CN104853105B - 基于可控制镜头倾斜的摄像装置的三维快速自动对焦方法 - Google Patents

Abstract

一种基于可控制镜头倾斜的摄像装置的三维快速自动对焦方法，包括下述步骤：(1)、选择两个以上的对焦点，对焦点数量设为N，N≥2；(2)、镜头沿z轴方向前后移动一遍后获得相应的数据：A’(x_A，y_A)，B’(x_B，y_B)……N’(x_N，y_N)以及f_A，f_B……f_N；(3)、将步骤(2)中获取到的数据代入公式kf_N＝‑x_Nθ_y+y_Nθ_x+kf，建立方程组；(4)、求解步骤(3)中方程组，获得使各个设定的对焦点同时清晰成像在影像传感器上时镜头所需要的偏转角度θ_x，θ_y及前后移动的行程f；(5)、用步骤(4)中求得的该组参数值输出驱动镜头，实现各个设定的目标对焦点同时在图像传感器上获得清晰的对焦。

Description

基于可控制镜头倾斜的摄像装置的三维快速自动对焦方法

技术领域

本发明公开一种微型镜头对焦方法，特别是一种基于可控制镜头倾斜的摄像装置的三维快速自动对焦方法。

背景技术

在传统普通拍照装置中，由于镜头焦平面与图象传感平面不平行的情况下图象只能清晰显示某一特定的对焦区域，而具配备有移轴镜头的大型拍照装置，对其的操作通常是通过旋钮来实现，需要较强的专业知识来进行操作而且操作过程复杂，甚至是需要专业的培训才可以完成。根据沙姆定律，在拍照装置中，由于光轴倾斜可以改变镜头对景物调焦平面的三维空间角度，使得调焦平面上的三维景物在二维影像平面上都有相同的清晰程度，从可以而达到全区域对焦的目的。在大型拍照装置中，手动调节的移轴镜头早已推出多年。随着具有高度集成的微型镜头倾斜或平移式光学防抖(OIS)技术的出现，五百万及更高像素分辨率的微型摄像头在触屏手机，平板电脑等便携设备上的实现使得手机的拍照效果越来越接近普通数码相机。从功能上也越来越接近大型拍照装置的功能，比如通过平移或者旋转镜头来实现OIS等等(参看专利：PCT/CN2008/072680)。不少国际知名的微型集成摄像头厂家都陆续推出了基于镜头旋转的光学防抖对焦马达的摄像头也逐步被一些知名的手机厂商采用。而在这一类的摄像头中，既然镜头光轴可以偏转就可以实现类似大型拍照装置的沙姆操作和反沙姆操作移轴摄影的功能(参看申请公布号为CN103813104A的专利)。

虽然针对大型拍照装置的移轴镜头已推出多年，但碍于镜头的重量和体积问题及操作方式等问题，限制了移轴对焦拍照设备的可操纵性及便携性。此外，参看申请公布号为CN103246131A的专利可见，已发明并公布的3维对焦技术算法复杂，自动对焦过程步骤冗长且耗时过多也限制了3维自动对焦方法的实际应用。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的三维对焦算法复杂的缺点，本发明提供了一套快速三维快速对焦的算法可以快速实现三维移轴及对焦操作，通过辨识操作者感兴趣的不同景深位置上的对焦目标，经过算法计算获得并控制镜头的二维偏转倾角，已使得所拍摄的图像在操作者感兴趣的目标点上的对焦效果自动快速达到最优，使得在一个画面内拍摄行程不同的几个感兴趣的目标物体时同时获得清晰聚焦或者获得其他特别的倾斜摄影效果的问题。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种基于可控制镜头倾斜的摄像装置的三维快速自动对焦方法，该自动对焦方法包括下述步骤：

(1)、选择两个以上的对焦点，对焦点数量设为N，N≥2；

(2)、镜头沿z轴方向前后移动一遍后获得相应的数据：A’(x_A，y_A)，B’(x_B，y_B)……N’(x_N，y_N)以及f_A，f_B……f_N，其中，N’(x_N，y_N)为对焦点N在影像传感器上成像的位置坐标，为对焦点N处清晰时镜头的行程；

