JP2014153517A - 画像処理装置および画像処理方法、プログラム並びに記憶媒体 - Google Patents

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Abstract

【課題】手振れによる動きベクトルと被写体の移動による動きベクトルとを正確に区別し、手振れによる像振れを適切に補正できる像振れ補正技術を実現する。
【解決手段】画像処理装置は、被写体を撮影する第1の撮像手段から得られる第1の画像データと、前記被写体と撮影機器を挟んで対向する側の撮影者を撮影する第2の撮像手段から得られる第2の画像データのそれぞれから動きベクトルを検出する検出手段と、前記第1の画像データから検出された前記第1の動きベクトルから、前記第2の動きベクトルと向きが異なるベクトル成分を除去して像振れ補正用の動きベクトルを算出する算出手段と、前記像振れ補正用の動きベクトルを用いて前記第1の画像データの像振れを補正する補正手段と、を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、画像の像振れ補正技術に関する。
に関する。
従来より、デジタルビデオカメラ等の撮像装置の手振れを検出し、その結果に基づいて撮像された画像振れを補正する技術がある。この技術において、撮影者の手振れ成分を表す動きベクトルと移動被写体の動き成分を表す動きベクトルとを区別して、撮影者の手振れ成分による像振れを正確に補正する技術が存在する。例えば、特許文献1には、画像データを複数のブロックに分割し、ブロックごとに次空間勾配法によって動きベクトルを求め、代表点マッチング法により手振れを検出する技術が記載されている。この方法では、動きベクトルの方向と大きさの分布から、各ブロックを実質的に同じ動きを有するベクトルのグループに分類し、分類された動きベクトルのグループのうち、装置の手振れを表す動きベクトルのグループを正確に選択することが必要である。そして、特許文献1では、ベクトルの大きさ(移動量)が所定値より大きいものを被写体の動き、小さいものを手振れ成分と判定している。
特許第2956056号公報
上記特許文献1の方法は、手振れ量が小さい場合や、手振れによる像振れが被写体の移動速度と比較して充分に小さい場合には有効である。しかしながら、例えば、被写体までの距離(焦点距離)が長い場合や、歩行しながら撮影する場合等、手振れによる像振れ量が被写体の動きに対して充分小さいと仮定できない場合に、被写体の動きと手振れを正確に区別することが困難である。
本発明は、上記課題に鑑みてなされ、その目的は、手振れによる動きベクトルと被写体の移動による動きベクトルとを正確に区別し、手振れによる像振れを適切に補正できる像振れ補正技術を実現することである。
上記課題を解決し、目的を達成するため、本発明の画像処理装置は、被写体を撮影する第1の撮像手段から得られる第1の画像データと、前記被写体と撮影機器を挟んで対向する側の撮影者を撮影する第2の撮像手段から得られる第2の画像データのそれぞれから動きベクトルを検出する検出手段と、前記第1の画像データから検出された前記第1の動きベクトルから、前記第2の動きベクトルと向きが異なるベクトル成分を除去して像振れ補正用の動きベクトルを算出する算出手段と、前記像振れ補正用の動きベクトルを用いて前記第1の画像データの像振れを補正する補正手段と、を有する。
本発明によれば、手振れによる動きベクトルと被写体の移動による動きベクトルとを正確に区別し、手振れによる像振れを適切に補正して、高画質な画像を生成することができる。
本発明に係る実施形態の装置構成を示すブロック図。 本実施形態の動きベクトル検出方法を説明する図。 本実施形態の撮像装置の外観図及び撮影画像を例示する図。 図1の動きベクトル検出回路の構成を示すブロック図。 移動被写体を含まない場合の動きベクトルの分布図。 移動体を含む場合のアウトカメラ画像データの動きベクトルの分布図。 移動体を含む場合のインカメラ画像とアウトカメラ画像の動きベクトルの分布図。 撮像装置の振れ方向と焦点距離の関係を示す図。 実施形態2のインカメラ画像とアウトカメラ画像の動きベクトルの分布図。
