KR20040073378A - 비네팅 보상 - Google Patents

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KR20040073378A
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polynomial
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요한네슨앤더스
라르손인게마르
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다이얼로그 세미컨덕터 게엠베하
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    • H04N25/61—Noise processing, e.g. detecting, correcting, reducing or removing noise the noise originating only from the lens unit, e.g. flare, shading, vignetting or "cos4"
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E04—BUILDING
    • E04H—BUILDINGS OR LIKE STRUCTURES FOR PARTICULAR PURPOSES; SWIMMING OR SPLASH BATHS OR POOLS; MASTS; FENCING; TENTS OR CANOPIES, IN GENERAL
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    • E04H6/42—Devices or arrangements peculiar to garages, not covered elsewhere, e.g. securing devices, safety devices, monitoring and operating schemes; centering devices

Abstract

디지털 카메라들에서 비네팅의 보상에 사용되는 방법이 달성된다. 비네팅 보상은 두 단계들로 행해진다. 제1 단계는 카메라 유닛 제조시 행해지는 것으로, 테스트 스크린, 바람직하게는 그레이 테스트 스크린의 이미지를 취하여 분석하는 것을 포함한다. 이에 따라 다항식 표면을 기술하는 예를 들면 5x5 계수들의 세트가 얻어진다. 제2 단계는 카메라에 의해 취해지는 각 이미지에 대해 행해지는 것으로, 비네팅을 보상하기 위해 다항식 계수들에 근거한 이득 테이블을 계산하여 이미지의 모든 화소들에 적용하는 것을 포함한다.

Description

비네팅 보상{Vignetting compensation}
발명의 분야
본 발명은 일반적으로 이미지 처리에 관한 것으로, 특히 디지털 이미지들에서 비네팅(vignetting)을 보상하는 방법에 관한 것이다.
종래기술의 설명
사진술적으로, 비네팅은 이미지의 중심에 비해 모서리들이 어두운 것을 의미한다. 모든 카메라 렌즈들은 다소 이러한 광학 현상들을 겪는다.
도 1의 종래기술은 이미지 처리에서 수행되는 일부 주요 단계들을 기술한다. 제1 단계 10에서 생 이미지(raw image)가 얻어진다. 다음 단계 11에서, 오프셋/이득 교정(offset/gain calibration)이 수행되고, 비네팅 보상(12)이 이어진다. 마지막 단계 13은 컬러 처리이다.
단순한 렌즈는 "cos-4th법칙"(4th에 대한 렌즈 축을 일탈한 입사각의 코사인)이라고 하는 광학 법칙에 따른다. cos-4th영향은 광이 큰 영역에 걸쳐 퍼지게 되는 것, 및 이미지의 모서리들이 이미지의 축 상의 부분보다 렌즈의 중심에서 더 멀어지게 되는 것을 포함한, 많은 요인들로부터 기인한다. 이것은 20°의 시야각을 가진 렌즈에 대해, 최대 오프축(off-axis) 입사각이 10도인 경우 모서리들은 중심의 광의 4th승으로의 cos(10°)를 받는다는 것을 의미한다. cos(10°)는 0.9848이므로, 4th승으로는 0.9406이다. 그러므로, 모서리들은 중심의 광의 94%를 얻으며, 일반적으로 이 차이는 경미하다. 35mm 카메라에 대한 20°의 시야각은 123mm 렌즈와 같다. 75도의 시야각을 갖는 28mm 렌즈에 대해, cos-4th는 0.39가 된다. 따라서 모서리들은 중심이 얻는 광의 39%만을 얻는다. 20mm 렌즈에 대해 이것은 21%로 내려가고, 15mm 렌즈에 대해 이것은 10.5%로 내려간다. 명백히 마지막 경우는 취급할 수 없고 수락될 수 없다.
