CN100347603C - 带有自动对焦系统的数码摄像装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有自动对焦系统的数码摄像装置。包括：一个主控制器单元，一个图像传感器，一个图像处理单元，一个存储单元，一个键盘单元，和输出接口，一个透镜单元，自动对焦电路，一个微控制器。本发明不需要传统的机械自动对焦连动机构，其通过对图像进行光学分析然后用相应的电压对装置的焦距进行调节，并且在图像摄制过程中光度不够好的时候仍然可以拍摄很清晰的图像。此外本发明还公开了一种利用电压调节焦距的自动对焦的方法。

Description

带有自动对焦系统的数码摄像装置和方法

                          发明领域

本发明涉及到一种数码摄像装置，尤其涉及一种带有自动对焦系统的数码摄像装置和自动对焦的方法。

                          背景技术

在现有摄像技术中，通常要用到自动对焦系统。在图像的拍摄过程中，摄像装置与被摄物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。

在以TTL为主流的自动对焦方式的数字取像系统中，摄像装置的结构相对简单：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。其特点是具有远距离聚焦正确，对焦没有视差等优点，不足之处在于当光线太暗和被摄物体反差低时均不能正常工作。

而在其他传统的自动对焦装置中，需要用到机械传动装置，如传动电机和机械传动元件。专利申请号为98100959.X的《自动对焦方法》的申请，公开了一种自动对焦方法，其发明点在于找出被扫描物中灰度分布最广或对比最强的位置，或是将镜头对准欲对焦的位置，并设定光学元件焦距的可调范围，当启动自动对焦指令时，焦距调整机构以近似等速运动带动光学元件找出对应不同光程或焦距的图像电信号特征值，并在上述线性扫描过程中同时对图像信号的特征值做逐步线性分析比较，只保留扫描至该处之前的最佳特征值及其所对应的焦距位置。最后利用焦距调整机构调整光学元件至所有焦距位置中具有最佳特征值的对应焦距，就完成自动对焦程序。

然而，通过机械的传动装置改变对焦镜头的位置，从而改变摄像装置的焦点位置的方法，其缺陷在于，由于机械传动装置在工作时精度的限制，在拍摄过程中会发生功能的损耗，使得工作功效降低，而且快速反映的能力不足；同时使得摄像装置内部的机械结构过于繁杂，对于处于科技快速发展的今天，任何用品都力求精致的现代消费观念下，这显然是一个很大的不足。由于传统的自动对焦装置在使用机械传动装置的时候，需要给予足够的空间予镜头和传动装置以进行前后调整运动，因而在空间上会增加摄像装置的尺寸，给摄像装置带来增大体积的问题。

最后，在传统的摄像装置中，存在机械传动机构和镜头在加工和安装的过程中产生的误差而导致的成像不清问题。

                          发明内容

本发明的目的在于提供一种避免了上述的问题的数码摄像装置，其可通过一个外设的电压回路控制一种新型的透镜进行自动对焦。

本发明的另一个目的还在于提供了一种利用电压调节焦距以完成自动对焦过程的方法。

为了满足上述目的，本发明的解决方案如下：

一种带有自动对焦系统的数码摄像装置，包含下列的装置和部分：自动调焦主控制器单元、自动调焦透镜单元、图像传感器CCD或CMOS、微控制器、图像处理单元、自动对焦电路。

