專利名稱：帶有自動對焦系統(tǒng)的數(shù)碼攝像裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一種數(shù)碼攝像裝置，尤其涉及一種帶有自動對焦系統(tǒng)的數(shù)碼攝像裝置和自動對焦的方法。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)有攝像技術(shù)中，通常要用到自動對焦系統(tǒng)。在圖像的拍攝過程中，攝像裝置與被攝物體之間的距離是經(jīng)常變動的，因此常會因超出景深范圍而導(dǎo)致圖像模糊。為了使圖像保持清晰，就必須在取景過程中改變鏡頭的焦點(diǎn)位置，使圖像保持清晰。這種調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置的過程稱為聚焦或?qū)埂?br> 自動對焦技術(shù)如今已被廣泛應(yīng)用在相機(jī)、攝像機(jī)以及影像掃描等取像領(lǐng)域。它使得取像系統(tǒng)能根據(jù)物體的遠(yuǎn)近，自動調(diào)整鏡頭中對焦鏡群的位置，使物體清晰的成像在成像平面上。傳統(tǒng)光學(xué)取像系統(tǒng)的自動對焦方式有很多種，大致可分為兩類一類為主動式對焦方式，包括紅外線方式和超聲波方式；另一類為被動式對焦方式，較有代表性的有“固態(tài)三角測量”系統(tǒng)(SST，SolidState Triangulation)和TTL(Through The Lens)方式。
在以TTL為主流的自動對焦方式的數(shù)字取像系統(tǒng)中，攝像裝置的結(jié)構(gòu)相對簡單直接從攝像鏡頭后面的CCD傳感器取出圖像信號，經(jīng)過微型計算機(jī)分析，根據(jù)計算處理結(jié)果來調(diào)整鏡頭的對焦機(jī)構(gòu)。其特點(diǎn)是具有遠(yuǎn)距離聚焦正確，對焦沒有視差等優(yōu)點(diǎn)，不足之處在于當(dāng)光線太暗和被攝物體反差低時均不能正常工作。
而在其他傳統(tǒng)的自動對焦裝置中，需要用到機(jī)械傳動裝置，如傳動電機(jī)和機(jī)械傳動元件。專利申請?zhí)枮?8100959.X的《自動對焦方法》的申請，公開了一種自動對焦方法，其發(fā)明點(diǎn)在于找出被掃描物中灰度分布最廣或?qū)Ρ茸顝?qiáng)的位置，或是將鏡頭對準(zhǔn)欲對焦的位置，并設(shè)定光學(xué)元件焦距的可調(diào)范圍，當(dāng)啟動自動對焦指令時，焦距調(diào)整機(jī)構(gòu)以近似等速運(yùn)動帶動光學(xué)元件找出對應(yīng)不同光程或焦距的圖像電信號特征值，并在上述線性掃描過程中同時對圖像信號的特征值做逐步線性分析比較，只保留掃描至該處之前的最佳特征值及其所對應(yīng)的焦距位置。最后利用焦距調(diào)整機(jī)構(gòu)調(diào)整光學(xué)元件至所有焦距位置中具有最佳特征值的對應(yīng)焦距，就完成自動對焦程序。
然而，通過機(jī)械的傳動裝置改變對焦鏡頭的位置，從而改變攝像裝置的焦點(diǎn)位置的方法，其缺陷在于，由于機(jī)械傳動裝置在工作時精度的限制，在拍攝過程中會發(fā)生功能的損耗，使得工作功效降低，而且快速反映的能力不足；同時使得攝像裝置內(nèi)部的機(jī)械結(jié)構(gòu)過于繁雜，對于處于科技快速發(fā)展的今天，任何用品都力求精致的現(xiàn)代消費(fèi)觀念下，這顯然是一個很大的不足。由于傳統(tǒng)的自動對焦裝置在使用機(jī)械傳動裝置的時候，需要給予足夠的空間予鏡頭和傳動裝置以進(jìn)行前后調(diào)整運(yùn)動，因而在空間上會增加攝像裝置的尺寸，給攝像裝置帶來增大體積的問題。
