JP2974338B2 - 自動焦点調節装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はビデオカメラに係り、さらに詳しくはビデオ
カメラの自動焦点調節装置（AFシステム）に関するもの
である。

（従来の技術） 近年、ビデオカメラを始めとする映像機器の発展はめ
ざましく、あらゆる面で小型化、自動化、多機能化がは
かられ、その一環として、ほとんどのビデオカメラにお
いて自動焦点調節装置が標準的に装備されるに至ってい
る。

自動焦点調節装置にも種々の方式があるが、特にビデ
オカメラは、静止画を撮影するスチルカメラと異なり、
移動する被写体に対して連続して焦点を合わせ続ける必
要があるため、動く被写体に対して合焦状態を保つため
の性能が重要である。

そしてこのような観点から、自動焦点調節装置の性能
を見るポイントとして、安定性と即応性を上げることが
できる、安定性とはフォーカシングレンズが不必要に動
作しない事、すなわち合焦の状態から不必要にフォーカ
シングレンズが移動してボケを生じるような誤動作を起
こさないことを意味する。また即応性とは、フォーカシ
ングを行う場合、適切な方向判定、速度制御を行い、す
みやかに合焦状態へとフォーカシングレンズを動作させ
ることである。動画としての適切な自動焦点調節装置
は、この２点を適切にバランスさせ、画像の変化に対し
て適切な過度応答を実現させる必要がある。このために
は、現在の焦点状態が合焦であるか否かを知る情報およ
び確実なモータ方向、速度制御情報を得る必要がある。

また近年のビデオカメラでは、被写体の距離等に関係
なく焦点調節を行えるとの理由から、画像信号中から焦
点状態に応じて変化する信号成分を抽出し、その信号に
基づいて焦点調節を行う方式が広く採用される傾向にあ
る。

（発明が解決しようとする問題点） 画像信号からこれらの情報を得る方式のAFシステムで
は、現在大別して２種の方式がある。

一方は光路変調を行って焦点検出を行う変調方式、他
方は試行方式である。

前者の変調方式は、ピエゾ素子等でレンズあるいは撮
像素子等を周期的に振動して光路変調し、積極的に前ピ
ン、後ピン情報、合焦情報の判別情報を得るもので、確
実かつ高速に現在の合焦状態およびフォーカシングモー
タの駆動方向情報を得ることができる長所を有する反
面、ピエゾ素子およびその駆動回路等の付加により光像
的に複雑かつ高価となる短所を有する。

また後者の試行方式は、フォーカシングモータを駆動
した結果、変化した画像信号からフォーカシングレンズ
の移動方向、合焦状態等のAF制御情報を得るもので、先
ずフォーカシングレンズを微小変移させる（試行する）
ことから試行方式と呼ばれている。これは変調方式のよ
うな複雑な構造を必要とせず低価格で実現できるが、フ
ォーカスの試行動作に時間がかかり、変調方式に比較し
て本質的に、画像の時間変化と、試行による変化の判別
が不可能となる確立が高くなるため、得られた制御情報
にあいまいさが多くなる。

このため、試行方向では、フォーカス制御情報を単純
な閾値と比較して制御する２値制御においては、一度合
焦した後の再起動判定を行った場合、誤判定が多く、合
焦しているにもかかわらずフォーカシングモータが再起
動して画像がボケることによる画質の劣化が顕著とな
る。

（問題点を解決するための手段） 本発明は上述の問題点を解決するためになされたもの
で、その特徴とするところは、撮像信号中より焦点状態
に応じて変化する第１の焦点信号と、該第１の焦点信号
より特性の急峻な第２の焦点信号を抽出する抽出手段
と、前記抽出手段より出力された前記第１及び第２の焦
点信号をそれぞれ微分して第１及び第２の微分信号を出
力する手段と、前記第１の焦点信号のレベルに応じて焦
点調節速度を、現在の焦点調節方向と前記第１の微分信
号の極性に基づいて焦点調節方向をそれぞれ制御し、合
焦近傍では前記第２の焦点信号のレベルに応じて焦点調
節速度を、現在の焦点調節方向と前記第２の微分信号の
極性に基づいて焦点調節方向をそれぞれ制御し、前記第
２の信号レベルが最大で前記第２の微分信号が実質的に
ゼロとなる位置を合焦点として検出する焦点制御手段と
を備え、前記焦点制御手段は、前記第１の焦点信号のレ
ベルが小さく、第１の微分信号のレベルが小さいとき、
高速で焦点調節を行うことを定義した第１のルールと、
前記第１の焦点のレベルが小さく、前記第１の微分信号
のレベルが大きく、第２の微分信号のレベルが小さいと
き中速で焦点調整速度を行うことを定義した第２のルー
ルと、前記第２の焦点信号のレベルが大きく、前記第２
の微分信号のレベルが大きいとき低速で焦点調節を行う
ことを定義した第３のルールとを備え、現在の第１及び
第２の焦点信号と第１及び第２の微分信号の状態が前記
各ルールを満足する確率を重心演算することによて、前
記焦点調節速度を決定するように構成された自動焦点調
節装置にある。

