TWI503613B - 鏡頭自動對焦方法及相關的相機晶片 - Google Patents

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鏡頭自動對焦方法及相關的相機晶片
本發明係有關於鏡頭自動對焦方法，尤指一種可以修正鏡頭位置的統計值以增加自動對焦精度的鏡頭自動對焦方法及相關的相機晶片。
請參考第1圖，第1圖為習知鏡頭自動對焦演算法的示意圖。參考第1圖，習知鏡頭自動對焦演算法可描述如下：(1)將鏡頭移動到欲取得代表銳利程度統計值(銳利度值)的位置L1，並同時對圖框1進行曝光；(2)在取得圖框2的過程中取出鏡頭在位置L1所取得的銳利度值，並同時將鏡頭移動到位置L2並同時對圖框2進行曝光；(3)重複進行上述步驟以取得對應到多個位置(L1、L2、L3、...)的銳利度值；(4)將鏡頭移動到銳利度值最高的位置或是透過二次曲線逼近法找出銳利度值最高點的鏡頭位置，並將鏡頭推往該位置。
第1圖所示的鏡頭自動對焦方法會造成精度上的問題，因為在曝光時鏡頭仍在移動，因此所取得的銳利度值並不能精確代表所對應之鏡頭位置的清晰程度，舉例來說，由於在曝光圖框2時鏡頭是由位置L1移動到L2，因此，所取得之鏡頭在位置L2的銳利度值並非精確的對應到位置L2。為了解決此一問題，有以下另外兩種方法，其分別描述於第2、3圖。
在第2圖所示的鏡頭自動對焦方法中，是先將鏡頭移動到位置L1 之後，再曝光圖框1，因此可以解決第1圖所示之所取得的銳利度值並不能精確代表所對應之鏡頭位置的問題。然而，第2圖的方法會有以下幾個問題，其一是在低亮度時必須將圖框時間(亦即第2圖所示之圖框1、圖框2、圖框3的時間長度)拉長，造成影格速率(Frames Per Second，FPS)的變化及下降，且部分影格速率需固定或維持高張數的連續影像並不適用；其二是此方法限制在全域快門(global shutter)曝光模式，而無法適用於滾動快門(rolling shutter)曝光模式，其理由是由於滾動快門曝光模式中每一條感測元件曝光完畢的時間不一，因此在一般場景的曝光條件下無法分離出一段完全沒曝光的圖框區段進行鏡頭的移動。
在第3圖所示的鏡頭自動對焦方法中，是等待完整一個圖框，使得在鏡頭停在L1位置並且完整曝光一個圖框，至下一個圖框3時再取出精確代表位置L1的銳利度值，但是代價則是自動對焦所花的時間將會大幅增加。
因此，本發明的目的之一在於提供一種鏡頭自動對焦方法及相關的裝置，其可以解決自動對焦在曝光中鏡頭移動的偏差問題，且不用耗費多餘時間等待重新曝光以及更改影格速率，此外，本發明可用在全域快門曝光模式以及滾動快門曝光模式，以解決先前技術中的問題。
依據本發明一實施例，一種鏡頭自動對焦方法包含有：在一鏡頭移動的同時進行曝光，以依序取得複數個圖框資料，該複數個圖框資料分別對應到複數個鏡頭位置；根據該複數個圖框資料計算出分別對應於該複數個鏡頭位置的複數個銳利度值；根據取得該複數個圖框資料時該鏡頭的移動資訊，計算產生每一個圖框的修正後鏡頭位置；以及根據該複數個修正後鏡頭位置與該複數個銳利度值，決定出該鏡頭的對焦位置。
依據本發明一實施例，一相機晶片包含有一銳利度值計算單元以及一鏡頭位置決定及控制單元，其中該銳利度值計算單元用以根據複數個圖框資料以計算出分別對應於複數個鏡頭位置的複數個銳利度值，其中該複數個圖框資料是在一鏡頭移動時同時進行曝光以依序取得的，且該複數個圖框資料係分別對應到該複數個鏡頭位置；以及該鏡頭位置決定及控制單元用以根據取得該複數個圖框資料時該鏡頭的移動資訊，計算產生每一個圖框的修正後鏡頭位置，並根據該複數個修正後鏡頭位置與該複數個銳利度值，決定出該鏡頭的對焦位置。
400‧‧‧影像擷取裝置
410‧‧‧鏡頭
420‧‧‧感測元件
