CN110113512A - 摄像设备及其调焦方法和存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种摄像设备及其调焦方法和存储介质。调焦方法包括：基于图像传感器的输出信号，计算包括光圈和调焦透镜的摄像光学系统的聚焦水平；基于来自用户的指示设置任意调焦透镜位置；进行用于基于聚焦水平来确定光圈驱动方向和光圈驱动量的第一控制；以及进行用于基于图像传感器的输出信号来确定调焦透镜的移动方向并且基于光圈驱动量来确定调焦透镜的驱动量的第二控制，其中，在进行第一控制和第二控制时，将光圈和调焦透镜控制为处于使得拍摄图像的特定区域能够被包括在景深内的这样的范围中。

Description

摄像设备及其调焦方法和存储介质

技术领域

本发明涉及一种用于诸如监视等的摄像设备。

背景技术

在设计用于诸如监视等的摄像设备中，从被摄体可见性的角度来看，希望使用光圈的小孔径(闭合侧)使所要监视的所有被摄体置于景深内。另一方面，光圈的小孔径可以增加增益控制电路的增益，并且增益增加可能导致拍摄图像的噪声增加。从所获得的数据量的角度来看，应该避免这类情况。

传统地，已知一种通过控制光圈或者调焦透镜将多个被摄体置于景深内的摄像设备。例如，日本特开2012-181324公开了一种摄像设备，其检测多个特定被摄体，测量与各特定被摄体的距离，然后以最近距离的特定被摄体和最远距离的特定被摄体之间的中间点位置大体上是景深的中心的方式来控制光圈和调焦透镜。

日本特开2012-181324所公开的传统技术不仅需要检测特定被摄体(例如，人)，而且还需要测量与特定被摄体的距离。然而，由于每一被摄体在用于诸如监视等用途的摄像设备中需要处于聚焦状态，因而难以指定特定被摄体和设计检测单元。此外，需要一种用于测量与这些被摄体的距离的设备。这样的需求增加了摄像设备结构的复杂性。

发明内容

本发明旨在一种能够将景深维持在适当状态的摄像设备。

根据本发明的一个方面，一种摄像设备，其包括：图像传感器，其被配置为拍摄由具有调焦透镜和光圈的摄像光学系统形成的被摄体图像并且输出图像信号；存储器装置，其被配置为存储指令集；至少一个处理器，其被配置为执行所述指令集以用作：计算单元，其被配置为基于所述图像传感器的输出信号来计算所述摄像光学系统的聚焦水平，设置单元，其被配置为基于来自用户的指示来设置任意调焦透镜位置；以及控制单元，其被配置为：基于所述聚焦水平来确定光圈驱动方向和光圈驱动量，基于所述图像传感器的输出信号来确定所述调焦透镜的移动方向，以及基于所述光圈驱动量来确定所述调焦透镜的驱动量，其中，所述控制单元被配置为将所述光圈和所述调焦透镜控制为处于使得拍摄图像的特定区域能够被包括在景深内的这样的范围中。

根据本发明的一个方面，一种用于摄像设备的调焦方法，所述摄像设备包括图像传感器，所述图像传感器用于对穿过包括调焦透镜的摄像光学系统的光束进行光电转换并且进行图像信号的输出，所述调焦方法包括：基于所述图像传感器的输出信号，计算包括光圈和所述调焦透镜的所述摄像光学系统的聚焦水平；基于来自用户的指示来设置任意调焦透镜位置；进行用于基于所述聚焦水平来确定光圈驱动方向和光圈驱动量的第一控制；以及进行用于基于所述图像传感器的输出信号来确定所述调焦透镜的移动方向并且基于所述光圈驱动量来确定所述调焦透镜的驱动量的第二控制，其中，在进行所述第一控制和所述第二控制时，将所述光圈和所述调焦透镜控制为处于使得拍摄图像的特定区域能够被包括在景深内的这样的范围中。

根据本发明的一个方面，一种计算机可读存储介质，其存储程序，所述程序用于在摄像设备上被执行时使所述摄像设备进行上述的调焦方法。

通过以下参考附图对典型实施例的说明，本发明的其他特征将显而易见。下述本发明的各实施例可以单独或者作为多个实施例的组合来实现。另外，如果有必要、或者在单个实施例中组合来自各个实施例的要素或者特征是有利的情况下，可以组合来自不同实施例的特征。

