JP4937851B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、動画の撮像装置であって、特に周期的に点滅する撮像対象物の撮像に好適な撮像装置に関する。

従来、一般的にＮＴＳＣ方式でカラー撮像を行うカメラ（撮像装置）は２９．９７ｆｐｓでインターレース記録を行っており、各フィールドの垂直同期周波数は５９．９４Ｈｚである。一方、近年交通信号機の発光体は視認性の高さ、メンテナンスの容易性、消費電力の効率メリットなどから、ＬＥＤランプの使用が普及しつつあり、従来の電球式ランプとの置き換えが進んでいる。

ＬＥＤランプは電源周波数に依存した周期で点滅を繰り返す。すなわち、日本国内に於いて、関東圏では５０Ｈｚ、関西圏では６０Ｈｚの周期で点滅しているため、特に関西圏での点滅周期に撮像タイミングが同期してしまうと、長時間にわたり信号機の点灯状態が記録できないことが発生する。

近年事故発生時の証拠記録や、事故の未然防止の目的で自動車や鉄道車両等の運転状態や、走行状態を映像として記録するために、車両に動画を記録する装置を設置し車両前方や側方などを記録する装置が開発されている（特許文献１）。この種の装置は業務用用途を中心として広まりつつある。
特開２０００−２８０８２１号公報

上述のようにＬＥＤ信号機の消灯周期と動画の撮像周期が同期してしまうと、信号機のＬＥＤの点灯状態が撮像されないという問題が生じる。特に西日本のＬＥＤ信号機の点滅周期は６０Ｈｚであり、ＮＴＳＣ方式の撮像周期である５９．９４Ｈｚと非常に近い。そのため、同期しやすく、図７に示すように、ＬＥＤ信号機の点滅周期とＮＴＳＣ方式の撮像周期が同期する領域Ｒにおいては、信号機のＬＥＤの点灯状態が撮像された映像に長時間連続して記録されない現象が生じる。以下この問題を「ＬＥＤ点滅問題」と呼ぶ。車両運転中に事故などが発生した場面を記録した映像に、信号機の点灯状態が記録されていないと記録映像の証拠価値が低下してしまう。

ＬＥＤ点滅問題を具体的に説明する。なお、ＬＥＤの発光輝度は電源周波数により時々変化するが、以降の説明では、便宜上、撮像した映像を再生した際にＬＥＤの発光を確認できる限界の輝度を想定し、その輝度を上回る状態を「ＬＥＤの点灯状態」、その輝度を下回る状態を「ＬＥＤの消灯状態」と称する。

前述したＮＴＳＣ方式の撮像周期である５９．９４Ｈｚと関西圏でのＬＥＤ信号機の点滅周期である６０Ｈｚの差は０．０６Ｈｚである。よって、ＬＥＤ信号機が撮像された際に、記録に残るＬＥＤ信号機の映像は所定の点滅周期ｘで点滅することとなり、式（１）のとおり、その周期は約１０００秒となる。即ち撮像されたＬＥＤは約１０００秒の周期で明暗を繰り返すこととなる。
ｘ=59.94 Hz / |60Hz -59.94Hz| ≒ 1000 (sec) … （１）

また東日本でのＬＥＤ信号機の点滅周期である５０Ｈｚにおいては、ＮＴＳＣ方式の撮像周期である５９．９４ＨｚとＬＥＤ信号機の点滅周期である５０Ｈｚの差は９．９４Ｈｚであるので、式（２）の通り撮像されるＬＥＤ信号機の点滅周期ｘは約５秒となり、撮像されたＬＥＤは約５秒の周期で明暗を繰り返すこととなる。
ｘ=50Hz / |50Hz -59.94Hz| ≒ 5(sec) … （２）
ここで仮に信号機ＬＥＤの点灯期間と消灯期間の割合をｎ:１とし、撮像カメラのシャッタスピードを１／ｍ(s)、ＬＥＤ信号機の点滅周期をｆ(Hz)とすると、式（３）を満たすときに、カメラのシャッタ間隔の間に信号機のＬＥＤが全く点灯しない状態が生じる。
ｍ > f×(n+1) … （３）

