JP4340824B2 - カラー撮像装置およびそのカラー撮像方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、カラー撮像装置およびそのカラー撮像方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
カラー撮像装置は、一般に、例えば図３に示すように構成されている。すなわち、被写体が撮像レンズ１１により撮像され、その像が絞り機構１２を通じてＣＣＤカラー撮像素子２１に投影され、この撮像素子２１からは補色の色信号が点順次に取り出される。
【０００３】
そして、この点順次の色信号がサンプリング・ホールド回路２２およびＡＧＣ用の可変利得アンプ２３を通じてＡ／Ｄコンバータ回路２４に供給されてデジタル信号Ｓ24にＡ／Ｄ変換される。そして、この信号Ｓ24が、色信号分離回路２５に供給されて赤色、緑色および青色の色信号Ｒ、Ｇ、Ｂが取り出され、これら信号Ｒ、Ｇ、Ｂが、ホワイトバランスアンプ２６に供給され、レベルがそれぞれＫR、ＫG、ＫB倍されてホワイトバランスが補正される。
【０００４】
続いて、このホワイトバランスの補正された信号Ｒ〜Ｂが色差変換回路２７に供給されて赤および青の色差信号（Ｒ−Ｙ）、（Ｂ−Ｙ）が形成され、この信号（Ｒ−Ｙ）、（Ｂ−Ｙ）がＮＴＳＣ方式のエンコーダ回路２８に供給される。また、分離回路２５から輝度信号Ｙが取り出され、この信号Ｙがエンコーダ回路２８に供給される。こうして、エンコーダ回路２８からは、デジタル信号化されたＮＴＳＣカラーコンポジット信号ＳNTSCが取り出される。
【０００５】
さらに、このとき、分離回路２５からの信号Ｒ〜Ｂが演算回路４１に供給されて所定の制御信号が形成される。この場合、その演算回路４１および後述する回路４２〜４５は、マイクロコンピュータ４０において、ソフトウエアにより実現されるものであるが、図においては、理解を容易にするため、ハードウェアにより等価的に示している。
【０００６】
そして、演算回路４１からの制御信号がホワイトバランスアンプ２６にその利得ＫR、ＫG、ＫBの制御信号として供給され、上述のようにホワイトバランスア ンプ２６に供給された信号Ｒ〜Ｂのホワイトバランスが補正される。
【０００７】
さらに、絞り機構１２の絞り値、カラー撮像素子２１のシャッター速度およびＡＧＣ用アンプ２３の利得ＫAGCが、マイクロコンピュータ４０によりフィード バック制御される。
【０００８】
すなわち、Ａ／Ｄコンバータ回路２４からの信号Ｓ24が、検波回路３１に供給されて輝度レベルに対応して変化する検波信号、すなわち、被写体の明るさを示す値のデータＤ31が取り出され、このデータＤ31がエラー演算用の比較回路４２に供給される。また、比較回路４２には、被写体の明るさの基準値となるデータＤREFが供給される。こうして、比較回路３１からは、基準値ＤREFに対するデータＤ31のエラーの大きさを示すエラーデータＤ42が取り出される。
【０００９】
そして、このデータＤ42が、リミッタ回路４３および積分回路４４を通じて制御信号形成回路４５に供給されて絞り機構１２の制御データが形成され、この制御データがドライブ回路３２を通じて絞り機構１２に供給され、被写体が高輝度のとき、カラー撮像素子２１に供給される光量を少なくするように、絞り機構１２の絞り値がフィードバック制御される。
【００１０】
さらに、形成回路４５において、データＤ42からＡＧＣデータＤAGCが形成さ れ、このデータＤAGCがＡＧＣ用アンプ２３にその利得ＫAGCの制御データとして供給され、被写体が低照度のとき、信号レベルを大きくするように、ＡＧＣ用アンプ２３の利得ＫAGCがフィードバック制御される。
【００１１】
また、このとき、タイミングジェネレータ回路３３から撮像素子２１に撮像に必要な各種のタイミング信号が供給されているが、形成回路４５からタイミングジェネレータ回路３３にシャッタ速度の制御データが供給され、撮像素子２１のシャッター速度、すなわち、撮像素子２１が、これに投影された被写体像から色信号を形成するときに有効となる電荷の蓄積時間がフィードバック制御される。
