KR20150006755A - 이미지 생성 장치, 이미지 생성 방법 및 비일시적 기록 매체 - Google Patents

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KR20150006755A
KR20150006755A KR1020130118965A KR20130118965A KR20150006755A KR 20150006755 A KR20150006755 A KR 20150006755A KR 1020130118965 A KR1020130118965 A KR 1020130118965A KR 20130118965 A KR20130118965 A KR 20130118965A KR 20150006755 A KR20150006755 A KR 20150006755A
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light
weight
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image sensor
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스테판 튤리아코브
이태희
한희철
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삼성전자주식회사
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    • G03B9/08—Shutters

Abstract

이미지 생성 장치를 개시한다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 생성 장치는, 메인 렌즈와, 상기 메인 렌즈를 통해 입사된 광을 투과시키는 마이크로 렌즈와, 상기 마이크로 렌즈를 투과한 광 중에서 기 설정된 방향의 광을 감지하는 픽셀 영역을 갖는 이미지 센서와, 상기 이미지 센서의 픽셀 영역에서 출력된 센싱값에 대하여, 선택적으로 가중치를 부여하는 디지털 조리개 부를 포함한다.

Description

이미지 생성 장치, 이미지 생성 방법 및 비일시적 기록 매체{IMAGE GENERATING APPARATUS, IMAGE GENERATING METHOD AND NON-TRANSITORY RECORDABLE MEDIUM}
본 발명은 이미지 생성 장치에 관한 것으로, 좀더 상세하게는 마이크로 렌즈를 포함하는 이미지 생성 장치, 마이크로 렌즈를 이용하는 이미지 생성 방법 및 상기 이미지 생성 방법을 기록한 비일시적 기록 매체에 관한 것이다.
도 1은 종래의 카메라의 주요 구성을 도시한 분해도이다.
도 1에 도시된 것처럼 종래의 카메라는 이미지 센서(10), 셔터(20), 조리개(30), 렌즈(40)를 포함한다. 이미지 센서(10)는 렌즈(40)를 투과한 광을 축적하여 전기 신호로 출력하고, 셔터(20)는 빛이 카메라로 들어오는 시간을 조절한다. 셔터 스피드에 따라 이미지 센서(10)의 노광된 픽셀에 축적되는 광량이 결정된다.
조리개(30)는 렌즈(40)를 통과하여 카메라 내부로 입사되는 광의 양을 조절하는 구성이다. 조리개(30)는 입사되는 광량을 조정할 수 있도록 개구부의 크기를 점진적으로 증가 또는 감소시킬 수 있는 기계적인 구조를 갖는다. 조리개는 F 수치로 불리는 조리개 수치로 개방 정도를 표시하며, 조리개 값이 작을수록 개방 크기가 넓어지므로, 입사광의 양이 많아져 밝은 이미지를 생성할 수 있다.
이처럼 조리개(30)의 개폐 정도에 따라 촬상 영상의 심도나 밝기가 결정되므로 종래의 카메라에서 조리개(30)는 고품질 영상을 촬상하기 위해 필수적인 구성으로 인식되어 왔다.
그러나, 조리개(30)는 정밀한 기계적인 설계를 요하므로, 제품 개발이 어렵고 카메라의 가격 상승이나 고장의 요인이 되며, 제품 크기를 증대시켜 휴대성을 떨어뜨리는 문제가 있다. 따라서, 디지털 카메라에서 조리개(30)를 대체할 수 있는 기술 구성이 요구된다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 조리개를 대체할 수 있는 기술 구성을 포함하는 이미지 생성 장치, 이미지 생성 방법 및 상기 이미지 생성 방법을 기록한 비일시적 기록 매체를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 생성 장치는, 메인 렌즈와, 상기 메인 렌즈를 통해 입사된 광을 투과시키는 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array)와, 상기 마이크로 렌즈 어레이를 투과한 광을 방향 별로 감지하는 이미지 센서(Image Sensor)와, 상기 방향 별로 감지된 광 센싱값에 선택적으로 가중치를 부여하는 디지털 조리개부를 포함한다.
상기 이미지 센서는, 복수의 픽셀 영역을 포함하고, 상기 복수의 픽셀 영역 각각은 상기 마이크로 렌즈 어레이를 투과한 서로 다른 방향의 광을 감지할 수 있다.
상기 선택적으로 가중치가 부여된 센싱값은 하기의 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00001
I(
Figure pat00002
) : 이미지 센서의 가중치가 부여된 센싱값
Figure pat00003
: 기 설정된 방향
Figure pat00004
으로부터 마이크로 렌즈(
Figure pat00005
)에 입사되는 광에 의해 이미지 센서에 감지되는 센싱값
Figure pat00006
: 마이크로 렌즈에 대한 2차원 좌표
Figure pat00007
: 입사광의 방향
Figure pat00008
: 방향에 따라 입사되는 광량을 조정하는 효과를 나타내기 위한 가중치
상기 이미지 생성 장치는, 기계식 조리개를 포함하지 않을 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 메인 렌즈를 통해 입사된 광을 필터링하는 컬러필터를 포함할 수 있다.