この全く点灯しない状態とカメラの撮像周期が同期すると、記録画像に連続して信号機ＬＥＤの点灯状態が記録されないという問題が生じる。

本発明は上述のＬＥＤ点滅問題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、一定周期で点滅を繰り返す被写体に対しても、確実に点灯状態の記録を可能とする撮像装置を提供することにある。

本発明に係る第１の撮像装置は、撮像した動画像データを所定の出力周期で出力する撮像装置であって、光学情報を電気信号に変換する撮像素子と、撮像素子の露光開始タイミング及び露光終了タイミングを制御するシャッタタイミング制御部と、撮像素子の出力信号に所定の信号処理を行う信号処理部と、信号処理部の出力信号を一時的に格納し、出力周期で出力するバッファ手段と、出力周期を制御する出力タイミング制御部とを備える。シャッタタイミング制御部は、出力周期と略同一の周期で点滅する被写体像を撮像するに際して、露光開始タイミング及び露光終了タイミングを、出力周期に同期したタイミングから、所定時間だけ前または後の何れかに交互にシフトさせたタイミングに設定する。

本発明に係る第２の撮像装置は、撮像した動画像データを所定の出力周期で出力する撮像装置であって、光学情報を電気信号に変換する撮像素子と、出力周期と略同一の周期で点滅する被写体像を撮像するに際して、出力周期よりも小さい撮像周期で、撮像素子の露光開始タイミング及び露光終了タイミングを制御するシャッタタイミング制御部と、撮像素子の出力信号に所定の信号処理を行う信号処理部と、映像信号のフレーム毎に信号処理部から出力される複数の映像信号の中からランダムに１つを選択する選択手段と、選択手段の出力信号を一時的に格納し、出力周期で出力するバッファ手段と、出力周期を制御する出力タイミング制御部とを備える。

本発明に係る第３の撮像装置は、光学情報を電気信号に変換する撮像素子と、撮像素子の露光時間を制御するシャッタタイミング制御部と、撮像素子の出力信号に所定の信号処理を行う信号処理部と、信号処理部の出力信号を一時的に格納し、所定の出力周期で出力するバッファ手段と、出力周期を制御する出力タイミング制御部とを備える。シャッタタイミング制御部は、所定の撮像回数に対して１回の割合で露光時間を拡張させる。

本発明によれば、撮像タイミングと被写体（例えばＬＥＤ信号機）の点滅タイミングが同期することにより生じる連続的に信号機の点灯状態が撮像されない現象を防止できる。

以下、添付の図面を用いて本発明に係る撮像装置の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
図１に本発明の実施の形態１の撮像装置の構成を示す。撮像装置１は動画を撮像する装置であって、レンズ２と、レンズ２の透過光の情報を電気信号に変換するＣＣＤ３と、ＣＣＤ３からの電気信号を処理する信号処理回路５と、信号処理回路５からの画像データを一時的に格納するバッファメモリ６と、ＣＣＤ３のシャッタタイミングを制御するシャッタタイミング制御部４と、バッファメモリ６からの出力タイミングを制御する出力タイミング制御部７とを備える。

レンズ２は被写体からの光を集光し、ＣＣＤ３上に結像する。ＣＣＤ３は受けた光情報を電気信号に変換する。ＣＣＤ３は、シャッタタイミング制御部４からタイミング信号に基づき、撮像するタイミング及び信号処理部５へ映像信号を出力するタイミングを制御する。信号処理部５はＣＣＤ３から入力した電荷を映像信号として処理する。信号処理部５からの映像信号は、バッファメモリ６に一時的に記憶され、出力タイミング制御部７から与えられるタイミングに基づいてバッファメモリ６から読み出され、外部へ出力される。本実施形態では、撮像装置１はＮＴＳＣ方式に準拠した映像信号を出力する。このため、ＣＣＤ３から出力された映像信号は、バッファメモリ６に一旦蓄積され、ＮＴＳＣ方式の撮像周期（１／５９．９４Ｈｚ）に同期したタイミングでバッファメモリ６から出力される。出力タイミング制御部７は、このＮＴＳＣ方式の撮像周期（１／５９．９４Ｈｚ）に同期したタイミングを与える。なお、バッファメモリ６からデータを出力する周期は必ずしもＮＴＳＣ方式に準拠する必要はなく、出力タイミング制御部７により、撮像装置１からの信号を受ける装置の仕様に応じた所望の周期に設定可能である。

