JP2004304798A - 光学ズームとデジタルズームの組み合わせ - Google Patents
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Abstract
【課題】光学ズームとディジタルズームを組み合せたデジタル撮像方法および装置を提供する。
【解決手段】デジタルズームと光学ズームが複数の離散したデジタルズームレベルにわたって組み合わせられる。全体の見かけ上のズームレベルが連続し、途切れなく見えるように、画像のデジタル表現に対するデジタル補間が離散デジタルズームレベル間の遷移期間中に適用される。
【選択図】なし
【解決手段】デジタルズームと光学ズームが複数の離散したデジタルズームレベルにわたって組み合わせられる。全体の見かけ上のズームレベルが連続し、途切れなく見えるように、画像のデジタル表現に対するデジタル補間が離散デジタルズームレベル間の遷移期間中に適用される。
【選択図】なし
Description
本発明は、デジタル撮像に関し、特に、光学ズームとデジタルズームを組み合わせたデジタル撮像方法および装置に関する。
デジタル画像キャプチャー技術は、フィルムベースの技術に急速に取って代わりつつある。現在、デジタルスチルカメラおよびデジタルビデオカメラは両方とも広く出回っている。デジタルスチル機能とデジタルビデオ機能を1台の装置に組み合わせた写真−ビデオカメラ製品も出回っている。デジタルスチル写真では、可能な限り高い解像度を備えたイメージセンサ、たとえばおおよそ2600×2000ピクセルフォーマットの5メガピクセル(MP)センサが必要とされる。フィルムベースの写真の画質に見合うものとするためには、高解像度が必要とされる。一方、デジタルビデオ写真においては、はるかに低い解像度のみが必要とされ、通常、30フレーム/秒で約640×480ピクセルのVGA解像度である。したがって、写真−ビデオカメラの場合、ビデオ画像は通常、センサに固有の解像度に関して適当名しかるべきサンプリングレートでサンプリングされる。すなわち、画像は2600×2000ピクセルというセンサの最高解像度を使用して形成されるが、ビデオ画像の形成には、低減された数のピクセルしか使用されない。通常、サンプリングプロセスは、アナログからデジタルへの変換が行われる前に、ピクセルブロックからの電荷がまとめられるビニング(binning)の要素もいくらか含む。
スチル解像度とビデオ解像度の間のこの生来の不整合により、いくつかのデジタルズーム機能を提供する機会が提供される。先の例の5MPセンサを取り上げると、センサ全体にわたって水平および垂直に4個ごとにピクセルをサンプリングすることによって一方で得られるVGA解像度画像と、センサに固有の解像度でセンサの中央から640×480ピクセル領域をサンプリングすることによって他方で得られるVGA解像度画像との間には、4倍の差が存在しうる。したがって、実質的に連続的な光学ズームレンズによって提供されるズーム効果とは対照的に、デジタルズームは生来離散的なプロセスである。光学ズームに対する代替として、あるいは全体のズーム倍率を上げる一方法として、何らかのデジタルズームを提供するデジタルスチルカメラおよびデジタルビデオカメラを提供することが知られている。こういった方式では、デジタルズームプロセスにより、一般に何らかのピクセル補間を使用して完全なスチル/ビデオ解像度にアップサンプリングされて戻されたクロッピング画像が生成される。
時にリサンプリングとも呼ばれる補間は、デジタル画像のサイズを増大させる撮像方法である。様々な補間方式が既知である。たとえば、デジタル画像のサイズを増大させる最も単純な方法は、「最近接」補間と呼ばれる。これは単に、新しいピクセルの最近接の色を採用し、この色を新しいピクセルに使用するというものである。しかし、これは目に見えるピクセレーションおよび目に見えるジャギーをもたらす。より高度な補間方式は、一般にデジタルカメラに使用される双一次補間である。これは、ジャギーのほとんどない比較的滑らかなエッジを生成する。出力ピクセルは、ソース画像中のピクセルに最も近い2×2近接中の4個のピクセルの双一次関数として決定される。双三次補間はさらにより高度な方式であり、ほとんどジャギーがない非常に滑らかなエッジを生成する。出力ピクセルは、ソース画像中のピクセルに最も近い4×4近接中の16個のピクセルの双三次関数である。これは一般に、写真編集ソフトウェアにおいて使用される補間方法である。しかし、すべての補間には、実際に記録されていない画像データの作成が含まれるため、その結果は常に、真の光学ズームによってキャプチャーされた実際の画像よりも劣る。
