JPWO2015011824A1 - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (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。 - 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。 - 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。 - 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。
- 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。
- 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。 - 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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