JP2013080092A - 振れ補正装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 撮影装置の姿勢に対して効果的な振れ補正効果を実現することを可能にした振れ補正装置を提供すること。
【解決手段】 上記目的を達成するために、本発明は、 装置の振れを検出する振れ検出手段と、前記振れによる画像の動きを補正する振れ補正手段と、前記光学機器の姿勢を検出する姿勢検出手段と、前記機器の共振する固有の周波数を姿勢ごとに記憶している固有周波数記憶手段と、前記記憶手段からの周波数に基づいて前記補正手段の周波数特性を変更する制御手段とを有し、前記制御手段は、前記姿勢検出手段の出力に応じて、前記記憶手段の姿勢に応じた記憶周波数を選択し、前記補正手段の周波数特性に制御することを特徴とするとする構成とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、撮影装置等の撮影装置、光学機器に用いて好適な揺れ補正装置に関するものである。

従来、振れ補正装置としては特許文献１に開示されてあるように、振れ検出手段及び振れ補正手段からなる周波数特性の位相ズレを補正するシステムで、撮影装置の共振周波数を記憶し、補正する提案が開示されている。

以下、従来の方法について説明を行っておく。

図６は従来例における振れ補正撮影装置の構成を示す図である。

１は例えば振動ジャイロ等の角速度センサからなる角速度検出器であり、撮影装置等の振れ補正撮影装置に取り付けられている。２は角速度検出器１から出力される速度信号の直流成分を遮断して交流成分すなわち振動成分のみを通過させるＤＣカットフィルタである。このＤＣカットフィルタは、任意の帯域で信号を遮断するハイパスフィルタ（以下ＨＰＦと示す）を用いても良い。３はＤＣカットフィルタより出力された角速度信号を適当な感度に増幅するアンプである。

４はアンプ３より出力された角速度信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、５はハイパスフィルター（以下、ＨＰＦ）で、撮影状態判定手段の出力により特性が変更できる。６はＡ／Ｄ変換器４の出力を積分して角変位信号を出力する積分器。、７はＰＷＭ等のパルス出力に変換して出力するＤ／Ａ変換器である。そしてＡ／Ｄ変換器４、ＨＰＦ５、積分器６、Ｄ／Ａ変換器７は、例えばマイクロコンピュータ（以下マイコンと称す）ＣＯＭ１によって構成される。８はマイコンより出力された変位信号に基づいて、後段の画像補正手段を振れを抑制するように駆動する駆動回路。９は画像補正手段で、例えば光学的光軸を変位させて振れを相殺する光学的補正手段、あるいは画像を記憶したメモリより電子的に画像の読みだし位置をシフトして振れを相殺する電子的補正手段が用いられている。

マイコンＣＯＭ１内の構成を見ると、Ａ／Ｄ変換器４はアンプ３より出力された角速度信号をデジタル信号に変換する。ＨＰＦ５は任意の帯域で可変し得る機能を有し、積分回路６はＨＰＦ５によって抽出された所定の周波数成分の信号を積分してその周波数成分における角変位信号を求める。位相及び利得補正回路１１は積分回路６より出力された積分信号出力すなわち角変位信号の位相及び利得を補正する。撮影状態判定回路１０は角速度信号及び角変位信号からパン・チルト等の撮影状態の判定を行いＨＰＦ５及び位相及び利得補正回路１１の特性を撮影状態に応じて制御する。また、あらかじめ機器の共振周波数を記憶しておく固有周波数記憶手段１２の出力に応じ、あらかじめ記憶している周波数に応じた位相および利得特性にすることで共振による振れに対して効果的に補正を行わせるためのものである。

次に、図７に示す従来例におけるマイコンＣＯＭ１の処理動作について、図７のフローチャートにより説明する。同図において、制御をスタートすると、ステツプＳ７０１において、ＤＣカツトフイルタ２，アンプ３を介して直流分を除去される。それとともに所定のレベルに増幅された角速度検出手段１からの角速度信号が、Ａ／Ｄ変換器４によってデジタル信号に変換されてマイコンＣＯＭ１へと取り込まれる。

