KR100677231B1 - 이산 여현 변환을 이용한 자동 초점 검출 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자동 초점 기능을 갖는 카메라 시스템에서 자동 초점 검출부에 들어가는 고주파 통과 필터를 제거하고, 대신 JPEG 엔코더 내부에 있는 DCT(Discrete cosine transform)를 이용하여 초점 조정값을 검출할 수 있도록 함으로써, 회로의 부피를 줄이고 그에 따른 비용도 절감할 수 있도록 하는 이산 여현 변환을 이용한 자동 초점 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 이산 여현 변환부를 통해 연산 중인 블록의 현재 위치에 따라, 초점 영역을 정의하고 초점 조정값을 누적할지 여부를 결정하는 초점 영역 선택부와; 상기 이산 여현 변환부의 출력값 중 첫 번째 행(column)과 열(row)의 계수값의 절대값을 구하고, 상기 구한 계수값의 절대값을 근거로 초점 조정값 유효 신호를 출력하는 계수 절대값 연산부와; 상기 계수 절대값 연산부에서 바이패스된 계수값(coeff(i,j))에 주파수 값에 따라 가중치(weight1, weight2)를 곱해주는 가중치 설정부와; 상기 초점 영역 선택부의 누적 제어신호에 의해 초점 영역에 있는 블록의 첫 번째 열과 행을 모두 더하여 그 값을 초점 조정값으로 출력하는 누적 연산부와; 상기 각 구성부에서 출력된 신호를 근거로 초점 조정을 수행하는 제어부를 포함하여 구성함으로써 달성할 수 있다.

Description

이산 여현 변환을 이용한 자동 초점 검출 장치 및 방법{AUTO FOCUS DETECTING APPARATUS AND METHOD USING DISCRETE COSINE TRANSFORM}

도 1은 종래 자동 초점 기능을 구비한 카메라의 내부 구성을 보인 블록도.

도 2는 도1에 있어서, 초점 조정값에 따라 조정되는 렌즈의 위치와 그때 캡쳐된 영상 화면을 대비하여 보인 예시도.

도 3은 도1에 있어서, 상기 초점 조정값 검출부의 상세한 구성을 보인 블록도.

도 4는 일반적인 JPEG 영상 압축을 수행하는 부호화기의 구성을 보인 블록도.

도 5는 상기 도4에서 2차원 DCT 계수에 상당하는 주파수 성분 화면을 보인 예시도.

도 6은 본 발명에 따른 DCT를 이용한 자동 초점값 검출 장치의 구성을 보인 블록도.

도 7은 상기 도6에 있어서 DCT 기반 초점 조정값 검출부의 상세한 구성을 보인 블록도.

도 8은 본 발명에 따른 DCT를 이용한 자동 초점값 검출 방법을 보인 순서도.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

301 : 초점 영역 선택부 302 : 계수 절대값 연산부

303 : 가중치 설정부 304 : 누적 연산부

본 발명은 자동 초점 검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 자동 초점 기능을 갖는 카메라 시스템에서 자동 초점 검출부에 들어가는 고주파 통과 필터를 제거하고, 대신 JPEG 엔코더 내부에 있는 DCT(Discrete cosine transform)를 이용하여 초점 조정값을 검출할 수 있도록 함으로써, 회로의 부피를 줄이고 그에 따른 비용도 절감할 수 있도록 하는 이산 여현 변환을 이용한 자동 초점 검출 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근 널리 보급되고 있는 캠코더, 디지털 카메라, 혹은 카메라 폰 내부에는 자동 초점 기능(Auto Focus)과 정지 영상 압축(JPEG), 혹은 동영상 압축(MPEG, MJPEG, H.261) 기능을 내장하고 있다.

