JP2004236363A

JP2004236363A - 自動利得制御装置

Info

Publication number: JP2004236363A
Application number: JP2004137418A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Koshio; 和博古塩; Masaru Noda; 勝野田; Hiroyasu Otsubo; 宏安大坪
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2004-05-06
Filing date: 2004-05-06
Publication date: 2004-08-19

Abstract

【課題】高利得の必要時、低電力消費化、量子化ノイズの抑圧を可能とする。
【解決手段】センサ２からのアナログ信号はＡＧＣ回路３で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４でディジタル信号に変換された後、ＡＧＣ回路５で増幅され、信号処理回路６で処理される。信号処理回路６の出力輝度信号Ｙのレベルはレベル検出回路９で検出され、マイコン７は、その検出値を基準値と比較し、その結果に応じてアイリス１の絞り制御信号、ＡＧＣ回路３の利得制御信号７３、ＡＧＣ回路５の利得制御信号７５を生成する。低照度時、ＡＧＣ回路３，５の利得を最小とし、アイリス１の絞り量の制御で検出値を基準値と一致させ、中照度時、アイリス１を全開、ＡＧＣ回路５の利得を最小とし、ＡＧＣ回路３の利得制御で検出値を基準値と一致させ、高照度時、アイリス１を全開、ＡＧＣ回路３の利得を最大とし、ＡＧＣ回路５の利得制御で検出値を基準値と一致させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ビデオカメラ装置等に用いて好適な自動利得制御装置に関する。

一般に、ビデオカメラ装置においては、小型・軽量化、高機能化、低消費電力化等を目的として信号処理のディジタル化が進められており、この場合でも、アナログ処理するビデオカメラ装置と同様、被写体からの光情報をアナログの電気信号に変換するセンサの出力レベルに拘らず、カメラ出力信号レベルを一定にするための自動利得制御回路が設けられている（例えば、非特許文献１参照）。
テレビジョン学会技術報告 Vol.15，No.7(Jan,1991) pp.37〜42

しかしながら、上記従来のビデオカメラ装置においては、自動利得制御回路はセンサとアナログ−ディジタル変換器との間に設けられて、自動利得制御はアナログ処理でなされており、このため、例えば低照度における撮影の場合、一定の出力信号を得るためには自動利得制御回路の利得を充分上げなければならず、高利得が得られるようにするためには、自動利得制御回路の規模が大きくなり、また、回路規模に比例して消費電力も増大する。このことは、低消費電力を１つの目的としているビデオカメラ装置にとって大きな問題となる。

現在、デバイスの低消費電力化は、アナログでは限界に近付きつつあり、これに対し、ディジタルではますます進歩している。従って、以上の問題と技術動向とを考慮すると、ビデオカメラ装置を低消費電力化するためには、自動利得制御回路をディジタル化することが考えられる。しかし、自動利得制御回路を全てディジタル化すると、高利得時に量子化ノイズが大きくなり、カメラ出力信号のＳ／Ｎが劣化するという問題があった。

本発明の目的は、かかる問題を解消し、Ｓ／Ｎが良好で小回路規模、低消費電力の自動利得制御装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、入力信号をアナログ信号とし、第１の制御信号に応じた利得で該入力信号を増幅する第１の可変利得増幅回路と、該第１の可変利得増幅回路の出力信号をディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル変換器と、第２の制御信号に応じた利得で該アナログ−ディジタル変換器から出力される該ディジタル信号を増幅する第２の可変利得増幅回路と、該第２の可変利得増幅回路の出力ディジタル信号を処理する信号処理回路と、該信号処理回路の出力信号のレベルを検出するレベル検出回路と、該レベル検出回路による検出値が予め設定された基準値に等しくなるように、該第１，第２の可変利得増幅回路の利得とを設定する該第１，第２の制御信号を発生する制御回路とを備えた構成とする。

