CN101171833A - 具有三角测量自动聚焦系统的数字照相机以及相关方法 - Google Patents

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Abstract

具有三角测量自动聚焦系统(10)的数字照相机包括光点束发射器(20)，其可被用来把光点(P1，P2)投射到在图像上被捕获的对象上，并且被用来以电子方式自动地确定对象到照相机的距离。

Description

具有三角测量自动聚焦系统的数字照相机以及相关方法
技术领域
本发明一般而言涉及数字照相机设备，并且可特别适合于包括数字照相机的移动电子设备。
背景技术
许多数字静止图像和视频照相机利用了测量图像内容的对比度的被动型自动聚焦系统。一般而言，当把在同一个场景上再现的清晰图像与模糊图像进行比较时，清晰图像包含来自高的空间频率的更多信息。暗区与亮区之间的过渡越多，暗区与亮区之间的差别越大。估计图像之间的图像内容的对比度可以给出清晰度的相对量度(measure)。常规的基于对比度的自动聚焦系统包括照相机透镜、用于改变透镜位置的聚焦装置、成像传感器和数字信号处理器(DSP)。透镜被配置成移动到不同的离散的聚焦位置，每个位置相应于特定的对象到照相机的距离。在工作中，系统在自动聚焦过程期间把透镜移动到多个不同的位置。图像在每个位置处被捕获，并且可以对每幅图像确定一个相对清晰度值。系统然后把透镜移动到产生具有最大清晰度值的图像的位置。
典型移动电话数字照相机把图像对比度技术用于自动聚焦。移动电话照相机通过使用由在10-20个之间的聚焦步骤所实现的分辨率，可以覆盖从约10cm到无穷大的焦距。这样的移动电话照相机可以具有一个2百万像素传感器和一个带有孔径f1:2.8的固定焦距透镜。这种类型的照相机可以在日光或明亮的人工光下产生每秒约15-30幅图像。可以相信，使用这些设备的图像的自动聚焦动作相对较慢，并且会花费约1-2秒来执行。
子采样可被用来缩短这个时间。在子采样方法中，透镜在搜索过程期间不移动到每个离散的位置。清晰度值可被插值，以便产生对于在实际被采样的这些位置之间的位置的清晰度的估计。
遗憾的是，虽然子采样可以缩短自动聚焦时间，但会引入精度的恶化。另外，聚焦所花费的时间仍然相对较长，典型地约为1秒。这会使得难以通过使用子采样技术对视频记录实现自动聚焦的良好跟踪。例如，当主要对象移动得更靠近或更远离照相机时，系统可指示清晰度已改变。然而，难以确定对象移动了多少和/或沿哪个方向移动。一些相对较复杂和精密的(相对较昂贵的)视频系统可以通过以非常小的步长来回“搜索”透镜来解决这个问题。
对于具有静止和/或视频记录能力的数字照相机而言，仍然需要提供可选的经济的自动聚焦系统。
发明内容
本发明的一些实施例提供具有三角测量自动聚焦系统的数字照相机。本发明的某些实施例提供结合了具有三角测量自动聚焦系统的数字照相机的移动通信设备。
本发明另外的一些实施例针对在静止图像和/或视频记录模式下使数字照相机自动聚焦的方法。该方法包括：(a)把至少一个光点投射向目标对象；(b)响应于投射步骤，捕获具有至少一个光点的目标对象的第一图像；(c)通过使用具有光点的图像来可编程地确定从数字照相机到目标对象的距离；并且(d)基于该确定步骤使数字照相机透镜自动聚焦。在一些实施例中，该方法可包括：在贴近捕获第一图像的时间捕获缺乏发射光点的目标对象的第二图像；以电子方式比较在第一和第二图像上的感兴趣区域，以便确定与第一图像上的光点相关联的位置数据；并且基于所确定的位置数据以电子方式计算从照相机到目标对象的距离。第一和第二图像可以通过使用相同的曝光设置和相同的白平衡设置而被捕获。
可以执行该方法以使得第一和第二图像在彼此相差小于约0.10秒内被捕获。在帧速率处在约15-30fps之间的一些实施例中，自动聚焦步骤可以在约0.033-0.067秒的范围内执行。对于提高的帧速率，在捕获的图像之间的延迟可以小于0.033秒。
该方法可包括：在视频记录期间通过监视在图像上顺序生成的投射的光点而自动聚焦；并且在视频记录光点图像上从图像数据中以电子方式除去光点。
在一些实施例中，该方法可包括通过使用捕获的光点图像自动稳定在静止图像上运动对象的聚焦。投射步骤可包括从一个处在光谱的可见光部分的光源发射光。
在一些实施例中，捕获步骤可包括通过使用数字照相机传感器来捕获图像信号，所述数字照相机传感器被配置成通过在图像曝光时间期间检测光子来对信号进行积分。
在一些实施例中，投射至少一个光点是通过基本上同时地投射多个离散的在空间上分开的光点而执行的。该方法还可包括计算多个对象到光点距离，对于多个分开的光点，每个光点有一个距离。自动聚焦步骤可以使用被计算为具有最接近的对象到照相机的距离的光点来确定对于图像的焦距。
在一些实施例中，该方法可包括自动以电子方式配准在第一和第二图像上的感兴趣区域，由此提供图像稳定性。
本发明的一些另外的实施例针对提供在由具有数字照相机的移动电子通信设备生成的图像上的运动图像稳定性的方法。该方法包括：(a)以电子方式捕获参考图像；(b)以电子方式捕获具有至少一个光点图像区域的目标图像；(c)通过比较包含光点图像区域的目标图像的至少一部分与在参考图像上的相应区域，从而自动地以数学方式至少变换目标图像的该光点图像区域；并且(d)基于来自数学变换的数据，生成运动稳定的图像。
在一些实施例中，参考图像和目标图像可以在彼此相差小于约0.10秒内被捕获(典型地，在彼此相差约0.033-0.067秒内)。该方法可包括：基于来自数学变换的数据，配准目标图像和参考图像；从对准的目标图像和参考图像中减去相应的像素值以提供差值图像；并且基于差值图像确定光点位置。在一些特定实施例中，所述减去相应的像素值的步骤包括分开地计算在相应的像素中不同颜色的像素值。
本发明的另外的实施例提供配置有三角测量自动聚焦系统的数字照相机。
在一些实施例中，具有三角测量自动聚焦系统的数字照相机形成便携式电子通信设备的一部分。
