JP4568484B2 - 画像処理方法及びデジタルカメラ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、画素ごとに信号値を持つ画像データに対して所定の階調変換処理を施す画像処理方法、及び、デジタルカメラに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
撮像装置の1つとして、デジタルカメラが広く普及している。デジタルカメラは、撮影レンズの背後にCCDやCMOSなどの撮像素子が設けられており、撮像素子から出力される撮像信号に基づいて画像データを生成し、生成した画像データをメモリカードなどの記憶媒体に記録する。
【0003】
デジタルカメラを用いて低輝度の被写体を撮像する場合、得られる撮像信号は全体として小さく、また、被写体を再生する際に階調の幅として再現される撮像信号の信号値の幅も狭い。これにより、画像データを再生した際に、暗く、階調の乏しい画像として再現されてしまう。
【0004】
このため、低輝度の被写体を撮像する場合には、ゲインアップという感度向上技術が用いられる。ゲインアップは、撮像素子から出力される撮像信号を一定の倍率で増幅するものである。ゲインアップを行うことによって、低輝度の被写体であっても明るく、また、階調豊かに再現することができる。
【0005】
しかし、高輝度の被写体を撮像した場合に、ゲインアップを行ってしまうと、再現可能な階調幅以上に撮像信号が増幅されてしまい、いわゆる白飛びとして再現されてしまう。このような理由から、ゲインアップは、被写体に輝度の高い部分と低い部分とがある場合には適さない。
【0006】
そこで、下記特許文献1、及び、特許文献2には、高感度の撮影を行い、被写体の低輝度部分を再現するのに適した第1の撮像素子と、低感度の撮影を行い、被写体の高輝度部分を再現するのに適した第2の撮像素子とを設け、これら2種類の撮像素子により得られた2種類の画像を合成することにより、広いダイナミックレンジを有する画像を得ることのできる撮像装置が記載されている。
【0007】
【特許文献1】
特開2001−8104号公報
【特許文献2】
特開2002−165226号公報
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、2種類の撮像素子を別個に設けた場合には、装置の大型化やコストの増加を招いてしまう。また、高感度の撮像素子と低感度の撮像素子とを交互に配置するなどして共通のエリアに2種類の撮像素子を設けた場合には、得られる画像の解像度が低下してしまうという問題があった。
【0009】
こういった問題は、1種類の撮像素子によっても、初めに高感度モードで撮影し、続けて低感度モードで撮影し、2つの画像を撮影後に合成するといった方法を用いれば解決することができる。ところが、この方法では、撮影に時間がかかってしまうだけではなく、2回の撮影を行う間に被写体が動いてしまった場合には、正常な画像を得ることができなくなる。
【0010】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、簡単な構成で画質の低下を招くことがなく、ダイナミックレンジの拡大を図ることのできる画像処理方法、及び、デジタルカメラを提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の画像処理方法は、画像を構成する各画素の画素データの階調値を変換して出力する画像処理方法において、ユーザーからの操作に応じて、通常モード、高感度モード、広ダイナミックレンジモードの各モードを切り替えるモード切り替えステップと、通常モードと広ダイナミックレンジモードにおいて、第1増幅率で画像データの入力階調値を増幅して出力し、高感度モードにおいて、第1増幅率よりも高い第2増幅率で画像データの入力階調値を増幅して出力する増幅ステップと、広ダイナミックレンジモードにおいて、非線形の出入力特性を有する階調変換特性で画像データの階調変換を行う階調変換ステップとを備え、前記階調変換ステップでは、階調変換を行う画像の輝度に応じた階調変換特性で階調変換が実行され、前記輝度が、前記階調変換を行う画像を複数の領域に分割した各領域における輝度平均値の最大値であることを特徴としている。
【0012】
