KR101667798B1 - 영상 처리 장치 및 이의 영상 처리 방법 - Google Patents

영상 처리 장치 및 이의 영상 처리 방법 Download PDF

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Abstract

영상 처리 장치 및 이의 영상 처리 방법이 개시된다. 본 발명의 일실시예에 따른 영상 처리 장치는 복수개의 PSF(Point Spread Function)들이 복수개의 라인들에 위치하도록 설정된 PSF 패턴을 생성하는 PSF 패턴 생성부; 아웃 포커싱(out-focusing)된 입력 영상이 에지에 대한, 상기 PSF 패턴의 상기라인들의 스텝 응답으로부터, 상기 입력 영상에 대한 PSF를 추정하는 PSF 추정부; 및 상기 추정된 PSF를 이용하여, 상기 입력 영상을 포커싱(focusing)된 복원 영상으로 복원하는 영상 복원부를 구비한다.

Description

영상 처리 장치 및 이의 영상 처리 방법 {Image Processing device and image processing method}
본 발명은 영상 처리 장치 및 이의 영상 처리 방법에 관한 것으로, 특히 정확하게 점 확산 함수(PSF: Point Spread Function)를 추정하고 이를 이용하여 이미지 복원을 수행함으로써 영상의 질을 개선시킬 수 있는 영상 처리 장치 및 이의 영상 처리 방법에 관한 것이다.
점 확산 함수(PSF: Point Spread Function)를 추정(estimation)하여 영상의 아웃 포커싱(out-focusing) 또는 번짐(blurring) 정도를 알면, 이를 보상함으로써 디지털 자동 초점을 수행할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 정확한 점 확산 함수(PSF: Point Spread Function)를 추정하고 이를 이용하여 영상을 복원함으로써 영상의 질을 개선시킬 수 있는 영상 처리 장치 및 이의 영상 처리 방법을 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 영상 처리 장치는 복수개의 PSF(Point Spread Function)들이 복수개의 라인들에 위치하도록 설정된 PSF 패턴을 생성하는 PSF 패턴 생성부; 아웃 포커싱(out-focusing)된 입력 영상이 에지에 대한, 상기 PSF 패턴의 상기라인들의 스텝 응답으로부터, 상기 입력 영상에 대한 PSF를 추정하는 PSF 추정부; 및 상기 추정된 PSF를 이용하여, 상기 입력 영상을 포커싱(focusing)된 복원 영상으로 복원하는 영상 복원부를 구비한다.
바람직하게는, 상기 PSF 패턴은, 중심점 및 복수개의 중심원들을 구비하고, 복수개의 가로 라인들 및 세로 라인들이 격자점들 중 상기 중심원들 중 최외곽에 위치하는 중심원의 내부에 위치하는 격자점에 상기 복수개의 PSF들이 위치하도록 설정될 수 있다. 이때, 상기 PSF 패턴은, 상기 복수개의 PSF들이 상기 복수개의 가로 라인들 및 세로 라인들 중 가운데위치하는 가로 라인 및 세로 라인에 대하여, 좌우상하 대칭되어 위치하도록 설정될 수 있다.
바람직하게는, 상기 PSF 추정부는, 상기 입력 영상의 수직 방향의 에지에 대한, 상기 PSF 패턴의 세로 라인들의 스텝 응답을 구할 수 있다.
바람직하게는, 상기 PSF 추정부는, 상기 입력 영상의 에지와 상기 PSF 패턴의 각 라인에 대한 컨벌루션을 수행하여, 상기 중심점의 세기 또는 상기 중심원이 세기를 인자로 하는 상기 스텝 응답을 산출하는 스텝 응답 산출부; 상기 스텝 응답으로부터 상기 PSF 패턴의 중심점 및 중심원들의 세기를 구하는 세기 산출부; 및 상기 세기 산출부에 의하여 산출된 중심점 및 중심원들의 세기로부터 상기 PSF 패턴에 속하는 복수개의 PSF들의 추정값을 산출하는 PSF 추정값 산출부를 구비할 수 있다.
바람직하게는, 상기 스텝 응답은, 상기 PSF 패턴의 각 라인들에 위치하는 PSF들이, 상기 중심점 또는 상기 중심원에 위치하는 경우, 위치하는 중심점의 세기 또는 중심원의 세기를 인자로 하고, 상기 PSF 패턴의 각 라인들에 위치하는 PSF들이, 상기 중심점 또는 상기 중심원에 위치하지 아니하는 경우, 인접하여 위치하는 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기를 인자로 하여 산출될 수 있다.
바람직하게는, 상기 세기 산출부는, 상기 PSF 패턴의 일 방향의 라인들에 대한 스텝 응답들 각각의 상기 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기에 대한 인자를 요소로 갖는 행렬을 A라 하고, 상기 중심점 및 중심원들의 세기에 대한 벡터 r이라 하며, 상기 스텝 응답에 대한 벡터를 s라 할 때, 상기 세기 산출부는, 다음의 수학식으로부터 상기 중심점 및 상기 중심원들의 세기를 산출할 수 있다.
