JP3949903B2 - 撮像装置及び撮像信号処理方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明はテレビジョンカメラのダイナミックレンジ拡大に関するもので、特に、広範囲な輝度を持つ被写体を撮像可能にする撮像装置用回路及び撮像用信号処理方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来CCD等の撮像素子を用いたカメラでは、電荷の蓄積容量の限界と、その特性の関係でカメラの入射光量をある範囲内に抑えるようにして撮像していた。従って、屋外等での撮像時には被写体の輝度範囲を撮像可能とするダイナミックレンジが得られず、撮像画像に問題があった。このため、撮像素子などの電子シャッタ機能を用いて、高速シャッタと低速シャッタのように異なったシャッタ時間で撮像し、この映像信号を信号処理することで広ダイナミックレンジ拡大を図るなどしていた。
【0003】
従来の広ダイナミックレンジカメラの動作原理を示す。
【0004】
図1(A),(B)には、電荷結合撮像素子(CCD)からの出力映像信号(A1、B1、A2、B2フィールド…)と、広ダイナミックレンジのカメラ映像信号(合成画像)の波形を示している。Aフィールドを低速シャッタ画像、Bフィールドを高速シャッタ画像とする。低速シャッタ画像とは、例えばシャッタ速度が1/60のことであり、高速シャッタ画像とは、例えばシャッタ速度が1/2000のことである。低速シャッタ画像、高速シャッタ画像とは、CCD等にシャッタパルスを直接与える電子シャッタで蓄積時間を制御した映像信号のことである。
【0005】
広ダイナミックレンジカメラは、低速シャッタで被写体の輝度の低い部分(輝度の高い部分は飽和してしまう)を撮像し、高速シャッタで被写体の輝度の高い部分(輝度の低い部分は暗くて撮像不可能)を撮像し、両方の画像を合成することにより、1画面で被写体の輝度の低い部分から輝度の高い部分の撮像を可能にするものである。例えば図1(B)に示すように、A1フィールド画像(低速シャッタ画像)とB0フィールド画像(高速シャッタ画像)を合成し、次に、A1フィールド画像(低速シャッタ画像)とB1フィールド画像(高速シャッタ画像)を合成する。以降同じ動作を繰り替えし行なう。
【0006】
この場合、低速シャッタと高速シャッタの速度と合成比率は固定である。また、広ダイナミックレンジカメラに、入射光量を自動調節するオートアイリスレンズ等を塔載してもダイナミックレンジは拡大しない。また、このシャッタ速度の比は、ダイナミックレンジの拡大比のことである。例えば、低速シャッタ速度が1/60、高速シャッタ速度が1/2000で固定されているとすると、この広ダイナミックレンジカメラは約32倍の拡大率を持っているということになる。
【0007】
図2は、従来の広ダイナミックレンジカメラのブロック図である。固体撮像素子1で得られた信号をA/D変換器2でA/D(アナログデジタル)変換し、フレームメモリ3Aと3Bに交互に書き込む。フレームメモリ3A、3Bから読み出された信号は、合成処理回路4に送られ、プロセス回路5を通って出力される。制御部は、CPU(中央演算処理装置)6と露光制御部7で構成されていて、ディジタル処理部10からの測光データを用いてCPU6にて演算を行う。演算結果は、ディジタル処理部10と露光制御部7へ送られ、それぞれ制御信号を生成し、ディジタル処理部10と固体撮像素子1を制御する。上記装置は例えば特願昭61-255984号公報に示されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
従来の広ダイナミックレンジカメラでは、異なる電子シャッタ時間の画像を数回撮像し合成していた。このため、静止画では有効であったが、監視カメラ等のように動きのある被写体を撮像する装置には不向きであった。
【0009】
そこで、本発明の目的は被写体内の輝度差に応じてカメラダイナミックレンジを高速に可変させ、被写体輝度差に最適化した撮像画像を得ることで、被写体として極めて輝度差の大きい画像認識用車載カメラや、屋内・夜間の屋外を同時撮像する監視カメラ等に用いて有効な撮像装置用回路及び撮像用信号処理方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明は、第1の電子シャッタ速度で撮像した画面単位の第1の画像信号及び、前記第1の露光時間とは異なる第2の露光時間で撮像した画面単位の第2の画像信号を得る撮像装置用回路において、前記第1の画像信号と第2の画像信号の加算または切り換えによって合成画像信号を構築する画像合成手段と、画面を複数に分割した各領域の積算値を得る積算回路と、前記積算値を用いて、1画面内で前記第1及び第2の画像信号の飽和領域と不飽和領域を検出する手段と、前記第1の画像信号の不飽和領域から低速画像平均値を得る手段と、前記第2の画像信号の不飽和領域から高速画像平均値を得る手段と、前記低速画像平均値を受けて、この値が所定の範囲を越えている場合には第1の値で、前記所定の範囲内の場合は前記第1の値よりも小さい第2の値で前記第1の露光時間を制御する制御信号を出力する手段と、前記高速画像平均値を受けて、この値が所定の範囲を越えている場合には第3の値で、前記所定の範囲内の場合は前記第3の値よりも小さい第4の値で前記第2の露光時間を制御する制御信号を出力する手段を有する。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施例につき図面を参照して説明する。
【0013】
図3はこの発明の一実施例を示す回路ブロック図である。撮像レンズ301で撮像された被写体像は、CCDカメラ部302の撮像素子上に結像され電気信号に変換され,撮像信号として出力される。CCDカメラ部302の撮像素子は、電子シャッタ回路305により、低速シャッタ速度と高速シャッタ速度の異なる2つの電子シャッタ速度で制御される。
【0014】
