JP3997786B2 - 撮像装置、表示装置、画像記録装置および画質補正方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像を撮像する撮像装置、画像を表示する表示装置、画像信号を記録する画像記録装置、および、画像信号に対する画質補正を行うための画質補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、撮影した画像をデジタルデータとして記憶するデジタルカメラが普及している。このデジタルカメラでは、光学レンズによって撮影された画像を、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像素子を使用して光電変換した後、デジタルデータ化して記録している。また、撮影した画像を表示するディスプレイ装置としては、従来よりＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）が一般的に使用されている。
【０００３】
ところで、ＣＲＴに入力される画像信号と、ＣＲＴ上で表示される画像との間では、通常、非線形な入出力特性を有している。このため、ＣＲＴに対する画像信号の送信側では、この画像信号をガンマ補正曲線を用いて補正するガンマ補正が行われることが多い。
【０００４】
図１１は、一般的に用いられているガンマ補正曲線の例を示す図である。
図１１では、入力信号の輝度を変換して補正するための曲線を示している。一般的に、ＣＲＴにおける輝度の入出力関係は指数関数的となる。このため、ガンマ補正曲線は、図１１に示すように入力信号の高輝度部分を寝かせた形状とすることにより、非線形な入出力特性を打ち消すとともに、高輝度の信号を出力に反映させる。
【０００５】
上述したデジタルカメラでは、一般に、ＣＲＴにおける表示を前提として、撮像した画像信号をデジタルデータ化した後、あらかじめガンマ補正を施してからメモリカード等の記録媒体に記録している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来のガンマ補正では、高輝度信号への階調数の割り当てを残すように補正されるため、高輝度の信号成分が多い画像信号が入力された場合にも、いわゆる白飛びを起こさずに、自然な階調を表現することができる。
【０００７】
しかし、出力信号のダイナミックレンジに限界があることから、このような補正方法では、高輝度信号への階調数を残す分、逆に低輝度信号に対する階調数が減少してしまう。このため、入力された画像信号に高輝度の成分がほとんど存在しなかった場合には、低輝度信号に集中した信号を少ない階調数で表現する必要が生じ、その結果、コントラストの低い画像が表示されてしまう。また、逆に、コントラストを重視したガンマ補正を行った場合には、高輝度の信号成分が多い画像信号に対して白飛びが生じてしまう。
【０００８】
従来のデジタルカメラでは、どのような輝度分布を有する画像信号であっても、同一のガンマ補正曲線を使用して補正を行っていたため、撮像した画像について、常にコントラストの高い一定の画質の画像信号として記録することができないことが課題となっていた。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、撮影した画像における輝度信号の分布に応じて常に高いコントラストを有する画像信号を生成することが可能な撮像装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、画像における輝度信号の分布に応じて常に高いコントラストを有する画像信号を生成することが可能な画質補正方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、画像を撮像する撮像装置において、撮影した画像信号をデジタル信号に変換するデジタル変換手段と、デジタル変換された前記画像信号に対してガンマ補正を行うガンマ補正手段と、前記ガンマ補正手段からの出力画像信号より輝度信号レベルを順次検出する輝度検出手段と、前記輝度検出手段による検出値を基にして、撮像画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出するヒストグラム算出手段と、算出された前記ヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを算出し、前記累積ヒストグラムを基にして、前記ガンマ補正手段からの出力画像信号における輝度信号レベルの入出力特性を補正直線に従って補正する特性補正手段と、を有し、前記特性補正手段は、前記補正直線上の高輝度領域における傾きのみを変化させて、前記高輝度領域のみで入力と出力のレベルを変換し、前記累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、前記補正直線上の前記高輝度領域の始点の入力レベルに設定することを特徴とする撮像装置が提供される。
【００１２】
このような撮像装置では、撮像して得たデジタルの画像信号に対してガンマ補正を行った後、輝度検出手段により輝度信号レベルを順次検出し、この検出値より撮像画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムをヒストグラム算出手段により算出し、このヒストグラムを基にして、ガンマ補正が施された画像信号に対してその輝度信号レベルの入出力特性を特性補正手段により補正する。特性補正手段は、算出されたヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを基にして、輝度信号レベルの入出力特性を補正するための補正直線の高輝度領域における傾きを変化させることにより補正を行う。これにより、撮像された画像における輝度信号レベルの分布に応じて階調数の割り当てを変化させる。また、特性補正手段は、累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、補正直線上の高輝度領域の始点の入力レベルに設定する。
【００１３】
また、本発明では、画像信号に対して画質補正を行う画質補正方法において、ガンマ補正が施された画像信号より輝度信号レベルを順次検出するステップと、輝度信号レベルの検出値を基にして、撮像画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出するステップと、算出された前記ヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを算出し、前記累積ヒストグラムを基にして、前記ガンマ補正が施された画像信号における輝度信号レベルの入出力特性を補正直線に従って補正するステップと、を含み、前記入出力特性を補正するステップでは、前記補正直線上の高輝度領域における傾きのみを変化させて、前記高輝度領域のみで入力と出力のレベルを変換し、前記累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、前記補正直線上の前記高輝度領域の始点の入力レベルに設定する、ことを特徴とする画質補正方法が提供される。
【００１４】
このような画質補正方法では、ガンマ補正が施された画像信号より輝度信号レベルを順次検出し、この検出値より撮像画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出し、このヒストグラムを基にして、ガンマ補正が施された画像信号に対してその輝度信号レベルの入出力特性を補正する。この入出力特性の補正は、算出されたヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを基にして、輝度信号レベルの入出力特性を補正するための補正直線の高輝度領域における傾きを変化させることにより補正を行う。これにより、輝度信号レベルの分布に応じて階調数の割り当てを変化させる。また、入出力特性の補正の際には、累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、補正直線上の高輝度領域の始点の入力レベルに設定する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の撮像装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【００１６】
図１に示す撮像装置１は、被写体を撮像してデジタル方式の静止画像データを記録する、いわゆるデジタルスチルカメラであり、図１ではその構成要素の一部（カメラブロック）を示している。この撮像装置１は、被写体からの光を集光するための光学ブロック２と、光学ブロック２によって集光された光を光電変換するＣＣＤ３（Charge Coupled Device）と、ＣＣＤ３からのアナログ画像信号をサンプリングするＳ／Ｈ（Sample／Hold）回路４と、サンプリングされたアナログ画像信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換回路５と、デジタル化された画像信号に対する色信号処理やガンマ補正処理等を行うＤＳＰ（Digital Signal Processor）６と、ＣＣＤ３を駆動するＴＧ（Timing Generator）７と、装置全体を制御するマイコン８によって構成される。
【００１７】
