技术领域

[0001] 本发明公幵一种微型镜头对焦方法， 特别是一种基于可控制镜头倾斜的摄像装 置的三维快速自动对焦方法。

背景技术

[0002] 在传统普通拍照装置中， 由于镜头焦平面与图像传感平面不平行的情况 下图像 只能清晰显示某一特定的对焦区域， 而具配备有移轴镜头的大型拍照装置， 对 其的操作通常是通过旋钮来实现， 需要较强的专业知识来进行操作而且操作过 程复杂， 甚至是需要专业的培训才可以完成。 根据沙姆定律， 在拍照装置中， 由于光轴倾斜可以改变镜头对景物调焦平面的 三维空间角度， 使得调焦平面上 的三维景物在二维影像平面上都有相同的清晰 程度， 从可以而达到全区域对焦 的目的。 在大型拍照装置中， 手动调节的移轴镜头早已推出多年。 随着具有高 度集成的微型镜头倾斜或平移式光学防抖 （OIS) 技术的出现， 五百万及更高像 素分辨率的微型摄像头在触屏手机， 平板电脑等便携设备上的实现使得手机的 拍照效果越来越接近普通数码相机。 从功能上也越来越接近大型拍照装置的功 會 ， 比如通过平移或者旋转镜头来实现 OIS等等 （参看专利： PCT/CN200S/07268

0) 。 不少国际知名的微型集成摄像头厂家都陆续推 出了基于镜头旋转的光学防 抖对焦马达的摄像头也逐步被一些知名的手机 厂商采用。 而在这一类的摄像头 中， 既然镜头光轴可以偏转就可以实现类似大型拍 照装置的沙姆操作和反沙姆 操作移轴摄影的功能 （参看申请公布号为 CN103813104A的专利） 。

[0003] 虽然针对大型拍照装置的移轴镜头已推出多年 ， 但碍于镜头的重量和体积问题 及操作方式等问题， 限制了移轴对焦拍照设备的可操纵性及便携性 。 此外， 参 看申请公布号为 CN103246131A的专利可见， 已发明并公布的 3维对焦技术算法 复杂， 自动对焦过程步骤冗长且耗时过多也限制了 3维自动对焦方法的实际应用 技术问题

[0004] 针对上述提到的现有技术中的三维对焦算法复 杂的缺点， 本发明提供了一套快 速三维快速对焦的算法可以快速实现三维移轴 及对焦操作， 通过辨识操作者感 兴趣的不同景深位置上的对焦目标， 经过算法计算获得并控制镜头的二维偏转 倾角， 已使得所拍摄的图像在操作者感兴趣的目标点 上的对焦效果自动快速达 到最优， 使得在一个画面内拍摄行程不同的几个感兴趣 的目标物体吋同时获得 清晰聚焦或者获得其他特别的倾斜摄影效果的 问题。

问题的解决方案

技术解决方案

[0005] 本发明解决其技术问题釆用的技术方案是： 一种基于可控制镜头倾斜的摄像装 置的三维快速自动对焦方法， 该自动对焦方法包括下述步骤：

[0006] (1) 、 选择两个以上的对焦点， 对焦点数量设为 N, N≥2;

[0007] (2) 、 镜头沿 z轴方向前后移动一遍后获得相应的数据： A' (x _A , y _A ), B' ( x _B , y _B ) ...... N' (x _N , yw)以及/ _A ， f _B ...... f _N , 其中， ' (xw, yw)为对焦点

N在影像传感器上成像的位置坐标， 为对焦点 N处清晰吋镜头的行程；

[0008] (3) 、 将步骤 (2) 中获取到的数据代入公式 _w =- _XN e _y+ y _N e _x+ kf， 建立方程 组， 其中， 为设定系数， θ _γ 为沿 3；轴倾斜角度， θ _χ 为沿 轴倾斜角度， /为对焦 吋沿 _Ζ 轴前后移动的行程；

[0009] (4) 、 求解步骤 （3) 中方程组， 获得使各个设定的对焦点同时清晰成像在影 像传感器上时镜头所需要的偏转角度 θ _χ , ^及前后移动的行程/;

[0010] (5) 、 用步骤 （4) 中求得的该组参数值输出驱动镜头， 实现各个设定的目标 对焦点同时在图像传感器上获得清晰的对焦。

[0011] 本发明解决其技术问题釆用的技术方案进一步 还包括：

[0012] 所述的/ ^为镜头相对影像传感器不作倾斜运动而仅作� �后移动时的对焦动作时 , 设定的目标对焦点会在行程为 /^上获得最清晰的成像。

[0013] 所述的在步骤 （2) 中， 获取数据吋， 假设由镜头的移动及转动引起的目标影 像点位置在的影像传感器上的变化为（ _A ， Ay _Α ), (Λχ _Β , Ay _B )¾(^x _c , Ay c), 当 »4 Β» ΛΧ y _c » Ay c, y _A » Ay _A , > _B » Ay _B , y _c » Ay _c ， 则忽略由镜头的移动及转动引起的目标影像点 位置在的影像传感器上的变化

