CN1081801C - 用于自动变焦的目标跟踪方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种在具有存储器(70)、变焦编码器(20)、微计算机(80)以及变焦电机(90)的摄象机中用于自动变焦的目标跟踪方法及装置。其中，存储器用于存储多个变焦跟踪轨迹的数据；编码器用于输出显示变焦透镜(11)位置的变焦位置信号；微计算机用于检测变焦位置的变化量；变焦电机用于根据所检测的变焦速度可变地控制变焦透镜位置。

Description

用于自动变焦的目标跟踪方法及其装置

本发明，涉及一种用于在摄象机中自动变焦的目标跟踪方法及其装置，尤其涉及一种用于通过对目标或者使用摄录机的摄影者的移动方向及其速率变化的适应，而保持恒定视角的目标跟踪方法及装置。

一般而言，一台摄象机具有用于变焦的变焦透镜，其位置由一个变焦电机改变，以便实现可变画面放大功能。为简化变焦电机的驱动电路，变焦电机通常以预定恒定速度驱动。

作为摄象机的变焦透镜的聚焦系统，使用亮度信号的内部聚焦系统以及使用红外光束的前端聚焦系统已被用于调节焦距。

图1是使用普通内部聚焦系统的摄象机的部分结构框图。在图1中，被拍摄的目标的光信息通过变焦透镜1a和聚焦透镜1b，其光量由光圈1c控制，以使其由电荷耦合器件(CCD)1d转换为一个电信号。该电信号经视频处理器4作为一个视频信号输出。

变焦透镜1a的位置信号(下文称为变焦位置信号)由变焦编码器2检测，该信号指明变焦透镜1a的位置。变焦位置信号由微计算机6内的一个模一数(A/D)转换器加以数字化。

同时，一个自动聚焦(AF)处理器5利用视频处理器4的输出信号的一个光度信号的高波段分量检测一个AF计算值。在此，当使用一个AF电机8a作为一个步进电机时，利用了一个光传感器3，以判定步进电机的中心位置，即聚焦透镜1b的中心。在系统初始(例如，接通电源)时，光传感器3驱动AF电机8a，并且将聚焦透镜1b定位在其距离中心，以便感知聚焦透镜1b的中心，以执行AF功能。

微计算机6，利用自AF处理器5输出的AF计算值，向AF电机驱动电路8输出一个驱动时钟信号，以便在最大AF计算点聚焦。另外，微计算机向一个变焦电机驱动电路7输出一个驱动时钟信号，以使将变焦透镜1a移到相应于用户所设置的变焦选择信号的变焦位置。

当变焦电机驱动电路7利用驱动时钟信号驱动变焦电机7a时，微计算机6通过由变焦编码器2输出的一个变焦位置信号，决定用户是否已经选择了一个变焦位置，以便控制变焦操作。

然而，在这样的系统中，当被拍摄的目标移前或移后时，或者摄影者移前或移后时，为使目标可视尺寸相对于屏幕保持恒定，换言之，为保持恒定的视角，变焦操作通过一个移向/移离选择键以一个固定的变焦速度得以控制。因为变焦操作以一个预定的速度进行，而不管目标或摄影者的移动速度，所以难于在屏幕上维持目标的一个恒定的所视尺寸。再者，因为移向/移离选择键是手动操作的，所以变焦操作的熟练使用对初学摄影者是相当困难的。

同时，在美国专利申请No.4,991,944中公开了一种变焦驱动装置，它在变焦操作期间不破坏焦点对准状态。在该装置中，为执行变焦操作，摄影者必须以一定方向手动操作一个变焦开关，并且变焦速度不能根据屏幕中目标的改变而相应变化，使得目标不能在屏幕上以固定尺寸被拍摄。

因此，本发明的一个目的在于，提供一种用于摄象机自动变焦的目标跟踪方法，该摄象机在适应目标或摄影者的移动方向及速率的同时，能够改变变焦速度，以便保持固定的视角，并允许摄影者在屏幕上按所需的尺寸拍摄目标。

