CN103852954A

CN103852954A - 一种实现相位对焦的方法

Info

Publication number: CN103852954A
Application number: CN201210509256.6A
Authority: CN
Inventors: 李平立; 袁梦尤; 王建华; 薛涛
Original assignee: Peking University; Founder International Beijing Co Ltd
Current assignee: Peking University; Founder International Beijing Co Ltd
Priority date: 2012-12-03
Filing date: 2012-12-03
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2032-12-03
Also published as: CN103852954B

Abstract

本发明公开了一种实现相位对焦的方法，该方法首先由图像传感器采集原始图像信号和在成像光路中设置遮挡装置后的遮挡图像信号，并将图像信号发送到对焦处理单元，然后由对焦处理单元对接收到将图像信号（原始图像信号与遮挡图像信号或者不同的遮挡图像信号）进行处理，得到图像传感器和成像平面的相对位置关系，最后根据图像传感器和成像平面的相对位置来确定图像是否对焦，并通过移动透镜组对偏焦的图像进行对焦。通过该方法只需要在成像光路中增加简单的遮挡装置就能够实现全图像任意位置的快速相位对焦，且不需要增加额外的相位检测装置，节约成本。

Description

一种实现相位对焦的方法

技术领域

本发明涉及图像处理及光学处理技术领域，具体涉及一种实现相位对焦的方法。

背景技术

对焦的英文学名为Focus，通常数码相机有多种对焦方式，分别是自动对焦、手动对焦和多重对焦方式。

1、自动对焦：

非TTL式：传统相机通常采取一种类似目测测距的方式实现自动对焦，相机发射一种红外线（或其它射线），根据被摄体的反射确定被摄体的距离，然后根据测得的结果调整镜头组合，实现自动对焦。这种自动对焦方式直接、速度快、容易实现、成本低，但有时候会出错（相机和被摄体之间有其它东西如玻璃时就无法实现自动对焦，或者在光线不足的情况下），精度也差，如今高档的相机一般已经不使用此种方式。因为是相机主动发射射线，故称主动式，又因它实际只是测距，并不通过镜头的实际成像判断是否正确结焦，所以又称为非TTL式。

TTL自动对焦：这种对焦方式相对于主动式自动对焦，后来发展了被动式自动对焦，也就是根据镜头的实际成像判断是否正确结焦，判断的依据一般是反差检测式，具体原理相当复杂。因为这种方式是通过镜头成像实现的，故称为TTL自动对焦。也正是由于这种自动对焦方式基于镜头成像实现，因此对焦精度高，出现差错的比率低，但技术复杂，速度较慢（采用超声波马达的高级自动对焦镜头除外），成本也较高。

2、手动对焦：

手动对焦，它是通过手工转动对焦环来调节相机镜头从而使拍摄出来的照片清晰的一种对焦方式，这种方式很大程度上面依赖人眼对对焦屏上的影像的判别以及拍摄者的熟练程度甚至拍摄者的视力。早期的单镜反光相机与旁轴相机基本都是使用手动对焦来完成调焦操作的。现在的准专业及专业数码相机，还有单反数码相机都设有手动对焦的功能，以配合不同的拍摄需要。

3、多重对焦：

很多数码相机都有多点对焦功能，或者区域对焦功能。当对焦中心不设置在图片中心的时候，可以使用多点对焦，或者多重对焦。除了设置对焦点的位置，还可以设定对焦范围，这样，用户可拍摄不同效果的图片。常见的多点对焦为5点，7点和9点对焦。

4、全息自动对焦：

全息自动对焦功能(HologramAF)，是索尼数码相机独有的功能，也是一种崭新自动对焦光学系统，采用先进激光全息摄影技术，利用激光点检测拍摄主体的边缘，就算在黑暗的环境亦能拍摄准确对焦的照片，有效拍摄距离达4.5米。

随着相机对焦技术的不断发展，由最初的手动对焦发展到现在的自动对焦。电子相机等设备在自动对焦过程中通常采用对比度法或相位法实施对焦。对比检测自动对焦在检测到最大对比度之前不断调整，因而速度较慢。

