KR101288945B1 - 카메라의 손떨림 보정 장치 - Google Patents

카메라의 손떨림 보정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스마트폰과 같은 모바일 기기의 카메라에 적용되어 자이로 센서에서 출력되는 저주파 노이즈 성분을 검출하는 LPF의 이득을 결정하는 파라미터만을 실험을 통해 적절하게 조정하는 간단한 방법에 의해 자이로 센서의 드리프트 에러를 효과적으로 제거할 수 있도록 한 카메라의 손떨림 보정 장치에 관한 것이다.
본 발명의 카메라의 손떨림 보정 장치는 회전 각속도 데이터를 출력하는 자이로 센서에 의해 카메라의 손떨림 움직임의 각속도를 감지한 후에 손떨림 움직임을 보상하는 방향으로 렌즈나 이미지 센서를 이동시키는 카메라의 손떨림 보정 장치에 있어서, 상기 자이로 센서에서 출력된 회전 각속도 데이터에서 오프셋 성분을 제거하고 순수 회전 각속도 데이터를 추출하는 순수 회전 각속도 추출기; 상기 순수 회전 각속도 추출기에서 추출된 상기 순수 회전 각속도 데이터에서 저주파 잡음 성분을 추출하는 잡음성분 추출기; 상기 순수 회전 각속도 추출기에서 출력된 순수 회전 각속도에서 잡음성분 추출기를 통해 추출된 잡음성분을 제거하는 잡음성분 제거기 및 잡음성분이 제거된 회전 각속도 데이터를 적분하여 손떨림 각도를 산출하는 적분기를 포함하여 이루어진다.

Description

카메라의 손떨림 보정 장치{apparatus for vibration compensation of gyro sensor of camera}
본 발명은 카메라의 손떨림 보정 장치에 관한 것으로, 특히 스마트 폰과 같은 모바일 기기의 카메라에 적용되어 자이로 센서에서 출력되는 저주파 노이즈 성분을 검출하는 LPF의 이득을 결정하는 파라미터만을 실험을 통해 적절하게 조정하는 간단한 방법에 의해 자이로 센서의 드리프트 에러를 효과적으로 제거할 수 있도록 한 카메라의 손떨림 보정 장치에 관한 것이다.
일반 카메라의 경우 통상 셔터 스피드가 1/125초 이상이면 영상 촬영시에 사용자의 손이 어느 정도 떨리더라도 흔들림 없는 안정된 해상도의 사진을 얻을 수 있다. 그러나 스마트폰과 같이 모바일 기기에 장착된 카메라는 일반 카메라에 비해 렌즈 구경이 작기 때문에 영상 촬영시 일반 카메라보다 광량이 부족하다. 그래서 모바일 기기에 장착된 카메라는 부족한 광량을 보상하기 위해 상대적으로 느린 셔터 스피드를 사용하게 되는데, 정지영상을 촬영할 경우 느린 셔터 스피드에 의해 미세한 손떨림에도 화상의 흔들림이 발생하여 선명한 사진을 얻기 어렵다. 특히 손떨림으로 인한 화상의 흔들림은 광량이 부족한 실내나 야간, 흐린 날에는 더욱 심해진다.
이러한 손떨림이나 기기의 흔들림에 의해 발생되는 영상의 불안정함을 해소하기 위해서 손떨림을 보정하는 기술이 요구되었으며, 이에 따라 다양한 손떨림 보정 방안이 제안되어 있다. 이런 손떨림 보정을 위해 종래에는 자이로센서(Gyro sensor) 등을 사용하여 기기의 움직임량을 측정한 후에 VCA(Voice Coil Actuator) 등에 의해 렌즈 또는 CCD(Charge Coupled Devide)나 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)같은 이미지 센서를 상하좌우로 이동시켜 광축으로부터 벗어난 영상을 원래 위치로 복귀시키고 있다.
자이로 센서는 회전율(rate-of-turn), 즉 회전 각속도 정보를 출력하는 센서로서 그 출력 정보를 수치적으로 적분하면 흔들리는 각도 정보를 얻을 수 있다. 그러나 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 기반의 저가형 자이로 센서는 회전 각속도를 추출하는 과정에서 많은 드리프트 에러(drift error)가 발생되기 때문에 손 떨림 방지 시스템의 성능을 저하시키는 주요 원인으로 작용한다(참고문헌 1~4). 이러한 드리프트 오차를 최소화하여 정확한 영점과 각도를 유지하기 위해 칼만 필터를 이용한 기술 등이 연구되고 있으나, 모바일 기기에 탑재된 카메라에 적용하기에는 공간 및 가격이 걸림돌로 작용하는 문제점이 있었다[참고문헌 5, 6).
