JP4024284B1 - Imaging apparatus and imaging method - Google Patents
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Abstract
【課題】簡単な構成で、入力画像のダイナミックレンジを適切な改善を可能にする。
【解決手段】第1の撮像信号(Xa)に、補正利得(Gk)を乗算して画素毎に補正された第2の撮像信号(Xb)を出力する利得補正手段(2)と、第1の撮像信号(Xa)の平均値(APL)を所定の目標値に一致させるための第1の露出値(E1)を定め、さらにこの第1の露出値(E1)を、補正利得の最大値(Gmax)に基づく利得補正値(Kd)を用いて補正して第2の露出値(E2)を求め、この第2の露出値で露出を制御する露出制御手段(10)と、第1の撮像信号(Xa)の輝度成分に対してフィルタリングを行った結果と補正利得の最大値(Gmax)に基づいて画素ごとに補正利得(Gk)を決定する補正利得決定手段(15)とを備える。
【選択図】図1The dynamic range of an input image can be appropriately improved with a simple configuration.
Gain correction means (2) for multiplying a first imaging signal (Xa) by a correction gain (G k ) to output a second imaging signal (Xb) corrected for each pixel; A first exposure value (E1) for making the average value (APL) of one image pickup signal (Xa) coincide with a predetermined target value is determined, and the first exposure value (E1) is set to the maximum correction gain. A first exposure value (E2) obtained by correction using a gain correction value (Kd) based on the value (Gmax), and an exposure control means (10) for controlling the exposure with the second exposure value; Correction gain determining means (15) for determining the correction gain (G k ) for each pixel based on the result of filtering the luminance component of the imaging signal (Xa) and the maximum value (Gmax) of the correction gain. Prepare.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、入力画像のダイナミックレンジを適切に改善する撮像装置及び撮像方法に関するものである。 The present invention relates to an imaging apparatus and an imaging method that appropriately improve the dynamic range of an input image.
従来、画像の階調特性を改善する方法として、1画面の入力画像から同一輝度の画素の画素数を累積することによって得られる累積頻度(ヒストグラム)が、均等に分布するように階調変換を行う、ヒストグラムイコライゼーションが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, as a method for improving the gradation characteristics of an image, gradation conversion is performed so that the cumulative frequency (histogram) obtained by accumulating the number of pixels of the same luminance from an input image on one screen is evenly distributed. Histogram equalization is proposed (see, for example, Patent Document 1).
また、入力画像から空間的な輝度変化の加重平均を求め、求められた加重平均の対数変換値と、入力画像の対数変換値とから、改善された輝度信号を算出することで、画像のダイナミックレンジを改善させるRETINEXと呼ばれる方法が提案されている(例えば、非特許文献1及び特許文献2参照)。
Also, by calculating a weighted average of spatial luminance changes from the input image and calculating an improved luminance signal from the logarithmic conversion value of the calculated weighted average and the logarithmic conversion value of the input image, the dynamic image of the image is obtained. A method called RETINEX for improving the range has been proposed (see, for example, Non-Patent
しかしながら、前述のヒストグラムイコライゼーションでは、少なくとも1画面分の画像のヒストグラムデータを記録し、記録されたヒストグラムデータからヒストグラムの偏りを解析し、この解析結果をもとに階調特性を決める。このため、解析に使用した画像と解析結果を反映する画像との間には、1画面以上のタイミングずれが生じるので、入力画像のダイナミックレンジが適切に改善されない場合があった。例えば、動画像において、上記のような1画面以上のタイミングずれがある場合は、解析に使用した画像と解析結果を反映する画像との違いによって、解析結果を反映する画像に対して最適な階調特性を決めることができないという問題があった。 However, in the above-described histogram equalization, histogram data of an image for at least one screen is recorded, histogram bias is analyzed from the recorded histogram data, and gradation characteristics are determined based on the analysis result. For this reason, a timing shift of one screen or more occurs between the image used for the analysis and the image reflecting the analysis result, so that the dynamic range of the input image may not be improved appropriately. For example, when there is a timing shift of one or more screens as described above in a moving image, the optimal level for the image reflecting the analysis result is different depending on the difference between the image used for the analysis and the image reflecting the analysis result. There was a problem that the tonal characteristics could not be determined.
また、RETINEXを用いる方法では、加重平均を用いるための畳み込み積分及び加重平均と入力信号の対数計算などの計算処理が複雑であるので、ハードウェア(例えば、ASIC(特定用途向け集積回路)やFPGA(フィールド プログラマブル ゲート アレイ))や組込みマイコンによってRETINEXを実行する場合に、処理時間が長くなる、実装容量(ゲート規模、メモリ容量)が大きくなるという問題があった。 Further, in the method using RETINEX, calculation processing such as convolution integration for using weighted average and logarithm calculation of weighted average and input signal is complicated. Therefore, hardware (for example, ASIC (Application Specific Integrated Circuit) or FPGA) is used. (Field Programmable Gate Array)) or RETINEX is executed by an embedded microcomputer, there is a problem that processing time becomes long and mounting capacity (gate scale, memory capacity) becomes large.
そこで、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、簡単な構成で、入力画像のダイナミックレンジを適切に改善することができる撮像装置及び撮像方法を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide an imaging apparatus and an imaging method that can appropriately improve the dynamic range of an input image with a simple configuration. It is to provide.
本発明は、
被写体からの光を受けて、該光に応じた第1の撮像信号を出力する撮像信号生成手段と、
前記第1の撮像信号を画素毎に補正して、補正された第2の撮像信号を出力する利得補正手段と、
前記第1の撮像信号の平均値を所定の目標値に一致させるための前記撮像信号生成手段の第1の露出値を定め、さらにこの第1の露出値を、補正利得の最大値に基づいて補正して第2の露出値を求め、この第2の露出値で前記撮像信号生成手段の露出を制御する露出制御手段と、
前記第1の撮像信号の輝度成分の各画素の値とその周辺の画素の値に対してフィルタリングを行い、そのフィルタリング出力と前記補正利得の最大値とに基づいて画素ごとに補正利得を決定する補正利得決定手段とを備え、
前記利得補正手段は、前記補正利得決定手段で決定された補正利得と前記第1の撮像信号との乗算を含む演算により、前記補正を行う
ことを特徴とする撮像装置を提供する。
The present invention
Imaging signal generating means for receiving light from a subject and outputting a first imaging signal corresponding to the light;
Gain correcting means for correcting the first imaging signal for each pixel and outputting a corrected second imaging signal;
A first exposure value of the imaging signal generating means for making the average value of the first imaging signal coincide with a predetermined target value is determined, and the first exposure value is further determined based on the maximum value of the correction gain. An exposure control unit that corrects to obtain a second exposure value, and controls the exposure of the imaging signal generation unit by the second exposure value;
Filtering is performed on the value of each pixel of the luminance component of the first imaging signal and the value of the surrounding pixels, and a correction gain is determined for each pixel based on the filtering output and the maximum value of the correction gain. Correction gain determining means,
The gain correction unit provides the imaging apparatus, wherein the correction is performed by an operation including multiplication of the correction gain determined by the correction gain determination unit and the first imaging signal.
本発明によれば、撮像信号の輝度成分の各画素とその周辺の画素の値に対するフィルタリングを行い、そのフィルタリング出力に基づいて画素ごとに補正利得を求め、この補正利得を用いて撮像信号に対する画素毎の補正を行うので、撮像信号の階調特性を適切に改善することができる。 According to the present invention, filtering is performed on the value of each pixel of the luminance component of the imaging signal and the surrounding pixels, a correction gain is obtained for each pixel based on the filtering output, and the pixel for the imaging signal is obtained using this correction gain. Since the correction is performed every time, the gradation characteristics of the imaging signal can be improved appropriately.
また、本発明によれば、補正利得の最大値に応じて、露出値を補正し、補正された露出で露出を制御することで、撮像信号の明部の白つぶれや、コントラスト低下を抑えた上、暗部のコントラストを向上させることができ、これにより、暗部の視認性が図れる。 In addition, according to the present invention, the exposure value is corrected according to the maximum value of the correction gain, and the exposure is controlled with the corrected exposure, thereby suppressing whitening of the bright portion of the imaging signal and a decrease in contrast. In addition, the contrast of the dark part can be improved, and thereby the visibility of the dark part can be achieved.
また、本発明によれば、複雑な演算を行う必要が無く、計算や処理を簡素化することができるので、構成の簡素化、及びそれに伴うコスト低減を図ることができる。 Further, according to the present invention, since it is not necessary to perform complicated calculations and calculation and processing can be simplified, it is possible to simplify the configuration and reduce the costs associated therewith.
実施の形態1.
図1は、本発明の実施の形態1に係わる撮像装置(実施の形態1の係わる撮像方法を実施する装置)の構成を示すブロック図である。
図1に示されるように実施の形態1に係わる撮像装置は、撮像素子5と、アナログ信号処理手段6と、A/D変換手段7と、カメラ信号処理手段8と、タイミング生成手段9と、積算手段11と、露出補正手段10と、利得補正手段2と、輝度フィルタリング手段3と、補正利得算出手段4と、最大利得決定手段13とを有する。なお、カメラ信号処理手段8、積算手段11、露出補正手段10、利得補正手段2、輝度フィルタリング手段3、補正利得算出手段4、及び最大利得決定手段13は、電気回路などのハードウェア、プログラムにより動作するソフトウェア、又はハードウェアとソフトウェアの組み合わせのいずれで構成してもよい。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an imaging apparatus according to
As shown in FIG. 1, the imaging apparatus according to the first embodiment includes an
撮像素子5は例えば、被写体からの光信号を受光し、光電変換するフォトダイオードアレイと、垂直転送CCD及び水平転送CCDを含み、フォトダイオードアレイの信号を外部に取り出すための手段とを有するCCD(Charge Coupled Device)センサーである。
For example, the
撮像素子5は、一フレーム期間ごとにフォトダイオードアレイに蓄積した電荷を、タイミング生成手段9からの電荷読出しパルスを印加することで、垂直転送CCD及び水平転送CCDを介して外部に読み出すことができる。
The
また、タイミング生成手段9からの電荷掃き出しパルスにより、フォトダイオードアレイ内の蓄積電荷を撮像素子5の基板電位へ掃き出すことができる。この電荷掃き出しパルスの印加を止めてから、電荷読出しパルスで垂直転送CCDに蓄積電荷を読み出すまでの時間が電荷蓄積時間Sである。電荷蓄積時間Sの逆数がシャッタ速度に対応する。電荷蓄積時間Sは、露出制御手段10からの制御信号により制御される。
Further, the charge accumulated in the photodiode array can be swept out to the substrate potential of the
アナログ信号処理手段6は、撮像素子5の撮像信号を入力、CDS(相関二重サンプリング)処理を行い、利得Gによる増幅を行い、アナログ信号を出力する。増幅利得Gは、露出制御手段10からの制御信号により制御される。
The analog signal processing means 6 inputs an image signal from the
A/D変換手段7は、アナログ信号処理手段6からのアナログ信号を入力し、デジタル信号に変換して出力する。 The A / D conversion means 7 receives the analog signal from the analog signal processing means 6, converts it into a digital signal, and outputs it.
タイミング生成手段9は、撮像素子5の駆動タイミングパルスを生成する。駆動タイミングパルスは、例えば撮像素子5がCCDセンサーである場合には、水平CCDの電荷転送を行う水平転送パルス、垂直CCDの電荷転送を行う垂直転送パルス、蓄積された電荷をCCD基板電位へ掃き出し、電子シャッタ動作を行うための電荷掃き出しパルス、水平CCDの水平転送された電荷を画素ごとにリセットするリセットパルスなどのパルスである。
The
タイミング生成手段9はまた、アナログ信号処理手段6のサンプリングパルスと、A/D変換手段7のA/Dクロックをも生成する。
The
なお、撮像素子5は、CCDセンサーに限定されず、例えばCMOSセンサーであっても良い。CMOSセンサーなど画素電荷のリセットや、電荷を読み出す駆動方法が、異なるセンサーにおいても、露出制御ができるものであれば、使用可能である。
Note that the
また、上記の例では、センサが電子シャッタ機能を有するものとしているが、絞りによる光量調整やメカニカルシャッタによる露光時間調整が可能な撮像装置に対しても、本発明を適用することができる。 In the above example, the sensor has an electronic shutter function. However, the present invention can also be applied to an imaging apparatus capable of adjusting the light amount by the diaphragm and adjusting the exposure time by the mechanical shutter.
カメラ信号処理手段8は、A/D変換手段7のから出力されるデジタル信号を入力し、ホワイトバランス処理、補間処理によるRGB信号の生成、YCbCr変換、カラーマトリクス変換、階調変換等の処理を行って、撮像信号Xaを出力する。 The camera signal processing means 8 receives the digital signal output from the A / D conversion means 7 and performs processing such as white balance processing, generation of RGB signals by interpolation processing, YCbCr conversion, color matrix conversion, gradation conversion and the like. The imaging signal Xa is output.
撮像素子5と、アナログ信号処理手段6と、A/D変換手段7と、カメラ信号処理手段8とで、被写体からの光を受けて、該光に応じた撮像信号(第1の撮像信号)Xaを出力する撮像信号生成手段14が構成されている。
The
撮像信号Xaは、例えば、8ビット階調で、水平640×垂直480画素に2次元配列された赤(R)、緑(G)、青(B)の3色の撮像信号(以下「RGB信号」と言う。)である。撮像信号XaのR信号レベルをR(M,N)、撮像信号XaのG信号レベルをG(M,N)、撮像信号XaのB信号レベルをB(M,N)と表記する。ここで、Mは水平画素位置、Nは垂直画素位置を示す。 The imaging signal Xa is, for example, an imaging signal of three colors of red (R), green (G), and blue (B) that is two-dimensionally arranged in horizontal 640 × vertical 480 pixels with 8-bit gradation (hereinafter referred to as “RGB signal”). "" The R signal level of the imaging signal Xa is expressed as R (M, N), the G signal level of the imaging signal Xa is expressed as G (M, N), and the B signal level of the imaging signal Xa is expressed as B (M, N). Here, M represents a horizontal pixel position, and N represents a vertical pixel position.
