KR20080076004A - 촬상장치 및 그 다이나믹 레인지 확장방법 - Google Patents

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KR20080076004A KR1020070015336A KR20070015336A KR20080076004A KR 20080076004 A KR20080076004 A KR 20080076004A KR 1020070015336 A KR1020070015336 A KR 1020070015336A KR 20070015336 A KR20070015336 A KR 20070015336A KR 20080076004 A KR20080076004 A KR 20080076004A
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Abstract

촬상장치 및 그 다이나믹 레인지 확장방법이 개시된다. 본 발명에 따른 촬상장치는 휘도신호 및 색차신호를 생성하는 휘도 및 색차신호 생성부; 및 상기 휘도 및 색차신호 생성부에서 생성된 휘도신호 및 색차신호의 다이나믹 레인지를 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터를 기초로 확장하여 출력하는 다이나믹 레인지 확장부를 포함한다. 본 발명에 따르면, 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터를 이용하여 출력신호의 파워를 증가시킴으로써 저계조 영상신호의 다이나믹 레인지는 확장하면서 잡음의 증가는 억제할 수 있는 촬상장치 및 그 다이나믹 레인지 확장방법이 제공된다.
촬상장치, CCD, CMOS, 다이나믹 레인지, 휘도신호, 색차신호

Description

촬상장치 및 그 다이나믹 레인지 확장방법{Image pickup device and method of extending dynamic range thereof}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 촬상장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다이나믹 레인지 확장부를 상세히 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다이나믹 레인지 확장부에서 이용되는 게인값을 결정하기 위한 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 현재 프레임 데이터 및 이전 프레임 데이터의 조합 비율을 결정하기 위한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 촬상장치의 다이나믹 레인지 확장과정을 나타낸 흐름도이다.
*도면 중 주요부분에 대한 부호의 설명*
170: 다이나믹 레인지 확장부 171: 움직임 검출부
172: 데이터 머징부 173: 게인결정부
본 발명은 촬상장치 및 그 다이나믹 레인지 확장방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터를 이용하여 출력신호의 파워를 증가시킴으로써 저계조 영상신호의 다이나믹 레인지는 확장하면서 잡음의 증가는 억제할 수 있는 촬상장치 및 그 다이나믹 레인지 확장방법에 관한 것이다.
카메라 또는 캠코더 등에 이용되는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor), CCD(charge coupled device) 등과 같은 촬상소자들은 영상을 촬영하여 전기적인 신호로 변환하는 장치이다. 이들 장치들은 신호레벨에 비해 잡음이 상대적으로 높아, 제조 과정 등에서 다양한 요인에 의하여 고정된 패턴잡음(fixed pattern noise)이 발생하며, 이는 백점 디펙트, 흑점 디펙트, 얼룩무늬 디펙트, 감도 얼룩 등의 형태로 나타난다. 이러한 촬상소자들은 빛이 많을 때 즉, 촬영환경이 밝을 때는 촬상소자 자체의 잡음은 촬영된 영상이 광전 변환되어 축적된 전하에 비해 상당히 적기 때문에 화질 열화가 작게 나타난다. 그러나 촬영환경이 어두워지면, 고정된 패턴잡음과 다크 커런트(dark current), kTC 잡음 등이 촬영된 영상이 광전 변환되어 축적된 전하에 비하여 상대적으로 커지므로, 잡음으로 인한 문제가 커지게 된다.
또한 이들 촬상소자는 촬영환경이 어두워지면 다이나믹 레인지가 작기 때문에 물체를 구분하기 힘들다. 실제로, 인간이 밝은 곳부터 어두운 곳까지 볼 수 있 는 변위 즉, 다이나믹 레인지(dynamic range)는 약 120dB정도이다. 그러나 일반적으로 상기한 고체 촬상소자를 이용하는 영상 처리 시스템에서 처리된 영상의 다이나믹 레인지는 약 60dB 정도에 불과하다. 따라서 촬영환경이 어두운 영역에서는 다이나믹 레인지가 작을 뿐만 아니라 잡음 발생의 우려도 높으므로, 촬상된 영상신호가 저계조인 경우, 다이나믹 레인지는 높이면서도 잡음의 상승은 억제할 수 있는 방안이 요청된다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터를 이용하여 출력신호의 파워를 증가시킴으로써 저계조 영상신호의 다이나믹 레인지는 확장하면서 잡음의 증가는 억제할 수 있는 촬상장치 및 그 다이나믹 레인지 확장방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 촬상장치는 휘도신호 및 색차신호를 생성하는 휘도 및 색차신호 생성부; 및 상기 휘도 및 색차신호 생성부에서 생성된 휘도신호 및 색차신호의 다이나믹 레인지를 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터를 기초로 확장하여 출력하는 다이나믹 레인지 확장부를 포함한다.
