专利名称：相机的自动聚焦方法
相机的自动聚焦方法 技术领域总的来说本发明涉及一种相机。更具体地讲，本发明涉及一种相机的自动聚焦(AF)方法并减少精确地在对象上聚焦的AF所需的时间。
背景技术：
传统相机通常包括用于形成物体的图像的镜头系统和用于将由镜头系统 形成的图像检测为电信号的图像传感器。根据焦点和物体之间的距离改变聚 焦镜头系统的能力。为了获得清晰、高分辨率图像，图像传感器的光接收面 应位于镜头系统的场深度内。因此，具体地讲，在传统相机中，有时合并宏 功能(换句话说，短距离拍摄功能)。然而，根据远离正被拍摄的物体的距离， 具有宏功能的这种相机可面临聚焦位置的重大改变。传统相机有时需要具有 根据相机与物体之间距离自动调整焦点的装置，以减小可能通过人工聚焦引 入的误差量，并且简化相机的使用，从而实际上任何人可通过将相机瞄准物 体并按下快门来拍摄高品质照片。传统公知的自动聚焦方法包括相机物体距离测量和基于预览图像分析的 焦距估计中的一个。近来提出的小型数字相机通常采用稍后的方法。图1是典型的自动聚焦相机的框图。自动聚焦相机100包括镜头系统 110、图像传感器120、驱动器130、图像信号处理器(ISP)140、显示器150和 控制器160。镜头系统110形成物体的图像，并且包括一个或多个镜头112。图像传 感器120检测镜头系统110形成的图像，并产生电信号。ISP140以帧为单位 处理从图像传感器120输出的图像信号，并且输出转换的图像帧，从而适合 显示器150的显示特性，例如，帧大小、图像质量、分辨率等。显示器150 将从ISP140应用的图像帧显示在显示器上。此外，显示器150在聚焦过程期 间将图像帧的自动聚焦(以下简称为"AF，，)窗口显示显示器150上。驱动器 130驱动镜头系统110，从而在控制器160的控制下镜头系统110可移动。驱 动器130包括用于供应驱动力的电动机(M) 132和利用驱动力来回移动镜头系。控制器160通过自动聚焦过程才艮据远离物体的距离 来识别聚焦位置，并且控制驱动器130将镜头系统IIO移动到聚焦位置。仍然参照图1中显示的相机，控制器160以下述方式执行包括步骤(a)至 (f)的自动聚焦过程。在步骤(a)，设置镜头系统110的起点和终点位置以及镜头系统110的起 点位置和终点位置之间的多个中间位置，随后镜头系统110被移动到起点位 置。在步骤(b)，在镜头系统110的起点位置形成图像帧。在步骤(c)，从AF窗口内的图像帧获得边缘值。这里，"边缘"与物体的 轮廓(也就是，图像帧的边界)相应，在图像帧的边界亮度急剧改变。"边缘值" 指示"边缘"部分的亮度改变。更详细地，通过获得图像传感器120的各像 素的亮度，通过将对关于图像传感器120在行方向上相邻的像素对之间的亮 度差与参考值进行比较，来确定该像素对之间的边界是否属于边缘，随后对 属于边缘的所有像素对的亮度差累加求和来计算"边缘值"。在步骤(d)，确定镜头系统IIO是否位于终点位置。如果镜头系统IIO没有位于终点位置，则步骤(e)中，镜头系统110被移 动到接下来的位置，紧接着顺序执行步骤(b)至步骤(d)。如果镜头系统IIO位于终点位置，则在步骤(f),确定步骤(a)至(e)中获得 的边缘值中的最大边缘值，紧接着执行步骤(g)，将镜头系统IIO移动到与最 大边缘值相应的位置。通过执行直到步骤(g)的各种操作来完成自动聚焦过程，并且相机100在 调整的聚焦状态下捕获物体的图像。然而，上述传统自动聚焦方法继承至少以下缺点。例如，仍然参照图1,假设配备有1/3.2"大小的图像传感器120的相机 100具有大约10cm和oo(无穷大)之间的焦距。为了实现聚焦调整，传统自动 聚焦相机中的镜头系统110通常被配置为具有接近0.25cm的最大移动距离， 以及接近0.015的场深度。