KR101627795B1 - 키-프레임과 자이로 스코프를 이용한 롤링-셔터 보정 방법 및 이를 적용한 촬영장치 - Google Patents

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Abstract

키-프레임과 자이로 스코프를 이용한 롤링-셔터 보정 방법 및 이를 적용한 촬영장치가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 롤링-셔터 보정 방법은, 키-프레임의 특징점들을 추출하고, 카메라를 움직이면서 획득한 프레임의 특징점들을 추출하며, 키-프레임의 특징점들과 프레임의 특징점들을 기반으로 프레임에서의 라인 딜레이를 추정하여, 프레임의 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 보정한다. 이에 의해, 키-프레임을 이용하여 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡으로 나타나는 라인 딜레이를 정확하게 추정하여 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 보정할 수 있게 된다.

Description

키-프레임과 자이로 스코프를 이용한 롤링-셔터 보정 방법 및 이를 적용한 촬영장치{Method for Rolling Shutter Correction with Key-Frame and Gyroscope and Photographing Apparatus using the same}
본 발명은 롤링-셔터(Rolling Shutter)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 롤링-셔터를 사용하는 카메라에서 발생할 수 있는 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 측정하고 보정하는 방법에 관한 것이다.
글로벌 셔터와 달리, 롤링-셔터를 사용하는 카메라는 움직임이 크거나 흔들림이 심할 경우 또는 움직임 객체(이동체)의 움직임이 카메라에 비하여 상대적으로 빠른 경우에 영상 블러 현상(Blur effect)과 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡이 관측된다.
이와 같은 모션 블러(Motion blur)나 롤링-셔터 효과는, 영상 자체에 대해 왜곡을 발생시킴은 물론, 특징점 매칭의 정확도 감소로 프레임간 모션 추출이 부정확해지는 등의 문제를 야기시킨다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 키-프레임을 이용하여 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡으로 나타나는 라인 딜레이를 정확하게 추정하여 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 보정하는 롤링-셔터 보정 방법 및 이를 적용한 카메라를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 라인 딜레이 추정 후에는 카메라의 자이로 스코프에서의 각속도 측정만으로 롤링-셔터 보정을 수행할 수 있도록 하는 방법 및 이를 적용한 카메라를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 롤링-셔터 보정 방법은, 키-프레임의 특징점들을 추출하는 추출단계; 카메라를 움직이면서 획득한 프레임의 특징점들을 추출하는 추출단계; 키-프레임의 특징점들과 프레임의 특징점들을 기반으로, 프레임에서의 라인 딜레이를 추정하는 단계; 및 추정된 라인 딜레이를 이용하여, 프레임의 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 보정하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 라인 딜레이 추정단계는, 키-프레임의 특징점들을 변환하여 프레임으로 이동시키는 단계; 프레임의 특징점들과 키-프레임의 특징점들을 매칭시키는 단계; 및 매칭 결과를 기초로, 프레임에서의 라인 딜레이를 추정하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 라인 딜레이는, 프레임의 특징점들과 키-프레임의 특징점들 간의 거리를 기반으로 추정할 수 있다.
그리고, 상기 카메라는, 턴-테이블에 올려져 회전하면서 프레임을 획득하고, 상기 이동 단계는, 상기 키-프레임의 특징점들을 강체 회전 변환하여 상기 프레임으로 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 키-프레임은, 상기 카메라의 움직임이 없고 움직이는 객체가 없는 프레임일 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따른 롤링-셔터 보정 방법은, 카메라의 움직임 정보를 획득하는 단계; 상기 카메라의 움직임 정보와 상기 라인 딜레이를 이용하여, 프레임의 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 보정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 롤링-셔터 보정 방법은, 상기 키-프레임과 상기 프레임으로부터 파악된 움직임 정보를 참조하여, 상기 움직임 정보를 보정하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 촬영 장치는, 촬영을 통해 프레임들을 획득하는 카메라; 및 키-프레임의 특징점들을 추출하고, 상기 카메라를 움직이면서 획득한 프레임의 특징점들을 추출하여, 키-프레임의 특징점들과 프레임의 특징점들을 기반으로 프레임에서의 라인 딜레이를 추정하고, 추정된 라인 딜레이를 이용하여 프레임의 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 보정하는 영상 프로세서;를 포함한다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 키-프레임을 이용하여 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡으로 나타나는 라인 딜레이를 정확하게 추정하여 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 보정할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 라인 딜레이 추정 후에는 카메라의 자이로 스코프에서의 각속도 측정만으로 실시간 롤링-셔터 보정이 가능해진다.
