KR20130035422A - 카메라 모듈의 보정 장치 - Google Patents

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김주현
자갈라무디 비라 벤카타 프라사드
나가라즈 아비나쉬
강순석
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Abstract

본 발명은 회전하는 복수의 테스트 보드를 촬상하여 양안식 카메라 모듈의 좌우 이미지의 광학적 특성의 차이를 실시간으로 보정할 수 있는 카메라 모듈의 보정 장치에 관한 것으로, 카메라 모듈이 촬상하는 테스트용 보드가 적어도 2개 연결되어 사전에 설정된 각도로 회전하는 테스트부; 및 상기 테스트부의 테스트용 보드를 촬상한 상기 카메라 모듈의 촬상 이미지를 전달받아 상기 촬상 이미지의 광학적 특성을 캘리브레이션(calibration)하는 캘리브레이션부를 포함하는 카메라 모듈의 보정 장치를 제공한다.

Description

카메라 모듈의 보정 장치{CALIBRATION APPARATUS FOR CAMERA MODULE}
본 발명은 촬상한 이미지의 광학적 특성을 실시간 보정할 수 있는 카메라 모듈의 보정 장치에 관한 것이다.
최근들어, 3D TV, 3D 모니터 등의 보급화로 인한 3D 컨텐츠 및 제작을 위한 3D 카메라 개발이 활발히 진행중이다.
3D 카메라를 구현하기 위해서는 다양한 방법들이 존재하는데, 일반적으로 2개의 이미지 센서와 2개의 렌즈를 사용한 양안식 카메라가 저렴하고 제작이 용이하여 주로 사용된다. 이러한 양안식 카메라로 촬영하면 사람의 눈과 비슷한 양안 시차를 가지는 2개의 영상을 획득할 수 있으며, 이를 3D TV, 3D 모니터 등의 3D 디스플레이가 가능한 장치를 이용하면 3차원 입체 영상을 표현할 수 있다.
한편, 양안식 카메라는 이미지 센서와 렌즈를 각각 갖는 2개의 카메라 모듈로 각각 영상을 획득하는데, 영상을 획득하는 두 카메라 모듈의 위치 오차가 조립 공정중에 발생하면 촬상된 영상의 위치 오차가 발생하여 사용자에게 어지러움 및 시각적인 불편함을 유발시킬 수 있다. 또한, 두 카메라 모듈의 시점 차이로 인하여 이미지 처리를 수행하는 이미지 센서의 자동 노출 및 자동 화이트 밸런스의 동작 조건이 바뀌기 때문에 색감 및 밝기가 서로 다른 좌우 영상을 얻게 될 수 있어 이 또한 사용자에게 어지러움 및 시각적인 불편함을 유발시킬 수 있는 문제점이 있다.
본 발명의 과제는 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 회전하는 복수의 테스트 보드를 촬상하여 양안식 카메라 모듈의 좌우 이미지의 광학적 특성의 차이를 실시간으로 보정할 수 있는 카메라 모듈의 보정 장치를 제공한다.
상술한 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 하나의 기술적인 측면은 카메라 모듈이 촬상하는 테스트용 보드가 적어도 2개 연결되어 사전에 설정된 각도로 회전하는 테스트부; 및
상기 테스트부의 테스트용 보드를 촬상한 상기 카메라 모듈의 촬상 이미지를 전달받아 상기 촬상 이미지의 광학적 특성을 캘리브레이션(calibration)하는 캘리브레이션부
를 포함하는 카메라 모듈의 보정 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 테스트부는
상기 테스트용 보드는 카메라 모듈이 촬상하는 테스트용 챠트를 가지며, 상기 2개의 테스트용 보드는 둘레를 따라 서로 적어도 일부가 연결되는, 테스트 보드부; 및
상기 테스트부를 상기 사전에 설정된 각도로 회전시키는 구동부를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 테스트 보드부는 둘레를 따라 서로 적어도 일부가 연결되는 5개의 테스트용 보드를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 테스트용 보드는 상기 테스트용 챠트의 둘레를 따라 라인이 형성될 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 카메라 모듈은 양안식 카메라 모듈일 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 양안식 카메라 모듈은
상기 테스트용 보드를 각각 촬상하여 촬상된 이미지를 상기 캘리브레이션부에 전달하는 양안식 촬상부;
상기 캘리브레이션부로부터의 캘리브레이션값을 저장하는 저장부; 및
상기 저장부로부터의 캘리브레이션값에 따라 상기 양안식 촬상부의 촬상된 이미지를 보정하는 위치 보정부를 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 양안식 카메라 모듈은 상기 위치 보정부의 보정된 이미지의 색상을 보정하는 컬러 보정부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 캘리브레이션부는 상기 양안식 카메라 모듈에 의해 촬상된 좌우 이미지간의 광축 틀어짐, 색감 및 밝기 중 적어도 하나를 캘리브레이션할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 캘리브레이션부는 상기 양안식 카메라 모듈로부터 촬상된 테스트용 보드의 복수의 이미지를 Annika Kuhl의 "Comparison of Stereo Matching Algorithms for Mobile Robots" 알고리즘 및 ZhengyouZhang의 "Flexible New Technique for Camera Calibration" 알고리즘에 따라 광학적 특성을 캘리브레이션할 수 있다.
