JP5434178B2 - 撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置に関する。

光軸に直交する方向に移動する被写体速度を検知するカメラが知られている（特許文献１参照）。

特開２００２−７２０５９号公報

従来技術では、被写体がカメラの光軸方向に移動する場合や、カメラを手持ちする場合の測定精度が悪いという問題があった。

請求項１の発明による撮像装置は、光学系を介して入射した対象物の光像を撮像する撮像素子と、前記光学系のデフォーカス量を検出するデフォーカス量検出手段と、デフォーカス量と前記対象物から前記撮像素子までの距離との関係を示す情報が記憶された記憶手段と、前記デフォーカス量検出手段により検出されたデフォーカス量と前記記憶手段に記憶された前記情報とに基づいて前記対象物から前記撮像素子までの距離を算出する算出手段と、前記算出手段が第１時刻において算出した前記対象物から前記撮像素子までの距離を前記光学系の光軸上における前記対象物から前記撮像素子までの距離に換算した第１距離と前記算出手段が第２時刻において算出した前記光学系の光軸方向に沿って移動した前記対象物から前記撮像素子までの距離を前記光学系の光軸上における前記対象物から前記撮像素子までの距離に換算した第２距離とに基づいて、前記対象物の前記光学系の光軸方向の移動速度を演算する演算手段と、前記第１時刻における前記光学系の光軸の向きを基準として前記第２時刻における前記光学系の光軸の向きを検出して前記光学系の光軸の向きの変化量を検出する検出手段と、前記検出手段で検出された前記変化量に応じて前記第２距離の換算に対して補正演算を行うように前記演算手段を制御する制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明による撮像装置では、該装置に姿勢変化が生じた場合における被写体の移動速度の検出精度の低下を抑えることができる。

被写体（移動物体）とカメラとの関係を例示する図である。 本発明の一実施の形態による電子カメラの構成を説明するブロック図である。 被写体速度検出処理の流れを説明するフローチャートである。

以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。はじめに、移動する被写体の速度をカメラで検出する原理について、図１を参照して説明する。図１は、被写体（移動物体）とカメラとの関係を例示する図である。図１において、被写体Ｐがカメラの撮影レンズの光軸Ａｘに沿ってカメラ方向へ速度ｖで移動中である。

カメラは、時刻ｔ１と時刻ｔ２のそれぞれにおいて、被写体Ｐまでの被写体距離を測距する。時刻ｔ１において取得する被写体距離をＤ１、時刻ｔ２において取得する被写体距離をＤ２とする。時刻ｔ１における被写体Ｐからの光線と光軸Ａｘがなす角度をθとし、時刻ｔ２における被写体Ｐ'からの光線と光軸Ａｘがなす角度をθ'とする。

カメラの焦点距離をｆ、被写体Ｐに対応する像高をｈ１、被写体Ｐ'に対応する像高をｈ２とすると、像高ｈ１およびｈ２について、次式（１）および（２）が成立する。
ｈ１＝ｆ×tanθ （１）
ｈ２＝ｆ×tanθ' （２）

また、被写体距離Ｄ１の光軸Ａｘ方向成分（距離ｘ）は次式（３）で、被写体距離Ｄ２の光軸Ａｘ方向成分（距離ｙ）は次式（４）で、それぞれ表される。
ｘ＝Ｄ１×cosθ （３）
ｙ＝Ｄ２×cosθ' （４）

被写体Ｐの光軸方向の移動速度ｖは、次式（５）で表される。
ｖ＝（ｘ−ｙ）／（ｔ１−ｔ２） （５）

以上のように算出することにより、被写体Ｐの光軸方向の移動速度ｖを求める。なお、図１において被写体Ｐがカメラの撮像範囲の中央より上方に存在する場合は、上記角度θ、θ'は仰角に相当する。また、被写体Ｐがカメラの撮像範囲の中央より下方に存在する場合は、上記角度θ、θ'は俯角に相当する。さらに、被写体Ｐがカメラの撮像範囲の中央より左（または右）方に存在する場合は、上記角度θ、θ'は方位角に相当する。被写体Ｐがカメラの撮像範囲の中央より斜めの位置に存在する場合は、仰角（俯角）および方位角についての演算を組み合わせて行う。

上述した原理を用いた被写体移動速度検知機能付きカメラの構成について、以下に説明する。図２は、本発明の一実施の形態による電子カメラ１００の構成を説明するブロック図である。

