JPH0193967A - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は実質的なダイナミック・レンジの広い撮像装置
に関する。

〔従来の技術〕

撮像装置は、カメラ一体形ＶＴＲやスチル・ビデオ・カ
メラなどのビデオ・カメラ部として広く使用されている
。撮像管や固体撮像素子を用いるビデオ・カメラは旧来
の銀塩写真システムに比ベダイナミック・レンジが狭く
、従って、逆光時などには白とびゃ黒つぶれ（！１！度
レベルが著しく高い又は低い部分の俗称）などが発生す
る。従来のビデオ・カメラではこのような場合、手動又
は逆光補正ボタンの操作により絞りを２絞り分程度開放
し、光量を調節していた。

しかし、このような逆光補正を適切に行った場合でも、
主たる被写体が適正露光量であっても背景で白とびが発
生してしまい、背景が白いだけの画面になってしまう。

つまり、従来装置のように主被写体の露光量が適正にな
るように光量調節するだけでは、撮像装置のダイナミッ
ク・レンジの狭さは解決されない。例えばライン・スキ
ャナを用いて静止画像を電気信号に変換する従来の撮像
装置では、同一被写体から得られた露光量の異なる複数
の画面から１つの画面を合成するものが考えられている
。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、そのような撮像装置は静止画像を対象と
しており、ダイナミック・レンジの広い動画が得られる
ものではなかった。

このような状況に鑑み、本出願人は、実質的にダイナミ
ック・レンジの広い動画信号の得られる撮像装置を提示
することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る撮像装置は、電荷蓄積時間の異なる撮像信
号をフィールド毎に切り換えて出力する撮像手段を具備
し、連続する２フィールドの画面から１画面を合成する
ことを特徴とする。

〔作用〕

異なる電荷蓄積時間の撮像信号の画像を合成することに
より、実質的により広いダイナミック・レンジの撮像信
号が得られる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。第
１図は、カメラ一体形ＶＴＲに本発明を適用した場合の
全体構成ブロック図を示す。

第１図において、１００はカメラ部、２００は処理部、
３００は記録部である。カメラ部１００において、光学
系１０１から入射した光線は絞り１０２により光量制限
され、撮像素子１０３に結像する。撮像素子１０３は撮
像管や、ＭＯＳ、　ＣＣＤなとの半導体撮像素子からな
る。焦点駆動回路１゜７、絞り駆動回路１０６及び撮像
素子駆動回路１０５は、カメラ制御回路１０８の制御の
下で、それぞれ光学系１０１、絞り１０２及び撮像素子
１０３を駆動する。カメラ信号処理回路１０４は通常の
ビデオ・カメラの信号処理回路と同様のγ補−正その他
の処理を行う周知回路である。

カメラ部１００から出力される映像信号は、処理部２０
０のＡ／Ｄ変換器２０１でディジタル信号に変換され、
演算回路２０２で後述する画素データの変換を行われ、
Ｄ／Ａ変換器２０３でアナログ信号に戻され記録部３０
０に供給される。２０４は、演算回路２０２での演算用
の画像メモリであり、２０５はそのアドレッシング回路
である。

アドレッシング回路２０５はカメラ部１００の制御回路
１０８からのタイミング信号に応じて画像メモリ２０４
の書込、読出アドレス制御信号を出力する。

記録部３００では、Ｄ／Ａ変換器２０３からのアナログ
信号が公知の方法でＶＴＲレコーダ３０１に記録される
。

次に撮像素子１０３の動作を説明する。第３図はＮＴＳ
Ｃ信号を例にとった場合の、カメラ部１００のタイミン
グ・チャートを示す。フィールド・インデックス（Ｆｌ
）信号は、１フレームを構成する奇（ＯＤＤ）フィール
ドと偶（ＥＶＥＮ）フィールドとを区別するための信号
である。ＶＢＬに信号は垂直ブランキング信号であり、
Ｈ（高）の期間が有効画面、Ｌ（低）の部分が垂直プラ
ンキジグ期間に対応する。Ｔ　ｐｕＬｓ＠は撮像素子１
０３の電荷蓄積時間制御のための信号であり、例えばＣ
ＣＤ撮像素子の場合には画素出力を垂直転送用ＣＣＤに
読み出すためのパルスである。アイリス・ゲート信号は
、後述する自動露出のための基準となる映像信号として
、１／１０００秒の蓄積信号か１７６０秒の蓄積信号の
どちらを用いるかを指定する信号である。

