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CN100561326C - 自动对焦系统及自动对焦方法 - Google Patents

自动对焦系统及自动对焦方法 Download PDF

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CN100561326C CNB2007102010192A CN200710201019A CN100561326C CN 100561326 C CN100561326 C CN 100561326C CN B2007102010192 A CNB2007102010192 A CN B2007102010192A CN 200710201019 A CN200710201019 A CN 200710201019A CN 100561326 C CN100561326 C CN 100561326C
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Abstract

本发明提供一种自动对焦系统及一种自动对焦方法。该自动对焦方法包括：对焦；计算相邻两帧画面的对比度评估值；判断该两帧画面的对比度评估值的差异是否超出预设域值；若差异超出预设域值；则返回该对焦步骤；及若差异未超出预设域值，则返回该计算步骤。该自动对焦方法在实现对焦后，判断相邻两帧画面的对比度评估值的差异是否在预设预值内，以判断画面的变化是否在可接受的范围内，进而决定是否重新对焦。如此，可避免采用该自动对焦方法的自动对焦系统频繁对焦追踪可以接受的画面变化，达节能及提高画面稳定度之效果。

Description

自动对焦系统及自动对焦方法
技术领域
本发明涉及摄像技术，特别涉及一种自动对焦系统及一种自动对焦方法。
背景技术
数码摄像机动态拍摄时，需对拍摄场景进行实时对焦，即，数码摄像机需根据拍摄场景的变化实时调整对焦位置。
然而，某些情况下，如，数码摄像机镜头抖动或拍摄场景光环境发生变化等，拍摄场景虽发生变化，但拍摄场景的成像仍在景深范围内。此情况下，出于节能(调整对焦位置需驱动对焦马达，较耗电)及画面稳定度(频繁调整对焦位置降低画面稳定度)的考虑，并不希望数码摄像机调整对焦位置，追踪可以忽略的拍摄场景变化。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种利于节能且可提高画面稳定度的自动焦对系统及自动对焦方法。
一种自动对焦系统，其包括：
镜头，用于光学成像；
感光元件，用于感测该镜头的成像光信号并转化为电信号形式的画面；
致动器，用于驱动该镜头改变对焦位置；
计算模块，用于计算该感光元件产生的画面的对比度评估值；
求焦模块，用于依据该计算模块的计算结果求取该镜头的最佳对焦位置，并控制该致动器驱动该镜头至该最佳对焦位置以实现对焦；及
判断模块，用于在实现对焦后，判断该计算模块计算的相邻两帧画面的对比度评估值的差异是否超出预设域值，并在该差异超出该预设域值的情况下控制该致动器驱动该镜头重新对焦。
一种自动对焦方法，其包括以下步骤：
对焦；
计算相邻两帧画面的对比度评估值；
判断该两帧画面的对比度评估值的差异是否超出预设域值；
若差异超出预设域值；则返回该对焦步骤；及
若差异未超出预设域值，则返回该计算步骤。
本发明的自动对焦方法在实现对焦后，判断相邻两帧画面的对比度评估值的差异是否在预设域值内，以判断画面的变化是否在可接受的范围内，进而决定是否重新对焦。如此，可避免采用该自动对焦方法的自动对焦系统频繁对焦追踪可以接受的画面变化，达节能及提高画面稳定度之效果。
附图说明
图1为较佳实施例的自动对焦系统的功能模块示意图；
图2为图1所示的自动对焦系统的硬件连接示意图；
图3为对比度阵列的计算原理示意图；
图4为加权对比度阵列的计算原理示意图；
图5为较佳实施例的自动对焦方法的流程图；
图6为图5所示的流程图的一个子流程图；
图7为计算加权对比度阵列的流程图；
