KR20070071633A - Color filter array and image interpolation method - Google Patents

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Abstract

A color filter array and an image interpolation method are provided to combine images without using a frame memory and output a composite image of two images without decreasing an image output speed. A color filter array includes a first pixel region and a second pixel region. The first pixel region has pixel data according to a large quantity of light and the second pixel region has pixel data according to a small quantity of light. The first pixel region and the second pixel region are alternately arranged. Green color filters are arranged in a bayer pattern in the first pixel region and the second pixel region. A red color filter and a blue color filter are alternately arranged between neighboring green filters.

Description

컬러 필터 어레이 및 영상 보간 방법{Color filter array and image interpolation method}Color filter array and image interpolation method

도 1은 RGB 베이어 패턴의 예시도.1 is an exemplary diagram of an RGB Bayer pattern.

도 2 및 도 3은 종래의 영상을 색상 보간하는 방법의 예시도.2 and 3 are exemplary diagrams of a method of color interpolating a conventional image.

도 4는 노출 시간이 짧은 영상과 긴 영상, 그리고 이를 합성한 영상의 예시도. 4 is an exemplary view of an image having a short exposure time, a long image, and a synthesized image thereof.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 나타낸 도면.5 illustrates a pixel array of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이의 일부분을 나타낸 도면.6 shows a portion of a color filter array in accordance with one preferred embodiment of the present invention.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 적용할 때 색상 보간 방법의 흐름도.7 is a flowchart of a color interpolation method when applying a color filter array according to an exemplary embodiment of the present invention.

도 8은 색상 보간 방법을 설명하기 위한 컬러 필터 어레이의 예시도.8 is an exemplary diagram of a color filter array for explaining a color interpolation method.

본 발명은 이미지 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는 넓은 동적 범위(wid e dynamic range)를 위해 효율적인 영상 신호를 생성하는 컬러 필터 어레이(color filter array) 및 색상 보간(color interpolation) 방법에 관한 것이다. TECHNICAL FIELD The present invention relates to an image sensor, and more particularly, to a color filter array and a method of color interpolation for generating an efficient image signal for a wide dynamic range.

이미지 센서(image sensor)는 여러 개의 화소가 2차원 구조로 배열되어 있으며, 각 화소는 들어오는 빛의 밝기에 따라서 이를 전기적인 신호로 변환시키게 된다. 이러한 전기 신호를 측정하면 각 픽셀에 유입되는 빛의 양을 알 수 있고 이를 이용하여 화소 단위의 영상을 구성할 수 있다. 이와 같이 빛의 양에 상응하는 전기 신호를 수치로 표현한 값을 화소값이라고 하며 화소 데이터에 포함된다. 여기서, 화소값은 0~255 사이의 값으로 표현될 수 있다. In the image sensor, a plurality of pixels are arranged in a two-dimensional structure, and each pixel converts them into electrical signals according to the brightness of incoming light. By measuring the electric signal, the amount of light flowing into each pixel can be known and a pixel-by-pixel image can be constructed using the same. As such, a value expressed as a numerical value of the electric signal corresponding to the amount of light is called a pixel value and is included in the pixel data. Here, the pixel value may be expressed as a value between 0 and 255.

디지털 카메라 등 이미지 센서를 포함하는 디지털 광학 장치들은 일반적으로 하나의 이미지 센서를 사용하는데, 완전 색상(full color)을 얻기 위해서는 각각의 화소에 대해 보다 많은 정보를 필요로 한다. 그런데 이미지 센서의 화소들은 영상에 포함된 여러 개의 색상 중에서 단 하나의 색상에 대한 화소 데이터를 추출하기 때문에 컬러 필터 어레이(CFA; Color Filter Array)를 이용하여 그 주위의 화소에 대한 정보로부터 잃어버린 화소의 정보를 추론하여야 한다. 컬러 필터 어레이는 화소 어레이의 한 화소마다 한 가지 컬러를 나타내는 빛만을 통과시키며 규칙적으로 배열된 구조를 가지고 있다. 컬러 필터 어레이는 컬러 요소가 배열된 구조에 따라서 여러가지 형태를 가지고 있으나, 가장 널리 사용되는 패턴은 RGB 베이어(Bayer) 패턴이다. 여기서, R은 적색, G은 녹색, B는 청색을 의미한다.Digital optical devices including image sensors, such as digital cameras, generally use one image sensor, which requires more information for each pixel to obtain full color. However, since the pixels of the image sensor extract pixel data of only one color from among the plurality of colors included in the image, the pixels lost from the information about the surrounding pixels using a color filter array (CFA). Infer information. The color filter array has a structure that is regularly arranged to pass only light representing one color per pixel of the pixel array. The color filter array has various forms depending on the structure in which the color elements are arranged, but the most widely used pattern is the RGB Bayer pattern. Here, R means red, G means green, and B means blue.

화소들의 전체 개수의 절반은 녹색(G)이며, 전체 개수의 각 4분의 1은 적색(R)과 청색(B)에 할당된다. 컬러 정보를 얻기 위해, 컬러 영상 화소들은 적색, 녹색 또는 청색 필터로 반복 패턴으로 이루어지며, 예를 들어 베이어 패턴의 경우 2 x 2 배열이라 할 수 있다. 베이어 패턴은 사람의 눈이 장면의 녹색 내용으로부터 루미넌스(Luminance) 데이터의 대부분을 도출한다는 전제에 기초한다. 따라서, 화소들 중 보다 많은 화소가 녹색이 되도록 함으로써 적색, 녹색 및 청색 화소들이 동일한 개수인 상태에서 교번하는 RGB 컬러 필터에 비해 높은 해상도 이미지가 생성될 수 있다.Half of the total number of pixels is green (G), and each quarter of the total number is allocated to red (R) and blue (B). In order to obtain color information, the color image pixels are formed in a repeating pattern with a red, green, or blue filter. For example, the Bayer pattern may be referred to as a 2 × 2 array. The Bayer pattern is based on the premise that the human eye derives most of the luminance data from the green content of the scene. Thus, by allowing more of the pixels to be green, a higher resolution image can be produced compared to an alternate RGB color filter in the same number of red, green and blue pixels.

