JP2011091648A - 撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】手振れ補正のゲインの自動調整をより精度よく行えるようにする。
【解決手段】撮像装置は、撮影光学系により結像された被写体像を撮像する撮像部と、撮像装置に加わる振れを検出する振れ検出部と、撮像部により連続して得られた2つの画像に基づいて動きベクトルを検出する動きベクトル検出部と、動きベクトル検出部により検出された動きベクトルの信頼性を判定する判定部と、振れ検出部により検出された振れ量と、判定部により信頼性があると判定された動きベクトルとに基づいて、動きベクトルに基づく信号がゼロになるように、撮影光学系の光軸に垂直な方向に補正部材を駆動する駆動信号を評価する評価値を算出する評価値算出部と、評価値算出部により算出された評価値に基づいて、補正部材を駆動する駆動部とを備える。
【選択図】図2
【解決手段】撮像装置は、撮影光学系により結像された被写体像を撮像する撮像部と、撮像装置に加わる振れを検出する振れ検出部と、撮像部により連続して得られた2つの画像に基づいて動きベクトルを検出する動きベクトル検出部と、動きベクトル検出部により検出された動きベクトルの信頼性を判定する判定部と、振れ検出部により検出された振れ量と、判定部により信頼性があると判定された動きベクトルとに基づいて、動きベクトルに基づく信号がゼロになるように、撮影光学系の光軸に垂直な方向に補正部材を駆動する駆動信号を評価する評価値を算出する評価値算出部と、評価値算出部により算出された評価値に基づいて、補正部材を駆動する駆動部とを備える。
【選択図】図2
Description
本発明は、手振れ補正機能を有する撮像装置における、手振れ補正機能の自動調整技術に関するものである。
近年、デジタルカメラなどの撮像装置においては、小型化、軽量化、高倍率ズーム化が進み、手振れの影響がより顕著に現われやすくなってきている。この問題を解決するために、手振れ補正機能を備えた撮像装置が多く市場に出回っている。
この手振れ補正機能には、大きく分けて二つの方法があり、一般的に光学式手振れ補正と電子式手振れ補正と呼ばれている。この二つの手振れ補正機能の多くは、手振れ検知センサによって振れを検出したり、また、携帯電話などに内蔵されている超小型、軽量な撮像装置などでは撮像部から取り込んだ画像のズレから動きベクトルを検出し、振れ量を算出している。そして、光学式手振れ補正の場合は、検出した振れ量をキャンセルする方向にシフトレンズまたは撮像素子を動かすことにより振れを補正し、電子式手振れ補正の場合は、算出した振れ量をキャンセルするような画像処理を施すことで振れを補正している。
一方、手振れ補正機能の副次的な技術として、画像ズレによる振れ情報から動きベクトルを算出し、その動きベクトルデータから手振れ補正のゲインを調整することで手振れ補正機能の効果を高めるという技術が知られている。このような技術は、例えば、特許文献1及び2に記載されている。
しかしながら、上記の特許文献1及び2に開示された技術においては、検出された動きベクトルに被写体振れなどの要素も含まれており、また動きベクトル自体の精度が振れ検知センサにより得られる手振れ信号(角速度信号)に比べて低い。そのため、手振れ情報としての信憑性が低く、最適な手振れ補正のゲインの調整が行えているとは必ずしも言えない。
本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、手振れ補正のゲインの自動調整をより精度よく行えるようにすることである。
本発明に係わる撮像装置は、撮影光学系により結像された被写体像を撮像する撮像手段と、撮像装置に加わる振れを検出する振れ検出手段と、前記撮像手段により連続して得られた2つの画像に基づいて動きベクトルを検出する動きベクトル検出手段と、前記動きベクトル検出手段により検出された動きベクトルの信頼性を判定する判定手段と、前記振れ検出手段により検出された振れ量と、前記判定手段により信頼性があると判定された前記動きベクトルとに基づいて、前記動きベクトルに基づく信号がゼロになるように、前記撮影光学系の光軸に垂直な方向に補正部材を駆動する駆動信号を評価する評価値を算出する評価値算出手段と、前記評価値算出手段により算出された前記評価値に基づいて、前記補正部材を駆動する駆動手段と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、手振れ補正のゲインの自動調整をより精度よく行うことが可能となる。
