KR100530258B1 - 이미지 센서에서의 암 전류에 의한 블랙 레벨 보상 방법 및장치 - Google Patents

이미지 센서에서의 암 전류에 의한 블랙 레벨 보상 방법 및장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이미지 센서에서의 블랙 레벨 보상 방법 및 장치에 관한 것으로, 센서부로부터 수신한 디지털 영상 신호 중 옵티컬 블랙 영역에 위치하는 픽셀을 검출하는 옵티컬 블랙 영역 검출부, 상기 옵티컬 블랙 영역 검출부에 의해 검출된 픽셀의 픽셀 데이터를 픽셀 데이터 합계에 합산하는 픽셀 데이터 분석부, 평균값을 이용하여 생성된 매칭 그래프를 통해 상기 픽셀 데이터에 상응하는 보상 픽셀 데이터를 생성하는 보상 데이터 생성부를 포함하는 블랙 레벨 보상 장치에 관한 것이다. 본 발명을 통해 암 전류에 의한 블랙 레벨을 보상하고 암 전류에 의해 나타나는 노이즈 성분을 제거하면서도 다이나믹 레인지를 유지할 수 있다.

Description

이미지 센서에서의 암 전류에 의한 블랙 레벨 보상 방법 및 장치{Method and apparatus for compensating black level by dark current of Image sensor}
본 발명은 이미지 센서에서의 블랙 레벨 보상 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 암 전류(dark current)에 의한 블랙 레벨(black level)을 보상하고 다이나믹 레인지(dynamic range)를 유지하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이미지 센서는 반도체가 빛에 반응하는 성질을 이용하여 이미지를 재생해내기 위한 장치이다. 이미지 센서는 픽셀(pixel)로 불리는 작은 감광 다이오드들의 어레이로 구성된다. 그리고 각각의 피사체에서 나오는 각기 다른 빛의 밝기 및 파장을 화소가 감지하여 전기적인 값으로 읽어내고 이를 신호처리가 가능한 레벨로 만들어준다. 즉, 이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자로서, 이미지 센서를 포함하는 휴대용 장치(예를 들어, 디지털 카메라, 이동 통신 단말기 등)가 개발되어 판매되고 있다.
이미지 센서는 제조 공정 상의 미세한 차이에 의해 오프셋 전압(offset voltage)에 의한 고정 패턴 잡음(fixed pattern noise)이 발생한다. 이를 보상하기 위해 이미지 센서는 픽셀 어레이의 각 화소에서 리셋 신호를 읽고 데이터 신호를 읽은 후 그 차이를 출력하는 CDS(correlated double sampling) 방식을 이용한다.
그리고 이미지 센서는 0 ~ 40℃에서 동작하나, 이동 중 또는 특수한 환경에서는 60℃ 이상의 고온에서도 자체 특성이 변화하지 않고 동작해야 한다. 하지만, 이미지 센서는 반도체 소자로 구성되어 고온에서는 열에 의한 전류가 발생한다. 이를 암 전류(dark current)라 하고, 암 전류가 발생하면 이미지 센서는 광학적 요인에 의한 전기신호 성분 이외에도 다른 전기신호 성분을 가지게 된다. 따라서, 빛을 가하지 않은 경우에도 일정치의 신호 레벨이 검출되는 잡음이 발생하는데, 이를 블랙 레벨(black level)이라고 한다.
블랙 레벨은 전체적인 신호 성분을 온도가 증가함에 따라 전체적으로 상향 쉬프트(shift)시키는 특성이 있다. 종래에 이러한 블랙 레벨에 의한 특성 저하를 방지하기 위한 방법은 다음과 같다. 도 1은 오프셋 값을 구하기 위한 옵티컬 블랙 영역을 나타낸 도면이고, 도 2는 종래 기술에 따른 블랙 레벨의 보상 방법을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 이미지 센서는 외부에서 들어오는 이미지에 대한 정보를 감지하는 핵심 픽셀 어레이(100), 핵심 픽셀 어레이(100)의 열 방향의 일측 및 행 방향의 일측에 배열되고 구성 화소에 대한 블랙 레벨의 오프셋 값을 산출하기 위한 제1 및 제2 옵티컬 블랙(optical black) 영역(110, 120)을 포함한다. 이 중 제2 옵티컬 블랙 영역(120)을 확대하여 나타낸 부분(130)을 보면 픽셀별로 일정한 값을 가지는 것이 아니라 신호의 크기가 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 제1 옵티컬 블랙 영역(110) 및 제2 옵티컬 블랙 영역(120)에 대해서 신호 크기의 평균값을 구하고 이를 블랙 레벨에 대한 보상값 즉, 블랙 레벨 오프셋값(220)으로 정한다. 그리고 전체 이미지 데이터에 대해서 블랙 레벨 오프셋값(220)을 일정하게 감산한다.