撮像信号Xaは、RGB信号に限らず、YCbCr信号、L*a*b*信号、又はHSV(Hue、Saturation、Value)信号などであってもよい。撮像信号XaとしてYCbCr信号、L*a*b*信号、又はHSV信号を用いる場合には、各色空間の信号をRGB信号に色変換処理する色変換手段(図示せず)を輝度フィルタリング手段3の内部に(入力段に)備える。
また、撮像信号Xaの階調数は、上記8ビットに限定されず、静止画ファイルで用いられる10ビット又は12ビットなどの他の階調数であってもよい。さらに、撮像信号Xaの画素数は、上記値に限定されず、水平1024×垂直960画素などの他の画素数であってもよい。
The imaging signal Xa is not limited to an RGB signal, and may be a YCbCr signal, an L * a * b * signal, or an HSV (Hue, Saturation, Value) signal. When a YCbCr signal, an L * a * b * signal, or an HSV signal is used as the imaging signal Xa, a color conversion unit (not shown) that performs color conversion processing of each color space signal to an RGB signal is performed by the
Further, the number of gradations of the imaging signal Xa is not limited to the above 8 bits, and may be other gradations such as 10 bits or 12 bits used in the still image file. Further, the number of pixels of the imaging signal Xa is not limited to the above value, and may be other number of pixels such as horizontal 1024 × vertical 960 pixels.
積算手段11は、A/D変換手段7のデジタル信号出力をそれぞれ画面の一部をなす複数の測光窓の各々で、積算値Asを求める。例えば、各測光窓の大きさを、10画素×10画素とし、画面の有効画素領域内を分割する。10画素×10画素の測光窓サイズを用いると、有効画素数640×480では、64×48の測光窓数が得られる。なお、測光窓のサイズや数、さらにはそれらの位置は任意に定めることができる。
The integrating means 11 obtains an integrated value As for each of a plurality of photometric windows that form part of the screen of the digital signal output of the A /
露出制御手段10は、積算手段11の測光窓ごとの積算値Asを用いて、撮像装置の露出条件を求め、露出を制御する。
図1の構成においては、タイミング生成手段9による電荷蓄積時間(露光時間)Sの制御及びアナログ信号処理手段6における増幅利得Gの制御により、露出の制御を行っている。即ち、電荷蓄積時間Sと増幅利得Gの積に比例する「露出値」の制御を行う。
The exposure control means 10 uses the integrated value As for each photometric window of the integrating means 11 to determine the exposure condition of the imaging apparatus and controls the exposure.
In the configuration of FIG. 1, the exposure is controlled by controlling the charge accumulation time (exposure time) S by the timing generation means 9 and the amplification gain G in the analog signal processing means 6. That is, the “exposure value” that is proportional to the product of the charge accumulation time S and the amplification gain G is controlled.
図2は、露出制御手段10の一例を示す。図示の露出制御手段10は、第1の露出値生成手段16と、第2の露出値生成手段17とを有する。 FIG. 2 shows an example of the exposure control means 10. The illustrated exposure control means 10 includes a first exposure value generation means 16 and a second exposure value generation means 17.
第1の露出値生成手段16は、測光窓の積算値Asから、経験的に或いは統計的に得られたアルゴリズムに従い、有効な測光窓を選択し、選択した測光窓の積算値Asから得られるAPL(Average Picture Level)が所定の目標値(例えば最大値の50%)Tgtになるようにするための露出値(第1の露出値)E1を生成する。目標値Tgtは例えば、図示しない制御手段から供給される。
第2の露出値生成手段17は、補正利得の最大値Gmaxを入力し、第1の露出値E1を、後に図12、図13、図14、図18、及び図19を参照して説明するようにして、補正利得の最大値Gmaxに基づいて得られる露出補正値Kdを用いて補正した露出値(以下、「第2の露出値」)E2を生成する。
第1の露出値E1は例えば電荷蓄積時間Sと利得Gとを規定するものであり、
E1=Kf×S×G
(但し、Kfは定数)の関係を有し、第2の露出値E2も例えば電荷蓄積時間Sと利得Gとを規定するものであり、
E2=Kf×S×G
(但し、S,Gの値は、E1の場合とは異なる)
の関係を有する。
The first exposure value generating means 16 selects an effective photometric window from the photometric window integrated value As according to an empirically or statistically obtained algorithm, and is obtained from the selected photometric window integrated value As. An exposure value (first exposure value) E1 for generating an APL (Average Picture Level) at a predetermined target value (for example, 50% of the maximum value) Tgt is generated. The target value Tgt is supplied from control means (not shown), for example.
The second exposure value generation means 17 receives the maximum value Gmax of the correction gain, and the first exposure value E1 will be described later with reference to FIGS. 12, 13, 14, 18, and 19. In this way, an exposure value (hereinafter, “second exposure value”) E2 corrected using the exposure correction value Kd obtained based on the maximum value Gmax of the correction gain is generated.
The first exposure value E1 defines, for example, the charge accumulation time S and the gain G,
E1 = Kf × S × G
(Where Kf is a constant), and the second exposure value E2 also defines, for example, the charge accumulation time S and the gain G,
E2 = Kf × S × G
(However, the values of S and G are different from the case of E1.)
Have the relationship.
図3に、露光制御の制御特性の一例を示す両対数グラフである。横軸は、被写体の照度Lを示し、縦軸は、電荷蓄積時間Sの逆数1/S及び利得Gを示す。第1の所定の照度Lb以上の明るい環境下では、利得Gを一定の値(G=2)とし、照度の上昇とともに、電荷蓄積時間Sをより短く(シャッタ速度Sをより速く)している。一方、上記の第1の所定値Lb未満では、電荷蓄積時間Sを固定とし、利得Gを照度の低下とともに、増加させている。さらに、第2の所定値La(La<Lb)未満では、利得Gも最大値Xgで固定させている。さらに第3の所定値Lc以上でも、利得G及び電荷蓄積時間Sを固定している。図3の特性は、照度Lが第2の所定値La以上で第3の所定値Lc未満の範囲において、APLが所定値例えば最大値の50%になるようにするためのものである。 FIG. 3 is a log-log graph showing an example of the control characteristics of exposure control. The horizontal axis indicates the illuminance L of the subject, and the vertical axis indicates the reciprocal 1 / S of the charge accumulation time S and the gain G. Under a bright environment equal to or higher than the first predetermined illuminance Lb, the gain G is set to a constant value (G = 2), and the charge accumulation time S is shortened (shutter speed S is increased) as the illuminance increases. . On the other hand, below the first predetermined value Lb, the charge accumulation time S is fixed, and the gain G is increased as the illuminance decreases. Further, the gain G is also fixed at the maximum value Xg below the second predetermined value La (La <Lb). Further, the gain G and the charge accumulation time S are fixed even at the third predetermined value Lc or more. The characteristic shown in FIG. 3 is for APL to be a predetermined value, for example, 50% of the maximum value, in the range where the illuminance L is not less than the second predetermined value La and less than the third predetermined value Lc.
図3の制御特性を用いて電荷蓄積時間S及び利得Gを決定する場合、電荷蓄積時間S,利得Gをある値、例えば所定の初期値S0、G0に設定し、その時の積算値Asから、被写体の照度Lを、
L=Ka×As/(S0×G0)
(Kaは所定の定数)により、算出し、被写体の照度Lに基づき、図3の特性に用いて、電荷蓄積時間S及び利得Gを定めるこのようにして得られた電荷蓄積時間S及び利得Gと所定の定数Kfの積が第1の露出値E1に一致する。第1の露出値E1が決定された後に、補正係数Kdが与えられ、補正係数Kdにより第2の露出値E2が算出されると、電荷蓄積時間Sと、利得Gと、上記の定数Kfとの積が第2の露出値E2に一致するように、電荷蓄積時間S及び利得Gの一方または双方を変更する。例えば、図3において、電荷蓄積時間Sが固定された範囲(第1の所定値Lb未満の範囲)では、利得Gを変更し、利得Gが固定された範囲(第1の所定値Lb以上の範囲)では、電荷蓄積時間Sを変更する。なお、電荷蓄積時間S及び利得Gの双方が固定された範囲(第3の所定値Lc以上)では、電荷蓄積時間Sも利得Gも変更しない。
When determining the charge accumulation time S and the gain G using the control characteristics of FIG. 3, the charge accumulation time S and the gain G are set to certain values, for example, predetermined initial values S0 and G0, and from the integrated value As at that time, The illuminance L of the subject
L = Ka × As / (S0 × G0)
(Ka is a predetermined constant) calculated, and based on the illuminance L of the subject, the charge accumulation time S and gain G thus obtained are determined using the characteristics shown in FIG. And a predetermined constant Kf is equal to the first exposure value E1. After the first exposure value E1 is determined, the correction coefficient Kd is given, and when the second exposure value E2 is calculated by the correction coefficient Kd, the charge accumulation time S, the gain G, and the constant Kf described above One or both of the charge accumulation time S and the gain G is changed so that the product of the two coincides with the second exposure value E2. For example, in FIG. 3, in the range where the charge accumulation time S is fixed (the range less than the first predetermined value Lb), the gain G is changed, and the range where the gain G is fixed (the first predetermined value Lb or more). In the range), the charge accumulation time S is changed. In the range where both the charge accumulation time S and the gain G are fixed (greater than or equal to the third predetermined value Lc), neither the charge accumulation time S nor the gain G is changed.
なお、以上は、露出制御の一例を示しているのみで、その他の露出制御を用いても良い。例えば、上記の説明では、一つのフレームから得られる積算値Asに基づいて第1の露出値E1が定められるものとしているが、一つのフレーム(1番目のフレーム)から得られた第1の露出値E1に対応する電荷蓄積時間S及び利得Gで次のフレーム(2番目のフレーム)の撮像を行い、その2番目のフレームから得られた積算値に基づいて再度第1の露出値E1を求めると言った処理を繰り返すことで、第1の露出値E1をより適切なものに収束させた上で、第2の露出値E2を生成することとしても良い。
この場合、第1の露出値E1に対応する電荷蓄積時間S及び利得G(を示す制御信号)を第2の露出値E2に対応する電荷蓄積時間S及び利得G(を示す制御信号)の代わりに、撮像素子5及びアナログ信号処理手段6に供給するため切り替え手段を露出制御手段10内に設ければ良い。
Note that the above is only an example of exposure control, and other exposure control may be used. For example, in the above description, the first exposure value E1 is determined based on the integrated value As obtained from one frame, but the first exposure obtained from one frame (first frame). The next frame (second frame) is imaged with the charge accumulation time S and gain G corresponding to the value E1, and the first exposure value E1 is obtained again based on the integrated value obtained from the second frame. By repeating the process described above, the second exposure value E2 may be generated after the first exposure value E1 is converged to a more appropriate one.
In this case, the charge accumulation time S and the gain G (indicating control signal) corresponding to the first exposure value E1 are replaced with the charge accumulation time S and the gain G (indicating control signal) corresponding to the second exposure value E2. In addition, a switching unit may be provided in the
輝度フィルタリング手段3は、カメラ信号処理手段8から出力される撮像信号Xaの輝度成分(撮像信号Xaに含まれる輝度信号又は撮像信号Xaから生成される輝度信号)の各画素及びその周辺の画素の値に対してフィルタリングを行う。
補正利得算出手段4は、輝度フィルタリング手段3からのフィルタリング出力と、補正利得の最大値Gmaxとに基づいて画素ごとの補正利得Gkを算出する。
輝度フィルタリング手段3と補正利得算出手段4とで、撮像信号Xaの輝度成分の各画素及びその周辺の画素の値に対するフィルタリングを行い、そのフィルタリング出力と補正利得の最大値Gmaxとに基づいて画素ごとに補正利得Gkを決定する補正利得決定手段15が構成されている。
The
Correction gain calculating means 4, and filtering the output from the luminance filtering means 3 calculates a correction gain G k for each pixel on the basis of the maximum value Gmax of the correction gain.
The
図4は、輝度フィルタリング手段3の一例を示すブロック図である。図示の輝度フィルタリング手段3は、輝度検出手段31と、フィルタ手段32とを有し、カメラ信号処理手段8から出力される撮像信号Xaから、輝度信号Yを生成し、輝度信号の連続する複数の画素にわたるフィルタリング出力、例えば平均輝度信号Yavgを求めて出力する。
FIG. 4 is a block diagram showing an example of the luminance filtering means 3. The illustrated
輝度検出手段31は、撮像信号Xaから輝度信号成分を求めて出力する。ITU−R BT.709規定の場合、輝度信号Yは、RGB信号から、次式(1)で求めることができる。
Y=0.299×R(M,N)+0.587×G(M,N)+0.114×B(M,N)
…(1)
なお、RGB信号から輝度信号Yを求めるための変換式は、上記式(1)に限定されず、画像処理を行うシステムが採用する色空間の規格によって規定される。また、撮像信号Xaに輝度信号Yが含まれる場合は、輝度検出手段31は、輝度信号Yを求めるための計算を行わずに、撮像信号Xaの輝度信号Yをフィルタ手段32に出力する。
The luminance detection means 31 calculates and outputs a luminance signal component from the imaging signal Xa. ITU-R BT. In the case of 709, the luminance signal Y can be obtained from the RGB signal by the following equation (1).
Y = 0.299 × R (M, N) + 0.587 × G (M, N) + 0.114 × B (M, N)
... (1)
The conversion formula for obtaining the luminance signal Y from the RGB signal is not limited to the above formula (1), but is defined by the color space standard adopted by the system that performs image processing. If the luminance signal Y is included in the imaging signal Xa, the
フィルタ手段32は、1次元nタップの非巡回型デジタルフィルタであり、ディレイ手段33と、係数手段34と、加算手段35とを有する。ディレイ手段33は、撮像信号Xaの輝度信号を遅延させる遅延素子DL(−1)、遅延素子DL(−1)の出力を遅延させる遅延素子DL(0)、及び遅延素子DL(0)の出力を遅延させる遅延素子DL(1)を有する。係数手段34は、遅延素子DL(−1)の出力に係数ak(−1)を乗算する乗算器34a、遅延素子DL(0)の出力に係数ak(0)を乗算する乗算器34b、及び遅延素子DL(1)の出力に係数ak(1)を乗算する乗算器34cを有する。なお、タップ数nは、n=2×k+1(kは正の整数)を満たす。
また、遅延素子DL(−1)を設けず、輝度演算手段31の出力を直接遅延素子DL(0)及び乗算器34aに入力するようにしても良い。
The
Alternatively, the delay element DL (-1) may not be provided, and the output of the
フィルタ手段32は、輝度検出手段31から出力された輝度信号Yにフィルタ処理を施して、フィルタ処理後のフィルタ信号を出力する。図4は、タップ数nが3タップである場合を示す。なお、フィルタ手段32から出力されるフィルタ信号は、例えば、平均輝度Yavgであり、次式(2)で求めることができる。
式(2)において、Y(−1)、Y(0)、及びY(1)はそれぞれ、補正を行う画素の1画素後の画素の輝度信号、補正を行う画素の輝度信号、及び補正を行う画素の1画素前の画素の輝度信号を示す。ここで、係数ak(−1)=ak(0)=ak(1)=1とすると、式(2)の分母は、次式のようになり、式(2)は単純平均を求める演算を表すものとなる。
したがって、式(2)により、補正を行う画素と、補正を行う画素の周辺画素の平均輝度を求めることができる。なお、「補正を行う画素の周辺画素」とは、iを所定の整数としたときに、補正を行う画素のi画素前の画素から補正を行う画素の1画素前の画素まで、及び補正を行う画素の1画素後の画素から補正を行う画素のi画素後の画素までである。所定の整数iが1であるときには、「補正を行う画素の周辺画素」は、補正を行う画素の1画素前の画素、及び補正を行う画素の1画素後の画素である。 Therefore, the average luminance of the pixel to be corrected and the peripheral pixels of the pixel to be corrected can be obtained by Expression (2). Note that “peripheral pixels of a pixel to be corrected” refers to a pixel from a pixel before i pixel of a pixel to be corrected to a pixel one pixel before the pixel to be corrected when i is a predetermined integer. From the pixel one pixel after the pixel to be performed to the pixel after i pixel of the pixel to be corrected. When the predetermined integer i is 1, the “peripheral pixels of the pixel to be corrected” are a pixel one pixel before the pixel to be corrected and a pixel one pixel after the pixel to be corrected.