このCCDカメラ部302の映像信号は、AGC回路303に入力され、ここでマイクロコンピュータ(マイコン)回路318からの制御信号により利得を制御される。この制御はフィールドごとに独立して制御される。即ち、低速シャッタ信号と高速シャッタ信号とを独立して制御できるようにしてある。
【0015】
AGC(自動利得制御)回路303からの映像信号は、アナログデジタル(A/D)変換回路304に入力され、アナログ映像信号からデジタル映像信号に変換される。
【0016】
電子シャッタ回路305からはフィールドごとにシャッタ速度の異なる、低速電子シャッタと高速電子シャッタの電子シャッタ信号がCCDカメラ部302に交互に供給されるので、フィールドごとに、低速シャッタ映像信号と高速シャッタ映像信号とが交互に得られる。これらの映像信号は2つの1垂直期間のメモリである低速シャッタ用メモリ回路306と、高速用シャッタメモリ回路307にそれぞれ入力され、低速シャッタ映像信号と高速シャッタ映像信号とに分離される。
【0017】
低速シャッタ用メモリ回路306の入力側と出力側の信号は、低速シャッタ用切換回路308へ入力され、同じく、高速シャッタ用メモリ回路307の入力側と出力側の信号は、高速シャッタ用切換回路309へ入力される。低速シャッタ用切換回路308、高速シャッタ用切換回路309は、間欠信号であった低速シャッタ映像信号と高速シャッタ映像信号とを、それぞれ連続信号として出力する。つまり、低速シャッタ用切換回路308からは低速シャッタ映像信号、高速シャッタ用切換回路309からは高速シャッタ映像信の連続信号がそれぞれ得られる。これらの信号は、低速用特性変換回路310と高速用特性変換回路311に入力され、映像信号に対して特性変換、たとえば、非線形特性となるガンマ特性を与えられる。
【0018】
低速用特性変換回路310、高速用特性変換回路311の出力は、加算又は切換回路312に送られる。この加算又は切換回路312は、低速シャッタ信号と、高速シャッタ信号とを加算あるいは切換えて、広い範囲の映像信号を見易いように信号処理するものである。この信号処理はマイコン回路318からの制御信号により制御され、シャッタ速度に応じた特性変換が与えられる。
【0019】
加算又は切換回路312の出力信号は、アナログデジタル(A/D)変換回路313に入力され、デジタル映像信号からアナログ映像信号に変換され、出力端子314を介して外部に出力される。
【0020】
上記のAGC回路303、A/D変換回路304、低速シャッタ用メモリ回路306、高速シャッタ用メモリ回路307、低速シャッタ用切換回路308、高速シャッタ用切換回路309、低速用特性変換回路310、高速用特性変換回路311、加算又は切換回路312の系統は、画像信号の処理部である。そして、積算値回路315、ピーク値検出回路316、マイコン回路318、電子シャッタ回路305などは、ダイナミックレンジを拡大するための実行部に相当する。
【0021】
図4は、上記カメラの動作を詳しく説明する動作説明図である。
【0022】
図4の4Aは垂直同期信号であり、カメラは、この周期に同期して動作する。CCDカメラ部302の撮像画像出力期間は、符号4A01が低速シャッタ期間、4A02が高速シャッタ期間、4A03が低速シャッタ期間、4A04が高速シャッタ期間、4A05が低速シャッタ期間である。この時のCCD撮像素子の電子シャッタ動作は、蓄積と読出し時間の関係で、1垂直期間の遅れがあるため、図4の4Bに示すような形態となり、期間4B01は高速シャッタ動作、期間4B02は低速シャッタ動作となり、以下同様に高速シャッタ動作、低速シャッタ動作の繰り返しで、期間4B03、期間4B04、期間4B05の動作となる。
【0023】
AGC回路303の動作は、低速シャッタ動作時と、高速シャッタ動作時とで、独立で動作する。図4の4Cに示すように、期間4C01が低速シャッタ用動作、期間4C02が高速シャッタ用動作となり、以下同様な繰り返しとなる。
【0024】
図4の4DはCCDカメラ部302の映像出力信号で、4D01が低速シャッタ映像出力信号、4D02が高速シャッタ映像出力信号となり、以下同様な繰り返しとなる。図4の4Eは、図4の4Dと同じ信号であり、図3のA/D変換回路305の出力信号である。
【0025】
以下、動作説明をわかりやすくするために示した。4E01が低速シャッタ映像出力信号、4E02が高速シャッタ映像出力信号で、以下同様の繰り返しで出力されるものとする。この映像出力信号は、図3の低速シャッタ用メモリ回路306,高速シャッタ用メモリ回路307に入力され、この低速、高速シャッタ用メモリ回路306、307の出力は、それぞれ低速シャッタ用切換回路308,高速シャッタ用切換回路309に入力される。これにより図4の4F,4Gに示すように低速、高速シャッタ映像信号が連続信号となる。
【0026】
この図4で符号Mがついている信号が、低速、高速シャッタ用メモリ回路306,307のメモリからの信号であり、符号Mがついていない信号がA/D変換回路304からの直接信号である。このように連続になった各信号は、それぞれ低速用特性変換回路310、高速用特性変換回路311において、図4の4H,4Iに示すように特性変換される。そして図4の4Jに示すような形態で加算される。
【0027】
加算された映像信号は、図4の4Kに示すように、低速シャッタ映像出力信号と高速シャッタ映像出力信号とが加算されたものである。
【0028】
図5は、撮像特性であり、4図の4D、4Kの映像出力信号の特性となる。図5は、低速シャッタと高速シャッタの入射光量に対する映像出力信号を示している。低速シャッタによる出力特性は501、高速シャッタの出力特性は502であり、低速シャッタ出力の飽和点が503、高速シャッタ出力の飽和点が504である。
【0029】
この2つの映像信号は、図3に示すそれぞれの特性変換回路である低速用特性変換回路310と高速用特性変換回路311で、例えばガンマ特性を得るための特性が与えられる。これら2つの信号の特性値は、マイコン回路318からの制御信号330と331で決められる。
