JPH0810909B2

JPH0810909B2 - ビデオカメラ

Info

Publication number: JPH0810909B2
Application number: JP62111048A
Authority: JP
Inventors: 良昭平尾; 龍一郎久我; 晃義三浦
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1987-05-07
Filing date: 1987-05-07
Publication date: 1996-01-31
Anticipated expiration: 2011-01-31
Also published as: US4849813A; DE3854446T2; EP0290264A2; JPS63276374A; EP0290264A3; EP0290264B1; DE3854446D1

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は高画質な撮像が可能なビデオカメラを構成す
る手段に関するものである。さらに言えば、撮像素子
（とくに固体撮像素子）の光量に対するダイナミックレ
ンジの拡大を可能とするビデオカメラに関するものであ
る。

従来の技術昨今のビデオカメラに進歩は著しく、撮像素子の固体
化、多機能化、コンパクト化が急速に進行中である。民
生用ビデオカメラとしては、現在１枚の固体撮像素子を
用いてカラー画像を得るいわゆる単板方式が主流となっ
ている。第２図に単板方式の基本回路構成を示す。撮像
レンズ２を介して被写体１の像が撮像素子21上に結ばれ
る。撮像素子21は撮像素子駆動部22により駆動され、光
信号を光−電気変換し、一定時間、信号電荷の形で光信
号を蓄積した後出力する。この光−電気変換された信号
はプリアンプ23により増幅された後、プロセス回路24で
ガンマ補正、輝度信号・色信号の分離及び合成、同期信
号の付与等の処理を行われ、放送方式に合ったビデオ信
号E_UIDEOとして出力される。制御回路部25は、撮像素子
駆動部22に撮像素子21の信号電荷の蓄積、読みだし（出
力）のタイミングを規定するタイミングパルスPtを付与
し、プロセス回路24に同期信号P_SYNCを供給する。国内
で採用されている放送方式であるNTSC方式の場合、垂直
同期周波数（フィールド周波数）は60Hz、水平同期周波
数は約15.75kHzと規定されている。

発明が解決しようとする問題点現在のところ、ビデオカメラの画質はまだ十分とは言
えない。とくにダイナミックレンジは撮像素子のラティ
チュード（露出の寛容度）により決定されるが、固体撮
像素子の場合、約±1EV程度と狭くコントラスト差の大
きな被写体では信号が一部飽和し、あるいは黒つぶれが
生じ色信号の欠如など画質が大きく損なわれる。

この間の事情を第３図を用いて説明する。いま同図
（ａ）に示すような中央部に横縞状の高輝度部Ｂ（輝度
が垂直方向に勾配を有している）があり、その上下に低
輝度部Ｃ、Ｄがあるコントラストの高い被写体Ａを考え
る。映像信号として便宜的に輝度信号のみ考慮し、また
放送方式で規定される１フィールド期間のみを考慮する
こととする。同図（ｂ）に被写体Ａの垂直走査時の輝度
レベルのプロフィールを示す。横軸はビデオカメラの垂
直走査に対応した時間（t_v:垂直走査の有効期間）、縦
軸は被写体の輝度振幅を示し、Smax、Smin、Savはそれ
ぞれ輝度振幅の最大値、最小値、平均値を示す。

ビデオカメラに具備される撮影レンズの絞り値が映像
信号の１画面の平均的な輝度レベル（同図（ｂ）のSa
v）に基づき決定される場合を考える。いま撮像すべき
被写体Ａのコントラストが大で、高輝度部Ｂの輝度レベ
ルの一部がレベルカメラの撮像素子のラティチュードを
越える場合、撮像素子は第３図（ｃ）に示すような一部
飽和した輝度信号を出力する（Ｅ^＊：撮像素子の飽和レ
ベル）。

また前記ビデオカメラに具備される撮像レンズの絞り
値が映像信号の１画面中の輝度レベルの最大値（同図
（ｂ）のSmax）に基づき決定される場合は、第３図
（ｄ）に示すように、信号の飽和は生じないが、高輝度
部Ｂの影響で画面の大部分を占める低輝度部Ｃ、Ｄのレ
ベルが非常に小さくなり低輝度部の階調が再現されない
（黒つぶれ）。