このように1次元の非巡回型デジタルフィルタの構成を用いることで、輝度検出手段31の輝度信号Yの1次元方向のフィルタ出力を求めることができる。求められたフィルタ出力は、輝度信号Yと補正を行う画素の周辺画素の平均値を求めるように構成することで、1次元方向の明るさの分布の変化を求めることができる。よって、明るさの分布の変化に対応した補正利得を検出することができ、明るさの分布の変化を考慮した、信号のコントラストを補正することができる。また、デジタル信号処理回路としては、一般的な構成であり、回路規模の簡素化が図れ、ゲート規模削減、コスト低下の効果がある。 Thus, by using the configuration of the one-dimensional acyclic digital filter, the filter output in the one-dimensional direction of the luminance signal Y of the luminance detecting means 31 can be obtained. The obtained filter output is configured to obtain the luminance signal Y and the average value of the peripheral pixels of the pixel to be corrected, whereby the change in the brightness distribution in the one-dimensional direction can be obtained. Therefore, a correction gain corresponding to a change in brightness distribution can be detected, and a signal contrast can be corrected in consideration of a change in brightness distribution. In addition, the digital signal processing circuit has a general configuration, which can simplify the circuit scale and reduce the gate scale and reduce the cost.
タップ数nは、3タップに限らず、任意のタップ数とすることができる。タップ数を増やすことで、カットオフ周波数の特性を細かく設定することができ、また、広い範囲に及ぶ緩やかな輝度変化を検出することができる。このように、タップ数nを切替えることで、入力画像内の異なる照明条件による輝度分布の変化に応じて最適なフィルタ手段32を構成することができる。 The number of taps n is not limited to 3 taps, and can be any number of taps. By increasing the number of taps, the characteristics of the cutoff frequency can be set finely, and a gradual change in luminance over a wide range can be detected. In this way, by switching the number of taps n, it is possible to configure the optimum filter means 32 according to changes in the luminance distribution due to different illumination conditions in the input image.
以上の説明においては、フィルタ手段32が1次元の非巡回型デジタルフィルタである場合を説明したが、フィルタ手段32は2次元の非巡回型デジタルフィルタであってもよい。2次元の非巡回型デジタルフィルタを用いることによって、入力画像の輝度の領域的な変化を検出することができる。
In the above description, the case where the
また、フィルタ手段32は、上記式(2)に基づく平均輝度Yavgを算出する処理を行う構成に限定されず、明るさの分布の変化を求めることができる構成であれば良く、加重平均を出力する構成、ローパスフィルタを用いた構成、又はバンドパスフィルタを用いた構成等のような他の構成とすることができる。
The
次に、補正利得算出手段4は、輝度フィルタリング手段3から出力された平均輝度信号Yavgに基づいて、補正利得Gkを算出して出力する。
例えば、次式(3)により補正利得Gkを求める。
For example, the correction gain Gk is obtained by the following equation (3).
式(3)において、Yavgは、フィルタ手段32から出力され補正利得算出手段4に入力される平均輝度を示し、Gmaxは、補正利得の最大値(最大利得)を示し、Ymaxは、フィルタ手段32の最大出力である最大輝度(撮像信号Xaが取り得る値の範囲内の最大値)を示す。
In Expression (3), Yavg represents the average luminance output from the
最大輝度Ymaxは、撮像信号のデジタル分解能(階調数)により一義的に決まる。例えば、8ビット階調の場合は、最大輝度Ymaxは255であり、10ビット階調の場合は、最大輝度Ymaxは1023である。 The maximum luminance Ymax is uniquely determined by the digital resolution (the number of gradations) of the imaging signal. For example, in the case of 8-bit gradation, the maximum luminance Ymax is 255, and in the case of 10-bit gradation, the maximum luminance Ymax is 1023.
式(3)で補正利得Gkを演算する場合、最大値Gmaxを画像の画質に応じて決めることができ、きめ細かい、最適な画質改善が行える。例えば、画面の照明光による輝度分布など、比較的広い領域の輝度変化(空間周波数が低い輝度変化)を用いて、照明光の輝度成分を補正し、コントラスト、視感特性の改善を図ることができる。 If for calculating a correction gain G k in equation (3), can be determined according to the maximum value Gmax the quality of the image, fine, enables optimal image quality improvement. For example, it is possible to correct the luminance component of the illumination light using a luminance change in a relatively wide area (luminance change with a low spatial frequency) such as a luminance distribution due to illumination light on the screen to improve contrast and visual characteristics. it can.
例えば、利得補正手段2から出力される補正された撮像信号Xbを最大補正利得算出手段13で画像解析し、撮影画面中、暗い信号量が領域的分布を検出することで、最大補正利得Gmaxを算出乃至決定することができる。例えば、撮像画面中の暗い画素(例えば、Ymaxの10%以下の輝度信号の画素)が連続する領域の面積と、全画面に対する面積の割合を算出し、規定値(例えば、5%)以上存在した場合は、(予め定めた値の代わりに用いるべき)Gmaxを求める。Gmaxは、例えば
Gmax=Ytg/Ydk
により求めることができる。上記の式で、Ytgは、規定の信号レベルであり、例えばYmaxの50%の値に設定される。また、Ydkは、暗部、即ち輝度信号がYmaxの10%以下の領域の平均輝度である。
撮像画面中の暗い画素(例えば、Ymaxの10%以下の輝度信号の画素)が連続する領域の面積が、全画面に対して上記の規定値(例えば、5%)未満しか存在しない場合には、上記の式による演算を行わず、予め定めた値のGmaxを用いる。
For example, the corrected image pickup signal Xb output from the
It can ask for. In the above formula, Ytg is a prescribed signal level, and is set to a value of 50% of Ymax, for example. Ydk is an average luminance in a dark portion, that is, a region where the luminance signal is 10% or less of Ymax.
When the area of a region where dark pixels (for example, pixels having a luminance signal of 10% or less of Ymax) continue in the imaging screen is less than the specified value (for example, 5%) for the entire screen, The Gmax of a predetermined value is used without performing the calculation according to the above formula.
なお、ここで、用いた数値(上記の暗い領域を定義する「10%」、規定値を表す「5%」、規定の信号レベルTgである「50%」)は、実験的、経験的、統計的に導出した数値であり、表示装置の特性、画像処理回路などの構成に応じて、変更することができる。 The numerical values used here (“10%” defining the dark region, “5%” representing the specified value, “50%” being the specified signal level Tg) are experimental, empirical, It is a numerical value derived statistically and can be changed according to the characteristics of the display device, the configuration of the image processing circuit, and the like.
また、Gmaxを上記のように演算により定める代りに、撮像装置の後段に設けられ、撮像結果を表示手段で表示し、表示された画像を確認し、感覚的判断によりGmaxを定めることもできる。 Instead of determining Gmax by calculation as described above, Gmax may be provided at the subsequent stage of the imaging apparatus, displaying the imaging result on the display means, confirming the displayed image, and determining Gmax by sensory judgment.
さらに、補正された撮像信号Xbに基づいて、輝度分布のヒストグラム解析、画像の領域的な輝度分布解析、空や、人物の肌などの色情報解析、形状等のパターン解析等高度な情報解析を行うことで、さらに高精度なGmaxの決定を行っても良い。 Furthermore, based on the corrected imaging signal Xb, advanced information analysis such as histogram analysis of luminance distribution, regional luminance distribution analysis of images, color information analysis of sky and human skin, pattern analysis of shape, etc. By performing this, it is possible to determine Gmax with higher accuracy.
最大利得Gmaxとしては、前述のように撮像装置内で画像解析を行うことで、撮像装置により算出し、撮像装置内に保持されたものを用いることもできるが、撮像装置を含む、上位のシステムから、最大利得Gmaxを制御するインターフェースを構成し、上位のシステムからGmaxを切替えることとしても良い。 As the maximum gain Gmax, it is possible to use the one calculated by the image pickup device by performing image analysis in the image pickup device as described above and held in the image pickup device. Therefore, an interface for controlling the maximum gain Gmax may be configured, and Gmax may be switched from a higher system.
上記した「上位のシステム」の一例として、撮像信号Xbに基づいて、撮像装置の画像を解析する画像解析装置、撮像装置の画像から、物・人等の特徴点を抽出・検出する特徴点検出装置などがある。この場合例えば、画像解析装置では、風景などの撮像画像から、窓から臨む野外の風景や、空などの明部の信号と、室内風景や、山の影などの暗部の信号などを解析し、撮像画像の画質が向上するようGmaxを設定する。 As an example of the above-mentioned “higher system”, an image analysis device that analyzes an image of the imaging device based on the imaging signal Xb, and a feature point detection that extracts and detects a feature point of an object or a person from the image of the imaging device There are devices. In this case, for example, the image analysis device analyzes the outdoor scenery facing the window, the bright part signal such as the sky, the indoor scenery, the dark part signal such as the shadow of the mountain, etc. Gmax is set so that the image quality of the captured image is improved.
また、特徴点検出装置などでは、被写体の特徴点が最適に検出できるようにGmaxを設定する。 Further, in a feature point detection device or the like, Gmax is set so that the feature point of the subject can be detected optimally.
このように上位のシステムを用いることで、精度が高く、上位システムに最適な画質改善を行うシステムを構成することができる。 By using the host system in this way, it is possible to configure a system with high accuracy and optimal image quality improvement for the host system.
図6は、補正利得算出手段4から出力される補正利得Gkを示すグラフであり、図7は、補正利得算出手段4から出力される補正利得Gkを示す表である。図6において、横軸は、最大輝度で規格化された平均輝度Yavg/Ymaxを示し、縦軸は、補正利得Gkを示す。 Figure 6 is a graph showing a correction gain G k output from the correction gain calculation means 4, FIG. 7 is a table showing a correction gain G k output from the correction gain calculation means 4. 6, the horizontal axis represents the average brightness YAVG / Ymax standardized by the maximum brightness, the vertical axis represents the correction gain G k.
図6及び図7に示されるように、最大利得Gmaxが1より大きい場合には、最大輝度で規格化された平均輝度Yavg/Ymaxが増加するにつれて(すなわち、平均輝度Yavgが増加するにつれて)、補正利得Gkは最大利得Gmaxから減少し、平均輝度Yavgが最大輝度Ymaxに等しくなると(すなわち、Yavg/Ymax=1になると)、補正利得Gkは1倍になる。また、最大利得Gmaxが1である場合には、補正利得Gkは1倍になる。 As shown in FIGS. 6 and 7, when the maximum gain Gmax is larger than 1, as the average luminance Yavg / Ymax normalized by the maximum luminance increases (that is, as the average luminance Yavg increases), correction gain G k decreases from a maximum gain Gmax, the average luminance YAVG is equal to the maximum luminance Ymax (i.e., at the YAVG / Ymax = 1), the correction gain G k becomes 1 times. When the maximum gain Gmax is 1, the correction gain Gk is 1 time.
なお、補正利得算出手段4として、式(3)による演算を実行して補正利得Gkを得る構成を説明したが、予め平均輝度Yavgに対応する補正利得Gkをルックアップテーブル(LUT)として保持しておくこともできる。このようなLUTを用いた場合には、割り算処理を行う必要が無くなるので、補正利得算出手段4における計算処理の簡素化を図ることができる。 Incidentally, the correction gain calculation means 4 has described an arrangement for obtaining a correction gain G k by performing the operation according to equation (3), the correction gain G k corresponding to advance the average luminance Yavg as a look-up table (LUT) You can keep it. When such an LUT is used, it is not necessary to perform division processing, so that the calculation processing in the correction gain calculation means 4 can be simplified.
図5にLUTを用いた場合のブロック図を示す。それぞれGmaxの異なる値に対応した複数個のLUT41a、41b、41cと、複数個のLUT41a、41b、41cのうち、Gmaxに適したLUTを選択する選択手段42と、選択手段42により選択されたLUTの内容が書き込まれ、該書き込まれたLUTの内容を保持するLUT43を搭載している。LUT43は、入力される平均輝度Yavgに応じて、補正利得Gkを出力する。
FIG. 5 shows a block diagram when the LUT is used. A plurality of
このように、図5の補正利得算出手段4では、LUT41a、41b、41cは、Gmaxの異なる値ごとに平均輝度Yavgに対する補正利得Gkを保持した構成をしている。また、LUT43は、平均輝度Yavgを入力し、対応する補正利得Gkを出力する構成をしている。
Thus, the correction gain calculation means 4 of FIG. 5, LUT41a, 41b, 41c has a configuration that holds the correction gain G k with respect to the average luminance Yavg for different values of Gmax. Further,
補正利得算出手段4をLUTで構成することで、乗算手段、除算手段が不要になり、ゲート規模の削減、処理時間の短縮等の効果がある。 By configuring the correction gain calculation means 4 with an LUT, the multiplication means and the division means become unnecessary, and there are effects such as a reduction in gate scale and a reduction in processing time.
