JP2005210728A - デジタル撮像装置における連続的な焦点および露出合わせ方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】デジタル撮像装置において焦点および露出設定を自動的に維持する方法および装置を提供する。
【解決手段】デジタル撮像装置は、低解像度フレームの解析に基づいてシーン変化が検出されたときに、高解像度フレームに基づいて自動的な焦点および露出調整を行う。デジタル撮像装置は、電池電力の消費を低減しつつ、同時に、シャッタ遅れを短くする。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は包括的には、デジタル写真撮影に関し、より具体的には、デジタル撮像装置のための連続的な焦点および露出合わせ技法に関する。

デジタルカメラなどのデジタル撮像装置は通常、ある種の自動の焦点および露出合わせ機構を含む。１つの極端な状態では、デジタルカメラには、画像を適度の露出範囲内に保つために粗い露出計算を行い、ユーザが、シャッタボタンを中間位置（Ｓ１）まで押すまで、精密な焦点および露出計算を延期するものもある。結果として、シャッタボタンが、画像取り込み位置（Ｓ２）まで押し下げられた後、最終画像が取り込まれるまでに、かなりの遅延（１秒を超えることが多い）が生ずる。こうした手法は、電池電力の消費を最小にするが、シャッタ遅れをもたらす。反対の極端な状態では、他のデジタルカメラは、ユーザが、たとえ画像を差し迫って取り込もうとしていない時でも、焦点および露出を連続して計算する。この手法は、電池電力を多く消費するが、シャッタ遅れを短くする。さらに他のデジタルカメラは、照明の変化が検出されると、低解像度フレームを用いて粗い焦点更新を行う。こうした手法はやはり、Ｓ１において、精密な焦点調整を必要とし、同様にシャッタ遅れを生ずる。

したがって、デジタル撮像装置における連続的な焦点および露出合わせのための改良された方法および装置に対する必要性が当技術分野に存在することは明らかである。

デジタル撮像装置において焦点および露出設定を自動的に維持する方法が提供される。本方法を実行するデジタル撮像装置もまた提供される。

本発明の他の態様および利点は、例によって本発明の原理を示す添付図面に関連して行われる以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

電池電力の消費とシャッタ遅れの間の有効なトレードオフは、シーン変化を検出するために低解像度フレームを監視し、シーン変化が検出された時に、高解像度フレームに基づいて焦点および露出計算を行うことによって達成されることができる。これらの操作は、デジタル撮像装置の連続的な焦点および露出モードに関連付けることができる。連続的な焦点および露出モードは、手動か、または、種々の方法で自動的に始動されることができる。同様に、焦点および露出を調整するのに用いられる高解像度フレームについては、種々の異なるフォーマットを採用することができる。シーン変化を検出するシーン解析は、簡単（たとえば、総輝度の変化の検出）か、または、複雑（たとえば、不必要な調整を避けるために、普通であれば静的シーンにおける単一の移動要素の検出）であってよい。さらに、こうした連続的な焦点および露出モードは、デジタル撮像装置のライブビュー機構（現在のシーンの低解像度映像）が使用可能か、または、使用不能にされた状態で、動作してもよい。

この詳細な説明の残りの部分は、デジタルカメラの文脈において本発明の技法および原理を提示するが、これらの技法および原理は、静止画取り込みモードを有するデジタルカムコーダを含む、任意のデジタル撮像装置に適用可能である。

図１Ａは、本発明の例示的な実施形態による、デジタルカメラ１００の機能ブロック図である。図１Ａにおいて、制御器１０５は、データバス１１０を通して、撮像モジュール１１５、メモリ１２０、始動サブシステム１２５、表示バッファおよび制御ロジック１３０、入力制御部１３５、およびシャッタボタン１４０と通信する。表示バッファおよび制御ロジック１３０は次に、ディスプレイ１４５と接続する。ディスプレイ１４５は、たとえば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）であってよい。光学系１５０は、撮像モジュール１１５によってデジタル画像に変換される光学画像を生成する。入力制御部１３５は、ナビゲーションボタン、デジタルカメラ１００において連続的な焦点および露出モードを始動させる入力制御部（たとえば、ボタンまたはスイッチ）、および、デジタルカメラ１００の動作を制御する他の入力制御部を備えることができる。シャッタボタン１４０は、中間位置（Ｓ１）および画像取り込み位置（Ｓ２）を有することができる。

