JP6091228B2 - 画像処理装置、撮像装置 - Google Patents
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Description
図1は、撮像光学系の構成と距離計測用の画像を撮影するときのフォーカス位置を模式的に示している。距離計測を行う場合、まず光学系を第一のフォーカス位置に合わせ(例えば、実線で示される光路)、被写体を撮影する。続いて、光学系を第二のフォーカス位置に変更し(例えば、破線で示される光路)、同じ被写体を撮影する。これによりボケが異なる2枚の画像が得られる。第一のフォーカス位置と第二のフォーカス位置の差をフォーカスブラケット量(又はフォーカス移動量)と呼ぶ。なお、本明細書において、フォーカスブラケット量は、特に断りの無い限り、像面の移動量(第一のフォーカス位置の像面と第二のフォーカス位置の像面の間の距離)をさす。
本実施形態の距離計測では、光学系のPSF(Point Spread Function)のピーク値の
デフォーカス特性を利用して距離を推定する。以下、収差の無い理想的な撮像光学系のP
SFを用いて説明するが、実際の撮像光学系においてもほぼ同様に扱うことができる。
次に、PSFピーク値から距離を算出する方法について説明する。
図9に示したように、PSFピーク値はデフォーカス量に依存する。したがって、PSFピーク値を撮影画像から算出できれば、デフォーカス量がわかり、被写体までの物体距離に換算することが可能となる。しかしながら、被写体の空間周波数等の影響があるため、1枚の画像から撮像光学系のPSFピーク値を正確に求めることは困難である。そこで、撮影条件を変えて撮影した複数の画像を用いて、被写体の影響を除去する。被写体の影響をキャンセルするためには、比をとるのが良い。以下、2つの画像からそれぞれ求めたPSFピーク値の比を「PSFピーク比」と定義する。本実施形態の距離計測では、理論的に求めた撮像光学系のPSFピーク比のデフォーカス特性と、実際に撮影して得た2枚の画像から求めたPSFピーク比の値との対応をとることで距離を算出する。
実際に撮影して得られた2画像からPSFピーク比を計算する方法について説明する。2画像において対応する局所領域I1とI2は、シーンsとPSF1およびPSF2の畳み込みで表される。フーリエ変換した前記領域をFI1、FI2とし、シーンsのフーリエ変換をSとすると、この比は、
続いてPSFピーク比を用いた距離計測において計測可能な距離範囲(計測可能範囲又は測距範囲とも呼ぶ)に関して図10を用いて説明する。
ーカス位置の中間位置から徐々に値が低下し極小値に達した後再び値は上昇しこれを繰り返す。これは図9に示すように、PSFピーク値のデフォーカス特性が振動しているためである。以下、PSFピーク値、PSFピーク比などのデフォーカス特性曲線における最大のピークを「最大ピーク」もしくは「1次ピーク」と呼び、最大ピークの前側と後側にそれぞれ最初に現れる極小値を「1次極小値」と呼ぶ。
次に、フォーカスブラケット量と計測可能範囲変化の関係、およびフォーカスブラケット量とPSFピーク比の値域変化の関係に関して説明する。
ラケット量が大きくなるにつれて急激に広がりその後徐々に1に近づいていく。PSFピーク比の値域が広いほど距離分解能が高く、ノイズ等の変動要因に対しての耐性が高くなり距離の推定精度が向上する。また、フォーカスブラケット量が大きくなるにしたがい、PSFピーク比のデフォーカス特性が急峻になっていくが、これも距離分解能(推定精度)に影響する。PSFピーク比の傾きが大きければ、僅かな距離差でもPSFピーク比の値の変化を検知しやすくなるからである。
式6に示したように、計測可能範囲(R)は、F値(F)、波長(λ)、及びフォーカスブラケット量(FB)の関数で与えられる。また、図12(a)、(b)から分かるように、フォーカスブラケット量(FB)を変えると、計測可能範囲(R)だけでなく、距離分解能(推定精度)も変化する。したがって、所望の距離範囲や精度といった計測条件が与えられた場合に、それを満足するように、各画像を撮影する際のフォーカス位置や光学系のF値などの撮影条件を適切に設定することが望ましい。
次に係数kの好ましい値について説明する。本発明者はシミュレーションと実験により、好ましい係数kの値を以下のように見出した。
係数kは、0<k<15の範囲の値とすべきである。kが15よりも大きいと、被写体のボケが大きくなりすぎ、計測精度が低下するからである。なお、k=0が除外されているのは、同じフォーカス位置の画像からはボケの違いが得られないからである。
以上のように、距離計測の目的に応じて、係数kの値は0〜15の範囲で適宜設定すればよい。
(撮像装置の構成)
図1は、本発明の第1実施形態に係る撮像装置の構成を模式的に示している。撮像装置1は、撮像光学系10、撮像素子11、制御部12、画像処理装置13、記憶部14、入力部15、表示部16を有している。
