JP6576919B2 - 多チャンネルマッチング方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

本出願は、２０１３年１０月３１日に出願された米国仮特許出願第６１／８９８０９９号の利益を主張する。米国仮特許出願第６１／８９８０９９号の開示が参照により本明細書に組み込まれている。

本発明は、多チャンネル検出器の分野に関し、特に、デジタル出力を有する多チャンネル検出器おいて基準チャンネルに１つまたはそれ以上のチャンネルをマッチングさせるための方法および装置に関する。

多チャンネルのデジタルカメラにおけるチャンネルマッチングやバランス調整は、多くの用途、特に例えば画面への表示やハードコピー出力のような人間が視聴可能な出力を目的とした用途にとって基本的な要件である。しかしながら、チャンネルバランスはかなりの計算用および較正用リソースを必要とする可能性がある。それ故、多くの計算用および較正用リソースを必要としないチャンネルバランス方法のためのニーズが存在する。

チャンネルバランスはかなりの計算用および較正用リソースを必要とする可能性がある。本発明の一実施の形態は、どちらも必要としないか、その代わりカメラのユーザ利得設定に応答してデジタルルックアップテーブルに続く基準チャンネルに対してレシオメトリック特性化を組み合わせることのみを必要とする。一実施の形態では、本方法は、ＣＣＤカメラにおいて実施され、その装置のダイナミックレンジに亘って且つユーザの各利得設定の範囲に亘って非常に良好なマッチングが得られる。

本発明の一実施の形態は、デジタル出力を有する多チャンネル検出器において、基準チャンネルに１つまたはそれ以上のチャンネルをマッチングさせるための方法を提供するもので、この方法は：各チャンネルについての多チャンネル検出器からのアナログ・デジタルユニット（ＡＤＵ）入力値を受信し；ルックアップテーブル（ＬＵＴ）からの各チャンネルに対応する出力値によって前記ＡＤＵ入力値を置換することを含み、前記ＬＵＴは、各電圧値の範囲に亘って前記基準チャンネルと比較して、各チャンネルからの各信号の相対強度比をとり；前記検出器の全体のＡＤＵ範囲に亘って特定のＡＤＵ値を生成する当該検出器の信号値を計算し；各チャンネルついての計算された各信号値に対応する各比を得るために、前記各相対強度比を補間し；各チャンネルについての前記対応する出力値を得るために、当該対応する補間された比によって前記特定のＡＤＵ値の各々を除算することによって作成されることを特徴とする。

本発明の他の実施の形態は、デジタル出力と、１つまたはそれ以上のチャンネルと、基準チャンネルとを有する多チャンネル検出器と；記憶装置と；アナログ・デジタルユニット（ＡＤＵ）入力値を各チャンネルから受信し、前記記憶装置に記憶されたルックアップテーブル（ＬＵＴ）からの各チャンネルに対応する出力値によって前記ＡＤＵ入力値を置き換えるように構成された画像処理装置とを含み、前記ＬＵＴは、各電圧値の範囲に亘って前記基準チャンネルと比較して、各チャンネルからの各信号の相対強度比をとり；前記検出器の全体のＡＤＵ範囲に亘って特定のＡＤＵ値を生成する前記検出器の信号値を計算し；各チャンネルについての前記計算された各信号値に対応する各比を得るために、前記各相対強度比を補間し；各チャンネルについての前記対応する出力値を得るために、当該対応する補間された比により前記特定のＡＤＵ値の各々を除算することを特徴とする撮像システムを提供する。

