JP2007295427A - 手ぶれ補正装置、撮影装置及び手ぶれ補正方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】撮影時のぶれを検出する角速度検出部34と、検出されたぶれに応じて撮影画像のぶれを補正する逆変換フィルタ部36と、撮影画像の輝度を平滑化する平滑化部42とを備え、この平滑化部42にて平滑化処理がなされた撮影画像を逆変換フィルタ部36にてぶれ補正する構成とした。
【選択図】図1
Description
このため、輝度むらを生じた撮影画像に対してぶれ補正を施すと、画像の鮮鋭度は改善されるものの、この補正によって輝度むらが却って強調されてしまい、復元された撮影画像が全体的にノイズの多いものになるといった問題があった。
また、本発明は、撮影時のぶれを検出するとともに、撮影画像の輝度を平滑化した後、この平滑化された撮影画像に対してぶれに応じたぶれ補正を実行することを特徴とする。 これらの発明によれば、撮影画像のぶれ補正に先立って撮影画像を平滑化することにより撮影画像の輝度むらが抑えられ、この輝度むらが抑えられた撮影画像に対して手ぶれ補正が行われるため、手ぶれ補正によってぶれの無い撮影画像を復元する際に輝度むらに伴うノイズの発生を防止することができる。
図1は、本実施の形態に係る撮影装置100の構成を示すブロック図である。この撮影装置100は、図1に示すように、カメラ1に、手ぶれ補正装置としてのジャイロユニット3を接続して構成される。撮影装置100が有するカメラ1は画像の撮影および記録を担い、ジャイロユニット3は、カメラ1の撮影時の手ぶれを検出して画像を復元する処理を担う。これらカメラ1及びジャイロユニット3は、図8を参照して後述するように一体に連結され、或いは、図9を参照して後述するように同一筐体に納められる。
フラッシュROM13は、書き換え可能な不揮発性記憶媒体として構成され、制御プログラム1Aの他、各種プログラムおよびこれらのプログラムに係るデータ等を格納する。ここで、フラッシュROM13に格納される制御プログラム1Aは、例えばCD−ROM、DVD−ROM、フレキシブルディスク、半導体記憶素子を用いた可搬型メモリ等のコンピュータ読み取り可能な記録媒体(図示略)に記録して配布することが可能である。さらに、パーソナルコンピュータとカメラ1とを通信可能にケーブル等で接続し、パーソナルコンピュータで読み取られた記録媒体(図示略)の制御プログラム1Aをカメラ1に出力することで、フラッシュROM13に制御プログラム1Aを格納することも可能である。
この撮影部15は、上述のように動画像及び静止画像を撮影する機能を有するものであり、以下の説明においては、連続するフレームから構成される動画像を撮影する場合を例に挙げて説明する。
撮影部15は、被写体が撮像されたフレームの画像データ(以下、単に「フレーム」と言う)を所定のサンプリングレートで順次出力するものであり、この撮影部15により撮影される動画像は、例えば1秒あたり30フレーム(30fps)の連続する複数の静止画像の集合として記録され、フレーム毎に画像処理を施すことが可能である。
撮影制御部16は、制御部11の制御の下、撮影部15に対して露出時間やズーム倍率等の撮影条件を設定し、この撮影条件に従って撮影部15に撮影を実行させ、撮影部15から出力されるフレームの画像データを撮影部RAM17に一時的に格納する。撮影部RAM17はフレームを一時的に格納するバッファとして機能し、この撮影部RAM17にはフレーム毎に画像データが格納される。撮影部RAM17に格納されたフレームは、撮影制御部16によって読み出されて制御部11に出力され、制御部11の制御のもとにリムーバブルメディア20に記録される。
また、ジャイロユニット3は、角速度検出部34により求められた角速度、移動量(ぶれ量)、及び移動方向(ぶれ方向)に基づいて、撮影時に手ぶれによってカメラ1が動いた軌跡を求める軌跡変換部35、この軌跡変換部35により求めた軌跡をもとに画像変換用逆行列を求め、この画像変換用逆行列を用いた演算処理を行ってぶれを生じたフレームの画像を復元するぶれ補正手段としての逆変換フィルタ部36、この逆変換フィルタ部36の演算処理に要するプログラムやデータ等を格納するフラッシュROM37、および、逆変換フィルタ部36の演算処理に係るフレームの画像データをフレーム毎に格納するフィールドメモリ38を備える。
