JP3861711B2 - 輝度レベル補正装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子カメラにおける撮像信号の輝度レベルを補正する輝度レベル補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮像素子等からなるイメージセンサによって被写体を撮影する電子カメラが利用されており、このような電子カメラにおいて、太陽光下等の明るい環境、あるいは屋内等の暗い環境において、撮像をほぼ一定の明るさとするために、輝度レベルの補正が行われている。
【０００３】
電子カメラにおけるイメージセンサは、一般に、電子シャッタと呼ばれる仕組みを備えている。電子シャッタは、撮像素子の露光時間を制御するものであり、露光時間を変化させることによって、露出制御を行う。即ち、電子シャッタの速度を変化させることによって、輝度レベルを制御することが可能である。
さらに、電子シャッタのみによる輝度レベルの制御には限界があることから、
一般に、イメージセンサの出力信号を増幅するためのアンプが用いられている。ここで用いられるアンプは、ゲインが切り替え可能なプログラマブルゲインアンプ（ＰＧＡ）である。
【０００４】
図１３は、従来の電子カメラにおける輝度レベル補正装置１００を示すブロック図である。図１３において、イメージセンサ１１０の出力信号は、ＰＧＡ１２０によって所定利得で増幅された後、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）１３０に入力される。このとき、ＡＤＣ１３０のダイナミックレンジを有効に活用するため、ＰＧＡ１２０では、ＡＤＣ１３０への入力がダイナミックレンジを超えない範囲で、より大きな入力レベルとなるように、イメージセンサ１１０の出力信号が増幅される。なお、イメージセンサ１１０の電子シャッタ速度およびＰＧＡ１２０の利得（Gain）は、後述する輝度制御ブロック１５０によって設定される。
【０００５】
次に、ＰＧＡ１２０の出力信号が、ＡＤＣ１３０によってデジタル信号に変換される。
次いで、輝度測光ブロック１４０によって、ＡＤＣ１３０の出力信号の１画面分について、各画素の輝度が積分され、積分結果が輝度評価値とされる。なお、輝度測光ブロック１４０における輝度評価値を生成するロジックは、輝度測光ロジックと呼ばれる。
【０００６】
輝度測光ロジックとして、１画面に含まれる画素の輝度を単純に積分する方法の他、画面の中央付近に被写体が存在することを想定し、中央付近の画素を重み付けして積分する方法や、画面を所定のパターンで分割して重み付けを行い、積分する方法等が用いられている。
次いで、輝度制御ブロック１５０によって、上述の輝度評価値が処理される。即ち、輝度制御ブロック１５０には、画像の輝度レベルの目標値である輝度目標値が、マイコン等によって設定されている。そして、輝度制御ブロック１５０は、輝度目標値と輝度評価値とを比較し、その誤差を算出する。
【０００７】
そして、輝度制御ブロック１５０は、その誤差に基づいて、電子シャッタ速度を制御する。具体的には、輝度制御ブロック１５０は、輝度評価値が輝度目標値より小さい場合には、画像が暗いと判定し、電子シャッタ速度を遅くする（露出時間を長くする）。逆に、輝度制御ブロック１５０は、輝度評価値が輝度目標値より大きい場合には、画像が明るいと判定し、電子シャッタ速度を速くする（露出時間を短くする）。このように制御する結果、輝度評価値を輝度目標値に近づけることができる。
【０００８】
また、輝度制御ブロック１５０は、電子シャッタ速度を最も遅くしても、輝度評価値が輝度目標値に達しない場合、ＰＧＡ１２０の利得を調整し、輝度評価値を輝度目標値に近づける制御を行う。
なお、輝度制御ブロック１５０によるこのような制御ロジックは、輝度制御ロジックと呼ばれる。
【０００９】
ここで、輝度制御ロジックによって、電子シャッタ速度を制御する場合、イメージセンサ１１０の構造との関係から、イメージセンサ１１０の水平同期信号の周期の整数倍とされる。例えば、水平同期信号の周期をＴｉｍｅｈ［sec］とすると、電子シャッタ速度は、N×Ｔｉｍｅｈ［sec］（Nは自然数）の値とされる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電子カメラにおける輝度レベル補正装置１００は、その輝度補正ロジックに以下のような問題があった。
第１に、従来の輝度制御ロジックによる電子シャッタ速度の調整は、低シャッタ速度の場合（暗い被写体を写す場合）には、細かな調整が可能である一方、高シャッタ速度の場合（明るい被写体を写す場合）には、調整精度が荒くなる。例えば、上述の電子シャッタ速度の算出式において、N＝３００のとき、電子シャッタ速度を遅くしたい場合（画像を明るくしたい場合）には、N=３０１，３０２，・・・と変化させることで、細かな調整が可能である。一方、N＝１であるとき、電子シャッタ速度を遅くしたい場合には、N＝２，３，・・・となり、輝度が２倍、３倍、・・・と変化することとなる。
【００１１】
第２に、光源が蛍光灯等である場合に、５０Hzあるいは６０Hzで光源が揺らぐことから、電子カメラ等においては、この揺らぎの影響を軽減するため、電子シャッタ速度は、所定の離散的な値とされている。
例えば、６０Hzの揺らぎに対しては、電子シャッタ速度を１／６０秒の整数倍あるいは１／３０秒の整数倍に近い値とされる。なお、このように光源の揺らぎに対応して電子シャッタ速度を定めることを以下、「フリッカ対策」と言う。
【００１２】
このように、フリッカ対策のため、所定の離散的な電子シャッタ速度とする場合にも、細かな電子シャッタ速度の調整が行えない。
そして、高シャッタ速度あるいはフリッカ対策によって、電子シャッタ速度の細かな調整が行えない場合、細かな輝度レベルの補正が行えないことに加え、ＡＤＣ１３０のダイナミックレンジを有効に活用できず、いわゆる量子化雑音が増えることから、適切なＡＤ変換を行えないこととなっていた。
【００１３】
本発明の課題は、上記課題を解決するとともに、かつ輝度レベルの補正を簡単かつ高性能に行うことである。
【００１４】
以上の課題を解決するため、請求項１記載の発明は、
電子シャッタ速度を設定するための基準となる所定シャッタ速度に対応する露出時間を基準露出時間（例えば、発明の実施の形態中の“ＴｉｍｅＨ”）とし、該基準露出時間の自然数Ｍ倍である露出時間に電子シャッタ速度を段階的に設定可能なイメージセンサと、
前記イメージセンサの出力信号を利得可変に増幅する増幅手段（例えば、図１のＰＧＡ２０）と、前記増幅手段によって増幅された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段（例えば、図１のＡＤＣ３０）と、前記Ａ／Ｄ変換手段によってデジタル化された信号に基づいて、撮影された画像全体の輝度を示す輝度評価値を算出する輝度測光手段（例えば、図１の輝度測光ブロック４０）と、前記輝度評価値の調整目標値である輝度目標値と、
前記輝度評価値との誤差を検出する誤差検出手段（例えば、図２の誤差検出器５１）と、
