JP3828251B2

JP3828251B2 - 映像のダイナミックレンジ拡大装置

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Publication number: JP3828251B2
Application number: JP26731697A
Authority: JP
Inventors: ジュン鉉黄
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 1996-10-10
Filing date: 1997-09-30
Publication date: 2006-10-04
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は映像(video image)のダイナミックレンジ拡大装置に係り、より詳しくは、映像の輝度頻度に対する平滑化方法(Histogram Equalization)を用いる映像のダイナミックレンジ拡大装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ビデオ映像入力装置などにより撮影された映像には対象物に関する各種の情報が含まれている。しかしながら、対象物あるいは撮影機器の性能、撮影条件などにより撮影された映像において輝度および色相情報が偏重したり歪曲される場合が頻繁に発生する。かかる場合、輝度頻度の平滑化方法などによる前処理を行なうと映像のコントラストが改善して映像の解釈および特徴抽出が容易になる。前記のように、映像のコントラストを増加させるための前処理を行なう装置をダイナミックレンジ拡大装置という。
【０００３】
以下、添付図面を参照して従来の技術に従うダイナミックレンジ拡大装置について説明する。
従来の代表的なダイナミックレンジ拡大装置として、自動ゲイン制御(AGC：Automatic Gain Control)を用いた装置が米国特許第４、７１９、３５０号において“Radiation imaging enhancement”の名称で開示されている。前記米国特許に開示されたダイナミックレンジ拡大装置に従うと、映像信号から低周波成分あるいは直流成分を除去してダイナミックレンジを縮小させて画素当りビット数が制限された状態において信号処理が行われるようにする。
【０００４】
しかしながら、前記従来の装置はダイナミックレンジを縮小する過程において詳細なコントラスト情報が損失し、信号処理がフレーム単位で行われるため、空間的に適応的な処理が不能であるという短所を有する。
【０００５】
次に、高周波フィルタを用いたダイナミックレンジ拡大装置を図５を参照して説明する。
図５に示すように、高周波フィルタを用いたダイナミックレンジ拡大装置は、対す変換ブロック１１、高周波通過フィルタ１２および指数変換ブロック１３で構成される。前記のようなダイナミックレンジ拡大装置は変換動作を用いた映像強調(Image Enhancement)に分類されることができる。そして、前記映像強調の詳細な内容はストックハム(stockham)により“Image Processing in the Context of a visual Model”(Proceedings of the IEEE. 60(7), Jul. 1972, pp.838-842)の名称に開示されており、Xieなどにより“Towards the Unification of Three Visual Laws and Two Visual Models in Brightness Perception”(IEEE Trans Systems, Man Cybernetics 19(2). Mar./Apr. 1989, pp.379-382)の名称に開示されている。
【０００６】
図５を参照すると、映像信号は対数変換ブロック１１において対数関数に変換されながら照度と反射率成分に分離される。前記分離された反射率成分は高周波通過フィルタ１２によりフィルタリングされる。次いで、前記高周波通過フィルタ１２の出力は指数変換ブロック１３により指数関数に変換される。すなわち、図５の装置においては高周波通過フィルタ１２により映像信号の反射率成分が選択的に増幅される。