在一些实施例中，数字照相机包括光点束发射器和被布置成贴近光点束发射器的照相机透镜，光点束发射器被配置成把至少一个光点投射到一个目标对象上，该目标对象能够在照相机拍摄的该目标对象的数字图像上被捕获。光点束发射器可被配置成投射处在光谱的可见光部分内的光。
数字照相机可包括与照相机透镜通信的照相机图像传感器，照相机图像传感器被配置成用作三角测量自动聚焦系统中的接收器。
在一些实施例中，数字照相机可包括被配置成与光点束发射器通信的数字照相机图像传感器和/或与光点束发射器通信以便控制投射光点的持续时间和/或强度的自动曝光控制电路。
数字照相机可包括在光的传输路径上的准直透镜，该准直透镜被配置成准直来自光点束发射器的光。
在一些实施例中，数字照相机光点束发射器被配置成生成在该图像上捕获的一个对象上的多个在空间上分开的光点。
在某些实施例中，数字照相机可包括与光点束发射器通信以便基本上同时地生成在图像上的多个光点的下列的一项或多项：透明的衍射光栅、圆柱形透镜或全息衍射光栅。
数字照相机可包括光点束发射器，该光点束发射器被配置成利用具有约1ms或更小的光点持续时间的光点束脉冲来工作。
在一些实施例中，数字照相机还可包括对比度自动聚焦系统。数字照相机可包括与光点束发射器通信的光强度控制电路。数字照相机光点束发射器可包括激光器，以及照相机可包括脉冲控制电路。数字照相机可包括自动曝光控制装置，该自动曝光控制装置被用来计时投射的光点的持续时间并监视目标图像对象的亮度。
数字照相机可包括被配置成在静止图像照相机模式和视频记录模式下有选择地操作照相机的控制电路。控制电路可被配置成控制在静止图像和视频记录模式期间的光点束脉冲的发射，以及控制电路可被配置成防止在所选择的图像的采集期间的光点束脉冲的发射。
数字照相机设备可被配置成在以电子方式存储的顺序的第一和第二图像之间以电子方式自动地比较感兴趣区域，以确定与由光点束发射器生成的光点相关联的位置数据，然后基于所确定的位置数据以电子方式自动地计算目标对象到照相机的距离，并且基于计算的距离把透镜的位置调节到适当的焦点位置。
数字照相机设备可被配置成自动地以电子方式配准和/或对准在第一和第二图像上的感兴趣区域，由此提供静止图像上的运动图像稳定性。
在特定实施例中，数字照相机被固定在便携式电子通信设备中。数字照相机可包括光点束发射器，该光点束发射器被配置成把光点投射到目标对象上，其具有足以允许该光点在目标对象的数字图像上被捕获的持续时间和强度。
其它实施例是针对用于操作数字照相机中的三角测量自动聚焦系统的计算机程序产品。计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该存储介质具有被包含在该介质中的计算机可读程序代码。计算机可读程序代码包括：(a)可控制地操作光点束发射器来提供在捕获的数字图像上可见的光点的计算机可读程序代码；以及(b)通过使用在捕获的数字图像上来自光点束发射器的光点的被确定的光点距离来计算对象到照相机的距离的计算机可读程序代码。
计算机程序产品还可包括这样的计算机可读程序代码，其自动以电子方式配准和/或对准顺序地在时间上贴近的第一和第二图像之间的感兴趣区域，由此提供静止图像上的运动图像稳定性。
还有其它的实施例针对具有包括自动聚焦系统的数字照相机的便携式通信设备，该自动聚焦系统被配置成通过使用取景器图像数据来测量在目标对象和照相机之间的距离并且基于测量的距离把照相机透镜自动移动到焦点位置。
附图说明
根据在结合附图阅读时本发明的特定实施例的以下详细描述，将更容易理解本发明的其它特征，其中：
图1是根据本发明各种实施例的三角测量自动聚焦系统的示意图；
图2A是根据本发明实施例的具有带有光点束发射器的自动聚焦系统的数字照相机的示意图；
图2B是根据本发明实施例的带有具有与光点束发射器通信的准直透镜的自动聚焦系统的数字照相机的示意图；
图3A是根据本发明实施例的具有使用把光点投射到目标对象上的光点束发射器和被配置来捕获具有光点的对象的图像的照相机透镜的自动聚焦系统的数字照相机的示意图；
图3B是具有被配置成基本上同时生成在数字图像上可被捕获的多个投射的光点的自动聚焦系统的数字照相机的示意图；
图4A和4B是根据本发明实施例的示例性数字照相机的正视图；
图5A是根据本发明实施例的用于数字照相机的自动聚焦系统的部件的方框图；
图5B是根据本发明实施例的用于控制激光光点束发射器的脉冲输出的电路图；
图6是根据本发明实施例的可被用于使数字照相机自动聚焦的操作的流程图；
图7是根据本发明实施例的可被用于使数字照相机自动聚焦的操作的流程图；
图8是根据本发明实施例的可被用来实现具有运动稳定性的数字照相机的自动聚焦的方法的操作的流程图；
图9是根据本发明实施例的数据处理系统的方框图；
图10A是目标对象的数字参考图像，以及图10B是目标对象的光点图像，这些图像根据本发明的实施例在时间上被按顺序拍摄；
图11A是根据本发明实施例的在图10A和10B上示出的参考图像和光点图像的差值图像；
图11B是根据本发明实施例的在图11A上示出的差值图像上光点区域的显著地放大的图像；
图12A是使用常规的基于对比度的AF系统的目标对象的数字图像；
图12B是图12A所示的相同的目标对象的数字图像，但是是利用根据本发明实施例的多光点三角测量AF系统拍摄的；
图13是根据本发明实施例的具有多个光点位置的QVGA图像，为了清楚起见，这些光点位置在被显示在右侧的所提取的分解的部分中被放大；以及
图14是源代码的例子，该源代码可被用来可编程地执行根据本发明实施例的图像分析计算，以便利用图像配准来估计光点位置。
具体实施方式
现在在下文将参考在其中示出本发明实施例的附图更全面地描述本发明。然而，本发明不应当被解释为限于在此所述的实施例。更确切地说，这些实施例被提供来使得本公开将是透彻和全面的，并且将把本发明的范围充分地传达给本领域技术人员。相同的数字是指全文中相同的元素。在附图中，为了清楚起见，某些层、部件或特征可能被夸大，并且虚线说明可选的特征或操作，除非另有规定。另外，操作(或步骤)的序列不限于在权利要求书或附图中所给出的次序，除非另有特别地指示。在被使用的情况下，术语“被附着”、“被连接”、“接触”、“耦合”等等可以是指直接地或间接地，除非另有说明。