상기 비네팅 문제를 해결하기 위해서, 카메라들은 통상 복합 광학 시스템들을 사용하고, 이는 제조하기에 매우 고가이다. 덜 비싼 렌즈를 사용하여 매우 낮은 비네팅을 갖는 카메라를 설계하는 것이 디지털 카메라들의 설계들자들의 과제이다.
비네팅 억압을 다루는 해결책들은 다음 특허들에 개시되어 있다.
미국특허(Takizawa 등의 제6,388,706호)는 복수의 센서들 및 복수의 서로 다른 컬러들의 컬러 필터들을 구비하는 광전기 요소를 포함하고 복수의 센서들 각각은 서로 다른 컬러들의 컬러 필터들 각각에 대응하는 것인 전자 카메라용 이미지 처리 방법을 기술하고 있다. 방법은 타겟 센서로부터 신호값을 얻는 단계, 센서들의 신호값으로부터 제1 평균값을 얻는 단계, 센서들의 신호값들로부터 제2 평균값을 얻는 단계, 및 타겟 센서, 제1 평균값 및 제2 평균값으로부터 신호값에 따라 타겟 센서의 컬러에 대한 보간값(타겟 센서의 컬러필터의 보간과는 다름)을 얻는 단계를 포함한다. 렌즈의 비네팅은 이미지 필드의 가장자리의 밝기의 감소를 야기한다. 그러나, 가장자리 밝기의 감소에 대한 수정이 화이트 밸런스 조정 및/또는 이득 조정을 수행함과 동시에 수행된다면, 가장자리 밝기에 대한 수정은 교정량을 감소시킬 때 수행될 수도 있다.
미국특허(Enomoto의 제6,323,934호)는 측방향 색수차, 왜곡, 이미지 필드 에지의 밝기 감소 및 이미지 블러링 중에서 선택된 광학적으로 기록된 이미지의 적어도 한 수차가 대물렌즈의 렌즈특성 및 이미지의 위치 정보에 근거하여 수정되는 이미지 처리 방법을 개시하고 있다. 또한, 이미지 처리 장치는 대물렌즈를 식별하는 정보를 획득하는 휙득부, 대물렌즈의 유형에 연관된 렌즈특성을 저장하는 저장부, 및 저장부로부터 대물렌즈의 대응하는 렌즈특성을 받아 측방향 색수차, 왜곡, 비네팅 및 이미지 블러링 중에서 선택된 적어도 한 수차를 수정하는 수정부를 포함한다. 컬러 불일치, 왜곡, 비균일한 밝기, 블러링 및 이외 다른 결함들, 혹은 비네팅과 왜곡이 없는 고품질의 이미지들이 일관되게 출력될 수 있다.
본 발명의 주 목적은 저렴한 렌즈들을 구비한 디지털 카메라에서 비네팅을 보상하는 것이다.
본 발명의 목적에 따라서, 디지털 카메라에서 비네팅을 보상하는 방법이 달성되었다. 상기 방법은 먼저, 렌즈 시스템, 화소 기반의 이미지 센서들의 어레이, 비휘발성 메모리, 처리 디바이스, RAM, 테스트 차트, 및 카메라 유닛을 제공하는 단계를 포함한다. 상기 방법의 제1 스텝들은 비네팅 결함들에 대해 카메라 유닛을 교정하는 단계 및 교정 결과들을 비휘발성 메모리에 저장하는 단계를 포함한다. 취해진 각 픽처에 대해 수행되는 다음 스텝들은 상기 교정 결과를 검색하고 비네팅 보상을 위해 상기 데이터를 준비하고, 비네팅을 보상하기 위해 취해진 각각의 이미지의 모든 화소들에 상기 교정 결과들을 적용하는 단계를 포함한다.