상기, 자동 초점 기능은 흐릿한 영상을 뚜렷한 영상으로 만들기 위해 렌즈의 위치를 조절하는 기능으로서, 사용자가 원하는 피사체를 향하여 자동 초점 버튼을 누르면, 렌즈가 앞/뒤로 이동하여 피사체의 영상이 이미지 센서에 가장 선명하게 맺히도록 하는 기능이다.

또한, JPEG/MPEG 엔코딩 기능은 캡쳐된 정지 영상을 저장하기 전 압축하는 것으로, 압축 비율은 1/2에서 1/20까지 된다. 즉, 영상을 사람이 인지하지 못할 만큼 효율적으로 압축하여 적은 저장 공간에 많은 사진을 담고자 할 때 필요한 기능이다.

참고로, JPEG/MPEG은 'ITU, ISO/IEC'에서 정한 정지영상 압축의 국제 표준 (ISO/IEC IS10918-1, ITU-T T.81)이고, 대부분의 디지털 카메라나, 캠코더에서 산업 표준으로 채용하고 있다.

도1은 종래 자동 초점 기능을 구비한 카메라의 내부 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 피사체(101)에 반사된 빛이 렌즈(102)를 통과하면 한곳으로 모이게 되고, 이미지 센서(103)는 그 빛을 전기적 신호로 바꾼다.

상기 이미지 센서(103)의 신호는 RGB(Red, Green, Blue) 바이에르 패턴(byer pattern) 형태로 출력되는데, 그 RGB 신호를 입력받은 DSP(104)는 영상 처리와 영상 개선 과정을 통해 YCbCr 데이터로 변환하여, 내부의 JPEG 엔코더(104d)를 통해 영상을 압축하고, 그 압축된 영상을 외부 플래시메모리(105)에 저장하게 된다.

이때, 상기 DSP(104)의 초점 조정값 검출부(104b)는, 영상 처리부(104a)의 영상처리 중 휘도(Y) 신호로부터 자동 초점 조정값을 검출하여 제어부(MCU, 106)에 출력하게 된다.

보다 구체적으로, 상기 초점 조정값 검출부(104b)는 입력 영상의 휘도(Y) 성분에 대해 고주파 성분을 뽑아 주는 역할을 하는데, 고주파 성분이 많을수록 선명한 영상(뚜렷한 영상)이 되는 것으로, 그 고주파 성분값을 초점 조정값(focus value)으로 제어부(106)에 출력하는 것이다.

이에 따라, 제어부(106)는 상기 초점 조정값을 참조하여, 그 값이 높아지는 쪽(영상이 선명해지는 방향)으로 모터 구동부(107)를 제어하여, 자동 초점 조정 모터(108)를 제어하게 된다.

도2는 도1에 있어서, 초점 조정값에 따라 조정되는 렌즈의 위치와 그때 캡쳐된 영상 화면을 대비하여 보인 예8도로서, 이에 도시된 바와 같이 초점 조정값이 높아지는 쪽으로 렌즈를 움직여 초점을 조정할 경우, 그 초점 조정값이 가장 높을 때 가장 선명한 영상을 얻을 수 있게 된다.

도3은 도1에 있어서, 상기 초점 조정값 검출부의 상세한 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 영상 데이터의 영역별로 휘도(Y) 성분의 신호를 검출하여, 고주파 통과 필터(HPF1, HPF2)를 통해 각기 200K ~ 2.4MHz(HPF1) 또는 400K ~ 2.4MHz(HPF2)의 주파수 성분을 필터링 한 후, 클리핑(Clipping) 과정을 거친 각 영역별 주파수 성분을 합하여 최종 초점 조정값(focus value)으로 출력하도록 구성되어 있다.

