JP3710185B2 - 撮像装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所謂ベイヤー配列に色フィルタが配置されている順次走査固体撮像素子を用いる場合に好適な撮像装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体技術の進歩に伴い順次走査で信号を読み出すことのできるCCD等の固体撮像素子(全画素読み出し固体撮像素子、以下全画素撮像素子)が開発されている。このような全画素撮像素子は、従来のインターレース走査(飛び越し走査)方式の撮像素子に比べて、動きのある被写体に対してもぶれが少なく、解像度の高い画像を取り込むことができる。つまり、インターレース撮像素子では、1フレームの画像は1フィールド期間ずれた2枚のフィールドで構成されるため、動きのある被写体を撮像した場合、フィールド間の時間差により動きブレが生ずる。また、1フィールドの画像を取り出すと動きブレは無くなるものの、垂直の解像度が1/2になってしまう。これに対して全画素撮像素子では、1フィールド期間で1フレーム分撮像することができるため、上述のような問題は生じない。このような特徴を利用して、全画素撮像素子は静止画像取り込みカメラやEDTVII用カメラなどへ応用が期待されている。
【0003】
ここで従来の垂直2画素加算読み出し方式の撮像素子を用いた撮像装置について図8を用いて説明する。
図8において、撮像素子1はタイミング発生器(TG)9からのタイミング信号t1、t2に従って垂直方向に2画素づつ加算されて読み出される。その出力信号はバッファ2を介してCDS回路3で撮像素子1のリセットノイズを除去された後、AGC回路4でマイコン8からの制御信号c2によりゲイン制御される。ゲイン制御された信号はA/D変換器5でディジタル信号に変換されてカメラプロセス回路6に送られ、所定の処理が施されて輝度信号Y及び色差信号Cが出力される。また、マイコン8はカメラプロセス回路6で検出されたゲイン情報c1に基づいてAGC回路4の制御信号c2を生成する。
【0004】
次に現在使用されている全画素撮像素子のほとんどは、図9に示すような所謂ベイヤー配列にR、G、Bフィルタが配置されているものである。この色配列ではGが輝度信号として使われている。また、全画素撮像素子は1フィールド期間に1フレームの画像データを読み出すために、上述した図8に示すような従来の垂直2画素加算読み出しの撮像素子に比べて電荷の転送速度が2倍となる。そこで、図10に示すように、撮像素子からの出力を従来の1ライン読み出しから、奇数・偶数の走査線信号出力が例えばそれぞれ第1及び第2の信号出力となるような構成の2ライン読み出しにすることが望ましい。
【0005】
ここで、従来の2ライン読み出しの全画素撮像素子を用いた撮像装置の回路構成を図10、図11、図12を用いて説明する。
全画素撮像素子1は、TG9から与えられたタイミング信号t1、t2に従って垂直レジスタ転送、水平レジスタ転送を行い、ch1、ch2からそれぞれ奇数・偶数の走査線信号が出力される。このch1、ch2からの出力信号は、それぞれ全画素撮像素子1の奇数ライン、偶数ラインに対応しており、バッファ21、22を介してそれぞれCDS回路31、32に送られる。CDS回路31、32は撮像素子1のリセットノイズの除去を行いそれぞれAGC回路41、42に映像信号を送る。AGC回路41、42は、カメラプロセス回路6で検知された各チャンネルのゲインの差を元に、指定されたゲインを映像信号に与える。A/D変換器51、52は、アナログの映像信号をディジタル信号に変換して、カメラプロセス回路6にディジタル信号を送る。
【0006】
カメラプロセス回路6は図11のように構成されており、ここではまず入力端子600−1、600−2からそれぞれch1、ch2の出力信号を受け取り、処理周波数を2倍にして奇数・偶数ラインをライン順次にするための遅延を1Hメモリ611−1、611−2で行う。色分離回路601は、図9に示したような画素配列のまま点順次で送られてきたG、B、Rの画素データを、Gについては図13(a)のように水平方向の平均値補間で、B、Rについては水平、垂直方向の平均値補間で、それぞれのチャンネルがすべての画素位置についてデータを持つように補間し、それぞれ点順次化する。この色分離回路601からの出力Gは、本線信号と輪郭補償信号とに分岐され、V−HPF603及びH−HPF604によって輪郭信号を抽出した後、本線信号にそれぞれ加算され、γ処理回路606を経て色変換マトリクス回路607に送られる。また、色分離回路601の出力G−low、B−low、R−lowは、ホワイトバランス回路605によってホワイトバランスがとられた後、γ処理回路606を経て色変換マトリクス回路607に送られる。
