JPH07177414A

JPH07177414A - 合焦検出装置

Info

Publication number: JPH07177414A
Application number: JP5344977A
Authority: JP
Inventors: Taro Murakami; 太郎村上
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1993-12-20
Filing date: 1993-12-20
Publication date: 1995-07-14

Abstract

(57)【要約】【目的】鮮鋭度評価値演算処理が従来よりも高速で行
える合焦検出装置を提供する。【構成】マイクロプロセッサ９が、画像のエッジを映
像信号の微分値から検出すると共に、該微分値の連続し
た正の範囲または連続した負の範囲を１つのエッジとし
て検出し、マイクロプロセッサ９が、前記画像の全範囲
または所定範囲内における前記エッジの範囲の大きさで
あるエッジ幅の逆数を加算し、該加算した前記エッジ幅
の逆数の合計値を合焦判定用の比較値として、前記エッ
ジ幅の逆数を合焦評価値として用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ビデオカメラや電子ス
チルカメラ等の撮像装置のレンズ系の合焦状態を検出す
る合焦検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、ビデオカメラ等に用いられるオ
ートフォーカス方式は、山登り方式が多く用いられてい
る。この方式の原理は、合焦付近では輪郭部で映像信号
のエッジが立ち、高周波成分が増えることを利用して、
これを鮮鋭度として評価してフォーカスレンズを駆動し
ながら合焦位置の探索を行うものである。

【０００３】合焦に至るまでの動作は、初期焦点位置が
無限大（∞）で、非合焦状態であるとすると、焦点を至
近方向へ変化させながら鮮鋭度評価値の山を登ってい
く。頂点の時は至近方向及び無限方向のいずれの方向に
焦点を変化させても評価値が下がる。山の途中では合焦
点に向かう方向で評価値が増加し且つ合焦点から離れる
方向で評価値が減少するので、頂点、即ち合焦位置の方
向が判明する。

【０００４】鮮鋭度の評価方法には、種々の方法があ
る。その代表的な方法としては、バンドパスフィルタを
用いて輝度信号から高周波成分を抜き出し、その高周波
成分の量の大小を測定する方法で、フィルタの特性を変
えて、それらを使い分けることにより、合焦近傍でもデ
フォーカス量の大きい時にも評価値が使える。

【０００５】しかし、この方法はコントラストに依存す
るので、例えば屋外の撮影で太陽が雲間に見え隠れする
ような日照条件の時には、被写体距離が変化しない場合
でも、評価値が変化してしまうため、誤動作が生じると
いう欠点があった。

【０００６】この欠点を解消するためＥＳ法という評価
方法が、米国特許第４８０４８３１号公報に開示されて
いる。これは、画像信号の被写体の輪郭部分の輝度変化
であるエッジ幅を、輝度変化の勾配とその部分の輝度差
との比を求めることにより算出し、エッジ幅が小さいほ
ど画像が鮮鋭であることを利用している。この方法は、
輝度で評価値を規格化するため、理論的にはコントラス
トに依存しない。また、合焦付近で評価値の急峻なピー
クが得られる。従って、この評価方法は、特に合焦付近
のデフォーカス量が小さい時に高精度の合焦状態を得る
ために有効である。

【０００７】このようなＥＳ法による合焦検出装置の構
成を図５に示す。図５は、上述したＥＳ法による合焦検
出装置を備えたビデオカメラ或は電子スチルカメラ等の
撮像装置の構成を示すブロック図であり、同図におい
て、１は図示しない被写体像を投影するレンズ、２はレ
ンズ１からの入光量を調整する絞り装置、３はレンズ１
及び絞り装置２を介して入力する光学信号を電気信号に
変換して映像信号として出力するＣＣＤ等の撮像素子、
４はレンズ１を矢印方向へ駆動するレンズ駆動装置、５
は絞り装置２を駆動する絞り駆動装置、６は撮像素子３
から入力する映像信号に対してγ変換や輝度信号の生成
等の所定の処理を施す信号処理装置、７は信号処理装置
６から入力する映像信号を表示する電子ビューファイン
ダ等の表示装置、８は信号処理装置６から入力する映像
信号を記録する記録装置、９は撮像装置全体を制御する
マイクロプロセッサ、１０はマイクロプロセッサ９が実
行するプログム等を記憶するメモリである。

