CN102967983A - 相机自动对焦方法 - Google Patents

Abstract

一种相机自动对焦方法及对焦***，相机包括感光元件、对焦镜头和步进电机，感光元件用于对被拍摄物体成像，对焦镜头用于调节成像的清晰度，该方法包括如下步骤：拍摄被拍摄物体形成图像并计算图像的一第一清晰度，驱动对焦镜头以第一步数自第一位置运动至下一位置，重复上述过程将第一清晰度最高时对焦镜头的位置确定为第一对焦位置；驱动对焦镜头运动至第三端点，拍摄被拍摄物体形成图像并计算图像的一第二清晰度；驱动对焦镜头以第二步数自第二位置运动至下一位置；其中，第二步数小于第一步数；重复上述过程，将第二清晰度最高时对焦镜头的位置确定为第二对焦位置并驱动对焦镜头移动至第二对焦位置。其能准确并快速地获得最佳对焦位置。

Description

相机自动对焦方法

技术领域

本发明涉及数码相机的自动对焦方法。

背景技术

为取得最佳的拍摄质量以在存储介质中清晰地重现被拍摄物体，数码相机中的对焦镜头必须获得准确的对焦位置；手动对焦方法从准确度和时间要求上来说，已难以符合日常拍摄或工业应用中的要求。

现有技术中，已出现了一些自动对焦方法，例如：全域搜素法。全域搜素法是记录镜头每移动一步所获得的影像并计算影像的清晰度，当镜头被依序移动至所有的搜索位置，并取得对应每一搜素位置的清晰度值之后，在搜索完成后，找出具有最大清晰度的镜头位置，移动至该镜头位置从而完成自动对焦过程。全域搜索法一定能够找到最佳对焦位置，从而获得清晰度最高的影像，但该方法耗时较多。

另一方面，镜头的移动次数也是一个应考虑的因素。镜头来回移动过多时，易产生机械方面的碰撞而缩短相机寿命。

因此，获得一种准确且快速的自动对焦方法，是本发明需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自动对焦方法，其能准确并快速地找到相机中对焦镜头的最佳对焦位置。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种相机自动对焦方法，相机至少包括一感光元件、一对焦镜头和一步进电机，感光元件用于对被拍摄物体成像，对焦镜头用于调节成像的清晰度，该方法包括如下步骤：a)、相机拍摄被拍摄物体形成图像并计算图像的一第一清晰度，以及记录第一位置，第一位置为对焦镜头的当前位置；b)、步进电机以第一步数驱动对焦镜头自第一位置运动至下一位置；c)、重复步骤a)和b)，直至对焦镜头的移动历经第一对焦范围，第一对焦范围为第一端点和第二端点之间的范围，第一端点为对焦镜头向感光元件移动时的极限位置，第二端点为对焦镜头远离感光元件移动时的极限位置；d)、将第一清晰度最高时对焦镜头的位置确定为第一对焦位置；e)、步进电机驱动对焦镜头运动至第三端点，第三端点以第一间隔位于第一对焦位置的左侧或右侧；f)、相机拍摄被拍摄物体形成图像并计算图像的一第二清晰度，以及记录第二位置，第二位置为对焦镜头的当前位置；g)、步进电机以第二步数驱动对焦镜头以朝向第四端点的方向自第二位置运动至下一位置，第四端点以第一间隔位于第一对焦位置不同于第三端点的一侧；其中，第二步数小于第一步数；h)、重复步骤f)和g)，直至对焦镜头的移动历经第二对焦范围，第二对焦范围为第三端点和第四端点之间的范围；i)、将第二清晰度最高时对焦镜头的位置确定为第二对焦位置；j)、步进电机驱动对焦镜头移动至第二对焦位置。

优选地，步骤a)具体包括：判断对焦镜头是否首次运动至当前位置；若是，相机拍摄被拍摄物体形成图像并计算图像的一第一清晰度，以及记录第一位置，第一位置为对焦镜头的当前位置；否则，跳至步骤b)。