前記誤差が所定範囲内に含まれるか否かを判定する輝度判定手段（例えば、図２の誤差検出器５１）と、前記輝度判定手段が、前記誤差が所定範囲内に含まれていないと判定した場合に、前記出力信号利得を調整するための補正量を算出する補正量算出手段（例えば、図２の補正量変換器５２）と、現在の出力信号利得に対して前記補正量を補正することにより新たなる出力信号利得（総合利得）を算出する総合利得算出手段（例えば、図２の総合利得更新器５３）と、前記総合利得に基づいて、前記電子シャッタ速度を所定速度範囲内で段階的に変化させるシャッタ速度調整手段（例えば、図２の利得制御手段５４）と、を備え、前記露出時間を該基準露出時間のＭ倍からＭ＋１倍に変化させることにより、前記イメージセンサの出力信号利得を、所定の変化量である１ステップ分変化させることが可能な撮像手段と、前記シャッタ速度の調整可能範囲内において、前記総合利得に基づいて、前記露出時間を前記基準露出時間のＭ倍とした状態で、前記増幅手段の利得を所定量変化させ、前記出力信号利得を前記１ステップの変化量より小さい変化量だけ変化させる利得制御手段（例えば、図２の利得制御手段５４）と、を備え、前記誤差検出手段は、前記輝度目標値に対し、所定のビットシフト処理と加算処理とを施すことにより、前記輝度目標値に対してそれぞれ所定の倍率を有する比較対象輝度値を複数算出し、前記輝度評価値と、該比較対象輝度値との比較結果に基づいて、該輝度評価値が輝度目標値に対して、いずれの倍率範囲に含まれるかを示す誤差コードを前記誤差として算出し、前記補正量算出手段は、該誤差コードに基づいて、対数表現による前記補正量を算出し、前記総合利得算出手段は、現在の前記出力信号利得と前記補正量とを加減算することにより、対数表現による新たな出力信号利得（総合利得）を算出し、前記利得制御手段は、該新たな出力信号利得（総合利得）に基づいて、電子シャッタ速度、すなわち前記露出時間の調整量と、前記増幅手段の利得の調整量とを対数表現値として割り当てると共に、前記新たな出力信号利得を超えない範囲で設定可能な最小の電子シャッタ速度（最大の露出時間）となるように、前記電子シャッタ速度調整手段による調整量を割り当て、前記新たな出力信号利得に不足する調整量を前記増幅手段による調整量として割り当てることによって、前記出力信号利得の調整を前記電子シャッタ速度によって優先的に行う利得割当手段（例えば、図２のＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４）を有し、前記利得割当手段によって割り当てられた対数表現値である前記露出時間の調整量と、前記基準露出時間の倍率で表される露出時間とを対応付けたテーブルを有し、該テーブルを参照して得られる露出時間に基づいて、対数表現値である前記露出時間の調整量を前記基準露出時間の倍率で表される露出時間に対応する電子シャッタ速度に変換するシャッタ速度変換手段（例えば、図２のＳＳ／ｄＢ倍率変換器５５）をさらに備えることを特徴としている。
ここで、Ｍは正の整数である（以下、同様）。
【００２６】
本発明によれば、イメージセンサの電子シャッタ速度により決まる露出時間が短い範囲（例えば、最短露出時間の数倍〜十数倍程度）において、及び電子シャッタ速度が離散的な値をとる場合において、電子シャッタ速度を１段階変化させた場合にイメージセンサの出力信号利得が変化する値より小さい変化量で、出力信号利得を調整可能である（ＰＧＡにより）。
【００２７】
したがって、電子シャッタ速度が速い範囲において、及び電子シャッタ速度が離散的な値をとる場合において、電子シャッタ速度のみによって利得を調整する場合に比べ、より正確に利得の調整を行うことができ、撮影された画像の輝度を適切に補正することができる。
また、電子シャッタ速度および増幅手段あるいは増幅ステップの利得の調整量を算出する処理において、処理対象の要素（電子シャッタ速度による利得変化、増幅手段あるいは増幅ステップの利得等）を対数表現値、例えば、デシベルを単位とする値として統一的に扱うことにより、輝度レベルの補正のための処理を加減算のみで行うことが可能となる。
【００２８】
したがって、ハードウェア構成が簡単になると共に、処理負荷が軽減され、高速に輝度レベルの補正を行うことができる。
また、電子シャッタ速度と増幅手段あるいは増幅ステップの利得によって撮影された画像の輝度レベルを調整することで、増幅手段からＡ／Ｄ変換手段に入力される信号において、Ａ／Ｄ変換手段のダイナミックレンジを有効活用する適切な信号レベルとすることができ、結果として量子化雑音を低減できる。
【００２９】
即ち、本発明によって、輝度レベルの補正を簡単かつ高性能に行うことができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明に係る輝度レベル補正装置の実施の形態を詳細に説明する。
まず、構成を説明する。
図１は、本発明を適用した輝度レベル補正装置１の機能構成を示すブロック図である。図１に示す輝度レベル補正装置１の構成は、図１３に示す従来の輝度レベル補正装置１００の構成とほぼ同様であるため、異なる部分である輝度制御ブロック５０についてのみ説明し、他の部分については説明を省略する。ただし、本発明において、ＰＧＡ２０の利得あるいはイメージセンサ１０の出力信号の利得といった利得に関する数値は、その利得をＧとした場合に、２０×ｌｏｇＧ［ｄＢ］なる式に基づいて、対数値で表される値として処理される。なお、本発明の主たる部分は輝度制御ブロック５０（図２参照）である。
【００３１】
図２は、輝度制御ブロック５０の機能構成を示すブロック図である。図２において、輝度制御ブロック５０は、誤差検出器５１と、補正量変換器５２と、総合利得更新器５３と、ＳＳ（Shutter Speed）／Ｇａｉｎ割振器５４と、ＳＳ／ｄＢ倍率変換器５５とを含んで構成される。
誤差検出器５１は、輝度評価値と、輝度目標値との差（以下、「輝度誤差」と言う。）に基づいて、所定の符号列Ｃ１〜Ｃ１０（以下、「誤差コード」と言う。）を出力する。ここで、輝度目標値は、予め設定された固定値あるいはマイコン等によって適宜算出される値である。
【００３２】
図３は、誤差検出器５１の一構成例を示す図である。図３において、誤差検出器５１は、１０個の比較レベル生成器５１ａ〜５１ｊと、比較レベル生成器５１ａ〜５１ｊと１対１に接続された比較器５１ｋ〜５１ｔとを含んで構成される。
比較レベル生成器５１ａ〜５１ｊは、輝度目標値の入力を受け、輝度目標値に対し、それぞれ所定倍率を乗じた値（以下、「比較対象値」と言う。）を生成する。比較対象値は、比較対象値をＲ、輝度目標値をＴとすると、Ｒ＝ｈ×Ｔ＋ｉ×Ｔ／２＋ｊ×Ｔ／４＋ｋ×Ｔ／８＋ｌ×Ｔ／１６＋ｍ×Ｔ／３２＋ｎ×Ｔ／６４（ｈ，ｉ，ｊ，ｋ，ｌ，ｍ，ｎは、−１，０，１のいずれかの値）として表され、ｈ〜ｎの値は、生成すべき比較対象値に応じて定められる。この算出式に従い、例えば、図３において、比較レベル生成器５１ａは、輝度目標値の１．５倍、比較レベル生成器５１ｂは、輝度目標値の１．２５倍の比較対象値を生成する。なお、図３においては、輝度目標値に対し、約０．５ｄＢを最小単位とするステップで比較対象値が定められている。
【００３３】
ここで、この比較対象値は、輝度評価値がいずれの範囲にあるかを判定する目安となるものであり、後述するように、比較対象値と輝度評価値とを比較した結果に応じて輝度レベルが補正されることにより、輝度評価値は一定の値に収束することとなる。したがって、比較対象値は、図３に示す値に限られず、また、比較対象値をより多く設けたり、少なく設けたりすることが可能である。
【００３４】
次に、比較レベル生成器５１ａ〜５１ｊを実現する構成例について説明する。
図４は、比較レベル生成器５１ａ〜５１ｊの一構成例を示す図である。図４において、ビットシフタは、入力された輝度目標値をビットシフトすることにより、輝度目標値に１／２のべき乗（１／２、１／４、・・・）を乗じた値を算出可能である。また、入力された輝度目標値および各ビットシフタの出力値は、上述の算出式における係数（ｈ〜ｎ）の値に対応して変換され、加算器によって加算される。ここで、比較レベル生成器５１ａ〜５１ｊの各々は、生成すべき比較対象値に応じて、係数（ｈ〜ｎ）の値が定められており、所望の比較対象値を生成可能である。
【００３５】
図３に戻り、比較器５１ｋ〜５１ｔには、それぞれ輝度評価値と、各比較器に接続された比較レベル生成器からの比較対象値とが入力される。そして、比較器５１ｋ〜５１ｔは、入力された比較対象値と、輝度評価値とを比較し、比較結果に応じて、“０”または“１”の信号を出力する。本例では、比較器５１ｋ〜５１ｎは、輝度評価値が、比較対象値を上回っている場合、“１”を出力し、輝度評価値が、比較対象値以下である場合、“０”を出力する。また、比較器５１ｏ〜５１ｔは前述と逆の動作をし、輝度評価値が比較対象値を上回っている場合、“０”を出力し、輝度評価値が比較対象値以下である場合、“１”を出力する。
【００３６】
したがって、１つの輝度評価値に対し、誤差検出器５１は、１０ビットの誤差コードを出力する（図５参照）。この誤差コードは、輝度評価値が輝度目標値に対し、何倍から何倍までの範囲に含まれるかを示している。
なお、誤差検出器５１は、ハードウェアによって構成する場合、各比較対象値と、輝度評価値とを比較する処理をそれぞれの比較器５１ｋ〜５１ｔによって同時に行うことが可能であり、ソフトウェアによって構成する場合、各比較処理をシーケンシャルに行うことが可能である。
【００３７】