在这种情况下，在步骤(a)中设置的各种位置的每 一个之间的间隔应该小于场深度。重复步骤(a)多次，即，在自动聚焦过程的 时段期间，镜头系统110移动到以下或接下来的位置的次数接近20次，意思 是，执行图像传感器120的帧曝光的次数接近20次。在传统移动终端相机(例 如，相机电话)中，在预览操作期间帧曝光速度接近每秒15帧，意思是，需6要多于一秒进行自动聚焦。此外，考虑到捕获图像所需的时间，从自动聚焦过程到图像捕获操作总 共需要接近2秒，对于现今的相机用户太慢，最终可能给摆好姿势照相并且 在聚焦相机随后拍照的期间必须一直站着不动的用户带来极大不便。因此，需要一种用于相机的自动聚焦方法，通过该方法，快速聚焦功能 减小用户的不便，并且维持或者甚至提高聚焦处理的质量。发明内容本发明的一方面在于至少解决一些这里描述的问题和/或缺点，并且至少 提供下述优点。因此，本发明的一方面在于提供一种具有更快且更精确自动 聚焦功能的相机的自动聚焦方法。根据本发明的一个示例性方面，提供了一种自动聚焦方法，该方法包括以下步骤改变透镜系统的焦点和图像传感器的光接收面之间的距离；在改 变焦点和光接收面之间的距离的时段期间，通过顺序曝光光接收面上的像素，来形成图像帧；在图像帧上设置多个子块，并且获得各个子块的边缘值；确 定获得的边缘值中的最大边缘值；并且基于最大边缘值识别镜头系统的聚焦位置。
通过下面结合附图进行的详细描述，本发明的上述和其他示例性方面、 特点和优点将会变得更加清楚，其中 图1是典型的自动聚焦相机的框图； 图2是根据本发明示例性实施例的自动聚焦相机的框图； 图3是图2中显示的图像传感器的平面图； 图4示出图2中显示的显示器；图5A和5B示出图2中显示的镜头系统的示例性移动^f莫式；图6A至6C示出图2中显示的移动镜头系统的各种示例性移动模式。
具体实施方式
现在将详细描述本发明的优选示例性实施例。在附图中，即使在不同的 附图中描述相同或相似的部件，但是相同的标号表示相同或相似的部件。在7下面的示例性描述中，当这种详细描述可能混淆本领域普通技术人员对本发 明的理解时，为了简明，可省略对已知功能和配置的详细描述。 图2是根据本发明示例性实施例的自动聚焦相机的框图。相机200 —般包括镜头系统210、图像传感器220、驱动器230、编码器 240、图像信号处理器(ISP)250、显示器260和控制器270。镜头系统210形成物体的图像，并且包括一个或多个镜头212。 一个或 多个镜头212可包括凸透镜、凹透镜等。镜头系统210最好关于光轴在纵向 方向上旋转对称，并且光轴可被定义为在一个或多个镜头212的面上通过固 定点的轴。例如，双凸透镜包括具有相同曲率半径的第一镜面和第二镜面。仍然参照图2，图像传感器220将镜头系统210形成的物体的图像检测 为电信号。ISP250以帧为单位处理从图像传感器220应用的图像信号，并且 输出转换为适合显示器260的显示特性(大小、图像质量、分辨率等)的图像帧。 用作图像传感器220的合适的例子包括(但不限于)CCD(电荷耦合装置)图像传 感器、CMOS(互补金属氧化物半导体)图像传感器等。图像传感器220通常基 于巻帘式快门机制曝光像素。图3是图2中显示的图像传感器220的平面图。图像传感器220包括面向镜头系统210的光接收面222。多个像素以通 常包括M行和N列的MxN矩阵排列在光接收面222上。图像传感器220 具有作为聚焦调整的参考的AF窗口 224。 AF窗口 224位于光接收面222的 中心，并且AF窗口 224的大小接近光接收面222的三分之二(2/3)。图像传 感器220的AF窗口 224是一般控制器270设置的虛拟区域。最好，将AF窗 口 224分为多个子块B1 BP，并且多个子块B1 BP的每一个包括多个像素行 中选择的至少一个。