JP5066893B2 - 相関演算方法、相関演算装置、焦点検出装置および撮像装置 - Google Patents
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(2) また、本発明は、第1信号データ列と第2信号データ列との相関度を演算する相関演算において、まず、第1信号データ列中の第1データとその近傍のデータに第1演算を行って演算データを演算するとともに、第2信号データ列中の第1データに対応する第2データとその近傍のデータに第2演算を行って演算データを演算し、それらの演算データを乗算して第1演算データを演算する。次に、第2信号データ列中の第2データとその近傍のデータに第1演算を行って演算データを演算するとともに、第1信号データ列中の第1データとその近傍のデータに第2演算を行って演算データを演算し、それらの演算データを乗算して第2演算データを演算する。そして、第1演算データと第2演算データとの相関度を演算する。
本願発明を撮像装置としてのディジタルスチルカメラに適用した一実施の形態を説明する。図1は一実施の形態のディジタルスチルカメラの構成を示す図である。一実施の形態のディジタルスチルカメラ201は交換レンズ202とカメラボディ203とから構成され、交換レンズ202はカメラボディ203のマウント部204に装着される。
図13は、一実施の形態のディジタルスチルカメラ(撮像装置)210の撮像動作を示すフローチャートである。カメラ駆動制御装置212は、ステップ100でカメラの電源が投入されるとこの撮像動作を繰り返し実行する。ステップ110において撮像素子211から撮像画素310のデータを間引き読み出しし、電子ビューファインダーLCD215に表示させる。撮像画素310のデータを間引き読み出しする際には、焦点検出画素311がなるべく含まれないような設定で間引き読み出しをすることによって、表示品質を向上させることができる。逆に、焦点検出画素311を含むように間引き読み出しを行い、電子ビューファインダーLCD215上に焦点検出画素出力を補正せずに表示させることによって、焦点検出位置をユーザーに認識可能に表示することもできる。
図14は、図13に示す撮像動作の中のステップ130の焦点検出動作の詳細を示すフローチャートである。ステップ300において焦点検出演算処理すなわち相関演算処理を開始し、ステップ310で焦点検出画素列から出力される一対の信号データ列(α1〜αM、β1〜βM:Mはデータの個数)に対して下記(1)式に示すような高周波カットフィルター処理を施し、第1信号データ列A1〜ANと第2信号データ列B1〜BN(Nはデータ個数)を生成し、信号データ列から相関処理に悪影響を及ぼすノイズ成分や高周波成分を除去する。
An=αn+2×αn+1+αn+2,
Bn=βn+2×βn+1+βn+2 ・・・(1)
(1)式において、n=1〜Nである。なお、演算時間の短縮を図る場合や、すでに大きくデフォーカスしていて高周波成分が少ないことがわかっている場合には、ステップ310の高周波カットフィルター処理を省略することができる。
C(k)=Σ|En,k−Fn,k| ・・・(2)
(2)式において、Σ演算はnについて累積されるとともに、nのとる範囲はずらし量kに応じてEn,kとFn,kのデータが存在する範囲に限定される。また、ずらし量kは整数であり、一対のデータの検出ピッチを単位とした相対的シフト量である。
x=kj+D/SLOP ・・・(3),
C(x)=C(kj)−|D| ・・・(4),
D={C(kj-1)−C(kj+1)}/2 ・・・(5),
SLOP=MAX{C(kj+1)−C(kj),C(kj-1)−C(kj)} ・・・(6)
DEF=KX・PY・x ・・・(7)
(7)式において、PYは検出ピッチであり、KXは一対の測距瞳の重心の開き角の大きさによって決まる変換係数である。算出したデフォーカス量DEFに信頼性があるかどうかは次のようにして判定する。図15(b)に示すように、一対のデータの相関度が低い場合は内挿された相関量の最小値C(x)の値が大きくなる。したがって、C(x)が所定値以上の場合は信頼性が低いと判定する。あるいは、C(x)をデータのコントラストで規格化するために、コントラストに比例した値となるSLOPでC(x)を除した値が所定値以上の場合は信頼性が低いと判定する。あるいはまた、コントラストに比例した値となるSLOPが所定値以下の場合は、被写体が低コントラストであり、算出したデフォーカス量DEFの信頼性は低いとする。
