KR20070004202A - Method for correcting lens distortion in digital camera - Google Patents
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Abstract
Description
도 1은 본 발명의 렌즈에 의한 화면왜곡 보정 방법이 적용되는 디지털카메라의 전기적인 블록 구성도,1 is an electrical block diagram of a digital camera to which a distortion correction method according to the lens of the present invention is applied;
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 디지털카메라에서 렌즈에 의한 화면왜곡 보정 방법의 흐름도,2 is a flowchart of a method for correcting image distortion by a lens in a digital camera that can be applied to the present invention;
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 좌표변환 시스템에서 왜곡변환테이블을 생성하는 과정을 설명하기 위한 전기적인 블록 구성도,3 is an electrical block diagram illustrating a process of generating a distortion conversion table in a coordinate conversion system applicable to the present invention;
도 4는 본 발명에 적용될 수 있는 좌표변환 시스템에서 왜곡변환테이블을 생성하는 과정을 설명하기 위한 흐름도,4 is a flowchart illustrating a process of generating a distortion transformation table in a coordinate transformation system applicable to the present invention;
도 5a 내지 도 5c는 도 3 및 도 4의 왜곡변환테이블 생성하는 과정을 설명하기 위한 영상 예시도,5A through 5C are exemplary views illustrating the process of generating the distortion conversion table of FIGS. 3 and 4;
도 6a 내지 도 6c는 도 4의 왜곡변환테이블에 저장되는 좌표 변위값을 구하는 과정을 설명하기 위한 예시도이다.6A to 6C are exemplary views for explaining a process of obtaining coordinate displacement values stored in the distortion conversion table of FIG. 4.
*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ****** Explanation of symbols for the main parts of the drawing ***
100: 디지털카메라 110: 왜곡보정부100: digital camera 110: distortion correction
120: 검출부 130: 메모리120: detector 130: memory
131: 데이터 저장부 133: 왜곡변환 테이블131: data storage unit 133: distortion conversion table
135: 프로그램 저장부 140: 이미지 센서부135: program storage unit 140: image sensor unit
150: 노이즈 제거부 160: 신호 변환부150: noise removing unit 160: signal conversion unit
170: 영상 처리부 180: 표시부170: image processing unit 180: display unit
190: 렌즈 200: 피사체190: lens 200: subject
300: 좌표변환시스템 310: 좌표변환부300: coordinate transformation system 310: coordinate transformation unit
320: 필터부 330: 신호변환부320: filter unit 330: signal conversion unit
340: 이미지센서부 350: 렌즈340: image sensor unit 350: lens
360: 왜곡변환테이블 400: 표준영상360: Distortion Conversion Table 400: Standard Image
500: 왜곡영상 600: 에지영상500: distorted image 600: edge image
본 발명은 디지털카메라에서 렌즈에 의한 화면왜곡 보정 방법에 관한 것으로, 특히 미리 설정된 그리드 패턴을 형성하는 각각의 픽셀 좌표값과 이에 대한 변위값이 저장된 왜곡변환 테이블에 의해 왜곡영상의 픽셀 좌표를 보정할 수 있도록 된 디지털카메라에서 렌즈에 의한 화면왜곡 보정 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for correcting image distortion by a lens in a digital camera, and in particular, to correct pixel coordinates of a distorted image by a distortion conversion table in which respective pixel coordinate values forming a preset grid pattern and displacement values thereof are stored. The present invention relates to a method of correcting picture distortion by a lens in a digital camera.
