KR20060070632A - 비선형 영상을 보정하는 촬상장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

비선형 특성을 갖는 광학 소자에 의해 확장된 동적 범위(dynamic range)를 갖는 이미지 센서를 이용하는 촬상장치에서 영상이 광세기에 대해 선형 특성을 갖도록 보정하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치 및 그 방법이 개시된다. 본 비선형 영상을 보정하는 촬상장치는 입력영상을 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 변환하는 광학 소자, 비선형 특성을 갖는 입력영상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서, 전기적 신호를 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 신호로 보정하는 보정부, 보정된 신호를 디지털 신호로 변환하는 컨버터, 및 변환된 신호가 출력영상으로 디스플레이될 수 있도록 신호처리하는 신호처리부를 포함한다. 이에 의해, 비선형 특성을 갖는 광학 소자에 의해 이미지 센서의 동적범위가 확장될 경우, 광세기에 대해 비선형 특성을 갖는 출력을 선형 특성을 갖도록 보정함으로써 영상의 해상도를 높일 수 있다.
비선형, 다이내믹 레인지, 광학 리미터

Description

비선형 영상을 보정하는 촬상장치 및 그 방법{Apparatus capable of correcting nonlinear image and method thereof}
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 비선형 영상을 보정하는 촬상장치의 블럭도,
도 2 도 1a 또는 도1b의 광학 소자에 의해 이미지 센서의 확장되는 동적 범위를 나타낸 도면,
도 3a는 도 1a 또는 도1b의 보정부에서 보정시 이용되는 함수를 설명하기 위한 도면,
도 3b 및 도 3c는 각각 도 1a 및 도 1b의 촬상장치에서의 보정부의 동작을 설명하기 위한 도면, 그리고
도 4은 본 발명의 일실시예에 따른 비선형 영상을 보정하는 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
10: 렌즈 20: 광학 소자
30: 이미지 센서 40: 보정부
50: 컨버터 60: 신호처리부
본 발명은 비선형 영상을 보정하는 촬상장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 비선형 특성을 갖는 광학 소자에 의해 확장된 동적 범위(dynamic range)를 갖는 이미지 센서를 이용하는 촬상장치에서, 영상이 광세기에 대해 선형 특성을 갖도록 보정하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치 및 그 방법에 관한 것이다.
이미지 센서의 동적범위는 얼마나 약한 광신호와 강한 광신호를 영상으로 처리해 낼 수 있느냐를 나타내는 지수이다. 즉, 화소의 신호 잡음 레벨에 대한 화소의 포화 레벨(saturation level)을 의미하며, 다음의 수학식으로 주어진다.
Figure 112004060162340-PAT00001
여기서, D는 이미지 센서의 동적범위를 나타내며, Noise는 신호 잡음, Saturation-level은 화소의 포화 레벨을 나타낸다.
예를 들어, 포화시 약 20만개의 전자를 검출하고, 잡음시 약 40개의 전자가 검출되면 동적 범위는 대략 5,000이고, dB은 약 -75dB 정도가 된다.
한편, 한 화면에 어두운 부분과 밝은 부분이 혼재해 있을 때 각각을 전부 구별하기 위해서는 입력광에 대한 노출 시간 조절할 수 있다. 그러나, 노출 시간 조절로 어두운 부분과 밝은 부분을 구별하는데는 한계가 있으므로 동적 범위를 넓히 는 것이 요구된다.
이미지 센서의 동적 범위를 향상시키는 방법으로는, 포화되는 시간을 출력하는 방식, 화소별로 노출 시간을 다르게 하는 방식, 신호 전하의 증가율을 출력하는 방식 등이 있다. 포화되는 시간을 출력하는 방식은 화소의 전하나 전압을 읽어내는 것이 아니라 노출 시간을 출력하는 방식이다. 이는 수광소자의 출력신호를 이미지 센서의 포토다이오드(photodiode) 전위가 정해진 문턱 전압, 즉 포화 상태에 도달하는 시점 또는 도달하기 직전의 시간을 A/D 변환기(Analog to Digital Converter) 대신에 비교기 회로를 사용해서 카운터를 통해 출력하는 방법이다. 즉 A/D 변환기 대신에 비교기 회로를 사용해서 언제 사전 결정된 문턱 전압에 도달하는지를 판정하여, 저장된 전하의 이산량을 판독해서 직접 디지털 표현으로 변환한다. 이 방법은 미국등록특허 6,069,377호과 일본등록특허 2,953,297호에 개시되어 있다.