상기 디지털 조리개부는, 상기 메인 렌즈의 가장 자리 방향으로부터 입사한 광에 대한 센싱값에 제1 가중치를 부여하고, 상기 메인 렌즈의 중심 방향으로부터 입사한 광에 대한 센싱값에 제2 가중치를 부여할 수 있다.
상기 제1 가중치는 상기 제2 가중치보다 클 수 있다.
상기 디지털 조리개부는, 상기 메인 렌즈의 가장 자리 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값부터 상기 메인 렌즈의 중심 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값까지 점차적으로 증가하도록 가중치를 부여할 수 있다.
상기 디지털 조리개부는, PSF(Point Spread Function)가 가우시안 보케(bokeh)를 이루도록 가중치를 부여할 수 있다.
상기 이미지 생성 장치는, 디지털 카메라, 스마트 폰, 태블릿 PC, 랩탑 컴퓨터, 스마트 안경, 스마트 워치, 의학용 카메라 중 어느 하나일 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 생성 방법은, 메인 렌즈 및 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array)를 통해 광을 투과시키는 단계(S1310)와, 이미지 센서(Image Sensor)를 통해 상기 렌즈 및 상기 마이크로 렌즈 어레이를 투과한 광을 방향 별로 감지하는 단계(S1320)와, 디지털 조리개부를 통해 상기 방향 별로 감지된 광 센싱값에 선택적으로 가중치를 부여하는 단계(S1330)를 포함한다.
이때, 상기 이미지 센서는, 복수의 픽셀 영역을 포함하고, 상기 복수의 픽셀 영역 각각은 상기 마이크로 렌즈 어레이를 투과한 서로 다른 방향의 광을 감지할 수 있다.
상기 선택적으로 가중치가 부여된 센싱값은 하기의 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00009
I(
Figure pat00010
) : 이미지 센서의 가중치가 부여된 센싱값
Figure pat00011
: 기 설정된 방향
Figure pat00012
으로부터 마이크로 렌즈(
Figure pat00013
)에 입사되는 광에 의해 이미지 센서에 감지되는 센싱값
Figure pat00014
: 마이크로 렌즈에 대한 2차원 좌표
Figure pat00015
: 입사광의 방향
Figure pat00016
: 방향에 따라 입사되는 광량을 조정하는 효과를 나타내기 위한 가중치.
상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 메인 렌즈를 통해 입사된 광을 필터링하는 컬러필터를 포함할 수 있다.
이때, 상기 디지털 조리개부는, 상기 메인 렌즈의 가장 자리 방향으로부터 입사한 광에 대한 센싱값에 제1 가중치를 부여하고, 상기 메인 렌즈의 중심 방향으로부터 입사한 광에 대한 센싱값에 제2 가중치를 부여할 수 있다. 상기 제1 가중치는 상기 제2 가중치보다 클 수 있다.
상기 디지털 조리개부는, 상기 메인 렌즈의 가장 자리 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값부터 상기 메인 렌즈의 중심 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값까지 점차적으로 증가할 수 있다.
상기 디지털 조리개부는, PSF(Point Spread Function)가 가우시안 보케(bokeh)를 이루도록 가중치를 부여할 수 있다.
한편, 이상과 같은 다양한 실시 예에 따른 이미지 생성 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드는 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장될 수 있다.
또한, 전술한 이미지 생성 방법은 임베디드 소프트웨어 또는 펌웨어 형태로 CISC(Complex Instruction Set Computer) 칩, RISC(Reduced Instruction Set Computer) 칩, 비트 스라이스 MPU(Micro Processing Unit) 중 어느 하나로 제공될 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 본 발명은, 조리개를 대체할 수 있는 기술 구성을 포함하는 이미지 생성 장치, 이미지 생성 방법 및 상기 이미지 생성 방법을 기록한 비일시적 기록 매체를 제공한다.
도 1은 종래의 카메라의 주요 구성을 도시한 분해도,
도 2는 본 발명에 따른 이미지 생성 장치의 주요 구성을 도시한 분해도,
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 생성 장치의 구성 및 동작을 도시한 모식도,
도 4는 종래 카메라에서 이미지 센서의 광 축적을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 이미지 센서의 광 축적을 도시한 도면,
도 6은 이러한 공간-각 좌표를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 포커스 효과를 위한 가중치 부여를 도시한 모식도,
도 8 내지 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 보케(bokeh) 효과를 위한 가중치 부여를 도시한 모식도,
즉, 도 11은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 배치를 도시한 도면, 그리고,
도 13 내지 14는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 이미지 생성 방법의 흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 2는 이러한 본 발명에 따른 이미지 생성 장치(100)의 주요 구성을 도시한 분해도이다.
도 2에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 이미지 생성 장치(100)는 메인 렌즈(110), 이미지 센서(130), 셔터(150) 외에 복수 개의 마이크로 렌즈를 포함하는 마이크로 렌즈 어레이(120)를 포함한다. 각 구성의 기능에 대해서 상세하게 설명하기에 앞서 마이크로 렌즈 어레이(120)를 포함하는 라이트 필드 카메라 기술에 대해 간략히 소개한다.
최근 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 집적 영상(Integral photography) 기술이 개발되고 있다. 이렇게 집적 영상을 생성할 수 있는 카메라를 라이트 필드 카메라(Light Field Camera)라고 한다.
