JP6157249B2 - 撮像装置、距離情報取得方法およびプログラム - Google Patents
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Description
このボケの大きさや相関量は画像中の被写体までの距離に応じて変化するため、その関係を用いて距離を算出する。DFD法による距離計測は、1つの撮像系によって距離を算出することできるため、市販されている撮像装置に組み込むことが可能といった利点を有する。
d=kF2λ,−16≦k≦16,k≠0
ただし、d:像面におけるフォーカス移動量、k:係数、F:F値、λ:第一及び第二の画像の撮像に用いる光の波長、である。
本発明の第2態様は、第一のフォーカス位置で被写体を撮像することで第一の画像を取得し、且つ、該第一のフォーカス位置と異なる第二のフォーカス位置で前記被写体を撮像
することで該第一の画像とボケが異なる第二の画像を前記第一の画像を取得した後に取得する撮像手段と、前記第一の画像と前記第二の画像のボケの違いに基づいて前記被写体の距離情報を決定する距離情報決定手段と、前記第一のフォーカス位置と前記第二のフォーカス位置の差であるフォーカス移動量が以下の式を満たすように、前記第二のフォーカス位置を設定するフォーカス位置設定手段と、を有することを特徴とする撮像装置を提供するものである。
−16×587.56nm×F 2 ≦d≦16×587.56nm×F 2 ,d≠0
ただし、d:像面におけるフォーカス移動量、F:F値である。
d=kF2λ,−16≦k≦16,k≠0
ただし、d:像面におけるフォーカス移動量、k:係数、F:F値、λ:第一及び第二の画像の撮像に用いる光の波長、である。
本発明の第4態様は、第一のフォーカス位置で被写体を撮像することで第一の画像を取得する第一の撮像ステップと、前記第一の撮像ステップの後、該第一のフォーカス位置と異なる第二のフォーカス位置で前記被写体を撮像することで該第一の画像とボケが異なる第二の画像を取得する第二の撮像ステップと、前記第一の画像と前記第二の画像のボケの違いに基づいて前記被写体の距離情報を決定する距離情報決定ステップと、を含む距離情報取得方法であって、前記第一のフォーカス位置と前記第二のフォーカス位置の差であるフォーカス移動量が以下の式を満たすように、前記第二のフォーカス位置が設定されていることを特徴とする距離情報取得方法を提供するものである。
−16×587.56nm×F 2 ≦d≦16×587.56nm×F 2 ,d≠0
ただし、d:像面におけるフォーカス移動量、F:F値である。
図1は、撮像光学系の構成と距離推定用の画像を撮影するときのフォーカス位置を模式的に示している。距離推定を行う場合、まず光学系を第一のフォーカス位置に合わせ(例えば、実線で示される光路)、被写体を撮像する。続いて、光学系を第二のフォーカス位置に変更し(例えば、破線で示される光路)、同じ被写体を撮像する。これによりボケが異なる2枚の画像が得られる。
DFD法の基本原理は、撮影条件の異なる複数の画像からボケの変化を抽出することで被写体の距離情報(各画素における距離情報)を推定するというものである。以下では、被写体の距離情報は、特に指定がない限り、像面側でのフォーカス位置からの相対距離の例で説明する。また、画像間のボケ変化の度合いは、撮像光学系の特性、すなわち撮像光学系の被写界深度に依存する。つまり、被写界深度が浅いとフォーカス移動量が小さくても十分なボケ変化が得られるが、被写界深度が深いとフォーカス移動量を大きくしなければ十分なボケ変化が得られない。被写界深度はF2λに比例するため、式1、式2のようにフォーカス移動量dを決めることで、所望のボケ変化が得られるようになる。
図1は、本発明の実施例1に係る撮像装置の主要な構成を模式的に示している。
撮像装置100は、撮像光学系10、撮像素子11、撮像部12、フォーカス位置設定部13および距離情報決定部14を備える。本実施例に用いる撮像光学系10は、単焦点の光学系でも可変焦点の光学系でもよく、画像を撮影する通常の撮像装置の撮像光学系に
より構成される。像面に配置されている撮像素子11は、カラーフィルタを有する撮像素子でもよいし、モノクロの撮像素子でもよいし、3板式の撮像素子でもよい。
