(57)【要約】【課題】広ダイナミックレンジで良好なコントラストを持った映像信号を得ることができる撮像装置を提供する。【解決手段】通常のテレビジョン信号の１フィールド期間に２枚の画像に対応する映像信号を、撮像素子２より読み出し、その２枚の画像で撮像素子２に与える電子シャッタの量を切り換えることにより、長時間露光信号Ｓ１Ａと短時間露光信号Ｓ１Ｂを得る。高輝度部分と低輝度部分を切り分けるキー信号が、長時間露光信号から生成され、長時間露光信号と短時間露光信号の混合比Ｋを、キー信号に応じて変化させながら、加算器１２により加算する。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子と、該撮像素子の受光量を可変する受光量可変手段とを具備した撮像装置において、
前記撮像素子から出力される映像信号からキー信号を生成するキー信号生成手段と、
同一被写体を受光量を変化させて撮像した複数枚の映像信号を、前記キー信号に応じて切り換える切換手段とを備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項２】
撮像素子と、該撮像素子の受光量を可変する受光量可変手段とを具備した撮像装置において、
前記撮像素子から出力される映像信号からキー信号を生成するキー信号生成手段と、
同一被写体を受光量を変化させて撮像した複数枚の映像信号を、前記キー信号に応じて混合比を変えながら加算する加算手段とを備えることを特徴とする撮像装置。
【請求項３】
撮像素子と、該撮像素子の受光量を可変する受光量可変手段とを具備した撮像装置において、
前記撮像素子から出力される映像信号を二値化する二値化手段と、
前記二値化手段で二値化された二値信号の高周波帯域を制限してキー信号を生成する帯域制限手段と、
同一被写体を受光量を変化させて撮像した複数枚の映像信号を、前記キー信号に応じて混合比を変えながら加算する加算手段とを備えたことを特徴とする撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像装置に関し、特に同一被写体を受光量を変化させて撮像することができる撮像装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
撮像素子の走査を通常の２倍の速度で行い、交互に露光時間を変えて明部用の短時間露光信号と、暗部用の長時間露光信号を得、同一の撮像素子から得られた長時間露光信号を増幅し、ガンマ補正を行うことで暗部の階調を出すとともに、明部をいわゆるハイライトの状態にしておき、このハイライトの部分をある一定のレベルで検出し、ハイライトの信号の上に明部の短時間露光信号を付け足し、広ダイナミックレンジの映像を得る方法が知られている（特開２００１−１６４９９号公報）。
【０００３】
図５は、この公報に示された撮像装置の構成を示すブロック図である。この撮像装置は、レンズ１０１と、ＣＣＤ撮像素子１０２と、露光時間切換スイッチ１０３と、タイミングジェネレータ１０４と、ＡＧＣ回路１０５と、Ａ／Ｄ変換器１０６と、カメラ信号生成回路１０７と、ガンマ補正切換スイッチ１０８と、ガンマ補正回路１０９と、メモリ回路１１０と、加算器１１１，１１２と、Ｄ／Ａ変換器１１３とを備えている。
【０００４】
露光時間切換スイッチ１０３の切換により、長時間露光と短時間露光が交互に切り換えられる。撮像素子１０２から出力される撮像信号は、ＡＧＣ回路１０６でゲイン調整が行われ、Ａ／Ｄ変換部１０６でディジタル信号に変換される。カメラ信号生成回路１０７で、輝度信号と色差信号に分離される。ガンマ補正切換スイッチ１０８が露光時間切換スイッチ１０３と同期して切り換えられ、ガンマ特性Ａ及びガンマ特性Ｂの一方が選択される。ガンマ補正回路１０９は、ガンマ補正切換スイッチ１０８の設定に応じた特性のガンマ補正を行う。
【０００５】
メモリ回路１１０から短時間露光信号が出力されるときは、加算器１１１によりオフセットが加算され、加算器１１１の出力信号は、加算器１１２によりガンマ補正回路１０９の出力信号に加算される。そして、Ｄ／Ａ変換器１１３によりアナログ信号に変換されて出力される。
【０００６】
図５の撮像装置では、図６に示す長時間時間露光信号Ｓ１１Ａ及び短時間露光信号Ｓ１１Ｂが撮像素子から出力され、ガンマ補正回路１０９の出力信号は、それぞれ信号Ｓ１２Ａ及びＳ１２Ｂの斜線部のようになる。その結果、加算器１１２の出力信号は、Ｓ１３のようになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この方法では、出力映像信号のダイナミックレンジ内にカメラで撮像した広ダイナミックレンジ映像を圧縮しておさめたに過ぎないため、これを表示するモニタ等で実際に見ると、良好なコントラストを得ることが困難であった。
【０００８】
