JP5423356B2 - 輝度信号生成方法、撮像装置 - Google Patents

Description

この発明は、低照度下で動きのある被写体を撮影するために高感度化を図る貯めの輝度信号生成方法及び３板式撮像装置に関する。

３板式撮像装置は、被写体からの光の三原色である赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）ごとに入射光を３分割し、それぞれの色に対応した撮像板を用いるという方式のカメラである。撮像板としてはＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）の半導体撮像素子が使われる。撮像装置の感度は、輝度信号の出力レベルによって規定される。よって、輝度信号の出力レベルを高くすることで高感度化を図ることができる。

特許文献１には、Ｒ、Ｇ、Ｂ各チャネル映像信号の低域成分を通過させて高域成分を落とすようにし、そのようにして形成されたＲ、Ｇ、Ｂ各チャネル映像信号に、折り返し歪成分のない共通の高域成分を加えることで、高解像度を得るための折り返し歪成分の比較的に少ない輝度信号を得る３板式撮像装置が開示されている。また、非特許文献１には、正しい色の再現を行うのに必要な信号は、画像の明暗を現す輝度情報に関する信号と、色相と色の濃さをあらわす信号が必要であると記載されている。

特開平６−５４３３３

日本放送協会編「ＮＨＫテレビ技術教科書（上）」日本放送出版協会出版、１９８９年４月１０日、ｐ．３７

ところで、一般的な３板式撮像装置における輝度信号Ｙは、撮像素子から得られるＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号の各色信号を、Ｒ信号は０．３倍、Ｇ信号は０．５９倍、Ｂ信号は０．１１倍した上で、加算することで得られる。このときの計算式は、輝度信号Ｙ＝０．３０×Ｒ＋０．５９×Ｇ＋０．１１×Ｂである。従来の３板式撮像装置における輝度信号は、上述のとおり輝度信号Ｙ＝０．３０×Ｒ＋０．５９×Ｇ＋０．１１×Ｂの式で計算される。ここで、前述の式ではＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号の係数合計が１であることから、輝度信号はＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号の入力レベル以内に抑えられるので、高感度化を図ることができない。

そこで、この発明に係る３板式撮像装置における高感度化の手法では、輝度信号計算式における各色信号の係数をＲ信号は×０．３、Ｇ信号は×０．５９、Ｂ信号は×０．１１に固定せず、Ｒ信号が０．３、Ｇ信号が０．５９、Ｂ信号が０．１１の割合である係数とすることで、輝度信号生成と高感度化の両立を図るものである。

本発明に係る輝度信号生成方法は、被写体からの入射光を光の三原色である赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）に３分割するステップと、赤、緑、青の各色に対応した撮像板から出力された信号に、赤に対応した信号には第一の係数を、緑に対応した信号には第二の係数を、青に対応した信号には第三の係数を乗じる係数乗算ステップと、それぞれ係数が乗じられた赤、緑、青の信号を加算するステップを含み、係数乗算ステップは、第一の係数と第二の係数と第三の係数のいずれか一つの係数を１とし、第一の係数と第二の係数と第三の係数の割合を０．３、０．５９、０．１１に保つように決定された係数を乗じるものである。

本発明に係る撮像装置は、被写体からの入射光を光の三原色である赤・緑・青に３分割する分割手段と、この分割手段で分割された赤・緑・青の各色に対応して設けられた撮像板と、この撮像板から出力された信号に、赤に対応した信号には第一の係数を、緑に対応した信号には第二の係数を、青に対応した信号には第三の係数を乗じる係数乗算手段と、この係数乗算手段から出力された各色に対応する電気信号を加算し輝度信号を生成する加算手段とを備え、前記係数乗算手段は、前記第一の係数と前記第二の係数と前記第三の係数のいずれか一つの係数を１とし、前記第一の係数と前記第二の係数と前記第三の係数の割合を０．３、０．５９、０．１１に保つように決定された係数を乗じるものである。

