JP4224996B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、デジタルビデオカメラなどの撮像装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
最近、ビデオカメラの小型化およびCCDの多画素化に伴い、CCDの画素サイズが縮小されてきている。CCDの画素サイズが小さくなれば、当然の結果として感度が低く、S/Nが悪くなり、特に低照度での画質を確保することが難しくなってきている。このため、最近のビデオカメラにおいては、ノイズ低減処理が必須になりつつある。
【0003】
従来の撮像装置の構成について説明する。図5に従来の撮像装置の一構成例を示す。図5は3板カメラの例であり、CCD1からγ補正部5まではRGB3系統分存在する。ただし、図の簡略化のため、同図において太い矢印はRGB信号を、細い矢印は輝度信号を示すものとする。CCD1の出力は、ゲイン調整部2およびγ補正部5において被写体条件に応じた適切なゲイン制御、および適切な階調補正が施される。第1のマトリクス7では、下記(数式1)の演算により、RGB信号から第1の輝度信号Yを求める。
【0004】
Y=0.30R+0.59G+0.11B ・・・(数式1)
第2のマトリクス8では、(数式1)または(数式2)の演算により、RGB信号から第2の輝度信号Y’を求める。
【0005】
Y’=0.25R+0.50G+0.25B ・・・(数式2)
Yとは別にY’を求める理由は、3板カメラにおいて、G用CCDをRB用CCDに対して画素ピッチの1/2だけずらして配置する空間画素ずらし法を用いる場合に、周波数領域で互いに反転した位相を持つGの折り返し成分とRBの折り返し成分をキャンセルするためである。この場合は、(数式2)の演算におけるRGBの各係数は、Gが0.5、RとBの係数和が0.5になるように設定される。
【0006】
ディテール抽出部9では、第2のマトリクス8の出力である第2の輝度信号の2次元高周波数成分を抽出する。ディテール抽出部9の内部構成例を図6に、また各部の信号波形を図7に示す。ここで、図7の波形は、垂直または水平方向の変化を示すものであるとする。以下、図6および図7を参照しながら説明する。
【0007】
ラインメモリ11および12では、入力される映像信号を1H(H:水平走査期間、NTSCでは約63.5μsec)遅延する。ラインメモリ11の出力はラインメモリ12に入力される。この結果、ラインメモリ11および12の出力は、入力信号を1Hおよび2H遅延したものとなる。垂直HPF(High Pass Filter)13では、(数式3)の演算により、垂直方向の高周波数成分を求める。
【0008】
HV=(−1+2・H-1−H-2)/4 ・・・(数式3)
ここで、H-1は1H分の遅延を示す。同様に水平HPF14では、(数式4)の演算により、水平方向の高周波数成分を求める。
【0009】
HH=(−1+2・z-1−z-2)/4 ・・・(数式4)
ここで、z-1は水平1画素分の遅延を示す。ディテール抽出部9への入力を図7(a)のような信号とすれば、垂直HPF13および水平HPF14の出力は同図(b)のように、高周波数成分を抽出したものとなる。信号に含まれるノイズは一般的に高い周波数成分を多く含んでいるため、入力に含まれているノイズも垂直HPF13および水平HPF14の出力に混入する。
【0010】
ゲイン調整部15−1および15−2では、垂直HPF13および水平HPF14の出力に対してそれぞれ適当なゲインを乗じる。コアリング部16−1および16−2では、ゲイン調整部15−1および15−2の出力に対して、図8に示すように入力振幅が閾値th以下の部分をゼロにし、閾値を超える入力に対しては閾値を減算して出力する。ゲイン調整部15−1および15−2の出力も、図7(b)のようにノイズを多く含む信号となる。そこで、このような信号にコアリング処理を施すことにより、コアリング部16−1および16−2の出力波形は同図(c)のようにノイズが除去されたものとなる。加算部17では、コアリング部16−1および16−2の出力信号を加算し、2次元高周波数成分を得る。
【0011】
