CN100589021C - 一种自动对焦的方法及图像采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动对焦方法和具有自动对焦功能的图像采集设备。本发明提出的自动对焦方法，包括：采集包含有预定物体的图像，自动分析图像获得物体像的实际尺度，进一步提供物体的实际尺度，感光器件成像平面距离成像透镜的距离，计算对应物距下的准确对焦焦距估计值，调整焦距调节装置，使得该图像采集装置的焦距达到所述准确对焦焦距估计值。本发明通过估计准确对焦焦距位置，并直接将焦距调到该估计位置，大大缩短了调节时间，从而避免了现有技术存在的处理速度慢的缺点。

Description

一种自动对焦的方法及图像采集装置

技术领域

本发明涉及一种自动对焦的方法，特别是涉及一种基于人脸检测的自动对焦方法以及图像采集装置。

背景技术

对于图像采集设备而言，需要拍摄的物体和采集设备的距离常常处于一种变动状态，为了拍摄清晰的图像，必须根据被摄物相对采集设备的距离调整焦距。这个自动调整焦距获得清晰图像的过程称为自动对焦。

一般的对焦算法都采用在焦距的所有可调范围内，采集图像并进行分析，得到每个位置的清晰度的评估值，并计算最大评估值对应的位置，将焦距调整到该位置，获得清晰的图像。

而一般而言，镜头焦距的调节范围比较广，而且，焦距调节机构为机械装置，对所有位置都进行图像采集分析，需要较长的时间，尤其对于快速变化的物体，聚焦过程显得过于繁琐。

发明内容

本发明实施例提供了一种基于人脸检测的自动对焦方法以及图像采集装置，该方法通过人脸检测获取人脸区域尺度，进而计算准确对焦焦距估计值，最后调节焦距至所述准确对焦焦距估计值使得成像清晰，从而提出了一种处理速度更快的自动对焦方法以及图像采集装置。

本发明实施例提供了一种用于图像采集装置的自动对焦方法，其中该图像采集装置包括至少一个用于成像的透镜，至少一个用于调焦的透镜，一感光器件，一焦距调节装置，该方法的特征在于：预设物体实际尺度以及所述感光器件成像平面距离成像透镜的距离，采用如下方式获得物体在感光器件上所成像的实际尺度：采集包含所述物体的图像；采用图像自动分析方式得到物体所成像的像素尺度；预设感光器件的实际尺度以及所述尺度对应的像素分辨率，根据所述感光器件的实际尺度和所述像素分辨率以及所述物体像的像素尺度计算物体像的实际尺度为：感光器件的实际尺度乘以所述物体像的像素尺度，然后除以感光器件的所述像素分辨率；根据所述物体实际尺度，所述物体在感光器件上所成像的实际尺度，所述感光器件成像平面距离成像透镜的距离，计算成像平面距离成像透镜距离与物体实际尺度之积除以物体实际尺度与所成像实际尺度之和作为准确对焦焦距估计值(FF)；调节焦距调节装置使得焦距达到所述计算的准确对焦焦距估计值，完成自动对焦过程。

本发明实施例提供的一种图像采集装置包括：

至少一个用于成像的透镜；至少一个用于调焦的透镜；一感光器件；一焦距调节装置，用于调节该所述调焦透镜，其中该图像采集装置还包括一焦距估计单元，分别与该感光器件和焦距调节装置相联系，用于将所计算估计的准确对焦焦距提供给该焦距调节装置以完成自动对焦，其中该估计单元根据物体实际尺度，物体在感光器件上所成像的实际尺度，感光器件成像平面距离成像透镜的距离，计算成像平面距离成像透镜距离与物体实际尺度之积除以物体实际尺度与所成像实际尺度之和作为准确对焦焦距估计值(FF)；其中该物体在感光器件上所成像的实际尺度是通过该感光器件所采集到的包含所述物体的图像，采用图像自动分析方式得到该物体所成像的像素尺度，并根据预设的感光器件的实际尺度和所述尺度对应的像素分辨率以及分析得到的所述物体像的像素尺度计算物体像的实际尺度为：感光器件的实际尺度乘以所述物体像的像素尺度，然后除以感光器件的所述像素分辨率。

根据本发明的方法，本发明首先估计准确对焦焦距位置，并直接将焦距调到估计位置，大大缩短了调节时间，从而避免了现有技术存在的分析所有可能焦距范围带来的计算量大，反应慢的缺点。特别的是，本发明通过利用人脸像的归一化尺度消除了数字分辨率对结果的影响。

