WO2005086495A1

WO2005086495A1 - フィルタおよび動画カメラ

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Publication number: WO2005086495A1
Application number: PCT/JP2005/004171
Authority: WO
Inventors: Yoshifumi Shimodaira; Shoichi Yokoi
Original assignee: Shizuoka University NUC
Current assignee: Shizuoka University NUC
Priority date: 2004-03-10
Filing date: 2005-03-10
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2006-09-10

Abstract

　色再現性が良好となるフィルタを提供し、さらに前記フィルタを用いて人の色域に等しい色域をもつ動画カメラを提供する。　本発明によるフィルタは、ＣＩＥ−ＸＹＺ分光特性を満足する各分光特性（Ｓ1 ，Ｓ2 ，Ｓ3 ）が負の値をもたない、単独ピークをもつ山形であり、それぞれの分光曲線のピーク値が等しく、かつ分光曲線のピーク値が等しく分光曲線のすその部分での重なりはできるだけ少なくするという条件を満たしたフィルタである。このフィルタはピーク波長が約５８２ｎｍ，５４３ｎｍ，４４６ｎｍにある。動画カメラは、前記フィルタを用いて構成される。

Description

フィルタおよび動画カメラ

技術分野

[0001] 本発明は、 CCDイメージングデバイス等の撮像素子の前面に配置され、カメラ装置に使用される改良された分光フィルタおよび前記フィルタを用いて構成した人の色域と等しい色域をもった動画用カメラに関する。

背景技術

[0002] (分光フィルタの背景技術）

CCDを撮像素子としたカメラ装置では、 CCDの前面に CCDに対応して分光フィルタが配置されている。 CCDカメラに関しては非特許文献 1「CCDカメラ技術入門」竹村裕夫著，コロナ社（1997)、あるいはその他の一般文献に掲載されている。これらのフィルタは、例えば赤緑青の 3原色に対応する CCDの光電面の前面に置かれ、それぞれ赤緑青の分光特性をもったものである。フィルタは赤緑青のそれぞれの光路チャネル上で、各チャネル上の光を分光して該当する成分のみを通過させ、各 CCD 撮像素子の光電面にそれぞれ入力して、る。

[0003] 一方、広色域の動く対象物体に対応してチャネル数を増やすことも可能である。例えば、この種のカメラ装置に関する特許文献の一例として、特願 2004-36937号「広色域動画カメラ」を挙げることができる。特願 2004-36937号によれば、広色域動画カメラはレンズ系と、光ビームスプリッタと、 4つの色フィルタと、 4つの光学センサと、演算処理装置とを備えて構成したものである。レンズ系は対象物体からの入射光を、光ビームスプリッタを介して光学センサの表面に結像させ、その倒立像を CCD等のセンサの光電変換面上に生成する。色フィルタはそれぞれ異なった波長域の、 CIE 色度図上に定められた XYZの分光特性に等しい波長域成分の光ビームを通過させる。光ビームスプリッタは単純な構成例としてある力各色フィルタに入射する光パヮ一の減衰量がそれぞれ相等し、ものとする必要がある。 4つの CCD等のセンサは入射光に対して光電変換を行!、、対象物体に対応した投影像をその光電変換面上に形成する。 CCD等のセンサはそれぞれ広、色域に対して十分な感度特性をもつものとする。

[0004] 4つの CCD等のセンサ力得られた、それぞれ異なった色フィルタに対応する色域の実像の映像信号は、それぞれ演算処理装置に入力される。演算処理装置は高速で動作し、対象物体の色についての色度値をリアルタイムで得る。演算処理装置による演算は、例えば、エー.ェヌ.ネットラバリ，ビー.ジー.ハスケル著，「ディジタル画像」（プレナムプレス， 1988年），第 1章:視覚情報の数値表現（A. N. Netravali and B. u. Has ell, Digital Pictures , Plenum Press, 1988, chapter 1: Numerical Representation of Visual Information)に記載の方法に従った計算方式と理論的概念によって計算される。すなわち、これは人の視感度特性に基づいて 3原色波長を 700 . Onm (R ) , 546. lnm (G ) , 435. 8nm (B )としたとき、得られる色マッチング関

0 0 0

数 (color matching fonction)〔r ( λ ) , g ( λ ) , b (又）〕を求め、カメラ出力を演算処

0 0 0

理装置によって計算する方式である。カメラ装置では各フィルタの分光特性を計算値に合致させることが理想的である力現実には困難性が高いのが課題である。

[0005] そこで、以下に 3原色について、理想的分光特性からの物理的波長のずれ (色差）と、人間が判定してずれが感じられる範囲の関係を考察する。ルータ条件を満たす目標とする総合分光特性は理想的である。しかし、この様な理想的な総合分光曲線を実現することは困難である。そこで、総合分光曲線の中心波長を lnmづっ、ずらした場合にっ、て考える。どの程度ずらすと平均色差がある一定以上となるかを調べる