図１は、簡易化された４タップＣＣＤとデジタル化システムである。

図２は、４チャンネルＣＣＤカメラからの第１象限に比較して第２象限で得られる各信号の相対強度がどのようであるかを示している。

図３は、４チャンネルＣＣＤカメラからの第１象限に比較して第３象限で得られる各信号の相対強度がどのようであるかを示している。

図４は、４チャンネルＣＣＤカメラからの第１象限と比較して第４象限で得られる各信号の相対強度がどのようであるかを示している。

本発明の原理による例示的な各実施の形態の説明は、全体の明細書の一部とみなされる添付図面に関連して読まれるべきことが意図されている。本明細書に開示された本発明の各実施の形態の説明では、方向または配向への参照は、単に説明の便宜のために意図されたものであり、本発明の範囲を限定することを決して意図されていない。例えば、「下部」、「上部」、「水平」、「垂直」、「上方」、「下方」、「上」「下」、「頂部」及び「底部」並びにその派生的用語（例えば、「水平に」、「下方に」、「上方に」等）の相対的用語は、次いで記載されるようにもしくは議論の下で図面において示されるように前記配向に言及するように解釈されるべきである。これらの相対的な用語は説明の便宜のためのものであり、そしてそれ自体明示的に示されない限り、装置が特定の配向において構成されるべきまたは操作されるべきであることを要求しない。例えば、「取り付けられた」、「添付された」、「接続された」、「結合された」、「相互接続された」及び類似表現等の用語は、各構造体が直接または介在する各構造体を介して間接的に互いに固着もしくは取り付けられている関係並びにさもなければ明確に記載されない限り双方の可動的もしくは剛体的な取り付け方もしくは関係に言及している。また、本発明の各特徴及び各利点は、例示される各実施の形態を参照して説明される。従って、本発明は単独にもしくは各特徴の他の組み合わせにおいて存在する可能性がある各特徴のいくつかの可能な非限定的な特徴の他の組合せを例示するそのような例示的な各実施の形態に明確に限定されるべきでない。本発明の範囲は、明細書に添付の特許請求の範囲によって定義される。

この開示は、現在考えられるように、本発明を実施する最良のモードもしくは複数のモードを説明する。この説明は、限定的な意味で理解されることを意図されるものではなく、本発明の利点および構成を当業者に助言するために添付の図面を参照して例示目的のためだけに提示される本発明の実施例を提供する。各図面の様々な図では、同様な参照文字は同様なもしくは類似の部分を指定する。

突き合わせまたは集積化された多チャンネル焦点面アレイを利用した撮像システムにおいて、各チャンネルは、各信号経路における個々のパラメトリックな違いに起因する固有の伝達関数を有している。それ故、見て滑らかなもしくは「シームレス」な画像を生成するために前記各チャンネルを「バランスさせる」ことが必要である。

これらのタップ毎の差を補正するための従来のアプローチは、一次線形方程式ｙ＝ｍｘ＋ｂ（ｘは入力信号であり、ｙは出力信号）により各チャンネルをモデル化することである。

図１は、簡易化された４タップＣＣＤ１００およびデジタル化システムを示している。このシステムでは、各チャンネルが完全に線形である一方で、他の各チャンネルと比較して全体利得およびオフセット（ＤＣバイアス）の小さな各差を持つと仮定されている。各チャンネルは、通常アナログフロントエンド即ちＡＦＥと呼ばれる単一のデバイスに一体化されるプログラマブル・ゲイン・アンプ（ＰＧＡ）１１１、１１２、１１３、１１４及びＡ／Ｄ変換器１２１、１２２、１２３、１２４を利用している。各チャンネル２乃至４は、ＯＦＳｉ（ｉ ＝ ２、３、４）及び係数Ｇｉを備えた加算器１３２、１３３、１３４及び乗算器１４２、１４３、１４４で示されるダウンストリームのデジタル利得及びオフセット補正を有している。

チャンネル１は、基準チャンネルであるとみなされる。簡略化のために、チャンネル１は未補正となるものであり、他のすべてのチャンネルが、実用上正確にチャンネル１にマッチングするように補正されると仮定されている。

アナログＰＧＡユーザゲイン設定はＧｕｓｅｒに等しい。ユーザがゲインスライダーを調整すると、すべてのチャンネルは等しく調整されることになるが、他の各チャンネルは、ｉがチャンネルインデックス（ｉ＝２、３、４）であるそのゲイン設定、デルタｉへの調整を必要とすることになる。微調整が必要な場合には、付加的なデジタル補正は、ＯＦＳｉ（ｉ＝２、３、４）及び各補正ファクターＧｉを備えたデジタル加算及び乗算の各ステージを使用して実施することができる。

