KR970010206B1 - 비디오카메라의 촛점값 생성방법 - Google Patents

Abstract

내용없음.

Description

비디오카메라의 촛점값 생성방법

제1도는 렌즈모타의 위치와 촛점값의 관계를 나타내는 그래프이다.

제2도는 화면을 블럭으로 분할하는 방법의 일례를 도시한 것이다.

제3도는 블록촛점값의 편차에 따른 촛점영역(window) 설정방법의 예를 도시한 것이다.

제4도는 촛점값 계산방식을 달리하여 얻은 촛점값을 이용하여 촛점을 맞추는 방법을 설명하기 위한 것이다.

제5도는 화면을 몇개의 영역으로 분할하는 방법의 일례를 도시한 것이다.

제6도는 본 발명의 방법을 실행하기 위한 회로의 일례를 설명하기 위한 블럭도이다.

제7도 내지 제10도는 차이신호발생회로의 예들을 설명하기 위한 블럭도이다.

제11도는 누적회로의 일례를 설명하기 위한 블럭도이다.

제12도는 자동제어부의 동작의 일실시례를 설명하기 위한 플로우챠트이다.

제13a,b,c도는 자동촛점조절용 촛점값들의 그래프.

제14도는 하나의 픽셀값에서 4개의 픽셀 간격을 두고 그 다음 픽셀값을 빼는 과정을 도시한 것.

제15도는 하나의 픽셀값에서 하나이상의 픽셀 간격을 두고 그 다음 픽셀값을 빼어서 생성한 촛점값을 픽셀 간격에 따라 그래프로 나타낸 것.

제16도는 밴드 패스 필터에서 통과대역 특성을 보여주는 그래프.

제17도는 둘 이상의 픽셀값을 평균한 평균픽셀값에서 하나 이상의 픽셀 간격을두고 그다음 평균픽셀값을 빼는 과정을 알기 쉽게 설명하기 위하여 도시한 것.

제18도는 밴드 패스 필터에서 통과대역 특성을 보여주는 그래프.

제19도는 점광원의 점 확산 현상을 설명하기 위한 도면.

제20도는 렌즈에서 피사체까지 거리에 따라 확산원의 직경이 변화되는 모양을 보인 그래프.

제21도는 64화면분할된 전체화면에서 각 블럭별 밝기를 분석하는 과정을 설명하기 위한 도면.

본 발명은 비디오 카메라의 촛점을 자동으로 조절하기 위한 방법에 관한 것으로서, 특히 광원과 같이 고휘도의 빛을 발하는 피사체에 대하여도 자동촛점조절이 가능하도록 한 패시브 방식의 자동촛점조절방법에 관한 것이다.

일반적으로 비디오 카메라의 자동 촛점조절방법에서는 두가지 형태의 것이 실용화 되고 있다. 그 하나는 액티브 방식이라 불리는 것으로서, 비디오 카메라의 일측에 적외선 또는 초음파의 송신 및 수신장치를 설치하고, 송, 수신되는 적외선이나 초음파를 분석하여 거리를 척정하며, 이 측정된 거리를 이용하여 촛점렌즈구동수단을 동작시켜 촛점을 맞추도록 하는 방식이고, 다른 하나는 패시브 방식이라는 것으로서, 촬상소자로 부터 나오는 영상신호 중에서 콘트라스트 신호를 이용하여 콘트라스트가 가장 크게 되는 위치로 촛점렌즈를 이동시켜서 촛점을 조절하는 방식이다.

이 패시브방식은 액티브 방식에서처럼 충분한 강도의 적외선 또는 초음파를 송신하여야 할 필요가 없으므로 전력 소비가 적고, 영상 출력 신호를 분석 처리하므로 시차가 없으며, 피사체의 거리가 먼 경우나 경사로된 경우 그리고 비디오 카메라의 전방에 유리가 있는 경우 등에도 정상적인 촛점 조절기능이 이루어지므로 편리하고, 적외선 또는 초음파 송수신 장치등과 같은 별도의 부품을 외부에 설치할 필요가 없으므로 소형화 할 수 있게 되는 점, 등의 많은 장점이 있는 것이어서 최근에는 이 패시브 방식이 많이 채택되고 있다.

이 패시브방식에 관한 기술은, 본 발명의 발명자가 발명한 선출원 발명의 한국 특허출원번호 제91-2807호 및 제91-6109호와 이에 대응하는 미국특허 제5,200,828(1993년 4월 6발행)에 잘 설명되어 있다. 그리고, 본 출원인이 선 특허출원 제1992-22762호에 관련기술이 설명되어 있다.

선출원들 중 한국특허출원번호 제91-2807호 및 제91-6109호는 이미 공개되어 있으므로 본 명세서에서 종래기술설명으로 인용한다. 그리고 특허출원 제92-22762호는 아직 공개되지 아니한 것이므로 본 명세서에서 본 발명과 관련된 기술에 대하여 다시 간략히 설명하면 다음과 같다.

일반적인 촬영 환경에서 촛점을 피사체보다 앞에 맞추고 있어서 생기는 블러(near focus-blur)일 때는 화면의 전체에 걸쳐 블러 효과가 나타나지만, 촛점을 피사체의 뒤에 맞추고 있어 생기는 블러(far focus blur)일 때는 피사체보다 후방에 있는 어떠한 배경 물체에 촛점이 가까워져서 부분적으로 촛점값이 커지므로, 화면 전체를 적당한 방법으로 분할하여(화면분할은 64분할로 하는 것이 좋다) 각각의 블럭에서의 촛점값들의 편차를 계산한 다음 편차가 임계치보다 작으면 촛점이 피사체보다 앞에 맞추고 있어서 생기는 블러라고 판단하여 모타를 후방으로 구동시키고, 편차가 임계치보다 크면 촛점이 피사체보다 뒤에 맞추어 있어서 생기는 블러라고 판단하여 모타를 전방으로 구동시켜서 모타를 임의의 방향으로 구동하여 보는 시간을 없애고 처음부터 촛점이 맞는 방향으로 모타구동방향을 결정시켜 준다.

