KR101039423B1 - 얼굴밝기 측정에 의한 카메라의 노출과 셔터스피드 제어방법 및 그 제어방법에 의한 카메라 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 얼굴밝기측정에 의한 카메라의 노출과 셔터스피드 제어방법 및 그 제어방법에 의해 능동학습이 가능한 카메라 장치 관한 것으로, 더욱 상세하게는 얼굴의 밝기값 분포를 측정하고 이를 최적화 하기 위해 카메라 노출과 셔터속도를 연속적으로 제어함으로써 외부 조명변화에 능동적으로 적응할 수 있도록 노출과 셔터스피드를 제어하는 방법과 그 제어방법이 적용된 카메라 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 얼굴밝기 측정에 의한 카메라 노출과 셔터속도 제어방법은 (a) 영상획득을 위한 촬영단계; (b) 얼굴영역을 검출하여 스캔영역을 설정하는 단계; (c) 설정된 스캔영역으로부터 얼굴영역의 밝기를 측정하는 단계; (d) 설정된 최적의 얼굴 밝기인지 판단 후 최적의 밝기인 경우 프로세스를 종료하고, 최적의 밝기가 아닌 경우 제어값을 구하는 단계; (e) 상기 제어값에 의해 노출 설정값과 셔터속도 설정값을 구하는 단계; (f) 상기 노출 설정값과 셔터속도 설정값에 의해 센서 레지스터를 조절하는 단계; 및 (g) 반복적으로 촬영을 수행하는 단계를 포함되, 상기 (d)단계의 제어값은 하기의 수학식1에 의하여 계산하고, 상기 (e)단계의 노출 설정값은 수학식2에 의하여 계산하며, 상기(e) 단계의 셔터속도 설정값은 수학식3에 의하여 계산하는 것을 특징으로 한다.
본발명에 따르는 카메라 장치는 영상획득을 위한 렌즈, 이미지센서를 구비한 촬영부와; 상기 획득된 영상으로부터 얼굴위주의 스캔영역을 설정하는 얼굴검출부와; 상기 얼굴위주의 스캔영역으로부터 얼굴의 밝기를 측정하는 밝기측정부와; 상기 밝기측정부로부터 측정된 밝기가 최적의 밝기인지 판단 후 노출 및 셔터속도를 제어하기 위한 제어모듈; 및 노출과 셔터속도 설정을 위한 레지스터를 포함하되, 상기 제어모듈에 있어서, 최적의 밝기가 아닌 경우 하기 수학식1에 의하여 제어값을 구하고, 상기 제어값을 이용하여 수학식2에 의해 노출 설정값과 수학식3에 의해 셔터속도 설정값을 구하는 것을 특징으로 한다.
촬영부, 얼굴검출부, 밝기측정부, 노출과 셔터속도 제어모듈, 레지스터
Description
본 발명은 얼굴밝기 측정에 의한 카메라의 노출과 셔터스피드 제어방법 및 그 제어방법에 의한 카메라 장치 관한 것으로, 더욱 상세하게는 얼굴의 밝기값 분포를 측정하고 이를 최적화 하기 위해 카메라 노출과 셔터속도를 연속적으로 제어함으로써 외부 조명변화에 능동적으로 적응할 수 있도록 노출과 셔터스피드를 제어하는 방법과 그 제어방법이 적용된 카메라 장치에 관한 것이다.
얼굴인식 시스템에 있어서 피사체인 얼굴의 밝기 정보는 매우 중요하다. 그러나 외부 조명변화의 영향으로 인해 양질의 얼굴사진을 획득하기 어렵고 그러한 이유로 기존 시스템에서는 많은 에러를 나타내고 있다.
일반적인 카메라에도 자동노출보정기능은 있지만, 고정된 특정 위치를 샘플링하여 밝기값을 측정하고 카메라를 제어하기 때문에 얼굴영역의 밝기만을 최적화 하지 못한다.
