CN1220410A - 自动聚焦装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种摄像系统的自动聚焦装置。包括用于按照预定控制信号驱动聚焦马达的聚焦马达驱动单元,由聚焦马达移动的聚焦镜头,拾取输入图像的拾取器,用于处理由拾取器输出的视频信号的信号处理器。在自动聚焦装置中,聚焦值计算单元具有多个滤波器,计算由信号处理器输出的视频信号的多个聚焦值。各个滤波器频率特性不同。按照由多个聚焦值计算单元输出的多个聚焦值一个控制器确定所需的聚焦镜头移动方向,并且控制聚焦马达驱动单元。

Description

自动聚焦装置和方法

本发明涉及一种摄像机系统，尤其涉及一种摄像机系统的自动聚焦装置和方法。

用于例如便携式摄像机的摄像机系统的典型的自动聚焦方法是爬山法(mountain climbing method)。在爬山方法中，检测CCD输出的视频信号的频率成分，然后，聚焦镜头在产生更高频率分量的方面上移动。

图1是应用爬山法的传统的自动聚焦装置的方框图。

图1装置包括聚焦镜头10，拾取器12，信号处理单元14，聚焦值计算单元16，控制器18，聚焦马达驱动单元20和聚焦马达22。

聚焦马达驱动单元20按照预定的控制信号驱动聚焦马达22，聚焦镜头10按照聚焦马达22的操作前后移动，拾取器12通常地包括电荷耦合器件(CCD)，拾取随聚焦镜头10的位置变化的视频信号。信号处理单元14处理由拾取器12拾取的视频信号。

聚焦值计算单元16计算由信号处理单元14输出的视频信号的聚焦值。通过指定由信号处理单元14输出的预定频带的视频信号并且仅仅将在指定频带上以帧或半帧为单位的视频信号相加来获得聚焦值。

控制器18按照由聚焦值计算单元16输出的聚焦值确定聚焦镜头10的移动方向并且控制聚焦马达驱动单元20。即控制器18将先前聚焦值与当前聚焦值相比较，然后输出一个控制信号控制聚焦马达驱动单元20，这样，聚焦镜头10在较大聚焦值的方向上移动，即，在产生视频信号更高频分量的方向上移动。

在图1的聚焦装置中，聚焦镜头10移动一点，然后将先前聚焦值与当前聚焦值相比较。然后，聚焦镜头10被移到具有较大一些聚焦值的位置，重复操作以自动控制聚焦。

图2示出了图1中聚焦值计算单元的例子。

图2的聚焦值计算单元16包括滤波器160，聚焦区指定单元162，和加法单元164。滤波器160选择性地仅通过由信号处理单元14输出的预定频段的视频信号。聚焦区指定单元162仅通过通过滤波器160的视频信号成分，它与一个预定的半帧或帧空间区域相对应。加法单元164相加由聚焦区指定单元162输出的每帧或每半帧视频信号。特别地，可选择地包括的聚焦区指定单元162，当图像有多个聚焦点时，使得能够聚焦在最显著聚焦点上。

图3是按照当镜头拾取一个一般图像时的镜头位置，聚焦值的变化图。图4是按照当镜头拾取一个有亮点图像(Spotting image)时的镜头位置，聚焦值的变化图。

由图像拾取器12拾取的视频信号可以包括各种类型图像，例如暗图像，亮图像，含有较多高频分量的图像，含有较多低频分量的图像。特别地，在特定环境下即，烛光火焰背对黑色背景，或在黑暗街上的街灯拾取的视频信号，被看作亮点图像。在亮点图像中，聚焦变得模糊并且光线照亮区扩散，增加了光线占有整个图像的区域。光线的边缘有高频分量，这样，亮点图像的频率特性与那些一般图像相反，如图4所示。这可能引起自动聚焦装置的不正常工作。

这样，在普通的自动聚焦装置中，对于比如亮点图像的特别的图像，在散焦的方向上高频分量增加，可能引起不正确的聚焦。

为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一个自动聚焦装置，它能可靠操作既使对于特别的视频信号比如一个亮点图像信号。

