JP4046044B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、ビデオカメラ等の撮像装置に関する。

低輝度な主要被写体を撮影するために撮像信号に振幅増幅処理を施す場合、同時に撮影画像内に高輝度な被写体があり、その信号が信号処理回路の処理能力を超えるような高振幅な信号となれば、その高輝度な信号部にクリップ処理が施されていわゆる白飛び画像が発生する。その白飛び画像は階調のないフラットな白画像となり、他の階調のある画像との視覚上の差が違和感を感じさせる。特に、低輝度な主要被写体に振幅増幅処理によるノイズが発生している画像ではこの現象が顕著に現れる。

従来の撮像装置としては、前述のような被写体を撮影する際には、白飛びのない画像を得るために露光量の異なる複数の画像信号を撮影し、それらを合成して映像信号を生成するような提案は多く出されている。

例えば、特許文献１では、撮像画面を複数の領域に分割し、各領域の代表輝度値を検出して、この代表輝度値のうち最低輝度の値を元に絞りを駆動し、電子シャッター動作により得られた露光量の異なる複数の画像信号を合成して映像信号を生成する方法である。

この方式は、白飛びがない映像を得るために、最適な振幅特性を生成する撮像装置を提供しようとするものである。
特開平１０−２３３２４号公報

しかしながら、複数の画像信号を合成して映像信号を生成する方式は、セキュリティ分野、ＦＡ分野、医療分野などの１秒あたりの撮影コマ数が少なくできる撮像装置には有効であるが、放送分野などの１秒あたりの撮影コマ数が多くなる撮像装置においては回路の高速処理能力が求められ、実現が困難であるという課題があった。

上記課題を解決するために、本発明の撮像装置は、被写体光学像の光電変換を行う撮像素子と、前記撮像素子にて得られた撮像信号のレベルを増幅させる増幅回路と、前記増幅回路の増幅度を制御する増幅度制御回路と、前記増幅度制御回路から出力される増幅度制御信号に基づいて、前記撮像信号の増幅度が高いほどノイズレベル係数を大きく設定するレベル検出回路と、ノイズ信号を発生させるノイズ発生回路と、前記レベル検出回路で生成されるノイズレベル係数により前記ノイズ発生回路にて発生させたノイズ信号のレベルをコントロールするノイズレベル制御回路と、前記増幅回路から出力される撮像信号と前記ノイズレベル制御回路にてレベル調整処理されたノイズ信号とを加算処理する加算器と、
を備えるように構成したものである。

本発明の撮像装置は、従来フラットになっていた白飛び画像部にノイズが加算され、他の階調のある画像部分との視覚上の差が軽減され、簡単な回路構成で違和感のない自然な画像を得ることができ、放送分野などの１秒あたりの撮影コマ数が多くなる撮像装置においても実現が可能である。

特に、低輝度な主要被写体を撮影するために撮像信号に振幅増幅処理を施してノイズが増大した画像等に効果的である。

以下、本発明に係わる撮像装置及び画像処理装置の実施の形態について、図面に基づいて詳細に説明する。

（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１に係る画像処理装置について説明する。図１は実施の形態１に係る画像処理装置の構成を表すブロック図である。図１において、１は第１のレベル検出回路、２はノイズ発生回路、３は加算器である。

第１のレベル検出回路１は、入力される画像信号のレベルと任意のしきい値との比較結果を示すレベル検出信号を出力する回路である。

図２は第１のレベル検出回路１における、レベル検出信号生成の一例を示す特性グラフであり、第１のレベル検出回路１に例としてランプ信号を入力した際の図を表している。レベル検出信号は、第１のレベル検出回路１に入力された信号のレベルを監視して、それが任意に設定されたしきい値を越えると状態が変移する。例として図２ではレベル検出信号は、入力レベルがしきい値を越えていないときは論理レベルがロー、越えているときは論理レベルがハイの信号を出力している。

ノイズ発生回路２はランダムノイズを発生させる回路であり、前記レベル検出信号によりノイズ発生の有無を制御される。例として第１のレベル検出回路１に入力された信号のレベルが任意に設定されたしきい値を越えていないときはノイズの発生を行わず、しきい値を越えているときはノイズを発生させる構成をとる。加算器３は、入力される画像信号とノイズ発生回路２から出力されるノイズ信号を加算処理する。

