JP6311875B2 - Intermittent tracking imaging device - Google Patents
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Description
本発明は間歇的トラッキング撮影装置に係り、特に、高速移動体を撮影する、又は、高速移動体から撮影する間歇的トラッキング撮影装置に関する。 The present invention relates to an intermittent tracking imaging apparatus, and more particularly to an intermittent tracking imaging apparatus that images a high-speed moving body or images from a high-speed moving body.
動いている対象をカメラで撮影したときに生じるブレ(或いはボケ)は、モーションブラー(Motion blur)と呼ばれる。また、撮影対象が動いていなくとも、カメラ自体が動いた場合にも、同様にモーションブラーが発生する。所謂手ぶれによるボケもモーションブラーの1つと考えることができる。 Blur (or blur) that occurs when a moving object is photographed with a camera is called motion blur. Even if the subject to be photographed is not moving, motion blur similarly occurs when the camera itself moves. Blurring due to so-called camera shake can be considered as one of motion blurs.
モーションブラーを低減する技術は従来から種々検討されている。例えば、デジタルカメラの分野において、内蔵する振動ジャイロセンサの情報に基づいて、レンズ系を駆動して手ぶれを防止する技術が知られている(例えば、特許文献1)。 Various techniques for reducing motion blur have been studied. For example, in the field of digital cameras, a technique for preventing camera shake by driving a lens system based on information from a built-in vibration gyro sensor is known (for example, Patent Document 1).
高速で移動する物体を撮影する方法の1つに、カメラの視線方向を移動物体の方向に常に追跡させる方法がある。この方法によれば、移動物体のモーションブラーを低減させることができる。しかしながら、この方法の場合、カメラの視線方向を常に移動物体の方向に向ける必要があるため、カメラの視線方向を任意の方向に設定することができない。つまり、カメラの視線方向は、移動物体の方向に拘束される。 One method for photographing an object that moves at high speed is a method that always tracks the direction of the line of sight of the camera in the direction of the moving object. According to this method, the motion blur of the moving object can be reduced. However, in this method, since it is necessary to always point the camera's line-of-sight direction toward the moving object, the camera's line-of-sight direction cannot be set to an arbitrary direction. That is, the viewing direction of the camera is constrained to the direction of the moving object.
また、高速移動物体のモーションブラーを低減する方法として、カメラのシャッタを開放する時間を短くする方法がある。しかしながら、シャッタの開放時間を短くすると受光量が減少するため、視認するのに十分な明るさの画像または広ダイナミックレンジの画像を得ることが困難となる。 As a method of reducing motion blur of a high-speed moving object, there is a method of shortening the time for opening the shutter of the camera. However, if the shutter opening time is shortened, the amount of received light decreases, so that it becomes difficult to obtain an image with sufficient brightness or a wide dynamic range for visual recognition.
一方、デジタルカメラ等の手ぶれ補正技術は、内蔵する振動ジャイロセンサによってカメラ自体の動きを補正するものであるため、撮影対象物が高速で移動することによって生じるモーションブラーを除去することはできない。 On the other hand, a camera shake correction technique such as a digital camera corrects the movement of the camera itself using a built-in vibration gyro sensor, and therefore cannot eliminate motion blur caused by the moving of the object to be photographed at high speed.
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、高速で移動する対象を撮影する場合であっても、また、高速で移動する本装置から対象を撮影する場合であっても、モーションブラーを低減して高精度かつ高感度で撮影することができる間歇的トラッキング撮影装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in consideration of such circumstances, even when shooting an object moving at high speed, or even when shooting an object from the apparatus moving at high speed. It is an object of the present invention to provide an intermittent tracking imaging device that can perform imaging with high accuracy and high sensitivity by reducing motion blur.
上記課題を解決するため、本発明に係る間歇的トラッキング撮影装置は、所定のフレームレートで撮影対象を撮影するイメージセンサと、前記撮影対象と前記イメージセンサとの相対的位置関係を変更する変更手段と、フレーム内のシャッタ開放時には、前記撮影対象をトラッキングすることにより、前記撮影対象の移動又は本装置の移動に伴って生じる前記相対的位置関係の変化を抑制し、前記フレーム内のシャッタ閉鎖時には、前記相対的位置関係を所定のホームポジションに戻すように、前記変更手段をフレーム毎に制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記シャッタ開放時に前記撮影対象をトラッキングする第1のフレーム処理と、前記シャッタ開放時においても前記相対的位置関係を前記ホームポジションに維持する第2のフレーム処理とを、時分割で行う、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, an intermittent tracking imaging apparatus according to the present invention includes an image sensor that captures an imaging target at a predetermined frame rate, and a changing unit that changes a relative positional relationship between the imaging object and the image sensor. When the shutter in the frame is opened, the change in the relative positional relationship caused by the movement of the shooting object or the movement of the apparatus is suppressed by tracking the shooting object, and when the shutter in the frame is closed. A control unit that controls the changing means for each frame so as to return the relative positional relationship to a predetermined home position, and the control unit tracks the imaging target when the shutter is opened. Frame processing and a second position for maintaining the relative positional relationship at the home position even when the shutter is opened. A frame processing is performed by time division, characterized in that.
本発明に係る間歇的トラッキング撮影装置によれば、高速で移動する対象を撮影する場合であっても、また、高速で移動する本装置から対象を撮影する場合であっても、モーションブラーを低減して高精度かつ高感度で撮影対象を撮影することができる。 According to the intermittent tracking imaging apparatus of the present invention, motion blur is reduced even when shooting an object moving at high speed or when shooting an object from the apparatus moving at high speed. As a result, it is possible to photograph the object to be photographed with high accuracy and high sensitivity.
以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。図1は、本発明の実施形態に係る間歇的トラッキング撮影装置1の応用例を説明する図である。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a diagram for explaining an application example of the intermittent tracking imaging apparatus 1 according to the embodiment of the present invention.
図1(a)は、例えば、時速300kmで移動する高速移動体(新幹線等)から、トンネル内壁のクラック等の接近した撮影対象を撮影する場面に間歇的トラッキング撮影装置1を応用する例を示す。時速300kmは、83m/s、或いは83mm/msの速度に該当する。シャッタの開放時間を0.1msと仮定したとしても、この間の移動量は画素ピッチに比べてはるかに大きく、その結果大きなモーションブラーが発生する。したがって、トンネル内壁のクラック等を、従来の撮影装置で撮影した画像を用いて検査するのは事実上困難である。このため、例えば、夜間等に交通を一時的に遮断し、車両をゆっくり走らせながら、或いは移動と停止を繰り返しながら、道路、或いは鉄道のトンネル等を検査せざるを得ず、膨大な時間とコストを要することになる。 FIG. 1A shows an example in which the intermittent tracking photographing apparatus 1 is applied to a scene where a photographing object close to a tunnel inner wall or the like is photographed from a high-speed moving body (such as a Shinkansen) that moves at a speed of 300 km / h. . The speed of 300 km / h corresponds to a speed of 83 m / s or 83 mm / ms. Even if the shutter opening time is assumed to be 0.1 ms, the amount of movement during this time is much larger than the pixel pitch, resulting in a large motion blur. Therefore, it is practically difficult to inspect cracks and the like on the inner wall of the tunnel using an image photographed by a conventional photographing apparatus. For this reason, for example, it is necessary to inspect roads, railway tunnels, etc. while temporarily blocking traffic at night, etc., and slowly moving the vehicle or repeatedly moving and stopping. Will be required.
このような場面において、実施形態の間歇的トラッキング撮影装置1を応用すれば、高速で移動する車両に搭載した状態でもモーションブラーの無い画像が得られる。このため、交通を閉鎖することなく、道路や鉄道のトンネル、或いは周辺設備のインフラ検査が可能となる。 In such a scene, if the intermittent tracking imaging device 1 is applied, an image without motion blur can be obtained even when mounted on a vehicle moving at high speed. Therefore, it is possible to inspect the infrastructure of roads, railway tunnels, and surrounding facilities without closing traffic.
