(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子の露光量を制御する露光制御装置であって、
前記撮像素子の出力輝度情報から最適露光量変化分を求める手段と、
前記最適露光量変化分に、現露光量を前記撮像素子が取り得る最大露光量で除した値を乗じて、補正最適露光量変化分を求める手段と、
前記補正最適露光量変化分を現露光量に加えて最適露光量を求める手段と、
前記最適露光量に応じた露光時間を求める手段と、
前記露光時間を前記撮像素子に設定する手段と、
を有することを特徴とする露光制御装置。
【請求項２】
前記撮像素子の出力輝度情報を１フレーム分ずつ加算して、フレーム毎の輝度総和を得る手段を更に有し、
前記最適露光量変化分を求める手段は、フレーム毎に、前記輝度総和と予め定めた目標値との差分から前記最適露光量変化分を算出することを特徴とする請求項１記載の露光制御装置。
【請求項３】
前記最適露光量変化分は、次式、
updata＝Ｋｐ＊（error−error１）＋Ｋｉ＊error
＋Ｋｄ＊（(error-error１)−（error１−error２））
updata；最適露光量変化分
error；現フレームの輝度総和と目標値との差分
error１；１フレーム前の輝度総和と目標値との差分
error２；２フレーム前の輝度総和と目標値との差分
Ｋｐ，Ｋｉ，Ｋｄ；係数
から算出することを特徴とする請求項２記載の露光制御装置。
【請求項４】
前記撮像素子の出力輝度情報について、フレーム毎の輝度ヒストグラムを生成する手段を更に有し、
前記最適露光量変化分を求める手段は、フレーム毎に、前記輝度ヒストグラムから、明るい輝度の画素の個数の総和と暗い輝度の画素の個数の総和を得、両者の差分から前記最適露光量変化分を算出することを特徴とする請求項１記載の露光制御装置。
【請求項５】
前記最適露光量変化分は、次式、
updata＝Ｋｐ’＊（error−error１）＋Ｋｉ’＊error
＋Ｋｄ’＊（(error-error１)−（error１−error２））
updata；最適露光量変化分
error；現フレームの明るい輝度の画素の個数の総和と暗い輝度の画素の個数
の総和の差分
error１；１フレーム前の明るい輝度の画素の個数の総和と暗い輝度の画素の個数
の総和の差分
error２；２フレーム前の明るい輝度の画素の個数の総和と暗い輝度の画素の個数
の総和の差分
Ｋｐ’，Ｋｉ’，Ｋｄ’；係数
から算出することを特徴とする請求項４記載の露光制御装置。
【請求項６】
前記補正最適露光量変化分を求める手段は、前記最適露光量変化分に、現露光量を前記撮像素子が取り得る最大露光量で除した値を乗じ、さらに所定の係数を乗じて補正最適露光量変化分を算出する、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の露光制御装置。
【請求項７】
前記最適露光量が前記撮像素子が取り得る最大露光量を超えた場合に、該超えた大きさに応じて増加するように前記撮像素子のゲインを決定すると共に、前記最適露光量から前記ゲインの増加分を除いた露光量を算出する手段を更に有し、
前記最適露光量に応じた露光時間を求める手段では、前記ゲインの増加分を除いた露光量に応じた露光時間を算出し、
前記露光時間を前記撮像素子に設定する手段では、前記ゲインの増加分を除いた露光量に応じた露光時間と、前記決定されたゲインと前記撮像素子に設定する、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の露光制御装置。
【請求項８】
前記ゲインの決定と露光量を算出する手段は、
前記最適露光量が前記撮像素子で必要とする最小露光量以下の場合には、ゲインを１とし、前記露光量を前記最小露光量とし、
前記最適露光量が前記最大露光量のＮ倍（Ｎは２以上の整数）を超えた場合には、ゲインをＮとし、前記露光量を前記最大露光量とする、
ことを特徴とする請求項7に記載の露光制御装置。
【請求項９】
撮像素子の露光量を制御する露光制御方法であって、
前記撮像素子の出力輝度情報から最適露光量変化分を求めるステップと、
前記最適露光量変化分に、現露光量を前記撮像素子が取り得る最大露光量で除した値を乗じて、補正最適露光量変化分を求めるステップと、
前記補正最適露光量変化分を現露光量に加えて最適露光量を求めるステップと、
前記最適露光量に応じた露光時間を求めるステップと、
前記露光時間を前記撮像素子に設定するステップと、
を有することを特徴とする露光制御方法。
【請求項１０】
前記最適露光量が前記撮像素子が取り得る最大露光量を超えた場合に、該超えた大きさに応じて増加するように前記撮像素子のゲインを決定すると共に、前記最適露光量から前記ゲインの増加分を除いた露光量を算出するステップを更に有し、
前記最適露光量に応じた露光時間を求めるステップでは、前記ゲインの増加分を除いた露光量に応じた露光時間を算出し、
