JP4360307B2 - 撮像装置及び露出制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像の際に自動露出の制御を行う撮像装置及び露出制御方法に関する。

例えば民生用のビデオカメラにおいて、被写体を撮像する場合には一般的には自動露出制御（ＡＥ）が用いられていた(特許文献１参照)。

この自動露出制御（ＡＥ）は、撮像された像の明るさ（あるいは被写体の明るさ）を検出する手段と、光軸中心の開口絞り調整機能を有する光学系のアイリス、電子シャッタの機能を有する撮像素子、信号処理系のゲイン調整の機能を有するアンプなどのデバイスに対し、指示を出し露出を変化させる手段を有していた。

そこで、撮像された像が明るすぎる場合（あるいは暗すぎる場合）、この自動露出制御（ＡＥ）を用いて、適正な露出となるように上記デバイスの状態を遷移させるという制御を行うことにより、露出制御を行うようにしていた。
特開平4-271582号公報

ところが、デバイスに対する指示の遷移が速すぎると、適正露出の状態を通り過ぎてしまう。このとき、被写体が少し明るくなったことで、逆に撮像される画が暗くなってしまう。

また、ひどい場合には、ハンチングを起こしてしまう。このとき、明るさの変化が急に起きるため、動画としてみた場合不自然な画となってしまう。

逆に、デバイスに対する指示の遷移が遅すぎると、適正露出に到達するまでの時間がかかり、それまでの間は明るすぎる画（あるいは暗すぎる画）が撮像されてしまう。

このため、従来、この遷移スピードは、現在の状態と適正露出状態の差が大きければ高速にし、現在の状態と適正露出状態の差が小さければ低速として、ハンチングを起こさず、明るすぎる（あるいは暗すぎる）状態が長く続かないような範囲の値となるように決定されていた。

しかし、現在の状態と適正露出状態の差に基づいて遷移スピードを決定するパターンは１通りであり、ユーザーが期待するスピードでは無い場合でも、それを変更する手段を提供していなかったという不都合があった。

本発明の目的は、現在の露出状態と適正露出状態の差を利用するだけではなく、焦点距離などのＡＥ以外の状態を示すパラメータを利用したり、撮影状況やユーザーの好みに合わせ、遷移スピードをユーザーが指定できる仕組みを持つことで、より自然で好まれるＡＥの追従を実現する撮像装置を提供することにある。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の撮像装置は、撮像された画像情報の輝度検波値の適正露出状態との差分値を演算する差分演算手段と、撮像動作を行う際に得られる撮像に関する情報を用いて差分値に対する露出制御値を決定して自動露出の露出状態の遷移のスピードを変化させる露出制御手段とを備えたものである。

これにより、自動露出制御動作を行う撮像装置のうち、現在の状態から適正露出状態への遷移スピードを現在の状態と適正露出状態の差だけでなく、露出制御装置が得る様々な情報を用いて決定し変化させることができる。

ここで、自動露出制御動作を行う撮像装置において、自動露出の遷移のスピードをユーザー指示や撮像状況を示すパラメータにより変化させることにより、ユーザーが選択して指定した任意の遷移スピードで自動露出制御動作を行うことができる。
また、焦点距離の情報に応じて自動露出制御（ＡＥ）の係数を変化させることにより、自然な遷移スピードで自動露出制御動作を行うことができる。

また、本発明の露出制御方法は、撮像された画像情報の輝度検波値の適正露出状態との差分値を演算する差分演算ステップと、撮像動作を行う際に得られる撮像に関する情報を用いて上記差分値に対する露出制御値を決定して自動露出の露出状態の遷移のスピードを変化させる露出制御ステップとを備えたものである。

これにより、自動露出制御動作を行う露出制御方法のうち、現在の状態から適正露出状態への遷移スピードを現在の状態と適正露出状態の差だけでなく、露出制御の際に得る様々な情報を用いて決定し変化させることができる。

ここで、自動露出制御動作を行う露出制御方法において、自動露出の遷移のスピードをユーザー指示や撮像状況を示すパラメータにより変化させることにより、ユーザーが選択して指定した任意の遷移スピードで自動露出制御動作を行うことができる。
また、焦点距離の情報に応じて自動露出制御（ＡＥ）の係数を変化させることにより、自然な遷移スピードで自動露出制御動作を行うことができる。

