TWI390972B - The autofocus method in the high noise environment and its application of the digital acquisition device of the method - Google Patents

The autofocus method in the high noise environment and its application of the digital acquisition device of the method Download PDF

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Description

高雜訊環境下的自動對焦方法及其應用該方法的數位取像裝置
一種自動對焦方法及其數位取像裝置，特別是在於高雜訊環境下的自動對焦方法及應用其方法的數位取像裝置。
隨著數位相機的發展，攝影不再是昂貴的消費。使用者可以隨意的拍攝所要的影像，用以記錄值得紀念的一刻或景象。一般而言，進行拍攝時為能清晰成像，大部分的相機中都具備了自動對焦的功能。
習知的對焦技術，請參考「第1a圖」所示，係在不同的物距擷取相對應的數位影像，數位相機會針對每一張數位影像計算對焦框內的高頻訊號，得到如「第1b圖」所示之物距與高頻訊號曲線圖。接著利用習知的曲線逼近(curve fitting)與求值技術找到高頻訊號最大值所相對應的物距，此即為最佳對焦物距。最後將鏡頭對焦群組移至該最佳對焦位置，完成對焦。
但在低光源環境需用高感光度(ISO)條件拍攝時，數位影像容易出雜訊(noise)。習知的去雜訊演算法的去雜訊能力對低照度且高感光度的條件所擷取的數位影像，去雜訊演算法的雜訊抑制效果是相當有限的。而且數位影像中景物的細節通常也被模糊化，使得數位相機的自動對焦模組在雜訊極高的場合仍無法取得有效的高頻訊號。在此種狀況下，習知的對焦技術容易得到如「第1c 圖」所示之物距與高頻訊號曲線圖，在圖中並無明顯之整體最大值(global maximum)存在，導致自動對焦程序決定的對焦物距不是最準確的。
鑒於以上的問題，本發明的主要目的在於提供一種在高雜訊環境下的自動對焦方法。
為達上述目的，本發明所提出的自動對焦方法，其包括下列步驟：在最遠物距以第一曝光條件拍攝一第一最遠物距影像與以第二曝光條件拍攝一第二最遠物距影像；在該數位取像裝置的一最近物距以第一曝光條件拍攝一第一最近物距影像與以第二曝光條件拍攝一第二最近物距影像；分別在最遠物距及最近物距外的M個不同物距以第一曝光條件擷取相應的一數位影像；共計在最遠物距、最近物距與M個不同物距以第一曝光條件擷取M＋2張，以第二曝光條件擷取2張數位影像，儲存於儲存單元中。
接著載入以第一曝光條件拍攝的M＋2張數位影像；將每N張(N<M＋2)數位影像進行疊加產生(M－N＋3)張合成影像；重新定義這(M－N＋3)張合成影像相對應的物距；計算這(M－N＋3)張合成影像對焦區域內的高頻訊號；接著載入以第二曝光條件拍攝的2張數位影像；計算這2張影像對焦區域內的高頻訊號；這二張的物距，亦即最遠物距與最近物距，不需重新決定。將此高頻信號與物距的關係合併入前段 所述由合成影像所得之高頻信號與其相對應物距的關係中；並據此決定高頻訊號最大值所對應的物距作為一最佳對焦物距；將自動對焦鏡頭移動至最佳對焦物距，完成對焦。
本發明提供一種在高雜訊環境下具有自動對焦之數位取像裝置，其係用於決定該數位取像裝置與被攝物的物距。
為達上述目的，本發明所提出的數位取像裝置包括有：自動對焦鏡頭、感光元件、儲存單元與微處理器。自動對焦鏡頭用以調整數位取像裝置與被攝物間之物距；感光元件用以記錄數位取像裝置的被攝環境與被攝物之亮度，並將被攝物之亮度轉換成電氣訊號；儲存單元用以儲存複數張數位影像；微處理器電性連接於感光元件與儲存單元。微處理器內至少包含影像疊加單元、物距重設單元、高頻訊號計算單元與最佳對焦位置決定單元。
有關本發明的特徵與實作，茲配合圖示作最佳實施例詳細說明如下。