[0006] ある一定の色差として、非特許文献 2による色差の分類 (表 1参照）中の「3級色差」を用いた。ただし、ここでいう色差は、 CIELAB色区間における色差 Δ Ε *であり、

ab

基準白色は D65,データベースには SOCSデータベース（非特許文献 3参照）の「 calib」カテゴリを除くすべてのデータを用いた。結果を表 2に示す。これより lnm以上ずらすと「3級色差」に収まらなくなることがわかる。

[表 1] 名称色差説明

測色不能領域 -0.2 ―

識別色差 0.3 同一物体の測色再現精度

1級（厳格色差） ϋ.6 各種の誤差要因を考えた場合の実用的な許容差の限界

2級（実用色差 a) 1.2 並べて判定した場合，ほとんどの人が容易に色差を認められる

3級（実用色差 b) 2.5 離間して判定した場合に，ほぼ同一と認められる

4級 5.0 経時比較した場合に，ほぼ同一と認められる

5級 10.0 一

6級 20.0 ―

[表 2] バンド名ずれの方向ずれの大きさ平均色差

si 長波長方向 4nm 2.3562

短波長方向 4nm 2.3210

s2 長波長方向 ύΏχα 1.9393

短波長方向 3nm 1.9158

s3 長波長方向 7nm 2.2103.

短波長方向 7 m 2.3461

[0007] (動画カメラの背景技術）

人の色域と等ヽ色域をもつカメラで対象物体の動画像を撮影した場合には、そのカメラ信号の表す色は対象物体のもつ色に正確に一致する。このような特徴をもつ動画のとれるカメラは現在、製作されていない。すなわち、現在広く使われている画像システムに使用されているカメラの出力信号は、その色域がディスプレイの色域に等しくなるように処理されて出力されている。そのため対象物体の色がディスプレイの色域外の場合には色域内の色に変換して出力される。従って、ディスプレイの色域以外の色を正確な信号として取り出すことはできない。さらに、対象物体の色がたとえ色域内であっても、対象物体の元の色とは異なった色信号として表示器側に出力される。

[0008] 現在、使用されている動画用カメラの原理および構成を説明する。カメラは集光器、分光器、複数の受光器より構成された受光部を主要素として成り立つ。受光部に入射した光はレンズ系よりなる集光器により集められ、分光フィルタよりなる分光器で複数の波長域に分光される。各波長域の信号は、複数の受光器を通して RGBの 3原色に変換される。ここで、複数の受光器を一枚のシリコン基板チップ上に 2次元マトリタス状に配置することにより、受光部の表面に結像された対象物体の画像が認識される。この形式の受光器は CCDとして公知である。

[0009] 本発明の背景を説明する第 2の特許文献として特開 2002-54994号「撮像装置、撮像表示システムおよび撮像印刷システム」を挙げることができる。特開 2002-549 94号において、集光器には球状レンズと導波路を使用して入射光を効率よく分光器に出力している。ここで、分光器には回折格子、プリズム、フォトニック結晶、あるいは酸化膜、誘電体膜、高分子膜等によって構成された膜フィルタを使用している。複数の受光器は、一枚のシリコン基板チップにより構成した CCDイメージングデバイスを使用して構成している。

[0010] 同上分光器では CIE色度図上で色度域を 4領域一 11領域に分割して対象物体の色を求め、対象物体の元の色とは異なった色信号が表示器側に出力されるという色再現上の制約を取り除こうとしている。このような、現在実現されているマルチバンド広色域カメラは具体的に 4枚以上の多数の色フィルタを使って対象物体の色のスぺタトル情報を取得し、これらのスペクトル力も物体の色を推定している。色のスペクトル分布は自然物体と人工物体とでは異なるので、このような色の推定は正確でない。更に、対象物体の色をスペクトル情報力算出するための演算量が大変多いのが問題である。

