CN101494737A - 一种一体化摄像机装置及自适应自动聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体化摄像机装置及自适应自动聚焦方法，对图像清晰度评价的评价函数，对连续采集的多帧图像的清晰度评价值所构成的曲线使用爬山法，根据变倍情况选择聚焦方法，搜索曲线的波峰并驱动镜头到达曲线波峰对应的聚焦位置，在搜索到波峰后对镜头场景进行实时的运动检测，当判定镜头场景出现了一定程度的模糊或运动场景发生了变化并且处于非聚焦状态时则驱动镜头电机启动新一轮的自动聚焦过程。本发明有益的效果是：该装置及其采用的方法能够在各种变倍倍率下有效判断聚焦方向，能“识别”图像处于模糊状态并加速走出模糊状态，克服传统聚焦方法在高倍率情况下在模糊区域难以判断聚焦方向、聚焦速度慢、反复振荡的问题。

Description

一种一体化摄像机装置及自适应自动聚焦方法

技术领域

本发明涉及成像领域的自动聚焦装置与方法，特别是一种一体化摄像机装置及自适应自动聚焦方法。

背景技术

最近由于通信与信息技术的迅速发展，尤其是宽带与无线通信技术的发展为具有高分辨率、高清晰度图像的快速传输提供了极大的便利，进一步刺激了图像采集及视频娱乐消费类电子的发展，如数码相机、摄像机及带摄像头的移动电话等。

一般的摄像机包括了具有连续采集图像的模块，保存图像与声音的模块，发送图像与声音的模块，以及为满足和提高摄像机在各种条件下的拍摄性能的辅助模块如自动白平衡、色彩校正和自动曝光等。

在摄像机拍摄图像时常需要调节镜头使其处于聚焦清晰的状态，调节方式分为主动调焦方式与被动调焦方式。主动调焦方式主要通过向目标发射红外线或超声波，然后检测动目标反射的光或波以测量目标的距离。被动调焦方式不具有发射红外或超声波的装置而是依靠透镜部分来接受目标发射的光线，并综合使用目标的亮度及其它信息来判断测量目标的距离。

在被动调焦方式中又包含了手动和自动两种调节焦距的实现方式。手动调焦根据人目测是否聚焦并以手工方式调节焦距，手动调焦方式适用于静止目标并与拍摄者个人经验相关。

自动调焦方式要求摄像镜头对准任意场景时摄像机能驱动镜头聚焦电机快速准确的到达焦点位置拍摄出清晰的图片。传统的自动聚焦方式如下：当摄像机镜头每采集一帧图像时，对所采集的图像使用预先设计的能评价图像清晰程度的一些清晰度评价函数以得出该图像清晰程度的一些评价值，连续采集得到多帧图像时这些值即构成了一时间序列曲线，对该曲线搜索其最大值，并驱动镜头聚焦电机移至该波峰对应的焦点位置，此方法即所谓的“爬山法”。该曲线上的波峰对应的是该聚焦电机的焦点位置，曲线上的任一点的值为清晰度评价函数对该时刻所采集图像的运算结果。常用的表征图像的清晰度的一些函数如：某一幅图像的梯度之和，一幅图像所包含的信息熵，一幅图像的能量之和以及对图像进行滤波后所得到的图像频率成份值等，这些评价函数都利用了对于同一场景如果图像所包含的细节成分越多则其清晰度越高与其对应的评价函数值越大的原理。

由于摄像机所对准拍摄的场景内容可能千变万化如运动目标出现，在拍摄过程中拍摄的环境条件也在发生着变化如光照条件，所采用的图像清晰度评价函数等多种因素致使由连续采集多帧图像所得到的清晰度评价值曲线并不一定呈连续、单峰性、平滑的曲线。这给传统的以固定步长、小范围内“震颤”前进的“爬山法”搜索方式带来了很多困难，与这种搜索过程对应的则是在一段时间内显示图像一直处于模糊状态或模糊与清晰之间的来回振荡变化。这是摄像机使用者难以忍受的一种比较糟糕的状况，即使在相对较好的一种情况下镜头马达能以较小的步长缓慢的走向聚焦点这也是远离实用所要求的快速、准确、平稳自动聚焦的目标的。