為能清楚說明本發明之基本運作流程，請參考「第2a圖」所示，首先在最遠物距以第一曝光條件拍攝第一最遠物距影像201a與以第二曝光條件拍攝第二最遠物距影像201b；分別最遠物距及最近物距外在M個不同物距(在此假設「第2a圖」中M＝8)以第一曝光條件擷取相應的數位影像，如「第2a圖」所示之複數張數位影像(即為「第2a圖」中的第一數位影像202、第二數位影像203、 第三數位影像204、第四數位影像205、第五數位影像206、第六數位影像207、第七數位影像208與第八數位影像209)。以數位取像裝置的最小物距在第一曝光條件下，拍攝第一最近物距影像210a；再以第二曝光條件拍攝第二最近物距影像210b。以第一曝光條件共擷取10張(M＋2＝10)。每一張數位影像PM 皆具有相應的第M物距位置SM ；第一最遠物距影像201a與第二最遠物距影像201b之相對物距係為S1 ；第一數位影像202的相對物距為S2 ；第二數位影像203的相對物距為S3 ；第三數位影像204的相對物距為S4 ；第四數位影像205的相對物距為S5 ；第五數位影像206的相對物距為S6 ，第六數位影像207的相對物距為S7 ；第七數位影像208的相對物距為S8 ；第八數位影像209的相對物距為S9 ；第一最近物距影像210a與第二最近物距影像210b的相對物距為S10 ，，其中S1 為最遠物距，S10 為最近物距。
接著載入以第一曝光條件拍攝之數位影像(202~209)；將每連續N張(N<M)數位影像進行疊加產生(M－N＋3)張合成影像。假設在「第2a圖」中N＝2。則在經過疊加計算後得到共計9張合成影像(M－N＋3＝8－2＋3＝9)。
接下來，重新定義這(M－N＋3)張合成影像相對應的物距。重新定義的處理方法請參考以下所述，在此並以「第2a圖」作為說明。對於第一最遠物距影像201a的物距係為S1 、第一數位影像202的物距係為S2 。將第一最遠物距影像201a與第一數位影像202所疊 加而成之第一合成影像201’。第一合成影像201’的物距係為S1 ’，其中S1 ’為S1 與S2 的重心，亦即S1 ’＝(S1 ＋S2 )/2。
依序選擇相鄰的兩兩數位影像，並重新設定此兩張數位影像的物距。其中合成影像與新的物距關係請參考下表1所示。
設定一對焦框，其係用以選擇上述數位影像中的部分影像。隨後，計算第一合成影像至第九合成影像(201’、202’、…與209’)中對焦框的高頻訊號。並計算第二最遠物距影像201b與第二最近物距影像210b的對焦框內的高頻訊號。並根據上述各影像的高頻訊號找出相應的物距。在本發明中係從上述影像的高頻訊號中，選擇出最大的一組作為輸出的最佳對焦物距。因為第二最遠物距影像201b與第二最近物距影像210b並未和其他影像進行合成，因此其相對應物距仍是最遠物距S1 與最近物距S10 。
因為合成影像的雜訊已被降低許多，因此高頻訊號的來源絕大部份是拍攝物體的細節，而不是高頻雜訊；因此經如此計算便可得到如「第2b圖」所示之高頻訊號與其相對應的物距關係，會有明顯的整體最大值存在。相較於習知技術的「第1c圖」，本發明可以得到更明確的對焦位置的曲線關係，增加物距判斷的成功率。
最後再根據高頻訊號與其相對應的物距關係，決定出高頻訊號最大值相對應的物距以得到一最佳對焦物距；將自動對焦鏡頭移動至最佳對焦物距，完成對焦。
在實際實施上，請參考「第3圖」所示，其係為本發明之架構示意圖。本發明之數位取像裝置300中包括有：自動對焦鏡頭310、自動對焦鏡頭時序控制電路320、感光元件330、感光元件時序控制電路340、類比數位轉換處理電路350、儲存單元360與微處理器370。
自動對焦鏡頭310電性連接於自動對焦鏡頭時序控制電路320。自動對焦鏡頭時序控制電路320電性連接於微處理器370，接收微處理器370發出的指示訊號來驅動自動對焦鏡頭310。自動對焦鏡頭時序控制電路320控制移動自動對焦鏡頭310，並將被拍攝之環境與物體成像在感光元件330上。感光元件330係為一種光電轉換元件，其用以記錄拍攝環境與物體之光學訊號，並將此光學訊號轉換為電訊號。感光元件330可例如為電荷耦合裝置(charge－coupled device，簡稱CCD)或一互補式金屬氧化層半導體(Complementary Metal－Oxide－Semiconductor，簡稱CMOS)。
感光元件330用以記錄數位取像裝置300的被攝環境與被攝物之亮度，並將被攝物之亮度轉換成電氣訊號。感光元件時序控制電路340電性連接於感光元件330與微處理器370之間，並接受微處理器370的控制產生驅動感光元件330的控制訊號。類比 數位轉換處理電路350電性連接於感光元件330、感光元件時序控制340與儲存單元360，並接受感光元件時序控制與驅動電路340的控制將感光元件330送出之類比訊號轉換為數位訊號，傳送至儲存單元360儲存。