이러한 문제를 해결하기 위해 종래 얼굴의 밝기 정보를 획득하기 위하여 사각형의 특정 영역을 분석하는 방식이 있었다. 그러나 얼굴영역은 직사각형이 아니기 때문에 정확한 얼굴의 유효영역을 추출해야할 필요가 있고, 정확한 값을 측정하기 위하여 눈썹과 눈, 코, 입 등의 특징패턴을 제외한 피부영역을 대상으로 조도를 측정하여야 하며, 또한 안경유리의 반사되는 흰색영역도 고려하여 얼굴 밝기를 측정하여야 함에도 불구하고 단순히 얼굴을 직사각형으로 오려내어 분석하기 때문에 얼굴인식에 있어 많은 에러를 발생하게되는 것이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 따른 얼굴밝기 측정에 의한 카메라의 노출과 셔터스피드 제어방법 및 그 제어방법에 의해 능동학습이 가능한 카메라 장치는 얼굴의 밝기 값을 측정하고 카메라 노출, 셔터속도제어 그리고 연속된 촬영을 통해 최적의 얼굴밝기값을 유지시켜 줌으로써 외부 조명변화에 능동적으로 적응하는 방법과 기능을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에 따른 얼굴밝기 측정에 의한 카메라 노출과 셔터속도 제어방법은 (a) 영상획득을 위한 촬영단계; (b) 얼굴영역을 검출하여 스캔영역을 설정하는 단계; (c) 설정된 스캔영역으로부터 얼굴영역의 밝기를 측정하는 단계; (d) 설정된 최적의 얼굴 밝기인지 판단 후 최적의 밝기인 경우 프로세스를 종료하고, 최적의 밝기가 아닌 경우 제어값을 구하는 단계; (e) 상기 제어값에 의해 노출 설정값과 셔터속도 설정값을 구하는 단계; (f) 상기 노출 설정값과 셔터속도 설정값에 의해 센서 레지스터를 조절하는 단계; 및 (g) 반복적으로 촬영을 수행하는 단계를 포함되,
상기 (d)단계의 제어값은 하기의 수학식1에 의하여 계산하고, 상기 (e)단계의 노출 설정값은 수학식2에 의하여 계산하며, 상기(e) 단계의 셔터속도 설정값은 수학식3에 의하여 계산하는 것을 특징으로 한다.
수학식1
수학식2
수학식3
또한, (b) 단계는 (b1) 전체영상을 스캔하는 단계; (b2) 스캔된 영상에 얼굴을 검출하는 단계; 및 (b3) 획득한 영상에 얼굴이 존재하는지를 판단 후 얼굴이 존재하지 않는 경우 촬영단계를 재수행하고, 얼굴이 존재하는 경우 탐지된 얼굴 위주로 스캔영역을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본발명에 따르는 카메라 장치는 영상획득을 위한 렌즈, 이미지센서를 구비한 촬영부와; 상기 획득된 영상으로부터 얼굴위주의 스캔영역을 설정하는 얼굴검출부와; 상기 얼굴위주의 스캔영역으로부터 얼굴의 밝기를 측정하는 밝기측정부와; 상기 밝기측정부로부터 측정된 밝기가 최적의 밝기인지 판단 후 노출 및 셔터속도를 제어하기 위한 제어모듈; 및 노출과 셔터속도 설정을 위한 레지스터를 포함하되,
상기 제어모듈에 있어서, 최적의 밝기가 아닌 경우 하기 수학식1에 의하여 제어값을 구하고, 상기 제어값을 이용하여 수학식2에 의해 노출 설정값과 수학식3에 의해 셔터속도 설정값을 구하는 것을 특징으로 한다.
수학식1
수학식2
수학식3
또한, 상기 레지스터는 외부에서 노출 및 셔터속도 설정이 가능한 것을 특징으로 한다.
상기 (d)단계의 제어값은 하기의 수학식1에 의하여 계산하고, 상기 (e)단계의 노출 설정값은 수학식2에 의하여 계산하며, 상기(e) 단계의 셔터속도 설정값은 수학식3에 의하여 계산하는 것을 특징으로 한다.
