CN102096174B - 在低亮度场景执行自动对焦的***与方法 - Google Patents

Abstract

一种在低亮度场景执行自动对焦的***与方法，特别是应用在低亮度场景拍摄的状况下，能够通过记忆位的选取，与色调调整的程序，达到准确即时图像自动对焦的目的，其实施例如通过镜头模块与感光元件得到数字图像信号，接着利用增益调整单元将数字图像信号经增益调整后降低噪声，再利用记忆位撷取单元撷取信号中多个记忆位的数据，能由此排除无用的数据位，接着执行一色调调整步骤，通过提高数字图像信号的对比，产生准确的即时图像自动对焦的效果。

Description

在低亮度场景执行自动对焦的***与方法

技术领域

本发明涉及一种低亮度场景执行自动对焦的***与方法，特别是于低亮度场景拍摄时，通过记忆位(bit)的选取与色调调整达到准确即时图像自动对焦的技术。 

背景技术

自动对焦(Automatic Focusing，简称AF)技术让相机或摄像机于特定区域进行测距，进而调整镜头于一焦距(focal length)内，得到清晰的图像，此对于一般消费性的数字相机或摄像机来说已经是不可缺少的要件。 

一般手动对焦(MF)的方式是由使用者于观景窗(viewfinder)利用其中的对焦屏(focusing screen)调整图像的清晰度，主要是调整底片或是感光元件与镜片组间的距离，也就是所谓的焦距，让图像准确地投影于底片或是感光元件上，也让用户在观景窗看到清晰的图像。 

而自动对焦有几种方式，分为被动式和主动式两种，同样应用于目前消费性的数字相机或是摄像机上。 

被动式自动对焦应用于一些自动相机，其借助于被摄物反光的分析计算镜片组的移动位置，若在光线不足的环境下，则常常使用辅助对焦灯，如一些相机在进行对焦时，会打出一束颜色光，遇到被摄物体后反射回来，能够得到足够的反光，进而分析焦距，据以控制镜片组的位置。 

而另一自动对焦技术则是由相机或是摄像机本身发出超音波或红外线，利用由被摄物反射的信号计算距离，包括应用来往时间或是利用反射角来得出被摄物距离，进而调整自身焦距。 

随着科技进步，除了公知的自动对焦方式，更有相机或摄像机通过即时撷取的观景画面(如通过图像传感器撷取，而于LCD屏幕预览的画面)执行自动对焦程序，这也就是即时图像自动对焦(Live View自动对焦)，可于即时预览的同时完成构图及自动对焦。其中应用于相机内的自动对焦***采用图像处理能力强大的处理器，通过图像清晰度运算，能够即时比对由图像传感器撷取的图像并快速搜寻焦点。 

图1为公知技术的自动对焦程序，自动对焦主要是通过步进马达(stepping motor)移动对焦镜片(步骤S101)，移动至一特定位置时， 通过镜头撷取图像画面(步骤S103)，并在预设的几个位置点计算上述对焦屏中物体的清晰度，同时得出相对焦距(步骤S105)，此时判断是否有足够的数据(步骤S107)，若为否，表示还要继续执行通过马达移动对焦镜片、撷取图像、计算清晰度等步骤；若为是，则接着在这几个预设的位置中估计出具有最大清晰度的位置，即得出使图像最清楚的对焦位置(步骤S109)。之后移动镜片组(lens group)至最佳的焦距上(步骤S111)，完成自动对焦的程序。 

在上述利用撷取的图像计算清晰度的技术中，提供用以对焦的图像可能是足够亮度的图像，能够得到较为精确的焦距，但也可能为较暗的图像，而让对焦产生不精确的问题。 

图2为公知技术中数字相机中的电路方块图。其中显示数字相机内的主要元件，此例的相机中主要包括有自动白平衡、自动曝光与自动对焦的电路，相机利用镜头20拍摄图像，由图像感测器21接收并转换为数字信号，经图像前置处理单元22处理后，经自动白平衡单元23调整色温，之后经图像信号处理器24后执行预览、拍摄，或是储存图像。在撷取图像的过程中，仍需通过自动曝光单元27找到曝光值，通过自动对焦单元28得到正确的成像距离，这些信息通过马达驱动器29控制镜头马达，以得到正确对焦的图像。 

