KR0143972B1 - 비데오 카메라의 자동초점조절방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

비데오카메라의 자동초점조절방법이 개시된다.

본 발명의 비데오카메라의 자동초점조절방법은 적어도 프레임화면의 일부분을 구성하는 샘플링영역에 포함되며 서로 인접하는 화소위치에서의 기울기를 구하는 과정; 상기 샘플링영역을 복수의 부영역으로 세분하고, 상기 각각의 부영역마다 서로 다른 가중치를 부여하며, 상기 기울기와 상기 기울기가 산출된 위치화소가 포함된 부영역의 가중치를 곱한 값을 적분하는 과정; 전후의 프레임화면들에 대해 형성된 상기 적분값의 차를 연산하는 과정; 및 상기 적분값의 차에 따라 다음의 프레임화면에서의 상기 적분값이 증대되도록 포커스제어를 행하는 제어과정을 포함한다.

본 발명의 비데오카메라의 자동초점조절방법은 기존의 엔벨로프의 합에 의해 포커스를 조정하는 방법에 비해 다양한 포커스모드를 제공할 수 있다는 장점을 갖는다.

Description

비데오카메라의 자동초점조절방법 및 장치

제 1 도는 종래의 자동 초점조절장치를 보이는 블록도이다.

제 2a-2c 도는 제 1 도의 동작을 보이는 도면이다.

제 3a-3b 도는 조도 및 주위환경의 변화에 따른 주파수 스펙트럼의 변화를 보이는 도면이다.

제 4 도는 본 발명의 자동초점조절장치를 보이는 블록도이다.

제 5 도는 샘플링역역에서의 분할된 부영역과 가중치의 관계를 보이는 도면이다.

제 6 도는 제 4 도의 가중치연산기의 일예를 보이는 도면이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

41 : 고역 통과여파기 42 : 기울기 검출부

44 : 가중치연산부 46 : 누산부

48 : 오차검출부 50 : 포커스구동부

본 발명은 비데오카메라의 자동초점조절방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 비디오카케라의 자동초점조절방식은 적외선측거 혹은 초음파측거에 의한 능동방식과 이미지센싱 혹은 화상검출에 의한 수동방식으로 대별된다.

능동방식은 적외선 혹은 초음파를 피사체를 향해 조사하고 그 반사파를 카메라에 설치된 센서에서 수신하여 피사체까지의 거리를 측정하고 이에 따라 렌즈의 포커스기구를 구동하는 방식으로서, 근거리에서도 초점조절이 가능하고 고성능이라는 장점이 있는 대신에 별도의 측거기구가 필요하다는 단점이 있다.

수동 방식중의 이미지검출방식은 두 개의 고정된 반사거울에 의해 형성되는 2개의 상들로부터 피사체까지의 거리를 산출하여 포커스기구를 구동한다.

이에 반해 화상검출방식에서는 영상신호중의 고주파성분을 추출하여 피사체의 해상도를 산출하고, 피사체의 해상도가 최대로 형성되도록 포커스기구를 구동한다. 즉 초점이 맞는 상태는 피사체의 해상도가 최대인 상태이며 이는 영상신호의 고주파성분이 최대인 상태인 것을 이용하는 방식이다. 이러한 화상검출방식은 수동방식에서와 같이 별도의 측거기구를 필요로하지 않으며 또한 이미지 검출방식에서와 같이 기구적인 장치를 필요로하지 않으므로 최근에 많이 채용되고 있다.

그러나 상기의 화상검출방식에 의한 수동방식에서는 피사체의 조도가 낮거나 윤곽선이 부드러운 피상체나 배경이 있을 경우에는 고주파성분이 급격히 저하되어 정상적인 초점조절이 어렵다는 문제점이 있다.

또한 상기의 화상검출방식에 의한 수동방식에서는 화면의 전체적인 해상도가 개선되도록 초점을 맞추게 되므로 화면중의 임의의 지점에 초점을 맞추는 것이 불가능하다는 단점이 있다.

