JP4260707B2 - 撮像装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、外界の被写体を広いダイナミックレンジで撮像可能な撮像装置の出現により、上記の状況下でも白つぶれや黒つぶれが発生することなく、輝度変化の情報を保持した映像信号を取得できるようになってきた。
たとえば、一般的な安価なA/D変換器の分解能を8Bit程度とすれば、高価なA/D変換器の分解能は9Bit以上となる。
また、画像データの変換テーブルを用いて、複数の輝度領域における明るさの変化を強調する画像データ変換手段を備えた画像処理装置も提案されている(たとえば、特許文献2参照)。
また、特許文献2に記載された装置の場合には、出力変換テーブルを保持するメモリが必要となり回路規模が大きくなるうえ、出力変換テーブル特性が一意的であることから、テーブル特性に適合し得ない撮像シーンに対して、所望の映像またはコントラストが得られないという課題があった。
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態1に係る撮像装置について説明する。
図1はこの発明の実施の形態1に係る撮像装置の概略構成を示すブロック図、図2は図1に示す撮像装置の車両への取付例を示す外観図、図3は図1に示す撮像装置により撮影した映像例を示す説明図である。
図4は一般的な撮像装置により撮像した複数の映像例および各信号レベルの関係を示す説明図である。
図6は図1に示す撮像装置における像面照度と映像信号レベルとのリニア特性および対数特性を示す説明図である。
図7はこの発明の実施の形態1に係る高周波強調部(ハイパスフィルタ)の周波数特性を示す説明図である。
図8は図1に示す撮像装置による出力映像と映像信号レベルとの関係を示す説明図である。
また、撮像装置100は、非線形入出力特性を有し、撮像範囲全域に対して単一の線形入出力特性を有する撮像装置よりも広い明暗差を撮像可能になっており、広いダイナミックレンジの被写体(図示せず)を撮像可能にしている。
すなわち、被写体からの輝度信号は、光電変換部201において電圧信号に変換され、アナログ信号処理部202に入力される。
アナログ信号処理部202内の各回路で処理されたアナログ映像信号は、高周波強調部203において、低周波成分が抑圧され、高周波成分のみが強調される。
さらに、画像メモリ205に記憶されたデジタル映像信号は、CPU206および画像処理部207により、画像処理が施される。
さらに、画像メモリ205および画像処理部207は、CPU206内の機能ブロックに含まれてもよい。
これにより、図3に示すように、撮像装置100は、路面の白線を含む映像Giを撮像し、撮像装置100内のCPU206は、走査線Lj上の信号レベルに基づいて、撮像された白線を認識するものとする。
図4は一般的な撮像装置で取得される映像および信号レベルを示す説明図であり、たとえばコントラストまたは露光制御の異なる映像G1〜G4と、各映像G1〜G4の走査線Lj(一点鎖線参照)上の信号レベル(アナログ信号処理部202の出力信号に相当する)とを対応させて示している。
また、図4において、(c)〜(f)はダイナミックレンジが狭い一般的な撮像装置による映像G2、G3および各出力信号レベルを示し、(g)、(h)はダイナミックレンジが広い一般的な撮像装置の映像G4および信号レベルを示している。
図4内の(d)(映像G2に対応)において、上限値Maxを越えた信号レベルは、点線で示すようにオーバーフロー状態となる。
一方、図4内の映像G2〜G4は、路面上の一部が影または極端に明るい領域を含み、白線の信号レベルが左右で異なる場合を示しており、右側の路面が左側よりも明るい領域となっている。
映像G2に対して、左白線を適正なコントラストで信号取得すると、(d)に示すように右白線が白とび(上限値Maxを越えた)状態となり、映像G3に対して、右白線を適正なコントラストで取得すると、左白線が黒つぶれ(信号レベル差が得られない)状態となる。
ただし、図4内の(h)に示すように、右白線のコントラストは、左白線に比べて低くなっている。広いダイナミックレンジの撮像素子による映像G4において、たとえば白線認識のような用途の場合、従来のA/D変換器の分解能のままでは、線形な領域である左白線に比べて、右白線に対する十分な輝度差が得られない場合がある。
しかし、分解能の高いA/D変換器を用いると高価となるので、従来のA/D変換器の分解能のままで、十分な輝度差を得られるようなハイパスフィルタ信号処理が行われる。
すなわち、(d)は左側の白線のコントラストを適正に取得するように制御した場合を示し、(f)は、(d)の場合とは逆に、右側の白線の白つぶれをなくすように制御した場合を示している。
ただし、図4内の(h)のような信号レベルを取得する撮像装置(アナログ信号処理部202)は、図5に示すような撮像特性を有する。
