CN102033388A

CN102033388A - 数字相机的快速对焦方法

Info

Publication number: CN102033388A
Application number: CN2009101785959A
Authority: CN
Inventors: 周詹闵; 蔡嘉伦; 严志彬
Original assignee: Altek Corp
Current assignee: Altek Corp
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2029-09-29
Also published as: CN102033388B

Abstract

本发明公开了一种数字相机的快速对焦方法，应用于数字相机在自动对焦(auto focusing)阶段时，判断数字相机的对焦焦距是否需要调整。快速对焦方法包括：在基准焦距时获取目标影像；对目标影像进行模糊侦测程序，以获取清晰值；当清晰值在下限对焦阈值与于上限对焦阈值之间时，设定涵盖基准焦距的对焦焦距区间；从对焦焦距区间中，分别在不同的对焦焦距获取相应的比对影像；计算每一比对影像的对比值；利用二次曲线逼近法求出对比值与目标焦距，并将数字相机的镜片调整至所设定的目标焦距，再进行拍摄的动作。

Description

数字相机的快速对焦方法

技术领域

本发明是有关于一种对焦方法，特别是有关于一种数字相机在自动对焦阶段时决定需要调整对焦焦距的对焦方法。

背景技术

使用者使用数字相机拍摄一张照片，往往分为几个阶段。第一为开启数字相机，此时数字相机即进入所谓取像预览阶段(Live view)。第二为使用者对准待摄物后半按快门，于此同时数字相机即进入自动对焦阶段。第三为使用者全按压快门，此时数字相机则进入拍摄阶段(Shooting)，并拍摄相应的影像画面。

自动对焦阶段指的是对被摄物进行对焦且尚未按压拍摄前的对焦阶段。简单的来说，就是数字相机在半按快门时对被摄物的对焦的动作过程。在此一期间，数字相机会将镜头移动到不同对焦位置(即不同的镜头位置或是步数，其为影像取样点(sampl ing steps))，并依据在每一镜头位置所获得的清晰度值(Focus Value)，来决定影像清晰或是模糊程度。

现有的决定对焦焦距的算法有：全域搜寻法(Global Search)，登山式搜寻法(Hi ll-Cl imbing Search)，以及二位搜寻法(Binary Search)。有效率的搜寻方法需要考虑到搜寻所需要的时间、或镜头的次数以及搜寻的正确性。若耗费太多的搜寻时间，则会降低自动对焦的效率，并且镜头移动的次数过多会消耗数字相机的电池电量。反之，则会影响数字相机的成像质量。

举例来说，全域搜寻法是纪录镜头每移动一步所获得的数字影像，之后再取出具有最大清晰度的数字影像的相应镜头位置。再移动镜头到具有最大清晰度的位置上，完成自动对焦。请参考图1的对比值曲线图。

现有技术虽然可以精确的找出被摄物对数字相机的最适合焦距，但是其耗电量却是一大问题。

特别是现有的数字相机会在取像预览阶段已经对被摄物进行过一次粗略的对焦后，另外在自动对焦阶段又重新做一次对焦的动作。或者对于距离接近的两个不同被摄物，数字相机在对第一被摄物拍摄完后，对于第二被摄物仍需要重新从最近焦距找到最远焦距。或是被摄物在自动对焦阶段中移动的话，数字相机将无法清晰的拍摄出数字影像。如此一来，不仅会平白浪费电力，使用者还得等待数字相机调整完才能拍照。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明的主要目的在于提供一种数字相机的快速对焦方法，适于数字相机在自动对焦阶段时判断是否需要调整对焦焦距。

为达上述目的，本发明所揭露的数字相机的快速对焦方法，应用于一数字相机在自动对焦阶段时，将该数字相机的对焦焦距调整至一目标焦距，该快速对焦方法包括：在基准焦距时获取目标影像；对目标影像进行模糊侦测程序，以获取清晰值；当清晰值在下限对焦阈值与于上限对焦阈值之间时，设定涵盖基准焦距的对焦焦距区间；从对焦焦距区间中，分别在不同的对焦焦距获取相应的比对影像；计算每一比对影像的对比值；将对比值依二次曲线逼近法求出目标焦距。