本発明によれば、アナログ信号を増幅する第１の可変利得増幅回路の最大利得を小さくできるので、該第１の可変利得増幅回路の回路規模を小さくでき、このため、その消費電力を少なく抑えることができるし、また、ディジタル信号を増幅する第２の可変利得増幅回路の最大利得も小さくできるから、これに発生する量子化ノイズも少なく抑えることができる。この結果、該第２の可変利得増幅回路の消費電力は低いから、低照度の撮影のように高利得を必要とする場合でも、即ち、第１，第２の可変利得増幅回路の利得を充分大きくする必要がある場合でも、低消費電力で自動利得制御が可能となるし、発生する量子化ノイズも少ない。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１はビデオカメラ装置に用いた本発明による自動利得制御装置の一実施形態を示すブロック図であって、１はアイリス、２はセンサ、３はアナログ処理する可変利得増幅回路（以下、アナログＡＧＣ回路という）、４はＡ／Ｄ（アナログーディジタル）変換器、５はディジタル処理する可変利得増幅回路（以下、ディジタルＡＧＣ回路という）、６は信号処理回路、７はマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）、８は駆動回路、９はレベル検出回路である。

同図において、図示しない被写体からの光がアイリス１を通してセンサ２に入射される。センサ２は、駆動回路８から供給される制御信号により、受光面に生じた被写体像を走査し、この被写体像を情報内容とするアナログの電気信号を生成し、アナログＡＧＣ回路３に供給する。この電気信号はアナログＡＧＣ回路３でマイコン７から供給されるディジタルの制御信号７３に応じた利得で増幅され、Ａ／Ｄ変換器４で量子化ビット数ｍ（ｍは正の整数）のディジタル信号（以下、ｍビットのディジタル信号という）５０１に変換された後、ディジタルＡＧＣ回路５に供給される。

ここで、ディジタルＡＧＣ回路５の一具体例を図２によって説明する。但し、５１は利得制御部、５１１はラッチ回路、５１２はシリアル−パラレル変換器（以下、Ｓ／Ｐ変換器という）、５１３はラッチ回路、５１４は乗算器、５１５はラッチ回路、５２はリミッタである。

同図において、ディジタルＡＧＣ回路５は利得制御部５１とリミッタ５２とから構成されており、利得制御部５１は、乗算器５１４、Ｓ／Ｐ変換器５１２及びラッチ５１１，５１３，５１５から構成されている。

Ａ／Ｄ変換器４（図１）から出力されるｍビットのディジタル信号５０１は、ラッチ回路５１１でマイコン７（図１）から供給される制御信号７５のうちのラッチパルス７５ｂ毎にラッチされ、そのラッチ出力が乗算器５１４に供給される。マイコン７（図１）から供給される制御信号７５のうちの利得制御信号７５ａは、Ｓ／Ｐ変換器５１２により、ｐ（ｐは正の整数）ビットの利得制御信号に変換され、ラッチ回路５１３でラッチパルス７５ｂ毎にラッチされる。このラッチ回路５１３から出力される利得制御信号はラッチ回路５１１から出力されるディジタル信号と乗算器５１４で乗算される。そして、乗算器５１４からは、これらの乗算値のうちの上位ｑビットの部分が出力され、ラッチ回路５１５でラッチパルス７５ｂ毎にラッチされる。このラッチ回路５１５の出力信号がリミッタ５２に供給される。

リミッタ５２は、予め決められた入出力特性に従い、ラッチ回路５１５の出力信号のレベルをｎ（ｎはｑ以下の正の整数）ビットに制限し、この制限されたｎビットの出力信号５０２を図１の信号処理回路６に供給する。

図３はこのリミッタ５２の入出力特性の一例を示すものであり、（２ⁿ−１−ｘ）の値のレベル以上では（２ⁿ−１）のレベルとして出力信号のレベルを制限している。但し、ｘは任意の整数である。

図１に戻って、信号処理回路６では、先のテレビジョン学会技術報告Ｖol.１５，Ｎo.７（Ｊａｎ，１９９１）ｐｐ．３７〜４２に記載されている信号処理回路と同様に、ディジタルＡＧＣ回路５のｎビットの出力ディジタル信号５０２が供給され、２または３ライン（但し、１ラインは１水平走査期間）分のディジタル信号５０２を用いて輝度信号Ｙと色信号Ｃを生成する。これら輝度信号Ｙと色信号Ｃとは図示しない次段の処理回路に供給されてカラー映像信号が生成されるが、また、この輝度信号Ｙはレベル検出回路９にも供給され、画像表示画面内のある決められた領域におけるこの輝度信号Ｙのレベルが検出され、得られた検出値がマイコン７に供給される。