라이트 필드 카메라는 풍부한 4D(4-Dimension) 광 정보를 생성하므로 한번의 촬영으로 다양한 영상 효과를 얻을 수 있는 특징이 있다. 즉, 메인 렌즈를 통한 2D 광 정보와 마이크로 렌즈 어레이를 투과하여 이미지 센서에 집적되는 2D 광 정보의 조합을 통해 4D 광 정보 획득이 가능하므로, 한번의 촬영으로 뎁스 처리, 디지털 리포커싱(refocusing), 구면 수차 보정(spherical aberration correction) 등 다양한 영상 효과를 얻을 수 있게 된다.
본 발명은 상술한 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 라이트 필드 카메라로 구현될 수 있다. 본 발명에 따른 이미지 생성 장치(100)는 종래 카메라의 조리개를 구비하지 않으면서도 종래 카메라의 조리개가 갖는 기능을 완벽하게 구현한다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 생성 장치(100)의 구성 및 동작을 도시한 모식도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 생성 장치(100)는 메인 렌즈(110), 마이크로 렌즈(120), 이미지 센서(130), 디지털 조리개부(140)를 포함한다.
메인 렌즈(110)는 피사체로부터 반사되는 반사광을 투과시킨다. 메인 렌즈(110)는 일반적인 범용 렌즈나 광각 렌즈 등으로 구현될 수 있다. 도 3에서는 하나의 렌즈로 이루어진 것으로 도시하였으나, 메인 렌즈(110)는 복수 개의 렌즈의 집합으로 이루어질 수도 있다.
마이크로 렌즈 어레이(120)는 상기 메인 렌즈(110)를 통해 입사된 광을 투과시키는 구성이다. 마이크로 렌즈 어레이(120)는 도 3에 도시된 것처럼 복수 개의 마이크로 렌즈(120)가 수평으로 연결되어 마이크로 렌즈 어레이를 형성할 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이를 구성하는 각 마이크로 렌즈(120)는 개별적으로 메인 렌즈(110)를 투과한 광을 재투과시킨다. 재투과된 광은 이미지 센서(130)로 입사된다.
이미지 센서(130)는 상기 마이크로 렌즈 어레이(120)를 투과한 광을 감지하는 구성이다. 특히, 이미지 센서(130)는 상기 마이크로 렌즈 어레이(120)를 투과한 광을 방향 별로 감지하여 감지된 센싱 값을 출력한다. 이미지 센서(130)는 상보성 금속 산화물 반도체(Complementary Metal Oxide Semiconductor: CMOS) 또는 전하결합소자(Charge Coupled Device: CCD)로 구성될 수 있다. 이미지 센서(130)는 픽셀 어레이의 포토 다이오드(PD)를 통해 광을 축적하고 축적된 광량에 따라 전기 신호를 출력한다.
이미지 센서(130)는 포토 다이오드(PD), 전송 트랜지스터(TX), 리셋 트랜지스터(RX), 플로우팅 확산 노드(FD)를 포함할 수 있다. 포토 다이오드(PD)는 피사체의 광학상에 대응하는 광전하를 생성하여 축적한다. 전송 트랜지스터(TX)는 전송 신호에 응답하여 포토 다이오드(PD)에 생성된 광전화를 플로우팅 확산 노드(FD)로 전송한다. 리셋 트랜지스터는 리셋 신호에 응답하여 플로우팅 확산 노드(FD)에 저장된 전하를 배출한다. 리셋 신호가 인가되기 전에 플로우팅 확산 노드(FD)에 저장된 전하가 출력되는데, CDS 이미지 센서의 경우 CDS(Correlated Double Sampling) 처리를 수행한다. 그리고, ADC가 CDS 처리가 수행된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.
도면에선 도시되지 않았지만, 이미지 생성 장치(100) 변환된 신호를 처리하여 이미지를 생성하는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 이미지 생성 장치의 동작 전반을 제어하며, 구현 방식에 따라 후술하는 디지털 조리개부(140)의 기능을 수행할 수 있다.
제어부는 CPU, 캐쉬 메모리 등의 하드웨어 구성과, 운영체제, 특정 목적을 수행하는 어플리케이션의 소프트웨어 구성을 포함한다. 시스템 클럭에 따라 후술하는 동작을 위한 각 구성요소에 대한 제어 명령이 메모리에서 읽혀지며, 읽혀진 제어 명령에 따라 전기 신호를 발생시켜 하드웨어의 각 구성요소들을 동작시킨다.
피사체를 반사하여 메인 렌즈(110)로 입사한 광은 다시 마이크로 렌즈(120)로 입사되고, 마이크로 렌즈(120)를 투과한 광은 이미지 센서(120)에서 감지되어 전기 신호로 출력된다. 각 마이크로 렌즈(120)를 투과한 광은 이미지 센서(130)의 센싱 영역에서 감지된다. 상기 센싱 영역은 하나의 이미지(제1 이미지)를 형성할 수 있고, 제어부는 이렇게 형성된 제1 이미지를 이용하여 서브 이미지(제2 이미지)를 생성할 수 있다. 상기 센싱 영역은 복수 개의 픽셀로 구성될 수 있으므로, 제1 이미지는 적어도 하나의 픽셀로 표현되는 복수 개의 서브 영역으로 구성될 수 있다. 제1 이미지 역시 복수 개 형성되므로, 제어부는 각 제1 이미지의 기 설정된 서브 영역의 픽셀값을 조합하여 하나의 제2 이미지를 생성할 수 있다. 제2 이미지는 제1 이미지가 갖는 서브 영역의 개수만큼 형성될 수 있다.