在该对焦焦距区间中获取至少三张不同对焦焦距的该比对影像。

在该模糊侦测程序中包括：

在该比对影像中设定至少一取样区域，该取样区域具有多个影像像素；

将该取样区域中所有相邻的两该影像像素的像素值分别比较，得到多个对比差值；

累计大于一预设阈值的该对比差值的数量为该清晰值。

在该模糊侦测程序中包括：

进行一影像边缘侦测程序，找出该比对影像的影像对象的多个边缘像素；

依次计算该边缘像素的多个对比率；

累计大于一预设阈值的该对比率的数量为该清晰值；

其中，该依次计算该边缘像素的多个对比率的步骤包含：

从该边缘像素中选择连续的多个选定像素；

取相邻的该选定像素的像素值的差异值中的一最大值为一相邻差值；

取该选定像素的最大差值为一总差值；

将该相邻差值除以该总差值而得到该对比率；

重复上述四步骤，直到完成所有该边缘像素的该对比率的计算。

在该模糊侦测程序中包括：

依次计算该边缘像素的一对比率；

重复上述步骤，直到完成所有该边缘像素的该对比率的计算；

累计大于一预设阈值的该对比率的数量为该清晰值；

其中，该依次计算该边缘像素的该对比率的步骤包含：

选择该边缘像素的一的多个选定像素；

取该选定像素的最大差值为一总差值；

将该相邻差值除以该总差值而得到该对比率。

当该清晰值大于该上限对焦阈值时，则直接以该目标影像的焦距作为该目标焦距。

当该清晰值小于该下限对焦阈值时，则将该对焦焦距区间设定为最长焦距至最远焦距。

在上述的模糊侦测程序中另包括以下步骤：在比对影像中设定至少一取样区域，取样区域具有多个影像像素；将取样区域中所有相邻的两影像像素的像素值分别比较，得到多个对比差值；若对比差值大于预设阈值，则累计清晰值；重复进行计算与累计清晰值的步骤，直到完成取样区域中的所有影像像素为止。

本发明是根据所获取的数字影像及其焦距，透过模糊侦测程序判断所获取的数字影像是否需要重头开始对焦。若数字影像中的被摄物清晰程度落于所设定的阈值区间中，则不需要从最近的对焦端找到最远的对焦端。这样可以有效的减少移动镜头的耗电量外，也可以降低数字相机的对焦的时间。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为现有技术的对比值曲线图；

图2为本发明的一种快速对焦程序的运作流程图；

图3为本发明所适用的数字相机的架构示意图；

图4为本发明的第一种模糊侦测程序的流程示意图；

图5为本发明的取样区域示意图；

图6为本发明的第二种模糊侦测程序的流程示意图；

图7A为本发明的选取水平相邻像素的示意图；

图7B为本发明的选取垂直相邻像素的示意图；

图7C为本发明的统计清晰值的示意图；

图8为本发明的第三种模糊侦测程序的流程示意图；

图9A为本发明的预览影像中影像对象的边缘示意图；

图9B为本发明的预览影像中影像对象的边缘示意图；

图9C为本发明的边缘像素选取示意图；

图10为本发明的第四种模糊侦测程序的流程示意图；

图11为本发明的运作时序图。

其中，附图标记

90 数字相机

91 镜头组

92 感光元件

93 储存单元

95 处理单元

410 目标影像

411 对焦框

511 比对像素

512 目标像素

710 边缘影像

具体实施方式

本发明的数字相机在自动对焦(auto focusing)阶段时，将对焦焦距快速的调整至对被摄物的目标焦距。根据数字相机所获取的数字影像判断是否需要重新调整镜头组的镜片排列，借以得到最佳的对焦焦距。请参考图2所示，其为本发明的一种快速对焦程序的运作流程图。快速对焦程序中包括以下步骤：

步骤S100：在基准焦距时获取一目标影像；

步骤S200：对目标影像进行模糊侦测程序，以获取清晰值；

步骤S300：比对清晰值；

步骤S400：当清晰值在下限对焦阈值与上限对焦阈值之间时，设定涵盖基准焦距的对焦焦距区间；

步骤S500：从对焦焦距区间中，分别在不同的对焦焦距获取相应的比对影像；

步骤S600：计算每一比对影像的对比值；

步骤S700：将该对比值以二次曲线逼近法求出目标焦距；

步骤S800：清晰值大于上限对焦阈值时，则直接以目标影像的焦距作为目标焦距；以及

步骤S900：清晰值小于下限对焦阈值时，则将对焦焦距区间设定为最近焦距至最远焦距。

首先，数字相机在基准焦距上获取相应的数字影像，在此将此一数字影像定义为目标影像。并且根据下述的数字相机对本发明流程运作方式做进一步的解释。前述的数字相机可以是但不限于图2所示的数字相机。为能更清楚地说明本发明方法，请同步参考图2与图3。图3为依据本发明所适用的数字相机的架构示意图。在数字相机90中至少包括镜头组91、感光元件92、储存单元93、与处理单元95。镜头组91中具有一驱动马达(未绘示)与多片镜片(未绘示)，镜头组91用以调整对被摄物的焦距。驱动马达用以调整各镜片的相互距离，进而产生不同的对焦焦距。感光元件92连接于镜头组91，感光元件92将当前场景的影像画面转换成数字影像的电信号。感光元件92会持续的将所接收的影像信号传送至处理单元95。处理单元95电性连接于感光元件92与储存单元93。储存单元93用以储存数字影像与快速对焦程序。