前記露光時間を前記撮像素子に設定するステップでは、前記ゲインの増加分を除いた露光量に応じた露光時間と、前記決定されたゲインとを前記撮像素子に設定する、
ことを特徴とする請求項９に記載の露光制御方法。
【請求項１１】
被写体の光学像を結像する光学系と、
前記光学系により結像される光学像を撮像する撮像素子と、
前記請求項１乃至８のいずれか１項に記載の露光制御装置と、
を有していることを特徴とする画像撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像撮像装置に係り、詳しくは、その撮像素子の露光制御技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
画像撮像装置には、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどを含む撮像素子が使用されている。このような画像撮像装置において、撮像素子の露光量を被写体照度に応じて適正露光量になるように制御することは大変重要である。露光量が被写体照度に応じて適正露光量にならなければ、撮像画像上で被写体が白飛び（露光量が大きすぎて、画素値が飽和している状態）または黒潰れ（露光量が小さすぎて、画素値がゼロ付近になっている状態）してしまう。
【０００３】
撮像素子の露光量を被写体照度に応じた適正露光量にするために、撮像素子が出力する画像信号の輝度レベルを検出して、該検出した輝度レベルが予め設定した目標値になるように、露光時間やゲイン（アナログゲインあるいはデジタルゲイン）を制御する自動露光制御方法が、従来から知られている。この場合、一般には、撮像素子が出力する画像信号の輝度レベルが目標値と所定の閾値の間に収まるように制御している。すなわち、画像信号の輝度レベルが目標値とある閾値の間に収まれば、そのときの露光量を適正露光量と見做す。これは、そのようなヒステリシスを持たせることで、適正露光量制御の発振を防ぐためである。また、ＰＩＤ制御（Ｐ；比例、Ｉ；積分、Ｄ；微分）による自動露光制御方法も知られており、この場合も係数を工夫することで発振を防ぐことができる。
【０００４】
しかし、従来の撮像素子の露光制御方法では、撮像素子が出力する信号の輝度レベルを目標値に正確に近づけられていなという問題があった。以下に問題を説明する。
【０００５】
いま、露光量が小さい場合、例えば、露光時間Ｔｓ=１＊Ｔrowとし、これを状態Ａとする。また露光量が大きい場合、例えば、露光時間Ｔｌ=１０＊Ｔrowとし、これを状態Ｂとする。Ｔrowは撮像素子が水平方向1ラインを走査する時間である。ここでは、露光量は露光時間のみで決まるものとする。
【０００６】
状態Ａで露光時間をＴrow増加すると、変化後のＴｓは、２＊Ｔrowとなり、初めの２倍の露光量になる。一方、状態Ｂで露光時間をＴrow増加すると、変化後のＴｓは、１１＊Ｔrowとなり、初めの１１／１０＝１．１倍の露光量になる。このように、同じだけ露光時間を変化させても、露光量の変化は平等でないことがわかる。つまり、従来の露光制御方法では、閾値が現在の露光量と無関係に、且つ光量変化率が最大となるときのみを考慮して設定されているため、露光量が一定以上の場合、自動露光制御における精度が悪化することになる。
【０００７】
例えば、特許文献１では、露光時間切替時における露光時間（フィールド数）と、次に変化した場合における露光時間（フィールド数）の比率を、目標値に乗じることにより、閾値を求めることで、上述の問題を解決している。しかし、露光時間を一定間隔で変化させているため、露光量が小さいところ（露光時間が短いところ）では露光量の変化が大きく、逆に、露光量が大きい（露光時間が長い）ところでは露光量の変化が小さくなる。これは、それぞれ上述した状態Ａ、状態Ｂである。状態Ａでは、露光量が大きく変化するため、その切替時に画面の輝度が急激に変化し、なめらかに変化しないという問題がある。また、撮像素子が出力する画像信号の輝度レベルが収まるべき目標値がヒステリシスを持っていたとしても、急激な輝度変化によって、ヒステリシスの範囲を超してしまい、発振する可能性もある。例えば、輝度レベルが暗い閾値より低い部分にあったとして、露光時間を増加方向に変化させることで、輝度レベルは明るい閾値より高い部分に変化する。そうなると、今度は露光時間を減少方向に変化させる制御を行い、画面の輝度が明暗を繰り返すことになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、撮像素子の露光制御において、特に露光量が小さい（露光時間が短い）ときに、露光量（露光時間）の切替時に、輝度が急激に変化しないようにすることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、撮像素子の出力輝度情報から最適露光量変化分を求める手段と、前記最適露光量変化分に、現露光量を前記撮像素子が取り得る最大露光量で除した値を乗じて、補正最適露光量変化分を求める手段と、前記補正最適露光量変化分を現露光量に加えて最適露光量を求める手段と、前記最適露光量に応じた露光時間を求める手段と、前記露光時間を前記撮像素子に設定する手段とを有することを主要な特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明では、現露光量が小さい(露光時間が短い)とき、露光量の変化は操作前の変化分より小さくなり、露光量が大きい(露光時間が長い)ときの露光量の変化は操作前の変化分とほぼ変わらなくなる。