CN108259711B - 影像捕获设备及其快速对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种影像捕获设备及其快速对焦方法。影像捕获设备包括镜头、影像传感器、镜头控制电路及对焦电路。快速对焦方法由镜头控制电路控制镜头移动以由影像传感器拍摄影像，由对焦电路计算所拍摄影像在第一及第二尺度下的对焦值相对于镜头移动步数的第一及第二曲线。然后，由对焦电路将第一曲线与第二曲线的对焦值相除以获得特征曲线，并依据特征曲线中出现的波峰与鞍点的位置，估测波谷的位置。最后，由镜头控制电路控制镜头移动至波谷对应的移动步数，再移动至第一曲线或第二曲线的波峰对应的移动步数以完成对焦。本发明的影像捕获设备及其快速对焦方法可提高对焦速度，且可避免镜头来回移动造成影像变化而影响用户的拍摄体验。

Description

影像捕获设备及其快速对焦方法

技术领域

本发明涉及一种影像捕获设备及方法，且特别涉及一种影像捕获设备及其快速对焦方法。

背景技术

随着影像撷取技术的日益进步，数字相机的像素大幅增加，但相机尺寸则相对缩小，而可配置在手机、平板计算机等可携式电子装置上，让用户能够随时随地拍摄影像。为方便用户快速拍摄清晰影像，可携式电子装置上的相机一般均配备有自动对焦(AutoFocus，AF)功能，其可在用户启用相机的同时，即主动侦测相机视野范围内的对象并自动移动镜头以对焦于对象。借此，可省去使用者手动对焦所花费的时间。

一般传统的对焦方式，都赖以影像本身的对比程度(Contrast Based AutoFocusing，CBAF)来决定最佳对焦位置，而影像对比的计算方式有很多种，常使用的不外乎Tenengrad函数、小波(wavelet)、高斯微分(Gaussian derivative)、拉普拉斯转换(laplactransform)、有限脉冲响应(Finite Impulse Response，FIR)滤波器、无限脉冲响应(Infinite Impulse Response，IIR)滤波器等方式，其中较为广泛使用的是以FIR/IIR形式算出影像的对比值，当作寻找最佳对焦位置的依据。

然而，无论使用哪一种影像对比计算方式，都会因为参考区域的限制，使得算出的影像对比值无法充分反映出影像的清晰度。此时可使用多尺度的影像对比值来辅助影像对焦，即针对不同尺度的影像，施以相同或不同的滤波器去萃取出不同尺度影像的对比值，以利后续对焦模块快速地找到最佳对焦位置。

一般的对焦策略多施以爬山机制，在不同的对焦距离(位置)上，根据影像对比值的变化，决定爬山的策略。图1是已知相机对焦爬山机制的示意图，此爬山机制约可分三段：第一段是施以大步数的跨越方式，快速到达山脚下(此时邻近对焦位置上的影像对比值稍有变化)；第二阶段是中步伐爬山(此时影像对比值会持续地增加，此表示对焦位置离最佳对焦距离越来越近)；第三段是越过山头后(此时影像对比值突然变小，结束原有的上升趋势，此表示对焦位置已经过头，超越最佳对焦位置)，此时须以小步伐往回退，以移动到山顶，最终到达最佳的对焦位置。

现有的爬山机制因无法避免上述三阶段的过程，无法有效减少对焦时间，且在超过山头而逐步往回退到山顶的过程中，影像将出现模糊、清楚、模糊、清楚的变化，导致使用者有不好的拍摄体验。

发明内容

本发明提供一种影像捕获设备及其快速对焦方法，可加快相机的对焦速度，给用户提供良好的拍摄体验。

本发明的一种影像捕获设备的快速对焦方法，其中影像捕获设备包括镜头、影像传感器、镜头控制电路及对焦电路。此方法由镜头控制电路控制镜头移动以拍摄影像。接着，由对焦电路计算影像传感器所拍摄影像在第一尺度下的对焦值相对于镜头移动步数的第一曲线以及在第二尺度下的对焦值相对于镜头移动步数的第二曲线。然后，由对焦电路将第一曲线与第二曲线的对焦值相除以获得特征曲线，并依据特征曲线中出现的波峰与鞍点的位置，估测波谷的位置。最后，由镜头控制电路控制镜头移动至波谷对应的移动步数，再移动至第一曲线或第二曲线的波峰对应的移动步数以完成对焦。