本发明的另一个目的是提供一种自动聚焦方法能够精确地聚焦特别的视频信号比如亮点图像信号。

为了达到上述目的之一，提供了一种摄像机系统的自动聚焦装置，包括：聚焦马达驱动单元，用于按照预定的控制信号驱动聚焦马达；聚焦马达移动的聚焦镜头；拾取器，用于拾取输入图像；信号处理器，用于处理拾取器输出的视频信号。在自动聚焦装置中，聚焦值计算单元，含有多个滤波器，计算由信号处理器输出的视频信号的多个聚焦值。每个滤波器有与其它滤波器不同的频率特性。控制器按照由多个聚焦值计算单元输出的多个聚焦值，确定聚焦镜头所需的移动方向，并且控制聚焦马达驱动单元。

为了达到上述的另外一个目的，提供了包括聚焦镜头和用于移动聚焦镜头的聚焦马达的摄像系统的一种自动聚焦方法。该方法包含步骤：(a)仅相加所接收的第一频段的视频信号以计算第一聚焦值；(b)仅相加所接收的比第一频段宽的第二频段的视频信号以计算第二聚焦值；(c)将第一和第二聚焦值之一除以二者之中的另外一个聚焦值以计算第三聚焦值；和(d)按照第一和第二聚焦值的变化率和第三聚焦值的增加或减少控制聚焦马达以移动聚焦镜头。

参照附图通过详细描述本发明的一个优选实施例，本发明的上述目标和优点将更加明显：

图1是传统自动聚焦装置的方框图；

图2是图1的聚焦计算单元的例子的方框图；

图3是当镜头拾取一个一般图像时依据镜头位置聚焦值的变化图；

图4是当镜头拾取一个亮点图像时依据镜头位置聚焦值的变化图；

图5是依据本发明的聚焦计算单元的方框图；

图6是依据本发明自动聚焦方法的流程图；

图7示出了图5中的第一和第二滤波器的频率特性；

图8是当镜头拾取一个一般图像时依据镜头位置第一和第二聚焦值的变化图；

图9是当镜头拾取一个亮点图像时依据镜头位置第一和第二聚焦值的变化图；

图10是当镜头拾取一个一般图像时按照镜头位置第三聚焦值的变化图；

图11是当镜头拾取一个亮点图像时按照镜头位置第三聚焦值的变化图；和

图12是用于解释本发明中第一和第二聚焦值的变化率的定义的图。

参照图5，聚焦计算单元5包括第一和第二聚焦值计算电路26和36，和除法单元166。

第一聚焦值计算电路26包括第一滤波器160a，第一聚焦区指定单元162a和第一加法单元164a。第一滤波器160a选择性地仅通过由信号处理单元输出的预定频段的视频信号。第一聚焦区指定单元162a仅通过通过滤波器160a的视频信号中与半帧或帧的预定空间区域相对应的分量；这样当图像有多个聚焦点时对最显著的聚焦点进行聚焦。第一加法单元164a将由第一聚焦区指定单元162a输出的每半帧或每帧视频信号相加并且输出第一聚焦值。

第二聚焦值电路36包括第二滤波器160b，第二聚焦区指定单元162b和第二加法单元164b。第二滤波器160b选择性地仅通过由信号处理单元输出的预定频带的视频信号。第二滤波器160b有与第一滤波器160a不同的通带。第二聚焦区指定单元162b仅通过通过滤波器160b的视频信号中与半帧或帧的预定空间区域相对应的分量。第二加法单元164b将由第二聚焦区指定单元162b输出的每半帧或每帧的视频信号相加，并且输出第二聚焦值。

除法单元166将从第二加法单元164b输出的第二聚焦值除以从第一加法单元164a输出的第一聚焦值，并且输出所除结果作为第三聚焦值。

现在将参照图6详细描述图5装置的操作。

按照本发明示于图6的自动聚焦方法一般包括聚焦值计算步骤60和自动聚焦步骤62。在聚焦值计算步骤60，输入视频信号被具有不同通带的第一和第二滤波器滤波。当被滤波的视频信号有多个焦点时，对应于屏上预定空间区域的视频信号被指定由第一和第二聚焦区指定单元162a和162b通过。通过第一和第二聚焦区指定单元162a和162b的视频信号由第一和第二加法单元164a和164b以半帧或一帧为单位相加，这样产生第一和第二聚焦值。之后，通过除法单元166，将第二聚焦值除以第一聚焦值计算出第三聚焦值。

