CN107645632A - 焦点调节设备、焦点调节方法、摄像设备和存储介质 - Google Patents

焦点调节设备、焦点调节方法、摄像设备和存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种焦点调节设备、焦点调节方法、摄像设备和存储介质。该焦点调节设备根据从利用光学***形成被摄体图像的图像传感器输出的图像信号来检测被摄体的第一区域和追踪位置的可靠度，基于该图像信号来检测焦点检测区域的焦点状态，确定要进行光学***的焦点调节的聚焦区域，基于聚焦区域的焦点状态的历史来预测下一焦点检测中的焦点状态，并且从这些焦点检测区域中选择第二区域。在可靠度高于预先确定的第一阈值的状态持续了预定时间段以上的情况下，将第一区域确定为聚焦区域，否则将第二区域确定为聚焦区域。

Description

焦点调节设备、焦点调节方法、摄像设备和存储介质
技术领域
本发明涉及一种焦点调节设备、焦点调节方法、包括该焦点调节设备的摄像设备和存储介质，并且特别涉及用于基于被摄体追踪来进行焦点调节的焦点调节设备和焦点调节方法、包括该焦点调节设备的摄像设备以及存储介质。
背景技术
近年来，大量提出了用于高精度地追踪移动被摄体的焦点调节设备。日本特开2001-21794公开了用于高精度地追踪被摄体在光轴方向上的移动的方法，具体公开了用于通过预测移动被摄体的将来像面位置来提高追踪性能的焦点调节设备。根据日本特开2001-21794，存储过去的多个焦点检测结果，并且选择最适合预测被摄体的将来像面位置的变化的功能。
另一方面，日本特开2012-208507公开了如下方法：从基于拍摄图像的图像特征的追踪位置、通过基于过去的焦点检测结果的预测所获得的追踪位置和任意指定的位置(开始检测点)中选择满足预定条件的追踪位置。
日本特开2001-21794存在如下风险：在根据过去检测结果无法预测的运动的情况下，发生追踪失败。另一方面，根据日本特开2012-208507，在不可预测的运动的情况下优先用户在拍摄开始时指定的位置。然而，用户需要保持在画面上的预定位置拍摄要追踪的被摄体；该操作对于在操作照相机方面没有经验的用户而言困难。
发明内容
本发明是考虑到上述情形而作出的，并且通过使用基于从拍摄图像获得的图像特征的可靠度来增加对不规则地移动且移动难以预测的被摄体进行追踪的机会。此外，本发明以可容易识别的方式向用户通知追踪被摄体的区域。
根据本发明，提供一种焦点调节设备，包括：追踪单元，用于根据从用于拍摄被摄体图像的图像传感器所输出的图像信号来检测要追踪的被摄体的第一区域和追踪位置的可靠度，其中所述被摄体图像是利用光学***在所述图像传感器上形成的图像；焦点检测单元，用于基于从所述图像传感器所输出的图像信号来检测多个焦点检测区域的焦点状态；确定单元，用于确定要进行所述光学***的焦点调节的聚焦区域；预测单元，用于基于所述焦点检测单元所检测到的聚焦区域的焦点状态的历史，来预测下一焦点检测中的焦点状态；以及选择单元，用于从所述多个焦点检测区域中选择第二区域，其中，在所述可靠度高于预先确定的第一阈值的状态持续了预定时间段以上的情况下，所述确定单元将所述第一区域确定为所述聚焦区域，并且在所述状态没有持续所述预定时间段的情况下，所述确定单元将所述第二区域确定为所述聚焦区域。
此外，根据本发明，提供一种摄像设备，包括：图像传感器，用于通过拍摄利用光学***所形成的被摄体图像来输出图像信号；以及焦点调节设备，其包括：追踪单元，用于根据从用于拍摄被摄体图像的所述图像传感器所输出的图像信号来检测要追踪的被摄体的第一区域和追踪位置的可靠度，其中所述被摄体图像是利用所述光学***在所述图像传感器上形成的图像；焦点检测单元，用于基于从所述图像传感器所输出的图像信号来检测多个焦点检测区域的焦点状态；确定单元，用于确定要进行所述光学***的焦点调节的聚焦区域；预测单元，用于基于所述焦点检测单元所检测到的聚焦区域的焦点状态的历史，来预测下一焦点检测中的焦点状态；以及选择单元，用于从所述多个焦点检测区域中选择第二区域，其中，在所述可靠度高于预先确定的第一阈值的状态持续了预定时间段以上的情况下，所述确定单元将所述第一区域确定为所述聚焦区域，并且在所述状态没有持续所述预定时间段的情况下，所述确定单元将所述第二区域确定为所述聚焦区域。
此外，根据本发明，提供一种焦点调节方法，包括以下步骤：根据从用于拍摄被摄体图像的图像传感器所输出的图像信号来检测要追踪的被摄体的第一区域和追踪位置的可靠度，其中所述被摄体图像是利用光学***在所述图像传感器上形成的图像；基于从所述图像传感器所输出的图像信号来检测多个焦点检测区域的焦点状态；确定要进行所述光学***的焦点调节的聚焦区域；基于所检测到的聚焦区域的焦点状态的历史，来预测下一焦点检测中的焦点状态；以及从所述多个焦点检测区域中选择第二区域，其中，在所述可靠度高于预先确定的第一阈值的状态持续了预定时间段以上的情况下，将所述第一区域确定为所述聚焦区域，并且在所述状态没有持续所述预定时间段的情况下，将所述第二区域确定为所述聚焦区域。