본 발명은 상기의 문제점을 극복하여 화상신호중의 고주파성분이 아닌 화상신호 자체에 근거한 초점조절방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 화면상의 임의의 부분에 대해 초점을 맞출 수 있는 초점조절방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기의 초점조절방법에 적합한 초점조절장치를 제공하는 것에 있다.

상기의 문제점을 해결하는 본 발명의 자동초점조절방법은 적어도 프레임화면의 일부분을 구성하는 샘플링영역에 포함되며 서로 　접하는 화소위치에서의 기울기를 구하는 과정; 상기 샘플링역역을 복수의 부영역으로 세분하고, 상기 각각의 부영역마다 서로 다른 가중치를 부여하며, 상기 기울기와 상기 기궁릭가 산출된 위치화소가 포함된 부영역의 가중치를 곱한 값을 적분하는 과정; 전후의 프레임화면들에 대해 형성된 상기 적분값의 차를 연산하는 관정; 및 상기 적분값의 차에 따라 다음의 프레임화면에서의 상기 적분값이 증대되도록 포커스제어를 행하는 제어과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 다른 목적을 달성하는 본 발명에 따른 자동 초점 조절장치는 적어도 프레임 화면의 일부를 구성하는 샘플링영역 내의 인접된 화소들 사이의 화소값의 기울기를 연산하는 기울기검출부(42); 상기 기울기검출부(42)에서 출력되는 기울기에 소정의 가중치를 곱하여 상기 누산부(46)에 제공하는 가중치연산부(44); 상기 가중치연산부(44)에서 연산된 기울기를 샘플링영역에 대하여 누산하고, 프레임주기로 출력하는 누산부(46); 상기 누산부(46)에서의 출력값을 프레임주기로 비교하여 그 차값을 발생하는 오차검출부(48); 및 상기 오차검출부(48)에서의 출력값에 의해 사기 누산부(46) 에서의 출력값이 증대되도록 제어하는 포커스구동부(50)를 포함함을 특징으로 한다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 자동초점조절방법 및 장치를 상세히 설명하기로 한다.

제 1 도는 종래의 자동초점조절장치를 보이는 도면이다. 제 1 도에 있어서, 12는 고주파검출부이고, 14는 오차검출부이고, 16은 포커스구동부이고 그리고 18은 클럭발생부이다.

고주파검출부(12)는 고역통과여파기(12a), 적대값검출기(12b), 포락선검출기(12c), A/D변환기(12d) 및 누산기(12e)를 구비한다.

오차검출부(14)는 제 1 과 제 2 의 메모리(14a, 14b) 그리고 감산기(14c)를 구비한다.

클럭발생부(18)는 동기분리기(18a), 게이트제어기(18b), 게이트(18c) 그리고 발진기(18d)를 구비한다.

제 1 도의 구성에 의한 동작을 상세히 설명한다. 제 1 도의 고주파검출부(12)에는 영상신호중의 휘도신호(Y)가 유입된다 고역통과여파기(12a)는 휘도신호(Y)의 고역주파수성분만을 통과시켜 절대값검출기(12b)에 제공한다. 절대값검출기(12b)는 휘도신호의 고주파성분을 입력하여 절대값이 0보다 큰 정의 부분은 그대로 출력하며 0보다 작은 부의 부븐은 반전시켜 정의 값으로 형성하여 출력한다. 절대값검출기(12b)의 출력은 포락선검출기(12c)의 입력으로 제공된다.

포락선검출기(12c)는 절대값검출기(12b)에서 출력되는 파형의 포락선을 검출하여 A/D변환기(12d)에 제공한다. A/D변환기(12d)에 의해 샘플링된 값은 누산기(12e)에 제공되어 일정기간동안 누산된다.