マイコン７は、レベル検出回路９からの検出値と予めマイコン７に設定されている基準値とを比較して被写体照度がどれ位かを判断し、この照度に応じた絞り制御信号７１と利得制御信号７３，７５とを生成して、ブランキング期間内に夫々アイリス１、アナログＡＧＣ回路３，５に供給する。このマイコン７の制御動作を、図４，図５を用いて、さらに具体的に説明する。

マイコン７は、図４に示すように、被写体照度を領域１，２，３の領域に区分し、夫々の領域の境界を示す基準値とレベル検出回路９（図１）の検出値との比較により、被写体照度が領域１，２，３のいずれに入るかを判定し、その判定結果に応じて、これら基準値と検出値とが一致するように、アイリス１、アナログＡＧＣ回路３、ディジタルＡＧＣ５を制御するものである。

照度が領域１内にあるときには、ＡＧＣ回路３，５の利得が最小となるように夫々の制御信号７３，７５を設定した上で、カメラの出力信号が一定になるように、アイリス１の絞り量によってセンサ２の入射光量を調節する絞り制御信号７１を生成する。これにより、上記の検出値が上記の基準値と一致するようにセンサ２の入射光の光量が調整される。照度が領域２内にあるときには、マイコン７は、アイリス１が全開するように絞り制御信号７１を、また、ディジタルＡＧＣ回路５の利得が最小とするように利得制御信号７５を夫々設定した上で、アナログＡＧＣ回路３によって信号レベルが調整されるように利得制御信号７３を生成する。即ち、この利得制御信号７３により、上記の検出値が上記の基準値と一致するように、アナログＡＧＣ回路３の利得が制御される。さらに、照度が領域３内にあるときには、アイリス１が全開するように絞り制御信号７１を、また、アナログＡＧＣ回路３の利得が最大とするように利得制御信号７３を夫々設定した上で、ディジタルＡＧＣ回路５によって信号レベルが調整されるように利得制御信号７５を生成する。即ち、この利得制御信号７５により、上記の検出値が上記の基準値と一致するように、ディジタルＡＧＣ回路５の利得が制御される。

以上の一連の動作はフィードバックループになっており、これによってカメラの出力信号は常に一定に保たれるようになる。

図５を用いて上記のマイコン７の動作をさらに詳細に説明すると、まず、図１のアナログＡＧＣ回路３、ディジタルＡＧＣ回路５の利得を初期設定し（ステップＳ１）、レベル検出回路９の検出値を取り込んで（ステップＳ２）輝度信号Ｙのレベルが基準値と一致するか否か判定する。この判定がステップＳ３，Ｓ１０で行なわれる。両者が一致するときには、アイリス１の絞り量、アナログＡＧＣ回路３とディジタルＡＧＣ回路５の利得はそのままの値が維持され、ステップＳ３，Ｓ１０，Ｓ２のループの動作が繰り返される。アナログＡＧＣ回路３、ディジタルＡＧＣ回路５の利得の上記初期設定値は、上記した利得の最小値である。

輝度信号のレベルが基準値よりも小さいときには（ステップＳ３）、アイリス１が全開か否か判定され（ステップＳ４）、アイリス１が全開するまでステップＳ７，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の一連の動作を繰り返す。勿論、この間輝度信号のレベルが基準値と一致すると、かかる動作は中止し、上記のステップＳ２，Ｓ３，Ｓ１０の一連の動作に移る。即ち、かかる動作は、被写体照度が図４での領域１にあるか否かを判定しているものであって、この領域１内にあれば、アイリス１の絞り量によって輝度信号のレベルを基準値に一致させるようにする。