上に述べたように、デジタルズーム機能および光学ズーム機能の両方を提供するデジタルスチルカメラおよびデジタルビデオカメラを提供することが知られている。たとえば、米国特許第5,684,532号には、画像の倍率を素早く変更することができるデジタルズーム機能が提供され、光学ズーム機能も同様に提供される、セキュリティ監視システムと併せて使用するビデオカメラシステムが記載されている。デジタルズーム機能を使用して所望の倍率に切り換えた後、光学ズームレンズが、デジタルズームによって提供される倍率に合わせるように動作する。光学ズーム倍率が上げられると、電子ズーム倍率がそれに対応して、画像の全体の倍率が略不変なように下げられる。同様の方式は、米国特許第5,701,157号にも記載されている。この特許には、光学ズーム機能と同時にデジタルズーム機能を使用して、光学ズーム機能の非線形倍率を補償するズーム装置が記載されている。同様のシステムが、米国特許第5,420,632号に記載されている。
本発明の一態様によれば、ズーム装置は、連続ズーム範囲にわたって画像を提供するように構成された光学ズームレンズと、該光学ズームレンズから画像を受け取り、該画像のデジタル表現を提供するように構成されたイメージセンサと、見かけ上の全体ズームレベルが離散デジタルズームレベルと光学ズームレベルとの積になるように、少なくとも2つの離散ズームレベルのうちの1つを画像のデジタル表現に適用するように構成されたデジタルズーム装置とを備える。該デジタルズーム装置は、離散ズームレベル間の遷移期間中に、画像のデジタル表現にデジタル補間を適用するように構成される。
したがって、必要とされるデジタル補間を最小にしながら、個々の光学ズーム範囲およびデジタルズーム範囲の積としてもたらされるズーム範囲全体にわたって略連続的なズーム機能を提供するズーム装置を提供することが可能である。
好ましくは、離散デジタルズームレベル間の遷移期間中、光学ズームレンズは、離散デジタルズームレベルの変更を実質的に補償するように調整される。
追加として、ズームレンズは、好ましくは、変更されたデジタルズームレベルとズームレベルの積として、デジタル補間によって提供されるズームレベルに実質的に等しい見かけ上の全体ズームレベルを提供する光学ズームレンズのズーム範囲中のポイントに自動的に調整されるように構成される。
デジタルズーム装置は、好ましくは、見かけ上の全体ズームレベルの変更率が、光学ズームレンズによって提供されるズームレベルの変更率に実質的に等しいようにデジタル補間を適用する。それゆえ、見かけ上の全体ズーム範囲は、離散ズームレベルの遷移中でも、連続的であり、絶切れないようになる。
追加または代替として、離散デジタルズームレベル間の遷移期間は、好ましくは、光学ズームレンズのズーム範囲の終点においてのみ開始される。
追加または代替として、ズームレンズは、好ましくは、離散ズームレベル間の遷移期間中に、ズームレンズのズーム範囲の第1端からズーム範囲の第2端に向けて自動的に調整されるように構成される。
追加または代替として、離散デジタルズームレベルは、離散電荷ビニング方式を適用することによって提供されてもよい。
本発明の第2の態様によれば、ズーム装置の動作方法であって、連続ズーム範囲にわたって光学ズームレンズを動作させて、光学画像を提供すること、見かけ上の全体ズームレベルが離散デジタルズームレベルと光学ズームレベルとの積になるように、複数の離散デジタルズームレベルのうちの1つを光学画像のデジタル表現に適用すること、離散デジタルズームレベルが変更される遷移期間中に、画像のデジタル表現にデジタル補間を適用すること、とを含む、ズーム装置の動作方法が提供される。
好ましくは、離散デジタルズームレベル間の遷移期間中に、光学ズームレンズは、離散デジタルズームレベルの変更を実質的に補償するように調整される。
追加として、好ましくは、ズームレンズは、光学ズームレベルと離散デジタルズームレベルにおける変更との積として、デジタル補間によって提供されるズームレベルに実質的に等しい見かけ上の全体ズームレベルを提供する、光学ズーム範囲中のポイントに戻るように動作される。