另外，处理图像的过程中，包括从感光元件撷取图像开始，到图像处理、预览到储存，期间的记忆方式也可能因为硬件设计而撷取了较高位的值，使得对焦的精确度下降，尤其是在低亮度场景中，会因为撷取较高位而损失图像细节，除了噪声增加，更影响对焦的精确度。 

发明内容

本发明要解决的技术问题主要是在一般数字相机或是摄像机中设置一自动对焦***，特别针对在低亮度场景下，利用即时图像对焦的方式会导致对焦不准确的问题，能够通过记忆位的选取与色调调整的手段，达到准确对焦的效果。 

由于图像传感器要具有自动对焦的功能，尤其是针对即时图像对焦的方式，就必须经由搜寻镜头位置(调整成像距离)与图像清晰度的信息，调整焦距，取得最清晰的图像。 

其中实施例之一包括利用一镜头模块拍摄图像，接着由感光元件，如CCD或CMOS，感光产生数字图像信号，之后，能通过增益调整单元调整数字图像信号的增益值，以降低噪声。由于由感光元件撷取的图像有较高的记忆位值，接着会因为硬件的限制而无法储存原有的记忆位值，本发明通过一记忆位撷取单元撷取有效的多个记忆位的数据。 

接着，引入一色调调整单元执行色调调整步骤，能够将有效的记忆位值放大至一范围，以提高数字图像信号的对比，由此产生一对焦图像，再通过对焦单元计算对焦图像的清晰度，并根据一焦距自动调整镜头模块，以执行拍摄。

另外，由于本发明应用于低亮度场景的拍摄环境，故会引入由自动曝光单元(auto exposure)产生的曝光值与判断亮度高低的门槛值，经判断后，当环境处理低亮度场景时，即重复上述步骤达到准确即时图像自动对焦的目的。 

本发明提供一种在低亮度场景执行自动对焦的***，应用于一低亮度场景的拍摄，所述的***包括有：一镜头模块，用以拍摄一图像；一感光元件，连结该镜头模块，且将该图像感光后而转换为数字图像信号；一增益调整单元，连结该感光元件，且将经该感光元件产生的该数字图像信号增益调整后以降低噪声；一记忆位撷取单元，连结该增益调整单元，用以撷取经降低噪声后的数字图像信号中多个记忆位的数据；一色调调整单元，连结该记忆位撷取单元，用以对经降低噪声后的该数字图像信号执行一色调调整步骤，由此提高该数字图像信号的对比；一对焦图像产生单元，系连结该色调调整单元以接收该经色调调整的数字图像信号，并将其转换为一对焦图像；以及一对焦单元，连结该对焦图像产生单元及该镜头模块，该对焦单元先计算出该对焦图像的清晰度，再根据一可令该对焦图像清晰的焦距自动调整该镜头模块，接续执行拍摄。 

另外，本发明还提供一种在低亮度场景执行自动对焦的方法，所述的方法包括：通过一镜头模块撷取一图像，并通过一感光元件将该图像转换为数字图像信号；根据一自动曝光程序产生的曝光值判断该图像的明亮度，若属于一低亮度场景，即进行调整该感光元件的增益值，以降低经该感光元件产生的该数字图像信号的噪声；选择性撷取该数字图像信号的多个记忆位；调整该经选择的数字图像信号的色调，由此提高该数字图像信号的对比；以及利用经前述步骤调整过后的数字图像信号令该镜头模块执行自动对焦。 

