JP2004088406A - 画像信号処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】画像信号処理装置において、映像信号のゲインを大きくすると、直流レベルに重畳されるノイズにクランプが追従し、横引き状のノイズが生じやすい。
【解決手段】ＡＧＣ回路７０は、ゲイン設定回路５６が出力するゲインに応じて映像信号を増幅する。クランプ回路７２は、クランプ時定数設定回路５８によって設定された時定数に応じたクランプ能力で、ＡＧＣ回路７０の出力信号における直流レベルのクランプを行う。クランプ時定数設定回路５８は、ゲイン設定回路５６が生成するゲインを取得する。比較回路１２０は取得したゲインを基準値と比較して、ゲインが基準値を超える場合には、相対的に大きな時定数を出力する。この時定数に応じてクランプ回路７２のクランプ能力が制御され、ゲインが大きい場合には、緩やかなクランプが行われ、直流レベルに重畳されるノイズに追従しにくくなり、横引き状のノイズが抑制される。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、撮像素子から出力される映像信号を処理する画像信号処理装置に関し、特に、映像信号の直流レベルの制御に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ　Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ等の撮像素子で得られた映像信号は、通常、コンデンサでカップリングして取り出される。そのため、映像信号の直流レベルは映像信号レベルにより変動し得る。そこで、撮像素子の画素配列の周縁部分に設けられたオプティカルブラック（Ｏｐｔｉａｌ　Ｂｌａｃｋ：ＯＰＢ）領域に対応して得られる映像信号（ＯＰＢ映像信号）を所定の黒レベルにするクランプ処理がなされる。また、その後段に設けられるＡＧＣ（Ａｕｔｏ　Ｇａｉｎ　Ｃｏｎｔｒｏｌ）回路の出力においても、映像信号の直流レベルがＡＧＣ回路のゲインに応じて変動し得る。そのため、ＡＧＣ回路の後に直流レベルを制御するクランプ回路が設けられる。
【０００３】
図６は従来の画像信号処理装置の模式的な回路図である。この装置はアナログ信号処理回路２、デジタル信号処理回路６、ゲイン設定回路８を含んで構成される。アナログ信号処理回路２では、ＡＧＣ回路２０が、ＣＣＤイメージセンサからの映像信号に、ゲイン設定回路８により設定されるゲインを与えて映像信号のレベルを制御し、その出力がクランプ回路２２でクランプされる。デジタル信号処理回路６では、積分回路２４が１画面分の映像信号を積分する。判定回路２６は積分結果と所定の基準値とを比較し、その比較結果に基づいてゲイン設定回路８はゲインを増減する。このように、ＣＣＤイメージセンサからの映像信号の画面単位の平均レベルが所定の範囲内に収まるようにフィードバック制御される。
【０００４】
クランプ回路２２は、水平同期信号ＨＤに同期して、ＯＰＢ映像信号期間内の一定期間、信号線を基準電圧源に接続する。これにより映像信号の直流レベルが所定電位にクランプされ、黒レベルが一定レベルに設定される。クランプ回路２２のクランプ時定数は、クランプパルス生成回路２８で生成されるクランプパルスＣＬによって定められる。具体的には、クランプパルス生成回路２８は、各回のクランプ動作における基準電圧源から信号線への電流供給量を調節する。例えば、１回のクランプ動作での電流供給量が大きいほど時定数は小さくなり、直流レベルは基準電源の電圧へ向けて速やかに収束する。
【０００５】
さて、ＯＰＢ映像信号はノイズ成分を含み得る。ノイズ成分が重畳した直流レベルをクランプすると、クランプ後の直流レベルがノイズ成分に追従する。すなわち、ノイズ成分の変動の影響を受けて、水平ラインごとにクランプ後の直流レベルが変動することとなり、これは、再生画像にて横引き状のノイズとして観察される。ノイズ成分への追従の影響は、クランプの時定数に依存し、具体的には、クランプの時定数を小さくすると、クランプ後の直流レベルが、クランプ期間中のノイズ成分に追従しやすくなる。つまり、クランプの時定数は、所定レベルへのクランプが比較的多くのラインに亘って達成され横引き状のノイズが軽減されるという観点からは大きく設定することが好ましい。