수학식1
수학식2
수학식3
또한, (b) 단계는 (b1) 전체영상을 스캔하는 단계; (b2) 스캔된 영상에 얼굴을 검출하는 단계; 및 (b3) 획득한 영상에 얼굴이 존재하는지를 판단 후 얼굴이 존재하지 않는 경우 촬영단계를 재수행하고, 얼굴이 존재하는 경우 탐지된 얼굴 위주로 스캔영역을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본발명에 따르는 카메라 장치는 영상획득을 위한 렌즈, 이미지센서를 구비한 촬영부와; 상기 획득된 영상으로부터 얼굴위주의 스캔영역을 설정하는 얼굴검출부와; 상기 얼굴위주의 스캔영역으로부터 얼굴의 밝기를 측정하는 밝기측정부와; 상기 밝기측정부로부터 측정된 밝기가 최적의 밝기인지 판단 후 노출 및 셔터속도를 제어하기 위한 제어모듈; 및 노출과 셔터속도 설정을 위한 레지스터를 포함하되,
상기 제어모듈에 있어서, 최적의 밝기가 아닌 경우 하기 수학식1에 의하여 제어값을 구하고, 상기 제어값을 이용하여 수학식2에 의해 노출 설정값과 수학식3에 의해 셔터속도 설정값을 구하는 것을 특징으로 한다.
수학식1
수학식2
수학식3
또한, 상기 레지스터는 외부에서 노출 및 셔터속도 설정이 가능한 것을 특징으로 한다.
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본 발명에 따른 능동학습에 의한 카메라 노출과 셔터스피드 제어방법 및 그 제어방법이 적용된 카메라 장치는 얼굴검출기술을 이용하여 얼굴의 위치를 파악하고 어떠한 장소에서도 그 환경하에서의 밝기 분포를 조사하여 얼굴인식에 적합한 최적의 카메라 노출과 셔터스피드를 제어하고 연속된 촬영사진에서의 얼굴의 화질을 높여주는 방법을 통하여 환경에 능동적으로 적응하는 방법과 장치를 제공한다. 또한 움직이는 피사체를 고려해서 셔터속도를 조정하기 때문에 기존의 시스템에 비해 한층 높은 효과를 가진다.
본 발명은 얼굴인식 시스템 분야에 있어서 얼굴영역을 탐지하고 탐지된 얼굴영역에서 밝기를 측정하는 방법과 이를 이용하여 카메라 노출 및 셔터스피드를 제어하는 방법과 카메라를 제어하기 위해서 측정값과 설정 값을 학습시키는 방법을 제시한다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명에 따른 얼굴밝기 측정에 의한 노출 및 셔터속도 제어방법의 일련의 절차를 도시한 블록도이고, 도2는 본 발명에 따른 얼굴밝기 측정에 있어서 스킨영역에 대해 밝기를 측정하는 것을 설명하기 위한 설명도이며, 도3은 본 발명 에 따른 카메라 장치의 구성 개요도이다.
도1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 얼굴밝기 측정에 의한 카메라 노출과 셔터속도 측정방법은 영상획득을 위한 촬영단계(S100), 얼굴영역을 검출하여 스캔영역을 설정하는 단계(S200), 설정된 스캔영역으로부터 얼굴영역의 밝기를 측정하는 단계(S300), 설정된 최적의 얼굴 밝기인지 판단(S410) 후 최적의 밝기인 경우 프로세스를 종료하고, 최적의 밝기가 아닌 경우 제어값을 구하는 단계(S420), 상기 제어값에 의해 노출 설정값과 셔터속도 설정값을 구하는 단계(S430), 상기 노출 설정값과 셔터속도 설정값에 의해 센서 레지스터를 조절하는 단계(S500) 및 반복적으로 촬영을 수행하는 단계(S100)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 얼굴영역을 검출하여 스캔영역을 설정하는 단계(S200)는 전체영상을 스캔하는 단계(S210), 스캔된 영상에 얼굴을 검출하는 단계(S220), 획득한 영상에 얼굴이 존재하는지를 판단한 후(S230) 얼굴이 존재하지 않는 경우 촬영단계(S100)를 재수행하고, 얼굴이 존재하는 경우 탐지된 얼굴 위주로 스캔영역을 설정하는 단계(S240)를 포함할 수 있다.