도 2에서 이미지 데이터는 10 비트(bit) 크기를 가지며, 따라서 전체적인 신호 크기는 0 내지 1023까지 표현이 가능하다. 이때 실제 이미지 데이터는 입력 신호와 출력 신호가 일대일로 매칭이 되어야 하고, 블랙 레벨이 없는 이상(ideal) 그래프(210)와 같이 표현되는 것이 이상적이다. 하지만, 암 전류에 의한 블랙 레벨을 보상하기 위해 블랙 레벨 오프셋값(220)을 감산함에 따라서 입력 신호와 출력 신호의 관계에 대한 그래프는 보상 그래프(230)와 같이 표현된다. 즉, 입력 신호에 대해 출력 신호가 블랙 레벨 오프셋값(220)만큼 감산되어 출력 신호는 다이나믹 레인지(dynamic range; 이미지를 표현하는 범위) 부분에 있어서 손실(240)이 있게 된다.
또한, 암 전류에 의해 나타나는 현상 중 하나는 암 전류 노이즈이다. 암 전류 노이즈는 도 1에서 제2 옵티컬 블랙 영역(120)을 확대한 부분에서 보이는 바와 같이 이미지 센서의 가장 작은 단위인 각각의 픽셀 셀의 특성이 각각 다르게 나타나기 때문에 보이는 현상이다. 이로 인해 깨끗한 평면을 비추고 있더라도 균일한 깨끗한 영상을 보여주는 것이 아니라 이미지가 끓고 있는 것처럼 지글지글한 노이즈가 포함된 이미지를 보여준다. 이러한 노이즈는 종래의 감산 연산을 하는 방법으로는 감쇠시킬 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 암 전류에 의한 이미지 들뜸 현상을 보상할 수 있는 블랙 레벨 보상 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 이미지가 갖는 다이나믹 레인지를 최대한으로 갖도록 하여 이미지 데이터의 표현 범위를 넓게 해주고 보다 선명하고 분명한 이미지로 보이도록 하는 블랙 레벨 보상 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 암 전류에 의해 생성되는 암 전류 노이즈에 대한 클램핑을 통해 보다 깔끔한 영상을 접할 수 있는 블랙 레벨 보상 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 이미지 센서에서의 블랙 레벨(black level)을 보상하는 방법에 있어서, (a) 프레임을 초기화하고 디지털 영상 신호를 수신하는 단계; (b) 상기 프레임에 포함된 픽셀의 픽셀 정보를 분석하는 단계-여기서, 상기 디지털 영상 신호는 상기 픽셀 정보를 포함하고, 상기 픽셀 정보는 픽셀이 위치한 영역에 대한 영역 정보 및 픽셀 데이터를 포함함-; (c) 옵티컬 블랙 영역에 위치하는 상기 픽셀의 상기 픽셀 데이터를 합산하여 픽셀 데이터 합계를 생성하는 단계; (d) 상기 픽셀 데이터 합계를 이용하여 평균값을 산출하는 단계; (e) 상기 평균값으로부터 도출되는 매칭 그래프를 생성하는 단계; 및 (f) 상기 매칭 그래프를 통해 상기 픽셀 데이터에 상응하는 상기 보상 픽셀 데이터를 생성하는 단계를 포함하되, 상기 매칭 그래프에 의해 생성된 상기 보상 픽셀 데이터는 다이나믹 레인지(dynamic range)의 손실이 없고, 상기 픽셀 데이터는 n(n은 자연수) 비트로 표현되어 0 내지 2n-1 이고, 상기 보상 픽셀 데이터의 다이나믹 레인지는 0 내지 2n-1 인 경우 상기 매칭 그래프는 상기 픽셀 데이터를 독립 변수로 하고 상기 보상 픽셀 데이터를 종속 변수로 하며, 상기 픽셀 데이터가 0 이상 상기 평균값 이하인 범위에서는 상기 보상 픽셀 데이터가 0이고, 상기 픽셀 데이터가 상기 평균값 이상이고 2n-1 이하인 범위에서는 평균값인 경우와 2n-1 인 경우(상기 픽셀 데이터가 2n-1 일 때 상응하는 상기 보상 픽셀 데이터가 2n-1 임)를 지나는 일차 방정식에 의한 그래프인 블랙 레벨 보상 방법이 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 평균값은 상기 픽셀 데이터 합계를 상기 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 상기 픽셀의 총 개수로 나눈 값일 수 있다.