또한 이 발명의 목적들에 따라서, 디지털 카메라에서 비네팅을 보상하는 방법이 달성되었다. 상기 방법은 먼저, 비휘발성 메모리, 렌즈 시스템, 화소 기반의 이미지 센서들의 어레이, 처리 디바이스, RAM, 테스트 차트, 및 카메라 유닛을 제공하는 단계를 포함한다. 제1 스텝들은 각 카메라 유닛에 대해 1회 수행되는 것으로, 테스트 차트 픽처를 취하는 단계, 상기 테스트 이미지를 분석하는 단계, 테스트 이미지를 다항식 표면 함수에 맞추는 단계, 상기 다항식 함수의 계수들을 행렬에 삽입하는 단계, 상기 행렬을 비휘발성 메모리에 저장하는 단계를 포함한다. 취해진 각 픽처에 대해 수행되는 다음 단계들은 상기 비휘발성 메모리로부터 상기 행렬을 검색하는 단계, 불어들인 계수들을 사용하여 다항식 표면 함수를 구성하는 단계, 상기 이미지의 모든 화소들에 대해 상기 다항식 표면을 사용하여 이득 테이블을 구축하는 단계, 및 비네팅을 보상하기 위해 취해진 각각의 이미지의 모든 화소들에 상기 이득 테이블의 값들을 적용하는 단계를 포함한다.
본 발명의 목적들에 따라서, 디지털 카메라에서 비네팅을 보상하는 시스템이 달성되었다. 상기 방법은 테스트 차트, 렌즈 시스템, 화소 기반 이미지 센서 어레이, 비휘발성 메모리, 처리 디바이스, 및 화소 기반 이미지 센서들의 어레이를 포함한다.
도 1은 종래에 디지털 카메라에서 이미지들을 처리하기 위해 수행되는 여러 단계들의 흐름도.
도 2는 비네팅을 보상하기 위해 발명된 방법의 주요 스텝들의 흐름도.
도 3은 비네팅을 보상하기 위해 발명된 방법의 바람직한 실시예의 흐름도.
도 4는 발명된 시스템의 주요 성분들을 도시한 도면.
바람직한 실시예들은 비네팅에 관하여 높은 이미지 품질의 저렴한 렌즈를 사용할 수 있게 하는 디지털 카메라들의 비네팅을 보상하는 방법을 개시한다.
도 2는 비네팅을 보상하는 바람직한 실시예의 전반적인 방법을 나타낸 것이다. 이 방법은 두 양상들을 포함한다. 제1 양상에서, 카메라 유닛이 교정된다. 이 교정은 카메라 유닛 제조시 한번만 수행되며, 두 주요 스텝들 20, 21을 포함한다. 스텝 20에서 카메라 유닛은 비네팅 결함에 대해 교정되고 스텝 21에서 상기 교정 결과를 카메라의 비휘발성 메모리에 저장한다. 제2 양상은 취해진 각 이미지의 모든 화소들에의 교정 결과들의 적용을 포함한다. 스텝 22에서, 상기 교정 결과들을 상기 비휘발성 메모리로부터 검색하여 취해진 각각의 이미지에 적용할 준비를 한다. 스텝 23에서 상기 준비된 교정 데이터는 비네팅을 보상하기 위해 취해진 각 이미지의 모든 화소들에 적용된다.
도 3은 발명된 방법의 바람직한 실시예를 보다 상세히 도시한 것이다. 스텝들 30 내지 34는 제1 양상인 교정 양상 부분이다. 단계들 35 및 38은 제2 양상인 적용 양상 부분이다.
제1 스텝 30에서, 테스트 차트로서 통상 그레이 스크린의 이미지가 취해진다. 다음 스텝 31에서 비네팅에 관하여 어떤 불규칙에 대해서 상기 이미지를 분석한다. 스텝 32는 다항식 표면 함수를 사용하여 상기 분석 결과를 기술하는 것을 도시한 것이다. 상기 다항식 함수의 예는 다음 수학식 1과 같다.