本発明に係る輝度信号生成方法は、被写体からの入射光を光の三原色である赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）に３分割するステップと、赤、緑、青の各色に対応した撮像板から出力された信号に、赤に対応した信号には第一の係数を、緑に対応した信号には第二の係数を、青に対応した信号には第三の係数を乗じる係数乗算ステップと、それぞれ係数が乗じられた赤、緑、青の信号を加算するステップを含み、係数乗算ステップは、第一の係数と第二の係数と第三の係数のいずれか一つの係数を１とし、第一の係数と第二の係数と第三の係数の割合を０．３、０．５９、０．１１に保つように決定された係数を乗じるので、輝度信号の生成と高感度化の両立を可能とするという効果を奏する。また、いずれか一つの係数を１とすることで、乗算器が１つ不要となり、回路規模の縮小に寄与する。

本発明に係る撮像装置は、被写体からの入射光を光の三原色である赤・緑・青に３分割する分割手段と、この分割手段で分割された赤・緑・青の各色に対応して設けられた撮像板と、この撮像板から出力された信号に、赤に対応した信号には第一の係数を、緑に対応した信号には第二の係数を、青に対応した信号には第三の係数を乗じる係数乗算手段と、この係数乗算手段から出力された各色に対応する電気信号を加算し輝度信号を生成する加算手段とを備え、前記係数乗算手段は、前記第一の係数と前記第二の係数と前記第三の係数のいずれか一つの係数を１とし、前記第一の係数と前記第二の係数と前記第三の係数の割合を０．３、０．５９、０．１１に保つように決定された係数を乗じることができ、輝度信号の生成と高感度化の両立を可能とするという効果を奏する。また、いずれか一つの係数を１とすることで、乗算器が１つ不要となり、回路規模の縮小に寄与する。

本発明に係る撮像装置の動作ブロック図であって、Ｒ信号の係数が１のときを示す図である。 本発明に係る撮像装置の動作ブロック図であって、Ｇ信号の係数が１のときを示す図である。 本発明に係る撮像装置の動作ブロック図であって、Ｂ信号の係数が１のときを示す図である。 本発明に係る３板式撮像装置の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
監視用途における３板式撮像装置では、河川監視など超低照度下で動きのある被写体を撮影する場合が多い。高感度化を図ることで、超低照度下で動きのある被写体を撮影可能となる。実施の形態１は、Ｒ信号、Ｇ信号、Ｂ信号いずれかの係数を１倍に設定して、その他信号の係数はＲ信号が０．３、Ｇ信号が０．５９、Ｂ信号が０．１１の割合となるように設定されるものである。

図１は、本発明に係る撮像装置の動作ブロック図であって、Ｒ信号の係数が１のときを示す図である。従来、撮像素子から得られるＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号の各色信号は、Ｒ信号は０．３倍、Ｇ信号は０．５９倍、Ｂ信号は０．１１倍乗算された後、加算器にて加算することで輝度信号Ｙは決まる。図１は、Ｒ信号の係数を１倍とし、Ｇ信号を１．９７倍、Ｂ信号を０．３７倍とすることで、Ｒ、Ｇ、Ｂ各信号の係数の割合を０．３、０．５９、０．１１としながら、高輝度な信号を得られるようにした。

図１において、１はＲ信号入力、２はＧ信号入力、３はＢ信号入力、４はＧ信号係数、５はＢ信号係数、６はＹ信号出力である。Ｒ信号の係数を１倍とした時は、Ｇ信号の係数を１．９７倍、Ｂ信号の係数を０．３７倍とすることで、Ｒ信号が０．３、Ｇ信号が０．５９、Ｂ信号が０．１１の割合を保つとともに、輝度信号Ｙの出力レベルを従来の３．３倍にすることができる。よって、従来の輝度信号計算式と比較して、３．３倍の高感度化が可能である。また、このときの計算式は、輝度信号Ｙ＝Ｒ＋１．９７×Ｇ＋０．３７×Ｂである。