本发明的另一目的在于，提供一种实现上述方法的用于自动变焦的目标跟踪装置。

为达到第一目的，提供有一种用于在具有变焦功能的摄象机中自动变焦的目标跟踪方法，包括步骤：

读取多个变焦跟踪轨迹的数据，这些轨迹显示了在物距保持恒定时，变焦透镜的距离变化与聚焦透镜的距离变化之间的关系；

检测变焦位置信号，该信号表示变焦透镜位置；

检测与目标的距离变化相应的变焦位置的变化量，该检测利用了在变焦跟踪轨迹数据读取步骤中所读取的数据以及变焦位置信号；以及

根据所检测的变焦速度，可变化地调节变焦透镜位置。为达到第二目的，提供有一种用于在具有变焦功能的摄象机中自动变焦的目标跟踪装置，包括：

一个用于存储多个变焦跟踪轨迹的数据的存储器，这些轨迹显示了在物距保持恒定时，变焦透镜的距离变化和聚焦透镜的距离变化之间的关系；

一个用于输出变焦位置信号的变焦位置检测器，该信号表示变焦透镜位置；

一个用于检测与目标距离变化相应的变焦位置变化量的变焦速度检测器，该检测利用了存储于存储器内的数据以及变焦位置信号；以及

一个用于根据所检测的变焦速度可变地控制变焦透镜位置的变焦驱动电路。

本发明的上述目的及其他优点，在通过下面结给附图对其实施例进行详细说明之后将会更加明显。

图1是一般摄象机的部分框图；

图2是根据本发明的用于自动变焦的目标跟踪方法的一个实施例的流程图；

图3是实现图2流程图的一个设备的框图；

图4的变焦跟踪图显示了变焦距离变化和聚焦位置之间的关系；

图5A、5B和5C图示了一个目标根据沿图4的变焦跟踪图的变焦位置的变化而在屏幕中的距离变化；以及

图6图示了焦距、目标距离和视角之间的根据目标距离变化的关系。

参照图2，S1是用于设置一种自动变焦方式的步骤。S2、S3和S4是用于检测变焦位置的步骤。S5是用于检测目标距离变化的步骤。S6和S7是用于检测变焦变化量的步骤。S8、S9和S10是用于控制变焦操作的步骤。

参照图3，本发明的用于自动变焦的目标跟踪装置，包括：一个透镜部分10，它构造为具有一个用于可变化地放大画面的变焦透镜11、一个用于控制聚焦的聚焦透镜12、一个用于控制经聚焦透镜12入射的光量的光圈13，以及一个用于将来自光圈13的光信号转换为电信号的CCD14。另外，目标跟踪装置还包括：

一个变焦编码器20，用于输出指明变焦透镜11位置的变焦位置信号，

一个光传感器30，设置在聚焦透镜12能够变化的最大范围的中心处(参照聚焦位置)，用于检测聚焦透镜12的当前中心位置，

一个视频处理器40，用于按通常的方式处理自CCD14输出的电信号，以便输出一个视频信号(例如，一个NTSC信号)，

一个AF处理器50，用于对自视频处理器40输出的视频信号的亮度信号的高波段分量进行A/D转换，并用于利用一个值来检测一个AF计算值，在其中，相应于目标境态的聚焦区域被积分了一预定时段(此处为半帧——one field)，

一个键输入装置60，具有用于设置自动变焦方式的自动变焦键，

一个ROM 70，用于存储多个变焦跟踪轨迹的数据，这些轨迹显示了当目标距离保持恒定时，根据变焦透镜11距离变化的聚焦透镜12的距离变化，

一个微计算机80，用于当按压自动变焦键时，利用存储于ROM 70的数据，并根据目标变化量输出用于驱动变焦电机91的第一驱动时钟信号，以改变变焦透镜11的位置，以及输出用于驱动AF电机101的第二驱动时钟信号，以检测自AF处理器50输出的最大AF计算值，

