CN1464323A

CN1464323A - 自动对焦技术

Info

Publication number: CN1464323A
Application number: CN02121281.3A
Authority: CN
Inventors: 俞青; 卢波; 荣坚
Original assignee: Vimicro Corp
Current assignee: Guangdong Zhongxing Electronics Co ltd
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2003-12-31
Anticipated expiration: 2022-06-13
Also published as: CN1184502C

Abstract

一种自动对焦技术，可在环境亮度不足时或者被摄物体与背景的物距相差很大时以及对焦过程中背景发生了变化时，都能迅速地找到最佳聚焦位置的技术效果。包含以下步骤：在可调焦距范围内调节镜头焦距，在镜头的每一个相对位置得到一幅数字图像；在数字图像信号中分出多个区域，求出每一个区域的区域评估值；给每一个区域一个区域权重；对于每一个相对位置得到的数字图像，都根据该图像内各区域的区域评估值和区域权重求出相对位置评估值；记录具有最大相对位置评估值的相对位置，调节镜头焦距至上述具有最大相对位置评估值的的相对位置为最优聚焦位置。

Description

自动对焦技术

技术领域

本发明涉及自动对焦技术，尤其涉及一种在数字取像系统中采用的智能多点对焦技术。

背景技术

在图像的拍摄过程中，相机或者摄像机与被摄体之间的距离是经常变动的，因此常会因超出景深范围而导致图像模糊。为了使图像保持清晰，就必须在取景过程中改变镜头的焦点位置，使图像保持清晰。这种调节焦点位置的过程称为聚焦或对焦。

自动对焦技术如今已被广泛应用在相机、摄像机以及影像扫描等取像领域。它使得取像系统能根据物体的远近，自动调整镜头中对焦镜群的位置，使物体清晰的成像在成像平面上。传统光学取像系统的自动对焦方式有很多种，大致可分为两类：一类为主动式对焦方式，包括红外线方式和超声波方式；另一类为被动式对焦方式，较有代表性的有“固态三角测量”系统(SST，SolidState Triangulation)和TTL(Through The Lens)方式。

现有数字取像系统的自动对焦方式是以TTL为主流的。TTL方式的结构相对简单：直接从摄像镜头后面的CCD传感器取出图像信号，经过微型计算机分析，根据计算处理结果来调整镜头的对焦机构。TTL方式具有远距离聚焦正确，对焦没有视差等优点，不足之处是当光线太暗和被摄物体反差低时均不能正常工作。

美国第6,067,115号专利详细阐述了上述自动对焦技术。它通过调节自动变焦镜头上的微调装置，使自动变焦镜头在不同的相对位置移动，并根据被测物体在CCD上成像的对比度计算AF评估值，然后镜头在每个相对位置的AF评估值与镜头的相对位置被同时送入微型计算机进行分析，微型计算机将这些值绘成如图5所示的AF评估值曲线，判断在曲线顶点时的镜头相对位置为最佳对焦点，再将与最佳对焦点相对应的镜头相对位置参数送回自动变焦镜头上的微调装置，以完成自动对焦过程。

传统的自动对焦技术的准确程度取决于AF评估值，然而由于AF评估值仅包含对比度信息，所以在具体拍摄中，如果出现环境亮度不够，或者被摄物体与背景的距离相差很大，或者在自动对焦过程中背景发生了变化等情况时，对比度信息无法准确地反映对焦状况，因此也无法保证每次都能找到最佳聚焦位置。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的智能多点对焦技术方案，在对相机镜头传动装置要求不变和不增加额外光学或机械器件的前提下，达到在环境亮度不足时，或者被摄物体与背景的物距相差很大时，或者在自动对焦过程中背景发生了变化时，都能迅速地找到最佳聚焦位置的技术效果。

本发明的技术方案如下：

在自动对焦过程中，微型计算机首先根据当前数字取像系统的设置设定曝光模式，包括通过传动机构将镜头的相对位置设为初始位置，再根据当前曝光模式控制光敏传感器(CCD或CMOS传感器)的综合时间，将光敏传感器输出的模拟信号经过A/D转换电路转换为数字图像信号，输入曝光检测电路。