이때, 상기 고주파 통과 필터는 30탭(tap) 정도의 FIR 필터를 사용하게 되는데, 2개의 고주파 필터(HPF1, HPF2)로 구성하여 주파수 성분을 구하기 때문에, 초점 조정값 검출부 전체 회로가 매우 커지게 되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 자동 초점 기능을 갖는 카메라 시스템에서 자동 초점 검출부에 들어가는 고주파 통과 필터를 제거하고, 대신 JPEG 엔코더 내부에 있는 DCT(Discrete cosine transform)를 이용하여 초점 조정값을 검출할 수 있도록 함으로써, 회로의 부피를 줄이고 그에 따른 비용도 절감할 수 있도록 하는 이산 여현 변환을 이용한 자동 초점 검출 장치 및 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 이산 여현 변환부를 통해 연산 중인 블록의 현재 위치에 따라, 초점 영역을 정의하고 초점 조정값을 누적할지 여부를 결정하는 초점 영역 선택부와; 상기 이산 여현 변환부의 출력값 중 첫 번째 행(column)과 열(row)의 계수값의 절대값을 구하고, 상기 구한 계수값의 절대값을 근거로 초점 조정값 유효 신호를 출력하는 계수 절대값 연산부와; 상기 계수 절대값 연산부에서 바이패스된 계수값(coeff(i,j))에 주파수 값에 따라 가중치(weight1, weight2)를 곱해주는 가중치 설정부와; 상기 초점 영역 선택부의 누적 제어신호에 의해 초점 영역에 있는 블록의 첫 번째 열과 행을 모두 더하여 그 값을 초점 조정값으로 출력하는 누적 연산부와; 상기 각 구성부에서 출력된 신호를 근거로 초점 조정을 수행하는 제어부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 종래의 초점 조정값 검출부가 수십 탭(tap)의 곱셈기(multiplier)와 레지스터, 지연기로 이루어진 고주파 통과 필터(HPF)를 이용하여 구성됨으로써, 회로가 매우 커지는 문제점을 해결하기 위한 것으로, JPEG 엔코더 내부에 있는 DCT 결과를 이용하여 종래의 HPF 관련 회로를 대체할 수 있도록 하는 기술의 제공을 요지로 한다.

또한, 종래의 경우 초점 조정값을 구하기 위하여 영상 데이터를 5개 정도의 영역으로 분할해서 값을 계산해야 했으나, 본 발명에서는 8*8 픽셀 단위로 계산되는 DCT를 이용함으로써 화면 분할을 자유롭게 할 수 있는 특징이 있다.

또한, 종래 초점 조정값 검출부에 사용된 고주파 통과 필터(HPF)는 수평 방향으로만 고주파 성분을 찾아내기 때문에, 수평 줄무늬가 있는 영상에 대해서는 정 확한 초점 조정값을 추출할 수 없는 문제점이 있지만, 본 발명에서는 8*8 수평과 수직 양방향으로 주파수 성분을 뽑아 주기 때문에, 어떠한 영상에 대해서도 정확한 초점 조정값을 추출할 수 있어, 자동 초점의 신뢰성과 정확성을 향상시킬 수 있도록 하는 특징이 있다.

또한, 종래 초점 조정값 검출부에 사용된 고주파 통과 필터(HPF)는 30탭(1*30 픽셀)으로 구성되어 있기 때문에, 동시에 30개의 픽셀에 의해 초점 조정값을 판단할 수 있었으나, 본 발명에서는 64개의 픽셀(8*8)에 의해 초점 조정값을 판단하기 때문에, 노이즈 성분이 자동 초점을 방해하는 현상을 현저히 줄일 수 있도록 하는 특징이 있다.

또한, 본 발명은 주파수 성분별로 값이 분리되어 있기 때문에, 사용자가 가중치를 주어 특정 주파수 값을 강조하거나 무시할 수 있으며, 여러 대역의 주파수 성분을 선택적으로 추출하여 다양한 종류의 초점 조정값을 추출할 수 있는 특징이 있으며, 그 다양한 초점 조정값을 조합해서 모터 속도를 제어함으로써, 초점 조정 속도를 크게 향상시킬 수 있도록 하는 특징이 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

우선, 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

또한, 하기의 설명에서 구체적인 처리흐름과 같은 많은 특정 상세들은 본 발 명의 보다 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으며, 이들 특정 상세들 없이 본 발명이 실시될 수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명할 것이다.

