JP5003787B2 - 撮像装置及び撮像信号の雑音除去方法 - Google Patents

撮像装置及び撮像信号の雑音除去方法 Download PDF

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Description

本発明は、例えばデジタルスチルカメラ等に好適な撮像装置及び撮像信号の雑音除去方法に関する。
近時、パーソナルコンピュータの普及に連れてデジタルスチルカメラも一般に広く使用されるようになってきた。
図6は、この種のデジタルスチルカメラに多く使用されている撮像素子としてのCCD(Charge Coupled Divice:電荷結合素子)の画素構成を例示するものである。
図中、各正方形状の矩形がそれぞれ一つの受光素子でなる画素Cを示しており、これら各画素C,C,‥‥が行列状に配列されて該CCDの撮像面が構成されている。
しかるに、このCCDと組合わされる図示しない光学レンズ系によって、図中に枠線FLで示す範囲の内側にある各画素Cが撮像に有効な受光部ROとなる一方、枠線FLで示す範囲の外側にある各画素Cは遮光された光学的暗部OBとなる。
通常、この光学的暗部OBの画素Cからの出力は、受光部ROの画素Cの出力信号における、光が全く当たっていない真っ黒に相当するゼロレベルとして利用している。
これは具体的には、全光学的暗部OBの信号レベルの平均値を受光部ROの各画素Cの出力データから差し引く、所謂OBクランプと称される技術であり、このOBクランプによって、半導体製品であり、出力信号のレベルに個体差を有するCCDであっても、正確な画像データの出力を得られるようにしている。
図7は、このようなデジタルカメラの撮像系の回路構成を示すものである。同図中、CCD11での撮像により得られた受光部RO及び光学的暗部OBを含む全範囲を構成するアナログ値の画像信号は、サンプルホールド回路(S/H)12によりその時点で設定されているCCD11からの画素読出しスピードに対応した時間幅でサンプルホールドされた後、A/D変換器13にてデジタルデータ化される。
こうして得られたデジタル値の各画素のデータに基づいてOBクランプ部14により、まず光学的暗部OBの画素の総和から1画素当りの平均値が算出され、次にその平均値を用いて受光部RO部の各画素から該平均値を差し引く、上述したOBクランプが実行されるもので、このOBクランプ後の画像データが色処理回路15に送られる。
色処理回路15では、ガンマ補正及びホワイトバランス補正等の補正処理を実行した後に、色成分を補う補間処理を実行し、それから原色系あるいは補色系のそれら画像データを記録のために輝度色差系の画像データYUVに変換する。
そして、その輝度色差系の画像データを所定の方式、例えばJPEG(Joint Photograph coding Experts Group)に従ってデータ圧縮して、図示しない次段の記録系及び表示系の回路へ出力する。
しかして、上記CCD11、サンプルホールド回路12、A/D変換器13、OBクランプ部14、及び色処理回路15のすべてに対してタイミング発生回路(TG)16から各種タイミング信号が供給され、動作タイミングの制御が統括してなされるもので、このタイミング発生回路16はデジタル回路で構成される。
すなわち、CCD11の駆動と読出しはタイミング発生回路16からのタイミング信号によりなされるものであり、読出しに際してはテレビ画面と同様のラスタスキャン(走査)により1画素単位で行なうものであるが、こうしてCCD11から出力される信号はアナログであり、一方、上述した如くタイミング発生回路16はデジタル動作でタイミング信号を送ってくるため、CCD11の出力する画像信号にはどうしてもデジタル回路動作に伴なう雑音が混入してしまうことになる。
上記の点をより詳細に説明する。
図8は、CCD11に一般的に採用されているベイヤー配列と称される原色系のカラーフィルタ配列を示すものであり、図中に破線範囲Dで示すようにG(緑)×2画素、R(赤),B(青)×各1画素からなる、隣接した横2画素×縦2画素の矩形状の計4画素を基本単位として後の色処理回路15で画素補間処理等を行なうことになる。
