JP2006157348A

JP2006157348A - デジタルスチルカメラ

Info

Publication number: JP2006157348A
Application number: JP2004343539A
Authority: JP
Inventors: Norikazu Yokonuma; 則一横沼
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2004-11-29
Filing date: 2004-11-29
Publication date: 2006-06-15
Anticipated expiration: 2024-11-29
Also published as: US7590346B2; US20080267605A1; JP4360318B2; US20060187315A1

Abstract

【課題】自動露出補正を行うことで、撮影経験の多少に拘わらず白とびや黒つぶれが軽減された画像を取得可能とする。
【解決手段】半押し操作に伴って露出値決定処理がなされる。露出値決定処理では、得られた画像信号に対する輝度度数分布を求め、その輝度度数分布に基づいて、撮像素子のダイナミックレンジを逸脱するオーバーまたはアンダーフローの有無を判別し、その判別結果に基づいて、オーバーまたはアンダーフローを低減すべく設定露出値に対する露出補正量を演算する。レリーズ操作がなされると、上記露出補正量によって補正された露出値にて新たな撮像を行う。
【選択図】図３

Description

本発明はデジタルスチルカメラに関し、露出オーバーによる白とびや露出アンダーによる黒つぶれの低減を図ったものである。

デジタルスチルカメラは、撮影レンズを透過した被写体光束をＣＣＤ等の撮像素子で受光し、その光電変換出力から画像信号を得、画像信号に種々の補正を施した後にメモリカード等の画像記録媒体に記録する。また、画像表示が可能な液晶モニタを有し、連続して撮像される画像を液晶モニタに逐次更新表示することで、モニタをファインダ代わりに使用可能なものもある。さらに、画像の輝度度数分布を表すグラフ、すなわちヒストグラムをモニタに表示可能なものもある（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−３８８０１号公報

撮像に先立ち、カメラは主要被写体を適正露出で撮影するための露出値（絞り値やシャッタ秒時）を設定する。しかし、主要被写体と背景との輝度差が大きいシーンでは、背景部分の輝度が撮像素子のダイナミックレンジを逸脱してしまい、露出オーバーによる白とびや、露出アンダーによる黒つぶれが発生することがある。これらの白とびや黒つぶれは、撮影者がいわゆる露出補正を行うことで低減できるが、適切な露出補正量を設定するには多くの経験を必要とする。上記ヒストグラムのリアルタイム表示が可能なカメラでは、それを見ながら露出補正量を設定できるが、操作が面倒であり、また初心者が容易に使いこなせるものではない。

本発明は、設定露出値で撮像素子による撮像を行い、電気的画像信号を得るデジタルスチルカメラに適用される。そして、得られた画像信号に対する輝度度数分布を求め、その輝度度数分布に基づいて、撮像素子のダイナミックレンジを逸脱するオーバーまたはアンダーフローの有無を判別し、その判別結果に基づいて、オーバーまたはアンダーフローを低減すべく設定露出値に対する露出補正量を演算し、露出補正量によって補正された露出値にて新たな撮像を行う。
請求項２の発明では、輝度度数分布の取得、およびこれに基づく露出補正量の演算は、レリーズ操作前に撮像された画像信号に対して行われ、レリーズ操作に伴って、補正された露出値で新たな撮像が行われる。
請求項３の発明では、輝度度数分布の取得、およびこれに基づく露出補正量の演算は、レリーズ操作前の撮影準備開始操作に伴って行われる。
請求項４の発明では、撮影準備開始操作から連続してレリーズ操作がなされた場合には、輝度度数分布の取得、およびこれに基づく露出補正量の演算を行わず、当初の設定露出値にて撮像を行う。
請求項５の発明では、オーバーフローの度数と、アンダーフローの度数とを輝度分布から取得し、その取得結果に基づいて露出補正の方向を決定し、該方向を加味して露出補正量を決定する。
請求項６の発明では、上記決定された露出補正の方向に応じて複数の露出補正量を候補として設定し、候補として設定された複数の露出補正量で設定露出値をそれぞれ補正して複数の撮像を行い、得られた複数の画像信号の輝度度数分布を解析して上記候補から最適露出補正量を選定し、最適露出補正量によって補正された露出値にて新たな撮像を行う。
請求項７の発明では、上記複数の撮像を連続して行い、その都度得られる画像信号を記憶し、複数の撮像が終了した後に、記憶された複数の画像信号の輝度度数分布をそれぞれ求め、それらの輝度度数分布を解析して最適露出補正量を選定する。