アイリス１が全開しても輝度信号のレベルが基準値と一致しないときには（ステップＳ３，Ｓ４）、アナログＡＧＣ回路３の利得が最大か否か判定し（ステップＳ５）、最大でなければ、このアナログＡＧＣ回路３の利得を高める制御信号７３を生成し（ステップＳ８）、これをブランキング期間にアナログＡＧＣ回路３に送ってその利得を上昇させる（ステップＳ１６，１７）。かかる動作は、即ちステップＳ８，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５の一連の動作は、輝度信号のレベルが基準値と一致するまで、あるいはアナログＡＧＣ回路３の利得が最大となるまで繰り返される。この間輝度信号のレベルが基準値と一致すると、かかる動作は中止し、上記のステップＳ２，Ｓ３，Ｓ１０の一連の動作に移る。即ち、かかる動作は、被写体照度が図４での領域２にあるか否かを判定しているものであって、この領域２内にあれば、アナログＡＧＣ回路３の利得制御によって輝度信号のレベルを基準値に一致させるようにする。

アナログＡＧＣ回路３の利得が最大となっても、輝度信号のレベルが基準値と一致しないときには（ステップＳ５）、次に、ステップＳ６，Ｓ９，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ２〜Ｓ５の一連の動作が繰り返され、ディジタルＡＧＣ回路５の利得が最大となるように、ディジタルＡＧＣ回路５に制御信号７５をブランキング期間に送る。勿論、この間輝度信号のレベルが基準値と一致すると、かかる動作は中止し、上記のステップＳ２，Ｓ３，Ｓ１０の一連の動作に移る。即ち、かかる動作は、被写体照度が図４での領域３にあるか否かを判定しているものであって、この領域３内にあれば、ディジタルＡＧＣ回路５の利得制御によって輝度信号のレベルを基準値に一致させるようにする。

以上は電源を投入してから等の動作開始時での動作であったが、動作中に被写体の変化や撮像場面の変更などによって輝度信号のレベルが基準値よりも小さくなったときには、これがステップＳ３，Ｓ４によって判定され、この判定の結果、マイコン７は次のような制御動作を行なう。

（１）被写体照度が図４の領域１から領域３に変化した場合；
上記のように、領域１では、アナログＡＧＣ回路３及びディジタルＡＧＣ回路５の利得は最小値であり、アイリス１は全開状態と最小開放状態との間にある。この場合には、上記の被写体照度が領域３内にある場合と同様であり、まず、輝度信号のレベルが基準値よりも小さいと判定されると（ステップＳ３）、アイリス１が全開状態にないため（ステップＳ４）、上記のように、ステップＳ７を含むループの動作をし、絞り制御信号７１を生成してアイリス１を全開させ、しかる後、ステップＳ８を含むループの動作をし、利得制御信号７３を生成してアナログＡＧＣ回路３の利得を最大値にする。アナログＡＧＣ回路３の利得が最大値になると、次に、ステップＳ９を含むループの動作をし、利得制御信号７５を生成してディジタルＡＧＣ回路５の利得を制御し、これによって、輝度信号のレベルが基準値に一致するようになる。

（２）被写体照度が図４の領域１から領域２に変化した場合；
まず、輝度信号のレベルが基準値よりも小さいと判定すると（ステップＳ３）、上記（１）の場合と同様に、ステップＳ７を含むループの動作をし、絞り制御信号７１を生成してアイリス１を全開させ、しかる後、ステップＳ８を含むループの動作をし、利得制御信号７３を生成してアナログＡＧＣ回路３の利得を制御する。これによって、輝度信号のレベルが基準値に一致するようになる。

（３）被写体照度が図４の領域２から領域３に変化した場合；
上記のように、この領域２では、ディジタルＡＧＣ回路５の利得は最小値、アイリス１は全開状態にあり、アナログＡＧＣ回路３の利得は最大値と最小値との間にある。そこで、まず、輝度信号のレベルが基準値よりも小さいと判定されると（ステップＳ３）、アイリス１はそのまま全開状態に保持（ステップＳ４）され、上記のように、ステップＳ８を含むループの動作をし、利得制御信号７３を生成してアナログＡＧＣ回路３の利得を最大値にする。アナログＡＧＣ回路３の利得が最大値になると、次に、ステップＳ９を含むループの動作をし、利得制御信号７５を生成してディジタルＡＧＣ回路５の利得を制御し、これによって、輝度信号のレベルが基準値に一致するようになる。

以上は被写体の変化や撮像場面の変更などによって輝度信号のレベルが基準値よりも小さくなった場合であったが、輝度信号のレベルが基準値よりも大きくなったときには、これがステップＳ３，Ｓ１０によって判定される。この判定の結果、マイコン７は次のような制御動作を行なう。