图8为较佳实施例的自动对焦方法原理示意图。
具体实施方式
请参阅图1，较佳实施例的自动对焦系统100包括镜头11、感光元件12、致动器13、计算模块14、求焦模块15及判断模块16。镜头11用于光学成像。感光元件12用于感测镜头11的成像光信号并转化为电信号形式的画面。致动器13用于驱动镜头11改变对焦位置。计算模块14用于计算感光元件12产生的画面的对比度评估值。求焦模块15用于依据计算模块14的计算结果求取镜头11的最佳对焦位置，并控制致动器13驱动镜头11至该最佳对焦位置以实现对焦。判断模块16用于在实现对焦后，判断计算模块14计算的相邻两帧画面的对比度评估值的差异是否超出预设域值，并在该差异超出预设域值的情况下控制致动器13驱动镜头11重新对焦。
请参阅图2，镜头11包括传动导轨111及设于传动导轨111上的成像镜片112；感光元件12采用电荷耦合器(Charge-Coupled Device，CCD)，并设置于镜头11像侧；致动器13采用旋转步进马达，旋转步进马达的转轴与传动导轨111连接以驱动传动导轨111带动成像镜片112在传动导轨111上移动。旋转步进马达与传动导轨111配合使得成像镜片112在对焦范围L内具有四个对焦位置P1~P4。
当然，镜头11、感光元件12及致动器13的设置并不限于本实施例，可采用其它设置。如，采用线性步进马达取代传动导轨111与旋转步进马达，采用音圈马达及导轨取代旋转步进马达及传动导轨111，采用补充性金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)感测器取代CCD，设置数目更多或更少的对焦位置。
计算模块14、求焦模块15及判断模块16可内建于图像信号处理器22(Image SignalProcessor，ISP)内，ISP22设置于感光元件12后端。ISP22采用可编程的智能芯片，其可执行读取、运算、比较及判断等功能。
当然，计算模块14、求焦模块15及判断模块16的设置并不限于本实施例，计算模块14、求焦模块15及判断模块16可分别内建于多个专用智能芯片内。
具体地，自动对焦系统100还包括获取模块17、存储模块20及比对模块21。获取模块17用于获取感光元件12产生的画面以供计算模块14计算。存储模块20用于存储计算模块14的计算结果，以供求焦模块15及判断模块16读取。比对模块21用于在实现对焦后，比对计算模块14计算的相邻两帧画面的对比度评估值的差异，以供判断模块16判断。
以下结合图3举例说明如何计算感光元件12产生的画面的对比度评估值。
G为灰阶(gray scale)形式表示的画面，gmn为画面G中第m列，第n行的像素的灰阶值(m，n为自然数，下同)，作为范例，本实施例的画面G共有5×5个像素。计算模块14依公式23计算出画面G的对比度阵列E，其中emn为对比度阵列E中第m列，第n行的元素。画面G的对比度评估值与对比度阵列E对应(如，画面G的对比度评估值等于对比度阵列E各元素的总和)。可见，画面G的对比度评估值表征画面G中各像素与周围像素的亮度对比程度。
可以理解，对于同一拍摄场景，越清晰的画面，画面的对比度评估值越大，而当成像镜片112处于最佳对焦位置时，感光元件12将感测到最清晰的成像光信号并产生最清晰的画面。故，求焦模组15可通过在多个画面的对比度评估值(对应多个对焦位置)中求取最大的对比度评估值，便得到对应的最佳对焦位置。
可以理解，对于抖动或光环境变化引起的拍摄场景变化，画面的对比度评估值变化较小，通过判断前后相邻两帧画面的对比度评估值的差异，便可判断：相对于前帧画面(对应前一拍摄场景)，后帧画面是否发生明显变化(对应后一拍摄场景)，进而决定是否重新对焦。
优选地，自动对焦系统100进一步包括切割模块18及加权模块19。切割模块18用于将感光元件产12产生的画面切割为多个区域，计算模块14计算每一区域的对比度评估值(即该区域对应的对比度阵列各元素的总和)以得到对应该帧画面的区域对比度阵列，方便后续加权模块19对画面的不同区域作不同程度加权，达到突出对焦中心的目的。加权模块19用于产生权重阵列，并用该权重阵列对该区域对比度阵列进行加权运算得到加权对比度阵列，该加权对比度阵列与该帧画面的对比度评估值对应。
