JP2011164094A - 深さセンサーの深さ推定方法及びその記録媒体 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光信号を対象物体に放射する段階と、対象物体から反射される光信号及び深さピクセルに印加され一定の位相差で周期的に印加される複数のゲート信号に基づいて複数のフレーム信号を発生させ、複数のフレーム信号及び複数のフレーム信号のそれぞれのフレーム情報を対象物体までの深さ推定のために提供する段階と、複数の提供されたフレーム信号のうちから漏れたフレーム信号の有無及び複数の提供されたフレーム信号の連続パターンを考慮して、複数の提供されたフレーム信号をそれぞれがエラーなしに、対象物体までの深さの推定に利用される複数のフレーム信号グループにグループ化する段階と、複数のフレーム信号グループのそれぞれを用いて、前記対象物体までの深さを推定する段階とを有する。
【選択図】 図1
Description
現在フレーム信号グループと以前フレーム信号グループは、少なくとも一つのフレーム信号を共有することが好ましい。
前記(d)段階は、(d1)前記複数のフレーム信号グループのそれぞれに含まれる二つのフレーム信号の差と前記複数のフレーム信号グループのそれぞれに含まれた他の二つの信号の差との比率に基づいて、前記対象物体に放射された光信号と前記対象物体から反射された光信号との間の位相差を検出する段階と、(d2)前記光信号の周波数及び前記位相差に基づいて、前記対象物体までの深さを推定する段階とを含むことが好ましい。
前記位相差は、前記フレーム信号グループに含まれる前記二つのフレーム信号の差と前記フレーム信号グループに含まれる前記他の二つの信号の差との比率に対するアークタンジェント値であることが好ましい。
現在フレーム信号グループと以前フレーム信号グループは、少なくとも一つのフレーム信号を共有することが好ましい。
前記(d)段階は、(d1)前記複数のフレーム信号グループのそれぞれに含まれる二つのフレーム信号の差と前記複数のフレーム信号グループのそれぞれに含まれる他の二つの信号の差との比率に基づいて、前記対象物体に出力された光信号と前記対象物体から反射された光信号との間の位相差を検出する段階と、(d2)前記光信号の周波数及び前記位相差に基づいて、前記対象物体までの深さを推定する段階とを含むことが好ましい。
前記位相差は、前記フレーム信号グループに含まれる前記二つのフレーム信号の差と前記フレーム信号グループに含まれる前記他の二つの信号の差との比率に対するアークタンジェント値であることが好ましい。
上記深さセンサーの深さ推定方法は、コンピュータで実行するためのコンピュータプログラムをコンピュータで読み取り可能な記録媒体に保存されることが好ましい。
本発明の概念による実施形態は、多様な変更を加えることができ、さまざまな形態を有することができるので、特定実施形態を図面に例示し、本明細書または出願に詳細に説明する。しかし、これは、本発明の概念による実施形態を特定の開示形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれるあらゆる変更、均等物ないし代替物を含むものと理解しなければならない。
第1及び/または第2などの用語は、多様な構成要素の説明に使われるが、構成要素は、用語によって限定されてはならない。用語は、一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで、例えば、本発明の概念による権利範囲から離脱されないまま、第1構成要素は、第2構成要素と名付けられ、同様に、第2構成要素は、第1構成要素とも名付けられうる。
ある構成要素が、他の構成要素に“連結されて”、または“接続されて”いると言及された時には、その他の構成要素に直接的に連結されているか、または接続されていることもあるが、中間に他の構成要素が存在することもあると理解しなければならない。一方、ある構成要素が、他の構成要素に“直接連結されて”、または“直接接続されて”いると言及された時には、中間に他の構成要素が存在しないものと理解しなければならない。