优选地，第一间隔为步进电机以第一步数驱动时对焦镜头前进的距离。

本发明的另一目的在于提供一种相机自动对焦***，其能准确并快速地获得最佳对焦位置，从而获得最佳清晰度的图像。

为实现上述目的，本发明又一技术方案如下：

一种相机自动对焦***，包括：相机，其至少包括一感光元件，相机通过感光元件使被拍摄物体成像；镜头组，其至少包括一对焦镜头，对焦镜头用于调节成像的清晰度；步进电机，其用于驱动对焦镜头前后运动；以及计算控制单元，与相机、步进电机分别连接，用于计算相机的成像清晰度以及控制步进电机的运动步数和运动方向；计算控制单元控制步进电机以第一步数运行，以驱动对焦镜头在第一对焦范围内移动，对焦镜头每运动至一新位置时，相机对被拍摄物体成像，计算控制单元计算所得图像的第一清晰度并计算出第一对焦位置，第一对焦位置为第一清晰度最高时对焦镜头所处的位置；其中，第一对焦范围为第一端点和第二端点之间的范围，第一端点为对焦镜头向感光元件移动时的极限位置，第二端点为对焦镜头远离感光元件移动时的极限位置；计算控制单元还驱动步进电机以第二步数运行，以驱动对焦镜头在第二对焦范围内移动，对焦镜头每运动至一新位置时，相机对被拍摄物体成像，计算控制单元计算所得图像的第二清晰度并计算出第二对焦位置，第二对焦位置为第二清晰度最高时对焦镜头所处的位置；其中，第二步数小于第一步数；第二对焦范围为第三端点和第四端点之间的范围，第三端点和第四端点以第一间隔分布于第一对焦位置的左右两侧。

优选地，计算控制单元为一ARM处理器。

本发明提供的相机自动对焦方法及相机自动对焦***，能准确地找到相机中对焦镜头的最佳对焦位置，从而在存储介质中清晰地重现被拍摄物体，其对焦过程耗时较短，且能明显降低步进电机、对焦镜头的移动次数。

附图说明

图1示出本发明第一实施例的相机自动对焦***结构示意图；

图2示出本发明第二实施例的相机自动对焦方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

需要说明的是，根据本发明的任一实施例，相机至少包括一感光元件、一对焦镜头和一步进电机，感光元件用于对被拍摄物体成像，对焦镜头用于调节成像的清晰度，步进电机用于驱动对焦镜头前后移动。第一端点为对焦镜头向感光元件移动时的极限位置，第二端点为对焦镜头远离感光元件移动时的极限位置。

如图1所示，本发明第一实施例的相机自动对焦***包括：相机20，其至少包括一感光元件，相机20通过感光元件使被拍摄物体成像；镜头组21，其至少包括一对焦镜头，对焦镜头用于调节成像的清晰度；步进电机22，其用于驱动对焦镜头前后运动；以及计算控制单元23，与相机20、步进电机22分别连接，用于计算相机20的成像清晰度以及控制步进电机22的运动步数和运动方向。

镜头组21通常包括多组各种透镜，被拍摄物体发出的光线经镜头组各透镜折射而入射到感光元件，感光元件产生电荷记录在存储介质中形成图像；步进电机22包覆于镜头组21***，可以驱动对焦镜头以及其他透镜向前或向后运动。

根据本实施的相机自动对焦***，在自动对焦过程中，计算控制单元23控制步进电机22首先以第一步数运行，以驱动对焦镜头在第一对焦范围内移动，对焦镜头每运动至一新位置时，相机对被拍摄物体成像，计算控制单元23计算所得图像的第一清晰度并计算出第一对焦位置，第一对焦位置为第一清晰度最高时对焦镜头所处的位置；其中，第一对焦范围为第一端点和第二端点之间的范围，第一端点为对焦镜头向感光元件移动时的极限位置，第二端点为对焦镜头远离感光元件移动时的极限位置。

随后，计算控制单元23驱动步进电机22以第二步数运行，以驱动对焦镜头在第二对焦范围内移动，对焦镜头每运动至一新位置时，相机对被拍摄物体成像，计算控制单元23计算所得图像的第二清晰度并计算出第二对焦位置，第二对焦位置为第二清晰度最高时对焦镜头所处的位置；其中，第二步数小于第一步数；第二对焦范围为第三端点和第四端点之间的范围，第三端点和第四端点以第一间隔分布于第一对焦位置的左右两侧。

进一步地，第一间隔为步进电机22以第一步数驱动时对焦镜头前进的距离。

该相机自动对焦***能准确并快速地获得最佳对焦位置，从而获得最佳清晰度的图像。

进一步地，计算控制单元23为一ARM处理器。

进一步地，相机20还包括一云台，该云台带动相机20进行上、下、左、右方向的转动。

如图2所示，本发明第二实施例的相机自动对焦方法包括如下步骤：

步骤S10、相机拍摄被拍摄物体形成图像并计算图像的一第一清晰度，以及记录第一位置，第一位置为对焦镜头的当前位置。

具体地，在首次对焦时，相机即以对焦镜头的起始位置为对焦位置、对被拍摄物体成像，同时计算所得图像的第一清晰度、以及记录第一位置，第一位置即为对焦镜头的起始位置。例如，起始位置可以为第一端点或第二端点，也可以为第一端点、第二端点之间的任意位置。当起始位置为第一端点或第二端点时，在开始本发明的自动对焦过程之前，还需要有一个初始化步骤，即将对焦镜头移动至该第一端点或第二端点，随后再进行自动对焦过程。

