JP6416034B2 - 撮像装置および焦点制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置および焦点制御方法に関するものである。

従来、水平方向の微分信号成分のみを適用しているフォーカス検波回路において、１Ｈ遅延回路（ラインメモリ、ＦＩＦＯ(First-In,First-Out)等）が不要となり、回路規模が比較的小規模で実現可能といった長所があるが、垂直方向の微分信号成分が零であるため横線等の輝度値の水平方向の変化率が零の被写体の場合（水平方向成分が零）或いは、非常に少ない場合、ＡＦ(Autofocus)評価値の極大点の検出が困難になり、オートフォーカス機能の正常動作が原理的に困難になる欠点がある。また、垂直方向の微分信号を生成するにあたり、１Ｈ遅延回路（ラインメモリ、ＦＩＦＯ等）が必要となり、ＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)デバイスにおけるメモリ回路規模が増大し、メモリ搭載に制約を受ける等リソース上の課題がある。

先行技術文献としては、例えば、特許文献１にラインセンサを複数のブロックに分割してブロック毎に蓄積制御する機能を有する焦点検出装置において、焦点検出精度の低下を回避する技術が開示されている。

特許５５７６６６４号公報

本発明の目的は、水平方向の輪郭成分が零または非常に低い被写体でもレンズの焦点を合わせることである。

本発明の撮像装置は、フォーカス機能を有するレンズ部と結合する撮像装置であって、撮像装置は撮像部と映像信号処理部と映像信号出力部と信号処理部を有し、信号処理部は映像信号処理部から出力された輝度信号から微分とフレーム内積分して第１のＡＦ評価値を生成する手段と、輝度信号から１ライン積算とフレーム間積分から第２のＡＦ評価値を生成する手段と、第１のＡＦ評価値または前記第２のＡＦ評価値から最大値を検出する最大値検出手段を有し、最大値検出手段はレンズ部のフォーカス制御信号を生成することを特徴とする。

また、本発明の撮像装置は、上述の撮像装置であって、最大値検出手段はレンズ部からのフォーカス位置情報を基にフォーカス制御信号を生成することを特徴とする。

さらに、本発明の撮像装置の焦点制御方法は、フォーカス機能を有するレンズ部と結合する撮像装置の焦点制御方法であって、輝度信号を微分するステップと、該微分した信号を絶対値化するステップと、フレーム内積分して第１のＡＦ評価値を生成するステップと、 輝度信号を１ライン積算するステップと、フレーム内比較で最大値と最小値を選択するステップと、最大値と最小値の差分を絶対値化するステップと、フレーム間積分して第２のＡＦ評価値を生成するステップと、第１のＡＦ評価値と所定値を比較するステップと、第１のＡＦ評価値と所定値が同じ場合には第２のＡＦ評価値を選択するステップと、第１のＡＦ評価値と所定値が異なる場合には第１のＡＦ評価値を選択するステップと、レンズ部のフォーカス位置情報を取得するステップと、第１のＡＦ評価値または第２のＡＦ評価値の最大値を検出するステップと、フォーカス制御信号を出力するステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、水平方向の輪郭成分が零または非常に低い被写体でもレンズの焦点を合わせることができる。

本発明の一実施例である撮像装置を説明するためのブロック図である。 本発明の一実施例である撮像装置の動作を説明するための図である。 本発明の一実施例である撮像装置の動作を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例である撮像装置を説明するためのブロック図である。
図１において、撮像装置１００は、フォーカス機能を有するレンズ部１５０と結合されている。
撮像装置１００は、撮像部１０１、映像信号処理部１０２、映像信号出力部１０３、信号処理部１２０で構成されている。
撮像装置１００は、レンズ部１５０で集光された入射光を撮像部１０１で光電変換し、映像信号処理部１０２で映像信号のレベル調整等を施し、映像信号出力部１０３で所定のフォーマットの信号に変換して出力する。

