JP3849333B2 - デジタルスチルカメラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタルスチルカメラに関し、特に的確な露出制御を行って、画質を極力向上させることのできるデジタルスチルカメラに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子技術の向上に伴い、撮像した画像をデジタルデータに変換して記憶するデジタルスチルカメラが開発され、既に市販されている。ユーザーは、デジタルスチルカメラにより撮像した画像を、たとえば自分のパソコンのディスプレイに表示でき、またプリンタを介してプリントできるため、その応用範囲は広いものとなっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、銀塩フィルムを使用するいわゆる銀塩カメラに対するデジタルスチルカメラの問題点の一つは、ＣＣＤのダイナミックレンジが狭いということである。わかりやすい例で示せば、同一被写体を同条件で、デジタルスチルカメラと銀塩カメラとで撮像した場合、一般的に、デジタルスチルカメラにより撮像された画像は、銀塩カメラにより撮像されたものに対してコントラストが弱いため、明るい領域は白っぽくなり（飛んでしまい）、暗い領域は黒っぽくなる（つぶれてしまう）傾向がある。従って、デジタルスチルカメラにおいて、高画質な画像を得るためには、露出量をいかに適切に調整するかが、きわめて重要な問題となる。
【０００４】
本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み、撮像手段のダイナミックレンジを極力活用すると共に、適切に露出量の調整を行うことができるデジタルスチルカメラを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成すべく、本発明のデジタルスチルカメラは、
被写体像を、画素値からなる画像データに変換する撮像手段と、
前記撮像手段から得られた画像データの内、最大の画素値を検出する検出手段と、
前記画素値に対するゲインを変更するゲイン変更手段と、を有し、
前記最大の画素値が、画素の出力可能な最大値を下回るとき、前記ゲイン変更手段は、該出力可能な最大値に対する出力中央値以下のゲインは変更せず、前記最大の画素値を画素の出力可能な最大値に変更し、前記出力中央値から変更後の最大の画素値の間のゲインをなだらかに変化するように変更することを特徴とする。
【０００８】
【作用】
本発明のデジタルスチルカメラによれば、被写体像を、画素値からなる画像データに変換する撮像手段と、前記撮像手段から得られた画像データの内、最大の画素値を検出する検出手段と、前記画素値に対するゲインを変更するゲイン変更手段と、を有し、前記最大の画素値が、画素の出力可能な最大値を下回るとき、前記ゲイン変更手段は、該出力可能な最大値に対する出力中央値以下のゲインは変更せず、前記最大の画素値を、画素の出力可能な最大値に変更し、前記出力中央値から変更後の最大の画素値の間のゲインをなだらかに変化するように変更するので、それにより画質を向上させることが可能となる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による実施の形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施の形態にかかるデジタルスチルカメラの構成を示すブロック図である。図１において、撮影レンズ１により受光面に光学像を結像された撮像素子であるＣＣＤ２は、光学像に対応したアナログ信号を出力する、いわゆる光電変換を行うものであり、Ａ／Ｄ変換装置３は、ＣＣＤ２から入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して出力するものである。尚、本実施の形態にかかるＡ／Ｄ変換回路３においては、光電変換手段２に入射した光の強度が高いほど、大きな値のデジタル信号に変換されるものとする。かかるＡ／Ｄ変換回路３を介して得られた画像データは、一旦、画像用メモリ４に記憶される。
【００１２】
画像用メモリ４に記憶された画像データは、制御手段であるＭＰＵ５によって各種の画像処理が施され、最終的には、ＭＰＵ５に接続されたメモリカード等の不揮発性メモリ６に記憶される。尚、ＭＰＵ５は、内蔵電池等の電源７から電力供給を受け、インタフェース装置８を介してＩｒＤＡ（赤外線通信）やシリアル通信等を利用して、外部と通信できるようになっている。又、ＭＰＵ５は、パワースイッチ１６のオン操作により動作を開始し、レリーズボタン１０からのレリーズ信号を受信して、図示しないシャッタ装置を駆動して撮影を行うようになっている。更に、ＭＰＵ５は、液晶モニタ等の画像表示装置（表示手段）９を駆動制御して、画像の表示を行わせるようになっている。また、ＭＰＵ５は、ストロボ装置１３から、ストロボ照射光を照射でき、ＡＥ（自動露出装置）１１を駆動して絞り１１ａの開放量を制御することができる。
【００１３】
更に、図１に示すデジタルスチルカメラは、赤外線測距装置２０を有している。赤外線測距装置２０は、赤外線を照射し、更に被写体から反射した赤外線を検出し、その時間差に基づいて被写体までの距離を測定する機能を有する。しかしながら、たとえば超音波を用いて測距を行う測距装置を使用することもできる。
【００１４】
赤外線測距装置２０は、測定した測距値を、内部に記憶されているテーブルに照らし合わせて、撮影レンズ１の合焦位置を求め、モータ１２に駆動信号を出力する。モータ１２は、その駆動信号に応じて、赤外線測距装置２０により求められた合焦位置へと撮影レンズ１を移動させるようになっている。
【００１５】
ところでＣＲＴは、明度が明るい領域はより明るく、暗い領域はより暗く表示する特性を有している。従って、人間の目で見て、画像が自然に（リニアに）見えるように、実際得られた画像データを変換してやる必要がある。そこで、ＭＰＵ５は、画像用メモリ４に記憶された画像データを、所定の関数に基づいて変換を行って、不揮発性メモリ６に記録することができる。かかる処理を階調補正処理といい、所定の関数をガンマカーブと呼ぶ。理想的なガンマカーブを図２に示す。図２における横軸は、画素に入射する光の量（入力値）であり、縦軸は、ＭＰＵ５において階調補正処理後の画像データであって、最大値を１とした場合の割合である。
【００１６】
本実施の形態の特徴は、画像データに含まれる画素値の最大値（いわゆるピーク値）を検出することにより、適正露光に必要な露光補正量を変化させることにある。この制御により、ピーク値が低い被写体（低コントラスト被写体）に対してはオーバー露光で、ピーク値が多い被写体（高コントラスト被写体）に対してはアンダー露光で撮像される。このため、ＣＣＤのダイナミックレンジを有効に利用できるようになるのである。尚、以下の処理は、ＭＰＵ５内で行われるようになっている。
【００１７】
まず、画像の１０％以上のエリアが飽和している場合は、式（１）で求める露光補正量Ｍ＿Ｓｈｉｆｔに−ＰＥＡＫ＿ＭＡＸ［ＥＶ］を加えて真の露光補正量（Ｓｈｉｆｔ）を求める（式２）。なお、ＰＥＡＫ＿ＭＡＸは固定値とする。