光学ブロック２は、マイコン８による制御に基づいて、複数のレンズやアイリス、シャッタ等により構成され、被写体からの光をＣＣＤ３に正しく集光するとともに、集光された光の透過量、およびＣＣＤ３への露光量を制御する。ＣＣＤ３は、ＴＧ７の制御に基づいて、被写体からの光を電気信号に変換して、電流値または電圧値として出力する。
【００１８】
Ｓ／Ｈ回路４は、マイコン８の制御の下で、ＣＣＤ３から出力されたアナログ画像信号に対して、相関２重サンプリング処理等を行う。Ａ／Ｄ変換回路５は、サンプリングされたアナログ画像信号をＲ／Ｇ／Ｂ（Red／Green／Blue）のデジタル信号に変換して、ＤＳＰ６に対して供給する。
【００１９】
ＤＳＰ６は、マイコン８の制御の下で、必要に応じて図示しないメモリとの書き込み、読み出し動作を行いながら、デジタル化された画像信号に対する各種の画質補正処理を行う。このＤＳＰ６は、入力された画像信号に対するホワイトバランス（以下、ＷＢと略称する）調整回路６１と、ＷＢ調整がなされた画像信号に対するガンマ補正を行うガンマ（γ）補正回路６２と、ガンマ補正がなされた画像信号から、輝度信号レベルのヒストグラムを算出するヒストグラム算出回路６３と、算出されたヒストグラムに基づいて、ガンマ補正回路６２からの輝度信号をさらに補正するＹ−ガンマ（γ）補正回路６４によって構成される。
【００２０】
ＷＢ調整回路６１は、入力されたデジタルの画像信号に対して、色温度に応じた色補正処理を行う。ガンマ補正回路６２は、ＷＢ調整回路６１からの出力画像信号の入出力特性を、ガンマ補正曲線を用いて補正する。また、ガンマ補正回路６２から出力されたＲ／Ｇ／Ｂ原色信号は、輝度信号（Ｙ信号）と色差信号（Ｃ信号）に分離される。
【００２１】
ヒストグラム算出回路６３は、分離された輝度信号の信号レベルを検波し、撮像画像の１フレーム中における輝度信号レベル別のヒストグラムを算出する。Ｙ−ガンマ補正回路６４は、算出されたヒストグラムを基にして各種の演算を行い、輝度信号の入出力特性をさらに補正する。なお、ＤＳＰ６から出力された画像信号（Ｙ信号、Ｃ信号）は、図示しないＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示部に送出されて画像が表示される。また、例えば図示しないシャッタスイッチがユーザにより押されたときには、これらの画像信号は、図示しない信号処理回路において例えば解像度変換処理やデータ圧縮処理等が施された後、メモリカード等の外部記録媒体等に転送される。
【００２２】
ＴＧ７は、マイコン８による制御に基づいて、ＣＣＤ３における水平方向、垂直方向の駆動タイミングを制御する。
マイコン８は、図示しないシャッタスイッチや動作モード指定スイッチ等の入力スイッチからの入力信号に応じて、撮像装置１全体の動作を制御する。例えば、光学ブロック２やＳ／Ｈ回路４、ＤＳＰ６、ＴＧ７の動作制御の他に、図示しないメモリカードに対する書き込み、読み出し動作制御や、図示しないＬＣＤへの表示制御等を行う。
【００２３】
この撮像装置１では、光学ブロック２を通じて入射した光がＣＣＤ３において光電変換され、Ｓ／Ｈ回路４およびＡ／Ｄ変換回路５を経てデジタル画像信号としてＤＳＰ６に入力される。ＤＳＰ６では、入力された画像信号に対して、ＷＢ調整回路６１およびガンマ補正回路６２でそれぞれＷＢ調整およびガンマ補正が行われた後、後述するようにＹ−ガンマ補正回路においてさらに色調補正が施されて、ＬＣＤに送出される。これにより、撮像された画像が順次ＬＣＤに表示される。
【００２４】
また、ユーザによりシャッタスイッチが押されると、これを検知したマイコン８の制御により、静止画像信号の記録動作が開始される。すなわち、光学ブロック２におけるシャッタの開閉動作に応じて、このとき撮像された画像信号がＤＳＰ６から出力され、解像度変換処理やデータ圧縮処理等により所定のデータフオーマットに変換されて、メモリカード等に記録される。
【００２５】
なお、ヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４は、図示しないシャッタスイッチが押されたときにのみ、マイコン８からの指示に応じて、入力された画像信号の１フレーム分に対して、ヒストグラムの算出および特性補正の各処理を行うようにしてもよい。また、ＷＢ調整回路６１およびガンマ補正回路６２も、それぞれシャッタスイッチが押された場合にのみ動作するようにしてもよい。
【００２６】
ところで、上記の撮像装置１では、ＣＲＴにおける表示を前提として、撮像した画像信号に対して、ガンマ補正回路６２においてあらかじめガンマ補正を施してからメモリカード等に記録している。しかし、通常のガンマ補正では、限られたダイナミックレンジの中で高輝度部分の階調を残しているため、輝度の成分が低輝度側に集中している画像信号に対しては、階調数が限られてコントラストが低くなることが多かった。
【００２７】
このために、本発明の撮像装置１では、ＤＳＰ６の内部にヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４を設けている。ヒストグラム算出回路６３は、ガンマ補正回路６２からの輝度信号レベルを検波して、この画像における輝度信号レベルの分布を示すヒストグラムを算出し、Ｙ−ガンマ補正回路６４に供給する。Ｙ−ガンマ補正回路６４は、ガンマ補正回路６２においてガンマ補正が施された画像信号に対して、算出されたヒストグラムを基にして、入出力特性のさらなる補正を行う。具体的には、後述するように、入出力特性を変換するための補正直線を用い、この補正直線の高輝度領域の傾きを変化させることにより、高輝度領域における特性を補正し、ダイナミックレンジを広げる。これにより、入力画像の輝度信号の分布に応じて、常にコントラストの高い画像の生成を可能にする。
【００２８】
ここで、図２は、ＤＳＰ６における処理の流れを示すフローチャートである。この図２を用いて、Ｙ−ガンマ補正回路６４における特性補正処理の概要を説明する。なお、ここでは、ヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４は、シャッタスイッチが押された後に動作を開始するものとする。
【００２９】
ステップＳ２０１において、画像の撮像が行われ、ＤＳＰ６にはＡ／Ｄ変換回路５からデジタル化された画像信号が入力される。ＤＳＰ６では、入力された画像信号に対して、ＷＢ調整回路６１およびガンマ補正回路６２においてそれぞれＷＢ調整およびガンマ補正が行われた後、画像信号が輝度信号と色差信号とに分離される。このとき、ヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４はともに動作しておらず、Ｙ−ガンマ補正回路６４に入力された輝度信号は補正を受けずにそのまま出力される。このようにＤＳＰ６から出力された輝度信号および色差信号は順次ＬＣＤに供給され、これにより撮像されている画像が表示される。
【００３０】
ステップＳ２０２において、ヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４に対するマイコン８からの動作開始の指示を待機し、この指示があった場合にはステップＳ２０３に進み、指示がない場合は待機を続ける。マイコン８は、ユーザによってシャッタスイッチが押されたことを検出すると、光学ブロック２に対してシャッタを動作させるように指示するとともに、ＤＳＰ６に対して、ヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４の動作を開始させるよう指示する制御信号を出力する。
【００３１】
ステップＳ２０３において、ヒストグラム算出回路６３は、入力された１フレーム分の輝度信号よりヒストグラムを算出し、Ｙ−ガンマ補正回路６４に対して出力する。
【００３２】
ステップＳ２０４において、Ｙ−ガンマ補正回路６４は、入力されたヒストグラムより、その値を低輝度側から累積した累積ヒストグラムを算出する。ステップＳ２０５において、Ｙ−ガンマ補正回路６４は、算出した累積ヒストグラムに基づいて、入力された輝度信号に対する補正直線の設定を行う。具体的には、補正直線上における傾きを変化させる始点Ｓおよび終点Ｅの位置を設定する。ステップＳ２０６において、設定した補正直線を用い、上記のヒストグラムの算出対象となった入力輝度信号を補正して出力する。
【００３３】
ステップＳ２０７において、例えば電源の切断等により、Ａ／Ｄ変換回路５からの画像信号の入力が中止された場合は、処理を中止し、入力が継続されている場合はステップＳ２０２に戻り、マイコン８からのヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４の動作開始の指示を待機する。
【００３４】
なお、上記のステップＳ２０３〜Ｓ２０６の処理では、ヒストグラムの算出とともに、算出対象となった１フレーム分の輝度信号を、ＤＳＰ６に接続された図示しないメモリ上に一旦保持し、累積ヒストグラムの算出および補正直線の設定の各処理が完了した後に、メモリに保持した輝度信号を順次読み出し、補正処理を行うようにしてもよい。
【００３５】
次に、ヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４における動作を詳述する。
図３は、ヒストグラム算出回路６３において算出されるヒストグラムの例を示すグラフである。
【００３６】