図5に戻って、加算部10では、第1のマトリクス手段の出力にディテール抽出部9の出力を加算することで、図7(d)のようにディテールが強調され、S/Nは多少劣化するが解像感の高い信号が得られる。
【0012】
3次元NR(Noise Reduction)6では、加算部10の出力に対して時間方向にフィールド巡回型ノイズ低減処理を施す。ここで、フィールド巡回型ノイズ低減処理について説明する。図9は3次元NRの一構成例を示すものである。第1の減算部18では、入力信号からメモリ19の出力を減算する。ここで、メモリ19は1V(V:垂直走査期間、NTSCでは1/59.94sec)の遅延を与えるものであるとすると、第1の減算部18の出力には、連続する2フィールドの映像信号の差が現れるので、1V期間の映像信号の変化分(動き)およびノイズが含まれることになる。
【0013】
非線形処理部20では、第1の減算部18の出力からノイズを抽出する。一般的にノイズは信号に比べて振幅が小さいという考えに基づき、図10に示されるように入力信号の振幅が閾値pより小さい場合は、入力をそのまま出力し、入力信号の振幅が閾値pより大きくなるに従って出力振幅を小さく抑えるという処理を施せば、入力信号からノイズを抽出できる。第2の減算部21では、入力信号から非線形処理部20の出力を減算する。この結果、第2の減算部21の出力にはノイズが低減された映像信号出力が得られる。ここで、非線形処理部20の閾値pとノイズ振幅の関係を述べると、閾値p以下の振幅を持つノイズは、非線形処理部20を通過し、第2の減算部21で入力信号から減算されるため、ほぼ完全に除去できる。一方、閾値pを超える振幅を持つノイズは非線形処理部20で減衰を受けるので、第2の減算部21で入力信号から減算しても完全には除去できず、一部または全てが残留することになる。
【0014】
第2の減算部21の出力は同時にフィールドメモリ19へも入力され、1V後の入力信号との演算に利用される。3次元NR6の出力は、カメラ輝度信号出力となる。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記構成による撮像装置では、以下のような課題がある。解像感を高めるため、ディテール抽出部9におけるディテールゲインを大きく、またはコアリング部16−1および16−2の閾値thを小さくすると、加算部10の出力においてノイズ振幅は増大し、S/Nが劣化する。S/N劣化を3次元NR6で補正しようとすると、非線形処理部20の閾値pを大きくする必要があるが、閾値pを大きくすると信号の変化分も非線形処理部20の出力に含まれるようになるため、第2の減算部21の出力は残像劣化が大きくなってしまうという課題がある。また、コアリング部16−1および16−2の閾値thを大きくすると、S/Nは改善されるが、振幅の小さいディテールが消失し、全体的にぼんやりした映像になってしまう。
【0016】
本発明は上記課題を解決するもので、解像感が高く、S/N劣化が少ない撮像装置を実現するものである。
【0017】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために本願請求項1の撮像装置は、撮像素子と、前記撮像素子の出力信号のゲインを調整するゲイン調整手段と、前記ゲイン調整手段の出力信号に対して平滑化処理を行う平滑化手段と、前記ゲイン調整手段のゲインが所定の値以下の場合は前記ゲイン調整手段の出力信号を、前記ゲイン調整手段のゲインが所定の値を超える場合は前記平滑化手段の出力信号を選択して出力する選択手段と、前記選択手段の出力信号に対して巡回型ノイズ低減処理を施すノイズ低減手段と、前記ノイズ低減手段の出力信号に対してマトリクス処理を施す第1および第2のマトリクス手段と、前記第2のマトリクス手段の出力信号から2次元高周波数成分を抽出し、前記ゲイン調整手段のゲインが所定の値を超える場合に、前記2次元高周波成分のゲインを増加するディテール抽出手段と、前記第1のマトリクス手段の出力信号と前記ディテール抽出手段の出力信号とを加算する加算手段とを備えたものである。