现有的相位对焦的技术主要有两大类：

第一种是通过反射装置和额外相位检测装置实现对焦的，此种方式结构比较复杂，成本较高，一般只有数码单反相机才具备。数码单反相机完成对焦的过程非常复杂。当光线射入镜头后，光线通过反光镜反射在位于反光镜上方的对焦屏上。反光镜到对焦屏的距离与反光镜到感光元件的距离是完全相等的。在未曝光前，对焦屏代替感光元件进行对焦操作，利用透镜分离相位检测法对焦，并发出命令。而对焦操作的过程是通过镜头内部的自动对焦马达完成的。对焦系统通过调整镜头内部的透镜组，事实上是镜头内的部分透镜组和感光元件的距离来实现的。由于现在的大多数镜头采用了内对焦或后对焦的方式，在对焦过程中，摄影师不会察觉镜头长度的明显变化。此外，数码单反相机的对焦操作还依赖于相机内部的自动对焦传感器等多个组件合力完成。

第二种是通过在成像装置中按照一定的排布方式增加相位检测单元来实现相位检测对焦。此种方案增加的相位检测单元来替代原有的成像单元，相位检测单元过少则不利于相位检测，过多则影响成像质量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种实现相位对焦的方法，通过该方法能够实现全图像任意位置的快速相位对焦。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种实现相位对焦的方法，包括以下步骤：

（1）通过图像传感器采集原始图像信号；

（2）在图像成像光路中设置遮挡装置，调整遮挡装置的遮挡部分位置，并通过图像传感器采集遮挡图像信号；

（3）将原始图像信号和遮挡图像信号发送到对焦处理单元，对焦处理单元对接收到的图像信号加以处理，得到图像传感器和成像平面的相对位置关系；

（4）根据成像平面与图像传感器的相对位置关系判断成像平面是否位于图像传感器上，若是则图像处于对焦位置，不需要调整；若否则进入步骤（5）；

（5）对焦处理单元根据图像传感器和成像平面的相对位置关系进行相位对焦；相位对焦的具体方式为：若成像平面位于图像传感器的前面，则对焦处理单元通过驱动控制单元驱动透镜组向图像传感器移动，直至成像平面与图像传感器位于同一平面；若成像平面位于图像传感器的后面，则对焦处理单元通过驱动控制单元驱动透镜组远离图像传感器移动，直至成像平面与图像传感器位于同一平面。

进一步，如上所述的一种实现相位对焦的方法，步骤（2）中，所述的遮挡装置为遮挡片或液晶。

进一步，如上所述的一种实现相位对焦的方法，步骤（2）中，遮挡装置的遮挡部分的形状为半圆形。

进一步，如上所述的一种实现相位对焦的方法，步骤（2）中，将遮挡装置设置在成像光路的任何位置，包括设置在透镜组前、透镜组后或者透镜组内部。

进一步，如上所述的一种实现相位对焦的方法，步骤（3）中，对焦处理单元通过将原始图像信号和遮挡图像信号进行比对，得到原始图像与遮挡图像的相位差，并根据该相位差得到图像传感器和成像平面的相对位置关系。

进一步，如上所述的一种实现相位对焦的方法，步骤（3）中，对焦处理单元通过将遮挡装置处于不同遮挡位置时获取的遮挡图像信号进行比对，得到不同遮挡位置的遮挡图像的相位差，并根据该相位差得到图像传感器和成像平面的相对位置关系。

进一步，如上所述的一种实现相位对焦的方法，步骤（1）中，所述的图像传感器为图像信号采集装置，包括CCD成像元件或CMOS成像元件。

再进一步，如上所述的一种实现相位对焦的方法，步骤（3）中，对焦处理单元还用于控制图像的后处理、存储和显示。

更进一步，如上所述的一种实现相位对焦的方法，步骤（5）中，所述的透镜组由一个或者多个透镜组成。

本发明的有益效果在于：本发明所述的方法突破了现有额外相位检测装置传感器排布位置的限制，通过光路中遮挡装置中遮挡部分的位置调整，实现全图像任意位置的快速相位对焦，不仅适用于拍摄静态图像，而且适用于视频跟踪拍摄。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中一种实现相位对焦的装置的结构示意图；