図1は、本発明の一実施形態に係わる撮像装置の構成を示すブロック図である。図1において、ズームレンズユニット101は変倍を行うズームレンズを含む。ズーム駆動制御部102はズームレンズユニット101を駆動制御する。シフトレンズユニット103は、光軸に略垂直な方向に移動可能なシフトレンズ(補正部材)を含む。シフトレンズ駆動制御部104は、シフトレンズユニット103を駆動制御する。なお、省電力時にはシフトレンズ駆動制御部104への電源供給が停止される。絞り・シャッタユニット105は絞り・シャッタ駆動制御部106によって駆動制御される。フォーカスレンズユニット107は、ピント調整を行うフォーカスレンズを含む。はフォーカス駆動制御部108はフォーカスレンズユニット107を駆動制御する。上記のズームレンズユニット101、シフトレンズユニット103、絞り・シャッタユニット105、フォーカスレンズユニット107により、被写体像を結像させる撮影光学系が構成されている。
撮像部109は撮像素子を備え、各レンズ群を通ってきた被写体像を電気信号に変換する。撮像信号処理部110は撮像部109から出力された電気信号を映像信号に変換処理する。映像信号処理部111は撮像信号処理部110から出力された映像信号を用途に応じて加工する。表示部112は映像信号処理部111から出力された信号に基づいて、必要に応じて画像表示を行う。振れ検出部114は後述する振れ検出センサ201,202を備え、撮影装置に与えられた振れの度合いを検知する。表示制御部113は撮像部109および表示部112の動作・表示を制御する。電源部115はシステム全体に用途に応じて電源を供給する。外部入出力端子部116は外部との間で通信信号及び映像信号を入出力する。操作部117はシステムを操作する。記憶部118は映像情報など様々なデータを記憶する。制御部120はシステム全体を制御する。
次に、上記の構成を持つ撮像装置の動作について説明する。操作部117は、押し込み量に応じて第1スイッチ(SW1)および第2スイッチ(SW2)が順にオンするように構成されたシャッタレリーズボタンを有している。シャッタレリーズボタンを約半分押し込んだときに第1スイッチがオンし、シャッタレリーズボタンを最後まで押し込んだときに第2スイッチがオンする構造となっている。
操作部117のシャッタレリーズボタンの第1スイッチがオンされると、フォーカス駆動制御部108がフォーカスレンズユニット107を駆動してピント調整を行う。それとともに、絞り・シャッタ駆動制御部106が絞り・シャッタユニット105を駆動して適正な露光量となるように制御する。さらに第2スイッチがオンされると、撮像部109に露光された光像から得られた画像データを記憶部118に記憶する。第1スイッチがONされたとき操作部117から振れ補正機能オンの指示があれば、制御部120はシフトレンズ駆動制御部104に振れ補正動作を指示し、これを受けたシフトレンズ駆動制御部104は、振れ補正機能オフの指示がなされるまで振れ補正動作を行う。
また、操作部117のシャッタレリーズボタンが一定時間操作されなかった場合、制御部120は省電力のためにディスプレイの電源を遮断する指示を出す。またこの撮像装置では、静止画撮影モードと動画撮影モードとのうちの一方を操作部117より選択可能であり、それぞれのモードにおいて各アクチュエータ制御部の動作条件を変更することができる。
なお、操作部117に対してズームレンズによる変倍の指示があると、制御部120を介して指示を受けたズーム駆動制御部102がズームレンズユニット101を駆動して、指示されたズーム位置にズームレンズを移動する。それとともに、撮像部109から送られ各信号処理部110,111にて処理された画像情報に基づいて、フォーカス駆動制御部108がフォーカスレンズユニット107を駆動してピント調整を行う。
