JP4641424B2

JP4641424B2 - 撮像装置

Info

Publication number: JP4641424B2
Application number: JP2005026463A
Authority: JP
Inventors: 剛諸藤
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2005-02-02
Filing date: 2005-02-02
Publication date: 2011-03-02
Anticipated expiration: 2025-02-02
Also published as: US7551222B2; US20060170813A1; JP2006215181A

Description

本発明は、例えばテレビ会議システム、遠隔監視システム等に使用する電動ズームレンズ、自動合焦手段、電動旋回雲台を備えた撮像装置に関するものである。

テレビカメラでは、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサなどの撮像素子に被写体像を所望時間露光し、得られた画像信号をデジタル信号に変換して、ＹＣ処理などの所定の処理を施し、所定の形式の画像信号を得ている。一般的に、被写体像の映像信号から画面の鮮鋭度を検出し、この鮮鋭度が最大となるようにフォーカスレンズ位置を制御して合焦する方式が、例えば特許文献１で知られている。

画像の鮮鋭度の評価としては、映像信号へのＢＰＦ（バンドパスフィルタ）により得られる高周波成分の強度、或いは微分により抽出される映像信号のぼけ幅等の鮮鋭度を示す信号を用いる。これは、通常の被写体を撮影した場合には、ピントがぼけている状態では小さく、ピントが合うにつれて大きくなり、合焦時に極大値となる。

従って、フォーカスレンズの制御としては、図９のＡに示す山登りオートフォーカス方式として広く知られているように、鮮鋭度が小さいときには大となる方向に高速に駆動し、増加から減少へと切換わる地点で反転して低速で駆動し、精度良く山の頂上でフォーカスレンズを停止させることで実現できる。

特許第２７２１４７１号公報

しかしながら、映像信号を利用した自動合焦装置では、被写体の依存性が強く、図９のＢで示すように低コントラストの被写体では鮮鋭度信号の山自体がなだらかで起伏のないものとなり、頂上を検出することが極めて困難となり、合焦点を見付けられずに、ハンチングを起こす等の不具合を生ずる場合もある。

また、監視用途に用いるカメラシステムにおいては、夜間においてコントラストが極端に低い、或いは監視物が存在しないシーン等の各種条件があり、合焦動作が不能となってしまうこともある。

本発明の目的は、上述の問題点を解消し、各種条件に応じて自動的に合焦動作ができる撮像装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る撮像装置の技術的特徴は、撮像面に結像する光像を電気信号に変換する撮像素子と、
被写体像の光を前記撮像素子に導くためのレンズ群と、
該レンズ群のうちのズームレンズを駆動し撮像画角の変更を行う撮像画角変更手段と、
前記撮像素子から得られる映像信号にバンドパスフィルタをかけて得られる鮮鋭度に応じたフォーカス評価信号を抽出するフォーカス評価信号抽出手段と、該フォーカス評価信号抽出手段の出力に応じて前記レンズ群のうちのフォーカスレンズの駆動を行って合焦状態を得る合焦手段と、前記ズームレンズと前記フォーカスレンズの位置情報を用いて被写体までの距離を検出する被写体距離検出手段と、前記撮像素子への入射光量を検出する入射光量検出手段と、前記レンズ群の撮像方向を変更し得る撮像方向変更手段と、前記入射光量検出手段の出力が所定値以上でかつ合焦状態において、前記撮像方向変更手段の位置情報に応じて前記被写体距離検出手段から得られる被写体距離情報を記憶し得る記憶手段とを有し、前記入射光量検出手段の出力が所定値以下でかつ合焦不可能状態と判定された場合に、前記撮像方向変更手段の位置情報に応じて前記記憶手段から前記被写体距離情報を取得し、前記被写体距離情報に基づいて前記フォーカスレンズの移動範囲を制限し、前記フォーカス評価信号抽出手段に入力される前記映像信号にかけるバンドパスフィルタを低コントラスト重視のものに切り換え、かつ前記フォーカスレンズの送り量を最小送り量とすることを特徴とする。

本発明に係る撮像装置によれば、パンニング、チルティング等の撮像方向に対応した被写体距離情報を取得しておくことで、円滑かつ確実なフォーカス動作を可能とすることができる。

本発明を図１〜図８に図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

図１は実施例１に係るカメラシステムのブロック構成図である。図１において、撮影光学系として、第１群レンズを構成する固定の前玉レンズ１、第２レンズ群を構成し、撮像画角の変更を行う撮像画角変更手段としてのステッピングモータ２により駆動するズームレンズ３、絞り駆動手段４により駆動される絞り５、固定の第３群レンズ６、ステッピングモータ７を介して焦点調節を行うフォーカスレンズ８、ＣＣＤ、ＣＭＯＳセンサなどの撮像素子９が配列されている。

