專利名稱：自動聚焦裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種攝像機系統(tǒng)，尤其涉及一種攝像機系統(tǒng)的自動聚焦裝置和方法。
用于例如便攜式攝像機的攝像機系統(tǒng)的典型的自動聚焦方法是爬山法(mountain climbing method)。在爬山方法中，檢測CCD輸出的視頻信號的頻率成分，然后，聚焦鏡頭在產(chǎn)生更高頻率分量的方面上移動。


圖1是應用爬山法的傳統(tǒng)的自動聚焦裝置的方框圖。
圖1裝置包括聚焦鏡頭10，拾取器12，信號處理單元14，聚焦值計算單元16，控制器18，聚焦馬達驅(qū)動單元20和聚焦馬達22。
聚焦馬達驅(qū)動單元20按照預定的控制信號驅(qū)動聚焦馬達22，聚焦鏡頭10按照聚焦馬達22的操作前后移動，拾取器12通常地包括電荷耦合器件(CCD)，拾取隨聚焦鏡頭10的位置變化的視頻信號。信號處理單元14處理由拾取器12拾取的視頻信號。
聚焦值計算單元16計算由信號處理單元14輸出的視頻信號的聚焦值。通過指定由信號處理單元14輸出的預定頻帶的視頻信號并且僅僅將在指定頻帶上以幀或半幀為單位的視頻信號相加來獲得聚焦值。
控制器18按照由聚焦值計算單元16輸出的聚焦值確定聚焦鏡頭10的移動方向并且控制聚焦馬達驅(qū)動單元20。即控制器18將先前聚焦值與當前聚焦值相比較，然后輸出一個控制信號控制聚焦馬達驅(qū)動單元20，這樣，聚焦鏡頭10在較大聚焦值的方向上移動，即，在產(chǎn)生視頻信號更高頻分量的方向上移動。
在圖1的聚焦裝置中，聚焦鏡頭10移動一點，然后將先前聚焦值與當前聚焦值相比較。然后，聚焦鏡頭10被移到具有較大一些聚焦值的位置，重復操作以自動控制聚焦。
圖2示出了圖1中聚焦值計算單元的例子。
圖2的聚焦值計算單元16包括濾波器160，聚焦區(qū)指定單元162，和加法單元164。濾波器160選擇性地僅通過由信號處理單元14輸出的預定頻段的視頻信號。聚焦區(qū)指定單元162僅通過通過濾波器160的視頻信號成分，它與一個預定的半幀或幀空間區(qū)域相對應。加法單元164相加由聚焦區(qū)指定單元162輸出的每幀或每半幀視頻信號。特別地，可選擇地包括的聚焦區(qū)指定單元162，當圖像有多個聚焦點時，使得能夠聚焦在最顯著聚焦點上。
圖3是按照當鏡頭拾取一個一般圖像時的鏡頭位置，聚焦值的變化圖。圖4是按照當鏡頭拾取一個有亮點圖像(Spotting image)時的鏡頭位置，聚焦值的變化圖。
由圖像拾取器12拾取的視頻信號可以包括各種類型圖像，例如暗圖像，亮圖像，含有較多高頻分量的圖像，含有較多低頻分量的圖像。特別地，在特定環(huán)境下即，燭光火焰背對黑色背景，或在黑暗街上的街燈拾取的視頻信號，被看作亮點圖像。在亮點圖像中，聚焦變得模糊并且光線照亮區(qū)擴散，增加了光線占有整個圖像的區(qū)域。光線的邊緣有高頻分量，這樣，亮點圖像的頻率特性與那些一般圖像相反，如圖4所示。這可能引起自動聚焦裝置的不正常工作。
這樣，在普通的自動聚焦裝置中，對于比如亮點圖像的特別的圖像，在散焦的方向上高頻分量增加，可能引起不正確的聚焦。