【0030】
低速用特性変換回路310と高速用特性変換回路311から出力される両信号は、加算又は切換回路312で信号処理され、図6に示すように、501の低速シャッタの出力(特性501)に、高速シャッタの出力(特性502)が加算あるいは切換され、特性601となる。この信号は、D/A変換回路313でデジタル信号からアナログ信号に変換され出力端子314から外部に出力される。
【0031】
図3に戻って説明する。積算値回路315とピーク検出回路316は、電子シャッタ回路305のシャッタ時間を決めるための回路である。
【0032】
積算値回路305は、A/D変換回路304からの撮像画面の輝度信号を積算し、その積算値をマイコン回路318に送る。同じく、ピーク検出回路316は、A/D変換回路304からの撮像画面の輝度信号から輝度値の最大値を検出し、その最大値をマイコン回路318に送る。
【0033】
積算値回路315とピーク検出値回路316は、撮像画面に対して図7に示すように分割領域を設定している。即ち、画像701を画像702のように25個の領域に分割し、積算値あるいはピーク値を求める。この分割のために、ゲート波形発生回路317で発生したゲート波形が用いられる。ゲート波形発生回路317は、水平同期信号HD,垂直同期信号VD、クロック信号CLKを用いてゲート信号を生成する。このゲート信号が積算値回路315とピーク値検出回路316に送られる。これにより、積算値回路315とピーク値検出回路316は、領域分割した映像信号の値を得ている。
【0034】
マイコン回路318は、積算値回路315とピーク値検出回路316からの情報を受け、シャッタのシャッタ時間を決定する。高速シャッタのシャッタ時間は、ピーク検出回路316からの情報を中心に決定し、低速シャッタのシャッタ時間は、積算値回路315からの情報を中心に受け決定し、その制御信号が電子シャッタ回路305に送られる。
【0035】
電子シャッタ回路305は、マイコン回路318で決定された高速シャッタと低速シャッタのシャッタ時間に応じて、これら低、高速シャッタパルスをCCDカメラ部302に使用されているCCD撮像素子に供給する。
【0036】
図8は、図3の積算値回路315の詳細なブロック図を示す。A/D変換回路304の出力である入力映像信号は、ゲート回路801に入力される。ゲート回路801では、ゲート波形発生回路317で作られたゲート信号によって制御される。これにより、ゲート回路801では、図7に示すように設定された分割画面の中から必要な画面範囲をゲートする。
【0037】
次に、ゲートした映像信号の積算を行う。つまりゲート回路801から出力された映像信号は、積算値回路802に入力され、1画素保持回路803の出力映像信号と積算される。この映像信号はゲート期間積算される。積算値は、積算出力制御回路804に送られ、マイコン回路318からの制御信号により出力され、マイコン回路318に送られる。
【0038】
図9は、図3のピーク値検出回路316のブロック図を示す。積算値回路315と同様に、A/D変換回路304の出力である入力映像信号は、ゲート回路901に入力される。ゲート回路901では、ゲート波形発生回路317で作られたゲ−ト信号によって制御される。これによりゲート回路901では、図7に示すように設定された分割画面の中から必要な画面範囲の映像信号をゲートする。
【0039】
次に、ゲートした映像信号の最大値を検出する。検出にあたり2画素を加算してから行う。これはCCD撮像素子の光学色フイルタが補色モザイクの場合、信号の大きさが画素単位で変化するためである。2画素を加算することにより、色フイルタの影響が無くなる。2画素を加算するには、1画素保持回路902で1ビット遅らした信号と、現信号とを加算回路903で加算する。次に、この加算信号を2画素単位とするため、2画素保持信号発生回路904で加算信号を受ける。これにより、2画素保持回路904で2画素単位の信号が作られる。
【0040】
この2画素保持回路904の出力現信号は、比較回路907で2画素前の信号と比較される。比較回路907では、大きい方を選択するための選択信号を発生し、切換回路906に供給する。この結果、切換回路907では、2画素前の信号と現信号のうち、大きいほうが選択され、その選択された信号は、保持回路908に入力され保持される。
【0041】
このようにして、ゲート回路901からの信号が終了するまで比較動作が行なわれる。ピーク出力制御回路909は、マイコン回路318からの制御信号により、保持回路908の出力(ピーク信号)を受け付け、出力端子910を介してマイコン回路318に送る。
【0042】
上記した画面分割には、分割のためゲート信号が必要である。この信号は、垂直同期信号VDと水平同期信号HDとクロック信号CLKに基づいて発生される。
【0043】
図10は、ゲート波形発生回路317のブロック図を示す。垂直同期信号VDは、垂直同期リセット信号発生回路1001に入力される。垂直同期リセット信号発生回路1001ではリセット信号を作る。このリセット信号を基準として、垂直方向スタート位置設定回路1002では、水平同期信号をカウントし、垂直方向のスタート点を決める。垂直方向スタート点が決まれば、このスタート点より、垂直方向幅設定回路1003で、水平同期信号をカウントし、垂直方向の幅を決めることができる。
【0044】
水平方向も同様な方法で、水平同期信号HDは、水平同期リセット信号発生回路1004に入力される。水平同期リセット信号発生回路1004ではリセット信号を作る。このリセット信号を基準として、水平方向スタート位置設定回路1005でクロック信号CLKをカウントし、水平方向のスタート点を決定する。水平方向スタート点が決まれば、このスタート点より、水平方向幅設定回路1006で、クロック信号CLKをカウントし、水平方向の幅を決めることができる。
【0045】