アナログプログラマブルゲインアンプ（ＰＧＡ）の影響を考慮する必要がある。チャンネルの非線形性と組み合わせられたプログラム可能なアナログ利得ステージは、ゲイン依存エラーに関する実践的問題（非線形効果に起因する信号依存性は後でカバーされることになる）をもたらす。それ故、当該システムは、一組の各Ｇｕｓｅｒ値の周りの各ゲイン設定の限られた範囲に作用する一連の補正を必要とすることになる。ユーザゲインは、動作中に使用可能なゲインの範囲全体に亘って調整されるように、補正値の異なる組が所定の各閾値に基づいて選択される。各ＰＧＡアンプが調整されるように、この方式は、理想からの各ずれを補償し、そして異なる補正がアップストリーム伝達関数の異なる範囲に対して利用可能であるため、当該方式はアップストリーム非線形性を部分的に補償する。

例えば、Ｇｕｓｅｒ＝１及びそれに近い値、５、１０、１５、２０、２５、３０および３５に対して異なる補正を使用することができる。一般的な場合では、各格納値は以下のようになるであろう：
Ｇｕｓｅｒ_１：デルタ_２１、デルタ_３１、デルタ_４１、Ｇ_２１、Ｇ_３Ｉ、Ｇ_４１、ＯＦＳ_２１、ＯＦＳ_３１、ＯＦＳ_４１
Ｇｕｓｅｒ_２：デルタ_２２、デルタ_３２、デルタ_４２、Ｇ_２２、Ｇ_３２、Ｇ_４２、ＯＦＳ_２２、ＯＦＳ_３２、ＯＦＳ_４２
・・・
Ｇｕｓｅｒ_ｊ：デルタ_２ｊ、デルタ_３ｊ、デルタ_４ｊ、Ｇ_２ｊ、Ｇ_３ｊ、Ｇ_４ｊ、ＯＦＳ_２ｊ、ＯＦＳ_３ｊ、ＯＦＳ_４ｊ
ここで、ｊは、各補正係数の固有の組が必要とされる利得範囲内の各間隔の数であり、そしてｊはシステムの代表的な組の特徴を明らかにすることによって経験的に決定される。

各係数の組は、各ユニット固有のものとなると共に、較正治具で計算される。

どこで操作が行われるかということは、この文書の文脈において重要ではないものの、単純な乗算は、カメラ内またはホスト上で行うことができる。

実際には、各チャンネルにおける非線形性は、結果的に各xの値の範囲のサブセットに対してのみ適切な補正であり、改善が必要であった。

以下は、カメラの広範にわたる各動作条件におけるチャンネルマッチングを改善するための非限定的かつ例示的な一実施形態についての説明である。説明を簡単にするために、４チャンネルＣＣＤカメラ例が用いられる。この例では、これらの４チャンネルがセンサの４象限にそれぞれ対応する。一般に、この方法は、任意の数のチャンネルを有する多チャンネル検出器に適用可能である。

図２乃至４は第２乃至第４象限において得られる各信号の各相対強度が実際の４チャンネルＣＣＤカメラからの第１象限に比べどの程度であるかを示している。異なったカメラ／検出器が異なる各相対強度を有するであろうことに注目されたい。図２乃至４に示す前記各値は、例示的目的のためである。この場合、前記各オフセット補正、即ちＯＦＳは、すべてゼロであり、それ故排除される。

図２乃至４において、ｙ軸は第１象限に対する所与の象限の強度比であり、そしてｘ軸は、チャンネル１の信号レベルであり、単位はミリボルトである。図２乃至４は、ＣＣＤのダイナミックレンジ全体を横切る各象限の相対強度を示す。任意の時点において使用される比データの実際の範囲は、前記各４チャンネルの所望の利得、Ｇｕｓｅｒに基づいていることに注目されたい。