此外，根据本发明，提供一种存储有计算机能够执行的程序的计算机可读存储介质，所述程序具有用于实现焦点调节方法的程序代码，所述焦点调节方法包括以下步骤：根据从用于拍摄被摄体图像的图像传感器所输出的图像信号来检测要追踪的被摄体的第一区域和追踪位置的可靠度，其中所述被摄体图像是利用光学***在所述图像传感器上形成的图像；基于从所述图像传感器所输出的图像信号来检测多个焦点检测区域的焦点状态；确定要进行所述光学***的焦点调节的聚焦区域；基于所检测到的聚焦区域的焦点状态的历史，来预测下一焦点检测中的焦点状态；以及从所述多个焦点检测区域中选择第二区域，其中，在所述可靠度高于预先确定的第一阈值的状态持续了预定时间段以上的情况下，将所述第一区域确定为所述聚焦区域，并且在所述状态没有持续所述预定时间段的情况下，将所述第二区域确定为所述聚焦区域。
通过以下(参考附图)对典型实施例的说明，本发明的其它特征将变得明显。
附图说明
包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且和说明书一起用来解释本发明的原理。
图1A是根据本发明实施例的摄像设备的截面图，并且图1B是示出摄像设备的功能结构的框图；
图2A和2B示出根据实施例的图像传感器的构造；
图3是示出根据实施例的像素构造和光瞳分割的示意图；
图4是根据实施例的焦点调节和摄像处理的流程图；
图5是根据实施例的焦点检测处理的流程图；
图6是根据实施例的被摄体追踪处理的流程图；
图7A和7B示出根据实施例的模板匹配的示例；
图8是根据实施例的主追踪位置判断处理的流程图；
图9是根据实施例的摄像之前的拍摄前预测处理的流程图；以及
图10A-10E示出根据实施例的显示框的显示示例。
具体实施方式
将根据附图来详细说明本发明的典型实施例。这些实施例所示的构成部件的尺寸、形状和相对位置应当根据各种条件并且根据适应于本发明的设备的构造而适当地改变，并且本发明不限于这里所述的实施例。
[整体结构]
图1A和1B示出根据本发明实施例的摄像设备的整体结构；具体地，图1A是摄像设备的截面图，并且图1B是示出摄像设备的功能结构的框图。通常，照相机具有两种模式：用于相对于特定时刻的被摄体的像面驱动镜头的模式(单拍拍摄模式)；和用于在预测被摄体的将来像面的同时驱动镜头的模式(伺服拍摄模式)。在本实施例中，将说明在将摄像设备设置为伺服拍摄模式的情况下所进行的操作。
在本实施例中，将说明如下的可更换镜头式数字静态照相机作为摄像设备，其中该可更换镜头式数字静态照相机将配备有取景器104和图像传感器103的照相机本体100与配备有摄像光学***的摄像镜头120相组合使用。注意，本发明不限于应用于可更换镜头式数字静态照相机，并且可以应用于可以基于图像信号来进行焦点调节的各种光学装置。
照相机本体100包括图像传感器103、取景器104、显示器105、CPU110、图像传感器控制电路102、存储器电路101、接口电路106、图像处理电路107、电触点108和快速返回镜109。
图像传感器103例如由互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器或电荷耦合器件(CCD)图像传感器构成，并且配置于照相机本体100中的摄像镜头120的预期成像面上。在本实施例中，将说明图像传感器103作为CMOS图像传感器。
现在将参考图2A和2B来说明根据本实施例的图像传感器103的像素构造。图2A和2B示出图像传感器103的像素构造；具体地，图2A是图像传感器103中的像素阵列的平面图，并且图2B是像素210G的截面图。
图2A示出图像传感器103的像素阵列的在4行×4列的范围的部分。像素组210包括根据拜耳阵列按2行×2列排列的像素，即具有针对红色(R)的光谱灵敏度的左上方像素210R、具有针对绿色(G)的光谱灵敏度的右上方和左下方的像素210G、以及具有针对蓝色(B)的光谱灵敏度的右下方像素210B。各个像素210R、210G和210B包括光瞳分割所用的两个光电转换部201a和201b。各光电转换部201a接收通过摄像镜头120的出射光瞳的第一光瞳区域的光束，并且进行光瞳转换。各光电转换部201b接收通过与第一光瞳区域不同的第二光瞳区域的光束，并且进行光电转换。按上述方式构造的像素用作摄像像素和焦点检测像素。
如图2B所示，光电转换部201a和201b由各自包括p型层200和n型层的光电二极管构成。在颜色滤波器203上，在Z方向上与受光面相距预定距离的位置处配置微透镜202。
在本实施例中，图像传感器103的像素210R、210G和210B中的每一个像素均包括光瞳分割所用的光电转换部201a和201b。这两个光电转换部201a和201b由于相对于微透镜202的光轴在+X方向和-X方向上分别偏心，因此使得能够使用一个微透镜202来进行光瞳分割。因此，使用包括光电转换部201a和201b的像素作为焦点检测像素。尽管这里将假定所有像素被构造为焦点检测像素，但本发明不限于这种方式，并且可以仅将全体像素的一部分构造为焦点检测像素。此外，尽管图2A示出光电转换部201a和201b相对于微透镜202的光轴在X方向上偏心的示例性配置，但其它配置也是可以的；例如，光电转换部可以在Y方向上偏心，或者可选地，一些光电转换部可以在X方向上偏心而其它光电转换部在Y方向上偏心。这些配置不仅支持具有X方向上的亮度分布的被摄体，而且还支持具有Y方向上的亮度分布的被摄体。
