自动对焦方法

1、一种自动对焦方法，用于调整一光学摄像系统对标的物的图像焦距，上述光学摄像 系统包含一光学组件及一焦距调整机构，上述自动对焦方法包含下述步骤：设定标的物的对 焦参考位置；上述焦距调整机构在可调焦距范围内逐步调整上述光学组件的焦距且转换该对 焦参考位置的图像为电信号，并计算该电信号的特征值，记录具有最佳特征值的聚焦位置； 以及上述焦距调整机构将上述光学组件调整至上述具有最佳特征值的聚焦位置，其特征在 于：其中设定标的物的对焦参考位置包含：选择该标的物的若干个区域或线位置，以上述光 学组件转换该若干个区域位置的图像为电信号；计算上述若干个区域或线位置的电信号的特 征值，记录具有最佳特性值的区域或线位置，并以该位置为对焦参考位置；其中计算上述电 信号的特征值包含：依序计算该电信号每对相邻峰对峰值的差值；及累加所有上述差值，该 累计值为特征值；所述最佳特征值为最大上述累计值。
2、如权利要求1所述的自动对焦方法，其特征在于：其中上述对焦参考位置的图像是 一线性图像。
3、如权利要求1所述的自动对焦方法，其特征在于：其中上述对焦参考位置的图像是 一区域图像。
4、如权利要求1所述的自动对焦方法，其特征在于：其中上述差值小于一预设阀值时， 该差值不累加至上述累计值中。
5、如权利要求1所述的自动对焦方法，其特征在于：其中记录具有最佳特征值的聚焦 位置包含：记录最初焦距的图像的电信号特征值为记录值；及逐步比较目前计算的特征值与 记录值，并记录两者较大特征值的聚焦位置。
6、如权利要求1所述的自动对焦方法，其特征在于：其中记录具有最佳特征值的区域 或线位置为对焦参考位置包含；记录最初区域或线位置图像的电信号特征值为记录值；逐步 比较目前计算的特征值与记录值，并记录两者较大特征值及其区域或线位置；以及最终记录 的区域或线位置为对焦参考位置。
7、如权利要求1所述的自动对焦方法，其特征在于：其中计算上述电信号的特征值包 含：依序计算该电信号的每对相邻区域最大值与区域最小值的差值；以及累加所有上述差 值，该累计值为特征值。
8、如权利要求1所述的自动对焦方法，其特征在于：其中上述电信号为图像灰度对比 信号。
9、如权利要求1所述的自动对焦方法，其特征在于：该方法用于平台式扫描装置，自 动调整一光学摄像系统对扫描文件的图像焦距，上述光学摄像系统至少包括一透镜、一CCD 和一焦距调整机构，上述自动对焦方法包括：设定扫描文件的一扫描线位置为对焦参考位 置；上述焦距调整机构在可调整焦距范围内逐步调整上述CCD对该扫描文件的像距及/或物 距，且由该CCD转换对焦参考位置的图像为信号，并计算上述电信号的特征值，记录具有 最佳特征值的聚焦位置，以及上述焦距调整机构将光学摄像系统调整至上述具有最有特征值 的聚焦位置。
10、如权利要求9所述的自动对焦方法，其特征在于：其中设定扫描文件的一扫描线位 置为对焦参考位置包含：在预扫描时，转换若干条扫描线图像为电信号，并计算这些若干条 扫描图像的电信号的特征值，记录具有最佳特征值的扫描线位置为对焦参考位置。

所属领域\n本发明涉及一种自动对焦方法，特别是一种在光学摄像系统中调整图像焦距的自动对焦 方法。\n背景技术\n在传统的图像输入装置中，如电子式微缩图像投影机、显微镜、照相机与摄像机等，都 是在摄取图像前必需进行对焦动作，以获得较佳的图像质量。然而，这些传统图像输入装置 很多还是手动对焦，因此，随使用者的不同，所取的图像质量不一。此外，如图像扫描器的 图像输入装置所包含的光学系统常常用作被分析物或被扫描物在光学感应器(Optical Sensor) 如CCD上所成像的灰度分布(Grey Distribution)或对比(Contract)信号，经过一连串运算处理 反馈至系统控制器后，作为光路上相关光学元件(如扫描平台、透镜、CCD等)进行自动调 整的依据，进而达到自动对焦(Auto Focns)效果。