제1도는 렌즈의 위치와 촛점값의 관계를 나타내는 그래프이다. 촛점제어구동 모타를 구동하여 합촛점이 되도록하는 방법은 촛점값이 커지는 방향으로 렌즈를 움직이도록 렌즈모타를 구동하여 이전 화면 프레임(frame)의 촛점값과 비교하여 콘트라스트가 커지는 즉 초점값이 커지는 방향으로 렌즈모타를 구동시키고, 촛점값이 최대가 되는 곳에서 모타를 정지시킨다. 자동촛점조절과정에서 처음에 모타의 구동방향을 결정하는 방법은 니어포카스블러(near-focus-blur)(제1도의 A영역)에서는 화면의 전체에 걸쳐 블러가 일어나고, 파포카스블러(far focus blur)(제1도의 B영역)에서는 화면의 일부에서 블러가 약하여져서(화면의 일부는 비교적 촛점이 맞는다) 주로 뒷 배경부분에서 콘트라스트가 커진다는 사실을 이용하여 렌즈의 초기 구동 방향을 결정해 준다.

니어포카스블러인가 파포카스블러인가를 판단하기 위하여 카메라로 부터의 거리가 다른 물체들이 어느 정도 구분될 수 있도록 충분히 작은 영역으로 화면을 분할하고, 각 영역에서의 영상신호의 고역주파수성분으로 이루어지는 촛점값을 계산하여, 이들의 편차를 편차함수를 이용하여 구한 뒤 합당한 임계값 보다 적을 경우 화면전체에 걸쳐 블러가 일어난 니어포카스블러로 판단하고, 각 영역의 촛점값들의 편차가 임계값보다 클 경우 화면이 부분적으로 촛점에 가까워진 파포카스블러로 판단한다.

제2도는 화면분할과 촛점값계산방법을 설명하기 위한 것이다.

화면분할은 카메라로 부터의 거리가 다른 물체들이 어느 정도 구분될 수 있도록 화면을 다수개의 블럭으로 분할하면 되는데, 예를 들어, 가로로 8개 세로로 8개씩 분할하여 64개 블록을 만든다.

이하에서는 64개 블록으로 분할하는 것을 예 들어 설명한다. 즉, 가로로 8개 세로로 8개씩 분할하여 64개블록을 만든다.

촛점값은 각 블록에서 영상신호의 고역주파수성분으로 이루어지는 블럭 촛점값(f1, f2, f3, ……f63,f64)을 계산하고, 전체화면의 점값을 합하든지, 일부영역을 구분하여 합하든지, 또는 적당한 선택기준으로 블럭별로 선택하여 가중치를 부여하면서 합하여 촛점값을 구한다.

이 블럭촛점값들의 편차를 편차함수를 이용하여 구한 뒤 합당한 임계값 보다 적을 경우 화면전체에 걸쳐 블러가 일어난 니어포카스블러로 판단하고, 각 영역의 촛점값들의 편차가 임계값 보다 클 경우 화면이 부분적으로 촛점에 가까워진 파포카스블러로 판단한다.

그래서 니어포카스블러로 판단되면 렌즈를 후방(far)(제1도의 F방향)으로 구동시키도록 방향결정하고, 파포카스-브러로 판단되면 렌즈를 전방(제1도의 N방향)으로 구동시키도록 방향을 결정한다.

제3도의 (1)(2)는 블록촛점값의 편차에 따라 촛점구역(window)을 설정하고 촛점값을 구하는 방법의 예를 도시한 것이다.

적당한 화면 분할 방법으로 분할된 각 블럭(block)의 블럭촛점값과 화면 전체의 평균첫점값과의 편차를 구하여 그것이 임계값보다 작은 부분은 L구역(제1구역), 큰 부분은 H구역(제2구역)으로 나누어, 필요에 따라 원하는 구역의 촛점값을 단독으로 이용하거나, L 및 H구역의 촛점값 모두를 이용한다.

즉, 제1구역의 촛점값이 최대가 되도록 촛점제어 구동모타를 제어하거나, 제2구역의 촛점값이 최대가 되도록 촛점제어 구동모타를 제어하거나 제1구역 및 제2구역의 촛점을 합한 값이 최대가 되도록 촛점제어 구동모타를 제어하여 비디오 카메라의 촛점을 자동적으로 조절한다. 이 촛점구역설정방법을 매 필드 또는 합촛점상태(in-focus) 이후에도 적용시키면 피사체의 움직이 또는 촛점값이 국부적인 변화가 있을 경우 촛점영역이 변화된다. 즉, 매 필드마다 블록 촛점값의 편차를 계산하여 촛점영역을 결정하므로 마치 움직임을 따라 가면서 촛점을 맞추는 것 같은 효과를 얻을 수 있다.

또, 가중치를 부여하여 촛점값을 구하는 방법으로, 제5도에 보인 바와 같이, 화면을 여러개의 영역(Regin)(R1,R2,R3,R4,R5 등)으로 나누어 각각의 영역에서 추출한 초점값에 가중치를 부여하여 합한 것을 촛점값으로 이용하는 방법이다. R1에서의 촛점값을 F1, R2에서의 촛점값을 F2, RN에서의 촛점값을 FN라 하고, 각각의 영역에서의 가중치를 a1, a2, aN라 했을 때, 촛점제어용으로 이용하는 모타값은 F=a1*F1+ a2*F2+a3*F3…aN*FN이 된다.

블럭촛점값을 구하는 방법으로는, 영상신호를 소정의 주기로 샘플링하여 병렬 디지탈 신호로 만들고, 인접한 주기의 병렬디지탈 신호간의 차이를 구하여 1주기 차이 신호를 만들고, 이 1주기차이신호의 소정구역분을 누적하여 1주기차이촛점 값으로 하고, 영상신호를 소정의 주기로 샘플링하여 병렬 디지탈 신호로 만들고, 2주기 이상 이격된 주기의 병렬디지탈 신호간의 차이를 구하여 다수주기차이신호를 만들고, 이 다수주기차이신호의 소정구역분을 누적하여 다수주기차이촛점값으로 한다.

제4도는 블럭촛점값 계산방식을 달리하여 얻은 촛점값을 이용하여 촛점을 맞추는 방법을 설명하기 위한 것이다.

