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      相機自動聚焦適應性模糊匹配模型擬合的制作方法

      文檔序號:7871067閱讀:330來源:國知局
      專利名稱:相機自動聚焦適應性模糊匹配模型擬合的制作方法
      技術領域
      本發(fā)明總體涉及圖像獲取,更具體地講,涉及響應于適應性模糊匹配模型擬合的基于模糊差異的自動圖像聚焦機制。
      背景技術
      圖像拍攝裝置(尤其是相機)提供用于得到對被攝體的正確聚焦的自動化機制。自動聚焦(AF)通常響應于向快門釋放開關略微施壓來運行,比如在向著快門釋放方向按壓快門釋放開關到中途。在一些應用中,在拍攝圖像之前,或者在拍攝圖像序列或視頻的同時,自動聚焦特征連續(xù)地保持聚焦。在自動聚焦期間,相機鏡頭對三維場景自動聚焦并且相對于深度來控制聚焦。在本領域中已知多種自動聚焦機制。一種典型的自動聚焦機制是例如利用來自圖像梯度的自動聚焦曲線,搜索自動聚焦曲線中的峰值。響應于變得越來越被聚焦的被分析區(qū)域,圖像梯度變得越來越大。自動聚焦算法的目的在于通過最少量的相機聚焦位置,在要求平移的同時得到自動聚焦曲線的峰值。然而,現(xiàn)有的聚焦機制慢并且經(jīng)常沒能集中在正確的焦點并且可能繼續(xù)“搜尋”正確的聚焦位置。聚焦有可能是在拍攝所需圖像的過程中最關鍵的度量標準,這導致用于估計或獲得正確相機焦距的各式各 樣系統(tǒng)的發(fā)展。因為相機-鏡頭系統(tǒng)具有多個相關的元件和特性,所以對這些元件及其相關特性進行簡要討論。大體上,攝影鏡頭的兩個主要光學參數(shù)是最大光圈和焦距。焦距確定視角和對于距物體的給定距離(物距)的相對于對象(物體)尺寸的圖像尺寸。最大光圈(f數(shù)、或f級數(shù))限制圖像的亮度和可用于給定設置(焦距/有效光圈)的最快快門速度,其中,數(shù)字越小指示提供到焦平面的光越多,焦平面通??梢员灰暈楹喴讛?shù)碼相機中的圖像傳感器的表面。在典型簡易鏡頭(技術上,具有單個元件的鏡頭)的一種形式中,提供單個焦距并且這個鏡頭也被稱為“定焦鏡頭”。在使用單焦距鏡頭聚焦相機時,鏡頭和焦平面之間的距離發(fā)生改變,從而導致焦點變化,在焦點處,攝影物體圖像被引導到焦平面上。因此,盡管單焦距鏡頭具有固定光學關系和焦距,它也可以用在相機中,用于在聚焦范圍跨度上對物體進行聚焦。不應該把鏡頭的固定焦距與使用該鏡頭能在相機上得到的焦距范圍混淆,并且將注意到,通過相對于焦平面調節(jié)鏡頭的位置,改變焦距。在使用單焦距鏡頭的過程中,調節(jié)光圈,以相對于所需快門速度選擇光量,并且根據(jù)物距調節(jié)聚焦(也被稱為焦距),在此之后拍攝一個或多個圖像。通常,宏設置對于不同的單焦距鏡頭提供不同的焦距選項,以允許拍攝特寫鏡頭。相比之下,遠攝鏡頭為非常窄的視角提供高放大倍數(shù),以用遠處物體的圖像填充幀。多焦距鏡頭常常被稱為“變焦”鏡頭,因為視情況而定,圖像放大倍數(shù)可以被“縮放”或“取消縮放”。變焦鏡頭允許用戶選擇物體的放大量,或者換句話講,選擇物體填充幀的程度。重要的是理解,這些鏡頭或相機-鏡頭系統(tǒng)的變焦功能在概念上與聚焦控制和光圈控制分開,盡管在實際的變焦鏡頭操作中(即使系統(tǒng)處于最佳狀況時)仍然對其它設置略有影響。然而不管是利用單焦距鏡頭還是多焦距鏡頭,一直必須對于給定物距正確聚焦鏡頭。對于給定聚焦設置的可接受聚焦范圍被稱為“景深”,景深是對象空間或物體空間中的可接受銳度的深度的度量。