同时在传统的自动聚焦方法中在各种变倍倍率下常采用相同或相似的聚焦搜索策略，事实上在不同倍率下场景景深差别很大，各种变倍倍率下为达到准确的聚焦其有效搜索的范围差别很大，即使对准同一场景下步进电机走动相同距离对于观测到的图像的模糊程度的改变也是不同的。具体的说，由于在低倍率下图像的景深较大，图像在焦点两侧的较大范围处于较清晰的状态，与此相对应的聚焦评价值曲线具有平滑、明显的单峰性特征；而在较高倍率时图像的景深范围很小，除焦点附近的很窄区域以外，图像都处于高度模糊的状态，与此对应的聚焦评价曲线则在很大的范围内都表现为无明显曲线走势“毛刺”较多的振荡曲线，因此与采用与传统相似的聚焦策略对于在不同变倍倍率尤其在较高变倍情况下将难以实现快速、准确、平稳的自动聚焦。

发明内容

本发明的目的正是为了克服上述不足，而提供的一种一体化摄像机装置及自适应自动聚焦方法，提供了一种清晰度评价准则，通过该准则能够对同一场景的所采集图像的清晰程度提供评价；提供了一种根据变倍倍率选择相应聚焦模式的自适应聚焦方法。

实现本发明目的的技术方案是：本发明设计思路是设计对图像清晰度评价的评价函数，对连续采集的多帧图像的清晰度评价值所构成的曲线使用爬山法，根据变倍情况选择聚焦模式，搜索曲线的波峰并驱动镜头到达曲线波峰对应的聚焦位置，在搜索到波峰后对镜头场景进行实时的运动检测，当判定镜头场景出现了一定程度的模糊或运动场景发生了变化并且处于非聚焦状态时则驱动镜头电机启动新一轮的自动聚焦过程。

本发明所述的自适应自动聚焦方法，包括步骤如下：

1)将镜头所对应的场景划分出中心窗口及四周几个窗口，这几个窗口在评价图像清晰度及是否处于聚焦状态起着不同的作用，通常中心窗口占据了更为主体的作用。

2)对于中心窗口及四周的小窗口使用图像清晰度评价函数，根据所获得连续两帧图像的清晰度评价值判定当前聚焦的主体窗口。

3)对聚焦主体窗口使用清晰度评价准则获取当前帧的清晰度评价值。

4)根据当前帧的聚焦评价值及已获取的最近连续多帧图像的评价值判定聚焦点方向并调整聚焦电机的马达方向，确定下一步步长大小。

5)判断是否搜索到清晰度评价曲线的波峰，当前镜头所处的位置是否为聚焦点的位置，如果镜头未处于聚焦状态则重复本步骤的第3)至5)步骤；否则进入步骤6)。

6)判定镜头电机是否已走过代表聚焦点的曲线波峰，并驱动电机到达代表聚焦点的波峰，确定镜头电机处于聚焦点时图像是否处于聚焦清晰状态。

7)当镜头场景处于聚焦状态并且镜头电机处于该聚焦点时启动运动检测，运动检测主要是为了确定镜头场景处于聚焦的清晰状态，当出现了运动目标或在场景变化时开始判断变化后的场景是否处于可接受的清晰程度，否则启动新一轮的自动聚焦过程。

在上述的进行运动检测的步骤7)中包含了以下更为具体的步骤：

101)镜头所采集的图像的场景是否已发生变化，如果尚未发生变化，场景是否处于可接受的清晰程度；

102)如果镜头所采集的图像的场景尚未变化但其清晰程度已不在可接受的范围以内，则根据其清晰程度启动相应的自动聚焦函数。如果镜头场景图像内容尚未变化，且清晰程度有所下降但仍在可接受的范围以内则仍继续进行运动检测。

103)如镜头采集到的场景内容已发生变化，则判定变化后的场景的清晰度是否在可接受的范围以内。如果变化后场景图像的清晰度超出可接受的范围，则重新开始启动自动聚焦；否则继续进行运动检测。