（１）被写体照度が図４の領域３から領域１に変化した場合；
上記のように、領域３では、アナログＡＧＣ回路３の利得は最大値、アイリス１は全開状態にあり、ディジタルＡＧＣ回路５の利得は最大値と最小値との間にある。そこで、まず、輝度信号のレベルが基準値よりも大きいと判定されると（ステップＳ１０）、ディジタルＡＧＣ回路５の利得が最小値か否か判定し（ステップＳ１１）、ディジタルＡＧＣ回路５の利得を小さくする利得制御信号７５を生成し（ステップＳ１４）、ブランキング期間にディジタルＡＧＣ回路５に送る。かかる動作が、即ち、ステップＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ２，Ｓ３の一連の動作が、ディジタルＡＧＣ回路５の利得が最小値となるまで、繰り返される。

この利得が最小値となると、次に、アナログＡＧＣ回路３の利得が最小値か否かの判定とこの利得を小さくする利得制御信号を生成してブランキング期間にアナログＡＧＣ回路３に送るステップＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１５，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ２，Ｓ３の一連の動作の繰り返しに移る。この利得が最小値になると、次に、アイリス１を絞る絞り制御信号７１を生成してブランキング期間にアイリス１に送るステップＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ２，Ｓ３の一連の動作の繰り返しに移る。かかる動作、即ちアイリス１の絞り量の制御により、輝度信号のレベルが基準値に一致するようになる。

（２）被写体照度が図４の領域３から領域２に変化した場合；
まず、輝度信号のレベルが基準値よりも大きいと判定されると（ステップＳ１０）、ディジタルＡＧＣ回路５の利得が最小値か否か判定し（ステップＳ１１）、ディジタルＡＧＣ回路５の利得を小さくする利得制御信号７５を生成し（ステップＳ１４）、ブランキング期間にディジタルＡＧＣ回路５に送る。かかる動作が、即ち、ステップＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１４，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ２，Ｓ３の一連の動作が、ディジタルＡＧＣ回路５の利得が最小値となるまで、繰り返される。

この利得が最小値となると、次に、アナログＡＧＣ回路３の利得が最小値か否かの判定とこの利得を小さくする利得制御信号７３を生成してブランキング期間にアナログＡＧＣ回路３に送るステップＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１５，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ２，Ｓ３の一連の動作の繰り返しに移る。この動作の繰返し中に輝度信号のレベルが基準値に一致するようになる。

（３）被写体照度が図４の領域２から領域１に変化した場合；
上記のように、領域２では、ディジタルＡＧＣ回路５の利得は最小値、アイリス１は全開状態にあり、アナログＡＧＣ回路３の利得は最大値と最小値との間にある。そこで、まず、輝度信号のレベルが基準値よりも大きいと判定し（ステップＳ１０）、ディジタルＡＧＣ回路５の利得が最小値と判定すると（ステップＳ１１）、アナログＡＧＣ回路３の利得が最小値か否か判定し（ステップＳ１２）、アナログＡＧＣ回路３の利得を小さくする利得制御信号７３を生成して（ステップＳ１５）、ブランキング期間にアナログＡＧＣ回路３に送る。かかる動作が、即ち、ステップＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１５，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ２，Ｓ３の一連の動作が、アナログＡＧＣ回路３の利得が最小値となるまで、繰り返される。この利得が最小値になると、次に、アイリス１を絞る絞り制御信号７１を生成してブランキング期間にアイリス１に送るステップＳ１０，Ｓ１１，Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１６，Ｓ１７，Ｓ２，Ｓ３の一連の動作の繰り返しに移る。この動作の繰返し中に輝度信号のレベルが基準値に一致するようになる。

なお、図４での同じ領域での制御は、領域１については、ステップＳ７またはＳ１３を含むループの動作を繰り返してアイリス１の絞り量を制御することにより、領域２については、ステップＳ８またはＳ１５を含むループの動作を繰り返してアナログＡＧＣ回路３の利得を制御することにより、領域３については、ステップＳ９またはＳ１４を含むループの動作を繰り返してディジタルＡＧＣ回路５の利得を制御することにより、夫々行なわれる。

