KR100972436B1 - 카메라 모듈의 자동 초점 방법 - Google Patents

카메라 모듈의 자동 초점 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 카메라 모듈의 자동 초점 조정방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 카메라 모듈의 자동 초점 조정방법은 자동초점(AF) 명령이 인가되면 AE 엔진을 통해 노출 시간이 고정되고, 현재의 노출시간값(TVC)과 현재 노출 게인값(SVC)을 취득하는 단계; 취득된 현재의 노출시간값과 노출게인값의 변경에 의해 프레임 비(frame rate)가 가변되는 단계; 가변된 프레임 비를 통해 AF를 추정하는 단계; 및 자동초점(AF) 추정 완료에 의한 렌즈 위치를 고정하고 프레임 비를 원복시키는 단계;를 포함한다.
AF, 자동초점, AE, 노출, 프레임 비

Description

카메라 모듈의 자동 초점 방법{Method for autofocus of camera module}
본 발명은 카메라 모듈의 자동 초점 조정방법에 관한 것으로서, 보다 자세하게는 렌즈 위치의 결정 후 프레임비를 변경하고, 렌즈 위치가 고정되면 프레임비를 원복시켜 화질저하 없이 자동 초점 조정 시간을 단축할 수 있도록 한 카메라 모듈의 자동 초점 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 카메라 모듈(CCM:Compact Camera Module)은 주로 소형으로 제작되어 카메라폰이나 PDA, 스마트폰을 비롯한 휴대용 이동통신 기기의 다양한 IT 기기에 적용되고 있는 바, 최근에 이르러서는 소비자의 다양한 취향에 맞추어 소형의 카메라 모듈이 장착된 기기의 출시가 점차 늘어나고 있는 실정이다.
이와 같은 카메라 모듈은, CCD나 CMOS 등의 이미지센서를 주요 부품으로 하여 제작되고 있으며 상기 이미지센서를 통하여 사물의 이미지를 집광시켜 기기내의 메모리상에 데이터로 저장되고, 저장된 데이터는 기기내의 LCD 또는 PC 모니터 등의 디스플레이 매체를 통해 영상으로 디스플레이된다.
최근에는 소비자의 다양한 요구에 맞추어 자동 초점(AF:Autofocus, 이하 AF라 함) 기능이나 줌(Zoom) 기능 등과 같은 부가 기능이 수행되는 카메라 모듈이 개발되고 있으며, 촬영 성능이 점차 개선됨에 따라 AF 기능이 중요시되고 있다.
그러나, 현재의 카메라 모듈은 탑재 대상의 이동통신 기기의 슬림화 경쟁에 의해 소형화, 박형화가 추구되고 있으며, 이와 더불어 유저의 고기능 사항 요구에 의해 고화소를 유지하기 위해서 카메라 모듈 내에 장착되는 이미지센서의 픽셀 사이즈를 최소화하는 방향으로 기술 개발이 이루어지고 있다.
따라서, 이와 같은 이미지센서의 픽셀 사이즈 축소에 따른 노출 및 자동 초점 조절의 한계를 극복하기 위하여 이미지센서의 심도()를 낮게 설정해야 함에 따라 동일한 밝기의 노출에서 AF 추정속도에 부정적인 영향을 미치게 됨으로써, 촬영 대상의 피사체에 초점이 제대로 맞춰지지 않은 채로 촬영이 이루어지거나 AF 시간이 오래 걸리게 되는 문제점이 지적되고 있다.
또한, 카메라 유저가 노출과 감도(ISO), 조리개 값 및 셔터 속도를 설정할 수 있는 수동 카메라인 DSLR()과는 달리 콤팩트 카메라나 이동통신 기기에 장착되는 카메라 모듈은 AE(Auto Exposure,자동 노출) 프로그램에서 노출 시간이 자동으로 설정되어 센서를 통해 감지되는 외부 밝기에 비례하여 고정됨으로써, 최적의 렌즈 위치가 결정되는 프레임비(frame rate)가 고정됨에 따라 AF 추정에 의한 렌즈 위치 고정 시간이 지연되는 단점이 있다.
따라서, 본 발명은 종래 카메라 모듈에서 제기되고 있는 상기 제반 단점과 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, AF 추정에 의한 렌즈 위치가 고정되기 전에 프레임 비(fps : frame rate)를 빠르게 가변시켜 AF 추정 시간이 단축되도록 한 것으로, 노이즈 증가에 따른 화질 저하 없이 AF를 빠르게 고정시킬 수 있도록 한 카메라 모듈의 자동 초점 조정방법이 제공됨에 발명의 목적이 있다.