図２に戻り、補正量変換器５２は、誤差検出器５１によって算出された誤差コードに基づいて、補正量を算出する。このとき、補正量変換器５２は、予め定められた対応に従って誤差コードをデシベルを単位とする値（以下、「対数誤差値」と言う。）に変換し、その対数誤差値を符号反転することにより補正量とする。
【００３８】
図５は、誤差コードと補正量との関係を表すルックアップテーブル（ＬＵＴ）を示す図である。図５において、例えば、輝度誤差に応じて誤差検出器５１から出力された誤差コードが、（０，０，０，０，１，１，１，１，１，１）である場合（輝度評価値＜輝度目標値×０．５の場合）、対数誤差値は−６ｄＢ（２０×ｌｏｇ（１／２））であり、このとき、補正量変換器５２は、補正量を＋６ｄＢとする。このように、輝度誤差をデシベルを単位とする対数誤差値に変換して扱うことにより、補正量の算出が符号反転を行うことで容易に行える。
【００３９】
次に、補正量変換器５２を実現する構成例について説明する。
図６は、補正量変換器５２の一構成例を示す図である。図６において、補正量変換器５２は、プライオリティエンコーダとして構成されており、また、図５に示すルックアップテーブルを有している。そして、補正量変換器５２は、誤差検出器５１によって出力される誤差コード（Ｃ１〜Ｃ１０）の入力を受け、ルックアップテーブルに基づいて、誤差コードに対応する対数誤差値を算出し、符号反転することにより、補正量を算出する。
【００４０】
図２に戻り、総合利得更新器５３は、ＰＧＡ２０の利得および電子シャッタ速度によって定まる利得を加えた現在の利得（以下、「総合利得」と言う。）に対し、補正量変換器５２から入力された補正量を加算し、総合利得を更新する。
図７は、総合利得更新器５３の一構成例を示す図である。図７において、総合利得更新器５３は、更新器５３ａと、レジスタ５３ｂとを含んで構成される。
【００４１】
更新器５３ａは、加算器を備えており、補正量変換器５２から入力された補正量と、レジスタ５３ｂに記憶された現在の総合利得とを加算器によって加算することにより、新たな総合利得を算出する。そして、更新器５３ａは、レジスタ５３ｂを書き込み可能とするための更新信号と共に、算出した新たな総合利得をレジスタ５３ｂに出力する。
【００４２】
レジスタ５３ｂは、更新器５３ａから入力された総合利得を記憶し、ＳＳ／Ｇａｉｎ割振り器５４および更新器５３ａに出力する。
このように、補正量を対数値（デシベルを単位とする値）として扱うことにより、現在の総合利得に補正量を加算するのみで、新たな総合利得を得ることができる。そのため、総合利得更新器５３の構成が簡単となり、また、総合利得を更新するための処理が高速化できる。
【００４３】
また、図２において、ＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４は、総合利得を電子シャッタ速度によって定まる利得と、ＰＧＡ２０の利得とに割振る処理を行う。即ち、ＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４は、電子シャッタ速度として設定可能な範囲において、総合利得更新器５３から入力された総合利得を超えない最大の電子シャッタ速度（最も遅い電子シャッタ速度）を設定し、総合利得のうち、電子シャッタ速度によって定まる利得を超える分の利得をＰＧＡ２０の利得に設定する。
【００４４】
図８は、ＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４の一構成例を示す図である。図８において、ＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４は、ＳＳ割当器５４ａと、減算器５４ｂとを含んで構成される。
図９は、ＳＳ割当器５４ａの一構成例を示す図である。図９において、ＳＳ割当器５４ａは、６つの比較器５４ａ−１〜５４ａ−６と、シャッタ速度設定器５４ａ−７とを備えている。各比較器５４ａ−１〜５４ａ−６には、総合利得更新器５３から総合利得が入力されると共に、各比較器に対応した比較対象となる利得（以下、「比較対象利得」と言う。）が入力される。この比較対象利得は、電子シャッタ速度を最速（露出時間をＴｉｍｅＨの１倍）とした場合のイメージセンサ１０の出力信号利得（以下、「基準出力信号利得」と言う。）に対する所定倍の利得を示す値である。なお、“ＴｉｍｅＨ”は、設定可能な範囲において電子シャッタ速度を最速とした場合の露出時間である。例えば、比較対象利得６（ｄＢ）は露出時間がＴｉｍｅＨ×２を意味し、１２はＴｉｍｅＨ×４を意味する。 そして、各比較器は、比較結果に応じて、“０”または“１”の信号を出力する。ここでは、総合利得が比較対象値より大きい場合、“１”を出力するものとする。各比較器の出力信号Ｄ１〜Ｄ６によって示されるコード（以下、「シャッタ速度コード」と言う。）は、総合利得が、基準出力信号利得の何倍から何倍の範囲に含まれるかを示すこととなる。
【００４５】
シャッタ速度設定器５４ａ−７には、総合利得更新器５３から総合利得が、また各比較器からの信号Ｄ１〜Ｄ６が入力される。そして、シャッタ速度設定器５４ａ−７は、信号Ｄ１〜Ｄ６によって、総合利得が、基準出力信号の何倍から何倍の範囲に含まれるかを判定する。
このとき、総合利得が、上述の比較対象値の中で最大のもの（図９の例では１７）より小さい場合（即ち、Ｄ１〜Ｄ６の全てが“１”ではない場合）には、シャッタ速度設定器５４ａ−７は、イメージセンサ１０の出力信号利得が、総合利得を超えない値であって最大の露出時間となる電子シャッタ速度に対応する所定の利得を、電子シャッタ速度を決定する利得（以下、「シャッタ速度設定利得」と言う。）として設定する。簡単に述べると、露出時間で利得を稼ぐために、総合利得を超えない範囲で、最大のシャッタ速度設定利得（露出時間）を設定する）。図１０は、シャッタ速度コードと、シャッタ速度設定利得との関係を示す図である。図１０における“ＳＳ”は、シャッタ速度設定利得、“ＭＡＸ＿ＳＳ”は、電子シャッタ速度を最も遅くした場合（最大露出時間）のイメージセンサ１０の出力信号利得である。図１０において、総合利得が１７以下のときには図のＳＳのテーブル値をシャッタ速度設定利得とする。なお、このシャッタ速度設定利得値は、各比較対象値（とり得るシャッタ速度から決まる値）そのものである。
【００４６】
一方、総合利得が、上述の比較対象値の中で最大のもの（図９の例では１７）以上である場合（画像が暗く、シャッタ速度が遅い（露出時間がＴｉｍｅＨの数十倍程度以上）の場合）、電子シャッタ速度による利得の調整が正確に行えることから、シャッタ速度設定器５４ａ−７は、シャッタ速度設定利得として、総合利得をそのまま設定する（図１０における総合利得＜ＭＡＸ＿ＳＳの場合）。ただし、シャッタ速度設定器５４ａ−７は、総合利得が、基準出力信号利得の４８０倍より大きい場合（図１０における総合利得＞＝ＭＡＸ＿ＳＳの場合）、即ち、電子シャッタ速度のシャッタ速度が最低であり、露出時間の最大値に対応する利得より大きい場合には、シャッタ速度設定利得を基準出力信号利得の４８０倍に対応する利得（即ち、シャッタ速度が最低の速度）となるように設定する。
【００４７】
そして、総合利得からシャッタ速度設定利得を減じた値が、ＰＧＡ２０の利得として出力される。
ここで、フリッカ対策を行うときのＳＳ／Ｇａｉｎ割振器の振る舞いを述べる。フリッカ対策においては、とり得るシャッタ速度（露出時間）は、上述のように１／６０秒や１／３０秒の整数倍とする。よって本例では、前述の比較対象利得を前記露出時間に対応する値にすることで、前記構成がそのまま利用できる。すなわち、総合利得と比較対象利得からとり得るシャッタ速度設定利得が一意に決まり、ＰＧＡの利得は総合利得からシャッタ速度設定利得を減じた値として決まる。
【００４８】
図２に戻り、ＳＳ／ｄＢ倍率変換器５５は、ＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４から入力されたシャッタ速度設定利得を、そのシャッタ速度設定利得を実現するための露出時間がＴｉｍｅＨの露出時間の何倍に相当するかを示す値（ＴｉｍｅＨに対する倍率）に変換する。このとき、ＳＳ／ｄＢ倍率変換器５５は、シャッタ速度設定利得と、ＴｉｍｅＨの露出時間に対する倍率とを変換する倍率テーブルを内部に有しており、この倍率変換テーブルを参照することにより、複雑な計算を行うことなく、求める倍率を得る。