ヒストグラム算出回路６３は、ガンマ補正回路６２からの輝度信号より、例えば１画素ごとの輝度信号レベルを検出する。そして、１フレームの画像の全面から、輝度信号レベル別のヒストグラムを算出する。図３に示すグラフでは、例として、８ビットすなわち２５６階調の輝度信号レベルに対して、４階調ごとの画素数をヒストグラム値として示している。なお、ヒストグラムを算出するための輝度信号レベルの間隔は、補正直線の始点Ｓおよび終点Ｅの設定時の誤差として影響するため、この間隔は小さい方が好ましい。
【００３７】
また、図３では、算出対象となった画像上に分布する輝度信号レベルの最大値をＹｍａｘ、入力される輝度信号レベルがとり得る限界値をＹｌｍｔとしている。このうち、Ｙｍａｘはこの画像上のダイナミックレンジを示している。なお、図３では、低輝度側に信号が集中し、高輝度側の信号が存在しない画像からヒストグラムを算出した場合について示している。
【００３８】
次に、図４は、上記の図３のヒストグラムから算出した累積ヒストグラムを示すグラフである。
図４のグラフでは、図３に示したグラフの低輝度側からヒストグラム値を累積した値を示している。このグラフでは、縦軸の最大値が撮像画像の全画素数となるが、図４ではこれを全画素数に対する割合（％）で示している。
【００３９】
このグラフでは、図３で示した輝度信号レベルの最大値であるＹｍａｘにおいて、累積ヒストグラムの値が１００％に達している。また、この例は低輝度の信号が集中した画像であるため、Ｙｍａｘの値は比較的低くなっている。Ｙ−ガンマ補正回路６４では、このように算出された累積ヒストグラムに基づいて、補正直線上の傾きの変化の始点Ｓおよび終点Ｅが決定される。
【００４０】
ここで、図５は、Ｙ−ガンマ補正回路６４において用いられる補正直線の例を示すグラフである。
Ｙ−ガンマ補正回路６４は、図５に示すような補正直線に基づいて、輝度信号の入力と出力との階調割り当てを変換する。図５において、直線Ａは補正を行わない初期状態の補正直線を示している。すなわち、この直線Ａの場合は、入力と出力のダイナミックレンジが等しければ、Ｙ−ガンマ補正回路６４の出力信号は入力された輝度信号と同一となり、メモリカードに記録される画像信号には、ガンマ補正回路６２による従来と同様のガンマ補正が施される。
【００４１】
また、Ｙ−ガンマ補正回路６４は、算出した累積ヒストグラムに応じて、直線Ａの高輝度領域の傾きを変化させる。例えば、直線Ｂでは、直線Ａ上のＳｂを始点として、傾きが増加するように終点のＥｂが設定されている、また、直線Ｃでは、直線Ａ上のＳｃを始点として、傾きが減少するように終点のＥｃが設定されている。
【００４２】
ここで、直線Ｂのように、高輝度領域の傾きが大きくされる場合は、画像中に低輝度の信号が集中している場合にコントラストを高める効果が得られる。逆に、直線Ｃのように傾きが小さくされた場合は、画像中に高輝度の信号が集中している場合に、高輝度信号に対する階調の割り当てを残し、白飛びを防止することができる。さらに、Ｙ−ガンマ補正回路６４では、傾きの変化だけでなく、傾きを変化させる始点ＳｂおよびＳｃ、終点ＥｂおよびＥｃの各位置を制御することにより、撮像された画像に応じた最適な補正を行う。
【００４３】
ここで、図４に戻って、補正直線上において傾きを変化させる始点Ｓおよび終点Ｅの設定方法について説明する。
まず、図４の累積ヒストグラムに基づいて、傾きを変化させる始点Ｓを選定する。この始点Ｓのｘ座標は、図４の累積ヒストグラムの値が所定の割合すなわちＸ％に達したときの、入力された輝度信号レベルとする。このＸの値を大きくすると、特性補正される領域が高輝度部分に限られるため、補正による効果の現れ方が小さくなる。しかし、逆にＸの値が小さい場合には、画像のコントラストが不自然に高くなる場合があり得る。例えば、人物が撮影されている場合、画像中の人物の肌の領域では、コントラストを高めるように輝度を変化させると不自然になりやすく、好ましくない。人物の肌は通常、累積ヒストグラムの値が約８０％以下の領域で現れることが多いことから、Ｘの値は８０％以上とすることが望ましい。
【００４４】
また、入力信号が低輝度領域に極端に集中している場合には、意図的に暗い画像が撮影された場合が考えられる。このような画像に対して、上記の特性補正を施してしまうと、意図に反した画像が生成されてしまう。従って、始点Ｓのｘ座標がとる最低の輝度信号レベルをＳｌｍｔとして設定する。すなわち、累積ヒストグラムの値がＸ％となるときの入力（輝度信号レベル）がＳｌｍｔ未満である場合は、Ｓｌｍｔの値を始点Ｓのｘ座標とする。以上のＸおよびＳｌｍｔの値は、ユーザにより任意に設定可能とされてもよい。
【００４５】
次に、図４の累積ヒストグラムより、補正直線上の傾きが変化した領域の終点Ｅの位置を選定する。この終点Ｅの値は、入力信号における輝度信号レベルの分布によって異なる。
【００４６】
図４の例のように、低輝度領域に信号が集中している画像の場合は、終点Ｅのｘ座標を、輝度信号レベルの最大値Ｙｍａｘとすることにより、出力のダイナミックレンジを最も大きくすることができる。しかし、これにより補正直線の傾きが極端に大きくなる場合があり、この場合は高輝度部分の明るさの変化が不自然になってしまう。このため、終点Ｅのｘ座標の設定範囲を、輝度信号レベルの最大値Ｙｍａｘと、輝度信号レベルの入力限界値Ｙｌｍｔとの間の領域とする。これにより、高輝度部分の傾きを緩やかにして、明るさの変化を自然に保つことが可能になる。
【００４７】
以上により、図３および図４のように、低輝度領域に信号が集中している画像の場合は、図５の直線Ｂのように、高輝度領域で傾きが増加した補正直線により、特性補正が行われる。
【００４８】
図６は、このような特性補正が行われた場合の、撮像画像に対する総合的な補正曲線を示すグラフである。
上述したように、ＤＳＰ６に入力され、ＷＢ調整回路６１を経た画像信号は、ガンマ補正回路６２において特性補正がなされた後、Ｙ−ガンマ補正回路６４においてさらに特性補正がなされる。図６において、点線で表したグラフは、ガンマ補正回路６２において使用されるガンマ補正曲線である。これに対して、低輝度領域に信号が集中している画像信号の場合は、Ｙ−ガンマ補正回路６４において高輝度領域の傾きが増加するような補正直線によって特性補正が施されることから、これらの総合的な補正曲線は、図６の実線で表したような形状となる。
【００４９】
この総合的な補正曲線による補正では、ガンマ補正曲線における高輝度領域の傾きが大きくされることにより、従来では使用されることのなかった、信号の存在しない高輝度領域に割り当てられていた階調が、有効に利用される。従って、出力のダイナミックレンジが拡大され、コントラストが高く立体感のある画像を生成することが可能となる。
【００５０】
なお、図５では、高輝度領域の傾きを増加させた直線Ｂとともに、傾きを低下させた直線Ｃも示している。この直線Ｃによる特性補正を行った場合には、上述したように、画像中に高輝度の信号が集中している場合に、高輝度信号に対する階調の割り当てを残し、白飛びを防止することができる。Ｙ−ガンマ補正回路６４における特性補正は、低輝度領域に信号が集中した画像に対して特に有効であるが、高輝度信号の多い画像に対しても有効な場合がある。
【００５１】
以上のように、撮像装置１では、撮像した画像の輝度信号から算出したヒストグラムを基にして、Ｙ−ガンマ補正回路６４において、高輝度領域の入出力特性を変化させるので、撮像画像における輝度信号の分布に応じた特性補正が施された画像信号を生成し、記録することが可能となる。このように生成された画像信号は、ＣＲＴにおいて、常にコントラストの高い高品質な画像を表示させることができる。
【００５２】
次に、実際に上記の特性補正が施された画像の例を挙げ、写真を用いて説明する。まず、図７は、Ｙ−ガンマ補正回路６４における特性が行われていない画像例を示す写真（図面代用写真）である。
【００５３】
図７に示した画像では、中央部に存在する雲の領域が最も輝度が高くなっている。この領域は、入力の輝度信号レベルがとり得る最大値よりは低い輝度を有し、ガンマ補正回路６２による通常の補正により、コントラストの低い画像となっている。従って、Ｙ−ガンマ補正回路６４における特性補正では、この雲の領域におけるコントラストを補正することが可能である。また、左下側、中央下側および右側に配置された樹木や建物の画像は、比較的輝度が低いため、Ｙ−ガンマ補正回路６４による特性補正は反映されない。
【００５４】
次に、図７の画像に対して、傾きが変化している始点Ｓおよび終点Ｅの位置の異なる補正直線により、特性補正を行った場合の画像例を図８、図９および図１０に示す。ここで、Ｓｘは始点Ｓのｘ座標、Ｅｘは終点Ｅのｘ座標、Ｆ（Ｘ）は累積ヒストグラムがＸ％となるときの入力の輝度信号レベルをそれぞれ示すものとする。
【００５５】
図８は、比較的輝度信号レベルの低い位置から傾きが変化され、かつ傾きが緩やかな補正直線を用いた場合の画像を示す写真（図面代用写真）である。
図８に示した画像では、Ｓｘ＝Ｆ（８０）、Ｅｘ＝Ｆ（１００）＋（Ｙｌｍｔ−Ｆ（１００））／２として、傾きを変化させる始点Ｓおよび終点Ｅを設定している。このような補正直線では、特性補正を行う範囲が比較的大きいが、その分、終点Ｅのｘ座標が輝度信号レベルの最大値Ｙｍａｘよりはるかに大きいため、傾きが緩やかで、補正の効果が抑制される。従って、図８の画像では、中央部の雲の領域のコントラストが若干高められているものの、変化の度合いが不十分で、図７の画像との差が小さい。
【００５６】