디지털 조리개부(140)는 이미지 센서(130)의 출력값에 조리개 효과를 적용하는 구성이다. 특히, 디지털 조리개부(140)는 이미지 센서(130)에 의해 방향 별로 감지된 광 센싱값에 선택적으로 가중치를 부여한다.
도 4 내지 6을 참조하여 디지털 조리개부(140)의 기능을 좀더 상세하게 설명한다.
도 4는 종래 카메라에서 이미지 센서(130)의 광 축적을 도시한 도면이다.
도 4에 도시된 것처럼 종래 카메라에서 메인 렌즈(110)를 투과한 광은 이미지 센서(130)의 각 픽셀 영역으로 입사되어 축적된다. 조리개가 구비되지 않은 카메라에서 이미지 센서(130)의 하나의 픽셀 영역 XK 은 메인 렌즈(110)의 모든 영역을 투과한 광의 집적이 이루어진다. 즉, 피사체의 일 지점에서 반사되는 모든 방향의 광이 하나의 픽셀 영역 XK 에 집적된다. 이미지 센서(130)가 평면형상을 하므로, 픽셀 영역 XK 은 2차원 좌표로 표현할 수 있다. 하나의 픽셀 영역 XK 은 피사체의 일 지점에 대한 모든 반사광의 정보를 포함하고 있으므로, 상기 2차원 좌표는 공간 좌표(spatial coordinate)라고 부를 수 있다. 이러한 종래의 카메라에서 조리개가 구비되지 않으면 이미지 센서(130)의 센싱값만으로 광량을 조절할 수 있는 수단은 없다.
도 5는 본 발명에 따른 이미지 센서(130)의 광 축적을 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 이미지 생성 장치(100)에서 메인 렌즈(110)를 투과한 광은 곧바로 이미지 센서(130)의 각 픽셀 영역으로 입사되지 않고, 마이크로 렌즈(120)를 먼저 투과한다. 전술한 종래 카메라의 이미지 센서의 픽셀 영역과 유사하게 하나의 마이크로 렌즈 어레이(120)로 피사체의 일 지점에서 반사되는 모든 방향의 광이 입사된다. 따라서, 복수의 마이크로 렌즈로 구성된 마이크로 렌즈 어레이(120) 역시 2차원 좌표로 표현될 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이(120)는 피사체의 일 지점에 대한 모든 반사광을 투과시키므로, 상기와 마찬가지로 2차원 좌표를 공간 좌표(spatial coordinate)라고 부를 수 있다.
한편, 피사체의 일 지점에서 반사되는 모든 방향의 광은 마이크로 렌즈 어레이(120)를 통과하여 이미지 센서(130)의 대응되는 영역에 집적이 이루어진다. 종래 카메라와 다르게 이미지 센서(130)의 단위 영역은 피사체의 일 지점에서 반사되는 모든 방향의 광이 집적되지 않고, 그 중 일부만이 입사된다. 만일, 피사체의 일 지점에서 반사되어 메인 렌즈(110)로 입사되는 광을 m개의 방향으로 구별하고 하나의 마이크로 렌즈를 통과한 광이 이미지 센서(130)의 구별되는 m개의 영역에 집적된다고 가정하면, 이미지 센서(130)의 구별되는 하나의 영역은 하나의 방향에 대한 광을 집적하게 된다. 결국, 하나의 마이크로 렌즈를 투과한 광을 집적시키는 이미지 센서(130)의 영역은 메인 렌즈(110)를 투과하는 광을 각각의 방향에 따라 구별하여 집적하므로 독립적인 2차원 좌표로 표현할 수 있다. 이러한 2차원 좌표는 광의 방향 정보를 포함하므로 각 좌표(angular coordinates)라고 부를 수 있다.
요컨대, 본 발명의 이미지 센서(130)는 피사체에서 반사되어 메인 렌즈(110)로 입사하는 모든(구분된) 방향의 광에 대한 정보를 개별적으로 감지하고 전기 신호로 변환할 수 있게 된다. 이미지 센서(130)의 각 픽셀 영역은 전술한 두 개의 2차원 좌표를 조합하여 피사체에서 반사된 모든 방향의 광에 대한 정보를 표현한다. 이러한 좌표는 공간-각 좌표(spatio-angular coordinates)라고 부를 수 있다.
도 6은 이러한 공간-각 좌표를 도시한 도면이다. 도 6에 도시된 것처럼 마이크로 렌즈 어레이(120)를 기준으로 2차원 공간 좌표(x,y)를 정의할 수 있으며, 각 마이크로 렌즈에 대응되는 이미지 센서(130)의 픽셀 영역을 기준으로 2차원 각 좌표(u,v)를 정의할 수 있다. 두 좌표계가 결합된 공간-각 좌표는 4차원 정보를 표현한다.
