JP5061697B2 - 撮像装置及び撮像方法 - Google Patents

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Description

本発明は、低フレームレートでの撮像が可能なビデオカメラに適用される撮像装置、及びその撮像装置に適用される撮像方法に関する。
テレビジョン放送用のフォーマットなどに準拠した映像信号を得るビデオカメラの場合、イメージャで撮像を行うフレーム周期としては、1/60秒や1/50秒などに決められている。例えば1/60秒をフレーム周期としたビデオカメラでは、イメージャで各フレームの撮像光を受光して蓄積する期間(いわゆるシャッタ期間)は、最大で1/60秒である。
いわゆる電子シャッタと称される、撮像光の受光期間を1フレーム周期内で短くする処理を行えば、1/100秒や1/1000秒などの高速シャッタでの撮像については可能であるが、1フレーム周期より長いいわゆる低速シャッタは、通常は不可能である。
1/60秒よりも低速シャッタを実現するためには、イメージャで複数のフレーム期間期間に亘る長期間の撮像光の受光を行って、その複数フレーム期間に亘って受光された信号を、イメージャから読み出すことで可能である。例えば、CCD(Charge Coupled Devices)型のイメージセンサをイメージャとして使用した場合には、各画素に受光により電荷が蓄積する期間を長時間化することで可能である。例えば、各画素で電荷が蓄積する期間を2フレーム期間の1/30秒とし、その1/30秒間に蓄積した信号を読み出すことで、蓄積期間を2倍化した低速撮像が可能となる。そのようにして得た撮像信号としては、通常のフレーム周期の2倍の1/30秒ごとに変化する、間欠的に変化する映像信号となるが、電荷の蓄積期間が長いため、それだけ感度の高い撮像が可能である。例えば、夜間などの暗い状況での撮像が可能となる。ここでは2倍の期間蓄積する処理を行う例を説明したが、イメージャに電荷を蓄積させる期間の調整で、例えば数十フレーム期間のような長時間の撮像が可能となる。
特許文献1には、フレーム加算を行ってフレームレートを加算する処理を行う撮像装置の例についての記載がある。
特開2005−39710号公報
ところが、上述したようにイメージセンサの受光素子に電荷を蓄積させる期間が長くなると、イメージセンサの補正機能のダイナミックレンジが不足して、イメージセンサが持つ固定パターンノイズが露顕した画像となったり、或いは間欠画像であるためホワイトバランスなどの自動制御系が実用に耐えない状態となり、画質が非常に悪化してしまう。
この問題点を解決するためには、例えばイメージセンサの出力を、そのイメージセンサが出力する撮像信号がリニアな信号の段階で、デジタル同期加算する構成が考えられる。撮像信号がリニアな信号の段階とは、ホワイトバランス調整やガンマ補正などの各種撮像信号処理が行われる前の、イメージセンサの出力がそのまま反映した信号の段階である。
このイメージセンサの出力をそのまま加算する構成とするためには、イメージセンサの出力をそのまま加算するフレームメモリが必要になるが、イメージセンサが出力する撮像信号は、信号レートが非常に高いため、非常に高価なメモリが必要になるという問題点を有する。
ガンマ補正などの非線形変換を施した後に、各フレームの信号を加算する構成とする場合には、単純に加算を行うと、非線形処理のパラメータが加算される各フレームでずれてしまい、映像信号として劣化したものになってしまう可能性が高いという問題がある。
特許文献1に記載された処理は、ガンマ補正などの非線形変換を施した後に、各フレームの信号を加算する構成であるが、この特許文献1では、ガンマ補正後に加算した場合に特性が劣化する問題については触れられていない。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、低フレームレートでの撮像が、簡単な構成で高画質に行えるようにすることを目的とする。