本発明の実施の形態では、ＬＵＴとしても知られているルックアップテーブルは、信号から導出される各値に対する各チャンネル比、即ち図２乃至４に示される「マスターテーブル」を用いて各象限について作成される。このルックアップテーブルはゲイン設定、Ｇｕｓｅｒに基づいて前記マスターテーブルから作成され、そしてこのルックアップテーブル用の各デジタル値に逆に変換される。Ｇｕｓｅｒが増加するにつれて、使用されるマスターテーブルの程度は減少する。

例えば、Ｇｕｓｅｒ＝１において、全体のマスターテーブル（ｘの値は０から５００ミリボルト）が各チャンネルについて使用される。Ｇｕｓｅｒ＝２において、前記マスターテーブルの半分だけが、カメラについて使用される（ｘの値は０から２５０ｍＶ）。前記ＬＵＴはより高いＧｕｓｅｒおいてほとんどエントリを持っていないので、各中間値を追加するために、補間が必要である。

Ｇｕｓｅｒに基づいたルックアップテーブルを作成するには、各象限のうちの一つに対応する相対利得をミリボルト（ｍｖ）ごとに記載したマスターテーブル（この例では第１象限が基準であるが、一般的に、任意の象限が基準として使用され得る）を用いて始められたい。一例が表１に示される。

次のステップは、式１を使用して、カメラの全体ＡＤＵ範囲（例えば、１２ビットカメラでは０乃至４０９５、１４ビットのカメラでは、０乃至１６３８３等）に亘って特定の各デジタル値（ＡＤＵ）を生成するであろう前記ＣＣＤのｍＶ信号を計算することである。

（１）

ここでＶ_ＡＤＵはカメラの最終的なＡＤＣの全電圧範囲であり、Ｄ_{Ｒａｎｇｅ}は最大ＡＤＵ（４０９６、１６３８３等）をとり、Ｄは特定のＡＤＵ値（０から４０９５、０から１６３８３等）をとる、そしてＧａｉｎは、信号が前記ＡＤＣに到達する前に、ミリボルトを単位としてどの程度ＣＣＤ信号が増幅されるかである。各象限の利得は、ｍＶを基準とした前記マスターテーブルから線型的に補間される。この計算の各結果の一例が表２に示される。

次に前記ルックアップテーブル（ＬＵＴ）が、入力デジタル値（ＡＤＵ）を各ＡＤＵ値に対応する象限比で除算することにより、各象限について作成される。このＬＵＴの一例は、表３に示される。

非一時的なコンピュータ可読媒体に格納することができるこのＬＵＴは、カメラから入力ＡＤＵを得、その画素が得られた象限（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３またはＱ４）に基づいて画素ごとに入力値を出力値に置換することにより、画像処理装置が画像を補正する際に使用される。

各テーブル１乃至３に示す各値は例示的目的のためであることに注目されたい。異なるカメラ／検出器は、異なる値を持つことになる。

他の実施の形態では、上記に記載したものと類似したＬＵＴ技術が単独で、またはクワッドタップ補正と組み合わせにより、非線形光子応答用カメラの補正処理を目的として使用される。この際、公知の光子測定のための範囲、すなわちＣＣＤに当たる光源が無い状態から，ＣＣＤが飽和している状態までの範囲、におけるＣＣＤの反応を測定するためには付加的に較正された光源を必要とする。また、所望の線形応答に対する公知の光のＣＣＤ応答をマッピングすることによりＬＵＴ生成することは可能である。これは、マルチタップモードでマッチングする象限のシングルタップモードになっているもの、あるいは（マルチタップモードでマッチングする象限の）シングルタップの全てのＣＣＤに対して行うことができる。

本発明はいくつかの記載された実施形態について、いくつかの長さで、そしていくつかの詳細と共に説明されてきたが、それは本発明が、特殊性や実施形態、あるいは特定の実施形態に限定されるべきということを意図したものではない。本発明は従来技術の観点から特許請求の範囲の可能な限り広い解釈を提供し、それによって本発明の意図された範囲を効果的に包含するため、添付された特許請求の範囲を参照して構成されるべきである。また、前述のことは、現在予測されない発明の実質的でない変更がそれに対する同等物をなにも表さない可能性があるにも関わらず、可能にする記載が入手可能であった発明者によって予測される色々な実施の形態の立場で本発明を記載している。