次に、図９は、比較的輝度信号レベルの高い位置から傾きが変化され、かつ傾きが緩やかな補正直線を用いた場合の画像を示す写真（図面代用写真）である。図９に示した画像では、補正直線の設定を、Ｓｘ＝Ｆ（９０）、Ｅｘ＝Ｆ（１００）＋（Ｙｌｍｔ−Ｆ（１００））／３としている。このような補正直線では、図８の場合と比較して輝度信号レベルの高い位置から傾きが変化しているが、図８の場合より傾きが大きいため、補正の効果が顕著である。従って、図９の画像では、中央部の雲の領域のコントラストが、図８より高められており、始点Ｓおよび終点Ｅの位置がより適切に選択されていると言える。
【００５７】
次に、図１０は、比較的輝度信号レベルの高い位置から傾きが変化され、かつ傾きが急峻な補正直線を用いた場合の画像を示す写真（図面代用写真）である。
図１０に示した画像では、補正直線の設定を、Ｓｘ＝Ｆ（９０）、Ｅｘ＝Ｆ（８５）＋（Ｙｌｍｔ−Ｆ（８５））／２としている。このような補正直線では、傾きを変化させる輝度信号レベルは図９の場合と同じであるが、図９の場合より傾きが大きいため、補正の効果がさらに顕著である。従って、図１０の画像では、中央部の雲の領域のコントラストが図９よりさらに高められ、雲の細かい形状が鮮明に現れている。
【００５８】
ところで、図１０の画像では、他の領域と比較して中央部の雲の領域のコントラストが極端に高くなっている。そのため、画像全体におけるバランスが悪く、不自然に見える。従って、図９の画像の方が、補正直線の傾きが緩やかな分、自然にコントラストが高められた画像が生成されていると言える。
【００５９】
なお、以上の説明では、静止画像を撮像し、記録するデジタルスチルカメラに適用した場合について示したが、例えば、動画像を撮像して記録するデジタルビデオカメラ等の他の撮像装置に対しても適用することが可能である。
【００６０】
また、本発明は、撮像装置に限らず、例えば、入力されたデジタル画像信号を記録する画像記録装置や、デジタル画像信号の入力を受けて画像を表示する表示装置に対して適用することも可能である。画像記録装置としては、例えば、デジタル方式の外部入力端子を有するＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）やＨＤＤ（ハードディスクドライブ）付きのビデオレコーダ等に適用可能である。また、表示装置としては、例えば、デジタル画像信号の入力が可能な、ＣＲＴによるディスプレイ装置等に適用可能である。
【００６１】
さらに、上記の説明では、ＣＲＴにおける表示時に最適となるような特性補正について説明したが、本発明は、ＣＲＴ以外の非線形な入出力特性を有するディスプレイ装置に表示する画像の画質を補正する場合にも、適用することが可能である。また、これとは逆に、上記の実施形態例のように、ＣＲＴでの表示に対して最適な特性補正を施した画像信号は、補正領域が高輝度部分に限られていることから、この画像信号をＣＲＴ以外の例えばＬＣＤやプラズマディスプレイ等に表示した場合にも、画質が大きく悪化することはない。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の撮像装置では、撮像して得たデジタルの画像信号に対してガンマ補正を行った後、撮像画像上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出し、このヒストグラムを基にして、ガンマ補正が施された画像信号に対してその輝度信号レベルの入出力特性を特性補正手段により補正する。特性補正手段は、算出されたヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを基にして、輝度信号レベルの入出力特性を補正するための補正直線の高輝度領域における傾きを変化させることにより補正を行う。また、特性補正手段は、累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、補正直線上の高輝度領域の始点の入力レベルに設定する。これにより、撮像された画像における輝度信号レベルの分布に応じて階調数の割り当てが適切に変化され、画面上の輝度の分布にかかわらず、常に高いコントラストを有する画像信号を生成することが可能となる。
【００６３】
また、本発明の画質補正方法では、ガンマ補正が施された画像信号より画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出し、このヒストグラムを基にして、ガンマ補正が施された画像信号に対してその輝度信号レベルの入出力特性を補正する。この入出力特性の補正は、算出されたヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを基にして、輝度信号レベルの入出力特性を補正するための補正直線の高輝度領域における傾きを変化させることにより補正を行う。また、入出力特性の補正の際には、累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、補正直線上の高輝度領域の始点の入力レベルに設定する。これにより、輝度信号レベルの分布に応じて階調数の割り当てが適切に変化され、画面上の輝度の分布にかかわらず、常に高いコントラストを有する画像信号を生成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の撮像装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【図２】ＤＳＰにおける処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】ヒストグラム算出回路において算出されるヒストグラムの例を示すグラフである。
【図４】図３のヒストグラムから算出した累積ヒストグラムを示すグラフである。
【図５】Ｙ−ガンマ補正回路において用いられる補正直線の例を示すグラフである。
【図６】低輝度領域に信号が集中している画像に対して特性補正が行われた場合の総合的な補正曲線を示すグラフである。
【図７】Ｙ−ガンマ補正回路における特性が行われていない画像例を示す写真（図面代用写真）である。
【図８】比較的輝度信号レベルの低い位置から傾きが変化され、かつ傾きが緩やかな補正直線を用いた場合の画像を示す写真（図面代用写真）である。
【図９】比較的輝度信号レベルの高い位置から傾きが変化され、かつ傾きが緩やかな補正直線を用いた場合の画像を示す写真（図面代用写真）である。
【図１０】比較的輝度信号レベルの高い位置から傾きが変化され、かつ傾きが急峻な補正直線を用いた場合の画像を示す写真（図面代用写真）である。
【図１１】一般的に用いられているガンマ補正曲線の例を示す図である。
【符号の説明】
１……撮像装置、２……光学ブロック、３……ＣＣＤ、４……Ｓ／Ｈ回路、５……Ａ／Ｄ変換回路、６……ＤＳＰ、７……ＴＧ、８……マイコン、６１……ＷＢ調整回路、６２……ガンマ補正回路、６３……ヒストグラム算出回路、６４……Ｙ−ガンマ補正回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像を撮像する撮像装置、画像を表示する表示装置、画像信号を記録する画像記録装置、および、画像信号に対する画質補正を行うための画質補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、撮影した画像をデジタルデータとして記憶するデジタルカメラが普及している。このデジタルカメラでは、光学レンズによって撮影された画像を、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）等の固体撮像素子を使用して光電変換した後、デジタルデータ化して記録している。また、撮影した画像を表示するディスプレイ装置としては、従来よりＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）が一般的に使用されている。
【０００３】
ところで、ＣＲＴに入力される画像信号と、ＣＲＴ上で表示される画像との間では、通常、非線形な入出力特性を有している。このため、ＣＲＴに対する画像信号の送信側では、この画像信号をガンマ補正曲線を用いて補正するガンマ補正が行われることが多い。
【０００４】
図１１は、一般的に用いられているガンマ補正曲線の例を示す図である。
図１１では、入力信号の輝度を変換して補正するための曲線を示している。一般的に、ＣＲＴにおける輝度の入出力関係は指数関数的となる。このため、ガンマ補正曲線は、図１１に示すように入力信号の高輝度部分を寝かせた形状とすることにより、非線形な入出力特性を打ち消すとともに、高輝度の信号を出力に反映させる。
【０００５】
上述したデジタルカメラでは、一般に、ＣＲＴにおける表示を前提として、撮像した画像信号をデジタルデータ化した後、あらかじめガンマ補正を施してからメモリカード等の記録媒体に記録している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来のガンマ補正では、高輝度信号への階調数の割り当てを残すように補正されるため、高輝度の信号成分が多い画像信号が入力された場合にも、いわゆる白飛びを起こさずに、自然な階調を表現することができる。
【０００７】
しかし、出力信号のダイナミックレンジに限界があることから、このような補正方法では、高輝度信号への階調数を残す分、逆に低輝度信号に対する階調数が減少してしまう。このため、入力された画像信号に高輝度の成分がほとんど存在しなかった場合には、低輝度信号に集中した信号を少ない階調数で表現する必要が生じ、その結果、コントラストの低い画像が表示されてしまう。また、逆に、コントラストを重視したガンマ補正を行った場合には、高輝度の信号成分が多い画像信号に対して白飛びが生じてしまう。
