对焦物体以捕获其图像的方法及电子设备与流程

本发明实施例一般涉及成像领域，更具体地，涉及一种对焦物体以捕获其图像的方法及电子设备。

背景技术：

当今多种电子设备具有捕获图像的能力。这些电子设备的例子包括数码相机、移动电话、多媒体播放器、多媒体记录器、个人数字助理(personal digital assistant，PDA)、平板个人电脑或笔记本电脑等。为了简便起见，在下文中将这些种类的电子设备统称为图像捕获设备。

这些图像捕获设备可使用自动对焦机制来自动调节对焦设置。自动对焦(Automatic focus，AF)是一些光学系统的功能，可允许光学系统在一些系统中获得并保持对物体连续正确的对焦，而不需要操作者手动调节相机对焦。自动对焦调节镜头与图像传感器之间的距离，以将镜头放置在正确的距离来对焦物体。形成主体的清晰图像的镜头与图像传感器之间的距离是镜头到主体的距离的函数。

尽管已有的自动调节对焦设置的方法及设备已足够解决它们的目的，它们还不能在所有方面令人满意。因而，需要提供一种自动对焦的机制以得到更高图像质量的图像。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出一种对焦物体以捕获其图像的方法及设备，可提升对焦的灵活性及准确性。

根据本发明的一个方面提供一种对焦物体以捕获其图像的方法，该方法包括：获得超声波信号的传输时间，超声波信号传送到待对焦的物体并由其反射；获得电子设备的位置信息和/或环境信息；根据电子设备的位置信息和/或环境信息，确定本地声速；根据本地声速及传输时间，确定电子设备与待对焦的物体 之间的物距(object distance)；以及提供物距，以用于对焦待对焦的物体。

根据本发明的另一方面，提供一种电子设备，该电子设备包括：声速分析器，用于根据电子设备的位置信息和/或环境信息，获得本地声速；以及物距检测模块，用于获得超声波信号的传输时间，根据本地声速及传输时间检测电子设备与待对焦的物体之间的物距以及提供物距，以用于对焦待对焦的物体，其中超声波信号传送到待对焦的物体并由其反射。

根据本发明的又一方面，提供一种电子设备，该电子设备包括：时间分析器，用于获得超声波信号的传输时间，超声波信号传送到待对焦的物体并由其反射；定位单元，用于接收电子设备的位置信息；声速转换器，用于根据电子设备的位置信息和/或环境信息，确定本地声速；以及距离分析器，用于根据本地声速及传输时间，确定电子设备与待对焦的物体之间的物距，以及提供物距，以用于对焦待对焦的物体。

在本发明实施例中，由于使用本地声速可更准确更快速地执行对焦，其中本地声速随着电子设备所在的不同环境而变化。因而，可极大地提升超声波对焦的灵活性和准确度。

附图说明

为了更全面地理解本发明实施例及其有益效果，现在结合附图做出以下参考说明。

图1是根据本发明一个实施例的用于捕获物体图像的电子设备的示意图。

图2是根据本发明一个实施例的电子设备的方块图。

图3是根据本发明一个实施例的，使用超声波技术对焦物体的自动对焦方法的示意流程图。

图4是根据本发明一个实施例的，使用超声波技术对焦物体的自动对焦方法的示意流程图。

图5是根据本发明一个实施例的，用于捕获物体图像的电子设备的示意图。

图6是根据本发明一个实施例的，用于测量电子设备与待对焦的物体之间的物距的电子设备的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，将参考实施例介绍本发明实施例的电子设备。应理解，这些实施例不旨在将本发明限制在任意实施例中描述的任何特定的环境、应用或特定的实现方式中。因而，这些实施例的描述仅是为了示意的目的而不限制本发明。另外，为了方便理解，附图可以用稍微简化或夸张的方式画出，所描述元件的数量、形状及三维尺寸可能与实际实现方式中的元件不完全相同，以及不旨在限制本发明。

本发明实施例提供一种自动对焦的方法及使用超声波(ultrasound)的电子设备。在一些实施例中，实时获得本地声速(local sound speed)用以检测物距，接着用物距确定焦距或电动机节距(motor step)的数量。由于对于不同环境，可使用不同的本地声速获得焦距或电动机节距的数量，因而可提升对焦准确度。