在执行步骤S300时，处理单元95则开始对数字影像进行模糊侦测程序。请参考图4所示，其为本发明的第一种模糊侦测程序的实施例示意图。

步骤S311：在目标影像中更设定至少一取样区域，在取样区域具有多个影像像素；

步骤S312：将取样区域中所有相邻的两影像像素的像素值分别做比较，得到多个对比差值；以及

步骤S313：累计大于预设阈值的对比差值的数量为清晰值。

在此需要注意的是，在步骤S312所产生的每一对比差值是由取样区域中所有相邻的两两影像像素进行计算所得出。请参考图5所示的取样区域示意图。在目标影像410中更定义至少一个取样区域。取样区域可以是但不限于整张目标影像410，也可以1是预设的固定位置的对焦框411、或人脸侦测后所产生的人脸对焦框411。其中，在数字相机90中会设置有多个对焦框411，对焦框411的位置分布于目标影像410中的部分固定位置。对焦框411用以提供数字相机90对欲拍摄的场景进行对焦的基准位置。

当数字相机90设定其对焦框411为中心的对焦框411时，则数字相机90会对中心的对焦框411进行对焦比对的动作。同理，其它区域位置的对焦框411亦提供相同的作用。人脸对焦框411是根据数字相机90所判断的人脸区域所产生的相应对焦框411。若是同时出现多个人脸对焦框411时，则在本发明的此一实施例中则假设取最短的焦距的人脸对焦框411作为进行判断的取样区域，但并不以此为限。换句话说就是会取距离最接近数字相机90的人脸对焦框411作为前述的取样区域。

在第一实施例中是先计算出所有的对比差值后，接着会进行累计清晰值的动作。除此之外，亦可以将步骤S213的累计步骤改成每计算完比对差值后，就判断是否要进行累计清晰值，此一运作流程请参考图6。

第二实施例是包括以下步骤：

步骤S311：在目标影像中更设定至少一取样区域，取样区域具有多个影像像素；

步骤S312：将取样区域中所有相邻的两影像像素的像素值分别做比较，得到多个对比差值；

步骤S314：若对比差值大于预设阈值，则累计清晰值；以及

步骤S315：重复进行计算与累计清晰值的步骤，直到完成取样区域中的所有影像像素为止。

在前述第一实施例与第二实施例中的步骤S312的计算对比差值过程中，会分别选择两个相邻的影像像素进行处理。在此将欲进行比较的影像像素定义为目标像素512，将另一个选出的相邻像素定义为比对像素511。比对像素511的选取方式可以是水平相邻或垂直相邻的方式选取与目标像素相邻的像素。目标像素512的选择方式可以由取样区域中像素的排列顺序依序选取。举例来说，若将取样区域中的像素集合以一个二维数组为例(假设像素集合为pixel_array[m][n]像素数组)，则目标像素512的选取方式是由数组的最小编号位置(即pixel_array[0][0])逐一的移动至最大编号位置(即pixel_array[0][n-1])。在完成每一行中的所有像素后，再由当前的行移动至次一行中，如图7A中的箭头所示。比对像素511则可以从目标像素512的次一像素(水平方向或垂直方向)进行选取。请参考图7A与图7B所示，其分别为选取水平相邻像素与垂直相邻像素的示意图。再将所选出的目标像素512与比对像素511进行相减，借以产生对应目标像素512的对比差值。再从目标影像410中依序的选取出其它的目标像素512，并计算相应的对比差值。最后，把所有得到的对比差值进行统计。计算大于预设阈值的比对差值的个数，并将所计算的个数视为清晰值。若以统计图观察，以图7C为例，在图7C的横轴为对比差值，纵轴为数量，则清晰值为图7C右方的斜线区域面积。