그리고, 본 발명의 실시예들에 따르면, 조명 변화(Illumination changes)와 겹침 현상(Large Occlusion)에 강인한 롤링-셔터 보정이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤링-셔터 보정 방법의 과정 설명에 제공되는 도면,
도 2는 특징점 매칭과 라인 딜레이 추정 결과를 예시한 도면,
도 3 및 도 4는, 도 1에 도시된 롤링-셔터 보정 방법에 따른 보정 결과를 예시한 도면들, 그리고,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촬영장치의 블럭도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 롤링-셔터 보정(Rolling Shutter Rectification) 방법의 과정 설명에 제공되는 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 롤링-셔터 보정 방법은, 롤링-셔터를 사용하는 카메라에서 발생할 수 있는 롤링-셔터 효과를 측정/보정한다.
롤링-셔터 효과는 카메라의 움직임이 빠를 경우 주로 관측되며 프레임을 라인별로 순차적 스캔하는 롤링-셔터의 특성 때문에 관측되는 왜곡 현상이다. 롤링-셔터를 사용하는 경우, 프레임의 각 라인을 스캔 시작하는 시간이 다르기 때문에, 프레임 라인별로 다른 모션을 가지게 된다.
이를 해결하기 위해서는, 카메라의 모션과 라인별로 프레임을 스캔 시작하는 시간 차를 나타내는 라인 딜레이[line delay(tl)]를 추정하여 글로벌 셔터와 같이 라인 딜레이(tl)를 0으로 만드는 모션을 적용하여 보정한다.
본 발명의 실시예에 따른 롤링-셔터 보정 방법은 키-프레임을 이용한다. 여기서, 키-프레임이란, 카메라의 움직임이 없고 움직임 객체(이동체)가 없는 프레임으로, 이와 같은 상황을 인위적으로 만들어 생성한 프레임을 말한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 롤링-셔터 보정 방법에서는, 롤링-셔터 효과 측정 과정을 통해 라인 딜레이가 추정되면, 이후에는 키-프레임 없이 카메라의 자이로 스코프(Gyroscope)로 각속도만을 측정하여 롤링-셔터 효과 보정이 실시간으로 가능하도록 한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 롤링-셔터 보정 방법에서는, 도 1에 도시된 바와 같이, 먼저, 롤링-셔터를 사용하고 있고 자이로 스코프가 내장된 카메라를 턴-테이블(Turn table)에 올려놓고 키-프레임을 획득한 후에, 턴-테이블을 좌/우로 회전시키며 프레임을 획득한다(S110).
본 발명의 실시예에서는, 카메라 모션을 강체 회전 변환(Rigid-body Rotation)으로 가정하고 있기 때문에 라인 딜레이(tl) 추정을 위한 입력 프레임 또한 순수 회전 변환을 갖도록 카메라를 턴테이블에 올려놓고 프레임을 취득하는 것이다.
롤링-셔터는 라인 단위로 스캔이 이루어지기 때문에, 각 라인의 스캔 시작 시점이 각기 달라 라인별로 다른 모션을 가지게 되는바, 롤링-셔터 효과에 의한 영상 왜곡은 전술한 라인 딜레이[line delay(tl)]로 표현할 수 있다. 라인 딜레이(tl)는 이전 라인의 스캔 시작 시점과 현재 라인의 스캔 시작 시점의 시간차이다.
라인 딜레이(tl)는 S110단계에서 생성되는 키-프레임과 입력 프레임들 간의 특징점 대응관계를 추출하여 추정한다.
이를 위해, 먼저 키-프레임과 입력 프레임 간의 특징점 매칭을 통해 프레임 간 초기 강체 회전 변환을 추정하고, 키-프레임에서 추출된 특징점들을 입력 프레임으로 강체 회전 변환시켜 입력 프레임에서 추출된 특징점들과 매칭시킨다(S120).
