KR101498992B1 - 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 cctv 시스템 및 cctv 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법 - Google Patents

저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 cctv 시스템 및 cctv 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템 및 CCTV 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법에 관한 것으로, 렌즈와 이미지 센서, 이미지 시그널 프로세서 및 코덱을 구비한 CCTV 시스템에 있어서, 상기 이미지 시그널 프로세서는 피사체를 느낌 있게 찍을 수 있도록 노광시간을 조절하는 기능을 수행하는 디지털 슬로우 셔터 제어기와; 디지털신호 처리로 잡음을 억압하여 저 조도 모드에서 잔상이 남지 않는 범위를 설정하고, 노이즈의 감쇠 정도를 결정하는 기능을 수행하는 디지털 노이즈 감쇠기와; 주간에 LCD Mode를 유지하고, 저조도 감도를 증가시키기 위해 자동 게인 제어기를 통해 야간을 인지하면 조건을 변경하는 기능을 수행하는 감마 제어기와; 피사체 구분이 용이한 최대값으로 게인을 자동 조절하는 기능을 수행하는 자동 게인 제어기;를 구비시킨 것을 특징으로 한다.
따라서, 저 조도 하에서 CCTV가 작동하게 되어 노광시간 증가, 저 조도 감도 상승 및 노이즈 제거의 단계를 거치게 되어도, 컬러를 식별할 수 있고 움직이는 피사체에 대한 식별성이 저해 받지 않으므로 저 조도 CCTV 시스템 자체의 상품성과 사용 목적에 따른 신뢰도 등을 대폭 향상시킬 수 있다.

Description

저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템 및 CCTV 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법{Color control method for low-illumination of CCTV systems and CCTV systems with a color control at low intensity}
본 발명은 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV(Closed-Circuit Television) 시스템 및 CCTV 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법에 관한 것으로 보다 구체적으로는 저조도 환경 하에서는 노광시간의 증가, 저조도 감도 상승 및 노이즈 제거를 통하여서 컬러를 식별할 수 있고, 움직이는 피사체에 대한 식별성이 저해 받지 않도록 발명한 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템 및 CCTV 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 CCTV 카메라(폐쇄회로 텔레비젼용 카메라)는 특정한 장소나 사물을 촬영하여 폐쇄회로 텔레비젼에 보냄으로써 촬영되는 장소나 사물의 이상 유무를 확인할 수 있게 하는 촬영 기기로서, 빌딩, 주차장, 아파트 단지 등에서 관리나 경비의 효율제고를 위한 일반 감시용 카메라뿐만 아니라, 자동차 안전장치 등으로 이용되는 등 그 용도가 크게 다변화되고 있다.
한편, CCTV는 그의 사용목적이나 특성상 어두운 곳 즉, 저 조도에서도 동작될 수밖에 없게 되는데, 이럴 경우 적외선 카메라를 사용하거나 가시광선 영역 대의 조명을 사용하게 된다.
특히, 종래 보안감시 카메라(Day & Night)에서는 저조도 영상의 감도를 높이기 위해 흑백화면으로 전환하고 있어, 컬러의 식별성이 현저히 떨어지게 되는 점과, 저조도 영상의 감도를 높이므로 발생하는 영상 끌림 및 잔상 현상에 의해 감시자가 피사체의 구분이 어려워지는 문제점이 발생하고 있다.
즉, 종래의 보안감시 카메라(Day & Night)는 컬러 CCD(Charge Coupled Device)를 주간과 야간에 동시에 사용하여, 주간에는 컬러로 영상을 재현하고, 야간에는 컬러로 촬영된 영상이 소프트웨어에 의해 흑백 모드로 전환되는 방식을 채택하고 있으므로 컬러의 식별성이 현저히 떨어지는 문제점과, 저조도 영상의 감도를 높이므로 발생하는 영상 끌림 현상 및 잔상 현상에 의해 감시자가 피사체를 정확히 구분할 수 없는 문제점이 있는 것이다.
또한, 계절별이나 시간대별 그리고 CCTV 카메라의 설치장소에 따른 조도 변화에 대한 대응과 구름, 눈, 비, 안개 등과 같은 피사체 식별성에 영향을 주는 요소들에 대한 대응을 위하여, 다양한 방법도 제시되고 있는 실정이다.
한편, 이러한 다양한 방법에도 노이즈가 최대가 되어 화질이 떨어지는 문제가 발생하고, 특히 야간에 조명장치에 사용할 경우 셔터 속도를 최대로 하면 반사되는 빛에 의해 영상데이터가 손상되는 결과를 가져오기도 한다.
아울러, 일반적으로 카메라는 주간촬영시 선명한 색채 형상을 나타내는 장점이 있는 반면에 야간촬영시 컬러 버스트(Color Burst)에 의한 색 노이즈가 나타나게 되어 감시 카메라로서의 역할을 제대로 수행할 수 없는 문제점이 있었으며, 하나의 이미지센서를 공용으로 사용함으로써 가시광선과 적외선 대역의 서로 다른 파장에 의해 포커스가 틀어지는 문제점이 발생될 수밖에 없다.