ここで、第１のレベル検出回路１にて、しきい値を白飛び画像が発生するレベル付近に設定することにより、加算器３において加算処理された画像信号は、しきい値よりもレベルの大きい白飛び画像を含む高振幅信号部分にノイズが加算されることとなり、しきい値よりもレベルの小さい、中〜低振幅信号部分の階調のある画像部分との視覚上の差が軽減され、違和感のない自然な画像を得ることが出来る。

図３はモニター表示画面におけるノイズ加算動作を示す説明図である。図３（１）は従来例であり、低輝度な主要被写体である人物を撮影するために撮像信号に振幅増幅処理を施して、その結果画面全体にノイズが発生している。さらに、その画像内に街灯も写っており、その発光部は高輝度であるためクリップ処理が施されて白飛び画像が発生する。その白飛び画像は階調のないフラットな白画像となり、他の階調のある画像との視覚上の差が違和感を感じさせる。図３（２）は本発明を実施したときの例であり、図３（１）でフラットになっていた白飛び画像部にノイズが加算され、他の階調のある画像部分との視覚上の差が軽減され、違和感のない自然な画像となっている。

なお、上記の例では画像信号に加算するノイズ信号をランダムノイズとしたが、本発明はこの制御方法に限定されるものではなく、均等に規則正しく生成させたノイズでもよく、さらには点状や線状の図形を利用した特定パターンや、グレーなどの単一色を表示してもよい。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２に係る画像処理装置について説明する。図４は実施の形態２に係る撮像装置の構成を表すブロック図である。図４において、実施の形態１に係る図１と同一符号は同一構成を示し、１は第１のレベル検出回路、３は加算器である。そして、４はスイッチ回路であり、５は第２のノイズ発生回路である。

第２のノイズ発生回路５はランダムノイズを常に発生させる回路である。その第２のノイズ発生回路５から出力されるノイズ信号は、第１のレベル検出回路１から出力されるレベル検出信号により制御されるスイッチ回路４にてゲート処理され、入力される画像信号のレベルが第１のレベル検出回路１で設定されたしきい値以上、もしくはそれを越える場合にのみノイズ信号が通過する構成をとる。加算器３は、入力される画像信号とスイッチ回路４から出力されるゲート処理されたノイズ信号を加算処理する。

ここで、第１のレベル検出回路１にて、しきい値を白飛び画像が発生するレベル付近に設定することにより、加算器３において加算処理された画像信号は、しきい値よりもレベルの大きい白飛び画像を含む高振幅信号部分にノイズが加算されることとなり、しきい値よりもレベルの小さい、中〜低振幅信号部分の階調のある画像部分との視覚上の差が軽減され、違和感のない自然な画像を得ることが出来る。

なお、上記の例では画像信号に加算するノイズ信号をランダムノイズとしたが、本発明はこの制御方法に限定されるものではなく、均等に規則正しく生成させたノイズでもよく、さらには点状や線状の図形を利用した特定パターンや、グレーなどの単一色を表示してもよい。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３に係る撮像装置について説明する。図５は実施の形態３に係る撮像装置の構成を表すブロック図である。図５において、実施の形態２に係る図４と同一符号は同一構成を示し、３は加算器、４はスイッチ回路、５は第２のノイズ発生回路である。そして、６は撮像素子であり、７はクリップ回路である。

被写体光学像は、撮像素子６により光電変換されて電気信号として出力され、クリップ回路７に入力される。信号処理回路の処理能力を超えるような高振幅な入力信号は、クリップ回路７によりクリップ処理を施し、同時にクリップ処理を施した事を示すクリップフラグ信号を生成させる。