最后，在傳統(tǒng)的攝像裝置中，存在機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)和鏡頭在加工和安裝的過程中產(chǎn)生的誤差而導(dǎo)致的成像不清問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種避免了上述的問題的數(shù)碼攝像裝置，其可通過一個外設(shè)的電壓回路控制一種新型的透鏡進(jìn)行自動對焦。
本發(fā)明的另一個目的還在于提供了一種利用電壓調(diào)節(jié)焦距以完成自動對焦過程的方法。
為了滿足上述目的，本發(fā)明的解決方案如下一種帶有自動對焦系統(tǒng)的數(shù)碼攝像裝置，包含下列的裝置和部分自動調(diào)焦主控制器單元、自動調(diào)焦透鏡單元、圖像傳感器CCI或CMOS、微控制器、圖像處理單元、自動對焦電路。
本發(fā)明還包括A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換器)、可移動存儲單元或內(nèi)置的圖像存儲單元、鍵盤單元和輸出接口。
存儲單元可用于存儲攝像過程中的即時圖像。
鍵盤單元主要用于接受主控制器的命令，執(zhí)行圖像的拍攝等工作。
輸出接口主要有計算機(jī)通訊接口、連接電視機(jī)的視頻接口和連接打印機(jī)的接口。其中，計算機(jī)的通訊接口可以有串行接口、并行接口、USB接口和SCSI接口。
因而，本發(fā)明所述的自動對焦攝像裝置，可以直接連接到計算機(jī)、電視機(jī)或者打印機(jī)上，還可以直接連接到移動式電話機(jī)或者手持PC機(jī)上。
在攝像裝置攝取圖像的過程中，由于數(shù)碼攝像裝置的感光器件CCD或CMOS，是由半導(dǎo)體材料制成，能夠把光線通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，因而圖像傳感器得到一副圖像時，將所得到的圖像轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號，圖像數(shù)字信號得以進(jìn)入圖像處理器中進(jìn)行處理，經(jīng)由圖像處理單元中的自動對焦算法模塊AF進(jìn)行計算和判斷；隨后微控制器MCU根據(jù)圖像處理單元的處理結(jié)果輸出一個脈沖寬度調(diào)制信號PWM，此為一個包含電壓分量與電流分量的脈沖交流電，該交流電再由自動對焦電路內(nèi)設(shè)的電容進(jìn)行濾波，產(chǎn)生脈沖的電壓，將濾去直流分量的脈沖電流交由變壓器調(diào)節(jié)后，輸入并控制調(diào)焦透鏡以改變其曲率半徑。在圖像處理單元不停地對圖像信號進(jìn)行比較和處理的過程中，最清晰的圖像所對應(yīng)的脈沖電流被選定，其所調(diào)節(jié)的透鏡曲率半徑也隨之被相應(yīng)地選定。在對一個景物進(jìn)行攝像的過程中，上述過程被不停的反復(fù)進(jìn)行，直到圖像清晰度達(dá)到最佳值，自動對焦透鏡的曲率半徑也不再發(fā)生變化，此時的圖像效果達(dá)到最佳狀態(tài)。
