(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体像を光電変換して映像信号を出力する撮像素子と、
該撮像素子の受光量を、長時間露光と短時間露光とを順次切替えるように可変する露光制御回路と、
該撮像素子から出力された該受光量が異なる長時間露光と短時間露光とで露光した映像信号それぞれに、入出力特性が異なる非線形処理を行う非線形増幅回路と、
該非線型増幅回路で増幅された映像信号を記憶するメモリ回路と、
該メモリ回路に記憶された映像信号と、該メモリ回路への入力信号とを加算する加算回路と、
を有し、
前記非線形増幅回路は、長時間露光により得られた映像信号に対して、飽和領域を押さえ込む負極性を含む入出力特性で非線型処理を行い、短時間露光により得られた映像信号に対しては、低輝度を圧縮し、高輝度を増幅する入出力特性で非線型処理を行うこと
を特徴とする撮像装置。
【請求項２】
請求項１において
前記映像信号の輝度レベルに対する画面上の占有率を表す輝度分布を検出する輝度分布検出手段を有し、
前記輝度分布検出手段により検出された輝度レベルにより前記非線型増幅回路の入出力特性を変化させること
を特徴とする撮像装置。
【請求項３】
被写体像を光電変換して映像信号を出力する撮像素子と、
該撮像素子の受光量を、長時間露光と短時間露光とを順次切替えるように可変する露光制御回路と、
該撮像素子から出力された該受光量が異なる長時間露光と短時間露光とで露光した映像信号それぞれに、入出力特性が異なる非線形処理を行う非線形増幅回路と、
該非線型増幅回路で増幅された映像信号を記憶するメモリ回路と、
該メモリ回路に記憶された映像信号と、該メモリ回路への入力信号とを加算する加算回路と、
前記映像信号の輝度レベルに対する画面上の占有率を表す輝度分布を検出する輝度分布検出手段と、
を有し、
前記輝度分布検出手段により検出された輝度レベルにより前記非線型増幅回路の入出力特性を変化させ、
前記非線形増幅回路は、長時間露光により得られた映像信号に対して、飽和領域を押さえ込む入出力特性で非線型処理を行い、短時間露光により得られた映像信号に対しては、低輝度を圧縮し、高輝度を増幅する入出力特性で非線型処理を行うこと
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】
本発明はビデオカメラならびに電子スチルカメラなどの撮像装置における信号処理技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビデオカメラや電子スチルカメラにおいて、室内から撮影する窓辺の人物など、逆光時の撮影の場合、一般的な露光制御を行うと、目的の人物が黒く潰れ、窓の外の風景に適切な露光が行われる。このようなシーンを撮影する場合には、逆光補正処理を行い、目的の人物の映像信号が黒く潰れないような補正を行っていた。しかしながら、この場合、逆光補正前に最適な露光であった室外の風景は白く飛んでしまう。逆光補正処理とは、カメラの絞りを通常より開き気味にするか、露光時間を長めに設定し、本来黒く潰れてしまう領域を明るく撮影する露光処理である。また、監視カメラなどにおいても、1台のカメラで室内と室外の両方を同時に監視する必要がある場合、室内外双方の露光の妥協点で撮影を行っていた。
【０００３】
上記のような広いダイナミックレンジを必要とするシーンを撮影する場合、「映像情報メディア学会誌 ＶＯＬ．５１，ＮＯ．２  ｐｐ．２２８〜２３２／広ダイナミックレンジ画像合成処理技術」（以下、刊行物という。）に記載のように、屋内画像に適した長時間露光と屋外露光に適した短時間露光を連続で行い、得られた画像をそれぞれ重み付け処理後に加算し、現行の信号処理を行うよう構成された装置がある。これにより屋内画像は長時間露光のＳ／Ｎの良い部分を用い、長時間露光で白飛びしてしまう屋外領域を短時間露光の画像で合成でき、屋内から屋外までの階調を実現していた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