本発明はこの点に着目してなされたものであり、広ダイナミックレンジで良好なコントラストを持った映像信号を得ることができる撮像装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、撮像素子と、該撮像素子の受光量を可変する受光量可変手段とを具備した撮像装置において、前記撮像素子から出力される映像信号からキー信号を生成するキー信号生成手段と、同一被写体を受光量を変化させて撮像した複数枚の映像信号を、前記キー信号に応じて切り換える切換手段とを備えることを特徴とする。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、撮像素子と、該撮像素子の受光量を可変する受光量可変手段とを具備した撮像装置において、前記撮像素子から出力される映像信号からキー信号を生成するキー信号生成手段と、同一被写体を受光量を変化させて撮像した複数枚の映像信号を、前記キー信号に応じて混合比を変えながら加算する加算手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、撮像素子と、該撮像素子の受光量を可変する受光量可変手段とを具備した撮像装置において、前記撮像素子から出力される映像信号を二値化する二値化手段と、前記二値化手段で二値化された二値信号の高周波帯域を制限してキー信号を生成する帯域制限手段と、同一被写体を受光量を変化させて撮像した複数枚の映像信号を、前記キー信号に応じて混合比を変えながら加算する加算手段とを備えたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態にかかる撮像装置の構成を示す図である。この撮像装置は、レンズ１と、撮像素子２と、駆動信号発生回路３と、ＡＧＣ回路４と、Ａ／Ｄ変換器５と、スイッチ６と、メモリ回路７及び９と、可変利得増幅回路８及び１０と、キー信号発生及び制御回路１１と、加算器１２と、信号処理回路１３と、Ｄ／Ａ変換器１４とを備えている。
【００１３】
レンズ１により、撮像素子２の受光面に結像した被写体映像は、通常のテレビジョン信号の２倍の速度で、光電変換されＡＧＣ回路４へ送られ、所定のゲインを与えられた後にＡ／Ｄ変換器５でディジタル信号へ変換される。
つまりこの場合、通常のテレビジョン信号の１フィールド期間に２枚の画像に対応する映像信号を、撮像素子２より読み出し、その２枚の画像に対応して撮像素子２に与える電子シャッタの露光時間を切り換える。これにより、撮像素子２から出力される信号量を長時間露光および短時間露光とに順次切り換えることが出来る。電子シャッタとは駆動信号発生回路３から供給する撮像素子２の駆動パルスを切り換えることで、撮像素子２の光電変換量を電子的にコントロールする機能である。
【００１４】
長時間露光時、撮像素子２から出力される信号量は、入射量が少ないときは直線的であるが、入射量がある一定レベルを越えると飽和する。これに対し短時間露光の信号量は全体に直線的であるが入射光量が少ない領域だとノイズが多くなる。
【００１５】
スイッチ６は、駆動信号発生回路３における駆動パルスの切換と同期して、切り換えられ、長時間露光信号はメモリ７に格納され、短時間露光信号はメモリ９に格納される。増幅回路８及び１０のゲインは、キー信号発生及び制御回路１１から供給されるキー信号によって制御される。加算器１２で増幅回路８及び１０の出力信号Ｓ２ＡとＳ２Ｂが加算され、信号処理回路１３で輝度信号と色信号の分離、及びガンマ補正が行われる。信号処理回路１３の出力信号Ｓ３は、Ｄ／Ａ変換器１４によりアナログ信号に変換され、テレビジョン信号として出力される。
【００１６】
従来の広ダイナミックレンジカメラでは、長時間露光信号と短時間露光信号を、それぞれレベルを下げた上で加算する処理が行われる。したがって、それぞれの信号のダイナミックレンジは圧縮されるので、出力される画像は、撮像素子としてのダイナミックレンジは広いものの、コントラストに乏しく、視覚上その効果を十分に享受できない。そこで本発明では、長時間露光によって飽和し、コントラストを失った部分に、キーイングを用いて短時間露光の画像を埋め込むことで、それぞれの信号のレベルを下げずに加算するので良好なコントラストを得られる。
【００１７】
まず、長時間露光時の信号を一部を抜き取られる信号（「キーソース」と呼ぶ）とし、短時間露光の信号を抜き取った所に埋め込む信号（「キーフィル」と呼ぶ）とし、また長時間露光時の信号を抜き取りのコントロールを行う信号（キー信号）とする。
【００１８】
一方、キーイングではキー信号がある値を越えるか否かによってキーソースとキーフィルを単純に切り換える。この方法の問題点として、しきい値付近で映像レベルの微小変化によってキー信号が常に変動し、その結果合成画の継ぎ目付近にノイズが乗ったようになってしまう場合がある。
【００１９】
そこで第２の発明ではキー信号のレベルによってキーソースとキーフィルの混合比を連続的に変える方法をとる。すなわちキーソース用及びキーフィル用に可変利得増幅回路（乗算器）８及び１０を設け、そのゲインをキー信号のレベルに応じて変化させて合成する。
【００２０】
このときキーソース用の増幅回路８のゲインをＫ（≦１）とすると、キーフィル用の増幅回路１０のゲインは（１−Ｋ）である。従って合成された出力信号のレベルＯＵＴは、キーソースのレベルをＡとし、キーフィルのレベルをＢとすると、
ＯＵＴ＝Ｋ・Ａ＋（１−Ｋ）・Ｂ　　　　（１）
となる。
【００２１】
