相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)綜述

劉益

摘要：隨著各種成像設(shè)備自動(dòng)化、智能化的迅速發(fā)展，自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文在簡(jiǎn)要介紹了自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)的概況和發(fā)展情況的基礎(chǔ)上，分析了相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦領(lǐng)域主要技術(shù)和重點(diǎn)專利，統(tǒng)計(jì)了本領(lǐng)域?qū)＠暾?qǐng)的時(shí)間空間分布特點(diǎn)。從專利申請(qǐng)的引證量入手，通過(guò)重點(diǎn)中請(qǐng)日的重點(diǎn)專利，窺探了本領(lǐng)域?qū)＠l(fā)展的歷程和脈絡(luò)，以此從專利角度回顧了本領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)對(duì)焦：專利：技術(shù)分析

1 相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)的發(fā)展

1.1 傳統(tǒng)自動(dòng)對(duì)焦方法

1.1.1 測(cè)距法

測(cè)距法是通過(guò)向被攝物體發(fā)射光波或輻射波，并接收反射波來(lái)測(cè)量目標(biāo)的距離，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)控制自動(dòng)對(duì)焦，主要包括紅外測(cè)距法、激光測(cè)距法、超聲波測(cè)距法等。主要優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，對(duì)于細(xì)條被拍攝物能夠自動(dòng)對(duì)焦，同時(shí)能夠拍攝運(yùn)動(dòng)的物體，對(duì)暗物體或玻璃后面的物體都能進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦。缺點(diǎn)是：不同物體的反射和吸收能力存在差異，從而有隨機(jī)誤差，對(duì)于遠(yuǎn)距離或者小物體的拍攝精確度較差。

1.1.2 像偏移法

像偏移法是利用三角測(cè)距原理，由被攝物體發(fā)出的光線，同時(shí)進(jìn)入左、右兩組接收器，并成像在接收元件上，通過(guò)兩組信號(hào)的對(duì)比求得合適的對(duì)焦位置。被攝物體的距離信息通過(guò)在CCD上成像位置的差異反映出來(lái)，可直接由CCD元件進(jìn)行檢測(cè)和分辨。這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，但CCD元件與光電轉(zhuǎn)換、運(yùn)算系統(tǒng)的電路技術(shù)要求較高，成本也高。

1.2 焦點(diǎn)檢測(cè)自動(dòng)對(duì)焦方法

焦點(diǎn)檢測(cè)法主要用于單反相機(jī)中，它是在鏡頭的焦點(diǎn)附近設(shè)置自動(dòng)對(duì)焦微型組件，將鏡頭焦點(diǎn)直接作為探測(cè)對(duì)象的一種方式，它能夠適應(yīng)各種變焦鏡頭且拍攝距離大。該方法又分為反差檢測(cè)和相位差檢測(cè)兩種。

1.2.1 反差檢測(cè)法（對(duì)比度法）

反差檢測(cè)法（對(duì)比度法）是通過(guò)檢測(cè)圖像的輪廓邊緣實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦的。圖像輪廓邊緣越清晰，則亮度梯度就越大，也就是邊緣處物體和背景之間的對(duì)比度就越大，得到的就是合焦的圖像。反之，離焦的圖像，輪廓邊緣模糊不清，亮度梯度或?qū)Ρ榷认陆担x焦越遠(yuǎn)，對(duì)比度越低。利用這個(gè)原理，將兩個(gè)光電檢測(cè)器放在底片位置的前后相等距離處，被攝景物的像經(jīng)過(guò)分光同時(shí)成在這兩個(gè)檢測(cè)器上，分別輸出其成像的對(duì)比度，經(jīng)運(yùn)算電路進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦控制或指示對(duì)焦方向，當(dāng)兩個(gè)檢測(cè)器所輸出的對(duì)比度相等時(shí)，說(shuō)明對(duì)焦的像面剛好在兩個(gè)檢測(cè)器中間，即和底片的位置重合，于是對(duì)焦完成。

1.2.2 相位差檢測(cè)法

相位差檢測(cè)法是根據(jù)基準(zhǔn)光線和參考光線隨被攝物體距離不同而產(chǎn)生不同的位置差，將該位置差轉(zhuǎn)換算成相位差，將它與不產(chǎn)生相位差時(shí)比較，再根據(jù)對(duì)焦運(yùn)算，得到鏡頭的移動(dòng)量和運(yùn)動(dòng)方向，然后由控制系統(tǒng)控制電機(jī)調(diào)整鏡頭，使其相位差為零，系統(tǒng)就完成對(duì)焦。焦點(diǎn)檢測(cè)法的優(yōu)點(diǎn)是：在一般狀況下能夠較好

地實(shí)現(xiàn)對(duì)焦，檢測(cè)裝置不需要發(fā)射源，能耗少，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離對(duì)焦。其缺點(diǎn)是：對(duì)于運(yùn)動(dòng)的、細(xì)線條的或者是低反差的拍攝體進(jìn)行自動(dòng)對(duì)焦有困難，同時(shí)對(duì)含有偏光特性的物體對(duì)焦也比較困難。