本発明は、撮像光を撮像信号に変換するイメージセンサから取り出した撮像信号に、ガンマカーブの補正特性に応じたガンマ補正を施し、ガンマ補正が施された撮像信号を、フレーム単位で所定フレーム数加算する。そして、ガンマ補正を施す際のガンマカーブの設定として、所定フレーム数の加算をしない場合のガンマカーブを基準とし、その基準となるガンマカーブから、フレーム加算するフレーム数に応じて、振幅特性を拡大又は縮小するスケーリングを行って得たガンマカーブを設定する制御を行う。このような制御でガンマ補正が行われた上で、フレーム加算された撮像信号又はフレーム加算されない撮像信号とを選択的に出力又は記録するようにした。
かかる処理を行うことで、撮像信号のガンマ補正などのガンマ補正が、撮像信号をフレーム加算した場合と、フレーム加算した場合とのいずれの場合でも、正しくガンマ補正が行われた撮像信号が得られるようになる。
本発明によると、撮像信号のガンマ補正について、フレーム加算をする場合とフレーム加算しない場合のそれぞれで、正しい特性となるように制御されるので、いずれの撮像信号を得る場合でも、正しくガンマ補正された信号とすることができる。従って、従来の撮像装置にわずかな回路や制御処理系を追加するだけの簡単な構成で、正しくガンマ補正などが行われた高画質の低フレームレートの撮像信号が得られるようになる。
以下、本発明の一実施の形態の例を、図1〜図6を参照して説明する。
図1は本実施の形態の例による撮像装置の構成例を示した図である。図1に従って構成を説明すると、レンズ11を介して得た撮像光を、プリズム12で3原色に分解し、その分解されたそれぞれの色の撮像光を、青色,緑色,赤色のイメージセンサ13B,13G,13Rの撮像面に入射させる。各色のイメージセンサ13B,13G,13Rの撮像面に結像した撮像光は、それぞれのイメージセンサ13B,13G,13Rで電気信号に変換し、その変換された電気信号を読み出す。イメージセンサ13B,13G,13Rから読み出された電気信号を、撮像信号と称する。
レンズ11は、図1では説明を簡単にするために1枚のレンズだけを示してあるが、実際には複数枚(複数群)のレンズで構成され、ズームレンズとして構成してもよい。また、図示しないが、絞り機構であるアイリスについてもレンズ11の光路中に配置してある。イメージセンサ13B,13G,13Rとしては、例えば、CCD型のイメージセンサ、或いはCMOS型のイメージセンサを使用する。
イメージセンサ13B,13G,13Rから読み出された撮像信号は、カメラプロセス部30に供給される。カメラプロセス部30では、撮像信号の各種補正処理が行われる。補正処理としては、リニア信号処理による補正と、ノンリニア信号処理による補正とがある。
カメラプロセス部30に入力した撮像信号は、まずリニアプロセス部31に供給して、リニア信号処理が行われる。リニア信号処理としては、例えば青色,緑色,赤色の撮像信号のバランスを調整するホワイトバランス調整の補正処理がある。リニアプロセス部31で処理された撮像信号は、ノンリニアプロセス部32に供給して、ノンリニア信号処理が行われる。
ノンリニアプロセス部32でのノンリニア信号処理による補正としては、ガンマ(γ)補正、ニー補正などがある。ガンマ補正は、ガンマ補正カーブに基づいて各色の輝度値を非線形の入出力特性で変換する補正処理であり、ニー補正は画像中の明るい部分の明るさを調整する非線形補正処理である。ノンリニアプロセス部32での非線形補正処理は、後述する制御部25からの指令により、通常撮像時の非線形補正処理と、後述するフレーム加算時の非線形補正処理とが、それぞれ異なる補正特性で設定されるようにしてある。さらに、フレーム加算時には、フレーム加算数に応じて補正特性がさらに修正されて設定されるようにしてある。
ノンリニアプロセス部32で補正された撮像信号は、YC変換部33に供給する。YC変換部33では、青色,緑色,赤色の原色信号(以下RGB信号と称する)で構成される撮像信号を、輝度信号(以下Y信号と称する)とクロマ信号(以下C信号と称する)の撮像信号に変換する。YC変換部33で変換された撮像信号は、カメラプロセス部30から出力させる。