图2是具体实施方式中遮挡装置在透镜组前的装置示意图；

图3是具体实施方式中遮挡装置的四种不同的遮挡方式示意图；

图4是具体实施方式中本发明一种实现相位对焦方法的流程图

图5是具体实施方式中成像平面在图像传感器前上遮挡光路图；

图6是具体实施方式中成像平面在图像传感器前下遮挡光路图；

图7是具体实施方式中成像平面在图像传感器后上遮挡光路图；

图8是具体实施方式中成像平面在图像传感器后下遮挡光路图；

图9是具体实施方式中成像平面在图像传感器上时上遮挡光路图；

图10是具体实施方式中成像平面在图像传感器上时下遮挡光路图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

本发明所述的方法是在图1中所示的一种实现相位对焦的装置的基础上实现的一种实现相位对焦的方法，该实现相位对焦的装置由遮挡装置、透镜组以及图像传感器组成一套系统，遮挡装置用于遮挡被拍摄物体通过透镜组到图像传感器间的光路，使得成像平面位于图像传感器上，或者图像传感器的前面，或者图像传感器的后面，通过改变遮挡装置的状态得到一组被遮挡后的图像，这些不同状态遮挡图像之间对比或者遮挡图像和原始图像对比，通过计算检测出图像传感器和成像平面的相对位置，从而可以确定透镜组的移动方向，实现相位对焦。

由图1中可以看出，实现相位对焦的装置包括了遮挡装置2、透镜组1、图像传感器3、对焦处理单元5、驱动控制单元7、主控单元6及遮挡控制单元4，其中，透镜组分别与图像传感器和遮挡装置连接，图像传感器与对焦处理单元连接，对焦处理单元与驱动控制单元连接并对其进行控制，驱动控制单元与透镜组连接并对其进行控制。其中，遮挡装置和透镜组为该装置的核心部分，遮挡装置包括遮挡部分和透光部分。主控单元分别与对焦处理单元和遮挡控制单元连接，遮挡控制单元与遮挡装置连接并对其进行控制，主控单元接收外部输入信号，协同控制对焦处理单元和遮挡控制单元完成相位检测功能，对焦处理单元用于对图像传感器采集到的信号进行处理，并通过驱动控制单元驱动透镜组的移动，实现相位对焦。该装置可以在一般成像装置（CCD、CMOS等）的基础上通过调整光路中的附件（遮挡装置和透镜组）获取多帧图像的方式实现有效的图像深度相关信息的检测，例如本发明的相位对焦。其中，遮挡装置可以设置在透镜组前、透镜组后或者透镜组中，透镜组由单一透镜或者多个透镜组成，透镜组不限于单一凸透镜。如图2中所示，遮挡装置2设置在透镜组1前，图像传感器3为图像采集装置，包括CCD成像元件和CMOS成像元件。遮挡装置2可以是任何机械遮挡装置（如遮挡片）、电子遮挡装置（如液晶）或其它有类似功能的装置，其数目可以是一个或者多个，优选一个；遮挡装置可以置于透镜组之前（即目标物体和透镜组之间）或之后（即透镜组和图像传感器之间），或者透镜组内部，也能够达到类似的效果，优选置于透镜组之前的位置；图3示出了遮挡装置的一种形状及其四种不同的遮挡方式，分别为上遮挡、下遮挡、左遮挡、右遮挡，但遮挡装置包括但不仅限于图3所示的形状和数目，也可以采用任意其他形状而非半圆形也能够达到类似效果，但可能后期计算较为复杂，同样能够达到效果；本实施例中，遮挡装置的遮挡部分的形状优选半圆形状。遮挡方式可以采用其中的任意角度的一种或多种，优选上遮挡、下遮挡，或者左遮挡、右遮挡，即不同遮挡方式时之间最好是相互对称的。在实际应用中，需要采用多种不同的遮挡方式对目标物体拍照后来进行对比。

