CN109309786B - 一种双相机对焦的方法 - Google Patents

一种双相机对焦的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双相机对焦的方法，包括从固定焦距相机模块接收固定焦距图像，从自动对焦相机模块接收自动对焦图像，校准自动对焦相机模块的镜头畸变，校准自动对焦相机模块和固定焦距相机模块的几何关系，计算固定焦距图像与自动对焦图像之间的焦深差，基于焦深差估计自动对焦位置，并基于估计结果设定自动对焦位置。

Description

一种双相机对焦的方法
技术领域
本公开涉及数字摄影，并且更具体地涉及使用两个相机的相机对焦。
背景技术
通常，相机系统中的焦点调节涉及图像清晰度分析或相位检测和镜头位置机械控制。清晰度分析方法（即对比度AF）中的挑战是由于递归的镜头移动和图像分析直到达到精细聚焦位置导致的延迟。 为了减少这种延迟，设计了一种相位检测（PD）传感器，其可以使用专门的像素来检测与距离相关的相位。PD传感器价格昂贵并且降低了像素灵敏度，并因此降低了相机的弱光性能。
发明内容
在一个实施例中，双相机对焦的方法包括从固定焦距相机模块接收固定焦距图像，从自动对焦相机模块接收自动对焦图像，计算固定焦距图像与自动对焦图像之间的焦深差，基于焦深差估计自动对焦位置，并基于估计结果设定自动对焦位置。
在另一个实施例中，双相机对焦的方法包括从固定焦距相机模块接收固定焦距图像，从自动对焦相机模块接收自动对焦图像，校准自动对焦相机模块的镜头畸变，校准自动对焦相机模块和固定焦距相机模块的几何关系，计算固定焦距图像与自动对焦图像之间的焦深差，基于焦深差估计自动对焦位置，并基于估计结果设定自动对焦位置。
附图说明
图1是根据本公开的一个实施例的系统图；
图2是根据本公开的一个实施例的显示视差的系统图；
图3是根据本公开的一个实施例的自动对焦图像中的对焦窗口的描绘；
图4是根据本公开的一个实施例的自动对焦图像和固定焦距图像中的对焦窗口的描绘；
图5是根据本公开的一个实施例的第一流程图；
图6是根据本公开的一个实施例的第二流程图；和
图7是根据本公开的一个实施例的第三流程图。
具体实施方式
下文所写的实施例仅用于说明该装置和方法的应用，而不是限制范围。对该装置和方法的修改的等同形式应归为在权利要求的范围内。
贯穿以下说明书和权利要求使用某些术语来指代特定系统部件。如本领域技术人员将理解的，不同的公司可以通过不同的名称来指代部件和/或方法。本文件不旨在区分名称不同而非功能不同的部件和/或方法。
在以下讨论和权利要求中，术语“包含”和“包括”以开放式的方式使用，并因此应该被解释为“包括，但不限于…”。 此外，术语“耦合（couple）”或“耦合（couples）”旨在表示间接或直接的连接。因此，如果第一设备耦合到第二设备，则该连接可以是通过直接连接或通过经由其他设备和连接的间接连接。
图1描绘了与具有双相机的系统一起使用的示例电子系统。电子系统100可以是用于执行与过程500、600或700、或者由图5-7提供的部件和过程的一个或多个部分或步骤相关联的软件的计算设备。电子系统100可以是嵌入式计算机、个人计算机或移动设备，例如平板电脑、笔记本电脑、智能电话、PDA，或具有嵌入或耦合到其中的一个或多个处理器的其他触摸屏或电视，或任何其他类型的计算机相关的电子设备。
电子系统100可以包括各种类型的计算机可读介质和用于各种其他类型的计算机可读介质的接口。在所描绘的示例中，电子系统100包括总线112、一个或多个处理器120、系统存储器114、只读存储器（ROM）118、永久存储设备110、输入设备接口122、输出设备接口116，以及一个或多个网络接口124。在一些实现中，电子系统100可以包括其他计算设备或电路，或者与其他计算设备或电路集成，用于操作先前描述的各种部件和过程。在本公开的一个实施例中，一个或多个处理器120通过总线112被耦合到自动对焦相机模块传感器126（主相机）和固定焦距相机模块128（副相机）。