制御部12のオートフォーカス機能により自動焦点合わせが可能である。オートフォーカスの方式はパッシブ方式でもアクティブ方式でもよい。撮像素子11は、CCDやCMOSなどのイメージセンサを有する撮像素子である。カラーフィルタを有する撮像素子でもよいし、モノクロの撮像素子でもよいし、三板式の撮像素子でもよい。
次に、図2と図3(a)、図3(b)を用いて、撮像装置1の距離計測に関わる動作を説明する。図2は、距離計測の流れを示すフローチャートである。図3(a)、図3(b)は、距離範囲の指定と撮影条件の設定について説明するための図である。
えば、表示部16に「一番奥の点をタッチしてください」というガイドメッセージをオーバーレイ表示すればよい。ユーザが画像上の任意の点(図3(a)の例では家32の部分)をタッチすると、制御部12がその点に写る物体(家32)に対し自動焦点合わせを行う(ステップS24)。これにより、撮像光学系10から家32までの物体距離s_farを
取得することができる。なお、ここでは最短位置と最長位置を順に指定させたが、ユーザに任意の順番で2点を指定させ、近い方の距離をs_near、遠い方の距離をs_farと判断し
てもよい。
。具体的には、距離範囲指定部132は、撮像光学系10の焦点距離fと式1により、2点の物体距離s_near、s_farを像面側の距離s'_near、s'_farに換算し、s'_nearを距離範
囲の下限、s'_farを距離範囲の上限に設定する。s'_nearとs'_farの値は、距離範囲情報
として、撮影条件決定部133に引き渡される。
場合、距離範囲r=10.204−10.010=0.194mmとなり、撮影条件として、F値=5.6、FB量=57μmが選ばれる。なお、表1では、係数k=3.3の例を示したが、係数kの値は0〜15のうちのいずれの値でもよい。また、複数種類のkの値についてテーブルを用意しておき、距離計測の目的(2層分離、多層分離、範囲重視、分解能重視など)に応じてテーブルを選択してもよい。なお、ユーザにより指定された距離範囲rが、2枚の画像から算出可能な距離の最大範囲である計測可能範囲Rを超えていた場合には、撮影条件を設定できない。その場合には、表示部16に「距離範囲が広すぎます」などのエラーメッセージを出力して、ユーザに距離範囲を再指定させるとよい。
2=10.107mmであり、FB=0.057mmであるから、奥側のフォーカス位置fp_farは10.0785mm、手前側のフォーカス位置fp_nearは10.1355mmの
ように求まる。確定した撮影条件(F値、2つのフォーカス位置fp_near、fp_far)は制
御部12に送られる。
込む(ステップS28)。すなわち、上記撮影条件にしたがって3枚の画像が取り込まれ、メモリ131に蓄積される。
計測用画像のフォーカス位置(fp_near、fp_far)、合焦画像のフォーカス位置(fp_target)、PSFピーク値及びPSFピーク比のデフォーカス特性等の関係を模式的に示している。花30から家32までの範囲が、PSFピーク比による計測可能範囲でカバーされていることがわかる。
ーカス位置fp_farと手前側のフォーカス位置fp_nearの間にある場合には、合焦画像を2
番目に撮影するとよい。これによりフォーカス位置の移動量が最小となり撮影時間の短縮を図ることができる。なお、合焦画像のフォーカス位置fp_targetが、もしPSFピーク
比による計測可能範囲の外であった場合には、表示部16に「被写体が計測可能範囲から外れています」などのエラーメッセージを出力し、距離範囲の指定又は合焦画像の取り込みをやり直しさせるとよい。
以上述べた本実施形態によれば、ユーザによって指定された距離範囲に基づいて、距離計測用画像のそれぞれの撮影条件(本実施形態ではF値及び2つのフォーカス位置)が決定される。これにより、指定された距離範囲の計測に適した画像を自動で(つまりユーザが撮影条件を意識することなく)取得することができる。このとき、ユーザによって指定された距離範囲が2画像から計測可能な距離範囲に収まるように、F値及び2つのフォーカス位置の差(FB量)を決定するため、指定された距離範囲に対する距離算出の精度を保証することができる。
上述した第1実施形態では、画像上の2つの点をユーザに指定させるというユーザインタフェースを説明したが、距離範囲の指定方法はこれに限らず、どのような方法を用いてもよい。
の被写体と奥側の被写体を順に指定させたが、任意の順番で2つの被写体を指定させ、近い方を下限、遠い方を上限と自動認識してもよい。