如果必要，AF窗口 224的大小可被设置为与光接收平面 222的大小相同。如图3所示，基于巻帘式快门机制实现图像传感器220的帧曝光。根据 巻帘式快门机制，每行的像素以列向顺次曝光(被称为行向扫描)，同时每列的 像素以行向顺次曝光。如图2所示，显示器260将从ISP 250应用的图像帧显示在屏幕上。此 外，显示器260在自动聚焦过程期间将图像帧的AF窗口显示在屏幕上。图4示出图2中显示的显示器260的例子。现在参照图4,最好AF窗口 264位于屏幕262的中心，并且最好AF窗口 264的大小接近屏幕262的大小的三分之二(2/3)。 AF窗口 264包括由控制器270设置的虚拟区域，并且由用 户可视地识别。AF窗口 264被分为多个子块B1' BP'，最好多个子块B1' BP' 与多个子块B1 BP——对应。驱动器230驱动镜头系统210在控制器270的 控制下可移动，并且包括供应驱动力的电动机(M) 232和利用驱动力沿其光轴 来回移动镜头系统210的引导装置234。现在再次参照图2，编码器240检测镜头系统210的位置，并且将指示 镜头系统210的位置的检测信号输出给控制器270。最好，编码器240可被 实现为一般霍尔传感器242与永久磁铁244的组合，但是可使用其它类型的 传感器。最好，霍尔传感器242排列在引导装置234上，以1更可与《竟头系统 210—起可移动，同时固定排列永久磁铁244。霍尔传感器242根据永久磁铁 244施加的磁场强度输出可变电压，从而随着镜头系统210的移动，霍尔传 感器感测的磁场强度由于两者之间的距离而改变。控制器270根据从霍尔传 感器242应用的位置检测信号的电压来检测镜头系统210的位置。控制器270在自动聚焦过程中根据相机到物体的距离识别聚焦位置，并 且控制驱动器230将镜头系统210移动到识别的聚焦位置。控制器270执行的自动聚焦过程包括以下步骤(a)至(f)。在步骤(a)，图像传感器220的AF窗口 224被分为多个子块B1 BP。这 里，多个子块B1 BP的每一个包括多个像素行中选择的至少一个。例如，假 设AF窗口 224具有300 x 600矩阵，多个子块B1 BP的每一个可排列在10 x 20矩阵中。假设为镜头系统210设置起点和终点位置以及起点位置和终点位置之间 的多个中间位置，并且将镜头系统210从起点位置移动到终点位置所需的时 间被设置为与子块B1 BP的总体曝光时段大致相同(TP-T1)，在步骤(b),将 总体曝光时段除以子块B1 BP的数量获得的时间间隔被设置为与行向扫描时 间相同。可以用存储在控制器270中的程序实现初始化步骤的步骤(a)和(b)。在步骤(c)，镜头系统210移动到起点位置。在步骤(d)，根据控制器270设置的移动模式移动镜头系统210。图5A和5B示出图2中显示的镜头系统210的示例性移动模式，其中， 图5A显示基于巻帘式快门机制对图像传感器220的AF窗口 224顺序执行行 向扫描操作，图5B是显示行向扫描时间和子块B1 BP的位置之间的关系的图示。在图5B中，水平轴指示时间，垂直轴指示被曝光的子块B1 BP的位 置。镜头系统210以恒定速度从起点位置移动到终点位置。在完成镜头系统 210的移动的同时，完成了执行自动聚焦过程的帧曝光。以上统称为步骤(d)。 如上所述，在步骤(e)中，从单一图像帧获得子块B1 BP的边缘值。这里 "边缘"与物体的轮廓(也就是，图像帧的边界)相应，在图像帧的边界中，亮 度剧烈改变。详细地，通过获得子块B1 BP中的各像素的每一个的亮度，通 过将关于图像传感器220在行向上相邻的像素对之间的亮度差与参考值进行 比较，来确定该像素对之间的边界是否属于边缘，随后对属于边缘的所有像 素对的亮度差累加求和来计算"边缘值"。以上统称为步骤(e)。