一方、(c)で示す映像G2は、(d)に示すように右側白線が白つぶれ状態となり、(e)で示す映像G3は、(f)で示すように左側白線のコントラストが低レベル(レベル差が小さい)となる。
図6において、像面照度(横軸)と映像信号レベル(縦軸)との関係を示すグラフは、リニア特性部305および対数特性部306(実線参照)を有する広ダイナミックレンジの撮像装置と、常にリニア特性部307(破線参照)のみを有する撮像装置との2種類の関係を示している。
また、図6内のグラフの左側には、図4内の(d)、(h)で示した各信号レベルが、それぞれ、破線および実線で示されている。
また、前述と同様に、アナログ出力値の上限値Maxは、破線で示されている。
なお、対数特性部306の傾きa1は、厳密には直線ではないが、簡略化のため、便宜的に直線近似して説明する。
一方、リニア特性部305および対数特性306を有している場合、走査線Lj上の像面照度308は、信号レベル(h)(実線参照)に変換される。
一方、右側白線のコントラストは、リニア特性部307の場合には、傾きa2と照度差VRとの積(=a2×VR)で表され、対数特性部306の場合には、傾きa1と照度差VRとの積(=a1×VR)で表される。
ところが、リニア特性部307の場合、実際には、信号レベルの上限値Maxにより、白とび状態(破線参照)の映像信号となり、その輝度情報が失われてしまうため、その後段で画像を再現するすべは全くない。
図1において、高周波強調部203には、上述したとおり、アナログ信号処理部202からの映像信号が入力される。
図7に高周波強調部203(HPF)の周波数特性の一例を示す。
これにより、左右ともに十分なコントラストを有する白線が取得されるとともに、ピーク値のレベルを、フィルタ処理を施さない場合に比べて低減することができる。
いずれの場合も、A/D変換前の映像信号またはA/D変換後のデジタル映像信号に対し、輝度の低周波成分を抑圧し、高周波成分を強調することができる。
なお、上記実施の形態1では、最終的に取得すべき信号成分よりも高周波成分からなるノイズ周波数の除去について考慮しなかったが、ローパスフィルタからなるノイズ除去部をさらに設けてもよい。
図9はこの発明の実施の形態2に係る撮像装置100Aの概略構成を示すブロック図であり、前述(図1参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「A」を付して詳述を省略する。
図11はこの発明の実施の形態2に係るバンドパスフィルタの周波数特性を示す説明図である。
図10および図12において、横軸は走査線LjのX座標に対応している。
なお、ここでは、ノイズ除去部400がA/D変換部204の前段に配置されているが、A/D変換部204の後段に配置されてもよい。
これにより、高周波強調部203(HPF)およびノイズ除去部400(LPF)は、ハイパスカットオフ周波数CfHとローパスカットオフ周波数CfLとの間の周波数帯域を通過させるバンドパスフィルタを構成している。
前述のように、高周波強調部203は、映像信号の低周波成分を抑圧して高周波成分を強調した映像信号を生成し、ノイズ除去部400に入力する。
図11は高周波強調部203およびノイズ除去部400からなるバンドパスフィルタの周波数特性を示している。
また、ローパスカットオフ周波数CfLは、白線の空間周波数fWとノイズ周波数fNとの間の周波数(fW<CfL<fN)に設定されており、ノイズ成分Nzを除去して白線の空間周波数fWを強調する。
図12は図10の信号波形に図11の周波数特性でフィルタをかけた信号波形を示している。
すなわち、白線に対するコントラストの強調とノイズ成分Nzの除去とを両立させ、所望の被写体の空間周波数に応じた適切なバンドパスフィルタを構成することができる。
なお、上記実施の形態1では、A/D変換部204の前段に高周波強調部203を配置したが、図13のように、A/D変換部204の後段に高周波強調部203と同機能のデジタル信号処理部500を配置してもよい。
図13はこの発明の実施の形態3に係る撮像装置100Bの概略構成を示すブロック図であり、前述(図1参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「B」を付して詳述を省略する。
この場合、光電変換部201およびアナログ信号処理部202を介して取得されたアナログ映像信号は、A/D変換部204によりデジタル映像信号に変換され、デジタル信号処理部500に入力される。
図14はこの発明の実施の形態3に係るHPF501の構成を示すブロック図である。
図15はこの発明の実施の形態3に係るHPF501を適用して得られる映像信号604を示す説明図である。
なお、HPF501としては、任意の既知フィルタが用いられ得るが、たとえば図14に示すような構成のものを用いることとする。
図14において、HPF501は、最小値フィルタ処理手段502と、最大値フィルタ処理手段503と、差分演算手段504とにより構成されている。
