JPH03131177A - 撮像信号処理回路 - 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、例えば撮像信号をデジタル処理するビデオカ
メラに使用して好適な撮像信号処理回路に関する。

〔発明の概要〕

本発明は、例えば撮像信号をデジタル処理するビデオカ
メラに使用して好適な撮像信号処理回路において、撮像
信号を増幅器とアナログ／デジタル変換器とを介して乗
算器に供給し、そのアナログ／デジタル変換器の出力の
ピーク値、平均値及び飽和レベルに近い所定レベル以上
の面積値を検出し、これらの値によってその増幅器の利
得を変調してその撮像信号のダイナミックレンジを圧縮
又は伸張すると共に、その乗算器の乗算係数をその圧縮
又は伸張時の圧伸比の逆数で変調してそのアナログ／デ
ジタル変換器の出力のダイナミックレンジを伸張又は圧
縮することにより、そのアナログ／デジタル変換器の出
力ビツト数を実質的に多くして、低輝度部の量子化ノイ
ズが減少できると共に高輝度部での飽和を防止できる様
にしたものである。

〔従来の技術〕

ビデオカメラにおける撮像信号は従来アナログ信号処理
が行なわれていたが、アパーチャ歪み等をよりきめ細か
に補償するためには、その撮像信号をアナログ／デジタ
ル（Ａ／Ｄ）変換器によりデジタル信号に変換してデジ
タル信号処理を行うことが望ましい。この場合、アパー
チャ補償及びγ補正等の信号処理を考慮するとそのデジ
タル信号の語長は１２ビット程度は必要である。

一方、特に民生用のカメラ一体型ＶＴＲにおいては製造
コストの削減のみならず消費電力の低減化が求められて
いるが、撮像信号用に高速変換が可能で且つ１２ビット
程度以上の出力を有するＡ／Ｄ変換器は価格及び消費電
力の観点よりそのような民生用のカメラ一体型ＶＴＲに
適用するのが困難である。そこで、従来例えば単板式の
固体撮像素子を用いたカラービデオカメラ一体型ＶＴＲ
においては、出力が１０ビット程度のＡ／Ｄ変換器で撮
像信号をデジタル信号に変換すると共に、そのデジタル
信号に２ビット程度のオール“°０”の９報を付加して
演算精度だけを１２ビット程度に設定することが行なわ
れていた。

〔発明が解決しようとする課題］ しかしながら、出力ビツト数が１０ビット程度のＡ／Ｄ
変換器を使用する場合には、２１０＝１０２４であるこ
とより変換出力の最小レベルを１とすると最大レベルは
１０２３程度となりダイナミックレンジが狭い不都合が
ある。即ち、固体撮像素子等の撮像手段とそのＡ／Ｄ変
換器との間に介装されている増幅器の利得を調整して、
中程度の輝度の撮像信号がそのＡ／Ｄ変換器の出力の中
間レベルになるように設定すると、階調が階段状に変化
することに起因するノイズである量子化ノイズが低輝度
で目立つようになると共に、高輝度部で飽和現象により
解像度が著しく劣化する。

これを改善するためにリミッタ回路を用いてそのＡ／Ｄ
変換器の前段の増幅器のダイナミックレンジを圧縮又は
伸張する方式も提案されているが、撮像信号の利得が変
動するため画像に歪みが生じる不都合がある。

本発明は斯る点に鑑み、撮像信号を安価で且つ低消費電
力の出力ビツト数の少ないＡ／Ｄ変換器でデジタル信号
に変換してデジタル信号処理を行う場合に、そのＡ／Ｄ
変換器の出力ビツト数を実質的に多くすることを目的と
する。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による撮像信号処理回路は例えば第１図に示す如
く、撮像信号Ｐ０を増幅器（３）、　（４）とＡ／Ｄ変
換器（５）とを介して乗算器（６）に供給し、そのＡ／
Ｄ変換器（５）の出力のピーク値、平均値及び飽和レベ
ルに近い所定レベル以上の面積値（例えば第２図の領域
（２３＾）の面積の割合）を検出し、これらの値によっ
てその増幅器（３）、　（４）の利得を変調してその撮
像信号Ｐ０のダイナミックレンジを圧縮（又は伸張）す
ると共に、その乗算器（６）の乗算係数ＤＳ３をその圧
縮（又は伸張）時の圧伸比ＤＳｚの逆数で変調してその
Ａ／Ｄ変調器（５）の出力ＤＰＩのダイナミックレンジ
を伸張（又は圧縮）するようにしたものである。