これにより、垂直方向幅設定回路1003と、水平方向幅設定回路1006から垂直幅信号と水平幅信号が得られ、合成回路1007によって合成される。この合成された結果の信号が先に述べたゲート信号である。
【0046】
マイコン回路318は、積算値回路315から撮影画像の積算値と、ピーク値検出回路316から撮影画像のピーク値を読み出し、電子シャッタ回路305、低速用特性変換回路310、高速用特性変換回路311、及び加算又は切換回路312を自動制御する。以下、それぞれのソフトウェアブロックについて説明する。
【0047】
図11は、マイコン回路318の内部ブロック図の例である。
【0048】
マイコン回路318には、積算値回路315から入力部1102を介して積算値情報が入力される。同様にピーク値検出回路316から入力部を介して1103へピーク値情報が入力され、これらの情報は、画面分割平均処理部1104に入力される。画面分割平均処理部1104は、低速画像平均値1105と高速画像平均値1106が出力される。これら2つの平均値信号は低速シャッタ用の計算処理部1107と高速シャッタ用の計算処理部1110とに入力される。それぞれの計算処理部1107、1110には、シャッタ速度計算処理1108、1111、微調整処理1109、1112がある。
【0049】
シャッタ速度計算処理1108の結果は、低速電子シャッタ信号1114として出力され、シャッタ速度計算処理1111の結果は、高速電子シャッタ信号1115として出力される。これらの信号は、電子シャッタ回路305を制御する。
【0050】
さらに上記低速シャッタ用と高速シャッタ用の計算処理部1107と1110の計算処理結果から、AGC信号1113が生成され、図3のAGC回路303に送られる。
【0051】
さらに、計算処理部1107、1110でには、微調整処理1109、1112があり、この処理は、画像の明るさの微小な変化に応答し、低速電子シャッタ信号1114、高速電子シャッタ信号1115を制御するためのものである。
【0052】
低速電子シャッタ信号1114と高速電子シャッタ信号1115は、特性変換制御部1116と加算比率制御部1120に入力される。特性変換制御部1116では、低速特性変換制御信号1117と高速特性変換制御信号1118を生成し、加算比率制御部1120では加算比率制御信号1119を生成する。低速特性変換制御信号1117は、低速シャッタ時間に応じた信号であり、高速特性変換制御信号1118は、高速シャッタ時間に応じた制御信号である。
【0053】
図3の低速用特性変換回路310は、この低速特性変換制御信号1117で制御され、高速用特性変換回路311は高速特性変換制御信号1118で制御される。
【0054】
加算比率制御部1120も同様、低シャッタ制御信号と高速シャッタ制御信号から加算比率制御信号1119を生成し、加算又は切換回路312に送り、低速シャッタの映像信号と高速シャッタの映像信号との加算比率を制御する。
【0055】
図12は画面分割平均処理部1104のマイコン処理について、マイコン回路318が参照するデータを視覚的に表した例である。
【0056】
積算値回路315から得られた低速シャッタ画像積算値とピーク検出回路316から得られた低速シャッタ画像ピーク値から飽和している領域と不飽和領域を分ける。
【0057】
次に、低速シャッタ画像積算値の不飽和領域から低速画像平均値を算出し出力する。さらに、高速シャッタ画像積算値の不飽和領域から高速画像平均値を算出し出力する。
【0058】
この画面分割平均処理により、領域を分割し平均値を求めることにより、この後のシャッタ速度計算処理により低速シャッタ画像、高速シャッタ画像に対する各最適なシャッタ速度を計算する事ができる。
【0059】
具体的に、図12(A)−図12(D)を参照して説明する。低速積算値から分割領域毎の画素平均値(この場合8bit幅)を求め、平均値が例えば200以上、かつ、低速ピーク値が8bit幅の最大値のエリアを飽和領域とし、その他を不飽和領域としている。低速積算値から求めた平均値が例えば200を超えるエリアが点線で囲まれた領域1205となる(図12(A))。同じ画像に対して、低速ピーク値から得られた最大値のエリアが点線で囲まれたエリア1206となっている(図12(B))。その両方の重なったエリアを飽和領域1207(図12(C))とし、その他を不飽和領域1208として分割する。飽和領域1207は、高速シャッタによる撮像対象とされる。この領域の各ブロックの積算値の平均値(高速画像平均値)も画面分割平均処理部1104から得られる(図12(D))。
【0060】
シャッタ速度計算処理1108、1111では、画像分割平均処理部1104より低速画像平均値、高速画像平均値を受け取る。低速画像平均値、高速画像平均値がある範囲を超えている場合は大きな幅で、範囲内の場合は小さな幅で2段階にシャッタ速度を変化させる。この制御結果により次第に、低速画像平均値、高速画像平均値が範囲の中心になるように、低速電子シャッタ制御信号1114、高速電子シャッタ制御信号1115を出力し電子シャッタ回路305を制御する。シャッタ速度計算処理1108と1110は入力と出力が違うだけで同等の動作をする。
【0061】
図13は、画面分割平均処理部1104から出力される低速画像平均値の推移をグラフ化した例である。縦軸1301が画面分割平均処理部1104から出力される平均値、横軸1302が時間軸を表している。階段状に変化している波形が低速画像平均値である。
【0062】
この例では、始め平均値は、最適露出幅1303以下であるため、
(現在のシャッタ速度)×(最適露出幅の下限値1304)/(平均値)
だげシャッタ速度を遅くする。一方、例えば最適露出幅1303に入った後、最適露出幅の中心1305を超えるまでシャッタ速度を垂直V毎に10%遅くしていき、最適露出幅の中心を超えたところで、シャッタ速度の変更を止める。この状態を適正露出状態1306とする。一度適正露出状態に入った場合、一定時間(例えば保護時間1307で示すような時間)最適露出幅の範囲外の値が観測され続けないかぎり、シャッタ速度の補正は行わない。この例では区間1308、1309で再び平均値が変動しはじめ最適露出幅を超えているが、保護時間内であるためシャッタ速度は変更しない。
