CN107147848B - 自动对焦方法及采用该方法的实时视频采集系统 - Google Patents

Abstract

公开了自动对焦方法及采用该方法的实时视频采集系统。该自动对焦方法包括：通过主摄像头采集被拍摄物体的图像，产生第一图像信息；通过从摄像头采集被拍摄物体的图像，产生第二图像信息；基于第二图像信息调节从摄像头中镜头的位置，直至第二图像信息合焦；基于第二图像信息合焦时从摄像头的镜头位置，估算第一图像信息合焦时主摄像头的镜头位置；以及将估算出的镜头位置作为目标位置，调节主摄像头的镜头，以使第一图像信息合焦。

Description

自动对焦方法及采用该方法的实时视频采集系统

技术领域

本发明涉及视频采集领域，尤其涉及自动对焦方法及采用该方法的实时视频采集系统。

背景技术

电子助视器产品指利用摄像头获得影像，并经数码处理给予放大和其它特殊图像处理的针对低视力人群的电子辅助设备，如口袋式(手持)电子助视器，固定在桌面上的CCTV(Closed circuit television，闭路电视)助视器，或具有可旋转镜头、可以输出到笔记本电脑显示屏的便携式助视器等，其放大倍率可达到2倍至100倍以上。低视力者及老年人往往通过使用助视器对需要观看的物体进行对焦和放大后，进行较长时间的仔细观看，或者将其放置在桌面上，进行较大时间的文本阅读。

为了在不同距离下都能获得最清晰的图像，现有电子助视器普遍采用单摄像头自动对焦系统，通过调整摄像头中马达的步长来完成对不同距离下的物体对焦。由于助视器实时处理并显示摄像头捕捉到的图像，摄像头对焦过程中的各种动态变化，如由模糊到清晰、由清晰到模糊的“呼吸”效应，弱光下的失焦、偏焦等现象，使用者均能够直接观察到，这无疑会对实际阅读体验造成不利影响。

发明内容

为了解决前述问题，本发明提出了一种多目自动对焦方法及采用该方法的实时视频采集系统。

根据本发明实施例的一种实时视频采集系统，包括：主摄像头，采集被拍摄物体的图像，产生第一图像信息；从摄像头，采集被拍摄物体的图像，产生第二图像信息；从对焦控制单元，接收来自从摄像头的第二图像信息，并基于第二图像信息调节从摄像头中镜头的位置，直至第二图像信息合焦；对焦决策单元，基于第二图像信息合焦时从摄像头的镜头位置，估算第一图像信息合焦时主摄像头的镜头位置；主对焦控制单元，将估算出的镜头位置作为目标位置，调节主摄像头的镜头；图像处理单元，接收来自主摄像头的第一图像信息，并对第一图像信息进行图像处理，得到目标图像信息；以及图像显示单元，自图像处理单元接收目标图像信息并加以显示。

根据本发明实施例的一种自动对焦方法，包括：通过主摄像头采集被拍摄物体的图像，产生第一图像信息；通过从摄像头采集被拍摄物体的图像，产生第二图像信息；基于第二图像信息调节从摄像头中驱动马达的马达步进值，直至第二图像信息合焦；基于第二图像信息合焦时从摄像头的马达步进值以及主从摄像头马达对焦步进值映射表，产生主摄像头的目标马达步进值；以及将主摄像头的马达步进值调节至目标马达步进值。

根据本发明实施例的一种自动对焦方法，包括：通过主摄像头采集被拍摄物体的图像，产生第一图像信息；通过从摄像头采集被拍摄物体的图像，产生第二图像信息；基于第二图像信息调节从摄像头中镜头的位置，直至第二图像信息合焦；基于第二图像信息合焦时从摄像头的镜头位置，估算第一图像信息合焦时主摄像头的镜头位置；以及将估算出的镜头位置作为目标位置，调节主摄像头的镜头，以使第一图像信息合焦。

本发明的实施例包括主摄像头与从摄像头，通过先实现从摄像头的对焦，再基于从摄像头合焦时其镜头的位置对主摄像头的镜头位置进行直接调节，极大地提高了主摄像头的对焦精度与合焦速度。

附图说明

以下将结合附图对本发明做进一步描述，本领域技术人员可以理解，所有附图均是为了说明的目的，而不用于限制本发明。此外，它们可能仅示出了系统的一部分。

图1为根据本发明实施例的实时视频采集系统100的原理性框图；

图2为根据本发明实施例的实时视频采集系统200的原理性框图；

图3为根据本发明实施例的图2所示实时视频采集系统200的工作流程图。

具体实施方式

下面将详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是，不必采用这些特定细节来实行本发明。在其他实例中，为了避免混淆本发明，未具体描述公知的模块、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。本领域普通技术人员应当理解，这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

