CN102131052A - 用于数字照相机的自动聚焦控制的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于数字照相机的自动聚焦控制的方法，该方法包括：将数字照相机的聚焦镜头移动到最长距离拍摄的位置，然后在将聚焦镜头按照朝向图像传感器的方向以预设间隔移动的同时根据相应的位置提取边界值；基于提取的边界值估计预设函数的形式，并计算估计的函数的最大值；计算在聚焦镜头的第一当前位置处计算的预设函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算的预设函数的最大值之间的差；以及当在聚焦镜头的第一当前位置处计算的预设函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算的预设函数的最大值之间的差小于或等于预设阈值时，将聚焦镜头移动到与该预设函数的当前计算的最大值对应的位置。

Description

用于数字照相机的自动聚焦控制的方法和装置

技术领域

本发明一般涉及一种数字照相机，更具体地，涉及一种用于数字照相机的自动聚焦控制的方法和装置。

背景技术

近来，安装在诸如蜂窝电话之类的移动设备中的一般数字照相机、具体地为高像素的数字照相机具有用于在拍照片时自动将镜头聚焦的自动聚焦功能。

一般，这样的自动聚焦控制方法是在数字单镜头反光(DSLR)照相机中通常采用的相差检测方案和在小型数字照相机及蜂窝电话照相机中通常采用的对比度检测方案中的一种。相差检测方案通过反光镜在取景器和自动聚焦(AF)传感器之间分布已经经过镜头的光，以将入射到AF传感器上的光分离为聚焦表面上的两个方向、通过线传感器检测这两个光束、以及确定照相机是聚焦在前景上还是背景上。这样的相差检测方案需要镜头系统和单独的传感器用于自动聚焦。

对比度检测方案基于爬坡法，该爬坡法用于在聚焦镜头的整个可移动范围或可移动范围的一部分内在以给定步长移动聚焦镜头的同时找到边界值最大的位置。图1示意地示出了使用正常对比度检测方案的自动聚焦控制方法的操作。如图1A所示，实现对比度检测方案以便在以相同的间隔移动聚焦镜头的同时根据每个位置跟踪通过将从图像传感器给出的电信号滤波而获得的边界值的变化，并根据跟踪结果将聚焦镜头移动到获得最高聚焦值的聚焦位置，如图1B所示。

在这样的传统技术中，重要的是找到具有最大值但没有大的错误的位置，同时控制镜头移动的位置之间的间隔和镜头的移动方向。但是，当需要高精度和高的成功率时，边界值采样所需的处理时间和位置的数目增大。在这种情况下，自动聚焦控制时间增大，以致摄影师预期的拍摄时间点和在自动聚焦控制之后实际拍摄照片的时间点之间的间隔可能变长。具体地，由于图像传感器的曝光时间在低光照下变长，因此自动聚焦控制的操作时间进一步增大。

发明内容

因此，已经做出本发明以解决现有技术中存在的上述问题，并且本发明提供一种用于在数字照相机中快速实现自动聚焦控制的自动聚焦控制方法和装置。

根据本发明的一方面，提供了一种用于数字照相机的自动聚焦控制的方法，该方法包括：将数字照相机的聚焦镜头移动到最长距离拍摄的位置，然后在将聚焦镜头按照朝向图像传感器的方向以预设间隔移动的同时根据相应的位置提取边界值；基于提取的边界值估计预设函数的形式，并计算估计的函数的最大值；计算在聚焦镜头的第一当前位置处计算的预设函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算的预设函数的最大值之间的差；以及当在聚焦镜头的第一当前位置处计算的预设函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算的预设函数的最大值之间的差小于或等于预设阈值时，将聚焦镜头移动到与该预设函数的当前计算的最大值对应的位置。