现在将参考图3来说明图像传感器103的光瞳分割功能。图3示出图像传感器103的光瞳分割功能，并且示出如何对一个像素进行光瞳分割。注意，在图3中，向与图2B所示的构成部分相同的构成部分赋予相同的附图标记。
图3的上部示出出射光瞳302和开口框303(例如，光圈框或透镜框)。出射光瞳302包括分别与光电转换部201a和201b相对应的光瞳区域302a和302b。图像信号A是利用与在-X方向上偏心的n型层等同的光电转换部201a所获得的。图像信号B是利用与在+X方向上偏心的n型层等同的光电转换部201b所获得的。
在本实施例中，图像信号A是从如图2A所示在X方向上规则排列的多个光电转换部201a所获得的。即，图像信号A是从通过了摄像光学***的出射光瞳区域的一部分并且根据f值而具有不同的基线长度的一对光束中的一个光束所获得的。另一方面，图像信号B是从如图2A所示在X方向上规则排列的多个光电转换部201b所获得的。即，图像信号B是从通过了摄像光学***的出射光瞳区域的不同部分并且根据f值而具有不同的基线长度的一对光束中的另一光束所获得的。
返回参考图1A和1B，在快速返回镜109位于向图像传感器103的光路上的情况下，快速返回镜109使来自摄像镜头120的摄像光束向着取景器104反射。取景器104使得操作员能够观察被快速返回镜109反射的被摄体图像。在拍摄和实时取景模式期间，快速返回镜109从光路退避，由此使得经由摄像镜头120入射的光束能够到达图像传感器103。尽管未示出，但快速返回镜109和图像传感器103之间所设置的快门在拍摄和实时取景模式期间打开。
图像传感器控制电路102根据来自CPU 110的指示来驱动并控制图像传感器103。存储器电路101存储图像传感器103所拍摄到的图像和图像传感器103的受光分布。图像处理电路107向通过图像传感器103进行的拍摄所获得的图像信号应用图像处理。使用接口电路106来将图像处理电路107应用了图像处理的图像输出至照相机的外部。电触点108与摄像镜头120中的电触点124相接触，并且用在电力和各种信号的通信中。
显示器105例如包括液晶显示器(LCD)面板，并且显示拍摄图像和拍摄信息等。在实时取景模式期间，显示器105实时地显示预期拍摄区域的运动图像。这里，实时取景模式表示如下模式，其中该模式用于将经由摄像镜头120入射的并且在图像传感器103上形成的被摄体图像读出作为低分辨率的预览运动图像，并且将这些被摄体图像实时地显示在显示器105上。在该实时取景模式期间，如后面将说明的，可以进行摄像面上的相位差AF。此外，在连续拍摄期间，显示器105显示通过连续拍摄所获得的低分辨率的静止图像。
CPU 110是用于整体控制整个照相机的控制单元。CPU 110包括相位差检测单元111、被摄体追踪单元116、散焦量转换单元112、主追踪位置判断单元115、存储单元113、焦点调节单元114、预测单元119和显示框选择单元117，计算摄像镜头120的聚焦状态，并且发出驱动指示。
相位差检测单元111检测从图像传感器103获得的一对图像信号A和图像信号B之间的相对相位差，并且散焦量转换单元112使用转换系数将相位差检测单元111所检测到的相位差转换成散焦量。基于从图像传感器103获得的图像信号的特征，被摄体追踪单元116计算要追踪的被摄体的区域(以下称为“追踪区域”)、要追踪的被摄体的位置(以下称为“追踪位置”)和追踪的可靠度(追踪可能性)。主追踪位置判断单元115从多个追踪位置中判断焦点调节单元114要聚焦的主追踪位置(聚焦区域)。存储单元113将拍摄时刻(拍摄时间点)和根据转换得到的散焦量所计算出的被摄体的摄像面的位置存储到存储器电路101。
焦点调节单元114指示镜头CPU 122基于转换得到的散焦量来移动焦点位置。此外，焦点调节单元114使用预测单元119来预测将来像面位置，计算使摄像镜头120的焦点位置移动至所预测的将来像面位置所需的镜头驱动量，并且相应地向镜头CPU 122发出指示。
在将所拍摄到的低分辨率的静止图像显示在显示器105上时，显示框选择单元117选择示出追踪中的被摄体区域并且要叠加在该静止图像上的框。
摄像镜头120是相对于照相机本体100可安装且可拆卸的可更换镜头。摄像镜头120包括镜头CPU 122、摄像镜头驱动机构121、光圈驱动机构123、光圈125、电触点124和摄像光学***，其中该摄像光学***例如包括包含调焦透镜的透镜组件。
摄像镜头驱动机构121通过驱动包括多个透镜的透镜组件以使在图像传感器103的摄像面附近的焦点位置沿光轴方向移动，在图像传感器103上形成要拍摄的被摄体的光学图像。镜头CPU 122经由电触点124接收从照相机本体100的CPU 110发送来的焦点调节信息，并且基于该焦点调节信息来驱动摄像镜头驱动机构121。
光圈驱动机构123具有用于驱动光圈125的机构和针对该机构的致动器，并且根据来自照相机CPU 110的指示来驱动光圈125。
[摄像处理]
以下使用图4来说明根据本实施例的伺服拍摄模式中的焦点调节和摄像处理的流程。在通过使拍摄准备开关变为ON(接通)来发出拍摄准备指示的情况下，开始该处理。注意，在一般的照相机中，通过半按下用作拍摄按钮的开关，拍摄准备开关变为ON。