(3)、将步骤(2)中获取到的数据代入公式kf_N＝-x_Nθ_y+y_Nθ_x+kf，建立方程组，其中，k为设定系数，θ_y为沿y轴倾斜角度，θ_x为沿x轴倾斜角度，f为对焦时沿z轴前后移动的行程；

(4)、求解步骤(3)中方程组，获得使各个设定的对焦点同时清晰成像在影像传感器上时镜头所需要的偏转角度θ_x，θ_y及前后移动的行程f；

(5)、用步骤(4)中求得的该组参数值输出驱动镜头，实现各个设定的目标对焦点同时在图像传感器上获得清晰的对焦。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

所述的f_N为镜头相对影像传感器不作倾斜运动而仅作前后移动时的对焦动作时，设定的目标对焦点会在行程为f_N上获得最清晰的成像。

所述的在步骤(2)中，获取数据时，假设由镜头的移动及转动引起的目标影像点位置在的影像传感器上的变化为(Δx_A，Δy_A)，(Δx_B，Δy_B)及(Δx_C，Δy_C)，当x_A>>Δx_A，x_B>>Δx_B，y_C>>Δy_C，y_A>>Δy_A，y_B>>Δy_B，y_C>>Δy_C，则忽略由镜头的移动及转动引起的目标影像点位置在的影像传感器上的变化。

所述的k代表特定镜头及摄像装置下行程与目标点的位移与目标点在影像传感器上成像的位移之间的比例关系，k根据标定实验的方法获得。

本发明的有益效果是：本发明与传统的便携装置摄像头应用相比，提供了一种更快速更实用的手机或便携平板电脑的微型摄像头镜头倾斜三维摄影的操作功能，通过在触摸平板上的操作或者自动根据选定的感兴趣的目标区域来控制镜头实现自动对焦运动时，除了普通便携装置摄像头的镜头的位置(第1维度)还可以操作两个正交方向的倾角(第2、3维度)，实现针对摄影目标平面不同景深的区域进行快速三维自动对焦操作的功能。与以前的专利(参看CN103246131A)相比较可以看出，已公布的专利CN103246131A中的方法会使镜头有一遍前后移动和两遍偏转镜头搜索的过程所需要的时间大约是普通自动对焦马达自动对焦过程中使镜头有一遍前后移动过程所需时间的3倍。而本发明的方法在镜头的移动步骤上仅需要前后移动镜头一遍，所需要的时间及镜头移动过程与普通自动对焦马达相同，所以本发明的三维快速自动对焦相比先前的发明进步显著而且极具实用价值。

另外，具有移轴拍照功能的高端大型拍照装置通常是通过手动旋钮等的操作来实现对不同对焦区域的选择，操作极其复杂，甚至需要专业训练才可以完成。本发明针对该缺陷，通过触屏选择或自动选择目标来实现快速自动对目标区域的三维自动对焦，优点包括：无需训练，更快捷准确，及更具操作趣味性与实用性等。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明中采用的对焦马达的立体结构示意图。

图2为本发明中采用的对焦马达的剖面结构示意图。

图3为本发明通过倾斜镜头修正倾斜角影像前景物与影像关系示意图。

图4为本发明通过倾斜镜头修正倾斜角影像后景物与影像关系示意图。

图5为本发明镜头沿z轴移动成像过程中合适近焦B点焦距示意图。

图6为本发明镜头沿z轴移动成像过程中合适中端A点焦距示意图。

图7为本发明镜头沿z轴移动成像过程中合适远焦C点焦距示意图。

图8为本发明通过倾斜镜操作头修正不同目标点的影像清晰度时镜头倾斜前示意图。

图9为本发明通过倾斜镜操作头修正不同目标点的影像清晰度时镜头沿y轴倾斜后示意图。

图10为本发明目标点在影像传感器上的坐标位置示意图。

图11为本发明三维自动对焦操作流程图。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

请参看附图1和附图2，本发明采用的可控制镜头的对焦马达组件主要包括：镜头101、可控制镜头倾斜的对焦马达102和影像传感器103，镜头101与对焦马达102对应安装在一起，镜头101在对焦马达102的控制下，可自由移动，镜头移动的自由度至少是三维度的，其主要包括z轴平移方向、R_x轴方向转动和R_y轴方向转动，本实施例中采用的镜头101可以由一个或多个镜片组成。

