KR20040004297A - Image distortion compensation method and devices for CMOS Image Sensor - Google Patents
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Abstract
Description
CCD 센서와 CMOS 센서는 동영상 및 정지영상을 촬영하는 2차원 센서의 일종이며 전자식 카메라를 구성하는데 핵심적인 역할을 하고 있다. 특히 CCD센서는 화질면에서 CMOS 센서 보다 우수한 특성을 내나, 전력 및 복잡한 구성의 단점 때문에CMOS 영상센서가 그 시장의 비율을 높여 가고 있으며 최근에 와서는 CMOS 센서도 화질면에서도 개선이 따르고 있다.CCD and CMOS sensors are two-dimensional sensors that capture video and still images, and play a key role in the construction of electronic cameras. In particular, the CCD sensor is superior to the CMOS sensor in terms of the image quality, but the CMOS image sensor is increasing the proportion of the market due to the shortcomings of the power and the complicated configuration, and recently, the CMOS sensor is also improving in the image quality.
상기한 센서들을 이용한 일반적인 동영상 촬영 카메라에 있어서 카메라의 외부적인 요소에 의한 떨림, 즉 손떨림 혹은 차량탑재등에 의한 진동에 의하여 불안정하게 떨리는 영상이 촬영되는 경우가 많다. 이러한 불안정한 영상을 해소하기 위하여 그 움직임을 보상하는 장치 등이 제안되었다. 이러한 움직임 안정화 장치는 움직임 검출부와 움직임 보정 부분으로 나누어진다.In general video recording cameras using the above-described sensors, images that are unstablely shaken are often captured by vibration caused by external factors of the camera, that is, by hand shake or vehicle mounting. In order to solve such an unstable image, a device for compensating for the movement has been proposed. The motion stabilization device is divided into a motion detector and a motion compensation part.
움직임 검출부는 Gyro Sensor등에 의한 기구의 움직임을 예측하는 방법과 영상신호처리에 의하여 영상의 움직임부분을 매 프레임 검출하는 방법이 제안되고 사용된다. 또한, 검출된 움직임 정보를 이용하여 기계적 혹은 전자적으로 영상을 보상한다. 기계식으로 보상하는 방법으로는 굴절가능한 렌즈 (액티브 프리즘)를 사용하여 입사광을 임의로 굴절시키는 방법이다. 전자식으로 보정하는 방법은 주로 센서의 입력위치를 제어하는 방법과 일단 메모리에 저장한 후 읽어 내는 번지를 제어하는 방법으로 나누어지며, 후자의 메모리로 보정하는 방법은 소형화가 가능하여 캠코더 등의 응용에 널리 활용되고 있다.The motion detection unit is proposed and used a method for predicting the motion of the instrument by a Gyro sensor, etc. and a method for detecting the motion part of the image every frame by the image signal processing. In addition, the image is compensated mechanically or electronically using the detected motion information. A mechanically compensated method is the method of arbitrarily refracting incident light using a refractive lens (active prism). The electronic correction method is mainly divided into the method of controlling the input position of the sensor and the method of controlling the address that is stored in the memory and then read out. The method of correcting the latter using the memory can be miniaturized for applications such as camcorders. It is widely used.
상기한 움직임 안정화 장치는 주로 캠코더에 많이 사용되고 있으며 주로 CCD센서를 기반으로하는 카메라에 활용되어 왔다. 이러한 영상 안정화 장치는 소형화의 발달로 캠코더 카메라뿐만 아니라 소형 카메라 시스템 또는 휴대폰 일체형 카메라 (일명 카메라폰)등에 널리 활용되기 시작하고 있으며, 또한 CMOS센서가 그 화질 특성이 개선됨과 아울러 소형카메라 시스템에 동시에 적용되고 있다.The motion stabilization device is mainly used in camcorders and has been mainly used in cameras based on CCD sensors. Such image stabilization devices are being widely used not only for camcorder cameras but also for small camera systems or mobile phone integrated cameras (aka camera phones) due to the development of miniaturization, and the CMOS sensor is also applied to small camera systems at the same time. It is becoming.
그러나 상기한 CCD 촬상소자와는 달리 CMOS Image Sensor등의 영상에 대한 움직임 보정결과는 수평방향의 기울어짐과 수직방향의 확대축소와 같은 왜곡이 나타난다. 그 이유는 한 프레임의 영상을 촬상함에 있어서, CCD 촬상소자가 영상 전체에 대하여 동일한 시점에서 영상을 촬상하는 전 영상 전자셔터방식인 반면, CMOS Image Sensor는 각 화소 (Pixel)의 위치에 따라 읽어내는 순서에 맞추어 영상의 노출 시각이 순차적으로 지연되어 한 화면에서 먼저 읽어내는 화소와 나중에 읽어 내는 화소와 일정 시간 간격이 생기고, 이때 카메라가 움직이게 될 때에 상기한 영상의 왜곡이 초래된다.However, unlike the above-described CCD image pickup device, motion correction results for images such as CMOS image sensors show distortion such as horizontal tilt and vertical zoom. The reason for this is that in imaging an image of one frame, the CCD image pickup device captures the image at the same point in time with respect to the entire image, whereas the CMOS image sensor reads according to the position of each pixel. The exposure time of the image is sequentially delayed in order to generate a predetermined time interval between the pixel to be read first on one screen and the pixel to be read later, and the distortion of the image is caused when the camera is moved.