디지털 조리개부(140)는 이미지 센서(130)의 각 픽셀 영역에서 출력되는 전기 신호를 조작하여 조리개 기능을 구현한다. 구체적으로 각 픽셀 영역의 출력값에 선택적으로 가중치를 부여한다. 다시 말해, 이미지 센서(130)가 마이크로 렌즈 어레이(120)를 투과한 광을 방향 별로 감지하면, 상기 방향 별로 감지된 광 센싱값에 선택적으로 가중치를 부여한다.
이때, 이미지 센서(130)가 포함하는 복수의 픽셀 영역 각각은 마이크로 렌즈 어레이(120)를 투과한 서로 다른 방향의 광을 감지할 수 있다. 즉, 상기 방향은 상이할 수 있다.
상기 가중치를 부여하는 프로세스는 하기의 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00017
I(
Figure pat00018
) : 이미지 센서(130)의 가중치가 부여된 센싱값
Figure pat00019
: 방향
Figure pat00020
으로부터 마이크로 렌즈(
Figure pat00021
)에 입사되는 광에 의해 이미지 센서에 감지되는 센싱값
Figure pat00022
: 마이크로 렌즈에 대한 2차원 좌표
Figure pat00023
: 입사광의 방향
Figure pat00024
: 방향에 따라 입사되는 광량을 조정하는 효과를 나타내기 위한 가중치
이미지 센서(130)의 가중치가 부여된 센싱값 I(
Figure pat00025
) 은 마이크로 렌즈의
Figure pat00026
좌표에서의 가중치가 부여된 값을 표현한다. 피사체에서 반사되어 메인 렌즈(110)를 통해 입사되는 광은 방향 a1~am까지의 m개의 방향을 갖는다. 디지털 조리개부(140)는 목적에 따라 방향 별로 감지된 광 센싱값에 상이한 가중치
Figure pat00027
를 곱함으로써, 조리개 효과가 부가된 이미지를 표현한다.
일반적으로 라이트 필드 카메라는 메인 렌즈의 F 수치가 마이크로 렌즈 어레이의 F 수치와 동일하나, 마이크로 렌즈의 포커스 길이가 변동형인 경우라면, 디지털 조리개 부(140) 또한, 줌 메인 렌즈에 맞게 구현될 수 있을 것이다.
이하에서는 상술한 방법에 따라 선택적으로 가중치를 부여하여 다양한 조리개 효과를 낼 수 있는 본 발명의 다양한 실시 예를 설명한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 소프트 포커스 효과를 위한 가중치 부여를 도시한 모식도이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 생성 장치(100)는 도 7에 도시된 실시 예와 같이 기계식 조리개 구성 없이도 소프트 포커스 효과를 갖는 이미지 생성이 가능하다.
소프트 포커스는 날카로운 엣지(edge)를 갖는 흐릿한 이미지를 생성하는 특수한 효과를 일컫는다. 이러한 이미지는 아웃포커스와는 구별되며, 종래의 렌즈를 단지 디포커싱(de-focussing) 하는 것만으로는 얻을 수 없다. 소프트 포커스는 초상화 사진과 누드 사진에서 피부 잡티를 감추는데 사용되거나 몽환적인 분위기를 표현하기 위해 사용된다. 이는 보정되지 않은 구면 수차를 갖는 렌즈에서 나타난다. 구면 수차로 인해 렌즈 주변부를 투과하는 광은 렌즈 중앙부를 투과하는 광에 비해 좀더 가깝게 포커싱이 이루어지고, 특별한 포인트 스프레드 함수(PSF : 포인트 광원에 대한 렌즈의 응답)로 표현할 수 있다. PSF는 중앙부에서 밝은 영역을 갖고 주변부에서 어두운 영역을 갖는다. 밝은 영역은 영상의 날카로운 엣지를 나타내며, 어두운 영역은 영상이 블러 부분을 갖음을 나타낸다.
종래의 많은 렌즈들에서 수차 보정을 수행하였으나 완전한 구면 수차 보정이 어려워 의도하지 않은 소프트 포커스 효과가 나타나기도 한다. 그러나, 일부 제조업자들은 소프트 포커스를 위한 전용 렌즈를 제작하기도 한다. 이들 렌즈들은 종래의 전통적인 렌즈에 비해 복잡한 광학 설계를 요한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 생성 장치(100)는 복잡한 광학 디자인 없이 이미지 센서의 픽셀 영역에서 출력된 센싱값에 대하여, 선택적으로 가중치를 부여함으로써, 상기와 같은 소프트 포커스를 갖는 이미지를 생성할 수 있는 이미지 생성 장치를 구현할 수 있게 된다.
전술한 디지털 조리개부(140)는, 상기 방향 별로 감지된 광 센싱값을 상기 방향 별로 상이하게 가중치를 부여함으로써 이러한 목적을 달성한다.
일 실시 예로, 디지털 조리개부(140)는 상기 메인 렌즈의 가장 자리 방향으로부터 입사한 광에 대한 센싱값에 제1 가중치를 부여하고, 상기 메인 렌즈의 중심 방향으로부터 입사한 광에 대한 센싱값에 제2 가중치를 부여할 수 있다. 이때, 상기 제1 가중치는 상기 제2 가중치보다 크다.
또한, 상기 디지털 조리개부(140)는, 상기 메인 렌즈(110)의 가장 자리 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값부터 상기 메인 렌즈(110)의 중심 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값까지 점차적으로 증가하도록 가중치를 부여하는 것도 가능하다.
