KR100753505B1 - 적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치 및 방법 - Google Patents

적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치 및 방법이 개시된다. 이 장치는, 사용자가 원하는 촬영 모드를 선택받고, 선택받은 촬영 모드를 출력하는 모드 선택부와, 선택된 촬영 모드에 상응하는 제어 신호를 발생하는 제어부 및 제어 신호에 상응하는 다이나믹 레인지에 따른 이미지를 광학적으로 획득하고, 획득된 광학적인 이미지를 전기적인 신호로 변환하여 영상을 촬영하는 이미지 획득부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
고체 촬상 소자, 동작 주파수, 다이나믹 레인지

Description

적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치 및 방법{Apparatus and method for photographing image, with adaptive dynamic range}
도 1은 일반적인 불루밍 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 CCD의 출력 전압과 입사 광량간의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 의한 적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치의 실시예의 블럭도이다.
도 4는 도 3에 도시된 영상 촬영 장치에서 수행되는 본 발명에 의한 영상 촬영 방법의 실시예를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 5는 도 3에 도시된 주파수 결정부의 본 발명에 의한 실시예의 회로도이다.
도 6 (a) 및 (b)는 주파수 결정부에서 결정된 동작 주파수와 CCD의 출력 신호간의 관계를 나타내는 파형도들이다.
도 7은 촬영 모드에 따른 CCD에 기판 전압의 레벨을 나타내는 그래프이다.
도 8은 촬영 모드에 따른 포화 신호 전압의 레벨이 변하는 모습을 설명하기 위한 CCD 출력 파형의 그래프이다.
본 발명은 고체 촬상 소자(CCD:Charged Coupled Device) 같은 소자를 이용하여 영상을 촬영하는 예를 들면 이동 전화용 카메라 또는 디지탈 스틸(digital still) 카메라 등과 같은 영상 촬영 장치에 관한 것으로서, 특히, 다이나믹 레인지(dynamic range)를 촬영 모드에 적응하여 다양하게 가변할 수 있는 적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치 및 방법에 관한 것이다.
이동 전화(mobile phone)를 위한 용도로 사용되는 카메라 모듈(camera module)은 이동 전화 크기의 제한으로 인해, 카메라에 장착되는 렌즈의 크기가 소형화되고 있다. 이와 같이, 렌즈의 절대 크기가 줄어듬에 따라, F/#가 제한되고 유효 개구(clear diameter)의 한계 즉, 렌즈로 입사되는 광의 량이 제한되기 때문에 화질의 저하가 불가피하다. 게다가, 이동 전화의 배터리는 그의 용량이 제한되어 있으므로, 이동 전화에서 소비되는 전류를 적절하게 감소시키든지 잔존하는 소비 전류에 상응하여 이동 전화를 동작시켜야 할 필요가 있다.
도 1은 일반적인 불루밍(blooming) 현상을 설명하기 위한 도면이다.
일반적으로, 계조 표현의 우수성을 확보하기 위해서, 어두운 피사체는 더욱 어둡게 표현하고 밝은 피사체는 더욱 밝게 표현해야 한다. 이를 위해, CCD의 다이나믹 레인지를 충분히 넓게 해주어야 한다. 하지만, 300만 화소 이상의 고 해상도에서 CCD 포화 출력은 200㎷ 내지 500㎷로 제한적이다. 왜냐하면, 다이나믹 레인지를 과도하게 높일 경우, 불루밍 현상이 발생되기 때문이다. 여기서, 불루밍 현상이란, 포화 광량 이상으로 강한 빛이 입사되면, 신호 전하가 넘쳐 주위 화소에 잉여 전하가 혼입되어 빛이 비추어지지 않은 부분(5)까지도 밝아지는 현상이다.
도 2는 CCD의 출력 전압과 입사 광량(lx)간의 관계를 나타내는 그래프로서, 횡축은 입사 광량을 나타내고 종축은 출력 전압을 각각 나타낸다.