本发明还包括A/D(模/数转换器)、可移动存储单元或内置的图像存储单元、键盘单元和输出接口。

存储单元可用于存储摄像过程中的即时图像。

键盘单元主要用于接受主控制器的命令，执行图像的拍摄等工作。

输出接口主要有计算机通讯接口、连接电视机的视频接口和连接打印机的接口。其中，计算机的通讯接口可以有串行接口、并行接口、USB接口和SCSI接口。

因而，本发明所述的自动对焦摄像装置，可以直接连接到计算机、电视机或者打印机上，还可以直接连接到移动式电话机或者手持PC机上。

在摄像装置摄取图像的过程中，由于数码摄像装置的感光器件CCD或CMOS，是由半导体材料制成，能够把光线通过模数转换器芯片转换成数字信号，因而图像传感器得到一副图像时，将所得到的图像转变为数字信号，图像数字信号得以进入图像处理器中进行处理，经由图像处理单元中的自动对焦算法模块AF进行计算和判断；随后微控制器MCU根据图像处理单元的处理结果输出一个脉冲宽度调制信号PWM，此为一个包含电压分量与电流分量的脉冲交流电，该交流电再由自动对焦电路内设的电容进行滤波，产生脉冲的电压，将滤去直流分量的脉冲电流交由变压器调节后，输入并控制调焦透镜以改变其曲率半径。在图像处理单元不停地对图像信号进行比较和处理的过程中，最清晰的图像所对应的脉冲电流被选定，其所调节的透镜曲率半径也随之被相应地选定。在对一个景物进行摄像的过程中，上述过程被不停的反复进行，直到图像清晰度达到最佳值，自动对焦透镜的曲率半径也不再发生变化，此时的图像效果达到最佳状态。

本发明还公开了一种利用电压调节焦距以完成自动对焦的方法，其步骤如下：

首先摄像装置对所要拍摄的景物进行最初的图像抓取；

所抓取的图像信号经过自动对焦算法的图像处理；

由微控制器根据图像的分析和处理结果，输出一个电信号，该电信号可以是PWM，也可以是GPIO；

再由一个自动对焦电路对该电信号进行处理，处理后的电压控制自动对焦透镜的曲率半径的变化，最终实现对焦距的自动调节；

不同的图像对应着不同的PWM信号或GPI0信号，从而对应着不同的透镜的曲率半径；

上述步骤被不断地反复进行，直到选出最清晰的图像所对应的焦距，达到荻取最清晰图像的目的。

本发明的优点：

带有自动对焦系统的数码摄像装置，在图像摄制过程中光度不够好的时候仍然可以拍摄很清晰的图像，图像的质量和光度永远都是很好的。

由于在本发明中应用了一种新型的透镜，该小透镜可以通过外设电压对其自身的曲率半径进行调节，这使得本发明不再需要传统的机械自动对焦连动机构，而可以制作出一个自动对焦和变焦的透镜。而且新型透镜是由可变光透镜组成的全新透镜，其特征在于该透镜是由两种具有相同密度的非可融性液体组成，这使得两种液体相互之间的曲率半径变化均匀、工作状态稳定，同时避免了透镜之间的相互研磨造成的很大的误差，而且可以产生在任何方向包括垂直方向的变化，因而在用于快速自动对焦透镜时，本发明在自动对焦过程中更具灵活性和更好的工作稳定性。

本发明的优点还在于，由于是用电压来进行控制自动对焦透镜的自动对焦活动的，因而本发明除了具有很出色的光学特征外，还可以使数码摄像装置在很短的时间内做出极其快速的反应，同时可以避免象传统的自动对焦摄像装置在自动对焦过程中透镜之间的相互研磨造成的图像摄制偏差。

最后，由全新的自动对焦透镜所决定的所有特点使得本发明具有耗电量小、耐磨损能力极强和突出的坚固性等先进之处。

本发明的上述和其它目的、特征和优点从下面结合附图和并非特定的实施例的具体描述中将变得更明显。

                          附图说明：

附图1是带有智能自动对焦系统的新型数码摄像装置的工作框图。

附图2是带有智能自动对焦系统的新型数码摄像装置的工作流程图。

附图3是带有智能自动对焦系统的新型数码摄像装置的图像处理流程图。

附图4是带有智能自动对焦系统的新型数码摄像装置在一次调焦过程中的图像处理原理图。

附图5是第一种自动对焦透镜的调节原理图。

附图6是第二种自动对焦透镜的调节原理图。

                        具体的实施方式

在下面的说明中，公知的功能或结构将不再详细说明，以避免与本发明的内容存在不必要的混淆。

本发明所公开的带有自动对焦系统的数码摄像装置和方法，可通过以下的装置和步骤完成：

在拍摄景物的过程中，由图像感应器1对所要拍摄的图像进行摄像之初的图像抓取工作，图像由A/D数字转换电路8将光线转变为电荷，进入图像处理单元7，由图像处理单元中的自动对焦算法模块AF 3进行计算并对图像的清晰度进行判断，微控制器MCU 4根据图像处理单元7的处理结果输出一个PWM脉冲宽度调制信号5，从而进一步生成一个包含电压分量和直流分量的脉冲交流电压，该脉冲电流进入滤波电容11进行滤波，成为滤去直流分量的脉冲电流，再经过变压器12的调节，传输到自动对焦透镜6处，调节自动对焦透镜的曲率半径发生相应的变化，从而使得透镜的焦点逐步地调整至相对于被摄景物的最恰当位置。