【００１２】
なお、リミッタ回路４３は、例えば、被写体が撮像基準とする明るさ（必要最低照度）以下であってエラーデータＤ42の値が極端に大きくなったときに、ＡＧＣ用アンプ２３などに対するフィードバック制御が不安定になったりしないように、エラーデータＤ42の値を制限するものである。また、積分回路４３は、例えば照明の映り込みにより撮像画面内に高輝度な部分が一時的に生じたようなときに、絞り機構１２などが応答しないようにするためのものである。
【００１３】
さらに、図３の装置においては、いわゆる「色消し」あるいは「色消し処理」も行われている。すなわち、低照度であって被写体が暗いときには、撮像素子２１の出力信号のレベルが低下するので、ＡＧＣ用アンプ２３の利得を大きくして信号レベルを保ち、再生画面が暗くならないようにしている。
【００１４】
しかし、撮像素子２１の出力レベルが低下しているときには、色情報そのものが劣化しているので、画像の色を正確に再現することができなくなっている。そこで、被写体が暗いときには、画像の色を積極的に消すようにしているが、これが色消し処理である。
【００１５】
ただし、その場合、被写体の明るさが低下していくとき、いきなり色消しをするのではなく、次第に色消しをしていくようにしないと、不自然な画像になってしまう。また、次第に色消しをしていくときも、被写体の明るさと色消しの割り合い（色消しの程度）との関係を考慮する必要がある。
【００１６】
そして、ＡＧＣ用アンプ２３の動作について考えると、被写体の明るさが低下するほど、ＡＧＣ用アンプ２３の利得ＫAGCは大きくなっていくとともに、その 利得ＫAGCとＡＧＣデータＤAGCの値とは対応関係にある。
【００１７】
そこで、図３の装置においては、形成回路４５からのＡＧＣデータＤAGCが、 被写体の明るさを示すデータとして演算回路４１に供給されて所定のデータＤ41が形成され、このデータＤ41が変換回路２７にその利得Ｋ27の制御データとして供給され、利得Ｋ27は、例えば図２Ａに実線で示すように制御される。
【００１８】
すなわち、利得Ｋ27は、ＡＧＣデータＤAGCを変数とする関数
Ｋ27＝ｆ（ＤAGC）
として表されるものであり、図２Ａにおいて、横軸はＡＧＣ用アンプ２３の利得ＫAGCを示し、縦軸は変換回路２７の利得Ｋ27を示す。したがって、横軸はＡＧ ＣデータＤAGCの値でもあり、被写体の明るさでもある。また、縦軸は、変換回 路２７から出力される色差信号（Ｒ−Ｙ）、（Ｂ−Ｙ）の信号レベルでもある。
【００１９】
そして、被写体の明るさが、ＡＧＣ用アンプ２３の利得ＫAGCの０dBから例え ば６dBの範囲に対応するときには、利得Ｋ27は１倍とされ、ＡＧＣ用アンプ２３の利得ＫAGCの６dB以上に対応するときには、その利得ＫAGCの増加につれて（明るさの低下につれて）利得Ｋ27は次第に小さくされていく。
【００２０】
そして、ＡＧＣ用アンプ２３の利得ＫAGCの変化範囲は、経験に基づいて０〜18dBに設計されているので、利得Ｋ27は、ＡＧＣ用アンプ２３の利得ＫAGCが18dBになるまで小さくされていく。
【００２１】
したがって、変換回路２７から出力される色差信号（Ｒ−Ｙ）、（Ｂ−Ｙ）の信号レベルは、被写体の明るさに対応して図２Ａに実線で示すように変化することになる。
【００２２】
したがって、カラーコンポジット信号ＳNTSCから再生される画像は、被写体の照度ないし明るさが不足したとき、図２Ａに実線で示す特性で色消しが行われることになる。すなわち、カラーコンポジット信号ＳNTSCによれば、被写体の明るさが十分なときには、標準的なカラー画像を得ることができ、被写体の明るさが低下していくと、次第に色消しが行われていく。
【００２３】
