KR102244082B1 - 저조도 환경에서의 고속 자동초점 조정장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 자동초점 조정장치 및 방법은, 영상 신호의 주파수 성분과 가중치를 곱한 밝기 성분으로 초점값 함수를 산출하고, 그 함수로부터 정초점값을 찾음으로써, 주변의 조도가 낮아서 빛의 양을 증폭하여 영상 신호에 노이즈가 많은 경우나, 스팟 광원이 존재하여 촬상 장치가 처리하는 디지털 영상 신호가 기준 휘도값보다 높은 휘도값을 갖는 픽셀을 다수 포함하는 경우에도, 빠르고 정확하게 초점을 맞출 수 있다.

Description

저조도 환경에서의 고속 자동초점 조정장치 및 방법 {Apparatus and method for fast auto-focusing in low-luminance}

본 발명은 고속 자동초점 조정장치 및 그 방법에 관한 것으로, 구체적으로는 조도가 낮은 환경에서 촬상 장치가 줌 렌즈가 배율을 변경하기 위해 위치가 바뀌는 경우, 그때 초점을 빠르게 맞추기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

자동 초점 기능은 초점이 맞지 않아서 흐릿한 피사체의 영상을 초점 렌즈의 위치를 조절하여 이미지 센서에 선명하게 맺히도록 하는 기능으로, IRAF(Infrared Auto-Focusing), TTLAF(Through-The-Lens Auto-Focusing), CDAF(Contrast Detection Auto-Focusing) 기술이 알려져 있다.

이 중 CDAF는 영상의 주파수 성분을 계산하여 초점 위치를 추정하는 방식이며, 이때 영상의 주파수 성분을 구하는 방법으로 FIR(Finite Impulse Response)필터, IIR(infinite Impulse Response) 필터, DCT(Discrete Cosine Transform) 필터 등을 이용할 수 있다.

도 1은 초점 렌즈의 위치에 따른, Focus Value(이하, 초점값)를 도식적으로 나타낸다.

영상 내 지정된 윈도우에서 추출한 주파수 성분의 합을 초점값이라고 하며, 초점값이 가장 큰 지점이 정초점(In-focus)이 된다. 정초점값을 찾는 방법으로서, 도 1과 같은 Focus Value Curve에서는 힐 클라임 알고리즘(Hill Climbing Algorithm)을 이용하며, 휘도값을 그래프로 나타낸 Intergrated Luminance Value Curve에서는 밸리 디센딩 알고리즘(Valley Descending Algorithm)을 이용한다.

국내공개특허 제2010-0136862호

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 주변의 조도가 낮은 환경이나 스팟(Spot) 광원이 존재하여 영상 신호의 휘도가 기준 휘도값보다 높은 환경에서, 초점을 빠르고 정확하게 맞출 수 있는 자동초점 조정장치 및 방법을 제공하는 데에 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1실시 예에 따른 고속 자동 초점 조정장치는 이산 코사인 변환을 적용하여, 촬상장치에 수신되는 영상 신호를 밝기 성분과 주파수 성분으로 나누는 이산 코사인 변환부; 상기 영상 신호를 수신할 때의 조도값이 기저장된 조도값보다 낮은 경우, 상기 촬상장치의 밝기 증폭값과 상기 영상 신호의 휘도값을 고려하여 가중치를 0이 아닌 수로 결정하고, 그 외에는 상기 가중치를 0으로 결정하는 저조도 판단부; 및 상기 주파수 성분과, 상기 가중치를 곱한 상기 밝기 성분으로, 초점 렌즈의 위치에 대한 초점값을 산출하고, 정초점값을 갖는 초점 렌즈의 위치를 구하는 렌즈 위치 산출부;를 포함한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제 1실시 예에 따른 고속 자동 초점 조정방법은 이산 코사인 변환을 적용하여, 촬상장치에 수신되는 영상 신호를 밝기 성분과 주파수 성분으로 나누는 이산 코사인 변환 단계; 상기 영상 신호를 수신할 때의 조도값이 기저장된 조도값보다 낮은 경우, 상기 촬상장치의 밝기 증폭값과 상기 영상 신호의 휘도값을 고려하여 가중치를 0이 아닌 수로 결정하고, 그 외에는 상기 가중치를 0으로 결정하는 저조도 판단 단계; 및 상기 주파수 성분과, 상기 가중치를 곱한 상기 밝기 성분으로, 초점 렌즈의 위치에 대한 초점값을 산출하고, 정초점값을 갖는 초점 렌즈의 위치를 구하는 렌즈 위치 산출단계;를 포함한다.