【０００８】１１は信号処理装置６から入力する輝度信
号の輝度差を求める差分回路、１２は信号処理装置６か
ら入力する輝度信号の輪郭のエッジ部分の輝度微分値を
求める微分回路、１３は差分回路１１により求めた輝度
差と微分回路１２で求めた輝度微分値との比であるエッ
ジ幅の逆数ｅｓを算出する除算回路、１４は除算回路３
により求めたエッジ幅の逆数ｅｓを一定の測距範囲内で
加算する積算回路である。

【０００９】次に上記構成の撮像装置におけるＥＳ法に
よる合焦検出装置によりエッジ幅を求める動作について
説明する。

【００１０】信号処理装置６からの輝度信号の輝度差を
差分回路１１により求めると共に、信号処理装置６から
の輝度信号の輪郭のエッジ部分の輝度微分値を微分回路
１２により求める。そして、これら求めた輝度差と輝度
微分値との比であるエッジ幅の逆数ｅｓを除算回路１３
により算出し、該算出したエッジ幅の逆数ｅｓを積算回
路１４により一定の測距範囲内で加算することによっ
て、エッジ幅ＥＳを求めるものである。

【００１１】即ち、輝度をＩ、水平方向の座標をＸ、垂
直方向の座標をＹ、エッジの積分区間ＥＤをＥＤ＝［Ｘ
−ｎ，Ｘ＋ｎ］、測距範囲をＸ×Ｙとして、

【００１２】

【数１】ｅｓ＝｜ｄＩ／ｄＸ｜／ΔＩ ΔＩ＝｜ｄＩ／ｄＸ｜ｄＸ＝Ｉ（Ｘ＋ｎ）−Ｉ（Ｘ−ｎ）のように計算する。

【００１３】図６は、ＥＳ法による合焦検出装置により
エッジ幅を求める原理を説明する図であり、同図におい
て縦軸は輝度Ｉ、横軸は水平方向の座標ｘをそれぞれ示
す。

【００１４】しかし、アナログ回路で積分するとその積
分の範囲が一定となり、同じ範囲にエッジが二つ以上入
ることにより、ΔＩの値が正確ではなくなり、コントラ
ストの影響を受けることがある等の問題点があった。

【００１５】図７及び図８は、輝度信号と積分範囲との
関係を示す図であり、図７（ａ）は、適切な範囲にある
状態を、図７（ｂ）は、合焦時を、図７（ｃ）は、デフ
ォーカス大の状態をそれぞれ示す。

【００１６】図７（ｃ）にて明確なように、大ボケ（デ
フォーカス大）時にはエッジの一部しか一定の積分範囲
内に入らなかったり、また、逆に合焦近傍では積分範囲
が広すぎて、図８に示すようにエッジが積分範囲に二つ
以上入る現象等により誤差が生じる。よって、積分範囲
をエッジの状態によって変えなければ、正確なエッジ幅
を計算しているとは言えない。

【００１７】上述した問題点を解消するため、デジタル
処理により各画素の輝度勾配毎に、微分値の勾配から符
号が同じ部分のみを可変の積分範囲とすることにより、
一つのエッジのみを計算するようにした方法が、本出願
人により提案されている（特開平５−３０４０４号公
報）。この方法によれば、コントラストの影響を受け難
く、合焦付近で急峻な値の変化のある鮮鋭度評価が可能
となった。

【００１８】しかし、この方法では、各画素毎にＥＳ値
を計算しているので、測距範囲の総ての画素で計算する
ため、エッジが連続している隣接した画素間では同じエ
ッジを積分し、その結果から除算によりＥＳ値を算出し
ているので無駄が多く、その分計算量が多くなって時間
がかかるという問題点がある。特にＥＳ法では、ＥＳ値
を求めるエッジ幅の計算として除算があり、デジタル処
理による計算速度の低下は顕著となる。

