(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
異なる露光条件、異なるゲイン制御の少なくとも何れか１つによって、標準的な明るさの被写体が適正レベルとなるようにして得た標準輝度映像信号と、所定値より明るい被写体が適正レベルとなるようにして得た高輝度映像信号を加算し、広ダイナミックレンジ映像信号を得る場合、上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号のそれぞれのヒストグラムを検出し、当該ヒストグラムに基づき算出した上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号のそれぞれの非線形処理係数により上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号をそれぞれ非線形処理し、それぞれ所定の乗算係数を乗算した後に加算することにより、広ダイナミックレンジ映像信号を得ることを特徴とする信号処理方法。
【請求項２】
異なる露光条件、異なるゲイン制御の少なくとも何れか１つによって、標準的な明るさの被写体が適正レベルとなるようにして得た標準輝度映像信号と、所定値より明るい被写体が適正レベルとなるようにして得た高輝度映像信号を加算し、広ダイナミックレンジ映像信号を得る場合、上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号のそれぞれのヒストグラムを検出する手段と、当該ヒストグラムに基づき上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号のそれぞれの非線形処理係数を演算する手段と、当該算出したそれぞれの非線形処理係数により上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号をそれぞれ非線形処理する手段と、非線形処理された上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号にそれぞれ所定の乗算係数を乗算した後に加算する手段とを有し、広ダイナミックレンジ映像信号を得ることを特徴とする信号処理装置。
【請求項３】
請求項２において、非線形処理を、ガンマ処理としたことを特徴とする信号処理装置。
【請求項４】
請求項２または３において、当該信号処理装置をテレビジョンカメラシステムに適用したことを特徴とする信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ダイナミックレンジの広い映像信号を得ることのできる信号処理方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、テレビジョンカメラ装置では、撮像素子の電荷蓄積容量による制限から約４倍のダイナミックレンジが限界であった。  従って、室内から室外を撮影する時など、極めて明るい（高輝度）被写体と比較的暗い（低輝度）被写体が混在するような場面を撮像する場合、高輝度被写体か低輝度被写体の何れかが適正レベルで得られるよう露光時間等を制御していたため、低輝度部分を適正レベルとすると高輝度部分が白とびし、高輝度部分を適正レベルとすると低輝度部分が黒つぶれしてしまうことになる。
近年、上記問題を解決するために、図８に示すような、垂直映像期間に通常の露光時間で電荷を蓄積する動作と、垂直ブランキング期間に短い露光時間で電荷を蓄積する動作を行うことで、通常露光によって標準的な明るさの被写体が適正レベルで得られる標準輝度映像信号Ｖ１と、短露光により極めて明るい被写体が適正レベルで得られる高輝度映像信号Ｖ２を取出すことが可能な広ダイナミックレンジ撮像素子が開発されている。  また、図９に示す様な、撮像素子１１から得られる映像信号Ｃを、増幅率の異なる増幅回路１２と増幅回路１３でそれぞれ増幅することによって、標準輝度映像信号Ｖ１と高輝度映像信号Ｖ２を取り出すデュアル増幅方式などが開発されている。
