KR101090594B1 - 이미지센서의 화질 평가용 광원의 균일성 확보, 조도 가변에 따른 색온도의 변화 최소화, 단일광원을 이용한 다양한 색온도를 구현하는, 장치 및 방법과 이를 이용한 카메라 화질 평가 장치 및 방법. - Google Patents

Abstract

본 발명은 디지털 카메라나 아날로그 카메라의 화질 특성을 분석, 평가하는 용도로 사용하기 위한 환경구성을 보다 쉽고, 다양하게 활용하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 이 카메라의 화질 평가 장치는 구 형태의 적분구(Sphere)를 이용하여 조사면의 밝기 균일도를 확보하였으며, 전원을 이용하여 광원의 밝기를 제어하게 될 경우에 발생하는 조도 가변에 따른 색온도의 저하현상을 해결하기 위해 광원 출력부에 광량 조정용 조리개를 장착하여 색온도의 변화 없이 조도를 가변할 수 있게 개발; 다양한 색온도를 구현하기 위해 광원 출력부에 자동으로 교체 가능한 조정용 필터를 장착; 적분구 내부에 조도계를 장착하여 조사면의 밝기를 기하학적으로 계산하여 외부로 보여지도록 함을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 카메라의 화질 평가 및 검 교정을 좁은 공간에서 가능하게 하고, 실내 및 실외의 촬영 환경을 적분구 정면의 조사구에 그대로 재현하는 것이 가능하다. 접근하기 힘들던 새벽녘의 환경 및 일몰 바로 이후의 환경 외에도 실생활에서 나타날 수 있는 거의 모든 환경의 조도와 색온도를 구현할 수 있다.

카메라 화질 평가, 조도가변, 색온도 유지, 카메라 색특성 평가, 조사면 균일도

Description

이미지센서의 화질 평가용 광원의 균일성 확보, 조도 가변에 따른 색온도의 변화 최소화, 단일광원을 이용한 다양한 색온도를 구현하는, 장치 및 방법과 이를 이용한 카메라 화질 평가 장치 및 방법.{The equipment and method of securing a light source uniformity to test picture quality of image sensor,without changing of Color Temperature according to change illuminance,materializing various Color Temperature by using single light source,and testing camera picture quality by using this.}

본 발명은 카메라의 화질 평가를 위한 기준 광원을 공급하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 카메라 및 이미지센서의 화질 평가를 위한 적분구를 이용한 광원의 균일성 확보 장치 및 방법, 조도가변에 따른 색온도의 변화가 없는 장치 및 방법, 단일 광원을 이용하여 다양한 색온도를 구현하는 장치 및 방법과 이를 이용한 카메라 및 이미지센서의 화질 평가 장치 및 방법에 관한 것이다.

카메라는 렌즈로 입사되는 빛이 카메라 내부의 필름 표면에 노광 되거나, 이미지센서에 신호를 주어 하나의 정지 영상이 만들어 지게 된다. 빛이 없다면 카메라는 촬 상을 할 수 없으므로 카메라에 있어서 빛은 절대적으로 중요한 입력 신호라 할 수 있다.

카메라를 이용하여 흰색 종이를 촬영한다고 가정할 때, 빛이 하나도 없는 어두운 환경이라면 종이의 형태 및 색상을 전혀 구분할 수 없다. 이는 입력 신호가 없기 때문에 출력 신호 역시 없기 때문이다. 실제 주변 환경에서도 아주 어두운 환경에서 촬영을 하게 되는 경우가 생기기 때문에 화질 평가시 얼마나 낮은 조도 환경에서 이미지가 나타나는지에 대한 평가가 필요하며, 이를 위해 조도를 가변시켜 화질 평가를 할 필요성이 있다.