【０００８】
従来のデジタルカメラでは、どのような輝度分布を有する画像信号であっても、同一のガンマ補正曲線を使用して補正を行っていたため、撮像した画像について、常にコントラストの高い一定の画質の画像信号として記録することができないことが課題となっていた。
【０００９】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、撮影した画像における輝度信号の分布に応じて常に高いコントラストを有する画像信号を生成することが可能な撮像装置を提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明の他の目的は、画像における輝度信号の分布に応じて常に高いコントラストを有する画像信号を生成することが可能な画質補正方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記課題を解決するために、画像を撮像する撮像装置において、撮影した画像信号をデジタル信号に変換するデジタル変換手段と、デジタル変換された前記画像信号に対してガンマ補正を行うガンマ補正手段と、前記ガンマ補正手段からの出力画像信号より輝度信号レベルを順次検出する輝度検出手段と、前記輝度検出手段による検出値を基にして、撮像画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出するヒストグラム算出手段と、算出された前記ヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを算出し、前記累積ヒストグラムを基にして、前記ガンマ補正手段からの出力画像信号における輝度信号レベルの入出力特性を補正直線に従って補正する特性補正手段と、を有し、前記特性補正手段は、前記補正直線上の高輝度領域における傾きのみを変化させて、前記高輝度領域のみで入力と出力のレベルを変換し、前記累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、前記補正直線上の前記高輝度領域の始点の入力レベルに設定することを特徴とする撮像装置が提供される。
【００１２】
このような撮像装置では、撮像して得たデジタルの画像信号に対してガンマ補正を行った後、輝度検出手段により輝度信号レベルを順次検出し、この検出値より撮像画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムをヒストグラム算出手段により算出し、このヒストグラムを基にして、ガンマ補正が施された画像信号に対してその輝度信号レベルの入出力特性を特性補正手段により補正する。特性補正手段は、算出されたヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを基にして、輝度信号レベルの入出力特性を補正するための補正直線の高輝度領域における傾きを変化させることにより補正を行う。これにより、撮像された画像における輝度信号レベルの分布に応じて階調数の割り当てを変化させる。また、特性補正手段は、累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、補正直線上の高輝度領域の始点の入力レベルに設定する。
【００１３】
また、本発明では、画像信号に対して画質補正を行う画質補正方法において、ガンマ補正が施された画像信号より輝度信号レベルを順次検出するステップと、輝度信号レベルの検出値を基にして、撮像画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出するステップと、算出された前記ヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを算出し、前記累積ヒストグラムを基にして、前記ガンマ補正が施された画像信号における輝度信号レベルの入出力特性を補正直線に従って補正するステップと、を含み、前記入出力特性を補正するステップでは、前記補正直線上の高輝度領域における傾きのみを変化させて、前記高輝度領域のみで入力と出力のレベルを変換し、前記累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、前記補正直線上の前記高輝度領域の始点の入力レベルに設定する、ことを特徴とする画質補正方法が提供される。
【００１４】
このような画質補正方法では、ガンマ補正が施された画像信号より輝度信号レベルを順次検出し、この検出値より撮像画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出し、このヒストグラムを基にして、ガンマ補正が施された画像信号に対してその輝度信号レベルの入出力特性を補正する。この入出力特性の補正は、算出されたヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを基にして、輝度信号レベルの入出力特性を補正するための補正直線の高輝度領域における傾きを変化させることにより補正を行う。これにより、輝度信号レベルの分布に応じて階調数の割り当てを変化させる。また、入出力特性の補正の際には、累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、補正直線上の高輝度領域の始点の入力レベルに設定する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の撮像装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【００１６】
図１に示す撮像装置１は、被写体を撮像してデジタル方式の静止画像データを記録する、いわゆるデジタルスチルカメラであり、図１ではその構成要素の一部（カメラブロック）を示している。この撮像装置１は、被写体からの光を集光するための光学ブロック２と、光学ブロック２によって集光された光を光電変換するＣＣＤ３（Charge Coupled Device）と、ＣＣＤ３からのアナログ画像信号をサンプリングするＳ／Ｈ（Sample／Hold）回路４と、サンプリングされたアナログ画像信号をデジタル化するＡ／Ｄ変換回路５と、デジタル化された画像信号に対する色信号処理やガンマ補正処理等を行うＤＳＰ（Digital Signal Processor）６と、ＣＣＤ３を駆動するＴＧ（Timing Generator）７と、装置全体を制御するマイコン８によって構成される。
【００１７】
光学ブロック２は、マイコン８による制御に基づいて、複数のレンズやアイリス、シャッタ等により構成され、被写体からの光をＣＣＤ３に正しく集光するとともに、集光された光の透過量、およびＣＣＤ３への露光量を制御する。ＣＣＤ３は、ＴＧ７の制御に基づいて、被写体からの光を電気信号に変換して、電流値または電圧値として出力する。
【００１８】
Ｓ／Ｈ回路４は、マイコン８の制御の下で、ＣＣＤ３から出力されたアナログ画像信号に対して、相関２重サンプリング処理等を行う。Ａ／Ｄ変換回路５は、サンプリングされたアナログ画像信号をＲ／Ｇ／Ｂ（Red／Green／Blue）のデジタル信号に変換して、ＤＳＰ６に対して供給する。
【００１９】
ＤＳＰ６は、マイコン８の制御の下で、必要に応じて図示しないメモリとの書き込み、読み出し動作を行いながら、デジタル化された画像信号に対する各種の画質補正処理を行う。このＤＳＰ６は、入力された画像信号に対するホワイトバランス（以下、ＷＢと略称する）調整回路６１と、ＷＢ調整がなされた画像信号に対するガンマ補正を行うガンマ（γ）補正回路６２と、ガンマ補正がなされた画像信号から、輝度信号レベルのヒストグラムを算出するヒストグラム算出回路６３と、算出されたヒストグラムに基づいて、ガンマ補正回路６２からの輝度信号をさらに補正するＹ−ガンマ（γ）補正回路６４によって構成される。
【００２０】
ＷＢ調整回路６１は、入力されたデジタルの画像信号に対して、色温度に応じた色補正処理を行う。ガンマ補正回路６２は、ＷＢ調整回路６１からの出力画像信号の入出力特性を、ガンマ補正曲線を用いて補正する。また、ガンマ補正回路６２から出力されたＲ／Ｇ／Ｂ原色信号は、輝度信号（Ｙ信号）と色差信号（Ｃ信号）に分離される。
【００２１】
ヒストグラム算出回路６３は、分離された輝度信号の信号レベルを検波し、撮像画像の１フレーム中における輝度信号レベル別のヒストグラムを算出する。Ｙ−ガンマ補正回路６４は、算出されたヒストグラムを基にして各種の演算を行い、輝度信号の入出力特性をさらに補正する。なお、ＤＳＰ６から出力された画像信号（Ｙ信号、Ｃ信号）は、図示しないＬＣＤ（Liquid Crystal Display）等の表示部に送出されて画像が表示される。また、例えば図示しないシャッタスイッチがユーザにより押されたときには、これらの画像信号は、図示しない信号処理回路において例えば解像度変換処理やデータ圧縮処理等が施された後、メモリカード等の外部記録媒体等に転送される。
【００２２】
ＴＧ７は、マイコン８による制御に基づいて、ＣＣＤ３における水平方向、垂直方向の駆動タイミングを制御する。
マイコン８は、図示しないシャッタスイッチや動作モード指定スイッチ等の入力スイッチからの入力信号に応じて、撮像装置１全体の動作を制御する。例えば、光学ブロック２やＳ／Ｈ回路４、ＤＳＰ６、ＴＧ７の動作制御の他に、図示しないメモリカードに対する書き込み、読み出し動作制御や、図示しないＬＣＤへの表示制御等を行う。
