TWI704808B - 用於監控場景之攝影機之聚焦 - Google Patents

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Abstract

具有日間與夜間功能性之一監控攝影機(100)之聚焦包括：基於該攝影機處於日間模式或夜間模式而選擇一聚焦日間模式或一聚焦夜間模式。在聚焦日間模式中，一IR雷射測距儀(110)將連續量測一參考距離，且在該聚焦夜間模式中，該IR雷射測距儀將僅回應於一聚焦觸發信號經啟動且在一預定時段期間量測參考距離。基於該經量測參考距離設定該攝影機之焦距。

Description

用於監控場景之攝影機之聚焦
本發明係關於監控攝影機之領域。特定言之，本發明係關於此一攝影機之聚焦。
監控攝影機用於室內及室外兩者之各種情形中。在許多情境中，能夠使攝影機快速聚焦使得可提供描繪一場景中之任何所關注物件之清晰且有用影像係有價值的。
用以設定監控攝影機之焦點之自動聚焦(autofocus或AF)方法可劃分為兩大類：被動AF方法及主動AF方法。一些常見被動AF方法係基於分析由攝影機針對聚焦透鏡系統之不同設定擷取之影像之對比度，且接著選擇給出最高(或至少一高)對比度值之一聚焦位置。亦存在基於偵測相位差(例如，使用專門設計的聚焦像素)之其他被動AF方法。
主動AF方法係基於使用一測距裝置(諸如一雷達或一雷射測距儀)對所監控場景中之一物件執行一距離量測。攝影機經設定以聚焦於由測距儀量測之距離上。主動AF方法通常遠比被動、基於對比度之AF方法更快，且其等在其中影像之對比度較低之一低光環境中亦更佳運作。
若使用一雷射測距儀，則在紅外(infrared,IR)光譜中操作之一低影響雷射係提供一具能量效率的且安全的選項之一常見選擇。由於監控攝影機已具備用 於濾除IR光之一濾光器(一所謂的IR截止濾光器)，故雷射可經使用而在由攝影機擷取之影像中不可見。
一些監控攝影機(諸如經設計以在室外設施或具有不良照明之室內環境中使用之監控攝影機)提供日間及夜間功能性兩者。當在日間模式中時，攝影機IR截止濾光器濾除IR光使得其並不會使如人眼看見之影像之色彩失真，但當攝影機處於夜間模式時，IR截止濾光器經移除，藉此容許攝影機之光敏度達到低至0.001 lux或更低。跨度自700nm直至約1000nm之近紅外光超出人眼可看見之範圍，但大多數攝影機感測器可偵測到近紅外光且利用近紅外光。
因此，當在日間模式中時，即，當場景中之光高於一特定位準時，攝影機傳遞彩色影像。在光減弱至低於該特定位準時，攝影機切換至夜間模式以利用近紅外(IR)光來傳遞高品質黑白影像。
然而，當具有日間與夜間功能性之一攝影機配備有使用一IR雷射測距儀之主動AF時，將存在當IR截止濾光器經移除時來自IR雷射之光在影像中可見之一問題。此容易藉由在攝影機在夜間模式中操作時撤銷啟動IR雷射測量儀而解決。然而，將期望以一不同方式解決此問題，此尤其因為(如上文提及)基於對比度量測之被動AF方法在低光環境中效率較低。
鑒於上文，因此本發明之一目的係提供一種使一攝影機聚焦之方法，該方法實現針對具有日間與夜間功能性之一攝影機使用主動AF。
根據本發明之一第一態樣，藉由一種使監控一場景之一攝影機聚焦之方法達成上述目的，該攝影機可在一日間模式及一夜間模式中操作，其中一紅外(IR)截止濾光器在該日間模式中阻止IR光到達該攝影機，且在該 夜間模式中容許IR光到達該攝影機，其中該方法包括i)接收關於該攝影機是在該日間模式還是該夜間模式中操作之輸入，ii)若該攝影機在該日間模式中操作，則選擇一聚焦日間模式，且若該攝影機在該夜間模式中操作，則選擇一聚焦夜間模式，其中a)該聚焦日間模式包括：控制一IR雷射測距儀以連續量測一參考距離，及b)該聚焦夜間模式包括：控制該IR雷射測距儀以僅回應於一聚焦觸發信號經啟動且在一預定時段期間量測該參考距離，iii)基於該經量測參考距離設定該攝影機之焦距。