따라서, 종래 대한민국 등록특허 제10-1169017호에서는 "전방을 촬영할 수 있도록 몸체의 전면에 설치되며, 일측에는 주변의 조도를 감지하는 CdS 및 외부의 무선신호를 수신하는 리모콘수신부가 구비되며, 야간 촬영을 위한 복수의 아이알 엘이디가 방사상으로 설치된 고해상도 CMOS 카메라 및 CCD 카메라와; 고해상도 CMOS 카메라에서 전달된 디지털 영상신호를 제1EEPROM에 저장된 신호처리 알고리즘을 통해 아날로그신호로 변환하는 엔코더(ENCODER)와; 상기 CCD 카메라에서 전달된 아날로그 영상신호의 게인을 자동으로 콘트롤하는 AGC(Auto Gain Control) 및 상기 AGC에서 콘트롤된 신호를 제2EEPROM에 저장된 데이타값과 비교하여 노이즈가 제거된 영상신호로 변환하는 ISP(Image Signal Processor)와; 상기 엔코더와 ISP에서 출력되는 신호를 증폭하는 제1 및 제2비디오엠프(VIDEO AMP)와; 상기 제1 및 제2비디오엠프에서 증폭된 신호를 CdS회로부의 제어신호에 따라 주간 및 야간을 구분하여 스위칭하는 비디오 스위치;를 포함하여 구성된 고해상도 씨모스 카메라가 적용된 주야간 자동 스위칭방식의 감시용 카메라"가 제시된 바 있다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1322829호에서는“목적 대상을 촬영하여 이미지 파일을 생성하는 디지털 카메라; 및 상기 디지털 카메라에 연결되며, 주변 환경의 조도에 따라 이미지 파일이 보정되도록 일출 일몰시간에 연동되어 상기 디지털 카메라의 노출을 보정하는 자동보정장치를 포함하며, 상기 자동보정장치는 지역별 일출 일몰시간이 저장된 일출 일몰시간 DB로부터 설정 지역의 일출시간 및 일몰시간을 수집하는 일출 일몰시간 수집모듈, 및 상기 일출 일몰시간 추출모듈로부터 추출된 일출시간 및 일몰시간에 따라 상기 카메라의 노출을 보정하는 노출보정모듈로 이루어진 CCTV 시스템"이 제시된 바 있다.
그러나, 이와 같은 구성으로 이루어진 고해상도 씨모스 카메라가 적용된 주야간 자동 스위칭 방식의 감시용 카메라에서는 야간에 컬러를 재현할 경우 컬러 노이즈로 인해 피사체 식별에 문제가 생기고, 이 상황에서 피사체를 식별하고자 컬러 노이즈를 감소시키면 컬러의 재현성 문제와 야간에 피사체의 감도가 낮아지게 되므로 이 또한 피사체 식별에 문제가 된다.
즉, 기존의 CCTV 카메라에서는 컬러의 재현성보다 감도를 더 우선함으로써 컬러는 흑백으로 전환하여 컬러 노이즈를 없애고, 흑백화면 상태에서 감도를 증가시키는 방법을 취하고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허공보 10-1169017호(2012년07월20일) 대한민국 등록특허공보 10-1322829호(2013년10월22일) 대한민국 등록특허공보 10-0934433호(2009년 12월 21일) 대한민국 등록특허공보 10-1141844호(2012년 04월 24일)
본 발명은 이와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 기존 저조도 영상의 감도를 높이기 위해 흑백화면으로 전환하여 컬러의 식별성이 현저히 떨어지게 되는 점과, 저조도 영상의 감도를 높이므로 발생하는 영상 끌림 및 잔상 현상에 의해 감시자가 피사체의 구분이 어려워 감시카메라의 역할이 감소되는 현상을 예방하기 위해, CCTV 카메라의 중요한 요소는 피사체의 정확한 식별이므로 식별성을 높이기 위한 필연적인 요소인 야간 감도와 피사체 컬러를 모두 향상시킬 수 있도록 컬러 노이즈 억제기, 저조도 감도 향상기, 저조도 노이즈 감쇠기를 제안함으로써, 감시하고자 하는 피사체의 컬러 영상 출력이 가능하여 피사체에 대한 정확한 식별을 할 수 있는 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템 및 CCTV 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템은, 렌즈와 이미지 센서, 이미지 시그널 프로세서(Image Signal Procesor) 및 코덱(Codec)을 구비한 CCTV 시스템에 있어서,
상기 이미지 시그널 프로세서는 피사체를 느낌 있게 찍을 수 있도록 노광시간을 조절하는 기능을 수행하는 디지털 슬로우 셔터(Dgital Slow Shutter) 제어기와; 디지털신호 처리로 잡음을 억압하여 0.05~0.08 lux 이하의 저 조도 모드에서 잔상이 남지 않도록 하기 위해 전체 노이즈 대비 80% 범위 내에서 노이즈를 감쇠시켜주는 디지털 노이즈 감쇠기(Digital Noise Reducter)와; 주간에 LCD Mode를 유지하고, 저조도 감도를 증가시키기 위해 자동 게인 제어기를 통해 야간을 인지하면 영상의 출력 감마를 LCD Mode인 0.55 감마로 적용하고, 저조도 상태에서는 0.35 감마를 적용하여 감마를 조절해 주는 감마(Gamma) 제어기와; 피사체 구분이 용이한 최대값으로 게인을 자동 조절하는 기능을 수행하는 자동 게인 제어기(Auto Gain Control; AGC);를 구비시킨 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 디지털 슬로우 셔터 제어기는, 저 조도 모드인 0.05~0.08(LUX) 이하에서 끌림이 발생하지 않도록 하기 위해 출력되는 프레임 수를 초당 7 프레임 이상이 되도록 동작하게 한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 디지털 노이즈 감쇠기는, 상기 디지털 슬로우 셔터 제어기를 통해 순차적으로 입력되는 복수의 영상 프레임 중 정해진 기준 프레임과 이전 프레임 2개를 상호 비교하여 그 편차를 감쇠시켜 주는 2D-NR(2-Digital Noise Reducter)과; 상기 2D-NR을 통해 1차 노이즈가 감쇄된 상태에서 순차적으로 입력되는 영상 프레임을 3개씩 상호 비교하고 그 편차를 감쇠시켜 주는 3D-NR(3-Digital Noise Reducter);로 구성한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 렌즈는 F2.0 이상의 렌즈(Fixed type or Varifocal type)를 사용하고, 이미지 센서는 최소 800mV 이상의 감도 유지가 가능한 센서를 사용한 것을 특징으로 한다.