追加として、好ましくは、見かけ上の全体ズームレベルの変更率が、光学ズームレンズによって提供されるズームレベルの変更率に実質的に等しいようにデジタル補間が適用される。
追加または代替として、離散デジタルズームレベルが変更される遷移期間は、好ましくは、光学ズームレンズによって提供されるズーム範囲の終点においてのみ開始される。
追加または代替として、ズームレンズは、好ましくは、遷移期間中に、その遷移期間の直前に達したズーム範囲の終点から、ズーム範囲の反対の終点に向けて戻るように動作する。
追加または代替として、複数の離散デジタルズームレベルはそれぞれ、好ましくは、離散電荷ビニング(discrete charge binning)方式を適用することによって提供される。
本発明のさらなる態様によれば、本発明の第1の実施形態のズーム装置を備えるデジタルカメラが提供される。
本発明の一実施形態について、添付図面を参照しながら実例としてのみ以下で説明する。
図1および図2は、固定解像度のセンサを使用して2倍(2×)デジタルズームを実行する単純な例の図である。図1では、センサ2の全エリアが、水平方向および垂直方向の両方においてピクセルサイトの半分のみでサンプリングされ、所望の出力解像度で拡大のない画像が提供される。図1中の円エリア4は、センサ2の一部をさらに詳細に表している。各ピクセル6が示され、サンプリングされたピクセル8が影付きで示される。図2では、センサ2の中央部分10のみが、拡大領域4で示すように最高センサ解像度でサンプリングされるため、受信画像の2×拡大を提供しながら、図1の解像度と同じピクセル解像度を有する出力を提供する。
図1の場合のように、ピクセル6の一部のみをサンプリングすることによって導入されるサンプリングアーティファクトを回避するには、ある形状の電荷ビニングをサンプリング前に実行することが慣例である。これを図3に示す。実際には、センサの全面積の小さな一部分であるピクセル6の4×4アレイが示される。サンプリング前に、4個ピクセルの各群の個々の電荷が、4個ピクセルのうちの1個にまとめられる。たとえば、A〜Dとラベルされた図3に示すアレイの左上の象限中の各ピクセルからの電荷が、一般的にはセンサ読み取り電子回路によってまとめられて、1個のピクセルとして扱われる1つの電荷読み取り値が生成される。図3にはこれが概略的に示されており、事実上1個おきのピクセルのみがサンプリングされるが、そのピクセルの電荷値は、そのピクセルに3個の近接ピクセルを足したものの加重平均となっている。近接ピクセルB〜Dからの電荷は単一ピクセルAに物理的には伝達されないことが理解されるであろう。
最高のセンサ解像度でセンサをサンプリングすることによって得られる拡大よりさらに大きい画像のデジタルの拡大を実現するには、ある種の補間を使用する必要がある。この一例を図4に示す。図4では、エリア10にわたって、所望の出力解像度、たとえば640×480ピクセルに等しいセンサに固有の最高解像度でセンサがサンプリングされる。エリア10から、サンプリングエリア10の半分のサイズのさらなるエリア12がクロッピングされる。クロッピングされるエリア12は、2倍に拡大すべきサンプリング画像の部分を表す。4個ピクセルのブロックを含む、クロッピングエリア12の小部分が小さい方の円領域14に示される。個々のピクセルは、左上から右下にA〜Dとラベルされる。所望の出力解像度、すなわち640×480ピクセルを有する最終画像を提供するために、各ピクセルに補間プロセスが適用される。補間プロセスは、大きい方の円領域16に示される。この特定の場合では、元のピクセルA〜Dは影付きの正方形として示され、残りの空きピクセルは補間プロセスによって生成されたピクセルとなる。したがって、最終画像は、所望の解像度になっており、センサに固有の解像度で全域10をサンプリングすることによって生成される画像をもう2×拡大したものとなる。補間プロセスは、ピクセルを直接感知するのではなくピクセルデータを生成するため、必然的に画質が低下する。図4に示す例は離散デジタルズームレベル(この場合では理解しやすくするために×2)の場合のみを表しているが、補間プロセスを使用して任意の連続ズームレベルを提供しうることが理解されるであろう。