図示例では、垂直ブランキング期間の間に１７１０００
秒の蓄積を行い、次の有効画面期間にその１７１０００
秒蓄積信号を出力する。そして、ｌ／１０００秒蓄積期
間の直後の有効画面期間に実質１７６０秒の電荷蓄積を
行い、次フィールドの有効画面期間にその１７６０秒蓄
積信号を出力する。このようにして、各フィールド毎に
、２種類（１／１０００秒と１７６０秒）の光量の信号
が交互に出力される。

上記実施例では、１／１０００秒と１７６０秒の組み合
わせであり、約４段（２４倍）の光量変化であるので、
例えばＣＣＤ撮像素子を用いたカメラの場合、ＥＶＥＮ
フィールドで１ノロ０秒の蓄積時間を基準に主被写体に
露出を合わせると、そのＥＶＥＮフィールドでは背景に
白とびが生じ易いのに対し、４段光量を少なくしたＯＤ
Ｄフィールドでは主被写体で黒つぶれが発生することが
多い。なお、この例は逆光補正時に背景側に露出を合わ
せた場合を想定したもので、勿論、その場の状況により
１／１０００秒以外に設定してもよい。

本実施例では、このような、一方のフィールドでの白と
び及び／又は黒つぶれを積極的に利用して、画面の改善
を行う。つまり白とび又は黒つぶれの生じる部分につい
ては、他のフィールドの対右部分（露出が異なるので黒
つぶれ又は白とびは生じていない。）を利用し、両フィ
ールドの信号を合成して最終的な映像信号とする。その
基本的考え方を第４図を参照して説明する。第４図では
、主被写体を縦長の長方形で模式的に示している。

第４図でスルー（Ｔ）画とは描像素子１０３の直接出力
をいう。スルー画ではＯＤＤフィールド毎に逆光時の主
被写体が薫つぶれになり、ＥＶＥＮフィールド毎に背景
が白とびになっている。メモリｉｎとはフィールド・メ
モリ（第５図のメモリ２０４）に書き込まれる画面であ
り、メモリｏｕｔとは当該メモリから読み出される画面
である。当該メモリ２０４には、ＯＤＤフィールド期間
ではスルー画（Ｔ）が直接書き込まれ、ＥＶＥＮフィー
ルド期間には、スルー画（Ｔ）とメモリｏｕｔである１
フィールド前のＯＤＤフィールドの画面との合成画面が
書き込まれる。

この場合、第３図の蓄積時間の欄にＡ、　Ｂとして示し
た異なる蓄積時間の信号を合成する際には、Ａ１と８＋
、八２と８２というような２つの画面を組み合わせて合
成するものであり、例えば、Ｂ、とＡ２という画面の組
み合わせでの画面合成を防止している。

従って、合成される２つの画面を得るための蓄積が行わ
れる期間は互いに近接しているので、ブレの少ない合成
画面を得ることができる。

また、Ｆ！ＶＥＮフィールド期間では、所定の闇値と入
力データとを比較し、当該入力データが当該閾値より大
きければ１１小さければ０の判定を行い、上記スル４−
画（Ｔ）及びメモリ。ｕｔに対してそれぞれ判定Ａ及び
判定Ｂとして各画素に対応する形で出力する。

第６図はその閾値と画素の輝度値との関係を示す。第６
図の横軸は輝度レベル、縦軸は１画面中の各輝度レベル
の出現頻度を示す。第６図に示すように、閾値Ｔｈｌは
黒っぷれを判定できるように設定され、閾値Ｔｈ２は、
白とびを判定できるように設定される。即ち、Ｔｈｌ以
下が黒つぶれであり、閾値Ｔｈ２以上が白とびと判定さ
れる。

上記判定Ａ及び判定Ｂを用い画素選択フラグを計算する
。ここでは最も簡単な論理積の演算例を示す。この画素
選択フラグに従い、各々の画素領域についてスルー画（
Ｔ）、メモリｏｕｔで示した画像信号から信号を選択す
る。その選択結果が第４図の最下段のＥＶＥＮフィール
ド期間の絵である。　００Ｄフイ一ルド期間では１フイ
一ルド期間前の出力画像（メモリｏｕ　ｔ）が再び出力
される。

