CN102023460B - 数字相机的快速对焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字相机的快速对焦方法应用在自动对焦(autofocusing)阶段时，判断数字相机是否重新进行对焦。快速对焦方法包括：记录上一次对焦后的***时间(定义为第一时间(T1))；撷取这次对焦前的***时间(定义为第二时间(T2))；当第二时间减去第一时间的差值(ΔT＝T2-T1)大于对焦时间门坎值，则进行模糊检测程序，以获取清晰值；当清晰值在下限对焦门坎值与于上限对焦门坎值之间时，设定涵盖基准焦距的对焦焦距区间；从对焦焦距区间中，分别在不同的对焦焦距撷取相应的图像；计算每一张图像的对比值；利用二次曲线逼近法从对比值中计算出目标焦距。

Description

数字相机的快速对焦方法

技术领域

本发明公开了一种对焦方法，特别有关于一种数字相机在自动对焦阶段时决定需要调整对焦焦距的对焦方法。

背景技术

使用者使用数字相机拍摄一张照片，往往分为几个阶段。第一为开启数字相机，此时数字相机即进入所谓取像预览阶段(Live view)。第二为使用者对准待摄物后半按快门，于此同时数字相机即进入自动对焦阶段。第三为使用者全按压快门，此时数字相机则进入拍摄阶段(Shooting)，并拍摄相应的图像画面。

自动对焦阶段指的是对被摄物进行对焦且尚未按压拍摄前的对焦阶段。简单的来说，就是数字相机在半按快门时对被摄物的对焦的动作过程。在此一期间，数字相机会将镜头移动到不同对焦位置(即不同的镜头位置或是步数，其为图像取样点(sampling steps))，并依据在每一镜头位置所获得的清晰度值(Focus Value)，来决定图像清晰或是模糊程度。

现有的对焦演算方法有：全域搜寻法(Global Search)，登山式搜寻法(Hill-Climbing Search)，以及二位搜寻法(Binary Search)。在有效率的搜寻方法需要考虑到搜寻所需要的时间、或镜头的次数以及搜寻的正确性。若耗费太多的搜寻时间，则会降低自动对焦的效率，并且镜头移动的次数过多会消耗数字相机的电池电量。反之，则会影响数字相机的成像质量。

举例来说，全域搜寻法是记录镜头每移动一步所获得的数字图像，之后再取出具有最大清晰度的数字图像的相应镜头位置。再移动镜头到具有最大清晰度的位置上，完成自动对焦。请参考图1的对比值曲线图。

虽然现有技术可以精准的找出对被摄物的对焦焦距。但是数字相机在每一次进行对焦时，数字相机还是需要重新进行一次对焦动作。这样一来，对于数字相机的对焦时间与耗电量将有所影响。

发明内容

鉴于以上的问题，本发明的主要目的在于提供一种数字相机的快速对焦方法，适于数字相机在自动对焦阶段时预先判断与前次对焦的执行时间是否过于接近，再决定将对焦焦距调整至目标焦距。

为达上述目的，本发明所公开的数字相机的快速对焦方法包括：加载前次对焦后的***时间，将其定义为第一时间(T1)；撷取本次对焦前的***时间，将其定义为第二时间(T2)；当第二时间减去第一时间的所得到的差值(T2-T1)大于对焦时间门坎值，则进行模糊检测程序，以获取清晰值；当清晰值在下限对焦门坎值与于上限对焦门坎值之间时，则设定一涵盖基准焦距的对焦焦距区间；从对焦焦距区间中，分别在不同的对焦焦距撷取相应的对比图像；计算每一对比图像的对比值；从对比值中选取最大值，将所选出的对比值的焦距设定为目标焦距。

在上述的模糊检测程序中另包括以下步骤：在对比图像中设定至少一取样区域，取样区域具有多个图像像素；将取样区域中所有相邻的两图像像素的像素值各别比较，得到多个对比差值；若对比差值大于预设门坎值，则累计清晰值；重复进行计算与累计清晰值的步骤，直到完成取样区域中的所有图像像素为止。