【００２３】
この撮像装置１では、光学ブロック２を通じて入射した光がＣＣＤ３において光電変換され、Ｓ／Ｈ回路４およびＡ／Ｄ変換回路５を経てデジタル画像信号としてＤＳＰ６に入力される。ＤＳＰ６では、入力された画像信号に対して、ＷＢ調整回路６１およびガンマ補正回路６２でそれぞれＷＢ調整およびガンマ補正が行われた後、後述するようにＹ−ガンマ補正回路においてさらに色調補正が施されて、ＬＣＤに送出される。これにより、撮像された画像が順次ＬＣＤに表示される。
【００２４】
また、ユーザによりシャッタスイッチが押されると、これを検知したマイコン８の制御により、静止画像信号の記録動作が開始される。すなわち、光学ブロック２におけるシャッタの開閉動作に応じて、このとき撮像された画像信号がＤＳＰ６から出力され、解像度変換処理やデータ圧縮処理等により所定のデータフオーマットに変換されて、メモリカード等に記録される。
【００２５】
なお、ヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４は、図示しないシャッタスイッチが押されたときにのみ、マイコン８からの指示に応じて、入力された画像信号の１フレーム分に対して、ヒストグラムの算出および特性補正の各処理を行うようにしてもよい。また、ＷＢ調整回路６１およびガンマ補正回路６２も、それぞれシャッタスイッチが押された場合にのみ動作するようにしてもよい。
【００２６】
ところで、上記の撮像装置１では、ＣＲＴにおける表示を前提として、撮像した画像信号に対して、ガンマ補正回路６２においてあらかじめガンマ補正を施してからメモリカード等に記録している。しかし、通常のガンマ補正では、限られたダイナミックレンジの中で高輝度部分の階調を残しているため、輝度の成分が低輝度側に集中している画像信号に対しては、階調数が限られてコントラストが低くなることが多かった。
【００２７】
このために、本発明の撮像装置１では、ＤＳＰ６の内部にヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４を設けている。ヒストグラム算出回路６３は、ガンマ補正回路６２からの輝度信号レベルを検波して、この画像における輝度信号レベルの分布を示すヒストグラムを算出し、Ｙ−ガンマ補正回路６４に供給する。Ｙ−ガンマ補正回路６４は、ガンマ補正回路６２においてガンマ補正が施された画像信号に対して、算出されたヒストグラムを基にして、入出力特性のさらなる補正を行う。具体的には、後述するように、入出力特性を変換するための補正直線を用い、この補正直線の高輝度領域の傾きを変化させることにより、高輝度領域における特性を補正し、ダイナミックレンジを広げる。これにより、入力画像の輝度信号の分布に応じて、常にコントラストの高い画像の生成を可能にする。
【００２８】
ここで、図２は、ＤＳＰ６における処理の流れを示すフローチャートである。この図２を用いて、Ｙ−ガンマ補正回路６４における特性補正処理の概要を説明する。なお、ここでは、ヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４は、シャッタスイッチが押された後に動作を開始するものとする。
【００２９】
ステップＳ２０１において、画像の撮像が行われ、ＤＳＰ６にはＡ／Ｄ変換回路５からデジタル化された画像信号が入力される。ＤＳＰ６では、入力された画像信号に対して、ＷＢ調整回路６１およびガンマ補正回路６２においてそれぞれＷＢ調整およびガンマ補正が行われた後、画像信号が輝度信号と色差信号とに分離される。このとき、ヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４はともに動作しておらず、Ｙ−ガンマ補正回路６４に入力された輝度信号は補正を受けずにそのまま出力される。このようにＤＳＰ６から出力された輝度信号および色差信号は順次ＬＣＤに供給され、これにより撮像されている画像が表示される。
【００３０】
ステップＳ２０２において、ヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４に対するマイコン８からの動作開始の指示を待機し、この指示があった場合にはステップＳ２０３に進み、指示がない場合は待機を続ける。マイコン８は、ユーザによってシャッタスイッチが押されたことを検出すると、光学ブロック２に対してシャッタを動作させるように指示するとともに、ＤＳＰ６に対して、ヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４の動作を開始させるよう指示する制御信号を出力する。
【００３１】
ステップＳ２０３において、ヒストグラム算出回路６３は、入力された１フレーム分の輝度信号よりヒストグラムを算出し、Ｙ−ガンマ補正回路６４に対して出力する。
【００３２】
ステップＳ２０４において、Ｙ−ガンマ補正回路６４は、入力されたヒストグラムより、その値を低輝度側から累積した累積ヒストグラムを算出する。ステップＳ２０５において、Ｙ−ガンマ補正回路６４は、算出した累積ヒストグラムに基づいて、入力された輝度信号に対する補正直線の設定を行う。具体的には、補正直線上における傾きを変化させる始点Ｓおよび終点Ｅの位置を設定する。ステップＳ２０６において、設定した補正直線を用い、上記のヒストグラムの算出対象となった入力輝度信号を補正して出力する。
【００３３】
ステップＳ２０７において、例えば電源の切断等により、Ａ／Ｄ変換回路５からの画像信号の入力が中止された場合は、処理を中止し、入力が継続されている場合はステップＳ２０２に戻り、マイコン８からのヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４の動作開始の指示を待機する。
【００３４】
なお、上記のステップＳ２０３〜Ｓ２０６の処理では、ヒストグラムの算出とともに、算出対象となった１フレーム分の輝度信号を、ＤＳＰ６に接続された図示しないメモリ上に一旦保持し、累積ヒストグラムの算出および補正直線の設定の各処理が完了した後に、メモリに保持した輝度信号を順次読み出し、補正処理を行うようにしてもよい。
【００３５】
次に、ヒストグラム算出回路６３およびＹ−ガンマ補正回路６４における動作を詳述する。
図３は、ヒストグラム算出回路６３において算出されるヒストグラムの例を示すグラフである。
【００３６】
ヒストグラム算出回路６３は、ガンマ補正回路６２からの輝度信号より、例えば１画素ごとの輝度信号レベルを検出する。そして、１フレームの画像の全面から、輝度信号レベル別のヒストグラムを算出する。図３に示すグラフでは、例として、８ビットすなわち２５６階調の輝度信号レベルに対して、４階調ごとの画素数をヒストグラム値として示している。なお、ヒストグラムを算出するための輝度信号レベルの間隔は、補正直線の始点Ｓおよび終点Ｅの設定時の誤差として影響するため、この間隔は小さい方が好ましい。
【００３７】
また、図３では、算出対象となった画像上に分布する輝度信号レベルの最大値をＹｍａｘ、入力される輝度信号レベルがとり得る限界値をＹｌｍｔとしている。このうち、Ｙｍａｘはこの画像上のダイナミックレンジを示している。なお、図３では、低輝度側に信号が集中し、高輝度側の信号が存在しない画像からヒストグラムを算出した場合について示している。
【００３８】
次に、図４は、上記の図３のヒストグラムから算出した累積ヒストグラムを示すグラフである。
図４のグラフでは、図３に示したグラフの低輝度側からヒストグラム値を累積した値を示している。このグラフでは、縦軸の最大値が撮像画像の全画素数となるが、図４ではこれを全画素数に対する割合（％）で示している。
【００３９】
このグラフでは、図３で示した輝度信号レベルの最大値であるＹｍａｘにおいて、累積ヒストグラムの値が１００％に達している。また、この例は低輝度の信号が集中した画像であるため、Ｙｍａｘの値は比較的低くなっている。Ｙ−ガンマ補正回路６４では、このように算出された累積ヒストグラムに基づいて、補正直線上の傾きの変化の始点Ｓおよび終点Ｅが決定される。
【００４０】
ここで、図５は、Ｙ−ガンマ補正回路６４において用いられる補正直線の例を示すグラフである。
Ｙ−ガンマ補正回路６４は、図５に示すような補正直線に基づいて、輝度信号の入力と出力との階調割り当てを変換する。図５において、直線Ａは補正を行わない初期状態の補正直線を示している。すなわち、この直線Ａの場合は、入力と出力のダイナミックレンジが等しければ、Ｙ−ガンマ補正回路６４の出力信号は入力された輝度信号と同一となり、メモリカードに記録される画像信号には、ガンマ補正回路６２による従来と同様のガンマ補正が施される。
【００４１】
また、Ｙ−ガンマ補正回路６４は、算出した累積ヒストグラムに応じて、直線Ａの高輝度領域の傾きを変化させる。例えば、直線Ｂでは、直線Ａ上のＳｂを始点として、傾きが増加するように終点のＥｂが設定されている、また、直線Ｃでは、直線Ａ上のＳｃを始点として、傾きが減少するように終点のＥｃが設定されている。
【００４２】
ここで、直線Ｂのように、高輝度領域の傾きが大きくされる場合は、画像中に低輝度の信号が集中している場合にコントラストを高める効果が得られる。逆に、直線Ｃのように傾きが小さくされた場合は、画像中に高輝度の信号が集中している場合に、高輝度信号に対する階調の割り当てを残し、白飛びを防止することができる。さらに、Ｙ−ガンマ補正回路６４では、傾きの変化だけでなく、傾きを変化させる始点ＳｂおよびＳｃ、終点ＥｂおよびＥｃの各位置を制御することにより、撮像された画像に応じた最適な補正を行う。
