相機自動對焦技術綜述

劉益

摘要：隨著各種成像設備自動化、智能化的迅速發(fā)展，自動對焦技術的應用越來越廣泛，本文在簡要介紹了自動對焦技術的概況和發(fā)展情況的基礎上，分析了相機自動對焦領域主要技術和重點專利，統(tǒng)計了本領域專利申請的時間空間分布特點。從專利申請的引證量入手，通過重點中請日的重點專利，窺探了本領域專利發(fā)展的歷程和脈絡，以此從專利角度回顧了本領域技術的發(fā)展。

關鍵詞：自動對焦：專利：技術分析

1 相機自動對焦技術的發(fā)展

1.1 傳統(tǒng)自動對焦方法

1.1.1 測距法

測距法是通過向被攝物體發(fā)射光波或輻射波，并接收反射波來測量目標的距離，然后通過計算機來控制自動對焦，主要包括紅外測距法、激光測距法、超聲波測距法等。主要優(yōu)點是：結構簡單，可靠性高，對于細條被拍攝物能夠自動對焦，同時能夠拍攝運動的物體，對暗物體或玻璃后面的物體都能進行自動對焦。缺點是：不同物體的反射和吸收能力存在差異，從而有隨機誤差，對于遠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距原理，由被攝物體發(fā)出的光線，同時進入左、右兩組接收器，并成像在接收元件上，通過兩組信號的對比求得合適的對焦位置。被攝物體的距離信息通過在CCD上成像位置的差異反映出來，可直接由CCD元件進行檢測和分辨。這種方式結構簡單、可靠，但CCD元件與光電轉換、運算系統(tǒng)的電路技術要求較高，成本也高。

1.2 焦點檢測自動對焦方法

焦點檢測法主要用于單反相機中，它是在鏡頭的焦點附近設置自動對焦微型組件，將鏡頭焦點直接作為探測對象的一種方式，它能夠適應各種變焦鏡頭且拍攝距離大。該方法又分為反差檢測和相位差檢測兩種。

1.2.1 反差檢測法（對比度法）

反差檢測法（對比度法）是通過檢測圖像的輪廓邊緣實現自動調焦的。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，亮度梯度或對比度下降，離焦越遠，對比度越低。利用這個原理，將兩個光電檢測器放在底片位置的前后相等距離處，被攝景物的像經過分光同時成在這兩個檢測器上，分別輸出其成像的對比度，經運算電路進行自動對焦控制或指示對焦方向，當兩個檢測器所輸出的對比度相等時，說明對焦的像面剛好在兩個檢測器中間，即和底片的位置重合，于是對焦完成。

1.2.2 相位差檢測法

相位差檢測法是根據基準光線和參考光線隨被攝物體距離不同而產生不同的位置差，將該位置差轉換算成相位差，將它與不產生相位差時比較，再根據對焦運算，得到鏡頭的移動量和運動方向，然后由控制系統(tǒng)控制電機調整鏡頭，使其相位差為零，系統(tǒng)就完成對焦。焦點檢測法的優(yōu)點是：在一般狀況下能夠較好

地實現對焦，檢測裝置不需要發(fā)射源，能耗少，能夠實現遠距離對焦。其缺點是：對于運動的、細線條的或者是低反差的拍攝體進行自動對焦有困難，同時對含有偏光特性的物體對焦也比較困難。

1.3 基于數字圖像處理的自動對焦方法

在數字成像系統(tǒng)中，一般應用數字圖像處理的方法來實現自動對焦，主要的對焦方法大致可分為兩類：離焦深度法和對焦深度法。

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對焦的方法。這種方法需要獲得2～3幅的不同成像參數下的圖像，還要求事先用數學模型描述成像系統(tǒng)，然后根據少量的成像位置獲取的圖像來計算最佳對焦位置。因為離焦深度法所需圖像數量小，大大減少了驅動電機等機械機構獲取圖像的次數，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 對焦深度法

對焦深度法（depth from focus，DFF），是一種建立在搜尋過程上的對焦方式，它通過選取一種適當的評價函數來評價不同對焦位置所獲得圖像的清晰度，清晰度值最大時對應最佳的對焦位置。這種方法的理論基礎是理想的自動對焦評價函數是單峰值的，在峰值兩側都是單調的，在最佳對焦位置獲得最大值，即峰值點就是對焦最清楚的位置。

2 從主要技術和重點專利看技術發(fā)展歷程

索尼株式會社JP2005099736（申請日20040720）首次公開了一種能夠消除由光學系統(tǒng)產生的影響而實現穩(wěn)定的自動聚焦的控制方法、自動聚焦控制器和圖像處理器，在計算多個聚焦位置處獲得的每個樣品圖像的聚焦估計值時，對所獲得的樣品圖像進行平滑處理，以減少由于光學系統(tǒng)而引起的亮度的暗和亮的模式，并根據平滑處理過的樣品圖像來計算聚焦估計值。

佳能株式會社JP2009244862（申請日20090303）首次公開了使用相位差焦點檢測方法的焦點檢測像素的焦點檢測裝置，實現了高精度焦點檢測。在所述焦點檢測裝置中，布置有多個像素，每個像素具有用于將入射光束轉換成信號電荷的光電轉換單元和在光電轉換單元附近具有焦點位置的微透鏡。該申請的提出將基于圖像處理的自動對焦技術帶入了一個新的創(chuàng)新高度。

奧林巴斯株式會社JP2015023511（申請日20130722）公開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據，所述攝像元件在攝像像素的一部分位置處配置有用于進行焦點檢測的焦點檢測像素，圖像處理部利用校正系數校正所述拍攝數據中的、從所述焦點檢測像素輸出的像素數據，校正范圍確定部根據用于在所述攝像元件上形成像的攝影光學系統(tǒng)的光學條件，確定所述校正系數的范圍作為校正范圍。

佳能株式會社JP2016219888（申請日20150514）首次公開了一種用于形成延時運動圖像的圖像處理設備和圖像處理方法，指定針對用于形成延時運動圖像的多個幀中的第一幀的第一聚焦位置;從記錄介質獲取與所述第一幀相對應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;計算為了聚焦于所述第一聚焦位置而對所述第一視差圖像和所述第二視差圖像要進行的第一聚焦位置移位的第一位移量。截止到該申請的提出，基于圖像處理的自動對焦技術已經非常成熟了，隨后的一些申請都只是簡單的技術改進或者技術方案的組合及應用，且申請量大幅度降低。

參考文獻

[1]宗光華，孫明磊，畢樹生，等.顯微視覺自動聚焦研究[J].光學學報，2005，25（9）.