TWI566002B

TWI566002B - 影像擷取裝置及其自動對焦方法

Info

Publication number: TWI566002B
Application number: TW104106043A
Authority: TW
Inventors: 黃士挺; 黃昭世
Original assignee: 宏碁股份有限公司
Priority date: 2015-02-25
Filing date: 2015-02-25
Publication date: 2017-01-11
Also published as: TW201631349A; US9581882B2; US20160246160A1

Description

影像擷取裝置及其自動對焦方法

本發明是有關於一種影像擷取裝置，且特別是有關於一種影像擷取裝置及其自動對焦方法。

隨著科技的發展，各式各樣的智慧型影像擷取裝置，舉凡平板型電腦、個人數位化助理、及智慧型手機等，已成為現代人不可或缺的工具。其中，高階款的智慧型影像擷取裝置所搭載的相機鏡頭已經與傳統消費型相機不相上下，甚至可以取而代之。少數高階款除了可提供千萬畫素、大光圈、防手震及雙鏡頭等規格外，更具有接近數位單眼的畫素和畫質。

以具有雙鏡頭配備的影像擷取裝置而言，其可利用拍攝所取得的景深資訊來實現立體影像畫面顯示以及可針對已拍攝的照片來動態地調整對焦區域，以額外提供單鏡頭配備的影像擷取裝置未有的功能。此類具有雙鏡頭的影像擷取裝置在進行一般的影像拍攝時，往往會關閉其中一個鏡頭，使其間接地成為一般單鏡頭的影像擷取裝置，並且利用單鏡頭所擷取畫面的清晰程度來執行對焦演算法。然而，一般單鏡頭在進行對焦的過程中，在例如是較暗的場景下往往因曝光時間較長，使其影像每秒所擷取的速度(frame per second，fps)必須降低，進而導致對焦速度變慢的情況產生。

本發明提供一種影像擷取裝置及其自動對焦方法，其可利用雙鏡頭來有效地提升對焦速度。

本發明提出一種影像擷取裝置的自動對焦方法，適用於具有第一鏡頭以及第二鏡頭的影像擷取裝置。此方法包括下列步驟。首先，利用第一鏡頭的感光元件，計算曝光時間。接著，判斷曝光時間是否大於時間門檻值。當曝光時間大於時間門檻值時，分別利用第一鏡頭以第一解析度與第一步距以及第二鏡頭以第二解析度與第二步距於對焦範圍內同時執行全域最大值搜尋，其中第一解析度大於第二解析度，第一步距小於第二步距。當利用第二鏡頭取得對焦位置所在的對焦區域內時，利用第一鏡頭自對焦區域內取得對焦位置，據以取得對焦畫面。

本發明另提出一種影像擷取裝置，包括第一鏡頭、第二鏡頭、儲存單元以及處理單元，其中處理單元耦接第一鏡頭、第二鏡頭以及儲存單元。儲存單元用以記錄多個模組，而處理單元用以存取並且執行儲存單元中記錄的所述模組。所述模組包括計算模組、判斷模組以及對焦模組。計算模組用以利用第一鏡頭的感測元件來計算曝光時間。判斷模組用以判斷曝光時間是否大於時間門檻值。當曝光時間大於時間門檻值時。對焦模組分別利用第一鏡頭以第一解析度與第一步距以及利用第二鏡頭以第二解析度與第二步距於對焦範圍內同時執行全域最大值搜尋，其中第一解析度大於第二解析度，第一步距小於第二步距。當對焦模組利用第二鏡頭取得對焦位置所在的對焦區域內時，將利用第一鏡頭自對焦區域內取得對焦位置，據以取得對焦畫面。

基於上述，本發明所提出的影像擷取裝置及其自動對焦方法，當偵測到環境亮度不足進而導致曝光時間較長時，將會利用雙鏡頭可個別控制對焦、影像擷取速度的特性，有效地加速自動對焦，以大幅提升使用者經驗。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