请参看附图3，在对焦过程中，当目标201与影像传感器103相对倾斜时，在单凸透镜头202没有进行倾斜操作的时候，成像204可能会因为影像超出景深而无法全区域聚焦。其中，目标201可以是由一个或多个物件组成，单凸透镜头202相等于在单镜头系统中的镜头101。请参看附图4，在对焦过程中，通过马达102，调整镜头101的倾斜角，根据沙姆定律(Scheimpflug principle，参见GB Patent No.1139)，到达新的单凸透镜头方向212，以及新的成像214与影像传感器103相重合，达致全区域聚焦。

请参看附图5、附图6和附图7，当目标景物相对于影像传感器103与镜头101倾斜，而镜头101相对影像传感器103不作倾斜而仅作前后移动时的对焦动作时，各目标点会在不同的行程上获得最清晰的成像。例如：图5中离摄像设备最近的B点将会在焦距为301所示的行程f_B上获得最清晰成像，图6中A点将会在焦距为302所示的行程f_A上获得最清晰成像，而图7中C点将会在焦距为303所示的行程f_C上获得最清晰成像。此种情况下，如果镜头101不作倾斜，则所有的三个点不可能同时获得清晰成像。

本实施例中，上述各个目标点所需要的清晰成像的行程可以有多种方法获得，比如最基本的扫描方法获得，或者通过拟合计算的方法获得，甚至是通过特定的图像传感器的相位差检测自动对焦功能获取的各个目标点的自动清晰成像所需要的行程值等。以及各种其他常规的获取行程的方法都可以应用于本发明，并包含在本发明方法所描述的对焦行程搜寻计算方法之内。

请参看8和附图9，本发明中，镜头倾斜时操作如下，图9表示镜头201(101)将沿y轴倾斜402所示角度θ_y，同时适当沿z方向移动镜头则可以使得目标点A及B同时清晰成像在影像传感器103上。同理，如果将镜头沿y轴倾斜角度，再沿x轴倾斜θ_x角度，而沿z轴平移f行程，则可以使得A点，B点及C点同时清晰成像在图像传感器上。如图10所示，以影像传感器中心位置为参考点，目标点在影像传感器103上的位置坐标分别记为A’(x_A，y_A)，B’(x_B，y_B)及C’(x_C，y_C)。同时，假设由镜头101的移动及转动引起的目标影像点位置在的影像传感器103上的变化为(Δx_A，Δy_A)，(Δx_B，Δy_B)及(Δx_C，Δy_C)，当x_A>>Δx_A，x_B>>Δx_B，y_C>>Δy_C，y_A>>Δy_A，y_B>>Δy_B，y_C>>Δy_C，则可以忽略由镜头101的移动及转动引起的目标影像点位置在的影像传感器103上的变化。另外，即使前述假设条件不满足，近似的，目标点在影像传感器103上的位置坐标也可以使用目标点在影像传感器103上的平均位置替代，本实施例中，该平均位置是根据镜头101的移动及转动操作时目标影像点在的影像传感器103上的位置计算出的平均值。根据以上标记及假定，可以列写几何关系如下：