例えば、何れか一つの構成要素が、他の構成要素にデータまたは信号を‘伝送または出力’する場合には、構成要素は、他の構成要素に直接データまたは信号を‘伝送または出力’することができ、少なくとも一つのまた他の構成要素を通じてデータまたは信号を他の構成要素に‘伝送または出力’することができるということを意味する。
構成要素の間の関係を説明する他の表現、すなわち、“〜の間に”と“すぐ〜の間に”または“〜に隣合う”と“〜に直接隣合う”なども同様に解析しなければならない。
本明細書で使用する用語は、単に特定の実施形態を説明するために使われたものであって、本発明を限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なる意味と使用しない限り、複数の表現を含む。本明細書で、“含む”または“有する”などの用語は、実施された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたものが存在するということを指定しようとするものであって、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部分品またはこれらを組み合わせたもの存在または付加可能性をあらかじめ排除しないものと理解しなければならない。
異なる定義がない限り、技術的や科学的な用語を含んで、ここで使するあらゆる用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者によって、一般的に理解されるものと同じ意味を有している。一般的に使われる辞書に定義されているものような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有するものと解析されなければならず、本明細書で明白に定義しない限り、理想的や過度に形式的な意味として解析されない。
深さセンサー10は、高速動作時に発生しうる漏れフレームを補償した後、TOF原理を用いて対象物体までの深さ(または、距離)を推定(または、計算、測定)することができる。実施形態によって、深さセンサー10は、一つのチップ(chip)として具現されて深さ情報を計算することもでき、カラーイメージセンサーチップとともに使われて3次元イメージ情報と深さ情報とを同時に測定するのに利用されることもある。
また、深さセンサー10は、タイミングコントローラ20の制御下で、カラムラインの信号をCDS/ADC回路18に伝送するためのアクティブロード回路(図示せず)をさらに含みうる。
複数の深さピクセル16のそれぞれは、図2に示したように、2タップピクセル構造を有する深さピクセル16として具現可能である。
ak,nは、kに該当する位相(phase)差でn(nは、自然数)番目のゲート信号を印加した時、深さピクセル16で発生した光電子(または、光電荷)の数を表わし、N=fm×Tintである。ここで、fmは、変調赤外線ELの周波数を表わし、Tintは、積分時間を表わす。
図2に示すように、2タップピクセル構造を有する深さピクセル16は、第1、第2アクティブ領域(16−1、16−2)に具現された各光電変換素子(16−3、16−4)を含む。第1、第2アクティブ領域(16−1、16−2)の構造は、実質的に同一であるので、以下、第1アクティブ領域(16−1)に具現された素子を中心に説明する。
図4を参照すると、光電変換素子(16−3)は、図2に示した各ゲート信号GaまたはGbと反射光RLに基づいて光電荷を生成する。
リセットトランジスタRXは、ローデコーダ22から出力されたリセット信号RSに応答して、フローティングディフュージョン領域FDをリセットすることができる。
図1に示した深さセンサー10は、深さセンサーアレイ14に具現された複数のカラムラインから出力されたフレーム信号をCDS/ADC回路18に伝送するためのアクティブロード回路をさらに含みうる。
深さ推定器26によって推定された位相差(θ)は、数式3のようである。
第1時点t0で、図3又は図5に示したように、180°の位相差を有するゲート信号Ga、Gcが、2タップピクセル構造を有する深さピクセル16に供給されれば、2タップピクセル構造を有する深さピクセル16は、測定されたフレーム信号A0’、A2’を出力する。
図7を参照すると、深さ推定器26は、状態判断モジュール26a、グルーピングモジュール(Grouping Module)26b、位相検出モジュール26c、及び距離計算モジュール26dを含む。
