JP4390863B2 - ダイナミックレンジ圧縮回路、方法及びカラーカメラ - Google Patents

Description

本発明は、ダイナミックレンジ変更回路及びこのようなダイナミックレンジ変更回路を具えるカメラに関するものである。この変更の概念は圧縮及び伸長を含む。
論文「Adaptive highlight compression in today’s cameras」、SMPTE Journal、March 1992、pp.135-139、には、ディスプレイ（代表的には４０ｄＢの最大ダイナミックレンジを有する）が現在のＣＣＤセンサの大きなダイナミックレンジ（７５ｄＢ以上）を処理し得ないので現在のＣＣＤセンサの増大されたダイナミックレンジの最良の使用を可能にするアダプティブ可変ニー特性の提案が記載されている。３つのカラーチャネル（Ｒ，Ｇ，Ｂ）のすべてにおいて同一のニー特性がアクティブにされる。
論文「The all-digital camcorder - the arrival of electronic cinematography」、SMPTE Journal、January 1996、pp.13-30、には、３つのディジタル化されたカラーチャネルＲ，Ｇ，Ｂの各チャネルに対するガンマ／ニー回路を有するディジタル処理回路が開示されている。Ａ／Ｄ変換器及びマトリクス回路を含む回路が３つのＣＣＤセンサ（各色ごとに１つ）の各々とガンマ／ニー回路との間に位置する。
本発明の目的は、一層簡単なダイナミックレンジ変更手段、特にシングルＣＣＤカラーカメラに対し使用するのに好適なダイナミックレンジ変更手段を提供することにある。この目的のために、本発明の第１の特徴は請求項１及び６に特定されたダイナミックレンジ変更手段を提供することにある。本発明の第２の特徴はこのようなダイナミックレンジ変更手段を具えるカメラを提供することにある。有利な実施例は縦続請求項に特定されている。
本発明の第１の特徴によるダイナミックレンジ変更手段では、輝度成分をセンサ出力信号から選択し、輝度成分を非線形処理して非線形処理された輝度信号を発生させ、この非線形処理された輝度信号に依存して、変更された信号を出力させる。
センサ出力信号において、サンプルホールド処理後に、非線形処理（圧縮、伸長又はヒストグラム等化）を輝度成分に実行するとともに、線形輝度レベル依存利得補正を色成分に実行するのが好ましい。
本発明は次の認識に基づくものである。特にセキュリティカメラにおいては、シーン照明がコントラストに大きな問題を発生し得る環鏡において細部を見えるようにする必要がある。消費者カメラにおいてもこのようなダイナミックレンジ変更が必要とされる。３−ＣＣＤカメラでは、Ｒ，Ｇ，Ｂに対し３つの輝度信号が得られるが、ただ１つのＣＣＤセンサを有するカメラからのセンサ信号は輝度情報と色情報の両方を含む。後者のセンサ信号の非線形処理は色情報に許容し得ない誤りをもたらす。この理由のために、センサ出力信号内の輝度及び色情報を最初にＹ，Ｒ，Ｇ，Ｂ信号に変換し、これらのＹ，Ｒ，Ｇ，Ｂ信号に圧縮処理を加える。例えば６００％の過負荷マージンをシステムのレンジ内に戻すために、ダイナミックレンジ圧縮の前のすべての信号処理回路を少なくとも６００％まで線形にする必要がある。一般に、この要求は標準のアナログ処理ＩＣにより満足させることはできない。ディジタルＩＣに対しては、この要件は１３ビット以上の入力精度を意味する。これはスタジオカメラに対し実現可能であるが、消費者カメラやセキュリティカメラに対してはこのような高精度は極めて高くつくとともにコンパクトな形に得ることができない。殆どの場合、ダイナミックレンジ変更はダイナミックレンジ圧縮である。しかし、例えば霧のかかった状態では、良好なコントラストを得るためにダイナミックレンジ圧縮の代わりにダイナミックレンジ伸長を実行する必要がある。
本発明は、カラーフィルタを有するＣＣＤセンサの出力信号に対しては、主として輝度成分を含む信号に対してのみ高振幅を減少させることによってダイナミックレンジ変更を加えることができるという認識に基づくものである。それゆえ、Ａ／Ｄ変換回路及びマトリクス回路は既に変更された信号を受信するので、変更がＡ／Ｄ変換回路及びマトリクス回路等の後で行われる従来技術の場合より安価な回路を使用することが可能になる。カラーフィルタは、例えばベイヤーフィルタ又は補色モザイクフィルタとすることができる。
センサ出力信号内の輝度及び色成分のこの分離処理は、後述するようにこれらの成分は周波数領域内で異なる位置を占めるためにこの処理が可能であるという認識に基づくものである。ＣＣＤセンサの表面は各窓が画素を表わす窓構造を有する光電層と解釈することができる。画素情報は１ライン上のすべての画素を１テレビジョンライン周期内に読み取るのに十分な高クロック周波数で読み取られる。従って、ＣＣＤセンサの出力信号は、輝度情報がベースバンド及びサンプル周波数fsの倍周波数ｍ*fsに存在する周波数スペクトルを有する。色情報はセンサ表面上の交互の画素を交互の色で覆うカラーフィルタから得られる。水平読取り方向における２つの交互の色に対し、画素読取り周波数の半分（ｍ*fs/2）の周波数オフセットを有する繰返し周波数スペクトルが出力に得られる。