바람직하게, 상기 다이나믹 레인지 확장부는 프레임 간 움직임을 검출하는 움직임 검출부; 상기 움직임 검출부의 검출결과를 기초로 상기 현재 프레임 데이터 및 상기 이전 프레임 데이터를 조합하고 상기 조합된 데이터를 상기 현재 프레임 데이터에 소정 합산비율로 합산하여 상기 다이나믹 레인지가 확장된 휘도신호 및 색차신호를 생성하여 출력하는 데이터 머징부; 및 상기 소정 합산비율인 게인값을 결정하여 상기 데이터 머징부로 출력하는 게인결정부를 포함한다.
또한 바람직하게, 상기 게인결정부는 상기 게인값을 상기 휘도 및 색차신호 생성부에서 생성된 휘도신호에 기초하여 결정한다.
바람직하게, 상기 데이터 머징부는 상기 현재 프레임 데이터 및 상기 이전 프레임 데이터의 조합 비율을 상기 움직임 검출부에서 검출되는 움직임 정도에 따라 결정한다.
또한 바람직하게, 상기 움직임 검출부는 프레임 간 움직임 검출시 SAD값을 이용한다.
바람직하게, 상기 게인결정부는 상기 휘도 및 색차신호 생성부에서 생성된 휘도신호가 소정 임계값보다 작은 경우 상기 게인값을 기설정된 범위의 게인값 중 최대값으로 결정한다.
또한 바람직하게, 상기 데이터 머징부는 상기 움직임 검출부에서 검출된 움직임 정도가 클수록, 상기 이전 프레임 데이터에 대한 상기 현재 프레임 데이터의 조합 비율을 상기 이전 프레임 데이터의 조합 비율보다 크게 설정한다.
또한 본 발명에 따른 촬상장치의 다이나믹 레인지 확장방법은 휘도신호 및 색차신호를 생성하는 단계; 및 상기 생성된 휘도신호 및 색차신호의 다이나믹 레인지를 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터를 기초로 확장하여 출력하는 단계 를 포함한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 촬상장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 촬상장치는 렌즈부(110), 촬상소자(120), 샘플앤홀드부(130), AGC(Automatic Gain Control)부(140), ADC(Analog/Digital Conversion)부(150), 휘도 및 색차신호 생성부(160) 및 다이나믹 레인지 확장부(170)를 포함한다.
렌즈부(110)는 피사체의 배율을 확대 및 축소하는 줌 렌즈, 피사체의 포커스를 맞추는 포커스 렌즈, 광량을 조절하는 조리개 등을 구비하여, 피사체로부터의 빛을 받아들여 촬상소자(120)로 보낸다.
촬상소자(120)는 빛을 전기 신호로 변환하는 복수개의 화소 예를 들면, CCD가 배열되어, 각 화소에 의해 렌즈부(110)를 통과해 오는 피사체로부터의 빛을 전기 신호로 변환하여 아날로그 영상 신호로서 샘플앤홀드부(130)로 전달한다.
샘플앤홀드부(130)는 촬상소자(120)로부터 전달된 아날로그 영상 신호를 샘플링하여 AGC부(140)로 전달한다.
AGC부(140)는 샘플앤홀드부(130)에서 샘플링된 아날로그 영상 신호를 증폭하여 ADC부(150)로 전달한다.
ADC부(150)는 AGC부(140)에서 증폭된 아날로그 영상 신호를 디지털 영상신호(R, G, B)로 변환하여 휘도 및 색차신호 생성부(160)로 전달한다.
휘도 및 색차신호 생성부(160)는 ADC부(150)에서 전달된 디지털 영상신호(R, G, B)로부터 휘도 신호(Y) 및 색차신호(Cb, Cr)를 생성하여 다이나믹 레인지 확장부(170)로 출력한다.
다이나믹 레인지 확장부(170)는 휘도 및 색차신호 생성부에서 생성된 휘도신호 및 색차신호의 다이나믹 레인지를 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터를 기초로 확장하여 출력한다.
도 2는 본 발명에 따른 다이나믹 레인지 확장부(170)를 상세히 도시한 도면이다.