Ar = s
바람직하게는, 상기 세기 산출부는, 상기 행렬 A에 대한 의사역행렬(pseudo inverse matrix) A+를 구하여, 다음의 수학식으로부터 상기 중심점 및 상기 중심원들의 세기를 산출할 수 있다.
r = A+s
바람직하게는, 상기 PSF 추정값 산출부는, 상기 PSF 패턴의 각 라인들에 위치하는 PSF들이, 상기 중심점 또는 상기 중심원에 위치하는 경우, 위치하는 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기를 대응되는 PSF로 추정하고, 상기 PSF 패턴의 각 라인들에 위치하는 PSF들이, 상기 중심점 또는 상기 중심원에 위치하지 아니하는 경우, 인접하여 위치하는 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기를 대응되는 PSF로 추정할 수 있다.
바람직하게는, 상기 영상 복원부는, 상기 입력 영상과 상기 추정된 PSF를 디컨벌루션(deconvolution)하여, 상기 입력 영상에 대한 디지털 초점 보정을 수행할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 영상 시스템은, 렌즈로부터 전달되는 피사체의 영상을 촬영하여 영상 신호로 생성하는 촬상 소자; 상기 영상 신호를 수신하여 영상 신호를 처리하는 영상 처리 장치; 및 상기 신호 처리된 영상 신호를 디스플레이하는 디스플레이부를 구비하고, 상기 영상 처리 장치는, 복수개의 PSF(Point Spread Function)들이 복수개의 라인들에 위치하도록 설정된 PSF 패턴을 생성하는 PSF 패턴 생성부; 아웃 포커싱(out-focusing)된 입력 영상이 에지에 대한, 상기 PSF 패턴의 상기 라인들의 스텝 응답으로부터, 상기 입력 영상에 대한 PSF를 추정하는 PSF 추정부; 및 상기 추정된 PSF를 이용하여, 상기 입력 영상을 포커싱(focusing)된 복원 영상으로 복원하는 영상 복원부를 구비한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 장치에서의 영상 처리 방법은, 상기 영상 처리 장치에 의하여, 복수개의 PSF(Point Spread Function)들이 복수개의 라인들에 위치하도록 설정된 PSF 패턴을 생성하는 단계; 상기 영상 처리 장치에 의하여, 아웃 포커싱(out-focusing)된 입력 영상이 에지에 대한, 상기 PSF 패턴의 상기라인들의 스텝 응답으로부터, 상기 입력 영상에 대한 PSF를 추정하는 단계; 및 상기 영상 처리 장치에 의하여, 상기 추정된 PSF를 이용하여, 상기 입력 영상을 포커싱(focusing)된 복원 영상으로 복원하는 단계를 구비한다.
본 발명에 따른 영상 처리 장치 및 이의 영상 처리 방법은, 특별한 패턴의 점 확산 함수(PSF: Point Spread Function)를 입력 영상과 컨벌루션하여 정확하고 용이하게 점 확산 함수를 추정할 수 있는 장점이 있다. 따라서, 본 발명에 따른 영상 처리 장치 및 이의 영상 처리 방법은, 정확한 점 확산 함수(PSF: Point Spread Function)를 이용하여 영상의 아웃 포커싱(out-focusing) 또는 번짐(blurring)을 수정하여 영상을 복원함으로써, 영상의 질을 개선시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 장치를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 3은 PSF를 개념적으로 설명한 도면이다.
도 4는 도 1의 PSF 패턴 생성부에 의해 생성되는 PSF 패턴의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6은 도 1의 스텝 응답 산출부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 1의 스텝 응답 산출부의 동작에 의해 산출된 스텝 응답들을 나타내는 표이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 장치 및 이의 영상 처리 방법에 의하여 복원된 영상과 입력 영상을 비교하기 위한 도면이다.
도 9는 도 1의 영상 처리 장치를 포함하는 영상 시스템을 나타내는 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.도 1은 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 장치(100)는 PSF 패턴 생성부(120), PSF 추정부(140) 및 영상 복원부(160)를 구비한다. PSF 패턴 생성부(120)는 아웃 포커싱된 입력 영상(InIMG)을 복원하는데 사용되는 점 확산 함수(PSF: Point Spread Function, 이하 PSF라 한다)를 추정하기 위한, PSF 패턴(P_PSF)을 생성한다. PSF란, 점 입력이 광학계(렌즈 등)를 통과하였을 때, 실제로 상이 맺히는 면에서 얻어지는 광량분포를 함수로 나타낸 것이다. PSF 추정부(140)는 입력 영상(InIMG)의 아웃포커싱 또는 번짐 정도를 나타내는 PSF를 추정한다. 영상 복원부(160)는 추정된 PSF(E_PSF)를 이용하여 영상을 복원한다. 즉, 영상 복원부(160)는 아웃 포커싱된 입력 영상(InIMG)을 포커싱된 영상(ReIMG)으로 복원한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 방법을 나타내는 순서도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 방법(200)은, PSF 패턴을 생성하는 단계(S220), PSF를 추정하는 단계(S240) 및 영상을 복원하는 단계(S260)를 구비한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 장치 및 이의 영상 처리 방법에 대하여 자세히 설명한다.