以下结合图4，仍以画面G为例说明如何计算画面G的加权对比度阵列。
作为范例，本实施例的切割模块18将画面G切割成九个区域，计算模块14计算每一区域的对比度评估值得到区域对比度阵列ES，加权模块19产生权重阵列W，并采用公式24对区域对比度阵列ES进行加权运算得到加权对比阵列WE，加权对比度阵列WE对应画面G的对比度评估值(如，画面G的对比度评估值等于对比度阵列E各元素的总和)。其中，wmn、esmn及wemn分别为W、ES及WE中第m列，第n行的元素。
权重阵列W可预先内建于ISP22，优选地，可预先建立多种类型的权重阵列，如，中心型(中央权重大)及平均型(各处权重等大)，以供用户依据环境选择合适类型的权重阵列。
可以理解，权重阵列W的元素越大，对应区域的对比度评估值在整个画面G的对比度评估值中所占的权重越大，对应区域的清晰度对整个画面G的清晰度影响越大。即，对画面G作切割并对切割的区域作合适的加权处理后，可改善画面G的主次感，突出对焦中心。
获取模块17、切割模块18、加权模块19、存储模块20及比对模块21可内建于ISP22内，也可内建于专用智能芯片内。
可以理解，本实施例的对比度评估值的计算形式仅用于描述对比度评估值的物理意义，对比度评估值的计算形式并不限于本实施例，可以采用其他计算形式计算表征画面各像素与周围像素亮度对比程度的特征值作为画面的对比度评估值。
请参阅图5，较佳实施例的自动对焦方法包括以下步骤：
S01：对焦；
S02：计算相邻两帧画面的对比度评估值；
S03：判断该两帧画面的对比度评估值的差异是否超出预设域值；
若差异超出预设域值；则返回步骤S01(对焦)；及
若差异未超出预设域值，则返回步骤S02(计算相邻两帧画面的对比度评估值)。
具体地，在执行自动对焦方法过程中，若自动对焦系统100接收到用户发出的中断信号，则结束自动对焦方法。
请参阅图6，步骤S01(对焦)包括以下子步骤：
S011：遍寻多个对焦位置以获取对应的多帧画面；
S012：计算每帧画面的对比度评估值；及
S013：依据计算的该多帧画面的对比度评估值求取最佳对焦位置；及
S014：返回最佳对焦位置。
请结合图2，对于步骤S011(遍寻多个对焦位置以获取对应的多帧画面)，致动器13驱动成像镜片112遍寻四个对焦位置P1~P4，对应每一对焦位置，获取模块17获取感光元件12产生的对应画面(图未示)。
请结合图7，计算每帧画面的对比度评估值包括以下子步骤：
S0121：将该帧画面切割为多个区域；
S0122：计算每一区域的对比度评估值以得到对应该帧画面的区域对比度阵列；及
S0123：对该区域对比度阵列作加权运算得到对应该帧画面的加权对比度阵列。
通过切割模块18、计算模块14及加权模块19协作，计算对应对焦位置P1~P4的四帧画面的对比度评估值并存储于存储模块20。
对于步骤S013(依据计算的该多帧画面的对比度评估值求取最佳对焦位置)，求焦模块15从存取模块20读取对应对焦位置P1~P4的四个对比度评估值，并求取其中的最大对比度评估值，该最大对比度评估值对应的对焦位置即为最佳对焦位置。
对于步骤S014(返回最佳对焦位置)，求焦模块15控制致动器13驱动成像镜片112移动至最佳对焦位置。
可以理解，步骤S01(对焦)并不限于本实施例，可采用其他的对焦方法实现对焦，如主动式对焦方法(如红外测距)或其他被动式对焦方法(如相位法)。
请参阅图8，记实现对焦的画面为F0，重新对焦前感光元件12持续产生的画面为Fk(k为自然数)。
步骤S02(计算相邻两帧画面的对比度评估值)首先计算画面F0及F1的对比度评估值WE0及WE1并存储于存储模块20。步骤S03(判断该两帧画面的对比度评估值的差异是否超出预设域值)从存储模块20读取WE0及WE1，对比对比度评估值WE0及WE1的差异D0，并判断差异D0否超出(大于)预设域值T。在判断得差异D0未超出(大于)预设域值T后，返回步骤S02计算画面F1及F2的对比度评估值WE1及WE2，并进入步骤S03。如此循环，直至判断得画面Fk与前帧画面的差异Dk-1超出预设域值T，则返回步骤S01(对焦)。