このように、現露光量が小さい(露光時間が短い)とき、露光量の変化は操作前の変化分より小さくなるので、露光量切替時（露光時間切替時）に、画面の輝度を滑らかに変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る画像撮像装置の全体構成図である。
【図２】１フレームの具体例を示した図である。
【図３】図１の露光制御ユニットの一実施形態の機能ブロック図である。
【図４】輝度総和計算の対象とする画面の範囲の説明図である。
【図５】露光制御ユニットのＣＰＵの一実施形態に係る処理フローチャートである。
【図６】図３の露光時間／ゲイン演算部の詳細フローチャートである。
【図７】図１の露光制御ユニットの別の実施形態の機能ブロック図である。
【図８】図７の輝度ヒストグラム生成回路の具体的構成を示す図である。
【図９】輝度ヒストグラムを用いた明るい画素と暗い画素の線引きの説明図である。
【図１０】本画像撮像装置の全体的動作を説明するタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係る画像撮像装置の全体構成図である。本画像撮像装置は、撮影部（撮像ユニット）１００、エンコーダ１１０、表示部１２０及び露光制御装置としての露光制御ユニット１３０を備えている。
【００１４】
撮像部１００は光学系１０１と撮像素子１０２を有する。光学系１０１は撮像素子１０２に被写体光を効率よく集光させる。撮像素子１０２は光センサ１０２−１、信号処理回路１０２−２及び制御回路１０２−３を有する。光センサ１０２−１は、ＣＤＤセンサやＣＭＯＳセンサなどであり、被写体の光学像を、その光強度に応じた強弱の電気信号（アナログ信号）に変換する。信号処理回路１０２−２は、光センサ１０２−１から出力されるアナログ信号の画像信号を所定のレベルに調整する自動ゲイン制御回路（Ａutomatic  Ｇain  Ｃontroller：ＡＧＣ回路）、その画像信号をデジタル信号の画像データに変換するＡ／Ｄ変換回路、該画像データに対してγ補正を行うγ補正回路、その他の画像処理を行う回路の総称である。ここで、ＡＧＣ回路は、Ａ／Ｄ変換回路の後段に設けられて、デジタル信号の画像データを所定のレベルに調整する構成でもよい。制御回路１０２−３は、光センサ１０２−１及び信号処理回路１０２−２の動作を制御する。後述するように、該制御回路１０２−３は、露光制御ユニット１３０からフレーム毎に露光時間及びゲイン情報を受け取ることで、フレーム毎に、光センサ１０２−１の露光時間（電荷蓄積時間）及び信号処理回路１０２−２内のＡＧＣ回路のゲインを調整する。
【００１５】
なお、図１では省略したが、撮像素子１０２は、さらに垂直／水平同期信号発生回路、画素クロック発生回路、その他のタイミング信号発生回路を備えている。
【００１６】
撮像素子１０２は、垂直／水平同期信号、画素クロックに同期して、画像データ（画素データ）を連続的に出力する。同時に、撮像素子１０２は、垂直／水平同期信号、画素クロック、その他の必要なタイミング信号も出力する。
【００１７】
エンコーダ１１０は、撮像素子１０２から垂直／水平同期信号、画素クロックなどと共に出力される画像データ（画素データ）を順次入力して、例えば、ＮＴＳＣ方式の映像信号（アナログ信号）に変換する。この映像信号には垂直／水平同期信号、その他、各種の信号が付加されている。表示部１２０は、エンコーダ１１０から出力される映像信号を、水平／垂直同期信号、その他、信号に基づいて表示する。
【００１８】
露光制御ユニット１３０は前処理部１３１、ＣＰＵ１３２及びメモリ１３３を有する。前処理部１３１は、撮像素子１０２から垂直／水平同期信号、画素クロックなどと共に出力される画像データ（画素データ）を順次入力して、該画像データを輝度情報と色差情報に分離し、この分離された輝度情報を１フレーム分ずつ加算してフレーム毎の輝度総和を計算する。ＣＰＵ１３２は、前処理部１３１で計算されたフレーム毎の輝度情報を入力として、撮像素子１０２から出力される画像データの輝度レベルを予め設定した目標値に近づけるべく、次フレームの最適露光量を計算し、該最適露光量から最適な露光時間とゲインを決定する。そして、ＣＰＵ１３２は、決定した最適な露光時間とゲインを撮像素子の１０２の制御回路１０２−３に送出する。メモリ１３３は、揮発性メモリ（ＲＡＭ等）及び不揮発性メモリ（ＲＯＭ等）の総称である。該メモリ１３３は、ＣＰＵ１３２における処理途中データや処理結果データ、ＣＰＵ１３２の処理で必要とするプログラムやパラメータなどを記憶する。