또한, 상기 (e) 단계 이후 상기 (f) 단계 이전에 (e-1) 상기 픽셀 데이터의 비트 중 클램프 비트(clamp bit)의 값을 미리 설정한 0 또는 1로 변환하는 단계를 더 포함하되, 상기 픽셀 데이터가 이진법으로 표현된 n(자연수) 자리의 비트열로 형성된 데이터인 경우, 상기 클램프 비트는 상기 픽셀 데이터의 n 자리의 비트 중에서 최하위 비트(Least Significant Bit)를 포함하여 소정 크기의 연속된 자리의 비트열인 것을 특징으로 할 수 있다. 또는 상기 (e) 단계 이후 상기 (f) 단계 이전에 (e-1) 상기 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 상기 픽셀의 픽셀 데이터 중 최대값 및 최소값을 산출하는 단계; (e-2) 상기 최대값 및 상기 최소값의 차이에 상응하는 비트를 상기 픽셀 데이터의 비트 중 클램프 비트(clamp bit)로 설정하는 단계; 및 (e-3) 상기 클램프 비트의 값을 미리 설정한 0 또는 1로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 이미지 센서에서 센서부와 이미지 데이터 출력부 사이에 연결되고, 블랙 레벨을 보상하는 블랙 레벨 보상 장치에 있어서, 상기 센서부로부터 수신한 디지털 영상 신호 중 옵티컬 블랙 영역에 위치하는 픽셀을 검출하는 옵티컬 블랙 영역 검출부; 상기 옵티컬 블랙 영역 검출부에 의해 검출된 픽셀의 픽셀 데이터를 픽셀 데이터 합계에 합산하는 픽셀 데이터 분석부; 및 평균값을 이용하여 생성된 매칭 그래프를 통해 상기 픽셀 데이터에 상응하는 보상 픽셀 데이터를 생성하는 보상 데이터 생성부를 포함하되, 상기 평균값은 상기 픽셀 데이터 합계를 상기 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 상기 픽셀의 총 개수로 나눈 값이고, 상기 보상 픽셀 데이터는 다이나믹 레인지의 손실이 없으며, 상기 보상 픽셀 데이터를 상기 이미지 출력부를 통해 출력하고,상기 픽셀 데이터는 n(n은 자연수) 비트로 표현되어 0 내지 2n-1 이고, 상기 보상 픽셀 데이터의 다이나믹 레인지는 0 내지 2n-1 인 경우 상기 매칭 그래프는 상기 픽셀 데이터를 독립 변수로 하고 상기 보상 픽셀 데이터를 종속 변수로 하며, 상기 픽셀 데이터가 0 이상 상기 평균값 이하인 범위에서는 상기 보상 픽셀 데이터가 0이고, 상기 픽셀 데이터가 상기 평균값 이상이고 2n-1 이하인 범위에서는 평균값인 경우와 2n-1 인 경우(상기 픽셀 데이터가 2n-1 일 때 상응하는 상기 보상 픽셀 데이터가 2n-1 임)를 지나는 일차 방정식에 의한 그래프인 블랙 레벨 보상 장치가 제공될 수 있다..
바람직하게는, 상기 픽셀 데이터의 비트 중 클램프 비트의 값을 미리 설정한 0 또는 1로 변환하는 디지털 클램핑 수행부를 더 포함하되, 상기 픽셀 데이터가 이진법으로 표현된 n(자연수) 자리의 비트열로 형성된 데이터인 경우, 상기 클램프 비트는 상기 픽셀 데이터의 n 자리의 비트 중에서 최하위 비트(Least Significant Bit)를 포함하여 소정 크기의 연속된 자리의 비트열인 것을 특징으로 할 수 있다. 또는 상기 픽셀 데이터의 비트 중 클램프 비트의 값을 미리 설정한 0 또는 1로 변환하는 디지털 클램핑 수행부를 더 포함하되, 상기 클램프 비트는 상기 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 상기 픽셀의 픽셀 데이터 중 최대값과 최소값의 차이에 상응하는 비트일 수 있다.
본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.
이하, 본 발명에 따른 이미지 센서에서의 암 전류에 의한 블랙 레벨 보상 방법 및 장치의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 상관없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 블랙 레벨 보상 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 블랙 레벨 보상 장치(350)는 센서부(300)로부터 이미지 데이터를 수신하여 블랙 레벨에 대한 보상을 거친 뒤 생성된 보정 이미지 데이터를 이미지 데이터 출력부(310)를 통해 출력한다. 블랙 레벨 보상 장치(350)는 옵티컬 블랙 영역 검출부(352), 픽셀 데이터 분석부(354) 및 보상 데이터 생성부(358)를 포함한다. 암 전류에 의한 노이즈를 제거하기 위해 디지털 클램핑 수행부(356)를 더 포함할 수 있다. 블랙 레벨 보상 장치(350)는 한 프레임 단위로 블랙 레벨을 보상함이 바람직하다.
센서부(300)로부터 수신하는 이미지 데이터, 즉 디지털 영상 신호는 도 1에 도시된 핵심 픽셀 어레이(100), 제1 옵티컬 블랙 영역(110) 및 제2 옵티컬 블랙 영역(120)에 위치한 픽셀들에 대한 데이터를 포함한다. 옵티컬 블랙 영역 검출부(352)는 상기 이미지 데이터 중 제1 옵티컬 블랙 영역(110) 및 제2 옵티컬 블랙 영역(120)에 위치한 픽셀들에 대한 데이터만을 따로이 검출한다. 블랙 레벨 보상을 하기 위해서는 광학적 영상과는 전혀 상관없는 영역에서의 데이터가 필요하고, 제1 내지 제2 옵티컬 블랙 영역(110, 120)의 데이터가 이에 해당한다. 일반적으로 대부분의 센서는 옵티컬 블랙 영역을 가지고 있으며, 이 부분은 칼라 필터 대신 빛을 완전히 차단하는 필터가 있다. 따라서, 순수한 이미지 센서의 픽셀 셀 특성만을 나타낼 수 있다.