為了解決上述問題，本發(fā)明的一個目的是提供一個自動聚焦裝置，它能可靠操作既使對于特別的視頻信號比如一個亮點圖像信號。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種自動聚焦方法能夠精確地聚焦特別的視頻信號比如亮點圖像信號。
為了達到上述目的之一，提供了一種攝像機系統(tǒng)的自動聚焦裝置，包括聚焦馬達驅(qū)動單元，用于按照預定的控制信號驅(qū)動聚焦馬達；聚焦馬達移動的聚焦鏡頭；拾取器，用于拾取輸入圖像；信號處理器，用于處理拾取器輸出的視頻信號。在自動聚焦裝置中，聚焦值計算單元，含有多個濾波器，計算由信號處理器輸出的視頻信號的多個聚焦值。每個濾波器有與其它濾波器不同的頻率特性?？刂破靼凑沼啥鄠€聚焦值計算單元輸出的多個聚焦值，確定聚焦鏡頭所需的移動方向，并且控制聚焦馬達驅(qū)動單元。
為了達到上述的另外一個目的，提供了包括聚焦鏡頭和用于移動聚焦鏡頭的聚焦馬達的攝像系統(tǒng)的一種自動聚焦方法。該方法包含步驟(a)僅相加所接收的第一頻段的視頻信號以計算第一聚焦值；(b)僅相加所接收的比第一頻段寬的第二頻段的視頻信號以計算第二聚焦值；(c)將第一和第二聚焦值之一除以二者之中的另外一個聚焦值以計算第三聚焦值；和(d)按照第一和第二聚焦值的變化率和第三聚焦值的增加或減少控制聚焦馬達以移動聚焦鏡頭。
參照附圖通過詳細描述本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例，本發(fā)明的上述目標和優(yōu)點將更加明顯圖1是傳統(tǒng)自動聚焦裝置的方框圖；圖2是圖1的聚焦計算單元的例子的方框圖；圖3是當鏡頭拾取一個一般圖像時依據(jù)鏡頭位置聚焦值的變化圖；圖4是當鏡頭拾取一個亮點圖像時依據(jù)鏡頭位置聚焦值的變化圖；圖5是依據(jù)本發(fā)明的聚焦計算單元的方框圖；圖6是依據(jù)本發(fā)明自動聚焦方法的流程圖；圖7示出了圖5中的第一和第二濾波器的頻率特性；圖8是當鏡頭拾取一個一般圖像時依據(jù)鏡頭位置第一和第二聚焦值的變化圖；圖9是當鏡頭拾取一個亮點圖像時依據(jù)鏡頭位置第一和第二聚焦值的變化圖；圖10是當鏡頭拾取一個一般圖像時按照鏡頭位置第三聚焦值的變化圖；圖11是當鏡頭拾取一個亮點圖像時按照鏡頭位置第三聚焦值的變化圖；和圖12是用于解釋本發(fā)明中第一和第二聚焦值的變化率的定義的圖。
參照圖5，聚焦計算單元5包括第一和第二聚焦值計算電路26和36，和除法單元166。
第一聚焦值計算電路26包括第一濾波器160a，第一聚焦區(qū)指定單元162a和第一加法單元164a。第一濾波器160a選擇性地僅通過由信號處理單元輸出的預定頻段的視頻信號。第一聚焦區(qū)指定單元162a僅通過通過濾波器160a的視頻信號中與半幀或幀的預定空間區(qū)域相對應的分量；這樣當圖像有多個聚焦點時對最顯著的聚焦點進行聚焦。第一加法單元164a將由第一聚焦區(qū)指定單元162a輸出的每半幀或每幀視頻信號相加并且輸出第一聚焦值。
第二聚焦值電路36包括第二濾波器160b，第二聚焦區(qū)指定單元162b和第二加法單元164b。第二濾波器160b選擇性地僅通過由信號處理單元輸出的預定頻帶的視頻信號。第二濾波器160b有與第一濾波器160a不同的通帶。第二聚焦區(qū)指定單元162b僅通過通過濾波器160b的視頻信號中與半幀或幀的預定空間區(qū)域相對應的分量。第二加法單元164b將由第二聚焦區(qū)指定單元162b輸出的每半幀或每幀的視頻信號相加，并且輸出第二聚焦值。