図２において、電子カメラ１００は、メインＣＰＵ１１によって制御される。撮影レンズ１は、撮像素子２の撮像面上に被写体像を結像させる。撮像素子２はＣＣＤイメージセンサまたはＣＭＯＳイメージセンサによって構成され、撮像面上の被写体像を撮像し、撮像信号を撮像回路３へ出力する。撮像回路３は、撮像素子２から出力される光電変換信号に対するアナログ処理（ゲインコントロールなど）を行う他、内蔵するＡ／Ｄ変換回路でアナログ撮像信号をディジタルデータに変換する。

メインＣＰＵ１１は、各ブロックから出力される信号を入力して所定の演算を行い、演算結果に基づく制御信号を各ブロックへ出力する。画像処理回路１２は、たとえばＡＳＩＣとして構成され、撮像回路３から入力されるディジタル画像信号に対して所定の画像処理を行う。

焦点検出装置１３は、不図示の焦点検出用センサによる検出信号を用いて公知の位相差方式の焦点検出演算を行う。この演算によって撮影レンズ１による焦点調節状態（デフォーカス量）を求め、デフォーカス量に応じて撮影レンズ１を構成するフォーカスレンズ（不図示）の移動方向および移動量を算出する。移動量情報は、メインＣＰＵ１１へ送出される。

レンズ駆動機構１８は、メインＣＰＵ１１からの指示に応じてフォーカスレンズを光軸方向に進退移動させる。

また、メインＣＰＵ１１は、焦点検出装置１３で検出されたデフォーカス量に応じて焦点検出対象となっている主要被写体までの被写体距離を求める。たとえば、デフォーカス量と被写体距離との関係を示すデータをあらかじめフラッシュメモリ１６に格納しておくことにより、当該データを参照して被写体距離が求められる。

表示画像作成回路１４は、撮像画像やメニュー画面などを液晶モニタ２２に表示させるための表示用信号を生成する。液晶モニタ２２は液晶パネルによって構成され、表示画像作成回路１４から入力される表示用信号に基づいて画像や操作メニュー画面などを表示する。

バッファメモリ１５は、画像処理前、画像処理後および画像処理途中のデータを一時的に記憶する他、記録媒体３０へ記録する前の画像ファイルを記憶したり、記録媒体３０から読み出した画像ファイルを記憶したりするために使用される。

フラッシュメモリ１６は、メインＣＰＵ１１が実行するプログラムや、メインＣＰＵ１１が行う処理に必要なデータなどが格納される。フラッシュメモリ１６が格納するプログラムやデータの内容は、メインＣＰＵ１１からの指示によって追加、変更が可能に構成されている。

カードインターフェース(I/F)１７はコネクタ（不図示）を有し、該コネクタにメモリカードなどの記録媒体３０が接続される。カードインターフェース１７は、メインＣＰＵ１１からの指示により、接続された記録媒体３０に対するデータの書き込みや、記録媒体３０からのデータの読み込みを行う。記録媒体３０は、半導体メモリを内蔵したメモリカード、またはハードディスクドライブなどで構成される。

傾斜センサ１９は、電子カメラ１００の傾斜角（ピッチ方向に傾斜した場合の角度）に応じた信号を発生してメインＣＰＵ１１へ送出する。傾斜角は、光軸Ａｘが上下方向に傾いた角度に対応する。角速度センサ２０は、電子カメラ１００に生じた振れを検出するための角加速度を検出する。たとえば、電子カメラ１００のピッチ方向およびヨー方向に生じた角加速度をそれぞれ検出し、検出信号をメインＣＰＵ１１へ送出する。ピッチ方向の角加速度は、光軸Ａｘの上下方向の振れに対応する。ヨー方向の角加速度は、光軸Ａｘの水平方向の振れに対応する。角速度センサ２０は、いわゆる手ぶれによって生じる撮像素子２上の被写体像の揺動を軽減させる手ぶれ軽減機能を実現させるために備えられている。本稿では、手ぶれ軽減処理の詳細については説明を省略する。

操作部材２１は、電子カメラ１００の各種ボタンやスイッチ類を含み、モード切替スイッチの切換操作など、各操作部材の操作内容に応じた操作信号をメインＣＰＵ１１へ出力する。半押しスイッチ１８ａおよび全押しスイッチ１８ｂは、レリーズボタン（不図示）の押下操作に連動して、それぞれがオン信号をメインＣＰＵ１１へ出力する。半押しスイッチ１８ａからのオン信号（半押し操作信号）は、レリーズボタンが通常ストロークの半分程度まで押し下げ操作されると出力され、半ストロークの押し下げ操作解除で出力が解除される。全押しスイッチ１８ｂからのオン信号（全押し操作信号）は、レリーズボタンが通常ストロークまで押し下げ操作されると出力され、通常ストロークの押し下げ操作が解除されると出力が解除される。

