JP5329312B2 - 監視カメラシステム - Google Patents

Description

この発明は、撮像デバイスに電子増倍機能を持つＥＭ−ＣＣＤ（Electron Multiplying−ＣＣＤ；電子増倍型ＣＣＤ）を使用し、且つ電子増感機能を備えた監視カメラシステムに関するものである。

従来、露光量が極めて少ない撮影環境下においては、撮像デバイスの蓄積時間を制御することで感度を向上させる電子増感機能を有するカメラ装置が用いられている。電子増感は理論的には撮像信号のＳ／Ｎを保ったまま感度を向上することが可能な機能であるが、蓄積時間を長くすることによるフレームレートの低下があるため、輝度制御においては、ＡＬＣ（Automatic Lighting Control；自動光量制御）→ＡＧＣ（Automatic Gain Control；自動ゲイン制御）→電子増感と、最終段で使用されるのが一般的である。

それは、ＥＭ−ＣＣＤを使用した監視カメラシステムにおいても同様である。ＥＭ−ＣＣＤとは、水平シフトレジスタに増倍レジスタを設けることで、通常のＣＣＤよりも高感度化を実現した撮像デバイスである。ＥＭ−ＣＣＤ監視カメラシステムにおける輝度制御は、被写体照度が低くなるに伴いＡＬＣ→ＡＧＣ→ＥＭ（Electron Multiplying；電子増倍）→電子増感と遷移する。ＡＧＣ後に機能するＥＭがＥＭ−ＣＣＤ特有の機能であり、この機能により高感度化を実現している。

通常のＣＣＤにおいて高感度化の妨げになっている最大の要因がＦＤＡ（Floating Diffusion Amplifier；電荷電圧変換アンプ）から発生する読み出しノイズであるが、ＥＭ−ＣＣＤは原理的にＦＤＡの読み出しノイズを無視できるため、より高感度化が可能となっている。その一方で電子増倍に起因するショットノイズを無視できず、ＥＭゲインを上げていくとＥＭ−ＣＣＤの出力信号に付加されるノイズ量が増加する。

このような低照度時におけるノイズ量の増加に対処するため、被写体の動きに応じて電子増倍機能と電子増感機能とを切り替えるようにした監視カメラシステムがあった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−５０９５号公報

しかしながら、従来のＥＭ−ＣＣＤカメラシステムではＣＰＵからのＥＭゲイン設定値が最大値に達してからＥＭから電子増感に遷移するような制御となっている。従って、電子増感に入った時点では大量にショットノイズが発生しており、ＥＭ−ＣＣＤから出力される撮像信号のＳ／Ｎ（Signal/Noise）は悪化している。このようなＳ／Ｎが最大まで悪化した撮像信号に対して電子増感を行ってしまうと、電子増感中は被写体照度にかかわらず、そのＳ／Ｎを保つことになってしまう。
また、特許文献１に記載されているような監視カメラシステムでは、ＥＭと電子増感の処理を被写体の動きに応じて切り替えているが、このようなＳ／Ｎ悪化については、その解決策を示すものではなかった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、低照度環境下での出力映像のＳ／Ｎを改善することのできる監視カメラシステムを得ることを目的とする。

この発明に係る監視カメラシステムは、被写体からの入射光を電子信号に変換する電子増倍型ＣＣＤを有し、与えられた電子増倍制御信号に基づいて増倍率を変更可能な撮像素子と、電子信号の蓄積により、撮像素子から出力された撮像信号に対して感度を向上させる電子増感を行うと共に、与えられた電子増感制御信号に基づいて、蓄積の蓄積時間を制御し増感率を変更可能な増感部と、撮像素子に対して、最大増倍率より小さい所定の増倍率設定値になった場合に増倍率の増加を停止させるよう電子増倍制御信号を出力すると共に、その時点から増感部が電子増感を行うよう電子増感制御信号を出力する制御部とを備えたものである。