제4도에서 보인 바와 같이, 다수주기차이촛점값이 초대가 되도록 촛점제어 구동모타를 구동하여 어느정도 합촛점 상태로 판단되면, 다시 1주기차이촛점값이 최대가 되도록 촛점제어구동모타를 구동시키면 더욱 효과적으로 촛점을 맞추는데 걸리는 시간을줄일 수 있다. 즉, 블러 상태의 촛점값이 임계치보다 적을 때에서는 표본화(샘플링)된 수평 주사신호의 현재의 표본값(sample value)와 시간상 두개 전 혹은 수개전의 표본값과의 차이값을 촛점 구역안에서 누산한 값(Vm)을 촛점값으로 사용하여 촛점값이 커지는 방향으로 촛점 구동하고, 촛점값 곡선의 최대치(peak)가 검출되어 합촛점 영역(in-focus)이라 판단되어지면 현재의 표본값과 한 시간단위(sampling clock) 전의 표본값과의 차이를 구역안에서 누산화 값(V1)을 촛점값으로 하여 촛점값곡선의 최대치가 생기는 곳을 찾아 렌즈를 정지시킨다.

또 다른 방법으로 블럭촛점값을 얻는 방법은 영상신호를 소정의 주기로 샘플링하여 병렬디지탈신호를 만들고, 화면의 같은 수직위치에 있는 인접한 주사선 사이의 병렬디지탈신호간의 차이를 구하여 1주사선수직차이신호를 만들고, 이 1주사선수직차이신호의 소정 구역분을 누적하여 1주사선차이촛점값으로 하는 것이다.

1주사선(수직)차이촛점값은 영상신호의 한 수평 주사선 내의 각 표본값과 그전 수평 주사선의 같은 위치의 표본값과의 차이를 화면의 촛점영역내에서 누산하여 얻은 것이다.

또 영상신호를 소정의 주기로 샘플링하여 병렬디지탈신호를 만들고, 화면의 같은 수직위치에 있는 2개이상 이격된 주사선 사이의 병렬디지탈신호간의 차이를 구하여 다수주사선수직차이신호를 만들고, 이 다수주사선수직차이신호의 소정 구역분을 누적하여 다수주사선차이촛점값을 얻는다.

그래서 다수주사선차이촛점값이 최대가 되도록 촛점제어 구동모타를 구동하고, 어느정도 합촛점 상태로 판단되면, 다시 1주사선차이촛점값이 최대가 되도록 촛점제어구동모타를 구동시켜서 비디오 카메라의 촛점을 자동적으로 조절하여도 된다.

그외에도 1주기차이촛점값, 다수주기차이촛점값, 1주사선차이촛점값, 또는 다수 주사선차이촛점값들을 두개 이상 조합한 것을 촛점값으로하여 모타를 구동하여도 된다.

1주기차이촛점값, 다수주기차이촛점값, 1주사선차이촛점값, 또는 다수 주사선 차이촛점값들은 한블럭에 대한 것이면 블럭촛점값을 의미하고, 블럭촛점값을 더하거나 가공하여서 촛점조절용으로 사용하는 것이 그냥 촛점값, 즉 그 화면이나 그 필드를 대표하는 촛점값을 의미한다.

이러한 방법을 실행하는 비디오 카메라의 자동촛점조절장치는, 제6도에 도시한 바와 같이, 비디오 카메라의 화상신호를 소정주기로 샘플링하여 디지탈 병렬신호를 만드는 A/D변환부와, 수평 및 수직 동기신호를 이용하여 화면을 소정 구역으로 나누고 샘플링 클럭을 발생시키는 클럭발생부(60)와, A/D변환부의 디지탈 병렬신호와 클럭발생부의 샘플링클럭을 받아서 촛점값을 만들어내는 촛점값발생회로와, 촛점값을 이용하여 비디오카메라의 렌즈를 이동시키는 렌즈모타구동회로를 제어하여 카메라의 촛점을 조절하는 자동제어부로 이루어진다.

전체적인 회로의 동작은, 렌즈 및 CCD부(10)와 TV신호처리부에서 얻은 화상신호 Y는 A/D변환부에서 클럭펄스(예 : 8MHZ)에 의해 디지탈병렬신호(11)로 변환되고, 이것은 다시 촛점값발생회로에서 차이신호 및 누적신호로 만들어져 제어신호(12)에 따라서 1필드(FIELD) 혹은 수필드가 끝날때마다 자동제어부(마이크로프로세서)로 전송된다. 자동제어부에서는 촛점값발생회로로부터 받은 촛점값(예로서 64구역의 각각의 촛점값들)을 이용, 미리 정해진 촛점구역 혹은 계산에 의해 구해진 촛점영역등에 의해 최종적인 촛점값을 모타, 이것으로 모타 구동 방향을 판별하여 모타제어신호(13)을 모타구동회로로 보내면 모타(M)는 렌즈를 움직여서 촛점을 조절하게 된다.

촛점값발생회로는 디지탈병렬신호들 간의 차이를 구하여 콘트라스트를 나타내는 차이신호들을 발생케하는 차이신호발생회로와, 클럭발생부의 클럭을 받아서 차이신호들을 소정 구역분씩 누적하여 촛점값을 만드는 누적회로를 포함하여 구성된다.

차이신호발생회로는 1주기 차이신호 발생회로, 다수주기 차이신호 발생회로, 1주사선수직차이신호 발생회로, 다수주사선수직차이신호 발생회로가 있다.

1주기 차이신호 발생회로는, 제7도에 보인 바와 같이, A/D변환부의 디지탈병렬신호를 받는 제1래치(72)와, 제1래치(74)와 제1래치의 출력과 제2래치의 출력의 입력으로 받아서 1주기차이신호(14)를 발생시키는 ROM(PLA : programmable logic array)(76)으로 이루어진다.

1주기차이신호발생회로의 동작은, A/D변환부의 디지탈병렬신호(11)가 샘플링 신호(SAMPLING CLOCK)(12)에 따라 연속적으로 입력되어지고, 이 값은 제1래치(72)와 제2래치(74)에 차례로 저장되어지고, 제1래치(72)와 제2래치(74)의 인접한 두값(73)(75)은 CLOCK(12)에 따라서 ROM(76)에서 차이값을 계산하고 그 출력(14-1)은 누적회로로 보내어진다.