図1の利得補正手段2の一例を図8に示す。図8に示される利得補正手段2は、乗算手段21から成り、補正利得算出手段4から出力された補正利得Gkが入力され、カメラ信号処理手段8からの撮像信号Xaに補正利得Gkを乗算して、撮像信号Xbを出力する。すなわち、下記の式により、撮像信号Xbを求める。
Xb=Gk×Xa
An example of the gain correction means 2 of FIG. 1 is shown in FIG. Gain correcting means 2 shown in FIG. 8 is made from the multiplication means 21 is supplied with the correction gain G k output from the correction gain calculation means 4, the correction gain G k in the imaging signal Xa from the camera
Xb = G k × Xa
補正利得Gkは、撮像信号Xbが撮像信号Xaの単調増加関数になるように設定してあり、隣接画素間で信号値の大小関係が反転することなく、階調反転が発生せず、画質の劣化を防いでいる。 Correction gain G k, the imaging signal Xb is Yes set to be a monotonically increasing function of the image signals Xa, without magnitude relationship between the signal value is inverted between adjacent pixels, the gradation reversal does not occur, the image quality Is preventing deterioration.
図9は、実施の形態1において用いる補正利得を、最大輝度で規格化した平均輝度に乗算した値を示すグラフである。図9において、横軸は、最大輝度で規格化された平均輝度Yavg/Ymaxを示し、縦軸は、最大輝度で規格化された平均輝度Yavg/Ymaxに補正利得Gkを乗算した値Gk×Yavg/Ymaxを示す。 FIG. 9 is a graph showing a value obtained by multiplying the correction gain used in the first embodiment by the average luminance normalized by the maximum luminance. In FIG. 9, the horizontal axis indicates the average luminance Yavg / Ymax normalized by the maximum luminance, and the vertical axis indicates the value G k obtained by multiplying the average luminance Yavg / Ymax normalized by the maximum luminance by the correction gain G k. X Indicates Yavg / Ymax.
ここで、補正利得Gkは、補正輝度Gk×Yavg/Ymaxが単調増加関数になるように求めた値である。図9には、最大利得Gmaxが1倍、3倍、5倍の場合の補正輝度Gk×Yavg/Ymaxを示している。補正輝度は、Gk×Yavg/Ymax以外の計算に基づく補正輝度を用いてもよい。図9から分かるように、最大利得Gmaxが1倍の場合は、撮像信号Xaがそのまま出力される。図9から分かるように、最大利得Gmaxが大きくなるにつれて、低輝度側の傾きが大きく、高輝度側の傾きが小さくなる。低輝度側の傾きを大きくすることで、黒つぶれしやすい低域の信号成分を増幅して出力することができ、低輝度部のコントラストが改善できる。また、高輝度側の傾きを低輝度側に比べて1.0倍程度に小さくすることで、高輝度側の輝度信号やコントラストの信号が維持される。これにより、高輝度側が白つぶれする問題を防ぐことができ、高輝度や低輝度の信号においてもコントラスの高い信号を取り出せ、視認性の向上が図れる。 Here, the correction gain G k is a value obtained so that the correction luminance G k × Yavg / Ymax is a monotonically increasing function. FIG. 9 shows the corrected luminance G k × Yavg / Ymax when the maximum gain Gmax is 1, 3 or 5 times. As the correction luminance, a correction luminance based on a calculation other than G k × Yavg / Ymax may be used. As can be seen from FIG. 9, when the maximum gain Gmax is 1, the imaging signal Xa is output as it is. As can be seen from FIG. 9, as the maximum gain Gmax increases, the slope on the low brightness side increases and the slope on the high brightness side decreases. By increasing the inclination on the low luminance side, it is possible to amplify and output a low-frequency signal component that tends to be blacked out, and to improve the contrast of the low luminance portion. Further, the luminance signal and contrast signal on the high luminance side are maintained by reducing the inclination on the high luminance side to about 1.0 times that on the low luminance side. Accordingly, it is possible to prevent the problem that the high luminance side is crushed white, and it is possible to extract a high contrast signal even in a high luminance or low luminance signal, thereby improving visibility.
以下に、図10と図11を用いて、処理手順を説明する。図10は、撮像装置の全体的な処理手順を示す。図11は、図10の利得補正処理(ST5)の詳細を示す。 Hereinafter, the processing procedure will be described with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 shows an overall processing procedure of the imaging apparatus. FIG. 11 shows details of the gain correction process (ST5) of FIG.
図10に示されるように、実施の形態1の撮像装置は、Gmax判定処理(ST1)、Gmax変更処理(ST2)、露出処理(ST3)、撮像処理(ST4)、利得補正処理(ST5)、終了判定処理(ST6)を行う。
ステップST1では、Gmaxを変更する必要があるか判定する。電源投入時は、変更の必要がないものとして、所定の初期値を出力する。電源投入後、Gmaxの変更要求が発生した場合、Gmaxを変更する。Gmaxの変更要求としては、画像解析結果による、Gmax変更要求や、上位システムからのGmax変更要求などがある。
As shown in FIG. 10, the imaging apparatus according to the first embodiment includes a Gmax determination process (ST1), a Gmax change process (ST2), an exposure process (ST3), an imaging process (ST4), a gain correction process (ST5), An end determination process (ST6) is performed.
In step ST1, it is determined whether it is necessary to change Gmax. When the power is turned on, a predetermined initial value is output on the assumption that no change is required. If a request for changing Gmax occurs after power-on, Gmax is changed. The Gmax change request includes a Gmax change request based on an image analysis result, a Gmax change request from a host system, and the like.
ステップST1において、Gmax変更が必要と判断された場合は、ステップST2のGmax変更処理を行う。Gmax変更処理は、初期値、又は現在保持されているGmax値を、新しいGmax値に置き換える。ステップST1にて、Gmax変更要求が無い場合は、ステップST2の処理を行わずにステップST3に進む。 If it is determined in step ST1 that the Gmax needs to be changed, the Gmax changing process in step ST2 is performed. The Gmax changing process replaces the initial value or the currently held Gmax value with a new Gmax value. If there is no Gmax change request in step ST1, the process proceeds to step ST3 without performing the process of step ST2.
なお、図10に示す例では、Gmax判定処理(ST1)及びGmax変更処理(ST2)を含むが、スチル撮影や、Gmaxが初期値のままで良い場合などは、これらの処理(ステップST1,ST2の処理)を行わない構成でも良い。 Note that the example shown in FIG. 10 includes the Gmax determination process (ST1) and the Gmax change process (ST2). However, these processes (steps ST1 and ST2) may be performed when still shooting or when Gmax may remain at the initial value. It is also possible to adopt a configuration that does not perform the above process.
ステップST3の露出処理においては、撮像画像から被写体の露出状態を検出し、第1の露出値E1を求め、さらに、Gmaxと、第1の露出値E1から第2の露出値E2を求める。
さらに、第1の露出値E1、又は第2の露出値E2をもとに、撮像素子5の電荷蓄積時間S及び利得Gの調整を行う。
In the exposure process of step ST3, the exposure state of the subject is detected from the captured image, the first exposure value E1 is obtained, and further, the second exposure value E2 is obtained from Gmax and the first exposure value E1.
Further, the charge accumulation time S and the gain G of the
ここで、第1の露出値E1と第2の露出値E2の切替えは、撮像装置内の図示しない制御手段或いは外部システムにあるシステムを制御する制御手段によって制御する。制御手段は例えばマイコンで構成される。
一例として、静止画撮影などにおいて、最適な露出補正を設定する場合には、第1の露出値E1で設定し、補正利得の最大値Gmaxの変更処理(ST2)や後述の利得補正処理(ST5)を実施せずに撮影を行い、得られた撮像結果より、補正利得の最大値Gmaxと露出補正値Kdを求め、これらを用いて第2の露出値E2を求め、後のフレームにおける撮像に反映することとしても良い。
Here, switching between the first exposure value E1 and the second exposure value E2 is controlled by a control means (not shown) in the imaging apparatus or a control means for controlling a system in an external system. The control means is constituted by a microcomputer, for example.
As an example, when setting optimal exposure correction in still image shooting or the like, the first exposure value E1 is set, and a correction gain maximum value Gmax changing process (ST2) or a gain correction process (ST5 described later) is performed. ), The maximum value Gmax of the correction gain and the exposure correction value Kd are obtained from the obtained imaging result, and the second exposure value E2 is obtained by using these values to obtain an image in a subsequent frame. It may be reflected.
ステップST4の撮像処理では、露出処理(ST3)で得た、露出値(第1の露出値E1又は第2の露出値E2)に基づいて、露出制御を行い、撮像を行い、撮像信号を出力する。 In the imaging process of step ST4, exposure control is performed based on the exposure value (first exposure value E1 or second exposure value E2) obtained in the exposure process (ST3), imaging is performed, and an imaging signal is output. To do.
利得補正処理(ST5)では、撮像処理(ST4)で得た撮像信号の補正利得Gkを画素毎に求め、補正利得Gkを撮像信号Xa(各画素の信号)に乗算して補正された撮像信号Xbを求める処理を行う。
ステップST6の終了判定処理では、撮像を終了するか否かの判定を行い、継続する場合は、ステップST1に戻る。
The gain correction process (ST5), obtains the correction gain G k of the image signal obtained by imaging processing (ST4) for each pixel, which is corrected by multiplying a correction gain G k in the imaging signal Xa (signal of each pixel) Processing for obtaining the imaging signal Xb is performed.
In the end determination process in step ST6, it is determined whether or not the imaging is to be ended.
図10の利得補正処理(ST5)の詳細の一例が図11に示されている。図11に示されるステップのうち、ステップST10、ステップST14、ステップST15、ステップST16、及びステップST17は、1フレーム分の処理を時系列で行うための処理であり、ステップST10、ST14、ST15の「i」は、処理対象画素の各ライン中の番号、ステップST10、ST16、ST17の「j」は、処理対象画素が属するラインの番号を示している。ステップST15のXPixelは、1ライン中の画素数、ステップST17のYLineは、画面中のライン数を表す。
なお、画像データをメモリに蓄積した場合などは、これらの処理を時系列で行う必要はなく、ステップST11から、ステップST13までの処理のみでよい。
An example of the details of the gain correction process (ST5) of FIG. 10 is shown in FIG. Of the steps shown in FIG. 11, step ST10, step ST14, step ST15, step ST16, and step ST17 are processes for performing processing for one frame in time series, and “steps ST10, ST14, ST15” “i” indicates the number in each line of the pixel to be processed, and “j” in steps ST10, ST16, and ST17 indicates the number of the line to which the pixel to be processed belongs. XPixel in step ST15 represents the number of pixels in one line, and YLine in step ST17 represents the number of lines in the screen.
When image data is stored in the memory, these processes need not be performed in time series, and only the processes from step ST11 to step ST13 are sufficient.
ステップST10では、画素番号i及びライン番号jを初期値(0)に設定する。
輝度フィルタリングステップST11は、輝度フィルタリング手段3と同一の処理を行うステップであり、画素と周辺画素の、平均輝度Yavgを求める。
In step ST10, the pixel number i and the line number j are set to initial values (0).
The luminance filtering step ST11 is a step for performing the same processing as the luminance filtering means 3, and obtains the average luminance Yavg of the pixel and the surrounding pixels.
補正利得算出ステップST12は、補正利得算出手段4と同一の処理を行うステップであり、輝度フィルタリング処理ステップST11で求められた平均輝度Yavgをもとに補正利得Gkを求める。 Correction gain calculating step ST12 is a step of performing the same processing as correction gain calculation means 4 calculates a correction gain G k based on the average luminance Yavg determined by the luminance filtering step ST11.
利得補正演算ステップST13は、補正利得算出ステップST12で求めた補正利得Gkと、撮像信号(各画素のデータ)Xaを乗算して、補正された撮像信号(各画素のデータ)Xbを求める。 Gain correction calculation step ST13, the correction gain G k determined by the correction gain calculating step ST12, by multiplying the Xa (data for each pixel) image signal, (data of each pixel) corrected image signal seeking Xb.
ステップST14では、画素番号iを1だけ増加させる。ステップST15で、iがXPiexlより小さければ、ステップST11に戻る。ステップST15で、iがXPiexlより小さくなければ、ステップST16に進む。
ステップST16では、ライン番号jを1だけ増加させる。ステップST17で、jがYLineより小さければ、ステップST11に戻る。ステップST17で、jがYLineより小さくなければ、処理を終了する。
In step ST14, the pixel number i is incremented by one. If i is smaller than XPixl in step ST15, the process returns to step ST11. If i is not smaller than XPixl in step ST15, the process proceeds to step ST16.
In step ST16, the line number j is incremented by one. If j is smaller than YLine in step ST17, the process returns to step ST11. If j is not smaller than YLine in step ST17, the process is terminated.
図12は、第2の露出値E2を求める際に用いられる露出補正値KdのGmaxに対する関係の一例を示している。
図示の例では、Gmaxが所定の閾値Gta(図示の例ではGta=2)未満ではKd=0、閾値Gta(=2)以上ではKd=Kd1(所定の正の実数)である。
第2の露出値E2は、第1の露出値E1と露出補正値Kdとから下記の式(4)により求められる。
E2=Ke×E1×(1/2)^Kd …(4)
(なお、上記の式において、Keは、補正係数であり、正の実数ある。「^」はそれに続く符号「Kd」がべき指数を表すものであることを意味する。以下、同様である。)
上記の式で求められる第2の露出値E2は、Kdが大きいほど、より小さな値となる。
FIG. 12 shows an example of the relationship between the exposure correction value Kd used for obtaining the second exposure value E2 and Gmax.
In the illustrated example, Kd = 0 when Gmax is less than a predetermined threshold Gta (Gta = 2 in the illustrated example), and Kd = Kd1 (predetermined positive real number) when Gmax is equal to or greater than the threshold Gta (= 2).
The second exposure value E2 is obtained by the following equation (4) from the first exposure value E1 and the exposure correction value Kd.
E2 = Ke * E1 * (1/2) ^ Kd (4)
(In the above equation, Ke is a correction coefficient and is a positive real number. “^” Means that the sign “Kd” that follows it represents a power exponent. The same applies hereinafter. )
The second exposure value E2 obtained by the above formula becomes a smaller value as Kd is larger.
ここで、補正係数Keは、通常1でよいが、撮像装置の構成により、実験的に得られた定数を用いる。また、撮像状態の画像解析を行い、画像の輝度レベルの状態で、補正係数Keの値を切替えてもよい。 Here, the correction coefficient Ke is usually 1, but a constant obtained experimentally is used depending on the configuration of the imaging apparatus. Alternatively, image analysis of the imaging state may be performed, and the value of the correction coefficient Ke may be switched in the state of the luminance level of the image.