第５図は処理部２００の演算回路２０２において、上記
閾値Ｔｈ１．Ｔｈ２との比較及び選択フラグを形成する
回路部分の構成ブロック図を示す。スイッチ５０１，５
０２は、フィールド毎に“Ｈ”Ｉｌｌ”が反転する切換
制御信号（例えばＦＩ倍信号によって切換制御される。

図示例では”Ｈ″の期間に、スイッチ５０１はｂ接点に
接続し、スイッチ５０２はＭ接点に接続する。そして、
′Ｌ″の期間では、スイッチ５０１はａ接点に接続する
が、スイッチ５０２はアンド回路５０７の出力により切
換制御される。２つの闇値発生回路５０３．５０４は各
々、第６図に示す閾値Ｔｈｌ、Ｔｈ２を発生する。比較
回路・５０５はメモリ２０４の出力信号（メモリｏｕｔ
）と閾値Ｔｈｌとを比較して判定Ｂを出力し、比較回路
５０６はＡ／Ｄ変換器２０１の出力信号（スルー画）と
閾値Ｔｈ２とを比較して判定Ａを出力する。アンド回路
５０７は比較回路５０５，５０６の出力Ａ、Ｈの論理積
をとり、選択フラグとして出力する。上記の如く、ア、
ンド回路５０７の出力によりスイッチ５０２の切換を制
御する。

第７図は階調特性図を示す。同（ａ）の実線が通常のビ
デオ・カメラの特性図であり、１００χまでは入出力が
リニアになっており、それ以上の入力（１００〜４００
χ）に対してはＫＮｉｇ特性と呼ばれる傾きの緩い関係
となっている。この変化点をＰｌとすると、高速シャッ
タ時にはこの変化点がＰ２の位置に移行する。但しＰｌ
が１７６０秒で、Ｐ２が２段の露光量変化の１／２５０
秒であるとする。上述のように、４段の差の場合には、
第７図（ｄ）の（１）と（５）の関係になる。

因みに、第７図（ｄ）の（１）は１７６０秒、（２）は
１／１２５秒、（３）は１／２５０秒、（４）は１１５
００秒、（５）は１／１０００秒とした場合の特性図で
ある。傾きの違う２つの特性から好みのカーブを持つ特
性を合成する。第７図（ｂ）。

（Ｃ）がその合成例である。

具体的に階調特性の合成法を説明する。なお、線形部か
らＫＮＥＥ特性部への変化点Ｐｉ　（低速シャッタ・ス
ピードの場合）と、Ｐ２　（高速シャッタ・スピードの
場合）のどちらか一方が１００χ点になるように制御す
る場合を例にとる。第６図に示したように闇値を設け、
画面の白とび及び黒つぶれを判定するが、その閾値の設
定により階調特性が変化する。その変化の様子を第７図
（ｂ）に示す。（１）〜（３）の特性は、白とび判定用
の闇値Ｔｈ２を低い値から順次高い値へ変化させていっ
た場合に、スイッチ５７による画素切換で高速シャッタ
側を選択する位置が高輝度側に変化する様子を示す。

第５図ではスイッチ５０２により一方の画素信号を選択
しているが、対応する２画素のデータを演算処理して目
的の信号を得てもよい。例えば、第７図（ｂ）の特性（
２）を基準として各種の演算方法を選択した場合の特性
変化を第７図（Ｃ）に示す。第７図（Ｃ）の特性（２）
は第７図（ｂ）の特性（２）と同じである。

第７図（Ｃ）の特性（１）は、「白とび」判定がなされ
た画素のデータと別画面の対応画素のデータとを用い、
平均値処理を行った場合を示す。特性（３）は減算処理
を行った場合を示す。例えば、「白とび」と判定された
対応する２画素のデータをそれぞれＤＩ＋　Ｉｈとし、
処理結果をＤとすると、平均値処理ではＤ＝　（ｏ＋＋
ｏｚ）　／２であり、減算処理ではＤ＝Ｄ＋　　ｋ　（
ＤＩ−Ｄりである。但し、ｋは設定闇値に応じて変化さ
せる。第７図（Ｃ）の特性（３）ではｋは約１．８８で
ある。このような平均値処理や減算処理以外にも、定数
加算、定数減算などの所謂オフセット処理でもよく、ま
たこれらを併用してもよい。

