JPWO2015011824A1 - 撮像装置 - Google Patents

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Abstract

可視光域及び近赤外光域に感度を持つ可視光画素と、近赤外光域に感度を持つ近赤外域画素を有する撮像部を備えた撮像装置において、可視光域の信号成分が飽和に近い場合の色再現性を改善する。可視光画素から得た、近赤外光域を含む信号から生成した色差信号と、近赤外高域の信号を除去して生成した色差信号とを、可視光域の信号成分の飽和度に応じた合成比率で合成して出力する。これにより、人が見た色に近い色で色相が再現できる。同様の処理を輝度信号に対して行っても良い。近赤外光域の信号を除去して生成した色差信号が、例えば負の値を示す場合は、近赤外光域の信号を再度加算しても良い。

Description

本発明は、撮像装置に関する。
本技術分野の背景技術として、下記の特許文献1がある。該公報の明細書の段落0029には、「固体撮像素子10から出力される信号SR,SG,SBには赤外領域の光による電荷がノイズとして含まれる。したがって、これらの信号SR,SG,SBをそのまま用いてカラー画像を構成すると、正しいカラー再現性を得ることができない。本実施の形態の構成では、信号処理部14では、近赤外光フィルタが設けられた画素からの出力信号SIRに基づいて、出力信号SR,SG,SBから近赤外光領域の成分を除去する処理を行うことができる。」と記載されている。
特開2008−92247号公報
一般的な画像の撮影に使用されるカメラの撮像素子においては、各画素がR(赤)、G(緑)、B(青)のうち、いずれか一つの波長領域の光を通過させるフィルタを備えている。これにより、人の目の視覚特性に近いRGB三原色信号が得られる。また、夜中に暗い場所を監視するための赤外線カメラでは、赤外光域におけるIR(近赤外)の波長領域の光を使用して画像信号を得ている。
これに対して、例えば最近の車載用のカメラにおいては、明るい場所と暗い場所の双方で明瞭な画像を得るようにするため、各画素がR+IR、G+IR、B+IR及びIRのうち、いずれか一つの信号を生成する。この場合、暗い場所ではIR信号を用いた明瞭な画像信号を生成する一方、明るい場所ではR+IR、G+IR、B+IRの各信号からIR信号を減算することで人の目の視覚特性に近いRGB三原色信号を生成している。
カラー画像を撮像する場合には、光量が低い箇所は輝度レベルが低く、光量が高い箇所は輝度レベルが高く撮像されることが好ましい。例えば、画像のハイライトと呼ばれる箇所の付近では多くの場合、輝度レベルが中央部ほど高く、周辺部では徐々に低くなるのが好ましい。しかし、実際には光量が高い中央部では画素レベルが飽和しやすく、徐々に光量が低くなる周辺部では画素レベルが飽和しにくい。
前記した車載用のカメラのような、可視光域及び近赤外光域に感度を持つ可視光画素と、近赤外光域に感度を持つ近赤外域画素からなる撮像部を用いる場合を考える。
例えば特許文献1では、近赤外光域の不要波長成分を除去する処理を実施した場合、固体撮像素子10から出力されたSR画素・SG画素・SB画素・SIR画素の信号から、例えば下記のように輝度信号Yが求められる。
R’=(SR−SIR)
G’=(SG−SIR)
B’=(SB−SIR)
Y =k1*R’+k2*G’+k3*B’
(k1,k2,k3は任意係数)
このとき、光量を徐々に高くした場合に、SR・SG・SBがSIRよりも先に飽和するため、画像のハイライトの中央部付近で、輝度信号Yが低下する現象が発生するので、改善の余地がある。
さらに、カラー画像を撮像する場合、画面全体は人間が見た色と同じ色で再現されていることが好ましい。例えば、太陽のように光量が高く画素レベルが飽和する光源の付近は、光源の色と光源以外の被写体の色のみで表現されている方が好ましい。
前記と同様に、可視光域及び近赤外光域に感度を持つ可視光画素と、近赤外光域に感度を持つ近赤外域画素からなる撮像部を用いる場合を考える。
例えば特許文献1では、近赤外光域の不要波長成分を除去する処理を実施する場合、固体撮像素子10から出力されたSR画素・SG画素・SB画素・SIR画素の信号から、例えば下記のようにR信号・G信号・B信号が求められる。
R=(SR−SIR)
G=(SG−SIR)
B=(SB−SIR)
このとき、光量が高く、SR・SG・SBのいずれかの画素が飽和している場合、画像信号のバランスが崩れ、被写体にない色が生じる現象が発生するので、改善の余地がある。
そこで本発明は、色信号のバランスを改善することを目的とし、例えば、太陽のように光量の高い光源を含んだ被写体が、人間の見た色に近い色で再現されるように処理する撮像装置の提供を目的とする。
また実施形態によっては、さらに輝度信号を改善することを目的とし、例えば、ハイライト付近において、中央部ほど輝度レベルが高く、周辺部では輝度レベルが徐々に低くなるように処理する撮像装置の提供を目的とする。
上記目的を達成するために、特許請求の範囲に記載の構成を採用する。
本発明によれば、色信号のバランスを改善した撮像装置を提供することができ、撮像装置の基本性能の向上に寄与することができる。
その他、実施形態に固有な効果については、以下の実施形態の説明で述べる。
実施例1における撮像装置の構成図。 実施例1と2における撮像部の画素の並び方の例を示す図。 実施例1と2における撮像部に含まれる画素の波長感度特性例を示す図。 実施例1と2における光量に対する輝度信号レベルの制御特性例を示す図。 実施例2における撮像装置の構成図。 実施例3における撮像システムの構成図。 実施例4における撮像装置の構成図。 実施例4における色信号処理部の構成図。 実施例4と5における飽和度の算出例を示す図。 実施例4と5における画像信号の例を示す図。 実施例4と5における被写体を表す図。 実施例5における撮像装置の構成図。 実施例5における色信号処理部の構成図。 実施例6における撮像システムの構成図。