本発明により、自動露出制御（ＡＥ）の遷移スピードをユーザーの好みや撮影状況にあわせて変化させることができる。

また、焦点距離が長い（ＴＥＬＥ端での撮影）の場合は、ちょっとした被写体の動きが
撮像画に与える変化が大きく、自動露出制御（ＡＥ）状態が変動することが多いが、焦点距離の情報に応じて自動露出制御（ＡＥ）の係数を変化させ、自然な自動露出制御（ＡＥ）遷移スピードを実現することができる。

そのほか、撮像状況を示すユーザー指示のパラメータを考慮することで、自然なＡＥ遷移スピードを実現することができる。

以下に、本発明の実施の形態の詳細について、適宜、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態による撮像装置の構成例を示すブロック図である。図１は、撮像装置の概略を示すものである。

本発明に係る撮像装置における主要部の簡略構成は、撮像レンズ及びアイリスブロック１、撮像素子２、サンプルホールド及びアナログディジタル変換ブロック３、カメラ信号処理ブロック４、カメラ制御ブロック５、ユーザーインターフェース制御ブロック６などから成るものである。
図１において、撮像レンズ及びアイリスブロック１は、光学系として、対物レンズに対して、アイリス１２を露光調整可能にし、フォーカスレンズ１１をフォーカス動作可能にすると共にズームレンズ１３をズーム動作可能に収納するレンズ筺体を有している。

この撮像レンズ及びアイリスブロック１の光軸方向には撮像素子２が配置され、撮像レンズ１を通過した光が撮像素子２上で結像され、光の強弱が電気信号の強弱に変換される。撮像素子２により光電変換されたアナログ画像信号はサンプルホールド及びアナログディジタル変換ブロック３のサンプルホールド回路１４により所定のタイミングでサンプルホールドした後に、アナログディジタル変換回路１５によりディジタル画像データに変換される。

カメラ信号処理ブロック４は、ディジタル的に信号を増幅する増幅回路１６や、そのほかの信号処理回路を備えていて後段の画像出力部８や録画部９に供給するディジタル画像データの処理を行っている。つまり、このディジタル画像データは、カメラ信号処理ブロック４の増幅回路１６で信号処理可能なレベルに増幅され、増幅されたディジタル画像データは、輝度信号及び色信号処理回路１７により輝度信号及び色信号処理が施されて画像出力部８又は録画部９に出力される。

また、増幅回路１６で信号処理可能なレベルに増幅されたディジタル画像データは、輝度信号検波回路１８により輝度信号レベルが検出される。つまり、輝度信号検波回路１８では画像信号の明るさの検波を行っていて、検波結果をカメラ制御ブロック５に送信している。この輝度信号レベルに応じてカメラ制御ブロック５の露出制御部２０により露出制御が行われる。

つまり、露出制御部２０からの露出制御信号に基づいて、アイリス１２の露光調整、撮像素子２に対するタイミング発生回路７からの光電変換タイミング、増幅回路１６の増幅レベルがそれぞれ制御される。

ここで、ユーザーインターフェース制御ブロック６のユーザーインターフェースマイコン（マイクロコンピュータ）はボタン操作等のユーザーからの指示を受け付けて、この出力は、カメラ制御ブロック５のカメラ制御マイコン（マイクロコンピュータ）に供給され、カメラ制御ブロック５のカメラ制御マイコンに対して、様々な動作指示を出す。その中には、露出制御部２０に対するＡＥの遷移スピードを指定する指示が含まれる。カメラ制御マイコンは、この指示に基づいて露出制御部２０の制御信号を生成する。

また、カメラ制御ブロック５のうち、レンズ制御部１９は、ズームレンズ位置を指定する出力を持っているので、ズームレンズ位置により焦点距離が決まるため、露出制御部２０はズームレンズ位置を焦点距離情報として露出制御に利用可能である。

カメラ制御ブロック５のうち、露出制御部２０は、アイリス１２に対して絞り調整状態を指定する。また、露出制御部２０は、撮像素子２に対してタイミング発生回路７経由で電子シャッタのための露光時間を指定する。また、露出制御部２０は、増幅回路１６に対して増幅倍率を指定する。
このように、露出制御部２０は、絞り調整、電子シャッタタイミング及びゲインという３つの明るさを可変するデバイスの状態を指定する制御信号を各デバイスに出力する。