また、本発明のデジタルカメラは、画像を構成する各画素の画素データの階調値を変換して出力する画像処理を行うデジタルカメラにおいて、通常モード、高感度モード、広ダイナミックレンジモードの各モードを切り替えるための操作手段と、通常モードと広ダイナミックレンジモードにおいて、第1増幅率で画像データの入力階調値を増幅して出力し、高感度モードにおいて、第1増幅率よりも高い第2増幅率で画像データの入力階調値を増幅して出力する増幅手段と、広ダイナミックレンジモードにおいて、非線形の出入力特性を有する階調変換特性で画像データの階調変換を行う階調変換手段とを備え、前記階調変換手段は、階調変換を行う画像を複数の領域に分割した各領域における輝度平均値の最大値に応じた階調変換特性で階調変換を実行することを特徴としている。
【0013】
前記階調変換特性として、画素データの入力階調値が大きい領域では画素データの入力階調値が小さな領域に対して出力階調値が緩やかに変化する複数種類の階調変換特性を設けてもよい。
【0014】
【発明の実施の形態】
本発明を実施したデジタルカメラ10の前面側の斜視図を図1(A)に、背面側の斜視図を同図(B)にそれぞれ示す。カメラ本体11の前面には、撮影レンズ13が設けられており、上面には、シャッタボタン15が設けられている。
【0015】
カメラ本体11の背面には、ズームボタン、モード選択ボタン、電源ボタン、4つのボタンが十字配列されたカーソルボタンからなる操作部17、及び、各種表示を行うためのLCD19が設けられている。また、カメラ本体11の側面には、メモリカード21が着脱自在にセットされる。このメモリカード21には、例えば、JPEG形式で圧縮された画像データが記憶される。
【0016】
デジタルカメラ10には、撮影モード、再生モード、各種設定を行うメニューモードが設けられている。また、撮影モードには、通常撮影モードの他に、高感度での撮影を行う高感度撮影モード、高輝度の部分と低輝度の部分が存在する被写体を撮影するための、広ダイナミックレンジモードが設けられている。各モードは、操作部17を操作することによって切り替えることができる。ユーザーはこれらの各モードを切り替えながら、撮影モードにおいて撮影を行ったり、再生モードにおいて撮影済みの画像を確認したりする。
【0017】
図2に示すように、デジタルカメラ10の内部にはCPU23が設けられている。CPU23は、シャッタボタン15や操作部17から入力される操作信号に応じてデジタルカメラ10の各部を制御する。
【0018】
撮影レンズ13は、モータを含むレンズ駆動機構25によって駆動されて、光学撮影倍率の変更と焦点調整が行われる。絞り27はモータを含む絞り駆動機構29によって駆動されて、絞り径が切り替えられる。レンズ駆動機構25及び絞り駆動機構29は、CPU23に制御されるモータドライバ31、33によって駆動される。
【0019】
絞り27の背後には、撮像素子としてCCDイメージセンサ(CCD)35が配置されている。CCD35は、周知のように、多数の受光素子がマトリクス状に配列された光電面を備えており、撮影レンズ13や絞り27を通過し、この光電面に結像した被写体光を光電変換する。光電面の前方には、各画素に光を集光するためのマイクロレンズアレイと、各画素がR、G、Bのいずれかに対応するように各色のカラーフィルタアレイとが配置されている。
【0020】
CCD35は、CCDドライバ37から供給される垂直転送クロック及び水平転送クロックに同期して、各画素毎に蓄積された電荷を1ラインずつシリアルな撮像信号として出力する。各画素の電荷蓄積時間(露出時間)は、CCDドライバ37から与えられる電子シャッタ駆動信号によって決められている。
【0021】
CCD35による撮像信号の取り込みは、デジタルカメラ10が撮影モードにセットされると開始される。撮影モードでは、画素数を落としたスルー画として撮像信号が取り込まれ、LCD19に連続的に表示される。シャッタボタン15が押圧操作されて本撮影指示がなされると、CCD35は、スルー画としての取り込みをいったん中止して、本画像として撮像信号を取り込む。本撮影が終了すると再びスルー画として撮像信号が取り込まれる。このようにして取り込まれたアナログの撮像信号は、アナログ信号処理回路41に出力される。
【0022】
アナログ信号処理回路41は、相関二重サンプリング回路(CDS)43、信号増幅部45、A/Dコンバータ47とからなる。CDS43は、撮像信号に含まれるノイズの除去を行う。デジタルカメラ10が通常撮影モードや、広ダイナミックレンジモードにセットされているときは、ノイズの除去されたアナログ撮像信号は、信号増幅部45において通常ゲイン(Ga)で増幅されA/Dコンバータ47に送られる。
【0023】
一方、デジタルカメラ10が高感度撮影モードにセットされているときには、ノイズの除去されたアナログ撮像信号は、信号増幅部45において設定感度に応じて定められるゲインで増幅される。例えば、ISO400モードにおいては通常撮影モードの4倍のゲイン(4Ga)で、ISO200モードでは2倍のゲイン(2Ga)で、それぞれ増幅される。