상기 얼굴영역 밝기를 측정(S300)과 관련하여, 얼굴영역은 직사각형이 아니기 때문에 정확한 얼굴의 유효영역을 추출해야 하고, 눈썹과 눈, 코, 입 등의 특징패턴을 제외한 피부영역을 대상으로 조도를 측정해야 정확한 값이 된다. 또한 안경 유리의 반사되는 흰색영역도 고려해서 얼굴 밝기를 측정해야 한다.
이와 관련하여 도2에서와 같이 (a) 대상 후보영역을 추출하고, (b) 얼굴위치를 탐지하고, (c)눈 좌표를 기준으로 Non-Skin Area를 탐지한 후, (d) Skin Area를 추출하는 방법을 이용할 수 있다.
그러나 기존 시스템에서는 얼굴 영역을 직사각형으로 오려내어 분석하기 때문에 바람직하지 않으며, 인식율이 떨어지게 된다.
적외선 필터(IR Filter)를 적용해서 850nm와 같은 특정 파장대만을 받아들이도록 장치를 구성하면 실내 조명변화에 완전히 독립적인 단말기 자체 조명만으로 대상 얼굴을 촬영할 수 있다. 그러나 대상자의 얼굴과 조명과의 거리가 가까워지거나 멀어지는 경우 촬영되는 얼굴의 밝기값은 차이가 발생한다. 또한 자연광의 영향을 받는 장소에서는 자연광에도 동일한 특정 파장대(850nm)의 적외선이 존재하기 때문에 입력 영상에 영향을 줄 수 있다.
이를 해결하기 위해서는 상황에 따라서 카메라의 노출과 셔터속도를 조정해서 알맞은 영상을 만들어 주는 모듈이 필요한데, 본 발명에서는 얼굴의 위치를 먼저 탐지하여 측정된 실제 조도에 맞게 능동적으로 카메라 센서를 조정하여 촬영함으로써 기존에 소프트웨어에 의존한 영상보정 필터만을 적용하는 방식보다 높은 화질의 얼굴영상을 촬영하는 방법을 제시한다.
이와 관련된 프로세스로 상기 설정된 최적의 얼굴 밝기인지 판단(S410) 후 최적의 밝기인 경우 프로세스를 종료하고, 최적의 밝기가 아닌 경우 제어값을 구하 는 단계(S420), 상기 제어값에 의해 노출 설정값과 셔터속도 설정값을 구하는 단계(S430)와 관련하여, 상기 제어값, 노출 설정값 및 셔터속도 설정값은 하기의 수학식에서와 같이 계산될 수 있다.
임의의 환경하에서 실험한 자료로 하기의 표들을 참조할 수 있다.
획득한 영상에서 측정된 얼굴의 밝기는 0에서 255 사이의 값으로 표현할 수 있으며, 카메라의 노출 조정 범위는 0에서 1023 사이의 값을 가진다. 그러나 카메라의 노출을 120에서 320 사이의 값으로 조정하는 것이 양질의 사진을 얻기 위해 바람직한 실험 결과를 얻었다. 또한 셔터 조정범위도 최소 32에서 16383까지 가능하나 실험에 의해서 64에서 800 사이의 값을 가지도록 설정하는 것이 양질의 사진을 획득하기 위해서 바람직하다는 실험결과를 얻었다. 환경A에서는 초기 설정값으로 촬영하면 얼굴이 어둡게 촬영되는 야간이나, 지하인 경우이며, 조명의 밝기가 약해진 경우이기도 하다. 반면에 환경B에서는 초기값으로 촬영하면 얼굴이 밝게 촬영되는 환경인데, 자연광에 노출된 실외나 창문 옆이라고 하겠다.
