專利名稱：用于圖像傳感器的自動聚焦的制作方法
技術領域：
本發明涉及數字成像，更具體地講，本發明涉及數字成像裝置的自動聚焦的機構和方法。
背景技術：
一般地，數字成像裝置可分為兩種類型自動聚焦(auto-focus)和固定焦距(fixed-focus)。固定焦距裝置通常是不能調節鏡頭或改變光圈，相反，其依靠的是大景深(depth of field)，其中目標物顯示在焦點上。盡管在很多場合可以采用固定焦距裝置，但是其捕獲的圖像不如自動聚焦裝置捕獲的圖像那樣輪廓清晰。
在鏡頭的焦點處捕獲的圖像是銳聚焦(sharp focus)，其中焦點定義為照相機鏡頭軸線上的光線實際匯聚點或虛擬匯聚點。然而，只要目標物處于鏡頭的景深范圍內時，就可以產生相當清晰的圖像。景深是距離照相機的一定距離范圍，在該距離范圍內捕獲的目標物圖像可以達到足夠的聚焦。因此，相對于鏡頭而言，景深是橫跨精確焦點兩側的區域范圍。
有多種不同的方法和相關裝置用來自動聚焦數字成像裝置。在一種方法中，鏡頭沿著增大感光元件上的光線強度的方向移動并且在獲得最大強度后停止移動；另一種自動聚焦技術是依靠有限沖激響應(簡稱FIR)濾波器來確定邊緣特征和其銳度(清晰度)。由于結果顯示的是失真的平均值，因而這種技術對于強度/色度值變化范圍較寬的圖像的效果較差。
現有技術提供了大量的自動聚焦控制電路和裝置，其中多數是采用測量與感興趣目標物之間的距離的方法并將其繪制成可測的量，這些可測的量驅動該光學系統到達準確的焦點。這種自動聚焦方法在平行于主要成像路徑(main imaging path)的方向上進行，這種方法對以膠片為基礎的照相機效果比較理想。
由于數字成像裝置在市場中占據了優勢，自動聚焦方法主要依靠從主要成像數據路徑獲得的數據。其基本假定是當圖像包含最大量的高頻信息時到達最佳的聚焦狀態，高頻信息是通過對數字圖像數據的一部分進行數字濾波測量的。計算出的濾波后的頻譜能量作為頻率含量的測量值。
雖然在許多情況下都很高級，但相對固定焦距的裝置，自動聚焦的數字成像裝置在硬件方面更為復雜、制造成本更為昂貴、并且在操作方面更慢。因此，急需提供一種具有最小成本、最小額外空間、并且能夠利用成像設備的現有元件而不需要增加專門的自動聚焦元件的自動聚焦。
發明內容
本發明的目的是提供一種利用現存的成像設備的元件來實現自動聚焦功能的數字成像裝置。
本發明的一種技術方案是提供一種用于數字成像裝置的自動聚焦設備，設備包括光學系統，能夠在光學系統的焦平面形成目標物圖像；感光元件的二維陣列用于產生像素數據來表現圖像；窗口工具用于在圖像的至少一區域上提取像素數據；在區域的提取的像素數據的基礎上計算至少一個對應于區域的聚焦狀態的值；以及在區域的提取的像素數據的基礎上計算至少一個對應于區域的場景活性的值；聚焦狀態變化探測工具用以在場景活性值的基礎上計算離焦指示器值；以及，狀態跟蹤機用于計算方向值與大小值以便從當前位置調整和重置光學系統，基于計算的聚焦狀態值和離焦指示器值。
其中，狀態跟蹤機的方向值與大小值的計算包括存儲以前位置的聚焦狀態值，其中，在第一模式，存儲兩個以前的連續位置的聚焦狀態值；在第二模式，存儲具有最好聚焦質量的位置的聚焦狀態值并且清除另一個值；以及在第三模式，清除所有存儲的聚焦狀態值；將當前聚焦狀態值與存儲的聚焦狀態值相比較并且確定一個希望的位置以調整光學系統，其中方向值與大小值在存儲的聚焦狀態值以及以前的方向與大小值的基礎上被計算；當達到最小的大小數值并且確定聚焦狀態比其它任何存儲的以前的聚焦狀態都更佳時，停止聚焦調整；以及當離焦指示器值顯示離焦狀況時，重新開始聚焦調整。
窗口工具包括至少一對應于圖像的每個區域窗口處理資源，用于提取像素數據，其中圖像區域通過向窗口工具提供它們的位置與大小來指定，這些區域可以重疊。