図１０に示す様に、これら広ダイナミックレンジ撮像素子やデュアル増幅方式により取り出された標準輝度映像信号Ｖ１と高輝度映像信号Ｖ２に、後述の加算割合Ｒに基づいて、乗算係数演算回路７’で算出した固定の乗算係数Ｌ，Ｓを、それぞれ乗算回路８’，９’で乗算した後、加算回路１０’で加算することにより、ダイナミックレンジ約６４倍の広ダイナミックレンジ映像信号Ｗが得られるテレビジョンカメラ装置が開発されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、得られた広ダイナミックレンジ映像信号Ｗにおいて、高輝度映像信号Ｖ２が占める最大の割合である加算割合ＲをＲ％、標準輝度映像信号Ｖ１の乗算係数をＬ、高輝度映像信号Ｖ２の乗算係数をＳとすると、乗算係数Ｌ，Ｓは下記式のように、固定の係数となる。
Ｌ＝（１００％−Ｒ％）／１００％
Ｓ＝Ｒ％／１００％
上記式から分かるようにＬ＋Ｓ＝１である。  これは標準輝度映像信号Ｖ１と高輝度映像信号Ｖ２が、それぞれ最大の入力レベルである１００％レベルが入力された場合でも、加算後の信号レベルが１００％×Ｌ＋１００％×Ｓ＝１００％となり、広ダイナミックレンジ映像信号Ｗが１００％レベル以内に収まるようにするためである。
つまり、加算後の信号レベルが１００％を越えると、カメラ装置の最終出力が１００％に規制されており、１００％以上の信号成分は、１００％に圧縮されてしまい白つぶれとなり、広いダイナミックレンジの映像信号が取り出せなくなるからである。
ここで、加算割合Ｒ＝５０とし、標準輝度映像信号Ｖ１と高輝度映像信号Ｖ２が、５０％：５０％で加算される、即ち、Ｌ＝０．５、Ｓ＝０．５の場合を考えると、図１１から分かるように、標準的な明るさの被写体が適正レベルで得られる標準輝度映像信号Ｖ１が、１００％レベルから５０％レベルに圧縮されてしまいコントラストの低い映像となる問題がある。
本発明はこれらの問題点を除去し、標準輝度映像信号と高輝度映像信号の加算後の広ダイナミックレンジ映像信号を損失無く、かつ最適なレベルで得ることのできる広ダイナミックレンジ撮像装置の実現を目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、異なる露光条件、異なるゲイン制御の少なくとも何れか１つによって、標準的な明るさの被写体が適正レベルとなるようにして得た標準輝度映像信号と、所定値より明るい被写体が適正レベルとなるようにして得た高輝度映像信号を加算し、広ダイナミックレンジ映像信号を得る場合、上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号のそれぞれのヒストグラムを検出し、当該ヒストグラムに基づき算出した上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号のそれぞれの非線形処理係数により上記標準輝度映像信号と上記高輝度映像信号をそれぞれ非線形処理し、それぞれ所定の乗算係数を乗算した後に加算することにより、広ダイナミックレンジ映像信号を得るようにしたものである。
また、上記非線形処理を、ガンマ処理とし、広ダイナミックレンジな映像信号のレベル分布が最適になるようにしたものである。
その結果、標準輝度被写体と高輝度被写体を加算して得られる映像信号を損失無く、かつ最適なレベル分布で得ることができ、ダイナミックレンジの広い映像信号が取り出し可能になる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例として、通常露光等によって標準的な明るさの被写体が適正レベルで得られるように制御された標準輝度映像信号と、短露光等により極めて明るい被写体が適正レベルで得られるように制御された高輝度映像信号を加算処理し、広ダイナミックレンジ映像信号を得るテレビジョンカメラ装置における加算処理部分の構成及び動作を図１を用い説明する。