다수주기차이신호발생회로는, 제8동 보인 바와 같이, A/D변환부의 디지탈 병렬신호(11)를 받는 릴레이식으로 받는 다수개(제1,2,3…n)의 직렬연결된 래치(82)들과, 다수개의 래치중에서 제1래치(82-1)의 출력을 하나의 입력에서 받고, 제2,3…,n개의 래치들의 출력을 제1MUX(84)를 통하여 다른한 입력에서 받아서 다수주기차이신호를 발생하는 ROM 또는 PLA(86)으로 구성된다.

이 다수주기차이신호발생회로의 동작은 1주기차이신호발생회로의 동자과 비슷하지만, 연속적으로 입력되는 디지탈병렬신호(11)는 다수개의 래치(82)에 차례로 저장되고, 현재의 샘플값(83-1)과 임의의 클럭수 만큼지연된 샘플값(83-2, 또는 83-n)의 차이를 ROM(86)에서 차이값을 계산하고 그 출력(14-2)은 누적회로로 보내어진다.

MUX(84)의 제어신호(15)가 'O'값을 가질때에는 신호(83-1)과 (83-2)의 차이를 구하는 1주기 차이신호 발생회로로 동작한다.

1주사선수직차이신호발생회로는, 제9도에서 보인 바와 같이, A/D변환부의 디지탈병렬신호(11)를 받는 제1래치(92)와, 제1래치에 연결된 1수평주사선메모리(94)와, 제1래치의 출력(93-1)와, 1수평주사선메모리의 출력(93-2)을 입력하므로 받아서 1주사수직차이신호(14-3)를 발생시키는 ROM(96)으로 이루어진다.

1주사선수직차이신호발생회로는 디지탈병렬신호(11)가 래치(92)를 거쳐 라인 메모리(94)에 기록신호 WE(16)(WRITE ENABLE 신호)를 받아 차례로 1주사선이 저장되며, 차이발생회로인 ROM(96)의 입력단에서(93-1)과 (93-2)는 각각 현재와 바로전 주사선 같은 위치의 샘플값이 되고, 이의 차분을 구하여 1주사선수직차이신호(14-3)를 발생시켜 누적회로로 보낸다.

다수주사선수직차이신호발생회로는 제10도에서 보인 바와 같이, A/D변환부와 디지탈병렬신호(11)를 받는 제1래치(102)와, 제1래치에 연결된 직렬연결된 다수개의 1수평주사선메모리(104)와, 제1래치의 출력(103-1)을 하나의 입력에서 받고, 다수개의 1수평주사선메모리(104)를 발생하는 ROM(16)으로 구성된다.

다수주사선수직차이신호발생회로는 1수평주사선메모리(104-1)에는 바로전 주사선 값들이 저장되고, 1수평주사선메모리(104-2)에는 2개전 주사선값들이 저장되어 신호(103-2)은 바로전 주사선의 수직화소, (103-3)는 2개전 주사선의 수직방향 화소값을 나타내므로 MUX(108)의 제어신호(15)이 1일 때는 다수 수직선 차이 신호를 발생하고, 0일 때는 1주사선 수직차이신호를 발생하며, 다른 부분에서의 동작은 1주사선수직차이발생회로에서와 같다.

제10도에서는 편의상 1수평주사선메모리(104)를 2개만 도시하였지만, 1수평주사선메모리(104)를 다수개 설치하여 다수개 전의 주사선 값들이 저장되게 하고, MUX(108)에서 어느 하나의 주사선 값을 선택하게 하면 다수주사선수직선차이신호를 얻을 수가 있다.

누적회로는 제11도에 보인 바와 같이 차이신호발생회로의 차이신호(14)들을 입력으로 받아서 덧셈을 하는 덧셈기(120)와, 덧셈기의 출력과 데이타버스의 누적값을 누적/*교환신호(112)(*는 바아 표시임)에 의해 출력으로 연결시키는데 제3MUX(121)와 ,제3MUX의 출력을 래치시키고 덧셈기의 입력으로 연결시켜주는 래치 1(122)와, 덧셈기의 출력과 버퍼(124)의 입력을 누적/*교환신호(112)에 의해 출력으로 연결시키는 제4MUX(125)와, 제4MUX의 출력을 래치시키고 버퍼의 입력으로 연결시켜 주는 래치 2(123)으로 구성된다.

버퍼(124)는 출력송출신호에 의하여 래치 2의 출력을 데이타버스에 연결시키는 역할을 한다.

누적동작은 하나의 제어클럭에 의해 입력(111)이 래치 1의 출력과 더하여지고, 래치 1에 래치되면, 매번 클럭도래시 마다 이동작이 반복되어 누적이 이루어진다.

누적회로 전체로는 차이신호발생회로의 차이신호(14)들이 덧셈기(120)의 입력(111)으로 공급되고, 지금까지 누적되어 있는 어떤 누적 초기값을 RAM(도시안함)에서 미리 읽어서 데이타버스(116)에 실어놓고, 누적/교환신호(112)를 O으로 만들면 누적초기값은 제3MUX(121)를 통하여 래치 1(122)에 기억되고, 덧셈기의 출력인 그 때까지의 누적값은 제4MUX를 통하여 래치 2(123)에 기억된다. 그리고나서 누적/교환신호를 1로 만들면 래치 1에는 새로 받은 누적초기값에서 부터 다시 입력(111)이 덧셈기(120)에서 차례로 더하여져서 누적되고, 래치 2에는 덧기로 부터 받은 누적값을 보존하게 된다. 덧셈기와 래치 1에서 누적이 진행되고 있는 동안, 출력송출신호 OE(output enable)를 인에이블로 만들어 출력버퍼(124)를 동작시키면 래치 2에 기억된 내용을 데이타 버스로 옮겨 RAM에 저장시킨다.

이렇게 하여, 소정의 블럭이나 구역, 영역들의 차이신호들을 누적하여 해당하는 촛점값을 얻을 수가 있다. 즉 분리된 시간구간들로 구성된 다수의 접합들에 대하여 서로 독립적으로 누적할 수 있게 된다.