본 발명의 하나의 기술적인 측면에 따르면, 상기 캘리브레이션부는 상기 양안식 카메라 모듈로부터 촬상된 테스트용 보드의 15장의 이미지의 광학적 특성을 캘리브레이션할 수 있다.
본 발명에 따르면, 회전하는 복수의 테스트 보드를 촬상하여 양안식 카메라 모듈의 좌우 이미지의 광학적 특성의 차이를 실시간으로 보정할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 보정 장치의 개략적인 구성도.
도 2의 (a) 내지 (c)와 도 3은 본 발명의 보정 장치에 채용되는 테스트용 보드의 실시형태.
도 4는 본 발명의 보정 장치 보정 방법을 나타내는 도면.
도 5는 광축이 틀어진 좌우 이미지이고, 도 6은 보정된 좌우 이미지.
도 7은 색감이 틀어진 좌우 이미지이고, 도 8은 보정된 좌우 이미지.
도 9 및 도 10은 이미지 장수에 따른 처리 시간 및 픽셀 에러 그래프.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 보정 장치의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 보정 장치(100)는 테스트부(110), 캘리브레이션부(120)를 포함할 수 있으며, 보정 장치(100)는 카메라 모듈(130)의 촬상된 이미지를 보정할 수 있다.
테스트부(110)는 테스트 보드부(111) 및 구동부(112)를 포함할 수 있다.
테스트 보드부(111)는 복수의 테스트용 보드를 포함할 수 있으며, 복수의 테스트용 보드는 각각 카메라 모듈(130)이 촬상하는 테스트용 챠트를 가지며, 복수의 테스트용 보드는 둘레를 따라 서로 적어도 일부가 연결될 수 있다. 예를 들어, 테스트용 보드가 일정 길이의 가로 및 세로를 갖는 4각형 형태일 경우, 복수의 테스트용 보드는 하나의 가로면 또는 세로면이 서로 연결될 수 있다.
도시된 바와 같이, 테스트용 보드가 4각형 형태일 경우 5개의 테스트용 보드가 서로 연결될 수 있다. 즉, 가운데의 하나의 테스트용 보드를 기준으로 가운데의 하나의 테스트용 보드의 가로면 및 세로면에 각각 하나의 테스트용 보드의 가로면 또는 세로면이 연결되어 5개의 테스트용 보드가 서로 연결될 수 있다. 이에 따라, 카메라 모듈(130)이 한번의 촬상시 복수의 테스트용 이미지 특히 35개의 테스트용 이미지를 동시에 획득할 수 있다.
구동부(112)는 테스트 보드부(111)를 사전에 설정된 각도로 회전시킬 수 있다. 카메라 모듈(130)에서 광학적 특성을 보정하기 위해서는 여러장의 테스트용 이미지를 획득하여야 하는데, 양안식 카메라 모듈(130)의 경우 좌측 이미지와 우측 이미지를 각각 15장 획득하여 광학적 특성을 보정하는 것이 일반적인 방법이다. 이때, 하나의 테스트용 이미지를 여러 방향으로 촬상하여 획득하는데, 본 발명의 구동부(112)는 복수의 서로 연결된 테스트용 보드를 사전에 설정된 방향으로 회전시킨다.
도 2의 (a) 내지 (c)와 도 3은 본 발명의 보정 장치에 채용되는 테스트용 보드의 실시형태이다.
예를 들어, 구동부(112)는 도 2의 (a) 내지 (c)와 같이 -45도, 0도, +45도로 회전시켜 카메라 모듈(130)이 테스트용 이미지를 용이하게 획득할 수 있게 할 수 있다. 즉, 5개의 테스트용 보드를 3방향으로 회전시키면 광학적 특성을 보정하기 위한 15개의 이미지를 용이하게 획득할 수 있다. 상술한 회전 각도는 여러 각도로 선택이 가능하다.
