KR20160082199A - 컬러 필터 어레이 성능 검증 방법 - Google Patents

컬러 필터 어레이 성능 검증 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 컬러 필터 어레이의 성능 검증 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따른 컬러 필터 어레이의 성능 검증 방법은 선택된 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 원본 영상을 촬영한 촬영 영상을 입력받는 단계, 상기 입력받은 촬영 영상을 기 설계된 디모자익(Demosaicing) 필터에 입력하는 단계, 상기 설계된 디모자익 필터를 통해 상기 촬영된 영상을 보간(Interpolation)하여 복원 영상을 획득하는 단계 및 상기 원본 영상과 상기 복원 영상을 비교하는 단계를 포함한다.

Description

컬러 필터 어레이 성능 검증 방법{METHOD FOR VERIFYING A PERFORMANCE OF DIFFERENT COLOR FILTER ARRAY}
본 발명은 컬러 필터 어레이의 성능을 검증하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 싱글 이미지 센서를 갖는 디지털 영상 촬영장치에 사용되는 컬러 필터 어레이의 성능을 검증하는 방법에 관한 것이다.
컬러 필터 어레이(CFA, Color Filter Array)는 이미지 센서의 앞에 위치하는 모자익(mosaic) 패턴의 컬러 필터를 말한다. 일반적으로 이미지 센서는 빛의 강도(intensity)만 측정하거나 빛의 강도 외 빛의 색상정보를 알 수 있는 빛의 주파수 성분을 거의 측정할 수 없기 때문에, 이미지 센서는 단독으로 빛에서 색상정보를 분리해 낼 수 없다. 컬러 필터는 빛을 주파수 대역에 따라 필터링할 수 있으므로, 색상에 따라 필터링된 빛의 강도를 분리할 수 있도록 한다.
예를 들어, 싱글 센서를 갖는 디지털 영상 촬영장치에서 많이 사용되고 있는 베이어 패턴 필터(Bayer color pattern filter)는 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 주파수 영역에 대한 빛의 세기에 대한 정보를 필터링하여 이미지 센서에 제공할 수 있다.
대한민국 공개특허 공보 10-2014-0135722, 2014. 11. 26, 5쪽 내지 6쪽.
본 발명은 복수의 컬러 필터 어레이를 통해 촬영된 영상을 복원한 영상과 원본 영상을 비교 분석함으로써, 효율적으로 각 컬러 필터 어레이의 성능을 분석하고 그 검증 결과를 제공할 수 있는 컬러 필터 어레이 성능 검증 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 컬러 필터 어레이 성능 검증 방법은 선택된 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 원본 영상을 촬영한 촬영 영상을 입력받는 단계, 상기 입력받은 촬영 영상을 기 설계된 디모자익(Demosaicing) 필터에 입력하는 단계, 상기 설계된 디모자익 필터를 통해 상기 촬영된 영상을 보간(Interpolation)하여 복원 영상을 획득하는 단계 및 상기 원본 영상과 상기 복원 영상을 비교하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 촬영 영상을 입력받는 단계는 서로 다른 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 각각의 촬영 영상을 입력받는다.
일 실시예에서, 상기 촬영 영상을 입력받는 단계는 RRGB 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 촬영 영상, RGGB 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 촬영 영상 및 RGBB 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 촬영 영상을 입력받는다.
일 실시예에서, 상기 컬러 필터 어레이는 X-Trans 컬러필터 어레이이다.
일 실시예에서, 상기 기 설계된 디모자익 필터는 최소 자승법(LSM)을 이용하여 설계된 필터이다.