누적 초기값은 블록이 바뀔 때마다 갱신되어지고 RAM에 누적값을 교환할 수 있도록 클럭신호 발생부에서 누적/교환 및 OE신호를 발생시킨다.

RAM에는 각블럭의 누적값이 저장되고 자동제어장치가 이 누적값을 읽어 각 블럭촛점값으로 한다.

제12도는 자동제어부의 동작의 일실시례를 설명하기 위한 플로우챠트이다.

카메라를 켜면(200) 먼저 초기화 작업을 수행한다(210). 초기화 단계에서는 자동 조정을 위한 여러가지 파라미터들의 초기값을 결정하고, 촛점값과 편차등이 정상 동작상태와 같아질때까지 초기화루틴을 실행한다.

초기화가 끝나면, 64블럭으로 나누어진 화면의 각 블럭촛점값을 읽어들인다(220단계) 읽어 들인 블럭촛점 값을 이용하여 위에서 설명한 바와 같이 여러가지 방법중 하나의 방법으로 촛점값을 계산한다(230단계).

이렇게 구한 촛점값을 이용하여 촛점값의 변화분(현재의 촛점값과 전필드의 촛점값의 차이 : f)이 미리 설정된 어떤 임계값(fTH)보다 작을 경우에는 촛점이 어느정도 맞은 상태로 보고 합촛점조정단계로 진행(280단계)하고, 촛점값의 변화분이 임계값(fTH)보다 클 경우에는 촛점이 맞지아니한 블럭상태로 보고 블럭상태 조절 단계(250)로 진행한다.

250 단계에서는 읽어들인 64개 블럭촛점값들을 가지고 평균촛점값과 블럭촛점값들의 편차를 구한다.

이 편차를 구하는 식은 여러가지가 있는데 예를들면

등의 식을 이용한다.

여기서 fi는 블럭촛점값이고 f는 그 평균값이다.

편차의 계산을 완료한 후에, 블럭상태판정단계(260)를 실행한다. 이 단계에서는 편차가 미리 설정된 어떤 임계값보다 작을 경우에는 화면 전체에 걸쳐 블러가 일어난 니어포카스블러로 판단하고, 편차가 임계값보다 큰 경우에는 화면이 부분적으로 촛점에 가까워진 파포카스블러로 판단한다(260 단계).

다음에 니어포카스블러이면 촛점조절렌즈가 이동하여 후방에 촛점을 맞추도록 렌즈모타구동방향을 정하고, 파포카스블러이면 전방으로 촛점이 맞도록 렌즈모타의구동방향을 정한다. 그리고 모타속도를 정하는데 이때는 되도록 고속스텝을 정한다(270 단계).

모타의 구동방향과 모타구동속도(스텝)가 결정되면, 모타를 정하여진 방향과 속도로 구동한다(300 단계).

이 단계후에는 다시 처음단계로 가서 220단계부터 300단계를 반복하여 실행한다. 모타가 구동되어 촛점조절렌즈가 움직이면 촛점상태가 변화되고 따라서 블럭촛점값이 변화되고, 합촛점 근처로 가까워진다.

220단계에서 읽어 들인 블럭촛점값을 이용하여 계산한 촛점값의 변화분이 임계값(fTH)보다 작을 경우에는 촛점이 어느정도 맞은 상태 혹은 맞아가는 상태로 보고 합촛점조정단계로 진행(280 단계)한다.

이 단계에서는 촛점값이 최대가 되는 렌즈의 위치인지 아닌지를 판단하여야 하는데, 이 판단을 위하여 촛점값변화분이 소정값(εTH)(임계값보다 더욱 작다)보다 작으면 합촛점상태로 판단하여 처음단계(220)단계로 가서 이상 단계를 반복한다.

촛점값변화분이 소정값보다 크면 합촛점상태로 아직되지 아니한 것으로 판단하여, 촛점값변화분이 아직 0이 아니면 렌즈모타구동방향을 같은 방향으로 정하고, 변화분이 0이면 렌즈모타구동방향을 반대 방향으로 정하고, 모타속도를 저속스텝으로 정한다(290 단계).

모타의 구동방향과 모타구동속도(스텝)가 결정된후 모타를 정하여진 방향과 속도로 구동한다(300 단계).

이 단계후에는 다시 처음단계로 가서 220단계부타 300단계를 반복하여 실행한다.

이렇게 하여 피사체가 움직이거나 촬영자가 움직이거나 하여 촛점이 맞지 아니하게 도면 이상설명한대로 조절하여 항상 합촛점상태가 되도록 한다.

따라서 일반적인 촬영 환경에서 촛점을 피사체보다 앞에 맞추고 있어서 생기는 블러와 촛점을 피사체의 뒤에 맞추고 있어 생기는 블러를 정확히 판단하여 모타의 구동방향을 정하고 구동시키므로 모타를 임의의 방향으로 구동하여 보는 시간을 없애고 처음부터 촛점이 맞는 방향으로 모타구동을 구동하므로 빠르게 촛점을 맞출 수 있다.

이러한 패시브 방식의 비디오카메라에서는 촛점 구동방향을 매 필드 혹은 수필드마다의 콘트라스트가 커지는 방향으로 촛점 렌즈를 움직여 가장 콘트라스트가 큰 상태에서 모타의 회전이 정지되도록 함으로서 자동 촛점 조절 기능을 수행한다. 따라서 모타의 움직임에 대해 제4도의 V1 또는 제13도의 (a)와 같은 촛점값 곡선을 얻을 수 있어야 한다.

이상 설명한 종래의 패시브 방식의 비디오 카메라는 촛점값을 얻어 내기 위하여 일정주파수 대역만을 통과시키는 밴드패스 필터를 사용하는데, 블러링이 심한 경우나 콘트라스트가 별로 없는 경우에는 차단 주파수가 낮은 필터를 사용하고, 촛점이 맞는 위치근처에서는 차단 주파수가 높은 필터를 사용하는 방식을 채택하여 왔다.