図1(b)は、例えば流路径が50〜80μmのマイクロ流路内を流れる細胞を、顕微鏡型の撮影装置で撮影する場面に間歇的トラッキング撮影装置1を応用する例を示す。近年、再生医療等の分野において、細胞を検査し分類する技術の重要性が高まっている。このような検査において、マイクロ流路内を流れる細胞を撮影した画像から個々の細胞の形状を認識したいというニーズがある。マイクロ流路を流れる細胞の流速が、例えば1m/sであったとしても、細胞の形状が認識できる程度に顕微鏡で拡大すると画素ピッチに対する移動速度は大きく、従来の撮影装置ではモーションブラーが発生し、細胞形状を明瞭に認識することは困難である。このような場面に実施形態の間歇的トラッキング撮影装置1を応用すれば、細胞がマイクロ流路内を流れている状態で細胞の形状等をモーションブラーなく撮影することができる。この結果、例えば、大量の細胞の中から細胞の良否を短時間で判定することができ、細胞の検査を高スループットで実施することが可能となる。 FIG. 1B shows an example in which the intermittent tracking imaging device 1 is applied to a scene where, for example, a cell flowing in a microchannel having a channel diameter of 50 to 80 μm is imaged with a microscope-type imaging device. In recent years, in the field of regenerative medicine, the importance of techniques for examining and classifying cells is increasing. In such an inspection, there is a need to recognize the shape of each cell from an image obtained by photographing cells flowing in the microchannel. Even if the flow rate of cells flowing through the microchannel is 1 m / s, for example, if the magnification is enlarged with a microscope to the extent that the shape of the cells can be recognized, the movement speed with respect to the pixel pitch is large, and motion blur occurs in conventional imaging devices. It is difficult to clearly recognize the cell shape. If the intermittent tracking imaging device 1 of the embodiment is applied to such a scene, the shape of the cell or the like can be imaged without motion blur while the cell is flowing in the microchannel. As a result, for example, the quality of a cell can be determined from a large number of cells in a short time, and cell inspection can be performed with high throughput.
上記は単なる一例であり、高速で移動する対象を撮影する場合や、高速移動体に本装置を搭載する場合であれば、本発明の実施形態に係る間歇的トラッキング撮影装置1を適用して、モーションブラーなく明瞭な画像を得ることができる。また、民生用のビデオカメラ等に本装置を適用して、手ぶれを防止する共に、ゴルフのスウィングや、高速で移動する車両を所望の輝度で、かつ、モーションブラーなく撮影することができる。 The above is merely an example, and when the subject moving at high speed is photographed or when the present apparatus is mounted on a high-speed moving body, the intermittent tracking photographing apparatus 1 according to the embodiment of the present invention is applied, A clear image can be obtained without motion blur. In addition, by applying this apparatus to a consumer video camera or the like, it is possible to prevent camera shake and to capture golf swings and high-speed moving vehicles with desired brightness and without motion blur.
(1)第1の実施形態
図2は、第1の実施形態に係る間歇的トラッキング撮影装置1の構成例を示すブロック図である。図2では、図の左上に黒丸で示した高速移動目標(撮影対象)を、間歇的トラッキング撮影装置1で撮影する様子を示している。これとは逆に、固定の目標(撮影対象)を、高速移動体に搭載された間歇的トラッキング撮影装置1で撮影する場合にも、間歇的トラッキング撮影装置1の構成は図2のブロック図に示すものと同じである。また、撮影対象と間歇的トラッキング撮影装置1の双方が移動する場合にも、図2のブロック図と同じ構成となる。
(1) First Embodiment FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of an intermittent tracking imaging device 1 according to the first embodiment. FIG. 2 shows a state where the high-speed movement target (photographing target) indicated by a black circle on the upper left of the figure is photographed by the intermittent tracking photographing apparatus 1. On the contrary, even when a fixed target (photographing target) is photographed by the intermittent tracking photographing apparatus 1 mounted on a high-speed moving body, the configuration of the intermittent tracking photographing apparatus 1 is shown in the block diagram of FIG. It is the same as shown. Further, when both the imaging target and the intermittent tracking imaging device 1 move, the configuration is the same as the block diagram of FIG.
間歇的トラッキング撮影装置1は、イメージセンサ10、アクチュエータ20(変更手段20)、画像生成部30、速度算出部40、及び制御部50を有する。また、制御部50は、位置制御部(1)51、位置制御部(2)52、切り換えスイッチ53、及びシャッタ制御部54を有する。 The intermittent tracking imaging apparatus 1 includes an image sensor 10, an actuator 20 (changing unit 20), an image generation unit 30, a speed calculation unit 40, and a control unit 50. The control unit 50 includes a position control unit (1) 51, a position control unit (2) 52, a changeover switch 53, and a shutter control unit 54.
イメージセンサ10は、例えばCMOSイメージセンサ或いはCCDイメージセンサであり、複数の画素が面アレイ状に配列されている。イメージセンサ10のフレームレートは特に限定するものではないが、高速移動体を高い時間分解能で撮影する観点からは、より高速のイメージセンサ10が好ましい。なお、図2では、イメージセンサ10の前側(目標側)に設置されるレンズ等の光学系の図示を省略している。 The image sensor 10 is, for example, a CMOS image sensor or a CCD image sensor, and a plurality of pixels are arranged in a surface array. The frame rate of the image sensor 10 is not particularly limited, but a higher-speed image sensor 10 is preferable from the viewpoint of photographing a high-speed moving body with high time resolution. In FIG. 2, illustration of an optical system such as a lens installed on the front side (target side) of the image sensor 10 is omitted.
シャッタ制御部54からイメージセンサ10に対してシャッタ制御信号が入力される。シャッタ制御信号は、フレームレートを制御するタイミング信号や、フレーム内のシャッタ開放時間とシャッタ閉鎖時間とを定めるタイミング信号である。例えば、フレーム制御信号がオンときイメージセンサ10のシャッタ(電子シャッタ)を開放し、フレーム制御信号がオフのときイメージセンサ10のシャッタ(電子シャッタ)を閉鎖する。 A shutter control signal is input from the shutter control unit 54 to the image sensor 10. The shutter control signal is a timing signal for controlling the frame rate and a timing signal for determining a shutter opening time and a shutter closing time in the frame. For example, the shutter (electronic shutter) of the image sensor 10 is opened when the frame control signal is on, and the shutter (electronic shutter) of the image sensor 10 is closed when the frame control signal is off.
変更手段20は、撮影対象とイメージセンサ10との相対的位置関係を変更する。図2に示す第1の実施形態では、変更手段20はイメージセンサ10の位置を変化させるアクチュエータ10であり、例えばピエゾアクチュエータとして構成される。アクチュエータ10に対する制御信号(制御電圧)は、制御部50から供給される。また、アクチュエータ20からは、イメージセンサ10の現在の位置を示す信号(イメージセンサ位置)が制御部50に対して出力される。 The changing unit 20 changes the relative positional relationship between the subject to be imaged and the image sensor 10. In the first embodiment shown in FIG. 2, the changing means 20 is an actuator 10 that changes the position of the image sensor 10, and is configured as a piezo actuator, for example. A control signal (control voltage) for the actuator 10 is supplied from the control unit 50. Further, a signal (image sensor position) indicating the current position of the image sensor 10 is output from the actuator 20 to the control unit 50.
画像生成部30は、イメージセンサ10から出力される画素信号に基づいて、撮影対象を撮影した画像をフレーム毎に生成する。 Based on the pixel signal output from the image sensor 10, the image generation unit 30 generates an image obtained by shooting the shooting target for each frame.
速度算出部40は、フレーム毎の画像を用いて、イメージセンサ10で撮影した撮影対象の位置の変化から、撮影対象とイメージセンサ10との相対的な運動速度を算出する。速度算出部40の具体的な動作については後述する。 The speed calculation unit 40 calculates the relative motion speed between the imaging target and the image sensor 10 from the change in the position of the imaging target captured by the image sensor 10 using the image for each frame. The specific operation of the speed calculation unit 40 will be described later.
