CN1811576A - 一种数位成像***的自动对焦方法 - Google Patents

Abstract

一种数位成像***之自动对焦方法，其是一种采用两种不同方法对自动对焦中粗调和细调两个阶段进行进一步处理，采用将取得的影像画面划分为几个采样区域，数位信号处理***获取各采样区域的相对值，然后利用解析统计的方法对取得的数据进行处理，使对焦精度和解象力精度得到提升，特别是对现在普遍存在的解析单边模糊的情况有很大改善。

Description

一种数位成像***的自动对焦方法

「技术领域」

本发明涉及一种数位成像***的自动对焦方法，尤其指一种采用两种不同方法对自动对焦中粗调和细调两个阶段进行进一步处理，从而提高对焦的精准度的方法。

「背景技术」

数位成像***的自动对焦过程就是该***自动采集环境空间频率变化率参数，即景物对比度，然后根据这些参数来驱动光学成像***运动，从而搜索焦点位置的过程。数位成像***对焦的成功与否突出表现在该***的解象力上，对同一景物，对比度越大，说明***分辨能力越好，成像越清晰，因此，数位成像***的解析能力为反映***成像清晰度的一个重要参数，也是衡量数位成像***成像效果的一个重要指标之一。随着CCD&CMOS像素的提高，相应于同一数量级数位成像***的解象能力也成为衡量该***品质优劣的重要指标。要提高解象力重点在于精确对焦，对于对焦，业界已经形成了很多种方法，有的尽量使光学对焦组件精确，机构改良，以达一定精度，有的使用一些过程控制，使镜头的对焦更加精确，如公开号为1517741A的专利有指出一种数位成像***的自动对焦方法。该方法将一个单一画面取并排的3个区域，取其均一化的值以决定焦点位置，使得每次对焦不至于重新来过，节约时间，不过因其只针对单一画面的时间内调焦，对于拍照时因整体平均相对值较大但某些边缘区域的相对值明显低于其它区域的相对值而导致的单边模糊的情况却无法解决。

目前数位成像***之对焦方法的步骤包括有：首先，划分解析采样区域；其次，驱动装置驱动光学成像***大步搜寻焦点：在光学成像***的一个位置区间以某一个步数(Big Step)开始寻找趋近的焦点位置，在光学成像***以BigStep为步长步进的途中，以数位信号处理***采取的相对值为判断条件，相对值最大时候的光学变焦***所在位置就是大步找到的最佳位置，找到后记录该位置(BestStep1)；然后，驱动装置驱动光学成像***小步找焦点过程：以大步搜寻到的Big Step1为基点，使用更小的步数(Small Step)在这个基点附近搜寻焦点位置(BestStep2)(找寻方法同上一个步骤)，BestStep2就是当前焦点位置。在这种流程下根据抓取相对值的窗口大小、位置又可分两种方法：一种是以景物中心某一区域相对值为找寻焦点依据；另一种是以可抓取的整个画面的平均相对值为找寻焦点依据。

不过，由于光学镜头的限制，现有数位成像***的对焦方法存在以下一些缺点：

(1)以中心区域相对值为找寻焦点依据的自动对焦法方法容易导致在景物中心主体对比度不是很鲜明而背景对比度较鲜明的情况下无法正确找到焦点。

(2)以可抓取的整个画面的平均相对值为找寻焦点依据的自动对焦方法容易存在取景整体平均相对值较大但某一边缘区域相对值明显低于其它区域导致单边模糊的情况。

当然，也可以设置不同的对焦模式供使用者依据不同取景场合进行选择，但由于使用者对于不同场景的判断存在模糊性，且增加的操作会带来***设计的复杂性和使用者操作的繁琐性，这样的方法对于设计者和用户来说都不是很理想的。

