(57)【要約】【課題】  この発明は、明暗差が大きいシーンでも、黒潰れ、白飛びのない映像が得られる固体撮像素子を用いた撮像装置を提供することを目的とする。【解決手段】  測光領域の輝度積算値を目標輝度積算値に近づけるように露光量を制御する固体撮像素子を用いた撮像装置において、所定出力値以上の画素の割合が所定値より大きい場合には、測光領域の輝度積算値の目標輝度積算値を小さくすることにより、露光量を小さくさせる露光量制御回路、および露光量制御回路によって露光量が小さくなるように制御されたときには、信号処理部において低輝度部に階調を多く割り当てるように階調補正を行う階調補正回路を備えている。【選択図】  図１
2005109579.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測光領域の輝度積算値を目標輝度積算値に近づけるように露光量を制御する固体撮像素子を用いた撮像装置において、
所定出力値以上の画素の割合が所定値より大きい場合には、測光領域の輝度積算値の目標輝度積算値を小さくすることにより、露光量を小さくさせる露光量制御回路、および
露光量制御回路によって露光量が小さくなるように制御されたときには、信号処理部において低輝度部に階調を多く割り当てるように階調補正を行う階調補正回路、
を備えていることを特徴とする固体撮像素子を用いた撮像装置。
【請求項２】
階調補正回路によって階調補正を行う前に、低輝度部のノイズを低減するためのノイズ低減処理回路をさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の固体撮像素子を用いた撮像装置。
【請求項３】
階調補正回路によって階調補正された輝度信号から低輝度部用輪郭補正信号を生成する低輝度部用輪郭抽出回路、階調補正回路によって階調補正される前の輝度信号から高輝度部用輪郭補正信号を生成する高輝度部用輪郭抽出回路、低輝度部用輪郭補正信号および高輝度部用輪郭補正信号を輝度信号に基づいて加重加算する加重加算回路、ならびに加重加算回路によって得られた輪郭補正信号を階調補正回路によって階調補正された輝度信号に加算する輪郭補償回路をさらに備えていることを特徴とする請求項１および２のいずれかに記載の固体撮像素子を用いた撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＣＣＤ等の固体撮像素子を用いた撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＣＤ等の固体撮像素子を用いた従来の撮像装置では、ＣＣＤに入力される光量（露光量）を、絞りや電子シャッタースピードによって調整している。つまり、明るいシーンを撮像するときにはＣＣＤ信号が飽和しないように露光量を少なくし、逆に暗いシーンでは黒潰れが発生しないように露光量を多くするように露光量を調節している。
【０００３】
しかしながら、明暗差が大きいシーンを撮影（逆光撮影、屋内外同時撮影）する場合、使用する固体撮像素子のダイナミックレンジ不足により、露光量の調節だけでは、明るい部分が飽和して白飛びが発生したり、暗い部分で黒潰れが発生したりするため、両方の部分を適正に再現できないという問題がある。
【特許文献１】特開平６−１４１２２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術として、露光量を変えて撮像した画像を合成する処理によりダイナミックレンジ拡大効果を得る手法が考案されているが、これらの手法では、動きの速いシーンで二重像になり、非常に見にくい画像となる。この二重像を低減するために、高速撮影可能な撮像素子を使うことも考えられるが、コストアップとなってしまう。
【０００５】