본 발명에 따른 고속 자동초점 조정장치 및 방법을 이용하면 주변의 조도가 낮거나 스팟 광원이 존재하여 영상 신호에 노이즈가 많이 발생하고, 주파수 성분이 왜곡되기 쉬운 조건에서도, 촬상 장치의 초점을 빠르고 정확하게 맞출 수 있다.

도 1은 초점 렌즈의 위치에 따른, Focus Value(이하, 초점값)를 도식적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 자동초점 조정장치를 구성하는 이산 코사인 변환부와 렌즈 위치 산출부를 나타낸 블록도이다.
도 3a는 이산 코사인 변환부에 의해 이산 코사인변환이 적용된 영상 신호의 밝기 성분과 주파수 성분을 나타낸다.
도 3b는 영상 신호에 2차원 이산 코사인변환을 적용시킨 결과를 상세히 나타낸다.
도 4는 밝기 성분이 정초점으로 갈수록 낮아지는 모습을 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 자동초점 조정방법을 나타낸 순서도이다.
도 6은 초점값 함수에서 정초점값을 찾기 위한 방법 중 하나인 힐 클라임 알고리즘(Hill Climb Algorithm)이 적용되는 순서를 나타낸 흐름도이다.
도 7은 저조도 스팟 환경에서 산출한 두 초점값 함수를 도식적으로 나타낸다.
도 8은 도 7과 동일한 조건에서 A 함수를 산출하는 데 필요한 가중치 결정 상수에 50을 적용했을 때의 초점값 함수(이하, A' 함수)를 도식적으로 나타내고 있다.
도 9는 도 7과 동일한 조건에서 A 함수의 가중치 결정상수를 임의의 값으로 결정하여 산출한 초점값 함수(이하, A'' 함수)를 그래프로 나타낸다.
도 10은 가중치 결정상수가 다른 두 초점값 함수를 하나의 좌표축에 나타낸다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따라, 가중치 결정 상수를 변경해가며 정초점값을 찾는 방법에 대한 순서도를 나타낸다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략하거나 간략하게 설명하는 것으로 한다.

한편, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 자동초점 조정장치를 구성하는 이산 코사인 변환부, 저조도 판단부, 및 렌즈 위치 산출부를 나타낸 블록도이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 자동초점 조정장치는 이산 코사인 변환부(210), 저조도 판단부(230), 및 렌즈 위치 산출부(250)를 포함한다.

이산 코사인 변환부(210)는 시간축을 사용하는 영상 신호에 2차원 이산 코사인변환(2차원 이산 여현변환)을 적용하여 DC성분과 AC성분으로 변환한다.

DC 성분은 DC 계수(DC Coefficient)로도 호칭될 수 있으며, 영상 신호의 평균 밝기를 나타내는 성분(이하, 밝기 성분)이고, AC 성분은 AC 계수(AC Coefficient)로도 호칭될 수 있으며, 영상 신호의 주파수 성분(이하, 주파수 성분)을 나타낸다.

도 3a는 이산 코사인 변환부에 의해 이산 코사인변환이 적용된 영상 신호의 밝기 성분과 주파수 성분을 나타낸다.

2차원 이산 코사인변환이 적용되었으므로 밝기 성분과 주파수 성분 모두 수평 성분과 수직 성분, 이상 2가지 성분으로 표현된다.

도 3b는 영상 신호에 2차원 이산 코사인변환을 적용시킨 결과를 상세히 나타낸다.

왼쪽 최상단의 사각형 하나가 밝기 성분을 나타내며, 나머지 사각형은 주파수 성분을 나타낸다. 왼쪽 위에 속하는 주파수 성분일수록 저주파수 성분으로 노이즈에 강한 성질을 가지고, 오른쪽 아래에 속하는 주파수 성분일수록 고주파수 성분으로 노이즈에 민감한 성질을 갖는다. 이산 코사인 변환부(210)는 영상 신호를 밝기 성분과 주파수 성분으로 나눈 후, 주파수 성분에서 노이즈에 강한 저주파수 위주로 일부의 주파수 성분을 선택하여, 수학식 1와 함께 후술할 DC 성분의 가중치를 결정하는 데 이용한다.

저조도 판단부(230)는 영상 신호를 수신할 때의 조도값이 기저장된 조도값보다 낮은 경우, 촬상장치의 밝기 증폭값과 상기 영상 신호의 휘도값을 고려하여 가중치를 0이 아닌 수로 결정하고, 그 외에는 가중치를 0으로 결정한다. 가중치는 상술한 밝기 성분에 대한 값으로, 수학식 1 및 2와 함께 후술한다.