例如,對于15英尺的物距,對于高清晰相機,可接受的聚焦范圍可以是大約數(shù)英寸的量級,而最佳聚焦可以要求甚至更精確。將理解的是,隨著聚焦從中間距離朝外向著“無限遠”移動(例如,拍攝遠處的山、云等的圖像)(在這個范圍,當然具有無限的景深)時,景深增大。對于處于給定光圈設置的單焦距鏡頭,對于從相機到物體的給定距離(物距),存在單個最佳聚焦設置。比相機的焦距更近或更遠的物體的部分將以一定量的模糊出現(xiàn)在所拍攝的圖像中,所述一定量的模糊取決于影響景深的許多因素。然而,在多焦距鏡頭中,對于鏡頭能得到的每個鏡頭放大倍數(shù)(鏡頭焦距),存在最佳焦點。為了增加實用性,鏡頭制造商明顯降低了對響應于變焦設置而重新聚焦的需要,然而,重新聚焦的需要取決于所使用的特定相機-鏡頭系統(tǒng)。另外,光圈設置可以需要響應于變焦放大倍數(shù)的不同水平而改變。在早期的相機中,可以只響應于操作者的識別和手動聚焦調節(jié)來確定和校正聚焦。然而,響應于正確聚焦的臨界性質,容易采用輔助。在更近期的時間,成像設備通常提供對物體進行自動聚焦的能力,這種功能現(xiàn)今通常被稱為“自動聚焦”。聚焦繼續(xù)成為密集技術發(fā)展點,因為許多現(xiàn)有的自動聚焦機制的都各自具有一些缺點和取舍。存在大體兩類自動聚焦(AF)系統(tǒng),(I)主動自動聚焦和(2)被動自動聚焦。在主動自動聚焦中,利用一個或多個圖像傳感器確定距焦點的距離,或者以其他方式檢測圖像拍攝鏡頭系統(tǒng)外部的聚焦。主動AF系統(tǒng)可以執(zhí)行快速聚焦,盡管它們通常將不通過窗口提供正確的聚焦,或者在其它特定應用中,因為聲波和紅外光被玻璃和其它表面反射。在被動自動聚焦系統(tǒng)中,使用所觀看到的圖像的特性來檢測和設置聚焦。高端單鏡頭反射式(SLR)相機中的大部分當前使用的是穿過鏡頭光學AF傳感器,這些傳感器還可以例如被用作照度計。這些現(xiàn)代AF系統(tǒng)的聚焦能力通??梢跃哂斜韧ㄟ^普通取景器手動實現(xiàn)的精度更高的精度。在一種形式的被動AF中,利用相位檢測,比如,通過用分束器將入射光分成成對的圖像并且在AF傳感器上比較它們。兩個光學棱鏡捕捉來自鏡頭相對兩側的光線并且將光線偏轉到AF傳感器,從而形成簡易測距儀,其基線等于鏡頭的直徑。響應于校驗類似的光強度圖案來確定聚焦,并且計算出相位差,以確定對象被視為在焦點前方或者在正確焦點位置的后方。在另一種類型的被動AF系統(tǒng)中,在通過鏡頭的傳感器視場內進行對比度測量。系統(tǒng)調節(jié)焦點,以使通常指示正確圖像焦點的相鄰像素之間的強度差異最大。因此,執(zhí)行聚焦,直到得到最大對比度水平為止。這種形式的聚焦比主動AF花的時間更長(比主動AF慢),尤其是當在昏暗光線下操作時,但是這種形式的聚焦是低端成像設備中利用的通用方法。眾所周知,被動系統(tǒng)在低對比度條件下決定焦點方面表現(xiàn)差,特別是對于大型單色表面(固體表面、天空等)或者在弱光條件下。被動系統(tǒng)取決于對物體某種程度的照明(無論是用自然方式還是其它方式),而如果需要,主動系統(tǒng)即使是在漆黑條件下也可以正確地聚焦。另外,在使用其曲線不是一直匹配校準模型的模糊匹配時,出現(xiàn)一些問題。因此,需要存在以更穩(wěn)固且確定的方式使用模糊匹配來控制相機聚焦的系統(tǒng)和方法。在本發(fā)明內滿足這些需要和其它需要,從而克服之前研發(fā)出的自動聚焦系統(tǒng)和方法的缺陷。