〔作用〕

斯かる本発明によれば、その撮像信号Ｐ０のダイナミッ
クレンジを圧縮する即ちその増幅器（３）。

（４）の利得を大きくして、そのＡ／Ｄ変換器（５）の
出力計重のダイナミックレンジを伸張する即ちその乗算
器（６）の乗算係数ＤＳｆｆを小さくすることにより、
その撮像信号Ｐ０に対するその乗算器（６）の出力信号
叶２の利得が略一定に維持され画像の歪みが防止される
と共に、そのＡ／Ｄ変換器（５）の変換の分解能が実質
的に細かくなる。

一方、その撮像信号Ｐａのダイナミックレンジを伸張し
て、そのＡ／Ｄ変換器（５）の出力ＤＰ、のダイナミッ
クレンジを圧縮することにより、その撮像信号Ｐ０に対
するその乗算器（６）の出力信号叶２の利得が略一定に
維持され画像の歪みが防止されると共に、そのＡ／Ｄ変
換器（５）の出力レンジが実質的に拡大される。

従って、そのＡ／Ｄ変換器（５）の出力ビツト数が実質
的に多くなるので、低輝度部の量子化ノイズが減少でき
ると共に高輝度部での飽和を抑制できる。

〔実施例〕

以下、本発明撮像信号処理回路の一実施例につき図面を
参照して説明しよう。本例は単板式のＣＣＤ　（Ｃｈａ
ｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）を用いて撮像
信号を生成し、この撮像信号をデジタル信号に変換して
デジタル信号処理を行なうビデオカメラに本発明を適用
したものである。

第１図は本例のビデオカメラを示し、この第１図におい
て、（１）は絞りやレンズ系を含む光学系、（２）はＣ
ＣＤ、（３）は可変利得のＡＧＣ用増幅器、（４）は利
得調整用の可変利得増幅器、（５）は出力ビツト数がｍ
ピントのＡ／Ｄ変換器であり、ＣＯＤ　（２）から出力
されたアナログの撮像信号Ｐ０を増幅器（３）及び（４
）にて増幅してアナログの撮像信号Ｐ、を得て、この撮
像信号Ｐ＋をＡ／Ｄ変換器（５）によってｍビットのデ
ジタルの撮像信号ＤＰ、に変換する。

（６）は乗算器を示し、この乗算器（６）はそのｍピン
トの２進数としてのデジタルの撮像信号ＤＰ、に後述の
ｉビットの乗算係数ＤＳ’ｌを乗じてｎビット（ｎ＝ｍ
＋１−１）のデジタルの撮像信号叶２を出力する。本例
ではｍ＝１０．ｉ＝３．ｎ＝１２に設定する。

（７）は輝度信号用のアパーチャ補償回路、（８）は輝
度信号用のγ補正回路、（１０）は色信号生成用のマト
リックス回路、（１１）は色信号用のγ補正回路、（Ｉ
２）はカラーエンコーダを示し、そのｎビットのデジタ
ルの撮像信号ＤＰ、からアパーチャ補償回路（７）及び
γ補正回路（８）を用いて輝度信号Ｙを取出す一方で、
その撮像信号ＤＰ、からマトリックス回路（１０）、　
　γ補正回路（１１）及びカラーエンコーダ（１２）を
用いて色信号Ｃを取出し、それら輝度信号Ｙと色信号Ｃ
とを加算器（９）にて加算することにより本例のカメラ
出力信号を得る。

（１３）は周知のアイリス（絞り）制御回路を示し、こ
のアイリス制御回路（Ｉ３）はＡ／Ｄ変換器（５）より
出力されるｍビットの撮像信号ＤＰ、の平均値等が所定
のレベル範囲に収まるようにその光学系（１）の絞り量
を調整する。また、（１４）は撮像信号の所定周期（例
えばｌ水子期間、１フイ一ルド期間等）毎のピーク値を
検出するピーク検出回路を示し、そのｍビットの撮像信
号ＤＰ、をそのピーク検出回路（１４）に供給し、この
ピーク検出回路（１４）より出力されるピーク値に乗算
器（１５）にて係数に１を乗じて加算器（１６）の一方
の入力ポートに供給する。

（１７）は撮像信号の所定同期毎の平均値を検出する平
均値検出回路を示し、そのｍピントの撮像信号ＤＰ、を
その平均値検出回路（１７）に供給し、この平均値検出
回路（エフ）より出力される平均値に乗算器（１８）に
て係数に２を乗じて加算器（１６）の他方の入力ポート
に供給する。そして、その加算器（１６）の加算信号Ｄ
Ｓ、をデジタル／アナログ（Ｄ／Ａ）変換器（１９）を
介してＡＧＣ用増幅器（３）の利得制御端子に供給する
。