由上可知，上述的数位成像***之对焦方法在实际使用上，显然具有不便与缺失存在而可加以改善。

「发明内容」

本发明的主要目的是提供一种数位成像***的自动对焦方法，该方法是采用两种不同方法对自动对焦中粗调和细调两个阶段进行进一步处理，从而提高对焦的精准度。

本发明的另一目的是提供一种改善可能存在的解析单边模糊现象的方法，使得解象力大大提高。

在提出具体的发明步骤之前，先说明本发明所涉及到的一个核心判断法--解析平衡法，以及它的推理过程。本解析法的详细介绍：将数位成像***可抓取的整个影像区域中可以划分出N个解析采样区域，分别命名为X_i(i＝1，2，3，…N)，根据统计学方差的概念：对于N个数，它们的方差 $S^2=\frac{1}{N-1}\×\mathrm{\Σ}{(X_i-X)}^2$ 其中X_i为该N个数中任意一个，X为N个数的平均值。S表示N个数内部差异程度，当S最小时这组数据之间差异最小。如果再进一步推导：设X_i＝X+σ_i，令A＝S²/X，即A＝1/(N-1)*∑(X_i-X)²/X＝1/(N-1)*∑(σ_i/X)²，很显然当∑σ_i ²最小时A为最小，反过来当A最小时∑σ_i ²最小，σ_i最接***均值，这也标志着各个数与平均值之间差异不大，即各数之间的差异很小。因此在找寻焦点的过程中可以使用上述的方法和原理来调整***采样区域并对数位成像***获得的资料，进行处理。

本发明具体步骤：首先，数位信号处理***(DSP)对影像区域进行第一次解析(步骤S100)，可以以影像中心为中心进行解析，也可以将可以抓取的整个影像画面进行解析；其次，驱动装置驱动光学成像***以固定的较大步长搜索，找到大致的焦点位置(步骤S101)；再次，数位信号处理***对该影像区域进行第二次解析，划分采样区域(步骤S102)；然后，驱动装置驱动光学***以固定的较小步长在S101的基础上进一步搜索，数字信号处理***同时取得各采样区域的数据(步骤S103)；接着，根据一解析模型对所取得的采样区数据进行处理，得出最佳焦点位置的数据(步骤S104)；最后，驱动装置驱动光学***停留在最佳焦点位置，进行拍摄(步骤S105)。因为对影像区域进行了采样区域的划分，且该采样区域有一个区域一定是影像的中心区域部分，其余的采样区域则分布于该中心周围，这样数位信号处理***获取的数据是全面的，对解析时出现的单边模糊现象进行了很好的预防。

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

「附图说明」

图1为本发明的步骤流程图

图2为本发明实施例的具体流程图

图3为本发明的实施例中以大步搜索时的波形图

图4为本发明的实施例中在影像区域上采样5个区域

图5为本发明的实施例中小步搜索时对5个采样区域进行分析的波形图

图6为本发明实施例中利用解析模型解析的流程图

S100～S105，S200～S203为流程步骤

其中，图2中Contrast value：相对值

           Peak1：大步搜索时找到的最大相对值

           Beststep1：大步搜索找到的焦点对应的光学***物理位置

图4中Peak1～Peak5：小步搜索时找到的5个采样区域各自最大的相对值

「具体实施例」

在提供了一包含驱动装置、光学成像***、数位信号处理***(DSP，DigitalSignal Process)的数码产品后，我们以此实施例对本发明进行更详细的说明。

本发明具体步骤如图1所示：首先，数位信号处理***(DSP)对影像区域进行第一次解析(步骤S100)，可以以影像中心为中心进行解析，也可以将可以抓取的整个影像画面进行解析；其次，驱动装置驱动光学成像***以固定的较大步长搜索，找到大致的焦点位置(步骤S101)；再次，数位信号处理***对该影像区域进行第二次解析，划分采样区域(步骤S102)；然后，驱动装置驱动光学***以固定的较小步长在S101的基础上进一步搜索，数位信号处理***同时取得各采样区域的数据(步骤S103)；接着，根据一解析模型对所取得的采样区数据进行处理，得出最佳焦点位置的数据(步骤S104)；最后，驱动装置驱动光学***停留在最佳焦点位置，进行拍摄(步骤S105)。

如图2所示，为本实施例的具体流程图。获取一影像画面，驱动装置(本实施例的驱动装置为一步进马达)驱动光学成像***停留在初始位置，数位信号处理***设置解析影像区域为整个取景影像画面。然后步进马达驱动光学成象***从初始位置开始以固定的较大步长大步(Big_Step)运动，以数位信号处理***获取的影像区域的相对值判断是否找到解析的最佳点，如图3所示为以大步搜索时的波形图。在光学成像***运动过程中，解析能力通常是在某个位置呈现解析值的波峰，该波峰处即为整个成像***解析能力最佳的位置，自动对焦的过程就是找到这个波峰位置，并将光学成像***停留在这个最佳位置。在图3中，Peak1为光学成像***在以大步搜索时找到的波峰位置，而与之相对应的物理位置Beststep1为最佳物理成像位置。Peak1是以大步搜索时所得到的波峰值，对于整个光学成像***来说，并不是最佳位置，接着，本实施例以Peak1为初始点进行进一步的焦点搜索。