刊行物に記載の技術においては、映像信号処理回路の前段において、長時間露光信号と短時間露光信号の重み付け加算を行なうため、各露光信号のコントラストが圧縮された状態で長時間露光画像の上に短時間露光画像が積み上げられたような再現となり、各部分毎の諧調が十分得られないといった問題があった。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、カメラに用いられている非線型処理回路であるガンマ処理回路の入出力特性を、長時間露光信号と短時間露光信号で随時切替え、各々の露光に適した処理を行う。ガンマ処理回路の特性を変化させることにより、各露光信号の諧調を極力保持しつつ、長時間露光信号と短時間露光信号の合成を行うことができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施例を図１〜４を用いて説明する。図１は本発明を実現するためのブロック図であり、１０１はレンズ、１０２はＣＣＤ撮像素子、１０３はタイミングジェネレータ、１０４はＡＧＣ回路、１０５はＡ／Ｄ変換器、１０６はカメラ信号処理回路、１０７はガンマ補正回路、１０８はメモリ回路、１０９はＤ／Ａ変換回路、１１０はガンマ特性切替えスイッチである。また、図２〜４は図１で示すカメラの各ブロックにおける信号の状態および特性をグラフで示したものである。
【０００７】
レンズ１０１でＣＣＤ撮像素子１０２の受光面に結像した被写体画像は、光電変換されＡＧＣ回路１０４へ送られ、所定のゲインを与えられた後にＡ／Ｄ変換器１０５でデジタル信号へ変換される。デジタル変換された映像信号はカメラ信号処理回路１０６において、輝度信号と色差信号へと分離される。
【０００８】
ここで、図２（ａ）に示すように、１フィールド単位でＣＣＤ撮像素子１０２へ与える電子シャッタの量を切替えることで、同図（ｂ）の如くＣＣＤ撮像素子１０２から出力する信号量を、長時間露光および短時間露光と順次切替えることが出来る。電子シャッタとは、タイミングジェネレータ１０３から供給するＣＣＤ撮像素子１０２の駆動パルスを切替えることで、撮像素子の光電変換量を電子的にコントロールする機能である。
【０００９】
長時間露光時、ＣＣＤ撮像素子１０２から出力される信号量は、図４（ａ）の実線に示すように、入射光量が低い時は直線的であるが、入射光量がある一定レベルを超えると、飽和する。これに対して、短時間露光時の信号量は、図４（ａ）の一点破線に示すように入射光量が多い場合にも直線的な特性を示す反面、入射光量が少ない領域ではノイズが多くなる。
【００１０】
電子シャッタにより順次切替えられた映像信号は、ガンマ補正回路１０７で非線型変換処理を施される。この時、ガンマ補正回路１０７で施される変換特性を切替えスイッチ１１０で図２（ｃ）に示すように切替える。
【００１１】
ガンマ特性切替えスイッチ１１０で切替える２つの特性は例えば、各々図３で示すカーブを持っており、これにより、長時間露光時の映像信号は、ＣＣＤ撮像素子１０２の飽和領域をガンマ特性Ａで押え込み、図４（ｂ）の実線で示すようになる。また短時間露光時の映像信号は低輝度部は更に圧縮され高輝度部は増幅されて、より高コントラストな輝度再現が得られるようなガンマ特性Ｂで変換され、図４（ｂ）の一点破線示すようになる。これら映像信号の生成タイミングを図２（ｄ）に示す。
【００１２】
ガンマ補正回路１０７で補正された長時間露光信号と短時間露光信号はメモリ回路１０８に記憶され、その後、信号量の少ない短時間露光信号に必要に応じてオフセット値を加えた後に加算する。加算後の信号量を図４（ｃ）に示す。
【００１３】
加算された映像信号は、Ｄ／Ａ変換回路１０９でアナログ変換され、アナログＴＶ信号となる。
【００１４】
以上により、屋内と屋外を同時に撮影するなど、広いダイナミックレンジを必要とする場合において、長時間露光と短時間露光を順次切替え、各々の映像信号に施すガンマ補正の特性を切替えることで、比較的暗い室内の映像信号は長時間露光部のノイズの少ない領域を用い、長時間露光で飽和してしまう屋外の映像信号を短時間露光で補うことで、既存のカメラ信号処理回路から大幅に回路を追加すること無く、ダイナミックレンジの拡大が実現できる。また本実施例によれば合成時の長時間露光信号と短時間露光信号の重複量が抑えられるので、刊行物に記載されるような積み上げ式の合成（重み付け加算後に単一のガンマ（γ）処理を行なう）に比し、各信号のダイナミックレンジをより広く保てる効果があり、低輝度部（長時間露光信号）、高輝度部（短時間露光信号）ともにコントラストの高い画像を得ることができる。
【００１５】
なお、本実施例においては、長時間露光と短時間露光を出力するタイミングをフィールド単位で切替えて説明をしているが、ＣＣＤ撮像素子１０２の構成を変えることで、これを水平同期単位で切替えて出力させても同一の回路で同様の効果を得ることが可能である。