この発明の監視カメラシステムは、電子増倍型ＣＣＤによる電子増倍から電子増感処理への遷移タイミングを、電子増倍型ＣＣＤの最大増倍率より小さい所定の増倍率設定値としたので、低照度環境下での出力映像のＳ／Ｎを改善することができる。

この発明の実施の形態１による監視カメラシステムを示す構成図である。 従来の監視カメラシステムの被写体照度とノイズ量との関係を示す説明図である。 この発明の実施の形態１による監視カメラシステムの被写体照度とノイズ量との関係を従来と比較して示す説明図である。 この発明の実施の形態２による監視カメラシステムの構成図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による監視カメラシステムを示す構成図である。
図１に示す監視カメラシステムは、撮像レンズ１、ＥＭ−ＣＣＤ（Electron Multiplying−Charge Coupled Device；電子増倍型ＣＣＤ）２、ＡＦＥ（Analog Front End；アナログフロントエンド）３、ＤＳＰ（Digital Signal Processor；デジタルシグナルプロセッサ）４、ＣＰＵ５を備えている。

撮像レンズ１は、被写体からの入射光を取り入れ、集束させた光１００をＥＭ−ＣＣＤ２に与えるためのレンズである。ＥＭ−ＣＣＤ２は、入力した光１００を電荷に変換して撮像信号１０１として出力する増倍率を変化させることのできる撮像素子であり、その増倍率は、ＣＰＵ５からの電子増倍制御信号１０６によって制御されるよう構成されている。ＡＦＥ３は、Ａ／Ｄ変換器等からなり、アナログ映像信号として各種の処理を行うための機能部であり、処理結果としての信号１０２が出力される。ＤＳＰ４は、増感部として電子増感処理等、様々な映像信号処理を行うもので、処理結果として映像信号１０３を出力し、増感部を構成する。また、ＤＳＰ４における電子増感処理は、ＣＰＵ５から出力される電子増感制御信号１０４に基づいて行われ、更に、ＤＳＰ４はＣＰＵ５に対して輝度積分値を出力するよう構成されている。また、ＤＳＰ４はＡＦＥ３に対してＡＧＣ制御のためのＡＧＣ制御信号１０８を出力する。ＣＰＵ５は、監視カメラシステムとして各部の制御を司るプロセッサであり、ＥＭ−ＣＣＤ２に対して、所定の増倍率設定値になった場合にこの増倍率の増加を停止させるよう電子増倍制御信号１０６を出力すると共に、その時点からＤＳＰ４が増感を行うよう電子増感制御信号１０４を出力し、この状態で更に被写体照度が所定値まで低下した場合は、ＥＭ−ＣＣＤ２に対して電子増倍を行うよう電子増倍制御信号１０６を出力する制御部である。

次に、動作について説明する。撮像レンズ１により被写体からの入射光を集束させた光１００をＥＭ−ＣＣＤ２に入射させ、ＥＭ−ＣＣＤ２がその光１００を電荷に変換して撮像信号１０１として出力する。その撮像信号１０１は、ＡＦＥ３において、ＣＤＳ（Correlated Double Sampling；相関二重サンプリング）や、ＡＧＣ（Automatic Gain Control；自動ゲイン制御）などの処理が施された後、映像信号処理を行うＤＳＰ４に信号１０２として供給される。尚、ＡＦＥ３ではＤＳＰ４からのＡＧＣ制御信号１０８により制御される。ＤＳＰ４では、ＡＷＢ（Automatic White Balance；オートホワイトバランス）制御やガンマ補正等の処理を行い、最終的な映像信号１０３として出力する。

ＣＰＵ５は、ＤＳＰ４から与えられる撮像信号の輝度積分値１０５に応じて、ＡＬＣ制御信号１０７を用いて撮像レンズ１におけるアイリスの絞り量などを設定するＡＬＣ、電子増倍制御信号１０６を用いてＥＭ−ＣＣＤ２の増倍率（ＥＭゲイン）を設定するＥＭ、電子増感制御信号１０４を用いてＤＳＰ４における電子増感時の蓄積時間を設定する電子増感を制御する。