总线112共同表示通信地连接电子系统100的众多内部设备的所有系统总线、外围总线和芯片组总线。例如，总线112将一个或多个处理器120与ROM 118、系统存储器114、永久存储设备110、自动对焦相机模块传感器126（主相机）和固定焦距相机模块128（副相机）通信地连接。
一个或多个处理器120从这些各种存储器单元检索要执行的指令和要处理的数据，以便执行本公开的过程。一个或多个处理单元可以是不同实施中的单个处理器或多核处理器。
ROM 118存储一个或多个处理器120和电子系统的其他模块所需的静态数据和指令。另一方面，永久存储设备110是读写存储设备。该设备是非易失性存储器单元，其即使在电子系统100关闭时也存储指令和数据。本公开的一些实施方式使用大容量存储设备（诸如磁盘或光盘及其对应的盘驱动器）作为永久存储设备110。
其他实施使用可移动存储设备（诸如软盘、闪存驱动器及其对应的磁盘驱动器）作为永久存储设备110。与永久存储设备110类似，系统存储器114是读写存储器设备。然而，与永久存储设备110不同，系统存储器114是易失性读写存储器，例如随机存取存储器。系统存储器114存储处理器在运行时需要的一些指令和数据。在一些实施中，本公开的过程被存储在系统存储器114、永久存储设备110和/或ROM118中。一个或多个处理器120从这些各种存储器单元检索要执行的指令和要处理的数据，以便执行一些实施的过程。
总线112还连接到输入和输出设备接口122和116。输入设备接口122使用户能够向电子系统传达信息和选择命令。与输入设备接口122一起使用的输入设备包括例如字母数字键盘和指点设备（也被称为“光标控制设备”）。输出设备接口116使得例如能够显示由电子系统100产生的图像。与输出设备接口116一起使用的输出设备包括，例如打印机和显示设备（显示设备例如阴极射线管（CRT）或液晶显示器（LCD））。一些实施包括诸如触摸屏的设备，其既用作输入设备也用作输出设备。
最后，如图1所示，总线112还可以通过网络接口124将电子系统100耦合到网络（未示出）。网络接口124可以包括，例如无线接入点（例如，蓝牙或WiFi）或用于连接到无线接入点的无线电电路。网络接口124还可以包括用于将计算机连接到计算机网络（例如局域网（“LAN”）、广域网（“WAN”）、无线LAN，或内联网，或多个网络中的一个网络（例如，因特网））的一部分的硬件。电子系统100的任何或所有部件可以与本公开一起使用。
虽然上述讨论主要是指执行软件的微处理器或多核处理器，但是一些实现由一个或多个集成电路执行，例如专用集成电路（ASIC）或现场可编程门阵列（FPGA）。在一些实施中，这种集成电路执行存储在电路自身上的指令。
如在本说明书和本申请的任何权利要求中所使用的，术语“计算机”、“服务器”、“处理器”和“存储器”都指电子或其他技术设备。这些术语不包括人或人群+。出于说明的目的，术语显示（display）或显示（displaying）意味着显示在电子设备上。
为了提供与用户的交互，本说明书中描述的主题的实现，可以在具有显示设备（例如CRT（阴极射线管）或LCD（液晶显示器）监视器，用于向用户显示信息）的计算机上、以及键盘和指点设备（例如鼠标或跟踪球，用户可以通过它们向计算机提供输入）上实现。其他类型的设备也可用于提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的传感反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且来自用户的输入可以以任何形式接收，包括声学、语音或触觉输入。
本说明书中描述的主题的实施例可以在包括后端部件（例如，作为数据服务器），或包括中间件部件（例如，应用服务器）或包括前端部件（例如，具有图形用户界面的客户端计算机，用户可以通过该图形用户界面与本说明书中描述的主题的实施进行交互），或者一个或多个这样的后端、中间件或前端部件的任何组合的计算系统中实现。系统的部件可以通过任何形式或数字数据通信的介质互连，例如通信网络。通信网络的例子包括局域网（“LAN”）和广域网（“WAN”）、互联网（例如，因特网）和对等网络（例如，ad hoc对等网络）。