以下に、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、本発明を実現するための一例であり、本発明が適用される装置の構成や各種条件によって適宜修正又は変更されるべきものであり、本発明は以下の実施の形態に限定されるものではない。また、後述する各実施形態の一部を適宜組み合わせて構成しても良い。
[実施形態1]
以下、本発明の画像処理装置を、例えば、動画を撮影するデジタルビデオカメラなどの撮像装置に適用した実施形態について説明する。
<装置構成>
図1を参照して、本発明に係る実施形態の撮像装置の構成及び機能の概略について説明する。
図1において、第1の撮像光学系1及び第2の撮像光学系はそれぞれズームレンズやフォーカスレンズからなるレンズ群及び絞り機構を備える。第1及び第2の撮像光学系1、2はそれぞれ異なる被写体を撮影可能に装置内に搭載されている。例えば、本実施形態においては、第1の撮像光学系1を被写体側、第2の撮像光学系2を撮影者側に向けるなど、別々の被写体を同時に撮影できるような構成となっている。即ち、2つの撮像光学系は撮像方向がそれぞれ逆向きの関係になっており、第1の撮像光学系1によって撮像される被写体と第2の撮像光学系2によって撮像される撮影者は撮影機器を挟んで対向する。撮像素子3、4はCCDやCMOS等からなるイメージセンサであり、被写体像を光電変換して電気信号に変換する。撮像素子3は第1の撮像光学系1によって得られた被写体像を画像データに変換し、撮像素子4は第2の撮像光学系2によって得られた被写体像を画像信号に変換する。光学系駆動回路5は、システム制御部9の制御指令に従って、第1及び第2の撮像光学系1、2のレンズ群及び絞り機構を駆動する。また、光学系駆動回路5は、第1及び第2の撮像光学系1、2のズームレンズやフォーカスレンズからなるレンズ群及び絞り機構をそれぞれ独立に制御可能である。撮像系駆動回路6は、システム制御部9の制御指令に従い、撮像素子3、4をそれぞれ独立に駆動可能である。なお、第1の撮像光学系1及び第2の撮像光学系は光学式像振れ補正機構としてシフトレンズを備えていても良い。または、光学式像振れ補正機構として撮像素子3、4を光軸と直交する方向に駆動してもよい。
信号処理回路7は、撮像素子3、4から出力された画像信号に対して、所定の画素補間処理や色変換処理等の画像処理を施す。また、信号処理回路7は、撮像素子3、4から出力された画像信号を元に所定の演算処理を行う。システム制御部9は、信号処理回路7の演算結果に基づいて光学系駆動回路5及び撮像系駆動回路6を制御し、露出制御(AE)やオートフォーカス制御(AF)を行う。
動きベクトル検出回路8は、信号処理回路7で処理・生成された画像データから動きベクトルを算出する。信号処理回路7は、動きベクトル検出回路8で算出された動きベクトルを用いて手振れ補正量を算出し、システム制御部9に送る。システム制御部9は、光学系駆動回路5及び撮像系駆動回路6を制御し、光学式像振れ補正、露出制御、光学系や撮像素子の駆動の切り替えなどを実施する。
幾何変形回路10は、信号処理回路7で処理・生成された画像データに対して、動きベクトル検出回路8で算出された動きベクトルに基づいて画像の幾何変形処理を行う。ここでの画像の幾何変形処理とは、並進、回転、あおり、せん断、拡大縮小のうち少なくとも1つの変形を含む。
画像メモリ11は、信号処理回路7で処理・生成された画像データを記憶するメモリである。記録回路12は、画像データの圧縮・伸張を行う。記録回路12での記録フォーマットは、静止画データの場合にはJPEG圧縮、動画データの場合にはMotionJPEGやH.264/AVC圧縮などが適用される。特に、H.264/AVCに代表される動画データの圧縮方式は、フレーム間参照などを使用することにより、高圧縮率を実現できる。記録媒体13は、ハードディスク等の内蔵メモリや、着脱可能なメモリカードである。表示装置14は、画像データを表示するLCD等である。
<撮影動作>
次に、本実施形態の撮像装置による撮影動作について説明する。
システム制御部9は、光学系駆動回路5及び撮像系駆動回路6を制御する。そして撮像光学系1、2を通過した被写体の光像はそれぞれ撮像素子3、4の撮像画面上に結像する。
撮像素子3、4にて光電変換して電気信号に変換された被写体像は、信号処理回路7に包含される不図示のA/D変換器でデジタル画像信号に変換される。