【０００７】
前記のようなダイナミックレンジ拡大装置を基盤にしたカメラが米国特許第５、１４４、４４２号に“wide dynamic range camera”の名称に開示されている。上記米国特許に開示されたカメラシステムの入力部が図６に示されている。
図６を参照すると、カメラシステムの入力部は多数のカメラ３１、３２、３３、画素選択器３４および隣接変換プロセッシングブロック３５で構成される。
【０００８】
前記多数のカメラ３１、３２、３３から得られた映像信号は画素選択器３４により順に選択され、前記画素選択器３４の出力は外部に提供されると同時に隣接変換プロセッシングブロック３５に入力される。前記隣接変換プロセッシングブロック３５においては各映像に対する隣接変換プロセッシング(NTP：Neighborhood Transform Processing)が行われ、このようにして得られた信号は前記画素選択器３４の出力と共に外部に提供される。
【０００９】
しかしながら、図５および図６に開示された従来のダイナミックレンジ拡大装置は多数の映像に対する入力を処理しなければならないので、複雑な回路を有するかフィールドメモリを必要とする。
【００１０】
より能動的で効果的に映像のコントラストを改善するため、輝度頻度の平滑化方法が広く知られており、かかる技法はAnil K. Janeの著書“Fundamental of Digital Image Processing”(Prentice-Hall International Edition, pp. 241-243）に開示されている。
【００１１】
前記平滑化方法は点動作(Point operation)による映像強調(Image Enhancement)であって、映像の輝度が有効表示領域の中である特定の地域に集中されている場合、その地域の輝度帯域のコントラストを増加させることにより、結果的にダイナミックレンジを拡大する。しかしながら、前記輝度頻度の平滑化方法は多数の分布を有する輝度帯域のコントラストの極大化が深化されると、ディジタル雑音または量子化エラーも増幅されるばかりでなく、相対的に少ない頻度を有する映像に対してはコントラストが低下されるという短所を有する。
【００１２】
前述した短所を改善するため、平滑化方法の影響を全体的に減少させながらコントラストを適当に改善する、改善された平滑化方法が提案されている。しかしながら、前記改善された平滑化方法は複雑な回路を通じて具現されるばかりでなく、コントラストとノイズを同時に改善させることができない。
【００１３】
さらに、輝度レベルのダイナミックレンジの改善をカラー映像に導入するための方法が提案されている。これらの大部分は色信号であるＲ，Ｇ，Ｂ信号のダイナミックレンジを拡大／縮小する。より詳しくは、色成分を独立的に改善するか輝度信号を抽出した後、輝度のダイナミックレンジの拡大／縮小情報を用いて抽出された輝度信号を一律的に制御する。特に、多数の映像入力から得られたＲ，Ｇ，Ｂ信号を輝度情報を用いて一律的に制御する方式が米国特許第５，２４７，３６６号に“Color wide dynamic range camera”の名称に開示されている。しかしながら、この方式は複数の入力映像を処理しなければならないばかりでなく色信号の個別的な多段制御が求められるので、実際に具現される回路が複雑であるという問題点がある。
【００１４】
次に、図７ないし図９Ｃを参照して従来の技術に従う輝度頻度の平滑化方法についてより詳細に説明する。
前記平滑化方法は映像の頻度分布を全体的に一定に保持する技術である。すなわち、映像の多数の頻度を有する輝度レベルのダイナミックレンジを拡大することにより、全体的な映像のコントラストを改善させるためのものである。
【００１５】