なお、以下の説明においては、被写体の明るさが低下していって色消しの開始される点（図２Ａの実線の場合であれば、ＫAGC＝６dBになる点）を「色消し開 始点」と呼び、ＡＧＣの利得ＫAGCが最大となる点（図２Ａの実線の場合であれ ば、ＫAGC＝18dBになる点）を「ＡＧＣ最大点」と呼ぶものとする。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、ＣＣＤ撮像素子は小型化や高画素化などにより高密度化が進み、これにつれてＣＣＤ撮像素子の１画素あたりの面積が小さくなり、感度が低下する傾向にある。
【００２５】
このため、絞り、シャッター速度、ＡＧＣ利得を同じ設定にした場合、同じ照度の被写体を撮影しても、高密度化されたＣＣＤ撮像素子では、その出力レベルが低下し、その結果、再生画面が暗くなってしまう。そして、この再生画面の明るさの低下を解決するため、一般には、例えば図２Ａに破線で示すように、ＡＧＣ範囲を拡大している。
【００２６】
ところが、そのようにすると、例えば図２Ａに破線で示すように、色消し開始点が暗いほうにずれてしまい、その結果、色消し開始点からＡＧＣ最大点までの範囲における色消し特性の傾きが、急になってしまう。
【００２７】
そして、このように色消し特性の傾きが急になると、被写体が暗いとき、例えば少しレンズの向きを変えただけで、色消しの割り合いが大きく変化することになり、不自然な画像になってしまう（そのような不自然さが出ないように、しかも、色消しの効果が得られるように、設定した色消し特性が、図２Ａの実線の特性でもある）。
【００２８】
この発明は、そのような問題点を解決しようとするものである。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
この発明においては、
被写体を撮像する固体カラー撮像素子と、
この固体カラー撮像素子から出力された撮像信号から上記被写体の明るさを示す信号を形成する第１の形成回路と、
この第１の形成回路の出力信号の示す値と、基準値とを比較する比較回路と、
この比較回路の比較出力からＡＧＣ制御信号を形成する第２の形成回路と
を有し、
上記撮像信号のレベルを、上記ＡＧＣ制御信号によりフィードバック制御し、
上記被写体の明るさが低下したとき、その低下に応じた上記ＡＧＣ制御信号により、上記撮像信号から得られる色信号のレベルを小さくするとともに、
上記被写体の明るさが所定の明るさより低下したときには、上記比較信号に応じて上記色信号のレベルをさらに小さくする
ようにしたカラー撮像装置
とするものである。
したがって、ＡＧＣの制御範囲が拡大されるとともに、色消し特性の傾きは緩やかになる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
ところで、絞り機構１２の絞り値、撮像素子２１のシャッター速度およびＡＧＣ用アンプ２３の利得ＫAGCが、形成回路４５からの制御データにより制御され る場合、比較回路４２のエラー出力（比較出力）Ｄ42が０になるように、フィードバック制御が行われる。
【００３１】
しかし、被写体の明るさが、そのフィードバック制御の制御範囲から外れた場合、すなわち、被写体が暗すぎる場合、エラー出力Ｄ42を０にすることはできなくなる。そして、エラー出力Ｄ42の値は、被写体が暗くなるにつれて大きくなっていき、かなり暗くなると、リミッタ回路４３のリミットレベルに達する。
【００３２】
したがって、被写体の照度（明るさ）が、ＡＧＣ用アンプ２３の最大利得18dBに対応する照度よりも暗くなったときでも、リミッタ回路４３の出力を見ていれば、被写体の照度あるいは明るさを知ることができる。
【００３３】
この発明は、そのような点に着目し、撮像素子の感度が低くても、明るい画面が得られるとともに、色消し特性が不自然にならないようにするものである。
【００３４】
以下、この発明の一例について、図１により説明する。
図１において、被写体が撮像レンズ１１により撮像され、その像が絞り機構１２を通じて固体カラー撮像素子、例えばＣＣＤカラー撮像素子２１に投影され、この撮像素子２１からは例えば補色の色信号が点順次に取り出される。