本発明によれば、撮像によって得られた画像信号に対する輝度度数分布を求め、その輝度度数分布に基づいて、撮像素子のダイナミックレンジを逸脱するオーバーまたはアンダーフローの有無を判別し、その判別結果に基づいて、オーバーまたはアンダーフローを低減すべく設定露出値に対する露出補正量を演算し、露出補正量によって補正された露出値にて新たな撮像を行うようにしたので、撮影者が特に意識しなくても最適な露出補正の下に撮像が行われ、撮影経験の多少に拘わらず白とびや黒つぶれが軽減された画像を得ることが可能となる。

図１〜図７により本発明の一実施の形態を説明する。
図１は本発明に係るデジタルスチルカメラのブロック図である。撮影レンズ１を透過した被写体光束は、ＣＣＤ等の撮像素子２の受光面に結像される。撮像素子２は撮像を行い、結像された被写体像の光強度に応じた複数の画素信号から成る画像信号（電気信号）を出力する。画像信号は、Ａ／Ｄ変換器３によりデジタル信号に変換された後、信号処理回路４で種々の画像処理が施され、これにより画像データが生成される。画像データは、バッファメモリ５にいったん記憶された後、記録回路６を介してメモリカードＭＣに記録される。記録の際、画像データは必要に応じて画像圧縮回路７で所定の圧縮形式に圧縮される。上記各回路はＣＰＵ８によって制御される。

測光回路９は、撮像に先立って被写界を測光し、測光結果をＣＰＵ８に入力する。ＣＰＵ８は、測光結果やＩＳＯ感度等に基づいて露出演算を行い、被写体を適正露出で撮影するための露出値（絞り値およびシャッタ秒時）を求める。露出値が決まると、絞り値に基づいて不図示の絞りが絞り込まれ、シャッタ秒時に基づく露光時間で撮像がなされる。液晶モニタ１０は、液晶画面、液晶駆動部、バックライト、バックライト制御部などから成り、画面に画像データに基づく画像を表示したり、他の情報を表示する。

ＣＰＵ８にはまた、レリーズボタンの半押し操作（撮影準備開始操作）でオンする半押しスイッチＳＷ１と、レリーズボタンの全押し操作（レリーズ操作）でオンするレリーズスイッチＳＷ２と、その他の操作部１１と、制御に必要な情報を格納するＲＯＭやＲＡＭ等のメモリ１２とが接続されている。

以上のように構成されたカメラにおいて、カメラに電源が投入されると、上述した測光，露出演算および撮像が繰り返し行われ、その都度得られる画像が液晶モニタ１０に連続して表示される。このように、繰り返し撮像される画像を逐次更新表示する表示形態をスルー画表示と呼び、撮影者はそのスルー画を見ながら構図決定を行うことができる。なお、スルー画がメモリカードＭＣに記録されることはない。

次に、本実施形態の特徴である自動露出補正制御について説明する。
上述の状態でレリーズボタンの半押し操作（ＳＷ１オン）がなされると、ＣＰＵ８はスルー画表示を継続する一方で、白とびや黒つぶれを低減するための露出補正量を求める。具体的には、スルー画の輝度度数分布を求め、その分布からオーバーフロー、アンダーフローの有無、すなわち撮像素子２のダイナミックレンジをオーバー側，アンダー側に逸脱する画素信号の有無を判定する。オーバーフローは白とびを、アンダーフローは黒つぶれをもたらすから、オーバーフローが認められたときは、白とびを低減するためにアンダー側の露出補正が必要となり、アンダーフローが認められたときは、黒つぶれを低減するためにオーバー側の露出補正が必要となる。