한편, 전술한 문제점을 해결하기 위해 자이로 센서 정보만을 이용하여 드리프트 오차를 제거하는 HDR 알고리즘이 사용(참고문헌 7)되고 있으나, 최적의 성능을 내기 위해서는 경험적인 실험이 반복되어야 할 뿐만 아니라 실험을 통해 변경되어야 하는 파라미터들이 많아 모바일 기기에 탑재된 카메라에 적용하기에는 무리가 따른다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 스마트폰과 같은 모바일 기기의 카메라에 적용되어 자이로 센서에서 출력되는 저주파 노이즈 성분을 검출하는 LPF의 이득을 결정하는 파라미터만을 실험을 통해 적절하게 조정하는 간단한 방법에 의해 자이로 센서의 드리프트 에러를 효과적으로 제거할 수 있도록 한 카메라의 손떨림 보정 장치를 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 카메라의 손떨림 보정 장치는 회전 각속도 데이터를 출력하는 자이로 센서에 의해 카메라의 손떨림 움직임의 각속도를 감지한 후에 손떨림 움직임을 보상하는 방향으로 렌즈나 이미지 센서를 이동시키는 카메라의 손떨림 보정 장치에 있어서, 상기 자이로 센서에서 출력된 회전 각속도 데이터에서 오프셋 성분을 제거하고 순수 회전 각속도 데이터를 추출하는 순수 회전 각속도 추출기; 상기 순수 회전 각속도 추출기에서 추출된 상기 순수 회전 각속도 데이터에서 저주파 잡음 성분을 추출하는 잡음성분 추출기; 상기 순수 회전 각속도 추출기에서 출력된 순수 회전 각속도에서 잡음성분 추출기를 통해 추출된 잡음성분을 제거하는 잡음성분 제거기 및 잡음성분이 제거된 회전 각속도 데이터를 적분하여 손떨림 각도를 산출하는 적분기를 포함하여 이루어진다.
전술한 구성에서, 상기 자이로 센서는 디지털 회전 각속도 데이터를 출력하는 것을 특징으로 한다.
상기 자이로 센서에서 출력된 아날로그 회전 각속도 데이터를 상응하는 크기의 디지털 회전 각속도 데이터로 변환하여 상기 순수 회전 각속도 데이터에 전달하는 아날로그-디지털 변환기를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
상기 잡음성분 추출기는
Figure 112011082211763-pat00001
에 의해 동작하는 LPF로 이루어지되, gi는 상기 LPF의 게인을 결정하는 파라미터이고, lp(t-1)은 직전에 샘플링되어 처리된 LPF의 출력값을 나타내며, vg는 상기 순수 회전 각속도 데이터인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 카메라의 손떨림 보정 장치에 따르면, 자이로 센서에서 출력되는 저주파 노이즈 성분을 검출하는 LPF의 이득을 결정하는 파라미터만을 실험을 통해 적절하게 조정하는 간단한 방법에 의해 자이로 센서의 드리프트 에러를 효과적으로 제거할 수 있기 때문에 모바일 기기의 카메라에 적용이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 카메라의 손떨림 보정 장치의 블록 구성도.
도 2는 도 1에서 순수 회전 각속도 추출기와 잡음성분 추출기의 출력을 보인 그래프.
도 3은 본 발명의 카메라 손떨림 보정 장치에 의해 보정된 자이로 각도와 보정전의 자이로 각도를 보인 그래프.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 카메라의 손떨림 보정 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 카메라의 손떨림 보정 장치의 블록 구성도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 카메라의 손떨림 보정 장치는 크게 요(yaw) 축과 피치(pitch) 축에 대한 카메라의 손떨림 움직임의 각속도, 즉 회전 각속도를 감지하여 상응하는 디지털 회전 각속도 데이터를 출력하는 자이로 센서(Gyro sensor)(10), 자이로 센서(10)에서 출력된 디지털 회전 각속도 데이터에서 오프셋(offset) 성분을 제거하고 순수 회전 각속도 데이터를 추출하는 순수 회전 각속도 추출기(22), 순수 회전 각속도 추출기(22)에서 추출된 순수 회전 각속도 데이터에서 저주파 잡음 성분을 추출하는 잡음성분 추출기(24), 순수 회전 각속도 추출기(22)에서 출력된 순수 회전 각속도에서 잡음성분 추출기(24)를 통해 추출된 잡음성분을 제거하는 잡음성분 제거기(26) 및 잡음성분이 제거된 회전 각속도 데이터를 적분하여 손떨림 각도를 산출하는 적분기(28)를 구비한 손떨림 보정부(20) 및 손떨림 보정부(20)에서 출력된 손떨림 각도를 보상하는 방향으로 보이스 코일 액추에이터(40)를 구동하여 카메라 렌즈나 이미지 센서를 이동시키는 구동 회로부(30)를 포함하여 이루어진다.