图4示出了基于图1中一种实现相位对焦的装置的一种实现相位对焦的方法的流程图，由图中可以看出，该方法主要包括以下步骤：

步骤S11：采集原始图像信号；

步骤S12：采集遮挡图像信号；

首先，通过图像传感器采集原始图像信号，本实施方式中的原始图像信号是指在成像光路中设置遮挡装置之前通过图像传感器采集到的图像信号。在完成原始图像信号采集后，在成像光路中设置遮挡装置，遮挡装置可以设置在成像光路中的任意位置，包括设置在透镜组前、透镜组后或透镜组中，本实施方式中优选将遮挡装置设置在透镜组前。在成像光路中设置遮挡装置后获取遮挡装置处于不同遮挡位置的遮挡图像信号，例如选用的遮挡装置为圆形的，其遮挡部分为半圆的上遮挡方式（图3中的第一幅图示），首选获取上遮挡方式的遮挡图像，然后调整遮挡装置，使其为下遮挡方式（图2中国的第二幅图示），获取下遮挡方式的遮挡图像。当然，遮挡方式及获取的遮挡图像并不是唯一限定的。将采集的原始图像信号和遮挡图像信号发送到对焦处理单元。本实施方式中的图像传感器包括CCD成像元件和CMOS成像元件等。

步骤S13：对焦处理单元对图像信号进行处理，得到图像传感器和成像平面的相对位置关系；

将原始图像信号和遮挡图像信号发送到对焦处理单元，对焦处理单元对接收到的图像信号加以处理，得到图像传感器和成像平面的相对位置关系。本实施方式中对焦处理单元通过图像信号处理，得到图像传感器与成像平面的相对位置关系，可以是通过将原始图像信号和遮挡图像信号进行比对，得到原始图像与遮挡图像的相位差，并根据该相位差得到图像传感器和成像平面的相对位置关系；也通过将遮挡装置处于不同遮挡位置时获取的遮挡图像信号进行比对，得到不同遮挡位置的遮挡图像的相位差，并根据该相位差得到图像传感器和成像平面的相对位置关系。图像传感器与成像平面的相对位置关系包括成像平面位于图像传感器，成像平面位于图像传感器前面，或者成像平面位于图像传感器后面。在该步骤中对焦处理单元接收到图像信号加以处理即原始图像与遮挡图像或者不同的遮挡图像之间进行对比，得到的是原始图像与遮挡图像或者不同遮挡图像之间的图像偏差（即相位偏差），然后，根据遮挡与图像偏差的位置关系，来推断成像平面与图像传感器的位置关系。

步骤S14：判断成像平面是否位于图像传感器上；

通过步骤S13中得到的图像传感器与成像平面的相对位置关系，根据成像平面与图像传感器的相对位置关系判断成像平面是否位于图像传感器上，若是则说明图像相位处于对焦位置，不需要调整；若否则说明图像相位处于偏焦状态，进入步骤S15，进行相位对焦。

步骤S15：根据图像传感器和成像平面的相对位置关系进行相位对焦；

对焦处理单元根据图像传感器和成像平面的相对位置关系进行相位对焦；相位对焦的具体方式为：判断图像信号的成像平面与图像传感器的位置关系，若成像平面位于图像传感器的前面，则对焦处理单元通过驱动控制单元驱动透镜组向图像传感器移动，直至成像平面与图像传感器位于同一平面；若成像平面位于图像传感器的后面，则对焦处理单元通过驱动控制单元驱动透镜组远离图像传感器移动，直至成像平面与图像传感器位于同一平面，即成像平面位于图像传感器上。本实施方式中的相位指的是原始图像与遮挡图像的位置偏差，对焦指的是图像成像变清楚的过程。通过透镜组的移动再获取不同的遮挡图像，再通过将调整后的遮挡图像与原始图像或者原遮挡图像对比，通过两幅图像的相位差来判断成像平面与图像传感器的相对位置关系，通过多次的调整直至成像平面位于图像传感器上。