そこで本実施形態では、オーバー／アンダーフローが認められた場合には、当初の露出値に対してそれぞれ異なる露出補正を加えて複数回の撮像を行い、それぞれの撮像結果（画像）に対して輝度度数分布を求め、その中からオーバー／アンダーフローの度数が最も少ない画像に着目し、その画像に対する露出補正量を抽出する。ただし、オーバーフローの度数が最も少ない画像が複数ある場合には、そのうち露出補正量の絶対値が最小のものを抽出する。これは、白とびや黒つぶれを低減しながらも当初の露出値をなるべく尊重するという考えに基づく。この抽出された露出補正量によって当初の露出値が補正され、露出値が再設定される。その後、レリーズ操作（ＳＷ２オン）がなされると、再設定された露出値で撮像が行われ、得られた画像データがメモリカードＭＣに記録される。

以上の自動露出補正制御により、最終的に白とびや黒つぶれの低減された画像を記録することができる。しかも、白とび低減処理と黒つぶれ低減処理のいずれを行うかをカメラが自動決定し、いずれの場合でも最適な露出補正量を求めるので、撮影者は白とびや黒つぶれを何ら意識する必要がなく、ただ撮影操作を行うだけで初心者でも露出の失敗写真を極力減らすことができる。さらに、露出補正量を求める処理は半押し操作中に行われるので、レリーズ操作から画像記録までのタイムラグは通常の撮影と変わらず、撮影者がストレスを感ずることもない。

因みに他の方法として、レリーズ操作に伴って露出の異なる複数回の撮像を行い、その中から白とびや黒つぶれの最も低減された画像を選択して記録することも考えられる。しかし、この場合はレリーズ操作から記録完了までのタイムラグが長くなり、次の撮影がなかなか行えずにシャッタチャンスを逃すおそれがある。

図２〜図４は上記の制御をソフト的に実現するための処理手順を示し、これを参照して自動露出補正動作をより具体的に説明する。
図２はカメラの基本動作を示し、電源オンに伴ってＣＰＵ８によりこのプログラムが起動され、まずステップＳ００１で電源オン時の処理を行う。これに伴い、１／３０秒間隔でのスルー画撮像が開始される。テップＳ００２では液晶モニタ１０をオンし、ステップＳ００３では液晶モニタ１０へのスルー画表示を開始する。

ステップＳ１０１では、上述した測光および露出演算から成るＡＥ処理を行い、露出値を求める。ステップＳ１０２ではＡＦ処理を行い、不図示の測距装置での焦点検出結果に基づいて、撮影レンズ１を合焦位置に駆動する。これらステップＳ１０１，１０２の処理は、ステップＳ１０３で半押し操作されるか、ステップＳ１０４で電源がオフされるまで繰り返し行われる。各回のＡＦ，ＡＥ結果は、ステップＳ００３で開始されたスルー画表示に反映される。電源のオフが確認されると、ステップＳ２０１で液晶モニタ１０をオフするとともに、ステップＳ２０２で電源オフ処理を行って終了する。

一方、ステップＳ１０３で半押し操作（ＳＷ１オン）が確認されると、ステップＳ３０１でＡＦロックにより撮影レンズ１をそのときの合焦状態に保持し、ステップＳ３０２で露出決定処理を行う。この露出決定処理は、上述した露出補正量の自動設定処理を含み、その詳細は後述する。

ステップＳ３０２の後は、ステップＳ４０１，Ｓ４０２のループを回り、レリーズ操作または半押し操作解除を待つ。半押し操作の解除（ＳＷ１オフ）が確認されると、ステップＳ１０１に戻って上述の処理を繰り返す。一方、レリーズ操作（ＳＷ２オン）が確認されると、ステップＳ５０１で撮影処理を行う。この撮影処理は、ステップＳ３０２で決定された絞り値に基づく絞り制御、および同シャッタ秒時での撮像を含む。ステップＳ５０２ではスルー画表示を解除し、代わりにステップＳ５０１で得られた画像を液晶モニタ１０に表示し、次いでステップＳ５０３でその画像データをメモリカードＭＣに記録する。