일 실시예에서, 상기 원본 영상과 상기 복원 영상을 비교하는 단계는 상기 원본 영상과 상기 복원 영상의 붉은색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 푸른색(B) 채널 각각에 대한 오차제곱평균을 산출하는 단계 및 상기 원본 영상과 상기 복원 영상의 붉은색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 푸른색(B) 채널 각각에 대한 피크 신호대잡음비를 산출하는 단계를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 원본 영상과 상기 복원 영상을 비교하는 단계는 상기 원본 영상의 붉은색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 푸른색(B) 채널 각각에 대해 산출된 오차제곱평균의 평균값과 상기 복원 영상의 붉은색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 푸른색(B) 채널 각각에 대해 산출된 오차제곱평균의 평균값을 비교하는 단계 및 상기 원본 영상의 붉은색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 푸른색(B) 채널 각각에 대해 산출된 피크 신호대잡음비의 평균값과 상기 복원 영상의 붉은색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 푸른색(B) 채널 각각에 대해 산출된 피크 신호대잡음비의 평균값을 비교하는 단계를 포함한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 컬러 필터 어레이 검증 방법은 복수의 컬러 필터 어레이를 통해 촬영된 영상을 복원한 영상과 원본 영상을 비교 분석함으로써, 효율적으로 각 컬러 필터 어레이의 성능을 분석할 수 있다.
본 발명에 따른 컬러 필터 어레이 검증 방법은 복수의 컬러 필터 어레이에 대한 검증 결과를 제공하여 컬러 필터 어레이 선정에 유효한 정보를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이 검증 방법을 나타내는 흐름도
도 2는 RRGB 컬러 필터 어레이, RGGB 컬러 필터 어레이 및 RGBB 컬러 필터 어레이의 일 예를 나타내는 도면
도 3은 도 2의 RRGB 컬러 필터 어레이와 RGBB 컬러 필터 어레이를 채널별로 분류한 것을 나타내는 도면
도 4는 제1 디모자익 필터의 R, G, B 채널에 대한 주파수 응답을 나타내는 도면
도 5는 제2 디모자익 필터의 R, G, B 채널에 대한 주파수 응답을 나타내는 도면
도 6은 제3 디모자익 필터의 R, G, B 채널에 대한 주파수 응답을 나타내는 도면
도 7은 원본 영상의 흑백 이미지와 각 컬러 필터 어레이를 통해 원본 영상을 촬영한 촬영 영상을 나타내는 도면
도 8은 원본 영상과, 각 컬러 필터 어레이를 통해 촬영된 영상을 복원한 복원 영상을 나타내는 도면
이하, 본 발명에 따른 방사선 세기 변조체 검증 방법 및 검증 장치를 실시하기 위한 구체적인 내용을 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이 검증 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 다른 패턴을 갖는 다수의 컬러 필터 어레이(Color Filter Arrary) 가운데 성능을 검증할 컬러 필터 어레이를 선택하여, 해당 선택된 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 촬영 영상을 입력 받는다.(단계 S110) 일 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이 검증 방법은 서로 다른 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 각각의 촬영 영상을 입력받을 수 있다.
도 2의 (a)는 RRGB 컬러 필터 어레이, (b)는 RGGB 컬러 필터 어레이 및 (c)는 RGBB 컬러 필터 어레이의 일 예를 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2의 (a)의 RRGB 컬러 필터 어레이와 (c)의 RGBB 컬러 필터 어레이를 채널별로 분류한 것을 나타내는 도면이다.
RRGB 컬러 필터 어레이는 R:G:B의 비율이 2:1:1이고, RGGB 컬러 필터 어레이는 R:G:B의 비율이 1:2:1이고, RGBB 컬러 필터 어레이는 R:G:B의 비율이 1:1:2인 필터 어레이이다. 도 2의 RRGB 컬러 필터 어레이, RGGB 컬러 필터 어레이 및 RGBB 컬러 필터 어레이는 기존의 베이어 패턴 필터(Bayer color pattern filter) 보다 컬러 아티팩트(artifact)에 대한 성능이나, 에일리어싱(aliasing) 현상에 대한 억제 성능 등이 우수하다. 본 발명에서는 도 2에 예시된 각 컬러 필터 어레이 사이의 성능을 검증하여 그 가운데 더 우수한 성능을 보이는 컬러 필터 어레이를 선정할 수 있다.
도 2에 예시된 각 컬러 필터 어레이의 성능을 검증하는 경우, 도 2의 RRGB 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 촬영 영상과 RGGB 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 촬영 영상 및 RGBB 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 촬영 영상을 각각 입력 받는다.