また、カメラ信号処理ブロック４の輝度信号検波回路１８からは、信号処理の垂直同期信号と同期して明るさ検波の情報が得られる。露出制御部２０では、現在の露光状態が、適正露光よりも明るいか暗いか、またどの程度適正露光からずれているかを計算により求めることができる。
自動露出制御動作では、アイリス、電子シャッタ、ゲインの状態が適正露出状態に収束するようにこれら各デバイスへの出力を更新し続けている。

このように構成された撮像装置の自動露出制御ブロックの動作を以下に説明する。
図２は、自動露出制御を示す図である。図２は、図１に示したカメラ制御ブロック５のカメラ制御マイコン内の露出制御部２０が自動露出制御の処理を行うフローチャートの概要を示す。
図２において、まず、露出制御部２０は、２１で示す輝度信号検波回路１８から得られた現在の明るさ検波値をもとに、２２で示すように、撮像モードに応じた中央重点などの重み付け計算や、その他の補正計算を行い、現在の明るさを示す値を作成する。

一方、露出制御部２０は、２３で示す適正露光の場合の検波値（目標値）を固定値あるいは撮影状況に応じて変調するなどして別に作成しておく。
露出制御部２０は、２４で示すように、現在の検波値と目標値のずれ量の比を求める。ここで比の値を対数化し、ＥＶ（Exposure Value）値で表現しておく。これが、適正露光からのずれ量となる。

露出制御部２０は、２８で示すアイリス・電子シャッタ・ゲインの現在の制御信号の出力値をＥＶ値で表現した値を持ち、その合計を撮影状況や撮影モードに応じて、３０で示すように、各デバイスへ分配し出力するように処理するようになっている。

ここで、露出制御部２０は、特有の自動露出制御の動作として、そこに適正露光からのずれをもとに、２５で示すユーザー指定速度や２６で示す焦点距離情報に基づいて、２７で示すように、現在の出力に加算する量の計算を行う。そして、２７で作成した加算量を２８の出力値に２９で示すように加え、３０で示すように、３１で示すアイリス・３２で示す電子シャッタ・３３で示すゲインの出力値を更新して分配することで実現されている。

例えば、２１で示す輝度信号検波回路１８から得られた現在の明るさ検波値と２３で示す適正露光の場合の検波値（目標値）のずれ量の比が３２倍であり、これを対数化したＥＶ値が５ＥＶであるとする。また、このとき、２８で示すアイリス・電子シャッタ・ゲインの現在の制御信号の出力値がそれぞれ−１ＥＶ、−１ＥＶ、＋１ＥＶで、合計が−１ＥＶであるとする。

ここで、２５で示すユーザー指定速度や２６で示す焦点距離情報に基づいて、２７で作成した加算量を＋０．３ＥＶずつ合計５ＥＶのずれ量をなくすようにするまで自動露出制御する場合には、２９で示す加算により出力される−１ＥＶ＋０．３ＥＶ＝−０．７ＥＶを、３１で示すアイリス＝−０．７ＥＶ、３２で示す電子シャッタ＝−１ＥＶ、３３で示すゲイン＝＋１ＥＶの出力値を５ＥＶのずれ量がなくなるまで分配する。

これにより、比較的遅い遷移スピードで自動露出制御することができる。また、逆に、一度に５ＥＶのずれ量をなくすように自動露出制御する場合には、比較的速い遷移スピードで自動露出制御することができる。

図３は、出力加算量計算を示す図である。図３は適正露光からのずれ量をもとに、現在出力に加算する量の計算の例を示す。

図３において、４１で示す適正露光からのずれ量が大きいときは、適正露光に近づけるように、４２で示すように、４３で示す現在出力への加算量(仮)を大きめの値とする。また、逆に、４１で示す適正露光からのずれ量が小さいときは、４２で示すように、４３で示す現在出力への加算量(仮)を小さな値とする。

このとき、４３で示す現在出力への加算量(仮)が大きい値の場合は、そのまま上述した動作を実行すると、自動露出制御の遷移が比較的高速となる。また、逆に、４３で示す現在出力への加算量(仮)が小さい値の場合は、そのまま上述した動作を実行すると、自動露出制御の遷移が比較的低速となる。