사람이 물체색을 인지할 경우도 마찬가지로 빛이 없으면 물체를 인식할 수 없다. 붉은 사과가 백열등 아래에서 사람의 눈에 보여지는 붉은 강도와 태양광 아래에서 보여지는 붉은 강도는 차이가 있으며, 실제로 백열등 아래에서 보여지는 붉은 사과가 더욱 붉고 먹음직스럽게 보인다.

이는 빛이 가지는 고유의 색상이 물체색과 반응하여 붉은 색을 더욱 붉게 보여 지도록 만드는 것으로서 빛이 가지는 고유한 색상을 색온도(Color Temperature)라 한다.

사람의 시각은 이러한 색온도의 변화에 스스로 대응하여 같은 색을 색온도가 틀린 다른 광원에서 관찰하여도 같은 색으로 인지하지만, 카메라나 이미지 센서는 보여 지는 그대로를 여과 없이 나타내기 때문에 백열등 아래에서 찍은 사진은 빨갛게 나오고, 새벽녘에 촬영한 사진은 파랗게 나오게 된다.

이런 오류 부분을 수정하기 위해 카메라에는 Auto White Balance 라는 기능이 삽입 되는데, 이 기능이 제대로 동작하지 않으면 물체색을 제대로 표현해 낼 수 없다.

일반적으로 붉은색을 띄는 광원은 낮은 색온도 값을 가지고, 푸른 빛을 띄는 빛은 높은 색온도 값을 가지며 이를 수치로 표현하면, 백열등은 약 3,000K_(K 는 색온도의 단위로서 Kalvin 의 약자) 의 색온도를 갖으며, 새벽녘의 푸르스름한 광원은 약 10,000K 의 색온도를 갖고, 우리나라의 평균 맑은 날 양지의 색온도는 약 5,000K 정도로서, 일반적인 백색광을 5,000K 로 정한다. 5000K 를 기준으로 높은 수치는 푸른 색을 띄고, 낮은 수치는 붉은색을 띈다.

따라서, 다양한 환경에서 사용되어질 수 있는 카메라의 화질 평가에 있어서 카메라나 이미지센서 제조사에서는 광원의 색에 대한 물리적인 수치인 색온도(Color Temperature) 를 제어하여 다양한 종류의 색온도의 인공 광원을 구현하여야 하며, 일반적으로 2500K부터 7500K 의 환경을 구성하여 사용하여야 한다.

카메라나 이미지 센서는 색상값 보정작업 초기 단계에 일반적으로 White Balance 를 맞추게 된다.

이 때 카메라는 여러 가지 색온도 특성을 가지는 빛이 비추어진 백색 피사체, 지정 색 피사체 등과 같은 표준 피사체를 기준으로 잡고 RGB 신호의 비율이 같아지도록 카메라나 이미지센서의

강도(Gain)나 기준 백색(White Point) 이나 기준 흑색(Black Point) 과 같은 신호 값들을 조절한다.

정리하면, 카메라나 이미지 센서의 전체적인 영상은 흰색이나 회색 등의 무채색을 이용해서 보정되어진다. 흰색이나 회색 등의 피사체의 고유의 무채색은 변하지 않 지만 그것에 비춰진 특정한 빛의 색(색온도) 에 의해서 전체적인 영상의 색이 다르게 보인다.

카메라의 화질 평가 광원은 높은 연색성(Color Rendering Index; CRI)을 필요로 하기 때문에 텅스텐 할로겐 광원을 사용한다.

여기서, 연색성(演色性)이란 빛의 특성 중 하나로서 가시광선 파장영역인 400nm ~ 700nm 의 영역에서 광원의 분광 데이터가 얼마나 연속적으로 연결 되어 있느냐를 나타내는 지수로서, 연색성이 높을수록 물체색의 데이터를 손실 없이 인간의 눈이나 카메라 또는 이미지센서로 전달할 수 있다.

예를 들어, 터널 내부의 노란 광원은 텅스텐 할로겐 광원을 100이라 기준으로 삼으면 30정도의 연색성이 나타나는데 이렇게 낮은 연색성을 가진 광원 아래에서 물체를 관찰하면 실제 물체가 가진 색상을 전혀 다른 색상으로 왜곡하여 보여주게 된다.