如背景技术部分所述，对于现有的单摄像头自动对焦系统而言，摄像头对焦过程中的各种动态变化使用者均能够直接观察到。针对这个问题，本发明的实施例提出了一种多目自动聚焦方法，在现有技术的基础上引入一个用于协助主摄像头聚焦的从摄像头。该系统先实现从摄像头的对焦，再基于从摄像头合焦时其镜头的位置对主摄像头的镜头位置进行直接调节，从而极大地提高了主摄像头的对焦精度与合焦速度。

图1为根据本发明实施例的实时视频采集系统100的原理性框图，包括主摄像头101、从摄像头102、图像处理单元103、图像显示单元104、主对焦控制单元105、从对焦控制单元106以及对焦决策单元107。主摄像头101和从摄像头102均用于采集被拍摄物体的影像，分别产生第一图像信息和第二图像信息。

一般而言，主摄像头101和从摄像头102均包括镜头、驱动马达和图像传感器。镜头是生成影像的光学部件，通常由多片透镜组成，例如塑胶透镜或玻璃透镜。镜头用于捕捉被拍摄物体的影像，并将捕捉到的影像聚焦投射至图像传感器的感测区域。图像传感器用于感测镜头所捕捉到的影像，并将光学影像转变为数字信号。图像传感器包括多个呈数组状分布于有效感测区域的像素单元，其包含的像素单元越多，提供的画面分辨率也就越高。常用的图像传感器主要有CCD(charge coupled device,电荷耦合器件)和CMOS(complementary metal oxide semiconductor，互补金属氧化半导体)两种。驱动马达通常为压电马达、步进马达或音圈马达，用于驱动镜头沿光轴移动。为简要起见，镜头、驱动马达与图像传感器的具体结构与连接在此不予赘述。

通过控制驱动马达调节镜头在光轴上的位置，改变镜头与图像传感器之间的距离，从而使被拍摄物体在图像传感器上清晰成像的过程，被称为“对焦”。当被拍摄物体在图像传感器上所成的影像被调节为最清晰时,例如满足1/f＝1/u+1/v时，即为“合焦”。上述公式中，f代表镜头的焦距，u代表镜头与被拍摄物体之间的距离(即物距)，v代表镜头与图像传感器之间的距离(即像距)。

在图1所示的实时视频采集系统100中，从摄像头的对焦首先进行。从对焦控制单元106接收来自从摄像头102中图像传感器102A的第二图像信息，并基于该第二图像信息控制驱动马达102C，调节镜头102B的位置，直至第二图像信息合焦为止。从对焦控制单元106可以自第二图像信息中提取出对焦评价特征，然后采用反差对焦、相对对焦、激光对焦或者其它合适的对焦方式，控制驱动马达102C，使镜头102B到达合焦位置。其中，反差对焦方式对焦准、环境兼容性强，但对焦慢，画面会前后拉动；相位对焦方式对焦快，但对光线要求高；激光对焦方式弱光及微距拍摄强，但对焦速度较慢。这些对焦方式均为本领域技术人员所熟知，因而在此不予详述。

对焦决策单元107基于第二图像信息合焦时从摄像头102的镜头位置，估算第一图像信息合焦时主摄像头101的镜头位置。该估算可以通过查询存储有主从摄像头合焦位置之间对应关系的映射表实现，也可以通过相关的数学运算来完成。前述映射表可以先基于经验值完成初始化，再通过实际测量后生成。

主对焦控制单元105将对焦决策单元107估算出的镜头位置作为目标位置，控制主摄像头中的驱动马达101C调节镜头101B，以使第一图像信息直接合焦。在一个实施例中，对焦决策单元107由从对焦控制单元106处接收第二图像信息合焦时从摄像头102中驱动马达102C的控制信号(例如对应于马达行程的马达步进值)，并基于该控制信号以及主从摄像头控制信号映射表，产生主摄像头的目标控制信号，并将其提供至主对焦控制单元105。主对焦控制单元105随后将驱动马达101C的控制信号调节至该目标控制信号。

图像处理单元103接收来自主摄像头101的第一图像信息，并对第一图像信息进行图像处理，例如放大、优化等，得到目标图像信息。图像显示单元104自图像处理单元103接收目标图像信息，并加以显示。图像显示单元104通常为LCD或其它材质的显示屏，实时地将被拍摄物体的图像提供给使用者观看。

在图1所示的实时视频采集系统100中，由于主摄像头的对焦是基于从摄像头的对焦结果直接进行，无需反复的图像采集、数据分析与尝试，显著提高了主摄像头的合焦速度。在切换被拍摄物体时，主摄像头能实现一步到位，重新对焦，这极大地提升了使用者的用户体验。此外，从摄像头可以根据需要采用与主摄像头相比更低的分辨率与更高的传输速率，从而进一步提高对焦精度与合焦速度，并降低系统的整体成本。

