KR100287199B1 - 자동초점조절장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 비디오 카메라에 있어서 자동초점조절장치 및 그 방법이 개시되어 있다.
본 발명은 촬상소자로부터 얻어지는 영상신호의 고역성분레벨을 초점평가치로서 출력하는 고역통과필터와 디지탈적분부, 디지탈적분부로부터 출력되는 초점평가치를 저역필터링하는 디지탈 저역통과필터, 디지탈 저역통과필터로 출력되는 필터링된 초점평가치가 최대가 되는 위치가 될 때까지 촬영렌즈의 조출량을 제어하는 마이콤과 모터구동부를 포함하여 회로 잡음, 손떨림, 피사체 변화, 조도의 변화등에 의하여 변환하는 AF데이타를 저역필터링함으로써 오동작을 방지하고, 빠른 AF속도를 수행할 수 있는 효과가 있다.

Description

자동초점조절장치 및 그 방법
제1도는 종래의 자동초점조절장치의 블럭도이다.
제2도는 제1도에 도시된 장치에서 검출된 자동초점(AF) 평가치를 설명하기 위한 도면이다.
제3도는 본 발명에 의한 자동초점조절장치의 일 실시예에 따른 블럭도이다.
제4도는 본 발명에 의한 자동초점조절방법의 계통도이다.
제5도는 제3도에 도시된 디지탈 저역통과필터의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
제6a도 및 제6b도는 제3도에 도시된 디지탈 저역통과필터의 상세블럭도이다.
제7도는 제3도에 도시된 디지탈 저역통과필터로부터 저역필터링 후의 AF 평가치를 설명하기 위한 도면이다.
제8도는 제4도에 도시된 일부단계의 서브루틴이다.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
110 : 촬상부 120 : 영상신호처리부
130 : 필터부 140 : 선택부
150 : A/D변환부 160 : 화면분할부
170 : 디지탈적분부 180 : 디지탈저역통과필터
190 : 마이크로컴퓨터 200 : 모터구동부
본 발명은 자동초점조절장치 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 비디오 카메라에 있어서 자동초점 평가치를 저역필터링한 데이타로 보다 더 정확하게 초점조절하기 위한 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 카메라 일체형 비디오(이하 비디오 카메라라고 함)의 자동초점(Auto Focusing:AF)방식에는 적외선 및 초음파를 이용하는 능동방식과, 이미지센싱 및 영상신호를 이용하는 수동방식으로 크게 구별된다.
종래의 영상신호를 이용한 수동방식의 자동초점조절장치는 제1도에 도시된 바와 같다.
촬상부(10)는 피사체에 대한 광학정보를 입력하는 촬영렌즈(11)와, 촬영렌즈(11)의 줌 링(zoom ring)에 설치하여 줌위치정보를 마이크로 컴퓨터(이하 마이콤이라고 지칭함)(80)에 입력시키는 포텐시오미터(12)와, 입사되는 빛의 밝기를 조절하는 조리개(13)와, 촬영렌즈(11)를 통해 입력되는 피사체에 대한 광학적인 정보를 전기적인 신호로 출력하는 촬상소자(14)로 되어 있다.
영상신호처리부(20)에서는 촬상소자(14)로부터 출력되는 신호를 색분리, 화이트밸런스 및 감마보정등을 행하여 비디오 데크부의 신호기록회로에 출력하고, 수평 및 수직동기신호(Hsync, Vsync)는 마이콤(80)에 출력하며, 휘도신호(Y) 및 자동이득제어신호(AGC)는 필터부(30)에 출력한다.
필터부(30)는 영상신호처리부(20)로부터 출력되는 휘도신호(Y)의 고역성분레벨을 제1고역통과필터(31) 및 제2고역통과필터(32)에서 검출한다. 예를 들어 제1고역통과필터(31)의 차단주파수는 100KHz이고, 제2고역통과필터(32)의 차단주파수는 1MHz이다.
여기서, 촬영렌즈(11)의 특성상 초점조절이 되었을 때는 차단주파수가 높아지고, 초점이 뒤틀어질수록 차단주파수는 낮아지기 때문에 초점이 많이 뒤틀어져 있을 때에는 제1고역통과필터(31)를 선택하고, 초점이 거의 일치할 때에는 제2고역통과필터(32)를 선택한다.
