KR100809553B1 - 컬러 이미지 센서 평가 장치 및 방법 - Google Patents

컬러 이미지 센서 평가 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 컬러 이미지 센서를 정량적으로 평가할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 백색광을 내는 광원; 복수의 회절 격자 및 반사경으로 이루어져 상기 백색광을 다수의 단색광으로 분광시키는 분광기; 상기 단색광의 빛을 둘로 나누는 빛 분할기; 상기 빛 분할기에 의하여 분할된 하나의 빛의 세기를 측정하는 광검출기; 상기 빛 분할기에 의하여 분할된 다른 하나의 빛이 조사되는 반사형 스크린; 및 상기 분광기의 회절격자 및 반사경의 자세를 제어하여 단색광의 파장을 선택하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러 이미지 센서 평가 장치를 제공한다.
본 발명은 컬러 이미지 센서 제조업체 및 컬러 이미지 센서 어플리케이션 장치(디지털카메라, 핸드폰카메라, PC캠, 캠코더, 스캐너 등) 제조업체 생산 제품의 정량적인 평가가 사전에 실시될 수 있다. 또한 화질을 향상시킬 수 있는 필터설계나 부품개발 연구에 활용될 수 있다.
컬러 이미지 센서, 분광감도, 인간시각, 색일치함수, 화질 평가지수, ｑ 요소, μ요소

Description

컬러 이미지 센서 평가 장치 및 방법 {The Apparatus And Method for Image Quality Evaluation of Color Imaging Sensor}
도 1은 본 발명에 따른 컬러 이미지 센서 평가 장치의 하드웨어 구성도,
도 2a는 본 발명에 따른 장치에서 조사되는 16가지 단색광의 파장분포 그래프,
도 2b는 본 발명에 따른 장치에서 조사되는 16가지 단색광의 세기 그래프,
도 3은 컬러 이미지 센서의 분광감도 산출 및 평가 소프트웨어 흐름도,
도 4는 시험 컬러 이미지 센서의 빛 세기 감도 그래프,
도 5a는 본 발명에 따른 장치로 측정된 시험 컬러 이미지 센서의 분광감도 그래프,
도 5b는 본 발명에 따른 장치로 측정된 인간 시각의 색일치 함수 그래프이다.
- 도면 부호의 간단한 설명 -
10 : 백색광원 12 : 분광기
14 : 빛 분할기 16 : 광검출기
18 : 반사형 스크린 20 : 분광기 제어 컴퓨터
22 : 시험 컬러 이미지 센서
본 발명은 컬러 이미지 센서 평가 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 컬러 이미지 센서의 분광감도를 측정하고 이를 객관적으로 분석함으로써 화질을 정량적으로 평가할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 비메모리 반도체 산업 기술의 발전을 통해 국산 컬러 이미지 센서의 화소수와 비트심도 등이 크게 향상되고 있다. 그러나 해상도가 높을수록 노이즈가 분명하게 나타나고, 색 변환 매트릭스 적용시 이미징 노이즈가 더욱 증배되어 화질이 떨어지게 된다. 따라서 이미지 센서 어플리케이션 장치 제조업체에서는 선별과정에서 컬러 이미지 센서의 화질을 미리 평가할 수 있는 장치가 절실히 필요한 실정이다.
현재 국내 이미지 센서 제조업체에는 패턴 박스에 나타낸 컬러 챠트를 촬영한 이미지를 표준 모니터에 재현시켜 놓고 이를 눈으로 보고 평가하고 있다. 외국산 패턴 박스나 표준 모니터의 가격이 고가임에도 불구하고 객관적인 수치로 평가될 수 없을 뿐 아니라 주변 환경과 관측자의 심리 상태 등에 의해 크게 영향 받을 수 있어 신뢰받지 못하고 있다.
컬러 이미지 센서로 촬영되는 디지털이미지의 R, G, B 데이터는 컬러 이미지 센서의 분광감도에 크게 의존한다. 분광감도(spectral sensitivity)는 입사되는 빛 의 파장에 따른 컬러 이미지 센서의 반응정도를 나타내는데, 분광감도가 인간시각의 색일치함수(color matching functions)의 선형적 합으로 표시될 수 있다면 사물의 색이 눈에 보이는 대로 촬영될 것이다. 따라서 컬러 이미지 센서로 촬영된 디지털이미지의 화질을 평가하기 위해서는 근본적으로 컬러 이미지 센서의 분광감도가 평가되어야한다.