以下、本発明の実施形態につき図面を用いて説明する。なお、本実施例においては撮像装置の色信号のバランスを改善することを第一の狙いとしているが、実施形態に応じては輝度信号を改善することもできる。そこで、実施例1から実施例3においては、比較的容易に理解できる輝度信号に対する処理について述べ、引続き実施例4から実施例6において、色信号に対する処理について述べる。
図1は、実施例1における撮像装置100の構成図である。
撮像装置100は、レンズ101、撮像部102、同時化部103、ホワイトバランス(WB)処理部104、輝度信号処理部115、輝度ガンマ部110、飽和度検出部111、色差信号生成部112、色差ガンマ部113、制御部114を有する。
レンズ101は、被写体から来る光を撮像部102に結像する。
撮像部102は、可視光域及び近赤外光域に感度を持つ可視光域画素と、主に近赤外光域に感度を持つ近赤外域画素から構成される。各画素においてレンズ101が結像した光を、撮像部102は光電変換及びA/D変換して、各画素におけるデジタル画像信号を同時化部103に出力する。
同時化部103は、撮像部102から出力された各画素からの信号に補間処理を施し、補間された画像信号をWB処理部104に出力する。なお、補間処理の内容と同時化部という名称の由来については、図2を説明する際に述べる。
WB処理部104は、同時化部103から出力された画像信号に、光源の色温度に応じたゲインを積算してホワイトバランス調整を行い、得た画像信号を輝度信号処理部115に出力する。
輝度信号処理部115は、WB処理部104から出力された画像信号から輝度信号Yを演算して求め、輝度ガンマ部110に出力する。輝度信号処理部115は、第1輝度係数出力部105、第2輝度係数出力部106、第1輝度信号生成部107、第2輝度信号生成部108、輝度信号合成部109を有する。
第1輝度係数出力部105は、制御部114に制御されて輝度係数kr1、kg1、kb1、ki1を設定し、第1輝度信号生成部107に出力する。
第2輝度係数出力部106は、制御部114に制御されて輝度係数kr2、kg2、kb2、ki2を設定し、第2輝度信号生成部109に出力する。
第1輝度信号出力部107は、WB処理部104から出力された4つの画像信号と、第1輝度係数出力部105から出力された4つの輝度係数を積和演算し、輝度信号Y1を出力する。
第2輝度信号出力部108は、WB処理部104から出力された4つの画像信号と、第2輝度係数出力部106から出力された4つの輝度係数を積和演算し、輝度信号Y2を出力する。
輝度信号合成部109は、第1輝度信号生成部107から出力された輝度信号Y1と、第2輝度信号生成部108から出力された輝度信号Y2を、飽和度検出部111から出力される飽和度αの値に応じて合成し、輝度信号Yを輝度ガンマ部110に出力する。
輝度ガンマ部110は、輝度信号合成部109から出力された輝度信号Yに対して、外部の表示装置の特性を補正するためのガンマ処理を施して得た輝度信号を、撮像部100の外部に出力する。
飽和度検出部111は、WB処理部104から出力された画像信号の飽和度αを検出して、輝度信号合成部109に出力する。
色差信号生成部112は、WB処理部104から出力された画像信号から、色差信号Pr及びPbを生成して、色差ガンマ部113に出力する。
色差ガンマ部113は、色差信号生成部112から出力された色差信号に対して、外部の表示装置の特性を補正するためのガンマ処理を施して得た色差信号を、撮像部100の外部に出力する。
制御部114は、撮像装置100の全体を制御し、撮像装置100の外部から入力された、例えば操作者による動作指令を表す制御信号に基づいて、レンズ101、撮像部102、同時化部103、WB処理部104、輝度ガンマ部110、飽和度検出部111、色差信号生成部112、色差ガンマ部113を制御する。また、制御部114は、第1輝度係数出力部105、第2輝度係数出力部106に輝度係数を出力して制御する。
本実施例によれば、飽和度検出部111により検出された飽和度αに応じて、輝度信号合成部109を制御することにより、ハイライトの中央部付近で輝度信号が低下する現象を低減した撮像装置100を提供できる。
次に、本実施例における撮像部102について説明する。
図2は、実施例1と2における撮像部102の画素の並び方の例を示す図である。図2では、(R+I)画素401、(G+I)画素402、(I)画素403、(B+I)画素404の4つの画素が2×2画素サイズの単位構成を成しており、その単位構成が縦・横それぞれに繰り返し配置されている。なお、以下では先のIRを、Iと略記する。先の同時化部103は、例えば(G+I)画素402の位置における(R+I)(I)(B+I)の3つの信号を、周辺の画素の信号から求めて補間処理する。これにより、撮像装置100は撮像部102の画素数に応じた解像度が得られる。なお、同時化部103は、各画素における(R+I)(G+I)(B+I)(I)の4つの信号が同時に存在するようにするので、同時化部と呼ばれる。
図3は、実施例1と2における撮像部102に含まれる画素の波長感度特性例を示す図である。撮像部102には、可視光域の赤色域(R)と近赤外光域(I)に感度を持つ可視光域画素である(R+I)画素401と、可視光域の緑色域(G)と近赤外光域(I)に感度を持つ可視光域画素である(G+I)画素402と、近赤外光域(I)に感度を持つ近赤外画素である(I)画素403と、可視光域の青色域(B)と近赤外光域に感度を持つ可視光域画素である(B+I)画素404の4種類の画素が含まれる。
輝度信号を求める場合に、人間の目の輝度に対する感度特性を忠実に再現するという観点からは、例えば画像全体が明るい場合には近赤外光域(I)の成分は不要波長成分とされる場合がある。そのような場合には、図3の各画素に含まれる近赤外光域(I)に対する感度はほぼ同じであると仮定すると、例えば、可視光域画素(R+I)画素から近赤外画素(I)を減算すれば、赤色域(R)のみに感度を持つ信号を得ることができる。緑色域(G)・青色域(B)についても同様である。また、もし各画素に含まれる近赤外画素(I)の感度が異なる場合であったとしても、減算する際の係数(後述する輝度係数)を調整することで、近赤外画素(I)の成分を少なくすることができる。