영상신호처리부(20)로부터 출력되는 자동이득제어신호(AGC)는 저역통과필터(33)에서 저역필터링 된 후 A/D변환부(50) 및 디지탈적분부(70)를 통해 마이콤(80)에서 화면의 밝기를 판단하여 조리개(13)의 개폐를 조절하는 자동노출(Automatic Exposure:AE)동작을 행한다.
선택부(40)에서는 예를 들어 첫번째, 두번째 필드에서는 제1 또는 제2고역통과필터(31, 32)를 선택하여 AF조절을 행하고, 세번째필드에서는 저역통과필터(33)를 선택하여 AF조절을 행한다. 사용자가 줌을 사용할 경우에는 포텐시오미터(112)로부터의 줌정보는 마이콤(80)에 출력되어 이 마이콤(80)에서 줌렌즈를 제어한다.
A/D 변환부(50)에서는 선택부(40)에 의해 선택된 신호를 디지탈 신호형태로 변환한다.
여기서, 선택부(40)의 출력단에 잡음을 제거하기 위하여 차단주파수가 2MHz를 갖는 저역통과필터가 더 구성될 수 있다.
화면분할부(60)에서는 촬영화면을 소정수(예를 들어 6영역)의 화면으로 분할하고 디지탈적분부(70)에서는 분할된 화면영역별로 디지탈적분한다. 마이콤(80)에서는 디지탈적분부(70)로부터 출력되는 적분치(일명 AF 평가치라고 함)가 최대가 되는 포인트로 촬영렌즈(11)가 이동하도록 모터구동부(90)에 렌즈위치정보와 속도방향정보를 출력하여 AF조절을 행한다.
제2도는 디지탈 적분부(70)로부터 출력되는 AF평가치를 나타내는 그래프로서, 포커싱을 해가는 도중에 손떨림, 피사체의 움직임, 조도의 변화 및 기타 여러 요인에 의하여 발생하는 AF평가치의 변화를 도시하고 있다. 즉, AF 평가치가 증가 또는 감소방향으로 일정하게 변하는 것이 아니라 불규칙하게 변화하기 때문에 포커싱 포인터로 찾아가는 데 시간이 오래 걸리고, 극단적인 경우에는 디포커스상태를 유지하는 오동작이 발생한다.
기존의 AF기술로는 모두가 고정된 렌즈, 고정된 피사체의 상황하에서 테스트조건을 정했기 때문에 포커싱 도중 AF평가치의 변화에 대해 구체적인 언급이 없으며 대부분의 실제 제품들이 AF속도가 비교적 느리다. 이는 소정필드째마다 AF평가치를 취함으로서 고속도를 구현할 경우 포커싱 포인트를 확인할 때 화면의 튐 현상이 발생하고, 이렇게 튀는 현상을 방지하기 위해서는 포커싱 속도를 저하시키게 된다. 속도를 저하시키게 되면 상술한 요인으로 AF 데이타변동에 의한 포커싱 포인트를 잘못 인식해서 AF조절속도가 느린 문제점이 있었다.
상기의 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명의 목적은 비디오 카메라에 있어서 손떨림, 피사체의 움직임, 조도의 변화 및 기타 여러 요인에 의하여 발생하는 AF평가치의 변화에 대해 저역필터링하여 AF 평가치의 증감방향을 인식하여 보다 더 정확하게 초점조절하는 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 자동초점조절장치는 촬상소자로부터 얻어지는 영상신호의 고역성분레벨을 초점평가치로서 출력하는 초점평가치 검출수단; 상기 초점평가치 검출수단으로부터 출력되는 초점평가치를 저역필터링하는 필터링수단; 및 상기 필터링수단으로부터 출력되는 필터링된 초점평가치가 최대가 되는 위치가 될 때까지 촬영렌즈의 조출량을 제어하는 렌즈위치변경수단을 포함함을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 의한 자동초점조절방법은 영상신호의 고역성분레벨을 초점평가치로 입력하는 제1과정; 상기 초점평가치를 입력하여 증가 또는 감소하고 있는지를 판단하여 포커싱 포인트 방향을 결정하는 제2과정; 상기 초점평가치를 저역필터링하여 초점평가치가 증가방향으로 이동중에 감소방향으로 변환하는지를 판단하는 제3과정; 상기 초점평가치의 최대치를 탐색하는 제4과정; 상기 초점평가치가 감소방향으로 소정회수 계속될 때 AF최대치를 확정하는 제5과정; 및 상기 포커싱 포인트가 초점평가치의 최대치로 유지하고 있는지를 검사하는 제6과정을 포함함을 특징으로 하고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의하 자동초점조절장치 및 그 방법의 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
제3도는 본 발명에 의한 자동초점조절장치의 일 실시예에 따른 블럭도이다.