또, 상기 이미지 센서는 1440×1024 해상도를 갖는 1.5M 픽셀 이상의 고해상도를 갖는 것을 특징으로 한다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 CCTV 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법은, 렌즈와 이미지 센서, 이미지 시그널 프로세서(Image Signal Procesor) 및 코덱(Codec)을 구비한 CCTV 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법을 구성함에 있어서, 상기 이미지 시그널 프로세서에서 상기 이미지 센서를 통하여 전달받은 영상신호의 조도가 저 조도 상태인지를 판단하는 단계와; 저 조도로 판단된 경우 이미지 센서의 노광 시간을 조정하는 단계와; 이어서 저 조도에서 촬영된 영상의 게인 값에 따라 저 조도 컬러를 조정하는 서브루틴을 수행하는 단계와; 저 조도 노이즈를 감쇠시키는 단계와; 저 조도 영상출력 감마를 조정하는 단계;를 수행하도록 한 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 이미지 시그널 프로세서에서 이미지 센서를 통하여 전달받은 영상신호의 조도가 저 조도로 판단하는 기준은, 0.05~0.08 lux 이하로 설정한 것을 특징으로 한다.
또한, 저 조도 컬러를 조정하는 서브루틴은, 현재 조도를 인지하는 게인 값이 정해진 Low값 보다 작거나 같은지, 아니면 Low 보다는 크고 정해진 Middle 보다 작거나 같은지, 또는 Middle 보다는 크고 정해진 High 보다 작거나 같은지, 또는 정해진 High 보다 큰지를 순차적으로 판단하게 단계와; 상기와 같이 순차적으로 판단한 결과, 조도를 인지하는 현재 게인 값이 Low값보다 작거나 같으면 컬러 보정을 하지 않고 최대 컬러 게인을 유지하는 단계와; 현재 게인 값이 Low값보다는 크고 Middle 보다 작거나 같으면, 현재 조도에 맞는 컬러 게인 적용하되, 조도의 저하에 컬러 신호를 보정하기 위하여 선형 보간하는 단계와; 현재 게인 값이 Middle값보다는 크고 High 보다 작거나 같으면, 컬러 노이즈의 증가분을 억제하기 위해, 컬러 게인에 대한 선형 보간을 실행하는 단계와; 그러나 현재 게인 값이 High값보다 크면, 조도는 완전히 어두운 상태로 간주하여 컬러 게인의 최소값을 유지하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 Low 값은 1[DB]로 설정하고, Middle 값은 35.1[DB]로 설정하며, High 값은 35.1[DB]를 초과하도록 설정한 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템 및 CCTV 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법에 의하면, 렌즈와 이미지 센서, 이미지 시그널 프로세서 및 코덱을 구비한 CCTV 시스템 중 상기 이미지 시그널 프로세서에서 상기 이미지 센서를 통하여 전달받은 영상신호의 조도가 저 조도 상태인지를 판단하여, 만약 저 조도로 판단되면 이미지 센서의 노광 시간을 조정하고, 이어서 저 조도에서 촬영된 영상의 게인 값에 따라 저 조도 컬러를 조정하는 서브루틴을 수행한 다음, 저 조도 노이즈를 감쇠시키고, 저 조도 영상출력 감마를 조정하도록 함으로써 저 조도 하에서 CCTV가 작동하게 되어 노광시간 증가, 저 조도 감도 상승 및 노이즈 제거의 단계를 거치게 되어도, 컬러를 식별할 수 있고 움직이는 피사체에 대한 식별성이 저해 받지 않으므로 저 조도 CCTV 시스템 자체의 상품성과 사용 목적에 따른 신뢰도 등을 대폭 향상시킬 수 있는 등 매우 유용한 발명인 것이다.
도 1은 본 발명이 적용된 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템의 블럭 구성도.
도 2는 본 발명 방법을 설명하기 위한 플로우챠트.
도 3은 도 2 중 저 조도 컬러 조정 서브루틴을 설명하기 위한 플로우챠트.
도 4는 ISP 내 디지털 슬로우 셔터 제어기에서 실시하는 노출 제어방법을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명이 적용된 저 조도 CCTV 시스템 중 ISP의 구체적인 블록 구성도.
도 6은 도 5 중 디지털 노이즈 감쇠기의 상세 블록 구성도.
도 7은 ISP 내 감마 제어기에서 영상출력 감가를 제어하는 예시 그래프.
도 8은 본 발명 중 코덱의 블록 구성도.
도 9는 ISP에서 노광시간을 제어하는 형태를 보인 그래프.
도 10은 본 발명 중 컬러 억제 구간을 도시한 그래프.
도 11의 (a)~(d)는 본 발명 중 ISP에서 컬러를 억제할 때 각 영역을 도시한 그래프.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
즉, 이하의 내용은 단지 본 발명의 원리를 예시한다. 그러므로 당업자는 비록 본 명세서에 명확히 설명되거나 도시되지 않았지만 본 발명의 원리를 구현하고 본 발명의 개념과 범위에 포함된 다양한 장치를 발명할 수 있는 것이다. 또한, 본 명세서에 열거된 모든 조건부 용어 및 실시 예들은 원칙적으로, 본 발명의 개념이 이해되도록 하기 위한 목적으로만 명백히 의도되고, 이와 같이 특별히 열거된 실시 예들 및 상태들에 제한적이지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 발명의 원리, 관점 및 실시 예들뿐만 아니라 특정 실시 예를 열거하는 모든 상세한 설명은 이러한 사항의 구조적 및 기능적 균등물을 포함하도록 의도되는 것으로 이해되어야 한다. 또한 이러한 균등물들은 현재 공지된 균등물뿐만 아니라 장래에 개발될 균등물 즉 구조와 무관하게 동일한 기능을 수행하도록 발명된 모든 소자를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
아울러, 본 발명의 설명에 통상의 기술이 적용될 때에는 통상의 기술에 대한 상세 설명을 생략할 수 있다.