在本发明专利除对任意采集图像用清晰度评价函数运算后所得到的图像清晰度值以外，还设计了一个对于大多数图像通用的图像模糊度标记值。该标记值与前述提及的图像清晰度值的不同之处就在于：图像清晰度值对同一场景的图像在镜头电机处于不同位置时其值不同，根据图像清晰度标记值的大小来比较确定电机在向哪一个方向上运动可能走向聚焦点；而针对不同场景内容的图像所得到的不同的图像清晰度值无法确定具体哪一幅图像更为清晰。而本发明专利中所陈述的图像模糊度标记值具有较高的普适性，可以根据其取值所处的范围可以大体确定其清晰程度并结合聚焦评价值的变化确定是否达到准确聚焦状态。

在本发明专利所陈述的聚焦步骤4)中还包含以下更进一步的聚焦步骤：

201)对所采集到的图像获取其图像清晰度评价值的同时获取其图像的模糊度标记值；

202)根据其模糊度标记值大致判断图像的模糊程度及步进电机是否接近聚焦点；

203)根据该模糊度判断准则以自适应的确定自动聚焦中步进电机下一步走动的步长；

204)并根据一定的判断准则确定电机运动方向，如果判定当前状态并非聚焦状态时则驱动镜头电机向该方向运行相应步长的距离到达新的位置；

205)更新相关聚焦参考值，如最大的清晰度评价值及其对应的位置。

本发明专利提供了一种自适应聚焦方法，在不同的变倍倍率情况下采用了不同的聚焦模式这主要是由镜头处于不同的变倍倍率时即使镜头处于同一位置，面对同一聚焦场景，移动同样步长的距离其对于图像的模糊程度的改变是不同的。

本发明专利提供了一种自适应的步长调整准则。本发明专利中针对不同的图像模糊程度及聚焦参考值设计了相应的自适应的步长策略。

本发明提供了一体化摄像机装置，其中自动聚焦装置主要包括了以下几部分：一种自动聚焦装置，主要包括了以下几部分：

透镜部分，该透镜能够采集光线信号，包括聚焦电机与变焦电机及各自的驱动模块。

图像信号采集获取部分，这部分主要完成将镜头采集的光信号通过传感器转换为电压信号。

图像信号的插值部分，这部分对经滤色阵列后的色彩象素矩阵进行插值处理。

图像信号处理部分，这部分实现对插值后色彩信号构成图像的白平衡处理、色彩校正和用于对图像色彩量化时引入的非线性而进行的伽玛校正等处理，再形成输出的数字彩色图像。

数字图像信号处理控制器，这部分主要是对获取的数字彩色图像进行窗口划分、主体窗口选择和自动聚焦所需清晰度评价与聚焦控制部分。

301)为实现快速、平稳、实时的自动聚焦的目标，尤其是为解决聚焦过程中的“前后景”问题，在本自动聚焦成像装置中对聚焦场景设计了窗口划分与主体窗口选择策略，将主体聚焦窗口的目标作为具体的聚焦目标。

302)自动聚焦清晰度评价主要是对所划分出来的窗口或主体聚焦窗口中的图像进行分析，获得能表示该窗口内的图像的清晰度评价值。

303)自动聚焦控制部分根据获取的聚焦清晰度评价值，图像模糊度标记值等聚焦参考值，来判断当前图像是否清晰是否达到最佳聚焦状态，如果未达最佳聚焦状态到则需要判断镜头的聚焦电机下一步的走动方向和下一步走动的步长大小，并驱动镜头电机按指定的方向和指定的步长大小运行镜头电机；如果当前图像达到最佳聚焦状态则需确定镜头聚焦电机是否在最佳聚焦状态对应的位置。