430‧‧‧相機晶片
432‧‧‧銳利度值計算單元
434‧‧‧鏡頭位置決定及控制單元
440‧‧‧鏡頭驅動晶片
800~806‧‧‧步驟
第1圖為習知鏡頭自動對焦演算法的示意圖。
第2圖為習知鏡頭自動對焦演算法的示意圖。
第3圖為習知鏡頭自動對焦演算法的示意圖。
第4圖為依據本發明一實施例之影像擷取裝置的示意圖。
第5圖是在曝光一圖框時鏡頭的位置及移動狀態的示意圖。
第6圖分別描述了原始鏡頭位置與銳利度值的關係曲線，以及修正後鏡頭位置與銳利度值的關係曲線。
第7圖是在逐行曝光一圖框時鏡頭的位置及移動狀態的示意圖。
第8圖為依據本發明一實施例之一種鏡頭自動對焦方法的流程圖。
請參考第4圖，第4圖為依據本發明一實施例之影像擷取裝置400的示意圖。如第4圖所示，影像擷取裝置400主要包含了一鏡頭410、一感測元件420、一相機晶片430以及一鏡頭驅動晶片440，其中相機晶片430包含有一銳利度值計算單元432以及一鏡頭位置決定及控制單元434。在本發明中影像擷取裝置400可以應用於數位相機、網路視訊攝影機(IP cam或是 web cam)...等影像擷取裝置，感測元件420可以是感光耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)或是互補金氧半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)，且感測元件420所採用的曝光方式可以是全域快門(global shutter)曝光模式或是滾動快門(rolling shutter)曝光模式。此外，銳利度值計算單元432及鏡頭位置決定及控制單元434可以使用硬體電路來實作，抑或是使用一微處理器來執行對應的程式碼的軟體方式來實作。
影像擷取裝置400的自動對焦操作時序類似第1圖所示的內容，亦即，鏡頭位置決定及控制單元434提供鏡頭位置資訊至鏡頭驅動晶片440，使鏡頭移動到位置L1，接著，鏡頭410將外界光線聚焦後投射到感測元件420上，感測元件420再將所感測到的影像資料(圖框1)傳送到銳利度值計算單元432中，以計算出對應到鏡頭位置L1之圖框1的銳利度值；接著，鏡頭位置決定及控制單元434會提供鏡頭位置資訊至鏡頭驅動晶片440中以移動鏡頭到位置L2，接著，鏡頭410將外界光線聚焦後投射到感測元件420上，感測元件420並將所感測到的影像資料(圖框2)傳送到銳利度值計算單元432中，以計算出對應到鏡頭位置L2之圖框2的銳利度值；接著，重複上述操作以分別計算出對應到鏡頭位置L3、L4、...之圖框3、4的銳利度值。
如先前技術中所述，由於在曝光時鏡頭410仍在移動，因此所計算出的銳利度值並不能精確代表所對應之鏡頭位置的清晰程度，因此，在本發明中，會對鏡頭位置L1、L2、L3、...做修正以描述出所計算出的銳利度值實質上是對應到哪一個鏡頭位置，之後再根據這些統計值來計算出鏡頭的最佳位置。以下將針對全域快門曝光模式與滾動快門曝光模式來詳述本發明的詳細操作。
就採用全域快門曝光模式的感光元件420來說(全域快門曝光模 式指的是感光元件420中所有的感測單元(CCD或是CMOS)一起曝光來產生一整個圖框的資料)，請參考第5圖，第5圖是在曝光圖框1時鏡頭410的位置及移動狀態的示意圖。參考第5圖，由於相機晶片430內部會儲存有鏡頭410的移動資訊以及所需要符合的相關規格，因此，鏡頭位置決定及控制單元434可以根據這些資訊來獲得鏡頭410在曝光圖框1時的位置及移動狀態。