次に、図2は、振れ補正の自動調整機能を有する撮像装置の、振れ補正処理と振れ補正調整処理を行う回路(言い換えればシフトレンズ駆動制御部104)とその周辺回路を含む振れ補正部の構成を示したブロック図である。
振れ補正部は、振れ検出部114に含まれる振れ検出センサ201,202、A/D変換部203,204、増幅部205,206、レンズ目標位置算出部207、レンズ位置制御部208を備える。また、レンズ駆動部209,210、レンズ位置検出素子211,212、シフトレンズユニット103、撮像素子214、A/D変換部215、CPU(動きベクトル検出部)216、振れ補正ゲイン自動制御部217も備える。そして、図3のフローチャートにしたがって処理が実行される。また、図3のフローチャートの処理は、動きベクトルの算出可能時間間隔である1フレームごとに繰り返し行われる。また、ピッチング方向の振れ補正ゲイン補正値演算とヨーイング方向の振れ補正ゲイン補正値演算は独立に行われるため、図3の処理は1フレームにピッチング方向とヨーイング方向で2回行われる。
振れ検出センサ201,202は、例えば角速度センサ(ジャイロセンサ)などであり、手振れによる撮像装置の振動量を検出し、検出した振動量を電気信号に変換して、A/D変換部203,204に送る。A/D変換部203,204によって手振れ信号がアナログ信号からデジタル信号に変換された後、所望の信号レベルに合わせるため、相応の倍率をもった増幅部205,206によって増幅される。増幅された信号はレンズ目標位置算出部207に送られ、手振れをキャンセルするようなシフトレンズのレンズ位置を計算し、その結果に基づいてレンズ位置制御部208によってシフトレンズユニット103を制御する。シフトレンズの位置はレンズ位置検出素子211,212によって検出され、その信号をレンズ位置制御部208にフィードバックさせることでレンズ位置を制御し、振れ補正が実行される。
一方、撮像素子214は被写体からの反射光を電気信号に変換することで画像情報を得る。その情報はアナログ信号であるためA/D変換部215に送られ、デジタル信号に変換される。デジタル信号に変換された画像情報はCPU(動きベクトル検出部)216に送られる。そして、あらかじめ記憶されている1フレーム前の画像と現在の画像(連続する2つの画像)を比較することで、画像の相対的なズレ情報から動きベクトルを算出する。このとき抽出する画像情報としては、画像全体を抽出してもよいし、画像の一部を抽出してもよい。また、画像をいくつかのエリアに分割して、その分割された小エリアで、それぞれ画像情報を比較し、動きベクトルを算出し、その中から最適な動きベクトルを選択してもよい。動きベクトルの算出方法としては一つに限定されない。
CPU(動きベクトル検出部)216にて算出された動きベクトルは、振れ補正ゲイン自動制御部217に送られ、A/D変換部203,204から送られてくる手振れ信号とともに振れ補正ゲイン評価値を算出する。そして振れ補正ゲイン自動制御部217は振れ補正ゲイン補正値(シフトレンズを駆動する駆動信号)を算出し、振れ補正ゲインを更新する。
次に図3のフローチャートに基づいて、具体的な動作を説明する。なお、振れ検知センサにより検出される撮像装置の振れ量と動きベクトルにはそれぞれピッチング方向の振れ情報とヨーイング方向の振れ情報との2つが存在する。そして、それぞれに対して振れ補正ゲイン補正値を算出するが、それぞれの演算は独立に同じ処理が行われるため、フローチャートには1方向分の振れ補正ゲイン補正値演算処理しか記載していない。
まず、フレームごとに算出される動きベクトルをステップS301で取得する。なお、ステップS301はフレーム毎に処理がスタートする。次にステップS302で動きベクトルを算出した時に使用した、2枚の画像の内の1枚目の画像取得時の振れ量を取得する。動きベクトルの演算には画像取得後にある程度時間がかかり、演算後の振れ検出センサの振れ量を取得しても、動きベクトルの振れ量と振れ検出センサの振れ量の位相が合わず評価値の精度がばらついてしまう。そのため、動きベクトル算出に用いた画像の取得時の振れ検出センサの振れ量を取得する。