본 발명은 디지탈 저역통과필터(180)가 디지탈 적분부(170)의 출력단자 및 마이콤(190)의 입력단자사이에 접속되어 있는 점을 제외하고는 제1도에 도시된 구성과 동일하므로 그 구성설명 및 동작설명을 생략하기로 한다.
제4도는 본 발명에 의한 자동초점조절방법에 대한 개통도이다.
본 발명은 AF 평가치를 입력하는 과정(S100)과, AF평가치를 입력하여 증가 또는 감소하고 있는지를 판단하여 포커싱포인트 방향을 결정하는 과정(S110)과, AF 평가치가 증가방향으로 이동중에 감소방향으로 변환하는지를 판단하는 과정(S120)과, AF평가치가 증가방향 이동중에 감소방향으로 변환하였을 때 AF 최대치를 탐색하는 과정(S130)과, AF평가치가 감소방향으로 소정회수(여기서는 2회) 계속될 때 AF평가치의 증감변환 시점에서 AF최대치를 확정하는 과정(S140)과, 포커싱 포인트가 AF 최대치로 유지하고 있는지를 검사하는 과정(S150)으로 이루어진다.
본 발명에 의한 자동초점조절장치의 동작을 제5도 내지 제7도를 결부시켜 설명하기로 한다.
제5도는 제3도에 도시된 디지탈 저역통과필터의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
일반적인 디지탈 저역통과필터는 0≤ f≤ 1/2fS로 주파수 범위가 제한되므로 주파수 응답은 최대 1/2fS까지 모델링이 요망된다.
정상 샘플링 주파수(normalized sampling frequency) ΩS는 아래(1)식으로 나타낼 수 있다.
ΩS= fS/fo----(1)
여기서, fo는 차단주파수, fS는 샘플링 주파수이다.
Ω = 1 tan(π(Ω'/ΩS) ----(2)
여기서, 1 = cot π /ΩS이고, Ω'는 새로운 주파수의 변동량이다.
또한, 복소 주파수 변수(complex frequency variable) P=jΩ로 놓으면,
로 표현할 수 있다. 이 관계를 이중선형 변환(bilinear transform)이라고 한다.
아날로그 전달함수 A(P)는 (3)식에 의해 디지탈 전달함수 G(z)로 변환할 수 있다.
2차 아날로그 전달함수 A(P)는
로 표현되고, 여기서 디지탈 전달함수 G(Z)는
로 표현되며, 이중선형변환에 적용하여 상기 (4)식이 얻어진다.
실제 본 발명에서는 2차 지연으로 인한 소프트웨어적인 콘트롤상의 어려운 문제가 발생하는 관계로 인하여 1차 지연을 통한 즉 1차(first order)식으로 구현한다.
1차 계산식의 계수들은
DZ= CZ= 0로 주어진다.
디지탈 저역통과필터는 입력신호 (X)에 전달함수 G(z)를 거쳐 출력신호 (Y)를 만든다. 그러므로, 기본적으로 제1차 디지탈 저역통과필터는 아날로그적인 적분기를 제5도에 도시된 바와 같이 지연소자(1)로 대치할 수 있음을 알 수 있다.
Z 함수로 변환된 출력은
Y(z) = D1X + z-1{DoX(z) - (CoY(z)}
이고, 디지탈 전달함수는
로 표현된다.