画面内で輝度が大きく異なる場合、被写体と背景という
２つ（又はそれ以上）の領域に区分けできる。その各領
域内でむやみに信号の切換を行うと、領域内での適切な
階調表現が困難になり、また領域の境界線部分がちらつ
いたりするので、各領域内では、どちらか一方の蓄積時
間の信号だけを用いるのが好ましい。このようにするた
めには、周辺画素の情報を参照して闇値Ｔｈｌ、Ｔｈ２
を適宜に変更すればよく、例えば、閾値にヒステリシス
特性を持たせる。即ち、第６図のＴｈｌ以下の画素情報
を受は取った時、閾値をＴｈｌからＴｈｌ’　（＞Ｔｈ
１）に上げ、比較回路５０５，５０６の出力が容易には
反転しないようにする。そして、比較回路５０５゜５０
６の出力が反転した後は、閾値をＴｈｌ”からＴｈ１に
戻す。閾値Ｔｈ２についても同様であり、Ｔｈ２を越え
る値を受は取った時、閾値をＴｈ２からＴｈ２゜（＜Ｔ
ｈ２）に下げる。

第２図はカメラ部１００のより詳細な構成ブロック図を
示す。２０はカメラ信号処理回路１０４からの信号（例
えば輝度信号）を受けて、露出制御用の制御信号を演算
する公知のＡＨ制御回路、２２は合焦制御のための制御
信号を出力する公知の計制御回路、２４は垂直ブランキ
ング信号Ｖ　ＩＬｌ［を２分周する１７２分周回路であ
る。２６．２７はサンプル・ホールド（Ｓ／Ｈ）回路、
２８はインバータ、２９．３０は１χ２分周回路２４の
出力又はインバータ２８によるその反転信号のどちらで
サンプリング・タイミングを決定するかを選択するスイ
ッチである。Ｓ／Ｈ回路２６．２７の出力はそれぞれ絞
り駆動回路１０６及び焦点駆動回路１０７に印加され、
自動露出制御、自動焦点調節が実行される。

上記のように、１フィールド内に露光量の異なる複数の
画面の信号が得られる場合には、カメラ信号処理の一部
を変更する必要がある。即ち、ＡＥ（自動絞り調節）　
、ＡＰ　（自動焦点調節）及び静Ｂ（自動白バランス調
節）などの各制御系で内部式の撮像信号を用いている場
合である。そこで、主な例として、第２図を用いてＡＨ
処理を説明する。

撮像素子１０３から得られた信号は、ＡＥ制御のために
、カメラ信号処理回路１０４からＡＥ制御回路２０に送
られ、ＡＥ制御回路２０はＡＥ制御のサーボ・ループが
作動するように絞り駆動回路１０６に制御信号を供給す
る。この制御信号は、撮像素子１０３の出力が適当なダ
イナミック・レンジの範囲に入るように、即ち明るいと
きには絞り１０２を絞り込ませ、暗いときには絞り１０
２を開かせるように変化する。

しかし、光量が例えばフィールド毎などの周期で変換す
る場合には、適切なＡＥ動作は望めない。

というのは、ＡＥサーボの応答速度はフィールドやフレ
ーム周期の変化に比べると大変長く、中途半端な値に落
ち着（からである、これを避けるためには、ＡＥ動作の
制御信号は複数の露光量画像の内のただ１つに限定して
おくべきである。第２図ではＳ／Ｈ回路２６を設け、ま
た、どれか１つ（例えば１７６０秒）の画面に相当する
制御信号だけを選択するように、スイッチ２９でサンプ
ル・タイミングを規定する。

第２図では垂直ブランキング（ＶＩＬＸ）信号によりサ
ンプリング・パルスを形成しており、１７２分周器２４
により、■、□信号毎に反転する信号を形成し、これを
スイッチ２９のａ接点に接続し、当該分周器２４の出力
をインバータ２８で反転した信号をスイッチ２９のｂ接
点に接続する。