附图说明

图1是示出根据第一典型实施例的摄像设备的框图。

图2是示出根据第一典型实施例的景深控制处理的流程图。

图3是示出景深控制处理中景深和焦点位置之间的关系的图。

图4是示出根据第二典型实施例的摄像设备的框图。

图5是示出根据第二典型实施例的景深控制处理的流程图。

具体实施方式

下面参考附图说明典型实施例。

摄像设备的结构

使用一体地装配有镜筒的摄像设备的例子来说明以下各典型实施例。

图1是示出摄像设备100的主要组件的结构的框图。

如图1所示，装配有镜筒的摄像设备100包括用于综合地控制透镜组101和摄像设备100的操作的照相机控制单元109。基于控制设备所需的数据和存储在照相机控制单元109内的只读存储器(ROM)(未示出)或者随机存取存储器(RAM)(未示出)中的控制程序，控制摄像设备100。

作为摄像光学系统的透镜组101将来自被摄体的入射光聚集在摄像元件106上。透镜组101包括光圈102和调焦透镜103，并且通过光圈驱动单元104和调焦驱动单元105来驱动。

摄像元件106将在光接收面所接收到的光转换成电信号以拍摄被摄体图像，并且输出信号。来自摄像元件106的输出信号经由用于自动控制电信号的振幅的增益控制电路107而输入到图像信号处理单元108。

图像信号处理单元108针对已经输入的信号进行各种控制，并且计算图像信号的评价值。评价值的例子包括作为图像聚焦程度的测量值的聚焦水平。

照相机控制单元109基于增益控制电路107的增益和通过图像信号处理单元108所计算出的聚焦水平，计算光圈驱动量和调焦透镜驱动量，并且控制光圈驱动单元104和调焦驱动单元105。

手动调焦操作单元110使得能够基于来自用户的指示来设置任意调焦透镜位置。手动调焦操作单元110可被配置在摄像设备主体内、或者可被配置在外部。如果手动调焦操作单元110被配置在外部，则可以经由网络来设置任意调焦透镜位置。调焦透镜位置记录单元111记录使用手动调焦操作单元110所设置的调焦透镜位置。

下面，参考图1所示的框图和图2所示的流程图说明根据第一典型实施例的景深控制处理。作为例子，使用用于监视所使用的摄像设备来说明本典型实施例。在这样的摄像设备中，希望每一被摄体都处于聚焦状态。因此，摄像设备判断与图像相对应的聚焦水平或者与图像内所设置的多个评价框相对应的聚焦水平是否满足预定标准(预定阈值)。如果聚焦水平不满足该标准，则进行用于使得景深比当前景深更深的处理。

在步骤S201，用户经由手动调焦操作单元110设置调焦透镜位置，使得拍摄图像的特定区域(例如，通道和道路)处于聚焦状态。这里，调焦透镜位置记录单元111记录调焦透镜位置。

在步骤S202，图像信号处理单元108计算与图像相对应的聚焦水平。这里，可以通过表达式(1)来计算聚焦水平。

TEP/MM (1)

这表示通过以作为对比度差信号的MM对TEP进行微分所获取的信号。尽管TEP/MM比所表示的状态依赖于被摄体条件，但是大的TEP/MM比表示聚焦状态。如果TEP/MM比越接近0，则该TEP/MM比表示大的模糊度。因此，能够表示从黑水平向白水平变化的亮度倾斜度。因此，在大的模糊时，倾斜度小(小的TEP/MM比)，而在聚焦状态时，倾斜度大体上是垂直的，并且TEP/MM比趋于变得更大。

表达式(1)中的MM是如下所生成的Max-Min评价值。针对各水平线，保持伽马转换后的亮度信号Y的最大值Max和最小值Min，从最大值Max减去最小值Min，然后最大值Max和最小值Min之间的差被垂直地保持峰值以生成Max-Min评价值。此外，表达式(1)中的TEP是如下所生成的TE峰值评价值。通过具有高截止频率的低通滤波器(LPF)(或者带通滤波器(BPF))提取伽马转换后的亮度信号Y的高频成分，并且根据所提取高频成分的输出的最高评价(TE)信号、针对各水平线来确定峰值。该峰值在垂直方向上被保持峰值以生成TE峰值评价值。