픽셀 데이터 분석부(354)는 옵티컬 블랙 영역 검출부(352)에서 검출한 픽셀들의 데이터를 분석한다. 픽셀 데이터 분석부(354)는 제1 옵티컬 블랙 영역(110) 및 제2 옵티컬 블랙 영역(120)에 위치한 픽셀들의 데이터에 대한 평균값을 구하기 위한 픽셀 데이터 합계 모듈(미도시)을 포함한다. 그리고 암 전류에 의해 불규칙하게 나타나는 암 전류 노이즈 성분을 체크하기 위한 최대 및 최소 데이터 검출 모듈(미도시)을 더 포함할 수 있다. 각 모듈에 대한 기능 및 역할은 이후 도 4 및 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
디지털 클램핑 수행부(356)는 암 전류에 의해 나타나는 암 전류 노이즈 성분을 제거하는 부분이다. 옵티컬 블랙 영역 검출부(352)에 의해 검출된 영역의 픽셀들의 데이터는 그 픽셀 데이터 값이 불규칙하게 진동한다. 이를 평균값 수준에서 일정하게 값을 제거하여 픽셀 데이터 값이 안정적이도록 하는 역할을 담당한다. 디지털 클램핑 수행부(356)의 기능 및 역할은 이후 도 6 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다.
보상 데이터 생성부(358)는 픽셀 데이터 분석부(354)에 의해 분석된 데이터를 기초로 입력 신호와 출력 신호에 대한 새로운 매칭 그래프를 생성한다. 이상적으로는 입력 신호와 동일하게 출력 신호가 일대일로 매칭되어야 함은 앞서 도 2에서 본 바와 같다. 하지만, 블랙 레벨에 의해 이는 불가능한 바 단순히 종래 기술처럼 블랙 레벨 오프셋값(220)을 감산하는 것이 아니라 새로이 매칭 그래프를 생성하여 입력 신호에 대한 출력 신호를 결정한다. 이 후 도 4 및 도 9를 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 블랙 레벨 보상 방법의 순서도이다.
도 4를 참조하면, 단계 S410에서 센서부(300)를 통해 입력된 센서 이미지에 대한 이미지 데이터를 수신한다. 이미지 데이터는 디지털 영상 신호로서, 어느 영역에 위치한 픽셀에 대한 이미지 데이터인지를 나타내는 위치 정보가 포함되어 있다. 이를 통해 추후 이미지 데이터가 제1 옵티컬 블랙 영역(110) 내지 제2 옵티컬 블랙 영역(120)(이하 옵티컬 블랙 영역이라 칭함)에 포함되는 데이터인지의 구분이 가능하다. 옵티컬 블랙 영역은 도 1에 도시된 바와 같이 위치할 수도 있으며, 또는 핵심 픽셀 어레티(100)를 사이에 두고 상하 또는 좌우에 위치할 수도 있다.
단계 S415에서 해당 프레임을 초기화한다. 즉, 블랙 레벨 보상을 위한 픽셀 데이터 합계, 최대값, 최소값 정보를 초기화한다. 블랙 레벨 보상와 노이즈 제거는 한 프레임 단위를 기준으로 이루어지기 때문에 각 프레임마다 다른 보상값으로 보상이 이루어지고 노이즈가 제거된다. 따라서, 각 프레임마다 픽셀 데이터 합계, 최대값, 최소값 정보를 초기화할 필요가 있다.
단계 S420에서 센서부(300)를 통해 라인 단위로 수신한 이미지 데이터들을 픽셀 단위로 위치한 영역을 분석한다. 상기 분석은 라인 단위로 수행되거나 전체 프레임에 대해서 수행되거나 중심 라인에 대해서만 샘플링을 통한 분석이 수행될 수도 있다.
단계 S425에서 상기 픽셀이 옵티컬 블랙 영역에 포함되는지 여부를 판단한다. 상기 판단 결과 옵티컬 블랙 영역에 포함되지 않는 경우에는 단계 S440으로 진행된다. 상기 판단 결과 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 경우에는 단계 S430으로 진행하여 현재까지 누적된 픽셀 데이터 합계에 해당 픽셀 데이터의 값을 합산한다. 이후 프레임 전체에 대한 합산이 끝난 후 해당 픽셀의 총 수로 나누어 줌으로써 옵티컬 블랙 영역에서의 평균값을 구할 수 있으며, 이 값이 블랙 레벨 오프셋값(220)이다. 그리고 단계 S435에서 현재까지 분석한 픽셀 데이터에서의 최대값(Max) 및 최소값(Min) 정보와 현재 픽셀 데이터를 비교하여 최대값 및 최소값을 갱신할 필요가 있을 때는 갱신한다.