本發(fā)明還公開了一種利用電壓調(diào)節(jié)焦距以完成自動對焦的方法，其步驟如下首先攝像裝置對所要拍攝的景物進(jìn)行最初的圖像抓??；所抓取的圖像信號經(jīng)過自動對焦算法的圖像處理；由微控制器根據(jù)圖像的分析和處理結(jié)果，輸出一個電信號，該電信號可以是PWM，也可以是GPIO；再由一個自動對焦電路對該電信號進(jìn)行處理，處理后的電壓控制自動對焦透鏡的曲率半徑的變化，最終實(shí)現(xiàn)對焦距的自動調(diào)節(jié)；不同的圖像對應(yīng)著不同的PWM信號或GPIO信號，從而對應(yīng)著不同的透鏡的曲率半徑；上述步驟被不斷地反復(fù)進(jìn)行，直到選出最清晰的圖像所對應(yīng)的焦距，達(dá)到獲取最清晰圖像的目的。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
帶有自動對焦系統(tǒng)的數(shù)碼攝像裝置，在圖像攝制過程中光度不夠好的時候仍然可以拍攝很清晰的圖像，圖像的質(zhì)量和光度永遠(yuǎn)都是很好的。
由于在本發(fā)明中應(yīng)用了一種新型的透鏡，該小透鏡可以通過外設(shè)電壓對其自身的曲率半徑進(jìn)行調(diào)節(jié)，這使得本發(fā)明不再需要傳統(tǒng)的機(jī)械自動對焦連動機(jī)構(gòu)，而可以制作出一個自動對焦和變焦的透鏡。而且新型透鏡是由可變光透鏡組成的全新透鏡，其特征在于該透鏡是由兩種具有相同密度的非可融性液體組成，這使得兩種液體相互之間的曲率半徑變化均勻、工作狀態(tài)穩(wěn)定，同時避免了透鏡之間的相互研磨造成的很大的誤差，而且可以產(chǎn)生在任何方向包括垂直方向的變化，因而在用于快速自動對焦透鏡時，本發(fā)明在自動對焦過程中更具靈活性和更好的工作穩(wěn)定性。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)還在于，由于是用電壓來進(jìn)行控制自動對焦透鏡的自動對焦活動的，因而本發(fā)明除了具有很出色的光學(xué)特征外，還可以使數(shù)碼攝像裝置在很短的時間內(nèi)做出極其快速的反應(yīng)，同時可以避免象傳統(tǒng)的自動對焦攝像裝置在自動對焦過程中透鏡之間的相互研磨造成的圖像攝制偏差。
最后，由全新的自動對焦透鏡所決定的所有特點(diǎn)使得本發(fā)明具有耗電量小、耐磨損能力極強(qiáng)和突出的堅固性等先進(jìn)之處。
本發(fā)明的上述和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)從下面結(jié)合附圖和并非特定的實(shí)施例的具體描述中將變得更明顯。


附圖1是帶有智能自動對焦系統(tǒng)的新型數(shù)碼攝像裝置的工作框圖。
附圖2是帶有智能自動對焦系統(tǒng)的新型數(shù)碼攝像裝置的工作流程圖。
附圖3是帶有智能自動對焦系統(tǒng)的新型數(shù)碼攝像裝置的圖像處理流程圖。
附圖4是帶有智能自動對焦系統(tǒng)的新型數(shù)碼攝像裝置在一次調(diào)焦過程中的圖像處理原理圖。
附圖5是第一種自動對焦透鏡的調(diào)節(jié)原理圖。
附圖6是第二種自動對焦透鏡的調(diào)節(jié)原理圖。
具體的實(shí)施方式在下面的說明中，公知的功能或結(jié)構(gòu)將不再詳細(xì)說明，以避免與本發(fā)明的內(nèi)容存在不必要的混淆。
本發(fā)明所公開的帶有自動對焦系統(tǒng)的數(shù)碼攝像裝置和方法，可通過以下的裝置和步驟完成在拍攝景物的過程中，由圖像感應(yīng)器1對所要拍攝的圖像進(jìn)行攝像之初的圖像抓取工作，圖像由A/D數(shù)字轉(zhuǎn)換電路8將光線轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾桑M(jìn)入圖像處理單元7，由圖像處理單元中的自動對焦算法模塊AF 3進(jìn)行計算并對圖像的清晰度進(jìn)行判斷，微控制器MCU 4根據(jù)圖像處理單元7的處理結(jié)果輸出一個PWM脈沖寬度調(diào)制信號5，從而進(jìn)一步生成一個包含電壓分量和直流分量的脈沖交流電壓，該脈沖電流進(jìn)入濾波電容11進(jìn)行濾波，成為濾去直流分量的脈沖電流，再經(jīng)過變壓器12的調(diào)節(jié)，傳輸?shù)阶詣訉雇哥R6處，調(diào)節(jié)自動對焦透鏡的曲率半徑發(fā)生相應(yīng)的變化，從而使得透鏡的焦點(diǎn)逐步地調(diào)整至相對于被攝景物的最恰當(dāng)位置。