ステップＳ５０４ではレリーズ操作が解除されるまで待ち、解除されるとステップＳ５０５で半押し操作の解除を待つ。半押し操作が解除されると、ステップＳ５０６でモニタ表示をスルー画表示に戻してステップＳ１０１に戻る。

次に、図３，図４を参照してステップＳ３０２の露出決定処理の詳細を説明する。
ステップＳ１００１では測光および露出演算を行い、絞り値およびシャッタ秒時を演算する。これらは設定露出値（設定絞り値および設定シャッタ秒時）として記憶される。ステップＳ１００２では、設定絞り値に基づいて絞りを制御する。この状態で設定シャッタ秒時での撮像が行われ、その結果として得られた画像は、スルー画として表示される。

ステップＳ１００２Ａでは、自動露出補正モードが設定されているか否かを判定する。このモードは、所定の操作部材またはメニュー設定において設定／解除されるもので、設定されていなければステップＳ１４０１に進み、ＡＥロックを行う。この場合は自動露出補正は行われず、最終露出値は設定露出値（ステップＳ１００１で演算された値）に固定される。一方、自動露出補正モードが設定されている場合は、ステップＳ１００３でレリーズ操作の有無（ＳＷ２オン・オフ）を判定し、操作されていなければステップＳ１００４に進み、現在表示されているスルー画の輝度度数分布を求める。

ステップＳ１００５Ａ〜Ｓ１００５Ｄは、ステップＳ１００４で得た輝度度数分布に基づくオーバー／アンダーフローの判定処理である。ステップＳ１００５Ａでオーバー／アンダーフローのいずれもないと判定されると、露出補正を行う必要がないのでステップＳ１４０１に進み、ＡＥロックを行う。この場合も最終露出値が設定露出値に固定される。

オーバーフローのみが認められた場合には、ステップＳ１１０１で白とび対応露出設定モードを設定し、アンダーフローのみが認められた場合には、ステップＳ１２０１で黒つぶれ対応露出設定モードを設定する。オーバー／アンダーフローの双方が認められた場合には、その度数を比較し、オーバーフロー≧アンダーフローであればステップＳ１１０１に進み、そうでなければステップＳ１２０１に進む。

ここで、オーバーフローとアンダーフローが同程度のときに白とび対策を優先するのは、黒つぶれよりも白とびの方が違和感を感ずるという人間の視覚特性による。したがって、オーバーフロー＜アンダーフローであっても、オーバーフローの度数がある程度以上であれば白とび対応露出設定モードに進んでもよい。また、オーバー／アンダーフローが多少認められても、許容範囲内であれば「なし」とみなしてもよい。

白とび対応露出設定モードが設定されると、ステップＳ１１０２で露出補正量Ａ〜Ｅを設定する。これは、上記設定露出値からの段数を示し、Ａ＝＋０．５：Ｂ＝０：Ｃ＝−０．５：Ｄ＝−１．０：Ｅ＝−１．５となる。白とび対応であるから、アンダー側の補正が主である。Ｃ，Ｄ，Ｅのみの設定でもよい。一方、黒つぶれ対応露出設定モードが設定されると、ステップＳ１２０２で同様に露出補正量Ａ〜Ｅを設定する。この場合は、Ａ＝＋１．５：Ｂ＝１．０：Ｃ＝＋０．５：Ｄ＝０：Ｅ＝−０．５となる。黒つぶれ対応であるから、オーバー側の補正が主である。Ａ，Ｂ，Ｃのみの設定でもよい。