【0024】
図3は、信号増幅部45においてアナログ撮像信号が増幅される様子を示したグラフである。図の横軸は、CCD35から出力されてアナログ信号処理回路41に入力されるアナログ信号値を表し、縦軸は、アナログ信号増幅部41から出力されるアナログ信号値を表す。図の実線は、通常撮影モード(ゲインGa)を表し、点線は、高感度撮影モード(ゲイン2Ga)を表す。
【0025】
高感度撮影モードでは、被写体の高輝度部分、すなわちアナログ信号値の入力値の高い部分では、出力の最大値を越えてしまい飽和状態となり、いわゆる白飛びとして再現される。しかし、多くの主要被写体は低〜中輝度であり、この部分を階調豊かに表現することができる。このように、ゲインアップが行われると、撮影可能な被写体輝度の幅(ダイナミックレンジ)は減少してしまう代わりに、被写体の低〜中輝度部分を再現する階調の幅は広がる。信号増幅部45により増幅されたアナログ撮像信号は、A/Dコンバータ47に送信される。
【0026】
A/Dコンバータ47は、送信されたアナログ撮像信号を、10ビットの階調幅(1024階調)を持った信号値(階調値)へデジタル変換して画像データを生成する。この画像データは、各画素毎にR、G、Bの濃度を示す階調値を持つCCDーRAWデータであり、このデータは、データバス49を介してフレームメモリ51に出力される。
【0027】
データバス49には、フレームメモリ51やアナログ信号処理回路41の他に、デジタル信号処理回路61、CPU23、LCD19、メモリカード21が接続されており、これらはデータバス49を介して情報の送受信を行えるようになっている。フレームメモリ51は、デジタル信号処理回路61が画像データに対して各種信号処理を施す際に使用される作業用メモリであり、画像データが一時的に記憶される。
【0028】
デジタル信号処理回路61は、画像調節部63、画像補正部65、階調変換部67、ガンマ補正部68が設けられている。さらに、画像調節部63には、AF回路69、AE回路71、AWB回路73、が設けられている。
【0029】
AF回路69は、アナログ信号処理回路41から出力された画像データに基づいて焦点位置を検出し、フォーカッシングを行う。AE回路71は、アナログ信号処理回路41から出力された画像データに基づいて被写体輝度を測定し、露出制御を行う。AWB回路73は、オートホワイトバランス回路であり、撮影時のホワイトバランスを自動調整する。画像補正部65は、撮像された画像にシャープネス補正、コントラスト補正、などの画質補正処理を行う。
【0030】
デジタルカメラ10が通常撮影モードやゲインアップモードにセットされている場合、CCD35によってスルー画や本画像として取り込まれ、アナログ信号処理回路41から出力された画像データは、画像調節部63、画像補正部65により各種処理がなされた後、ガンマ変換部68に出力されてガンマ変換処理が行われる。
【0031】
周知のように、画像データをモニタに出力すると、モニタに入力された階調値とモニタが出力する階調値との間に物理定期な影響でズレが生じる。ガンマ変換処理はこのズレを補正するために行われる。図4に示すように、ガンマ変換部68には、前記ズレを補正するためのガンマ変換テーブルが設けられており、ガンマ変換部68は、このガンマ変換テーブルに基づいて入力された画像データの入力階調値を変換して出力する。
【0032】
一方、デジタルカメラ10が広ダイナミックレンジモードにセットされている場合、CCD35によって取り込まれた画像データには、画像調節部63、画像補正部65による各種処理に加えて、階調変換部67による階調変換処理が行われる。そして、階調変換処理後の画像データに対してガンマ変換処理が行われる。以下、階調変換処理について説明を行う。
【0033】
図5に示すように、階調変換部67には、100%モード、200%モード、400%モードの3つの階調変換テーブルが設けられている。階調変換部67は、入力された画像のダイナミックレンジに応じて、階調変換テーブルの中から1つを選択して、選択した階調変換テーブルに基づいて、画像データが持つ各画素ごとの階調値を変換して出力する。なお、本実施形態では、信号増幅部45にて通常ゲイン(Ga)で増幅され、A/D変換された10ビット(階調値0〜1023)のデータが階調変換部67に入力され、階調変換後に10ビットのデータが出力される。
【0034】
階調変換処理で用いるべき階調変換テーブルは、以下の手順で決定される。まず、図6(A)に示すように、入力画像70を16分割し、各領域A1〜A16で、領域内の画素が持つ階調値の平均値(輝度平均値)を算出する。そして、全16領域での輝度平均値を比較することによって、輝度平均値の最大値を検出する。
