[회로설계] CCD카메라와 영상처리회로 설계

[국제테크노연구소]

컬러 CCD의 구동회로부터 영상처리보드 설계까지  

CCD카메라와 영상처리회로 설계

(주)동역메카트로닉스연구소 기술분석팀 편저  B5/386P

CCD(Charge Coupled Device)는 사람의 눈에 해당하는 기능을 가지며, 감도와 해상도의 향상이 디바이스의 성능을 결정짓는 아주 중요한 요소이다. 현재는 반도체 미세가공 기술의 발전으로 500만 화소라고 하는 고해상도의 CCD도 이미 실용화되었다. CCD는 용도면에서 초기에는 비디오카메라가 주류였지만, 패턴인식, 화상처리 입력, 감시, 특수촬영 등의 용도뿐만 아니라, 컴퓨터의 화상 입력장치로 CCD를 이용한 디지털카메라가 널리 보급되고 있으며, 그 외에 CCD가 지닌 특수 기능을 응용한 산업장비로 그 용도가 넓어지고 있다.
본서는 활용 범위가 급속히 확대되고 있는 CCD의 원리와 영상신호처리에 초점을 맞추어 여러 분야에서 응용이 가능하도록 기초적인 기술뿐만 아니라, 전문기술까지 정석이론과 실무 중심으로 해설하고 있다.
우선, 제1부에서는 CCD의 정석적인 기초이론 과정으로, 기본적인 원리부터 CCD를 사용하는데 필요한 주변기술에 중점을 두고 있으며, CCD의 원리와 기본 동작, 광학계의 기본지식, CCD로부터 얻은 영상신호를 처리하는 기본지식, 영상신호의 특징, 아날로그 처리에서 디지털 처리의 변환원리, 색의 등색에 관한 기초이론과 CCD를 사용한 카메라부터 TV 모니터에 이르기까지 색재현의 기초기술을 정석적으로 설명하고 있으며, CCD를 의료장비에 적용한 사례의 하나로,  초소형, 고감도, 고해상도, 높은 색 재현성이 요구되는 전자 내시경 시스템을 예로 들어서 오랜 R&D 경험을 토대로 자세하게 설명한다. 그리고, 최근 전자환경 문제를 고려하여 CCD를 사용한 시스템에서 발생하는 노이즈의 복사(Emission) 및 외부로부터의 노이즈에 대한 내성(Immunity), EMC 설계의 기본 기술에 대해 해설하고 있다.
제2부에서는 최신 컬러 CCD 센서의 사용법에 초점을 두고, 이 분야에서 세계적으로 가장 명성이 있는 Sony의 컬러 CCD 센서와, 구동용 회로와 A-D 컨버터 등의 신호처리회로가 동일 칩상에 형성한 도시바의 최신 초소형 컬러 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서를 예로 들어, 실제의 구동회로를 공개하고 구동원리와 방법 및 신호처리 기법에 대해 구체적으로 해설한다.
제3부에서는 영상신호의 구체적인 처리방법과 변환기술을 중심으로, 실제 구현회로를 공개하고 자세히 해설한다. 먼저, NTSC(National Television System Committee) 방식의 영상신호 구성과 디지털화 방법, 디지털 신호처리의 기초지식인 영상신호의 A-D/D-A 변환처리, 최신 digital video decoder의 내부구성과 주변 회로설계, 영상신호의 기록방법, 영상신호를 기록할 수 있는 메모리의 종류와 그 특징, 특히 영상신호의 프레임을 기억하는 프레임 버퍼 시스템에 정규 메모리로 사용되고 있는 SDRAM의 사용법을 프레임 버퍼를 시험 제작한 결과를 통하여 자세히 해설한다. 그리고, VTR나 DVD, 디지털 방송 시스템 등의 각종 영상시스템 내부의 하드웨어 구조와 영상신호 처리에 대하여 정리하여 소개한다.
제4부에서는 각종 영상처리시스템의 하드웨어를 면밀히 분석하고 체계적으로 자세하게 해설한다. 각종 화상효과를 체험할 수 있는 디지털 영상신호처리 기판의 설계 사례, 두 가지 이상의 영상신호를 동기하여 영상신호의 전환이 가능하도록 한 프레임 싱크로나이저(frame synchronizer)를 rapid prototyping kit Power Medusa상에서 설계하여 시험한 결과, NTSC 규격의 composite 영상신호와 PC의 VGA의 화상신호를 상호 변환하는 스캔 컨버터(Up/down converter)의 시제품에 대한 철저한 분석을 토대로 실무적으로 응용 설계 및 제작이 가능하도록 소스코드, 회로 공개와그 원리를 자세히 해설하고 있다.