【００４９】
図１１は、倍率変換テーブルを示す図である。図１１において、倍率変換テーブルは、原則として、シャッタ速度設定利得における約０．５ｄＢ毎に、ＴｉｍｅＨの何倍の露出時間となるかが対応付けられている。
そして、ＳＳ／ｄＢ倍率変換器５５は、得られた倍率に基づいて、電子シャッタ速度、すなわち露出時間を算出し、その露出時間（ＴｉｍｅＨの何倍か）をイメージセンサ１０に出力する。
【００５０】
以上のように、本発明に係る輝度レベル補正装置１は、イメージセンサ１０の電子シャッタ速度が速く露出時間が短い範囲（例えば、最短露出時間（ＴｉｍｅＨ）の数倍〜十数倍程度）において、電子シャッタ速度を１段階変化させた場合にイメージセンサ１０の出力信号利得が変化する値より小さい値だけ、ＰＧＡ２０の利得を変化させることによって、総合利得を調整する。
【００５１】
したがって、電子シャッタ速度が速く露出時間が短い範囲において、電子シャッタ速度のみによって利得（輝度レベル）を調整する場合に比べ、より正確に利得（輝度レベル）の調整を行うことができ、撮影された画像の輝度を適切に補正することができる。
図１２は、輝度レベル補正装置１によって総合利得（輝度レベル）が調整される場合の特性を示す図である。図１２においては、被写体が明るく、撮影された画像が明るい範囲において、電子シャッタ速度の調整による総合利得の調整に加え、ＰＧＡ２０の利得によっても総合利得が調整されている。この結果、被写体が明るい範囲において、より正確な総合利得の調整（輝度レベルの補正）が実現されている。
【００５２】
同様にフリッカ対策などの為に、シャッタ速度（露出時間）が、１／６０秒や１／３０秒の整数倍のような離散値しかとり得ない場合、ＰＧＡ２０の利得によって総合利得が調整され、より正確な総合利得の調整（輝度レベルの補正）が実現される。
また、電子シャッタ速度およびＰＧＡ２０の利得の調整量を算出する処理において、処理対象の要素（電子シャッタ速度による利得変化、ＰＧＡ２０の利得、総合利得等）を対数表現値、即ち、デシベルを単位とする値として統一的に扱うことにより、輝度レベルの補正のための処理を加減算のみで行うことが可能となる。
【００５３】
したがって、ハードウェア構成が簡単になると共に、処理負荷が軽減され、高速に輝度レベルの補正を行うことができる。
更に、本発明における誤差検出器は、ビットシフト演算と加算演算と比較演算を主要構成要素としていることから、ハードウェア構成が簡単になると共に、処理負荷が軽減され、高速に輝度レベルの補正を行うことができる。
【００５４】
また、電子シャッタ速度とＰＧＡ２０の利得によって総合利得を調整することで、ＰＧＡ２０からＡＤＣ３０に入力される信号において、ＡＤＣ３０のダイナミックレンジを有効活用する適切な信号レベルとすることができ、量子化雑音を低減できる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、イメージセンサの電子シャッタ速度が速く露出時間が短い範囲において、電子シャッタ速度を１段階変化させた場合にイメージセンサの出力信号利得が変化する値より小さい変化量で、出力信号利得を調整可能である。
したがって、電子シャッタ速度が速く露出時間が短い範囲において、電子シャッタ速度のみによって総合利得を調整する場合に比べ、より正確に利得の調整を行うことができ、撮影された画像の輝度を適切に補正することができる。
同様にフリッカ対策などの為に、シャッタ速度（露出時間）が、１／６０秒や１／３０秒の整数倍のような離散値しかとり得ない場合、ＰＧＡ２０の利得によって総合利得が調整され、より正確な総合利得の調整（輝度レベルの補正）が実現される。
【００５６】
また、電子シャッタ速度および増幅手段あるいは増幅ステップの利得の調整量を算出する処理において、処理対象の要素（電子シャッタ速度による利得変化、増幅手段あるいは増幅ステップの利得等）を対数表現値、例えば、デシベルを単位とする値として統一的に扱うことにより、輝度レベルの補正のための処理を加減算のみで行うことが可能となる。
【００５７】
したがって、ハードウェア構成が簡単になると共に、処理負荷が軽減され、高速に輝度レベルの補正を行うことができる。
更に、本発明における誤差検出器は、ビットシフト演算と加算演算と比較演算を主要構成要素としていることから、ハードウェア構成が簡単になると共に、処理負荷が軽減され、高速に輝度レベルの補正を行うことができる。
また、電子シャッタ速度と増幅手段あるいは増幅ステップの利得によって撮影された画像の輝度レベルを調整することで、増幅手段からＡ／Ｄ変換手段に入力される信号において、Ａ／Ｄ変換手段のダイナミックレンジを有効活用する適切な信号レベルとすることができ、結果として量子化雑音を低減できる。
【００５８】
即ち、本発明によって、輝度レベルの補正を簡単かつ高性能に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した輝度レベル補正装置１の機能構成を示すブロック図である。
【図２】輝度制御ブロック５０の機能構成を示すブロック図である。
【図３】誤差検出器５１の一構成例を示す図である。
【図４】比較レベル生成器５１ａ〜５１ｔの一構成例を示す図である。
【図５】誤差コードと補正量との関係を表すルックアップテーブル（ＬＵＴ）を示す図である。
【図６】補正量変換器５２の一構成例を示す図である。
【図７】総合利得更新器５３の一構成例を示す図である。
【図８】ＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４の一構成例を示す図である。
【図９】ＳＳ割当器５４ａの一構成例を示す図である。
【図１０】シャッタ速度コードと、シャッタ速度設定利得との関係を示す図である。
【図１１】倍率変換テーブルを示す図である。
【図１２】輝度レベル補正装置１によって総合利得（輝度レベル）が調整される場合の特性を示す図である。
【図１３】従来の電子カメラにおける輝度レベル補正装置１００を示すブロック図である。
【符号の説明】
１，１００ 輝度レベル補正装置
１０，１１０ イメージセンサ
４０，１４０ 輝度測光ブロック
５０，１５０ 輝度制御ブロック
５１ 誤差検出器
５１ａ〜５１ｊ 比較レベル生成器
５１ｋ〜５１ｔ 比較器
５２ 補正量変換器
５３ 総合利得更新器
５３ａ 更新器
５３ｂ レジスタ
５４ 利得制御手段およびＳＳ／Ｇａｉｎ割振器
５４ａ ＳＳ割当器
５４ａ−１〜５４ａ−６ 比較器
５４ａ−７ シャッタ速度設定器
５４ｂ 減算器
５５ 倍率変換器
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子カメラにおける撮像信号の輝度レベルを補正する輝度レベル補正装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、撮像素子等からなるイメージセンサによって被写体を撮影する電子カメラが利用されており、このような電子カメラにおいて、太陽光下等の明るい環境、あるいは屋内等の暗い環境において、撮像をほぼ一定の明るさとするために、輝度レベルの補正が行われている。
【０００３】
電子カメラにおけるイメージセンサは、一般に、電子シャッタと呼ばれる仕組みを備えている。電子シャッタは、撮像素子の露光時間を制御するものであり、露光時間を変化させることによって、露出制御を行う。即ち、電子シャッタの速度を変化させることによって、輝度レベルを制御することが可能である。
さらに、電子シャッタのみによる輝度レベルの制御には限界があることから、
一般に、イメージセンサの出力信号を増幅するためのアンプが用いられている。ここで用いられるアンプは、ゲインが切り替え可能なプログラマブルゲインアンプ（ＰＧＡ）である。
【０００４】
図１３は、従来の電子カメラにおける輝度レベル補正装置１００を示すブロック図である。図１３において、イメージセンサ１１０の出力信号は、ＰＧＡ１２０によって所定利得で増幅された後、ＡＤＣ（Analog to Digital Converter）１３０に入力される。このとき、ＡＤＣ１３０のダイナミックレンジを有効に活用するため、ＰＧＡ１２０では、ＡＤＣ１３０への入力がダイナミックレンジを超えない範囲で、より大きな入力レベルとなるように、イメージセンサ１１０の出力信号が増幅される。なお、イメージセンサ１１０の電子シャッタ速度およびＰＧＡ１２０の利得（Gain）は、後述する輝度制御ブロック１５０によって設定される。