ここで、遷移スピードを制御するために、４１で示す適正露光からのずれ量をもとに４２で作成した、４３で示す現在出力への加算量(仮) に対して、４４で示すユーザーが指定する係数を４５で示すように掛ける処理、又は、この処理と共にもしくはこの処理とは別に４６で示す焦点距離に応じた係数を４７で示すように掛ける処理となる計算を行い、４８で示す最終的に出力に加算する値を作成する。

例えば、４４で示すユーザーが指定する係数として、高速時の係数を１、低速時の係数を０．６、特に指定しない（標準時）を選択的に設定することができるようにする。

これにより、４３で示す現在出力への加算量(仮)が大きい値の場合に、４４で示すユーザーが指定する係数として、高速時の係数１を設定することにより、４３で示す現在出力への加算量(仮)の大きい値による処理を一度に行うことで自動露出制御の遷移を比較的最高速とすることができる。また、逆に、４３で示す現在出力への加算量(仮)が大きい値の場合に、４４で示すユーザーが指定する係数として、低速時の係数０．６を設定することにより、４３で示す現在出力への加算量(仮)の大きい値がなくなるまで、低速時の係数０．６を掛けた値による処理を繰り返すことで自動露出制御の遷移を比較的中低速とすることができる。また、４３で示す現在出力への加算量(仮)が大きい値の場合に、４４で示すユーザーが指定する係数として、特に指定しない（標準時）を設定することにより、自動露出制御の遷移を標準的速度とすることができる。

これに対して、４３で示す現在出力への加算量(仮)が小さい値の場合に、４４で示すユーザーが指定する係数として、高速時の係数１を設定することにより、４３で示す現在出力への加算量(仮)が小さい値による処理を一度に行うことで自動露出制御の遷移を比較的中高速とすることができる。また、逆に、４３で示す現在出力への加算量(仮)が小さい値の場合に、４４で示すユーザーが指定する係数として、低速時の係数０．６を設定することにより、４３で示す現在出力への加算量(仮)の小さい値がなくなるまで、低速時の係数０．６を掛けた値による処理を繰り返すことで自動露出制御の遷移を比較的最低速とすることができる。また、４３で示す現在出力への加算量(仮)が小さい値の場合に、４４で示すユーザーが指定する係数として、特に指定しない（標準時）を設定することにより、自動露出制御の遷移を標準的速度とすることができる。

また、例えば、４６で示す焦点距離に応じた係数として、焦点距離ｆ＝２０ｍｍ以上のときに低速時の係数を０．５、焦点距離ｆ＝２０ｍｍ〜１０ｍｍのときに中速時の係数を０．５から１．０を線形補間した値、焦点距離ｆ＝１０ｍｍ以下のときに高速時の係数の１を選択的に設定することができるようにする。

これにより、４３で示す現在出力への加算量(仮)が大きい値の場合に、４６で示す焦点距離に応じた係数として高速時の係数１を設定することにより、４３で示す現在出力への加算量(仮)の大きい値による処理を一度に行うことで自動露出制御の遷移を比較的最高速とすることができる。また、逆に、４３で示す現在出力への加算量(仮)が大きい値の場合に、４６で示す焦点距離に応じた係数として低速時の係数０．５を設定することにより、４３で示す現在出力への加算量(仮)の大きい値がなくなるまで、低速時の係数０．５を掛けた値による処理を繰り返すことで自動露出制御の遷移を比較的中低速とすることができる。また、４３で示す現在出力への加算量(仮)が大きい値の場合に、４６で示す焦点距離に応じた係数として中速時の０．５から１．０を線形補間した値を設定することにより、自動露出制御の遷移を比較的中速度とすることができる。

これに対して、４３で示す現在出力への加算量(仮)が小さい値の場合に、４６で示す焦点距離に応じた係数として高速時の係数１を設定することにより、４３で示す現在出力への加算量(仮)が小さい値による処理を一度に行うことで自動露出制御の遷移を比較的中高速とすることができる。また、逆に、４３で示す現在出力への加算量(仮)が小さい値の場合に、４６で示す焦点距離に応じた係数として低速時の係数０．５を設定することにより、４３で示す現在出力への加算量(仮)の小さい値がなくなるまで、低速時の係数０．５を掛けた値による処理を繰り返すことで自動露出制御の遷移を比較的最低速とすることができる。また、４３で示す現在出力への加算量(仮)が小さい値の場合に、４６で示す焦点距離に応じた係数として中速時の０．５から１．０を線形補間した値を設定することにより、自動露出制御の遷移を比較的中速度とすることができる。