图7示出了第一和第二滤波器160a和160b的频率特性。在图7中，标号70表示第一滤波器160a的通频带，标号72表示第二滤波器160b的通频带。如图7所示，第二滤波器160b有比第一滤波器160a更宽的频带。并且，第二滤波器160b的通带从第一滤波器160a的通带向低频区域扩展。按照设计者的特定的应用或意图可以改变图7中的特定截止频率a,b,c,d。

图8是当镜头拾取一个一般图像时按照镜头的位置示出了第一和第二聚焦值的变化图。在图8中，标号80表示第一聚焦值的特性，其取决于第一滤波器160a的滤波器特性。标号82表示第二聚焦值的特性，其取决于第二滤波器160b的滤波器特性。

图9是当镜头拾取一个亮点图像时按照镜头位置第一和第二聚焦值的变化图。在图9中，标号90表示第一聚焦值的特性，标号92表示第二聚焦值的特性。

在图8和9中，区域A表示第一聚焦值的变化率幅度比第二聚焦值的变化率的幅度低。并且，区域B表示第一聚焦值的变化率幅度比第二聚焦值的变化率幅度高的一个区域。不管是一般图像还是亮点图像，区域A和B的该特性是同样的。在本发明中，利用对一般图像和亮点图像的公共特性计算第三聚焦值。

图10是当镜头拾取一个一般图像时按照镜头位置第三聚焦值的变化图，图11是当镜头拾取一个亮点图像时按照镜头位置第三聚焦值的变化图。

在图10和11中，标号100和110表示第一聚焦值的特性，标号102和112表示第二聚焦值的特性，标号104和114表示第三聚焦值的特性。

如图10和11所示，无论是一般图像还是亮点图像第三聚焦值有相同特性。即，当镜头从任意一端移动到另一端时，按照镜头的移动聚焦区能被分成两个区域：区域A，其中第一聚焦值的变化率比第二聚焦值的变化率低；区域B，其中第一聚焦值的变化率比第二聚焦值的变化率高。在此，由于第一和第二聚焦值的范围可能彼此不同，将聚焦值的变化率定义为随镜头移动的聚焦值变化是不合适的。因而，在图12中，定义了聚焦值的变化率。

图12是用于解释本发明中第一和第二聚焦值的变化率的定义的图。变化率是通过镜头两个位置上聚焦值的最大值与聚焦值的最小值的比率来计算，如下：

这里，MAX()是返回它的输入值中最大值的函数，MIN()是返回它的输入值中最小值的函数，自变量x1和x2表示聚焦镜头的位置，f()表示聚焦值。特别地，在图12中，f_a()和f_b()分别表示第一和第二聚焦值。

在图6的自动聚焦步骤62中，利用从聚焦值计算步骤60获得的第三聚焦值确定聚焦镜头的移动方向，并且依此聚焦镜头被驱动。即，在区域A中，第二聚焦值的变化率比第一聚焦值的变化率大，向着第三聚焦值增加的方向进行聚焦。并且，在区域B中，第二聚焦值的变化率比第一聚焦值的变化率小，向着第三聚焦值减少的方向进行聚焦。

由于对于一般图像和特殊图像第三聚焦值的特性是相同的并且对于一般图像和特殊图像可以以相同方式将聚焦区划分为区域A和B，即使对于特殊图像，自动聚焦也能够在没有非正常工作的情况下实现。

即使在本实施例中第三聚焦值是通过将第二聚焦值除以第一聚焦值得到，在另外一个本发明实施例中，可以通过将第一聚焦值除以第二聚焦值得到第三聚焦值。在这种情况中，第三聚焦值有着与本实施例类似的值的特性并且可以用来以与本实施例相同的方式来执行自动聚焦。即，区域A中，第二聚焦值的变化率比第一聚焦值的变化率大，在向着第三聚焦值减少的方向上执行聚焦。并且，区域B中，第二聚焦值的变化率比第一聚焦值的变化率小，在向着第三聚焦值增加的方向上执行聚焦。