すなわち、タイミング発生回路16では、CCD11から読出しを行なう1画素周期のサンプリングのためのタイミング信号を1/2に分周したタイミング信号を色処理回路15に送出しており、この色処理回路15へのタイミング信号に伴う雑音やタイミング信号による色処理回路15の動作に伴う雑音がCCD11から読出した画像信号に混入する。
したがって、該色処理回路15での処理に伴なう雑音がCCD11からの信号の読出し時に横2画素の周期で混入し、これにより特に受光部RO内の信号レベルが低い暗部での色再現性に悪影響を与えることとなる。
また、1画素毎のタイミング信号を1/4分周したタイミング信号等もタイミング発生回路16から出力されるものであるが、上記1/2分周したタイミング信号がCCD11からの信号の読出しに与える雑音の影響が最も大きい。
加えて、1画素毎のタイミング信号そのものもCCD11からの信号に雑音を混入するものであるが、この場合、すべての画素に均一に雑音が混入するため、画像全体でさほど目立つものとはならない。
上記のような1画素毎のタイミング信号を1/2分周したタイミング信号が、CCD11からの信号の読出しに与える雑音の影響を排除する方法の一つとして、図9に示すようなものが考えられている。
図9(1)は上記図8で示したベイヤー配列のカラーフィルタを有するCCD11の奇数ラインから画素単位で読出される信号のタイミングを例示するものであり、図9(2)はその画素単位の読出しに同期した転送クロックの基本周波数信号を示す。
この図9(2)で示した基本周波数信号を基に、これを1/2に分周した図9(3)に示すような信号を作成し、この信号を用いてCCD11から信号を読出す際のオフセット量を2画素周期で変更設定するようにしたものが考えられている。
しかしながら、このように所定の周期を想定して雑音に対処する方法では、それ以外の周期、タイミングで発生する雑音に対応することができない。CCDを用いるデジタルカメラでは、通常の画像信号処理など、CCDの駆動以外にもデジタル回路を多用しており、その動作状態は時々刻々と変化するので、雑音の発生状態もそれに対応して変化する。
したがって、上述した如く所定の周期を想定して雑音を打消すものとしても、すべての雑音に対応することは困難であり、結果として撮像により得られる画像データの画質の劣化を免れることはできないという不具合があった。
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、固体撮像素子からの画像信号の読出しに際して該信号に重畳されてしまう雑音成分を確実に除去し、画質の劣化を防止することが可能な撮像装置及び撮像信号の雑音除去方法を提供することにある。
本発明の第一の観点に係る撮像装置は、被写体像を表す画像信号を出力する固体撮像素子と、所定の補間処理を上記画像信号に施す色信号処理回路と、上記画像信号に含まれる雑音を打ち消すための雑音打消し信号を記憶している記憶手段と、上記雑音打消し信号を上記記憶手段から読み出す読出手段と、上記色信号処理回路が上記補間処理を実行していない間において、上記読出手段に上記雑音打消し信号の読出し動作を禁止させる読出制御手段と、上記読出手段により読出された上記雑音打消し信号を上記画像信号に重畳させる重畳手段とを具備する。
本発明の第二の観点に係る撮像装置は、固定撮像素子から出力された画像信号に所定の補間処理を施す色信号処理工程と、上記画像信号に含まれる雑音を打消すための雑音打消し信号を記憶している記憶手段から上記雑音打消し信号を読出す読出工程と、上記色信号処理工程において上記補間処理が実行されていない間において、上記読出工程において上記雑音打消し信号の読出し動作を禁止させる読出制御工程と、上記読出工程において読出された上記雑音打消し信号を上記画像信号に重畳させる重畳工程とを有する。
本発明によれば、周辺回路の動作状態による雑音の影響を確実に除去し、画質の劣化を防止することができる。