また、４４で示すユーザーが指定する係数による処理及び４６で示す焦点距離に応じた係数による処理を適宜組み合わせて適用することで、任意の自動露出制御の遷移スピードを実現することができる。

図４は、適正光量から現在出力への加算量の変換の例を示す図である。
図４において、適正光量からのずれ量が０から０．２５ＥＶのとき、現在出力への加算量は０ＥＶとなる。また、適正光量からのずれ量が０．２５から０．５ＥＶのとき、現在出力への加算量は０．１ＥＶとなる。また、適正光量からのずれ量が０．５から０．７５ＥＶのとき、現在出力への加算量は０．２ＥＶとなる。また、適正光量からのずれ量が０．７５ＥＶ以上のとき、現在出力への加算量は０．３ＥＶとなる。

また、適正光量からのずれ量が０から−０．２５ＥＶのとき、現在出力への加算量は０ＥＶとなる。また、適正光量からのずれ量が−０．２５から−０．５ＥＶのとき、現在出力への加算量は−０．１ＥＶとなる。また、適正光量からのずれ量が−０．５から−０．７５ＥＶのとき、現在出力への加算量は−０．２ＥＶとなる。また、適正光量からのずれ量が−０．７５ＥＶ以下のとき、現在出力への加算量は−０．３ＥＶとなる。

なお、図４に示す変換の例は、段階的なものを示したが、これに限らず、直線的にしてもよい。
なお、ずれ量は以下の数１式で表される。

［数１］
ｌｏｇ_２（現在／目標）

以上、４４で示すユーザーが指定する係数による処理及び４６で示す焦点距離に応じた係数による処理の例について説明したが、これに限らず、他の撮像動作を行う際に得られる撮像に関する情報として、例えば、アイリスの動作状況、オートフォーカスの動作状況、アニュアルフォーカスの動作状況、ホワイトバランスの動作状況、手ぶれ補正の動作状況、画像のビットレートに適用することができることは言うまでもない。

本実施の形態による撮像装置の構成例を示すブロック図である。 自動露出制御を示す図である。 出力加算量計算を示す図である。 適正光量から現在出力への加算量の変換の例を示す図である。

符号の説明

１…撮像レンズ及びアイリスブロック、２…撮像素子、３…サンプルホールド及びアナログディジタル変換ブロック、４…カメラ信号処理ブロック、５…カメラ制御ブロック、６…ユーザーインターフェース制御ブロック、７…タイミング発生回路、８…画像出力部、９…録画部、１０…速度指示部、１１…フォーカスレンズ、１２…アイリス、１３…ズームレンズ、１４…サンプルホールド回路、１５…アナログディジタル変換回路、１６…増幅回路、１７…輝度信号及び色信号処理回路、１８…輝度信号検波回路、１９…レンズ制御部、２０…露出制御部

Claims (4)

1. 光学系を介して被写体の画像を撮像して画像情報を記録媒体に記録する際に、自動露出の制御を行う撮像装置において、
   上記撮像された画像情報の輝度検波値の適正露出状態との差分値を演算する差分演算手段と、
   上記撮像動作を行う際に得られる撮像に関する情報を用いて上記差分値に対する露出制御値を決定して自動露出の露出状態の遷移のスピードを変化させる露出制御手段と、を備え、
   上記撮像に関する情報として焦点距離の情報を用いる
   撮像装置。
2. 請求項１記載の撮像装置において、
   上記撮像に関する情報としてユーザーが指定するパラメータを用いる
   撮像装置。
3. 光学系を介して被写体の画像を撮像して画像情報を記録媒体に記録する際に、自動露出の制御を行う撮像装置における露出制御方法において、
   上記撮像された画像情報の輝度検波値の適正露出状態との差分値を演算する差分演算ステップと、
   上記撮像動作を行う際に得られる撮像に関する情報を用いて上記差分値に対する露出制御値を決定して自動露出の露出状態の遷移のスピードを変化させる露出制御ステップと、を備え、
   上記撮像に関する情報として焦点距離の情報を用いる
   露出制御方法。
4. 請求項３記載の露出制御方法において、
   上記撮像に関する情報としてユーザーが指定するパラメータを用いる
   露出制御方法。

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