JP2010178164A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】撮像光学系とローリングシャッタ機能を有するCMOSセンサとCMOSセンサの制御を行う制御装置とを備え、制御装置は、CMOSセンサからの被写体画像データからこの被写体の適正露光時間Tsを算出するとともに、適正露光時間Tsに基づいて短露光時間T1と長露光時間T2を算出し、短露光時間T1と長露光時間T2とでローリングシャッタ方式により露光させ、この露光で得られた短・長露光画像を合成して広ダイナミックレンジの画像を生成するデジタルカメラにおいて、制御装置は、CMOSセンサの1フレーム転送時間−1画素行の転送時間を算出し、長露光時間T2をこの時間と比較して、より短い場合は長露光時間T2をこの時間に変更する。
【選択図】図3
Description
この制御手段は、レンズ系およびCCDを介して撮影された画像からその輝度レベルを求めて適正露光時間を求める測光評価部と、この適正露光時間に比し例えば露光が1/8となる露光時間および前記適正露光時間の双方で連続的に露光して撮像された画像を合成する画像合成部と、上記測光評価部および画像合成部を含めた制御手段の各部を制御する制御部等とを有している。
また、同様な撮像装置として、適正な露光時間を算出し、この適正露光時間を含めた長短の露光時間をそれぞれ算出して2つの画像を撮像して合成する撮像装置が知られている(例えば、特許文献2)。
この撮像装置は、レンズ系と、レンズ系の絞りを制御する露出制御機構(露出制御系)と、CCDと、各種デジタル処理を行うデジタルプロセス回路と、デジタルプロセス回路とCCDを制御するシステムコントローラとを備えている。
この露出制御系は、ユーザー設定や公知の自動露出調整手段(AE)が算出した結果(CCDからの出力信号を用いた公知の測光による結果)に基づいて、通常の露光時間つまり適正露光時間(代表露光時間)を算出する。そして、適正露光時間と、この適正露光時間に基づいて算出された別の露光時間とで短露光と長露光とを行い、両者の画像を合成する。
このため、2回目の露光の各画素行露光時間が所定時間(1フレーム転送時間−1画素行転送時間)より短い場合は、図7に示すように、上記1画素行の露光終了時点が1回目の露光のフレーム転送終了時点と一致するように2回目の第1画素行の露光が行われる。 このように2回目の露光が行われるため、各画素行露光時間が所定時間(1フレーム転送時間−1画素行転送時間)より短い場合には、1回目と2回目の露光間に露光が行われていない時間帯(ギャップ)が生じる。
このギャップにより露光していない時間が発生し、1回目と2回目の露光で得られた画像を合成した画像はこの時間帯での露光情報が欠落したものとなり、被写体が2重像として現れることとなる。
請求項2の発明は、請求項1に記載の撮像装置において、前記制御手段は、前記撮像光学系の絞りの絞り量、減光フィルタの減光量、前記CMOSセンサのアナログゲインのうち少なくとも1つを調整して、前記長露光時間の変更によって増加する長露光の露光量を変更前の露光量と同一にし、この調整によって減少する短露光の露光量が、減少する前の露光量と同一となるように前記短露光時間を延長することを特徴とする。
請求項3の発明は、請求項2に記載の撮像装置において、前記短露光時間で露光して得られた第1画像についてゲインを高める処理を行なって、第1画像の輝度を前記長露光時間で露光して得られた第2画像の輝度と同じにするとともに、第2画像において輝度が飽和している部分を特定し、この部分をこの部分に対応する前記第1画像部分で置き換える合成処理をすることを特徴とする。
請求項4の発明は、請求項3に記載の撮像装置において、増加する前記長露光の露光量を前記調整によって変更前の露光量と同一にできない場合、前記第2画像において輝度が飽和していない画像部分に含まれる画素について、各画素出力値データをビットシフトすることにより、この画像部分の画素出力値を減少させて、この画像部分を変更前の前記長露光時間で露光したものと同一にすることを特徴とする。
図1(a),(b),(c)に示すように、本実施形態に係るデジタルカメラ100の上面には、レリーズボタン(シャッタボタン)2、電源ボタン3、撮影・再生切替ダイアル4が設けられており、デジタルカメラ1の正面(前面)側には、撮影レンズ系(撮像光学系)5を有する鏡胴ユニット6、ストロボ発光部(フラッシュ)7、光学ファインダ8が設けられている。
(デジタルカメラのシステム構成)