量子化された映像の輝度レベルをｉ（ｉ＝０，１，・・・・，Ｌ−１、Ｌは輝度のレンジ）、輝度頻度関数をｈ（ｉ）とするとき、輝度変換関数または変換関数表(LUT：Look up table)ｆ（ｉ）は、
【数１】

と定義される。
【００１６】
ここで、前記Ｐ（ｉ）は、
【数２】

で定義される、輝度レベルｉのヒストグラム分布を表わす確率因子である。
【００１７】
入力映像の輝度をｙ（ｘ），変換出力をｙ’（ｘ）とするとき、二つの間の関係式を前記変換関数ｆ（ｉ）を用いて表現すると、次のようになる。
【数３】

ここで、ｘは２次元映像の任意の位置座標を示す２次元ベクトルである。
【００１８】
図７には前記平滑化方法を用いたダイナミックレンジ拡大装置が示されている。
図７を参照すると、従来の平滑化方法を用いたダイナミックレンジ拡大装置はヒストグラム発生器２１、積分器２２およびメモリ２３で構成される。
前記ヒストグラム発生器２１は映像の輝度信号ｙを入力して前記輝度信号ｙに対する輝度頻度関数ｈ（ｉ）を決める。前記ヒストグラム発生器２１の輝度頻度関数ｈ（ｉ）は積分器２２に入力される。前記積分器２２においては入力された輝度頻度関数に対する積分演算が行われ、その結果は輝度変換関数ｆ（ｉ）としてメモリ２３に入力される。前記メモリ２３は輝度変換関数に対する多数のルックアップテーブルを予め蓄積しており、前記積分器２２の出力に応じて一つのルックアップテーブルを決定する。また、入力された映像の輝度信号ｙに応答して前記決定したルックアップテーブルを通じて輝度変換された出力ｙ’を出力する。
【００１９】
図８Ａは入力映像が非常に暗い状態であるときの映像の輝度頻度関数ｈ（ｉ）を示しており、図８Ｂは輝度変換関数ｆ（ｉ）を示しており、図８Ｃは変換された輝度信号の分布を示している。図８Ｄは前記図８Ｃに示す分布をｉ軸方向に低周波数帯域フィルタリングした結果を示しており、これはヒストグラムが平滑化された結果を示す。
【００２０】
しかしながら、前記した平滑化方法に従い映像を強調すると、コントラストは改善されるが、頻度数が少ない領域においてはコントラストを損失するという結果をもたらす。また、特定の輝度レベルの頻度が集中された場合、その領域の輝度変換による量子化エラーまたはディジタル雑音も同時に非常に強調される。
【００２１】
かかる問題点を改善するため、平滑化方法の影響を全体的に抑制しながらコントラストを適当に改善する変形された平滑化方法が提案されている。前記変形された平滑化方法に従うと、輝度変換関数ｆ（ｉ）の感度が任意の変数ｋにより次式で表現されるように調節される。
【数４】

【００２２】
図９Ａは前記変数ｋの値を０と１との間で決める場合の輝度変換関数ｆ（ｉ）を示しており、図９Ｂは図８Ａの輝度頻度関数を有する映像信号が図９Ａに示す輝度変換関数により変換された後得られる映像信号の輝度分布ｈ’（ｉ）を示しており、図９Ｃは図９Ｂの分布を有する映像信号に対する低周波数帯域フィルタリングの結果を示している。結果的に、前記変数ｋ値を制御することにより映像信号のダイナミックレンジを調節することができる。かかる性質を用いると、全体的なダイナミックレンジを犠牲にして量子化エラーの範囲をある程度制限することができる。しかしながら、この方法は映像信号のダイナミックレンジと量子化エラーとの間のトレードオフをもたらす。すなわち、ダイナミックレンジの増加に重点を置くと量子化エラーが増加し、量子化エラーの減少に重点を置くとダイナミックレンジが減少する。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記従来の技術的な問題点を解決するためのものであって、その目的は、輝度変換による映像のダイナミックレンジを拡張すると同時に量子化雑音を減少させることができる映像のダイナミックレンジ拡大装置を提供することにある。
【００２４】
従来の輝度頻度の平滑化方法に従うと、輝度変換関数は輝度頻度関数の積分値により決まる。このとき、映像の頻度が特定輝度レベルのレンジに集中する場合、その帯域において輝度変換関数の傾きも増加する。従って、輝度変換関数の入力と出力を比較すると、前記傾きが増加する領域においては前記入力と出力との間の変化率も増加する。このため、従来の平滑化方法においては映像信号の輝度が拡大されると同時に量子化雑音も増加した。
