JP4397724B2 - 撮像装置、カメラ、及び信号処理方法 - Google Patents
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通常撮像素子として用いるCCD(Charge Coupled Device)センサー又はCMOS(Complimentary Metal Oxide)センサを一枚だけで撮像装置を構成する場合、即ち、単板式のセンサーにおいては、色分解を行う色フィルタとして、画素ごとに異なる色のものがセンサー上に設けられている。
赤(R)、緑(G)、青(B)の色信号を得るには、R、G、Bに対応する光の帯域を透過させる、R、G、Bの原色フィルタを用いる場合と、マジェンタ(Mg)、シアン(Cy)、イエロー(Ye)、Gの補色フィルタを用いる場合がある。上記のいずれの色フィルタも染料もしくは顔料を用いて目的の色を透過させるようにその分光透過特性が設計されているが、近赤外領域でも一定の透過率を有する。また、撮像素子の光電変換部は主にシリコン(Si)などの半導体で構成されているため、光電変換部の分光感度特性は波長の長い近赤外光まで感度を有している。よって、色フィルタを具備した撮像素子から得られた信号は近赤外領域の光線にも反応している。
また、IRCFを設置せずにホワイトバランスを取り、IRCFを設置したときに輝度信号を生成するR、G、B信号の混色比とは異なる混色比で輝度信号を生成することで感度向上を図る技術も提案されている(特許文献2、3参照)。
入射光を受けて、入射光に対応した第1の赤、緑、青の色信号を出力する色信号生成手段と、
前記第1の赤、緑、青の色信号と前記第1の赤、緑、青の色信号に予め定めた第1の定数を指数としてべき乗することによって得られる色信号と、前記第1の赤、緑、青の色信号に予め定めた第2の定数を指数としてべき乗することによって得られる色信号と、これらに対する係数との乗算と、この乗算の結果の相互加算とを含むマトリクス演算を行って第2の赤、緑、青の色信号を生成する分光感度特性補正手段とを備え、
前記第1の定数、前記第2の定数、及び前記係数は、前記色信号生成手段と前記分光感度特性補正手段の総合的な特性が、人間の色覚特性又はそれを線形変換することによって得られる分光感度特性に近似したものとなり、前記色信号生成手段の近赤外域での応答特性を補正するように定められている
ことを特徴とする撮像装置を提供する。
図1はこの発明の実施の形態1による撮像装置を示す概略構成図である。図示のように、この撮像装置は、撮像手段1と、増幅手段2と、A/D変換器(ADC)3と、直流成分再生手段(DC再生手段)4と、ホワイトバランス手段5と、分光感度特性補正手段6と、ガンマ(γ)補正手段7と、輝度色差信号生成手段8とを含む。
撮像素子11の複数の光電変換素子は、例えば図2(a)に示すようにベイヤ(Bayer)型に配置された、赤(R)、緑(G)、青(B)の3原色に対応する分光透過率を有する色フィルタ10bで覆われている。
分光感度特性補正手段6は、色信号生成手段20と分光感度特性補正手段6の総合的な特性が、人間の色覚特性又はそれを線形変換することによって得られる分光感度特性に近似したものとなり、前記色信号生成手段の近赤外域での応答特性を補正するためのものである。
(y/MAX)=(x/MAX)i
の関係がある。
x、yが8ビットで表される場合、MAXは28−1=255である。
また、3つのべき乗手段62、64、66の入出力特性は互いに同じであり、入力信号をxとし、出力信号をzとし、それらの取り得る値の最大値をMAXとすると、xとzとの間には、
(z/MAX)=(x/MAX)j
の関係がある。
x、zが8ビットで表される場合、MAXは28−1=255である。
但し、以下の説明では、簡略化のため、R5、G5、B5を入力とするべき乗手段の出力をR5i、R5j、G5i、G5j、B5i、B5jと表す。
同様に、G信号G5はそのままマトリクス演算手段67の入力端子604に入力されるとともに、べき乗手段63及び64に入力され、これらの出力(G5i、G5j)がマトリクス演算手段67の入力端子605、606に入力される。
同様に、B信号B5はそのままマトリクス演算手段67の入力端子607に入力されるとともに、べき乗手段65及び66に入力され、これらの出力(B5i、B5j)がマトリクス演算手段67の入力端子608、609に入力される。
乗算手段621乃至629は、それぞれ端子601、604、607、602、605、608、603、606、609に入力される信号R5、G5、B5、R5i、G5i、B5i、R5j、G5j、B5jに所定の係数g1、g2、g3、g4、g5、g6、g7、g8、g9を掛けて、乗算結果を加算手段642に出力する。加算手段642は入力の総和を求め、信号G6として出力する。