【0063】
シャッタ速度の変化量を2段階に制御する事によって、急激な被写体輝度値の変化には素早く反応し、被写体輝度値の変化量が小さい場合は緩やかに反応する自然な露出を保つことができる。また、保護時間を設けることによって、被写体の急激な変化による発振を抑止する。
【0064】
図14は、プログラム制御の状態遷移図を現している。6個の状態14s1〜14s6が定義されており、シャッタ速度計算処理は、常にこの状態14s1〜14s6の何れかになる。その状態毎に何らかの処理を行なうのに必要なイベント1401〜1415を表したものが矢印である。シャッタ速度計算処理1108は、垂直同期期間Vごとに画面分割平均処理部1104から入力される平均値に基づいてイベントを発生させる。そして、現在の状態から外にむいている矢印のイベントと発生させたイベントが一致した場合、イベントに対応した処理を実行し、矢印の先へと状態を遷移させる。この繰り返しをV毎に実行することにより上記動作を実現している。
【0065】
図13を例として、図14の状態遷移図を追ってさらに説明する。今、図13に示すように平均値を、そのレベル範囲で1310、1311、1312、1313の如く分類している。
【0066】
イベントは、平均値よって分類される範囲1310の場合は、最適露出幅以下、範囲1311の場合は最適露出中心以下、範囲1305の場合は最適露出中心、範囲1312の場合は最適露出中心以上、範囲1313の場合は最適露出幅以上の5つと、V毎にカウントされる保護時間カウンタが一定値を超える保護時間経過の場合の計6つがある。
【0067】
シャッタ速度計算処理1108は、初期状態14s1である。この状態で処理されるイベントは、最適露出中心以下1401、最適露出中心以上1402、最適露出中心1403、最適露出幅以上1413、最適露出幅以下1414である。図13において、画面分割平均処理部1104からの初期値1317は、範囲1310の中であるからイベントは最適露出幅以下1414となり、
(現在のシャッタ速度)×(最適露出幅の下限値1304)/(平均値)
だけシャッタ速度を遅くし、状態が露出不足14s2に遷移する。
【0068】
状態露出不足14s2で処理されるイベントは次の3つがある。
【0069】
1:イベントが最適露出幅以下1415の場合状態は遷移せず、
(現在のシャッタ速度)×(最適露出幅の下限値1304)/(平均値)だけシャター速度を遅くしていく。
【0070】
2:イベントが最適露出中心以下1404の場合も状態は遷移せず、10%シャッタ速度を遅くする。
【0071】
3:イベント最適露出中心以上1412の場合は、状態を適正露出に遷移させる。
【0072】
区間1318は、イベントが最適露出中心以下1404であるため、V毎に10%シャッタ速度を遅くしていく。平均値1319(平均値1314と1315の間)でイベントが最適露出中心以上になるため、イベントの最適露出中心1305以上1412に従って、状態を適正露出14s4に遷移させる
【0073】
適正露出14s4の状態で処理されるイベントは次の2つがある。
【0074】
1:イベントが最適露出幅以下1409の場合、保護時間カウンタをリセットし、状態を保護時間待ちの状態14s5に遷移する。
【0075】
2:イベントが最適露出幅以上1407の場合、保護時間カウンタをリセットし、状態を保護時間待ちの状態14s6に遷移する。
【0076】
平均値1320が範囲1312に入る為、イベントの最適露出幅以上1407の処理である保護時間カウンタをリセットし、保護時間カウンタのカウントを開始し、状態を保護時間待ちの状態14s6に遷移させる。
【0077】
保護時間待ちの状態14s6で処理されるイベントは次の3つがある。
【0078】
1:イベントが最適露出中心以上1411の場合、保護時間カウンタをリセットし、状態を適正露出の状態14s4に遷移する。
【0079】
2:イベントが最適露出中心以下1417の場合、保護時間カウンタをリセットし、状態を適正露出の状態14s4に遷移する。
【0080】
3:イベントが保護時間経過1408の場合、状態を露出過剰の状態14s3に遷移する。
【0081】
区間1308では、平均値は範囲1313にある為、状態は保護時間待ちの状態14s6である。1321で次に平均値1321が範囲1312になるため、イベントは最適露出中心以上1411となり、保護時間カウンタをリセットし、状態が適正露出の状態14s4に遷移する。
【0082】
再び平均値1322が範囲1313に入る為、イベントが最適露出幅以上1407の処理である保護時間カウンタをリセットと、保護時間カウンタのカウントを開始し、状態を保護時間待ちの状態14s6に遷移させる。平均値が範囲1313のまま保護時間カウンタが一定値を超える時点1323で、保護時間経過1408となり、状態を露出過剰の状態14s3に遷移する。
【0083】
以降、露出過剰の状態14s3では、露出不足の状態14s2と逆方向にシャッタ速度を変化させる動作となるり、最終的には最適露出14s4状態となる。
【0084】
微調整処理1109、1112は、長周期の画面輝度変動を補償するための処理である。照明光源の輝度変動、例えば蛍光燈フリッカと撮像素子のフレーム周波数が整数倍で極めて近接している場合、折り返し歪による極めて長周期の画面輝度変動を生じる。そこでこのような変動を、微調整処理1109、1112により検出して、当該変動を抑圧するように処理している。これにより、適正露出制御系の問題を解消するものである。
【0085】