100‧‧‧影像擷取裝置

10a‧‧‧第一鏡頭

10b‧‧‧第二鏡頭

20‧‧‧儲存單元

122‧‧‧計算模組

124‧‧‧判斷模組

126‧‧‧對焦模組

30‧‧‧處理單元

S202~S210、S602~S608‧‧‧自動對焦方法的流程

310、320、410、420、510、520‧‧‧曲線

R1、R2、R3‧‧‧區域

P1、P2、P3‧‧‧對焦位置

圖1是根據本發明一實施例所繪示之影像擷取裝置的方塊圖。

圖2為根據本發明之一實施例所繪示的影像擷取裝置的自動對焦方法的流程圖。

圖3為根據本發明之一實施例所繪示的第一鏡頭以及第二鏡頭執行全域最大值搜尋的示意圖。

圖4為根據本發明之一實施例所繪示的分別以第一鏡頭以及第二鏡頭執行自動對焦方法的示意圖。

圖5為根據本發明之另一實施例所繪示的分別以第一鏡頭以及第二鏡頭執行自動對焦方法的示意圖。

圖6依據本發明一實施例所繪示的自動對焦方法的功能方塊圖。

本發明的部份實施例接下來將會配合附圖來詳細描述，以下的描述所引用的元件符號，當不同附圖出現相同的元件符號將視為相同或相似的元件。這些實施例只是本發明的一部份，並未揭示所有本發明的可實施方式。更確切的說，這些實施例只是本發明的專利申請範圍中的裝置與方法的範例。

圖1是根據本發明一實施例所繪示之影像擷取裝置的方塊圖，但此僅是為了方便說明，並不用以限制本發明。首先圖1先介紹影像擷取裝置之所有構件以及配置關係，詳細功能將配合圖2一併揭露。

請參照圖1，影像擷取裝置100包括第一鏡頭10a、第二鏡頭10b、儲存單元20以及一或多個處理單元30。在本實施例中，影像擷取裝置100例如是數位相機、單眼相機、數位攝影機或是其他具有影像擷取功能的智慧型手機、平板電腦、個人數位助理等電子裝置，本發明不以此為限。

第一鏡頭10a以及第二鏡頭10b包括感光元件，用以分別感測進入第一鏡頭10a以及第二鏡頭10b的光線強度，進而分別產生影像。所述的感光元件例如是電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)、互補性氧化金屬半導體(Complementary Metal-Oxide Semiconductor，CMOS)元件或其他元件。另外，第一鏡頭10a以及第二鏡頭10b的規格可以是相同或是不同，本發明不在此設限。

儲存單元20例如是任意型式的固定式或可移動式隨機存取記憶體(Random Access Memory，RAM)、唯讀記憶體(Read-Only Memory，ROM)、快閃記憶體(Flash memory)、硬碟或其他類似裝置或這些裝置的組合。儲存單元20用以記錄可由處理單元30執行的多個模組，這些模組可載入處理單元30，以對影像擷取裝置100執行自動對焦的功能。

處理單元30可以例如是中央處理單元(Central Processing Unit，CPU)，或是其他可程式化之一般用途或特殊用途的微處理器(Microprocessor)、數位訊號處理器(Digital Signal Processor，DSP)、可程式化控制器、特殊應用積體電路(Application Specific Integrated Circuits，ASIC)、可程式化邏輯裝置(Programmable Logic Device，PLD)或其他類似裝置或這些裝置的組合。處理單元30耦接第一鏡頭10a、第二鏡頭10b、以及儲存單元20，其可存取並執行記錄在儲存單元20中的模組，以對影像擷取裝置100執行自動對焦的功能。

上述模組包括計算模組122、判斷模組124以及對焦模組126，其可載入處理單元30，從而執行自動對焦的功能。以下即列舉實施例說明針對影像擷取裝置100執行自動對焦方法的詳細步驟。

圖2為根據本發明之一實施例所繪示的影像擷取裝置的自動對焦方法流程圖，而圖2的影像擷取裝置的自動對焦方法可以圖1的影像擷取裝置100的各元件實現。

請同時參照圖1以及圖2，首先，計算模組122利用第一鏡頭10a的感光元件，計算曝光時間(步驟S202)。接著，判斷模組124判斷曝光時間是否大於時間門檻值(步驟S204)。當曝光時間不大於時間門檻值時，對焦模組126利用第一鏡頭10a於對焦範圍內執行自動對焦程序，以取得對焦畫面(步驟S206)。