【0035】
図6(B)に示すように、階調変換部67は、輝度平均値の最大値が0〜255であるとき、すなわち被写体輝度が低いと判断される場合には、100%モードを選択する。また、最大値が256〜511であるときには200%モードを選択して、512〜1023のときには400%モードを選択する。
【0036】
100%モードが選択されると、階調変換部67は、出力階調値が4倍になるように入力階調値を線形変換する。例えば、階調値が255のデータが入力された場合には、階調値が1023のデータを出力する。これは、高感度撮影モードで4倍のゲイン(4Ga)にてアナログ信号を増幅した場合と同等の入出力特性を有する。
【0037】
また、200%モードが選択されると、入力階調値が低い部分に対しては100%モードと同様の特性にて階調変換され、入力階調値が高くなるにつれて入出力特性の傾きがなだらかに変化し、入力データの階調値が511のときに出力データの階調値が1023になるような非線形のカーブを描く出入力特性にて入力階調値が変換される。
【0038】
さらに、400%モードが選択されると、入力階調値が低い部分に対しては100%モードと同様の特性にて階調変換され、200%モードと同様に、入力階調値が高くなるにつれて入出力特性の傾きがなだらかに変化する。そして、入力データの階調値が1023のときに出力データの階調値が1023になるような非線形のカーブを描く出入力特性にて入力階調値が変換される。
【0039】
このように、階調変換テーブルによって階調変換処理のなされた画像データは、ガンマ変換部68に入力され、さらに、ガンマ変換テーブル(図4参照)によってガンマ変換処理が行われる。これにより、100%モード、200%モード、400%モードの各階調変換テーブルによって階調変換処理のなされた画像データは最終的に、図7に示すように階調値が変換され出力される。
【0040】
そして、ガンマ変換部68から出力された画像データは、スルー画として取得された場合は、LCD19に表示され、本画像として取得された場合は、圧縮されメモリカード21に記録される。
【0041】
以下、本発明の作用について説明を行う。高輝度の部分と低輝度の部分が存在する被写体を撮像する場合に、ユーザーは操作部17を操作して、デジタルカメラ10を広ダイナミックレンジモードにセットする。広ダイナミックレンジモードでは、CCD35によって光学的な被写体像が撮像信号に光電変換され、信号増幅部45において通常のゲイン(Ga)で増幅された後、デジタル変換される。その後、階調変換部67に送られて階調変換処理が行われる。
【0042】
階調変換部67では、入力された画像の輝度平均値の最大値が検出され、これに基づいて3つの階調変換テーブルの中から1つが選択される。そして、選択された階調変換テーブルによって決定される階調変換特性にて、入力された画像データの階調値が変換されて出力される。
【0043】
階調変換処理では、入力階調値が低い部分では高感度モードで撮影されたのと同様の入出力特性で階調変換が行われるので、階調値の低い通常の主要被写体を明るくまた、階調豊かに表現することができる。そして、200%モード、あるいは400%モードでは、被写体の明るい部分の変化が緩やかになるように階調変換がなされるので、いわゆる白飛びの発生が抑えられ、ダイナミックレンジの広い画像を得ることができる。
【0044】
また、上記構成では階調変換のみでダイナミックレンジが拡大されており、撮像素子を2種類設けたり、2回の撮影を行ったりする必要がないため、簡単な構成で画質の向上を図ることが可能となる。さらに、画像データの輝度平均値の最大値を検出して、階調変換特性を決定するようにしたので、画像データに応じた最適な階調変換を行うことができる。
【0045】
上記実施形態では、非線形の階調変換テーブルが2種類設けられているが、1つあるいは3つ以上の非線形階調変換テーブルを設け、入力画像の明るさに応じて適宜選択しても良い。また、入力階調値が低い部分では、出力階調値が4倍になるように変換テーブルが定められているが、この倍率は適宜変更することができる。
【0046】
また、階調変換テーブルの入力階調値と出力階調値はともに10ビットとしているが、ビット数は適宜変更しても良い。また、入力値と出力値のビット数が異なっていても良く、例えば、入力値が10ビットに対して出力値が9ビットになっていても良い。
【0047】
上記実施形態では、入力される画像を16分割して各領域の輝度階調値を算出することで、階調変換テーブルの選択を行っているが、領域の分割数は適宜変更することができる。また、主要被写体は画面の中央部に位置することが通常なので、画面の中央部(図5のA6,A7,A10,A11)における輝度平均値より、階調変換テーブルの選択を行ってもよい。