次に、本実施例の動作を説明する。WB処理部104から出力される画像信号はRGBの各色信号を含む信号により表わされる。ここでは、画像信号を下記のような4つの画素レベルで表記する。
(R+I)
(G+I)
(I)
(B+I)
このとき、第1輝度信号生成部107の出力する輝度信号Y1は(式1)のように求められる。
Y1 = kr1×(R+I)+kg1×(G+I)
+kb1×(B+I)+ki1×(I) ・・・(式1)
ここで、kr1,kg1,kb1,ki1は第1輝度係数出力部105に制御部114が設定する係数(Y1の輝度係数)である。(式1)を変形すると(式2)のようになる。
Y1 = kr1×((R+I)−(I))
+kg1×((G+I)−(I))
+kb1×((B+I)−(I))
+(kr1+kg1+kb1+ki1)×(I) ・・・(式2)
つまり、(kr1+kg1+kb1=−ki1)であれば、輝度信号を求めるにあたって、近赤外光域の不要波長成分(I)を除去していることと等価になる。また、kr1,kg1,kb1に関しては、例えばITU−R BT.709などの規格に基づくRGBと輝度信号との変換式に応じて、係数を設定することができる。例えば、(式3)のように設定することで、(R+I)、(G+I)、(B+I)のいずれもが飽和していないときには、Y1に近赤外光域の不要波長成分が現れる問題を防ぐことができる。
kr1=0.2126, kg1=0.7152
kb1=0.0722, ki1=−1.0 ・・・(式3)
また、第2輝度信号生成部108の出力する輝度信号Y2は(式4)のように求められる。
Y2 = kr2×(R+I)+kg2×(G+I)
+kb2×(B+I)+ki2×(I) ・・・(式4)
ここで、kr2,kg2,kb2,ki2は第2輝度係数出力部106に制御部114が設定する係数(Y2の輝度係数)である。ただし、Y2の輝度係数については、後述する弊害を発生させないようにki2≧0)という制約をつける。例えば、kr2=kr1,kg2=kg1,kb2=kb1,ki2=0と変更した係数を設定する。具体的には例えば(式5)のように設定する。
kr2=0.2126, kg1=0.7152
kb2=0.0722, ki1=0.0 ・・・(式5)
図4は、実施例1と2における光量に対する輝度信号レベルの制御特性例を示す図である。この例では、(R+I)・(G+I)・(B+I)・(I)の順に画素レベルが高く、早く光量を上げると、この順番で早く飽和する場合を想定している。
図4で、Y1の特性は、312のようになる。すなわち、光量を0から徐々に上げていくと、光量が低い区間(a)では全ての画素が飽和していないので、光量に比例して輝度信号レベルが上がる。しかし、この例においては区間(b)では(R+I)の画素が飽和するので、輝度信号レベルは光量に比例しなくなる。
さらに、光量が高くなった区間(c)では(G+I)の画素が飽和し、区間(d)では(B+I)の画素が飽和するが、一方で(I)の画素はまだ飽和していない。このため、光量が増加するにもかかわらず輝度信号レベルが低下する。そして、すべての画素が飽和した区間(e)では輝度信号レベルが0となる。
このため、被写体の中にハイライトがあった場合、ハイライトの中央部付近で輝度信号Y1が低下する現象が発生し、仮にY1をそのまま輝度ガンマ部110の入力とした場合には、その出力ではガンマ補正の効果によって、実際には明るい部分がいっそう暗く見える画像になる。この弊害は、Y1の輝度係数に、負の値が含まれているために発生する。輝度ガンマ部110は外部の表示装置の特性を補正するために必須な構成要素であるから、その前の段階で前記した輝度信号の低下を補正する処理が重要となる。
一方、Y2の特性は、図4の311のようになる。すなわち、光量を0から徐々に上げていくと区間(a)(b)(c)では、区間に応じては一部の画素が飽和しながらも輝度信号レベルY2は単調増加する。そして、画素(R+I)・(G+I)・(B+I)が飽和した区間(d)(e)では、輝度レベルY2は最大値となる。この場合には、被写体の中にハイライトがあった場合であっても、ハイライトの中央部付近で輝度信号が低下する現象は発生しない。ただし、このY2には、赤外光域の不要波長成分が含まれており、人の目の視覚特性には必ずしも忠実ではない。
そこで、本実施例では、近赤外光域の不要波長成分を除去したY1と、ハイライトの中央部付近でも輝度信号が低下しないY2を合成し、両方の利点を生かすようにしている。このために、撮像装置100は、飽和度検出部111と輝度信号合成部109を備えている。本実施例において、飽和度とは、光量の増加に伴うWB処理部104の出力信号における画素レベルの高さを意味する。
飽和度検出部111は、(R+I)(G+I)(B+I)(I)の4つの信号を入力とし、例えば、(I)画素の画素レベルに応じて飽和度αを決定する。飽和度αは、注目画素の飽和度を示す0.0から1.0の間の値である。飽和度が高いほど、注目画素が飽和に近いことを示している。
また、例えば、飽和度αの計算式を(式6)とすることで、光量の増加に対応する可視光域画素の飽和の程度を輝度に反映することができる。
α=f1(R+I)+f2(G+I)+f3(B+I)
ただし、f1〜f3は単調増加関数 ・・・(式6)
また、例えば、飽和度αの計算式を(式7)とすることで、光量が高く全ての可視光域画素が飽和した区間(区間d)であっても、光量の増加を検出して輝度に反映することができる。
α=f4(I) ただし、f4は単調増加関数 ・・・(式7)
また、例えば、飽和度αの計算式を(式8)とすることで、光量の増加に対応する可視光域画素の飽和の程度と、可視光域画素が飽和した後の光量の増加の両方を検出して輝度に反映することができる。
α=f1(R+I)+f2(G+I)+f3(B+I)+f4(I)
・・・(式8)
また、例えば、飽和度αの計算式を(式9)とすることで、光量の増加に対応する可視光域画素の飽和の程度を、簡素な式で求めて、輝度に反映することができる。
α=f5(Max((R+I),(G+I),(B+I)))
ただし、Maxは3値の最大値を求める関数 ・・・(式9)