附图说明

图1显示的是图像采集装置的成像原理图；

图2显示的是本发明的能够自动对焦的图像采集装置的一个实施例，其中包含一焦距估计单元；

图3显示的是本发明的能够自动对焦的图像采集装置的又一个实施例，其中包含一用于多轮调焦的控制单元；

图4显示的是本发明的能够自动对焦的图像采集装置的又一个实施例，其中包含一清晰度评估单元。

具体实施方式

下文将详细描述本发明。

得到广泛应用的图像采集装置包括一用于成像的镜头；一感光器件，其中感光器件具有预定的面积U×V和分辨率W×N，和一焦距调节装置。

图像采集设备的成像原理大都符合凸透镜成像的原理。参照图1，根据凸透镜成像的原理，一个具有高度H的实物12在经过具有焦距f的凸透镜10聚焦后会形成倒像14，该倒像14的高度是h。其中，实物12到凸透镜10的距离A称为物距，而像14至透镜10的距离a称为像距。

那么，根据凸透镜成像的原理，焦距f与物距A和像距a应当满足下列关系式：

$\frac{1}{A}+\frac{1}{a}=\frac{1}{f},$ (公式1)

对图像采集设备而言，其所成为实像，根据图1所示光线的几何关系，可以知道存在关系：

$\frac{H}{h}=\frac{A}{a}$ (公式2)

根据公式2，得到将其带入到公式1，得到：

$f=\frac{a*H}{h+H}$ (公式3)

对于焦距可以调节的成像设备而言，可以认为其成像透镜到感光器件的距离DLS不变，而通过调节改变调焦透镜的位置，来改变焦距，使得像成在感光器件的成像平面处，从而得到物体清晰的像，所以，正确对焦(或者称作清晰对焦)情况下，像距a等于DLS。

一种估计正确对焦情况下焦距的方法为，得到成像透镜距离感光器件的距离DLS，物体的实际尺度H，物体所成像的实际尺度h，根据公式(3)可知：

$\mathrm{FF}=\frac{\mathrm{DLS}*H}{h+H}$

计算得到正确对焦情况下焦距。控制焦距调节装置调节调焦透镜位置，使得透镜焦距为FF，则达到正确对焦状态。

物体的实际尺度可以根据经验获得，而物体像的实际尺度则需要采集包含物体图像，并进行自动图像分析得到物体像的实际大小的方式获得。

本说明书和权利要求中提到的实际尺度，就是指物体的物理尺度，包括物体的长、宽和高，单位为长度计量单位。

图像采集设备中最常出现的物体是人，而且，不同人间的尺度比较接近。尤其是人脸不仅仅是图像采集设备中最常出现的物体，而且，人脸在图像中所占面积一般会比较大，而且，对人脸的自动图像分析方法取得了很多已有成果，能够达到实际应用的要求。

通常，普通人的脸部尺度近似相同，例如用AHF表示人脸的实际尺度。假定某时刻感光器件上人脸所成的像的尺度为hF，此刻，我们希望将焦距f调节到FF，使得像距a为DLS，即像平面和感光器件位置相同。根据公式3得到此时的FF为：

$\mathrm{FF}=\frac{\mathrm{DLS}*\mathrm{AHF}}{\mathrm{AHF}+\mathrm{hF}}$ (公式4)

确定人脸像的尺度需要采用人脸检测等技术。人脸检测是一项现有成熟技术，此处不再赘述。利用人脸检测技术可以检测到人脸的尺度(包括宽度和高度)和位置(包括中心点横坐标和纵坐标)。宽度和高度都可以用来衡量人脸的实际尺度和人脸像的尺度。下面以人脸作为物体为例介绍获得正确对焦焦距的方法。

图像采集设备一般采用数字方式，即采用一个二维矩阵来表示离散化的物象。对于一个分辨率为WxN的感光器件，相当于将物象离散化为WxN的矩阵。在图像数字化过程中，假定感光器件的面积为UxV，如果分辨率为WxN(应该满足U/W＝V/N)，则单位尺度上的象素数为U/W。我们所采用的数字化图像采集设备，用二维矩阵来表示一副图像。对于图像上的每一个点，都有一个数字化的坐标(x，y)对应。例如对于一个640x480分辨率的图像，某点的坐标位置满足{(x，y)|x＞＝0&&x＜640，y＞＝0&&y＜480}。人脸检测算法对感光器件所成图像进行分析，得到人脸的宽度PFW和高度PFH以及中心点横坐标PFX和中心点纵坐标PFY，人脸宽度高度和中心点横纵坐标的单位均为像素，可以得到人脸像的实际宽度FW和实际高度FH分别为：