터널 내부에서 색 인지성이 현저히 떨어진다는 문제로 인해서 요즘은 터널 광원을 고(高)연색성의 광원으로 교체하는 작업이 많이 진행되고 있다.

텅스텐 할로겐을 이용하여 입력 전압을 변경하여 다양한 조도 환경을 재현하지만,

텅스텐 할로겐의 특성이, 입력되는 전압의 크기에 따른 열의 양을 빛으로 변환하기 때문에 입력 전압을 낮추면 낮출수록 점점 붉은 광원으로 변화되어 사용자가 필요로 하는 색온도의 환경의 구성이 매우 어렵게 된다.

이를 해결하기 위해 광량을 감소시켜 주는 ND(Natural Density) 필터를 사용하기도 하지만 10가지 밝기의 환경을 구성하기 위해서는 10개의 ND 필터가 구비되어 있어야 하고, 더 많은 밝기 환경을 구현하기 위해서는 희망하는 환경구성 종류만큼의 ND 필터를 필요로 하기 때문에 많은 제약사항이 있다.

광원의 조도가 변하더라도 광원의 색온도가 고정되어야 하는 이유는 실례로 설명 될 수 있다. 우리 나라의 경우 맑은 날 야외의 환경의 색온도와 조도를 측정하면 일반적으로 5,000K, 30,000Lux 정도의 특성을 가진 환경이 나타난다. 이때 햇볕이 조금 들어오는 어두운 방으로 들어가 조도와 색온도를 측정하면 5,000K에서 5% 오차 안에서 색온도는 유지되지만 30Lux 이하의 어두운 조도값을 나타내게 된다.

만약 텅스텐 할로겐 광원에 인입되는 전압을 이용하여 광량을 줄이게 될 경우 30Lux 의 어두운 환경까지 조도를 낮추게 되면 약 3400K 정도의 색온도가 나타나게 된다.

이는 실생활에 일어나는 조도 변화와 색온도 변화 추이에 근접하지 않기 때문에, 사용하기가 어렵고, 광원의 거리를 피사체로부터 멀리 떨어뜨려 색온도를 유지하며 조도를 낮추는 방법을 사용할 수 있다. 하지만 높은 조도영역에서부터 아주 낮은 조도영역까지를 제어하기 위해서는 아주 넓은 공간이 필요로 하게 된다.

적분구는 빛의 광속(光速)등을 측정 하는 용도로 많이 사용되지만, 적분구의 특성이 빛을 고르게 반사하고 분산하여 적분구의 개구부에 동일한 양의 빛을 내보내도록 설계가 되어 있고, 적은 양의 빛을 손실 없이 개구부로 전달하는 역할을 하기 때문에 높은 밝기가 필요할 수 있는 화질평가 환경에서 최소한의 에너지로 최대의 효과를 낼 수 있다.

현재 카메라의 화질 평가를 위해 암실이 구성되는데, 균일한 밝기의 조사면 확보를 위해 최소 15 면적으로 조성되며, 광원 조사면의 균일한 밝기 확보를 위해 지나치게 부피가 큰 박스형 광원을 좌우에서 조사하여 화질 평가 환경을 구성하며, 조사면의 균일도를 유지하며 최대 밝기를 1000Lux 로 유지하기 위해서는 3000W 이상의 전력이 소모된다.

본 발명은 상기에 기술한 바와 같은 기술적인 문제점을 해결하고, 카메라나 이미지센서의 평가를 위해서 지나치게 넓은 공간과, 많은 비용, 많은 전기를 소비하는 단점을 개선하여, 경제적이고 효율적인 카메라나 이미지센서의 화질 평가를 위한 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 카메라나 이미지 센서 평가에 사용되는 인공광원의 재현에 있어서 단일 색온도를 가진 광원과 필터를 이용하여 원하는 여러 가지 색온도를 쉽게 구현하며, 구현 된 다양한 색온도를 일정하게 유지하면서 높은 조도에서부터 아주 낮은 극 저조도의 환경을 구현함과 동시에 촬상면의 밝기의 균일성을 높일 수 있는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.