図2に示すように、デジタルカメラ100は、フォーカスレンズ(フォーカス光学系)を含む撮影レンズ系5、撮影レンズ系5とCMOSセンサ16との間に設けられたメカニカルシャッタ17と、この撮影レンズ系5およびメカニカルシャッタ17を介して入射される被写体像を撮像するCMOSセンサ16と、撮影レンズ系5のうち少なくともフォーカスレンズを、その光軸に沿った可動範囲で変位させるモータドライバ18と、撮影開始の操作が入力されるレリーズボタン2等(図1(a)〜(c)参照)を含む操作部19と、主としてCMOSセンサ16からの信号読み取り処理を行うフロントエンド(F/E)のF/E信号処理部20と、デジタルカメラ100の振れを検出するジャイロセンサ21と、デジタルカメラ100の振れである手振れを補正する手振れ補正手段22と、CMOSセンサ16から信号を読み取るための制御や、読み取られた信号の処理、モータドライバ18の駆動制御、操作部19からの操作信号の入力処理、CMOSセンサ16から読み取って得られた画像信号に基づいて、この画像信号があらわす画像の焦点程度を表す指標値であるオートフォーカス評価値等の各種演算処理を行うデジタル信号処理IC(制御部)23等とを備えている。
<メカニカルシャッタ17>
メカニカルシャッタ17は、撮影レンズ系5とCMOSセンサ16との間の光路に介挿されて、光路を開閉し、CMOSセンサ16の露光を制限する。
<CMOSセンサ16>
デジタルカメラ100の内部には、CMOSステージ24がX−Y方向に移動可能に設けられており、このCMOSステージ24にCMOSセンサ16が搭載されている。CMOSステージ24は図示しない駆動機構によってX−Y方向に移動され、駆動機構は、ジャイロセンサ21が検出する振れ量に基づいてCPUなどを備えた後述するデジタル信号処理IC23の制御装置(制御手段:位置ズレ検出手段:画像処理手段)25により制御される。
<F/E信号処理部20>
F/E信号処理部20は、CDS(相関2重サンプリング)回路26、AGC(自動利得制御)回路27、A/D(アナログ・デジタル)変換器28、およびタイミング発生器(TG)29を備えている。
<デジタル信号処理IC23>
一方、デジタル信号処理IC23は、カメラインターフェイス31、メモリーコントローラ32、表示出力制御部33、圧縮処理部34、YUV変換部35、リサイズ処理部36、メディアインターフェイス(メディアI/F)37および制御装置25等を有している。
制御装置25は、接続されているROM38、フレームメモリ(SDRAM:記憶手段)41、液晶モニタ(LCディスプレイ)9、音声出力装置39およびメモリーカード14を制御するとともに、測距センサ40、操作部19およびROM38からの信号等を入力する。
<モニタリング動作>
撮影者がデジタルカメラ100のメニューボタン12(図1(C)参照)を操作して撮影設定画面(不図示)を液晶モニタ9に表示させる。そして、撮影設定画面に表示される「静止画撮影モード」を選択することにより、デジタルカメラ100は制御装置25の制御によって静止画撮影モードに設定される。
<AE処理>
また、制御装置25は、RAW−RGBデータにおけるRGB値のそれぞれを積分値からAE(自動露出)評価値を算出する。例えば、CMOSセンサ16の全画素の受光面に対応した画面を1024エリアに等分割(水平32分割、垂直32分割)し、それぞれのエリアのRGB積算を算出する。
そして、制御装置25は算出されたRGB積算値から、画面それぞれのエリアの輝度を算出して輝度分布から適正な露光量(適正露光時間Ts)を決定する。
<本実施形態における撮像動作>
図4に示すフロー図を参照しながら、本実施形態における撮像動作を説明する。ここでは1フレーム転送時間L1が20fps(1/20秒に1枚の画像を転送する)と仮定する。図6(b)に示すように、短露光の第1画素行の転送が開始され(時点ta1)、最終行の第N画素行の転送が終了する(時点ta2)ので、1フレーム転送時間L1は、時点ta2−時点ta1であり第1〜N画素行の転送時間の総和である。この1フレーム転送時間L1はカメラ固有のもので原則変化しない。
この長露光時間T2は1/40秒であり、所定時間(1フレーム転送時間―1画素行転送時間)の約1/20秒より短い。そのため、長露光のフレーム転送が、短露光のフレーム転送に重ならないように且つ連続するように長露光の露光開始時を設定すると、短露光と長露光間で露光されない時間帯のギャップG2が生じることになる(図3(a)参照)。