輝度信号合成部109は(式10)に示す演算をする。
Y=(1−α)×Y1+α×Y2 ・・・(式10)
(式10)は、輝度信号Y1と輝度信号Y2を、αの割合に基づいて、内分してYを求める演算となっている。飽和度αが高いほど、求める輝度信号Yに対する輝度信号Y2の寄与が大きくなる。
図4の313は、輝度信号合成部109の出力する輝度信号Yの輝度レベルを示す。この輝度信号Yは、光量が低い区間(a)では、近赤外光域の不要波長成分が少ない。また、区間(a)から(d)までで輝度信号Yが単調増加しているため、ハイライトの中央部付近で輝度信号が低下する現象が発生し難いという特徴がある。
図5は、実施例2における撮像装置200の構成図である。
撮像装置200は、レンズ101、撮像部102、同時化部103、WB処理部104、輝度信号処理部202、輝度ガンマ部110、飽和度検出部111、色差信号生成部112、色差ガンマ部113、制御部114から構成される。
図5のレンズ101、撮像部102、同時化部103、WB処理部104、輝度ガンマ部110、飽和度検出部111、色差信号生成部112、色差ガンマ部113、制御部114は、図1のものと同様で良い。
輝度信号処理部202は、WB処理部104から出力される画像信号から、輝度信号Yを演算して求め輝度ガンマ部110に出力する。輝度信号処理部202は、第1輝度係数出力部105、第1輝度信号生成部107、輝度信号合成部201を有する。
図5の第1輝度係数出力部105、第1輝度信号生成部107は図1のものと同様で良い。
輝度信号合成部202は、第1輝度信号生成部107から出力される輝度信号Y1と、WB処理部104から出力される画像信号Iを、飽和度検出部111から出力される飽和度αに応じて合成して、輝度信号を出力する。
本実施例によれば、飽和度検出部111より検出された飽和度αに応じて、輝度信号合成部201を制御することにより、ハイライトの中央部付近で輝度信号が低下する現象が発生し難い撮像装置200を提供できる。
さらに、図5では、実施例1の図1の構成と比較して、第2輝度係数出力部106及び第2信号生成部108が削減され、輝度信号合成部201も簡素化されているので、図1の場合よりも少ない回路規模で撮像装置200を提供できる。
次に、本実施例の動作を説明する。
実施例2では、実施例1の場合と同様に、第1輝度信号生成部107の出力する輝度信号Y1は、(式11)のように計算される。
Y1 = kr1×(R+I)+kg1×(G+I)
+kb1×(B+I)+ki1×(I) ・・・(式11)
具体的には、例えば、Y1の輝度係数に関しては、実施例1の場合と同様に、(式3)のように設定することで、(R+I)、(G+I)、(B+I)のいずれもが飽和していないときには、Y1に近赤外光域の不要波長成分が現れる問題を防ぐことができる。
kr1=0.2126, kg1=0.7152
kb1=0.0722, ki1=−1.0 ・・・(式3)
飽和度検出部111は、実施例1の場合と同様に、(R+I)(G+I)(B+I)(I)の4つの画像信号を入力とし、例えば、(I)画素の画素レベルに応じて飽和度αを決定する。飽和度αは、注目画素の飽和度を示す0.0から1.0の間の値である。飽和度が高いほど、注目画素が飽和に近いことを示している。
輝度信号合成部201は、(式12)の計算を行う。
Y=Y1+α×(I) ・・・(式12)
図5では、図1の場合と異なり、第2輝度積算部108の出力ではなく、WB処理部104の出力する画像信号の(I)が輝度信号合成部201へ入力されるようになっている。
図4の312は、輝度信号Y1の輝度レベルを示す。
図4の313は、輝度信号合成部201の出力する輝度信号Yの輝度レベルを示す。実施例1の場合と同様に、この輝度信号Yは、光量が低い区間(a)では、近赤外光域の不要波長成分が少ない。また、区間(a)から(d)まででは、飽和度αの増加に伴い(I)の画像信号がより多く加算されることにより、輝度信号Yが単調増加しているため、ハイライトの中央部付近で輝度信号が低下する現象が発生し難いという特徴がある。
また、別の構成例として、本実施例において、ki1=0に固定し、光量の増加に対して、飽和度αが単調に増加するように、飽和度αの計算式を設定しても同様の効果を得ることができる。この場合、第1輝度信号生成部107からki1×(I)の項を除去することができるので、少ない回路規模で撮像装置200を提供できる。
図6は、実施例3における撮像システム600の構成図である。
撮像システム600は、撮像装置100、表示装置601、システム制御部602を有する。
撮像装置100は、実施例1の図1の撮像装置100と同様である。または、実施例2の図5の撮像装置200と同様であっても良い。
表示装置601は、撮像部100から出力された輝度信号及び色差信号に基づく画像を表示する、液晶モニタなどのカラー画像表示装置である。
システム制御部602は、撮像装置100及び表示装置601を制御する。
本実施例によれば、撮像装置100から出力される輝度信号に関して、ハイライトの中央部付近で輝度信号が低下する現象は発生し難いため、高画質な画像を表示装置601に表示する撮像システムを提供することができる。
図7は、実施例4における撮像装置700の構成図である。
撮像装置700は、レンズ101、撮像部102、同時化部103、輝度信号処理部701、輝度ガンマ部110、飽和度検出部111、色信号処理部702、色差ガンマ部113、制御部114を有する。
図7のレンズ101、撮像部102、同時化部103、輝度ガンマ部110、飽和度検出部111、色差ガンマ部113、制御部114は図1のものと同様で良い。
輝度信号処理部701は、図1の輝度信号処理部115、図5の輝度信号処理部202のいずれかと同様で良い。
図8は、実施例4における色信号処理部702の構成図であり、正確な色再現処理を実現するための新たな構成を有している。
色信号処理部702は、色マトリクス部801、I係数出力部802、I信号加算部803、WB処理部104A及び104B、飽和度検出部804、R信号合成部805、G信号合成部806、B信号合成部807、色差マトリクス部808を有する。