除法單元166將從第二加法單元164b輸出的第二聚焦值除以從第一加法單元164a輸出的第一聚焦值，并且輸出所除結(jié)果作為第三聚焦值。
現(xiàn)在將參照圖6詳細描述圖5裝置的操作。
按照本發(fā)明示于圖6的自動聚焦方法一般包括聚焦值計算步驟60和自動聚焦步驟62。在聚焦值計算步驟60，輸入視頻信號被具有不同通帶的第一和第二濾波器濾波。當被濾波的視頻信號有多個焦點時，對應于屏上預定空間區(qū)域的視頻信號被指定由第一和第二聚焦區(qū)指定單元162a和162b通過。通過第一和第二聚焦區(qū)指定單元162a和162b的視頻信號由第一和第二加法單元164a和164b以半幀或一幀為單位相加，這樣產(chǎn)生第一和第二聚焦值。之后，通過除法單元166，將第二聚焦值除以第一聚焦值計算出第三聚焦值。
圖7示出了第一和第二濾波器160a和160b的頻率特性。在圖7中，標號70表示第一濾波器160a的通頻帶，標號72表示第二濾波器160b的通頻帶。如圖7所示，第二濾波器160b有比第一濾波器160a更寬的頻帶。并且，第二濾波器160b的通帶從第一濾波器160a的通帶向低頻區(qū)域擴展。按照設(shè)計者的特定的應用或意圖可以改變圖7中的特定截止頻率a,b,c,d。
圖8是當鏡頭拾取一個一般圖像時按照鏡頭的位置示出了第一和第二聚焦值的變化圖。在圖8中，標號80表示第一聚焦值的特性，其取決于第一濾波器160a的濾波器特性。標號82表示第二聚焦值的特性，其取決于第二濾波器160b的濾波器特性。
圖9是當鏡頭拾取一個亮點圖像時按照鏡頭位置第一和第二聚焦值的變化圖。在圖9中，標號90表示第一聚焦值的特性，標號92表示第二聚焦值的特性。
在圖8和9中，區(qū)域A表示第一聚焦值的變化率幅度比第二聚焦值的變化率的幅度低。并且，區(qū)域B表示第一聚焦值的變化率幅度比第二聚焦值的變化率幅度高的一個區(qū)域。不管是一般圖像還是亮點圖像，區(qū)域A和B的該特性是同樣的。在本發(fā)明中，利用對一般圖像和亮點圖像的公共特性計算第三聚焦值。
圖10是當鏡頭拾取一個一般圖像時按照鏡頭位置第三聚焦值的變化圖，圖11是當鏡頭拾取一個亮點圖像時按照鏡頭位置第三聚焦值的變化圖。
在圖10和11中，標號100和110表示第一聚焦值的特性，標號102和112表示第二聚焦值的特性，標號104和114表示第三聚焦值的特性。
如圖10和11所示，無論是一般圖像還是亮點圖像第三聚焦值有相同特性。即，當鏡頭從任意一端移動到另一端時，按照鏡頭的移動聚焦區(qū)能被分成兩個區(qū)域區(qū)域A，其中第一聚焦值的變化率比第二聚焦值的變化率低；區(qū)域B，其中第一聚焦值的變化率比第二聚焦值的變化率高。在此，由于第一和第二聚焦值的范圍可能彼此不同，將聚焦值的變化率定義為隨鏡頭移動的聚焦值變化是不合適的。因而，在圖12中，定義了聚焦值的變化率。
圖12是用于解釋本發(fā)明中第一和第二聚焦值的變化率的定義的圖。變化率是通過鏡頭兩個位置上聚焦值的最大值與聚焦值的最小值的比率來計算，如下
這里，MAX()是返回它的輸入值中最大值的函數(shù)，MIN()是返回它的輸入值中最小值的函數(shù)，自變量x1和x2表示聚焦鏡頭的位置，f()表示聚焦值。特別地，在圖12中，f_a()和f_b()分別表示第一和第二聚焦值。