상기와 같은 영상의 왜곡을 설명하기 위하여 입력영상의 예시를 도면 1에 나타내고, 왜곡된 출력영상의 예시를 도면 2와 같이 나타낼 수 있다. 먼저 입력된 카메라의 영상을 도면 1라고 가정한다. 카메라가 하향으로 이동시 촬영된 피사체의 모양은 도면 2의 ㄱ)과 같다. 도면 2의 ㄴ)은 카메라가 상향으로 움직이며 촬영된 영상의 예시도이다. 도면 2의 ㄷ)은 카메라가 좌향으로 움직이며 촬영된 영상의 예시도이다. 도면 2의 ㄹ)은 카메라가 우향으로 움직이며 촬영된 영상의 예시도이다.An example of an input image may be illustrated in FIG. 1, and an example of a distorted output image may be illustrated in FIG. 2 to explain the distortion of the image. First, it is assumed that an image of an input camera is shown in FIG. 1. The shape of the photographed subject when the camera moves downward is as shown in a) of FIG. 2. 2b of FIG. 2 is an exemplary view of a photographed image while the camera moves upward. 2 c is an exemplary view of an image photographed while the camera moves to the left. 2) is an exemplary diagram of an image captured while the camera moves to the right.
도면 1은 입력영상의 예시도 이다.1 is an exemplary view of an input image.
도면 2는 도면 1의 영상에 대한 왜곡된 결과를 나타낸 것으로,FIG. 2 illustrates a distorted result of the image of FIG. 1.
도면 2의 ㄱ)은 카메라가 하향으로 움직일 때의 영상의 예시도 이며,2 a) is an illustration of an image when the camera moves downward,
도면 2의 ㄴ)은 카메라가 상향으로 움직일 때의 영상의 예시도 이며,2 b) is an example of the image when the camera moves upward,
도면 2의 ㄷ)은 카메라가 좌향으로 움직일 때의 영상의 예시도 이며,2 c) is an illustration of an image when the camera moves to the left,
도면 2의 ㄹ)은 카메라가 우향으로 움직일 때의 영상의 예시도 이다.2) is an example of an image when the camera moves to the right.
도면 3은 본 발명의 기본 구성을 나타내는 구성도이다.3 is a block diagram showing a basic configuration of the present invention.
본 발명은 상기한 CMOS Image Sensor 영상을 움직임의 속도와 변화량에 응하여 손떨림 보정과 동시에 수평방향의 기울어짐과 수직방향의 확대축소를 보정하는 방법과 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for compensating for image stabilization and horizontal tilt and vertical zoom in response to the CMOS image sensor image according to the speed of motion and the amount of change.
먼저 기존의 움직임 안정화 방법의 구성을 설명하면 다음과 같다.First, the configuration of the existing motion stabilization method will be described.
먼저 움직임 검출부는 입력영상으로부터 프레임간 움직임벡터v를 검출하고, 그 프레임간 움직임벡터v를 매 프레임n누적하여 실제 보정 해야 할 변위벡터u를 산출한다. 이 변위벡터를 다음과 같이 식으로 나타낸다.First, the motion detector inter-frame motion vector from the input imagevIs detected and the inter-frame motion vectorvTo Every framenDisplacement vector to accumulate and actually correctuCalculate This displacement vector is expressed as follows.
영상보정부에서는 상기한 변위벡터를 참조하여 메모리에 들어있는 이전 프레임의 영상의 읽는 위치를 제어하여 그 움직임이 보상되도록 한다. 또한 더욱 정밀하게 보정하기 위하여 소수점단위의 픽셀위치를 보정한다. 이것은 수평과 수직의 인접한 픽셀을 보간함으로서 가능하게 한다.The image compensator controls the reading position of the image of the previous frame in the memory with reference to the displacement vector to compensate for the movement. Also, to correct more precisely, the pixel position in decimal unit is corrected. This is made possible by interpolating horizontal and vertical adjacent pixels.
상기한 움직임 보정방법에 있어서 그 변위벡터는 매 프레임 주기로 갱신되므로 프레임내의 영상에 대해서는 동일하게 위치 보정벡터가 결정되게 된다. 이로 인하여 시간차에 의한 영상의 공간적 왜곡이 그대로 출력될 수 밖에 없다.In the above motion correction method, since the displacement vector is updated every frame period, the position correction vector is determined in the same way for the image in the frame. As a result, spatial distortion of the image due to time difference is inevitably output.