ここで、図２を参照してＣＣＤ３の一般的な動作について説明する。ＣＣＤ３は図２（ｂ）に示すように撮像周期Ｔsを持つ。ここで、撮像周期Ｔsは撮像装置１が映像信号を出力する周期に等しく、ＮＴＳＣ方式の撮像周期（１／５９．９４Ｈｚ）に等しい。ＣＣＤ３はこの撮像周期Ｔs毎に蓄積された電荷を出力する。

ＣＣＤ３の撮像動作に関して２つのタイミングが与えられる。すなわち、電荷の蓄積を開始するシャッタタイミングと、蓄積（露光）を終了し、蓄積した電荷を出力する出力タイミングである。ＣＣＤ３は、シャッタタイミングｔe1、ｔe2、…から蓄積された電荷を、出力タイミングｔs1、ｔs2、…で外部へ出力する（出力Ａ、出力Ｂ）。ＣＣＤ３は電荷が出力されると、クリアされる。つまり、ＣＣＤ３はシャッタタイミングで露光を開始し、出力タイミングで露光を終了する。シャッタタイミングと出力タイミングの間の期間Ｔcは、電子シャッタが開放されている期間（以下「シャッタ期間」という。）であり、シャッタ期間Ｔcの長さはシャッタスピードに相当する。

シャッタ期間以外の期間、すなわち、前のサイクルの出力タイミングから次のサイクルのシャッタタイミングまでの間は、ＣＣＤ３に電荷は蓄積されるが、蓄積された電荷は画像情報としては使用されず、シャッタタイミングでクリア（リフレッシュ）される。このように、シャッタ期間に蓄積された電荷が画像データとして出力される。このため、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、ＬＥＤの輝度が暗くなるタイミングがシャッタ期間Ｔｃと同期した場合、ＣＣＤ３は常に非点灯状態にあるＬＥＤを撮像することになり、ＬＥＤ信号機の点灯状態を連続して記録できないという問題が生じる。

この問題を解決すべく、本実施形態の撮像装置１では、ＮＴＳＣ方式の撮像周期に対してシャッタ期間をシフトさせる。具体的には、出力タイミングを、ＮＴＳＣ方式の撮像周期に同期したタイミングから所定時間だけ前または後に適宜シフトさせる。これにより、ＬＥＤが暗くなる周期とＮＴＳＣ方式の撮像周期が同期した場合であっても、点灯状態にあるＬＥＤの撮像を可能とする。以下、これを詳細に説明する。

図２においては、ＣＣＤ３が蓄積した電荷を外部へ出力する出力タイミングｔe0、ｔe1、ｔe2、…はＮＴＳＣ方式の撮像周期Ｔsに同期している。

これに対して、本実施形態の撮像装置１では、図３に示すように、ＣＣＤ３が蓄積した電荷を外部へ出力する出力タイミングは、ＮＴＳＣ方式の撮像周期Ｔsに同期したタイミング（タイミングｔe0、ｔe1、ｔe2、…）から所定量Δｔだけ前または後にシフトしたタイミングｔ'e0、ｔ'e1、ｔ'e2、…に設定されている。シャッタタイミングは、シャッタスピードを一定に保持する必要があることから、出力タイミングから時間Ｔｃだけ前にシフトしたタイミングに設定される。ＣＣＤ３のシャッタタイミング及び出力タイミングはシャッタタイミング制御部４により与えられる。このように、図３のシャッタ期間は、図２のシャッタ期間に対して所定量Δｔだけ時間的に前後にシフトされる。