【００１６】
しかしながら低輝度から高輝度にわたり連続的に信号が存する場合、刊行物に記載のような積み上げ式においてはその連続性・単調性が保たれるが、本発明においては実施例の図４（ｃ）内に※印で示すような非単調点、つまり輝度再現が反転する点が生ずる可能性があるが、窓越しの屋外撮影等の逆光状態においては離散的な輝度分布を持つことが殆どであり、撮影画面上注目度の低い中間部での若干の輝度反転は許容される。
【００１７】
本発明の第２の実施例は、このように逆光撮影では注目する各被写体の輝度が離散的であることを利用し、前記特異点の再生画への影響を更に低減するものである。以下本実施例につき図を用いて説明する。図５は本第２実施例のブロック図であり、概略の構成は第一実施例および図１と同様であり、同様の回路には同一の番号を付している。本実施例の特徴はカメラ信号処理回路（１０６）経路中の映像信号を用い、撮影中画面の輝度分布状態を検出する手段（１１１）を設け、該手段の検出結果に応じ、各ガンマ特性もしくは切替えスイッチ（１１０）での各ガンマ特性の切り換えポイントを可変するようにしている。
【００１８】
室内に設置されたカメラにて室内および窓越しの屋外を同時に撮影した場合その撮影画像の輝度分布状態は図９に例示される如くなる。また図６は前記第１の実施例の図２同様、長時間露光・短時間露光を順次切替えながら逆光状態での撮影を行なったときの信号の例である。ここで室内の被写体は図６（ｂ）の左側のＣＣＤ出力の小さい部分及び図９の低輝度側の分布の集中する部分（以下、山という）に、屋外の被写体は図６（ｂ）の右側の出力レベルの高い部分及び図９の高輝度側の分布の山にそれぞれ対応する。即ち上述のような逆光撮影時の輝度分布は室内・屋外に二極化（または多極化）する傾向が強く、中間的な輝度レベルを呈する部分の画面占有率は低い（以下この部分を谷という）ことが多い。
【００１９】
輝度分布検出手段（１１１）は上記のように２極分化あるいは多極化した輝度分布内の複数の山又は谷を検出し、前記各山又は谷の位置、つまり各極の輝度レベルに応じて、ガンマ特性Ａ、Ｂを変更する。変更の方法は例えば図７に示すように各ガンマ特性の変曲点をずらすことにより各山と各ガンマ特性とをマッチングさせるようにすればよく、図８に示すように合成後の非単調点（※）の位置が移動させ、該非単調点と前記「谷」を一致するようにすることにより各山の分離をより明確化でき、明確な入出力（合成ガンマ）特性を実現できる。この時の映像信号様態を図６（ｄ）〜（ｆ）に示す。ガンマ特性Ａでは高輝度部の信号だけを、ガンマ特性Ｂでは低輝度部の信号だけをより確実に抑圧する（ｄ）ことができ、合成後の相互影響が低減する。
【００２０】
このように本実施例に拠れば固定ガンマ特性を用いた場合に比べ輝度分布の谷と非単調点とのアンマッチを防止でき、すなわち前記輝度再現の反転する点を輝度分布の極小点に合致させることが出来るので、より違和感の少ない広ダイナミックレンジ画像を得ることが出来る。
【００２１】
【発明の効果】
本発明により、ダイナミックレンジを拡大した映像信号を生成することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の一実施例を示した図。
【図２】  図１の各ブロックにおけるパルスタイミング図。
【図３】  図１の切替えスイッチ１１０における入出力特性図。
【図４】  図１の各ブロックにおける入出力特性図。
【図５】  本発明の他の実施例を示した図。
【図６】  図５の各ブロックにおけるパルスタイミング図。
【図７】  図５の切替えスイッチ１１０における入出力特性図。
【図８】  図５の各ブロックにおける入出力特性図。
【図９】  逆光撮影時の撮影画面における輝度分布状態の一例を示すグラフ図。
【符号の説明】
１０１…レンズ
１０２…ＣＣＤ撮像素子
１０３…タイミングジェネレータ
１０４…ＡＧＣ回路
１０５…Ａ／Ｄ変換回路
１０６…信号処理回路
１０７…ガンマ変換回路
１０８…メモリ
１０９…Ｄ／Ａ変換回路
１１０…ガンマ特性切替えスイッチ
１１１…輝度分布検出手段
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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