【０００５】
次に、ＰＧＡ１２０の出力信号が、ＡＤＣ１３０によってデジタル信号に変換される。
次いで、輝度測光ブロック１４０によって、ＡＤＣ１３０の出力信号の１画面分について、各画素の輝度が積分され、積分結果が輝度評価値とされる。なお、輝度測光ブロック１４０における輝度評価値を生成するロジックは、輝度測光ロジックと呼ばれる。
【０００６】
輝度測光ロジックとして、１画面に含まれる画素の輝度を単純に積分する方法の他、画面の中央付近に被写体が存在することを想定し、中央付近の画素を重み付けして積分する方法や、画面を所定のパターンで分割して重み付けを行い、積分する方法等が用いられている。
次いで、輝度制御ブロック１５０によって、上述の輝度評価値が処理される。即ち、輝度制御ブロック１５０には、画像の輝度レベルの目標値である輝度目標値が、マイコン等によって設定されている。そして、輝度制御ブロック１５０は、輝度目標値と輝度評価値とを比較し、その誤差を算出する。
【０００７】
そして、輝度制御ブロック１５０は、その誤差に基づいて、電子シャッタ速度を制御する。具体的には、輝度制御ブロック１５０は、輝度評価値が輝度目標値より小さい場合には、画像が暗いと判定し、電子シャッタ速度を遅くする（露出時間を長くする）。逆に、輝度制御ブロック１５０は、輝度評価値が輝度目標値より大きい場合には、画像が明るいと判定し、電子シャッタ速度を速くする（露出時間を短くする）。このように制御する結果、輝度評価値を輝度目標値に近づけることができる。
【０００８】
また、輝度制御ブロック１５０は、電子シャッタ速度を最も遅くしても、輝度評価値が輝度目標値に達しない場合、ＰＧＡ１２０の利得を調整し、輝度評価値を輝度目標値に近づける制御を行う。
なお、輝度制御ブロック１５０によるこのような制御ロジックは、輝度制御ロジックと呼ばれる。
【０００９】
ここで、輝度制御ロジックによって、電子シャッタ速度を制御する場合、イメージセンサ１１０の構造との関係から、イメージセンサ１１０の水平同期信号の周期の整数倍とされる。例えば、水平同期信号の周期をＴｉｍｅｈ［sec］とすると、電子シャッタ速度は、N×Ｔｉｍｅｈ［sec］（Nは自然数）の値とされる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の電子カメラにおける輝度レベル補正装置１００は、その輝度補正ロジックに以下のような問題があった。
第１に、従来の輝度制御ロジックによる電子シャッタ速度の調整は、低シャッタ速度の場合（暗い被写体を写す場合）には、細かな調整が可能である一方、高シャッタ速度の場合（明るい被写体を写す場合）には、調整精度が荒くなる。例えば、上述の電子シャッタ速度の算出式において、N＝３００のとき、電子シャッタ速度を遅くしたい場合（画像を明るくしたい場合）には、N=３０１，３０２，・・・と変化させることで、細かな調整が可能である。一方、N＝１であるとき、電子シャッタ速度を遅くしたい場合には、N＝２，３，・・・となり、輝度が２倍、３倍、・・・と変化することとなる。
【００１１】
第２に、光源が蛍光灯等である場合に、５０Hzあるいは６０Hzで光源が揺らぐことから、電子カメラ等においては、この揺らぎの影響を軽減するため、電子シャッタ速度は、所定の離散的な値とされている。
例えば、６０Hzの揺らぎに対しては、電子シャッタ速度を１／６０秒の整数倍あるいは１／３０秒の整数倍に近い値とされる。なお、このように光源の揺らぎに対応して電子シャッタ速度を定めることを以下、「フリッカ対策」と言う。
【００１２】
このように、フリッカ対策のため、所定の離散的な電子シャッタ速度とする場合にも、細かな電子シャッタ速度の調整が行えない。
そして、高シャッタ速度あるいはフリッカ対策によって、電子シャッタ速度の細かな調整が行えない場合、細かな輝度レベルの補正が行えないことに加え、ＡＤＣ１３０のダイナミックレンジを有効に活用できず、いわゆる量子化雑音が増えることから、適切なＡＤ変換を行えないこととなっていた。
【００１３】
本発明の課題は、上記課題を解決するとともに、かつ輝度レベルの補正を簡単かつ高性能に行うことである。
【００１４】
以上の課題を解決するため、請求項１記載の発明は、
電子シャッタ速度を設定するための基準となる所定シャッタ速度に対応する露出時間を基準露出時間（例えば、発明の実施の形態中の“ＴｉｍｅＨ”）とし、該基準露出時間の自然数Ｍ倍である露出時間に電子シャッタ速度を段階的に設定可能なイメージセンサと、
前記イメージセンサの出力信号を利得可変に増幅する増幅手段（例えば、図１のＰＧＡ２０）と、前記増幅手段によって増幅された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段（例えば、図１のＡＤＣ３０）と、前記Ａ／Ｄ変換手段によってデジタル化された信号に基づいて、撮影された画像全体の輝度を示す輝度評価値を算出する輝度測光手段（例えば、図１の輝度測光ブロック４０）と、前記輝度評価値の調整目標値である輝度目標値と、
前記輝度評価値との誤差を検出する誤差検出手段（例えば、図２の誤差検出器５１）と、
前記誤差が所定範囲内に含まれるか否かを判定する輝度判定手段（例えば、図２の誤差検出器５１）と、前記輝度判定手段が、前記誤差が所定範囲内に含まれていないと判定した場合に、前記出力信号利得を調整するための補正量を算出する補正量算出手段（例えば、図２の補正量変換器５２）と、現在の出力信号利得に対して前記補正量を補正することにより新たなる出力信号利得（総合利得）を算出する総合利得算出手段（例えば、図２の総合利得更新器５３）と、前記総合利得に基づいて、前記電子シャッタ速度を所定速度範囲内で段階的に変化させるシャッタ速度調整手段（例えば、図２の利得制御手段５４）と、を備え、前記露出時間を該基準露出時間のＭ倍からＭ＋１倍に変化させることにより、前記イメージセンサの出力信号利得を、所定の変化量である１ステップ分変化させることが可能な撮像手段と、前記シャッタ速度の調整可能範囲内において、前記総合利得に基づいて、前記露出時間を前記基準露出時間のＭ倍とした状態で、前記増幅手段の利得を所定量変化させ、前記出力信号利得を前記１ステップの変化量より小さい変化量だけ変化させる利得制御手段（例えば、図２の利得制御手段５４）と、を備え、前記誤差検出手段は、前記輝度目標値に対し、所定のビットシフト処理と加算処理とを施すことにより、前記輝度目標値に対してそれぞれ所定の倍率を有する比較対象輝度値を複数算出し、前記輝度評価値と、該比較対象輝度値との比較結果に基づいて、該輝度評価値が輝度目標値に対して、いずれの倍率範囲に含まれるかを示す誤差コードを前記誤差として算出し、前記補正量算出手段は、該誤差コードに基づいて、対数表現による前記補正量を算出し、前記総合利得算出手段は、現在の前記出力信号利得と前記補正量とを加減算することにより、対数表現による新たな出力信号利得（総合利得）を算出し、前記利得制御手段は、該新たな出力信号利得（総合利得）に基づいて、電子シャッタ速度、すなわち前記露出時間の調整量と、前記増幅手段の利得の調整量とを対数表現値として割り当てると共に、前記新たな出力信号利得を超えない範囲で設定可能な最小の電子シャッタ速度（最大の露出時間）となるように、前記電子シャッタ速度調整手段による調整量を割り当て、前記新たな出力信号利得に不足する調整量を前記増幅手段による調整量として割り当てることによって、前記出力信号利得の調整を前記電子シャッタ速度によって優先的に行う利得割当手段（例えば、図２のＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４）を有し、前記利得割当手段によって割り当てられた対数表現値である前記露出時間の調整量と、前記基準露出時間の倍率で表される露出時間とを対応付けたテーブルを有し、該テーブルを参照して得られる露出時間に基づいて、対数表現値である前記露出時間の調整量を前記基準露出時間の倍率で表される露出時間に対応する電子シャッタ速度に変換するシャッタ速度変換手段（例えば、図２のＳＳ／ｄＢ倍率変換器５５）をさらに備えることを特徴としている。
