JPH0817455B2

JPH0817455B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JPH0817455B2
Application number: JP62143884A
Authority: JP
Inventors: 宏爾高橋; 輝夫稗田; 力佐藤; 俊之増井; 崇史小林
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1987-06-09
Filing date: 1987-06-09
Publication date: 1996-02-21
Anticipated expiration: 2011-02-21
Also published as: JPS63306777A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は実質的なダイナミック・レンジの広い撮像装
置に関する。

〔従来の技術〕

撮像装置は、カメラ一体形VTRやスチル・ビデオ・カ
メラなどのビデオ・カメラ部として広く使用されてい
る。撮像管や固体撮像素子を用いるビデオ・カメラは旧
来の銀塩写真システムに比べダイナミック・レンジが狭
く、従って、逆光時などは白とびや黒つぶれ（輝度レベ
ルが著しく高い又は低い部分の俗称）などが発生する。
従来のビデオ・カメラではこのような場合、手動又は逆
光補正ボタンの操作により絞りを２絞り分程度開放し、
光量を調節していた。

しかし、このような逆光補正を適切に行った場合で
も、主たる被写体が適正露光量であっても背景で白とび
が発生してしまい、背景が白いだけの画面になってしま
う。つまり、従来装置のように主被写体の露光量が適正
になるように光量調節するだけでは、撮像装置のダイナ
ミック・レンジの狭さは解決されない。例えばライン・
スキャナを用いて静止画像を電気信号に変換する従来の
撮像装置では、同一被写体から得られた露光量の異なる
複数の画面から１つの画面を合成するものが考えられて
いる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、そのような撮像装置は静止画像を対象
としており、ダイナミック・レンジの広い動画が得られ
るものではなかった。

このような状況に鑑み、本出願人は、実質的にダイナ
ミック・レンジの広い動画信号の得られる撮像装置を提
示したが、本発明は、露出制御、合焦制御をも適切に行
える撮像装置を提示することを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明に係る撮像装置は、同一の被写体を露光量を異
ならせて複数回撮像する撮像手段と、当該撮像手段によ
り得られた露光量の異なる複数の画面の内の直前の画面
を記憶する記憶手段と、当該記憶手段に記憶された画面
内の信号レベルと次の画面内の信号レベルをそれぞれ所
定の基準値と比較することにより適正レベルの信号を選
択し、選択された適正レベルの信号を合成して１画面を
構成することにより画面全体の信号レベルを適正化する
制御手段と、当該撮像手段により得られた露光量の異な
る複数の画面の内、予め定めた一つの画面の信号のみを
周期的に保持して露光調整用信号を形成する露光調整用
信号形成手段と、当該露光調整用信号形成手段の出力を
共通に用いて当該撮像手段による複数回の撮像全体の露
光量調整を行なう露光量調整手段とを有することを特徴
とする。

本発明に係る撮像装置はまた、同一の被写体を露光量
を異ならせて複数回撮像する撮像手段と、当該撮像手段
により得られた露光量の異なる複数の画面の内の直前の
画面を記憶する記憶手段と、当該記憶手段に記憶された
画面内の信号レベルと次の画面内の信号レベルをそれぞ
れ所定の基準値と比較することにより適正レベルの信号
を選択し、選択された適正レベルの信号を合成して１画
面を構成することにより画面全体の信号レベルを適正化
する制御手段と、当該撮像手段により得られた露光量の
異なる複数の画面の内、予め定めた一つの画面の信号の
みを周期的に保持して撮像調整用信号を形成する調整用
信号形成手段と、当該調整用信号形成手段の出力を共通
に用いて当該撮像手段による複数回の撮像全体の自動焦
点調整及びホワイトバランス調整の少なくとも一方を行
なう調整手段とを有することを特徴とする。

〔作用〕

上記手段により、画面のどの部分でも適正な信号レベ
ルとなる画像信号を得ることができる。例えば、逆光状
態であっても画面内で白とびなどの無い画像信号を得る
ことができる。この結果、実質的にダイナミック・レン
ジが拡がる。