在一些特殊情况下，例如，当被拍摄物与实时视频采集系统相对平行移动时(举例而言，电子助视器放置桌面看文本时，平移助视器或纸张)，由于物距没有发生改变，此时主摄像头最好不要进行重新对焦，以保证使用者所观看到的图像一直清晰。除此之外，在环境光线很弱时，从摄像头可能需要多次反复对焦，此时主摄像头无需基于从摄像头每次的对焦结果都进行对焦操作，而可以等待从摄像头的多次对焦操作完成后再进行对焦。

为了达到以上效果，如图2所示，与图1所示系统100相比，根据本发明实施例的实时视频采集系统200进一步引入了环境信息采集单元208。环境信息采集单元208用于采集环境信息，例如环境亮度和/或被拍摄物体与实时视频采集系统之间的距离，并将其提供至对焦决策单元107。对焦决策单元107基于该环境信息进行场景分析，判断主摄像头101是否需要进行对焦操作。在判断出主摄像头101需要进行对焦操作时，对焦决策单元107方基于第二图像信息合焦时从摄像头102的镜头位置，估算第一图像信息合焦时主摄像头101的镜头位置，并将其提供至主对焦控制单元105。若判断出主摄像头无需进行对焦操作，则主对焦控制单元105将不会从对焦决策单元107接收到目标位置信息，因而不会控制主摄像头101进行对焦操作。此时，主摄像头的对焦被锁定。

在一些实施例中，环境信息采集单元208采用与主摄像头和从摄像头位于同一水平线上的距离传感器来感测主从摄像头与被拍摄物体之间的距离。该距离传感器可以采用超声波或红外线技术，根据发射和接收到的超声波或红外线来获取上述距离。类似地，环境信息采集单元208对环境亮度的检测可以通过亮度传感器来实现。

为了提高对焦精度，在一些实施例中，主对焦控制单元105还接收第一图像信息，并在根据对焦决策单元107提供的信息完成对主摄像头101镜头位置的调节后，判断第一图像信息是否合焦。若第一图像信息尚未合焦，则对主摄像头的镜头位置进行微调，并对映射表或相关数学运算的运算公式进行校正。

图3为根据本发明一实施例的图2所示实时视频采集系统200的工作流程图，包括步骤S301～S309。

在视频的实时采集及显示过程中，从摄像头不停地进行对焦调整。在步骤S301，从对焦控制单元106采集来自从摄像头102的第二图像信息，随后在步骤S302判断该第二图像信息是否合焦。从对焦控制单元106可以根据某个对焦评价函数(例如灰度梯度函数、信息学函数、频域函数、统计学函数等)获取第二图像信息的清晰度特征值，并将该清晰度特征值与某一预先设定的条件进行比较来判断第二图像信息是否合焦。

若第二图像信息尚未合焦，则进入步骤S303，从对焦控制单元106按照选择的对焦方法改变从摄像头102中驱动马达的马达步进值。若第二图像信息已经合焦，则进入步骤S304，对焦决策单元107根据环境信息采集单元208提供的环境信息进行当前场景分析，判断主摄像头101是否需要进行对焦。若是，则进入步骤S305，对焦决策单元107基于第二图像信息合焦时从摄像头102的马达步进值，通过查找主从摄像头马达对焦步进值映射表，获取主摄像头101完成合焦需要的马达步进值，并将其提供至主对焦控制单元105。在随后的步骤S306中，主对焦控制单元105将接收到的马达步进值作为目标值，调节主摄像头101中的驱动马达，完成第一图像信息的初步合焦。若对焦决策单元107判断主摄像头101无需重新对焦，则重新返回步骤S301。

在初步合焦完成后，选择性地，主对焦控制单元105在步骤S307采集来自主摄像头101的第一图像信息，随后在步骤S308判断该第一图像信息是否合焦。与从对焦控制单元106类似地，主对焦控制单元105可以根据某个对焦评价函数获取第一图像信息的清晰度特征值，并将该清晰度特征值与某一预先设定的条件进行比较来判断第一图像信息是否合焦。

若第一图像信息尚未合焦，则进入步骤S309，主对焦控制单元105对主摄像头中驱动马达的马达步进值进行微调。在随后的步骤S310中，主从摄像头马达对焦步进值映射表被校正，以减小微调发生的概率和频率。若第一图像信息已经合焦，则重新返回步骤S301。

与现有技术相比，采用图3所示多目自动对焦方法的电子助视器不仅具有更高的对焦精度和合焦速度，而且有效避免了弱光下对焦不准的问题。在固定物距的使用情况下，还可以智能地进行场景分析和对焦锁定，在很大程度上改善了使用者的阅读体验。