エッジ抽出部41は、例えば、フィールドメモリ38に格納されるフレームの画像データにおいて、この画像データを構成する各画素の明るさの急激な変化(差分)を検出することにより、この画像データから被写体のエッジ部分(輪郭)を抽出するものである。このエッジ抽出部41は、抽出したエッジ部分を構成する各画素の座標(位置情報)を平滑化部42及び平滑化領域変更部43にそれぞれ出力する。なお、エッジ抽出部としては、上記した近傍画素の差分によるものの他に、例えば、Sobel演算子やラプラシアンオペレータといった微分フィルタを用いる構成としても良い。
エッジ部分Eに隣接して非平滑化領域Mを設けたのは、次の理由による。すなわち、被写体OBのエッジ部分Eを構成する画素成分は、撮影時のぶれによってエッジ部分Eの周辺部に分散されると考えられ、この分散された状態でエッジ部分以外の領域(上記周辺部を含む)に平滑化処理を施した場合には、当該周辺部に分散されたエッジ部分の成分が当該平滑化により欠落してしまい、復元時にエッジ部分の鮮鋭度が低くなってしまう。従って、平滑化によって周辺部に分散されたエッジ成分の欠落を防止するために、エッジ部分Eに隣接して非平滑化領域Mを設けている。
この構成によれば、被写体OBのエッジ部分Eの成分が、撮影時のぶれによって隣接画素に分散された場合であっても、当該エッジ部分Eに隣接する領域(画素)に対しては平滑化が行われないため、このエッジ部分に隣接する領域Mに含まれるエッジ部分Eの成分が平滑化によって欠落することがなく、これにより、鮮鋭度の高いエッジを復元することができる。
また、本構成では、平滑化部42は、手ぶれの大きさによって平滑化する量を変更可能に構成されている。具体的には、上記角速度検出部34により求められたぶれ量に基づいて、このぶれ量の大きさが小さい(例えば、5ドット以下の)場合には、上記濃度平均を算出する際に基準となる所定領域を小さく(2×2ドット)し、ぶれ量が大きい(例えば6〜15ドットの)場合には、当該所定領域を大きく(3×3ドット)するようになっている。このように、ぶれ量が大きくなるに従って上記所定領域を大きくすることにより、画像の背景部分がより平滑化(すなわち、よりボケる)されるため、復元した際にノイズが目立たなくなる。平滑化処理としては、この移動平均法だけでなく、加重平均法、メディアンフィルタもしくはウィナフィルタを用いて実施する方法であっても良い。本構成では、手ぶれによって背景部分に生じた輝度むらの部分のみに平滑化処理を施し、その上で画像復元を行うことにより、緩やかになったエッジ部分Eを急峻に復元し、かつ背景のノイズ感を増長させることがない。
本構成によれば、ぶれが生じているP方向に沿って非平滑化領域Mを大きくすることにより、平滑化によって、このP方向に広く分散されたエッジ部分Eに対応する画素成分が欠落することが防止され、鮮鋭度の高いエッジを正確に復元することができる。一方、ぶれ方向に直交するQ方向では、このQ方向に沿ってエッジ部分Eを構成する画素成分が分散することはない。このため、非平滑化領域Mを上記Q方向に沿って小さくしても、平滑化によってエッジ部分Eの画素成分が欠落するといった不具合が生じることがない。
非平滑化領域Mの大きさ、この非平滑化領域Mの変更量(ドット数)及び平滑化する量(強さ)と、上記ぶれ量もしくはぶれ方向との関係は、実際に撮影したカメラ1の撮影部15の光学レンズ系、撮像素子の条件と、撮影された画像のノイズ状態から、予め実験等で定められたテーブルによって決定される。
このように構成されるジャイロユニット3は、電気的に、インタフェース19、39を介してカメラ1と相互に接続された上、物理的にもカメラ1と一体に連結される。このため、X軸ジャイロセンサ32、Y軸ジャイロセンサ33によって、カメラ1の角速度が検出され、角速度検出部34及び軌跡変換部35によって、カメラ1の移動の軌跡を求めることができるようになっている。