信号処理部１２０は、映像信号処理部１０２から出力された輝度（Ｙ）信号からフォーカス機能付きレンズ部１５０を制御するためのフォーカス制御信号を生成する。
信号処理部１２０は、ＨＰＦ(High-Pass Filter)部１２１、絶対値化処理部１２２、ゲート信号生成部１２３、フレーム内積分部１２４、所定値発生部１２５、比較部１２６、１ライン積算部１２７、フレーム内比較部１２８、差分抽出部１２９、ＣＰＵ(Central Processing Unit)部１４０で構成されている。
ＣＰＵ部１４０は、選択部１４１、最大値検出部１４２、フレーム間積分部１４３で構成されている。
なお、ＣＰＵ部１４０は、信号処理部１２０の全部または一部を構成してもよい。

次に、本発明の一実施例である撮像装置の動作について図１と図２を用いて説明する。
図２は本発明の一実施例である撮像装置の動作を説明するための図である。
図２は、撮像装置１００がフォーカス検波エリア枠内に横線等の水平方向の時間的変化量が零または零に近い被写体を撮像している状態である。

ＨＰＦ部１２１は、輝度（Ｙ）信号の水平方向のみを微分して、ｄＹ／ｄｔを生成する。
本発明の一実施例であるレンズの焦点（フォーカス）制御方法は、コントラスト差分方式である。このため、当該微分信号成分ｄＹ／ｄｔの大きさを抽出するため、絶対値化処理部１２２により、絶対値化し、｜ｄＹ／ｄｔ｜として出力する。

ゲート信号生成部１２３は、Ｙ信号の中でフォーカス制御信号に使用できる期間を選択するためのゲート信号を生成するものであり、例えば、ブランキング期間等を削除するゲート信号を生成する。
フレーム内積分部１２４は、ゲート信号が有効の間、同一フレーム内を積分し、フレーム期間毎に第1ＡＦ評価値としてＣＰＵ部１４０に出力する。

ここで、フォーカス位置が合焦位置のときのフレーム映像信号をk番目のフレーム１（以下、フレームｋ）とする。当該フレームに対して、1フレーム期間前及び、1フレーム期間後のフレーム映像信号をそれぞれ（ｋ−１）、(ｋ＋１)番目のフレーム（以下、フレーム（ｋ−１）、フレーム（ｋ＋１））とする。またフレームk内における輝度信号値の最大値、最小値をそれぞれＹｋ_max、Ｙｋ_minとし、フレームｋ内におけるライン内の輝度（同一ライン内で各画素の輝度値を１画素当たりの加算平均で求めた信号値）の最大値、最小値をそれぞれＬｋ_max、Ｌｋ_minとする。

屋外昼間時等では、被写体の輝度が高く、映像信号処理部１０２の利得制御信号が零（ノイズが無いまたは少ない、利得１倍）または零に近い（利得約１倍）場合、水平方向に輝度が変化しないため、Ｙｋ_max＝Ｌｋ_max及び、Ｙｋ_min＝Ｌｋ_minが成り立つ。
一方、夜間暗闇等では、被写体の輝度が低く、映像信号処理部１０２の利得制御信号が増大することで併せてノイズも増大することから、Ｙｋ_max＝Ｌｋ_max及び、Ｙｋ_min＝Ｌｋ_minは成り立たない。つまり、Ｙｋ_max≠Ｌｋ_max、Ｙｋ_min≠Ｌｋ_minとなる。

映像信号で同一座標の１つの画素のみを検出するとノイズの粒及び、白キズ等本来のコントラストのレベルとは乖離した輝度信号値を検出することが懸念させる。
このため、図２のフレーム内における同一ライン分の輝度値の最大値（Ｌｋ_max）２、最小値（Ｌｋ_min）３を検出する。