図8のWB処理部104A及び104Bは、共に図1のWB処理部104と同様である。本実施例におけるWB処理部104Aは、色マトリクス部801から出力された画像信号を入力とし、WB処理部104Bは同時化部103から出力された画像信号を入力とする。WB処理部が2つあるため、画像信号は、それぞれ独立した制御が可能となる。
色マトリクス部801は、(R+I)(G+I)(B+I)(I)の4つの入力信号に対して、制御部114から入力される制御信号に基づくマトリクス演算を行い、画像信号であるR1、G1、B1の三原色信号を生成し、WB処理部104Aに出力する。
WB処理部104Aは、色マトリクス部801から出力された画像信号R1、G1、B1に、光源の色温度に応じたゲインを積算してホワイトバランス調整を行い、得た画像信号R2、G2、B2の三原色信号をI信号加算部803に出力する。
I係数出力部802は、制御部114から制御されてI係数kri、kgi、kbiを設定し、I信号加算部803に出力する。
I信号加算部803は、WB処理部104Aから出力された画像信号に対し、I係数出力部802から出力されたI係数を積和演算し、得た画像信号R3、G3、B3の三原色信号を各々、R信号合成部805乃至B信号合成部807に出力する。
飽和度検出部804は、同時化部103から出力された画像信号の飽和度α2を検出してR信号合成部805乃至B信号合成部807に出力する。
R信号合成部805は、I信号加算部803から出力されたR3信号と、WB処理部104Bから出力されたR4信号を、飽和度検出部804から出力された飽和度α2に応じて合成し、R5信号を色差マトリクス部808に出力する。
G信号合成部806は、I信号加算部803から出力されたG3信号と、WB処理部104Bから出力されたG4信号を、飽和度検出部804から出力された飽和度α2に応じて合成し、G5信号を色差マトリクス部808に出力する。
B信号合成部807は、I信号加算部803から出力されたB3信号と、WB処理部104Bから出力されたB4信号を、飽和度検出部804から出力された飽和度α2に応じて合成し、B5信号を色差マトリクス部808に出力する。
色差マトリクス部808は、入力された画像信号R5、G5、B5に対して、制御部114から入力された制御信号に基づいてマトリクス演算を行い、色差信号Pr、Pbを生成し、色信号処理部702の外部、即ち図7の色差ガンマ部113に出力する。
本実施例によれば、色マトリクス部801から出力された画像信号と、同時化部103から出力された画像信号が、2つのWB処理部104A及び104Bによって、光源の色温度に応じた色を再現する画像信号となっている。また、飽和度検出部804より検出された飽和度α2に応じて、R信号合成部805、G信号合成部806、B信号合成部807が制御されることから、光源の色温度に応じた画像信号が合成される。このため、色の薄い画像においては近赤外光域の不要波長成分が少ないのみならず、光量が高く画素レベルが飽和した画像においても、人間の見た色と同様な色で再現されるよう処理することができるという特徴がある。
次に、本実施例における動作について説明する。
色マトリクス部801は、(R+I)(G+I)(B+I)(I)の4色を入力とし、(式13)乃至(式15)に示す演算を行い、R1、G1、B1の画像信号を出力する。
R1 = kr3×(R+I)+kg3×(G+I)
+kb3×(B+I)+ki3×(I) ・・・(式13)
G1 = kr4×(R+I)+kg4×(G+I)
+kb4×(B+I)+ki4×(I) ・・・(式14)
B1 = kr5×(R+I)+kg5×(G+I)
+kb5×(B+I)+ki5×(I) ・・・(式15)
ここで、kr3、kg3、kb3、ki3、kr4、kg4、kb4、ki4、kr5、kg5、kb5、ki5は制御部114から出力される係数(R1、G1、B1の色係数)である。
色マトリクス部801は、不要波長成分である近赤外画素(I)の成分を減算した画像信号を出力する。例えば、色マトリクス部801は、(式16)のように係数を設定することにより、不要波長成分を除いた(R)(G)(B)成分を出力することができる。
kr3=1.00, kg3= 0.00
kb3=0.00, ki3=−1.00
kr4=0.00, kg4= 1.00
kb4=0.00, ki4=−1.00
kr5=0.00, kg5= 0.00
kb5=1.00, ki5=−1.00 ・・・(式16)
これに加えてI信号加算部803は、実施例4の最後に説明するような近赤外光域の不要波長成分を除去した場合に発生する問題を解決するため、入力された画像信号にI係数の値に応じた(I)成分を加算する。即ち、色マトリクス部801で(I)成分を減算し、WB処理部104Aにより光源の色温度に応じたゲインを積算された画像信号に対して、制御部114から出力された所定の係数に応じた(I)信号が加算される。これにより、例えば、被写体の可視光域及び近赤外光域における光量が高く、色が無彩色に近い場合において、より人間の見た色に近い色を再現することができる。なお、この件については、実施例4の説明の最後に至るまでは特に意識せず、I信号加算部803の出力R3、G3、B3は近赤外光域の不要波長成分が除去された信号である場合、即ちkri=kgi=kbi=0とI係数が全て0である場合を考えれば良い。
飽和度検出部804は、(R+I)(G+I)(B+I)(I)の4つの信号を入力とし、例えば、注目画素を中心とした3×3画素の領域において、画素レベルの最大値に応じて飽和度α2を決定する。飽和度α2は、注目画素の飽和度を示す0.0から1.0の間の値である。飽和度が高いほど、注目画素の信号が飽和に近いことを示す。
図9は、実施例4と5における飽和度の算出例を示す図である。
例えば、図9で示すように、画素レベルに対する閾値P1、P2と、飽和度α2に対するリミット値αlim、ゲイン(区間(g)での傾き)を示す制御信号を、制御部114が飽和度検出部804に入力する。これにより、画素レベルが低い区間(f)では飽和度α2が低い値で一定であり、画素レベルが中間となる区間(g)では飽和度α2がゲインの値に応じて単調増加し、画素レベルが高い区間(h)では飽和度α2がリミット値としての一定値αlimであるように設定される。このような制御を行うことによって、画像信号で表現される色を被写体の持つ本来の色に近づけることができる。
