CN101144959B - 相机的自动对焦方法与数字相机 - Google Patents

相机的自动对焦方法与数字相机 Download PDF

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CN101144959B CN2007101652835A CN200710165283A CN101144959B CN 101144959 B CN101144959 B CN 101144959B CN 2007101652835 A CN2007101652835 A CN 2007101652835A CN 200710165283 A CN200710165283 A CN 200710165283A CN 101144959 B CN101144959 B CN 101144959B
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Abstract

本发明涉及一种相机的自动对焦方法与数字相机，特别涉及一种相机的自动对焦方法。首先，数字信号处理器设定第一参数p与第二参数q。影像撷取单元采集唯一的一影像。接着，数字信号处理器依据此影像、第一参数p与第二参数q计算物距。然后，光学调焦元件依据物距调整对焦位置。因此，本发明可大幅度减少对焦时间。

Description

相机的自动对焦方法与数字相机
技术领域
本发明是有关于一种相机自动对焦方法，且特别是有关于一种利用单张影像自动取得相机对焦位置的方法。
背景技术
随着科技的发展与数字装置的普遍性使用，人们与数字产品的关系愈来愈密不可分。在数字产品当中，数字相机(Digital Camera，DC)占了相当重要的一席之地。要决定数字相机的优劣之分，除了相机的成像品质好坏之外，相机的对焦技术更是不可忽视。对焦不但要速度快，而且要对焦准确，对焦速度快慢与对焦效果会直接影响到成像快慢与成像品质。
以目前的对焦技术而言，是使用特征函数判别相机是否对焦完成。图1是已知的一种相机调焦过程的示意图。请参照图1，相机在调焦的过程中，必须在多个对焦点分别拍摄图像，以估计或判别最佳对焦点的位置。因此所拍摄的取景图像必须经过“模糊-清晰-模糊-再返回清晰点”的过程，寻找对焦点的过程相当地浪费时间。不仅如此，以这种方式进行对焦不符合消费者的自然习惯，还必须在多个对焦点拍摄图像，因此相机所损耗的电力自然也随之增加。然而，现在的消费者不但对于相机所拍摄的相片品质十分讲究，对于相机的电池的续航力也非常的重视。因此若能以更加省电的方式进行对焦，则可大幅度提升相机的电池的续航力。
有鉴于此，相机的相关制造商莫不急于寻求适当的解决方式，以克服上述的问题。
发明内容
本发明提供一种相机的自动对焦方法，以节省聚焦时间。
本发明提供一种数字相机，不需采用反光镜即可达成对焦功能，借以节省硬件成本、提升画质并且能减小数字相机的体积。
本发明提出一种相机的自动对焦方法包括下列步骤：在一步骤中，设定与相机相关的第一参数p与第二参数q。在另一步骤中，采集唯一的一影像。在又一步骤中，依据此影像、第一参数p与第二参数q计算物距。在更一步骤中，依据物距调整对焦位置。其中设定与相机相关的第一参数p与第二参数q的步骤包括下列步骤：在可变距离Di处，分别拍摄同一点光源，得到相对应的影像Fi；利用高斯分布并分别依据影像Fi计算相对应的扩散参数σi；依据可变距离Di及其相对应的扩散参数σi建立数据集(Di，σi)；依据该数据集(Di，σi)与一代价函数，使用一迭代法设定该第一参数p与该第二参数q，其中该代价函数为
Figure B2007101652835D00021
i为相对应的编号；其中依据此影像、第一参数p与第二参数q计算物距的步骤包括下列步骤：利用边界演算法撷取影像的边界；估计目标扩散参数σ；依据目标扩散参数σ、第一参数p与第二参数q计算物距；其中所述的依据该目标扩散参数σ、该第一参数p与该第二参数q计算该物距的步骤，包括下列步骤：依据
Figure B2007101652835D00022
计算该物距，其中u为该物距。