スイッチ２２でａ接点側を選択すれば、ＯＤＤフィール
ド、１／１０００秒蓄積信号がＡＥ小ループ御の基準と
なるサンプリング・パルスがＳ／Ｈ回路２６に印加され
、逆にｂ接点側を選択すれば、１７６０秒蓄積信号がＡ
Ｅ小ループ御の基準となるサンプリング・パルスがＳ／
Ｈ回路２６に印加される。ＡＰ制御についてのＡＰ制御
回路２２、Ｓ／Ｈ回路２７、スイッチ３０についても同
様である。ＡＷＢ制御については図示を省略した。

動画用のカメラの動作ループは数秒のレスポンスになる
ように設定され、画面の急激な変化を避けている。そこ
で、例えば１／１０００秒と１／６ｏ秒の露光時間をフ
ィールド毎に切り換えた場合には、ＡＥループではおよ
そ１／２５０秒の露光時間を連続して行った場合と同じ
応答を示す、これは定常的な誤差と見做せるので、露光
量の違いに応じたオフセット・バイアスをＡＨ小ループ
付加することで解決できる。第８図はその変更構成例で
ある。８０がそのバイアスを発生するバイアス発生回路
、８１はＡＨ小ループ当該バイアスを加算する加算器、
８２はＡＰ小ループ同様のオフセット・バイアスを付加
する加算器である。ＡＷＢについても同様である。

第９図は、制御回路１０８の他の構成例を示す。

マスター・クロック発生器４ｏは外部がらの基準信号に
従い、制御回路１０８内部用のマスター・クロックを発
生する。１／１０００シヤツタ用のクロック発生器４１
はそのマスター・クロックに従い高速用クロックを発生
し、１／６０シヤフタ用のクロック発生器４２はそのマ
スター・クロックに従い低速用クロックを発生する。ス
イッチ４５はフィールド毎に切り換わり、クロック発生
器４１及び同４２の出力を交互に駆動回路１０５に印加
する。

ＡＥ制御信号発生器４３は、カメラ信号処理回路１０４
からの映像信号を基に、絞り制御のためのＡＨ制御信号
を発生する。制御信号保持回路４４はその制御信号を１
フイ一ルド間保持する。スイッチ４６は、フィールド毎
に切り換わり、ＡＨ制御信号発生器４３の出力及び制御
信号保持回路４４による保持信号を交互に絞り制御回路
１０６に印加する。切換信号発生器４７は、スイッチ４
５．４６の切換を制御する。スイッチ４５．４６は同期
して切り換わる。

この実施例では、低速用、高速用それぞれにクロック発
生器を設け、そのクロックを、フィールド毎の信号を発
生する切換信号発生器の出力信号により切り換えている
ので、回路構成及び動作が簡単になるという効果があり
、特に動画に適している。

〔発明の効果〕

以上の説明から容易に理解できるように、本発明によれ
ば、逆光時においても、主被写体のみならず背景までも
適正露光となるような撮影が可能になり、実質的なダイ
ナミック・レンジを拡げうる。また画面の合成を時間的
に近接した画面間で行うことにより、移動物体において
もその境界で画像劣化が生ずることがない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を用いたカメラ一体形ＶＴＲ
の構成ブロック図、第２図は第１図のカメラ部の制御回
路１０８の具体的構成ブロック図、第３図は撮像素子の
動作タイミング・チャー・ト、第４図は本発明による画
像処理の概念図、第５図は第１図の演算回路２０２の具
体的構成ブロック図、第６図は白とび及び黒つぶれ判定
の閾値の決定法を説明する図、第７図は階調特性図、第
８図は第２図の変更構成例、第９図は制御回路１０８の
他の構成例のブロック図である。 １０（Ｌ−−・・カメラ部　２００・−・・処理部　３
００−　　記録部 第５図 第６図 （ａ）基ム竹主 （ｂ）＠嘔ｉｔイ（） （ｄ）　　シイツタースヒ゛−戸（ζ今−角薯　　　７
　　　図 第８図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）電荷蓄積時間の異なる撮像信号をフィールド毎に
   切り換えて出力する撮像手段を具備し、連続する２フィ
   ールドの画面から１画面を合成することを特徴とする撮
   像装置。
2. （２）前記連続する２フィールドのうち少なくとも一方
   は、垂直ブランキング期間に蓄積時間が設定される特許
   請求の範囲第（１）項に記載の撮像装置。