如圖2所示，攝像裝置在抓拍圖像的時候，由傳感器1將圖像信息發(fā)送到圖像處理單元7內(nèi)，由圖像處理單元7中的自動對焦算法模塊AF 3進(jìn)行計算并對圖像的清晰度進(jìn)行判斷，同時微控制器MCU 4根據(jù)圖像處理單元的計算和分析結(jié)果輸出一個PWM脈沖寬度調(diào)制信號5，從而生成一個脈沖的包含電壓分量和直流分量的交流電，該脈沖電流隨后進(jìn)入自動對焦電路9；在自動對焦電路9中，電壓經(jīng)過一個濾波電容11濾波后，濾去其中的直流分量，濾波后的電流經(jīng)過一個變壓器12的放大，進(jìn)入自動對焦透鏡6，利用非可融性液體的表面張力，使自動對焦透鏡的曲率半徑發(fā)生變化。其間，每一個不同的濾去直流分量的脈沖電流對應(yīng)著不同的曲率半徑。此過程連續(xù)不斷的進(jìn)行，圖像傳感器1也不停地將每一幅圖像發(fā)回到圖像處理單元7中，并由其隨時對所有的即時圖像作出判斷，直到選擇到一個最清晰的圖像，那么此最清晰圖像所對應(yīng)的脈沖電流將會被選定為最佳焦距所需要的脈沖電流，通過該濾去直流分量的脈沖電流選定相應(yīng)的自動對焦透鏡6的曲率半徑，從而達(dá)到自動對焦的目的。
如圖3所示，在每一次的圖像選取過程中，當(dāng)圖像感應(yīng)單元1進(jìn)行最初的抓取后，將圖像信號發(fā)送到圖像處理單元7中，同時由主控制器2發(fā)出命令將圖像暫時存儲在圖像存儲單元中，每幅圖像對應(yīng)不同的脈沖電壓，也對應(yīng)著不同的自動對焦透鏡的曲率半徑。經(jīng)過多次的圖像抓取和圖像處理后，由圖像處理單元7的判斷，挑選出最清晰的圖像，向主控制器2輸出關(guān)于最清晰圖像的判斷信息，并選定對應(yīng)最清晰圖像的脈沖電流，此脈沖電流所調(diào)節(jié)的透鏡焦距為最恰當(dāng)焦距；此時由主控制器2向鍵盤單元10發(fā)出命令進(jìn)行拍攝。
在圖像處理單元對圖像信息進(jìn)行處理的時候，其原理如下首先由圖像微處理器7中的AF自動對焦算法模塊3，對所有的圖像信號進(jìn)行計算和判斷處理，以選出最清晰的圖像；同時，微控制器MCU 4根據(jù)自動對焦算法AF 3的計算和分析結(jié)果輸出一個脈沖寬度調(diào)制信號PWM 5，生成一個包含電壓分量和直流分量的脈沖交流電，該交流電隨后進(jìn)入自動對焦調(diào)節(jié)電路9。每一幅圖像對應(yīng)不同的脈沖電流，以圖像處理單元7所發(fā)出的信號為基礎(chǔ)，選擇最恰當(dāng)?shù)拿}沖電流，以實(shí)現(xiàn)對自動對焦透鏡焦距的最恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。
如圖4所示，在本發(fā)明所述的攝像裝置進(jìn)行攝像的過程中，在主控制器2的協(xié)調(diào)下，首先由圖像傳感單元1，圖像信號經(jīng)數(shù)字轉(zhuǎn)換電路A/D8轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾蛇M(jìn)入圖像處理單元7中。在圖像處理單元7內(nèi)，先由處理單元中的自動對焦算法AF模塊3對圖像信號進(jìn)行計算和分析，微控制器MCU 4根據(jù)計算和分析的結(jié)果輸出一個脈沖寬度調(diào)制信號PWM 5，隨后生成的脈沖電流進(jìn)入自動對焦的透鏡調(diào)節(jié)電路9。