 더 많은 기술자료 안내              ★  소스 프로그램 다운로드

---

주요 내용

제1부:  CCD (Charge Coupled Device) 촬상소자의 기초 이론

■ CCD(Charge Coupled Device)의 기본원리와 성능 요소 해설

CCD의 동작원리와 특징(Interline형 CCD, Frame Interline형 CCD, Frame Transfer형 CCD, 축적부가 없는 Frame Transfer형 CCD 
CCD의 기본 동작(수광부, 수직전송부, 수평전송부, 출력부)
CCD의 성능을 결정하는 요소(화소수에 따라 정해지는 해상도, aperture response(수광부 개구 형상)에 의한 MTF, 샘플링에 의한 Aliasing 일그러짐
CCD의 감도(마이크로 렌즈에 의한 집광, overflow drain 구조, 검출 앰프 FDA(Floating Diffusion Amplifier)의 고효율화, dynamic range
CCD의 포화신호 레벨, CCD의 노이즈, CCD의 전자셔터, CCD의 노이즈 저감회로(상관 이중 샘플링 회로)
광학 로패스 필터(Optical Low pass fiIter)의 원리와 전달특성

■ CCD의 광학계와 광파이버의 기초 이론

빛의 강도에 관한 기초지식: 방사량과 측광량, 방사속에서 광속으로 변환, 점광원으로부터 임의의 입체각에 방사되는 빛의 강도, 방사조도와 조도
렌즈의 기본기술: 렌즈의 결상, 상의 밝기와 F number, 렌즈의 주변광량
이미지 사이즈와 초점거리: 화각에 대하여, 이미지센서(image sensor)의 사이즈와 초점거리
초점심도와 피사계 심도: 초점심도를 구하는 방법, 피사계 심도를 구하는 방법
광파이버로부터 조명에 의한 촬상 시스템: 광원으로부터 방사하는 광속, 광파이버의 전달효율, 파시체의 조도, CCD 촬상면상의 조도, 조리개값의 결정
광파이버의 기초지식: 물질속 빛의 작용, 광파이버내에서 빛의 전송, 개구수 NA(numerical aperture), 분광투과율, 빛의 손실, 개구율

■ CCD의 영상신호처리 이론

동축케이블에 의한 신호전송: 전달속도와 지연시간, 특성 임피던스, 정전용량, 동축케이블의 사양, 용량성 부하의 구동, 임피던스 매칭
신호 증폭회로의 구성: CCD로부터의 신호 증폭, 차동 증폭기에 의한 신호의 증폭과 노이즈의 제거, common mode noise를 제거하는 회로의 예
신호 증폭회로(비디오 앰프), C-E 피드백 앰프의 직류/교류 동작, feedback clamp 회로의 동작과 전달함수
감마보정의 원리와 동작, γ특성차에 따른 영상에 대한 영향, A/D 변환과 D/A 변환회로(양자화 잡음과 S/N, A/D 변환의 스펙트럼), 아날로그/디지털 신호처리의 기본동작, LPF와 HPF
영상신호의 특징: 해상도, S/N(신호 대 잡음비), 계조 특성, 주파수, 위상 특성

■ CCD의 색 재현성에 관한 기초 이론

색 정보에 관한 기초지식: 색과 조명, 표준광, 등색과 등색함수에 대하여,
색을 표시하는 방법(XYZ 표색계), 컬러카메라와 TV계의 색 재현(색재현성을 결정하는 요소, 피사체의 3자극값), 벡터스코프(vector scope)에 의한 평가

■ CCD 촬상소자의 응용 사례(전자 내시경)

전자 내시경 시스템의 CCD 응용: 촬상원리와 방식, CCD의 화소수와 해상도, 주변기기 시스템, 전자 내시경 시스템의 사례
면순차 방식 전자 내시경, 표준 TV 방식에 대응한 화소수의 CCD에 의한 촬상, 특수 CCD에 의한 촬상
동시 방식의 전자 내시경: CCD의 색필터 배열, 휘도신호의 생성, 색차신호의 생성, 휘도신호와 색신호의 스펙트럼, 보색신호에서 원색신호를 생성
면순차 방식과 동시 방식의 비교: 해상도, 휘도신호, 색신호, 색의 재현성, 색 일그러짐(색 어긋남, 상 흔들림), 전자 내시경의 금후 기술 동향

■ CCD 센서 응용분야의 EMC 기초기술

노이즈를 고려한 EMC 설계 기술: 노이즈의 종류의 대책 방법, normal mode noise와 common mode noise, 공통 임피던스에 의한 노이즈, 디지털 회로의 노이즈, 디지털 회로의 배선 패턴에 의한 직렬공진, 고속 스위칭에 의한 불요 복사 노이즈
그라운드(GND)의 중요성과 노이즈 대책: GND 부실에 의한 영향 , 인터페이스 케이블로부터의 방사, deferential mode noise의 방사, 케이블로부터의 코먼 모드 노이즈의 방사
실드재와 실드 효과, 페라이트 코어의 효과적인 사용법(ferrite core의 동작과 임피던스 특성, 사용시의 주의 사항)
EMC를 고려한 설계의 실제: 회로에서 EMC 설계의 사례(일반적인 회로, 아날로그/디지털 혼재 회로), 시스템 GND, 레이아웃(Layout)