カメラプロセス部30から出力された撮像信号(Y信号及びC信号)は、同期加算回路14に供給する。同期加算回路14には、フレームメモリで構成されるフレームバッファ24が接続してあり、低フレームレート撮像を行う際に、供給される撮像信号を、フレーム単位で加算させる処理が行われる。加算フレーム数などは制御部25により制御される。同期加算回路14で加算された撮像信号又は加算されない撮像信号は、コーデック部15に供給する。
コーデック部15では、供給される撮像信号を所定のフォーマットの映像信号に変換するコーデック処理を行い、変換された映像信号を、記録系回路16に供給して、記録媒体(記憶媒体)に記録させる。記録媒体としては、メモリカード、光ディスク、磁気テープなどの各種媒体が適用可能である。
また、カメラプロセス部30が出力する撮像信号と、同期加算回路14が出力する撮像信号は、セレクタ21に送る構成としてあり、制御部25の制御に基づいて、セレクタ21でモニタを行う撮像信号を選択する。例えば、セレクタ21では、低フレームレートでの撮像時には、その低フレームレートで撮像された撮像信号をモニタする際に、同期加算回路14が出力する撮像信号を選択し、低フレームレートで撮像中の加算されていない毎フレームの撮像信号をモニタする場合に、カメラプロセス部30の出力を選択する。通常の撮像時は、いずれの撮像信号を選択しても同じである。
セレクタ21で選択された撮像信号は、フレームレート変換部22でモニタ用又は外部出力用にフレームレートの変換処理が行われた後、表示部23に表示させる。或いは、図示しない出力端子から、フレームレート変換部22で変換された映像信号を出力させる。フレームレート変換部22での変換と、表示部23での表示についても、制御部25の制御で実行される。フレームレート変換部22でフレームレートを変換する際には、フレームバッファ24を一時記憶手段として使用して変換処理が行われる。
この撮像装置の各部の動作を制御する制御部25には、操作スイッチなどで構成される操作部26から操作指令が供給され、撮像の開始や停止などの撮像動作が制御される他に、撮像モードの設定なども、操作部26での操作に基づいて設定される。フレームバッファ24での撮像信号の蓄積動作についても制御部24により制御される。なお、フレームバッファ24は、撮像信号をY信号及びC信号の形式で記憶するメモリである。
ここで、図2を参照して、フレームバッファ24を同期加算用の記憶回路として使用する場合の構成を示す。入力端子24aに得られる撮像信号を、切換スイッチ24bを介して加算器24cに供給する。切換スイッチ24bは、撮像信号を加算しない期間は、入力端子24a側ではなく、0データが得られる側を選択する。加算器24cは、記憶部24dの出力を加算するものである。そして、加算器24cの出力を、記憶部24dに供給して記憶させる。そして、記憶部24dに記憶された撮像信号を、出力端子24eから出力させる。この図2に示す構成として、記憶部24dで1フレームの撮像信号を記憶して、加算器24cでその記憶された撮像信号を入力信号に加算させる処理を、1フレームごとに同期して行うことで、毎フレームに撮像された信号が、順に加算される。そして、必要なフレーム数加算された撮像信号を、出力端子24eから出力させる。フレームバッファ24で加算を行う際には、各フレーム内の加算される画素位置が等しくなるように設定してあり、その加算を行うことで各画素位置の輝度値が、加算フレーム数に対応した期間加算した値となる。
図3は、本例の撮像装置の同期加算回路14で、加算処理を行う場合の撮像動作を示したタイミング図である。この図3の例では、3フレームの撮像信号を加算する例としてある。図3(a)は、撮像信号のフレーム周期を示してあり、図3(b)に示すように、3フレームの露光期間の撮像信号を加算して1フレームの信号とするようにしてある。即ち、露光期間1.1と1.2と1.3の3フレーム期間のイメージセンサ出力を加算して、同期加算回路14で3フレーム加算されたフレーム番号1の撮像信号を得る。このフレーム番号1の撮像信号は、3フレーム期間連続して、同期加算回路14から出力される。次の露光期間2.1と2.2と2.3の3フレーム期間のイメージセンサ出力を加算して、同期加算回路14で3フレーム加算されたフレーム番号2の撮像信号を得る。このフレーム番号2の撮像信号も、3フレーム期間連続して、同期加算回路14から出力される。