−0.150mm<d<0.150mm,d≠0となる。よって表1記載のフォーカス移動量は式2を満たしている。なお、表1の撮影条件では係数kは2.13に設定されている。
フォーカス移動量は、PSF(Point Spread Function)のピーク値(PSFの座標中
心でのPSFの値)のデフォーカス特性を用いて距離計測する場合に適した値として設定している。本実施例では、収差の無い理想的な撮像光学系のPSFを用いて説明するが、実際の撮像光学系においてもほぼ同様に扱うことができる。フォーカス位置での収差のない理想的なPSFの形状は、PSF中心の座標における値をピークとしてなだらかに減少していくガウス関数のような形状をしている。図2にPSFの断面形状を実線で示す。しかし、デフォーカスするに従いPSF座標中心での値は低下し、形状は崩れていく。図2の点線はそれぞれ20μm、40μm、60μm、80μmだけデフォーカスした場合のPSFの断面を示している。
次に、PSFのピーク値から距離を算出する方法について説明する。
PSFピーク値のデフォーカス変化を撮影画像から求めることができれば距離を算出することが可能である。しかしながら、1枚の画像では、被写体の影響があるため、撮像光学系のPSFのピーク値を求めることは困難である。そこで、被写体の影響を除くため撮影条件を変えて撮影した複数の画像を用いる。被写体の影響を相殺するためには比をとるのが良い。具体的には、理論的に求めた撮像光学系のPSFピーク値の比のデフォーカス特性と、実際に撮影して得た2枚の画像から求めた値との対応をとることで距離計測を行うことができる。
実際に撮影して得られた2画像からPSFピーク比を計算する方法について説明する。2画像において対応する局所領域I1とI2は、シーンsとPSF1およびPSF2の畳み込みで表される。フーリエ変換した前記領域をFI1、FI2とし、シーンsのフーリエ変換をSとすると、この比は、
続いてPSFピーク比を用いた距離計測における距離計測範囲に関して図4を用いて説明する。
図4の実線で示すように、PSFピーク比のデフォーカス特性は、異なる二つのフォーカス位置の中間位置から徐々に値が低下し極小値に達した後再び値は上昇しこれを繰り返す。これは図3に示すように、PSFピーク値のデフォーカス特性が振動しているためである。以下、PSFピーク値、PSFピーク比などのデフォーカス特性曲線における最大のピークを「最大ピーク」もしくは「1次ピーク」と呼び、最大ピークの前側と後側にそれぞれ最初に現れる極小値を「1次極小値」と呼ぶ。
次に、フォーカス移動量と距離計測範囲変化の関係、およびフォーカス移動量とPSFピーク比の値域変化の関係に関して説明し、より最適なフォーカス移動量の設定に関して述べる。
最大値は1である。なお、フォーカス移動量が0の場合は距離計測できないため特異点となる。
本実施例では、広い距離計測範囲と、高い距離分解能(広い値域)を両立できるように、フォーカス位置の条件を設定する。具体的には、距離計測範囲が最大範囲の8割以上となり、かつ値域が最大値域の9割程度以上となるように、フォーカス移動量を設定するのが良い。
本実施例の撮影条件では、フォーカス移動量d=−0.020mm、F値F=4、波長λ=587.56nm、係数k=2.13である。この係数kの値は、前述した距離計測範囲の広さと距離分解能のバランスが良好な条件である、2≦k<4を満足している。
ここで式2は、波長を含む関数となっているため、フォーカス移動量は距離計測に用いる波長(つまり、第一及び第二の画像の撮像に用いる光の波長)で決めるのが好適である。撮像素子にカラーフィルタが配置されている場合は、波長によりぼけ方が異なるため色ごとに距離計測を行うのが好適である。その場合、カラーフィルタの中心波長を用いてフォーカス移動量を設定するのが良い。この場合、カラーフィルタの色の数だけフォーカス移動を行って撮影する必要がある。これを簡略化するため、例えばRGB画素配列の場合はG画素が多く配置されるためG画素を用いて距離計測を行うのが好適である。この場合は、フォーカス移動量の設定にはG画素フィルタの中心波長を使う。
ここまではフォーカス移動量について説明したが、続いてフォーカス移動方向に関して図8を用いて説明する。