도 1은 본 발명이 적용된 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템의 블럭 구성도를 나타낸 것이다.
먼저, 일반적인 CCTV에서 컬러의 감도특성은 1.5(LUX), 흑백은 0.15(LUX)로서, 야간 촬영시에는 오히려 컬러 영상이 흑백 영상보다 훨씬 떨어지는 영상을 나타내므로, 컬러 CCTV인 경우에도 야간에는 IR 광선을 사용하여 흑백 영상을 얻는 경우가 존재한다.
하지만 본 발명에서는 0.05~0.08(LUX) 이하에서도 컬러 영상을 구현하는 기술을 제공하고자 하는 것이다.
즉, 본 발명이 적용된 저 조도 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템은 도 1과 같이, 렌즈(10)와 이미지 센서(20), 이미지 시그널 프로세서(Image Signal Procesor; 이하 "ISP"와 병기함)(30) 및 코덱(Codec)(40)을 구비한 형태를 갖는다.
또한, 상기 코텍(40)을 통하여 최종적으로 만들어진 영상은 유무선 통신망(50)을 통하여 필요한 곳에 전송되게 된다.
이때, 상기 유무선 통신망(50)은 인터넷(INTERNET), 이더넷(Ethernet), Wi-fi 등의 다양한 통신망 사용될 수도 있음은 물론 통신 모듈(Module)을 사용할 수도 있다.
한편, 본 발명이 적용된 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템의 구성요소 중 상기 렌즈(10)는 통상 좋은 성능의 렌즈가 사용하는 것이 바람직하나, F2.0 이상의 일반적인 렌즈(Fixed type or Varifocal type)를 적용할 수도 있다.
또한, 이미지 센서(20)로는 1440×1024 해상도를 갖는 1.5M 픽셀 이상의 고해상도를 갖는 것을 사용할 수 있으며, 그 이상의 고해상도일수록 더 좋은 효과를 얻을 수 있다.
그러나, 480 또는 600 TV line을 재현하는 270K 또는 410K 픽셀 이상의 컬러도 무난하다. 그리고, 더 선명한 촬영을 위해 1027 X 768 , 1280 X 960, 1920 X 1080 등의 고해상도를 갖는 HD급의 카메라를 채용할 수도 있다.
아울러 상기 이미지 센서(20)를 통하여 촬영된 신호는 ISP(30)에 전송된다.
그리고 상기 ISP(30)에서 컬러 노이즈(Color Noise)를 발생할 수 있는 조도에서는 컬러 억제를 통해 컬러 노이즈를 적절하게 제거하게 된다.
도 5는 본 발명이 적용된 저 조도 CCTV 시스템 중 ISP의 구체적인 블록 구성도를 나타낸 것이고, 도 6은 도 5 중 디지털 노이즈 감쇠기의 상세 블록 구성도를 나타낸 것이다.
상기 ISP(Image Signal Proceser)(30)에서는, 크게 이미지 센서(20)에서 출력된 저 조도에서 촬영된 영상 신호를 정해진 알고리즘을 통하여, 잔상과 끌림이 발생하지 않고 컬러 식별이 가능한 영상 신호를 만들기 위한 알고리즘 즉, 상기한 도 2 및 도 3을 수행한다.
이때, 상기 ISP(30) 내에는 디지털 슬로우 셔터 제어기(Dgital Slow Shutter)(31)와, 디지털 노이즈 감쇠기(Digital Noise Reducter)(32), 감마(Gamma) 제어기(33) 및 자동 게인 제어기(Auto Gain Control; AGC)(34) 등을 구비하고 있다.
또한, 본 발명에서 사용되는 광학부인 렌즈(10)는 F2.0 이상의 일반적인 렌즈(Fixed type or Varifocal type)를 사용하게 되고, 이미지 센서(20)는 최소 800mV 이상의 감도 유지가 필수이다.
한편, 상기 ISP(30) 내 디지털 슬로우 셔터 제어기(31)에서는 피사체를 느낌 있게 찍을 수 있도록 노광시간을 조절하는 기능을 수행하는 것으로, 저 조도 모드인 0.05~0.08(LUX) 이하에서 끌림이 발생하지 않기 위해서는 출력되는 프레임 수를 초당 7 프레임 이상이 되도록 동작하는 것이 바람직하다.
도 4는 ISP 내 디지털 슬로우 셔터 제어기에서 실시하는 노출 제어방법을 도시한 그래프로써, 상기 디지털 슬로우 셔터 제어기(31) 내의 마이컴(도시 생략함)의 제어를 받아 디지털 슬로우 셔터 제어기(31)에서 휘도성분(Y) 즉, 현재의 밝기를 나타내는 값을 기준으로 전체 노출을 제어하는 것을 도시한 것이다.
본 발명에서의 주된 내용은 도 4의 그레이 영역 즉, Low Light영역에서의 컬러 재현성에 대한 내용을 주안점을 두었으며, 카메라가 전체 노출제어를 어떻게 수행하는가를 나타내고 있다.