図２は、本発明に係る撮像装置の動作ブロック図であって、Ｇ信号の係数が１のときを示す図である。図２において、７はＲ信号入力、８はＧ信号入力、９はＢ信号入力、１０はＲ信号係数、１１はＢ信号係数、１２はＹ信号出力である。Ｇ信号の係数を１倍とした時は、Ｒ信号の係数を０．５１倍、Ｂ信号の係数を０．１９倍とすることで、Ｒ信号が０．３、Ｇ信号が０．５９、Ｂ信号が０．１１の割合を保つとともに、輝度信号Ｙの出力レベルを従来の１．７倍にすることができる。よって、従来の輝度信号計算式と比較して、１．７倍の高感度化が可能である。また、このときの計算式は、輝度信号Ｙ＝０．５１×Ｒ＋Ｇ＋０．１９×Ｂである。

図３は、本発明に係る撮像装置の動作ブロック図であって、Ｂ信号の係数が１のときを示す図である。図３において、１３はＲ信号入力、１４はＧ信号入力、１５はＢ信号入力、１６はＲ信号係数、１７はＧ信号係数、１８はＹ信号出力である。Ｂ信号の係数を１倍とした時は、Ｒ信号の係数を２．７３倍、Ｇ信号の係数を５．３６倍とすることで、Ｒ信号が０．３、Ｇ信号が０．５９、Ｂ信号が０．１１の割合を保つとともに、輝度信号Ｙの出力レベルを従来の９．１倍にすることができる。よって、従来の輝度信号計算式と比較して、９．１倍の高感度化が可能である。また、このときの計算式は、輝度信号Ｙ＝２．７３×Ｒ＋５．３６×Ｇ＋Ｂである。

上記説明のとおり、この発明によれば、各色信号の係数合計が１を超える係数を設定可能であることから、輝度信号がＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号の入力レベルを超えることが可能となり、従来の輝度信号計算式よりも高い輝度信号を算出することができるため、高感度化を可能とする効果がある。また、本実施形態ではＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号いずれかの係数を１倍とするため乗算器が１つ不要となり、高感度化を実現した上でさらに回路規模の縮小に寄与するといった効果もある。

実施の形態２．
実施の形態２は、Ｒ信号の係数を０．３×α、Ｇ信号の係数を０．５９×α、Ｂ信号の係数を０．１１×αとし、係数αを場面に応じて可変することで、最適な輝度信号特性を得るものである。

図４は、本発明に係る３板式撮像装置の構成を示すブロック図である。図４において、１９はアイリス、２０はプリズム、２１はＲ色用ＣＣＤ、２２はＧ色用ＣＣＤ、２３はＢ色用ＣＣＤ、２４はＲ信号用のＡＧＣ（Auto Gain Control）ゲイン、２５はＧ信号用のＡＧＣゲイン、２６はＢ信号用のＡＧＣゲイン、２７はＲ信号係数である０．３０を乗じる乗算器、２８はＧ信号係数である０．５９を乗じる乗算器、２９はＢ信号係数である０．１１を乗じる乗算器、３０はＲ信号用の係数αを乗じる乗算器、３１はＧ信号用の係数αを乗じる乗算器、３２はＢ信号用の係数αを乗じる乗算器である。３３は輝度信号であるＹ信号出力を示す。３４はＹ信号積分器、３５はマイコンである。

図４において、アイリス１９で光量調整された光は、プリズム２０でＲ、Ｇ、Ｂの光に分離され、それぞれＲ色用ＣＣＤ２１、Ｇ色用ＣＣＤ２２、Ｂ色用ＣＣＤ２３で電気信号に変換される。また、Ｒ信号はＲ信号用ＡＧＣゲイン２４、Ｇ信号はＧ信号用ＡＧＣゲイン２５、Ｂ信号はＢ信号用ＡＧＣゲイン２６で最適な信号量に増幅され、後段のＹ信号生成回路に供給される。