도 1의 영상 처리 장치(100)로 입력되는 입력 영상(InIMG)에는, 실물의 한 점(점 광원)으로부터 반사(발산)된 빛이, 이미지 센서(미도시)의 하나의 점으로 캡쳐되지 못함으로써, 아웃 포커싱(out-focusing) 또는 번짐(blurring) 현상이 일어날 수 있다. 아웃 포커싱 또는 번짐의 정도는, 초점을 중심으로 하는 등방성의 확산원(COC: Circle Of Confusion)의 모양에 따라 균일하게 분포된다.
따라서, 아웃 포커싱된 입력 영상을 포커싱(복원)하기 위해서는, 아웃 포커싱된 정도를 알아야 한다. 전술한 바와 같이, 입력 영상(InIMG)의 아웃 포커싱된 정도는 PSF를 추정하여 알 수 있다.
도 3은 PSF를 개념적으로 설명한 도면이다.
도 3을 참조하면, 입력 영상(InIMG)의 한 점(픽셀)에 대한 PSF(h)의 추정치는, 입력 영상(InIMG)의 픽셀들에 대한 중심점(r0) 및 중심원들(r1~r5)의 세기를 구함으로써, 얻을 수 있다. 중심점(r0) 및 중심원들(r1~r5)의 세기란, 광량 등을 나타낼 수 있다.
도 4는 도 1의 PSF 패턴 생성부에 의해 생성되는 PSF 패턴의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 PSF 패턴 생성부(120)는, PSF들(동그라미 표시)이 최외곽 중심원(r5) 또는 최외곽 중심원(r5)의 내부에 위치하고, 각 세로 라인(C1~C11) 및 가로 라인(R1~R11)의 격자점에 위치하도록, PSF 패턴(P_PSF)을 설정한다. 또한, PSF 패턴 생성부(120)는, PSF들이 좌우상하 대칭되도록 PSF 패턴(P_PSF)을 설정한다. 특히, 도 4는 중심점(r0) 및 5개의 중심원(확산원)들(r1~r5)로 특성화되는 PSF 패턴(P_PSF)을 도시한다. 도 4의 하나의 네모칸(pix)은 입력 영상(InIMG)의 한 픽셀에 대응될 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, PSF가 PSF 패턴(P_PSF)의 중심점(r0) 또는 중심원들(r1~r5) 상에 위치하면, PSF는 위치하는 중심원의 세기로 추정된다. 반면, PSF가 중심점(r0) 또는 중심원들(r1~r5) 상에 위치하지 아니하면, PSF는 인접한 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기의 평균값으로 추정된다.
도 4에서, r(0)는 중심 점의 세기를 나타내고, r(k)는 중심원들의 세기를 나타낸다고 하자. 도 4의 PSF 패턴(P_PSF)의 예에서, k는 1, 2, 3, 4, 5일 수 있다. 도 4의 예에서, 중심원 5(r5) 위에 위치하는 PSF는 r(5)이고, 중심원 5(r5)와 중심원 4(r4) 사이에 위치하는 PSF는 (r(5)+r(4))/2이다.
PSF를 수직 방향 위치 i 및 수평 방향 위치 j로 나타내면(h(i,j)), 상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 장치 및 영상 처리 방법에서의 PSF는, 다음의 알고리즘으로 표현될 수 있다.
[알고리즘]
Figure 112010019996571-pat00001

상기 알고리즘에서, r(k)는 중심점, 또는 중심원의 세기를 나타낸다. 그리고, 중심원이 R(R은 1 이상의 정수)개 구비되고, 중심점의 수평 방향 위치 및 수직 방향 위치를 (0,0)이라 할 때, PSF의 수직 방향 위치 i 및 수직 방향 위치 j는 각각, -R부터 R까지의 값을 갖는다.
상가 알고리즘에 기술된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 장치(100) 및 이의 영상 처리 방법(200)에 의하면, PSF가 중심점 또는 중심원에 위치하는 경우(i2 + j2 = k2), PSF는 위치하는 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기인 r(k)로 추정된다. 반면, PSF가 중심점 또는 중심원 상에 위치하지 아니하면((K-1)2<i2 + j2< k2), PSF는 인접한 중심점(r0) 또는 중심원들의 세기의 평균값((r(k)+r(k-1)/2)으로 추정된다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 장치(100) 및 이의 영상 처리 방법(200)에 의하여, PSF를 추정하기 위해서는, 중심점(r0) 또는 중심원들(r1~r5)의 세기를 구해야 한다. 이하에서는, 중심점(r0) 또는 중심원들(r1~r5)의 세기를 구하는 방법에 대하여 자세히 설명한다.