制御部50は、フレーム内のシャッタ開放時には、撮影対象にトラッキングさせることにより、撮影対象の移動又は本装置の移動に伴って生じる相対的位置関係の変化を抑制し、フレーム内のシャッタ閉鎖時には、相対的位置関係を所定のホームポジションに戻すように、アクチュエータ20(変更手段20)をフレーム毎に制御する。 When the shutter in the frame is opened, the control unit 50 causes the subject to be tracked to suppress a change in the relative positional relationship caused by the movement of the subject to be photographed or the movement of the apparatus, and at the time of closing the shutter in the frame, The actuator 20 (changing means 20) is controlled for each frame so that the relative positional relationship is returned to the predetermined home position.
例えば、制御部50は、シャッタ開放時にアクチュエータ20の位置を制御する第1のフィードバック制御ループと、シャッタの閉鎖時にアクチュエータ20の位置を制御する第2のフィードバック制御ループを有している。第1のフィードバック制御ループには位置制御部(1)51が含まれており、第2のフィードバック制御ループには位置制御部(2)52が含まれている。 For example, the control unit 50 has a first feedback control loop that controls the position of the actuator 20 when the shutter is opened, and a second feedback control loop that controls the position of the actuator 20 when the shutter is closed. The first feedback control loop includes a position control unit (1) 51, and the second feedback control loop includes a position control unit (2) 52.
第1のフィードバック制御ループでは、速度算出部40で算出された撮影対象とイメージセンサ10との相対的な運動速度が、速度ゼロ(目標値)となるように、アクチュエータ20の位置を制御する。具体的には、シャッタ開放時に切り換えスイッチ53を位置制御部(1)51側に切り換え、位置制御部(1)51から出力されるアクチュエータ駆動信号をアクチュエータ20に供給する。第1のフィードバック制御により、イメージセンサ10が撮影対象をトラッキングする。 In the first feedback control loop, the position of the actuator 20 is controlled so that the relative motion speed between the imaging target calculated by the speed calculation unit 40 and the image sensor 10 becomes zero speed (target value). Specifically, the selector switch 53 is switched to the position control unit (1) 51 side when the shutter is opened, and the actuator drive signal output from the position control unit (1) 51 is supplied to the actuator 20. With the first feedback control, the image sensor 10 tracks the object to be imaged.
一方、第2のフィードバック制御ループでは、シャッタ閉鎖時にイメージセンサ10の位置が所定のホームポジション(初期位置)に戻るように、アクチュエータ20を制御する。このために、シャッタ閉鎖時に、切り換えスイッチ53を位置制御部(2)52側に切り換え、位置制御部(2)52から出力されるアクチュエータ駆動信号をアクチュエータ20に供給する。 On the other hand, in the second feedback control loop, the actuator 20 is controlled so that the position of the image sensor 10 returns to a predetermined home position (initial position) when the shutter is closed. For this purpose, when the shutter is closed, the changeover switch 53 is switched to the position control unit (2) 52 side, and the actuator drive signal output from the position control unit (2) 52 is supplied to the actuator 20.
このように、実施形態の間歇的トラッキング撮影装置1では、シャッタ開放時には撮影目標をトラッキングし、シャッタ遮蔽時はトラッキングを行うことなくイメージセンサをホームポジションに戻している。つまり、トラッキングを間歇的に行っている。この点において、イメージセンサの向き(或いは撮影カメラの向き)を移動目標に常時指向させて連続的にトラッキングする従来の手法とは大きく異なっている。 As described above, in the intermittent tracking imaging apparatus 1 of the embodiment, the imaging target is tracked when the shutter is opened, and the image sensor is returned to the home position without tracking when the shutter is closed. In other words, tracking is performed intermittently. In this respect, it is greatly different from the conventional method in which the direction of the image sensor (or the direction of the photographing camera) is always directed to the moving target and is continuously tracked.
撮影対象とイメージセンサ10との相対的な運動が2次元的な動き(視線方向に直交する面内(例えばXY面内)おける2次元的な動き)として想定される場合は、アクチュエータ20は、イメージセンサ10をXY面内に2次元的に移動できるように構成される。一方、撮影対象とイメージセンサ10との相対的な運動が1次元な動きとして想定さる場合には(例えば、図1(b)のようにマイクロ流路内を1方向に流れる細胞を撮影するような場面には)、アクチュエータ20を、該当する1方向に対してのみイメージセンサ10を移動できるように構成してもよい。 When the relative motion between the object to be imaged and the image sensor 10 is assumed to be a two-dimensional motion (a two-dimensional motion in a plane orthogonal to the line-of-sight direction (for example, in the XY plane)), the actuator 20 The image sensor 10 is configured to be able to move two-dimensionally in the XY plane. On the other hand, when the relative motion between the subject to be imaged and the image sensor 10 is assumed to be a one-dimensional motion (for example, as shown in FIG. 1B, a cell flowing in one direction in the microchannel is photographed. In other cases, the actuator 20 may be configured such that the image sensor 10 can be moved only in one relevant direction.
また、イメージセンサ10を、視線方向に直交する面内で並行移動させることに換えて、撮影対象に対するイメージセンサ10の視線方向を撮影対象にトラッキングさせるようにイメージセンサ10を回転移動させてもよい。 Further, instead of moving the image sensor 10 in parallel in a plane orthogonal to the line-of-sight direction, the image sensor 10 may be rotationally moved so that the line-of-sight direction of the image sensor 10 with respect to the shooting target is tracked by the shooting target. .
図3は、本発明の実施形態に係る間歇的トラッキング撮影装置1との比較のため、従来の撮影装置におけるモーションブラーの発生状況を模式的に示す図である。 FIG. 3 is a diagram schematically showing the occurrence of motion blur in a conventional imaging apparatus for comparison with the intermittent tracking imaging apparatus 1 according to the embodiment of the present invention.
図3の上段には、フレーム#N、フレーム#(N+1)、フレーム#(N+2)の3つのフレームに対して、シャッタ開放期間の開始時刻と終了時刻のそれぞれに対応するイメージセンサの位置を示している。各イメージセンサは、2次元のイメージセンサの上側面を上方から見た図として表しており、各イメージセンサの図の下側が目標に向かって左側(L)に対応し、図の上側が目標に向かって右側(R)に対応する。なお、図3の上段左側の縦に並んだ複数の黒丸は、1つの高速移動目標が、左から右に向かって移動する様子を示している。 The upper part of FIG. 3 shows the position of the image sensor corresponding to each of the start time and end time of the shutter opening period with respect to three frames of frame #N, frame # (N + 1), and frame # (N + 2). ing. Each image sensor is represented by a top view of the upper side of the two-dimensional image sensor. The lower side of each image sensor corresponds to the left side (L) toward the target, and the upper side of the figure is the target. It corresponds to the right side (R). Note that a plurality of black circles arranged vertically on the left side of the upper stage in FIG. 3 indicate that one high-speed movement target moves from left to right.
図3の中段に示す図は、横軸が時間、縦軸がイメージセンサの位置を表わすグラフを、フレーム#N、フレーム#(N+1)、フレーム#(N+2)の3つのフレームに対して示すものである。従来の撮影装置は、イメージセンサの位置は固定であるため、イメージセンサの位置はどの時刻においてもホームポジションにある。なお、フレームタイムはどのフレームにおいても一定である。また、フレーム内のシャッタ開放時間とシャッタ閉鎖時間との比率もどのフレームにおいても一定としている。 The diagram shown in the middle of FIG. 3 shows a graph in which the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the position of the image sensor for three frames, frame #N, frame # (N + 1), and frame # (N + 2). It is. In the conventional photographing apparatus, since the position of the image sensor is fixed, the position of the image sensor is at the home position at any time. Note that the frame time is constant in any frame. Further, the ratio between the shutter opening time and the shutter closing time in the frame is also constant in every frame.
図3の下段には、フレーム#N、フレーム#(N+1)、フレーム#(N+2)の夫々のフレームで得られる画像を模式的に示す図である。 The lower part of FIG. 3 is a diagram schematically showing an image obtained in each of frame #N, frame # (N + 1), and frame # (N + 2).