【００２５】
本発明者はかかる技術的な事情を深く研究したところ、前記のように映像の頻度が集中している特定のレベルの帯域においては輝度変換関数の変化を検出してこれを抑制することが量子化雑音を抑制するに効果的であるという結果を導出するに至った。
【００２６】
これを具体的に実現するため、本発明においては輝度頻度関数の微分（差分）結果に所定の係数を乗じ、前記輝度頻度関数の積分（累積）結果に前記掛算の結果を加算して輝度変換関数を決める。すなわち、前記微分結果により輝度変換関数の急激な変化を緩慢に抑制することができ、この抑制の程度は前記係数の大きさにより制御される。従って、輝度変換関数の急激な変化を有する帯域で顕著になる量子化雑音を選択的に抑制することができる。
【００２７】
前述した本発明の原理に従う輝度変換関数を数式で表現すると次のようになる。
【数５】

【００２８】
【課題を解決するための手段】
前記のような本発明の原理を達成するための映像のダイナミックレンジ拡大装置は、
映像の輝度信号を入力して前記輝度信号に対応する輝度頻度関数を生成する輝度頻度生成手段と、
前記輝度頻度生成手段から出力される輝度頻度関数に対する積分演算を行なう積分器と、
前記輝度頻度生成手段から出力される輝度頻度関数に対する微分演算を行い、所定の係数を乗じた微分係数を生成する微分手段と、
前記積分器の出力と前記微分手段の出力とを合算する第１加算器と、
輝度変換関数を多数のルックアップテーブルとして蓄積しており、前記第１加算器の出力に応じて相応する一つのルックアップテーブルを決定し、入力映像の輝度信号に応答して前記決定されたルックアップテーブルを通じて変換された輝度信号を出力するメモリとを含むことを特徴とする。
【００２９】
前述した本発明のダイナミックレンジ拡大装置によると、輝度頻度関数の積分値および微分値が前記加算器で合算され、前記加算器の出力により輝度変換関数が決まる。
【００３０】
従って、映像の頻度が輝度レベルの特定帯域に集中しても前記微分結果により前記帯域の輝度変換関数の傾きが緩慢に抑制されるので、量子化雑音が減少する。また、輝度頻度関数の積分値は依然として輝度変換関数の決定に影響を与えるので、映像のダイナミックレンジを拡大させる従来の目的も同時に達成することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１ないし図２Ｄを参照して、本発明の実施例１に従う映像のダイナミックレンジ拡大装置について説明する。
図１に示すように、本発明の実施例１に従う映像のダイナミックレンジ拡大装置はヒストグラム発生器４１、積分器４２、微分器４３、ゲイン制御器４４、加算器４５およびメモリ４６で構成される。
より詳しくは、映像の輝度信号ｙはヒストグラム発生器４１とメモリ４６に同時に入力され、ヒストグラム発生器４１の出力は積分器４２と微分器４３に同時に入力される。微分器４３の出力はゲイン制御器４４に入力され、積分器４２とゲイン制御器４４の出力は加算器４５に入力される。加算器４５の出力はメモリ４６に入力され、メモリ４６においては変換された輝度信号ｙ’が出力される。
【００３２】
前記ヒストグラム発生器４１は映像の輝度信号ｙを入力して前記輝度信号ｙに対する輝度頻度関数ｈ（ｉ）を決める。一つのフィールドに相応する輝度頻度関数が決定すると、前記積分器４２と微分器４３に出力する。図２Ａにおいて点線で表示した関数は、図８Ａと同様に、前記ヒストグラム発生器４１から出力される１フィールドの輝度頻度関数である。積分器４２においては前記輝度頻度関数ｈ（ｉ）が輝度レベル（ｉ）に関して積分され、その積分された結果は図２Ｂの点線で表示した関数のようになる。微分器４３においては前記輝度頻度関数ｈ（ｉ）が輝度レベル（ｉ）の変数に関して微分され、その微分された結果は図２Ａおよび図２Ｂの実線で表示した関数のようになる。図２Ｂにおいて実線で表示した二つの関数のうち、下方の方が微分結果である。