고주파검출부(12)의 누산기(12e)에서 출력되는 신호는 오차검출부(14)에 제공된다. 오차검출부(14)는 고주파검출부(12)로부터 제공되는 신호를 일정주기마다 비교하여 포커스오차값을 산출한다. 먼저 제 2 메모리(14b)에 기록된 값은 제어신호(W)가 인가되는 시점에서 독출되어져 감산기(14c)의 일측입력단자로 제공된다. 또한 제 1 메모리(14a)에 기억된 값은 제어신호(W)가 인가 되는 시점에서 독출되어 감산기(14c)의 타측입력단자에 제공됨과 동시에 제 2 메모리(14b)에도 제공된다. 감산기(14c)는 양측의 입력단자에 인가되는 값의 차를 형성하고 이를 포터스오차값으로서 포커스구동부(16)로 출력한다. 제어신호(W)의 후단에서 고주파검출부(12)에서 제공되는 신호가 제 1 메모리(14a)에 기록되고 제 1 메모리(14a)에서 독출된 신호는 제 2 메모리(14b)에 기록된다. 상기의 동작을 일정주기로 반복함에 의해 주기적인 포커스 오차신호를 얻는다.

포커스구동부(16)는 포커스오차신호를 입력하여 다음의 제어신호가 인가되는 시점에서 이 값이 적어질 수 있도록 렌즈의 포커스링(도시되지 않음)를 구동한다.

클럭발생부(18)는 복합동기신호를 입력하여 고주파검출부(12) 및 오차검출부(14)를 제어하는 신호를 발생한다. 동기분리부(18a)는 복합동기신호로부터 수평동기신호(H_SYNC) 및 수직동기신호(V_SYNC)를 검출한다. 수직동기신호(V_SYNC)는 누산기(12e)의 리세트신호(RE) 및 오차검출부(14)의 제 1 과 제 2 의 메모리(14a, 14b)의 제어신호(w)로서 인가된다.

한편, 수직동기신호(V_SYNC)와 수평동기신호(H_SYNC)는 게이트 제어회로(18b)에 제공되어 게이트회로(18c)에 지공되는 제어신호를 형성한다. 게이트회로(18c)는 발진기(18d)에서의 샘플링클럭이 A/D변환기(12d) 및 누산기(12e)에 인가되는 것을 제어한다.

제 2a-2c 도는 제 1 도의 동작을 보이는 도면이다. 제 2a 도와 제 2b 도는 초점이 맞지않는 경우 및 맞는 경우에 있어서 영상신호에 포함된 고주파성분의 스펙트럼도이다. 제 2b 도에 보여지는 바와 같이 초점이 맞는 경우에 있어서 영상신호의 고역부분의 스펙트럼이 증가하는 것을 알 수 있다.

제 2c 도는 영상신호의 고주파성분을 프레임기간동안 적분한 값이 포커스렌즈의 위치에 따라 변화하는 것을 보이는 도면이다. 제 2c 도에 있어서 ①②③④의 위치들 중에서 ④의 위치에서 최적으로 포커스가 맞추어져 있음을 알수 있다. 제 1 도의 자동초점조절장치는 프레임주기마다 포커스오차를 산출하여 영상신호의 고주파성분이 최대로 되는 ④의 위치에 포커스렌즈가 위치되도록 제어한다.

제 1 도에 보여지는 바의 자동초점조절장치는 피사체의 영상이 선명해짐에따라 휘도신호의 고역성분이 증가하는 원리에 바탕을 둔 장치이다. 따라서 낮은 조도, 주위의 환경변화 등에 의해 휘도신호의 고역성분이 일정한 레벨이하로 저하되는 경우에는 적절한 초점조절이 어려워진다.

제 3a 도는 조도의 변화에 따른 주파수 스펙트럼의 변화를 보이는 도면이다. 조도가 낮은 ②와 ③의 위치에서는 조도가 높은 ①의 위치에 비해 주파수 스펙트럼의 고역성분이 낮아짐을 알 수 있다.

제 3b 도는 주위 환경의 변화에 따른 주파수 스펙트럼의 변화를 보이는 도면이다. 피사체 및 배경이 부드러운 윤곽선을 갖을수록 주파수 스펙트럼의 고역분이 저하됨을 알 수 있다.

제 3a 도와 제 3b 도에 있어서와 같이 조도 및 주위 환경의 변화에 의해 영상신호의 고역성분이 저하되어 제 1 도의 자동초점조절장치의 임계값이하로 저하되는 경우에는 초점조절이 불가능하게된다.