その加算信号ＤＳ１　は撮像信号ＤＰ＋のピーク値と平
均値との加重混合であり、そのＡＧＣ用増幅器（３）は
その加算信号ＯＳ、の値が小さいときは利得を大きくし
、その加算信号ＤＳ、の値が大きいときは利得を小さ（
する如くなす。そのＡＧＣ用増幅器（３）の利得には上
限値Ｇ、及び下限値Ｇ−があり、その加算信号ＤＳ、の
値が所定の高レベルを超えるとその増幅器（３）の利得
はその下限値Ｇ−に固定され、その加算信号ＤＳ、の値
が所定の低レベルより小さくなるとその増幅３（３）の
利得は、その上限値Ｇ。に固定される。この場合、本例
ではその加算信号ＤＳ、に撮像信号ＤＰ、のピーク値も
含まれているが、そのピーク値はその加算信号ＤＳ＋の
値を常に太き目に設定しそのＡＧＣ用増幅器（３）の利
得を小さくさせる方向に作用するため、Ａ／Ｄ変換器（
５）における出力の飽和が緩和される利益がある。

（２０）はコンパレータを示し、このコンパレータ（２
０）はそのｍビットの撮像信号ＤＰ、と飽和レベル（ｍ
ビットの場合は２’−１）に近い所定レベルＳとを比較
し、その撮像信号ＤＰＩの方がＳより大きいときにハイ
レベル“１°゛となり小さいときにローレベル“０゛′
となる信号Ｊを面積検出回路（２１）に供給し、この面
積検出回路（２１）には加算器（Ｉ６）の加算信号ＤＳ
１　も供給する。この面積検出回路（２１）は所定用２
ｉＩＩＴ（例えば１水平期間、数１０水平期間、１フイ
一ルド期間等）毎にその信号Ｊがハイレベル“ｌ”であ
る期間の割合Ｒ，ｌを検出してｉビットの圧伸係数ＯＳ
、を生成し、この圧伸係数ＤＳｚを可変利得増幅器（４
）の利得制御ポート及び後述の逆数回路（２２）の入力
ポートに供給する如くする。その信号Ｊがハイレベル“
１”である期間の割合Ｒ８とは、ＣＣＤ（２）の画素の
内でほぼそのＡ／Ｄ変換器（５）の飽和出力に対応する
レベルの撮像信号Ｐ０を出力する画素の割合を意味する
ので、本例ではこの割合Ｒ８を飽和面積とも称する。

その圧伸係数Ｏ３２の値は通常はｌに設定する。

また、ＡＧＣ用増幅器（３）の利得Ｇが上限値Ｇ、に達
しても更に加算信号ＤＳ、が所定の低レベルよりも小さ
い場合において、その信号Ｊがハイレベル“１”である
期間の割合（飽和面積）Ｒ３が所定の小さい面積Ｒｓ−
よりも小さいときには、その圧伸係数ＤＳ！の値を２に
設定する。これによって可変利得増幅器（４）の利得が
２倍になる。一方、ＡＧＣ用増幅器（３）の利得Ｇが下
限値Ｇ−に達しても更に加算信号Ｏ８１が所定の高レベ
ルよりも大きい場合において、その飽和面積Ｒ３が所定
の大きい面積Ｒｓ＋よりも大きいときには、その圧伸係
数ＤＳ２の値を２に設定する。これによって可変利得増
幅器（４）の利得が３倍になる。その圧伸係数ＤＳｔの
値とＡＧＣ用増幅器（３）の利得Ｇ及び飽和面積Ｒｓと
の関係を第１表にまとめる。

尚、本例ではその圧伸係数ＯＳＺの採り得る値は’Ａ、
１，２の何れかであるため、その圧伸係数ＤＳ２は３ビ
ツトの２進数で表現できる。

第　　　１　　　表 また、（２２）は逆数回路を示し、この逆数回路（２２
）はその圧伸係数ＤＳ、の逆数であるｉビ・ントの乗算
係数Ｏ３３を求め、この乗算係数ＤＳ３を乗算器（６）
の他方の入力ポートに供給する。従って、例えは可変利
得増幅器（４）の利得が２倍であるときにはその乗算器
（６）において撮像信号ＯＰ、がＡに圧縮され、可変利
得増幅器（４）の利得が３倍であるときにはその乗算器
（６）において撮像信号ＤＰ、が２倍に伸張される。