2タップピクセル構造では、フレーム信号が一対ずつ交互に、すなわち、A0とA2の対、A1とA3の対が交互に出力される。この際、フレーム信号A0とA2の対が出力される場合のフレーム情報を0であると仮定し、フレーム信号A1とA3の対が出力される場合のフレーム情報を1と仮定する。
この際、フレーム信号グループのそれぞれは、対象物体11までの深さ計算時、エラーが発生しないようにグルーピングされ、現在フレーム信号グループと以前フレーム信号グループは、少なくとも一つのフレーム信号を共有する。
位相検出モジュール26cによって検出される位相差は、フレーム信号グループに含まれた二つのフレーム信号の差とフレーム信号グループに含まれた他の二つの信号の差との比率に対するアークタンジェント値であり得る(数式3及び数式5参照)。
以下、図1、図7、及び図8を参照して、その工程を順次に説明する。
図9は、図1に示した深さ推定器26の深さ推定工程を説明するためのフローチャートである。
したがって、光電変換素子(32−2)は、各ゲート信号Ga、Gb、Gc、及びGdがハイレベルを有する間に反射光RLによって光電変換動作を行う。光電変換素子(32−2)によって生成された光電荷はフローティング・ディフュージョン・ノードFDに伝送される。
しかし、深さセンサー10’の高速動作時には、メモリ24から出力されるフレーム信号が漏れる可能性が高くなり、漏れたフレーム信号によって対象物体11までの深さ推定では、エラーが発生する。
図14を参照すると、深さ推定器26’は、第1状態判断モジュール26a’、第2状態判断モジュール26b’、グルーピングモジュール26c’、位相検出モジュール26d’、及び距離計算モジュール26e’を含む。
この際、現在フレーム信号グループと以前フレーム信号グループは、少なくとも一つのフレーム信号を共有する。すなわち、グルーピングモジュール26c’も、図7のグルーピングモジュール26bのようにムービング・ウインドウ方式で深さ計算時にエラーを発生しないフレーム信号をグルーピングする。
表2によれば、グルーピングモジュール26c’は、現在フレーム信号のフレーム情報f及びインデックス値nが(3、0)、(2、3)、(1、2)、または(0、1)であれば、現在フレーム信号と現在フレーム以前の3個のフレーム信号とを一つのフレーム信号グループにグルーピングするということが分かる。
図17の(a)は、深さセンサー10’によって漏れたフレーム信号が補償された場合の深さイメージ(Depth Image)及び深さイメージのヒストグラムを表わし、図17の(b)〜(d)は、漏れたフレーム信号に基づいて深さ推定にエラーが発生した場合の深さイメージ及び前記深さイメージのヒストグラムを示す。
以下、図10、図14、及び図15を参照して、その工程を順次に説明する。
また、本発明の実施形態による深さセンサー10または10’は、多様な形態のパッケージを用いて実装されうる。
コンピュータで読み取り可能な記録媒体は、コンピュータシステムによって読み取れるデータが保存されるあらゆる種類の記録装置を含む。例えば、コンピュータで読み取り可能な記録媒体には、ROM、RAM、CD−ROM、磁気テープ、フロッピー(登録商標)ディスク、光データ保存装置などがある。
図16において、x軸は、一漏れたフレーム信号が発生する確率を表わし、y軸は、全体フレーム信号のうちから対象物体までの深さ推定に利用されていないフレーム信号の比率を表わす。
フレーム信号グルーピング方式において、従来の深さセンサーは、漏れたフレーム信号を含むフレーム信号グループを対象物体までの深さ推定から除外する方式(ディスカード・オール:Discard−all)を利用し、本発明の実施形態による深さセンサーは、ムービング・ウインドウ方式を利用する。
ここで、3次元イメージセンサーとは、深さピクセルを用いて深さ情報を測定する機能と各カラーピクセルR、G、及びBを用いて各カラー情報(例えば、レッドカラー情報、グリーンカラー情報、またはブルーカラー情報)を測定する機能とを共に結合して、3次元イメージ情報が得られる装置を意味する。
