CN103843317A - 成像设备 - Google Patents

Abstract

本文公开的示例实施例涉及成像设备和方法。这种成像设备的一个示例包括焦点成像单元和相机成像单元。该相机成像单元与该焦点成像单元分离且被配置为记录图像。该成像设备附加地包括联接至该焦点成像单元和该相机成像单元的聚焦单元。该聚焦单元被配置为调整该焦点成像单元和该相机成像单元的焦点位置。该成像设备进一步包括控制单元，该控制单元被配置为促使该聚焦单元调整该焦点成像单元的焦点位置并从而确定最佳焦点位置，并且促使该聚焦单元基于所确定的最佳焦点位置来调整该相机成像单元的焦点位置。

Description

成像设备

背景技术

例如通过诸如经济的相机之类的成像设备向消费者提供质量和价值存在挑战。此外，商家可能希望向这种成像设备提供新特征。进一步地，商家可能希望增强这种成像设备的一个或多个部件的性能。

附图说明

下面的具体实施方式参考附图，其中：

图1示出成像设备的示例的框图。

图2示出成像设备的另一示例的框图。

图3图示对比度分析技术的示例。

图4图示在成像设备中使用的方法的示例。

图5示出在成像设备中使用的附加方法要素的示例。

图6示出包括成像设备的手持设备的示例。

具体实施方式

诸如相机之类的成像设备包括镜头组件，镜头组件对其视场内的物体进行聚焦，以在该成像设备的传感器或胶片平面上提供该物体的锐利图像。该聚焦在许多成像设备中是自动的。在这种成像设备中，当聚焦电机在最佳焦点的选择期间在其位置范围内移动时，图像能够聚焦和离焦一段时间。这有时被称为焦点搜寻（focus hunt）。

另外，对一些镜头设计而言，移动镜头的焦点位置能够在摄像机成像设备的视频图像上引起微量但可注意到的放大效应。这能够造成视频图像中的物体看上去改变尺寸。此外，由于这种放大，当镜头焦点位置在焦点搜寻期间改变时，在一个镜头焦点位置处位于视频帧边缘附近的物体可能在该视频帧中或者可能不在该视频帧中。如果主体进入和离开视频帧，则这对最终用户而言可能是个问题。

上面描述的这些问题能够通过限制镜头在焦点搜寻期间的移动而最小化。然而，与该方法有关的问题是可能不提供足够的时间来确定特定图像的最佳焦点位置。

图1示出被设计为解决上面描述的这些问题中的一些问题的成像设备10的示例的框图。成像设备10包括焦点成像单元12和被配置为记录图像的分离的相机成像单元14。相机成像单元14可以被设计为拍摄静止图像或视频。如图1所示，成像设备10还包括聚焦单元16，聚焦单元16如大体由相应的箭头18和20所示那样联接至焦点成像单元12和相机成像单元14。聚焦单元16被配置为调整焦点成像单元12和相机成像单元14的焦点位置。成像设备10附加地包括控制单元22，控制单元22如大体由相应的箭头24、26和28所示那样联接至焦点成像单元12、相机成像单元14和聚焦单元16。控制单元22被配置为促使聚焦单元16来调整焦点成像单元12的焦点位置，从而确定最佳焦点位置。控制单元22进一步被配置为促使聚焦单元16基于所确定的最佳焦点位置来调整相机成像单元14的焦点位置。

如图1中能够看见的，成像设备10可以包括非临时性计算机可读存储介质30，该非临时性计算机可读存储介质30存储由处理器（在此情况下，为控制单元22）运行的指令。非临时性计算机可读存储介质30可以包括任何类型的非易失性存储器，如硬驱、磁盘、CD ROM、闪存驱动器等。此外，控制单元22可以包括任何类型的计算设备，如微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）、特定应用集成电路（ASIC）等。

