СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ФОКУСИРОВКИ
AUTOMATIC FOCUSING METHOD

Изобретение относится к области цифровой фото- и видеосъемки, а именно к области автофокусирования цифровых фото- и видеосистем.
Наиболее широкая область применения систем фокусировки - любительские и профессиональные фотоаппараты, кино- и телевизионные съемочные камеры. Другую область применения составляют такие приборы, как диа- и кинопроекторы, фотоувеличители, репродукционные аппараты в полиграфии, микроскопы, системы слежения, узлы бесконтактных оптоэлектронных измерителей линейных размеров и форм поверхностей.
Известны способы автоматического фокусирования [1], [2]. В способе [2] описан алгоритм работы активной системы автофокусирования. Фокусное расстояние определяют, исходя из информации о дальности нахождения объекта, а именно анализируя отраженное излучение от объекта съемки. К недостаткам данного метода относится то, что такая система автофокусирования не будет работать при недостаточном освещении и имеет ограничение на дальность.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ автофокусирования [1] с использованием дискретного вейвлет преобразования, описанный в патенте США №6151415. Автоматическое фокусирование в данном способе осуществляется путем определения максимального значения параметра резкости изображения и соответствующего ему положения фокусирующего устройства. Способ включает в себя:
- вычисление множества различных значений параметров резкости, каждое из которых соответствует различному положению фокусирующего устройства, при помощи проведения дискретного вейвлет преобразования над множеством изображений, захваченных при различных положениях фокусирующего устройства и приведенных из RGB представления в яркостное представление;
- перемещение фокусирующего устройства в положение, соответствующее максимальному значению параметра резкости, определяемому путем сравнений множества вычисленных различных значений параметров резкости.
Рассмотрим более подробно алгоритм сравнения множества вычисленных параметров резкости изображения.
Исходное положение фокусирующего устройства считают первым положением. В первом положении фокусирующего устройства вычисляют параметр резкости. Затем фокусирующее устройство перемещается на один шаг назад - эта позиция считается вторым положением фокусирующего устройства. Во втором положении фокусирующего устройства также вычисляют параметр резкости.
Сравнивают полученные параметры резкости. Если значение второго параметра резкости больше, чем значение первого, то второе положение фокусирующего устройства становится исходным (первым), а соответствующее второму положению фокусирующего устройства значение резкости - первым значением резкости. Вышеописанная последовательность операций продолжается до тех пор, пока значение второго параметра резкости не будет меньше или равно значению первого параметра резкости. Тогда первое положение считается оптимальным положением фокусирующего устройства.
Если значение второго параметра резкости меньше, чем значение первого параметра резкости, тогда фокусирующее устройство перемещают в противоположную от исходного положения сторону, в третье положение, которое находится на один шаг за исходным положением.
В третьем положении фокусирующего устройства вычисляют третий параметр резкости. Если третий параметр резкости больше, чем первый, то третье положение фокусирующего устройства и соответствующее значение параметра резкости считаются исходными (первыми). Причем вышеописанная последовательность операций повторяется до тех пор, пока значение третьего параметра резкости не будет меньше или равно значению исходного (первого) параметра резкости. Тогда первое положение считается оптимальным положением фокусирующего устройства.
Недостатком данного решения является то, что алгоритм определения максимального значения параметра резкости позволяет определить только один локальный максимум параметра резкости. В случаях, когда съемка осуществляется через стекло или когда снимаемый объект находится на фоне удаленного пейзажа или другого удаленного объекта, локальных максимумов параметра резкости может быть несколько, один из которых соответствует снимаемому объекту, другой - фону или стеклу. Следовательно, существует вероятность того, что при перемещении фокусирующего устройства в положение, соответствующее локальному максимуму параметра резкости, в фокусе будет находиться не снимаемый объект, а стекло или фон.
Задачей настоящего изобретения является достижение технического результата, заключающегося в создании алгоритма, повышающего точность фокусировки в таких случаях, как съемка через стекло, съемка на фоне удаленного объекта или группы объектов.