続いてステップＳ７０２において、角速度信号及びＨＰＦ５によって角速度信号中から抽出した所定の高域成分を積分回路６によって積分して得た角変位信号により、パンニング／チルテイング及び撮影状態の判断を行う。

ステップＳ７０３では、その判定結果に応じて、上述したようにＨＰＦ５の特性を設定するための係数を予めマイコンＣＯＭ１内に用意されている図示しないテーブルから読み出す。

ステップＳ７０４では、前記特性設定用の係数によりＨＰＦ５の演算を行つてその特性を設定し、ステップＳ７０５では、ＨＰＦ５の出力した信号を積分回路６によつて積分演算し、角変位信号（振れ信号）に変換する。

ステップＳ７０６では、固有周波数記憶手段１２に記憶されている周波数に応じた位相及び利得補正回路１１の補正係数を予め撮影状態判定手段１０内に用意されている図示しないテーブルから読み出す。

位相及び利得補正回路１１は、振れ補正系の位相遅れによる振れ補正特性の劣化を補償するためのものである。位相進み要素を持ち、後述するように、例えばデジタルフイルタで構成されており、このデジタルフイルタこの補正係数を読み出して、その振れ周波数に対応した位相及び利得補正特性を設定するものである。

ステップＳ７０７では、ステップＳ８０６で得られた係数で補正演算を行い、ステップＳ７０８において得られた演算結果すなわち補正が施された角変位信号を、Ｄ／Ａ変換器７によりアナログ信号に変換する。あるいはＰＷＭ等のパルス出力としてマイコンＣＯＭ１より出力する。

ここで以上の従来例における効果を述べると、まず第１に振れの周波数に対して補正をすることが達成でき、また、先に位相及び利得の補正手段と組み合わせることにより、最適の補正が可能である。

仮に、振れ補正の十分な効果を得られるのが、加わった振れに対して残留振れ成分を−３０ｄＢ以下に出来れば、十分な振れ補正状態であるとする。この仮定は、振れの補正効果に対しては撮影装置の焦点距離が大きく作用しているので、例えば、単純には焦点距離が２倍であれば、２倍の抑制効果がないと得られる画像において同一の効果が得られないからである。

しかし、振れを検知する振れセンサ、画像補正系を含めた総合的な振れ抑制効果において、現状では、振れに対して振れ補正後の残留振れ量を−３０ｄＢに抑えることのできる範囲は、補正対象の振れの帯域に対して必ずしもカバーするものでない場合がある。例えば、１〜１５Ｈｚの周波数が混在するような場合である。

具体的に例を示すため、現状の角速度センサと図８に示す画像補正手段によって得られる周波数特性が図８のようなものであるとする。

これは、図６の角速度検出手段である振れセンサ１に加える正弦波状の振れの入力に対する、画像補正系の周波数特性を示したものである。上図が利得特性を表し、下図が位相特性を表している。縦軸がそれぞれ利得（上図）、位相（下図）を示し、横軸が周波数（１〜５０Ｈｚ）を表している。

これのレンジを拡大してみたのが図９の特性１である。この特性１について、位相に着目してみる。３Ｈｚで位相が一致しており、その前後の周波数では、低周波側に向かうに従い、ＨＰＦ５（ここでは、遮断周波数０．０６Ｈｚとしている。）あるいは積分回路６（遮断周波数０．０７Ｈｚとしている。）の影響により位相が進む。高周波側に向かうと、角速度検出手段１や画像補正手段９の影響で位相が遅れている。なお、利得は１〜１０Ｈｚ程度まで、ほぼ一定である。

このときの抑振特性を示したものが、図１０の特性６であり、同図は、周波数（横軸）に対する補正の効果（縦軸、ｄＢで表示）である。この図から解るように、位相の一致している３Ｈｚにおいて最良の抑制ができ、２〜４Ｈｚでは−３０ｄＢの抑制をほぼ達成しているが、１０Ｈｚにおいては、−１８ｄＢ程度の抑振効果となつている。

すなわちこの位相のずれにより振れ抑制の効果の低下を招いている。

ここで、この特性１の位相遅れを補正するために、
Ｈ(S) ＝ a （S + ｚ） ・・・ （１）
という伝達関数で表される位相進み要素を持った特性を直列接続すれば、位相を所定の周波数で補正することができる。これは振れ抑制の範囲より高い周波数に設定し、位相を進めるものである。これを位相及び利得補正回路１１で行う。