도 1은 RGB 베이어 패턴의 예시도이다. 도 1을 참조하면, 제1 열은 RGRGRG…, 제2 열은 GBGBGB…의 순서로 입력될 수 있으며, 홀수 열은 제1 열의 반복 패턴을 가지고, 짝수 열은 제2 열의 반복 패턴을 갖는다. 제1열의 최초 화소는 R, G, B 화소 중에서 어느 하나가 올 수 있으며, R, G, B 화소는 4개 종류의 패턴을 가질 수 있다. 1 is an illustration of an RGB Bayer pattern. Referring to FIG. 1, the first column includes RGRGRG. , The second row is GBGBGB... The odd columns have a repeating pattern of the first column and the even columns have a repeating pattern of the second column. The first pixel of the first column may be any one of R, G, and B pixels, and the R, G, and B pixels may have four types of patterns.

한편, 이러한 컬러 필터 어레이를 이용하여 영상의 색상을 복구하는 것을 색상 보간(Color Interpolation)이라 한다.On the other hand, recovering the color of the image using such a color filter array is called color interpolation.

중심 화소를 보간하는 방법은 크게 비적응적 보간 방법(Nonadaptive Algorithms)과 적응적 보간 방법(Adaptive Algorithms)으로 나누어진다. 비적응적 보간 방법은 모든 화소에 대해서 고정된 패턴으로 보간하는 알고리즘으로 수행이 쉽고, 계산 양이 적은 장점이 있다. 적응적 알고리즘은 잃어버린 화소값을 찾기 위해 가장 효과적인 이웃 화소들의 특성을 이용하여 추정하는 알고리즘으로 계산양은 많지만 비적응적 보간 방법에 비해 더 나은 영상을 얻을 수 있다.The interpolation method of the center pixel is largely divided into non-adaptive interpolation method (Nonadaptive Algorithms) and adaptive interpolation method (Adaptive Algorithms). Non-adaptive interpolation is an algorithm that interpolates a fixed pattern for all pixels, which is easy to perform and has a small amount of calculation. The adaptive algorithm is an algorithm that estimates using the characteristics of the most effective neighboring pixels to find the missing pixel value. Although it has a large amount of calculation, it can obtain a better image than the non-adaptive interpolation method.

비적응적 보간 방법에는 가장 인접한 이웃 화소 보간법(Nearest neighbor replication), 양선형 보간법(Bilinear interpolation), 중간값 보간법(Median interpolation), 점진적 색상 변화 보간법 등이 있으며, 적응적 보간 방법에는 패턴 일치 보간 알고리즘(Pattern matching based interpolation algorithm), 기울기의 문턱치 기반 가변수를 이용한 보간법(Interpolation using a threshold-based variable number of gradients), 경계값 보존 보간법(Edge sensing interpolation) 등이 있다.Non-adaptive interpolation methods include nearest neighbor replication, bilinear interpolation, median interpolation, and progressive color change interpolation. Pattern matching based interpolation algorithm, interpolation using a threshold-based variable number of gradients, and edge sensing interpolation.

이러한 보간 방법 중 가장 대표적인 양선형 보간법(Bilinear interpolation)에 대해 설명한다.The most representative bilinear interpolation among these interpolation methods will be described.

양선형 보간법이란 네 개의 가장 가까운 화소들에 가중치를 곱한 값으로 중심 화소값을 할당하는 방법으로 가중치는 선형적으로 결정되어지며, 각각 가중치는 각각에 존재하는 화소로부터의 거리에 정비례하게 된다.Bilinear interpolation is a method of assigning a center pixel value by multiplying four nearest pixels by weight, and the weight is determined linearly, and each weight is directly proportional to the distance from each pixel.

도 2 및 도 3은 종래의 영상을 색상 보간하는 방법의 예시도이다. 2 and 3 are exemplary diagrams of a method of color interpolating a conventional image.

도 2의 (a) 내지 (c)는 3×3 마스크 크기의 RGB 베이어 패턴에서 적색 화소(R)가 중심 화소인 경우이다. 중심 화소인 적색 화소는 주변의 다른 화소들을 이용하여 녹색과 청색 성분을 획득하게 된다. 그 획득 방법의 일예로 하기의 수학식 1에 의해 R 위치의 적색, 녹색, 청색 성분이 결정된다. 2A to 2C illustrate a case in which a red pixel R is a center pixel in an RGB Bayer pattern having a 3 × 3 mask size. The red pixel, which is the central pixel, acquires green and blue components using other pixels in the vicinity. As an example of the acquisition method, red, green, and blue components of the R position are determined by Equation 1 below.

<수학식 1><Equation 1>

Figure 112005078400817-PAT00001
Figure 112005078400817-PAT00001

중심 화소가 청색 화소(B)인 경우에도 상기한 수학식 1과 유사한 방법에 의하여 B 위치의 적색, 녹색, 청색 성분을 결정할 수 있다.Even when the center pixel is the blue pixel B, the red, green, and blue components of the B position may be determined by a method similar to the above Equation 1.

중심 화소가 녹색 화소(G)인 경우는 도 3의 (a) 내지 (c)에 도시되어 있다. The case where the center pixel is the green pixel G is illustrated in FIGS. 3A to 3C.

중심 화소인 녹색 화소는 주변의 다른 화소들을 이용하여 적색과 청색 성분을 획득하게 된다. 그 획득 방법의 일예로 하기의 수학식 2에 의해 R 위치의 적색, 녹색, 청색 성분이 결정된다. The green pixel, which is the center pixel, acquires red and blue components using other pixels in the vicinity. As an example of the acquisition method, the red, green, and blue components of the R position are determined by Equation 2 below.

<수학식 2><Equation 2>

Figure 112005078400817-PAT00002
Figure 112005078400817-PAT00002

도 4는 노출 시간이 짧은 영상과 긴 영상, 그리고 이를 합성한 영상의 예시도이다. 4 is an exemplary view of an image having a short exposure time, a long image, and a synthesized image thereof.