【００１９】
以下、露光制御ユニット１３０の具体的構成及び動作について詳述する。なお、図２に示すように、１フレームは８４５カラム×５２５ローからなり、そのうちの７５２カラム×４８０ローが有効画像部とする。これをＮＴＳＣ方式に準拠するものである。
【００２０】
図３に、図１の露光制御ユニット１３０の一実施形態に係る全体的な機能ブロック図を示す。図３において、前処理部１３１は変換回路２１１と輝度加算回路２１２からなる。また、ＣＰＵ１３２の露光制御処理機能は、差分演算部２２０、最適露光量演算部２３０、露光時間／ゲイン演算部２４０及び制御部２５０からなる。さらに、最適露光量演算部２３０は、最適露光量変化分算出部２３１と補正最適露光量変化分算出部２３２と最適露光量算出部２３３からなり、露光時間／ゲイン演算部２４０はゲイン決定部２４１と露光時間算出部２４２からなる。
【００２１】
前処理部１３１は、撮像素子１０２から連続的に出力される画像データについて、垂直／水平同期信号、画素クロックなどに同期して次々に処理する必要がある。そのため、該前処理部１３１の変換回路２１１及び輝度加算回路２１２は、ハードウエアロジックで構成する。一方、差分演算部２２０、最適露光量演算部２３０、露光時間／ゲイン演算部２４０及び制御部２５０は、ＣＰＵ１３２がメモリ１３３に格納されたプログラムを実行することで実現する。換言すれば、ＣＰＵ１３２とプログラムの協働作業で、差分演算部２２０以降の各部の処理機能が実現される。
【００２２】
なお、ＣＰＵ１３２が前処理部１３１の変換回路２１１と輝度加算回路２１２の処理機能を兼ねることでもよい。逆に、差分演算部２２０以降の各部の処理機能も、ハードロッジックで実現することでもよい。
【００２３】
初めに、前処理部１３１の動作について説明する。該前処理部１３１は、垂直／水平同期信号、画素クロック等に同期して動作するが、必要でない限り垂直／水平同期信号、画素クロック等については説明を省略する。
【００２４】
前処理部１３１の変換回路２１１は、撮像素子１０２から出力される画像データ（画素データ）を順次入力して、各画像データを輝度情報Ｙと色差情報ＣｂＣｒに変換する。そして、変換回路２１１は、変換した輝度情報Ｙと色差情報ＣｂＣｒのうち、輝度情報Ｙを出力する。
【００２５】
ここで、画像データがＲＧＢのカラー画像データの場合、変換回路２１１では、例えば次式により画像データを輝度情報Ｙと色差情報ＣｎＣｒに変換する。
Ｙ＝０.２９９Ｒ＋０.５８７Ｇ＋０.１１４Ｂ
Ｃｒ＝０.５００Ｒ−０.４１９Ｇ−０.０８１Ｂ
Ｃｂ＝−０.１６９Ｒ−０.３３２Ｇ＋０.５００Ｂ
【００２６】
輝度加算回路２１２は、変換回路２１１から出力される各画像データの輝度情報Ｙを順次入力して、該輝度情報を１フレーム分ずつ加算して、フレーム毎の輝度総和Ｙtotalを計算する。すなわち、Ｙtotalは現フレームの輝度総和を表わしている。
【００２７】
なお、輝度加算回路２１２において、フレーム中の輝度総和Ｙtotalを計算する範囲は、外部から指定できるようにしてもよい。
図２に示すフレーム構成の場合、輝度総和Ｙtotalは、７５２カラム×４８０ロー分の全画素の輝度の総和を示す。しかしながら、この７５２カラム×４８０ローの全領域が有効な画像（画面）とは限らない。例えば、上方や下方の領域、あるいは周辺の領域は、有効な画像でない場合がある。フレーム中の輝度総和Ｙtotalを計算する範囲を外部から指定することで、有効でない画像領域を計算から除外することが可能になる。
【００２８】
フレーム中の輝度総和Ｙtotalを計算する範囲の指定は、例えば、座標で行い、水平方向Ｘ1〜Ｘi、垂直方向Ｙ1〜Ｙjと指定する。輝度加算回路２１２では、各フレームについて、この指定された範囲内に含まれる画素を対象としてＹtotalを計算する。
【００２９】
また、フレーム中の輝度総和Ｙtotalを計算する範囲の指定は、フレームを複数のマスに分割し、対象とするマスを指定してもよい。図４に具体例を示す。これは、図２のフレーム構成において、１マスを９４カラム×６０ローとして、７５２カラム×４８０ローを８×８マスに分割し、そのうちの網掛け部分のマスを、Ｙtotalを計算する範囲としたものである。なお、図４ではブランキング領域は省略してある。輝度加算回路２１２では、各フレームについて、図４の網掛け部分のマスに含まれる画素を対象としてＹtotalを計算する。
【００３０】
前処理部１３１では、現フレームの輝度総和Ｙtotalを計算する毎に、ＣＰＵ１３２に割込信号を発行して、該輝度総和ＹtotalをＣＰＵ１３２に送る。ＣＰＵ１３２は、前処理部１３１で計算された現フレームの輝度総和Ｙtotalをもとに、次フレームの最適露光量を計算し、該最適露光量から最適な露光時間とゲインを決定する。
【００３１】