ゲイン制御器４４は前記微分器４３から出力される微分結果値にゲインαを乗じる。前記ゲインα値の調整により図２Ａおよび図２Ｂに示す微分結果波形の大きさの制御を可能にする。前記ゲインα値は０．７ないし１．５の間の値に決めることが好ましく、前記範囲内の値が選択される場合に本発明の効果が最適化されることができる。前記積分器４２の出力とゲイン制御器４４の出力は加算器４５により合成され、前記合成された信号の波形は図２Ｂに実線で表示されている。従来の平滑化方法においては図２Ｂにおいて点線で表示された積分結果により輝度変換関数が決まったが、本発明においては前記図２Ｂにおける実線で表示した合成結果により輝度変換関数が決まる。前記二つの波形を比較すると、微分値と積分値を合成した結果により決まる輝度変換関数が輝度分布の大きい輝度レベルの帯域においてより緩慢な傾きを有することがわかる。
【００３３】
メモリ４６は輝度変換関数に対する多数のルックアップテーブルを蓄積しており、前記加算器４５の出力に応じて一つのルックアップテーブルを決定する。また、前記メモリ４６は前記輝度信号ｙに応答して前記決定したルックアップテーブルを参照して変換された輝度信号ｙ’を出力する。このとき、前記輝度変換関数は毎フィールドまたはフレームごとに更新され、前記更新された輝度変換関数を蓄積するため、前記メモリ４６はＬ個のアドレスを有するラインメモリにより具現される。
【００３４】
図２Ｃには前記メモリ４６から出力される変換された輝度信号ｙ’の輝度分布ｈ’（ｉ）が示されており、図２Ｃから映像の全体的なダイナミックレンジは拡大した状態でありながら量子化雑音の増大を抑制していることがわかる。図２Ｄは図２Ｃに示す波形に対して低周波数帯域フィルタリングを行なった結果を示す波形である。
【００３５】
特に、一般的な映像の確率的な分布はガウス形の分布を有するため、図２Ｃに示す輝度信号は人間の視覚特性にもよく符合する。
【００３６】
一方、輝度頻度関数の微分係数を得るため、本発明の実施例１においてはヒストグラム発生器４１の出力を１階微分する過程を適用したが、他の変形が可能である。例えば、積分器４２の出力を２階微分することにより、輝度頻度関数の微分係数を得ることができる。このときの微分器は２階微分を処理しなければならない。
【００３７】
また、前記メモリ４６の蓄積空間を節約するため、前記メモリ４６が所定の間隔離れている特定輝度レベルに対する輝度変換関数のみを蓄積するようにすることができる。この場合、残りの輝度レベルに対する輝度変換関数は線形補間法(linear interpolation)を用いて決める。
【００３８】
次に、図３および図４を参照して本発明の実施例２に従う映像のダイナミックレンジ拡大装置について説明する。
本発明の実施例２に示すダイナミックレンジ拡大装置は輝度信号ばかりでなく色相情報のダイナミックレンジを拡大するためのものである。かかる機能は実際のカメラにおいてダイナミックレンジ拡大を具現するときに求められる。
【００３９】
このとき、色相信号ｃを直接制御することは色相のバランスが流失する結果をもたらすので、この発明の実施例２は変換された輝度信号ｙ’を用いて間接的に色差信号ｃの変換を制御する。
【００４０】
より詳しくは、この発明の実施例２においては輝度信号ｙと色差信号ｃから色信号Ｂ，Ｒが再合成される。前記色信号Ｂ，Ｒは輝度信号ｙと変換された輝度信号ｙ’の比率を用いて変換され、これによって変換された色差信号ｃ’は変換された色信号Ｒ’，Ｂ’と変換された輝度信号ｙ’の減算を通じて得られる。
【００４１】
輝度信号ｙと色差信号（Ｃ；Ｃｒ，Ｃｂ）を数式を用いて表現すると次のようになる。なお、前記色差信号はＣｒとＣｂで構成される。
ｙ＝０．３Ｒ＋０．６Ｇ＋０．１Ｂ（６）
Ｃｒ＝Ｒ−ｙ（７）
Ｃｂ＝Ｂ−ｙ（８）
ｙ’＝ｆ（ｙ）（９）
更に、色信号Ｒ，Ｇ，Ｂの各成分は現在の座標において輝度変換比率β＝ｙ’／ｙと同一の比率に変換されなければ色相のバランスが失われる。これを補償するため、各色差信号Ｃｒ，Ｃｂと輝度信号を合算して色信号Ｒ，Ｂを求め、前記色信号Ｒ，Ｂをそれぞれ輝度変換比率ｙ’／ｙと同一の比率でＲ’，Ｂ’に変換する。これを数式で表現すると、次のようになる。