詳細來說，在一般影像擷取裝置在進行一般的影像拍攝時，往往會關閉其中一個鏡頭，使其間接地成為一般單鏡頭的影像擷取裝置。在進行自動對焦的過程中，需將鏡頭持續移動並且同時計算畫面成像的清晰程度，以找到具有最佳清晰程度的對焦畫面；亦即，具有最大對焦值(Focus Value，FV)。在搜尋對焦畫面的過程中，如果鏡頭所需移動的步數越少或是步距越大，則取得對焦畫面的速度越快。然而，在較暗的場景下，往往會因曝光時間較長，使其影像每秒所擷取的速度(亦即，畫面更新率(frame per second，fps))必須降低，進而導致對焦速度變慢的情況產生。舉例來說，在自動對焦演算法的運算中，是以畫面(frame)為一個單位，而取得每一畫面所需移動鏡頭的步數為一步。假設自動對焦演算法都是移動5次，在60fps下的對焦時間會比30fps快一倍。

據此，在本實施例之中，對焦模組126將根據曝光時間將決定執行自動對焦的方式。當判斷模組124判斷曝光時間不大於時間門檻值時，也就是說在環境亮度足夠的場景下，對焦模組126可利用單一鏡頭來執行傳統的自動對焦程序，從而取得對焦畫面。此傳統的自動對焦程序可以是例如是爬山法(Hill Climbing)等自動對焦技術，本發明不在此設限。

另一方面，當曝光時間大於時間門檻值時，對焦模組126分別利用第一鏡頭10a以第一解析度與第一步距以及利用第二鏡頭10b以第二解析度與第二步距於對焦範圍內同時執行全域最大值搜尋(Global Maximum Search)，其中第一解析度大於第二解析度，並且第一步距小於第二步距(步驟S208)。詳細來說，當判斷模組124判斷曝光時間較長以至於畫面更新率將會偏低時，對焦模組126將會啟動第二鏡頭10b，以利用雙鏡頭來改善整體的對焦時間。

在一實施例中，假設第一鏡頭10a以及第二鏡頭10b為規格相同的兩個鏡頭時，對焦模組126將調降第二鏡頭10b的鏡頭解析度，以使第二鏡頭10b的鏡頭解析度小於第一鏡頭10a的鏡頭解析度，進而提高第二鏡頭10b的畫面更新率。第二鏡頭10b的畫面更新率提高時，則可進而以較大的步距進行全域最大值搜尋。

在另一實施例中，假設第一鏡頭10a以及第二鏡頭10b為規格不同的兩個鏡頭時，由於第一鏡頭10a已是設定為一般自動對焦程序所採用的主要鏡頭，因此第一鏡頭10a的鏡頭解析度即大於第二鏡頭10b的鏡頭解析度。

由於第一解析度大於第二解析度，第一鏡頭10a的畫面更新率即會小於第二鏡頭10b的畫面更新率。換言之，第一鏡頭10a所移動的步距將會小於第二鏡頭10b所移動的步距。

舉例來說，圖3為根據本發明之一實施例所繪示的第一鏡頭以及第二鏡頭執行全域最大值搜尋的示意圖。

請參照圖3，曲線310為對應於第一鏡頭10a的對焦值與對焦位置之間的關係曲線，而曲線320為對應於第二鏡頭10b的對焦值與對焦位置之間的關係曲線。在第一鏡頭10a以及第二鏡頭10b在進行全域最大值搜尋時，將分別以步距d1以及步距d2移動，其中d2>d1。換言之，第二鏡頭10b將以較快的速度完成全域性的搜尋，從而得知最大對焦值位於步數0與步數1之間的區域R1。另一方面，雖然第一鏡頭10a將以較慢的速度完成全域性的搜尋，從而得知最大對焦值對應於步數3所在的位置P1，然而第一鏡頭10a所取得的對焦位置較為精確。

請再參照圖2，當對焦模組126利用第二鏡頭10b取得對焦位置所在的對焦區域內時，利用第一鏡頭10a自對焦區域內取得對焦位置，據以取得新的對焦畫面(步驟S210)。如同圖3所述，雖然第二鏡頭10b會以較快的速度完成全域最大值搜尋，然而其係以較大的步距進行搜尋，因此僅能得知對焦位置所屬的區域內。若要取得較為精確的對焦位置，對焦模組126可在第二鏡頭10b取得對焦區域時，控制第一鏡頭10a至該對焦區域內來搜尋最大對焦值。