１は標準的輝度の被写体が適正レベルとなる露光条件により取り出された標準輝度映像信号Ｖ１からヒストグラム信号Ｈ１を検出する回路、２は高輝度被写体が適正レベルとなる露光条件により取り出された高輝度映像信号Ｖ２からヒストグラム信号Ｈ２を検出する回路。  ３はヒストグラム信号Ｈ１から標準輝度映像信号Ｖ１を非線形処理するための非線形係数Ｇ１を演算する非線形係数演算回路、４はヒストグラム信号Ｈ２から高輝度映像信号Ｖ２を非線形処理するための非線形係数Ｇ２を演算する非線形係数演算回路。  ５は標準輝度映像信号Ｖ１を非線形係数Ｇ１で非線形処理し標準輝度映像信号Ｉ１を出力する非線形処理回路、６は高輝度映像信号Ｖ２を非線形係数Ｇ２で非線形処理し高輝度映像信号Ｉ２を出力する非線形処理回路。  ７は広ダイナミックレンジ映像信号Ｗにおいて高輝度映像信号Ｖ２が占める最大の割合を決定する加算割合Ｒに基づき、標準輝度映像信号Ｉ１の乗算係数Ｌと高輝度映像信号Ｉ２の乗算係数Ｓとを演算する乗算係数演算回路。  ８は標準輝度映像信号Ｉ１に乗算係数Ｌを乗算し標準輝度映像信号Ｏ１を出力する乗算回路、９は高輝度映像信号Ｉ２に乗算係数Ｓを乗算し高輝度映像信号Ｏ２を出力する乗算回路。  １０は標準輝度映像信号Ｏ１と高輝度映像信号Ｏ２を加算し広ダイナミックレンジ映像信号Ｗを出力する加算回路である。
【０００６】
以下、この動作について、非線形処理としてガンマ処理を例にして説明する。まず、標準輝度映像信号Ｖ１は、ヒストグラム検出回路１に入力され、標準輝度映像信号Ｖ１のヒストグラム値Ｈ１が検出される。  ここで、該ヒストグラム値Ｈ１とは、図２に示すように、１フィールドの標準輝度映像信号Ｖ１中において例えば、信号レベルが１０〜４０％レベルの信号がどのぐらいの割合で含まれているか、即ち、１０〜４０％レベルの画素が、いくつあるかを表すものである。なお、ここでは、ガンマ処理で重要となる１０％〜４０％レベルのヒストグラム値を検出したが、このレベル範囲に限定されるものではない。  また、ここでは特定の範囲からヒストグラムを得る方法を例にしているが、これに限定されず、細かいヒストグラムの相関からも取得できる。
次に、ヒストグラム検出回路１で検出されたヒストグラム値Ｈ１は非線形係数演算回路３に入力され、ここで、図３に示す様に、ヒストグラム値Ｈ１が所定値Ｘより大きい場合は、例えば、０．３のガンマ係数Ｇ１が、所定値Ｘより小さい場合は、０．４５（標準）のガンマ係数Ｇ１が出力される。  即ち、特定のレベル範囲に存在する信号部分（総画素数）が所定値より多くなると、ガンマ係数Ｇ１が小さくなるように制御される。  つまり、１画面中に多く存在する信号レベルの部分のレベル配分が多くなるように、ガンマ係数Ｇ１が適正値に制御される。
なお、本説明では、ガンマ係数Ｇ１を、０．３と０．４５の２種類としたが、これに限定されず、多種類から選択できるようにテーブル選択としても同様の処理となる。
【０００７】
次に、非線形係数演算回路３で演算された適正値のガンマ係数Ｇ１は、非線形処理回路５に入力され、ここで、標準輝度映像信号Ｖ１にガンマ係数Ｇ１によるガンマ処理（Ｉ１＝Ｖ１Ｇ１）が施され、図４に示すようにガンマ補正された標準輝度映像信号Ｉ１を出力する。
ここで、図５に示すように、標準輝度映像信号Ｖ１が４０％レベルの場合は、Ｇ１＝０．４５では、標準輝度映像信号Ｉ１は６６％レベルとなり、Ｇ１＝０３では、標準輝度映像信号Ｉ１は７６％となる。  即ち、ガンマ係数Ｇ１が小さい程、低輝度レベル側の階調へ割付けられる度合が増し、コントラストが上がる。一方、高輝度映像信号Ｖ２も、標準輝度映像信号Ｖ１と同様に、ヒストグラム検出回路２に入力され、ここで、高輝度映像信号Ｖ２中で所定レベル範囲にあるヒストグラム値Ｈ２が検出される。
ヒストグラム検出回路２で検出されたヒストグラム値Ｈ２は、非線形係数演算回路４に入力され、ここで、ヒストグラム値Ｈ２に応じた適正なガンマ係数Ｇ２が演算される。
非線形係数演算回路４で演算された当該ガンマ係数Ｇ２は、非線形処理回路６に入力され、ここで、高輝度映像信号Ｖ２に、ガンマ係数Ｇ２によるガンマ処理（Ｉ２＝Ｖ２Ｇ２）が施され、図４に示すように適正ガンマ補正された高輝度映像信号Ｉ２を出力する。
【０００８】
次に、乗算係数演算回路７では、入力される加算割合Ｒに基づき、乗算係数Ｌとして、（１００％−Ｒ％）／１００％を、乗算係数Ｓとして、Ｒ％／１００％を算出し、出力する。