如上所述，在步骤(f)中，确定在步骤(e)获得的边缘值中的最大边缘值。 在步骤(g)中，镜头系统210被移动到与最大边缘值相应的位置。与最大 边缘值相应的位置是镜头系统210的聚焦位置。如图5B所示，可从具有最大 边缘值的子块识别行向扫描时间，并且可从行向扫描时间识别镜头系统210 的位置。通过执行直到步骤(g)的各种操作来完成自动聚焦过程，并且相机200在 调整的聚焦状态下捕获物体的图像。如上所述，与重复多次执行帧曝光的现有技术不同，根据本发明，通过 一次帧曝光完成自动聚焦过程，从而显著减小执行自动聚焦过程所需的时间。此外，可通过重复多次执行自动聚焦过程来增强自动聚焦精确性，这将 在接下来描述。图6A至图6C示出图2中显示的镜头系统210的各种示例性移动模式， 其中，水平轴指示时间，并且垂直轴指示被曝光的子块B1 BP的位置。应该 理解，为了解释目的提供这些示例性模式，但本发明不限于此。参照图6A，在Ta和Tb的时段期间，透镜系统210从起点位置移动到 终点位置，同时曝光第一帧。在Tb和Tc时段期间，镜头系统210从终点位 置移动到起点位置，同时曝光第二帧。为了完成各帧的每一个的曝光，执行 步骤(e)和(f),并且基于获得的边缘值中选择的最大边缘值识别镜头系统的聚 焦位置，接下来执行步骤(g)，也就是，将镜头系统210移动到与最大边缘值牙目y^的4立i。现在参照图6B，在Td和Te的时段期间，镜头系统210从起点位置移动 到终点位置，同时曝光第一帧。在Te和Tf的时段期间，镜头系统210停止移动。在Tf和Tg的时段期间，镜头系统210从终点位置移动到起点位置， 同时曝光第二帧。为了完成各帧的每一个的曝光，执行步骤(e)和(f)，并且基 于获得的边缘值中选择的最大边缘值识别镜头系统的聚焦位置，接下来执行 步骤(g)。换句话说，将镜头系统210移动到与最大边缘值相应的位置。现在参照图6C，在Th和Ti的时段期间，镜头系统210从起点位置移动 到终点位置；同时曝光第 一帧。在Ti和Tj的时^爻期间，镜头系统210从终 点位置移动到起点位置。在Tj和Tk的时段期间，镜头系统210从起点位置 移动到终点位置，同时曝光第二帧。在Tk和Tl的时^l期间，镜头系统210 从终点位置移动到起点位置，同时曝光第三帧。在Tl和Tm的时段期间，镜 头系统210从起点位置移动到终点位置，并且曝光第四帧。为了完成各帧的 每一个的曝光，执行步骤(e)和(f),并且基于获得的边缘值中选择的最大边缘 值识别镜头系统的聚焦位置，接下来执行步骤(g)，也就是，将镜头系统210 移动到与最大边缘值相应的位置。如上述例子所述，与重复多次执行帧曝光的现有技术不同，根据本发明， 通过一次帧曝光完成自动聚焦过程，从而很大地减小执行自动聚焦过程所需 的时间。此外，可通过重复多次执行自动聚焦过程来增加自动聚焦精确性，仍然 可比传统自动聚焦过程更快，且更精确。是本领域的技术人员应该理解，在不脱离由权利要求限定的本发明的精神和 权利要求的范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。ii
权利要求
1、一种自动聚焦方法，包括改变透镜系统的焦点和图像传感器的光接收面之间的距离；在改变焦点和光接收面之间的距离的时段期间，通过顺序曝光光接收面上的像素，来形成图像帧；在形成的图像帧上设置多个子块，并且获得各个子块的边缘值；确定获得的边缘值中的最大边缘值；基于最大边缘值识别镜头系统的聚焦位置。
2、 如权利要求1所述的自动聚焦方法，其中，所述多个子块的每一个包 括作为光接收面的一部分的多个像素行。
3、 如权利要求1所述的自动聚焦方法，其中，形成图像帧的步骤包括 在自动聚焦窗口上形成图像帧，并且在光接收面的中心放置图像帧。