儲存單元360用以儲存複數張數位影像、儲存單元360電性連接於類比數位轉換處理電路350與微處理器370。儲存單元360用以接受微處理器370控制進行資料讀出與寫入。微處理器370在執行時會包含有自動曝光參數決定與控制單元371、影像疊加單元372、物距重設單元373、高頻訊號計算單元374與最佳對焦位置決定單元375。
在實際執行時，自動曝光參數決定與控制單元371會根據拍攝的環境決定出兩組適當的曝光參數，即第一曝光條件與第二曝光條件。曝光條件包括曝光時間、光圈大小與感光值(International Standards Organization，以下簡稱ISO)。接著微處理器370透過自動對焦鏡頭時序控制電路320設定自動對焦鏡頭310的光圈，並透過感光元件時序控制電路340設定曝光時間與ISO值，利用第一曝光條件在最遠物距、最近物距以及其他M個不同的物距擷取相對應的M＋2張數位影像，儲存於儲存單元360中。以第二曝光條件在最遠物距及最近物距擷取相對應的2張數位影像，儲存於儲存單元360中。
微處理器370接著控制設置於其內的影像疊加單元372、物距 重設單元373、高頻訊號計算單元374與最佳對焦位置決定單元375進行作動。影像疊加單元372用以疊加預攝影像藉以產生多張合成影像。物距重設單元373用以計算每一合成影像的相應物距，得到合成影像數量相同的複數個相應物距。
物距重設單元373用以計算每一合成影像(201‘~209‘)的相應物距，得到合成影像數量相同的複數個相應物距。高頻訊號計算單元374用以計算每一合成影像中之至少一部份畫素的高頻訊號，得到與合成影像數量相同的複數個高頻訊號，高頻訊號計算單元374係為高通濾波器(High－pass filter)、帶通濾波器(Band－pass filter)、傅利葉轉換(Fourier transform)裝置、離散餘弦轉換(Disercte Cosine Transform)裝置或離散小波轉換(Discrete Wavelet Transformation)裝置。
最佳對焦位置決定單元375用以從最遠物距、合成影像之相對應物距、最近物距與其相對應的高頻訊號的關係曲線中決定出高頻訊號最大值所相應之物距以作為一最佳對焦物距，藉以拍攝被攝物。
為方便說明起見在此假設疊加張數為n張，決定被攝物的曝光參數，影像之曝光時間為t、ISO值為g，第一曝光條件為(t，g)表示；第二曝光條件為(n*t，g/n)。請同時參考「第4a圖」所示，其係為本發明實際執行的流程圖。說明如下：
步驟S410：根據環境的亮度或雜訊大小決定疊加數位影像之 張數、第一曝光條件與第二曝光條件。
步驟S420：拍攝數位影像。
其中，在步驟S420中拍攝數位影像中，更另外參考如「第4b圖」所示之步驟； 步驟S421：在最遠物距以第一曝光條件(t，g)拍攝第一最遠物距影像201a，並將其儲存於記憶單元中；步驟S422：在最遠物距以第二曝光條件(n*t，g/n)拍攝第二最遠物距影像201b，並將其儲存於記憶單元中；步驟S423：在最遠物距與最近物距外的其他物距以第一曝光條件(t，g)分別拍攝數位影像，並將其儲存於記憶單元中；步驟S424：判斷是否為最後一張數位影像；若不為最後一張時，則重複步驟S241至步驟S243，直到事先決定之物距都已擷取完影像；步驟S425：在最近物距以第一曝光條件(t，g)拍攝第一最近物距影像210a，並將其儲存於記憶單元中；步驟S426：在最近物距以第二曝光條件(n*t，g/n)拍攝第二最近物距影像210b，並將其儲存於記憶 單元中。
在本說明中影像的擷取係由最遠物距到最近物距，在實際實施時亦可由最近物距到最遠物距。
步驟S430：從以第一曝光條件在不同物距所擷取的數位影像中，依序選取連續兩張在相鄰物距擷取的數位影像進行疊加，產生複數張合成影像。
步驟S440：計算合成影像之物距。
步驟S450：計算第二曝光條件擷取第二最遠物距影像201b與第二最近物距影像210b的高頻訊號。
步驟S460：自動對焦程序根據最遠物距、合成影像之相對應物距、最近物距與其分別相對應之高頻訊號的關係曲線，決定出高頻訊號最大值相對應的物距，以得到一最佳對焦物距。
步驟S470：將自動對焦鏡頭移到該對焦物距位置，完成對焦。