上述的窗口工具可以包括至少一主要窗口處理資源以及一第二窗口處理資源，其中，主要窗口處理資源專門針對視頻自動聚焦應用；第二窗口處理資源專門針對圖像自動聚焦應用；以及分別進行主要窗口處理資源結果的后續處理和第二窗口處理資源結果的后續處理。
上述的自動聚焦設備還可以包括一模式，用于在主要窗口處理資源與第二窗口處理資源之間進行選擇，作為窗口工具中的主動處理資源。
上述的窗口工具還可以包括至少一對應于圖像的每個區域的窗口處理資源，并且每個窗口處理資源都采用數字濾波器，用以處理提取的像素序列，以便產生用于計算聚焦狀態值的數字濾波的序列。
每個數字濾波器采用的那組數字濾波器參數是從一個或者多個預定的數字濾波器參數組中選擇的。
進一步包括若干累加器單元采用把序列中的像素數據加成總值的方式累加每個數字濾波序列，總值顯示序列中所有以前像素數據的總和，其中最后累加結果是加上數字濾波序列中的最后一個像素數據后由累加器單元計算出的總值。
上述的自動聚焦設備還進一步通過加權與求和窗口處理資源的最后累加結果的方法，計算出算術加權的累加總和。
其中，算術權重可以根據每個新圖像而更新。
算術權重可以被分配成至少一個曲線組，并且每個曲線組由以下內容定義嚴格地包含一個來自窗口處理資源的最后累加結果；以及每個最后累加結果與一曲線組相關聯。
上述的自動聚焦設備還進一步通過加權與求和窗口處理資源的最后累加結果的方法，計算出算術加權的累加總和，其中主要窗口處理資源采用的一個權重是1。
其中，上述的處理過程可以被編程設計在數字成像裝置的至少一集成電路中。
窗口處理資源處理來自圖像的單獨讀出的一個像素序列。
上述的聚焦狀態變化探測工具采用來自至少兩條曲線的結果，計算出離焦指示器值，并通過處理每個曲線組的加權累加總和而產生兩組中間結果，其中，第一組中間結果是通過獲取同一曲線組的兩個預定加權累加總和之間的差分來計算的；第二組中間結果是通過同一曲線組的兩個預定加權累加總和相除來計算的；以及離焦指示器值是通過閾值探測工具來計算的，該閾值探測工具對四組值運行邏輯運算，兩組中間結果來自當前圖像，兩組中間結果來自以前圖像。
本發明的另一種技術方案是提供一種用于數字成像裝置的自動聚焦方法，方法包括產生像素數據來表現圖像，采用充分位于光學系統焦平面的感光元件的二維陣列；在圖像的至少一區域上提取像素數據；在區域的提取的像素數據的基礎上，計算出至少一個對應于至少一個區域的聚焦狀態值；在區域的提取的像素數據的基礎上，計算出至少一個對應于至少一個區域的場景活性值；在場景活性值的基礎上，計算離焦指示器值；以及基于計算的聚焦狀態值和離焦指示器值計算方向值與大小值，以便從當前位置調整和重置光學系統，。
其中，方向值與大小值的計算包括存儲0、1或2個以前位置的聚焦狀態值；將當前聚焦狀態值與存儲的聚焦狀態值相比較并且確定一個希望的位置以調整光學系統；在存儲的聚焦狀態值和以前的方向與大小值的基礎上計算方向值與大小值；當達到最小的大小數值并且確定聚焦狀態比其它任何存儲的以前的聚焦狀態都更佳時，停止聚焦調整；以及當離焦指示器值顯示離焦狀況時，重新開始聚焦調整。
其中，計算方向值與大小值包括選擇一個位置用以調整光學系統，該位置是如果聚焦狀態改善，則在以前位置以及當前位置的同一側；如果聚焦狀態降低并且方向值以前已經被計算過，則在以前位置與當前位置之間；以及如果聚焦狀態降低并且方向數量以前沒有被計算過，則在當前位置相對于以前位置的相反一側。
上述的功能可以被編程設計在數字成像裝置的至少一集成電路中。