완전히 어두운 상태에서 밝아지는 경우에는 Slow Shutter -> Gain -> Iris(조리개) -> Shutter의 단계로 제어하게 되며, 밝은 상태에서 어두워지는 Low Light 단계로 접어들 경우에는 Shutter -> Iris -> Gain -> Slow Shutter의 순으로 제어가 되는데, 이때 밝고 어둡고의 관계는 휘도성분(Y)를 기준으로 판단하게 되며 저조도(Low Light)의 정도는 게인(Gain)이 인가되는 단계부터 시작된다고 보면 된다.
예를 들어, 센서 입장에서 설명하면 Long Exposuer Time을 의미하며, 720p/60 기준에서 셔터 값이 1/60일 경우 4 frame 축척된 Long Exposuer Time은 16.67ms(1/60) * 4 = 66.68ms(약 15fps)로 노출시간을 늘린다는 것을 의미하게 된다.
또, 상기 디지털 노이즈 감쇠기(32)는 2D-NR(321)과 3D-NR(322)을 구비하고 디지털신호 처리로 잡음을 억압하여 0.05~0.08 lux 이하의 저 조도 모드에서 잔상이 남지 않도록 하기 위해 전체 노이즈 대비 80% 범위 내에서 노이즈를 감쇠시켜 주는 기능을 수행한다.
이때, 상기 2D-NR(321)은 상기 디지털 슬로우 셔터 제어기(31)를 통해 순차적으로 입력되는 복수의 영상 프레임 중 정해진 기준 프레임과 이전 프레임 2개를 상호 비교하여 그 편차에 대응하여 노이즈를 감쇠시켜 주는 기능을 하게 되는데, 이와 같은 2D-NR(321)에서 노이즈 감쇠를 크게 할 경우 노이즈 감쇠 정도에 비례하여 해상도가 나빠지는 역효과를 예방하기 위해 전체 노이즈 감쇠에 10% 정도를 담당하도록 하였다.
또, 상기 3D-NR(322)은 상기 2D-NR(321)을 통해 1차적 노이즈가 감쇄된 상태에서 순차적으로 입력되는 영상 프레임들 중 3개의 프레임씩 상호 비교하고 그 편차에 대응하여 노이즈를 감쇠시켜 주는 기능을 수행하게 되는데, 이와 같은 3D-NR(322)에서는 노이즈 감쇠 정도를 크게 할 경우 영상의 끌림, 잔상 등의 역효과가 발생하지 않도록 전체 노이즈 감쇠에 70%를 담당하도록 하였다..
즉, 상기 디지털 노이즈 감쇠기(32)는 저 조도 모드시 0.05~0.08 lux에서 잔상이 남지 않도록 전체 노이즈 대비 80% 범위 내에서 노이즈를 감쇠시켜 주는데, 3D-NR(322)과 2D-NR(321) 두 가지를 모두 사용하여 노이즈를 감쇠하고 있으며, 주간/야간 구분하여 감도를 조정하도록 되어 있다.
또한, 상기 감마 제어기(33)는 주간에 LCD Mode를 유지하고, 저조도 감도를 증가시키기 위해 자동 게인 제어기를 통해 야간을 인지하면 영상의 출력 감마를 LCD Mode인 0.55 감마로 적용하고, 저조도 상태에서는 0.35 감마를 적용하여 감마를 조절해 주는 기능을 수행한다.
예를 들어, 야간을 인지하는 조건은 휘도와 게인 값을 동시에 적용하는 것으로, 일반 LCD 기준의 감마는 통상 1.0을 이야기하지만 튜닝하면서 변경된 0.55 감마를 적용하고, 카메라의 기본값을 기준으로 게인은 약 27.3dB 이상의 조건에서, 휘도가 약 4 lux 이하일 경우 야간으로 간주하게 되며, 이때 감마값은 0.35 감마로 적용하게 된다.
또, 상기 자동 게인 제어기(34)는 저 조도 감도의 필수 요소로 Gain 증가량에 따라 도트 노이즈(dot Noise)가 많이 발생하게 되는데 피사체 구분이 용이한 최대값을 설정하는 기능을 수행한다.
또한, 상기 코덱(40)은 디지털 노이즈 감쇠기(32) 내의 3D-NR(322)을 통해 2차적으로 노이즈가 감쇄된 상태에서 순차적으로 입력되는 영상 프레임들 중 3개의 프레임씩 상호 비교하고 그 편차에 대응하여 노이즈를 감쇠시켜 주는 3D-NR(41)을 구비하고 있는 것으로, 해상력 저하가 발생되지 않도록 전체 노이즈 감쇠에 20%를 담당하게 하여 3차적으로 노이즈를 감쇠하여 최종 영상신호로써 출력시켜 주게 된다.
즉, 본 발명이 적용된 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템에서는, 상기 ISP(30)에서 전체 영상신호 처리(저 조도에서 촬영된 영상을 식별 가능한 컬러 영상과 잔상이 없는 영상으로 만드는 신호처리)의 약 80%를 수행하고, 코덱(Codec)(40)에서는 전체 영상신호 처리의 약 20%를 수행하게 된다.
이때, 영상의 끌림 및 잔상은 상기 코덱(40) 내 3D-NR(41)을 통해 노이즈 감쇠를 강하게 할 경우에 도드라지게 나타나게 되는데, 이러한 1차~3차 노이즈 감쇠기를 통해 영상 내 노이즈 감쇠 정도를 조정할 수 있게 되므로 영상의 끌림 및 잔상 등의 역효과가 발생하지 않게 된다.
뿐만 아니라, 도 1에는 도시를 하지 않았지만, 영상 신호를 증폭하여 외부로 출력될 수 있도록 비디오 앰프 등도 더 구비시킬 수 있다.