그리고, 화소별로 노출 시간을 다르게 하는 방식은 강한 빛이 조사되는 화소에서는 노출 시간을 짧게 하고, 어두운 영상 신호가 조사되는 화소에서는 노출 시간을 길게함으로써 신호 레벨을 유지함과 동시게 넓은 동적 범위를 구현할 수 있다. 이 방법은 미국등록특허 6,498,576호에 개시되어 있다.
그리고, 이미지 센서의 동적 범위를 확장하기 위해, 비선형 특성을 갖는 소자를 이미지 센서 전단에 위치시킴으로써 이미지 센서에 입력되는 신호가 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 하는 경우도 있다.
선형 특성을 갖는 이미지 센서에 입력되는 신호가 광세기에 대해 비선형 특성을 갖음으로써 이미지 센서에서 출력되는 신호 또한 광세기에 대해 비선형 특성 을 갖는다. 그러나, 이미지 센서에서 출력되는 신호를 디지털 신호를 변환할 경우, 이미지 센서에서 출력되는 신호가 광세기에 대해 비선형 특성을 갖게 됨으로써, 이미지 센서의 출력값을 동일한 간격으로 샘플링할 때, 각각의 동일한 간격의 출력값에 해당하는 광세기의 간격은 상이하게 되는 문제점이 있다.
즉, 이미지 센서의 출력값이 비선형 특성을 갖는 것으로 인해 입력 광세기가 증가할수록 이미지 센서의 출력값의 증가비율은 감소하게 됨으로써, 동일한 출력값 변화량에 해당하는 입력 광세기의 변화량은 상이하다. 따라서, 상대적으로 입력 광세기의 변화량을 갖는 광세기에 대해 동일한 출력값으로 출력하게 됨으로써 해상도가 저하되는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명의 목적은 비선형 특성을 갖는 광학 소자를 이용하여 이미지 센서의 동적 범위(dynamic range)를 증가시킨 경우, 영상의 비선형으로 인한 해상도 저하를 방지하기 위해 영상이 선형 특성을 갖도록 하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치 및 그 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 비선형 영상을 보정하는 촬상장치는 입력영상을 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 변환하는 광학 소자, 비선형 특성을 갖는 입력영상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서, 전기적 신호를 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 신호로 보정하는 보정부, 보정된 신호를 디지털 신호로 변환하는 컨버터, 및 변환된 신호가 출력영상으로 디스플레이될 수 있도록 신호 처리하는 신호처리부를 포함한다.
바람직하게는 보정부는 광학 소자의 비선형 특성함수의 역함수를 이용하여 전기적 신호를 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 신호로 보정한다.
또한, 바람직하게는 보정부는 광학 소자의 비선형 특성함수와 역함수 관계를 갖는 아날로그 회로이다.
이때, 광학 소자는, 이미지 센서의 전기적 신호가 소정 광세기 이상에서 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 변환하며, 변환에 의해 이미지 센서의 동적 범위(dynamic range)가 확장시킨다.
바람직하게는 컨버터는 광학 소자가 존재하지 않을 경우의 컨버터의 비트수를 기준으로 광학 소자에 의해 상기 이미지 센서의 동적 범위가 확장되는 것에 비례하여 증가된 컨버터의 비트수를 갖는다.
여기서, 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device) 및 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 중 어느 하나이다.
본 발명의 다른 비선형 영상을 보정하는 촬상장치는 입력영상을 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 변환하는 광학 소자, 비선형 특성을 갖는 입력영상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서, 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하는 컨버터, 변환된 신호를 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 신호로 보정하는 보정부, 및 보정된 신호가 출력영상으로 디스플레이될 수 있도록 신호처리하는 신호처리부를 포함한다.
바람직하게는 보정부는 광학 소자의 비선형 특성함수의 역함수를 이용하여 전기적 신호를 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 신호로 보정한다.
또한, 바람직하게는 보정부는 컨버터에서 변환된 디지털 신호가 비선형 특성을 갖도록 하는 디지털 신호 프로세서(digital signal processor)이다.
이때, 광학 소자는, 이미지 센서의 전기적 신호가 소정 광세기 이상에서 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 변환하며, 변환에 의해 이미지 센서의 동적 범위(dynamic range)가 확장시킨다.
여기서, 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device) 및 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 중 어느 하나이다.
한편, 본 발명의 비선형 영상을 보정하는 방법은 비선형 특성을 갖는 광학 소자, 및 비선형 특성을 갖는 입력영상을 광전변환하는 이미지 센서를 포함하는 촬상장치에 있어서, 입력영상을 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 변환하여 이미지 센서의 동적 범위(dynamic range)를 향상시키는 단계, 비선형 특성을 갖는 입력영상을 전기적 신호로 변환하는 단계, 전기적 신호를 광세기에 대해 선형 특성을 갖도록 보정하는 단계, 보정된 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계, 및 변환된 신호가 출력영상으로 디스플레이될 수 있도록 신호처리하는 단계를 포함한다.