根据本发明的另一方面，提供了一种用于数字照相机的自动聚焦控制的装置，该装置包括：镜头单元，被配置具有变焦镜头和聚焦镜头，该聚焦镜头能够沿着光轴移动以便对形成在图像传感器上的光学图像聚焦，该镜头单元允许对象的光学图像被形成在该图像传感器上；图像传感器单元，用于将对象的图像信息转换成电信号；图像信号处理器(ISP)，用于从图像信息已被转换成的电信号中提取边界值；驱动单元，用于根据从控制器接收到的控制信号物理上移动该镜头单元；以及该控制器，用于控制该驱动单元将数字照相机的聚焦镜头移动到最长距离拍摄的位置，在将聚焦镜头按照朝向图像传感器的方向以预设间隔移动的同时根据相应的位置提取边界值，基于提取的边界值估计预设函数的形式，计算估计的函数的最大值，计算在聚焦镜头的第一当前位置处计算的预设函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算的预设函数的最大值之间的差，并且当在聚焦镜头的第一当前位置处计算的预设函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算的预设函数的最大值之间的差小于或等于预设阈值时，控制该聚焦镜头移动到与该预设函数的当前计算的最大值对应的位置。

附图说明

通过下面结合附图的详细描述，本发明的上述和其他方面、特征和优点将更加明显，其中：

图1A和图1B示意地示出了使用正常对比度检测方案的自动聚焦控制方法的操作；

图2是示出了根据本发明的实施例的自动聚焦控制装置的配置的框图；

图3是示出了根据本发明的实施例的自动聚焦控制操作的流的流程图；

图4是示出了在根据本发明的实施例的自动聚焦控制方法中从采样数据中获得的二次多项式函数的逆函数的估计模型的示例的图；

图5A到图5C是示出了在根据本发明的实施例的自动聚焦控制方法中每当采样数据的条数增大时计算的估计模型的图；以及

图6是示出了根据聚焦镜头的位置(步长)通过估计模型获得的峰值的图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图描述根据本发明的实施例的装置和方法。在下面的描述中，示出了许多特定项，诸如详细的元件，但是这些仅仅是为了提供对本发明的一般理解而给出的。本领域技术人员应当理解，在本发明的范围内可以做出各种形式和细节上的变化。此外，在本发明的以下描述中，将略去合并于此的已知功能和配置的详细说明，以免使得本发明的主题更不清楚。

本发明提供一种用于在数字照相机中快速实现自动聚焦控制的方法和装置，下面将参考附图进行详细描述。

图2是示出了根据本发明的实施例的自动聚焦控制装置的配置的框图。参考图2，根据本发明的实施例的自动聚焦控制装置包括镜头单元110、图像传感器单元120、图像信号处理器(ISP)130、控制器140、显示单元150、驱动单元170和输入单元160。

镜头单元110在图像传感器单元120上形成对象(subject)的光学图像。镜头单元110包括变焦镜头(未示出)和聚焦镜头(未示出)，该聚焦镜头可沿着光轴移动的以便对形成在图像传感器单元上的光学图像聚焦。通过镜头单元110，获得用户期望拍摄的对象的数字图像。

图像传感器单元120可以包括互补金属氧化物半导体(CMOS)、电荷耦合器件(CCD)等等。图像传感器单元120以多个光电检测器被集成为各个像素的形式实现，并且将对象的图像信息转换成电信号，然后将电数据传送到ISP 130。

ISP 130以帧为单位处理已经从图像传感器单元120输入的图像信号。此外，根据本发明的实施例，ISP 130从图像信息已被转换成的电信号中提取边界值。

显示单元150根据控制器140的控制显示拍摄的图像。

输入单元160接收并将用户的输入传送到控制器140。当利用触摸屏实现显示单元150时，显示单元150可以作为输入单元工作。

控制器140控制数字照相机的各个元件。控制器140根据给定的边界值信息估计具有最大边界值的位置，并将控制信号输出给驱动单元170以将镜头系统移动到该估计的位置。

此外，在控制驱动单元170将数字照相机的聚焦镜头移动到最长距离拍摄的位置之后，控制器140在以预设间隔移动聚焦镜头的同时根据每个相应的位置通过ISP 130提取边界值，基于提取的边界值估计具有二次多项式函数的逆函数的形式的函数，并且计算估计的函数的最大值。

然后，控制器140以预设间隔移动聚焦镜头，根据相应的位置提取边界值，通过使用包含根据聚焦镜头的当前位置提取的边界值的数据和预先提取的边界值来再一次估计函数的形式，并且计算在聚焦镜头的当前位置处计算/估计的二次多项式函数的逆函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算/估计的二次多项式函数的逆函数的最大值之间的差。

接着，当在聚焦镜头的当前位置处计算/估计的二次多项式函数的逆函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算/估计的二次多项式函数的逆函数的最大值之间的差小于或等于预设阈值时，控制器140控制驱动单元170将聚焦镜头移动到具有当前计算/估计的二次多项式函数的逆函数的最大值的当前位置。