이를 개선하는 방법으로서 영상신호의 전 주파수대역에 대하여 고주파스펙트럼을 정확히 분석하는 방법이 생각될 수 있지만 이런 경우에는 프리에변환기등의 시간-주파수변환을 위한 장치가 수반되어야하며, 이를 실시간으로 처리되도록 하기 위하여는 상당한 정도의 가격증가를 초래하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 간단하게 영상신호의 주파수 스펙트럼을 분석하여 실시간동작이 구현될 수 있는 새로운 자동초점조절방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 상기의 목적에 적합한 자동초점조절장치를 제공하는 것에 있다.

상기의 목적을 달성하는 본 발명의 자동초점조절방법은 적어도 프레임화면의 일부분을 구성하는 샘플링영역에 포함된 화소들 사이의 기울기를 구하는 과정: 기울기를 샘플링영역에 대하여 적분하는 과정: 소정의 주기로 적분값을 비교하는 과정: 및 비교결과에 따라 다음 주기에서의 적분값이 커지도록 하는 제어과정을 포함함을 특징으로 한다.

상기의 다른 목적을 달성하는 본 발명의 자동초점조절장치는 적어도 프레임화면의 일부를 구성하는 샘플링영역 내의 인접된 화소들 사이의 화소값의 기울기를 연산하는 기울기검출부: 기울기검출부에서 연산된 기울기를 샘플링영역에 대하여 누산하고, 프레임주기로 출력하는 누산부: 누산부에서의 출력값을 프레임주기로 비교하여 그 차값을 발생하는 오차검출부; 및 오차검출부에서의 출력값에 의해 누산부에서의 출력값이 증대되도록 제어하는 포커스구동부를 포함함을 특징으로 한다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 자동초점조절방법은 피사체의 영상이 선명해 짐에 따라 윤곽이 선명해지는 즉 영상신호의 기울기가 증대되는 현상을 이용하는 것으로서 그 과정은 다음과 같다.

(1) 먼저, 적어도 프레임화면의 일부분을 구성하는 샘플링영역에 포함되며 서로 인접하는 화소위치에서의 기울기를 구한다. 여기서 샘플링영역은 초점조절시 고려되는 영역을 의미하는 것으로서, 피사체이거나 주위 배경일 수도 있다. 각각의 화소위치에서의 기울기는 고역여파된 휘도신호의 기울기를 사용한다.

기울기(T)는 임의의 인접된 화소위치(x, y)에서의 고역여파된 휘도신호값이 f(x, y)라 할 때 f(x, y)의 1차도함수로서 구하여 진다. 즉,

T = f'(x, y) ------- (1)

상기의 기울기(T)는 샘플링영역에서의 초점이 정확히 맞는 경우에 최대의 값을 보이는 특성을 갖는다.

(2) 상기 샘플링영역의 모든 기울기를 적분한다.

A(x, y) = T*W(x, y) dxdy = f'(x, y)*W(x, y) dxdy --- (2)

여기서 W(x, y)는 상수로서 샘플링영역을 구하는 각 화소의 가중치(중요도)를 나타낸다.

본 발명의 자동초점조절방법에서는 샘플링영역을 복수의 부영역으로 분할하고 각각의 부영역에 있어서의 가중치들을 자유로이 설정토록하여 화면의 임의의 부분에 대한 강조, 약화, 제거 등의 다양한 포커스모드를 설정하는것이 가능하게 한다.

(3) 전후의 프레임화면들에 대해 형성된 상기 적분값의 차를 연산한다. 통상 프레임주기(NTSC방식의 경우 63.5㎲)로 샘플링 영역내의 적분값을 비교한다. 전후의 주기에 있어서 적분값의 차이는 대응하는 포커스렌즈의 위치에 입각한 초점의 편차량에 비례하므로 이를 이용하여 포커스렌즈를 제어할 수 있다.

(4) 상기 적분값의 차에 따라 다음의 프레임화면에서의 상기 적분값이 증대되도록 포커스제어를 행한다. 이러한 동작에 의해 전의주기에서의 적분값보다 후의 주기에서의 적분값이 커지는 방향으로 포커스렌즈의 위치가 변동됨으로서 정확한 포커스가 맞추어진다.