以此方式，可在該攝影機之日間操作及夜間操作兩者期間利用藉由使用IR雷射測距儀之主動AF，而IR光不會以任何主要方式影響由該攝影機擷取之影像。此繼而極大地加快亦在夜間時間期間達成正確聚焦之時間。
該方法可進一步包括以下步驟：量測該場景之一光度，且若該光度高於一預定臨限值，則該攝影機可經控制以在該日間模式中操作，且若該光度低於該預定臨限值，則在該夜間模式中操作。
可藉由估計由該攝影機擷取之影像之亮度或藉由一測光儀執行對該場景中之該光度之一量測而量測該光度。以此方式，該攝影機可接收相關輸入以選擇一正確操作模式，以在變化的光條件中擷取高品質影像。
該IR雷射測距儀可藉由發射具有900nm至910nm之一波長、且較佳具有905nm之一波長之IR雷射脈衝而量測該參考距離。使用IR光譜之此部分有助於確定雷射將不會發射任何有害輻射，同時仍容許該雷射測距儀能夠在大多數常見監控情形中所關注之距離範圍內執行距離量測。又，使 用IR光顯然意謂在日間模式期間，雷射光在由該攝影機擷取之影像中將不可見。
在聚焦夜間模式期間，期間該雷射測距儀量測該參考距離之該預定時段可為0.1秒至0.5秒。在此時間期間，該雷射測距儀通常將能夠發現一參考距離，但對由該攝影機擷取之影像之影響將微乎其微。使用此一短時段亦意謂該攝影機在此一短時段期間將沒時間開始基於所擷取之影像調適用於影像擷取及影像編碼之參數。
該攝影機可視情況丟棄在該預定時段期間擷取之影像。作為一實例，該攝影機可代替性地使用恰在該預定時段開始之前擷取之一影像。來自該攝影機之該影像將看似靜止(frozen)，但由於其將僅存在一極短時間，故一觀看者將幾乎不會注意到該影像。此進一步降低該攝影機基於影像(包含來自該IR雷射測距儀之光)調適用於影像擷取及影像編碼之任何參數之風險。
聚焦觸發信號啟動可基於以下之一或多者：指示該攝影機之一移動之一停止之輸入；來自一使用者介面之請求該攝影機之重新聚焦之輸入；來自一影像分析儀之指示該場景中之一預定變化之輸入；及來自經組態以根據一預定時間排程觸發該攝影機之重新聚焦之一重新聚焦排程單元之輸入。
指示該攝影機之一移動之一停止之該輸入繼而可包括以下之一或多者：自一攝影機移動感測器、較佳自一加速度計及一陀螺儀感測器之一或多者接收指示該攝影機之一移動已停止之輸入；自一搖攝傾斜馬達接收指示該攝影機之一搖攝傾斜移動已停止之輸入；自一影像分析儀接收指示該攝影機相對於該場景停止移動之輸入。
全部此等選項係其中高度可能需要調整攝影機之焦點且其中能夠使用IR雷射測距儀來獲得一參考距離有價值之情境之實例。容易基於已經可用或容易提供之攝影機功能及特徵發現各種輸入。
該聚焦方法可包括基於對由該攝影機擷取之影像之對比度量測執行對該攝影機之該焦距之一調整。換言之，一被動、基於對比度之AF演算法可用以基於根據藉由該雷射測距儀之參考距離量測設定之該焦距而進一步細化該攝影機之焦點設定。由於此等被動、基於對比度之聚焦方法將給出一更精確焦點設定，故此步驟將改良清晰度，且藉此甚至進一步改良由該攝影機擷取之影像之品質。