本發明的又一種技術方案是提供一種用于數字成像裝置的自動聚焦手段，包括一種手段，用于產生像素數據來表現圖像；一種手段，用于在圖像的至少一區域上提取像素數據，其中提取的像素數據來自圖像的綠色分量或者強度分量；一種手段，用于在區域的提取的像素數據的基礎上計算出至少一個對應于至少一個區域的聚焦狀態值；一種手段，用于在區域的提取的像素數據的基礎上計算出至少一個對應于至少一個區域的圖像統計學值；一種手段，用于在圖像統計學值的基礎上計算出離焦指示器值；以及一種手段，其根據計算的聚焦狀態值和離焦指示器值，計算出向值與大小值，便從當前位置調整和重置光學系統。
本發明的有益效果是通過利用現存的成像設備的元件來實現自動聚焦功能，而不需要增加專門的自動聚焦元件，因此既不會占用額外的空間，又能降低成本。
圖1是本發明一種具體實施方式
中自動聚焦過程的高度概括的示意圖。
圖2是本發明另一具體實施方式
中圖1中所示窗口單元執行程序的框圖。
圖3是本發明又一具體實施方式
中圖1所示的窗口處理電路示意圖。
圖4是本發明再一具體實施方式
中圖1所示的聚焦狀態變化探測電路示意圖。
圖5是本發明再一具體實施方式
中圖1所示的狀態跟蹤機構的控制流程圖。
具體實施例方式
在下面的描述中，提供了許多特定細節，以便對本發明的具體實施方式
進行透徹的理解。但所屬領域的熟練技術人員可以認識到，在沒有這些具體細節中的一個或多個的情況下仍能實施本發明，或者采用其它方法、元件等的情況下仍能實施本發明。另外，為了清楚地描述本發明的各種實施方案，因而對眾所周知的結構和操作沒有示出或進行詳細地描述。盡管本發明的各種特征主要是以數字靜物照相機進行描述的，但是本發明可以應用于任何的數字圖像捕獲系統和設備。因而，本發明的具體描述并非將本發明的應用性局限于任何特定的應用領域內。
在下面的描述中所使用的術語應以最寬的合理方式進行解釋，盡管它結合應用在本發明的某個具體實施方式
的詳細描述中。某些術語可能在下面的描述中被強調，但是，任何術語的限制性解釋都將如同下面具體實施方式
中一樣，進行公開而明確的定義。
在本發明的說明書中，提及“一實施方案”或“某一實施方案”時是指該實施方案所述的特定特征、結構或者特性至少包含在本發明的一個實施方案中。因而，在說明書各處所出現的“在一實施方案中”或“在某一實施方案中”并不一定指的是全部屬于同一個實施方案；而且，特定的特征、結構或者特性可能以合適的方式結合到一個或多個的具體實施方案中。
本發明的具體實施方式
與用于數字成像裝置的自動聚焦方法和設備有關。本發明提出的方法與裝置通過計算數字圖像來計算光學系統的聚焦狀態，除了數字圖像-捕獲信號流程路徑外不需要任何的附加硬件。在本申請披露的一種方法中，以計算的聚焦狀態為基礎，計算鏡頭運動的方向和大小。在該方法中，計算后的量被傳送到鏡頭驅動設備，用于光學系統的遞增調整以獲得較好的聚焦。當達到了希望的聚焦質量后，該裝置停止控制鏡頭驅動設備。
本發明的具體實施方式
提出了簡便的、響應快速的數字自動聚焦的方法和設備。圖1是本發明一實施方案的自動聚焦過程100的示意圖，其可靈活地應用于在各種成像應用軟件中。該實施方案提供了一種獨特的方法用于測量捕獲圖像的頻率含量。為了達到最佳聚焦，按照計算成本效率方式，本發明提出迭代的方法以獲得接近最理想的鏡頭位置。該方法采用非線性控制方法控制光學系統的驅動器，其復雜程度較低，但是對于視頻與靜物成像應用軟件都是高效的，并且可以應用于任何采用了焦距可調整鏡頭的數字成像裝置。
如圖1所示，感光元件二維陣列所捕獲的原始圖像數據102，或者來自初步圖像捕獲裝置106的預處理圖像數據104，被提供到窗口單元108中，其計算出可以量化當前聚焦狀態質量的數值來。隨后，聚焦狀態變化探測電路110利用這種量化的聚焦狀態值，計算出離焦指示器(out-of-focus indicator)值。