如圖5所示，在本發(fā)明所述的攝像裝置進(jìn)行攝像的過程中，圖像傳感單元1在選取圖像后，首先圖像信號由數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡姾?，將圖像發(fā)送到圖像處理單元7內(nèi)，通過圖像處理單元7內(nèi)的AF自動對焦算法模塊3對其進(jìn)行計算和判斷；與此同時，微控制器MCU 4根據(jù)自動對焦算法模塊AF 3的計算和分析結(jié)果輸出一個脈沖寬度調(diào)制信號PWM 5，進(jìn)而輸出一個脈沖的包含電壓分量和直流分量的交流電，該脈沖電流由濾波電容11濾去直流分量，經(jīng)過變壓器12的調(diào)節(jié)，進(jìn)入自動對焦透鏡6，調(diào)節(jié)自動對焦透鏡6曲率半徑大小的變化，使得透鏡的焦點(diǎn)處于最恰當(dāng)?shù)奈恢谩?br> 由于在該透鏡組內(nèi)的是兩種非可融性液體，所以它具有可在任何方向包括在垂直方向上調(diào)節(jié)的特點(diǎn)。
如圖6所示，圖像感應(yīng)單元1在選取圖像后，將圖像發(fā)送到圖像處理單元7內(nèi)由自動對焦算法AF 3的計算和分析判斷，同時微控制器MCU 4根據(jù)圖像處理單元的計算和分析結(jié)果輸出一個通用輸入輸出信號GPIO 13，經(jīng)過脈沖寬度調(diào)制芯片PWMIC 14的調(diào)制，輸出脈沖的包含電壓分量和直流分量的交流電，再由濾波電容11濾去其中的脈沖直流分量，濾波后的電流經(jīng)過變壓器12的調(diào)節(jié)后，進(jìn)入自動對焦透鏡6，調(diào)節(jié)其曲率半徑變化，從而達(dá)到自動對焦的目的。
本發(fā)明公開的方法，可以通過上述的具體實(shí)施方式
所描述的裝置和步驟實(shí)現(xiàn)。其中，自動對焦透鏡是由兩種非可融性液體組成的，該兩種液體具有相同的密度。且其技術(shù)基礎(chǔ)是一種可變光技術(shù)。
本發(fā)明所述的數(shù)碼攝像裝置和方法，并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明之領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言可容易地實(shí)現(xiàn)另外的優(yōu)點(diǎn)和進(jìn)行修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念的精神和范圍的情況下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)、代表性的設(shè)備和這里示出與描述的圖示示例。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明涉及到一種帶有自動對焦系統(tǒng)的數(shù)碼攝像裝置，包括一個主控制器單元，一個圖像傳感器，一個圖像處理單元，一個存儲單元，一個鍵盤單元，一個輸出接口單元，一個透鏡單元，一個微控制器，其特征在于所述裝置還進(jìn)一步包括一個自動對焦電路；和所述透鏡單元為一個可通過電壓控制來改變其焦距的透鏡裝置；所述的圖像處理單元中設(shè)置一個自動對焦算法模塊AF。