그리고, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도4는 일반적인 JPEG 영상 압축을 수행하는 부호화기의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 입력 영상을 8*8 화소의 블록으로 분해하여 그 휘도 신호를 이용하여 DCT 연산을 수행하는 이산 여현 변환부(201)와, 상기 DCT 연산으로 얻어진 DCT 계수를 양자화하는 양자화부(202)와, 상기 양자화된 신호를 부호화하여 최종 압축된 영상을 출력하는 엔트로피(가변장) 부호화부(203)로 구성된다.

이때, 상기 양자화 시에는 휘도 신호용 또는 색차 신호용 양자화 테이블(양자화 특성치의 일람표)(204)이 사용되며, 엔트로피 부호화 시에도 엔트로피 테이블(205)이 사용된다.

한편, 상기 이산 여현 변환부(201)의 특징은 2차원(수평,수직) 계수 연산에 의해 영상 데이터의 화소값(예:휘도)을 저주파 성분으로부터 고주파 성분까지 분해시킬 수 있도록 하는 것으로, 추후 양자화 과정에서 고주파 성분들을 버리는 조작을 통해 정보 손실이 거의 없이도 정보 압축을 수행할 수 있도록 하는 것이다.

다음 수학식 1은 상기 도4에서 2차원 이산 여현 변환을 위한 방정식을 나타낸다.

도5는 상기 도4에서 2차원 DCT 계수에 상당하는 주파수 성분 화면을 보인 예시도로서, 화면에서 수직 주파수 성분은 아래쪽으로 내려올수록 고주파 성분이 강해지고, 수평 주파수 성분은 오른쪽으로 갈수록 고주파 성분이 강해져서, 최종적으로 화면의 좌상단에는 저주파 성분이 집중되고, 화면의 우하단에는 고주파 성분이 집중되는 것이다.

따라서, 본 발명에서는 이산 여현 변환(DCT)의 그러한 특성을 초점 조정값을 구하는데 이용함으로써, 종래의 고주파 통과 필터를 사용한 초점 조정값 검출회로(Focus value detector)를 대체할 수 있도록 하는 것이다.

도6은 본 발명에 따른 DCT를 이용한 자동 초점값 검출 장치의 구성을 보인 블록도로서, 이에 도시된 바와 같이 이산 여현 변환(DCT) 과정을 거쳐 출력되는 2차원 DCT 계수를 입력받아 초점 조정값을 출력하는 DCT 기반 초점 조정값 검출부(300)를 더 포함하여 구성한다.

도7은 상기 도6에 있어서 DCT 기반 초점 조정값 검출부의 상세한 구성을 보인 블록도로서, 이산 여현 변환부에서 연산 중인 블록의 현재 위치에 따라 초점 조 정값을 누적할지 여부를 결정하고 초점 영역을 정의하는 초점 영역 선택부(301)와, 상기 이산 여현 변환부의 출력값 중 첫 번째 행(column)과 열(row)의 계수값만 골라 절대값을 구한 후 바이패스(bypass) 시키는 계수 절대값 연산부(302)와, 상기 계수 절대값 연산부에서 바이패스된 DCT 결과값(coeff(i,j))을 주파수값에 따라 가중치(weight1, weight2)를 곱해주는 가중치 설정부(303)와, 상기 초점 영역 선택부의 누적 제어신호에 의해 초점 영역에 있는 블록의 첫 번째 열(row)과 행(column)을 모두 더하여 저장하는 누적 연산부(304)를 포함하여 구성한다.

이때, 상기 계수 절대값 연산부(302)는 초점 조정값 유효 신호(focus_value_valid)를 출력하고, 상기 누적 연산부(304)는 주파수 대역폭이 다른 2종류의 초점 조정값(focus_value1, focus_value2)을 출력한다.