そのため、ステップS6でISO感度が調整できると判断された場合には、ゲイン(ISO感度)を下げる調整を行って延長後の長露光の露光量と延長前の長露光の露光量とを同一にし、延長後の長露光画像を意図したダイナミックレンジで撮像した長露光画像と同等にするものである。
例えば、ISO感度を200から100に設定すると信号のゲインが1/2となるので、露光時間を2倍にすれば延長前の長露光画像と同じものが得られる。すなわち、露光時間が2倍になったとき、ISO感度を例えば200から100に設定すればよい。
ISO感度を下げる調整を行うことで延長後の長露光の露光量を延長前の長露光の露光量と同一にできるが、このISO感度調整によって短露光の露光量が減少してしまうため、短露光時間T1をT1´(>T1)に延長してISO感度調整前の短露光の露光量と同一にする。上述した絞り量の調整や減光フィルタによる調整によっても短露光の露光量が変わってしまうため、この場合もその調整に応じて上記と同様に短露光時間T1を延長する。
ステップS9では、ローリングシャッタ方式により連続的に短露光と長露光を行う。
短露光時間T1と長露光時間T2を変更した場合(ステップS6でNOの場合)には、短露光時間T1´と長露光時間T2´でそれぞれの露光を行う。短露光時間T1を変更せず長露光時間T2のみを変更した場合(ステップS6でYESの場合)には、短露光時間T1と長露光時間T2´でそれぞれの露光を行う。短露光時間T1も長露光時間T2も変更しなかった場合(ステップS4でNOの場合)には、短露光時間T1と長露光時間T2でそれぞれの露光を行う。
ステップS10では、短露光時間T1(T1´)で露光された短露光画像(第1画像)と、長露光時間T2(T2´)で露光された長露光画像(第2画像)の合成処理の処理動作が行われる。
以下、その処理動作を図5に示すフロー図に基づいて説明する。
ステップS12では、短露光画像にゲイン処理をかけて長露光画像の明るさに一致させる。
ステップS13では、長露光画像において輝度飽和(サチレーション)した部分を特定する処理をして輝度飽和部分があるか判断し、NOであればステップS15へ進み、YESであればステップS14へ進む。
ステップS14では、ステップS13で特定した長露光画像の輝度飽和部分を、ゲイン処理をかけた短露光画像部分(輝度飽和部分に対応する画像部分)で置き換える合成処理をする。
ここで、ステップS16のビットシフト処理を行う理由について説明する。
ステップS6でYESと判断されISO感度を調整しなかった場合は、上記ステップS14で合成に使用される短露光画像は、短露光時間T1で露光された画像であるため、上記合成処理において短露光画像で置換された長露光画像部分は、撮影者の意図したダイナミックレンジが再現される。
<ビットシフト処理>
例えば、本来の長露光時間T2が1/80秒の場合、1フレーム転送時間に合わせて約1/20秒(1フレーム転送時間―1画素行転送時間)の長露光時間T2´で露光したことにより約4倍の露光時間となるので、短露光画像で置換されなかった長露光画像部分では情報が約4倍増幅されて出現している。
そこで、この画像部分に含まれる画素について、各画素の画素出力値データを2ビット分ビットシフトして4分の1にする処理を行う。
なお、ステップS7でISO感度を下げる調整をした場合は、延長後の長露光の露光量が延長前の長露光の露光量と同一となっているのでこのビットシフト処理は行わない(ステップS15でYESの場合)。
また、図6(b)に示すように、ステップS4で長露光時間T2が所定時間T2´(1フレーム転送時間―1画素行転送時間)より長く算出された場合、具体的な例としては長露光時間T2が1/10秒と算出されたような場合、この長露光時間T2は所定時間T2´(1フレーム転送時間―1画素行転送時間)の約1/20秒より長いので、ギャップG2が生じず露光時間の延長をしない。つまり、この場合は長露光時間T2で長露光がなされているので、このビットシフト処理は行わない(ステップS4でNOの場合)。
次に、本発明の作用・効果を説明する。
請求項1の発明によれば、制御装置25により算出された適正露光時間Tsに基づいて算出された長露光時間T2が所定時間T2´(1フレーム転送時間―1画素行転送時間)より短い場合でも、この長露光時間T2を所定時間T2´(1フレーム転送時間―1画素行転送時間)に変更して長露光を行うので、短露光と長露光との間に時間的なギャップG2が生じず、短露光と長露光とを略連続的に行うことができる。
