KR100813404B1 - 자동초점 조정장치 및 그 동작 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카메라의 자동초점 조정장치 및 그 동작 방법에 관한 것으로서, 포커스 렌즈의 최초 위치를 중간지점에 위치시킨 후 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘에 의한 포커스 렌즈 자동초점을 수행하는 특징을 가진다. 본 발명의 자동초점 조정장치는, 이미지센서에서 입력받은 전기적 영상신호로부터 고주파 성분인 초점 조정값을 추출하는 이미지 처리부와, 소정 방향으로 포커스 렌즈를 앞뒤로 이동시키는 포커스 렌즈 구동부와, 상기 포커스 렌즈의 이동 가능 구간의 중간지점에 포커스 렌즈를 최초로 위치시키도록 상기 포커스 렌즈 구동부를 제어한 후, 상기 중간지점을 포커스 렌즈 시작 기준점으로 하여 상기 이미지 처리부로부터 획득한 초점 조정값에 따라 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘에 의한 포커스 렌즈 자동초점을 수행하는 제어부를 포함한다.

카메라, 포커스 렌즈, 자동초점, 오토 포커스, hill climbing, 휘도, 위치, 이동, 원거리

Description

자동초점 조정장치 및 그 동작 방법{Apparatus and method for automatic focus control}

도 1은 일반적인 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘에 따른 포커스 렌즈 위치 이동을 도시한 그래프이다.

도 2는 종래의 포커스 렌즈 위치 변화량 및 구동전압 관계를 도시한 그래프이다.

도 3은 원거리 촬영 시의 종래의 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘에 따른 포커스 렌즈 이동을 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 자동초점을 수행하는 자동초점 조정장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 포커스 렌즈 위치 변화량 및 구동전압 관계를 도시한 그래프이다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 원거리 촬영 시의 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘에 따른 포커스 렌즈 이동을 도시한 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 자동초점 모드로 촬영시의 동작 과정을 도시한 플로차트이다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 자동초점 모드로 촬영시의 동작 단계에 따른 각 포커스 렌즈 이동을 도시한 그래프이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

41: 포커스 렌즈 42: 이미지센서

43: 이미지 처리부 44: 제어부

45: 포커스 렌즈 구동부 S71: 자동초점 모드

S72: 포커스 렌즈를 중간지점에 위치시킴

S73: 휘도신호(Y) 취득 후 초점 조정값 산출

S74: 포커스 렌즈 이동 S75: 현재 위치에서의 초점 조정값 산출

S76: 최고의 초점 조정값 S77: 최종 포커스 렌즈 위치로 결정

본 발명은 카메라에서 자동초점을 수행하는 자동초점 조정장치 및 그 동작 방법에 관한 것이다.

최근 널리 보급되고 있는 캠코더, 디지털 카메라, 혹은 카메라폰 내부에는 자동 초점 기능과 정지 영상 압축(JPEG), 혹은 동영상 압축(MPEG, MJPEG, H.261) 기 능을 내장하고 있다. 상기 자동 초점 기능은 흐릿한 영상을 뚜렷한 영상으로 만들기 위해 포커스 렌즈의 위치를 조절하는 기능으로서, 사용자가 원하는 피사체를 향하여 자동 초점 버튼을 누르면, 포커스 렌즈가 앞/뒤로 이동하여 피사체의 영상이 이미지 센서에 가장 선명하게 맺히도록 하는 기능이다.

상기 자동초점 기능을 수행하기 위한 다양한 자동초점 알고리즘(AF algorithm; Auto Focus algorithm)이 제시되었는데, 그 중에 하나로서, 힐 클라이밍(hill climbing) 방식의 자동초점 알고리즘이 있다. 상기 힐 클라이밍(hill climbing) 방식의 자동초점 알고리즘은, 종래의 Full Scan 방식의 시간이 많이 걸리는 단점을 보완한 것으로서, 현재 위치에서 포커스 렌즈를 앞뒤로 움직여 본 후 포커스가 맞는 방향으로 포커스 렌즈를 움직여 최적의 포커스 위치를 찾는 방법이다. 즉, 상기 자동초점 알고리즘은, 포커스 렌즈의 위치를 전후로 이동시켜 그 위치마다의 피사체의 초점 조정값을 취득한 후, 상기 취득한 초점 조정값 중에서 가장 큰 수치가 되는 지점으로 포커스 렌즈를 위치시키는 알고리즘이다. 예를 들어, 도 1에 도시한 바와 같이 초점 조정값이 높아지는 쪽으로 포커스 렌즈를 움직여 초점을 조정할 경우, 그 초점 조정값이 가장 높을 때인 적정점(PF;Peak Focus)에서 가장 선명한 영상을 얻을 수 있게 된다.