      發(fā)明內容
      本發(fā)明教導了一種模糊匹配方法和其在自動聚焦系統(tǒng)中用于提供快速和精確聚焦的用途。發(fā)明人之前的自動聚焦系統(tǒng)教導了在模糊匹配方法中利用兩張照片匹配和多張照片組合。本發(fā)明教導了通過提供適應性模型擬合算法來提高這些聚焦系統(tǒng)中使用的模糊匹配的機制。適應性模型確保即使當由于飽和、截止和噪聲導致信號失真時,模糊匹配也正確操作,從而導致聚焦精度提高。通過使用最大絕對偏差,可以提供擬合聚焦模糊模型的數(shù)據(jù)的度量,其中,大偏差指示模型和匹配數(shù)據(jù)之間不匹配。本發(fā)明教導了通過調節(jié)匹配數(shù)據(jù)樣本的斜率或者調節(jié)模型的參數(shù)來校正這個誤差。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,提供了一種控制自動聚焦的裝置,包括:(i)用于拍攝多個對象圖像的裝置;(ii)用于估計所拍攝的圖像對之間的深度,以得到深度估計的裝置;(iii)用于執(zhí)行模糊匹配曲線和校準模型之間的斜率校正的裝置;(iv)用于確定深度估計的加權平均以及包括過去的深度估計和當前的深度估計在內的方差的裝置;和(0用于通過響應于所述深度估計的所述加權平均而執(zhí)行的聚焦移動來調節(jié)聚焦的裝置。進一步地,控制自動聚焦的裝置還包括用于響應于將匹配迭代數(shù)乘以常數(shù)對模糊匹配數(shù)據(jù)進行斜率校正以精確擬合模糊匹配的校準模型的裝置。進一步地,控制自動聚焦的裝置還包括用于通過將斜率乘以常數(shù)對模糊匹配的校準模型進行斜率校正以精確擬合匹配數(shù)據(jù)樣本的裝置。進一步地,重復運行裝置(i)至(V)直到得到所需的聚焦精度水平為止。進一步地,當確定所述方差達到指示已獲得正確聚焦位置的充分置信度的值時,得到所述所需的聚焦精度水平。進一步地,控制自動聚焦的裝置還包括用于當確定已執(zhí)行了過多次數(shù)的聚焦移動時,在當前聚焦位置終止自動聚焦,或者向估計結果分配較大的方差并且繼續(xù)執(zhí)行自動聚焦,或者放棄深度估計并且拍攝另一對對象圖像的裝置,其中根據(jù)所述另一對對象圖像進行用于繼續(xù)所述自動聚焦的另一個深度估計。進一步地,作為只利用近期的深度估計的替代方式,通過組合當前的深度估計和以前的深度估計,響應于自動聚焦處理的每次重復來調節(jié)聚焦。進一步地,在所拍攝的圖像對之間進行所述深度估計,并且基于確定所述圖像對內的所拍攝的圖像之間的模糊差異量來估計實際深度,所述圖像對中的每個圖像是在不同聚焦位置拍攝的。
      進一步地,使用被攝體深度的最大似然估計(MLE)進行所述深度估計。進一步地,響應于通過下式給出的加權平均d來確定所述深度估計:
      權利要求
      1.一種控制自動聚焦的裝置,包括: (i)用于拍攝多個對象圖像的裝置; (ii)用于估計所拍攝的圖像對之間的深度,以得到深度估計的裝置; (iii)用于執(zhí)行模糊匹配曲線和校準模型之間的斜率校正的裝置; (iv)用于確定深度估計的加權平均以及包括過去的深度估計和當前的深度估計在內的方差的裝置;和 (V)用于通過響應于所述深度估計的所述加權平均而執(zhí)行的聚焦移動來調節(jié)聚焦的裝置。
      2.根據(jù)權利要求1所述的裝置,還包括用于響應于將匹配迭代數(shù)乘以常數(shù)對模糊匹配數(shù)據(jù)進行斜率校正以精確擬合模糊匹配的校準模型的裝置。