여기서, 강체 회전 변환은 키-프레임 시작 시점부터 입력 프레임 시작 시점까지의 모션으로 가정한다. 강체 변환된 키-프레임의 특징점들은 롤링-셔터 왜곡 없이 강체 회전 변환만에 의한 모션을 갖는 반면, 입력 프레임의 특징점들은 강체 회전 변환과 롤링-셔터 왜곡에 인한 모션을 갖는다.
따라서, 입력 프레임의 특징점들과 강체 회전 변환된 키-프레임의 특징점들 간의 차이(거리)가 롤링-셔터 왜곡을 나타낸다.
롤링-셔터 효과가 없다면(즉, 글로벌 셔터의 경우에는), 강체 회전 변환된 키-프레임의 특징점들과 입력 프레임의 특징점들은 일치할 것이다. 하지만, 롤링-셔터 효과가 있는 경우, 도 2에 나타난 바와 같이, 강체 회전 변환된 키-프레임의 특징점들과 입력 프레임의 특징점들은 차이(거리)가 발생하는데, 라인 별 차이가 라인 딜레이(tl)에 해당한다.
이에 따라, 변환된 키-프레임의 특징점들과 입력 프레임의 특징점들 간의 차이(거리)들을 계산하여 라인 딜레이(tl)를 추정하게 된다(S130).
롤링-셔터 효과에 의한 왜곡은 강체 회전 변환에 라인 딜레이(tl)를 적용한 변환으로 나타내며, 강체 회전 변환은 프레임 간 각속도로 변환하여 사용한다. 최적화 과정을 통하여, 입력 프레임으로 변환된 키-프레임의 특징점들과 이들에 대응하는 입력 프레임의 특징점들 간의 거리를 최소로 하는 라인 딜레이(tl)를 추정하며, 이는 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112014125427055-pat00001
이후, S130단계에서 추정된 라인 딜레이(tl)와 최적화된 프레임 간 각속도를를 기초로, 롤링-셔터 효과에 해당하는 모션을 구하고 이의 역변환을 통하여 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 보정한다(S140).
이는, 각속도와 라인 딜레이(tl)를 아래의 역회전 변환식에 대입하여, 입력 프레임의 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 보정할 수 있게 된다.
Figure 112014125427055-pat00002
한편, S110단계에서의 턴-테이블의 회전에 의해, 카메라의 자이로 스코프에서는 회전에 상응하는 각속도가 측정된다(S150).
하지만, 카메라에 의해 생성되는 영상과 자이로 스코프에 생성되는 각속도는 동일한 타임 스탬프를 공유하지 않기 때문에, 동기화 되어 있지 않다. 또한, 자이로 스코프의 사양에 따라 Drift와 노이즈 특성이 다르다.
이 때문에, S120단계를 통해 측정된 프레임 간 각속도와 S150단계에서 측정된 각속도를 비교하여, 자이로 스코프에 대한 캘리브레이션을 수행하여(S160), 자이로 스코프에서 측정된 각속도가 S120단계를 통해 측정된 각속도와 최대한 비슷해지도록 보정한다(S170). 이에, 자이로 스코프와 카메라 영상을 동기화시킬 수 있게 된다.
이후, 자이로 스코프를 통해 획득되는 각속도와 S130단계에서 추정된 타임 딜레이(tl)를 이용하여, 이후 키-프레임 없이도 실시간으로 입력되는 프레임에 대한 롤링-셔터 왜곡 보정이 가능해진다(S180).
도 1에 도시된 롤링-셔터 보정 방법에 따른 보정 결과를 도 3과 도 4에 예시하였다. 도 3과 도 4의 우측에는 롤링-셔터 효과에 의해 왜곡이 발생한 영상들을, 도 3과 도 4의 좌측에는 롤링-셔터 보정이 수행된 영상들을, 각각 나타내었다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 촬영장치의 블럭도이다. 본 발명의 실시예에 따른 촬영장치는, 도 5에 도시된 바와 같이, 카메라(110), 자이로 스코프(120), 영상 프로세서(130), 프로세서(140) 및 출력부(150)를 포함한다.
카메라(110)는 촬영을 통해 프레임들을 획득하는데, 획득되는 프레임에는 키-프레임도 포함된다. 자이로 스코프(120)는 카메라(110)의 각속도를 측정하고, 측정된 각속도를 프로세서(140)에 전달한다.