図３は、メインＣＰＵ１１が実行する被写体速度検出処理の流れを説明するフローチャートである。メインＣＰＵ１１は、たとえば、操作部材２１を構成するメニュー操作スイッチからの操作信号が入力された場合、メニュー処理を行うためのメニュー操作画面を液晶モニタ２２に表示させる。そして、メニュー項目の中から「スピード測定機能オン」項目の選択指示を示す操作信号が操作部材２１から入力された場合には、スピード測定機能をオンさせる。メインＣＰＵ１１は、スピード測定機能オン時に図３による処理を繰り返し行う。

図３のステップＳ１において、メインＣＰＵ１１は、半押しスイッチ１８ａから半押し操作信号が入力されたか否かを判定する。メインＣＰＵ１１は、半押し操作信号が入力された場合にステップＳ１を肯定判定してステップＳ２へ進む。メインＣＰＵ１１は、半押し操作信号が入力されない場合にはステップＳ１を否定判定し、当該判定処理を繰り返す。

ステップＳ２において、メインＣＰＵ１１は、角速度センサ２０に基づく検出情報と、傾斜センサ１９に基づく検出情報とを初期化（０点補正）してステップＳ３へ進む。具体的には、ピッチ方向（上下方向）およびヨー方向（左右方向）の角加速度検出信号に基づく両方向における回動角をそれぞれ相対０度とし、傾斜検出信号に基づくピッチ方向の傾斜角αを相対０度とする。図１における角度（たとえば仰角）θ（θ'）は、上下方向の角度に対応する。

ステップＳ３において、メインＣＰＵ１１は、撮像素子２で取得された被写体像から主要被写体を捕捉、追尾するとともに、主要被写体を示す枠を被写体像に重ねて液晶モニタ２２に表示させる。たとえば、撮像素子２による撮像を繰り返し、取得された画像信号に基づいて表示用画像を逐次生成し、該表示用画像を液晶モニタ２２に再生表示（ライブビュー表示）する処理を所定時間間隔（たとえば、３０フレーム／毎秒）で繰り返す。

そして、メインＣＰＵ１１は、各フレームに対応するバッファメモリ１５内の画像信号に基づいて、特定の像を主要被写体Ｐとして認識し、認識した被写体Ｐの位置（画面内の位置）、大きさ（像を構成する画素数）などを特定する。被写体の認識には、予め登録されたテンプレート画像との類似度を算出し、類似度が所定値以上である画像領域を被写体の位置として検出するテンプレートマッチング等の手法を用いることができる。メインＣＰＵ１１は、認識した被写体Ｐの表示位置に重ねて、上述した枠を表示させる。

ステップＳ４において、メインＣＰＵ１１は被写体距離Ｄ１を検出してステップＳ５へ進む。具体的には、上記認識した被写体Ｐの位置に対応させて、焦点検出装置１３によるデフォーカス量の検出対象とする焦点検出領域（焦点検出位置）を設定する。メインＣＰＵ１１は、焦点検出装置１３で検出されたデフォーカス量に応じて被写体Ｐまでの被写体距離Ｄ１を求める。なお、メインＣＰＵ１１は、焦点検出装置１３がデフォーカス量を取得した時刻ｔ１を記憶しておく。また、時刻ｔ１において撮像素子２による撮像が行われるように一連の動作を制御する。

ステップＳ５において、メインＣＰＵ１１は、全押しスイッチ１８ｂから全押し操作信号が入力されたか否かを判定する。メインＣＰＵ１１は、全押し操作信号が入力された場合にステップＳ５を肯定判定してステップＳ６へ進む。メインＣＰＵ１１は、全押し操作信号が入力されない場合にはステップＳ５を否定判定し、ステップＳ２へ戻って上述した処理を繰り返す。

ステップＳ６において、メインＣＰＵ１１は傾斜角αが変化したか否かを判定する。メインＣＰＵ１１は、傾斜センサ１９からの検出信号に基づいて、時刻ｔ１とｔ２における傾斜角αの変化を検出し、該変化量が所定値を超えている場合にステップＳ６を肯定判定してステップＳ７へ進む。メインＣＰＵ１１は、上記変化量が所定値を超えていない場合にはステップＳ６を否定判定し、ステップＳ８へ進む。