그 이유는 차단 주파수가 낮은 경우에는 제13도(b)에 도시한 바와 같이 촛점이 맞아감에 따라 촛점값이 증가하는 경향은 보이지만 촛점이 맞는 부근에서는 거의 평평한 모양을 보임으로서 세밀한 촛점 조절이 힘들고, 차단 주파수를 높게 잡으면 제13도의 (c)에 도시한 바와 같이 촛점이 맞는 부근에서는 뚜렷한 산 모양을 만들지만 콘트라스트가 적은 경우에는 촛점 렌즈가 움직여도 콘트라스트의 변화를 보이지 않아서 모타의 구동 방향을 결정할 수 없기 때문이다.

그런데 이러한 방식을 사용할 경우에 두 필터의 차단 주파수를 어떻게 정할 것인지와 언제 사용 필터를 바꾸어 줄 것인가를 결정하는 것이 문제가 된다. 또한 이 필터를 디지탈로 구현한 경우 계산시간이 많이 걸리고 하드웨어의 구현이 복잡해 지는 문제가 있었다.

그리고, 특히 광원이 피사체 포함되어 있을 경우에는 일반적인 초점값 개념이 적용되지는 않는다. 네온 사인이나 전구같은 것은 블러잉이 되면 번져 보인다. 그런데 종래의 방식으로 얻는 촛점값에서는, 촛점이 맞지 아니하였을 때(광원이 번저 있을때)가 촛점이 가장 잘 맞았을 때보다 오히려 촛점값이 더 크게 나타난다.

따라서 종래의 자동 촛점 조절 방법에서 구하는 촛점값을 가지고는 광원 피사체에 대하여는 촛점을 맞출 수 없다는 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 종래 방법에서의 문제들을 해결하기 위하여 새로운 촛점값을 구하는 방법을 제공하려는 것이다.

따라서 본 발명에서는 콘트라스트가 적은 경우에는 모타의 움직임에 따라 촛점값이 증가하는 경향을 보이면서도 촛점이 맞는 위치를 정확히 포착할 수 있는 촛점값생성방법을 제공한다.

이전에 출원한 특허에서도 설명된 바와 같이, 인접 화소(141)간의 차를 누적한 것을 촛점값으로 사용하였다. 그 경우를 확장하여 바로 인접한 화소 뿐만아니라 제14도에서 보인 바와 같이 임의의 거리를 둔 화소간의 차이를 누적한 것을 촛점값으로 사용하게 되면 콘트라스트가 낮은 경우와 높은 경우 모두에 대하여 만족스러운 결과를 보인다.

제15도에 보인 바와 같이, 화소간의 빼는 간격 d(d=다음의 숫자를 빼는 간격의 화소수)을 증가시킬수록 촛점값이 커짐과 아울러 촛점 모타의 위치가 촛점이 맞는 곳에서 먼 데에서도 촛점값이 증가하는 비율이 뚜렷함을 알 수 있다. 즉 밴드 패스 필터에서 통과 주파수를 낮게 해 주는 것과 같은 의미를 지닌다.

그러나 일반적인 저역 통과와는 달리 촛점이 맞는 부분에서 뾰족하게 되어 정확한 촛점 위치를 알 수 있다. 이는 이 필터가 저역만 통과시키는 것이 아니라 고역 정보도 일정부분 통과시켜 주기 때문이다.

제16도 보면, 빼는 간격을 변화시켰을 때의 변화는 주파수 통과 대역이 그래프가 나타나 있다.

제16도에서 알 수 있는 것처럼 이 필터의 특징은 저역과 고역의 통과 비율을 조절할 수 있다는 것이다.

또 하나의 장점은 일반적인 디지탈 필터와는 달리 매우 간단한 연산을 하게 되므로 구현이 간단하고 수행도중 빼는 간격만을 바꾸어 줌으로써 서로 다른 촛점값을 얻을 수 있다는 점이다.

일반적인 종래의 디지탈 필터로 이와 같은 효과를 얻으려면 회로가 매우 복잡해질 뿐더러 여러개의 필터를 병렬로 놓거나 계수를 변환하는 복잡한 일이 수행되어야 한다. 또한 연산시간도 제안한 방법의 경우에는 픽셀과 픽셀사이에 한번의 차이연산과 누적연산만이 필요한데 비하여 일반적인 디지탈 필터의 경우에는 차수만큼의 곱셈연산과 누적연산이 필요하다. 더우기 종래 필터의 결정적인 결함은 앞서 언급한 대로 저 콘트라스트와 고 콘트라스트 피사체 모두에 대하여 촛점값의 기울기가 나타나도록 하지는 못하다.

본 발명의 방법을 보다 더 발전시킨 것으로서 단순히 픽셀과 픽셀의 차이가 아닌 인접 픽셀끼리의 평균 p(p=다음의 숫자는 역시 화소수)을 구한 다음 그 결과를 빼는 방법이다.

제18도에서 보듯이 저역과 고역의 통과 비율이 보다 더 유연하게 조절하는 것이 가능하여 진다.

또 광원피사체의 자동촛점조절을 위해서는 공간 주파수의 고주파 성분이 아닌 새로운 개념의 촛점값이 필요하다.

광원이 포함된 피사체에 대하여 촛점값을 생성하는 본 발명의 기본 이론을 설명한다.

3차원의 퐁경을 2차원의 화상으로 기록할 때에는 렌즈계의 동작으로 화상의 촛점을 맞추게 된다. 그러나 피사체와의 거리가 변한다든지 풍경의 변화등으로 인해 합초점이 되지 않은 경우가 흔히 있다. 이때 나타나는 흐름의 정도는 렌즈의 직경과 피사체와의 거리에 따라 달라진다.

이렇게 피사체와의 거리에 의한 흐림 현상을 분석하기 위해서 먼저 렌즈부를 사람의 수정체와 같이 촛점거리를 변화시킬 수 있는 단일 렌즈라고 가정한다. CCD나 필름같은 촬상면은 일정한 거리에 떨어져서 화상을 기록하게 된다. 렌즈 앞 거리 D에 점광원이 있고, 렌즈가 촛점 거리를 변화시켜 가면서 촬상면에 맺히는 광원의 결상된 점 확산을 생각한다.