（実施例） 以下、本発明における自動焦点調節装置を各図を参照
しながら、その実施例について詳述する。

第１図は本発明のビデオカメラにおける自動焦点調節
の構成を示すブロツク図である。

同図において、フォーカシングレンズ101を通過した
入射光は、CCD等の撮像素子およびその信号処理回路か
らなる撮像ブロツク102を介して画像信号103として出力
される。画像信号103は、直接およびハイパスフィルタ1
04を介して信号処理回路105に入力される。信号処理回
路105では画像の合焦判定情報として高周波信号成分、
正規化エッジ信号およびこれらの複合信号が取り出され
る。

AD変換器106は、これらの信号をAD変換し、マイクロ
コンピユータ（以下マイコンと称す）107に供給する。
マイコン107は、これらの信号から、フォーカシングレ
ンズ駆動用のフォーカスモータＭの駆動速度を決定し、
フォーカスドライバ108を介してフォーカシングレンズ1
01を制御する。またマイコン107は、フォーカスモータ
の駆動速度決定にあたり、補助情報として、被写界深度
を計算するため、ズームエンコーダ109、アイリスエン
コーダ110より、それぞれ焦点距離情報、絞り値情報の
を取り込み速度演算に使用する。これは焦点調節時にお
いて、被写界深度に応じてフォーカシングレンズの位置
敏感度が変化するからである。

信号処理回路105で取り出す高周波信号成分および正
規化エッジ信号のフォーカシングレンズ位置に対する変
化特性を第２図に示す。同図において、201は高周波信
号成分の変化特性、203は正規化エッジ信号の変化特性
を示す。ここで高周波成分はHPFによつて抽出された輝
度信号の高周波成分であり、正規化エッジ信号は、たと
えば本出願人の出願による特開昭62−103616号、特開昭
63−128878号等では詳細に述べられているように、HPF
を通過した高周波信号成分を微分した微分値をコントラ
ストで正規化することによつて得た被写体像のエッジ部
分の幅に相当する信号成分を演算したものである。

そして、これらの信号はいずれも合焦時にピークを形
成するため、フォーカス制御は基本的にこのピークへ向
けてフォーカシングレンズを駆動して山登り制御を行う
ことにより、実現される。

高周波信号成分と正規化エッジ信号との違いは、合焦
点近傍におけるピークの急峻さにある。正規化エッジ信
号は、合焦近傍のみで急峻なピークを形成し、合焦点か
ら大きく離れた位置ではほとんど山を生じないため、確
実な合焦判定情報を持つ。それに対して高周波成分情報
は、はだらかなピークを形成し、画像が大ぼけの状態で
も、フォーカシングレンズの駆動方向の判定が可能とな
るように設定されている。

205はフォーカシングレンズ101を無限遠方向へ移動さ
せた場合の正規化エッジ信号の微分値で、合焦点近傍で
ピークを形成する。この信号は後で述べるように、合焦
時におけるフォーカスモータの停止判定に使用される。

同図中、点線で示す202,204は各々被写界深度が深く
なった場合の高周波信号および正規化エッジ信号の特性
で、傾きが緩やかになつて平坦な特性になる。

このため、被写界深度が深くなった場合、この傾き変
化に応じて、通常の特性曲線201,203に基づいて設定さ
れた制御データの補正を行う必要がある。

ここで正規化エッジ情報について説明する。第３図
（ａ）はエッジ部分の画像信号、同図（ｂ）はその部分
波形である。301は被写体が高コントラストの場合、302
は低コントラストの場合の信号レベルを表わす波形であ
る。

そして合焦判定に必要な情報は傾斜部の幅Δｘであ
る。同図（ｂ）の微分波形303について考えてみると、
その高さΔｈはコントラストに依存する。したがつてそ
のピーク点を頂点とする山の部分の面績（Ｓ）304もコ
ントラストに依存する。この波形を三角形とみなせば、
面積Ｓは、 Ｓ＝Δｘ・Δｈ で与えられ、したがつて Δｘ＝S/Δｈ となり、コントラストに依存しないすなわち正規化され
たエッジ傾斜部の幅Δｘが得られる。信号処理回路105
は、この演算処理を行うものあるが、回路自体は前述し
た先行例等を用いて実現することができるので、説明は
省略する。