図５に、ＣＰＵ１３２で実施する露光時間／ゲインの計算処理の全体処理フローチャートを示す。以下、図５に従ってＣＰＵ１３２の各部（各機能）の動作を説明する。
【００３２】
差分演算部２２０では、前処理部１３１から輝度総和Ｙtotalを入力して（ステップ１００１）、目標値Ｙtargetと輝度総和Ｙtotalの差分errorを計算する（ステップ１００２）。計算式を以下に示す。
error＝Ｙtarget−Ｙtotal                          （１）
目標値Ｙtargetは、次式（２）で表わされる。
Ｙtarget＝Ｂmax＊Ｎcolum’＊Ｎrow’＊Ｋ’            （２）
ここで、Ｂmaxは画素の取り得る最大画素値（最大明るさ）である。Ｎcolum’，Ｎrow’は、図２の例の場合、Ｎcolum’：７５２，Ｎrow’：４８０である。係数Ｋ’は、通常は０.２程度でよいが、周囲の明るさに応じて、例えば０.４，０.６，０.８，１.０などと変えてもよい。
【００３３】
差分演算部２２０で計算された差分error（現フレームの輝度総和と目標値との差分）は、最適露光量演算部２３０に送られると共に、メモリ１３３に保持される。本実施形態では、メモリ１３３には、少なくとも、１フレーム前の輝度総和と目標値との差分（error１とする）、２フレーム前の輝度総和と目標値との差分（error２とする）までが保持されるとする。
【００３４】
最適露光量演算部２３０では、差分演算部２２０で求まった差分errorをもとに、次フレームの最適露光量を以下のようにして算出する。
【００３５】
まず、最適露光量変化分算出部２３１は、現フレームの輝度総和と目標値との差分errorに加えて、１フレーム前および２フレーム前の輝度総和と目標値との差分error１、error２を用い、ＰＩＤ制御法を適用して、次フレームの最適露光量変化分updataを計算する（ステップ１００３）。計算式を以下に示す。
updata＝Ｋｐ＊（error−error１）＋Ｋｉ＊error
＋Ｋｄ＊（(error-error１)−(error１−error２））      （３）
ここで、Ｋｐ，Ｋｉ，ＫｄはＰＩＤ制御係数で、例えば経験的に決定する。なお、ここではＰＩＤ制御法を適用するとしたが、ＰＩＤ制御法である必要はない。例えば、ＰＤ制御は省略することでもよい。
【００３６】
次に、補正最適露光量変化分算出部２３２は、最適露光量変化分算出部２３１で求めた最適露光量変化分updataから補正最適露光量変化分updata’を計算する（ステップ１００４）。すなわち、updataの値を補正する。計算式（補正式）の一例を以下に示す。
updata’＝updata＊（exposure／exposuremax）          （４）
ここで、exposureは現露光量、exposuremaxは撮像素子１０２が取り得る最大露光量（光センサが取り得る露光時間を最大にした時の露光量）である。
このexposuremaxは、次式（５）で表わされる。
exposuremax＝Ｎcolum＊Ｎrow                            （５）
図２の例の場合、Ｎcolum：８４５，Ｎrow：５２５である。
【００３７】
式（４）より、現露光量exposureが小さい（露光時間が短い）とき、露光量の変化（updata’）は操作前のupdataより小さくなり、現露光量exposureが大きい（露光時間が長い）時の露光量の変化（updata’）は操作前のupdataとほぼ変わらなくなる。すなわち、露光時間が短いときは、露光量の変化が画面輝度に及ぼす影響が大きいが、式（４）によって露光量の変化（updata’）が小さくなるので、影響が抑えられる。
【００３８】
なお、式（４）は先の目標値Ｙtargetの値に応じて、次式（４’）のように変更してもよい。
updata’＝updata＊Ｋ＊（exposure／exposuremax）      （４’）
係数Ｋと目標値Ｙtargetの対応関係の一例を表１に示す。
【００３９】
【表１】
0005978829.tif 000002
【００４０】
式（４’）によれば、先の式（４）において、現露光量exposureが極端に小さい時、updataが補正されすぎて、updata’が小さくなりすぎることが改善される。
【００４１】
次に、最適露光量算出部２３３は、補正最適露光量算出部２３２で求めた補正最適露光量変化分updata’を用いて次フレームの最適露光量exposure’を計算する（ステップ１００５）。計算式は以下に示す。
exposure’＝exposure＋updata’                    （６）
【００４２】
最適露光量演算部２３０で求まった次フレームの最適露光量exposure’は露光時間／ゲイン演算部２４０に送られる。また、この最適露光量exposure’はメモリ１３３に保持され、次の最適露光量計算では現露光量exposureとなる。
【００４３】