[0011] 本発明の背景を説明する第 3の特許文献として特開平 6— 261332号「多原色表示用原色変換方法」を挙げることができる。特開平 6— 261332号においては、 3原色表示用の信号を 3原色を越える多原色表示用の信号に変換する 2つの演算方法を提供して、る。この方式では入力された 3原色が CIE色度図上で、かなる位置にあるかを判定器により判定する。第 1の方法では判定結果によって変換される 3原色を越える多原色の中から 3つの色を選びだして、それらの一次結合を演算処理装置により生成する。第 2の方法では、判定結果によって変換される 3原色を越える多原色信号を、 3原色信号の一次結合としてすベて演算処理装置により求めて出力しておく。この多原色信号の中から 3つの色を選び出す。それ以外の色の出力が負になるときには、その出力を零にするとともに補正信号を用意し、上の選び出された 3つの原色信号の一次結合に対して補正信号を加算して出力する。 [0012] これらの多原色表示用原色変換方法では、演算処理に使用される一次結合の変数に仮定値を与えているため、変数値を与える具体的根拠と方法が現実に指定されないかぎり、具体的に動画用のカメラに実用されるのは不可能である。さらに、このままでは動画カメラのリアルタイムの要求も現実には満足されない。

[0013] 人の色域と等、色域をもつ動画を撮像することのできる動画用カメラは未だ存在していないが、人の色域についての解析は理論的に構築されている。例えば、エー. ェヌ.ネットラバリ，ビー.ジー.ハスケル著，「ディジタル画像」（プレナムプレス， 198 8年），第 1章：視覚情報の数値表現（A. N. Netravali and B. G. Haskell, "Digital Pictures , Plenum Press, 1988, Chapter 1: Numerical Representation of Visual Information)において、計算方式が要約して提示されている。スペクトルで表した色の 3つの刺激値は、色マッチング関数 (color matching fonction)と呼ばれる力この関数〔r( ), g( ), b (え）〕は与えられた 3原色に関する 3つの刺激値である。例えば、 3原色波長を 700. Onm(R ), 546. lnm(G ), 435. 8nm(B )としたときの、色

0 0 0

マッチング関数 (r (λ), g (λ), b (λ))を人の色域を表すものとして波長に対し

0 0 0

てプロットすることができる。

[0014] R G B を使用して CIE色度図上の XYZを求めれば、次の（1)式が成り立つ。

0 0 0

X=2. 365R -0. 515G +0.005B

0 0 0

Y=-0.897R +1.426G —0.014B (1)

0 0 0

Z=-0.468R +0.089G +1.009Β

0 0 0

次に、 XYZから R G B を求めれば（2)式が得られる。

0 0 0

R =0.490X+0. 177Y

0

G =0. 310X+0.813Y+0.01Z (2)

0

B =0. 200X+0.010Y+0. 990Z

0

[0015] 一般論として 3原色 (R G B (ベクトル)）の (X, Υ, Z (ベクトル)）刺激値座標をそ

0 0 0

れぞれ (X ， Y ， Z )、（X ， Y ， Z )、（X ， Y ， Z )とすれば、次のベクトルを

R0 R0 R0 GO GO GO B0 B0 B0

表す（3)式が得られる。

R =X X+Y Y+Z Z

0 R0 R0 R0

G =X X+Y Y+Z Z (3) B =X X+Y Y+Z Z

0 BO BO BO

なお、前記（3)式において、 R G B および X, Y, Zは、ベクトルである。同様にして

0 0 0

、刺激値 (R , G , B )および (X , Υ , Ζ )をもつ任意の色刺激値 C (ベクトル）

C C C C C C

は次の (4)式により与えられる。

C=R R +G G +B B =X X+Y Y+Z Z (4)

C O C O C O c c c

前記（4)式において、 C, R G B および X, Y, Zは、ベクトルである。基本的に演

0 0 0

算処理は前述の理論によって実現されるので、前記理論式と、人の視感度特性によつて動画用カメラを設計することになる。

特許文献 1：特願 2004 - 36937号

特許文献 2：特開 2002— 54994号公報

特許文献 3 :特開平 6— 261332号公報

非特許文献 1 :竹村裕夫著，「CCDカメラ技術入門」，コロナ社， 1997年

非特許文献 2：日本色彩学会：「新編色彩科学ハンドブック〔第 2版〕」 ,東京大学出版会， 1998年

非特許文献 3 :日本規格協会：「TRX0012 色再現評価用標準物体分光データべース（SOCS)」日本規格協会， 1999年

非特許文献 4:エー.ェヌ.ネットラバリ，ビー.ジー.ハスケル著，「ディジタル画像」（プレナムプレス， 1988年），第 1章：視覚情報の数値表現（A. N. Netravali and B. G. Haskell, "Digital Pictures , Plenum Press, 1988, chapter 1: Numerical

Representation of Visual Information)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0016] 解決しょうとする課題は、ルータ条件を満たすフィルタと比較して現実のフィルタでは分光特性に視感度上の色差が認められる点である。

[0017] 本発明による動画カメラが解決しょうとする問題点は、動画用カメラにおいて、人の色域とカメラの色域とが等しくないため、カメラ出力信号の表す色が物体のもつ色と一致しない点である。