图2中图示成像设备32的框图的另一示例。成像设备32包括焦点传感器34和焦点镜头38，焦点传感器34被配置为记录物体36的图像，焦点镜头38被配置为将图像放置在焦点传感器34上。焦点传感器34可以被设计为拍摄静止图像或视频。焦点镜头38可以包括一个或多个光学元件。成像设备32附加地包括相机传感器40和相机镜头42，相机传感器40也被配置为记录物体36的分离图像，相机镜头42被配置为将分离图像放置在相机传感器40上。相机传感器40可以被设计为拍摄静止图像或视频。相机镜头42也可以包括一个或多个光学元件。成像设备32还包括如大体由相应的箭头46和48所示那样联接至焦点镜头38和相机镜头42的聚焦组件44。聚焦组件44被配置为调整物体36的图像在焦点传感器34上的放置以及物体36的分离图像在相机传感器40上的放置。成像设备32进一步包括如大体由相应的箭头52、54和56所示那样联接至聚焦组件44、焦点传感器34和相机传感器40的控制单元50。控制单元50被配置为促使聚焦组件44来确定物体36的图像在焦点传感器34上的最佳焦点。控制单元50附加地被配置为促使聚焦组件44基于所确定的最佳焦点来调整物体36的分离图像在相机传感器40上的放置。

如图2中能够看见的，成像设备32还可以包括非临时性计算机可读存储介质58，该非临时性计算机可读存储介质58存储由处理器（在此情况下，为控制单元50）运行的指令。非临时性计算机可读存储介质58可以包括任何类型的非易失性存储器，如硬驱、磁盘、CD ROM、闪存驱动器等。此外，控制单元50可以包括任何类型的计算设备，如微处理器、现场可编程门阵列（FPGA）、特定应用集成电路（ASIC）等。

过滤器单元60可以放置在相机传感器40和相机镜头42之间。过滤器单元60可以包括多个彩色过滤器，如红色过滤器、绿色过滤器和蓝色过滤器。这允许相机传感器40记录多色光，而焦点传感器34仅能够记录单色光。这有助于优化用于记录图像的相机传感器40，而仍然允许为聚焦而优化焦点传感器34。其还向焦点传感器34提供增强的低光聚焦性能，因为彩色过滤器会在该光到达焦点传感器34之前阻挡该光中的一些光。尽管未示出，但是应当理解，过滤器单元60的过滤器可以直接包含到相机传感器40中，而不是作为分离的部件。

焦点成像单元12和焦点传感器34都依赖于通过测量图像中的对比度差异进行的被动聚焦。图3中示出对比度分析或测量技术的示例。在该示例中，使用所有相邻像素之间的差的平方之和。如图3中能够看见的，每行64具有像素0至N66。行64之和是：

${\mathrm{sum}}_{\mathrm{row}64}=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left(\mathrm{pixel}\right[i]-\mathrm{pixel}[i-1\left]\right)}^2$

然后，行64至行N 68的所有行之和被累加，以提供对比度测量结果。当焦点成像单元12或焦点传感器34的焦点（当可应用时）是最锐利的时，该和是最大的。当沿远离最锐利的焦点的任一方向由相应的聚焦单元16或聚焦组件44移动焦点成像单元12或焦点透镜38的透镜时，该和稳定减小。该对比度分析或测量技术可以仅由焦点成像单元12和焦点传感器34执行或者与相应的控制单元22或控制单元50结合执行。

根据本发明的将聚焦与成像分离具有数项优势。其允许为特定任务优化成像系统的部件，并且其还允许这些部件的分离控制。例如，如果特定物体的图像在特定光照条件下曝光不足，则用于聚焦的曝光时间可能增加，以降低图像噪声并增加焦点对比度信号，这有助于确定最佳焦点。这可能造成焦点传感器上的过度曝光区域，但是这无需担心，因为成像是分离地进行的并且该部件的曝光时间不需要增加。作为另一示例，如果特定物体的图像被过度曝光或者在特定光照条件下具有明亮的亮点，则用于聚焦的曝光时间可能缩短，以降低图像饱和度，这有助于在这种条件下确定最佳焦点。这可能造成焦点传感器上的不足曝光区域，但是这无需担心，因为成像是分离地进行的并且该部件的曝光时间不需要减小。此外，可以使用于聚焦的曝光时间更短，以减少图像模糊，这将有助于确定最佳焦点。这可能造成焦点传感器上的不足曝光区域，但是这无需担心，因为成像是分离地进行的并且该部件的曝光时间不需要减小。