図3の上段の図からわかるように、高速移動目標は、フレーム内のシャッタ開放時間の間にも当然移動する。例えば、フレーム#Nのシャッタ開放期間の開始時刻から終了時刻の間に、位置P1からP2に移動する。そして、この移動距離が、イメージセンサの画素に換算したときに複数の画素に亘るとき、モーションブラーが発生する。 As can be seen from the upper diagram in FIG. 3, the high-speed movement target naturally moves during the shutter opening time in the frame. For example, the frame #N moves from the position P1 to P2 between the start time and end time of the shutter opening period. Then, when this moving distance extends over a plurality of pixels when converted into pixels of the image sensor, motion blur occurs.
図3の下段に示すように、モーションブラーは、フレーム#N、フレーム#(N+1)、フレーム#(N+2)のどのフレームでも発生する。その結果、各フレームで得られる画像は、元々円形(黒丸)であった目標の形状が、移動方向に伸びた(今の例では左から右に伸びた)、ぼけた画像となる。 As shown in the lower part of FIG. 3, motion blur occurs in any frame of frame #N, frame # (N + 1), and frame # (N + 2). As a result, the image obtained in each frame is a blurred image in which the target shape, which was originally a circle (black circle), extends in the moving direction (in the present example, extends from left to right).
これに対して、図4は、本発明の実施形態に係る間歇的トラッキング撮影装置1によって、同様の高速移動目標に対してもモーションブラーが抑制できることを模式的に示す図である。 On the other hand, FIG. 4 is a diagram schematically showing that motion blur can be suppressed even for the same high-speed moving target by the intermittent tracking imaging apparatus 1 according to the embodiment of the present invention.
図4の上段は、図3の上段と同様に、フレーム#N、フレーム#(N+1)、フレーム#(N+2)の3つのフレームに対して、シャッタ開放期間の開始時刻と終了時刻のそれぞれに対応するイメージセンサ10の位置を示している。 4 corresponds to the start time and end time of the shutter release period for the three frames of frame #N, frame # (N + 1), and frame # (N + 2), similarly to the upper portion of FIG. The position of the image sensor 10 is shown.
図4の中段に示す図は、図3の中段と同様に、横軸が時間、縦軸がイメージセンサの位置を表わすグラフを、フレーム#N、フレーム#(N+1)、フレーム#(N+2)の3つのフレームに対して示すものである。前述したように、本発明の実施形態に係る間歇的トラッキング撮影装置1は、シャッタ開放時において、第1のフィードバック制御ループによって撮影対象とイメージセンサ10との相対的な運動速度が、速度ゼロ(目標値)となるように、アクチュエータ20の位置を制御している。したがって、目標が一定速度で移動している場合には、イメージセンサ10を一定速度で移動させるようにアクチュエータ20を制御する。この結果、シャッタ開放時には、イメージセンサ10の位置は、直線状に変化し、移動目標をトラッキングする。 4 is a graph in which time is plotted on the horizontal axis and the position of the image sensor is plotted on the vertical axis in the same manner as in the middle section of FIG. 3, with the frame #N, frame # (N + 1), and frame # (N + 2). This is shown for three frames. As described above, in the intermittent tracking imaging device 1 according to the embodiment of the present invention, when the shutter is opened, the relative motion speed between the imaging target and the image sensor 10 is zero ( The position of the actuator 20 is controlled so as to be a target value. Therefore, when the target is moving at a constant speed, the actuator 20 is controlled to move the image sensor 10 at a constant speed. As a result, when the shutter is opened, the position of the image sensor 10 changes linearly and tracks the movement target.
一方、シャッタ閉鎖時には、イメージセンサ10の位置がホームポジションに戻るように第2のフィードバック制御ループが働く。この結果、シャッタが閉鎖されると、イメージセンサ10の位置はホームポジションに向かって移動し、ホームポジションに達するとその位置を保持する。そして、次のシャッタ開放時には、第1のフィードバック制御ループにより、目標の動きに応じてイメージセンサ10の位置が変化し、移動目標をトラッキングする。この結果、目標が一定の速度で移動する場合、イメージセンサ10の位置は、図4の中段に示すように鋸歯状の動きを示す。 On the other hand, when the shutter is closed, the second feedback control loop works so that the position of the image sensor 10 returns to the home position. As a result, when the shutter is closed, the position of the image sensor 10 moves toward the home position, and when the shutter reaches the home position, the position is maintained. When the next shutter is opened, the position of the image sensor 10 is changed according to the movement of the target by the first feedback control loop, and the moving target is tracked. As a result, when the target moves at a constant speed, the position of the image sensor 10 exhibits a sawtooth movement as shown in the middle stage of FIG.
上記の動作により、高速移動目標が、例えば、フレーム#Nのシャッタ開放期間の開始時刻から終了時刻の間に、位置P1からP2に移動したとしても、この動きに追随してイメージセンサ10の位置も移動する。この結果、イメージセンサ10上では、シャッタ開放期間の開始から終了までの間、常に同じ画素が目標を捉え続けることになり、モーションブラーが発生しない。そして、上記のトラッキング動作は、それぞれのフレームのシャッタ開放期間に行われるため、どのフレームにおいても、モーションブラーの無い鮮明な画像が得られる。例えば、図3と同じ高速移動目標(黒丸で示す円形目標)を撮影する場合にも、図4下段に示すように、各フレームにおいて、モーションブラーの無い画像が得られる。その結果、各フレーム画像において目標の形状を正確に認識することができる。また、各フレーム画像を連続再生することにより、目標の形状が正確に維持された動画を提供することができる。 Even if the high-speed movement target moves from the position P1 to P2 between the start time and the end time of the shutter release period of the frame #N by the above operation, for example, the position of the image sensor 10 follows this movement. Also move. As a result, on the image sensor 10, the same pixel always keeps capturing the target from the start to the end of the shutter opening period, and motion blur does not occur. Since the above tracking operation is performed during the shutter opening period of each frame, a clear image without motion blur can be obtained in any frame. For example, when shooting the same high speed moving target (circular target indicated by a black circle) as in FIG. 3, an image without motion blur is obtained in each frame as shown in the lower part of FIG. As a result, the target shape can be accurately recognized in each frame image. Further, by continuously reproducing each frame image, it is possible to provide a moving image in which the target shape is accurately maintained.
なお、図4の下段に示す画像の例では、説明の便宜上、隣接するフレーム間での目標(黒丸)の位置の差を大きくしているが、これは時間分解能の問題であり、フレームレートを上げることにより、時間分解能を高めることができる。つまり、実施形態の間歇的トラッキング撮影装置1を高いフレームレートで動作させることにより、滑らかな動きで、かつ1つ1つのフレームにモーションブラーの無い動画を得ることができる。 In the example of the image shown in the lower part of FIG. 4, for convenience of explanation, the difference in the position of the target (black circle) between adjacent frames is increased, but this is a problem of time resolution, and the frame rate is By increasing the time resolution, the time resolution can be increased. That is, by operating the intermittent tracking imaging device 1 of the embodiment at a high frame rate, it is possible to obtain a moving image with smooth motion and no motion blur in each frame.
ここで、速度算出部40が行う速度算出方法の一例を説明する。 Here, an example of the speed calculation method performed by the speed calculation unit 40 will be described.
今、画像生成部30から速度算出部40に入力される入力画像を、I(X, Y, t)と表記する。ここで、X, Yは画素位置であり、tは時間である。この入力画像を、閾値値θで二値化する。二値化画像をB(X, Y, t)とすると、二値化画像は、
次に、この二値化画像B(X, Y, t)の、0次、1次モーメント特徴を計算する。0次、1次モーメント特徴Mmn(t)は、次の(式2)で表される。
次に、(式2)のモーメント特徴に基づいて、重心位置c(t)を次の(式3)で計算する。
次に、時刻tでの重心位置c(t)と、1フレーム前の時刻(t−τ)での重心位置c(t−τ)に基づいて、撮影対象とイメージセンサ10との相対的な運動速度v(t)を、次の(式4)によって算出する。
上記のように速度算出部40で算出された運動速度v(t)は、フレーム毎に制御部50の第1のフィードバック制御ループに提供される。上記の運動速度の算出方法はあくまで一例であり、これ以外の公知の算出方法を用いても良い。 The motion speed v (t) calculated by the speed calculation unit 40 as described above is provided to the first feedback control loop of the control unit 50 for each frame. The method for calculating the exercise speed is merely an example, and other known calculation methods may be used.