[0018] 本発明の目的は、人の色域とカメラの色域とを等しくするのに適したフィルタを提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、人の色域とカメラの色域とを等しくするのに適した本件出願人の開発に係るフィルタを用いて、カメラ出力信号の表す色が物体のもつ色と一致させることができる人の色域と等しい色域をもつ動画カメラを提供することにある課題を解決するための手段

[0019] 本発明は、ルータ条件を満たすフィルタにおいて、各分光特性 (si, s2, s3)が負の値を持たない、単独ピークを持つ山形である上、それぞれの分光特性曲線のピーク値が等しぐかつ各分光特性曲線の重なりができるだけ少なくする条件力等価交換した特性をもつものを実現する手段である。

[0020] 前記目的を達成するために、本発明による動画カメラは、 CIEが定めた XYZ等色関数と下記の特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした 3枚の色フィルタを備え、これらの色フィルタを通過した光学像を光学センサで電気信号に変換することにより、得られた電気信号を簡易な構成の演算処理装置により処理して、対象物体の色につ!、ての色度値を得る動画カメラである。

記

特定マトリクス

S 1 (义） X

S2 ( A ) = y

S3 ( λ ) Z ( λ )

[0021] 本発明による請求項 3記載の動画カメラは、対象物体からの光学実像を入射して内部で光学投影像を形成するためのレンズ系と、前記レンズ系から入射した光ビームをそれぞれ等しい強度になるように 3分割して光出力を得るための光ビームスプリッタと、前記光ビームスプリッタの光出力に対応して設けられ、 CIEが定めた ΧΥΖ等色関数と前記特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした 3枚の色フィルタと、前記 3枚の色フィルタに対応して設けられ、内部走査により順次、光学像を電気像に変換するための 3枚の光学センサと、前記 3枚の光学センサの出力電気信号を入力して、人の色域と等しい映像信号を生成するための演算処理装置と、を具備して構成されている。

[0022] 本発明による請求項 4記載の動画カメラは、対象物体からの光学実像を入射して内部で光学投影像を形成するためのレンズ系と、前記レンズ系から入射した光ビームをそれぞれ等しい強度になるように 3分割して光出力を得るための第 1の光ビームスプリツタと、前記光ビームスプリッタの光出力に対応して設けられ、 CIEが定めた XYZ等色関数と前記特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした 3枚の色フィルタと、前記 3枚の色フィルタに対応して設けられ、前記各色フィルタの光出力を画素単位、または行単位あるいは列単位に 3原色よりなる色信号を空間分割して出力するための光マスクを備えた第 2の光ビームスプリッタと、前記第 2の光ビームスプリッタの光マスクに密着して設けられ、前記光マスクに対応して画素単位、または行単位あるいは列単位に空間分割の整列をとり、前記光出力の光学像を入力して順次、電気像に変換するための光学センサと、前記光学センサの出力電気信号を入力して、前記空間分割された電気信号から前記 SI , S2 , S3の分光特性に基づく映像信号に戻し、人の色域と等しい映像信号を生成するための演算処理装置と、を具備して構成されている。

[0023] 本発明による請求項 5記載の動画カメラは、対象物体からの光学実像を入射して内部で光学投影像を形成するためのレンズ系と、前記レンズ系の光出力に対応して設けられ、 3画素単位にマイクロブロックを形成し、前記マイクロブロック単位で空間分割され、 CIEが定めた XYZ等色関数と前記特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした 3枚の色フィルタと、前記分光感度に対応したマイクロブロックをもつ色フィルタに対応して密着して設けられ、内部走査により順次、光学像を電気像に変換するための光学センサと、前記マイクロブロック単位で空間分割された光学センサの出力電気信号を入力し前記 SI , S2 , S3の分光特性に基づく映像信号に戻し、人の色域と等しい映像信号を生成するための演算処理装置と、を具備して構成されている。

発明の効果

[0024] 本発明による前記フィルタで、得られたフィルタの分光特性に視感度上の色差のずれが認められないので、異なったカメラ間で色の相違が感じられず、色の再現性が良好になるという効果がある。

[0025] 現在までのところ、人と等、色域をもつ動画カメラは実現されてヽなヽが、本発明の動画カメラは、 3つの色フィルタにより分光情報を取り出すことにより、それらの理論計算により正確に色情報を得ることができるので、その演算処理はスペクトル情報から求めるものに比べて演算量が少なぐ動画を容易にリアルタイムで映像信号ィ匕できるという利点がある。