この発明は、明暗差が大きいシーンでも、黒潰れ、白飛びのない映像が、二重像を発生することなく得られるようになる固体撮像素子を用いた撮像装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
請求項１に記載の発明は、測光領域の輝度積算値を目標輝度積算値に近づけるように露光量を制御する固体撮像素子を用いた撮像装置において、所定出力値以上の画素の割合が所定値より大きい場合には、測光領域の輝度積算値の目標輝度積算値を小さくすることにより、露光量を小さくさせる露光量制御回路、および露光量制御回路によって露光量が小さくなるように制御されたときには、信号処理部において低輝度部に階調を多く割り当てるように階調補正を行う階調補正回路を備えていることを特徴とする。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、階調補正回路によって階調補正を行う前に、低輝度部のノイズを低減するためのノイズ低減処理回路をさらに備えていることを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１乃至２に記載の発明において、階調補正回路によって階調補正された輝度信号から低輝度部用輪郭補正信号を生成する低輝度部用輪郭抽出回路、階調補正回路によって階調補正される前の輝度信号から高輝度部用輪郭補正信号を生成する高輝度部用輪郭抽出回路、低輝度部用輪郭補正信号および高輝度部用輪郭補正信号を輝度信号に基づいて加重加算する加重加算回路、ならびに加重加算回路によって得られた輪郭補正信号を階調補正回路によって階調補正された輝度信号に加算する輪郭補償回路をさらに備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、明暗差が大きいシーンでも、黒潰れ、白飛びのない映像が得られるようになる。また、この発明によれば、多重露光した画像を合成する処理によりダイナミックレンジ拡大効果を得る手法と異なり、動きの速いシーンでも二重像になることがなく、黒潰れ、白飛びを低減した画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して、この発明の実施例について説明する。
【実施例】
【００１１】
〔１〕撮像装置の構成についての説明
【００１２】
図１は、ＣＣＤを用いた撮像装置の構成を示している。
【００１３】
撮像部は、レンズ１ａおよび絞り（図示略）ならびにＣＣＤ１を備えている。ＣＣＤ１から出力された信号は、ＣＤＳ／ＡＧＣ／ＡＤＣ回路２に送られる。ＣＤＳ／ＡＧＣ／ＡＤＣ回路２は、ＣＣＤ１の出力信号に対して、ＡＧＣ（自動利得制御）およびＣＤＳ（相関２重サンプリング）の処理を施した後、ＡＤ変換を行う。ＣＤＳ／ＡＧＣ／ＡＤＣ回路２の出力は、デジタル・プロセス回路に送られる。
【００１４】
ＣＤＳ／ＡＧＣ／ＡＤＣ回路２の出力は、Ｙ用ノイズ低減処理回路１１、Ｃ用ノイズ低減回路２１および画面情報検出／輝度信号ヒトスグラム生成／ＡＥ・ＡＦ評価値生成部３１に送られる。Ｙ用ノイズ低減処理回路１１は、その後段の階調補正回路１３で輝度信号の低輝度部がゲインアップされるので、ゲインアップされた信号の低レベル部でのノイズの増加を低減するため、低レベル部のノイズを予め抑圧しておくことを目的として設けられている。同様に、Ｃ用ノイズ低減処理回路２１は、その後段のゲイン調整回路２３で色信号がゲインアップされるので、ゲインアップされた信号のノイズの増加を低減するため、予めノイズを抑圧しておくことを目的として設けられている。
【００１５】
Ｙ用ノイズ低減処理回路１１の出力は、輝度信号フィルタ１２に送られ、輝度信号Ｙが生成される。輝度信号フィルタ１２によって生成された輝度信号Ｙは、階調補正回路１３、第１Ｙプロセス回路１４、γ補正回路１５および第２Ｙプロセス回路１６を介してＹ信号として出力される。