【0007】
色変換マトリクス回路607は、G、G−low、B−low、R−lowを受けて、リニアマトリクス処理及びRGB−YCbCr変換を行う。色変換マトリクス回路607からの輝度信号出力Yは出力端子609Yから出力され、色差信号出力Cb、Crについては点順次化回路608で帯域圧縮と点順次化を行った後、出力端子609Cから出力される。そして、低照度時の撮影などで画面全体が暗くなると、映像信号レベルを適切に上げるために、H−LPF610を経たGから求めたゲイン情報c1をマイコン8に送る。マイコン8はカメラプロセス回路6から受け取ったデータを基にAGC回路41、42のゲインをそれぞれ決定し制御信号c2を送る。AGC回路41、42は制御信号c2を受け取って所望のゲインに調整する。
【0008】
AGC回路41、42は、ゲインが与えられると、映像信号を所定のゲインだけ変化させるが、AGC回路41、42には個々の動作のばらつきがあり、AGC回路41、42に同じゲイン指定をしても映像信号レベルが異なってしまうことになる。このような現象が起きると、全面一様なもの(例えばホワイトチャート)を撮像したときに、図13(b)に示すように、AGC回路41、42のゲインのばらつきは、画面上では奇数・偶数フィールドの出力レベルの差として現れ、このためフィールドフリッカが起きる。これは画像を著しく劣化させるものである。
【0009】
そこで、カメラプロセス回路6を図12のように構成して、入力時にch1、ch2のデータを色分離回路601で点順次化して、色分離回路601でGについては垂直方向の平均補間をする方式も考えられる。しかし、この方式でも全面一様なもの(例えばホワイトチャート)を撮像したときに、図7(b)に示すように、AGC回路41、42のゲインのばらつきは、画面上ではマス目状の妨害が入ることになり、画像を著しく劣化させる。
【0010】
このため従来では、図10に示すように、TG9によって予め定められたタイミングで基準信号発生部10にタイミング信号t3を送っている。この基準信号発生部10は、ch1、ch2の水平レジスタにt3で定められたタイミングで基準信号を注入する。この基準信号を映像信号と同様に処理した後、マイコン8はゲイン情報c1に基づいて基準信号のゲイン差を示す情報d1を基準信号発生部10に送る。このd1に応じて基準信号発生部10は、ch1、ch2の水平レジスタに注入する基準信号のレベルを調整し、マイコン8は、ゲインの制御にAGC回路41、42の上記ゲイン差を乗じ、再び変更された基準信号を映像信号と同様に処理し、AGC回路41、42のゲイン差が補正されたことを確認する。
このようにして、2つのAGC回路41、42のゲインにばらつきが生じても、そのばらつきをフィードバック制御で補正することが可能となる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図10の方式では、2つのAGC回路のゲインのばらつきを補正するようなフィードバック構成をとること、そのために必要な回路構成が追加されることで、ハード量の増加を招くことになるという問題があった。
【0012】
また、全画素撮像素子のもう一つの問題として、輝度信号用の画素が市松状に配置されていることから、図14の○で示した水平、垂直、斜めの周波数軸上のサンプリング周波数位置に輝度のキャリアが立つ。また、◎で示したものは、水平、垂直、斜め方向のナイキスト周波数である。斜め方向のキャリアは通常は、○を通るような斜め方向にヌル点を持つように設計された光学水晶LPF(以下O−LPF)で落とす方法が一般的である。しかし、このO−LPFのみでは、ナイキスト周波数の位置に現れる輝度のモワレを除去できない。特に、斜め方向に現れるモワレは非常に大きい成分を持ち、動画像やカメラのパンニングで非常に顕著に現れる。この解決方法として、◎を通るような斜め方向にヌル点を持つように設計されたO−LPFで落とす方法が考えられる。しかし、この方法では全画素撮像素子に結像した時点で輝度の帯域が狭くなり、また、更にフィルタを使用した場合には、帯域内のレスポンスは非常に低下し、鮮鋭感のない画像となってしまう。
【0013】