次に、この実施形態での量子化ノイズの影響について説明する。
いま、アナログＡＧＣ回路３の信号増幅率をｐ、ディジタルＡＧＣ回路５の信号増幅率をｑ、これらＡＧＣ回路３，５の信号増幅率の合計をｋ、センサ２で発生するノイズをＮ_s、Ａ／Ｄ変換器４で発生する量子化ノイズをＮ_q、ノイズＮ_sと量子化ノイズＮ_qとの比をαとし、ＡＧＣ回路としてアナログＡＧＣ回路３のみを備えて信号をｋ倍に増幅する自動制御装置でのノイズをＮ_a、アナログＡＧＣ回路３でアナログ入力信号をｐ倍に増幅し、ディジタルＡＧＣ回路５でディジタル信号をｑ倍に増幅するこの実施形態の自動制御装置（以下、ハイブリッド自動利得制御装置という）でのノイズをＮ_dとすると、以下の式（１）〜（４）が得られる。
Ｎ_a ²＝（ｋ・Ｎ_s）²＋Ｎ_q ² ・・・・・・・・（１）
Ｎ_d ²＝（ｋ・Ｎ_s）²＋（ｑ・Ｎ_q）² ・・・・（２）
Ｎ_s＝α・Ｎ_q ・・・・・・・・・・・・・・（３）
ｋ＝ｐ・ｑ・・・・・・・・・・・・・・（４）
また、ノイズＮ_a，Ｎ_dの大きさの比Ｎは次の（５）式で表わされる。
Ｎ＝１０・log（Ｎ_d ²／Ｎ_a ²）〔ｄＢ〕・・・（５）
さらに、式（１）、（２）及び（３）から次の式（１−２）と式（２−２）が、また、式（１−２）、（２−２）及び（５）から次の式（５−２）が得られる。
Ｎ_a ²＝（ｋ²・α²＋１）Ｎ_q ² ・・・・・・（１−２）
Ｎ_d ²＝（ｋ²・α²＋ｑ²）Ｎ_q ² ・・・・・・（２−２）
Ｎ＝１０・log{（ｋ²・α²＋ｑ²）
／（ｋ²・α²＋１)｝・・・（５−２）。

ここで、式（５−２）において、比Ｎの値を０に近付けるには、ｋまたはαの値を１に比べて充分大きくしなければならない。式（３）において、ノイズＮ_sを固定値とすると、αの値を大きくするには、ノイズＮ_qの値を小さくしなければならない。つまり、センサ２のノイズＮ_sに比べてＡ／Ｄ変換器４の量子化ノイズＮ_qを充分に小さくする必要がある。

しかし、現状において、小型化、軽量化及び低消費電力化を目的としているビデオカメラ装置への使用に適した高速かつ低消費電力のＡ／Ｄ変換器の中には、量子化ノイズを充分に小さくできるだけのビット数を備えたものはない。従って、αの値が１より充分大きくなることはないので、式（５−２）において、Ｎに対するディジタルＡＧＣ回路５の信号増幅率ｑの影響が大きくなる。つまり、ディジタルＡＧＣ回路５の信号増幅率ｑに応じて量子化ノイズＮ_qの影響が出力画像に現れるようになる。

しかし、ディジタルＡＧＣ回路５の信号増幅率ｑをある程度までに抑えておけば、出力画像の劣化を視覚的に許容できる範囲に収めることができる。以下の表１は、センサ２のノイズＮ_sとＡ／Ｄ変換器４の量子化ノイズＮ_qとがほぼ同じ（α＝１）と仮定し、さらに、しきい値、つまりアナログＡＧＣ回路３の信号増幅率ｐの最大値を４と仮定したときの、ディジタルＡＧＣ回路５のみで増幅する場合の雑音とハイブリッド自動利得制御装置により増幅する場合の雑音の比較結果を表わした具体的な例を示している。