将会理解，虽然术语第一、第二等等在这里可被用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅仅被用来区分一个元件与另一个元件。因此，下面讨论的第一元件可以被称为第二元件，而不背离本发明的范围。另外，如在此所用的，单数形式“一个”、“一”和“该”打算也包括复数形式，除非上下文另有清楚地指示。
还将会理解，如在此所用的，术语“包括”是开放式的，并且包括一个或多个所述的元件、步骤和/或功能，而不排除一个或多个未阐述的元件、步骤和/或功能。如在此所用，术语“和/或”包括一个或多个相关联的列举的项目的任何的和所有的组合。还将会理解，当一个元件被称为“被连接”到另一个元件时，它可以被直接连接到另一个元件或者可以存在插入元件。相反，当一个元件被称为“被直接连接”到另一个元件时，则不存在插入元件。还将会理解，所说明的元件的尺寸和相对取向没有被按比例显示，并且在一些实例中，为了解释的目的夸大了它们。
除非另有定义，否则在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与由本发明所属的领域的技术人员通常理解的相同的含义。还将会理解，诸如在通常使用的词典中定义的那样的术语，应当被解释为具有与在本申请的上下文和相关的技术中它们的含义一致的含义，而不应当被解释为理想化的或过分正式的意义，除非在此明确这样定义。
术语“电子”是指系统、操作、或设备可以通过使用任何合适的电子介质进行通信，并且典型地利用对于在具有自动聚焦系统的数字照相机的部件之间的通信、接口协议、定时和数据交换等等的可编程控制。术语“自动”是指可以执行这样描述的基本上所有的或所有的操作而不需要操作人员的主动的人工输入，并且典型地是指操作可以可编程地以电子方式被引导和/或实行。
术语移动电子(通信)设备包括可以是移动无线终端的便携式无线通信设备，并且包括所有的这样的设备，例如移动电话、寻呼机、通信器、电子组织器、智能电话、手持计算机、膝上型计算机、或掌上计算机、个人数字助理等等。
术语“三角测量自动聚焦系统”是指采用主动型自动聚焦的自动聚焦系统，其计算在照相机与对象之间的距离的量度而不是通过比较多幅图像来分析相对清晰度。三角测量自动聚焦系统可以把来自集成在照相机中的光源的辐射的发射的射线投射向目标对象。投射的一个或多个光点可以在作为反射光的对象的数字图像(典型地在相对较低的分辨率的取景器图像数据)中被检测到。术语“光点”是指由从所投射的光点所捕获的辐射的发射光线造成的图像的一个小的局部区域。光点可以是包括条或线的任何合适的形状，并且其大小可以被确定成在数字图像上可通过使用照相机的分辨率而被检测。在一些实施例中，该光点可以是在约1-5个像素之间，以及在一些特定实施例中，它可以是一个子像素大小。正如下面将要讨论的，在一些实施例中，数字照相机可被配置成产生多个光点，其中的一个或多个光点可被用来确定对于目标对象的适当的焦距。
本发明的实施例可以以任何期望的分辨率(较高的分辨率提供更多的细节)来使用。用于数字照相机、图像(文件)、以及显示器的典型的标准尺寸/分辨率是VGA(视频图形阵列)。VGA尺寸是640像素宽×480像素高(或在纵向取向上反之亦然)。VGA比起CIF、QCIF和QVGA具有更高的分辨率，但是小于SVGA、XGA和百万像素。在特定实施例中，例如用于紧凑的移动电话，数字照相机可被配置成提供具有约320像素×240像素的QVGA(四分之一VGA)，它是较高的分辨率，高于QCIF，但小于VGA。
正如本领域技术人员将会认识到的，本发明的实施例可被体现为方法、系统、数据处理系统、或计算机程序产品。因此，本发明可以采取一个全部软件实施例或一个组合软件和硬件方面的实施例的形式，所有的这些在这里总的被称为“电路”或“模块”。而且。本发明可以采取一个具有在介质中包含的计算机可用程序代码的计算机可用存储介质上的计算机程序产品的形式。可以利用任何合适的计算机可读介质，包括硬盘、CD-ROM、光存储装置、诸如支持因特网或内联网的那样的传输介质、或者磁或其它电子存储装置。
用于执行本发明的操作的计算机程序代码可以以面向对象的编程语言(例如Java、Smalltalk或C++)来编写。然而，用于执行本发明的操作的计算机程序代码也可以以常规的过程编程语言(例如“C”编程语言)或在一个可视地面向的编程环境(例如VisualBasic)下编写。
下面部分地参考根据本发明实施例的方法、系统、计算机程序产品和数据和/或系统体系结构的流程图和/或方框图来描述本发明。将会理解，图上的每个方框和/或方框的组合可以由计算机程序指令来实施。这些计算机程序指令可被提供给通用计算机的处理器、专用计算机、或其它可编程数据处理设备，以便产生一个机器，从而使得经由计算机的处理器或其它可编程数据处理设备执行的指令创建用于实施在所述一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。
这些计算机程序指令也可以被存储在计算机可读存储器或存储装置中，后者可以指导计算机或其它可编程数据处理设备以特定的方式工作，以使被存储在计算机可读存储器或存储装置中的指令产生制造的产品，其中包括用于实施在所述一个或多个方框中规定的功能/动作的指令装置。
计算机程序指令也可以被装载到计算机或其它可编程数据处理设备上，以使在计算机或其它可编程数据处理设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实施的过程，从而使得在计算机或其它可编程数据处理设备上执行的指令提供用于实施在所述一个或多个方框中规定的功能/动作的步骤。
现在转向附图，图1说明三角测量自动聚焦(AF)工作原理。字母P1、P2是指对象位置。AF系统10包括光点束发射器20，其把光束20b投射向目标对象(P1或P2)。光点束发射器20可包括LED(发光二极管)、激光器或其它合适的光源。在一些实施例中，光点束发射器20可以工作在光谱的可见光部分。在其它实施例中，光点束发射器20可被配置成发射在眼睛不可见的光谱部分内的光。也可以使用这些类型的发射的光的组合。照相机传感器然后可被用作接收器30(正如下面将进一步讨论的)。