【００４３】
ここで、図４に戻って、補正直線上において傾きを変化させる始点Ｓおよび終点Ｅの設定方法について説明する。
まず、図４の累積ヒストグラムに基づいて、傾きを変化させる始点Ｓを選定する。この始点Ｓのｘ座標は、図４の累積ヒストグラムの値が所定の割合すなわちＸ％に達したときの、入力された輝度信号レベルとする。このＸの値を大きくすると、特性補正される領域が高輝度部分に限られるため、補正による効果の現れ方が小さくなる。しかし、逆にＸの値が小さい場合には、画像のコントラストが不自然に高くなる場合があり得る。例えば、人物が撮影されている場合、画像中の人物の肌の領域では、コントラストを高めるように輝度を変化させると不自然になりやすく、好ましくない。人物の肌は通常、累積ヒストグラムの値が約８０％以下の領域で現れることが多いことから、Ｘの値は８０％以上とすることが望ましい。
【００４４】
また、入力信号が低輝度領域に極端に集中している場合には、意図的に暗い画像が撮影された場合が考えられる。このような画像に対して、上記の特性補正を施してしまうと、意図に反した画像が生成されてしまう。従って、始点Ｓのｘ座標がとる最低の輝度信号レベルをＳｌｍｔとして設定する。すなわち、累積ヒストグラムの値がＸ％となるときの入力（輝度信号レベル）がＳｌｍｔ未満である場合は、Ｓｌｍｔの値を始点Ｓのｘ座標とする。以上のＸおよびＳｌｍｔの値は、ユーザにより任意に設定可能とされてもよい。
【００４５】
次に、図４の累積ヒストグラムより、補正直線上の傾きが変化した領域の終点Ｅの位置を選定する。この終点Ｅの値は、入力信号における輝度信号レベルの分布によって異なる。
【００４６】
図４の例のように、低輝度領域に信号が集中している画像の場合は、終点Ｅのｘ座標を、輝度信号レベルの最大値Ｙｍａｘとすることにより、出力のダイナミックレンジを最も大きくすることができる。しかし、これにより補正直線の傾きが極端に大きくなる場合があり、この場合は高輝度部分の明るさの変化が不自然になってしまう。このため、終点Ｅのｘ座標の設定範囲を、輝度信号レベルの最大値Ｙｍａｘと、輝度信号レベルの入力限界値Ｙｌｍｔとの間の領域とする。これにより、高輝度部分の傾きを緩やかにして、明るさの変化を自然に保つことが可能になる。
【００４７】
以上により、図３および図４のように、低輝度領域に信号が集中している画像の場合は、図５の直線Ｂのように、高輝度領域で傾きが増加した補正直線により、特性補正が行われる。
【００４８】
図６は、このような特性補正が行われた場合の、撮像画像に対する総合的な補正曲線を示すグラフである。
上述したように、ＤＳＰ６に入力され、ＷＢ調整回路６１を経た画像信号は、ガンマ補正回路６２において特性補正がなされた後、Ｙ−ガンマ補正回路６４においてさらに特性補正がなされる。図６において、点線で表したグラフは、ガンマ補正回路６２において使用されるガンマ補正曲線である。これに対して、低輝度領域に信号が集中している画像信号の場合は、Ｙ−ガンマ補正回路６４において高輝度領域の傾きが増加するような補正直線によって特性補正が施されることから、これらの総合的な補正曲線は、図６の実線で表したような形状となる。
【００４９】
この総合的な補正曲線による補正では、ガンマ補正曲線における高輝度領域の傾きが大きくされることにより、従来では使用されることのなかった、信号の存在しない高輝度領域に割り当てられていた階調が、有効に利用される。従って、出力のダイナミックレンジが拡大され、コントラストが高く立体感のある画像を生成することが可能となる。
【００５０】
なお、図５では、高輝度領域の傾きを増加させた直線Ｂとともに、傾きを低下させた直線Ｃも示している。この直線Ｃによる特性補正を行った場合には、上述したように、画像中に高輝度の信号が集中している場合に、高輝度信号に対する階調の割り当てを残し、白飛びを防止することができる。Ｙ−ガンマ補正回路６４における特性補正は、低輝度領域に信号が集中した画像に対して特に有効であるが、高輝度信号の多い画像に対しても有効な場合がある。
【００５１】
以上のように、撮像装置１では、撮像した画像の輝度信号から算出したヒストグラムを基にして、Ｙ−ガンマ補正回路６４において、高輝度領域の入出力特性を変化させるので、撮像画像における輝度信号の分布に応じた特性補正が施された画像信号を生成し、記録することが可能となる。このように生成された画像信号は、ＣＲＴにおいて、常にコントラストの高い高品質な画像を表示させることができる。
【００５２】
次に、実際に上記の特性補正が施された画像の例を挙げ、写真を用いて説明する。まず、図７は、Ｙ−ガンマ補正回路６４における特性が行われていない画像例を示す写真（図面代用写真）である。
【００５３】
図７に示した画像では、中央部に存在する雲の領域が最も輝度が高くなっている。この領域は、入力の輝度信号レベルがとり得る最大値よりは低い輝度を有し、ガンマ補正回路６２による通常の補正により、コントラストの低い画像となっている。従って、Ｙ−ガンマ補正回路６４における特性補正では、この雲の領域におけるコントラストを補正することが可能である。また、左下側、中央下側および右側に配置された樹木や建物の画像は、比較的輝度が低いため、Ｙ−ガンマ補正回路６４による特性補正は反映されない。
【００５４】
次に、図７の画像に対して、傾きが変化している始点Ｓおよび終点Ｅの位置の異なる補正直線により、特性補正を行った場合の画像例を図８、図９および図１０に示す。ここで、Ｓｘは始点Ｓのｘ座標、Ｅｘは終点Ｅのｘ座標、Ｆ（Ｘ）は累積ヒストグラムがＸ％となるときの入力の輝度信号レベルをそれぞれ示すものとする。
【００５５】
図８は、比較的輝度信号レベルの低い位置から傾きが変化され、かつ傾きが緩やかな補正直線を用いた場合の画像を示す写真（図面代用写真）である。
図８に示した画像では、Ｓｘ＝Ｆ（８０）、Ｅｘ＝Ｆ（１００）＋（Ｙｌｍｔ−Ｆ（１００））／２として、傾きを変化させる始点Ｓおよび終点Ｅを設定している。このような補正直線では、特性補正を行う範囲が比較的大きいが、その分、終点Ｅのｘ座標が輝度信号レベルの最大値Ｙｍａｘよりはるかに大きいため、傾きが緩やかで、補正の効果が抑制される。従って、図８の画像では、中央部の雲の領域のコントラストが若干高められているものの、変化の度合いが不十分で、図７の画像との差が小さい。
【００５６】
次に、図９は、比較的輝度信号レベルの高い位置から傾きが変化され、かつ傾きが緩やかな補正直線を用いた場合の画像を示す写真（図面代用写真）である。図９に示した画像では、補正直線の設定を、Ｓｘ＝Ｆ（９０）、Ｅｘ＝Ｆ（１００）＋（Ｙｌｍｔ−Ｆ（１００））／３としている。このような補正直線では、図８の場合と比較して輝度信号レベルの高い位置から傾きが変化しているが、図８の場合より傾きが大きいため、補正の効果が顕著である。従って、図９の画像では、中央部の雲の領域のコントラストが、図８より高められており、始点Ｓおよび終点Ｅの位置がより適切に選択されていると言える。
【００５７】
次に、図１０は、比較的輝度信号レベルの高い位置から傾きが変化され、かつ傾きが急峻な補正直線を用いた場合の画像を示す写真（図面代用写真）である。
図１０に示した画像では、補正直線の設定を、Ｓｘ＝Ｆ（９０）、Ｅｘ＝Ｆ（８５）＋（Ｙｌｍｔ−Ｆ（８５））／２としている。このような補正直線では、傾きを変化させる輝度信号レベルは図９の場合と同じであるが、図９の場合より傾きが大きいため、補正の効果がさらに顕著である。従って、図１０の画像では、中央部の雲の領域のコントラストが図９よりさらに高められ、雲の細かい形状が鮮明に現れている。
【００５８】
ところで、図１０の画像では、他の領域と比較して中央部の雲の領域のコントラストが極端に高くなっている。そのため、画像全体におけるバランスが悪く、不自然に見える。従って、図９の画像の方が、補正直線の傾きが緩やかな分、自然にコントラストが高められた画像が生成されていると言える。
【００５９】
なお、以上の説明では、静止画像を撮像し、記録するデジタルスチルカメラに適用した場合について示したが、例えば、動画像を撮像して記録するデジタルビデオカメラ等の他の撮像装置に対しても適用することが可能である。
【００６０】
また、本発明は、撮像装置に限らず、例えば、入力されたデジタル画像信号を記録する画像記録装置や、デジタル画像信号の入力を受けて画像を表示する表示装置に対して適用することも可能である。画像記録装置としては、例えば、デジタル方式の外部入力端子を有するＶＴＲ（ビデオテープレコーダ）やＨＤＤ（ハードディスクドライブ）付きのビデオレコーダ等に適用可能である。また、表示装置としては、例えば、デジタル画像信号の入力が可能な、ＣＲＴによるディスプレイ装置等に適用可能である。
【００６１】