最后，根据所取得的清晰值来判断是否需要调整焦距。当清晰值在下限对焦门坎值与于上限对焦门坎值之间时，设定涵盖基准焦距的对焦焦距区间；从对焦焦距区间中，分别在不同的对焦焦距撷取相应的图像；计算每一张图像的对比值；利用二次曲线逼近法从对比值中计算出目标焦距。

本发明系根据连续两幅的数字图像的各拍摄时间，并透过模糊检测程序判断当前所撷取的数字图像是否需要重新进行对焦。若当前数字图像中的被摄物的焦距与前一幅的数字图像的焦距小于门坎值时，则不需要从最近的对焦端找到最远的对焦端。这样可以有效的减少移动镜头的耗电量外，也可以降低对比的时间。

有关本发明的特征与实作，兹配合图示作最佳实施例详细说明如下。

附图说明

图1为现有技术的对比值曲线图；

图2为本发明的一种快速对焦程序的运作流程图；

图3为本发明所适用的数字相机的架构示意图；

图4为本发明的第一种模糊检测程序的流程示意图；

图5为本发明的取样区域示意图；

图6为本发明的第二种模糊检测程序的流程示意图；

图7A为本发明的选取水平相邻像素的示意图；

图7B为本发明的选取垂直相邻像素的示意图；

图7C为本发明的统计清晰值的示意图；

图8为本发明的第三种模糊检测程序的流程示意图；

图9A为本发明的目标图像中图像对象的边缘示意图；

图9B为本发明的目标图像中图像对象的边缘示意图；

图9C为本发明的边缘像素选取示意图；

图10为本发明的第四种模糊检测程序的流程示意图；

图11为本发明的运作时序图。

其中，附图标记：

90     数位相机    91     镜头组

92     感光组件    93     储存单元

94     计时单元    95     处理单元

410    目标图像    411    对焦框

511    对比像素    512    目标像素

710    边缘图像

具体实施方式

本发明的数字相机在自动对焦(auto focusing)阶段时，将对焦焦距快速的调整至对被摄物的目标焦距。当前次对焦的***时间与本次对焦的***时间的间隔值小于对焦门坎值时，数字相机会进一步的判断是否需要重新调整镜头组的镜片排列。请参考图2所示，为本发明的一种快速对焦程序的运作流程图。快速对焦程序中包括以下步骤：

步骤100：加载前次对焦的***时间及基准焦距，将该***时间定义为第一时间(T1)；

步骤200：撷取本次对焦前的***时间，将其定义为第二时间(T2)；

步骤300：当第二时间减去第一时间的所得到的差值(T2-T1)大于对焦时间门坎值，则进行模糊检测程序，以获取清晰值；

步骤310：判断清晰值是否落于上限对焦门坎值与下限对焦门坎值之间；

步骤400：当清晰值大于上限对焦门坎值时，则直接以目标图像的焦距作为目标焦距；

步骤500：当清晰值小于下限对焦门坎值时，则将对焦焦距区间设定为最近焦距至最远焦距；以及

步骤610：当清晰值在下限对焦门坎值与于上限对焦门坎值之间，则设定涵盖基准焦距的一对焦焦距区间；

步骤620：并从对焦焦距区间中分别在不同的对焦焦距撷取相应的对比图像；

步骤630：计算每一对比图像的对比值；以及

步骤640：从对比值中选取最大值，将所选出的对比值的焦距设定为目标焦距。

在此根据下述的数字相机对本发明运作方式做进一步的解释。前述的数字相机可以是但不限于图2所示的数字相机。为能更清楚地说明本发明方法，请同步参考图2与图3。图3为依据本发明所适用的数字相机的架构示意图。在数字相机90中至少包括镜头组91、感光组件92、储存单元93、计时单元94与处理单元95。