そして、ゲインＫは、キー信号、すなわち長時間露光信号のレベルが所定レベルＬＴＨ１以下のときは「１」であり、所定レベルＬＴＨ１を超えると、キー信号のレベルが高くなるほどゲインＫは小さくなるように設定され、キー信号（長時間露光信号）が飽和したとき、ゲインＫは「０」となる。
【００２２】
図２は、図１の撮像装置の動作を説明するため、映像信号をある水平期間で表した波形図である。メモリ回路７から出力される長時間露光信号Ｓ１Ａは、増幅回路８により、信号Ｓ２Ａのようになる。また、メモリ回路９から出力される短時間露光信号Ｓ１Ｂは、増幅回路１０により、信号Ｓ２Ｂにようになる。そしてこれらの信号Ｓ２ＡとＳ２Ｂとを加算することにより、広ダイナミックレンジでかつコントラストに富んだ信号Ｓ３が得られる。図２の期間ＴＴＲにおいて、ゲインＫが徐々に減少し、長時間露光信号と短時間露光信号の比率を変化させながら両者が混合される。
【００２３】
なお、図１に示した例では、乗算器（可変ゲイン増幅回路）を２つ用いているが、上記式（１）は下記式のように変形できるので、乗算器１つで構成することもできる。
ＯＵＴ＝Ｋ・（Ａ−Ｂ）＋Ｂ
【００２４】
（第２の実施形態）
図３は、第３の発明にかかる撮像装置の構成を示すブロック図である。この撮像装置は、図１に示す撮像装置において、キー信号発生及び制御回路１１を削除し、遅延回路２１，２２、２値化回路２３、及びローパスフィルタ２４，２５を追加したものである。
【００２５】
２値化回路２３は、図４に示すように、長時間露光信号Ｓ１、すなわちキーソースを所定閾値ＬＴＨ２で２値化し、二値信号Ｓ２，Ｓ２Ｉを生成する。二値信号Ｓ２Ｉは、二値信号Ｓ２の極性を反転させたものである。ローパフフィルタ２４，２５は、それぞれ二値信号Ｓ２，Ｓ２Ｉをなまらせたキー信号Ｓ３，Ｓ３Ｉを出力し、可変ゲイン増幅回路１０及び８に供給する。遅延回路２１，２２は、キーソース及びキーフィルを、キー信号Ｓ３，Ｓ３Ｉのタイミングに合わせるために挿入されている。加算器１２の出力は、図４に示す信号Ｓ５のようになる。
【００２６】
この構成によれば、変極点（キー信号Ｓ３，Ｓ３Ｉの立ち上り及び立ち下がり部分）のみが、長時間露光信号と短時間露光信号の合成状態となり、なめらかな接合を行うことができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上詳述したように請求項１に記載の発明によれば、撮像素子から出力される映像信号から高輝度部分と低輝度部分を切り分けるキー信号が生成され、同一被写体を受光量を変化させて撮像した複数枚の映像信号が、前記キー信号に応じて切り換えられるので、低輝度部分で受光量の多い映像信号を選択し、高輝度部分で受光量の少ない映像信号を選択することにより、広ダイナミックレンジで良好なコントラストを持った映像信号を得ることができる。
【００２８】
請求項２に記載の発明によれば、撮像素子から出力される映像信号から高輝度部分と低輝度部分を切り分けるキー信号が生成され、同一被写体を受光量を変化させて撮像した複数枚の映像信号が、前記キー信号に応じて混合比を変えながら加算される。低輝度部分で受光量の多い映像信号の割合を大きくし、高輝度部分で受光量の少ない映像信号の割合を大きくすることにより、広ダイナミックレンジで良好なコントラストを持った映像信号を得ることができる。さらにキー信号が変化する期間で受光量の多い映像信号と、受光量の少ない映像信号とを、キー信号に応じて混合比を変えながら加算することにより、低輝度部分から高輝度部分への、またはその逆の変化を滑らかにすることができる。
【００２９】
請求項３に記載の発明によれば、撮像素子から出力される映像信号を二値化し、その後帯域制限手段で切り替わり部をなまらせてキー信号を生成し、キー信号のレベルに応じた混合比で、同一被写体を受光量を変化させて撮像した複数枚の映像信号を加算する。映像信号をいったん二値化してからなまらせてキー信号を生成するため、複数枚の映像を加算する領域を狭くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】図１の装置の動作を説明するための波形図である。
【図３】本発明の第２の実施形態にかかる撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図４】図２の装置の動作を説明するための波形図である。
【図５】従来の撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図６】図５の装置の動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１　レンズ
２　撮像素子
４　ＡＧＣ回路
５　Ａ／Ｄ変換器
６　スイッチ
７，９　メモリ回路
８，１０　ゲイン可変増幅回路（切換手段、加算手段）
１１　キー信号発生及び制御回路（キー信号生成手段）
１２　加算器（加算手段）
２３　二値化回路（二値化手段）
２４，２５　ローパスフィルタ（帯域制限手段）
【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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