计算系统可以包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离，并且通常通过通信网络进行交互。客户端和服务器的关系由于在相应的计算机上运行、并且彼此具有客户端 - 服务器关系的计算机程序而产生。在客户端设备（例如，用户交互的结果）处生成的数据可以从服务器处的客户端设备接收。
图2描绘了与由双相机系统中的视差引起的距离相关的视差。具有已知对应关系的优选地无畸变、对齐的立体装置中，可以使用相似三角形方法找到深度Z，成像器的主光线从投影的中心O main 和O sub 开始，并在c x main 和c x sub 处延伸通过两个图像平面的主点。
该快速对焦相机系统包括固定焦距相机模块（副相机）和自动对焦相机模块（主相机）。固定焦距相机模块可具有更大景深（DOF）光学元件以覆盖更宽的焦距范围。在主相机到达正确的对焦位置之前，主相机会传送当前图像。快速对焦算法计算主相机当前镜头位置图像中的物体/场景与固定焦距相机图像中的物体/场景之间的视差，以确定主相机应移动到的下一个对焦位置。然后，镜头位置机械控制模块，音圈电机（VCM）将镜头移动到这样的位置，并且主相机为算法传送新的位置图像，以确认它是否已到达所需的对焦位置。
VCM通常分为闭环VCM和开环VCM。闭环VCM受电机姿势的影响较小，并因此对重力的影响更加稳健。在这种情况下，主相机VCM是由于副相机模块具有固定焦距而被校准的部分。
在闭环VCM中，主相机对不同距离处的不同目标进行拍摄，VCM逐步地控制镜头位置，和离线清晰度分析可以找到对于每个目标的最清晰的镜头位置。然后在设备中内置查找表，该查找表将距离映射到VCM位置。
在开环VCM中，操作更复杂。主相机镜头位置不是由VCM直接控制，也受重力影响。上述查找表分别针对不同的相机姿势构建。
镜头畸变校准和校正的目标是减少和/或消除由球面镜头引起的不必要的畸变，并校准图像以模仿针孔相机的图像。
几何校准的目的是估计两个相机之间的相对姿势、相对位置和相对比例。在将这些参数应用于图像之后，两个图像可以沿着基线方向对齐，从而简化了立体匹配。
图3描绘了触发的快速对焦功能，快速对焦相机系统从当前镜头位置传送（1）由主、自动对焦相机模块（main, auto focus camera module）捕获的图像（IM）；（2）由第二、固定焦距相机模块（second, fixed focus camera module）捕获的图像（IS）；（3）主、自动对焦相机模块的当前状态；和（4）图像IM中的对焦窗口（WM）。
示出了由主相机模块IM、第二相机模块IS捕获的图像，具有当前镜头位置P和对焦窗口WM。
在随后的对焦窗口匹配之前，对输入数据应用校正，包括透镜畸变校正和几何对准。图像对可以被对齐，并且类似的特征将存在于主相机和副相机中的相同水平扫描线中。第二校正可以是亮度校正，使用直方图规格化，校正两个图像以在相同的捕获对象上具有相似的亮度。
如图4所示，给定在给定对焦窗口WM内的IM 的图像数据，找到第二图像IS中的第二窗口（WS），其包含与IM中的WM相同的物理区域。通常，该搜索过程沿着WM的中心的相应极线进行。由于上述畸变和几何校正，极线将是水平扫描线。可以使用不同的方法找到Is，例如绝对差之和（SAD）、最大相关系数（MCC）等。
对于主图像中的WM的位置（坐标）和第二图像中的WS的位置（坐标），它们被映射到纠正的坐标系统，其在主纠正图像中被表示为XM，在第二纠正图像中被表示为XS。XM和XS之间的差异，或者说视差，传达了这种对焦窗口内的内容的深度信息。
Figure 761425DEST_PATH_IMAGE001
以纠正的像素间隔测量焦距，基线是两个相机的光学中心之间的真实物理距离。XM和XS是在纠正的图像的两个窗口中的内容的水平（平行于基线方向）坐标。
对于每个自动对焦模块，给定对焦距离，可以根据模块的当前状态估计最佳镜头位置，包括但不限于相机姿势和电机校准数据。然后，主相机的镜头位置将在之后的一个或多个帧中被调整为该新值。