镜头聚焦电机驱动装置部分，该装置的主要功能是接受数字信号处理控制器发出的指令并驱动与光轴垂直的聚焦电机按指定的方向与步长大小运行。

本发明中所陈述的数字图像信号处理控制器部分中清晰度评价部分，包括：

高通滤波器，用于接受图像信号处理部分输出的数字彩色图像，获取清晰度评价的输入图像成分。

低通滤波器，用于接受图像信号处理部分输出的数字彩色图像，获取指定的输入图像成分。

累加器，用于完成对各种评估值及数字图像信号分量进行累加的操作，例如用于对指定窗口中清晰度评价中所需的输入图像成分的累加及对指定窗口中模糊度标记值计算。

某些特殊用途寄存器，如变倍倍率，镜头聚焦电机当前位置，清晰度评价最大值及其对应的位置等。

本发明有益的效果是：针对在高倍率情况下仍采用低倍率下相同或相似的聚焦策略将难以准确快速平稳聚焦的情况，本发明提出了根据摄像机所处的变倍情况选择不同聚焦模式，及根据此思想的自动聚焦装置与自动聚焦方法。该装置及其采用的方法能够在各种变倍倍率下有效判断聚焦方向，能“识别”图像处于模糊状态并加速走出模糊状态，克服传统聚焦方法在高倍率情况下在模糊区域难以判断聚焦方向、聚焦速度慢、反复振荡的问题。

附图说明

图1自动聚焦装置的结构示意简图；

图2数字信号处理控制器方框示意图；

图3是示出了对镜头场景窗口划分的简图；

图4是示出了对镜头场景聚焦主体窗口的选择；

图5是示出了在变倍倍率为3倍下的清晰度评价值曲线；

图6是示出了在变倍倍率为8倍下的清晰度评价值曲线；

图7自动聚焦算法的流程框图；

图8不同倍率下使用不同的自动聚焦模式的示意图；

图9是用于表示本发明专利中陈述的自适应的步长调整策略示意图；

图10根据本发明的典型聚焦搜索过程的示意图；

图11自动聚焦与运动检测关系图。

具体实施方式

现在将详细参考附图示出了本发明的实施例，其中，通篇上下，相同的参考标号表示相同的元件。为了通过参考附图来理解本发明，下面描述了本发明中的实施例。

图1是本发明所陈述的自动聚焦装置的示意图，其中本发明自动聚焦装置按信号流可以简述为以下几部分：

当光线投射到摄像机等成像设备的透镜部分101上，图像信号采集获取部分102将这些光信号转化为电信号，对这些电信号经过转换与色彩插值部分103获得插值后的色彩数据，这些色彩数据经图像处理部分104时，就被转变为图像矩阵信号并按照色彩学原理和显示设备特性进行校正输出为数字图像106，这些数字图像在显示的同时还进入数字信号处理控制器105，数字信号控制器105会对输出的图像划分不同窗口并按照一定策略选择主体聚焦窗口，在选定主体聚焦窗口后对主体聚焦窗口内目标进行聚焦控制。在聚焦控制过程中如果搜索到最佳聚焦位置时需确定镜头的聚焦电机是否在该位置上，当不在该位置需驱动镜头部分101的聚焦电机到达该位置；在聚焦过程中如未搜索到最佳位置则数字信号处理控制器105需要判断电机下一步的步长大小和运行的方向，同时发送指令驱动镜头部分101的聚焦电机按指令指定的方向和步长大小运行。

透镜部分101：该透镜能够采集光线信号，包含有聚焦电机201和变焦电机202及各自的驱动模块203。该驱动模块203分别能够驱动与透镜光轴垂直的聚焦电机按指令指定的方向前进或后退预置长度的距离；能够驱动变焦电机放大或缩小采集的图像。

图像信号采集获取部分102：图像信号采集获取主要完成将镜头采集的光信号通过传感器转换为电压信号，本实施例采用的是CMOS传感器。

图像信号的插值部分103：对经滤色阵列后的色彩象素矩阵进行插值处理。

图像信号处理部分104：包括插值后色彩信号构成的图像的白平衡处理、色彩校正和用于对图像色彩量化时引入的非线性而进行的伽玛校正等处理，再形成输出的数字彩色图像106。

数字信号处理控制器105，这部分主要是对获取的数字彩色图像进行窗口划分301、主体窗口选择302和自动聚焦所需清晰度评价303与聚焦控制部分304。数字信号处理控制器的框图见图2。