R信号合成部805、G信号合成部806、B信号合成部807は(式17)乃至(式19)で示す演算を行う。
R5=(1−α2)×R4+α2×R3 ・・・(式17)
G5=(1−α2)×G4+α2×G3 ・・・(式18)
B5=(1−α2)×B4+α2×B3 ・・・(式19)
(式17)乃至(式19)は、近赤外光域の不要成分を色マトリクス部801で除去した画像信号R3、G3、B3と、近赤外光域の不要成分を持つ画像信号R4、G4、B4を飽和度α2の値に基づいて、合成する演算となっている。このように、画像信号を合成することによって、以下で述べるように、近赤外光域成分を利用する本撮像装置において、可視光信号飽和付近の被写体の色が、実際の色とは異なる色になるという問題を低減することができる。
また本実施例では、図8において、可視光域と近赤外域を含む可視光域画素から近赤外域を除いた色マトリクス部801の出力R1、G1、B1に対するホワイトバランス処理と、(R1+I)、(G1+I)、(B1+I)、Iに対するホワイトバランスがそれぞれ個別にWB処理部104Aと104Bによって行われる。即ち、各々に対して最適なホワイトバランス制御が行われる。このため、色再現性の良い色信号処理装置を提供できる。
次に、本実施例が解決する問題について、その詳細を示す。
図10は、実施例4と5における画像信号の例を示す図であり、左半分に同時化部103から出力された画像信号(R+I)(G+I)(B+I)(I)、右半分に不要波長成分を除去した画像信号(R)(G)(B)を表している。
1101は、同時化部103から出力された画像信号の画素レベルが飽和していない場合を示す。
1102は、1101の示す画像信号から不要波長成分を除去した画像信号の例である。同時化部103から出力される画像信号がいずれも飽和していないため、画像信号のバランスが崩れていないことがわかる。
1103は、同時化部103から出力された画像信号の中で、(R+I)の画素レベルが飽和している場合を示す。(R+I)の画素レベルが飽和しているため、(R+I)の画素レベルは飽和レベルとなり、実際の光量より低い値となる。
1104は、1103の示す画像信号から不要波長成分を除去した画像信号の例である。(R+I)の画素レベルが飽和していることから、被写体本来の光量のバランスと画像信号のバランスが異なる。このため、画像信号によって表現される色が、被写体には存在しない色となっている。この問題は、色マトリクス部801が入力された画像信号から不要波長成分を除去したR1、G1、B1の画像信号を生成することによって発生する。
1105は、1103の示す(R+I)(G+I)(B+I)信号から不要波長成分を除去せずにR、G、B信号を求めた例である。この画像信号はWB処理部104から出力されるR4、G4、B4の画像信号に対応する。
本実施例では、1102の示す画像信号と1105の示す画像信号を、飽和度に応じてR信号生成部805乃至B信号合成部807が合成することにより、被写体の持つ色を正確に再現できるようにしている。
図11は、実施例4と5における被写体を表す図であり、太陽、空、建物、山を被写体とした時に表示される画像のイメージ図である。このイメージ図に対して以下の事を仮定する。
1301の示す領域は空であるため、青く見える。1303の示す領域は太陽を含んでいるため光量が高く、白く見える。1302の示す領域は太陽と空の間であるため、青と白が混ざった色で見える。
以上の領域を図10の画像信号のイメージに対応させ、さらに、次のように仮定する。
1301においては、図10の1101で示すように画素レベルが飽和していない。1302においては、図10の1103で示すように画像信号のいずれかが飽和している。1303においては、画像信号が全て飽和している。
1301においては画素レベルが飽和していないため、不要波長成分を除去しても色のバランスが崩れない。1303においては画像信号全てが飽和しているため、無彩色となる。しかし、1302においては、飽和している画像信号によって、色のバランスが崩れる現象が発生する。
そこで、本実施例では、被写体の色をより忠実に再現するため、飽和度検出部804、R信号合成部805、G信号合成部806、B信号合成部807を用いて、近赤外光域の不要波長成分を除去したR1、G1、B1と、不要波長成分を持つR4、G4、B4を、飽和度α2に応じて比率を変化させながら合成している。即ち、飽和度が低い場合は不要波長成分を除去したR1、G1、B1を用いた方が色再現性は良好であり、いずれかの色が飽和した場合は不要波長成分が有ってもR4、G4、B4を用いた方が色再現性は良好である。このため、飽和度α2に応じて比率を変化させながら双方を合成して、色差マトリクス部808に出力する信号R5、G5、B5を生成している。
なお、先の輝度信号に関する処理を述べた場合と同様に、色信号においても色差ガンマ部113の前の段階で前記した処理を行うことにより、色再現性をいっそう良好にすることができる。
本実施例において、飽和度とは、光量の増加に伴う、同時化部103から出力される信号の画素レベルの高さを意味する。
さらに、同時化部103から出力される画像信号において、(I)成分が(R+I)(G+I)(B+I)成分より画素レベルが高い場合、不要波長成分を除去した画像信号は負の値をとることになる。画像信号が負の値をとった場合、その画像信号の画素レベルは0に切り上げられるため、画像信号のバランスが崩れる現象が発生する。本実施例では、この問題を解決するため、前記したように、I信号加算部803によって、不要波長成分を除去した画像信号に改めて(I)成分をI係数に応じた分だけ加算し、画像信号のバランスが崩れる現象を防いでいる。