さらには、複数の撮像の間で露光量調整、自動焦点調
整及び／又はホワイトバランス調整を適正に行なえるよ
うになり、これらの調整動作が安定する。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の一実施例を説明する。
第１図は、カメラ一体形VTRに本発明を適用した場合の
全体構成ブロック図を示す。

第１図において、100はカメラ部、200は処理部、300
は記録部である。カメラ部100において、光学系101から
入射した光線は絞り102により光量制限され、撮像素子1
03に結像する。撮像素子103は撮像管や、MOS、CCDなど
の半導体撮像素子からなる。焦点駆動回路107、絞り駆
動回路106及び撮像素子駆動回路105は、カメラ制御回路
108の制御の下で、それぞれ光学系101、絞り102及び撮
像素子103を駆動する。カメラ信号処理回路104は通常の
ビデオ・カメラの信号処理回路と同様のγ補正その他の
処理を行う周知回路である。

カメラ部100から出力される映像信号は、処理部200の
A/D変換器201でディジタル信号に接続され、演算回路20
2で後述する画素データの変換を行われ、D/A変換器203
でアナログ信号に戻され、記録部300に供給される。204
は、演算回路202での演算用の画像メモリであり、205は
そのアドレッシング回路である。アドレッシング回路20
5はカメラ部100の制御回路108からのタイミング信号に
応じて画像メモリ204の書込、読出アドレス制御信号を
出力する。

記録部300では、D/A変換器203からのアナログ信号が
公知の方法でVTRレコーダ301に記録される。

次に撮像素子103の動作を説明する。第３図はNTSC信
号を例にとった場合に、カメラ部100のタイミング・チ
ャートを示す。フィールド・インデックス（FI）信号
は、１フレームを構成する奇（ODD）フィールドと偶（E
VEN）フィールドとを区別するための信号である。V_BLK
信号は垂直ブランキング信号であり、Ｈ（高）の期間が
有効画面、Ｌ（低）の部分が垂直ブランキング期間に対
応する。T_pulseは撮像素子103の電荷蓄積時間制御のた
めの信号であり、例えばCCD撮像素子の場合には画素出
力を垂直転送用CCDに読み出すためのパルスである。ア
イリス・ゲート信号は、後述する自動露出のための基準
となる映像信号として、1/1000秒の蓄積信号か1/60秒の
蓄積信号のどちらを用いるかを指定する信号である。

図示例では、垂直ブランキング期間の間に1/1000秒の
蓄積を行い、次の有効画面期間にその1/1000秒蓄積信号
を出力する。そして、1/1000秒蓄積期間の直後の有効画
面期間に実質1/60秒の電荷蓄積を行い、次フィールドの
有効画面期間にその1/60秒蓄積信号を出力する。このよ
うにして、各フィールド毎に、２種類（1/1000秒と1/60
秒）の光量の信号が交互に出力される。

上記実施例では、1/1000秒と1/60秒の組み合わせであ
り、約４段（2⁴倍）の光量変化であるので、例えばCCD
撮像素子を用いたカメラの場合、EVENフィールドで1/60
秒の蓄積時間を基準に主被写体に露出を合わせると、そ
のEVENフィールドでは背景に白とびが生じ易いのに対
し、４段光量を少なくしたODDフィールドでは主被写体
で黒つぶれが発生することが多い。なお、この例は逆光
補正時に背景側に露出を合わせた場合を想定したもの
で、勿論、その場の状況により1/1000秒以外に設定して
もよい。

本発明では、このような、一方のフィールドでの白と
び及び／又は黒つぶれを積極的に利用して、画面の改善
を行う。つまり白とび又は黒つぶれの生じる部分につい
ては、他のフィールドの対応部分（露出が異なるので黒
つぶれ又は白とびは生じていない。）で代替し、両フィ
ールドの信号を合成して最終的な映像信号とする。その
基本的考え方を、第４図を参照して説明する。第４図で
は、主被写体を縦長の長方形で模式的に示している。第
４図でスルー（Ｔ）画とは撮像素子103の直接出力をい
い、メモリ（Ｍ）画又はメモリ出力とは画像メモリ204
に一旦記憶された直前フィールドの信号をいう。スルー
画ではODDフィールド毎に逆光時の主被写体が黒つぶれ
になり、EVENフィールド毎に背景が白とびになってい
る。また、メモリ画では、１フィールド期間遅延した信
号からなるので、白とびと黒つぶれはスルー画とは異な
るフィールドで生じている。