本発明の第1の実施の形態に係るデジタルスチルカメラの撮像系の回路構成を示すブロック図。 図1の主として色信号処理回路の詳細な回路構成を示すブロック図。 同実施の形態に係る撮像モード時の雑音除去の処理内容を示すフローチャート。 本発明の第2の実施の形態に係るデジタルスチルカメラの撮像系の回路構成を示すブロック図。 同実施の形態に係る画像中の画素位置の区分領域を例示する図。 撮像素子としてのCCDの画素構成を例示する図。 一般的なデジタルカメラの撮像系の回路構成を示すブロック図。 原色系ベイヤー配列のカラーフィルタの構成を示す図。 CCD画素の呼出し周期に対応した雑音の発生状態を示す図。
(第1の実施の形態)
以下本発明をデジタルスチルカメラに適用した場合を第1の実施の形態として図面を参照して説明する。
図1は、同実施の形態に係るデジタルスチルカメラの撮像系の回路構成を示すものである。同図中、光学レンズ系21によりCCD22に被写体の光像が結像され、その結果アナログ値の画像信号が得られる。
このCCD22は、例えば原色系ベイヤー配列のカラーフィルタを形成してなるもので、このCCD22で得られた画像信号は、CDS/ADC回路23にてサンプルホールドされた後にA/D変換されてデジタル化される。
こうして得られたデジタル値の画像信号を構成する各画素値に関し、OBクランプ回路24でOBクランプを実行する。この際、後述する雑音パターンROM25から送られてくる雑音打消しのためのパターン信号を重畳することでOBクランプを適宜変化させるもので、クランプ後の画像信号を色信号処理回路26へ出力する。
この色信号処理回路26は、ベイヤー配列の画素値からなる画像信号に対して各種補正処理及び補間処理を行なった後に輝度色差系の画像信号に変換し、さらにデータ圧縮してから、図示しない次段の記録系及び表示系の回路へ出力する。
併せて、この色信号処理回路26の動作状態は雑音パターンROM25に出力される。この雑音パターンROM25は、雑音打消しのためのパターン信号を予め複数固定記憶しており、色信号処理回路26から入力される動作状態に対応して最適なパターン信号を選択して読出し、上記OBクランプ回路24に送出する。
しかして、上記CCD22、CDS/ADC回路23、OBクランプ回路24、色信号処理回路26、及び雑音パターンROM25のすべてに対してタイミング発生回路(TG)27から各種タイミング信号が供給され、動作タイミングの制御が統括して実行される。
図2は主として上記色信号処理回路26内の詳細な回路構成を示すものである。同図で、上記OBクランプ回路24から送られてきたベイヤー配列の画素値からなる画像信号は、順次バッファメモリ31に記憶保持された後に補正処理部32へ読出される。
この補正処理部32は、ガンマ補正及びホワイトバランス補正を行なうことで各色成分の調整を行なうもので、補正処理後の画像信号はバッファメモリ33に記憶保持された後に補間/YUV変換部34に送られる。
この補間/YUV変換部34は、ベイヤー配列の画素値からなる画像信号に対し、まずR,Bの各色成分を補間してG成分とデータ量を等しくし、その後に所定のマトリックス演算により輝度色差系の画像信号(YUVデータ)に変換するもので、得た画像信号はJPEG処理部35へ送出される。
このJPEG処理部35は、送られてきた画像信号に対してADCT(Adaptive Discrete Cosine Transform:適応離散コサイン変換)、ハフマン符号化等の処理によりデータ量を圧縮するもので、得られたデータ圧縮された画像信号が、この色信号処理回路26の出力として次段の記録系及び表示系の回路へ送出される。
しかして、上記バッファメモリ31、補正処理部32、バッファメモリ33、補間/YUV変換部34、及びJPEG処理部35の動作をすべて制御部36が統括制御するもので、この制御部36は上記タイミング発生回路27からのタイミング信号に基づいて動作し、また上記各回路での動作状態に応じた信号を上記雑音パターンROM25へも出力している。