虽然前述的实施例中常以电子助视器为例，但这并不用于限制本发明。本发明适用于所有需要采用摄像头进行实时视频拍摄并显示的实时视频采集系统。此外，应该理解到，本发明实施例所揭露的系统和方法均可以通过其它的方式实现。以上所描述的实施例仅仅是示例性的，所述单元的划分仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现中可以有其它的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略或不执行。此外，所显示或讨论的相互之间的耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，可以采用电、机械或其它的形式。

此外，应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种实时视频采集系统，包括：

主摄像头，采集被拍摄物体的图像，产生第一图像信息；

从摄像头，采集被拍摄物体的图像，产生第二图像信息；

从对焦控制单元，接收来自从摄像头的第二图像信息，并基于第二图像信息调节从摄像头中镜头的位置，直至第二图像信息合焦；

对焦决策单元，基于第二图像信息合焦时从摄像头的镜头位置，估算第一图像信息合焦时主摄像头的镜头位置，该估算通过查询存储有主从摄像头合焦位置之间对应关系的映射表、或者通过数学运算来完成；

主对焦控制单元，将估算出的镜头位置作为目标位置，调节主摄像头的镜头；

图像处理单元，接收来自主摄像头的第一图像信息，并对第一图像信息进行图像处理，得到目标图像信息；以及

图像显示单元，自图像处理单元接收目标图像信息并加以显示；

其中主对焦控制单元还接收第一图像信息，并在基于目标位置完成对主摄像头的调节后，判断第一图像信息是否合焦，若第一图像信息尚未合焦，则对主摄像头的镜头位置进行微调，并对所述存储有主从摄像头合焦位置之间对应关系的映射表、或者所述数学运算的运算公式进行校正。

2.如权利要求1所述的实时视频采集系统，还包括：

环境信息采集单元，采集环境信息；

其中对焦决策单元自环境信息采集单元接收环境信息，并基于该环境信息进行场景分析，判断主摄像头是否需要进行对焦操作。

3.如权利要求2所述的实时视频采集系统，其中环境信息包括环境亮度和/或被拍摄物体与实时视频采集系统之间的距离。

4.如权利要求1所述的实时视频采集系统，其中对主摄像头和从摄像头中镜头位置的调节分别通过改变主摄像头和从摄像头中对应驱动马达的控制信号实现；对焦决策单元自从对焦控制单元接收第二图像信息合焦时从摄像头的控制信号，并基于该控制信号以及主从摄像头控制信号映射表，产生主摄像头的目标控制信号。

5.如权利要求4所述的实时视频采集系统，其中主对焦控制单元还接收第一图像信息，并在基于目标控制信号完成对主摄像头的调节后，判断第一图像信息是否合焦，若第一图像信息尚未合焦，则对主摄像头的控制信号进行微调并对主从摄像头控制信号映射表进行校正，直至第一图像信息合焦为止。

6.一种自动对焦方法，包括：

通过主摄像头采集被拍摄物体的图像，产生第一图像信息；

通过从摄像头采集被拍摄物体的图像，产生第二图像信息；

基于第二图像信息调节从摄像头中驱动马达的马达步进值，直至第二图像信息合焦；

基于第二图像信息合焦时从摄像头的马达步进值以及主从摄像头马达对焦步进值映射表，产生主摄像头的目标马达步进值；以及

将主摄像头的马达步进值调节至目标马达步进值；

在基于目标马达步进值完成对主摄像头的调节后，判断第一图像信息是否合焦；以及

若第一图像信息尚未合焦，对主摄像头的马达步进值进行微调并对主从摄像头马达对焦步进值映射表进行校正，直至第一图像信息合焦为止。

7.如权利要求6所述的自动对焦方法，其中所述映射表是先基于经验值完成初始化，再通过实际测量后生成。

8.一种自动对焦方法，包括：

通过主摄像头采集被拍摄物体的图像，产生第一图像信息；

通过从摄像头采集被拍摄物体的图像，产生第二图像信息；

基于第二图像信息调节从摄像头中镜头的位置，直至第二图像信息合焦；

基于第二图像信息合焦时从摄像头的镜头位置，估算第一图像信息合焦时主摄像头的镜头位置，该估算通过查询存储有主从摄像头合焦位置之间对应关系的映射表、或者通过数学运算来完成；

将估算出的镜头位置作为目标位置，调节主摄像头的镜头；

判断第一图像信息是否合焦；以及

若第一图像信息尚未合焦，对主摄像头的镜头位置进行微调，并对所述存储有主从摄像头合焦位置之间对应关系的映射表、或者所述数学运算的运算公式进行校正。

9.如权利要求6至8中任一项所述的自动对焦方法，还包括：

采集环境信息；以及

基于环境信息进行场景分析，判断主摄像头是否需要进行对焦操作。

10.如权利要求9所述的自动对焦方法，其中环境信息包括光照强度和/或被拍摄物体与主从摄像头之间的距离。