노출 시간이 짧은 영상의 경우 이미지 센서가 빛을 받아들일 수 있는 시간 이 짧아 전반적으로 밝기가 어두운 영상이 획득된다(도 4의 (a) 참조). 그리고 노출 시간이 긴 영상의 경우 이미지 센서가 빛을 받아들이기에 적당한 시간 이상으로 빛을 받아들임으로 인해 과도한 밝기를 가지는 영상이 획득된다(도 4의 (b) 참조). 따라서, 두 경우 모두 이미지 센서의 동적 범위(dynamic range)가 협소한 문제점이 있다.In the case of an image having a short exposure time, the image sensor can receive light in a short time, so that an image having a dark overall brightness is obtained (see FIG. 4A). In the case of an image having a long exposure time, an image having excessive brightness is obtained because the image sensor receives the light for more than a suitable time to receive the light (see FIG. 4B). Therefore, in both cases, there is a problem in that the dynamic range of the image sensor is narrow.

이 경우 노출 시간이 짧은 영상과 노출 시간이 긴 영상을 합성한 합성 영상을 생성하면 이미지 센서는 도 4의 (c)에 도시된 것처럼 적합한 밝기를 가지고 넓은 동적 범위(wide dynamic range)를 가지는 영상을 획득할 수 있다.In this case, when a composite image is generated by combining an image having a short exposure time and an image having a long exposure time, the image sensor may generate an image having a wide dynamic range with suitable brightness as shown in (c) of FIG. 4. Can be obtained.

이때, 노출 시간이 짧은 영상의 각 화소의 적색(r), 녹색(g), 청색(b) 성분에 대한 화소값과 노출 시간이 긴 영상의 각 화소의 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 성분에 대한 화소값이 필요하게 된다. At this time, the pixel values of the red (r), green (g), and blue (b) components of each pixel of the image having a short exposure time, and the red (R), green (G), Pixel values for the blue (B) component are needed.

이를 위해서 상술한 RGB 베이어 패턴의 컬러 필터 어레이를 가지는 이미지 센서는 추가적으로 프레임 메모리를 구비하여 노출 시간이 짧은 영상의 각 화소의 화소값과 노출 시간이 긴 영상의 각 화소의 화소값을 별도로 저장하고, 추후 미리 설정된 방법에 의해 합성 영상을 생성하고자 할 때 프레임 메모리에 저장된 값을 읽어와야 하는 문제점이 있다.To this end, the image sensor having the color filter array of the RGB Bayer pattern described above additionally includes a frame memory to separately store pixel values of each pixel of an image having a short exposure time and pixel values of each pixel of an image having a long exposure time. There is a problem in that a value stored in the frame memory needs to be read when generating a composite image by a preset method.

따라서, 본 발명은 이미지 센서에서 영상을 합성하기 위한 프레임 메모리가 필요없도록 하는 컬러 필터 어레이 및 이를 이용한 색상 보간 방법을 제공한다.Accordingly, the present invention provides a color filter array and a color interpolation method using the same, which eliminates the need for a frame memory for synthesizing an image in an image sensor.

또한, 2장의 영상에 대한 합성 영상을 출력함에 있어서 영상 출력 속도는 저하되지 않고 1장의 영상 출력 속도와 동일할 수 있는 컬러 필터 어레이 및 이를 이용한 색상 보간 방법을 제공한다. The present invention also provides a color filter array and a color interpolation method using the same, in which a video output speed is not lowered in outputting a composite image of two images.

또한, 이미지 센서의 넓은 동적 범위를 위해 적은 광량에 의한 영상의 각 화소의 적색(r), 녹색(g), 청색(b) 성분에 대한 화소값과 많은 광량에 의한 영상의 각 화소의 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 성분에 대한 화소값을 동시에 획득할 수 있는 컬러 필터 어레이 및 이를 이용한 색상 보간 방법을 제공한다. Also, for the wide dynamic range of the image sensor, the pixel values of the red (r), green (g), and blue (b) components of each pixel of the image due to the low amount of light and the red of each pixel of the image due to the large amount of light ( A color filter array capable of simultaneously obtaining pixel values for R, green, and blue components, and a color interpolation method using the same.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다. Other objects of the present invention will be readily understood through the following description.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 많은 광량에 의한 다광량 화소 데이터를 가지는 제1 화소 영역; 및 적은 광량에 의한 저광량 화소 데이터를 가지는 제2 화소 영역을 포함하되, 상기 제1 화소 영역과 상기 제2 화소 영역이 교번하여 구성되며, 상기 제1 화소 영역 및 상기 제2 화소 영역은 녹색 필터는 베이어 패턴(Bayer pattern)과 동일하게 배열되고, 상기 녹색 필터 간에 적색 필터 및 청색 필터가 교번하여 배열되는 컬러 필터 어레이가 제공될 수 있다.In order to achieve the above objects, according to an aspect of the present invention, there is provided a semiconductor device comprising: a first pixel region having multi-light amount pixel data with a large amount of light; And a second pixel area having low light amount pixel data due to a small amount of light, wherein the first pixel area and the second pixel area are alternately configured, and the first pixel area and the second pixel area are green filters. May be arranged in the same manner as the Bayer pattern, and a color filter array may be provided in which a red filter and a blue filter are alternately arranged between the green filters.

바람직하게는, 상기 제1 화소 영역에서 홀수번째 라인과 짝수번째 라인의 녹색 필터 배열은 동일하며, 적색 필터 및 청색 필터의 위치는 서로 바뀔 수 있다. 그리고 상기 제2 화소 영역은 홀수번째 라인과 짝수번째 라인의 녹색 필터 배열은 동일하며, 적색 필터 및 청색 필터의 위치는 서로 바뀔 수 있다.Preferably, the green filter arrangement of the odd-numbered and even-numbered lines in the first pixel area is the same, and positions of the red filter and the blue filter may be interchanged. The second pixel area has the same green filter arrangement as that of the odd-numbered line and the even-numbered line, and positions of the red filter and the blue filter may be interchanged.

여기서, 상기 제1 화소 영역 및 상기 제2 화소 영역은 행 단위, 열 단위 또는 블록 단위로 구분될 수 있다. The first pixel area and the second pixel area may be divided into a row unit, a column unit, or a block unit.