次に本発明における制御アルゴリズムの概略４図に示
す。基本的には制御ループは２つあり、step1でフォー
カスモータを移動制御し、step2で合焦判定を行い、合
焦ならstep4でモータを停止し、非合焦ならstep3へと進
んでゼロエスケープルーチンを介してstep1へ戻ってモ
ータの駆動制御を続けるように動作するフォーカスモー
タ制御ループと、step2で合焦と判定されて停止したフ
ォーカスモータを再び起動するため、合焦点を外れたか
否かを判定して再起動の判定を行うstep5による再起動
判定ループである。そして実際の制御動作は、いずれか
の制御ループを１フィールドに１回まわることになり、
各判定ルーチンの結果に応じてこれらのループ間を遷移
する。

step1に示すフォーカスモータ制御ルーチンについて
説明する。これは前述の如く第２図の信号波形の山登り
制御を行うものであるが、入力情報の信号である高周波
信号成分、正規化エッジ信号は、実際には被写体依存性
があり、その波形、レベルは被写体及びその環境等に応
じて変動する。このように、情報にあいまいさを含むた
め、本システムでは、フォーカシングモータ制御にファ
ジー推論による制御を使用する。このアルゴリズムを以
下に説明する。

理想的なフォーカスモータ速度制御は、第２図下部に
記したようなものであり、合焦点から離れた大ボケの状
態では高速、合焦に近くなれば中速→低速となり、合焦
点で停止することが望ましい。しかしこれらの速度分布
の環境は不明瞭である。

ファジー推論におけるルールでは、この速度と、入力
情報との関係を第８図に示すtable1のようにルール化す
る。

ルール０は、ピーク（合焦時）のモータ停止ルール、
ルール１（７）は大ボケ時の高速山登りルール、ルール
２（８）は大ボケ時の高速逆転ルール、ルール３（９）
は中ボケ時の中速山登りルール、ルール４（10）は中ボ
ケ時の中速逆転ルール、ルール５（11）は合焦近傍の低
速山登りルール、ルール６（12）は合焦近傍の低速逆転
ルールである。ここで（７）〜（12）は、フォーカスモ
ータが至近側へと移動している場合のルールである。

条件部（IF部）の式の左辺が、入力情報、右辺がその
メンバシップ関数である。

Ｐ−Small,P−Bigは正値、Ｎ−Small,N−Bigは負値を
表す。また出力部（Then部）の左辺は出力情報、右辺が
そのメンバシップ関数である。

ただし、入力情報のうち山登りルールのフォーカスモ
ータは、現在（この推論を行う直前の出力）のフォーカ
スモータ駆動方向、逆転ルールのフォーカスモータ′
は、フォーカスモータ出力から実際に逆転し、その結果
が入力情報に現われるまでの時間分を遅延させたフォー
カスモータ駆動方向である。この式の右辺は、フォーカ
スモータ駆動方向検出手段の精度に応じて、メンバシッ
プ関数によつて与えてもよいし、‘1',‘0'の２値で与
えてもよい。

table1の入出力部に対応したメンバシップ関数の概形
を第５図（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。同図（ａ）は
正規化エッジ信号と高周波信号成分に関するメンバシッ
プ関数、同図（ｂ）は正規化エッジ信号部分値と高周波
信号微分値に関するメンバシップ関数、同図（ｃ）はフ
ォーカスモータの出力すなわち速度に関するメンバシッ
プ関数である。

ここで△，▲印の入力情報があつた場合を例にしてそ
の演算方法を説明する。ただしこの時、フォオカスモー
タは、無限遠方向へ動作しているものとする。

この場合適合するルールは、第８図のtable1より、ル
ール0,1,3である。ここでルール５が用いられていない
のは、ルール５の入力部における『正規化エッジ信号微
分値＝＝Ｐ−Big』となる条件を満たしていないため、
入力部の条件に適合しないためである。そして条件部の
各式の入力値に対し、右辺のメンバシップ関数の交点
が、その式の評価値である。各ルールの各条件式は、こ
の場合＆＆（アンド）結合であるため、各式の中の最小
値が、その条件部の評価値となる。