참고로, 초점 조정값은 고주파 성분을 어느정도 포함하고 있느냐를 나타내는 기준이므로, 상기 계수 절대값 연산부에서 구한 값이 클수록 고주파 성분을 많이 포함하고 있다는 의미가 되고, 이는 곧 초점이 맞았다는 것을 의미한다.

따라서, 상기 누적 연산부를 통해 초점 영역내의 초점 조정값이 모두 더해지면, 제어부(MCU)에서 이를 인지하고 값을 읽어갈 수 있도록 초점 조정값 유효신호를 넘겨주게 되며, 제어부(MCU)에서는 그 초점 조정값 유효신호를 보고 초점 조정값(focus_value1, focus_value2)을 읽어 도2에 도시된 바와 같은 초점 조정(hill-climbing)을 실시한다.

여기서, 상기 초점 영역 선택부(301)에 입력되는 좌표값(block(x,y))은 이산 여현 변환부(201)에서 현재 DCT 변환되고 있는 8*8 픽셀 블록이 전체 화면에서 어 디에 위치하는지를 나타내는 좌표값이고, 상기 DCT 출력값(coeff(i,j))은 8*8 픽셀 블록 내부의 좌표값(i,j)에 해당하는 2D-DCT 계수값을 의미한다.

한편, 상기 초점 영역 선택부(301)에서 초점 영역(focus area)은 제어부(MCU)에서 설정하는데, 패러렐(parallel)이나 I2C 인터페이스(Serial)를 통해 초점 영역 선택부 내부에 있는 제어 레지스터(미도시)를 설정함으로써 수행할 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 장치의 동작 및 작용을 도8의 순서도를 참조하여 설명한다.

도8은 본 발명에 따른 DCT를 이용한 자동 초점값 검출 방법을 보인 순서도로서, 우선, 화면에서 블록의 위치(block(x,y))를 보고 초점 영역 선택부(301)를 통해 초점 영역을 선별하고, 상기 선별된 해당 영역의 DCT 결과값을 누적하도록 제어 신호를 생성한다.

아울러, 8*8 블록내의 계수의 위치(i,j)를 보고, 수평 또는 수직 주파수 성분을 뽑아 절대값을 취하여 추출한다. 이때, 필요에 따라 대역폭이 다른 주파수 값을 뽑아 내거나, 수평/수직 주파수 성분을 선택하여 초점 조정값으로 사용할 경우 가중치(weight)를 설정한다.

여기서, 상기 주파수 성분이 있고 없음을 나타낼 때 음수와 양수는 무의미한 것으로, 0에 근접할 때 가장 작고 (+)나 (-)의 절대값이 클 때 주파수 성분 값이 커지는 것을 의미하므로 절대값을 취하는 것이다.

다음, 상기 8*8 블록이 초점 영역안에 있으면서, 그 8*8 블록내의 가중치 값에 의해 선택된 픽셀의 계수값(weighted coefficients)들을 더하여 제어부(MCU)에 출력함으로써, 제어부에서 초점 조정 모터를 제어할 수 있도록 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명 이산 여현 변환을 이용한 자동 초점 검출 장치 및 방법은 자동 초점 기능을 갖는 카메라 시스템에서 자동 초점 검출부에 들어가는 고주파 통과 필터를 제거하고, 대신 JPEG 엔코더 내부에 있는 DCT(Discrete cosine transform)를 이용하여 초점 조정값을 검출할 수 있도록 함으로써, 회로의 부피를 줄이고 그에 따른 비용도 절감할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 종래의 초점 조정값 검출부를 제거하고, JPEG 엔코더의 DCT 회로를 이용하므로 회로 소형화가 가능하고, 수평 주파수 성분만을 이용하던 종래의 초점 조정값 검출부와 달리, 본 발명에서는 수평/수직 주파수 성분을 바탕으로 초점 조정값을 만들어 내기 때문에 정확한 초점 조정이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 종래 초점 조정값 검출부 보다 많은 픽셀(8*8=64 픽셀)을 한꺼번에 이용하기 때문에, 노이즈 영상에 대해서도 초점 조정이 가능하므로, 자동 초점 기능과 JPEG 엔코더가 들어가는 대부분의 카메라 폰이나 디지털 스틸 카메라에는 본 발명이 제안한 내용을 적용할 수 있으며, 궁극적으로는 가격 대비 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 이산 여현 변환부를 통해 연산 중인 블록의 현재 위치에 따라, 초점 영역을 정의하고 초점 조정값을 누적할지 여부를 결정하는 초점 영역 선택부와;