在本发明的一实施例中，所述由对焦电路计算影像传感器所拍摄影像在第一尺度下的对焦值相对于镜头的移动步数的第一曲线的步骤包括利用影像对比算法计算第一尺度的该影像中多个像素的对比值，以及计算影像中位于对焦框内的像素的对比值的幂次方的总和作为影像在第一尺度下的对焦值。

在本发明的一实施例中，所述由对焦电路计算影像传感器所拍摄影像在第二尺度下的对焦值相对于镜头的移动步数的第二曲线的步骤包括利用影像对比算法计算第二尺度的影像中多个像素的对比值，以及计算影像中位于对焦框内的像素的对比值的幂次方的总和作为影像在第二尺度下的对焦值。

在本发明的一实施例中，所述依据特征曲线中出现的波峰与鞍点的位置，估测波谷的位置的步骤包括在镜头移动拍摄影像的过程中，计算特征曲线的斜率的变化，当斜率转变为零时，判断到达特征曲线的波峰，而当斜率由零转变为极大值时，判断到达特征曲线的鞍点，并计算波峰与鞍点对应的移动步数之间的距离，由此鞍点对应的移动步数向前加上距离以估测波谷的位置。

在本发明的一实施例中，所述由镜头控制电路控制镜头移动至波谷对应的移动步数，再移动至第一曲线或第二曲线的波峰对应的移动步数以完成对焦的步骤包括由镜头控制电路控制镜头以第一速度移动至波谷对应的移动步数，以及由镜头控制电路控制镜头以第二速度移动至第一曲线或第二曲线的波峰对应的移动步数，其中第二速度小于第一速度。

本发明的一种影像捕获设备，其包括镜头、影像传感器、镜头控制电路及对焦电路。影像传感器耦接镜头，用以拍摄影像。镜头控制电路耦接镜头，用以控制镜头移动以拍摄影像。对焦电路耦接影像传感器及镜头控制电路，用以计算影像传感器所拍摄影像在第一尺度下的对焦值相对于镜头移动步数的第一曲线以及在第二尺度下的对焦值相对于镜头移动步数的第二曲线，将第一曲线与第二曲线的对焦值相除以获得特征曲线，并依据此特征曲线中出现的波峰与鞍点的位置，估测波谷的位置。其中，镜头控制电路控制镜头移动至对焦电路所估测的波谷对应的移动步数，再移动至第一曲线或第二曲线的波峰对应的移动步数以完成对焦。

在本发明的一实施例中，所述的对焦电路包括利用影像对比算法计算第一尺度的影像中多个像素的对比值，以及计算影像中位于对焦框内的像素的对比值的幂次方的总和作为影像在第一尺度下的对焦值。

在本发明的一实施例中，所述的对焦电路包括利用影像对比算法计算第二尺度的该影像中多个像素的对比值，以及计算影像中位于对焦框内的像素的对比值的幂次方的总和作为影像在第二尺度下的对焦值。

在本发明的一实施例中，所述的对焦电路包括在镜头移动拍摄影像的过程中，计算特征曲线的斜率的变化，其中当斜率转变为零时，判断到达特征曲线的波峰，而当斜率由零转变为极大值时，判断到达特征曲线的鞍点，并计算波峰与鞍点对应的移动步数之间的距离，由鞍点对应的移动步数向前加上距离以估测波谷的位置。