한편, 도 2는 본 발명 방법을 설명하기 위한 플로우챠트를 도시한 것으로, CCTV가 작동되기 시작하면(S1), 렌즈(10)와 이미지 센서(20)를 통하여 들어온 영상신호를 근거로 ISP(30)에서 미리 정해진 알고리즘을 수행하게 된다.
먼저, ISP(30) 내에서는 이미지 센서(20)를 통하여 전달받은 영상신호가 저조도 상태(예를 들어 0.05~0.08(LUX) 이하)인지를 판단(S2)하여 만약, 저 조도로 판단되면 이미지 센서(20)의 노광시간을 도 9와 같이 조정하게 된다(S3).
이때, 저 조도의 판단은 별도의 영상에 반영되는 게인 값에 의해 판단하고, 혹은 가시광선 센서에 의해서도 판단하게 되며, 도 4에 도시된 디지털 슬로우 셔터 제어기(31)에서 실시하는 노출 제어방법을 도시한 그래프와 같이 카메라의 노출을 제어하는 단계가 Shutter -> Iris -> Gain으로 진행할 경우, Gain 단계로 진입하게 되면 저조도라 판단하게 된다.
도 9는 상기 ISP(30)에서 노광시간을 제어(최소 게인 x1 대비 x8이 최대 게인으로 설정되어 있을 경우)하는 형태를 보인 그래프로서, 장 노출(Long Exposure) 구간에서는 밝기가 어두워지거나 밝아질 경우에 따라서 최대 게인인 x8의 노광시간까지 자동으로 제어하는데, 이때 이미지 센서(20)의 노광시간은 푸른색의 커브 구간을 따라 움직이게 된다.
이어서 상기 ISP(30)에서는 저 조도 컬러 조정(S4)과, 디지털 노이즈 감쇠기(32)를 통한 저 조도 노이즈 감쇠를 수행(S5)하고, 감마 제어기(33)를 통해 저 조도 영상출력 감마 조정을 수행(S6)하게 된다.
여기서 영상의 출력 감마의 조정은, 영상의 대비도를 좋게 하기 위해서 일반적인 상황(밝은 상황에서는)에서는 도 7의 (a)와 같이 압축 감마를 사용하고, 저조도에서는 도 7의 (b)와 같이 고른 감마 패턴과 고휘도 영역을 고르게 표현할 수 있도록 하였다.
결과적으로, 저 조도에서 촬영된 영상을 ISP(30)에서 전술한 단계를 수행하는 과정을 통해 통하여 컬러를 식별할 수 있고, 움직이는 피사체에 대한 식별이 가능한 영상으로 변환하는 과정을 완료하고 종료(S7)하거나, 또는 S2 단계에서 저 조도가 아니라고 판단되면 곧바로 상기 알고리즘은 종료된다(S7).
도 3은 도 2 중 저 조도 컬러 조정 서브루틴(S4)을 설명하기 위한 플로우챠트를 도시한 것이다.
일반적으로, 저 조도시 컬러 노이즈의 발생을 억제하기 위해서는 각각의 컬러에 대한 억제를 가하게 되며, 이때 영상에 반영되는 게인 값에 의해 조도를 판단하고, 컬러를 억제시키는 정도를 영상의 변화에 따라 선형 보간하도록 방법을 채택하고 있다.
도 11은 본 발명 중 ISP에서 컬러를 억제할 때 각 영역을 도시한 그래프로써, 이와 같이 컬러억제 게인의 조정으로 각 조도에 맞게 튜닝되어 사용된다.
즉, 종래에는 고정된 게인 값을 적용함으로써 컬러억제를 노이즈 대비 컬러 표현력을 균등하게 유지시키지 못하였으나, 본 발명에서는 노이즈 대비 컬러 표현력을 균등하게 유지할 수 있으며, 컬러 노이즈를 줄일 수 있는 선형보간법을 사용 하였다.
도 11의 (a)는 일반조도의 환경으로 판단하여 컬러 노이즈의 도출이 되지 않게 되므로 최대의 게인으로 컬러를 표현하도록 하는 영역이며, 식 1에 의해 제어된다. 도 11의 (b)영역은 (a) 환경에서 저조도로 진입되는 영역으로 판단하여 게인을 낮추어 컬러 표현력은 저해하지 않으며, 컬러 노이즈는 강하게 억제 되도록 식 2 따라 제어된다.
또한, 도 11의 (c)영역은 저조도로 진입되었으며 컬러 노이즈가 증대되는 시점으로 컬러 게인은 식 3에 의해 제어되도록 한다. 도 11의 (d)영역은 최저조도로 판단되는 영역이며 식 4에 의해 제어된다.
Figure 112014120356871-pat00001
이와 같이 ISP(30)에서 컬러 억제를 하게 되면 컬러가 빠지게 되며, 이때에는 저 조도시의 컬러 억제 게인을 튜닝함으로써 컬러 표현이 원활하게 된다.
이때, 컬러의 표현력을 높이기 위해서는 컬러 노이즈 대비 컬러 억제를 조절해야 하는데, 컬러 노이즈는 줄이고 컬러의 표현력을 최대한 살리기 위해 도 10에 도시한 본 발명 중 컬러 억제 구간의 그래프와 같이 저조도 게인의 범위를 총 4단계로 분리하고, 각 영역을 도 11의 (a)~(d)와 같이 각 컬러에 대해 억제를 하게 된다.
이와 같이 각 단계로 분리 적용한 이유는, 게인의 정도에 따라 노이즈의 크기가 달라지기 때문에 각 단계에서 컬러 억제 정도도 변해야 하고, 그래야 컬러 노이즈 대비 컬러의 재현성을 조절할 수 있기 때문입니다.