本発明の実施形態によれば、画像キャプチャー装置は、光学ズーム機能とデジタルズーム機能の組み合わせを提供して、ピクセル補間を使用すること、および、補間に関連して画質が低下することを実質的に低減しながら、個々の光学ズーム倍率とデジタルズーム倍率の積である全体ズーム倍率を得る。このような一実施形態を図5に概略的に示す。光学ズームレンズ20が設けられる。光学ズームレンズ20の機械的動作は、データプロセッサ24の制御下で、たとえば超音波型のズームモータ22を使用して実現される。レンズ20が焦点を合わせている光学画像は、画像センサ26、通常は電荷結合素子(CCD)センサ、またはより好ましくは相補形金属酸化膜半導体(CMOS)センサによって受け取られる。センサ26からの出力は、たとえば、電荷ビニング機能および補間機能の両方を実行するように構成された、既知の種類のデジタル信号プロセッサ(DSP)を含むデジタルズームコントローラ28に供給される。デジタルズームコントローラ28からの出力はデータプロセッサ24に入力され、データプロセッサ24は次に、アナログあるいはデジタルの出力信号を画像化装置30、たとえばモニタ、カメラビューファインダ、プリンタ、または他の適した装置に供給する。画像キャプチャー装置(たとえば、デジタルビデオカメラ)の一部として通常設けられる手動ズーム制御機構32が、ズームコマンド信号をデータプロセッサ24に提供する。データプロセッサ24およびデジタルズームコントローラ28の機能は、単一のプロセッサで実行してもよい。
図5に示す装置の動作は、図6を参照して最もよく説明される。図6は、考えられる利用可能な離散デジタルズーム倍率34、利用可能な光学ズーム倍率36、および補間により利用可能なズーム倍率37のグラフ表現である。図示の例では、単一の離散デジタルズーム倍率2×のみが提供される。より一般的には、複数のデジタルズーム倍率が提供されることを理解されたい。光学ズーム36は、倍率1×と3×の間で連続可変である。デジタルズーム倍率と光学ズーム倍率の組み合わせによって提供される見かけ上の全体ズーム倍率は、重ねられた破線38によって示され、したがって、見かけ上の全体ズーム範囲1×〜6×を提供する。
1×〜3×のズーム倍率を提供するには、データプロセッサ24が、デジタルズームレベル1×を提供するようにデジタルズーム制御機構28に命令する。これは、離散レベルのビニングを行うか、あるいは単に、所望のエリアのみにわたるセンサ26のあらゆるピクセルをサンプリングすることによって出力を提供する必要がある。もちろん、特定の全体ズームレベルは、デジタルズームと光学ズームの2つ以上の組み合わせによって、実現されうることが理解されるであろう。たとえば、デジタルズーム1×に光学ズーム3×を加えた倍率は、デジタルズーム2×に光学ズーム1.5×を加えたものに等しい。全体のズーム機能は、データプロセッサ24の制御下でズームモータ22によって電力供給される光学レンズ20によって提供される。データプロセッサ24は、ズームボタン32から受け取るズームコマンドに従ってモータ22を制御する。
光学レンズ20によって提供される最高ズーム倍率に達し、ズームボタン32からさらなる拡大コマンドを受け取ったことに応答して、遷移期間40(図面上の影付き領域で示される)が発生する。データプロセッサ24は、図6の線36の下方傾斜で示すように、提供される光学ズーム倍率を下げるようにズームモータ22に命令する。同時に、データプロセッサ24は、補間プロセス37を実行して、ズーム倍率をデジタル的に上げるようにデジタルズームコントローラ28に命令する。補間プロセスによって提供されるズーム倍率37は、見かけの全体ズーム倍率が要求に応じて上がるように光学ズーム倍率36の低減を補償する。
光学ズームレンズ20を「後退」させるのにかかる時間によって長さが決まる遷移期間40の終わりに、データプロセッサ24は、次の利用可能な離散レベルのビニングを提供するように、図6に示す例では、デジタル拡大2×を提供し、そして補間プロセスを終了するようにデジタルズームプロセッサ28に命令する。この時点で、ズームレンズ20はデジタル拡大と組み合わせて、補間プロセス終了直前の、それまでのデジタル拡大と組み合わされた補間プロセスによってそれまで提供されていた拡大に等しい拡大レベルを提供する。その後、光学ズームレンズ20のみを使用してさらなる拡大が実現される。したがって、任意所与の遷移期間中に3つの動作が行われる:光学ズームの「リセット」、補償的な補間の実行、および離散デジタルズームレベルの変更。