一旦该处理开始，则在步骤S101中，进行焦点检测处理。后面将使用图5来说明焦点检测处理的详情。然后，在步骤S102中，被摄体追踪单元116执行被摄体追踪处理。后面将使用图6来说明被摄体追踪处理的详情。接着，在步骤S103中，进行主追踪位置判断处理。后面将使用图8来说明主追踪位置判断处理的详情。
在步骤S104中，执行拍摄前预测处理。如后面将说明的，在拍摄前预测处理中，在拍摄开始开关处于ON状态的情况下，预测单元119预测从在步骤S101的焦点检测处理中进行相位差检测时起直到图像传感器103进行拍摄时为止的被摄体的像面位置。另一方面，在拍摄开始开关处于OFF(断开)状态的情况下，预测单元119预测直到下一相位差检测为止的被摄体的像面位置。后面将使用图9来说明预测方法的详情。
在步骤S105中，计算使摄像镜头120移动以聚焦于步骤S104中所预测的被摄体的像面位置所需的镜头驱动量，并且向镜头CPU 122通知该镜头驱动量。
随后，在步骤S106中，判断拍摄开始开关的状态；如果拍摄开始状态处于ON状态，则进入步骤S107以进行拍摄，并且如果拍摄开始开关处于OFF状态，则进入步骤S110。注意，在一般的照相机中，通过全按下用作拍摄按钮的开关，拍摄开始开关变为ON。
在步骤S107中，指示图像传感器控制电路102驱动并控制图像传感器103，并且将图像传感器103所拍摄到的图像存储到存储器电路101。在步骤S108中，预测单元119预测下次相位差检测时被摄体的像面位置，并且在步骤S109中，计算使摄像镜头120移动以聚焦于步骤S108中所预测的像面位置所需的镜头驱动量，并且向镜头CPU 122通知该镜头驱动量。
在步骤S110中，显示框选择单元117选择要显示在拍摄图像上的框。后面将使用图10A-10E来说明显示框选择方法的详情。
在步骤S111中，判断拍摄准备开关是否处于OFF状态；如果拍摄准备开关处于OFF状态，则焦点调节和摄像处理结束，并且如果拍摄准备开关处于ON状态，则焦点调节和摄像处理返回至步骤S101以重复上述处理。
(焦点检测处理)
以下基于图5的流程图来说明步骤S101中所执行的焦点检测处理的示例性操作。在步骤S201中，获得从图像传感器103输出的一对图像信号A和B。在步骤S202中，计算步骤S201中所获得的图像信号A和B之间的相位差(图像偏移量)。这里，针对各个焦点检测区域(在图10A的示例中为7×7个区域)计算图像偏移量，其中这些焦点检测区域是通过对显示器105上所显示的区域701内的、图像传感器130所拍摄到的图像中可以执行相位差检测的区域702进行分割而获得的。然而，在由于处理速度受到限制、因此难以针对每个焦点检测区域均计算图像偏移量的情况下，例如可以针对焦点检测区域的一部分计算图像偏移量。
随后，在步骤S203中，散焦量转换单元112将步骤S202中所计算出的图像偏移量转换成散焦量。然后，在步骤S204中，将所获得的焦点检测信息存储到存储器电路101。具体地，存储各焦点检测区域的散焦量、图像信号A和图像信号B的拍摄时刻。
(被摄体追踪处理)
以下参考图6的流程图来说明在步骤S102中被摄体追踪单元116所执行的被摄体追踪处理的示例。
根据本实施例的被摄体追踪单元116所执行的以下处理是模板匹配方法，其中该模板匹配方法使用示出目标被摄体的部分图像作为模板，使所供给的图像的部分区域与模板交叉参考，并且通过改变要交叉参考的部分区域来估计差异度小的区域。在本实施例中，为了应对目标被摄体在时间方向上的比例转换，提取被摄体的特征颜色，并且基于拍摄图像内的特征颜色的分布状况来估计被摄体区域。基于所估计的被摄体区域来更新模板。
首先，在步骤S301中，图像传感器103将来自被摄体的反射光转换成电气信号，并且通过读出这些电气信号来获得图像信息。将所读出的图像信息转换成数字信号并且发送至被摄体追踪单元116。
在步骤S302中，判断是否存在用作追踪对象的被摄体。如果存在用作追踪对象的被摄体，则在步骤S305-S308中执行用于追踪被摄体的处理。如果不存在用作追踪对象的被摄体，则在步骤S303中进行被摄体检测以确定用作追踪对象的被摄体。
将步骤S303中所进行的被摄体检测的方法大致分类成两组：基于来自拍摄者的指示的检测方法、以及自动检测方法。在基于来自拍摄者的指示的检测方法中，经由包括例如触摸屏和按钮的输入接口来指定拍摄图像内的被摄体的位置，并且基于所指定的位置的信息来提取被摄体区域。另一方面，自动检测方法通常采用例如面部检测的形式来实现。已知的面部检测技术的示例包括使用面部相关信息(肌肤颜色信息以及诸如眼睛、鼻子和嘴等的部位)的方法、以及在用于基于典型示例是神经网络的学习算法来进行面部检测的分类器中所使用的方法。通常，组合使用上述方法来进行面部检测以提高检测率。具体示例是日本特开2002-251380所述的面部检测方法，其中该面部检测方法使用小波变换和图像特征量。
在步骤S304中，从所提取的被摄体区域中提取追踪对象的特征量。在本实施例中，存储被摄体区域的图像模式作为特征量，以执行基于模板匹配的追踪处理。此外，存储被摄体区域的颜色直方图Hin，以基于特征颜色的分布进行被摄体区域估计。之后，等待状态继续，直到下一拍摄的采样周期为止。