一个变焦电机驱动电路90，用于根据自微计算机80输出的第一驱动时钟信号控制变焦透镜11的位移量，以及

一个AF电机驱动电路100，用于根据自微计算机80输出的第二驱动时钟信号控制聚焦透镜12的位移量。

现在，参照附图3详述图2的流程图。

在图2中，当以所需的视角拍摄目标时，为保持这样一种状态，确定用户是否在步骤S1按了自动变焦键。自动变焦键可以分离于移向/移离选择键而设置。本发明的自动变焦操作也可以由自动方式设置键执行。

在步骤S2，当输入自动变焦键，从而优化聚焦时，自变焦编码器20所输出的一个变焦位置信号(下文称为初始变焦位置信号)在微计算机80内的A/D转换器中被转换为数字量。在此，若变焦编码器20由可变电阻组成，则从变焦编码器20中以电压信号形式输出变焦位置信号。此时，变焦透镜的初始焦距F0能够由初始变焦位置信号指示。

在步骤S3，根据初始变焦位置指明一个最优聚焦位置的AF电机101的计数值从ROM70中读出，以检测目标的距离(下文称为物距)。

在此，ROM70可以设置在微计算机内部。ROM存储如图4所示的变焦跟踪轨迹数据，即变焦电机91根据变焦透镜11位置的计数量，以及AF电机101根据指明最优聚焦状态的聚焦透镜12的位置计数值。变焦电机91和AF电机101能够利用步进电机，直流电机或者音圈马达。当使用步进电机时，透镜中心利用光传感器确定。

这里，显示变焦位置和聚焦位置之间的关系的变焦跟踪轨迹，根据摄象机和目标的距离(下文称为目标距离)存储在ROM70中。目标距离分为预定数目N。变焦跟踪轨迹的特性是根据所用透镜种类确定的。因此，利用变焦位置和聚焦位置，一个相应的变焦跟踪轨迹和变焦跟踪轨迹所指明的距离，即目标距离便得以确定。

在步骤S4，利用在步骤S2所检测的初始变焦位置，以及用作AF电机101的步进电机的计数值(下文称为初始聚焦位置计数，它显示了根据步骤S3的初始变焦位置的聚焦位置)所检测的初始物距，计算所视目标的初始尺寸。

在步骤S5，确定目标的显示尺寸是否已经根据目标或者摄影者的移动而发生变化。

这里，所视目标的尺寸变化，由微计算机80根据自AF处理器50输出的最大AF计算值的变化，得以感知。用于检测该最大值的AF控制器已在IEEE Translation on Consumer Electronics(卷CE-29，第3期，1993年8月)以及日本公开专利No.平成2-114773中公开。

在步骤S6，当所视目标的尺寸变化出现于屏幕时，即在步骤S5目标或摄影者移动时，AF处理器50检测最优聚焦状态，并从ROM 70中读取与最优聚焦状态中聚焦位置相应的AF电机的计数值(下文称为当前聚焦位置计数)。另外，因为在跟踪轨迹(图4)中，相应于初始变焦位置处的当前聚焦位置的计数值的一个变焦跟踪轨迹所指明的物距成为当前目标距离，所以微计算机80检测当前目标距离。

在步骤S7，变焦位置的变化量利用初始物距、当前物距和一个预定的CCD高度得以检测。这里，变焦位置的变化量成为变焦透镜的当前焦距，因而，能够相应于所视目标的尺寸变化而保持所视目标的初始尺寸。

初始聚焦位置计数，以及相应于所视目标的尺寸变化的当前聚焦位置计数在步骤S8加以比较。

若当前聚焦位置计数大于初始聚焦位置计数，则当前物距已短于初始物距，这指明目标已经移近(参照图4)。在这种情形下，步骤S9在广(wide)方向上驱动变焦电机91，以改变变焦位置，改变量与在步骤S7所检测的变焦距离变化相等。