Ｒ信号用ＡＧＣゲイン２４で最適な信号量となったＲ信号は、乗算器２７においてＲ信号係数である０．３０が、乗算器３０においてＲ信号用の係数αが乗算され、Ｒ×０．３×αとなる。また、Ｇ信号用ＡＧＣゲイン２５で最適な信号量となったＧ信号は、乗算器２８において、Ｇ信号係数である０．５９が、乗算器３１においてＧ信号用の係数αが乗算され、Ｇ×０．５９×αとなる。また、Ｂ信号用ＡＧＣゲイン２６で最適な信号量となったＢ信号は、乗算器２９において、Ｂ信号係数である０．１１が、乗算器３２においてＢ信号用の係数αが乗算され、Ｂ×０．１１×αとなる。Ｙ信号出力３３は、前記３信号が加算された値が出力されるため、輝度信号Ｙ＝α×（０．３×Ｒ＋０．５９×Ｇ＋０．１１×Ｂ）となる。よって、Ｒ信号が０．３、Ｇ信号が０．５９、Ｂ信号が０．１１の割合を保つとともに、輝度信号Ｙの出力レベルを従来のα倍にすることができる。

また、Ｙ信号出力はＹ信号積分器３４で積分され、マイコン３５に入力される。従来の３板式撮像装置における明るさ制御は、マイコン３５に入力されるＹ信号積分器３４の出力が一定値となるように、各種ゲイン制御を行う。
具体的には、被写体が非常に明るい時はアイリス１９の絞りを最大にし、Ｒ信号用ＡＧＣゲイン２４、Ｇ信号用ＡＧＣゲイン２５、Ｂ信号用ＡＧＣゲイン２６を最小値で固定、Ｒ色用ＣＣＤ２１、Ｇ色用ＣＣＤ２２、Ｂ色用ＣＣＤ２３のシャッター速度を可変して明るさ制御を実施する。

Ｒ色用ＣＣＤ２１、Ｇ色用ＣＣＤ２２、Ｂ色用ＣＣＤ２３のシャッター速度が最大になったらシャッター速度を最大値で固定して、Ｒ信号用ＡＧＣゲイン２４、Ｇ信号用ＡＧＣゲイン２５、Ｂ信号用ＡＧＣゲイン２６を最小値で固定して、アイリス１９の絞りを可変して明るさ制御を実施する。

また、アイリス１９の絞り位置が最小になったら絞り位置を最小で固定して、Ｒ色用ＣＣＤ２１、Ｇ色用ＣＣＤ２２、Ｂ色用ＣＣＤ２３のシャッター速度を最大値で固定して、Ｒ信号用ＡＧＣゲイン２４、Ｇ信号用ＡＧＣゲイン２５、Ｂ信号用ＡＧＣゲイン２６を可変して明るさ制御を実施する。

ここで、本形態ではさらにＲ信号用係数α、Ｇ信号用係数α、Ｂ信号用係数αを制御することが可能であるため、従来の３板式撮像装置で制御可能であった制御範囲を超える明るさ制御が可能となり、高感度化を図ることが出来る。また、係数αは小数点以下も設定可能であることから、被写体が明るい側の制御上限値を広げることも可能となる。

具体的な制御方法について説明する。アイリス１９の絞り位置、Ｒ色用ＣＣＤ２１及びＧ色用ＣＣＤ２２及びＢ色用ＣＣＤ２３のシャッター速度は固定、Ｒ信号用ＡＧＣゲイン２４及びＧ信号用ＡＧＣゲイン２５及びＢ信号用ＡＧＣゲイン２６は固定とする。マイコン３５に入力されるＹ信号積分器３４の出力が小さい場合、Ｒ信号用係数α及びＧ信号用係数α及びＢ信号用係数αの値を現在の値より大きく、マイコン３５に入力されるＹ信号積分器３４の出力が大きい場合、Ｒ信号用係数α及びＧ信号用係数α及びＢ信号用係数αの値を現在の値より小さく制御する。この制御によって、Ｒ信号用係数α、Ｇ信号用係数α、Ｂ信号用係数αを用いて明るさ制御が可能となる。

上記説明のとおり、この発明によれば、各色信号の係数合計が１を超える係数を設定可能であることから、輝度信号がＲ信号、Ｇ信号、Ｂ信号の入力レベルを超えることが可能となり、従来の輝度信号計算式よりも高い輝度信号を算出することができるため、高感度化を可能とする効果がある。また、Ｒ信号用係数α、Ｇ信号用係数α、Ｂ信号用係数αを１よりも小さい値に設定することで、撮像装置のＳ／Ｎ向上を図ることが可能である。さらに最適な輝度信号の特性を得ることができ、かつ、アイリス、シャッター、ゲイン調整のほか、係数αを用いた新たな明るさ制御が可能となる。