现在说明在步骤S302中判断为存在用作追踪对象的被摄体的情况下所执行的追踪处理。在这种情况下，在步骤S305中执行匹配处理。以下将参考图7A和7B来说明模板匹配的详情。图7A示出模板匹配中所使用的被摄体模型(模板)的示例。附图标记601表示示出用作追踪对象的被摄体的部分图像(模板)，并且使用该部分图像的像素模式作为特征量。附图标记602表示模板601的特征量，并且像素数据的亮度信号表示特征量。假设在模板区域内利用(i,j)来表示坐标、水平方向上的像素数是W并且垂直方向上的像素数是H，则通过表达式(1)来表示特征量T(i,j)。
T(i,j)＝{T(0,0),T(1,0),...,T(W-1,H-1)} ...(1)
图7B示出在针对用作追踪对象的被摄体的搜索中所使用的图像的信息。附图标记603表示应用匹配处理的图像的范围(搜索范围)。利用(x,y)来表示搜索范围603中的坐标。附图标记604表示获得匹配评价值的部分区域。附图标记605表示部分区域604中的特征量，并且与模板601相同，图像数据的亮度信号表示特征量。假设在部分区域内利用(i,j)来表示坐标、水平方向上的像素数是W并且垂直方向上的像素数是H，则通过表达式(2)来表示特征量S(i,j)。
S(i,j)＝{S(0,0),S(1,0),...,S(W-1,H-1)} ...(2)
使用绝对差和(SAD)作为用于评价模板601和部分区域604之间的相似度的计算方法。使用表达式(3)来计算SAD值。
在使部分区域604从搜索范围603的左上角开始一次偏移一个像素的同时，计算SAD值V(x,y)。计算出最小SAD值V(x,y)的坐标(x,y)表示与模板601最相似的位置。换句话说，在搜索范围603中具有最小SAD值V(x,y)的位置处存在用作追踪对象的被摄体的可能性高。
在上述示例中，尽管使用亮度信号的一维信息作为特征量，但也可以使用例如亮度信号、色相信号和饱和度信号的三维信息作为特征量。此外，作为匹配评价值，可以使用诸如归一化相关系数(NCC)等的利用不同的计算方法所获得的值，而不是上述的SAD值。
随后，在步骤S306中，基于在步骤S305的匹配处理中所检测到的位置来检测用作追踪对象的被摄体的区域(以下称为“追踪区域”)。使用表达式(4)，根据步骤S304中所存储的追踪区域内的颜色直方图、以及当前时刻的拍摄图像的全部或一部分的颜色直方图Hout来计算信息量。
I(a)＝-log2Hin(a)/Hout(a) ...(4)
各信息量是从颜色直方图的相应小区间所获得的，并且对于图像的全部或一部分表示被摄体区域内的发生概率。可以通过基于这些信息量对当前时刻的拍摄图像中的像素进行处理，来获得表示存在用作追踪对象的被摄体的可能性的映射。基于该映射来检测追踪区域。被摄体追踪单元116输出所检测到的追踪区域的质量中心的位置作为追踪位置。
随后，在步骤S307中，计算步骤S306中所计算出的追踪位置的可靠度。被摄体追踪的确定性受到包括被摄体的变化、相似被摄体的存在和追踪误差的累积的各种因素干扰。通过将这些因素乘以通过匹配处理和追踪区域估计所获得的各种类型的评价值来计算可靠度。
在使用表达式(3)的匹配处理中所获得的最小值V(x,y)越大，被摄体的变化越大。有鉴于此，可靠度被设置成：最小值越大，可靠度越低。此外，如下的可能性高：在与被摄体的估计位置相距预定阈值以上的位置处获得与在使用表达式(3)的匹配处理中所获得的最小值V(x,y)相似的值的情况下，存在相似被摄体。有鉴于此，可靠度被设置成：在与被摄体的估计位置相距预定阈值以上的位置处所获得的SAD值与最小SAD值之间的相似度越高，可靠度越低。此外，使用表达式(4)所获得的用以表示被摄体的颜色特征的被摄体区域内的信息量的熵(平均值或期望值)越小，被摄体的变化越大。通过表达式(5)来表示该熵。
可靠度被设置成：通过表达式(5)给出的值越小，可靠度越小。此外，使用表达式(4)所获得的用以表示被摄体的颜色特征的被摄体区域外的信息量的熵(平均值或期望值)越大，存在相似对象的可能性越高。通过表达式(6)来表示该熵。
可靠度被设置成：通过表达式(6)给出的值越大，可靠度越小。另外，一旦被摄体追踪的确定性下降，则随后追踪的可靠度也下降。有鉴于此，考虑可靠度的历史来计算可靠度。例如，使用预定时间段内的可靠度平均值作为当前帧的可靠度。如上所述计算出追踪位置的可靠度。
随后，在步骤S308中，更新被摄体的特征量。具体地，基于步骤S306中所估计的追踪区域来更新模板，由此使得可以应对被摄体的比例变化。这样标记了被摄体追踪处理的结束，之后等待状态继续，直到下一拍摄到的采样周期为止。
(主追踪位置判断处理)
以下参考图8的流程图来说明步骤S103中所执行的主追踪位置判断处理。在步骤S401中，使用后面将说明的在先前预测处理中所计算出的被摄体的像面位置的预测表达式，来预测在图像传感器103所进行的拍摄时被摄体的像面位置。接着，通过获得拍摄时被摄体的像面位置和实际进行拍摄时镜头的像面之间的差，来预测直到所预测的像面位置为止的散焦量。然后，使用步骤S101中所检测到的各个分割区域的散焦量，从基于上次选择的主追踪位置而预先确定的分割区域中，选择具有与所预测的散焦量(预测散焦状态)最接近的散焦量(焦点状态)的分割区域作为被摄体的预测追踪位置。
