TWI398716B - Use the flash to assist in detecting focal lengths - Google Patents

Description

利用閃光燈輔助偵測焦距的方法

本發明係關於一種利用閃光燈輔助偵測焦距的方法，特別是一種利用依曝光特徵值查表以輔助偵測焦距的方法。

使用相機在拍攝影像時，需要正確地把焦距對到被攝物體上以得到清晰的照片。對焦的方式包括有手動對焦和自動對焦，而在現今一般的數位相機都已內建有自動對焦功能。自動對焦大致上可以分為兩大類，一為主動式自動對焦(active auto focus)，另一為被動式對焦(passive auto focus)。

主動式自動對焦的技術係利用一組紅外線發射器或是雷射發射器和相對的接收器投射光的圖案在被攝體上，再以三角測量法(triangulation)等方法計算相機與被攝物體之間的距離，而此距離即為焦距。由於使用主動式自動對焦需在相機內額外設置光發收器和接收器，因此存在有成本較高的問題。

被動式自動對焦係為在正式拍攝前，數位相機移動相機鏡頭到多個對焦位置，其中對焦位置位於從離數位相機最近的微距到被設為無限遠的區域中。數位相機在對焦位置上擷取影像，並分析所獲得的影像的清晰度來決定焦距。被動式自動對焦方式只需用到相機本身所具有的影像感測器及運算單元，故能夠減輕製造成本。

然而被動式自動對焦得依賴由預先擷取的影像所計算出的清晰度，故當被攝物體處於環境亮度不足時，估測出的焦距容易產生誤差。攝影時若光線充足則被攝物體會具有明顯的合焦點(in-focus)，使得相機容易找到正確的對焦位置。反之若環境亮度不足，在估算清晰度時會因為普遍影像清晰度較低等情況而使得相機不易找出正確的焦距。故被動式自動對焦在環境亮度不足時，會存在有對焦不夠準確的問題。

鑒於以上的問題，本發明在於提供一種利用閃光燈輔助偵測焦距的方法，藉以解決上述問題。本發明所揭露之利用閃光燈輔助偵測焦距的方法，適用於一具有閃光燈的數位相機，依據一被攝目標提供數位相機一目標焦距，其方法包括：閃光並擷取一第一影像；依據第一影像計算而得至少一曝光特徵值(characteristic exposure value)；依據曝光特徵值查閱一焦段對照表獲得一起始對焦位置；以及依據起始對焦位置執行一對焦程序以得到目標焦距。

其中依據第一影像計算而得至少一曝光特徵值之步驟可以包含：搜尋第一影像中之一對焦框，對焦框具有一對焦框影像；以及計算對焦框影像的一曝光值作為曝光特徵值。

根據本發明，焦段對照表係包含複數個曝光表列值以及與曝光表列值對應的複數個焦距值，依據曝光特徵值查閱焦段對照表獲得起始對焦位置之步驟即是以曝光特徵值於焦段對照表中查閱曝光表列值，對得出與曝光特徵值對應的焦距值作為起始對焦位置。

又依據第一影像計算而得至少一曝光特徵值之步驟另可以包含：搜尋第一影像中之複數個對焦框，每一對焦框均具有一對焦框影像；各別計算對焦框影像的曝光值；以及把曝光值取平均值作為曝光特徵值。

此外，依據第一影像計算而得至少一曝光特徵值之步驟還可以包含：搜尋第一影像中之複數個對焦框，每一對焦框均具有一對焦框影像；各別計算對焦框影像的曝光值；以及以曝光值作為曝光特徵值。

根據本發明，依據曝光特徵值查閱焦段對照表獲得起始對焦位置之步驟包含：分別以曝光值於該焦段對照表查閱而得複數個焦距值；以及以焦距值的最小值作為起始對焦位置。

依照本發明之一實施例，依據起始對焦位置執行對焦程序以得到目標焦距的步驟可包括：依據起始對焦位置指定一對焦區段；在對焦區段內的至少三個焦距分別擷取一測焦影像；各別計算測焦影像的一清晰值；以清晰值及與清晰值對應的焦距進行曲線擬合以得到一二次多項式；以及以二次多項式的斜率為零所對應的焦距作為目標焦距。

有關本發明的特徵、實作與功效，茲配合圖示作最佳實施例詳細說明如下。

以上之關於本發明之內容說明及以下之實施方式之說明係用以示範與解釋本發明之精神與原理，並且提供本發明之專利申請範圍更進一步之解釋。

以下敘述之關於本發明的詳細特徵以及優點，其內容足以使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點。