如图2所示，摄像装置在抓拍图像的时候，由传感器1将图像信息发送到图像处理单元7内，由图像处理单元7中的自动对焦算法模块AF 3进行计算并对图像的清晰度进行判断，同时微控制器MCU 4根据图像处理单元的计算和分析结果输出一个PWM脉冲宽度调制信号5，从而生成一个脉冲的包含电压分量和直流分量的交流电，该脉冲电流随后进入自动对焦电路9；在自动对焦电路9中，电压经过一个滤波电容11滤波后，滤去其中的直流分量，滤波后的电流经过一个变压器12的放大，进入自动对焦透镜6，利用非可融性液体的表面张力，使自动对焦透镜的曲率半径发生变化。其间，每一个不同的滤去直流分量的脉冲电流对应着不同的曲率半径。此过程连续不断的进行，图像传感器1也不停地将每一幅图像发回到图像处理单元7中，并由其随时对所有的即时图像作出判断，直到选择到一个最清晰的图像，那么此最清晰图像所对应的脉冲电流将会被选定为最佳焦距所需要的脉冲电流，通过该滤去直流分量的脉冲电流选定相应的自动对焦透镜6的曲率半径，从而达到自动对焦的目的。

如图3所示，在每一次的图像选取过程中，当图像感应单元1进行最初的抓取后，将图像信号发送到图像处理单元7中，同时由主控制器2发出命令将图像暂时存储在图像存储单元中，每幅图像对应不同的脉冲电压，也对应着不同的自动对焦透镜的曲率半径。经过多次的图像抓取和图像处理后，由图像处理单元7的判断，挑选出最清晰的图像，向主控制器2输出关于最清晰图像的判断信息，并选定对应最清晰图像的脉冲电流，此脉冲电流所调节的透镜焦距为最恰当焦距；此时由主控制器2向键盘单元10发出命令进行拍摄。

在图像处理单元对图像信息进行处理的时候，其原理如下：首先由图像微处理器7中的AF自动对焦算法模块3，对所有的图像信号进行计算和判断处理，以选出最清晰的图像；同时，微控制器MCU 4根据自动对焦算法AF 3的计算和分析结果输出一个脉冲宽度调制信号PWM 5，生成一个包含电压分量和直流分量的脉冲交流电，该交流电随后进入自动对焦调节电路9。每一幅图像对应不同的脉冲电流，以图像处理单元7所发出的信号为基础，选择最恰当的脉冲电流，以实现对自动对焦透镜焦距的最恰当的调节。

如图4所示，在本发明所述的摄像装置进行摄像的过程中，在主控制器2的协调下，首先由图像传感单元1，图像信号经数字转换电路A/D 8转变为电荷进入图像处理单元7中。在图像处理单元7内，先由处理单元中的自动对焦算法AF模块3对图像信号进行计算和分析，微控制器MCU 4根据计算和分析的结果输出一个脉冲宽度调制信号PWM 5，随后生成的脉冲电流进入自动对焦的透镜调节电路9。

如图5所示，在本发明所述的摄像装置进行摄像的过程中，图像传感单元1在选取图像后，首先图像信号由数字转换电路转变为电荷，将图像发送到图像处理单元7内，通过图像处理单元7内的AF自动对焦算法模块3对其进行计算和判断；与此同时，微控制器MCU 4根据自动对焦算法模块AF 3的计算和分析结果输出一个脉冲宽度调制信号PWM 5，进而输出一个脉冲的包含电压分量和直流分量的交流电，该脉冲电流由滤波电容11滤去直流分量，经过变压器12的调节，进入自动对焦透镜6，调节自动对焦透镜6曲率半径大小的变化，使得透镜的焦点处于最恰当的位置。

由于在该透镜组内的是两种非可融性液体，所以它具有可在任何方向包括在垂直方向上调节的特点。

如图6所示，图像感应单元1在选取图像后，将图像发送到图像处理单元7内由自动对焦算法AF 3的计算和分析判断，同时微控制器MCU 4根据图像处理单元的计算和分析结果输出一个通用输入输出信号GPIO 13，经过脉冲宽度调制芯片PWMIC 14的调制，输出脉冲的包含电压分量和直流分量的交流电，再由滤波电容11滤去其中的脉冲直流分量，滤波后的电流经过变压器12的调节后，进入自动对焦透镜6，调节其曲率半径变化，从而达到自动对焦的目的。