図12では、上記のように、最大利得Gmaxが所定の閾値Gta(=2)以上のときは、Kd=Kd1であり、Gmaxが閾値Gta(=2)より小さい場合は、Kd=0としている。
Kd=0とすることで、第1の露出値と第2の露出値は、比例関数となる。
Kd=2以上の場合は、
E2=Ke×E1×(1/2)^Kd1
で求められる第2の露出値E2が用いられる。これにより、露出が絞られ、露出状態が暗くなる。
ここで、露出補正値Kdを切り換える閾値Gtaを「2」に設定しているが、「1」以上の数であれば良く、Gmaxが閾値Gta未満の場合には、Kd=0となるように設定すれば良い。また、Gmaxが閾値Gta以上の場合には、Kdが正の実数に設定されることで、露出を絞る方向に制御する。このようにGmaxに応じて、露出補正値Kdを制御することで、明部の白つぶれや、明部のコントラスト低下を改善したうえで、暗部の視認性を向上することが出来る。
In FIG. 12, as described above, when the maximum gain Gmax is equal to or greater than the predetermined threshold Gta (= 2), Kd = Kd1, and when Gmax is smaller than the threshold Gta (= 2), Kd = 0. .
By setting Kd = 0, the first exposure value and the second exposure value are proportional functions.
When Kd = 2 or more,
E2 = Ke * E1 * (1/2) ^ Kd1
Is used as the second exposure value E2. As a result, the exposure is reduced and the exposure state becomes dark.
Here, the threshold value Gta for switching the exposure correction value Kd is set to “2”, but it may be a number equal to or greater than “1”. When Gmax is less than the threshold value Gta, Kd = 0. Set it. When Gmax is greater than or equal to the threshold Gta, the exposure is controlled in the direction of narrowing by setting Kd to a positive real number. In this way, by controlling the exposure correction value Kd according to Gmax, it is possible to improve the darkness visibility while improving the whitening of the bright part and the contrast reduction of the bright part.
図12に示される関係により露出補正値Kdを求める代りに、図13又は図14に示される関係により露出補正値Kdを求めることとしても良い。
図13に示される例では、Gmaxが閾値Gta以上の範囲において、Gmaxの増加に伴い、露出補正値Kdが段階的に増加する。
図14に示される例では、Gmaxが閾値Gta以上の範囲において、Gmaxの増加に伴い、露出補正値Kdが連続的に増加する。
Instead of obtaining the exposure correction value Kd from the relationship shown in FIG. 12, the exposure correction value Kd may be obtained from the relationship shown in FIG. 13 or FIG.
In the example shown in FIG. 13, the exposure correction value Kd increases stepwise as Gmax increases in a range where Gmax is equal to or greater than the threshold value Gta.
In the example shown in FIG. 14, the exposure correction value Kd continuously increases as Gmax increases in a range where Gmax is equal to or greater than the threshold value Gta.
さらに、図12に示される関係、図13に示される関係、及び図14に示される関係など、互いに異なる関係を動的に切り替えて使用する構成を採用することもできる。図13、図14に示されるように露出補正値が変化する構成を採用したり、図12、図13、図14のように互いに異なる関係を動的に切り替え可能な構成を採用することで、撮像画像に最適な露出補正値Kdを決定することができ、補正後の画像の品位を向上させることができ、視認性も向上させることができる。 Furthermore, a configuration in which different relationships such as the relationship shown in FIG. 12, the relationship shown in FIG. 13, and the relationship shown in FIG. By adopting a configuration in which the exposure correction value changes as shown in FIGS. 13 and 14, or adopting a configuration in which different relationships can be dynamically switched as in FIGS. 12, 13, and 14, The optimum exposure correction value Kd for the captured image can be determined, the quality of the corrected image can be improved, and the visibility can also be improved.
図12に示されるGmaxとKdの関係においては、Gta以上の範囲におけるKdの値をKd1に固定しているが、撮像信号Xaの信号レベルのヒストグラムに基づき、Kdの値を変えるようにしても良い。 In the relationship between Gmax and Kd shown in FIG. 12, the value of Kd in the range equal to or greater than Gta is fixed to Kd1, but the value of Kd may be changed based on the histogram of the signal level of the imaging signal Xa. good.
この場合に用いられる露出制御手段10を図15に示す。図示の露出制御手段10は、図2の露出制御手段10と概して同じであるが、ヒストグラム生成解析手段19を備える。ヒストグラム生成解析手段19は、撮像信号Xaを受けてヒストグラムを生成して解析し、解析結果Haを出力する。第2の露出値生成手段17は、第1の露出値E1と、補正利得の最大値Gmaxと、ヒストグラム生成解析手段19におけるヒストグラムの解析結果Haとに基づいて第2の露出値E2を生成する。 The exposure control means 10 used in this case is shown in FIG. The illustrated exposure control means 10 is generally the same as the exposure control means 10 of FIG. 2, but includes a histogram generation analysis means 19. The histogram generation / analysis means 19 receives the imaging signal Xa, generates and analyzes a histogram, and outputs an analysis result Ha. The second exposure value generation means 17 generates the second exposure value E2 based on the first exposure value E1, the maximum correction gain value Gmax, and the histogram analysis result Ha in the histogram generation analysis means 19. .
図16及び図17は、ヒストグラムの互いに異なる二つの例を示す。図16に示される例では、撮像信号Xaが中心付近に多く分布している。この場合には、露出補正値Kdを低めに設定し、例えば、式(4)で与えられる第2の露出値E2がより大きな値となるようにする。露出補正値Kdを低めに設定する例が図18に示されている。図示の例では、図12に示されるのと同じKd1(破線で示す)に対して、より低いKd4(実線)が用いられる。このように、露出補正値Kdをより小さくすることにより、より高い露出値を用いることで、高輝度の信号が多少圧縮されるが、情報量の多い中間調と、暗部の輝度補正を行うことができる。 16 and 17 show two different examples of histograms. In the example shown in FIG. 16, the image pickup signal Xa is distributed in the vicinity of the center. In this case, the exposure correction value Kd is set to a low value so that, for example, the second exposure value E2 given by Expression (4) becomes a larger value. An example in which the exposure correction value Kd is set low is shown in FIG. In the illustrated example, a lower Kd4 (solid line) is used for the same Kd1 (shown by a broken line) as shown in FIG. Thus, by using a higher exposure value by reducing the exposure correction value Kd, the high-intensity signal is somewhat compressed, but the halftone with a large amount of information and the luminance correction of the dark part are performed. Can do.
図17に示されるように、高輝度信号が多い場合には、露出補正値Kdを高めに設定し、例えば、式(4)で与えられる第2の露出値E2がより小さな値となるようにする。露出補正値Kdを高めに設定する例が図19に示されている。図示の例では、図12に示されるのと同じKd1(破線で示す)に対して、より高いKd5(実線)が用いられる。このように、露出補正値Kdをより大きくすることにより、より低い露出値を用いることで、高輝度部の圧縮による高輝度部の情報量低下を回避することができる。 As shown in FIG. 17, when there are many high-luminance signals, the exposure correction value Kd is set higher, for example, so that the second exposure value E2 given by the equation (4) becomes a smaller value. To do. An example in which the exposure correction value Kd is set higher is shown in FIG. In the illustrated example, a higher Kd5 (solid line) is used for the same Kd1 (shown by a broken line) as shown in FIG. Thus, by using a lower exposure value by increasing the exposure correction value Kd, it is possible to avoid a reduction in the amount of information in the high luminance part due to compression of the high luminance part.
このように、ヒストグラム解析結果Haに基づいて露出補正値Kdを切り換えることで、露出値設定の精度を向上させることができ、視認性の向上を図ることができる。なお、ヒストグラム解析以外の画像解析結果を用いて露出補正値を切り換えることとしても良い。 As described above, by switching the exposure correction value Kd based on the histogram analysis result Ha, the accuracy of the exposure value setting can be improved, and the visibility can be improved. The exposure correction value may be switched using an image analysis result other than the histogram analysis.
また、ヒストグラムやそれ以外の画像解析の結果に基づいて、露出補正値のみならず、補正利得を制御するようにしても良い。 Further, not only the exposure correction value but also the correction gain may be controlled based on the histogram or other image analysis results.
図20は、実施の形態1に係る撮像装置による補正処理前の画像の一例を示す図であり、図21は、実施の形態1に係る撮像装置による補正処理後の画像の一例を示す図である。
FIG. 20 is a diagram illustrating an example of an image before correction processing by the imaging device according to
図20は、明るい領域、すなわち、窓の外の景色(符号DS1で示される部分)が鮮明に再現されているが、暗い領域、すなわち、室内の人物HD1などは、黒潰れに近い状態になっていることを示している。 In FIG. 20, the bright area, that is, the scenery outside the window (the part indicated by the symbol DS1) is clearly reproduced, but the dark area, that is, the indoor person HD1 and the like is in a state close to black crushing. It shows that.
図22(a)及び(b)は、実施の形態1に係る撮像装置において、撮像画像の明るい領域(すなわち、図20において窓を通して部屋の外が見える領域DS1)の処理に関し、図22(a)は、画素位置p0から画素位置p6までにおける規格化された利得補正前の撮像信号Xaの輝度信号(以下単に「入力輝度信号」と言うことがある)Xin/Ymaxと規格化された平均輝度Yavg/Ymaxを示す図であり、図22(b)は、図22(a)と同じ画素位置p0から画素位置p6までにおける規格化された入力輝度信号Xin/Ymaxと規格化された利得補正後の撮像信号Xbの輝度信号(以下単に「出力輝度信号」と言うことがある)Xout/Ymaxを示す図である。
22A and 22B relate to processing of a bright area of a captured image (that is, an area DS1 where the outside of the room can be seen through a window in FIG. 20) in the imaging apparatus according to
図22(a)に破線で示されるように、規格化された入力輝度信号Xin/Ymaxは、画素位置p1において0.6、画素位置p2において0.7、画素位置p3において0.8、画素位置p4において0.7、画素位置p5において0.8、画素位置p6において0.6である。 As indicated by a broken line in FIG. 22A, the standardized input luminance signal Xin / Ymax is 0.6 at the pixel position p1, 0.7 at the pixel position p2, 0.8 at the pixel position p3, It is 0.7 at the position p4, 0.8 at the pixel position p5, and 0.6 at the pixel position p6.
よって、図22(a)に実線で示されるように、タップ数nが3であるときには、規格化された平均輝度Yavg/Ymaxは、画素位置p1において0.66、画素位置p2において0.70、画素位置p3において0.73、画素位置p4において0.76、画素位置p5において0.70、画素位置p6において0.70となる。 Therefore, as indicated by a solid line in FIG. 22A, when the number of taps n is 3, the normalized average luminance Yavg / Ymax is 0.66 at the pixel position p1 and 0.70 at the pixel position p2. The pixel position p3 is 0.73, the pixel position p4 is 0.76, the pixel position p5 is 0.70, and the pixel position p6 is 0.70.
最大利得Gmaxが3倍であるとき、求めた平均輝度Yavgと式(3)より、補正利得Gkは、画素位置p1において1.29倍、画素位置p2において1.25倍、画素位置p3において1.22倍、画素位置p4において1.19倍、画素位置p5において1.25倍、画素位置p6において1.25倍となる。このように、各画素の平均輝度Yavgを求めることで、各画素の補正利得Gkを求めることができる。 When the maximum gain Gmax is three times, than the average luminance Yavg and expressions determined (3), the correction gain G k is 1.29 times the pixel position p1, 1.25 times the pixel position p2, the pixel position p3 1.22 times, 1.19 times at pixel position p4, 1.25 times at pixel position p5, and 1.25 times at pixel position p6. Thus, the correction gain Gk of each pixel can be obtained by obtaining the average luminance Yavg of each pixel.
図22(b)は、図22(a)と同じ画素位置p0から画素位置P6までにおける規格化された入力輝度信号Xin/Ymaxと、規格化された出力輝度信号Xout/Ymaxを示す図である。図22(b)に破線で示されるように、規格化された入力輝度信号Xin/Ymaxは、画素位置p1において0.6、画素位置p2において0.7、画素位置p3において0.8、画素位置p4において0.7、画素位置p5において0.8、画素位置p6において0.6である。 FIG. 22B is a diagram illustrating the normalized input luminance signal Xin / Ymax and the normalized output luminance signal Xout / Ymax at the same pixel position p0 to pixel position P6 as in FIG. . As shown by a broken line in FIG. 22B, the standardized input luminance signal Xin / Ymax is 0.6 at the pixel position p1, 0.7 at the pixel position p2, 0.8 at the pixel position p3, It is 0.7 at the position p4, 0.8 at the pixel position p5, and 0.6 at the pixel position p6.
座標(M,N)の画素の利得補正した出力輝度信号Xout(M,N)は、座標(M,N)の画素の入力輝度信号Xin(M,N)と利得Gkを用いて、次式(5)で求めることができる。
Xout(M,N)=Gk×Xin(M,N) …(5)
Coordinates (M, N) of the pixels of the gain corrected output luminance signal Xout (M, N), using the coordinates (M, N) input luminance signal Xin (M, N) of pixels with a gain G k, the following It can be obtained by equation (5).
Xout (M, N) = G k × Xin (M, N) ... (5)
図22(b)に実線で示されるように、規格化された出力輝度信号Xout/Ymaxは、画素位置p1において0.77、画素位置p2において0.88、画素位置p3において0.98、画素位置p4において0.83、画素位置p5において1.00、画素位置p6において0.75となる。 As shown by a solid line in FIG. 22B, the standardized output luminance signal Xout / Ymax is 0.77 at the pixel position p1, 0.88 at the pixel position p2, 0.98 at the pixel position p3, It is 0.83 at the position p4, 1.00 at the pixel position p5, and 0.75 at the pixel position p6.
なお、一般に、入力画像がRGB信号の場合は、次式(6a)、(6b)、(6c)が成り立つ。
Rb(M,N)=Gk×Ra(M,N) …(6a)
Gb(M,N)=Gk×Ga(M,N) …(6b)
Bb(M,N)=Gk×Ba(M,N) …(6c)
ここで、Rb(M,N)は、座標(M,N)の画素の利得補正したR信号(出力R信号)であり、Ra(M,N)は、座標(M,N)の画素の利得補正前のR信号(入力R信号)であり、Gb(M,N)は、座標(M,N)の画素の利得補正したG信号(出力G信号)であり、Ga(M,N)は、座標(M,N)の画素の利得補正前のG信号(入力G信号)であり、Bb(M,N)は、座標(M,N)の画素の利得補正したB信号(出力B信号)であり、Ba(M,N)は、座標(M,N)の画素の利得補正前のB信号(入力B信号)である。
In general, when the input image is an RGB signal, the following expressions (6a), (6b), and (6c) hold.