도 1의 PSF 추정부(140)는, 먼저, 스텝 응답 산출부(142)에 의해, 입력 영상(InIMG)의 에지에 대한 스텝 응답(sr)을 산출한다. 스텝 응답 산출부(142)는, 도 5 및 도 6에 도시되는 바와 같이, 도 4와 같은 PSF 패턴(P_PSF)을, 수직방향의 에지(EG)를 포함하는 입력 영상(InIMG)의 다크(dark) 영역(A)으로부터 브라이트(bright) 영역(B)으로 스캐닝(scanning)하며(도 6의 화살표 방향), PSF 패턴(P_PSF)과 수직방향의 에지(EG)를 포함하는 입력 영상(InIMG)을 컨벌루션(convolution)한다. 즉, PSF 패턴(P_PSF)의 세로 라인들(C1~C11)이 영상 입력 영상(InIMG)의 수직방향의 에지(EG)에 위치할 때, 스텝응답(S(J)~S(J+D-1(=11)))이 산출된다. 도 5의 (a) 및 이하에서 설명되는 다크 영역(A)은 도 5의 (a) 등에서 도시되는 것보다 더 어두울 수 있으나, 다크 영역 내의 도면 내용을 표시하기 위해, 흐리게 도시된다.
PSF 패턴(P_PSF)이 도 5의 (a)의 다크 영역(A)에 위치하는 경우(도 5의 (a)의 ①, 도 6의 (a)), 컨벌루션(convolution) 값은 "0"으로 유지된다. PSF 패턴(P_PSF)의 세로 라인 1(C1)이 처음으로 에지(EG)와 만날 때(도 5의 (a)의 ②, 도 6의 (b))부터, 컨벌루션 값은 증가하기 시작한다. PSF 패턴(P_PSF)이 에지(EG)부터 브라이트 영역(B)으로 이동하는 구간(③~⑥)동안, 컨벌루션 값은 증가한다. PSF 패턴(P_PSF)이 완전히 브라이트 영역에 위치하면(도 5의 (a)의 ⑦, 도 6의 (d)), 컨벌루션 값은 일정한 값(x)을 유지한다.
도 5의 (b)의 스텝 응답(sr(j))을 구하는 방법에 대하여 설명한다.
PSF 패턴(P_PSF)에서 에지(EG)와 처음으로 만나는 PSF는, 도 6의 (b)와 같이, PSF 패턴(P_PSF)의 세로 라인 1(C1) 및 가로 라인 6(R6)의 격자점에 위치한다. "J"가 PSF 패턴(P_PSF)이 처음으로 에지(EG)와 만나는 곳의 수평 방향의 위치를 나타낸다고 하면, 세로 라인 1(C1)에 대한 스텝 응답(sr(J))은 다음과 같다.
[수학식 1]
sr(J) = r(5)
PSF 패턴(P_PSF)의 세로 라인 1(C1)이 입력 영상(InIMG)의 에지(EG)와 만난 다음, 도 6의 (c)와 같이 하나의 픽셀만큼 화살표 방향으로 이동하면, PSF 패턴(P_PSF)의 세로 라인 2(C2)가 입력 영상(InIMG)의 에지(EG)와 만나게 된다. PSF 패턴(P_PSF)의 세로 라인 2(C2)에 대한 스텝 응답(sr(J+1))은, 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
sr(J+1) = s(J)+ [2r(5) + 4(r(5) + r(4))/2 + r(4)] = 3r(4) + 5r(5)
수학식 2에서, 세로 라인 2(C2)에 위치하는 7개의 PSF들 중 2개는, 중심원 5(r5)에 위치하고, 4개는 중심원 5(r5)와 중심원 4(r4) 사이에 위치하며, 나머지 한 개는 중심원 4(r4)에 위치한다. 전술한 바와 같이, PSF가 중심점 또는 중심원에 위치하면(i2 + j2 = k2), PSF는, 위치하는 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기인 r(k)의 값으로 추정된다. 그리고, PSF가 중심점 또는 중심원 상에 위치하지 아니하면((K-1)2< i2 + j2 < k2), PSF는, 인접한 중심점(r0) 또는 중심원들의 세기의 평균값((r(k)+r(k-1)/2)으로 추정된다.