(2)第1の実施形態の変形例
図5は、第1の実施形態の第1の変形例に係る間歇的トラッキング撮影装置1bの構成例を示すブロック図である。第1の実施形態(図2)との相違点は、速度算出部40に換えて、エッジ強度算出部60を有している点である。エッジ強度算出部60は、画像生成部30で生成された撮影対象の画像から、撮影対象のエッジ強度を算出する。モーションブラーが大きいと撮影対象の形状はぼけるため、そのエッジ強度は小さくなる。逆に、モーションブラーが小さいと撮影対象の形状は鮮明になり、そのエッジ強度は大きくなる。そこで、第1の実施形態の第1の変形例では、エッジ強度が最大となるように、つまり、モーションブラーが小さくなるように、イメージセンサ10の位置をアクチュエータ20で制御する。そのために、算出されたエッジ強度は制御部150の第1のフィードバック制御ループに提供され、所定のエッジ強度最大値と比較される。そして、算出されたエッジ強度がエッジ強度最大値となるように、シャッタ開放時のイメージセンサ10の位置を制御すべくアクチュエータ20を駆動する。なお、第2のフィードバック制御ループの制御に関しては、第1の実施形態と同じである。
(2) Modified Example of First Embodiment FIG. 5 is a block diagram illustrating a configuration example of an intermittent tracking imaging device 1b according to a first modified example of the first embodiment. The difference from the first embodiment (FIG. 2) is that an edge strength calculation unit 60 is provided instead of the speed calculation unit 40. The edge strength calculation unit 60 calculates the edge strength of the shooting target from the image of the shooting target generated by the image generation unit 30. When the motion blur is large, the shape of the object to be photographed is blurred, so that the edge strength becomes small. On the contrary, when the motion blur is small, the shape of the object to be photographed becomes clear and the edge strength increases. Therefore, in the first modification of the first embodiment, the position of the image sensor 10 is controlled by the actuator 20 so that the edge strength is maximized, that is, the motion blur is reduced. For this purpose, the calculated edge strength is provided to the first feedback control loop of the control unit 150 and compared with a predetermined maximum value of edge strength. Then, the actuator 20 is driven to control the position of the image sensor 10 when the shutter is opened so that the calculated edge strength becomes the maximum edge strength value. The control of the second feedback control loop is the same as that in the first embodiment.
運動速度を用いる第1の実施形態と、エッジ強度を用いる第1の変形例とを組み合わせても良い。この場合、速度算出部40で算出された運動速度と、エッジ強度算出部60で算出されたエッジ強度の両方のパラメータを用いて第1のフィードバック制御ループを制御する。 The first embodiment using the motion speed may be combined with the first modification using the edge strength. In this case, the first feedback control loop is controlled using both parameters of the motion speed calculated by the speed calculation unit 40 and the edge strength calculated by the edge strength calculation unit 60.
図6は、第1の実施形態の第2の変形例に係る間歇的トラッキング撮影装置1cの構成例を示すブロック図である。第1の実施形態(図2)との相違点は、速度算出部40に換えて、入力部70を有している点である。第2の変形例では、第1のフィードバック制御ループで用いる運動速度を、撮影対象の画像からではなく、入力部70を介して外部から入力する。間歇的トラッキング撮影装置1cが車両等の高速移動体に搭載され、この間歇的トラッキング撮影装置1cによって車両周辺の固定の撮影対象を撮影するような場合、撮影対象とイメージセンサ10との相対的な運動速度は、搭載車両の移動速度から求めることができる。第2の変形例では、画像から運動速度を求める処理が不要となるため、全体としての処理が簡素化される。 FIG. 6 is a block diagram illustrating a configuration example of the intermittent tracking imaging device 1c according to the second modification of the first embodiment. The difference from the first embodiment (FIG. 2) is that an input unit 70 is provided instead of the speed calculation unit 40. In the second modification, the motion speed used in the first feedback control loop is input from the outside via the input unit 70 instead of from the image to be captured. When the intermittent tracking imaging device 1c is mounted on a high-speed moving body such as a vehicle and the intermittent tracking imaging device 1c captures a fixed imaging object around the vehicle, the relative imaging target and the image sensor 10 are relative to each other. The movement speed can be obtained from the movement speed of the mounted vehicle. In the second modified example, the process for obtaining the motion speed from the image is not required, so that the process as a whole is simplified.
ここまでは、撮影対象とイメージセンサ10との相対的位置関係を変更する変更手段として、イメージセンサ10自体を、並行移動、或いは回転移動させるアクチュエータ20を例として説明した(図7(a))。しかしながら、相対的位置関係を変更する変更手段は、イメージセンサ10自体を移動させるアクチュエータ20に限定されない。例えば、イメージセンサ10へ入射する光の光路位置又は光路角度を変更する光路変更手段であってもよい。例えば、図7(b)に示すように、撮影対象とイメージセンサ10との間に変更手段としてのガルバノミラー20bを設置し、ガルバノミラー20bの回転角度を制御することにより、イメージセンサ10へ入射する光の光路位置又は光路角度を変更して、撮影対象とイメージセンサ10との相対的位置関係を変更してもよい。 Up to this point, the actuator 20 that moves the image sensor 10 itself in parallel or rotationally has been described as an example of changing means for changing the relative positional relationship between the object to be imaged and the image sensor 10 (FIG. 7A). . However, the changing means for changing the relative positional relationship is not limited to the actuator 20 that moves the image sensor 10 itself. For example, an optical path changing unit that changes an optical path position or an optical path angle of light incident on the image sensor 10 may be used. For example, as shown in FIG. 7B, a galvano mirror 20b as a changing means is installed between the object to be imaged and the image sensor 10, and the rotation angle of the galvano mirror 20b is controlled to enter the image sensor 10. The relative positional relationship between the object to be imaged and the image sensor 10 may be changed by changing the optical path position or the optical path angle of the light.
また、例えば、間歇的トラッキング撮影装置1を顕微鏡型撮影装置として構成するような場合には、図7(c)に示すように、対物レンズの位置をアクチュエータ20cで移動させることにより、イメージセンサ10へ入射する光の光路位置又は光路角度を変更してもよい。 Further, for example, when the intermittent tracking imaging device 1 is configured as a microscope type imaging device, the position of the objective lens is moved by the actuator 20c as shown in FIG. The optical path position or the optical path angle of the light incident on may be changed.
(3)第2の実施形態
前述した第1の実施形態に係る間歇的トラッキング撮影装置1では、図4の中段に示すように、総てのフレームのシャッタ開放時において、撮影対象をトラッキングする処理を行っている。撮影対象が、背景の中を移動する孤立した高速移動目標の場合、第1の実施形態に係る間歇的トラッキング撮影装置1によって、この高速移動目標のモーションブラーを抑制することができる。しかしながら、この場合、背景の画像には逆にモーションブラーが発生し、ぼけた背景画像の中にモーションブラーの無い高速移動目標が撮影される画像となる。撮影の目的によっては、このような画像の方が好ましい場合があるが、その一方で、背景と高速移動目標の両方ともモーションブラーのない画像が要望される場合もある。第2の実施形態に係る間歇的トラッキング撮影装置1dは、このような要望に応えるものである。
(3) Second Embodiment In the intermittent tracking photographing apparatus 1 according to the first embodiment described above, as shown in the middle part of FIG. 4, the process of tracking the photographing object when the shutters of all the frames are opened. It is carried out. When the object to be imaged is an isolated high-speed moving target moving in the background, motion blur of the high-speed moving target can be suppressed by the intermittent tracking imaging device 1 according to the first embodiment. However, in this case, motion blur occurs in the background image, and an image in which a fast moving target without motion blur is captured in the blurred background image is obtained. Depending on the purpose of shooting, such an image may be preferable, but on the other hand, an image without motion blur may be required for both the background and the high-speed moving target. The intermittent tracking imaging device 1d according to the second embodiment meets such a demand.