撮像素子９の出力は、ＡＧＣ（自動利得制御）回路１１、Ａ／Ｄ変換器１２、信号処理回路１３を介してＤ／Ａ変換器１４に接続され、信号処理回路１３の出力はＡＥ（自動露出調整）／ＡＷＢ（オートホワイトバランス調整）の評価値を検出する入射光量検出手段としての評価処理回路１５、ＡＦ（合焦）の評価値を検出するＡＦ評価値検出処理回路１６に接続され、これらの評価処理回路１５、１６の出力はマイクロコンピュータから成るコントローラ１７に接続されている。

また、同期信号発生回路（Timing Generator）１８の出力は、撮像素子９、ＡＧＣ回路１１、Ａ／Ｄ変換器１２に接続されている。コントローラ１７の出力はステッピングモータ２、絞り駆動手段４、ステッピングモータ７、パンニング、チルティング機能を有する撮像方向を変更する撮像方向変更手段としての電動旋回雲台１９に接続されている。更にコントローラ１７には、撮像素子９の近傍に配置された温度検出センサ２０の出力が接続され、メモリ２１が接続されている。

上述の構成において、被写体の光像はレンズ１、３、６、８を介して撮像素子９の撮像面に結像され、電気信号に変換される。ここで、絞り５が全開状態であり、かつ撮像素子９の受光量の輝度信号レベルが所定値に達しないときには、ＡＧＣ回路１１で被写体の明るさに応じた信号増幅が行われ、Ａ／Ｄ変換器１２でデジタル信号に変換される。その後に、映像信号は信号処理回路１３で色分離、ホワイトバランス、ガンマ補正等の映像信号規格に準拠した適宜な処理が施された後に、Ｄ／Ａ変換器１４で適当なフォーマットのビデオ信号に変換され出力される。

フォーカス評価信号抽出手段としてのＡＦ評価値検出処理回路１６は、映像信号中から撮像面内に設定された所定の測距枠内に相当する映像信号をゲートするゲート回路、合焦検出を行うために必要な鮮鋭度を示す評価値としての高周波成分を抽出するためのＢＰＦ等により構成されている。また、ＡＦ評価値検出処理回路１６で検出された鮮鋭度（フォーカス評価信号）信号は、ＡＦ、ＡＥ、ＡＷＢ等のシステム全体を統括的に制御するコントローラ１７に供給される。

図２は電動旋回雲台１９によるパンニング・チルティングによる撮影方向に応じた被写体距離の検出及び記憶についての動作フローチャート図である。撮像素子９の入射光量（輝度）を所定値と比較し（ステップＳ１０１）、所定値以上であればステップＳ１０２に進み、以下であれば今回の処理は終了する。次に、所定の時間内で輝度値が安定しているかをチェックし（ステップＳ１０２）、安定していなければ処理を終了する。安定していれば撮像方向のエリアを検出し（ステップＳ１０３）、被写体距離検出を行い（ステップＳ１０４）、パンニング・チルティングによる撮像エリアに応じたメモリ２１の記憶領域に被写体距離Ｃを記憶する（ステップＳ１０５）。

次表はメモリ２１に記憶したマッピング例の列方向のパンニング角度（°）、行方向のチルティング角度（°）に対する被写体距離（ｍ）を示し、ここではパンニング・チルティングの変位角度を１０°刻みで区切っている。例えば、パンニング角度：３０°、チルティング角度：０°の場合には、「Ｃ」の位置に被写体距離データを格納する。

チルティング角度（°）
-45〜-35 -35〜-25 -25〜-15 -15〜-5 -5〜5 5〜15 15〜25 25〜35
３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ８ｍ９ｍ
パンニング３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ８ｍ９ｍ
角度（°）３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ８ｍ９ｍ
65〜55 ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ８ｍ９ｍ
55〜45 ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ８ｍ９ｍ
45〜35 ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ８ｍ９ｍ
35〜25 ５ｍ５ｍ５ｍ５ｍＣ３ｍ８ｍ９ｍ
25〜15 ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ８ｍ９ｍ
15〜5 ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ２ｍ３ｍ８ｍ９ｍ
-5〜5 ７ｍ７ｍ７ｍ７ｍ２ｍ３ｍ８ｍ９ｍ
-15〜-5 ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ２ｍ３ｍ８ｍ９ｍ
-25〜-15 ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ２ｍ３ｍ８ｍ９ｍ
-35〜-25 ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ７ｍ９ｍ
-45〜-35 ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ３ｍ７ｍ９ｍ
-55〜-45 ４ｍ４ｍ４ｍ４ｍ４ｍ５ｍ７ｍ７ｍ
-65〜-55 ５ｍ５ｍ５ｍ５ｍ５ｍ５ｍ７ｍ７ｍ
-75〜-65 ８ｍ８ｍ８ｍ８ｍ７ｍ７ｍ７ｍ７ｍ
-85〜-75 ８ｍ８ｍ８ｍ８ｍ８ｍ８ｍ８ｍ８ｍ
-95〜-85 ９ｍ９ｍ９ｍ９ｍ９ｍ９ｍ９ｍ９ｍ
-100〜-95 ９ｍ９ｍ９ｍ９ｍ９ｍ９ｍ９ｍ９ｍ