ここで、Ｍは正の整数である（以下、同様）。
【００２６】
本発明によれば、イメージセンサの電子シャッタ速度により決まる露出時間が短い範囲（例えば、最短露出時間の数倍〜十数倍程度）において、及び電子シャッタ速度が離散的な値をとる場合において、電子シャッタ速度を１段階変化させた場合にイメージセンサの出力信号利得が変化する値より小さい変化量で、出力信号利得を調整可能である（ＰＧＡにより）。
【００２７】
したがって、電子シャッタ速度が速い範囲において、及び電子シャッタ速度が離散的な値をとる場合において、電子シャッタ速度のみによって利得を調整する場合に比べ、より正確に利得の調整を行うことができ、撮影された画像の輝度を適切に補正することができる。
また、電子シャッタ速度および増幅手段あるいは増幅ステップの利得の調整量を算出する処理において、処理対象の要素（電子シャッタ速度による利得変化、増幅手段あるいは増幅ステップの利得等）を対数表現値、例えば、デシベルを単位とする値として統一的に扱うことにより、輝度レベルの補正のための処理を加減算のみで行うことが可能となる。
【００２８】
したがって、ハードウェア構成が簡単になると共に、処理負荷が軽減され、高速に輝度レベルの補正を行うことができる。
また、電子シャッタ速度と増幅手段あるいは増幅ステップの利得によって撮影された画像の輝度レベルを調整することで、増幅手段からＡ／Ｄ変換手段に入力される信号において、Ａ／Ｄ変換手段のダイナミックレンジを有効活用する適切な信号レベルとすることができ、結果として量子化雑音を低減できる。
【００２９】
即ち、本発明によって、輝度レベルの補正を簡単かつ高性能に行うことができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図を参照して本発明に係る輝度レベル補正装置の実施の形態を詳細に説明する。
まず、構成を説明する。
図１は、本発明を適用した輝度レベル補正装置１の機能構成を示すブロック図である。図１に示す輝度レベル補正装置１の構成は、図１３に示す従来の輝度レベル補正装置１００の構成とほぼ同様であるため、異なる部分である輝度制御ブロック５０についてのみ説明し、他の部分については説明を省略する。ただし、本発明において、ＰＧＡ２０の利得あるいはイメージセンサ１０の出力信号の利得といった利得に関する数値は、その利得をＧとした場合に、２０×ｌｏｇＧ［ｄＢ］なる式に基づいて、対数値で表される値として処理される。なお、本発明の主たる部分は輝度制御ブロック５０（図２参照）である。
【００３１】
図２は、輝度制御ブロック５０の機能構成を示すブロック図である。図２において、輝度制御ブロック５０は、誤差検出器５１と、補正量変換器５２と、総合利得更新器５３と、ＳＳ（Shutter Speed）／Ｇａｉｎ割振器５４と、ＳＳ／ｄＢ倍率変換器５５とを含んで構成される。
誤差検出器５１は、輝度評価値と、輝度目標値との差（以下、「輝度誤差」と言う。）に基づいて、所定の符号列Ｃ１〜Ｃ１０（以下、「誤差コード」と言う。）を出力する。ここで、輝度目標値は、予め設定された固定値あるいはマイコン等によって適宜算出される値である。
【００３２】
図３は、誤差検出器５１の一構成例を示す図である。図３において、誤差検出器５１は、１０個の比較レベル生成器５１ａ〜５１ｊと、比較レベル生成器５１ａ〜５１ｊと１対１に接続された比較器５１ｋ〜５１ｔとを含んで構成される。
比較レベル生成器５１ａ〜５１ｊは、輝度目標値の入力を受け、輝度目標値に対し、それぞれ所定倍率を乗じた値（以下、「比較対象値」と言う。）を生成する。比較対象値は、比較対象値をＲ、輝度目標値をＴとすると、Ｒ＝ｈ×Ｔ＋ｉ×Ｔ／２＋ｊ×Ｔ／４＋ｋ×Ｔ／８＋ｌ×Ｔ／１６＋ｍ×Ｔ／３２＋ｎ×Ｔ／６４（ｈ，ｉ，ｊ，ｋ，ｌ，ｍ，ｎは、−１，０，１のいずれかの値）として表され、ｈ〜ｎの値は、生成すべき比較対象値に応じて定められる。この算出式に従い、例えば、図３において、比較レベル生成器５１ａは、輝度目標値の１．５倍、比較レベル生成器５１ｂは、輝度目標値の１．２５倍の比較対象値を生成する。なお、図３においては、輝度目標値に対し、約０．５ｄＢを最小単位とするステップで比較対象値が定められている。
【００３３】
ここで、この比較対象値は、輝度評価値がいずれの範囲にあるかを判定する目安となるものであり、後述するように、比較対象値と輝度評価値とを比較した結果に応じて輝度レベルが補正されることにより、輝度評価値は一定の値に収束することとなる。したがって、比較対象値は、図３に示す値に限られず、また、比較対象値をより多く設けたり、少なく設けたりすることが可能である。
【００３４】
次に、比較レベル生成器５１ａ〜５１ｊを実現する構成例について説明する。
図４は、比較レベル生成器５１ａ〜５１ｊの一構成例を示す図である。図４において、ビットシフタは、入力された輝度目標値をビットシフトすることにより、輝度目標値に１／２のべき乗（１／２、１／４、・・・）を乗じた値を算出可能である。また、入力された輝度目標値および各ビットシフタの出力値は、上述の算出式における係数（ｈ〜ｎ）の値に対応して変換され、加算器によって加算される。ここで、比較レベル生成器５１ａ〜５１ｊの各々は、生成すべき比較対象値に応じて、係数（ｈ〜ｎ）の値が定められており、所望の比較対象値を生成可能である。
【００３５】
図３に戻り、比較器５１ｋ〜５１ｔには、それぞれ輝度評価値と、各比較器に接続された比較レベル生成器からの比較対象値とが入力される。そして、比較器５１ｋ〜５１ｔは、入力された比較対象値と、輝度評価値とを比較し、比較結果に応じて、“０”または“１”の信号を出力する。本例では、比較器５１ｋ〜５１ｎは、輝度評価値が、比較対象値を上回っている場合、“１”を出力し、輝度評価値が、比較対象値以下である場合、“０”を出力する。また、比較器５１ｏ〜５１ｔは前述と逆の動作をし、輝度評価値が比較対象値を上回っている場合、“０”を出力し、輝度評価値が比較対象値以下である場合、“１”を出力する。
【００３６】
したがって、１つの輝度評価値に対し、誤差検出器５１は、１０ビットの誤差コードを出力する（図５参照）。この誤差コードは、輝度評価値が輝度目標値に対し、何倍から何倍までの範囲に含まれるかを示している。
なお、誤差検出器５１は、ハードウェアによって構成する場合、各比較対象値と、輝度評価値とを比較する処理をそれぞれの比較器５１ｋ〜５１ｔによって同時に行うことが可能であり、ソフトウェアによって構成する場合、各比較処理をシーケンシャルに行うことが可能である。
【００３７】
図２に戻り、補正量変換器５２は、誤差検出器５１によって算出された誤差コードに基づいて、補正量を算出する。このとき、補正量変換器５２は、予め定められた対応に従って誤差コードをデシベルを単位とする値（以下、「対数誤差値」と言う。）に変換し、その対数誤差値を符号反転することにより補正量とする。
【００３８】
図５は、誤差コードと補正量との関係を表すルックアップテーブル（ＬＵＴ）を示す図である。図５において、例えば、輝度誤差に応じて誤差検出器５１から出力された誤差コードが、（０，０，０，０，１，１，１，１，１，１）である場合（輝度評価値＜輝度目標値×０．５の場合）、対数誤差値は−６ｄＢ（２０×ｌｏｇ（１／２））であり、このとき、補正量変換器５２は、補正量を＋６ｄＢとする。このように、輝度誤差をデシベルを単位とする対数誤差値に変換して扱うことにより、補正量の算出が符号反転を行うことで容易に行える。
【００３９】
次に、補正量変換器５２を実現する構成例について説明する。
図６は、補正量変換器５２の一構成例を示す図である。図６において、補正量変換器５２は、プライオリティエンコーダとして構成されており、また、図５に示すルックアップテーブルを有している。そして、補正量変換器５２は、誤差検出器５１によって出力される誤差コード（Ｃ１〜Ｃ１０）の入力を受け、ルックアップテーブルに基づいて、誤差コードに対応する対数誤差値を算出し、符号反転することにより、補正量を算出する。
【００４０】
図２に戻り、総合利得更新器５３は、ＰＧＡ２０の利得および電子シャッタ速度によって定まる利得を加えた現在の利得（以下、「総合利得」と言う。）に対し、補正量変換器５２から入力された補正量を加算し、総合利得を更新する。