一方、黒レベルの収束ができるだけ速やかに実現されるという観点からは小さく設定することが好ましい。従来は、これらの条件を考慮して、クランプの時定数は、装置の実際の使用状態において好適な再生画像が得られるような一定値に設定されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ノイズ成分への追従の影響は、クランプの時定数だけでなく、ノイズ成分の大きさにも依存する。ここで、増幅回路の出力における映像信号に含まれるノイズ成分の大きさは、その増幅回路のゲインに依存する。従来、この増幅回路の出力側で行われるクランプ処理では、ゲインに応じたノイズ成分の変動を考慮せずにクランプの時定数が設定されていた。そのため、ゲインを大きくした場合に、クランプが不安定となり、横引き状のノイズが生じやすいという問題があった。
【０００７】
本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、映像信号の直流レベルのクランプが好適に行われ、良好な画質の画像が得られる画像信号処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る画像信号処理装置は、一画面単位で連続する映像信号に対して任意のゲインを与える増幅回路と、増幅された映像信号の基準レベルを所定のレベルにクランプするクランプ回路とを備え、前記クランプ回路が、前記映像信号のクランプ時の時定数が前のゲインに応じて可変設定される。
【０００９】
本発明によれば、例えば、増幅回路のゲインが大きいほど、時定数が大きく設定される。ゲインに応じた時定数の変化は、連続的でも段階的でもよい。ゲインが大きい場合に、時定数を大きくしてノイズに追従しにくくすることにより、横引き状のノイズの発生が抑制される。直流レベルを所定レベルへシフトさせるクランプ回路の時定数は、そのクランプ能力に依存し、クランプパルス幅を小さくしたり、クランプ電源の供給電流を小さくしてクランプ能力を下げると、時定数は大きくなる。
【００１０】
本発明の好適な態様は、前記クランプ回路が、クランプパルスに応答して前記映像信号をクランプし、前記クランプパルスのパルス幅が伸縮制御されて前記クランプの時定数が可変設定される画像信号処理装置である。
【００１１】
本発明のさらに好適な態様は、前記増幅回路のゲイン量を示すゲイン値を所定の基準値と比較する比較回路と、前記比較回路の比較結果に応じて前記クランプパルスのパルス幅を伸縮制御するクランプパルス生成回路とを有する画像信号処理装置である。
【００１２】
他の本発明に係る画像信号処理装置は、前記比較回路が、第１の基準値と第２の基準値とを有し、前記第１及び第２の基準値と前記ゲイン値との比較において、ヒステリシス特性を有する。
【００１３】
本発明によれば、ゲインに対する時定数の変化にヒステリシス特性が付与される。例えば、第２基準値が第１基準値より大きく設定されるものとする。このとき、ゲインが減少する場合には、例えば、第２基準値の通過時にはクランプパルスのパルス幅は比較的大きいクランプ時定数に対応するそれまでの値を維持し、第１基準値の通過時に、小さい時定数に対応するパルス幅へ切り替わる。一方、ゲインが増加する場合には、例えば、第１基準値の通過時にはパルス幅は小さい時定数に対応するパルス幅を維持し、第２基準値の通過時に大きい時定数に対応するパルス幅へ切り替わる。このヒステリシス特性によって、第１基準値及び第２基準値それぞれの近傍でゲインが変動しても、クランプの時定数の頻繁な切り替わりが防止され、ひいてはそれに起因した画質の頻繁な変化が回避される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、本発明の実施形態である画像信号処理装置の概略の回路構成を示すブロック図である。この装置は、アナログ信号処理回路５０、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−Ｄｉｇｉｔａｌ）変換回路５２、デジタル信号処理回路５４、ゲイン設定回路５６、クランプ時定数設定回路５８を含んで構成される。
【００１６】