本发明提出一种数字相机，包括光学调焦元件、影像撷取单元与数字信号处理器。光学调焦元件用以调整数字相机的对焦位置。影像撷取单元配置于光学调焦元件的光径上，其用以撷取影像。数字信号处理器耦接光学调焦元件与影像撷取单元。其中数字信号处理器设定与该数字相机相关的第一参数p与第二参数q。影像撷取单元撷取唯一的一影像。数字信号处理器依据影像、第一参数p与第二参数q计算物距。数字信号处理器并依据物距送出调焦信号。光学调焦元件依据调焦信号进行对焦。该数字相机用于在多个可变距离Di处，分别拍摄同一点光源，使该影像撷取单元得到相对应的多张影像Fi，并且该数字信号处理器利用高斯分布并分别依据所述影像Fi计算相对应的扩散参数σi，该数字信号处理器用于依据所述可变距离Di及其相对应的扩散参数σi建立一数据集(Di，σi)，该数字信号处理器用于依据该数据集(Di，σi)与一代价函数，使用一迭代法设定该第一参数p与该第二参数q，其中该代价函数为
Figure B2007101652835D00031
i为相对应的编号；该数字信号处理器用于利用一边界演算法撷取该影像的边界，并且该数字信号处理器估计一目标扩散参数σ，该数字信号处理器并依据
Figure B2007101652835D00032
计算该物距，其中u为该物距。
本发明在一步骤中，设定与相机相关的第一参数p与第二参数q。在另一步骤中，采集唯一的一影像。在又一步骤中，依据此影像、第一参数p与第二参数q计算物距。在更一步骤中，依据物距调整对焦位置。因此，通过分析唯一的一影像即可调整焦距，大幅度减少调焦时间。
本发明所述的相机的自动对焦方法与数字相机，利用唯一的单张影像即可求得物距，借以调整数字相机的对焦位置，不但可加速对焦时间，更可提升影像的清晰度。
附图说明
图1是已知的一种相机调焦过程的示意图。
图2A是依照本发明的一实施例的一种数字相机的示意图。
图2B是依照本发明的一实施例的一种自动对焦方法的流程图。
图3是依照本发明的一实施例的一种成像系统的示意图。
图4是依照本发明的一实施例的一种设定第一参数p与第二参数q的流程图。
图5是依照本发明的一实施例的一种依据唯一的单张影像、第一参数p与第二参数q计算物距的流程图。
图6A是依照本发明的一实施例的一种利用边界演算法得到影像的边界的流程图。
图6B是依照本发明的一实施例的一种边界演算法的一种水平运算元的示意图。
图6C是依照本发明的一实施例的一种边界演算法的一种垂直运算元的示意图。
图7是依照本发明的一实施例的一种以迭代法估计目标扩散参数σ的流程图。
图8A是依照本发明的一实施例的假想边界将影像划分成两区域的示意图。
图8B是依照本发明的一实施例的边界将影像划分成两区域的示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。
图2A是依照本发明的一实施例的一种数字相机的示意图。图2B是依照本发明的一实施例的一种自动对焦方法的流程图。请合并参照图2A与2B，数字相机10包括了光学调焦元件20、影像撷取单元30与数字信号处理器40。光学调焦元件20用以调整数字相机的对焦位置。影像撷取单元30配置于光学调焦元件20的光径上，用以撷取影像。影像撷取单元30例如是电荷耦合元件(Charge Coupled Device，简称CCD)。数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称DSP)40耦接光学调焦元件20与影像撷取单元30。
承上述，首先，步骤S201由数字信号处理器40设定与相机相关的第一参数p与第二参数q。步骤S202，影像撷取单元30撷取唯一的一影像。步骤S203，数字信号处理器40依据此影像、第一参数p与第二参数q计算物距。步骤S204，数字信号处理器40依据物距送出调焦信号给光学调焦元件20，此光学调焦元件20则依据调焦信号进行对焦。如此即可仅利用单张影像进行对焦，大幅度减少数字相机的对焦时间。接着则针对上述的各步骤作更详细的说明。
图3是依照本发明的一实施例的一种成像系统的示意图。请参照图3，其中物距u为一点光源O与镜片201的距离，s为散焦平面与镜片201的距离，f为镜片201的焦距，D为镜片201的光圈，d为点光源在散焦平面的成像。由图3可推得物距u与光圈D具有下列公式(1)的关系：
Figure B2007101652835D00061
....公式(1)，其中
Figure B2007101652835D00062
而F亦即镜片201的光圈系数。在考虑衍射作用(Diffraction Effect)与镜片成像系统的影响，散焦平面的点扩散函数可以用二维高斯分布G(r，σ)描述。其中r为高斯分布离开中心点的距离参数。σ＝k-1d，而k是由镜片特性所决定的常数。将此关系代入公式(1)可推物距u与点扩散函数参数σ的关系如下列公式(2)所示：
Figure B2007101652835D00063
....公式(2)，其中第一参数p与第二参数q为确定的系统参数，因此通过对σ正确估计则可得到物距u的正确估计。接着则针对如何设定第一参数p与第二参数q作更详细的介绍。