在一些实施例中，可使用诸如互联网的联网技术来获得环境信息，接着用环境信息来获得本地声速。在一些实施例中，可基于位置信息(location/position information)获得环境信息。在一些实施例中，可使用定位技术来获得位置信息，定位技术如全球定位系统(Global Positioning System，GPS)、无线保真(Wireless Fidelity，WiFi)、蓝牙信标(Bluetooth beacon)、全球移动通信系统(Global System for Mobile Communications，GSM)、通用分组无线业务(General Packet Radio Service，GPRS)及宽带码分多址(Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA)技术中的一个或多个。

图1是根据一些实施例的电子设备1的示意图。电子设备1可以为能够捕获图像的任意电子设备，例如移动电话、智能手机或平板电脑。在本发明实施例中，用模块10表示电子设备1，电子设备1包括发射机21、接收机22、网络单元32及图像捕获模块40。如图1所示，发射机21、接收机22及图像捕获模块40设置为分立元件，但它们可以部分或完全集成。

在本发明实施例中，电子设备1具有至少由图像捕获模块40捕获图像的能力。为了捕获物体的图像，可通过计算从发射机21发送的超声波信号与接收机22接收到待被捕获其图像的物体所反射的超声波信号之间的时间差，来获得超声波信号的传输时间(travel time)。附加地，网络单元32可获得电子设备1所在的位置所关联的环境信息，例如从远端数据库获得环境信息。可使用该环境信息来确定超声波信号的本地声速。根据传输时间及本地声速，可确定用于 对焦物体的焦距及电动机节距的数量。使用该焦距或电动机节距的数量，相应地操作图像捕获模块40去对焦物体，从而生成清晰、对焦以及锐利的图像。

下面描述根据本发明一些实施例的电子设备1的细节。

图2是根据一些实施例的电子设备1的方块图。图2的实施例可应用于图1的实施例中，但不限于此。

在该实施例中，电子设备1包括物距检测模块20、声速分析器30、图像捕获模块40及处理单元50。声速分析器30用于提供本地声速。物距检测模块20用于根据声速分析器30提供的本地声速，确定待被捕获其图像的物体与电子设备1之间的物距。图像捕获模块40使用焦距或电动机节距的数量对焦该物体，进而捕获该物体的图像，该焦距与电动机节距的数量用从物距检测模块20接收到的物距确定。另一方面，处理单元50用于控制物距检测模块20和/或声速分析器30的操作。在可替换的实施例中，处理单元50也可用于控制图像捕获模块40的操作。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，物距检测模块20、声速分析器30、图像捕获模块40及处理单元50设置为分立模块。然而应理解，可对本发明实施例作其它的变动和修改。例如，在另一实施例中，物距检测模块20、声速分析器30、图像捕获模块40及处理单元50的部分或全部可部分或完全集成。另外，物距检测模块20、声速分析器30、图像捕获模块40及处理单元50的部分或全部可集成到电子设备1的片上系统(System-on-a-Chip，SOC)中。另外，物距检测模块20、声速分析器30、图像捕获模块40及处理单元50中的每个可实现为硬件/电路、软件或其组合。

图2也示出了物距检测模块20、声速分析器30及图像捕获模块40中的每个所对应的详细结构的实施例。

如图所示，物距检测模块20的一个实施例包括发射机21、接收机22、时间分析器24及距离分析器26。

时间分析器24连接至发射机21及接收机22。发射机21可向物体发送超声波信号，以及接收机22可接收该物体所反射的超声波信号。时间分析器24可用于计算超声波信号的传输时间，传输时间可以为发射机21发送超声波信号与接收机22接收到待对焦的物体所反射的超声波信号之间的时间差。

距离分析器26连接至时间分析器24，以及距离分析器26用于从时间分析器24接收指示超声波信号的传输时间的信号/数据。另外，距离分析器26也可用于从声速分析器30接收指示超声波信号的本地声速的信号/数据。相应地，距离分析器26可根据传输时间及本地声速计算物距。

