CN103609099A - 自动对焦摄像机系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及自动对焦摄像机系统及其控制方法，在包括内置于闭路电视中的主处理器、与主处理器相连接的存储部、输入部、电荷耦合器件摄像机、影像处理部、聚焦镜头及变焦镜头的闭路电视摄像机系统中，自动对焦摄像机系统的特征在于，以通过RS-485通信来输入输出控制指令的方式设计，并通过与上述主处理器相连接的聚焦马达驱动器和变焦马达驱动器来控制，聚焦马达和变焦马达由步进马达构成，上述聚焦马达驱动器向根据镜头的大小分为多个阶段区间的焦点区间移动之后，利用在有关地点的图像中显示的亮度和对比度来执行自动对焦；由此能够在闭路电视摄像机中利用1/3"电荷耦合器件来体现自动对焦，利用各个步进马达分别对变焦和自动对焦以驱动方式进行控制，从而具有能够进行快速驱动，并提高驱动效率和控制效率，自行验证和修改自动对焦的错误的效果。

Description

自动对焦摄像机系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种自动对焦摄像机系统及其控制方法，更详细地，涉及一种分离聚焦功能和变焦功能，从而通过单独的驱动源进行驱动，但也能使1/3"大小的电荷耦合器件（CCD，Charge-CoupledDevice）通过直接驱动为步进马达并进行控制的方式，使自动对焦和变焦功能能够在闭路电视中执行，由此缩短启动时间，提高效率，并包括自动校正功能的自动对焦摄像机系统及其控制方法。

背景技术

如主旨所述，闭路电视（CCTV，Closed Circuit Television）设置并运用于脆弱地区或人们的往来较多的地方或产业设备等的监视/管理、车辆用、地铁电动车用等多种领域。

最近，不仅在百货、银行、展馆等，还在如学校周边、住宅区等地方也设有闭路电视并扩大地进行运营，这是用于从各种犯罪中确保安全的环节，也将更加扩大。

作为在这些闭路电视系统中装载的拍摄单元，广泛使用电荷耦合器件（CCD，Charge-Coupled Device）摄像机。

此时，电荷耦合器件为意味着固体拍摄元件的用语的缩写，是将光转换为电子信号的6mm×4mm大小的光电转换传感器，结构分为将光装换为电信号的光电装换部分和将所转换的电荷存储并传输的传输部分，其驱动原理为，从镜头进来的光强度首先记录在电荷耦合器件（相当于光学摄像机的胶片）的同时，所拍摄的影像的光会借助粘在电荷耦合器件的RGB滤色器分别分离为不同的颜色。

接着，所分离的颜色在构成电荷耦合器件的数十万个光传感器（41万像素的数码摄像机的情况下，一个电荷耦合器件沾有41万个光传感器）中转换为电子信号，而从电荷耦合器件发出的模拟信号转换为0和1的数字信号，从而生成影像信号，并通过显示器显示。

但是，与一般的光学用摄像机一样，初期的电荷耦合器件摄像机未安装用于调整镜头的倍率的变焦功能，因此存在只能拍摄固定倍率的影像的不便。

为改善上述问题，目前市场上销售的大部分的电荷耦合器件摄像机具有变焦功能和聚焦功能，也公开了多个相关专利技术。

作为这些技术，有以下形态，即，在摄像机外壳的后面部分旋转调节环，使调节环调节齿轮和镜头聚焦、聚焦部分的齿轮（平齿轮类型）的形态；在外壳的上端侧面旋转调节环，来调节调节环的齿轮和镜头的聚焦、聚焦部分的齿轮（斜齿轮类型）的形态；在外壳上端侧面旋转外壳，来调节镜头的聚焦和变焦的形态（在没有齿轮的情况下分离外壳，从而单纯地组装镜头的调节部分的形态）；在外壳的内侧设置马达，并利用该马达来调节聚焦和变焦的形态等。

但是，由于此类结构会增加闭路电视摄像机的体积，使得在制造、设置等方面具有很多缺点和界限，因此出现了一般具有1/4英寸大小且能够进行自动对焦的电荷耦合器件摄像机（当然，车装摄像机的情况下，也会使用1/3英寸的电荷耦合器件）。