ここで図4を用いて詳しく説明する。図4において、横軸は時間である。(a)の露光タイミングは、撮像素子の露光信号を表し、信号がLowの時は露光中を表している。(b)の画像取得タイミングは、露光時間が終わった直後にそれぞれ矢印をもって画像取得時間を表している。(c)の動きベクトル演算タイミングは、取得した最新の2枚の画像を用いて動きベクトルを計算する信号を表している。信号がLowの時に動きベクトルを計算中である。(d)の動きベクトル取得タイミングは、動きベクトル演算終了直後に矢印をもって取得時間を表している。(e)の振れ量取得タイミングは、矢印で振れ検出センサによる振れ量取得タイミングを表している。(f)のゲイン評価値演算タイミングは、検出された振れ量と演算された動きベクトルを用いて、振れ補正ゲイン評価値を計算する信号を表している。信号がLowの時に振れ補正ゲイン評価値を計算中である。(g)のレンズ位置取得タイミングは、(e)の振れ量取得タイミングと同じタイミングであり、同様に矢印をもってレンズ位置検出素子によるシフトレンズユニット103の位置の取得タイミングを表している。
時刻T1に取得した画像1と時刻T2に取得した画像2の二つの画像データからの動きベクトルの演算処理は、時間(T12−T2)だけかかり、動きベクトルは時刻T12に生成される。このとき動きベクトルと位相の合った振れ量は、2枚の画像の露光時間である(T2−T0)の中間の時刻であるT1の時の振れ量となる。このため、時刻T12に生成される動きベクトルと時刻T1の振れ量を使って振れ補正ゲイン補正値を算出することになる。
同様に時刻T2に取得した画像2と時刻T3に取得した画像3から生成した動きベクトル23と、時刻T2に取得した振れ量2を用いて、振れ補正ゲイン評価値を計算する。このとき、動きベクトル生成時刻と、位相の合う振れ量には時間差が生じるため、振れ量は過去の数回分をバッファに保存しておく必要がある。
図3のフローチャートに戻ると、ステップS303では振れ量を検出したタイミングと同じタイミングでレンズ位置を取得する。次にステップS304で動きベクトル演算に用いた画像の露光中、パンニング動作が無かったかを判定する。パンニング動作があった場合は、パンニングフラグ(PanFlag)が1となり、その時の動きベクトルは信頼性がないと判断し、何もせず処理を終了する。
パンニング動作が無かった場合、ステップS305でレンズ位置(シフトレンズの撮影光学系の光軸中心からの距離)がある所定値α以内(所定値以下)であったかを判定する。ある所定値αより大きかった場合は、振れ補正においてシフトレンズの位置制御にブレーキ処理がかかっている場合があり、動きベクトルの信頼性を低下させるため、何もせず処理を終了する。
ステップS305でレンズ位置がある所定値α以内であった場合、ステップS306で振れ量がある所定値β以内であったかを判定する。振れ量がある所定値βより大きかった場合は、動きベクトルの演算に用いられる2枚の画像データ自体がそれぞれブレていて2枚の画像の差分から求まる動きベクトルの信頼性が低下しているため、何もせず終了する。
ステップS306で振れ量がある所定値β以内(所定値以下)であった場合、ステップS307で動きベクトル演算に使われた画像2枚のそれぞれの露光時間がある所定値(所定時間)γ以内であったか判定する。ある所定値γより大きかった場合、画像がそれぞれブレていて2枚の画像の差分から求まる動きベクトルの信頼性が低下しているため、何もせず終了する。なお、ステップS307の露光時間1と露光時間2は、動きベクトル演算に用いた2枚の画像のそれぞれの露光時間である。
