광학카메라용 이미지 안정화 제어 시스템 개발

Abstract

최근 디지털 카메라 사용자들이 높은 품질의 이미지를 요구함에 따라 사용자에 의해서 사진을 촬영할 때 발생하는 손떨림으로 인한 이미지 번짐 현상을 방기하기 위한 이미지 안정화 기술이 매우 주목을 받고 있다. 본 논문에서 디지털 일안 렌즈 반사식 카메라(DSLR) 광학 이미지 안정화 시스템을 다룬다. 먼저, 광학 이미지 안정화 시스템의 수식적 모델링을 수행하고 CCD 이미지 센서상에서 발생하는 이미지 번짐 현상을 알 수 없는 외란이 발생함으로 인하여 이미지 안정화를 방해하는 원인을 분석한다. 광학 이미지 안정화 시스템의 성능을 확인하고자 선형 제어기인 PID 제어기를 설계한다. 그리고 이 시스템의 성능을 높이기 위하여 feedforward 제어기를 도입하고 외란이 발생하는 것에 대한 외란 예측기(DOB)를 설계한다. 본 제어기들의 광학 이미지 안정화 시스템에서의 성능을 알아보고자 시뮬레이션과 실험을 하여 분석하여 본다. 본 연구에서는 광학 이미지 안정화 시스템의 제어기를 설계하기 위해 시스템을 모델링하고 식별하였다. 손떨림으로 인하여 이미지 번짐 현상이 발생하는 원인을 파악하고 수식으로 표현하여 블록도를 통하여 시스템의 전체 흐름도와 해결해야 할 문제점을 도출하였다. 이 과정에서 시스템의 제어 목표를 정하고 고유의 문제를 찾아내어 해결하는데 중점을 두었다. 첫 번째 주요한 문제로써 보정 렌즈가 움직여야 할 위치를 설정하기 위한 기준 위치가 자이로 센서 신호를 적분하여 얻은 각도로부터 설정되므로 정확히 적분하는 것이 문제이다. 이 문제를 해결하기 위하여 디지털 필터를 구성하였고 실제 흔들린 각도와 신호 처리 과정을 통하여 얻은 각도를 비교하여 보았다. 이렇게 설정된 기준 위치를 보정 렌즈가 정확히 따라갈 수 있도록 제어기를 설계하는 것이 두 번째 주요한 문제이다. 카메라의 흔들림을 구현하기 위한 실험 장치를 구성하였고 실제 이미지 센서 상에서의 초점 이동을 측정하도록 추가하였다. 시스템을 분석하는 과정에서 2차 선형 시스템으로 대표적인 전달함수를 구하였고 이것을 제어기 설계하고 시뮬레이션 하는 시스템으로 사용하였다. 가장 보편적인 PID 제어기를 본 시스템에 적합하도록 설계한 후 시뮬레이션과 실험을 통하여 결과를 비교 분석 하였다. 노이즈와 수치적인 오차를 감안한다면 거의 비슷한 성능을 나타낸다고 할 수 있었고, 또한 시스템의 중요한 점 중 하나인 응답속도를 높이기 위해 feedforward 제어기를 PID 제어기와 접목시켜 보았다. 그 결과 응답 속도 뿐만 아니라 정상상태 오차까지 줄일 수 있는 결과를 얻었지만 실제 시스템은 완벽한 선형 2차 시스템이 아니므로 적용하기 어려운 점이 있었다. 이것을 보완하기 위한 것으로 DOB를 기존의 PID 제어기에 접목시켜 보았다. 사인파의 외란이 가해졌을 때 시스템의 변동에 따른 시스템의 강인성을 비교해 본 결과 DOB를 사용함으로써 제어기의 성능이 월등히 우수해 진다는 것을 알 수 있었다.