따라서, 도 4의 PSF 패턴(P_PSF)의 세로 라인 3(C3) 내지 세로 라인 11(C11)에 대한 스텝 응답도, 수학식 1 및 2를 참조하여 구할 수 있다. 예를 들어, 세로 라인 3(C3)은 세로 라인 2(C2)의 스텝 응답에서, 중심원 5(r5)에 위치하는 2개의 PSF, 중심원 5(r5)와 중심원 4(r4) 사이에 위치하는 2개의 PSF, 중심원 4(r4)와 중심원 3(r3) 사이에 위치하는 4개의 PSF 및 중심원 3(r3)에 위치하는 1개의 PSF의 값을 합하여 구할 수 있다.
상기와 같은 방식으로, PSF 패턴(P_PSF)은 한 픽셀씩 화살표 방향으로 이동하며, 도 6의 (d)와 같이, PSF 패턴(P_PSF)의 왼쪽 최외곽 세로 라인(세로 라인 11, C11)까지, 입력 영상(InIMG)과의 컨벌루션을 수행한다. 그 결과, 도 4의 PSF 패턴(P_PSF)의 예의 경우, 도 7의 표와 같이, 각 세로 라인(C1~C11)에 대한 총 11개의 스텝 응답들(sr(J)~sr(J+10))이 산출된다.
예를 들어, 도 7의 스텝 응답 sr(J)는 도 4의 PSF 패턴(P_PSF)의 세로 라인 1(C1)에 대한 스텝 응답이고, 스텝 응답 sr(J+1)은 도 4의 PSF 패턴(P_PSF)의 세로 라인 2(C2)에 대한 스텝 응답이며, 스텝 응답 sr(J+2)는 도 4의 PSF 패턴(P_PSF)의 세로 라인 3(C3)에 대한 스텝 응답이다.
중심점의 세기 또는 중심원들의 세기를 인자로 하는 스텝 응답들(sr(J)~sr(J+10))에 대한 도 7의 표가 주어지면, PSF 추정부(140)의 세기 검출부(144)는 다음의 선형 방적식 3의 해를 구함으로써, PSF 패턴(P_PSF)의 중심점(r0) 및 중심원들(r1~r5)의 세기를 구할 수 있다. 즉, 수학식 3에서, 스텝 응답에 대한 벡터 s 및 표 7에 대한 행렬 A를 알고 있으므로, 중심점(r0) 및 중심원들(r1~r5)의 세기에 대한 벡터 r을 구할 수 있다.
[수학식 3]
Ar = s
D가 PSF 패턴(P_PSF)의 지름을 나타내고, R이 PSF 패턴에 포함되는 중심원들의 개수를 나타낸다면, 수학식 3에서, A는 도 7의 표와 동일한 값의 요소들을 갖는 Dx(R+1) 행렬이고, r은 중심원들의 세기에 대한 (R+1)x1 벡터이며, s는 스텝 응답들에 대한 Dx1 벡터이다.
도 4의 PSF 패턴(P_PSF)의 예에서, D(=2R+1, R=5)는 11이다.
세기 검출부(144)는, Dx(R+1) 행렬 A는 단수값 분해(SVD: singular value decomposition)에 의해, 다음의 수학식 4와 같이 인수분해될 수 있다.
[수학식 4]
A = USVT
수학식 4에서, U는 DxD 직교 행렬이고, S는 대각선에 위치하는 요소들만 "0"이 아닌 Dx(R+1) 직사각형 행렬(rectangular matrix)이며, V는 (R+1)x(R+1) 직교 행렬이다. 단수값 분해(SVD)는 직교 행렬의 텀이 단위 행렬로 대체되는 콤플렉스 필드(complex field)로 확장될 수 있고, 전치행렬(matrix transpose) T 는 켤레전치(conjugate transpose)로 대체될 수 있다.
따라서, A의 의사역행렬(pseudo inverse matrix) A+는 다음의 수학식 5와 같다.
[수학식 5]
A+ = VS+UT
수학식 5에서, S+는 모두 영이 아닌 엔트리(entry)를 갖는 S의 전치행렬이다.
수학식 3 및 수학식 5로부터, 중심점 및 중심원의 세기에 대한 벡터 r = [r(0), ..., r(k))] T는 다음의 수학식 6과 같이 구할 수 있다.
[수학식 6]
r = A+s
다시 도 1을 참조하면, PSF 추정부(140)의 PSF 추정값 산출부(146)는 전술된 알고리즘에 수학식 6의 r을 대입하여, PSF를 추정한다. 즉, PSF가 중심점 또는 중심원에 위치하는 경우(i2 + j2 = k2), PSF 추정값 산출부(146)는 PSF를 위치하는 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기인 r(k)로 추정한다. 반면, PSF가 중심점 또는 중심원 상에 위치하지 아니하면((K-1)2<i2 + j2< k2), PSF 추정값 산출부(146)는 PSF를 인접한 중심점(r0) 또는 중심원들의 세기의 평균값((r(k)+r(k-1)/2)으로 추정한다.
추정된 PSF(E_PSF)는 도 8의 (a)와 같을 수 있다.