曝光检测电路对该输入信号进行分析，计算出曝光评估值并与储存在RAM中的该曝光模式的极限值比较，如果曝光评估值符合要求，微型计算机判断当前曝光模式正确；否则(如曝光过度或不足)微型计算机判断当前曝光模式不正确，再将曝光模式设为下一模式，重复上述步骤，直到曝光评估值符合要求。

在曝光评估值符合要求后，微型计算机在可调焦距范围内通过传动机构调节镜头焦距，使镜头相对位置从初始位置逐步增大到结束位置，同时根据已确定的曝光模式控制光敏传感器的综合时间，在镜头的每一个相对位置LP得到一幅数字图像，分别送入对焦检测电路进行自动对焦分析。

因为在摄像取景中，被摄物体最有可能出现在场景的正中或者上下左右4个黄金分割点。根据这一特性，曝光检测电路在数字图像信号中分出多个区域。其中，中心区域的中心点与整幅图像的中心点重合，上下左右四个区域的中心点分别对应于整幅图像的上下左右4个黄金分割点，。曝光检测电路对于当前数字图像信号中的任一区域，都按下面的公式1或公式2，求出该区域内每一个像素点与其在该图像中相邻像素点的亮度值，然后按照公式3将亮度值之差FD的绝对值的N次方累加，求出区域评估值FV，根据区域和相对位置将FV存入RAM中的相应位置。

求每一个像素点的亮度公式如下：

Y＝0.299·R+0.587·G+0.114·B 公式1

求每一个像素点的亮度也可仅用该点的G分量作为亮度的近似值。

Y＝G 公式2

求区域评估值FV的公式如下：

FV = \underset{i}{Σ} {(| FD |)}^{N}

公式3

(其中i为像素点，i属于该区域)

其中如果每一个像素点与其相邻像素点的亮度值之差的绝对值大于一个预先设定的常数TD，可以认为该点是坏像素点而在计算过程中忽略。

结束对所有相对位置上的自动曝光分析后，微型计算机对于每一个区域，先设置区域权重BW等于区域权重初始值BI。其中区域权重初始值BI为1、2、4、或者其它常数。

再以镜头的相对位置LP为横坐标，以区域评估值FV为纵坐标，从RAM的相应位置取出区域评估值FV，绘制一条区域曲线FVEC，再对该曲线进行低通滤波或者带通滤波，目的是使曲线平滑。

如果该区域位于图像的中心区域，将该区域的区域权重BW增大WA倍，其中权重因子WA为2。

如果该区域位于图像的黄金分割点区域，将该区域的区域权重BW增大WB倍，其中权重因子WB为2。

如果该区域位于取像系统预先设定的任何区域(如用户手工设定的聚焦区域)，将该区域的区域权重BW增大WC倍，其中权重因子WC为2。

如果FVEC区域曲线的峰值小于预先设定的区域曲线阈值FVT，则认为该区域特征不显著，将该区域的区域权重BW减小WD倍，其中权重因子WD为2。

如果FVEC区域曲线出现双峰或多峰形状，则认为该区域特征受到干扰(如背景发生变化等)，将该区域的区域权重BW减小WE倍，其中权重因子WE为2。

最后将该区域的新的区域权重存入RAM。

当RAM中所有区域的权重都被更新后，微型计算机对于镜头的每一个相对位置LP，从RAM中取出在该相对位置的一组区域评估值FV，按公式4将该相对位置内每一个区域的区域评估值与区域权重之积累加，求出相对位置评估值LV。

LV = Σ_{BL = 0}^{n} {FV}_{BL} \cdot {BW}_{BL}

公式4

(其中BL为曝光检测电路在当前数字图像信号中分出的区域，n为区域数)