実施形態によって、3次元イメージセンサー100は、カラムデコーダ(図示せず)をさらに含みうる。カラムデコーダは、タイミングコントローラ20から出力されたカラムアドレスをデコーディングして、カラム選択信号を出力することができる。ソース12は、赤外線信号、すなわち、変調赤外線信号を生成することができる光源として具現可能である。
アクティブロード部124は、タイミングコントローラ20から出力されたバイアス電圧によって複数のカラムラインを通じて出力されたピクセル信号をCDS/ADC回路130に伝送する。
イメージ信号プロセッサ150は、CDS/ADC回路130から出力されたデジタル信号からデジタルピクセル信号(例えば、深さ情報またはカラー情報)を検出する。
図19を参照すると、イメージ処理システム200は、3次元イメージセンサー100とプロセッサ210とを含みうる。
プロセッサ210は、3次元イメージセンサー100の動作を制御することができる。
3次元イメージセンサー100によって生成された3次元イメージ情報は、プロセッサ210の制御下で、バス201を通じてメモリ装置220に保存することができる。メモリ装置220は、不揮発性メモリ装置として具現可能である。
インターフェース230は、3次元イメージ情報を入出力するためのインターフェースとして具現可能である。実施形態によっては、インターフェース230は、無線インターフェースとして具現可能である。
図20を参照すると、イメージ処理システム300は、深さセンサー10または10’、RGBカラーピクセルを含むカラーイメージセンサー310、及びプロセッサ210を含みうる。
ここで、カラーイメージセンサー310は、深さピクセルを含まず、レッドピクセル、グリーンピクセル、及びブルーピクセルとして具現されたピクセルアレイを含むイメージセンサーを意味する。したがって、プロセッサ210は、深さセンサー10または10’によって推定(または、計算)された深さ情報とカラーイメージセンサー310から出力された各カラー情報(例えば、レッド情報、グリーン情報、ブルー情報、マゼンタ情報、シアン情報、またはイエロー情報のうちから少なくとも一つ)とに基づいて3次元イメージ情報を生成し、該生成された3次元イメージ情報をディスプレイを通じて表示する。
図19または図20に示したイメージ処理システムは、3次元距離測定器、ゲームコントローラ、深さカメラ、またはジェスチャセンシング装置(gesture sensing apparatus)などに使われ得る。
図21を参照すると、単純な深さ(または、距離)測定センサーとしてのみ動作することができる信号処理システム400は、深さセンサー10または10’と深さセンサー10または10’の動作を制御するためのプロセッサ210とを含む。
プロセッサ210は、深さセンサー10または10’から出力された深さ情報に基づいて、信号処理システム400と被写体(または、ターゲット物体)との距離情報または深さ情報を計算することができる。プロセッサ210によって測定された距離情報または深さ情報は、バス401を通じてメモリ装置220に保存することができる。
12 赤外線光源
11 対象物体
14 深さセンサーアレイ
16、32 深さピクセル
16−1、16−2 (第1、第2)アクティブ領域
16−3、16−4 光電変換素子
17 赤外線通過フィルター
18、130 CDS/ADC回路
20 タイミングコントローラ
22 ローデコーダ
24 メモリ
26、26’ 深さ推定器
26a’ 第1状態判断モジュール
26b’ 第2状態判断モジュール
26c’ グルーピングモジュール
26d’ 位相検出モジュール
26e’ 距離計算モジュール
100 3次元イメージセンサー
110 ピクセルアレイ
124 アクティブロード部
150 イメージ信号プロセッサ
200、300 イメージ処理システム
201、301、401 バス
210 プロセッサ
220 メモリ装置
230、410 インターフェース
300 イメージ処理システム
310 カラーイメージセンサー
400 信号処理システム
Claims (10)
- (a)光信号を対象物体に放射する段階と、
(b)前記対象物体から反射される光信号及び深さピクセルに印加され一定の位相差で周期的に印加される複数のゲート信号に基づいて複数のフレーム信号を発生させ、前記複数のフレーム信号及び前記複数のフレーム信号のそれぞれのフレーム情報を前記対象物体までの深さ推定のために提供する段階と、