舉例來說，在第5圖中，在曝光圖框1時，鏡頭410會先停留在起始位置(亦即圖式的L0)約4微秒(ms)，之後鏡頭410會從位置L0移動到位置L1，而移動的時間約8微秒，最後鏡頭410停留在終點位置(亦即圖式的L1)約16微秒；因此，在第5圖的例子中，鏡頭410停留在位置L0的時間比例為(1/7)、鏡頭410在移動時的時間比例為(2/7)、而鏡頭410停留在位置L1的時間比例為(4/7)，根據這些資訊，鏡頭位置決定及控制單元434可以使用以下公式來得到修正後的位置L1’：L1’=L0*Wi+LM *Wm+L1*Wd；其中Wi為鏡頭410停留在初始位置L0的時間比例(本實施例中為(1/7))、Wm為鏡頭410在移動時的時間比例(本實施例中為(2/7))、Wd為鏡頭410停留在終點位置L1的時間比例(本實施例中為(4/7))、LM 為鏡頭410移動時的中間位置(在本實施例中可以為(L0+L1)/2)。
需注意的是，上述計算出修正後的位置L1’的公式僅為一範例說明，而並非作為本發明的限制，在本發明之其他實施例中，只要修正後的位置L1’是根據鏡頭410的位置及移動狀態的資訊來計算出來，其計算公式可以有其他任何適合的變化，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
接著，銳利度值計算單元432計算出對應於圖框1的銳利度值。因此，在鏡頭位置決定及控制單元434所記錄的統計值中，圖框1的銳利度值是對應到修正後的鏡頭位置L1’，而並非如先前技術中的鏡頭位置L1。
需注意的是，第5圖所示的時序僅為一範例說明，而並非是本發明的限制在其他的例子中，在曝光圖框1時，可能不會有鏡頭停留在位置L0的情形，此時上述公式中的權重值Wi就會為“0”；同樣地，若是在曝光圖框1時沒有鏡頭停留在位置L1的情形，則上述公式中的權重值Wd就會為“0”。
同樣地，在接下來的操作中，銳利度值計算單元432分別計算出對應於圖框2、圖框3、...等的銳利度值，而鏡頭位置決定及控制單元434也根據上述的公式來得到修正後鏡頭位置L2’、L3’、...，因此，在鏡頭位置決定及控制單元434所記錄的統計值中，記錄了圖框1、圖框2、圖框3、...等的銳利度值與對應到的修正後鏡頭位置L1’、L2’、L3’、...。
接著，鏡頭位置決定及控制單元434根據所記錄的圖框1、圖框2、圖框3、...等的銳利度值與對應到的修正後鏡頭位置L1’、L2’、L3’、...來決定出鏡頭410的一對焦位置(最佳位置)。詳細來說，請參考第6圖，第6圖分別描述了原始鏡頭位置與銳利度值的關係曲線，以及修正後鏡頭位置與銳利度值的關係曲線。在本發明中，鏡頭位置決定及控制單元434會根據修正後之鏡頭位置與銳利度值的關係曲線來決定出鏡頭410的對焦位置，其中該對焦位置可以是圖式中銳利度值最高的位置或是透過二次曲線逼近法找出銳利度值最高點的鏡位置。
在決定出鏡頭410的對焦位置之後，鏡頭位置決定及控制單元434會將此鏡頭位置資訊傳送到鏡頭驅動晶片440中以控制鏡頭410移動到此對焦位置，以獲得具有最佳銳利度的攝像品質。
就採用滾動快門曝光模式的感光元件420來說(滾動快門曝光模 式指的是感光元件420中的感測單元(CCD或是CMOS)是逐行曝光來產生一整個圖框的資料)，請參考第7圖，第7圖是在逐行曝光圖框1時鏡頭410的位置及移動狀態的示意圖。由於相機晶片430內部會儲存有鏡頭410的移動資訊以及所需要符合的相關規格，例如目前曝光的行數、鏡頭移動速度、鏡頭移動間距、讀取/重設時間、...等等，因此，鏡頭位置決定及控制單元434可以根據這些資訊來獲得鏡頭410在曝光圖框1時每一行的位置及移動狀態，並據以決定出第7圖中曝光圖框1虛線中“鏡頭在位置L0”、“鏡頭從L0移動到L1”、以及“鏡頭在位置L1”的時間比例(亦即圖式的面積比例)，鏡頭位置決定及控制單元434可以使用以下公式來得到修正後的位置L1’：L1’=L0*Wi+LM *Wm+L1*Wd；其中Wi為鏡頭410在曝光圖框1時停留在初始位置L0的時間比例、Wm為鏡頭410在移動時的時間比例、Wd為鏡頭410在曝光圖框1時停留在終點位置L1的時間比例、LM 為鏡頭410移動時的中間位置(在本實施例中可以為(L0+L1)/2)。