在本发明的一实施例中，所述的第二尺度的长、宽为第一尺度的长、宽的分数。

基于上述，本发明的影像捕获设备及其快速对焦方法，借由计算不用尺度影像的对焦值曲线并将其相除以获得特征曲线，从此特征曲线中观察波峰及鞍点，利用其间距离来等距离估测波谷的位置，从而将镜头一步移动到波谷所对应的对焦位置，最后再施以小步搜寻而完成对焦。借此，可提高对焦速度，且可避免镜头来回移动造成影像变化而影响用户的拍摄体验。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所示附图作详细说明如下。

附图说明

图1是已知相机对焦爬山机制的示意图；

图2是依照本发明一实施例所显示的影像捕获设备的方块图；

图3是依照本发明一实施例所显示的影像捕获设备的快速对焦方法的流程图；

图4A是依照本发明一实施例所显示的第一尺度影像的对焦值随移动步数变化的曲线；

图4B是依照本发明一实施例所显示的第二尺度影像的对焦值随移动步数变化的曲线；

图4C是依照本发明一实施例所显示的对焦值FV2及对焦值FV1的比值的曲线。

附图标记说明：

20：影像捕获设备

22：镜头

24：影像传感器

26：镜头控制电路

28：对焦电路

FV1、FV2：对焦值曲线

SFV：对焦值比值曲线

P1、P4：波峰

P2、P5：鞍点

P3：波谷

S1、S2：对焦值的变化趋势

d1、d2：距离

S302～S308：本发明一实施例的影像捕获设备的快速对焦方法的步骤。

具体实施方式

本发明是在计算出多尺度影像的对比值并换算为对焦值后，观察此对焦值及其比值的变化，根据对焦值比值曲线的斜率变化辨识出曲线的波峰及鞍点，再以等距离的方式估测出曲线的波谷位置，此波谷位置即为最佳对焦位置所在区域。借此，可有效预估对比值变化的趋势，而间接地估测出最佳对焦位置，最终达到快速对焦的目的。

图2是依照本发明一实施例所显示的影像捕获设备的方块图。请参照图2，本实施例的影像捕获设备20例如是数字相机、数字摄影机(Digital Video Camcorder，DVC)，或是配置在手机、平板计算机、笔记本电脑、导航装置、行车纪录器等电子装置上的相机，其可提供摄像功能。影像捕获设备20中包括镜头22、影像传感器24、镜头控制电路26及对焦电路28，其功能分述如下：

镜头22是由数个凹凸透镜组合而成，其是由步进马达或音圈马达(Voice CoilMotor，VCM)等致动器驱动以改变透镜之间的相对位置，从而改变镜头22的焦距。镜头22中配置有光圈及快门，光圈是由许多金属叶片构成的圈状开孔，此开孔会随着光圈值的大小而开大或缩小，进而控制镜头22的进光量，快门则是用以控制光进入镜头22的时间长短，其与光圈的组合会影响影像传感器24所撷取影像的曝光量。

影像传感器24连接于镜头22或配置于镜头22中，其中配置有电荷耦合组件(Charge Coupled Device，CCD)、互补性氧化金属半导体(Complementary Metal-OxideSemiconductor，CMOS)组件或其他种类的感光组件，而可感测进入镜头22的光线强度以产生影像。

镜头控制电路26例如是以集成电路(Integrate Circuit，IC)组成，其是用以控制镜头22中的致动器驱动镜头22以改变其焦距。在本实施例中，镜头控制电路26系从对焦电路28接收其所提供的对焦信息，并换算为渐进式距离，而据以控制镜头22中的致动器驱动镜头22。

对焦电路28例如是以微处理器、数字信号处理器、可程序化控制器、特殊应用集成电路或其他类似装置组成，其系接收影像传感器24所拍摄的影像，并分析此影像在不同尺度下的对比值，据以估测最佳对焦位置。

详言之，图3是依照本发明一实施例所显示的影像捕获设备的快速对焦方法的流程图。请同时参照图2及图3，本实施例的方法适用于上述图2的影像捕获设备20，以下即搭配图2中影像捕获设备20的各项组件，说明本实施例的快速对焦方法的详细步骤：