(c)前記複数の提供されたフレーム信号のうちから漏れたフレーム信号の有無及び前記複数の提供されたフレーム信号の連続パターンを考慮して、前記複数の提供されたフレーム信号をそれぞれがエラーなしに、前記対象物体までの深さの推定に利用される複数のフレーム信号グループにグループ化する段階と、
(d)前記複数のフレーム信号グループのそれぞれを用いて、前記対象物体までの深さを推定する段階とを有することを特徴とする深さセンサーの深さ推定方法。 - 前記(c)段階は、
(c1)前記複数の提供されたフレーム信号のうちから現在フレーム信号のフレーム情報と以前フレーム信号のフレーム情報とを比較し、該比較結果に基づいて、前記複数の提供されたフレーム信号のうちから前記漏れたフレーム信号を検出し、前記提供された複数の提供されたフレーム信号の連続パターンを判断する段階と、
(c2)前記漏れたフレーム信号の有無及び前記複数のフレーム信号の連続パターンに基づいて、前記複数の提供されたフレーム信号を前記複数のフレーム信号グループにグループ化する段階とを含むことを特徴とする請求項1に記載の深さセンサーの深さ推定方法。 - 現在フレーム信号グループと以前フレーム信号グループは、少なくとも一つのフレーム信号を共有することを特徴とする請求項2に記載の深さセンサーの深さ推定方法。
- 前記(d)段階は、
(d1)前記複数のフレーム信号グループのそれぞれに含まれる二つのフレーム信号の差と前記複数のフレーム信号グループのそれぞれに含まれた他の二つの信号の差との比率に基づいて、前記対象物体に放射された光信号と前記対象物体から反射された光信号との間の位相差を検出する段階と、
(d2)前記光信号の周波数及び前記位相差に基づいて、前記対象物体までの深さを推定する段階とを含むことを特徴とする請求項2に記載の深さセンサーの深さ推定方法。 - 前記位相差は、前記フレーム信号グループに含まれる前記二つのフレーム信号の差と前記フレーム信号グループに含まれる前記他の二つの信号の差との比率に対するアークタンジェント値であることを特徴とする請求項4に記載の深さセンサーの深さ推定方法。
- 前記(c)段階は、
(c1)前記複数の提供されたフレーム信号のうちから現在フレーム信号のフレーム情報と以前フレーム信号のフレーム情報とを比較し、該比較結果に基づいて、前記漏れたフレーム信号の有無を判断し、前記漏れたフレーム信号の有無を表わすインデックス値を発生させる段階と、
(c2)前記複数の提供されたフレーム信号のうちから現在フレーム信号のフレーム情報と前記インデックス値を比較し、該比較結果に基づいて、前記複数の提供されたフレーム信号の連続パターンを判断する段階と、
(c3)前記漏れたフレーム信号の有無及び前記複数の提供されたフレーム信号の連続パターンに基づいて、前記複数の提供されたフレーム信号を前記複数のフレーム信号グループにグループ化する段階とを含むことを特徴とする請求項1に記載の深さセンサーの深さ推定方法。 - 現在フレーム信号グループと以前フレーム信号グループは、少なくとも一つのフレーム信号を共有することを特徴とする請求項6に記載の深さセンサーの深さ推定方法。
- 前記(d)段階は、
(d1)前記複数のフレーム信号グループのそれぞれに含まれる二つのフレーム信号の差と前記複数のフレーム信号グループのそれぞれに含まれる他の二つの信号の差との比率に基づいて、前記対象物体に出力された光信号と前記対象物体から反射された光信号との間の位相差を検出する段階と、
(d2)前記光信号の周波数及び前記位相差に基づいて、前記対象物体までの深さを推定する段階とを含むことを特徴とする請求項6に記載の深さセンサーの深さ推定方法。 - 前記位相差は、前記フレーム信号グループに含まれる前記二つのフレーム信号の差と前記フレーム信号グループに含まれる前記他の二つの信号の差との比率に対するアークタンジェント値であることを特徴とする請求項8に記載の深さセンサーの深さ推定方法。
- 請求項1乃至請求項9の何れか一項に記載の深さセンサーの深さ推定方法を実行するためのコードを保存するコンピュータで読み取り可能な記録媒体。
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