但是，电荷耦合器件摄像机为了减少体积，利用一个马达同时处理自动对焦和变焦功能，因此具有结构及控制复杂，且在特定变焦倍率中不能形成聚焦的问题以及处理时间变长的缺点。即，使用一个马达的情况下，需要以手动调节的方式来实现变焦和聚焦的区间调节，因此存在摄像机的设计困难且复杂，控制也困难，处理时间也增加的问题。

不仅如此，在以往的闭路电视中体现的信号处理方式需要通过一个频道随时形成模拟信号和数字信号相互间的转换，因此在进行用户接口和视频信号处理时，会加重负荷，并随着存储容量的增加，在效率的控制方面存在困难。

并且，以往的闭路电视由于没有对电荷耦合器件摄像机在自动对焦时发生的的错误进行验证及校正的功能，因此存在发生错误时不能应付的界限。

发明内容

技术问题

本发明考虑到如上所述的现有技术上的各种问题，是为了解决这些问题而提出的，本发明的主要目的在于，提供自动对焦摄像机系统及其控制方法，上述自动对焦摄像机系统及其控制方法利用适用于各种形态的车载摄像机的1/3"大小的电荷耦合器件摄像机，在闭路电视中体现自动对焦和变焦功能，也可以利用两个步进马达迅速体现自动对焦和变焦功能，且确保两个频道来分离用户接口和视频信号处理，从而提高控制及处理效率，并具有对自动对焦的错误验证及修正功能，从而能够取得更鲜明、更准确的影像。

解决问题的手段

本发明作为用于达成上述目的手段，提供自动对焦摄像机系统，闭路电视摄像机系统包括：主处理器，内置于闭路电视，存储部，与主处理器相连接，输入部，与主处理器相连接，用于提供用户接口，输出部，用于输出在主处理器中处理的内容，电荷耦合器件摄像机，拍摄被拍摄体，影像处理部，将电荷耦合器件摄像机所拍摄的模拟信号转换为数字信号，并向主处理器传输，聚焦镜头及变焦镜头，在拍摄被拍摄体时，将影像进行放大/缩小及在放大/缩小状态下执行聚焦；上述自动对焦摄像机系统的特征在于，上述主处理器连接有RS-485收发器，通过RS-485通信来输入输出控制指令，上述聚焦镜头和变焦镜头通过以独立的方式分别分离地进行设置的聚焦镜头和变焦镜头来驱动，并通过与上述主处理器相连接的聚焦马达驱动器和变焦马达驱动器来控制，聚焦马达和变焦马达由步进马达构成，在上述电荷耦合器件摄像机所拍摄的影像在不经过上述影像处理部的情况下通过尼尔-康塞曼卡口（BNC）连接器向用户以复合电视广播信号（CVBS）的形式输出模拟信号本身，在上述影像处理部中转换的数字信号以自动对焦的位置信息的形式存储于存储部，上述聚焦马达驱动器向根据镜头的大小而向分为多个阶段区间的焦点区间移动之后，利用相应地点的图像中显示的亮度（Luminance）和对比度来执行自动对焦。

此时，本发明的特征在于，在上述主处理器还连接有调制传递函数计算部和聚焦错误检测部，参照上述调制传递函数计算部计算的对应每镜头的调制传递函数值，由此聚焦错误检测部在进行自动对焦时检测聚焦错误并进行校正。