附图说明

图1为公知技术的自动对焦程序的流程图； 

图2为公知技术中数字相机中的电路方块图； 

图3a-图3c为记忆位在各阶段的状态示意图； 

图4为本发明在低亮度场景执行自动对焦的***的电路方块图； 

图5为应用图4所示的本发明在低亮度场景执行自动对焦的***的整体电路方块图； 

图6为色调调整的对应曲线； 

图7为本发明执行自动对焦的方法流程图； 

图8为本发明在低亮度场景执行自动对焦的方法流程图。 

【主要元件附图标记说明】 

镜头20                图像传感器21 

图像前置处理单元22    自动白平衡单元23 

图像信号处理器24      自动曝光单元27 

自动对焦单元28        马达驱动器29 

镜头模块40            感光元件41 

增益调整单元42        记忆位撷取单元43 

色调调整单元44        数字增益补偿单元45 

图像显示处理单元46    对焦图像产生单元47 

对焦单元48            显示单元49 

储存单元57            按键组51 

控制单元53            驱动单元55 

具体实施方式

自动即时图像对焦技术通过由镜头、感光元件所拍摄的图像进行对焦的技术，在数字相机或摄像机对着图像拍摄时，镜头的驱动马达即先移动对焦镜片，在特定的几个位置点计算图像的清晰度，能自动搜寻取得对焦清晰锐利的位置的图像。自动搜寻的过程之一是，连续计算对焦区域内图像边缘清晰度，并寻找最大图像边缘清晰度的位置，而清晰度的常用方法有Sobel空间濾波器及Laplacian空间濾波器等，但本发明并非限制于这些方法中。 

在一般图像撷取时，由于硬件上的设计(通常有成本考虑)，在图像处理的过程中，常常会损失掉一些图像的细节，而在低亮度场景的图像亮度已经很低，且图像的噪声很大，故容易影响到对焦的精确度，如图3a-图3c所示的记忆位在各阶段的状态示意图。 

图3a中，图3a显示为由镜头拍摄、感光元件转换为数字图像信号、进入图像处理单元后的记忆位值，此例为12位，也就是数字图像信号有212的数据。而于之后经图像处理，储存(或暂存)于记忆媒体中，此时，所储存的值可能变成图3b显示的10位，也就是数据变成210。 

接着，更可能因为要产生用于对焦的即时画面，而再降低即时图像的品质，如图3c所示，成为8位的数据。 

此时，本发明提出一种低亮度场景执行自动对焦的***与方法， 特别是应用于低亮度场景的拍摄环境，针对上述可能在整个图像处理过程损失图像细节的问题，通过选取有效的记忆位，与色调调整的程序，产生较佳的对焦图像。 

请参阅图4所示的在低亮度场景执行自动对焦的***的电路方块图，其中显示为本发明揭露的对焦***，其中应用一图像处理模块400执行即时图像的最佳化，增进通过即时图像的对焦能力。 

其中，利用一镜头模块40拍摄图像，镜头模块40以一组镜片组形成，可通过其中对焦镜片进行对焦，图像拍摄后，由一连结于镜头模块40的感光元件41撷取，经感光后转换为数字图像信号。感光元件41可为一般的CCD或是CMOS等。 

为了要降低图像的噪声，故此对焦***具有一连接于感光元件41的增益调整单元42，能将数字图像信号经增益调整后降低噪声，较佳的方式是降低感光元件41的增益值，同时能降低图像噪声。但是经降低增益值虽然可降低噪声，但会影响图像品质，故于正常拍摄的过程中，会再辅助以数字增益调整，以确保拍摄品质。如图中数字增益补偿单元45，此单元45即接收经增益调整后的数字图像信号，再通过数字增益补偿，以补偿调整感光元件41增益值后的图像。 

经增益调整单元42调整增益值后，接着由一连接增益调整单元42的记忆位撷取单元43撷取经降低噪声后的数字图像信号，以撷取多个记忆位的数据(如前例中由较高的10位中撷取出8位的数据)，特别是撷取其中有效的记忆位，如撷取较低位置的记忆位，以避免于处理过程损失了图像的细节。值得注意的地方是，在低亮度场景下拍摄的图像，较高位置的记忆位通常是没有数据的状态，故撷取较低位阶的位，可避免损失细节。 

之后，引入一连接记忆位撷取单元43的色调调整单元44，用以对数字图像信号执行一色调调整(tone mapping)步骤，提高数字图像信号的对比。此色调调整步骤是将上述撷取的记忆位通过线性比例放大至一个范围，以放大其中的细节，经色调调整的图像有利于准确对焦。 

在此实施例中，有一对焦图像产生单元47，连结于色调调整单元44，用以接收经色调调整的数字图像信号，并产生对焦图像，此对焦图像即用以作为即时图像对焦的图像，再由所连结的对焦单元48计算对焦图像的清晰度，最后根据一可令该对焦图像清晰的焦距自动调整该镜头模块40，以执行拍摄。 

