KR20160019986A - 오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 카메라의 오토 포커스에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 컨볼루션 알고리즘을 응용한 기울기의 최대 꼭지점을 찾아내는 고속데이터 추출 알고리즘에 의한 오토 포커싱 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법은, 포커스 렌즈를 통해 입사한 피사체 정보를 필터 함수와 컨볼루션하여 얻은 출력값을 AF(Auto Focus) 평가값으로 정하고, 이들 AF 평가값을 비교하여 이 중 Maximum 경사도 및 필터의 Maximum 데이터를 갖는 위치를 포커스 렌즈 모터의 스텝 위치별 최적의 AF Gain이라 정하고, 이를 오토 포커싱을 위한 최적의 위치로 선택하여 상기 포커스 렌즈 모터를 제어하는 것으로 최적의 오토 포커싱을 구현할 수 있다.

Description

오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법{METHOD OF EXTRACTING HIGH SPEED DATA FOR AUTO FOCUSING}

본 발명은 카메라의 오토 포커스에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 컨볼루션 알고리즘을 응용한 기울기의 최대 꼭지점을 찾아내는 고속데이터 추출 알고리즘에 의한 오토 포커싱 방법에 관한 것이다.

휴대폰 등의 조립 기기의 카메라 기능을 제공하는 카메라 모듈 및 카메라의 촬상 장치에는 피사체 재현의 해상도를 높이는 광학계가 구비된다.

대부분의 촬상 장치에는 피사체에 자동적으로 초점을 맞출 수 있는 오토 포커스 장치가 설치되어 있다.

오토 포커스 장치의 동작 원리 중 하나로서, 포커스 렌즈를 이동하여 촬상 소자로부터의 출력의 고주파 성분이 최대로 되는 위치를 구함으로써 합초점을 구하는 소위 적산 방식으로 불리는 방법이 있다.

이 적산 방식에서는 촬상 소자로부터 공급되는 신호에 대하여 HPF(High Pass Filter)나 BPF(Band Pass Filter) 등을 이용하여 주파수가 높은 대역의 신호 레벨을 1필드 혹은 1프레임 단위로 적분 처리하여 포커스용의 평가값을 구하여, 포커스 렌즈를 지근으로부터 무한원까지 이동시킨다.

포커스용의 평가값이 최대로 되는 위치를 구하여 그 위치에 포커스 렌즈를 갖고 감으로써 오토 포커스 기능을 실현한다.

즉, 오토 포커스 기술을 구현하기 위해서 포커스 렌즈를 통해 들어오는 AF gain을 적산하여 비교한 후 가장 높은 데이터가 입력되는 순간의 Focus 모터를 위치시키는 방법으로 AF 기능을 구현하게 된다.

이러한 예로서, 대한민국 공개특허공보 10-2006-0047870호에는 '촬상장치, 오토포커스 장치 및 오토포커스 방법', 대한민국 공개특허공보 10-2006-0046455호에는 '자동초점 조정장치 및 이것을 포함하는 촬상장치', 대한민국 공개특허공보 10-2008-0002693호에는 '자동 포커스 장치, 촬상 장치, 및 자동 포커스 방법'이 개시되어 있다.

종래의 오토 포커스 방법은 AF gain을 적산하여 가장 높은 데이터가 입력되는 순간에 오토 포커스 위치를 선정하는 방식으로서, 이러한 적산 알고리즘을 이용한 방식은 응답속도가 느리고, 정확도가 낮아 오토 포커스 방법의 한계를 가져온다.

대한민국 공개특허공보 10-2006-0047870호 대한민국 공개특허공보 10-2006-0046455호 대한민국 공개특허공보 10-2008-0002693호

본 발명의 목적은 상술한 문제를 해결하기 위해 발명된 것으로서, 컨볼루션 알고리즘을 응용하여 입력되는 데이터의 기울기(Gradient)의 최대 꼭지점을 찾아 해당 위치에서 오토 포커싱을 이룰 수 있도록 하는 오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법을 제공하고자 한다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법은, 포커스 렌즈를 통해 입사한 피사체 정보를 필터 함수와 컨볼루션하여 얻은 출력값을 AF(Auto Focus) 평가값으로 정하고, 이들 AF 평가값을 비교하여 이 중 Maximum 경사도 및 필터의 Maximum 데이터를 갖는 위치를 포커스 렌즈 모터의 스텝 위치별 최적의 AF Gain이라 정하고, 이를 오토 포커싱을 위한 최적의 위치로 선택하여 상기 포커스 렌즈 모터를 제어하는 것으로 최적의 오토 포커싱을 구현할 수 있다.