図１Ｂは、本発明の例示的な実施形態による撮像モジュール１１５の機能ブロック図である。撮像モジュール１１５は、撮像センサ１５５（この例では、ＣＣＤセンサアレイ）、タイミング発生器／アナログフロントエンド（ＴＧ／ＡＦＥ）１６０、およびデジタル信号プロッセサ（ＤＳＰ）１６５を備えることができる。図１Ａに示すように、ある実施形態においては、ＤＳＰ１６５を介して、撮像モジュール１１５は、制御器１０５と直接に通信することができる。図１Ｂに示すように、データ信号と制御信号は共に撮像センサ１５５およびＴＧ／ＡＦＥ１６０に接続する。撮像モジュール１１５は、低解像度フレーム（たとえば、ライブビューモードに関連する低解像度フレーム）と、必要であれば、高解像度フレームの両方を生成するように構成されることができる。

図１Ｃは、本発明の例示的な実施形態によるメモリ１２０の機能ブロック図である。メモリ１２０は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）１７０、不揮発性メモリ１７５、シーン解析ロジック１８０、焦点および露出調整ロジック１８５、および始動ロジック１９０を備えることができる。ある用途において、不揮発性メモリ１７５は、取り外し可能な種類（たとえば、セキュアなデジタルまたはマルチメディアメモリカード）であってよい。

シーン解析ロジック１８０は、シーン変化を検出するために、撮像モジュール１１５からの低解像度フレームを解析する。一実施形態において、シーン解析ロジック１８０は、シーン変化を検出するために、２つ以上の低解像度フレーム間の画素の差の絶対値を合計する。画像圧縮技術（たとえば、ＭＰＥＧ−４）ではよく知られているこの技法は通常、デジタルフレームを８画素×８画素または１６画素×１６画素のブロックにブロック分けすることを必要とする。画像圧縮の文脈において、カメラまたはシーンが、フレーム間でどのように空間的にシフトするかを示す動きベクトルを生成するために、各ブロックを囲む近傍における複数の空間オフセットのそれぞれについて、フレーム間の絶対画素差を合計することができる。本発明の文脈において、ある実施形態においては、動きベクトルは必要とされない場合がある。これらの実施形態において、ゼロ空間オフセットにおける低解像度フレーム間の画素差の絶対値の合計を含む簡単なメトリックであれば十分である場合がある。たとえば、画素差の絶対値の合計が所定のしきい値を越える時、シーン変化が起こったと考えることができる。他の実施形態において、画素差の絶対値の代わりのメトリックを計算する時に、平均２乗誤差を用いることができる。

別の実施形態において、シーン解析ロジック１８０は、低解像度フレームを、よく知られた（Ｙ、Ｃ_b、Ｃ_r）色空間（輝度および２つの色差成分）に変換する。Ｙ（輝度）成分を用いて、シーン解析ロジック１８０は、各低解像度解析フレームについて総シーン輝度を計算することができる。総シーン輝度は、複数のよく知られている方法（ある方法は、ヒストグラムの使用を含むことがある）によって輝度成分から計算することができる。２つ以上の低解像度フレームの総シーン輝度を比較することによって、シーン解析ロジック１８０はシーン変化を検出することができる。