同时，若当前聚焦位置计数小于初始聚位置计数，则当前物距已长于初始物距，这指明目标已经移离(参照图4)。在这种形情下，步骤S10在远(tele)方向上驱动变焦电机91，以再次改变变焦位置，改变量与在步骤S7中所检测的变焦距离变化相等。

本发明的自动变焦操作(适应于所视目标的所视尺寸的变化)，将参照图4、5A-5C和6加以说明。

首先，如图4所示，以最优聚焦的初始位置A或B的视角拍摄一个目标。然后，当物距变化时，视角如图5B或5C发生变化。

在此，在图5B的情形下，目标从位置A移到位置A′，如图4所示。在图5C的情形下，目标从位置B移到位置B′。

为避免视角变为不适，如图5B和5C所示，改变变焦位置，即变焦速度，使得即使物距发生变化时，图5A的初始视角也得以保持。

特别是，当物距从图4的位置A改变到位置A′时，所得画面的视角从图5A的视角变为图5B的视角。然后，若变焦透镜从初始变焦位置AZ移到位置AZ′(向图4的广方向上)，则图5B的视角被调整为图5A的视角。

若物距从图4的B改变到B′，则所得画面的视角从图5A的视角改变为图5C的视角。当变焦透镜在远方向上从初始变焦位置BZ移至BZ′时，图5C的视角被调整为图5A的视角。

图6图示了当物距发生变化时，焦距、物距和视角之间的关系，现分两种情形加以说明。

情形1：物距从位置P移至位置Q(即，当摄影者移近目标，并且变焦透镜从A移至A′时)。

为找到一个指明变焦位置的变化度的焦距f1，首先，利用自变焦编码器20所检测的变焦位置信号获得焦距f0。通过从ROM70读取初始变焦位置的最优聚焦位置数据(ROM70中存储有变焦跟踪轨迹数据，这些数据显示了在物距保持恒定时，聚焦位置的变化与变焦位置的变化之间的关系)，并通过找到相应于读出数据的变焦跟踪轨迹，获得目标距离L。于是，由变焦跟踪轨迹所指明的距离得以检测。

在图6中，H0表示目标的高度(尺寸)，Hc表示目标在CCD表面上的投影高度，f0和f1表示在位置P和Q的焦距，以及L0和L1表示在位置P和Q的目标距离。假设L＞＞f且L≈L0。

这里，因为为使目标高度H0保持固定，假设H0在目标移动时恒定。摄象机屏幕的尺寸与CCD表面14的高度Hc成正比。Hc具有恒值。因此， $\tan \frac{{\mathrm{\θ}}^{\′}}{2}=\frac{H0/2}{L0}=\frac{\mathrm{Hc}/2}{f0}----\left(1\right)$

当在目标的初始位置P处产生光学聚焦时，从存储于上述ROM70中的数据可知被拍摄目标的初始距离L0。

根据等式(1)， $H0=\mathrm{Hc}\left[\frac{L0}{f0}\right]----\left(2\right)$

利用等式(2)，得到目标的尺寸(高度)H0。

在此，为在目标的当前位置Q找到焦距f1， $\tan \frac{{\mathrm{\θ}}^{\′\′}}{2}=\frac{H0/2}{L1}=\frac{\mathrm{Hc}/2}{f1}----\left(3\right)$

这里，在目标的当前位置Q的距离L1从图4的A改变到A′。当根据目标的距离变化从ROM70中读出光聚焦位置数据，以找到与该数据相应的变焦跟踪轨迹时，从变焦跟踪轨迹所指明的距离中得到L1。