信号処理回路7は、得られたデジタル画像信号に対して、色変換、ホワイトバランス補正、γ補正、解像度変換処理等を施す。
動きベクトル検出回路8は、信号処理回路7で処理された時間的に前後の画像データから、動きベクトルを検出する。動きベクトルの検出方法としては、位置をずらしながら過去フレームの画像と現フレームの画像差分を算出し、その差分の総和が最も小さくなる時点の位置ずれを動きベクトルとするパターンマッチングを使用する方法や上記特許文献1の次空間勾配法などがある。次空間勾配法では、後述するように撮像画面全体を複数のブロックに分割し、各ブロックの動きベクトルを求めることができる。
信号処理回路7は、動きベクトル検出回路8により検出された動きベクトルを元に像振れ補正量を算出する。システム制御部9は、動きベクトルを元に像振れを低減するように光学系駆動回路5を制御し、光学的な手振れ補正を実施することができる。なお、光学系が像振れ補正機構を有していない場合、あるいは光学的に補正しきれない手振れ成分(例えば、光軸回りの回転成分など)を画像信号から取り除く場合は、幾何変形回路10によって画像データを幾何変形し手振れによる像振れを補正することも可能である。
信号処理回路7で処理された画像データは画像メモリ11に一旦保持され、記録回路12によって圧縮されて記録媒体13に記録される。また、信号処理回路7で処理された画像データは、電子ビューファインダ(EVF)などとして表示装置14にスルー表示され、撮影者は撮像画像の確認が可能である。
図3は本実施形態の撮像装置の外観図及び撮影画像を例示している。本実施形態の撮像装置は、図3(A)、(C)のように、第1の撮像光学系1を被写体側(アウトカメラ)に、第2の撮像光学系2を撮影者側(インカメラ)に向けて設置されている。これにより、図3(B)、(D)のように、第1の撮像光学系1で撮影者から見た被写体側のアウトカメラ画像(第1の画像データ)を撮影中に、第2の撮像光学系2で撮像されたインカメラ画像(第2の画像データ)によって撮影者の表情や姿勢などの状態を同時に記録することができる。
<像振れ補正処理>
次に、図4及び図5を参照して、本実施形態の動きベクトル検出回路の構成及び像振れ補正処理について説明する。
以下では、図2のように撮像画面を複数のブロックに分割して動きベクトルを検出する方法について説明する。
フィルタ部100では画像データに対してローパスフィルタ(LPF)やバンドパスフィルタ(BPF)などのデジタルフィルタをかけて画像データに含まれるノイズを除去するなど、動きベクトルの生成処理の精度を向上させるための前処理が行われる。正規化部101は、フレーム間の露出差による動きベクトルの誤検出を軽減するために、輝度の正規化を行う。なお、正規化部101は必要に応じて2値化処理などを行っても良い。相関演算部102は、メモリ103に保持されている前フレームの画像データと入力画像データ(現フレーム)との相関を求める。動きベクトル生成部104は、最も相関が高い部分とのマッチングにより各ブロックの動きベクトルを生成する。動きベクトル分類部105は、上記動きベクトル生成部104で生成した各ブロックの動きベクトルを、手振れによる装置の動きにより生じた動きベクトルと、ノイズや被写体の移動、ベクトルの誤検出などの装置の動きとは無関係な動きベクトルとに区別する。
例えば、動きベクトル生成部104は図5(A)のように撮像画面全体の動きベクトルが検出された場合、動きベクトル分類部105は図5(B)のような動きベクトルのヒストグラムを生成する。図5(B)では、横軸に動きベクトルの水平方向の大きさ、縦軸は動きベクトルの検出ブロック数(頻度数)を取っている。同様に横軸に動きベクトルの垂直方向の大きさ、縦軸は動きベクトルの検出ブロック数(頻度数)を取るヒストグラムも作成する。但し、図5(B)のヒストグラム以外であっても、動きベクトルの向きを0°〜360°に分類し、ベクトルの方向を横軸にとったヒストグラムを生成することも可能である。
ここで、図5(B)のヒストグラムにおけるピークP1の周辺“Area1”グループの動きベクトルは、画面全体の動きベクトル検出ブロック数に対して“Area1”グループの検出ブロック数が大きいことから、装置自体の動き、つまり手振れにより移動した撮像画面全体の水平方向成分と考えられる。