此实施例的附图中，显示相机内更具有图像显示处理单元46，接收自对焦单元48所得出的镜头模块40位置，借以输出自未显示的驱动马达，以拍摄准确对焦的图像。上述经自动对焦后自动调整镜头模 块40的成像更应用于显示一即时图像，也就是，附图中图像显示处理单元46同时提供显示单元49显示即时图像，供使用者预览拍摄。 

图5即为应用图4所示的本发明在低亮度场景执行自动对焦的***的整体电路方块图。 

由镜头模块40拍摄图像，通过感光元件41撷取后，转换为数字图像信号，经图4显示的图像处理模块400产生用于对焦的即时图像，并产生提供使用者预览的即时图像，如通过显示单元49显示的即时图像，或是产生数字图像文件储存于储存单元57中。 

同时，由图像处理模块400产生的对焦结果，其数据传递于控制单元53，控制单元53接收使用者通过按键组51的指令，比如半按快门按键，即自动执行对焦程序，由控制单元53接收到对焦信息，控制驱动单元55去驱动镜头模块40，调整对焦镜片的位置。 

经过反复的对焦程序，最后可得到一个最佳的对焦结果，达到准确即时图像自动对焦的目的。 

上述对焦时，将移动镜头模块40到多个位置上，以计算清晰度，清晰度的计算的一方式是根据图像的边缘的画素进行比对，并估计清晰度最大的位置，即为自动对焦的结果。 

本发明在进行自动对焦前，先降低感光元件的增益值，之后，由于硬件或是其他考量(如成本、效率)的关系，仅撷取有效的记忆位，而在低亮度的拍摄场景下，本发明更提供如图6所示的色调调整的对应曲线，能够将数字图像信号通过线性比例放大，保持最多的细节。 

此例中，色调调整的对应曲线的横轴显示色调输入值，原输入的图像可有0-4095(12位)的范围，经过上述选取记忆位后(损失部份细节)，在一实施例中，实际处理的图像值经计算图像亮度的平均值及标准偏差，将落于图中M_low与M_high之间，之后经线性放大，色调输出值(纵轴)即放大到0至255(8位)之间，以此线性比例放大至一个范围，以放大其中的细节，有利于使用即时画面准确对焦。 

图7显示为本发明执行自动对焦的方法流程图。 

在此实施例开始时，如步骤S701，由镜头模块撷取图像，经自动曝光(AE)后，由自动曝光程序产生的曝光值得出明亮度(步骤S703)，并通过一门槛值判断亮或暗(步骤S705)。 

若判断为“亮”，即属于一高亮度场景，表示通过所撷取的图像可以产生准确的对焦，故可执行自动对焦(步骤S713)，产生即时图像，并供使用者预览(步骤S715)。 

但，若判断为“暗”，若属于一低亮度场景，表示位于低亮度场景中，先如步骤S707，降低感光元件增益值，以降低图像中的噪声。之后选择性撷取记忆位(步骤S709)，由于在低亮度场景容易因为在撷取 记忆位的过程中损失掉更多细节，故本发明选择撷取有效的记忆位，比如撷取较低位阶的记忆位，以维持其中细节。 

之后，如步骤S711，执行一线性对应运算，经色调调整至一范围，借此提高该数字图像信号的对比产生能够精确对焦的即时图像，接着利用经前述步骤调整过后的数字图像信号令镜头模块执行自动对焦(步骤S713)与即时图像预览(步骤S715)。 

接着请参阅图8所示的本发明在低亮度场景执行自动对焦的方法流程图。此例为已判断在低亮度场景中拍摄的流程，在低亮度场景中，先降低感光元件增益值(步骤S801)，以降低噪声。接着，所撷取的图像同时会用于“对焦用”与“拍摄用”。 

若用于对焦用，本发明所提供的对焦***将选择地调整撷取记忆位(步骤S803)，再用于调整色调(步骤S805)，色调调整可参考图6。经调整色调的图像提供用于即时图像预览(步骤S807)，接收经色调调整的数字图像信号后，产生对焦图像，也就是一即时图像，借以执行自动对焦，通过镜头模块移动的多个位置上计算出多个清晰度，并估计清晰度最大的位置即为自动对焦的结果(步骤S809)。 