并且，本发明的特征还在于，在上述输入部还设有从主处理器中分配的初始化按钮，以在聚焦错误时对聚焦进行初始化。

不仅如此，本发明还提供自动对焦摄像机系统的控制方法，利用上述自动对焦摄像机系统来控制自动对焦，其特征在于，包括：返回原点步骤，施加电源时或启动系统时聚焦马达的坐标返回原位置或保持原位置；平均值计算步骤，若由于变焦或用户的请求而发生影像位移，则从电荷耦合器件摄像机接收位移的位置的影像的主处理器会计算从所拍摄的图像的多个点上获得的亮度（Luminance）的平均值；区间移动步骤，从在平均值计算步骤中使用的相同的图像计算对比度，并参照存储于存储部的查阅表（Look Up Table），由聚焦马达驱动器控制聚焦马达的驱动，使聚焦镜头向接近所计算出的平均亮度和对比度的区间移动；调节步骤，以移动的区间为中心，使聚焦马达按基本步进数分别向顺时针方向、逆时针方向旋转，来重新获得移动的步进数中的各个图像，并从各个图像计算对比度；聚焦步骤，在调节步骤之后，主处理器将所计算的两个对比度进行比较，在使聚焦马达按设计的步进数向对比度的差异大的方向的反方向进行旋转的状态下，重新向反方向缠绕的同时聚集焦点；聚焦结束步骤，若已聚集焦点，则计算当时的亮度平均值和对比度后存储在存储部。

在此情况下，本发明的特征在于，在上述聚焦步骤中，比较结果发现向顺时针方向移动的对比度大于向逆时针方向移动的对比度的情况下，若在使聚焦马达按基本步进数向顺时针方向旋转的状态下，重新向顺时针方向缠绕的同时到达不会发生亮度的变化的地点，则停止并以上述地点为起点聚集焦点。

并且，本发明的特征还在于，在上述聚焦步骤中，比较结果发现向逆时针方向移动的对比度大于向顺时针方向移动的对比度的情况下，若在使聚焦马达按基本步进数向顺时针方向旋转的状态下，重新向逆时针方向缠绕的同时到达不会发生亮度的变化的地点，则停止并以上述地点为起点聚集焦点。

发明的效果

根据本发明，能够具有以下效果，即，能够在闭路电视摄像机中利用1/3"电荷耦合器件来体现自动对焦，利用各个步进马达分别对变焦和自动对焦以驱动方式进行控制，从而具有能够进行快速驱动，通过两个频道来分离用户接口和视频信号处理，从而提高驱动效率和控制效率，并能自行验证和校正自动对焦的错误，且采取RS-485通信方式，能够对放大/缩小、返回原点功能、其他指令目录的迅速应答。

附图说明

图1为本发明的自动对焦摄像机系统的例示性的构成框图。

图2是在本发明的自动对焦摄像机系统的控制方法中示出自动对焦控制例的流程图。

图3是在本发明的自动对焦摄像机系统的控制方法中示出变焦控制例的流程图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选的实施例进行更为详细的说明。

图1为本发明的自动对焦摄像机系统的例示性的构成框图。

如图1所示，本发明的自动对焦摄像机系统包括主处理器100。

上述主处理器100是在闭路电视中执行在体现与本发明相关的自动对焦及放大/缩小、聚焦错误解读及校正、RS-485通信、调制传递函数（MTF，Modulation Transfer function）等时所需的整体控制的芯片组。

并且，上述主处理器100链接存储部200，上述存储部200作为记忆装置，具有电可擦可编程只读存储器（EEPROM，ElectricallyErasable Programmable Read-Only Memory）210、同步动态随机存储器（SDRAM，Synchronous Dynamic Random Access Memory）220、NAND闪存230等，从而根据用途在主处理器100的控制下执行数据的存储、更新等。

尤其，在本发明中，相互独立地单独设有用于自动对焦的（AF）的镜头驱动用聚焦马达300和用于放大/缩小（zoom in/out）镜头驱动用变焦马达400，但为了快速驱动和正确的控制，这些马达都使用步进马达。

同时，上述主处理器100分别连接有聚焦马达驱动器310和变焦马达驱动器410，借助上述聚焦马达驱动器310和变焦马达驱动器410，来控制上述聚焦马达300和变焦马达400的驱动。

此时，上述聚焦马达驱动器310和变焦马达驱动器410按使用于电荷耦合器件摄像机500的不同镜头（3mm～16mm、5mm～50mm可变焦距镜头）来移动聚焦和变焦的同时体现自动对焦的方式进行控制，而为此，调制传递函数（MTF，Modulation Transfer Function）计算部600与主处理器100相连接。