상술한 바와 같이, 5개의 테스트용 보드를 한번에 촬상하여 총 3장의 이미지를 얻는데, 도 9 및 도 10와 같이 이미지 장수가 증가될 수록 이미지 처리 시간이 증가될 수 있으며, 도 9와 같이 이미지 1장에서 5장 정도가 이미지 처리 시간이 크게 증가하지 않고, 도 10과 같이 이미지 3장에서 5장까지의 픽셀 에러가 가장 적은 것을 볼 수 있다.
특히 3장의 이미지를 획득하여 총 15개의 이미지를 획득하는 이유는 다음의 표와 같다.
<표>
Figure pat00001
상기한 표와 같이 3장의 이미지를 획득하는 것이 시간 및 픽셀 에러를 고려하면 최적의 값임을 알 수 있다.
한편, 테스트용 보드에는 테스트용 챠트가 형성되는데 카메라 모듈(130)이 테스트용 챠트를 보다 정확하게 인식시키기 위해 테스트용 챠트의 둘레를 따라 사전에 설정된 색상의 라인 예를 들어 도시된 바와 같이 붉은색 라인이 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 보정 장치 보정 방법을 나타내는 도면이다.
도 1과 함께 도 4를 참조하면, 본 발명의 보정 장치는 카메라 모듈(130)의 양안식 촬상부(131)의 좌측 카메라(131a)와 우측 카메라(131b)는 각각 테스트용 이미지를 촬상하고, 이를 위해 테스트부(110)의 테스트 보드부(111)는 예를 들어 테스트용 챠트를 갖는 5개의 테스트용 보드가 서로 연결되어 3방향으로 회전할 수 있다. 좌측 카메라(131a)와 우측 카메라(131b)는 각각 15개의 테스트용 이미지를 획득할 수 있다. 획득된 이미지는 캘리브레이션부(120)에 전달되고, 캘리브레이션부(120)는 획득된 이미지의 좌우 이미지 간의 광학적 차이를 보정하여 저장부(132)에 전달하고, 저장부(132)는 위치 보정부(133)에 전달하여 캘리브레이션값에 따라 촬상된 이미지를 보정할 수 있다. 더하여, 컬러 보정부(134)는 촬상된 좌우 이미지의 색상을 보정할 수 있다.
도 5는 광축이 틀어진 좌우 이미지이고, 도 6은 보정된 좌우 이미지이다.
도 5와 같이 카메라 모듈(130)의 좌측 카메라(131a)와 우측 카메라(131b)가 촬상한 이미지는 서로 광축이 틀어질 수 있으며, 캘리브레이션부(120)는 좌측 이미지와 우측 이미지간의 틀어진 광축을 보정할 수 있는 캘리브레이션 값을 추출할 수 있다.
캘리브레이션부(120)는 카메라 모듈(130)로부터의 획득한 좌우 15개의 이미지로부터 캘리브레이션값을 추출할 수 있다. 이때, 캘리브레이션부(120)는 Annika Kuhl의 "Comparison of Stereo Matching Algorithms for Mobile Robots" 알고리즘 및 ZhengyouZhang의 "Flexible New Technique for Camera Calibration" 알고리즘에 따라 카메라 모듈(130)로부터의 획득한 좌우 15개의 이미지로부터 캘리브레이션값을 추출할 수 있다.
보다 상세하게는, 캘리브레이션부(120)는 카메라 모듈(130)로부터의 획득한 좌우 15개의 이미지로부터 좌측 카메라와 우측 카메라의 제1 내지 제4 광학적 특성값을 추출할 수 있다. 여기서 제1 내지 제4 광학적 특성값은 다음의 수식1과 같이 정의될 수 있다.
(수식1)
Figure pat00002
여기서, Mnew, Mold, D, R은 각각 제1 내지 제4 광학적 특성값이며, 수식에서 제1 및 제2 광학적 특성값(Mnew, Mold)의 fx는 카메라의 초점 거리를 이미지 센서의 물리적 가로 길이로 나눈 값이고, fy는 카메라의 초점 거리를 이미지 센서의 물리적 세로 길이로 나눈 값이며, Cx는 카메라의 중심 좌표의 가로 위치이고, Cy는 카메라의 중심 좌표의 세로 위치를 나타낸다. 제3 광학적 특성값(D)의 K1,K2,P1,P2,K3은 카메라 렌즈의 왜곡 계수이고, 제4 광학적 특성값(R)의 R11,R12,R13,R21,R22,R23,R31,R32,R33은 좌측 카메라와 우측 카메라의 위치 오차를 보상하기 위한 변환 계수이다.