그런데, 상기 힐 클라이밍(hill climbing) 방식의 자동초점 알고리즘은, Full Scan 방식에 비해 자동초점 포커스 렌즈의 적정점(Peak Focus)을 찾아가는 속도가 너무 빨라서 실제 자동초점이 이루어졌는지를 사용자가 눈으로 확인하기 어려운 단점이 있다. 특히, 사용자가 풍경, 야외환경, 원거리 인물 촬영 등과 같은 원거리 물체를 자동초점으로 촬영할 경우, 이미 포커스 렌즈의 시작점이 무한대(원거리) 촬영 지점에 위치해 있기 때문에 포커스 렌즈의 움직임을 더욱 확인하기 어렵게 된다. 그러므로 자동초점 기능을 동작시켰을 경우, 자동초점이 정상적으로 동작한 것인지 오동작에 의한 반응인지 사용자들은 판단하기 어렵다.

도 2는 자동초점이 이루어질 때 포커스 렌즈 구동 입력값과 포커스 렌즈위치의 관계 그래프이고, 도 3은 원거리 촬영 시에 자동초점이 이루어질 때의 힐 클라이밍(hill climbing) 방식의 자동초점 과정을 도시한 그래프이다.

자동초점 기능이 수행될 때, 일괄적으로 시작기준점을 기준으로 하여 힐 클라이밍(hill climbing) 방식으로 자동초점을 수행하는데, 도 2에 도시한 바와 같이 포커스 렌즈구동부인 보이스코일모터(VCM; Voice Coil Motor)는 시작기준점에 최초로 포커스 렌즈를 위치시키기 위한 시작기준전압을 공급한다.

특히, 원거리 촬영일 경우, 자동초점이 이루어진다 하더라도 실제 포커스 렌즈의 이동량인 B값에 차이가 없어 자동초점의 다이내믹(dynamic)함이 없는 결과를 가져와, 사용자는 자동초점이 실제로 이루어져 포커스 렌즈이동이 완료되었는지를 눈으로 확인하지 못하는 문제가 있다. 또한, 원거리 촬영 시에 자동초점을 위한 변동전압량(A)이 시작기준전압보다 작을 경우, 단일 샷 자동초점(single shot AF)이 오동작을 유발할 우려가 있다.

상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 안출된 것으로서, 원거리 촬영 대상으 로 한 자동초점 기능 수행 시에, 자동초점이 이루어질 때의 포커스 렌즈 이동량을 크게 하여 자동초점의 다이내믹함을 사용자가 감지할 수 있도록 함을 목적으로 한다.

상기 목적을 이루기 위하여 본 발명의 자동초점 조정장치는, 이미지센서에서 입력받은 전기적 영상신호로부터 고주파 성분인 초점 조정값을 추출하는 이미지 처리부와, 소정 방향으로 포커스 렌즈를 앞뒤로 이동시키는 포커스 렌즈 구동부와, 상기 포커스 렌즈의 이동 가능 구간의 중간지점에 포커스 렌즈를 최초로 위치시키도록 상기 포커스 렌즈 구동부를 제어한 후, 상기 중간지점을 포커스 렌즈 시작 기준점으로 하여 상기 이미지 처리부로부터 획득한 초점 조정값에 따라 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘에 의한 포커스 렌즈 자동초점을 수행하는 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명은, 자동초점 모드로 동작 될 시에, 포커스 렌즈 이동 가능 거리의 중간지점에 포커스 렌즈를 최초로 위치시키는 제1단계와, 상기 중간지점을 포커스 렌즈 시작 기준점으로 하여 영상의 고주파 성분인 초점 조정값에 따라 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘에 의한 포커스 렌즈 자동초점을 수행하는 제2단계를 포함한다. 상기 제2단계의 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘은, 상기 중간지점에 최초 위치한 포커스 렌즈로부터 입사된 영상으로부터 상기 초점 조정값을 추출하는 단계와, 최고의 초점 조정값이 추출될 때까지 단계적으로 상기 포커스 렌 즈를 앞뒤로 이동시켜 나가는 단계와, 상기 포커스 렌즈 이동 결과 최고의 초점 조정값이 추출될 시에는 현재의 포커스 렌즈 위치를 최종 포커스 렌즈 위치로 결정하는 단계를 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 자동초점을 수행하는 자동초점 조정장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.