この表１から明らかなように、ディジタルＡＧＣ回路５のみで増幅する場合には、そのノイズがアナログＡＧＣ回路３のみで増幅する場合のノイズのほぼ２倍になるので、実用には適さない。しかし、ハイブリッド自動利得制御装置で増幅する場合のノイズは、必要とする増幅率がしきい値以下（ｋ≦４）ではアナログＡＧＣ回路３のみで増幅し、ディジタルＡＧＣ回路５で増幅しない（ｑ＝１）ため、増幅による量子化ノイズの影響はなく、ｋ＞４ではディジタルＡＧＣ回路５でも増幅をする（ｑ＞１）ため、増幅による量子化ノイズの影響が発生するが、アナログＡＧＣ回路３である程度（表１では４倍）まで増幅するようにし、不足している分をディジタルＡＧＣ回路５で増幅するようにすれば、ディジタルＡＧＣ回路５のみで増幅する場合に比べてノイズは大幅に減少し、しかも、アナログＡＧＣ回路３のみで増幅する場合との差も僅かになり、低消費電力化の効果を考慮すれば、許容できる範囲内にあると言える。

さらに、表１での（ｉ），（ii）の場合におけるＮの差は０．０５ｄＢしかなく、増幅率ｋを上げても量子化ノイズによる劣化の割合があまり変わらない。従って、あるしきい値以上では、ディジタルＡＧＣ回路５で増幅しても問題ないと言える。

以上のように、この実施形態は、従来のビデオカメラ装置にディジタル処理のＡＧＣ回路が設けられ、従来アナログ処理のＡＧＣ回路に従って行なわれていた利得制御動作の一部を、アナログ処理に比べて消費電力が小さいディジタル処理のＡＧＣ回路に行なわせるものであり、これにより、ビデオカメラ装置の低消費電力化が実現できる。

図６はビデオカメラ装置に用いた本発明による自動利得制御回路の他の実施形態を示すブロック図であって、５’はディジタルＡＧＣ回路、１０はクランプ回路であり、図１に対応する部分には同一符号をつけて重複する説明を省略する。

この実施形態が図１に示した実施形態と異なる点は、図６に示すように、自動利得制御処理中に黒つぶれが生ずるのを防ぐために、黒レベルを示す或るオフセットをセンサ２の出力信号に加えるためのクランプ回路１０を設けた点と、自動利得制御処理後の信号からこのオフセットによる黒レベルを除くために、ディジタルＡＧＣ回路５’で減算するようにした点である。

図７は図６におけるディジタルＡＧＣ回路５’の一具体例を示すブロック図であって、５１６は減算器、５１７はラッチ回路であり、図２に対応する部分には同一符号をつけている。

図７において、このディジタルＡＧＣ回路５’は、図２に示したディジタルＡＧＣ回路５に、図６のクランプ回路１０で付加された黒レベルを除去するための減算器５１６とこの減算器５１６の出力をラッチパルス７５ｂでラッチするラッチ回路５１７が付加された構成をなしている。

いま、黒レベルの値をｋ（ｋは０以上の整数）とすると、減算器５１６は、図６のＡ／Ｄ変換器４から供給されるｍビットのディジタル信号５０１から黒レベルｋを減算し、ｍ′（ｍ′は正の整数）ビットのディジタル信号５０４を出力する。このディジタル信号５０４がラッチ回路５１７を介して、図２に示したディジタルＡＧＣ回路５と同様、乗算器５１４に供給されるのであるが、このディジタル信号５０４はディジタル信号５０１と黒レベルｋとの差を示す信号であるから、これは、また、差信号における符号ビットの信号、つまり、デイジタル信号５０１のレベルと黒レベルｋとの大小比較結果を示す制御信号５０３としてクランプ回路１０にも供給される。

マイコン７は、また、センサ２が光学的黒の区間の画素デ−タを読み出すタイミングを示す制御信号７１０を生成し、クランプ回路１０に供給する。クランプ回路１０は、マイコン７からのこの制御信号７１０の期間、センサ２から出力される電気信号のレベルをディジタルＡＧＣ回路５からの制御信号５０３に応じて制御し、減算器５１６から出力されるディジタル信号５０４の水平周期毎の制御信号７１０の期間でのレベルが０になるように調節する。

ここで、減算器５１６が乗算器５１４の前に設けられているのは、乗算器５１４でディジタル信号が増幅される前にこのディジタル信号の基準レベルを０に設定しないと、信号増幅率が変化したときに黒レベルが変動してしまい、それを補正する必要が生じるからである。黒レベルの実際の設定は、リミッタ５２の入出力特性を、図３において、ｘ＝ｋとすることによって行なわれる。即ち、リミッタ５２は減算器５１６で減算された分ｋをその入力信号に加算する。