ステップS307で2枚の画像の露光時間が所定値γ以内(所定時間以内)であった場合、ステップS308で動きベクトルの演算に使われた画像2枚のぞれぞれの輝度値の平均値がある所定値δ以上、ある所定値ε以内であったか判定する。ある所定値δより小さかった場合、若しくはある所定値εより大きかった場合は、動きベクトル演算に用いた画像が暗すぎ若しくは明るすぎで動きベクトルの信頼性が低下しているため、何もせず終了する。なお、ステップS308の輝度平均値1と輝度平均値2は、動きベクトル演算に用いた2枚の画像のそれぞれの輝度平均値である。
ステップS308で2枚の画像の輝度値の平均値が所定値δ以上、所定値ε以下(所定の範囲内)であった場合、ステップS309で振れ補正ゲイン評価値を演算する(評価値算出処理)。ステップS310ではカウンタを1カウントアップし、ステップS311でカウンタが所定値ζ以上であればステップS312で振れ補正ゲイン補正値を計算し(補正値算出処理)、ステップS313でその時の振れ補正ゲインと振れ補正ゲイン補正値を保存する。そして、ステップS314で振れ補正ゲインを更新し、ステップS315でカウンタと振れ補正ゲイン評価値を初期化して処理を終了する。ステップS311でカウンタが所定値ζに満たなければ、振れ補正ゲイン評価値の平均化処理が終わっていないため、振れ補正ゲイン補正値計算に進まず処理を終了する。
ここで振れ補正ゲイン評価値と平均化処理について詳しく説明する。振れ補正ゲイン評価値とは、図5のように、横軸に振れ量(ジャイロデータ)、縦軸に動きベクトルをとったときの、原点を通る近似直線の傾きに相当する。図5(a)のように防振がOFF(またはONであるが振れ補正ゲインが最適でない)の場合、振れに応じて動きベクトルも発生するため、ある一定の傾きを持った直線となる。図5(b)のように防振ONで最適ゲインに追い込まれている場合、振れ量があっても動きベクトルはあまり発生しないため、傾きは小さい。この傾きの絶対値を評価値として、0に追い込むような振れ補正ゲイン補正値を算出すればよい。
しかしながら、動きベクトルの精度が良くないため、図5のように全てのデータが原点を通る直線上に乗るわけではなく、ばらつく。つまり動きベクトルと振れ量の相関係数は1より小さい。このため、動きベクトルと振れ量のデータ1点から振れ補正ゲイン補正値を求めてもゲインの追い込み方向を誤る可能性がある。そのため、データ複数個をもって原点を通る直線を最小二乗法により計算し、振れ補正ゲイン評価値である傾きを計算する。
動きベクトルと振れ量のデータ個数がζ個の場合の、振れ補正ゲイン評価値の計算方法を以下に示す。ただし、V_Pitchはピッチング方向の振れ補正ゲイン評価値であり、V_Yawはヨーイング方向の振れ補正ゲイン評価値である。またGyroDataPitch[i]はi番目に取得したピッチング方向の振れ量であり、MotionVectorPitch[i]はi番目に取得したピッチング方向の動きベクトルである。そして、GyroDataYaw[i]はi番目に取得したヨーイング方向の振れ量でありMotionVectorYaw[i]はi番目に取得したヨーイング方向の動きベクトルである。
図3のフローチャートでのステップS309での実際の処理では、取得した動きベクトルと振れ量を用いて以下のような演算が行われる。ただし、V_Pitch[i+1]はi+1回目のピッチング方向の振れ補正ゲイン評価値演算結果であり、V_Pitch[i]はi回目のピッチング方向の振れ補正ゲイン評価値演算結果である。そして、V_Yaw[i+1]はi+1回目のヨーイング方向の振れ補正ゲイン評価値演算結果であり、V_Yaw[i]はi回目のヨーイング方向の振れ補正ゲイン評価値演算結果である。
以上より求められた振れ補正ゲイン評価値と振れ補正ゲインの関係を図5(c)に示す。図5(c)において、横軸を振れ補正ゲイン、縦軸を振れ補正ゲイン評価値Vとしたとき、その関係は下に凸な関数となる。前述したとおり、動きベクトルが0(ゼロ)となる点、すなわち評価値が0となるように振れ補正ゲインを追い込む(振れ補正ゲイン補正値を算出する)。