請參照「第1圖」，其係為根據本發明一實施例之利用閃光燈輔助偵測焦距的方法之流程圖。本發明之利用閃光燈輔助偵測焦距的方法適於一具有閃光燈的數位相機，該方法依據一被攝目標提供該數位相機一目標焦距。關於本發明所適用之數位相機可以是但不限於「第2圖」。

數位相機100包括閃光燈102、鏡頭裝置104、光圈裝置106、感光元件108、取樣電路110(Sampling hold circuit)、儲存單元112、驅動馬達114、處理單元116與操作單元118。被景象所反射的光線經由鏡頭裝置104與光圈裝置106進入感光元件108，感光元件108將進入的光線轉換成影像訊號並傳給取樣電路110後紀錄於儲存單元112。

拍攝時，處理單元116致動驅動馬達114以移動鏡頭裝置104至指定焦距位置。處理單元116並透過驅動馬達114調整光圈裝置106。感光元件108對應於鏡頭裝置104並把當前場景的影像畫面轉換成數位影像的電訊號。經由處理單元的驅動，取樣電路110將感光元件108所接收的影像訊號傳送至儲存單元112。處理單元116根據在取像預覽階段所擷取的之預覽影像，用以判斷需要進行調整鏡頭裝置104之對焦焦距以提供數位相機100拍攝。

請再參考「第1圖」並配合「第2圖」閱覽之，從「第1圖」中可以見悉，利用閃光燈輔助偵測焦距的方法包含步驟S20：閃光並擷取第一影像；S22：依據第一影像計算而得至少一曝光特徵值；S24：依據曝光特徵值查閱焦段對照表，獲得起始對焦位置；以及S26：依據起始對焦位置執行一對焦程序以得到目標焦距。

於步驟S20中，處理單元116透過驅動馬達114使閃光燈102動作。在閃光燈102發出一個預閃亮光時，數位相機100擷取第一影像並紀錄於儲存單元112內。處理單元116分析此第一影像並把分析後的資料用於輔助自動對焦(auto focus)。前述擷取的影像並不限於只擷取一張，實際應用時為求精確亦可使用複數張的影像進行處理。以下僅以單張做為說明。

前述步驟S22之第一影像係代表了被攝物體反射的環境光與由閃光燈102發出並被反射的光線的結合，因此形成第一影像的光線內包含反射預閃亮光。故在此曝光值亦可稱之為反射曝光值。曝光特徵值係表示被攝物體在給予預閃亮光的狀態下的曝光程度，會依據被攝物體與數位相機100的距離而有所差別。曝光特徵值之計算方式容後詳述。

得到曝光特徵值之後，步驟S24以曝光特徵值查閱一焦段對照表(亦可稱為對焦區段對照表)。焦段對照表係包含複數個曝光表列值以及與曝光表列值對應的焦距值。此焦段對照表乃是一個將曝光特徵值與對應該曝光特徵值的可能焦距值的對照表。也就是說，把曝光特徵值在曝光表列值去查閱與曝光特徵值對應的焦距值即可得到前述的起始對焦位置。依據曝光特徵值查閱焦段對照表後可得到的起始對焦位置即可以供後續對焦程序之用。關於焦段對照表的建表方式容後詳述。

步驟S26是藉由得到起始對焦位置做為對焦程序的對焦掃描位置的參考點，使得對焦程序可免除掃描所有由微距至無限遠內的對焦位置，進而減少傳統對焦程序所需的對焦時間及耗電。

關於由第一影像獲得曝光特徵值的步驟，請參考「第3A圖」、「第3B圖」與「第3C圖」。「第3A圖」係為根據本發明一實施例之步驟S22的第一實施例的流程示意圖。此實施例的流程包含步驟S30：搜尋第一影像中之一對焦框，對焦框具有一對焦框影像；與步驟S32：計算對焦框影像的曝光值作為曝光特徵值。

步驟S30在第一影像中搜尋出對焦框後，擷取對焦框影像。前述對焦框係用以在擷取影像時，標示出影像中被攝主體的部分。對焦框的形狀可以是但不限定是一個方框形，其大小、個數與在影像中的位置等亦均無限制。而計算曝光值的方法可以先針對對焦框影像中每一像素。每一像素具有一三原色值(RGB value)，RGB各別指此像素的紅色、綠色和藍色的值。其方法先把每一像素的三原色值依照公式(0.6G+0.3R+0.1B)先轉換成灰階值，再將灰階值依照公式log₂ (0.6G+0.3R+0.1B)算出每一像素的曝光值，接下來再取所有像素的曝光值的平均值作為對焦框影像的曝光特徵值。