4、 如权利要求1所述的自动聚焦方法，包括在光接收面上以多行和多 列的矩阵格式排列多个像素，并且在形成图像帧的步骤中，顺序曝光每一行 列方向上的像素，并且顺序曝光每一列行方向上的像素。
5、 如权利要求1所述的自动聚焦方法，其中，改变距离的步骤包括沿 着位于固定位置的图像传感器的光轴移动镜头系统。
6、 如权利要求5所述的自动聚焦方法，还包括将镜头系统移动到在基 于最大边缘值识别聚焦位置的步骤中识别的聚焦位置。
7、 如权利要求1所述的自动聚焦方法，其中，通过重复执行多次确定最 大边缘值来改变距离的步骤，并且在识别镜头系统的聚焦位置的步骤中，基 于获得的边缘值中的最大边缘值识别镜头系统的聚焦位置。
8、 如权利要求1所述的自动聚焦方法，其中，通过一次帧曝光完成自动 聚焦过程。
9、 如权利要求1所述的自动聚焦方法，其中，通过确定最大边缘值改变 距离的步骤包括子步骤将镜头系统从起点位置移动到终点位置，同时曝光 第一帧，并将镜头系统从终点位置移动到起点位置，同时曝光第二帧。
10、 如权利要求9所述的自动聚焦方法，其中，所述子步骤还包括将 镜头系统从起点位置移动到终点位置，将镜头系统从终点位置移动到起点位 置，同时曝光第三帧，并将镜头系统从起点位置移动到终点位置，同时曝光第四帧。
11、 一种相机的自动聚焦装置，包括用于改变透镜系统的焦点和图像传感器的光接收面之间的距离的装置； 用于在改变焦点和光接收面之间的距离的时段期间，通过顺序曝光光接收面上的像素，来形成图像帧的装置；用于在形成的图像帧上设置多个子块，并且获得各个子块的边缘值的装置；用于确定获得的边缘值中的最大边缘值的装置；用于基于最大边缘值识别镜头系统的聚焦位置的装置。
12、 如权利要求11所述的设备，其中，所述多个子块的每一个包括作为 光接收面的一部分的多个像素行。
13、 如权利要求11所述的设备，其中，用于形成图像帧的装置包括用 于在自动聚焦窗口上形成图像帧的装置，和用于在光接收面的中心放置图像 帧的装置。
14、 如权利要求11所述的设备，还包括用于在光接收面上以多行和多 列的矩阵格式排列多个像素的装置，并且在形成图像帧中，用于顺序曝光每 一行列方向上的像素，和顺序曝光每一列行方向上的像素的装置。
15、 如权利要求11所述的设备，其中，用于改变距离的装置包括用于 沿着位于固定位置的图像传感器的光轴移动镜头系统的装置。
16、 如权利要求15所述的设备，其中，用于移动镜头系统的装置包括 用于将镜头系统移动到在基于最大边缘值识别聚焦位置的步骤中识别的聚焦 位置的装置。
17、 一种自动聚焦设备，包括 镜头系统；图像传感器，排列在镜头系统的光轴；驱动单元，用于驱动镜头；编码器，用于检测镜头系统的位置；图像信号处理器，用于处理从图像传感器输出的图像信号；控制器，用于接收编码器的输出并用于控制驱动单元移动镜头系统。
18、 如权利要求17所述的设备，其中，驱动单元包括沿着光轴移动镜 头系统的引导装置。
19、如权利要求18所述的设备，其中，编码器包括排列在导引装置上 的霍尔传感器和相对于引导装置排列在固定位置的磁铁。
全文摘要
提供了一种相机的自动聚焦方法和设备。自动聚焦方法和设备提供执行自动聚焦过程所需的时间减少，优选的是在一次帧曝光期间发生的时间减少。改变透镜系统的焦点和图像传感器的光接收面之间的距离；在改变焦点和光接收面之间的距离的时段期间，通过顺序曝光光接收面上的像素，来形成图像帧；在图像帧上设置多个子块，并且获得各个子块的边缘值。确定获得的边缘值中的最大边缘值；并且基于最大边缘值识别镜头系统的聚焦位置。镜头系统被移动到聚焦位置。
文档编号G02B7/28GK101261353SQ20081008205
公开日2008年9月10日 申请日期2008年3月5日 优先权日2007年3月6日
发明者尹泳权, 李庸求, 金明源 申请人:三星电子株式会社