다이나믹 레인지 확장부(170)는 움직임 검출부(171), 데이터 머징부(172), 게인결정부(172)를 포함한다.
움직임 검출부(171)는 프레임 간 움직임을 검출한다.
데이터 머징부(172)는 움직임 검출부(171)의 검출결과를 기초로 현재 프레임 데이터 및 이전 프레임 데이터를 조합하고 상기 조합된 데이터를 현재 프레임 데이터에 소정 합산비율로 합산하여 다이나믹 레인지가 확장된 휘도신호 및 색차신호를 생성하여 출력한다.
게인결정부(173)는 상기한 합산비율인 게인값을 결정하여 데이터 머징부(172)로 출력한다.
아래 수식은 데이터 머징부(172)에서 다이나믹 레인지가 확장된 출력신호를 생성하기 위해 이용하는 수식이다.
Figure 112007013634963-PAT00001
여기서 Out_data는 출력신호, Cur_data는 현재 프레임 데이터, Merge_data는 데이터 머징부(172)에서 생성되는 데이터로서 움직임 검출부(171)의 검출결과를 기초로 현재 프레임 데이터 및 이전 프레임 데이터를 조합한 데이터를 의미한다. 또 Merge_gain은 게인결정부에서 결정되는 게인값으로서, 조합된 데이터를 현재 프레임 데이터에 합산할 때, 조합된 데이터의 현재 프레임 데이터에 대한 합산비율을 의미한다.
게인결정부(173)는 Merge_gain값을 휘도 및 색차신호 생성부(160)에서 생성된 휘도신호에 기초하여 결정하며, 도 3은 게인결정부(173)에서 Merge_gain값을 결정하기 위해 이용하는 그래프를 도시한다.
도 3을 참조하면, 휘도 및 색차신호 생성부(160)에서 생성된 현재 프레임의 휘도(Y)가 높은 임계값(Merge_th_high)보다 큰 경우, Merge_gain값이 "0"으로 설정됨을 알 수 있다. 또 현재 프레임의 휘도(Y)가 낮은 임계값(Merge_th_low)보다 낮은 경우, Merge_gain값은 "reg_gain" 즉, 기설정된 게인값의 범위 중 최대값으로 설정된다. "reg_gain"은 예를 들어 "1"로 설정할 수 있으나, 이는 설계자에 의하여 변경될 수 있다.
이러한 도면 예시를 참고할 때, Merge_gain값은 현재 프레임 데이터의 휘도신호의 값이 작은 픽셀일수록 커지도록 설정되므로, 어두운 픽셀의 파워가 증가되 어 다이나믹 레인지가 확장될 수 있도록 설정됨을 알 수 있다.
또한 데이터 머징부(172)는 수식 1에 따른 Merge_data를 다음과 같은 수식을 이용하여 계산한다.
Figure 112007013634963-PAT00002
수식 2를 참조하면, 휘도신호 및 색차신호(Y, Cb, Cr) 각각에 대한 Merge_data는 각 신호의 현재 프레임 데이터(Y_curr, Cb_curr, Cr_curr)에 현재 프레임의 게인값(Curr_gain)을 곱한 값과 각 신호의 이전 프레임 데이터(Y_prev, Cb_prev, Cr_prev)에 이전 프레임의 게인값(Prev_gain)을 곱한 값을 합산한 값임을 알 수 있다. 즉, 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터를 조합하되, 소정 조합 비율(Curr_gain, Prev_gain)에 따라 조합함을 알 수 있다.
조합 비율인 현재 프레임의 게인값(Curr_gain)과 이전 프레임의 게인값(Prev_gain)은 도 4와 같은 그래프를 기초로 산정된다.
도 4를 참조하면, 현재 프레임의 게인값(Curr_gain) 및 이전 프레임의 게인값(Prev_gain) 즉, 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터의 조합 비율은 움직임 검출부(171)에서 검출한 움직임 정도 즉, SAD(SUM of Absolute Difference)값에 기초하여 결정됨을 알 수 있다.
SAD값은 현재 프레임의 휘도(Y)값과 이전 프레임의 휘도(Y)값의 차이를 구하 고 구해진 차이값에 대한 블록 단위의 합을 나타내는 것으로 움직임의 정도를 파악할 수 있다. 따라서 SAD값이 클수록 움직임의 정도가 크며, SAD값이 작을수록 움직임의 정도가 작은 것으로 판단된다.