以上述べた映像信号の飽和や黒つぶれは画質を非常に
劣化されるものであるが、撮像素子のダイナミックレン
ジの狭さからかなり頻繁に起こり得、ビデオカメラの高
画質化を図る上で大きな問題となっている。しかしなが
ら、撮像素子のダイナミックレンジを大幅に改善し、飽
和や黒つぶれを抑圧することは現状では非常に困難であ
る。

問題点を解決するための手段上記問題点を解決するために本発明のビデオカメラ
は、被写体よりの光信号を撮像レンズを介して受光し、
これを光−電気変換する１個以上の撮像素子と、放送方
式で規定された水平同期周波数、および垂直同期周波数
に対して、各々特定の整数値（Ｎ）を乗じ、改変した同
期周波数にて前記撮像素子を駆動し、前記光信号の蓄積
および読み出しを行わしめる撮像素子駆動部と、前記撮
像素子に適正露光量を与えるため、前記撮像レンズに設
置された絞り機構の絞り値を決定する絞り制御部と、前
記撮像素子が出力する映像信号をアナログ−ディジタル
変換するA/D変換部と、前記A/D変換されたディジタル映
像信号を順次、放送方式で規定される垂直同期のタイミ
ングに応じて各画面位置毎に加算し、次いでその加算さ
れたディジタル映像信号のうち輝度信号の所定値以下の
振幅を線形変換し、かつ前記所定値以上の振幅を非線形
変換する演算処理部と、前記演算処理部にて演算された
ディジタル映像信号の改変した水平同期周波数、垂直同
期周波数を各々（1/N）倍し、元の放送方式で規定され
た同期周波数に復元する時間軸復元器とを具備したもの
である。

作用本発明は上記の構成によって、放送方式の定められた
同期周波数の整数倍で撮像素子を駆動し（画面走査を実
施し）、その出力された映像信号をA/D変換した後、各
々の画面に相当する映像信号を複数個のメモリに記憶
し、放送方式で規定される垂直同期のタイミング毎に各
画面に対応させて加算し、次いでその加算されたディジ
タル映像信号の振幅を非線形な関係式に基づき予め設定
された値にまで圧縮した後、再び元の放送方式で定めら
れた同期周波数に復元するようにしたものである。

実施例以下、本発明の一実施例のビデオカメラについて図面
を用いて説明する。

第１図は、NTSC方式に準拠した信号を出力する単板カ
ラービデオカメラに本発明を応用した場合の基本構成を
示すブロック図である。

被写体１の像は撮影レンズ２、絞り機構３を介してCC
D（Charge Coupled Device）４上に結ばれる。撮影レン
ズ２、絞り機構３は各々便宜上模式的に表されている
が、通常撮影レンズ２は数枚の凸レンズ又は凹レンズが
組み合わされて構成され、絞り機構３は撮影レンズ２の
内部に組み込まれている。CCD4はCCD駆動部５によりNTS
C方式で規定される同期周波数の４倍の改変された同期
周波数にて駆動されている。本実施例の場合、改変後の
水平同期周波数は（15.75×４）kHzに、改変後の垂直同
期周波数（フィールド周波数）は（60×４）Hzに選ばれ
ている。CCD4は改変後の同期周波数に従って、光−電気
変換された信号を出力する。この光−電気変換された映
像信号をフィールド画面単位にe_n（ｉ）（ｉ＝1,2,3
…）で表すものとなる。この映像信号e_n（ｉ）はプリア
ンプ６にて増幅された後、A/D変換器７でディジタル映
像信号e_d（ｉ）に変換される。

ディジタル演算処理部８は、メモリ部９、加算器10、
非線形処理部11から構成される。メモリ部９は、放送方
式で規定される１フィールド間にCCD4の出力を受けてA/
D変換器７より出力される４フィールド分の画面に対応
したディジタル映像信号（各々e_d（4i−３）、e_d（4i−
２）、e_d（4i−１）、e_d（4i）で表す）を一時記憶保持
する。加算器10は、放送方式で規定されるフィールド周
期毎に前記４個の各画面に対応したディジタル映像信号
を加算し、ディジタル加算信号e_d ^＋（4i）として出力す
る。