驱动单元170根据从控制器140接收到的控制信号物理上移动镜头单元110。

数字照相机还可以包括缓冲器(未示出)，用于暂时存储通过拍摄过程获得的图像。

图3是示出了根据本发明的实施例的自动聚焦控制操作的流的流程图。参考图3，首先，在步骤610中，当运行自动聚焦控制操作时，控制器140控制驱动单元170将聚焦镜头移动到最长距离拍摄的位置，并在按照朝向图像传感器120的方向以预设间隔从相应位置移动聚焦镜头的同时测量相应位置的边界值数据。在这种情况下，在聚焦镜头移动至少三次时，在每个位置处提取边界值。

接着，在步骤620中，通过使用测量的边界值数据来计算具有二次多项式函数的逆函数的形式的估计模型，并且检测表示具有估计的函数的最大值的位置的峰值。根据本发明的实施例，如果聚焦镜头移动三次，则采样三个边界值，并且通过使用采样的边界值数据来计算估计模型。用这样的方式执行估计模型的计算，以便：通过使用逆矩阵执行与预设函数的拟合(fit)，并根据拟合函数的系数值计算具有最大值的位置。具有二次多项式函数的逆函数的形式的估计模型可以被表示为下面的等式(1)。

$y=\frac{1}{{\mathrm{ax}}^2+\mathrm{bx}+c}...\left(1\right)$

在等式(1)中，“a，b，c”表示二次多项式函数的系数。

根据本发明的实施例，为了计算估计模型，使用伪逆矩阵以最小二乘法执行操作。首先，为了获得如等式(1)所示的估计模型，每个边界值的函数可以被表示为下面的等式(2)。

${\mathrm{ax}}_1^2+{\mathrm{bx}}_1+c=1/y_1$

${\mathrm{ax}}_2^2+{\mathrm{bx}}_2+c=1/y_2...\left(2\right)$

.

.

.

${\mathrm{ax}}_n^2+{\mathrm{bx}}_n+c=1/y_n$

等式(2)表示n对边界值(x_n，y_n)和n个边界值点的位置的等式。等式(2)可以用矩阵形式表示，如下面等式(3)所示。

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_1^2& x_1& 1\\ x_2^2& x_2& 1\\ & .& \\ & .& \\ & .& \\ x_n^2& x_n& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1/y_1\\ 1/y_2\\ .\\ .\\ .\\ 1/y_n\end{array}\right]...\left(3\right)$

接着，等式(3)可以被简化为下面的等式(4)。

$A\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\end{array}\right]=y^{\′}...\left(4\right)$

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\end{array}\right]={\left(A^{T}A\right)}^{-1}{A}^T{y}^{\′}...\left(5\right)$

当将等式(3)表示为等式(4)时，根据A的伪逆矩阵获得估计模型的系数值，如等式(5)所示。在这种情况下，具有峰值的位置变为“-b/2a”，如下面的等式(6)所示。

$x_{\mathrm{peak}}=-\frac{b}{2a}...\left(6\right)$

图4是示出了在根据本发明的实施例的自动聚焦控制方法中从采样数据中获得的二次多项式函数的逆函数的估计模型的示例的图。可以通过使用边界值数据来计算如图4所示的估计模型。

反过来参考图3，在步骤630中，在镜头移动了预设下一间隔之后测量边界值，并且通过使用包括测量的边界值的边界值数据来计算新的拟合的估计模型。由于采样的边界值的数目根据新的步长间隔而增加，因此拟合曲线的形状变化，并且峰值的位置也变化。图5A到图5C是示出了在根据本发明的实施例的自动聚焦控制方法中每当采样数据的条数增大时计算的估计模型的图。如图5A到图5C所示，由于聚焦镜头移动了预设间隔，因此重新计算具有二次多项式函数的逆函数的形式的估计模型，并获得相应的峰值。图5A是示出了当聚焦镜头移动三次时利用三条边界值数据估计的估计模型的图，图5B是示出了当聚焦镜头移动四次时利用四条边界值数据估计的估计模型的图，且图5C是示出了当聚焦镜头移动五次时利用五条边界值数据估计的估计模型的图。当计算新的估计模型时，计算通过在镜头的前一位置处计算的估计模型的峰值和通过在镜头的当前位置处计算的估计模型的峰值之间的差。