제2부:  최신 컬러 CCD 센서 구동회로의 설계 실무

     CCD의 출력에서 Y/C신호, RGB 신호처리 기법
■ 컬러 CCD 촬상소자의 구동방법과 신호처리

CCD 촬상소자의 용도별 분류와 광학계/패키지 구조(광학 블록의 구성, 필터의 역할)
컬러 CCD 촬상소자의 신호처리 기법: 단판 컬러 CCD 센서의 신호 출력, 칼러필터의 배열, CCD 센서의 신호출력, 광학적 흑레벨
동화상용 CCD 센서의 신호처리(원색분리 신호처리): CCD 센서의 출력신호, 원색분리의 전처리(휘도/색차신호의 복조), 원색분리 신호처리
정지화상용 CCD 센서의 시스템 구성과 컬러필터 및 신호 출력(신호처리의 흐름, 고속 draft mode)
CCD 센서의 구동부터 A-D 변환까지: 구동 타이밍과 출력 파형, ICX205AK를 사용한 구체적인 회로의 해설
영상신호처리와 필터의 역할: 대역제한과 잡음 제거, sub-carrier와 chroma 성분의 제거, 주파수 특성의 보상, 유니버설 필터 BF2400의 특성과 사용 소감

     color image sensor의 구동과 신호처리 기법
■ 컬러 CMOS 촬상소자의 구동회로 설계

CCD와 CMOS 촬상소자의 구조와 비교: CMOS 촬상소자(image sensor)란, CCD와 CMOS 촬상소자의 차이점과 내부구조 및 특성
CMOS 촬상소자의 신호처리 동작과 응용회로, 내부 블록과 커맨드의 설명(셀 부분, 내부동기, 외부동기, 모니터링 모드, A-D 컨버터, 커맨드 설정
신호처리 시스템 LSI의 동작: CMOS 센서와 신호처리 IC의 접속, 카메라 신호처리 IC TC90A70F의 해설, 화상 사이즈와 출력 포맷, 응용회로의 사례

제3부:  영상신호처리 기법의 실무

■ NTSC/디지털 영상신호의 기초

NTSC 방식 영상신호의 기초 : TV의 투영 원리와 CCD 카메라의 촬상 원리, NTSC composite 영상신호의 파형, 화상의 주사(scan) 방법[비월주사:interlace, 순차주사:progressive, blanking 기간과 동기신호]
NTSC 신호의 파라미터, 현재의 NTSC 신호: 복합동기신호(composite sync, C sync), 수평 블랭킹 기간과 수직 블랭킹 기간, 수직동기신호와 수평동기신호의 관계, NTSC 인코더
색신호의 구성: Y/색차 컴포넌트 신호, color sub-carrier 신호, 색신호의 성질과 전송[I신호(In phase signal)와 Q신호(Quardrature phase signal], color burst 신호, 주파수 interleave, 4 field sequence, SCH(Sub Carrier phase to Horizontal)], NTSC 신호의 문제점
디지털 영상신호의 기초지식: 디지털 영상신호의 생성과 특징, 콤퍼지트 디지털 신호와 컴포넌트 디지털 신호, 디지털 영상신호의 전송과 측정
디지털 방송의 방식 표시에 대하여: SMPTE 170M, NTSC 신호의 레벨, NTSC 방식의 음성전송 방법과 전송대역, Color bar 신호의 구성과 표기

■ 영상신호의 A-D/D-A 변환의 기초 실무

영상신호를 디지털 처리하기 위한 예비지식: 디지털 신호처리의 이점, 영상신호를 A-D 변환하기 전의 예비 지식, 디지털 신호처리에 필요한 주변회로(동기분리회로, 클록 발생회로에 대하여)
A-D/D-A 변환의 기초와 시험회로의 제작: A-D 컨버터의 기초지식과 선택법,  A-D 컨버터의 기본 구성과 사용법, D-A 컨버터의 기초지식과 구성 및 선택방법
모자이크 처리 방법: mosaic의 개념과 실제의 모자이크 발생회로, 시험회로의 제작과 동작