제 4 도는 본 발명의 자동초점조절장치를 보이는 도면이다. 제 4 도에 있어서 41은 고역통과여파기이고, 42는 기울기 검출부이고, 44는 가중치연산부이고, 46은 누산부이며, 48은 오차검출부이며 그리고 50은 포커스구동부이다.

기울기검출부(42)는 A/D변환기(42a), 지연기(42b), 감산기(42c), 절대값연산기(42d)를 구비한다.

가중치연산부(44)는 가중치연산기(44a)와 가중치조정기(44b)를 구비한다.

누산부(46)는 가산기(46a)와 래치(46b)를 구비한다.

오차검출부(48)는 제 1 과 제 2 의 메모리(48a, 48b) 그리고 감산기(48c)를 구비한다.

제 4 도의 구성에 의한 자동초점조절동작을 상세히 설명한다. 제 4 도에 의한 동작의 설명에 있어서, 각종의 클럭에 대한 것은 제 1 도의 설명을 참조하기로 하고 그 상세한 설명은 생략한다.

고역통과여파기(41)는 휘도신호를 입력하여 이를 고역통과여파 처리하고 그 결과를 기울기검출부(42)에 제공한다. 기울기검출부(42)는 고역통과여파된 휘도신호를 입력하여 샘플링영역 내의 인접된 화소들 사이의 기울기를 산출하여 가중치연산부(44)에 제공한다. 기울기검출부(42)의 A/D변환기(42a)는 고역통과여파된 휘도신호를 샘플링하여 지연기(42b) 및 감산기(42c)에 제공한다. 지연기(42b)는 A/D변환기(42a)에서 출력되는 샘플링데이타를 1샘플링주기동안 지연한다. 감산기(42c)는 A/D변환기(42a)에서의 샘플링데이타(Pi)와 지연기(42b)에서의 1샘플링주기로 지연된 샘플링데이타(Pi-1)의 차값을 발생하여 절대값연산기(42d)에 제공한다. 절대값연산기(42d)는 그에 입력되는 데이터의 부호값이 정의 값을 갖을 경우에는 그대로 출력하고, 부의 값을 갖을 경우에는 부호값을 반전시켜 출려한다.

가중치연산부(44)는 샘플링영역 내에서 설정된 가중치를 기울기에 곱하여 출력한다. 가중치연산부(44)의 가중치연산기(44a)는 절대값연산된 기울기와 이에 대응하는 가중치와의 곱셈연산을 수행하고 그 결과를 누산부(46)에 제공한다. 가중치 조정기(44b)는 샘플링영역내의 부영역들에 대한 가중치를 조정한다.

제 5a-5b 도는 샘플링영역 내의 부영역들에 있어서 가중치의 할당상태를 보이는 도면이다. 제 5 도에 있어서 샘플링영역은 프레임영역에 대응하고 부영역들은 중앙부(62)와 주변부(64)에 대응한다. 제 5a 도에 있어서는 중앙부(62)에는 1의 가중치가 할당되고, 주변부(64)에는 0.5의 가중치가 할당되어져 있으므로 중앙부(62)가 강조된 초점조절이 수해된다. 제 5b 도에 있어서는 중앙부(62)에 1의 가중치가 할당되고 주변부(64)에는 0의 가중치가 할당되어져 있으므로 주변부(64)가 제거된 즉 중앙부(62)에 집중된 초점조절이 행하여 진다.

제 6 도는 제 4 도의 가중치 연산기의 일예를 보이는 도면이다. 제 6 도에보여지는 것은 쌍방향 시프트레지스터로서 그에 입력되는 제어신호(S0, S1)에 의해 좌, 우로의 시프트동작이 제어된다.

표1 에 제어신호에 대응하는 가중치의 변화를 보인다.

누산부(46)는 가중치연산부(44)에서 출력되는 값을 샘플링 영역에 대하여 누산하여 오차검출부(48)에 제공한다.