바람직하게는 보정하는 단계는, 광학 소자의 비선형 특성함수의 역함수를 이용하여 전기적 신호를 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 신호로 보정한다.
또한, 바람직하게는 보정하는 단계는, 전기적 신호를 보정할 경우에는 광학 소자의 비선형 특성함수와 역함수 관계를 갖는 아날로그 회로를 이용하여 보정한다.
본 발명의 다른 비선형 영상을 보정하는 방법은 비선형 특성을 갖는 광학 소자, 및 비선형 특성을 갖는 입력영상을 광전변환하는 이미지 센서를 포함하는 촬상장치에 있어서, 입력영상을 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 변환하여 이미지 센서의 동적 범위(dynamic range)를 향상시키는 단계, 비선형 특성을 갖는 입력영상을 전기적 신호로 변환하는 단계, 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계, 변환된 신호를 광세기에 대해 선형 특성을 갖도록 보정하는 단계, 및 보정된 신호가 출력영상으로 디스플레이될 수 있도록 신호처리하는 단계를 포함한다.
바람직하게는 보정하는 단계는, 광학 소자의 비선형 특성함수의 역함수를 이용하여 변환된 신호를 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 신호로 보정한다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 각각 본 발명의 일실시예에 따른 비선형 영상을 보정하는 촬상장치의 블럭도이다. 도 1a는 비선형 영상의 보정이 이미지 센서(30)에서 변환된 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하기 전에 수행되는 경우이며, 도 1b는 비선형 영상의 보정이 이미지 센서(30)에서 변환된 전기적 신호를 디지털 신호로 변환한 후에 수행되는 경우이다.
도 1a 및 도 1b를 참조하면, 본 발명의 비선형 영상을 보정하는 촬상장치는 렌즈(10), 광학 소자(20), 이미지 센서(30), 보정부(40), 컨버터(50), 및 신호처리부(60)를 구비한다.
먼저, 렌즈(10)는 입력되는 광을 집속하여 광학 소자(20)로 출력한다.
광학 소자(20)는 비선형 특성을 갖는 소자로서, 광학 소자(20)의 출력을 입 력받는 이미지 센서(30)가, 광세기(intensity)에 대하여 비선형 특성을 갖는 영상을 출력할 수 있도록 한다. 광학 소자(20)가 광세기에 대해 비선형 특성을 갖는 영상을 출력함으로써, 이미지 센서(30)의 출력값이 포화되는 입력 광세기의 대역을 넓혀준다.
이미지 센서(30)는 광세기에 대해 선형특성을 갖기 때문에 소정 광세기 이상의 영상들을 동일한 밝기의 영상으로 출력한다. 그러나, 광학 소자(20)가 이미지 센서(30)의 출력값이 비선형 특성을 갖도록 함으로써, 소정 광세기 이상의 광세기에서도 상이한 출력값을 갖도록 하여 출력값이 포화되는 입력 광세기의 대역을 넓혀준다. 즉, 이미지 센서의 동적 범위를 확장시킨다.
이미지 센서(30)는 광학 소자(20)로부터 입력되는 영상을 전기적 신호를 변환한다. 즉, 이미지 센서(30)는 이미지 센서(30)에 입사한 광세기에 비례하여 생성되는 신호 전하를 아날로그 전압으로 검출한다.
여기서, 이미지 센서(30)는 입력되는 광에 의해 발생한 전자를 그대로 게이트 펄스(gate pulse)를 이용해서 출력부까지 이동시키는 CCD(Charge Coupled Device)형 이미지 센서, 입력되는 광에 의해 발생한 전자를 각 화소 내에서 전압으로 변환한 후 다수의 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 스위치를 통해 출력하는 CMOS형 이미지 센서 등이 될 수 있다.
그리고, 이미지 센서(30)는 선형 특성을 갖는 소자로서, 광학 소자(20)로부터 입력되는 영상이 광세기에 대해 비선형 특성을 갖는 영상이므로 이미지 센서(30)가 전기적 신호로 변환하여 출력신호 또한 광세기에 대해 비선형 특성을 갖는 신호이다.
보정부(40)는 광세기에 대해 비선형 특성을 갖는 영상을 선형 특성을 갖는 신호로 보정한다. 이때, 보정부(40)는 이미지 센서(30)로부터 출력되는 광세기에 대해 비선형 특성을 갖는 영상이 디지털 신호로 변환되기 전 또는 후에 동작한다. 즉, 보정부(40)는 컨버터(50) 전후에 위치하여 이미지 센서(30)로부터 출력되는 아날로그 신호를 보정하거나, 컨버터(50)로부터 출력되는 디지털 신호를 보정한다.