乗算手段631乃至639は、それぞれ端子601、604、607、602、605、608、603、606、609に入力される信号R5、G5、B5、R5i、G5i、B5i、R5j、G5j、B5jに所定の係数b1、b2、b3、b4、b5、b6、b7、b8、b9を掛けて、乗算結果を加算手段643に出力する。加算手段643は入力の総和を求め、信号B6として出力する。
図5に人間の色覚特性を表した分光感度特性を示す。図5に示した特性は正常色覚者の等色関数の平均値であり、CIE(Commission Internationale de l‘E’clairage)1931にて規定されている。人間が感じる色は色順応などの機能を無視し、簡単に表せば図5に示したR、G、Bの分光感度特性(等色関数)と被写体の反射分光特性と照明の分光特性とを乗算し、乗算結果を可視域にて積算することにより得られる値として表すことができる。図5に示したように人間の感度特性はいわゆる可視域と呼ばれるように略380nmから780nmまでしか感度が無く、700nmより長波長側ではほとんど感度特性がない。
例えば図8にGの分光感度特性をg(λ)として示す。また、図8に前記のGの分光感度特性のiを指数とするべき乗、例えば0.3乗し、その最大値で正規化した特性をgi(λ)として示す。さらに図8に前記Gの分光感度特性のjを指数とするべき乗、例えば2乗し、その最大値で正規化した特性をgj(λ)示す。図8に示すように1より小さい値を指数としてべき乗をした場合には、不必要とする近赤外側の分光感度特性と必要とする可視域の分光感度特性との感度差は小さくなり、1より大きい値を指数としてべき乗をした場合には、不必要とする近赤外側の分光感度特性と必要とする可視域の分光感度特性との感度差は大きくなる。よって、1より大きな値を指数としてべき乗を行う演算と1より小さな値を指数としてべき乗を行う演算を含む非線形マトリクス演算により、赤外領域を含む赤外光を入射した際にも、適切な色補正を行い、良好な色再現性を得ることができる。
ここでの色再現性とは人間の目で見える色に略一致させることであり、かつ目で違うものに見える色は違う色に、同じものに見える色は同じ色に再現することを意味する。
アナログ信号で処理する場合には、べき乗をべき乗値に近似する値の信号を出力するように、入力信号レベルに応じて利得を変化させる増幅手段で構成してもよい。これは、例えばトランジスタと演算増幅器とを組み合わせた回路で実現することができる。
代わりに、図9に示すように、撮像手段1として3枚の撮像素子11r、11g、11bを備えたものを用い、撮像素子11r、11g、11bの前であって、レンズ10aの後に設けたダイクロイックプリズム10cで色分解することにより得られるR、G、Bの光を撮像素子11r、11g、11bに入射させ、それぞれの撮像素子11r、11g、11bからR,G,Bの色信号を得るように構成することもできる。
図10はこの発明の実施の形態2による撮像装置を示す概略構成図である。図10において、図1と同じ符号は同様の部材を示す。図1に示した撮像装置と異なる点は、分光感度特性補正手段6の内容が異なること、除算手段12と、係数生成手段13とが付加されていることである。
係数生成手段13は、除算手段12で求めた積算値の比に応じて係数を算出して出力するものであっても良く、また、予め数種の定数の組を記憶しておき、比に応じてそれらから最適のものを選択して出力するものであっても良い。
図10の分光感度特性補正手段6のマトリクス演算手段67は、係数生成手段13から出力された係数を用いて、マトリクス演算を行う。
撮像手段1から出力されるR、G、B信号R1、G1、B1は被写体の分光反射特性と、照明の分光特性と、撮像手段1の分光感度特性の積で求まるため、撮像時の照明が変わるとその分光特性も変わる。従って、(これに対する補正を加えなければ)撮像装置から得られる色再現性も照明ごとに異なることになる。
通常撮像装置と人間の色彩に関する分光感度特性(等色関数)が完全に一致していなくても人間の分光感度特性の線形変換で成り立つルータ条件を満たしていればよい。
図21はこの発明の実施の形態3による撮像装置を示す概略構成図である。図21において、図10と同じ符号は同様の部材を示す。図10に示した撮像装置と異なる点は、輝度色差信号生成手段8の代わりに、輝度色差信号生成手段28が設けられていること、加算手段14と、判定手段15と、特定マトリクス生成手段16と、選択手段17と、係数生成手段18とが付加されていることである。