Claims (4)

1. デジタル出力を有する多チャンネル検出器における基準チャンネルに１つまたはそれ以上のチャンネルをマッチングさせるための方法であって、
   各チャンネルについて前記多チャンネル検出器からのアナログ・デジタルユニット（ＡＤＵ）入力値を受信する工程と、
   ルックアップテーブル（ＬＵＴ）からの各チャンネルに対応する出力値により前記ＡＤＵ入力値を置換する工程とを含み、前記出力値は、前記ＬＵＴにおける前記ＡＤＵ入力値に関連付けられており、
   前記ＬＵＴは、
   各電圧値の範囲に亘って基準チャンネルと比較して、各チャンネルからの各信号の相対強度比を取得する工程と、
   各ＡＤＵ値であるＤ（Ｄは０からＤ _{Ｒａｎｇｅ} までの値）について、以下の式により、前記検出器の全体のＡＤＵ範囲（Ｄ _{Ｒａｎｇｅ} ）に亘って、前記各ＡＤＵ値であるＤを生成する前記検出器の対応する信号値を計算する工程と、
   

   

   （ここで、ｍＶは前記検出器の前記信号であり、Ｖ _ＡＤＵ は前記検出器のアナログ・デジタル変換の全信号範囲であり、Ｄ _{Ｒａｎｇｅ} は前記検出器の最大ＡＤＵであり、Ｇａｉｎは前記検出器の全体のＡＤＵ範囲に亘って前記アナログ・デジタル変換前の検出された信号の増幅率である）
   各チャンネルについての前記計算された信号値に対応する各比を得るために、前記相対強度比を補間する工程と、
   各チャンネルについての前記対応する関連付けられた出力値を得るために、前記対応する補間された比により前記ＡＤＵ値であるＤ（Ｄは０からＤ _{Ｒａｎｇｅ} までの値）の各々を除算する工程とによって作成される
   方法。
2. 前記多チャンネル検出器は電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラである
   請求項１に記載の方法。
3. デジタル出力、１つまたはそれ以上のチャンネル、及び基準チャンネルを有する多チャンネル検出器と、
   記憶装置と、
   画像処理装置であって、
   各チャンネルからのアナログ・デジタルユニット（ＡＤＵ）の入力値を受信し、
   前記記憶装置内に記憶されたルックアップテーブル（ＬＵＴ）からの各チャンネルに対応する出力値によって前記ＡＤＵ入力値を置き換えるように構成されたものと、を備え、前記出力値は、前記ＬＵＴにおける前記ＡＤＵ入力値に関連付けられており、
   前記ＬＵＴは、
   各電圧値の範囲に亘って前記基準チャンネルと比較して、各チャンネルからの各信号の相対強度比を取得し、
   各ＡＤＵ値であるＤ（Ｄは０からＤ _{Ｒａｎｇｅ} までの値）について、以下の式により、前記検出器の全体のＡＤＵ範囲に亘って、前記各ＡＤＵ値であるＤを生成する前記検出器の対応する信号値を計算し、
   

   

   （ ここで、ｍＶは前記検出器の前記信号であり、Ｖ _ＡＤＵ は前記検出器のアナログ・デジタル変換の全信号範囲であり、Ｄ _{Ｒａｎｇｅ} は前記検出器の最大ＡＤＵであり、Ｇａｉｎは前記検出器の全体のＡＤＵ範囲に亘って前記アナログ・デジタル変換前の検出された信号の増幅率である）
   各チャンネルについての計算された前記信号値に対応する各比を得るために、前記各相対強度比を補間し、
   各チャンネルについての前記対応する関連付けられた出力値を得るために、当該対応する補間された比で前記ＡＤＵ値であるＤの各々を除算することによって作成される
   撮像システム。
4. 前記検出器は多チャンネル電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラである
   請求項３に記載のシステム。

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