在进一步搜索之前，数位信号处理***对该影像区域进行第二次解析，该次解析是数位信号分析***在上述影像区域上选择采样区域，采样区域分布于该影像区域内的中心和四周，本实施例中，如图4所示，以影像区域中心为中心，确定5个采样区域：左上、左下、右上、右下及中心五个。其中周边四个左上、左下、右上、右下采样区域大小相同，位置相对于中心均匀分布于四周，且中心采样区域比周边的各个采样区域要大。

数位信号处理***对影像区域进行采样区域划分后，步进马达驱动光学成像***以固定的较小步长小步(Small_Step)运动，数位信号处理***每次都会获取当前位置的各个采样区域的波峰值Peak1、Peak2、Peak3、Peak4、Peak5，如图5所示，每个波峰值对应的相对值为X₁、X₂、X₃、X₄、X₅。根据统计学方差的概念：对于N个数，它们的方差 $S^2=\frac{1}{N-1}\×\mathrm{\Σ}{(X_i-X)}^2$ 其中X_i为该N个数中任意一个，X为N个数的平均值，S表示N个数内部差异程度，当S最小时这组数据之间差异最小。如果再进一步推导：设X_i＝X+σ_i，令A＝S²/X，即A＝1/(N-1)*∑(X_i-X)²/X＝1/(N-1)*∑(σ_i/X)²，很显然当∑σ_i ²最小时A为最小，反过来当A最小时∑σ_i ²最小，σ_i最接***均值，这也标志着各个数与平均值之间差异不大，即各数之间差异也很小。因此在找寻焦点的过程中可以使用上述的方法和原理来调整采样区域并对***获得的资料进行处理。在本实施例中，S²＝1/4*∑(X_i-X)²，X＝1/5*(X₁+X₂+X₃+X₄+X₅)，这样可以计算出5个采样区域之间的差异，从而找出最佳相对值，一并得出焦点所在的光学物理位置。该解析法流程图如图6所示，步进马达驱动光学成像***运动并采集中心和四周的采样区域的对比度数据(步骤S200)，输入5个采样数据X₁、X₂、X₃、X₄及X₅(步骤S201)，根据解析模型： $S^2=\frac{1}{N-1}\×\mathrm{\Σ}{(X_i-X)}^2$ 计算该5个数据的方差(步骤S202)，找出S2最小时所对应的光学成像***的物理位置(步骤S203)。

之所以使用解析平衡法，是因为在光学成像***移动运动过程中，整个可拍摄的影像区域的不同区域不能同时达到最大相对值，如图5所示，这样需要利用该解析法以达平衡，以期找到最优位置，然后将光学成像***停留在这个位置，并采用物理方法加以固定，保证了光学***的焦点位置最优，成像最清晰。

在本实施例中，数位信号处理***第一次对整个影像区域进行分析，第二次对影像区域进行采样区域分析，选择5个区域，分别为中心区域、左上区域，左下区域、右上区域及右下区域，取得的采样数据是对该影像画面由面到点的分析，这样可以改善在以可抓取的整个影像画面的平均相对值为找寻焦点依据的自动对焦方法，容易存在取景整体平均相对值较大，但某一边缘区域相对值明显低于其它区域而导致的单边模糊现象。

以上为本发明的具体实施例之一，对各种不同光学成象***，其解析模型及相关原理源于上述。实际的数位自动对焦***会根据需要对不同采样区域设置不同的比重，在自动对焦过程中，数位信号处理***也需要对获取到的相对值进行加权处理以得到中间的处理结果。