图4是依照本发明的一实施例的一种设定第一参数p与第二参数q的流程图。请参照图4与图2A与图3，首先步骤S401，数字相机10在多个可变距离Di处，分别拍摄同一点光源，得到相对应的多张影像Fi。步骤S402，利用高斯分布并分别依据相对应的多张影像Fi计算相对应的扩散参数σi。步骤S403，依据多个可变距离Di及其相对应的扩散参数σi建立数据集(Di，σi)。步骤S404，依据数据集(Di，σi)来设定第一参数p与第二参数q，其中i为相对应的编号。换言之，数据集(Di，σi)所搜集的数据愈多，则所估计的第一参数p与第二参数q则会愈精确。
接着依据数据集(Di，σi)与代价函数
Figure B2007101652835D00071
使用迭代法，例如使用牛顿下降法(Newton’s Method)估计第一参数p与第二参数q。本领域普通技术人员应当知道，本实施例所举例的“牛顿下降法”仅是一特定实施例，在另一实施例中，迭代法仍可以使用最速下降法、牛顿下降法与最速下降法交错计算等等，故本发明不应当限定于此种特定实施例。最后再将第一参数p与第二参数q设定于数字信号处理器40中。数字相机10则可利用唯一的单张影像与公式(2)计算求得物距u。
值得一提的是，步骤S401～S404可以在数字相机10出厂前就先设定好，消费者在使用数字相机10的时候就可省去设定第一参数p与第二参数q的麻烦。本领域普通技术人员应当知道，步骤S402～S404可由数字信号处理器40来执行。在另一实施例中也可利用其他外部运算器，例如使用个人计算机进行运算。因此本发明并不限定于此。
当设定好第一参数p与第二参数q之后，消费者在使用数字相机10的时候，只需拍摄唯一的单张影像即可进行对焦。接着则针对如何依据唯一的单张影像计算物距u进行更详细的说明。
图5是依照本发明的一实施例的一种依据唯一的单张影像、第一参数p与第二参数q计算物距的流程图。请参照图5与2A，在本实施例中，以数字信号处理器40执行下列的各步骤为例进行说明。首先由步骤S501，利用边界演算法撷取单张影像的边界。步骤S502，估计目标扩散参数σ。步骤S503，依据目标扩散参数σ、第一参数p与第二参数q计算物距u，例如使用公式(2)计算物距u。接着则针对步骤S501作更详细的说明。
图6A是依照本发明的一实施例的一种利用边界演算法得到影像的边界的流程图。图6B是依照本发明的一实施例的一种边界演算法的一种水平运算元的示意图。图6C是依照本发明的一实施例的一种边界演算法的一种垂直运算元的示意图。请合并参照图6A、图6B与图6C，在本实施例中，以索贝尔(Sobel)边界演算法进行说明。在另一实施例中也可使用梯度边界演算法。首先步骤S601，将所撷取唯一的单张影像的多个区域分别与水平运算元(Operator)601作卷积(Convolution)得到单张影像的多个像素的水平边缘响应(Edge Response)，运算元又可称作遮罩(Mask)或核心(Kernel)。步骤S602，将所撷取唯一的单张影像的多个区域分别与垂直运算元602作卷积得到单张影像的多个像素的垂直边缘响应。
值得一提的是，水平运算元601具有强化水平边界的特性。垂直运算元602具有强化垂直边界的特性。为了兼具水平运算元601与垂直运算元602的特性，因此可通过步骤S603，取影像中任一像素的水平边缘响应与垂直边缘响应之中较大者，作为该像素的输出值。如此一来即可将输出值为极值的多个像素的连线视为唯一的单张影像的边界。此处所述的极值例如是像素所能表现灰阶值的上限值，本领域普通技术人员也可自行定一设定值，作为判断像素的输出值是否为极值的依据。
另外，本实施例图6B与6C所举例的“运算元”仅是一特定实施例，在另一实施例中，运算元仍可以使用梯度运算元、或其他权重与大小(Size)的运算元，故本发明不应当限定于此种特定实施例。接着则针对步骤S502作更详细的说明。
图7是依照本发明的一实施例的一种以迭代法估计目标扩散参数σ的流程图。图8A是依照本发明的一实施例的假想边界将影像划分成两区域的示意图。图8B是依照本发明的一实施例的边界将影像划分成两区域的示意图。请合并参照图7、图8A与图8B，在本实施例中，迭代法以梯度下降法为例进行说明。在另一实施例中，迭代法也可使用牛顿法或最速下降法。首先由步骤S701，估计v的一组初值，其中v＝(g1，g2，σ)，假设有一假想边界将所撷取的单张影像划分成的第一假想区域g1与第二假想区域g2。
接着步骤S702，定义代价函数