일 실시예에서, 컬러 필터 어레이 검증 방법이 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 또는 소프트웨어 모듈로 구현된 경우, 해당 컴퓨팅 시스템이 선택된 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 촬영 영상을 입력받을 수 있다. 해당 컴퓨팅 시스템의 입력 모듈은 컴퓨팅 시스템에 기 저장되어 있는 촬영 영상을 선택하여 입력받을 수도 있고, 이미지 센서로부터 직접 촬영된 영상을 입력받을 수도 있다.
촬영 영상이 입력되면 입력받은 촬영 영상을 기 설계된 디모자익(Demosaicing) 필터에 입력한다.(단계 S120) 디모자익 필터는 컬러 필터를 통해 컬러 필터링되어 촬영된 영상을 보간(Interpolation)하여 영상을 복원할 수 있다. 즉, 촬영 영상이 입력되면, 기 설계된 디모자익 필터는 입력된 촬영 영상을 보간하여 복원 영상을 획득한다.(단계 S130)
일 실시예에서, 디모자익 필터는 기 설계되어 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 또는 소프트웨어 모듈로 구현되어 컬러 필터 어레이 검증 방법에 사용될 수 있다. 예를 들어, 디모자익 필터는 최소자승법(LSM, Least Square Method)을 이용하여 기 설계될 수 있다.
디모자익 필터를 설계하는 과정은 하기와 같다.
a를 추정되어야 할 nX1 행렬의 컨스턴트 벡터(constant vector)라고 하고, b를 nX1 행렬의 출력 벡터(output vector)라고 가정한다. 또한 b는 무결점(faultless)라고 가정한다.
그러면, b는 하기 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
여기에서, a는 컨스턴트 벡터, b는 출력 벡터, H는 필터를 나타낸다.
상기 수학식 1에 역 트랜스폼(inverse transform)을 수행하면, 하기 수학식 2와 같이 출력 벡터(b)와 필터(H)로부터 컨스턴트 벡터(a)를 추정할 수 있다.
Figure pat00002
여기에서, H를 구하는 것을 필터 디자인에 해당하며, 출력 값(b)과 필터 값(H)으로부터 a를 구하는 것이 디모자익에 해당한다.
그러나, 일반적으로 출력 값은 완벽하지 않고(not faultless), 노이즈가 발생할 수 있다. 따라서, 노이즈를 반영할 경우, 상기 수학식 1은 하기 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00003
여기에서, a는 컨스턴트 벡터, c는 출력 벡터, H는 필터, n은 노이즈를 나타낸다.
최소자승법(LSM)을 이용하여 상기 수학식 3으로부터 컨스턴트 벡터(a)를 추정하는 경우, 추정된 컨스턴트 벡터(a)는 하기 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00004
여기에서, c는 출력 벡터, HT는 H의 트랜스포즈(transpose) 행렬을 나타낸다.
기 알려진 원본 영상과 해당 영상을 촬영한 촬영 영상 및 수학식 4를 이용하면, 디모자익 필터((HTH)-1HT)를 구할 수 있다. 이와 같은 방식으로 기 설계된 필터를 디모자익 필터로 모듈화하여 컬러 필터 어레이 검증 방법에 사용할 수 있다.
도 4는 상기와 같은 방식으로 설계된 5X5 디모자익 필터의 주파수 응답을 나타내는 도면으로, 도 4의 (a)는 R 채널에 대한 주파수 응답 특성을 나타내는 도면이고, 도 4의 (b)는 G 채널에 대한 주파수 응답 특성을 나타내는 도면이며, 도 4의 (c)는 B 채널에 대한 주파수 응답 특성을 나타내는 도면이다.
마찬가지로, 도 5는 7X7 디모자익 필터의 R 채널에 대한 주파수 응답 특성을 나타내는 도면(a), G 채널에 대한 주파수 응답 특성을 나타내는 도면(b), B 채널에 대한 주파수 응답 특성을 나타내는 도면(c)이고, 도 6은 9X9 디모자익 필터의 R 채널에 대한 주파수 응답 특성을 나타내는 도면(a), G 채널에 대한 주파수 응답 특성을 나타내는 도면(b), B 채널에 대한 주파수 응답 특성을 나타내는 도면(c)이다. 도 4내지 도 6의 주파수 응답 특성은 설계된 디모자익 필터의 특징에 따라 달라질 수 있다.
