CN1145478A - 自动聚焦控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明的自动聚焦控制方法和装置在聚焦工作期间甚至当具有高对比度的物体进入或离开测距框时也能够正确地控制聚焦。控制微型计算机监视自动聚焦检测电路产生的聚焦信号的检测位置。如果控制微型计算机判定聚焦信号的检测位置处在测距框的周缘区域中，则控制微型计算机输出测距框控制信号去改变测距框的位置和尺寸以便具有高对比度的物体不再进入或离开测距框。

Description

自动聚焦控制方法和装置

本发明涉及摄像装置例如与摄像机结合的视频磁带录像机(下面所称的“Camcoder”)的自动聚焦控制技术，尤其是用于防止自动聚焦控制中的错误操作的技术。

图11示出了像Camcoder(与摄像机结合的视频磁带录像机)那样的摄像装置的自动聚焦控制装置的一个实例。在图11中，来自物体(未示出)的光由聚焦透镜1聚焦在CCD图像传感装置3上以便在CCD图像传感装置3上形成物体的图像。落在CCD图像传感装置3上的光通量由光圈2调整到适当值。CCD图像传感装置3把光学图像转换成视频信号然后向取样/保持和AGC(自动增益控制)电路4传送。在取样/保持和AGC电路4中，消除视频信号中的杂波并把视频信号的信号电压调整到适当值。然后由模/数转换器5把视频信号转换为数字信号。以数字形式转换的视频信号在摄像机信号处理电路6中受到像Y/C分离、反差校正等那样的摄像机信号处理。摄像机信号处理电路6的输出信号传送到录像/再现电路(未示出)并受到录像/再现处理。摄像机信号处理电路6从视频信号中提取亮度信号并把该亮度信号传送到自动聚焦检测电路7。

如图12所示，自动聚焦检测电路7包括：一个高通滤波器71，用于通过亮度信号的高频分量(或带通滤波器)；一个整流电路72，用于对滤波器输出的信号进行整流；一个选通电路73，用于在测距框。

上述第一部件可以是检测部件，它通过把聚焦信号的检测位置与预定测距框的位置的比较来检测测距框的周缘区域中是否存在聚焦信号的检测位置。该第一部件也可以是这样的检测部件，它通过若干不同的测距框中各频率分量之间的相互比较检测测距框的周缘区域内是否存在聚焦信号的检测位置。

上述的第二部件可以改变预定测距框的尺寸和位置。

本发明另一方面提供了自动聚焦控制方法，该方法是从拍摄物体图像而得到的视频信号的预定频率分量中产生聚焦信号，该方法的特征是当检测到预定测距框的周缘区域内存在聚焦信号的检测位置时，改变预定的测距框。

在本发明的自动聚焦控制装置和方法中，如果从拍摄物体图像得到的视频信号的预定频率分量中产生的聚焦信号的检测位置被认为处在预定测距框的周缘区域中，则改变测距框的位置或尺寸以防止自动聚焦控制的错误操作。

图1是根据本发明说明自动聚焦控制装置基本结构的方框图；

图2是说明图1所示的自动聚焦检测电路结构的实例的方框图；

图3是说明图2所示自动聚焦检测电路工作的原理图；

图4是说明图1中的控制微型计算机执行过程的流程图；

图5是说明测距框变化的例子的示意图；

图6是通过具有不同尺寸的若干测距框的各聚焦信号之间相互比较确定测距框的周缘区域中是否存在聚焦信号检测位置的原理的示意图；

图7是说明作为聚焦位置函数的涉及图6中所示框a和框b的聚距框内从整流电路72的输出信号中提取亮度信号，该提取的亮度信号用于自动聚焦工作；和一个检测电路74，用于在选通电路73的输出信号的范围内检测高频分量的最大值，从而产生聚焦信号。

图13示出了由自动聚焦检测电路7产生的作为聚焦位置函数的光学聚焦信号。如图13所示，在最佳聚焦位置上，聚焦信号电平有一个峰值。

参照图11，自动聚焦检测电路7产生的聚焦信号传送到控制微计算机8。控制微计算机8把电机控制信号传送到电机驱动电路9以便从引起聚焦信号电平增加的方向移动聚焦透镜。响应电机控制信号，电机驱动电路9驱动电机10以致电机以电机控制信号指定的速度以一个方向旋转。即，在电路中形成闭合环以便聚焦透镜1被移到聚焦信号电平为峰值的位置。在上述自动聚焦控制技术中，其技术内容是寻找聚焦信号的峰值，所以这种技术称作爬坡控制。