図７は、総合利得更新器５３の一構成例を示す図である。図７において、総合利得更新器５３は、更新器５３ａと、レジスタ５３ｂとを含んで構成される。
【００４１】
更新器５３ａは、加算器を備えており、補正量変換器５２から入力された補正量と、レジスタ５３ｂに記憶された現在の総合利得とを加算器によって加算することにより、新たな総合利得を算出する。そして、更新器５３ａは、レジスタ５３ｂを書き込み可能とするための更新信号と共に、算出した新たな総合利得をレジスタ５３ｂに出力する。
【００４２】
レジスタ５３ｂは、更新器５３ａから入力された総合利得を記憶し、ＳＳ／Ｇａｉｎ割振り器５４および更新器５３ａに出力する。
このように、補正量を対数値（デシベルを単位とする値）として扱うことにより、現在の総合利得に補正量を加算するのみで、新たな総合利得を得ることができる。そのため、総合利得更新器５３の構成が簡単となり、また、総合利得を更新するための処理が高速化できる。
【００４３】
また、図２において、ＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４は、総合利得を電子シャッタ速度によって定まる利得と、ＰＧＡ２０の利得とに割振る処理を行う。即ち、ＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４は、電子シャッタ速度として設定可能な範囲において、総合利得更新器５３から入力された総合利得を超えない最大の電子シャッタ速度（最も遅い電子シャッタ速度）を設定し、総合利得のうち、電子シャッタ速度によって定まる利得を超える分の利得をＰＧＡ２０の利得に設定する。
【００４４】
図８は、ＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４の一構成例を示す図である。図８において、ＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４は、ＳＳ割当器５４ａと、減算器５４ｂとを含んで構成される。
図９は、ＳＳ割当器５４ａの一構成例を示す図である。図９において、ＳＳ割当器５４ａは、６つの比較器５４ａ−１〜５４ａ−６と、シャッタ速度設定器５４ａ−７とを備えている。各比較器５４ａ−１〜５４ａ−６には、総合利得更新器５３から総合利得が入力されると共に、各比較器に対応した比較対象となる利得（以下、「比較対象利得」と言う。）が入力される。この比較対象利得は、電子シャッタ速度を最速（露出時間をＴｉｍｅＨの１倍）とした場合のイメージセンサ１０の出力信号利得（以下、「基準出力信号利得」と言う。）に対する所定倍の利得を示す値である。なお、“ＴｉｍｅＨ”は、設定可能な範囲において電子シャッタ速度を最速とした場合の露出時間である。例えば、比較対象利得６（ｄＢ）は露出時間がＴｉｍｅＨ×２を意味し、１２はＴｉｍｅＨ×４を意味する。 そして、各比較器は、比較結果に応じて、“０”または“１”の信号を出力する。ここでは、総合利得が比較対象値より大きい場合、“１”を出力するものとする。各比較器の出力信号Ｄ１〜Ｄ６によって示されるコード（以下、「シャッタ速度コード」と言う。）は、総合利得が、基準出力信号利得の何倍から何倍の範囲に含まれるかを示すこととなる。
【００４５】
シャッタ速度設定器５４ａ−７には、総合利得更新器５３から総合利得が、また各比較器からの信号Ｄ１〜Ｄ６が入力される。そして、シャッタ速度設定器５４ａ−７は、信号Ｄ１〜Ｄ６によって、総合利得が、基準出力信号の何倍から何倍の範囲に含まれるかを判定する。
このとき、総合利得が、上述の比較対象値の中で最大のもの（図９の例では１７）より小さい場合（即ち、Ｄ１〜Ｄ６の全てが“１”ではない場合）には、シャッタ速度設定器５４ａ−７は、イメージセンサ１０の出力信号利得が、総合利得を超えない値であって最大の露出時間となる電子シャッタ速度に対応する所定の利得を、電子シャッタ速度を決定する利得（以下、「シャッタ速度設定利得」と言う。）として設定する。簡単に述べると、露出時間で利得を稼ぐために、総合利得を超えない範囲で、最大のシャッタ速度設定利得（露出時間）を設定する）。図１０は、シャッタ速度コードと、シャッタ速度設定利得との関係を示す図である。図１０における“ＳＳ”は、シャッタ速度設定利得、“ＭＡＸ＿ＳＳ”は、電子シャッタ速度を最も遅くした場合（最大露出時間）のイメージセンサ１０の出力信号利得である。図１０において、総合利得が１７以下のときには図のＳＳのテーブル値をシャッタ速度設定利得とする。なお、このシャッタ速度設定利得値は、各比較対象値（とり得るシャッタ速度から決まる値）そのものである。
【００４６】
一方、総合利得が、上述の比較対象値の中で最大のもの（図９の例では１７）以上である場合（画像が暗く、シャッタ速度が遅い（露出時間がＴｉｍｅＨの数十倍程度以上）の場合）、電子シャッタ速度による利得の調整が正確に行えることから、シャッタ速度設定器５４ａ−７は、シャッタ速度設定利得として、総合利得をそのまま設定する（図１０における総合利得＜ＭＡＸ＿ＳＳの場合）。ただし、シャッタ速度設定器５４ａ−７は、総合利得が、基準出力信号利得の４８０倍より大きい場合（図１０における総合利得＞＝ＭＡＸ＿ＳＳの場合）、即ち、電子シャッタ速度のシャッタ速度が最低であり、露出時間の最大値に対応する利得より大きい場合には、シャッタ速度設定利得を基準出力信号利得の４８０倍に対応する利得（即ち、シャッタ速度が最低の速度）となるように設定する。
【００４７】
そして、総合利得からシャッタ速度設定利得を減じた値が、ＰＧＡ２０の利得として出力される。
ここで、フリッカ対策を行うときのＳＳ／Ｇａｉｎ割振器の振る舞いを述べる。フリッカ対策においては、とり得るシャッタ速度（露出時間）は、上述のように１／６０秒や１／３０秒の整数倍とする。よって本例では、前述の比較対象利得を前記露出時間に対応する値にすることで、前記構成がそのまま利用できる。すなわち、総合利得と比較対象利得からとり得るシャッタ速度設定利得が一意に決まり、ＰＧＡの利得は総合利得からシャッタ速度設定利得を減じた値として決まる。
【００４８】
図２に戻り、ＳＳ／ｄＢ倍率変換器５５は、ＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４から入力されたシャッタ速度設定利得を、そのシャッタ速度設定利得を実現するための露出時間がＴｉｍｅＨの露出時間の何倍に相当するかを示す値（ＴｉｍｅＨに対する倍率）に変換する。このとき、ＳＳ／ｄＢ倍率変換器５５は、シャッタ速度設定利得と、ＴｉｍｅＨの露出時間に対する倍率とを変換する倍率テーブルを内部に有しており、この倍率変換テーブルを参照することにより、複雑な計算を行うことなく、求める倍率を得る。
【００４９】
図１１は、倍率変換テーブルを示す図である。図１１において、倍率変換テーブルは、原則として、シャッタ速度設定利得における約０．５ｄＢ毎に、ＴｉｍｅＨの何倍の露出時間となるかが対応付けられている。
そして、ＳＳ／ｄＢ倍率変換器５５は、得られた倍率に基づいて、電子シャッタ速度、すなわち露出時間を算出し、その露出時間（ＴｉｍｅＨの何倍か）をイメージセンサ１０に出力する。
【００５０】
以上のように、本発明に係る輝度レベル補正装置１は、イメージセンサ１０の電子シャッタ速度が速く露出時間が短い範囲（例えば、最短露出時間（ＴｉｍｅＨ）の数倍〜十数倍程度）において、電子シャッタ速度を１段階変化させた場合にイメージセンサ１０の出力信号利得が変化する値より小さい値だけ、ＰＧＡ２０の利得を変化させることによって、総合利得を調整する。
【００５１】
したがって、電子シャッタ速度が速く露出時間が短い範囲において、電子シャッタ速度のみによって利得（輝度レベル）を調整する場合に比べ、より正確に利得（輝度レベル）の調整を行うことができ、撮影された画像の輝度を適切に補正することができる。
図１２は、輝度レベル補正装置１によって総合利得（輝度レベル）が調整される場合の特性を示す図である。図１２においては、被写体が明るく、撮影された画像が明るい範囲において、電子シャッタ速度の調整による総合利得の調整に加え、ＰＧＡ２０の利得によっても総合利得が調整されている。この結果、被写体が明るい範囲において、より正確な総合利得の調整（輝度レベルの補正）が実現されている。
【００５２】