另外，物距检测模块20还可包括同步器23和/或信号校正器25。同步器23可以连接至发射机21及接收机22，以同步接收机22的操作与发射机21的操作。例如，接收机22可操作为与发射机21发送的超声波信号的传输时间同步。附加地或可替换地，接收机22可以与发射机21同步，以能够检测特定的超声波信号，该特定的超声波信号具有与发射机21发送的超声波信号相同的频率及幅度。另一方面，信号矫正器25可以连接至发射机21及接收机22，以及可用于调整发射机21发送的超声波信号的频率和/或幅度。

在本发明的实施例中，如图2所示，发射机21、接收机22、同步器23、时间分析器24、信号矫正器25及距离分析器26可构成物距检测模块20。然而应理解，可对本发明实施例作其它变换和修改。例如，在另一实施例中，发射机21、接收机22、同步器23、时间分析器24、信号矫正器25及距离分析器26的部分或全部可分立设置而不集成到一个模块中。另外，物距检测模块20的部分或全部可集成至电子设备1的SoC中。

如图所示，声速分析器30的一个实施例包括定位单元31、网络单元32及声速转换器33。

定位单元31用于检测或接收电子设备1的位置信息。定位单元31可使用任意定位技术接收位置信息，定位技术诸如GPS、WiFi、蓝牙信标、GSM、GPRS及WCDMA技术中的一个或多个。

另一方面，网络单元32可连接至定位单元31。换句话说，可提供定位单元31生成的信号/数据以由网络单元32处理。网络单元32(诸如联网芯片)至少部分基于已接收的定位单元31的位置信息，获得电子设备1的环境信息。网络单元32可使用各种联网技术，例如访问互联网、网络协议(Internet Protocol，IP)电话及局域联网，以获得环境信息。

声速转换器33用于根据环境信息确定本地声速，该环境信息可包括位置信息和/或其它环境信息。在一个实施例中，声速转换器33可通过查阅一个或多个 查找表(其可实现在任意存储/电路形式中)确定本地声速，和/或通过使用一个或多个公式(其可实现在任意存储/电路形式中)确定本地声速。在该实施例中，声速转换器33连接至网络单元32及距离分析器26。可提供网络单元32生成的信号/数据，以由声速转换器33处理。声速转换器33的处理结果指示本地声速，将该处理结果发送至距离分析器26以确定物距。

应注意在一些实施例或情况中，可不操作或实现网络单元32。在这样的实施例中，声速转换器33可以根据直接从定位单元31接收到的位置信息获得本地声速，或根据电子设备1自身提供的环境信息获得本地声速，例如电子设备1中实现的温度传感器提供的温度信息。

换句话说，在不同的实施例中，声速转换器33可根据直接从定位单元31接收的位置信息和/或电子设备1的网络单元32或其它组件所获得的环境信息来获得本地声速。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，定位单元31、网络单元32及声速转换器33可以集成至声速分析器30。另外，处理单元50可以控制声速分析器30。然而应理解，可对本发明实施例作其它变换或修改。例如，在另一实施例中，定位单元31、网络单元32及声速转换器33的部分或全部可以分立设置而不集成至一个模块中。另外，声速分析器30的部分或全部可以集成至电子设备1的SoC中。

如图2所示，在本发明实施例中，图像捕获模块40包括镜头驱动模块42，镜头驱动模块42可包括镜头单元41及驱动电路43。另外，图像捕获模块40可包括图像传感器44和/或图像处理器45。

驱动电路43可以从距离分析器26获得物距，以及确定诸如焦距或电动机节距的数量等对焦参数。驱动电路43可包括电动机节距转换器，其可根据物距获得焦距或电动机节距的数量。在一个实施例中，驱动电路可通过查阅一个或多个查找表(其可实现在任意存储/电路形式中)确定焦距或电动机节距的数量，和/或通过使用一个或多个公式(其可实现在任意存储/电路的形式中)确定焦距或电动机节距的数量。

镜头单元41可包括一个或多个光学镜头，其可沿一个或多个光学轴设置。镜头驱动模块42用于根据焦距/电动机节距的数量驱动镜头单元41移动，焦距/ 电动机节距的数量由驱动电路43确定。镜头驱动模块42可包括步进电动机(stepper motor)、音圈电动机或任何其它类似的制动模块。

图像传感器44可包括电荷耦合设备(Charged Coupled Device，CCD)传感器或互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)传感器等，以将光照强度记录为变量电荷。图像处理器45用于处理及分析图像传感器44输出的信号。