Для достижения названного технического результата предложен следующий способ автоматического фокусирования в видеокамере, заключающийся в том, что в известном способе автоматической фокусировки, включающем:
- вычисление множества различных значений параметров резкости, каждое из которых соответствует различному положению фокусирующего устройства, при помощи проведения дискретного вейвлет преобразования над множеством изображений, захваченных при различных положениях фокусирующего устройства и приведенных из RGB представления в яркостное представление;
- перемещение фокусирующего устройства в положение, соответствующее максимальному значению параметра резкости, определяемому путем сравнений множества вычисленных различных значений параметров резкости,
предложен следующий алгоритм сравнения множества вычисленных различных параметров резкости:
фокусирующее устройство перемещают в одно из крайних положений, вычисляют параметр резкости изображения для данного положения фокусирующего устройства, вычисленное значение параметра резкости принимают за предварительное максимальное значение параметра резкости снимаемого изображения, определяют предварительное максимальное значение параметра резкости снимаемого изображения путем перемещения фокусирующего устройства из одного крайнего положения в другое с шагом, задаваемым при настройках системы фокусирования, вычисления текущего значения параметра резкости изображения, попарного сравнения текущего значения параметра резкости с предварительным максимальным, если текущее значение параметра резкости больше предварительного максимального, то текущее значении параметра резкости принимают за предварительное максимальное значение параметра резкости снимаемого изображения, определяют максимальное значение параметра резкости снимаемого изображения за предзаданное количество этапов уточнения предварительного максимального значения параметра резкости снимаемого изображения, но не менее одного, для чего перемещают фокусирующее устройство в положение, соответствующее предварительному максимальному значению параметра резкости, уменьшают шаг перемещения фокусирующего устройства на величину, определяемую при настройках системы фокусирования, перемещают фокусирующее устройство на один шаг вправо или влево от предварительного максимального значения, вычисляют текущее значение параметра резкости, сравнивают текущее значение параметра резкости с предварительным максимальным, если оно больше предварительного максимального, то текущее значение параметра резкости принимают за предварительное максимальное значение параметра резкости снимаемого изображения, переходят на следующий этап уточнения; в противном случае фокусирующее устройство перемещают на один шаг в противоположном направлении от предварительного максимального значения параметра резкости снимаемого изображения, вычисляют текущее значение параметра резкости, сравнивают текущее значение параметра резкости с предварительным максимальным, если оно больше предварительного максимального, то текущее значение параметра резкости принимают за предварительное максимальное значение параметра резкости снимаемого изображения, переходят на следующий этап уточнения, в противном случае переходят на следующий этап уточнения.
Вышеприведенный способ автоматической фокусировки позволяет сначала определить область нахождения максимального значения параметра резкости при перемещении фокусирующего устройства с большим шагом, а затем вычислить его точное местоположение, перемещая фокусирующее устройство с меньшим шагом в области нахождения максимального значения параметра - это позволяет зафиксировать небольшие изменения снимаемой сцены.
В случае съемки через стекло или при съемке объекта, находящегося на фоне пейзажа или другого удаленного объекта, возникает локальный максимум параметра резкости, соответствующей фокусировке на стекле, пейзаже или удаленном объекте. Данный способ автоматической фокусировки позволяет определить максимальное значение параметра резкости, а значит сфокусироваться именно на снимаемом объекте.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 и фиг.2 изображена схема алгоритма, реализующего предлагаемый способ.
На фиг.3 показана структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.
На фиг.4 приведена зависимость параметра резкости от перемещения фокусирующего устройства при поиске максимального значения параметра резкости при съемке через стекло.
Поиск максимального значения параметра резкости осуществляется следующим способом и приведен на фиг.1 и фиг.2.
При включении видеокамеры объектив перемещают в одно из крайних положений. Затем объектив перемещают в противоположном направлении с предзаданным шагом, при этом на каждом шаге вычисляется значение параметра резкости.
Вычисляют предварительное максимальное значение параметра резкости и положение объектива соответствующее этому значению. По достижении противоположного крайнего положения объектив возвращают в положение соответствующее предварительному максимальному значению параметра резкости. Затем в течение этапов, количество которых не меньше одного, происходит уточнение предзаданного максимального значения параметра резкости, при переходе на первый и на каждый последующий этап происходит уменьшение шага перемещения объектива.