【００１６】
Ｃ用ノイズ低減処理回路２１の出力は、色分離回路２２に送られ、ＲＧＢ信号が生成される。色分離回路２２によって生成されたＲＧＢ信号は、ゲイン調整回路２３で後述する広ダイナミックレンジ処理ゲインｇに応じてゲイン調整され、第１Ｃプロセス回路２４、γ補正回路２５および第２Ｃプロセス回路２６を介して、Ｃ信号として出力される。第１Ｃプロセス回路２４は、ホワイトバランス調整等の処理を行う。第２Ｃプロセス回路２６は、ＲＧＢ信号から色差信号（Ｒ−Ｙ）、（Ｂ−Ｙ）を生成し、色差信号（Ｒ−Ｙ）、（Ｂ−Ｙ）をカラーエンコードして搬送色信号Ｃを生成するといった処理等を行う。
【００１７】
デジタル・プロセス回路内の各回路は、コントローラ４０によって制御される。コントローラ４０は、インタフェース４１を介してシステムコントローラ５０により制御される。画面情報検出／輝度信号ヒトスグラム生成／ＡＥ・ＡＦ評価値生成部３１から出力される情報は、インタフェース４１を介してシステムコントローラ５０に送られ、システムコントローラ５０は、その情報に基づいて、コントローラ４０を制御したり、撮像部の絞りの駆動制御部５１を制御したり、ＣＣＤ１の電子シャッタースピードを制御したりする。
【００１８】
〔２〕アイリス制御（露光量制御）についての説明
【００１９】
図２は、通常露光時の明るさとＣＣＤ出力との関係（破線ａ）と、１／４露光時の明るさとＣＣＤ出力との関係（破線ｂ）とを示している。
【００２０】
通常露光時においては、明るさが０〜Ｌの範囲内において、明るさが大きくなるほどＣＣＤ出力は大きくなり、明るさがＬ以上になるとＣＣＤ出力は飽和し一定となる。１／４露光時においては明るさが０〜４Ｌの範囲内において、明るさが大きくなるほどＣＣＤ出力は大きくなり、明るさが４Ｌ以上になるとＣＣＤ出力は飽和し一定となる。
【００２１】
したがって、輝度分布が図２に実線ｃで示すような場合には、通常露光時におけるＣＣＤ出力の輝度ヒストグラムは図２および図３の破線ａ’に示すようになり、１／４露光時におけるＣＣＤ出力の輝度ヒストグラムは図２および図４の破線ｂ’に示すようになる。なお、図３および図４において、実線は累積比率を示している。
【００２２】
通常のアイリス制御では、測光領域の積算輝度値が目標積算輝度値の設定値Ａ１となるようにアイリスを制御する。広ダイナミックレンジ処理時では、通常のアイリス制御を行い、ヒストグラムにおける飽和判定閾値Ｔｈｓａｔ（図３、図４参照）以上の度数のヒストグラム全体度数に対する割合が設定値（ｋ％、例えば５％）以上の場合には、目標積算輝度の設定値Ａ１を徐々に小さくしていき、飽和判定閾値Ｔｈｓａｔ以上の上記割合が上記設定値以下になるようにアイリス制御を行う。最終的な目標積算輝度の設定値をＡ２とすると、広ダイナミックレンジ処理ゲインｇは、ｇ＝Ａ１／Ａ２となる。
【００２３】
〔３〕階調補正回路１３についての説明
【００２４】
階調補正回路１３では、例えば、１／４露光時において、明るさと出力階調との関係が図２に実線ｄとなるように、階調補正を行う。つまり、低輝度部においてはゲインを上げて、光量を調整する前と同等の明るさを再現し、かつ高輝度部でも飽和による白飛びのない映像を実現する。以下、階調補正回路１３の入出力特性の制御例について説明する。        
【００２５】
〔３−１〕第１の制御例についての説明
【００２６】
ＣＣＤ出力に対するヒトスグラムが図５に示すような場合を例にとって、第１の制御例について説明する。図５は、１／ｇ露光時（ｇは広ダイナミックレンジ処理ゲイン）における輝度ヒストグラムおよび累積比率を示している。図５において、実線ｑはＣＣＤ出力の輝度ヒストグラムを、実線ｒは累積比率を示している。また、Ｔｈ1 ，Ｔｈ50，Ｔｈ80は、それぞれ累積比率が１％，５０％，８０％に対応するＣＣＤ出力値を示している。