本発明は上記のような従来の問題を解決するためになされたもので、上述したゲイン差を補正するためのフィードバック構成の補正回路を用いずに、AGC回路のゲインのばらつきを効果的に除去すると共に、色フィルタの配列に基づく画質の劣化を低減することを目的とするものである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明においては、輝度信号の画素が市松状に配列され、その間に色信号の画素が配列されている撮像面における全画素の信号がそれぞれ所定の水平及び垂直方向のサンプリング周波数で順次に読み出され、奇数・偶数の走査線信号がそれぞれ第1、第2の映像信号として出力されるように成された撮像手段と、上記第1、第2の映像信号の利得をそれぞれ制御する第1、第2の利得制御手段と、上記第1、第2の利得制御手段の各出力に対して垂直方向の補間処理をすることにより色信号を出力すると共に補間処理をせずに輝度信号を出力する信号処理手段と、上記信号処理手段で処理された信号から上記水平、垂直及び斜め方向のサンプリング周波数の各1/2の周波数成分をそれぞれ除去するフィルタ手段とを設けている。
【0015】
請求項2の発明においては、輝度信号の画素が市松状に配列され、その間に色信号の画素が配列されている撮像面における全画素の信号がそれぞれ所定の水平及び垂直方向のサンプリング周波数で順次に読み出され、奇数・偶数の走査線信号がそれぞれ第1、第2の映像信号として出力されるように成された撮像手段と、上記第1、第2の映像信号の利得をそれぞれ制御する第1、第2の利得制御手段と、上記第1、第2の利得制御手段の各出力に対して垂直方向の補間処理をすることにより色信号を出力すると共に補間処理をせずに輝度信号を出力する信号処理手段と、上記信号処理手段で処理された信号から上記垂直及び斜め方向のサンプリング周波数の各1/2の周波数成分を除去する第1のフィルタ手段と、上記第1のフィルタ手段の出力から上記水平方向のサンプリング周波数の1/2の周波数成分を除去する第2のフィルタ手段とを設けている。
【0016】
【作用】
本発明によれば、フィルタ手段あるいは第1、第2のフィルタ手段を設けることにより、2つの利得制御手段のゲインのばらつきを水平及び垂直周波数軸のナイキスト周波数振動に置き換えているので、上記ゲインのばらつきを有効に除去することができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
図1は本発明の第1の実施の形態による撮像装置を示し、図2は図1のカメラプロセス回路6の構成を示す。
図1においては、図10の基準信号発生部10及びこれに関する構成が除外されており、他の部分は図10と同一構成されている。また、図2においては、図12に2次元フィルタとしてのSPC−FIL612を追加した構成となっている。このSPC−FIL612は図3に示す空間周波数特性を有している。
【0018】
次に動作について説明する。
全画素撮像素子1がTG9により読み出されてch1、ch2の信号が得られ、それぞれカメラプロセス回路6に入力されるまでの動作は図10の場合と同様に行われる。
【0019】
次に図2に示すカメラプロセス回路6においては、まず入力端子600−1、600−2からそれぞれch1、ch2の出力信号を受け取る。色分離回路601は、図9に示したような画素配列のまま点順次で送られてきたG、B、Rの画素データをG−lowについては垂直方向の平均値補間で、B、Rについては水平、垂直方向の平均値補間でそれぞれのチャンネルがすべての画素位置についてデータを持つように補間する。また本線系のGは、図7(a)のように補間しないでそのまま出力する。
【0020】
色分離回路601からの出力Gは、例えば図3のような空間周波数特性のSPC−FIL612によってゼロ挿入補間されるとともに、1/2fs−h及び1/2fs−vがトラップされる。ここでSPC−FILを使うのは、輝度信号の斜め方向に現れる1/2fs−oのモワレを解消する目的であり、点順次信号をゼロ挿入補間するのに適するように、市松状の2組の係数の和が等しくなるように設計されている。AGC回路41、42にゲインが与えられると、AGC回路41、42は映像信号を所定のゲインだけ変化させるが、前述したようにAGC回路は個々に動作のばらつきがあり、AGC回路41、42に同じゲイン指定をしても映像信号レベルが異なってしまうことになる。このような現象が起きると、奇数・偶数ライン、奇数・偶数画素で出力レベルに差が生じるために、全面一様なもの(例えばホワイトチャート)を撮像したときに、図7(b)に示すようにAGC回路41、42のゲインのばらつきは、画面上ではマス目状の妨害が入ることになり、これは画像を著しく劣化させるものである。しかし、1/2fs−vトラップされたことによって、奇数・偶数ラインの出力レベルの差は、1/2fs−vの周波数振動に置き換えられているので解消される。また1/2fs−hがトラップされたことによって、この奇数・偶数画素の出力レベル差は、1/2fs−hの周波数振動に置き換えられているので解消される。
【0021】