본 발명의 상기 목적은, AF 명령이 인가되면 AE 엔진을 통해 노출 시간이 고정되고, 현재 노출 시간값(TV:Time Value)과 현재 노출 게인값(SV:Speed Value)을 취득하는 단계와, 취득된 현재의 노출 시간값과 노출 게인값의 변경에 의해 프레임 비(frame rate)가 가변되는 단계와, 가변된 프레임 비를 통해 AF를 추정하는 단계와, AF 추정 완료에 의한 렌즈 위치를 고정하고 프레임 비를 원복시키는 단계;를 포함하는 카메라 모듈의 자동 초점 조정방법이 제공됨에 의해서 달성된다.
상기 노출 시간값(TV)과 노출 게인값(SV)을 취득하는 단계에서, AF 명령 인가는 뷰파인더를 통한 피사체의 프리뷰(preview) 상태에서 셔터의 반누름 상태에 의해 수행되며, 자동 초점을 위한 적절한 프레임당 노출 시간이 전자적으로 고정된다.
이때, 상기 노출 시간이 고정된 상태에서의 현재 노출시간값과 노출게인값은 자동노출(AE) 고정시 이미지센서로부터 입력되는 현재의 노출시간값(TVC)과 노출게인값(SVC)으로 설정될 수 있다.
또한, 상기 프레임 비가 가변되는 단계에서, 프레임 비의 가변은 변경된 노출시간값(TVT)에 의한 노출게인값(SV)의 변경에 의해 이루어지게 되며, 현재 노출게인값(SVC)에 노출 시간값의 변화량(ΔTV)을 더하여 구해진 변경된 노출게인값(SVT)을 이용하여 현재의 노출시간값(TVC)에 대비되는 변경된 노출시간값(TVT)을 구할 수 있다.
이때, 노출시간값의 변경시 프리뷰 상태의 화면 밝기(BV:Brightness Value)에 대한 변화가 없어야 함을 가정하여 조리개값(AV:Aperture Value)은 이미지센서에 입력된 휘도 조건에 상관없이 고정된 값으로 설정되어야 한다.
한편, 프레임 비의 가변에 의한 AF 추정이 완료되면, 초기에 이미지센서에 입력된 현재의 노출 시간값(TVC)과 노출게인값(SVC)을 적용하여 프레임 비를 원복시키고, 완전 셔터를 작동시켜 프리뷰에 노출된 피사체의 촬영이 이루어지도록 한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 카메라 모듈의 자동 초점 방법은 프리뷰 동작시 프레임 비를 빠르게 가변시켜 AF 추정 시간을 단축시킴으로써, 화질 저하 없이 자동 초점 속도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따른 카메라 모듈의 자동 초점 방법의 상기 목적에 대한 기술적 구성을 비롯한 작용효과에 관한 사항은 본 발명의 바람직한 실시예가 도시된 도면을 참조한 아래의 상세한 상세한 설명에 의해서 명확하게 이해될 것이다.
먼저, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 자동 초점 방법이 도시된 순서도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 자동 초점 방법은 먼저, 자동 초점 기능이 구비된 카메라 모듈의 구성을 간략히 살펴보면, 카메라 모듈은 렌즈계와 이미지센서 및 렌즈계를 수직 구동시키기 위한 구동부로 구성되며, 상기 구동부와 전기적으로 연결되어 외부 조작에 의해 자동 초점이 수행되도록 하는 제어부를 가진다.
그리고, 상기 카메라 모듈이 장착된 카메라는 상기 렌즈계를 통해 촬상되는 피사체가 투영되는 뷰파인더를 구비하며, 뷰파인더를 통해 촬상 대상의 피사체가 프리뷰(preview)된다.
상기 뷰파인더를 통해 투영되는 영상은 상기 렌즈계를 통해 입사되는 피사체의 반사광, 즉 상기 렌즈계에 의해 형성된 이미지가 상기 이미지센서의 각 픽셀을 통해 전기 신호로 검출되고, 상기 이미지센서는 각 픽셀에 입력된 이미지 신호를 프레임 단위로 처리하여 상기 뷰파인더의 화면 특성(크기, 화질, 해상도)에 적합하 도록 변환된 이미지 프레임을 출력하게 된다.
이때, 상기 이미지센서는 CCD(Charge-Coupled Device) 이미지센서 또는 CMOS(Complementary metal-oxide semiconductor) 이미지센서 등이 사용될 수 있다.
이와 같이 구성된 카메라에 내장된 카메라 모듈을 통해 피사체가 촬상되는 과정에서 자동 초점(AF)이 수행되는 과정을 도 1을 통해 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 피사체 촬상을 위해 카메라의 전원 스위치를 온(On)시켜 카메라 모듈에 전원이 공급되어 촬영 대기 상태로 유지하고, 카메라의 전원 공급을 통해 뷰파인더의 피사체 프리뷰가 시작된다.