さらに、上記の説明では、ＣＲＴにおける表示時に最適となるような特性補正について説明したが、本発明は、ＣＲＴ以外の非線形な入出力特性を有するディスプレイ装置に表示する画像の画質を補正する場合にも、適用することが可能である。また、これとは逆に、上記の実施形態例のように、ＣＲＴでの表示に対して最適な特性補正を施した画像信号は、補正領域が高輝度部分に限られていることから、この画像信号をＣＲＴ以外の例えばＬＣＤやプラズマディスプレイ等に表示した場合にも、画質が大きく悪化することはない。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の撮像装置では、撮像して得たデジタルの画像信号に対してガンマ補正を行った後、撮像画像上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出し、このヒストグラムを基にして、ガンマ補正が施された画像信号に対してその輝度信号レベルの入出力特性を特性補正手段により補正する。特性補正手段は、算出されたヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを基にして、輝度信号レベルの入出力特性を補正するための補正直線の高輝度領域における傾きを変化させることにより補正を行う。また、特性補正手段は、累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、補正直線上の高輝度領域の始点の入力レベルに設定する。これにより、撮像された画像における輝度信号レベルの分布に応じて階調数の割り当てが適切に変化され、画面上の輝度の分布にかかわらず、常に高いコントラストを有する画像信号を生成することが可能となる。
【００６３】
また、本発明の画質補正方法では、ガンマ補正が施された画像信号より画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出し、このヒストグラムを基にして、ガンマ補正が施された画像信号に対してその輝度信号レベルの入出力特性を補正する。この入出力特性の補正は、算出されたヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを基にして、輝度信号レベルの入出力特性を補正するための補正直線の高輝度領域における傾きを変化させることにより補正を行う。また、入出力特性の補正の際には、累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、補正直線上の高輝度領域の始点の入力レベルに設定する。これにより、輝度信号レベルの分布に応じて階調数の割り当てが適切に変化され、画面上の輝度の分布にかかわらず、常に高いコントラストを有する画像信号を生成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の撮像装置の構成例を示す機能ブロック図である。
【図２】ＤＳＰにおける処理の流れを示すフローチャートである。
【図３】ヒストグラム算出回路において算出されるヒストグラムの例を示すグラフである。
【図４】図３のヒストグラムから算出した累積ヒストグラムを示すグラフである。
【図５】Ｙ−ガンマ補正回路において用いられる補正直線の例を示すグラフである。
【図６】低輝度領域に信号が集中している画像に対して特性補正が行われた場合の総合的な補正曲線を示すグラフである。
【図７】Ｙ−ガンマ補正回路における特性が行われていない画像例を示す写真（図面代用写真）である。
【図８】比較的輝度信号レベルの低い位置から傾きが変化され、かつ傾きが緩やかな補正直線を用いた場合の画像を示す写真（図面代用写真）である。
【図９】比較的輝度信号レベルの高い位置から傾きが変化され、かつ傾きが緩やかな補正直線を用いた場合の画像を示す写真（図面代用写真）である。
【図１０】比較的輝度信号レベルの高い位置から傾きが変化され、かつ傾きが急峻な補正直線を用いた場合の画像を示す写真（図面代用写真）である。
【図１１】一般的に用いられているガンマ補正曲線の例を示す図である。
【符号の説明】
１……撮像装置、２……光学ブロック、３……ＣＣＤ、４……Ｓ／Ｈ回路、５……Ａ／Ｄ変換回路、６……ＤＳＰ、７……ＴＧ、８……マイコン、６１……ＷＢ調整回路、６２……ガンマ補正回路、６３……ヒストグラム算出回路、６４……Ｙ−ガンマ補正回路
Claims (9)
- 画像を撮像する撮像装置において、
撮影した画像信号をデジタル信号に変換するデジタル変換手段と、
デジタル変換された前記画像信号に対してガンマ補正を行うガンマ補正手段と、
前記ガンマ補正手段からの出力画像信号より輝度信号レベルを順次検出する輝度検出手段と、
前記輝度検出手段による検出値を基にして、撮像画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出するヒストグラム算出手段と、
算出された前記ヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを算出し、前記累積ヒストグラムを基にして、前記ガンマ補正手段からの出力画像信号における輝度信号レベルの入出力特性を補正直線に従って補正する特性補正手段と、
を有し、
前記特性補正手段は、前記補正直線上の高輝度領域における傾きのみを変化させて、前記高輝度領域のみで入力と出力のレベルを変換し、前記累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、前記補正直線上の前記高輝度領域の始点の入力レベルに設定することを特徴とする撮像装置。 - 前記特性補正手段では、前記補正直線上の前記高輝度領域の始点の入力レベルとして設定し得る最低値が規定されていることを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
- 前記特性補正手段は、前記累積ヒストグラムの値が１００％に達したときの輝度信号レベルと、輝度信号レベルがとり得る最高値との間の値を、前記補正直線上で傾きが変化した部分の終点の入力レベルに設定することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
- 前記特性補正手段によって前記補正直線上の前記高輝度領域の始点の入力レベルを決定するための前記累積ヒストグラムの値を、最大値の８０％以上としたことを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
- 前記特性補正手段によって補正された前記画像信号を、所定のデータフォーマットに変換して記録媒体に記録する画像記録手段をさらに有することを特徴とする請求項１記載の撮像装置。
- 画像を表示するための表示装置において、
ガンマ補正が施された画像信号の入力を受ける画像入力手段と、
入力された前記画像信号より輝度信号レベルを順次検出する輝度検出手段と、
前記輝度検出手段による検出値を基にして、画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出するヒストグラム算出手段と、
算出された前記ヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを算出し、前記累積ヒストグラムを基にして、入力された前記画像信号における輝度信号レベルの入出力特性を補正直線に従って補正する特性補正手段と、
前記特性補正手段からの出力画像信号に基づく画像を表示する画像表示手段と、
を有し、
前記特性補正手段は、前記補正直線上の高輝度領域における傾きのみを変化させて、前記高輝度領域のみで入力と出力のレベルを変換し、前記累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、前記補正直線上の前記高輝度領域の始点の入力レベルに設定することを特徴とする表示装置。 - 前記画像表示手段はＣＲＴ（ Cathode Ray Tube ）により構成されることを特徴とする請求項６記載の表示装置。
- 入力された画像信号を記録する画像記録装置において、
ガンマ補正が施された画像信号の入力を受ける画像入力手段と、
入力された前記画像信号より輝度信号レベルを順次検出する輝度検出手段と、
前記輝度検出手段による検出値を基にして、画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出するヒストグラム算出手段と、
算出された前記ヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを算出し、前記累積ヒストグラムを基にして、入力された前記画像信号における輝度信号レベルの入出力特性を補正直線に従って補正する特性補正手段と、
前記特性補正手段からの出力画像信号を記録媒体に記録する画像記録手段と、
を有し、
前記特性補正手段は、前記補正直線上の高輝度領域における傾きのみを変化させて、前記高輝度領域のみで入力と出力のレベルを変換し、前記累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、前記補正直線上の前記高輝度領域の始点の入力レベルに設定することを特徴とする画像記録装置。 - 画像信号に対して画質補正を行う画質補正方法において、
ガンマ補正が施された画像信号より輝度信号レベルを順次検出するステップと、
輝度信号レベルの検出値を基にして、撮像画面上における輝度信号レベルごとの分布を示すヒストグラムを算出するステップと、
算出された前記ヒストグラムの累積値を示す累積ヒストグラムを算出し、前記累積ヒストグラムを基にして、前記ガンマ補正が施された画像信号における輝度信号レベルの入出力特性を補正直線に従って補正するステップと、
を含み、
前記入出力特性を補正するステップでは、前記補正直線上の高輝度領域における傾きのみを変化させて、前記高輝度領域のみで入力と出力のレベルを変換し、前記累積ヒストグラムの値が所定の値に達したときの輝度信号レベルを、前記補正直線上の前記高輝度領域の始点の入力レベルに設定する、
ことを特徴とする画質補正方法。
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