その後、Gは本線信号と輪郭補償信号とに分岐され、V−HPF603及びH−HPF604によって輪郭信号を抽出した後、本線信号にそれぞれ加算され、γ処理回路606を経て色変換マトリクス回路607に送られる。また、G−low、B−low、R−lowは、ホワイトバランス回路605によってホワイトバランスがとられた後、γ処理回路606を経て色変換マトリクス回路607に送られる。色変換マトリクス回路607はG、G−low、B−low、R−lowを受けて、リニアマトリクス処理及びRGB−YCbCr変換を行う。色変換マトリクス回路607からの輝度信号出力Yは出力端子609Yから出力され、色差信号出力Cb、Crについては点順次化回路608で帯域圧縮と点順次化を行った後、出力端子609Cから出力される。
そして、低照度時の撮影などで画面全体が暗くなると、映像信号レベルを適切に上げるために、H−LPF610を経たGから求めたゲイン情報c1をマイコン8に送る。
【0022】
マイコン8は、カメラプロセス回路6から受け取ったデータに基づいてAGC回路41、42のゲインをそれぞれ決定し制御信号c2を送る。AGC回路41、42は制御信号c2を受け取って所望のゲインに調整する。AGC回路41、42は、ゲインが与えられると、映像信号を所定のゲインだけ変化させるが、AGC回路41、42は個々に動作のばらつきがあり、同じゲイン指定をしても映像信号レベルが異なってしまうことになる。このような現象が起きても、SPC−FIL612によって1/2fs−h及び1/2fs−vがトラップされることによって解消され、好適な画像を得ることができる。
【0023】
図4は第2の実施の形態を示すもので、図1のカメラプロセス回路6の他の構成例を示している。
この図4においては、図2の回路にさらに図5に示す周波数特性を持つ水平フィルタ(H−LPF)602を設けられている。これと共にSPC−FIL612として図6に示す周波数特性を持つものが用いられている。
【0024】
次に動作について説明する。
色分離回路601の動作は第1の実施の形態と同様に行われる。
【0025】
色分離回路601からの出力Gは、例えば図6のような空間周波数特性のSPC−FIL612によってゼロ挿入補間されるとともに、1/2fs−vがトラップされ、水平方向は水平軸上で減衰のない特性で出力される。。ここでSPC−FILを使うのは、輝度信号の斜め方向に現れる1/2fs−oのモワレを解消する目的であり、点順次信号をゼロ挿入補間するのに適するように、市松状の2組の係数の和が等しくなるように設計されている。SPC−FIL612からの出力Gは、例えば図5のような周波数特性のH−LPF602によって1/2fs−hがトラップされる。ここでフィルタをSPC−FIL612とH−LPF602とに分割したのは、画像の状況に合わせて水平方向のフィルタの特性を変化させたい場合に、第1の実施の形態のようにSPC−FIL612のみでは、所望の特性を得るのが非常に難しいためである。
【0026】
前述したようにAGC回路41、42のばらつきによって同じゲイン指定をしても奇数・偶数ライン、奇数・偶数画素で出力レベルに差が生じ、このため(例えばホワイトチャート)を撮像したときに、図7(b)に示すように画面上でマス目状の妨害が入ることになる。しかし、1/2fs−vがトラップされたことによって、奇数・偶数ラインの出力レベル差は、1/2fs−vの周波数振動に置き換えられているので解消される。また1/2fs−hがトラップされたことによって、この奇数・偶数画素の出力レベル差は、1/2fs−hの周波数振動に置き換えられているので解消される。
【0027】
その後、Gは本線信号と輪郭補償信号とに分岐され、以降の処理は第1の実施の形態と同様に行われる。そしてマイコン8によりAGC回路41、42にゲインが与えられたときにおけるAGC回路41、42のばらつきによる前述した問題は、H−LPF602によって1/2fs−hが、SPC−FIL612によって1/2fs−vがトラップされることによって解消され、好適な画像を得ることができる。
【0028】
本実施の形態によれば、垂直方向のサンプリング周波数の1/2の周波数成分をトラップするSPC−FIL612と、水平方向のサンプリング周波数の1/2の周波数成分をトラップするH−LPF602とを輝度信号処理系に設けることにより、2つのAGC回路41、42のゲインのばらつきを水平、垂直周波数軸上のナイキスト周波数振動に置き換えているので、ハード量の増加を招くことなく、各AGC回路のゲインのばらつきを効果的に除去することが可能となる。
【0029】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1、2の発明によれば、第1、第2の利得制御手段のゲインのばらつきを水平、垂直周波数軸上のナイキスト周波数振動に置き換えているので、ハード量の増加を招くことなく、2つの利得制御手段のばらつきを効果的に除去することができる。