図６はクリップ回路７における、クリップフラグ信号生成の一例を示す特性グラフであり、クリップ回路７に例としてランプ信号を入力した際の図を表している。クリップ回路７は、入力された信号のレベルが任意に設定されたクリップレベルを越えるとその信号レベルをクリップレベルに置き換えて出力する。クリップフラグ信号は、その置き換えが発生したことを示す信号である。例として図６ではクリップフラグ信号は、入力レベルがクリップレベルを越えていないときは論理レベルがロー、越えているときは論理レベルがハイの信号を出力している。

一方、第２のノイズ発生回路５でランダムノイズを発生させて、そのノイズ信号は前記クリップフラグ信号により制御されるスイッチ回路４にてゲート処理され、クリップ信号部分のみにノイズ信号が通過する構成をとる。クリップ回路７から出力される撮像信号とスイッチ回路４から出力されるゲート処理されたノイズ信号を加算器３にて加算処理する。

ここで、加算器３において加算処理された撮像信号はクリップ画像部分にノイズが加算されることとなり、クリップ処理されていない、階調のある画像部分との視覚上の差が軽減され、違和感のない自然な画像を得ることが出来る。

なお、上記の例では画像信号に加算するノイズ信号をランダムノイズとしたが、本発明はこの制御方法に限定されるものではなく、均等に規則正しく生成させたノイズでもよく、さらには点状や線状の図形を利用した特定パターンや、グレーなどの単一色を表示してもよい。

また、上記の例ではクリップフラグ信号の状態変移はクリップレベルをしきい値として生成させたが、クリップレベルにある任意の定数を加減算してしきい値としてもよい。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４に係る撮像装置について説明する。図７は実施の形態４に係る撮像装置の構成を表すブロック図である。図７において、実施の形態３に係る図５と同一符号は同一構成を示し、３は加算器、５は第２のノイズ発生回路、６は撮像素子である。そして、８は第２のレベル検出回路、９はノイズレベル制御回路である。

被写体光学像は、撮像素子６により光電変換されて電気信号として出力される。この撮像素子６にて得られた撮像信号は、第２のレベル検出回路８に入力され、撮像信号のレベルと任意のしきい値との比較結果を示すノイズレベル係数が出力される。

図８は第２のレベル検出回路８における、ノイズレベル係数生成の一例を示す特性グラフである。任意の２点の状態変化ポイントＸ１、Ｘ２を設定してＸ１より小さい入力レベルの信号には係数をゼロとし、Ｘ２より大きいレベルの入力信号には係数を１とし、Ｘ１とＸ２の間のレベルの入力信号には任意の特性を持たせて係数を生成させる。

一方、第２のノイズ発生回路５でランダムノイズを発生させて、そのノイズ信号は前記ノイズレベル係数により制御されるノイズレベル制御回路９にてレベル調整される構成をとる。例としては入力されるノイズ信号をノイズレベル係数で乗算する方法がある。 撮像素子６により得られた撮像信号とノイズレベル制御回路９から出力されるレベル調整されたノイズ信号を加算器３にて加算処理する。

ここで、加算器３において加算処理された撮像信号はノイズが加算されるが、ノイズレベル制御回路９にてノイズ加算量を制御するため、全くノイズを加算していない画像と最大量でノイズを加算した画像の境界においてスムーズにノイズ加算量が変化し、違和感のないノイズ加算を行うことが出来る。

なお、上記の例では画像信号に加算するノイズ信号をランダムノイズとしたが、本発明はこの制御方法に限定されるものではなく、均等に規則正しく生成させたノイズでもよく、さらには点状や線状の図形を利用した特定パターンや、グレーなどの単一色を表示してもよい。

また、上記の例ではノイズレベル係数の状態変化ポイントを２点としたが、本発明はこの制御方法に限定されるものではなく、任意の数の状態変化ポイントを設定してノイズレベル係数を生成させてもよい。

また、ノイズレベル係数は０から１としたが、これに限定されるものではなく、任意の倍率を設定してもよい。

（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５に係る撮像装置について説明する。図９は実施の形態５に係る撮像装置の構成を表すブロック図である。図９において、実施の形態４に係る図７と同一符号は同一構成を示し、３は加算器、５は第２のノイズ発生回路、６は撮像素子、９はノイズレベル制御回路である。そして、１０は増幅度制御回路であり、１１は増幅回路であり、１２は第３のレベル検出回路である。