소정의 피사체에 반사된 빛이 포커스 렌즈(41)를 통과하면 한곳으로 집광되고, 이미지센서(42)는 상기 집광된 빛을 전기적 영상신호로 변환한다. 상기 이미지센서(42)의 신호는 RGB 형태로 출력되는데, 상기 RGB 신호를 입력받은 이미지 처리부(43;DSP)는 영상처리와 영상개선 과정을 통해 YCbCr 데이터로 변환하여 내부의 JPEG 엔코더를 통해 영상을 압축하고 상기 압축된 영상을 플래시메모리와 같은 비휘발성 롬에 저장한다. 상기 YCbCr 데이터 중에서 휘도신호(Y)는, 예를 들어, 색 신호(RGB)는「Y ＝ 0.299R ＋ 0.587G ＋ 0.114B ＋ 16」등의 변환식에 의해 휘도신호(Y)로서 변환될 수 있다. 따라서 상기 변환식을 이용하여 RGB 신호로부터 휘도 신호의 값을 근거로 하여 초점 조정값을 취득할 수 있다. 상기 초점 조정값(focus value)은 고주파 성분을 어느 정도 포함하고 있느냐를 나타내는 값으로서, 취득한 휘도신호에서 추출한 고주파 성분 값(영상의 edge 정보)인 초점 조정값이 높을수록 포커스가 맞아지게 되어 영상이 선명하게 된다.

따라서 상기 이미지 처리부(43)는 영상변환 처리된 휘도신호(Y)로부터 자동초점 조정값을 산출하여 제어부(44)로 출력한다. 즉, 이미지 처리부(43)는 입력 휘도 영상에 대해 고주파 성분을 뽑아주는 역할을 하는데, 고주파 성분이 많을수록 선명한 영상이 되는 것이므로 상기 고주파 성분값을 초점 조정값(focus value)으로서 제어부(44)에 출력하는 것이다. 이에 따라 제어부(44)는 상기 초점 조정값을 참조하여 그 값이 높아지는 쪽(영상이 선명해지는 방향)으로 포커스 렌즈 구동부(45)를 제어하여 포커스 렌즈 위치를 조절한다.

상기 포커스 렌즈 구동부(45)는 포커스 렌즈(41)의 자동초점을 위한 포커스 렌즈 이동장치의 제어를 수행하는 모듈로서, 예를 들어, 코일을 이용해 포커스 렌즈 위치를 제어하는 포커스 렌즈 이동장치인 보이스코일모터를 구동시킬 수 있다. 상기 보이스코일모터(Voice Coil Motor)는 보이스코일 이동 방식의 기능을 수행하는 초절전/초소형 액추에이터 모듈로서, 영구 자석 내부의 코일에 전류를 보내어 전류의 방향에 따라 코일을 앞뒤로 움직여 주는 포커스 렌즈 이동장치다.

본 발명의 제어부(44)는 카메라 촬상을 위한 자동초점 모드로 동작될 시에, 포커스 렌즈 최초 위치를 포커스 렌즈 이동 가능한 구간의 중간 지점에 위치시킨 후 포커스 렌즈 위치를 힐 클라이밍(hill climbing) 방식에 따라 포커스 렌즈 이동 제어를 수행한다. 자동초점 모드로 동작될 시에, 종래에는 도 3과 같이 포커스 렌즈 최초 위치를 원거리 포커스에 위치한 시작 기준점에 포커스 렌즈를 위치시킨 후 초점 조정값에 따라 포커스 렌즈 위치를 힐 클라이밍(hill climbing) 방식으로 이동시켜 초점을 조절해 나갔으나, 본 발명에서는 포커스 렌즈 최초 위치를 중간지점에 포커스 렌즈를 위치시킨 후 초점 조정값에 따라 포커스 렌즈를 힐 클라이밍(hill climbing) 방식으로 포커스 렌즈를 이동시켜 나가는 특징을 가진다.

이를 위하여, 제어부(44)는 도 5와 같이, 포커스 렌즈 최초 위치가 포커스 렌즈 이동 가능 구간의 중간지점에 위치하도록 하는 시작 기준전압을 포커스 렌즈 구동부의 입력값으로서 출력한다. 포커스 렌즈 구동부의 입력값은 공지된 바와 같이 소정의 듀티비(duty rate)를 갖는 펄스폭변조(PWM) 신호이다.

상기와 같이 시작 기준전압에 의해 포커스 렌즈 이동 가능 구간의 중간지점에 포커스 렌즈가 최초로 위치한 이후에는, 이미지 처리부(43)에서 입력받는 휘도신호(Y)에 따라 힐 클라이밍(hill climbing) 방식의 포커스 렌즈 이동이 이루어지도록 하는 포커스 렌즈 이동 제어를 수행한다.