如图2所示，在该实施例中，电子设备1包括处理单元50。例如，处理单元50用于向电子设备1的一个或多个元件发送操作命令。操作命令可包括用于初始化物距检测模块20、声速分析器30及图像捕获模块40的操作的信号。处理单元50可连接至用户界面，电子设备1的用户使用用户界面以交互式地向处理单元50提供信息。

图3是根据一些实施例的使用超声波技术对焦物体的自动对焦方法60的示意流程图。仅为了说明的目的，该流程图将依据图1-2所示的示意图进行描述，但不限于此。另外，时间分析器24、信号矫正器25及距离分析器26的操作可以参照图3中相关步骤的描述。尽管操作示意为不同的有序的模块，如果不同的实施例需要，它们可以合并、替换、重排或删除。

方法60可以从操作61开始，在其中获得超声波信号的传输时间，其中该超声波信号传送到待对焦的物体并由其反射。传输时间可以为电子设备1发送该超声波信号的第一时间点与电子设备1接收该超声波信号的第二时间点之间的时间差。请以图1及2为例，在第一时间点发送超声波信号时，发射机21可向时间分析器24发送信号，以及在第二时间点接收该超声波信号时，接收机22可向时间分析器24发送信号。接着，时间分析器24可计算超声波信号在第一时间点与第二时间点之间的传输时间。

在本发明的实施例中，执行信号调整过程以提升距离测量的准确度。在信号校正过程中，可根据传输时间粗略估计电子设备1与物体之间的物距。以及可根据待对焦的物体的已估计的物距，调整发射机21发送的超声波信号的频率和/或幅度。具体地，当所检测的物距相对较大时，可将超声波信号调整为具有更高的频率和/或更小的幅度，以便于超声波信号可以被发送至更远的地方。相反地，当所检测的物距较短时，可将超声波信号调整为具有更低的频率和/或更 大的幅度，以便于提升空间分辨率。

在一个实施例中，为已估计的物距调整超声波信号的合适频率和/或幅度，信号校正器25可查阅频率查找表LUT1。频率查找表LUT1可存储在存储单元中或实现为任意存储/电路形式，以及频率查找表LUT1可记录对应于不同传输时间的超声波信号的合适频率和/或幅度。

在操作62中，接收电子设备1的位置信息。在该实施例中，定位单元31用于接收电子设备1的位置信息。位置信息可包括电子设备1的位置的纬度及经度坐标以及高度。

在操作63中，可基于已接收到的电子设备1的位置信息获得电子设备1的环境信息，该位置信息在操作62中获得。环境信息可包含温度数据、湿度数据、压力数据、风速数据、风向数据和/或其它气象变量，这些可从天气观测台获得。以图1及2为例，网络单元32可访问天气观测台的数据库，该数据库提供多个位置的实时气象监测数据。网络单元32因而可根据位置信息所指示的位置，从该数据库中获得环境信息。

在操作64中，根据操作64中获得的环境信息确定本地风速。以图1及2的实施例为例，声速转换器33可用从网络单元32接收到的环境数据来查阅本地声速查找表LUT2，以确定本地声速。本地声速查找表LUT2可记录对应于不同环境数据值的本地声速，例如对应于不同温度的本地声速。随后，本地声速查找表LUT2反馈电子设备1当前所在环境的环境数据值所对应的本地声速。

可替换地，声速转换器33可用一个或多个公式确定本地声速，诸如等式V＝340+0.6*(T-15)，在其中V为本地声速，以及T为电子设备1所在位置的温度。根据不同设计的需要，可使用任意适于将一个或多个环境数值转换为本地声速的公式，本发明不受限于此。

在网络单元32不能访问互联网或没有实现网络单元32时，声速转换器33可直接用从定位单元31获得的定位数据值来获得本地声速。在一个实施例中，在电子设备1中实现温度传感器，其可向声速转换器33提供当前温度，以便声速转换器33通过查阅本地声速查找表LUT2或使用一个或多个公式来获得本地声速。在另一实施例中，声速转换器33可查阅但不仅是本地声速查找表LUT2，也查阅环境值查找表，其中该两个查找表都可存储在存储单元或任意存储/电路 形式中。环境值查找表可记录对应于不同位置(例如，不同海拔或城市)的长期环境值(例如，平均温度)。另一方面，本地声速查找表LUT2可记录对应于不同环境数据值(例如，温度值)的本地声速。通过查阅两个查找表，声速转换器33可获得对应于环境值的本地声速。