アナログ信号処理回路５０は、ＡＧＣ回路７０、クランプ回路７２、Ｄ／Ａ（Ｄｉｇｉｔａｌ−ｔｏ−Ａｎａｌｏｇ）変換回路７４を備える。ＡＧＣ回路７０は、ＣＣＤイメージセンサからの映像信号を入力され、その映像信号をゲイン設定回路５６から与えられるゲインに応じて増幅する。クランプ回路７２は、ＡＧＣ回路７０にて増幅された映像信号の直流レベルをクランプする回路であり、ＣＣＤ駆動のためのタイミング制御回路（図示せず）で生成される水平同期信号ＨＤに同期して、各水平ラインのＯＰＢ映像信号期間においてクランプ動作を行う。そのクランプの時定数は、クランプ時定数設定回路５８によって設定される。クランプ回路７２は、具体的には、基準電圧源及びこれを映像信号線に接続するスイッチを含んで構成される。クランプ回路７２は設定された時定数に応じて、クランプ能力を変更する。
【００１７】
クランプ能力は、例えば、スイッチをオンするクランプパルスの幅を制御したり、基準電圧源の電流供給能力を制御することによって変更される。具体的には、クランプパルスの幅を長くしたり、基準電圧源の電流供給能力を上げることにより、１回のクランプ動作で基準電圧源から映像信号線に供給される電流量が増しクランプ能力が増加する。
【００１８】
クランプの時定数は基本的にクランプ能力に反比例する。よって、クランプ時定数を変更・設定することはクランプ能力を変更・設定することと基本的に同義である。例えば、設定されたクランプの時定数が小さいほど、クランプ能力が上げられ、黒レベルに相当するＯＰＢ映像信号の電位が、速やかに（すなわち、より少ないクランプ回数で）基準電圧源の電圧へ近づく。
【００１９】
クランプ回路７２にて直流レベルを調整された映像信号は、Ａ／Ｄ変換回路５２により、デジタル信号に変換され、デジタル信号処理回路５４に入力される。
【００２０】
デジタル信号処理回路５４は、デジタル映像信号を用いて、輝度信号や色差信号の生成処理の他、各種の画像処理を行うように構成することができる。それらのうち、図１には、本画像信号処理装置のゲインのフィードバック制御に関係する積分回路８０、判定回路８２が示されている。積分回路８０は、例えば、１画面分の映像信号の積分値を求める。判定回路８２は、積分回路８０にて得られた積分値と所定の目標レンジとを比較し、積分値が目標レンジを下回ればゲインを上げるべき旨の判定、積分値が目標レンジを上回ればゲインを下げるべき旨の判定、また積分値が目標レンジ内にあればゲインを現状のまま維持すべき旨の判定を行う。ちなみに、積分回路８０で得られた積分値は、上述した各種信号処理の一例として、オートアイリス制御に利用することができる。
【００２１】
判定回路８２で生成された判定結果は、ゲイン設定回路５６に通知される。ゲイン設定回路５６は、レジスタ１００にＡＧＣ回路７０に対するゲイン値を予め複数種類格納されており、通知された判定結果に応じて、それらゲイン値のいずれかを読み出して出力する。例えば、ゲイン設定回路５６は、レジスタ１００の直近に読み出されたアドレスを記憶し、判定結果がゲインを上げる指示である場合には、その記憶しているアドレスに格納されるゲイン値より大きなゲイン値を格納するアドレスを指定し、そのより大きなゲイン値を出力する。反対に、判定結果がゲインを下げる指示である場合には、現在より小さなゲイン値を出力する。また、現状のゲインを維持する指示に対しては、ゲイン値の新たな値を読み出す処理は行わない。
【００２２】
ゲイン値はゲイン設定回路５６からデジタル値で出力され、Ｄ／Ａ変換回路７４でアナログ信号に変換される。ＡＧＣ回路７０はこのアナログのゲイン信号に応じて映像信号の増幅を行う。
【００２３】
さて、ゲイン設定回路５６から出力されたゲインはクランプ時定数設定回路５８にも入力される。クランプ時定数設定回路５８は、比較回路１２０、この比較回路１２０で用いられる基準値を格納するレジスタ１２２、及びクランプパルス生成回路１２４を備えている。
【００２４】
比較回路１２０は、レジスタ１２２から第１及び第２の基準値Ａ，Ｂ（Ａ＜Ｂ）を設定され、これら基準値と入力されたゲイン値Ｇとの大小を比較し、その比較結果に基づいて２つのクランプ時定数τ１，τ２（τ１＜τ２）のいずれかを選択する。ここで、Ａ以下の範囲をＲＬ、Ａを超えＢ以下の範囲をＲＭ、Ｂを超える範囲をＲＨと表すことにする。具体的には、比較回路１２０は、ゲイン値ＧがＲＨに属する場合には時定数τ２を選択して出力する。一方、比較回路１２０は、ゲイン値ＧがＲＬに属する場合には時定数τ１を選択して出力する。ゲイン値ＧがＲＭに属する場合には、その前に属していた範囲が範囲ＲＬであれば時定数τ１、一方、範囲ＲＨであれば時定数τ２が出力される。こういった具合に、比較回路１２０は、第１及び第２の基準値Ａ，Ｂとゲイン値Ｇとの比較において、ヒステリシス特性を有している。