컬러 이미지 센서의 분광감도를 측정하기 위해서는 일정 간격의 파장을 지닌 단색광을 내는 장치가 필요하다. 그러나 일반적으로 사용되는 단색화장치에서 방출되는 단색광은 파장마다 세기가 다르므로 이를 측정하기 위해서는 별도의 계측기가 필요하다. 또한 데이터 처리 및 분광감도 산출 알고리즘을 직접 개발해야하므로 관련 업체에서 일일이 장비를 구비해서 정렬하고 데이터를 처리하기는 어려운 실정이다.
따라서 상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 컬러 이미지 센서의 분광감도를 측정하고 이를 객관적으로 분석함으로써 컬러 이미지 센서의 화질 시현 성능을 정량적으로 평가할 수 있는 장치 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 백색광을 내는 광원; 복수의 회절 격자 및 반사경으로 이루어져 상기 백색광을 다수의 단색광으로 분광시키는 분 광기; 상기 단색광의 빛을 둘로 나누는 빛 분할기; 상기 빛 분할기에 의하여 분할된 하나의 빛의 세기를 측정하는 광검출기; 상기 빛 분할기에 의하여 분할된 다른 하나의 빛이 조사되는 반사형 스크린; 및 상기 분광기의 회절격자 및 반사경의 자세를 제어하여 단색광의 파장을 선택하는 컴퓨터를 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러 이미지 센서 평가 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 (a) 피시험 컬러 이미지 센서를 준비하는 단계; (b) 복수의 반사율이 주어지는 스크린에 조사된 백색광 이미지를 촬영하여 R, G, B데이터를 추출하는 단계; (c) 상기 반사율 중 최고 반사율을 지닌 스크린에 상기 백색광을 분광하여 얻어지는 복수의 단색광을 조사하여 각 단색광의 이미지를 촬영함으로써 R, G, B데이터를 추출하는 동시에 빛 분할기를 통하여 분할된 빛의 세기를 광검출기에 의하여 측정하는 단계; (d) 상기 백색광에 대하여 각 R, G, B데이터와 반사율과의 상관함수인 빛 세기 감도함수를 도출하는 단계; (e) 각 단색광의 파장 λ에 대하여 상기 빛 세기 감도함수에 상기 복수의 단색광 이미지의 R, G, B 데이터를 적용하여 R, G, B 각각에 대한 빛의 세기를 구하는 단계; (f) 상기 단계(e)에서 얻은 R, G, B 각각에 대한 빛의 세기를 상기 단계(c)에서 측정된 각 단색광의 빛의 세기로 규격화하여 상기 빛 세기 감도함수에 적용함으로써 파장별로 광세기가 동일할 때의 R, G, B 데이터를 추정치를 구하는 단계; 및 (g) 인간시각의 색일치함수에 대하여 상기 단계(f)의 R, G, B 데이터 추정치의 최적 선형조합의 함수벡터 거리를 포함하는 평가지수를 산출하는 단계;를 포함하는 컬러 이미지 센서 평가 방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명에 따른 컬러 이미지 센서의 평가 장치 시스템의 하드웨어 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 장치에서 스크린에 조사되는 단색광의 파장 분포 및 세기 그래프이고, 도 3은 컬러 이미지 센서의 분광감도 산출 및 평가 소프트웨어 흐름도이며, 도 4는 시험 컬러 이미지 센서의 빛 세기 감도 그래프이고, 도 5는 본 발명에 따른 장치 시스템으로 측정된 시험 컬러 이미지 센서의 분광감도 그래프이다.