非線形処理部11は、ディジタル加算信号e_d ^＋（4i）の
内、輝度信号の一定値以上の振幅を非線形な関係式に基
づき変換し、その最大振幅を予め設定された値にまで圧
縮して被演算処理信号e_OP（4i）として出力する（色信
号の振幅は不変）。

次段の時間軸復元器12は被演算処理信号e_OP（4i）の
改変後の水平同期周波数、及び垂直同期周波数を各々
（1/4）倍に低減し、NTSC方式で規定される同期周波数
に復元された信号E_OP（ｎ）（ｎ＝4i:i＝1,2,3…）を出
力する。この復元された被演算処理信号E_OP（ｎ）は、
ディジタルプロセス回路13にてディジタル的にガンマ補
正、輝度信号・色信号の分離及び合成、同期信号の付与
等が実施され、D/A変換器14にてディジタル−アナログ
変換された後、低域通過フィルタ（LPF）15、増幅器16
を介してNTSC信号E_NTSC（ｎ）となって出力される。

ディジタル制御部17は、CCD駆動部５、A/D変換器７、
ディジタル演算処理部８、時間軸復元器12、ディジタル
プロセス回路13、D/A変換器14の各部に、各々の動作タ
イミングを規定するタイミングパルス、同期信号を供給
する。

絞り制御部18は映像振幅演算器19と絞り値演算器20と
から構成される。映像振幅演算器19は加算器10より出力
される１フィールド画面に対応したディジタル映像信号
中における輝度信号振幅の平均値を演算する。絞り値演
算器20は前記輝度信号振幅の平均値が絞り値演算器20自
身が予め具備している輝度信号振幅基準値に一致するよ
うCCD4への入射光量を増減させるため、絞り機構３の絞
り値を調節する。なお前記輝度信号振幅基準値はCCD4の
信号飽和レベルよりも低い値に設定されている。

次に、本発明にてビデオカメラのダイナミックレンジ
が拡大される仕組みについて第４図、第５図をも用いて
説明する。

被写体のコントラストが高く従来のビデオカメラでは
信号の飽和が発生する場合を考えよう。第４図（ａ）は
中央部に横縞状の高輝度部Ｂ（輝度が垂直方向に勾配を
有している）があり、その上下に低輝度Ｃ、Ｄがある第
３図（ａ）と同様な被写体Ａを示す図である。ここでも
映像信号として、先ず便宜的に輝度信号のみ考慮し、ま
た放送方式で規定される１フィールド期間のみを考慮す
ることとする。同図（ｂ）に同図（ａ）の垂直走査時の
輝度振幅のプロフィールを示す。同図において、横軸は
ビデオカメラの垂直走査に対応した時間、（t_v:垂直走
査の有効期間）、縦軸は被写体の輝度振幅（Smax:輝度
振幅の最大値）を示す。

同図（ｃ）は撮影レンズの絞り調節が輝度信号振幅の
平均値をもとに実施され、回路構成は従来通りのビデオ
カメラで撮像した場合に撮像素子より出力される被写体
Ａの輝度信号のプロフィールである。この場合、撮像素
子のダイナミックレンジにより信号が飽和し、高輝度部
のプロフィールが再現されない（Ｅ^＊：撮像素子の飽和
レベル）。この場合、輝度信号の本来ピーク値を例えば
2E^＊とする。

以下に、本実施例での動作を説明する。絞り制御部18
は上にも述べたように、加算器10より出力される１フィ
ールド画面内の映像信号における輝度信号振幅の平均値
をもとに絞り機構３の絞り値を調節している。この時、
放送方式で規定される１フィールド期間にCCD4より出力
される撮像すべき被写体Ａに対応する映像信号e_d（4i−
３）、e_n（4i−２）、e_n（4i−１）、e_n（4i）の輝度信
号振幅はともに第４図（ｄ）に示すようなプロフィール
を示す。すなわち、本実施例の場合同期周波数が通常走
査時の４倍に改変されているので、各垂直走査時間は通
常の走査期間の1/4倍となっている。従って、第４図
（ｄ）の横軸にあたるビデオカメラの垂直走査に対応し
た時間は通常走査時の1/4倍である。（t_v′：同期周波
数を４倍とした場合の垂直走査の有効期間（t_v/4））。
この場合にCCD4より出力される輝度信号のピークは、通
常走査時のCCD4の飽和レベルをE_C ^＊とすると２・E_C ^＊/4＝E_C ^＊/2 となり、信号の飽和は発生していない。本実施例の場
合、従来構成のビデオカメラに比べて４倍のコントラス
トを有する被写体にまで信号の飽和が発生せず、実質上
CCDのダイナミックレンジを４倍に拡大したのと同等で
ある。