상기한 문제점을 해결하기 위해서 화면의 시점과 종점에서의 시간차에 의한 움직임을 화면내에서도 보상해 주어야 한다. 이것은 프레임간의 속도벡터v에 화면내의 위치행렬 p 와 내적하여 그 시간차 만큼 위치를 보상한다. 이것을 보상하기위해서는 화소와 화소사이의 값으로 보간신호처리를 해야하므로 수평레지스터와 수직라인메모리를 별도로 추가한다. 상기한 내용을 식으로 표현하면 각 화소별 보정해야하는 변위벡터u'는 다음과 같다.In order to solve the above problem, the motion caused by the time difference between the starting point and the ending point of the screen should be compensated even within the screen. This is the velocity vector between framesvThe position matrix within the screen p Compensate the position by the time difference by dot product. To compensate for this, the interpolation signal must be processed with the pixel-to-pixel value. Therefore, the horizontal register and the vertical line memory are added separately. If the above expression is expressed as an equation, the displacement vector to be corrected for each pixelu 'Is as follows.
여기서 위치 행렬는 다음과 같다.Where the position matrix is
또한X, Y는 영상의 최대 수평 화소수 와 최대 수직라인수를 의미하며x, y는 현재 표현하고 있는 화소에 대한 수평 수직위치를 각각 의미하게 되며 각 화소별 보정해야하는 변위벡터u'는 프레임 수n뿐 만아니라 화소의 위치 (x, y)의 함수가 된다.In addition, X, Y means the maximum number of horizontal pixels and the maximum number of vertical lines of the image, x, y means the horizontal vertical position with respect to the currently represented pixel, respectively, displacement vector u ' to be corrected for each pixel Not only n but also a function of the pixel position ( x, y ).
상기한 내용을 순서도로 나타내면 도면 3과 같이 나타낼 수 있으며 그 구성은 다음과 같다.When the above contents are shown in a flowchart, they may be represented as shown in FIG. 3, and the configuration thereof is as follows.
1. 영상의 입력으로부터 움직임을 검출하는 움직임 검출부1. Motion detector for detecting motion from the input of the image
2. 입력 영상을 최소 1장 이상 저장할 수 있는 프레임 메모리2. Frame memory for storing at least one input video
3. 움직임 검출부로부터의 카메라의 움직임 정보로 보정할 변위를 계산하여 프레임 메모리의 읽는 번지를 결정하는 메모리 제어부3. The memory control unit which calculates the displacement to be corrected by the motion information of the camera from the motion detection unit to determine the read address of the frame memory.
4. 서브화소 단위로 수직방향의 각 위치를 보간하기위하여 한 라인분의 영상을 저장할 수직 라인메모리4. Vertical line memory to store one line of image for interpolating each position in the vertical direction in sub-pixel units
5. 영상의 화면 내 위치에 따른 수직방향과 수평방향의 보간계수를 연산하는왜곡 보정 계수 연산부5. Distortion correction coefficient calculation unit for calculating the interpolation coefficient in the vertical and horizontal directions according to the position of the image on the screen
6. 상기 프레임 메모리의 출력과 수직라인메모리의 출력으로 수직방향의 서브화소를 제어할 수직방향 보간부6. Vertical interpolation unit for controlling the sub-pixel in the vertical direction by the output of the frame memory and the output of the vertical line memory
7. 상기 수직방향 보간부의 출력을 한 화소이상 지연하여 수평방향으로 보간하기 위한 수평방향 보간부7. Horizontal interpolation unit for interpolating the output of the vertical interpolation unit by one pixel or more in the horizontal direction
CMOS 센서 카메라에 있어서 방위각의 변화에 의한 동영상을 정지영상 혹은 손떨림 보정영상으로 보면 수평, 수직 방향으로 속도에 따라 왜곡되게 된다. 일반적인 동영상을 촬영할 시는 그 흐름이 너무 빨라 화면의 왜곡을 인간이 느낄 수 없으나 정지화로 보거나 손떨림 보정을 하게되면 영상의 왜곡이 매우 심화되어 보여지게 되며, 이것은 특히 CMOS 영상센서를 사용할시에 문제가 되고 있다.In a CMOS sensor camera, when a moving image by a change in azimuth is viewed as a still image or a shake correction image, it is distorted according to the speed in the horizontal and vertical directions. When shooting a general video, the flow is so fast that humans cannot feel the distortion of the screen, but when viewed with still images or when image stabilization is performed, the distortion of the image is greatly increased, which is especially problematic when using a CMOS image sensor. It is becoming.
본 발명은 이러한 불안정한 영상에 대하여 그 움직임을 추정하여 프레임간 뿐 만 아니라 프레임 내에서도 보정함으로서 정지화 또는 손떨림 보정영상에서도 공간적인 왜곡이 없는 영상으로 변환시켜주어 안정된 영상출력을 할 수 있게된다.According to the present invention, a stable image output can be performed by estimating the motion of such an unstable image and correcting it not only between frames but also within a frame, thereby converting the still image or image stabilization image into a spatial distortion-free image.
특히 이러한 기술은 화면의 분해능이 높아지는 카메라일수록 그 기능이 효과적이며 메가픽셀이상의 CMOS영상에서는 필수 불가결한 기술이다.In particular, the higher the resolution of the screen camera, the more effective the function is indispensable for CMOS images of more than megapixels.
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