為說明起見，在此係以8個物距為例，將所擷取的數位影像分別定義為第一數位影像202、第二數位影像203、第三數位影像204、第四數位影像205、第五數位影像206、第六數位影像207、第七數位影像208與第八數位影像209。
接著，將上述數位影像(202~209)通過步驟S430之處理後，可以得到第一合成影像201‘、第二合成影像202‘、第三合成影像203‘、第四合成影像204‘、第五合成影像205‘、第六合成影像 206‘、第七合成影像207‘、第八合成影像208‘與第九合成影像209‘。並計算合成影像的高頻訊號。
在步驟S430與步驟S450計算高頻訊號時，除了可對整張數位影像進行高頻訊號的計算外，也可以對於數位影像中的部分影像區域進行高頻訊號的計算。其中，高頻訊號的計算可以是但不限定為高通濾波器(High－pass filter)、帶通濾波器(Band－pass filter)、傅利葉轉換(Fourier transform)、離散餘弦轉換(Discrete Cosine Transform)或離散小波轉換(Discrete Wavelet Transformation)所計算得到。
雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，例如在本發明中不限定合成影像與第二曝光條件拍攝的數位影像高頻訊號的順序，只要相對應的物距對應正確即可。換句話說可以先計算第二曝光條件拍攝的數位影像，再計算合成影像。也可以先計算以第二曝光條件在最遠物距拍攝的數位影像的高頻訊號，再計算合成影像的高頻訊號。最後再計算以第二曝光條件在最近物距拍攝的數位影像的高頻訊號。
另外，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
201a‧‧‧第一最遠物距影像
201b‧‧‧第二最遠物距影像
202~209‧‧‧第一數位影像~第八數位影像
210a‧‧‧第一最近物距影像
210b‧‧‧第二最近物距影像
201‘~209‘‧‧‧第一合成影像~第九合成影像
300‧‧‧數位取像裝置
310‧‧‧自動對焦鏡頭
320‧‧‧自動對焦鏡頭時序控制電路
330‧‧‧感光元件
340‧‧‧感光元件時序控制電路
350‧‧‧類比數位轉換處理電路
360‧‧‧儲存單元
370‧‧‧微處理器
371‧‧‧自動曝光參數決定與控制單元
372‧‧‧影像疊加單元
373‧‧‧物距重設單元
374‧‧‧高頻訊號計算單元
375‧‧‧最佳對焦位置決定單元
第1a圖係為習知技術利用多張影像計算高頻訊號之示意圖。
第1b圖係為習知技術所產生高頻訊號與物距曲線示意圖。
第1c圖係為習知技術在低照度的高雜訊數位影像所產生高頻訊號與物距曲線示意圖。
第2a圖係為本發明利用2張影像疊加並計算高頻訊號之示意圖。
第2b圖係為本發明在低照度的高雜訊數位影像所產生高頻訊號與物距曲線示意圖。
第3圖係為本發明之架構示意圖。
第4a圖係為本發明執行實施例之流程圖。
第4b圖係為本發明中拍攝數位影像的細部流程圖。

Claims (10)

  1. 一種在高雜訊環境下的自動對焦方法，應用於一數位取像裝置對至少一被攝物的焦距調整，該自動對焦方法包括下列步驟：在該數位取像裝置的一最遠物距以一第一曝光條件拍攝一第一最遠物距影像與以一第二曝光條件拍攝一第二最遠物距影像；在該數位取像裝置的一最近物距以該第一曝光條件拍攝一第一最近物距影像與以該第二曝光條件拍攝一第二最近物距影像；在該最遠物距與該最近物距之間的不同物距時以該第一曝光條件分別擷取相應的至少一數位影像；從該些數位影像中，依序選取至少兩張相鄰物距的該些數位影像，用以產生一合成影像，重複此步驟直到該些以第一曝光條件所擷取的數位影像都依序參與疊加，產生該些合成影像為止；計算每一該合成影像之相對應物距；計算該些合成影像中的部份畫素之高頻訊號；計算該第二最遠物距影像的至少一部份畫素之高頻訊號；計算該第二最近物距影像之至少一部份畫素的高頻訊號；以及 從該最遠物距、該些合成影像之相對應物距、該最近物距與其分別相對應之該些高頻訊號的關係曲線決定出高頻訊號最大值所相應之物距以得到一最佳對焦物距，進而拍攝該被攝物。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之在高雜訊環境下的自動對焦方法，其中在產生該些合成影像中更包括下列步驟：決定疊加該些數位影像之張數；以及選擇連續的該些數位影像進行疊加。