렌즈 위치 산출부(250)는 주파수 성분과, 가중치를 곱한 밝기 성분으로 Focus Value Function(이하, 초점값 함수)를 산출하고, 초점 렌즈의 위치를 바꿔가면서 정초점(In-focus)값을 구하고 정초점값을 가질 때의 초점 렌즈의 위치를 산출한다.

수학식 1은 초점값 함수를 구하기 위한 식이다.

FV(x)는 주파수 성분과 가중치를 곱한 밝기 성분을 이용하여 산출된 초점값 함수로서, 개략적인 형태는 도 1의 그래프와 유사하다. x는 초점 렌즈의 위치를 이동시키는 초점 모터가 동작한 횟수이고, 초점 모터가 동작하면 변경되는 것은 초점 렌즈의 위치이므로, 초점값 함수에 따른 초점값은 초점 렌즈의 위치에 따라 달라지게 된다.

여기서 초점 모터가 동작한 횟수란, 초점 모터가 연속적으로 움직이지 않고, 대단히 짧은 간격으로 동작을 멈추었다가 동작을 재개하는 특성을 가지므로 정의되는 값이다. 즉, 초점 모터의 한 번의 동작으로 이동시킬 수 있는 초점 렌즈의 위치는 한계가 있으므로, 초점 렌즈의 위치를 많이 변경시키기 위해서는 초점 모터의 많은 동작중지와 동작재개를 필요로 하게 된다. 예를 들어 최초 초점 렌즈의 위치가 좌표 400 에 있고, 초점 모터가 한번 동작할 때마다 초점 렌즈의 위치가 30씩 변화한다면, 초점 렌즈가 좌표 340 이나 460에 위치하게 된다면, 초점 모터가 동작한 횟수는 2회가 된다.

즉, FV(1)는 초점 모터가 한번 움직였을 때의 첫 번째 획득하는 초점값이 되며, 동시에 최초 초점 렌즈의 위치에서 초점 모터의 한번 동작으로 변경된 현재 초점 렌즈의 위치에 대한 초점값이 된다고도 해석할 수 있다. 초점 모터가 한번 움직임으로써, 초점 렌즈가 이동하는 거리는 사용자 설정에 따라 달라진다.

fvac(x)는 이산 코사인 변환부(210)에 의해 산출된 주파수 성분의 합으로 정의되며, 유사하게 fvdc(x)는 밝기 성분으로 정의되고, 두 함수 모두 초점값 함수와 마찬가지로 초점 모터가 동작한 횟수인 x를 변수로 한다.

fvac(x)를 정의하기 위해 합해지는 주파수 성분은 이산 코사인 변환부에 의해 산출되는 주파수 성분의 전부 또는 일부가 될 수 있다. 도 3b를 참조하면, 왼쪽 상단에 위치하는 저주파수 성분일수록 노이즈에 강한 특성을 가지므로, 신뢰성 있는 동작을 기대하기 위해 fvac(x)는 저주파수 성분 위주로 구성된다.

w는 밝기 성분에 대한 가중치(이하, 가중치)를 나타낸다. 수학식 1에서 밝기 성분에 가중치를 곱하는 것은, 주변의 조도가 낮은 저(低)조도 환경에서 영상 신호의 평균 밝기를 나타내는 성분이 정초점으로 갈수록 작아지고, 주파수 성분은 커지는 경향을 이용하기 위해서이다.

저조도 환경에 더하여, 영상 신호를 분석했을 때 산출되는 휘도(luminance)값 중 기준 휘도값보다 큰 픽셀의 개수가 문턱(Threshold)값 이상이 될 때를 의미하는 저조도 스팟(Spot) 환경에서는, 밝기 성분이 정초점으로 갈수록 작아지는 경향이 더 뚜렷해지므로, 밝기 성분에 가중치를 적용하여 정초점값을 구하기가 더욱 용이해진다.

도 4는 밝기 성분이 정초점으로 갈수록 낮아지는 모습을 나타낸 그래프이다.

도 4의 가로축은 초점 렌즈의 위치이며, 세로축은 밝기 성분을 나타낸다. 정초점값을 갖는 초점 렌즈의 위치는, 도 4에서 밝기 성분이 가장 작게 나타나는 820 부근이 된다.

수학식 2는 가중치를 구하기 위한 식이다.

fvac(1)은 최초 초점 렌즈의 위치에서 초점 모터가 움직인 후 위치하는 새 초점 렌즈 위치에서의 주파수 성분의 합을 의미한다. fvdc(1)은 최초 초점 렌즈의 위치에서 초점 모터가 움직인 후 위치하는 새 초점 렌즈 위치에서의 밝기 성분을 의미한다. a는 밝기 성분에 대한 가중치인 w에 직접적으로 영향을 주는 상수(이하, 가중치 결정상수)로서, Gain과 Clip count에 따라 결정된다.