その後、ステップＳ１３０１〜Ｓ１３１６の処理において、露出補正量Ａ〜Ｅを順に設定し、補正された露出値での撮像およびスルー画表示を行わしめる。Ｖ同期は、スルー画の撮像間隔（＝１／３０秒）を示す。また露出補正は、絞り値を設定絞り値に固定し、シャッタ秒時をＡ〜Ｅに応じて変更することでなされる。なお、絞り値を変更して露出補正を行ってもよい。

図５は上記ステップＳ１３０１〜Ｓ１３１６によって実現される動作をタイムチャートで示したものである。最初の露出補正量Ａが設定されると、次のＶ同期で露出補正量Ａを加味した露出値でのスルー画露光（撮像）がなされ、これに同期して次の露出補正量Ｂが設定される。次のＶ同期では、スルー画露光（補正量Ａ）によって得られた画像が読み込まれ、これに同期してスルー画露光（補正量Ｂ）および露出補正量Ｃの設定がなされる。さらに次のＶ同期では、読み込んだ画像のスルー画表示（補正量Ａ）と、画像の読み込み（補正量Ｂ）と、スルー画露光（補正量Ｃ）と、露出補正量Ｄの設定とがなされる。このようにして最後のスルー画表示（補正量Ｅ）までがＶ同期に同期してなされるとともに、各スルー画（補正量Ａ〜Ｅ）の輝度度数分布がそれぞれ抽出される。

ステップＳ１３１７では、上記５個の輝度度数分布を解析し、最適な露出補正量を求める。すなわち、白とび対応露出設定モードであれば、Ａ〜Ｅのうちオーバーフローの度数が最も少ない画像に対する露出補正量を抽出する。一方、黒とび対応露出設定モードであれば、Ａ〜Ｅのうちアンダーフローの度数が最も少ない画像に対する露出補正量を抽出する。ただし、オーバー／アンダーフローの度数が最も少ない画像が複数ある場合には、なるべく設定露出値に近い露出値で撮像が行われるように、絶対値が最小の露出補正値を抽出する。この抽出された露出補正量が最適露出補正量であり、最適露出補正量で補正された露出値が最終露出値となる。ステップＳ１３１８では、最終露出値をスルー画に反映させ、ステップＳ１４０１ではＡＥロックにより最終露出値を保持してリターンする。

以上はステップＳ１００３が否定された場合の処理であったが、ステップＳ１００３が肯定された場合には、直ちにステップＳ１４０１に進む。ステップＳ１００３が肯定されるということは、半押し操作から連続してレリーズ操作に移行した、つまり半押し状態を保持せずに一気に全押しまで操作したことを意味する。この場合は、撮影者が撮影を急いでいると判断し、たとえ自動露出補正モードが設定されていてもステップＳ１００４以降の処理をスキップし、設定露出値を最終露出値としてＡＥロックを行い、撮影に備える。これによりシャッタチャンスをものにできる可能性を高めることができる。

図６，図７は自動露出補正処理の２方式を示すタイムチャートである。
図６の方式は、輝度度数分布の解析を撮像の都度行うもので、Ｖ同期に同期して撮影（撮像）→読み込み→画像処理→表示および解析を行う。数字は回数を示している。この場合、１画像に対する解析が済んだ後に次の撮像を行っているため、５回の撮像では解析終了、つまり最適露出補正値の決定まで２０Ｖ（Ｖ＝１／３０秒）＝６６７ｍｓの時間を要する。ただし、前回の撮像画像を保存しておく必要がないので、バッファメモリの容量は少なくて済む。

一方、図７の方式は高速処理を実現するもので、連続して撮像を行ってその都度画像を記憶し、全ての画像が記憶されてからそれらの輝度度数分布を取得して解析を行う。この場合は、少なくとも５画像の保存が可能なバッファメモリが必要となるものの、１画像の解析が終わるまで撮像を待つ必要がないので、最適露出補正値の決定まで８Ｖ＝２６７ｍｓで済む。したがって、自動露出補正制御を行っても、撮影者の感覚としてはこれを行わなかった場合と変わらない。