首先，由镜头控制电路26控制镜头22移动以由影像传感器24拍摄影像(步骤S302)。其中，影像捕获设备20例如是在用户启用摄像功能后，即启动实时预览(live view)模式拍摄影像。所拍摄的影像会实时显示在影像捕获设备20的显示器(未显示)上，以供使用者观看。而在拍摄影像的同时，镜头控制电路26会根据对焦电路28提供的对焦位置，控制镜头22中的致动器移动镜头以改变镜头22的焦距，藉以提供影像传感器24拍摄不同焦距下的影像。

接着，对焦电路28会计算影像传感器24所拍摄的影像在第一尺度下的对焦值相对于镜头22的移动步数的第一曲线以及在第二尺度下的对焦值相对于镜头22的移动步数的第二曲线(步骤S304)。其中，上述的第二尺度的长、宽系为第一尺度的长、宽的二分之一、四分之一或其他分数，在此不设限。

详言之，对焦电路28例如是利用Tenengrad函数、小波(wavelet)、高斯微分(Gaussian derivative)、拉普拉斯转换(laplac transform)、有限脉冲响应(FiniteImpulse Response，FIR)滤波器、无限脉冲响应(Infinite Impulse Response，IIR)滤波器等影像对比算法计算不同尺度影像中多个像素的对比值，再利用此对比值计算不同尺度影像的对焦值。例如，对焦电路28会计算影像中位于对焦框内像素的对比值的幂次方(例如平方)的总和作为影像在该尺度下的对焦值。

举例来说，假设第一尺度的影像是原始影像，第二尺度的影像是原始影像长宽各缩减二分之一、大小为原始影像四分之一的影像，本实施例以有限脉冲响应(FIR)滤波器的方式计算第一尺度影像的对比值fv1，并以相同的FIR方式计算第二尺度影像的对比值fv2。接着，计算第一尺度影像中位于对焦框内像素的对比值fv1的平方的总合，以作为第一尺度影像的对焦值FV1＝SUM(fv1*fv1)，同时也计算第二尺度影像中位于对焦框内像素的对比值fv2的平方的总合，以作为第二尺度影像的对焦值FV2＝SUM(fv2*fv2)。

然后，由对焦电路28将第一曲线与第二曲线的对焦值相除以获得特征曲线，并依据特征曲线中出现的波峰与鞍点的位置，估测波谷的位置(步骤S306)。详言之，观察众多的特征曲线可发现，最佳对焦位置区域都呈现类似三次曲线的趋势，特征曲线的波谷亦在最佳对焦位置区域，特征曲线的波峰则一般位于第一曲线或第二曲线的鞍部。

据此，当对焦电路28是以第一曲线或第二曲线作为爬山(即移动镜头22使得影像传感器24所拍摄影像的对比值或对焦值逐渐变大)的依据时，在爬山过程中，除了观察第一曲线及第二曲线的变化，亦同时观察特征曲线的变化。当到达第一曲线或第二曲线的山脚下时，此时约在特征曲线的波峰附近。当越过特征曲线的波峰(即特征曲线的斜率由负值转变为正值或由正值转变为负值)时，可以同时监视第一曲线、第二曲线及特征曲线的斜率变化。而当特征曲线的斜率到达区域的极大值(可为负值或正值)时，即可判定目前对焦位置到达特征曲线的鞍点。

基于曲线的对称特性，曲线鞍点至波谷的距离近似于曲线波峰至鞍点的距离。据此，本实施例即在特征曲线的斜率到达区域的极大值时，计算目前对焦位置与特征曲线的波峰位置之间的距离，再等距离估测出特征曲线的波谷位置。