在接收器表面30s上光点图像的位置作为如由另一位置P2和相关联的反射光束20r’所显示的对象距离的函数而移位。输入的接收器信号依赖于光点图像的位置而变化。光点位置数据可以从接收信号中被提取。在过去被用于其它应用的一些光点位置检测方法的例子包括固态定位传感设备(PSD)、双光电二极管的倾斜布置、机械扫描光电二极管、机械扫描LED、以及机械扫描阻挡设备。
如图1所示，系统10可包括非球面透镜，例如准直透镜40。准直的光在对象上生成投射的光。系统10可包括第二透镜42，其把对象的图像投射在接收器30的表面上。
光点信号应当与从不同于光点束发射器20的源发出的信号隔离开。对于LED光点束发射器20和某些类型的接收器30，反射的红外辐射可以通过用某个频率调制LED脉冲而被隔离。来自接收器30的信号然后被以电子方式滤波，以抑制或除去不需要的或不相关的信号。
如图2A和2B所示，在一些实施例中，照相机传感器30s可被用作接收器30。系统10还可包括照相机透镜45以及具有图像分析模块50的处理器(例如数字信号处理器)和透镜定位器模块60，该透镜定位器模块60限定对象到照相机的距离，并且自动地以电子方式移动透镜到适当的焦点位置。透镜45可被配置成移动到不同的离散的位置(例如用于区域聚焦)或连续运动。正如本领域技术人员已知的，代替如在较早的照相机中那样在胶片上捕获照片，数字照相机(包括在照相机电话中的数字照相机)通过使用传感器、光敏集成电路来记录图像。传感器典型地是两种主要的类型中的一种类型，并且这两种类型是通过它们使用的技术而已知的：使用电容器阵列的CCD(电荷耦合器件)，或使用晶体管的CMOS(互补金属氧化物半导体)器件。无论安装哪种类型的传感器，工作原理总体上是相同的：通过透镜传送的光落到传感器上，传感器包含许多单独的光敏单元，并且每个单元对来自要被拍摄的场景的光的特定点起反应。输入的光的作用是造成传感器的各个单元的微小的变化，从而创建一幅反映图像的图案，然后这些变化被转换成电信号。使来自传感器的电输出接下来经历几个处理步骤，这样，被拍摄的场景的图像可以在取景器上重现，或者它可被存储在电话的存储器中以供稍后使用。
传感器30s可以是对于红外辐射不够灵敏的，所以光点束发射器20可被配置成生成处在光谱的可见光部分内的光。由照相机传感器30s捕获的光点图像数据可被处理以便识别图像上光点的位置。
在一些实施例中，两个顺序的图像可以进行比较，以便确定光点位置数据。其中一幅图像可以是光点图像，而另一幅图像可以是在光点束发射器不工作情况下“正常的”图像，其中该正常的图像在图像上缺乏光点。这两幅图像可以以任何期望的次序被拍摄(光点图像第一或第二)，并且通常在彼此间小于约0.1秒内相对较快地拍摄。典型的数字照相机可以以约15-30帧/每秒操作，并且可以在彼此间约0.033-0.067秒内捕获这两幅图像。为了便于比较图像，对于这两幅图像，曝光和白平衡可以被锁定在相同的级别。
仅仅需要比较图像的相对较小的部分，即在其中会存在光点的感兴趣区域的部分(节省图像处理时间)。自动聚焦可以相对较快地实现，在小于约0.5秒、典型地在小于约0.25秒、甚至在全暗下实现。
图3A说明透镜轴LA和发射器轴EA可以基本上平行。在一些实施例中，两个“D”轴之间的距离可以小于约3厘米，典型地小于约1厘米。光点束发射器20可以位于透镜附近，并且典型地位于透镜45的上面或下面，如图4A和4B所示(或者在使用多个光点束发射器的情况下，则在上面和下面-未示出)。
典型的移动电话照相机具有约5mm的焦距长度和f1:2.8的孔径，在对象位于约2.7米或更接近照相机10的情况下，可能只期望距离信息。也就是，当到对象的距离很远时，可能不具有一个可检测到的光点信号。在这些情形下，透镜可以聚焦在超焦距上。可选择地，照相机10可包括对比度AF系统和三角测量系统，并且在定义的距离以上可以(自动地)采用对比度AF系统。因为对比度AF系统不需要附加的硬件，所以提供两种类型的系统的成本相对较低。
图4A和4B说明，照相机10可包括取景器47，并且可选地还可包括闪光灯(例如氙闪光灯)和/或光传感器49以及伴随的闪光灯控制电路以便于曝光(亮度)控制。照相机10可以具有自动曝光控制，其使用光传感器49来生成有关对象的亮度的信息。该信息还可被用来计时光点束的持续时间和/或强度。在其它实施例中，可以设置预定的强度以供工作使用。可选择地，照相机10可包括用户可调强度设置。还应注意，有可能省略光传感器49，因为来自由本发明提供的AF系统的距离信息可被用作在闪光灯照明图像期间的曝光控制的基础。图4B还说明照相机10可被包括在便携式通信设备10c中。
图5A说明数字照相机10的各部件。如所示，光点束发射器20可以可选地与光强度控制电路23通信，以便控制和/或调节光点束的强度。无论如何，照相机10可以利用电路23来控制由光点束发射器20投射的光束的强度和/或持续时间。例如，在照相机运用闪光灯的情况下，光点束发射器20可以采用更强的光点束20r。当照相机电路23检测到非闪光灯(非全日光)图像时，光点束发射器20可以生成不太强的光束。
图5A还说明照相机透镜45与一个用于捕获数字光点图像的电子存储介质32以及一个使用在光点图像上的光点位置的对象焦距计算模块51’进行通信。距离计算模块51’可被配置为图2A和2B所示的图像处理模块51的一部分。照相机10还包括透镜位置聚焦模块70，后者具有用于自动移动透镜45到适当的聚焦位置的装置，正如本领域技术人员公知的。照相机10还可包括用于放大所接收的信号的放大系统(未示出)。
转回到图3A，正如以上讨论的，光点束发射器20可包括LED，后者典型地具有准直透镜40(图1)或激光器。照相机10可包括用于驱动LED的电子电路(未示出)。激光器(例如固态激光器)可被用来在较长的距离聚焦，因为它可以以较高的光功率工作并且把轮廓分明的光点投射到图像上，即使是在较长的距离上。