上述流程基于以下考虑：
差异Dk-1超出预设域值T，说明画面Fk的拍摄场景相对于前帧画面的拍摄场景发生不可忽略的变化，需重新对焦。判断模块16控制致动器13驱动成像镜片112重新变寻多个对焦位置P1~P4，即，回到步骤S01(对焦)。
重新对焦前，相邻两帧画面的对比度评估值的差异未超出预设域值T，说明每帧画面的拍摄场景相对于前帧画面的拍摄场景的变化可以忽略，无需重新对焦。计算模块14计算后续画面间的差异，即，返回步骤S02(计算相邻两帧画面的对比度评估值)。
预设域值T的取值视需求而定，具体地，可对应感光元件12在镜头11的景深范围内产生的画面的对比度评估值的变化范围设定。
本发明的自动对焦方法在实现对焦后，判断相邻两帧画面的对比度评估值的差异是否在预设域值内，以判断画面的变化是否在可接受的范围内，进而决定是否重新对焦。如此，可避免采用该自动对焦方法的自动对焦系统频繁对焦追踪可以接受的画面变化，达节能及提高画面稳定度之效果。
应该指出，上述实施例仅为本发明的较佳实施方式，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化。这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种自动对焦系统，其特征在于，该系统包括：
镜头，用于光学成像；
感光元件，用于感测该镜头的成像光信号并转化为电信号形式的画面；
致动器，用于驱动该镜头改变对焦位置；
计算模块，用于计算该感光元件产生的画面的对比度评估值；
求焦模块，用于依据该计算模块的计算结果求取该镜头的最佳对焦位置，并控制该致动器驱动该镜头至该最佳对焦位置以实现对焦；及
判断模块，用于在实现对焦后，判断该计算模块计算的相邻两帧画面的对比度评估值的差异是否超出预设域值，并在该差异超出该预设域值的情况下控制该致动器驱动该镜头重新对焦。
2.如权利要求1所述的自动对焦系统，其特征在于，该系统还包括获取模块，用于获取该感光元件产生的画面以供该计算模块计算。
3.如权利要求1所述的自动对焦系统，其特征在于，该系统进一步包括：
切割模块，用于将该感光元件产生的画面切割为多个区域；该计算模块计算每一区域的对比度评估值以得到对应该帧画面的区域对比度阵列；及
加权模块，用于产生权重阵列，并对该区域对比度阵列进行加权运算以得到对应该区域对比度阵列的加权对比度阵列，该加权对比度阵列与该帧画面的对比度评估值对应。
4.如权利要求1所述的自动对焦系统，其特征在于，该系统还进一步包括有存储模块，用于存储该计算模块的计算结果，以供该求焦模块及判断模块读取。
5.如权利要求1所述的自动对焦系统，其特征在于，该系统还包括有比对模块，用于在实现对焦后，比对该计算模块计算的相邻两帧画面的对比度评估值的差异，以供该判断模块判断。
6.一种自动对焦方法，其包括以下步骤：
对焦；
计算相邻两帧画面的对比度评估值；
判断该两帧画面的对比度评估值的差异是否超出预设域值；
若差异超出预设域值；则返回该对焦步骤；及
若差异未超出预设域值，则返回该计算步骤。
7.如权利要求6所述的自动对焦方法，其特征在于，该对焦步骤包括以下子步骤：
遍寻多个对焦位置以获取对应的多帧画面；
计算每帧画面的对比度评估值；
依据计算的该多帧画面的对比度评估值求取最佳对焦位置；及
返回最佳对焦位置。
8.如权利要求6所述的自动对焦方法，其特征在于，计算一帧画面的对比度评估值包括以下子步骤：
将该帧画面切割为多个区域；
计算每一区域的对比度评估值以得到对应该帧画面的区域对比度阵列；及
对该区域对比度阵列作加权运算得到加权对比度阵列；
其中，该加权对比度阵列与该帧画面的对比度评估值对应。
9.如权利要求6所述的自动对焦方法，其特征在于，该方法在接收到中断信号后结束。
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