CN1967370B

CN1967370B - 数码相机的自动对焦方法

Info

Publication number: CN1967370B
Application number: CN2005101201935A
Authority: CN
Inventors: 林锦池; 罗瑞祥; 傅楸善; 张家豪
Original assignee: Primax Electronics Ltd
Current assignee: Primax Electronics Ltd
Priority date: 2005-11-15
Filing date: 2005-11-15
Publication date: 2011-12-28
Anticipated expiration: 2025-11-15
Also published as: CN1967370A

Abstract

本发明涉及一种数码相机的自动对焦方法，用以移动一镜头至一最大焦距值位置。镜头的移动状态通过数种规则而被分为初始状态，粗略搜寻状态，中度搜寻状态，细微搜寻状态四个搜寻状态，且镜头在每一状态每次移动的步数不同。本发明的自动对焦方法能够缩短具有最大焦距值的镜头位置的搜寻时间，以及达到良好影像品质的目的。

Description

数码相机的自动对焦方法

技术领域

本发明涉及数码相机的自动对焦方法，尤其涉及自动对焦中搜寻具有最大焦距值的镜头位置的方法。

背景技术

数码相机是目前极为普遍的照相设备。在照相的过程中，数码相机必须能对焦在正确的物体上以便获得好的影像品质。如果对焦不正确，则所获得的影像会是模糊的。因此，好的自动对焦方法对数码相机而言是很重要的。

一般的自动对焦大致上分为主动式自动对焦(active auto focus)以及被动式自动对焦(passive auto focus)。

主动对焦的原理在于使用红外线发射器或激光发射器投射光图案至被拍照的物体上，再通过三角测量法(triangulation)以及光线来回的时间差来计算被照物与相机之间的距离，因而将镜头移动至最好的焦距位置。主动对焦的缺点在于需要额外设置光发射器及接收器，增加了相机的成本。

另一种自动对焦方式则是被动式自动对焦。请参阅图1，其为被动式自动对焦的流程图。相较于主动式自动对焦，被动式自动对焦不需要投射任何光线至被照物体来计算物体与镜头之间的距离。被动式对焦会将镜头移动到多个镜头位置，并分析所获得的影像品质来决定正确的镜头位置。如图1所示，相机将镜头移动到第一个位置后取得影像资料(步骤100)，接着计算影像的焦距值(步骤200)，再来判断是否已获得最大的焦距值(步骤300)，如果未获得最大焦距值，则将镜头移到下一个镜头位置以便撷取下一个镜头位置的影像资料(步骤400)，如果已经获得最大焦距值则结束自动对焦程序。

由图1的流程可以了解，被动式自动对焦主要由两部份组成，第一部份是焦距测量，第二部份是透镜位置的搜寻。

公知已有许多种焦距测量的方法，例如梯度大小次测量法(GradientMagnitude)，Robert边缘检测器(Robert Edge Detector)，Sobel边缘检测器 (Sobel Edge Detector)，Laplacian滤波器(Laplacian Filter)，以及无限脉冲响应滤波器(Infinite Impulse Response(IIR)Filter)等等。由于这些测量方法为本技术领域的人所熟知，因此不再赘述。

至于透镜位置的搜寻，公知也存在一些方法。例如，全域搜寻法(GlobalSearch)，斜坡上升搜寻法(Hill-Climbing Search)，二进位搜寻法(Binary Search)以及规则导向搜寻法(Ruled-Based Search)。

透镜位置的搜寻需要考虑到搜寻所需的时间，移动镜头的次数以及搜寻的正确性。太多的搜寻时间会降低自动对焦的效率，镜头移动的次数过多则会消耗相机的电池能量，但搜寻时间太短或是搜寻的次数太少则会影响搜寻的正确性。以上的公知方法各有其优缺点，使用者可以依据实际的需求选择不同的方法使用。

举例而言，全域搜寻法是记录镜头每移动一步所获得的影像，的后再取出具有最大焦距的镜头位置。因此全域搜寻的搜寻结果是所有方法中最正确的，但是所需要的搜寻时间以及移动镜头的次数是最多的。又例如二进位搜寻法的速度比全域搜寻法快，但产生的影像杂讯比较大，且镜头来回移动的次数多，易产生机械方面的冲撞。