自动聚焦清晰度评价303主要是对所划分出来的窗口或主体聚焦窗口中的图像进行分析，获得能表示该窗口内的图像的清晰程度的评价值。

自动聚焦控制部分304根据获取的聚焦清晰度评价值，图像模糊度标记值等聚焦参考值，来判断当前图像是否清晰与达到最佳聚焦状态，如果未达最佳聚焦状态到则需要判断镜头的聚焦电机下一步的走动方向和下一步走动的步长大小，并驱动镜头电机按指定的方向和指定的步长大小运行镜头聚焦电机；如果当前图像达到最佳聚焦状态则需确定镜头聚焦电机是否在最佳聚焦状态对应的位置。

镜头聚焦电机驱动装置部分203，该装置的主要功能是接受数字信号处理控制器104发出的指令并驱动聚焦电机按指定的方向与步长大小运行。

自动聚焦算法

图7是自动聚焦算法的流程图，本文将按照此流程图对于自动聚焦算法实例予以介绍说明。

首先对自动聚焦算法介绍中需用到的一些标号及其含义予以说明。变量ZoomValue为当前摄像机Zoom轴的取值用它来表征当前变倍倍率的大小；BlurValue为表示当前采集图像的模糊程度的模糊度标记值；AFValue1，AFValue2，AFValue3，AFValue4，AFValue5.....是对当前帧图像所有窗口作用清晰度评价函数计算所得到的一组清晰度评价值。

在启动摄像机的自动聚焦功能时，摄像机装置即发出指令给摄像机的程序寄存器调用自动聚焦函数。首先指令控制寄存器会发出指令读取变倍倍率寄存器的值即ZoomValue(S10)。

根据ZoomValue的取值大小选择对应的自动聚焦模式，这主要是由于在不同变倍倍率下其对应的场景景深不同聚焦搜索的范围不同，为实现快速、平稳、准确地自动聚焦而提出了采用不同聚焦模式的要求。在本实施例22倍自动聚焦算法中针对1～22倍下根据不同变倍倍率阶段特征设计了至少使用3种不同的自动聚焦模式。如图8中所示的变量A、B、C分别对应了启动3种不同聚焦模式的ZoomValue的阈值。

在读取ZoomValue时，还应读取摄像机聚焦轴位置寄存器的值PosCurAFV，该寄存器主要用来存储当前镜头聚焦电机在聚焦轴上的位置，当镜头在可聚焦范围的边界上时，需要判断电机运行的方向，以防止越界及损坏镜头聚焦电机。

在选定当前的聚焦模式，即调用了对应的聚焦模式函数后，需要初始化BlurValue，AFValue1，AFValue2，AFValue3，AFValue4，AFValue5...等变量(S20)。在本实施例中均初始化为0。

还需要初始化最大清晰度评价值MaxAFV1，MaxAFV2，MaxAFV3，MaxAFV4，MaxAFV5在本实施例中均初始化为0。同时需要初始化最大清晰度评价值对应的聚焦轴位置寄存器PosMaxAFV，这个值初始化为进入聚焦模式时镜头在聚焦轴上的位置PosCurAFV。

在选定了自动聚焦模式后，需进一步对StepN等变量进行初始化。在此变量StepN表示电机每向前走动一步时所走过的多少个单位距离；StepN初始化值与此时的变倍倍率ZoomValue有关。如在本实施例第一次初始化时均给变量StepN赋初值4，以后则会参考ZoomValue而选择相应的StepN值。

对采集图像的镜头场景划分为多个窗口(S30)，这主要是为了解决更有效的捕捉聚焦目标的问题尤其是在自动聚焦过程中涉及前后景的问题。在自动聚焦中常涉及对前景还是后景目标作为聚焦对像的问题。在本发明中将包含有大部分细节信息的窗口区域作为聚焦的主体窗口。因为人眼往往根据场景的细节信息的丰富程度和清晰锐利程度来评判图像的质量和聚焦状态，通常认为图像的中心区域是人们关注较多的区域，但如在安防监控等应用领域也可能关注的就是除中心区域以外的场景。

本实施例中划分了中心窗口WI及占中心窗口面积四分之一的分别位于镜头场景中左上Wo01、右上Wo02、左下Wo03、右下Wo04的四个小窗口。图3是将镜头场景划分为中心及四周的几个窗口的示意图。