| 항목 | 얼굴밝기 | 노출조정 | 셔터조정 | 추정 |
| 범위 | 0~255 | 0~1023 | 32~16383 | 0~1 |
| 설명 |
0 : 흑색 | 0 : 가장어둡게 | 32 : 가장빠르게 | 0 : 최대한 어둡게 |
| 127 : 최적 | 제한(120~320) | 제한(64~800) | 1 : 최대한 밝게 | |
| 255 : 백색 | 1023 : 가장밝게 | 1683: 가장느리게 | 계산값 |
| 환경A | 얼굴밝기, L (측정값) |
노출, E (입력값) |
셔터, S (입력값) |
제어값, C (계산값) |
| T0 | 75 | 100 | 358 | (초기값) 0.500 |
| T1 | 118 | 141 | 519 | 0.705 |
| T2 | 132 | 151 | 555 | 0.755 |
| T3 | 128 | 145 | 534 | 0.725 |
| T4 | 127 | 144 | 529 | 0.719 |
| 환경B | 얼굴밝기, L (측정값) |
노출, E (입력값) |
셔터, S (입력값) |
제어값, C (계산값) |
| T0 | 197 | 100 | 368 | (초기값) 0.500 |
| T1 | 141 | 45 | 165 | 0.224 |
| T2 | 118 | 40 | 147 | 0.200 |
| T3 | 125 | 43 | 157 | 0.214 |
| T4 | 127 | 43 | 160 | 0.217 |
위 수식에 의해서 노출 설정값(E)와 셔터 설정값(S)는 초기값을 제외하고는 제어값(C)에 의해서 결정되며 제어값(C)는 이전 프레임의 제어값(C)과 측정된 얼굴 밝기값(L)에 의해서 추정된다. 따라서 조정과 측정을 반복하면서 최적의 얼굴 밝기 값을 유지시켜 준다. 또한 능동 학습기능에 있어서 학습된 경험치(ΔR)은 룩업테이블(Lookup table) 형태로 관리되며 설치 장소마다 고유한 환경 패턴이 있을 경우 처리속도를 개선하는데 도움이 된다.
얼굴밝기 측정에 의한 카메라의 노출과 셔터스피드 제어방법에 의해 능동학습이 가능한 카메라 장치는 도3에서와 같이 구성될 수 있는데, 영상획득을 위한 렌즈, 이미지센서를 구비한 촬영부(100)와 상기 획득된 영상으로부터 얼굴위주의 스캔영역을 설정하는 얼굴검출부(200)와 상기 얼굴위주의 스캔영역으로 부터 얼굴의 밝기를 측정하는 밝기측정부(300)와 상기 밝기측정값이 최적의 설정값인지 판단 후 노출 및 셔터속도를 제어하기 위한 제어모듈(400) 및 노출 및 셔터속도 설정을 위한 레지스터를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 제어모듈(400)은 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되어 프로그램 능동학습 기능이 포함된 노출 및 셔터속도를 제어하기 위한 제어모듈로 디지털 카메라 장치에 포함될 수 있는바, 임의의 장소에 설치된 단말기에서 촬영되는 적외선 얼굴 영상을 분석하면 시간대 별로 조금씩 다른 패턴을 찾아낸다. 즉, 자연광이 나타나는 창문의 위치와 자연광의 세기에 따라 얼굴에 나타나는 밝기 패턴은 차이가 있지만, 종류별로 비슷한 패턴끼리 그룹화시킬 수 있으며, 이러한 데이터를 누적하여 학습시키면 보다 빠른 속도로 카메라의 노출 값과 셔터속도를 설정하여 최적화시킬 수 있다. 다시 말해서, 설치된 장소마다 단말기 내부적으로 적응해 가면서 처리속도를 능동적으로 개선시킬 수 있다는 것이다.
상기 제어모듈(400)이 포함된 카메라의 노출과 셔터속도를 효과적으로 제어하기 위해서 외부에서 설정 가능한 레지스터(500)를 구성할 수 있는데, 이를 통해서 제어소프트웨어와 인터페이스 되는 방식이 필요하다. 또한 초기 설정값에서 수정할 변동값을 계산값에 있어서 현재 탐지된 얼굴영역의 밝기를 분석하여 알맞은 값을 설정하고 연속된 수정 작업을 통해 최적의 얼굴 밝기값을 만들어 낸다. 이때 반복되는 측정과 설정 루틴의 속도를 개선하기 위해서는 미리 계산된 룩업테이블(Lookup table)을 활용하는 것이 바람직하다.