镜头组91中具有一驱动马达(未绘示)与多片镜片(未绘示)，镜头组91用以调整对被摄物的焦距。驱动马达用以调整各镜片的相互距离，进而产生不同的对焦焦距。感光组件92连接于镜头组91，感光组件92将当前场景的图像画面转换成数字图像的电信号。感光组件92会持续的将所接收的图像信号传送至处理单元95。处理单元95电性连接于感光组件92与储存单元93。储存单元93用以储存数字图像与快速对焦程序。计时单元94用以记录每次所撷取的数字图像的记录时间。处理单元95除了对数字图像进行图像处理外，处理单元95亦根据所获取的数字图像执行快速对焦程序。处理单元95在每完成一次对焦时，均会记录当前的对焦焦距与时间至储存单元93中。为能清楚说明不同时间的对焦信息，因此将前一次记录的对焦时间定义为第一时间；本次的对焦时间为第二时间。在第一时间的对焦焦距记录为基准焦距，在第二时间所拍摄的图像定义为目标图像(对应步骤100~步骤200)。

当第二时间减去第一时间的所得到的差值(T2-T1)小于对焦时间门坎值，则不重新对焦。当第二时间减去第一时间的所得到的差值(T2-T1)大于对焦时间门坎值，处理单元95则开始对数字图像进行模糊检测程序，以获取清晰值(对应步骤300)。请参考图4所示，其为本发明的第一种模糊检测程序的实施态样示意图。

步骤311：撷取目标图像；

步骤312：在目标图像中设定至少一取样区域，在取样区域中具有多个图像像素；

步骤313：将取样区域中所有相邻的两图像像素的像素值分别比较，得到多个对比差值；

步骤314：若对比差值大于预设门坎值，则累计清晰值；以及

步骤315：重复步骤313与步骤314，直到完成取样区域中的所有图像像素为止。

请参考图5所示的取样区域示意图。于第一种模糊检测程序中，在目标图像410中更定义至少一个取样区域。取样区域可以是但不限于整张目标图像410，也可以是预设的固定位置的对焦框411、或人脸检测后所产生的人脸对焦框411(对应步骤311～步骤312)。其中，在数字相机90中会设置有多个对焦框411，对焦框411的位置分布于目标图像410中的部分固定位置。对焦框411用以提供数字相机90对欲拍摄的场景进行对焦的基准位置。举例来说，当对焦框411为中央区域时，则数字相机90对优先以中央区域的被摄物作为对焦的依据；若是对焦框411为左方区域时，则数字相机90则会以左方区域的被摄物作为对焦的依据。

当数字相机90设定其对焦框411为中心区域的对焦框411时，则数字相机90会对对焦框411的被摄物进行对焦对比的动作(对应步骤313)。同理，其它区域位置的对焦框411亦提供相同的作用。人脸对焦框411是根据数字相机90所判断的人脸区域所产生的相应对焦框411。若是同时出现多个人脸对焦框411时，则在本发明的此一实施态样中则假设取最短的焦距的人脸对焦框411作为进行判断的取样区域。换句话说就是会取距离最接近数字相机90的人脸对焦框411做为前述的取样区域。

在第一实施态样中会重复的计算取样区域中所有相邻的两图像像素的像素值，藉以产生相应的每一组对比差值。相对于在第一实施态样中系先计算出所有的对比差值后，才接着会进行累计清晰值的动作(对应步骤314~步骤315)。本发明亦可以将步骤314的累计步骤改成每次计算完对比差值后，就判断是否要进行累计清晰值，第二实施态样的运作流程请参考图6。

第二实施态样包括以下步骤：

步骤321：撷取目标图像；

步骤322：在目标图像中设定至少一取样区域，在取样区域具有多个图像像素；

步骤323：将取样区域中所有相邻的两图像像素的像素值分别做比较，得到多个对比差值；以及

步骤324：累计大于预设门坎值的对比差值的数量为清晰值。

在第二实施态样的计算对比差值过程中，会分别选择两个相邻的图像像素进行处理。请参考图7A与图7B所示，其分别为选取水平相邻像素与垂直相邻像素的示意图。在此将欲进行比较的图像像素定义为目标像素512，将另一个选出的相邻像素定义为对比像素511。对比像素511的选取方式可以是水平相邻或垂直相邻的方式选取与目标像素相邻的像素。目标像素512的选择方式可以由取样区域中像素的排列顺序依序选取(对应步骤322)。