このようにして、3フレームの加算が行われた撮像信号は、通常撮像時の撮像信号に比べて、イメージセンサ13B,13G,13Rでの露光時間が約3倍となり、撮像のフレームレートとしては、1/3の低フレームレートとなり、暗い状況でも良好に撮像できるようになる。但し、画像の変化する周期も1/3に低下する。図3の例では、3フレーム加算の例を示したが、加算フレーム数は2フレーム以上の任意のフレーム数とすることができる。例えば、1フレームが1/60秒である場合に60フレーム加算すれば、1秒ごとの低フレームレートでの撮像が行える。
次に、本例の撮像装置で行われるガンマ補正処理について、図4以降を参照して説明する。図4(a)は、低フレームレートモードでの理想的なガンマ補正状態を示した図であり、図4(b)は本例での低フレームレートモードでのガンマ補正状態を示した図である。
まず、低フレームレートモード(即ちフレーム加算をする撮像時)の、一般的なガンマ補正状態を図4(a)に示すと、イメージセンサ1からの撮像信号の出力を、加算回路3でkフレーム加算し(kは加算するフレーム数)、その加算出力をガンマ補正回路2aで非線形補正する。イメージセンサ1そのものから出力させる周期を低フレームレートとする場合には、加算回路3がイメージセンサ1に含まれることになる。ガンマ補正回路2aで補正することで、正しくガンマ補正された撮像信号Yaを得ることができる。
これに対して、本例での低フレームレートモードでのガンマ補正状態は、図4(b)に示すように、イメージセンサ1からの撮像信号の出力を、ガンマ補正回路2bで、低フレームレートモードでの撮像に適した特性でガンマ補正して、ガンマ補正された撮像信号Zbを得る。そのガンマ補正された撮像信号Zbを、加算回路3でkフレーム加算し(kは加算するフレーム数)、撮像信号Ybを得る。ガンマ補正回路2bは、図1の構成では、ノンリニアプロセス部32に相当する。
次に、実際のガンマ特性について特性図を参照して説明すると、図5(a)のガンマ特性G11は、4フレーム加算を行った低フレームレート撮像時の撮像信号の最適なガンマ特性を示したものである。図5においては、横軸がイメージセンサが出力する撮像信号の各色の輝度レベルであり、縦軸がガンマ補正後の出力例である。なお、図5(a)において、特性G11のガンマゲインを1とした場合に、ガンマ特性G12,G13,G14は、それぞれガンマゲインを2/3,1/3,0に制限した例の特性である。ガンマ補正を全く行わない特性G14の場合には、変換特性が直線であり、適正なガンマ特性G11になるに従って、特性曲線がカーブしている。
図5(b)は、図5(a)の特性曲線の立ち上がり部の近傍を拡大して示す図である。図5(b)を見ると判るように、特性G11は他の特性G12,G13,G14と1点で交差する特性となっている。この図5に示したガンマ特性は、SMPTE規格で規定されたガンマ特性である。
なお、図5は、4フレーム加算の場合の例であり、加算数に応じて補正特性は変化する。
ここで、例えば図4(a)に示したフレーム加算後に処理が行われるガンマ補正回路2aでのガンマ補正で、フレーム加算された信号が正しくガンマ補正された撮像信号Yaが得られたと想定し、本例の構成である図4(b)の構成により、フレーム加算前のガンマ補正回路2b(ノンリニアプロセス部32)で補正された信号Zbを得て、最終的に正しくガンマ補正された撮像信号Ybが得られたとする。このとき、Ya=Ybであり、信号Zbは、以下の式で示される。Kはフレーム加算数である。Gamma1は、ガンマ補正回路2aでの伝達特性であり、Gamma2は、ガンマ補正回路2bでの伝達特性である。
Zb=Gamma2(X)・・・・(1)
一方、信号Yaは次式で示される。
Ya=Gamma1(KX)・・・・(2)
Ya=Ybであることから、
Zb=(1/K)Yb
=(1/K)・Gamma1(KX)・・・・(3)
従って、(1)式と(3)式から、ガンマ補正回路2bの伝達特性として、次式で示すように設定すれば、正しくガンマ補正が行える。
Gamma2(X)=(1/K)・Gamma1(KX)・・・・(4)