図面の簡単な説明

[0026] [図 1]フィルタの分光特性に要求される条件 1を満たす g 1 , g 2の範囲を示す説明図である。

[図 2]フィルタの分光特性に要求される条件 1, 2を満たす g , g の範囲を示す説明

1 2

図である。

[図 3]本発明による補正を実施しなヽで求めた総合分光特性を示す説明図である。

[図 4]本発明による 3つの色フィルタの特性を示すグラフである。

[図 5]人の色域に等 Uヽ色域をもつ動画カメラの基本原理を示す説明図である。

[図 6]3つの色フィルタを使った動画カメラの第 1の実施例を示す説明図である。

[図 7]1つの色フィルタを使った動画カメラの第 2の実施例を示す説明図である。

[図 8]動画カメラの第 2の実施例に使用する色フィルタの構成例を示す説明図である符号の説明

[0027] 1 レンズ系

2, 2，光ビームスプリッタ

3—5, 3" 色フィルタ

7—9, 7' , 7" 光学センサ

11, 11，, 11" 演算処理装置

21— 23 光マスク

発明を実施するための最良の形態

[0028] (分光フィルタの実施形態）特定の受像装置を想定しな! ルータ条件を満たす撮像装置の総合分光特性は第 1の条件として負をもたないこと、第 2の条件として単独のピークを持つこと、第 3の条件として総合分光感度同士の重なりが最小であること、の 3条件のもとで導出される。ここでは、最大値が最大となるバンドの最大値を 1. 0に規格化して計算を実行する。各バンドの等エネルギスペクトルに対する出力値が等しくなる条件で計算してヽる。

[0029] 受光素子の分光感度が、各波長領域でフラットな場合を考えてみる。このとき、最大値が 1であるような総合分光感度を実現するためには、一部のバンドで最大の分光透過率が低、フィルタを用いなくてはならなシャツタスピード等を各バンドで変えることができない、単版式の同時式のカラー撮像方式の場合には、入射光の有効利用という観点では好ましくない。そこで、最大値を 1. 0にする条件で解き直す必要がある。解き方としては、条件 1, 2までは全く同じで、条件 3を求める際に最大値を規格化して計算を実行する。

[0030] CIEXYZ等色関数には 360— 830nmまで、 lnmごとにデータが与えられているものを用いる。このため、本来、 CIEXYZ等色関数で成立する、等エネルギスペクトルに対する三刺激値 ( λ ) , V ( λ ) , ^ ( λ ) が等しいという条件が成立しない。そこで、式 (5) ,式 (6)に示すように規格化する。

J Γ vi . x(X) d\ + f . y(X)dX

s 、 ' J vis + J Γ vi .s ^ίλ^ ' λ ― ττ^ f ~ (λ)

二 ( 6 , (入)— (λ)

[0031] 求める総合分光特性 S ( )は、変換の係数を g — g とすると、式（7)のようになる 5(λ)=^^(λ)+₅₂^(λ)+ ₃^

[0032] ：で、 S ( λ )は式 (4)のように規格されて！、るものとする。

[0033] 式 (6),式（7)および式 (8)より式（9)が成立する。

[0034] ここで、 ρ(λ), q( ), r( )を、式（10)—（12)のように定義する。 ρ(λ) = x'\A \ ― Z^! ( 1 0)

一 z^f(X)

W ( 1 2) 式（5)および式（10)—（12)から、式（7)は式（13)となる。

S(l)=g p(l)+g α(λ)+ν(λ) (13)

1 2

[0035] 条件 1を満たすためには、全波長領域で S ( λ ) >0であればょ、。これを満たす g , g の範囲を図 1に示す。次に、条件 1を満たす g , g の範囲のうち、条件 2を満た

2 1 2

す範囲を図 2に示す。なお、条件 2が満たされる場合には、条件 1は重要ではないことが図 2,図 3から示される。

[0036] ルータ条件を満足させる撮像装置の総合分光特性を求める手法は、式 (8)に示すように等エネルギスペクトルに対する出力値を規格ィ匕して求めて、る。このようにした場合、図 3に示すように、各バンドの最大値が揃わない。ここで、条件 1, 2を満たす総合分光特性の最大値を、ある値に規格化するとする。規格化後の総合分光特性を S '(え），規格化する係数をひとする。規格ィ匕した総合分光感度は式（14)のようになる oたたし、 g = ag , g = ag

1 1 2 2とする。

S' (λ) = aS(l) = a {g p(l)+g 'q(l)+r(l)}

1 2

= g 'p(l)+g 'q(l) + ar(l) (14) [0037] 規格化前の最大値と規格化後の最大値が一致する場合、つまり α = 1.0となる場合を除いて、等エネルギスペクトルに対する出力値を一定にする。条件 1, 2を満たす係数 g , g の範囲に、規格ィ匕後の係数 g ', g 'が存在することはない。