作为附加示例，用于聚焦的帧速率可以比用于成像的帧速率大（例如用于聚焦的每秒120帧以及用于视频成像的每秒30帧）。这允许成像设备的聚焦单元比在成像和聚焦合并的情况下更快地搜寻最佳焦点（例如在该示例中快四倍）。作为另一示例，较高分辨率的传感器可以用于聚焦而不用于成像。这允许在确定物体图像的最佳焦点位置时更精确。也可以使用其它改进和技术。例如，在低光照时，可以使用低分辨率聚焦传感器。通过使用低分辨率聚焦传感器的相对较大像素，能够提高信噪比，这有助于在确定最佳焦点期间提高对比度分析的精度。

图4中示出在成像设备中使用的方法70的示例。如图4中能够看见的，方法70起始于为第一物体的第一对象调整焦点成像单元的焦点位置72。接下来，方法70为第一物体的第一图像确定最佳焦点位置74。然后，方法70基于所确定的最佳焦点位置为第一物体调整分离的相机成像单元的焦点位置76。最后，方法70在相机成像单元上记录第一物体的第一图像78，然后结束。

如图5中能够看见的，方法70可以附加地包括调整焦点成像单元的曝光来增强第一图像的对比度80。方法70可以附加地包括在调整焦点成像单元的焦点位置期间对第一图像执行对比度分析，来为第一物体的第一图像确定最佳焦点位置82。方法70可以进一步包括下面的要素：在相机成像单元继续记录第一物体的第一图像时为第二物体的第二图像调整焦点成像单元的焦点位置，并且在相机成像单元继续记录第一物体的第一图像时为第二物体的第二图像确定最佳焦点位置。

图6示出包括本发明的成像设备的实施例的手持设备86（在该实例中，为电话）。如图6中能够看见的，手持设备86包括焦点镜头组件88和相机镜头组件90。手持设备86附加地包括控制单元92和存储由控制单元92运行的指令的非临时性计算机可读存储介质94。尽管图6中未示出，但是应当理解，手持设备86附加地包括上面描述的本发明的成像设备的焦点传感器、聚焦单元和相机传感器。这些能够是手持设备86中的分离单元或者被集成作为控制单元92的一部分。手持设备86的成像设备可以根据用户偏好记录静止图像或视频，并且还能够包括其它组件，如上面描述的过滤器单元。

尽管已经详细地描述和图示几个示例，但是应当清楚地理解，这几个示例旨在仅作为图示和示例。这些示例不旨在是全面的或者将本发明局限于准确的形式或局限于所公开的示例性实施例。改进和变形对本领域普通技术人员来说可能是很明显的。例如，本发明的成像设备可以在其它手持设备中使用，如在摄像机、个人数字助理（PDA）以及平板电脑中使用。作为另一示例，聚焦单元可以被配置为确定场景中一个以上物体或目标的焦点位置。这可以通过跟踪场景内的多个物体的竖直位置和水平位置，然后顺序地确定包含该目标的每个区域的最佳焦点位置来进行。这允许在第一物体离开场景时从第一物体快速切换至第二物体。本发明的精神和范围应仅由所附权利要求的项限制。作为另一示例，用于焦点成像单元的视场可以大于相机成像设备的视场，使得焦点相机能够为当前不可见的但是可能进入相机成像设备的视野内的物体寻找最佳焦点。

此外，对单数的要素的引用不意在指一个且仅一个，而是指一个或多个，除非如此明确地说明。此外，要素或部件不希望捐献于公众，无论该要素或部件是否在所附权利要求中明确记载。

Claims (23)

1.一种成像设备，包括：

焦点成像单元；

相机成像单元，与所述焦点成像单元分离且被配置为记录图像；

聚焦单元，联接至所述焦点成像单元和所述相机成像单元，并且被配置为调整所述焦点成像单元和所述相机成像单元的焦点位置；以及

控制单元，联接至所述聚焦成像单元、所述相机成像单元和所述聚焦单元，并且被配置为促使所述聚焦单元调整所述焦点成像单元的焦点位置并从而确定最佳焦点位置，并且进一步被配置为促使所述聚焦单元基于所确定的最佳焦点位置来调整所述相机成像单元的焦点位置。

