自動聚焦系統及方法
2023-12-07 07:45:06 1
專利名稱：自動聚焦系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種用於數字成像裝置中的自動聚焦方法和系統。
背景技術：
數字成像裝置可分類為自動聚焦(自動聚焦(auto-focus))或固定聚焦裝置。固 定聚焦裝置通常無法調節鏡頭或者改變光圈，相反其依賴於目標出現在焦點處的大的景 深。儘管由固定聚焦裝置所捕捉到的圖像在很多情況中是可以接受的，但其不如那些由自 動聚焦裝置所捕捉到的圖像那樣清晰。在鏡頭的焦點處捕捉到的圖像是銳聚焦圖像，此處，焦點是指位於照相機之鏡頭 軸上的、光線會聚的點。然而，即使目標不在焦點處，如果目標在鏡頭的景深中，也可生成充 分清晰的目標圖像，即銳聚焦圖像。景深是指離照相機的距離，在該距離範圍內所捕捉到的 目標圖像能夠充分聚焦。因此，景深是鏡頭焦點兩側的區域範圍。目前，已經公開了若干自動聚焦數字成像裝置的方法和相關設備。在一方法中，鏡 頭在光敏元件光強度增大的方向上移動，並且在達到最大光強度後鏡頭停止移動。在另一 方法中，自動聚焦技術則依賴於有限脈衝響應(FIR)濾波器，以確定邊緣特徵和其清晰度 (或稱銳度，sharpness)。在圖像具有大範圍變化的強度/色彩值的情形下，這樣的技術不 太有效，因為與^R濾波器相關的取平均值使得結果失真。現有技術中其它的自動聚焦系統則採用測量從目標到照相機之距離的手段，並將 該距離與驅動照相機光學系統的一些可測量的量相對應，從而實現正確的聚焦。這種自動 聚焦的方法與主成像通路平行執行，這對於基於膠片的照相機而言是理想的。儘管自動聚焦數字成像裝置通常比固定聚焦成像裝置性能更優，但是現有技術中 自動聚焦裝置通常在硬體方面更為複雜，製造更為昂貴並且在操作上比固定聚焦裝置更 慢。然而，期望的是提供成本最低且額外空間最小的自動聚焦，並且可以利用成像裝置的現 有組件，而不需為自動聚焦增加專門組件。
發明內容
本發明的目的是提供一種用於數字成像裝置之自動聚焦的方法和系統，該方法可 以利用成像裝置的現有組件，而不需為自動聚焦增加專門組件，或只增加很少的專門組件。為實現上述的發明目的，在本發明的一實施方式中，提供了一種用於數字成像裝 置之自動聚焦的方法，其包括(1)捕捉多個圖像，其中，每一圖像是在成像裝置之鏡頭的 不同位置捕捉的，( 為每一圖像產生各自的高空間頻率(high spatial frequency)值， 其中，每一高空間頻率值代表包含在該圖像中的高空間頻率的信息量，(3)確定具有最大高 空間頻率值的圖像，以及(4)調節鏡頭，使其位置與具有最大高空間頻率值的圖像被捕捉 的位置相對應。優選地，在上述的方法中，為每一圖像產生各自的高空間頻率值的步驟包括為每一圖像選擇多個聚焦區域；
確定多個聚焦區域中的每一個的各自的高空間頻率值；以及結合多個聚焦區域中的每一個的高空間頻率值，以獲得該圖像的高空間頻率值。進一步地，在上述的方法中，確定多個聚焦區域的每一個的各自的高空間頻率值 的步驟包括為每一區域確定水平的高空間頻率值和垂直的高空間頻率值；以及結合水平的和垂直的高空間頻率值，以確定該區域的高空間頻率值。本發明的方法中，確定水平的高空間頻率值可以包括確定該區域中水平鄰近的像 素的亮度值之間的差值，而確定垂直的高空間頻率值則可以包括確定該區域中垂直鄰近的 像素的亮度值之間的差值。本發明的方法中，結合多個聚焦區域中的每一個的高空間頻率值的步驟可以包括 為多個聚焦區域中的至少兩個分配不同的權重。