图5和图6中示出了遮挡装置2位于透镜组1前，成像平面8位于图像传感器3之前，分别采用图3遮挡片的形状以及上遮挡与下遮挡两种方式所成像的光路图。被拍摄物体上的任意点0，通过遮挡装置2的遮挡在非成像平面上形成了光斑9或光斑10。根据光学成像原理可以得到，当遮挡片处于上遮挡方式时，在图像传感器成像的过渡区域内的图像会不同程度的产生向上的相位偏移；反正，当遮挡片处于下遮挡方式时，图像会产生向下的相位偏移。对比两幅图像我们可以知道，图像处于离焦状态，驱动控制单元7驱动透镜组1对焦的方向为靠近图像传感器3的方向。

图7和图8显示遮挡装置位于透镜组前，成像平面8位于图像传感器3之后，分别采用图3遮挡片的形状以及上遮挡与下遮挡两种方式所成像的光路图。被拍摄物体上的任意点0，通过遮挡装置2的遮挡在非成像平面上形成了光斑11或光斑12。同理，当遮挡片处于上遮挡方式时，在图像传感器成像的过渡区域内的图像会不同程度的产生向下的相位偏移；当遮挡片处于下遮挡方式时，图像会产生向上的相位偏移。对比两幅图像我们可以知道，图像处于离焦状态，驱动控制单元驱动透镜组对焦的方向为远离图像传感器方向。

图9和图10显示遮挡装置位于透镜组前，成像平面8位于图像传感器3上，分别采用图3遮挡片的形状以及上遮挡与下遮挡两种方式所成像的光路图。当驱动装置移动透镜组1，使成像平面处在图像传感器上时，图像达到对焦状态。这时，分别遮挡上半部分和下半部分光路形成的两幅图像完全一致，即没有相位差产生。

综上，此方案通过遮挡光路的方式，不仅可以判断透镜的对焦或者离焦状态，而且还可以得到透镜组达到对焦所需的移动方向，最终实现快速自动对焦的目的。该方法突破了额外相位检测装置传感器排布位置的限制，能够实现全图像任意位置的快速相位对焦，不仅适用于拍摄静态图像，而且适用于视频跟踪拍摄。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种实现相位对焦的方法，包括以下步骤：

（1）通过图像传感器采集原始图像信号；

2.如权利要求1所述的一种实现相位对焦的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述的遮挡装置为遮挡片或液晶。

3.如权利要求2所述的一种实现相位对焦的方法，其特征在于：步骤（2）中，遮挡装置的遮挡部分的形状为半圆形。

4.如权利要求3所述的一种实现相位对焦的方法，其特征在于：步骤（2）中，将遮挡装置设置在成像光路的任何位置，包括设置在透镜组前、透镜组后或者透镜组内部。

5.如权利要求4所述的一种实现相位对焦的方法，其特征在于：步骤（3）中，对焦处理单元通过将原始图像信号和遮挡图像信号进行比对，得到原始图像与遮挡图像的相位差，并根据该相位差得到图像传感器和成像平面的相对位置关系。

6.如权利要求4所述的一种实现相位对焦的方法，其特征在于：步骤（3）中，对焦处理单元通过将遮挡装置处于不同遮挡位置时获取的遮挡图像信号进行比对，得到不同遮挡位置的遮挡图像的相位差，并根据该相位差得到图像传感器和成像平面的相对位置关系。

7.如权利要求1至6之一所述的一种实现相位对焦的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述的图像传感器为图像信号采集装置，包括CCD成像元件或CMOS成像元件。

8.如权利要求7所述的一种实现相位对焦的方法，其特征在于：步骤（3）中，对焦处理单元还用于控制图像的后处理、存储和显示。

9.如权利要求8所述的一种实现相位对焦的方法，其特征在于：步骤（5）中，所述的透镜组由一个或者多个透镜组成。