图5描绘了离线和在线校准。 离线校准可以包括镜头畸变校准510以实现畸变校正512，立体校准514以实现立体校正（correct）和纠正（rectification）516、亮度校正518和VCM校准524。 离线校准输出两个相机模块之间的几何关系，包括两个相机之间的焦距比，两个相机之间的旋转角度或旋转矩阵，以及两个相机之间的基线光学中心偏移。在线校准可以包括新相机移动位置的估计522，包括需要大电机移动528的远程移动526、需要小电机移动532的VCM精细移动530和清晰度分析534（其根据对比度AF输出移动VCM536）。
其他操作可用于减少校准误差。当电机位置远离焦点对准时，估计的新透镜位置对于确定电机移动方向可能非常有用。可以使用大的步长（粗略自动对焦位置步长）朝向目标位置移动。当当前电动机位置靠近目标时，电机可以以较小的步长移动（精细自动对焦位置步长）以避免超越目标。或者，可以在最终间隔中采用精细清晰度分析。
图6描绘了双相机对焦的方法，包括从固定焦距相机模块接收固定焦距图像610，从自动对焦相机模块接收自动对焦图像612，计算固定焦距图像与自动对焦图像之间的焦深差614，基于焦深差估计自动对焦位置616，和基于估计结果设定自动对焦位置618。
图7描绘了双相机对焦的方法，包括从固定焦距相机模块接收固定焦距图像710，从自动对焦相机模块接收自动对焦图像712，校准自动对焦相机模块的镜头畸变714，校准自动对焦相机模块和固定焦距相机模块的几何关系716，计算固定焦距图像与自动对焦图像之间的焦深差718，基于焦深差估计自动对焦位置720，和基于估计结果设定自动对焦位置722。
本领域的技术人员将了解，本文中所描述的各种说明性的块、模块、元件、部件、方法和算法可以被实施为电子硬件、计算机软件，或两者的组合。为了阐明硬件和软件的这种可互换性，上文已经在功能方面对各种说明性的块、模块、元件、部件、方法和算法进行了一般性描述。将这样的功能实施为硬件还是软件取决于强加于整个系统的特定应用和设计约束。技术人员可以针对每个特定应用以不同方式实施所描述的功能。在不脱离本主题技术的范围的情况下，各种部件和块可以被不同地布置（例如以不同的顺序布置，或以不同的方式划分）。
应理解，所公开的过程中的步骤的特定顺序或层级旨在阐明示例方法。基于设计偏好，可以理解，过程中的步骤的特定顺序或层级可以被重新排列。一些步骤可以同时进行。所附方法权利要求以样本顺序呈现各个步骤的元素，并且并不意味着限于所呈现的特定顺序或层级。
提供先前的描述是为了使所属领域的技术人员能够实践本文中所描述的各种方面。前面的描述提供了主题技术的各种例子，并且主题技术不限于这些例子。对于本领域技术人员来说，对这些方面的各种修改是明显的，并且本文定义的一般原理可以被应用于其他方面。因此，权利要求不旨在限于本文所示的方面，而是旨在使全部范围与权利要求的语言表述相一致，其中对单数元素的引用并不旨在表示“一个且仅一个”，除非具体如此陈述，而是表示“一个或多个”。除非另外特别说明，否则术语“一些”是指一个或多个。男性中的代词（如他的）包括女性和中性（如她的和它的），反之亦然。标题和副标题（如果有的话）仅为了方便而使用，并不限制本发明。谓语“被配置以”、“可操作以”和“被编程以”并不暗示着主语的任何特定的有形的或无形的修改，而是旨在可被互换地使用。例如，被配置以监视和控制操作或部件的处理器还可以表示处理器被编程以监视和控制操作，或者处理器可操作以监视和控制操作。同样地，被配置以执行代码的处理器可以被解释为被编程以执行代码的处理器，或可操作以执行代码的处理器。
诸如“方面”之类的短语并不暗示这样的方面对于主题技术是必不可少的，或者这样的方面适用于主题技术的所有配置。涉及一方面的公开可能适用于所有配置、或一个或多个配置。一方面可以提供一个或多个例子。诸如方面的短语可以指一个或多个方面，反之亦然。诸如“实施例”之类的短语并不暗示这样的实施例对于主题技术是必不可少的、或者这样的实施例适用于主题技术的所有配置。涉及一个实施例的公开可以适用于所有实施例、或一个或多个实施例。一个实施例可以提供一个或多个示例。诸如“实施例”的短语可以指代一个或多个实施例，反之亦然。诸如“配置”之类的短语并不暗示这样的配置对于主题技术是必不可少的，或者这样的配置适用于主题技术的所有配置。涉及一种配置的公开可以适用于所有配置或一种或多种配置。一种配置可以提供一个或多个例子。诸如“配置”的短语可以指一个或多个配置，反之亦然。