在后续的对焦过程中，相机以对焦镜头的当前位置为对焦位置对被拍摄物体成像，计算第一清晰度以及记录该当前位置。

进一步地，第一清晰度为拍摄所得图像中第一区域的清晰度，第一区域为图像中任一横向像素数为N、纵向像素数为M的连续区域，其中，N与M的比例大于0.5小于2，N、M均大于100。不取整幅图像作为第一区域时，可以加快第一清晰度的计算过程，从而降低自动对焦方法的耗时。

根据本该步骤S10的一种具体实施方式，第一区域的清晰度以第一方差和衡量，第一方差和为第一区域中全部像素对应的第一方差之和，其中第一方差为第一区域中每一像素与其相邻像素之间的亮度差异的方差。

根据本该步骤S10的另一具体实施方式，第一区域的清晰度以第一区域的信息熵衡量，信息熵计算公式为：

其中p_k为亮度值为k的像素在第一区域中出现的概率，N为整幅图像的亮度等级，e为自然对数。

计算第一区域清晰度时，还可以采用其他现有技术中提供的算法。

步骤S11、步进电机以第一步数驱动对焦镜头自第一位置运动至下一位置。

具体地，步进电机以第一步数驱动对焦镜头向下一位置移动。对焦镜头的运动方向可以先朝向第一端点，在对焦镜头移动至第一端点后，其运动方向再变为朝向第二端点。

第一步数应显著大于1；优选情况下，第一步数为40步。

步骤S12、重复步骤S10和S11，直至对焦镜头的移动历经第一对焦范围。

具体地，判断对焦镜头的移动路径是否已覆盖第一对焦范围，若是，则执行下一步骤；否则，重复前两个步骤；其中，第一对焦范围为第一端点和第二端点之间的范围。

步骤S13、将第一清晰度最高时对焦镜头的位置确定为第一对焦位置。

具体地，在寻找第一对焦位置的对焦过程中，逐次比较前后两次成像所得的第一清晰度，记录较大的第一清晰度以及其对应的对焦镜头所处的位置。在对焦镜头的移动路径覆盖第一对焦范围后，将第一清晰度最高时对焦镜头的位置确定为第一对焦位置。

步骤S14、步进电机驱动对焦镜头运动至第三端点，。

具体地，自该步骤开始寻找第二对焦位置的对焦过程，第二对焦位置为优选的对焦位置，其对应的成像清晰度高于相机以第一对焦位置获得的成像清晰度。

根据该实施例，寻找第二对焦位置的过程为将对焦镜头移动以历经第二对焦范围的过程。第二对焦范围为第三端点和第四端点之间的范围，第三端点以第一间隔位于第一对焦位置的左侧或右侧，第四端点以第一间隔位于第一对焦位置不同于第三端点的一侧，即第二对焦范围的中心为第一对焦位置。寻找第二对焦位置的过程即为相机在第一对焦位置两侧的一定距离范围内，寻找成像清晰度更高的对焦位置。

优选情况下，第一间隔大于步进电机以第一步数驱动时对焦镜头移动的距离。从而可以保证，在第二对焦范围之外的任何位置，相机对被拍摄物体成像时，都不可能取得更高的清晰度。

步骤S15、相机拍摄被拍摄物体形成图像并计算图像的一第二清晰度，以及记录第二位置，第二位置为对焦镜头的当前位置。

具体地，相机拍摄被拍摄物体形成图像并计算图像的一第二清晰度，并记录第二位置。第二清晰度的计算方法可以和第一清晰度的计算方法相同，也可以不同。

其中，第二清晰度为拍摄所得图像中第二区域的清晰度，第二区域为一至少包括第一区域的连续区域；最好为整幅所述图像。

第二区域的清晰度可以如下方式计算：以第二方差和衡量，第二方差和为第二区域中全部像素对应的第二方差之和，其中，第二方差表示第二区域中每一像素与其相邻像素之间的亮度差异的方差。

以像素亮度差异方差和算法、或如步骤S10的另一具体实施方式提供的信息熵算法、或现有技术中的其他清晰度计算方法，均可衡量图像中任一区域的清晰度，但相比较而言，信息熵算法耗时少、精确度低，像素亮度差异方差和算法耗时长、精确度高。