도 5에 도시된 그래프는 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 픽셀들의 픽셀 데이터를 나타내고 있다. 각 픽셀 데이터들은 일정 범위 내의 값을 가지고, 그 중 최소값 및 최대값을 검출한다. 검출 방법으로 해당 프레임의 전체 픽셀에 대한 정보를 알고 있는 상황에서 최대값 및 최소값을 찾는 방법도 있고, 또는 각 픽셀에 대한 픽셀 데이터를 분석할 때마다 최대값 및 최소값을 갱신함으로써 검출하는 방법도 있다. 그 외에도 다양한 방법에 의해서 최대값 및 최소값을 검출할 수 있음은 물론이다.
픽셀 데이터 합계 모듈은 옵티컬 블랙 영역에 해당하는 픽셀들의 데이터를 계속하여 누적하여 합산한다. 이후 프레임의 마지막 픽셀까지 픽셀 데이터를 확인한 후 옵티컬 블랙 영역에 해당하는 픽셀의 개수로 합계를 나누어 평균값을 계산한다. 일반적으로 이 평균값이 블랙 레벨 오프셋값(220)이 된다. 최대 및 최소 데이터 검출 모듈은 옵티컬 블랙 영역에 해당하는 픽셀들의 데이터를 계속하여 비교하면서 지금까지의 최대값 및 최소값을 저장한다. 이후 프레임의 마지막 픽셀까지 픽셀 데이터를 확인한 후 옵티컬 블랙 영역에서 픽셀 데이터 중 최대값 및 최소값을 검출한다.
단계 S440 및 단계 S460에서 현재 픽셀이 해당 프레임의 마지막 픽셀인지 여부를 판단하고 마지막 픽셀에 아닌 경우 다음 픽셀에 대해서 단계 S420 내지 단계 S435를 반복적으로 수행한다. 단계 S440에서 판단 결과 마지막 픽셀인 경우 단계 S445로 진행하여 해당 프레임에서 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 픽셀 데이터의 최대값, 최소값 및 합계 정보를 확인한다. 도 5를 참조하면, 최대값 및 최소값 사이에 평균값(Normalize value)이 존재한다. 앞서 설명한 바와 같이, 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 픽셀 데이터들의 값을 모두 합산한 합계를 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 픽셀 수로 나누어 줌으로써 평균값을 산출할 수 있다. 상기 평균값은 이후 단계 S455에서 보상값을 생성할 때 이용되는 바, 단계 S455에서 산출될 수도 있다.
단계 S450에서 최대값, 최소값 및 합계(또는 평균값) 정보를 이용하여 디지털 클램핑 수행부(356)는 암 전류에 의한 노이즈 성분을 제거한다. 디지털 클램핑 수행부(356)의 기능은 이하 도 6 내지 도 8을 참조하여 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 클램프 비트(clamp bit)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 클램핑 수행부(356)의 효과를 나타낸 도면이고, 도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 클램핑 수행부(356)의 효과를 구체적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 픽셀 데이터는 10 비트(bit) 크기를 가진다. 이는 일 실시예일 뿐이며, 픽셀 데이터는 8 비트 등의 다른 비트를 가지는 데이터일 수도 있다. MSB(Most Significant Bit, 최상위 비트)는 비트로 표현된 이진수 숫자 중에서 제일 큰 자리수를 의미하며, LSB(Least Significant Bit, 최하위 비트)는 이진수 숫자 중에서 마지막 자리수를 의미한다. LSB를 data[0](600)으로 가정하고, MSB를 data[9](609)로 가정하면, LSB와 MSB 사이에 위치한 비트들은 순차적으로 data[1] 내지 data[8]의 비트를 의미한다. 각각의 비트는 0 또는 1 의 값을 가지며, 픽셀 데이터는 10 비트 데이터이므로 0 내지 1023까지의 총 1024개의 값을 가질 수 있다.
도 5에 도시된 것과 같은 값을 가지는 픽셀 데이터들은 평균값(Normalize value)을 기준으로 최대값(Max value) 및 최소값(Min value) 사이의 값을 가진다. 평균값을 기준으로 보면, 픽셀 데이터를 나타내는 10개의 비트 중에서 LSB에 가까운 비트들만이 변화한다. 즉, data[0] 내지 data[n] 까지의 비트가 변화를 하여 오차를 생성하는 것이며, n은 9 이하의 자연수로써, 매 프레임마다 다른 값을 가질 수도 있고, 매 프레임마다 동일한 값을 가질 수도 있다. 따라서, data[0] 내지 data[n]에 해당하는 비트들의 값을 일정하게 만들면 노이즈 성분을 형성하는 불규칙한 변화 또는 오차가 일정부분 상쇄될 수 있다. 여기서, data[0] 내지 data[n]에 해당하는 비트들을 클램프 비트(clamp bit)(650)라 한다. 클램프 비트(650)의 값을 미리 설정된 0 또는 1의 값으로 일괄 변환하면 암 전류에 의한 노이즈 성분은 상당부분 제거된다. 이러한 과정을 통해 이미지 데이터를 전체적으로 고르게 만들 수 있다.