여기서, 상기 필터함수의 경사도는 5 내지 30개의 경사도값을 갖는 함수이며, 상기 maximum 경사도는 5 이상인 경우를 유효한 AF Gain으로 선택하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 AF 평가값은 입력값 x[n], 필터함수 h[n], 출력값 y[n]이라 할 때, 다음 수학식에 의해 결정되며,

, 여기서, h[k]는 FIR 필터의 함수값이며, n은 입력값의 스텝별 위치값이고, M은 FIR 필터의 스텝별 길이(포커스 모터 스텝의 위치별 AF Gain)로 표현된다.

상술한 본 발명의 구성에 따르면, 컨볼루션 알고리즘을 응용하여 입력되는 데이터의 기울기(Gradient)의 최대 꼭지점을 찾아 해당 위치에서 오토 포커싱을 이룰 수 있도록 하는 오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법을 제공하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 카메라의 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법의 일예이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법 및 그에 따른 작용효과에 대해 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 카메라의 블록도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 카메라는 렌즈부(11), 촬상조자(12), 신호처리부(13), 검파부(14), 제어부(15), 모터 드라이버(16) 및 영상출력부(17)를 포함하여 이루어질 수 있다.

렌즈부(11)는 포커스 렌즈(111) 이외에, 예를 들면 줌 렌즈나 보정 렌즈(112)가 구비될 수 있고, 렌즈부(11)를 통해 입사한 피사체광은 촬상 소자(12)에 의해 전기적인 신호로 변환된다.

촬상 소자(12)는, 예를 들면 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이메이저 등이 될 수 있다.

신호처리부(13)는 촬상 소자(12)로부터의 출력 신호를 적절한 영상 신호로 하여 출력하기 위한 신호 처리 블록이다.

신호처리부(13)는 증폭기(131), A/D 컨버터(132) 및 신호 처리 회로(132)를 포함하여 이루어질 수 있다.

촬상 소자(12)로부터의 아날로그 출력 신호는 증폭기(131)에서 적절한 크기의 신호량으로 증폭된다.

증폭기(131)로부터 출력된 영상 신호는 A/D 컨버터(132)에서 디지털 신호로 변환된 후에 신호 처리 회로(133)에 공급되며, 신호 처리 회로(133)에서는 공급되는 신호에 대한 신호 처리가 이루어진다. 예를 들면, 공급되는 신호가 원색 신호(RGB)이고, 영상 출력부(17)로부터의 출력 신호가 휘도 신호 및 색차 신호일 때에는 신호를 변환하는 처리가 이루어질 수 있다.

또한, 신호 처리 회로(133)에 공급되는 신호는 촬상 소자(12)에 이용되는 필터의 종류, 예를 들면 원색 필터나 보색 필터 혹은 3CCD 등의 구성에 의해 규정된다.

또한, 신호 처리 회로(133)에서는 자동 이득 제어 처리(AGC(Automatic Gain Control)), 윤곽 보정(애퍼처 보정), 색 재현 보정 등의 처리나, 예를 들면 CRT(Cathode Ray Tube)나 퍼스널 컴퓨터 등의 출력 장치가 갖는 입력 전압과 발광 출력의 비직선성을 카메라측에서 보정하는 감마(γ) 보정 등의 처리가 이루어질 수 있다.

촬상 소자(12)에 들어가는 광을 최적 조건으로 하기 위해 노광량의 제어를 하는 AE(Auto Exposure)의 처리 등도 이루어질 수 있다.

검파부(14)는 영상 신호로부터 포커스 평가값을 생성하는 회로 블록이다.

A/D 컨버터(132)로부터 출력되는 영상 신호는 메모리 제어부(141)에 공급되고, 메모리 제어부(141)는 공급된 영상 신호를 메모리(142)에 기록하는 처리가 이루어진다.

메모리 제어부(141)에 의해 판독된 영상 신호는 BPF(143)에 의해 각 화소마다의 고주파 성분이 검출되며, 검출된 고주파 성분이 AF 평가값 처리 회로(144)에 공급된다.

AF 평가값 처리 회로(144)에서는 각 화소의 기울기(Gradient) 값을 비교하여 그 기울기의 꼭지점의 최대값이 되는 포커스 평가값이 산출된다.

산출된 포커스 평가값이 마이크로컴퓨터(15)에 공급된다.

마이크로컴퓨터(15)는 AF 평가값 처리 회로(144)로부터 공급되는 포커스 평가값의 절대값을 비교하여, 절대값이 큰쪽을 합초점으로 하여 포커스 위치를 결정하고, 결정한 포커스 위치에 관한 지시 신호를 모터 드라이버(16)에 송출한다.