従って、スルー画とメモリ画とを適切に組み合わせれ
ば、白とび及び黒つぶれの無い良好な映像が得られるこ
とになる。つまり各フィールド毎にスルー画及びメモリ
画の信号を所定の閾値と比較して、当該閾値より大きけ
れば１、小さければ０として、画素毎に白とび又は黒つ
ぶれを判定する。第６図はその閾値と、画素の輝度値、
フィールドとの関係を示す。第６図（ａ）の横軸は輝度
レベル、縦軸は１画面中の各輝度レベルの出現頻度を示
す。第６図（ａ）に示すように、閾値Th1は黒つぶれを
判定できるように設定され、閾値Th2は、白とびを判定
できるように設定される。即ち、Th1以下が黒つぶれで
あり、閾値Th2以上が白とびと判定される。第６図
（ｂ）は各フィールドと閾値との関係を示す。上記の如
くODDフィールドとEVENフィールドでは白とびと黒つぶ
れが交互するので、その判定用の閾値もフィールド毎に
変更する。

このようにしてどのフィールドのどの画素部分が黒つ
ぶれ又は白とびであるかを判定できるから、その判定結
果を用い、スルー画とメモリ画とで適正な露光量の画素
信号を選択できる。例えば、判定Ａと判定Ｂの論理積を
とり、ODDフィールドでは、論理積が１である画素に対
してはスルー画の信号を選択し、論理積が０である画素
に対してはメモリ画の信号を選択し、EVENフィールドで
はその逆の関係にすることにより、第４図に示すような
選択フラグが得られる。第４図の最下段の絵はその選択
フラグによる合成画像を示す。この図では、主被写体が
等速度運動を行った場合を想定し、時間軸ズレが画像に
及ぼす影響を確認したが、実用上充分な動画になりうる
ことが分かる。

第５図は処理部200の演算回路202において、上記閾値
Th1,Th2との比較及び選択フラグを形成する回路部分の
詳細な構成ブロック図を示す。Th切換制御信号は、FI信
号などのように、フィールド毎に“H",“L"が反転する
信号であり、閾値発生回路53及びインバータ51を介して
第２の閾値発生回路52に印加される。閾値発生回路52,5
3はその切換信号に応じて、第６図（ｂ）の関係の閾値T
h1又は同Th2を発生する。比較回路54,55はそれぞれメモ
リ画、スルー画と閾値発生回路52,53からの閾値とを比
較し、Ａ信号、Ｂ信号を出力する。アンド・ゲート56は
そのＡ信号とＢ信号の論理積をとり、選択フラグ信号を
出力する。スイッチ57は当該選択フラグ信号に従って切
り換わり、メモリ画又はスルー画の信号を選択する。

第７図は階調特性図を示す。同（ａ）の実線が通常の
ビデオ・カメラの特性図であり、100％までは入出力が
リニアになっており、それ以上の入力（100〜400％）に
対してはKNEE特性と呼ばれる傾きの緩い関係となってい
る。この変化点をP1とすると、高速シャッタ時にはこの
変化点がP2の位置に移行する。但しP1が1/60秒で、P2が
２段の露光量変化の1/250秒であるとする。上述のよう
に４段の差の場合には、第７図（ｄ）の（１）と（５）
の関係になる。因みに、第７図（ｄ）の（１）は1/60
秒、（２）は1/125秒、（３）は1/250秒、（４）は1/50
0秒、（５）は1/1000秒とした場合の特性図である。傾
きの違う２つの特性から好みのカーブを持つ特性を合成
する。第７図（ｂ）は、白とび及び黒つぶれ判定の閾値
を変更した場合の合成特性例を示し、（１）〜（３）の
特性は、白とび判定用の閾値Th2を低い値から順次高い
値へ変化させていった場合に、スイッチ57による画素切
換で高速シャッタ側を選択する位置が高輝度側に変化す
る様子を示す。第７図（ｃ）は第７図（ｂ）の特性
（２）を基準として各種の演算方法を選択した場合の合
成特性を示す。その（２）は第７図（ｂ）（２）と同じ
であり、（１）は平均値をした場合、（３）は適当な係
数で減算処理をした場合の合成特性である。