たとえば、ルール１では、 （ルール１）： フォーカスモータ＝＝無限遠 →１ 高周波信号 ＝＝Small →0.5 高周波信号微分値＝＝Ｐ−Small →0.4 となり、アンドをとつて、評価値＝0.4となる。

同様にして、 （ルール０）： 正規化エッジ信号 ＝＝Big→0.6 正規化エッジ信号微分値＝＝Zo →0.3 となり、アンドをとつて、評価値＝0.3となる。

同様にして、 （ルール３）： フォーカスモータ＝＝無限遠 →１ 高周波信号 ＝＝Small →0.5 高周波信号微分値＝＝Ｐ−Small →0.4 正規化エッジ信号部分値＝＝Ｐ−Small→0.7 となり、アンドをとつて、評価値＝0.5となる。

この例における出力は、第６図のようになる。すなわ
ち各ルールの出力のメンバシップ関数に、上述の条件部
の評価値を乗じたものが、斜線で示した部分である。実
際の出力は、これら斜線部の重心位置（↓印）となる。

この演算について、さらに説明すると、本実施例にお
いては、各ルールの満たされる確立をメンバシップ関数
から求めた結果得られた実際の出力とは、フォーカスモ
ータの速度及び駆動方向である。

そして第５図（ｃ）は、フォーカスモータ出力（速度
及び駆動方向）を表しているが、同時に、モータ停止領
域は合焦点であり、合焦点から離れるに従って、フォー
カスモータ速度が低速、中速、高速に推移し、且つ方向
も無限方向の至近方向に分かれることを示している。こ
れは山登り方式の自動焦点調節方法において、合焦点ら
離れるほど高速で駆動し、合焦点へと近づくにつれて減
速し、合焦点で停止させる制御に適合するものである。

ファジー推論は、周知のようにその各ルールに示され
る条件がメンバシップ関数上で満足される度合いすなわ
ち確率を演算し、これらを出力メンバシップ関数上で統
合することによって出力を得るものであり、「停止:0.
3」という演算結果が得られても、これ自体が停止処理
を直ちに実行するものではなく、フォーカスモータを停
止させる確率が0.3ということであり、したがって「停
止」の確率が0.3、「中速」の確率が0.5、「高速」の確
率が0.4で、これらを演算した結果、フォーカスモータ
の実際の駆動速度が得られるわけである。

よって、第６図上の重心位置は、複数のルールそれぞ
れの条件を満たす確率を、第５図（ｃ）に示す出力メン
バシップ関数に代入し、各ルールを満たす確立の重心演
算を行うことにより、各ルールに決められた条件の反映
させる度合いを演算し、最終的なフォーカスモータ駆動
速度を決定したものである。

なお、このような条件評価値、出力値の計算方法は、
各種のものが適用でき、上述の方法に限るものではな
い。

以上のようなファジー推論による制御を行うことによ
り、入力情報に対し、なめらかなモータ速度および方向
制御による自然なフォーカス制御が可能となる。

次に停止判定ルーチンについて述べる。前に述べたよ
うに正規化エッジ信号は、合焦近傍において急峻なピー
クを持つ。これにともない、その微分信号も合焦直前に
おいてピークを持つ（第２図中205）。step2による合焦
判定すなわち停止判定ルーチンは、このピーク波形を検
出し、その次に表れたゼロクロス点でフォーカシングモ
ータを停止させる。そして停止を判定した場合には、st
ep5に示す再起動判定ループに移行する。

次にstep4に示すゼロエスケープルーチンについて説
明する。前述のフォーカスモータ制御にルーチンのファ
ジー推論ルールは、多様な自然画像撮影時において、必
ずしも、ルールが１つ以上適合することを保証するもの
ではない。

すなわち特殊な条件においては、フォオカスモータ制
御ループと中においてルールが適合せず、モータが停止
したままループを抜けだせなくなる可能性がある。ゼロ
エスケープルーチンは、このような場合、フォーカスモ
ータ速度＝０を検出し、再起動判定ループへと移行させ
るものである。

step5の再起動判定ルーチンについて説明する。停止
判定ルーチンで合焦判定し、フォーカスモータを停止さ
せた場合、あるいはゼロエスケープルーチンで、ファジ
ー推論ルールが適合しないことを検出した場合、step5
の再起動判定ループへ移行する。この時、再起動判定ル
ーチンは、入力情報の変化により、画像の変化を検出し
た場合、合焦しているか否かをずっとチェックし、非合
焦と判定した場合には、再起動させ、step1へと制御を
移し、フォーカスモータ制御ループへ移行させる。なお
合焦しているか否かの判断は、フォーカスモータを微小
量移動させて試行動作を行い、フォーカシングレンズが
山のピークにいるか否かを判断して行う。