以下將列舉以第一鏡頭10a以及第二鏡頭10b執行自動對焦的實施例。為方便說明，在此將第二鏡頭10b執行全域最大值搜尋的程序定義為「快速粗略搜尋」(Fast Coarse Search)，而第一鏡頭10a執行全域最大值搜尋的程序定義為「精細搜尋」(Fine Search)。

圖4為根據本發明之一實施例所繪示的分別以第一鏡頭以及第二鏡頭執行自動對焦的示意圖。

請參照圖4，曲線410為對應於第一鏡頭10a的對焦值與對焦位置之間的關係曲線，而曲線420為對應於第二鏡頭10b的對焦值與對焦位置之間的關係曲線。在本實施例中，假設第一鏡頭10a以及第二鏡頭10b皆是自無限遠的位置開始進行對焦，拍攝場景位於無限遠處並且為偏暗的場景。假設第一鏡頭10a設定為15fps，而第二鏡頭10b設定為30fps。第二鏡頭10b找出具有最大對焦值的區域R2所需的步數為6，且共耗費200ms。第一鏡頭10a找出具有最大對焦值的對焦位置P2所需的步數為3，且共耗費333ms。

由於第一鏡頭10a以及第二鏡頭10b是同時啟動，並且第二鏡頭10b在執行快速粗略搜尋時，第一鏡頭10a同時開始在無限遠的位置執行精細搜尋。當第二鏡頭10b搜尋到區域R2(對焦區域)時，對焦模組126將會控制第一鏡頭10a直接於區域R2執行精細搜尋。此時，由於第一鏡頭10a已完成區域R2的搜尋，並且已得知最大對焦值對應於步數3所在的位置P2。換言之，第一鏡頭10a與第二鏡頭10b有200ms的搜尋時間是重疊的，因此在此拍攝場景下總共只耗費333ms。以傳統式的自動對焦而言，其係以單一鏡頭將接續執行快速粗略搜尋以及精細搜尋。假設該單一鏡頭設定為15fps，則將耗費733ms。因此本實施例所提出的自動對焦方法相較於傳統的方式減少了400ms的對焦時間，改善效率為54.5%。

圖5為根據本發明之一實施例所繪示的分別以第一鏡頭以及第二鏡頭執行自動對焦的示意圖。

請參照圖，曲線510為對應於第一鏡頭10a的對焦值與對焦位置之間的關係曲線，而曲線520為對應於第二鏡頭10b的對焦值與對焦位置之間的關係曲線。在本實施例中，假設第一鏡頭10a以及第二鏡頭10b皆是自無限遠的位置開始進行對焦，拍攝場景為近距物體並且為偏暗的場景。假設第一鏡頭10a設定為15fps，而第二鏡頭10b設定為30fps。第二鏡頭10b找出具有最大對焦值的區域R3所需的步數為6，且共耗費200ms。第一鏡頭10a找出具有最大對焦值的位置P3所需的步數為5，且共耗費333ms。

雖然第一鏡頭10a以及第二鏡頭10b是同時啟動，然而第二鏡頭10b在完成快速粗略搜尋時，第一鏡頭10a仍在無限遠的位置執行精細搜尋。此時，對焦模組126將會控制第一鏡頭10a移動至區域R3進行精細搜尋。因此，在此拍攝場景下總共耗費533ms。以傳統式的自動對焦而言，假設該單一鏡頭設定為15fps，則將耗費733ms。因此本實施例所提出的自動對焦方法相較於傳統的方式減少了200ms的對焦時間，改善效率為27.2%。

前述影像擷取裝置的自動變焦方法可利用圖6依據本發明一實施例所繪示的功能方塊圖來總結。

請參照圖6，首先，計算模組122計算曝光時間(步驟S602)。接著，判斷模組124判斷曝光時間是否大於時間門檻值(步驟S604)。當曝光時間不大於時間門檻值時，對焦模組126利用單一鏡頭執行傳統式的自動對焦方法(步驟S606)。當曝光時間大於時間門檻值時，對焦模組126將利用不同fps的雙鏡頭執行步驟S208以及S210所提出的自動對焦方法(步驟S608)。