この場合も、I信号加算部803から出力される画像信号は、R信号合成部805、G信号合成部806、B信号合成部807で、飽和度検出部804で検出された飽和度α2の値に基づいて、不要波長成分を除去していないR4、G4、B4の画像信号と合成される。これにより、(I)成分が(R+I)、(G+I)、或いは(B+I)成分より大きい場合についても、赤外光域成分も利用する本撮像装置において、可視光信号飽和付近の被写体が、実際の色と異なる色になる問題を軽減することができる。
図12は、実施例5における撮像装置900の構成図である。
撮像装置900は、レンズ101、撮像部102、色信号処理部901、同時化部902、輝度マトリクス部903、色差マトリクス部808、輝度ガンマ部110、色差ガンマ部113、制御部114を有する。
図12のレンズ101、撮像部102、輝度ガンマ部110、色差ガンマ部113、制御部114は図1のものと同様である。ただし、本実施例では、撮像部102から出力される画像信号はRAW(未加工の生データという意味である)形式であると仮定する。RAW形式の信号とは、座標位置によって色信号が変化する形式である。例えば、撮像部102の撮像素子の配列された画素において、偶数行の偶数列を(R+I)成分の信号、偶数行の奇数列を(G+I)成分の信号、奇数行の偶数列を(I)成分の信号,奇数行の奇数列を(B+I)成分の信号を生成する画素とする。従って、先の図2で示した画素の配列を有する撮像部102が生成する画像信号に対し、同時化部103による画素補間を行わない場合はRAW形式の画像信号が得られる。
図12の同時化部103は、図1のものと同様で良い。また、図12の色差マトリクス部808は、図8のものと同様で良い。
撮像部102から出力されたRAW信号は、色信号処理部901に供給され、後記するような信号処理を受けて同時化部902に供給される。
同時化部902は、色信号処理部901から出力されたRAW信号(以下で述べるようにRAW4)に対し、補間処理を施し、画像信号R、G、Bを出力する。
輝度マトリクス部903は、同時化部902から出力された画像信号を輝度信号Yに変換する。
図13は、実施例5における色信号処理部901の構成図である。
色信号処理部901は、同時化部103、色マトリクス部801、逆同時化部1001、WB処理部104A及び104B、飽和度検出部1002、RAW信号合成部1003を有する。
逆同時化部1001は、同時化部103によって同時化された画像信号をRAW形式の信号(RAW1)として、WB処理部104Aに出力する。
WB処理部104Aは、逆同時化部1001から出力されたRAW形式の画像信号(RAW1)に、光源の色温度に応じたゲインを積算してホワイトバランス調整を行い、得たRAW形式の画像信号(RAW2)をRAW信号合成部1003に出力する。
WB処理部104Bは、色信号処理部902に入力されたRAW形式の画像信号(RAW)に、光源の色温度に応じたゲインを積算してホワイトバランス調整を行い、得たRAW形式の画像信号(RAW3)をRAW信号合成部1003に出力する。
飽和度検出部1002は、撮像部102から出力された画像信号の飽和度α3を検出して、RAW信号合成部1003に出力する。
RAW信号合成部1003は、入力された二つのRAW形式の画像信号を飽和度α3に応じて合成し、得たRAW形式の画像信号(RAW4)を、図12の同時化部902に出力する。
例えば同時化部902、輝度マトリクス部903、色差マトリクス部808が可視光域のみに感度を持つ画素を有する一般的な撮像部を用いることを前提として設計されたとする。本実施例ではその前段に、可視光域及び近赤外光域の双方に感度を持つ撮像部102及び色信号処理部901を設けている。これにより、光量が低い場面においても被写体を明るく撮像する撮像装置900を提供できる。
さらに、本実施例では、飽和度検出部1002より検出された飽和度α3に応じて、RAW信号合成部1003を制御する。これにより以下で述べるように、赤外光域成分も利用する撮像装置900において、可視光信号が飽和する付近の被写体が、実際の色とは異なる色になる問題を軽減することができる。
次に、本実施例の動作について説明する。
本実施例では、実施例4と同様に、色マトリクス部809から出力される画像信号は以下のように計算される。
R1 = kr3×(R+I)+kg3×(G+I)
+kb3×(B+I)+ki3×(I) ・・・(式13)
G1 = kr4×(R+I)+kg4×(G+I)
+kb4×(B+I)+ki4×(I) ・・・(式14)
B1 = kr5×(R+I)+kg5×(G+I)
+kb5×(B+I)+ki5×(I) ・・・(式15)
具体的には、例えば、実施例4の場合と同様に、下記のように設定することで、(R+I)、(G+I)、或いは(B+I)のいずれの信号も飽和していない場合には、画像信号に近赤外光域の不要波長成分が現れるのを防ぐことができる。
kr3=1.00, kg3= 0.00
kb3=0.00, ki3=−1.00
kr4=0.00, kg4= 1.00
kb4=0.00, ki4=−1.00
kr5=0.00, kg5= 0.00
kb5=1.00, ki5=−1.00 ・・・(式16)
逆同時化部1001は、色マトリクス部801から出力される画像信号R1、G1、B1と、同時化部103から出力される(I)成分の信号をRAW形式の信号(RAW1)へ変換し、WB処理部104Aに出力する。
飽和度検出部1002は、例えば、撮像部102から出力されるRAW信号の画素レベルに応じて飽和度α3を決定する。飽和度α3は、注目画素の飽和度を示す0.0から1.0の間の値である。飽和度が高いほど、注目画素が飽和に近いことを示している。
例えば、飽和度を図1の飽和度検出部111と同様の計算式で算出することも可能であり、図8の飽和度検出部804と同様の制御信号を用いて算出することも可能である。
RAW信号合成部1003は、(式20)の演算を行う。
RAW4=(1−α3)×RAW2+α3×RAW3 ・・・(式20)
(式19)は、RAW2信号とRAW3信号を、飽和度α3に基づいて合成する演算となっている。
なお、図13に示した色信号処理部901は、色信号処理装置として単体で装置を構成できることは言うまでもない。