若用于拍摄用，由于先于步骤S801中降低感光元件的增益值，此时，即再执行数字增益补偿(步骤S811)，使得使用者于屏幕看到的图像亮度与未降低增益值时相同，之后经图像处理，接收由上述对焦程序的结果(步骤S813)，执行拍摄(步骤S815)。 

综上所述，根据本发明揭露一种在低亮度场景执行自动对焦的***与方法，通过判断亮、暗度的程序，于低亮度场景中应用调整撷取的记忆位、线性色调调整，在使用较多的有效位的情况下，能得到更精确的对焦。另一方面，于拍摄过程中，能通过数字增益补偿，得到维持亮度的图像。 

但是以上所述仅为本发明的较佳可行实施例，非因此即局限本发明的权利要求保护范围，故凡运用本发明说明书及附图内容所为的等效结构变化，均同理包含于本发明的权利要求保护范围内，特此声明。 

Claims (10)

1.一种在低亮度场景执行自动对焦的***，应用于一低亮度场景的拍摄，其特征在于所述的***包括有：

一镜头模块，用以拍摄一图像；

一感光元件，连结该镜头模块，且将该图像感光后而转换为数字图像信号；

一增益调整单元，连结该感光元件，且将经该感光元件产生的该数字图像信号增益调整后以降低噪声；

一记忆位撷取单元，连结该增益调整单元，用以撷取经降低噪声后的数字图像信号中多个记忆位的数据；

一色调调整单元，连结该记忆位撷取单元，用以对经降低噪声后的该数字图像信号执行一色调调整步骤，由此提高该数字图像信号的对比；

一对焦图像产生单元，系连结该色调调整单元以接收该经色调调整的数字图像信号，并将其转换为一对焦图像；以及

一对焦单元，连结该对焦图像产生单元及该镜头模块，该对焦单元先计算出该对焦图像的清晰度，再根据一可令该对焦图像清晰的焦距自动调整该镜头模块，接续执行拍摄。

2.如权利要求1所述的在低亮度场景执行自动对焦的***，其特征在于所述的***根据一自动曝光单元产生的曝光值区分出一高亮度场景与该低亮度场景。

3.如权利要求1所述的在低亮度场景执行自动对焦的***，其特征在于所述的色调调整步骤由该色调调整单元执行一线性对应运算。

4.如权利要求1所述的在低亮度场景执行自动对焦的***，其特征在于，于该镜头模块移动的多个位置上计算该清晰度，估计该清晰度最大的位置即为自动对焦的结果。

5.如权利要求1所述的在低亮度场景执行自动对焦的***，其特征在于所述的记忆位撷取单元，选择性地撷取该多个记忆位的数据。

6.如权利要求5所述的在低亮度场景执行自动对焦的***，其特征在于，于该低亮度场景拍摄时，该记忆位撷取单元撷取该多个记忆位中较低位阶的数据。

7.一种在低亮度场景执行自动对焦的方法，其特征在于所述的方法包括：

通过一镜头模块撷取一图像，并通过一感光元件将该图像转换为数字图像信号；

根据一自动曝光程序产生的曝光值判断该图像的明亮度，若属于一低亮度场景，即进行：

调整该感光元件的增益值，以降低经该感光元件产生的该数字图像信号的噪声；

选择性撷取经降低噪声后的该数字图像信号的多个记忆位；

调整该经选择的数字图像信号的色调，由此提高该数字图像信号的对比；以及

利用经调整色调过后的数字图像信号令该镜头模块执行自动对焦。

8.如权利要求7所述的在低亮度场景执行自动对焦的方法，其特征在于，于该自动对焦步骤包括：

接收该经色调调整的数字图像信号，产生一对焦图像；以及

通过该镜头模块移动的多个位置上计算出多个清晰度，估计该清晰度最大的位置即为自动对焦的结果。

9.如权利要求7所述的在低亮度场景执行自动对焦的方法，其特征在于所述的色调调整步骤于所选择的记忆位的值执行一线性对应运算。

10.如权利要求7所述的在低亮度场景执行自动对焦的方法，其特征在于，于该低亮度场景拍摄时，撷取该多个记忆位中较低位阶的数据。

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