Ｒ’＝β・（Ｃｒ＋ｙ）（１０）
Ｂ’＝β・（Ｃｂ＋ｙ）（１１）
β＝ｙ’／ｙ（１２）
上記の処理の結果、前記変換された色信号Ｒ’，Ｂ’から変換された輝度信号ｙ’の減算により変換された色差信号Ｃｒ’，Ｃｂ’が以下のように得られる。Ｃｒ’＝Ｒ’−ｙ’ （１３）
Ｃｂ’＝Ｂ’−ｙ’ （１４）
このとき、色信号のうち、Ｇ’信号はビデオエンコーダのような、次の段において変換された輝度信号ｙ’と変換されたＲ’，Ｂ’の合成により得られる。
【００４２】
次に、図３を参照して本発明の実施例２に従うダイナミックレンジ拡大装置について説明する。
図３に示すように、この発明の実施例２に従う映像のダイナミックレンジ拡大装置は、ヒストグラム発生器４１、積分器４２、微分器４３、ゲイン制御器４４、加算器４５、メモリ４６、加算器５１、割算器５２、ゲイン制御器５３および減算器５４で構成される。
【００４３】
前記実施例２に従う映像のダイナミックレンジ拡大装置において前記第１実施例における装置と同一の構成要素については同一の符号を用いた。すなわち、実施例２の装置において実施例１の装置と同一の構成要素はその構造および機能も同一であるので、その説明を省略する。
前記実施例１と重複したもの以外の構成要素間の連結関係について説明すると、輝度信号ｙと色差信号Ｃは加算器５１に入力される。輝度信号ｙと変換された輝度信号ｙ’は割算器５２に入力される。前記加算器５１の出力Ｒ，Ｂと前記割算器５２の出力ｙ’／ｙはゲイン制御器５３に入力され、前記ゲイン制御器５３の出力Ｒ’，Ｂ’は減算器５４に出力される。前記減算器５４においては変換された色差信号Ｃ’が出力される。
【００４４】
色差信号Ｃには信号ＣｒとＣｂが混合されており、前記加算器５１においては前記色差信号Ｃｒ，Ｃｂそれぞれと輝度信号ｙが加算される。その結果、色信号Ｒ，Ｂが得られる。割算器５２は変換された輝度信号ｙ’を輝度信号ｙで除する演算を行い、演算の結果である輝度変換比率を前記ゲイン制御器５３に出力する。
【００４５】
ゲイン制御器５３は前記加算器５１から出力される色信号Ｒ，Ｂに前記割算器５２から出力される輝度変換比率ｙ’／ｙを乗じる演算を行なう。前記掛算演算によりゲイン制御器５３においては変換された色信号Ｒ’，Ｂ’が得られる。減算器５４は前記変換された色信号Ｒ’，Ｂ’から前記変換された輝度信号ｙ’を減ずる演算を行い、その演算の結果から得られる信号は変換された色差信号Ｃ’になる。
【００４６】
以上のように説明された本発明の実施例２に従う映像のダイナミックレンジ拡大装置を適用したカメラを図４に示す。
図４に示すように、この発明の実施例２に従うダイナミックレンジ拡大装置を用いたカメラは、固体撮像素子(ＣＣＤ；Charge Coupled Device)６１、アナログ／ディジタル変換器６２、ビデオデコーダ６３、ダイナミックレンジ拡大装置６４、ビデオエンコーダ６５およびディジタル／アナログ変換器６６で構成される。
【００４７】
前記した構成においてダイナミックレンジ拡大装置は図３に示す本発明の実施例２に従うダイナミックレンジ拡大装置と同一である。
まず、物体により反射された入射光ＩＮはレンズ（図示省略）を経た後前記固体撮像素子６１に入力され、前記固体撮像素子６１においては入力された光が電気的な信号に変換されてアナログ映像信号が得られる。前記固体撮像素子６１から出力されるアナログ映像信号は前記アナログ／ディジタル変換器６２によりディジタル映像信号に変換される。前記ビデオデコーダ６３は前記ディジタル映像信号を入力してビデオ信号の規格に適合するように変換し、この過程において輝度信号ｙと色差信号ｃが得られる。前記輝度信号ｙと色差信号ｃは前記ダイナミックレンジ拡大装置６４に入力され、前記ダイナミックレンジ拡大装置６４においては前述した変換動作により拡大されたダイナミックレンジを有する輝度信号ｙ’と色差信号ｃ’が得られる。ビデオエンコーダ６５は前記輝度信号ｙ’と色差信号ｃ’を入力して映像の蓄積または表示に適合したビデオフォーマットに変換する。前記ビデオエンコーダ６５の出力はディジタル／アナログ変換器６６によりアナログ映像信号に変換され、前記変換器６６の出力信号ＯＵＴは適切な周辺装置に提供される。