또한, 상기 다광량 화소 데이터와 상기 저광량 화소 데이터는 노출 시간의 장단, 각 화소의 광감도 또는 각 화소의 크기에 따라 광량의 차이가 날 수 있다. In addition, the multi-light amount pixel data and the low-light amount pixel data may have a difference in light amount depending on the long and short exposure time, the light sensitivity of each pixel, or the size of each pixel.

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 많은 광량에 의한 다광량 화소 데이터를 가지는 제1 화소 영역과, 적은 광량에 의한 저광량 화소 데이터를 가지는 제2 화소 영역을 포함하되, 상기 제1 화소 영역과 상기 제2 화소 영역이 교번하여 구성되는 컬러 필터 어레이를 가지는 이미지 센서에서의 색상을 보간하는 방법에 있어서, (a) 색상 보간을 하고자 하는 색상 보간 대상 화소를 정하는 단계; (b) 상기 색상 보간 대상 화소의 위치를 중심으로 인접한 화소들 중에서 상기 제1 화소 영역 상의 화소와 상기 제2 화소 영역 상의 화소로부터 각각 적색, 녹색 및 청색의 화소 데이터 중 상기 색상 보간 대상 화소의 화소 데이터를 제외한 3개 이상의 화소 데이터에 대한 보간 데이터를 생성하는 단계; 및 (c) 상기 보간 데이터 및 상기 색상 보간 대상 화소의 화소 데이터를 이용하여 상기 색상 보간 대상 화소의 적색, 녹색 및 청색에 대한 최종 보간 데이터를 산출하는 단계를 포함하는 색상 보간 방법이 제공될 수 있다.In order to achieve the above objects, according to another aspect of the present invention, a first pixel region having a multi-light pixel data by a large amount of light, and a second pixel region having a low-light pixel data by a small amount of light, A method of interpolating colors in an image sensor having a color filter array configured by alternating first and second pixel regions, the method comprising: (a) determining a color interpolation target pixel for color interpolation; (b) pixels of the color interpolation target pixel among red, green, and blue pixel data from pixels on the first pixel region and pixels on the second pixel region among pixels adjacent to the position of the color interpolation target pixel; Generating interpolation data for at least three pixel data except for data; And (c) calculating final interpolation data of red, green, and blue colors of the color interpolation target pixel by using the interpolation data and pixel data of the color interpolation target pixel. .

바람직하게는, (d) 한 프레임의 영상에 대해 색상 보간이 완료될 때까지 상기 단계 (a) 내지 (c)를 반복하는 단계를 더 포함할 수 있다.Preferably, the method may further include repeating steps (a) to (c) until color interpolation is completed for the image of one frame.

또한, 상기 단계 (b)는 상기 색상 보간 대상 화소의 위치를 중심으로 각 색상 별로 가장 근접한 다광량 화소 데이터 및 저광량 화소 데이터의 평균을 상기 보간 데이터로 할 수 있다. In the step (b), the interpolation data may be the average of the multi-light pixel data and the low-light pixel data that are closest to each color based on the position of the color interpolation target pixel.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 컬러 필터 어레이 및 이를 이용한 색상 보간 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 동일 또는 유사한 개체를 순차적으로 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.Hereinafter, exemplary embodiments of a color filter array and a color interpolation method using the same will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related known technology may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. Numbers (eg, first, second, etc.) used in the description of the present specification are merely identification symbols for sequentially distinguishing identical or similar entities.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 이미지 센서의 화소 어레이를 나타낸 도면이다. 5 is a diagram illustrating a pixel array of an image sensor according to an exemplary embodiment of the present invention.

본 발명에서 프레임 메모리 없이 상대적으로 많은 광량에 의해 생성된 영상과 상대적으로 적은 광량에 의해 생성된 영상을 하나의 프레임 상에 동시에 얻기 위해서는 도 5에 도시된 것처럼 행 단위로 노출 시간을 달리하여 각 화소별로 신호 축적 시간을 다르게 하거나 광강도 또는 크기 특성이 다른 화소를 사용한다. 또는 화소 어레이에서의 표현되는 컬러의 구조 즉, 컬러 필터들을 다르게 배열할 수도 있다. 이하에서는 행 단위로 노출 시간을 다르게 배열한 화소 어레이 및 이에 적용되는 컬러 필터 어레이를 중심으로 설명하지만, 행 단위 이외에 열 단위 또는 블록 단위(N×N 크기의 정사각형 등) 별로 노출 시간을 다르게 배열할 수 있음은 물론이다. In the present invention, in order to simultaneously obtain an image generated by a relatively large amount of light and an image generated by a relatively small amount of light without a frame memory on one frame, each pixel may be formed by varying the exposure time in units of rows as shown in FIG. Each pixel uses a different signal accumulation time or uses different pixels with different light intensity or size. Alternatively, the structure of the color expressed in the pixel array, that is, the color filters may be arranged differently. Hereinafter, a description will be given of a pixel array in which exposure times are arranged differently in rows and a color filter array applied thereto. However, the exposure time may be differently arranged in units of columns or blocks (such as N × N squares) in addition to rows. Of course it can.

본 실시예에서 L은 노출 시간을 길게 적용한 과노출 화소 라인이며, S는 노출 시간을 짧게 적용한 저노출 화소 라인이다. 과노출 화소 라인(L)과 저노출 화소 라인(S)은 행 별로 연속되지 않도록 교번하여 배치되는 것이 바람직하다. 화소 어레이를 구성하는 각 화소에서의 적색, 녹색 및 청색 성분에 대하여 적합한 색상 보간을 위해서는 인접한 위치에 과노출 화소와 저노출 화소가 동일 또는 유사한 비율로 배열되어 있는 것이 유리하기 때문이다. In this embodiment, L is an overexposed pixel line with a long exposure time, and S is a low exposed pixel line with a short exposure time. The overexposed pixel lines L and the low-exposed pixel lines S are preferably alternately arranged so as not to be continuous for each row. This is because it is advantageous that the overexposed pixels and the low-exposed pixels are arranged at the same or similar ratio in adjacent positions for proper color interpolation for the red, green, and blue components in each pixel constituting the pixel array.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이의 일부분을 나타낸 도면이다. 컬러 필터 어레이는 도 6에 도시된 일부분을 반복적으로 적용시켜 구성된다. 6 illustrates a portion of a color filter array in accordance with a preferred embodiment of the present invention. The color filter array is constructed by repeatedly applying a portion shown in FIG.

