置（表示装置）における表示レンジの対数的中点付近に輝度が分布する画像として再現される。
【００３５】
さて、モードが切り換えられると、露出制御目標値は、モード切り換えに対応してそれぞれの値７１，１０４に切り換えられる。即ち、γ＝０．７についての目標値ｓは、（１０５／２５５）＝（ｓ／２５５）0. ７の解として７１が求まり、γ＝１については、ｙ＝ｘであるから、出力対応値そのまま１０４である。このとき、露出制御制御目標値は、入力レンジの対数的中点には対応しなくなるが、主要被写体（測光値によって代表される被写体）の出力レベルは、変化されない。
【００３６】
このように本実施形態によれば、ガンマ値に対する複数の制御目標値（ガンマ出力値が同一となる）を予め設定し、ガンマ特性を切り換える際に、ガンマ入力側でガンマ値に対応して露出を制御し、複数の制御目標値を切り換えることにより、画像信号の平均的レベルをほぼ一定に保つようにしている。このため、ガンマが切り換えられても平均的露光に対する出力レベルが同一になるような露出制御を行うことができ、その有用性は極めて大である。
【００３７】
より具体的に上述したγ特性の切り替えについて図３及び図４を参照して説明する。なお、以下特記無い限りゲインコントロールアンプ１０７Ａの増幅値は固定されているものとする。
【００３８】
図３および図４は、実際の撮像に先だって行なわれるγ特性の設定制御およびこれに対応した露出目標値の設定制御を説明するフローチャートであり、カメラの動作全体の制御フロー（メインフロー）において適時に呼び出されて実行されるサブフロー（プログラムにおけるサブルーチンに相当）の形式で表現されている。
【００３９】
ユーザによるγの指定は、これらのサブフローの実行以前にモード設定スイッチ１１３Ａによって行なわれており、その指定された設定パラメータ（γＡ、γＢ、γＣのいずれか）が図示しないメモリに格納されているものとする。また、ユーザが意図的にγを指定しない場合にはデフォルト設定γＣが採用される。なお、本カメラにおいてデフォルト設定γＣとしては先に説明した図２における標準γ（＝０．４５）が用いられるものとする。
【００４０】
γ特性の設定は、図３に従って次のように行なわれる。すなわちシステムコントローラ１１２は、上記メモリに格納されたγ設定パラメータを読み出し、ステップＳ２におけるチェックでγ＝γＡが判定されれば、ステップＳ５においてデジタルプロセス回路１０８の階調変換部１０８Ａの変換特性を、γＡに対応した特性（図２におけるγ＝１の特性）に設定する。ステップＳ２においてγ＝γＡが判定されない場合は、次のステップＳ３におけるチェックでγ＝γＢが判定されれば、ステップＳ６においてデジタルプロセス回路１０８階調変換部１０８Ａの変換特性を、γＢに対応した特性（図２におけるγ＝０．７の特性）に設定する。ステップＳ３においてγ＝γＢが判定されない場合は、ステップＳ４においてデジタルプロセス回路１０８の階調変換部１０８Ａの変換特性を、γＣに対応した標準γ特性（図２におけるγ＝０．４５の特性）に設定する。そしていずれの場合も最終的にはステップＳ７によりこのサブフローを終了して、メインフローの所定のステップに戻される。
【００４１】
ガンマ値が設定されると、図４に示す露出の目標値の設定処理が開始される。すなわち、システムコントローラ１１２は、ステップＳ１２におけるチニックでγ＝１が判定されれば、ステップＳ１５において（入力デジタル値における）露出の目標値を１０４に設定する。ステップＳ１２においてγ＝１が判定されない場合は、次のステップＳ１３におけるチェックでγ＝０．７が判定されれば、ステップＳ１６において（入力デジタル値における）露出の目標値を７１に設定する。ステップＳ１３においてγ＝０．７が判定されない場合は、ステップＳ１４において（入力デジタル値における）露出の目標値を４６に設定する。これらいずれの値も、その時設定された各階調特性においては出力デジタル値１０４に対応している。そしていずれの場合も最終的にはステップＳ１７によりこのサブフローを終了して、メインフローの所定のステップに戻される。
【００４２】
なお、上記実施形態においてはプリプロセス回路１０７中のゲインコントロールアンプ１０７Ａのゲインを固定していたが、露出制御方法として、通常の提供素子における蓄積電荷量を調節する方法以外に、ゲインコントロールアンプ１０７Ａを用いて、リニア系における回路ゲインを可変する方法を、単独でまたは併せ用いるようにしても良い。上述したように入力デジタル値１０４、７１、４６のいずれかが（目標値として）設定されると、図１に示されるシステムコントローラ１１２は設定された入力デジタル値を制御目標として露出制御を実行するように露出制御ドライバ１１７をセットすることとなる。また、システムコントローラ１１２は、上述の通りデジタルプロセス回路１０８の階調変換部１０８Ａに対してモード設定スイッチ１１３Ａでユーザによってセットされた階調、即ち、γで入力デジタル画像信号を出力デジタル画像信号に変換する処理を実行するようにこのデジタルプロセス回路１０８を設定する。
【００４３】
撮影が開始されると、設定された階調特性に従って、露出制御機構１０３が制御されて上記露出目標値に基づいた適正露光で被写体の画像がＣＣＤ１０５で撮影される。このＣＣＤ１０５からの画像信号は、プリプロセス回路１０７を経た後デジタルプロセス回路１０８の階調変換部１０８Ａで所定のγ変換処理を受けて目標とするデジタル出力値をその中心的な出力値とする画像信号に変換されてメモリカード１１０に格納され、また、ＬＣＤ１１１に供給されてＬＣＤ１１１に表示される。