根據本發明之一第二態樣，藉由一種經配置以監控一場景之攝影機實現上述目的，該攝影機包括一紅外(IR)截止濾光器，其經配置以在一日間模式中阻止IR光到達該攝影機，且經配置以在一夜間模式中容許IR光到達該攝影機，一聚焦單元，其用於設定該攝影機之一焦距，該聚焦單元包括一IR雷射測距儀，其中該聚焦單元經配置以接收關於該攝影機是在該日間模式還是該夜間模式中操作之輸入，及，若該攝影機在該日間模式中操作，則選擇一聚焦日間模式，且若該攝影機在該夜間模式中操作，則選擇一聚焦夜間模式，其中在該聚焦日間模式中，該聚焦單元經配置以控制該IR雷射測距儀以連續量測一參考距離，及在該聚焦夜間模式中，該聚焦單元經配置以控制該IR雷射測距儀以 僅回應於一聚焦觸發信號經啟動且在一預定時段期間量測該參考距離，基於該經量測參考距離設定該攝影機之該焦距。
該攝影機可進一步包括一搖攝傾斜馬達，該搖攝傾斜馬達經配置以使該攝影機移動，使得該攝影機之視野在一搖攝方向及一傾斜方向之至少一者上移動。
該第二態樣可大體上具有與該第一態樣相同之特徵及優點。進一步應注意，除非另有明確陳述，否則本發明係關於全部可能特徵組合。
一般而言，除非本文中另有明確定義，否則技術方案中所使用之全部術語應根據其等在技術領域中之普通含義進行解釋。除非另有明確陳述，否則對「一/一個/該[單元、事件、信號、步驟等]」之全部引用應公開解釋為指代所述單元、事件、信號、步驟等之至少一例項。
100:監控攝影機
102:影像擷取單元
104:影像處理單元
106:聚焦單元
108:影像感測器
110:紅外(IR)雷射測距儀
112:紅外(IR)截止濾光器
114:搖攝傾斜馬達
116:測光儀
200:方法
202:步驟/接收關於攝影機是在日間模式還是夜間模式中操作之輸入
204:步驟/若攝影機在日間模式中操作，則選擇聚焦日間模式
206:步驟/若攝影機在夜間模式中操作，則選擇聚焦夜間模式
208:步驟/控制IR雷射測距儀以連續量測參考距離
210:步驟/控制IR雷射測距儀以僅回應於聚焦觸發信號經啟動且在預定時段期間量測參考距離
212:步驟/基於經量測參考距離設定攝影機之焦距
參考隨附圖式、透過本發明之較佳實施例之以下闡釋性及非限制性詳細描述將更佳理解本發明之上述以及額外目的、特徵及優點，在隨附圖式中，相同元件符號將用於類似元件，其中：圖1繪示配備有一雷射測距儀及一IR截止濾光器之一攝影機，及圖2繪示使一攝影機聚焦之一方法。
現將在下文中參考其中展示本發明之實施例之隨附圖式來更全面描述本發明。將在操作期間描述本文中揭示之系統及裝置。
圖1示意性地繪示一監控攝影機100。攝影機經配置以監控一場景，且其包括一影像擷取單元102及一影像處理單元104。藉由影像處理單元104處理由影像擷取單元102擷取之影像。影像處理單元104可經配置以提 供對影像之雜訊濾波及其他增強，以及執行影像分析(諸如視訊運動偵測)及影像之編碼。影像處理單元之元件可具體實施於軟體或硬體中。
影像擷取單元102包括一聚焦單元106及一影像感測器108。聚焦單元包括一IR雷射測距儀110。亦提供一或多個聚焦透鏡(為簡單起見並未展示)。聚焦單元進一步包括具體實施於軟體或硬體中以控制聚焦單元之操作之元件。
影像擷取單元亦包含一IR截止濾光器112。IR截止濾光器係濾除紅外(IR)光之一光學濾光器。IR截止濾光器112處之兩端箭頭代表其可在一第一位置(該處其阻止IR光到達攝影機或更精確而言影像感測器108)與一第二位置(該處其容許IR光到達攝影機或更精確而言影像感測器108)之間移動。在圖1中，IR截止濾光器112被繪示為放置在聚焦單元106前面，但在其他組態中，IR截止濾光器可放置於聚焦單元106與影像感測器108之間。代替在一阻擋位置與一非阻擋位置之間實體地移動之一濾光器，IR截止濾光器亦可實施為可電子控制以容許選定波長通過或不通過之一可調諧光學濾光器。
攝影機100具有日間與夜間功能性，即，其可在一日間模式及一夜間模式中操作。當攝影機在日間模式中操作時，IR截止濾光器將阻止IR光到達攝影機，此意謂由攝影機傳遞之影像將不會視覺化任何IR輸入。另一方面，在夜間模式中，IR濾光器將經設定以容許IR光到達攝影機，藉此使攝影機能夠傳遞包含IR輸入之影像。如先前提及，在夜間模式中，攝影機遠更光敏感，但另一方面將僅傳遞黑白影像。