     콤퍼지트 영상신호의 디지털 변환기술
■ 비디오 디코더의 원리와 회로 설계

디지털 변환의 기초와 비디오 디코더: 아날로그-디지털 변환의 기초지식, video decoder의 기본 구성
비디오 디코더의 동작 해설과 주변회로: 동기분리회로, 샘플링 클록의 생성과 A-D 변환(샘플링 주파수를 정하는 요소, 변환 정밀도를 더욱 높이기 위한 대책, A-D 컨버터의 요건, A-D 컨버터 주변회로의 설계 사례)
Y/C 분리회로(Cb 신호와 Cr 신호의 추출, 휘도신호의 추출), YC-RGB 변환회로, 최근의 비디오 디코더(내부 블록도, 출력신호의 타이밍

■ 영상신호용 메모리의 종류와 제어방법

영상신호용 메모리 종류와 SDRAM의 제어방법: 영상신호처리 시스템에 있어서 메모리의 역할, 화상처리용 메모리의 발전사와 종류(SRAM, DRAM, 비디오 전용 메모리, FIFO 메모리, SDRAM)
SDRAM의 선정과 제어방법: SDRAM의 선택법과 내부동작, 제어방법
프레임 버퍼의 설계와 시험 사례: 시험 설계의 조건, "Power Medusa"에 대한 자세한 설명, SDRAM의 제어(수평/수직방향의 제어), FPGA-SDRAM 보드간의 통신 데이터의 관측

     아날로그 영상기기부터 디지털 방송 시스템까지
■ 각종 영상처리 시스템의 하드웨어 해설

영상처리 시스템의 하드웨어 해설: 영상 시스템의 추세, 아날로그/디지털 영상 시스템의 하드웨어(지상파 아날로그 TV, 아날로그 VTR, MPEG 카메라, DVD 플레이어, 디지털 VTR, DV(Digital Video), TV 게임기, frame synchronizer, digital video effector
디지털 방송 시스템의 개요와 특징: 다채널화와 고화질화, multipath 발생이 없음, 주파수의 유효 이용, 데이터의 송수신, 고품질의 스테레오 방송, 금후의 디지털 방송 시스템

제4부:  영상신호처리 장치의 설계 사례와 응용

     각종 화상효과를 체험하는 디지털 신호처리
■ 실험용 영상신호처리 보드의 설계

영상신호처리 보드의 하드웨어: 설계한 영상신호처리 기판의 사양과 블록도
설계에 사용한 LSI의 상세한 내용 : 비디오 디코더 MSM7664BTB의 특징과 주변회로의 설계, 비디오 인코더 MSM7654GA의 특징과 주변회로 설계, 인코더와 디코더의 실측 특성, PLD EP1K30QC208-3에 대하여(PLD의 주변회로와 내부 블록도 설명
각종 화상효과의 처리 기법: 화상처리 알고리즘(효과 없음, monotone 표시/sepia color 표시, negative art 표시, paint, fade-in과 fade-out, brightness 조정과 contrast 조정)
약간 복잡한 화상처리: 와이프(wipe), 화면의 여러 개소에 있어서의 와이프, 모자이크 효과를 위한 회로, mirror 표시 효과를 위한 회로, ACEX 패밀리에 대하여

      Rapid prototyping kit Power Medusa에 의한
■ 프레임 싱크로나이저의 설계와 시험

frame synchronizer의 개요와 동작 원리, 디지털 비디오 디코더와 인코더, PLD 보드에 대하여
rapid prototyping board에 의한 회로 구성: 프레임 싱크로나이저를 만드는 방법과 구성, Rapid prototyping kit "Power Medusa"에 대하여

     Up/down Converter에 의한 영상신호의 처리
■ NTSC/VGA 변환기술의 기초 실무

PC용의 영상신호 규격과 신호처리: PC용 영상신호의 규격과 처리상의 문제점, VGA를 사용하는 이유
NTSC/VGA 변환장치의 설계: Up/down converter 회로의 구성, RGB decoder의 선택과 사용한 RGB 디코더에 대하여
라인 메모리 회로의 개요와 선택법, RGB encoder 회로, 업/다운 제어회로

     최신 Scan converter의 철저한 분석과 해설
■ NTSC/VGA 상호 변환장치의 설계

NTSC/VGA 변환장치(Scan converter)의 개요: Scan converter의 요건, Up-converter의 수평주파수 변환동작의 원리, down-converter의 수평주파수의 변환동작의 원리, 주사방식의 차이에 의한 문제점과 그 해결 방법
스캔 컨버터 회로의 설계: Up-converter의 회로 설계(digital decoder와 analog decoder, 디지털 디코더 MSM7664TB의 사용법, FIFO 메모리의 선정, 메모리 컨트롤, D-A 컨버터)
Down-converter의 회로 설계: PLL 회로, A-D 컨버터, 메모리 컨트롤, digital encoder, 디지털 인코더의 트러블과 대책, 파형에 의한 동작 확인

 더 많은 기술자료 안내               ★  소스 프로그램 다운로드

---

자료제공: 국제테크노정보연구소 http://www.ktechno.co.kr