Gain은 영상 신호의 밝기를 증폭하는 정도를 의미한다. AE(Auto Exposure)는 자동으로 촬상환경의 밝기를 일정하게 유지하는 것을 의미하며, Iris, Shutter, Gain, 이상 3가지 값에 의한다. 저조도 환경에서 Iris와 Shutter의 자원를 다 사용하고도 밝기가 유지되지 않을 때, Gain을 증가시키게 된다. 높은 Gain은 결국 빛의 양을 크게 증폭하는 것을 의미하므로, 촬상환경의 밝기는 확보할 수 있으나, 노이즈도 함께 증폭되는 문제가 있다. Gain은 저조도 환경을 판단하기 위한 직접적인 요소가 되고, 높은 Gain은 조도가 낮은 환경을 의미한다.

Clip count는 촬상장치의 내부 이미지 센서에 의해 처리된 디지털 영상 신호를 분석했을 때 산출되는 픽셀 중 기준휘도값보다 큰 픽셀의 개수를 의미하는 것으로, 상술한 스팟 환경을 판단하기 위한 직접적인 요소가 되므로, 높은 Clip count는 스팟 환경을 의미한다.

a에 영향을 주는 Gain과 Clip count 모두 촬상 장치의 구성에 영향을 받으므로, a는 촬상 장치의 렌즈, 이미지 센서, ISP(Image Signal Processor)에 따른 디자인 파라미터로서, 촬상 장치의 구성에 따라 고유한 값을 갖는다. 다만, 그 고유한 값은 하나의 값을 갖는 것을 의미하는 것이 아니고, 특정 관계성을 가지는 복수 개의 값을 갖는다는 의미이며, 복수 개의 가중치 결정상수에 대한 설명은 도 5 및 도 9에서 힐 클라임 알고리즘(Hill Climb Algorithm)과 함께 후술한다.

N은 전체 주파수 성분에서 초점값 함수를 산출하기 위해 선택되는 주파수 성분의 총 개수를 의미한다.

수학식 3은 초점값의 Offset 값을 나타낸다.

o는 초점값의 Offset 값으로서, 초점값이 초점 렌즈의 위치에 따라, 음수값을 갖게 되어 초점값 함수가 그래프 상에서 표현하기 어렵게 되는 것을 방지한다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 자동초점 조정방법을 나타낸 순서도이다.

이산 코사인 변환부는 이산 코사인 변환을 적용하여, 촬상장치에 수신되는 영상 신호를 밝기 성분과 주파수 성분으로 분리한다.(S510)

저조도 판단부는 영상 신호를 수신할 때의 조도값이 기저장된 조도값보다 낮은 경우, 촬상장치의 밝기 증폭값과 영상 신호의 휘도값을 고려하여 가중치를 0이 아닌 수로 결정하고, 그 외에는 가중치를 0으로 결정한다.(S530)

렌즈 위치 산출부는 주파수 성분과, 가중치를 곱한 밝기 성분으로, 초점값 함수를 산출하여, 그 함수로부터 초점 렌즈의 위치에 대한 초점값을 산출하고, 정초점값을 갖는 초점 렌즈의 위치를 구한다.(S550)

도 6은 초점값 함수에서 정초점값을 찾기 위한 방법 중 하나인 힐 클라임 알고리즘(Hill Climb Algorithm)이 적용되는 순서를 나타낸 흐름도이다.

디렉션(Direction) 단계는 Auto Focusing(이하, AF)을 시작할 때 초점 렌즈를 어느 방향으로 움직일 지 결정하는 단계이다.(S620)

클라임(Climb) 단계는 AF를 빠르게 수행하기 위해 빠른 속도로 정초점값부근까지 찾아가는 단계이다.(S640) 빠른 속도란, 초점 렌즈의 위치의 변화량을 크게 하는 것을 의미하고, 적절한 가중치 결정상수가 적용된 초점값 함수라면 일정 이상의 경사도를 가지게 되므로, 클라임 단계에서 정초점값부근까지 빠르게 접근하는 것이 가능하다.

리버스(Reverse) 단계는 클라임 단계에서 빠른속도로 정초점값부근을 찾아가다가 초점 렌즈의 위치의 이동방향을 반대로 하는 단계이다.(S660) 리버스 단계의 시작은, 클라임 단계에서 초점 렌즈의 위치의 변화에 따라 초점값이 상승하다가 갑자기 하강하게 되는 부분부터 시작된다.