본 발명에 따른 컬러 이미지 센서의 평가 장치 시스템의 구성은 도 1에 나타낸 바와 같이 400nm~700nm 범위의 파장이 고루 섞인 빛을 내는 백색광원(10), 이를 20nm 간격의 단일 파장을 지닌 16가지 단색광으로 분산시키는 분광기(12), 단색광의 빛을 둘로 나누는 빛 분할기(14), 빛의 세기를 전압 등에 의하여 표시하는 광검출기(16), 단색광이 조사되는 반사형 스크린(18)으로 구분된다. 백색광원(10)의 램프에서 방출된 빛은 볼록 렌즈에 의해 분광기(12)의 입사동에 집속되어 들어간다. 이때 입사동 앞에 확산판(diffuser)을 설치하여 필라멘트의 상이 생기지 않 도록 한다. 분광기(12)에 입사된 빛은 이중 회절격자에 의해 파장 순으로 분산되는데, 연결된 분광기 제어 컴퓨터(20)로 출사되는 단색광의 파장을 지정한다. 분광기(12)에서 출사된 빛은 광섬유를 통해 빛 분할기(14)에 입사되어 두 경로로 분할된다. 90도로 반사된 소량의 빛은 광검출기(16)에 입사되어 빛의 세기가 전압 등으로 표시되고, 직진한 대부분의 빛은 전방에 설치된 반사형 스크린(18)에 조사된다. 광검출기(16)에 표시된 전압으로 반사형 스크린(18)에 조사되는 단색광의 파장별 상대세기를 가늠한다. 시험 컬러 이미지 센서(22)를 일정 거리에 고정시키고 단색광이 비추어진 반사형스크린(18)의 이미지를 촬영한다. 본 발명에서는 반사형 스크린(18)에 조사된 빛의 세기를 직접 측정하지 않고 간접적으로 상대적 세기를 측정하는 방법을 사용하는 특징을 지니고 있다. 도 2-a는 예로써 21V 150W 할로겐램프를 사용하고 분광기(12) 내부에 600gr/500nm 회절격자를 사용하였을 경우, 400nm~700nm 구간에서 20nm 간격으로 출사되는 단색광의 파장 분포를 별도의 분광광도계(Spectroradiometer)로 측정한 결과를 나타낸 것이다. 도 2-b는 파장별 세기를 최대 세기를 1로 규격화하여 분광광도계로 측정된 결과와 본 발명에 따른 장치의 광검출기(16)로 측정된 결과를 비교하여 나타낸 것으로, 상대적으로 세기가 약한 단파장과 장파장을 제외하고는 두 결과가 잘 일치됨을 알 수 있다.
도 3은 컬러 이미지 센서의 분광감도 산출 및 평가 소프트웨어의 흐름도로써 이미지 촬영단계(S100), 빛 세기 감도 산출단계(S110), 분광감도 산출단계(S120), 그리고 화질 평가지수 산출단계(S130)로 구분된다. 첫 번째 단계인 이미지 촬영단계는 다음의 두 과정으로 이루어진다. 우선 백색광원에서 방출되는 빛을 분광기를 거치지 않고 직접 반사율이 각각 90%, 59%, 36%, 20%, 9%, 그리고 3%인 6개의 스크린에 순차적으로 비추면서 시험 컬러 이미지 센서(22)로 스크린을 촬영한다(S100). 상기 6개 반사율은 인간의 눈에 균등 간격으로 느껴지는 빛의 세기를 제공하며, 반사율이 높을수록 스크린에서 반사되는 빛의 세기가 강해지므로 반사율로써 빛의 상대적 세기 Y를 나타낼 수 있다(S110). Macbeth ColorCheker의 무채색 스케일 색표 6개는 위 반사율을 나타내는 스크린으로 사용될 수 있다. 다음으로 도 1과 같이 장치를 구성하고 90% 반사율을 지닌 백색 스크린에 400nm부터 700nm 까지 20nm 간격의 16가지 단색광들을 순차적으로 비추면서 동일한 시험 컬러 이미지 센서로 스크린을 촬영한다. 각 단색광에 대한 이미지 촬영시 검출기에 표시된 전압을 함께 기록한다.
두 번째인 빛 세기 감도 산출단계에서는 반사율이 다른 6개 스크린의 촬영이미지에서 R, G, B 데이터를 추출하여 빛의 세기 Y에 대한 R, G, B 데이터 각각의 관계식을 아래 수학식 1의 형태로 산출한다. 도 4는 빛의 상대적 세기 Y(%)에 대한 촬영된 이미지에서 추출된 R, G, B 데이터를 연결하여 나타낸 그래프로써 R, G, B 데이터가 빛의 세기에 비선형적임을 보여준다. 수학식 1은 도 4의 그래프를 두 구간으로 나누어 각 구간의 데이터를 연결하는 선의 함수를 구한 것이다.
Figure 112006033416669-pat00001
,
Figure 112006033416669-pat00002
,
Figure 112006033416669-pat00003
.
분광감도 산출단계에서는 16개 단색광의 촬영 이미지로부터 각 단색광의 파장 λ에 대하여
Figure 112006033416669-pat00004
,
Figure 112006033416669-pat00005
,
Figure 112006033416669-pat00006
데이터를 추출하고, 각각에 대해 수학식 1을 만족하는
Figure 112006033416669-pat00007
를 구한다. 다음으로 광검출기에서 읽은 전압으로부터 최대값을 1로 규격화한 파장별 상대 세기
Figure 112006033416669-pat00008
으로 나눈
Figure 112006033416669-pat00009
을 각각 수학식 1의 우변에 대입하여 동일 세기에 대한
Figure 112006033416669-pat00010
,
Figure 112006033416669-pat00011
,
Figure 112006033416669-pat00012
를 산출한다(S120). 도 5는 이와 같이 산출된 시험 컬러 이미지 센서의 분광감도 그래프(도 5-a)와 인간 시각의 색일치함수 그래프(도 5-b)를 비교하여 나타낸 것이다.