도 4를 참조하면, SAD값이 높은 임계값(sad_th_high)보다 크면, 현재 프레임의 게인값(Curr_gain)은 "1"로 이전 프레임의 게인값(Prev_gain)은 "0"으로 설정되고, SAD값이 낮은 임계값(sad_th_low)보다 작으면, 현재 프레임의 게인값(Curr_gain)은 "0"으로, 이전 프레임의 게인값(Prev_gain)은 "1"로 설정됨을 알 수 있다. 즉, SAD값이 크면, Merge_data는 현재 프레임 데이터 위주로 설정되고, SAD값이 작으면, Merge_data는 이전 프레임 데이터 위주로 설정된다. 이는 SAD값이 크면, 이전 프레임과 비교하여 현재 프레임의 움직임의 정도가 큰 것이므로, 현재 프레임 위주로 설정하여 영상의 왜곡발생을 줄이기 위함이다.
또한 데이터 머징부(172)는 상기와 같이 계산된 값을 다음과 같은 식을 이용하여 휘도 및 색차신호 생성부(160)에서 생성된 휘도신호 및 색차신호 각각에 대한 다이나믹 레인지가 확장된 휘도신호 및 색차신호를 생성하여 출력한다.
Figure 112007013634963-PAT00003
수식 3은 수식 1을 각각의 신호에 대하여 표현한 것으로, 상기한 바와 같이 현재 프레임 데이터에 움직임 정도 및 밝기를 고려하여 합산되는 데이터 양이 조절 됨으로써 영상 왜곡 발생을 방지하고, 다이나믹 레인지가 증가되면서 잡음이 억제되는 출력신호가 생성될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 촬상장치는 현재 프레임 데이터와 조합되는 이전 프레임 데이터를 저장하는 저장부(미도시)를 구비할 수 있음은 물론이다.
도 5는 본 발명에 따른 촬상장치의 다이나믹 레인지 확장과정을 나타낸 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 먼저 휘도 및 색차신호 생성부(160)에서 휘도신호 및 색차신호가 생성된다(S510). 생성된 휘도신호 및 색차신호의 다이나믹 레인지가 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터를 기초로 확장되어 출력된다(S520).
또한 다이나믹 레인지를 확장하여 출력하는 단계(S520)는 프레임 간 움직임을 검출하고, 움직임 검출결과를 기초로 현재 프레임 데이터 및 이전 프레임 데이터를 조합하고 조합된 데이터를 현재 프레임 데이터에 소정 합산비율로 합산하여 다이나믹 레인지가 확장된 휘도신호 및 색차신호를 생성하여 출력하며, 상기한 소정 합산비율인 게인값을 결정하는 과정이 포함된다.
움직임 검출은 SAD값을 이용하여 수행되며, 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터의 조합 비율은 SAD값에 의하여 판단되는 움직임 정도에 따라 결정된다. 그러나 움직임 검출이 SAD값을 이용하는 것으로 한정되는 것은 아니며, 움직임 검출에 이용되는 다른 공지의 방법이 사용될 수 있음은 물론이다.
또 조합된 데이터가 현재 프레임 데이터에 합산되는 비율인 게인값은 휘도 및 색차신호 생성부(160)에서 생성된 휘도신호에 기초하여 결정된다. 따라서 어두 운 픽셀인 경우 게인값을 높여줌으로써, 출력신호의 파워가 증가되어 다이나믹 레인지가 증가된다. 다이나믹 레인지가 증가되는 정도에 비하여 잡음이 증가되는 정도는 상대적으로 적다. 이는 영상 데이터는 프레임 간 상관성이 크지만, 잡음은 프레임 간 상관성이 작기 때문에 현재 프레임과 이전 프레임의 데이터를 이용하여 출력신호의 파워를 증가시키면 다이나믹 레인지는 크게 증가되는 반면 잡음은 상대적으로 증가폭이 적기 때문이다.
본 발명에 따르면, 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터를 이용하여 출력신호의 파워를 증가시킴으로써 저계조 영상신호의 다이나믹 레인지는 확장하면서 잡음의 증가는 억제할 수 있는 촬상장치 및 그 다이나믹 레인지 확장방법이 제공된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이고, 그와 같은 수정 또는 변형은 첨부하는 청구항의 기재범위 내에 있는 것이다.