狀態跟蹤機(tracking state-machine)112利用上述量化的聚焦狀態值和離焦指示器值，計算出一組方向與量級的數值114，以便驅動光學系統向著更好的聚焦位置運動。該離焦指示器值決定該光學系統是否需要被驅動，其可以啟動或者關閉狀態跟蹤機112計算該方向與量級的數值114，或者啟動或者關閉狀態跟蹤機112向鏡頭驅動設備傳送這些數值。
圖2是窗口單元(windowing unit)108運行的流程框圖。窗口單元108的主要任務是計算適當描述聚焦狀態的值。與希望的聚焦狀態對應的值不是絕對的，并且在不同成像環境下是可以改變的。窗口單元108由若干個窗口處理電路202組成，每個窗口處理電路202僅處理來自指派的圖像區域的數據。每個指派區域可以通過可編程設計的位置與大小參數來設定。
在一實施方案中，該區域的形狀是矩形的，而且其一般如此定位該區域全在該圖像的范圍內，也就是，該區域沒有一部分位于該圖像之外。在另一實施方案中，其大小是64×32，而且在圖像的全部長度和寬度內可以進行改變。各區域可以是不同的大小。根據應用軟件開發者的需要，各區域還可以在圖像內相互重疊。每個區域的相對重要性由其加權函數確定。
實際應用中一般需要6個或者更少的窗口處理電路202。然而，使用者/應用軟件開發者可以決定電路202的數量。例如，使用者可能發現僅需要2個窗口處理電路，這樣使用者可將其余的4個窗口處理電路的權重設置為零。窗口處理電路越多，對于應用軟件開發者來說就越靈活。
模式選擇單元208將窗口處理電路0與窗口處理電路202中其余的1-5區別開來。將由窗口處理電路0設定的、來自單一區域的非加權窗口處理結果，與來自多重區域的加權窗口處理結果區分開來，對于應用軟件開發者來說，可以提供一種靈活的方法。例如，窗口處理電路0可以設定為包括整個圖像，而窗口處理電路1-5可以設定為圖像內那些較小的非重疊區域。窗口處理電路0相對其余的窗口處理電路予以選定的一種實例是聚焦變化，這樣可以使得那些小窗口在跟蹤聚焦方面效率變低。窗口處理電路0可以在大窗口的基礎上被選擇為提取更全面的聚焦狀態。圖像的哪個部分進入窗口處理電路0，由應用軟件開發者指定；當然，其最大可以是整個的圖像。
圖3顯示了窗口處理電路202的處理機構。窗口提取電路302決定何時從主圖像數據流中提取對應于指定區域的像素數據。若確定某個像素屬于預先指定的區域，則將其保留并提供給數字濾波器A(304)與B(306)。否則，在接下來的所有處理中均將其忽略。兩個數字濾波器304與306中的每一個都可以被編程設計成從一組數字濾波器系數中選擇出的濾波器系數。應用軟件開發者可將濾波器A與B編程設計以提取圖像的各種光譜信息，其中，一個濾波器可以是對高頻圖像數據更敏感，而另一個可以是對低頻圖像數據更敏感。兩個濾波器的輸出結果都被聚焦狀態變化探測單元所利用。但是狀態跟蹤機只使用其中一個濾波器的輸出結果。
數字濾波器是評價聚焦狀態的主要手段，并且提取和評價該圖像區域的某些頻率成份。在一實施方案中，濾波器是一維濾波器，并且只在“水平”方向上濾波(若圖像數據是以水平光柵掃描次序進行掃描的)，其包括有限數量的濾波閥(filter taps)，例如3到15個閥，(例如，[-1 0 2 0 -1])，而且它們是可編程的。在該實施方案中，濾波器是FIR濾波器，即每個窗口處理的數據首先被儲存在延遲鏈(delaychain)中。然后，FIR濾波閥乘以延遲鏈中對應的延遲數據，并將相乘后的結果進行累加，以形成濾波結果。然后，數字濾波的數據序列在累加器308和310中被累加，如圖3所示，直到整個區域全被處理完畢。這些得到的最后累加總和被作為窗口處理電路202的輸出結果。