攝影機通常將能夠基於場景中之光量而在日間模式與夜間模式之間自動切換，使得當光量高於一臨限值時將選擇日間模式，且否則將選擇夜 間模式。可基於經擷取影像之亮度判定場景中之光量，該亮度通常係由影像處理單元判定，或藉由使用一專用測光儀量測光度而判定。測光儀可為攝影機之部分(諸如藉由測光儀116示意性地繪示)或在攝影機外部(例如，放置於所監控場景之一相關部分中)。亦可提供在日間模式與夜間模式之間切換之其他手段，諸如基於一預定義排程、使用者輸入或其他事件而切換模式。
聚焦單元106經配置以通常藉由使一或多個聚焦透鏡移動以設定容許攝影機擷取場景或場景之至少選定部分之清晰影像之一焦距而使攝影機聚焦。如先前論述，一攝影機可使用一被動(諸如一基於對比度之)聚焦方法或一主動聚焦方法或兩者之一組合。在本申請案中，攝影機配備有一IR雷射測距儀110，該IR雷射測距儀110藉由發射IR雷射脈衝且量測反射脈衝之行進時間而量測距場景中之一物件之一參考距離。接著，藉由聚焦單元使用參考距離來設定焦距。聚焦單元中對聚焦透鏡之設定與焦距具有一預定關係，且聚焦透鏡之位置通常經調整使得將焦距設定為參考距離。
應注意，IR雷射測距儀110通常經設定以將雷射脈衝發射朝向場景在攝影機之當前視野之中心區域中之部分，此係因為此通常將為一使用者最為關注之場景之部分。用於IR雷射脈衝之一常見波長選擇係900nm至910nm，其中905nm係最常見選擇。
基於攝影機是在日間模式還是夜間模式中操作，聚焦單元選擇一聚焦日間模式或一聚焦夜間模式以進行其操作。在聚焦日間模式中，IR雷射測距儀將連續量測參考距離，使得攝影機能夠連續地基於經量測參考距離設定一焦距。聚焦單元亦可圍繞基於參考距離設定之焦距執行一額外聚焦細化。此可基於一被動AF方法，諸如在略微不同之焦距處取得之影像之 對比度量測。
當攝影機在夜間模式中操作時，聚焦單元將選擇聚焦夜間模式。在此模式中，雷射僅在一預定時段期間且回應於一聚焦觸發信號而操作。當預定時段結束時，且只要未啟動新的聚焦觸發信號，IR雷射測距儀便將不會發射任何雷射脈衝，即，攝影機聚焦單元將不會自IR雷射測距儀接收任何新的參考距離，直至聚焦觸發信號再次啟動。
操作IR雷射測距儀之此方式將意謂來自雷射之IR光對經擷取影像將具有儘可能小的影響，同時與僅使用一被動、基於對比度之AF方法相比，在高度可能需要攝影機之一重新聚焦時之一情境中仍保持攝影機之一遠更快聚焦之優點。在聚焦夜間模式中用於量測參考距離之預定時段較佳極短，諸如0.1秒至0.5秒。在30fps之一圖框速率下，接著IR光將僅存在於3個至15個影像圖框(換言之極少量圖框)中。
作為一選項，攝影機可經設定以丟棄在IR雷射發射雷射脈衝時之時段期間擷取之影像圖框。接著，自攝影機發送之影像串流在一極短時間內將看似靜止，此很可能將不會被一使用者注意到。攝影機可例如經設定以僅僅重新發送恰在預定時段開始之前擷取之一影像圖框。
攝影機100進一步包含一搖攝傾斜馬達114，該搖攝傾斜馬達114經配置以使攝影機100移動，使得攝影機之視野在一搖攝(通常水平)或傾斜(通常垂直)方向之至少一者上移動。搖攝傾斜馬達之控制可例如經由其中一使用者可引導攝影機觀看場景之一選定部分之一使用者介面發生。另一選項係控制搖攝傾斜馬達經控制以使攝影機之視野根據一預定義巡查(諸如在複數個預設位置之間)或根據任何其他類型之預排程指令移動。搖攝傾斜馬達亦可經設定以使攝影機基於來自一外部感測器(諸如偵測場景之一 部分中之移動之一PIR感測器)之一觸發移動。