필요한 필터는 1차 저역통과필터이므로,
차단하고자 하는 주파수를 정하면 예를 들어 fs= 30Hz, fo= 6Hz이면,
의 각 계수값은
D0= D1=0.4208 C0= -0.1584 C1= 1가 얻어진다.
fs가 30Hz인 것은 AF 평가치가 한 필드걸러 검출되기 때문이며 이 검출된 AF 평가치를 차단주파수 f0가 6Hz로 저역필터링한다.
따라서, 각 계수를 디지탈 전달함수에 대입하면,
zY - 0.1584Y = 0.4208zX + 0.4208X
Y = 0.4208 X + z-1(0.4208X + 0.1584Y) ----(6)
(6)식을 블럭도로 표현하면 제6a도에 도시된 바와 같다.
본 발명에 필요한 출력 Y를 구하기 위해서 D0, D1, C0의 계수값을 정수로서 구현하면,
0.1584 = 10/64, 0.4208 = 27/64이 된다.
제6a도에 도시된 바와 같이 제3도에 도시된 디지탈 적분부(170)로부터 디지탈 저역통과필터(180)에 입력된 이전 필드의 AF 평가치(이하 AF 입력값이라고 함)에 0.428(27/64)를 곱하고, 디지탈 저역통과필터(180)를 통과한 이전 필드의 AF평가치(이하 AF 출력값이라고 함)에는 0.1584(10/64)를 곱하여 미리 계산하고, 감산기(184)에서 27/64값이 곱해진 이전 필드의 AF입력값에 10/64값이 곱해진 이전 필드의 AF출력값을 감산한다.
현재 필드의 AF 입력값에 27/64을 곱한 값과 시간지연기(182)를 통해 출력되는 감산기(184)의 출력을 더해주면 그 값이 바로 현재 필드의 AF 출력값이 된다.
검출된 현재 필드의 AF 출력값은 제3도에 도시된 마이콤(190)에 입력되어 AF 최대치에서 촬영렌즈(111)가 위치하도록 모터구동부(200)를 제어한다.
디지탈 적분부(170)로부터 출력되는 AF 평가치가 디지탈 저역통과필터(180)에서 저역필터링후의 출력파형은 제7도에 도시된 바와 같다.
여기서, 27/64의 값은 제6b도에 도시된 바와 같이 이전 필드의 입력값(Xn-1)에 27을 곱하는 승산기(186)와, 승산기(186)의 출력을 레프트(left) 시프트하여 하위 6비트는 버리는 시프트레지스터(187)로 구성될 수 있다.
10/64의 값은 제6b도에 도시된 바와 같이 이전 필드의 출력값(Yn-1)에 10을 곱하는 승산기(188)와, 승산기(188)의 출력을 레프트(left) 시프트하여 하위 6비트는 버리는 시프트레지스터(189)로 구성될 수 있다.
제8도는 제4도에 도시된 AF 평가치가 증가방향으로 이동중에 감소방향으로 변환하는지를 판단하는 과정(S130)의 세부단계를 도시한 서브루틴이다.
제3도에 도시된 바와 같이 디지탈 저역통과필터(180)를 사용하지 않고 제8도에 도시된 프로그램을 내장한 마이콤(200)에 의해 AF평가치의 저역필터링을 행할 수 있다.
제8도에 의하면, AF 평가치가 증가방향으로 이동중에 감소방향으로 변환하는지를 판단하는 과정(S120)은 바로 전필드의 AF 입력값에 27/64를 곱하는 과정(S121)과, 바로 전필드의 AF 출력값에 10/64를 곱하는 과정(S122)과, S121과정과 S122과정에서 계산된 값을 합하는 과정(S123)과, S123과정에서 계산된 합데이타와 현재 필드의 AF입력값에 27/64를 곱하는 과정(S124)과, AF출력값이 증가방향으로 이동중에 감소방향으로 변환하는지를 판단하는 과정(S125)과, AF 출력값이 증가방향이면 현재의 AF입력값(Xn)을 바로 전 AF 입력값(Xn-1)으로, 현재의 AF출력값(Yn)을 바로 전 AF 출력값(Yn-1)으로 설정한 후 S121단계로 피이드백하는 과정(S126)과, AF 출력값이 증가방향으로 이동중에 감소방향으로 변환하면 감소횟수가 2회이상이면 증가방향에서 감소방향으로 변환시점이 포커싱 포인트가 되므로 제4도에 도시된 AF최대치를 탐색하는 S130과정을 수행하고 그렇지 않으면 S126과정으로 피이드백하는 과정(S127)으로 되어 있다.