도 6을 참조하면, 컬러 필터 어레이는 노출 시간이 긴 영상의 화소 데이터를 가지는 과노출 화소 라인(L1, L2)과, 노출 시간이 짧은 영상의 화소 데이터를 가지는 저노출 화소 라인(S1, S2)을 포함한다. 과노출 화소 라인(L1, L2)과 저노출 화소 라인(S1, S2)은 L1, S1, L2, S2, ... 와 같이 교번하여 이미지 센서의 화소 어레이(도 5 참조)를 구성한다. 즉, 제1 행, 제3 행 등 홀수번째 행에 과노출 화소 라인(L1, L2)이, 제2 행, 제4 행 등 짝수번째 행에 저노출 화소 라인(S1, S2)이 배치된다. 또는 그 반대로 홀수번째 행에 저노출 화소 라인(S1, S2)이, 짝수번째 행에 과노출 화소 라인(L1, L2)이 배치될 수 있다. Referring to FIG. 6, the color filter array includes overexposed pixel lines L1 and L2 having pixel data of an image having a long exposure time, and low exposed pixel lines S1 and S2 having pixel data of an image having a short exposure time. It includes. The overexposed pixel lines L1 and L2 and the low-exposed pixel lines S1 and S2 alternately form L1, S1, L2, S2, ... to form a pixel array (see FIG. 5) of the image sensor. That is, the overexposed pixel lines L1 and L2 are arranged in odd-numbered rows such as the first and third rows, and the low-exposed pixel lines S1 and S2 are arranged in even-numbered rows such as the second and fourth rows. Alternatively, the low-exposed pixel lines S1 and S2 may be arranged in odd-numbered rows and the over-exposed pixel lines L1 and L2 may be arranged in even-numbered rows.

과노출 화소 라인(L1, L2)과 저노출 화소 라인(S1, S2)에서의 녹색 필터(G) 는 도 1에 도시된 RGB 베이어 패턴과 동일하게 배열된다. 즉, 전체 화소 어레이를 기준으로 녹색, 적색, 청색 필터의 수는 2:1:1이 된다. The green filter G in the overexposed pixel lines L1 and L2 and the low-exposed pixel lines S1 and S2 are arranged in the same manner as the RGB Bayer pattern shown in FIG. That is, the number of green, red, and blue filters is 2: 1: 1 based on the entire pixel array.

그리고 제1 과노출 화소 라인(L1)과 제2 과노출 화소 라인(L2)에서의 녹색 필터 배열이 동일하고, 제1 저노출 화소 라인(S1)과 제2 저노출 화소 라인(S2)에서의 녹색 필터 배열이 동일하다. 과노출 화소 라인(L1, L2)과 저노출 화소 라인(S1, S2)은 서로 다른 열에 녹색 필터가 배열되는 것이 바람직하다. And the green filter arrangement in the first overexposed pixel line L1 and the second overexposed pixel line L2 is the same, and in the first low-exposed pixel line S1 and the second low-exposed pixel line S2. The green filter array is the same. The overexposed pixel lines L1 and L2 and the low-exposed pixel lines S1 and S2 are preferably arranged with green filters in different columns.

제1 과노출 화소 라인(L1)의 제2 및 제4 열은 녹색 필터가 차지하고 있으며, 제1 열은 적색 필터가, 제3 열은 청색 필터가 차지하는 것으로 가정한다. 이때 제2 과노출 화소 라인(L2)의 제2 및 제4 열은 제1 과노출 화소 라인(L1)과 동일하게 녹색 필터가 차지하고 있으며, 제1 열은 청색 필터가, 제3 열은 적색 필터가 차지하도록 하여 적색 필터 및 청색 필터의 배열은 제1 과노출 화소 라인(L1)과 다르도록 한다. 이는 제1 저노출 화소 라인(S1)의 각 화소에서 과노출 화소 데이터 중 적색 및 청색 성분에 대해 적합한 색상 보간이 이루어지도록 하기 위함이다. It is assumed that the second and fourth columns of the first overexposed pixel line L1 are occupied by a green filter, the first column is occupied by a red filter, and the third column is occupied by a blue filter. In this case, the second and fourth columns of the second overexposed pixel line L2 are occupied by the green filter in the same manner as the first overexposed pixel line L1, the first column is the blue filter, and the third column is the red filter. Occupies so that the arrangement of the red filter and the blue filter is different from the first overexposed pixel line L1. This is to ensure that a suitable color interpolation is performed on the red and blue components of the overexposed pixel data in each pixel of the first low-exposed pixel line S1.

제1 저노출 화소 라인(S1)의 제1 및 제3 열은 녹색 필터가 차지하고 있으며, 제2 열은 청색 필터가, 제4 열은 적색 필터가 차지하는 것으로 가정한다. 이때 제2 과노출 화소 라인(S2)의 제1 및 제3 열은 제1 저노출 화소 라인(S1)과 동일하게 녹색 필터가 차지하고 있으며, 제2 열은 적색 필터가, 제4 열은 청색 필터가 차지하도록 하여 적색 필터 및 청색 필터의 배열은 제1 저노출 화소 라인(S1)과 다르도록 한다. 이는 제1 저노출 화소 라인(S1)의 각 화소에서 과노출 화소 데이터 중 적색 및 청색 성분에 대해 적합한 색상 보간이 이루어지도록 하기 위함이다.It is assumed that the first and third columns of the first low exposure pixel line S1 are occupied by a green filter, the second column is occupied by a blue filter, and the fourth column is occupied by a red filter. In this case, the first and third columns of the second overexposed pixel line S2 are occupied by the green filter in the same manner as the first low-exposed pixel line S1, the second column is a red filter, and the fourth column is a blue filter. So that the arrangement of the red filter and the blue filter is different from the first low exposure pixel line S1. This is to ensure that a suitable color interpolation is performed on the red and blue components of the overexposed pixel data in each pixel of the first low-exposed pixel line S1.