露光時間／ゲイン演算部２４０では、最適露光量演算部２３０で求まった最適露光量exposure’をもとに、以下のようにして撮像素子１０２のゲインおよび露光時間を算出する。
【００４４】
まず、ゲイン決定部２４１は、最適露光演算部２３０から送られた最適露光量exposure’について、その大きさに応じて複数のケースに分類してゲインを決定する（ステップ１００６）。ここでは、最適露光量exposure’を、その大きさによってケース０〜５の６段階に分類するとする。以下に、各ケースとゲインの対応関係を示す。
ケース０：exposure’≦exposuremin                        ゲイン１倍
ケース１：exposuremin＜exposure’≦exposuremax            ゲイン１倍
ケース２：exposuremax＜exposure’≦２＊exposuremax        ゲイン２倍
ケース３：２＊exposuremax＜exposure’≦３＊exposuremax    ゲイン３倍
ケース４：３＊exposuremax＜exposure’≦４＊exposuremax    ゲイン４倍
ケース５：exposure’＞４＊exposuremax                    ゲイン４倍
ここで、exposureminは、撮像素子１０２（光センサ１０２−１）が必要とする最小露光量である。exposuremaxは、先に述べたように、撮像素子１０２が取り得る最大露光量（光センサが取り得る露光時間を最大にした時の露光量）である。
【００４５】
さらに、ゲイン決定部２４１では、決定したゲイン（gain）を除いた分の露光量exposurewithoutgainを計算する（ステップ１００７）。このexposurewithoutgainが露光時間を計算する対象の露光量となる。以下に計算式を示す。
exposurewithoutgain＝exposure’−（gain−１）＊exposuremax      （７）
ただし、ケース０の場合はexposureminをexposurewithoutgainとする。また、ケース５の場合は、exposuremaxをexposurewithoutgainとする。
【００４６】
すなわち、最適露光量exposure’が最大露光量exposuremaxを超えない間は、ゲインを１とし、exposure’をそのままexposurewithoutgainとする。ただし、exposure’がexposuremin未満の場合には、exposureminをexposurewithoutgainとして、必要最小限の露光量を確保する。一方、exposure’が最大露光量exposuremaxを超える場合は、その大きさに応じてゲインを２倍、３倍、４倍と上げることで対処し、該ゲインに対応するexposuremax分だけexposure’から差し引いた露光量をexposurewithoutgainとする。ただし、exposure’が４＊exposuremaxを超える場合は、ゲインを４倍にとどめ、exposuremaxをexposurewithoutgainとして、露光量が過大になるの防止する。なお、ここではゲインを最大４倍にとどめるとしたが、一般にはＮ倍（Ｎは２以上の任意の整数）とすればよい。
【００４７】
ゲイン決定部２４１は、決定したゲインを制御部２５０に送り、該ゲインを除いた分の露光量exposurewithoutgainを露光時間算出部２４２におくる。
【００４８】
露光時間算出部２４２は、ゲイン決定部２４１から送られた露光量exposurewithoutを受け取り、以下のように露光時間を算出する（ステップ１００８）。
【００４９】
【数１】
0005978829.tif 000003
ここで、rowexposureは行単位露光時間（露光時間行）、pixelexposureは画素単位露光時間（露光時間列）である。露光量時間算出部２４２は、算出した露光時間を制御部２５０に送る。
【００５０】
図６に、露光時間／ゲイン演算部２４０の具体的処理フローチャート（図５のステップ１００６〜１００８の詳細処理フロー）を示す。なお、図６の処理フローは各フレーム毎に繰り返される。
【００５１】
露光時間／ゲイン演算部２４０のゲイン決定部２４１は、最適露光演算部２３０から現フレームの最適露光量exposure’を入力すると（ステップ２００１）、該exposure’がケース０〜ケース５のいずれに分類されるか判定する（ステップ２００２〜２００７）。そして、ケース０に分類されたならば、ゲインを１倍し（ステップ２００８）、exposure’の値に関係なく、あらかじめ定めたexposureminをexposurewithoutgainとする（ステップ２００９）。また、ケース１，２，３，４のいずれかに分類されたならば、ゲインを１倍、２倍、３倍あるいは４倍とし（ステップ２０１０，２０１１，２０１２，２０１３）、先の式（７）を用いてexposurewithoutgainを計算する（ステップ２０１４）。また、ケース５に分類されたならば（ケース０〜４のいずれでもない場合、ケース５とする）、ゲインはケース４と同様に４倍にするが（ステップ２０１５）、exposuremaxをexposurewithoutgainとする（ステップ２０１６）。露光時間算出部２４２は、露光量exposurewithoutgainをもとに、先の式（８）を用いて露光時間を計算する（ステップ２０１７）。