次いで上記実施の形態の動作について説明する。
図3は、撮像モード時に上記色信号処理回路26の制御部36が実行する処理内容を示すものであり、その当初には上記タイミング発生回路27からのタイミング信号が入力されるのを待機し(ステップS01)、入力されたと判断した時点で、次にその時点で上記補間/YUV変換部34による補間処理の動作中であるか否かを判断する(ステップS02)。
これは、補間/YUV変換部34がバッファメモリ33に記憶されている所定複数ライン分の画像信号を用いて補間処理を実行する間は、上述した2画素周期の雑音が発生する一方、バッファメモリ33に次の補間処理に備えて新たに所定複数ライン分の画像信号を蓄積している間は、補間/YUV変換部34は該補間処理を停止するため、雑音が発生しない。
したがって、制御部36は、補間/YUV変換部34が補間処理の動作中であるか否かを判断することにより、上記雑音パターンROM25で必要な雑音打消しのためのパターン信号を適宜選択して読出させ、OBクランプ回路24へ出力させる。
しかして、ステップS02で補間/YUV変換部34による補間処理の動作中であると判断した場合には、制御部36は雑音パターンROM25に対して2画素周期の雑音を打消すためのパターン信号を読出してOBクランプ回路24へ出力させる信号を出力した上で(ステップS03)、再び次のタイミング信号がタイミング発生回路27から送られてくるのを待機する。
また、補間/YUV変換部34は補間処理の動作中ではなく、バッファメモリ33に所定複数ライン分の画像信号を蓄積しているので補間/YUV変換部34が補間処理を一次的に停止していると判断した場合には、制御部36は雑音パターンROM25に対して雑音打消しのためのパターン信号の読出しを停止する信号を出力した上で(ステップS04)、再び次のタイミング信号がタイミング発生回路27から送られてくるのを待機する。
したがってOBクランプ回路24では、雑音パターンROM25からパターン信号が読出されてくる場合にはそのパターン信号の内容にしたがって適宜OBクランプのレベルをその都度可変することにより、結果として雑音の影響を極力排除することができるようになる。
このように、CCD22からの画像信号の読出しに際して、特にその画像信号への雑音の影響が大きいと思われる色信号処理回路26の補間/YUV変換部34の補間動作の状態に対応して雑音パターンROM25で発生させるパターン信号を切換えて雑音除去を行なうようにしたため、より確実に雑音の影響を排除し、画質の劣化を防止することができる。
加えて、雑音を除去するための動作の必要があるタイミングでのみ該動作を実行するようにしたため、雑音の影響がない画像信号に対して雑音打消しのためのパターン信号を加えてしまい逆に雑音を重畳させてしまうといったことを防止することができるととともに、無駄な回路動作を避けることで画像信号に対する処理工程を減じ、速やかに後段の表示系または記録系の回路へ送出することができる。
また特に、補間/YUV変換部34での補間動作の実行に関しては制御部36がこれを常時監視して正確なタイミングで雑音打消しのための信号パターンの切換えを行なわせるので、より確実に雑音の影響を排除できる。
(第2の実施の形態)
以下本発明をデジタルスチルカメラに適用した場合を第2の実施の形態として図面を参照して説明する。
図4は、同実施の形態に係るデジタルスチルカメラの撮像系の回路構成を示すものである。同図中、光学レンズ系41によりCCD42に被写体の光像が結像され、その結果アナログ値の画像信号が得られる。
このCCD42は、例えば原色系ベイヤー配列のカラーフィルタを形成してなり、タイミング発生回路(TG)47からのタイミング信号に同期して駆動されるもので、このCCD42で得られた画像信号は、CDS/ADC回路43にてやはりタイミング発生回路47からのサンプリングクロックに同期してサンプルホールドされ、A/D変換によりデジタル化される。
こうして得られたデジタル値の画像信号を構成する各画素値は順次加算器44及びOBデータ累積回路45に送出される。