举例来说，图4A至图4C是依照本发明一实施例所显示的影像捕获设备的快速对焦方法的范例。其中，图4A显示前述实施例中第一尺度影像的对焦值FV1＝SUM(fv1*fv1)随移动步数变化的曲线，图4B则显示前述实施例中第二尺度影像的对焦值FV2＝SUM(fv2*fv2)随移动步数变化的曲线。图4C显示对焦值FV2及对焦值FV1的比值SFV＝FV2/FV1的曲线。其中，观察图4C中对焦值的变化趋势S1可知，当镜头移动步数到达曲线FV1或曲线FV2左边的山脚下时，此时约在特征曲线SFV的波峰P1附近。当越过特征曲线SFV的波峰P1时，特征曲线SFV的斜率将由正值转变为负值并持续增大，而当到达区域极大值(即到达该极大值后转而减小)时，即可判定目前对焦位置到达特征曲线SFV的鞍点P2。此时，基于特征曲线SFV的对称特性，鞍点P2至波谷P3的距离将近似于波峰P1至鞍点P2的距离d1。据此，将鞍点P2对应的移动步数向前加上距离d1，即可估测出波谷P3的位置。

类似地，观察图4C中对焦值的变化趋势S2可知，当镜头移动步数到达曲线FV1或曲线FV2右边的山脚下时，此时约在特征曲线SFV的波峰P4附近。当越过特征曲线SFV的波峰P4时，特征曲线SFV的斜率将由负值转变为正值并持续增大，而当到达区域极大值(即到达该极大值后转而减小)时，即可判定目前对焦位置到达特征曲线SFV的鞍点P5。此时，基于特征曲线SFV的对称特性，鞍点P5至波谷P3的距离将近似于波峰P4至鞍点P5的距离d2。据此，将鞍点P5对应的移动步数向前加上距离d2，即可估测出波谷P3的位置。

回到图3的流程，最后由镜头控制电路26控制镜头22移动至前述波谷对应的移动步数，再移动至第一曲线或第二曲线的波峰对应的移动步数以完成对焦(步骤S308)。详言之，镜头控制电路26例如会控制镜头22以第一速度移动至波谷对应的移动步数，然后再以第二速度移动至第一曲线或第二曲线的波峰对应的移动步数，以完成对焦，其中第二速度小于第一速度。其中，镜头控制电路26例如可控制镜头22的致动器一步将镜头22移动到上述的移动步数或是渐近式地将镜头22移动到上述的移动步数，之后再施以小步搜寻，并观察第一曲线或第二曲线的变化，而当到达第一或第二曲线的最大值时，即完成对焦。

借由上述方法，可以省略或减少爬山机制中部分的第二阶段与第三阶段的步数，从而提高对焦速度。

综上所述，本发明的影像捕获设备及其快速对焦方法借由计算不同尺度影像的对比值，并分析其变化趋势，以在对焦过程中提早估测出最佳对焦位置所在的区域，从而控制镜头一步移动或渐近式移动至最佳对焦位置附近，最后施以小步搜寻而完成对焦。借此，可提高对焦速度，且可避免镜头来回移动造成影像变化而影响用户的拍摄体验。

虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更改与润饰，但这些更改与润饰均应落入本发明的保护范围内。

Claims (12)

1.一种影像捕获设备的快速对焦方法，其特征在于，所述影像捕获设备包括镜头、影像传感器、镜头控制电路及对焦电路，所述方法包括下列步骤：

由所述镜头控制电路控制所述镜头移动以由所述影像传感器拍摄影像；

由所述对焦电路计算所拍摄的所述影像在第一尺度下的对焦值相对于所述镜头的移动步数的第一曲线以及在第二尺度下的所述对焦值相对于所述镜头的所述移动步数的第二曲线；

由所述对焦电路将所述第二曲线的所述对焦值除以所述第一曲线的所述对焦值以获得特征曲线；

依据所述特征曲线中出现的波峰与鞍点的位置，计算所述波峰与所述鞍点对应的所述移动步数之间的距离，由所述鞍点对应的所述移动步数向前加上所述距离以估测波谷的位置；以及

由所述镜头控制电路控制所述镜头移动至所述波谷对应的所述移动步数，再移动至所述第一曲线或所述第二曲线的波峰对应的所述移动步数以完成对焦。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述对焦电路计算所述影像传感器所拍摄的所述影像在所述第一尺度下的所述对焦值相对于所述镜头的移动步数的所述第一曲线的步骤包括：