다음, 카메라에 부착된 셔터를 반누름 상태로 전환하여 자동초점(AF) 조정 명령을 인가한다.(S101 단계) 본 발명을 포함한 통상의 자동초점 조정형 카메라에서 셔터는 2단의 구조, 즉 반셔터와 완전셔터로 구분될 수 있다.
반셔터는, 카메라 내의 카메라 모듈이 초점을 잡고 렌즈계를 통해 입사되는 광량을 조절할 수 있도록 해주는 일종의 예비 단계라 할 수 있으며, 반셔터 후 완전셔터를 누르면, 정해진 초점 및 조절된 광량에 의해 피사체의 촬영이 이루어지게 된다.
이와 같이, 셔터의 반누름 상태가 되면 자동 초점 조정을 위한 적절한 노출, 즉 AE 엔진을 통해 자동 노출(AE)이 수행되어 자동으로 노출 시간이 고정된다.(S102 단계)
자동 노출(AE:Auto Exposure)은 피사체의 밝기에 따라 카메라 모듈로 입사되 는 광량을 카메라가 판단하여 자동적으로 노출을 정해 주는 것으로, 자동 노출은 이미지센서의 감도(ISO), 조리개 값, 셔터 속도를 모두 고려해서 결정되며, 각각의 "노출값"은 ISO 100, f/2.4, 1/100과 같은 형식으로 표시될 수 있다.
이와 같은 자동 초점(AF)은 AE 엔진을 통해 렌즈계를 통해 입력된 광량에 따라 미리 정해진 노출시간값(TV)과 조리개 값(AV) 및 이미지센서의 감도(ISO)를 표시하는 노출게인값(SV)에 의해 정해지게 되는 바, 이 중에서 노출시간값(TV)과 노출게인값(SV)을 변경하여 프레임 비(fps)를 가변시키고, 가변된 프레임 비(fps)를 통해 AF를 추정한다.(S103, S104 단계)
이를 좀 더 자세하게 설명하면, 자동 노출(AE) 설정에 의해 뷰파인더를 통한 프리뷰 상태에서 노출 시간이 고정되면, AE 엔진으로부터 이미지센서에 최종 설정된 현재의 노출시간값(TVC)과 현재의 노출게인값(SVC)을 읽어들인다.
이때, 현재의 노출시간값(TVC)은 셔터 속도에 해당하는 것으로 시간의 단위로 환산하여 추정 가능하며, 현재의 노출시간값(TVC)은 피사체의 밝기인 렌즈계를 통해 입사되는 광량에 따라 변화된다.
즉, 도 2에서와 같이 20룩스(lx)에서 400의 노출시간값(TVC)은 아래의 식 1에 의해 62.50ms의 셔터 속도로 환산 가능하며, 이 셔터 속도가 구현될 때 400의 노출시간값을 가질 수 있다는 뜻이다.
ms = 1000/(2TV/100)
또한, 현재의 노출게인값(SVC)은 주로 AGC(Automatic gain control) 게인의 ISO 감도를 의미하게 되고, SV400은 1배, SV500은 2배, SV600은 3배의 ISO 감도를 나타낸다고 볼 수 있다.
이와 같이, 현재의 노출시간값(TVC)과 현재의 노출게인값(SVC)을 입력받아 이를 강제적으로 변경하고, 변경된 노출시간값(TVT)과 변경된 노출게인값(SVT)을 통해 앞서 설명한 바의 프레임 비(fps)를 가변시킨다.
예를 들면, 현재의 노출시간값(TVC)이 400이고, 현재의 노출게인값(SVC)이 600으로 입력되었다고 하면, 앞선 수학식 1을 통해 현재의 노출시간값(TVC)인 TV400은 62.50ms이므로, 프레임 비(fps)를 변경시키기 위하여 셔터 속도를 50% 빠르게 설정한다.
즉, 변경된 노출시간값(TVT)을 설정하기 위한 셔터 속도는 31.25ms이므로, 이를 노출시간값으로 환산하면 변경된 노출시간값(TVT)은 수학식 1을 통해 497이 됨을 알 수 있다.
이때, 노출시간값(TV)의 변경에 의한 화면의 밝기(BV)는 변화가 없어야 하므로 조리개값(AV)은 고정된 값이라 가정하면, 하기의 수학식을 만족하여야 한다.
BV(Brightness Value) = TV(Time Value) + AV(Aperture Value) - SV(Speed Value)
따라서, 이를 정리하면
변경된 노출게인값(SVT) = 현재의 노출게인값(SVC) + 노출시간값의 변화량(ΔTV)
이 되며,
상기 수학식 3을 통해 변경된 노출게인값(SVT)은 697이 적용될 수 있다.
이와 같이, 변경된 노출시간값(TVT)과 변경된 노출게인값(SVT)에 의해 변경된 프레임 비(fps)를 구해보면 다음과 같다.