另外，在本发明的另外一个实施例中，第一和第二聚焦区指定单元162a和162b可以被放在第一和第二滤波器160a和160b之前。在这个实施例中，接收到的视频信号被指定单元选通，然后将被选通的视频信号滤波。这样，被滤波的图像数据量减少了，在本发明的另外又一个实施例中，第一和第二聚焦区指定单元162a和162b可以完全不用。

按照本发明的自动聚焦装置和方法，特殊视频信号及一般视频信号产生具有相同输出特性的自动聚焦值，通过产生的聚焦值执行自动聚焦，因此执行正常的自动聚焦而不会有非正常工作。

Claims (18)

1．一种摄像机系统的自动聚焦装置，包括用于按照预定控制信号驱动聚焦马达的聚焦马达驱动单元，由聚焦马达移动的聚焦镜头，用于拾取输入图像的拾取器，和用于处理由该拾取器输出的视频信号的信号处理器，还包括：

聚焦值计算单元，含有多个滤波器，用于计算由所述信号处理单元输出的视频信号的多个聚焦值，其中多个滤波器中每个滤波器之间都有不同的频率特性：和

控制器，用于按照多个所述聚焦值计算单元输出的多个聚焦值确定聚焦镜头所需的移动方向，控制所述聚焦马达驱动单元。

2．根据权利要求1所述的自动聚焦装置，其中所述聚焦值计算单元包括：

第一聚焦值计算单元，用于仅将接收到的第一频带的视频信号相加以计算第一聚焦值；

第二聚焦值计算单元，用于仅将接收到的比所述第一频带宽的第二频带的视频信号相加以计算第二聚焦值；和

第三聚焦值计算单元，用于将所述第一和第二聚焦值之一除以二者之中的另外一个以计算第三聚焦值。

3．根据权利要求2所述的自动聚焦装置，其中所述第二频带的下限截止频率低于所述第一频带的下限截止频率。

4．根据权利要求2所述的自动聚焦装置，其中所述第一聚焦值计算单元包括：

第一滤波器，用于仅对接收到的所述第一频带视频信号进行带通滤波以产生第一滤波信号；和

第一加法单元，用于将该第一滤波信号相加计算第一聚焦值，和

所述第二聚焦值计算单元包括：

第二滤波器，用于仅对接收到的所述第二频带的视频信号进行带通滤波以产生第二滤波信号；和

第二加法单元，用于对该第二滤波信号相加计算第二聚焦值。

5．根据权利要求2的所述的自动聚焦装置，其中所述第一聚焦值计算单元包括：

第一滤波器，用于仅对接收到的所述第一频带的视频信号进行带通滤波而产生第一滤波信号；

第一聚焦区指定单元，用于从该第一滤波信号中仅提取对应于预定象素区象素的视频信号，并且输出该被提取的视频信号；和

第一加法单元，用于对该被提取的视频信号相加以计算所述第一聚焦值，和

所述第二聚焦值计算单元包括；

第二滤波器，用于仅对接收到的所述第二频带信号进行带通滤波而产生第二滤波信号；

第二聚焦指定单元，用于从该第二滤波信号中仅提取对应于预定象素区象素的视频信号，并且输出该被提取的视频信号；和

第二加法单元，用于对该被提取的视频信号相加以计算所述第二聚焦值。

6．根据权利要求2所述的自动聚焦装置，其中所述第一聚焦值计算单元包括：

第一聚焦区指定单元，用于从所述视频信号中提取仅对应于预定象素区象素的视频信号并且输出该被提取的视频信号；

第一滤波器，用于仅对从所述第一聚焦区指定单元提取的所述第一频带的视频信号进行带通滤波以产生第一滤波信号；和

第一加法单元，用于对所述第一滤波信号相加以计算所述第一聚焦值，和

所述第二聚焦值计算单元包括：

第二聚焦区指定单元，用于从所述视频信号仅提取对应于预定象素区象素的视频信号，并且输出该被提取的视频信号；

第二滤波器，用于仅对从所述第二聚焦区指定单元提取的所述第二频带的视频信号进行带通滤波以产生第二滤波信号；和