Figure B2007101652835D00091
其中
Figure B2007101652835D00092
由步骤S501所求得的影像的边界将影像划分成第一实际区域g1’与第二实际区域g2’。M为影像的一区域。(a，b)为区域的任一像素坐标。d(a，b)为像素坐标(a，b)与影像的假想边界的距离。d’(a，b)为像素坐标(a，b)与影像的边界的距离。Φ为高斯分布函数。换言之，f(a，b)为已知的值，
Figure B2007101652835D00093
为第一假想区域g 1与高斯分布函数进行卷积所得的估测值，
Figure B2007101652835D00094
为第二假想区域g2与高斯分布函数进行卷积所得的估测值。代价函数C(v)即透过均方误差最小原则估测出较佳的目标扩散参数σ。
承上述，由步骤S703计算与
Figure B2007101652835D00096
步骤S704计算亦即根据计算所得的
Figure B2007101652835D00098
与
Figure B2007101652835D00099
及将目前的v值代入代价函数C(v)计算所得的值，获得v的一组调整值Δv。步骤S705，依据v＝v+Δv对v进行修正；步骤S706，当|Δv|小于一误差值或迭代次数达到一设定值则完成迭代法。值得一提的是，本领域普通技术人员可依其需求自行设定此误差值与设定值。若|Δv|未小于此误差值且迭代次数未达到此设定值则回到步骤S703继续执行迭代法。如此一来，即可求得较佳的目标扩散参数σ。由于此时的第一参数p、第二参数q与目标扩散参数σ皆为已知，因此再依据公式(2)即可求得物距u。
此外，值得一提的是，虽然上述实施例中已经对计算物距u描绘出了一个可能的型态，但本领域普通技术人员应当知道，各厂商对于计算物距的方法都不一样，各厂商当然也可依其需求以更简易的公式取代上述的各演算法，借以节省运算时间并降低硬件成本。换言之，只要是计算物距u的方法符合上述实施例的原理，就已经是符合了本发明的精神所在。
请再参照图2A，当求得物距u之后，数字信号处理器40即可依据物距u输出调焦信号给光学调焦元件20。调焦信号包括了数字相机10的镜头所需调整的距离以及调整的方向。光学调焦元件20则依据调焦信号进行对焦，使影像撷取单元30获得清晰的影像。借以提升所撷取的影像的品质，并减少电力的损耗。
综上所述，本发明的实施例至少具有下列优点：
1.利用唯一的单张影像即可求得物距u，借以调整数字相机的对焦位置，不但可加速对焦时间，更可提升影像的清晰度。
2.本发明的实施例中，数字相机不需要反光镜即可达成对焦功能，借以节省硬件成本与电力消耗、提升画质并且能减小数字相机的体积。
以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。
附图中符号的简单说明如下：
10：数字相机
20：光学调焦元件
30：影像撷取单元
40：数字信号处理器
201：镜片
601：水平运算元
602：垂直运算元
u：物距
s：散焦平面与镜片的距离
f：焦距
D：光圈
d：散焦平面的成像
g1：第一假想区域
g2：第二假想区域
g1’：第一实际区域
g2’：第二实际区域
S201～S204：图2B的一种自动对焦方法的各步骤
S401～S404：图4的一种设定第一参数p与第二参数q的各步骤
S501～S503：图5的一种依据唯一的单张影像、第一参数p与第二参数q计算物距的各步骤
S601～S603：图6A的一种利用边界演算法得到影像的边界的各步骤
S701～S706：图7的一种以迭代法估计目标扩散参数σ的各步骤。

Claims (9)

1.一种相机的自动对焦方法，其特征在于，包括下列步骤：
设定与该相机相关的一第一参数p与一第二参数q；
采集一影像；
依据该影像、该第一参数p与该第二参数q计算一物距；以及
依据该物距调整对焦位置；
其中，所述的设定与该相机相关的一第一参数p与一第二参数q的步骤，包括下列步骤：
在多个可变距离Di处，分别拍摄同一点光源，得到相
对应的多张影像Fi；
利用高斯分布并分别依据所述影像Fi计算相对应的扩散参数σi；
依据所述可变距离Di及其相对应的该扩散参数σi建立一数据集(Di，σi)；以及
依据该数据集(Di，σi)与一代价函数，使用一迭代法设定该第一参数p与该第二参数q，其中该代价函数为i为相对应的编号；
所述的依据该影像、该第一参数p与该第二参数q计算一物距的步骤，包括下列步骤：
利用一边界演算法撷取该影像的边界；
估计一目标扩散参数σ；以及
依据该目标扩散参数σ、该第一参数p与该第二参数q计算该物距；