1 2 1 2

[0038] 総合分光特性同士の重なりを最小にする条件は、式（15)に示す目的関数 Fを最

/J、〖こすること〖こより満たされる。ここで、 S ' (λ) (i 3)は、選んだ総合分光特性であり、 ' ( X )≠S ' ( X ) , S ' ( X )≠S ' ( X ) , S ' ( X )≠S '(え）である。なお、総

1 2 2 3 3 1

合分光特性同士の重なりは、有効なビット利用に関連している。つまり、総合分光特性同士の重なりが大きいほど、使われないビットの組み合わせを増カロさせることになる。

F = ( 1 5)

[0039] 条件 1, 2を満たし、条件 3を比較的よく満たす係数の組み合わせを表 3に示す。式

(6)を考慮して変換式を求めると、式（16)のようになる。

[表 3]

^Γ gi¹ 9 ¹ 9Z¹

0.511482 0.609669 -0.109322

S2¹ -0.386657 1.160152 0.075392

s,¹ 0-0 0.0 0.560971

[0040] 求めた総合分光特性を図 4に示す。図 4において、分光特性は次の表 4に示すピ一クの値をもつ。

[表 4] カーブピーク波長半値幅 1ノ〗 0幅

s i 582腿 523-629nm 491-663脑

s 2 543nm 506-589nm 464-632nm

S 3 446腿 423-478nm 409-508nm

[0041] 次に、総合分光特性のずれにつ!、て計算結果を記述する。分光特性が右 (または左）に 5nmずれた場合の、再現される色の色差についての計算結果を理想的な色差の理論特性と比較すると 2— 3倍になる可能性があることがわ力つた。すなわち、総合分光特性の各バンドを 5nmずつ左右にシフトした場合、 SOCSデータベースの calibカテゴリを除く全データについて lnmごとに補完し、 D65光源下における（CIE LAB色空間での）平均色差を求めたものを表 5に示す。同表では、量子化しない（理論値）と 12bits (線形とする）で量子化した場合の差を示したもので、 XYZに変換するマトリクスは、もとと同じ物を用いている。

[表 5]

[0042] 以上詳しく説明した実施例につ!ヽて、本発明の範囲で種々の変形を施すことができる。実施例としてマトリクス変換式（12)による場合を示した力必ずしもこのような線形変換によらない変換を行なってもよい。非線形変換を積極的に排除する趣旨で変換マトリクスを示したのではな、。

[0043] (動画カメラの実施形態）

本発明による装置は、人の色域と等ヽ色域をもつ動画用カメラを実現するとヽぅ目的を、必要最小限の 3つの色フィルタ (前述の分光特性 SI , S2 , S3 )により分光情報を取り出し、これらの分光情報を使うことにより少な、演算量で容易にリアルタイムで動画を映像信号ィ匕した。実施例の説明の前に、本願発明で用いる色フィルタ〖こついて説明する。

[0044] 図 4は、本発明による装置で使用する色フィルタの分光特性を示すグラフである。

図中の SI , S2 , S3は、 CIEが定めた XYZ等色関数と前述の特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした 3枚の色フィルタの特性をそれぞれ示している。 S1は、ピーク波長が 582nmで、 1Z2幅力 23— 629nm, 1/1 0幅力 91一 663nmである。 S2は、ピーク波長が 543nmで、 1Z2幅力 06— 589 nm, 1/10幅力 64— 632nmである。 S3は、ピーク波長が 446nmで、 1/2幅が 4 23— 478nm, lZlO幅力 09— 508nmである。なお、前記分光特性は、それぞれのピーク波長が 4nm, 3nm, 7nmの範囲で移動しても実質的に画質は損なわれない。

[0045] 図 5は、本発明による動画カメラの原理的構成を示すブロック図である。動画カメラはレンズ系 1と、光ビームスプリッタ 2と、前述の 3つの色フィルタ 3— 5 (SI , S2 , S3 の特性をもつフィルタ以下同様）と、 3つの光学センサ 7— 9と、演算処理装置 11とを備えて構成したものである。レンズ系 1は対象物体 12からの入射光を、光ビームスプリツタ 2を介して光学センサ 7— 9の表面に結像させ、その倒立像をセンサ 7— 9の光電変換面上に生成する。色フィルタ 3— 5はそれぞれ異なった波長域の、 CIEが定めた XYZ等色関数と特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度に等、波長域成分の光ビームを通過させる。光ビームスプリッタ 2は単純な構成例を示した力各色フィルタ 3— 5に入射する光パワーの比が明確である必要がある。 3 つの光学センサ 7— 9は入射光に対して光電変換を行、、対象物体 12に対応した投影像をその光電変換面上に形成する。光学センサ 7— 9はそれぞれ CCDイメージングデバイスなどの広い色域に対して十分な感度特性をもつものとする。