在一些实施例中，如图3B所示，系统10可被配置成通过使用多个投射的光束20b1、20b2生成多个离散的光点。所述多个光点可以提供更宽的AF区域。所述多个光点可以以几种方式生成。例如，如上所述的分立的光点束发射器。可选择地，诸如激光器20a之类的单个光点束发射器可以与一个把光束分裂成离散的射线的光学系统21通信。光学系统21可包括一个可以生成发散的光点束的透明的衍射光栅，并且在接收器的图像上生成具有恒定的间距的光点图像而与对象距离无关。光学系统21的另一个例子是圆柱形透镜和/或可以产生水平线图像的全息衍射光栅。所述多个光点通常可以在光点图像上对准(按照行和/或列)，典型地相对集中在图像的中心。
对于某些利用激光器的光点束发射器20，可能期望保持低的激光功率，典型地在大约激光指示器的范围内，并且使得激光脉冲的持续时间短，例如小于约2毫秒，典型地小于约1毫秒，以便控制对对象的眼睛的曝光。激光脉冲可被定时并被配置成足够短，以及具有低的能量，以便减小照相机10可能需要激光通知或警告标签的可能性。
图5B说明一个示例性脉冲控制电路80，其可被配置成控制激光脉冲持续时间。在工作中，流过电阻器81的电流不足以给激光光点束发射器(20，图3A、3B)供电。电容器82通过电阻器81被充电。当电容器82被充电时，它可以传递用于一个短激光脉冲的足够的能量。在电容器再次被充分地充电之前不能发射下一个激光脉冲，这将花费一定的时间，其取决于时间常数τ(其取决于R和C的值)和激光器的阈值电压。
图6说明可被用来实现根据本发明实施例的使数字照相机自动聚焦的示例性操作。至少一个光点被投射向目标对象(方框100)。以电子方式捕获具有至少一个光点的目标对象的第一图像(方框105)。通过使用具有至少一个光点的图像以便可编程地确定目标对象到数字照相机的距离(方框110)。基于所确定的距离使数字照相机透镜自动聚焦(方框115)。
在一些实施例中，可以可选地通过使用捕获的光点图像来稳定运动对象的图像(方框116)。稳定化过程可以校正由用户的手的抖动或场景上的运动造成的任何未对准。同样，在视频记录期间的自动聚焦可选地可包括监视顺序地生成的光点图像并从视频记录光点图像的图像数据中以电子方式除去光点(例如通过替换或调节像素值)(方框117)。
在一些实施例中，AF系统可以找到在视频记录图像上光点的位置，因为每当进行AF测量时光点可以是可见的。一旦在光点图像上识别出光点，就可以通过利用来自相应的参考图像的图像数据修补来除去它们。这样，透镜不需要在视频模式下“搜索”最佳的焦点和跟踪AF。距离可以按规则的间隔来检查，并且只有当该系统确定新数据是可靠的和调整是适当的时才可进行焦点校正。这样，当拍摄静止图像或运动目标的视频序列时，该系统可以执行可预测的AF。运动目标的运动可以基于一系列距离测量值进行预测。
图7说明也可被用来实施本发明的一些方面的示例性操作。如所示，目标对象的第二图像，即不带有发射的光点的图像，可以在贴近捕获第一图像的时间被捕获(方框125)。第二图像可以在第一光点图像之前或之后被捕获(方框126)。这两幅图像可以以电子方式比较，以便确定与光点相关联的位置数据(方框130)。基于所确定的位置数据可以计算从照相机到目标对象的距离(方框135)，因为光点的位置与距离是相关的。
所述比较可以可选地包括自动地以电子方式配准(对准)第一和第二图像上的感兴趣区域以提供运动图像稳定性，特别是在静止图像上(方框131)。感兴趣区域小于整个图像，并且典型地是一个其尺寸被确定为图像上包围光点区域的非常小的部分。
图8说明可被用来以电子方式自动地提供运动稳定的静止图像的操作。所述操作可以分开地或与本发明的其它方法组合地被使用(作为不需要使用三角测量AF系统的运动稳定性特征)。以电子方式捕获参考图像和具有至少一个光点区域的目标图像(方框140)。通过比较参考图像的相应的部分，以数学方式变换在目标图像上的光点图像区域(方框145)。基于该变换来生成运动稳定的静止图像(方框150)。
在一些实施例中，基于数学变换来配准目标和参考图像(方框146)。可以从配准的(对准的)目标和参考图像中减去相应的像素的值，以提供差值图像(方框147)。基于差值图像可以确定光点位置(方框148)。
变换可以水平地和垂直地移动以及旋转图像，同时通过使用相关比算法来比较参考图像。用于不同的变换的相关比可被反复地计算，直至确定“最佳的”或足够可接受的变换为止。因为对于图像的子组执行变换，所以在图像之间的差值预期是相对较小的。
因此，在某些实施例中，当这两幅图像被配准时，可以减去它们的相应的像素值。结果是一个具有相对于暗背景的光点的差值图像。当然，也可以使用其它对比度。差值图像可以通过使用公式(1)而生成。
Dn＝Xn-Yn                         公式1
其中“Dn”表示在光点图像帧“Xn”和参考图像帧“Yn”的相应像素值之间的差值图像的单个像素值。对于不同颜色的像素值可以分开地处理。例如，对于红色、绿色和蓝色的像素值可以分开地处理。可以对于在感兴趣区域中所有的像素反复进行计算。如果考虑到光点颜色，则找出差值图像上的光点位置可以更精确。第二差值图像(D2)可以通过使用公式(2)进行计算，其假设光点束发射器是红色发光源(例如LED)。差值图像D2是单色图像。可选择的公式可被用来强调光点的颜色特征。
D2n＝Xn[red]-Yn[blue]                       公式2
其中具有最高值的D2的像素对应于图像上的光点位置。
可以计算在照相机与对象之间的距离。公式3是可被用来计算距离的公式的例子。该公式假设照相机透镜的轴平行于发射器射线或光束的轴。
u＝fs/np                                    公式3
其中位移(n)是指在光点图像与图像的中心之间的位置差值。所计算的对象到照相机的距离(u)也取决于照相机透镜的焦距长度(f)、照相机透镜与发射器轴之间的距离(s)、按像素数目(n)测量出的光点的位移、以及像素间距(p)。