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項1に記載の発明は、撮像素子と、前記撮像素子の出力信号のゲインを調整するゲイン調整手段と、前記ゲイン調整手段の出力信号に対して平滑化処理を行う平滑化手段と、前記ゲイン調整手段のゲインが所定の値以下の場合は前記ゲイン調整手段の出力信号を、前記ゲイン調整手段のゲインが所定の値を超える場合は前記平滑化手段の出力信号を選択して出力する選択手段と、前記選択手段の出力信号に対して巡回型ノイズ低減処理を施すノイズ低減手段と、前記ノイズ低減手段の出力信号に対してマトリクス処理を施す第1および第2のマトリクス手段と、前記第2のマトリクス手段の出力信号から2次元高周波数成分を抽出し、前記ゲイン調整手段のゲインが所定の値を超える場合に、前記2次元高周波成分のゲインを増加するディテール抽出手段と、前記第1のマトリクス手段の出力信号と前記ディテール抽出手段の出力信号とを加算する加算手段とを備えるものであり、これにより、ノイズ低減手段の出力信号に対してディテール強調を行うという作用を有する。
【0019】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【0020】
(実施の形態1)
図1は本発明の請求項1に示す発明の実施の形態を示すブロック図である。図1は3板カメラの例であり、CCD1から3次元NR6まではRGB3系統分存在する。ここでも、図の簡略化のため、同図において太い矢印はRGB信号を、細い矢印は輝度信号を示すものとする。
【0021】
図において、1は入射される被写体の光学信号を電気信号に変換して出力する撮像素子であるCCD、2はCCD1からの出力信号に対してゲイン調整をするゲイン調整手段であるゲイン調整部、3はゲイン調整部2の出力信号に対して平滑化処理を行う平滑化手段である低域濾波フィルタ(以下、LPFと記す)、4はゲイン調整部2またはLPF3の出力信号のいずれか一方を選択して出力する選択手段である選択部、5は選択部4の出力信号に対して階調補正などのγ補正を施すγ補正部、6はγ補正部5の出力信号に対してフィールド巡回型ノイズ低減処理を施す3次元ノイズリダクション回路(以下、3次元NRと記す)で、本実施の形態ではγ補正部4の出力信号を3次元NR6でノイズ低減を行う構成としたが、γ補正部5は選択部4と3次元NR6との間に必ず設ける必要はなく、選択部4の出力信号を3次元NR6に入力する構成としてもよい。7及び8は3次元NR6の出力信号に対してマトリクス処理を施す第1及び第2のマトリクス手段である第1及び第2のマトリクス回路(以下、第1及び第2のマトリクスと記す)、9は第2のマトリクス8の出力信号から2次元高周波成分を抽出するディテール抽出手段であるディテール抽出部、10は第1のマトリクス7の出力信号とディテール抽出部9の出力信号とを加算する加算手段である加算部であり、加算部10の出力信号が本装置の出力信号となる。
【0022】
以上のように構成された本実施の形態の撮像装置について、以下その動作について説明する。
【0023】
CCD1から出力されるRGB信号は、ゲイン調整部2で被写体条件に応じた信号レベル調整が行われる。LPF(Low Pass Filter)3では、1次元または2次元LPF処理が施される。
【0024】
ここで、LPF処理について説明する。簡単のために水平方向のLPFを例にあげて説明する。(数式5)に示すような伝達関数を持つLPFを考えると、その周波数特性は図2(a)に示すようなものとなる。
【0025】
LPF=(1+z-1)/2 ・・・(数式5)
(数式5)においてz-1は水平方向1画素分の遅延を表し、図2においてfsは水平または垂直方向のサンプリング周波数を表す。図2(a)から明らかなように、LPF3の周波数特性は高周波数成分が大きく減衰するものであるから、信号の高周波数成分、および高周波成分を多く含むノイズは大きく減衰し、S/Nは改善される。ノイズがランダムノイズの場合、S/N改善度合いは約3dBである。垂直LPFの場合は、(数式5)における画素の遅延量が垂直方向1画素分になるだけで、全く同様である。
【0026】
選択部4では、ゲイン調整部2の出力信号またはLPF3の出力信号のいずれか一方を選択して出力する。選択部4の出力はγ補正部5で階調補正され、3次元NR6に入力される。
【0027】