相较于第一清晰度而言，第二清晰度更精确地代表了整幅图像的清晰度，从而相机取第二对焦位置成像时，相对于第一对焦位置而言，更能清晰地在存储介质中重现被拍摄物体。

步骤S16、步进电机以第二步数驱动对焦镜头以朝向第四端点的方向自第二位置运动至下一位置，其中，第二步数小于第一步数。

具体地，步进电机以第二步数驱动对焦镜头向下一位置移动，对焦镜头的运动方向朝向第四端点，第四端点和第三端点以第一间隔对称地位于第一对焦位置的两侧。第二步数等于或稍大于1，明显低于第一步数。优选情况下，第二步数为1步。

步骤S17、重复步骤S15和S16，直至对焦镜头的移动历经第二对焦范围。

具体地，判断对焦镜头的移动路径是否已覆盖第二对焦范围，若是，则执行下一步骤；否则，重复前两个步骤S15、S16。

步骤S18、将第二清晰度最高时对焦镜头的位置确定为第二对焦位置。

具体地，在寻找第二对焦位置的对焦过程中，逐次比较前后两次成像所得的第二清晰度，记录较大的第二清晰度以及其对应的对焦镜头所处的位置。在对焦镜头的移动路径覆盖第二对焦范围后，将第二清晰度最高时对焦镜头的位置确定为第二对焦位置。

步骤S19、步进电机驱动对焦镜头移动至第二对焦位置。

第二对焦位置为本实施例的自动对焦方法所得的最佳对焦位置，该步骤完成整个的自动对焦过程，。

根据该实施例的优选实施方式，步骤S11具体包括：判断对焦镜头是否首次运动至当前位置；若是，相机对被拍摄物体成像并计算所得图像的一第一清晰度，以及记录第一位置，第一位置为对焦镜头的当前位置；否则，跳至所述步骤S12。

进一步地，第一间隔为步进电机以第一步数驱动时对焦镜头移动的距离。

进一步地，以像素亮度差异方差和算法求取图像某一区域的清晰度时，设当前像素的坐标为(i，j)，则其相邻像素取其周边8个像素，坐标分另为(i-1、j-1)，(i-1、j)，(i-1、j+1)，(i、j-1)，(i、j+1)，(i+1、j-1)，(i+1、j)，(i+1、j+1)。

进一步地，计算像素亮度的公式为：Gray＝R*0.299+G*0.587+B*0.114，其中R、G、B分别为该像素的红、绿、蓝色分量值。

本发明的自动对焦方法，分成两次求取对焦镜头的最佳对焦位置，第一次是快速筛选的过程，力求获得一个清晰度最高的最佳对焦范围，第二次则是在该最佳对焦范围内，基于更精确地成像清晰度算法求取最佳对焦位置。其在获得最佳对焦位置的同时，对焦过程耗时较短，且能明显降低步进电机、对焦镜头的移动次数，有益于提高相机的寿命。

以上所述的仅为本发明的优选实施例，所述实施例并非用以限制本发明的专利保护范围，因此凡是运用本发明的说明书及附图内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (14)

1.一种相机自动对焦方法，所述相机至少包括一感光元件、一对焦镜头和一步进电机，所述感光元件用于对被拍摄物体成像，所述对焦镜头用于调节成像的清晰度，该方法包括如下步骤： 

a)、所述相机拍摄所述被拍摄物体形成图像并计算所述图像的一第一清晰度，以及记录第一位置，所述第一位置为所述对焦镜头的当前位置； 

b)、所述步进电机以第一步数驱动所述对焦镜头自所述第一位置运动至下一位置； 

c)、重复所述步骤a）和b），直至所述对焦镜头的移动历经第一对焦范围，所述第一对焦范围为第一端点和第二端点之间的范围，所述第一端点为所述对焦镜头向所述感光元件移动时的极限位置，所述第二端点为所述对焦镜头远离所述感光元件移动时的极限位置； 

d)、将所述第一清晰度最高时所述对焦镜头的位置确定为第一对焦位置； 

e）、所述步进电机驱动所述对焦镜头运动至第三端点，所述第三端点以第一间隔位于所述第一对焦位置的左侧或右侧； 

f)、所述相机拍摄所述被拍摄物体形成所述图像并计算所述图像的一第二清晰度，以及记录第二位置，所述第二位置为所述对焦镜头的当前位置； 

g)、所述步进电机以第二步数驱动所述对焦镜头以朝向第四端点的方向自所述第二位置运动至下一位置，所述第四端点以所述第一间隔位于所述第一对焦位置不同于所述第三端点的一侧；其中，所述第二步数小于所述第一步数； 