聚焦觸發信號可基於攝影機之一移動(通常攝影機之視野在一搖攝方向或傾斜方向之至少一者上之一移動)停止而啟動。一常見情境係搖攝傾斜馬達已使攝影機移動且接著停止，使得視野覆蓋場景之一新部分。來自移動之前之焦點設定在此情境中通常不再正確，即，攝影機傳遞不清晰的影像。在此情境中，快速重新獲得焦點係重要的，且因此一聚焦觸發信號可在偵測到搖攝傾斜馬達之移動已停止時啟動。因此，聚焦觸發信號可基於指示攝影機之一移動(通常一搖攝傾斜移動)已停止之輸入。接著，IR雷射測距儀在預定時段期間快速量測一參考距離且使用此距離來設定焦距。接著，可發生一額外被動、基於對比度之聚焦。
雖然歸因於可用之短時間，由IR雷射測距儀達成之參考距離可能係一不完美的參考距離量測，但與基於僅使用一基於對比度之AF方法設定焦點時之情境相比，具有任何參考距離量測將極大地縮短達成一清晰影像之時間。能夠基於此可能不完美的參考距離設定一近似正確焦距在其中場景中之強光源將使基於對比度之聚焦幾乎不可能之一情境中亦將為一大的優點。
可自搖攝傾斜馬達自身(諸如自搖攝傾斜馬達之一控制器)接收關於搖攝傾斜馬達停止移動之輸入，但亦可藉由感測攝影機之移動之一移動感測器(例如，一加速度計或一陀螺儀感測器)偵測此移動及其中止。另一選項係使用來自影像處理單元(更詳細而言來自影像之一分析)之輸入來判定是否存在攝影機相對於場景之一移動及此一移動是否已停止。影像處理單元執行此一分析之部分可表示為一影像分析儀且可實施於硬體或軟體中，且可例如基於複數個連續影像圖框之間的一比較來判定移動及移動之中止。
亦可使用除指示攝影機停止移動之輸入外之其他輸入來啟動聚焦觸發信號。可自其中一使用者可鍵入使攝影機重新聚焦之一請求之一使用者介面接收輸入。另一選項係聚焦觸發信號基於對場景之影像之一分析指示某種預定變化或事件已發生而啟動。影像處理單元可再次使用表示為一影像分析儀之一單元來執行此分析以偵測此變化或事件。此單元可實施於硬體或軟體中，且可為或可並非用以偵測攝影機相對於場景停止移動之相同單元。預定變化可為例如一物件進入場景中當前未聚焦之一部分中。亦可使用額外輸入來啟動聚焦觸發信號，諸如來自攝影機外部之一感測器(例如，偵測一物件之移動之一PIR感測器)之輸入。
圖2繪示根據本發明之實施例之一方法200。在步驟202中，接收指示攝影機是處於日間模式還是夜間模式之輸入。若攝影機處於日間模式，則在步驟204中選擇一聚焦日間模式，且若攝影機處於夜間模式，則在步驟206中選擇一聚焦夜間模式。若選擇聚焦日間模式，則在步驟208中，IR雷射測距儀將連續量測一參考距離，且若選擇聚焦夜間模式，則在步驟210中，IR雷射測距儀將僅回應於一聚焦觸發信號經啟動且在一預定時段期間量測參考距離。最後，在步驟212中，將基於經量測參考距離設定攝影機之焦距。如上文提及，亦可發生藉由一被動、基於對比度之AF方法細化攝影機之焦點設定之一額外步驟。
將瞭解，熟習此項技術者可以許多方式修改上文描述之實施例且仍使用如上文實施例中展示之本發明之優點。因此，本發明不應限於所展示之實施例而是應僅由隨附申請專利範圍定義。另外，如熟習此項技術者理解，可組合所展示之實施例。
100‧‧‧監控攝影機
102‧‧‧影像擷取單元
104‧‧‧影像處理單元
106‧‧‧聚焦單元
108‧‧‧影像感測器
110‧‧‧紅外(IR)雷射測距儀
112‧‧‧紅外(IR)截止濾光器
114‧‧‧搖攝傾斜馬達
116‧‧‧測光儀

Claims (13)

