相机自动对焦技术综述

刘益

摘要：随着各种成像设备自动化、智能化的迅速发展，自动对焦技术的应用越来越广泛，本文在简要介绍了自动对焦技术的概况和发展情况的基础上，分析了相机自动对焦领域主要技术和重点专利，统计了本领域专利申请的时间空间分布特点。从专利申请的引证量入手，通过重点中请日的重点专利，窥探了本领域专利发展的历程和脉络，以此从专利角度回顾了本领域技术的发展。

关键词：自动对焦：专利：技术分析

1 相机自动对焦技术的发展

1.1 传统自动对焦方法

1.1.1 测距法

测距法是通过向被摄物体发射光波或辐射波，并接收反射波来测量目标的距离，然后通过计算机来控制自动对焦，主要包括红外测距法、激光测距法、超声波测距法等。主要优点是：结构简单，可靠性高，对于细条被拍摄物能够自动对焦，同时能够拍摄运动的物体，对暗物体或玻璃后面的物体都能进行自动对焦。缺点是：不同物体的反射和吸收能力存在差异，从而有随机误差，对于远距离或者小物体的拍摄精确度较差。

1.1.2 像偏移法

像偏移法是利用三角测距原理，由被摄物体发出的光线，同时进入左、右两组接收器，并成像在接收元件上，通过两组信号的对比求得合适的对焦位置。被摄物体的距离信息通过在CCD上成像位置的差异反映出来，可直接由CCD元件进行检测和分辨。这种方式结构简单、可靠，但CCD元件与光电转换、运算系统的电路技术要求较高，成本也高。

1.2 焦点检测自动对焦方法

焦点检测法主要用于单反相机中，它是在镜头的焦点附近设置自动对焦微型组件，将镜头焦点直接作为探测对象的一种方式，它能够适应各种变焦镜头且拍摄距离大。该方法又分为反差检测和相位差检测两种。

1.2.1 反差检测法（对比度法）

反差检测法（对比度法）是通过检测图像的轮廓边缘实现自动调焦的。图像轮廓边缘越清晰，则亮度梯度就越大，也就是边缘处物体和背景之间的对比度就越大，得到的就是合焦的图像。反之，离焦的图像，轮廓边缘模糊不清，亮度梯度或对比度下降，离焦越远，对比度越低。利用这个原理，将两个光电检测器放在底片位置的前后相等距离处，被摄景物的像经过分光同时成在这两个检测器上，分别输出其成像的对比度，经运算电路进行自动对焦控制或指示对焦方向，当两个检测器所输出的对比度相等时，说明对焦的像面刚好在两个检测器中间，即和底片的位置重合，于是对焦完成。

1.2.2 相位差检测法

相位差检测法是根据基准光线和参考光线随被摄物体距离不同而产生不同的位置差，将该位置差转换算成相位差，将它与不产生相位差时比较，再根据对焦运算，得到镜头的移动量和运动方向，然后由控制系统控制电机调整镜头，使其相位差为零，系统就完成对焦。焦点检测法的优点是：在一般状况下能够较好

地实现对焦，检测装置不需要发射源，能耗少，能够实现远距离对焦。其缺点是：对于运动的、细线条的或者是低反差的拍摄体进行自动对焦有困难，同时对含有偏光特性的物体对焦也比较困难。

1.3 基于数字图像处理的自动对焦方法

在数字成像系统中，一般应用数字图像处理的方法来实现自动对焦，主要的对焦方法大致可分为两类：离焦深度法和对焦深度法。

1.3.1 离焦深度法

离焦深度法（depth from defocus DFD），是一种从离焦图像中取得深度信息从而完成自动对焦的方法。这种方法需要获得2～3幅的不同成像参数下的图像，还要求事先用数学模型描述成像系统，然后根据少量的成像位置获取的图像来计算最佳对焦位置。因为离焦深度法所需图像数量小，大大减少了驱动电机等机械机构获取图像的次数，所以速度较快，但是由于信息量少一些的缘故，精度比较低。

1.3.2 对焦深度法

对焦深度法（depth from focus，DFF），是一种建立在搜寻过程上的对焦方式，它通过选取一种适当的评价函数来评价不同对焦位置所获得图像的清晰度，清晰度值最大时对应最佳的对焦位置。这种方法的理论基础是理想的自动对焦评价函数是单峰值的，在峰值两侧都是单调的，在最佳对焦位置获得最大值，即峰值点就是对焦最清楚的位置。

2 从主要技术和重点专利看技术发展历程

索尼株式会社JP2005099736（申请日20040720）首次公开了一种能够消除由光学系统产生的影响而实现稳定的自动聚焦的控制方法、自动聚焦控制器和图像处理器，在计算多个聚焦位置处获得的每个样品图像的聚焦估计值时，对所获得的样品图像进行平滑处理，以减少由于光学系统而引起的亮度的暗和亮的模式，并根据平滑处理过的样品图像来计算聚焦估计值。

佳能株式会社JP2009244862（申请日20090303）首次公开了使用相位差焦点检测方法的焦点检测像素的焦点检测装置，实现了高精度焦点检测。在所述焦点检测装置中，布置有多个像素，每个像素具有用于将入射光束转换成信号电荷的光电转换单元和在光电转换单元附近具有焦点位置的微透镜。该申请的提出将基于图像处理的自动对焦技术带入了一个新的创新高度。

奥林巴斯株式会社JP2015023511（申请日20130722）公开了一种拍摄装置以及图像处理方法，摄像部利用摄像元件拍摄被摄体并输出拍摄数据，所述摄像元件在摄像像素的一部分位置处配置有用于进行焦点检测的焦点检测像素，图像处理部利用校正系数校正所述拍摄数据中的、从所述焦点检测像素输出的像素数据，校正范围确定部根据用于在所述摄像元件上形成像的摄影光学系统的光学条件，确定所述校正系数的范围作为校正范围。

佳能株式会社JP2016219888（申请日20150514）首次公开了一种用于形成延时运动图像的图像处理设备和图像处理方法，指定针对用于形成延时运动图像的多个帧中的第一帧的第一聚焦位置;从记录介质获取与所述第一帧相对应的第一图像文件中所包含的第一视差圖像和第二视差图像;计算为了聚焦于所述第一聚焦位置而对所述第一视差图像和所述第二视差图像要进行的第一聚焦位置移位的第一位移量。截止到该申请的提出，基于图像处理的自动对焦技术已经非常成熟了，随后的一些申请都只是简单的技术改进或者技术方案的组合及应用，且申请量大幅度降低。

参考文献

[1]宗光华，孙明磊，毕树生，等.显微视觉自动聚焦研究[J].光学学报，2005，25（9）.