すなわち、シャッタタイミング制御部４からのタイミング信号に基づきＣＣＤ３からの信号出力の出力間隔を変化させることができ、これによりＬＥＤ点滅問題を解決できる。この間、出力タイミング制御部７によって生成されるタイミングは一定とすることで、撮像装置１の外部へ出力される映像信号の周期を一定（例えばＮＴＳＣ規格を順守するために１／５９．９４Ｈｚ）に保つことができる。

以上のようにシフトしたシャッタ期間を設定することで、ＬＥＤが暗くなる周期とＮＴＳＣ方式の撮像周期が同期した場合であっても、シャッタが開放されるタイミングを、ＬＥＤが暗くなるタイミングとずらせることができる。このため、ＬＥＤ信号機の点灯状態を連続して記録できないという現象を回避することができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２の撮像装置の構成を示す。実施の形態１のものと異なる点は、セレクタ８を備えた点である。セレクタ８は出力タイミング制御回路７からタイミング信号を受け、このタイミング信号に基づいて信号処理回路５からの映像信号を選択して、バッファメモリ６に出力する。

本実施形態では、ＣＣＤ３の撮像周波数（周期）を、撮像装置１がデータを出力する周波数、すなわち、ＮＴＳＣ方式の撮像周波数（周期）よりも大きい値（小さい値）に設定する。本実施形態では、一例として、ＣＣＤ３の撮像周波数を、ＮＴＳＣ方式の撮像周波数（５９．９４Ｈｚ）よりも大きい１８０Ｈｚに設定している。このため、本実施形態では、図５に示すように、１フレーム（６０Ｈｚ）期間内に３回電子シャッタが切られることになる。

よって、１フレーム期間において、３つの画像データがＣＣＤ３から取り出され、信号処理回路５で処理され、出力される。セレクタ８は、この１フレーム期間に含まれる３つの画像データのうちのいずれか１つだけを選択して、バッファメモリ６へ出力する。

セレクタ８が、バッファメモリ６へ出力するデータを各フレーム期間内でランダムに選択することにより、ＬＥＤ信号機の点灯状態を連続して記録できない現象を回避することができる。

出力タイミング制御部７はセレクタ８に対して、外部へ画像を出力するタイミングを通知する。セレクタ８は、出力タイミング制御部７から通知された一つの出力タイミングとその次の出力タイミングの間において、３つのデータのうちの１つだけを選択し、バッファメモリ６へ出力する。

セレクタ８は、１フレームにおいて選択するデータの順序をランダムに変化させることにより、ＣＣＤ３から電荷を取り出すタイミングの周期性を実質的に変更することができる。例えば、１フレーム中で順に出力される３つのデータをそれぞれ、データ１、データ２、データ３とする。図５では、セレクタにより、データ１、データ１、データ３、データ２、データ１、・・・の順で選択され、バッファメモリ６に出力される。これにより、例えば、範囲Ａに含まれるデータ２、範囲Ｂに含まれるデータ１は、非点灯状態を記録した撮像データとなるが、それ以外は点灯状態を記録した撮像データとなり、ＬＥＤ信号機の点灯状態を連続して記録できない現象を回避することができる。

以上のように、本実施形態では、被写体の点滅周期（周波数）またはＮＴＳＣ方式の撮像周期（周波数）よりも短い周期（高い周波数）で、ＣＣＤから画像データを取り出し、さらに、１フレーム期間において画像データをランダムに選択し、出力する。これにより、被写体の点滅周期と撮像周期とを実質的にずらすことができ、ＬＥＤ信号機の点灯状態を連続して記録できない現象を回避することができる。

（実施の形態３）
本発明の撮像装置のさらに別の実施形態を説明する。本実施形態の撮像装置の構成は図１に示すとおりである。本実施形態の撮像装置のシャッタタイミング制御部４は、図６に示すように、シャッタ周期について所定回数に１回の割合で、出力タイミングを後方にシフトする。すなわち、Ｎ個のシャッタ期間の中の１つの出力タイミングを後方にシフトし、これにより、そのシャッタ期間を拡張する。

図６において、シャッタ期間Ｔ'cが拡張された期間である。出力タイミングは、本来のタイミングｔe1からタイミングｔ'e1にΔｍだけシフトされており、これにより、シャッタ期間はΔｍだけ拡張される。