模糊侦测程序除了前述的步骤外，更可以利用下述变化进行。请参考图8所示，其为本发明的第三模糊侦测程序的实施例示意图。模糊侦测程序包括：

步骤S331：对目标影像进行影像边缘侦测程序，以得到多个边缘像素；

步骤S332：从边缘像素中选择连续的多个选定像素；

步骤S333：取相邻的选定像素的像素值的差异值中的最大值为相邻差值；

步骤S334：取选定像素的最大差值为总差值；

步骤S335：将相邻差值除以总差值而得到对比率；

步骤S336：重复步骤S333～335，直到完成所有边缘像素的对比率的计算；以及

步骤S327：累计大于预设阈值的对比率的数量为清晰值。

将目标影像410经由影像边缘侦测程序处理后，随即产生相应的边缘影像710。在本发明中所述的边缘侦测演算法可以是Sobel边缘侦测法、Dijkstra’s算法、或Canny边缘侦测算法等。请参考图9A所示，其为目标影像中影像对象的边缘示意图。

请配合参考图9B所示，再对边缘影像710以行优先/列优先的方式依序读取其像素值，借以产生相应的灰度分布曲线。举例来说，若将边缘影像710视为一二维数组(将边缘影像710视为pixel_array[m][n]像素数组为例)时，且以行优先(row major)的方式由边缘影像710的第一行开始依序读取出像素值，意即pixel_array[0][x]，x＝{0，1…，n-1}。并将读出的像素值与位置分别记录在灰度分布曲线中。当完成读取边缘影像710的第一行中的像素值后，则输出相应第一行的灰度分布曲线。并且对其他边缘影像710中的其它行进行相应的灰度分布曲线的读取。除此之外，也可以利用列优先(column major)的方式进行读取灰度分布曲线。

再由灰度分布曲线中选取像素变化超过一变化阈值的区段，并将其定义为边缘区段。再从边缘区段中选取多个边缘像素。以图9C为例说明，在图9C中具有A、B、C、D四个边缘像素(在图9C中以虚线圈选的范围)。将两两相邻的边缘像素逐次进行选取，在此将每一组对比分布值定义为边缘像素集合。因此可以划分为(A，B)、(B，C)、(C，D)三组边缘像素集合，与一组总像素集合(A，D)。每一组边缘像素集合相应有各自的差异值，且总像素集合亦具有一总差值。再从三组边缘像素集合中选取差值最大者，并将所选取差值最大的一组除上总差值，得到对比率。在此一实施例中，(X，Y)为Y像素值减掉X像素值并取其绝对值。请参考下式1所述：

Max((A，B)、(B，C)、(C，D))/(D，A) (式1)

在此是以下述例子进行解说，假设从边缘区段中选取四个像素A＝38，B＝46，C＝68，D＝82。边缘像素集合分别为(A，B)、(B，C)与(C，D)，其中分别是(A，B)＝8、(B，C)＝22、(C，D)＝14，总差值则是(A，D)＝44。三组边缘像素集合的最大值为22，因此相邻差值为(B，C)，所以对比率即为22/44＝0.5。

若是在边缘区段中仅具有两个像素时，则不计算此一边缘区段的差异值。因为这样会造成此一边缘区段的对比率变成1，使其无法正确的判断该边缘区段是否为影像对象的边缘。在完成此一边缘区段后，则继续灰度分布曲线中其余的边缘区段的计算，并取得其余的差异值。再取得差异值后，则比较差异值是否大于预设阈值。计算所有大于预设阈值的差异值的数量，将所累计后的数量定义为清晰值。

相对第三实施例是将累计所有的对比率后，才开始累计清晰值。第四实施例亦先逐一的计算对比率后，再判断所产生的对比率是否大于预设阈值，并重复此一步骤直至完成所有对比率的计算为止。请参考图10所示其为第四种实施例的另一运作流程示意图。

步骤S341：对目标影像进行影像边缘侦测程序，以得到多个边缘像素；

步骤S342：从边缘像素中选择连续的多个选定像素；

步骤S343：取相邻的选定像素的像素值的差异值中的最大值为相邻差值；

步骤S344：取选定像素的最大差值为总差值；

步骤S345：将相邻差值除以总差值而得到对比率；

步骤S346：累计大于预设阈值的对比率的数量为清晰值；以及

步骤S347：重复步骤S343～346，直到完成所有边缘像素的对比率的计算并输出最后累计的清晰值。

再取得清晰值后，处理单元95会根据清晰值、下限对焦阈值与上限对焦阈值的相对关系进行比对。当清晰值落在下限对焦阈值与于上限对焦阈值之间时，处理单元95会设定一涵盖基准焦距的对焦焦距区间。在本发明中是以将基准焦距设定为对焦焦距区间的最远焦距。同理，亦可以将基准焦距设定为对焦焦距区间的最近焦距，或是将基准焦距设定在对焦焦距区间中。