例えば、特性１の１０Ｈｚでの位相遅れに注目すると、約７．５ｄｅｇ遅れている。よって、１０Ｈｚで７．５ｄｅｇ位相を進ませればこの位相遅れを補正することができ、結局十分な振動抑制効果を得ることができる。

すなわち特性１の位相ずれを１０Ｈｚにおいて補正した（位相を一致させ、なおかつ利得も一致させる）のが特性２である。これは式（１）のｚ（＝０）により設定できる。

また、利得も１０Ｈｚで０ｄＢとなるようにａを調整する。これを位相及び利得補正回路１１で実現すれば、特性１を特性５に特性変更でき、これより抑振効果を示す特性７が得られる。特性７より、このときに、１０Ｈｚ付近で最良の抑振効果が得られることが解る。なお、特性７は残留振れ成分を示すもので、
２０Ｌｏｇ（ＯＵＴ／ＩＮ） ・・・ （２）
ＯＵＴ：振れ補正後の残留振れ成分
ＩＮ：振れ量
で表される。

２０Ｈｚにおいても同様に、図１１のように特性１に対し、特性４を位相及び利得補正手段１１で実現すれば、特性５を得ることができる。この特性より実現される抑振効果としては図１０の特性８であり、２０Ｈｚ付近で最良の抑振効果が得られている。

つまり、１０Ｈｚの特性のままだと２０Ｈｚは−１８ｄＢ程度の効果しか得られないものがー３０ｄＢの効果が得られることが分かる。

なお、位相及び利得補正手段１１において式（１）の特性を実現するためには、デジタル・フイルタを用いれば、その係数を変更するだけで所望の特性を設定することができるのでマイコンを用いる制御には好適である。そしてこの時のデジタルフイルタには、１次ＩＩＲフィルタを使用するなら、
ｕ0 ＝ ａ0 ・ｗ0 ＋ ａ1 ・ｗ1
ｗ0 ＝ ｅ0 ＋ ａ2 ・ｗ1
ｗ1 ＝ ｗ0 （ｗ1 は状態変数）
ｅ0 ： 入力
ｕ0 ： 出力
ａ0 ，ａ1 ，ａ1 ：フイルタ係数
の演算により実現でき、フイルタ係数ａ0 ，ａ1 ，ａ2 を変えることにより、周波数特性を設定できる。振れ周波数に対応したフイルタ係数ａ0 ，ａ1 ，ａ2 のデータをテーブルとして用意し、そのテーブルから得られるフイルタ係数で上記のＩＩＲフイルタの演算を行えばよい。

すなわち、上述の例によれば、固有周波数記憶手段ん１３によって振れの対象周波数を決定する。その周波数に対して制御系全体の位相，利得ともそれぞれ０ｄｅｇ，０ｄＢすなわち最良の抑振特性が得られるような位相進み補償を制御系に与える。それは位相及び利得制御回路１１のデジタルフイルタのフイルタ特性を可変することであり、検出した振れ周波数に対して、常に最良の抑振効果を得ることができる。

具体的には、位相及び利得制御回路１１を構成するデジタルフイルタの特性が、あらかじめ記憶している固有周波数に応じた周波数特性となるようにする。例えば、マイコン内のデータテーブルに予め記憶されたフイルタ係数を、その振れ周波数に応じて読み出して設定するだけでよい。

特開２０１０−１６７００号公報

近年、セキュリティーや情報インフラの整備に伴い、撮影装置を設置する必要性がますます高まっている。中でも高い倍率に対応した撮影装置の需要が高まっており、振れ補正機能の必要性が併せて高まってきている。