상술한 실시 예에서 디지털 조리개 부(140)는 매끄러운 조리개 효과를 나타낸다. 종래 카메라는 조리개의 개방 정도를 단계적으로 변화시키는 시스템을 갖는데, 이러한 시스템은 초점이 맞는 것으로 인식되는 범위인 피사계 심도(Depth of Field)의 급격한 변화를 초래하는 문제가 있다. 따라서, 종래의 카메라에서는 메인 렌즈의 제작자가 제공하는 방법에 의해 단계적으로 변화하는 조리개와 여러 렌즈를 제어하는 시스템을 갖추고 있다. 이러한 시스템은 매우 정밀한 설계가 필요하므로, 제품 개발이 어렵고 카메라의 가격 상승이나 고장의 요인이 된다.
상기와 같은 본 발명의 실시 예에 따르면, 디지털 조리개 부(140)는 픽셀 영역에 대해 가중치를 선택적으로 적용함으로써, 도 8에 도시된 것처럼 매끄럽게 개폐되는 조리개 효과를 구현할 수 있다. 가중치가 적용되는 경우도 복수의 픽셀 영역 각각에 대해 가중치는 다르게 적용될 수 있다. 즉, 종래의 카메라에 비해 좀더 정밀하게 제어할 수 있는 조리개 효과를 기대할 수 있게 된다.
도 8 내지 10은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 보케(bokeh) 효과를 위한 가중치 부여를 도시한 모식도이다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 생성 장치(100)는 도 8에 도시된 실시 예와 같이 기계식 조리개 구성 없이도 보케 효과를 갖는 이미지 생성이 가능하다.
보케(bokeh)는 빛이 원형으로 번지는 아름다운 효과를 주기 위해 사진 애호가들 사이에서 자주 이용된다. 일부 사용자들은 도 9와 같은 독특한 모양의 보케 효과를 얻기를 원하기도 하며 이를 위해 메인 렌즈의 앞에 마스크를 씌우기도 한다. 대부분의 사용자들은 원형 보케를 선호한다.
전통적인 렌즈의 PSF는 모자 모양의 프로파일을 나타낸다(도 8의 (A)). 이러한 프로파일은 잘못된 최대값이나 최소값을 나타내서 초점의 왜곡을 나타내는 경우가 많다.
이상적인 신 렌즈의 보케는 도 8에 도시된 것과 같은 가우시안 프로파일을 나타낸다(도 8의 (A)). 그러나, 종래 카메라는 완전한 보케 효과를 구현하는 것이 어려운 점이 있었다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 생성 장치(100)는 복잡한 광학 디자인 없이 이미지 센서의 픽셀 영역에서 출력된 센싱값에 대하여, 선택적으로 가중치를 부여함으로써, 상기와 같은 이상적인 보케 효과를 갖는 이미지를 생성할 수 있는 이미지 생성 장치를 구현할 수 있게 된다.
즉, 디지털 조리개부(140)는 상기 메인 렌즈(110)의 가장 자리 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값부터 상기 메인 렌즈(110)의 중심 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값까지 점차적으로 증가하도록 가중치를 부여할 수 있다. 또한, PSF(Point Spread Function)가 가우시안 보케(bokeh)를 이루도록 가중치를 부여할 수 있다.
한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 전술한 이미지 생성 장치(100)는 일반적인 전자 계산 장치 또는 디지털 카메라가 갖는 필수적인 구성을 포함할 수 있다. 즉, 충분한 제어 및 연산 능력을 갖는 CPU 외에도 하드 디스크나 블루레이 디스크와 같은 대용량 보조 기억 장치, 근거리 통신 모듈, HDMI를 포함하는 다양한 유무선 통신 모듈, 등 하드웨어 구성을 포함하며, 전술한 제어부 및 디지털 조리개 부(140)의 기능을 수행할 수 있는 애플리케이션, 프레임워크, 운영체제를 포함한다.
또한, 전술한 이미지 생성 장치(100)는 다양한 전자 장치로 구현되거나 다양한 전자 장치의 구성으로 포함될 수 있다. 즉, 디지털 카메라, 스마트 폰, 태블릿 PC, 랩탑 컴퓨터, 스마트 안경, 스마트 워치, 의학용 카메라 중 어느 하나로 구현되거나, 이들 장치에 이미지 생성 모듈로 포함될 수 있다.
또한, 마이크로 렌즈 어레이(120)를 이용한 이미지 생성 장치(100)는 전술한 방식 외에 다른 방식으로 구현하는 것이 가능하다. 도 11은 다양한 실시 예를 도시한다.
즉, 도 11은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 배치를 도시한 도면이다.
마이크로 렌즈 어레이(120)는 이미지 센서(130)로부터 다른 거리에 설치될 수 있다. 일 실시 예에서 마이크로 렌즈 어레이(120)는 이미지 센서(130)에 곧바로 부착될 수 있다. 이 경우 마이크로 렌즈의 초점 거리(FMLA)는 마이크로 렌즈 어레이(120)와 이미지 센서(130) 사이의 거리(d)와 동일하다(도 11의 (A)). 다른 실시 예에서는 마이크로 렌즈 어레이(120)를 보호 글래스(150) 위에 놓을 수 있는데, 이 경우 마이크로 렌즈의 초점 거리(FMLA)는 마이크로 렌즈 어레이(120)와 이미지 센서(130) 사이의 거리(d)보다 짧다.