规则导向搜寻法(Ruled-Based Search)则是利用一些规则来判断镜头每次应移动的步数，再记录该等镜头位置的焦距值。由于不需要记录镜头每一步的移动所产生的焦距，因此可以缩短搜寻的时间。又因为镜头的移动步数是通过一些规则来决定，因此所产生的搜寻结果也是可接受的。规则导向搜寻法的演算法如下所示：

IF C_Iteration≤5 THEN A_Control＝Initial

ELSE

IF F_Current≤0.25·F_Max，THEN A_Control＝Coarse；

C_Down＝0；

ELSE

D_F＝F_Current-F_Previous

IF D_F＞0.25·F_Previous，THEN A_Control＝Fine；

C_Down＝0；

ELSE IF A_Control＝Fine AND D_F＞0，THEN

C_Down＝0；

ELSE IF D_F＜0

IF A_Control＝Fine，THEN C_Down++；

IF C_Down＝3，THEN A_Control＝Mid；C_Down＝0；

ELSE

A_Control＝Mid；C_Down＝0；

END IF

UPDATE F_Max；

F_Previous＝F_Current；

其中：

F_Current：目前影像资料的清晰度值

F_Previous：前一影像资料的清晰度值

F_Max：最大清晰度值

C_Iteration：来回计数器

A_Control：控制区域

C_Down：下坡计数器

本发明自动对焦方法的改善主要在于搜寻具有最大焦距值的镜头位置的方法，通过提供数种移动镜头的规则，而达成兼顾缩短搜寻时间以及良好影像品质的目的。

发明内容

本发明的目的在提供一种数码相机的自对焦方法，以达成快速且正确的对焦。

本发明提供一种数码相机的自动对焦方法，用以移动一镜头至一最大焦距位置，包括：

(a)计算该镜头位于第1至N个位置所获得的焦距的平均值FVavg；

(b)决定一镜头移动状态，该镜头移动状态包括：

一粗略搜寻状态，于该粗略搜寻状态中记录该镜头移动A步所获得的焦距值；

一中度搜寻状态，于该中度搜询状态中记录该镜头移动B步所获得的焦距值，其中B小于A；

一细微搜寻状态，于该细微搜寻状态中记录该镜头移动1步所获得的焦距值；

其中当一目前的焦距FVcur＜Tc x FVavg或是FVcur＜0.7x FVmax，设定该镜头为该粗略搜寻状态；当Tc x FVavg＜FVcur＜Tm x FVavg，且FVcur＞FVmax，设定该镜头为该中度搜寻状态并将该向下状态计数值DownCount设为0；当FVdif＞＝0，FVdif＞Tdifx FVpre，且FVcur＞FVmax，设定该镜头为该细微搜寻状态，并将该向下状态计数值DownCount设为0，其中Tc代表粗略搜寻临界值，FVmax代表先前最大焦距值，Tm代表中度搜寻临界值，FVdif代表前后焦距差异值，Tdif代表焦距差异临界值，FVpre代表前一焦距值；

(c)依据该镜头移动状态移动该镜头并记录该镜头所在位置的焦距；

(d)重复步骤(b)，(c)直到结束一搜寻范围的搜寻；

(e)将该镜头移动至该被记录的焦距值中最大的焦距值所对应的镜头位置。

本发明的自动对焦方法通过提供数种移动镜头的规则，达成兼顾缩短具有最大焦距值的镜头位置的搜寻时间以及良好影像品质的目的。

附图说明

图1为被动式对焦的流程图。

图2为焦距与镜头位置的曲线图。

图3(a)和图3(b)为本发明方法的流程图。

图4为本发明方法的焦距曲线实施例图。

图5为本发明方法与全域搜寻方法针对第一种影像进行自动对焦所获得的输出影像及焦距曲线图。

图6为本发明方法与全域搜寻方法针对第二种影像进行自动对焦所获得的输出影像及焦距曲线图。

图7为本发明方法与全域搜寻方法针对第三种影像进行自动对焦所获得的输出影像及焦距曲线图。

图8为本发明方法与全域搜寻方法针对第四种影像进行自动对焦所获得的输出影像及焦距曲线图。

具体实施方式

请参阅图2，其为镜头搜寻步数(search steps)与焦距值(focus value)的曲线图。我们要寻找的是具有最大焦距值的透镜位置。不过在区域A(对焦范围，In-focus range)的内的焦距值都是可接受的。