하지만, 상기 과정에 의한 클램핑이 과도한 경우 이미지에서 계단 현상이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해서는 클램프 비트(650)의 크기는 바람직하게는 옵티컬 블랙 영역의 최대값 및 최소값을 이용하여 결정한다. 클램프 비트(650)의 크기는 각 프레임마다 다른 값을 가질 수 있다. 예를 들어, 최대값과 최소값의 차이의 반(1/2)에 해당하는 비트들을 클램프 비트(650)의 비트로 정한다. 최대값과 최소값의 차이가 8이면, 차이의 반은 4가 되며, 이진수로 표현하면 100이므로, data[0] 내지 data[2]에 해당하는 비트들에 영향을 준다. 따라서, data[0] 내지 data[2]에 해당하는 비트들이 클램프 비트(650)가 되고, 핵심 픽셀 어레이(100)에 포함되어 실질적인 이미지를 형성하는 데이터들에 대해 상기 클램프 비트(650)에 해당하는 비트들을 일괄적으로 0 또는 1로 강제 바꿈한다. 이로 인해 이미지 데이터를 전체적으로 고르게 만들 수 있다.
또 다른 예에서, 옵티컬 블랙 영역에 위치하는 픽셀 데이터 중에서 최대값과 최소값의 차이가 20라고 하자. 20의 반은 10이고, 이진법으로는 1010으로 표현된다. 이때 클램프 비트에 해당하는 비트는 최하위 비트로부터 연속하여 4개의 비트, 즉 도 6에 도시된 것처럼 data[0] 내지 data[3]이 된다. data[0] 내지 data[3]의 값을 일괄적으로 미리 설정된 0 또는 1의 값으로 변환한다. 1로 변환한다고 가정하면, 도 8의 (b)에 도시된 바와 같이 노이즈가 제거된 변환 데이터는 실제 수신한 픽셀 데이터보다 최대값과 최소값의 차의 반 이하의 범위만큼 큰 값을 가지도록 변환된다. 이를 통해 암 전류에 의해 나타나는 노이즈를 미리 제거하고, 이를 이후에 설명할 보상 데이터 생성부에 입력한다. 그리고 매칭 그래프를 통해 실제로 출력하게 될 보상 픽셀 데이터로 다시 한번 변환한다. 그리고 만약 0으로 변환한다고 가정하면, 노이즈가 제거된 변환 데이터는 상술한 바와 달리 실제 수신한 픽셀 데이터보다 최대값과 최소값의 차의 반 이하의 범위만큼 작은 값을 가지도록 변환된다. 도 8의 (b)에 도시된 바와는 달리 계단 모양의 변환된 데이터가 실제 픽셀 데이터 곡선 형태의 아래부분에 나타날 것이다.
도 7을 참조하면, 위의 그래프는 디지털 클램핑 수행부(356)에 의한 클램핑을 수행하지 않은 데이터에 의한 그래프를 나타내고, 아래의 그래프는 디지털 클램핑 수행부(356)에 의한 클램핑을 수행한 데이터에 의한 그래프를 나타낸다. 위의 그래프에서는 데이터의 상하 변화가 지속적으로 존재하여 출렁이는 형태를 보여준다. 하지만, 아래의 그래프에서는 전체적으로 일정하게 평평한 모양으로 데이터가 변화하고 있음을 보여준다.
도 8은 도 7의 a 부분 및 b 부분을 확대하여 나타낸 도면이다. 도 8의 810은 도 7의 a 부분을 확대한 부분으로, 픽셀 데이터가 상하 변화에 의해 출렁이는 형태를 가짐을 알 수 있다. 그러나 도 8의 820은 도 7의 b 부분을 확대한 부분으로, 디지털 클램핑을 수행한 후에 클램프 비트(650) 간격으로 미세한 변화를 가지는 값들은 동일한 값을 가지게 됨으로 인해 평평한 모양을 가짐을 알 수 있다. 계단 모양으로 나타날 때 각 계단의 높이는 클램프 비트(650)의 간격이다. 이는 앞서 말한 바와 같이 제한을 둠으로써 이미지에서 심각한 계단 현상이 일어나는 것은 방지할 수 있다.
이후 단계 S455에서 최대값, 최소값 및 합계(또는 평균값)을 이용하여 블랙 레벨에 대한 보상값을 생성한다.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 매칭 그래프를 나타낸 도면이다. 도 9를 참조하면, 블랙 레벨이 없는 경우 이상 그래프(210)에 의해 입력 신호와 출력 신호가 일대일로 매칭되는 것이 이상적이다. 하지만, 암 전류에 의해 일정부분의 이미지 데이터의 값이 상승되어 있는 바 이를 보상해주어야 한다. 종전의 보상 그래프(230)에 의할 때 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 픽셀 데이터의 평균값을 구하고, 이를 블랙 레벨 오프셋값(220)으로 하여 감산한다. 이때 입력신호에 비해 출력신호가 블랙 레벨 오프셋값(220)만큼 작아져서 전체적인 밝기가 어두워지며, 출력신호의 다이나믹 레인지가 줄어든다.