\n在相关的现有技术中，自动对焦的方法有一种是利用事先设计好的参考图样(Reference Pattern)贴在被扫描物的固定位置上，再由光学感应器针对上述参考图样所显像的对焦程度 来调整光学元件的焦距，以达到自动对焦的目的。但是，这种利用参考图像贴于被扫描物上 的自动对焦方法，虽然有助于光学机构在每次对焦时，只需在特定位置上进行取样对焦，以 缩短自动对焦时间，可是粘贴的参考图样并不能确实反映被扫描物本身的灰度分布与对比的 最佳状态，充其量是以对考图样的对焦状态当作被扫描物的对焦依据，所以摄取的图像有可 能会产生参考图样清晰而被扫描物本身图像模糊的情形。\n另外，现有技术中在调整光学元件的方法上，有利用逼近方式来找对焦状态，该逼近方 式是以光学元件所在的非对焦状态为起始位置(Home Position)，逐次调整该光学元件的焦距 以逼近找出较佳的对焦状态。然而，利用逼近方式调整光学元件的焦距容易产生来自机械所 引起的杂讯干扰，影响图像摄取质量及对焦的精确度，且逼近找出的对焦状态可能只是相对 对焦状态，并非对焦中的绝对对焦状态。如图1所示，显示光学元件在焦距范围的对焦状态， 曲线1表示焦距范围中的对焦状态。当光学元件以位置A为起始位置(Home Position)，并由 传动机构带动光学元件逐渐开始往较佳的对焦状态逼近，因此，所逼近找出的对焦状态仅停 留在位置B上，而焦距范围内的绝对对焦状态却是在位置C上。虽然，该逼近方式在每次自 动对焦时可在不特定时间内找出对焦状态结果，但不能保证每次找出的结果是最佳对焦状 态。\n现有技术中，美国第4,762,985号专利《AUTO-FOCUS APPARTUS APPLIED TO IMAGE READING APPARTUS AND THE LIKE》中揭示的自动对焦技术是利用设定 动态阀值来取得焦距范围的对焦状态。参见图2、图3，这种对焦技术由扫描信号2产生的 对焦状态3。当被扫描物在CCD所成像的对比较平滑时，动态调整的阀值TC将产生相对的 对焦状态3，而平滑的对焦状态将使光学元件不易在焦距范围中决定出绝对对焦状态的位 置。\n发明内容\n本发明的目的是提供一种运算分析简易、自动对焦效果高，且对光学系统限制小的自动 对焦方法。该方法是不需增加参考图样的辅助和在图像输入装置上加装特殊机构，并保持自 动对焦的传动机构近似等速运动的线性扫描来降低机械干扰，以获得被扫描物的绝对对焦状 态而非逼近的相对对焦状态的自动对焦方法。\n本发明的自动对焦方法，用于调整一光学摄像系统对标的物的图像焦距，上述光学摄像 系统包含一光学组件及一焦距调整机构，上述自动对焦方法包含下述步骤：设定标的物的对 焦参考位置；上述焦距调整机构在可调焦距范围内逐步调整上述光学组件的焦距且转换该对 焦参考位置的图像为电信号，并计算该电信号的特征值，记录具有最佳特征值的聚焦位置； 以及上述焦距调整机构将上述光学组件调整至上述具有最佳特征值的聚焦位置，其中设定标 的物的对焦参考位置包含：选择该标的物的若干个区域或线位置，以上述光学组件转换该若 干个区域位置的图像为电信号；计算上述若干个区域或线位置的电信号的特征值，记录具有 最佳特性值的区域或线位置，并以该位置为对焦参考位置；其中计算上述电信号的特征值包 含：依序计算该电信号每对相邻峰对峰值的差值；及累加所有上述差值，该累计值为特征值； 所述最佳特征值为最大上述累计值。\n其中上述对焦参考位置的图像是一线性图像。\n其中上述对焦参考位置的图像是一区域图像。\n其中上述差值小于一预设阀值时，该差值不累加至上述累计值中。\n其中记录具有最佳特征值的聚焦位置包含：记录最初焦距的图像的电信号特征值为记录 值；及逐步比较目前计算的特征值与记录值，并记录两者较大特征值的聚焦位置。