在本发明的镜头位置搜寻方法中，主要是通过一些规则将镜头的移动分为四个状态，在此四个状态中镜头被移动的步数不同，因此可节省搜寻的时间。

我们将镜头移动状态分为初始状态(Initial state)，粗略搜寻状态(Coarsestate)，中度搜寻状态(Mid state)以及细微搜寻状态(Fine state)。

在初始状态中，我们计算镜头在第1至第5步位置所获得的焦距值的平均值，以做为后续的一个状态判断参数，并且初始化所有的判断参数。

粗略搜寻状态是针对焦距曲线处于平坦的状态时所进行的搜寻，也就是前后焦距值的变化不大。依据图2所示的曲线可知，在此段曲线范围内不可能出现最大的焦距峰值，因此在粗略搜寻状态中可以让镜头移动8-12步时才进行焦距的测量。

中度搜寻状态主要是针对曲线倾斜的状态所进行的搜寻。在此状态中表示前后焦距值的变化较大，有可能产生区域峰值(local peak)。此区域峰值有可能是整个曲线的峰值，也有可能仅是局部曲线的峰值，因此在此搜寻状态中不能忽略太多的镜头位置的搜寻，所以设定为镜头每移动3-5步时进行一次的焦距测量。

细微搜寻状态主要针对曲线峰值附近的位置进行搜寻。由于此状态中极有可能会搜寻到最大焦距值，所以在此状态中镜头每移动一步就会进行一次焦距测量。

请参阅图3(a)和图3(b)，其为本发明自动对焦方法的流程图，于此流程图中说明本发明判断镜头移动状态的规则。

[步骤1]：判断镜头的移动是否为第1-5步的移动，如果是则记录每移动一步的焦距值，直到移动5步的后，计算第1-5步的焦距平均值FVavg。

[步骤1.1]：计算前后焦距差异值FVdif。FVdif是前一镜头位置所获得的焦距值与目前镜头位置的焦距值的差值。

此外，本方法还记录先前最大焦距值FVmax，也就是在当次搜寻的前所产生的最大焦距值，因此此先前最大焦距值FVmax是变动的。

当然，本发明还使用一粗略搜寻临界值Tc，一中度搜寻临界值Tm，一焦距差异临界值Tdif，一中度搜寻状态计数值MidCount以及一向下状态计数值DownCount来做为镜头移动状态的判断参数。

在细微搜寻状态中，当FVdif小于0时，向下状态计数值DownCount会被加1。当镜头不是处于细微搜寻状态时，向下状态计数值DownCount会被设定为0。而在中度搜寻状态中，当目前焦距值FVcur比先前最大焦距值FVmax小的时候，中度搜寻状态计数值MidCount会被加1。

此外，依据一较佳实施例，该粗略搜寻临界值Tc是在1.05-1.15之间，该中度搜寻临界值Tm是在1.1至1.2之间，而该焦距差异临界值Tdif是在0.015至0.025之间。