次に、図14に示す相関演算処理の実施例を説明する。図16は一実施の形態の相関演算の思想を説明するための図であり、実線で示す第1信号データ列A1〜ANと破線で示す第2信号データ列B1〜BNとに交換レンズ202のケラレなどに起因した歪みが生じ、両信号データ列の波形にゲイン差が生じた場合を示す。このようなゲイン差がある場合でも、各信号データ列の中の“微少範囲”の特性、すなわち隣接するデータの大きさの比An/An+1、Bn+k/Bn+1+kは大きな影響を受けない。この“微少範囲”の特性An/An+1、Bn+k/Bn+1+kには分母部が含まれるから、これらの“微少範囲”の特性に分母部の共通項(An+1×Bn+1+k)を乗ずることによって、分母部が0になった場合の発散の影響や分母部の値が小さい場合のノイズの影響を抑制することができる。
さらに、第2信号データ列B1〜BNの中の上記微少範囲データBn-r〜Bn+sに対して上記第1演算を行って演算データを得るとともに、第1信号データ列A1〜ANの中の上記微少範囲データAn-r〜An+sに対して上記第2演算を行って演算データを得る。そして、それらの演算データを乗算して第2演算データを算出する。
そして、第1演算データと第2演算データに基づいて上記(2)式により第1信号データ列と第2信号データ列の相関を求める。この相関演算例を処理例3〜処理例8として後述する。
相関量C(k)を次式により求める。
C(k)=Σ|(An×Bn+1+k)−(Bn+k×An+1)| ・・・(8)
(8)式において、Σ演算はnについて累積され、nのとる範囲はずらし量kに応じてAn、An+1、Bn+k、Bn+1+kのデータが存在する範囲に限定される。図17に相関演算処理例1のデータフローを示す。この処理例1では、第1信号データ列Aの中の注目データAnと、ずらし量kだけずれた第2信号データ列Bの中の注目データAnに対応するデータBn+kから1個ずれたデータBn+1+kとを乗じて第1演算データ(An×Bn+k)を求めるとともに、第2信号データ列BのデータBn+kと第1信号データ列Aの注目データAnから1個ずれたデータAn+1とを乗じて第2演算データ(Bn+k×An+1)を求め、第1演算データと第2演算データの差の絶対値の総和により第1信号データ列Aと第2信号データ列Bの相関量C(k)を演算する。
相関量C(k)を次式により求める。
C(k)=Σ|(An×Bn+2+k)−(Bn+k×An+2)| ・・・(9)
(9)式において、Σ演算はnについて累積され、nのとる範囲はずらし量kに応じてAn、An+2、Bn+k、Bn+2+kのデータが存在する範囲に限定される。図20に相関演算処理例2のデータフローを示す。この相関演算処理例2は、(8)式に示す相関演算処理1よりも演算対象のデータ間隔をより広げた演算としている。
相関量C(k)を次式により求める。
C(k)=Σ|(An−An+1)×(Bn+k+Bn+1+k)−(Bn+k−Bn+1+k)×(An+An+1)|
・・・(10)
(10)式において、Σ演算はnについて累積され、nのとる範囲はずらし量kに応じてAn、An+1、Bn+k、Bn+1+kのデータが存在する範囲に限定される。図22に相関演算処理例3のデータフローを示す。
相関量C(k)を次式により求める。
C(k)=Σ|(An−An+2)×(Bn+k+Bn+2+k)−(Bn+k−Bn+2+k)×(An+An+2)|
・・・(11)
(11)式において、Σ演算はnについて累積され、nのとる範囲はずらし量kに応じてAn、An+2、Bn+k、Bn+2+kのデータが存在する範囲に限定される。図24に相関演算処理4のデータフローを示す。この相関演算処理4は、(10)式に示す相関演算処理3よりも演算対象のデータ間隔を広げた演算としている。
相関量C(k)を次式により求める。
C(k)=Σ|(2×An−An-1−An+1)×(Bn-1+k+Bn+k+Bn+1+k)−(2×Bn+k−Bn-1+k−Bn+1+k)×(An-1+An+An+1)| ・・・(12)
(12)式において、Σ演算はnについて累積され、nのとる範囲はずらし量kに応じてAn-1、An、An+1、Bn-1+k、Bn+k、Bn+1+kのデータが存在する範囲に限定される。図26に相関演算処理5のデータフローを示す。この相関演算処理5は、信号データ列の特性値として、隣接データの差分(2次微分;第1演算に相当)と、隣接データの平均値(第2演算に相当)との比を採用した場合の相関演算式である。
相関量C(k)を次式により求める。
C(k)=Σ|(2×An−An-2−An+2)×(Bn-2+k+Bn+k+Bn+2+k)−(2×Bn+k−Bn-2+k−Bn+2+k)×(An-2+An+An+2)| ・・・(13)