したがって、差分演算手段504は、最大値処理後信号603(最大値処理後画像)と、原信号601(原画像)との差分をとり、低周波成分を除去して、高周波成分のみを透過した差分処理後信号604(差分画像)を取得する。
よって、回路規模が大きくなるのを防ぐとともに、従来通りの安価なコストで構成することができる。
なお、上記実施の形態3では、ノイズ除去について考慮しなかったが、図16のように、デジタル信号処理部500内にノイズ除去用のLPF505を設けてもよい。
図16はこの発明の実施の形態4に係る撮像装置100Cの概略構成を示すブロック図であり、前述(図13参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「C」を付して詳述を省略する。
図16において、デジタル信号処理部500Cは、ノイズ成分を除去するために、前述(図9参照)のノイズ除去部400と同機能のLPF505を備えている。
図17はこの発明の実施の形態4に係るLPF505の適用前の映像信号605を示す説明図であり、図18はこの発明の実施の形態4に係るLPF505を適用して得られる映像信号606を示す説明図である。
図17にHPF501から出力される映像信号(路面の白線の他にノイズ成分Nzdを有するデジタル信号)の一例を示す。
なお、ローパスカットオフ周波数CfLは、前述(図11参照)のように、白線の幅に対応する空間周波数fWと、ノイズ成分Nzdに相当する周波数fNとの間の、任意の周波数に設定される。
また、LPF505としては、任意の既知フィルタを用いられ得るが、ここでは、メディアンフィルタを用いることとする。
一方、図18はLPF505によるメディアンフィルタ処理後の映像信号606を示しており、周波数の高いノイズ成分Nzdは抑圧され、白線のみが強調された信号となっていることが分かる。
なお、上記実施の形態1〜4では、ハイパスカットオフ周波数CfHの可変設定について考慮しなかったが、図19のようにCF選択部700を設け、走査線位置に応じてハイパスカットオフ周波数CfHを選択してもよい。
図19はこの発明の実施の形態5に係る撮像装置100Dの概略構成を示すブロック図であり、前述(図9参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「D」を付して詳述を省略する。
CF選択部700は、ハイパスカットオフ周波数選択手段として機能し、映像信号の走査線位置に応じてハイパスカットオフ周波数CfHを選択するようになっている。
具体的には、CF選択部700は、任意の走査ラインおきにハイパスカットオフ周波数CfHを変更する。
図20はこの発明の実施の形態5に係る撮像装置100Dにより撮像された映像Giの一例を複数の走査線L1〜L5とともに示す説明図である。
図21は図20内の各走査線L1〜L5の位置における各映像信号701〜705を示す説明図である。
図22は図19内のCF選択部700の構成例を示すブロック図である。
また、図21の(a)〜(e)に示すように、路面上の白線の空間周波数fWは、走査位置によって異なることが分かる。
この場合、走査線L1上の映像信号701(図21内の(a)参照)においては、路面の白線の幅に相当する空間周波数fWがハイパスカットオフ周波数CfHに対して高くなっているので、路面の白線以外の成分(ノイズ含)も合わせて強調されるうえ、低周波成分を十分に抑圧することができなくなる可能性がある。
すなわち、CF選択部700は、図22に示すように、水平同期信号SHおよび垂直同期信号SVに応じて、ハイパスカットオフ周波数CfHを切り替え可能な構成を有する。
参照部708は、カウンタ706の計数値(走査位置)に基づいて、テーブル707内のハイパスカットオフ周波数値を参照し、CF設定部709は、参照されたハイパスカットオフ周波数値を最終設定値として、高周波強調部203に出力する。
なお、図19では、前述の実施の形態2(図9参照)の変更例として説明したが、他の実施の形態1、3、4(図1、図13、図16参照)に適用してもよく、同等の作用効果を奏することは言うまでもない。
なお、上記実施の形態5では、走査線位置に応じてハイパスカットオフ周波数CfHを選択したが、図23のようにCF変更部800を設け、画像処理結果のフィードバックループを用いてハイパスカットオフ周波数CfHを変更してもよい。
図23はこの発明の実施の形態6に係る撮像装置100Eの概略構成を示すブロック図であり、前述(図19参照)と同様のものについては、前述と同一符号を付して、または符号の後に「E」を付して詳述を省略する。
CF変更部800は、ハイパスカットオフ周波数変更手段として機能し、CPU206Eによる画像処理結果に応じて、ハイパスカットオフ周波数CfHを変更するようになっている。
また、CF変更部800は、A/D変換部204の後段に配置することもでき、前述の実施の形態1〜4に対しても適用可能である。