【００１９】また、量子化ノイズ等の影響で、画像の輪
郭部でないところでも微分値が０にならないこともある
ため、所定の閾値より微分値の絶対値が小さい時は、エ
ッジと判定しないようにした方法が、本出願人により提
案されている（特願平４−１６１３９９号）。この方法
によれば、ある程度の高速化が図れる。

【００２０】この他にアナログ回路の積分器では、ＴＶ
（テレビジョン）信号は水平方向に走査するため、水平
方向しかエッジ積分ができず、このため縦の輪郭が少な
い横縞模様の被写体等では、正確なエッジ検出ができな
いため、合焦しないという問題点がある。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】上述したように従来の
ＥＳ法では、同じ部分を何度も積分したり、エッジのな
い部分を積分することにより計算に時間がかかるという
問題点がある。特に、ＥＳフィルタでは測距範囲内の各
画素でＥＳ値を計算するので、各画素の輝度勾配と該輝
度勾配の積分値との比を計算しなければならず、その積
分や除算により処理速度が遅くなるという問題点があ
る。

【００２２】本発明は上記事情に鑑みてなされたもの
で、その目的は、鮮鋭度評価値演算処理が従来よりも高
速で行える合焦検出装置を提供することである。

【００２３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、光学系からの被写体像の光学信号を光電変
換して得られる映像信号から得た合焦情報に基づいて、
前記被写体像の焦点状態が合焦であるか否かを検出する
合焦検出装置において、画像のエッジを前記映像信号の
微分値から検出すると共に該微分値の連続した正の範囲
または連続した負の範囲を１つのエッジとして検出する
エッジ検出手段と、前記画像の全範囲または所定範囲内
における前記エッジの範囲の大きさであるエッジ幅の逆
数を加算する加算手段とを具備し、該加算手段により加
算した前記エッジ幅の逆数の合計値を合焦判定用の比較
値として、前記エッジ幅の逆数を合焦評価値として用い
ることを特徴とするものである。

【００２４】同じ目的を達成する上で、前記画像のエッ
ジを、該画像の水平及び垂直の両方向で検出することが
望ましい。

【００２５】

【作用】エッジ検出手段が、画像のエッジを映像信号の
微分値から検出すると共に該微分値の連続した正の範囲
または連続した負の範囲を１つのエッジとして検出し、
加算手段が、前記画像の全範囲または所定範囲内におけ
る前記エッジの範囲の大きさであるエッジ幅の逆数を加
算し、該加算した前記エッジ幅の逆数の合計値を合焦判
定用の比較値として、前記エッジ幅の逆数を合焦評価値
として用いる。

【００２６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１乃至図４に基
づき説明する。

【００２７】図１は、本発明の一実施例に係わる合焦検
出装置を備えたビデオカメラ或は電子スチルカメラ等の
撮像装置の構成を示すブロック図である。同図におい
て、上述した従来の図５と同一部分には、同一符号を付
してある。図１において図５と異なる点は、図５の構成
から、差分回路１１、微分回路１２、除算回路１３及び
積算回路１４をそれぞれ削除し、その代わりにアナログ
／デジタル（Ａ／Ｄ）変換器１５及びフレームメモリ１
６を設けたことである。

【００２８】そして、本実施例では、信号処理装置６で
生成された映像信号は、Ａ／Ｄ変換器１５によりＡ／Ｄ
変換された後、フレームメモリ１６により１画面分が一
時的に記録される。この後、フレームメモリ１６に記録
された画像データから、マイクロプロセッサ９内でソフ
ト的にデジタル信号処理することにより、エッジ検出を
行い、その検出結果から鮮鋭度評価値ＥＳを算出し、レ
ンズ駆動装置４によりレンズ１を動かして、前記鮮鋭度
評価値ＥＳの算出を繰り返し、それが最大となる点にレ
ンズ１が停止するように制御する。