【００１８】
画像の１０％以上のエリアが飽和していない場合は、累積ヒストグラムの発生率９５％の輝度データを用いる。この値と、予め決められたピーク目標値との差（Ｐ＿Ｓｈｉｆｔ）を求める（式（３））。

【００１９】
このＰ＿Ｓｈｉｆｔと、式（１）で求めた露光補正量Ｍ＿Ｓｈｉｆｔを利用し、真の露光補正量（Ｓｈｉｆｔ）を求める（式（４）〜式（７））。

なお、暗いときこの処理は行なわない。
【００２０】
取り込んだ画像の階調特性を最適にするために、階調補正処理が行なわれる。具体的な階調補正処理は、信号処理で使用する階調補正ＬＵＴのデータを変更することにより行われる。このＬＵＴは入カ１０ｂｉｔ、出力８ｂｉｔのテーブルとなる。実際には、カメラが記憶している基本のガンマカーブを操作することで実現する。階調補正処理には、傾き変更処理、ダーククリップ処理、ニー処理がある。
【００２１】
露出がオーバーめに撮像された画像（低コントラストの被写体）に対しては、ガンマカーブを抑え、露出がアンダーめに撮像された画像（高コントラストの被写体）に対しては、ガンマカーブを膨らます。ここでは、階調カーブ補正量（Ｃ＿Ｓｈｉｆｔ［ＥＶ］）を算出し、基本のガンマカーブの傾きを増減する。式（１）からＭ＿Ｓｈｉｆｔ、式（３）からＰ＿Ｓｈｉｆｔを求め、以下の計算式を用いることで算出する。ただし、Ｃ＿Ｓｈｉｆｔを大きくすると、ノイズも増幅されるので、リミッタを設ける（Ｃ＿Ｓｈｉｆｔ［ＥＶ］＜２［ＥＶ］）。
【００２２】