[步骤2]：判断是否

FVcur＜TcxFVavg或是

FVcur＜0.7xFVmax，

如果是，表示目前的焦距值够小，尚未达到峰值的范围，因此设定镜头为粗略搜寻状态，并将向下状态计数值DownCount设定为0。

[步骤3]：判断是否

TcxFVavg＜FVcur＜TmxFVavg，且

FVcur＞FVmax

如果是，则设定镜头为中度搜寻状态，并将向下状态计数值DownCount设定为0。

[步骤4]：判断是否

FVcur＜FVmax，

MidCount＞3，

DownCount≠3，且目前状态不是细微搜寻状态时，

设定镜头状态为粗略搜寻状态，并将向下状态计数值DownCount以及中度搜寻状态计数值MidCount设为0。

如果DownCount等于或大于3，则认为已经搜寻到焦距峰值，此时将镜头状态设定为中度搜寻状态。

如果MidCount大于3，则包含峰值的可能性变小，因此将镜头状态设为粗略搜寻状态。

[步骤5]：判断FVdif是否大于或等于0。

[步骤6]：如果FVdif大于或等于0，则判断是否

FVdif＞TdifxFVpre，且

FVcur＞FVmax

如果是，则设定镜头状态为细微搜寻状态，并将向下状态计数值DownCount设为0。步骤6通常在FV曲线的峰值期间产生效果。

[步骤7]：判断是否

FVdif＜TdifxFVpre，且镜头状态状态是否为细微搜寻状态。如果是，则设定镜头状态为中度搜寻状态并将向下状态计数值DownCount设为0。

[步骤8]：判断是否

FVcur＜0.9xFVmax，

如果是，则状态设定同步骤7。如果不是，则镜头状态目前状态。

[步骤9]：检查是否FVcur＞FVmax，如果是则将MidCount加1。

[步骤10]：当FVdif小于0时，判断目前状态是否为细微搜寻状态，如果是，则维持镜头状态为细微搜寻状态，并将DownCount加1。

[步骤11]：如果DownCount＝3或FVcur＜0.9xFVmax，则将DownCount 设为0并将镜头状态设为中度搜寻状态。

依照以上步骤决定镜头的移动状态并依据每一种状态的镜头步数来移动镜头以获得对应的焦距值，直到完成全部的搜寻为止。接着从已记录的焦距值中取出最大焦距值所对应的镜头位置，并将镜头移动到该最大焦距位置，即完成自动对焦的流程。

图4表示本发明方法的焦距与镜头位置的一曲线实施例图，其中横轴为镜头搜寻步数，纵轴为对应的焦距。

以下将列举使用本发明方法与全域搜寻方法针对不同特性的影像进行自动对焦所获得的输出影像以及所需的移动步数、搜寻重复(iteration)以及时间。其中A1使用本发明方法所获得的输出影像，A2使用本发明所获得的焦距曲线图。B1使用全域搜寻方法所获得的输出影像，B2使用全域搜寻方法所获得的焦距曲线图。

请参阅图5，其为使用本发明方法与全域搜寻方法针对第一种影像进行自动对焦所获得的输出影像以及焦距曲线图。

图5的影像具有一个位于中央的物体并具有大量的高频成份。由图5可以看出图5的A1与图5的B1是十分相似的。

在所需的搜寻步数与时间方面，本发明方法需要37次的镜头来回移动(iteration)，69次移动步数以及1.5秒的自动对焦时间。而全域搜寻需要140次的搜寻重复(iteration)，172次移动步数以及4.9秒的自动对焦时间。

请参阅图6，其为使用本发明方法以及全域搜寻方法针对第二种影像所获得的输出影像以及焦距曲线。

由图6的A1以及B1可以看出，二者的输出影像都十分清晰。在图6的本发明输出曲线A2则表示本发明搜寻方法的情况。第1-5步是初始搜寻状态，之后是粗略搜寻状态。一旦焦距曲线往上倾斜时，搜寻状态变成中度搜寻状态。当接近峰值时，搜寻状态变成细微搜寻状态。当已找到峰值且曲线开始往下倾斜时，设定搜寻状态为中度搜寻状态，并以粗略搜寻状态结束整个搜寻程序。

在所需的搜寻步数与时间方面，在图6的影像搜寻中，本发明方法需要52次的镜头来回移动(iteration)，84次移动步数以及2.1秒的自动对焦时间。而全域搜寻需要140次的搜寻重复(iteration)，172次移动步数以及4.9秒的自动对焦时间。

请参阅图7，其为使用本发明方法以及全域搜寻方法针对第三种影像所获得的输出影像以及焦距曲线。

图7的影像具有两个主要的峰值。较小的峰值较早出现，而较大的峰值则在曲线后段出现。由焦距曲线可以看出，本发明首先找到前面的峰值，之后曲线向下倾斜，进入中度搜寻状态，之后变为细微搜寻状态以寻找另一峰值。由此影像可以了解，本发明方法可以找到真正的峰值，即使曲线中存在有区域性的峰值。

在所需的搜寻步数与时间方面，在图7的影像搜寻中，本发明方法需要58次的镜头来回移动(iteration)，90次移动步数以及2.4秒的自动对焦时间。而全域搜寻需要140次的搜寻重复(iteration)，172次移动步数以及4.9秒的自动对焦时间。