乗算係数演算回路７で演算された、乗算係数Ｌは乗算回路８へ、乗算係数Ｓは乗算回路９へ入力され、乗算回路８で標準輝度映像信号Ｉ１と乗算係数Ｌが乗算され、標準輝度映像信号Ｏ１が出力される。  同様に、乗算回路９で高輝度映像信号Ｉ２と乗算係数Ｓが乗算され、高輝度映像信号Ｏ２が出力される。
そして、乗算後の標準輝度映像信号Ｏ１と高輝度映像信号Ｏ２は加算回路１０で加算され、広ダイナミックレンジ映像信号Ｗが出力される。
以上述べた如く、映像信号の所定レベル範囲のヒストグラムに応じ、標準輝度映像信号と高輝度映像信号のガンマ処理におけるガンマ係数をそれぞれ可変し、加算処理を行うことで、標準輝度映像信号と高輝度映像信号が最適なレベル配分で加算された広ダイナミックレンジ映像信号を得ることができる。
【０００９】
以上の実施例では、非線形処理の説明をガンマ処理の例で説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、図６に示すように、線形処理とガンマ処理を組合せた、下記の条件演算式に示すような、標準輝度映像信号Ｉ１の演算処理を行うようにしても良い。
Ｉ１＝Ｙ×（Ｖ１≦Ｘ）＋（（Ｖ１−Ｘ）Ｇ１＋Ｙ）×（Ｖ１＞Ｘ）
また、図７に示すように、複数のガンマ処理を組合せた、下記の条件演算式に示すような、標準輝度映像信号Ｉ１の演算処理を行うようにしても良い。
Ｉ１＝Ｖ１Ｇ１×（Ｖ１×Ｙ／Ｘ）×（Ｖ１≦Ｘ）＋Ｖ１Ｇ１×          （Ｙ＋Ｖ１×（１００％−Ｙ）／（１００％−Ｘ））×（Ｖ１＞Ｘ）
このような、様々な非線形処理により、所望のレベル範囲の映像信号に対して割付けられる階調の度合いを増すことができ、標準輝度映像信号のコントラストを更に上げることができる。
以上述べた如く、映像信号の所定レベル範囲のヒストグラムに応じ、標準輝度映像信号と高輝度映像信号の非線形処理における非線形係数をそれぞれ可変し、加算処理を行うことで、標準輝度映像信号と高輝度映像信号が最適なレベル配分で加算された広ダイナミックレンジ映像信号を得ることができる。
【００１０】
【発明の効果】
本発明によれば、映像信号の所定レベル範囲のヒストグラムに応じ、標準輝度映像信号と高輝度映像信号の非線形処理における非線形係数をそれぞれ可変して加算することにより、得られる広ダイナミックレンジ映像信号を損失無く、かつ最適なレベルで得ることができ、ダイナミックレンジの広い映像信号を取り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の広ダイナミックレンジ撮像装置の加算処理構成を示すブロック図
【図２】本発明のヒストグラム検出回路１，２の動作を説明する図
【図３】本発明の非線形係数演算回路３，４の動作を示すフローチャート
【図４】本発明の広ダイナミックレンジ撮像装置の加算処理動作を示す模式図
【図５】本発明の非線形処理回路５，６の動作を示す模式図
【図６】本発明の非線形処理回路５，６の動作を示す模式図
【図７】本発明の非線形処理回路５，６の動作を示す模式図
【図８】従来の広ダイナミックレンジ撮像装置の動作を示す模式図
【図９】従来の広ダイナミックレンジ撮像装置の構成を示すブロック図
【図１０】従来の広ダイナミックレンジ撮像装置の構成を示すブロック図
【図１１】従来の広ダイナミックレンジ撮像装置の動作を示す模式図
【符号の説明】
１，２：ヒストグラム検出回路、３，４：非線形係数演算回路、５，６：非線形処理回路、７：乗算係数演算回路、８，９：乗算回路、１０：加算回路、Ｖ１：標準輝度映像信号、Ｖ２：高輝度映像信号、Ｉ１：非線形処理後の標準輝度映像信号、Ｉ２：非線形処理後の高輝度映像信号、Ｏ１：乗算後の標準輝度映像信号、Ｏ２：乗算後の高輝度映像信号、Ｈ１，Ｈ２：ヒストグラム信号、Ｇ１，Ｇ２：非線形係数、Ｒ：加算割合、Ｌ，Ｓ：乗算係数、Ｗ：広ダイナミックレンジ映像信号。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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