【００２７】
図６は、ヒトスグラムが図５に示すような場合の階調補正回路１３の入出力特性を示している。
【００２８】
階調補正回路１３の入出力特性を表す折れ線は、直線部分Ｌ１と、直線部分Ｌ２と、直線部分Ｌ３と、直線部分Ｌ４とから構成されている。各直線部分の範囲と決定方法について説明する。なお、階調補正回路１３の入力をＩＮ、出力をＯＵＴで表すことにする。
【００２９】
（１）直線部分Ｌ１
直線部分Ｌ１は、ＩＮ＜Ｔｈ1 の範囲での特性を表している。直線部分Ｌ１の傾きをα1 とし、広ダイナミックレンジ処理ゲインをｇとすると、直線部分Ｌ１の傾きα1 は、α1 ≦ｇの範囲の値に設定される。１／４露光のときには、ｇ＝４となる。
【００３０】
（２）直線部分Ｌ２
直線部分Ｌ２は、Ｔｈ1 ≦ＩＮ＜Ｔｈ50でかつＯＵＴ≦ｋ１×ｍａｘOUT の範囲での特性を表している。この例では、ｋ１＝０．５に設定されている。直線部分Ｌ２の傾きα2 は、α2 ＝ｇに設定される。
【００３１】
（３）直線部分Ｌ３
直線部分Ｌ３は、Ｔｈ50≦ＩＮ＜Ｔｈ80でかつＯＵＴ≦ｋ２×ｍａｘOUT でかつＯＵＴ≦直線Ｌ４の範囲での特性を表している。この例では、ｋ２＝０．９に設定されている。直線部分Ｌ３の傾きα3 は、直線Ｌ５（図６参照）の傾き≦α3 ≦ｇの範囲の値に設定される。ただし、直線Ｌ５は、直線Ｌ２の終端と点（ｍａｘIN，ｍａｘOUT ）とを結ぶ直線である。
【００３２】
（４）直線部分Ｌ４
直線部分Ｌ４は、Ｔｈ80≦ＩＮの範囲での特性を表している。直線部分Ｌ４の傾きα4 は、β≦α4 ≦直線Ｌ５の傾きの範囲の値に設定される。βは、高輝度部の階調が極端に少なくならないようにゲインｇに応じて予め設定されている。
【００３３】
〔３−２〕第２の制御例についての説明
【００３４】
ＣＣＤ出力に対するヒトスグラムが図７に示すような場合を例にとって、第２の制御例について説明する。図７は、１／ｇ露光時（ｇは広ダイナミックレンジ処理ゲイン）における輝度ヒストグラムおよび累積比率を示している。図７において、実線ｑはＣＣＤ出力の輝度ヒストグラムを、実線ｒは累積比率を示している。また、Ｔｈ1 ，Ｔｈ50，Ｔｈ80は、それぞれ累積比率が１％，５０％，８０％に対応するＣＣＤ出力値を示している。
【００３５】
図８は、ヒトスグラムが図７に示すような場合の階調補正回路１３の入出力特性を示している。
【００３６】
階調補正回路１３の入出力特性を表す折れ線は、直線部分Ｌ１と、直線部分Ｌ２と、直線部分Ｌ３と、直線部分Ｌ４とから構成されている。各直線部分の範囲と決定方法について説明する。なお、階調補正回路１３の入力をＩＮ、出力をＯＵＴで表すことにする。
【００３７】
（１）直線部分Ｌ１
直線部分Ｌ１は、ＩＮ＜Ｔｈ1 の範囲での特性を表している。直線部分Ｌ１の傾きα1 は、α1 ≦ｇの範囲の値に設定される。１／４露光のときには、ｇ＝４となる。
【００３８】
（２）直線部分Ｌ２
直線部分Ｌ２は、Ｔｈ1 ≦ＩＮ＜Ｔｈ50でかつＯＵＴ≦ｋ１×ｍａｘOUT の範囲での特性を表している。この例では、ｋ１＝０．５に設定されている。また、この例では、ＩＮ＝ｎＴｈ50（ｎＴｈ50＜Ｔｈ50）のとき、ＯＵＴ＝ｋ１×ｍａｘOUT となり、実際の直線部分Ｌ２の範囲は、Ｔｈ1 ≦ＩＮ＜ｎＴｈ50となっている。直線部分Ｌ２の傾きα2 は、α2 ＝ｇに設定される。
【００３９】
（３）直線部分Ｌ３
直線部分Ｌ３は、ｎＴｈ50≦ＩＮ＜Ｔｈ80でかつＯＵＴ≦ｋ２×ｍａｘOUT でかつＯＵＴ≦直線Ｌ４の範囲での特性を表している。この例では、ｋ２＝０．９に設定されている。この例では、ＩＮ＞ｎＴｈ80（ｎＴｈ80＜Ｔｈ80）のとき、ＯＵＴ＞直線Ｌ４となるため、実際の直線部分Ｌ２の範囲は、ｎＴｈ50≦ＩＮ＜ｎＴｈ80となっている。直線部分Ｌ３の傾きα3 は、直線Ｌ５（図８参照）の傾き≦α3 ≦ｇの範囲の値に設定される。ただし、直線Ｌ５は、直線Ｌ２の終端と点（ｍａｘIN，ｍａｘOUT ）とを結ぶ直線である。