영상 복원부(160)는 추정된 PSF(E_PSF)를 이용하여, 입력 영상(InIMG)을 복원한다. 예를 들어, 영상 복원부(160)는 도 8의 (a)와 같이 추정된 PSF(E_PSF)를 입력 영상(InIMG)과 디컨벌루션(deconvolution)함으로써, 입력 영상(InIMG)에 대한 디지털 초점 보정을 수행하여, 도 8의 (b)와 같이 복원된 영상(ReIMG)으로 출력할 수 있다. 아웃 포커싱된 입력 영상(InIMG) 및 이에 대한 스텝 응답을 나타내는 도 8의 (e)과 비교하면, 도 8의 (b)의 복원된 영상(ReIMG)은, 도 8의 (c)와 같이 이상적인 스텝 응답을 갖는 것을 알 수 있다.
이렇듯, 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 장치 및 이의 영상 처리 방법에 의하면, 특별한 PSF 패턴의 라인 단위로 입력 영상과 컨벌루션하여 이상적인 스텝 응답을 구할 수 있다. 이상적인 스텝 응답을 이용하여 PSF를 추정함으로써, 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 장치 및 이의 영상 처리 방법은 정확하고 용이하게 점 확산 함수를 추정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 영상 처리 장치를 포함하는 영상 시스템을 나타내는 도면이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 영상 시스템(900)은 렌즈(910), 촬상 소자(920) 및 영상 처리 장치(100)를 구비할 수 있다. 또한, 영상 시스템(900)은, 저장부(930) 및 디스플레이부(940)를 더 구비할 수 있다.
촬상 소자(920)는 렌즈(910)를 통해, 피사체(미도시)로부터 영상을 촬영하여 영상 신호를 생성하고, 생성된 영상 신호를 영상 처리 장치(100)로 출력할 수 있다. 촬상 소자(920)는 CIS(CMOS image sensor) 또는 CCD(charge coupled device) 등으로 구현될 수 있다. 촬상 소자(920)의 픽셀 어레이는 100만 픽셀 이상의 많은 픽셀이 배열된 APS(active pixel sensor) 어레이일 수 있다. 촬상 소자(920)는 APS 어레이의 픽셀마다 구비되는 광소자(photodiode)를 이용하여, 피사체(미도시)로부터 영상을 촬상하여 R, G, B로 이루어진 영상 신호를 생성할 수 있다. APS 어레이를 이루는 각 픽셀 상부에는 특정 색의 빛만 받아들이도록 3가지 종류의 색상 필터(color filter)가 베이어(Bayer) 패턴 형태로 설치될 수 있다. 따라서, 촬상 소자(920)에서 출력되는 영상 신호는, 베이어 패턴을 가질 수 있다.
도 9에 도시된 영상 처리 장치(100)는, 일반적인 ISP(Image Signal Processor)로, 도 1의 PSF 패턴 생성부(120), PSF 추정부(140) 및 영상 복원부(160)를 포함할 수 있다.
도 9의 영상 처리 장치(100)는, 도 1의 영상 복원부(160)의 기능에 더하여, 보간(interpolation) 처리, 감마 보정(gamma correction), 윤곽 강조(edge enhancement), 자동 노출(auto exposure, AU) 제어, 자동 백색조정(auto white balance, AWB) 제어 및 디지털 줌(digital zoom) 중의 적어도 하나의 기능을 더 수행할 수 있다.
렌즈(910)는 피사체(미도시)와 촬상 소자(920) 사이에 배치되어, 촬상 소자(920)로 전달되는 피사체(미도시)의 영상을 굴절시킬 수 있다. 본 발명의 일실시예에 따른 영상 시스템(900)에 구비되는 렌즈(910)는 연장된 초점 심도(Extended Depth of Field, EDoF)를 갖는 EDoF 렌즈일 수 있다.
저장부(930)는, 영상 처리 장치(100)에서 출력된 영상 신호를 입력받아 저장할 수 있다. 영상 처리 장치(100)에서 출력되는 영상 신호는 저장부(930)에 저장되기 전에, JPEG(Joint Photographic Expert Group) 또는 MPEG(Moving Picture Experts Group)과 같은 규격으로 압축될 수도 있다. 본 발명의 실시예에 따른 영상 시스템(900)에 구비되는 저장부(930)는, DRAM(dynamic random access memory) 또는 플래시 메모리와 같은 일반적인 메모리 장치일 수 있다.