在操作65中，可根据本地声速及传输时间，确定电子设备1与待对焦的物体之间的物距。以图1及2的实施例为例，距离分析器26可处理来自时间分析器24及声速转换器33的数据/信号，以确定电子设备1与待对焦的物体之间的物距。在一个实施例中，距离分析器26可用一个或多个公式(例如，方程D＝V*T，在其中D为物距，V为超声波信号的本地声速，以及T为超声波信号的传输时间)确定物距。在其它实施例中，距离分析器26可查阅一个或多个查找表来确定物距，其中一个或多个查找表中记录对应于不同本地声速的不同物距。

在操作66中，可提供该物距，以用于对焦待对焦的物体。在对焦中，根据物距确定用于对焦该物体的一个或多个对焦参数。对焦参数可包括电动机节距的数量或焦距。以图1及2的实施例为例，可将距离分析器26生成的数据/信号发送至图像捕获模块40的驱动电路43。接着，驱动电路43可确定对焦参数，以驱使镜头驱动模块42移动镜头单元41。

在一个实施例中，驱动电路43可查阅电动机节距查找表LUT3确定对焦参数，电动机节距查找表LUT3可存储在存储单元中或实现为任意存储/电路形式。电动机节距查找表LUT3可记录对应于不同物距的不同的电动机节距的数量。因而可从电动机节距查找表LUT3中获得对应于物距的电动机节距的数量，以及向镜头驱动模块42提供该电动机节距的数量，以控制镜头单元41的镜头的焦距和/或焦点位置。一旦已对焦物体，图像传感器44及图像处理器45可执行后续的图像捕获过程。在另一实施例中，驱动电路43可根据操作65中获得的物距，使用一个或多个公式计算对焦参数。

应注意在一些情形中，如果需要可校准本地声速查找表LUT2。也可在声速分析器30不能获得所需的信息时执行该校准。例如，在定位单元31不能接收位置信息及网络单元32不能访问网络的一些情形中执行该校准。

图4是根据一些实施例的使用超声波技术对焦物体的自动对焦方法70的示意流程图。仅为了说明的目的，该流程图将基于图1-2所示的示意图描述，但不 限于此。尽管操作示意为不同的有序的模块，如果不同的实施例需要，它们可以被合并、替换、重排或删除。

如上所述，当需要校准本地声速查找表，或者定位单元31不能接收位置信息及网络单元32不能访问网络时，可执行自动对焦方法70，而不执行方法60来完成对焦过程。在这种情况下，电子设备1的系统使用方法70来校准本地声速查找表。另外，该系统还可用已校准的本地声速查找表来对焦物体。

方法70可以操作71开始，在其中执行替代的自动对焦过程，例如用传统的/对比对焦(contrast focusing)的方法。相应地，在安排镜头的位置时可获得焦距或电动机节距的数量。图像捕获模块40可驱使镜头沿着光轴(optical length)方向来回移动，以寻找最佳对焦位置。

例如，在替代的自动对焦过程中，图像处理器45可分析图像传感器44生成的每个像素的信号，以及镜头驱动模块42可根据该分析将镜头单元41移动至不同的位置，直到达到相邻像素之间的期望强度差。

在操作72中，确定电子设备1与参考物体之间的已估计的物距。在该实施例中，可通过查阅电动机节距查找表LUT3，获得操作71中获得的电动机节距的数量所对应的已估计的物距。其中该参考物体的位置可以为已知的，或者说该参考物体的已估计的物距已记录在查找表LUT3之中。操作71及72是操作65及66的相反操作。

在操作73中，获得超声波信号的传输时间。传输时间可以为电子设备1发送超声波信号的第一时间点与电子设备1接收参考物体反射的超声波信号的第二时间点之间的时间。可以用与操作61相似的方式执行操作73，以及为了简便的目的将不再重复细节。