これら以外の動作については、図２に示したディジタルＡＧＣ回路５と同様である。

従って、この実施形態では、図１に示した実施形態と同様な効果が得られるとともに、上記のクランプ回路１０とディジタルＡＧＣ回路５’との作用により、センサ２の光学的黒区間に相当する映像信号の期間の黒レベルを調整するとき、図７に示したディジタルＡＧＣ回路５’において、乗算器５１４による信号増幅をする前のディジタル信号の基準となるレベルを０に設定するため、信号増幅による黒レベルの変動を防ぐことができる。

図８は自動利得制御装置のさらに他の実施形態を示すブロック図であって、図１に対応する部分には同一符号をつけている。

この実施形態は、上記の実施形態のようにビデオカメラ装置に限定したものでなく、ディジタル処理による信号処理回路の出力信号レベルを一定に保つ任意の装置に用いることができるものである。その基本動作は、図１に示した実施形態と同様である。

即ち、この実施形態では、利得制御をアナログ処理とディジタル処理の２つのＡＧＣ回路により行なうため、アナログ処理のＡＧＣ回路だけで利得制御するよりも低消費電力で高利得を得ることができ、さらに、これらＡＧＣ回路の利得の配分をマイコンによって自動制御するから、量子化ノイズの影響を受けにくい出力信号を得ることができる。

なお、以上説明した各実施形態では、Ａ／Ｄ変換器４で発生した量子化ノイズがディジタルＡＧＣ回路５で増幅されることによって出力画像が劣化するのを目立たなくするために、低照度の場合、先ずアナログＡＧＣ回路３の利得を上げ、必要とされる利得がしきい値以上の場合、その不足分をディジタルＡＧＣ回路５の利得で補なうような制御方法がとられていたが、もし、量子化ノイズがセンサ２から発生されるセンサノイズより充分小さければ、量子化ノイズをディジタルＡＧＣ回路５で増幅することによる出力画像の劣化は目立たなくなるから、アナログＡＧＣ回路３とディジタルＡＧＣ回路５の立場を逆転して、低照度では、先ずディジタルＡＧＣ回路５の利得を上げ、必要とされる利得がしきい値以上の場合、その不足分をアナログＡＧＣ回路３の利得で補なうような制御方法にしても構わない。

ビデオカメラ装置に用いた本発明による自動利得制御装置の一実施形態を示すブロック図である。図１におけるディジタルＡＧＣ回路の一具体例を示すブロック図である。図２に示したディジタルＡＧＣ回路におけるリミッタの入出力特性を示す図である。図１に示した実施形態における照度／ＡＧＣ利得特性を示す特性図である。図１に示した実施形態の動作を示すフローチャートである。ビデオカメラ装置に用いた本発明による自動利得制御装置の他の実施形態を示すブロック図である。図６におけるディジタルＡＧＣ回路の一具体例を示すブロック図である。本発明による自動利得制御装置のさらに他の実施形態を示すブロック図である。

符号の説明

１アイリス
２センサ
３アナログＡＧＣ回路
４Ａ／Ｄ変換器
５ディジタルＡＧＣ回路
６信号処理回路
７マイコン
８駆動回路
９レベル検出回路
１０クランプ回路

Claims

入力信号をアナログ信号とし、第１の制御信号に応じた利得で該入力信号を増幅する第１の可変利得増幅回路と、
該第１の可変利得増幅回路の出力信号をディジタル信号に変換するアナログ−ディジタル変換器と、
第２の制御信号に応じた利得で該アナログ−ディジタル変換器から出力される該ディジタル信号を増幅する第２の可変利得増幅回路と、
該第２の可変利得増幅回路の出力ディジタル信号を処理する信号処理回路と、
該信号処理回路の出力信号のレベルを検出するレベル検出回路と、
該レベル検出回路による検出値が予め設定された基準値に等しくなるように、該第１，第２の可変利得増幅回路の利得とを設定する該第１，第２の制御信号を発生する制御回路と
を具備したことを特徴とする自動利得制御装置。