本発明における輝度制御の流れを説明する。被写体照度が高く十分な光量が確保できている環境下では、輝度積分値が目標輝度値に到達するように、ＣＰＵ５がＡＬＣ制御信号１０７を撮像レンズ１に送信する。撮像レンズ１は、そのＡＬＣ制御信号１０７に基づきＥＭ−ＣＣＤ２での受光量が適正となるようにアイリスを制御する。

ＡＬＣにて撮像レンズ１のアイリスを開放にしても露光量が足りない環境下では、ＤＳＰ４が輝度積分値に基づき、ＡＧＣ制御信号１０８を用いてＡＦＥ３内の映像増幅器のゲイン（ＡＧＣゲイン）が適正露出となるよう制御する。

ＡＦＥ３におけるＡＧＣゲインを最大にしても露光量が足りない環境下では、輝度積分値が目標輝度値に到達するように、ＣＰＵ５が電子増倍制御信号１０６を用いてＥＭ−ＣＣＤ２のＥＭゲインを上げることにより適正露出となるように制御する。

被写体が上記より暗くなった場合には、ＣＰＵ５がＥＭ−ＣＣＤ２に対するＥＭ制御を一旦停止し、電子増感に切り替える。電子増感は、ＣＰＵ５が電子増感制御信号１０４を用いて適切な電子増感倍率になるようにＤＳＰ４を制御することで行う。ここで、ＥＭから電子増感へはＥＭゲインが最大値に達してからではなく、予めＣＰＵ５に設定した指定値に達したタイミングで遷移する。

その遷移タイミングを決めるＥＭゲイン設定値は、下記手順にて設定する。先ず、目標値となる出力映像のＳ／Ｎ閾値を設定する。次にＥＭゲイン設定値とその時の出力映像のＳ／Ｎを測定し相関を求める。その相関よりＳ／Ｎ閾値のときのＥＭゲイン設定値を求め、ＣＰＵ５に設定する。

図２と図３に従来と本システムの被写体照度に対するノイズ量の推移を示す。図２は従来のノイズ量の推移であり、ＡＬＣ→ＡＧＣと制御が行われ、更にＥＭでゲインが最大となるまで制御され、その後、被写体照度Ａ１以下で電子増感処理に移行する。これに対して、本システムでは、図３の実線で示すように、ＥＭ１にて所定のＳ／Ｎ（所定の増倍率）となった時点で、ＤＳＰ４による電子増感処理へと遷移する。そして、被写体照度が所定の値（Ａ２）以下になった時点で再びＥＭ−ＣＣＤ２によるＥＭ２に遷移し、最低被写体照度Ａ３となるまで制御を行う。図３中の破線は図２で示した従来のノイズ量の推移を示す波形である。図３に示すように、本システムが最低被写体照度を維持しつつ低照度時の画質を改善できていることが分かる。

以上のように、実施の形態１の監視カメラシステムによれば、被写体からの入射光を電子信号に変換する電子増倍型ＣＣＤを有し、与えられた電子増倍制御信号に基づいて増倍率を変更可能な撮像素子と、撮像素子から出力された撮像信号に対して電子増感を行うと共に、与えられた電子増感制御信号に基づいて増感率を変更可能な増感部と、撮像素子に対して、最大増倍率より小さい所定の増倍率設定値になった場合に増倍率の増加を停止させるよう電子増倍制御信号を出力すると共に、その時点から増感部が電子増感を行うよう電子増感制御信号を出力する制御部とを備えたので、低照度環境においても良好なＳ／Ｎを保つことが可能となる。

また、実施の形態１の監視カメラシステムによれば、制御部は、増感部が電子増感を行っている状態で更に被写体照度が所定値まで低下した場合は、撮像素子による電子増倍を行うよう電子増倍制御信号を出力するようにしたので、電子増感が最高倍率になった後に一旦停止したＥＭゲインを掛けることにより、スペック上の最低被写体照度を確保することができる。

実施の形態２．
ＥＭ−ＣＣＤのＥＭゲインが、大きな温度依存性を持っていることは一般的に知られており、デバイスの温度が低くなるとゲインは上がり、逆にデバイスの温度が高くなるとゲインは下がる方向に特性が変化する。