즉, 현재 입력된 노출시간값(TVC)과 노출게인값(SVC)에 의한 프레임 비는,
1 / 62.50ms = 16fps이고,
변경된 노출시간값(TVT)과 변경된 노출게인값(SVT)에 의한 프레임 비는,
1 / 31.25 = 32fps임을 알 수 있다.
여기서, 프리뷰 동작시 자동초점(AF) 수행 알고리즘 동작에 의해 AF 추정을 위한 노출 속도가 초당 16 프레임이 소요된다고 가정하면,
변경된 프레임 비에 의한 자동초점(AF) 추정 속도는,
16×1 / 32 = 0.5 이므로, 0.5초의 자동초점(AF) 추정 속도를 나타낼 수 있음을 알 수 있다.
이에 반하여, 노출시간값과 노출게인값의 변경전 값에 의한 프레임 비는 앞서서 16fps였으므로, 동일한 방식으로 자동초점(AF) 추정 속도를 구하면 1초의 추정 속도를 나타냄을 알 수 있다.
따라서, 변경된 노출시간값(TVT)과 변경된 노출게인값(SVT)에 의한 프레임 비(fps)의 가변에 의해 자동초점(AF) 추정 속도를 50% 향상시킬 수 있다.
다음, 가변된 프레임 비에 의해 고속의 자동초점(AF) 추정이 완료되면, 렌즈 위치를 고정시키고 초기에 AE 엔진으로부터 입력받은 최초의 현재 노출시간값(TVC)과 현재 노출게인값(SVC)을 이미지센서에 적용하고, 프레임 비를 원복시킨다.(S105, S106 단계)
여기서, 상기 프레임 비를 원복시키지 않게 되면 이미지센서에 적용되는 노출시간값(TV)과 노출게인값(SV)이 변경됨에 따라 촬상 결과물에 노이즈가 증가되어 화질이 저하되기 때문에 다시 최초에 설정된 프레임 비로 원복이 이루어져야 한다.
마지막으로, 상기 과정을 통해 뷰파인더를 통한 프리뷰 상태에서 자동초점(AF)이 완료되면, 완전 셔터를 작동시켜 변경된 프레임 비에 의해 초점이 조정된 피사체의 촬영이 이루어지게 된다.(S107 단계)
한편, 상기 완전 셔터의 작동에 의해서 촬영이 이루어지기 전에 뷰파인더를 통해 화소를 변경할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능할 것이나, 이러한 치환, 변경 등은 이하의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 자동 초점 방법이 도시된 순서도
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 자동 초점 방법에 적용되는 TV, SV 변화량 그래프

Claims (6)

  1. 자동초점(AF) 명령이 인가되면 자동노출(AE) 엔진을 통해 노출 시간이 고정되고, 현재의 노출시간값(TVC)과 현재 노출 게인값(SVC)을 취득하는 단계;
    취득된 현재의 노출시간값과 노출게인값의 변경에 의해 프레임 비(frame rate)가 가변되는 단계;
    가변된 프레임 비를 통해 자동초점(AF)를 추정하는 단계; 및
    자동초점(AF) 추정 완료에 의한 렌즈 위치를 고정하고 프레임 비를 원복시키는 단계;
    를 포함하는 카메라 모듈의 자동 초점 조정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 현재의 노출시간값(TVC)과 노출게인값(SVC)을 취득하는 단계에서, 자동초점(AF) 조정의 명령 인가는 뷰파인더를 통한 피사체의 프리뷰(preview) 상태에서 셔터의 반누름 상태에 의해 수행되는 카메라 모듈의 자동 초점 조정방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 비가 가변되는 단계에서, 상기 프레임 비의 가변은 변경된 노출시간값(TVT)에 의한 노출게인값(SV)의 변경에 의해 이루어지게 되며, 현재 노출게인값(SVC)에 노출 시간값의 변화량(ΔTV)을 더하여 구해진 변경된 노출게인값(SVT)을 이용하여 현재의 노출시간값(TVC)에 대비되는 변경된 노출시간값(TVT)을 통해 프레임 비를 가변시킬 수 있는 카메라 모듈의 자동 초점 조정방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 노출시간값의 변경은 프리뷰 상태의 화면 밝기(BV:Brightness Value)에 대한 변화가 없어야 함에 따라 조리개값(AV:Aperture Value)이 이미지센서에 입력된 휘도 조건에 상관없이 고정된 값으로 설정되는 카메라 모듈의 자동 초점 조정방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프레임 비의 원복 후, 완전 셔터를 작동시켜 프리뷰에 노출된 피사체를 촬영하는 단계를 더 포함하는 카메라 모듈의 자동 초점 조정방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 피사체를 촬영하는 단계에서, 상기 완전 셔터의 작동에 의해서 촬영이 이루어지기 전에 뷰파인더를 통해 화소를 변경할 수 있도록 한 카메라 모듈의 자동 초점 조정방법.
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