【００４０】
（４）直線部分Ｌ４
直線部分Ｌ４は、ｎＴｈ80≦ＩＮの範囲での特性を表している。直線部分Ｌ４の傾きα4 は、β≦α4 ≦直線Ｌ５の傾きの範囲の値に設定される。βは、高輝度部の階調が極端に少なくならないようにゲインｇに応じて予め設定されている。
【００４１】
〔３−３〕第３の制御例についての説明
【００４２】
ＣＣＤ出力に対するヒトスグラムが図９に示すような場合を例にとって、第３の制御例について説明する。図９は、１／ｇ露光時（ｇは広ダイナミックレンジ処理ゲイン）における輝度ヒストグラムおよび累積比率を示している。図９において、実線ｑはＣＣＤ出力の輝度ヒストグラムを、実線ｒは累積比率を示している。また、Ｔｈ1 ，Ｔｈ50，Ｔｈ80は、それぞれ累積比率が１％，５０％，８０％に対応するＣＣＤ出力値を示している。
【００４３】
図１０は、ヒトスグラムが図９に示すような場合の階調補正回路１３の入出力特性を示している。
【００４４】
階調補正回路１３の入出力特性を表す折れ線は、直線部分Ｌ１と、直線部分Ｌ２と、曲線部分Ｌ３とから構成されている。各部分の範囲と決定方法について説明する。なお、階調補正回路１３の入力をＩＮ、出力をＯＵＴで表すことにする。
【００４５】
（１）直線部分Ｌ１
直線部分Ｌ１は、ＩＮ＜Ｔｈ1 の範囲での特性を表している。直線部分Ｌ１の傾きα1 は、α1 ≦ｇの範囲の値に設定される。１／４露光のときには、ｇ＝４となる。
【００４６】
（２）直線部分Ｌ２
直線部分Ｌ２は、Ｔｈ1 ≦ＩＮ＜Ｔｈ50でかつＯＵＴ≦ｋ１×ｍａｘOUT の範囲での特性を表している。この例では、ｋ１＝０．５に設定されている。直線部分Ｌ２の傾きα2 は、α2 ＝ｇに設定される。
【００４７】
（３）曲線部分Ｌ３
曲線部分Ｌ３は、Ｔｈ50≦ＩＮの範囲での特性を表している。曲線部分Ｌ３は、予め用意されたルックアップテーブル（ＬＵＴ）から算出される。なお、ルックアップテーブルは、ゲインｇによって可変である。図１１に、ルックアップテーブルの例を示している。
【００４８】
〔４〕輪郭補償処理について
図１２は、デジタルプロセス回路内の輝度信号Ｙに対する処理回路を示している。
【００４９】
第１Ｙプロセス回路１４には、低輝度部用輪郭抽出回路７１、高輝度部用輪郭抽出回路７２、加重加算回路７３、ゲイン調整回路７４および輪郭補償回路７５が含まれている。第２Ｙプロセス回路１６には、ゲイン調整／ニー補正／同期付加回路８１が含まれている。
【００５０】
輝度信号フィルタ１２によって生成された輝度信号Ｙは、階調補正回路１３、第１Ｙプロセス回路１４内の高輝度部用輪郭抽出回路７２および第１Ｙプロセス回路１４内の加重加算回路７３にそれぞれ与えられる。階調補正回路１３によって階調補正された輝度信号は、第１Ｙプロセス回路１４内の低輝度部用輪郭抽出回路７１および第１Ｙプロセス回路１４内の輪郭補償回路７５にそれぞれ与えられる。
【００５１】
低輝度部用輪郭抽出回路７１は、階調補正回路１３によって階調補正された輝度信号（低輝度部がゲインアップされた輝度信号）に基づいて、低輝度部に適した輪郭補正信号（低輝度部用輪郭補正信号）を生成する。高輝度部用輪郭抽出回路７２は、階調補正前の輝度信号Ｙに基づいて、高輝度部に適した輪郭補正信号（高輝度部用輪郭補正信号）を生成する。
【００５２】
低輝度部用輪郭補正信号および高輝度部用輪郭補正信号は、加重加算回路７３に与えられる。加重加算回路７３は、輝度信号フィルタ１２によって生成された輝度信号Ｙに基づいて、低輝度部用輪郭補正信号および高輝度部用輪郭補正信号を加重加算する。この際、高輝度部では高輝度部用輪郭補正信号に対する重み付けを大きくされ、低輝度部では低輝度部用輪郭補正信号に対する重み付けが大きくされる。