【００２５】
クランプパルス生成回路１２４は、クランプ回路７２のスイッチ素子のオン／オフを制御するクランプパルスＣＬを生成する。このクランプパルス生成回路１２４は、比較回路１２０の比較結果に応じてクランプパルスＣＬのパルス幅を変更することで、クランプ回路７２のクランプ時定数を変更させる。具体的には、比較回路１２０でクランプ時定数を大きくする旨の判定がなされると、クランプパルスＣＬのパルス幅を狭くするように動作する。これにより、クランプ回路７２内のスイッチ素子がオンする時間が短くなり、この結果、信号線と基準電圧源とが接続される時間が短くなって、クランプ回路７２のクランプ能力が低く設定される。一方、比較回路１２０でクランプ時定数を小さくする旨の判定がなされると、クランプパルスＣＬのパルス幅を広くするように動作する。これにより、クランプ回路７２内のスイッチ素子がオンする時間が長くなり、この結果、信号線と基準電圧源とが接続される時間が長くなって、クランプ回路７２のクランプ能力が高く設定される。
【００２６】
図２は、本装置の動作の一例を説明するタイミング図であり、複数の垂直走査期間に亘る各種信号が示されている。図において、信号（ａ）は垂直同期信号ＶＤ、信号（ｂ）はＡＧＣ回路７０に設定されるゲイン値Ｇ、信号（ｃ）はＡＧＣ回路７０の出力信号であるＡＧＣ出力信号、信号（ｄ）はクランプ回路７２の出力信号であるＣＬＰ出力信号、グラフ（ｅ）はクランプ回路７２のクランプ能力を表す。なお、上述のようにクランプ能力はクランプの時定数の逆数に比例するので、グラフ（ｅ）から、クランプ時定数設定回路５８で求められるクランプの時定数の変化を読みとることができる。
【００２７】
垂直同期信号ＶＤに現れる垂直同期パルス１４０は垂直ブランキング期間（Ｖ−ＢＬＫ）に対応し、その間隔が１画面の垂直走査期間に相当する。積分回路８０はこの垂直走査期間に亘ってＣＬＰ出力を積分する。そして、その積分値が得られる垂直走査期間の終了タイミングｔ１〜ｔ７に同期して、判定回路８２での判定、及びゲイン設定回路５６でのゲイン設定動作が行われる。例えば、積分回路８０での積分結果に基づいて、画像が基準より暗いと判定された時刻ｔ１，ｔ２，ｔ４ではゲイン値Ｇが増加され、一方、画像が基準より明るいと判定された時刻ｔ６，ｔ７ではゲイン値Ｇが減少される。このゲイン値Ｇの変更に応じて、ＡＧＣ出力信号の直流レベルが変動する。これは、図２において、基準黒レベルからの垂直ブランキング期間におけるＡＧＣ出力信号レベルのずれ量が、ゲイン値Ｇが大きいほど増加することに現れている。そして、図２のＣＬＰ出力信号では、この直流レベルのずれが、クランプ回路７２によって補正され、垂直ブランキング期間の信号レベルが基準黒レベルに合わせられることが示されている。
【００２８】
比較回路１２０は、例えば第１の基準値Ａとして“４”、第２の基準値Ｂとして“２”を設定される。この場合、“０，１”が第１の範囲ＲＬ、“２〜４”が第２の範囲ＲＭ、“５”が第３の範囲ＲＨとなる。ゲイン値Ｇは時刻ｔ１以前の値“１”から段々上げられ、時刻ｔ４でのゲイン変更によって、第１の基準値Ａを超えて第３の範囲ＲＨに属するようになる。比較回路１２０はこの過程において、時刻ｔ４までは時定数τ１を出力し、時刻ｔ４以降はτ１より大きな時定数τ２を出力する。すなわち、時刻ｔ４において、クランプ能力が高い状態から低い状態へ切り替えられる（図２（ｅ）参照）。
【００２９】
一方、ゲイン値Ｇは時刻ｔ６以降においては値“５”から段々下げられ、時刻ｔ７でのゲイン変更によって、第２の基準値Ｂを下回り、第１の範囲ＲＬに属するようになる。比較回路１２０はこの過程において、時刻ｔ７までは時定数τ２を出力し、時刻ｔ７以降は時定数τ１を出力する。すなわち、時刻ｔ７において、クランプ能力が低い状態から高い状態、すなわち通常の状態へ切り替えられる（図２（ｅ）参照）。
【００３０】
また、時刻ｔ１からｔ２では、ゲイン値Ｇが第２の基準値Ｂに等しくなり、第１の範囲ＲＬから第２の範囲ＲＭに移行するようになる。この場合、時刻ｔ１の時定数τ１を維持し、クランプ能力の設定を維持させる。これは、時刻ｔ６からｔ７への場合で同様であり、ゲイン値Ｇが第３の範囲ＲＨから第２の範囲ＲＭへ移行するが、時刻ｔ６の時定数τ２を維持する。