비선형 특성을 갖는 영상이 디지털 신호로 변환되기 전에 보정부(40)가 동작하는 경우, 보정부(40)는 광학 소자(20)의 비선형 특성함수와 역함수 관계를 갖는 아날로그 회로로 구성되어 이미지 센서(30)로부터 입력되는 신호의 선형화를 수행한다. 반면, 비선형 특성을 갖는 영상이 디지털 신호로 변환된 후에 보정부(40)가 동작하는 경우, 보정부(40)는 컨버터(50)로부터 출력되는 디지털 신호를 신호처리하여 비선형 신호의 선형화를 수행한다.
그리고, 보정부(40)는 광세기에 대해 비선형인 신호를 출력하기 위해 이용된 광학 소자(20)의 비선형 특성함수의 역함수를 이용하여 입력되는 신호가 광세기에 대해 선형 특성을 갖도록 보정한다.
즉, 이미지 센서(30)의 동적 범위를 확대하기 위해 비선형 특성을 갖는 광학 소자(20)를 이용할 경우, 광학 소자(20)의 비선형 특성함수에 의해 광세기에 대해 비선형 특성을 갖는 신호를 출력하게 된다. 따라서, 광학 소자(20)의 비선형 특성함수에 의해 이미지 센서(30)로 입력되는 신호가 비선형 특성을 갖게 되므로, 광학 소자(20)의 비선형 특성함수의 역함수를 이미지 센서(30)에서 출력되는 신호가 적 용함으로써 선형 특성을 갖는 신호로 보정할 수 있다.
컨버터(50)는 입력되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 비선형 특성을 갖는 영상이 디지털 신호로 변환되기 전에 보정부(40)가 동작하는 경우, 컨버터(50)는 보정부(40)에서 선형특성을 갖는 신호로 보정된 신호를 디지털 신호로 변환한다. 반면, 비선형 특성을 갖는 영상이 디지털 신호로 변환된 후에 보정부(40)가 동작하는 경우, 이미지 센서(30)에서 출력되는 신호를 디지털 신호로 변환한 후, 변환된 디지털 신호가 선형 신호로 보정되도록 보정부(40)로 출력한다.
신호처리부(60)는 선형특성을 갖도록 보정된 디지털 신호가 화면에 출력영상으로 디스플레이될 수 있도록 신호처리한다.
도 2는 도 1a 또는 도1b의 광학 소자(20)에 의해 이미지 센서(30)의 확장되는 동적 범위를 나타낸 도면이다. 여기서, 도 2의 가로축은 입력되는 광세기를 나타내며, 세로축은 이미지 센서(30)의 출력값을 나타낸다. 그리고, Ⅰ은 이미지 센서(30) 광학 소자(20)를 이용하지 않을 경우의 이미지 센서(30)의 출력을 나타낸 그래프이며, Ⅱ는 이미지 센서(30) 광학 소자(20)를 이용하는 경우의 이미지 센서(20)의 출력을 나타낸 그래프이다.
이때, ICCD 및 IOL은 각각 Ⅰ,Ⅱ경우에서 포화 출력값을 갖는 광세기를 나타내며, Isat는 이미지 센서(30)의 포화 출력값을 나타낸다. 그리고, A구간은 Ⅱ경우에서 출력값이 광세기에 대해 선형특성 갖는 구간이며, B구간은 Ⅱ경우에서 출력값이광세기에 대해 비선형을 특성을 갖는 구간이다. D구간은 광학 소자(20)를 이용하여 이미지 센서(30)의 출력값이 광세기에 대해 비선형 특성을 갖게 됨으로써 동적 범위가 확장되는 구간을 나타낸다.
도 2을 참조하면, 광학 소자(20)를 사용하는 경우의 그래프(Ⅱ)에서 이미지 센서(30)의 출력값은 광세기에 대해 비선형 특성을 갖는다. 이때, 광세기에 대해 비선형 특성 갖는 이미지 센서(30)의 출력값은 소정 광세기인 IL 이상에서 나타난다. IL 이하에서는 즉, A구간에서는 광학 소자(20)를 이용하지 않을 경우와 같이 이미지 센서(30)의 출력값이 광세기에 대해 선형 특성을 갖는다.
그리고, IL 이상에서는 즉, B구간에서는 광학 소자(20)를 이용하지 않을 경우와 달리 이미지 센서(30)의 출력값이 광세기에 대해 비선형 특성을 갖는다. 비선형 특성을 갖는 구간에서는 선형 특성을 갖는 구간에 비해 광세기 증가에 따라 출력값의 증가율을 감소한다.