$\mathrm{FW}=\frac{U}{W}*\mathrm{PFW}$ (公式5)

$\mathrm{FH}=\frac{V}{N}*\mathrm{PFH}$ (公式6)

其中，U为感光器件的水平实际尺度，V为感光器件的垂直实际尺度，W为感光器件的水平分辨率，N为感光器件的垂直分辨率。

在本发明中，将物体像在传感器上成像所占的像素数目称为物体像的像素尺度。

以人脸宽度为人脸尺度的度量值，此时，hF为FW，根据公式4和公式5，得到正确对焦情况下的焦距为：

$\mathrm{FF}=\frac{\mathrm{DLS}*\mathrm{AFW}}{\mathrm{AFW}+U*\frac{\mathrm{PFW}}{W}}$ (公式7)

或者，以人脸高度为人脸尺度的度量值，此时，hF为FH，根据式4和式6，得到正确对焦情况下的焦距为：

$\mathrm{FF}=\frac{\mathrm{DLS}*\mathrm{AFH}}{\mathrm{AFH}+V*\frac{\mathrm{PFH}}{N}}$ (公式8)

根据本发明的方法，首先，可通过成像模块摄取一图像，并自动分析图像获得人脸像大小。

接下来，根据感光器件的分辨率(W×N)，计算该人脸像的归一化像素尺度。本发明通过下列关系式来定义人脸像的归一化像素尺度：

$\mathrm{NPFW}=\frac{\mathrm{PFW}}{W}$ (公式9)

$\mathrm{NPFH}=\frac{\mathrm{PFH}}{N}$ (公式10)

其中，NPFW表示为人脸像的归一化像素宽度，NPFH表示为人脸像的归一化像素高度，并且感光器件的分辨率W和N可以软件设置调节。

将求取的人脸的归一化像素尺度(公式9和10)和根据经验所得出的人脸尺度代入到公式7或者8从而消除数字分辨率对结果的影响，即焦距FF可以采用下列公式计算得到：

以人脸宽度为人脸尺度的度量值，根据公式7和公式9，得到正确对焦情况下的焦距为：

$\mathrm{FF}=\frac{\mathrm{DLS}*\mathrm{HFW}}{\mathrm{HFW}+U*\mathrm{NPFW}};$ (公式11)

以人脸高度为人脸尺度的度量值，根据公式8和公式10，得到正确对焦情况下的焦距为：

$\mathrm{FF}=\frac{\mathrm{DLS}*\mathrm{HFH}}{\mathrm{HFH}+V*\mathrm{NPFH}}.$ (公式12)

不同人之间的人脸尺度虽然接近，但依然有所区别，进一步，可以采用多个人的平均人脸尺度作为物体实际尺度的衡量值。假定得到的人脸平均宽度为AAFW，人脸的平均高度为AAFH，则准确对焦的焦距为：

$\mathrm{FF}=\frac{\mathrm{DLS}*\mathrm{AAFW}}{\mathrm{AAFW}+U*\mathrm{NPFW}},$ (公式13)

或

$\mathrm{FF}=\frac{\mathrm{DLS}*\mathrm{AAFH}}{\mathrm{AAFH}+V*\mathrm{NPFH}}.$ (公式14)

根据公式4的物理含义，进一步推广公式13和14，可知正确对焦焦距为：

$\mathrm{FF}=\frac{\mathrm{DLS}*\mathrm{AAS}}{\mathrm{AAS}+S*\mathrm{NPS}},$ (公式15)

其中DLS为成像透镜到感光器件的实际距离，AAS为物体的实际尺度，NPS为该物体在图像中所成像的归一化尺度，S为成像传感器在该尺度方向上的尺度。尺度可以为宽度或者高度。

人脸像的宽度或者高度可以采用人脸检测的方法确定，也可以采用其他方式确定。比如可以采用双眼区域检测的方式，采用双眼区域的宽度作为人脸像的宽度。

此外，所述物体的尺度可以定义为物体上部分区域的尺度。对于人脸而言，可以采用人脸上任意两个点之间的距离来确定，可行的方式为采用人脸上两两特征点连线组成一个物体，所述特征点包括左右眼中心点，左右眼角点，嘴巴中心点，嘴巴左右角点，眉毛左右边缘点，鼻尖点，鼻孔点，脸部轮廓特征点，上述脸部特征点定位方法有很多现有技术可以利用，比如采用主动形状模型(ASM)等可以定位脸部特征点位置，从而能够自动得到人脸部分组成的物体像的尺度。