【００２９】本実施例の合焦検出装置では、エッジ幅を
輝度勾配の大きさとして監視することにより、一つ一つ
のエッジを認識してから計算する。まず、ノイズ等の対
策のため特定の閾値を設定し、該閾値以上の輝度変化が
ある場合は、その位置と変化の大きさを記憶する。輝度
変化が前記閾値以下の場合は輝度変化が０と見做す。そ
して、その隣の画素での輝度勾配が同符号で前記閾値以
上であれば、その隣の輝度勾配を見る。その輝度勾配が
閾値以下か異符号になった場合は、そこの前でそのエッ
ジの終端であるとする。このようにして図４において斜
線を付した領域の様に輝度変化が連続して正の部分及び
負の部分というような一つ一つのエッジを抜き出せるも
のである。図４は、エッジ幅により積分範囲を可変にし
たことを示す図である。

【００３０】次に鮮鋭度評価値ＥＳの算出動作を図１及
び図２に基づいて説明する。図２は鮮鋭度評価値ＥＳの
算出動作を示すフローチャートである。尚、水平方向の
エッジ検出と垂直方向のエッジ検出は、Ｘ・Ｙ、Ｍ・
Ｎ、Ｋ・Ｌをそれぞれ入れ換えるだけで、全く同様に検
出できるため、図２においては、水平方向のエッジ検出
の場合を示してあり、括弧内の表記は垂直方向のエッジ
検出の場合である。

【００３１】まず、１画面分のデータをＡ／Ｄ変換器１
５によりＡ／Ｄ変換後、一時記憶手段であるフレームメ
モリ１６に取り込む。そして、この取り込んだデータか
ら図３に示すような、大きさ（Ｍ＋１）×（Ｎ＋１）の
一定の測距範囲を既知の方法で、その測距範囲内に被写
体ができるだけ大きく入るように決定し、その測距範囲
のデータから鮮鋭度評価値ＥＳを算出する。

【００３２】図３は、撮像画面上の測距範囲と、測距範
囲内の画素の配置を説明するための図である。同図にお
いて、外側の長方形は全画面、その内側の長方形は測距
範囲であり、Ｘ，Ｙは測距範囲内の座標を表わし、Ｉ
（１，１）、Ｉ（Ｋ，Ｌ）等は各画素の輝度をそれぞれ
示している。

【００３３】図２の鮮鋭度評価値算出ルーチンの動作が
開始すると、ステップＳ２０１で測距範囲を決定し、測
距範囲内の最初の画素（Ｘ，Ｙ）＝（１，１）を選択す
る。図３の０行目、０列目は微分値を求めるための差分
計算に使うものなので、画素（０，０）のデータは使わ
ない。次にステップＳ２０２で水平のＸ方向の１行目の
図３で左端の点（１，０）と前記ステップＳ２０１にお
いて選択された画素の点（１，１）とから、その二つの
点の差分を計算することにより微分値を得る。

【００３４】Ｄ_L＝ｄＩ／ｄＸ（１，１）＝Ｉ（１，１）−Ｉ（１，０）以下、表記を簡略化するため、（Ｘ，Ｙ）＝（Ｋ，Ｌ）
の時のｄＩ／ｄＸをＤ_K、ｄＩ／ｄＹをＤ_Lとする。

【００３５】同様にしてステップＳ２０２では、（Ｘ，
Ｙ）＝（Ｋ，Ｌ）の時Ｄ_K＝ｄＩ／ｄＸ（Ｋ，Ｌ）＝Ｉ（Ｋ，Ｌ）−Ｉ（Ｋ−１，Ｌ）の計算をする。

【００３６】量子化ノイズ等の影響で、輪郭部でないと
ころでもＤ_Kが０とならないこともあるため、次のステ
ップＳ２０３で所定の閾値より絶対値｜Ｄ_K｜が小さい
時は０とすることにより、足切りをして量子化ノイズの
影響を防止する。そして、その結果、求められた微分値
Ｄ_Kをマイクロプロセッサ９に記憶しておく。その後、
ステップＳ２０４でＤ_K-1が０か否かを調べることによ
り、一つ前の画素「（Ｋ，Ｌ）の時（Ｋ−１，Ｌ）」で
エッジであったか否かを判別する。