其中k为一特定系数，代表特定镜头及摄像装置下行程与目标点的位移与目标点在影像传感器上成像的位移之间的比例关系，该值可以根据标定实验的方法获得。

本发明主要为一个利用可控制镜头倾斜的对焦马达实现3维快速自动对焦的方法，其包括下述步骤：

(1)、选择两个以上的对焦点，对焦点数量设为N，N≥2；

(2)、镜头沿z轴方向前后移动一遍后便可以获得相应的数据：A’(x_A，y_A)，B’(x_B，y_B)……N’(x_N，y_N)以及f_A，f_B……f_N；

(3)、将步骤(2)中获取到的数据代入公式kf_N＝-x_Nθ_y+y_Nθ_x+kf，建立方程组；

(4)、求解上述方程组，即可获得使各个设定的对焦点同时清晰成像在影像传感器上时镜头所需要的偏转角度θ_x，θ_y及前后移动的行程f等参数；

(5)、用上述求得的该组参数值输出驱动镜头，便可以使实现各个设定的目标对焦点同时在图像传感器上获得清晰的对焦。

本发明与传统的便携装置摄像头应用相比，提供了一种更快速更实用的手机或便携平板电脑的微型摄像头镜头倾斜三维摄影的操作功能，通过在触摸平板上的操作或者自动根据选定的感兴趣的目标区域来控制镜头实现自动对焦运动时，除了普通便携装置摄像头的镜头的位置(第1维度)还可以操作两个正交方向的倾角(第2、3维度)，实现针对摄影目标平面不同景深的区域进行快速三维自动对焦操作的功能。与以前的专利(参看CN103246131A)相比较可以看出，已公布的专利CN103246131A中的方法会使镜头有一遍前后移动和两遍偏转镜头搜索的过程所需要的时间大约是普通自动对焦马达自动对焦过程中使镜头有一遍前后移动过程所需时间的3倍。而本发明的方法在镜头的移动步骤上仅需要前后移动镜头一遍，所需要的时间及镜头移动过程与普通自动对焦马达相同，所以本发明的三维快速自动对焦相比先前的发明进步显著而且极具实用价值。

Claims (3)

1.一种基于可控制镜头倾斜的摄像装置的三维快速自动对焦方法，其特征是：所述的自动对焦方法包括下述步骤：

(1)、选择两个以上的对焦点，对焦点数量设为N，N≥2；

(2)、镜头沿z轴方向前后移动一遍后获得相应的数据：A’(xA，yA)，B’(xB，yB)……N’(xN，yN)以及fA，fB……fN，其中，所述的N’(xN，yN)为对焦点N在影像传感器上成像的位置坐标，所述的fN为对焦点N处清晰时镜头前后移动的行程；

(3)、将步骤(2)中获取到的数据代入公式kf_N＝-x_Nθ_y+y_Nθ_x+kf，建立方程组，其中，k为设定系数，θ_y为沿y轴倾斜角度，θ_x为沿x轴倾斜角度，f为对焦时沿z轴前后移动的行程；所述的k代表特定镜头及摄像装置下行程与目标点的位移与目标点在影像传感器上成像的位移之间的比例关系，k根据标定实验的方法获得；

(4)、求解步骤(3)中方程组，获得使各个设定的对焦点同时清晰成像在影像传感器上时镜头所需要的偏转角度θ_x，θ_y及前后移动的行程f；

(5)、用步骤(4)中求得的该组参数值输出驱动镜头，实现各个设定的目标对焦点同时在图像传感器上获得清晰的对焦。

2.根据权利要求1所述的基于可控制镜头倾斜的摄像装置的三维快速自动对焦方法，其特征是：所述的f_N为镜头相对影像传感器不作倾斜运动而仅作前后移动时的对焦动作时，设定的目标对焦点会在行程为f_N上获得最清晰的成像。

3.根据权利要求1所述的基于可控制镜头倾斜的摄像装置的三维快速自动对焦方法，其特征是：所述的在步骤(2)中，获取数据时，假设由镜头的移动及转动引起的目标影像点位置在的影像传感器上的变化为(xA，yA)，(xB，yB)及(x_C，y_C)，当x_A>>x_A，x_B>>x_B，y_C>>y_C，y_A>>y_A，y_B>>y_B，y_C>>y_C，则忽略由镜头的移动及转动引起的目标影像点位置在的影像传感器上的变化。