상기의 해결하고자 하는 과제를 달성하기 위한 카메라와 이미지센서 평가용 광원환경 구성 장치는 아래와 같이 구성된다. 촬상용 부재면에 균일한 밝기의 광원을 조사하기 위해서 광원은 적분구 내부에 설치되며, 적분구의 하단에 광원 입력용 개구부가 설치되고, 적분구 정면에 촬상용 부재를 고정할 수 있는 광원 출력용 개구부가 설치된다.

광원의 조도를 변화시켜도 색온도가 유지되는 상태로 적분구 내부로 광원을 인입시키기 위해서는 전압의 변화를 이용한 조도 가변으로는 재현이 불가하므로, 광원과 적분구가 연결되는 개구부 입구에 빛을 차단하고 개방하는 역할을 하는 조리개를 설치하여, 조리개를 열고 닫음으로 색온도가 유지되는 높은 조도 환경부터 색온도가 유지되는 낮은 조도의 환경을 적분구 내부에 구현한다. 이때 조리개의 개방과 차단은 단계별 제어가 아닌 선형적인 제어를 이용하여 보다 많은 종류의 밝기를 구현할 수 있도록 구성해야 하며, 이를 만족시키기 위해 스테핑 모터를 사용하여야 한다.

단일광을 이용하여 다양한 색온도의 광원을 적분구 내부로 인입시키기 위해서, 광원과 적분구가 연결되는 개구부 입구의 광원과 조리개 사이에 다수의 색온도 변환 필터를 장착하여 사용하고자 하는 광원을 선택할 경우, 목적하는 광원의 색온도를 구현하는 색온도 변환필터가 광원과 적분구가 연결되는 개구부를 차단하여 변환된 빛이 개구부를 지나 적분구로 인입될 수 있도록 구성한다.

본 발명은, 카메라나 이미지센서의 화질 평가 관련한 암실 환경 구성에 있어서 기존의 15 정도의 공간을 필요로 하는 평가용 암실 공간을 2 이하의 공간에 구성이 가능하고, 촬상면을 1,000Lux 밝기로 균일하게 조사하는데 필요한 3,000W 이상의 높은 전력 필요량을 150W 이하로 줄일 수 있는데다가, 150W를 이용하여 균일하게 얻어낼 수 있는 최대 밝기도 5,000Lux 이상을 확보할 수 있다.

구현이 쉽지 않았던, 조도 가변에 따른 색온도 유지 가능 광원을 하나의 기구를 이 용하여 간단히 구현할 수 있으므로, 많은 비용의 절감과 시간의 단축이 예상된다.

예를 들어, 사진 스튜디오 형태의 암실에 4가지의 색온도를 가진 광원을 1,000Lux부터 1Lux 까지 10단계의 광원 환경으로 구성하기 위해서는, 4가지 종류의 광원이 준비되어야 하고, 10단계의 조도가변을 위해서는 광원별로 10개의 ND 필터가 필요로 하게 된다.

정리하자면, 사진 스튜디오 형태의 암실에서 광원 조사면의 균일도가 높은, 4가지 색온도의 광원을 색온도를 유지한 채로 10단계의 밝기 환경을 구현하기 위해서는, 좌우 광원 1셋트를 2개로 계산하여 8개의 광원과, 광원은 덮을 수 있는 크기의 ND 필터가 80개가 필요하게 된다.(10단계의 밝기 x 4가지 색온도 광원 x 좌우 셋트 2개 =80개)

본 발명은 기존에는 구성이 매우 힘든 환경을 간단히 구현할 수 있으며, 시간, 비용, 편의성을 모두 쉽게 갖출 수 있다.