「第3B圖」係為根據本發明一實施例之步驟S22的第二實施例的流程示意圖。此實施例的流程包含步驟S40：搜尋第一影像中之複數個對焦框，每一對焦框均具有一對焦框影像；步驟S42：各別計算對焦框影像的曝光值；與步驟S44：把曝光值取平均值作為曝光特徵值。

各數位相機100內所內建的對焦框型態可能有所差異，請再參照「第4A圖」與「第4B圖」，並配合「第3B圖」與「第3C圖」閱覽之。「第4A圖」與「第4B圖」係為根據本發明不同實施例的對焦框的示意圖。對焦框可以是但不限於「第4A圖」或是「第4B圖」。例如第一影像130內可以具有三個對焦框132，形成1*3的形狀。第一影像130內也可以具有5個對焦框132，形成十字形。步驟S40搜尋出第一影像中複數個對焦框後，擷取對焦框內的對焦框影像。步驟S42再依照上述計算曝光值的公式個別計算對焦框影像的曝光值。

步驟S44把步驟S42所計算出來的多個曝光值取平均作為曝光特徵值。取平均的做法可採用一般的平均值計算方法，亦可以使用加權平均。例如把畫面中央的影像視為比畫面邊緣的影像重要，故在計算平均時給予靠近畫面中央的對焦框曝光值較大的權重。此外，在此亦可取亮度最高的曝光值取代取平均的方式作為曝光特徵值。

「第3C圖」係為根據本發明一實施例之步驟S22的第三實施例的流程示意圖。此實施例的流程包含步驟S50：搜尋第一影像中之複數個對焦框，每一對焦框均具有一對焦框影像；步驟S52：各別計算每一對焦框影像的曝光值；與步驟S54：以該些曝光值作為曝光特徵值。以此步驟S22的第三實施例所得到的曝光特徵值將不限於一個，其具有多個曝光特徵值。

根據本發明，在上述計算對焦框影像的曝光值的方法之中，可以對焦框影像中較亮的部分像素取代對焦框影像的全體像素取平均作為對焦框影像的曝光值。其中較亮的部分係指把所有像素按曝光值高低排序後，曝光值較高的像素。例如可以取對焦框影像中最亮的前30%或是最亮的前50%去計算對焦框影像的曝光值，再進行計算曝光特徵值。如此可避免擷取影像中包含大量亮度不足的環境的影像所造成的影響。

得到曝光特徵值之後，即可執行上述步驟S24，以曝光特徵值查閱焦段對照表後可獲得起始對焦位置。

根據本發明之實施例，所得到的曝光特徵值可能在焦段對照表內無正好對應的曝光表列值。此時則取出表內兩個最接近於曝光特徵值的曝光表列值及與其相對應的焦距值，以內插法計算曝光特徵值所應對應的焦距值作為起始對焦位置。

又，對應步驟S22的第三實施例，步驟S24之「依據該曝光特徵值查閱一焦段對照表獲得一起始對焦位置」係為各別將該些曝光特徵值在焦段對照表進行查閱，以各別取得對應的焦距值。接著，再比對各個焦距值，以最短的焦距值做為前述起始對焦位置。

請參照「第5圖」，其係為根據本發明一實施例之步驟S26的流程示意圖。由「第5圖」可以見悉其包含步驟S60：依據起始對焦位置指定一對焦區段；步驟S62：在對焦區段內的至少三個焦距分別擷取一測焦影像；步驟S64：各別計算測焦影像的清晰值；步驟S66：以清晰值及與清晰值對應的焦距進行曲線擬合，得到一二次多項式；與步驟S68：以二次多項式的斜率為零所對應的焦距做為目標焦距。

步驟S60根據起始對焦位置指定對焦區段，以供對焦程序在此區段內搜尋目標焦距。此依據起始對焦位置指定對焦區段的方式有幾種實施例。其一為以起始對焦位置向近焦與遠焦位置擴大三個以上的步距(step，或稱步進距離)，每個步距的距離可以一致或不一致。根據本發明之一實施例，可根據擷取第一影像時的縮放倍率來決定對焦區段。例如當擷取第一影像時，數位相機的縮放倍率較接近廣角端(wide)，就有可能是對遠處風景或是較遠焦距進行對焦。因此，可指定由起始對焦位置離數位相機較近的三個步距起，到起始對焦位置離數位相機較遠的六個步距為止的區段為對焦區段。