(13)式において、Σ演算はnについて累積され、nのとる範囲はずらし量kに応じてAn-2、An、An+2、Bn-2+k、Bn+k、Bn+2+kのデータが存在する範囲に限定される。図28に相関演算処理6のデータフローを示す。この相関演算処理6は、(12)式に示す相関演算処理5よりも演算対象のデータ間隔を広げた演算としている。
相関量C(k)を次式により求める。
C(k)=Σ|(An2×Bn-1+k×Bn+1+k)−(Bn+k2×An-1×An+1)| ・・・(14)
(14)式において、Σ演算はnについて累積され、nのとる範囲はずらし量kに応じてAn-1、An、An+1、Bn-1+k、Bn+k、Bn+1+kのデータが存在する範囲に限定される。図30に相関演算処理例7のデータフローを示す。
相関量C(k)を次式により求める。
C(k)=Σ|(An2×Bn-2+k×Bn+2+k)−(Bn+k2×An-2×An+2)| ・・・(15)
Σ演算はnについて累積され、nのとる範囲はずらし量kに応じてAn-2、An、An+2、Bn-2+k、Bn+k、Bn+2+kのデータが存在する範囲に限定される。この相関演算処理例8は、(14)式に示す相関演算処理7よりも演算対象のデータ間隔を広げた演算としている。図32に相関演算処理例8のデータフローを示す。
図3に示す撮像素子211では焦点検出画素311を隙間なく配列する例を示したが、図34に焦点検出画素311を撮像画素310の青画素の位置に1画素おきに一列に配列した撮像素子211Aの例を示す。焦点検出画素311の配置間隔が大きくなることによって、焦点検出精度が多少低下するものの焦点検出画素311の密度が低くなるので、焦点検出画素311の位置の画像信号を補間処理により求めた画像品質が向上する。
上述した第1の実施の形態の焦点検出演算方法(相関演算方法)によれば、演算対象の一対の信号列、すなわち第1信号データ列と第2信号データ列との間にゲイン差があっても、両信号データ列の相関関係を正確に検出することができる。ところが、第1信号データ列と第2信号データ列との間にゲイン差とオフセットがあった場合には、相関演算結果の精度が低下する。そこで、この第2の実施の形態では、第1信号データ列と第2信号データ列との間にゲイン差とオフセットがあった場合の焦点検出演算方法(相関演算方法)を説明する。なお、この第2の実施の形態では上述した第1の実施の形態およびその変形例と相違する箇所のみを説明する。
図40は第2の実施の形態の焦点検出動作の詳細を示すフローチャートである。なお、図14に示す処理と同様な処理を行うステップに対しては同一のステップ番号を付して相違点を中心に説明する。ステップ300において焦点検出演算処理すなわち相関演算処理を開始し、ステップ310で焦点検出画素列から出力される一対の信号データ列(α1〜αM、β1〜βM:Mはデータの個数)に対して下記(16)式に示すような高周波カットフィルター処理を施し、第1信号データ列a1〜aNと第2信号データ列b1〜bN(Nはデータ個数)を生成し、信号データ列から相関処理に悪影響を及ぼすノイズ成分や高周波成分を除去する。
an=αn+2×αn+1+αn+2,
bn=βn+2×βn+1+βn+2 ・・・(16)
(16)式において、n=1〜Nである。なお、演算時間の短縮を図る場合や、すでに大きくデフォーカスしていて高周波成分が少ないことがわかっている場合には、ステップ310の高周波カットフィルター処理を省略することができる。
ax=(Σan)/N,
bx=(Σbn)/N ・・・(17)
An=an−ax,
Bn=bn−bx ・・・(18)
(17)式、(18)式において、n=1〜Nである。
後述するように平均値を減ずることにより、第1信号データ列と第2信号データ列の間にオフセットが発生している場合でも後述する相関演算処理により第1信号データ列と第2信号データ列の高精度な相関検出が可能となる。
次に、図40に示す相関演算処理の実施例を説明する。図41は第2の実施の形態の相関演算の思想を説明するための図であり、実線で示す第1信号データ列a1〜aNと破線で示す第2信号データ列b1〜bNとに交換レンズ202のケラレなどに起因した歪みが生じ、両信号データ列の波形にゲイン差およびオフセットが生じた場合を示す。
さらに、第2’信号データ列B1〜BNの中の上記微少範囲データBn-r〜Bn+sに対して上記第1演算を行って演算データを得るとともに、第1’信号データ列A1〜ANの中の上記微少範囲データAn-r〜An+sに対して上記第2演算を行って演算データを得る。そして、それらの演算データを乗算して第2演算データを算出する。