この(4)式は、低フレームレート撮像時のガンマ補正回路2b(即ちノンリニアプロセス部32)でのガンマ補正時のガンマカーブを、通常撮像時のガンマカーブのスケールを変えることで対処できることを示している。即ち、振幅伝達特性を軸方向に拡大又は縮小するスケーリングで対処できることになり、通常撮像時と低フレームレート撮像時のいずれであっても、簡単に対処可能となる。
次に、図6のフローチャートを参照して、制御部25の制御で行われる、低フレームレートでの撮像時の処理例を説明する。まず、制御部25は、現在の撮像モードが通常のフレームレートでの撮像か、或いは低フレームレートでの撮像かを判断する(ステップS11)。ここで、通常のフレームレートでの撮像時には、ノンリニアプロセス部32で、通常撮像用のガンマ補正カーブを設定し(ステップS12)、同期加算回路14で加算処理を行わないようにし、記録や表示などを行う(ステップS13)。
これに対して、低フレームレートでの撮像時には、ノンリニアプロセス部32で、低フレームレート撮像用のガンマ補正カーブを設定し(ステップS14)、同期加算回路14で、フレーム加算数Kだけ加算された撮像信号を得る(ステップS15)。
また、表示部23で表示させる映像として、通常のフレーム周期の映像であるのか、或いは、フレーム加算された低フレームレートの映像であるのかを選択する(ステップS16)。通常のフレーム周期の映像を選択した場合には、セレクタ21でカメラプロセス部30の出力を選択し、その選択された撮像信号による映像を表示部23で表示させる(ステップS17)。この通常のフレーム周期で撮像された映像を表示させた場合には、通常のフレーム周期(即ち1/60秒などの周期)で変化する映像であり、実際の撮像状態が判り、例えば表示映像から、レンズのフォーカス調整やズームレンズの画角調整などが迅速かつ正確に行える。但しフレーム加算されていない映像であるので、明るさは暗い映像になる。
また、フレーム加算された低フレームレートの映像を表示するように選択した場合には、セレクタ21で加算後の出力を選択し、その選択された撮像信号による映像を表示部23で表示させる(ステップS18)。この低フレームレートで撮像された映像の表示時には、実際に低フレームレートで撮像することによる映像の明るさが確認できる。但し、低フレームレートであるので、映像中の動体の追随性が悪くなる。
以上説明したように、本実施の形態による撮像装置によると、低フレームレートで撮像された撮像信号を得る構成とした場合に、ガンマ補正をフレーム加算後に修正する構成としたことで、簡単な構成で正しくガンマ補正された撮像信号が得られるようになる。即ち、カメラプロセス部30内では、フレーム加算をしない通常の撮像時と、フレーム加算をする場合とで、ガンマ補正するガンマカーブを変更するだけで対処可能であり、簡単な構成で実現できる。特に本例で適用したSMPTE規格で規定されたガンマ特性の場合には、補正時の振幅特性を変えるだけで実現でき、簡単な構成で対処できる。
また、同期加算回路14としては、輝度信号とクロマ信号で処理して加算する構成としたため、撮像装置内の各種画像処理用の他のフレームメモリと共用化することができ、それだけ簡単に構成することができる。図1の構成では、フレームレート変換用のフレームメモリと共用化してあり、それだけ撮像装置の構成を簡単にすることができる。
さらに、低フレームレートでの撮像時の表示部23での表示映像として、通常のフレームレートの撮像信号を表示させた場合と、低フレームレートの撮像信号を表示させた場合とがセレクタ21で選択できる構成としたために、低フレームレートでの撮像時であっても、通常のフレームレートで撮像される映像の確認が行え、例えばフォーカスの合焦状態などを迅速に判断でき、またフレーム加算された映像を表示させることで、フレーム加算よりどの程度の明るさの映像となったのか、などが簡単に確認できる。
なお、上述した実施の形態では、フレーム加算を行って低フレームレートで撮像を行う場合のガンマ補正処理について説明したが、撮像装置で行われるその他の非線形補正について、同様に、低フレームレートでの撮像時に補正特性を変更するようにしてもよい。例えば、図1のカメラプロセス部30内のノンリニアプロセス部32で行われるニー補正について、フレーム加算する場合の特性を、通常のフレームレートでの撮像時と低フレームレートレートでの撮像時とで、変更するようにしてもよい。