需注意的是，上述計算出修正後的位置L1’的公式僅為一範例說明，而並非作為本發明的限制，在本發明之其他實施例中，只要修正後的位置L1’是根據鏡頭410的位置及移動狀態的資訊來計算出來，其計算公式可以有其他任何適合的變化，這些設計上的變化均應隸屬於本發明的範疇。
接著，銳利度值計算單元432計算出對應於圖框1的銳利度值。因此，在鏡頭位置決定及控制單元434所記錄的統計值中，圖框1的銳利度值是對應到修正後鏡頭位置L1’，而並非如先前技術中的鏡頭位置L1。
需注意的是，第7圖所示的時序僅為一範例說明，而並非是本發明的限制在其他的例子中，在曝光圖框1時，可能不會有鏡頭停留在位置L0 的情形，此時上述公式中的權重值Wi就會為“0”；同樣地，若是在曝光圖框1時沒有鏡頭停留在位置L1的情形，則上述公式中的權重值Wd就會為“0”。
同樣地，在接下來的操作中，銳利度值計算單元432分別計算出對應於圖框2、圖框3、...等的銳利度值，而鏡頭位置決定及控制單元434也根據上述的公式來得到修正後鏡頭位置L2’、L3’、...，因此，在鏡頭位置決定及控制單元434所記錄的統計值中，記錄了圖框1、圖框2、圖框3、...等的銳利度值與對應到的修正後鏡頭位置L1’、L2’、L3’、...。
接著，鏡頭位置決定及控制單元434根據所記錄的圖框1、圖框2、圖框3、...等的銳利度值與對應到的修正後鏡頭位置L1’、L2’、L3’、...來決定出鏡頭410的一對焦位置(最佳位置)，其方法類似上述第6圖所示，鏡頭位置決定及控制單元434會根據修正後鏡頭位置與銳利度值的關係曲線來決定出鏡頭410的對焦位置，其中該對焦位置可以是圖式中銳利度值最高的位置或是透過二次曲線逼近法找出銳利度值最高點的鏡位置。
在決定出鏡頭410的對焦位置之後，鏡頭位置決定及控制單元434會將此鏡頭位置資訊傳送到鏡頭驅動晶片440中以控制鏡頭410移動到此對焦位置，以獲得具有最佳銳利度的攝像品質。
請參考第8圖，第8圖為依據本發明一實施例之一種鏡頭自動對焦方法的流程圖，參考第1、4~7圖及以上的敘述，流程敘述如下：步驟800：在一鏡頭移動的同時進行曝光，以依序取得複數個圖框資料，其中該複數個圖框資料分別對應到複數個鏡頭位置；步驟802：根據該複數個圖框資料計算出分別對應於該複數個鏡頭位置的複數個銳利度值； 步驟804：根據取得該複數個圖框資料時該鏡頭的移動資訊，計算產生每一個圖框的修正後鏡頭位置；步驟806：根據該複數個修正後鏡頭位置與該複數個銳利度值，決定出該鏡頭的對焦位置。
簡要歸納本發明，在本發明之鏡頭對焦方法中，係透過每一個圖框在曝光時的鏡頭的位置及移動資訊來修正相對應的鏡頭位置資訊，因此可以增加自動對焦精度，且本發明不需要增加額外的對焦時間，也不會降低影格速率。另外，本發明的鏡頭對焦方法可以同時適用全域快門曝光模式與滾動快門曝光模式。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
800~806‧‧‧步驟

Claims (10)