そして、第1演算データと第2演算データに基づいて上記(2)式により第1信号データ列と第2信号データ列の相関を求める。この相関演算例は上述した処理例3〜処理例8であり、説明を省略する。
第1’信号データ列Anと第2’信号データ列Bnの相関演算結果は、ゲイン差およびオフセットを有する第1信号データ列anと第2信号データ列bnに関するゲイン差およびオフセットに因る誤差を除去した高精度な相関演算結果となる。
C(k)=Σ|(an−ax)×(bn+1+k−bx)−(bn+k−bx)×(An+1−ax)| ・・・(19)
また、(19)式において、Σ演算の範囲を元のデータ列の範囲に比較して狭い範囲にした場合には、元のデータ列全体の平均値ax、bxの代わりに、Σ演算の範囲内のデータ列の平均値ax’、bx’を用いるようにしてもよい。このようにすれば、ゲイン差がデータ列中の位置によって変動する場合においても正確な相関演算結果を算出することが可能になる。
209 レンズ駆動制御装置
211 撮像素子
212 カメラ駆動制御装置
Claims (21)
- 第1信号データ列と第2信号データ列との相関度を演算する相関演算方法であって、
前記第1信号データ列中の第1データと、前記第2信号データ列中の前記第1データに対応する第2データの近傍のデータとを乗算して第1演算データを生成する第1情報生成処理と、
前記第2信号データ列中の前記第2データと、前記第1信号データ列の前記第1データの近傍のデータとを乗算して第2演算データを生成する第2情報生成処理と、
前記第1演算データと前記第2演算データとの相関度を演算する相関度検出処理とを実行することを特徴とする相関演算方法。 - 第1信号データ列と第2信号データ列との相関度を演算する相関演算方法であって、
前記第1信号データ列中の第1データとその近傍のデータに第1演算を行って演算データを演算するとともに、前記第2信号データ列中の前記第1データに対応する第2データとその近傍のデータに第2演算を行って演算データを演算し、それらの演算データを乗算して第1演算データを演算する第1情報生成処理と、
前記第2信号データ列中の前記第2データとその近傍のデータに前記第1演算を行って演算データを演算するとともに、前記第1信号データ列中の前記第1データとその近傍のデータに前記第2演算を行って演算データを演算し、それらの演算データを乗算して第2演算データを演算する第2情報生成処理と、
前記第1演算データと前記第2演算データとの相関度を演算する相関度検出処理とを実行することを特徴とする相関演算方法。 - 請求項2に記載の相関演算方法において、
前記第1演算は、前記第1データとその近傍データに対する加減算、または前記第2データとその近傍データに対する加減算であることを特徴とする相関演算方法。 - 請求項2に記載の相関演算方法において、
前記第1演算は、前記第1データとその近傍データとを加算する演算、または前記第2データとその近傍のデータとを加算する演算であることを特徴とする相関演算方法。 - 請求項2に記載の相関演算方法において、
前記第1演算は、前記第1データとその近傍のデータとの平均演算、または前記第2データとその近傍のデータとの平均演算であることを特徴とする相関演算方法。 - 請求項2〜5のいずれか1項に記載の相関演算方法において、
前記第2演算は、前記第1データとその近傍のデータに対する微分演算、または前記第2データとその近傍のデータに対する微分演算であることを特徴とする相関演算方法。 - 請求項1〜6のいずれか1項に記載の相関演算方法において、
前記相関度検出処理は、前記第1演算データと前記第2演算データとの差の絶対値を演算することを特徴とする相関演算方法。 - 請求項7に記載の相関演算方法において、
前記第1信号データ列中の前記第1データを変更しながら前記第1情報生成処理と前記第2情報生成処理とを実行し、前記相関度検出処理で前記第1演算データと前記第2演算データとの差の絶対値の和を演算することを特徴とする相関演算方法。 - 請求項8に記載の相関演算方法において、
前記第1信号データ列と前記第2信号データ列とを相対的にずらして前記第1情報生成処理と前記第2情報生成処理とを実行し、ずらし量ごとに前記相関度検出処理で前記第1演算データと前記第2演算データとの相関度を演算することを特徴とする相関演算方法。 - 請求項9に記載の相関演算方法において、