Rb (M, N) = G k × Ra (M, N) (6a)
Gb (M, N) = G k × Ga (M, N) (6b)
Bb (M, N) = G k × Ba (M, N) (6c)
Here, Rb (M, N) is an R signal (output R signal) obtained by correcting the gain of the pixel at coordinates (M, N), and Ra (M, N) is the pixel at the coordinates (M, N). R signal (input R signal) before gain correction, Gb (M, N) is a G signal (output G signal) after gain correction of a pixel at coordinates (M, N), and Ga (M, N) Is a G signal (input G signal) before the gain correction of the pixel at the coordinates (M, N), and Bb (M, N) is a B signal (output B) after the gain correction of the pixel at the coordinates (M, N). Ba (M, N) is a B signal (input B signal) before gain correction of the pixel at coordinates (M, N).
また、一般に、入力画像が、YCbCr信号の場合は、次式(7a)、(7b)、(7c)が成り立つ。
Yb(M,N)=Gk×Ya(M,N) …(7a)
Cbb(M,N)=Gk×(Cba(M,N)−Cbof)+Cbof
…(7b)
Crb(M,N)=Gk×(Cra(M,N)−Crof)+Crof
…(7c)
ここで、Yb(M,N)は、座標(M,N)の画素の利得補正した輝度信号(出力輝度信号)であり、Ya(M,N)は、座標(M,N)の画素の利得補正前の輝度信号(入力輝度信号)であり、Cbb(M,N)及びCrb(M,N)は、座標(M,N)の画素の利得補正した色差信号であり、Cba(M,N)及びCra(M,N)は、座標(M,N)の画素の補正前の色差信号(入力色差信号)であり、Cbof及びCrofは、色差信号を信号処理する際のオフセット量である。
In general, when the input image is a YCbCr signal, the following equations (7a), (7b), and (7c) hold.
Yb (M, N) = G k × Ya (M, N) (7a)
Cbb (M, N) = G k × (Cba (M, N) -Cbof) + Cbof
... (7b)
Crb (M, N) = G k × (Cra (M, N) −Crof) + Crof
... (7c)
Here, Yb (M, N) is a luminance signal (output luminance signal) obtained by correcting the gain of the pixel at coordinates (M, N), and Ya (M, N) is the pixel at the coordinates (M, N). It is a luminance signal (input luminance signal) before gain correction, and Cbb (M, N) and Crb (M, N) are color difference signals obtained by correcting the gain of the pixel at coordinates (M, N), and Cba (M, N N) and Cra (M, N) are color difference signals (input color difference signals) before correction of the pixel at coordinates (M, N), and Cbof and Crof are offset amounts when the color difference signal is signal-processed. .
また、式(6a)、(6b)、(6c)に示すように、RGB信号一律に同じ補正利得Gkを乗算することにより、局所領域でのホワイトバランスが、ずれることなく、ダイナミックレンジを改善することができる。 Further, the formula (6a), (6b), as shown in (6c), by multiplying the same correction gain G k into RGB signals uniformly, white balance in the local area, without displacement, improve the dynamic range can do.
図23(a)及び(b)は、実施の形態1に係る撮像装置において、撮像画像の暗い領域(輝度が低い領域)HD1の処理に関し、図23(a)は、画素位置q0から画素位置q6までにおける規格化された入力輝度信号Xin/Ymaxと規格化された平均輝度Yavg/Ymaxを示す図であり、図23(b)は、図23(a)と同じ画素位置q0から画素位置q6までにおける規格化された入力輝度信号Xin/Ymaxと規格化された出力輝度信号Xout/Ymaxを示す図である。
FIGS. 23A and 23B relate to the processing of the dark region (low luminance region) HD1 of the captured image in the imaging apparatus according to
図23(a)に破線で示されるように、規格化された入力輝度信号Xin/Ymaxは、輝度が低い領域HD1内の画素位置q1において0.1、画素位置q2において0.2、画素位置q3において0.3、画素位置q4において0.2、画素位置q5において0.3、画素位置q6において0.1である。また、図23(a)に実線で示されるように、規格化された平均輝度Yavg/Ymaxは、画素位置q1において0.16、画素位置q2において0.20、画素位置q3において0.23、画素位置q4において0.26、画素位置q5において0.20、画素位置q6において0.20となる。また、補正利得Gkは、画素位置q1において2.25倍、画素位置q2において2.14倍、画素位置q3において2.05倍、画素位置q4において1.97倍、画素位置q5において2.14倍、画素位置q6において2.14倍である。 As indicated by the broken line in FIG. 23A, the standardized input luminance signal Xin / Ymax is 0.1 at the pixel position q1 in the low luminance region HD1, 0.2 at the pixel position q2, and the pixel position. 0.3 at q3, 0.2 at pixel position q4, 0.3 at pixel position q5, and 0.1 at pixel position q6. Further, as indicated by a solid line in FIG. 23A, the normalized average luminance Yavg / Ymax is 0.16 at the pixel position q1, 0.20 at the pixel position q2, 0.23 at the pixel position q3, The pixel position q4 is 0.26, the pixel position q5 is 0.20, and the pixel position q6 is 0.20. Further, the correction gain G k is 2.25 times at the pixel position q1, 2.14 times at the pixel position q2, 2.05 times at the pixel position q3, 1.97 times at the pixel position q4, and 2.7 at the pixel position q5. 14 times and 2.14 times at pixel position q6.
図23(b)に実線で示されるように、各画素の利得補正した出力輝度信号Xoutは、画素位置q1において0.23、画素位置q2において0.43、画素位置q3において0.62、画素位置q4において0.39、画素位置q5において0.64、画素位置q6において0.21となる。 As shown by the solid line in FIG. 23B, the output-corrected luminance signal Xout of each pixel is 0.23 at the pixel position q1, 0.43 at the pixel position q2, 0.62 at the pixel position q3, It is 0.39 at the position q4, 0.64 at the pixel position q5, and 0.21 at the pixel position q6.
図22(b)から分かるように、明るい領域DS1では、補正利得が約1.2倍と出力輝度信号は入力輝度信号とあまり違わない。これにより、明るい領域の画素単位のコントラストは、保持される。これに対し、図23(b)から分かるように、暗い領域HD1では、補正利得が約2倍となる。このことは、黒レベルで圧縮されていた信号レベルが、明るくなった上、暗い領域の画素単位のコントラストも増幅されていることを示している。 As can be seen from FIG. 22B, in the bright region DS1, the correction luminance is about 1.2 times and the output luminance signal is not so different from the input luminance signal. Thereby, the contrast of the pixel unit of a bright area is maintained. On the other hand, as can be seen from FIG. 23 (b), the correction gain is approximately doubled in the dark region HD1. This indicates that the signal level compressed at the black level becomes brighter and the contrast of the pixel unit in the dark region is also amplified.
以上に説明したように、平均輝度Yavgにより画素ごとに補正利得Gkを求め、補正利得Gkを撮像信号に画素ごとに乗算する処理を施すことにより、暗い領域HD1は鮮明に(図21のHD2)、明るい領域DS1は、そのままのコントラストを維持する(図21のDS2)のように、ダイナミックレンジを改善できる。 As described above, obtains the correction gain G k for each pixel by the average luminance YAVG, by a process of multiplying the correction gain G k for each pixel in the image pickup signal subjected, dark regions HD1 is clearly (in FIG. 21 HD2), the bright region DS1 can improve the dynamic range as in the case of maintaining the same contrast (DS2 in FIG. 21).
図24は、利得補正前の撮像信号の各輝度レベルにおける発生頻度(度数)をヒストグラムにより示す図であり、図25は、利得補正後の撮像信号の各輝度レベルにおける発生頻度(度数)をヒストグラムにより示す図である。図24及び図25は、図20、図21、図22(a)及び(b)、並びに図23(a)及び(b)のダイナミックレンジ改善の効果をヒストグラムにより示している。 FIG. 24 is a diagram showing the occurrence frequency (frequency) at each luminance level of the imaging signal before gain correction in a histogram, and FIG. 25 is a histogram of the occurrence frequency (frequency) at each luminance level of the imaging signal after gain correction. FIG. 24 and 25 show the effect of dynamic range improvement of FIGS. 20, 21, 22A and 22B, and FIGS. 23A and 23B by histograms.
図24及び図25に示されるように、補正前の撮像信号で表される画像(入力画像)の明るい領域(図20のDS1)は、高輝度領域であるため、撮像画像は、高い輝度レベルに分布する。また、補正前の撮像信号で表される画像(出力画像)の暗い領域HD1は、低輝度領域であるため、撮像画像は、低い輝度レベルに分布する。 As shown in FIGS. 24 and 25, since the bright region (DS1 in FIG. 20) of the image (input image) represented by the image signal before correction is a high luminance region, the captured image has a high luminance level. Distributed. Further, since the dark region HD1 of the image (output image) represented by the image signal before correction is a low luminance region, the captured image is distributed at a low luminance level.
図24及び図25に示されるように、撮像信号の補正を行うと、明るい領域DS1では、補正利得が小さいため、領域DS2の高い輝度レベルに分布していた2点鎖線で示される信号は、領域DS2の実線で示される信号になるが、変化は小さい。これに対し、領域HD1の低輝度レベルに分布した2点鎖線で示される信号は、領域HD2の実線で示される信号になり、変化が大きい。 As shown in FIGS. 24 and 25, when the imaging signal is corrected, since the correction gain is small in the bright region DS1, the signal indicated by the two-dot chain line distributed in the high luminance level of the region DS2 is Although the signal is indicated by a solid line in the region DS2, the change is small. On the other hand, the signal indicated by the two-dot chain line distributed in the low luminance level of the region HD1 becomes a signal indicated by the solid line of the region HD2, and changes greatly.
このことは、式(3)を用いた補正を行うことで、低輝度においても、高輝度においても、コントラストが改善され、低輝度側の黒つぶれが解消されること、及び、低輝度の信号が大きく高輝度側に移動することで、視認性のよい、メリハリのあるダイナミックレンジが改善された画像が得られることを示している。さらに、補正を行うことで、平均輝度が中央付近に分布することになり、ダイナミックレンジの狭い表示装置(例えば、液晶ディスプレイ)においても、表示品位の向上が図れる。 This is because the correction using the expression (3) improves the contrast at low luminance and high luminance, eliminates the blackout on the low luminance side, and the low luminance signal. Indicates that an image with good visibility and an improved dynamic range can be obtained by moving to a higher luminance side. Further, by performing the correction, the average luminance is distributed near the center, and the display quality can be improved even in a display device having a narrow dynamic range (for example, a liquid crystal display).
また、実施の形態1に係る撮像装置によれば、補正を行う画素の周辺画素の輝度分布に基づいて、補正を行う画素のダイナミックレンジを補正するので、解析結果の反映タイミングを極力短くするができ、入力画像のダイナミックレンジを適切に改善することができる。 Further, according to the imaging apparatus according to the first embodiment, the dynamic range of the pixel to be corrected is corrected based on the luminance distribution of the peripheral pixels of the pixel to be corrected, so that the reflection timing of the analysis result is shortened as much as possible. The dynamic range of the input image can be improved appropriately.
さらに、実施の形態1に係る撮像装置によれば、外付けフレームメモリを用いることなく画素単位でダイナミックレンジ拡大を実現でき、また、複雑な演算を行う必要が無く、計算や処理を簡素化することができるので、構成の簡素化、その結果、コスト低減を図ることができる。 Furthermore, according to the imaging apparatus according to the first embodiment, the dynamic range can be expanded in units of pixels without using an external frame memory, and it is not necessary to perform complicated calculations, thereby simplifying calculation and processing. Therefore, the configuration can be simplified, and as a result, the cost can be reduced.
以上のように、本実施の形態においては、露出制御手段10は、補正利得Gkの最大値(補正最大利得Gmax)に応じて露出値を補正(第1の露出値から第2の露出値を生成)し、補正された露出値(第2の露出値)を用いたときのカメラ信号処理手段8から出力される撮像信号Xaの輝度成分の各画素と周辺の画素の平均輝度Yavgに基づいて画素ごとに補正利得Gkを算出し、補正利得Gkを撮像信号Xaに乗算することで補正後の撮像信号Xbを生成している。補正最大利得Gmaxは、上記のように撮像画面中の暗部の平均輝度に基づいて定められたものであっても良く、予め決められた値であっても良い。 As described above, in this embodiment, the exposure control means 10, the correction gain G maximum value of k (correction maximum gain Gmax) corrects the exposure value in accordance with (the first exposure value from the second exposure value Based on the average luminance Yavg of each pixel of the luminance component of the imaging signal Xa output from the camera signal processing means 8 and the surrounding pixels when the corrected exposure value (second exposure value) is used. It calculates a correction gain G k for each pixel Te, and generates an imaging signal Xb corrected by multiplying a correction gain G k in the imaging signal Xa. The corrected maximum gain Gmax may be determined based on the average luminance of the dark part in the imaging screen as described above, or may be a predetermined value.
図26は、露出補正(第1の露出値E1の代わりに第2の露出値E2を使用すること)及び利得補正による効果を示した図である。
第1の露出値E1で撮像したときにカメラ信号処理手段8から出力される撮像信号Xaが符号Xa(1)で示され、撮像信号Xa(1)に対応する、利得補正後の撮像信号(利得補正手段2の出力)Xbが符号Xb(1)で示されている。
また、上記の第1の露出値を1/2に絞った第2の露出値で撮像したときにカメラ信号処理手段8から出力される撮像信号Xaが符号Xa(2)で示され、撮像信号Xa(2)に対応する、利得補正後の撮像信号(利得補正手段2の出力)Xbが符号Xb(2)で示されている。
この場合、第2の露出値E2は、第1の露出値E1の1/2である場合を想定している。
第1の露出値E1で得られた信号Xa(1)に利得補正を行った場合、補正利得が約1.2倍であるが、第2の露出値E2を用いた場合、補正利得Gkを2倍にすることで、コントラストが向上する。
また、画素位置(p5)などで見られるように、第1の露出値E1を用いた場合、明部が白つぶれし、明部のコントラスト感が低下することがあるが、第2の露出値E2を用いることで、白つぶれを回避することができる。
FIG. 26 is a diagram showing the effect of exposure correction (using the second exposure value E2 instead of the first exposure value E1) and gain correction.
An imaging signal Xa output from the camera signal processing means 8 when imaging is performed with the first exposure value E1 is indicated by a symbol Xa (1), and corresponds to the imaging signal Xa (1). The output Xb of the gain correction means 2 is indicated by the symbol Xb (1).
Further, the image pickup signal Xa output from the camera signal processing means 8 when the image is taken with the second exposure value obtained by reducing the first exposure value to ½ is indicated by the symbol Xa (2), and the image pickup signal A gain-corrected imaging signal (output of the gain correction means 2) Xb corresponding to Xa (2) is indicated by a symbol Xb (2).