[0046] 3つの光学センサ 7— 9から得られた、それぞれ異なった色フィルタ 3— 5に対応する色域の実像の映像信号は、それぞれ演算処理装置 11に入力される。演算処理装置 11は高速で動作し、対象物体 12の色についての色度値をリアルタイムで得る。演算処理装置 11による演算は、例えば、エー.ェヌ.ネットラバリ，ビー.ジー.ノ、スケル著，「ディジタル画像」（プレナムプレス， 1988年)，第 1章:視覚情報の数値表現 (A. N. Netravali and B. G. Haskell, "Digital Pictures", Plenum Press, 1988, Chapter 1: Numerical Representation of Visual Information)【こ記載の方法【こ従った、目 ij 己十算方式と理論的概念によって計算される。

[0047] 以上の説明を要約すると、本発明による動画カメラを小型、軽量ィ匕して実現するには、具体的に次の第 1、または第 2の方式を採用する。

[0048] 図 6は、本発明による動画カメラの一実施例を示すブロック図である。図 6において、 1は光学系、 2は光ビームスプリッタ、 3— 5はそれぞれ色フィルタ、 2'は第 2の光ビ一ムスプリッタ、 7，は光学センサ、 11，は演算処理装置である。第 2の光ビームスプリッタ 2，には、各フィルタ 3— 5の出力光が CCDイメージングデバイスのマトリクスアレイの画素単位、または行あるいは列単位に対応したマスク 21— 23を備えていて、 CC Dイメージングデバイス等により成り立つ光学センサ 7'に対して空間分割を行う。したがって、前記構成によって分光された光ビームが前記マスクに密着した光学センサ 7 '上に入力され、分光された光学像が形成される。前記画素単位の分割を実現する方法には CRTで公知のシャドウマスクがあり、行単位あるヽは列単位の分割を実現する方法には単板式 CCDカメラで公知のストライプフィルタがある。

[0049] 第 1の方式では、レンズより成る光学系 1を通して得られた光学像を光ビームスプリッタ 2によってさらに 3方向に分配し、それぞれの光路上に 3つの異なった波長域特性をもった色フィルタ 3— 5に挿入する。それぞれの色フィルタ 3— 5を通った 3つの光学像を第 2の光ビームスプリッタ 2，によって集め、ひとつのセンサ 7，上に空間分割等の方法で、順次結像させる。光学センサ 7'から得られた映像信号に対し演算処理装置 11 'により必要な演算を施し、 SI , S2 , S3の分光特性に基づく信号を得る。このとき、第 2の光ビームスプリッタ 2'および光センサ 7'には空間分割を実現するためのマスク 21— 23を備えている。したがって、このカメラ方式では空間解像度は犠牲になる。レジストレーシヨンを除けば比較的容易に実現でき、リアルタイム性も実現できる。

[0050] 図 7は、本発明による光色域動画カメラの他の実施例を示すブロック図である。図 7 において、 1は光学系、 3"は 3つの画素をひとつのマイクロブロックとしてそれぞれ異なった波長域特性をもった色フィルタ、 7"は CCDイメージングデバイス等のマトリクスアレイより成り立つ光学センサ、 11"は演算処理装置である。図 7の色フィルタ 3"では、 3つの画素のひとつに対応して CIE色度図上の異なった 3つの波長域特性をもつ色フィルタ膜を空間分割により形成してある。したがって、たとえば、ひとつのマイクロブロックの各セグメントの波長域特性は、 CIEが定めた XYZ等色関数と特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度の!/、ずれかである。図 8は色フィルタの詳細な構成の実施例を示す説明図である。

[0051] 第 2の方式では、光学センサ 7"の直前におかれたタイル状に並んだ 3つの色フィルタセグメント（この実施例では SI , S2 , S3のストライプのくりかえし）を通して光学センサ 7"により画像信号を取得し、これに前記（1)一（4)式にもとづいた適切な演算を行って SI , S2 , S3の分光特性に基づく信号を得る。通常の RGBカメラでは RGB の色フィルタが光学センサの直前におかれて!/、る。この色フィルタを CIEが定めた X YZ等色関数と特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度特性をもつフィルタ 3つと置き換えることで前記構成が実現できる。従来のカメラと同様に小型でリアルタイムの実現ができる方法である。

[0052] 原理的には次の方法もある。すなわち、カメラの光学センサの直前に 3つのフィルタを配置した円盤を回転させて光学像を電気信号に変換する。時間的に異なる 3つの画像信号を演算して、ひとつの画像信号を得る。このフィルタを回転させる方法は色彩輝度計などに使われている力 1枚の画像を取得するために時間がかかり、動画像の取得には向かない。