B구간에서 광세기 증가에 따라 출력값의 증가율이 감소함으로써, 광학 소자(20)를 이용하지 않을 경우와 달리, D구간에서는 광세기의 증가에 따라 이미지 센서(30)의 출력값이 상이하다. 따라서, D구간의 광세기에 대해서도 상이한 영상의 밝기를 디스플레이할 수 있게 된다. 즉, 얼마나 약한 광신호과 강한 광신호를 영상으로 처리해 낼 수 있느냐를 나타내는 지수인 이미지 센싱 소자(100)의 동적 범위가 확장된다.
도 3a는 도 1a 또는 도1b의 보정부(40)에서 보정시 이용되는 함수를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, D1 및 D2는 해상도에 따라 구분 가능한 입력 광세기의 범위를 나타내며, C1 및 C2는 동일한 간격으로 샘플링된 이미지 센서(30)의 출력값의 범위를 나타낸다. 그리고, X는 광세기에 대해 선형특성을 갖는 출력값 중 최대값으로, 광세기가 0에서 X까지의 범위에서는 이미지 센서(30)의 출력값은 선형 특성을 나타낸다.
그리고, f(I)는 광학 소자(20)의 비선형 특성함수이며, g(I)는 광학 소자(20)의 비선형 특성 함수의 역함수이다. l(I)는 비선형 특성함수 f(I)에 비선형 특성함수의 역함수 g(I)가 적용된 후, 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 컨버터(50)의 출력값을 나타낸다.
도 3a를 참조하면, 광학 소자(20)를 이용함으로써 이미지 센서(30)의 출력값이 광세기에 대해 비선형을 특성을 갖는 경우, 동일한 이미지 센서(30)의 출력값의 변화량에 대해, 해상도에 따라 구분 가능한 입력 광세기의 변화량이 상이한 경우가 발생한다.
즉, 이미지 센서(30)의 출력값의 비선형 특성으로 인하여 광세기의 증가에 따라 입력 광세기의 변화량이 증가함에도 불구하고 이미지 센서(30)의 출력값의 변화량은 동일하여, 상대적으로 큰 입력 광세기의 변화량에 대해 동일한 출력값으로 검출한다. 이러한 잘못된 이미지 센서(30)의 출력값을 이용하여 신호처리를 함으로써 출력영상의 해상도는 저하될 수 있다.
예를 들어, 먼저 낮은 광세기 영역에서 입력 광세기 차(D1)가 1/2n일 때 이미지 센서(30)의 출력값 변화량(C1)은 '1'이라고 가정한다. 도 3a에 도시한 바와 같이 높은 광세기 영역에서 입력 광세기 차(D2)가 5/2n일 때, 이미지 센서(30)의 출력값 변화량(C2)은 '5'가 되어야 함에도 불구하고 출력값이 1/2n경우의 출력값(D1)과 동일한 '1'이 되는 문제점이 발생한다.
즉, 높은 광세기 영역과 낮은 광세기 영역에서 이미지 센서(30)의 출력값의 변화량은 동일 간격으로 샘플링되지만, 실제 입력 광세기의 변화량은 상이하다. 이는 이미지 센서(30)의 출력값이 광세기에 대해 비선형 특성을 갖음으로써 소정 광세기(X) 이상에서 광세기 증가에 따른 출력값의 증가율이 감소하기 때문이다.
여기서, 이미지 센서(30)의 출력값을 광세기에 대해 선형특성을 갖도록 보정하기 위해서, 비선형 특성을 갖는 이미지 센서(30)의 출력값에 적용될 함수가 광학 소자(20)의 특성함수의 역함수가 되는 것은 다음의 수학식에 의해 설명될 수 있다.
Figure 112004060162340-PAT00002
Figure 112004060162340-PAT00003
여기서, I는 광세기이며, f(I)는 광학 소자(20)의 비선형 특성함수이다. 그리고, g(I)는 이미지 센서(30)의 출력값을 보정하기 위해 사용되는 함수, 즉, 광학 소자(20)의 비선형 특성함수의 역함수가 된다.
이미지 센서(30)의 출력값이 선형 특성을 갖도록 보정하기 위해, 비선형 특성함수가 적용된 이미지 센서(30)의 출력값에 임의의 함수를 적용한 값이 선형 특 성을 갖는 것을 이용한다. 즉, 수학식2를 참조하면, 비선형 특성함수가 적용된 이미지 센서(30)의 출력값에 임의의 함수를 적용한 값을 입력광세기(I)로 둔다.