【００５２】
図３に戻り、制御部２５０では、露光時間／ゲイン演算部２４０から送られた露光時間とゲインを受け取り、撮像素子１０２の制御回路１０２−３に送る（ステップ１００９）。これを各フレームについて繰り返す。
【００５３】
次に、本発明の別の実施形態について説明する。画像撮像装置の全体構成図は図１と同じであるので省略する。本実施形態は、図１の露光制御ユニット１３０における前処理部１３１の構成が異なる。
【００５４】
図７に、図１の露光制御ユニット１３０の本実施形態に係る全体的機能ブロック図を示す。図７と先の図３を比べれば明らかであるように、本実施形態は、前処理部１３１について、図３の輝度加算回路２１２に替えて輝度ヒストグラム生成回路２１４を用いたものである。それ以外の構成は図３と同じであるが、差分演算部２２０と最適露光量演算部２３０内の最適露光量変化分算出部２３１での処理が、先の実施形態の場合と若干異なる。
【００５５】
以下、図７の構成中の輝度ヒストグラム生成回路２１４、差分演算部２２０、最適露光量変化分算出部２３１について説明する。
前処理部１３１の輝度ヒストグラム生成回路２１４は、変換回路２１１から出力される各画像データ（画素データ）の輝度情報Ｙを順次入力して、１フレーム分ずつ所定の輝度レベル毎の画素数をカウントすることで、フレーム毎の輝度ヒストグラムを生成する。本実施形態においても、フレーム中の輝度ヒストグラムを生成する範囲は、有意な画像範囲だけ、外部から指定できるようにしてもよい。
【００５６】
図８は、輝度ヒストグラム生成回路２１４の具体的構成例を示した図である。輝度ヒストグラム生成回路２１４は複数の比較器（１）〜（ｎ）と複数のカウンタ（１）〜（ｎ）を有している。なお、各比較器及び各カウンタは垂直／水平同期信号、画素クロック等に同期して動作するが、図８では、これらの信号は省略してある。
【００５７】
前処理部１３１の変換回路２１１から出力された輝度情報Ｙは、複数の比較器（１）〜（ｎ）にそれぞれ入力される。ここで、閾値をＶ１，Ｖ２，…Ｖ（ｎ−１）とする（ただし、Ｖ１＜Ｖ２…＜Ｖ（ｎ−１））。比較器（１）は、Ｙ≦Ｖ１の時、カウンタ（１）を＋１する。比較器（２）は、Ｖ１＜Ｙ≦Ｖ２の時、カウンタ（２）を＋１する。以下同様に、比較器（ｎ−１）は、Ｖ（ｎ−２）＜Ｙ≦Ｖ（ｎ−１）の時、カウンタ（ｎ−１）を＋１し、比較器（ｎ）は、Ｙ＞Ｖ（ｎ−１）の時、カウンタ（ｎ）を＋１する。これを１フレームの間繰返し、１フレーム終了した時点で、カウンタ（１）〜（ｎ）の各カウント値を出力して、カウンタ（１）〜（ｎ）をリセットする。以下、各フレームについて同様の動作を繰り返す。
【００５８】
図７に戻り、差分演算部２２０では、輝度ヒストグラム生成回路２１４から輝度ヒストグラム情報を受け取り、明るい輝度の画素の個数の総和Ｎbrightnessと暗い輝度の画素の個数の総和Ｎdarknessを求め、その差分errorを計算する。計算式を以下に示す。
error＝Ｎdarkness−Ｎbrightness                    （９）
ここで、明るい画素と暗い画素の線引きは、外部から決定しても良い。画面をより明るくしたければ、明るい画素と暗い画素の線引きを明るい画素側に移動し、画面をより暗くしたければ、明るい画素と暗い画素の線引きを暗い画素側に移動するようにする。図９に、明るい画素と暗い画素の線引きのイメージを示す。
【００５９】
差分演算部２２０で計算された差分error（現フレームの明るい輝度の画素の個数の総和と暗い輝度の画素の個数の総和の差分）は、最適露光量演算部２３０に送られると共に、メモリ１１３に保持される。本実施形態でも、メモリ１１３には、少なくとも、１フレーム前の明るい輝度の画素の個数の総和と暗い輝度の画素の個数の総和の差分（error１とする）、２フレーム前の明るい輝度の画素の個数の総和と暗い輝度の画素の個数の総和の差分（error２とする）までが保持されるとする。
【００６０】
最適露光量演算部２２０の最適露光量変化分算出部２３１では、現フレームのerrorに加えて、１フレーム前および２フレーム前のerror１，error２を用い、ＰＩＤ制御法を適用して、次フレームの最適露光量変化分updataを計算する。以下に計算式を示す。
updata＝Ｋｐ’＊（error−error１）＋Ｋｉ’＊error
＋Ｋｄ’＊（(error-error１)−（error１−error２））          （10）