然而在上述爬坡(hill-Climbing)控制中，当测距框内的物体对比度相当低时，如果在测距框外存在具有高对比度的物体，则存在不能正确控制聚焦的某些可能性。上述问题将参照图14至图16祥细描述。

图14示出了三种不同的聚焦状态：最佳聚焦状态；中度散焦状态；和严重散焦状态。在图4中，测距框外边呈现的物A具有比测框内呈现的物体B高的对比度。在图14(1)所示的最佳聚焦状态中，物体A完全在距离测量框的外边，物体B完全在测距框的里边。在图14(2)所示的中度散焦状态中，物体A的外形变得模糊，模糊图像(模糊的圆)的一部分与距离测量框的边缘接触。在图14(3)所示的严重散焦状态中，物体A模糊图像的一部分进入了测距框。

在不考虑摄像装置的情况下如果物体A和B相等，则涉及物体A和B的聚焦信号随图15所示的聚焦透镜的位置而变化。在这种情况中，测距框内的聚焦信号变成图16所示的形状。

由于聚焦信号要归于测距框内具有最强对比度的检测部分，所以物体A的边缘在严重散焦状态(3)或中度散焦状态(2)中被检测。然而，与物体A关的聚焦信号随着聚焦状态从中度散焦状态进入最佳状态而突然下降，这样物体A的边缘就到了测距框的外边。最后检测到物体B的边缘和把聚焦信号归于物体B。所以，当位于测距框外边的物体A的模糊边缘离开测距框时聚焦信号就有了峰值。这意味着在中度散信状态(2)和对应于被错误认为最佳聚焦位置的地点，聚焦信号具有峰值。因此，不能达到真正的最佳聚焦位置。

如上所述，在传统的自动聚停控制技术中即通过寻找聚焦信号的峰值执行聚焦控制操作的技术中，如果测距框内的物体对比度相当低和如果在测距框外边存在具有强对比度的物体，则由于在散焦状态中图像扩展的原因使位于测距框外边的物体模糊边缘部分可以部分地进入测距框，这样就不可能达到正确聚焦状态。

鉴于上述问题，本发明的目的是提供自动控制聚焦的方法和装置，它甚至在具有强对比度的物体靠近测距框出现时也能够得到正确的聚焦状态。

本发明一方面提供自动聚焦控制装置，该装置从拍摄物体图像获得的视频信号预定频率分量中产生聚焦信号，该装置包括：第一部件，用于检测在预定测距框周缘区域中存在的聚焦信号检测位置；和第二部件，用于响应第一部件的输出信号改变预定测焦信号的曲线图；

图8是通过不同位置上若干测距框的各聚焦信号之间相互比较确定测距框的周缘区域中是否存在聚焦信号检测位置的原理的示意图；

图9是说明自动聚焦检测电路结构的另一实例的方框图；

图10是说明控制微型计算机执行过程的另一实例的流程图；

图11是说明传统的自动聚焦控制装置基本结构的方框图；

图12是说明传统的自动聚焦检测电路结构的方框图；

图13是说明作为聚焦位置函数的传统自动聚焦控制装置产生的聚焦信号实例的曲线图；

图14是说明三种不同聚焦状态即最佳聚焦状态、中度散焦状态和严重散焦状态中的物体和测距框的示意图；

图15是说明作为聚焦位置函数的涉及物体A和B的聚焦信号的曲线图；

图16是说明作为聚焦位置函数的测距框内聚焦信号的曲线图。

下面结合优选实施例参照有关的附图说明本发明。尤其是根据下列条目进行说明。

1.本发明的自动聚焦控制装置的基本结构。

2.用于检测测距框的周缘区域中是否存在聚焦信号检测位置的部件。

2.1基于聚焦信号的检测位置与测距框的位置比较的检测。

2.2基于若干不同测距框的各聚焦信号间比较的检测。

1.本发明的自动聚焦控制装置的基本结构。

图1是说明本发明自动聚焦控制装置的基本结构的方框图。在该图中，与图11中相同的元件或部件用相同的参考标号(数字)表示。

本发明的自动聚焦控制装置包括：一个用于聚焦来自物体(未示出)的光的聚焦透镜1；一个光圈2，用于调整从聚焦透镜射出的光通量；一个CCD图像传感装置3，用于把通过光圈2的光形成的物体的图像转换成视频信号；一个采样/保持和AGC电路4，用于消除CCD图像传感器3输出的视频信号中的杂波并调整视频信号的电平；一个模/数转换器5，用于把采样/保持和AGC电路4的输出信号转换成数字信号；和一个摄像机信号处理电路6，用于根据模/数转换器5输出的数字信号完成如Y/C分离和图像(灰度)校正那样的信号处理。