본 발명에서는 단계 S445에서 산출된 평균값(Normalize value)(920)을 이용하여 입력신호 중 0 내지 평균값에 해당하는 신호는 출력신호의 값을 0으로 한다. 그리고 입력신호가 평균값(920)일 때 출력신호가 0이고, 입력신호가 1023일 때 출력신호가 1023이 되도록 하는 일차함수 형태의 매칭 그래프(910)를 생성한다. 일차함수의 식은 <수학식 1>과 같다.
<수학식 1>
여기서, ODV는 출력 신호값(Output Data Value), IDV는 입력 신호값(Input Data Value), NV는 평균값(Normalize Value)이다. ODV는 0 내지 1023 중 어느 하나의 자연수 값을 가지는 바 <수학식 1>에 의한 경우 소수점 이하는 버림, 올림, 반올림 중 어느 하나를 미리 설정하여 행할 수 있다.
이 과정을 통해 출력 신호값은 0 내지 1023 사이의 모든 값을 고루 가지게 된다. 감산 연산에 의하지 아니하므로 전체적인 밝기가 낮아지지 않으며, 다이나믹 레인지의 감소도 없다. 따라서, 선명하고 깨끗한 출력 이미지를 얻을 수 있다.
<수학식 1>에서 1023은 이미지 데이터가 10 비트 데이터인 것을 가정할 때의 숫자인 바, m(m은 자연수) 비트 데이터인 경우에는 [2m-1 ]로 대체될 수 있다.
도 4에 도시된 단계들 중 단계 S435 및 단계 S450은 암 전류에 의한 노이즈를 제거하고자 하는 경우에 필요한 단계로써, 블랙 레벨만을 보상하고자 하는 경우에는 생략될 수 있음은 물론이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 블랙 레벨 보상 방법 및 장치에 의하면 암 전류에 의한 이미지 들뜸 현상을 보상할 수 있다.
또한, 이미지가 갖는 다이나믹 레인지를 최대한으로 갖도록 하여 이미지 데이터의 표현 범위를 넓게 해주고 보다 선명하고 분명한 이미지로 보이도록 할 수 있다. 그리고 암 전류에 의해 생성되는 암 전류 노이즈에 대한 클램핑을 통해 보다 깔끔한 영상을 접할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 오프셋 값을 구하기 위한 옵티컬 블랙 영역을 나타낸 도면.
도 2는 종래 기술에 따른 블랙 레벨의 보상 방법을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 블랙 레벨 보상 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 블랙 레벨 보상 및 노이즈 제거 방법의 순서도.
도 5는 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 픽셀들의 픽셀 데이터를 나타낸 도면.
도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 클램프 비트(clamp bit)의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 클램핑 수행부(356)의 효과를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 디지털 클램핑 수행부(356)의 효과를 구체적으로 나타낸 도면.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 매칭 그래프를 나타낸 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110, 120 : 옵티컬 블랙 영역
350 : 블랙 레벨 보상 장치
352 : 옵티컬 블랙 영역 검출부
354 : 픽셀 데이터 분석부
356 : 디지털 클램핑 수행부
358 : 보상 데이터 생성부

Claims (9)

  1. 이미지 센서에서의 블랙 레벨(black level)을 보상하는 방법에 있어서,
    (a) 프레임을 초기화하고 디지털 영상 신호를 수신하는 단계;
    (b) 상기 프레임에 포함된 픽셀의 픽셀 정보를 분석하는 단계-여기서, 상기 디지털 영상 신호는 상기 픽셀 정보를 포함하고, 상기 픽셀 정보는 픽셀이 위치한 영역에 대한 영역 정보 및 픽셀 데이터를 포함함-;
    (c) 옵티컬 블랙 영역에 위치하는 상기 픽셀의 상기 픽셀 데이터를 합산하여 픽셀 데이터 합계를 생성하는 단계;
    (d) 상기 픽셀 데이터 합계를 이용하여 평균값을 산출하는 단계;
    (e) 상기 평균값으로부터 도출되는 매칭 그래프를 생성하는 단계; 및
    (f) 상기 매칭 그래프를 통해 상기 픽셀 데이터에 상응하는 상기 보상 픽셀 데이터를 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 매칭 그래프에 의해 생성된 상기 보상 픽셀 데이터는 다이나믹 레인지(dynamic range)의 손실이 없고,
    상기 픽셀 데이터는 n(n은 자연수) 비트로 표현되어 0 내지 2n-1 이고,
    상기 보상 픽셀 데이터의 다이나믹 레인지는 0 내지 2n-1 인 경우