この図4に示すように、X軸ジャイロセンサ32、Y軸ジャイロセンサ33から角速度検出信号が出力されると(ステップST1)、この角速度検出信号は角速度検出部34に入力されて調整が施される(ステップST2)。角速度検出部34による調整は、X軸ジャイロセンサ32、Y軸ジャイロセンサ33から出力される角速度検出信号のドリフトを補正するための処理であり、具体的には、電源投入時の誤差を取得しないように、ジャイロユニット3の電源投入から一定時間(例えば1秒程度)経過してから、角速度検出信号の取り込みを開始する動作や、暗電流(暗電流とは、光を遮断した状態でも発生する電荷による電流。pn接合の空乏層内で熱的に励起される再結合電流が多い。)の影響を除くために、所定電圧値以下の角速度検出信号を無視する動作等である。また、角速度検出部34は、各ジャイロセンサ32、33の個体差により生じる信号の偏りに対応して、各ジャイロセンサ32、33から出力される角速度検出信号を調整する機能を有する。この角速度検出部34の機能により、X軸ジャイロセンサ32、Y軸ジャイロセンサ33のドリフトが補正される等して出力電圧が安定するので、正確な角速度を検出できる。
続いて、エッジ抽出部41によって抽出されたエッジ部分Eと、上記角速度検出部34によって検出された角速度(すなわちぶれ量及びぶれ方向)とに基づいて、非平滑化領域Mを決定する(ステップST3)。この非平滑化領域Mの大きさは、撮影部15の光学レンズ系におけるレンズ情報、ぶれ量及びぶれ方向などに基づき、予め実験等で定められたテーブルによって決定される。続いて、上記ステップST3で決定された非平滑化領域M以外の部分に平滑化処理を施す(ステップST4)。この平滑化処理における平滑化量は、ぶれ量に応じて変更することができ、ぶれ量が大きいほど平滑化量を大きくする。
一方、角速度検出部34に検出された角速度を積分することで所定時間(例えば、露出時間)における移動量及び移動方向が求められる。これら角速度、移動量、及び移動速度は軌跡変換部35に入力され、軌跡変換部35によってカメラ1の軌跡が求められる(ステップST5)。次に、軌跡変換部35によって、カメラ1の軌跡に基づいて画像変換用逆行列が生成され(ステップST6)、上記ステップST4にて平滑化処理が施されたフレームに対して、上記画像変換用逆行列を用いた演算処理が行われて、このフレームの画像がぶれのない状態に復元される(ステップST7)。
図5(A)には、カメラ1がX軸方向及びY軸方向に移動した軌跡が曲線で表されている。符号t1〜t7はフレームを撮影した時刻を示しており、曲線上の点t1〜t7は、フレーム撮影時におけるカメラ1の位置を示す。フレームを復元する処理は前のフレーム撮影時からの軌跡に基づいて行われる。例えば図5(B)に示すように時刻t3で撮影したフレームを復元する場合は、前のフレームを撮影した時刻t2から時刻t3までの間におけるカメラ1の軌跡をもとに復元が行われる。
逆変換フィルタ部36は、角速度検出部34が求めた軌跡から、上記の特許文献1(特開平6−27512号公報)等により既に知られた様々な方法によって、ぶれ伝達関数hを求めた上、その逆行列h-1を求める。
すなわち、ぶれがない場合の画像(元の像)を関数f(x,y)で表し、ぶれた画像を関数g(x,y)で表すと、これらh,f,gには下記式(1)の関係が成り立つ。
この図6に示す動作を実行するにあたって、カメラ1にはジャイロユニット3が接続されている。カメラ1の制御部11は、ジャイロユニット3に対して動作開始を指示する制御信号を出力する(ステップS11)。続いて、制御部11は、ジャイロユニット3から返される制御信号等に基づいて、ジャイロユニット3が軌跡を算出可能な状態であるか否かを判別する(ステップS12)。ここで、ジャイロユニット3が軌跡を算出できない状態であれば(ステップS12;No)、制御部11はジャイロユニット3に対してリセットを指示する制御信号を出力し(ステップS13)、ステップS11に戻る。
また、ジャイロユニット3が軌跡を算出可能な状態であれば(ステップS12;Yes)、制御部11は、撮影部15によって動画像を撮影させ、撮影されたフレームの画像データ及びこの画像データの平滑化、復元に必要な諸情報(露出時間、ズーム倍率、解像度、フレームの画像データの容量等)をジャイロユニット3に出力する(ステップS14)。
ジャイロユニット3によって正常な復元が行われなかった場合(ステップS16;No)、復元前のフレーム、すなわち撮影部15により撮影されたフレームを撮影画像として表示部18に出力するとともにリムーバブルメディア20に記録する(ステップS17)。一方、ジャイロユニット3によって正常に復元が行われた場合(ステップS16;Yes)、制御部11は、復元されたフレームを撮影画像として表示部18に出力するとともにリムーバブルメディア20に記録する(ステップS18)。
この図7に示す動作を行うにあたって、ジャイロユニット3はカメラ1に接続される。