そうした中、撮影装置を設置した場合、その撮影装置固有の周波数で共振する場合があることはすでに前述した通りである。

特にパン、チルト駆動機構を持つような可動部がある構成の撮影装置はその傾向がある。

原因についてはその機器ごとにあると考えられるが、質量や、可動部の隙間からなる形状など様々な要因から発生すると考えられる。

一般に機器の固有周波数の計算としては、下記の式が用いられる。

ｆ＝１／２π√（ｋ／ｍ）
ｆ：固有周波数
ｍ：質量
ｋ：係数
上記式だけでは機器の正確な固有周波数を求められるものではないが、目安として参考となるものである。

また、上記固有の周波数は機器の姿勢によって変わる。

図１２は撮影装置の設置の姿勢を示したもので、図１２ａは天井につるすような姿勢（以下倒立姿勢と述べる）、図１２ｂは机上などに置くような姿勢（以下正立姿勢と述べる）である。

次に、図１３は前記姿勢ごとの共振周波数の違いを示したもので、倒立と正立姿勢での周波数の違いを示したものである。それぞれ同一振幅で様々な周波数を入力し撮影装置の振動を測定した結果で、横軸が周波数、縦軸が振幅である。この図からわかるように入力が一定の振幅に対して、撮影装置の振幅が所定の周波数で著しく大きくなっていることがわかる。これはこの周波数の振動に対して撮影装置の振動が増幅していることを意味する。これが前述した固有の周波数で、共振周波数と考えられる。図１２ａの倒立姿勢は１０Ｈｚに対し、図１２ｂの正立姿勢は２０Ｈｚと共振周波数が異なることがわかる。

上述の特許文献に開示された従来技術から、１０Ｈｚ及び２０Ｈｚでは位相の遅れが異なってくるため、従来のように所定の固有周波数のみでの補正ではいいずれの姿勢においても最良の補正結果を得ることができない。例えば、図１０の特性結果からわかるように、１０Ｈｚの制御で１０Ｈｚに周波数に対しては３０ｄＢの効果を得られるのに対し、２０Ｈｚの周波数に対しては−１８ｄＢの効果しか得られない。

そこで、本発明の目的は、撮影装置の姿勢に対して効果的な振れ補正効果を実現することを可能にした振れ補正装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明は、光学機器の振れを検出する振れ検出手段と前記振れによる画像の動きを補正する振れ補正手段と、前記光学機器の姿勢を検出する姿勢検出手段と、前記機器の共振する周波数を姿勢ごとにあらかじめ記憶している固有周波数記憶手段と、前記記憶手段からの周波数に基づいて前記補正手段の周波数特性を変更する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記姿勢検出手段の出力に応じて、前記記憶手段の記憶している姿勢に応じた周波数を選択し、前記補正手段の周波数特性に制御することを特徴とする。

本発明によれば、撮影装置の姿勢によって効果的な振れ補正効果が得られない課題に対して、あらかじめわかっている撮影装置の固有振動周波数に対して制御することが可能になり、好適な振れ補正の効果を得られる

本発明の実施例１の説明図 実施例１の動作を示すフローチャート 本発明の実施例２の説明図 実施例２の説明図（その１） 実施例２の説明図（その２） 実施例２の動作を示すフローチャート 従来例の説明図 従来例のフローチャート 従来例の周波数特性説明図 従来例の周波数特性説明図 従来例の周波数特性の説明図 従来例の周波数特性の説明図 課題の及び実施例１の説明図 課題の及び実施例１の説明図

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかわるブロック図である。

［実施例１］
以下、図１を参照して、本発明の第1の実施例による、振れ補正方法について説明する。

同図において、上述の第７図に示す従来例と同一構成部分については同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

図中、従来例と異なるのは、姿勢検出手段１３は機器の姿勢を検出する手段で、機器が倒立姿勢か正立姿勢かを検出可能な、例えば、加速度センサである。固有周波数記憶手段１２はあらかじめ機器の倒立、正立のそれぞれの姿勢ごとの共振周波数を記憶し、姿勢検出手段１３の出力に従い、対応した周波数を撮影状態判定手段１０に出力するものである。

本実施例の特徴は、撮影装置が倒立または正立に設置できるもので、装置が設置されると固有の周波数で共振、振動することがわかっており、振れ補正の補正周波数を固有周波数記憶手段１２および姿勢検出手段１３の出力から決める構成としている。

撮影装置の姿勢は姿勢検出手段１３の出力結果から検出され、固有周波数記憶手段１２ではその出力結果の姿勢に応じたあらかじめ記憶している倒立または正立姿勢の固有周波数を選択、出力する。その結果、それぞれの姿勢おける振動に対して適切な位相、ゲインの補正が行え、倒立、正立いずれの姿勢においても効果的な振れ補正が行えるようになる。