図8(a)の0の位置が第一の画像の像面におけるフォーカス位置とすると、第一の画像のPSFのデフォーカス特性は0位置をピークとした点線のようにガウス関数形状となる(1次極小値までの形状)。
では負方向へ移動する(図8(a)のもう一方の点線)。これにより、PSFピーク比のピークは図8(a)の実線で示すように負方向へ移動する。このとき負方向に距離計測範囲が広がることが分かる。
一方、第一の画像のフォーカス位置より撮像装置側に距離計測範囲を広げたい場合は、第二の画像のフォーカス位置を撮像装置側に移動させる。図8(b)に示すように、第二の画像のフォーカス位置を像面で正方向へ移動させることで距離計測範囲も正方向に広がる。
本実施例では、第二の画像のフォーカス位置を第一の画像のフォーカス位置より負方向に移動させることにより、物体側でフォーカス位置より無限遠方向の計測範囲を拡げている。
本実施例では、所望のフォーカス位置での画像と、フォーカス位置を移動させた画像の2画像を用いて距離を計測する場合のフォーカス移動量について説明してきた。この条件の場合、PSFピーク比を求めると、PSFピーク比のピークは所望のフォーカス位置にはなく、2画像のフォーカス位置の中間位置に生じる。この結果は、PSFピーク比を距離に変換せずに、直接相対的な距離情報として利用する場合には向かない。PSFピーク比を相対的距離情報としてそのまま利用する場合には、所望のフォーカス位置に対し前後にずらして一枚ずつ撮影するのが好適である。この場合の前後の2枚のフォーカス位置の差は、本実施例のフォーカス移動量とし、2画像から得られるPSFピーク比のピークが所望のフォーカス位置になるように移動させるのが好適である。これにより、算出したPSFピーク比を直接相対的な距離情報として利用することが可能となる。
また、本実施例で規定した2画像間のフォーカス移動量で複数枚撮影し、2画像ごとの距離計測を繰り返し実施することで、より広い範囲の距離計測を行うことも可能である。
実施例2にかかる撮像装置は、実施例1に示す撮像装置と同様の構成である。構成は同様であるが、フォーカス移動量を設定するための方針(具体的には係数kの設定値)が異なる。
実施例3にかかる撮像装置は、実施例1に示す撮像装置と同様の構成である。構成は同様であるが、フォーカス移動量を設定するための方針が異なる。
実施例4にかかる撮像装置は、実施例1に示す撮像装置と同様の構成である。構成は同様であるが、フォーカス移動量を設定するための方針が異なる。
実施例5にかかる撮像装置は、実施例1に示す撮像装置と同様の構成である。構成は同様であるが、フォーカス移動量を設定するための方針が異なる。本実施例では、所望のフォーカス位置(第一の画像のフォーカス位置)が距離計測範囲に含まれるように、フォーカス移動量を設定する。
PSFの相関量を用いた距離計測は、2画像のPSFの形状がどれだけ類似しているかを指標とする。
図11の実線で示すように、PSFの相関量のデフォーカス特性は、異なる二つのフォーカス位置の中間位置から徐々に値が低下し極小値に達した後再び値は上昇しこれを繰り返す。PSF相関量のデフォーカス特性曲線の場合も、最大のピークを「最大ピーク」もしくは「1次ピーク」と呼び、最大ピークの前側と後側にそれぞれ最初に現れる極小値を「1次極小値」と呼ぶ。
次に、フォーカス移動量と距離計測範囲変化の関係、およびフォーカス移動量とPSF相関量の値域変化の関係に関して説明し、より最適なフォーカス移動量の設定に関して述べる。
の前側の1次極小値位置と後側の1次極小値位置の間の範囲)がフォーカス移動量が大きくなるに従って緩やかに狭くなっていくことが分かる。
同様に図13(b)において、横軸がフォーカス移動量であり、縦軸が値域である。ここでPSF相関量は正規化されているため値域の最大値は1である。±0.078mm付近のフォーカス移動量の場合に値域が最大となる。
また、図13(c)に、第一の画像のフォーカス位置におけるPSF相関量の傾きのフォーカス移動量に伴う変化を示す。±0.054mm付近のフォーカス移動量の場合に傾きが最大となる。
本実施例では、距離計測範囲の広さと、値域の広さと、第一の画像のフォーカス位置での距離分解能の高さの3つが同時満足できるように、撮影条件を設定する。具体的には、距離計測範囲、値域、フォーカス位置でのPSF相関量の傾き、の3つを夫々正規化して加重平均をとり、評価値(スコア)を算出する。そして、この評価値を最大にするフォーカス移動量を設定する。本実施例では全て同じ重みにして評価した。この時の最適なフォーカス移動量が±0.055mmである。この結果を図14に示す。