ジャイロユニット3の制御部31は、カメラ1から送信される動作開始を指示する制御信号を受けるまで待機し(ステップS31)、この制御信号が入力されると、X軸ジャイロセンサ32、Y軸ジャイロセンサ33による検出を開始させる(ステップS32)。各ジャイロセンサ32、33が角速度検出信号の出力を開始すると、角速度検出部34によって各ジャイロセンサの出力が安定したかどうかの判定が行われる。制御部31は、角速度検出部34によって出力が安定したと判定されるまで待機する(ステップS33)。
そして、制御部31は、平滑化処理されたフレームの画像データを取得して(ステップS44)、逆変換フィルタ部36によって画像変換用逆行列を用いた演算処理を行い、このフレームの画像を復元する(ステップS45)。その後、制御部31は、逆変換フィルタ部36により復元されたフレームをカメラ1に出力する(ステップS46)。
このステップS45において、フレームの復元時にエラーを生じた場合、制御部31は、ステップS46において、復元後のフレームに代えて、或いは復元後のフレームとともに、復元時にエラーを生じた旨を示す制御信号をインタフェース39からカメラ1に出力する。
図8に示すカメラ付携帯電話機2Aは、折り畳み式の本体の背面側に露出するメインカメラ21と、本体の内側に面して各種画像を表示するディスプレイ23と、ディスプレイ23の側方に位置するサブカメラ22と、ディスプレイ23に対向する面に配設されたキー操作部24とを備える。このメインカメラ21及びサブカメラ22はカメラ1(図1)の撮影部15に相当し、ディスプレイ23はカメラ1の表示部18に相当し、キー操作部24はカメラ1の操作部14に相当する機能を有する。そして、カメラ付携帯電話機2Aは、内蔵する制御回路(図示略)の制御のもと、キー操作部24における操作に従って、メインカメラ21及びサブカメラ22による動画像及び静止画像の撮影を実行し、撮影した動画像及び静止画像をディスプレイ23に表示する。このほか、カメラ付携帯電話機2Aは、携帯型電話機としての通信機能を有するものであるが、ここでは説明を省略する。
図8に示す構成では、カメラ付携帯電話機2が有するメインカメラ21またはサブカメラ22によって動画像または静止画像を撮影した場合に、撮影した動画像のフレームまたは静止画像を、外付ジャイロユニット51において平滑化及び復元し、復元した動画像または静止画像をディスプレイ23に表示できる。
そして、動画像及び静止画像を撮影するカメラ付携帯電話機2Aは、X軸ジャイロセンサ32、Y軸ジャイロセンサ33等のセンサを備えていなくてもよく、軌跡を求める演算処理や、画像変換用逆行列を求める演算処理等の複雑かつ高負荷の演算処理を行わなくてもよい。このため、カメラ付携帯電話機2Aの制御回路(図示略)は、上記の通信機能の他、メインカメラ21、サブカメラ22等の各部の動作制御のみを行えば良く、カメラ付携帯電話機2Aの制御回路の処理負荷を増大させることなく画像を平滑化及び復元し、ぶれのない美しい画像を得ることができる。
図9には、撮影装置100の別の具体的構成例である撮影装置100Bについて外観斜視図を示す。この図10に示す構成例では、外付ジャイロユニット51の各部を実装したジャイロユニット基板52を、カメラ付携帯電話機2Bの本体に内蔵している。ジャイロユニット基板52は、上述したカメラ付携帯電話機2Bの制御回路に対し、インタフェース19、39に相当する内部接続インタフェース(図示略)を介して接続されている。カメラ付携帯電話機2Bは、この点を除いて上記カメラ付携帯電話機2Aと略同一の構成を備えるため、同一の機能を有する構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図9の構成例では、装置全体の小型化を図ることができるという利点がある。また、カメラ付携帯電話機2Bの制御回路(図示略)に対してジャイロユニット基板52を接続することで、上述した撮影装置100Bの機能を実現できるので、動画像及び静止画像を撮影する機能を備えたカメラ付携帯電話機2Bに、ジャイロユニット基板52を付加的に内蔵させるだけで実現可能である。さらに、ジャイロユニット基板52には、X軸ジャイロセンサ32、Y軸ジャイロセンサ33の個体差にも対応して、各ジャイロセンサ32、33から出力される角速度検出信号のドリフト補正等を行う角速度検出部34が実装されているので、カメラ付携帯電話機2Bの制御回路において各ジャイロセンサ32、33の出力調整を行う必要もない。このため、撮影装置100Bと同様の機能を備えたカメラ付携帯電話機2Bの開発負担を大幅に軽減できるという利点がある。