在步骤S203，照相机控制单元109基于所计算出的聚焦水平，判断景深是否不足。特别地，如果所计算出的聚焦水平小于用于判断景深不足的阈值(步骤S203为“是”)，则照相机控制单元109判断为景深不足。然后，处理进入步骤S204。这里，该阈值被设置成0.7(约为最大聚焦水平值的2/3)。

然而，在图像中可以设置多个评价框，并且可以针对各评价框来计算聚焦水平。在这种情况下，照相机控制单元109通过使用用于判断景深不足的阈值和多个聚焦水平中的最小聚焦水平来进行判断处理。通常，如果包括天空或者没有纹理的墙作为被摄体，则聚焦水平降低。因而，如果还可以通过图像信号处理单元108针对各评价框来计算图像信号的频率成分，则可以从进行上述判断处理的对象中排除与低频成分的比例高于标准的区域相对应的聚焦水平。

在步骤S204，照相机控制单元109计算向闭合侧的光圈驱动量，从而通过使得景深比当前景深更深来提高图像的聚焦水平或者图像内的多个评价框的聚焦水平。然后，处理进入步骤S207。这里，计算光圈驱动量以使其与聚焦水平和步骤S203的阈值之间的差成比例。例如，按照每与阈值相差0.15(约为最大聚焦水平值的1/6)就将光圈缩小一档。

如果照相机控制单元109判断为景深没有不足(步骤S203为“否”)，则处理进入步骤S205。

在步骤S205，照相机控制单元109参考增益控制电路107的增益来判断增益是否等于或者大于基于噪声容许量所定义的阈值。如果照相机控制单元109判断为增益控制电路107的增益等于或者大于该阈值(步骤S205为“是”)，则处理进入步骤S206。在步骤S206，照相机控制单元109计算为了使景深比当前景深浅而向开放侧的光圈驱动量，然后处理进入步骤S207。这里，可以计算光圈驱动量以使其与聚焦水平和步骤S203的阈值之间的差成比例。可选地，可以计算光圈驱动量以使其与当前调焦透镜位置和记录在调焦透镜位置记录单元111中的调焦透镜位置之间的差成反比。例如，按照每与阈值相差0.3(约为最大聚焦水平值的1/3，如果深度变浅，则与深度变深的情况相比较慢(是两倍))就将光圈开放一档。可以将光圈驱动量乘以1/(1+α×ΔF)，其中，ΔF是当前调焦透镜位置和记录在调焦透镜位置记录单元111中的调焦透镜位置之间的差，并且α是任意值。随着α的值被设置得更大，深度变浅的方向上的操作变慢。

如果照相机控制单元109判断为增益小于基于噪声容许量所定义的阈值(步骤S205为“否”)，则处理返回至步骤S202。

在步骤S207，照相机控制单元109计算在基于所计算出的光圈驱动量来驱动光圈的情况下的景深的预期变化量。在步骤S208，照相机控制单元109计算与景深的变化量相对应的调焦透镜驱动量。

这里，通过表达式(2)计算调焦透镜驱动量，使得在驱动光圈102和调焦透镜103之后的景深包括与用户所设置的调焦透镜位置相对应的焦点位置。

Δd/2＝Δx (2)

其中，Δd是景深的变化量，并且Δx是随着调焦透镜的移动的焦点位置的移动量。

因此，根据光圈驱动量来计算随着光圈的驱动的景深变化量，并且计算调焦透镜驱动量使得将焦点位置移动景深的变化量的一半。

在步骤S209，照相机控制单元109确定调焦透镜移动方向。这里，如果光圈102的驱动使得景深变浅，则将朝向记录在调焦透镜位置记录单元111中的调焦透镜位置的方向设置为调焦透镜移动方向。如果光圈102的驱动使得景深变深，则将调焦透镜微小地驱动预定摆动宽度，以将图像信号的高频成分增加的方向设置为调焦透镜移动方向。然而，仅在聚焦水平和步骤S203的阈值之间的大小关系发生变化的情况下，才可以进行这样的通过微小地驱动调焦透镜的调焦透镜移动方向确定。