디모자익 필터를 통해 복원 영상이 획득되면, 원본 영상과 복원 영상을 비교하여 컬러 필터 어레이의 성능을 검증한다.(단계 S150)
일 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이 검증 방법은 원본 영상과 복원 영상의 오차제곱평균(MSE, Mean Square Error) 및 피크 신호대잡음비(PSNR, Peak Signal to Noise Ratio) 중 적어도 하나 이상을 비교하여 컬러 필터 어레이의 성능을 검증할 수 있다.
일 실시예에서, 컬러 필터 어레이 검증 방법이 컴퓨팅 시스템의 하드웨어 또는 소프트웨어 모듈로 구현된 경우, 검증 모듈을 통해 원본 영상과 복원 영상 사이의 오차제곱평균(MSE)와 피크 신호대잡음비(PSNR)를 산출하고, 원본 영상과 복원 영상을 비교하여 컬러 필터 어레이의 성능을 검증할 수 있다.
원본 영상과 복원 영상의 오차제곱평균을 구하는 방법은 하기 수학식 5와 같으며, 원본 영상과 복원 영상의 피크 신호대잡음비를 구하는 방법은 하기 수학식 6과 같다.
Figure pat00005
Figure pat00006
여기에서, imgorg는 원본 영상의 값을 나타내며, imgrec는 복원 영상의 값을 나타낸다.
일 실시예에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이 검증 방법은 원본 영상과 복원 영상의 적색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 청색(B) 채널 각각에 대한 오차제곱평균을 산출하고, 원본 영상의 적색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 청색(B) 채널 각각에 대해 산출된 오차제곱평균의 산술값(예를 들어, 평균값)과 복원 영상의 적색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 청색(B) 채널 각각에 대해 산출된 오차제곱평균의 산술값(예를 들어, 평균값)을 비교할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 컬러 필터 어레이 검증 방법은 원본 영상과 복원 영상의 적색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 청색(B) 채널 각각에 대한 피크 신호대잡음비를 산출하고, 원본 영상의 적색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 청색(B) 채널 각각에 대해 산출된 피크 신호대잡음비의 산술값(예를 들어, 평균값)과 복원 영상의 적색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 청색(B) 채널 각각에 대해 산출된 피크 신호대잡음비의 산술값(예를 들어, 평균값)을 비교할 수 있다.
오차제곱평균은 작을수록, 피크 신호대잡음비는 높을수록 성능이 좋은 컬러 필터 어레이로 해석될 수 있다.
도 7의 (a)는 원본 영상의 흑백 이미지, (b)는 RRGB 컬러 필터 어레이를 통해 원본 영상을 촬영한 촬영 영상을 나타내는 도면, (c)는 RGGB 컬러 필터 어레이를 통해 원본 영상을 촬영한 촬영 영상을 나타내는 도면, (d)는 RGBB 컬러 필터 어레이를 통해 원본 영상을 촬영한 촬영 영상을 나타내는 도면이다. 도 7의 각 컬러 필터 어레이를 통해 촬영된 촬영 영상을 기 설계된 디모자익 필터를 이용하여 영상을 복원할 수 있다.
도 8의 (a)는 원본 영상, (b)는 RRGB 컬러 필터 어레이를 통해 촬영된 영상을 복원한 복원 영상을 나타내는 도면, (c)는 RGGB 컬러 필터 어레이를 통해 촬영된 영상을 복원한 복원 영상을 나타내는 도면, (d)는 RRGB 컬러 필터 어레이를 통해 촬영된 영상을 복원한 복원 영상을 나타내는 도면이다.
하기 표 1은 도 8의 원본 영상과 각 컬러 필터 어레이(RRGB, RGGB, RGBB)를 통해 촬영된 영상의 복원영상 사이의 오차제곱평균(MSE) 및 피크 신호대잡음비(PSNR)를 산출한 결과를 나타낸다.