여기서 g(x, y)는 위치(x, y)에서의 다항식 표면(밝기)이고, kij는 다항식 표면의 계수들이고, (i,j)는 k에의 지수들(계수들의 행렬)이고, (x, y)는 현재 화소의 좌표들이다. 비네팅을 이득효과로서 해석하면, g(x, y)는 위치(x, y)에서의 "비네팅 이득"을 기술한다. k 인자는 예를 들면 측정된 데이터에 적합한 최소 제곱들로써 찾아낼 수 있다.
상기 다항식 함수는 비네팅만을 나타내는 이미지, 즉 중심은 밝고 중심에서 먼 곳은 어두운 이미지를 생성하는데 사용될 수 있다. 이 이미지는 비네팅에 의해야기되는 서로 다른 화소들의 상대적 이득을 나타낸다.
상기 이미지가 화소별로 다항식 이미지로 나누어지면, 중심에서 먼 어두운 영역들은 중심만큼 밝아지게 된다. 중심 밝기가 영향받지 않은 채로 있을 것으로 가정하면, 결과적인 이미지는 다항식 이미지의 중심 밝기만큼 곱해야 할 것이다. 그러므로, "비네팅 이득" g(x,y)는 g의 가장 밝은 값이 1이 되도록 정규화될 수 있다. 이것은 나누기 전의 중심(최대) 밝기로 다항식 이미지를 정규화하는 것과 동일하다. 따라서, 역 이득 이미지는 비네팅을 보상하기 위해 이미지를 화소별로 곱해야 하는 이득 테이블이다.
다음 스텝 33에서, 상기 다항식 표면 함수의 계수들은 행렬에 삽입되고, 바람직한 실시예에서 이것은 5x5 행렬이다. 대체로 상기 행렬은 선택된 다항식 함수의 차수에 따라 크거나 작을 수 있다. 스텝 34에서 상기 계수들의 행렬은 카메라 유닛의 비휘발성 메모리에 저장된다. 플래시 메모리 혹은 EPROM과 같은 어떤 유형의 프로그램 가능한 비휘발성 메모리이든 사용될 수 있다.
다음 스텝들은 취해진 각 이미지에 대해 수행되며 발명된 방법의 제2 양상의 모든 부분이다. 스텝 35에서 다항식 계수들의 상기 행렬을 상기 비휘발성 메모리로부터 검색한다. 스텝 36에서 상기 행렬의 계수들을 사용하여 다항식 표면 함수를 구성한다. 스텝 37에서 취해진 이미지의 모든 화소들에 대해 이득 테이블을 구축한다. 스텝 38에서 비네팅을 보상하기 위해 상기 이득 테이블의 값들을 취해진 이미지의 모든 화소들에 적용한다.
여기서 p(x,y)는 생 화소값이고 g(x, y)는 상기 이득 테이블의 값들이다.
고정된 아이리스(iris)에 대한 모든 비네팅은 파라미터들에 의해 모델화된다. 이것은 단일 렌즈 및 렌즈 시스템들 양자에 대해서도, 또한 심도구조(depth structure)에 기인한 비네팅, 혹은 화소 비네팅이라고 하는 것으로 센서 자체의 화소들의 마이크로렌즈에 대해서도 가능하다.
도 4는 발명된 시스템의 기본 성분들을 나타낸 것이다. 상기 시스템은 테스트 차트(41), 렌즈 혹은 렌즈 시스템(42), 이미지 센서 어레이(43), 렌즈 시스템의 비네팅을 기술하는 다항식 계수들을 검색하기 위해 비휘발성 메모리(46)을 사용하는 처리 디바이스(44)을 포함한다. 참조부호 45는 수정된 이미지를 나타낸다.
플래시 메모리, MRAM 혹은 EPROM과 같은 다양한 프로그램 가능한 비휘발성 메모리 시스템들이 본 발명의 시스템에 사용될 수 있음이 자명하다. 이미지 센서들에 대해서 CCD 센서들뿐만 아니라 CMOS 센서들이 사용될 수 있다.