举例来说，若将取样区域中的像素集合以一个二维阵列为例(假设像素集合为pixel_array[m][n]像素阵列)，则目标像素512的选取方式由阵列的最小编号位置(意即pixel_array[0][0])逐一的移动至最大编号位置(意即pixel_array[0][n-1])。在完成每一行中的所有像素后，再由当前的行移动至次一行中，如图7A中的箭头所示。对比像素511则可以从目标像素512的次一像素(水平方向或垂直方向)进行选取。再将所选出的目标像素512与对比像素511进行相减，藉以产生对应目标像素512的对比差值。再从目标图像410中依序的选取出其它的目标像素512，并计算相应的对比差值(对应步骤323)。

最后，统计大于预设门坎值的对比差值的个数，并将所计算的个数视为清晰值(对应步骤324)。若以统计图观察，以图7C为例，在图7C的横轴为对比差值，纵轴为数量，则清晰值为图7C右方的斜线区域面积。

模糊检测程序除了前述的步骤外，更可以利用下述变化进行。请参考图8所示，其为本发明的第三种的模糊检测程序的实施态样示意图。第三种的模糊检测程序包括下列步骤：

步骤331：进行图像边缘检测程序，找出目标图像的图像对象的多个边缘像素；

步骤332：从边缘像素中选择连续的多个选定像素；

步骤333：取相邻的选定像素的像素值的差异值中的最大值为相邻差值；

步骤334：取选定像素的最大差值为总差值；

步骤335：将相邻差值除以总差值而得到对比率；

步骤336：重复步骤332~步骤335，直到完成所有边缘像素的对比率的计算为止；以及

步骤337：累计大于预设门坎值的该些对比率的数量为清晰值。

在此一实施态样中将目标图像410经由图像边缘检测程序处理后，随即产生相应的边缘图像710(对应步骤331)，在边缘图像710中具有多个边缘像素。在本发明中所述的边缘检测演送法可以是Sobel边缘检测法、Dijkstra’s算法、或Canny边缘检测算法等。请参考图9A所示，其为目标图像中图像对象的边缘示意图。

请配合参考图9B所示，再对边缘图像710以行优先/列优先的方式依序读取其像素值，藉以产生相应的灰阶分布曲线。举例来说，若将边缘图像710视为一二维阵列(将边缘图像710视为pixel_array[m][n]像素阵列为例)时，且以行优先(row major)的方式由边缘图像710的第一行开始依序读取出像素值(将其定义为选定像素)，意即pixel_array[0][x]，x＝{0，1…，n-1}。并将选定像素的像素值与位置分别记录在灰阶分布曲线中。当完成读取边缘图像710的第一行中的像素值后，则输出相应第一行的灰阶分布曲线。并且对其他边缘图像710中的其它行进行相应的灰阶分布曲线的读取。除此的外，也可以利用列优先(column major)的方式进行读取灰阶分布曲线(对应步骤332~步骤333)。

再由灰阶分布曲线中选取像素变化超过一变化门坎值的区段，并将其称为边缘区段。从边缘区段中选取多个边缘像素。以图9C为例说明，在图9C中具有A、B、C、D四个边缘像素(在图9C中以虚线圈选的范围)。将两两相邻的边缘像素逐次进行选取，在此将每一组对比分布值定义为边缘像素集合。因此可以划分为(A，B)、(B，C)、(C，D)三组边缘像素集合，与一组总像素集合(A，D)。每一组边缘像素集合相应有各自的差异值，且总像素集合亦具有一总差值。再从三组边缘像素集合中选取差值最大者，并将所选取差值最大的一组除上总差值，得到对比率。在此一实施态样中，(X，Y)为Y像素值减掉X像素值并取其绝对值，请参考下式1所述：

Max((A，B)、(B，C)、(C，D))/(D，A)            (式1)

在此以下述例子进行解说，假设从边缘区段中选取四个像素A＝38，B＝46，C＝68，D＝82。边缘像素集合分别为(A，B)、(B，C)与(C，D)，其中各别是(A，B)＝8、(B，C)＝22、(C，D)＝14，总差值则是(A，D)＝44。三组边缘像素集合的最大值为22，因此相邻差值为(B，C)，所以对比率即为22/44＝0.5。