在圖6的自動聚焦步驟62中，利用從聚焦值計算步驟60獲得的第三聚焦值確定聚焦鏡頭的移動方向，并且依此聚焦鏡頭被驅(qū)動。即，在區(qū)域A中，第二聚焦值的變化率比第一聚焦值的變化率大，向著第三聚焦值增加的方向進行聚焦。并且，在區(qū)域B中，第二聚焦值的變化率比第一聚焦值的變化率小，向著第三聚焦值減少的方向進行聚焦。
由于對于一般圖像和特殊圖像第三聚焦值的特性是相同的并且對于一般圖像和特殊圖像可以以相同方式將聚焦區(qū)劃分為區(qū)域A和B，即使對于特殊圖像，自動聚焦也能夠在沒有非正常工作的情況下實現(xiàn)。
即使在本實施例中第三聚焦值是通過將第二聚焦值除以第一聚焦值得到，在另外一個本發(fā)明實施例中，可以通過將第一聚焦值除以第二聚焦值得到第三聚焦值。在這種情況中，第三聚焦值有著與本實施例類似的值的特性并且可以用來以與本實施例相同的方式來執(zhí)行自動聚焦。即，區(qū)域A中，第二聚焦值的變化率比第一聚焦值的變化率大，在向著第三聚焦值減少的方向上執(zhí)行聚焦。并且，區(qū)域B中，第二聚焦值的變化率比第一聚焦值的變化率小，在向著第三聚焦值增加的方向上執(zhí)行聚焦。
另外，在本發(fā)明的另外一個實施例中，第一和第二聚焦區(qū)指定單元162a和162b可以被放在第一和第二濾波器160a和160b之前。在這個實施例中，接收到的視頻信號被指定單元選通，然后將被選通的視頻信號濾波。這樣，被濾波的圖像數(shù)據(jù)量減少了，在本發(fā)明的另外又一個實施例中，第一和第二聚焦區(qū)指定單元162a和162b可以完全不用。
按照本發(fā)明的自動聚焦裝置和方法，特殊視頻信號及一般視頻信號產(chǎn)生具有相同輸出特性的自動聚焦值，通過產(chǎn)生的聚焦值執(zhí)行自動聚焦，因此執(zhí)行正常的自動聚焦而不會有非正常工作。
權(quán)利要求
1．一種攝像機系統(tǒng)的自動聚焦裝置，包括用于按照預定控制信號驅(qū)動聚焦馬達的聚焦馬達驅(qū)動單元，由聚焦馬達移動的聚焦鏡頭，用于拾取輸入圖像的拾取器，和用于處理由該拾取器輸出的視頻信號的信號處理器，還包括聚焦值計算單元，含有多個濾波器，用于計算由所述信號處理單元輸出的視頻信號的多個聚焦值，其中多個濾波器中每個濾波器之間都有不同的頻率特性和控制器，用于按照多個所述聚焦值計算單元輸出的多個聚焦值確定聚焦鏡頭所需的移動方向，控制所述聚焦馬達驅(qū)動單元。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的自動聚焦裝置，其中所述聚焦值計算單元包括第一聚焦值計算單元，用于僅將接收到的第一頻帶的視頻信號相加以計算第一聚焦值；第二聚焦值計算單元，用于僅將接收到的比所述第一頻帶寬的第二頻帶的視頻信號相加以計算第二聚焦值；和第三聚焦值計算單元，用于將所述第一和第二聚焦值之一除以二者之中的另外一個以計算第三聚焦值。
3．根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動聚焦裝置，其中所述第二頻帶的下限截止頻率低于所述第一頻帶的下限截止頻率。