可以相信，精度还可以通过把一个多项式函数应用于表示在感兴趣方向上的光点图像的像素值(这可以提供子像素精度)而被进一步改进。
将会认识到，当到对象的距离是非常远时，光点信号可能是不可检测的。在这样的情形下，透镜应当聚焦到超焦距。这应当是令人满意的，因为可以假设没有任何信号响应与一个非常远的距离相关。可选择地，在这样的情形下，可以利用对比度AF系统。
在具有5mm的焦距长度和f1:2.8的孔径的典型的移动电话照相机中，距离信息可能仅仅在对象位于更接近约3米(例如约2.7米或更接近)的情形下才是适当的。计算的对象距离对应于照相机透镜的某个聚焦位置。通过使用距离信息，把透镜移动到正确的位置。确定距离的三角测量方法适合用于使数字照相机透镜自动聚焦。
图9说明可被包括在根据本发明一些实施例操作的设备中的示例性数据处理系统。如图9所示，可被用来执行或指导操作的数据处理系统包括处理器200、存储器236和输入/输出电路246。数据处理系统可被结合在数字照相机和/或便携式通信设备等等中。处理器200经由地址/数据总线248与存储器236通信并经由地址/数据总线249与输入/输出电路246通信。输入/输出电路246可被用来在存储器(存储器和/或存储介质)236与另一部件之间传送信息。这些部件可以是常规的部件，例如在许多常规的数据处理系统中使用的那些部件，和/或图像处理部件、透镜定位器等等，它们可被配置成如在此所述的那样工作。
特别地，处理器200可以是在市场上可买到的或定制的微处理器、微控制器、数字信号处理器等等。存储器236可包括任何存储器器件和/或存储介质，其包含被用来实施根据本发明的实施例使用的功能电路或模块的软件和数据。存储器236可包括但不限于下列类型的器件：高速缓存、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、快闪存储器、SRAM、DRAM和磁盘。在本发明的一些实施例中，存储器236可以是内容可寻址的存储器(CAM)。
如图9进一步所示，存储器(和/或存储介质)236可包括在数据处理系统中使用的几个类别的软件和数据：操作系统252；应用程序254；输入输出设备驱动器258；以及数据256。正如本领域技术人员将会认识到的，操作系统252可以是适合于与数据处理系统一起使用的任何操作系统，例如IBM、OS/2、AIX或zOS操作系统或MicrosoftWindows95、Windows98、Windows2000、或WindowsXP操作系统、Unix或LinuxTM。IBM、OS/2、AIX和zOS是美国、其它国家或二者的国际商用机器公司的商标，而Linux是美国、其它国家或二者的LinusTorvalds的商标。Microsoft和Windows是美国、其它国家或二者的微软公司的商标。输入/输出设备驱动器258典型地包括由应用程序254通过操作系统252访问的软件例程，以便与诸如输入/输出电路246和某些存储器236部件之类的设备通信。应用程序254说明实施根据本发明一些实施例的电路和模块的各种特征的程序。最后，数据256表示由应用程序254、操作系统252、输入/输出设备驱动器258和可以驻留在存储器236中的其它软件程序使用的静态和动态数据。
数据处理系统116可包括几个模块，其中包括三角测量AF模块220(使用距离的量度来聚焦透镜)、光点位置确定模块224、图像捕获和配准模块225等等。这些模块可被配置为单个模块或被另外配置成实施在此所述的操作的附加模块。
虽然本发明是参考图9中的应用程序220、224、225来说明的，但是正如本领域技术人员将会认识到的，其它配置也属于本发明的范围。例如，不是作为应用程序254，这些电路和模块也可被结合到操作系统252或数据处理系统的其它这样的逻辑部分中。而且，虽然图9中的应用程序220、224、234在单个数据处理系统被说明，但是正如本领域技术人员将会认识到的，这样的功能可以分布在一个或多个数据处理系统上。因此，本发明不应当被解释为限于图9所示的配置，而是可以由其它布置和/或在各数据处理系统之间的功能的部分来提供。例如，虽然图9被说明为具有各种电路和模块，但是这些电路或模块中的一个或多个可被组合或被进一步分开，而不背离本发明的范围。
图10A是目标对象的数字参考图像300。图10B是同一个目标对象的数字光点图像310。这两幅图像具有240×320像素的相同尺寸(QVGA)。在图10B上，由光点束发射器生成的小光点311在光点图像310上一个通常的中间位置处是可见的。
图11A是分别在图10B和10A示出的光点图像310和参考图像300的差值图像320。图11B是具有放大的光点区域311的差值图像。差值图像320利用公式(1)通过使用图像和计算机程序被处理。三角测量AF算法在QVGA分辨率下工作得足够好，以及可被用于取景器图像数据，并且不需要照相机工作在高分辨率模式。
图12A是通过使用常规的基于对比度的AF系统拍摄的数字图像400c，该AF系统有时难以聚焦到图像的正确的部分上。在本例子中，背景比在前景中的鸟提供更多的图像细节，并且该系统可能受欺骗而聚焦到背景上。因此，当对对比度AF系统应用宽聚焦时，就会出现聚焦问题。如所示，例如，如果聚焦区域覆盖一个在前景中具有稀疏的细节的对象并且该背景包含大量细节(例如树、树林区域或象建筑物的墙之类的结构)，则对比度系统可能决定聚焦到背景而不是前景上。
图12B说明通过使用三角测量AF系统拍摄的数字光点图像400s。多光点模式的使用可以允许通过使用三角测量方法和多个空间离散的光点411进行相对较宽的聚焦。如所示，光点(被显示为三个，但可以使用两个、四个或更多)围绕图像中心被水平地间隔开。也可以使用垂直的或成角度的光点模式，因此，图像400s可被分割成多个感兴趣区域，每个光点一个区域，以便考虑多个光点411。每个区域可以通过使用在此描述的算法和公式被分开地询问。可以计算在每个感兴趣区域中每个光点411的光点位置。对应于最低的距离值的光点位置可被用来聚焦，因为可以作出这样的假设：对象的位于最接近照相机的部分是场景中用户最可能想要聚焦的部分。