前記相関度検出処理は、最大の前記相関度が得られたときの前記第1信号データ列と前記第2信号データ列とのずらし量に基づいて、前記第1信号データ列と前記第2信号データ列とのズレ量を検出することを特徴とする相関演算方法。 - 請求項1〜10のいずれか1項に記載の相関演算方法において、
前記第1信号データ列および前記第2信号データ列は、イメージセンサーの出力信号に応じた信号データ列であることを特徴とする相関演算方法。 - 請求項1〜11のいずれか1項に記載の相関演算方法において、
前記第1情報生成処理と前記第2情報生成処理とを実行する前に、前記第1信号データ列および前記第2信号データ列の高周波成分を除去する処理を施すことを特徴とする相関演算方法。 - 請求項1〜12のいずれか1項に記載の相関演算方法において、
前記第1信号データ列中の第1データから該第1データの平均値を差し引くとともに、前記第2信号データ列中の第2データから該第2データの平均値を差し引く処理を施し、前記第1情報生成処理と前記第2情報生成処理は、処理された前記第1信号データ列と前記第2信号データ列を用いて前記第1演算データと前記第2演算データを生成することを特徴とする相関演算方法。 - 第1信号データ列と第2信号データ列との相関度を演算する相関演算装置であって、
前記第1信号データ列中の第1データと、前記第2信号データ列中の前記第1データに対応する第2データの近傍のデータとを乗算して第1演算データを生成する第1情報生成手段と、
前記第2信号データ列中の前記第2データと、前記第1信号データ列の前記第1データの近傍のデータとを乗算して第2演算データを生成する第2情報生成手段と、
前記第1演算データと前記第2演算データとの相関度を演算する相関度検出手段とを備えることを特徴とする相関演算装置。 - 第1信号データ列と第2信号データ列との相関度を演算する相関演算装置であって、
前記第1信号データ列中の第1データとその近傍のデータに第1演算を行って演算データを演算するとともに、前記第2信号データ列中の前記第1データに対応する第2データとその近傍のデータに第2演算を行って演算データを演算し、それらの演算データを乗算して第1演算データを演算する第1情報生成手段と、
前記第2信号データ列中の前記第2データとその近傍のデータに前記第1演算を行って演算データを演算するとともに、前記第1信号データ列中の前記第1データとその近傍のデータに前記第2演算を行って演算データを演算し、それらの演算データを乗算して第2演算データを演算する第2情報生成手段と、
前記第1演算データと前記第2演算データとの相関度を演算する相関度検出手段とを備えることを特徴とする相関演算装置。 - 請求項14または請求項15に記載の相関演算装置において、
前記第1信号データ列中の第1データから該第1データの平均値を差し引くとともに、前記第2信号データ列中の第2データから該第2データの平均値を差し引く処理を施し、前記第1情報生成手段と前記第2情報生成手段は、処理された前記第1信号データ列と前記第2信号データ列を用いて前記第1演算データと前記第2演算データを生成することを特徴とする相関演算装置。 - 撮影光学系の一対の瞳領域を通過した光束を焦点検出光学系を介して受光し、一対の被写体像信号を出力する光電変換手段と、
前記光電変換手段から出力される前記一対の被写体像信号に対して、請求項1〜13のいずれか1項に記載の相関演算方法を用いて前記一対の被写体像信号の像ズレ量を検出する像ズレ検出手段とを備え、
前記像ズレ量に基づいて前記撮影光学系の焦点調節状態を検出することを特徴とする焦点検出装置。 - 請求項17に記載の焦点検出装置において、
前記焦点検出光学系は、前記光電変換手段の画素ごとに設置されるマイクロレンズであることを特徴とする焦点検出装置。 - 請求項17に記載の焦点検出装置において、
前記焦点検出光学系は、前記撮影光学系の予定焦点面に結像された被写体像を前記光電変換手段上に再結像する再結像光学系であることを特徴とする焦点検出装置。 - 一対の光学系を介して被写体像を受光する一対の光電変換手段と、
前記一対の光電変換手段から出力される一対の被写体像信号に対して、請求項1〜13のいずれか1項に記載の相関演算方法を用いて前記一対の被写体像信号の像ズレ量を検出する像ズレ検出手段とを備え、
前記像ズレ量に基づいて前記被写体までの距離を測定することを特徴とする測距装置。 - 請求項17〜20のいずれか1項に記載の焦点検出装置または測距装置を備えたことを特徴とする撮像装置。
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