本发明的聚焦控制装置进一步包括：一个自动聚焦检测电路7′，用于从摄像机信号处理电路6提取的发光信号中产生用于自动聚焦控制操作的聚焦信号，一个控制微型计算机，它把电机控制信号传送到电机驱动电路9以便以导致自动聚焦检测电路输出的聚焦信号电平增加的方向驱动聚焦透镜，它还把测距框控制信号传送到自动聚焦检测电路7′以便认为测距框的周缘区域中存在聚焦信号的检测位置时控制测距框的位置和尺寸；一个电机驱动电路9，用于响应从控制微型计算机8′接收的电机控制信号来驱动电机10；一个由电机驱动电路9驱动的电机10，用于移动聚焦透镜1；和一个到摄像机信号处理电路6和自动聚焦检测电路7′去的例如14MHz频率的时钟信号CL。

下面说明图1所示装置的工作过程，在图1中，来自物体(未显示)的光由聚焦透镜1再通过光圈2在CCD图像传感装置3上聚焦以致在CCD图像传感装置上形成物体的光学图像，其中落在CCD图像传感装置3上的光通量由光圈2调整到适当值。CCD图像传感装置3把光学图像转换成随后传送到采样/保持和AGC电路4的视频信号。在采样/保持和AGC电路4中，从视频信号中消除杂波和把视频信号的信号电平调整到适当值。然后由模/数转换器5把视频信号转换成数字信号。转换成数字形式的视频信号在摄像机信号处理电路6中受到像Y/C分离，图像校正那样的摄像机信号处理。摄像机信号处理电路6的输出信号传送到录像/再现电路(未示出)并受到录像/再现处理。摄像机信号处理电路6从视频信号中提取亮度信号并把该亮度信号传送到自动聚焦检测电路7′。

自动聚焦检测电路7′从摄像机信号处理电路6提供的亮度信号和垂直同步信号VD、水平同步信号HD、和定时产生器11产生的时钟信号CL为基础产生聚焦信号，并把总的聚焦信号传送到控制微型计算机8′。控制微型计算机8′产生电机控制信号并把该信号传送到电机驱动电路9以便在导致聚焦信号增加的方向移动聚焦透镜1。响应该电机控制信号，电机驱动电路9驱动电机10以致电机10的电机控制信号指定的速度和方向旋转。此外，控制微型计算机8′确定测距框的周缘区域中是否存在聚焦信号的检测位置。如果是，那么控制微型计算机8′把测距框控制信号传送到自动聚焦检测电路7′以便改变测距框的位置或尺寸(后面将详细说明)。

2.用于检测测距框的周缘区域中是否存在聚焦信号的检测位置的部件。

本发明提供了两种不同的部件，用于检测测距框的周缘区域中是否存在聚焦信号的检测位置。在第一种部件中，通过聚焦信号检测位置与测距框的位置比较完成检测。在另一种部件中，检测若干不同测距框的各聚焦信号进行相互比较。下面详细说明这两种部件。

2.1基于聚焦信号检测位置与测距框的位置之间的比较的检测。

图2是说明自动聚焦检测电路7′的结构的方框图。在该图中，与图12中相同的元件或部件用相同的参考标号表示。

如图2所示，自动聚焦检测电路7′包括：一个用于通过亮度信号高频分量的高通滤波器71(或带通滤波器)；一个校正电路72，用于校正滤波器71的输出信号；一个选通电路73′，用于从校正电路72的输出信号中提取测距框内的亮度信号，它根据提取的亮度信号完成自动聚焦工作；和一个检测电路74′，用于检测选通电路73′的输出信号频带(范围)内的高频分量最大值从而产生聚焦信号，和用于在检测上述聚焦信号的某一时刻保持由水平位置计数器75和垂直位置计数目76(稍后将要描述)算出的数值，其中选通电路73′连接控制微型计算机8′以便选通电路73′可以接收指定测距框位置和尺寸的控制信号。如果控制微型计算机确定聚焦信号的检测位置处于测距框的周缘区域中，那么控制微型计算机产生控制信号以改变测距框的位置和尺寸，因而防止了自动聚焦控制的错误工作(下面将详细说明)。

自动聚焦检测电路7′进一步包括：一个水平位置计数器75，由从时钟产生器送到该计数器的每一次时钟信号CL增加其计数值并由送到水平位置计数器75上的每一次水平同步信号HD清零；和一个垂直位置计数器76，由水平同步信号HD增加其计数值并由送到垂直位置计数器76的每一次垂直同步信号VD清零。垂直位置计数器76的计数值作为计数1被传送到检测电路74′，水平位置计数器75的计数值作为计数2被传送到检测电路74′。