【００３５】
そして、この点順次の色信号がサンプリング・ホールド回路２２に供給されて有効部分がサンプリング・ホールドされ、その出力信号がＡＧＣ用の可変利得アンプ２３を通じてＡ／Ｄコンバータ回路２４に供給されてデジタル信号Ｓ24にＡ／Ｄ変換される。そして、この信号Ｓ24が、色信号分離回路２５に供給されて赤色、緑色および青色の色信号Ｒ、Ｇ、Ｂが取り出され、これら信号Ｒ、Ｇ、Ｂが、ホワイトバランスアンプ２６に供給され、レベルがそれぞれＫR、ＫG、ＫB倍 されてホワイトバランスが補正される。
【００３６】
続いて、このホワイトバランスの補正された信号Ｒ〜Ｂが色差変換回路２７に供給されて赤および青の色差信号（Ｒ−Ｙ）、（Ｂ−Ｙ）が形成され、この信号（Ｒ−Ｙ）、（Ｂ−Ｙ）が例えばＮＴＳＣ方式のエンコーダ回路２８に供給される。また、分離回路２５から輝度信号Ｙが取り出され、この信号Ｙがエンコーダ回路２８に供給される。こうして、エンコーダ回路２８からは、デジタル信号化されたＮＴＳＣカラーコンポジット信号ＳNTSCが取り出される。
【００３７】
さらに、このとき、分離回路２５からの信号Ｒ〜Ｂが演算回路４１に供給されて所定の制御信号が形成される。この場合、その演算回路４１および後述する回路４２〜４５は、マイクロコンピュータ４０において、ソフトウェアにより実現されるものであるが、図においては、理解を容易にするため、ハードウエアにより等価的に示している。
【００３８】
そして、演算回路４１からの制御信号がホワイトバランスアンプ２６にその利得ＫR、ＫG、ＫBの制御信号として供給され、上述のようにホワイトバランスア ンプ２６に供給された信号Ｒ〜Ｂのホワイトバランスが補正される。
【００３９】
さらに、絞り機構１２の絞り値、撮像素子２１のシャッター速度およびＡＧＣ用アンプ２３の利得ＫAGCが、マイクロコンピュータ４０によりフィードバック 制御される。
【００４０】
すなわち、Ａ／Ｄコンバータ回路２４からの信号Ｓ24が、検波回路３１に供給されて輝度レベルに対応して変化する検波信号、すなわち、被写体の明るさを示す値のデータＤ31が取り出され、このデータＤ31がエラー演算用の比較回路４２に供給される。また、比較回路４２には、被写体の明るさの基準値となるデータＤREFが供給される。
【００４１】
こうして、比較回路３１からは、基準値ＤREFに対するデータＤ31のエラーの 大きさを示すエラーデータＤ42が取り出され、このデータＤ42がリミッタ回路４３および積分回路４４に順に供給される。
【００４２】
この場合、リミッタ回路４３は、例えば、被写体が撮像基準とする明るさ以下であってエラーデータＤ42の値が極端に大きくなったときに、ＡＧＣ用アンプ２３などに対するフィードバック制御が不安定になったりしないように、エラーデータＤ42の値を制限するものである。また、積分回路４４は、例えば照明の映り込みにより撮像画面内に高輝度な部分が一時的に生じたようなときに、絞り機構１２などが応答しないようにするためのものである。
【００４３】
そして、積分回路４４からのデータＤ42が制御信号形成回路４５に供給されて絞り機構１２の制御データが形成され、この制御データがドライブ回路３２を通じて絞り機構１２に供給され、被写体が高輝度のとき、撮像素子２１に供給される光量を少なくするように、絞り機構１２の絞り値がフィードバック制御される。
【００４４】
また、形成回路４５において、データＤ42からＡＧＣデータＤAGCが形成され 、このデータＤAGCがＡＧＣ用アンプ２３にその利得ＫAGCの制御データとして供給され、被写体が低照度のとき、信号レベルを大きくするように、ＡＧＣ用アンプ２３の利得ＫAGCがフィードバック制御される。さらに、形成回路４５からタ イミングジェネレータ回路３３にシャッタ速度の制御データが供給され、撮像素子２１のシャッター速度がフィードバック制御される。
【００４５】