一方、判定手段15が第2のモードを指定する信号を出力しているときは、選択手段16が特定マトリクス生成手段16の出力を選択して出力するので、分光感度特性補正手段6の出力はその入力と等しいものとなる。
上記の式(2)に示したマトリクス係数はRGB信号からYCrCbへの変換マトリクスであり、輝度信号(Y信号)の生成に当たっては、人間の目の比視感度特性に近似するようにR,G,B信号の混合比を選択している。
ここに挙げた暗時のマトリクス係数は一例であり、R信号の混合比を増やしていけば相対的に感度が向上するので適切なマトリクス係数を選択すればよい。
以上の実施の形態1乃至3において、さらに、分光感度特性補正手段6以降の処理は、特に静止画の場合には、ソフトウェアによって、即ち、プログラムされたコンピュータによって実現することができる。
以上の実施の形態の撮像装置は、動画や静止画を撮像するビデオカメラ、カメラ一体型VTR、デジタルスチルカメラ、PCカメラ、並びに携帯電話や携帯端末機に内蔵されるデジタルスチルカメラに適用可能であり、これらからIRCFを不要とし、かつ暗視に利用することが多い、監視カメラや車載カメラなどにも適用できる。
図1にように、このディジタルカメラは、図1に示した撮像装置を構成する各要素のうち、撮像手段1の代わりに撮像手段21を備え、さらにシャッタボタン19、シャッタ駆動手段32、表示駆動手段33、ビューファインダ34、画像圧縮手段35、及び書き込み手段36を付加したものである。
シャッタ駆動手段32は、シャッタボタン19の操作に応じてシャッタを駆動する。
表示駆動手段33は、輝度色差信号生成手段8の出力を受けてビューファインダ34に画像を表示させる。
ビューファインダ34は、例えば液晶表示装置で構成され、表示駆動手段33に駆動されて、撮像手段1で撮像されている画像を表示する。
画像圧縮手段35は、輝度色差信号生成手段8の出力を受けて例えばJPEGに準拠した画像圧縮を行なう。
書き込み手段36は、画像圧縮手段35で圧縮されたデータを記録媒体37に書き込む。
Claims (29)
- 入射光を受けて、入射光に対応した第1の赤、緑、青の色信号を出力する色信号生成手段と、
前記第1の赤、緑、青の色信号と、前記第1の赤、緑、青の色信号に予め定めた第1の定数を指数としてべき乗することによって得られる色信号と、前記第1の赤、緑、青の色信号に予め定めた第2の定数を指数としてべき乗することによって得られる色信号と、これらに対する係数との乗算と、この乗算の結果の相互加算とを含むマトリクス演算を行って第2の赤、緑、青の色信号を生成する分光感度特性補正手段とを備え、
前記第1の定数、前記第2の定数、及び前記係数は、前記色信号生成手段と前記分光感度特性補正手段の総合的な特性が、人間の色覚特性又はそれを線形変換することによって得られる分光感度特性に近似したものとなり、前記色信号生成手段の近赤外域での応答特性を補正するように定められている
ことを特徴とする撮像装置。 - 前記第1の定数は1より小さく、前記第2の定数は1より大きいことを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記係数は色信号生成手段の赤、緑、青の分光感度特性における、可視領域から近赤外領域のそれぞれの分光感度特性の差を利用して、前記色信号生成手段と前記分光感度特性補正手段の総合的な特性が、人間の色覚特性又はそれを線形変換することによって得られる分光感度特性に近似したものとなり、前記色信号生成手段の近赤外域での応答特性を補正するように定められていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記可視領域から近赤外領域が略650nmから1100nmの領域であることを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。
- 前記色信号生成手段が、
入射光を、赤、緑、青の互いに異なる3つの光に分離する色分離手段と、
色分離された光を受けて、赤、緑、青の色信号を出力する撮像素子と
を備えた撮像手段
を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の撮像装置。 - 前記撮像手段が1枚の撮像素子を有し、
前記色分離手段が、前記撮像素子上に形成された画素毎の赤、緑、青の3種の色フィルタを含むことを特徴とする請求項6に記載の撮像装置。 - 前記撮像手段が3枚の撮像素子を有し、
前記色分離手段が、入射光を受けて赤、緑、青の3つの光に分離して前記3枚の撮像素子に導くダイクロイックプリズムを含む