  1. 一種使監控一場景之一攝影機聚焦之方法，該攝影機可在一日間模式及一夜間模式中操作，其中一紅外(infrared,IR)截止濾光器(cut filter)在該日間模式中阻止IR光到達該攝影機，且在該夜間模式中容許IR光到達該攝影機，其中該方法包括：i)接收關於該攝影機是在該日間模式還是該夜間模式中操作之輸入，ii)若該攝影機在該日間模式中操作，則選擇一聚焦日間模式，且若該攝影機在該夜間模式中操作，則選擇一聚焦夜間模式，其中a)該聚焦日間模式包括：控制一IR雷射測距儀(range meter)以連續量測一參考距離，及b)該聚焦夜間模式包括：控制該IR雷射測距儀以僅回應於一聚焦觸發信號經啟動且在一預定時段期間量測該參考距離，iii)基於該經量測參考距離設定該攝影機之焦距。
  2. 如請求項1之方法，其進一步包括以下步驟：量測該場景之一光度，且若該光度高於一預定臨限值，則控制該攝影機以在該日間模式中操作，且若該光度低於該預定臨限值，則在該夜間模式中操作。
  3. 如請求項2之方法，其中藉由估計由該攝影機擷取之影像之亮度或藉由一測光儀執行對該場景中之該光度之一量測而量測該光度。
  4. 如請求項1之方法，其進一步包括：該IR雷射測距儀藉由發射具有900nm至910nm之一波長之IR雷射脈衝而量測該參考距離。
  5. 如請求項1之方法，其中該預定時段係0.1秒至0.5秒。
  6. 如請求項1之方法，其進一步包括：該攝影機丟棄(discard)在該預定時段期間擷取之影像。
  7. 如請求項1之方法，其進一步包括基於以下之一或多者啟動該聚焦觸發信號之步驟：指示該攝影機之一移動之一停止之輸入，來自一使用者介面之請求該攝影機之重新聚焦之輸入，來自一影像分析儀之指示該場景中之一預定變化之輸入，及來自經組態以根據一預定時間排程觸發該攝影機之重新聚焦之一重新聚焦排程單元之輸入。
  8. 如請求項7之方法，其中基於指示該攝影機之一搖攝傾斜移動(pan-tilt movement)之一停止之輸入而啟動該聚焦觸發信號之該步驟包括以下之一或多者：自一攝影機移動感測器接收指示該攝影機之一移動已停止之輸入，自一搖攝傾斜馬達接收指示該攝影機之一移動已停止之輸入，自一影像分析儀接收指示該攝影機相對於該場景停止移動之輸入。
  9. 如請求項1之方法，其進一步包括：基於對由該攝影機擷取之影像之對比度量測執行對該攝影機之該焦距之一調整。
  10. 如請求項4之方法，其中該IR雷射測距儀藉由發射具有905nm之一波長之IR雷射脈衝而量測該參考距離。
  11. 如請求項8之方法，其中自該攝影機移動感測器接收指示包括自一加速度計(accelerometer)及一陀螺儀感測器(gyro sensor)之一或多者接收指示。
  12. 一種經配置以監控一場景之攝影機，其包括一紅外(IR)截止濾光器，其經配置以在一日間模式中阻止IR光到達該攝影機，且經配置以在一夜間模式中容許IR光到達該攝影機，一聚焦單元，其用於設定該攝影機之一焦距，該聚焦單元包括一IR雷射測距儀，其中該聚焦單元經配置以：接收關於該攝影機是在該日間模式還是該夜間模式中操作之輸入，及，若該攝影機在該日間模式中操作，則選擇一聚焦日間模式，且若該攝影機在該夜間模式中操作，則選擇一聚焦夜間模式，其中在該聚焦日間模式中，該聚焦單元經配置以控制該IR雷射測距儀連續量測一參考距離，及在該聚焦夜間模式中，該聚焦單元經配置以控制該IR雷射測 距儀僅回應於一聚焦觸發信號經啟動且在一預定時段期間量測該參考距離，基於該經量測參考距離設定該攝影機之該焦距。
  13. 如請求項12之攝影機，其進一步包括一搖攝傾斜馬達，該搖攝傾斜馬達經配置以使該攝影機移動，使得該攝影機之一視野在一搖攝方向及一傾斜方向之至少一者上移動。
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