픽 컨펌(Peak Confirm)단계는 리버스 단계 후 정초점값 부근에서 정초점값을 찾기 위해 세밀하게 초점을 찾아가는 단계이다.(S680) 초점값 함수에서 정초점값과 그 부근의 초점값이 이루는 경사도가 급할수록 정초점값을 찾기가 쉽다. 리버스 단계의 적용과 픽 컨펌 단계에서 정초점값을 찾는 것이 용이한 것에 대한 자세한 설명은 도 10를 통해 후술한다.

도 7은 저조도 스팟 환경에서 산출한 두 초점값 함수를 그래프로 나타내고 있다.

밝기 성분을 포함시킨 초점값 함수(이하, A 함수)에는 본 발명의 일 실시 예에 따라 밝기 성분과 주파수 성분이 모두 포함되었으나, 주파수 성분만으로 산출한 초점값 함수(이하, B 함수)에는 밝기 성분이 포함되어 있지 않다. 즉, B 함수는 A 함수에서 가중치가 0인 경우와 같으며(수학식 1 참고), 좌측 세로축은 A 함수의 초점값, 우측 세로축은 B 초점값 함수의 초점값을 나타낸다. A 함수에서 가중치 결정상수는 10이다.

정초점값을 가지는 초점 렌즈의 위치는 가로축의 793과 829 사이이며, A 함수는 초점 렌즈의 위치에 따라 초점값의 변화가 뚜렷하나, B 함수는 가로축의 613 이하에서는 초점 렌즈의 위치에 따라 초점값의 변화가 거의 없는, 평탄한 경사도를 보인다. 각 초점값 함수의 초점값이 완전한 경향성을 보이지 않는 이유는 저조도 스팟 환경에 따른 노이즈가 영상 신호에 섞이고, Gain에 의해 노이즈가 증폭되었기 때문이다.

힐 클라임 알고리즘(Hill Climb Algorithm)은 초점값 함수 곡선에서 초점값의 변화정도를 기준으로 정초점값을 찾아 가기 위한 방법인데, B 함수처럼 경사도가 낮은 부분(가로축의 613 이하)이 있으면, 함수 자체에 적용된 노이즈에 의해 초점값의 변화정도가 없어서 정초점을 찾는데 어려움이 있으나, A 함수처럼 초점 렌즈의 위치에 따른 초점값의 변화가 명확한 경우에는 힐 클라임 알고리즘으로 정초점값을 찾기가 용이하다.

또한, 정초점값과 그 부근의 초점값이 이루는 경사도가 낮은 경우에는 정초점값 주변이 노이즈로 뭉쳐서 정초점값을 특정하기가 어려워므로, 픽 컨펌 단계의 능률이 떨어지는데, 정초점값과 그 부근의 초점값이 이루는 경사도도 B 함수보다 높아서 정초점값을 찾기가 훨씬 용이하다.

정리하면, A 함수는 가중치 결정 상수 10이 적용되어 산출된 밝기 성분을 반영하는 초점값 함수이기에, 1) 디렉션 단계에서 초점 렌즈를 어느 방향으로 움직여야 할지 결정하기 용이하고(명확한 경사도), 2) 픽 컨펌 단계에서 정초점값을 특정하는 데에 어려움이 없으므로(명확한 정초점값), 본 발명에 따른 자동초점 조정장치 및 방법을 적용하면 저조도 스팟 환경에서 빠른 속도로 초점을 맞추는 것이 가능하다.

도 8은 도 7과 동일한 조건에서 A 함수를 산출하는 데 필요한 가중치 결정 상수에 50을 적용했을 때의 초점값 함수(이하, A' 함수)를 도식적으로 나타내고 있다.

도 7에 이어서 평탄한 경사도를 보이는 B 함수와 달리, A' 함수는 도 7에 비해 높은 가중치 결정 상수가 적용되어 더 높은 경사도를 보인다. 그러나, 이 경우는 정초점값 근방에서의 A' 함수의 경사도가 B 함수의 경사도보다 낮으므로, 픽 컨펌 단계에서 정초점값을 찾는 데에 있어서 도 7의 A 함수보다 더 낮은 성능을 갖게 된다.

도 9는 도 7과 동일한 조건에서 A 함수의 가중치 결정상수를 임의의 값으로 결정하여 산출한 초점값 함수(이하, A'' 함수)를 그래프로 나타낸다.

도 7과는 반대로, 정초점값부근에서의 경사도가 B 함수보다 커서 픽 컨펌 단계에서는 문제가 없으나, 그 전에 디렉션 및 클라임단계에서 문제가 발생한다.