然后，在步骤S402中，判断在步骤S102中被摄体追踪单元116所计算出的追踪位置的散焦量(焦点状态)和在步骤S401中的所预测的散焦量(焦点状态)之间的差是否在预定范围T1内。如果该差在预定范围T1内，则处理进入步骤S403，并且将在步骤S102中被摄体追踪单元116所计算出的追踪位置设置为主追踪位置。如果该差不在预定范围T1内，则处理进入步骤S404。
在步骤S404中，判断在步骤S102中所计算出的追踪位置的可靠度。如果该可靠度高于预定阈值，则处理进入步骤S405，而如果该可靠度等于或低于该阈值，则处理进入步骤S409。
在步骤S405中，判断在步骤S401中所预测的散焦量和同样在步骤S401中所选择的预测追踪位置的散焦量之间的差是否在预定范围T1内。由于尽管在步骤S401中从预先确定的分割区域中选择具有与所预测的散焦量最接近的散焦量的分割区域、但所选择的区域的散焦量并非始终与所预测的散焦量一致，因此进行该判断。因此，将所预测的散焦量与所选择的预测追踪位置的散焦量进行比较，以判断预测追踪位置的有效性。如果该差在预定范围T1内，则处理进入步骤S406，而如果该差不在预定范围T1内，则处理进入步骤S403，并且将在步骤S102中被摄体追踪单元116所计算出的追踪位置设置为主追踪位置。
在步骤S406中，判断计时器是否表示经过了预设时间段T2。在步骤S406得出“否”的情况下，在步骤S407中，计时器启动。因此，如果第一次进行步骤S406的判断，则由于计时器尚未启动，因此始终得到“否”。使用计时器来判断被摄体追踪单元116所计算出的追踪位置的可靠度高的状态持续了多长时间。因此，预设时间段T2可以根据所计算出的追踪位置的可靠程度而改变，使得在可靠度高的情况下，与可靠度低的情况相比，预设时间段T2缩短。可选地，预设时间段T2可以根据步骤S401中所选择的预测追踪位置的散焦量和所预测的散焦量之间的差而改变。在这种情况下，在该差小的情况下，与该差大的情况相比，预设时间段T2被设置得较短。在计时器表示没有经过预设时间段T2的情况下，在步骤S407中将步骤S401中所计算出的预测追踪位置设置为主追踪位置。这样，在可以预测被摄体的移动的情况下，选择预测单元119所设置的预测追踪位置，并且在难以预测被摄体的移动的情况下，可以便于使用被摄体追踪单元116的可靠度来判断正确追踪位置。如果计时器表示经过了预设时间段T2，则处理进入步骤S403，其中在该步骤S403中，将在步骤S102中被摄体追踪单元116所计算出的追踪位置设置为主追踪位置。
另一方面，如果在步骤S404中判断为被摄体追踪单元116所计算出的追踪位置的可靠度低，则处理进入步骤S409。在步骤S409中，与步骤S405相同，判断在步骤S401中所预测的散焦量和同样在步骤S401中所选择的预测追踪位置的散焦量之间的差是否在预定范围T1内。如果该差在预定范围T1内，则处理进入步骤S410，并且将步骤S401中所计算出的预测追踪位置设置为主追踪位置。而如果该差不在预定范围T1内，则处理进入步骤S411，并且由于预测追踪位置和所计算出的追踪位置这两者的可靠度低因而不新设置主追踪位置，并设置用于不进行焦点调节的设置。
(拍摄前预测处理)
以下说明在步骤S104中预测单元119所执行的用以根据过去的多个像面位置的变化及其拍摄时刻的变化来预测将来像面位置的拍摄前预测处理。在日本特开2001-21794中详述了用于预测将来像面位置的方法；本实施例的以下说明参考图9的流程图来应对使用统计计算来进行预测的示例。
首先，在步骤S501中，散焦量转换单元112根据相位差检测单元111从与步骤S103中所设置的主追踪位置相对应的分割区域中检测到的相位差来计算散焦量。在下一步骤S502中，计算与所计算出的散焦量相对应的像面位置及其拍摄时刻。通常，需要特定电荷累积时间段以从图像传感器103获得图像信号。因此，使用累积开始时刻和累积结束时刻之间的中点作为拍摄时刻，并且通过将散焦量与摄像镜头120的相对伸出量相加来计算被摄体的像面位置。
在下一步骤S503中，将包括像面位置和拍摄时刻的对的数据存储到存储器电路101。存储器中所存储的数据的构造采用队列的形式；顺次存储这些数据，直到所存储的数据的数量达到预设数量为止，之后通过覆盖最早数据来存储最新数据。
在下一步骤S504中，判断存储器电路101中所存储的数据的数量是否足以进行统计计算。如果判断为所存储的数据的数量足以进行统计计算，则拍摄前预测处理进入步骤S505，并且基于统计计算来确定预测表达式。
在步骤S505中，使用表达式(7)所示的预测函数f(t)通过多元回归分析来从统计上确定系数α、β和γ；在日本特开2001-21794中详述了基于统计计算的预测表达式的确定，因而将省略其详细说明。在针对与运动体预测有关的多个代表性拍摄场景的样本进行预测时，求出表达式(7)中的使得预测误差最小的n的值。
f(t)＝α+βt+γtn ...(7)
在步骤S505中确定了预测表达式之后，拍摄前预测处理进入步骤S506，其中在该步骤S506中，预测预设将来时刻的像面位置，并且计算摄像镜头120聚焦于所预测的像面位置所需的镜头驱动量。
另一方面，如果在步骤S504中判断为所存储的数据的数量不足，则拍摄前预测处理进入步骤S507，其中在该步骤S507中，在不使用统计计算的情况下，基于所计算出的散焦量来计算镜头驱动量。