모터 드라이버(16)는, 마이크로컴퓨터(15)로부터의 지시 신호에 기초하여, 포커스 렌즈의 위치를 구동 및 제어한다.

모터 드라이버(16)는 스텝핑 모터나 리니어 모터 등이 될 수 있다. 영상 신호의 각 프레임에서 포커스 렌즈의 위치를 고정하고, 1프레임마다 포커스 렌즈의 위치를 지근으로부터 무한원까지 순차적으로 이동시켜, 각각의 렌즈 위치에 대한 촬상하고 있는 피사체와 포커스 평가값의 관계를 구한다.

AF 평가값 처리 회로(144)에서 처리되는 포커스 평가값은 다음과 같은 컨볼루션 알고리즘을 응용하여 구현될 수 있다.

여기서, x[n]은 유한 임펄스 응답(FIR) 필터에 입력되는 입력값이며, y[n]은 출력값이다.

[수학식 1]은 임의의 디지털 신호 x[n]이 선형 시불변 시스템인 FIR 필터에 입력되어 원하는 출력 y[n]을 만드는 과정인 일반적인 컨볼루션 입출력 알고리즘을 나타낸다.

여기에서 y[n] 값이 일정한 순서대로 들어오는 x[n]에 대한 출력 y[n]이 실제 오토 포커스 데이터로 가정했을 때 가장 빠르게 모터를 이동시키며 최대 오토 포커스 게인(Gain) 즉 출력 y[n] 값을 가질 수 있는 컨볼루션 알고리즘을 적용할 수 있다는 것이다.

여기서, x[n]은 입력값, y[n]은 출력값, h[k]는 FIR 필터의 함수값이며, n은 입력값의 스텝별 위치값이고, M은 FIR 필터의 스텝별 길이(포커스 모터 스텝의 위치별 AF Gain)이다.

[수학식 1]의 일반적인 컨볼루션 입출력 알고리즘에 FIR 필터 함수 h[n]과의 관계에서 출력값 y[n]은 [수학식 2]와 같이 정의될 수 있다.

[수학식 2]에서 선형시 불변 시스템에 입력되는 신호가 어떤 신호를 출력하는 지 결정해주고, 이를 반대로 해석하면 현재 시스템에서 출력되는 신호를 결정하기 위해서는 제안하는 필터 제어 알고리즘을 적용하여 원하는 신호를 얻을 수 있다.

AF 평가값 처리 회로(144)는 입력값 x[n]에 컨볼루션 함수 h[n]를 컨볼루션하여 출력값 y[n]를 생성하며, 출력값 y[n]은 각 스텝별 입력값의 기울기(Gradient) 값을 의미하고, 각 스텝별로 출력된 y[n]의 절대값은 비교되어 전체 스텝에서 기울기의 최대값을 나타내는 스텝 위치를 산정하고, 이를 모터 드라이버(16)에 전달하여 포터스 모터를 구동시키게 된다.

여기서, [수학식 2]에 의해 생성된 y[n]은 [수학식 3]를 만족하여야 한다.

여기서, a는 최소값 양의정수 5 내지 최대값 양의정수 30이며, 경사값(gradient differential offset)을 의미한다.

즉, 필터 알고리즘인 [수학식 2]를 적용하여 컨볼루션 알고리즘에 의해 추출된 데이터가 기울기 경사값인 5 보다는 크고 30 보다는 작아야 오토 포커싱의 위치로서 최적 위치로 선정될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법의 순서도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 카메라의 전원을 먼저 온시킨다(S21).

카메라 전원이 온되고 피사체를 촬영하기 위해 오토 포커스 모터는 오토포커스 렌즈를 최대한 원거리 위치로 보내고 오토 포커싱에 의해 근거리로 스텝별로 이동하면서 최적의 위치를 찾아가게 된다(S22).

ISP의 오토포커스 출력 데이터(IIR 데이터 및 FIR 데이터)를 참조하여 첫번째 스텝에서의 Signal "Y"=Data1를 체크한다(S23).

Signal "Y"는 [수학식 2]와 같은 컨볼루션 알고리즘을 통해, 입력값 x[n]과 필터 함수값 h[n]의 컨볼루션을 통해 출력값 y[n]이 생성된다.

이후, 오토포커스 모터에 의해 AF 렌즈를 1 스텝만큼 이동시키고(S24), 이때의 Signal "Y"=Data(n+2)를 체크한다(S25).