본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용은 아래와 같다.

촬상용 부재면에 균일한 밝기의 광원을 조사하기 위해서 도 2 와 같이 적분구(100) 내부에 설치되며, 적분구의 하단에 광원 입력용 개구부(101)가 설치되고, 적분구 정면에 촬상용 부재를 고정할 수 있는 광원 출력용 개구부(102)가 설치된다.

광원의 조도를 변화시켜도 색온도가 유지되는 상태로 적분구 내부로 광원을 인입시키기 위해서는 전압의 변화를 이용한 조도 가변으로는 재현이 불가하므로, 광원과 적분구가 연결되는 광 입력용 개구부 입구에 빛을 차단하고 개방하는 역할을 하는 조리개(110)를 도 3과 같이 설치하여, 조리개를 열고 닫음으로 색온도가 유지되는 높은 조도 환경부터 색온도가 유지되는 낮은 조도의 환경을 적분구 내부에 구현한다.

이때 조리개의 개방과 차단은 단계별 제어가 아닌 선형적인 제어를 이용하여 보다 많은 종류의 밝기를 구현할 수 있도록 구성해야 하며, 이를 만족시키기 위해 스테핑 모터를 사용하여야 한다.

광원이 광원 출력용 개구부에 직접 닿지 않도록 하기 위해 광원과 광원 출력용 개구부 사이에 직광 차단용 막음판(111)을 반드시 설치하여야 한다.

단일광을 이용하여 다양한 색온도의 광원을 적분구 내부로 인입시키기 위해서, 도 4와 같이 광원과 적분구가 연결되는 개구부 입구의 광원과 조리개 사이에 다수의 색온도 변환 필터(120)를 장착하여 사용하고자 하는 광원을 선택할 경우, 목적하는 광원의 색온도를 구현하는 색온도 변환필터가 광원과 적분구가 연결되는 광원 입력용 개구부를 차단하여 변환된 빛이 광원 입력용 개구부를 지나 적분구로 인입될 수 있도록 구성한다.

색온도가 변환된 광원의 조도 가변 역시 상기에 기술한 조리개 제어방식으로 개폐하여 원하는 조도 환경을 적분구 내부에 구성할 수 있고, 두 가지 기능은 동시에 동작할 수 있으며, 색온도 필터로 인해 변환된 색온도의 광(光은), 필터(120)를 거쳐 광량이 감소하기 때문에 도 5와 같이 주 광원(121) 외에 보조 광원(122)을 설치하여 색온도 변환필터를 사용할 경우(123)에는 보조 광원이 점등 되어 부족한 광량 을 보완하는 방법이 더 바람직하다.

광원의 특성 중 연색성(Color rendering Index; CRI) 의 높은 값을 획득하기 위해 3200K 의 색온도 특성을 가진 100W 텅스텐 할로겐 광원을 주 광원으로 사용하고 보다 높은 조도 값을 얻기 위해서는 100W 이상의 텅스텐 할로겐 광원을 사용할 수 있다.

텅스텐 할로겐 광원은 열이 많이 발생한다는 문제가 있으나, 적분구 하단 광원 입력 개구부에 설치된 광원에서 발생하는 열을 효율적으로 배출하기 위해 방열판(130)을 설치하고 강제 열 배출용 공냉팬(131)을 이용하여 열을 효율적으로 배출할 수 있게 한다.

이때, 문제가 될 수 있는 빛이 환기구(11)를 통해서 외부로 유출될 수 있는 빛의 효과적인 차단을 위해 도 6과 같이 곡선형(132)의 열 배출구와 빛을 흡수하는 검정 거울(133)(블랙트랩)을 곡면에 장착하는 것이 바람직하다.

출력용 개구부(102) 하단에 조도 및 색온도를 측정할 수 있는 센서(124)를 장착하고 발명 장치의 전면에 적분구 내부의 센서에서 보내온 신호를 보여줄 수 있는 액정화면(10)을 설치하여 외부에서 사용자가 계측기 없이도 광원의 색온도와 조도의 상태를 실시간으로 확인할 수 있도록 구성한다.