請求項2の発明によれば、撮像光学系5のメカニカルシャッタ17の絞りの絞り量、減光フィルタの減光量、CMOSセンサ16のアナログゲインのうち少なくとも1つを調整することにより、長露光時間T2の変更後の長露光の露光量を変更前の露光量と同一にすることができる。
また、上記調整によって減少する短露光の露光量を、短露光時間T1を延長することにより上記調整前の短露光の露光量と同一にすることができる。
このため、短露光と長露光のそれぞれが適正露光時間Tsにより算出された短・長の露光量と同一となり、撮影者の意図したダイナミックレンジの合成画像を得ることができる。
請求項3の発明によれば、短露光時間T1(T1´)で露光して得られた短露光画像についてゲインを高める処理を行なって、短露光画像を長露光時間T2(T2´)で露光して得られた長露光画像の輝度と同じにするとともに、長露光画像において輝度が飽和している部分を特定し、この部分をこの部分に対応する前記短露光画像の部分で置き換える合成処理をするので、長露光画像において輝度飽和が生じている領域があっても、この領域に対応する被写体像を再現できるとともにこの領域において撮影者が意図したダイナミックレンジを再現できる。
請求項4の発明によれば、上記の各種調整(ISO感度の調整、NDフィルタの調整、メカニカルシャッタ17の絞りの調整)が出来ない場合、長露光画像において輝度が飽和していない画像部分に含まれる画素について、各画素出力値データのビットをビットシフト処理することにより、上記の各種調整ができない場合でも長露光画像の余分な画像情報をカットして延長後の長露光の露光量を延長前の長露光の露光量と同一にすることができ、この部分において撮影者が意図したダイナミックレンジを再現できる。
以上、本発明に係る撮像装置を上記実施形態に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
16 CMOSセンサ
25 制御装置
Ts 適正露光時間
T1 短露光時間(露光時間)
T2 長露光時間(露光時間)
100 デジタルカメラ(撮像装置)
L1 1フレーム転送時間
PxL1L 1画素行転送時間
Claims (4)
- 撮像光学系と、ローリングシャッタ機能を有するCMOSセンサと、前記CMOSセンサの制御を行う制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記CMOSセンサから出力される被写体の画像データからこの被写体についての適正露光時間を算出するとともに、この適正露光時間に基づいて短露光時間と長露光時間とを算出し、ローリングシャッタ方式でこの短露光時間と長露光時間それぞれの露光時間で露光させ、この露光で得られた短露光画像と長露光画像を合成してダイナミックレンジの広い画像を生成する撮像装置において、
前記制御手段は、前記CMOSセンサの1フレーム転送時間から1画素行の転送時間を引いた時間を算出し、この算出した時間と前記長露光時間とを比較し、この長露光時間が前記算出した時間より短い場合、この長露光時間をこの算出した時間に変更することを特徴とする撮像装置。 - 前記制御手段は、前記撮像光学系の絞りの絞り量、減光フィルタの減光量、前記CMOSセンサのアナログゲインのうち少なくとも1つを調整して、前記長露光時間の変更によって増加する長露光の露光量を変更前の露光量と同一にし、この調整によって減少する短露光の露光量が、減少する前の露光量と同一となるように前記短露光時間を延長することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記短露光時間で露光して得られた第1画像についてゲインを高める処理を行なって、第1画像の輝度を前記長露光時間で露光して得られた第2画像の輝度と同じにするとともに、第2画像において輝度が飽和している部分を特定し、この部分をこの部分に対応する前記第1画像部分で置き換える合成処理をすることを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。
- 増加する前記長露光の露光量を前記調整によって変更前の露光量と同一にできない場合、前記第2画像において輝度が飽和していない画像部分に含まれる画素について、各画素出力値データをビットシフトすることにより、この画像部分の画素出力値を減少させて、この画像部分を変更前の前記長露光時間で露光したものと同一にすることを特徴とする請求項3に記載の撮像装置。
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