한편, 베이어 패턴의 위치를 달리하여 구현하는 실시 예를 고려할 수 있다.
도 12는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 베이어 패턴의 배치를 도시한 도면이다.
일 실시 예에서 베이어 패턴(Bayer pattern)(160)은 이미지 센서(130)상에 위치하거나 이미지 센서(130)와 마이크로 렌즈 어레이(120) 사이에 위치한다(도 12의 (A)). 베이어 패턴(160)은 레드(red), 그린(greed), 블루(blue)의 데이터의 패턴으로 구성되며, 각 컬러 데이터를 적절히 조합하여 픽셀 데이터를 구성한다.
본 발명의 다른 실시 예는 마이크로 렌즈 어레이(120) 전단에 베이어 패턴(160) 즉, 컬러 필터가 존재하거나 마이크로 렌즈 어레이(120) 상에 컬러 필터가 코딩 되어 있는 형태로 구현될 수 있다. 이미지 센서(130)는 모노크롬 이미지 신호를 감지한다.
컬러 필터의 컬러 데이터는 레드(red), 그린(greed), 블루(blue) 데이터 패턴 만을 언급하였으나, 이 외에도 시안, 마젠타, 옐로우, 화이트 및 에메럴드 등과 같은 다양한 컬러의 광을 필터링 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 이미지 생성 방법을 설명한다.
도 13 내지 14는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 이미지 생성 방법의 흐름도이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 이미지 생성 방법은, 메인 렌즈 및 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array)를 통해 광을 투과시키는 단계(S1310)와, 이미지 센서(Image Sensor)를 통해 상기 렌즈 및 상기 마이크로 렌즈 어레이를 투과한 광을 방향 별로 감지하는 단계(S1320)와, 디지털 조리개부를 통해 상기 방향 별로 감지된 광 센싱값에 선택적으로 가중치를 부여하는 단계(S1330)를 포함한다.
이때, 상기 이미지 센서는, 복수의 픽셀 영역을 포함하고, 상기 복수의 픽셀 영역 각각은 상기 마이크로 렌즈 어레이를 투과한 서로 다른 방향의 광을 감지할 수 있다.
상기 선택적으로 가중치가 부여된 센싱값은 하기의 식으로 표현될 수 있다.
Figure pat00028
I(
Figure pat00029
) : 이미지 센서의 가중치가 부여된 센싱값
Figure pat00030
: 기 설정된 방향
Figure pat00031
으로부터 마이크로 렌즈(
Figure pat00032
)에 입사되는 광에 의해 이미지 센서에 감지되는 센싱값
Figure pat00033
: 마이크로 렌즈에 대한 2차원 좌표
Figure pat00034
: 입사광의 방향
Figure pat00035
: 방향에 따라 입사되는 광량을 조정하는 효과를 나타내기 위한 가중치.
상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 메인 렌즈를 통해 입사된 광을 필터링하는 컬러필터를 포함할 수 있다.
이때, 상기 디지털 조리개부는, 상기 메인 렌즈의 가장 자리 방향으로부터 입사한 광에 대한 센싱값에 제1 가중치를 부여하고, 상기 메인 렌즈의 중심 방향으로부터 입사한 광에 대한 센싱값에 제2 가중치를 부여할 수 있다. 상기 제1 가중치는 상기 제2 가중치보다 클 수 있다.
상기 디지털 조리개부는, 상기 메인 렌즈의 가장 자리 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값부터 상기 메인 렌즈의 중심 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값까지 점차적으로 증가할 수 있다.
상기 디지털 조리개부는, PSF(Point Spread Function)가 가우시안 보케(bokeh)를 이루도록 가중치를 부여할 수 있다.
도 14를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 이미지 생성 방법은, 메인 렌즈 및 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array)를 통해 광을 투과시키는 단계(S1410)와, 이미지 센서(Image Sensor)를 통해 상기 렌즈 및 상기 마이크로 렌즈 어레이를 투과한 광을 방향 별로 감지하는 단계(S1420)와, 디지털 조리개부를 통해 상기 방향 별로 감지된 광 센싱값에 선택적으로 가중치를 부여하는 단계(S1330)를 포함한다. 또한, 선택적으로 가중치가 부여된 센싱값을 이용하여 조리개 효과를 갖는 이미지를 생성하는 단계(S1440)를 포함한다.
한편, 이상과 같은 다양한 실시 예에 따른 이미지 생성 방법을 수행하기 위한 프로그램 코드는 비일시적 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)에 저장될 수 있다. 비일시적 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 기기에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
또한, 전술한 이미지 생성 방법은 임베디드 소프트웨어 또는 펌웨어 형태로 CISC(Complex Instruction Set Computer) 칩, RISC(Reduced Instruction Set Computer) 칩, 비트 스라이스 MPU(Micro Processing Unit) 중 어느 하나로 제공될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 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 이해되어서는 안될 것이다.