请参阅图8，其为使用本发明方法以及全域搜寻方法针对第四种影像所获得的输出影像以及焦距曲线。

图8的影像也具有两个主要的峰值。但较大的峰值较早出现。虽然图8的影像和图7一样都具有两个峰值，但本发明在图8的搜寻方法和图7不同。因为较大的峰值比区域性峰值早被发现，因此不使用细微搜寻状态来搜寻区域峰值。在搜寻区域峰值的时候仅是以粗略搜寻状态来进行搜寻。

在所需的搜寻步数与时间方面，在图8的影像搜寻中，本发明方法需要54次的镜头来回移动(iteration)，86次移动步数以及2.3秒的自动对焦时间。而全域搜寻需要140次的搜寻重复(iteration)，172次移动步数以及4.9秒的自动对焦时间。

以上实施例仅用于说明本发明，其它在不脱离本案精神情况下所做的修改都应视为落入本发明的范围内。

Claims

1.一种数码相机的自动对焦方法，用以移动一镜头至一最大焦距值位置，特征在于包括下列步骤：

(a)计算该镜头位于第1至N个位置所获得的焦距的平均值FVavg；

(b)决定一镜头移动状态，该镜头移动状态包括：

一中度搜寻状态，于该中度搜寻状态中记录该镜头移动B步所获得的焦距值，其中B小于A；

其中当一目前的焦距FVcur＜Tc x FVavg或是FVcur＜0.7x FVmax，设定该镜头为该粗略搜寻状态；当Tc x FVavg＜FVcur＜Tm x FVavg，且FVcur＞FVmax，设定该镜头为该中度搜寻状态并将向下状态计数值DownCount设为0；当FVdif＞＝0，FVdif＞Tdifx FVpre，且FVcur＞FVmax，设定该镜头为该细微搜寻状态，并将该向下状态计数值DownCount设为0，其中Tc代表粗略搜寻临界值，FVmax代表先前最大焦距值，Tm代表中度搜寻临界值，FVdif代表前后焦距差异值，Tdif代表焦距差异临界值，FVpre代表前一焦距值；

(d)重复步骤(b)，(c)直到结束一搜寻范围的搜寻；

2.如权利要求1所述的数码相机的自动对焦方法，其中N等于5。

3.如权利要求1所述的数码相机的自动对焦方法，其中A是8-12之间的整数，而B是3-5之间的整数。

4.如权利要求1所述的数码相机的自动对焦方法，其中该粗略搜寻临界值Tc位于1.05-1.15之间，该中度搜寻临界值Tm位于1.1至1.2之间，而该焦距差异临界值Tdif位于0.015至0.025之间。

5.如权利要求1所述的数码相机的自动对焦方法，其中当

FVcur＜FVmax，

MidCount＞3，其中MidCount为中度搜寻状态计数值，

DownCount≠3，且目前状态并不是细微搜寻状态，

则设定该镜头状态为该粗略搜寻状态，并将该向下状态计数值DownCount以及该中度搜寻状态计数值MidCount设为0。

6.如权利要求1所述的数码相机的自动对焦方法，其中当

FVdif＜Tdifx FVpre，且

该镜头的状态为该细微搜寻状态时，设定该镜头为该中度搜寻状态并将该向下状态计数值DownCount设为0。

7.如权利要求6所述的数码相机的自动对焦方法，其中当

FVcur＜0.9x FVmax，设定该镜头为该中度搜寻状态并将该向下状态计数值DownCount设为0，反的，则该镜头的状态同目前状态。

8.如权利要求6所述的数码相机的自动对焦方法，其中当

FVcur＜FVmax时，将中度搜寻状态计数值MidCount加1。

9.如权利要求1所述的数码相机的自动对焦方法，其中当

FVdif＜0，且前一镜头状态为细微搜寻状态时，设定镜头状态为细微搜寻状态并使向下状态计数值DownCount加1。

10.如权利要求9所述的数码相机的自动对焦方法，其中当

DownCount＝3，或

FVcur＜0.9x FVmax，

设定镜头状态为中度搜寻状态并设定向下状态计数值DownCount为0。