第２図はカメラ部100のより詳細な構成ブロック図を
示す。20はカメラ信号処理回路104からの信号（例えば
輝度信号）を受けて、露出制御のための制御信号を演算
する公知のAE制御回路、22は合焦制御のための制御信号
を出力する公知のAF制御回路、24は垂直ブランキング信
号V_BLXを２分周する1/2分周回路である。26,27はサンプ
ル・ホールド回路、28はインバータ、29,30は1/2分周回
路24の出力又はインバータ28によるその反転信号のどち
らでサンプリング・タイミングを決定するかを選択する
スイッチである。サンプル・ホールド回路26,27の出力
はそれぞれ絞り駆動回路106及び焦点駆動回路107に印加
され、自動露出制御、自動焦点調節が実行される。

上記のように、１フィールド内に露光量の異なる複数
の画面の信号が得られる場合には、カメラ信号処理の一
部を変更する必要がある。即ち、AE（自動絞り調節）、
AF（自動焦点調節）及びAWB（自動白バランス調節）な
どの各制御系で内部式の撮像信号を用いている場合であ
る。そこで、主な例として、第２図を用いてAE処理を説
明する。撮像素子103から得られた信号は、AE制御のた
めに、カメラ信号処理回路104からAE制御回路20に送ら
れ、AE制御回路20はAE制御のサーブ・ループが作動する
ように絞り駆動回路106に制御信号を供給する。この制
御信号は、撮像素子103の出力が適当なダイナミック・
レンジの範囲に入るように、即ち明るいときには絞り10
2を絞り込ませ、暗いときには絞り102を開かせるように
変化する。

しかし、光量が例えばフィールド毎などの周期で変換
する場合には、適切なAE動作は望めない。というのは、
AEサーボの応答速度はフィールドやフレーム周期の変化
に比べると大変長く、中途半端な値に落ち着くからであ
る。これを避けるためには、AE動作の制御信号は、複数
の露光量画像の内のただ１つに限定しておくべきであ
る。第２図では、サンプル・ホールド回路26を設け、ま
た、どれか１つ（例えば1/60秒）の画面に相当する制御
信号だけを選択するように、スイッチ29でサンプル・タ
イミングを規定する。

第２図では垂直ブランキング（V_BLK）信号によりサン
プリング・パルスを形成しており、1/2分周器24によ
り、V_BLK信号毎に反転する信号を形成し、これをスイッ
チ29のａ接点に接続し、当該分周器24の出力をインバー
タ28で反転した信号をスイッチ29のｂ接点に接続する。
スイッチ22でａ接点側を選択すれば、ODDフィールド、1
/1000秒蓄積信号がAEループ制御の基準となるサンプリ
ング・パルスがサンプル・ホールド回路26に印加され、
逆にｂ接点側を選択すれば、1/60秒蓄積信号がAEループ
制御の基準となるサンプリング・パルスがサンプル・ホ
ールド回路26に印加される。AF制御についてのAF制御回
路22、サンプル・ホールド回路27、スイッチ30について
も同様である。AWB制御については図示を省略した。

動画用のカメラの動作ループは数秒のレスポンスにな
るように設定され、画面の急激な変化を避けている。そ
こで、例えば1/1000秒と1/60秒の露光時間をフィールド
毎に切り換えた場合には、AEループではおよそ1/250秒
の露光時間を連続して行った場合と同じ応答を示す。こ
れは定常的な誤差と見做せるので、露光量の違いに応じ
たオフセット・バイアスをAEループに付加することで解
決できる。第８図はその変更構成例である。80がそのバ
イアスを発生するバイアス発生回路、81はAEループに当
該バイアスを加算する加算器、82はAFループに同様のオ
フセット・バイアスを付加する加算器である。AWBにつ
いても同様である。