上記プロセスは、図7にも概略的に示される。ズームボタン32から受け取るズームコマンドを入力ステップ71として示す。次に、ステップ72において、データプロセッサ24が、要求されるズームを光学ズームレンズのみで提供することができるか否かを判断する。ステップ73において、プロセッサ24が、光学ズームレンズで要求されるズームを提供可能であると判断した場合、処理はステップ74に続く。ステップ74において、プロセッサ24がレンズズームを制御する。ステップ73において、データプロセッサ24が、要求されるズームレベルを光学ズームレンズで提供することができないと判断した場合、図7のステップ75に表すように、光学ズームが変更され、それと同時に、デジタル補間が適用されて、光学ズームの変更を補償する。その後、ステップ76において、プロセッサ24は、新しいデジタルズームレベルおよび変更された光学ズームレベルが組み合わせられて、ステップ75において補間によって提供されるズームレベルと同じ全体ズームレベルを生み出すように、離散デジタルズームレベルを新しい値に設定する。次に、ステップ73において、光学ズームレンズの適用が再度開始される。
図6を参照しての上記説明は、ズームイン、すなわち倍率増大の場合のみを扱っているが、ズームアウトの場合にも類似のプロセスが実行される。
デジタルズームレベルの各段階的変更前に発生する補間期間は、実際には、光学ズームレンズの設定を瞬時に変更することが不可能なことから必要である。したがって、補間が必要とされるのは、ズーム範囲の比較的狭い部分にわたってのみである。補間は、ズームプロセスそれ自体の最中にのみ行われるため、補間に起因する画質の低下は隠される。さらに、補間は過渡的なものにすぎないため、たとえばプロセッサ24中の十分なバッファメモリがデジタルズームコントローラ28に提供される場合、連続補間を実行する従来技術によるシステムと比較して処理負荷は分散される。
要求されるズームレベルが、補間が通常行われるポイントに設定される場合、データプロセッサ24は、たとえば、ズーム制御ボタン32からの入力がないことによりこれを検出し、組み合わされた倍率が要求される拡大に合致するポイントに、光学ズームが達するとすぐに補間を終了して、次の離散ビニングレベルに切り替えるようにデジタルズームプロセッサ28に命令するように構成することができる。
遷移ポイントは必ずしも光学ズーム範囲の両極端にある必要がなく、実際、実施される特定のズーム戦略に応じていずれのポイントでも発生しうることも理解されるであろう。
したがって、本発明は、行われるピクセル補間を最小量にして、見かけ上連続したズームを、光学ズーム機能とデジタルズーム機能との積によって提供される全体ズーム範囲にわたって行うことができる画像キャプチャー装置およびこの装置が動作する方法を提供する。
Claims (23)
- 連続したズーム範囲にわたり画像を提供するように構成された光学ズームレンズと、
該光学ズームレンズから画像を受け取り、該画像のデジタル表現を提供するように構成されたイメージセンサと、
(a)見かけ上の全体のズームレベルが離散デジタルズームレベルと前記光学ズームレベルとの積になるように、少なくとも2つの離散ズームレベルのうちの1つを前記画像の前記デジタル表現に適用し、(b)離散ズームレベル間の遷移期間中に、前記画像の前記デジタル表現にデジタル補間を適用するように構成されたデジタルズーム装置と
を備えてなるデジタル画像処理のズーム装置。 - 離散ズームレベル間の前記遷移期間中、前記光学ズームレンズは、離散デジタルズームレベルの変更を実質的に補償するように調整されるように構成される、請求項1に記載のズーム装置。
- 前記光学ズームレンズは、前記変更されたデジタルズームレベルとズームレベルの積として、前記デジタル補間によって提供される前記ズームレベルに実質的に等しい見かけ上の全体のームレベルを提供する前記光学ズームレンズのズーム範囲中のポイントに自動的に調整されるように構成される、請求項2に記載のズーム装置。
- 前記ズームレンズは、離散ズームレベル間の前記遷移期間中に、前記ズームレンズの前記ズーム範囲の第1端から前記ズーム範囲の第2端に向けて自動的に調整されるように構成される、請求項3に記載のズーム装置。