本実施例の撮影条件は、フォーカス移動量d=−0.055mm、F値F=4、波長λ=587.56nmである。これらから式2の係数kの値を算出すると、k=5.85となり、式2で規定する係数kの範囲を満足している。
上述した本発明の距離計測技術は、例えば、ディジタルカメラやカムコーダなどの撮像装置、或いは撮像装置で得られた画像データに対し画像処理を施す画像処理装置やコンピュータなどに好ましく適用できる。また、このような撮像装置或いは画像処理装置を内蔵する各種の電子機器(携帯電話、スマートフォン、スレート型端末、パーソナルコンピュ
ータを含む)にも本発明の技術を適用可能である。上記実施例では撮像装置本体に距離情報決定部の機能を組み込んだ構成を示したが、距離情報決定部の機能はどのように構成してもよい。たとえば、撮像装置を有するコンピュータに距離情報決定部を組み込み、撮像装置で撮影した画像をコンピュータが取得して、それに基づいて距離算出を行うようにしてもよい。また、有線あるいは無線によりネットワークアクセス可能なコンピュータに距離情報決定部が組み込まれて、そのコンピュータがネットワークを介して複数枚の画像を取得し、それに基づいて距離算出を行うようにしてもよい。得られた距離情報は、例えば、画像の領域分割、立体画像や奥行き画像の生成、ボケ効果のエミュレーションなどの各種画像処理に利用することができる。
Claims (15)
- 第一のフォーカス位置で被写体を撮像することで第一の画像を取得し、且つ、該第一のフォーカス位置と異なる第二のフォーカス位置で前記被写体を撮像することで該第一の画像とボケが異なる第二の画像を前記第一の画像を取得した後に取得する撮像手段と、
前記第一の画像と前記第二の画像のボケの違いに基づいて前記被写体の距離情報を決定する距離情報決定手段と、
前記第一のフォーカス位置と前記第二のフォーカス位置の差であるフォーカス移動量が以下の式を満たすように、前記第二のフォーカス位置を設定するフォーカス位置設定手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
d=kF2λ,−16≦k≦16,k≠0
ただし、d:像面におけるフォーカス移動量、k:係数、F:F値、λ:第一及び第二の画像の撮像に用いる光の波長、である。 - 前記距離情報決定手段は、前記第一の画像から得られるPSFのピーク値と前記第二の画像から得られるPSFのピーク値の比に基づいて、前記距離情報を決定することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記撮像手段のPSFのピーク値は、フォーカス位置で最大となり、デフォーカスするにしたがって低下し、前記フォーカス位置からのデフォーカス量が所定量のときに極小値をとる特性を有しており、
前記フォーカス移動量の絶対値は、前記所定量よりも小さい値に設定されることを特徴とする請求項2に記載の撮像装置。 - 前記距離情報決定手段は、前記第一の画像から得られるPSFと前記第二の画像から得られるPSFの相関に基づいて、前記距離情報を決定することを特徴とする請求項1に記載の撮像装置。
- 前記撮像手段のPSFの分散値は、フォーカス位置で最大となり、デフォーカスするにしたがって低下し、前記フォーカス位置からのデフォーカス量が所定量のときに最大値の1/e2となる特性を有しており、
前記フォーカス移動量の絶対値は、前記所定量の2倍よりも小さい値に設定されることを特徴とする請求項4に記載の撮像装置。 - 前記距離情報決定手段が、前記被写体がある1つの距離範囲に含まれるか否かを判定するものである場合に、
前記フォーカス移動量が以下の式を満たすように設定されることを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の撮像装置。
d=kF2λ,−16≦k<−8,8<k≦16
ただし、d:像面におけるフォーカス移動量、k:係数、F:F値、λ:第一及び第二の画像の撮像に用いる光の波長、である。 - 前記距離情報決定手段が、前記被写体が3つ以上の距離範囲のうちのいずれに含まれるかを判定するものである場合に、