상기 내용은 발명의 구체적인 실시의 목적을 위하여 바람직한 실시예로 표현하였으나 본 발명의 내용은 그 기술사상과 균등범위 내에서 다양하게 변형되어 실시될 수 있을 것이므로 본 발명의 권리범위는 상기 내용에 의해 제한되어 해석되어서는 아니될 것이다.
도1은 본 발명에 따른 얼굴밝기 측정에 의한 노출 및 셔터속도 제어방법의 일련의 절차를 도시한 블록도.
도2는 본 발명에 따른 얼굴밝기 측정에 있어서 스킨영역에 대해 밝기를 측정하는 것을 설명하기 위한 설명도.
도3은 본 발명에 따른 카메라 장치의 구성 개요도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 촬영부 200: 얼굴검출부
300: 밝기측정부 400: 노출 및 셔터속도 제어모듈
500: 레지스터
Claims (5)
- (a) 영상획득을 위한 촬영단계;(b) 얼굴영역을 검출하여 스캔영역을 설정하는 단계;(c) 설정된 스캔영역으로부터 얼굴영역의 밝기를 측정하는 단계;(d) 설정된 최적의 얼굴 밝기인지 판단 후 최적의 밝기인 경우 프로세스를 종료하고, 최적의 밝기가 아닌 경우 제어값을 구하는 단계;(e) 상기 제어값에 의해 노출 설정값과 셔터속도 설정값을 구하는 단계;(f) 상기 노출 설정값과 셔터속도 설정값에 의해 센서 레지스터를 조절하는 단계; 및(g) 반복적으로 촬영을 수행하는 단계를 포함되,상기 (d)단계의 제어값은 하기의 수학식1에 의하여 계산하고, 상기 (e)단계의 노출 설정값은 수학식2에 의하여 계산하며, 상기(e) 단계의 셔터속도 설정값은 수학식3에 의하여 계산하는 것을 특징으로 하는 얼굴밝기 측정에 의한 카메라의 노출과 셔터속도 제어방법.수학식1
수학식2
수학식3
- 제1항에 있어서, (b) 단계는(b1) 전체영상을 스캔하는 단계;(b2) 스캔된 영상에 얼굴을 검출하는 단계; 및(b3) 획득한 영상에 얼굴이 존재하는지를 판단 후 얼굴이 존재하지 않는 경우 촬영단계를 재수행하고, 얼굴이 존재하는 경우 탐지된 얼굴 위주로 스캔영역을 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 얼굴밝기 측정에 의한 카메라의 노출과 셔터속도 제어방법.
- 삭제
- 영상획득을 위한 렌즈, 이미지센서를 구비한 촬영부와;상기 획득된 영상으로부터 얼굴위주의 스캔영역을 설정하는 얼굴검출부와;상기 얼굴위주의 스캔영역으로부터 얼굴의 밝기를 측정하는 밝기측정부와;상기 밝기측정부로부터 측정된 밝기가 최적의 밝기인지 판단 후 노출 및 셔터속도를 제어하기 위한 제어모듈; 및노출과 셔터속도 설정을 위한 레지스터를 포함하되,상기 제어모듈에 있어서, 최적의 밝기가 아닌 경우 하기 수학식1에 의하여 제어값을 구하고, 상기 제어값을 이용하여 수학식2에 의해 노출 설정값과 수학식3에 의해 셔터속도 설정값을 구하는 것을 특징으로 하는 카메라장치.수학식1
수학식2
수학식3
- 제4항에 있어서, 상기 레지스터는 외부에서 노출 및 셔터속도 설정이 가능한 것을 특징으로 하는 카메라 장치.
Priority Applications (1)
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| KR1020090044979A KR101039423B1 (ko) | 2009-05-22 | 2009-05-22 | 얼굴밝기 측정에 의한 카메라의 노출과 셔터스피드 제어방법 및 그 제어방법에 의한 카메라 장치 |
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