次に、制御回路108の他の詳細例を第９図に示す。マ
スター・クロック発生器40は外部からの基準信号に従
い、制御回路108内部用のマスター・クロックを発生す
る。1/1000シャッタ用のクロック発生器41はそのマスタ
ー・クロックに従い高速用クロックを発生し、1/60シャ
ッタ用のクロック発生器42はそのマスター・クロックに
従い低速用クロックを発生する。スイッチ45はフィール
ド毎に切り換わり、クロック発生器41及び同42の出力を
交互に駆動回路105に印加する。AE制御信号発生器43
は、カメラ信号処理回路104からの映像信号を基に、絞
り制御のためのAE制御信号を発生する。制御信号保持回
路44はその制御信号を１フィールド間保持する。スイッ
チ46は、フイールド毎に切り換わり、AE制御信号発生器
43の出力及び制御信号保持回路44による保持信号を交互
に絞り制御回路106に印加する。切換信号発生器47は、
スイッチ45,46の切換を制御する。スイッチ45,46は同期
して切り換わる。

この実施例では、低速用、高速用それぞれにクロック
発生器を設け、そのクロックを、フィールド毎の信号を
発生する切換信号発生器の出力信号により切り換えてい
るので、回路構成及び動作が簡単になるという効果があ
り、特に動画に適している。

〔発明の効果〕

以上の説明から容易に理解できるように、本発明によ
れば、逆光時においても、主被写体のみならず背景まで
も適正露光となるような撮影が可能になり、実質的なダ
イナミック・レンジを拡げうる。またカメラの基本動作
を正確に動作させうる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を用いたカメラ一体形VTRの
構成ブロック図、第２図は第１図のカメラ部の制御回路
108の具体的構成ブロック図、第３図は撮像素子の動作
タイミング・チャート、第４図は本発明による画像処理
の概念図、第５図は第１図の演算回路202の具体的構成
ブロック図、第６図は白とび及び黒つぶれ判定の閾値の
決定法を説明する図、第７図は階調特性図、第８図は第
２図の変更構成例、第９図は制御回路108の他の構成例
のブロック図である。 100……カメラ部、200……処理部、300……記録部

フロントページの続き (72)発明者増井俊之神奈川県川崎市高津区下野毛770番地キヤノン株式会社玉川事業所内 (72)発明者小林崇史神奈川県川崎市高津区下野毛770番地キヤノン株式会社玉川事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】同一の被写体を露光量を異ならせて複数回
撮像する撮像手段と、当該撮像手段により得られた露光量の異なる複数の画面
の内の直前の画面を記憶する記憶手段と、当該記憶手段に記憶された画面内の信号レベルと次の画
面内の信号レベルをそれぞれ所定の基準値と比較するこ
とにより適正レベルの信号を選択し、選択された適正レ
ベルの信号を合成して１画面を構成することにより画面
全体の信号レベルを適正化する制御手段と、当該撮像手段により得られた露光量の異なる複数の画面
の内、予め定めた一つの画面の信号のみを周期的に保持
して露光調整用信号を形成する露光調整用信号形成手段
と、当該露光調整用信号形式手段の出力を共通に用いて当該
撮像手段による複数回の撮像全体の露光量調整を行なう
露光量調整手段とを有することを特徴とする撮像装置。
【請求項２】同一の被写体を露光量を異ならせて複数回
撮像する撮像手段と、当該撮像手段により得られた露光量の異なる複数の画面
の内の直前の画面を記憶する記憶手段と、当該記憶手段に記憶された画面内の信号レベルと次の画
面内の信号レベルをそれぞれ所定の基準値と比較するこ
とにより適正レベルの信号を選択し、選択された適正レ
ベルの信号を合成して１画面を構成することにより画面
全体の信号レベルを適正化する制御手段と、当該撮像手段により得られた露光量の異なる複数の画面
の内、予め定めた一つの画面の信号のみを周期的に保持
して撮像調整用信号を形成する調整用信号形成手段と、当該調整用信号形成手段の出力を共通に用いて当該撮像
手段による複数回の撮像全体の自動焦点調整及びホワイ
トバランス調整の少なくとも一方を行なう調整手段とを有することを特徴とする撮像装置。