在步骤S210，照相机控制单元109基于光圈驱动量和调焦透镜驱动量，控制光圈102和调焦透镜103的驱动。这里，光圈102的驱动的驱动开始定时和驱动速度被设置成与调焦透镜103的驱动大体相等或者更快，使得景深包括与用户甚至在驱动控制期间所设置的调焦透镜位置相对应的焦点位置。

使用基于单个阈值来判断景深过深或者不足的方法，说明了步骤S203的处理。然而，如果聚焦水平和步骤S203的阈值是相似值，则发生振荡现象，其中，用于提供更深景深的处理和用于提供更浅景深的处理交替进行。因此，可以设置用于判断景深不足的聚焦水平阈值以及用于判断景深过深的聚焦水平阈值。这里，如果聚焦水平小于用于判断景深不足的阈值，则光圈驱动方向被设置成开放侧。如果聚焦水平等于或者大于用于判断景深过深的阈值，则光圈驱动方向被设置成闭合侧。因此，如果聚焦水平等于或者大于用于判断景深不足的阈值、并且小于用于判断景深过深的阈值，则可以添加用于直接返回至步骤S202的处理。在这种情况下，用于判断景深过深的阈值被设置成大于用于判断景深不足的阈值。

重复这一处理，使得维持景深包括与用户所设置的调焦透镜位置相对应的焦点位置的这一状态，并且可以获取适当景深。因此，能够在可以将拍摄图像的特定区域包括在景深中的范围内来驱动光圈和调焦透镜。

图3是示出在上述处理中所进行的景深的变化的一个例子的简单图。在图3中，n表示直到被摄体1包括在景深中为止的处理的重复次数，并且t0表示处理开始时间，并且tn表示n次处理所需的时间。此外，t0时的焦点位置是与用户所设置的调焦透镜位置相对应的位置。

图4是示出根据第二典型实施例的摄像设备的结构的图。

参考图4所示的框图和图5所示的流程图说明根据第二典型实施例的景深控制处理。省略与根据第一典型实施例的摄像设备相同的结构的说明。

如图4所示，除图1所示的结构以外，第二典型实施例的摄像设备还包括背景差检测单元401、移动被摄体检测单元402和移动被摄体速度测量单元403。背景差检测单元401计算作为参考图像的过去拍摄图像和当前拍摄图像之间的差，并且使用所计算出的差来检测被摄体的出现、消失和移动。背景差检测单元401可以通过使用直方图差代替图像差来检测被摄体的出现、消失和移动。移动被摄体检测单元402和移动被摄体速度测量单元403检测被摄体内的移动被摄体，并且估计速度。可以使用诸如使用运动矢量的传统速度估计等的速度估计。如果在图像内存在多个移动被摄体，则输出多个移动被摄体速度中的最大移动被摄体速度。

由于从驱动单元的耐久性的角度来看，希望尽可能较少次数地进行用于提供更深景深或者用于提供更浅景深的处理，因而优选仅在被摄体发生诸如景深内的被摄体的出现、消失或者移动等的变化的情况下才进行这一处理。然而，由于在基于聚焦水平和步骤S203的阈值的判断之后开始在第一典型实施例中所述的、用于提供更深景深或者用于提供更浅景深的处理，因而可以在没有被摄体的消失或者移动的情况下进行用于提供更浅景深的处理。

在第二典型实施例中，添加下面的处理。在步骤S503，照相机控制单元109基于背景差检测单元401的输出，判断是否要开始用于提供更浅景深的处理。此外，在步骤S501，照相机控制单元109判断聚焦水平是否超过了已经计算出的紧挨着的前一聚焦水平，并且在步骤S502，照相机控制单元109更新对于背景差检测所要使用的参考图像。

此外，如果在被摄体中存在移动被摄体，则可想而知，依赖于移动被摄体的速度，在移动被摄体被包括在景深内之前移动被摄体就可能从图像消失。因此，照相机控制单元109响应于移动被摄体速度测量单元403的输出，改变光圈驱动量。