  1. 一種鏡頭自動對焦方法，包含有：在一鏡頭移動的同時進行曝光，以依序取得複數個圖框資料，其中該複數個圖框資料分別對應到複數個鏡頭位置；根據該複數個圖框資料計算出分別對應於該複數個鏡頭位置的複數個銳利度值；根據取得該複數個圖框資料時該鏡頭的移動資訊，計算產生該複數個圖框資料中每一個圖框資料所對應的修正後鏡頭位置；以及根據該複數個修正後鏡頭位置與該複數個銳利度值，決定出該鏡頭的對焦位置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的鏡頭自動對焦方法，其中根據取得該複數個圖框資料時該鏡頭的移動資訊，計算產生每一個圖框的修正後鏡頭位置的步驟包含有：針對每一個圖框，計算出該鏡頭在不同位置的曝光時間，並據以修正相對應的鏡頭位置。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的鏡頭自動對焦方法，其中根據取得該複數個圖框資料時該鏡頭的移動資訊，計算產生每一個圖框的修正後鏡頭位置的步驟包含有：針對每一個圖框，計算出該鏡頭在不同位置的曝光時間，並根據該鏡頭在不同位置的曝光時間來決定出複數個權重值；針對每一個圖框，使用該複數個權重值來對該鏡頭多個不同位置進行加權相加，以得到對應於該圖框的修正後鏡頭位置。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的鏡頭自動對焦方法，其中針對每一個圖框， 計算出該鏡頭在不同位置的曝光時間，並根據該鏡頭在不同位置的曝光時間來決定出該複數個權重值的步驟包含有：針對每一個圖框，計算出該鏡頭在起始位置的曝光時間、該鏡頭在移動時的曝光時間、以及該鏡頭在終點位置的曝光時間，並據以決定出三個權重值；以及針對每一個圖框，使用該複數個權重值來對該鏡頭多個不同位置進行加權相加，以得到對應於該圖框的修正後的鏡頭位置的步驟包含有：使用該三個權重值來對該鏡頭的起始位置、移動時的中間位置、以及終點位置進行加權相加，以得到對應於該圖框的修正後鏡頭位置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的鏡頭自動對焦方法，係應用於一滾動快門曝光模式。
  6. 一相機晶片，包含有：一銳利度值計算單元，根據複數個圖框資料以計算出分別對應於複數個鏡頭位置的複數個銳利度值，其中該複數個圖框資料是在一鏡頭移動時同時進行曝光以依序取得的，且該複數個圖框資料係分別對應到該複數個鏡頭位置；以及一鏡頭位置決定及控制單元，耦接於該銳利度值計算單元，用以根據取得該複數個圖框資料時該鏡頭的移動資訊，計算產生該複數個圖框資料中每一個圖框資料所對應的修正後鏡頭位置，並根據該複數個修正後鏡頭位置與該複數個銳利度值，決定出該鏡頭的對焦位置。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的相機晶片，其中該鏡頭位置決定及控制單元針對每一個圖框計算出該鏡頭在不同位置的曝光時間，並據以修正相對應的鏡頭位置。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的相機晶片，其中該鏡頭位置決定及控制單元針對每一個圖框計算出該鏡頭在不同位置的曝光時間，並根據該鏡頭在不同位置的曝光時間來決定出複數個權重值；以及針對每一個圖框，該鏡頭位置決定及控制單元使用該複數個權重值來對該鏡頭多個不同位置進行加權相加，以得到對應於該圖框的修正後鏡頭位置。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的相機晶片，其中該鏡頭位置決定及控制單元針對每一個圖框計算出該鏡頭在起始位置的曝光時間、該鏡頭在移動時的曝光時間、以及該鏡頭在終點位置的曝光時間，並據以決定出三個權重值；以及該鏡頭位置決定及控制單元使用該三個權重值來對該鏡頭的起始位置、移動時的中間位置、以及終點位置進行加權相加，以得到對應於該圖框的修正後的鏡頭位置。
  10. 如申請專利範圍第6項所述的相機晶片，係應用於一滾動快門曝光模式。
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