카메라의 렌즈를 통해 들어오는 피사체의 반사광이 필름 또는 이미지 센서 등의 기록매체에 맺힐 때, 광선이 한 점에 모이지 않아서 상이 흐려지거나 비뚤어지는 현상이 발생되는데, 이런 현상을 수차(收差)라고 한다. 이러한 수차는 크게, 서로 다른 파장의 광선이 각각 다른 화상 면에 초점을 맺으면서, 색번짐을 일으키는 색수차(chromatic aberration), 렌즈가 구면으로 되어 있는 경우, 렌즈의 주변광선(marginal ray)이 근축광선(paraxial ray)보다 초점거리가 짧은데, 이처럼 광학계에 입사하는 높이에 따라 모이는 점이 다른 구면수차(spherical aberration), 광선이 비축으로 입사될 경우 혜성 모양의 상이 결상되는 코마수차(coma), 렌즈에 의한 상이 평면이 아닌 곡면에서 결상되는 상면만곡(field curvature) 그리고 불균일한 상을 발생시키는 왜곡수차(distortion aberration) 등으로 분류될 수 있다. When the reflected light of a subject coming through the lens of the camera forms on a recording medium such as a film or an image sensor, the light does not collect at one point, and the image is blurred or skewed. This phenomenon is called aberration. This aberration is largely due to chromatic aberration that causes color blurring while rays of different wavelengths focus on different image planes, and when the lens is spherical, the marginal ray of the lens is a paraxial ray ( The focal length is shorter than that of the paraxial ray, and the spherical aberration differs depending on the height incident on the optical system. It may be classified into a field curvature formed on a curved surface rather than a plane, and a distortion aberration that generates an uneven image.
한편, 왜곡 특성은 렌즈의 초점길이가 짧아서 영상의 바깥부분이 중심부 쪽으로 휘어져 발생되는 원통형 왜곡(Barrel Distiortion)과, 이와 반대로 렌즈의 초점길이가 길어서 영상의 중심부가 바깥쪽으로 휘어져서 발생되는 실패형 왜곡 (Pincushion Distiortion)으로 분류될 수 있는데, 현재 대중화된 디지털카메라에서는 실패형 왜곡보다는 원통형 왜곡 현상이 더 두드러진다. 그 원인으로 광신호를 전기신호로 변환해 주는 CCD 또는 CMOS센서와 같이 렌즈를 통해서 들어온 영상을 기록하는 이미지센서의 크기가 일반적으로 필름카메라의 필름보다 작아서 그 만큼 초점거리가 짧기 때문이다. 따라서 이러한 렌즈의 왜곡 특성으로 인해서 상의 크기 및 원근감이 원영상과는 다르므로 카메라 사용자는 불균일한 이미지를 제공받는다. 예를들면, 자동차의 후방 관측 장치로서 디지털카메라를 사용하는 경우에, 렌즈의 왜곡 특성은 운전 또는 주차를 위해 구비된 후방 관측장치로서의 기능을 효과적으로 수행할 수 없게 한다. On the other hand, the distortion characteristics include barrel distiortion caused by the short focal length of the lens and the outer part of the image being bent toward the center, and, conversely, failure type distortion caused by the central part of the image due to the long focal length of the lens. It can be classified as (Pincushion Distiortion), and cylindrical distortion is more prominent than failure type distortion. This is because the size of the image sensor that records the image coming through the lens, such as a CCD or CMOS sensor that converts the optical signal into an electrical signal is generally smaller than the film of the film camera, so the focal length is short. Therefore, because of the distortion characteristics of the lens, the image size and perspective is different from the original image, so that the camera user is provided with an uneven image. For example, in the case of using a digital camera as a rear view device of an automobile, the distortion characteristic of the lens makes it impossible to effectively perform the function as a rear view device provided for driving or parking.
이러한 왜곡을 보완하고자, 초점 위치가 어긋나 불선명한 상이 되어 버리는 구면 수차 또는 상이 비뚤어지는 왜곡 수차의 저감에 유효한 비구면 렌즈가 있지만 렌즈 자체가 고가이다. 또한, 왜곡된 영상에서 추출된 픽셀의 X축 및 Y축 좌표값을 각각 Xd 와 Yd, 왜곡이 보정된 후의 영상에서 추출된 픽셀의 X축 및 Y축 좌표값을 각각 Xu 와 Yu 라 하고 카메라 캘리브레이션을 통해 구해진 렌즈왜곡변수를 k라고 하면, 이 때 두 좌표계 간에는 렌즈 왜곡에 의해 다음 수학식 1 및 2와 같은 왜곡변환식이 존재한다고 가정할 수 있는데, 이를 토대로 픽셀좌표값을 변환하여 원영상에 가까운 보정된 영상을 얻는 알고리즘을 소프트웨어적으로 구현할 수 있을 것이다. In order to compensate for such distortion, there is an aspherical lens effective for reducing spherical aberrations in which the focal position is shifted and becomes an unclear image or distortion in which the image is distorted, but the lens itself is expensive. Further, the pixels extracted from the distorted image the X-axis and Y-axis coordinate value of each of X d and Y d, respectively, X u of X-axis and Y-axis coordinate value of the pixel extracted from the image after the distortion correction and the Y u If the lens distortion parameter obtained through the camera calibration is k, it can be assumed that there exists a distortion conversion equation such as the following equations 1 and 2 due to lens distortion between the two coordinate systems. Algorithms for obtaining a corrected image close to the original image may be implemented in software.