【００４４】
以上のように、一連の処理によって、ユーザが階調特性を替えてユーザの好みに応じた撮影をする場合にあっても、入力デジタル値の露出目標値が変更されて出力の中心点が一定の基準点に維持された状態で、ユーザの好みに応じた階調特性を有する被写体像に対応した出力がデジタルプロセス回路１０８から出力される。
【００４５】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本実施形態では、露出制御をガンマ入力側で行ったが、目標値を１０４と固定してガンマ出力側で行うことも可能である。この場合、出力特性の制御が単純化できる。但し、被写体の平均演算においてガンマ値の影響が生ずる虞がある。
【００４６】
図５は、この発明の他の実施形態に係る階調特性及び露出目標値の制御系を説明する為のグラフである。この図５においては、説明を簡素化するために入出力デジタルデータは、共に８ビットデータを仮定している。図中の実線は、標準（γ＝０．４５）、破線は、γ＝０．７（ｋｎｅｅ付き）、一点鎖線はγ＝１（ｋｎｅｅ付き）の場合のグラフを示している。既に説明した実施形態と同様に、この実施形態に係るデジタルカメラでは、モード設定スイッチ１１３Ａにおいて、デフォルトの「標準」から他の２つのモード（γ＝０．７、γ＝１）のいずれかに選択的に切替てこれらのモードに設定できる。
【００４７】
既に説明したと同様に、標準γ＝０．４５は実際には、デジタルカメラの標準規格である JEIDA DCF規格の推奨特性：ｙ＝1.099×ｘ0.45−0.099 である。（ただし、ｘ＝入力／２５５，ｙ＝出力／２５５であり、上記式はｘ≧0.018 に適用され、ｘ＜0.018 においてはｙ＝4.5×ｘが適用される。）
この実施形態では、図５に示されるようなγ変換特性で入力画像信号を出力画像信号に変換する特性を図１に示される階調変換部１０８Ａに与えている。この図５に示されるγ特性では、γ＝１，０．７及び０．４５のグラフのいずれも、ある露出制御ポイント（入力デジタル値４６及び出力デジタル値１０４）を通るように図２に示されるγ特性のグラフに夫々係数が乗じられている。換言すれば、γ＝１，０．７及び０．４５のグラフがある露出制御ポイントで交差するように図２に示されるγ特性のグラフに夫々係数が乗じられている。
【００４８】
ｙ＝２．２６０９×ｘ
ｙ＝１．３５２５×ｘ0.7
単に図２に示されるγ特性のグラフに夫々係数を乗じる場合には、被写体再現域が狭くなってしまう。そこで、図５に示すグラフでは、主要被写体の階調領域に対応する上記交差点付近の領域よりも信号値が充分大きい領域であるｙ＞0.75（出力値デジタル値１９２以上）については、いわゆるｋｎｅｅ（ニー）特性を与えて、主要被写体（即ち交差点付近の領域）に対してはハイコントラストであるが、高レベル領域のみ圧縮をかけることで再現域を確保するように特性を工夫している。
【００４９】
ガンマ変換部１０８Ａの入力側、所謂リニア系と称せられる回路部で制御目標値が常にデジタル値４６となるように露出が制御される。このときモードを切り換えても感度は変わらず、感度測定基準点が１０４に維持され、従って、主要被写体の出力レベルにおける階調の中心レベルは、変化されない。
【００５０】
この場合図１に示されるシステムにおいては、先の実施例と同様に露出制御は、システムコントローラ１１２によって露出制御ドライバ１１７のパラメータが設定されることにより実現されるが、制御目標値は、デジタル値４６に固定的に設定され、γが切り換わっても変化させない。また、γ値の設定は、図３に示したと同様の手順で設定される。但し、γＡ、γＢに対応した特性は、それぞれ図５におけるγ＝１，γ＝０．７の特性となる。
【００５１】
なお、この例では３つの特性曲線の各交差点は完全に一致しているが、この一致は「事実上の一致」であれば目的を達成することができ充分であることは言うまでも無い。即ち、例えば上記例では３特性の交差を取り扱っているから、このうち２特性相互について交差点が１つ生じる場合には交差点は計３点生じ得るが、この３点が十分に近接していれば、上記「一致」と全く同様の効果を発揮するものである。
【００５２】
従ってまた、本発明における「共通の特性曲線交差点（１つの入力値が、選択された特性に係らず同一の出力値に変換されるような点）」とはこのような場合をも含んだ「共通の」であり「同一」を意味することは当然である。また、この場合、事実上の一致の判断に関しても、先の場合と同様に概ね±１／３ＥＶの範囲（相対％表示で、−２０．６％、＋２６．０％）が基準となり得る。（あるいは±０．１ＥＶ以下であればさらに望ましいことは勿論である。）
上記のように特性曲線の交差点を表示上の「感度」の測定点に一致させれば、測定，表示上の感度を不変に保つことができる。この観点のみに着目した場合、露出目標値をこの点に合わせることは必須では無い。
【００５３】
つまり、露出制御目標値を特性交差点からずらせば出力レベルは変動するが、それとは無関係に少なくとも測定，表示上の「感度」は一定に保たれるから、これは「露出目標値の設定による出力レベルの一定化」とは異なる独立の効果を有していると言える。
【００５４】