【００２３】
このことにより、低コントラストの被写体に対しては、階調性が高く、Ｓ／Ｎ特性が向上した画像になる。均一被写体などに対しては、明るめの画像になる。また、高コントラストの被写体に対してはダイナミックレンジが広がる。
【００２４】
尚、累積ヒストグラムを使用して、発生率５％の輝度データの２／３の輝度データが０になるように、ガンマカーブをシフトすることができる。また、ガンマカーブを単に膨らますのみでは、広いダイナミックレンジを確保することができなくなってしまう。このために、高輝度部の圧縮率を向上させる、いわゆるニー処理を行なってもよい。このことで、ハイライト部のコントラストが低下し、ダイナミックレンジを拡大することとなる。
【００２５】
以下、より具体的に本実施の形態を説明する。図３は、本実施の形態による階調補正処理の具体例を示した図である。たとえば主要被写体に対して適切な露光量を調整して、撮像を行った場合において、入力値と出力値との関係は、図３（ａ）に示すガンマカーブ上の関係を有しているとする。図３（ａ）によれば、その画素値の最大値Ｘは、かかる画素が出力可能な最大値（１）となっていない。従って、かかる状態で画像データを出力すると、ダイナミックレンジを有効に利用できず、結果としてコントラストの弱い画像が形成される恐れがある。
【００２６】
そこで、本実施の形態においては、露光量を増大させて、再度ＣＣＤ２から画像データを採取する。ここで露光量の増大量は、図３（ｂ）に示すように、階調補正処理後のデータにおいて、最大の画素値Ｘが、かかる画素が出力可能な最大値（１）に等しくなるように設定される。それによりダイナミックレンジを有効に利用することができ、全体の画質を向上させることができる。
【００２７】
一方、図３（ａ）において、主要被写体が存在すると推定されるのは、出力可能な最大値（１）のほぼ１／２（中央値とする）に対応する、ガンマカーブ上の点Ａである。かかる主要被写体の明度として適切と考えられるのは、かかる画素が出力可能な最大値（１）のほぼ１／２（中央値とする）であるため、点Ａは固定させるべきである。
【００２８】
ところが、上述したようにダイナミックレンジをフルに活用するために露光量を増大させたため、主要被写体の露光量も増大して、適切とされる中央値より点Ａが高くなってしまう。そこで、本実施の形態においては、図３（ｃ）に示すごとく、点Ｘの位置は不変としつつ、点Ａが中央値に一致するように、ガンマカーブを変更する（へこませる）。このようにすることにより、ダイナミックレンジをフルに活用しながらも、主要被写体の露光量を適切に調整することが可能となる。
【００２９】
図４は、第２の実施の形態による階調補正処理の具体例を示した図である。たとえば主要被写体に対して適切な露光量を調整して、撮像を行った場合において、入力値と出力値との関係は、図４（ａ）に示すガンマカーブ上の関係を有しているとする。図４（ａ）によれば、画素値Ｘ１からＸ２までが、かかる画素が出力可能な最大値（１）となっており、すなわちかかる範囲で画素は飽和状態となっている。従って、かかる状態で画像データを出力すると、画素値Ｘ１からＸ２までの範囲では、明度が同一であるため画像が実質的に形成されないこととなる。
【００３０】
そこで、本実施の形態においては、露光量を減少させて、再度ＣＣＤ２から画像データを採取する。ここで露光量の減少量は、図４（ｂ）に示すように、階調補正処理後のデータにおいて、最大の画素値Ｘ２が、かかる画素が出力可能な最大値（１）に等しくなるように設定される。具体的には、露光量を減少させつつ繰り返し画像データを取得し、画素値Ｘ２が飽和値をわずかに下回るまで行う。それにより画素値Ｘ１は、最大値より下方に移動するため、画素値Ｘ１からＸ２までの範囲で、コントラストは弱いものの明確な画像を形成することができる。
【００３１】
一方、図４（ａ）において、主要被写体が存在すると推定されるのは、出力可能な最大値（１）のほぼ１／２（中央値とする）に対応する、ガンマカーブ上の点Ａである。かかる主要被写体の明度として適切と考えられるのは、かかる画素が出力可能な最大値（１）のほぼ１／２（中央値とする）であるため、点Ａは固定させるべきである。
【００３２】
ところが、上述したように露光量を減少させたため、主要被写体の露光量も減少して、点Ａが中央値より低くなってしまう。そこで、本実施の形態においては、図４（ｃ）に示すごとく、画素値Ｘ２の位置は不変としつつ、点Ａが中央値に一致するように、ガンマカーブを変更する（膨らませる）。このようにすることにより、ダイナミックレンジをフルに活用しながらも、主要被写体の露光量を適切に調整することが可能となる。
【００３３】
上述の実施の形態によれば、露出量を変更することにより、ダイナミックレンジを有効に活用しつつ、主要被写体の画質を向上させることができる。これに対し、以下に述べる第３の実施の形態においては、画素値に対するゲインを変更して、画像データを調整するようにする。
【００３４】
図５は、本実施の形態による階調補正処理の具体例を示した図である。たとえば主要被写体に対して適切な露光量を調整して、撮像を行った場合において、ＭＰＵ５における入力値と出力値との関係は、図５の実線に示す関係を有しているとする。図５によれば、その画素値の最大値Ｘは、かかる画素が出力可能な最大値（１）となっていない。従って、かかる状態で画像データを出力すると、ダイナミックレンジを有効に利用できず、結果としてコントラストの弱い画像が形成される恐れがある。