さらに別の実施形態において、シーン解析ロジック１８０を、普通であれば静的なシーンにおいて単一の移動要素（たとえば、デジタルカメラ１００に対して横方向に移動する人または物体）を検出するように構成することができる。こうした場合に文字通りのシーン変化が起こるが、焦点距離（デジタルカメラ１００から単一の横方向に移動する要素までの距離）が変わっていないため、焦点および露出を調整する必要はない。この状況を検出するようにシーン解析ロジック１８０を構成することによって、デジタルカメラ１００において、不必要な自動の精密な焦点および露出調整が防止される。普通であれば静的なシーンにおいて単一の移動要素を特定する技法は、画像処理技術、特に、軍事および監視用途においてよく知られている。たとえば、フレームごとに変わるわずかの画素を求めることができる。変化しない画素の割合が高いことにより、シーン内の単一の移動要素を示すことができる。単一の移動要素の存在は、動きベクトルを計算する、先に述べた技法を用いて確認することができる。

シーン解析ロジック１８０によって解析される低解像度フレームは、連続している必要はない。たとえば、シーン解析ロジック１８０は、１つまたは複数の介在フレームで分離される低解像度フレームを解析してもよい。

焦点および露出調整ロジック１８５は、シーン解析ロジック１８０がシーン変化を検出した時に高解像度フレームに基づいて焦点および露出を調整する。高解像度フレームに基づいて精密な焦点および露出調整を行う技法は、デジタルカメラ技術分野ではよく知られている。

始動ロジック１９０は、始動サブシステム１２５からの所定の信号に応答してデジタルカメラ１００において連続的な焦点および露出モードを始動させることができる。始動サブシステム１２５およびその関連する出力信号は、種々の形態をとることができる。

一実施形態において、始動サブシステム１２５は、デジタルカメラ１００が、ユーザによってどのように保持されているかを検出する姿勢検知サブシステムを備える。たとえば、姿勢検知サブシステムは、１つまたは複数の加速度計またはジャイロスコープを備えることができる。デジタルカメラ１００が、写真撮影に伴う所定の姿勢で保持される（たとえば、光学系１５０の軸が地面にほぼ平行である）と、始動サブシステム１２５は状態を報告し、始動ロジック１９０は、応答して、デジタルカメラ１００の連続的な焦点および露出モードを始動することができる。

別の実施形態において、始動サブシステム１２５は、ユーザがシャッタボタン１４０に軽く触れる時を検出する触感検知サブシステムを備えることができる。こうした触感検知サブシステムは、当技術分野でよく知られており、検出される回路の抵抗または静電容量の変化に基づいてもよい。ユーザがシャッタボタン１４０に軽く触れると、始動ロジック１９０は、触感検知サブシステムからの信号に応答して、連続的な焦点および露出モードを始動することができる。

別の実施形態において、始動サブシステム１２５は、ユーザが、シャッタボタン１４０上に、または、その近くに指を置く時を検出する光学センサを備えることができる。ユーザが、シャッタボタン１４０の近くに指を置くと、始動ロジック１９０は、光学センサからの信号に応答して、連続的な焦点および露出モードを始動することができる。

さらに別の実施形態において、始動ロジック１９０は、シャッタボタン１４０がＳ１位置まで押し下げられることに応答して連続的な焦点および露出モードを始動することができる。

さらに別の実施形態において、始動ロジック１９０は、先に述べたように、入力制御部１３５（たとえば、連続的な焦点および露出モードボタン）の作動に応答して連続的な焦点および露出モードを始動することができる。この実施形態の変形において、連続的な焦点および露出モードは、入力制御部１３５の助けを借りて、デジタルカメラ１００のディスプレイ１４５上のメニューから選択されてもよい。

始動サブシステム１２５、シーン解析ロジック１８０、焦点および露出調整ロジック１８５、および始動ロジック１９０の間の区分は、純粋に機能による。一般に、これらの機能は、図１Ａおよび図１Ｃに示す以外の方法で、分けられるか、組み合わされてもよく、ハードウェア、ファームウェア、または、それらの任意の組み合わせで実施されてもよい。一実施形態において、シーン解析ロジック１８０、焦点および露出調整ロジック１８５、および、始動ロジック１９０は、制御器１０５によって実行されることができるストアードプログラム命令である。