[0014] 所述的 代表特定镜头及摄像装置下行程与目标点的位 移与目标点在影像传感 器上成像的位移之间的比例关系， 根据标定实验的方法获得。

发明的有益效果

有益效果

[0015] 本发明与传统的便携装置摄像头应用相比， 提供了一种更快速更实用的手机或 便携平板电脑的微型摄像头镜头倾斜三维摄影 的操作功能， 通过在触摸平板上 的操作或者自动根据选定的感兴趣的目标区域 来控制镜头实现自动对焦运动时 , 除了普通便携装置摄像头的镜头的位置 （第 1维度） 还可以操作两个正交方向 的倾角 （第 2、 3维度） ， 实现针对摄影目标平面不同景深的区域进行快 速三维 自动对焦操作的功能。 与以前的专利 （参看 CN103246131A) 相比较可以看出， 已公布的专利 CN103246131A中的方法会使镜头有一遍前后移动和 两遍偏转镜头 搜索的过程所需要的时间大约是普通自动对焦 马达自动对焦过程中使镜头有一 遍前后移动过程所需吋间的 3倍。 而本发明的方法在镜头的移动步骤上仅需要前 后移动镜头一遍， 所需要的时间及镜头移动过程与普通自动对焦 马达相同， 所 以本发明的三维快速自动对焦相比先前的发明 进步显著而且极具实用价值。

[0016] 另外， 具有移轴拍照功能的高端大型拍照装置通常是 通过手动旋钮等的操作来 实现对不同对焦区域的选择， 操作极其复杂， 甚至需要专业训练才可以完成。 本发明针对该缺陷， 通过触屏选择或自动选择目标来实现快速自动 对目标区域 的三维自动对焦， 优点包括： 无需训练， 更快捷准确， 及更具操作趣味性与实 用性等。

对附图的简要说明

附图说明

[0017] 图 1为本发明中采用的对焦马达的立体结构示意� �。

[0018] 图 2为本发明中采用的对焦马达的剖面结构示意� �。

[0019] 图 3为本发明通过倾斜镜头修正倾斜角影像前景� �与影像关系示意图。

[0020] 图 4为本发明通过倾斜镜头修正倾斜角影像后景� �与影像关系示意图。 [0021] 图 5为本发明镜头沿 z轴移动成像过程中合适近焦 B点焦距示意图。

[0022] 图 6为本发明镜头沿 z轴移动成像过程中合适中端 A点焦距示意图。

[0023] 图 7为本发明镜头沿 _Z 轴移动成像过程中合适远焦 C点焦距示意图。

[0024] 图 8为本发明通过倾斜镜操作头修正不同目标点� �影像清晰度时镜头倾斜前示 意图。

[0025] 图 9为本发明通过倾斜镜操作头修正不同目标点� �影像清晰度时镜头沿 y轴倾斜 后示意图。

[0026] 图 10为本发明目标点在影像传感器上的坐标位置� ��意图。

[0027] 图 11为本发明三维自动对焦操作流程图。

实施该发明的最佳实施例

本发明的最佳实施方式

[0028] 本实施例为本发明优选实施方式， 其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或 近似的， 均在本发明保护范围之内。

[0029] 请参看附图 1和附图 2, 本发明釆用的可控制镜头的对焦马达组件主要 包括： 镜 头 101、 可控制镜头倾斜的对焦马达 102和影像传感器 103， 镜头 101与对焦马达 1 02对应安装在一起， 镜头 101在对焦马达 102的控制下， 可自由移动， 镜头移动 的自由度至少是三维度的， 其主要包括 z轴平移方向、 R _x 轴方向转动和 轴方向 转动， 本实施例中采用的镜头 101可以由一个或多个镜片组成。

[0030] 请参看附图 3， 在对焦过程中， 当目标 201与影像传感器 103相对倾斜吋， 在单 凸透镜头 202没有进行倾斜操作的时候， 成像 204可能会因为影像超出景深而无 法全区域聚焦。 其中， 目标 201可以是由一个或多个物件组成， 单凸透镜头 202 相等于在单镜头系统中的镜头 101。 请参看附图 4 , 在对焦过程中， 通过马达 102 , 调整镜头 101的倾斜角， 根据沙姆定律 （Scheimpflug principle , 参见 GB Patent No. 1139) , 到达新的单凸透镜头方向 212， 以及新的成像 214与影像传感器 103 相重合， 达致全区域聚焦。

[0031] 请参看附图 5、 附图 6和附图 7 , 当目标景物相对于影像传感器 103与镜头 101倾 斜， 而镜头 101相对影像传感器 103不作倾斜而仅作前后移动时的对焦动作吋， 各目标点会在不同的行程上获得最清晰的成像 。 例如： 图 5中离摄像设备最近的 B点将会在焦距为 301所示的行程 · _Β