増幅器６の信号増幅率をｇとし、A/D変換器７、およ
びメモリ部９の信号増幅率を１とすると、加算器10の出
力は第４図（ｅ）に示すような、輝度信号のピークが４・ｇ・E_C ^＊/2＝２・ｇ・E_C ^＊となり、加算器10の回路のダイナミックレンジを（２・
ｇ・E_C ^＊）以上に設定すれば信号の飽和は発生しない。

次段の非線形処理部11は、被写体Ａの高輝度部のプロ
フィールをも残しつつ加算器より出力される輝度信号の
ダイナミックレンジを圧縮する。非線形処理部11は、第
５図に示すような入出力特性を有しており、その出力信
号は第４図（ｆ）のような輝度振幅プロフィールを有す
る。すなわち非線形処理部11は、通常走査時におけるCC
D4の飽和レベル（E_C ^＊）までの大きさの入力（ｇ・
E_C ^＊）に対しては一定の係数ｐ（ｐ＜１）を乗じ、それ
を越える入力に対しては非線形な関係で変換を実施し、
入力信号のレベルを（ｇ・E_C ^＊）まで圧縮するのであ
る。このようにして、本実施例では一定値以上の高輝度
部に非線形性を持たせ信号の圧縮を図る一方、通常、被
写体の大部分を占める中間的な輝度を有する部分では線
形性を維持させることにより階調再現を犠牲にすること
のないようにしている。

また、色信号については非線形な演算を実施しないよ
う非線形処理部11を構成してあるため、高輝度被写体を
撮影する際にも信号の飽和による色信号の欠如は発生し
ない。

このように、本実施例では従来の回路構成を用いたビ
デオカメラに比べて４倍のコントラストを有する被写体
まで輝度信号、色信号とも信号の飽和がなく、階調表現
が可能である。

以下、上記実施例に具備されるメモリ部の一構成例に
ついて第６図を用いながら説明する。メモリ部は、改変
後のフィールド画面に対応するディジタル化映像信号e_d
（4i−３）、e_d（4i−２）、e_d（4i−１）、e_d（4i）を
記憶・保持する４個のフィールドメモリ26〜29より構成
される。各フィールドメモリへの書き込み、及び読みだ
しはディジタル制御部17から与えられるタイミングパル
スにより一斉に実施される。

この間の動作第７図をも用いて、更に詳しく説明す
る。本実施例の場合、放送方式で規定される１フィール
ド期間に４回、CCD4が走査され、各走査毎に第７図
（ａ）に示すような画面に対応し映像信号e_n（ｉ）が出
力される。同図（ｂ）には、各フィールドメモリ26〜29
の書き込みタイミングを与えるパルスP_Wを示す。書き込
みパルスP_WがＨレベルに成った時、各フィールドメモリ
26〜29は自身が記憶しているディジタル映像信号の次段
のメモリに転送し、自身のメモリ内容を新たに出力され
るA/D変換器７の出力または前段のフィールドメモリが
記憶している画面に対応した映像信号に書き換える。例
えば、第７図において時刻ｔ＝０の時、フィールドメモ
リ26〜29には順次、同期周波数改変後における１〜４フ
ィールド前の画面に対応する映像信号e_d（4i−３）、e_d
（4i−２）、e_d（4i−１）、e_d（4i）が各々記憶されて
いるものとする。次に、時刻ｔ＝t₀に成り、書き込みパ
ルスP_WがＨレベルに変化すると、フィールドメモリ21〜
24の記憶内容は、順次e_d（4i−２）、e_d（4i−１）、e_d
（4i）、e_d（4i＋１）に書き改められる。以後、同様
に、書き込みパルスがＨレベルに成る度に、この動作を
繰り返す。