このOBデータ累積回路45は、タイミング発生回路47からの光学的暗部OBの画素タイミング信号により、画像信号中の光学的暗部OB全体の画素値を累積記憶してその平均値を算出し、加算器46へ送出する。
タイミング発生回路47は、上記したCCD42、CDS/ADC回路43、及びOBデータ累積回路45だけではなく、雑音位置ROM48にもタイミング信号として動作クロックとその時点でCDS/ADC回路43から出力されている画像信号の画素位置(行桁位置)とを与える。
雑音位置ROM48は、タイミング発生回路47からの入力により、予め記憶されているテーブルパターンに基づいて該当する画像中での画素領域を表す情報を雑音パターンRAM49へ出力する。
この雑音パターンRAM49は、タイミング発生回路47から送られてくる、その画素がカラーフィルタ中のどの色画素(R,Gr,B,Gb(ここでGr,GbはそれぞれR,Bの横に位置しているGを示す))に相当するのかを示すタイミング信号に基づき、雑音位置ROM48からの画素領域の情報に対応した光学的暗部OBの色画素毎の補正値を雑音打消しのためのパターン信号として加算器46に送出する。
しかして、加算器46において、雑音パターンRAM49からの画素領域の情報に対応した光学的暗部OBの色画素毎の補正値とOBデータ累積回路45からの光学的暗部OB全体の画素値の平均値とを加算することで、その和としてゼロ(黒)レベル信号を得るもので、得たゼロレベル信号を上記加算器44へ送出する。
加算器44は、このゼロレベルの信号と上記CDS/ADC回路43からの画素値とを加算してその和を色信号処理回路50へ出力する。
色信号処理回路50は、上記図2における色信号処理回路26と同様の回路構成を有するもので、タイミング発生回路47からのタイミング信号に基づき、加算器44の出力であるベイヤー配列の画素値からなる画像信号に対して適宜バッファメモリに記憶しながら、各種補正処理及び補間処理を行なった後に輝度色差系の画像信号に変換し、さらにデータ圧縮してから、図示しない次段の記録系及び表示系の回路へ出力する。
次に上記実施の形態の動作について説明する。
図5は、CCD42で撮像される画像中の画素領域区分を例示するものであり、画像上端部からのライン数により、画像をそれぞれ矩形状の領域(1)〜(3)に区分しておくものとする。
すなわち、CCD42で得られた画像信号がCDS/ADC回路43でデジタル化され、加算器44、OBデータ累積回路45、加算器46を介して色信号処理回路50に転送されていく過程で、色信号処理回路50での色信号処理に応じた周期の雑音の影響を受けるものとした場合、画像中の領域の部位と色信号処理回路50での実際の色信号処理の内容とが連動しているものとすれば、画像中の領域の部位毎に雑音打消しのパターン信号を切換えることで、色信号処理回路50から与えられる雑音の影響を完全に排除できることとなる。
したがって、上記画像中の領域(1)〜(3)に対応したコード信号を雑音位置ROM48から画素領域を表す情報として雑音パターンRAM49に読出すものとし、これを受けた雑音パターンRAM49がその時点でのカラーフィルタの色画素(R,Gr,B,Gb)毎の雑音パターンに対応した補正値を加算器46に送出して光学的暗部OBのゼロレベル補正を行なわせることとすれば、その時点で色信号処理回路50が実行している色信号処理の内容に即した、より適切な雑音打消しのためのパターン信号を含むゼロレベルデータを用いて加算器44でCDS/ADC回路43から転送されてきた画素値に重畳することができる。
このように、色信号処理回路50から与えられる雑音のパターンをその画素が属する画像中の区分領域により予見することができるため、より適切なパターン信号に切換えて画像信号から雑音の影響を確実に除去し、画質の劣化を防止することができる。
しかして、上記第1及び第2の実施の形態のいずれにおいても、画像信号のゼロレベルの基準となる光学的暗部OBの信号レベルを変化させることにより画像信号中に含まれる雑音を打消すようにしたため、画像信号に対するパターン信号の重畳処理を容易なものとすることができる。