尚、例えば可変利得増幅器（４）の利得Ｇを大きくする
ときには、撮像信号Ｐ０の中でＡ／Ｄ変換器（５）の入
力レンジに収まらない範囲が広（なるので、Ａ／Ｄ変換
時のダイナミックレンジは圧縮される。

一般に、増幅器の利得を大きくすること又は乗算器で入
力信号に１を超える係数を乗することはダイナミックレ
ンジの圧縮を意味し、増幅器の利得を小さくすること又
は乗算器で入力信号に１に達しない係数を乗することは
ダイナミックレンジの伸張を意味する。

本例で圧伸係数ＤＳ２の値を２に設定した場合の動作に
つき第２図〜第４図を参照して説明するに、この場合は
可変利得増幅器（４）の利得が２倍となり、乗算器（６
）の乗算係数ＤＳｚがＡとなる。即ち、撮像信号のダイ
ナミックレンジは圧縮された後に伸張される。また、第
２図に示す如く、ＣＣＤ　（２）の受光面をＸＹ面に対
応させて、各画素に対応するＡ／Ｄ変換器（５）の出力
である撮像信号ＤＰ、をＺ軸に表示すると、出力がほぼ
飽和しているとみなせるのはその信号ＤＰ、が飽和レベ
ルＳ０に近いレベルＳを超えている領域（２３Ａ）〜（
２３Ｃ）である。そして、所定周期Ｔを１フイ一ルド期
間とした場合の飽和面積Ｒ８はそれら領域（２３Ａ）〜
（２３Ｃ）の面積を全受光面積で除した値となり、本例
の如く圧伸係数ＤＳ２の値を２に設定する場合にはその
飽和面積Ｒ３に関してＲ５（１が成立している。

第２図でＹ＝Ｏの領域に対応する乗算器（６）の出力信
号としての撮像信号ＤＰ２を第３図に示す。この撮像信
号ＤＰ２の飽和レベルは２３．に拡張され、分解能は信
号ＤＰ、に比べてＡに細分化されている。

しかしながら、ダイナミックレンジを変化させる前では
ｎビットの信号ＤＰ２はｍビットの信号ＤＰ。

と完全に同じ形であり、特に低輝度の領域（２６Ａ）及
び（２６Ｂ）では量子化ノイズが目立っている。また、
このダイナミックレンジを変化させる前の可変利得増幅
器（４）の出力信号Ｐ、は第４図Ａの破線（２４）で表
わされる。

このとき、圧伸係数ＤＳｚの値を２に設定すると、その
可変利得増幅器（４）の出力信号Ｐ、は第４図への実線
（２５）で示す如く破線（２４）の２倍になる。従って
、その実線（２５）の信号Ｐ、をＡ／Ｄ変換器（５）に
てＡ／Ｄ変換して得られるｍビットの撮像信号ＯＰ、は
第４図Ｂに示す如（なる。更に、乗算器（６）の乗算係
数ＯＳＺは圧伸係数ＤＳ２の逆数である２に設定される
ため、そのｍビットの撮像信号ＤＰ、は２に圧縮されて
（ダイナミックレンジが伸張されて）第４図Ｃに示され
るようなｎビットの撮像信号ｏｐ、に変換される。

この第４図Ｃの撮像信号ＤＰ２は第３図の↑最像信号Ｄ
Ｐ２とほぼ同じ形であるが、第４図Ｃの低輝度の領域（
２７Ａ）及び（２７Ｂ）の分解能は第３図の低輝度の領
域（２６Ａ）及び（２６Ｂ）に比べて％に細分化されて
いる。従って、本例によればＡ／Ｄ変換器（５）の分解
能が２に細分化されたことになり、低輝度部の量子化ノ
イズが低減される利益がある。

次に、本例で圧伸係数ＤＰ２の値を２に設定した場合の
動作につき第５図〜第７図を参照して説明するに、この
場合は撮像信号のダイナミックレンジは伸張された後圧
縮される。また、第５図に示す如＜ＣＣＤ（２）の受光
面をＸ７面に対応させると、圧伸係数ＤＳ、の値をＡに
設定する場合には飽和面積Ｒ８が１に近いので、Ａ／Ｄ
変換器（５）から出力される撮像信号叶、がレベルＳを
超える領域（２８）の面積はかなり広くなっている。