광원 출력 개구부(102) 외측에 투과형 측정 피사체를 고정할 수 있는 차트 고정용 플레임(12)을 장착하여 카메라나 이미지 센서의 평가 항목에 맞는 피사체를 교체하여 장착할 수 있다.

암실에 설치 된 본 발명 장치의 전면의 차트 고정 플레임(12)에 투과형 테스트 차트(촬영용 부재)를 장착하고, 장치 전면에 야외환경의 기준인 5000K 의 색온도 버튼을 누르면 장치 내부에서는 5000K 에 맞는 색온도 변환 필터가 이동하여 광원에서 적분구로 이동하는 통로를 막고 3200K 텅스텐 할로겐 광원은 점등이 시작된다.

광원은 광원 표면에서는 3200K 의 색온도를 갖지만, 적분구로 이어진 개구부 전면에는 이미 5000K 변환 필더가 이동되어 있기 때문에 적분구로 빛이 이동할 때는 5000K 의 백색광으로 변환이 된다. 광(光)은 적분구 내부에서 반사되고 산란되어 5000K 의 특성을 갖는 광원은 광원 출력 개구부에 균일하게 조사가 된다.

사용자는 전면의 액정화면을 보고 현재 광원 출력 개구부에 어떤 색온도의 광원이 얼마만큼의 밝기로 조사되고 있는지 확인한 후, 원하는 조도로 스위치를 이용하여 조정한다.

조도를 낮추게 되면 광원과 적분구를 연결하는 통로에 설치되어 있는 조리개가 서서히 닫히며 빛의 양을 감소시켜주게 되고 조도는 내려가게 된다. 사용자가 원하는 조도 환경이 구성되면 카메라나 이미지센서를 이용해서 차트고정플레임에 거치된 투과형 테스트 차트(측정용 부재)를 촬영하여 결과를 확인한다.

밀폐된 적분구 공간안에서 생성되는 광원이기 때문에 전면의 액정에 표되는 조도 데이터 별로 현재 상태의 휘도(Candela) 값도 확인 할 수 있으므로LCD 등의 Display 장치(10)의 휘도 평가용으로도 별도의 계측장비가 없이 응용이 가능하다.

도 1 은 본 발명 장치의 도면으로서 전면도와 후면도, 측면도와 투시 측면도.

도 2 는 광원 입력부와 적분구를 연결하는 개구부와 적분구와 광원 출력부를 구분.

도 3 은 광원 입력부의 조도를 가변을 하면서 색온도를 유지할 수 있는 원리 및 광원 출력부로 광원이 이동할 때 직광을 막을 수 있는 차단 막.

도 4 는 광원 입력부의 3200K 의 광원의 색온도를 다른 다양한 종류의 색온도로 변화할 수 있는 원리를 도식화 한 도면

도 5 는 광원 입력부의 3200K 광원의 색온도를 변화시키기 위한 필터의 동작 상태 및 필터로 인해 손실된 광량을 보완할 수 있는 보조광의 설치에 대한 도식화한 도면

도 6 은 장치의 광원 입력 부분을 위에서 내려다 본 평면도로서 광원으로부터 외부로 열을 효율적으로 배출할 수 있는 시스템 및 원리를 도식화한 도면.

Claims (3)

1. 구형 적분구로 광원을 인입 시킬 때 조리개를 열고 닫는 방식으로 광량을 조절하여 색온도 변화 없이 광원 조사 면에 일정한 색온도의 여러 밝기의 광을 조사하는 방법
2. 구형 적분구로 광원을 인입 시킬 때 단일광의 색온도를 변화하기 위해 색온도 변환 필터를 장착하여 단일광과 다른 여러 종류의 색온도의 광원을 광원 조사 면에 조사하는 방법
3. 삭제

Images