ことを特徴とする請求項6に記載の撮像装置。 - 前記色信号生成手段内の前記撮像手段から得られた赤、緑、青の色信号又はこれに対応する色信号を画面内の複数の画素にわたって積算し、赤の色信号の積算値ΣR又は青の色信号の積算値ΣBと、緑の色信号の積算値ΣGとを求める積算手段と、
前記積算手段により求められた赤の色信号の積算値ΣR又は青の色信号の積算値ΣBと緑の色信号の積算値ΣGの比ΣR/ΣG又は比ΣB/ΣGを算出する除算手段と、
前記比ΣR/ΣG又は比ΣB/ΣGの値に応じて前記分光感度特性補正手段の前記係数を変化させる手段をさらに備える
ことを特徴とする請求項6に記載の撮像装置。 - 前記色信号生成手段が、前記撮像手段から出力された色信号の直流成分を再生する直流成分再生手段を有し、前記積算手段が前記直流成分再生手段から出力される色信号の積算値を求めることを特徴とする請求項9に記載の撮像装置。
- 前記色信号生成手段と前記分光感度特性補正手段の総合的な特性が、CIE1931等色関数又はCIE1931等色関数を線形変換することにより得られた等色関数に近似したものとなるように前記係数を定めることにより、前記色信号生成手段と前記分光感度特性補正手段の総合的な特性が、人間の色覚特性又はそれを線形変換することによって得られる分光感度特性に近似したものとなるようにすることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載の撮像装置。
- 前記分光感度特性補正手段から得られた第2の赤、緑、青の色信号と、係数との乗算を含むマトリクス演算を行うことにより、輝度信号および2つの色差信号を算出する輝度色差信号生成手段をさらに有し、
第1のモードにおいては、
前記分光感度特性補正手段が、上記のように、前記色信号生成手段と前記分光感度特性補正手段の総合的な特性が、人間の色覚特性又はそれを線形変換することによって得られる分光感度特性に近似したものとなるように補正演算を行い、
前記輝度色差信号生成手段が、前記第2の色信号の色の情報を保持したまま色差信号を生成するように前記係数を定め、
第2のモードにおいては、
前記分光感度特性補正手段が、前記第2の赤、緑、青の色信号が前記第1の赤、緑、青の色信号と等しいものとなるようにし、
前記輝度色差信号生成手段が、色差信号をゼロとし、輝度信号のみを出力を行うように前記係数を定める
ことを特徴とする
請求項1乃至11のいずれかに記載の撮像装置。 - 前記輝度色差信号生成手段によるマトリクス演算が、前記第2の赤、緑、青の色信号に3行3列の係数マトリクスを掛ける線形マトリクス演算であることを特徴とする請求項12に記載の撮像装置。
- 前記分光感度特性補正手段が前記第2の動作モードにおいては前記第1のモードとは異なる係数を用いてマトリクス演算を行うことにより前記第2の色信号を前記第1の色信号と等しいものにすることを特徴とする請求項12又は13に記載の撮像装置。
- 前記色信号生成手段から得られる赤、緑、青の色信号の複数の画素についての積算値が予め定められた値より大きいときは、前記分光感度特性補正手段及び前記輝度色差信号生成手段が前記第1のモードで動作し、
前記色信号生成手段から得られる赤、緑、青の色信号の複数の画素についての積算値が予め定められた値より小さいときは、前記分光感度特性補正手段及び前記輝度色差信号生成手段が前記第2のモードで動作する
ことを特徴とする請求項12又は13に記載の撮像装置。 - 請求項1乃至15のいずれかに記載の撮像装置と、
前記撮像装置から出力される画像データを記録媒体に書き込む手段とを備えた
カメラ。 - 入射光を受けて、入射光に対応した第1の赤、緑、青の色信号を生成する色信号生成手段を備えた撮像装置における信号処理方法であって、
前記第1の赤、緑、青の色信号と、前記第1の赤、緑、青の色信号に予め定めた第1の定数を指数としてべき乗することによって得られる色信号と、前記第1の赤、緑、青の色信号に予め定めた第2の定数を指数としてべき乗することによって得られる色信号と、これらに対する係数との乗算と、この乗算の結果の相互加算とを含むマトリクス演算を行って第2の赤、緑、青の色信号を生成する分光感度特性補正工程を有し、
前記第1の定数、前記第2の定数、及び前記係数は、前記色信号生成手段における色信号生成と前記分光感度特性補正工程における補正の総合的な特性が、人間の色覚特性又はそれを線形変換することによって得られる分光感度特性に近似したものとなり、前記色信号生成手段の近赤外域での応答特性を補正するように定められている