다이나믹 레인지는 오버 플루 드레인(OFD:Overflow drain) 설정 전압에 의존하며, OFD 설정 전압은 불루밍 현상의 제어 정도를 의미한다. 따라서, 다이나믹 레인지와 불루밍 억압은 서로 타협(trade off) 관계에 놓인다. 이러한 특성으로 인해, 충분한 다이나믹 레인지를 확보하기 어렵다. 게다가, 충분한 다이나믹 레인지를 확보한다고 하더라도, 제한된 용량을 갖는 배터리를 이용하는 상황에서 충분히 큰 다이나믹 레인지로 인한 소비 전류의 증가는 배터리 이용 시간을 단축시킬 수 있다.
도 2에 도시된 포화 신호 전압(Vsat)이란, 광 다이오드에 축적할 수 있는 최대의 신호 전하량으로서, 영상 촬영 장치에서 촬영 가능한 최대 광량도 이 값에 의해 크게 좌우된다. 또한, 포화 신호 전압은 광 다이오드의 정전 용량과 구동 전압에 의해 결정된다. 그러나, CCD의 구조상 정전 용량을 크게 하기 어려우므로, 포화 신호 전압은 한계를 갖는다.
결국, 종래의 영상 촬영 장치에 의할 경우, CCD의 다이나믹 레인지를 크게 하는 데 제한을 갖는 문제점이 있다. 게다가, 다이나믹 레인지를 키울수록 소비 전류가 증가하므로, 한정된 배터리 용량을 갖는 상황에서, 다이나믹 레인지를 크게 하는 데 더욱 제한을 갖는 문제점이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 촬영 모드에 따라 다이나믹 레인지를 달리하면서 영상을 촬영할 수 있고, 현재 배터리의 상황에 맞추어 동작할 수 있는 적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 과제를 이루기 위해, 사용자가 원하는 촬영 모드를 선택받고, 상기 선택받은 촬영 모드를 출력하는 모드 선택부;
상기 선택된 촬영 모드에 상응하는 제어 신호를 발생하는 제어부; 및
상기 제어 신호에 상응하는 다이나믹 레인지에 따른 이미지를 광학적으로 획득하고, 상기 획득된 광학적인 이미지를 전기적인 신호로 변환하는 이미지 획득부를 구비하는 것을 특징으로 하는 적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치.로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 다른 과제를 이루기 위해, 사용자가 원하는 촬영 모드를 선택받는 단계; 및
상기 선택된 촬영 모드에 상응하는 다이나믹 레인지에 따른 이미지를 광학적으로 획득하고, 상기 획득된 광학적인 이미지를 전기적인 신호로 변환하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 방법.로 이루어지는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 의한 적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치의 구성 및 동작과 그 촬영 방법을 첨부한 도면들을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 3은 본 발명에 의한 적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치의 실시예의 블럭도로서, 렌즈계(9), 모드 선택부(10), 제어부(12), 이미지 획득부(14), 배터리(battery)(30), 배터리 모니터링부(32) 및 주파수 결정부(34)로 구성된다.
도 3에 도시된 이미지 획득부(14)는 렌즈계(9)를 통해 입사된 광학적인 이미지를 전기적인 이미지로 변환하는 고체 촬상 소자(CCD)(20)로 구현될 수 있다. 이 때, 고체 촬상 소자(20)는 제어부(12)로부터 입력한 제어 신호에 상응하여 자신의 기판 전압(또는, 기판 바이어스 전압)의 레벨을 조정한다. 따라서, 사용자가 선택한 촬영 모드에 상응하는 다이나믹 레인지에 따른 이미지가 획득될 수 있다. 예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이 렌즈계(9)는 줌(zoom) 렌즈(6), 조리개(iris)(7) 및 포커싱(fucusing) 렌즈(8)로 구현될 수 있다.