2.如權(quán)利要求1所述的帶有自動對焦系統(tǒng)的數(shù)碼攝像裝置，其特征在于，所述的自動對焦電路的功能在于，是一個根據(jù)微控制器發(fā)出的電信號來控制透鏡單元焦距變化的電路。
3.如權(quán)利要求1或2所述的帶有自動對焦系統(tǒng)的數(shù)碼攝像裝置，其特征在于，所述的自動對焦電路內(nèi)，包括一個可濾去脈沖電流中的直流分量的濾波電容，和一個具有可將濾波后的電流調(diào)整后輸出到自動對焦透鏡功能的變壓器。
4.一種利用電壓調(diào)節(jié)焦距的自動對焦的方法，可通過以下的步驟實(shí)現(xiàn)A首先由數(shù)碼攝像裝置隨意獲取多幀圖像，同時對多幅圖像進(jìn)行圖像分析和處理；B.在圖像的獲取過程中，隨時對即時的全部圖像進(jìn)行對比分析，找出最清晰的圖像；C.根據(jù)最清晰的圖像所對應(yīng)的電壓確定最佳焦距。
5.如權(quán)利要求4所述的利用電壓調(diào)節(jié)的自動對焦的方法，其特征在于， 所述的步驟C是通過一個自動對焦電路來完成的，由電路中的電容濾去脈沖的直流分量。
6.如權(quán)利要求4所述的利用電壓調(diào)節(jié)的自動對焦的方法，其特征在于，在圖像處理的過程中，不同的圖像對應(yīng)著不同電壓值，該電壓值是由PWM信號或GPIO信號所決定的，從而根據(jù)該些圖像的電壓值來決定透鏡的不同焦距。
7.如權(quán)利要求4所述的利用電壓調(diào)節(jié)的自動對焦方法，其特征在于，步驟A所述的圖像信號的處理是由自動對焦算法模塊AF對圖像傳感器發(fā)回的圖像信息進(jìn)行計算和分析，并將計算和分析結(jié)果發(fā)送到微控制器MCU中。
8.如權(quán)利要求4所述的利用電壓調(diào)節(jié)的自動對焦的方法，其特征在于，步驟A所述的圖像處理過程中，圖像信號經(jīng)過圖像處理單元中的自動對焦算法模塊AF的計算和處理后，微控制器MCU根據(jù)AF的計算和分析結(jié)果，輸出一個與圖像處理結(jié)果相對應(yīng)的脈沖電信號。
9.如權(quán)利要求8所述的利用電壓調(diào)節(jié)的自動對焦的方法，其特征在于，所述的微控制器MCU輸出的電信號可以是一個脈沖寬度調(diào)制信號PWM，還可以是一個通用輸入輸出信號GPIO。
10.如權(quán)利要求9所述的利用電壓調(diào)節(jié)的自動對焦的方法，其特征在于，所述的微控制器MCU生成一個通用輸入輸出信號GPIO后，輸入電路內(nèi)設(shè)置的脈沖寬度調(diào)制芯片PWMIC進(jìn)行處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種帶有自動對焦系統(tǒng)的數(shù)碼攝像裝置。包括一個主控制器單元，一個圖像傳感器，一個圖像處理單元，一個存儲單元，一個鍵盤單元，和輸出接口，一個透鏡單元，自動對焦電路，一個微控制器。本發(fā)明不需要傳統(tǒng)的機(jī)械自動對焦連動機(jī)構(gòu)，其通過對圖像進(jìn)行光學(xué)分析然后用相應(yīng)的電壓對裝置的焦距進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且在圖像攝制過程中光度不夠好的時候仍然可以拍攝很清晰的圖像。此外本發(fā)明還公開了一種利用電壓調(diào)節(jié)焦距的自動對焦的方法。
文檔編號G03B13/36GK1510498SQ0215852
公開日2004年7月7日 申請日期2002年12月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月25日
發(fā)明者張輝, 俞青, 張 輝 申請人:北京中星微電子有限公司