제19도에서 렌즈부(91)는 촛점을 근거리에서 원거리로 옮겨가다가 점광원 거리 D에 올 때 촬상면 V_P(92)에 점광원으로 기록되며 다른 거리에 촛점이 있을 때는 점 확산이 일어나게 된다. 이때 확산된 점의 직경은 렌즈부의 촛점이 맞은 거리 P의 함수로 나타낼 수 있다. 위의 그림에서 V_D와 V_P는 각각 촬상면 까지의 거리와 거리 p에 있는 점광원이 촛점이 맞은 상태로 맺히는 거리를 말한다. 즉 렌즈가 거리 p에 촛점을 맞추면 V_D에 있는 촬상면에 합초점 상태로 맺히게 되지만, 다른 거리 예로 D에 촛점이 맞은 상태에 있으면 거리 p의 점광원은 p에 맺히게 되고 촬상면에는 V_D-V_P거리에 따라 확산원으로 나타나게 된다. 우선 제19도의 기하 구조에 의해서 아래와 같은 식이 성립된다.

가 확산원의 직경이며 LR이 렌즈의 직경으로 이것은 촛점 거리 F를 아퍼추어(aperture수 : f-stop)로 나눈 것이다. 또한 광학에 의하면 렌즈는 다음과 같은 식을 만족한다.

위 두식을 결합하여 정리하면 확산원의 직경은 그래프로 그리면 제20도 같다.

제20도에 의하면 촛점이 아주 근거리에서는 무한대가 되며 D로 옮겨갈수록 작아지다가 원거리로 가면 점점 커져 포화상태가 된다. 즉 확산원의 크기가 촛점이 맞는 거리의 함수이며 근거리에서 맞은 경우와 원거리에서 맞은 경우가 확산 정도가 다르다는 것을 알 수 있다. 따라서 흐림 정도도 이것을 그대로 따르게 되어 근거리에서 흐림이 더 빠르고 또 더 심하다. 그러나 실제로는 이와 같은 확산원의 직경을 구하기가 어렵다.

따라서 위의 분석을 그대로 적용하기에 어려움이 따른다. 그래서 화상을 촛점 거리에 따라 분석하여 확산원의 크기를 유추해 내야 하는데 그것의 한 방법이 촬상소자 감도의 비선형성을 이용한 것이다. 즉 화상에 밝은 부분과 어두운 부분이 있을 때 점확산은 서로의 경계가 겹치는 것으로 나타나게 된다.

점 확산이 그대로 흐림으로 나타날 때 확산원이 크면 클수록 겹치는 부분이 늘어나고, 촬상 감도는 Log 함수 특성을 가지므로 전체적인 에너지도 확산이 커질수록 늘어나게 된다. 즉 밝은 부분이 어두어지는 것은 촬상에너지의 감소를 별로 가져오지 않으나 어두운 부분이 밝아지면 촬상에너지 Log함수의 특성상 강조되어 받아들여지기 때문에 전체 에너지가 커지게 되는 것이다. 이런 이유로 해서 화면에 적당히 어두운 부분과 밝은부분이 섞여져 있을 때는 이러한 에너지의 변화가 크게 나타난다. 그러나 화면의 전체가 비슷한 정도의 밝기를 가지는 경우에는 에너지의 변화가 별로 없다는 것이 실험으로 증명되었다.

따라서 전체 에너지의 변화를 살피면 현재의 피사체가 어느 정도의 전체 휘도 구분이 있는지를 알 수가 있다.

이상의 결과에서 다음과 같은 새로운 촛점값을 정의할 수 있다. 즉 전체적으로 화면이 어두운 상태에서는 고주파 성분의 누적이 아니라 휘도 신호 자체의 누적을 사용하여 그 값이 가장 작아지는 곳을 촛점이 맞은 것으로 생각하면 된다.

물론 이것이 항상 적용되는 것은 아니다. 화면 전체가 거의 비슷한 밝기를 가지는 경우, 즉 일반적인 촬영환경인 경우에는 휘도 신호 자체의 누적이 촛점이 맞은 경우와 맞지 않은 경우 모두에 대해서 별로 차이가 없다. 따라서, 이러한 경우에는 화소간의차를 이용한 촛점값을 사용하고, 화면에 광원이 존재하는 경우(이 경우는 화면의 64분할방식에서 화면밝기를 각 영역별로 구함으로서 알 수 있다)에는 이 방식의 촛점값을 적용하면 된다.

화면의 밝기가 밝은 경우에 광원이 있을 때는 어두운 경우의 광원보다 위의 방식의 촛점값 개념을 적용했을 때 촛점이 맞아감에 따라 변화하는 율이 적어서 촛점을 맞추기에 어려움이 있다. 이 경우를 고려하여 위의 개념을 보다 일반화시키면 다음과 같다.

화면의 65분할을 통하여 밝기가 균일한 부분과 밝기가 차이를 보이는 부분을 구분하여서, 밝기가 균일한 부분은 화소간의 차이를 이용한 촛점값을 구하고, 밝기의 현저한 차이를 가지는 부분(광원이 존재하리라고 생각되는 부분)에는 휘도신호의 누적을 이용한 촛점값을 구하여, 그 2가지를 고려하여 새로운 촛점값을 구해낸다.

이때 휘도신호의 누적을 이용한 촛점값은 촛점이 맞아갈수록 작아지므로 적절한 보정을 하여야 한다. 예를 들면 일정한 값에서 빼서 그 결과가 촛점이 맞아갈수록 커지도록 한다거나, 화소간의 차이를 이용한 촛점값을 휘도신호의 누적을 이용하여 얻어낸 촛점값으로 나누어서 그 결과가 촛점이 맞아갈수록 커지도록 한다.

광원이 있는지 없는지를 판단하는 방법은 : 1) 64부분 블럭별 밝기를 휘도신호를 누적하여 계산하고(종래의 방법을 이용한다) 2) 전체 화면의 평균 밝기를 역시 휘도신호를 검사하는데, (가) 밝은 블럭이 연속되어 있는 갯수를 확인(x, y방향으로)하고, (나) 밝은블럭의 가장 큰 덩어리의 크기를 계산하고, (다) 위에서 얻은 값으로 밝은블럭이 화면에 퍼져 있는지를 뭉쳐 있는지를 확인한다. 예를 들면 제21도에서 보인 바와 같이, 전체 화면이 64개 블럭으로 분할되어 분석되는 방법에서 사선친 부분이 화면 전체 평균보다 밝은 블럭이라고 하면, 전체 블럭중 밝은 블럭으로 판정된 블럭의 갯수를 16개 블럭이고, 그 비율은 16/64=0.25, 즉 25％이다.

