CN108933937B - 用于动态地校准图像捕获装置的方法 - Google Patents

用于动态地校准图像捕获装置的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于动态地校准图像捕获装置的方法，该方法包括：a)确定至场景内的对象的距离(DCRT,DEST)；b)确定用于所确定的距离的第一透镜致动器设置(DACINIT)；c)确定第二透镜致动器设置(DAC焦点)，从而为所景的所捕获的图像中的对象提供最大锐度；以及d)存储所确定的距离(DCRT,DEST)、以及第一透镜致动器设置和第二透镜致动器设置。在与第一所确定的距离分开的第二所确定的距离处重复这些步骤。根据至少以下各项来确定对所存储的经校准的透镜致动器设置
Figure DDA0001671663770000011
的校准校正
Figure DDA0001671663770000012
用于第一所确定的距离和所述第二所确定的距离中的每一者的第二透镜致动器设置(DAC焦点)和第一透镜致动器设置(DACINIT)之间的相应差值；并且根所确定的校准校正来调节所存储的经校准的透镜致动器设置。

Description

用于动态地校准图像捕获装置的方法
技术领域
本发明涉及用于动态地校准图像捕获装置的方法。
背景技术
现在参见图1，图像捕获装置内的相机模块12的典型自动聚焦(AF)模块10可获得从相机模块到目标对象的距离(例如，至激光装置或立体相机系统14的距离)的估计值。在获知所估计的物距后，自动聚焦模块10可计算透镜16的所需物理位置，以使目标对象聚焦。如WO 2016/000874(参考文献：FN-396-PCT，其公开内容以引用方式并入本文)中所解释的，透镜位置通常由透镜致动器18来控制，该透镜致动器通过由AF模块10所提供的数模转换器(DAC)驱动，该数模转换器通常使用具有255个不同的电压输出电平的8位DAC代码或具有1024个电压电平的10位DAC代码。因此，AF模块10确定物距的所需DAC代码，并且DAC将DAC代码转换为等效模拟致动器电压或电流值以确定透镜位置，这取决于致动器输出电路，例如取决于透镜16是包括VCM(音圈模块)透镜致动器，还是包括MEM(微机电系统)透镜致动器。
一旦确定DAC代码和透镜位置之间的关系，例如这两者之间可存在线性关系，便可通过针对无穷远距离和微距距离调节DAC代码来校准相机模块：
DAC远[t]-用于在时间[t]聚焦在远(无穷远)距离处的物理透镜位置 [1]
DAC近[t]-用于在时间[t]聚焦在近(微距)距离处的物理透镜位置 [2]
可在生产线流程(PLP)期间确定这些校准参数，并且将它们的值存储在相机模块12内部的非易失性存储器20中或相机中的其他地方。
因此，自动聚焦模块10可根据至目标对象的距离以及DAC近[]和DAC远[]来确定要提供给透镜致动器18的所需DAC代码。
众所周知，相机模块12可受操作条件诸如SAG(重力影响)或热(温度影响)的影响，并且WO 2016/000874(参考文献：FN-396-PCT)公开了通过根据操作条件调节DAC近[]和DAC远[]来补偿SAG和热效应的一些方法。
但是，由于PLP的一些限制，或如WO 2016/000874(参考文献：FN-395-PCT)中所公开的，随时间漂移的相机模块性能例如由于装置老化或甚至装置接通时间因此可存在对校准误差(包括不准确性)有贡献的其他要素。
如果不相应地补偿PLP、SAG或热误差，则由AF模块所计算的DAC代码将无法提供目标对象上的适当的聚焦。
然后可能需要相机模块寻找焦点，这不仅会不利地影响聚焦速度，而且将使得预览流内的不可接受的透镜抖动效应。
本发明的目的是减轻这些问题。
发明内容
根据本发明，提供了一种根据权利要求1所述的用于动态地校准图像捕获装置的方法。
根据第二方面，提供了计算机程序产品，该计算机程序产品包括在其上存储了、计算机可读指令的计算机可读介质，这些计算机可读指令当在图像捕获装置上执行时被布置为执行权利要求1所述的步骤。
根据第三方面，提供了图像捕获装置，该图像捕获装置被配置为执行权利要求1所述的步骤。
本发明方法在图像捕获装置上(可能在相机模块内)运行，并且在用户操作该装置时动态地补偿校准误差。
该方法不影响生产线流程并在用户操作该装置时收集必要的数据，而不会不利地影响用户体验。该方法在估计校准误差并接着更新校准参数时可改善自动聚焦速度并使透镜抖动最小化。
可不时地触发该方法，以检查校准参数是否没有受到例如相机老化的影响，如果是这样，则执行必要的校正。
附图说明
现在将参考附图以举例的方式来描述本发明的实施方案，在附图中：
图1示意性地示出了典型自动聚焦相机模块；
图2示出了根据本发明的第一实施方案的用于动态地校准图像捕获装置的方法；并且
图3示出了根据本发明的第二实施方案的用于动态地校准图像捕获装置的方法。
具体实施方式
除由SAG或热效应引起的在本文中被统称为PLP误差的那些误差之外的校准误差可如下被量化：
Figure BDA0001671663750000031