4．根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動聚焦裝置，其中所述第一聚焦值計算單元包括第一濾波器，用于僅對接收到的所述第一頻帶視頻信號進行帶通濾波以產(chǎn)生第一濾波信號；和第一加法單元，用于將該第一濾波信號相加計算第一聚焦值，和所述第二聚焦值計算單元包括第二濾波器，用于僅對接收到的所述第二頻帶的視頻信號進行帶通濾波以產(chǎn)生第二濾波信號；和第二加法單元，用于對該第二濾波信號相加計算第二聚焦值。
5．根據(jù)權(quán)利要求2的所述的自動聚焦裝置，其中所述第一聚焦值計算單元包括第一濾波器，用于僅對接收到的所述第一頻帶的視頻信號進行帶通濾波而產(chǎn)生第一濾波信號；第一聚焦區(qū)指定單元，用于從該第一濾波信號中僅提取對應于預定象素區(qū)象素的視頻信號，并且輸出該被提取的視頻信號；和第一加法單元，用于對該被提取的視頻信號相加以計算所述第一聚焦值，和所述第二聚焦值計算單元包括；第二濾波器，用于僅對接收到的所述第二頻帶信號進行帶通濾波而產(chǎn)生第二濾波信號；第二聚焦指定單元，用于從該第二濾波信號中僅提取對應于預定象素區(qū)象素的視頻信號，并且輸出該被提取的視頻信號；和第二加法單元，用于對該被提取的視頻信號相加以計算所述第二聚焦值。
6．根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動聚焦裝置，其中所述第一聚焦值計算單元包括第一聚焦區(qū)指定單元，用于從所述視頻信號中提取僅對應于預定象素區(qū)象素的視頻信號并且輸出該被提取的視頻信號；第一濾波器，用于僅對從所述第一聚焦區(qū)指定單元提取的所述第一頻帶的視頻信號進行帶通濾波以產(chǎn)生第一濾波信號；和第一加法單元，用于對所述第一濾波信號相加以計算所述第一聚焦值，和所述第二聚焦值計算單元包括第二聚焦區(qū)指定單元，用于從所述視頻信號僅提取對應于預定象素區(qū)象素的視頻信號，并且輸出該被提取的視頻信號；第二濾波器，用于僅對從所述第二聚焦區(qū)指定單元提取的所述第二頻帶的視頻信號進行帶通濾波以產(chǎn)生第二濾波信號；和第二加法單元，用于對所述第二濾波信號相加以計算所述第二聚焦值。
7．根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動聚焦裝置，其中所述第三聚焦值是通過將所述第二聚焦值除以所述第一聚焦值得到的。
8．根據(jù)權(quán)利要求2所述的自動聚焦裝置，其中所述第三聚焦值是通過將所述第一聚焦值除以所述第二聚焦值得到的。
9．包括一個聚焦鏡頭和移動該聚焦鏡頭的一個聚焦馬達的攝像系統(tǒng)的一種自動聚焦方法，包括以下步驟(a)僅對接收到的第一頻帶的視頻信號相加以計算第一聚焦值；(b)僅對接收到的比第一頻帶寬的第二頻帶的視頻信號相加以計算第二聚焦值；(c)將所述第一和第二聚焦值之一除以二者中的另外一個計算第三聚焦值；和(d)按照所述第一和第二聚焦值的變化率和所述第三聚焦值的增加或減少來控制聚鏡馬達以移動取焦鏡頭。
10．根據(jù)權(quán)利要求9所述的自動聚焦裝置，其中所述第二頻帶下限截止頻率比所述第一頻帶下限截止頻率低。
11．根據(jù)權(quán)利要求9所述的自動聚焦裝置，其中步驟(a)包括以下步驟(a1)僅對接收到的所述第一頻帶的視頻信號進行濾波以產(chǎn)生第一濾波信號；和(a2)將所述第一濾波信號相加以計算第一聚焦值，和步驟(b)包含子步驟(b1)僅對接收到的所述第二頻帶的視頻信號進行濾波以產(chǎn)生第二濾波信號；和(b2)將所述第二濾波信號相加以計算出第二聚焦值。