一方、図6(A)のように画像中に移動体が含まれる場合、移動体領域の動きベクトルは手振れによる装置の動きとは無関係である。このため、動きベクトルのヒストグラムには、図6(B)のように手振れによる装置自体の動きであるピークP1を含む“Area1”と、移動体の動きであるピークP2を含む“Area2”が存在する。
このような状況において、移動体による動きベクトルと手振れによる動きベクトルとを分類する方法については後述するが、ここではまず、上述のように検出された動きベクトルをグループに分類する方法の一例について図6(B)を用いて説明する。
動きベクトル分類部105は、図6(B)に示すヒストグラムに対して、ピーク(極値)を検出する。但し、この極値は所定の頻度Nを超えるものとする。また、複数の極値が検出された場合は、それらの階級間の距離dが所定の距離d_thを超える(所定以上離れている)ものであるか判定する。そして、ピーク間が所定距離d_th以上離れている場合は互いに別グループの極値であると判定し、そうでない場合は同一グループであると判定する。
次に、動きベクトル分類部105は、上述の極値を元にベクトルのグループを決定する。例えば、極値P1、P2から所定の幅w/2だけ左右に拡大した領域に含まれるベクトルをそれぞれP1のグループ“Area1”、P2のグループ“Area2”と決定する。なお、極値P1から横軸+/−方向に走査し、勾配が所定値以上になる位置までの範囲をそれぞれ“Area1”、“Area2”と設定しても良い。
ここで、動きベクトル分類部105により分類された複数の動きベクトルのグループの中から、手振れによる動きベクトルのグループを正確に区別する方法について説明する。
図6(A)のように移動体が撮像画面全体に占める割合が相対的に小さい場合には、ピーク値の小さいP2を含むグループが移動体による動きベクトルではないかと推測できる。これに対して、図7(A)のように移動体が撮像画面全体に占める割合が相対的に大きい場合には、P1とP2のピーク値だけを比較しても区別が困難である。
そこで、図7(C)の第2の撮像光学系2で撮像されたインカメラ画像データからも動きベクトル(第2の動きベクトル)を検出し、その結果を図7(A)の第1の撮像光学系1のアウトカメラ画像データの動きベクトル(第1の動きベクトル)の分類に用いる。ここで、第2の撮像光学系2のインカメラ画像データは、画像の中心に主として撮影者が写っているものと仮定する。この場合、撮影者が写っている領域から検出される動きベクトルは手振れによる動きベクトルを表していると考えられる。よって、図7(B)のようにアウトカメラ画像データから検出されたピークP1、P2の中で、図7(D)のようにインカメラ画像データから検出されたピークP3に近い範囲の動きベクトルを撮影者の手振れによる動きベクトルグループであると判定する。
但し、第1及び第2の各撮像光学系1、2は光軸の向きが相反している。このため、手振れとして図8(A)の撮像画面に対して光軸を上下左右へずらすシフト方向の動きを想定した場合、シフト成分として水平方向の動きベクトルの符号の正負を反転してヒストグラムを生成する必要がある。または、水平方向の動きベクトルの正負をそのままヒストグラムを生成し、生成結果に対して正負を反転させる必要がある。図7(D)は第1の撮像光学系1の座標系に変換された結果を示している。一方で、手振れとして図8(B)の撮像画面に対して光軸を上下左右へ傾けるあおり方向の動きを想定した場合、あおり成分として水平方向の動きベクトルの正負を反転する必要はない。そこで、装置のあおり方向の移動量が所定値より大きい場合は、第2の撮像光学系2のインカメラ画像データから検出された第2の動きベクトルを、像振れ補正に使用しない、あるいは、あおりに相当する成分を補正した上でヒストグラムを生成し、上記動きベクトルグループの判定に使用する。なお、あおり方向の移動量は装置に搭載されたジャイロセンサ等の出力から算出しても良い。
また、図7(D)では、第1の撮像光学系1のアウトカメラ画像データと第2の撮像光学系2のインカメラ画像データのそれぞれから求められる第1および第2の各動きベクトルの大きさを同等として取り扱っている。しかしながら、多くの場合、装置から被写体までの焦点距離と装置から撮影者までの焦点距離は異なっているため、仮に第1の撮像光学系1と第2の撮像光学系2の焦点距離が同じであったとしても、手振れにより発生する動きベクトルの大きさは異なってしまう。