【００３５】
ところで、全体の画素値に対するゲインを増大させて、たとえば最大の画素値Ｘが、かかる画素が出力可能な最大値（１）に等しくなるように設定することは可能である。ところが、かかるゲインの増大により、低輝度側の画素値も増大するため、ダイナミックレンジは広くならず、また低輝度側の画素値にノイズがのって画質が低下する恐れがある。
【００３６】
そこで、本実施の形態によれば、低輝度側の画素値に対するゲインは変えずに、高輝度側の画素値のみに対するゲインを増大させるようにする。しかしながら、たとえば出力中央値である点Ａのところで高輝度側と低輝度側とを分けて、デジタル的にゲインを増大させるようにすると、画像が不自然なものとなる恐れがある。
【００３７】
そこで、本実施の形態においては、高輝度側のゲインを輝度値に応じた可変量とし、図５の点Ａ（及びそれ以下）ではゲイン増大値は０として、点Ｘではゲイン増大値をＧとすることにより、一点鎖線で示すごとく、点Ａから点Ｘにかけてガンマカーブがなだらかに変化するようにして、画素値に重み付けを施している。
【００３８】
かかる本実施の形態によれば、コントラストの高い被写体に対しては、ダイナミックレンジをフルに活用でき、それにより画質を向上させることができる。一方、低輝度側においては、ゲインを増大させないことから、いわゆるＳ／Ｎ比が高くなって、画質を向上させることができる。更に、ゲインを変更しても点Ａの位置は不変であるから、主要被写体の画質をも向上させることができる。
【００３９】
図６は、第４の実施の形態による階調補正処理の具体例を示した図である。たとえば、ストロボを用いた撮影時においては、人物等の主要被写体からは、ストロボ照射光に基づく比較的大量の反射光が戻ってくるが、遠方の背景等にかかる部分については、反射光が戻ってこないことが多い。従って、ストロボ照射時に得られた最大の画素値Ｘに対応する画像は、主要被写体であることが多い。
【００４０】
そこで、本実施の形態においては、最大の画素値Ｘを、かかる画素が出力可能な最大値（１）の１／２又はその近傍となるように、ゲインをｇだけ減少させる。このようにゲインを減少することにより、画質が最も良好とされる領域に、主要被写体にかかる画素値を調整することが可能となり、それにより主要被写体に関して、画質を向上させることができる。一方、かかる処理により、背景等の画像に関しては、露光量が低下して黒くつぶれる恐れはあるが、主要被写体に比して高画質の要求は高くないため、特に問題は生じないと考えられる。
【００４１】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。
【００４２】
【発明の効果】
本発明のデジタルスチルカメラによれば、被写体像を、画素値からなる画像データに変換する撮像手段と、前記撮像手段から得られた画像データの内、最大の画素値を検出する検出手段と、前記画素値に対するゲインを変更するゲイン変更手段と、を有し、前記最大の画素値が、画素の出力可能な最大値を下回るとき、前記ゲイン変更手段は、該出力可能な最大値に対する出力中央値以下のゲインは変更せず、前記最大の画素値を、画素の出力可能な最大値に変更し、前記出力中央値から変更後の最大の画素値の間のゲインをなだらかに変化するように変更するので、それにより画質を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかるデジタルスチルカメラの構成を示すブロック図である。
【図２】理想的なガンマカーブを示す図である。
【図３】第１の実施の形態による階調補正処理の具体例を示した図である。
【図４】第２の実施の形態による階調補正処理の具体例を示した図である。
【図５】第３の実施の形態による階調補正処理の具体例を示した図である。
【図６】第４の実施の形態による階調補正処理の具体例を示した図である。
【符号の説明】
１ 撮影レンズ
２ ＣＣＤ
３ Ａ／Ｄ変換装置
４ 画像用メモリ
５ ＭＰＵ
６ 不揮発性メモリ
７ 電源（電池）
８ インタフェース装置
９ 画像表示装置（ＬＣＤ）
１０ レリーズボタン
１１ 測光装置
１１ａ 絞り
１２ モータ
１３ ストロボ
１６ パワースイッチ
２０ 赤外線測距装置

Claims (1)

1. 被写体像を、画素値からなる画像データに変換する撮像手段と、
   前記撮像手段から得られた画像データの内、最大の画素値を検出する検出手段と、
   前記画素値に対するゲインを変更するゲイン変更手段と、を有し、
   前記最大の画素値が、画素の出力可能な最大値を下回るとき、前記ゲイン変更手段は、該出力可能な最大値に対する出力中央値以下のゲインは変更せず、前記最大の画素値を画素の出力可能な最大値に変更し、前記出力中央値から変更後の最大の画素値の間のゲインをなだらかに変化するように変更することを特徴とするデジタルスチルカメラ。

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