参照图3，在下面说明图2所示的自动聚集检测电路7′的工作过程。图3(1)说明了图像区域、测距框、计数，计数2中的关系。如果假定图3(2)所示的亮度信号被送到自动聚焦检测电路，则自动聚焦检测电路响应如下。在这个具体实例中，邻近测距框左边的位置上存在具有强对比度的一个物体，邻近测距框右边的位置上存在具有低对比度的另一个物体。

高通滤波器(或带通滤波器)71从提供给自动聚焦检测电路的亮度信号中提取高频分量。图3(3)示出了该提取的高频分量。高频分量由整流电路72整流，如图3(4)所示。响应图3(5)所示的选通信号提取AF测距框中的整流信号。检测电路74′检测测距框中的信号最大值并输出作为聚焦信号的合成值。

水平位置计数器75每次接收水平同步信号HD，该水平同步位置计数器75就开始计算时钟产生器以约14MHz频率提供的时钟信号并把该计数值“计数2”传送到检测电路74′。同样，垂直位置计数器76每次接收到垂直同步信号VD，该垂直位置计数器76就开始算出时钟产生器11提供的水平同步信号HD并把该计数值“计数1”传送到检测电路74′。

另一方面，当每一次修改整形电路72输出信号的最大值时，检测电路74′就锁住计数1和计数2。所以，检测电路74′保持每一范围内的聚焦信号电平，和保持在检测上述聚焦信号电平时的某一时刻给出的计数1和计数2的值。聚焦信号电平和计数1、计数2的值被传送到控制微型计算机8′。

参照图4，下面说明控制微型计算机8′的执行过程。首先，控制微型计算机8′比较从自动聚焦检测电路7′接收的计数1和计数2的值，即，聚焦信号的检测位置与测距框的位置比较(步骤S1)。如果计数1和计数2数值的至少一个表明检测位置处在测距框的周缘区域内(即，如果步骤S2判定为Yes)，则控制微型计算机8′把控制信号传送到自动聚焦检测电路7′的选通电路73′以改变测距框的位置或尺寸(步骤S3)。然后终止操作。另一方面，如果计数1和计数2的值都没有表明检测位置处在测距框的周缘区域中(即，如果步骤S2判定为no)，则终止程序而不再执行任何进一步的操作。

图5示出了在测距框的周缘区域中检测聚焦信号时构成的测距框的变化的实例。在图5中，物体A具有相对高的对比度，物体B具有相对低的对比度。

在图5(1)中，测距框被扩展以便物体A被完全包含在测距框中。如果物体A完全被包含在测距框中，那么在从散焦状态到最佳聚焦状态的调整聚焦的过程期间物体A就不再从测距框中离开。因此，聚焦信号总是体现关系物体A和B的聚焦状态，这样，就能确定走向最佳聚焦状态的方向。

在图5(2)的情况中，测距框的尺寸被减小以致物体A完全处于测距框的外边，测距框尺寸减小后，在聚焦工作期间物体A不再进入测距框中。因此，聚焦信号总是体现与物体B有关的聚焦状态，这样，就能够确定走向最佳聚焦状态的正确方向。

在图5(3)的情况中，测距框的位置被改变以致物体A不能进入测距框。在这种情况中，与图5(2)的情况一样也能够确定走向最佳聚焦状态的正确方向。

本发明如上所述，当在测距框的周缘区域检测聚焦信号时，就改变测距框的位置和尺寸以便确定走向最佳聚焦状态的正确方向。

2.2基于若干不同的测距框的各聚焦信号之间比较的检测。

图6是通过具有不同尺寸的若干测距框的各聚焦信号之间相互比较来确定聚焦信号的检测位置是否处在测距框的周缘区域中的原理的示意图。在该具体实例中，主测距框由框a表示，具有尺寸稍大于框a的附加测距框由框“b”表示。在图6的情况中，有两个物体：具有高对比度的物体A；和具有低对比度的物体B。

图7示出了作为聚焦位置的函数的涉及框a和b的聚焦信号。由于框b的尺寸稍大于框a，在与物体A的边缘从框a离去的透镜位置不同的透镜位置上物体A的边缘从框b离去。换句话说，在透镜位置比突然改变涉及聚焦信号的透镜位置稍微靠近最佳聚焦位置(在聚焦位置中)上，涉及框b的聚焦信号突然改变。

在物体A既不离开也不进入框的范围中(3)和(2)之间和(2)和(1)之间)，涉及框a和框b的聚焦信号在彼此相同的位置被检测，这样就得到了框a和框b的聚焦信号。在这个范围内，使用传统的自动聚焦控制技术就能够确定走向最佳聚焦状态的正确方向。