Figure pat00007
표 1을 참조하면, RGGB 컬러 필터 어레이의 오차제곱평균(MSE)의 평균값이 가장 작고, 피크 신호대잡음비(PSNR)의 평균값이 가장 큰 것을 확인할 수 있다. 따라서, 성능 검증 대상 컬러 필터 어레이 중 RGGB 컬러 필터 어레이의 성능이 가장 좋은 것으로 판정할 수 있다.
도 1 내지 도 8을 통해 설명된 시스템 및 방법은, 컴퓨터에 의해 실행되는 애플리케이션이나 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체 및 통신 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 통신 매체는 전형적으로 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈, 또는 반송파와 같은 변조된 데이터 신호의 기타 데이터, 또는 기타 전송 메커니즘을 포함하며, 임의의 정보 전달 매체를 포함한다.
모듈(module)이라 함은 명세서에서 설명되는 각각의 명칭에 따른 기능과 동작을 수행할 수 있는 하드웨어를 의미할 수도 있고, 또한 특정한 기능과 동작을 수행할 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드를 의미할 수도 있고, 또한 특정한 기능과 동작을 수행시킬 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드가 탑재된 전자적 기록 매체, 예컨대 프로세서를 의미할 수 있다.
이상 본 발명의 실시예로 설명하였으나 본 발명의 기술적 사상이 상기 실시예로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범주에서 다양한 의료 정보 등록 방법 및 그 시스템으로 구현할 수 있다.
100 : 컬러 필터 어레이의 성능 검증 흐름도

Claims (6)

  1. 선택된 컬러 필터 어레이(Color Filter Arrary)를 갖는 이미지 센서로 원본 영상을 촬영한 촬영 영상을 입력받는 단계;
    상기 입력받은 촬영 영상을 기 설계된 디모자익(Demosaicing) 필터에 입력하는 단계;
    상기 설계된 디모자익 필터를 통해 상기 촬영된 영상을 보간(Interpolation)하여 복원 영상을 획득하는 단계; 및
    상기 원본 영상과 상기 복원 영상을 비교하는 단계를 포함하는 컬러 필터 어레이의 성능 검증 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 촬영 영상을 입력받는 단계는
    서로 다른 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 각각의 촬영 영상을 입력받는 것을 특징으로 하는 컬러 필터 어레이의 성능 검증 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 촬영 영상을 입력받는 단계는
    RRGB 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 촬영 영상, RGGB 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 촬영 영상 및 RGBB 컬러 필터 어레이를 갖는 이미지 센서로 촬영된 촬영 영상을 입력받는 것을 특징으로 하는 컬러 필터 어레이의 성능 검증 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 디모자익 필터는
    최소 자승법(LSM)을 이용하여 설계된 필터인 것을 특징으로 하는 컬러 필터 어레이의 성능 검증 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 원본 영상과 상기 복원 영상을 비교하는 단계는
    상기 원본 영상과 상기 복원 영상의 적색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 청색(B) 채널 각각에 대한 오차제곱평균을 산출하는 단계; 및
    상기 원본 영상과 상기 복원 영상의 적색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 청색(B) 채널 각각에 대한 피크 신호대잡음비를 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러 필터 어레이의 성능 검증 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 원본 영상과 상기 복원 영상을 비교하는 단계는
    상기 원본 영상의 적색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 청색(B) 채널 각각에 대해 산출된 오차제곱평균의 평균값과 상기 복원 영상의 적색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 청색(B) 채널 각각에 대해 산출된 오차제곱평균의 평균값을 비교하는 단계; 및
    상기 원본 영상의 적색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 청색(B) 채널 각각에 대해 산출된 피크 신호대잡음비의 평균값과 상기 복원 영상의 적색(R) 채널, 녹색(G) 채널 및 청색(B) 채널 각각에 대해 산출된 피크 신호대잡음비의 평균값을 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러 필터 어레이의 성능 검증 방법.
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KR20200026409A (ko) * 2018-08-31 2020-03-11 한국항공대학교산학협력단 영상분류 방법 및 장치
KR20210154409A (ko) * 2020-06-12 2021-12-21 인천대학교 산학협력단 모바일 디지털 이미지 확대 필터 장치 및 방법

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KR20140135722A (ko) 2012-02-13 2014-11-26 후지필름 가부시키가이샤 촬상 소자

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