在求出所有的相对位置评估值以后，以镜头的相对位置为横坐标，以相对位置评估值为纵坐标，绘制一条相对位置曲线LVEC。然后判断位于相对位置曲线峰值处的镜头相对位置为最佳聚焦位置，设置镜头拍摄位置等于最佳聚焦位置。

最后，微型计算机通过传动机构控制自动变焦镜头移动到镜头拍摄位置，结束自动对焦过程。

对比现有技术，本发明的优点在于：

1、在每次自动对焦之前先进行自动曝光调节，使取像系统在环境亮度不足或过亮情况下仍能保证对焦的准确性。

2、考虑到取景的一般原则，选择多点对焦区域并根据区域的空间变化和时间变化进行加权平均，能较好的剔除被摄物体与背景的距离相差很大所产生的不良影响以及在自动对焦过程中由于背景变化或取像器材抖动所产生的干扰因素，实现准确聚焦。

3、本发明对镜头的传动装置没有特殊要求，也无须增加额外的光学或机械器件，利用同样的成本达到了更佳的效果。

4、由于在自动对焦过程中主要对曝光评估值、区域评估值和区域权重进行计算和储存，本发明对RAM的要求极小，同时对微型计算机的处理能力要求也大为降低。

附图说明

图1是采用本发明所述自动对焦技术的数码相机的框图

图2是该数码相机的工作流程图

图3是本发明对焦技术的工作流程图

图4是对焦检测电路将数字图像信号中分为15个区域的图示

图5是AF评估值曲线图

图6是区域曲线FVEC图

图7区域曲线FVEC出现双峰或多峰情况的图示

图8是相对位置曲线LVEC图

具体实施方式

下面结合附图和并非特定的实施例来对本发明作更详尽的说明。

采用本发明所述智能多点对焦技术的数字取像系统至少包括镜头、光敏传感器如CCD或CMOS传感器、A/D转换电路、曝光检测电路、对焦检测电路、微型计算机、RAM和传动机构等几部分。

以数码相机为例：图1所示的是采用智能多点对焦技术的数码相机的框图，包括一个自动变焦镜头10、一个CCD或CMOS传感器11、A/D转换电路12、曝光检测电路13、对焦检测电路14、微型计算机15、RAM16、快门开关17、自动对焦开关18、闪光灯19和传动机构20等几部分。

如图2所示是采用本发明的数码相机工作流程图，从准备拍摄20开始，当快门开关接通21后，微型计算机初始化相机22，此时如果自动对焦开关接通，数码相机工作在自动对焦状态，通过自动对焦过程24将相机调整到最佳工作状态并进入图像处理及记录过程26进而结束整个拍摄过程27。如果数码相机工作在手动对焦状态，微型计算机根据手动对焦结果对相机进行调整并完成手动对焦缺省过程25，再经过相同的图像处理及记录过程26结束整个拍摄过程27。

自动对焦过程参见图3所示的本发明智能多点对焦技术的工作流程图，该流程由程序30开始，按照箭头所示方向详细叙述如下：

程序30：微型计算机15根据当前相机设置，将曝光模式EM设为1(强光)，通过传动机构20将镜头10的相对位置LP设为0(初始位置)。EM值从小到大依次为1(强光)、2(晴天)、3(多云)、4(室内)。

程序31：微型计算机15根据当前的曝光模式EM值控制传感器11的综合时间，通过传动机构20调整镜头10到当前镜头的相对位置LP，将传感器11输出的模拟信号经过A/D转换电路12转换为数字图像信号。

程序32：曝光检测电路13对输入信号进行分析，计算出曝光评估值EE_EM，将EE_EM输入微型计算机15。

程序33：微型计算机15将曝光评估值EE_EM与储存在RAM16中的与当前曝光模式对应的曝光极限值ET_EM比较，如果EE_EM大于或等于ET_EM，微型计算机15判断当前曝光模式正确，进入程序36；反之，微型计算机15判断当前曝光模式不正确，进入程序34。