【００３１】
図３はクランプ能力が高く設定されている状態でのＣＬＰ出力信号の波形の拡大図であり、図４はクランプ能力が低く設定されている状態でのＣＬＰ出力信号の波形の拡大図である。また、図５は、本装置に映像信号を入力するＣＣＤイメージセンサの画素配列の模式図である。図５は、ＣＣＤイメージセンサの撮像面において、有効画素領域１６０の周囲にＯＰＢ領域１６２が設けられ、特に撮像面の下部（すなわち１画面の映像信号の先頭に読み出される部分）に例えば５ラインのＯＰＢ領域１６４が設けられている。図３、図４の５ＨのＯＰＢ期間は、ＯＰＢ領域１６４に対応する。
【００３２】
図３、図４は、それぞれゲイン値Ｇが変更されたタイミングｔｓでのＡＧＣ出力での直流レベルの変動に起因して、ＣＬＰ出力信号が、それまで維持されていた基準黒レベルから急に落ち込み、その後、クランプ回路７２が各ラインごとにクランプ動作を行うことにより、ＣＬＰ出力信号の直流レベルが１Ｈ期間ごとに徐々に基準黒レベルへ復帰する様子を示している。なお、ＯＰＢ期間に続く波形は、有効画素領域１６０のラインに対応する信号波形である。
【００３３】
ここで、クランプ能力が高く設定されている状態では、１回のクランプ動作での復帰電位幅ΔＶ１が大きく、そのため少ない回数（図３に示す例では２回）で速やかに基準黒レベルに復帰することが可能である。一方、クランプ能力が低く設定されている状態では、１回のクランプ動作での復帰電位幅ΔＶ２が小さく、そのため比較的多い回数（図４に示す例では４回）で基準黒レベルに復帰する。
【００３４】
【発明の効果】
本発明の画像信号処理装置によれば、ＡＧＣ回路等の増幅回路のゲインの切り替え等によって生じる映像信号の直流レベルのずれをクランプする際に、ゲインが比較的大きい場合には、ゲインが比較的小さい場合よりもクランプの時定数が大きく設定される。これにより緩やかにクランプされ、横引き状のノイズが抑制され、良好な画質の画像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態である画像信号処理装置の概略の回路構成を示すブロック図である。
【図２】本装置の動作の一例を説明するタイミング図である。
【図３】クランプ能力が高く設定されている状態でのＣＬＰ出力信号の波形の拡大図である。
【図４】クランプ能力が低く設定されている状態でのＣＬＰ出力信号の波形の拡大図である。
【図５】本装置に映像信号を入力するＣＣＤイメージセンサの画素配列の模式図である。
【図６】従来の画像信号処理装置の模式的な回路図である。
【符号の説明】
５０　アナログ信号処理回路、５２　Ａ／Ｄ変換回路、５４　デジタル信号処理回路、５６　ゲイン設定回路、５８　クランプ時定数設定回路、７０　ＡＧＣ回路、７２　クランプ回路、７４　Ｄ／Ａ変換回路、８０　積分回路、８２　判定回路、１２０　比較回路、１２４　クランプパルス生成回路。

Claims (4)

1. 一画面単位で連続する映像信号に対して任意のゲインを与える増幅回路と、増幅された映像信号の基準レベルを所定のレベルにクランプするクランプ回路と、を備え、
   前記クランプ回路は、前記映像信号のクランプ時の時定数が前のゲインに応じて可変設定されること、
   を特徴とする画像信号処理装置。
2. 請求項１記載の画像信号処理装置において、
   前記クランプ回路は、クランプパルスに応答して前記映像信号をクランプし、前記クランプパルスのパルス幅が伸縮制御されて前記クランプの時定数が可変設定されることを特徴とする画像信号処理装置。
3. 請求項２記載の画像信号処理装置において、
   前記増幅回路のゲイン量を示すゲイン値を所定の基準値と比較する比較回路と、
   前記比較回路の比較結果に応じて前記クランプパルスのパルス幅を伸縮制御するクランプパルス生成回路と、を有することを特徴とする画像信号処理装置。
4. 請求項３記載の画像信号処理装置において、
   前記比較回路は、第１の基準値と第２の基準値とを有し、
   前記第１及び第２の基準値と前記ゲイン値との比較において、ヒステリシス特性を有すること、
   を特徴とする画像信号処理装置。

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