한편, 자이로 센서(10)에서 출력되는 디지털 회전 각속도 데이터(ωo)에는 드리프트 에러를 발생시키는 성분, 즉 공급 전원에 포함된 낮은 주파수 성분(정적 에러; εs)과 움직일 때 발생하는 자이로 센서 내부 및 외부에서 발생하는 낮은 주파수 성분(동적 에러; εd)이 포함되어 있는데, 이를 수식으로 표현하면 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112011082211763-pat00002
위의 수학식 1에서 알 수 있는 바와 같이, 자이로 센서(10)에서 출력되는 디지털 회전 각속도 데이터(ωo)는 정지해 있을 때의 정적 에러(εs)와 실제 움직임이 반영된 신호(
Figure 112011082211763-pat00003
)로 이루어져 있기 때문에 자이로 센서(10)의 출력값(ωo)을 그대로 적분할 경우에 잡음 성분에 의한 오차가 계속해서 누적됨으로써 시간이 경과할수록 손떨림 보정의 정확성이 현저하게 저하되게 된다.
이를 해소하기 위해 본 발명의 순수 회전 각속도 추출기(22)에서는 디지털 회전 각속도 데이터에서 오프셋(offset) 성분(os)을 감하여 순수 회전 각속도 데이터(vg)를 추출하는데, 이를 수식으로 표현하면 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112011082211763-pat00004
다음으로, 잡음성분 추출기(24)에서는 LPF(Loss Pass Filter)를 사용하여 순수 회전 각속도 추출기(22)에서 추출된 순수 회전 각속도 데이터에서 저주파 성분으로 이루어진 정적 에러(εs)와 동적 에러(εd)를 추출하는데, 잡음성분 추출기(24), 즉 LPF의 출력값(lp)은 아래의 수학식 3에 의해 산출될 수 있다.
Figure 112011082211763-pat00005
위의 수학식 3에서 gi는 LPF의 게인을 결정하는 파라미터이고, lp(t-1)은 직전에 샘플링되어 처리된 LPF의 출력값을 나타낸다.
위의 수학식 3에서 LPF 게인 결정 파라미터(gi)는 반복적인 실험을 통해 구해질 수 있으며, 이후 잡음성분 제거기(26)는 잡음성분 추출기(24)에서 출력된 잡음 성분(lp)을 순수 회전 각속도 데이터(ωo)에서 감하여 손떨림에 의한 순수 회전 각속도(vk)만을 출력한다.
마지막으로 적분기(28)에서는 잡음성분 제거기(26)를 통해 잡음이 제거된 회전 각속도 데이터를 적분하여 손떨림에 의한 이동량을 산출한 후에 구동 회로부(30)를 제어하여 손떨림을 보상하는 방향으로 렌즈 또는 이미지 센서를 이동시킨다.
한편, 본 발명의 카메라의 손떨림 보정 장치의 성능을 확인하기 위해 실험을 수행하였는바, 실험에서 사용된 자이로 센서(10)는 파나소닉사의 2축(yaw, pitch) 모델이며, 임의의 진동을 발생시키기 위해 서보 모터를 장착하였다. 또한 자이로 센서(10)에서 출력되는 데이터는 시리얼 통신을 이용하여 PC에서 이를 확인할 수 있도록 구성하였다. 서보 모터를 이용하여 X축(yaw) 방향으로 15㎐의 주기와 ±15°크기의 진동 성분을 10초간 입력하여 순수 회전 각속도 추출기(22)에서 추출된 순수 회전 각속도(ADC-Offset)와 잡음성분 추출기(24)의 출력값(LPF_Value)을 추출하였는바, 도 2는 도 1에서 순수 회전 각속도 추출기(22)와 잡음성분 추출기(24)의 실험에 의한 출력을 보인 그래프이다.