１ Ｒ信号入力、２ Ｇ信号入力、３ Ｂ信号入力、４ Ｇ信号係数、５ Ｂ信号係数、
６ Ｙ信号出力、７ Ｒ信号入力、８ Ｇ信号入力、９ Ｂ信号入力、
１０ Ｒ信号係数、１１ Ｂ信号係数、１２ Ｙ信号出力、１３ Ｒ信号入力、
１４ Ｇ信号入力、１５ Ｂ信号入力、１６ Ｒ信号係数、１７ Ｇ信号係数、
１８ Ｙ信号出力、１９ アイリス、２０ プリズム、２１ Ｒ色用ＣＣＤ、
２２ Ｇ色用ＣＣＤ、２３ Ｂ色用ＣＣＤ、２４ Ｒ信号用ＡＧＣゲイン、
２５ Ｇ信号用ＡＧＣゲイン、２６ Ｂ信号用ＡＧＣゲイン、
２７ 乗算器、２８ 乗算器、２９ 乗算器、３０ 乗算器、３１ 乗算器、
３２ 乗算器、３３ Ｙ信号出力、３４ Ｙ信号積分器、３５ マイコン

Claims (8)

1. 被写体からの入射光を光の三原色である赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）に３分割するステップと、赤、緑、青の各色に対応した撮像板から出力された信号に、赤に対応した信号には第一の係数を、緑に対応した信号には第二の係数を、青に対応した信号には第三の係数を乗じる係数乗算ステップと、それぞれ係数が乗じられた赤、緑、青の信号を加算するステップを含む輝度信号生成方法において、
   係数乗算ステップは、前記第一の係数と前記第二の係数と前記第三の係数のいずれか一つの係数を１とし、前記第一の係数と前記第二の係数と前記第三の係数の割合を０．３、０．５９、０．１１に保つように決定された係数を乗じることを特徴とする輝度信号生成方法。
2. 係数乗算ステップは、第一の係数を１としたとき、第二の係数を１．９７、第三の係数を０．３７とすることを特徴とする請求項１に記載の輝度信号生成方法。
3. 係数乗算ステップは、第二の係数を１としたとき、第一の係数を０．５１、第三の係数を０．１９とすることを特徴とする請求項１に記載の輝度信号生成方法。
4. 係数乗算ステップは、第三の係数を１としたとき、第一の係数を２．７３、第二の係数を５．３６とすることを特徴とする請求項１に記載の輝度信号生成方法。
5. 被写体からの入射光を光の三原色である赤・緑・青に３分割する分割手段と、
   前記分割手段で分割された赤・緑・青の各色に対応して設けられた撮像板と、
   前記撮像板から出力された信号に、赤に対応した信号には第一の係数を、緑に対応した信号には第二の係数を、青に対応した信号には第三の係数を乗じる係数乗算手段と、
   前記係数乗算手段から出力された各色に対応する電気信号を加算し輝度信号を生成する加算手段とを備え、
   前記係数乗算手段は、前記第一の係数と前記第二の係数と前記第三の係数のいずれか一つの係数を１とし、前記第一の係数と前記第二の係数と前記第三の係数の割合を０．３、０．５９、０．１１に保つように決定された係数を乗じる
   ことを特徴とする撮像装置。
6. 前記係数乗算手段は、前記第一の係数を１としたとき、前記第二の係数を１．９７、前記第三の係数を０．３７とすることを特徴とする請求項５記載の撮像装置。
7. 前記係数乗算手段は、前記第二の係数を１としたとき、前記第一の係数を０．５１、前記第三の係数を０．１９とすることを特徴とする請求項５記載の撮像装置。
8. 前記係数乗算手段は、前記第三の係数を１としたとき、前記第一の係数を２．７３、前記第二の係数を５．３６とすることを特徴とする請求項５記載の撮像装置。

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