前記フォーカス移動量が以下の式を満たすように設定されることを特徴とする請求項1〜5のうちいずれか1項に記載の撮像装置。
d=kF2λ,−8≦k<0,0<k≦8
ただし、d:像面におけるフォーカス移動量、k:係数、F:F値、λ:第一及び第二の画像の撮像に用いる光の波長、である。 - 前記フォーカス移動量が以下の式を満たすように設定されることを特徴とする請求項7に記載の撮像装置。
d=kF2λ,−4<k≦−2,2≦k<4 - 前記距離情報決定手段が、前記第一のフォーカス位置よりも無限遠側にある被写体の距離情報を決定する場合は、
前記第一のフォーカス位置よりも無限遠側に前記第二のフォーカス位置が設定されることを特徴とする請求項1〜8のうちいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記距離情報決定手段が、前記第一のフォーカス位置よりも撮像装置側にある被写体の距離情報を決定する場合は、
前記第一のフォーカス位置よりも撮像装置側に前記第二のフォーカス位置が設定されることを特徴とする請求項1〜9のうちいずれか1項に記載の撮像装置。 - 前記撮像手段が、RGB画素配列のカラーフィルタを備える撮像素子を有し、
前記λは、G画素のカラーフィルタの中心波長であることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の撮像装置。 - 第一のフォーカス位置で被写体を撮像することで第一の画像を取得し、且つ、該第一のフォーカス位置と異なる第二のフォーカス位置で前記被写体を撮像することで該第一の画像とボケが異なる第二の画像を前記第一の画像を取得した後に取得する撮像手段と、
前記第一の画像と前記第二の画像のボケの違いに基づいて前記被写体の距離情報を決定する距離情報決定手段と、
前記第一のフォーカス位置と前記第二のフォーカス位置の差であるフォーカス移動量が以下の式を満たすように、前記第二のフォーカス位置を設定するフォーカス位置設定手段と、を有することを特徴とする撮像装置。
−16×587.56nm×F 2 ≦d≦16×587.56nm×F 2 ,d≠0
ただし、d:像面におけるフォーカス移動量、F:F値である。 - 第一のフォーカス位置で被写体を撮像することで第一の画像を取得する第一の撮像ステップと、
前記第一の撮像ステップの後、該第一のフォーカス位置と異なる第二のフォーカス位置で前記被写体を撮像することで該第一の画像とボケが異なる第二の画像を取得する第二の撮像ステップと、
前記第一の画像と前記第二の画像のボケの違いに基づいて前記被写体の距離情報を決定する距離情報決定ステップと、を含む距離情報取得方法であって、
前記第一のフォーカス位置と前記第二のフォーカス位置の差であるフォーカス移動量が以下の式を満たすように、前記第二のフォーカス位置が設定されていることを特徴とする距離情報取得方法。
d=kF2λ,−16≦k≦16,k≠0
ただし、d:像面におけるフォーカス移動量、k:係数、F:F値、λ:第一及び第二の画像の撮像に用いる光の波長、である。 - 第一のフォーカス位置で被写体を撮像することで第一の画像を取得する第一の撮像ステップと、
前記第一の撮像ステップの後、該第一のフォーカス位置と異なる第二のフォーカス位置で前記被写体を撮像することで該第一の画像とボケが異なる第二の画像を取得する第二の撮像ステップと、
前記第一の画像と前記第二の画像のボケの違いに基づいて前記被写体の距離情報を決定する距離情報決定ステップと、を含む距離情報取得方法であって、
前記第一のフォーカス位置と前記第二のフォーカス位置の差であるフォーカス移動量が以下の式を満たすように、前記第二のフォーカス位置が設定されていることを特徴とする距離情報取得方法。
−16×587.56nm×F 2 ≦d≦16×587.56nm×F 2 ,d≠0
ただし、d:像面におけるフォーカス移動量、F:F値である。 - 請求項13又は14に記載の距離情報取得方法の各ステップをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
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