本実施例によれば、可視光域のみに感度を持つ画素を有する一般的な撮像部を用いる場合と比較して、光量が低い場面においても被写体を明るく撮像可能な撮像装置900を提供できる。
さらに、本実施例によれば、飽和度検出部1002より検出された飽和度α3に応じて、RAW信号合成部1003を制御することにより、赤外光域成分も利用する本撮像装置において、可視光信号が飽和する付近の被写体が、実際の色と異なる色になる問題を軽減することができる。
図14は、実施例6における撮像システム1400の構成図である。
撮像システム1400は、撮像装置1401、表示装置601、システム制御部602を有する。撮像装置1401は、実施例4で示した撮像装置700、または実施例5で示した撮像装置900と同様で良い。表示装置601、システム制御部602は図6に示したものと同様で良い。
システム制御部602は、撮像装置1401及び表示装置601を制御する。
本実施例によれば、撮像装置1401から出力される色信号に関し、赤外光域成分も利用する本撮像装置においても、可視光信号が飽和する付近の被写体が、実際の色と異なる色になる問題を軽減でき、例えば、明るい被写体と暗い被写体の双方に対して高品質な画像を要求される車載向けの撮像システムとすることができる。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、上記の各構成は、それらの一部又は全部が、ハードウェアで構成されても、プロセッサでプログラムが実行されることにより実現されるように構成されてもよい。また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
100:撮像装置、101:レンズ、102:撮像部、103:同時化部、104:WB処理部、105:第1輝度係数出力部、106:第2輝度信号生成部、107:第1輝度係数出力部、108:第2輝度信号生成部、109:輝度信号合成部、110:輝度ガンマ部、111:飽和度検出部、112:色差信号生成部、113:色差ガンマ部、114:制御部、115:輝度信号処理部、200:撮像装置、201:輝度信号合成部、202:輝度信号処理部、401:(R+I)画素、402:(G+I)画素、403:(I)画素、404:(B+I)画素、600:撮像システム、601:表示装置、602:システム制御部、700:撮像装置、701:輝度信号処理部、702:色信号処理部、801:色マトリクス部、802:I係数出力部、803:I信号加算部、804:飽和度検出部、805:R信号合成部、806:G信号合成部、807:B信号合成部、808:色差マトリクス部、900:撮像装置、901:色信号処理部、902:同時化部、903:輝度マトリクス部、1001:逆同時化部、1002:飽和度検出部、1003:RAW信号合成部、1400:撮像システム。

Claims (7)

  1. 被写体を撮像する撮像装置であって、
    可視光域及び近赤外光域の光に応じた第1の画像信号と近赤外光域の光に応じた第2の画像信号とを出力する撮像部と、
    該撮像部が出力した第1の画像信号と第2の画像信号とに基づき画像信号の飽和度を検出する飽和度検出部と、
    前記撮像部が出力した第1の画像信号と第2の画像信号とが供給され、前記第1の画像信号から前記近赤外光域の光に応じた信号を除去して第1の色信号を生成する第1の色信号生成部と、前記第1の画像信号から第2の色信号を生成する第2の色信号生成部と、前記飽和度検出部が検出した飽和度に応じて前記第1の色信号と第2の色信号を前記飽和度が高いほど前記第2の色信号の第1の色信号に対する比率を高めて合成し出力する色信号合成部を備えた色信号処理部
    を有することを特徴とする撮像装置。
  2. 請求項1に記載の撮像装置において、前記色信号処理部は、
    前記第1の色信号のホワイトバランスを調整して前記色信号合成部に供給する第1のホワイトバランス処理部と、
    前記第2の色信号のホワイトバランスを調整して前記色信号合成部に供給する第2のホワイトバランス処理部
    を有することを特徴とする撮像装置。
  3. 請求項1に記載の撮像装置において、前記色信号処理部は、
    第1の信号生成部が生成した第1の色信号の値がゼロ又は負の値である場合には、前記第1の色信号に前記近赤外光域の光に応じた信号を加算して前記色信号合成部に供給する
    ことを特徴とする撮像装置。
  4. 請求項1に記載の撮像装置において、前記第1の色信号及び第2の色信号は三原色信号であることを特徴とする撮像装置。
  5. 請求項1に記載の撮像装置において、前記第1の色信号及び第2の色信号は、前記撮像部の画素における画素補間処理を施さない状態であるRAW形式の色信号であることを特徴とする撮像装置。
  6. 請求項1に記載の撮像装置において、
    前記色信号処理部は、前記色信号合成部が出力した色信号を色差信号に変換して出力する色差マトリクス部を有し、
    前記撮像装置は、前記色差マトリクス部が出力した色差信号に対して該色差信号を表示する装置の特性を補正するためのガンマ補正を施す色差ガンマ部
    を有することを特徴とする撮像装置。
  7. 被写体を撮像する撮像装置であって、
    可視光域及び近赤外光域の光に応じた第1の画像信号と近赤外光域の光に応じた第2の画像信号とを出力する撮像部と、
    該撮像部が出力した第1の画像信号と第2の画像信号とに基づき画像信号の飽和度を検出する飽和度検出部と、
    前記撮像部が出力した第1の画像信号と第2の画像信号とが供給され、前記第1の画像信号から前記近赤外光域の光に応じた信号を除去して第1の輝度信号を生成する第1の輝度信号生成部と、前記第1の画像信号から第2の輝度信号を生成する第2の輝度信号生成部と、前記飽和度検出部が検出した飽和度に応じて前記第1の輝度信号と第2の輝度信号を前記飽和度が高いほど前記第2の輝度信号の第1の輝度信号に対する比率を高めて合成し出力する輝度信号合成部を備えた輝度信号処理部
    を有することを特徴とする撮像装置。
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