また、以上の説明では、フレーム単位で処理を行った場合の例について説明したが、フィールド単位でも同様の処理を行うことができ、同様の効果を得ることができる。
本発明の一実施の形態の例による撮像装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の一実施の形態の例による同期加算例を示す構成図である。 本発明の一実施の形態の例による撮像タイミングの例(3フレーム加算の例)を示すタイミング図である。 本発明の一実施の形態による処理の概要を示す説明図であり、(a)は理想的な処理例を示し、(b)は本実施の形態の場合の処理例を示す。 撮像装置での4フレーム加算をした場合のガンマ特性例を示す特性図であり、(a)は全体特性を示し、(b)はその拡大図である。 本発明の一実施の形態の例による処理例を示すフローチャートである。
符号の説明
11…レンズ、12…プリズム、13B,13G,13R…イメージセンサ、14…同期加算回路、15…コーデック部、16…記録系回路、21…セレクタ、22…フレームレート変換部、23…表示部、24…フレームバッファ、25…制御部、26…操作部、30…カメラプロセス部、31…リニアプロセス部、32…ノンリニアプロセス部、33…YC変換部

Claims (6)

  1. 光学系を介して得た撮像光を撮像信号に変換するイメージセンサと、
    前記イメージセンサから取り出した撮像信号に、ガンマカーブの補正特性に応じたガンマ補正を施す撮像信号処理部と、
    前記撮像信号処理部で処理された撮像信号を、フレーム単位で所定フレーム数加算するフレーム加算部と、
    前記フレーム加算部でフレーム加算をしない場合のガンマカーブを基準とし、その基準となるガンマカーブから、前記フレーム加算部でフレーム加算するフレーム数に応じて、振幅特性を拡大又は縮小するスケーリングを行って得たガンマカーブを設定する制御部とを備え、
    前記フレーム加算部でフレーム加算された撮像信号とフレーム加算されない撮像信号とのいずれかを選択的に出力又は記録する
    撮像装置。
  2. 請求項1記載の撮像装置において、
    前記フレーム加算部が備えるフレームメモリは、撮像装置内の輝度信号及びクロマ信号を扱う変換処理部が備えるフレームメモリと共用化した
    撮像装置。
  3. 請求項1又は2記載の撮像装置において、
    撮像画像を表示する表示部に供給する撮像信号として、前記撮像信号処理部が出力した撮像信号と、前記フレーム加算部で所定フレーム数加算された撮像信号とのいずれか一方を選択する選択部を備えた
    撮像装置。
  4. 撮像光を撮像信号に変換するイメージセンサから取り出した撮像信号に、ガンマカーブの補正特性に応じたガンマ補正を施し、
    前記ガンマ補正が施された撮像信号を、フレーム単位で所定フレーム数加算し、
    前記ガンマ補正を施す際のガンマカーブの設定として、前記所定フレーム数の加算をしない場合のガンマカーブを基準とし、その基準となるガンマカーブから、フレーム加算するフレーム数に応じて、振幅特性を拡大又は縮小するスケーリングを行って得たガンマカーブを設定する制御を行い、
    前記フレーム加算された撮像信号フレーム加算されない撮像信号とを選択的に出力又は記録する
    撮像方法。
  5. 請求項4記載の撮像方法において、
    前記フレーム単位で所定フレーム数加算する処理は、フレームメモリを使用して行い、そのフレームメモリは、撮像装置内の輝度信号及びクロマ信号を扱う変換処理用のフレームメモリと共用化した
    撮像方法。
  6. 請求項4又は5記載の撮像方法において、
    撮像画像を表示する撮像信号として、前記ガンマ補正を施した撮像信号と、前記所定フレーム数加算された撮像信号とのいずれか一方を選択的に得る
    撮像方法。
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