そして、図１の装置においては、色消しのための構成および動作が、次のようなものとされる。すなわち、形成回路４５からのＡＧＣデータＤAGCが演算回路 ４１に供給される。また、上記のように、被写体の照度（明るさ）が、ＡＧＣ用アンプ２３の最大利得18dBに対応する照度よりも暗くなったときでも、リミッタ回路４３の出力ＤLIMを見ていれば、被写体の照度あるいは明るさを知ることが できるので、リミッタ回路４３の出力ＤLIMが演算回路４１に供給される。
【００４６】
そして、この演算回路４１において、データＤAGC、ＤLIMから所定のデータＤ41が形成され、このデータＤ41が変換回路２７に利得Ｋ27の制御データとして供給され、利得Ｋ27は、例えば図２Ｂに示すように制御される。
【００４７】
すなわち、利得Ｋ27は、ＡＧＣデータＤAGCおよびリミッタ出力Ｄ41を変数と する関数
Ｋ27＝ｇ（ＤAGC）＋ａ・Ｄ41
ａ：定数
として表される。
【００４８】
そして、この場合、被写体の明るさが、ＡＧＣ用アンプ２３の利得ＫAGCの０dBから例えば12dBの範囲に対応するときには、利得Ｋ27は１倍とされ、ＡＧＣ用 アンプ２３の利得ＫAGCの12dB以上に対応するときには、その利得ＫAGCの増加につれて（明るさの低下につれて）利得Ｋ27は次第に小さくされていく。この利得Ｋ27の低下は、ＡＧＣ用アンプ２３の利得ＫAGCが最大値、例えば18dBになるま で行われる。
【００４９】
なお、このとき、ＤLIM＝０であり、ＫAGC＝０dB〜18dBの範囲における色消し特性は、ＡＧＣデータＤAGCにより実現される。また、ＫAGC＝12dB〜18dBにおける色消し特性の傾きは、図２Ａの実線のそれと等しくされる。
【００５０】
そして、照度がＫAGC＝18dBに対応する値よりも低下していくと、リミッタ出 力ＤLIMが０から変化していき、その照度の低下につれて利得Ｋ27は小さくされ ていく。この利得Ｋ27の低下は、リミッタ出力ＤLIMが最大値になる点、すなわ ち、リミッタ回路４３が振幅制限を開始する点で終了とされる。また、このときの色消し特性の傾きは、ＫAGC＝12dB〜18dBにおける色消し特性の傾きに例えば 等しくされる。
【００５１】
したがって、変換回路２７から出力される色差信号（Ｒ−Ｙ）、（Ｂ−Ｙ）の信号レベルは、被写体の明るさに対応して図２Ａに実線で示すように変化することになる。
【００５２】
したがって、カラーコンポジット信号ＳNTSCによれば、被写体の明るさが十分なときには、標準的なカラー画像を得ることができ、被写体の明るさが低下していくと、図２Ｂに示す色消し特性で次第に色消しが行われていく。
【００５３】
こうして、図１の装置によれば、例えば図２Ｂに示す色消し特性で撮像を行うことができるので、ＣＣＤ撮像素子１１として感度の低いものを使用することができる。したがって、ＣＣＤ撮像素子１１として、小型化したものや高画素化したものを使用することができるとともに、そのとき、被写体の照度が低くても、再生画面の暗くなることがない。
【００５４】
また、色消し特性の傾きを例えば図２Ｂに示すように緩やかに設定することができるので、例えば、被写体が暗いときに、レンズ１１の向きを変えても、色消しの割り合いが大きく変化することがなく、したがって、不自然さがなく、しかも、色消しの効果が得られる画面とすることができる。
【００５５】
さらに、図２Ｂの特性は、マイクロコンピュータ４０におけるソフトウェアにより実現することができるので、コストの上昇を抑えることができる。
【００５６】
〔この明細書で使用している略語の一覧〕
Ａ／Ｄ ：Analog to Digital
ＡＧＣ ：Automatic Gain Control；自動利得制御
ＣＣＤ ：Charge Coupled Device；電荷結合素子
ＮＴＳＣ：National Television System Committee；米国テレビジョン方式委員会
【００５７】
【発明の効果】