본 발명을 이의 바람직한 실시예들을 참조하여 특정하게 도시하고 기술하였으나, 발명의 정신 및 범위 내에서 형태 및 상세에 각종의 변경이 행해질 수 있음을 알 것이다.
본 발명은 저렴한 렌즈들을 구비한 디지털 카메라에서 비네팅을 보상하는 것이다.

Claims (39)

  1. 디지털 카메라에서 비네팅을 보상하는 방법에 있어서,
    렌즈 시스템, 화소 기반의 이미지 센서들의 어레이, 비휘발성 메모리, 처리 디바이스, 테스트 차트, 및 카메라 유닛을 제공하는 단계;
    비네팅 결함들의에 대해 카메라 유닛을 교정하는 단계;
    교정 결과들을 비휘발성 메모리에 저장하는 단계;
    상기 교정 결과들을 검색하여 비네팅 보상을 위해 데이터를 준비하는 단계; 및
    비네팅을 보상하기 위해 취해진 각각의 이미지의 모든 화소들에 상기 교정 결과들을 적용하는 단계를 포함하는, 비네팅 보상 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 교정 결과들은 상기 비네팅 결함들을 기술하는 다항식 표면 함수(polynomial surface function)로서 표현되는, 비네팅 보상 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다항식 표면 함수는 다음 식을 따르며,
    g(x, y)는 위치(x, y)에서의 다항식 표면(밝기)이고, kij는 다항식 표면의 계수들이고, (i,j)는 k에 대한 지수들(계수들의 행렬)이고, (x, y)는 현재 화소의좌표들인, 비네팅 보상 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 인자 kij는 측정된 데이터에 적합한 최소 제곱들을 사용하여 결정되는, 비네팅 보상 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 교정 결과들은 다항식 계수 행렬을 사용하여 저장되고 검색되는, 비네팅 보상 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 다항식 계수들의 행렬은 상기 비네팅 결함들을 기술하는 정규화된 표면 함수로부터 도출되는, 비네팅 보상 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 이미지의 중심의 밝기는 상기 정규화를 위해 사용되는, 비네팅 보상 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 비네팅의 보상은 취해진 각 픽처의 생 화소(raw pixel) 값들에, 정규화된 다항식 함수를 화소별로 곱하여 수행되는, 비네팅 보상 방법.
  9. 제1항에 있어서, 테스트 차트는 상기 카메라 유닛을 교정하는데 사용되는,비네팅 보상 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 테스트 차트는 그레이 테스트 차트인, 비네팅 보상 방법.
  11. 제1항에 있어서, 상기 비휘발성 메모리는 EPROM인, 비네팅 보상 방법.
  12. 제1항에 있어서, 상기 비휘발성 메모리는 EEPROM인, 비네팅 보상 방법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 비휘발성 메모리는 플래시 메모리인, 비네팅 보상 방법.
  14. 제1항에 있어서, 상기 화소 기반의 센서들의 어레이는 CMOS 센서들인, 비네팅 보상 방법.
  15. 제1항에 있어서, 상기 화소 기반의 센서들의 어레이는 CCD 센서들인, 비네팅 보상 방법.
  16. 디지털 카메라에서 비네팅을 보상하는 방법에 있어서,
    비휘발성 메모리, 렌즈 시스템, 처리 디바이스, RAM, 테스트 차트, 화소 기반의 이미지 센서들의 어레이, 및 카메라 유닛을 제공하는 단계;
    테스트 차트의 픽처를 취하는 단계;
    상기 테스트 이미지를 분석하는 단계;
    테스트 이미지를 다항식 표면 함수에 맞추는 단계;
    상기 다항식 함수의 계수들을 행렬에 삽입하는 단계;
    상기 행렬을 비휘발성 메모리에 저장하는 단계;
    상기 비휘발성 메모리로부터 상기 행렬을 검색하는 단계;
    검색된 계수들을 사용하여 다항식 표면 함수를 구성하는 단계;
    상기 이미지의 모든 화소들에 대해 상기 다항식 표면을 사용하여 이득 테이블을 구축하는 단계; 및
    비네팅을 보상하기 위해 취해진 상기 이미지의 모든 화소들에 상기 이득 테이블의 값들을 적용하는 단계를 포함하는, 비네팅 보상 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 다항식 표면 함수는 다음 식을 따르며,
    g(x, y)는 위치(x, y)에서의 다항식 표면(밝기)이고, kij는 다항식 표면의 계수들이고, (i,j)는 k에 대한 지수들(계수들의 행렬)이고, (x, y)는 현재 화소의 좌표들인, 비네팅 보상 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 인자 kij는 측정된 데이터에 적합한 최소 제곱들을 사용하여 결정되는, 비네팅 보상 방법.
