비행시간법 기반 3D 카메라의 컬러 및 깊이 영상 획득법
Color and Depth Image Acquisition Using a Time-of-Flight 3D Camera
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본 논문에서는 시분할 방식으로 하나의 센서에서 컬러 및 깊이 영상을 모두 획득할 수 있는 비행시간법(Time of Flight) 기반의 컬러, 깊이 영상 통합 센서 구조를 제안한다. 깊이 영상만을 획득하는 깊이 영상 센서 구조는 다양한방식이 제안되고 있으나 하나의 센서만을 활용하는 컬러 및 깊이 영상 통합 센서 구조는 실증된 바가 없으며 제안하는영상 통합 센서 구조를 통해 2개의 컬러 센서를 사용하는 기존 3D 스테레오 카메라의 소형화, 저전력화 한계 및 컬러센서간 광학적 정렬 오차에 의한 입체영상의 품질 저하를 극복할 수 있다. 또한 컬러, 깊이 영상 통합 센서 내의 새로운 방식의 깊이 영상 센싱 구조로서 트랜지스터 및 플로팅 확산 노드(Floating Diffusion Node)를 공유하는 4-픽셀공유형 2탭(4-Shared 2-Tap) 픽셀 구조와 2x2 비닝(Binning) 픽셀 구조를 제안한다. 제안된 구조를 사용하면 픽셀의크기 자체를 증가시키지 않고 픽셀 내에서 적외선 반사광의 수광 면적을 넓힐 수 있어 영상 센서의 고해상도화에 유리하며 인접한 4개의 픽셀의 전하를 하나로 합칠 수 있어 적외선 반사광의 수광 감도를 높일 수 있어 정밀한 깊이 영상획득이 가능하다. 새롭게 제안된 컬러, 깊이 영상 통합 획득 센서의 하드웨어 구현을 통해 640x480 해상도의 컬러 및깊이 영상을 성공적으로 획득하였다. 획득 가능한 거리는 1~3m이며 깊이 영상의 정확도는 1~6cm 이다.
Abstract
In this paper, we address a novel method of 1lens-1sensor ToF (Time of Flight) based Color/Depth unified sensor architecture which is one of the most promising technologies as a next generation 3D capturing technology. More precisely, a time-multiplexed Color/Depth unified sensor architecture incorporating RGB color sensor into infrared time-of-flight sensor is proposed. Such Color/Depth sensor architecture has not been reported yet, though there are various kinds of depth sensor architecture. It can overcome the limitation of misalign of stereo image pair, the size and power consumption of conventional stereo cameras that use two color sensors. As an another aspect of this paper, we propose a novel method of depth sensing architecture which has ''4-Shared 2-Tap pixel architecture'' sharing transistors and floating diffusion node, and ''2x2 Binning pixel architecture.'' 4-Shared 2-Tap pixel architecture is able to enlarge the fill factor of a pixel without increasing the size of a pixel. It has an advantage in making high resolution image sensor. 2x2 Binning pixel architecture is able to get high accuracy depth image by integrating the charges from four neighbor pixels. With the fabricated prototype sensor, 640×480 color and depth images of the scenes 1-3m away are captured with an accuracy of 1-6cm.
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