また、請求項2の発明によれば、画像の状態に合わせて水平方向のフィルタの特性を変化させ、より好適な画像を得ることができる。
【0030】
また、斜め方向の輝度のキャリアを2次元フィルタで効果的に抑圧することで、O−LPFで結像時の輝度の帯域を狭くすることなく、鮮鋭感のある好適な画像を得ることができる。
【0031】
本発明は特にベイヤー配列された色フィルタを備えた全画素撮像素子を用いる場合に画像の劣化を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態を示すブロック図である。
【図2】本発明の第1の実施の形態によるカメラプロセス回路を示すブロック図である。
【図3】第1の実施の形態による2次元フィルタの特性図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態によるカメラプロセス回路を示すブロック図である。
【図5】第2の実施の形態によるH−LPFの特性図である。
【図6】第2の実施の形態による2次元フィルタの特性図である。
【図7】G信号の補間を説明する構成図である。
【図8】従来の垂直2画素加算方式の撮像装置を示すブロック図である。
【図9】色フィルタの配列を示す構成図である。
【図10】従来の全画素撮像素子を用いた撮像装置を示すブロック図である。
【図11】従来のカメラプロセス回路を示すブロック図である。
【図12】従来の他のカメラプロセス回路を示すブロック図である。
【図13】従来のG信号の補間処理を示す構成図である。
【図14】輝度信号のキャリア位置を示す特性図である。
【符号の説明】
1 全画素撮像素子
6 カメラプロセス回路
8 マイコン
41、42 AGC回路
601 色分離回路
602 H−LPF
612 SPC−FIL(2次元フィルタ)

Claims (6)

  1. 輝度信号の画素が市松状に配列され、その間に色信号の画素が配列されている撮像面における全画素の信号がそれぞれ所定の水平及び垂直方向のサンプリング周波数で順次に読み出され、奇数・偶数の走査線信号がそれぞれ第1、第2の映像信号として出力されるように成された撮像手段と、
    上記第1、第2の映像信号の利得をそれぞれ制御する第1、第2の利得制御手段と、
    上記第1、第2の利得制御手段の各出力に対して垂直方向の補間処理をすることにより色信号を出力すると共に補間処理をせずに輝度信号を出力する信号処理手段と、
    上記信号処理手段で処理された信号から上記水平、垂直及び斜め方向のサンプリング周波数の各1/2の周波数成分をそれぞれ除去するフィルタ手段とを備えた撮像装置。
  2. 輝度信号の画素が市松状に配列され、その間に色信号の画素が配列されている撮像面における全画素の信号がそれぞれ所定の水平及び垂直方向のサンプリング周波数で順次に読み出され、奇数・偶数の走査線信号がそれぞれ第1、第2の映像信号として出力されるように成された撮像手段と、
    上記第1、第2の映像信号の利得をそれぞれ制御する第1、第2の利得制御手段と、
    上記第1、第2の利得制御手段の各出力に対して垂直方向の補間処理をすることにより色信号を出力すると共に補間処理をせずに輝度信号を出力する信号処理手段と、
    上記信号処理手段で処理された信号から上記垂直及び斜め方向のサンプリング周波数の各1/2の周波数成分を除去する第1のフィルタ手段と、
    上記第1のフィルタ手段の出力から上記水平方向のサンプリング周波数の1/2の周波数成分を除去する第2のフィルタ手段とを備えた撮像装置。
  3. 上記フィルタ手段は、上記輝度信号の処理系に設けられることを特徴とする請求項1又は2記載の撮像装置。
  4. 上記信号処理手段は、垂直方向の補間処理をすることにより色信号を出力すると共に補間処理をせずに輝度信号を出力するように成され、上記第1、第2のフィルタ手段は上記輝度信号の処理系に設けられることを特徴とする請求項1又は2記載の撮像装置。
  5. 上記フィルタ手段は、フィルタ係数がゼロ挿入補間のために市松状に抜き取ることができる2組の係数の和が互いに等しくなるような2次元フィルタであることを特徴とする請求項1記載の撮像装置。
  6. 上記第1のフィルタ手段は、フィルタ係数がゼロ挿入補間のために市松状に抜き取ることができる2組の係数の和が互いに等しくなるような2次元フィルタであることを特徴とする請求項2記載の撮像装置。
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