【００３７】Ｄ_K-1が０でなければ次のステップＳ２０
５でＤ_K-1でのエッジがＤKと連続した一つのエッジであ
るか否かを、Ｄ_K-1×Ｄ_Kの符号から判別する。Ｄ_K-1と
Ｄ_Kの二つが異符号か０であれば、Ｄ_K-1までのエッジ
が、そこまでの大きさであるから、それまでにカウント
されたＥＷがエッジの幅となる。このエッジ幅の最大値
は錯乱円径から決まるので、次のステップＳ２０６でエ
ッジ幅ＥＷがある所定の閾値ＥＷｔｈ以上か否かを判別
することによって、該閾値ＥＷｔｈ以上のエッジ幅を加
算しないようにチェックする。

【００３８】そして、前記ステップＳ２０６においてエ
ッジ幅ＥＷが閾値ＥＷｔｈ以上でなければステップＳ２
０７で閾値ＥＷｔｈ以下のエッジ幅ＥＷの逆数（１／Ｅ
Ｗ）をｅｓとしてΣｅｓに加算した後、次のステップＳ
２０８へ進む。また、前記ステップＳ２０６においてエ
ッジ幅ＥＷが閾値ＥＷｔｈ以上であれば、前記ステップ
Ｓ２０７を実行することなくステップＳ２０８へ進む。
このステップＳ２０８では前記ステップＳ２０７におい
てΣｅｓを加算したエッジ幅ＥＷ、或は前記閾値ＥＷｔ
ｈより大きいエッジ幅ＥＷの値を０にリセットする。次
いでステップＳ２０９へ進んで前記ステップＳ２０２に
おいて算出した微分値Ｄ_Kが０か否かを調べることによ
りエッジであるか否かを判別する。

【００３９】そして、前記ステップＳ２０９において微
分値Ｄ_Kが０でなければ、即ちエッジであれば次のステ
ップＳ２１０へ進みエッジ幅ＥＷに１を加算（ＥＷ＋
１）した後、次のステップＳ２１１へ進む。また、前記
ステップＳ２０５においてＤ_K-1とＤ_Kの二つが同符号で
あれば、連続した同じ一つのエッジと見做し、前記ステ
ップＳ２１０へ進みエッジ幅ＥＷに１を加算（ＥＷ＋
１）した後、次のステップＳ２１１へ進む。また、前記
ステップＳ２０４においてＤ_K-1が０であれば、前記ス
テップＳ２０５乃至ステップＳ２０８を実行することな
くステップＳ２０９へ進む。更に前記ステップＳ２０９
において微分値Ｄ_kが０であれば前記ステップＳ２１０
を実行することなくステップＳ２１１へ進む。

【００４０】このステップＳ２１１では画素（Ｋ，Ｌ）
の座標が図３の右端まで来ている（Ｋ＝Ｍ）か否かを判
別し、Ｋ＝Ｍでない場合、即ち画素（Ｋ，Ｌ）の座標が
図３の右端まで来ていない場合はステップＳ２１２でＫ
に１を加算（Ｋ＋１）した後、前記ステップＳ２０２へ
戻り、次の画素の微分値を計算する。また、前記ステッ
プＳ２１１においてＫ＝Ｍである場合、即ち画素（Ｋ，
Ｌ）の座標が図３の右端まで来ている場合はステップＳ
２１３で上記と同様にＬ＝Ｎか否かを判別し、Ｌ＝Ｎで
なければステップＳ２１４でＬに１を加算（Ｌ＋１）し
た後、前記ステップＳ２０２へ戻り、次の行のＫ＝１か
ら上記と同様の処理を繰り返す。また、前記ステップＳ
２１３においてＬ＝ＮであればステップＳ２１５で鮮鋭
度評価値ＥＳがΣｅｓとして決定された後、本処理動作
を終了する。