隨后，來自每個窗口處理電路202的最后累加總和在兩個算術加權單元A(204)和B(206)中進行算術加權，生成加權累加總和(weightedaccumulated sum)。這些加權單元204和206可通過它們的數字濾波器類型區別開來。算術加權單元A(204)與從數字濾波器A(304)濾波序列中生成的最后累加總和相關。同理，算術加權單元B(206)與數字濾波器B(306)相關。這兩個加權的累加總和提供了一種圖像統計學的全面測量，其被聚焦狀態變化探測電路110用于量化圖像區域(場景)的活性，并被狀態跟蹤機112用于量化聚焦質量。每個濾波結果與一個權重相乘，加權后的結果再被進行加和。因此加權實際上是一個加權的總和，而不是相乘加權結果的陣列。權重是可編程設計的，可被應用軟件開發者調諧。調諧處理可以獲得最好的聚焦跟蹤。權重直接影響跟蹤性能。由于這些權重是可編程設計的，如果應用軟件開發者愿意，它們既可以硬編碼(hard-coded)在設計中，也可以采用對圖像的附加處理生成這些權重，并將所需的權重反饋給聚焦跟蹤模塊。
圖4顯示了聚焦狀態變化探測電路110的處理機構。來自窗口單元的兩個最后累加總和被傳遞到微分電路(difference circuit)402與除法電路(divide circuit)404。這些電路首先進行最后累加總和的預掃描，然后分別減去和除以這兩個最后累加總和。預掃描簡單地去掉(截去/繞過)一些超額點(excess bits)以便在進行差分和除法前將結果值適當校直，并初步校直算術加權A與算術加權B之間的結果。掃描僅應用在其中一個算術加權單元。接著，離焦判斷電路406通過評價差分與除法結果的相對大小并通過將它們與預設的閾值進行比較，而對聚焦狀態作出判斷。
隨著鏡頭的移動，聚焦狀態也在不斷改變。這使兩個加權總和A和B也在改變。每組改變可以描繪出一條曲線(例如，高斯曲線)。理想狀態下，當鏡頭離焦時，總和A和B將返回較低的值，而當鏡頭接近聚焦點時，兩個總和將返回它們的最大值。但是，根據圖像特性，這兩條曲線將包含相當量的噪音，即使在聚焦點處。為了處理噪音，采用兩組濾波器A和B。使用兩個不同的濾波器意味著兩條曲線(對不同的光譜內容敏感)將具有不同的振幅。這可以獲得兩條曲線之間的差異和比率。利用兩條曲線并獲得它們之間的差異和比率，可使該方法具有更強的能力克服聚焦跟蹤中的噪音。
圖5描述了狀態跟蹤機112的控制流程圖，其通過將相應的狀態跟蹤信息存儲在存儲器中的方式來保存以前兩個位置的軌跡。根據當前狀態和儲存的狀態信息，狀態跟蹤機112可計算出鏡頭調整所需的方向和大小。儲存的狀態信息包括與數字濾波器B相關的、來自窗口單元的加權累加總和、以前計算出的方向和大小的數值、以及離焦指示器值。
在后面的段落中將介紹聚焦跟蹤程序的一個實例。總之，希望的方向的計算是基于將當前位置的加權累加總和與毗連位置(也就是，前面的1或2位置)的加權累加總和進行比較。如果鏡頭是沿著與以前兩個位置同一個的方向運動，那么希望的方向就是以前的方向。否則，如果鏡頭調轉其方向，那么希望的方向可能在當前位置的左側也可能在當前位置的右側。調整方向使得加權累加總和接近最大值。大小調整是基于兩項假定(1)以前到達過的位置全部不會再次到達(除非那里有聚焦狀態變化)，以及(2)鏡頭到達最佳聚焦點(當接近最佳聚焦時，鏡頭調整量級可能減小)。
設備開始通電以后，狀態跟蹤機112復位到中間狀態，其中鏡頭處于中間的(或松弛的)位置。接著，計算該位置的狀態跟蹤信息并儲存在存儲器內。接著一正向步進(對應于正方向與非零大小數值)被應用于鏡頭驅動設備。該新位置的狀態跟蹤被計算并存儲在存儲器內。接著來自這兩個狀態的信息，即當前的與初始的信息，被用于計算希望的方向與大小的數值，以便調整鏡頭位置。如果當前位置帶來更好的聚焦質量，則選擇正向作為希望的方向。否則，選擇負向。該步驟中希望的大小數值一般是以前大小數值的兩倍。