단계 S26에서는 Signal "Y"값을 비교하고 이 중 큰 값을 갖는 Signal "Y"를 선택하며(S26), 다시 오토포커스 모터를 +1만큼 이동시키고 그 때의 Signal "Y"값을 구하도록 단계 S24로 반복한다. 이때 두개의 Siganl "Y" 데이터를 비교하여 큰 값을 취하고 반복하여 다시 다른 Signal "Y"를 비교한 뒤 최종적으로 가장 큰 값을 갖는 Signal "Y"값에서의 스텝수를 선택하고 저장한다(S27).

가장 큰 값을 갖는 Signal "Y"의 데이터를 AF 평가값 처리회로(144)에서 선택하고 이를 마이크로 컴퓨터(15)에 저장한 뒤, 마이크로 컴퓨터(15)는 모터 드라이버(16)에 명령을 보내 해당 스텝수 만큼 AF 렌즈를 이동시켜 위치시키도록 한다(S28).

AF 렌즈의 자동 초점에 따라 카메라는 촬상 대기 상태에 놓이게 된다(S29).

본 발명에 따른 오토 포커싱은 컨볼루션 알고리즘을 필터 알고리즘으로 하여 입력값에 대한 필터 함수를 컨볼루션하여 얻은 출력값을 각 스텝별로 생성하고, 이 출력값을 입력 신호의 경사값(Gradient Differential Offset)으로 하여 각 스텝별 컨볼루션한 값의 기울기 중 최대 꼭지점 위치를 갖는 스텝에서 최대 오토 포커스 게인 즉 출력 y[n] 값을 갖으므로 이 위치를 오토 포커싱의 최적 위치로 선정할 수 있도록 포커스 렌즈 모터를 제어하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법의 일예이다.

입력 x[n]에 대하여 필터함수 h[n]을 컨볼루션하여 얻은 출력 y[n]에 대한 그래프의 일예이다.

FIR 필터함수(30)는 경사도 5개인 함수이며, 바람직하게는 경사도 5개 내지 30개 범위의 함수일 수 있으며, 경사도가 많아질수록 오토 포커싱의 정확도는 올라가지만 오토 포커싱을 위한 시간이 오래걸리는 문제가 있다.

전 구간에서 Maximum 데이타가 입력될 때, Fir maxium 데이타에서 h[n-1], h[n-2], h[n-3] 등 시계열적으로 컨볼류션을 하게 된다.

경사도 5개인 h[n] FIR 필터함수(30)는 항상 총 gradient0(31), gradient1(32), gradient2(33), gradient3(34), gradient4(35)의 5개 탭 기울기를 항상 필터링을 하게 된다.

5개 탭 중 FIR 필터의 maximum 데이터를 가지며, 경사도 5 이상인 영역은 gradient0(31) 부분이 된다.

따라서, 오토 포커싱을 위한 포커스 모터의 위치 이동에 따른 위치 정지 부분은 P_{- AF} 지점이 된다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

11 : 렌즈부 12 : 촬상소자
13 : 신호처리부 14 : 검파부
15 : 마이크로 컴퓨터 16 : 모터 드라이버
17 : 영상 출력부 111 : AF 렌즈
112 : 줌 렌즈나 보정 렌즈 131 : 증폭기
132 : A/D 컨버터 133 : 신호 처리 회로
141 : 메모리 제어부 142 : 메모리
143 : BPF(밴드패스필터) 144 : AF 평가값 처리회로

Claims (3)

1. 포커스 렌즈를 통해 입사한 피사체 정보를 필터 함수와 컨볼루션하여 얻은 출력값을 AF(Auto Focus) 평가값으로 정하고,
   이들 AF 평가값을 비교하여 이 중 Maximum 경사도 및 필터의 Maximum 데이터를 갖는 위치를 포커스 렌즈 모터의 스텝 위치별 최적의 AF Gain이라 정하고, 이를 오토 포커싱을 위한 최적의 위치로 선택하여 상기 포커스 렌즈 모터를 제어하는, 오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 필터함수의 경사도는 5 내지 30개의 경사도값을 갖는 함수이며, 상기 maximum 경사도는 5 이상인 경우를 유효한 AF Gain으로 선택하는, 오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법.
3. 제1항에 있어서,
   상기 AF 평가값은 입력값 x[n], 필터함수 h[n], 출력값 y[n]이라 할 때, 다음 수학식에 의해 결정되며,
   

   

   
   여기서, h[k]는 FIR 필터의 함수값이며, n은 입력값의 스텝별 위치값이고, M은 FIR 필터의 스텝별 길이(포커스 모터 스텝의 위치별 AF Gain)인, 오토 포커싱을 위한 고속데이터 추출 방법.

Images