이러한 제1 내지 제4 광학적 특성값은 Annika Kuhl의 "Comparison of Stereo Matching Algorithms for Mobile Robots" 알고리즘 및 ZhengyouZhang의 "Flexible New Technique for Camera Calibration" 알고리즘으로부터 추출할 수 있다.
이러한 제1 내지 제4 광학적 특성값을 이용하여 좌우측 이미지의 광축 틀어짐을 보정하기 위해서 다음의 수식2와 같이 방법을 사용한다.
(수식2)
Figure pat00003
여기서, u는 입력 픽셀의 가로 좌표이고, v는 입력 픽셀의 세로 좌표이다.
이를 이용하여, 다음의 수식3과 같이 좌우측 카메라의 위치 오차를 보상한다.
(수식3)
Figure pat00004
여기서, W는 스케일 팩터(scale factor)이며 이를 통해 다음의 수식4와 같이 X,Y를 정규화할 수 있다.
(수식4)
Figure pat00005
정규화된 x', y'에서 렌즈 왜곡에 대한 보상을 다음의 수식5와 같이 수행할 수 있다.
(수식5)
Figure pat00006
수식5와 같이 위치 및 렌즈 왜곡이 보상된 카메라의 좌표를 수식6과 같이 이미지 좌표로 변환하여 최종 이미지 좌표를 구할 수 있다.
(수식6)
Figure pat00007
여기서, u_uc, v_uc는 원 이미지 좌표인 u,v가 이동되어야 할 위치를 의미한다. 예를 들어, 이미지 좌표(u,v)가 (1,1)이면 이는 촬상된 이미지의 가장 첫줄의 첫 픽셀을 의미하는데, 수식6과 같이 최종 이미지 좌표(u_uc, v_vc)가 (3,4)가 나왔다면 (1,1)의 픽셀 데이터를 (3,4)의 위치로 이동되어야 함을 의미하며, 위치 보정부(133)는 저장부(132)에 저장된 캘리브레이션값에 따라 촬상된 이미지의 픽셀 데이터의 위치를 보정하여 좌우측 이미지의 광축 틀어짐을 보정할 수 있다.
이에 따라, 도 5와 같이 광축이 틀어진 좌우측 이미지가 도 6과 같이 광축 틀어짐이 보정되어 좌우측 이미지의 위치가 정확하게 일치하는 것을 볼 수 있다.
도 7은 색감이 틀어진 좌우 이미지이고, 도 8은 보정된 좌우 이미지를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 카메라 모듈(130)의 좌우측 카메라(131a,131b)는 양안의 시차에 의해서 촬영되는 시점이 상이할 수 있으므로, 이에 의해 촬상된 이미지의 밝기 및 색상이 서로 다른 좌우측 이미지를 얻을 수 있다. 컬러 보정부(134)는 촬상된 좌우측 이미지 간의 색감차를 보정할 수 있다.
컬러 보정부(134)는 다음의 수식7과 같이 YCbCr의 컬러 색공간(color space)를 사용하여 색감차를 보정할 수 있다.
(수식7)
Y_mean_left=Y_sum_left/total_pixel_number
Cb_mean_left=Y_sum_left/total_pixel_number
Cr_mean_left=Y_sum_left/total_pixel_number
Y_mean_right=Y_sum_right/total_pixel_number
Cb_mean_right=Y_sum_right/total_pixel_number
Cr_mean_right=Y_sum_right/total_pixel_number
여기서, Y는 명암을, Cb와 Cr은 색차 신호를 의미하며, 좌측 이미지와 우측 이미지의 Y, Cb 및 Cr의 평균값을 구할 수 있다.
좌측 카메라의 이미지의 색상 및 밝기를 기준으로 우측 카메라의 이미지를 보정하기 위해서, 다음의 수식8과 같이 Y, Cb 및 Cr의 평균값의 좌측과 우측의 차이값을 구하고 이를 정규화시킬 수 있다.
(수식8)
Y_right_diff=(Y_mean_left-Y_mean_right)/L
Cb_right_diff=(Cb_mean_left-Cb_mean_right)/L
Cr_right_diff=(Cr_mean_left-Cr_mean_right)/L
여기서, L은 차이값을 정규화하기 위한 것으로 예를 들어 8bit의 영상 신호인 경우 256으로 설정할 수 있다.
여기서 좌측 카메라의 이미지의 색상 및 밝기를 기준으로 우측 카메라의 이미지를 보정하기 위해서, 다음의 수식9과 같이 처리할 수 있다.