한편, 최종 손떨림 각도 계산을 위해 실행되는 적분 과정 중 잡음성분 추출기(24)에서 추출된 잡음 성분은 반복 실험을 통해 얻어낸 LPF 게인 결정 파라미터(gi)에 의존함을 알 수 있었다. 결과적으로 이를 적절하게 조정하는 것에 의해 적분기(28)를 통해 회전 각속도를 적분할 때 오차가 누적되는 현상을 줄일 수가 있다.
도 3은 본 발명의 카메라 손떨림 보정 장치에 의해 보정된 자이로 각도와 보정전의 자이로 각도를 보인 그래프이다. 도 3에서 수평축을 중심으로 이어진 파동(적색)은 본 발명에 의해 보정된 자이로 각도, 즉 적분기의 출력값을 나타내고, 하방 경사축을 중심으로 이어진 파동(청색)은 보정 전의 자이로 각도, 즉 적분기의 출력값을 나타낸다. 도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 적분기를 통과한 최종 자이로 각도는 진동 시작후 초기 2초까지는 드리프트 에러가 크게 누적되지 않아 각도 추종에 큰 에러가 발생하지 않으나 시간이 지날수록 누적된 드리프트 에러에 의해 실제 자이로 각도에서 멀어짐을 확인할 수가 있다. 본 발명의 손떨림 보정 장치에 따르면, 잡음 성분을 제거한 후에 적분을 수행함으로써 효과적인 자이로 각도 추출이 가능함을 확인할 수 있었다.
본 발명의 카메라의 손 떨림 보정 장치는 전술한 실시예에 국한되지 않고 본 발명의 기술사상이 허용하는 범위 내에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다. 전술한 실시예에서는 아날로그-디지털 변환이 자이로 센서에서 수행되는 것으로 설명을 진행하였으나 이러한 기능이 없는 자이로 센서에 대해서는 본 발명의 손떨림 각도 보정부의 순수 회전 각속도 추출기 이전에 아날로그-디지털 변환기가 추가될 수 있을 것이다.
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10: 자이로 센서, 20: 손떨림 보정부,
22: 순수 회전 각속도 추출기, 24: 잡음성분 추출기,
26: 잡음성분 제거기, 28: 각도추출 적분기,
30: 구동 회로부, 40: 보이스코일 액추에이터

Claims (4)

  1. 회전 각속도 데이터를 출력하는 자이로 센서에 의해 카메라의 손떨림 움직임의 각속도를 감지한 후에 손떨림 움직임을 보상하는 방향으로 렌즈나 이미지 센서를 이동시키는 카메라의 손떨림 보정 장치에 있어서,
    상기 자이로 센서에서 출력된 회전 각속도 데이터에서 오프셋 성분을 제거하고 순수 회전 각속도 데이터를 추출하는 순수 회전 각속도 추출기와;
    상기 순수 회전 각속도 추출기에서 추출된 상기 순수 회전 각속도 데이터에서 저주파 잡음 성분을 추출하기 위해
    Figure 112013015716503-pat00010
    에 의해 동작하는 로우 패스 필터와;
    상기 순수 회전 각속도 추출기에서 출력된 순수 회전 각속도에서 상기 로우 패스 필터를 통해 추출된 잡음성분을 제거하는 잡음성분 제거기 및
    잡음성분이 제거된 회전 각속도 데이터를 적분하여 손떨림 각도를 산출하는 적분기를 포함하여 이루어진 카메라의 손떨림 보정 장치.
    상기 gi는 상기 로우 패스 필터의 게인을 결정하는 파라미터이고, lp(t-1)은 직전에 샘플링되어 처리된 로우 패스 필터의 출력값을 나타내며, vg는 상기 순수 회전 각속도 데이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자이로 센서는 디지털 회전 각속도 데이터를 출력하는 것을 특징으로 하는 카메라의 손떨림 보정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 자이로 센서에서 출력된 아날로그 회전 각속도 데이터를 상응하는 크기의 디지털 회전 각속도 데이터로 변환하여 상기 순수 회전 각속도 데이터에 전달하는 아날로그-디지털 변환기를 더 구비한 것을 특징으로 하는 카메라의 손떨림 보정 장치.
  4. 삭제
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