디스플레이부(940)는 영상 처리 장치(100)에서 출력된 영상 신호를 입력받아 화면에 표시할 수 있다. 영상 처리 장치(100)에서 출력되는 영상 신호는 해상도 변환이 이루어진 후에 디스플레이부(940)로 출력될 수도 있다. 본 발명의 실시예에 따른 영상 시스템(900)에 구비되는 디스플레이부(940)는 액정 표시 장치(liquid crystal display, LCD)와 같은 일반적인 디스플레이 장치일 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 영상 시스템(900)은, 휴대폰 카메라, 또는 디지털 스틸 카메라(digital still camera) 등에 구비될 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 영상 처리 장치에 있어서,
    복수개의 PSF(Point Spread Function)들이 복수개의 라인들에 위치하도록 설정된 PSF 패턴을 생성하는 PSF 패턴 생성부;
    아웃 포커싱(out-focusing)된 입력 영상이 에지에 대한, 상기 PSF 패턴의 상기라인들의 스텝 응답으로부터, 상기 입력 영상에 대한 PSF를 추정하는 PSF 추정부; 및
    상기 추정된 PSF를 이용하여, 상기 입력 영상을 포커싱(focusing)된 복원 영상으로 복원하는 영상 복원부를 구비하고,
    상기 PSF 패턴은,
    중심점 및 복수개의 중심원들을 구비하고, 복수개의 가로 라인들 및 세로 라인들이 격자점들 중 상기 중심원들 중 최외곽에 위치하는 중심원의 내부에 위치하는 격자점에 상기 복수개의 PSF들이 위치하도록 설정되고,
    상기 PSF 추정부는,
    상기 입력 영상의 에지와 상기 PSF 패턴의 각 라인에 대한 컨벌루션을 수행하여, 상기 중심점의 세기 또는 상기 중심원들의 세기를 인자로 하는 상기 스텝 응답을 산출하는 스텝 응답 산출부;
    상기 스텝 응답으로부터 상기 PSF 패턴의 중심점 및 중심원들의 세기를 구하는 세기 산출부; 및
    상기 세기 산출부에 의하여 산출된 중심점 및 중심원들의 세기로부터 상기 PSF 패턴에 속하는 복수개의 PSF들의 추정값을 산출하는 PSF 추정값 산출부를 구비하고,
    상기 세기 산출부는,
    상기 PSF 패턴의 일 방향의 라인들에 대한 스텝 응답들 각각의 상기 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기에 대한 인자를 요소로 갖는 행렬을 A라 하고, 상기 중심점 및 중심원들의 세기에 대한 벡터 r이라 하며, 상기 스텝 응답에 대한 벡터를 s라 할 때,
    다음의 수학식으로부터 상기 중심점 및 상기 중심원들의 세기를 산출하고,
    Ar = s
    상기 행렬 A에 대한 의사역행렬(pseudo inverse matrix) A+를 구하여, 다음의 수학식으로부터 상기 중심점 및 상기 중심원들의 세기를 산출하는 것을 특징으로 하는 영상 처리 장치.
    r = A+s
  2. 삭제
  3. 제1 항에 있어서, 상기 PSF 추정부는,
    상기 입력 영상의 수직 방향의 에지에 대한, 상기 PSF 패턴의 세로 라인들의 스텝 응답을 구하는 것을 특징으로 하는 영상 처리 장치.
  4. 삭제
  5. 제1 항에 있어서, 상기 스텝 응답은,
    상기 PSF 패턴의 각 라인들에 위치하는 PSF들이, 상기 중심점 또는 상기 중심원에 위치하는 경우, 위치하는 중심점의 세기 또는 중심원의 세기를 인자로 하고,
    상기 PSF 패턴의 각 라인들에 위치하는 PSF들이, 상기 중심점 또는 상기 중심원에 위치하지 아나하는 경우, 인접하여 위치하는 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기를 인자로하여 산출되는 것을 특징으로 하는 영상 처리 장치.
  6. 삭제
  7. 제1 항에 있어서, 상기 PSF 추정값 산출부는,
    상기 PSF 패턴의 각 라인들에 위치하는 PSF들이, 상기 중심점 또는 상기 중심원에 위치하는 경우, 위치하는 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기를 대응되는 PSF로 추정하고,
    상기 PSF 패턴의 각 라인들에 위치하는 PSF들이, 상기 중심점 또는 상기 중심원에 위치하지 아나하는 경우, 인접하여 위치하는 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기를 대응되는 PSF로 추정하는 것을 특징으로 하는 영상 처리 장치.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 영상 복원부는,
    상기 입력 영상과 상기 추정된 PSF를 디컨벌루션(deconvolution)하여, 상기 입력 영상에 대한 디지털 초점 보정을 수행하는 것을 특징으로 하는 영상 처리 장치.