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之在高雜訊環境下的自動對焦方法，其中決定疊加該些數位影像之張數係由一環境亮度或一雜訊大小所決定。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之在高雜訊環境下的自動對焦方法，其中該些高頻訊號的計算係利用高通濾波器(High－pass filter)、帶通濾波器(Band－pass filter)、傅利葉轉換(Fourier transform)、離散餘弦轉換(Discrete Cosine Transform)或離散小波轉換(Discrete Wavelet Transformation)進行計算。
  5. 一種在高雜訊環境下具有自動對焦之數位取像裝置，其係用於決定至少一被攝物的物距，該裝置包括有：一儲存單元，用以儲存一第一最遠物距影像、一第二最遠物距影像、一第一最近物距影像、一第二最近物距影像與至少 一數位影像，其係在一最遠物距以一第一曝光條件拍攝該第一最遠物距影像與以一第二曝光條件拍攝該第二最遠物距影像，在一最近物距以該第一曝光條件拍攝該第一最近物距影像與以該第二曝光條件拍攝該第二最近物距影像，在該最遠物距與該最近物距之外的不同物距時以該第一曝光條件擷取相應的該些數位影像；一微處理器，電性連接於該儲存單元，該微處理器用以載入該些數位影像、該第一最遠物距影像、該第二最遠物距影像、該第一最近物距影像及該第二最近物距影像；一影像疊加單元，其係設置於該微處理器內，該影像疊加單元用以從該些數位影像中，依序選取在該不同物距所擷取之至少兩張相鄰的該些數位影像產生一合成影像；一物距計算單元，其係設置於該微處理器內，該物距計算單元用以計算每一該合成影像之相對應物距；一高頻訊號計算單元，其係設置於該微處理器內，該高頻訊號計算單元從該些合成影像、該第二最遠物距影像及該第二最近物距影像的至少一部份畫素用以得到其相應之一高頻訊號；以及一最佳對焦位置決定單元，其係設置於該微處理內，用以從該最遠物距、該合成影像之相對應物距、該最近物距與其相對應的該些高頻訊號的關係曲線決定出高頻訊號最大值所相 應之物距以得到一最佳對焦物距，藉以拍攝該被攝物。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之在高雜訊環境下具有自動對焦之數位取像裝置，其中更包括一自動對焦鏡頭與一自動對焦鏡頭時序控制電路，該自動對焦鏡頭時序控制電路電性連接於該自動對焦鏡頭與該微處理器，該微處理器控制該自動對焦鏡頭時序控制電路，用以產生驅動該自動對焦鏡頭之至少一指示訊號。
  7. 如申請專利範圍第5項所述之在高雜訊環境下具有自動對焦之數位取像裝置，其中更包括一感光元件與一感光元件時序控制電路，該感光元件時序控制電路係電性連接於該感光元件與該微處理器，該微處理器控制該感光元件時序控制電路，用以產生驅動該感光元件的至少一控制訊號，進而使該感光元件產生至少一類比訊號。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之在高雜訊環境下具有自動對焦之數位取像裝置，其中更包括一類比數位轉換處理電路，其係電性連接於該感光元件、該感光元件時序控制電路與該儲存單元，該類比數位轉換處理電路接收該感光元件時序控制電路與該微處理器的控制，用以將該類比訊號轉換為一數位訊號，並將該數位訊號儲存至該儲存單元。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之在高雜訊環境下具有自動對焦之數位取像裝置，其中更包括一自動曝光參數決定與控制單元， 其係設置於該微處理器中，該自動曝光參數決定與控制單元根據該數位取像裝置拍攝時的環境，以決定該被攝物被拍攝時的曝光時間、光圈大小、與ISO值之至少其中之一者。
  10. 如申請專利範圍第5項所述之在高雜訊環境下具有自動對焦之數位取像裝置，其中該高頻訊號計算單元係為高通濾波器(High－pass filter)、帶通濾波器(Band－pass filter)、傅利葉轉換(Fourier transform)裝置、離散餘弦轉換(Discrete Cosine Transform)裝置或離散小波轉換(Discrete Wavelet Transformation)裝置。
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