そのため、ＥＭ−ＣＣＤに同じ設定値を送ったとしても、デバイスの温度によってゲイン量が変動するために画質にバラツキが生じる。また、デバイスが高温度になると、ゲイン量の低下によって最低被写体照度が悪化する。従って、ＥＭ−ＣＣＤを使用したシステムにおいて、高ゲインを安定して確保するためにはデバイスの冷却とデバイス温度の安定化が非常に重要となる。そこで、ＥＭ−ＣＣＤの温度を反映させた制御を行う例を実施の形態２として説明する。

図４は、実施の形態２に係る監視カメラシステムの構成図である。
図示の監視カメラシステムでは、実施の形態１の構成に加えて、ＥＭ−ＣＣＤ２ａからＣＰＵ５ａへの温度情報１０９を出力するよう構成し、ＣＰＵ５ａは、この温度情報１０９を反映した電子増倍制御信号１０６を出力するようにしたものである。即ち、サーミスタ等で取得したＥＭ−ＣＣＤ２ａの温度情報１０９をＣＰＵ５ａにフィードバックし、そのときの温度に応じた補正値を適宜ＥＭゲイン設定値に加えることでＥＭゲインの温度補償を行うよう構成されている。その他の構成については、実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。

温度補償は、ＣＰＵ５ａにＥＭ−ＣＣＤ２ａのデバイス温度とＥＭゲイン量の特性から作成した補正値のテーブルを持たせることで実現する。この温度補償はＥＭゲインの最大値、ＥＭから電子増感への遷移タイミングの指定値（ＥＭゲイン設定値）に対して行う。

以上説明したように、実施の形態２の監視カメラシステムによれば、撮像素子は、電子増倍型ＣＣＤの温度情報を出力し、制御部は、温度情報に基づいて撮像素子における増倍率設定値の温度補償を行い、補正した電子増倍制御信号を出力するようにしたので、撮像素子のデバイス温度が変動した場合でも、安定してＥＭゲインをかけることのできる監視カメラシステムが実現可能となる。

１ 撮像レンズ、２，２ａ ＥＭ−ＣＣＤ（撮像素子）、３ ＡＦＥ、４ ＤＳＰ（増感部）、５，５ａ ＣＰＵ（制御部）、１００ 光、１０１ 撮像信号、１０２ 信号、１０３ 映像信号、１０４ 電子増感制御信号、１０５ 輝度積分値、１０６ 電子増倍制御信号、１０７ ＡＬＣ制御信号、１０８ ＡＧＣ制御信号、１０９ 温度情報。

Claims (3)

1. 被写体からの入射光を電子信号に変換する電子増倍型ＣＣＤを有し、与えられた電子増倍制御信号に基づいて増倍率を変更可能な撮像素子と、
   前記電子信号の蓄積により、前記撮像素子から出力された撮像信号に対して感度を向上させる電子増感を行うと共に、与えられた電子増感制御信号に基づいて、前記蓄積の蓄積時間を制御し増感率を変更可能な増感部と、
   前記撮像素子に対して、最大増倍率より小さい所定の増倍率設定値になった場合に当該増倍率の増加を停止させるよう前記電子増倍制御信号を出力すると共に、その時点から前記増感部が電子増感を行うよう前記電子増感制御信号を出力する制御部とを備えた監視カメラシステム。
2. 前記制御部は、前記増感部が電子増感を行っている状態で更に被写体照度が所定値まで低下した場合は、前記撮像素子による電子増倍を行うよう前記電子増倍制御信号を出力することを特徴とする請求項１記載の監視カメラシステム。
3. 前記撮像素子は、前記電子増倍型ＣＣＤの温度情報を出力し、
   前記制御部は、前記温度情報に基づいて前記撮像素子における増倍率設定値の温度補償を行い、補正した電子増倍制御信号を出力することを特徴とする請求項１または請求項２記載の監視カメラシステム。

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