其中：
Figure BDA0001671663750000032
和
Figure BDA0001671663750000033
为相机模块(CM)的所存储的校准参数。这可在生产时间进行测量和确定，或它们可在相机操作期间不时更新，如WO 2016/000874(参考文献：FN-395-PCT)中所公开的。
因此，DAC远[t]和DAC近[t]为时间[t]的所需的经校正的校准参数，而
Figure BDA0001671663750000034
和
Figure BDA0001671663750000035
为这些参数中的相应误差。
为了说明等式[3]和[4]中的误差对最终焦点位置的影响，让我们假定目标对象被放置在至相机的距离[D]处。通常，在手持式图像捕获装置诸如消费类相机、智能手机、平板电脑或等同物中，感兴趣的对象为人脸。用于聚焦在距离[D]处的对应透镜位置[DACD]由以下公式给出：
Figure BDA0001671663750000036
假定为线性DAC函数，附加参数连同其公式详述于表1中：
Figure BDA0001671663750000041
表1.用于将距离映射到透镜位置(DAC)的参数的列表
但是，应当理解，本发明还适用于DAC代码与透镜位置之间的非算术但却呈线性的关系。
等式[9]、[10]和[11]从薄透镜等式导出：
Figure BDA0001671663750000042
将[6]、[7]、[8]代入[5]，用于计算DAC值的新公式变为：
Figure BDA0001671663750000043
将[9]、[10]、[11]代入[13]和[14]，估计DAC值的最终公式由以下公式给出：
Figure BDA0001671663750000051
ERRD为由PLP误差(
Figure BDA0001671663750000052
和
Figure BDA0001671663750000053
)生成的总误差。
现在参见图2，根据一个实施方案的补偿方法的第一步为在用户操作相机时将输入数据收集在内部缓冲区(BUFF)中。该过程可在不影响用户体验的情况下透明地进行。输入记录应包含汇总于表2中的数据。缓冲区应具有足够的空间，以存储至少2个记录。
Figure BDA0001671663750000054
表2.动态补偿输入数据
传感器温度[TCRT]和装置取向[OCRT]用于调节原始校准参数，以补偿受SAG(重力)或热效应影响的CM，如WO 2016/000874(参考文献：FN-395-PCT)中所公开的。为了简要解释如何补偿SAG和热效应，假定在生产期间，CM取向为OPLP并且传感器温度为TPLP。
如果CM受SAG影响，OCRT≠OPLP，则原始校准参数被转换为OCRT范围。在本说明书中，该变换函数被表示为以下SAG：
Figure BDA0001671663750000061
如果CM不受SAG影响，则校准参数将保持不变：
Figure BDA0001671663750000062
如果CM受热效应影响，TCRT≠TPLP，则SAG校正之后的校准参数被转换为TCRT范围。同样，可使用以下被称为TH的变换函数：
Figure BDA0001671663750000063
如果CM不受热效应影响，则从任何SAG校正得出的校准参数将保持不变：
Figure BDA0001671663750000064
应当注意，在每种情况下，SAG()和TH()可涉及查找表，并且同样如何调节
Figure BDA0001671663750000065
和
Figure BDA0001671663750000066
值以考虑温度和取向的细节公开于WO 2016/000874(参考文献：FN-395-PCT)中。
此时，PLP误差为未知的。为了估计这些误差，以如下方式在AF模块操作期间收集数据：
1.使用激光装置或立体相机系统14来估计[DCRT]；
2.使用[16]来计算初始透镜位置
Figure BDA0001671663750000067
Figure BDA0001671663750000068
3.将透镜位置设定为
Figure BDA0001671663750000071
并且开始在
Figure BDA0001671663750000072
周围搜索焦点位置。应当来回移动透镜，直到实现最佳对比度值。具有最佳对比度值的透镜位置将为焦点位置
Figure BDA0001671663750000073
对于大PLP误差而言，
Figure BDA0001671663750000074
焦点位置将远离初始位置
Figure BDA0001671663750000075
聚焦速度将变慢并且透镜抖动效应更加明显。
对于小误差而言，
Figure BDA0001671663750000076
焦点位置将更接近初始位置
Figure BDA0001671663750000077
聚焦速度将更高并且透镜抖动效应不太明显。
动态补偿方法的目标是使用上述数据(由步骤1、2和3提供)来估计PLP误差。一旦完成估计，便将适当地更新校准参数