\n其中记录具有最佳特征值的区域或线位置为对焦参考位置包含：记录最初区域或线位置 图像的电信号特征值为记录值；逐步比较目前计算的特征值与记录值，并记录两者较大特征 值及其区域或线位置；以及最终记录的区域或线位置为对焦参考位置。\n其中计算上述电信号的特征值包含：依序计算该电信号的每对相邻区域最大值与区域最 小值的差值；以及累加所有上述差值，该累计值为特征值。\n其中上述最佳特征值为最大上述累计值。\n其中上述电信号为图像对比信号。\n本发明用于平台式扫描装置，以自动调整一光学摄像系统对扫描文件的图像焦距，上述 光学摄像系统至少包括一透镜、一CCD和一焦距调整机构，上述自动对焦方法包括：设定 扫描文件的一扫描线位置为对焦参考位置；上述焦距调整机构在可调整焦距范围内逐步调整 上述CCD对该扫描文件的像距及/或物距，且由该CCD转换对焦参考位置的图像为信号， 并计算上述电信号的特征值，记录具有最佳特征值的聚焦位置，以及上述焦距调整机构将光 学摄像系统调整至上述具有最有特征值的聚焦位置。\n其中设定扫描文件的一扫描线位置为对焦参考位置包含：在预扫描时，转换若干条扫描 线图像为电信号，并计算这些若干条扫描图像的电信号的特征值，记录具有最佳特征值的扫 描线位置为对焦参考位置。\n其中计算上述电信号的特征值包含；依序计算该电信号每次对相邻峰对峰值的差值；及 累加所有上述差值，该累计值为特征值。\n其中上述差值小于一预设阀值时，该差值不累加至上述累计值中。\n其中上述最佳特征值为最大上述累计值。\n其中记录具有最佳特征值包含：记录最初扫描线或焦距图像的电信号特征值为记录值； 及逐步比较目前计算的特征值与记录值，并记录两者较大特征值及其扫描线或聚焦位置。\n其中计算上述电信号的特征值包含：依序计算该电信号的每对相邻区域最大值与区域最 小值的差值；以及累加所有上述差值，该累计值为特征值。\n其中上述最佳特征值为最大上述累计值。\n其中上述电信号为图像对比信号。\n本发明的自动对焦方法是找出被扫描物中灰度分布最广或对比最强的位置(如图像扫描 器所使用的状态)，或是将镜头对准欲对焦的位置(如电子显微镜或微缩影投影机所使用的 状态)，并设定光学元件(CCD)焦距的可调范围，当启动自动对焦指令时，焦距调整机构 以近似等速运动带动光学元件找出对应不同光程或焦距的图像电信号特征值，并在上述线性 扫描过程中同时对图像信号的特征值做逐步线性分析比较，只保留扫描至该处之前的最佳特 征值及其所对应的焦距位置。最后利用焦距调整机构调整光学元件至所有焦距位置中具有最 佳特征值的对应焦距，就完成自动对焦程序。\n本发明的自动对焦方法及其诸多优点、特征，可从下述详细说明和附图中得到进一步了 解。\n附图说明\n图1是现有技术中以逼近方式找出相对对焦状态的示意图。\n图2、图3是美国专利中介绍的利用动态阀值设定决定对焦状态的示意图。\n图4是现在的光学系统进行对焦的示意图。\n图5-图9是对焦状态的图像信号图。\n图10是本发明自动对焦的流程图。\n图11是本发明计算扫描线的对焦状态流程图。\n图12、图13是本发明利用动态阀值过滤杂讯的图像信号图。\n具体实施方式\n首先参见图4所示的现在的光学摄像系统的光学路径及其进行对焦的示意图，即为常见 的穿透式光学扫描器的应用。光源11使对焦物或被扫描物12，如微缩影胶卷、底片或透光 文件上的图像沿光学路径经过透镜13成像于数字摄像装置(如CCD)14。该光学摄像系统 还具有焦距调整机构(图中未示)，该焦距调整装置可藉由后面叙述的自动对焦方法的控制， 沿着图4中方向15移动相关的光学元件(如CCD14，透镜13或元件12)的位置，使该光 学摄像装置对于扫描文件获得最佳焦距。