In this case, it is assumed that the second exposure value E2 is ½ of the first exposure value E1.
When gain correction is performed on the signal Xa (1) obtained with the first exposure value E1, the correction gain is about 1.2 times, but when the second exposure value E2 is used, the correction gain G k The contrast is improved by doubling.
Further, as can be seen at the pixel position (p5) or the like, when the first exposure value E1 is used, the bright part may be crushed and the contrast of the bright part may be reduced. By using E2, whiteout can be avoided.
このように、第2の露出値E2を用いて撮像し、利得補正を行うことで、従来白つぶれしていた画像について白つぶれを抑制するように露出制御がなされる。また、露出制御にて、黒側に移った信号を利得補正で増幅することができる。明部の明るい信号と、暗部の暗い信号の双方についてコントラスト、画質、視認性を改善することができる。 In this way, exposure control is performed so as to suppress white-out for an image that has been white-out conventionally by capturing an image using the second exposure value E2 and performing gain correction. Further, the signal shifted to the black side can be amplified by gain correction by exposure control. Contrast, image quality, and visibility can be improved for both a bright signal in a bright part and a dark signal in a dark part.
実施の形態2.
図27は、本発明の実施の形態2に係る撮像装置(実施の形態2に係る撮像方法を実施する装置)の利得補正手段2の構成を概略的に示すブロック図である。実施の形態2に係る利得補正手段2は、オフセット検出手段22と、オフセット減算手段23と、乗算手段21と、オフセット加算手段24とを有する。実施の形態2の撮像装置の、利得補正手段2以外の構成は、図1に示される実施の形態1と同様である。
FIG. 27 is a block diagram schematically showing the configuration of the gain correction means 2 of the imaging apparatus according to
実施の形態2に係る利得補正手段2は、利得補正前の撮像信号Xaの輝度信号(入力輝度信号)Xinのオフセットを調整する手段を有している。
オフセットは、撮像素子5による撮像が逆光状態で行われたり、撮像装置のレンズ(図示しない)のフレアーが画像に影響を及ぼしたり、被写体の撮像環境・条件により、信号レベルが黒浮きした場合の対策として、これらの影響を打ち消すために加えられる量(或いは上記のような影響による標準状態からのズレ量)である。
The gain correction means 2 according to
The offset is when the image pickup by the
以下に、オフセット調整を行った場合の詳細な補正の動作を説明する。オフセット検出手段22は、補正前の撮像信号Xaの最小信号を検出することで、入力画像の黒浮きの程度を示すオフセット量を求める。オフセット量Offsetは、次式(8)で求めることができる。
Offset=P×MIN(R,G,B) …(8)
ここで、MIN(R,G,B)は、入力画像RGB信号の最小値を示しており、Pは、0≦P≦1を満たす正の実数である。オフセット量Offsetは、1フレーム以上前の補正を行うために有効な1画面分の画像のR,G,B信号の最小値MIN(R,G,B)を検出し、記憶することで、自動検出することができる。
The detailed correction operation when the offset adjustment is performed will be described below. The offset
Offset = P × MIN (R, G, B) (8)
Here, MIN (R, G, B) indicates the minimum value of the input image RGB signal, and P is a positive real number that satisfies 0 ≦ P ≦ 1. The offset amount Offset is automatically detected by storing and storing the minimum value MIN (R, G, B) of the R, G, B signal of the image for one screen effective for correcting one frame or more before. Can be detected.
図27では、オフセット検出手段22によってオフセット量Offsetを撮像信号Xaから自動検出する場合の構成を示しているが、オフセット量Offsetを外部装置から入力する構成を採用することもできる。外部装置において、補正を行いたい対象の信号に対して、補正利得を向上することで、外部装置の性能改善が行える。具体的には、外部装置では、指紋、静脈、顔などのバイオメトリック認証や、形状認証、文字認識などの高度な画像処理を行い、被写体の特徴点(顔認証の場合は、顔)を検出し、特徴点の検出結果をもとに認証を行う機能を有している。外部装置においては、撮像装置の画像より、特徴点を有する領域と、領域内の信号レベルを検出した結果より、オフセット量Offsetを求め、設定することで、特徴点の信号を強調することが可能となる。また、特徴点の信号レベルが増大することで、外部装置の検出精度、認証率などの性能を向上させることができる。
FIG. 27 shows a configuration in which the offset
オフセット減算手段23は、オフセット検出手段22で求めたオフセット量Offsetを、座標(M,N)の入力R信号Ra(M,N)、座標(M,N)の入力G信号Ga(M,N)、座標(M,N)の入力B信号Ba(M,N)のそれぞれから減算して、
Ra(M,N)−Offsetと、
Ga(M,N)−Offsetと、
Ba(M,N)−Offsetと
を出力する。
The offset subtracting means 23 calculates the offset amount Offset obtained by the offset detecting means 22 from the input R signal Ra (M, N) at coordinates (M, N) and the input G signal Ga (M, N) at coordinates (M, N). ), Subtract from each of the input B signal Ba (M, N) of coordinates (M, N),
Ra (M, N) -Offset,
Ga (M, N) -Offset,
Ba (M, N) -Offset is output.
乗算手段21は、オフセット減算手段23からのオフセット量Offsetを減算した信号に、補正利得算出手段4で得た補正利得Gkを乗算して、
Gk×(Ra(M,N)−Offset)と、
Gk×(Ga(M,N)−Offset)と、
Gk×(Ba(M,N)−Offset)と
を出力する。
Multiplying means 21, the subtracted signal offset Offset from the offset subtraction means 23, by multiplying the correction gain G k obtained by the correction gain calculation means 4,
G k × (Ra (M, N) −Offset),
G k × (Ga (M, N) -Offset),
G k × (Ba (M, N) −Offset) is output.
オフセット加算手段24は、乗算手段21からの乗算信号が入力され、オフセット減算手段23と同じオフセット量Offsetを加算して、
Gk×(Ra(M,N)−Offset)+Offsetと、
Gk×(Ga(M,N)−Offset)+Offsetと、
Gk×(Ba(M,N)−Offset)+Offsetと
を出力する。
The offset addition means 24 receives the multiplication signal from the multiplication means 21, adds the same offset amount Offset as the offset subtraction means 23, and
G k × (Ra (M, N) −Offset) + Offset,
G k × (Ga (M, N) −Offset) + Offset,
G k × (Ba (M, N) −Offset) + Offset is output.
オフセット減算手段23、乗算手段21、及びオフセット加算手段24の処理をまとめると、次式(9a)、(9b)、(9c)のようになる。
Rb(M,N)=Gk×(Ra(M,N)−Offset)+Offset
…(9a)
Gb(M,N)=Gk×(Ga(M,N)−Offset)+Offset
…(9b)
Bb(M,N)=Gk×(Ba(M,N)−Offset)+Offset
…(9c)
The processing of the offset subtracting means 23, the multiplying
Rb (M, N) = G k × (Ra (M, N) -Offset) + Offset
... (9a)
Gb (M, N) = G k × (Ga (M, N) -Offset) + Offset
... (9b)
Bb (M, N) = G k × (Ba (M, N) -Offset) + Offset
... (9c)
オフセット補正を行わない場合、補正利得Gkがオフセット量Offsetを増幅してしまい、コントラストを向上させたい信号への補正利得が減少し、全体的にコントラストの無い信号へ変換してしまう。オフセット補正を行うことで、コントラストを向上させたい信号への補正利得を増大させることができ、コントラストの高い処理が実現できる。 If you do not offset correction, the correction gain G k ends up amplifying offset Offset, it decreases the correction gain to the signal desired to improve the contrast, resulting in conversion to totally free signal contrast. By performing offset correction, it is possible to increase the correction gain for a signal whose contrast is to be improved, and to realize a process with high contrast.
なお、オフセット加算手段24で加算するオフセット(第2のオフセット)をオフセット減算手段23で減算するオフセット(第1のオフセット)よりも小さな値としても良い。例えば、オフセット加算手段24で加算するオフセットをOffset1が
Offset1=Q×Offset
(但し、0≦Q<1)
で与えられるものであっても良い。
オフセット加算手段11のオフセット補正量Offset1をオフセット減算手段10のオフセット量Offsetに比べ小さくすることで、黒浮きが軽減される効果を有する。つまり、オフセット補正後の信号は、オフセット量Offset1により、画像の黒つぶれを防いだ上で、オフセット補正前の黒浮き分が補正され、メリハリの無い、黒信号のしまりのない画質を改善できる。つまり、黒レベルのしまった画像が得られる。オフセット加算手段24のオフセット補正量Offset1をオフセット減算手段10のオフセット量Offsetに比べ小さくする処理は、次式(10a)、(10b)、(10c)、(10d)のようになる。
Rb(M,N)=Gk×(Ra(M,N)−Offset)+Offset1
…(10a)
Gb(M,N)=Gk×(Ga(M,N)−Offset)+Offset1
…(10b)
Bb(M,N)=Gk×(Ba(M,N)−Offset)+Offset1
…(10c)
Offset1=Q×Offset …(10d)
Note that the offset added by the offset adding means 24 (second offset) may be smaller than the offset (first offset) subtracted by the offset subtracting means 23. For example, the offset added by the offset adding means 24 is Offset1 = Offset1 = Q × Offset
(However, 0 ≦ Q <1)
It may be given by
By making the offset correction amount Offset1 of the offset adding means 11 smaller than the offset amount Offset of the offset subtracting means 10, there is an effect of reducing black float. In other words, the signal after offset correction is prevented by the offset amount Offset1, and the black floating before the offset correction is corrected, and the image quality without sharpness and without black signals can be improved. That is, an image with a black level is obtained. Processing for reducing the offset correction amount Offset1 of the offset adding means 24 compared to the offset amount Offset of the offset subtracting means 10 is expressed by the following equations (10a), (10b), (10c), and (10d).
Rb (M, N) = G k × (Ra (M, N) -Offset) + Offset1
... (10a)
Gb (M, N) = G k × (Ga (M, N) -Offset) + Offset1
... (10b)
Bb (M, N) = G k × (Ba (M, N) -Offset) + Offset1
... (10c)
Offset1 = Q × Offset (10d)
なお、実施の形態2において、上記以外の点は、上記実施の形態1の場合と同じである。 In the second embodiment, points other than those described above are the same as those in the first embodiment.
実施の形態2に係る撮像装置12によれば、画像のオフセット量を検出することができ、検出したオフセット量に基づいてオフセット補正することで、低い輝度に分布した信号のコントラストの改善による画質の向上を図れる。
According to the
また、実施の形態2に係る撮像装置においては、補正利得乗算処理前のオフセット量の減算量と補正利得乗算処理後のオフセット量の加算量を異ならせることが可能であり、オフセット補正後の黒信号のしまりを向上させることができ、画質の向上を図れる。 In the imaging apparatus according to the second embodiment, the subtraction amount of the offset amount before the correction gain multiplication processing and the addition amount of the offset amount after the correction gain multiplication processing can be made different. Signal tightness can be improved and image quality can be improved.
実施の形態3.
実施の形態3に係る撮像装置は、補正利得算出手段4による補正利得算出の計算式が、上記実施の形態1において示した式(3)と異なる。具体的には、補正利得Gkは、最大利得Gmaxと、最小利得Gminと、平均輝度Yavgと、最大輝度Ymaxを用いて、次式(11)により得る。
In the imaging apparatus according to the third embodiment, the calculation formula for calculating the correction gain by the correction gain calculating means 4 is different from the formula (3) shown in the first embodiment. Specifically, the correction gain G k, using the maximum gain Gmax, the minimum gain Gmin, the average luminance YAVG, the maximum luminance Ymax, obtained by the following equation (11).
図28は、式(11)の演算を行う補正利得算出手段4から出力される補正利得Gkを示すグラフであり、図29は、実施の形態3において用いる補正利得を、最大輝度で規格化した平均輝度に乗算した値を示すグラフである。図29において、横軸は、最大輝度で規格化された平均輝度Yavg/Ymaxを示し、縦軸は、最大輝度で規格化された平均輝度Yavg/Ymaxに補正利得Gkを乗算した値Gk×Yavg/Ymaxを示す。 Figure 28 is a graph showing a correction gain G k output from the correction gain calculation means 4 for calculation of the equation (11), FIG. 29, a correction gain used in the third embodiment, normalized by the maximum intensity It is a graph which shows the value which multiplied the average brightness | luminance which carried out. In FIG. 29, the horizontal axis represents the average luminance Yavg / Ymax normalized by the maximum luminance, and the vertical axis represents the value G k obtained by multiplying the average luminance Yavg / Ymax normalized by the maximum luminance by the correction gain G k. X Indicates Yavg / Ymax.
Gminは、実験的、或いは統計的な処理で得られた補正利得Gkの最小値であり、式(3)で得られる補正利得Gkに比べ、Yavg/Ymaxが大きい(1に近い)範囲で、式(11)で得られる補正利得Gkは、1未満の値を持つ点で異なる。平均輝度が高い領域では、平均輝度を中心に画素ごとの信号レベルはばらついている。この画素ごとの信号のバラツキに対して補正利得を式(3)で得られるものに比べて、小さくすることができ、高輝度部の白つぶれを防止することができる。高輝度部のコントラスト信号を白つぶれにて無くすことを防ぎ、補正利得Gminにより、圧縮してコントラスト信号を保存することができる。 Gmin is experimental, or the minimum value of the correction gain G k obtained in statistical processing, compared with the correction gain G k obtained by the equation (3), YAVG / Ymax is large (close to 1) the range Thus, the correction gain G k obtained by the equation (11) is different in that it has a value less than 1. In the region where the average luminance is high, the signal level varies from pixel to pixel around the average luminance. The correction gain can be reduced with respect to the variation in the signal for each pixel as compared with that obtained by the expression (3), and the whitening of the high luminance portion can be prevented. It is possible to prevent the contrast signal in the high luminance portion from being lost due to white-out, and to compress and store the contrast signal with the correction gain Gmin.
なお、補正利得の特性(補正利得を、最大輝度で規格化した平均輝度と乗算することで得られる値の特性)は、図29に示されるような特性に限らず、例えば、図30又は図31に示されるような特性を持つ補正利得を実現することもできる。このような補正利得を用いることによって、表示装置(図示せず)や撮像装置の階調特性を考慮した、表示装置や撮像装置に最適なダイナミックレンジ改良を行うことができる。 Note that the characteristic of the correction gain (the characteristic of the value obtained by multiplying the correction gain by the average luminance normalized by the maximum luminance) is not limited to the characteristic shown in FIG. A correction gain having the characteristics shown in FIG. By using such a correction gain, it is possible to improve the dynamic range optimum for the display device and the imaging device in consideration of the gradation characteristics of the display device (not shown) and the imaging device.