また、上記実施形態では、復元後の撮影画像を表示部18に表示させる構成としていたが、これに限るものではなく、抽出されたエッジ部分E、非平滑化領域M及び平滑化処理された撮影画像を表示部18に表示させる構成としても良い。この構成によれば、撮影画像を復元する際に問題が生じた場合には、どの過程で問題が生じたかをユーザが簡単に確認することができる。これに加えて、復元画像及び平滑化する際のパラメータ等を確認することにより、操作部14を介してユーザの嗜好に合致した画像復元を実現することができる。
また、上記実施形態では、撮影部15により撮影されたフレームを復元してリムーバブルメディア20に記録する例について説明したが、例えば、リムーバブルメディア20等に格納された複数フレームからなる動画像について、その表示(再生)時に上記処理を行うようにしてもよい。すなわち、撮影されたフレームと、各フレーム撮影時の露出中にジャイロユニット3により求めたカメラ1の軌跡等の情報をリムーバブルメディア20等に記録しておけば、他の機器においてフレームを復元することが可能である。
また、上記実施形態において、ジャイロユニット3は、角速度検出部34によって求めたカメラ1の移動量が所定のしきい値より小さい場合には、フレームの画像の平滑化及びぶれ補正を行わずに、カメラ1から入力された撮影画像をそのままカメラ1へ出力するようにしてもよい。この場合、ぶれが無いか、視認できない程度に小さいフレームについては復元を行わないようにすることができ、処理の効率化を図ることができる。
さらに、上記実施形態におけるカメラ1において、パーソナルコンピュータとケーブル等で通信可能に接続される外部インタフェースや、テレビやプロジェクタなどの外部ディスプレイ装置に動画像の映像信号を出力するための映像出力端子、音声信号を取り込み記録・再生するためのオーディオ回路や、音声信号を外部スピーカや外部アンプ等に出力するための音声出力端子などを備えた構成としてもよい。
また、本発明は、上記実施形態で説明した撮影装置100以外の動画像撮影機能を有する撮影機器にも適用することが可能であり、具体例を挙げると、動画像撮影機能付きデジタルスチルカメラ、および、このようなデジタルスチルカメラを具備した携帯電話機、PDA、ノート型パソコン等の各種電子機器においても適用可能である。
Claims (9)
- 撮影時のぶれを検出するぶれ検出手段と、検出されたぶれに応じて撮影画像のぶれを補正するぶれ補正手段と、前記撮影画像の輝度を平滑化する平滑化手段とを備え、
前記ぶれ補正手段は、前記平滑化手段によって平滑化された撮影画像に対して前記ぶれを補正することを特徴とする手ぶれ補正装置。 - 前記撮影画像の被写体のエッジ部分を抽出するエッジ抽出手段を備え、
前記平滑化手段は、前記撮影画像のうち前記エッジ部分以外の領域を平滑化することを特徴とする請求項1に記載の手ぶれ補正装置。 - 前記エッジ部分に隣接する領域を非平滑化領域としたことを特徴とする請求項2に記載の手ぶれ補正装置。
- 前記非平滑化領域の大きさを、前記ぶれ検出手段が検出する撮影時のぶれ量またはぶれ方向に応じて変更する平滑化領域変更手段を備えることを特徴とする請求項3に記載の手ぶれ補正装置。
- 前記平滑化領域変更手段は、前記ぶれ量が大きいほど前記非平滑化領域を大きくすることを特徴とする請求項4に記載の手ぶれ補正装置。
- 前記平滑化領域変更手段は、前記非平滑化領域を前記ぶれ方向に沿って大きくすることを特徴とする請求項4または5に記載の手ぶれ補正装置。
- 前記非平滑化領域を操作する操作部を備えることを特徴とする請求3乃至6のいずれかに記載の手ぶれ補正装置。
- 画像を撮影する撮影手段と、撮影時のぶれを検出するぶれ検出手段と、検出されたぶれに応じて、前記撮影手段で撮影された撮影画像のぶれを補正するぶれ補正手段と、前記撮影画像の輝度を平滑化する平滑化手段とを備え、
前記ぶれ補正手段が、前記平滑化手段によって平滑化された撮影画像に対して前記ぶれを補正することを特徴とする撮影装置。 - 撮影時のぶれを検出するとともに、撮影画像の輝度を平滑化した後、この平滑化された撮影画像に対してぶれに応じたぶれ補正を実行することを特徴とする手ぶれ補正方法。
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