12．根據(jù)權(quán)利要求9所述的自動聚焦裝置，還包括設(shè)置一個僅包括預定像素區(qū)域的門區(qū)域(gating region)的步驟，這樣，在計算所述第一和第二聚焦值時僅反映所述預定像素區(qū)。
13．根據(jù)權(quán)利要求12所述自動聚焦裝置，其中所述步驟(a)包含子步驟(a1)僅對接收到的所述第一頻帶的視頻信號濾波以產(chǎn)生第一濾波信號；和(a2)僅對相應于所述門區(qū)域的所述第一濾波信號相加以計算第一聚焦值，和步驟(b)包含子步驟(b1)僅對接收到的所述第二頻帶的視頻信號進行濾波以產(chǎn)生第二濾波信號；和(b2)僅對對應于所述門區(qū)域的所述第二濾波信號相加以計算第二聚焦值。
14．根據(jù)權(quán)利要求12的所述自動聚焦裝置，其中所述步驟(a)包含步驟(a1)僅提取對應于所述門區(qū)域的接收到的視頻信號；(a2)僅對所述第一頻帶的在步驟(a1)提取的信號進行濾波以產(chǎn)生第一濾波信號；和(a3)對所述第一濾波信號相加以計算第一聚焦值，和步驟(b)包含子步驟(b1)僅提取對應于所述門區(qū)域的接收到的視頻信號；(b2)僅對所述第二頻帶的在步驟(b1)提取的信號進行濾波以產(chǎn)生第二濾波信號；和(b3)對所述第二濾波信號相加計算第二聚焦值。
15．根據(jù)權(quán)利要求9的所述自動聚焦裝置，其中在步驟(c)中，所述第三聚焦值是通過將所述第二聚焦值除以所述第一聚焦值獲得。
16．根據(jù)權(quán)利要求15的所述自動聚焦裝置，其中在步驟(d)中，如果所述第一聚焦值的變化率比所述第二聚焦值的變化率高，所述聚焦鏡頭被朝著所述第三聚焦值減少的方向上移動，和如果所述第一聚焦值的變化率比所述第二聚焦值的變化率低，所述聚焦鏡頭被朝著所述第三聚焦值增加的方向上移動。
17．根據(jù)權(quán)利要求9的所述自動聚焦裝置，其中步驟(c)中，所述第三聚焦值是通過將所述第一聚焦值除以所述第二聚焦值獲得的。
18．根據(jù)權(quán)利要求17的所述自動聚焦裝置，其中在步驟(d)中，如果所述第一聚焦值的變化率高于所述第二聚焦值的變化率，所述聚焦鏡頭移向第三聚焦值增加的方向，如果所述第一聚焦值的變化率比所述第二聚焦值的變化率低，所述聚焦鏡頭移向所述第三聚焦值減少的方向。
全文摘要
一種攝像系統(tǒng)的自動聚焦裝置。包括用于按照預定控制信號驅(qū)動聚焦馬達的聚焦馬達驅(qū)動單元,由聚焦馬達移動的聚焦鏡頭,拾取輸入圖像的拾取器,用于處理由拾取器輸出的視頻信號的信號處理器。在自動聚焦裝置中,聚焦值計算單元具有多個濾波器,計算由信號處理器輸出的視頻信號的多個聚焦值。各個濾波器頻率特性不同。按照由多個聚焦值計算單元輸出的多個聚焦值一個控制器確定所需的聚焦鏡頭移動方向,并且控制聚焦馬達驅(qū)動單元。
文檔編號G03B13/36GK1220410SQ9811960
公開日1999年6月23日 申請日期1998年9月16日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月15日
發(fā)明者李鎬星 申請人:三星電子株式會社