ステップＳ７において、メインＣＰＵ１１は、後述する移動速度ｖの算出時に上式（４）における角度（たとえば仰角）θ'を傾斜センサ１９の検出信号に基づく傾斜角αで補正するようにセットしてステップＳ８へ進む。具体的には、上式（４）の代わりに次式（４'）を用いることに相当する。
ｙ＝Ｄ２×cos(θ'−Δα) （４'）
ただし、Δαは時刻ｔ１およびｔ２における傾斜角αの差である。

ステップＳ８において、メインＣＰＵ１１は被写体距離Ｄ２を検出してステップＳ９へ進む。メインＣＰＵ１１は、移動後の被写体Ｐ'の位置に対応させて、焦点検出装置１３によるデフォーカス量の検出対象とする焦点検出領域（焦点検出位置）を設定する。メインＣＰＵ１１は、焦点検出装置１３で検出されたデフォーカス量に応じて被写体Ｐ'までの被写体距離Ｄ２を求める。なお、メインＣＰＵ１１は、焦点検出装置１３がデフォーカス量を取得した時刻ｔ２を記憶しておく。また、時刻ｔ２において撮像素子２による撮像が行われるように一連の動作を制御する。

ステップＳ９において、メインＣＰＵ１１は、上式（１）〜（５）に基づいて移動速度ｖを算出してステップＳ１０へ進む。なお、ステップＳ７を経由している場合は上式（４'）を用いる。ここで、図１の像高ｈ１、ｈ２は、撮像素子２の画素ピッチ×画素数で算出される。画素ピッチおよび焦点距離ｆの値は、電子カメラ１００の設計情報として予めフラッシュメモリ１６に格納されている。

ステップＳ１０において、メインＣＰＵ１１は、上記ステップＳ９で演算された被写体移動速度ｖを液晶モニタ２２に表示させて図３による処理を終了する。

なお、手ぶれにより電子カメラ１００が左右（ヨー方向）に振れた場合は、上述した上下方向についての補正に加えて、水平方向についても同様の補正を行うことができる。ただし、左右方向の場合の補正は角速度センサ２０による検出信号を用いる。

この場合のメインＣＰＵ１１は、図３のステップＳ６において、左右方向の振れ角βが変化したか否かを判定する。メインＣＰＵ１１は、角速度センサ２０からの検出信号に基づいて、時刻ｔ１とｔ２における左右方向の振れ角βの変化を検出し、該変化量が所定値を超えている場合にステップＳ６を肯定判定してステップＳ７へ進む。メインＣＰＵ１１は、上記変化量が所定値を超えていない場合にはステップＳ６を否定判定し、ステップＳ８へ進む。

ステップＳ７へ進んだメインＣＰＵ１１は、上記移動速度ｖの算出時に上式（４）における角度（左右方向の場合は方位角に相当）θ'を角速度センサ２０の検出信号に基づく振れ角βで補正するようにセットしてステップＳ８へ進む。具体的には、上式（４）の代わりに次式（４''）を用いることに相当する。
ｙ＝Ｄ２×cos(θ'−Δβ) （４''）
ただし、Δβは時刻ｔ１およびｔ２におけるヨー方向振れ角βの差である。以降の処理は、上下方向の補正の場合と同様である。

以上説明した実施形態によれば、次の作用効果が得られる。
（１）電子カメラ１００は、対象物である被写体Ｐを撮像する撮像素子２と、被写体Ｐまでの距離を検出する測距装置（焦点検出装置１３、メインＣＰＵ１１）と、測距装置が時刻ｔ１と時刻ｔ２においてそれぞれ検出した移動中の被写体Ｐまでの被写体距離Ｄ１とＤ２、および撮像素子２で時刻ｔ１と時刻ｔ２においてそれぞれ撮像された被写体Ｐの像高ｈ１とｈ２とに基づいて、被写体Ｐの移動速度ｖを演算する演算回路（メインＣＰＵ１１）と、時刻ｔ１と時刻ｔ２とにおける電子カメラ１００の姿勢変化であって、撮像素子２に被写体像を結像する撮影レンズ１の光軸Ａｘの向きを異ならせる姿勢変化を検出する検出センサ（傾斜センサ１９、角速度センサ２０）と、検出センサ（傾斜センサ１９、角速度センサ２０）で検出された姿勢変化に応じた補正演算を行うように演算回路（メインＣＰＵ１１）を制御する制御回路（メインＣＰＵ１１）とを備えるようにしたので、手振れなどによって電子カメラ１００の姿勢が変化した場合における被写体Ｐの移動速度の検出精度の低下を抑えることができる。