여기서, S125과정을 보다 더 설명하면, 소프트웨어적으로 필터값을 계산을 한 후
여기서, Xn: 현재 AF 출력데이타, Xn-1: 이전 필드 AF 출력데이타이다.
P가 0보다 클 경우에는 계속해서 AF 평가치의 증가 도중, 즉, 포커싱 포인트를 찾아가는 중이므로 계속 진행하고, P 〈 0인 경우가 발생하면 포커싱 포인트를 지난 싯점이 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 자동초점조절장치 및 그 방법은 회로 잡음, 손떨림, 피사체 변화, 조도의 변화등에 의하여 변환하는 AF데이타를 저역필터링함으로써 오동작을 방지하고, 빠른 AF속도를 수행할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

  1. 촬상소자로부터 얻어지는 영상신호의 고역성분레벨을 초점평가치로서 출력하는 초점평가치 검출수단; 상기 초점평가치 검출수단으로부터 출력되는 초점평가치를 저역필터링하는 필터링수단; 및 상기 필터링수단으로부터 출력되는 필터링된 초점평가치가 최대가 되는 위치가 될 때까지 촬영렌즈의 조출량을 제어하는 렌즈위치변경수단을 포함함을 특징으로 하는 자동초점조절장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 필터링수단은, 디지탈 저역통과필터로 구성됨을 특징으로 하는 자동초점조절장치.
  3. 영상신호의 고역성분레벨을 초점평가치로 입력하는 제1과정; 상기 초점평가치를 입력하여 증가 또는 감소하고 있는지를 판단하여 포커싱 포인트 방향을 결정하는 제2과정; 상기 초점평가치를 저역필터링하여 초점평가치가 증가방향으로 이동 중에 감소방향으로 변환하는지를 판단하는 제3과정; 상기 초점평가치의 최대치를 탐색하는 제4과정; 상기 초점평가치가 감소방향으로 소정회수(N) 계속될 때 AF최대치를 확정하는 제5과정; 및 상기 포커싱 포인트가 초점평가치의 최대치로 유지하고 있는지를 검사하는 제6과정을 포함함을 특징으로 하는 초점조절방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제3과정은, 바로 전 필드의 초점평가치(이전 필드의 AF 입력값)에 제1계수를 곱하는 제3-1과정; 상기 제4과정에 입력되는 바로 전 필드의 초점평가치(이전 필드의 AF 출력값)에 제2계수를 곱하는 제3-2과정; 상기 제1계수를 곱한 이전 필드의 AF 입력값과 제2계수를 곱한 이전 필드의 AF출력값을 합하는 제3-3과정; 상기 합과정에서 계산된 결과값에, 현재 필드의 AF입력값에 제1계수를 곱한 값을 합하여 현재 필드의 AF출력값으로 출력하는 제3-4과정; 상기 현재 필드의 AF 출력값이 계속 증가방향인지를 판단하는 제3-5과정; 상기 현재 필드의 AF 출력값이 증가방향이면 현재의 AF입력값(Xn)을 바로 전 AF 입력값(Xn-1)으로, 현재의 AF 출력값(Yn)을 바로 전 AF 출력값(Yn-1)으로 설정한 후 상기 바로 전 필드의 AF 입력값에 제1계수를 곱하는 상기 제3-1과정으로 피이드백하는 과정; 및 AF 출력값이 증가방향으로 이동중에 감소방향으로 변환하고 감소횟수가 N회이상이면 증가방향에서 감소방향으로 변환시점이 포커싱 포인트가 되므로 상기 제4과정을 수행하고, AF 출력값이 증가방향이면 현재의 AF입력값(Xn)을 바로 전 AF입력값(Xn-1)으로, 현재의 AF출력값(Yn)을 바로 전 AF출력값(Yn-1)으로 설정한 후, 바로 전 필드의 AF입력값에 제1계수를 곱하는 상기 제3-1과정으로 피드백하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 자동초점조절방법.
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