따라서, 이미지 센서(30)의 출력값이 선형 특성을 갖도록 하기 위해, 비선형 특성함수가 적용된 이미지 센서(30)의 출력값에 적용되는 함수는 수학식3에 나타낸 바와 같이 광학 소자(20)의 비선형 특성함수의 역함수가 된다.
도 3b 및 도 3c는 각각 도 1a 및 도 1b의 촬상장치에서 보정부(40)의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 즉, 도 3b는 비선형 특성을 갖는 영상이 디지털 신호로 변환되기 전에 보정부(40)가 동작하는 경우이며, 도 3c는 비선형 특성을 갖는 영상이 디지털 신호로 변환된 후에 보정부(40)가 동작하는 경우이다.
도 3a의 경우와 같이, F1 및 F2과, H1 및 H2는 해상도에 따라 구분 가능한 입력 광세기의 범위를 나타내며, E1 및 E2과, G1 및 G2는 동일한 간격으로 샘플링된 이미지 센서(30)의 출력값의 범위를 나타낸다.
그리고, X는 광세기에 대해 선형특성을 출력값 중 최대값이며, 광세기가 0에서 X까지의 범위에서는 이미지 센서(30)의 출력값은 선형 특성을 나타낸다. Y는 이미지 센서(30)의 출력값이 포화 출력값을 갖을 때의 광세기이다.
이때, f(I)는 광학 소자(20)의 비선형 특성함수이며, g(I)는 광학 소자(20)의 비선형 특성 함수의 역함수이다. l(I)는 비선형 특성함수 f(I)에 비선형 특성함수의 역함수 g(I)가 적용된 후 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 컨버터(50)의 출력값을 나타낸다.
도 3b를 참조하면, 비선형 특성을 갖는 영상이 디지털 신호로 변환되기 전에 보정부(40)가 동작하는 경우, 컨버터(40)의 출력값은 보정부(40)에 의해 선형 특성으로 갖도록 보정된 후이다. 따라서, 동일 간격으로 샘플링한 이미지 센서(30)의 각 출력값의 변화량에 대응하는 입력 광세기는 동일한 변화량을 갖는다. 즉, 낮은 광세기 영역에서의 샘플링 비율과 높은 광세기 영역에서의 샘플링 비율은 동일하다. 이때, 보정부(40)는 광학 소자(20)의 비선형 특성함수와 역함수 관계를 갖는 아날로그 회로로 구성된다.
그러나, 비선형 특성을 갖는 영상이 디지털 신호로 변환된 후에 보정부(40)가 동작하는 경우, 확장된 동적 범위를 갖는 이미지 센서(30)의 출력값이 선형 특성을 갖도록 보정된 상태에서 컨버터(50)로 입력됨으로써, 컨버터(50)는 이미지 센서(30)의 동적 범위가 확장되는 것에 비례하여 비트수가 증가되어야 한다. 예를 들어, 8bit의 컨버터(50)를 통하여 동적 범위가 확대되지 않은 이미지 센서(30)의 출력값이 샘플링될 때, 광학 소자(20)에 의해 이미지 센서(30)의 동적 범위가 2배 상승하는 경우에는 이미지 센서(30)의 출력값이 선형화됨으로써 9bit의 신호가 생성되어 9bit의 컨버터(50)가 요구된다.
도 3c를 참조하면, 비선형 특성을 갖는 영상이 디지털 신호로 변환된 후에 보정부(40)가 동작하는 경우, 컨버터(40)의 출력값은 보정부(40)에 의해 선형 특성으로 갖도록 보정되기 전이다. 따라서, 컨버터(50) 출력값이 광세기에 대해 선형 특성을 갖도록 보정된다.
이때, 컨버터(50) 출력값이 입력 광세기와 선형 관계를 보정되기 위해, 컨버터(50) 출력값의 변화량이 도 3b의 경우와 같이 동일간격이 아니라 광세기의 변화 량이 점증적으로 증가하는 것에 따라 컨버터(50) 출력값의 변화량도 점증적으로 증가되로고 한다. 즉, 낮은 광세기 영역에서는 샘플링 비율과 높은 광세기 영역에서의 샘플링 비율은 상이하다. 따라서, 낮은 광세기 영역에서의 해상도는 높은 광세기 영역에서의 해상도에 비해 상대적으로 높다.
따라서, 비선형 특성을 갖는 영상이 디지털 신호로 변환된 후에 보정부(40)가 동작하는 경우, 낮은 광세기 영역에서의 해상도는 높은 광세기 영역에서의 해상도가 높아, 광세기가 낮을수록 그 변화에 민감하며 광세기가 커질수록 그 변화에 둔감해지는 인간의 시감과 유사한 특성을 갖는다.