본 발명에서 과노출 화소 라인 또는 저노출 화소 라인 대신에 다광량에 의한 제1 화소 영역과 저광량에 의한 제2 화소 영역에 대한 구분은 노출 시간의 장단 이외에 해당 영역을 구성하는 화소 자체의 감도 또는 화소의 크기로도 가능하다. 제1 화소 영역은 상대적으로 광감도가 높은 화소로 구성되고, 제2 화소 영역은 상대적으로 광강도가 낮은 화소로 구성되면 노출 시간을 일정하게 하더라도 각 영역에서 받아들이는 광량의 차이가 발생하게 된다. 또한, 제1 화소 영역의 화소 크기를 크게 하고, 제2 화소 영역의 화소의 크기를 작게 하면 동일한 노출 시간 내에서도 각 영역에서 받아들이는 광량의 차이가 발생하게 된다. In the present invention, the distinction between the first pixel region due to the multi-light amount and the second pixel region due to the low light amount instead of the over-exposed pixel line or the low-exposure pixel line may be based on the sensitivity of the pixel itself constituting the corresponding area, in addition to the long and short exposure time. The size of the pixel is also possible. When the first pixel region is composed of pixels having a relatively high light sensitivity, and the second pixel region is composed of pixels having relatively low light intensity, a difference in the amount of light received in each region occurs even if the exposure time is constant. In addition, when the pixel size of the first pixel region is increased and the pixel size of the second pixel region is reduced, a difference in the amount of light received in each region occurs even within the same exposure time.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이를 적용할 때 색상 보간 방법의 흐름도이고, 도 8은 색상 보간 방법을 설명하기 위한 컬러 필터 어레이의 예시도이다. 여기서, R, B, G는 노출 시간이 긴 과노출 화소 데이터 중 적색 성분, 청색 성분, 녹색 성분의 화소 데이터로 정의하고, r, b, g는 노출 시간이 짧은 저노출 화소 데이터 중 적색 성분, 청색 성분, 녹색 성분의 화소 데이터로 정의한다. 7 is a flowchart of a color interpolation method when applying a color filter array according to an exemplary embodiment of the present invention, and FIG. 8 is an exemplary view of a color filter array for explaining a color interpolation method. Here, R, B, and G are defined as pixel data of a red component, a blue component, and a green component of the overexposed pixel data having a long exposure time, and r, b, and g are red components of the low exposed pixel data having a short exposure time, It is defined by pixel data of a blue component and a green component.

도 7을 참조하면, 단계 S710에서 우선 색상 보간을 하고자 하는 색상 보간 대상 화소를 정한다. Referring to FIG. 7, a color interpolation target pixel for color interpolation is first determined in step S710.

그리고 단계 S720에서 색상 보간 대상 화소에 해당하는 위치를 중심으로 인접한 화소들로부터 적색, 녹색, 청색 성분에 해당하는 보간 데이터를 획득한다. 이때, 적색, 녹색, 청색에 대해서 각각 많은 광량에 의한 다광량 보간 데이터 및 적 은 광량에 의한 저광량 보간 데이터를 별도로 획득한다. In operation S720, interpolation data corresponding to red, green, and blue components is obtained from pixels adjacent to the position corresponding to the color interpolation target pixel. At this time, the multi-light interpolation data by a large amount of light and the low-light interpolation data by a small amount of light are separately acquired for red, green, and blue, respectively.

따라서, 하나의 화소에 대하여 적색, 녹색, 청색에 대한 제1 화소 영역에서의 다광량 화소에서의 보간 데이터인 R, G, B 및 제2 화소 영역에서의 저광량 화소에서의 보간 데이터인 r, g, b를 획득할 수 있게 되고, 이미지 센서의 넓은 동적 범위를 구현할 수 있게 된다. Therefore, r, G, B, which are interpolation data in the multi-light amount pixels in the first pixel region for red, green, and blue, and r, which is interpolation data in the low-light amount pixels in the second pixel region, for one pixel; It is possible to obtain g and b, and to realize a wide dynamic range of the image sensor.

이 경우 색상 보간 대상 화소가 가지고 있는 자신의 화소 데이터는 그대로 사용할 수 있으므로, 자신의 화소 데이터를 제외한 3개 이상(바람직하게는, 5개)의 성분에 대한 보간 데이터를 획득하여 색상 보간을 한다. R, G, B, r, g, b의 6개 데이터를 이용한 색상 보간은 각 색에 대한 값의 평균값을 구하는 방법, 중간값을 구하는 방법 등 다양한 방법이 가능하다. In this case, since the own pixel data of the color interpolation target pixel can be used as it is, color interpolation is obtained by obtaining interpolation data for three or more components (preferably five) except for the own pixel data. Color interpolation using six data of R, G, B, r, g, and b is possible in various ways such as obtaining an average value of each value and a method of obtaining an intermediate value.

색상 보간 대상 화소의 위치를 중심으로 하여 가장 근접한 다광량 적색 화소, 다광량 청색 화소, 다광량 녹색 화소, 저광량 적색 화소, 저광량 청색 화소, 저광량 녹색 화소를 검색한다. 그리고 거리가 같은 화소가 복수개 있을 경우에는 평균값을 계산한다. 이 값들을 색상 보간 대상 화소의 위치에서의 다광량 보간 데이터 및 저광량 보간 데이터로 설정한다.The closest multi-light red pixels, multi-light blue pixels, multi-light green pixels, low-light red pixels, low-light blue pixels, and low-light green pixels are searched based on the positions of the color interpolation target pixels. If there are a plurality of pixels having the same distance, the average value is calculated. These values are set as multi-light interpolation data and low-light interpolation data at the position of the color interpolation target pixel.

단계 S730에서 다광량 보간 데이터 및 저광량 보간 데이터에서 적색, 녹색, 청색별로 평균값 또는 중간값 등을 구하는 방법에 의하여 색상 보간을 함으로써 각 색 성분별로 최종 보간 데이터를 구할 수 있다.In step S730, final interpolation data may be obtained for each color component by performing color interpolation by obtaining an average value or a median value for each of red, green, and blue colors in the multi-light interpolation data and the low-light interpolation data.