この発明によれば、固体撮像素子として、小型化したものや高画素化したものを使用することができるとともに、そのとき、被写体の照度が低くても、再生画面の暗くなることがない。また、色消し特性の傾きを緩やかに設定することができるので、色消しに不自然さが出ない色消しの効果を得ることができる。さらに、ソフトウェアにより実現することができるので、コストの上昇を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一形態を示す系統図である。
【図２】この発明を説明するための特性図である。
【図３】この発明を説明するための系統図である。
【符号の説明】
１１…撮像レンズ、１２…絞り機構、２１…ＣＣＤカラー撮像素子、２２…サンプリング・ホールド回路、２３…可変利得アンプ、２４…Ａ／Ｄコンバータ回路、２５…色分離回路、２６…ホワイトバランスアンプ、２７…色差変換回路、２８…エンコーダ回路、３１…検波回路、３２…ドライブ回路、３３…タイミングジェネレータ回路、４０…マイクロコンピュータ、４１…演算回路、４２…比較回路、４３…リミッタ回路、４４…積分回路、４５…制御信号形成回路

Claims (3)

1. 被写体を撮像する固体カラー撮像素子と、
   この固体カラー撮像素子から出力された撮像信号から上記被写体の明るさを示す信号を形成する第１の形成回路と、
   この第１の形成回路の出力信号の示す値と、基準値とを比較する比較回路と、
   この比較回路の比較出力からＡＧＣ制御信号を形成する第２の形成回路と
   を有し、
   上記撮像信号のレベルを、上記ＡＧＣ制御信号によりフィードバック制御し、
   上記被写体の明るさが低下したとき、その低下に応じた上記ＡＧＣ制御信号により、上記撮像信号から得られる色信号のレベルを小さくするとともに、
   上記被写体の明るさが所定の明るさより低下したときには、上記比較信号に応じて上記色信号のレベルをさらに小さくする
   ようにしたカラー撮像装置。
2. 被写体の像が投影される固体カラー撮像素子と、
   この固体カラー撮像素子から出力される点順次信号の供給されるＡＧＣ用アンプと、
   このＡＧＣ用アンプの出力信号からカラービデオ信号を形成する第１の回路と、
   上記カラービデオ信号に含まれる色信号のレベルを制御する第２の回路と、
   上記ＡＧＣ用アンプの出力信号から上記被写体の明るさを示す信号を形成する検波回路と、
   この検波回路の出力信号の示す値と、基準値とを比較する比較回路と、
   この比較回路の比較出力からＡＧＣ制御信号を形成する第３の回路と
   を有し、
   上記ＡＧＣ制御信号により上記ＡＧＣ用アンプの利得をフィードバック制御して上記点順次信号に対してＡＧＣを行い、
   上記第２の回路において、上記被写体の明るさが低下したとき、その低下につれて上記ＡＧＣ制御信号により、上記カラービデオ信号に含まれる上記色信号のレベルを小さくしていくとともに、
   上記被写体の明るさが所定の明るさより低下したとき、その低下に応じた上記比較回路の比較出力により、上記カラービデオ信号に含まれる上記色信号のレベルをさらに小さくする
   ようにしたカラー撮像装置。
3. 被写体を固体カラー撮像素子により撮像して得られる撮像信号から上記被写体の明るさを示す第１の信号を形成し、
   この第１の信号の示す値と、基準値とを比較し、
   この比較出力からＡＧＣ制御信号を形成し、
   上記撮像信号のレベルを上記ＡＧＣ制御信号によりフィードバック制御し、
   上記被写体の明るさが低下したとき、その低下に応じた上記ＡＧＣ制御信号により、上記撮像信号から得られる色信号のレベルを小さくするとともに、
   上記被写体の明るさが所定の明るさより低下したときには、上記比較出力に応じて上記色信号のレベルをさらに小さくする
   ようにしたカラー撮像方法。

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