여기서 Rd=(Xd 2+Yd 2)1/2 는 이미지의 중심부터 왜곡된 영상에서 추출된 픽셀 좌표인 (Xd, Yd)까지의 거리를 의미한다.Here, R d = (X d 2 + Y d 2 ) 1/2 means the distance from the center of the image to (X d , Y d ), which is the pixel coordinate extracted from the distorted image.
하지만 상기와 같은 수학식에 의한 알고리즘으로 구현되는 디지털카메라의 ECU(Electronic Control Unit)는 실시간으로 모든 픽셀에 대해 왜곡 보정 처리를 반복하므로 이미지의 크기가 증가할수록 실행 속도가 저하되는 문제점이 있다.However, since the ECU (Electronic Control Unit) of the digital camera implemented by the algorithm described above repeats the distortion correction process for all the pixels in real time, there is a problem that the execution speed decreases as the size of the image increases.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 미리 설정된 그리드 패턴을 형성하는 각각의 픽셀 좌표값과 이에 대한 변위값이 저장된 왜곡변환 테이블에 의해 왜곡영상의 픽셀 좌표를 보정할 수 있도록 된 디지털카메라에서 렌즈에 의한 화면왜곡 보정 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-described problem, and the digital coordinates of the distorted image can be corrected by a distortion conversion table in which each pixel coordinate value and a displacement value which form a predetermined grid pattern are stored. An object of the present invention is to provide a method for correcting distortion of a screen by a lens in a camera.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 디지털카메라에서 렌즈에 의한 화면왜곡 보정 방법은 화면에서 렌즈에 의한 왜곡을 대표하도록 미리 정해진 그리드 패턴을 형성하는 각각의 왜곡 픽셀좌표값과 상기 각각의 왜곡 픽셀좌표값을 상기 각 각의 왜곡픽셀 좌표값에 대응하는 이상 픽셀좌표값으로 보정하기 위한 변위값이 저장되어 있는 변위값 저장수단을 포함하여 이루어진 디지털카메라에서, 렌즈에 의해 촬영된 영상을 일시 저장하는 단계; 상기 촬영된 영상에서 상기 그리드 패턴을 형성하는 각각의 왜곡 픽셀좌표값을 상기 변위값 저장수단에 저장된 상기 변위값에 의거하여 상기 이상 픽셀좌표값으로 보정하는 단계 및 상기 보정된 이상 픽셀좌표값 주위의 픽셀에 대하여 상기 보정된 이상 픽셀좌표값의 픽셀데이터에 의해 색 보간하는 단계를 포함하여 이루어진 디지털카메라에서 렌즈에 의한 화면왜곡 보정 방법을 제공한다.In the digital camera of the present invention for achieving the above object, a distortion correction method by a lens includes a respective distortion pixel coordinate value and a respective distortion pixel coordinate forming a predetermined grid pattern to represent distortion by a lens on a screen. Temporarily storing the image taken by the lens in a digital camera comprising a displacement value storage means for storing a displacement value for correcting a value to an abnormal pixel coordinate value corresponding to each of the distortion pixel coordinate values. ; Correcting each distorted pixel coordinate value forming the grid pattern in the photographed image to the abnormal pixel coordinate value based on the displacement value stored in the displacement value storing means and surrounding the corrected abnormal pixel coordinate value. A method of correcting image distortion by a lens in a digital camera, the method comprising: interpolating a color by pixel data of the corrected abnormal pixel coordinate value.