上記より、合焦点に近づくにつれて輝度値の最大と最小の差分が増大し、逆に非合焦になるにつれて輝度値の最大と最小の差分が減少するため、フォーカス位置（focus position）（以下、fpと称する）がk番目のフレームで合焦位置であるとき、以下の関係が成り立つ。
|Ｌｋ-2_max -Ｌｋ-2_min |<|Ｌｋ-1_max -Ｌｋ-1_min |<|Ｌｋ_max -Ｌｋ_min |、
|Ｌｋ_max -Ｌｋ_min |>|Ｌｋ+1_max -Ｌｋ+1_min |>|Ｌｋ+2_max -Ｌｋ+2_min |

レンズ部１５０が動作中でフォーカス位置が刻々と変化している間、ある時刻のフレームaからフレームｂ（ａ＜ｂ.ｓ.ｔ.｜ａ−ｂ｜＞１）までのフレーム期間（複数のフレーム）ＣＰＵ部１４０内部演算処理でフレーム間積分部１４３にて積分した値を新たにＡＦ評価値とし、同一フレーム内における絶対値化処理部１２２で絶対値化された水平微分信号|ｄＹ／ｄｔ|H=0と判定したとき、比較部１２６の出力が‘真’となり、選択部１４１により、Σ|Ｌfp_max -Ｌfp_min |（但し、積算区間は [a,b]、fp=aからfp=bまでの区間）が選択されて最大値検出部１４２で検出される。

最大値検出部１４２は、検出した極大点に対応するフォーカス制御信号ｆｐをレンズ部１５０に対して出力する。
最大値検出部１４２は、上記フレーム間の積分値の最大値を合焦位置と見なしてして検出する。これより、合焦位置（fp=k）を含む同一フレーム内のライン最大値とライン最小値の差分の積分値Σ|Ｌfp_max -Ｌfp_min |が極大となる。
但し、注意点としては｜ａ−ｂ｜の値が高すぎる（例えば、積分する区間の対象となるフレーム数が多すぎる）と処理負荷が増大したり、特性が鈍化して極大点の検出精度が低下するので、適正値を選択する必要がある。

次のサンプリング時（１フレーム毎のサンプリング間隔）は区間[a+1,b+1]にて各フレームの｜Lfp_max-Lfp_min｜を積分して、第２ＡＦ評価値として出力する。
同様に、サンプリング期間毎に積分区間をずらして｜Lfp_max-Lfp_min｜を積分した値を第２ＡＦ評価値として出力する。

本発明の一実施例である撮像装置１００は、同一フレーム内の最大ラインと最小ラインのみを検出する（例えば、中間のラインにおける信号値は無視する）ことで、映像信号処理部１０２の利得制御信号が高利得（ハイゲイン）でノイズ増大時のコントラスト差分の誤検出を低減でき、上記積分値に対する誤検出が低減する。即ち、耐ノイズ性が向上する。
なお、本発明の一実施例である撮像装置１００は、レンズ部１５０からフォーカス位置情報（Near端〜Far端）を最大値検出部１４２に入力することにより、合焦点の収束が速くなる。

次に、本発明の一実施例である撮像装置の詳細な動作について図３を用いて説明する。
図３は、本発明の一実施例である撮像装置の動作を説明するためのフローチャートである。
図３において、信号処理部１２０は、輝度（Ｙ）信号を微分してｄＹ／ｄｔ信号を生成し（Ｓ３０１）、ｄＹ／ｄｔ信号を絶対値化処理して｜ｄＹ／ｄｔ｜信号を生成する（Ｓ３０２）。

Ｓ３０３の処理では、｜ｄＹ／ｄｔ｜信号がゲート信号の有効期間内か否かを判定し、有効期間内である場合（ＹＥＳ）にはＳ３０３の処理に進み、有効期間内でない場合（ＮＯ）にはＳ３０１の処理に戻る。
Ｓ３０４の処理では、フレーム内を積分して第１ＡＦ評価値を生成する。

次に、信号処理部１２０は、輝度（Ｙ）信号を１ライン積算し（Ｓ３０５）、フレーム内比較でＬ，ｍａｘとＬ，ｍｉｎを選択し（Ｓ３０６）、Ｌ，ｍａｘとＬ，ｍｉｎの差分｜Ｌ，ｍａｘ−Ｌ，ｍｉｎ｜を抽出し（Ｓ３０７）、フレーム間積分して第２ＡＦ評価値を生成する（Ｓ３０８）。