3次元NR6では、γ補正部5の出力信号に対してフィールド巡回型ノイズ低減処理が施される。3次元NR6の内部動作は図9及び図10で説明した従来の場合と全く同様であるため、説明を省略するが、ここで前段のLPF3が3次元NR6に及ぼす影響を考えてみる。前述のように、LPF3の出力信号においてはノイズ振幅が小さくなっているため、3次元NR6内部の非線形処理部20への入力ノイズ振幅も小さくなる。そのため、本来は閾値pを超える振幅を持つために残留していたノイズが、LPF3を通ることにより閾値p以下の振幅になることで、完全に除去できるようになる。その結果、3次元NRの効果は一層高められることになる。
【0028】
第1のマトリクス7では、(数式1)の演算により、RGBから第1の輝度信号Yを求める。同様に第2のマトリクス8では、(数式2)の演算により、RGBから第2の輝度信号Y’を求める。Yとは別にY’を求める理由は、従来の場合と同様、空間画素ずらし法を用いる場合に折り返しをキャンセルするためである。
【0029】
ディテール抽出部9では、第2のマトリクス8の出力から(数式3)および(数式4)に示す演算によって2次元高周波数成分を抽出する。周波数特性を図2(b)に示す。ここで、fsは水平または垂直のサンプリング周波数である。ディテール抽出部9の内部構成および動作は図6及び図7で説明した従来の場合と全く同じであるため、説明を省略するが、内部信号の状態は異なってくる。ここで、図3および図6を参照しながら入力信号のS/Nとディテール抽出処理の関係について考えてみる。
【0030】
図3はディテール抽出部9内部の信号の波形を示すものである。前述のようにディテール抽出部9内部のコアリング部16−1,16−2では、高周波数成分に含まれるノイズを除去しているが、閾値thを超えるノイズは残留してしまう。しかし、前段のLPF3および3次元NR6でS/N改善処理を行うと、図3(a)に示すように入力信号に含まれるノイズレベルが(図7(a)に比べて)小さくなるので、その分だけ図3(b)のようにコアリング閾値thを(図7(b)に比べて)より小さく、またはディテールゲインをより大きく設定することができ、図3(d)のようにS/Nをほとんど劣化させずにディテールをより強調することが可能になる。
【0031】
また、LPF3を通すことによる解像感の劣化の補償について説明する。前述のように、LPF3の周波数特性は図2(a)のように、ディテール抽出部9の周波数特性は同図(b)のようになる。さらに、本実施の形態のシステムの総合周波数特性は同図(c)のようになる。ちなみに(c)の特性はディテール抽出部9内部のゲイン調整部15−1,15−2におけるゲインを1倍に設定した場合である。同図(c)を見れば明らかなように、LPF3によって劣化した周波数特性(図2(a))はディテール強調処理によりかなり回復し、映像の解像感が増す。fs/2の周波数を回復させることはできないが、折り返しの発生を防ぐためにfs/2で帯域制限する必要があることを考慮すると、問題無いレベルと考えられる。
【0032】
以上の構成を用いて、実際の撮影状況に応じた制御の方法について図4を用いて説明する。図4はゲイン調整部2のAGCゲインとディテール抽出部9内のゲイン調整部15−1及び15−2のディテールゲインの関係を示すグラフである。図4において、ゲイン調整部2のAGCゲインが0〜3dB(高照度状態)の時は、元々信号のS/Nが良いため、選択部4を制御してゲイン調整部2の出力信号を選択する。一方、ゲイン調整部2のAGCゲインが3dBを超える(低照度状態)時は、信号のS/Nが悪くなるため、選択部4を制御してLPF3の出力信号を選択する。それと同時に、劣化する周波数特性を補償するためにディテール抽出部9内部のゲイン調整部15−1および15−2のゲインを上げるように制御する。よって図4のように、AGCゲインが3dBになった時にディテールゲインを大きくすることで、周波数特性の劣化に伴う画質低下を補償することができる。なお、AGCゲインが3dBよりも増加する場合は、ノイズレベルも増加してしまうため、ディテールゲインを低下させていくことにより、AGCゲインの増加に伴うノイズレベルの増加を防ぐことができる。
【0033】
以上のように本実施の形態では、3次元NR6の前にLPF3を、3次元NR6の後にディテ−ル抽出部9を配置することで、3次元NR6におけるノイズ低減処理の効果を一層高めると同時に、ディテール抽出部9に入力される信号のS/Nを向上させることにより、ディテール強調処理でのS/N劣化を最小限に抑え、その結果、低照度などの悪条件でも解像感を高く保ちつつ、S/Nの良い撮像装置を実現できる。また、低照度条件においても、信号の周波数特性をほとんど劣化させることなく、S/Nを改善することが可能になる。