また、出力レベルを一定に保つことに対しての作用に着目したときも、露出制御目標値の設定を特性交差点近傍に設定すれば、仮に若干の設定ずれを含んだとしても、交差点の近傍であるから出力レベル変動は小さく、実用上無視できる程度に納められる可能性が高くなることになる。
【００５５】
そして、特性交差点を感度測定基準点に設定した上で、さらに上記実施例のようにその点に露出目標値を一致させれば、感度不変と出力レベル不変が完全に両立することになり、極めて効果的である。
【００５６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。実施形態では、デジタルカメラは自動露出機能を有しているものであったが、これに限らずマニュアル露出のみを有したカメラであってもよい。この場合、複数の特性曲線の共通の交差点に相当する被写体露光量或いは出力レベルをそれぞれ「推奨平均露光量」「推奨平均露光レベル」としてカメラの使用者（撮影者）に対して提示することによって、撮影者は例えば単体露出計や単独調光機能付き外部ストロボを用いて良好な撮影を行うことができ、その際、露出計やストロボの設定を、階調特性によって切り換える必要が無いという効果を有する。
【００５７】
また、実施形態では、プログレッシブ型のＣＣＤ撮像素子を用いている場合について説明したが、信号読み出し方式はこれに限らず、インターレース型であっても良く、さらにＣＣＤに限らず各種の固体撮像素子を用いることができる。また、本発明は必ずしもデジタルカメラに限るものではなく、ムービーカメラに適用することも可能である。その他、本発明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。
【００５８】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の撮像装置によれば、階調特性を切り換えた場合にも感度や出力レベルを一定に保つことのできる。
【００５９】
より具体的には、撮像装置内回路における一連の処理によって、ユーザが階調特性を替えてユーザの好みに応じた撮影をする場合にあっても、入力デジタル値の露出目標値が変更されて出力の中心点が一定の基準点に維持された状態で、ユーザの好みに応じた階調特性を有する被写体像に対応した出力を出力することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わるデジタルカメラの回路を概略的に示すブロック図である。
【図２】図１に示した階調変換部で利用される階調特性曲線であって、階調特性と露出目標値との関係を説明する為の階調特性曲線を示すグラフである。
【図３】図１に示されたデジタルカメラおけるγ値を選択的に設定する場合における設定手順を示すフローチャートである。
【図４】図１に示されたデジタルカメラおけるγ値を選択的に設定する場合における露出目標の設定手順を示すフローチャートである。
【図５】同様に図１に示した階調変換部で利用される階調特性曲線であって、階調特性と露出目標値との関係を説明する為の階調特性曲線を示すグラフである。
【符号の説明】
１００…フィルタ系
１０１…レンズ系
１０２…レンズ駆動機構
１０３…露出制御機構
１０５…ＣＣＤカラー撮像素子
１０６…ＣＣＤドライバ
１０７…プリプロセス部
１０８…デジタルプロセス部
１０９…カードインターフェース
１１０…メモリカード
１１１…ＬＣＤ画像表示系
１１２…システムコントローラ（ＣＰＵ）
１１３…操作スイッチ系
１１４…操作表示系
１１５…レンズドライバ
１１６…ストロボ
１１７…露出制御ドライバ
１１８…不揮発性メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）
Claims (12)
- 被写体からの光線を受けて被写体画像が形成され、この画像をオリジナル画像信号に変換する撮像素子と、
第１及び第２の階調モードの一方を指定する指定手段と、
この指定されたモードに従って前記撮像素子からのオリジナル画像信号を出力画像信号に変換する変換手段であって、前記第１の階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第１の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第２階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第２の階調特性を有する出力画像信号に変換する変換手段と、
前記指定手段で指定された階調モードがどの階調モードに選択された場合であっても、前記出力画像信号の平均的輝度レベルを常に略一定に保つべく、撮像素子から出力され、前記変換手段に入力されるオリジナル画像信号の平均輝度レベルを調整制御する調整手段と、
を具備し、
前記第１及び第２の階調特性を定義する入出力特性曲線は、互いに交差し、この交差点の前記階調変換特性の入力側における値は、前記露出制御目標値にほぼ相当することを特徴とする撮像装置。 - 前記特性曲線の交差点は、前記階調変換特性の入力側の値において、最大信号レベルの１８〜２０％に対応するように定められていることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 前記第１及び第２の階調特性曲線のうち少なくとも１つは、前記特性曲線の交差点よりも信号値が大きい領域にニーポイントが設定されたニー特性を有することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