本发明公开的方法，可以通过上述的具体实施方式所描述的装置和步骤实现。其中，自动对焦透镜是由两种非可融性液体组成的，该两种液体具有相同的密度。且其技术基础是一种可变光技术。

本发明所述的数码摄像装置和方法，并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明之领域，对于熟悉本领域的人员而言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 (9)

1.一种带有自动对焦系统的数码摄像装置，包括：

一个主控制器单元，一个图像传感器，一个图像处理单元，一个存储单元，一个键盘单元，一个输出接口单元，一个透镜单元，一个微控制器，其特征在于：

所述装置还进一步包括一个自动对焦电路；和

所述透镜单元为一个可通过电压控制来改变其焦距的透镜装置，其是由两种相同密度的非可融性液体组成；

所述的图像处理单元中设置一个自动对焦算法模块AF，用于对进入图像处理单元的图像进行计算并对图像的清晰度进行判断；

所述微控制器用于根据图像处理单元的判断结果输出一个电信号；

所述自动对焦电路是用于根据来自微控制器的电信号来控制透镜单元的焦距变化的电路，其将来自微控制器的电信号输出到透镜单元，调节所述透镜单元的曲率半径，以使透镜的焦点逐步的调整至相对于被摄景物的最恰当位置；

所述存储单元用于根据主控制器单元的命令存储来自图像传感器的图像信号；

所述主控制器获取来自图像处理单元的最清晰图像的判断信息，并选定对应最清晰图像的脉冲电流，并向键盘单元发出命令进行拍摄。

2.如权利要求1所述的带有自动对焦系统的数码摄像装置，其特征在于，所述的自动对焦电路内，包括一个可滤去脉冲电流中的直流分量的滤波电容，和一个具有可将滤波后的电流调整后输出到自动对焦透镜功能的变压器。

3.一种利用电压调节焦距的自动对焦的方法，采用由两种相同密度的非可融性液体组成的自动对焦透镜，并在每一次的图像选取过程中：

步骤A，对所要拍摄的景物进行最初的图像抓取，并对所抓取的图像信号经过自动对焦算法的图像处理；

步骤B，由微控制器根据图像的分析和处理结果，输出一个电信号；

步骤C，由一个自动对焦电路对该电信号进行处理，处理后的电压输入所属自动对焦透镜，利用自动对焦透镜内非可融性液体的表面张力，控制自动对焦透镜的曲率半径的变化，实现对焦距的自动调节；

步骤D，存储此次对应着一定电压和自动对焦透镜的曲率半径的图像存储；经过多次重复上述步骤进行图像抓取和图像处理后，选出最清晰的图像所对应的自动对焦透镜的焦距作为最恰当焦距。

4.如权利要求3所述的利用电压调节焦距的自动对焦的方法，其特征在于，所述的步骤C是通过一个自动对焦电路来完成的，由电路中的电容滤去脉冲的直流分量。

5.如权利要求3所述的利用电压调节焦距的自动对焦的方法，其特征在于，在图像处理的过程中，不同的图像对应着不同电压值，该电压值是由PWM信号或GPIO信号所决定的，从而根据该些图像的电压值来决定透镜的不同焦距。

6.如权利要求3所述的利用电压调节焦距的自动对焦的方法，其特征在于，步骤A所述的图像信号的处理是由自动对焦算法模块AF对图像传感器发回的图像信息进行计算和分析，并将计算和分析结果发送到微控制器MCU中。

7.如权利要求4所述的利用电压调节焦距的自动对焦的方法，其特征在于，步骤B中，图像信号经过图像处理单元中的自动对焦算法模块AF的计算和处理后，微控制器MCU根据自动对焦算法模块AF的计算和分析结果，输出一个与图像处理结果相对应的脉冲电信号。

8.如权利要求7所述的利用电压调节焦距的自动对焦的方法，其特征在于，所述的微控制器MCU输出的电信号是一个脉冲宽度调制信号PWM，或是一个通用输入输出信号GPIO。

9.如权利要求8所述的利用电压调节焦距的自动对焦的方法，其特征在于，所述的微控制器MCU生成一个通用输入输出信号GPIO后，输入电路内设置的脉冲宽度调制芯片PWMIC进行处理。

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