【００４８】
【発明の効果】
以上のように、本発明に従う映像のダイナミックレンジ拡大装置は輝度頻度関数の積分結果と微分結果を合成して輝度変換関数を決定することにより、量子化雑音を抑制しながらダイナミックレンジを拡大させることができる。
【００４９】
また、この発明に従う映像のダイナミックレンジ拡大装置は輝度変換比率を用いて色相のバランスの損失なしに色差信号を変換することができる。
【００５０】
従って、この発明に従う映像のダイナミックレンジ拡大装置は従来の平滑化方法と異なりダイナミックレンジと量子化雑音との間のトレードオフを必要とせず、広帯域のダイナミックレンジを具現することができる。
前述したように、本発明は最も実際的で好ましいと見なされる実施例を参照して説明したが、本発明は前記実施例に限定されず、むしろ本請求項の精神および範囲に含まれる多様な変形および等価物を含むものと解釈される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に従う映像のダイナミックレンジ拡大装置を示すブロックダイアグラムである。
【図２】（Ａ）は図１の輝度分布関数の微分結果を示すグラフであり、
（Ｂ）は図１の輝度変換関数を示すグラフであり、
（Ｃ）は図２Ｂの変換関数を通じて得られる変換された輝度信号の分布を示すグラフであり、
（Ｄ）は図２Ｃに示す分布のｉに対する低周波フィルタリング結果を示すグラフである。
【図３】本発明の実施例２に従う映像のダイナミックレンジ拡大装置を示すブロックダイアグラムである。
【図４】図３のダイナミックレンジ拡大装置を備えたカメラシステムを示すブロックダイアグラムである。
【図５】従来のダイナミックレンジ拡大装置を構成する高周波フィルタを示すブロックダイアグラムである。
【図６】図５に示すダイナミックレンジ拡大装置を有する従来のカメラの入力部を示すブロックダイアグラムである。
【図７】従来の平滑化法に従うダイナミックレンジ拡大装置を示すブロックダイアグラムである。
【図８】（Ａ）は図７の輝度分布関数ｈ（ｉ）を示すグラフであり、
（Ｂ）は図７の輝度変換関数ｆ（ｉ）を示すグラフであり、
（Ｃ）は図７の変換された輝度信号ｙ’の分布を示すグラフであり、
（Ｄ）は図８Ｃに示す分布のｉに対する低周波フィルタリング結果を示すグラフである。
【図９】（Ａ）は変数ｋがゼロから１に変わるとき従来の輝度変換関数を示すグラフであり、
（Ｂ）は図９Ａの変換関数を通じて得られる変換された輝度信号の分布を示すグラフであり、
（Ｃ）は図９Ｂに示す分布のｉに対する低周波フィルタリング結果を示すグラフである。
【符号の説明】
４１ヒストグラム発生器
４２積分器
４３微分器
４４ゲイン制御器
４５加算器
４６メモリ
５１加算器
５２割算器
５３ゲイン制御器
５４減算器
６１固体撮像素子（ＣＣＤ）
６２アナログ／ディジタル変換器
６３ビデオデコーダ
６４ダイナミックレンジ拡大装置
６５ビデオエンコーダ
６６ディジタル／アナログ変換器

Claims

映像の輝度信号を入力して前記輝度信号に対応する輝度頻度関数を生成する輝度頻度生成手段と、
前記輝度頻度生成手段から出力される輝度頻度関数に対する積分演算を行なう積分器と、
前記輝度頻度生成手段から出力される輝度頻度関数に対する微分演算を行い、所定の係数を乗じた微分係数を生成する微分手段と、
前記積分器の出力と前記微分手段の出力とを合算する第１加算器と、
輝度変換関数を多数のルックアップテーブルとして蓄積しており、前記第１加算器の出力に応じて相応する一つのルックアップテーブルを決定し、入力映像の前記輝度信号に応答して前記決定されたルックアップテーブルを通じて変換された輝度信号を出力するメモリとを含む映像のダイナミックレンジ拡大装置。