又根據本發明之另一實施例，當數位相機在擷取第一影像時若縮放被率較接近望遠端(tele，會把遠處的景物影像拉近數位相機，像把影像放大的作用),則指定由起始對焦位置離數位相機較近的六個步距起，到起始對焦位置離數位相機較遠的十二個步距為止的區段為對焦區段。

根據本發明，依據起始對焦位置指定對焦區段的方法中，並不限於以一個步距為單位。對焦區段的大小亦可以多個步距或以距離(例如一公分或是一公厘)為單位來指定。此外，對焦區段中參考起始對焦位置往近或是往遠的方向找尋的區段大小亦不限制。除上述實施例之外，焦區段中參考起始對焦位置往近或是往遠的方向找尋的區段大小亦可相同，或是往近的方向的區段較大。

步驟S62在步驟S60所指定的對焦區段內的焦距上，分別擷取一測焦影像，且在對焦區段內至少包含三個焦距。對焦程序會對這些測焦影像進行計算及分析，以求得最後的目標焦距。

步驟S64個別計算以擷取的測焦影像的清晰值，其中計算清晰值的方式可以根據本發明之一實施例，先把測焦影像以邊緣偵測(edge-detection)程序處理。邊緣偵測程序可以採用Sobel邊緣偵測法、Dijkstra’s演算法、或Canny邊緣偵測演算法等，根據本發明並不與以限制。經過邊緣偵測程序處理過後，清晰值可以是定義為測焦影像中的邊緣數。

根據本發明之邊緣偵測程序，其分別把每一測焦影像套用水平遮罩或垂直遮罩，遮罩的內容請參考「第6A圖」與「第6B圖」。「第6A圖」與「第6B圖」分別是根據本發明一實施例之水平遮罩與垂直遮罩的示意圖。如圖所示，遮罩140內有包含不同的遮罩內容元素142。

測焦影像套用過遮罩140後，測焦影像的每一像素獲得一對比值，並依對比值的大小順序將對比值描點成曲線，而每一測焦影像皆可得到一對比曲線。計算清晰值的程序指定一門檻值於對比曲線，若對比值高於門檻值者表示對比的程度夠高(即影像中夠銳利的部分)。接下來把對比曲線對門檻值以上的部分計算積分，則可以把計算出來的數值定義為清晰值。

依據清晰值，步驟S66以各測焦影像的清晰值及與其對應的焦距進行二次多項式的曲線擬合(curve fitting)，並可得到一二次多項式。計算出的二次多項式係表示在指定的對焦區段內所擷取的測焦影像的清晰度的變化。因此二次多項式的頂點，也就是斜率為零的點，也就代表在對焦區段內可獲得的最大的清晰值，與可以得到最清晰影像的焦距。

為了得到上述二次多項式的頂點，步驟S68對二次多項式微分以搜尋多項式上微分為零的點，亦即斜率為零的點。步驟S68把二次多項式中斜率為零的點所對應的焦距作為目標焦距。根據本發明之一實施例，當由曲線擬合而得到的二次多項式的斜率為零的點不正好落在對焦區段內指定的任一焦距上時，則取距離斜率為零的點最近的焦距作為目標焦距。

根據本發明之另一實施例，當在對焦區段內得到的二次多項式並不具有斜率為零的點時，則擴大對焦程序所掃描的對焦區段以取得更多的測焦影像。對焦程序並依據原本的測焦影像和新得到的測焦影像重新進行曲線擬合，並搜尋新的二次多項式的斜率為零的點以取得目標焦距。

根據本發明，數位相機100依據利用閃光燈輔助偵測焦距的方法獲得目標焦距後，透過驅動馬達114帶動鏡頭裝置104移動至指定焦距位置並進行拍攝。

前述焦段對照表係可採用實驗法建立。實驗法建立係指在暗房內閃光並以不同的焦距對各種被攝物體拍攝，計算而得對應各焦距之曝光特徵值，藉以建立前述焦段對照表。前述被攝物體可以是任何物體或是一面牆。此實驗可依據不同被攝物體的表面特性(例如容易反光或容易吸光)而得到多組的曝光特徵值以產生多組的焦段對照表，並可因應實際拍攝狀況提供不同的模式給使用者選擇。同理，實驗亦可在暗房內模擬多組不同的拍攝環境狀況，得到相對應的多組焦段對照表以因應實際拍攝狀況提供不同的模式給使用者選擇。