在操作74中，根据操作72中获得的已估计的物距及操作73中获得传输时间，校准本地声速查找表。例如，用方程De＝Ve*T确定已估计的声速，在其中De为已估计的物距，Ve为已估计的声速，以及T为超声波信号的传输时间。另外，电子设备1也可检测诸如当前温度的环境数值。随后，根据已估计的声速及当前温度，校准本地声速查找表LUT2。

一旦已校准本地声速查找表LUT2，可用超声波而非操作71中的替代的自动对焦过程来执行后续的对焦过程。在该实施例中，使用超声波信号的后续的 对焦过程包括操作75、76及77。

在操作75中，可获得超声波信号的传输时间。传输时间可以为电子设备1发送超声波信号的第一时间点与电子设备1接收另一物体反射的超声波信号的第二时间点之间的时间。另一物体可以与参考物体相同或不同，已在操作71中的替代的自动对焦过程中对参考物体进行对焦。在该实施例中，操作75的细节可与操作61的细节相同，以及为了简便的目的这里省略。然而，本发明不应限于此。

在操作76中，可根据已校准的本地声速查找表确定本地声速。操作76的细节可参考操作61-64，因而，这里为了简便起见省略。

在操作77中，确定电子设备1与待对焦的物体之间的物距。操作77的细节可参照操作65，因而为了简便起见这里省略。

在操作78中，提供操作77中确定的物距，以用于对焦待对焦的物体。在对焦中，根据已估计的物距，确定用于对焦待对焦的物体的一个或多个对焦参数。操作78的细节可参照操作66，因而为了简便起见这里省略。

使用这些操作，替代的自动对焦过程仅需执行一次，以校准本地声速查找表，以及在不能访问网络的环境中仍可使用超声波执行自动对焦。

图5是根据本发明实施例的用于捕获物体图像的电子设备1’的示意图。在图5中，与图1中的电子设备1的元件相似的元件使用相同的标号，以及为了简便起见不再重复其功能。

在本发明实施例中，电子设备1’与电子设备1之间的差异包括：电子设备1’包括两个接收机22a及22b，用于接收待对焦的物体反射的超声波信号。两个接收机22a及22b可位于发射机21的两个相对侧，以及分别与发射机21相距距离X。

图6是当物体不在穿过发射机21的垂直轴N上时，如何测量电子设备1’与物体之间的距离的示意图。已估计的物距满足以下方程：

在其中，τ为发射机21发送超声波信号与两个接收机22a及22b中的一个接收机接收物体反射的超声波信号之间的传输时间，X为发射机21与接收机22a及22b中的一个接收机之间的距离，θ为物体与垂直轴之间的夹角，以及c为图3 中的操作62-64确定的本地声速。为了对焦该物体，执行图3中的操作66，在其中根据已估计的物距获得用于对焦该物体的一个或多个对焦参数。

本文已经描述了不同功能单元或模块。本领域的技术人员将理解，功能模块可优选地通过电路(专用电路或者通用电路，该电路在一个或多个处理器及编码指令的控制下运行)实现，该电路通常包含晶体管，晶体管配置为控制电路的操作使其遵循本文描述的功能及操作。还将理解，晶体管的特定结构或互联通常可由编译器确定，如寄存器转换语言(Register Transfer Language，RTL)编译器。RTL编译器以类似汇编语言代码的脚本运行，以将脚本编译为用于最终电路的布局或构造的形式。实际上，在电子数字系统的设计过程中，RTL因其便利使用及作用而闻名。

在本发明的实施例中，由于使用本地声速可以更准确更迅速地对焦，其中本地声速随着电子设备所在的不同环境变化而变化。用诸如温度的环境信息，查阅本地声速查找表或使用一个或多个公式，可获得本地声速。在一些实施例中可用诸如GPS的定位技术获得该一个或多个环境信息，以及在其它实施例中可通过定位技术与诸如互联网的网络技术协作来获得一个或多个环境信息。另外，当GPS和/或互联网不可用时，仍可校准本地声速查找表及仍执行自动对焦过程。因而，在超声波对焦中可极大提升灵活性及准确性。

虽然已经通过举例的方式和优先实施例的方式描述本发明，应理解本发明并不限于此。相反地，本发明意在覆盖各种修改及相似设置(对本领域的技术人员显而易见)。因而，所附权利要求的范围应该与最广的解释一致，以便涵盖所有这样的修改及相似设置。