      3.根據(jù)權利要求1所述的裝置,還包括用于通過將斜率乘以常數(shù)對模糊匹配的校準模型進行斜率校正以精確擬合匹配數(shù)據(jù)樣本的裝置。
      4.根據(jù)權利要求1所述的裝置,其中重復運行裝置(i)至(V)直到得到所需的聚焦精度水平為止。
      5.根據(jù)權利要求1所述的裝置,還包括用于當確定已執(zhí)行了過多次數(shù)的聚焦移動時,在當前聚焦位置終止自動聚焦,或者向估計結果分配較大的方差并且繼續(xù)執(zhí)行自動聚焦,或者放棄深度估計并且拍攝另一對對象圖像的裝置,其中根據(jù)所述另一對對象圖像進行用于繼續(xù)所述自動聚焦的另一個深度估計。
      6.根據(jù)權利要求1所述的裝置,其中,作為只利用近期的深度估計的替代方式,通過組合當前的深度估計和以前的深度估計,響應于自動聚焦處理的每次重復來調節(jié)聚焦。
      7.根據(jù)權利要求1所述的裝置,其中,在所拍攝的圖像對之間進行所述深度估計,并且基于確定所述圖像對內的所拍攝的圖像之間的模糊差異量來估計實際深度,所述圖像對中的每個圖像是在不同聚焦位置拍攝的。
      8.根據(jù)權利要求1所述的裝置,其中,使用被攝體深度的最大似然估計(MLE)進行所述深度估計。
      9.一種用電子方式拍攝圖像的裝置,包括: 成像設備; 聚焦控制元件,耦接到所述成像設備并且向所述成像設備提供聚焦范圍; (i)用于拍攝對象的多個圖像的裝置; (ii)用于估計所拍攝的圖像對之間的深度,以得到深度估計的裝置; (iii)用于當最大絕對偏差大于預定閾值時,執(zhí)行一組模糊匹配結果和校準模型之間的斜率校正的裝置; (iv)用于確定深度估計的加權平均和包括過去和當前采集的圖像對在內的方差的裝置;和 (V )用于響應于所述深度估計的所述加權平均來調節(jié)聚焦的裝置。
      10.一種自動調節(jié)相機聚焦的方法,所述方法包括: (a)用相機設備拍攝第一對象圖像; (b)用所述相機設備拍攝額外的對象圖像; (C)響應于把所拍攝的對象圖像之間的模糊差異值輸入到聚焦匹配模型,估計所拍攝的圖像對之間的深度,其中求解所述聚焦匹配模型以產(chǎn)生深度估計; Cd)執(zhí)行一組模糊匹配結果和校準模型之間的斜率校正; (e)確定所述深度估計的加權平均以及包括過去的深度估計和當前的深度估計在內的方差;和 (f)響應于所述深度估計的加權平均,利用自動聚焦處理內的相機聚焦移動來調節(jié)相機聚焦位置。
      全文摘要
      在示意性地擬合每個聚焦調節(jié)迭代之后,響應于之前的模糊差異深度估計的加權和執(zhí)行自動聚焦。還確定過去的估計和當前的估計的方差,從而提供對于給定照片的當前聚焦位置的置信度度量。在一個實施方案中,重復聚焦調節(jié),直到方差充分低,以指示已獲得正確聚焦的置信度。該方法通過利用之前的深度估計提高聚焦的精度和速度,同時適應匹配數(shù)據(jù)以克服失真,如,由于飽和、截止和噪聲造成的失真。
      文檔編號H04N5/232GK103209298SQ20131000390
      公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月7日 優(yōu)先權日2012年1月13日
      發(fā)明者李平山 申請人:索尼公司
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