双眼区域检测方法和人脸特征点定位方法均为现有技术。

最后，调整该焦距调节装置，使得该图像采集装置镜头的焦距到该准确对焦的焦距位置。

图2显示了上述方法对应的图像采集装置20的结构图，镜头22将实际的物体(未示出)成像在感光器件24，感光器件24上感应的信号经过AD转换传输到焦距估计单元26，该单元对图像进行分析，得到人脸的归一化像素尺度，并计算准确对焦焦距估计值，再控制焦距调节机构28调节镜头焦距到准确对焦位置。

进一步，为了能够控制调焦结构将焦距调节到某目标值，一种可行实施方案为记录焦距和焦距调节装置控制参数的对应关系，称为焦距调节参数查找表。首先，根据焦距估计单元估计得到的正确对焦位置对应的焦距，查找焦距调节参数查找表得到正确对焦位置对应的调节参数，并根据该控制参数控制焦距调节装置将焦距调节到某目标值。

需要指出，当调节调焦透镜时，物距发生了变化，这个变化会影响到上述计算得到的准确对焦位置的焦距的准确度。尤其当准确对焦位置距离当前焦距位置很远时，误差更大。为了克服这一误差的影响，本发明还能够进一步通过多轮调节的方式。如图3所示的是本发明的图像采集装置30包括一个与感光器件34和焦距估计单元36相联系的多轮调节装置38，设置有一控制单元38a和一个计数器38b。其中计数器38b，用于记录循环的次数；该控制器38a，通过计算相邻两次焦距调节的计算焦距估计值之差，并且根据焦距估计值之差和计数器计数结果，判定是否完成对焦。

根据本发明的图像装置30，可以进一步采用如下多轮调节方式：

设定焦距初始值FF₀为0，并且预定一循环调节次数的门限T；

对t＝1到T，循环进行下列操作：

第一步，采集图像并进行分析，计算估计此物距下正确对焦的焦距为FF_t；

第二步，调整焦距调节机构，使得焦距为FF_t；

如果|FF_t-FF_t-1|＜TF，或t＞T则退出，完成调节；否则，跳到第一步；其中TF为常数。

但是，由于不同人脸的大小不同，人脸的姿态也会影响像的大小，人脸检测算法确定的脸像的大小也存在误差，因而，一种更优的方式是在计算得到的焦距FF附近微调，为每个位置采集图像，并得到对焦评估值，采用对焦评估值最大的位置作为准确对焦位置。

如图4所示，一种更佳的自动对焦方法：

第一步，拍摄图像，并进行分析，估计此物距下正确对焦的焦距FF；

第二步，调整焦距调节机构，使得焦距为FF；

第三步，在范围[FF-DELTAL，FF+DELTAR]中以一定步长step调节焦距，并为每个位置采集一副图像，并计算一个对焦评估值，从而得到一条对焦评估值曲线；取对焦评估值最大值对应的焦距为准确对焦位置MF，并调节焦距调节机构使得焦距为MF。其中，DELTAL，DELTAR均为事先设定的常数。

其中对焦评估值曲线的获取方式可以采用现有对焦技术中的任何一种，一种可行的方式是采用已授权专利“自动对焦技术”(申请号02121281.3)中的方法。

上述方案对应的自动对焦装置结构图如图4所示。其中，光敏传感器44采集图像，焦距估计单元46估计准确对焦焦距，并控制焦距调节机构粗调到准确对焦位置，然后，微调焦距，并采集图像，经清晰度评估单元48评估得到各个位置的评估值，得到准确对焦位置，调节焦距调节机构到该位置，完成对焦。

尽管前面涉及了本发明的实施方式，在不背离本发明基本范围以及权利要求的保护范围情况下，本发明可以具有其他的实施方式。

Claims (14)

1、一种用于图像采集装置的自动对焦的方法，其中该图像采集装置包括至少一个用于成像的透镜，至少一个用于调焦的透镜，一感光器件，一焦距调节装置，该方法的特征在于：

预设物体实际尺度以及所述感光器件成像平面距离成像透镜的距离，采用如下方式获得物体在感光器件上所成像的实际尺度：

采集包含所述物体的图像；

采用图像自动分析方式得到物体所成像的像素尺度；

预设感光器件的实际尺度以及所述尺度对应的像素分辨率，根据所述感光器件的实际尺度和所述像素分辨率以及所述物体像的像素尺度计算物体像的实际尺度为：感光器件的实际尺度乘以所述物体像的像素尺度，然后除以感光器件的所述像素分辨率；