図8は、第2の実施形態に係る間歇的トラッキング撮影装置1dの動作概念を示すものである。具体的には、間歇的トラッキング撮影装置1dでは、シャッタ開放時に撮影対象をトラッキングする第1のフレーム処理と、シャッタ開放時においても相対的位置関係をホームポジションに維持してトラッキングを行わない第2のフレーム処理とを、時分割で行う。例えば、図8に示すように、偶数フレーム(フレーム#N、フレーム#(N+2)、フレーム#(N+4)等)には撮影対象をトラッキングし、奇数フレーム(フレーム#(N+1)、フレーム#(N+3)、フレーム#(N+5)等)には撮影対象をトラッキングしないものとする。そして、偶数フレームの画像のみを抽出すれば、移動目標に対してモーションブラーの無いフレーム画像群が得られる。また、奇数フレームの画像のみを抽出すれば、背景に対してモーションブラーの無いフレーム画像群が得られる。
FIG. 8 shows an operation concept of the intermittent tracking imaging apparatus 1d according to the second embodiment. Specifically, in the intermittent tracking imaging device 1d, the first frame processing for tracking the imaging target when the shutter is opened, and the second in which tracking is not performed while the relative positional relationship is maintained at the home position even when the shutter is opened. The frame processing is performed in a time-sharing manner. For example, as shown in FIG. 8, the shooting target is tracked in even frames (frame #N, frame # (N + 2), frame # (N + 4), etc.), and odd frames (frame # (N + 1), frame # (N + 3), etc. ), Frame # (N + 5), etc.) is not tracked. If only even-frame images are extracted, a group of frame images without motion blur can be obtained for the movement target. Further, if only the odd-numbered frame images are extracted, a frame image group having no motion blur with respect to the background can be obtained.
さらに、偶数フレームの画像群から移動目標の領域のみを抽出し、抽出した移動目標を奇数フレームの画像群にそれぞれ合成することにより、移動目標と背景の両方に対してモーションブラーのない画像を生成することも可能である。 Furthermore, only the area of the moving target is extracted from the image group of the even frame, and the extracted moving target is combined with the image group of the odd frame to generate an image without motion blur for both the moving target and the background. It is also possible to do.
なお、第2の実施形態に係る間歇的トラッキング撮影装置1dは、制御部50の処理タイミングが第1の実施形態と異なるが、その構成自体は第1の実施形態(図2)と同じであるため、ブロック図の図示は省略する。 Note that the intermittent tracking imaging device 1d according to the second embodiment is different in the processing timing of the control unit 50 from the first embodiment, but the configuration itself is the same as that of the first embodiment (FIG. 2). Therefore, illustration of the block diagram is omitted.
(4)第3の実施形態
図9は、第3の実施形態に係る間歇的トラッキング撮影装置1eの構成例を示すブロック図である。第3の実施形態の間歇的トラッキング撮影装置1eは、第1の実施形態の構成に加えて、輝度算出部80と露光制御部90をさらに備える。輝度算出部80は、イメージセンサ10で撮影した撮影対象の画像の輝度を算出する。また、露光制御部90は、フレーム時間内におけるシャッタ開放時間とシャッタ閉鎖時間との比率を、算出した輝度に応じてフレーム毎に変化させることによって露光制御する。
(4) Third Embodiment FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of an intermittent tracking imaging device 1e according to a third embodiment. The intermittent tracking imaging device 1e according to the third embodiment further includes a luminance calculation unit 80 and an exposure control unit 90 in addition to the configuration of the first embodiment. The luminance calculation unit 80 calculates the luminance of the image to be imaged taken by the image sensor 10. The exposure control unit 90 controls exposure by changing the ratio between the shutter opening time and the shutter closing time within the frame time for each frame according to the calculated luminance.
輝度算出の方法自体は特に限定するものでない。例えば、撮影対象のフレーム画像からフレーム毎の輝度ヒストグラムを輝度算出部80で算出する。露光制御部90では、規準輝度ヒストグラムと、算出されたフレーム毎の輝度ヒストグラムを比較し、両者の差異の大きさを表わす指標を算出する。そして、算出されたフレーム毎の輝度ヒストグラムが規準輝度ヒストグラムに近づくように、算出した指標に基づいて、フレーム時間内におけるシャッタ開放時間とシャッタ閉鎖時間との比率を決定する。そして、この比率とフレーム時間とから、シャッタ開放時間とシャッタ閉鎖時間とをフレーム毎に決定して、シャッタ制御部54に出力する。 The luminance calculation method itself is not particularly limited. For example, the luminance calculation unit 80 calculates a luminance histogram for each frame from the frame image to be imaged. The exposure control unit 90 compares the reference luminance histogram with the calculated luminance histogram for each frame, and calculates an index representing the magnitude of the difference between the two. Then, the ratio between the shutter opening time and the shutter closing time within the frame time is determined based on the calculated index so that the calculated luminance histogram for each frame approaches the reference luminance histogram. Then, from this ratio and the frame time, the shutter opening time and the shutter closing time are determined for each frame and output to the shutter control unit 54.
図10は、第3の実施形態に係る間歇的トラッキング撮影装置1eの動作概念を示すものである。第3の実施形態で行う露光制御は、フレーム時間自体は一定としつつ、フレーム時間内におけるシャッタ開放時間とシャッタ閉鎖時間との比率を変更することによって露光制御する。例えば、撮影対象が急に明るくなった場合には、図10のフレーム#(N+1)やフレーム#(N+2)のように、シャッタ開放時間を短くしシャッタ閉鎖時間を長くする。逆に、撮影対象が急に暗くなった場合には、図10のフレーム#(N+3)乃至フレーム#(N+5)のように、シャッタ開放時間を長くしシャッタ閉鎖時間を短くする。 FIG. 10 shows an operation concept of the intermittent tracking imaging apparatus 1e according to the third embodiment. In the exposure control performed in the third embodiment, the exposure time is controlled by changing the ratio between the shutter opening time and the shutter closing time within the frame time while keeping the frame time itself constant. For example, when the subject is suddenly brightened, the shutter opening time is shortened and the shutter closing time is lengthened, as in frame # (N + 1) or frame # (N + 2) in FIG. On the other hand, when the subject is suddenly darkened, the shutter opening time is lengthened and the shutter closing time is shortened as in frame # (N + 3) to frame # (N + 5) in FIG.
第3の実施形態の間歇的トラッキング撮影装置1eでは、上記の露光制御と、既に説明した撮影対象に対するトラッキングとを同時に実施する。この結果、例えば、明るく、かつ移動速度の遅い撮影対象に対しては、図10のフレーム#N乃至フレーム#(N+2)のように、露光時間(シャッタ開放時間)は短くなり、トラッキング速度(或いはイメージセンサの移動量)は小さくなる。逆に、例えば、暗く、かつ移動速度の速い撮影対象に対しては、図10のフレーム#(N+3)乃至フレーム#(N+5)のように、露光時間(シャッタ開放時間)は長くなり、トラッキング速度(或いはイメージセンサの移動量)は大きくなる。 In the intermittent tracking imaging device 1e according to the third embodiment, the exposure control described above and the tracking for the imaging target already described are simultaneously performed. As a result, for example, for an object to be photographed that is bright and has a slow moving speed, the exposure time (shutter opening time) is shortened as shown in frame #N to frame # (N + 2) in FIG. The amount of movement of the image sensor is small. On the other hand, for example, for a shooting object that is dark and has a high moving speed, the exposure time (shutter opening time) becomes longer and the tracking speed is increased as in frame # (N + 3) to frame # (N + 5) in FIG. (Or the movement amount of the image sensor) increases.
(5)検証実験
前述した実施形態の間歇的トラッキング撮影装置1の効果を確認するために、プロトタイプを制作して検証実験を行った。図11(a)は、プロトタイプ100の構成を示す図である。
(5) Verification Experiment In order to confirm the effect of the intermittent tracking imaging apparatus 1 of the embodiment described above, a prototype was produced and a verification experiment was performed. FIG. 11A is a diagram showing the configuration of the prototype 100.