한편, 저 조도 컬러 조정에 대한 원리를 도 3과 상기한 도 10 및 도 11의 (a)~(d)를 참조하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 ISP(30)에서 센서의 노광시간 조정(S3) 후 컬러 조정(S4)하는 단계가 시작(S40)되면, 현재 게인 값이 정해진 Low값 보다 작거나 같은지(S41), 아니면 Low 보다는 크고 정해진 Middle 보다 작거나 같은지(S43), 또는 Middle 보다는 크고 정해진 High 보다 작거나 같은지(S45), 또는 정해진 High 보다 큰지(S47)를 순차적으로 판단하게 된다.
상기와 같이 ISP(30)에서 현재 게인 값의 크기를 판단한 결과, 정해진 Low 보다 작거나 같으면(S41에서 Yes), 저 조도 컬러를 보정 게인 최대값으로 보정하여 게인 최대값을 유지시켜 주게 된다(S42).
즉, 조도를 인지하는 현재 게인 값이 Low값보다 작거나 같으면 컬러 보정을 하지 않고 최대 컬러 게인을 유지하게 된다.
그러나, 현재 게인 값이 정해진 Low 보다는 크고(S41에서 No), Middle 보다 작거나 같으면(S43에서 Yes), 저 조도 컬러 게인을 영상의 변화에 따라 선형 보간해 주게 된다(S44).
즉, 현재 게인 값이 Low값보다는 크고 Middle 보다 작거나 같으면(도 11의 (b)참조), 현재 조도에 맞는 컬러 게인 적용하되, 조도의 저하에 컬러 신호를 보정하기 위한 선형 보간은 도 10의 (b)에 도시한 바와 같이 해당 영역의 조도 변화에 따라 컬러 게인의 값을 보간하여 적용하게 된다.
또한, 현재 게인 값의 크기를 판단한 결과 Middle 보다는 크고(S43에서 No), High 보다 작거나 같으면(S45에서 Yes), 저 조도 컬러 게인을 영상의 변화에 따라 도 10의 (c)와 같이 선형 보간해 주게 된다(S46).
즉, 현재 게인 값이 Middle값보다는 크고 High 보다 작거나 같으면(도 11의 (c) 참조), 컬러 노이즈의 증가분을 억제하기 위해, 컬러 게인에 대한 선형 보간을 도 10의 (c)에 도시한 바와 같이 해당 영역의 조도 변화에 따라 컬러 게인의 값을 보간하여 적용하게 된다.
한편, 상기 ISP(30)에서 현재 게인 값의 크기를 판단한 결과, High 보다도 크면(도 10의 (d) 참조, S47에서 Yes) 저 조도 컬러 보정을 최소값으로 보정하여 게인 최소값을 유지 즉, 현재 게인 값이 High값보다 크면 조도는 완전히 어두운 상태로 간주하여 컬러 게인의 최소값을 유지시켜 준 다음(S48), 저 조도 컬러 조정에 대한 알고리즘 수행을 종료한다(S49).
다시 말해서, 상기 ISP(30)에서 수행하는 컬러 조정 방법은, 조도를 인지하는 게인 값이 정해진 Low(예를 들어 Approx. 1[dB])값보다 작거나 같으면 컬러 보정을 하지 않고 최대 컬러 게인을 유지시켜 준다.
그러나, 좀더 어두운 상태로 조도가 변화할 경우, 즉 게인 값이 Low 보다 크고 정해진 Middle(예를 들어 Approx. 35.1[dB])값보다 작거나 같은 경우에는 현재 조도에 맞는 컬러 게인 적용하되, 조도의 저하에 컬러 신호를 보정하기 위하여 선형 보간한다.
또한, 그보다 더 어두운 조도로 판단될 경우, 즉 게인 값이 Middle 보다 크고 High(예를 들어 Approx. 35.1[dB] 초과)값보다 작거나 같은 경우에는, 컬러 노이즈의 증가분을 억제하기 위해 컬러 게인에 대한 선형 보간을 실행하고, 게인 값이 High보다 큰 경우에는 조도는 완전히 어두운 상태로 간주하여 컬러 게인의 최소값을 유지하는 것이다.
한편, 상기에서 표현된 Low, High, Middle의 기준은 아래 표 1 및 전술한 예와 같다.
Gain Sensor Gain[dB]
Analog gain + Digital Gain
Low Approx. 1 [dB]
Middle Approx. 35.1 [dB]
High(Max gain) Approx. 35.1 [dB] 초과
상술한 실시 예는 본 발명의 가장 바람직한 예에 대하여 설명한 것이지만, 상기한 실시 예 및 특허청구범위에 기재된 내용만으로 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것은 당업자에게 있어서 명백한 것이다.