- 離散ズームレベル間の前記遷移期間は、前記光学ズームレンズのズーム範囲の終点においてのみ開始されるように構成される、請求項4に記載のズーム装置。
- 前記デジタルズーム装置は、見かけ上の全体ズームレベルの変更率が、前記光学ズームレンズによって提供されるズームレベルの変更率に実質的に等しいように前記デジタル補間を適用するように構成される、請求項5に記載のズーム装置。
- 前記離散デジタルズームレベルが、離散電荷ビニング方式を適用することによって提供されるように構成される、請求項6に記載のズーム装置。
- 前記ズームレンズは、離散ズームレベル間の前記遷移期間中に、前記ズームレンズの前記ズーム範囲の第1端から前記ズーム範囲の第2端に向けて自動的に調整されるように構成される、請求項1に記載のズーム装置。
- 離散ズームレベル間の前記遷移期間は、前記光学ズームレンズのズーム範囲の終点においてのみ開始されるように構成される、請求項1に記載のズーム装置。
- 前記デジタルズーム装置は、見かけ上の全体ズームレベルの変更率が、前記光学ズームレンズによって提供されるズームレベルの変更率に実質的に等しいように前記デジタル補間を適用するように構成される、請求項1に記載のズーム装置。
- 前記離散デジタルズームレベルが、離散電荷ビニング方式を適用することによって提供されるように構成される、請求項1に記載のズーム装置。
- 連続ズーム範囲にわたって光学ズームレンズを動作させて、光学画像を提供するステップと、
見かけ上の全体ズームレベルが離散デジタルズームレベルと光学ズームレベルとの積になるように、複数の離散デジタルズームレベルのうちの1つを前記光学画像のデジタル表現に適用するステップと、
前記離散デジタルズームレベルが変更される遷移期間中に、前記画像の前記デジタル表現にデジタル補間を適用するステップと
を含む、ズーム装置の動作方法。 - 前記光学ズームレンズを調整することによって、離散デジタルズームレベルの変更を実質的に補償するステップをさらに含み、前記調整するステップは、前記遷移期間中に行われる、請求項12に記載のズーム装置の動作方法。
- 光学ズームレベルと前記変更された離散デジタルズームレベルとの積として、前記デジタル補間によって提供される前記ズームレベルに実質的に等しい見かけ上の全体ズームレベルを提供する、前記光学ズーム範囲中のポイントに、前記ズームレンズを戻すステップをさらに含む、請求項13に記載のズーム装置の動作方法。
- 前記遷移期間の直前に達した前記ズーム範囲の前記終点から前記ズーム範囲の反対側の終点に向けて前記ズームレンズを戻すステップをさらに含む、請求項14に記載のズーム装置の動作方法。
- 前記遷移期間を開始するステップをさらに含み、前記遷移期間は、前記離散デジタルズームレベルが、前記光学ズームレンズによって提供される前記ズーム範囲の前記終点においてのみ変更される、請求項15に記載のズーム装置の動作方法。
- 見かけ上の全体ズームレベルの変更率が、前記光学ズームレンズによって提供されるズームレベルの変更率に実質的に等しくなるように前記デジタル補間が適用される、請求項16に記載のズーム装置の動作方法。
- 前記複数の離散デジタルズームレベルのそれぞれは、離散電荷ビニング方式を適用することによって提供される、請求項17に記載のズーム装置の動作方法。
- 前記遷移期間の直前に達した前記ズーム範囲の前記終点から前記ズーム範囲の反対側の終点に向けて前記ズームレンズを戻すステップをさらに含む、請求項12に記載のズーム装置の動作方法。
- 前記遷移期間を開始するステップをさらに含み、前記遷移期間は、前記離散デジタルズームレベルが、前記光学ズームレンズによって提供される前記ズーム範囲の前記終点においてのみ変更される、請求項12に記載のズーム装置の動作方法。
- 見かけ上の全体ズームレベルの変更率が、前記光学ズームレンズによって提供されるズームレベルの変更率に実質的に等しいように前記デジタル補間が適用される、請求項12に記載のズーム装置の動作方法。
- 前記複数の離散デジタルズームレベルのそれぞれは、離散電荷ビニング方式を適用することによって提供される、請求項12に記載のズーム装置の動作方法。
- 請求項1に記載のズーム装置と組み合わせられたデジタルカメラ。
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