上述调制传递函数计算部600作为计算对装载于电荷耦合器件摄像机500的镜头的光学能力进行数字化的值的部分，各镜头的调制传递函数值存储于存储部200。

尤其，上述调制传递函数计算部600用于寻找并校正自动对焦的错误。

并且，如同后述，当镜头为了自动对焦而移动之后，自动对焦可通过利用相互比较聚焦区域，即，相互比较对比于聚焦中心的图像边缘部4部分（最外角4部分）之间的对比度（Contrast Ratio）来简单地进行控制。

为此，镜头设计成能够向多个步骤进行区间移动，且借助上述所述的驱动器来控制，例如，在3～16mm镜头的情况下，设计成能够进行6步骤的区间移动（光学的5.25倍），且在5～50mm镜头的情况下，可以设计成能够进行11步骤的区间移动（光学的10倍）。

如此，将能够迅速移动的区间点制作成查阅表（Look UPTable）并存储于存储部200。由此，就能使聚焦镜头向与变焦的变焦镜头的位置相匹配的区间迅速移动，之后，伴随着微细的调整作业，就能减少聚焦需要的时间。

因此，若用户（User）下达与变焦和聚焦相关的选择指令，则聚焦马达驱动器310和变焦马达驱动器410使各个聚焦马达300和变焦马达400按不同区间进行步进之后，当到达所属领域时，在执行放大/缩小功能的状态下，以后述的点比较方式来体现自动对焦。

同时，将借助上述多个驱动器进行驱动的多个步进马达的原位置提供为已设置的值，且设置成在发生错误时或发生聚焦/变焦错误时自动向原位置移动，镜头的移动距离以原位置为基准进行计算。

尤其，在摄像机的电源开启并启动时，或在用户（User）按下初始化按钮，使摄像机初始化等情况下，上述原位置会一直成为基准的位置。

并且，上述自动对焦和放大/缩小功能以RS-485通信方式来控制，为此，在上述主处理器100中连接有能够进行RS-485通信的RS-485收发器610。

这种情况下，上述RS-485通信能够借助Pelco-D或P Protocol连动地进行控制。

同时，优选地，在进行自动对焦时，将以能够判别聚焦是否准确的方式进行拍摄的画面的中央中心定为1点，将画面的4个角落部分分别设为1点，从而以最大5点为基准，来比较并解读对比度，但要以平均值来解读并控制聚焦，从而提高聚焦的准确度，并以形成迅速的聚焦的方式进行控制。

另一方面，上述主处理器100还连接聚焦错误检测部620，上述聚焦错误检测部620取得自动对焦和在放大/缩小时镜头实际移动的值，来比较镜头实际移动的值和存储于存储部200的每个镜头的调制传递函数值，并解读是否一致，从而确认聚焦是否错误。

此时，发生聚焦错误的因素可以有很多，但在这种情况下，以自动向原位置移动后形成重新聚焦的方式校正错误。

并且，优选地，在本发明中使用的电荷耦合器件摄像机500采用主要用于车载摄像机的1/3"大小的电荷耦合器件，从而在最大限度上减少体积，上述电荷耦合器件摄像机500连接影像处理部510和复合电视广播信号（CVBS）（Composite Video BasebandSignal）输出部520，以能够处理通过两个频道拍摄的影像信号。

上述影像处理部510与主处理器100的视频端子相连接，并将在电荷耦合器件摄像机500所拍摄的模拟影像转换为数码影像之后向主处理器100传输，从而利用为用于自动对焦的数据，所传输的数据存储于存储部200。

并且，上述复合电视广播信号（CVBS）输出部520通过上述电荷耦合器件摄像机500和尼尔-康塞曼卡口（Bayonet-Neil-Concelman，BNC）连接器来连接，使模拟影像在不转换为数码的情况下直接输出，以使用户（User）能够看到。即，与现有的闭路电视呈现相同的影像。

像这样，能够提前防止为了将电荷耦合器件摄像机500所拍摄的影像如现有方式一样通过一个频道将模拟信号转换为数字信号或为了影像的呈现而要重新将数字信号转换为模拟信号的不便，以及在此过程中影像失真和损失等。