100 : 이미지 생성 장치
110 : 메인 렌즈 120 : 마이크로 렌즈
130 : 이미지 센서 140 : 디지털 조리개 부
150 : 마이크로 렌즈 어레이와 이미지 센서 사이의 거리
160 : 베이어 패턴

Claims (20)

  1. 이미지 생성 장치에 있어서,
    메인 렌즈;
    상기 메인 렌즈를 통해 입사된 광을 투과시키는 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array);
    상기 마이크로 렌즈 어레이를 투과한 광을 방향 별로 감지하는 이미지 센서(Image Sensor); 및
    상기 방향 별로 감지된 광 센싱값에 선택적으로 가중치를 부여하는 디지털 조리개부;를 포함하는 이미지 생성 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    복수의 픽셀 영역을 포함하고,
    상기 복수의 픽셀 영역 각각은 상기 마이크로 렌즈 어레이를 투과한 서로 다른 방향의 광을 감지하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선택적으로 가중치가 부여된 센싱값은 하기의 식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 장치.
    Figure pat00036

    I(
    Figure pat00037
    ) : 이미지 센서의 가중치가 부여된 센싱값
    Figure pat00038
    : 기 설정된 방향
    Figure pat00039
    으로부터 마이크로 렌즈(
    Figure pat00040
    )에 입사되는 광에 의해 이미지 센서에 감지되는 센싱값
    Figure pat00041
    : 마이크로 렌즈에 대한 2차원 좌표
    Figure pat00042
    : 입사광의 방향
    Figure pat00043
    : 방향에 따라 입사되는 광량을 조정하는 효과를 나타내기 위한 가중치
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 생성 장치는,
    기계식 조리개를 포함하지 않는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는
    상기 메인 렌즈를 통해 입사된 광을 필터링하는 컬러필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 조리개부는,
    상기 메인 렌즈의 가장 자리 방향으로부터 입사한 광에 대한 센싱값에 제1 가중치를 부여하고,
    상기 메인 렌즈의 중심 방향으로부터 입사한 광에 대한 센싱값에 제2 가중치를 부여하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 가중치는 상기 제2 가중치보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지 생성 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 디지털 조리개부는,
    상기 메인 렌즈의 가장 자리 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값부터 상기 메인 렌즈의 중심 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값까지 점차적으로 증가하도록 가중치를 부여하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 디지털 조리개부는,
    PSF(Point Spread Function)가 가우시안 보케(bokeh)를 이루도록 가중치를 부여하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 이미지 생성 장치는, 디지털 카메라, 스마트 폰, 태블릿 PC, 랩탑 컴퓨터, 스마트 안경, 스마트 워치, 의학용 카메라 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 이미지 생성 장치.
  11. 이미지 생성 방법에 있어서,
    메인 렌즈 및 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array)를 통해 광을 투과시키는 단계;
    이미지 센서(Image Sensor)를 통해 상기 렌즈 및 상기 마이크로 렌즈 어레이를 투과한 광을 방향 별로 감지하는 단계; 및
    디지털 조리개부를 통해 상기 방향 별로 감지된 광 센싱값에 선택적으로 가중치를 부여하는 단계;를 포함하는 이미지 생성 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 이미지 센서는,
    복수의 픽셀 영역을 포함하고,
    상기 복수의 픽셀 영역 각각은 상기 마이크로 렌즈 어레이를 투과한 서로 다른 방향의 광을 감지하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 선택적으로 가중치가 부여된 센싱값은 하기의 식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 방법.
    Figure pat00044

    I(
    Figure pat00045
    ) : 이미지 센서의 가중치가 부여된 센싱값
    Figure pat00046
    : 기 설정된 방향
    Figure pat00047
    으로부터 마이크로 렌즈(
    Figure pat00048
    )에 입사되는 광에 의해 이미지 센서에 감지되는 센싱값
    Figure pat00049
    : 마이크로 렌즈에 대한 2차원 좌표
    Figure pat00050
    : 입사광의 방향
    Figure pat00051
    : 방향에 따라 입사되는 광량을 조정하는 효과를 나타내기 위한 가중치
  14. 제11항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는
    상기 메인 렌즈를 통해 입사된 광을 필터링하는 컬러필터를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 방법.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 디지털 조리개부는,
    상기 메인 렌즈의 가장 자리 방향으로부터 입사한 광에 대한 센싱값에 제1 가중치를 부여하고,
    상기 메인 렌즈의 중심 방향으로부터 입사한 광에 대한 센싱값에 제2 가중치를 부여하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 가중치는 상기 제2 가중치보다 큰 것을 특징으로 하는 이미지 생성 방법.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 디지털 조리개부는,
    상기 메인 렌즈의 가장 자리 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값부터 상기 메인 렌즈의 중심 방향에서 입사한 광에 대한 센싱값까지 점차적으로 증가하도록 가중치를 부여하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 디지털 조리개부는,
    PSF(Point Spread Function)가 가우시안 보케(bokeh)를 이루도록 가중치를 부여하는 것을 특징으로 하는 이미지 생성 방법.
  19. 제11항 내지 제18항에 따른 이미지 생성 방법을 수행하기 위한 프로그램을 기록한 비 일시적 기록매체.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 비 일시적 기록매체는,
    CISC(Complex Instruction Set Computer) 칩, RISC(Reduced Instruction Set Computer)칩, 비트 스라이스 MPU(Micro Processor Unit) 칩 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 비 일시적 기록 매체.
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