増幅度制御回路１０は撮像信号の増幅度を制御する回路である。増幅回路１１は、増幅度制御回路１０から出力される増幅度制御信号により決定された増幅度で撮像素子６にて得られた撮像信号の振幅増幅を行う回路である。第３のレベル検出回路１２は増幅回路１１から出力される撮像信号のレベルから生成する第１の係数と前記増幅度制御信号に応じて生成する第２の係数を乗じてノイズレベル係数を生成する。撮像信号のレベルから生成する第１の係数は実施の形態４におけるノイズレベル係数生成と同様の特性であり、増幅度制御信号に応じて生成する第２の係数は例えば増幅度０ｄＢであれば係数は０、増幅度６ｄＢであれば係数は１、増幅度１２ｄＢであれば係数は２というように、増幅度が増加するほどノイズレベル係数を大きく設定する構成をとる。一方、第２のノイズ発生回路５でランダムノイズを発生させて、そのノイズ信号は前記ノイズレベル係数により制御されるノイズレベル制御回路９にてレベル調整される構成をとる。例としては入力されるノイズ信号をノイズレベル係数で乗算する方法がある。増幅回路１１により振幅増幅処理された撮像信号とノイズレベル制御回路９から出力されるレベル調整されたノイズ信号を加算器３にて加算処理する。

ここで、加算器３において加算処理された撮像信号はノイズが加算されるが、撮像信号のレベルから生成する第１の係数により全くノイズを加算していない画像と最大量でノイズを加算した画像の境界においてスムーズにノイズ加算量が変化し、さらに増幅度制御信号に応じて生成する第２の係数により撮像信号の増幅度に応じてノイズ加算量を増減するため、違和感のないノイズ加算を行うことが出来る。

なお、上記の例では画像信号に加算するノイズ信号をランダムノイズとしたが、本発明はこの制御方法に限定されるものではなく、均等に規則正しく生成させたノイズでもよく、さらには点状や線状の図形を利用した特定パターンや、グレーなどの単一色を表示してもよい。

以上のように本発明にかかる撮像装置は、従来フラットになっていた白飛び画像部にノイズが加算され、他の階調のある画像部分との視覚上の差が軽減され、違和感のない自然な画像を得る効果を有し、特にゲインアップしてノイズが増大した画像に有用である。

本発明の実施の形態１に係る画像処理装置の構成を示すブロック図 実施の形態１に係るレベル検出信号生成の一例を示す特性グラフ 実施の形態１に係るモニター表示におけるノイズ加算動作を示す説明図 本発明の実施の形態２に係る画像処理装置の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態３に係る撮像装置の構成を示すブロック図 実施の形態３に係るクリップフラグ信号生成の一例を示す特性グラフ 本発明の実施の形態４に係る撮像装置の構成を示すブロック図 実施の形態４に係るノイズレベル係数生成の一例を示す特性グラフ 本発明の実施の形態５に係る撮像装置の構成を示すブロック図

符号の説明

１，８，１２ レベル検出回路
２，５ ノイズ発生回路
３ 加算器
４ スイッチ回路
６ 撮像素子
７ クリップ回路
９ ノイズレベル制御回路
１０ 増幅度制御回路
１１ 増幅回路

Claims (1)

1. 被写体光学像の光電変換を行う撮像素子と、
   前記撮像素子にて得られた撮像信号のレベルを増幅させる増幅回路と、
   前記増幅回路の増幅度を制御する増幅度制御回路と、
   前記増幅度制御回路から出力される増幅度制御信号に基づいて、前記撮像信号の増幅度が高いほどノイズレベル係数を大きく設定するレベル検出回路と、
   ノイズ信号を発生させるノイズ発生回路と、
   前記レベル検出回路で生成されるノイズレベル係数により前記ノイズ発生回路にて発生させたノイズ信号のレベルをコントロールするノイズレベル制御回路と、
   前記増幅回路から出力される撮像信号と前記ノイズレベル制御回路にてレベル調整処理されたノイズ信号とを加算処理する加算器と、
   を備える撮像装置。

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