従来例に示してあるように、周波数によって位相、ゲイン特性が異なる。そのため、姿勢よって固有周波数が異なるような撮影装置の場合、あらかじめ姿勢による振れ周波数がわかっているのであれば、本実施例により姿勢に応じた適切な位相、ゲイン設定により好適な振れ補正効果が得られる。

次に、図１に示す本実施例におけるマイコンＣＯＭ１処理動作について、図２のフローチャートにより説明する。同図において、制御をスタートすると、ステツプＳ２０１において、ＤＣカツトフイルタ２，アンプ３を介して直流分が除去される。それとともに所定のレベルに増幅された角速度検出手段１からの角速度信号が、Ａ／Ｄ変換器４によつてデジタル信号に変換されてマイコンＣＯＭ１へと取り込まれる。

続いてステップＳ２０２において、撮影状態判定手段１０は角速度信号及びＨＰＦ５によつて角速度信号中から抽出した所定の高域成分を積分回路６によつて積分して得た角変位信号により、撮影状態の判断を行う。

ステップＳ２０３では、その判定結果に応じて、上述したようにＨＰＦ５の特性を設定するための係数を予め撮影状態判定手段１０内に用意されている図示しないテーブルから読み出す。

ステップＳ２０４では、前記特性設定用の係数によりＨＰＦ５の演算を行つてその特性を設定し、ステップＳ２０５では、ＨＰＦ５の出力した信号を積分回路５によつて積分演算し、角変位信号（振れ信号）に変換する。

ステップＳ２０６では、姿勢検出手段１３の出力結果を読み込み、ステップＳ２０７で固有周波数記憶手段１２は、姿勢に応じたから周波数を読み込み、撮影状態判定手段１０へ出力する。ステップＳ２０８では出力された周波数に対応した位相及び利得補正回路１１の補正係数を予め撮影状態判定手段１０内に用意されている図示しないテーブルから読み出す。

位相及び利得補正回路１１は、振れ補正系の位相遅れによる振れ補正特性の劣化を補償するためのものでる。ステップＳ２０９では、ステップＳ２０８で得られた係数で補正演算を行い、ステップＳ２１０において、得られた演算結果すなわち補正が施された角変位信号を、Ｄ／Ａ変換器７によりアナログ信号に変換し、あるいはＰＷＭ等のパルス出力としてマイコンＣＯＭ１より出力する。

ここで以上の実施例における効果を述べると、振れ補正の対象周波数を撮影装置の姿勢に応じた固有周波数とすることで、倒立および正立状態で設置された場合にこの周波数で振動している機器に対して振れ補正の効果が適切に得られる。

改めて、課題の説明での図１２、及び１３を例に挙げると、倒立で１０Ｈｚの共振、正立で２０Ｈｚの共振周波数で揺れている場合、従来の制御いずれかの周波数しか記憶できなかった。そのため、従来例の特性結果として、図１１を例にすると、倒立時の周波数１０Ｈｚを記憶していたとすると、倒立は−３０ｄＢの効果を得られるが、正立時は−１８ｄＢとなってしまう。

本実施例によれば、倒立および正立姿勢いずれにおいても適切な制御により−３０ｄＢの効果を得ることができるようになることを示し、姿勢によって共振する周波数が異なる場合でも、適切な振れ補正装置が提供できるものである。

［実施例２］
以下、図３を参照して、本発明の第２の実施例による、振れ補正装置について説明する。

本実施例は姿勢の検出手段として、画像反転機能の出力結果を用いることを提案するものである。

これにより、実施例１で述べたような加速度センサを用いることなく、装置の姿勢を判断することができ、センサのスペースを省け、さらに部品を減らすことで装置のスペース上および、コスト上の効果を得ることができるものである。

以下、図3の説明を行う。同一部部については説明を省略する。実施例１と異なるのは姿勢検出手段１４を省き、画像反転状態検出手段１５の出力をＣＯＭ１に読む込む構成としている点である。