Claims (14)

  1. 촬상장치에 있어서,
    휘도신호 및 색차신호를 생성하는 휘도 및 색차신호 생성부; 및
    상기 휘도 및 색차신호 생성부에서 생성된 휘도신호 및 색차신호의 다이나믹 레인지를 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터를 기초로 확장하여 출력하는 다이나믹 레인지 확장부를 포함하는 촬상장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 다이나믹 레인지 확장부는
    프레임 간 움직임을 검출하는 움직임 검출부;
    상기 움직임 검출부의 검출결과를 기초로 상기 현재 프레임 데이터 및 상기 이전 프레임 데이터를 조합하고 상기 조합된 데이터를 상기 현재 프레임 데이터에 소정 합산비율로 합산하여 상기 다이나믹 레인지가 확장된 휘도신호 및 색차신호를 생성하여 출력하는 데이터 머징부; 및
    상기 소정 합산비율인 게인값을 결정하여 상기 데이터 머징부로 출력하는 게인결정부를 포함하는 촬상장치.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 게인결정부는 상기 게인값을 상기 휘도 및 색차신호 생성부에서 생성된 휘도신호에 기초하여 결정하는 촬상장치.
  4. 청구항 2에 있어서, 상기 데이터 머징부는 상기 현재 프레임 데이터 및 상기 이전 프레임 데이터의 조합 비율을 상기 움직임 검출부에서 검출되는 움직임 정도에 따라 결정하는 촬상장치.
  5. 청구항 2에 있어서, 상기 움직임 검출부는 프레임 간 움직임 검출시 SAD값을 이용하는 촬상장치.
  6. 청구항 2에 있어서, 상기 게인결정부는 상기 휘도 및 색차신호 생성부에서 생성된 휘도신호가 소정 임계값보다 작은 경우 상기 게인값을 기설정된 범위의 게인값 중 최대값으로 결정하는 촬상장치.
  7. 청구항 4에 있어서, 상기 데이터 머징부는 상기 움직임 검출부에서 검출된 움직임 정도가 클수록, 상기 이전 프레임 데이터에 대한 상기 현재 프레임 데이터의 조합 비율을 상기 이전 프레임 데이터의 조합 비율보다 크게 설정하는 촬상장치.
  8. 촬상장치의 다이나믹 레인지 확장방법에 있어서,
    휘도신호 및 색차신호를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 휘도신호 및 색차신호의 다이나믹 레인지를 현재 프레임 데이터와 이전 프레임 데이터를 기초로 확장하여 출력하는 단계를 포함하는 촬상장치의 다이나믹 레인지 확장방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 다이나믹 레인지를 확장하여 출력하는 단계는
    프레임 간 움직임을 검출하는 단계;
    상기 움직임 검출결과를 기초로 상기 현재 프레임 데이터 및 상기 이전 프레임 데이터를 조합하고 상기 조합된 데이터를 상기 현재 프레임 데이터에 소정 합산비율로 합산하여 상기 다이나믹 레인지가 확장된 휘도신호 및 색차신호를 생성하여 출력하는 단계; 및
    상기 소정 합산비율인 게인값을 결정하는 단계를 포함하는 촬상장치의 다이나믹 레인지 확장방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 게인값을 결정하는 단계는 상기 게인값을 휘도 및 색차신호 생성부에서 생성된 상기 휘도신호에 기초하여 결정하는 촬상장치의 다이나믹 레인지 확장방법.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 다이나믹 레인지가 확장된 휘도신호 및 색차신호를 생성하는 단계는 상기 현재 프레임 데이터와 상기 이전 프레임 데이터의 조합 비율을 상기 움직임을 검출하는 단계에서 검출되는 움직임 정도에 따라 결정하는 촬상장치의 다이나믹 레인지 확장방법.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 움직임을 검출하는 단계는 프레임간 움직임 검출시 SAD값을 이용하는 촬상장치의 다이나믹 레인지 확장방법.
  13. 청구항 9에 있어서, 상기 게인값을 결정하는 단계는 휘도 및 색차신호 생성부에서 생성된 상기 휘도신호가 소정 임계값보다 작은 경우, 상기 게인값을 기설정된 범위의 게인값 중 최대값으로 결정하는 촬상장치의 다이나믹 레인지 확장방법.
  14. 청구항 11에 있어서, 상기 다이나믹 레인지가 확장된 휘도신호 및 색차신호를 생성하는 단계는 상기 움직임을 검출하는 단계에서 검출된 움직임 정도가 클수록, 상기 이전 프레임 데이터에 대한 상기 현재 프레임 데이터의 조합 비율을 상기 이전 프레임 데이터의 조합 비율보다 크게 설정하는 촬상장치의 다이나믹 레인지 확장방법.
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