本發明的方法中，為每一圖像產生各自的高空間頻率值的步驟可以包括為每一圖像確定至少一個水平的高空間頻率值和至少一個垂直的高空間頻率值; 以及結合至少一個水平的高空間頻率值和至少一個垂直的高空間頻率值，以便確定該 圖像的高空間頻率值。類似地，確定至少一個水平的高空間頻率值包括確定水平鄰近的像素的亮度值之 間的差值，而確定至少一個垂直的高空間頻率值包括確定垂直鄰近的像素的亮度值之間的差值。另一方面，本發明還提供一種用於數字成像裝置的自動聚焦系統，該自動聚焦系 統能夠實現上述的自動聚焦方法。本發明所提供的自動聚焦系統及方法，可以避免在自動聚焦裝置使用複雜的硬 件，從而克服現有技術中自動聚焦裝置製造昂貴並且在操作上比固定聚焦裝置更慢的缺 點。利用本發明的方法，可以提供成本最低且額外空間最小的自動聚焦，並且可以利用成像 裝置的現有組件，而不需為自動聚焦增加專門組件。下面結合附圖，來詳細地說明本發明。但應該理解，為了清楚起見，附圖中某些元 件不是按比例繪製的。
圖1是根據本發明一實施方式的照相機系統的方塊圖。圖2是根據本發明一實施方式的、採用圖1所示照相機系統執行自動聚焦方法的 流程圖。圖3是根據本發明一實施方式的、圖2所示方法中聚焦區域選擇步驟的細節圖。圖4是根據本發明一實施方式的、圖2所示方法中高空間頻率值計算步驟的詳細 流程圖。
具體實施例方式本申請所公開的自動聚焦系統可有利地在數字成像裝置中實現，幾乎沒有或者具 有很少的專門組件，以克服至少一些通常與現有技術中自動聚焦系統相關的問題。例如，此處所描述的系統通過在不同聚焦位置確定高空間頻率信息量，從而確定最佳的聚焦位置。 當圖像中包含最多的高空間頻率信息量時，被認識是最好的聚焦條件。例如，通過將數字濾 波應用到數位化圖像數據的一部分上，可以測量高空間頻率信息。可以採用被過濾的光譜 的計算出的能量來測量空間頻率內容。圖1中示出了帶有自動聚焦系統的照相機的示例。圖1表示照相機系統100，其包 括自動聚焦(AF)鏡頭110、圖像傳感器120以及具有中央處理器(處理器)137的數位訊號 處理器135。AF鏡頭110將入射光140(由箭頭指示)聚焦到圖像傳感器120上。圖像傳 感器120將光信息轉換為數字圖像數據125(由箭頭指示)，並且將數據125傳送給數字信 號處理器135。數位訊號處理器135分析數字圖像數據125，並通過將新的位置數據130傳 送到AF鏡頭110，來調節AF鏡頭110的位置。現在連同圖1 一起參照圖2，圖2是表示用於執行自動聚焦的處理方法200的流程 圖，其由圖1的照相機系統100執行。處理方法200由將以下變量重設為零的步驟205開 始LENS_P0S (保持當前鏡頭位置)，BEST_P0S (保持最佳鏡頭位置)和MAX_HFV (保持最大 高空間頻率值)。隨後，在步驟210中，AF鏡頭110被驅動到與LENS_P0S的當前值相對應 的位置。在步驟215中，圖像傳感器120捕捉圖像。步驟220則選擇一個或更多的聚焦區 域(在涉及圖3的部分有更為詳細的討論)。隨後在步驟225中處理所選擇的聚焦區域。 步驟225處理所選擇的聚焦區域，以產生由變量HFV (高空間頻率)所代表的包含在該圖像 中的高空間頻率信息量。隨後，該方法繼續到判斷步驟230，檢查HFV是否比MAXJFV更大。 如果判斷步驟230的回答為"否"，則繼續到步驟M0。如果對判斷步驟230的回答為「 是"，則進行到將HFV值及LENS_P0S分別儲存到MAXJFV和BEST_P0S的步驟235，並隨後 繼續到步驟對0。步驟240使得變量LENS_P0S前進一個運動單元，該運動單元是如此選擇 的設計參數，使得AF鏡頭110在方法200中運動一段可接受的距離。隨後，判斷步驟對5 檢查LENS_P0S是否已經超越AF鏡頭110的最外側可能位置，該位置由變量MAX_P0S指示。 