단계 S740에서 한 프레임의 모든 화소에 대하여 단계 S710 내지 S730을 반 복하고, 한 프레임의 모든 화소에 대한 색상 보간이 완료되면, 단계 S750으로 진행하여 다음 프레임에 대한 색상 보간을 실시한다. In step S740, steps S710 to S730 are repeated for all pixels of one frame, and when color interpolation is completed for all pixels of one frame, the process proceeds to step S750 to perform color interpolation for the next frame.

이하에서는 실시예를 들어 색상 보간 방법을 구체적으로 설명한다. 우선 색상 보간 대상 화소가 녹색 성분을 가지고 있는 경우를 예로 든다. 도 8에서 색상 보간 대상 화소를 G33으로 가정하면, 하기의 수학식 3에 의해 다광량 화소에서의 보간 데이터 및 저광량 화소에서의 보간 데이터가 각각 획득된다. Hereinafter, the color interpolation method will be described in detail with reference to Examples. For example, the color interpolation target pixel has a green component. Assuming that the color interpolation target pixel is G33 in FIG. 8, interpolation data in the multi-light pixel and interpolation data in the low-light pixel are obtained by Equation 3 below.

<수학식 3><Equation 3>

Figure 112005078400817-PAT00003
Figure 112005078400817-PAT00003

여기서, R33, G33, B33은 제3 행(L2) 제3 열 위치에 해당하는 화소의 다광량 화소 데이터이고, r33, g33, b33은 동위치의 저광량 화소 데이터이다. Here, R33, G33, B33 are multi-light quantity pixel data of the pixel corresponding to the 3rd column position of the 3rd row L2, and r33, g33, b33 are low-light quantity pixel data of the same position.

다른 예로 색상 보간 대상 화소가 적색 성분을 가지고 있는 경우를 예로 든다. 도 8에서 색상 보간 대상 화소를 R34로 가정하면, 하기의 수학식 4에 의해 다광량 화소에서의 보간 데이터 및 저광량 화소에서의 보간 데이터가 각각 획득된다. As another example, the color interpolation target pixel has a red component. Assuming that the color interpolation target pixel is R34 in FIG. 8, interpolation data in the multi-light pixel and interpolation data in the low-light pixel are obtained by Equation 4 below.

<수학식 4><Equation 4>

Figure 112005078400817-PAT00004
Figure 112005078400817-PAT00004

여기서, R34, G34, B34는 제3 행(L2) 제4 열 위치에 해당하는 화소의 다광량 화소 데이터이고, r34, g34, b34는 동위치의 저광량 화소 데이터이다.Here, R34, G34 and B34 are multi-light quantity pixel data of pixels corresponding to the fourth column position of the third row L2, and r34, g34 and b34 are low-light quantity pixel data at the same position.

또 다른 실시예로 색상 보간 대상 화소가 청색 성분을 가지고 있는 경우는 상술한 적색 성분의 경우와 유사하므로, 상세한 설명은 생략한다. In another embodiment, the case in which the color interpolation target pixel has a blue component is similar to that of the red component described above, and thus a detailed description thereof will be omitted.

본 발명에서 상술한 색상 보간 방법은 한 프레임에 해당하는 모든 화소들에 대하여 넓은 동적 범위를 구현하기 위해 반복적으로 적용될 수 있다. In the present invention, the color interpolation method described above may be repeatedly applied to implement a wide dynamic range for all pixels corresponding to one frame.

본 발명에서 다광량 화소 데이터와 저광량 화소 데이터는 노출 시간의 장단, 해당 영역을 구성하는 화소 자체의 감도 또는 화소의 크기로 생성된다. 제1 화소 영역의 노출 시간을 길게 하고 제2 화소 영역의 노출 시간을 짧게 하면 광량 차이가 발생하게 된다. 이 경우 노출 시간이 긴 영상의 화소 데이터를 생성하는 동안에 일정 시간 노출을 주고 그 외 빛을 차단하여 노출 시간이 짧은 영상의 화소 데이터를 생성할 수 있으므로, 화소 데이터의 생성 시간에 있어서 손해는 없다. In the present invention, the multi-light amount pixel data and the low-light amount pixel data are generated with the short and long exposure time, the sensitivity of the pixel itself constituting the corresponding area, or the size of the pixel. If the exposure time of the first pixel region is increased and the exposure time of the second pixel region is shortened, a difference in light amount may occur. In this case, since the pixel data of the image having a short exposure time can be generated by exposing a predetermined time and blocking other light while generating the pixel data of the image having a long exposure time, there is no damage in the generation time of the pixel data.

또한, 제1 화소 영역은 상대적으로 광감도가 높은 화소로 구성되고, 제2 화소 영역은 상대적으로 광강도가 낮은 화소로 구성되면 노출 시간을 일정하게 하더라도 각 영역에서 받아들이는 광량의 차이가 발생하게 된다. 또한, 제1 화소 영역의 화소 크기를 크게 하고, 제2 화소 영역의 화소의 크기를 작게 하면 동일한 노출 시간 내에서도 각 영역에서 받아들이는 광량의 차이가 발생하게 된다. In addition, when the first pixel area is composed of pixels having a relatively high light sensitivity, and the second pixel area is composed of pixels having a relatively low light intensity, a difference in the amount of light received in each area occurs even if the exposure time is constant. . In addition, when the pixel size of the first pixel region is increased and the pixel size of the second pixel region is reduced, a difference in the amount of light received in each region occurs even within the same exposure time.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 컬러 필터 어레이 및 이를 이용한 색상 보간 방법은 이미지 센서에서 영상을 합성하기 위한 프레임 메모리가 필요없도록 하여 이미지 센서의 칩 면적에 있어서 이득이 된다. As described above, the color filter array and the color interpolation method using the same are advantageous in the chip area of the image sensor by eliminating the need for a frame memory for synthesizing the image in the image sensor.