Figure BDA0001671663750000078
并且由[16]提供的透镜位置将为焦点位置。将不再需要聚焦扫描，因此将提高AF模块速度并减少透镜抖动效应。
充分限定良好准确度的一种方式是按如下那样将[DCRT]和
Figure BDA0001671663750000079
的误差限制到小于设定阈值：
Figure BDA00016716637500000710
Figure BDA00016716637500000711
为了理解
Figure BDA00016716637500000712
和DACSTEP的含义，在表3中汇总了附加参数。
Figure BDA00016716637500000713
表3.DOF参数
DACSTEP为DF距离和DN距离处的对应DAC值之间的绝对差。使用[15]、[16]并假定
Figure BDA0001671663750000081
DACSTEP的估计值由以下公式给出：
Figure BDA0001671663750000082
DACSTEP应为恒定值(不应随距离D而改变)。
补偿方法的第二步为估计误差[3]和[4]并更新校准参数。这需要两个输入记录
Figure BDA0001671663750000083
它们满足以下条件：
Figure BDA0001671663750000084
其中：
Figure BDA0001671663750000085
为第一记录。
Figure BDA0001671663750000086
为第二记录。
Figure BDA0001671663750000087
为第一距离D1处的DOF范围(
Figure BDA0001671663750000088
为远极限，
Figure BDA0001671663750000089
为近极限)。
Figure BDA00016716637500000810
为第二距离D2处的DOF范围(
Figure BDA00016716637500000811
为远极限，
Figure BDA00016716637500000812
为近极限)。
如果满足等式[25]的检验(这两个距离完全不同)，则使用[15]并将[DACD,D]替换为
Figure BDA00016716637500000813
和
Figure BDA00016716637500000814
所得的
Figure BDA00016716637500000815
和
Figure BDA00016716637500000816
为：
Figure BDA00016716637500000817
Figure BDA00016716637500000818
其中：
Figure BDA00016716637500000819
和
Figure BDA00016716637500000820
使用[16]来计算。
使用[17]并将[ERRD,D]替换为
Figure BDA00016716637500000821
),D1]和
Figure BDA00016716637500000822
这得出以下线性系统：
Figure BDA0001671663750000091
为了简化上述系统，将进行以下替换：
Figure BDA0001671663750000092
新系统变成：
Figure BDA0001671663750000093
现在可使用以下公式来估计PLP误差：
Figure BDA0001671663750000094
其中：
Figure BDA0001671663750000095
和
Figure BDA0001671663750000096
使用[26]和[27]来计算。
Figure BDA0001671663750000097
和
Figure BDA0001671663750000098
使用[28]和[29]来计算。
新更新的校准参数(应进一步用于提高AF模块速度并减少透镜抖动效应)为：
Figure BDA0001671663750000099
在本发明的第二实施方案中，并非直接测量至被成像的场景中的对象的距离，而是可基于被成像的对象的假定维度(例如，脸部)来估计该距离。有关基于脸部信息或具有已知维度的实际上任何可识别的对象来估计该距离的更多细节可见于US8970770(参考文献：FN-361)和WO 2016/091545(参考文献：FN-399)，这两份专利的公开内容以引用方式并入本文。
然而，如WO 2016/091545(参考文献：FN-399)中所公开的，这样做时应当谨慎以确保对象不是对象的伪像，例如显示较大脸部的广告牌或较小的印刷脸部或较小的儿童脸部，此时假定维度可能不适用。因此，第二实施方案旨在提供动态补偿，以估计ERRPLP，同时将场景中可能存在假脸部考虑在内。
假定从脸部至图像采集装置的距离为[D]。利用以下公式来计算当前估计的至该脸部的距离[DEST]：
Figure BDA0001671663750000101
其中：