另一方面，在物体A进入或离开框的范围内((2)和(2)之间)，框a和框b之间的聚焦信号的检测位置中就有了差值。此外，在这个范围内聚焦信号变化非常突然。因此，在框a和框b之间的聚焦信号中有明显的差值。换句话说，当框a和框b之间的聚焦信号内有明显的差值时，就能够断定聚焦信号的检测位置处在测距框的周缘区域中。

如果检测出框a和b之间的聚焦信号的差值，就改变测距框的位置或尺寸以确定走向最佳聚焦位置的正确方向(如图5所示的情况)。

尽管在图6所示的具体实例中使用了具有彼此尺寸稍微不同的两个框，但也可以使用图8所示的在稍微不同的位置上定位的具有相同尺寸的两个框。此外，通过对每个范围或每个图像框改变信号测距框的位置或尺寸和对与测距框的位置或尺寸的变化周期同步的聚焦信号进行同步检测这样的手段，也能够检测物体进入或离开框的变化情况。如果在比较中使用了大量的框，则检测可靠性就能进一步改善。

图9是说明自动聚焦检测电路7′的结构方框图。在图9中，与图2相同或相应的元件由相同的参考标号表示。

如图9所示，自动聚焦检测电路包括：一个高通滤波器7，用于通过发光信号的高频分量(或带通滤波器)；一个整流电路72，用于对滤波器71的输出信号进行整流；一个第一选通电路73-1和一个第二选通电路73-2，用于在测距框a和b内提取整流电路72输出信号中的亮度信号；和一个第一检测电路74-1和第二检测电路74-2，用于在测距框a和b内检测第一选通电路73-1和第二选通电路73-2输出信号中高频分量最大值，由此产生第一聚焦信号和第二聚焦信号，其中，第一选通电路73-1和第二选通电路73-2与控制微型计算机8′连接以便它们可以接收设置测距框尺寸或位置的测距框控制信号。

下面，结合图10说明控制微型计算机操作流程。首先，自动聚焦检测电路接收的第一和第二聚焦信号电平进行相互比较(步骤S11)。如果第一和第二聚焦信号电平之间的差值比预定值大(即，如果步骤S12判定为Yes)，则控制微型计算机8′把控制信号传送到自动聚焦电路的第一选通电路73-1和第二选通电路73-2以改变各测距框的位置和尺寸(步骤S13)，然而终止程序。另一方面，如果第一和第二聚焦信号电平之间的差值比预定值小(也就是，如果步骤S2判定为no)，则终止程序而不再执行任何进一步的操作。

如上面详细说明那样，在本发明中，如果从代表物体图像的视频信号的预定频率分量中产生的聚焦信号的检测位置被认为处在预定的测距框的周缘区域中，则改变测距框的位置和尺寸以便防止自动聚焦控制的错误工作。因此，在聚焦工作期间，甚至当具有高对比度的物体进入或离开测距框时，本发明也能获得正确的聚焦状态。

Claims (8)

1.一种从拍摄物体图像获得的视频信号的预定频率分量中产生聚焦信号的自动聚焦控制装置，该装置包括：

第一部件，用于检测聚焦信号的检测位置是否处于预定的测距框的周缘区域中；和

第二部件，用于响应第一部件的检测输出来改变预定的测距框。

2.根据权利要求1所述的自动聚焦控制装置，其特征在于第一部件通过聚焦信号的检测位置与预定的测距框的位置的比较来检测聚焦信号的检测位置是否处在测距框周缘区域中。

3.根据权利要求1所述的自动聚焦控制装置，其特征在于第一部件通过若干不同的测距框内的各频率分量相互比较来检测聚焦信号的检测位置是否处在测距框的周缘区域中。

4.根据权利要求3所述的自动聚焦控制装置，其特征在于第一部件比较具有不同尺寸的两个测距框内的各频率分量。

5.根据权利要求3所述的自动聚焦控制装置，其特征在于第一部件比较在不同位置上定位的两个测距框内的各频率分量。

6.根据权利要求1所述的自动聚焦控制装置，其特征在于第二部件改变预定测距框的尺寸。

7.根据权利要求1所述的自动聚焦控制装置，其特征在于第二部件改变预定测距框的位置。

8.一种从拍摄物体的图像获得的视频信号的预定频率分量中产生聚焦信号的自动聚焦控制方法，该方法的特征在于当检测到聚焦信号的检测位置处在预定测距框的周缘区域中时，改变上述的预定测距框。

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