따라서 무한대 원거리 촬상에 대해서 자동초점 모드로서 동작되는 경우, 포커스 렌즈는 중간지점에 위치한 시작 기준점부터 위치 이동하게 되어, 사용자는 포커스 렌즈 움직임을 즉각 감지할 수 있고, 또한, 이러한 포커스 렌즈 이동에 따른 초점 변화를 뷰파인더 LCD 창을 통해 손쉽게 감지할 수 있게 된다. 도 6은 본 발명의 포커스 렌즈위치와 초점 조정값 간의 관계를 나타낸 그래프로서, 자동초점 모드 맨 처음 시작 시의 시작 기준점이 포커스 렌즈 이동 가능 거리의 중간 지점에 위치된 후, 힐 클라이밍(hill climbing) 방식에 의해 포커스 렌즈의 이동이 이루어짐을 알 수 있다. 종래의 도 3의 그래프와 비교해 볼 때 도 3의 포커스 렌즈 이동량(B)에 비하여 본 발명의 도 6의 포커스 렌즈 이동량(B')이 더 많음을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 자동초점 모드로 촬영시의 동작 과정을 도시한 플로차트이다.

사용자의 요청에 의해 자동초점 모드로 동작(S71)되면, 우선, 제어부는 포커스 렌즈의 위치(시작 기준점)를 중간지점으로 위치(도 8a)시키는 제어신호를 포커스 렌즈 구동부로 출력(S72)한다. 원거리 및 근거리 촬영에 따라 포커스 렌즈가 이동할 수 있는 위치는 서로 달리하는데, 상기 중간지점이란, 포커스 렌즈가 이동 가능 구간의 중간되는 지점을 말한다. 예를 들어, 포커스 렌즈가 접사촬영 시에는 포커스 렌즈의 이동거리가 8단위를 가지고, 원거리 촬영 시에는 포커스 렌즈의 이동거리가 2단위 길이를 가질 시에는, 상기 중간지점은 8단위와 2단위 중간인 5단위 이동거리 지점이 된다.

기존에는 포커스 렌즈 시작위치가 단거리 위치에 놓이는데 반하여, 본 발명은, 포커스 렌즈의 최초 위치를 무조건 가운데 중간지점으로 위치시킴으로써 사용자로 하여금 최초 포커스가 안 되었다는 느낌을 갖도록 유발하며, 아울러, 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘이 정확하게 적용되기 위한 시작 기준점을 제공해 준다.

상기와 같이 포커스 렌즈의 시작기준점을 중간지점으로 위치(S72)시킨 후에는, 해당 포커스 렌즈 위치에서 취득한 휘도신호(Y)에 따른 초점 조정값(focus value)을 산출하는 과정(S73)을 진행한다. 즉, 중간지점에 위치한 포커스 렌즈로부 터의 측정된 휘도신호를 근거로 하여 초정 조정값을 산출한다. 상기 초점 조정값은 고주파 성분을 어느 정도 포함하고 있느냐를 나타내는 값으로서, 취득한 휘도신호에서 추출한 고주파 성분 값(edge 정보)인 초점 조정값이 높을수록 포커스가 맞아지게 되어 영상이 선명하게 된다.

상기 초점 조정값을 산출(S73)한 후에는, 상기 초점 조정값에 따라 포커스 렌즈가 이동할 방향이 결정되어 포커스 렌즈 이동(도 8(b))이 이루어진다(S74). 자동초점 방식으로 구동될 때, 영상에서 초점 조정값이 높은 곳(Edge 정보가 많은 곳)으로 포커스 렌즈가 이동되기 때문에, 영상에서 초점 조정값이 증가하는 방향으로 포커스 렌즈 이동 방향이 결정되어 포커스 렌즈 이동이 이루어진다. 도 8(b)의 그래프의 경우, 초점 조정값이 높은 왼쪽 위치로 포커스 렌즈 이동이 이루어진다.