図２Ａ〜図２Ｃは、本発明の例示的な実施形態による、デジタルカメラ１００の動作のフローチャートである。始動ロジック１９０が、デジタルカメラ１００の連続的な焦点および露出モードを始動させた時に地点「Ａ」に達する。２０５において、撮像モジュール１１５は、低解像度フレームを取り込み、焦点および露出調整ロジック１８５は粗い自動の露出調整を行う。２１０において、デジタルカメラ１００のライブビューモードが使用可能にされる場合、２１５において、低解像度フレームはディスプレイ１４５上に示される。ライブビューモードは通常、３０フレーム／秒で低解像度フレームを表示する。２２０において、低解像度フレームを、バッファ（たとえば、メモリ１２０のある部分）に記憶することができる。シーン解析ロジック１８０は、シーン変化を検出するために、２２５において２つ以上の記憶された低解像度フレームを解析する。２３０において、シーン変化が検出される場合、制御は、図２Ｂの地点「Ｂ」に進む。そうでなければ、制御は地点「Ａ」に戻る。図２Ａのステップ２０５〜ステップ２３０は、「モニターおよびライブビューシーケンス」と呼ばれることができ、シーン変化が起こったか否かを判断するために、低解像度フレームが取り込まれ、解析される。

図２Ｂは、連続的な焦点および露出モードの性能をさらに向上させるために行うことができる任意選択のステップを示す。２３５において、焦点および露出調整ロジック１８５は、低解像度フレームに基づいて粗い焦点および露出調整を行うことができる。２３６において、撮像モジュール１１５は、低解像度フレームを取り込む。２３７において、ライブビューが使用可能にされる場合、２３８において、低解像度フレームがディスプレイ１４５上に示される。このプロセスは、粗い焦点合わせが達成されたことを示す、２４０における検査が満たされるまで繰り返される。粗い焦点合わせが達成されると、制御は、図２Ｃの地点「Ｃ」に進む。

図２Ｃの２４５において、ライブビューモードが使用可能にされる場合、２５０において取り込まれた低解像度フレームがディスプレイ１４５上に提示される。そうでなければ、制御は、高解像度焦点フレームが取り込まれる、２５５へスキップする。高解像度フレームに関するさらなる詳細は、この詳細な説明において後述する。２６０において、光学系１５０は、単一焦点ステップによって調整される。２６５において、最良の焦点合わせが達成された場合、焦点および露出調整ロジック１８５は、２７０において、精密な自動の露出調整を行うことができ、その後、制御は地点「Ａ」に戻る。そうでなければ、制御は２４５に戻り、収束が得られるまで、精密な焦点および露出ループが続く。ステップ２４５〜ステップ２７０は、「焦点および露出シーケンス」と呼ばれることができ、「モニターおよびライブビューシーケンス」によってシーン変化が検出されると始動される。

シャッタボタン１４０が画像取り込み位置（Ｓ２）まで押し下げられる場合、必要であれば、最終の精密な焦点および露出調整を行うことができ、撮像モジュール１１５は、最終デジタル画像を取り込むことができる。

焦点および露出調整ロジック１８５が、その焦点および露出調整の基礎を置く高解像度フレームは、種々のフォーマットのうちの任意のフォーマットであってよい。たとえば、高解像度フレームは、撮像センサ１５５からの最高解像度読み出しであってよい。他の実施形態において、高解像度フレームは、ビデオグラフィックアレイ（ＶＧＡ）フォーマット、スーパーＶＧＡ（ＳＶＧＡ）フォーマット、７２０Ｐフォーマット（ＳＶＧＡと高品位の中間）、または、任意の他の適当な高解像度フォーマットであってよい。

一実施形態において、フレーム当たり奇数のフィールドを有するＣＣＤ撮像センサ１５５の特性を利用する、異なる種類の高解像度フレームを採用することができる。図３は、本発明の例示的な実施形態に従って、フレーム当たり３つのフィールドを有するＣＣＤ撮像センサ１５５に関連するベイヤー（Ｂａｙｅｒ）パターンの一部の図である。３つのフィールドのうちの１つに関連する撮像センサの行は、図の左側の矢印によって指示される。矢印で指示される単一フィールドを読み出すことにより、読み出しが、赤、緑、および青の色情報を含むために、コヒーレントな画像を生成することができる。したがって、高解像度フレームは、奇数のフィールドを有する撮像センサ１５５からの単一フィールド読み出しであることができる。