并且，主处理器100连接用于输入指令信号的输入部700和显示所处理的信息的输出部800，尤其，输入部700还能具有作为单独分配的按钮的聚焦初始化按钮710。

以下，参照图2对自动对焦方法进行更详细的说明。

如图2所示，自动对焦（AF）控制方法从最初施加电源时或启动系统时聚焦马达300的坐标返回原位置或保持原位置的返回原点步骤S100开始。

接着，若由于变焦（Zoom）或用户（User）的请求而发生影像位移（步骤S110），则从电荷耦合器件摄像机500接收位移的位置的影像的主处理器100会通过调制传递函数计算部600来执行计算影像图像的聚焦中心1点和图像边缘4点的亮度（Luminance）平均值的平均值计算步骤S120。

之后，从图像中计算对比度（步骤S130），并参照查阅表（LUTM，Look Up Table）来执行聚焦马达驱动器310控制聚焦马达300的驱动，使聚焦镜头向所计算的接近平均亮度和对比度的区间（例如，在3～16mm镜头的情况下为6步骤，在5～50mm镜头的情况下为11步骤，根据镜头的各个位置的平均亮度和对比度来划分）移动的区间移动步骤S140。

其后，执行以移动的区间为中心，使聚焦马达300按基本步进数分别向顺时针方向、逆时针方向旋转，来重新获得移动的步进数中的各个图像，并从各个图像计算对比度的调节步骤S150。

在该状态下，主处理器110执行比较所计算的两个对比度的比较步骤S160。

在上述比较步骤S160中，向顺时针方向移动的对比度大于向逆时针方向移动的对比度的情况下，执行使聚焦马达300向逆时针方向以基本步进数旋转的状态下，重新向顺时针方向缠绕的同时到达不发生亮度的变化的地点，则停止并以上述地点为起点聚焦焦点的正方向亮度聚焦步骤S170。

相反地，在上述比较步骤S160中，向逆时针方向移动的对比度大于向其反方向移动的对比度的情况下，执行使聚焦马达300按基本步进数向顺时针方向旋转的状态下，重新向逆时针方向缠绕的同时到达不发生亮度变化的地点，则停止并以上述地点为起点聚焦焦点的逆向亮度聚焦步骤S180。

像这样，若已聚集焦点，则执行计算当时的亮度平均值和对比度后存储于存储部200的聚焦结束步骤S190。

像这样，通过根据镜头进行区间移动设定多个阶段区间，以能够进行迅速的移动，且根据变焦的位置进行区间移动后，利用亮度和对比度来聚集焦点，从而可缩短自动对焦时间。

不仅如此，可利用调制传递函数值，在自动对焦时容易找出错误，并能自动校正该错误。

另一方面，基于诱发影像位移的放大/缩小的控制方法如图3所示。

如图3所示，放大/缩小控制方法从最初施加电源时或启动系统时变焦马达400的坐标返回原位置或保持原位置的返回原点步骤S200开始。

接着，若根据用户的请求来输入变焦因子（factor）（步骤S200），则所输入的值（CMD）会判断放大还是缩小将要拍摄的影像（步骤S220）。

例如，若判断为将进行放大，即，判断为拉近被拍摄体进行拍摄的放大方式，则变焦马达驱动器410使变焦马达400进行旋转，以进行放大（步骤S230），若判断为推开被拍摄体进行拍摄的缩小方式，则变焦马达驱动器410使变焦马达400进行旋转，以进行缩小（步骤S240）。

而且，若选择的条件一致，则将当时的位置值存储于存储部200，从而结束对放大/缩小的控制。

当然，在进行自动对焦（Auto Focus）时，这些放大/缩小会对影像进行位移，因此会产生影响，这一点如同上述所述。

像这样，本发明的自动对焦摄像机系统及其控制方法能够与放大/缩小一同在短时间内准确地执行自动对焦功能，且能够找出聚焦错误并进行修正，并且，将影像的信号处理分为两个频道来进行处理，从而提供使控制容易且正确，处理效率也提高的优点。

附图标记的说明

100：主处理器              200：存储部

300：聚焦马达              400：变焦马达

500：电荷耦合器件摄像机    600：调制传递函数计算部

700：输入部                800：输出部

Claims (6)