図15は、照明光源と撮像素子のフレーム周期との関係で生じる画面輝度変動を測定しグラフ化した例である。縦軸が画面分割平均処理部1104から入力される平均値で、横軸が時間軸を表している。この例のように撮像素子のフレーム周期との関係で生じる画面輝度変動は、非常に緩やかな傾きとなるが、その振幅は30%程度と大きく、最適露出幅の範囲外となる場合が生じる。
【0086】
ここでシャッタ速度計算処理1108のみのシャッタ制御の場合は、平均値が最適露出幅を超えると共に保護時間も規定時間を超えてしまうため、シャッタ制御が稼動し最適露出に合わせてしまう。更にこの動作は平均値が上下し、それぞれ上部と下部で電子シャッタが最適露出に追い込む為に、画面は極めて低い周期の発振を生じてしまう。
【0087】
そこで長周期の画面輝度変動に対する改善を次の方法で解消する。緩やかな傾きを検出、即ち1フレーム周期に±1%以内の範囲の輝度値変動を検出し、微少なシャッタ制御によって、1フレーム毎に最適露出に追い込む。この小さな変動に関しては、保護時間を設けずに最適露出に調節し、画面の絵柄が変化した等の画面輝度の変化は先に説明した「シャッタ速度計算処理」の通常露出処理を行う。以下、この制御の具体的な制御方法を述べる。
【0088】
微調整処理1109は、条件としてシャッタ速度計算処理1108が、適正露出と判断している場合にのみ動作を行う。本処理の動作であるが、適正露出中にシャッタ速度計算処理1108が適正露出の平均値を記憶し、これを初期値とし、その初期値に対し1フレーム周期に±1%以内の範囲で平均値が変動した場合、
(初期値)/(平均値)
を求める。この式から演算した結果は、マイコン回路318により露光時間の1%の補正量が1CLOCK単位シフトレジスタ1605(図16参照)を何段ずらせば最適露出となるかを算出する。この算出は、マイコン回路318自身が現在のシャッタ速度を認知している為、必要とされる露出の補正時間は
露出の補正時間(s)
= 1/(現在シャッタ速度(s))÷100(%)
露出補正するためのシフトレジスタ段数は
シフトレジスタ段数
= 露出の補正時間(s)/マスタークロックの1周期(s)
である。このシフトレジスタ段数を1CLOCK単位シフトレジスタ1605への制御信号とすれば、極めて微少な露光時間調整が可能となり、1フレームレート単位で±1%の露光時間を調整が実現できる。
【0089】
また、本微調整はCCD出力信号のAGCでも適用できる。しかし、S/Nを考慮した場合、前記方式を適用した方が増幅度アップによるノイズが少ない。
【0090】
特性変換制御信号1118は、低速シャッタの画像と高速シャッタ画像を合成しダイナミックレンジ拡大画像を構築した場合、合成画像の最適化を図るための制御信号である。この制御信号は、先に説明した信号系における非線型処理回路の制御に用いる。
【0091】
ここで画像合成の問題点として、2枚の画像を単純に加算しただけでは、拡大率が増大すると共に合成画面の階調特性に非直線歪みを生じ、コントラストのとれない画像となる欠点がある。従って、2枚の画像を加算する前にダイナミックレンジ拡大率に応じて映像信号の特性を変換し、非直線歪みを抑えてコントラスト低下の改善を図るものである。
【0092】
本制御の動作は次の通りである。まず、ダイナミックレンジ拡大率を以下の式より演算する。
【0093】
ダイナミックレンジ拡大率
=低速シャッタ制御信号1114/高速シャッタ制御信号1115
この値は露出制御完了時点のダイナミックレンジ拡大率を求めたものである。特性変換制御部1116では、このダイナミックレンジ拡大率の値が演算され、この結果を制御信号として出力する。
【0094】
一方、信号処理系の特性変換回路は、その入力−出力特性としてX1〜X0.9とlog101〜10(指数特性)のテーブルを持っており、先の制御信号でテーブルを切り換え、画像信号に対する非直線歪みの改善を行う。
【0095】
以下にダイナミックレンジ拡大率に対するテーブル選択の関係を示す。
【0096】
ダイナミックレンジ拡大率<16の場合……X0のテーブルを選択
16=<ダイナミックレンジ拡大率<=64の場合……X0.7のテーブルを選択
64<ダイナミックレンジ拡大率 の場合……X0のテーブルを選択
特性変換制御部1116は、この条件分岐の結果を低速特性変換制御信号1117及び高速特性変換制御信号1118として生成し、先に説明した信号系の非線型処理回路のテーブル切り換えを自動制御で行う。
【0097】
加算比率制御1120の目的も特性変換制御1116と同様で、低速シャッタの画像と高速シャッタ画像の合成を最適化し、合成画像のコントラストを高めるものである。画像合成の欠点としては、ダイナミックレンジ拡大率を大きく取っていった場合、白浮きした画像となりコントラストの劣化が大きい。
【0098】
この原因は低速シャッタ画像のほとんどが飽和エリアとなり、飽和信号に高速シャッタ画像の信号が乗るためである。この改善を図るため拡大率の増加と共に高速シャッタ画像の合成割合を大きくしていき、画像の白浮きを抑圧することでコントラスト低下の補正を図っている。特に、合成画像のコントラストの向上には、上記した特性変換制御と同時にこの加算比率制御を行うと効果が高い。
【0099】
次に、加算比率制御部1120の動作であるが、特性変換制御部1116と同じくダイナミックレンジ拡大率を演算し、この結果から低速シャッタと高速シャッタの画像合成比率を切り換えるための加算比率制御信号1119を生成する。この加算比率制御信号1119は先に説明した加算比率処理回路へ送られ、2枚の画像の合成配分、即ち加算比率を自動制御する。
【0100】
ダイナミックレンジ拡大率による加算比率制御の関係は以下の通りである。
【0101】
ダイナミックレンジ拡大率=1のとき L50%:H50%
1<ダイナミックレンジ拡大率<6のとき L6%:H94%
6<=ダイナミックレンジ拡大率<8のとき L12%:H87%
8<ダイナミックレンジ拡大率のとき L25%:H75%
注:H:高速シャッタ画像、L:低速シャッタ画像
ただし、上記の加算比率は一例であって、必要に応じて変えてもよいことは言うまでもない。