このように、所定の周期毎に１つのシャッタ期間を拡張することで、所定の周期において少なくとも１回は、ＬＥＤの点灯状態が必ず撮像されることになり、ＬＥＤ信号機の点灯状態を連続して記録できない現象を回避することができる。なお、出力タイミングのシフト量は、拡張されたシャッタ期間において必ずＬＥＤの点灯状態が含まれるような値に設定する。

また、実施の形態１ないし３で説明した撮像装置から出力される映像信号は、所定の方式（ＮＴＳＣ方式）に準拠した信号であるので、撮像装置からの信号を受信する装置側において信号処理のための特別な構成を必要としない。

本発明は、ＣＣＤから電荷を取り出すタイミングの周期性を崩すことが可能となり、ＬＥＤ信号機の点灯状態が連続して記録できない現象を回避することができる。このため、所定の周期で点滅を繰り返す被写体を撮像対象とする、例えば自動車や鉄道車両等に搭載される事故検証等に用いられる撮像装置に有用である。

本発明の実施の形態１の撮像装置の構成を示す図 ＣＣＤのシャッタイミングを説明するための図 実施の形態１のＣＣＤのシャッタイミングを説明するための図 本発明の実施の形態２の撮像装置の構成を示す図 実施の形態２の撮像装置の動作を説明するための図 実施の形態３のＣＣＤのシャッタイミングを説明するための図 ＬＥＤ信号機の点灯状態を連続して記録できない現象を説明するための図

符号の説明

１ 撮像装置
２ 撮影レンズ
３ ＣＣＤ
４ シャッタタイミング制御部
５ 信号処理部
６ バッファメモリ
７ 出力タイミング制御部

Claims (4)

1. 撮像した動画像データを所定の出力周期で出力する撮像装置であって、
   光学情報を電気信号に変換する撮像素子と、
   前記撮像素子の露光開始タイミング及び露光終了タイミングを制御するシャッタタイミング制御部と、
   前記撮像素子の出力信号に所定の信号処理を行う信号処理部と、
   前記信号処理部の出力信号を一時的に格納し、前記出力周期で出力するバッファ手段と、
   前記出力周期を制御する出力タイミング制御部とを備え、
   前記シャッタタイミング制御部は、前記出力周期と略同一の周期で点滅する被写体像を撮像するに際して、前記露光開始タイミング及び露光終了タイミングを、前記出力周期に同期したタイミングから所定時間だけ前または後の何れかに交互にシフトさせたタイミングに設定する、
   ことを特徴とする撮像装置。
2. 撮像した動画像データを所定の出力周期で出力する撮像装置であって、
   光学情報を電気信号に変換する撮像素子と、
   前記出力周期と略同一の周期で点滅する被写体像を撮像するに際して、前記出力周期よりも小さい撮像周期で、前記撮像素子の露光開始タイミング及び露光終了タイミングを制御するシャッタタイミング制御部と、
   前記撮像素子の出力信号に所定の信号処理を行う信号処理部と、
   映像信号のフレーム毎に前記信号処理部から出力される複数の映像信号の中からランダムに１つを選択する選択手段と、
   前記選択手段の出力信号を一時的に格納し、前記出力周期で出力するバッファ手段と、
   前記出力周期を制御する出力タイミング制御部と
   を備えたことを特徴とする撮像装置。
3. 光学情報を電気信号に変換する撮像素子と、
   前記撮像素子の露光時間を制御するシャッタタイミング制御部と、
   前記撮像素子の出力信号に所定の信号処理を行う信号処理部と、
   前記信号処理部の出力信号を一時的に格納し、所定の出力周期で出力するバッファ手段と、
   前記出力周期を制御する出力タイミング制御部とを備え、
   前記シャッタタイミング制御部は、所定の撮像回数に対して１回の割合で前記露光時間を拡張させる、
   ことを特徴とする撮像装置。
4. 前記出力周期はＮＴＳＣ方式の撮像周期に等しいことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の撮像装置。

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