同様にフリッカ対策などの為に、シャッタ速度（露出時間）が、１／６０秒や１／３０秒の整数倍のような離散値しかとり得ない場合、ＰＧＡ２０の利得によって総合利得が調整され、より正確な総合利得の調整（輝度レベルの補正）が実現される。
また、電子シャッタ速度およびＰＧＡ２０の利得の調整量を算出する処理において、処理対象の要素（電子シャッタ速度による利得変化、ＰＧＡ２０の利得、総合利得等）を対数表現値、即ち、デシベルを単位とする値として統一的に扱うことにより、輝度レベルの補正のための処理を加減算のみで行うことが可能となる。
【００５３】
したがって、ハードウェア構成が簡単になると共に、処理負荷が軽減され、高速に輝度レベルの補正を行うことができる。
更に、本発明における誤差検出器は、ビットシフト演算と加算演算と比較演算を主要構成要素としていることから、ハードウェア構成が簡単になると共に、処理負荷が軽減され、高速に輝度レベルの補正を行うことができる。
【００５４】
また、電子シャッタ速度とＰＧＡ２０の利得によって総合利得を調整することで、ＰＧＡ２０からＡＤＣ３０に入力される信号において、ＡＤＣ３０のダイナミックレンジを有効活用する適切な信号レベルとすることができ、量子化雑音を低減できる。
【００５５】
【発明の効果】
本発明によれば、イメージセンサの電子シャッタ速度が速く露出時間が短い範囲において、電子シャッタ速度を１段階変化させた場合にイメージセンサの出力信号利得が変化する値より小さい変化量で、出力信号利得を調整可能である。
したがって、電子シャッタ速度が速く露出時間が短い範囲において、電子シャッタ速度のみによって総合利得を調整する場合に比べ、より正確に利得の調整を行うことができ、撮影された画像の輝度を適切に補正することができる。
同様にフリッカ対策などの為に、シャッタ速度（露出時間）が、１／６０秒や１／３０秒の整数倍のような離散値しかとり得ない場合、ＰＧＡ２０の利得によって総合利得が調整され、より正確な総合利得の調整（輝度レベルの補正）が実現される。
【００５６】
また、電子シャッタ速度および増幅手段あるいは増幅ステップの利得の調整量を算出する処理において、処理対象の要素（電子シャッタ速度による利得変化、増幅手段あるいは増幅ステップの利得等）を対数表現値、例えば、デシベルを単位とする値として統一的に扱うことにより、輝度レベルの補正のための処理を加減算のみで行うことが可能となる。
【００５７】
したがって、ハードウェア構成が簡単になると共に、処理負荷が軽減され、高速に輝度レベルの補正を行うことができる。
更に、本発明における誤差検出器は、ビットシフト演算と加算演算と比較演算を主要構成要素としていることから、ハードウェア構成が簡単になると共に、処理負荷が軽減され、高速に輝度レベルの補正を行うことができる。
また、電子シャッタ速度と増幅手段あるいは増幅ステップの利得によって撮影された画像の輝度レベルを調整することで、増幅手段からＡ／Ｄ変換手段に入力される信号において、Ａ／Ｄ変換手段のダイナミックレンジを有効活用する適切な信号レベルとすることができ、結果として量子化雑音を低減できる。
【００５８】
即ち、本発明によって、輝度レベルの補正を簡単かつ高性能に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した輝度レベル補正装置１の機能構成を示すブロック図である。
【図２】輝度制御ブロック５０の機能構成を示すブロック図である。
【図３】誤差検出器５１の一構成例を示す図である。
【図４】比較レベル生成器５１ａ〜５１ｔの一構成例を示す図である。
【図５】誤差コードと補正量との関係を表すルックアップテーブル（ＬＵＴ）を示す図である。
【図６】補正量変換器５２の一構成例を示す図である。
【図７】総合利得更新器５３の一構成例を示す図である。
【図８】ＳＳ／Ｇａｉｎ割振器５４の一構成例を示す図である。
【図９】ＳＳ割当器５４ａの一構成例を示す図である。
【図１０】シャッタ速度コードと、シャッタ速度設定利得との関係を示す図である。
【図１１】倍率変換テーブルを示す図である。
【図１２】輝度レベル補正装置１によって総合利得（輝度レベル）が調整される場合の特性を示す図である。
【図１３】従来の電子カメラにおける輝度レベル補正装置１００を示すブロック図である。
【符号の説明】
１，１００ 輝度レベル補正装置
１０，１１０ イメージセンサ
４０，１４０ 輝度測光ブロック
５０，１５０ 輝度制御ブロック
５１ 誤差検出器
５１ａ〜５１ｊ 比較レベル生成器
５１ｋ〜５１ｔ 比較器
５２ 補正量変換器
５３ 総合利得更新器
５３ａ 更新器
５３ｂ レジスタ
５４ 利得制御手段およびＳＳ／Ｇａｉｎ割振器
５４ａ ＳＳ割当器
５４ａ−１〜５４ａ−６ 比較器
５４ａ−７ シャッタ速度設定器
５４ｂ 減算器
５５ 倍率変換器
Claims (1)
- 電子シャッタ速度を設定するための基準となる所定シャッタ速度に対応する露出時間を基準露出時間とし、該基準露出時間の自然数Ｍ倍である露出時間に電子シャッタ速度を段階的に設定可能なイメージセンサと、
前記イメージセンサの出力信号を利得可変に増幅する増幅手段と、
前記増幅手段によって増幅された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換手段と、
前記Ａ／Ｄ変換手段によってデジタル化された信号に基づいて、撮影された画像全体の輝度を示す輝度評価値を算出する輝度測光手段と、
前記輝度評価値の調整目標値である輝度目標値と、前記輝度評価値との誤差を検出する誤差検出手段と、
前記誤差が所定範囲内に含まれるか否かを判定する輝度判定手段と、
前記輝度判定手段が、前記誤差が所定範囲内に含まれていないと判定した場合に、前記出力信号利得を調整するための補正量を算出する補正量算出手段と、
現在の出力信号利得に対して前記補正量を補正することにより新たなる出力信号利得（総合利得）を算出する総合利得算出手段と、
前記総合利得に基づいて、前記電子シャッタ速度を所定速度範囲内で段階的に変化させるシャッタ速度調整手段と、を備え、
前記露出時間を該基準露出時間のＭ倍からＭ＋１倍に変化させることにより、前記イメージセンサの出力信号利得を、所定の変化量である１ステップ分変化させることが可能な撮像手段と、
前記シャッタ速度の調整可能範囲内において、前記総合利得に基づいて、前記露出時間を前記基準露出時間のＭ倍とした状態で、前記増幅手段の利得を所定量変化させ、前記出力信号利得を前記１ステップの変化量より小さい変化量だけ変化させる利得制御手段と、
を備え、
前記誤差検出手段は、前記輝度目標値に対し、所定のビットシフト処理と加算処理とを施すことにより、前記輝度目標値に対してそれぞれ所定の倍率を有する比較対象輝度値を複数算出し、前記輝度評価値と、該比較対象輝度値との比較結果に基づいて、該輝度評価値が輝度目標値に対して、いずれの倍率範囲に含まれるかを示す誤差コードを前記誤差として算出し、
前記補正量算出手段は、該誤差コードに基づいて、対数表現による前記補正量を算出し、
前記総合利得算出手段は、現在の前記出力信号利得と前記補正量とを加減算することにより、対数表現による新たな出力信号利得（総合利得）を算出し、
前記利得制御手段は、該新たな出力信号利得（総合利得）に基づいて、電子シャッタ速度、すなわち前記露出時間の調整量と、前記増幅手段の利得の調整量とを対数表現値として割り当てると共に、前記新たな出力信号利得を超えない範囲で設定可能な最小の電子シャッタ速度（最大の露出時間）となるように、前記電子シャッタ速度調整手段による調整量を割り当て、前記新たな出力信号利得に不足する調整量を前記増幅手段による調整量として割り当てることによって、前記出力信号利得の調整を前記電子シャッタ速度によって優先的に行う利得割当手段を有し、
前記利得割当手段によって割り当てられた対数表現値である前記露出時間の調整量と、
前記基準露出時間の倍率で表される露出時間とを対応付けたテーブルを有し、該テーブルを参照して得られる露出時間に基づいて、対数表現値である前記露出時間の調整量を前記基準露出時間の倍率で表される露出時間に対応する電子シャッタ速度に変換するシャッタ速度変換手段をさらに備えることを特徴とする輝度レベル補正装置。
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