本文使用词语“例子”来表示“用作例子或示出”。本文中描述为“例子”的任何方面或设计不必被解释为比其他方面或设计更优选或更具优势。
本领域普通技术人员已知或以后将知道的，贯穿本公开所描述的各个方面的元件的所有结构和功能等同物通过引用被明确地并入本文，并且旨在由权利要求书所涵盖。此外，无论在权利要求中是否明确地叙述了这样的公开，本文的公开都不旨在捐献于公众。任何权利要求的要素均不得根据35 U.S.C.§112第六段的规定进行解释，除非使用短语“用于……的装置（means for）”明确叙述该要素，或者在方法权利要求的情况下，使用短语“用于……的步骤”叙述该要素。此外，关于在说明书或权利要求书中使用“包括”、“具有”或类似术语的含义，这样的术语旨在被包括在术语“包括”的方式内，类似于当“包括”在权利要求中被用作连接词时，对“包括”的解释那样。
对“一个实施例”、“实施例”、“一些实施例”、“各种实施例”或类似表述的引用表明特定元件或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。虽然短语可能出现在各个地方，但短语不一定是指同一个实施例。结合本公开，本领域技术人员将能够设计和并入适合于实现上述功能的各种机制中的任何一种。
应理解，本公开仅教导了说明性的实施例的一个例子，并且本领域技术人员在阅读本公开之后可以容易地设计出本发明的许多变型，并且本发明的范围由以下权利要求确定。

Claims (14)

1.一种双相机对焦的方法，包括：
从固定焦距相机模块接收固定焦距图像；
从自动对焦相机模块接收自动对焦图像；
基于来自所述自动对焦相机模块和所述固定焦距相机模块的对焦窗口内的相同水平扫描线的捕获的图像的直方图，对所述自动对焦相机模块和所述固定焦距相机模块之间的所述对焦窗口进行亮度校正；
所述自动对焦相机模块和所述固定焦距相机模块之间的对焦窗口匹配；
计算所述固定焦距图像和所述自动对焦图像的匹配的对焦窗口之间的焦深差；
基于焦深差、相机姿势和电机校准数据来估计自动对焦位置；和
根据估计结果设置所述自动对焦位置。
2.根据权利要求1所述的双相机对焦的方法，还包括在所述自动对焦相机模块和所述固定焦距相机模块之间的对焦窗口匹配之前，校准所述自动对焦相机模块的镜头畸变。
3.根据权利要求1或2所述的双相机对焦的方法，还包括在所述自动对焦相机模块和所述固定焦距相机模块之间的对焦窗口匹配之前，校准所述自动对焦相机模块和所述固定焦距相机模块的几何关系，所述几何关系包括所述自动对焦相机模块和所述固定焦距相机模块的相对姿势、相对位置和相对比例。
4.根据权利要求3所述的双相机对焦的方法，其中，所述几何关系包括所述自动对焦相机模块和所述固定焦距相机模块之间的焦距比。
5.根据权利要求3所述的双相机对焦的方法，其中，所述几何关系包括所述自动对焦相机模块和所述固定焦距相机模块之间的一组旋转角度。
6.根据权利要求3所述的双相机对焦的方法，其中，所述几何关系包括所述自动对焦相机模块和所述固定焦距相机模块之间的光学中心偏移。
7.根据权利要求3所述的双相机对焦的方法，还包括计算自动对焦图像的亮度均匀性。
8.根据权利要求3所述的双相机对焦的方法，还包括所述自动对焦相机模块和所述固定焦距相机模块之间的匹配对准。
9.根据权利要求3所述的双相机对焦的方法，还包括基于所述估计的自动对焦位置，估计自动对焦位置步长。
10.根据权利要求3所述的双相机对焦的方法，还包括基于所述估计的自动对焦位置，估计粗略自动对焦位置步长。
11.根据权利要求3所述的双相机对焦的方法，还包括基于所述估计的自动对焦位置，估计精细自动对焦位置步长。
12.根据权利要求3所述的双相机对焦的方法，还包括计算所述自动对焦图像的清晰度。
13.根据权利要求12所述的双相机对焦的方法，还包括基于所述自动对焦图像的所述清晰度，重置所述自动对焦位置。
14.根据权利要求1所述的双相机对焦的方法，其中所述自动对焦相机模块和所述固定焦距相机模块之间的所述对焦窗口匹配沿着极线进行。
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