隨著鏡頭被重新定位，計算出新的加權累加總和。在這個階段，狀態跟蹤機112在“全局搜索”模式下工作。確定希望的方向的過程仍然相同，但確定大小數值的過程不同。如果當前位置帶來更好的聚焦質量，希望的方向與大小的數值都仍然相同。否則，調轉希望的方向并且大小數值減半。對于后面的那種情況，下一次鏡頭位置將在當前位置與以前位置之間。
調轉搜索方向的條件，如圖5所示，是基于將當前加權累加總和與以前存儲的加權累加總和相比較的簡單條件。可以采用更詳細的條件以減小全局搜索過程中的“過沖”的數量，即鏡頭被驅動超過了該最佳聚焦點。這些條件可以利用來自不同時間測量的圖像序列的其它性質的信息。
當鏡頭被重新定位時，計算出新的加權累加總和并且狀態跟蹤機112在“局部搜索”模式下工作。這種搜尋模式的主要特性是，在更新過程中，如果當前位置與以前位置相比沒有更好的聚焦質量，那么保留該最好聚焦位置的狀態跟蹤信息。另一方面，如果當前位置具有最好的聚焦質量，那么以前的狀態跟蹤信息被清除并且當前的狀態跟蹤信息被儲存。
通過將當前的狀態跟蹤信息與具有最好聚焦質量的狀態跟蹤信息進行比較，來確定方向和大小數量，以便接近該最佳聚焦點。通過局部搜索確定了最佳聚焦點以后，狀態跟蹤機112被置于閑置狀態并且保持在該閑置狀態，直到聚焦狀態變化探測單元110產生了離焦信號。
除非上下文中明確地要求，否則，在整個描述和權利要求書中，“包括”、“包括在”之類詞語都具有一種包含的意思，與獨一無二的意思相反。也就是說，包括但不限于。用單數的詞語相應地包括其復數，而用復數的詞語相應地包括其單數。另外，在這篇申請書中的“這里”、“上面”、“下面”和一些相近的詞語，都應該是指整個申請文件，而不是一個特定的部分。當權利要求書用“或者”來列舉兩個或更多個項目時，該詞語覆蓋了以下所有的解釋列舉的任一項目、列舉的所有項目以及列舉的項目的組合。
上述的本發明的具體實施方式
的詳細描述并不顯示本發明完全窮盡于此或者將本發明局限于這些具體方式，也不顯示將本發明的應用局限于這里所揭示的具體領域。這里揭示的本發明的具體實施方式
或者實施例只是用于介紹本發明，實際上，在本發明的范圍內可以做出各種等同的變換，例如采用相關領域內的習知技術。而且，這里給出的本發明的啟示可以應用于其它的系統，并不局限在這里所揭示的系統。上述的各種具體實施方式
的元件與操作可以進一步相互結合成新的具體實施方式
。
出現在該申請文件中的專利、專利申請或者其它參考文獻用作本發明的參考。如果必要的話，可以改變本發明的特征以便采用上述各種參考內容的系統、功能與概念來進一步形成新的具體實施方式
。
在上述詳細描述的基礎上可以從本發明的宗旨作出各種改變。盡管上述介紹詳細描述了本發明的某些具體實施方式
同時描述了預想的最佳實施方式，不管上述文字是如何的詳細，仍應理解為本發明可由多種方式實現。因此，盡管實施細節可以適當改變但是這些改變仍然包含在本發明內。如上所述，在描述某個特征或者式樣時使用的特定術語并不意味著這些術語在這里重新定義是對本發明的具體特性、特征、式樣的限制。一般的，在接下來的權利要求中使用的詞匯不應解釋成是要把本發明限制在說明書所描述的具體實施方式
中，除非上述具體描述部分明確的定義了那些詞匯。因此，本發明所實際涵蓋的范圍不僅包括所揭示的具體實施方式
，還包括所有在權利要求范圍內的實施或者執行本發明的等同方式。