【0102】
上記した図13、図14、図15の説明のようにこの発明では、第1の画像信号、第2の画像信号、第3の画像信号と続く画面情報の少なくとも輝度平均値より得た値から、電子シャッタ速度が収束すべき露光最適値を設定している。更にこの露光最適値を中心に許容範囲となる収束範囲を設定し、かつ、前記収束範囲としては、範囲幅が広いものと狭いものを2種類設定している。
【0103】
また収束範囲から前記輝度平均値からずれた場合、ずれの経過時間の計測を開始し一定時間内に前記収束範囲に輝度平均値が戻るかを判断する基準として、前記一定時間を保護時間として設定ししている。この場合、それぞれの収束範囲に対し異なる前記保護時間を持たせている。そして、収束範囲の広い方に対しては、前記輝度平均値の変化が大きい時に前記電子シャッタ速度を変化させて前記露光最適値に戻し、収束範囲の狭い方に対しては前記輝度平均値の変化が小さい時に前記電子シャッタ速度を変化させて前記露光最適値に戻すようにしている。
【0104】
図16は、電子シャッタ回路を示す。図中のブロック1602〜1604は通常の電子シャッタ回路となっている。水平期間(H)レート単位のシャッタパルス生成部1602、数十クロック(CLK)単位のシャッタパルス生成部1603を有する。このシャッタパルス生成部1602、1603の出力パルスはオア回路1604で多重され、1クロック単位シフトレジスタ1605に入力される。
【0105】
入力部1601には、クロック、水平同期(HD)パルス、垂直同期(VD)パルス、フィールド情報(FI)が入力されている。
【0106】
破線で囲むブロック1611は、Aフィールドの電子シャッタ発生ブロックで、これと同様の回路がBフィールド用として搭載されている(破線で囲むBフィールドの電子シャッタ発生ブロック1612)。
【0107】
マイコン回路318からは、前述した「画像情報検出結果」から各フィールドに最適化された「電子シャッタ制御信号」が出力される。一方、CLK単位の露光時間微調整は、通常の電子シャッタパルスをシフトレジスタ1605の遅延により得ることができる。遅延量についてはマイコン回路318からの制御信号によって制御される。
【0108】
切換回路1606には、フィールド情報FIが供給されており、この情報に応じて各フィールドのためのシャッタパルスを出力する。
【0109】
ここで、A・B各フィールドの画像に対し個別の電子シャッタパルスを与えるわけだが、まず、マイコン回路318から各フィールド用の電子シャッタ制御信号がそれぞれの「電子シャッタ発生ブロック」に送られ、A・Bフィールド用に個別の電子シャッタパルスを発生させる。次に、この2つの電子シャッタパルスを切り換え回路1606に入力し、フィールド毎に切り換えることでA・Bフィールド個別の電子シャッタパルスが生成できる。
【0110】
図17(A)、図17(B)は、撮像素子として例えばCCDを適用した場合の電子シャッタパルス発生タイミングを示す。図17(A)は垂直同期パルス,図17(B)は、垂直周期レートでみたシャッタパルスを示している。各フィールドの電子シャッタは通常のTVカメラと同様の発生タイミングになっている。垂直同期パルスの終端エッジ付近で水平周期レートの電子シャッタパルスが発生開始する。そして次の垂直同期パルスの前半の一部の期間で、数或は数十クロックレートでの電子シャッタパルスの期間がある。
【0111】
このパルスタイミングにおいて一部を拡大したのが図18(A)、(B)、図19(A)、(B)である。図18(A)は映像信号期間内の水平同期パルス、図18(B)は、水平周期レートでのシャッタパルスを示している。図19(A),(B)は垂直ブランキング内の細かいパルスである。図19(A)はクロック、図19(B)は数クロックレートによるシャッタパルスである。
【0112】
ここで画像の露光時間は、垂直ブランキング期間内の電荷読み出しパルス(フィールドシフトパルス)に対し、時間軸方向にさかのぼり最初の電子シャッタパルスが発生した期間のまでである。
【0113】
水平周期レートのシャッタパルス開始時点t1は、Vブランキング期間内の電荷読み出しパルス(フィールドシフトパルス)の直後であり、水平周期レートのシャッタパルスの終了時点t2はVブランキングの直前までである。一方、数クロックレートのシャッタパルス開始タイミングは、Vブランキング期間開始直後より電荷読み出しパルスの直前までである。
【0114】
これら電子シャッタパルスの発生タイミングは、通常のCCDカメラに適用されているタイミングである。
【0115】
図20は、本CCDカメラの特徴となる点で、電子シャッタ速度だけで画像の露光時間をクロック周期のレートで微調整可能とするものである。従来の方法では、電荷読み出しパルスの直前で“数クロックレートのシャッタパルス”を1パルス切ると露光時間が50%程度変化してしまうため、露光時間のキザミが粗かった。
【0116】
これに対し、微調整を行うと電荷読み出しパルスの直前に発生させたシャッタパルスの露光時間調整を数%ずつ行うことが可能となり、画像の輝度レベルを細かく調整することが可能となる。これによる効果は高輝度部分で極めて早い電子シャッタで切っている画像において、電子シャッタのみでフリッカ補正が可能となる。即ち、広ダイナミックレンジカメラにおいて高速シャッタ画像のフリッカを補正できる。
【0117】
次に、実施方法としては1ピクセルクロック単位で電子シャッタパルスをシフトし、クロック周期の時間で露光時間を調整している。以上の回路により、広ダイナミックレンジカメラの動的電子シャッタ制御システムが構築できる。
【0118】