마지막으로 화질 평가지수 산출단계에서 도 5의 두 그래프가 어느 정도 유사성이 있는가를 평가한다(S130). 아래 수학식 2는 본 장치로 측정된 시험 컬러 이미지 센서의 분광감도
Figure 112006033416669-pat00013
,
Figure 112006033416669-pat00014
,
Figure 112006033416669-pat00015
각각이 인간시각의 색일치함수
Figure 112006033416669-pat00016
,
Figure 112006033416669-pat00017
,
Figure 112006033416669-pat00018
의 선형 합으로 표현될 수 있는 정도를 평가하는 ｑ 요소를 정의한다.
Figure 112006033416669-pat00019
Figure 112006033416669-pat00020
Figure 112006033416669-pat00021
수학식 2에서
Figure 112006033416669-pat00022
은 시험 컬러 이미지 센서의 분광감도
Figure 112006033416669-pat00023
,
Figure 112006033416669-pat00024
,
Figure 112006033416669-pat00025
중 하나의 데이터를 나타내는 1 x n(n=16) 행렬을 나타내고,
Figure 112006033416669-pat00026
은 인간시각의 색일치함수를 나타내는 3 x n 행렬이며, f는 A의 각 요소에 곱하여 이들의 합이 m에 가장 가깝게 나타낼 수 있는 3x 1 행렬이다. 즉,
Figure 112006033416669-pat00027
이 최소가 되는 f는
Figure 112006033416669-pat00028
으로 표현된다. 만일 시험 컬러 이미지 센서의 분광감도
Figure 112006033416669-pat00029
,
Figure 112006033416669-pat00030
,
Figure 112006033416669-pat00031
중에서
Figure 112006033416669-pat00032
이면
Figure 112006033416669-pat00033
가 인간시각의 색일치함수
Figure 112006033416669-pat00034
,
Figure 112006033416669-pat00035
,
Figure 112006033416669-pat00036
의 선형 합으로 완벽하게 표현될 수 있음을 의미한다. 따라서
Figure 112006033416669-pat00037
범위내의 수치를 갖는 ｑ 요소 값에 의하여 시험 컬러 이미지 센서의 분광감도
Figure 112006033416669-pat00038
,
Figure 112006033416669-pat00039
,
Figure 112006033416669-pat00040
을 각각 평가할 수 있다.
수학식 2로 정의되는 ｑ 요소는 시험 컬러 이미지 센서의 분광감도
Figure 112006033416669-pat00041
,
Figure 112006033416669-pat00042
,
Figure 112006033416669-pat00043
각각을 별개로 평가하게 된다. 따라서 이러한 단점을 극복하기 위하여
Figure 112006033416669-pat00044
,
Figure 112006033416669-pat00045
,
Figure 112006033416669-pat00046
세트에 의해 생성되는 이미지의 화질을 총체적으로 평가하기 위한 μ요소가 수학식 3과 같이 정의된다.
Figure 112006033416669-pat00047
Figure 112006033416669-pat00048
Figure 112006033416669-pat00049
이는 시험 컬러 이미지 센서의 분광감도
Figure 112006033416669-pat00050
,
Figure 112006033416669-pat00051
,
Figure 112006033416669-pat00052
세트가 인간시각의 색일치함수
Figure 112006033416669-pat00053
,
Figure 112006033416669-pat00054
,
Figure 112006033416669-pat00055
의 선형 합과 어느 정도 일치하는가를 나타내는 요소이다. 여기서는 m대신에
Figure 112006033416669-pat00056
가
Figure 112006033416669-pat00057
의 선형합에 가장 가까울 수 있는
Figure 112006033416669-pat00058
를 고려한다. 수학식 3에서
Figure 112006033416669-pat00059
이면 시험 컬러 이미지 센서의 분광감도
Figure 112006033416669-pat00060
,
Figure 112006033416669-pat00061
,
Figure 112006033416669-pat00062
세트가 인간시각의 색일치함수
Figure 112006033416669-pat00063
,
Figure 112006033416669-pat00064
,
Figure 112006033416669-pat00065
의 선형 합으로 완벽하게 표현될 수 있음을 의미한다. 따라서
Figure 112006033416669-pat00066
범위내의 수치를 갖는
Figure 112006033416669-pat00067
요소 값에 의하여 화질을 평가할 수 있다.