h)、重复所述步骤f）和g），直至所述对焦镜头的移动历经第二对焦范围，所述第二对焦范围为所述第三端点和第四端点之间的范围； 

i)、将所述第二清晰度最高时所述对焦镜头的位置确定为第二对焦位置； 

j)、所述步进电机驱动所述对焦镜头移动至所述第二对焦位置。 

2.如权利要求1所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述步骤a)具体包括： 

判断所述对焦镜头是否首次运动至当前位置；若是，所述相机拍摄所述被拍摄物体形成图像并计算所述图像的一第一清晰度，以及记录第一位置，所述第一位置为所述对焦镜头的当前位置；否则，跳至所述步骤b)。 

3.如权利要求1所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述第一间隔为所述步进电机以所述第一步数驱动时所述对焦镜头前进的距离。 

4.如权利要求1所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述第一清晰度为所述图像中第一区域的清晰度，所述第一区域为所述图像中任一横向像素数为N、纵向像素数为M的连续区域，其中，N与M的比例大于0.5小于2，N大于100，M大于100。 

5.如权利要求4所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述第一区域的清晰度以第一方差和衡量，所述第一方差和为所述第一区域中全部像素对应的第一方差之和，所述第一方差为所述第一区域中每一像素与其相邻像素之间的亮度差异的方差。 

6.如权利要求4所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述第一区域的清晰度以所述第一区域的信息熵衡量，所述信息熵计算公式为： 

其中p_k为亮度值为k的像素在所述第一区域中出现的概率，N为所述图像的亮度等级，e为自然对数。 

7.如权利要求4所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述第二清晰度为所述图像中第二区域的清晰度，所述第二区域至少包括所述第一区域。 

8.如权利要求7所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述第二区域的清晰度以第二方差和衡量，所述第二方差和为所述第二区域中 全部像素对应的第二方差之和，所述第二方差为所述第二区域中每一像素与其相邻像素之间的亮度差异的方差。 

9.如权利要求5或8所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述相邻像素为8个，设当前像素的横、纵坐标分别为(i、j)，所述相邻像素的坐标分别为(i-1、j-1)，(i-1、j),(i-1、j+1)，(i、j-1)，(i、j+1)，(i+1、j-1)，(i+1、j)，（i+1、j+1）。 

10.如权利要求5、6或8所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述像素的亮度计算公式为Gray=R*0.299+G*0.587+B*0.114，其中R、G、B分别为所述像素的红、绿、蓝色分量值。 

11.如权利要求1至8中任一项所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述第一步数为40步，所述第二步数为1步。 

12.一种相机自动对焦***，包括： 

相机，所述相机至少包括一感光元件，所述相机通过所述感光元件使被拍摄物体成像， 

镜头组，所述镜头组至少包括一对焦镜头，所述对焦镜头用于调节成像的清晰度； 

步进电机，所述步进电机用于驱动所述对焦镜头前后运动；以及 

计算控制单元，与所述相机、所述步进电机分别连接，用于计算所述相机的成像清晰度以及控制所述步进电机的运动步数和运动方向； 

所述计算控制单元控制所述步进电机以第一步数运行，以驱动所述对焦镜头在第一对焦范围内移动，所述对焦镜头每运动至一新位置时，所述相机对所述被拍摄物体成像，所述计算控制单元计算所得图像的第一清晰度并计算出第一对焦位置，所述第一对焦位置为所述第一清晰度最高时所述对焦镜头所处的位置；其中，所述第一对焦范围为第一端点和第二端点之间的范围，所述第一端点为所述对焦镜头向所述感光元件移动时的极限位置，所述第二端点为所述对焦镜头远离所述感光元件移动时的极限位置； 

所述计算控制单元还驱动所述步进电机以第二步数运行，以驱动所述对焦镜头在第二对焦范围内移动，所述对焦镜头每运动至一新位置 时，所述相机对所述被拍摄物体成像，所述计算控制单元计算所得图像的第二清晰度并计算出第二对焦位置，所述第二对焦位置为所述第二清晰度最高时所述对焦镜头所处的位置；其中，所述第二步数小于所述第一步数；所述第二对焦范围为第三端点和第四端点之间的范围，所述第三端点和第四端点以第一间隔分布于所述第一对焦位置的左右两侧。 

13.如权利要求12所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述计算控制单元为一ARM处理器。 

14.如权利要求12所述的相机自动对焦方法，其特征在于，所述相机还包括一云台，所述云台带动所述相机进行上、下、左、右方向的转动。 

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