其中所述的依据该目标扩散参数σ、该第一参数p与该第二参数q计算该物距的步骤，包括下列步骤：依据
Figure F2007101652835C00012
计算该物距，其中u为该物距。
2.根据权利要求1所述的相机自动对焦方法，其特征在于，该迭代法为牛顿下降法。
3.根据权利要求1所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述的利用一边界演算法撷取该影像的边界的步骤，包括下列步骤：
将该影像的多个区域分别与一水平运算元作卷积以得到该影像的多个像素的水平边缘响应；
将该影像的所述区域分别与一垂直运算元作卷积以得到该影像的所述像素的垂直边缘响应；以及
取任一像素的该水平边缘响应与该像素的该垂直边缘响应之中较大者，作为该像素的输出值，其中将该输出值为极值的多个像素的连线视为该影像的边界。
4.根据权利要求3所述的相机自动对焦方法，其特征在于，该水平运算元与该垂直运算元为如下两种其中之一：索贝尔运算元和梯度运算元。
5.根据权利要求1所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述的估计一目标扩散参数σ的步骤，包括下列步骤：
以一迭代法估计该目标扩散参数σ。
6.根据权利要求5所述的相机自动对焦方法，其特征在于，该迭代法为梯度下降法。
7.根据权利要求5所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述的以一迭代法估计该目标扩散参数σ的步骤，包括下列步骤：
估计v的一组初值，其中v＝(g1，g2，σ)，一假想边界将该影像划分成一第一假想区域g1与一第二假想区域g2；
定义一代价函数
Figure F2007101652835C00021
其中
Figure F2007101652835C00031
该影像的边界将该影像划分成一第一实际区域g1’与一第二实际区域g2’，M为该影像的一区域，(a，b)为该区域的任一像素坐标，d(a，b)为该像素坐标与该影像的该假想边界的距离，d’(a，b)为该像素坐标与该影像的该边界的距离，Φ为高斯分布函数；
计算
Figure F2007101652835C00032
与
Figure F2007101652835C00033
计算亦即根据计算所得的
Figure F2007101652835C00035
与
Figure F2007101652835C00036
及将目前的v值代入该代价函数C(v)计算所得的值，获得v的一组调整值Δv；
依据v＝v+Δv对v进行修正；以及
当|Δv|小于一误差值或迭代次数达到一设定值则完成该迭代法。
8.一种数字相机，其特征在于，包括：
一光学调焦元件，用以调整该数字相机的对焦位置；
一影像撷取单元，配置于该光学调焦元件的光径上，用以撷取影像；以及
一数字信号处理器，耦接该光学调焦元件与该影像撷取单元；
其中该数字信号处理器设定与该数字相机相关的一第一参数p与一第二参数q，该影像撷取单元撷取唯一的一影像，该数字信号处理器依据该影像、该第一参数p与该第二参数q计算一物距，该数字信号处理器依据该物距送出一调焦信号，该光学调焦元件依据该调焦信号进行对焦；
该数字相机用于在多个可变距离Di处，分别拍摄同一点光源，使该影像撷取单元得到相对应的多张影像Fi，并且该数字信号处理器利用高斯分布并分别依据所述影像Fi计算相对应的扩散参数σi，该数字信号处理器用于依据所述可变距离Di及其相对应的扩散参数σi建立一数据集(Di，σi)，该数字信号处理器用于依据该数据集(Di，σi)与一代价函数，使用一迭代法设定该第一参数p与该第二参数q，其中该代价函数为
Figure F2007101652835C00041
i为相对应的编号；
该数字信号处理器用于利用一边界演算法撷取该影像的边界，并且该数字信号处理器估计一目标扩散参数σ，该数字信号处理器并依据计算该物距，其中u为该物距。
9.根据权利要求8所述的数字相机，其特征在于，该数字信号处理器用于将该影像的多个区域分别与一水平运算元作卷积以得到该影像的多个像素的水平边缘响应，并且该数字信号处理器将该影像的所述区域分别与一垂直运算元作卷积以得到该影像的所述像素的垂直边缘响应，并且该数字信号处理器取任一像素的该水平边缘响应与该像素的该垂直边缘响应之中较大者，作为该像素的输出值，其中将该输出值为极值的多个像素的连线视为该影像的边界。
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