여기서 화질 평가란 시험된 컬러 이미지 센서를 이용하여 R, G, B 데이터를 적절히 조정하였을 때 나타나는 R,G,B 선형 조합에 의한 색시현 가능도를 평가함을 의미한다.
따라서 q 및
Figure 112006033416669-pat00068
요소 값은 인간시각의 색일치 함수에 대한 R,G,B 데이터의 최적 선형조합의 함수벡터 거리의 정규화 제곱의 1에 대한 보값으로 표현되며, 이는 각각 컬러 이미지 센서의 정량적 평가지수로 사용될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 예를 들면 단색광의 파장 간격을 20nm 이하로 하거나 스크린의 반사율 개수를 증가시키면 정확도가 더 향상되는 것은 당연히 예측되는 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 컬러 이미지 센서 제조업체 및 컬러 이미지 센서 어플리케이션 장치(디지털카메라, 핸드폰카메라, PC캠, 캠코더, 스캐너 등) 제조업체 생산 제품의 정량적인 평가가 사전에 실시될 수 있다. 또한 화질을 향상시킬 수 있는 필터설계나 부품개발 연구에 활용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 컬러 이미지 센서 평가 장치에 있어서,
    백색광을 내는 광원;
    복수의 회절 격자 및 반사경으로 이루어져 상기 백색광을 다수의 단색광으로 분광시키는 분광기;
    상기 단색광의 빛을 둘로 나누는 빛 분할기;
    상기 빛 분할기에 의하여 분할된 하나의 빛의 세기를 측정하는 광검출기;
    상기 빛 분할기에 의하여 분할된 다른 하나의 빛이 조사되는 반사형 스크린; 및
    상기 분광기의 회절격자 및 반사경의 자세를 제어하여 단색광의 파장을 선택하는 컴퓨터를 포함하되,
    상기 반사형 스크린의 반사율은
    90%, 59%, 36%, 20%, 9% 및 3% 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 컬러 이미지 센서 평가 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 백색광원은
    400nm에서 700nm까지의 파장 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 컬러 이미지 센서 평가 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 분광기는
    20nm 간격의 단일 파장을 지닌 16가지 단색광으로 분산시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 컬러 이미지 센서 평가 장치.
  4. 삭제
  5. 컬러 이미지 센서 평가 방법에 있어서,
    (a) 피시험 컬러 이미지 센서를 준비하는 단계;
    (b) 복수의 반사율이 주어지는 스크린에 조사된 백색광 이미지를 촬영하여 R, G, B데이터를 추출하는 단계;
    (c) 상기 반사율 중 최고 반사율을 지닌 스크린에 상기 백색광을 분광하여 얻어지는 복수의 단색광을 조사하여 각 단색광의 이미지를 촬영함으로써 R, G, B데이터를 추출하는 동시에 빛 분할기를 통하여 분할된 빛의 세기를 광검출기에 의하여 측정하는 단계;
    (d) 상기 백색광에 대하여 각 R, G, B데이터와 반사율과의 상관함수인 빛 세기 감도함수를 도출하는 단계;
    (e) 각 단색광의 파장 λ에 대하여 상기 빛 세기 감도함수에 상기 복수의 단색광 이미지의 R, G, B 데이터를 적용하여 R, G, B 각각에 대한 빛의 세기를 구하는 단계;
    (f) 상기 단계(e)에서 얻은 R, G, B 각각에 대한 빛의 세기를 상기 단계(c)에서 측정된 각 단색광의 빛의 세기로 규격화하여 상기 빛 세기 감도함수에 적용함 으로써 파장별로 광세기가 동일할 때의 R, G, B 데이터를 추정치를 구하는 단계; 및
    (g) 인간시각의 색일치함수에 대한 상기 단계(f)의 R, G, B 데이터 추정치의 최적 선형조합의 함수벡터 거리를 포함하는 평가지수를 산출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러 이미지 센서 평가 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 평가지수는
    Figure 112006033416669-pat00069
    또는
    Figure 112006033416669-pat00070
    로 표현되는 것을 특징으로 하는 컬러 이미지 센서 평가 방법.
    (여기서 m은 피시험 컬러 이미지 센서의 R,G,B 데이터 추정치 중의 하나를 나타내는 1 x n 행렬이고, n은 단색광의 개수이며, A는 인간시각의 색일치함수를 나타내는 3 x n 행렬이며, S는 피시험 컬러 이미지 센서의 R,G,B 데이터 추정치를 나타내는 3 x n 행렬이다.)
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