接着，在步骤640中，确定通过在镜头的前一位置处计算的估计模型的峰值和通过在镜头的当前位置处计算的估计模型的峰值之间的差是否小于或等于预设阈值。如上所述，图5A到图5C示出了在自动聚焦控制方法中每当采样数据的条数增大时计算的估计模型。图6是示出了根据聚焦镜头的位置(步长)通过估计模型获得的峰值的图。根据本发明的实施例，当当前峰值和前一峰值之间的差小于或等于预设阈值Δx_th时，将与当前峰值对应的当前位置确定为聚焦位置。也就是说，参考图6，第四位置的峰值和作为前一峰值的第三位置的峰值之间的差小于预设阈值，从而移动聚焦镜头并停止在已经检测到第四峰值的位置处。

在步骤640中，当通过在镜头的前一位置处计算的估计模型的峰值和通过在镜头的当前位置处计算的估计模型的峰值之间的差大于预设阈值时，该过程进行到步骤650。在步骤650中，聚焦镜头移动预设间隔，并且该过程返回到步骤620和630，在该步骤620和630中，计算新的估计模型，获得峰值，然后过程返回到步骤640。

当作为步骤640的结果，通过在镜头的前一位置处计算的估计模型的峰值和通过在镜头的当前位置处计算的估计模型的峰值之间的差小于或等于预设阈值时，结束用于估计的计算，聚焦镜头移动到估计的位置，执行拍摄，然后终止该过程。

同时，当根据本发明的实施例使用最小二乘法计算估计模型时，存在小的错误被放大的问题。这样的问题可以通过使用加权的最小二乘法将峰值的周围给予更高的权重来解决。由下面的等式(7)来计算加权的最小二乘法。

$\min \underset{i}{\mathrm{\Σ}}{w}_i(y_i-{\hat{y}}_i)...\left(7\right)$

在等式(7)中，“w”表示权重，“y”表示估计模型，“i”表示从1到n的采样次序。

用如下面的等式(8)所示的矩阵形式来表示等式(7)，并且可以通过使用如下面的等式(9)所示的伪逆矩阵来计算峰值。

$\left[\begin{array}{ccc}{x}_1^2/w_1& x_1/w_1& 1/w_1\\ x_2^2/w_2& x_2/w_2& 1/w_2\\ & .& \\ & .& \\ & .& \\ x_n^2/w_2& x_n/w_2& 1/w_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}1/y_1/w_2\\ 1/y_2/w_2\\ .\\ .\\ .\\ 1/y_n/w_2\end{array}\right]...\left(8\right)$

$\left[\begin{array}{c}a\\ b\\ c\end{array}\right]=A_w^{+}{y}^{\′}={\left(A_w^T{A}_w\right)}^{-1}{A}_w^T{y}_w^{\′}...\left(9\right)$

在等式(8)和(9)中，“a”、“b”和“c”表示二次多项式函数的逆矩阵的估计模型的系数。在这种情况下，也可以由等式(6)计算峰值。

根据本发明的实施例，在数字照相机中最小化用于自动聚焦控制的镜头的移动，以使得数字照相机的用户可以快速地进行拍摄而不会错过时机。

此外，根据本发明的实施例，可以通过改进算法来实现快速的自动聚焦，甚至不用改变当前照相机模块中所使用的包括电致动器、图像信号处理器(ISP)等基本元件的特性或配置。

可以如上所述实现根据本发明的实施例的数字照相机的自动聚焦控制方法和装置的操作和配置。尽管已经参考本发明的一些实施例对本发明进行了示出和描述，但是本领域技术人员应当理解，在不脱离由所附权利要求书所定义的本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明做出形式和细节上的各种修改。

Claims (11)

1.一种用于数字照相机的自动聚焦控制的方法，该方法包括步骤：

将数字照相机的聚焦镜头移动到最长距离拍摄的位置，然后在将聚焦镜头按照朝向图像传感器的方向以预设间隔移动的同时根据相应的位置提取边界值；

基于提取的边界值估计预设函数的形式，并计算估计的函数的最大值；

计算在聚焦镜头的第一当前位置处计算的预设函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算的预设函数的最大值之间的差；以及