  19. 제16항에 있어서, 상기 다항식 계수 행렬은 상기 비네팅 결함을 기술하는 정규화된 표면 함수로부터 도출되는, 비네팅 보상 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 이미지의 중심의 밝기는 상기 정규화를 위해 사용되는, 비네팅 보상 방법.
  21. 제16항에 있어서, 상기 비네팅의 보상은 취해진 각 픽처의 생 화소 값들에 정규화된 다항식 함수를 화소별로 곱하여 수행되는, 비네팅 보상 방법.
  22. 제16항에 있어서, 상기 테스트 차트는 그레이 테스트 차트인, 비네팅 보상 방법.
  23. 제16항에 있어서, 상기 비휘발성 메모리는 EPROM인, 비네팅 보상 방법.
  24. 제16항에 있어서, 상기 비휘발성 메모리는 EEPROM인, 비네팅 보상 방법.
  25. 제16항에 있어서, 상기 비휘발성 메모리는 플래시 메모리인, 비네팅 보상 방법.
  26. 제16항에 있어서, 상기 행렬은 5x5 행렬인, 비네팅 보상 방법.
  27. 제16항에 있어서, 상기 화소 기반의 센서들의 어레이는 CMOS 센서들인, 비네팅 보상 방법.
  28. 제16항에 있어서, 상기 화소 기반의 센서들의 어레이는 CCD 센서들인, 비네팅 보상 방법.
  29. 디지털 카메라에서 비네팅을 보상하는 시스템에 있어서,
    테스트 차트;
    렌즈 시스템;
    화소 기반의 이미지 센서 어레이;
    비휘발성 메모리;
    처리 디바이스; 및
    화소 기반의 이미지 센서들의 어레이를 포함하는, 비네팅 보상 시스템.
  30. 제29항에 있어서, 상기 이미지 센서들의 어레이는 CMOS 이미지 센서들을 포함하는, 비네팅 보상 시스템.
  31. 제29항에 있어서, 상기 이미지 센서들의 어레이는 CCD 이미지 센서들을 포함하는, 비네팅 보상 시스템.
  32. 제29항에 있어서, 상기 비휘발성 메모리는 플래시 메모리인, 비네팅 보상 시스템.
  33. 제29항에 있어서, 상기 비휘발성 메모리는 MRAM인, 비네팅 보상 시스템.
  34. 제29항에 있어서, 상기 비휘발성 메모리는 EPROM인, 비네팅 보상 시스템.
  35. 제29항에 있어서, 상기 비휘발성 메모리는 EEPROM인, 비네팅 보상 시스템.
  36. 제29항에 있어서, 상기 처리 디바이스는 마이크로프로세서인, 비네팅 보상 시스템.
  37. 제29항에 있어서, 상기 테스트 차트는 그레이 테스트 차트인, 비네팅 보상 시스템.
  38. 제29항에 있어서, 상기 렌즈 시스템은 하나의 렌즈를 포함하는, 비네팅 보상 시스템.
  39. 제29항에 있어서, 상기 렌즈 시스템은 하나 이상의 렌즈를 포함하는, EPROM 비네팅 보상 시스템.
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