(显示框选择处理)
接着，参考图10A-10E来说明在步骤S110中显示框选择单元117所进行的用于选择要显示在显示器105上的框的显示框选择处理。
在本实施例中，存在两种用于选择主追踪位置的情况：一种情况是从以先前的主追踪位置作为中心的焦点检测区域(例如，3×3个分割区域)中选择主追踪位置，并且另一种情况是根据被摄体追踪单元116所计算出的位置来选择主追踪位置。用于选择显示框的方式根据情况而不同。将参考图10A-10E来说明各情况中的显示框的选择方法。
首先，参考图10A来说明在从以先前的主追踪位置作为中心的焦点检测区域中选择预测追踪位置作为主追踪位置的情况下的显示框。区域701表示显示器105的显示范围，并且将图像传感器103所拍摄到的图像显示在区域701中。区域702表示图像传感器103所拍摄到的图像内的利用相位差检测单元111可以进行相位差检测的范围，并且可以将显示框显示在区域702中。焦点检测区域704表示相对于被摄体703的以先前的主追踪位置作为中心的范围。焦点检测区域704包括被分配了附图标记W0-W8(图10D)的焦点检测部分。在图10A中，选择与焦点检测部分W0-W8的如下一部分相对应的框作为显示框，其中在该部分中，从焦点检测区域704中所选择的主追踪位置的散焦量和各个焦点检测部分W0-W8的散焦量之间的差小于预定值T3。
图10B是示出在被摄体追踪单元116所计算出的追踪位置被选择作为主追踪位置706并且处于焦点检测区域704内的情况下的示例的图。在这种情况下，从包含主追踪位置706的焦点检测区域704(W0-W8)中，选择与焦点检测部分W0-W8的如下一部分相对应的框作为显示框，其中在该部分中，主追踪位置706的散焦量和各个焦点检测部分W0-W8的散焦量之间的差小于预定值T3。
图10C是示出在被摄体追踪单元116所计算出的追踪位置被选择作为主追踪位置707并且未处于焦点检测区域704内的情况下的示例的图。在这种情况下，根据相对于主追踪位置707和各个焦点检测部分W0-W8的距离来向各个焦点检测部分W0-W8的散焦量分配权重。选择与焦点检测区域704(W0-W8)的如下一部分相对应的框作为显示框，其中在该部分中，主追踪位置707的散焦量和各个焦点检测部分W0-W8的散焦量之间的差小于预定值T4。图10E示出在这种情况下经由显示器105的针对用户的图像上所叠加的显示框的示例。
根据如上所述的实施例，在难以预测被摄体的移动的情况下，根据追踪的可靠度来在预定时间段内改变追踪方法，并且基于主追踪位置和焦点检测区域来连续地显示表示被摄体的显示框。这样，能够增加可进行被摄体追踪的状态的数量。
此外，在本实施例中，在图6的步骤S305中被摄体追踪单元116进行使用SAD值的匹配处理之后，在步骤S306中确定追踪位置，然后在步骤S307中考虑到各种因素来计算可靠度。然而，也可以省略步骤S307，并且可以使用步骤S305中所获得的SAD值的倒数作为可靠度(随着SAD值减小，可靠度增大)。
此外，在图8的步骤S406中判断追踪位置的可靠度高的状态持续了多长时间，然而本发明不限于此。例如，如果在图6的步骤S305中所获得的SAD值等于或小于阈值，则可以判断为追踪成功，并且如果判断为追踪成功的时间段等于或长于预设时间段T2，则处理可以进入步骤S403。此外，在步骤S406中判断计时器是否表示经过了预设时间段T2，然而如果进行追踪处理所需的时间段根据要追踪的对象被摄体的大小或数量而改变，则代替时间段，可以使用次数来进行该判断。更具体地，如果连续预定次数以上获得了等于或高于阈值的可靠度、或者如果连续预定次数以上成功进行了追踪，则处理可以从步骤S406进入步骤S403。可选地，如果在预定时间段或预定次数内按预定比率以上判断为可靠度高或成功进行了追踪，则处理可以从步骤S406进入步骤S403。
其它实施例
本发明可以应用于包括多个装置的***、或者包括一个装置的设备。
本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给***或装置，该***或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。
尽管已经参考典型实施例说明了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的典型实施例。所附权利要求书的范围符合最宽的解释，以包含所有这类修改、等同结构和功能。

Claims (14)

1.一种焦点调节设备，包括：
追踪单元，用于根据从用于拍摄被摄体图像的图像传感器所输出的图像信号来检测要追踪的被摄体的第一区域和追踪位置的可靠度，其中所述被摄体图像是利用光学***在所述图像传感器上形成的图像；
焦点检测单元，用于基于从所述图像传感器所输出的图像信号来检测多个焦点检测区域的焦点状态；
确定单元，用于确定要进行所述光学***的焦点调节的聚焦区域；
预测单元，用于基于所述焦点检测单元所检测到的聚焦区域的焦点状态的历史，来预测下一焦点检测中的焦点状态；以及
选择单元，用于从所述多个焦点检测区域中选择第二区域，