전술한 바와 같이, 영상 촬영 장치의 다이나믹 레인지가 증가할 경우, 영상 촬영 장치에서 소모되는 전류가 증가할 수 있다. 따라서, 영상 촬영 장치에 잔존하는 배터리의 용량에 적합하게 영상 촬영 장치를 구동시킬 필요가 있다. 이를 위해, 본 발명에 의한 영상 촬영 장치는 배터리(30), 배터리 모니터링부(32) 및 주파수 결정부(34)를 더 마련할 수 있다.
여기서, 배터리(30)는 영상 촬영 장치를 구동하는 역할을 한다. 배터리 모니터링부(32)는 배터리(30)의 용량을 모니터링하고, 모니터링된 결과를 주파수 결정부(34)로 출력한다.
주파수 결정부(34)는 배터리 모니터링부(32)에서 모니터링된 결과에 상응하는 이미지 획득부(14)의 동작 주파수를 결정하고, 결정된 동작 주파수를 이미지 획득부(14)로 출력한다. 이 때, 이미지 획득부(14)는 전기적 신호로 온 되어 디스플레이될 영상에 기여할 화소의 개수를 동작 주파수에 상응하여 결정하고, 결정된 화소들을 출력단자 OUT를 통해 출력한다. 예를 들면, 전기적 신호에서 영상에 기여할 화소의 개수는 동작 주파수가 클 수록 증가하고, 동작 주파수가 적을 수록 감소한다.
도 4는 도 3에 도시된 영상 촬영 장치에서 수행되는 본 발명에 의한 영상 촬영 방법의 실시예를 설명하기 위한 플로우차트로서, 촬영 모드를 선택받는 단계(제40 단계) 및 선택받은 촬영 모드에 따라 고체 촬상 소자의 다이나믹 레인지를 조정하는 단계(제42 단계)로 이루어진다.
본 발명에 의하면, 먼저, 모드 선택부(10)는 입력단자 IN1을 통해 사용자가 원하는 촬영 모드를 선택받고, 선택받은 촬영 모드를 제어부(12)로 출력한다(제40 단계).
제40 단계후에, 선택된 촬영 모드에 상응하는 다이나믹 레인지에 따른 이미지를 광학적으로 획득하고, 획득된 광학적인 이미지를 전기적인 신호로 변환한다(제42 단계). 제42 단계를 수행하기 위해, 본 발명에 의한 영상 촬영 장치는 제어부(12) 및 이미지 획득부(14)로 구현될 수 있다. 여기서, 제어부(12)는 모드 선택부(10)에서 선택된 촬영 모드에 상응하는 제어 신호를 발생하고, 발생된 제어 신호를 이미지 획득부(14)로 출력한다. 이미지 획득부(14)는 제어부(12)로부터 입력한 제어 신호에 상응하는 다이나믹 레인지에 따른 이미지를 광학적으로 획득하고, 획득된 광학적인 이미지를 전기적인 신호로 변환하며, 변환된 이미지를 출력단자 OUT를 통해 출력한다. 여기서, 출력단자 OUT를 통해 출력되는 이미지는 아날로그 프론트 엔드(AFE:Analog Front End)(미도시)를 경유하여 이미지 신호 처리부(ISP:Image Signal Processor)(미도시)로 출력될 수 있다.
도 5는 도 3에 도시된 주파수 결정부(34)의 본 발명에 의한 실시예의 회로도로서, 트랜지스터(Q), 제1, 제2 및 제3 저항들(R1, R2 및 R3)로 구성된다.
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도 5에 도시된 제1 저항(R1)은 배터링 모니터링부(32)에서 모니터링된 결과와 연결되는 일측을 갖는다. 제2 저항(R2)은 이미지 획득부(14)를 구현하는 CCD(20)와 연결되는 일측을 갖는다.
이 때, 트랜지스터(Q)는 제1 저항(R1)의 타측과 연결되는 베이스, 제2 저항(R2)의 타측과 기준 전위 사이에 연결되는 컬렉터 및 이미터를 갖는다. 제3 저항(R3)은 CCD(20)와 기준 전위 사이에 연결된다.