A'' 함수에서 초점 렌즈의 위치가 가로축의 541 이하에서 위치해 있는 상태에서 힐 클라임 알고리즘을 적용하는 경우, 클라임 단계를 수행하여 계속 초점 렌즈의 위치를 이동시키다가 가로축의 577 부근에서 초점값이 감소하여 리버스 단계로 돌입하게 되고, 결국 정초점값으로 초점 렌즈의 위치가 541에 놓일 때의 값을 결정하게 된다.

또한, 최초에 초점 렌즈의 위치가 가로축의 685 부근에 있었다고 가정하면 정초점값은 초점 렌즈가 가로축의 793와 829 사이에 위치할 때에 정초점값을 갖는 것이 되어 신뢰도 없는 결과를 산출한다.

즉, 도 7 내지 9의 결과를 비추어봤을 때, 가중치 결정상수 a를 무작정 크거나 작게 한다고 해서 자동초점 조정성능이 더 나아지는 것이 아니라는 것을 알 수 있다.

가중치 결정상수 a는 촬상 장치의 특성과 촬상되는 환경에 따라서 적절히 결정하여 사용되어야 하며, 각 촬상 장치의 특성을 반영한 가중치 결정상수는 실험을 통해서 사전에 정해지고, 그 개수는 한 개로 한정되지 않는다.

구체적으로 가중치 결정상수 a는 촬상장치의 Gain과 Clip count에 의해 적절한 값이 달라진다. 예를 들어, S 촬상 장치의 가중치 결정상수 그룹은 10, 50, 85로 구성되고, T 촬상 장치의 가중치 결정상수 그룹은 20, 45, 95 로 구성될 수 있다. 실험을 통해 결정된 복수 개의 가중치 결정상수는 정초점값을 결정하기 위해 변화시켜가며 사용될 수 있으며, 가중치 결정상수 그룹에 포함되는 촬상장치에 적절한 가중치 결정상수의 개수는 달라질 수 있다. 자세한 설명은 도 10과 함께 후술한다.

도 10은 가중치 결정상수가 다른 두 초점값 함수를 하나의 좌표축에 나타낸다.

수학식 2를 참조하면, 가중치 결정상수가 달라지면 가중치가 달라지므로, 산출되는 초점값 함수의 개형도 달라지지만, 초점을 맞추기 위한 변수인 줌 렌즈의 위치가 변하지 않은 채이므로, 정초점값을 가질 때의 초점 렌즈의 위치는 고정되어 있다.

가중치 결정 상수 10 과 30은 실험에 의해 촬상 장치의 특성에 맞춰서 선택된 값으로 가정한다. 두 가중치 결정 상수를 대입하여 산출된 두 초점값 함수는 디렉션 단계와 클라임 단계를 수행하기 충분한 경사도를 가지고 있으며, 정초점값과 그 부근의 초점값의 경사도도 충분하여 정초점값을 찾는 데에도 어려움이 없으나, 상대적으로 가중치 결정 상수가 10일 때, 정초점값을 찾기 용이하다는 것은 이미 도 7 및 도 8과 함께 설명한 바 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따라, 가중치 결정 상수를 변경해가며 정초점값을 찾는 방법에 대한 순서도를 나타낸다.

도 11을 통해 기술되는 방법은 방법뿐만 아니라 도 2의 장치에도 구현될 수 있으며 설명의 용이함을 위해 도 10를 참조하여 설명한다. 사전 정의된 가중치 결정 상수도 도 10을 참조하여 30과 10이라고 가정한다.

디지털 영상 신호가 수신되면, 이산 코사인 변환부는 2차원 이산 코사인 변환을 통해 디지털 영상 신호를 밝기 성분과 주파수 성분으로 분리하고, 저조도 판단부는 0이 아닌 가중치를 결정하며, 렌즈 위치 산출부는 밝기 성분에 가중치를 곱한 값과 주파수 성분으로 초점값 함수를 산출한다.(S1110)

구체적으로는, 밝기 성분에 곱하는 가중치는 복수 개의 가중치 중 어느 하나가 되며, 촬상장치의 렌즈특성을 반영하여 실험을 통해 결정된 값이므로, 도 10에서와 같이 정초점값을 힐 클라임 알고리즘으로 찾는 데에 어려움이 없다.

예를 들어 Gain이 100이상, Clip count가 5000 이상일 때에는 가중치 결정상수를 30으로 하여 초점값 함수를 산출하여 디렉션 및 클라임 단계를 수행하고, 리버스 단계에서 가중치 결정상수를 10으로 하여 새로운 초점값 함수를 산출하고, 픽 컨펌 단계를 수행하는 방식이다. 이 경우, 가중치 결정상수 그룹은 30과 10이 되며, 그룹 내에 사전 정의되는 가중치 결정상수의 개수는 변할 수 있다.