根據本發明之利用閃光燈輔助偵測焦距的方法，應用於一具有閃光燈的數位相機，可依據閃光燈預閃時擷取的第一影像計算曝光特徵值。根據曝光特徵值，可提供數位相機一目標焦距以供數位相機的鏡頭裝置等硬體設備來拍攝數位影像。

雖然本發明以前述之較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧數位相機

102‧‧‧閃光燈

104‧‧‧鏡頭裝置

106‧‧‧光圈裝置

108‧‧‧感光元件

110‧‧‧取樣電路(sample hold circuit)

112‧‧‧儲存單元

114‧‧‧驅動馬達

116‧‧‧處理單元

118‧‧‧操作單元

130‧‧‧第一影像

132‧‧‧對焦框

140‧‧‧遮罩

142‧‧‧遮罩內容元素

第1圖係為根據本發明一實施例之利用閃光燈輔助偵測焦距的方法的流程圖；

第2圖係為根據本發明所適用之數位相機的架構示意圖；

第3A圖係為根據本發明一實施例之步驟S22的第一實施例的流程示意圖；

第3B圖係為根據本發明一實施例之步驟S22的第二實施例的流程示意圖；

第3C圖係為根據本發明一實施例之步驟S22的第三實施例的流程示意圖；

第4A圖係為根據本發明一實施例之一對焦框的示意圖；

第4B圖係為根據本發明一實施例之另一對焦框的示意圖；

第5圖係為根據本發明一實施例之步驟S26的流程示意圖；

第6A圖係為根據本發明一實施例之水平遮罩的示意圖；以及

第6B圖係為根據本發明一實施例之垂直遮罩的示意圖。

Claims (7)

1. 一種利用閃光燈輔助偵測焦距的方法，適用於一具有閃光燈的數位相機，該方法依據一被攝物體提供該數位相機一目標焦距，該方法包括：閃光並擷取一第一影像；依據該第一影像計算而得至少一曝光特徵值，其中該曝光特徵值係表示該被攝物體在給予閃光的狀態下的曝光程度，依據該被攝物體與該數位相機的距離有所差別；依據該曝光特徵值查閱一焦段對照表獲得一起始對焦位置；以及依據該起始對焦位置執行一對焦程序以得到該目標焦距。
2. 如請求項1所述之利用閃光燈輔助偵測焦距的方法，其中該依據該第一影像計算而得至少一曝光特徵值之步驟包含：搜尋該第一影像中之一對焦框，該對焦框具有一對焦框影像；以及計算該對焦框影像的一曝光值作為該曝光特徵值。
3. 如請求項1所述之利用閃光燈輔助偵測焦距的方法，其中該焦段對照表係包含複數個曝光表列值以及與該些曝光表列值對應的複數個焦距值，依據該曝光特徵值查閱一焦段對照表獲得一起始對焦位置之步驟即是以該曝光特徵值於該焦段對照表中查閱該曝光表列值，獲得與該曝光特徵值對應的該焦距值作為該起始對焦位置。
4. 如請求項1所述之利用閃光燈輔助偵測焦距的方法，其中該依 據該第一影像計算而得至少一曝光特徵值之步驟包含：搜尋該第一影像中之複數個對焦框，每一該些對焦框均具有一對焦框影像；各別計算該些對焦框影像的一曝光值；以及把該些曝光值取平均值作為該曝光特徵值。
5. 如請求項1所述之利用閃光燈輔助偵測焦距的方法，其中該依據該第一影像計算而得至少一曝光特徵值之步驟包含：搜尋該第一影像中之複數個對焦框，每一該些對焦框均具有一對焦框影像；各別計算該些對焦框影像的一曝光值；以及以該些曝光值作為該些曝光特徵值。
6. 如請求項5所述之利用閃光燈輔助偵測焦距的方法，其中該依據該曝光特徵值查閱一焦段對照表獲得一起始對焦位置之步驟包含：分別以該些曝光值於該焦段對照表查閱而得複數個焦距值；以及以該些焦距值的最小值作為該起始對焦位置。
7. 如請求項1所述之利用閃光燈輔助偵測焦距的方法，其中該依據該起始對焦位置執行一對焦程序以得到該目標焦距的步驟包括：依據該起始對焦位置指定一對焦區段；在該對焦區段內的至少三個焦距分別擷取一測焦影像；各別計算該些測焦影像的一清晰值； 以該些清晰值以及與該清晰值對應的該些焦距進行曲線擬合以得到一二次多項式；以及以該二次多項式的斜率為零所對應的該焦距作為該目標焦距。