○f表示透镜系统的焦距
○PS为像素尺寸
○ed表示假定维度，在这种情况下为人脸的以毫米计的眼距(ed＝70mm)
○edp表示所检测的脸部区域内的以像素计的所计算的眼距
对于这些人脸(其中ed≈70mm)，公式[1]将提供对该距离的良好估计(DEST≈D)。
对于假脸部(例如，ed≈20mm的较小印刷脸部)，公式[1]将提供错误距离，因为其假定ed＝70mm。
用于聚焦于距离[D]处的透镜位置[DACD]由以下公式给出：
Figure BDA0001671663750000102
其中：
Figure BDA0001671663750000111
即基于估计的距离[DEST]计算的初始透镜位置可按照等式[16]中的
Figure BDA0001671663750000112
来计算；并且
Figure BDA0001671663750000113
应当注意，在该示例中，近PLP误差和远PLP误差被假定为几乎相同
Figure BDA0001671663750000114
并且
Figure BDA0001671663750000115
表示由至对象的距离的错误估计引起的误差。
现在参见图3，同样动态补偿方法的第一步为在用户操作相机时向内部缓冲区(BUFF)中收集必要的输入数据。该过程应在不影响用户体验的情况下透明地进行。同样，输入记录应包含汇总于表2中的数据，但不是使用第一实施方案的所测量的DCRT，而是使用DEST的估计距离。缓冲区应具有足够的空间，以存储至少2个记录。
动态补偿过程的第二步为估计ERRPLP并更新校准参数。该实施方案尝试使给定脸部在两个单独的距离处成像，但在该实施方案的变型中，可采用来自不同脸部的图像的测量。在如第一实施方案中的任何情况下，需要两个输入记录
Figure BDA0001671663750000116
它们满足以下条件：
a)
Figure BDA0001671663750000117
其中：
Figure BDA0001671663750000118
为第一记录；
Figure BDA0001671663750000119
为第二记录；
Figure BDA00016716637500001110
为第一估计距离的DOF范围(
Figure BDA00016716637500001111
为远极限，
Figure BDA00016716637500001112
为近极限)；
并且
Figure BDA00016716637500001113
为第二估计的距离的DOF范围(
Figure BDA00016716637500001114
为远极限，
Figure BDA00016716637500001115
为近极限)。
b)|ERR1|≤N*DACSTEP
|ERR2|≤N*DACSTEP
|ERR1-ERR2|≤DACSTEP/2
其中
DACSTEP按照第一实施方案的等式[24]来确定；
Figure BDA0001671663750000121
Figure BDA0001671663750000122
如前所述，第一条件(a)要求这两个距离应为不同的。
第二条件(b)要求被成像的对象实际表现出假定维度，使得给定脸部为真实人脸，ed≈70mm。在这种情况下，误差应不大于最大误差(N*DACSTEP)，并且它们应非常类似(差值不应高于DACSTEP的一半)。该条件保证如第一实施方案中的
Figure BDA0001671663750000125
和ERRD≈ERRPLP。
如果当前脸部为假的(未遵守条件(b))，则在接收到新的有效脸部之前不得进行补偿。
如果未遵守条件(a)和(b)，则将按如下方式来估计ERRPLP：
Figure BDA0001671663750000123
新更新的校准参数(应进一步用于提高AF速度并减少透镜抖动效应)为：
Figure BDA0001671663750000124
如所指出的，最大估计的误差不应高于N*ACSTEP(ERRPLP≤N*ACSTEP)。可由图像采集装置或相机模块制造商根据它们希望估计补偿过程以如何紧密的程度进行操作来确定N的值。因此，N的值越大，基于至对象的不良估计距离进行校准的可能性越大。
应当理解，上述实施方案的许多变型形式为可能的，并且在可能情况下，例如相对于第一实施方案描述的特征和功能适用于第二实施方案，并且反之亦然。

Claims (14)

1.一种用于动态地校准图像捕获装置的方法，所述方法包括：
a)确定所述图像捕获装置至由所述图像捕获装置成像的场景内的对象的距离；
b)根据以下各项来确定第一透镜致动器设置DACINIT：用于预先确定的近焦点距离D近的所存储的经校准的透镜致动器设置
Figure FDA0003348962430000011
用于预先确定的远焦点距离D远的所存储的经校准的透镜致动器设置
Figure FDA0003348962430000012
所述图像捕获装置的焦距f、以及所确定的所述距离；
c)确定第二透镜致动器设置DAC焦点，从而为所述场景的所捕获的图像中的所述对象提供最大锐度，步骤a)至c)是在第一确定距离D1处执行的，其中所确定的所述距离包括所述第一确定距离D1；以及