【００５３】
加重加算回路７３によって得られた輪郭補正信号は、ゲイン調整回路７４を介して輪郭補償回路７５に与えられる。輪郭補償回路７５は、ゲイン調整回路７４から与えられる輪郭補正信号を、階調補正された輝度信号に加算することにより、輪郭補償を行う。
【００５４】
このような輪郭補償処理を行うことにより、低輝度部および高輝度部のいずれにおいても、適切な輪郭補償が行えるようになる。
【００５５】
なお、ＣＤＳ／ＡＧＣ／ＡＤＣ回路２内のＡＤコンバータのビット数を従来処理で用いるよりも多くすることが好ましい。このようにすると、階調補正回路１３において低輝度部をゲインアップしても、従来処理と同等もしくは同等以上の階調性を再現できる。
【００５６】
上記実施例では、所定出力値（飽和判定閾値Ｔｈｓａｔ）以上の画素の割合が所定値より大きか否かを判定するためにヒストグラムを作成しているが、ヒストグラムを作成することなく、所定出力値以上の画素をカウントし、得られたカウント値に基づいて上記判定を行うようにしてもよい。また、ヒストグラムを作成しない場合、階調補正を行う方法としては、たとえば、図１１に示すようなゲイン調整可能なＬＵＴをそのまま使用して、階調補正を行うことが考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】ＣＣＤを用いた撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図２】通常露光時の明るさとＣＣＤ出力との関係（破線ａ）と、１／４露光時の明るさとＣＣＤ出力との関係（破線ｂ）とを示すグラフである。
【図３】通常露光時におけるＣＣＤ出力の輝度ヒストグラムを示すグラフである。
【図４】１／４露光時におけるＣＣＤ出力の輝度ヒストグラムを示すグラフである。
【図５】ＣＣＤ出力に対するヒトスグラムの一例を示すグラフである。
【図６】階調補正回路１３の入出力特性の第１制御例を示し、ヒトスグラムが図５に示すような場合の階調補正回路１３の入出力特性を示すグラフである。
【図７】ＣＣＤ出力に対するヒトスグラムの一例を示すグラフである。
【図８】階調補正回路１３の入出力特性の第２制御例を示し、ヒトスグラムが図７に示すような場合の階調補正回路１３の入出力特性を示すグラフである。
【図９】ＣＣＤ出力に対するヒトスグラムの一例を示すグラフである。
【図１０】階調補正回路１３の入出力特性の第３制御例を示し、ヒトスグラムが図９に示すような場合の階調補正回路１３の入出力特性を示すグラフである。している。
【図１１】ルックアップテーブルの例を示すグラフであるる
【図１２】デジタルプロセス回路内の輝度信号Ｙに対する処理回路を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  ＣＣＤ
２  ＣＤＳ／ＡＧＣ／ＡＤＣ回路
１１  Ｙ用ノイズ低減処理回路
１２  輝度信号フィルタ
１３  階調補正回路
１４  第１Ｙプロセス回路
１５  γ補正回路
１６  第２Ｙプロセス回路
４０  コントローラ
３１  画面情報検出／輝度信号ヒトスグラム生成／ＡＥ・ＡＦ評価値生成部
５０  システムコントローラ
５１  駆動制御部
【図１】
2005109579.tif 000003
【図２】
2005109579.tif 000004
【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】
2005109579.tif 000012
【図１１】
2005109579.tif 000013
【図１２】
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