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디지털카메라에서 렌즈에 의한 화면왜곡 보정 방법에 대해서 상세하게 설명한다.Hereinafter, a method of correcting screen distortion by a lens in a digital camera according to an exemplary embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 적용될 수 있는 디지털카메라에서 렌즈에 의한 화면왜곡 보정 방법의 전기적인 블록 구성도이다.1 is an electrical block diagram of a method for correcting image distortion by a lens in a digital camera that can be applied to the present invention.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명이 적용될 수 있는 디지털카메라의 구성은 피사체(200)의 반사광을 입사받는 렌즈(190), 렌즈(190)를 통해서 입사된 광신호의 색, 휘도 또는 명도 따위의 정보를 검출할 수 있는 검출부(120), 검출부(120)를 거친 광신호를 전기적인 신호로 변환, 즉 빛의 세기에 비례하여 전하를 생성하는 이미지 센서부(140), 이미지 센서부(140)를 통해서 변환된 전기신호 중에서 영상정보 이외에 불필요한 전기신호를 제거하는 노이즈 제거부(150), 노이즈 제거부(150)에서 걸러진 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호 변환부(160), 미리 설정된 그리드 패턴을 구성하는 각각의 픽셀(빛의 세기를 인식하는 이미지센서부(140) 의 최소 개체 단위)에 대한 좌표값과 이에 대한 변위값이 저장된 왜곡변환 테이블(131)과 색보간 알고리즘과 같은 각종 어플리케이션 프로그램을 저장하는 프로그램 저장부(133)를 포함하여 이루어진 메모리(130), 영상신호가 출력될 수 있도록 표시부(180)를 구동하는 영상처리부(170) 및 신호 변환부(160)에서 변환된 디지털 신호에서 왜곡변환 테이블(131)에 저장된 좌표값에 해당되는 픽셀에 대해 좌표값을 변경 즉, 렌즈의 왜곡수차 특성에 의한 왜곡된 영상의 픽셀 좌표값을 보정한 후, 프로그램 저장부(133)에 저장된 색보간 알고리즘에 따라 픽셀에 대한 색을 보간하는 왜곡보정부(110)를 포함하여 이루어질 수 있다.As shown in FIG. 1, the configuration of the digital camera to which the present invention can be applied includes a
전술한 구성에서, 검출부(120)는 자외선을 차단하는 UV필터, 빛의 반사를 제거시키는 편광필터, 여러 광원중에서 특정 광원을 보정할 수 있는 색보정필터 또는 반사광의 색정보를 조합하여 칼라 이미지를 전달하는 RGB필터 등으로 구현될 수 있다. 이미지 센서부(140)는 광전변환 반도체와 전자결합소자(charge coupled devices)로 구성된 CCD센서 또는 광전변환 반도체와 CMOS(complementary metal oxide semi-conductor)스위치로 구성된 CMOS센서로 구현될 수 있는데, 일정하게 배열된 픽셀의 수가 많을수록 정확한 이미지를 생성시킨다. 왜곡변환 테이블(131)은 비휘발성메모리인 롬(ROM), 바람직하게는 이피롬(EPROM)으로 구현될 수 있는데, 렌즈의 교체 또는 추가시, 해당 렌즈의 왜곡율에 맞는 새로운 좌표 변위값으로 변경될 수 있다. 이를 위해, USB와 같은 외부연결단자가 디지털카메라(100) 외부에 구비될 수 있다. 프로그램 저장부(133) 또한 비휘발성메모리인 롬(ROM), 바람직하게는 이피롬(EPROM)으로 구현될 수 있는데, 가장 인접한 이웃 화소 보간(nearest neighbor replication), 양선형 보간(bilinear interpolation), 패턴 일치 보간(pattern matching based interpolation) 또는 경계값 보존 보간(edge sensing interpolation) 등의 색보간 알고리즘이 저장될 수 있다.In the above-described configuration, the