영상 프로세서(130)는 도 1에 도시된 롤링-셔터 보정 방법에 따라 카메라(110)를 통해 획득한 프레임에서 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 보정하고, 프로세서(140)는 자이로 스코프(120)가 측정한 각속도를 보정하여 카메라(110)와 자이로 스코프(120) 간 동기화를 수행한다.
출력부(150)는 영상 프로세서(130)에서 롤링-셔터 보정된 영상이 출력되는데, 디스플레이를 통한 출력은 물론 외부기기 전송에 의한 출력 모두를 포함한다.
지금까지, 롤링-셔터 보정 방법과 이를 적용한 촬영장치에 대해 바람직한 실시예들을 들어 상세히 설명하였다.
위 실시예에서, 롤링-셔터 효과가 발생하는 상황으로 카메라의 회전을 상정하였으나, 회전 이외의 다른 움직임에 의해 롤링-셔터 효과가 발생하는 경우에도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.
아울러, 타임 딜레이 추정을 위해 특징점들을 추출하여 매칭하는 기법을 사용하였으나 다른 기법을 사용할 수도 있다. 예를 들어, 에지를 추출하여 매칭하는 기법을 통해 타임 딜레이를 추정하는 것이 가능하다.
나아가, 특정 패턴이나 마커가 있는 보드를 촬영하면서, 타임 딜레이 추정을 위한 캘리브레이션을 수행하는 것이 가능하다. 타임 딜레이 추정에 적합한 패턴/마커가 있는 것으로 족하며, 그 종류에 대한 제한은 없다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
110 : 카메라
120 : 자이로 스코프
130 : 영상 프로세서
140 : 프로세서
150 : 출력부

Claims (8)

  1. 키-프레임의 특징점들을 추출하는 추출단계;
    카메라를 움직이면서 획득한 프레임의 특징점들을 추출하는 추출단계;
    키-프레임의 특징점들과 프레임의 특징점들을 기반으로, 프레임에서의 라인 딜레이를 추정하는 단계; 및
    추정된 라인 딜레이를 이용하여, 프레임의 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 보정하는 단계;를 포함하고,
    상기 라인 딜레이 추정단계는,
    키-프레임의 특징점들을 변환하여 프레임으로 이동시키는 단계;
    프레임의 특징점들과 키-프레임의 특징점들을 매칭시키는 단계; 및
    매칭 결과를 기초로, 프레임에서의 라인 딜레이를 추정하는 단계;를 포함하며,
    상기 카메라는,
    턴-테이블에 올려져 회전하면서 프레임을 획득하고,
    상기 이동 단계는,
    상기 키-프레임의 특징점들을 강체 회전 변환하여 상기 프레임으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 롤링-셔터 보정 방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 라인 딜레이는,
    프레임의 특징점들과 키-프레임의 특징점들 간의 거리를 기반으로 추정하는 것을 특징으로 하는 롤링-셔터 보정 방법.
  4. 삭제
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 키-프레임은,
    상기 카메라의 움직임이 없고 움직이는 객체가 없는 프레임인 것을 특징으로 하는 롤링-셔터 보정 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    카메라의 움직임 정보를 획득하는 단계;
    상기 카메라의 움직임 정보와 상기 라인 딜레이를 이용하여, 프레임의 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 보정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 롤링-셔터 보정 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 키-프레임과 상기 프레임으로부터 파악된 움직임 정보를 참조하여, 상기 카메라의 움직임 정보를 보정하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 롤링-셔터 보정 방법.
  8. 촬영을 통해 프레임들을 획득하는 카메라; 및
    키-프레임의 특징점들을 추출하고, 상기 카메라를 움직이면서 획득한 프레임의 특징점들을 추출하여, 키-프레임의 특징점들과 프레임의 특징점들을 기반으로 프레임에서의 라인 딜레이를 추정하고, 추정된 라인 딜레이를 이용하여 프레임의 롤링-셔터 효과에 의한 왜곡을 보정하는 영상 프로세서;를 포함하고,
    상기 카메라는,
    턴-테이블에 올려져 회전하면서 프레임을 획득하고,
    상기 영상 프로세서는,
    키-프레임의 특징점들을 강체 회전 변환하여 프레임으로 이동시키고, 프레임의 특징점들과 키-프레임의 특징점들을 매칭시키며, 매칭 결과를 기초로 프레임에서의 라인 딜레이를 추정하는 것을 특징으로 하는 촬영 장치.
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