    상기 매칭 그래프는 상기 픽셀 데이터를 독립 변수로 하고 상기 보상 픽셀 데이터를 종속 변수로 하며, 상기 픽셀 데이터가 0 이상 상기 평균값 이하인 범위에서는 상기 보상 픽셀 데이터가 0이고, 상기 픽셀 데이터가 상기 평균값 이상이고 2n-1 이하인 범위에서는 평균값인 경우와 2n-1 인 경우(상기 픽셀 데이터가 2n-1 일 때 상응하는 상기 보상 픽셀 데이터가 2n-1 임)를 지나는 일차 방정식에 의한 그래프인 블랙 레벨 보상 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 평균값은 상기 픽셀 데이터 합계를 상기 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 상기 픽셀의 총 개수로 나눈 값인 블랙 레벨 보상 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 (e) 단계 이후 상기 (f) 단계 이전에
    (e-1) 상기 픽셀 데이터의 비트 중 클램프 비트(clamp bit)의 값을 미리 설정한 0 또는 1로 변환하는 단계를 더 포함하되,
    상기 픽셀 데이터가 이진법으로 표현된 n(자연수) 자리의 비트열로 형성된 데이터인 경우, 상기 클램프 비트는 상기 픽셀 데이터의 n 자리의 비트 중에서 최하위 비트(Least Significant Bit)를 포함하여 소정 크기의 연속된 자리의 비트열인 것을 특징으로 하는 블랙 레벨 보상 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (e) 단계 이후 상기 (f) 단계 이전에
    (e-1) 상기 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 상기 픽셀의 픽셀 데이터 중 최대값 및 최소값을 산출하는 단계;
    (e-2) 상기 최대값 및 상기 최소값의 차이에 상응하는 비트를 상기 픽셀 데이터의 비트 중 클램프 비트(clamp bit)로 설정하는 단계; 및
    (e-3) 상기 클램프 비트의 값을 미리 설정한 0 또는 1로 변환하는 단계를 더 포함하는 블랙 레벨 보상 방법.
  6. 이미지 센서에서 센서부와 이미지 데이터 출력부 사이에 연결되고, 블랙 레벨을 보상하는 블랙 레벨 보상 장치에 있어서,
    상기 센서부로부터 수신한 디지털 영상 신호 중 옵티컬 블랙 영역에 위치하는 픽셀을 검출하는 옵티컬 블랙 영역 검출부;
    상기 옵티컬 블랙 영역 검출부에 의해 검출된 픽셀의 픽셀 데이터를 픽셀 데이터 합계에 합산하는 픽셀 데이터 분석부; 및
    평균값을 이용하여 생성된 매칭 그래프를 통해 상기 픽셀 데이터에 상응하는 보상 픽셀 데이터를 생성하는 보상 데이터 생성부를 포함하되,
    상기 평균값은 상기 픽셀 데이터 합계를 상기 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 상기 픽셀의 총 개수로 나눈 값이고, 상기 보상 픽셀 데이터는 다이나믹 레인지의 손실이 없으며, 상기 보상 픽셀 데이터를 상기 이미지 출력부를 통해 출력하고,
    상기 픽셀 데이터는 n(n은 자연수) 비트로 표현되어 0 내지 2n-1 이고,
    상기 보상 픽셀 데이터의 다이나믹 레인지는 0 내지 2n-1 인 경우
    상기 매칭 그래프는 상기 픽셀 데이터를 독립 변수로 하고 상기 보상 픽셀 데이터를 종속 변수로 하며, 상기 픽셀 데이터가 0 이상 상기 평균값 이하인 범위에서는 상기 보상 픽셀 데이터가 0이고, 상기 픽셀 데이터가 상기 평균값 이상이고 2n-1 이하인 범위에서는 평균값인 경우와 2n-1 인 경우(상기 픽셀 데이터가 2n-1 일 때 상응하는 상기 보상 픽셀 데이터가 2n-1 임)를 지나는 일차 방정식에 의한 그래프인 블랙 레벨 보상 장치.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 픽셀 데이터의 비트 중 클램프 비트의 값을 미리 설정한 0 또는 1로 변환하는 디지털 클램핑 수행부를 더 포함하되,
    상기 픽셀 데이터가 이진법으로 표현된 n(자연수) 자리의 비트열로 형성된 데이터인 경우, 상기 클램프 비트는 상기 픽셀 데이터의 n 자리의 비트 중에서 최하위 비트(Least Significant Bit)를 포함하여 소정 크기의 연속된 자리의 비트열인 것을 특징으로 하는 블랙 레벨 보상 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 픽셀 데이터의 비트 중 클램프 비트의 값을 미리 설정한 0 또는 1로 변환하는 디지털 클램핑 수행부를 더 포함하되,
    상기 클램프 비트는 상기 옵티컬 블랙 영역에 포함되는 상기 픽셀의 픽셀 데이터 중 최대값과 최소값의 차이에 상응하는 비트인 블랙 레벨 보상 장치.
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