[0053] 前述したように対象物体の色情報を 3つの色フィルタと演算処理装置により広、色域の画像情報を取得することもできる。

[0054] 以上詳しく説明した実施例について、本発明の範囲内で種々の変形を施すことができる。使用フィルタとして特定マトリクスによる場合を示した力必ずしもこのような線形変換によらない変換を行なった場合であっても、段落 (0044)に示す範囲内にあるものは、実質的に特定マトリクスに基づくものと解されるべきであり、マトリクス変換以外の変換を排除する趣旨ではない。

産業上の利用可能性

[0055] CCDを撮像素子としたカメラ装置は安定性、信頼性が高ぐ家庭用のみならず産業用、保安用、その他のあらゆる分野に利用されている。こうした分野では正確な色情報の取得や異なったカメラ間で色差が認められないことが強く求められるので、本発明のフィルタはこうした要求を満たすものとして広い利用が期待される。

人の色域と等しい色域をもつ動画カメラの用途は極めて広ぐ例えば人間に代わる役目をするロボット、手術などの外科医療現場、絵画のような美術品、その他、人の感性や視覚が求められる分野で利用が期待される。

Claims

請求の範囲

[1] 各分光特性 (SI , S2 , S3 )が CIE— XYZ分光特性から、負の値を持たない、単独ピークを持つ山形であり、それぞれの分光感度曲線のピーク値が等しぐかつ分光感度曲線のピーク値が等しく分光感度の曲線の重なりはできるだけ少なくするといぅ条件力等価変換した略下記の特性をもつフィルタ。

記

ピーク波長半値幅 1Z10幅

51 582nm 523— 629nm 491— 663nm

52 543nm 506— 589nm 464— 632nm

53 446nm 423— 478nm 409— 508nm

[2] 分光特性 SIのピーク波長が 580±4nm、分光特性 S2のピーク波長が 543± 3n m、分光特性 S3のピーク波長が 446 ± 7nmの範囲で移動しても実質的に画質を損なわな、ことを特徴とするフィルタ。

[3] 対象物体力ゝらの光学実像を入射して内部で光学投影像を形成するためのレンズ系と、

前記レンズ系から入射した光ビームをそれぞれ等、強度になるように 3分割して光出力を得るための光ビームスプリッタと、

前記光ビームスプリッタの光出力に対応して設けられ、 CIEが定めた XYZ等色関数と下記特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした 3枚の色フィルタと、

前記 3枚の色フィルタに対応して設けられ、内部走査により順次、光学像を電気像に変換するための 3枚の光学センサと、

前記 3枚の光学センサの出力電気信号を入力して、人の色域と等しい映像信号を生成するための演算処理装置と、

を具備し、人の色域と等しい色域をもつ動画カメラ。

記

特定マトリクス S I ( A )

S2 ( A )

S3 (え）

[4] 対象物体力ゝらの光学実像を入射して内部で光学投影像を形成するためのレンズ系と、

前記 3枚の色フィルタに対応して設けられ、前記各色フィルタの光出力を画素単位、または行単位あるいは列単位に 3原色よりなる色信号を空間分割して出力するための光マスクを備えた第 2の光ビームスプリッタと、前記第 2の光ビームスプリッタの光マスクに密着して設けられ、前記光マスクに対応して画素単位、または行単位あるいは列単位に空間分割の整列をとり、前記光出力の光学像を入力して順次、電気像に変換するための光学センサと、

前記光学センサの出力電気信号を入力して、前記空間分割された電気信号から下記 SI , S2 , S3の分光特性に基づく映像信号に戻し、人の色域と等しい映像信号を生成するための演算処理装置と、

を具備し、人の色域と等しい色域をもつ動画カメラ。

記

特定マトリクス

[5] 対象物体力ゝらの光学実像を入射して内部で光学投影像を形成するためのレンズ系と、前記レンズ系の光出力に対応して設けられ、 3画素単位にマイクロブロックを形成し、前記マイクロブロック単位で空間分割され、 CIEが定めた XYZ等色関数と下記特定マトリクスに示された関係で線形変換して得られる分光感度を基にした 3枚の色フィルタと、前記分光感度に対応したマイクロブロックをもつ色フィルタに対応して密着して設けられ、内部走査により順次、光学像を電気像に変換するための光学センサと前記マイクロブロック単位で空間分割された光学センサの出力電気信号を入力し下記 SI , S2 , S3の分光特性に基づく映像信号に戻し、人の色域と等しい映像信号を生成するための演算処理装置と、

を具備し、人の色域と等しい色域をもつ動画カメラ。

記

特定マトリクス

S 1 ( A ) X

S2 ( ) y U )

S3 ( ) z ( λ )