本实施例中提供了一种选择主体聚焦窗口(S40)的方法，即当连续两帧四周窗口聚焦清晰度评价值之和大于中心窗口的聚焦清晰度评估值的2倍时，认为应选择四周窗口的整体作为聚焦主体窗口(S402)否则认为应当选择中心窗口作为主体聚焦窗口(S403)。图4则详尽描述了选择主体聚焦窗口的具体流程。

对主体聚焦窗口的图像作用清晰度评价函数，获得图像清晰度评价值AFValue(S50)。该清晰度评价值随着对准同一场景的镜头电机的前后运动而变化，通过对比镜头电机在不同距离处图像清晰度值大小可以判断图像是否变得更清晰或变得更为模糊。这是因为清晰度函数能刻画图像所包含的细节成分如边缘等，当包含的边缘越多，边缘越锐利图像的清晰度评价值越高。由多个清晰度值按获取的先后顺序连接构成的清晰度评价曲线通常具有单峰性、单调性特征。如图5与图6为对同一场景在变倍倍率ZoomValue表征摄像机在变倍倍率分别为3倍与8倍下的多帧图像的清晰度评价值曲线示意图。

在采集获得每一帧图像的清晰度评价值AFValue，同时运用图像模糊度计算函数获得该图像的模糊度标记值BlurValue(S70)。在图像清晰程度的刻画指标包含了图像的亮度值、信息熵及图像的特定频率分量和能量积分值等中的一个或几个。

在获取当前帧的清晰度评价值AFValue同时，要保留当前帧的坐标位置PosCurAFV。如果当前帧的清晰度评价值AFValue大于当前清晰度最大值寄存器的值MaxAFV时，还应将当前帧的清晰度值更新清晰度最大值寄存器中的值，并以当前帧的位置更新最大清晰度值坐标寄存器的取值。如流程图7所示，在本实施例中举例以变量AFValue1的值更新变量MaxAFV1的值，同时以当前的聚焦轴镜头位置变量PosCurAFV更新最大清晰度评价值位置变量PosMaxAFV。

在获取当前帧的清晰度评价值的同时获取图像的模糊度标记值BlurValue，当图像清晰度提高时需更新图像模糊度标记值寄存器中的模糊度标记值BlurValue。图像模糊度标记值可基于图像清晰度评价值获得。

根据当前帧的模糊度标记值及其所处的取值范围可以初步判断其是否处于模糊远焦阶段，如果图像处于远焦状态，则需根据图像的清晰度取值及先前所采集的多帧图像的清晰度取值和图像的模糊度标记值来判断当前电机在下一步需要走动的方向(S80)。

本发明专利中提出了自适应的自动聚焦方法即根据变倍倍率确定相应的聚焦模式，即首先读取变倍倍率ZoomValue(S101)根据其取值选择对应的聚焦模式(S102～S108)，不同聚焦模式的主要区别在于所选择的清晰度评价函数不同，聚焦时每步所走过的步长不同及步进电机运行的方向判断等有所不同。其判断方式如流程图图8所示。

根据当前帧的图像模糊度标记值，所选择的聚焦模式及清晰程度(S701)可以确定在电机下一步将走动的步长大小(S703～S708)。如图9标示了在驱动电机向下一步走动时决定其步长大小的相关因素和方式。在本实施例中举例其步长为4，8，12。

在低变倍倍率下通常选择较小的步长调节焦距，而在高变倍下尤其在模糊区域通常选择较大的步长前进，但在高变倍情况下进入接近焦点附近时亦将采用较小的步长前进。

在步进电机前进中如果当前帧的清晰度评价值高于前面几帧的清晰度评价值则步进电机沿着当前的方向前进；如采集得到的清晰度评价值低于前面已获得清晰度最大值并且当前电机位置处于模糊区域时，改变步进电机的聚焦方向进行聚焦。图10示出了一个典型的聚焦搜索过程。