10 : 렌즈 20 : 이미지 선서
30 : 이미지 시그널 프로세서("ISP"와 병기함)
31 : 디지털 슬로우 셔터 제어기 32 : 디지털 노이즈 감쇠기
341 : 2D-NR 342 : 3D-NR
33 : 감마 제어기 34 : 자동 게인 제어기
40 : 코덱 41 : 3D-NR
50 : 유무선 통신부

Claims (12)

  1. 렌즈와 이미지 센서, 이미지 시그널 프로세서(Image Signal Procesor) 및 코덱(Codec)을 구비한 CCTV 시스템에 있어서,
    상기 이미지 시그널 프로세서는,
    피사체를 느낌 있게 찍을 수 있도록 노광시간을 조절하는 디지털 슬로우 셔터(Dgital Slow Shutter) 제어기와;
    디지털신호 처리로 잡음을 억압하여 0.05~0.08 lux 이하의 저 조도 모드에서 잔상이 남지 않도록 하기 위해 전체 노이즈 대비 80% 범위 내에서 노이즈를 감쇠시켜 주는 디지털 노이즈 감쇠기(Digital Noise Reducter)와;
    주간에 LCD Mode를 유지하고, 저조도 감도를 증가시키기 위해 자동 게인 제어기를 통해 야간을 인지하면 영상의 출력 감마를 LCD Mode인 0.55 감마로 적용하고, 저조도 상태에서는 0.35 감마를 적용하여 감마를 조절해 주는 감마(Gamma) 제어기와;
    피사체 구분이 용이한 최대값으로 게인을 자동 조절하는 기능을 수행하는 자동 게인 제어기(Auto Gain Control; AGC);로 구성하되,
    상기 디지털 슬로우 셔터 제어기는,
    저 조도 모드인 0.05~0.08(LUX) 이하에서 끌림이 발생하지 않도록 하기 위해 출력되는 프레임 수를 초당 7 프레임 이상이 되도록 동작하게 한 것을 특징으로 하는 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 디지털 노이즈 감쇠기는,
    상기 디지털 슬로우 셔터 제어기를 통해 순차적으로 입력되는 복수의 영상 프레임 중 정해진 기준 프레임과 이전 프레임 2개를 상호 비교하여 그 편차에 대응하여 1차 노이즈를 감쇠시켜 주는 2D-NR과;
    상기 2D-NR을 통해 1차 노이즈가 감쇄된 상태에서 순차적으로 입력되는 영상 프레임을 3개씩 상호 비교하고 그 편차에 대응하여 2차 노이즈를 감쇠시켜 주는 3D-NR;로 구성한 것을 특징으로 하는 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템.
  4. 청구랑 3에 있어서,
    상기 2D-NR은 노이즈 감쇠를 크게 할 경우 노이즈 감쇠 정도에 비례하여 해상도가 나빠지는 역효과를 예방하기 위해 전체 노이즈 감쇠에 10%를 담당하고,
    상기 3D-NR은 노이즈 감쇠 정도를 크게 할 경우 영상의 끌림, 잔상 등의 역효과가 발생하지 않도록 전체 노이즈 감쇠에 70%를 담당하게 한 것을 특징으로 하는 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 코덱은 디지털 노이즈 감쇠기 내 3D-NR을 통해 2차적으로 노이즈가 감쇄된 상태에서 순차적으로 입력되는 영상 프레임들 중 3개의 프레임씩 상호 비교하고 그 편차에 대응하여 3차 노이즈를 감쇠시켜 주는 3D-NR을 더 구비한 것을 특징으로 하는 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 코덱 내 3D-NR은 해상력 저하가 발생하지 않도록 전체 노이즈 감쇠에 20%를 담당하게 한 것을 특징으로 하는 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 렌즈는,
    F2.0 이상의 렌즈(Fixed type or Varifocal type)를 사용한 것을 특징으로 하는 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 이미지 센서는 최소 800mV 이상의 감도 유지가 가능한 센서를 사용하되, 1440×1024 해상도를 갖는 1.5M 픽셀 이상의 고해상도를 갖는 것으로 채택한 것을 특징으로 하는 저 조도시 컬러 제어기능을 갖는 CCTV 시스템.
  9. 렌즈와 이미지 센서, 이미지 시그널 프로세서(Image Signal Procesor) 및 코덱(Codec)을 구비한 CCTV 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법을 구성함에 있어서,
    상기 이미지 시그널 프로세서에서 상기 이미지 센서를 통하여 전달받은 영상신호의 조도가 저 조도 상태인지를 판단하는 단계와;
    저 조도로 판단된 경우 이미지 센서의 노광 시간을 조정하는 단계와;
    이어서 저 조도에서 촬영된 영상의 게인 값에 따라 저 조도 컬러를 조정하는 서브루틴을 수행하는 단계와;
    저 조도 노이즈를 감쇠시키는 단계와;
    저 조도 영상출력 감마를 조정하는 단계;를 수행하도록 하되,
    저 조도 컬러를 조정하는 서브루틴은,
    현재 조도를 인지하는 게인 값이 정해진 Low값 보다 작거나 같은지, 아니면 Low 보다는 크고 정해진 Middle 보다 작거나 같은지, 또는 Middle 보다는 크고 정해진 High 보다 작거나 같은지, 또는 정해진 High 보다 큰지를 순차적으로 판단하게 단계와;
    상기와 같이 순차적으로 판단한 결과,
    조도를 인지하는 현재 게인 값이 Low값보다 작거나 같으면 컬러 보정을 하지 않고 최대 컬러 게인을 유지하는 단계와;
    현재 게인 값이 Low값보다는 크고 Middle 보다 작거나 같으면, 현재 조도에 맞는 컬러 게인 적용하되, 조도의 저하에 컬러 신호를 보정하기 위하여 선형 보간하는 단계와;
    현재 게인 값이 Middle값보다는 크고 High 보다 작거나 같으면, 컬러 노이즈의 증가분을 억제하기 위해, 컬러 게인에 대한 선형 보간을 실행하는 단계와;
    그러나 현재 게인 값이 High값보다 크면, 조도는 완전히 어두운 상태로 간주하여 컬러 게인의 최소값을 유지하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 CCTV 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 이미지 시그널 프로세서에서 이미지 센서를 통하여 전달받은 영상신호의 조도가 저 조도로 판단하는 기준은,
    0.05~0.08 lux 이하로 설정한 것을 특징으로 하는 CCTV 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법.
  11. 삭제
  12. 청구항 9에 있어서,
    상기 Low 값은 1[DB]로 설정하고,
    Middle 값은 35.1[DB]로 설정하며,
    High 값은 35.1[DB]를 초과하도록 설정한 것을 특징으로 하는 CCTV 시스템의 저 조도시 컬러 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014135627A (ja) * 2013-01-10 2014-07-24 Hitachi Ltd 撮像装置

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