点の2点を選択すれば、画像中のほとんどの物体を含むように距離範囲を設定できる。図4(b)の右側は最小距離と最大距離の2点が選択された様子を示している。もちろん2点の選び方はどのように定めてもよい。例えば、画像中央の点(画像の中央には重要な被写体が写っている可能性が高いため)と最大距離の点を選択してもよい。或いは、最小距離の点と中間の距離の点を選択してもよい。このような方法により、画像に基づき自動で距離範囲を決定できるので、ユーザの指定の手間を省くことができる。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。第2実施形態は、合焦画像を距離計測用画像の一つとして利用する点と、合焦画像のフォーカス位置を距離範囲rの下限(又は上限)に設定する点が、第1実施形態と異なる。以下、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。撮像装置1の構成は第1実施形態のものと同様のため、同一の符号を用いて
説明を行う。
とができる。
。具体的には、距離範囲指定部132は、第1実施形態と同様、物体距離s_near、s_far
を像面側の距離s'_near、s'_farに換算し、s'_nearを距離範囲の下限、s'_farを距離範囲の上限に設定する。
する必要がある。具体的には、図6(b)から分かるように、計測可能範囲は、PSFピーク値のデフォーカス特性における前後の1次極小値の間隔の1/2となる(フォーカスブラケット量には依存しない)。PSFピーク値のデフォーカス特性における前後の1次極小値の間隔は約15F2λであるから、第2実施形態の計測可能範囲R’は、R’=約7.5F2λとなる。
s'_near=10.101mm
s'_far=10.010mm
となり、距離範囲rは、
r=s'_near−s'_far=0.091mm
となる。
r≦7.5F2λ
を満足するようにF値を設定すればよい。上式に、r=0.091mm、λ=550nmを代入すると、
F>4.70
となる。4.70より大きく且つ撮像光学系10で設定可能なF値として、例えば
F=5.0
に決定する。
FB=3.3×F2λ=45μm
と決まる。
fp_far=fp_near−FB=10.056mm
と決まる。
ップS57)。すなわち、上記撮影条件にしたがって2枚の画像が取り込まれ、メモリ131に蓄積される。その後の処理は第1実施形態のものと同様である。
次に、本発明の第3実施形態について説明する。第1実施形態では、指定された距離範囲rが計測可能範囲Rを超えている場合に、距離範囲の再指定をユーザに要求するようにした。これに対し、第3実施形態では、距離範囲rを計測可能範囲Rよりも小さいn個の小範囲r1〜rnに分割し、各小範囲の距離算出を個別に行うことで、計測可能範囲Rよりも広い範囲rの距離計測を可能にする。以下、第1実施形態と異なる部分を中心に説明する。
nは、下記の条件を満たす限り、どのように決めてもよい。
r1,・・・,rn≦R
r1+・・・+rn≧R
n>1
その後、各々の小範囲に対し、図2のステップS26、S27の処理を行うことにより、各小範囲を計測するための距離計測用画像の撮影条件を決定する。以降の処理は、第1実施形態と同じである。
第1〜第3実施形態で述べた構成は、本発明の一具体例にすぎず、本発明をそれらの構成に限定する趣旨のものではない。例えば、上記実施形態では、PSFピーク比の値に基づいて距離を算出する方法を例示したが、本発明は他の距離算出方法に対しても適用できる。2枚の画像の撮影条件に応じてその2枚の画像から算出可能な距離の範囲が変化する特性をもつ距離算出方法であれば、本発明の効果は得られる。例えば、PSFピーク比ではなく、画像の相関から推定されるPSFの相関量(正規化相互相関など)に基づき距離を算出する方法にも本発明を適用可能である。また、ボケの異なる2画像として、異なるフォーカス位置で撮影した2画像を用いたが、フォーカス位置は変えずにF値(絞り)を変えて撮影した2画像を用いることもできる。この方法の場合は、撮影条件として、フォーカス位置と2種類のF値を決定することとなる。
上述した本発明の距離計測技術は、例えば、デジタルカメラやデジタルカムコーダなどの撮像装置、或いは撮像装置で得られた画像データに対し画像処理を施す画像処理装置やコンピュータなどに好ましく適用できる。また、このような撮像装置或いは画像処理装置を内蔵する各種の電子機器(携帯電話、スマートフォン、スレート型端末、パーソナルコンピュータを含む)にも本発明の技術を適用可能である。上記実施形態では撮像装置本体に距離計測の機能を組み込んだ構成を示したが、距離計測の機能はどのように構成してもよい。たとえば、撮像装置を有するコンピュータに距離計測の機能を組み込み、撮像装置で撮影した画像をコンピュータが取得して、それに基づいて距離の算出を行うようにして
もよい。また、有線あるいは無線によりネットワークアクセス可能なコンピュータに距離計測の機能が組み込まれて、そのコンピュータがネットワークを介して複数枚の画像を取得し、それに基づいて距離算出を行うようにしてもよい。得られた距離情報は、例えば、画像の領域分割、立体画像や奥行き画像の生成、ボケ効果のエミュレーションなどの各種画像処理に利用することができる。