第７図（ｃ）にはフィールドメモリの内容を読み出
し、加算器10に付与するタイミングを規定する読み出し
パルスＰRを示す。この読み出しパルスＰRがＨレベルに
成ると加算器10は各フィールドメモリ26〜29が順次記憶
している４走査時間分の画面に対応する映像信号（ｔ＝
０にては、e_d（4i−３）、e_d（4i−２）、e_d（4i−
１）、e_d（4i）の加算演算を実行する。

メモリ部の第２の実施例は、４個のフィールドメモリ
を具備し、放送方式で規定されるフィールド周期毎に各
フィールドメモリの記憶内容が一斉にリセットされ、そ
の後改変された同期周波数毎にA/D変換器より出力され
る４個の画面に対応した映像信号を各々特定のフィール
ドメモリに順次書き込むように構成したものである。本
実施例では、４個の各フィールドメモリは改変後の４フ
ィールド間に１度だけ書き込みをすれば良く、過去の記
憶内容を次段に転送する必要がなく構成が簡単になる。

またメモリ部の第３の実施例として、改変された同期
周波数毎にA/D変換器より出力される画面に対応した３
個の映像信号を一旦記憶・保持する３個のフィールドメ
モリを具備したものが考えられる。この場合、加算器は
各フィールドメモリに記憶されている３個の映像信号
と、CCDの最新の走査により得られる４番目の画面に対
応した映像信号とを加算するよう構成される。

またメモリ部の上記第１、及び第２の実施例に於て、
メモリとして改変後の１フィールド分の画面に対応する
映像信号をディジタル的に記憶保持するフィールドメモ
リの代わりに改変後の１フレーム分布の画面に対応する
映像信号を記憶するフレームメモリを用いて構成するこ
とも可能である。