전술한 구성을 갖는 주파수 결정부(34)는 입력단자 IN2를 통해 배터링 모니터링부(32)로부터 모니터링된 결과를 입력한다. 만일, 배터리(30)의 전력이 많이 남아 있지 않을 경우 "저" 논리 레벨의 모니터링된 결과가 발생된다면, 입력단자 IN2를 통해 입력한 "저" 논리 레벨의 모니터링된 결과에 응답하여 트랜지스터(Q)는 턴 오프된다. 따라서, 제3 저항(R3)을 통해서만 전류가 흐른다. 그러나, 배터리(30)의 전력이 많이 남아 있을 경우 "고" 논리 레벨의 모니터링된 결과가 발생된다면, 입력단자 IN2를 통해 입력한 "고" 논리 레벨의 모니터링된 결과에 응답하여 트랜지스터(Q)는 턴 온된다. 따라서, 제2 및 제3 저항들(R2 및 R3)을 통해 전류가 흐른다.
이와 같이, 배터리(30)에 전력이 충분히 남아 있을 경우 CCD(20)에 흐르는 전류는 배터리(30)에 전력이 충분히 남아 있지 않을 때 CCD(20)에 흐르는 전류보다 크다. 이와 같이, 배터리(30)에 남아 있는 전력의 량에 따라 CCD(20)에 흐르는 전류량에 제어되므로, 결국은 배터리(30)의 용량에 적합하여 영상 획득 장치가 동작할 수 있다.
도 6 (a) 및 (b)는 주파수 결정부(34)에서 결정된 동작 주파수와 CCD(20)의 출력 신호간의 관계를 나타내는 파형도들로서, 도 6 (a)는 영상 촬영 장치에 클럭 신호의 파형도이고, 도 6 (b)는 CCD(20)에 출력 신호의 파형도를 각각 나타낸다. 도 6 (b)에서 빗금친 부분은 포화 신호 전압의 레벨을 나타낸다.
배터리(30)의 전력 용량이 클 때의 동작 주파수가 배터리(30)의 전력 용량이 적을 때의 동작 주파수보다 크도록 동작 주파수를 설정할 수 있다. 예를 들면, 배터리(30)의 전력 용량이 클 경우 이미지 획득부(14)의 동작 주파수 즉, 도 6 (a)에 도시된 클럭 신호의 주파수는 27㎒가 될 수 있고, 배터리(30)의 전력 용량이 적을 경우 이미지 획득부(14)의 동작 주파수 즉, 도 6 (a)에 도시된 클럭 신호의 주파수는 13.5㎒가 될 수 있다. 도 6 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 동작 주파수가 클수록 단위 시간당 CCD(20)로부터 도 6 (b)에 도시된 바와 같은 신호가 보다 많이 출력될 수 있음을 알 수 있다.
예를 들어, 제40 단계에서 사용자는 다음 표 1과 같은 4 가지의 모드들중에서 하나를 선택할 수 있다.
독출(readout) 모드 포화 신호 전압의 레벨 촬영 모드 전력 모드
Full Frame mode 400㎷ 1 pixel 정지(still) 모드
2 pixel readout in vertical 8 pixel 200㎷ 1 pixel 라이브 뷰(live view)모드 절전형 모드 (라이브 뷰 모드)
4 pixel readout in vertical 8 pixel 800㎷ 1 pixel 라이브 뷰 모드 동영상(moview) 모드
4 pixel readout in vertical 16 pixel 400㎷ 1 pixel 라이브 뷰 모드
포화 신호 전압의 레벨에서 400㎷ 1 pixel이란, CCD(20)로부터 출력되는 1 픽셀당 포화 신호 전압의 레벨이 400㎷라는 것을 의미한다. 절전형 모드란, 전술한 바와 같이 동작 주파수를 감소시켜 CCD(20)로부터 출력되는 신호를 줄이는 모드를 의미한다.