여기서, 비선형 특성을 갖는 영상이 디지털 신호로 변환된 후에 보정부(40)가 동작하는 경우, 보정부(40)는 컨버터(50)로부터 입력되는 디지털 신호를 보정하기 위해 디지털 신호 프로세서(digital signal processor)가 된다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 비선형 영상을 보정하는 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 먼저 렌즈(10)에서 집속된 광은 광학 소자(20)에 의해 광세기에 대해 비선형 특성을 갖는 영상으로 출력된다(S301). 여기서, 광학 소자(20)는 비선형 특성 소자로서 비선형 특성함수에 의해 렌즈(10)로부터 입력되는 광을 비선형 특성을 갖는 영상으로 출력한다.
그리고, 도 2를 참조하여 상술한 바와 같이 광학 소자(20)가 이미지 센서(30) 전단에 위치하여 소정 광세기 이상에서 영상이 광세기에 대해 비선형을 특성을 갖도록 함으로써 이미지 센서(30)의 동적 범위는 확대된다. 그러나, 이미지 센 서(30)의 동적 범위의 확대로 인하여 소정 광세이기 이상에서는 광세기 증가에 따른 출력값의 증가율이 감소하게 된다.
이어, 이미지 센서(30)는 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 출력된 영상을 전기적 신호로 변환한다(S303). 즉, 이미지 센서(30)에서 입사한 광세기에 비례하여 생성되는 신호 전하를 아날로그 전압으로 검출한다. 이때, 이미지 센서(30)는 선형 특성을 갖는 소자이므로 광학 소자(20)로 입력되는 광세기 대해 비선형 특성을 갖는 입력영상을 비선형을 특성을 갖는 영상으로 출력한다.
이어, 전기적 신호로 변환된 아날로그 신호는 컨버터(50)에 의해 디지털 신호로 변환한다(S305). 즉, 이 컨버터(50)는 A/D컨버터(Analog to Digital Converter)이다.
이때, 이미지 센서(30)의 출력값을 동일간격으로 샘플링하여 샘플링된 이미지 센서(30)의 출력값 변화량에 해당하는 광세기 변화량에 대해 동일한 컨버터(50) 출력값으로 출력한다. 그러나, 이미지 센서(30)의 출력값이 소정 광세기 이상에서 광세기에 대해 비선형 특성을 갖으므로, 샘플링된 동일한 이미지 센서(30)의 출력값 변화량에 해당하는 광세기의 변화량는 증가된다.
즉, 광세기가 증가할수록 큰 광세기 변화량에 대해 동일한 이미지 센서(30)의 출력값을 갖게 됨으로써, 광세기가 증가할수록 해상도는 저하된다. 따라서, 고해상도의 영상이 디스플레이될 수 있도록 하기 위해 컨버터(50)의 출력값이 광세기에 대해 선형특성을 갖도록 보정할 필요가 있다.
이어, 컨버터(50)의 출력값이 광세기에 대해 선형 특성을 갖도록 보정한다 (S307). 컨버터(50)의 출력값에 광학 소자(20)의 비선형 특성함수의 역함수를 적용하여, 신호처리부(60)로 입력되는 값이 광세기에 대해 선형 특성을 갖도록 보정한다. 컨버터(50) 출력값이 비선형 특성을 갖는 것은 광학 소자(20)의 비선형 특성함수에 의한 것이므로, 컨버터(50) 출력값을 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 하기 위해 광학 소자(20)의 비선형 특성함수의 역함수를 적용하여 보정한다. 보정된 컨버터(50)의 출력값과 광세기의 관계의 도 3c를 참조하여 상술한 바와 같다.
이어, 보정된 컨버터(50)의 출력값이 화면에 디스플레이될 수 있도록 신호처리한다(S309). 컨버터(50)의 출력값이 광세기에 대해 선형특성을 갖도록 보정됨으로써, 이미지 센서(30)의 동적 범위 확장을 위해 비선형 특성을 갖는 영상의 해상도가 높아질 수 있다.
한편, S303단계에서 이미지 센서(30)에서 입력영상을 전기적을 신호로 변환한 후, 디지털 신호로 변환하는 것이 아니라 먼저 이미지 센서(30)의 출력값이 선형특성을 갖도록 보정할 수 있다. 이어, 선형 특성을 갖도록 보정된 전기적 신호를 디지털 신호로 변환한 후, 영상이 디스플레이될 수 있도록 신호처리한다. 이때, 선형 특성을 갖도록 보정된 신호가 디지털 신호로 변환되는 컨버터(50) 출력값과 광세기의 관계는 도 3b를 참조하여 상술한 바와 같다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 비선형 특성을 갖는 광학 소자에 의해 이미지 센서의 동적범위가 확장될 경우, 광세기에 대해 비선형 특성을 갖는 출력을 선형 특성을 갖도록 보정함으로써 영상의 해상도를 높일 수 있다.