ことを特徴とする信号処理方法。 - 前記第1の定数は1より小さく、前記第2の定数は1より大きいことを特徴とする請求項17に記載の信号処理方法。
- 前記係数は色信号生成手段の赤、緑、青の分光感度特性における、可視領域から近赤外領域のそれぞれの分光感度特性の差を利用して、前記色信号生成手段における色信号生成と前記分光感度特性補正工程における補正の総合的な特性が、人間の色覚特性又はそれを線形変換することによって得られる分光感度特性に近似したものとなり、前記色信号生成手段の近赤外域での応答特性を補正するように定められていることを特徴とする請求項17乃至19のいずれかに記載の信号処理方法。
- 前記可視領域から近赤外領域が略650nmから1100nmの領域であることを特徴とする請求項20に記載の信号処理方法。
- 前記色信号生成手段が、
入射光を、赤、緑、青の互いに異なる3つの光に分離する色分離手段と、
色分離された光を受けて、赤、緑、青の色信号を出力する撮像素子と
を備えた撮像手段を利用して行われることを特徴とする請求項17乃至21のいずれかに記載の信号処理方法。 - 前記色信号生成手段内の前記撮像手段から得られた赤、緑、青の色信号又はこれに対応する色信号を画面内の複数の画素にわたって積算し、赤の色信号の積算値ΣR又は青の色信号の積算値ΣBと、緑の色信号の積算値ΣGとを求める積算工程と、
前記積算工程により求められた赤の色信号の積算値ΣR又は青の色信号の積算値ΣBと緑の色信号の積算値ΣGの比ΣR/ΣG又は比ΣB/ΣGとを算出する除算工程と、
前記比ΣR/ΣG又は比ΣB/ΣGの値に応じて前記分光感度特性補正工程の前記係数を変化させる工程と
をさらに有することを特徴とする請求項22に記載の信号処理方法。 - 前記色信号生成手段が、前記撮像手段から出力された色信号の直流成分を再生する直流成分再生工程を有し、前記積算工程が前記直流成分再生工程の結果生成される色信号の積算値を求めることを特徴とする請求項23に記載の信号処理方法。
- 前記色信号生成手段における色信号生成と前記分光感度特性補正工程における補正の総合的な特性が、CIE1931等色関数又はCIE1931等色関数を線形変換することにより得られた等色関数に近似したものとなるように前記係数を定めることにより、前記色信号生成手段における色信号生成と前記分光感度特性補正工程における補正の総合的な特性が、人間の色覚特性又はそれを線形変換することによって得られる分光感度特性に近似したものとなるようにすることを特徴とする請求項17乃至24のいずれかに記載の信号処理方法。
- 前記分光感度特性補正工程から得られた第2の赤、緑、青の色信号と、係数との乗算を含むマトリクス演算を行うことにより、輝度信号および2つの色差信号を算出する輝度色差信号生成工程をさらに有し、
第1のモードにおいては、
前記分光感度特性補正工程が、上記のように、前記色信号生成手段における色信号生成と前記分光感度特性補正工程における補正の総合的な特性が、人間の色覚特性又はそれを線形変換することによって得られる分光感度特性に近似したものとなるように補正演算を行い、
前記輝度色差信号生成工程が、前記第2の色信号の色の情報を保持したまま色差信号を生成するように前記係数を定め、
第2のモードにおいては、
前記分光感度特性補正工程が、前記第2の赤、緑、青の色信号が前記第1の赤、緑、青の色信号と等しいものとなるようにし、
前記輝度色差信号生成工程が、色差信号をゼロとし、輝度信号のみを生成するように前記係数を定める
ことを特徴とする請求項17乃至25のいずれかに記載の信号処理方法。 - 前記輝度色差信号生成工程によるマトリクス演算が、前記第2の赤、緑、青の色信号に3行3列の係数マトリクスを掛ける線形マトリクス演算であることを特徴とする請求項26に記載の信号処理方法。
- 前記分光感度特性補正工程が前記第2の動作モードにおいては前記第1のモードとは異なる係数を用いてマトリクス演算を行うことにより前記第2の色信号を前記第1の色信号と等しいものにすることを特徴とする請求項26又は27に記載の信号処理方法。
- 前記色信号生成手段から得られる赤、緑、青の色信号の複数の画素についての積算値が予め定められた値より大きいときは、前記分光感度特性補正工程及び前記輝度色差信号生成工程が前記第1のモードで動作し、
前記色信号生成手段から得られる赤、緑、青の色信号の複数の画素についての積算値が予め定められた値より小さいときは、前記分光感度特性補正工程及び前記輝度色差信号生成工程が前記第2のモードで動作する
ことを特徴とする請求項26又は27に記載の信号処理方法。
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