其中，在所述可靠度高于预先确定的第一阈值的状态持续了预定时间段以上的情况下，所述确定单元将所述第一区域确定为所述聚焦区域，并且在所述状态没有持续所述预定时间段的情况下，所述确定单元将所述第二区域确定为所述聚焦区域。
2.根据权利要求1所述的焦点调节设备，其中，所述选择单元从所述多个焦点检测区域的预定的一部分焦点检测区域中选择所述第二区域。
3.根据权利要求1所述的焦点调节设备，其中，在所述第一区域的焦点状态和所预测的焦点状态之间的差在预先确定的第一范围内的情况下，与所述可靠度无关地，所述确定单元将所述第一区域确定为所述聚焦区域。
4.根据权利要求1所述的焦点调节设备，其中，在所述可靠度高于所述第一阈值、并且所述第二区域的焦点状态和所预测的焦点状态之间的差不在第二范围内的情况下，所述确定单元将所述第一区域确定为所述聚焦区域。
5.根据权利要求1所述的焦点调节设备，其中，在所述可靠度等于或小于所述第一阈值、并且所述第二区域的焦点状态和所预测的焦点状态之间的差在第二范围内的情况下，所述确定单元将所述第二区域确定为所述聚焦区域。
6.根据权利要求1所述的焦点调节设备，其中，在所述可靠度等于或小于所述第一阈值、并且所述第二区域的焦点状态和所预测的焦点状态之间的差不在第二范围内的情况下，所述确定单元将前次确定的聚焦区域确定为所述聚焦区域。
7.根据权利要求1所述的焦点调节设备，其中，所述预定时间段根据所述可靠度以及所述第二区域的焦点状态和所预测的焦点状态之间的差至少之一而改变。
8.根据权利要求1所述的焦点调节设备，其中，还包括：
显示单元，用于基于所述图像信号来显示图像；以及
设置单元，用于设置与所述确定单元所确定的聚焦区域相对应的区域以及满足预定条件的区域，
其中，所述显示单元将表示所述设置单元所设置的区域的显示叠加在所述图像上。
9.根据权利要求8所述的焦点调节设备，其中，所述预定条件是所述多个焦点检测区域中的一部分焦点检测区域各自的焦点状态和与所述聚焦区域相对应的区域的焦点状态之间的差小于预定阈值。
10.根据权利要求8所述的焦点调节设备，其中，所述预定条件是与所述聚焦区域相对应的区域的焦点状态和所述多个焦点检测区域中的一部分焦点检测区域各自的分配了权重的焦点状态之间的差小于预定阈值，其中各权重是基于相对于所述聚焦区域的距离的。
11.一种摄像设备，包括：
图像传感器，用于通过拍摄利用光学***所形成的被摄体图像来输出图像信号；以及
焦点调节设备，其包括：
追踪单元，用于根据从用于拍摄被摄体图像的所述图像传感器所输出的图像信号来检测要追踪的被摄体的第一区域和追踪位置的可靠度，其中所述被摄体图像是利用所述光学***在所述图像传感器上形成的图像；
焦点检测单元，用于基于从所述图像传感器所输出的图像信号来检测多个焦点检测区域的焦点状态；
确定单元，用于确定要进行所述光学***的焦点调节的聚焦区域；
预测单元，用于基于所述焦点检测单元所检测到的聚焦区域的焦点状态的历史，来预测下一焦点检测中的焦点状态；以及
选择单元，用于从所述多个焦点检测区域中选择第二区域，
其中，在所述可靠度高于预先确定的第一阈值的状态持续了预定时间段以上的情况下，所述确定单元将所述第一区域确定为所述聚焦区域，并且在所述状态没有持续所述预定时间段的情况下，所述确定单元将所述第二区域确定为所述聚焦区域。
12.一种焦点调节方法，包括以下步骤：
根据从用于拍摄被摄体图像的图像传感器所输出的图像信号来检测要追踪的被摄体的第一区域和追踪位置的可靠度，其中所述被摄体图像是利用光学***在所述图像传感器上形成的图像；
基于从所述图像传感器所输出的图像信号来检测多个焦点检测区域的焦点状态；
确定要进行所述光学***的焦点调节的聚焦区域；
基于所检测到的聚焦区域的焦点状态的历史，来预测下一焦点检测中的焦点状态；以及
从所述多个焦点检测区域中选择第二区域，
其中，在所述可靠度高于预先确定的第一阈值的状态持续了预定时间段以上的情况下，将所述第一区域确定为所述聚焦区域，并且在所述状态没有持续所述预定时间段的情况下，将所述第二区域确定为所述聚焦区域。
13.根据权利要求12所述的焦点调节方法，其中，还包括以下步骤：
设置与所确定的聚焦区域相对应的区域以及满足预定条件的区域；以及
基于所述图像信号来显示图像，并且将表示所设置的区域的显示叠加在所述图像上。
14.一种存储有计算机能够执行的程序的计算机可读存储介质，所述程序具有用于实现焦点调节方法的程序代码，所述焦点调节方法包括以下步骤：
根据从用于拍摄被摄体图像的图像传感器所输出的图像信号来检测要追踪的被摄体的第一区域和追踪位置的可靠度，其中所述被摄体图像是利用光学***在所述图像传感器上形成的图像；
基于从所述图像传感器所输出的图像信号来检测多个焦点检测区域的焦点状态；
确定要进行所述光学***的焦点调节的聚焦区域；
基于所检测到的聚焦区域的焦点状态的历史，来预测下一焦点检测中的焦点状态；以及
从所述多个焦点检测区域中选择第二区域，
其中，在所述可靠度高于预先确定的第一阈值的状态持续了预定时间段以上的情况下，将所述第一区域确定为所述聚焦区域，并且在所述状态没有持续所述预定时间段的情况下，将所述第二区域确定为所述聚焦区域。
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