程序34：微型计算机15判断当前曝光模式EM是否等于3(室内)。如果EM等于3，进入程序41；反之，进入程序35。

程序35：将曝光模式值EM加1，返回至程序31。

程序36：在摄像取景中，被摄物体最有可能出现在场景的正中或者上下左右4个黄金分割点。根据这一特征，如图4所示，对焦检测电路14从当前镜头相对位置LP所得到的数字图像信号中分出A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K、L、M、N和O区域，一共15个区域。其中，H区域的中心点与整幅图像的中心点重合，C、M、F、J区域的中心点分别对应整幅图像的上下左右4个黄金分割点，这15个区域的面积相同。对焦检测电路14对于每一个区域BL，都将该区域内每一个像素点与该点左边相邻像素点的亮度值之差FD_BL，LP的绝对值的N次方如公式1累加，得出区域评估值FV_BL，LP，将FV_BL，LP存入RAM16。

程序37：微型计算机15判断当前镜头的相对位置LP是否等于镜头结束位置LN，如果LP等于LN，进入程序38；反之，进入程序39。

程序38：微型计算机15对于每一个区域BL，先设置区域权重BW_BL等于区域权重初始值BI。以镜头的相对位置LP为横坐标，以区域评估值FV为纵坐标，绘制一条如图6所示的区域曲线FVEC，再对该曲线做低通滤波。如果该区域位于图像的中心区域，将该区域的区域权重BW_BL增大WA倍；如果该区域位于图像的黄金分割点区域，将该区域的区域权重BW_BL增大WB倍；如果该区域位于用户预先设定的任何对焦区域，将该区域的区域权重BW_BL增大WC倍；如果FVEC区域曲线的峰值小于预先设定的区域曲线阈值FVT，则认为该区域特征不显著，将该区域的区域权重BW_BL减小WD倍；如果FVEC区域曲线出现双峰或多峰形状，则认为该区域特征受到干扰(如背景发生变化等)，将该区域的区域权重BW_BL减小WE倍。将15个区域的区域权重BW_BL依次存入RAM16。

程序39：微型计算机15将镜头的相对位置LP加1，并通过传动机构20使自动变焦镜头移至相应聚焦位置，返回至程序31。

程序40：微型计算机15根据镜头的相对位置LP，从RAM16中取出在该相对位置的一组区域评估值FV，按公式4将每一个区域的区域评估值与区域权重之积累加，求出相对位置评估值LV_LP。当求出所有的LV值以后，以镜头的相对位置LP为横坐标，以相对位置评估值LV为纵坐标，绘制一条如图8所示的相对位置曲线LVEC。判断在相对位置曲线峰值处所对应的镜头相对位置LP_MAX为镜头最佳聚焦位置，设置镜头拍摄位置SL等于LP_MAX。

程序41：进入闪光模式，微型计算机15设置镜头拍摄位置SL等于闪光模式下的镜头最佳聚焦位置LP_FLASH。

程序42：微型计算机15通过传动机构20使自动变焦镜头移至镜头拍摄位置SL，结束自动对焦过程。

综上所述，通过本发明所叙述的对焦技术，能够实现在对相机镜头传动装置要求不变和不增加额外光学或机械器件的前提下，达到在环境亮度不足时，或者被摄物体与背景的物距相差很大时，或者在自动对焦过程中背景发生了变化时，都能够迅速找到正确最佳聚焦位置的技术效果。

显而易见，本发明所述的自动对焦技术并不限于用在数码相机领域，在影像扫描仪、显微镜、摄像机以及电子式微缩图像投影机等数字取像装置都可以很好的利用本发明，对于熟悉本领域的人员而言也可容易地实现另外的优点和进行修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般的概念的精神和范围的情况下，本发明并不限于特定的细节、代表性的设备和这里示出与描述的图示示例。