また、実施の形態3において、上記以外の点は、上記実施の形態1又は2の場合と同じである。 Further, in the third embodiment, the points other than the above are the same as those in the first or second embodiment.
実施の形態3の撮像装置によれば、明るさが明るい分布の高輝度信号のコントラスト情報を維持することができ、白つぶれすることを防ぐことができる。 According to the imaging apparatus of the third embodiment, it is possible to maintain the contrast information of the high-intensity signal with a bright distribution, and to prevent whiteout.
実施の形態4.
本発明の実施の形態4に係る撮像装置は、フィルタ手段32によるフィルタ処理の内容が、上記実施の形態1乃至3の場合と相違する。実施の形態4においては、フィルタ手段は、例えば、非線形フィルタであるイプシロンフィルタ(εフィルタ)を有している。
In the imaging apparatus according to the fourth embodiment of the present invention, the content of the filter processing by the
図32は、実施の形態4におけるフィルタ手段32を非線形フィルタであるεフィルタで構成する場合の区間線形関数を示す図である。また、図33は、フィルタ手段32として線形フィルタを用いた比較例の補正後の輝度信号レベルを示す図である。また、図34は、実施の形態4の非線形フィルタを用いた場合の補正後の輝度信号レベルを示す図である。
FIG. 32 is a diagram showing an interval linear function when the
図33に示されるように、フィルタ手段として線形フィルタを用いた比較例の場合には、補正前の信号(撮像信号Xa)は平滑化されるため、領域輝度が急激に変化する領域(例えば、図33の補正前の輝度レベルは画素位置5と6の間で急激に変化している)が補正前の信号中に存在した場合、平均輝度Yavgは、急激な輝度変化の影響を受ける。なお、図33に示される平均輝度(フィルタ出力)は、タップ数n=5で求めた値である。 As shown in FIG. 33, in the case of the comparative example using a linear filter as the filter means, the signal before the correction (imaging signal Xa) is smoothed, so that the region where the region luminance changes abruptly (for example, If the luminance level before correction in FIG. 33 changes abruptly between the pixel positions 5 and 6), the average luminance Yavg is affected by a rapid luminance change. Note that the average luminance (filter output) shown in FIG. 33 is a value obtained with the number of taps n = 5.
画素位置5では、画素位置6以降の高い輝度信号の影響を受け、画素位置1から画素位置4までの平均輝度(フィルタ出力)に比べ、平均輝度が高いレベルで出力される。平均輝度が高くなることで、補正利得は小さくなり、画素位置5の補正後の信号(撮像信号Xb)(図33における太い実線)の信号レベルは小さくなっていることが分かる。
At the
また、画素位置6においては、平均輝度が、画素位置5以前の輝度信号の影響を受け、小さな値となる。このため、補正利得は大きくなり、補正後の出力レベル(図33における太い実線)は大きな値となる。画素間の輝度変化が激しい領域(エッジ領域)において、補正利得が大きくなることで、エッジ部の信号が強調される、アパーチャ効果によりコントラスト感を強調できる。アパーチャ効果を持つことにより、写真、ディスプレイなどの観賞を目的とした画像処理や、エッジが強調された画像を用いて認識処理を行う認識装置において、エッジ部が強調され、メリハリのある、視感度の高い、表示品位の高い画像を生成することができる。
Further, at the
一方、微少のコントラスト差から特徴点を検出する認証装置においては、前処理において、エッジ強調をかけずに、忠実な信号を出力する必要がある。したがって、このように、輝度の変化が激しい領域が存在する場合、平均輝度において、輝度の変化を考慮する必要がある。 On the other hand, an authentication apparatus that detects a feature point from a slight contrast difference needs to output a faithful signal without applying edge enhancement in the preprocessing. Therefore, when there is a region where the luminance changes drastically as described above, it is necessary to consider the luminance change in the average luminance.
そこで、実施の形態4においては、フィルタ手段32に非線形のフィルタ特性を持たせることで、輝度の変化が激しい場合においても、前述の問題を除くことが可能となる。例えば、フィルタ手段32に非線形のεフィルタを用いる。一般に、一次のεフィルタは、次式(12)及び(13)で定義される。
このとき、関数f(x)は、xを変数とする区間線形関数であり、次式(14)で与えられる。y(n)は、Y信号のεフィルタの出力の平均輝度を、x(n)は、n画素の輝度を示している。式(14)は、画素(n)と、平均を求める画素(±k画素)間の差分値を求める。差分値が、ε以内であれば平均値を求めるために差分値を用い、差分値がεを超える場合はα(ここでは、0)を用いる。このような処理を行うことで、急激な輝度変化を伴うエッジやノイズによる特異的に輝度が変化する場合など、輝度の急激な変化量に対して平均値が引きずられることが無く補正利得を求めることができる。 At this time, the function f (x) is an interval linear function with x as a variable, and is given by the following equation (14). y (n) represents the average luminance of the output of the ε filter of the Y signal, and x (n) represents the luminance of n pixels. Expression (14) calculates a difference value between the pixel (n) and the average pixel (± k pixels). If the difference value is within ε, the difference value is used to obtain an average value, and if the difference value exceeds ε, α (here, 0) is used. By performing such processing, the correction gain is obtained without the average value being dragged with respect to the amount of sudden change in luminance, such as when the luminance changes specifically due to edges or noise accompanied by a sudden change in luminance. be able to.
ここで、α=0とした関数が、図32に示される区間線形関数である。 Here, the function with α = 0 is the interval linear function shown in FIG.
フィルタ手段32に非線形のεフィルタを用いた場合の平均輝度を図34に示す。画素位置5や画素位置6においても補正前の信号の輝度の変化(傾向)を再現している。また、補正後の信号レベルにおいても、図33の特性とは異なり、補正前の信号の輝度の変化(傾向)を再現できている。
FIG. 34 shows the average luminance when a nonlinear ε filter is used as the filter means 32. Also at the
このように、εフィルタを用いることで、補正前の信号において、急峻な輝度変化が存在する場合おいてもエッジ情報を保持したうえで、最適なダイナミックレンジ変換処理を実現することができる。 As described above, by using the ε filter, it is possible to realize an optimum dynamic range conversion process while retaining edge information even when a sharp luminance change exists in a signal before correction.
εフィルタは、コンパレータとラインメモリで構成でき、ハードウェアの実装面積の縮小、ソフトウェア処理時間の短縮化などの効果がある。 The ε filter can be composed of a comparator and a line memory, and has effects such as a reduction in hardware mounting area and a reduction in software processing time.
なお、εフィルタに限らず、領域の輝度レベルを検出することが可能な手段であれば、メジアンフィルタ、スタックフィルタなどの非線形フィルタを用いた構成でもよい。 In addition, the configuration using a non-linear filter such as a median filter or a stack filter may be used as long as it is a means capable of detecting the luminance level of the region without being limited to the ε filter.
また、実施の形態4において、上記以外の点は、上記実施の形態1乃至3の場合のいずれかと同じである。 Further, in the fourth embodiment, points other than the above are the same as those in any of the first to third embodiments.
実施の形態4の撮像装置によれば、フィルタ手段の出力が、エッジ情報を保持することができ、急激な輝度変化の場合のマッハ効果を抑制することができる。 According to the imaging apparatus of the fourth embodiment, the output of the filter means can hold edge information, and the Mach effect in the case of a sudden luminance change can be suppressed.
2 利得補正手段、 3 輝度フィルタリング手段、 4 補正利得算出手段、 5 撮像素子、 6 アナログ信号処理手段、 7 A/D変換手段、 8 カメラ信号処理手段、 9 タイミング生成手段、 10 露出制御手段、 11 積算手段、 13 最大利得決定手段、 14 撮像信号生成手段、 15 補正利得決定手段、 31 輝度検出手段、 32 フィルタ手段。
2 gain correction means, 3 luminance filtering means, 4 correction gain calculation means, 5 imaging device, 6 analog signal processing means, 7 A / D conversion means, 8 camera signal processing means, 9 timing generation means, 10 exposure control means, 11 Integrating means, 13 maximum gain determining means, 14 imaging signal generating means, 15 correction gain determining means, 31 luminance detecting means, 32 filter means.
Claims (13)
前記第1の撮像信号を画素毎に補正して、補正された第2の撮像信号を出力する利得補正手段と、
前記第1の撮像信号の平均値を所定の目標値に一致させるための前記撮像信号生成手段の第1の露出値を定め、さらにこの第1の露出値を、補正利得の最大値に基づいて補正して第2の露出値を求め、この第2の露出値で前記撮像信号生成手段の露出を制御する露出制御手段と、
前記第1の撮像信号の輝度成分の各画素の値とその周辺の画素の値に対してフィルタリングを行い、そのフィルタリング出力と前記補正利得の最大値とに基づいて画素ごとに補正利得を決定する補正利得決定手段とを備え、
前記利得補正手段は、前記補正利得決定手段で決定された補正利得と前記第1の撮像信号との乗算を含む演算により、前記補正を行う
ことを特徴とする撮像装置。 Imaging signal generating means for receiving light from a subject and outputting a first imaging signal corresponding to the light;
Gain correcting means for correcting the first imaging signal for each pixel and outputting a corrected second imaging signal;
A first exposure value of the imaging signal generating means for making the average value of the first imaging signal coincide with a predetermined target value is determined, and the first exposure value is further determined based on the maximum value of the correction gain. An exposure control unit that corrects to obtain a second exposure value, and controls the exposure of the imaging signal generation unit by the second exposure value;
Filtering is performed on the value of each pixel of the luminance component of the first imaging signal and the value of the surrounding pixels, and a correction gain is determined for each pixel based on the filtering output and the maximum value of the correction gain. Correction gain determining means,
The imaging apparatus characterized in that the gain correction means performs the correction by an operation including multiplication of the correction gain determined by the correction gain determination means and the first imaging signal.
電荷蓄積時間が可変の撮像素子と、
前記撮像素子から出力される信号を増幅する増幅利得可変の信号処理手段とを含み、
前記第2の露出値により前記電荷蓄積時間及び前記増幅利得の少なくとも一方が調整される
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The imaging signal generating means is
An image sensor with variable charge storage time;
A variable gain processing signal processing means for amplifying a signal output from the image sensor;
The imaging apparatus according to claim 1, wherein at least one of the charge accumulation time and the amplification gain is adjusted by the second exposure value.
Gmaxは、前記補正利得の最大値、
Yavgは、前記第1の撮像信号の輝度成分のフィルタリング出力、
Ymaxは、前記第1の撮像信号が取り得る値の範囲内の最大値である。)
により、前記補正利得を定めることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The correction gain determining means has the following formula:
Gmax is the maximum value of the correction gain,
Yavg is a filtered output of the luminance component of the first imaging signal,
Ymax is a maximum value within a range of values that can be taken by the first imaging signal. )
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the correction gain is determined by:
Gmaxは、前記補正利得の最大値、
Gminは、前記第1の撮像信号がその最大値であるときに乗算される最小利得、
Yavgは、前記第1の撮像信号の輝度成分のフィルタリング出力、
Ymaxは、前記第1の撮像信号が取り得る値の範囲内の最大値である。)
により、前記補正利得を定めることを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The correction gain determining means has the following formula:
Gmax is the maximum value of the correction gain,
Gmin is the minimum gain that is multiplied when the first imaging signal is at its maximum value,
Yavg is a filtered output of the luminance component of the first imaging signal,
Ymax is a maximum value within a range of values that can be taken by the first imaging signal. )
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the correction gain is determined by:
前記露出補正値に基づいて、下記の式
E2=Ke×E1×(1/2)Kd
(但し、
E2は前記第2の露出値、
Keは所定の定数、
E1は前記第1の露出値、
Kdは前記露出補正値である)
により、第2の露出値を求める
ことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。 The exposure control means obtains an exposure correction value based on the maximum value of the correction gain,
Based on the exposure correction value, the following equation E2 = Ke × E1 × (1/2) Kd
(However,
E2 is the second exposure value,
Ke is a predetermined constant,
E1 is the first exposure value,
Kd is the exposure correction value)
The imaging device according to claim 1, wherein the second exposure value is obtained by:
前記第1の撮像信号から第1のオフセット値を減算するオフセット減算手段と、
前記オフセット減算手段の出力に前記補正利得を乗算する乗算手段と、
前記乗算手段の出力に第2のオフセット値を加算するオフセット加算手段とを
有し、
前記第2のオフセット値は前記第1のオフセット値と同じかそれより小さいことを特徴とする請求項1乃至11のいずれかに記載の撮像装置。 The gain correction means includes
Offset subtraction means for subtracting a first offset value from the first imaging signal;
Multiplying means for multiplying the output of the offset subtracting means by the correction gain;
Offset addition means for adding a second offset value to the output of the multiplication means,
The imaging apparatus according to claim 1, wherein the second offset value is equal to or smaller than the first offset value.
前記第1の撮像信号を画素毎に補正して、補正された第2の撮像信号を出力する利得補正ステップと、
前記第1の撮像信号の平均値を所定の目標値に一致させるための前記撮像信号生成手段の第1の露出値を定め、さらにこの第1の露出値を、補正利得の最大値に基づいて補正して第2の露出値を求め、この第2の露出値で前記撮像信号生成手段の露出を制御する露出制御ステップと、
前記第1の撮像信号の輝度成分の各画素の値とその周辺の画素の値に対してフィルタリングを行い、そのフィルタリング出力と前記補正利得の最大値とに基づいて画素ごとに補正利得を決定する補正利得決定ステップとを備え、
前記利得補正ステップは、前記補正利得決定ステップで決定された補正利得と前記第1の撮像信号との乗算を含む演算により、前記補正を行う
ことを特徴とする撮像方法。 In an imaging method using an imaging device including an imaging signal generation unit that receives light from a subject and outputs a first imaging signal corresponding to the light,
A gain correction step of correcting the first imaging signal for each pixel and outputting a corrected second imaging signal;
A first exposure value of the imaging signal generating means for making the average value of the first imaging signal coincide with a predetermined target value is determined, and the first exposure value is further determined based on the maximum value of the correction gain. An exposure control step of correcting and obtaining a second exposure value, and controlling the exposure of the imaging signal generating means with the second exposure value;
Filtering is performed on the value of each pixel of the luminance component of the first imaging signal and the value of the surrounding pixels, and a correction gain is determined for each pixel based on the filtering output and the maximum value of the correction gain. A correction gain determining step,
The gain correction step performs the correction by an operation including multiplication of the correction gain determined in the correction gain determination step and the first imaging signal.
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