盡管本發明的某些特征是在接下來的某些權利要求項中顯示的，但是發明人希望本發明的各種特征能存在于任意一項權利要求中。例如，盡管只有一個本發明的特征描述成包含在電腦可讀媒介中，但是其它特征同樣也是包含在電腦可讀媒介中。因此，發明人保留在提出申請以后增加權利要求項的權利，以便為了表述本發明的其它特征而繼續增加新的權利要求項。
權利要求
1.一種用于數字成像裝置的自動聚焦設備，該設備包括光學系統，該光學系統能夠在其焦平面處形成目標物圖像；感光元件的二維陣列，其用于產生像素數據來表達該圖像；窗口工具，其用于在該圖像的至少一區域中提取像素數據；在該區域的提取的像素數據的基礎上，計算至少一個對應于該區域的聚焦狀態值；以及在該區域的提取的像素數據的基礎上，計算至少一個對應于該區域的場景活性值；聚焦狀態變化探測工具，用于在場景活性值的基礎上計算離焦指示器值；以及狀態跟蹤機，其根據計算的聚焦狀態值和離焦指示器值，計算出方向值與大小值，以便從當前位置調整和重置所述的光學系統。
2.如權利要求1所述的設備，其中，所述的狀態跟蹤機的方向值與大小值的計算包括存儲以前位置的聚焦狀態值，其中，在第一模式下，存儲兩個以前的連續位置的聚焦狀態值；在第二模式下，存儲具有最好聚焦質量的位置的聚焦狀態值并且清除另一個值；以及在第三模式下，清除所有存儲的聚焦狀態值；將當前聚焦狀態值與存儲的聚焦狀態值相比較并且確定一個希望的位置以調整該光學系統，其中，所述的方向值與大小值是在存儲的聚焦狀態值以及以前的方向值與大小值的基礎上進行計算的；當達到最小的大小數值后并且確定該聚焦狀態比其它任何存儲的以前的聚焦狀態都更佳時，停止聚焦調整；以及當離焦指示器值顯示離焦狀況時，重新開始聚焦調整。
3.如權利要求1所述的設備，其中，所述的窗口工具包括至少一對應于所述圖像每一區域的窗口處理資源，以便從中提取所述的像素數據；其中，通過向所述的窗口工具提供其位置與大小來指定一圖像區域；其中，所述的區域可以重疊。
4.如權利要求1所述的設備，其中，所述的窗口工具包括至少一主要窗口處理資源以及一第二窗口處理資源，其中，所述的主要窗口處理資源專門用于視頻自動聚焦；第二窗口處理資源專門用于圖像自動聚焦；以及分別進行主要窗口處理資源結果的后續處理和第二窗口處理資源結果的后續處理。
5.如權利要求4所述的設備，其進一步包括一模式，用于在所述的主要窗口處理資源與第二窗口處理資源之間進行選擇，作為所述窗口工具中的主動處理資源。
6.如權利要求1所述的設備，其中，所述的窗口工具包括至少一對應與所述圖像每一區域的窗口處理資源，而且每個所述窗口處理資源均采用數字濾波器處理所述提取的像素序列，以便產生數字濾波的序列，該序列用于所述聚焦狀態值的計算。
7.如權利要求6所述的設備，其中，從一個或者多個預定的數字濾波器參數組中，選擇出每個所述數字濾波器采用的那組數字濾波器參數。
8.如權利要求6所述的設備，其進一步包括若干累加器單元，該累加器單元通過把所述序列中的像素數據進行加和的方式，累加每個所述的數字濾波序列，得到顯示該序列中所有以前像素數據總和的總值，其中，最后累加結果是加上數字濾波序列中的最后一個像素數據后由所述累加器單元計算出的總值。
9.如權利要求8所述的設備，其進一步通過加權與求和窗口處理資源的最后累加結果的方法，計算算術加權的累加總和。
10.如權利要求9所述的設備，其中，算術權重可以根據每個新圖像而更新。
11.如權利要求9所述的設備，其中，算術權重被分配成至少一個曲線組，并且每個曲線組由以下內容定義嚴格地包含一個來自窗口處理資源的最后累加結果；以及每個最后累加結果與一曲線組相關聯。
12.如權利要求4所述的設備，其進一步通過加權與求和窗口處理資源的最后累加結果的方法，計算算術加權的累加總和，其中，所述的主要窗口處理資源采用的一個權重是1。