発明の効果このように本発明は放送方式で定められた同期周波数
の整数倍で撮像素子の駆動を行い、通常の１画面走査期
間（１フィールド又は１フレーム期間）内に複数回、画
面走査を実施し、撮像素子の露光時間を減少させたため
飽和のない個々の出力信号を得、この出力信号をA/D変
換した後、各々を画面単位毎にメモリに記憶させ、放送
方式で規定された垂直同期毎に前記各画面に対応する映
像信号に対して加算を行い、さらに一定値以上の高輝度
部に非線形性を持たせ信号の圧縮を図る一方、通常、被
写体の大部分を占める中間的な輝度を有する部分では線
形性を維持させることにより、階調再現を犠牲にするこ
となくダイナミックレンジを拡大し、かつ、飽和や黒つ
ぶれの発生を抑制することができる。また構成もディジ
タルカメラを前提にすると比較的簡単である。以上詳細
に説明したように本発明はビデオカメラに極めて優れた
効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を単板方式ビデオカメラに採用した場合
の一実施例の構成を示すブロック図、第２図は従来の単
板方式ビデオカメラの概略構成を示すブロック図、第３
図は従来のビデオカメラの問題点の説明図、第４図は本
発明の一実施例の各部の動作を説明するための模式図、
第５図は本発明の一実施例に具備される非線形処理部の
入出力特性図、第６図、第７図は各々本発明に用いられ
るディジタル演算部の一構成例を示すブロック図、及び
その動作を説明するタイミング図である。１……被写体、２……撮影レンズ、３……絞り機構、４
……CCD、５……CCD駆動部、７……A/D変換器、８……
ディジタル演算処理部、９……メモリ部、10……加算
器、11……非線形処理部、12……時間軸復元器、14……
D/A変換器、17……ディジタル制御部、18……絞り制御
部、19……映像振幅演算器、20……絞り値演算器、21…
…撮像素子、25……制御回路部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】被写体よりの光信号を撮像レンズを介して
受光し、これを光−電気変換する１個以上の撮像素子
と、放送方式で規定された水平同期周波数、および垂直
同期周波数に対して、各々特定の整数値（Ｎ）を乗じ、
改変した同期周波数にて前記撮像素子を駆動し、前記光
信号の蓄積および読み出しを行わしめる撮像素子駆動部
と、前記撮像素子に適正露光量を与えるため、前記撮像
レンズに設置された絞り機構の絞り値を決定する絞り制
御部と、前記撮像素子が出力する映像信号をアナログ−
ディジタル変換するA/D変換部と、前記A/D変換されたデ
ィジタル映像信号を順次、放送方式で規定される垂直同
期のタイミングに応じて各画面位置毎に加算し、次いで
その加算されたディジタル映像信号のうち輝度信号の所
定値以下の振幅については線形変換を、かつ前記所定値
以上の振幅については非線形変換を施す演算処理部と、
前記演算処理部にて演算されたディジタル映像信号の改
変した水平同期周波数、垂直同期周波数を各々（1/N）
倍し、元の放送方式で規定された同期周波数に復元する
時間軸復元器とを具備したことを特徴とするビデオカメ
ラ。
【請求項２】絞り制御部は、前記演算処理部で各画面毎
に加算されたディジタル映像信号の振幅値について、そ
の最大値、最小値、平均値のうち、少なくとも１個以上
の値を演算する映像振幅演算器と、前記映像振幅演算器
の出力値を用いて前記撮像レンズに設置された絞り機構
の絞り値を決定する絞り値演算器とを具備することを特
徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のビデオカメ
ラ。
【請求項３】絞り値演算器は自身が具備している基準値
と、前記映像振幅演算器の出力値とを比較し、両者の値
を一致させるべく前記絞り機構の絞り値を調節すること
を特徴とする特許請求の範囲第（２）項記載のビデオカ
メラ。
【請求項４】演算処理部は、同期周波数改変後のＮ個の
前記画面に対応したディジタル映像信号を一旦記憶・保
持するメモリ部と、その記憶されたＮ個のディジタル映
像信号を各々、放送方式で規定される垂直同期のタイミ
ング毎に、各画面位置に対応して加算する加算部と、そ
の加算されたディジタル映像信号のうち輝度信号の所定
値以下の振幅については線形変換を、かつ前記所定値以
上の振幅については非線形変換を施し、その最大振幅を
予め設定した値にまで圧縮する非線形処理部とを具備し
たことを特徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のビ
デオカメラ。
【請求項５】演算処理部は、同期周波数改変後の（Ｎ−
１）個の前記画面に対応したディジタル映像信号を一旦
記憶・保持するメモリ部と、その記憶された（Ｎ−１）
個のディジタル映像信号、及び新たに撮像素子より出力
されるＮ番目の画面に対応した映像信号を各々、各画面
位置に対応して加算する加算部と、その加算されたディ
ジタル映像信号のうち輝度信号の所定値以下の振幅につ
いては線形変換を、かつ前記所定値以上の振幅について
は非線形変換を施す非線形処理部とを具備したことを特
徴とする特許請求の範囲第（１）項記載のビデオカメ
ラ。
【請求項６】非線形処理部は、前記加算部により加算さ
れたディジタル映像信号の内、輝度信号の所定値以上の
振幅については予め設定された関係式に基づき非線形に
圧縮するが、色信号の振幅には非線形な処理を施さない
ことを特徴とする特許請求の範囲第（４）項、または第
（５）項のいずれかに記載のビデオカメラ。
【請求項７】メモリ部は、Ｎ個、もしくは（Ｎ−１）個
のメモリが縦続接続され、各メモリは前記改変後の垂直
同期周波数のタイミング毎に、自身が記憶している各画
面に対応したディジタル映像信号を次段のメモリに転送
し、自身の記憶内容を前段のメモリが記憶している画面
に対応したディジタル映像信号に書き換えることを特徴
とする特許請求の範囲第（４）項、または第（５）項の
いずれかに記載のビデオカメラ。
【請求項８】メモリ部は、Ｎ個、もしくは（Ｎ−１）個
のメモリを有し、放送方式で規定された垂直同期周波数
のタイミング毎にその内容が一斉にリセットされ、その
後実施される走査毎に出力されるＮ個、もしくは（Ｎ−
１）個のディジタル映像信号を各々特定のメモリに順次
書き込むように構成したことを特徴とする特許請求の範
囲第（４）項、または第（５）項のいずれかに記載のビ
デオカメラ。