1.一种自动对焦摄像机系统，

闭路电视摄像机系统包括：

主处理器，内置于闭路电视，

存储部，与主处理器相连接，

输入部，与主处理器相连接，用于提供用户接口，

输出部，用于输出在主处理器中处理的内容，

电荷耦合器件摄像机，拍摄被拍摄体，

影像处理部，将电荷耦合器件摄像机所拍摄的模拟信号转换为数字信号，并向主处理器传输，

聚焦镜头及变焦镜头，在拍摄被拍摄体时，将影像进行放大/缩小以及在放大/缩小状态下执行聚焦；

上述自动对焦摄像机系统的特征在于，

上述主处理器连接有RS-485收发器，通过RS-485通信来输入输出控制指令，

上述聚焦镜头和变焦镜头通过以独立的方式分别分离地进行设置的聚焦镜头和变焦镜头来驱动，并通过与上述主处理器相连接的聚焦马达驱动器和变焦马达驱动器来控制，聚焦马达和变焦马达由步进马达构成，

上述电荷耦合器件摄像机所拍摄的影像在不经过上述影像处理部的情况下通过尼尔-康塞曼卡口连接器向用户以复合电视广播信号的形式输出模拟信号本身，

在上述影像处理部中转换的数字信号以自动对焦的位置信息的形式存储于存储部，

上述聚焦马达驱动器向根据镜头的大小分为多个阶段区间的焦点区间移动之后，利用在相应地点的图像中显示的亮度和对比度来执行自动对焦。

2.根据权利要求1所述的自动对焦摄像机系统，其特征在于，在上述主处理器还连接有调制传递函数计算部和聚焦错误检测部，参照上述调制传递函数计算部计算的对应每镜头的调制传递函数值，聚焦错误检测部在进行自动对焦时检测聚焦错误并进行校正。

3.根据权利要求1所述的自动对焦摄像机系统，其特征在于，在上述输入部还设有从主处理器分配的初始化按钮，以在聚焦错误时对聚焦进行初始化。

4.一种自动对焦摄像机系统的控制方法，利用在权利要求1所述的自动对焦摄像机系统来控制自动对焦，其特征在于，包括：

返回原点步骤，施加电源时或启动系统时聚焦马达的坐标返回原位置或保持原位置；

平均值计算步骤，若由于变焦或用户的请求而发生影像位移，则从电荷耦合器件摄像机接收位移的位置的影像的主处理器计算从所拍摄的图像的多个点上获得的亮度的平均值；

区间移动步骤，从在平均值计算步骤中使用的相同的图像计算对比度，并参照存储于存储部的查阅表，由聚焦马达驱动器控制聚焦马达的驱动，使聚焦镜头向接近所计算出的平均亮度和对比度的区间移动；

调节步骤，以移动的区间为中心，使聚焦马达按基本步骤数分别向顺时针方向、逆时针方向旋转，来重新获得移动的步进数中的各个图像，并从各个图像计算对比度；

聚焦步骤，在调节步骤之后，主处理器将所计算的两个对比度进行比较，在使聚焦马达按设定的步进数向对比度的差异大的方向的反方向旋转的状态下，重新向反方向缠绕的同时聚集焦点；以及

聚焦结束步骤，若已聚集焦点，则计算当时的亮度平均值和对比度后存储在存储部。

5.根据权利要求4所述的自动对焦摄像机系统的控制方法，其特征在于，在上述聚焦步骤中，比较结果发现向顺时针方向移动的对比度大于向逆时针方向移动的对比度的情况下，若在使聚焦马达按基本步进数向逆时针方向旋转的状态下，重新向顺时针方向缠绕的同时到达不会发生亮度的变化的地点，则停止并以上述地点为起点聚集焦点。

6.根据权利要求4所述的自动对焦摄像机系统的控制方法，其特征在于，在上述聚焦步骤中，比较结果发现向逆时针方向移动的对比度大于向顺时针方向移动的对比度的情况下，若在使聚焦马达按基本步进数向顺时针方向旋转的状态下，重新向逆时针方向缠绕的同时到达不会发生亮度变化的地点，则停止并以上述地点为起点聚集焦点。

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