ここで、Ｋｐ’，Ｋｉ’，Ｋｄ’はＰＩＤ制御係数で、例えば経験的に決定する。なお、これらは正規化する係数も含めているものとする。
【００６１】
最適露光量演算部２２０のそれ以降の動作、露光時間・ゲイン演算部２４０および制御部２５０の動作は、先の実施形態と同じであるので、説明は省略する。
【００６２】
図１０に、本画像撮像装置の全体的動作を説明するタイミングチャートを示す。図１０において、ＦＶは垂直有効期間信号、ＬＶは水平有効期間信号であり、それぞれ垂直同期信号、水平同期信号から生成される。ＰＣＬＫは画素クロック信号である。
【００６３】
撮像素子１０２は、各フレームについて、ＦＶ信号の期間に画像データを出力し、これと並行して次の画像データの露光を実施する。露光時間は行単位露光時間（露光時間行）rowexposureに画素単位露光時間（露光時間列）pixelexposureを加えた時間で表わされる。取り得る最大露光時間は、１フレーム期間（Ｎcolum＊Ｎrowスキャン時間）である。
【００６４】
いま、フレーム１において、撮像素子１０２は画像データＡを出力し、これと並行して、次の画像データＢの露光を実施しているとする。
【００６５】
撮像素子１０２から出力された画像データＡは、エンコーダ１１０、表示部１２０と送出されると同時に、露光制御ユニット１３０に取り込まれる。露光制御ユニット１３０の前処理部１３１は、フレーム１のＦＶの期間、画像データＡの輝度情報を順次加算する。そして、前処理部１３０は、ＦＶ信号の立ち下がりで、ＣＰＵ１３２に割込み信号を発行して、画像データＡの輝度総和情報をＣＰＵ１３２に送る。なお、図７の実施形態では、前処理部１３１は、フレーム１のＦＶの期間、画像データＡの輝度ヒストグラムを生成し、ＦＶ信号の立ち下りで、割込み信号と共に輝度ヒストグラム情報をＣＰＵ１３２に送ることになる。
【００６６】
ＣＰＵ１３２は、フレーム１の垂直ブランキング期間を利用して、画像データＡの輝度総和情報あるいは輝度ヒストグラム情報をもとに、最適露光量を計算し、該最適露光量から露光時間とゲインを決定する。該決定した露光時間とゲインは、撮像素子１０２に送られて保持される。
【００６７】
次のフレーム２では、撮像素子１０２は画像データＢを出力し、これと並行して、次の画像データＣの露光を実施する。この画像データＣの露光時間は、画像データＡから計算された露光時間で決まる。また、このフレーム２では、露光制御ユニット１３０は、上記と同様にして、画像データＢから次の露光時間とゲインを決定する。
【００６８】
次のフレーム３では、撮像素子１０２は画像データＣ出力し、これと並行して、次の画像データＤの露光を実施する。この時、画像データＣのゲインは、画像データＡから計算されたゲインで決まり、画像データＤの露光時間は、画像データＢから計算された露光時間で決まる。
【００６９】
同様にして、次のフレーム４では、撮像素子１０２は画像データＤを出力し、これと並行して、次の画像データＥの露光を実施する。この時、画像データＤのゲインは、画像データＢから計算されたゲインで決まり、画像データＥの露光時間は、画像データＣから計算された露光時間で決まる。
【００７０】
なお、図１０では、露光時間／ゲインの計算は、各フレームの垂直ブランキング期間で行うとしたが、撮像素子やＣＰＵの動作速度によっては、露光時間／ゲインの計算は次のフレームにまたぐことが考えられる。この場合には、計算した露光時間／ゲインを適用する画像データを１フレーム遅らせればよい、例えば、画像データＡによる露光時間／ゲインがフレームをまたいで計算される場合、該露光時間／ゲインを、フレーム３と４の画像データＤに反映させるようにする。
【００７１】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の露光制御装置（あるいは方法）は図示の実施形態に限定されるものではない。
【符号の説明】
【００７２】
１０２  撮像素子
１１０  エンコーダ
１２０  表示部
１３０  露光制御ユニット
１３１  前処理部
１３２  ＣＰＵ
１３３  メモリ
２１１  変換回路
２１２  輝度加算回路
２１４  輝度ヒストグラム生成回路
２２０  差分演算部
２３０  最適露光量演算部
２４０  露光時間／ゲイン演算部
２５０  制御部  
【先行技術文献】
【特許文献】
【００７３】
【特許文献１】特開１０−３３６５１６号
【図１】
0005978829.tif 000004
【図２】
0005978829.tif 000005
【図３】
0005978829.tif 000006
【図４】
0005978829.tif 000007
【図５】
0005978829.tif 000008
【図６】
0005978829.tif 000009
【図７】
0005978829.tif 000010
【図８】
0005978829.tif 000011
【図９】
0005978829.tif 000012
【図１０】
0005978829.tif 000013