因此，这样得到f1： $f1=L1\left[\frac{\mathrm{Hc}}{H0}\right]----\left(4\right)$

换言之，因为能够利用目标的当前位置Q处的焦距f1得到图4的变焦位置值AZ′(它由初始变焦位置AZ变得)，所以能够保持所需的固定角度。

情形2：目标位置由Q移至P(即，当摄影者移离目标，并且变焦透镜从位置B移至位置B′时)。

在此，因为变焦透镜的移动距离BZ′能够以相同于情形1的方式获得，所以所需视角保持恒定。

本发明能够有效地利用于广播电视摄象机、家用摄象机等等。

如上所述，在根据本发明的用于自动变焦的目标跟踪方法及其装置中，利用变焦跟踪轨迹数据(它们显示了变焦位置与聚焦位置之间的关系)，在适应目标的距离变化时，根据目标或摄影者的移动改变变焦速度，以使在它们之间保持固定的距离，目标得以自动跟踪，以致所需视角保持恒定。因此，本发明有利于获得理想的画面，并便于在摄影中应用。

Claims (4)

1.一种在具有用于存储限定多个变焦跟踪线路的数据的内存储器的摄像机中在自动变焦期间的一种用于保持图像尺寸恒定的目标跟踪方法，上述的每条变焦跟踪线路表示相对于相应的固定距离在变焦透镜距离变化和聚焦透镜距离变化之间的关系，并且变焦透镜可操作地与一个变焦驱动电路连接，该变焦驱动电路具有可变图像放大功能和自动聚焦控制功能，该自动聚焦控制功能用于采用  在预定视界期间求出相应于从电荷耦合器件输入拍摄目标的距离变化的聚焦面积积分的数值检测自动聚焦估算值，其中变焦驱动电路进一步包括用于接收变焦跟踪线路数据、接收所检测的变焦透镜位置和聚焦透镜位置的计算机，计算所要求的驱动变焦透镜的距离变化和速度，以及把有关变焦透镜距离变化的数据输出到变焦透镜驱动电路，以便进行变焦操作，上述的方法包括步骤：

设定用于在屏幕范围内保持上述的拍摄目标恒定尺寸的自动变焦方式；

检测与初始变焦位置相对应的焦距；

从上述的内存储器读出与所检测的初始变焦位置相对应的最佳聚焦位置数据，以便使用上述的变焦跟踪线路中与该数据相对应的一条变焦跟踪线路检测目标距离；

用所检测的初始变焦位置、初始目标距离和电荷耦合器件屏幕中的垂直长度测定所观察目标的初始尺寸；

从上述的内存储器读出与所检测的上述的拍摄目标距离变化相对应的最佳聚焦位置数据，以便用上述的变焦跟踪线路中与该数据相对应的一条变焦跟踪线路检测当前目标距离；

用所检测的初始目标距离、当前目标距离和电荷耦合器件屏幕中的垂直长度计算与上述的拍摄目标距离变化相对应改变的变焦透镜焦距；

把所检测的初始目标距离和当前目标距离作比较以便确定变焦方向；

计算与所计算的上述的拍摄目标距离变化相对应的变焦透镜驱动速度和变焦位置变化量；以及

根据变焦变化和与所计算的在随比较步骤结果而不同的在WIDE或TELE方向上改变的焦距相对应的变焦透镜驱动速度值驱动变焦驱动电路。

2.在摄像机中用于在自动变焦操作期间使图像尺寸保持恒定的一种目标跟踪方法，该摄像机具有把穿过聚焦透镜入射的光信息转换成视频信号，和把视频信号的亮度信号中的高频带部分用作自动聚焦计算值的自动聚焦控制功能，由变焦透镜和变焦驱动电路实现的变焦功能具有可变的图像放大功能，其中变焦驱动电路进一步包括用于接收变焦跟踪线路数据、接收所检测的变焦透镜位置和聚焦透镜位置的计算机，计算所要求的距离变化和驱动变焦透镜速度，以及把有关变焦透镜距离变化的数据输出到变焦透镜驱动电路，上述的方法包括步骤为：