상기와 같이 포커스 렌즈 이동은 현재 위치에서 포커스 렌즈를 앞뒤로 움직여 본 후 Focus가 맞는 방향으로 포커스 렌즈를 움직여 최적의 포커스 위치를 찾는 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘을 적용하여 이루어진다. 상술하면, 상기와 같이 포커스 렌즈의 앞뒤 이동(S74)이 이루어진 후, 다시, 현재 포커스 렌즈 위치에서의 초점 조정값을 산출(S75)하고, 산출한 초점 조정값이 최고값인지를 판단(S76)하여 최고의 초점 조정값이 나올때까지 단계적으로 포커스 렌즈를 이동하여 나가는 과정(도 8(c))을 반복한다(S74,S75,S76). 포커스 렌즈가 초점이 맞지 않는 위치로부터 초점이 맞는 위치로 이동하는 경우 초점 조정값은 점점 증가하며, 초점이 맞는 위치를 지나면 점점 감소한다. 따라서 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘은, 초점 조정값이 증가하는 방향으로 포커스 렌즈를 이동시키다가, 초점 조정값이 감소 되면 포커스 렌즈가 이동한 위치 중 초점 조정값이 피크값을 갖는 위치로 이동시키는 방식으로 초점을 맞추고 있다. 즉, 포커스 렌즈의 위치에 대응하여 입력되는 초점 조정값의 증감량을 기초로 포커스 렌즈의 위치를 결정한다.

상기와 같이 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘에 따라 최고의 초점 조정값을 가지도록 포커스 렌즈 위치를 이동시켜 나가다가 도 8(d)와 같이 포커스 일치하는 적정점(peak point)을 발견한 경우 해당 위치를 포커스 렌즈 최종 위치로 결정(S77)한다.

즉, 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘에 의해서 초점 조정값이 가장 높은 방향으로 포커스 렌즈의 위치를 계속 이동시켜나간 후 초점 조정값이 낮아지는 점(peak point)을 발견하게 되면 포커스 렌즈 위치를 리턴(Return)하여 최고의 초점 조정값을 가지는 위치에서 포커스 렌즈 위치를 고정 시키고, 해당 지점을 초점이 맞는 지점인 적정점으로서 최종 결정한다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시 될 수 있다. 따라서 본 발명의 특허 범위는 상기 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위뿐 아니라 균등 범위에도 미침은 자명할 것이다.

상기에서 기술한 바와 같이 본 발명은, 포커스 렌즈 최초 위치를 포커스 렌즈 이동 가능 구간의 중간지점에 위치시킨 후 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘을 적용시킴으로써, 원거리 자동 촬영 시에 사용자에게 포커스 렌즈 이동의 다이내믹(dynamic)한 모습을 보여줄 수 있는 효과가 있다. 또한, 사용자에게 자동초점의 초기 오동작을 미연에 방지하여 기존 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘의 단점을 보완하여 카메라의 자동초점 기능을 향상시키는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 이미지센서에서 입력받은 전기적 영상신호로부터 고주파 성분인 초점 조정값을 추출하는 이미지 처리부와,

   소정 방향으로 포커스 렌즈를 앞뒤로 이동시키는 포커스 렌즈 구동부와,

   상기 포커스 렌즈의 이동 가능 구간의 중간지점에 포커스 렌즈를 최초로 위치시키도록 상기 포커스 렌즈 구동부를 제어한 후, 상기 중간지점을 포커스 렌즈 시작 기준점으로 하여 상기 이미지 처리부로부터 획득한 초점 조정값에 따라 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘에 의한 포커스 렌즈 자동초점을 수행하는 제어부

   를 포함하는 자동초점 조정장치.
2. 제1항에 있어서, 포커스 렌즈 구동부는, 보이스코일모터인 자동초점 조정장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 자동초점 조정장치는,

   피사체로부터의 빛을 집광시키는 포커스 렌즈와,

   상기 집광된 빛을 전기적 영상신호로 변환시키는 이미지센서

   를 더 포함하는 자동초점 조정장치.
4. 자동초점 모드로 동작 될 시에, 포커스 렌즈 이동 가능 거리의 중간지점에 포 커스 렌즈를 최초로 위치시키는 제1단계와,

   상기 중간지점을 포커스 렌즈 시작 기준점으로 하여 영상의 고주파 성분인 초점 조정값에 따라 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘에 의한 포커스 렌즈 자동초점을 수행하는 제2단계

   를 포함하는 자동초점 조정 방법.
5. 제4항에 있어서, 상기 제2단계의 힐 클라이밍(hill climbing) 알고리즘은,

   상기 중간지점에 최초 위치한 포커스 렌즈로부터 입사된 영상으로부터 상기 초점 조정값을 추출하는 단계와,

   최고의 초점 조정값이 추출될 때까지 단계적으로 상기 포커스 렌즈를 앞뒤로 이동시켜 나가는 단계와,

   상기 포커스 렌즈 이동 결과 최고의 초점 조정값이 추출될 시에는 현재의 포커스 렌즈 위치를 최종 포커스 렌즈 위치로 결정하는 단계

   를 포함하는 자동초점 조정 방법.

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