なお、上記第1及び第2の実施の形態では、いずれも固体撮像素子としてCCDを用いるものとしたが、これに限らず、CMOSエリアセンサ等、他の固体撮像素子を用いるものとしてもよい。
また、上記第1及び第2の実施の形態は、共にデジタルスチルカメラに適用した場合について示したものであるが、本発明はそれらに限るものではなく、固体撮像素子を用いて撮像を行なうような撮像装置であれば、デジタルビデオカメラ、携帯電話機やパーソナルコンピュータ等に組込まれたCCDカメラ等であってもよい。
その他、本発明は上記実施の形態に限らず、その要旨を逸脱しない範囲内で種々変形して実施することが可能であるものとする。
さらに、上記実施の形態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複数の構成要件における適宜な組合わせにより種々の発明が抽出され得る。例えば、実施の形態に示される全構成要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解決しようとする課題の欄で述べた課題の少なくとも1つが解決でき、発明の効果の欄で述べられている効果の少なくとも1つが得られる場合には、この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得る。
11…CCD
12…サンプルホールド回路(S/H)
13…A/D変換器
14…OBクランプ部
15…色処理回路
16…タイミング発生回路(TG)
21…光学レンズ系
22…CCD
23…CDS/ADC回路
24…OBクランプ回路
25…雑音パターンROM
26…色信号処理回路
27…タイミング発生回路(TG)
31…バッファメモリ
32…補正処理部
33…バッファメモリ
34…補間/YUV変換部
35…JPEG処理部
36…制御部
41…光学レンズ系
42…CCD
43…CDS/ADC回路
44…加算器
45…OBデータ累積回路
46…加算器
47…タイミング発生回路(TG)
48…雑音位置ROM
49…雑音パターンRAM
50…色信号処理回路
C…画素
D…破線範囲
RO…受光部
OB…光学的暗部

Claims (3)

  1. 被写体像を表す画像信号を出力する固体撮像素子と、
    所定の補間処理を上記画像信号に施す色信号処理回路と、
    上記画像信号に含まれる雑音を打消すための雑音打消し信号を記憶している記憶手段と、
    上記雑音打消し信号を上記記憶手段から読出す読出手段と、
    上記色信号処理回路が上記補間処理を実行していない間において、上記読出手段に上記雑音打消し信号の読出し動作を禁止させる読出制御手段と、
    上記読出手段により読出された上記雑音打消し信号を上記画像信号に重畳させる重畳手段と
    を具備することを特徴とする撮像装置。
  2. 各部の動作のタイミングを規定するタイミング信号を各部に供給するタイミング信号発生手段をさらに具備し、
    上記固体撮像素子は、上記タイミング信号により規定されるタイミングで、被写体像を表す画像信号を出力し、
    上記色信号処理回路は、上記タイミング信号により規定されるタイミングで、上記補間処理を上記画像信号に施す
    ことを特徴とする請求項1記載の撮像装置。
  3. 固定撮像素子から出力された画像信号に所定の補間処理を施す色信号処理工程と、
    上記画像信号に含まれる雑音を打消すための雑音打消し信号を記憶している記憶手段から上記雑音打消し信号を読出す読出工程と、
    上記色信号処理工程において上記補間処理が実行されていない間において、上記読出工程において上記雑音打消し信号の読出し動作を禁止させる読出制御工程と、
    上記読出工程において読出された上記雑音打消し信号を上記画像信号に重畳させる重畳工程と
    を有したことを特徴とする撮像信号の雑音除去方法。
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