가로방향으로 연속되어 있는 갯수들은 (「 」안의 숫자는 블럭의 번호) : 3「10,11,12」, 1「19」,1「26」, 2「31,32」,3「38,39,40」, 3「46,47,48」, 3「54,55,56」과 같이 차례로 되어 있다.

세로방향으로 연속되어 있는 갯수들은 : 2「10,26」, 2「11,19」, 1「12」, 3「38,46,54」, 4「31,39,47,56」, 4「32,40,48,56」로 되어 있다.

연속성은 상, 하, 좌, 우로만 판단하여 대각선으로는 고려하지 않는다.

가장 큰 덩어리의 가로, 세로 블럭의 수는(3,4)로서 오른쪽 하단 부분에 있는 가장 큰 덩어리의 밝은블럭의 수는 11개이다.

이렇게 계수된 가로, 또는 세로로 연속된 갯수 및 큰덩어리의 밝은블럭 개수를 밝은블럭의 전체개수로 나누어보면 그 분산된 상태를 알 수 있는데, 예로서 이 나눈 값이 일정치와 비교하여서 작거나 크면 밝은블럭이 전체화면에 퍼져 있다고, 아니면 퍼져있지 아니하다고 판단하는 것이다.

5) 위에서 얻은 값을 이용하여 다음과 같이 촛점값을 계산한다.

(가) 밝은블럭이 화면에 퍼져 있고(즉 뭉쳐있는 덩어리의 크기가 작을 때) 그 총갯수가 전체 부분블럭의 갯수에 비해 적을 때는 밝은블럭을 무시한다. 즉 그 부분의 촛점값을 계산하지 않고 나머지 부분의 촛점값만을 계산한다.

(나) 그외의 경우에는 밝은블럭은 밝기의 합의 역수를 촛점값으로 하고 어두운 부분은 고주파 성분의 합을 촛점값으로 계산한 다음, 면적비를 계수로 곱하여 전체 촛점값을 계산한다.

전체 촛점값=a.LS＋(1-a)·F.S.

a=(밝은블럭 블럭의 수)/(전체 부분블럭의 수)

L.S.=밝은 부분 블럭의 촛점값

F.S.=어두운 부분 블럭의 촛점값

위의 5)에서 얻은 촛점값을 이용하여 기준 방식과 같이 자동 촛점을 조절을 수행하면 된다.

이상 설명한 본 발명의 촛점값을 구하고 이 촛점값을 이용하여 자동조절되게 하면, 촛점이 맞는 부근에서는 변화가 적은 종래의 촛점값 때문에 세밀한 촛점 조절이 곤란한 문제라든지, 콘트라스트가 적은 경우에 촛점 렌즈가 움직여도 콘트라스의 변화를 보이지 않아서 모타의 구동 방향을 결정할 수 없는 문제 등이 해결된다.

특히 피사체에 광원이 포함되어 있을 때 자동촛점조절이 거의 불가능하였던 종래의 문제점을 해결할 수 있다.

Claims (6)

1. 비디오 카메라의 자동 촛점 조절을 위한 촛점값 생성 방법에 있어서, 1)화면을 다수개의 블럭으로 분할하고 각 블럭의 밝기와 전체화면의 밝기를 휘도신호를 누적하여 구하고, 2) 전체 화면의 평균 밝기보다 더 밝은 밝기를 나타내는 밝은블럭의 위치를확인하고, 3) 상기 밝기블럭의 연결된 상태를 분석하고, 4)밝은블럭의 화면에 퍼져 있으면 밝은블럭의 총갯수가 전체 블럭갯수에 비하여 일정비율이하이면, 밝은블럭의 촛점값을 계산하지 않고 나머지 블럭들만의 촛점값들만을 종래방법으로 계산하여 자동조절용의 전체촛점값으로 하고, 그 외의 경우에는 밝은블럭의 밝기의 합의 역수를 밝은블럭의 촛점값으로하고, 밝은블럭이외의 어두운블럭의 촛점값은 종래 방법으로 계산한 다음, 밝은블럭 촛점값과 어두운블럭 촛점값을 합하여 전체 촛점값으로 하는 것이 특징인 비디오카메라의 촛점값 생성방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제4단계에서 밝은블럭 촛점값과 어두운블럭 촛점값을 합하는 방법은 밝은블럭의 촛점값에는 전체화면에 대한 밝은블럭의 면적비를 곱하고, 어두운블럭의 촛점값에는 어두운블럭의 면적비를 곱하여 서로 합하여 전체촛점값을 구하는 것이 특징인 비디오카메라의 촛점값 생성방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1단계에서 전체화면을 64개의 블럭을 분할하는 것이 특징인 비디오카메라의 촛점값 생성방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제3단계에서 밝은블럭의 연결 상태는, (가) 밝은블럭의 연속되어 있는 블럭갯수를 계수하고, (나) 밝은블럭의 가장 큰 덩어리의 크기를 계산하고, (다) 계수돈 블럭갯수와 밝은블럭의 가장 큰 덩어리의 크기를 이용하여 밝은블럭이 화면에 퍼져 있는지 아니면 뭉쳐 있는지를 확인하는 것이 특징인 비디오카메라의 촛점값 생성방법.
5. 비디오 카메라의 화상에서 추출한 영상신호를 이용하여 촛점을 자동적으로 조절하는 비디오카메라 자동촛점조절용 촛점값을 구하는 방법에 있어서, 둘이상의 인접한 화소에 대응하는 휘도신호값을 평균하여 하나 이상의 화소간격으로 서로 빼어서 누적시킨 값을 촛점값으로 하는 것이 특징인 비디오카메라의 촛점값 생성방법.
6. 제5항에 있어서, 두개의 인접한 화소의 휘도신호값을 평균하여 두개의 화소 간격을 두고 평균값 끼리 감산하여 누적시킨 값을 촛점값으로 하는 것이 특징인 비디오카메라의 촛점값 생성방법.