도 10을 참조하여 가중치 결정상수를 30으로 하는 초점값 함수가 산출되면, 렌즈 위치 산출부는 현재 초점 렌즈의 위치를 확인하고 움직이는 방향을 설정한다.(디렉션),(S1120) 정초점값을 찾는 것은 힐 클라임 알고리즘에 의하므로, 렌즈 위치 산출부는 초점값이 증가하는 방향을 초점 렌즈가 이동할 방향으로 선택하게 되고, 양 방향 모두 초점 렌즈가 이동함에 따라 초점값이 증가한다면 초점값의 증가율이 높은 방향으로 초점 렌즈의 위치를 변경하게 된다.

저조도 판단부가 가중치 결정상수를 10이 아닌 30으로 결정하는 이유는 도 7과 도 10에서 초점 렌즈의 위치를 변경하기 위한 방향을 명확히 하기 위해서라고 설명한 바 있다.

도 10을 참조하였을 때, 최초 초점 렌즈의 위치와 상관없이 초점 렌즈의 위치 변경 방향은 디렉션 단계에 의해 가로축의 숫자가 커지는 방향이 된다.

초점 렌즈를 움직일 방향을 설정했다면, 렌즈 위치 산출부는 해당 방향으로 초점 렌즈의 위치를 변경시킨다.(클라임),(S1130) 빠른 AF를 위해서 초점 렌즈의 위치변경 속도를 최대로 할 수 있다.

렌즈 위치 산출부는 초점 렌즈의 위치를 계속 이동시키면서도 해당 초점 렌즈의 위치이동에 따라 초점값도 증가하고 있는지 파악하며, 초점값이 감소하는 순간을 판단한다.(S1140)

도 10을 참조하였을 때, 초점 렌즈의 위치는 정초점값을 가지는 가로축 811 부근을 향해 계속 이동한다. 초점 렌즈의 위치 변경속도는 적절히 조절할 수 있다.

렌즈 위치 산출부는 초점 렌즈를 이동시킴에 따라 증가하던 초점값이 감소하는 순간, 가중치 결정 상수를 10으로 낮춰서 새 가중치를 산출한 후, 그 값으로 새로운 초점값 함수를 산출하고, 지금까지 움직이고 있던 초점 렌즈의 방향을 반대로 변경하며, 동시에 초점 렌즈의 위치 변경 속도를 낮춘다.(리버스),(S1150) 이때 가중치 결정 상수가 낮은 값으로 변경됨에 따라, 초점값 함수의 형태가 정초점값을 찾기 쉽도록 변화한다.

즉, 정초점값과 그 부근의 초점값이 이루는 경사도가 커진 새로운 초점값 함수에 대해서 리버스 단계 이후의 단계를 수행하게 된다. 디렉션 단계(S1120)에서 가중치 결정 상수 30으로 산출된 가중치와 명확한 구분을 위해서, 리버스 단계(S1150)에서 가중치 결정 상수 10으로 산출된 가중치는 제 2가중치라고 호칭될 수 있다.

렌즈 위치 산출부는 리버스 단계(S1150)에서의 초점 렌즈의 위치를 시작점으로 하여, 변경된 방향과 변경 속도로 초점 렌즈의 위치를 이동시킨다.(S1160)

도 10을 참조하면, 가로축의 841 부근에서 초점값이 감소하므로, 그곳에서 리버스가 발생하고, 여기서 가중치 결정 상수가 10인 새로운 초점값 함수를 산출하게 된다. 새로운 초점값 함수에 대해, 리버스 단계에서의 초점 렌즈의 위치를 시작점으로 하여 변경된 방향과 변경속도로 초점 렌즈의 위치를 이동시킨다.

렌즈 위치 산출부는 초점 렌즈의 위치에 따라 초점값이 증가하고 있는지 계속 파악하며, 초점값이 감소하는 순간을 판단한다.(S1170) 렌즈 위치 산출부는 초점값이 감소하는 부분을 발견한 후, S1150 단계(리버스)를 반복하여, 더 세밀한 정초점값을 찾기 위한 과정을 반복할 수 있다.

더 빠르게 초점을 맞추기 위해서는 리버스 단계의 반복이 최소화되어야 하고, 더 정확한 정초점값을 찾기 위해서는 리버스 단계의 반복이 많아야 함과 동시에 사전에 정의되어야 하는 가중치 결정상수 a의 가지수가 많아져야 하므로, 이 가중치 결정상수의 가지수는 자동초점 조정장치의 성능을 확보하기 위해서 개발단계에서 임의로 가감될 수 있다.