(수식9)
Y_right_output=(1+Y_right_diff)*Y_right_input
Cb_right_output=(1+Cb_right_diff)*Cb_right_input
Cr_right_output=(1+Cr_right_diff)*Cr_right_input
여기서, Y_right_input은 우측 카메라의 입력 픽셀의 명암인 Y이고, Y_right_output은 밝기 및 색감이 보정된 우측 카메라의 Y이다. 좌측 카메라의 이미지를 기준으로 우측 카메라의 이미지를 보정하기 때문에, 좌측 카메라의 이미지는 보정되지 않는다. 상술한 방법은 우측 카메라의 이미지를 기준으로 좌측 카메라의 이미지를 보정할 수 있으며, 이때에는 상기한 수식8 및 9의 left, right를 변경하여 적용할 수 있다.
상술한 수식에 따라 컬러 보정부(134)는 저장된 캘리브레이션값에 따라 좌측 이미지 또는 우측 이미지의 색감 및 밝기에 기초하여 우측 이미지 또는 좌측 이미지의 밝기 및 색감을 보정할 수 있다.
이에 따라, 도 7과 같이 색감이 서로 다른 좌우측 이미지는 도 8과 같이 색감이 서로 일치된 좌우측 이미지로 보정될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 회전하는 복수의 테스트 보드를 촬상하여 양안식 카메라 모듈의 좌우 이미지의 광학적 특성의 차이를 실시간으로 보정하여, 좌우 이미지의 광축 틀어짐, 색상 및 밝기의 차이를 보정할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고 후술하는 특허청구범위에 의해 한정되며, 본 발명의 구성은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 그 구성을 다양하게 변경 및 개조할 수 있다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 쉽게 알 수 있다.
100...보정 장치
110...테스트부
111...테스트 보드부
112...구동부
120...캘리브레이션부
130...카메라 모듈
131...양안식 촬상부
131a...좌측 카메라
131b...우측 카메라
132...저장부
133...위치 보정부
134...컬러 보정부

Claims (10)

  1. 카메라 모듈이 촬상하는 테스트용 보드가 적어도 2개 연결되어 사전에 설정된 각도로 회전하는 테스트부; 및
    상기 테스트부의 테스트용 보드를 촬상한 상기 카메라 모듈의 촬상 이미지를 전달받아 상기 촬상 이미지의 광학적 특성을 캘리브레이션(calibration)하는 캘리브레이션부
    를 포함하는 카메라 모듈의 보정 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 테스트부는
    상기 테스트용 보드는 카메라 모듈이 촬상하는 테스트용 챠트를 가지며, 상기 2개의 테스트용 보드는 둘레를 따라 서로 적어도 일부가 연결되는, 테스트 보드부; 및
    상기 테스트부를 상기 사전에 설정된 각도로 회전시키는 구동부
    를 포함하는 카메라 모듈의 보정 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 테스트 보드부는 둘레를 따라 서로 적어도 일부가 연결되는 5개의 테스트용 보드를 포함하는 카메라 모듈의 보정 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 테스트용 보드는 상기 테스트용 챠트의 둘레를 따라 사전에 설정된 색상을 갖는 라인이 형성된 카메라 모듈의 보정 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 카메라 모듈은 양안식 카메라 모듈인 카메라 모듈의 보정 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 양안식 카메라 모듈은
    상기 테스트용 보드를 각각 촬상하여 촬상된 이미지를 상기 캘리브레이션부에 전달하는 양안식 촬상부;
    상기 캘리브레이션부로부터의 캘리브레이션값을 저장하는 저장부; 및
    상기 저장부로부터의 캘리브레이션값에 따라 상기 양안식 촬상부의 촬상된 이미지를 보정하는 위치 보정부
    를 포함하는 카메라 모듈의 보정 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 양안식 카메라 모듈은 상기 위치 보정부의 보정된 이미지의 색상을 보정하는 컬러 보정부를 더 포함하는 카메라 모듈의 보정 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 캘리브레이션부는 상기 양안식 카메라 모듈에 의해 촬상된 좌우 이미지간의 광축 틀어짐, 색감 및 밝기 중 적어도 하나를 캘리브레이션하는 카메라 모듈의 보정 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 캘리브레이션부는 상기 양안식 카메라 모듈로부터 촬상된 테스트용 보드의 복수의 이미지를 Annika Kuhl의 "Comparison of Stereo Matching Algorithms for Mobile Robots" 알고리즘 및 ZhengyouZhang의 "Flexible New Technique for Camera Calibration" 알고리즘에 따라 광학적 특성을 캘리브레이션하는 카메라 모듈의 보정 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 캘리브레이션부는 상기 양안식 카메라 모듈로부터 촬상된 테스트용 보드의 15장의 이미지의 광학적 특성을 캘리브레이션하는 카메라 모듈의 보정 장치.
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