d)存储所确定的所述距离、第一透镜致动器设置DACINIT、以及第二透镜致动器设置DAC焦点；
e)随后在与所述第一确定距离D1分开的第二确定距离D2处重复步骤a)至c)，其中所确定的所述距离包括所述第二确定距离D2；
f)根据以下公式来确定对所述经校准的透镜致动器设置中的每个经校准的透镜致动器设置的校准校正
Figure FDA0003348962430000013
和
Figure FDA0003348962430000014
Figure FDA0003348962430000015
其中
Figure FDA0003348962430000016
和
Figure FDA0003348962430000017
使用以下公式来计算：
Figure FDA0003348962430000018
Figure FDA0003348962430000019
并且
Figure FDA00033489624300000110
和
Figure FDA00033489624300000111
使用以下公式来计算：
Figure FDA0003348962430000021
其中
Figure FDA0003348962430000022
是用于所述第一确定距离的第二透镜致动器设置；
Figure FDA0003348962430000023
是用于所述第二确定距离中的第二透镜致动器设置，
Figure FDA0003348962430000024
是用于所述第一确定距离的第一透镜致动器设置；
Figure FDA0003348962430000025
是用于所述第二确定距离的第一透镜致动器设置；以及
g)根据所确定的所述校准校正来调节所存储的经校准的透镜致动器设置。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括在确定第一透镜致动器设置的所述步骤之前，根据所述装置的操作温度和/或根据所述装置的操作取向来调节所述所存储的经校准的透镜致动器设置；以及
将所述装置的所述操作温度和/或所述操作取向与所确定的所述距离、所述第一透镜致动器设置、以及所述第二透镜致动器设置存储在一起。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述第二透镜致动器设置包括使用所述第一透镜致动器设置来开始搜索。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一确定距离和所述第二确定距离彼此分开所述第一确定距离和所述第二确定距离处的至少相应景深。
5.根据权利要求1所述的方法，所述方法包括周期性地重复步骤a)至g)。
6.根据权利要求1所述的方法，其中在透镜致动器设置和聚焦在给定距离处所需的透镜位置之间存在线性关系。
7.根据权利要求1所述的方法，其中确定所述第一透镜致动器设置DACINIT基于以下公式：
Figure FDA0003348962430000031
其中
Figure FDA0003348962430000032
为用于预先确定的远焦点距离的所述所存储的经校准的透镜致动器设置；
Figure FDA0003348962430000033
为用于预先确定的近焦点距离的所存储的经校准的透镜致动器设置；
D远为所述远焦点距离
D近为所述近焦点距离
DCRT，EST为所确定的所述距离；并且
f为所述焦距。
8.根据权利要求1所述的方法，其中确定至对象的所述距离的所述步骤包括测量所述距离。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述调节所述所存储的经校准的透镜致动器设置包括根据以下所述公式来提供新设置
Figure FDA0003348962430000034
和
Figure FDA0003348962430000035
Figure FDA0003348962430000036
10.根据权利要求1所述的方法，其中确定至对象的所述距离的所述步骤包括基于所述对象的成像尺寸和所述对象的假定维度来估计至所述对象的所述距离。
11.根据权利要求10所述的方法，所述方法包括在以下任一操作之前测试从所估计的距离得出的潜在校正是否超过阈值：存储所确定的所述距离、所述第一透镜致动器设置、以及所述第二透镜致动器设置；或确定所述校准校正。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述阈值为在给定焦点距离下的焦点的远极限和焦点的近极限处的对应致动器设置之间的绝对差的函数。
13.一种计算机可读介质，存储有计算机可读指令，所述计算机可读指令当在图像捕获装置上执行时被布置成执行根据权利要求1所述的步骤。
14.一种图像捕获装置，所述图像捕获装置被配置为执行根据权利要求1所述的步骤。
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