\n参见图5-图9所示的被扫描物12在数字摄像装置14上所获得的图像信号，其中图5 的被扫描物12是一举例说明本发明方法的参考式样，图6是光学摄像系统对焦(Just-focus state)时，光学摄像装置每一点的电信号大小曲线21，图7是对焦不好的光学摄像装置每一 点的电信号大小曲线22。\n当光学摄像系统处于最佳对焦状态时，曲线21所表现出在相对位置上随灰度分布的图 像电信号对比强烈；如处于非对焦状态(out＝of＝focus-state)时，曲线22就会表现出相对位 置上随灰度分布的图像电信号对比模糊。\n因此本发明自动对焦方法是利用光学摄像系统在不同焦距下，光学摄像装置所感测的图 像电信号的不同特征来进行自动对焦的动作。若将ΔI定义为图像电信号的区域最大值Imax与 区域最小值Imin差值(或相邻峰对峰值)，即ΔI＝Imax＝Imin，则由曲线21与22的差异可了解到， 最佳对焦状态下的图像电信号的ΔI大于对焦不好状态下图像电信号的ΔI，即最佳对焦状态 下的图像对比比较强烈。所以，将图像电信号的特征值定义为该电信号的ΔI累计值，以作 为自动对焦时的参考值。对应曲线21与22，其ΔI的脉冲曲线分别显示在图8及图9的曲线 23与24。所以，本发明是在不同焦距状况下，计算光学元件的扫描线的图像电信号的特征 值α，即α＝∑ΔI，并以具有最大特征值的焦距状况为最佳的聚焦位置。\n参见图10所示的本发明自动对焦方法的流程图。本发明的自动对焦程序首先由程序310 开始操作，依箭头所示，流程详述如下。\n程序310：设定扫描文件的一扫描线作为自动聚焦的参考扫描线。\n程序320：以焦距调整机构将光学摄像系统的焦距调整至初始位置(Home position)， 并清除读写存储器。\n程序330：由数字摄像装置(CCD)将参考扫描线图像转换为电信号。\n程序340：计算程序330所摄取的扫描线图像的电信号的特征数α，即计算α＝∑ΔI\n程序350：目前扫描线的特征值α是否大于存储器内储存的记录值；是，则跳至程序360； 否则，流程直接跳至程序370。\n程序360：记录特征值α及该扫描线对应的焦距位置至读写存储器。\n程序370：焦距调整机构是否已调整所有的焦距位置；是，则跳至程序380；否则，调 整至下一个焦距位置，并跳回至程序330。\n程序380：焦距调整机构调整光学元件至所记录的焦距位置，即具有最大特征值α的位 置。\n当完成程序380的操作，该光学摄像系统在其可调整的焦距范围内达到最佳的对焦状态 (just-focus state)\n在上述自动对焦程序中，由程序330至程序370所形成的回路中，读写存储器只记录 一组数据，即只保留由初始焦距位置扫描至目前焦距位置之间的最佳对焦状态的特征值α及 其所对应的焦距位置，所以不需额外的存储容量，使成本降低，而且上述回路对图像电信号 运算分析简易迅速，使得焦距调整机构可以近似等速运动方式带动光学元件进行线性扫描， 将有效地减低来自机构扰动所引起的图像杂讯。\n接着参见图11所示的本发明自动对焦方法中，程序340计算扫描线图像的电信号特征 值α的流程图。首先由程序341开始操作，依箭头所示流程详述如下：\n程序341：设定扫描线第一个图素位置开始计算。\n程序342：寻找一个周期；由设定位置往下找出区域最小值Imin，接着往下找出紧接的区 域最大值Imax为一个周期出现。\n程序343：计算差值ΔI＝Imax＝Imin，\n程序344：累加差值ΔI至累计值∑ΔI。\n程序345：是否已至扫描线最后一个图素位置；是，则跳至程序346；否则，流程回至 程序342。\n程序346：将计算结果累计值∑ΔI值当作扫描线的特征值传至程序350。\n当完成程序346的操作，即完成该扫描线在其焦距位置上的特征值计算。因此，上述回 路重复程序340便可依传动机构所设的焦距范围计算每一移动位置的特征值，而找出最佳对 焦状态。