以上述べたように、ファジー推論制御を含むオートフ
ォーカスアルゴリズムにより、フォーカシングレンズの
なめらかで且つ的確な速度設定、方向制御が可能とな
る。

また、上述のシステムだは、フォーカス制御情報とし
て、高周波信号と正規化エッジ信号を使用したが、この
正規化エッジ信号を用いず、複数のハイパスフィルタ出
力の高周波信号を用いてもよい。

この場合を構成例を第７図に示す。第１図と異なる点
は、異なる通過帯域特性のハイパスフィルタ701、702、
……を複数設け、信号処理回路105を不要とした点であ
る。A/Dコンバータ106は時分割で用いる。ハイパスフィ
ルタの特性は、カツトオフ周波数が高くなるほど、合焦
付近において急峻なピークを形成し、形状としては、正
規化エッジ信号に近いものになる。ただしダイナミツク
レンジは、はるかに大となる。推論アルゴリズムは、正
規化エッジ信号を用いたものと同様であり、それを急峻
なピークを持つ高周波信号成分に置き換えたものである
が、メンバシップ関数の設定は、それに合わせなければ
ならない。

このシステムでは、正規化エッジ信号を計算する信号
処理にIC105が不要である分、コスト的に有利である。

（発明の効果） 以上述べたように、本発明における自動焦点調節装置
によれば、画像信号からフォーカス制御情報を得るAFシ
ステムにおいて、焦点調節の速度制御において、複数の
焦点評価値を組み合わせて焦点状態を細かく判定し、段
階的に焦点状態を調節するようにしたので、あらゆる状
況に対して常に最適な焦点調節速度を設定することがで
き、応答性がよく、誤動作のない、信頼性、安定性の高
い自動焦点調節動作を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明における自動焦点調節装置の構成を説明
するためのブロツク図、 第２図は焦点（フォーカス）状態に応じて変化する焦点
制御信号の特性図、 第３図は正規化エッジ信号の説明図 第４図は本発明における制御のアルゴリズムを示すフロ
ーチャート、 第５図は本発明におけるファジー推論制御ルールのメン
バシップ関数を示す図、 第６図はファジー推論による出力演算例を説明するため
の図、 第７図は本発明における他の実施例を示すブロツク図で
ある。 第８図は本発明における速度制御アルゴリズムにおける
ルール設定テーブルを示す図である。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H04N 5/232 G02B 7/11 G03B 3/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】撮像信号中より焦点状態に応じて変化する
   第１の焦点信号と、該第１の焦点信号より特性の急峻な
   第２の焦点信号を抽出する抽出手段と、 前記抽出手段より出力された前記第１及び第２の焦点信
   号をそれぞれ微分して第１及び第２の微分信号を出力す
   る手段と、 前記第１の焦点信号のレベルに応じて焦点調節速度を、
   現在の焦点調節方向と前記第１の微分信号の極性に基づ
   いて焦点調節方向をそれぞれ制御し、合焦点近傍では前
   記第２の焦点信号のレベルに応じて焦点調節速度を、現
   在の焦点調節方向と前記第２の微分信号の極性に基づい
   て焦点調節方向をそれぞれ制御し、前記第２の信号レベ
   ルが最大で前記第２の微分信号が実質的にゼロとなる位
   置を合焦点として検出する焦点制御手段とを備え、 前記焦点制御手段は、前記第１の焦点信号のレベルが小
   さく、第１の微分信号のレベルが小さいとき、高速で焦
   点調節を行うことを定義した第１のルールと、前記第１
   の焦点信号のレベルが小さく、前記第１の微分信号のレ
   ベルが大きく、第２の微分信号のレベルが小さいとき中
   速で焦点調節速度を行うことを定義した第２のルール
   と、前記第２の焦点信号のレベルが大きく、前記第２の
   微分信号のレベルが大きいとき低速で焦点調節を行うこ
   とを定義した第３のルールとを備え、現在の第１及び第
   ２の焦点信号と第１及び第２の微分信号の状態が前記各
   ルールを満足する確率を重心演算することによって、前
   記焦点調節速度を決定するように構成されていることを
   特徴とする自動焦点調節装置。
2. 【請求項２】請求項（１）において、 現在の第１及び第２の焦点信号と第１及び第２の微分信
   号の状態が、前記各ルールをいずれも満足しないとき、
   前記焦点制御手段による前記重心演算による制御を中止
   する手段を備えていることを特徴とする自動焦点調節装
   置。