Claims (16)
- ボケの異なる複数の画像を用いて画像中の物体までの奥行き方向の距離を算出する画像処理装置であって、
算出すべき距離の範囲を指定する距離範囲情報を取得する取得手段と、
前記距離範囲情報で指定された範囲に基づいて、各画像の撮影条件を決定する決定手段と、
前記決定手段で決定された撮影条件でそれぞれ撮影された複数の画像を用いて距離を算出する距離算出手段と、を備える
ことを特徴とする画像処理装置。 - 前記距離算出手段による距離算出方法は、2枚の画像の撮影条件に応じてその2枚の画像から算出可能な距離の範囲が変化する特性を有する方法であり、
前記決定手段は、前記距離範囲情報で指定された範囲が、前記2枚の画像から算出可能な距離の範囲に収まるように、各画像の撮影条件を決定する
ことを特徴とする請求項1に記載の画像処理装置。 - 前記距離算出手段による距離算出方法は、2枚の画像のPSFのピーク値の比に基づいて距離を算出する方法である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の画像処理装置。 - 前記距離算出手段による距離算出方法は、2枚の画像のPSFの相関量に基づいて距離を算出する方法である
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の画像処理装置。 - 前記決定手段は、前記距離範囲情報で指定された範囲が2枚の画像から算出可能な距離の最大範囲を超えている場合に、前記距離範囲情報で指定された範囲を、2枚の画像から算出可能な距離の最大範囲よりも小さい複数の小範囲に分割し、各小範囲の距離算出に用いる各画像の撮影条件を決定する
ことを特徴とする請求項2〜4のうちいずれか1項に記載の画像処理装置。 - 前記決定手段は、前記距離範囲情報で指定された範囲が2枚の画像から算出可能な距離
の最大範囲を超えている場合に、前記距離範囲情報で指定された範囲の距離算出が可能な撮影条件が無いことを示す結果を出力する
ことを特徴とする請求項2〜4のうちいずれか1項に記載の画像処理装置。 - 前記決定手段は、前記距離範囲情報で指定された範囲が狭いほど、2枚の画像を撮影するときのF値を小さくする
ことを特徴とする請求項2〜6のうちいずれか1項に記載の画像処理装置。 - 前記決定手段は、F値を変更できない場合に、前記距離範囲情報で指定された範囲が狭いほど、2枚の画像のフォーカス位置の差であるフォーカスブラケット量を大きくする
ことを特徴とする請求項2〜6のうちいずれか1項に記載の画像処理装置。 - 撮像手段と、請求項1〜8のうちいずれか1項に記載の画像処理装置と、を有し、
前記撮像手段が、前記画像処理装置で決定された撮影条件に従って複数の画像を撮影し、
前記画像処理装置が、前記撮像手段で撮影された前記複数の画像を用いて画像中の物体までの奥行き方向の距離を算出する
ことを特徴とする撮像装置。 - 算出すべき距離の範囲をユーザに指定させる範囲指定手段を有する
ことを特徴とする請求項9に記載の撮像装置。 - 前記範囲指定手段は、
前記撮像手段から取り込まれた画像を表示部に表示して、表示した画像中の2点をユーザに指定させる手段と、
前記指定された2点に対しそれぞれ自動焦点合わせを行うことにより、前記2点の奥行き方向の距離を取得する手段と、
前記2点の距離のうち短い方を下限、長い方を上限とする範囲を、前記算出すべき距離の範囲として設定する手段と、を有する
ことを特徴とする請求項10に記載の撮像装置。 - 前記範囲指定手段は、
自動焦点合わせの操作をユーザに2回行わせることにより、2点の奥行き方向の距離を取得する手段と、
前記2点の距離のうち短い方を下限、長い方を上限とする範囲を、前記算出すべき距離の範囲として設定する手段と、を有する
ことを特徴とする請求項10に記載の撮像装置。 - 前記範囲指定手段は、
前記算出すべき距離の範囲の下限と上限をユーザに入力させる手段を有する
ことを特徴とする請求項10に記載の撮像装置。 - 前記範囲指定手段は、
基準位置に対する相対距離によって前記算出すべき距離の範囲を指定させる手段を有する
ことを特徴とする請求項10に記載の撮像装置。 - ボケの異なる複数の画像を用いて画像中の物体までの奥行き方向の距離を算出する画像処理方法であって、
算出すべき距離の範囲を指定する距離範囲情報を取得するステップと、
前記距離範囲情報で指定された範囲に基づいて、各画像の撮影条件を決定するステップと、
前記決定された撮影条件でそれぞれ撮影された複数の画像を用いて距離を算出するステップと、を有する
ことを特徴とする画像処理方法。 - 請求項15に記載の画像処理方法の各ステップをコンピュータに実行させることを特徴とするプログラム。
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