（２）検出センサは、当該電子カメラ１００の傾斜を検出する傾斜センサ１９を含み、撮像素子２による撮像範囲を上下方向に変化させる電子カメラ１００の傾斜変化を検出し、演算回路（メインＣＰＵ１１）は、傾斜変化を用いて補正演算を行うので、上下方向の手振れに起因する被写体Ｐの移動速度ｖの検出精度の低下を抑えることができる。また、傾斜センサ１９を用いることで、角速度センサを用いる場合に比べて、検出精度の低下をより小さく抑えることができる。

（３）検出センサは、当該電子カメラ１００の振れを検出する角速度センサ２０を含み、撮像素子２による撮像範囲を左右方向に変化させる電子カメラ１００の振れ変化を検出し、演算回路（メインＣＰＵ１１）は、振れ変化を用いて補正演算を行うので、左右方向の振れに起因する被写体Ｐの移動速度ｖの検出精度の低下を抑えることができる。

（４）演算回路（メインＣＰＵ１１）は、被写体距離Ｄ１を光軸Ａｘ上の距離に換算した距離ｘと、被写体距離Ｄ２を光軸Ａｘ上の距離に換算した距離ｙとを算出し、距離ｘおよび距離ｙの差（ｘ−ｙ）を時刻ｔ１および時刻ｔ２の差（ｔ１−ｔ２）で除した商を移動速度ｖとするので、必ずしも撮像範囲の中央で被写体Ｐを捕捉しておく必要はない。また、検出された移動速度は、他の被写体の移動速度と相対的に比較することが可能である。

（変形例１）
上記の説明では、求めた移動速度ｖを液晶モニタ２２に表示して知らせる構成を例示した。この代わりに、あるいはこれに加えて、移動速度ｖを示すデータを撮影した画像のデータとともに記録媒体３０へ記録するようにしてもよい。

以上の説明はあくまで一例であり、上記の実施形態の構成に何ら限定されるものではない。

１…撮影レンズ
２…撮像素子
１１…メインＣＰＵ
１３…焦点検出装置
１９…傾斜センサ
２０…角速度センサ
２１…操作部材
２２…液晶モニタ
１００…電子カメラ

Claims (3)

1. 光学系を介して入射した対象物の光像を撮像する撮像素子と、
   前記光学系のデフォーカス量を検出するデフォーカス量検出手段と、
   デフォーカス量と前記対象物から前記撮像素子までの距離との関係を示す情報が記憶された記憶手段と、
   前記デフォーカス量検出手段により検出されたデフォーカス量と前記記憶手段に記憶された前記情報とに基づいて前記対象物から前記撮像素子までの距離を算出する算出手段と、
   前記算出手段が第１時刻において算出した前記対象物から前記撮像素子までの距離を前記光学系の光軸上における前記対象物から前記撮像素子までの距離に換算した第１距離と前記算出手段が第２時刻において算出した前記光学系の光軸方向に沿って移動した前記対象物から前記撮像素子までの距離を前記光学系の光軸上における前記対象物から前記撮像素子までの距離に換算した第２距離とに基づいて、前記対象物の前記光学系の光軸方向の移動速度を演算する演算手段と、
   前記第１時刻における前記光学系の光軸の向きを基準として前記第２時刻における前記光学系の光軸の向きを検出して前記光学系の光軸の向きの変化量を検出する検出手段と、
   前記検出手段で検出された前記変化量に応じて前記第２距離の換算に対して補正演算を行うように前記演算手段を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする撮像装置。
2. 請求項１に記載の撮像装置において、
   前記検出手段は、前記撮像装置の傾斜を検出する傾斜センサを含み、前記光学系の光軸の向きを上下方向に変化させる前記撮像装置の傾斜変化を検出することを特徴とする撮像装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の撮像装置において、
   前記検出手段は、前記撮像装置の振れを検出する振れセンサを含み、前記光学系の光軸の向きを左右方向に変化させる前記撮像装置の振れ変化を検出することを特徴とする撮像装置。
   

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