そこで、手振れにより発生する動きベクトルのヒストグラムを生成する場合には、図8(C)に示すように、動きベクトルの大きさを被写体までの距離Dと撮影者までの距離D’の比率に応じて変換してからヒストグラムを生成する。なお、装置から被写体までの距離Dは装置の測距情報や写り込んだ被写体の大きさから判定することが可能であり、装置から撮影者までの距離は、上記測距情報や被写体の大きさに加えて、一般的な成人の腕の長さなどを考慮して決定することも可能である。
また、一般的に遠方の被写体の測距情報を正確に求めるのは困難であるため、正確な距離が求められない場合は、第2の撮像光学系2のインカメラ画像データから求められる動きベクトルの大きさを用いずに、ベクトルの向きのみを用いることもできる。例えば、図7(D)の場合、ヒストグラムのピークP3が水平方向の正側と負側のどちらに位置するかという情報のみを用いて、図7(B)の動きベクトルから移動体成分を除去することもできる。
このように、第1の撮像光学系1の撮像画像データの動きベクトルから、第2の撮像光学系2の撮像画像データの動きベクトルと矛盾する成分を除去することにより、第1の撮像光学系1の撮像画像の像振れ補正用の動きベクトルを正確に算出可能となる。よって、手振れによる像振れを適切に補正して、高画質な画像を生成することができる。
[実施形態2]
図9を参照して、本発明を実施するための第2の形態について説明する。図9は、第1の撮像光学系1のアウトカメラ画像と第2の撮像光学系2のインカメラ画像の動きベクトルが矛盾する場合のヒストグラムの分布を示している。
なお、本実施形態の装置構成は上記実施形態1と同様である。前述の実施形態では、第1の撮像光学系1の撮像画像データの動きベクトルから、第2の撮像光学系2の撮像画像データの動きベクトルと矛盾する成分を除去することにより、第1の撮像光学系1の撮像画像の像振れ補正用の動きベクトルを算出していた。
しかしながら、画像中に移動体のみしか存在しない場合(図9(A))や、被写体のコントラストが低く、正確な動きベクトルを求めることが難しい場合など、第1の撮像光学系1の撮像画像データの動きベクトルから、第2の撮像光学系2の撮像画像データの動きベクトルに近いベクトル成分が検出されない場合、第1の撮像光学系1の撮像画像データの動きベクトルから手振れによる動きベクトルだけを抽出することが困難である。
そこで、本実施形態の動きベクトル分類部105は、図9(B)、(D)のように、第1の撮像光学系1の撮像画像データの動きベクトルから、第2の撮像光学系2の撮像画像データの動きベクトルに近いベクトル成分が検出されない場合、像振れ補正用の動きベクトルを、図9(D)から得られるピークP2に相当する動きベクトルグループとする。
そして、信号処理回路7は、上記のように得られた像振れ補正用の動きベクトルに基づいて補正量を算出し、像振れ補正を実施する。なお、像振れ補正は、第1の撮像光学系1を光学的に制御すること、または幾何変形回路10によりアウトカメラ画像データに幾何変換処理を施すことによって実現される。
本実施形態によれば、インカメラ画像データの動きベクトルを像振れ補正用の動きベクトルとして用いることによって、手振れによる像振れを適切に補正して、高画質な画像を生成することができる。
上述した実施形態においては、本発明を動画を撮影するデジタルビデオカメラなどに適用した場合を例にして説明したが、これに限定されるものではない。例えば、ゲーム機器、携帯電話、スマートフォン、タブレット端末のように、撮影者から見える被写体を撮影するアウトカメラと、撮影者自身や撮影者側の被写体を撮影するインカメラが搭載された装置にも本発明は適用可能である。また、画像処理装置としてのパーソナルコンピュータ等が、異なる被写体を同時に撮影可能な複数の撮像光学系を有する装置から取得した画像データを対象として、動きベクトルを検出し、像振れを補正するような構成であっても、本発明は適用可能である。
[その他の実施形態]
本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、本実施形態の機能を実現するソフトウェア(プログラム)を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステムあるいは装置に供給し、そのシステムあるいは装置のコンピュータ(またはCPUやMPUなど)がプログラムを読み出して実行する処理である。