それゆえ、センサ信号を低域通過フィルタに通すと、輝度情報が得られる。
本発明のこれらの特徴及び他の特徴は図面を参照して以下に記載する実施例を参照すると明らかになる。図面において、
図１は本発明によるカメラのブロック図であり、
図２は図１のカメラ内のＣＣＤセンサ用のカラーフィルタの一例を示し、
図３はセンサに適切な光学低域通過フィルタを設けた場合のセンサ出力信号の輝度情報及び色情報の位置を示す周波数スペクトル図であり、
図４は本発明によるダイナミックレンジ変更回路の第１の実施例を示し、
図５は本発明によるダイナミックレンジ変更回路の第２の実施例を示し、
図６は本発明によるダイナミックレンジ変更回路の第３の実施例を示し、
図７は本発明によるダイナミックレンジ変更回路の第４の実施例を示す。
図１のブロック図において、ＣＣＤセンサはシーンからの光を受光し、センサ信号ＳＳをダイナミックレンジ変更（圧縮、伸長又はヒストグラム等化）回路ＤＲＣＳに出力する。好適なダイナミックレンジ変更回路ＤＲＣＳの実施例を図４−７に示す。ダイナミックレンジ変更回路ＤＲＣＳは変更（圧縮）された信号ＣＳをＡ／Ｄ変換器に出力し、この変換器の出力がディジタル信号プロセッサＤＳＰに供給される。ディジタル信号プロセッサＤＳＰの出力はＤ／Ａ変換器に供給され、この変換器が輝度信号Ｙ及びクロミナンス信号Chrを出力回路ＯＣに出力する。出力回路ＯＣは出力複合ビデオ信号ＣＶＢＳを発生する。ダイナミックレンジ変更は、妨害成分を除去する相関ダブルサンプリング処理後に実行するのが好ましい。ブロックＤＲＣＳは更に他の前処理を実行することができるが、これらの前処理は本発明に関係ない。上述したように、圧縮の代わりに伸長を実行することもできる。
図２は図２のＣＣＤセンサの表面上に使用するカラーフィルタを示す。Yeは黄色画素を示し、Cyはシアン画素を示し、Mgはマゼンタ画素を示し，Ｇは緑色画素を示す。他の補色モザイク又はＲＧＢベイヤーカラーフィルタも使用可能である。
図３はセンサ信号ＳＳの周波数領域内における輝度情報Ｂと色情報Ｃの分布を示す。周波数fs/２は７MHzにすることができる。２つの曲線Ｂ、Ｃはオーバラップし、輝度曲線Ｂがfs/２にへこみを有するものとすることもできる。
図４は本発明によるダイナミックレンジ変更回路の第１の実施例を示す。センサ信号ＳＳは低域通過フィルタＬＰＦに供給され、このフィルタがセンサ信号ＳＳから輝度成分Ｂを選択する。輝度成分ＢはプロセッサＮＬＰにおいて非線形処理が施される。高域通過フィルタＨＰＦがセンサ信号ＳＳから色成分Ｃを取り出す。加算器Ａが非線形処理された輝度成分Ｂ’と色成分Ｃを加算して変更された信号ＣＳを得る。図４は非線形プロセッサＮＬＰの変更曲線が円弧曲線又はこれを近似するものであり、良好な結果をもたらす。通常のニー変更（圧縮）曲線を使用することもできること勿論であり、伸長又はヒストグラム等化曲線を使用することもできること勿論である。
図５は本発明によるダイナミックレンジ変更回路の第２の実施例を示す。図５は図４と、色成分Ｃに利得コントローラＧＣ１により利得調整を施して利得調整された色成分Ｃ’を得て、これを非線形処理された輝度成分Ｂ’に加算する点で相違する。このようにすると、フレキシビリティが増大する。代表的には、利得制御係数Ｋは１〜５の範囲内で変化する。マルチプライヤはマルチプライングＡ／Ｄ変換器とすることができる。
図６は本発明によるダイナミックレンジ変更回路の第３の実施例を示す。図６は図５と、利得コントローラＧＣ２による利得調整が非線形処理された輝度成分Ｂ’から変換回路ＣＣにより取り出された利得制御係数Ｋに依存する点で相違する。このようにすると、輝度情報と色情報との比を一定に維持することができる。変換回路ＣＣはディバイダ又はこれを近似するものとするのが好ましい。
図７は本発明によるダイナミックレンジ変更回路の第４の実施例を示す。図７は図６と、高域通過フィルタが、回路ＬＰＦ，ＮＬＰ及びＣＣの処理遅延を補償する遅延Ｔを与える遅延回路Ｄと置換されている点で相違する。更に、利得コントローラＣＧ２が変更された信号ＣＳを出力する。従って、非線形処理された輝度成分Ｂ’は利得制御係数Ｋを得るためにのみ使用される。センサ信号ＳＳ全体が利得制御を受けるので、この信号内の輝度成分がこの利得制御により非線形処理されるとともに、色成分がレベル依存量だけ変調される。輝度情報と色情報を分離しない利点はこれらの両情報の比が常に同一になる点にある。
上述した実施例は本発明を限定するものではなく、当業者であれば本発明の範囲を逸脱することなく多くの変形例を設計し得ること勿論である。本発明はいくつかの個別の素子を具えるハードウエアにより実現することができ、また適切にプログラムしたコンピュータにより実現することもできる。デバイスクレームにおいて列挙する手段のいくつかは同一のハードウエアアイテム内に埋め込むことができる。図４−６に関し、低域通過フィルタＬＰＦ及び高域通過フィルタＨＰＦの遮断周波数の正確な値は、それらがある程度相補であることとあまり関係がない点に注意されたい。低域通過フィルタＬＰＦはfs/２の周波数で零を有し、高域通過フィルタＨＰＦは０周波数で零を有するものとするのが好ましい。