【００４１】水平方向のみのエッジ検出では、横縞状の
輪郭のみを持つ被写体でエッジ検出ができないため、垂
直方向のエッジを検出する場合は、図３の縦の列につい
て、Ｄ_L＝ｄＩ／ｄＹ（Ｋ，Ｌ）＝Ｉ（Ｋ，Ｌ）−Ｉ（Ｋ，Ｌ−１）を図２の括弧内に示すようにＸ・Ｙ、Ｍ・Ｎ、Ｋ・Ｌを
それぞれ入れ換えたフローチャートに従い、上述した図
３の横の列の場合と全く同様に垂直方向の鮮鋭度評価値
ＥＳを計算することができる。

【００４２】水平及び垂直の両方でエッジを検出する場
合は、水平または垂直のいずれかの方向で図２のステッ
プＳ２０１からステップＳ２１５までの処理を終了後
に、方向を変えて再びステップＳ２０１からステップＳ
２１５まで引き続いてΣｅｓを加算すれば、水平及び垂
直の両方でのエッジ幅から鮮鋭度評価値ＥＳを求めるこ
とができる。

【００４３】また、本実施例では、エッジ幅は自然数と
して求まり、エッジ幅の逆数に、１からエッジ幅の閾値
ＥＷｔｈまでの自然数の最小公倍数ＬＣＭ（１…ＥＷｔ
ｈ）を乗じた値をテーブル化して記憶させておくことに
より、除算なしでΣｅｓの計算ができるため、デジタル
処理で計算する場合に、より高速化が図れる。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の合焦検出装
置によれば、鮮鋭度評価値を算出する際に一つ一つのエ
ッジを検出して、そのエッジ幅を直接カウントして自然
数として求めるため、従来の輝度勾配の積分値と輝度勾
配との比を算出して求める方法よりも計算が簡略化さ
れ、また、一つのエッジにおいて１回のみしか鮮鋭度評
価値を計算しないため、その計算に要する時間が短縮さ
れて処理速度が速くなるため、合焦検出の高速化が図れ
る。また、回路のデジタル化により部品点数を削減でき
て集積化が図れる。更に、垂直方向のエッジ検出ができ
るため、縦方向の輪郭が少なく横方向の輪郭が多い被写
体に対しても、良好な合焦検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わる合焦検出装置を備え
たビデオカメラ或は電子スチルカメラ等の撮像装置の構
成を示すブロック図である。

【図２】同実施例に係わる合焦検出装置における鮮鋭度
評価値を算出する過程を示すフローチャートである。

【図３】同実施例に係わる合焦検出装置における撮像画
面上の測距範囲と、該測距範囲内の画素の配置を説明す
るための図である。

【図４】同実施例に係わる合焦検出装置におけるエッジ
幅により積分範囲を可変にしたことを示す図である。

【図５】従来の合焦検出装置を備えたビデオカメラ或は
電子スチルカメラ等の撮像装置の構成を示すブロック図
である。

【図６】ＥＳ法でエッジ幅を求める原理を説明するため
の図である。

【図７】合焦状態の変化によるエッジの変化と積分範囲
との関係を示す図である。

【図８】一つの積分範囲に二つのエッジが入っているこ
とを示す図である。

【符号の説明】

１レンズ（光学系）９マイクロプロセッサ（エッジ検出手段、加算手段）

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光学系からの被写体像の光学信号を光電
変換して得られる映像信号から得た合焦情報に基づい
て、前記被写体像の焦点状態が合焦であるか否かを検出
する合焦検出装置において、画像のエッジを前記映像信
号の微分値から検出すると共に該微分値の連続した正の
範囲または連続した負の範囲を１つのエッジとして検出
するエッジ検出手段と、前記画像の全範囲または所定範
囲内における前記エッジの範囲の大きさであるエッジ幅
の逆数を加算する加算手段とを具備し、該加算手段によ
り加算した前記エッジ幅の逆数の合計値を合焦判定用の
比較値として、前記エッジ幅の逆数を合焦評価値として
用いることを特徴とする合焦検出装置。
【請求項２】前記画像のエッジは、該画像の水平及び
垂直の両方向で検出することを特徴とする請求項１記載
の合焦検出装置。