利用影像对比算法计算所述第一尺度的所述影像中多个像素的对比值；以及

计算所述影像中位于对焦框内的所述像素的对比值的幂次方的总和作为所述影像在所述第一尺度下的所述对焦值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述对焦电路计算所述影像传感器所拍摄的所述影像在所述第二尺度下的所述对焦值相对于所述镜头的移动步数的所述第二曲线的步骤包括：

利用影像对比算法计算所述第二尺度的所述影像中多个像素的对比值；以及

计算所述影像中位于对焦框内的所述像素的对比值的幂次方的总和作为所述影像在所述第二尺度下的所述对焦值。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二尺度的长、宽为所述第一尺度的长、宽的分数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在获得所述特征曲线之后，还包括：

在所述镜头移动拍摄所述影像的过程中，计算所述特征曲线的斜率的变化；

当所述斜率转变为零时，判断到达所述特征曲线的所述波峰；以及

当所述斜率由零转变为极大值时，判断到达所述特征曲线的所述鞍点。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由所述镜头控制电路控制所述镜头移动至所述波谷对应的所述移动步数，再移动至所述第一曲线或所述第二曲线的波峰对应的所述移动步数以完成对焦的步骤包括：

由所述镜头控制电路控制所述镜头以第一速度移动至所述波谷对应的所述移动步数；以及

由所述镜头控制电路控制所述镜头以第二速度移动至所述第一曲线或所述第二曲线的所述波峰对应的所述移动步数，其中所述第二速度小于所述第一速度。

7.一种影像捕获设备，其特征在于，包括：

镜头；

影像传感器，耦接所述镜头，拍摄影像；

镜头控制电路，耦接所述镜头，控制所述镜头移动以拍摄所述影像；

对焦电路，耦接所述影像传感器及所述镜头控制电路，计算所述影像传感器所拍摄的所述影像在第一尺度下的对焦值相对于所述镜头的移动步数的第一曲线以及在第二尺度下的所述对焦值相对于所述镜头的所述移动步数的第二曲线，将所述第二曲线的所述对焦值除以所述第一曲线的所述对焦值以获得特征曲线，并依据所述特征曲线中出现的波峰与鞍点的位置，计算所述波峰与所述鞍点对应的所述移动步数之间的距离，由所述鞍点对应的所述移动步数向前加上所述距离以估测波谷的位置，其中

所述镜头控制电路控制所述镜头移动至所述对焦电路所估测的所述波谷对应的所述移动步数，再移动至所述第一曲线或所述第二曲线的波峰对应的所述移动步数以完成对焦。

8.根据权利要求7所述的影像捕获设备，其特征在于，所述对焦电路包括利用影像对比算法计算所述第一尺度的所述影像中多个像素的对比值，以及计算所述影像中位于对焦框内的所述像素的对比值的幂次方的总和作为所述影像在所述第一尺度下的所述对焦值。

9.根据权利要求7所述的影像捕获设备，其特征在于，所述对焦电路包括利用影像对比算法计算所述第二尺度的所述影像中多个像素的对比值，以及计算所述影像中位于对焦框内的所述像素的对比值的幂次方的总和作为所述影像在所述第二尺度下的所述对焦值。

10.根据权利要求7所述的影像捕获设备，其特征在于，所述第二尺度的长、宽为所述第一尺度的长、宽的分数。

11.根据权利要求7所述的影像捕获设备，其特征在于，所述对焦电路包括在所述镜头移动拍摄所述影像的过程中，计算所述特征曲线的斜率的变化，其中当所述斜率转变为零时，判断到达所述特征曲线的所述波峰，而当所述斜率由零转变为极大值时，判断到达所述特征曲线的所述鞍点。

12.根据权利要求7所述的影像捕获设备，其特征在于，所述镜头控制电路包括控制所述镜头以第一速度移动至所述波谷对应的所述移动步数，再控制所述镜头以第二速度移动至所述第一曲线或所述第二曲线的所述波峰对应的所述移动步数，其中所述第二速度小于所述第一速度。

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