第二加法单元，用于对所述第二滤波信号相加以计算所述第二聚焦值。

7．根据权利要求2所述的自动聚焦装置，其中所述第三聚焦值是通过将所述第二聚焦值除以所述第一聚焦值得到的。

8．根据权利要求2所述的自动聚焦装置，其中所述第三聚焦值是通过将所述第一聚焦值除以所述第二聚焦值得到的。

9．包括一个聚焦镜头和移动该聚焦镜头的一个聚焦马达的摄像系统的一种自动聚焦方法，包括以下步骤：

(a)仅对接收到的第一频带的视频信号相加以计算第一聚焦值；

(b)仅对接收到的比第一频带宽的第二频带的视频信号相加以计算第二聚焦值；

(c)将所述第一和第二聚焦值之一除以二者中的另外一个计算第三聚焦值；和

(d)按照所述第一和第二聚焦值的变化率和所述第三聚焦值的增加或减少来控制聚镜马达以移动取焦镜头。

10．根据权利要求9所述的自动聚焦装置，其中所述第二频带下限截止频率比所述第一频带下限截止频率低。

11．根据权利要求9所述的自动聚焦装置，其中步骤(a)包括以下步骤：

(a1)仅对接收到的所述第一频带的视频信号进行滤波以产生第一滤波信号；和

(a2)将所述第一滤波信号相加以计算第一聚焦值，和

步骤(b)包含子步骤：

(b1)仅对接收到的所述第二频带的视频信号进行滤波以产生第二滤波信号；和

(b2)将所述第二滤波信号相加以计算出第二聚焦值。

12．根据权利要求9所述的自动聚焦装置，还包括设置一个仅包括预定像素区域的门区域(gating region)的步骤，这样，在计算所述第一和第二聚焦值时仅反映所述预定像素区。

13．根据权利要求12所述自动聚焦装置，其中所述步骤(a)包含子步骤：

(a1)仅对接收到的所述第一频带的视频信号滤波以产生第一滤波信号；和

(a2)仅对相应于所述门区域的所述第一滤波信号相加以计算第一聚焦值，和

步骤(b)包含子步骤：

(b1)仅对接收到的所述第二频带的视频信号进行滤波以产生第二滤波信号；和

(b2)仅对对应于所述门区域的所述第二滤波信号相加以计算第二聚焦值。

14．根据权利要求12的所述自动聚焦装置，其中所述步骤(a)包含步骤：

(a1)仅提取对应于所述门区域的接收到的视频信号；

(a2)仅对所述第一频带的在步骤(a1)提取的信号进行滤波以产生第一滤波信号；和

(a3)对所述第一滤波信号相加以计算第一聚焦值，和

步骤(b)包含子步骤：

(b1)仅提取对应于所述门区域的接收到的视频信号；

(b2)仅对所述第二频带的在步骤(b1)提取的信号进行滤波以产生第二滤波信号；和

(b3)对所述第二滤波信号相加计算第二聚焦值。

15．根据权利要求9的所述自动聚焦装置，其中在步骤(c)中，所述第三聚焦值是通过将所述第二聚焦值除以所述第一聚焦值获得。

16．根据权利要求15的所述自动聚焦装置，其中在步骤(d)中，如果所述第一聚焦值的变化率比所述第二聚焦值的变化率高，所述聚焦镜头被朝着所述第三聚焦值减少的方向上移动，和如果所述第一聚焦值的变化率比所述第二聚焦值的变化率低，所述聚焦镜头被朝着所述第三聚焦值增加的方向上移动。

17．根据权利要求9的所述自动聚焦装置，其中步骤(c)中，所述第三聚焦值是通过将所述第一聚焦值除以所述第二聚焦值获得的。

18．根据权利要求17的所述自动聚焦装置，其中在步骤(d)中，如果所述第一聚焦值的变化率高于所述第二聚焦值的变化率，所述聚焦镜头移向第三聚焦值增加的方向，如果所述第一聚焦值的变化率比所述第二聚焦值的变化率低，所述聚焦镜头移向所述第三聚焦值减少的方向。

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