【0034】
なお、以上の実施の形態では、3板カメラを例にとって説明したが、CCD1から3次元NR6までを1系統、つまり単板カメラの構成としても同様に成り立つ。
【0035】
また、ノイズ低減手段での処理を、1V前の信号を参照して演算するフィールド巡回型処理として説明したが、1H前の信号を参照して演算するライン巡回型、または2V前の信号を参照して演算するフレーム巡回型でも同様に成り立つ。ライン巡回型の場合は、垂直ディテールの劣化を伴うが、残像劣化は原理的に無く、メモリ容量が1H分で済むという特徴があり、フレーム巡回型の場合は被写体の動きに対する残像劣化は多くなり、メモリ容量が2倍になるが、静止部にて垂直ディテールが劣化しないという特徴を持つ。
【0036】
また、説明の便宜上、ディテール抽出部9、LPF3の伝達関数を(数式3)〜(数式5)に示されるものとしたが、この限りではない。
【0037】
また、第2のマトリクス手段での演算を(数式2)に示されるものとして説明したが、(数式1)に示されるものとしても同様に成り立つ。
【0038】
また、AGCゲインが3dBを境に選択部4を制御するとしたが、3dBである必要はなく、任意の値を境に制御しても良い。
【0039】
【発明の効果】
以上のように本発明は、ノイズ低減処理の前に平滑化手段を、ノイズ低減処理の後にディテ−ル抽出処理を配置することで、ノイズ低減処理の効果を一層高めると同時に、ディテール抽出手段に入力される信号のS/Nを向上させることにより、ディテール強調処理でのS/N劣化を最小限に抑え、その結果、低照度などの悪条件でも解像感を高く保ちつつ、S/Nの良い撮像装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の撮像装置の実施の形態を示すブロック図
【図2】同実施の形態におけるLPF、ディテール抽出手段、およびシステム総合の周波数特性を示す特性図
【図3】本発明の撮像装置におけるディテール抽出手段内部の動作を説明するための模式図
【図4】同実施の形態における選択手段、ディテールゲインのAGCゲイン連動制御特性を示す特性図
【図5】従来の撮像装置の構成例を示すブロック図
【図6】ディテール抽出手段の構成を示すブロック図
【図7】従来の撮像装置におけるディテール抽出手段内部の動作を説明するための模式図
【図8】コアリング手段の動作を説明するための特性図
【図9】巡回型ノイズ低減回路の構成を示すブロック図
【図10】巡回型ノイズ低減回路の非線形回路の入出力特性を示す特性図
【符号の説明】
1 CCD(撮像素子)
2 ゲイン制御部
3 LPF(平滑化手段)
4 選択部
6 3次元NR(ノイズ低減手段)
7 第1のマトリクス部
8 第2のマトリクス部段
9 ディテール抽出部
10 加算部
Claims (2)
- 撮像素子と、
前記撮像素子の出力信号のゲインを調整するゲイン調整手段と、
前記ゲイン調整手段の出力信号に対して平滑化処理を行う平滑化手段と、
前記ゲイン調整手段のゲインが所定の値以下の場合は前記ゲイン調整手段の出力信号を、前記ゲイン調整手段のゲインが所定の値を超える場合は前記平滑化手段の出力信号を選択して出力する選択手段と、
前記選択手段の出力信号に対して巡回型ノイズ低減処理を施すノイズ低減手段と、
前記ノイズ低減手段の出力信号に対してマトリクス処理を施す第1および第2のマトリクス手段と、
前記第2のマトリクス手段の出力信号から2次元高周波数成分を抽出し、前記ゲイン調整手段のゲインが所定の値を超える場合に、前記2次元高周波成分のゲインを増加するディテール抽出手段と、
前記第1のマトリクス手段の出力信号と前記ディテール抽出手段の出力信号とを加算する加算手段とを備えた撮像装置。 - 選択手段は、撮影環境が高照度の時はゲイン調整手段の出力信号を選択し、低照度の時は平滑化手段の出力信号を選択することを特徴とする請求項1記載の撮像装置。
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