この発明の撮像装置においては、画像信号及び制御信号処理部は、集積化される。集積化される範囲は、種々の形態が可能である。例えば、電子シャッタ回路305、低速シャッタ用メモリ回路306、高速シャッタ用メモリ回路307、低速シャッタ用切換回路308、高速シャッタ用切換回路309、低速用特性変換回路310、高速用特性変換回路311、加算又は切換回路312、積算値回路315、ピーク値検出回路316、ゲート波形発生回路317が1つの集積化半導体チップとして構築される。しかし、これに限らず、集積化する場合、図1の各ブロックの組み合せは任意である。尚、上記の説明ではCCD撮像素子を例に説明したが、本発明はCMOSセンサを用いた場合にも同様な動作及び効果を得ることができる。
【0119】
【発明の効果】
上記のようにこの発明によれば、異なる電子シャッタ処理を用いて撮像し、得られた映像信号を信号処理し、極めて広範囲な光量に対する画像撮像が可能となる。また、シャッタ時間は低速シャッタと高速シャッタとが独立して行えるため、被写体の輝度差の非常に大きな場合でも撮像可能であり特殊な監視カメラ装置ができるなど、撮像装置として大きな効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の電子カメラにおける画像信号の説明図。
【図2】従来例の電子カメラの回路ブロックの説明図。
【図3】本発明の一実施例に係る撮像装置の回路ブロック図。
【図4】図3の回路ブロック図の動作を説明するために示した説明図。
【図5】撮像素子の撮像特性の説明図。
【図6】本発明に係る撮像装置の信号処理出力特性を示す説明図。
【図7】撮像画面の分割例を示す説明図。
【図8】図1の積算値回路のブロック構成図。
【図9】図1のピーク値検出回路のブロック構成図。
【図10】図1のゲート波形発生回路のブロック構成図。
【図11】図1のマイコン回路の内部ブロック図。
【図12】画面分割された画像の処理内容の説明図。
【図13】図13 制御推移を示すグラフ
【図14】 プログラム制御の状態遷移図
【図15】交流照明光源による画面輝度変動のグラフを示す図。
【図16】電子シャッタパルスの発生回路のブロックを示す図。
【図17】電子シャッタパルス発生タイミングを垂直周期で見た説明図。
【図18】電子シャッタパルス発生タイミングを水平周期で見た説明図。
【図19】垂直ブランキング期間内のクロックと電子シャッタパルスの関係を示す説明図。
【図20】垂直ブランキング期間内のクロックと電子シャッタパルスの位相が可変された様子を示す説明図。
【符号の説明】
301…撮像レンズ、302…CCDカメラ、303…AGC回路、304…A/D変換回路、305…電子シャッタ回路、306…低速シャッタ用メモリ回路、307…高速シャッタ用メモリ回路、308…低速シャッタ用切換回路、309…高速シャッタ用切換回路、310…低速用特性変換回路、311…高速用特性変換回路、312…加算or切換回路、313…D/A回路、315…積算値回路、316…ピーク値検出回路、317…ゲート波形発生回路、318…マイコン回路。
Claims (5)
- 第1の露光時間で撮像した画面単位の第1の画像信号及び、前記第1の露光時間とは異なる第2の露光時間で撮像した画面単位の第2の画像信号を得る撮像装置において、
前記第1の画像信号と第2の画像信号の加算または切り換えによって合成画像信号を構築する画像合成手段と、
画面を複数に分割した各領域の積算値を得る積算回路と、
前記積算値を用いて、1画面内で前記第1及び第2の画像信号の飽和領域と不飽和領域を検出する手段と、
前記第1の画像信号の不飽和領域から低速画像平均値を得る手段と、
前記第2の画像信号の不飽和領域から高速画像平均値を得る手段と、
前記低速画像平均値を受けて、この値が所定の範囲を越えている場合には第1の値で、前記所定の範囲内の場合は前記第1の値よりも小さい第2の値で前記第1の露光時間を制御する制御信号を出力する手段と、
前記高速画像平均値を受けて、この値が所定の範囲を越えている場合には第3の値で、前記所定の範囲内の場合は前記第3の値よりも小さい第4の値で前記第2の露光時間を制御する制御信号を出力する手段と、
を有したことを特徴とする撮像装置。 - 前記第1と第2の露光時間を制御する信号は、
前記第1の画像信号の飽和領域に対して第2の画像信号の加算比率を制御す加算比率制御信号を生成する手段で用いられることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - 前記露光時間を決定する電子シャッタの最終発生タイミングを、タイミングジェネレータの 1 クロック単位で時間的移動制御するシャッタ制御手段をさらに具備したことを特徴とする請求項 1 記載の撮像装置。
- さらに、
前記積算値を用いて、1画面内で前記第1の画像信号の輝度ピーク値領域を検出する手段と、
前記輝度ピーク値領域と前記飽和領域の重なり領域を飽和領域として検出する手段とを有することを特徴とする請求項1記載の撮像装置。 - 第1の露光時間で撮像した画面単位の第1の画像信号及び、前記第1の露光時間とは異なる第2の露光時間で撮像した画面単位の第2の画像信号を得る撮像信号処理方法において、
前記第1と第2の露光時間を設定する電子シャッタ回路と、前記第1の画像信号と第2の画像信号の加算または切り換えによって合成画像信号を構築する画像合成手段と、画面を複数に分割した各領域の積算値を得る積算回路と、制御部とを用い、前記制御部では、
前記積算値を用いて、1画面内で前記第1及び第2の画像信号の飽和領域と不飽和領域を検出し、
前記第1の画像信号の不飽和領域から低速画像平均値を得て、
前記第2の画像信号の不飽和領域から高速画像平均値を得て、
前記低速画像平均値を受けて、この値が所定の範囲を越えている場合には第1の値で、前記所定の範囲内の場合は前記第1の値よりも小さい第2の値で、前記電子シャッタ回路を介して前記第1の露光時間を制御し、
前記高速画像平均値を受けて、この値が所定の範囲を越えている場合には第3の値で、前記所定の範囲内の場合は前記第3の値よりも小さい第4の値で、前記電子シャッタ回路を介して前記第2の露光時間を制御する
ことを特徴とする撮像信号処理方法。
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