오차검출부(48)는 누산부(46)로부터 제공되는 신호를 일정주기 마다 비교하여 포커스오차값을 산출한다. 먼저 제 2 메모리(48b)에 기록된 값은 제어신호(W)가 인가되는 시점에서 독출되어져 감산기(48c)의 일측입력단자로 제공된다. 또한 제 1 메모리(48a)에 기억된 값은 제어신호(W)가 인가되는 시점에서 독출되어 감산기(48c)의 타측입력단자에 제공됨과 동시에 제 2 메모리(48b)에도 제공된다. 감산기(48c)는 양측의 입력단자에 인가되는 값의 차를 형성하고 이를 포터스오차값으로서 포커스구동부(50)로 출력한다. 제어신호(W)의 후단에서 누산부(46)에서 제공되는 신호가 제 1 메모리(48a)에 기록되고 제 1 메모리(48a)에서 독출된 신호는 제 2 메모리(48b)에 기록된다. 상기의 동작을 일정주기로 반복함에 의해 주기적인 포커스오차신호를 얻는다.

포커스오차신호는 포커스렌즈(도시되지 않음)를 구동하는 신호로서 포커스구동부(50)에 제공된다.

상술한 바와 같이 본 발명의 자동초점조절방법은 기존의 엔벨로프의 합에 의해 포커스를 조정하는 방법에 비해 다양한 포커스모드를 제공할 수 있다는 장점을 갖는다.

그리고 본 발명의 자동초점장치는 디지탈 적으로 구성할 수 있으므로 직접회로로 제작하는 것이 용이하고, 포커스모드를 소프트웨어적으로 제어할 수 있으므로 소비자의 다양한 요구에 부응할 수 있다는 잇점을 갖는다.

Claims (4)

1. 비데오카메라의 초점을 제어하는 방법에 있어서, 적어도 프레임화면의 일부분을 구성하는 샘플링영역에 포함되며 서로 인접하는 화소위치에서의 기울기를 구하는 과정; 상기 샘플링영역을 복수의 부영역으로 세분하고, 상기 각각의 부영역마다 서로 다른 가중치를 부여하며, 상기 기울기와 상기 기울기가 산출된 위치화소가 포함된 부영역의 가중치를 곱한 값을 적분하는 과정; 전후의 프레임화면들에 대해 형성된 상기 적분값의 차를 연산하는 과정; 및 상기 적분값의 차에 따라 다음의 프레임화면에서의 상기 적분값이 증대되도록 포커스제어를 행하는 제어과정을 포함하는 비데오카메라의 자동초점조절방법
2. 비디오카메라의 초점을 자동적으로 제어하는 장치에 있어서, 적어도 프레임화면의 일부를 구성하는 샘플링영역 내의 인접된 화소들 사이의 화소값의 기울기를 연산하는 기울기검출부(42); 상기 기울기검출부(42)에서 출력되는 기울기에 소정의 가중치를 곱하여 상기 누산부(46)에 제공하는 가중치연산부(44); 상기 가중치연산부(44)에서 연산된 기울기를 샘플링영역에 대하여 누산하고, 프레임주기로 출력하는 누산부(46); 상기 누산부(46)에서의 출력값을 프레임주기로 비교하여 그 차값을 발생하는 오차검출부(48); 및 상기 오차검출부(48)에서의 출력값에 의해 상기 누산부(46) 에서의 출력값이 증대되도록 제어하는 포커스구동부(50)를 포함함을 특징으로 하는 비데오카메라의 자동초점조절장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 가중치연산부(44)는 기울기검출부(42)에서의 기울기와 그에 인가되는 가중치의 곱셈연산을 수행하고, 그 결과를 상기 가중치연산부(44)로 출력하는 가중치연산기(44a); 및 상기 샘플링영역에 할당된 가중치를 기억하며, 상기 가중치를 독출하여 상기 가중치연산기(44a)에 제공하는 가중치조정기(44b)를 포함함을 특징으로 하는 비데오카메라의 자동초점조절장치.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 가중치연산기(44a)는 쌍방향 시프트레지스터인 것을 특징으로 하는 비데오카메라의 자동초점조절장치.