数字相机90在对被摄物进行对焦时，数字相机90会在对焦焦距区间的最近焦距调整至对焦焦距区间的最远焦距。并且在移动的过程中，分别执行步骤S500与步骤S600借以取得每一比对影像的对比值。由于对比值的分布可能形成一组曲线，因此处理单元95可利用二次曲线逼近法从该对比值中找出最大的一组对比值，并将所找出的对比值所相应的焦距定义为目标焦距。前述二次曲线逼近法可以利用辛普森法或牛顿法等算法实现。

本发明中是以在对焦焦距区段中获取三张数字影像作为说明，熟悉此项技艺者对于获取数字影像的数量的改变仍不脱本发明的保护。接着，处理单元95会记录每一的数字影像的对焦信息。最后，将所找出的对焦信息最大者所相应的焦距设定为对被摄物的目标焦距，并将镜头焦距调整此一焦距。如此一来，数字相机90不需在原本最远的对焦焦距与最近的对焦焦距之间移动。因此可以有效的减少镜头组91中镜片的移动，进而提高数字相机90的对焦速度与减少数字相机90的耗电量。

为更进一步的说明数字相机与本发明的运作，还请参考图11所示，其为本发明的运作时序图。在图11的横轴为获取数字影像的时间间隔；图11的纵轴由上至下分别为进行曝光的时间点、加载影像的拍摄信息(例如：曝光值、光圈值或感光度等)的时间点、进行清晰值的计算的时间点、决定移动镜片的时间点。当处理单元95在计算完清晰值后，处理单元95会根据所计算的结果决定移动镜片的位置。

最后，完成上述的快速对焦程序后，在本发明的实施例所述清晰值除了落在上限对焦阈值与下限对焦阈值间，对于清晰值在不同的对焦阈值时亦有相应的处理程序。若是清晰值大于上限对焦阈值时，代表目前的焦距是最适合被摄物的对焦焦距，因此数字相机90不需要再重新调整对焦焦距。若是清晰值小于下限对焦阈值时，则代表数字相机90的对焦焦距没有落在被摄物上。因此数字相机90需要重头的调整对焦焦距，所以数字相机90会从最近焦距移动最远焦距并且在不同的焦距上获取相应的影像。在从每一张获取的影像中找出最清晰的影像，并决定此一影像的焦距为目标焦距。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims

1.一种数字相机的快速对焦方法，其特征在于，应用于一数字相机在自动对焦阶段时，将该数字相机的对焦焦距调整至一目标焦距，该快速对焦方法包括：

在一基准焦距时获取一目标影像；

对该目标影像进行一模糊侦测程序，以获取一清晰值；

当该清晰值在一上限对焦阈值与一下限对焦阈值之间时，设定一涵盖该基准焦距的对焦焦距区间；

从该对焦焦距区间中，分别在不同的对焦焦距获取相应的一比对影像；

计算每一该比对影像的一对比值；

将该对比值以二次曲线逼近法求出该目标焦距。

2.根据权利要求1所述的数字相机的快速对焦方法，其特征在于，在该对焦焦距区间中获取至少三张不同对焦焦距的该比对影像。

3.根据权利要求1所述的数字相机的快速对焦方法，其特征在于，在该模糊侦测程序中包括：

累计大于一预设阈值的该对比差值的数量为该清晰值。

4.根据权利要求1所述的数字相机的快速对焦方法，其特征在于，在该模糊侦测程序中包括：

若该对比差值大于一预设阈值，则累计该清晰值；

重复进行该计算与累计该清晰值的步骤，直到完成该取样区域中的所有该影像像素为止。

5.根据权利要求1所述的数字相机的快速对焦方法，其特征在于，在该模糊侦测程序中包括：

依次计算该边缘像素的多个对比率；

累计大于一预设阈值的该对比率的数量为该清晰值；

其中，该依次计算该边缘像素的多个对比率的步骤包含：

从该边缘像素中选择连续的多个选定像素；

取该选定像素的最大差值为一总差值；

将该相邻差值除以该总差值而得到该对比率；

6.根据权利要求1所述的数字相机的快速对焦方法，其特征在于，在该模糊侦测程序中包括：

依次计算该边缘像素的一对比率；

累计大于一预设阈值的该对比率的数量为该清晰值；

其中，该依次计算该边缘像素的该对比率的步骤包含：

选择该边缘像素的一的多个选定像素；

取该选定像素的最大差值为一总差值；

将该相邻差值除以该总差值而得到该对比率。

7.根据权利要求1所述的数字相机的快速对焦方法，其特征在于，当该清晰值大于该上限对焦阈值时，则直接以该目标影像的焦距作为该目标焦距。

8.根据权利要求1所述的数字相机的快速对焦方法，其特征在于，当该清晰值小于该下限对焦阈值时，则将该对焦焦距区间设定为最长焦距至最远焦距。