- 被写体からの光線を受けて被写体画像が形成され、この画像をオリジナル画像信号に変換する撮像素子と、
第１、第２及び第３の階調モードの一方を指定する指定手段と、
この指定されたモードに従って前記撮像素子からのオリジナル画像信号を出力画像信号に変換する変換手段であって、前記第１の階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第１の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第２階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第２の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第３階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第３の階調特性を有する出力画像信号に変換する変換手段と、
を具備し、
前記第１、第２及び第３の階調特性を定義する入出力特性曲線は、被写体からの反射率が所定値として定義される黒レベルと白レベルの夫々の反射率の略対数的中点に位置する反射率に相当する点において互いに交差することを特徴とする撮像装置。 - 前記特性曲線の交差点は、前記階調変換特性の入力側の値において、最大信号レベルの１８〜２０％に対応するように定められていることを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
- 前記第１、第２及び第３の階調特性曲線のうち少なくとも１つは、前記特性曲線の交差点よりも信号値が大きい領域にニーポイントが設定されたニー特性を有することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
- 被写体からの光線を受けて被写体画像を形成し、この画像をオリジナル画像信号に変換する画像形成工程と、
第１及び第２の階調モードの一方を指定する指定工程と、
この指定されたモードに従って前記撮像素子からのオリジナル画像信号を出力画像信号に変換する変換工程であって、前記第１の階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第１の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第２階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第２の階調特性を有する出力画像信号に変換する変換工程と、
前記指定工程で指定された階調モードがどの階調モードに選択された場合であっても、前記出力画像信号の平均的輝度レベルを常に略一定に保つべく、前記撮像素子から出力 され、前記変換手段に入力されるオリジナル画像信号の平均輝度レベルを調整制御する調整工程と、
から構成される被写体を撮影する撮像方法において、
前記第１及び第２の階調特性を定義する入出力特性曲線は、互いに交差し、この交差点の前記階調変換特性の入力側における値が前記露出制御目標値にほぼ相当させることを特徴とする撮像方法。 - 前記特性曲線の交差点は、前記階調変換特性の入力側の値において、最大信号レベルの１８〜２０％に対応するように定められていることを特徴とする請求項７に記載の撮像方法。
- 前記第１及び第２の階調特性曲線のうち少なくとも１つは、前記特性曲線の交差点よりも信号値が大きい領域にニーポイントが設定されたニー特性を有することを特徴とする請求項７に記載の撮像方法。
- 被写体からの光線を受けて被写体画像を形成し、この画像をオリジナル画像信号に変換する画像形成工程と、
第１、第２及び第３の階調モードの一方を指定する指定工程と、
この指定されたモードに従って前記オリジナル画像信号を出力画像信号に変換する変換工程であって、前記第１の階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第１の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第２階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第２の階調特性を有する出力画像信号に変換し、前記第３階調モードの指定では前記オリジナル画像信号を第３の階調特性を有する出力画像信号に変換する変換工程と、
から構成される被写体を撮影する撮像方法において、
前記第１、第２及び第３の階調特性を定義する入出力特性曲線は、被写体からの反射率が所定値として定義される黒レベルと白レベルの夫々の反射率の略対数的中点に位置する反射率に相当する点において互いに交差させることを特徴とする撮像方法。 - 前記特性曲線の交差点は、前記階調変換特性の入力側の値において、最大信号レベルの１８〜２０％に対応するように定められていることを特徴とする請求項１０に記載の撮像方法。
- 前記第１、第２及び第３の階調特性曲線のうち少なくとも１つは、前記特性曲線の交差点よりも信号値が大きい領域にニーポイントが設定されたニー特性を有することを特徴とする請求項１０に記載の撮像方法。
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