1.3 基于數(shù)字圖像處理的自動(dòng)對(duì)焦方法

在數(shù)字成像系統(tǒng)中，一般應(yīng)用數(shù)字圖像處理的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)對(duì)焦，主要的對(duì)焦方法大致可分為兩類：離焦深度法和對(duì)焦深度法。

1.3.1 離焦深度法

離焦深度法（depth from defocus DFD），是一種從離焦圖像中取得深度信息從而完成自動(dòng)對(duì)焦的方法。這種方法需要獲得2～3幅的不同成像參數(shù)下的圖像，還要求事先用數(shù)學(xué)模型描述成像系統(tǒng)，然后根據(jù)少量的成像位置獲取的圖像來(lái)計(jì)算最佳對(duì)焦位置。因?yàn)殡x焦深度法所需圖像數(shù)量小，大大減少了驅(qū)動(dòng)電機(jī)等機(jī)械機(jī)構(gòu)獲取圖像的次數(shù)，所以速度較快，但是由于信息量少一些的緣故，精度比較低。

1.3.2 對(duì)焦深度法

對(duì)焦深度法（depth from focus，DFF），是一種建立在搜尋過(guò)程上的對(duì)焦方式，它通過(guò)選取一種適當(dāng)?shù)脑u(píng)價(jià)函數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)不同對(duì)焦位置所獲得圖像的清晰度，清晰度值最大時(shí)對(duì)應(yīng)最佳的對(duì)焦位置。這種方法的理論基礎(chǔ)是理想的自動(dòng)對(duì)焦評(píng)價(jià)函數(shù)是單峰值的，在峰值兩側(cè)都是單調(diào)的，在最佳對(duì)焦位置獲得最大值，即峰值點(diǎn)就是對(duì)焦最清楚的位置。

2 從主要技術(shù)和重點(diǎn)專利看技術(shù)發(fā)展歷程

索尼株式會(huì)社JP2005099736（申請(qǐng)日20040720）首次公開(kāi)了一種能夠消除由光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的自動(dòng)聚焦的控制方法、自動(dòng)聚焦控制器和圖像處理器，在計(jì)算多個(gè)聚焦位置處獲得的每個(gè)樣品圖像的聚焦估計(jì)值時(shí)，對(duì)所獲得的樣品圖像進(jìn)行平滑處理，以減少由于光學(xué)系統(tǒng)而引起的亮度的暗和亮的模式，并根據(jù)平滑處理過(guò)的樣品圖像來(lái)計(jì)算聚焦估計(jì)值。

佳能株式會(huì)社JP2009244862（申請(qǐng)日20090303）首次公開(kāi)了使用相位差焦點(diǎn)檢測(cè)方法的焦點(diǎn)檢測(cè)像素的焦點(diǎn)檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了高精度焦點(diǎn)檢測(cè)。在所述焦點(diǎn)檢測(cè)裝置中，布置有多個(gè)像素，每個(gè)像素具有用于將入射光束轉(zhuǎn)換成信號(hào)電荷的光電轉(zhuǎn)換單元和在光電轉(zhuǎn)換單元附近具有焦點(diǎn)位置的微透鏡。該申請(qǐng)的提出將基于圖像處理的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)帶入了一個(gè)新的創(chuàng)新高度。

奧林巴斯株式會(huì)社JP2015023511（申請(qǐng)日20130722）公開(kāi)了一種拍攝裝置以及圖像處理方法，攝像部利用攝像元件拍攝被攝體并輸出拍攝數(shù)據(jù)，所述攝像元件在攝像像素的一部分位置處配置有用于進(jìn)行焦點(diǎn)檢測(cè)的焦點(diǎn)檢測(cè)像素，圖像處理部利用校正系數(shù)校正所述拍攝數(shù)據(jù)中的、從所述焦點(diǎn)檢測(cè)像素輸出的像素?cái)?shù)據(jù)，校正范圍確定部根據(jù)用于在所述攝像元件上形成像的攝影光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)條件，確定所述校正系數(shù)的范圍作為校正范圍。

佳能株式會(huì)社JP2016219888（申請(qǐng)日20150514）首次公開(kāi)了一種用于形成延時(shí)運(yùn)動(dòng)圖像的圖像處理設(shè)備和圖像處理方法，指定針對(duì)用于形成延時(shí)運(yùn)動(dòng)圖像的多個(gè)幀中的第一幀的第一聚焦位置;從記錄介質(zhì)獲取與所述第一幀相對(duì)應(yīng)的第一圖像文件中所包含的第一視差圖像和第二視差圖像;計(jì)算為了聚焦于所述第一聚焦位置而對(duì)所述第一視差圖像和所述第二視差圖像要進(jìn)行的第一聚焦位置移位的第一位移量。截止到該申請(qǐng)的提出，基于圖像處理的自動(dòng)對(duì)焦技術(shù)已經(jīng)非常成熟了，隨后的一些申請(qǐng)都只是簡(jiǎn)單的技術(shù)改進(jìn)或者技術(shù)方案的組合及應(yīng)用，且申請(qǐng)量大幅度降低。

參考文獻(xiàn)

[1]宗光華，孫明磊，畢樹(shù)生，等.顯微視覺(jué)自動(dòng)聚焦研究[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2005，25（9）.