在获取得到图像的清晰度值时，将同时判断新获取的图像的清晰度取值的大小是否大于之前获取的图像清晰度值的最大值，当出现当前帧图像的清晰度评价值取得最大，且当前帧图像的模糊度标记值也表明其镜头电机处于近焦点区域，认为该镜头所在位置即是在我们要搜索的自动聚焦的聚焦点的极小邻域内。如图7所示的整个自动聚焦算法的流程图可见，当我们确定当前图像的清晰程度高于已知的最大的清晰度值时，我们并不能立即确定当前镜头所在位置即为自动聚焦的聚焦点而是走过“山峰”后才能确定“山峰”即为聚焦点，即是说在自动聚焦过程中存在所谓的“过冲”现象，“过冲”的幅度大小及来回振荡的次数常成为评价自动聚焦算法性能的重要指标。由于本发明专利所提出技术方案能根据图像的清晰程度自动调整步进电机的步长，在靠近焦点的极小领域内以极小的步长调整镜头电机焦距，立即就能发现图像的模糊程度是否下降，当模糊程度减少时，步进电机将继续前进；而当模糊程度增加时表明刚走过焦点一小步，以等步长返回即到达焦点。运用这种焦点判断方式使观察者几乎感受不到传统自动聚焦技术中的震荡“过冲”现象，这一优势在高变倍倍率下尤其明显。在因此本发明专利中所采用的自适应步长策略能很好的解决此焦点确认过程中的“过冲”问题。

判断镜头所在位置是否就是最佳聚焦点(S110)，如果不是则需使镜头电机移动对应的偏移距离从而使聚焦镜头处于焦点位置(S120)。

由于本发明专利所陈述的成像设备如摄像机要求能对包括动态场景在内的所有场景成像及快速、准确、平稳的自动聚焦，因此本发明专利中所述的摄像机中包含了运动检测器以实现实时的运动检测并启动新的一次自动聚焦过程。

在本发明专利中提出了将运动检测器嵌入自动聚焦功能中，当镜头对应场景图像处于聚焦状态时即启动运动检测功能(S200)，在进行运动检测中很重要的一环即检测图像的清晰度评价值是否发生了较大的变化，变化后的图像其清晰程度是否能被接受，并将模糊度标记值与给定的阈值作比较以确定当前镜头场景对应的图像是否处于模糊状态，如果处于模糊状态则重新启动自动聚焦功能(S80)；判断是否处于聚焦清晰状态(S60)，如处于聚焦清晰状态则继续运动检测功能(S200)。如图11反映了运动检测与自动聚焦之间的关系。

尽管已经示出并描述了本发明的实施例，但本领域的技术人员应该理解，在未背离本发明精神和原理的情况下，在所附权利要求及其等效物限定的范围内，可以对这些实例做各种改变。

Claims (8)

1、一种自适应自动聚焦方法，其特征在于：该方法包括步骤如下：

1)将镜头所对应的场景划分出中心窗口及四周几个窗口，用于评价图像清晰度及是否处于聚焦状态；

2)对于中心窗口及四周的小窗口使用图像清晰度评价函数，根据所获得连续两帧图像的清晰度评价值判定当前聚焦的主体窗口；

3)对聚焦主体窗口使用清晰度评价准则，获取当前帧的清晰度评价值；

4)根据当前帧的聚焦评价值及已获取的最近连续多帧图像的评价值判定聚焦点方向并调整聚焦电机的马达方向，确定下一步步长大小；

5)判断是否搜索到清晰度评价曲线的波峰，当前镜头所处的位置是否为聚焦点的位置，如果镜头未处于聚焦状态则重复本步骤的第3)至5)步骤，否则进入步骤6)；

6)判定镜头电机是否已走过代表聚焦点的曲线波峰，并驱动电机到达代表聚焦点的波峰，确定镜头电机处于聚焦点时图像是否处于聚焦清晰状态；

7)当镜头场景处于聚焦状态并且镜头电机处于该聚焦点时，启动运动检测用于确定镜头场景处于聚焦的清晰状态，当出现了运动目标或在场景变化时开始判断变化后的场景是否处于可接受的清晰程度，否则启动新一轮的自动聚焦过程。