在步骤S504，照相机控制单元109基于移动被摄体速度测量单元403的输出，将与第一典型实施例同样地计算出的光圈驱动量乘以与移动被摄体速度成比例的系数。此外，在步骤S505，照相机控制单元109基于被乘以该系数的光圈驱动量，估计光圈达到最小光圈时的时间，并且将所估计出的达到时间与在移动被摄体以恒定速度进行线性运动的情况下移动被摄体从画面消失时的时间进行比较。这里，如果照相机控制单元109判断为在达到最小光圈之前移动被摄体会从画面消失，则处理进入步骤S506。在步骤S506，照相机控制单元109将光圈驱动量设置成作为最大可驱动量的最大驱动值。

通过添加这一处理，与第一典型实施例相比，不仅能够抑制不必要的驱动，而且还能够进行基于移动被摄体速度的景深控制。

各个实施例能够提供将景深维持在适当状态的摄像设备。

其他实施例

本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。

尽管参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不局限于所公开的典型实施例。

Claims (9)

1.一种摄像设备，其包括：

图像传感器，其被配置为拍摄由具有调焦透镜和光圈的摄像光学系统形成的被摄体图像并且输出图像信号；

存储器装置，其被配置为存储指令集；

至少一个处理器，其被配置为执行所述指令集以用作：

计算单元，其被配置为基于所述图像传感器的输出信号来计算所述摄像光学系统的聚焦水平，

设置单元，其被配置为基于来自用户的指示来设置任意调焦透镜位置；以及

控制单元，其被配置为：

基于所述聚焦水平来确定光圈驱动方向和光圈驱动量，

基于所述图像传感器的输出信号来确定所述调焦透镜的移动方向，以及

基于所述光圈驱动量来确定所述调焦透镜的驱动量，

其中，所述控制单元被配置为将所述光圈和所述调焦透镜控制为处于使得拍摄图像的特定区域能够被包括在景深内的这样的范围中。

2.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，所述控制单元被配置为在所述聚焦水平等于或者大于预定阈值的情况下将所述光圈驱动方向设置成开放侧，以及在所述聚焦水平小于所述预定阈值的情况下将所述光圈驱动方向设置成闭合侧。

3.根据权利要求2所述的摄像设备，其中，所述控制单元被配置为计算光圈驱动量，使得所述光圈驱动量与所述聚焦水平和所述预定阈值之间的差成比例。

4.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，所述控制单元被配置为：

在朝向开放侧的方向上驱动所述光圈的情况下，将所述调焦透镜的移动方向设置成朝向存储介质中所存储的调焦透镜位置，以及

在朝向闭合侧的方向上驱动所述光圈的情况下，将所述调焦透镜微小地驱动预定摆动宽度，以将所述调焦透镜的移动方向设置成所述图像传感器的输出信号的高频成分增加的方向。

5.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，所述控制单元被配置为：

根据所述光圈驱动量来计算随着所述光圈的驱动的景深变化量，以及

计算调焦透镜驱动量，使得将焦点位置移动所述景深变化量的一半。

6.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，所述控制单元被配置为在驱动所述调焦透镜之前驱动所述光圈。

7.根据权利要求1所述的摄像设备，其中，还包括增益控制电路，其中，所述控制单元被配置为在所述增益控制电路的增益示出为预定阈值以上的情况下向开放侧驱动所述光圈。

8.一种用于摄像设备的调焦方法，所述摄像设备包括图像传感器，所述图像传感器用于对穿过包括调焦透镜的摄像光学系统的光束进行光电转换并且进行图像信号的输出，所述调焦方法包括：

基于所述图像传感器的输出信号，计算包括光圈和所述调焦透镜的所述摄像光学系统的聚焦水平；

基于来自用户的指示来设置任意调焦透镜位置；

进行用于基于所述聚焦水平来确定光圈驱动方向和光圈驱动量的第一控制；以及

进行用于基于所述图像传感器的输出信号来确定所述调焦透镜的移动方向并且基于所述光圈驱动量来确定所述调焦透镜的驱动量的第二控制，

其中，在进行所述第一控制和所述第二控制时，将所述光圈和所述调焦透镜控制为处于使得拍摄图像的特定区域能够被包括在景深内的这样的范围中。

9.一种计算机可读存储介质，其存储程序，所述程序用于在摄像设备上被执行时使所述摄像设备进行根据权利要求8所述的调焦方法。