Объектив перемещается на шаг вправо. Если соответствующее значение параметра резкости больше, чем предварительно вычисленное максимальное значение, то новое значение считается предварительно вычисленным максимальным значением. Затем происходит переход на следующий этап уточнения максимального значения параметра резкости.
Если же значение параметра меньше, чем предварительно вычисленное значение резкости, то объектив перемещается на шаг в противоположном направлении от предварительно вычисленного максимального значения. При этом если значение текущего параметра резкости меньше, чем предварительно вычисленное максимальное значение, то объектив перемещается в предварительно вычисленное максимальное значение. Происходит переход на следующий цикл уточнения. Если же значение параметра резкости, соответствующее текущему положению объектива больше, чем предварительно вычисленное максимальное значение, то текущее значение резкости считается предварительно вычисленным максимальным значением резкости, а соответствующее положение объектива - положением объектива предварительно вычисленного максимального значения резкости. Затем происходит переход на следующий этап поиска.
На последнем этапе уточнения предварительно вычисленного максимального значения предварительно вычисленное максимальное значение считают точным максимальным значением параметра резкости. А положение объектива, соответствующее этому значению, есть положение объектива, при котором снимаемое изображение будет в фокусе.
На фиг.3 приведена блок-схема устройства, в котором может быть реализован заявляемый способ. Устройство содержит следующие блоки:
1. Сенсор, связанный с блоком преобразования изображения из RGB представления в яркостное представление;
2. Блок преобразования изображения из RGB представления в яркостное представление, связанный с сенсором и блоком выполнения дискретного вейвлетного преобразования;
3. Блок выполнения дискретного вейвлет преобразования по стандарту JPEG 2000, Wavelet 5/3, связанный с сенсором для захвата изображения и с блоком вычисления параметра резкости;
4. Блок вычисления параметра резкости, связанный с блоком выполнения дискретного вейвлет преобразования и с блоком анализа параметра резкости;
5. Блок анализа параметра резкости, связанный с блоком вычисления параметра резкости и с механизмом управления автофокусировкой;
6. Механизм управления автофокусировкой, связанный с блоком анализа параметра резкости и с сенсором для захвата изображения.
Указанное устройство работает следующим образом: в блоке 1 происходит захват изображения, в блоке 2 преобразуют изображения из RGB представления в яркостное представление. В блоке 3 над поступаемым изображением проводят дискретное вейвлет преобразование, а именно вычисляют коэффициенты высоких и низких пространственных частот, которые передают на блок вычисления параметра резкости. В блоке 4 вычисляют значение параметра резкости как соотношение высоких и низких пространственных частот. В блоке 5 происходит оценка значений параметра резкости, а именно вычисление, его уточнение, вычисление точного максимального значения резкости, а также формирование сигналов для механизма управления автофокусировкой, которые передают на блок 6. В блоке также хранится предварительное максимальное значение параметра резкости и информация о положении объектива, соответствующего предварительному максимальному значению резкости. Механизм управления автофокусировкой перемещает объектив под действием сигналов, поступающих с блока анализа параметра резкости.
На фиг.4 приведена зависимость параметра резкости от перемещения фокусирующего устройства при поиске максимального значения параметра резкости при съемке через стекло.
Первый локальный максимум на фиг.4 соответствует фокусировке на стекле, второй - фокусировке на объекте. Первая область соответствует этапу вычисления приблизительного максимального значения резкости, вторая область соответствует этапу перемещения фокусирующего устройства в положение, соответствующее приблизительному максимальному значению резкости. В третьей области происходит уточнение максимального значения параметра резкости. Заявленный способ позволил избежать выбора в качестве предварительного максимального значения первого локального максимума, соответствующего фокусировке на стекле.
Литература
1. Патент США No 6.151.415, Auto-focusing algorithm using discrete wavelet transform.
2. Патент США No 5.752.115, Autofocus camera with power control for emitted beam.