如果對判斷步驟245的回答為"否"，則返回到步驟210。如果對判斷步驟245的回答為" 是"，則繼續到步驟250。步驟250驅動AF鏡頭110到由BEST_P0S所指示的最佳聚焦位 置。現在連同圖2 —起參閱圖3，圖3示出了聚焦區域選擇步驟220的示範性實施方式 的進一步細節。圖3表示圖像幀300以及五個聚焦區域310，320,330,340和350的示例選 擇。由於聚焦區域是由處理方法200處理的唯一的圖像區域，它們有效地限定了當處理方 法200完成時將會變為圖像中"聚焦"的區域。照相機系統100通常能自動選擇區域，有 時照相機的使用者可手動選擇聚焦區域的不同組。應注意到，所選擇的聚焦區域的數量、位 置和大小可以變化。聚焦區域選擇的示例包括在圖像中心的單個區域、較大的中心區域以 及較小的周邊區域或者甚至覆蓋整個圖像的單個區域。現在連同圖2和圖3 —起參照圖4，圖4描述了 HFV計算步驟225的進一步細節。 首先，步驟410選擇由步驟220所限定的聚焦區域中的哪一個來進行處理。隨後，在步驟 420中，採用例如水平鄰近像素亮度值的絕對差之和的方法，來計算該區域的水平HFV值
權利要求
1.一種用於數字成像裝置的自動聚焦的方法，其包括捕捉多個圖像，其中，每一圖像是在所述成像裝置之鏡頭的不同位置捕捉的； 為每一圖像產生各自的高空間頻率值，每一高空間頻率值代表該圖像中所包含的高空 間頻率信息量；確定具有最大高空間頻率值的圖像；以及調節鏡頭，使其位置與捕捉到具有最大高空間頻率值的圖像的位置相對應。
2.如權利要求1所述的方法，其中，所述的為每一圖像產生各自的高空間頻率值的步 驟包括為每一圖像選擇多個聚焦區域；確定所述多個聚焦區域中的每一個的各自的高空間頻率值；以及結合所述多個聚焦區域中的每一個的高空間頻率值，以獲得所述圖像的高空間頻率值。
3.如權利要求2所述的方法，其中，所述的確定所述多個聚焦區域的每一個的各自的 高空間頻率值的步驟包括為每一區域確定水平的高空間頻率值和垂直的高空間頻率值；以及 結合所述水平的和垂直的高空間頻率值，以確定該區域的高空間頻率值。
4.如權利要求3所述的方法，其中確定所述水平的高空間頻率值包括確定該區域中水平鄰近的像素的亮度值之間的差 值；以及確定所述垂直的高空間頻率值包括確定該區域中垂直鄰近的像素的亮度值之間的差值。
5.如權利要求2所述的方法，其中，所述的結合所述多個聚焦區域中的每一個的高空 間頻率值的步驟包括為所述多個聚焦區域中的至少兩個分配不同的權重。
6.如權利要求1所述的方法，其中，所述的為每一圖像產生各自的高空間頻率值的步 驟包括為每一圖像確定至少一個水平的高空間頻率值和至少一個垂直的高空間頻率值；以及 結合所述至少一個水平的高空間頻率值和至少一個垂直的高空間頻率值，以便確定該 圖像的高空間頻率值。
7.如權利要求6所述的方法，其中確定至少一個水平的高空間頻率值包括確定水平鄰近的像素的亮度值之間的差值；以及確定至少一個垂直的高空間頻率值包括確定垂直鄰近的像素的亮度值之間的差值。
全文摘要
本發明公開了一種用於自動聚焦數字成像裝置的方法，該方法包括(1)捕捉多個圖像，其中，每一圖像是在成像裝置之鏡頭的不同位置捕捉的，(2)為每一圖像產生各自的高空間頻率值，其中，每一高空間頻率值代表包含在該圖像中的高空間頻率的信息量，(3)確定具有最大高空間頻率值的圖像，以及(4)調節鏡頭，使其位置與具有最大高空間頻率值的圖像被捕捉的位置相對應。
文檔編號G03B13/36GK102087459SQ20091026042
公開日2011年6月8日 申請日期2009年12月4日 優先權日2009年12月4日
發明者朱大國, 甘龍 申請人:豪威科技有限公司