本発明の先の説明は、例示および記述のために提示された。網羅的であることも、本発明を、開示される厳密な形態に限定することも意図されず、先の教示に照らして、他の変更および変形が可能であってよい。本実施形態は、本発明の原理およびその実用的な用途を最もよく説明し、それによって、考えられる特定の使用に適する、種々の実施形態および種々の変更形態において、当業者が、本発明を最もよく利用することを可能にするために選択され、述べられた。添付特許請求の範囲は、従来技術によって制限されない限り、本発明の他の代替の実施形態を含むものと解釈されることが意図される。

本発明の例示的な実施形態によるデジタルカメラの機能ブロック図である。 本発明の例示的な実施形態による、図１Ａに示すデジタルカメラの撮像モジュールの機能ブロック図である。 本発明の例示的な実施形態による、図１Ａに示すデジタルカメラのメモリの機能ブロック図である。 本発明の例示的な実施形態による、図１Ａに示すデジタルカメラの動作のフローチャートである。 本発明の例示的な実施形態による、図１Ａに示すデジタルカメラの動作のフローチャートである。 本発明の例示的な実施形態による、図１Ａに示すデジタルカメラの動作のフローチャートである。 本発明の例示的な実施形態による、奇数のフィールドを有する撮像センサに関連するベイヤーパターンの一部の図である。

符号の説明

１００：デジタルカメラ
１０５：制御器
１１０：データバス
１１５：撮像モジュール
１２０：メモリ
１２５：始動サブシステム
１３０：表示バッファおよび制御ロジック
１３５：入力制御部
１４０：シャッタボタン
１４５：ディスプレイ
１５０：光学系

Claims (5)

1. デジタル撮像装置において焦点および露出設定を自動的に維持する方法であって、
   前記デジタル撮像装置において連続的な焦点および露出モードを始動するステップと、
   シーン変化が検出されるまで、第１の解像度を有する第１のフレームを取り込み、解析するステップと、
   前記シーン変化が検出された時に、前記第１の解像度より高い第２の解像度を有する第２のフレームを取り込み、該第２のフレームに基づいて前記焦点および露出設定を調整するステップと、
   を含む、方法。
2. 前記連続的な焦点および露出モードが、入力信号に応答して始動される、請求項１に記載の方法。
3. デジタル撮像装置において、
   光学画像をデジタル画像フレームに変換する撮像モジュールであって、前記デジタル撮像装置の連続的な焦点および露出モードが作動中であるときに、第１の解像度の第１のデジタル画像フレーム、および前記第１の解像度より高い第２の解像度の第２のデジタル画像フレームを生成するように構成された撮像モジュールと、
   前記第１のデジタル画像フレームを解析して、シーン変化を検出するシーン解析ロジックと、
   前記シーン解析ロジックが前記シーン変化を検出したときに、前記第２のデジタル画像フレームに基づいて、前記デジタル撮像装置の焦点および露出設定を調整するように構成された、焦点および露出調整ロジックと、
   を備えているデジタル撮像装置。
4. 前記デジタル撮像装置が、ユーザによってどのように保持されているかを検出する姿勢検知サブシステムと、
   前記デジタル撮像装置が所定の方法で保持されていることを、前記姿勢検知サブシステムが検出すると、前記連続的な焦点および露出モードを始動するように構成された始動ロジックと、
   をさらに備えている、請求項３に記載のデジタル撮像装置。
5. デジタル撮像装置であって、
   シャッタボタンと、
   前記シャッタボタンが、ユーザによって軽く触れられているかどうかを検出する触感検知サブシステムと、
   前記シャッタボタンがユーザによって軽く触れられていることを、前記触感検知サブシステムが検出すると、前記連続的な焦点および露出モードを始動するように構成された始動ロジックと、
   をさらに備えている、請求項３に記載のデジタル撮像装置。
   

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