2.根据权利要求1所述的成像设备，其中所述控制单元利用对比度分析来确定所述最佳焦点位置。

3.根据权利要求1所述的成像设备，其中所述焦点成像单元被配置为记录单色光，并且所述相机成像单元进一步被配置为记录多色光。

4.根据权利要求1所述的成像设备，其中所述焦点成像单元被配置为比所述相机成像单元每秒钟记录更大数目的图像帧。

5.根据权利要求1所述的成像设备，位于手持设备中。

6.根据权利要求1所述的成像设备，其中所述相机成像单元进一步被配置为拍摄视频。

7.根据权利要求1所述的成像设备，其中所述焦点成像单元的视场大于所述相机成像单元的视场。

8.一种成像设备，包括：

焦点传感器，被配置为记录图像；

焦点镜头，被配置为将所述图像放置在所述焦点传感器上；

相机传感器，被配置为记录所述图像；

相机镜头，被配置为将所述图像放置在所述相机传感器上；

聚焦组件，联接至所述焦点镜头和所述相机镜头，并且被配置为调整所述图像在所述焦点传感器和所述相机传感器上的放置；以及

控制单元，联接至所述聚焦组件、所述焦点传感器和所述相机传感器，并且被配置为促使所述聚焦组件确定所述图像在所述焦点传感器上的最佳焦点，并且进一步被配置为促使所述聚焦组件基于所确定的最佳焦点来调整所述图像在所述相机传感器上的放置。

9.根据权利要求8所述的成像设备，其中所述控制单元利用所述图像中的对比度差异来确定所述最佳焦点位置。

10.根据权利要求8所述的成像设备，其中所述焦点传感器被配置为具有比所述相机传感器更高的分辨率。

11.根据权利要求8所述的成像设备，进一步包括在所述相机传感器和所述相机镜头之间放置的多个彩色过滤器。

12.根据权利要求8所述的成像设备，其中所述焦点传感器进一步被配置为比所述相机传感器每秒钟记录更大数目的帧。

13.根据权利要求8所述的成像设备，位于手持设备中。

14.根据权利要求8所述的成像设备，其中所述相机传感器进一步被配置为拍摄视频。

15.一种非临时性计算机可读存储介质，该非临时性计算机可读存储介质存储指令，所述指令在被处理器运行时引起所述处理器：

为第一物体的第一图像调整焦点成像单元的焦点位置；

为所述第一物体的所述第一图像确定最佳焦点位置；

基于所确定的最佳焦点位置为所述第一物体调整分离的相机成像单元的焦点位置；以及

在所述相机成像单元上记录所述第一物体的所述第一图像。

16.根据权利要求15所述的非临时性计算机可读存储介质，进一步包括所存储的指令，该所存储的指令在被处理器运行时引起所述处理器：调整所述焦点成像单元的曝光来增强所述第一图像的对比度。

17.根据权利要求15所述的非临时性计算机可读存储介质，进一步包括所存储的指令，该所存储的指令在被处理器运行时引起所述处理器：在调整所述焦点成像单元的焦点位置期间对所述第一图像执行对比度分析来为所述第一物体的所述第一图像确定所述最佳焦点位置。

18.根据权利要求15所述的非临时性计算机可读存储介质，位于手持设备中。

19.根据权利要求15所述的非临时性计算机可读存储介质，进一步包括所存储的指令，该所存储的指令在被处理器运行时引起所述处理器：（i）在所述相机成像单元继续记录所述第一物体的所述第一图像时为第二物体的第二图像调整所述焦点成像单元的焦点位置，并且（ii）在所述相机成像单元继续记录所述第一物体的所述第一图像时为所述第二物体的所述第二图像确定所述最佳焦点位置。

20.一种在成像设备中使用的方法，包括：

为第一物体的第一图像调整焦点成像单元的焦点位置；

为所述第一物体的所述第一图像确定最佳焦点位置；

基于所确定的最佳焦点位置为所述第一物体确定分离的相机成像单元的焦点位置；以及

在所述相机成像单元上记录所述第一物体的所述第一图像。

21.根据权利要求20所述的方法，进一步包括调整所述焦点成像单元的曝光来增强所述第一图像的对比度。

22.根据权利要求20所述的方法，进一步包括在调整所述焦点成像单元的焦点位置期间对所述第一图像执行对比度分析来为所述第一物体的所述第一图像确定所述最佳焦点位置。

23.根据权利要求20所述的方法，进一步包括：在所述相机成像单元继续记录所述第一物体的所述第一图像时为第二物体的第二图像调整所述焦点成像单元的焦点位置，并且在所述相机成像单元继续记录所述第一物体的所述第一图像时为所述第二物体的所述第二图像确定所述最佳焦点位置。

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