예를 들어서, 도 10을 참조하여 가중치 결정상수 그룹에 가중치 결정상수로서 30과 10만 설정되어 있을 경우, 리버스 단계를 반복할 수 없으므로, S1160 및 S1170 단계는 생략된다. 즉, 한번의 리버스 단계를 거친 후 픽 컨펌 단계로 수행하여 정초점값을 결정하게 된다.

본 발명에 따른 자동초점 조정장치 및 방법에 의하면, 주변의 조도가 낮아서 빛의 양을 증폭하여 영상 신호에 노이즈가 많은 경우나, 스팟 광원이 존재하여 촬상 장치가 처리하는 디지털 영상 신호가 기준 휘도값보다 높은 휘도값을 갖는 픽셀을 다수 포함하는 경우에도, 빠르고 정확하게 초점을 맞출 수 있다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.

본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니하고, 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

210 : 이산 코사인 변환부
230 : 저조도 판단부
250 : 렌즈 위치 산출부

Claims (6)

1. 이산 코사인 변환을 적용하여, 촬상장치에 수신되는 영상 신호를 밝기 성분과 주파수 성분으로 나누는 이산 코사인 변환부;
   상기 영상 신호를 수신할 때의 조도값이 기저장된 조도값보다 낮은 경우, 상기 촬상장치의 밝기 증폭값과 상기 영상 신호의 휘도값을 고려하여 가중치를 0이 아닌 수로 결정하고, 그 외에는 상기 가중치를 0으로 결정하는 저조도 판단부; 및
   상기 주파수 성분 및 상기 가중치가 적용된 상기 밝기 성분에 기초하여, 초점 렌즈의 위치에 대한 초점값을 산출하고, 정초점값을 갖는 초점 렌즈의 위치를 구하는 렌즈 위치 산출부;를 포함하고,
   상기 밝기 성분은 상기 영상 신호의 DC 성분에 대응되는 촬상장치의 고속 자동초점 조정장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 렌즈 위치 산출부는,
   상기 촬상장치의 밝기 증폭값과 상기 영상 신호의 휘도값을 고려하여, 상기 가중치를 상기 가중치보다 더 낮은 제 2가중치로 변경하고,
   상기 주파수 성분과, 제 2가중치를 곱한 상기 밝기 성분으로, 초점 렌즈의 위치를 변수로 하는 새 초점값 함수를 산출한 후, 상기 새 초점값 함수를 통해 상기 정초점값을 갖는 초점 렌즈의 위치를 구하는 것을 특징으로 하는 촬상장치의 고속 자동초점 조정장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 렌즈 위치 산출부는,
   힐 클라임 알고리즘(Hill Climb Algorithm)을 이용하여, 상기 정초점값을 갖는 초점 렌즈의 위치를 구하는 것을 특징으로 하는 촬상장치의 고속 자동초점 조정장치.
4. 이산 코사인 변환을 적용하여, 촬상장치에 수신되는 영상 신호를 밝기 성분과 주파수 성분으로 나누는 이산 코사인 변환 단계;
   상기 영상 신호를 수신할 때의 조도값이 기저장된 조도값보다 낮은 경우, 상기 촬상장치의 밝기 증폭값과 상기 영상 신호의 휘도값을 고려하여 가중치를 0이 아닌 수로 결정하고, 그 외에는 상기 가중치를 0으로 결정하는 저조도 판단 단계; 및
   상기 주파수 성분 및 상기 가중치가 적용된 상기 밝기 성분에 기초하여, 초점 렌즈의 위치에 대한 초점값을 산출하고, 정초점값을 갖는 초점 렌즈의 위치를 구하는 렌즈 위치 산출단계;를 포함하고,
   상기 밝기 성분은 상기 영상 신호의 DC 성분에 대응되는 촬상장치의 고속 자동초점 조정방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 렌즈 위치 산출 단계는,
   상기 촬상장치의 밝기 증폭값과 상기 영상 신호의 휘도값을 고려하여, 상기 가중치를 상기 가중치보다 더 낮은 제 2가중치로 변경하고,
   상기 주파수 성분과, 제 2가중치를 곱한 상기 밝기 성분으로, 초점 렌즈의 위치를 변수로 하는 새 초점값 함수를 산출한 후, 상기 새 초점값 함수를 통해 상기 정초점값을 갖는 초점 렌즈의 위치를 구하는 것을 특징으로 하는 촬상장치의 고속 자동초점 조정방법.
6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 렌즈 위치 산출 단계는,
   힐 클라임 알고리즘(Hill Climb Algorithm)을 이용하여, 상기 정초점값을 갖는 초점 렌즈의 위치를 구하는 것을 특징으로 하는 촬상장치의 고속 자동초점 조정방법.

Images