  9. 영상 시스템에 있어서,
    렌즈로부터 전달되는 피사체의 영상을 촬영하여 영상 신호로 생성하는 촬상 소자;
    상기 영상 신호를 수신하여 처리하는 영상 처리 장치; 및
    상기 신호 처리된 영상 신호를 디스플레이하는 디스플레이부를 구비하고,
    상기 영상 처리 장치는,
    복수개의 PSF(Point Spread Function)들이 복수개의 라인들에 위치하도록 설정된 PSF 패턴을 생성하는 PSF 패턴 생성부;
    상기 PSF 패턴의 상기 라인들의 스텝 응답으로부터, 상기 수신된 영상 신호에 대한 PSF를 추정하는 PSF 추정부; 및
    상기 추정된 PSF를 이용하여, 상기 수신된 영상 신호를 포커싱(focusing)된 복원 영상으로 복원하는 영상 복원부를 구비하고,
    상기 PSF 패턴은,
    중심점 및 복수개의 중심원들을 구비하고, 복수개의 가로 라인들 및 세로 라인들이 격자점들 중 상기 중심원들 중 최외곽에 위치하는 중심원의 내부에 위치하는 격자점에 상기 복수개의 PSF들이 위치하도록 설정되고,
    상기 PSF 추정부는,
    상기 수신된 영상 신호의 에지와 상기 PSF 패턴의 각 라인에 대한 컨벌루션을 수행하여, 상기 중심점의 세기 또는 상기 중심원들의 세기를 인자로 하는 상기 스텝 응답을 산출하는 스텝 응답 산출부;
    상기 스텝 응답으로부터 상기 PSF 패턴의 중심점 및 중심원들의 세기를 구하는 세기 산출부; 및
    상기 세기 산출부에 의하여 산출된 중심점 및 중심원들의 세기로부터 상기 PSF 패턴에 속하는 복수개의 PSF들의 추정값을 산출하는 PSF 추정값 산출부를 구비하고,
    상기 세기 산출부는,
    상기 PSF 패턴의 일 방향의 라인들에 대한 스텝 응답들 각각의 상기 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기에 대한 인자를 요소로 갖는 행렬을 A라 하고, 상기 중심점 및 중심원들의 세기에 대한 벡터 r이라 하며, 상기 스텝 응답에 대한 벡터를 s라 할 때,
    다음의 수학식으로부터 상기 중심점 및 상기 중심원들의 세기를 산출하고,
    Ar = s
    상기 행렬 A에 대한 의사역행렬(pseudo inverse matrix) A+를 구하여, 다음의 수학식으로부터 상기 중심점 및 상기 중심원들의 세기를 산출하는 것을 특징으로 하는 영상 시스템.
    r = A+s
  10. 영상 처리 장치에서의 영상 처리 방법에 있어서,
    상기 영상 처리 장치에 의하여, 복수개의 PSF(Point Spread Function)들이 복수개의 라인들에 위치하도록 설정된 PSF 패턴을 생성하는 단계;
    상기 영상 처리 장치에 의하여, 아웃 포커싱(out-focusing)된 입력 영상이 에지에 대한, 상기 PSF 패턴의 상기 라인들의 스텝 응답으로부터, 상기 입력 영상에 대한 PSF를 추정하는 단계; 및
    상기 영상 처리 장치에 의하여, 상기 추정된 PSF를 이용하여, 상기 입력 영상을 포커싱(focusing)된 복원 영상으로 복원하는 단계를 구비하고,
    상기 PSF 패턴을 생성하는 단계는,
    중심점 및 복수개의 중심원들을 구비하고, 복수개의 가로 라인들 및 세로 라인들이 격자점들 중 상기 중심원들 중 최외곽에 위치하는 중심원의 내부에 위치하는 격자점에 상기 복수개의 PSF들이 위치하도록 설정되고,
    상기 PSF를 추정하는 단계는,
    상기 입력 영상의 에지와 상기 PSF 패턴의 각 라인에 대한 컨벌루션을 수행하여, 상기 중심점의 세기 또는 상기 중심원들의 세기를 인자로 하는 상기 스텝 응답을 산출하는 단계;
    상기 스텝 응답으로부터 상기 PSF 패턴의 중심점 및 중심원들의 세기를 산출하는 단계; 및
    상기 세기를 산출하는 단계에 의하여 산출된 중심점 및 중심원들의 세기로부터 상기 PSF 패턴에 속하는 복수개의 PSF들의 추정값을 산출하는 단계를 구비하고,
    상기 세기를 산출하는 단계는,
    상기 PSF 패턴의 일 방향의 라인들에 대한 스텝 응답들 각각의 상기 중심점의 세기 또는 중심원들의 세기에 대한 인자를 요소로 갖는 행렬을 A라 하고, 상기 중심점 및 중심원들의 세기에 대한 벡터 r이라 하며, 상기 스텝 응답에 대한 벡터를 s라 할 때,
    다음의 수학식으로부터 상기 중심점 및 상기 중심원들의 세기를 산출하고,
    Ar = s
    상기 행렬 A에 대한 의사역행렬(pseudo inverse matrix) A+를 구하여, 다음의 수학식으로부터 상기 중심점 및 상기 중심원들의 세기를 산출하는 것을 특징으로 하는 영상 처리 방법.
    r = A+s
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