次に、信号処理部１２０は、Ｓ３０９の処理で第１ＡＦ評価値と第２ＡＦ評価値が同じであるか否かを判定し、同じである場合（ＹＥＳ）にはＳ３１０の処理に進み、同じでない場合にはＳ３１１の処理に進む。
Ｓ３１０の処理では第２ＡＦ評価値を選択してＳ３１２の処理に進む。
Ｓ３１１の処理では第１ＡＦ評価値を選択してＳ３１２の処理に進む。

次に、信号処理部１２０は、レンズ部１５０からフォーカス位置情報を取得し（Ｓ３１２）、第１ＡＦ評価値または第２ＡＦ評価値の最大値を検出し（Ｓ３１３）、フォーカス制御信号ｆｐを生成してレンズ部１５０に出力する（Ｓ３１４）。

本発明の実施形態である撮像装置は、水平方向の輪郭成分が零または非常に低い被写体でもレンズの焦点を合わせることができる。

以上本発明について詳細に説明したが、本発明は、ここに記載された撮像装置に限定されるものではなく、上記以外の撮像装置に広く適用することができることは言うまでもない。

輝度信号の同一フレーム内水平微分信号とフレーム間差分情報の何れかを選択できることによって、水平方向の輪郭成分が零または非常に低い被写体でもレンズの焦点が合うため、監視等の用途にも適用できる。

１００：撮像装置、１５０：レンズ部、１０１：撮像部、１０２：映像信号処理部、１０３：映像信号出力部、１２０：信号処理部、１２１：ＨＰＦ部、１２２：絶対値化処理部、１２３：ゲート信号生成部、１２４：フレーム内積分部、１２５：所定値発生部、１２６：比較部、１２７：１ライン積算部、１２８：フレーム内比較部、１２９：差分抽出部、１４０：ＣＰＵ部、１４１：選択部、１４２：最大値検出部、１４３：フレーム間積分部。

Claims (3)

1. フォーカス機能を有するレンズ部と結合する撮像装置において、
   前記撮像装置は、撮像部と映像信号処理部と映像信号出力部と信号処理部を有し、
   前記信号処理部は、前記映像信号処理部から出力された輝度信号から微分とフレーム内積分して第１のＡＦ評価値を生成する手段と、前記輝度信号から１ライン積算とフレーム間積分から第２のＡＦ評価値を生成する手段と、前記第１のＡＦ評価値または前記第２のＡＦ評価値から最大値を検出する最大値検出手段を有し、
   前記最大値検出手段は、前記レンズ部のフォーカス制御信号を生成することを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、
   前記最大値検出手段は、前記レンズ部からのフォーカス位置情報を基にフォーカス制御信号を生成することを特徴とする撮像装置。
3. フォーカス機能を有するレンズ部と結合する撮像装置の焦点制御方法において、
   輝度信号を微分するステップと、該微分した信号を絶対値化するステップと、フレーム内積分して第１のＡＦ評価値を生成するステップと、
   輝度信号を１ライン積算するステップと、フレーム内比較で最大値と最小値を選択するステップと、前記最大値と前記最小値の差分を絶対値化するステップと、フレーム間積分して第２のＡＦ評価値を生成するステップと、
   前記第１のＡＦ評価値と所定値を比較するステップと、前記第１のＡＦ評価値と所定値が同じ場合には前記第２のＡＦ評価値を選択するステップと、前記第１のＡＦ評価値と前記所定値が異なる場合には前記第１のＡＦ評価値を選択するステップと、
   前記レンズ部のフォーカス位置情報を取得するステップと、
   前記第１のＡＦ評価値または前記第２のＡＦ評価値の最大値を検出するステップと、フォーカス制御信号を出力するステップと、
   を有することを特徴とする撮像装置の焦点制御方法。

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