도 7은 촬영 모드에 따른 CCD(20)에 기판 전압의 레벨을 나타내는 그래프로서, 횡축은 기판 전압을 나타내고 종축은 포화 신호 전압(saturation signal)의 레벨을 각각 나타낸다.
도 7을 참조하면, 촬영 모드에 따라 CCD(20)의 기판 전압의 레벨을 Vs1, Vs2 및 Vs3중에서 선택하고, 선택된 기판 전압의 레벨에 따라 포화 신호 전압의 레벨의 800㎷, 400㎷ 또는 200㎷로 변함을 알 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이, 기판 바이어스 전압을 낮추면 포화 신호 전압의 레벨은 증가함을 알 수 있다.
도 8은 촬영 모드에 따른 포화 신호 전압의 레벨이 변하는 모습을 설명하기 위한 CCD(20) 출력 파형의 그래프이다.
도 8을 참조하면, 촬영 모드를 변경함에 따라 포화 신호 전압의 레벨이 범위(72)내에서 가변되는 모습(70)을 알 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 적응적인 다이나믹 레인지를 갖 는 영상 촬영 장치 및 방법은 촬영 모드에 따라 다이나믹 레인지를 달리 조정하면서 영상을 획득할 수 있어 불루밍 현상을 최대한 억제시키면서 다이나믹 레인지를 확장시켜 계조 표현력을 향상시킬 수 있고, 촬영된 영상을 배터리의 상황에 따라 달리 영상화시키므로 즉, 배터리의 상황에 따라 동작 주파수를 가변시키므로, 다이나믹 레인지를 확장시킴에 따라 야기될 수 있는 전류의 감소에 부응하여 적응적으로 동작될 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (5)

  1. 사용자가 원하는 촬영 모드를 선택받고, 상기 선택받은 촬영 모드를 출력하는 모드 선택부;
    상기 선택된 촬영 모드에 상응하는 제어 신호를 발생하는 제어부; 및
    상기 제어 신호에 상응하는 다이나믹 레인지에 따른 이미지를 광학적으로 획득하고, 상기 획득된 광학적인 이미지를 전기적인 신호로 변환하여 영상을 촬영하는 이미지 획득부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 이미지 획득부는
    상기 광학적인 이미지를 상기 전기적인 이미지로 변환하는 고체 촬상 소자로서,
    상기 고체 촬상 소자는 상기 제어 신호에 상응하여 자신의 기판 전압의 레벨을 조정하고, 상기 조정된 기판 전압의 레벨에 상응하는 다이나믹 레인지에 따른 이미지를 획득하여 영상을 촬영하는 것을 특징으로 하는 적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 영상 촬영 장치는
    상기 영상 촬영 장치를 구동하는 배터리;
    상기 배터리의 용량을 모니터링하는 배터리 모니터링부; 및
    상기 모니터링된 결과에 상응하는 상기 이미지 획득부의 동작 주파수를 결정하는 주파수 결정부를 구비하고,
    상기 이미지 획득부는 상기 전기적 신호로 온 되는 화소의 개수를 상기 동작 주파수의 크기에 상응하여 결정하는 것을 특징으로 하는 적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 주파수 결정부는
    상기 모니터링된 결과와 연결되는 일측을 갖는 제1 저항;
    상기 이미지 획득부와 연결되는 일측을 갖는 제2 저항;
    상기 제1 저항의 타측과 연결되는 베이스, 상기 제2 저항의 타측과 기준 전위 사이에 연결되는 컬렉터 및 이미터를 갖는 트랜지스터; 및
    상기 이미지 획득부와 상기 기준 전위 사이에 연결되는 제3 저항을 구비하는 것을 특징으로 하는 적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 장치.
  5. 사용자가 원하는 촬영 모드를 선택받는 단계; 및
    상기 선택된 촬영 모드에 상응하는 다이나믹 레인지에 따른 이미지를 광학적으로 획득하고, 상기 획득된 광학적인 이미지를 전기적인 신호로 변환하여 영상을 촬영하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 적응적인 다이나믹 레인지를 갖는 영상 촬영 방법.
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