図３は低照度下での動作フローチャート図である。先ず、低照度によるＡＦ（オートフォーカス）停止が行われていないかをチェックする（ステップＳ２０１）。低照度によるＡＦ停止状態の場合はそのまま終了する。低照度によるＡＦ停止状態でなければ、輝度をチェックし（ステップＳ２０２）、所定値以上であれば終了する。輝度が所定値以下であれば合焦状態をチェックし（ステップＳ２０３）、合焦可能であれば終了する。

合焦ができない場合つまり合焦不可能状態と判定された場合には、パンニング角度・チルティング角度によりそこでの撮像方向エリアを検出し（ステップＳ２０４）、このエリアの被写体距離情報をメモリ２１から読み出す（ステップＳ２０５）。その後に、ズームレンズ３の位置（位置情報）に応じて記憶されている被写体距離Ｃにフォーカスレンズ８を移動し（ステップＳ２０６）、低照度によるＡＦ停止フラグをセットし終了する（ステップＳ２０７）。

図４は低照度下でのＡＦ停止状態からＡＦ再起動までの動作フローチャート図である。先ず、低照度によるＡＦ停止が行われていないかをチェックする（ステップＳ３０１）。低照度によるＡＦ停止状態でない場合はそのまま終了し、低照度によるＡＦ停止状態であれば、輝度をチェックし（ステップＳ３０２）、所定値以上であれば終了する。

入射光量検出手段としての評価処理回路１５における輝度が所定値以下であれば、例えば１分間程度の比較的長時間毎に、輝度信号のサンプリング及びメモリ２１への取り込み、つまり時間変化に応じた複数の出力値である輝度信号を輝度信号記憶Ａｎとして記憶する（ステップＳ３０３，Ｓ３０４）。ここで、想定される輝度変化から適当な時間間隔を算出し、メモリ２１上の輝度信号記憶Ａｎと所定値とを比較し、つまり輝度信号の変化を長時間監視する（ステップＳ３０５）。そして、輝度信号記憶Ａｎが所定値以上であればＡＦを再起動し（ステップＳ３０６）、低照度によるＡＦ停止フラグの解除を行う（ステップＳ３０７）。

ＡＦの合焦不能によりハンチングを繰り返していれば、モータ等の機械機構の劣化を早め、ピントの外れた位置で止めてしまうと、輝度変化、鮮鋭度（フォーカス評価信号）の変化量が極めて微小となり、ＡＦ再起動のタイミングを誤ることになりかねない。

このように、予めパンニング角度・チルティング角度に応じて、被写体距離情報を取得しておくことで、比較的精度の高い合焦ポイントにピントをおくことが可能となる。パンニング角度・チルティング角度の可動範囲における主たる被写体距離を、昼間の時点で記憶しておき、夜間にはそれらの被写体情報を参照することで、フォーカスのぼけ止まりを防止できる効果がある。

また、メモリ２１上の被写体距離情報の一部を固定値とすることで、特定エリアに撮像画面が向いたときには、固有の被写体があるものとする機能も考えられる。

図５はパンニング・チルティング、ズーム（ＰＴＺ）カメラの一例である。パンニング、チルティング、ズーミングが可能なＰＴＺカメラ３１が電動旋回雲台１９上に搭載されており、カメラ３１にはビデオサーバ３２が接続されている。

図６はビデオサーバ３２からＰＴＺカメラ３１を制御し、その出力映像と、パンニング画角移動Ｐ、チルティング画角移動Ｔとから、パノラマ映像Ｐ０を合成する説明図である。Ｐａ、Ｐｂ、Ｐｃのそれぞれは、ＰＴＺカメラ３１から得られる１画像である。これらの画像をビデオサーバ３２により合成することで、パノラマ映像Ｐ０を得ることができる。勿論、ＰＴＺカメラ３１とビデオサーバ３２を一体とした機器においても同様である。

図６において、パノラマ合成された画像Ｐ０に対し、Ｐａは青空或いは星空であり、コントラストが非常に低い場合が考えられる。このようなエリアの撮像時には、フォーカスレンズ８を被写体距離に一時的に固定することにより、ＡＦによるぼけの防止が可能となり、有効な手法である。

