The research about image stabilization has emerged and widely applied to various domains that require stable image information. The main purpose of image stabilization is to reject the unwanted vibration in the image and to focus the viewpoint at which the observer intends to watch. Representative applications of this kind are in about every type of moving vehicle, telescope as well as hand-held camera. Previous researches on image stabilization can mainly be categorized into two methodologies. The first method is the hardware approach which employs a mechanical structure to compensate platform vibration, and the second is the software approach that manipulates image itself to reject the unwanted motion. This research particularly addresses about the first approach with special focus on biological aspect of human eye stabilization function what is referred to as vestibulo-ocular reflex (VOR). The VOR is a reflex eye movement that stabilizes images on the retina during head movement of a human by producing an eye movement in the opposite direction to it in order to preserve the target image on the center of the visual field, or fovea. Since humans are constantly moving their heads, the VOR is very important for stabilizing visions. The distinctive features of VOR are that it functions as a feed-forward open-loop control system and it has an adaptation characteristic if the VOR function is incorrect. The focal point of this research is to develop an image stabilization controller that mimics these human VOR characteristics. The main contributions of this paper include development of new bio-inspired image stabilization method inspired by human VOR and, for the application, the fast image stabilization device utilizing linear shaft motor. Before introducing the proposed image stabilization method, we first look into the biological attributes of VOR carefully. Then, detailed explanations about how the biological VOR components are projected to practical image stabilization problem are described. The overall control strategy and its characteristics are derived mathematically as well. Finally, the comprehensive performance of proposed method is validated by various simulations and experiments. For the image stabilization performance evaluation, we have adopted the inter-frame transformation fidelity which have been used in the image stabilization literature. Through experimental results, it will be shown that the proposed method has a high potential to be applicable to the image stabilization control under significant system uncertainties.
영상 정보를 활용한 다양한 연구가 진행되면서 영상 안정화에 대한 관심이 점차 증가하고 있다. 영상 안정화의 주 목적은 영상에 흔들림이 발생하는 것을 억제하여 관측하고자 하는 정보를 영상에서 안정적으로 측정하는 것이다. 이러한 연구는 이동형 차량, 망원경, 디지털 카메라 등 많은 분야에 적용되고 있다. 이전 영상 안정화 연구는 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 첫 번째는 기구를 이용하여 기반 진동을 보상하는 방법이고, 두 번째는 알고리즘적으로 프로그램으로 영상을 안정화하는 방법이다. 본 연구는 첫 번째와 같은 기구를 이용한 방법에서 생물학적 사람 시선 안정화를 모방한 영상 안정화 제어 알고리즘에 초점을 두고 있다. 사람의 시선 안정화는 생리학 분야에서 흔히 전정안구반사라고 지칭하고 있다. 전정안구반사는 사람의 머리가 흔들릴 때 안구를 반대로 움직여줌으로써 안구에 맺히는 영상 정보가 흔들리지 않도록 작동한다. 일상 생활 동안 사람의 머리는 지속적으로 움직이기 때문에 이러한 전정안구반사는 시선 안정화에 있어 매우 중요한 역할을 담당한다. 전정안구반사는 개루프 제어 방식으로 작동하고, 이 개루프 제어가 제대로 동작하지 않을 경우 적응하여 보완하는 특징이 있다. 본 논문의 핵심은 이러한 특징을 갖는 전정안구반사를 영상 안정화에 접목하여 실제로 구현하는데 있다. 본 연구에서는 생물학적 전정안구반사를 모방한 새로운 영상 안정화 제어 알고리즘을 구현하고, 이를 선형 모터를 이용하여 개발한 고속 영상 안정화 장치에 적용하였다. 제안 방법을 소개하기 앞서 먼저 전정안구반사의 생물학적 속성에 대하여 분석해보고, 이를 실제 영상 안정화 문제에 어떻게 적용할 수 있는지에 대하여 자세히 언급하였다. 이로부터 전체 제어 전략과 제어의 특징을 수학적으로 유도하고 분석하였다. 다음으로 제안 방법을 모의실험과 실제 실험을 통하여 성능을 검증해 보고 결과에 대한 분석을 수행하였다. 실제 영상 안정화에 대한 성능 검증을 위해 기존 영상 안정화 분야에서 이용하고 있는 영상 정보 전환 충실도를 이용하였다. 이로부터 제안 방법을 이용하면 시스템에 불확실성이 있더라도 영상 안정화가 가능함을 실험적으로 검증하였다.