이외에, 노이즈 제거부(150)는 노이즈 저감회로인 CDS(Correlated Double Sampling Circuit)로 구현될 수 있으며, 신호변환부(160)는 A/D 컨버터로 구현될 수 있다. 또한 왜곡보정부(110)는 마이컴으로 구현될 수 있으며, 영상처리부(170)는 DSP로 구현될 수 있고 표시부(180)는 LCD로 구현될 수 있다.In addition, the
도 2는 본 발명에 적용될 수 있는 디지털카메라에서 렌즈에 의한 화면왜곡 보정 방법의 흐름도이며, 주체는 왜곡보정부(110)임을 밝혀둔다. 2 is a flowchart of a method for correcting distortion of a screen by a lens in a digital camera that can be applied to the present invention, and the subject is a
먼저, 단계 S11에서는 신호변환부(160)로부터 디지털신호를 입력받는 후, 단계 S13으로 진행하여 미리 설정된 그리드 패턴의 픽셀 좌표값에 해당되는 디지털 신호를 추출한다. 다음으로, 단계 S15에서는 추출된 디지털 신호의 픽셀 좌표값을 왜곡변환테이블(131)에 저장된 좌표 변위값에 의거하여 변경한 후, 단계 S17로 진행하여 좌표값이 변경된 픽셀 주위의 픽셀에 대해 색을 보간하는데, 예를 들면 이웃 화소 보간 알고리즘에 따라 좌표가 변경된 픽셀값을 가장 인접한 픽셀에 각각 할당한다. 마지막으로, 단계 S19에서 영상처리부(170)는 왜곡보정부(110)로부터 입력받은 디지털 신호를 영상처리하여 표시부(180)로 출력한다. First, in step S11, after receiving the digital signal from the
도 3은 본 발명에 적용될 수 있는 좌표변환 시스템에서 왜곡변환테이블을 생성하는 과정을 설명하기 위한 전기적인 블록 구성도이며, 도 5a 내지 도 5c는 도 3을 설명하기 위한 화면예시도이다.3 is an electrical block diagram illustrating a process of generating a distortion conversion table in a coordinate transformation system applicable to the present invention, and FIGS. 5A to 5C are screen views for explaining FIG. 3.
본 발명이 적용될 수 있는 좌표변환 시스템(300)의 구성은 도 5a에 도시한 바와 같이, 가로 및 세로의 길이가 R(410)로 동일하고 명암의 차이가 균일한 체크무늬를 띈 표준영상(400)의 반사광을 입사받는 렌즈(350), 렌즈(350)를 통해서 입사된 광신호를 전기적인 신호로 변환하는 이미지센서부(340), 이미지센서부(340)에서 변환된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호변환부(330), 신호변환부(330)를 통해서 입력받은 디지털신호에서 소정의 에지(edge)신호를 추출하는 필터부(320), 필터부(320)에서 추출된 에지신호의 좌표값를 일정한 패턴으로 변경하는 좌표변환 생성부(310) 및 좌표변환 생성부(310)에서 변경된 좌표의 변위값이 저장되는 왜곡변환테이블(360)를 포함하여 이루어질 수 있다. As shown in FIG. 5A, the coordinate
전술한 구성에서 이미지센서부(340)에는 렌즈의 왜곡수차 특성에 따라서 도 5a의 표준영상(400)이 도 5b와 같이 왜곡된채로 이미지센서부(340)에 입력되게 된다. 한편, 필터부(320)는 라플라시안 영상필터로 구현될 수 있는데, 도 5c에 도시한 바와 같이 왜곡영상(500)에서 에지만을 추출하여 에지영상(600)을 얻을 수 있다. 좌표변환 생성부(310)은 마이컴이나 퍼스널 컴퓨터로 구현될 수 있다. 이외에도, 이미지센서부(340) 및 신호변환부(330)는 상술한 디지털카메라(100)의 구성요소인 이미지센서부(140) 및 신호변환부(160)과 동일한 기능을 수행하므로 반복되는 설명은 생략한다.In the above-described configuration, the
도 4는 본 발명에 적용될 수 있는 좌표변환 시스템에서 왜곡변환테이블을 생성하는 과정을 설명하기 위한 흐름도인바, 주체는 좌표변환 생성부(310)임을 밝혀둔다. 또한, 도 6a 내지 도 6c는 도 4를 설명하기 위한 예시도이다. 4 is a flowchart illustrating a process of generating a distortion transformation table in a coordinate transformation system that may be applied to the present invention. The subject is a coordinate