図４は姿勢における画像反転機能の説明を図示したもので、図４ａは反転機能なしで、図４ｂは反転機能を有りの状態である。近年画像をメモリしておき、その読み出し方法を任意に変更することで容易に上下反転させる画像を抽出できるようになった。

図４ａでは反転機能を使わず、モニターへの出力画像は倒立と正立で反転するが、反転機能を用いることで図４ｂのようにどちらも同様な画像を得ることができるものである。

本実施例の特徴は、前述した画像反転機能の状態によって、現在のカメラが倒立か正立姿勢かの判断に用い、あらかじめ倒立および正立姿勢ごとに共振の固有周波数を記憶している固有周波数記憶手段１２の出力の判断に用いる点である。

次に、図５に示す本実施例におけるマイコンＣＯＭ１の処理動作について、図５のフローチャートにより説明する。同図において、制御をスタートすると、ステツプＳ５０１において、ＤＣカツトフイルタ２，アンプ３を介して直流分が除去される。それとともに所定のレベルに増幅された角速度検出手段１からの角速度信号が、Ａ／Ｄ変換器４によつてデジタル信号に変換されてマイコンＣＯＭ１へと取り込まれる。

続いてステップＳ５０２において、角速度信号及びＨＰＦ５によつて角速度信号中から抽出した所定の高域成分を積分回路６によつて積分して得た角変位信号により、撮影状態の判断を行う。

ステップＳ５０３では、その判定結果に応じて、上述したようにＨＰＦ５の特性を設定するための係数を予め撮影状態判定手段１０内に用意されている図示しないテーブルから読み出す。ステップＳ５０４では、前記特性設定用の係数によりＨＰＦ５の演算を行つてその特性を設定し、ステップＳ５０５では、ＨＰＦ５の出力した信号を積分回路５によつて積分演算し、角変位信号（振れ信号）に変換する。

ステップＳ５０６では、画像反転機能の出力手段１５の出力結果を読み込み、ステップＳ５０７では固有周波数記憶手段１３はＳ５０６の検出結果から装置の姿勢を判断し、姿勢に応じた固有周波数を読み込み、撮影状態判定手段１０へ出力する。ステップＳ５０８では出力された周波数に対応した位相及び利得補正回路１１の補正係数を予めマイコンＣＯＭ１内に用意されている図示しないテーブルから読み出す。

ステップＳ５０９では、ステップＳ５０８で得られた係数で補正演算を行い、ステップＳ５１０において、得られた演算結果すなわち補正が施された角変位信号を、Ｄ／Ａ変換器７によりアナログ信号に変換し、あるいはＰＷＭ等のパルス出力としてマイコンＣＯＭ１より出力する。

以上の実施例における効果は安価で省スペースを実現しつつ、実施例１と同様、振れ補正の対象周波数を撮影装置の姿勢に応じた固有周波数とすることで、倒立および正立状態で設置された場合にこの周波数で振動している機器に対して振れ補正の効果が適切に得られる。

１角速度検出器
２ＤＣカットフィルタ
３アンプ
４Ａ／Ｄ変換器
５積分器
６ＨＰＦ
７Ｄ／Ａ変換器
８駆動回路
９画像補正手段
１０撮影状態判定手段
１１位相及び利得補正回路１１
１２固有周波数記憶手段
１３姿勢検出手段
１４画像反転状態出力手段

Claims (3)

1. 装置の振れを検出する振れ検出手段と、
   前記振れによる画像の動きを補正する振れ補正手段と、
   前記光学機器の姿勢を検出する姿勢検出手段と、
   前記機器の共振する固有の周波数を姿勢ごとに記憶している固有周波数記憶手段と、
   前記記憶手段からの周波数に基づいて前記補正手段の周波数特性を変更する制御手段とを有し、
   前記制御手段は、前記姿勢検出手段の出力に応じて、前記記憶手段の姿勢に応じた記憶周波数を選択し、前記補正手段の周波数特性に制御することを特徴とする振れ補正装置。
2. 前記姿勢検出手段は加速度センサであることを特徴とする請求項１に記載の振れ補正装置。
3. 前記姿勢検出は画像反転機能の出力結果を用いることを特徴とする請求項１に記載の振れ補正装置。