   상기 이산 여현 변환부의 출력값 중 첫 번째 행(column)과 열(row)의 계수값의 절대값을 구하고, 상기 구한 계수값의 절대값을 근거로 초점 조정값 유효 신호를 출력하는 계수 절대값 연산부와;

   상기 계수 절대값 연산부에서 바이패스된 계수값(coeff(i,j))에 주파수 값에 따라 가중치(weight1, weight2)를 곱해주는 가중치 설정부와;

   상기 초점 영역 선택부의 누적 제어신호에 의해 초점 영역에 있는 블록의 첫 번째 열과 행을 모두 더하여 그 값을 초점 조정값으로 출력하는 누적 연산부와;

   상기 각 구성부에서 출력된 신호를 근거로 초점 조정을 수행하는 제어부를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 이산 여현 변환을 이용한 자동 초점 검출 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 누적 연산부는 주파수 대역폭이 다른 2종류의 초점 조정값(focus_value1, focus_value2)을 제어부로 출력하도록 구성한 것을 특징으로 하는 이산 여현 변환을 이용한 자동 초점 검출 장치.
3. 제2항에 있어서, 상기 제어부는 상기 계수 절대값 연산부에서 출력된 초점 조정값 유효신호를 보고 초점 조정값을 읽어 초점 조정(hill-climbing)을 실시하는 것을 특징으로 하는 이산 여현 변환을 이용한 자동 초점 검출 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 초점 영역 선택부에서 초점 영역은 상기 제어부와 패러렐(parallel)이나 I2C 인터페이스(Serial)를 통해 초점 영역 선택부 내부에 있는 제어 레지스터를 세팅하여 설정하도록 구성한 것을 특징으로 하는 이산 여현 변환을 이용한 자동 초점 검출 장치.
5. 화면에서 블록의 위치(block(x,y))에 따라 초점 영역을 선별하고, 상기 선별된 해당 영역의 DCT 결과값을 누적하도록 제어하는 단계와;

   상기 블록내의 계수의 위치(i,j)에 따라 수평 또는 수직 주파수 성분을 뽑아 절대값을 취하여 추출하는 단계와;

   상기 블록이 초점 영역안에 있으면서, 그 블록내의 가중치 값에 의해 선택된 픽셀의 계수값들을 누적하여 제어부에 출력하는 단계와;

   상기 누적된 계수값(초점 조정값)에 의해 초점 조정 모터를 제어하는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이산 여현 변환을 이용한 자동 초점 검출 방법.
6. 제5항에 있어서, 상기 수평 또는 수직 주파수 성분에 대한 절대값을 추출한 후, 필요에 따라 대역폭이 다른 주파수 값을 뽑아 내거나, 수평/수직 주파수 성분 을 선택하여 가중치(weight)를 설정하는 과정이 더 포함되어 이루어진 것을 특징으로 하는 이산 여현 변환을 이용한 자동 초점 검출 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 좌표값(block(x,y))은 이산 여현 변환부에서 현재 DCT 변환되고 있는 8*8 픽셀 블록이 전체 화면에서 어디에 위치하는지를 나타내는 좌표값인 것을 특징으로 하는 이산 여현 변환을 이용한 자동 초점 검출 방법.

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