对采用不同比重的***之解析模型和实际方法细述如下：

(1)大步搜索的过程同前文所述；

(2)小步搜索的过程中，数位信号处理***需要将获得的N个区域的相对值按各区域的比重大小进行调整，使该N个数据处于相同的数量级上，以提高数据的可比较性；

(3)对经过上面(2)处理后的数据使用解析平衡法解析得出最佳的焦点位置。

以上所述，仅为本发明具体实施方式，不能以此限定发明实施的范围，凡根据本发明申请权利要求书内容所作的等效变化与修改，皆在本发明专利涵盖的范围内。

Claims (15)

1、一种数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：其包含以下步骤：

(a)提供一数码影像处理产品，其包括：驱动装置、光学成像***、数位信号处理***(DSP，Digital Signal Process)；

(b)提供一影像区域，数位信号处理***对该区域进行第一次解析；

(c)该驱动装置驱动光学成像***以固定的较大步长运动，搜索焦点的趋近位置；

(d)数位信号处理***对该影像区域进行第二次解析，该次解析是数位信号分析***在上述影像区域上选择采样区域，采样区域分布于该影像区域内；

(e)然后驱动装置驱动光学***以固定的较小步长运动，同时数位信号处理***取得各采样区域的相对值，并对该些数值进行解析处理；

(f)根据解析结果，得出最佳焦点所在位置的数据，驱动***驱动光学***停留在解析正确的焦点位置，进行拍摄动作。

2、根据权利要求1所述的数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：步骤(b)中所提对影像区域的解析可以是以影像中心解析，也可以是以影像的全部进行整体解析。

3、根据权利要求1所述的数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：步骤

(c)与步骤(d)之间更包括一步骤：在驱动装置驱动光学***以大步长运动的过程中，数位信号处理***会颉取一系列数据进行处理，找出此一步骤可以找出的最大解析值。

4、根据权利要求1所述的数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：步骤

(e)中较小的步长运动是在步骤(c)中所得的最大解析相对值基础上作进一步的运动。

5、根据权利要求1所述的数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：步骤(d)中所提的采样区域数量≥5。

6、根据权利要求5所述的数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：采样区域必须有一个中心的采样区域，其余的分布在影像区域中心的四周。

7、根据权利要求6所述的数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：各采样区域的大小可以不等，但是中心采样区域的面积一定≥四周的各采样区域面积。

8、根据权利要求1所述的数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：驱动装置可为一步进马达。

9、根据权利要求1所述的数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：步骤(e)(f)中所提的解析处理的过程包括：提供一解析模型： $S^2=\frac{1}{N-1}\×\mathrm{\Σ}{(X_i-X)}^2$ 其中X_i为该N个数中任意一个，i＝1、2、3、、、N，X为N个数的平均值，S表示N个数内部差异程度。当S最小时，这组数据之间的差异最小。

10、根据权利要求9所述的数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：数位信号处理***确定了S的大小就可以确认该光学***的焦点的最佳位置。

11、一种数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：在对焦的过程中，同时提供了一种改善解析单边模糊的方法，其步骤包含：

(a)提供一数码影像处理产品，其包括：驱动装置、光学成像***、数位信号处理***(DSP，Digital Signal Process)；

(b)提供一影像区域，数位信号处理***对该区域进行第一次解析；

(c)该驱动装置驱动光学成像***以固定的较大步长运动，搜索焦点的趋近位置；

(d)数位信号处理***对该影像区域进行第二次解析，该次解析是数位信号分析***在上述影像区域上选择采样区域，采样区域分布于该影像区域内；

(e)然后驱动装置驱动光学***以固定的较小步长运动，同时数位信号处理***取得各采样区域的相对值，并对该些数值进行解析处理。

12、根据权利要求11所述的数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：步骤(e)中所提的解析处理的过程包括：

提供一解析模型： $S^2=\frac{1}{N-1}\×\mathrm{\Σ}{(X_i-X)}^2$ 其中X_i为该N个数中任意一个

i＝1、2、3、、、N，X为N个数的平均值，S表示N个数内部差异程度。

当S最小时，这组数据之间的差异最小。

13、根据权利要求11所述的数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：步骤(d)中所提的采样区域数量≥5。

14、根据权利要求13所述的数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：采样区域必须有一个中心的采样区域，其余的分布在影像区域中心的四周。

15、根据权利要求14所述的数位成像***的自动对焦方法，其特征在于：各采样区域的大小可以不等，但是中心采样区域的面积一定≥四周的各采样区域面积。

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