しかし、この発明の実施の形態6によれば、各種条件で変化する画像状況であっても、路面の白線を適切に強調できるように、画像処理結果に基づいて、高周波強調部203でのカットオフ周波数CfHを変更することができる。
図24はこの発明の実施の形態6に係るCPU206EおよびCF変更部800の構成例を示すブロック図である。
また、CF変更部800は、カットオフ周波数UP部801と、カットオフ周波数DOWN部802とを備えている。
これにより、高周波強調部203においては、次に入力される映像信号に対して、UP変更後のハイパスカットオフ周波数CfHによる処理が実行される。
したがって、ハイパスカットオフ周波数CfHは変更されず、次に入力される映像信号に対しても前回と同じハイパスカットオフ周波数CfHによる処理が実行される。
カットオフ周波数変更レベル設定手段121からCF変更部800へのフィードバック、すなわち、ハイパスカットオフ周波数CfHをUP変更またはDOWN変更するための指示は、カットオフ周波数CfHが検出後の白線幅に応じた適正周波数となるまで、継続的に実行される。
もし、カメラ光軸がずれていると判定されれば、検出後の白線幅が所定幅と異なる可能性が高いので、上述と同じ変更メカニズムで、ハイパスカットオフ周波数CfHを調整する。
以下、CF変更部800で調整されたハイパスカットオフ周波数CfHは、高周波強調部203において、白線強調にために用いられる。
たとえば、実施の形態5(図19参照)に適用する場合には、各走査位置における画像処理結果をフィードバックすることになる。
また、この場合も、CPU206Eまたは画像処理部207は、車両の前方または後方、側方の撮像結果から路面の白線を正確に認識するとともに、コントラストの低い路面上の白線を強調して良好な画像処理を実行することができる。
さらに、前述のように、ハイパスカットオフ周波数CfHを路面の空間周波数fPと白線の空間周波数fWとの間に設定することにより、コントラストの低い路面上の白線を確実に強調することができる。
Claims (9)
- 非線形入出力特性を有し、撮像範囲全域に対して単一の線形入出力特性を有する撮像装置よりも広い明暗差を撮像可能な撮像装置であって、
被写体からの入射光を受光する受光素子と、
前記受光素子の受光信号を前記入射光の光量に応じた電圧のアナログ映像信号に変換する光電変換部と、
前記アナログ映像信号を処理して信号成分を生成するアナログ信号処理部と、
前記信号成分をデジタル映像信号に変換するA/D変換部と、
前記アナログ映像信号または前記デジタル映像信号の高周波成分を強調するハイパスフィルタと
を備えたことを特徴とする撮像装置。 - 前記ハイパスフィルタは、アナログハイパスフィルタからなり、前記A/D変換部の前段に配置されたことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記ハイパスフィルタは、デジタルハイパスフィルタからなり、前記A/D変換部の後段に配置されたことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記アナログ映像信号または前記デジタル映像信号に含まれる高周波成分のノイズを除去するローパスフィルタを備え、
前記ローパスフィルタのローパスカットオフ周波数は、前記ハイパスフィルタのハイパスカットオフ周波数よりも高い周波数に設定されたことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記ハイパスフィルタおよび前記ローパスフィルタは、バンドパスフィルタを構成することを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。
- 前記アナログ映像信号または前記デジタル映像信号の走査線位置に応じて、前記ハイパスカットオフ周波数を選択するハイパスカットオフ周波数選択手段を備えたことを特徴とする請求項1から請求項5までのいずれか1項に記載の撮像装置。
- 前記A/D変換部および前記ハイパスフィルタを介したデジタル映像信号を画像データとして格納する画像メモリと、
前記画像データを処理する画像処理部と、
前記画像処理部による画像処理結果に基づいて前記ハイパスカットオフ周波数を変更するハイパスカットオフ周波数変更手段と
を備えたことを特徴とする請求項1から請求項6までのいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記画像処理部は、車両に搭載され、前記車両の前方、後方または側方の撮像結果に基づいて、前記車両が走行する路面の白線を認識する白線認識手段を含むことを特徴とする請求項7に記載の撮像装置。
- 前記ハイパスカットオフ周波数は、前記路面の空間周波数と前記白線の空間周波数との間の周波数に設定されたことを特徴とする請求項8に記載の撮像装置。
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