プロトタイプ100は、顕微鏡型の間歇的トラッキング撮影装置1を模擬したものである。プロトタイプ100は、顕微鏡101、高速度カメラ102、制御用PC103、DAボード104、ピエゾドライバ105、ピエゾステージ106、及びリニアスライダ107で構成した。 The prototype 100 simulates the microscopic intermittent tracking imaging device 1. The prototype 100 includes a microscope 101, a high-speed camera 102, a control PC 103, a DA board 104, a piezo driver 105, a piezo stage 106, and a linear slider 107.
撮影対象として、図11(b)に示す直径50マイクロメートルの微小な黒丸をその上に描いたスライドグラスAと、図11(c)に示す縦100マイクロメートル、横200マイクロメートルの微小な猫のイラストをその上に描いたスライドグラスBの2種類を用いた。 As a subject to be photographed, a slide glass A having a fine black circle having a diameter of 50 micrometers shown in FIG. 11B drawn thereon, and a fine cat having a length of 100 micrometers and a width of 200 micrometers shown in FIG. Two types of slide glass B on which the above illustration was drawn were used.
図7(c)に示す顕微鏡型撮影装置の構成では、対物レンズの位置をアクチュエータで変更するようにしているが、検証実験では、顕微鏡101の対物レンズは固定とし、撮影対象であるスライドグラスA、Bの位置をピエゾステージ106でフィードバック制御する構成とした。そして、ピエゾステージ106をリニアスライダ107の上に固定し、リニアスライダ107を、図示しない駆動装置で、1方向に定速で移動させるケースと、リニアスライダ107を手動で移動させるケースの2ケースで検証実験を行った。 In the configuration of the microscope-type imaging apparatus shown in FIG. 7C, the position of the objective lens is changed by an actuator. However, in the verification experiment, the objective lens of the microscope 101 is fixed and the slide glass A that is an imaging target is used. , B position is feedback controlled by the piezo stage 106. Then, the piezo stage 106 is fixed on the linear slider 107, and the linear slider 107 is moved in one direction at a constant speed by a driving device (not shown) and the linear slider 107 is moved manually in two cases. A verification experiment was conducted.
高速度カメラ102には、512×512画素、画素ピッチ10×10μmのイメージセンサが搭載されている。検証実験で用いた顕微鏡101の対物レンズは倍率10倍のものを使用した。この場合、撮影対象であるスライドグラスA、B上のパターンの1μmが、イメージセンサの1画素の大きさに該当することになる。 The high-speed camera 102 is equipped with an image sensor having 512 × 512 pixels and a pixel pitch of 10 × 10 μm. The objective lens of the microscope 101 used in the verification experiment has a magnification of 10 times. In this case, 1 μm of the pattern on the slide glasses A and B to be photographed corresponds to the size of one pixel of the image sensor.
高速度カメラ102のフレームレートは、最大2000fpsまで設定可能であるが、検証実験では、フレームレートを125fps、即ち、フレーム時間を8msに設定した。また、フレーム時間8msのうち、シャッタ開放時間を4msに設定し、シャッタ閉鎖時間を4msに設定した。 The frame rate of the high-speed camera 102 can be set up to a maximum of 2000 fps, but in the verification experiment, the frame rate was set to 125 fps, that is, the frame time was set to 8 ms. Of the frame time of 8 ms, the shutter opening time is set to 4 ms, and the shutter closing time is set to 4 ms.
高速度カメラ102から出力されるフレーム毎の画像に対して、制御用PCによって、(式1)乃至(式4)に示す演算を行って、撮影対象の運動速度v(t)を算出した。さらに、運動速度v(t)から、図2の位置制御部(1)51の出力に該当する、ピエゾステージ106に対する移動量(制御量)を算出した。算出した移動量は、DAボード104でアナログ量に変換し、ピエゾドライバ105を介してピエゾステージ106に印加した。 For the image for each frame output from the high-speed camera 102, the calculation shown in (Expression 1) to (Expression 4) was performed by the control PC to calculate the motion speed v (t) of the imaging target. Further, a movement amount (control amount) relative to the piezo stage 106 corresponding to the output of the position control unit (1) 51 in FIG. 2 was calculated from the motion speed v (t). The calculated movement amount was converted into an analog amount by the DA board 104 and applied to the piezo stage 106 via the piezo driver 105.
図12は、微小黒丸(スライドグラスA)を撮影対象とした検証実験の結果の一例を示す図である。図12(a)は撮影対象を再掲したものであり図11(b)と同じものである。 FIG. 12 is a diagram illustrating an example of a result of a verification experiment in which a minute black circle (slide glass A) is an imaging target. FIG. 12A shows the object to be photographed again and is the same as FIG. 11B.
図12(b)及び図12(c)は、スライドグラスA(撮影対象)の位置を制御するピエゾステージ106をリニアスライダ107に固定し、このリニアスライダ107を一定速度で移動させ、移動中にスライドグラスA(撮影対象)を撮影した画像である。移動方向は、図12(b)、(c)において左から右である。また、移動速度は、0mm/s、1mm/s、・・・、14mm/sと、1mm/sずつ異なる速度に設定して実験を行った。図12(b)、(c)は、このうち、12mm/sの速度に設定した実験で得られた画像を示している。 12 (b) and 12 (c), a piezo stage 106 for controlling the position of the slide glass A (photographing target) is fixed to a linear slider 107, and the linear slider 107 is moved at a constant speed. It is the image which image | photographed the slide glass A (photographing object). The moving direction is from left to right in FIGS. 12 (b) and 12 (c). Further, the experiment was conducted by setting the moving speed to 0 mm / s, 1 mm / s,..., 14 mm / s and different speeds by 1 mm / s. FIGS. 12B and 12C show images obtained in an experiment set at a speed of 12 mm / s.
図12(b)が、本発明の間歇的トラッキングを行って撮影した画像である。図12(c)は、本発明との比較のために、間歇的トラッキングなしで撮影した画像である。図12(b)、(c)からわかるように、間歇的トラッキングなしで撮影した画像(図12(c))には大きなモーションブラーが発生したのに対して、本発明の間歇的トラッキングを行って撮影した画像(図12(b))では、モーションブラーが大幅に低減した。 FIG. 12B is an image taken by performing intermittent tracking according to the present invention. FIG. 12 (c) is an image taken without intermittent tracking for comparison with the present invention. As can be seen from FIGS. 12B and 12C, the image shot without intermittent tracking (FIG. 12C) showed a large motion blur, whereas the intermittent tracking of the present invention was performed. In the image photographed in FIG. 12 (b), motion blur was greatly reduced.
モーションブラーを定量的に示す指標として、モーションブラー係数(motion blur (pixel)を算出した。モーションブラー係数は、微小黒丸を含む二値化画像領域の0、1、2次モーメント特徴に基づいて、撮影画像の微小黒丸を楕円近似した場合の長軸と短軸の長さを算出し、長軸と短軸との差をピクセルの単位で表したものを、モーションブラー係数として定義した。モーションブラーが全くない場合には、モーションブラー係数はゼロとなる。 The motion blur coefficient (motion blur (pixel)) was calculated as an index that quantitatively shows motion blur. The motion blur coefficient is based on the 0, 1 and 2nd moment characteristics of the binarized image area including the minute black circles. The motion blur coefficient was defined as the length of the long axis and the short axis when the small black circle of the captured image was approximated to an ellipse, and the difference between the long axis and the short axis expressed in units of pixels. In the absence of any motion blur coefficient is zero.
図12(b)、(c)の隣に算出したモーションブラー係数を示す。間歇的トラッキングを行わないときのモーションブラー係数が22ピクセルと大きな値を示したのに対して、間歇的トラッキングを行った場合は、モーションブラー係数は5ピクセルまで減少した。 The motion blur coefficients calculated next to FIGS. 12B and 12C are shown. When the intermittent tracking was not performed, the motion blur coefficient was as large as 22 pixels, but when the intermittent tracking was performed, the motion blur coefficient was reduced to 5 pixels.