評価値Vを0に追い込む方法は1つに限定されないが、ここでは一般的な最急降下法につい記述する。最急降下法とはn回目のゲイン更新で用いる振れ補正評価値Vnとその時の振れ補正ゲインGn、n−1回目のゲイン更新で用いた振れ補正評価値Vn-1とその時の振れ補正ゲインGn-1を用いて以下の数式により、振れ補正ゲイン補正値ΔGを計算する。
ここで、αは振れ補正ゲインの収束スピード、収束の精度を決定する係数である。これにより求められた振れ補正ゲイン補正値を現在の振れ補正ゲインに加算することで評価値の低い方向になるような次回の振れ補正ゲインが決定される(数6参照)。
以上説明したように、上記の実施形態の撮像装置は、振れ検知センサにより検出された振れ量と、動きベクトルに基づいた振れ量により振れ補正ゲイン評価値を算出し、その振れ補正ゲイン評価値を平均化することで、被写体振れなどのノイズ要素を軽減させた振れ補正ゲイン評価値を算出することが可能となり、それにより振れ補正の自律的な調整を精度良く行うことができる。
Claims (7)
- 撮影光学系により結像された被写体像を撮像する撮像手段と、
撮像装置に加わる振れを検出する振れ検出手段と、
前記撮像手段により連続して得られた2つの画像に基づいて動きベクトルを検出する動きベクトル検出手段と、
前記動きベクトル検出手段により検出された動きベクトルの信頼性を判定する判定手段と、
前記振れ検出手段により検出された振れ量と、前記判定手段により信頼性があると判定された前記動きベクトルとに基づいて、前記動きベクトルに基づく信号がゼロになるように、前記撮影光学系の光軸に垂直な方向に補正部材を駆動する駆動信号を評価する評価値を算出する評価値算出手段と、
前記評価値算出手段により算出された前記評価値に基づいて、前記補正部材を駆動する駆動手段と、
を備えることを特徴とする撮像装置。 - 前記評価値は、前記振れ検出手段の出力を縦軸に、前記動きベクトル検出手段の出力を横軸に取ったときの近似直線の傾きに相当することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記判定手段は、前記振れ検出手段により検出された振れ量が所定値以下の場合に、前記動きベクトルは信頼性があると判定することを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像装置。
- 前記判定手段は、前記補正部材の前記撮影光学系の光軸中心からの距離が所定値以下の場合に、前記動きベクトルは信頼性があると判定することを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像装置。
- 前記判定手段は、前記撮像装置のパンニングが行われていない場合に、前記動きベクトルは信頼性があると判定することを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像装置。
- 前記判定手段は、前記連続して得られた2つの画像の露光時間が所定時間以内の場合に、前記動きベクトルは信頼性があると判定することを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像装置。
- 前記判定手段は、前記連続して得られた2つの画像の輝度値が所定の範囲内の輝度値である場合に、前記動きベクトルは信頼性があると判定することを特徴とする請求項1又は2に記載の撮像装置。
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JP2017060192A (ja) * | 2016-12-13 | 2017-03-23 | キヤノン株式会社 | 像ブレ補正装置及び像ブレ補正方法、プログラム、記憶媒体 |
JP2019003220A (ja) * | 2018-10-01 | 2019-01-10 | 株式会社ニコン | 交換レンズ |
CN114353833A (zh) * | 2021-12-31 | 2022-04-15 | 昆山丘钛微电子科技股份有限公司 | 一种摄像头模组及其陀螺增益确定方法、装置和芯片 |
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