若是在边缘区段中仅具有两个像素时，则不计算此一边缘区段的差异值。因为这样会造成此一边缘区段的对比率变成1，使其无法正确的判断该边缘区段是否为图像对象的边缘。在完成此一边缘区段后，则继续灰阶分布曲线中其余的边缘区段的计算，并取得其余的差异值。再取得差异值后，则比较差异值是否大于预设门坎值。计算所有大于预设门坎值的差异值的数量，将所累计后的数量定义为清晰值(对应步骤333~步骤337)。

相对第三实施态样将累计所有的对比率后，才开始累计清晰值。第四实施态样则是先计算出对比率后，再判断所产生的对比率是否大于预设门坎值，并重复此一步骤直至完成所有对比率的计算为止。请参考图10所示其为第四种实施态样的另一运作流程示意图。

步骤341：进行图像边缘检测程序，找出目标图像的图像对象的多个边缘像素；

步骤342：从边缘像素中选择连续的多个选定像素；

步骤343：取相邻的选定像素的像素值的差异值中的最大值为相邻差值；

步骤344：取选定像素的最大差值为总差值；

步骤345：再将相邻差值除以总差值而得到一组对比率；

步骤346：判断该组对比率是否大于预设门坎值；

步骤347：累计大于预设门坎值的该些对比率的数量为清晰值；以及

步骤348：重复步骤341~347，直到完成所有对比率的计算为止。

在完成上述的模糊程序(意即完成步骤300)后，处理单元95会对比清晰值、下限对焦门坎值与上限对焦门坎值的相对关系。当清晰值大于上限对焦门坎值时，则直接以目标图像的焦距作为目标焦距(对应步骤400)。当清晰值小于下限对焦门坎值时，则将对焦焦距区间设定为最近焦距至最远焦距(对应步骤500)。当清晰值落在下限对焦门坎值与于上限对焦门坎值的间时，处理单元95会设定一涵盖基准焦距的对焦焦距区间(对应步骤600~步骤610)。在本发明中以将基准焦距设定为对焦焦距区间的最远焦距。当然也可以将基准焦距设定为对焦焦距区间的最近焦距、或是将基准焦距设定在对焦焦距区间中。并从对焦焦距区间中，分别在不同的对焦焦距撷取出不同的对比图像(对应步骤620)。

以下以在对焦焦距区段中撷取三张数字图像作为说明，本领域的技术人员对于撷取数字图像的数量的改变仍不脱本发明的保护。数字相机90在对被摄物进行对焦时，数字相机90会在对焦焦距区间的最近焦距调整至对焦焦距区间的最远焦距。接着，处理单元95会记录每一的对比图像的对比值(对应步骤630)。

最后，利用二次曲线逼近法从对比值中计算出目标焦距，并将镜头焦距调整此一焦距。如此一来，数字相机90不需在原本最远的对焦焦距与最近的对焦焦距之间移动。因此可以有效的减少镜头组91中镜片的移动，进而提高数字相机90的对焦速度与减少数字相机90的耗电量。

为更进一步的说明数字相机与本发明的运作，还请参考图11所示，其为本发明的运作时序图。在图11的横轴为撷取数字图像的时间间隔；图11的纵轴由上至下系分别为进行曝光的时间点、加载图像的拍摄信息(例如：曝光值、光圈值或感光度等)的时间点、进行清晰值的计算的时间点、决定移动镜片的时间点。当处理单元95在计算完清晰值后，处理单元95会根据所计算的结果决定移动镜片的位置(对应步骤640)。

最后，完成上述的快速对焦程序后，在本发明的实施态样所述清晰值除了落在上限对焦门坎值与下限对焦门坎值间，对于清晰值在不同的对焦门坎值时亦有相应的处理程序。

若是清晰值大于上限对焦门坎值时，代表目前的焦距是最适合被摄物的对焦焦距，因此数字相机90不需要再重新调整对焦焦距。若是清晰值小于下限对焦门坎值时，则代表数字相机90的对焦焦距没有落在被摄物上。因此数字相机90需要重头的调整对焦焦距，所以数字相机90会从最近焦距移动最远焦距并且在不同的焦距上获取相应的图像。在从每一张获取的图像中找出最清晰的图像，并决定此一图像的焦距为目标焦距。