上获得最清晰成像， 图 6中 Α点将会在焦距为 302所示的行程 Λ上获得最清晰成像 , 而图 7中 C点将会在焦距为 303所示的行程 / _c 上获得最清晰成像。 此种情况下， 如果镜头 101不作倾斜， 则所有的三个点不可能同吋获得清晰成像。

[0032] 本实施例中， 上述各个目标点所需要的清晰成像的行程可以 有多种方法获得， 比如最基本的扫描方法获得， 或者通过拟合计算的方法获得， 甚至是通过特定 的图像传感器的相位差检测自动对焦功能获取 的各个目标点的自动清晰成像所 需要的行程值等。 以及各种其他常规的获取行程的方法都可以应 用于本发明， 并包含在本发明方法所描述的对焦行程搜寻计 算方法之内。

[0033] 请参看 8和附图 9， 本发明中， 镜头倾斜吋操作如下， 图 9表示镜头 201 (101) 将沿 y轴倾斜 402所示角度 θ , 同时适当沿 ζ方向移动镜头则可以使得目标点 Α及 Β 同时清晰成像在影像传感器 103上。 同理， 如果将镜头沿 y轴倾斜角度， 再沿 X轴 倾斜 θ _χ 角度， 而沿 ζ轴平移 ff程， 则可以使得 A点， B点及 C点同吋清晰成像在 图像传感器上。 如图 10所示， 以影像传感器中心位置为参考点， 目标点在影像 传感器 103上的位置坐标分别记为 A' ( _A ， y _A ), Β' (x _B , y _s )及 C _c ， y _c > 同时， 假设由镜头 101的移动及转动引起的目标影像点位置在的影 像传感器 103 上的变化为（ x _A ， Ay _A ), (zix _B , Ay _B )¾ A _c , Ay _c ), 当 _A »^x _A ， x _B » Δχ _Β , y _c » Aye, y _A » Ay _A , y _B » Ay _B , y _c » Ay _c , 贝 lj可以忽略由镜头 101 的移动及转动引起的目标影像点位置在的影像 传感器 103上的变化。 另外， 即使 前述假设条件不满足， 近似的， 目标点在影像传感器 103上的位置坐标也可以使 用目标点在影像传感器 103上的平均位置替代， 本实施例中， 该平均位置是根据 镜头 101的移动及转动操作吋目标影像点在的影像传 感器 103上的位置计算出的 平均值。 根据以上标记及假定， 可以列写几何关系如下：

[]

[0034] 其中 为一特定系数， 代表特定镜头及摄像装置下行程与目标点的位 移与目标 点在影像传感器上成像的位移之间的比例关系 ， 该值可以根据标定实验的方法 获得。

[0035] 本发明主要为一个利用可控制镜头倾斜的对焦 马达实现 3维快速自动对焦的方 法， 其包括下述步骤：

[0036] ( 1) 、 选择两个以上的对焦点， 对焦点数量设为 W, N≥2;

[0037] (2) 、 镜头沿 z轴方向前后移动一遍后便可以获得相应的数� �： A' ( x _A , y _A )

, Β' ( χ _Β , y _B )…… Ν' ( χ _Ν , ； y w)以及/ f _B …… f _N ;

[0038] (3) 、 将步骤 （2) 中获取到的数据代入公式 _N e _y +y _N e _x +kf, 建立方程 组；

[0039] (4) 、 求解上述方程组， 即可获得使各个设定的对焦点同时清晰成像在 影像 传感器上时镜头所需要的偏转角度 , S _y 及前后移动的行程 等参数；

[0040] (5) 、 用上述求得的该组参数值输出驱动镜头， 便可以使实现各个设定的目 标对焦点同时在图像传感器上获得清晰的对焦 。

[0041] 本发明与传统的便携装置摄像头应用相比， 提供了一种更快速更实用的手机或 便携平板电脑的微型摄像头镜头倾斜三维摄影 的操作功能， 通过在触摸平板上 的操作或者自动根据选定的感兴趣的目标区域 来控制镜头实现自动对焦运动时 , 除了普通便携装置摄像头的镜头的位置 （第 1维度） 还可以操作两个正交方向 的倾角 （第 2、 3维度） ， 实现针对摄影目标平面不同景深的区域进行快 速三维 自动对焦操作的功能。 与以前的专利 （参看 CN103246131A) 相比较可以看出， 已公布的专利 CN103246131A中的方法会使镜头有一遍前后移动和 两遍偏转镜头 搜索的过程所需要的时间大约是普通自动对焦 马达自动对焦过程中使镜头有一 遍前后移动过程所需吋间的 3倍。 而本发明的方法在镜头的移动步骤上仅需要前 后移动镜头一遍， 所需要的时间及镜头移动过程与普通自动对焦 马达相同， 所 以本发明的三维快速自动对焦相比先前的发明 进步显著而且极具实用价值。