먼저, 단계 S21에서는 도 5c에 도시한 바와 같이, 필터부(320)에서 여과된 에지 신호를 입력받은 후 단계 S23으로 진행한다. 도 6a에 도시한 바와 같이, 단계 S23에서는 에지영상(600) 중에서 먼저 수평축의 최외각 에지선 A1의 픽셀 좌표값을 추출한 후, 도 6b에 도시한 바와 같이, 단계 S25로 진행하여 추출된 상기 최외각선 A1 중에서 카메라 렌즈의 중심과 가장 가까운 점을 선택한다. 다음으로, 단계 S27에서는 상기 선택된 점에서 카메라 렌즈의 중심선과 직각을 이루는 직선 A2를 생성하고 이어서 상기 직선을 형성하는 각각의 픽셀 좌표값을 추출한 후, 단계 S29로 진행하여 A1에서 A2로 대응되는 각각의 픽셀에 대한 수직 변위(dxa, 0)를 왜곡변환 테이블(360)에 저장한다. First, in step S21, as shown in FIG. 5C, after receiving the edge signal filtered by the
계속해서 단계 S31에서는 A1으로부터 R만큼 떨어진 수평축 선 B1을 형성하는 픽셀 좌표값을 추출한 후, 단계 S33로 진행하여 도6c에 도시한 바와 같이, A2에서 R 만큼 떨어진 곳에 A2와 수평인 직선 B2를 생성하고 그 픽셀 좌표값을 추출한다. 그 후, 단계 S35에서 B1에서 B2로 대응되는 각각의 픽셀에 대한 수직 변위(dxb, 0)를 왜곡변환 테이블(360)에 저장한다. 이와 같이하여 모든 수평축 에지선에 대한 변위값의 저장이 완료되면, 같은 방법으로 수직축 에지선에 대한 변위값을 구하여 저장한다. 그래서 마지막으로, 단계 S37에서 상기와 같이 일련의 과정대로 모든 에지에 대한 테스트영상(300)과 왜곡영상(400)간의 좌표 변위값을 구한 후, 이를 왜곡변환 테이블(360)에 저장한다.Subsequently, in step S31, the pixel coordinate values forming the horizontal axis line B1 separated by R from A1 are extracted, and the flow proceeds to step S33 to generate a straight line B2 horizontal to A2 separated by R from A2 as shown in Fig. 6C. And extract the pixel coordinate values. Thereafter, in step S35, the vertical displacements dxb and 0 for each pixel corresponding to B1 to B2 are stored in the distortion conversion table 360. In this way, when the storage of displacement values for all horizontal axis edge lines is completed, the displacement values for vertical axis edge lines are obtained and stored in the same manner. So, finally, in step S37, the coordinate displacement values between the
본 발명의 디지털카메라에서 렌즈에 의한 화면왜곡 보정 방법은 전술한 실시예에 국한 되지 않고 본 발명의 기술 사상이 허용하는 범위에서 다양하게 변형하여 실시할 수가 있다.In the digital camera of the present invention, the method for correcting the distortion of a screen by a lens is not limited to the above-described embodiment, and may be modified in various ways within the scope of the technical idea of the present invention.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 디지털카메라에서 렌즈에 의한 화면왜곡 보정 방법에 따르면, 미리 설정된 그리드 패턴의 픽셀 좌표값과 이에 대한 변위값이 저장된 왜곡변환 테이블로부터 왜곡된 좌표를 보정함으로서, 빠른 보정 처리를 할 수 있으므로 끊김이 없는 자연스러운 동영상을 볼 수 효과가 있다.According to the method for correcting image distortion by a lens in the digital camera of the present invention as described above, a fast correction process is performed by correcting a distorted coordinate from a distortion conversion table in which pixel coordinate values of a predetermined grid pattern and displacement values thereof are stored. You can see the natural video without the effect is effective.
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