本发明根据前一幅的数字图像的拍摄时间与焦距，并通过模糊检测程序用来判断当前所撷取的数字图像是否需要重新进行对焦。若当前数字图像中的被摄物的焦距与前一幅的数字图像的焦距小于门坎值时，则不需要从最近的对焦端找到最远的对焦端。这样可以有效的减少移动镜头的耗电量外，也可以降低对比的时间。

Claims (5)

1.一种数字相机的快速对焦方法，用于一数字相机在自动对焦阶段时，将对焦焦距调整至一目标焦距，其特征在于，该对焦方法包括：

加载一前次对焦完成时间为一第一时间(T1)与一基准焦距，在该第一时间(T1)的对焦焦距记录为该基准焦距；

撷取本次对焦前的***时间为一第二时间(T2)；

当该第二时间减去该第一时间的差值(ΔT＝T2-T1)大于一对焦时间门坎值，则进行一模糊检测程序，以获取一清晰值；以及

当该清晰值落在一下限对焦门坎值与于一上限对焦门坎值之间时则执行下述步骤：

设定涵盖该基准焦距的一对焦焦距区间；

从该对焦焦距区间中，分别在不同的对焦焦距撷取相应的一对比图像；计算每一该对比图像的一对比值；以及

从该些对比值中选取最大值，将所选出的该对比值的焦距设定为该目标焦距；

当该第二时间减去该第一时间的差值(ΔT＝T2-T1)小于该对焦时间门坎值，则不重新对焦；

当该清晰值大于该上限对焦门坎值，直接以一目标图像的焦距作为该目标焦距，该目标图像为在该第二时间(T2)所拍摄的图像；

当该清晰值小于该下限对焦门坎值，将该对焦焦距区间设定为最近焦距至最远焦距。

2.如权利要求1所述的数字相机的快速对焦方法，其特征在于，该模糊检测程序包括：

撷取一目标图像；

在该目标图像中设定至少一取样区域，该取样区域具有多个图像像素；

将该取样区域中所有相邻的该两图像像素的像素值各别比较，得到多个对比差值；

若该对比差值大于一预设门坎值，则累计该清晰值；以及

重复进行比较像素与累计该清晰值的步骤，直到完成该取样区域中的所有该些图像像素为止。

3.如权利要求1所述的数字相机的快速对焦方法，其特征在于，该模糊检测程序包括：

撷取一目标图像；

在该目标图像中设定至少一取样区域，该取样区域具有多个图像像素；

将该取样区域中所有相邻的该两图像像素的像素值各别做比较，得到多个对比差值；以及

累计大于一预设门坎值的该些对比差值的数量为该清晰值。

4.如权利要求1所述的数字相机的快速对焦方法，其特征在于，该模糊检测程序包括：

进行一图像边缘检测程序，找出一目标图像的图像对象的多个边缘像素；

依次计算该些边缘像素的多个对比率；以及

累计大于一预设门坎值的该些对比率的数量为该清晰值；

其中，该依次计算该些边缘像素的多个对比率的步骤包含：

从该些边缘像素中选择连续的多个选定像素；

取相邻的该些选定像素的像素值的差异值中的一最大值为一相邻差值；

累计该些选定像素的差异值为一总差值；

将该相邻差值除以该总差值而得到该对比率；以及

重复上述四步骤，直到完成所有该些边缘像素的该对比率的计算；

其中，该找出该目标图像的图像对象的多个边缘像素的步骤包含：对进行该图像边缘检测程序后产生的边缘图像以行/列优先的方式依序读取其像素值，产生相应的灰阶分布曲线；由该灰阶分布曲线中选取像素变化超过一变化门坎值的边缘区段；以及从该边缘区段中选取多个边缘像素。

5.如权利要求1所述的数字相机的快速对焦方法，其特征在于，在选出该目标焦距的步骤时，同时记录目前的***时间。

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