第５図でＹ＝Ｏの領域に対応する乗算器（６）の出力信
号としての撮像信号ＤＰ２を第６図に示す。この撮像信
号ＤＰ２の飽和レベルは２３．に拡張されている。しか
しながら、ダイナミックレンジを変化させる前では信号
ＤＰ、はＡ／Ｄ変換器（５）の出力信号ＤＰ、と完全に
同じ形であり、高輝度部（３１）の情報が失なわれてい
る。また、このダイナミックレンジを変化させる前の可
変利得増幅器（４）の出力信号Ｐ、は第７図への破線（
２９）で表わされる。

このとき、圧伸係数ＤＳ２の値を２に設定すると、その
可変利得増幅器（４）の出力信号Ｐ＋　は第７図Ａの実
線（３０）で示す如く破線（２９）の２になる。従って
、その実線（３０）の信号Ｐ、をＡ／Ｄ変換して得られ
るｍビットの撮像信号叶、は第７図Ｂに示す如くなる。

更に、乗算器（６）の乗算係数ＤＳ、は圧伸係数ＤＳ２
の逆数である２に設定されるため、そのｍビットの撮像
信号ＤＰ１　は２倍に拡大されて（ダイナミックレンジ
が圧縮されて）第７図Ｃに示されるようなｎビットの撮
像信号ＤＰ、に変換される。

この第７図Ｃの撮像信号ＤＰ２は第６図の撮像信号ＤＰ
、とほぼ同じ形で分解能は２倍に悪化している。しかし
ながら、第６図例では高輝度の領域（３１）が飽和して
輪郭が読取れないのに対して、第７図Ｃでは高輝度の領
域（３２）でも信号の輪郭を読取ることができる。従っ
て、本例によればＡ／Ｄ変換器（５）の出力の最大値が
実質的に２倍に拡大されたことになり、撮像信号の高輝
度部の飽和が防止できる利益がある。

上述のように本例においては、出力ビツト数がｍビット
のＡ／Ｄ変換器（５）が実質的に出力ビツト数がｎビッ
ト（ｎ＞ｍ）のＡ／Ｄ変換器として作用する。一般にＡ
／Ｄ変換器の価格及び消費電力は出力ビツト数が多くな
るに従って急激に上昇するが、本例によれば価格が安く
消費電力の小さい出力ビツト数の比較的少ないＡ／Ｄ変
換器を使用して、Ａ／Ｄ変換の分解能をより細分化して
出力レンジを拡張できる利益がある。

更に、本例によればダイナミックレンジを圧縮（又は伸
張）した後にその圧縮率（又は伸張率）の逆数でダイナ
ミックレンジを伸張（又は圧縮）するようにしているの
で、部分的に信号の増幅率が変動することがなく画像の
部分的な歪みが防止できる利益がある。

尚、本発明は上述実施例に限定されず、例えば増幅２５
　（３）　７及び（４）を一体面するなど本発明の要旨
を逸脱しない範囲でその他種々の構成を採り得ることは
勿論である。

（発明の効果） 本発明によれば、安価で且つ低消費電力の出力ピント数
が少ないＡ／Ｄ変換器の出力ビツト数を実質的に多くす
ることができ、低輝度部での量子化ノイズを減少できる
と共に高輝度部での飽和を防止できる利益がある。

更に本発明によれば、全体としてのダイナミックレンジ
が一定に維持されるので、画像の部分的な歪みが防止で
きる利益がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による撮像信号処理回路の一実施例を示
す構成図、第２図〜第４図は夫々第１図例で信号のダイ
ナミックレンジを圧縮して伸張する場合の動作の説明に
供する線図、第５図〜第７図は夫々第１図例でダイナミ
ックレンジを伸張して圧縮する場合の動作の説明に供す
る線図である。 （３）は可変利得のＡＧＣ用増用品幅器４）は可変利得
増幅器、（５）はＡ／Ｄ変換器、（６）は乗算器、（１
４）はピーク検出回路、（１６）は加算器、（１７）は
平均値検出回路、（２０）はコンパレータ、（２１）は
面積検出回路、（２２）は逆数回路である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　撮像信号を増幅器とアナログ／デジタル変換器とを介
   して乗算器に供給し、上記アナログ／デジタル変換器の
   出力のピーク値、平均値及び飽和レベルに近い所定レベ
   ル以上の面積値を検出し、これらの値によって上記増幅
   器の利得を変調して上記撮像信号のダイナミックレンジ
   を圧縮又は伸張すると共に、上記乗算器の乗算係数を上
   記圧縮又は伸張時の圧伸比の逆数で変調して上記アナロ
   グ／デジタル変換器の出力のダイナミックレンジを伸張
   又は圧縮するようにした撮像信号処理回路。