\n值得一提的是本发明自动对焦方法中，焦距范围可由该系统的光学特性及传动机构容忍 度(即Zoom In与Zoom Out范围)决定，而所找出的具有最佳特征值{∑ΔI}max的对焦状 态，即为对焦物或被扫描物的最佳图像解析度，且计算所有可调整的焦距位置的特征值，可 确保找到绝对对焦状态，并以每次固定扫描时间求得，而非其他逼近方式所找的相对对焦状 态。\n请再参见图4，在平台式扫描器的应用上，被扫描物或扫描文件12放置于扫描平台(未 显示)上，而根据本发明的自动对焦方法时，程序310的选择参考扫描线可在预扫描时运行。 即在预扫描时找出空间频率及对比分布最大的扫描线位置作为自动对焦的参考扫描线；这样 可避免以低频、低对比的扫描线作为对焦参考位置，以确保自动对焦的效果。\n在上述预扫描动作的过程中，选择参考扫描线的方式与上述自动对焦时选择最佳焦距位 置的原理是相同的(如图10的流程图)，即计算每一扫描线的特征值，并以具有最大特征 值的扫描线位置作为自动对焦的参考位置。\n因此，本发明自动对焦方法在平台式扫描器中实施时，可分为两阶段来进行。第一阶段 先在预扫描时分析计算并选择被扫描物的高空间频率及高对比分布的扫描线作为对焦参考 位置，再将光学元件移至上述对焦参考位置上进行第二阶段对焦调整；第二阶段在光学元件 的距焦方向15上分析计算焦距范围内的参考扫描线的电信号特征值∑ΔI，并找出最佳特征值 {∑ΔI}max所对应的焦距位置，完成自动对焦程序。\n光学扫描器根据本发明所实施的自动对焦方法，将可决定出被扫描物在扫描平台上的最 佳图像清晰度的对焦状态。而利用预扫描动作来过滤低空间频率、低对比部份的原因在于被 扫描图像(例如较复杂图像的照片，或包含部份曝光的图像)可能含有不同的空间频率及对 比分布，所以利用特征值α来过滤低频、低对比部份而以高空间频率、高对比的位置当作对 焦参考位置，将使整体扫描质量得以确保。反之，若是以低空间频率、较模糊对比(曝光过 度)的位置取得对焦参考位置，将无法确保高空间频率时的最佳对焦状态。\n参见图12、图13所示的本发明利用动态阀值的设定过滤图像杂讯的示意图。对于引起 杂讯效应的原因有来自光学干扰、机械扰动、电子杂讯等，而对于杂讯效应较为明显的系统， 则在自动对焦程序中引进动态阀值(Dynamic Threshold Value)β(ΔIn，n)，将杂讯过程的规则 形为：\nif ΔIi＝(Iimax-Iimin)＜β，then ΔIi，＝O\n在图12、图13中，线25的电讯号的ΔIi经由动态阀值β的过滤，可获得如线26所示 的电讯号的ΔIi。这样，虽然会损失些微的图像电讯号，但此负效应在非对焦状态(out-of- focus state)比刚好对焦状态(just-focus-state)时来得严重。如此一来，除了藉由阀值β过滤杂 讯外，更能凸显出刚好对焦状态时{∑ΔI}max值与非对焦状态时的ΔI之间的差异。\n根据本发明自动对焦方法实施于图像输入装置中，如平台影像扫描器、数字照相机或数 字式摄像机等，将可有效解决现有技术利用手动对焦或仅找出相对的对焦状态的缺陷与不 便，且本发明自动对焦方法运算分析简易、自动对焦效率高，对图像输入装置的光学系统限 制小；本发明实际上应用简易，除基本传动机构(如扫描驱动机构与焦距调整机构)外，并 不需要增加任何特殊设备，而计算自动对焦效益不受被扫描物的内容(空间频率及对比)所 影响，且自动对焦直接以被扫描物最佳对应位置为参考，可以使图像更为逼真。\n本发明自动对焦过程中，可利用动态阀值来降低杂讯的干扰，使对焦效果更佳，且保持 自动对焦的传动机构近似于等速运动，可有效降低来自机械扰动所引起的杂讯，更易于获得 较为绝对的对焦状态。\n本发明利用整段行程作线性扫描可确保找到绝对对焦状态的自动对焦方法，使每次扫描 时间固定且迅速，优于其他逼近方式所找出的相对对焦状态，且扫描时间不特定。