図７は実施例２の低照度下での動作フローチャート図である。先ず、低照度によるＡＦ停止が行われていないかをチェックする（ステップＳ４０１）。低照度によるＡＦ停止状態の場合はそのまま終了する。低照度によるＡＦ停止状態でなければ、輝度をチェックし（ステップＳ４０２）、所定値以下であればステップＳ４０３に進み、所定値以上であれば終了する。ＡＦによる合焦をチェックし（ステップＳ４０３）、合焦可能であれば終了する。合焦ができない場合は、ＡＦの合焦検出特性を低照度下で最適となるように、ＢＰＦの特性切換えを行う（ステップＳ４０４）。

次に、パンニング角度・チルティング角度により撮像方向エリアを検出し、このエリアの被写体距離情報をメモリ２１から読み出し（ステップＳ４０５）、その被写体距離情報に基づいて、フォーカス可動範囲を制限する（ステップＳ４０６）。

低照度下において最適となるように調整したＡＦモード２に切換え（ステップＳ４０７）、合焦動作を行う。ＡＦモード２においても合焦をチェックし（ステップＳ４０８）、合焦可能であれば終了する（ステップＳ４０８）。合焦ができない場合は、ズームレンズの位置に応じて被写体距離Ｃにフォーカスレンズ８を移動させ（ステップＳ４０９）、低照度によるＡＦ停止フラグをセットし終了する（ステップＳ４１０）。

なお、ＡＦモード２では、例えばＢＰＦの特性を低コントラスト重視のものに切換え、フォーカス制限範囲内を、フォーカスレンズを最小送り量で送り動作させながら、鮮鋭度を評価し、ピーク値を検出する等のコントラストの微小変動を検出できるモードである。

図８は実施例３の動作フローチャート図である。パンニング、チルティング動作状態を検出し（ステップＳ５０１）、撮像方向の変更中の動作状態である場合はステップＳ５０２に進み、停止状態であれば終了する。次に、パンニング・チルティングの移動速度に対応した被写体距離情報を読み出す（ステップＳ５０２、Ｓ５０３）。それに応じて、フォーカスレンズ８の移動範囲を制限し（ステップＳ５０４）、ＡＦモードもそれに対応した特性に切換える（ステップＳ５０５）。

例えば、パンニング・チルティングが非常に高速で行われた場合に、被写体の変動が激しくフォーカス評価値（鮮鋭度）は意味をなさないので、メモリ２１上に展開している被写体距離情報を用いてフォーカス駆動を行うことで、安定したフォーカシング動作が実行できる。

実施例１のブロック構成図である。被写体距離の検出、記憶についての動作フローチャート図である。低照度下の動作フローチャート図である。低照度下のＡＦ再起動の動作フローチャート図である。ＰＴＺカメラの説明図である。合成したパノラマ画像の説明図である。実施例２の動作フローチャート図である。実施例３の動作フローチャート図である。オートフォーカス鮮鋭度を得る方法の説明図である。

符号の説明

３ズームレンズ
８フォーカスレンズ
９撮像素子
１１ＡＧＣ回路
１５評価処理回路
１６ＡＦ評価検出処理回路
１７コントローラ
１９電動旋回雲台
２１メモリ
３１ＰＴＺカメラ

Claims

撮像面に結像する光像を電気信号に変換する撮像素子と、
被写体像の光を前記撮像素子に導くためのレンズ群と、
該レンズ群のうちのズームレンズを駆動し撮像画角の変更を行う撮像画角変更手段と、
前記撮像素子から得られる映像信号にバンドパスフィルタをかけて得られる鮮鋭度に応じたフォーカス評価信号を抽出するフォーカス評価信号抽出手段と、
該フォーカス評価信号抽出手段の出力に応じて前記レンズ群のうちのフォーカスレンズの駆動を行って合焦状態を得る合焦手段と、
前記ズームレンズと前記フォーカスレンズの位置情報を用いて被写体までの距離を検出する被写体距離検出手段と、
前記撮像素子への入射光量を検出する入射光量検出手段と、
前記レンズ群の撮像方向を変更し得る撮像方向変更手段と、
前記入射光量検出手段の出力が所定値以上でかつ合焦状態において、前記撮像方向変更手段の位置情報に応じて前記被写体距離検出手段から得られる被写体距離情報を記憶し得る記憶手段とを有し、
前記入射光量検出手段の出力が所定値以下でかつ合焦不可能状態と判定された場合に、前記撮像方向変更手段の位置情報に応じて前記記憶手段から前記被写体距離情報を取得し、前記被写体距離情報に基づいて前記フォーカスレンズの移動範囲を制限し、前記フォーカス評価信号抽出手段に入力される前記映像信号にかけるバンドパスフィルタを低コントラスト重視のものに切り換え、かつ前記フォーカスレンズの送り量を最小送り量とすることを特徴とする撮像装置。