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.

Claims (16)

  1. 입력영상을 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 하는 변환하는 광학 소자;
    상기 비선형 특성을 갖는 입력영상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서;
    상기 전기적 신호를 상기 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 신호로 보정하는 보정부;
    상기 보정된 신호를 디지털 신호로 변환하는 컨버터; 및
    상기 변환된 신호가 출력영상으로 디스플레이될 수 있도록 신호처리하는 신호처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보정부는 상기 광학 소자의 비선형 특성함수의 역함수를 이용하여 상기 전기적 신호를 상기 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 신호로 보정하는 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 보정부는 상기 광학 소자의 비선형 특성함수와 역함수 관계를 갖는 아날로그 회로인 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광학 소자는, 상기 이미지 센서의 전기적 신호가 소정 광세기 이상에서 상기 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 변환하며, 상기 변환에 의해 상기 이미지 센서의 동적 범위(dynamic range)가 확장시키는 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device) 및 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 컨버터는 상기 광학 소자가 존재하지 않을 경우의 상기 컨버터의 비트수를 기준으로, 상기 광학 소자에 의해 상기 이미지 센서의 동적 범위가 확장된 것에 비례하여 증가된 상기 컨버터의 비트수를 갖는 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치.
  7. 입력영상을 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 변환하는 광학 소자;
    상기 비선형 특성을 갖는 입력영상을 전기적 신호로 변환하는 이미지 센서;
    상기 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하는 컨버터;
    상기 변환된 신호를 상기 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 신호로 보정하는 보정부;및
    상기 보정된 신호가 출력영상으로 디스플레이될 수 있도록 신호처리하는 신호처리부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 보정부는 상기 광학 소자의 비선형 특성함수의 역함수를 이용하여 상기 전기적 신호를 상기 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 신호로 보정하는 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 보정부는 상기 컨버터에서 변환된 디지털 신호가 비선형 특성을 갖도록 하는 디지털 신호 프로세서(digital signal processor)인 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 광학 소자는, 상기 이미지 센서의 전기적 신호가 소정 광세기 이상에서 상기 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 변환하며, 상기 변환에 의해 상기 이미지 센서의 동적 범위(dynamic range)가 확장시키는 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 CCD(Charge Coupled Device) 및 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 촬상장치.
  12. 비선형 특성을 갖는 광학 소자, 및 상기 비선형 특성을 갖는 입력영상을 광전변환하는 이미지 센서를 포함하는 촬상장치에 있어서,
    입력영상을 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 변환하여 상기 이미지 센서의 동적 범위(dynamic range)를 향상시키는 단계;
    상기 비선형 특성을 갖는 입력영상을 전기적 신호로 변환하는 단계;
    상기 전기적 신호를 상기 광세기에 대해 선형 특성을 갖도록 보정하는 단계;
    상기 보정된 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계; 및
    상기 변환된 신호가 출력영상으로 디스플레이될 수 있도록 신호처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 보정하는 단계는,
    상기 광학 소자의 비선형 특성함수의 역함수를 이용하여 상기 전기적 신호를 상기 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 신호로 보정하는 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 보정하는 단계는,
    상기 전기적 신호를 보정할 경우에는 상기 광학 소자의 비선형 특성함수와 역함수 관계를 갖는 아날로그 회로를 이용하여 보정하는 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 방법.
  15. 비선형 특성을 갖는 광학 소자, 및 상기 비선형 특성을 갖는 입력영상을 광전변환하는 이미지 센서를 포함하는 촬상장치에 있어서,
    입력영상을 광세기에 대해 비선형 특성을 갖도록 변환하여 상기 이미지 센서의 동적 범위(dynamic range)를 향상시키는 단계;
    상기 비선형 특성을 갖는 입력영상을 전기적 신호로 변환하는 단계;
    상기 전기적 신호를 디지털 신호로 변환하는 단계;
    상기 변환된 신호를 상기 광세기에 대해 선형 특성을 갖도록 보정하는 단계; 및
    상기 보정된 신호가 출력영상으로 디스플레이될 수 있도록 신호처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 보정하는 단계는,
    상기 광학 소자의 비선형 특성함수의 역함수를 이용하여 상기 변환된 신호를 상기 광세기에 대해 선형 특성을 갖는 신호로 보정하는 것을 특징으로 하는 비선형 영상을 보정하는 방법.
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