【0048】
上記実施形態ではデジタルカメラを例にして説明したが、デジタルビデオカメラにも適用することができる。さらに、本発明は記録材料に画像を記録するプリンタ装置にも適用できる。図8に示すように、広ダイナミックレンジモードでは、画像の被写体反射率(画像の明るさ)に応じて選択される、例えば、100%モード、200%モード、400%モードの変換テーブルを用意する。そして、200%モード、400%モードでは、画像の被写体反射率が高い領域(明るい領域)のプリント濃度がなだらかに変化するようにして、この領域では通常プリントモードよりもプリント濃度が高くなるように、プリンタ装置の出力特性を定める。これにより、プリント出力される画像にいわゆる白飛びが生じるのを防止することができる。
【0049】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明は、画像を構成する各画素の画素データの階調値の出入力特性が非線形に変化する複数の階調変換特性を備え、画像の輝度に応じて選択された一の階調変換特性に基づき、階調値の変換処理を行うようにしたので、撮像された画像に応じた最適な変換処理が行えるとともに、被写体の低輝度部分は明るく、また、階調豊かに再現しながら、被写体の高輝度部分も階調再現ができ、ダイナミックレンジの広い画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】デジタルカメラの前面側、及び背面側の外観斜視図である。
【図2】デジタルカメラの構成図である。
【図3】ゲインアップの作用を表す説明図である。
【図4】ガンマ変換処理における入力階調値と出力階調値の関係を表すグラフである。
【図5】階調変換処理における入力階調値と出力階調値の関係を表すグラフである。
【図6】階調変換テーブルの選択手順を説明する説明図である。
【図7】広ダイナミックレンジモードにおける入力階調値と出力階調値の関係を表す説明図である。
【図8】被写体反射率とプリント濃度の関係を表すグラフである。
【符号の説明】
10 デジタルカメラ
23 CPU
35 CCD
41 アナログ信号処理回路
45 信号増幅部
61 デジタル信号処理回路
67 階調変換部
Claims (4)
- 画像を構成する各画素の画素データの階調値を変換して出力する画像処理方法において、
ユーザーからの操作に応じて、通常モード、高感度モード、広ダイナミックレンジモードの各モードを切り替えるモード切り替えステップと、
通常モードと広ダイナミックレンジモードにおいて、第1増幅率で画像データの入力階調値を増幅して出力し、高感度モードにおいて、第1増幅率よりも高い第2増幅率で画像データの入力階調値を増幅して出力する増幅ステップと、
広ダイナミックレンジモードにおいて、非線形の出入力特性を有する階調変換特性で画像データの階調変換を行う階調変換ステップとを備え、
前記階調変換ステップでは、階調変換を行う画像の輝度に応じた階調変換特性で階調変換が実行され、前記輝度が、前記階調変換を行う画像を複数の領域に分割した各領域における輝度平均値の最大値であることを特徴とする画像処理方法。 - 前記階調変換特性として、画素データの入力階調値が大きい領域では画素データの入力階調値が小さな領域に対して出力階調値が緩やかに変化する複数種類の階調変換特性が設けられていることを特徴とする請求項1記載の画像処理方法。
- 画像を構成する各画素の画素データの階調値を変換して出力する画像処理を行うデジタルカメラにおいて、
通常モード、高感度モード、広ダイナミックレンジモードの各モードを切り替えるための操作手段と、
通常モードと広ダイナミックレンジモードにおいて、第1増幅率で画像データの入力階調値を増幅して出力し、高感度モードにおいて、第1増幅率よりも高い第2増幅率で画像データの入力階調値を増幅して出力する増幅手段と、
広ダイナミックレンジモードにおいて、非線形の出入力特性を有する階調変換特性で画像データの階調変換を行う階調変換手段とを備え、
前記階調変換手段は、階調変換を行う画像を複数の領域に分割した各領域における輝度平均値の最大値に応じた階調変換特性で階調変換を実行することを特徴とするデジタルカメラ。 - 前記階調変換特性として、画素データの入力階調値が大きい領域では画素データの入力階調値が小さな領域に対して出力階調値が緩やかに変化する複数種類の階調変換特性が設けられていることを特徴とする請求項3記載のデジタルカメラ。
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