13.如權利要求1所述的設備，其中，所述的處理過程被編程設計在所述數字成像裝置的至少一集成電路中。
14.如權利要求3所述的設備，其中，窗口處理資源處理來自圖像的單獨讀出的一個像素序列。
15.如權利要求11所述的自動聚焦設備，其中，所述的聚焦狀態變化探測工具采用來自至少兩條曲線的結果，計算離焦指示器值，并且通過處理每個曲線組的加權累加總和，產生兩組中間結果，其中，第一組中間結果是通過獲取同一曲線組的兩個預定加權累加總和之間的差分而計算出的；第二組中間結果是通過同一曲線組的兩個預定加權累加總和相除而計算出的；以及該離焦指示器是通過閾值探測工具來計算的，該閾值探測工具對四組值運行邏輯運算，該四組值中，兩組中間結果來自當前圖像，兩組中間結果來自以前圖像。
16.一種用于數字成像裝置的自動聚焦方法，該方法包括產生像素數據來表達圖像，其采用基本上位于光學系統焦平面處的感光元件的二維陣列；在所述圖像的至少一區域中提取像素數據；在提取的像素數據的基礎上，計算出至少一個對應于該至少一個區域的聚焦狀態值；在提取的像素數據的基礎上，計算出至少一個對應于該至少一個區域的場景活性值；在所述場景活性值的基礎上，計算出離焦指示器值；以及在該計算的聚焦狀態值和離焦指示器值的基礎上，計算出方向值與大小值，以便從當前位置調整和重置所述光學系統。
17.如權利要求16所述的方法，其中，所述的方向值與大小值的計算包括存儲0、1或2個以前位置的聚焦狀態值；將當前聚焦狀態值與存儲的聚焦狀態值相比較并確定一個希望的位置，以調整所述的光學系統；在存儲的聚焦狀態值和以前的方向值與大小值的基礎上，計算出方向值與大小值；當達到最小的大小數值并確定該聚焦狀態比其它任何存儲的以前的聚焦狀態都更佳時，停止聚焦調整；以及當所述的離焦指示器值顯示離焦狀況時，重新開始聚焦調整。
18.如權利要求16所述的方法，其中，計算所述的方向值與大小值包括選擇一個位置用以調整所述的光學系統，該位置是如果所述聚焦狀態改善，則其位于以前位置和當前位置的同一側；如果所述聚焦狀態變差并且所述方向值以前已經被計算過，則其位于以前位置與當前位置之間；以及如果所述聚焦狀態降低并且所述方向值以前沒有被計算過，則其位于當前位置相對于以前位置的相反一側。
19.如權利要求16所述的方法，其中，所述的功能被編程設計在數字成像裝置的至少一集成電路中。
20.一種用于數字成像裝置的自動聚焦手段，包括一種用于產生像素數據來表現圖像的手段；一種用于在該圖像的至少一區域上提取像素數據的手段，其中，所述提取的像素數據來自該圖像的綠色分量或者亮度分量；一種根據該區域的提取的像素數據計算出至少一個對應于該至少一個區域的聚焦狀態值的手段；一種根據該區域的提取的像素數據計算出至少一個對應于該至少一個區域的圖像統計學值的手段；一種根據所述的圖像統計學值計算出離焦指示器值的手段；以及一種根據計算的聚焦狀態值和離焦指示器值計算出方向值與大小值、以便從當前位置調整和重置所述光學系統的手段。
全文摘要
本發明公開了一種用于數字成像裝置的自動聚焦方法和設備。本發明提出的方法與裝置通過計算數字圖像來計算光學系統的聚焦狀態，除了數字圖像－捕獲信號流程路徑以外不需要任何的附加硬件。本發明還提供了一種以計算的聚焦狀態為基礎、計算鏡頭運動的方向和大小的方法。在該方法中，計算后的數值傳送到鏡頭驅動設備用于光學系統的增量調整以及獲得較好的聚焦。當達到了希望的聚焦質量后，該裝置停止控制該鏡頭驅動設備。
文檔編號H04N5/232GK1825906SQ20061000463
公開日2006年8月30日 申請日期2006年1月26日 優先權日2005年1月26日
發明者黃曉林 申請人:豪威科技有限公司