前記微分手段の出力は前記積分器の出力を２階微分した結果と同一である請求項１に記載の映像のダイナミックレンジ拡大装置。
前記メモリは所定の間隔をもって離れている特定の輝度レベルに対する輝度変換関数のみを蓄積している請求項１に記載の映像のダイナミックレンジ拡大装置。
前記微分手段は、前記輝度頻度生成手段から出力される輝度頻度関数を微分するための微分器と、前記微分器の出力に所定の係数を乗じるための演算を行い微分係数を生成するゲイン制御器とから構成される請求項１に記載の映像のダイナミックレンジ拡大装置。
前記係数は０．７以上、１．５以下の範囲の値の中から選択される請求項４に記載の映像のダイナミックレンジ拡大装置。
色差信号と前記輝度信号とを合算して色信号を生成する第２加算器と、
前記メモリから出力される前記変換された輝度信号を前記輝度信号で除する演算を行い輝度変換比率を生成する割算器と、
前記第２加算器から出力される前記色信号に前記割算器から出力される前記輝度変換比率を乗じる演算を行い変換された色信号を生成するゲイン制御器と、
前記ゲイン制御器から出力される前記変換された色信号から前記メモリから出力される前記変換された輝度信号を差し引く演算を行い変換された色差信号を生成する減算器とをさらに含む請求項１に記載の映像のダイナミックレンジ拡大装置。
前記微分手段の出力は前記積分器の出力を２階微分した結果と同一である請求項６に記載の映像のダイナミックレンジ拡大装置。
前記メモリは所定の間隔をもって離れている特定の輝度レベルに対する輝度変換関数のみを蓄積している請求項６に記載の映像のダイナミックレンジ拡大装置。
前記微分手段は、
前記輝度頻度生成手段から出力される輝度頻度関数を微分するための微分器と、前記微分器の出力に所定の係数を乗じるための演算を行い微分係数を生成するゲイン制御器とから構成される請求項６に記載の映像のダイナミックレンジ拡大装置。
前記係数は０．７以上、１．５以下の範囲の値の中から選択される請求項９に記載の映像のダイナミックレンジ拡大装置。
ディジタル映像信号をビデオ信号の規格に適合するように変換し、輝度信号と色差信号を分離するビデオデコーダと、
前記輝度信号と前記色差信号を入力しルックアップテーブルを通じて変換された輝度信号と変換された色差信号を出力するダイナミックレンジ拡大装置と、
前記ダイナミックレンジ拡大装置から出力される前記変換された輝度信号と前記変換された色差信号を入力して映像の蓄積または表示可能な規格を有するビデオフォーマットに変換するためのビデオエンコーダとを含む広帯域ダイナミックレンジカメラであって、
前記ダイナミックレンジ拡大装置は、
前記輝度信号を入力して輝度頻度関数を生成する輝度頻度生成手段と、前記輝度頻度生成手段から出力される輝度頻度関数の積分演算を行う積分器と、前記輝度頻度生成手段から出力される輝度頻度関数を微分して所定の係数を有する微分係数を生成する微分手段と、前記積分器の出力と前記微分手段の出力を合算する第１加算器と、輝度変換関数をルックアップテーブルとして蓄積しており、前記第１加算器の出力に応じて相応する一つのルックアップテーブルを決定し、入力映像の前記輝度信号に応答して決定された前記ルックアップテーブルを通じて変換された前記輝度信号を出力させるメモリと、前記色差信号と前記輝度信号を合算して色信号を生成する第２加算器と、前記メモリから出力される前記変換された輝度信号を前記輝度信号で除する演算を行い輝度変換比率を生成する割算器と、前記第２加算器から出力される前記色信号に前記割算器から出力される前記輝度変換比率を乗じる演算を行い変換された色信号を生成するゲイン制御器と、前記ゲイン制御器から出力される前記変換された色信号から前記メモリから出力される前記変換された輝度信号を減ずる演算を行い前記変換された色差信号を生成する減算器とで構成されることを特徴とする広帯域ダイナミックレンジカメラ。
物体の光信号を電気的な信号に変換する固体撮像素子と前記固体撮像素子の出力信号をディジタル信号に変換してディジタル映像信号を生成するアナログ／ディジタル変換器とをさらに含む請求項１１に記載の広帯域ダイナミックレンジカメラ。