Claims

1、一种自动对焦技术，用于调整在自动对焦数码相机中或其它光学摄像系统中对被摄物体的图像聚焦，其特征在于：实现上述自动对焦技术包含以下步骤：

在可调焦距范围内调节镜头焦距，在镜头的每一个相对位置得到一幅数字图像；

在数字图像信号中分出多个区域，求出每一个区域的区域评估值；

给每一个区域一个区域权重；

对于每一个相对位置得到的数字图像，都根据该图像内各区域的区域评估值和区域权重求出相对位置评估值；

记录具有最大相对位置评估值的相对位置，调节镜头焦距至上述具有最大相对位置评估值的的相对位置为最优聚焦位置。

2、如权利要求1所述的自动对焦技术，其特征在于：其中一系列进行自动对焦分析的数字图像，都经过了曝光检测并符合曝光要求。

3、如权利要求1所述的自动对焦技术，其特征在于：当相机在镜头的每一个相对位置摄取的图像是彩色图像时，则相对应的数字图像是彩色图像的亮度图像。

4、如权利要求1所述的自动对焦技术，其特征在于：当相机在镜头的每一个相对位置摄取的图像是彩色图像时，则相对应的数字图像是彩色图像的绿色图像。

5、如权利要求1所述的自动对焦技术，其特征在于：其中每一幅进行自动对焦分析的数字图像，都根据摄像取景的经验，分出多个不同区域。其中部分区域分别对应于场景的正中或者上下左右4个黄金分割点。区域的数量可以为15个，也可以多于或少于15个；区域的大小可以相同，也可以不同。具体情况取决于对对焦精度的要求和对计算复杂程度的限制。

6、如权利要求1所述的自动对焦技术，其特征在于：其中每一幅进行自动对焦分析的数字图像里，在每一个区域中，都将该区域内每一个像素点与其在该图像中相邻像素点的亮度值之差的绝对值的N次方累加，求出该区域的区域评估值。

7、如权利要求1所述的自动对焦技术，其特征在于：其中对于每个区域，先设置区域权重等于区域权重初始值BI，然后根据每个区域的特点对区域权重进行调整。

8、如权利要求3所述，其特征在于：其中求每一个像素点的亮度值的公式如下：

Y＝0.299·R+0.587·G+0.114·B

9、如权利要求6所述，其特征在于：其中相邻像素点为与原像素点在上、下、左或右方向上相邻的第一或第二个像素点。

10、如权利要求6所述，其特征在于：其中N系数为1或2。

11、如权利要求6所述，其特征在于：其中如果每一个像素点与其相邻像素点的亮度值之差的绝对值大于一个预先设定的常数TD，可以认为该点是坏像素点而在计算过程中忽略。

12、如权利要求7所述，其特征在于：其中根据特定区域在整幅数字图像中的位置调整相对应的区域权重。

13、如权利要求7所述，其特征在于：其中以镜头的相对位置为横坐标，以区域评估值为纵坐标，绘制区域曲线，然后根据区域曲线调整区域权重。

14、如权利要求12所述，其特征在于：如果该区域位于图像的中心区域，则该区域的区域权重增大WA倍。

15、如权利要求12所述，其特征在于：如果该区域位于图像的黄金分割点区域，则该区域的区域权重增大WB倍。

16、如权利要求12所述，其特征在于：如果该区域位于取像系统预先设定的任何区域(如用户手工设定的聚焦区域)，则该区域的区域权重增大WC倍。

17、如权利要求13所述，其特征在于：其中对区域曲线先进行低通滤波或带通滤波，然后根据区域曲线调整区域权重。

18、如权利要求13所述，其特征在于：其中对区域曲线进行分析，如果区域曲线的峰值小于区域曲线阈值FVT，则该区域的区域权重减小WD倍。

19、如权利要求13所述，其特征在于：其中对区域曲线进行分析，如果区域曲线出现双峰或多峰情况，则该区域的区域权重减小WE倍。

20、如权利要求14所述，其特征在于：其中权重因子WA为2。

21、如权利要求15所述，其特征在于：其中权重因子WB为2。

22、如权利要求16所述，其特征在于：其中权重因子WC为2。

23、如权利要求18所述，其特征在于：其中权重因子WD为2。

24、如权利要求19所述，其特征在于：其中权重因子WE为2。