三角测量AF系统可以区分位于不同距离的对象。在本例子中，仅仅中心和右侧的光点将导致可检测到的反射，因为左侧光点与具有一个增加的距离值的另一个光点相关联。
区域聚焦尺度和景深通过使用三角测量数据来实现。以与连续的运动相对的离散的步长控制透镜的聚焦作用的方法通常被称为“区域聚焦”。区域聚焦是基于在使用中透镜的景深。区域聚焦尺度可以根据超焦距的一系列分数(fraction)来进行计算。超焦距是通过使用公式4来计算的。
h＝f2/NC                            公式4
其中“h”是超焦距，f是透镜的焦距，N是透镜孔径，以及C是混淆的圆周(最大允许的模糊圆周)。
图13说明具有一个放大的光点部分的QVGA图像上的光点图像，该放大的光点部分被分解地示于该图像的右侧。在这个例子中，假设光点束发射器的位置处在照相机透镜的下面。表1说明区域聚焦尺度的例子，以及图13所示的在捕获的图像上光点位置的像素步长的计算被显示于表1。焦距、近和远的距离以米给出。在本例子中，各光点位于同一个水平像素(5)上，以及在垂直距离上相对于中心从1到43个像素以3个像素的步长变化。
表1  使用光点位置的区域聚焦表
超焦距  焦距  近  远  像素  步长
 h  2,98  1,49  INF  1,5  3,0
 h/3  0,99  0,74  1,49  4,5  3,0
 h/5  0,60  0,50  0,74  7,5  3,0
 h/7  0,43  0,37  0,50  10,5  3,0
 h/9  0,33  0,30  0,37  13,5  3,0
 h/11  0,27  0,25  0,30  16,5  3,0
 h/13  0,23  0,21  0,25  19,5  3,0
 h/15  0,198  0,186  0,213  22,5  3,0
 h/17  0,175  0,165  0,186  25,5  3,0
 h/19  0,157  0,149  0,165  28,5  3,0
 h/21  0,142  0,135  0,149  31,5  3,0
 h/23  0,129  0,124  0,135  34,5  3,0
 h/25  0,119  0,114  0,124  37,5  3,0
 h/27  0,110  0,106  0,114  40,5  3,0
 h/29  0,103  0,099  0,106  43,5
表1说明在聚焦和三角测量的数学之间的关系。区域聚焦尺度根据超焦距来构建。被聚焦在超焦距上的透镜将具有从h/2到无穷大的范围内的景深。尺度的随后步长是通过把“h”除以奇整数而构建的。尺度中的任何步长将具有一个在下一个和前一个步长之间所达到的景深。“像素”列示出在光点离开图像的中心多少个像素时在给定的距离上将是可见的。“步长”列示出在下一个和前一个步长之间有多少个像素。该例子是基于一个具有5mm的焦距长度和速度1:2.8的透镜的数字照相机。照相机传感器是一个具有3微米的像素间距的2百万像素阵列。光点在具有240×320分辨率(QVGA)的取景器图像上被检测到。在这个例子中，在照相机透镜轴与光点束轴之间的距离是13.67mm。在以像素衡量的光点位置之间的步长是等距离的，从而使得结构和数学实施方式相对较简单。3像素的步长分辨率对于本例子提供足够的分辨率。
图14是可被用来执行根据本发明一些实施例的操作的示例性源代码列表。代码的这个例子不包括图像配准。再次注意，仅仅所述一个或多个感兴趣区域被搜索/询问。该代码被配置成从光点图像中减去参考图像以确定光点的位置。
总之，本发明的一些实施例可以提供一个或多个提高的自动聚焦速度、图像稳定性，可以在全暗中工作，可以使得连续跟踪AF成为可能，可以改进聚焦精度，可以比常规的三角测量系统降低成本，可以以相对较小的尺寸来实施。
本发明还可以在包括照相机的其它类型的移动电子设备中体现，而不背离本发明的范围。例如，移动电子设备可包括RF无线电和照相机，和/或它可包括诸如卫星或蜂窝无线电话之类的移动通信终端以及照相机设备。照相机电话可被配置成通过诸如蜂窝RF接口之类的无线接口传送图像，并且可以在显示器上显示图像。照相机电话还可被配置成根据通过无线接口接收的通信信号生成音频信号。可以由照相机电话以常规的方式来实现数字图像的传输和根据接收的通信信号生成音频信号。
可以在基本上不背离本发明的原理的情况下对于优选实施例作出许多改变和修改。因此，所有这样的改变和/或修改都打算被包括在如权利要求书所限定的本发明的范围内。在权利要求书中，装置加功能条款在被使用的情况下打算覆盖在执行所述功能时在此所述的结构，并且不仅是在结构的等同物方面，而且也是在等同的结构方面。所以，应当理解，前述是说明本发明，而不应被解释为限于所公开的特定实施例，并且对所公开的实施例的修改以及其它实施例都打算被包括在所附权利要求书的范围内。本发明由后面的权利要求书来限定，其中包括这些权利要求的等同物。

Claims (36)

1.一种在静止图像和/或视频记录模式下使数字照相机自动聚焦的方法，包括：
把至少一个光点投射向目标对象；
响应于投射步骤，捕获具有所述至少一个光点的目标对象的第一图像；
通过使用具有所述光点的图像来可编程地确定从数字照相机到目标对象的距离；并且
基于该确定步骤，使数字照相机透镜自动地聚焦。
2.权利要求1所述的方法，还包括：
在贴近捕获第一图像的时间捕获缺乏发射光点的目标对象的第二图像；
以电子方式比较在第一和第二图像上的感兴趣区域，以便确定与第一图像上的所述光点相关联的位置数据；并且
基于所确定的位置数据，以电子方式计算从所述照相机到目标对象的距离。
3.权利要求2所述的方法，其中第一和第二图像在彼此相差小于约0.067秒内被捕获。
4.权利要求1所述的方法，其中自动聚焦步骤在约0.033秒或更少的时间内被执行。
5.权利要求1-4中任何一项所述的方法，还包括：
在视频记录期间通过监视在图像上顺序生成的投射的光点而自动聚焦；并且
从视频记录光点图像上的图像数据中以电子方式除去光点。