当在聚焦镜头的第一当前位置处计算的预设函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算的预设函数的最大值之间的差小于或等于预设阈值时，将聚焦镜头移动到与该预设函数的当前计算的最大值对应的位置。

2.如权利要求1所述的方法，还包括步骤：当在聚焦镜头的第一当前位置处计算的预设函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算的预设函数的最大值之间的差大于该预设阈值时，将该聚焦镜头移动该预设间隔，根据相应的位置提取边界值，并且通过使用根据聚焦镜头的第二当前位置提取的边界值和先前提取的边界值的数据来再一次估计该预设函数的形式。

3.如权利要求1到2中的一个所述的方法，其中，所述将数字照相机的聚焦镜头移动到最长距离拍摄的位置然后在将聚焦镜头以预设间隔移动的同时根据相应的位置提取边界值的步骤包括：将该数字照相机的聚焦镜头移动到最长距离拍摄的位置，然后在以该预设间隔至少三次连续移动该聚焦镜头的同时提取每个位置处的边界值。

4.如权利要求1到3中的一个所述的方法，其中，该预设函数对应于二次多项式函数的逆函数。

5.如权利要求4所述的方法，其中，所述基于提取的边界值估计预设函数的形式并计算估计的函数的最大值的步骤包括：将用于矩阵运算的模型函数设置为ax²+bx+c＝1/y，并通过使用伪逆矩阵来计算该二次多项式函数的逆函数的系数a、b、c的值，以便基于提取的边界值来估计该二次多项式函数的逆函数的形式；以及根据计算的系数值获得最大值。

6.一种用于数字照相机的自动聚焦控制的装置，该装置包括：

镜头单元，被配置具有聚焦镜头，该聚焦镜头能够沿着光轴移动以便对形成在图像传感器上的光学图像聚焦，该镜头单元允许对象的光学图像形成在该图像传感器上；

图像传感器单元，用于将对象的图像信息转换成电信号；

图像信号处理器(ISP)，用于从图像信息已被转换成的电信号中提取边界值；

驱动单元，用于根据从控制器接收到的控制信号物理上移动该镜头单元；以及

该控制器，用于控制该驱动单元将数字照相机的聚焦镜头移动到最长距离拍摄的位置，在将聚焦镜头按照朝向图像传感器的方向以预设间隔移动的同时根据相应的位置提取边界值，基于提取的边界值估计预设函数的形式，计算估计的函数的最大值，计算在聚焦镜头的第一当前位置处计算的预设函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算的预设函数的最大值之间的差，并且当在聚焦镜头的第一当前位置处计算的预设函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算的预设函数的最大值之间的差小于或等于预设阈值时，控制将该聚焦镜头移动到与该预设函数的当前计算的最大值对应的位置。

7.如权利要求6所述的装置，其中，当在聚焦镜头的第一当前位置处计算的预设函数的最大值和在聚焦镜头的前一位置处计算的预设函数的最大值之间的差大于该预设阈值时，该控制器执行控制操作以将该聚焦镜头移动该预设间隔，根据相应的位置提取边界值，并且通过使用根据聚焦镜头的第二当前位置提取的边界值和先前提取的边界值的数据来再一次估计该预设函数的形式。

8.如权利要求6到7中的一个所述的装置，其中，当该控制器将数字照相机的聚焦镜头移动到最长距离拍摄的位置、并在将聚焦镜头以预设间隔移动的同时根据相应的位置提取边界值时，该控制器将该数字照相机的聚焦镜头移动到最长距离拍摄的位置，并在以该预设间隔至少三次连续移动该聚焦镜头的同时提取每个位置处的边界值。

9.如权利要求6到8中的一个所述的装置，其中该预设函数对应于二次多项式函数的逆函数。

10.如权利要求9所述的装置，其中，当该控制器基于提取的边界值估计预设函数的形式并计算估计的函数的最大值时，该控制器将用于矩阵运算的模型函数设置为ax²+bx+c＝1/y，并通过使用伪逆矩阵来计算该二次多项式函数的逆函数的系数a、b、c的值，以便基于提取的边界值来估计该二次多项式函数的逆函数的形式，以及根据计算的系数值获得最大值。

11.如权利要求6到8中的一个所述的装置，其中，该镜头单元还被配置具有变焦镜头。

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