図12(d)乃至及び図12(f)は、リニアスライダ107を不規則な速度で移動させるべく、リニアスライダ107を手動で移動させて行った検証実験の結果を示すグラフである。図12(d)は推定された速度、図12(e)はピエゾステージ106に対する位置制御信号、図12(f)は、評価用に算出したモーションブラー係数を表わす。横軸はいずれも時間である。 FIGS. 12D to 12F are graphs showing the results of a verification experiment performed by manually moving the linear slider 107 in order to move the linear slider 107 at an irregular speed. 12D shows the estimated speed, FIG. 12E shows the position control signal for the piezo stage 106, and FIG. 12F shows the motion blur coefficient calculated for evaluation. The horizontal axis is time.
図12(f)に示されるように、間歇的トラッキングを行った場合は、間歇的トラッキングを行わなかった場合に比べてモーションブラー係数は大幅に低減された。この結果から、間歇的トラッキングを行った場合は、撮影対象の速度が変化した場合でもモーションブラー係数は小さな値となり、また撮影対象の移動速度が未知で不規則な運動をする場合でも、モーションブラー係数を抑制できることがわかった。 As shown in FIG. 12 (f), when intermittent tracking was performed, the motion blur coefficient was significantly reduced as compared with the case where intermittent tracking was not performed. From this result, when intermittent tracking is performed, the motion blur coefficient is small even when the speed of the shooting target changes, and even if the movement speed of the shooting target is unknown and the movement is irregular, the motion blur is It was found that the coefficient can be suppressed.
図13は、猫のイラスト(スライドグラスB)を撮影対象とした検証実験の結果の一例を示す図である。図13(a)は撮影対象を再掲したものでありと図11(c)同じものである。この検証実験では、図12(d)乃至図12(f)の結果を得たときと同様に、ピエゾステージ106が固定されたリニアスライダ107を手動で移動させた。また、間歇的トラッキングを行うフレームと、間歇的トラッキングを行わないフレームとを交互に行った。いずれも、フレーム時間自体は8msである。 FIG. 13 is a diagram illustrating an example of a result of a verification experiment using a cat illustration (slide glass B) as a subject of photographing. FIG. 13 (a) shows the object to be photographed again and is the same as FIG. 11 (c). In this verification experiment, the linear slider 107 to which the piezo stage 106 was fixed was manually moved in the same manner as when the results shown in FIGS. 12D to 12F were obtained. In addition, frames that perform intermittent tracking and frames that do not perform intermittent tracking were alternately performed. In either case, the frame time itself is 8 ms.
図13(b)が、間歇的トラッキングを行ったフレーム画像を時系列に配列したものであり、図13(c)は、このうち、t=0032sの画像を拡大したものである。一方、13(d)が、間歇的トラッキングを行わなかったフレーム画像を時系列に配列したものであり、図13(e)は、このうち、t=0040sの画像を拡大したものである。 FIG. 13B shows an arrangement of frame images subjected to intermittent tracking in time series, and FIG. 13C shows an enlarged image of t = 0032s. On the other hand, 13 (d) shows a frame image in which the intermittent tracking is not performed in time series, and FIG. 13 (e) is an enlarged image of t = 0040s.
図13(b)乃至図13(e)から明らかなように、間歇的トラッキングを行わなかった場合には大きなモーションブラーが発生しているのに対して、間歇的トラッキングを行った場合にはモーションブラーが抑制された。 As is clear from FIGS. 13B to 13E, a large motion blur occurs when intermittent tracking is not performed, whereas a motion occurs when intermittent tracking is performed. Blur was suppressed.
このように、上記の検証実験によっても、本発明による間歇的トラッキングによってモーションブラーが大幅に抑制されることが検証された。 Thus, it has been verified that the motion blur is significantly suppressed by the intermittent tracking according to the present invention also by the above-described verification experiment.
以上説明してきたように、本発明に係る間歇的トラッキング撮影装置によれば、高速で移動する対象を撮影する場合であっても、また、高速で移動する本装置から対象を撮影する場合であっても、モーションブラーを低減して高精度かつ高感度で撮影することができる。 As described above, according to the intermittent tracking imaging apparatus according to the present invention, even when shooting an object moving at high speed, it is also when shooting an object from the apparatus moving at high speed. However, it is possible to shoot with high accuracy and high sensitivity by reducing motion blur.
なお、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, the constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1 間歇的トラッキング撮影装置
10 イメージセンサ
20 アクチュエータ(変更手段)
30 画像生成部
40 速度算出部
50 制御部
60 エッジ強度算出部
70 入力部
80 輝度算出部
90 露光制御部
1 intermittent tracking imaging device 10 image sensor 20 actuator (changing means)
30 Image generation unit 40 Speed calculation unit 50 Control unit 60 Edge strength calculation unit 70 Input unit 80 Luminance calculation unit 90 Exposure control unit
Claims (6)
前記撮影対象と前記イメージセンサとの相対的位置関係を変更する変更手段と、
フレーム内のシャッタ開放時には、前記撮影対象をトラッキングすることにより、前記撮影対象の移動又は本装置の移動に伴って生じる前記相対的位置関係の変化を抑制し、前記フレーム内のシャッタ閉鎖時には、前記相対的位置関係を所定のホームポジションに戻すように、前記変更手段をフレーム毎に制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記シャッタ開放時に前記撮影対象をトラッキングする第1のフレーム処理と、前記シャッタ開放時においても前記相対的位置関係を前記ホームポジションに維持する第2のフレーム処理とを、時分割で行う、
ことを特徴とする間歇的トラッキング撮影装置。 An image sensor that shoots a subject at a predetermined frame rate;
Changing means for changing a relative positional relationship between the photographing object and the image sensor;
When the shutter in the frame is opened, tracking of the object to be photographed suppresses the change in the relative positional relationship caused by the movement of the object to be photographed or the movement of the apparatus, and when the shutter in the frame is closed, A control unit for controlling the changing means for each frame so as to return the relative positional relationship to a predetermined home position;
Equipped with a,
The control unit time-divides first frame processing for tracking the object to be photographed when the shutter is opened and second frame processing for maintaining the relative positional relationship at the home position even when the shutter is opened. Do in,
Intermittent tracking imaging apparatus characterized by.
ことを特徴とする請求項1に記載の間歇的トラッキング撮影装置。 The changing means is an actuator that changes the position or angle of the image sensor, or an optical path changing means that changes the optical path position or optical path angle of light incident on the image sensor.
The intermittent tracking imaging apparatus according to claim 1.
前記制御部は、算出した前記運動速度に基づいて、前記撮影対象をトラッキングする、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の間歇的トラッキング撮影装置。 A speed calculation unit that calculates a relative motion speed between the imaging target and the apparatus from a change in the position of the imaging target captured by the image sensor;
The control unit tracks the imaging target based on the calculated motion speed.
The intermittent tracking photographing apparatus according to claim 1 or 2,
前記制御部は、算出した前記エッジ強度に基づいて前記撮影対象をトラッキングする、
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の間歇的トラッキング撮影装置。 An edge strength calculation unit that calculates an edge strength of the shooting target from the image of the shooting target shot by the image sensor;
The control unit tracks the imaging target based on the calculated edge strength.
The intermittent tracking photographing apparatus according to claim 1 or 2,
前記制御部は、入力した前記移動速度に基づいて前記撮影対象をトラッキングする
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の間歇的トラッキング撮影装置。 An input unit for inputting a moving speed of the imaging target or the apparatus;
The intermittent tracking imaging apparatus according to claim 1, wherein the control unit tracks the imaging target based on the input moving speed.
フレーム時間内における前記シャッタ開放時と前記シャッタ閉鎖時との比率を、前記輝度に応じてフレーム毎に変化させることによって露光制御する露光制御部と、
をさらに備えたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の間歇的トラッキング撮影装置。 A luminance calculation unit that calculates the luminance of the imaging target imaged by the image sensor;
An exposure control unit that performs exposure control by changing a ratio between the shutter opening time and the shutter closing time within a frame time for each frame according to the luminance;
The intermittent tracking imaging apparatus according to claim 1 , further comprising:
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