2、根据权利要求1所述的自适应自动聚焦方法，其特征在于：上述的进行运动检测的步骤7)中包含了以下更为具体的步骤：

101)镜头所采集的图像的场景是否已发生变化，如果尚未发生变化，场景是否处于可接受的清晰程度；

102)如果镜头所采集的图像的场景尚未变化但其清晰程度已不在可接受的范围以内，则根据其清晰程度启动相应的自动聚焦函数；如果镜头场景图像内容尚未变化，且清晰程度有所下降但仍在可接受的范围以内则仍继续进行运动检测；

103)如镜头采集到的场景内容已发生变化，则判定变化后的场景的清晰度是否在可接受的范围以内；如果变化后场景图像的清晰度超出可接受的范围，则重新开始启动自动聚焦；否则继续进行运动检测。

3、根据权利要求1所述的自适应自动聚焦方法，其特征在于：对任意采集图像用清晰度评价函数运算后所得到的图像清晰度值以外，还设计了一个对于大多数图像通用的图像模糊度标记值，根据其取值所处的范围大体确定其清晰程度并结合聚焦评价值的变化确定是否达到准确聚焦状态。

4、根据权利要求1或3所述的自适应自动聚焦方法，其特征在于：在步骤4)中还包含以下更进一步的聚焦步骤：

201)对所采集到的图像获取其图像清晰度评价值的同时获取其图像的模糊度标记值；

202)根据其模糊度标记值大致判断图像的模糊程度及步进电机是否接近聚焦点；

203)根据该模糊度判断准则以自适应的确定自动聚焦中步进电机下一步走动的步长；

204)根据一定的判断准则确定电机运动方向，如果判定当前状态并非聚焦状态时则驱动镜头电机向该方向运行相应步长的距离到达新的位置；

205)更新相关聚焦参考值。

5、根据权利要求1或3所述的自适应自动聚焦方法，其特征在与：根据不同的变倍倍率选择不同的聚焦模式，所有可能的聚焦模式均可由权利要求1所陈述的步骤构成，不同聚焦模式的差异在于权利要求1中步骤3)至步骤7)。

6、一种一体化摄像机装置，其特征在于：自动聚焦装置主要包括了以下几部分：

透镜部分，该透镜用于采集光线信号，包括聚焦电机与变焦电机及各自的驱动模块；

图像信号采集获取部分，用于将镜头采集的光信号通过传感器转换为电压信号；

图像信号的插值部分，用于对经滤色阵列后的色彩象素矩阵进行插值处理；

图像信号处理部分，用于对插值后色彩信号构成图像的白平衡处理、色彩校正和用于对图像色彩量化时引入的非线性而进行的伽玛校正处理，再形成输出的数字彩色图像；

数字图像信号处理控制器，用于对获取的数字彩色图像进行窗口划分、主体窗口选择和自动聚焦所需清晰度评价与自动聚焦控制部分；

镜头聚焦电机驱动装置部分，用于接受数字信号处理控制器发出的指令并驱动与光轴垂直的聚焦电机按指定的方向与步长大小运行。

7、根据权利要求6所述的一体化摄像机装置，其特征在于：所述的数字图像信号处理控制器部分中清晰度评价部分，包括：

高通滤波器，用于接受图像信号处理部分输出的数字彩色图像，获取清晰度评价的输入图像成分；

低通滤波器，用于接受图像信号处理部分输出的数字彩色图像，获取指定的输入图像成分；

累加器，用于完成对各种评估值及数字图像信号分量进行累加的操作；

特殊用途寄存器，用于存储如变倍倍率，镜头聚焦电机当前位置，清晰度评价最大值及其对应的位置。

8、根据权利要求6所述的一体化摄像机装置，其特征在于：自动聚焦控制部分根据获取的聚焦参考值，来判断当前图像是否清晰是否达到最佳聚焦状态，如果未达最佳聚焦状态到则需要判断镜头的聚焦电机下一步的走动方向和下一步走动的步长大小，并驱动镜头电机按指定的方向和指定的步长大小运行镜头电机；如果当前图像达到最佳聚焦状态则需确定镜头聚焦电机是否在最佳聚焦状态对应的位置。

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