Claims (12)

  1. 被写体を撮影する第1の撮像手段から得られる第1の画像データと、前記被写体と撮影機器を挟んで対向する側の撮影者を撮影する第2の撮像手段から得られる第2の画像データのそれぞれから動きベクトルを検出する検出手段と、
    前記第1の画像データから検出された前記第1の動きベクトルから、前記第2の動きベクトルと向きが異なるベクトル成分を除去して像振れ補正用の動きベクトルを算出する算出手段と、
    前記像振れ補正用の動きベクトルを用いて前記第1の画像データの像振れを補正する補正手段と、を有することを特徴とする画像処理装置。
  2. 前記第1の動きベクトルから前記第2の動きベクトルと向きが異なるベクトル成分を除去する時に、前記第2の動きベクトルのうちシフト成分は符号を反転させることを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。
  3. 前記第1の動きベクトルから前記第2の動きベクトルと向きが異なるベクトル成分を除去する時に、前記第2の動きベクトルのうちあおり成分は符号を反転させないことを特徴とする請求項1または2に記載の画像処理装置。
  4. 前記第1の動きベクトルと前記第2の動きベクトルについて、手振れによる動きと関係するベクトルと、手振れによる動きとは関係のないベクトルとに分類する分類手段をさらに有し、
    前記算出手段は、前記分類手段により分類された第1および第2の各動きベクトルの大きさを表すヒストグラムを生成することを特徴とする請求項2または3に記載の画像処理装置。
  5. 前記算出手段は、前記第2の動きベクトルの大きさを、前記第1の撮像手段の焦点距離と前記第2の撮像手段の焦点距離の比率に応じて変換したヒストグラムを生成することを特徴とする請求項4に記載の画像処理装置。
  6. 前記算出手段は、前記分類手段により分類された第1の動きベクトルから、前記第2の動きベクトルに近いベクトル成分が検出されない場合、当該第2の動きベクトルを前記像振れ補正用の動きベクトルとすることを特徴とする請求項4または5に記載の画像処理装置。
  7. 画像の撮影中に装置の所定の動きを検出した場合、前記算出手段は、前記像振れ補正用の動きベクトルの算出に第2の動きベクトルを使用しない、若しくは、前記検出された動きの方向に応じて第2の動きベクトルを補正した上で前記像振れ補正用の動きベクトルを算出することを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1項に記載の画像処理装置。
  8. 前記画像処理装置は、前記第1の撮像手段と、前記第2の撮像手段とを有し、動画を撮影する撮像装置であることを特徴とする請求項1ないし7のいずれか1項に記載の画像処理装置。
  9. 前記補正手段は、前記第1の撮像手段に光像を結像させる撮像光学系の中の光学式像振れ補正手段を制御すること、または前記第1の画像データに幾何変換処理を施すことによって像振れ補正を行うことを特徴とする請求項8に記載の画像処理装置。
  10. 画像処理装置が行う画像処理方法であって、
    被写体を撮影する第1の撮像手段から得られる第1の画像データと、前記被写体と撮影機器を挟んで対向する側の撮影者を撮影する第2の撮像手段から得られる第2の画像データのそれぞれから動きベクトルを検出する検出ステップと、
    前記第1の画像データから検出された前記第1の動きベクトルから、前記第2の動きベクトルと向きが異なるベクトル成分を除去して像振れ補正用の動きベクトルを算出する算出ステップと、
    前記像振れ補正用の動きベクトルを用いて前記第1の画像データの像振れを補正する補正ステップと、を有することを特徴とする画像処理方法。
  11. 請求項10に記載の画像処理方法をコンピュータに実行させるためのプログラム。
  12. コンピュータに、請求項10に記載された画像処理方法を実行させるためのプログラムを記憶したコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体。
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