綜上所述，本發明所提出的影像擷取裝置及其自動對焦方法，當偵測到環境亮度不足進而導致曝光時間較長時，將會利用雙鏡頭可個別控制對焦、影像擷取速度的特性，有效地加速自動對焦，以大幅提升使用者經驗。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

S202~S210‧‧‧自動對焦方法的流程

Claims

一種影像擷取裝置的自動對焦方法，適用於具有一第一鏡頭以及一第二鏡頭的一影像擷取裝置，該自動對焦方法包括：利用該第一鏡頭的一感光元件，計算一曝光時間；判斷該曝光時間是否大於一時間門檻值；當該曝光時間大於該時間門檻值時：設定該第一鏡頭的畫面更新率小於該第二鏡頭的畫面更新率；分別利用該第一鏡頭以一第一解析度與一第一步距以及該第二鏡頭以一第二解析度與一第二步距於一對焦範圍內同時執行全域最大值搜尋，其中該第一解析度大於該第二解析度，該第一步距小於該第二步距；以及當利用該第二鏡頭取得一對焦位置所在的一對焦區域內時，利用該第一鏡頭自該對焦區域內取得該對焦位置，據以取得一對焦畫面。
如申請專利範圍第1項所述的自動對焦方法，其中分別利用該第一鏡頭以該第一解析度與該第一步距以及該第二鏡頭以該第二解析度以及該第二步距同時執行全域最大值搜尋的步驟前，該自動對焦方法更包括：啟動該第二鏡頭；判斷該第二鏡頭與該第一鏡頭的規格是否相同；以及若是，調降該第二鏡頭的鏡頭解析度，以使該第二鏡頭的鏡頭解析度小於該第一鏡頭的鏡頭解析度。
如申請專利範圍第1項所述的自動對焦方法，其中利用該第一鏡頭自該對焦區域內取得該對焦位置，據以取得該新的對焦畫面的步驟包括：控制該第一鏡頭移動至該對焦區域，以於該對焦區域內搜尋該對焦位置。
如申請專利範圍第1項所述的自動對焦方法，更包括：當該曝光時間不大於該時間門檻值時，利用該第一鏡頭於該對焦範圍內執行一自動對焦程序，以取得另一對焦畫面。
一種影像擷取裝置，包括：一第一鏡頭；一第二鏡頭；一儲存單元，記錄多個模組；以及一或多個處理單元，耦接該第一鏡頭、該第二鏡頭以及該儲存單元，以存取並執行該儲存單元中記錄的所述模組，所述模組包括：一計算模組，利用該第一鏡頭的一感光元件，計算一曝光時間；一判斷模組，判斷該曝光時間是否大於一時間門檻值；以及一對焦模組，當該曝光時間大於該時間門檻值時，該對焦模組設定該第一鏡頭的畫面更新率小於該第二鏡頭的畫面更新率，並且分別利用該第一鏡頭以一第一解析度與一第一步距以及該第二鏡頭以一第二解析度與一第二步距於一對焦範圍內同時執行全域最大值搜尋，當該對焦模組利用該第二鏡頭取得一對焦位置所在的一對焦區域內時，利用該第一鏡頭自該對焦區域內取得該對焦位置，據以取得一對焦畫面，其中該第一解析度大於該第二解析度，該第一步距小於該第二步距。
如申請專利範圍第5項所述的影像擷取裝置，其中當該曝光時間大於該時間門檻值時，該對焦模組更啟動該第二鏡頭，該判斷模組判斷該第二鏡頭與該第一鏡頭的規格是否相同，若是，則該對焦模組調降該第二鏡頭的鏡頭解析度，以使該第二鏡頭的鏡頭解析度小於該第一鏡頭的鏡頭解析度。
如申請專利範圍第5項所述的影像擷取裝置，其中當該對焦模組利用該第二鏡頭取得該對焦位置所在的該對焦區域內時，該對焦模組控制該第一鏡頭移動至該對焦區域，以於該對焦區域內搜尋該對焦位置。
如申請專利範圍第5項所述的影像擷取裝置，其中當該曝光時間不大於該時間門檻值時，該對焦模組利用該第一鏡頭於該對焦範圍內執行一自動對焦程序，以取得另一對焦畫面。