从内储存器读出用于多个变焦跟踪线路的数据，上述的每条跟踪线路表示相对于相应的恒定目标距离在变焦透镜距离变化和聚焦透镜距离变化之间的关系；

按下用于设定拍摄图像的视角保持恒定的自动变焦方式的按钮；

检测在设定自动聚焦方式以后变焦透镜的位置；

根据自动聚焦估算值查明是否改变拍摄目标的位置；

用在读步骤期间读出有关上述的变焦跟踪线路的数据计算与所检测的上述的拍摄目标距离变化相对应的变焦透镜驱动速度和变焦位置变化量；以及

把变焦透镜反复调整到与所计算的变焦变化和变焦透镜驱动速度数值相对应的位置。

3.一种在具有用于存储表示当目标距离保持恒定时的变焦透镜距离变化与聚焦透镜距离变化之间关系的多个变焦跟踪线路的数据的内存储器以及具有可变图像放大功能的变焦透镜和变焦驱动电路的摄像机中，用于在自动变焦期间保持图像尺寸恒定的一种目标跟踪方法，其中变焦驱动电路进一步包括用于接收变焦跟踪线路数据、接收所检测的变焦透镜位置和聚焦透镜位置的计算机，计算所要求的驱动变焦透镜的速度和距离变化以及把有关变焦透镜距离变化的数据输出到变焦透镜驱动电路，和自动聚焦控制功能，该自动聚焦控制功能用于采用在预定视界期间求出相应于从电荷耦合器件输入拍摄目标的距离变化的聚焦面积积分的数值检测自动聚焦估算值，以便进行变焦操作，上述的方法包括步骤为：

(a)按下用于设定拍摄图像的视角保持恒定的自动变焦方式的按钮；

(b)检测在设定自动变焦方式以后与变焦透镜位置相对应的初始焦距；

(c)用存储在上述的内存储器中的数据检测与初始焦距相对应的初始目标距离；

(d)用初始焦距、目标距离和在电荷耦合器件屏面上画出的高度计算上述的拍摄目标的外表尺寸；

(e)用自动聚焦计算值检测上述的拍摄目标的距离变化；

(f)用存储在上述的内存储器中的数据计算与上述的拍摄目标的所检测的距离变化相对应的目标距离；

(g)用当前目标距离、在电荷耦合器件屏面上画出的高度和上述的拍摄目标的初始外表尺寸计算与所检测的上述的拍摄目标距离变化相对应的当前变焦透镜焦距和变焦透镜驱动速度；

(h)把初始目标距离和当前目标距离作比较：

(i)计算与所计算的上述的拍摄目标距离变化相对应的变焦位置和变焦透镜驱动速度变化量；和

(ii)根据在步骤(g)计算的输出改变变焦透镜在随(i)的比较结果而不同的WIDE或TELE方向上的焦距。

4.一种在具有变焦功能和用在预定视界期间求与拍摄目标距离变化相对应的聚焦面积积分的数值检测自动聚焦计算值的自动聚焦控制功能以便控制自动聚焦的摄像机中用于自动变焦的一种目标跟踪装置，上述的装置包括：

用于存储多个变焦跟踪线路的数据的存储器，其中上述的每条线路相对于恒定距离限定变焦透镜距离变化和聚焦透镜距离变化之间的关系；

用于产生与变焦透镜位置相对应的变焦位置信号的变焦位置检测器；

用于用存储在上述的存储器的数据和变焦位置信号计算与上述的拍摄目标距离变化相对应的变焦透镜驱动速度和变焦位置变化量的变焦透镜变化计算器，变焦驱动电路进一步包括用于接收变焦跟踪线路数据、接收所检测的变焦透镜位置和聚焦透镜位置、计算所要求的驱动变焦透镜的速度和位置变化以及把有关变焦透镜距离变化的数据输出到变焦驱动电路的计算机；和用于根据上述的变焦透镜变化计算器的输出反复地调整变焦透镜位置的变焦驱动器。

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