6.权利要求1-5中任何一项所述的方法，还包括：通过使用捕获的光点图像来自动地稳定在静止图像上运动对象的焦点。
7.权利要求1-6中任何一项所述的方法，其中投射步骤包括：从处在光谱的可见光部分的光源发射光。
8.权利要求1-7中任何一项所述的方法，其中捕获步骤包括：通过使用数字照相机传感器来捕获图像信号，所述数字照相机传感器被配置成通过在图像曝光时间期间检测光子来对信号进行积分。
9.权利要求2-8中任何一项所述的方法，其中捕获第一和第二图像是通过使用相同的曝光设置和相同的白平衡设置来实现的。
10.权利要求1-9中任何一项所述的方法，其中投射至少一个光点是通过基本上同时地投射多个离散的在空间上分开的光点来实现的。
11.权利要求10所述的方法，还包括：计算多个对象到光点的距离，所述多个分开的光点的每个光点有一个距离，其中该自动聚焦步骤使用被计算为具有最接近的对象到照相机的距离的光点来确定图像的焦距。
12.权利要求2-11中任何一项所述的方法，还包括：自动地以电子方式使第一和第二图像上的感兴趣区域相关，由此提供图像稳定性。
13.一种提供在由具有数字照相机的移动电子通信设备所生成的图像上的运动图像稳定性的方法，包括：
以电子方式捕获参考图像；
以电子方式捕获具有至少一个光点图像区域的目标图像；
通过比较包含所述至少一个光点图像区域的目标图像的至少一部分与参考图像上的相应区域，从而自动地以数学方式至少变换目标图像的所述光点图像区域；并且
基于来自数学变换的数据，生成运动稳定的图像。
14.权利要求13所述的方法，其中参考图像和目标图像在彼此相差约0.067秒或更少的时间内被捕获，以及其中该方法还包括：
基于来自数学变换的数据，配准目标图像和参考图像；
从对准的目标图像和参考图像中减去相应的像素值，以提供差值图像；并且
基于差值图像来确定光点位置。
15.权利要求14所述的方法，其中所述减去相应的像素值的步骤包括：分开地计算出在该相应的像素中不同颜色的像素值。
16.一种数字照相机，其特征在于，该数字照相机包括三角测量自动聚焦系统。
17.权利要求16所述的数字照相机，其特征在于，该数字照相机形成便携式电子通信设备的一部分。
18.权利要求17所述的数字照相机，包括光点束发射器和被布置成贴近光点束发射器的照相机透镜，光点束发射器被配置成把至少一个光点投射到目标对象上，该目标对象能够在所述照相机所拍摄的目标对象的数字图像上被捕获。
19.权利要求18所述的数字照相机，还包括与照相机透镜通信的照相机图像传感器，该照相机图像传感器被配置成用作三角测量自动聚焦系统中的接收器。
20.权利要求18-19中任何一项所述的数字照相机，还包括被配置成与光点束发射器通信的数字照相机图像传感器。
21.权利要求20所述的数字照相机，还包括与光点束发射器通信以便控制投射光点的持续时间和/或强度的自动曝光控制电路。
22.权利要求18-21中任何一项所述的数字照相机，还包括处在光的传输路径中被配置成准直来自光点束发射器的光的准直透镜。
23.权利要求18-22中任何一项所述的数字照相机，其中光点束发射器被配置成生成在图像上捕获的一个对象上的多个在空间上分开的光点。
24.权利要求23所述的数字照相机，还包括与光点束发射器通信以便基本上同时生成在图像上的多个光点的下列的一项或多项：透明的衍射光栅、圆柱形透镜、或全息衍射光栅。
25.权利要求17-24中任何一项所述的数字照相机，其中光点束发射器被配置成利用具有约1ms或更少的光点持续时间的光点束脉冲进行工作。
26.权利要求17-25中任何一项所述的数字照相机，还包括对比度自动聚焦系统。
27.权利要求17-26中任何一项所述的数字照相机，还包括与光点束发射器通信的光强度控制电路。
28.权利要求17-27中任何一项所述的数字照相机，其中光点束发射器包括激光器，该照相机还包括脉冲控制电路。
29.权利要求17-28中任何一项所述的数字照相机，其中光点束发射器投射处于光谱的可见光部分的光。
30.权利要求17-29中任何一项所述的数字照相机，还包括被用来计时投射的光点的持续时间并监视目标图像对象的亮度的自动曝光控制装置。
31.权利要求17-30中任何一项所述的数字照相机，还包括被配置成在静止图像照相机模式和视频记录模式下有选择地操作照相机的控制电路，其中该控制电路被配置成在静止图像和视频记录模式期间控制光点束脉冲的发射，以及其中该控制电路被配置成在采集所选择的图像期间防止光点束脉冲的发射。
32.权利要求18-31中任何一项所述的数字照相机，其中该设备被配置成以电子方式自动地比较在以电子方式存储的顺序的第一和第二图像之间的感兴趣区域，以确定与由光点束发射器生成的光点相关联的位置数据，然后基于所确定的位置数据以电子方式自动地计算从照相机到目标对象的距离，并且基于所计算的距离把透镜的位置调节到适当的焦点位置。
33.权利要求32所述的数字照相机，其中该设备被配置成自动地以电子方式配准和/或对准在第一和第二图像上的感兴趣区域，由此提供静止图像上的运动图像稳定性。
34.一种用于操作数字照相机中的三角测量自动聚焦系统的计算机程序产品，该计算机程序产品包括：
计算机可读存储介质，其具有被包含在所述介质中的计算机可读程序代码，所述计算机可读程序代码包括：
可控制地操作光点束发射器以提供在被捕获的数字图像上可见的光点的计算机可读程序代码；以及
通过使用在捕获的数字图像上来自光点束发射器的光点的已确定的光点距离来计算对象到照相机的距离的计算机可读程序代码。
35.权利要求34所述的计算机程序产品，还包括：自动以电子方式配准和/或对准顺序地在时间上贴近的第一和第二图像之间的感兴趣区域从而提供静止图像上的运动图像稳定性的计算机可读程序代码。
36.一种具有包括自动聚焦系统的数字照相机的便携式通信设备，该自动聚焦系统被配置成使用取景器图像数据来测量目标对象和照相机之间的距离，并且基于所测量的距离把照相机透镜自动地移动到焦点位置。
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