또한, 2장의 영상에 대한 합성 영상을 출력함에 있어서 영상 출력 속도는 저하되지 않고 1장의 영상 출력 속도와 동일할 수 있다. In addition, in outputting a composite image of two images, the image output speed may be the same as the one image output speed without deterioration.

또한, 저광량의 영상의 각 화소의 적색(r), 녹색(g), 청색(b) 성분에 대한 화소값과 다광량의 영상의 각 화소의 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 성분에 대한 화소값을 동시에 획득하여 합성함으로써 이미지 센서의 넓은 동적 범위를 구현할 수 있다. In addition, the pixel values for the red (r), green (g), and blue (b) components of each pixel of the low light amount image and the red (R), green (G), blue ( B) By simultaneously acquiring and synthesizing pixel values for the components, a wide dynamic range of the image sensor can be realized.

또한, 신호의 축적 시간을 다르게 하거나 광감도 특성 또는 크기가 다른 화소 구조를 이용하여 저광량 특성과 다광량 특성을 가지는 화소를 이용하여 넓은 동적 범위를 구현할 수 있다.In addition, a wide dynamic range may be realized by using a pixel having a low light quantity characteristic and a multi light quantity characteristic using a pixel structure having a different signal accumulation time or having a different light sensitivity characteristic or size.

Claims (8)

많은 광량에 의한 다광량 화소 데이터를 가지는 제1 화소 영역; 및A first pixel region having multi-light amount pixel data by a large amount of light; And 적은 광량에 의한 저광량 화소 데이터를 가지는 제2 화소 영역을 포함하되,A second pixel area having low light amount pixel data by a low light amount, 상기 제1 화소 영역과 상기 제2 화소 영역이 교번하여 구성되며, 상기 제1 화소 영역 및 상기 제2 화소 영역은 녹색 필터는 베이어 패턴(Bayer pattern)과 동일하게 배열되고, 상기 녹색 필터 간에 적색 필터 및 청색 필터가 교번하여 배열되는 컬러 필터 어레이.The first pixel area and the second pixel area are alternately configured, and the first pixel area and the second pixel area have a green filter arranged in the same manner as a Bayer pattern, and a red filter between the green filters. And a color filter array in which blue filters are alternately arranged. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 화소 영역에서 홀수번째 라인과 짝수번째 라인의 녹색 필터 배열은 동일하며, 적색 필터 및 청색 필터의 위치는 서로 바뀌는 컬러 필터 어레이. And a plurality of green filter arrays in odd-numbered and even-numbered lines in the first pixel area, and positions of the red and blue filters are interchanged. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제2 화소 영역은 홀수번째 라인과 짝수번째 라인의 녹색 필터 배열은 동일하며, 적색 필터 및 청색 필터의 위치는 서로 바뀌는 컬러 필터 어레이. The second pixel area is the same as the green filter arrangement of the odd-numbered line and the even-numbered line, the position of the red filter and the blue filter are interchanged with each other. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 제1 화소 영역 및 상기 제2 화소 영역은 행 단위, 열 단위 또는 블록 단위로 구분되는 컬러 필터 어레이.The first pixel area and the second pixel area are divided in a row unit, a column unit, or a block unit. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 다광량 화소 데이터와 상기 저광량 화소 데이터는 노출 시간의 장단, 각 화소의 광감도 또는 각 화소의 크기에 따라 광량의 차이가 나는 컬러 필터 어레이.And the light quantity pixel data and the low light quantity pixel data have a difference in light quantity according to a long and short exposure time, a light sensitivity of each pixel, or a size of each pixel. 많은 광량에 의한 다광량 화소 데이터를 가지는 제1 화소 영역과, 적은 광량에 의한 저광량 화소 데이터를 가지는 제2 화소 영역을 포함하되, 상기 제1 화소 영역과 상기 제2 화소 영역이 교번하여 구성되는 컬러 필터 어레이를 가지는 이미지 센서에서의 색상을 보간하는 방법에 있어서,A first pixel region having multi-light pixel data by a large amount of light and a second pixel region having low-light pixel data by a small amount of light, wherein the first pixel area and the second pixel area are alternately configured A method of interpolating colors in an image sensor having a color filter array, the method comprising: (a) 색상 보간을 하고자 하는 색상 보간 대상 화소를 정하는 단계;(a) determining a color interpolation target pixel for color interpolation; (b) 상기 색상 보간 대상 화소의 위치를 중심으로 인접한 화소들 중에서 상기 제1 화소 영역 상의 화소와 상기 제2 화소 영역 상의 화소로부터 각각 적색, 녹색 및 청색의 화소 데이터 중 상기 색상 보간 대상 화소의 화소 데이터를 제외한 3개 이상의 화소 데이터에 대한 보간 데이터를 생성하는 단계; 및(b) pixels of the color interpolation target pixel among red, green, and blue pixel data from pixels on the first pixel region and pixels on the second pixel region among pixels adjacent to the position of the color interpolation target pixel; Generating interpolation data for at least three pixel data except for data; And (c) 상기 보간 데이터 및 상기 색상 보간 대상 화소의 화소 데이터를 이용하여 상기 색상 보간 대상 화소의 적색, 녹색 및 청색에 대한 최종 보간 데이터를 산출하는 단계를 포함하는 색상 보간 방법.and (c) calculating final interpolation data of red, green, and blue of the color interpolation target pixel by using the interpolation data and pixel data of the color interpolation target pixel. 제6항에 있어서, The method of claim 6, (d) 한 프레임의 영상에 대해 색상 보간이 완료될 때까지 상기 단계 (a) 내지 (c)를 반복하는 단계를 더 포함하는 색상 보간 방법.(d) repeating steps (a) to (c) until color interpolation is completed for one frame of image. 제6항 또는 제7항에 있어서, The method according to claim 6 or 7, 상기 단계 (b)는 상기 색상 보간 대상 화소의 위치를 중심으로 각 색상 별로 가장 근접한 다광량 화소 데이터 및 저광량 화소 데이터의 평균을 상기 보간 데이터로 하는 색상 보간 방법.The step (b) is a color interpolation method using the average of multi-color pixel data and low-light pixel data closest to each color around the position of the color interpolation target pixel as the interpolation data.
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