なお、最適露出補正量を求めるにあたって５回の撮像を行うようにしたが、これは５回に限定されない。また、より簡便な方法として、撮像を行うことなくオーバ（アンダー）フローの度数に応じて一義的に露出補正量を決めてもよい。例えば、オーバ（アンダー）フローの度数が所定値未満であれば露出補正無しとし、所定値以上の場合は、ある一定の範囲であれば−１段（＋１段）の露出補正、それを超える場合には−２段（＋２段）の露出補正というようにしてもよい。これによってもある程度の効果を得ることができる。さらに、最適露出補正量には制限を設けることが望ましい。補正量が多すぎると、白とびや黒つぶれは低減できるものの、適正露出箇所（特に主要被写体）が大きく露出アンダーあるいはオーバーになるおそれがあるからである。

また以上では、半押し操作に伴って露出補正量を求めるようにしたが、レリーズ操作に伴って行ってもよい。この場合はレリーズタイムラグが長くなるおそれがあるが、白とびや黒つぶれを撮影者が特に意識することなく効果的に除去できるという効果は得られる。

本発明の一実施形態におけるカメラの制御ブロック図。カメラ動作を説明する基本フローチャート。自動露出補正制御を含む露出値決定処理の詳細を示すフローチャート。図３に続くフローチャート。露出補正量を求める処理の各動作タイミングを示すタイムチャート。自動露出補正処理の一例を示すタイムチャートで、各撮像ごとに解析を行うものである。自動露出補正処理の他の例を示すタイムチャートで、全撮像が完了した後に解析を行うものである。

符号の説明

１撮影レンズ
２撮像素子
４信号処理回路
８ＣＰＵ
９測光回路
１０液晶モニタ
ＳＷ１半押しスイッチ
ＳＷ２レリーズスイッチ

Claims

設定露出値で撮像素子による撮像を行い、電気的画像信号を得るデジタルスチルカメラにおいて、
前記得られた画像信号に対する輝度度数分布を求め、その輝度度数分布に基づいて、前記撮像素子のダイナミックレンジを逸脱するオーバーまたはアンダーフローの有無を判別し、その判別結果に基づいて、該オーバーまたはアンダーフローを低減すべく前記設定露出値に対する露出補正量を演算し、該露出補正量によって補正された露出値にて新たな撮像を行うことを特徴とするデジタルスチルカメラ。
前記輝度度数分布の取得、およびこれに基づく露出補正量の演算は、レリーズ操作前に撮像された画像信号に対して行われ、レリーズ操作に伴って、前記補正された露出値で新たな撮像が行われることを特徴とする請求項１に記載のデジタルスチルカメラ。
前記輝度度数分布の取得、およびこれに基づく露出補正量の演算は、レリーズ操作前の撮影準備開始操作に伴って行われることを特徴とする請求項２に記載のデジタルスチルカメラ。
前記撮影準備開始操作から連続してレリーズ操作がなされた場合には、前記輝度度数分布の取得、およびこれに基づく露出補正量の演算を行わず、当初の設定露出値にて撮像を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のデジタルスチルカメラ。
前記オーバーフローの度数と、アンダーフローの度数とを前記輝度分布から取得し、その取得結果に基づいて露出補正の方向を決定し、該方向を加味して前記露出補正量を決定することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のデジタルスチルカメラ。
前記決定された露出補正の方向に応じて複数の露出補正量を候補として設定し、該候補として設定された複数の露出補正量で前記設定露出値をそれぞれ補正して複数の撮像を行い、得られた複数の画像信号の輝度度数分布を解析して前記候補から最適露出補正量を選定し、該最適露出補正量によって補正された露出値にて新たな撮像を行うことを特徴とする請求項５に記載のデジタルスチルカメラ。
前記複数の撮像を連続して行い、その都度得られる画像信号を記憶し、複数の撮像が終了した後に、前記記憶された複数の画像信号の輝度度数分布をそれぞれ求め、それらの輝度度数分布を解析して前記最適露出補正量を選定することを特徴とする請求項６に記載のデジタルスチルカメラ。