Claims (6)

1. それぞれ異なる周波数領域を占める輝度成分(B)と色成分(C)を含むセンサ出力信号(SS)から前記輝度成分(B)を選択する手段(LPF)及び前記色成分(C)を選択する手段(HPF)と、
   前記輝度成分(B)を非線形に圧縮して圧縮された輝度信号(B’)を供給する手段(NLP)と、
   前記圧縮された輝度信号(B’)と前記色成分(C)又は利得調整された色成分(C’)とを互いに加算することにより、前記圧縮された輝度信号(B’)に依存して圧縮された信号(CS)を出力する手段(A;CC,GC2)と、
   を具えるダイナミックレンジ圧縮回路。
2. それぞれ異なる周波数領域を占める輝度成分(B)と色成分(C)を含むセンサ出力信号(SS)から前記輝度成分(B)を選択する手段(LPF)と、
   前記輝度成分(B)を非線形に圧縮して圧縮された輝度信号(B’)を供給する手段(NLP)と、
   前記圧縮された輝度信号(B’)から利得制御信号(K)を発生する手段(CC)と、
   前記センサ出力信号(SS)に前記利得制御信号(K)を乗算して圧縮された信号(CS)を得る手段(GC2)と、
   を具えるダイナミックレンジ圧縮回路。
3. 前記出力手段が、
   前記圧縮された輝度信号(B’)から利得制御信号(K)を発生する手段(CC)と、
   前記色成分(C)に前記利得制御信号(K)を乗算して前記利得調整された色成分(C’)を得る手段と、
   前記圧縮された輝度信号(B’)と前記利得調整された色成分(C’)を加算して前記変更された信号を得る手段と、
   を具えることを特徴とする請求項１記載のダイナミックレンジ圧縮回路。
4. それぞれ異なる周波数領域を占める輝度成分(B)と色成分(C)を含むセンサ出力信号を発生するセンサと、
   前記センサ出力信号を受信し、圧縮された信号(CS)を出力する請求項１に記載されたダイナミックレンジ圧縮回路と、
   前記圧縮された信号を処理する手段と、
   を具えるカラーカメラ。
5. 前記処理手段が、
   前記圧縮された信号をディジタル化してディジタル信号を得る手段と、
   前記ディジタル信号を処理する手段と、
   を具えることを特徴とする請求項４記載のカラーカメラ。
6. それぞれ異なる周波数領域を占める輝度成分(B)と色成分(C)を含むセンサ出力信号(SS)から前記輝度成分(B)を選択するステップ(LPF)及び前記色成分(C)を選択するステップ(HPF)と、
   前記輝度成分(B)を非線形に圧縮して圧縮された輝度信号(B’)を発生させるステップ(NLP)と、
   前記圧縮された輝度信号(B’)と前記色成分(C)又は利得調整された色成分(C’)とを互いに加算することにより、前記圧縮された輝度信号(B’)に依存して圧縮された信号(CS)を出力させるステップ(A;CC,GC2)と、
   を具えることを特徴とするダイナミックレンジ圧縮方法。

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