根据所述物体实际尺度，所述物体在感光器件上所成像的实际尺度，所述感光器件成像平面距离成像透镜的距离，计算成像平面距离成像透镜距离与物体实际尺度之积除以物体实际尺度与所成像实际尺度之和作为准确对焦焦距估计值(FF)；

调节焦距调节装置使得焦距达到所述准确对焦焦距估计值(FF)，完成自动对焦过程。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物体为人脸，所述图像自动分析方式为采用人脸检测方法得到人脸像的像素尺度。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物体为人脸上两两特征点连线组成的物体，所述特征点包括左右眼中心点，左右眼角点，嘴巴中心点，嘴巴左右角点，眉毛左右边缘点，鼻尖点，鼻孔点，脸部轮廓线上特征点，所述图像自动分析方式为采用所述特征点自动定位方法获得特征点像在所成图像上的位置。

4、根据权利要求1～3任意项所述的方法，其特征在于，所述预设物体实际尺度为多个同类物体实际尺度的平均值。

5、根据权利要求1～3任意项所述的方法，所述尺度可以为宽度、高度或者长度。

6、根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述尺度可以为宽度、高度或者长度。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述焦距调节装置包含一焦距控制参数查找表，根据正确对焦焦距查找所述查找表，得到焦距调节装置控制参数，并进一步控制焦距调节装置使得焦距达到所述正确对焦焦距。

8、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括一循环调节的步骤：

设定焦距初始值(FF₀)为0；

预定一循环调节次数的门限(T)；

如果循环的次数(t)未超过该预定的门限(T)，继续采集图像并进行分析，以计算估计此物距下正确对焦的焦距(FF_t)；

调整焦距调节装置，使得焦距为该计算值(FF_t)。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法还包括

如果相邻两次循环的焦距计算值的绝对值小于一预定的常数(TF)，则结束循环。

10、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，如果该循环的计数(t)超过该预定的门限(T)，则结束循环。

11、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法还包括

预定一个包含该所述准确对焦焦距估计值的范围(FF-DELTAL，FF+DELTAR)；

设定一个步长(Step)作为微调的单位；

在该预定的范围内，按照预设步长对所述焦距范围内位置进行如下处理：调节焦距到达所述每个步长(Step)对应位置，并采集图像，计算所述位置图像的对焦评估值，得到一条对焦评估值曲线；

取对焦评估值最大值对应的焦距(MF)为准确对焦位置；

调节焦距调节装置使得焦距为对焦评估值最大值对应的焦距MF。

12、一种图像采集装置，包括

至少一个用于成像的透镜；

至少一个用于调焦的透镜；

一感光器件；

一焦距调节装置，用于调节所述调焦透镜，其特征在于，该图像采集装置还包括

一焦距估计单元，分别与该感光器件和焦距调节装置相联系，用于将所计算估计的准确对焦的焦距提供给该焦距调节装置以完成自动对焦，其中该估计单元根据物体实际尺度，物体在感光器件上所成像的实际尺度，感光器件成像平面距离成像透镜的距离，计算成像平面距离成像透镜距离与物体实际尺度之积除以物体实际尺度与所成像实际尺度之和作为准确对焦焦距估计值(FF)；其中该物体在感光器件上所成像的实际尺度是通过该感光器件所采集到的包含所述物体的图像，采用图像自动分析方式得到该物体所成像的像素尺度，并根据预设的感光器件的实际尺度和所述尺度对应的像素分辨率以及分析得到的所述物体像的像素尺度计算物体像的实际尺度为：感光器件的实际尺度乘以所述物体像的像素尺度，然后除以感光器件的所述像素分辨率。

13、根据权利要求12所述的图像采集装置，其特征在于，该装置还包括一清晰度评估单元，分别与该感光器件、该焦距调节装置和焦距估计单元相联系，其中该清晰度评估单元通过在一个包含该焦距的计算值的范围内在每一预定的步长位置上采集图像，并从对焦评估值曲线中取对焦评估值最大值对应的焦距作为准确对焦焦距估计值。

14、根据权利要求12所述的图像采集装置，其特征在于，该装置还包括一多轮调节装置，设置有

一计数器，用于记录循环的次数，和

一控制单元，计算焦距估计值之差，并且根据焦距估计值之差和计数器计数结果，判定是否完成对焦。

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