Development of High-Accuracy Image Centroiding Algorithm for CMOS-based Digital Sun Sensor

The digital sun sensor calculates the incident sunlight angle using the sunlight image registered on a CMOS image sensor. In order to accomplish this, an exact center of the sunlight image has to be determined. Therefore, an accurate estimate of the centroid is the most important factor in digital sun sensor development. The most general method for determining the centroid is the thresholding method, and this method is also the simplest and easy to implement. Another centering algorithm often used is the image filtering method that utilizes image processing. The sun sensor accuracy using these methods, however, is quite susceptible to noise in the detected sunlight intensity. This is especially true in the thresholding method where the accuracy changes according to the threshold level. In this paper, a template method that uses the sunlight image model to determine the centroid of the sunlight image is suggested, and the performance has been compared and analyzed. The template method suggested, unlike the thresholding and image filtering method, has comparatively higher accuracy. In addition, it has the advantage of having consistent level of accuracy regardless of the noise level, which results in a higher reliability.

CMOS 기반의 디지털 태양센서를 위한 고정밀 이미지 중심 알고리즘의 개발

디지털 태양센서는 CMOS 이미지 센서에 맺힌 태양광 이미지를 이용하여 태양광의 입사 각도를 계산한다. 이를 위해서는 태양광 이미지의 정확한 중심점을 찾아야하며 따라서 정밀한 중심점 추정은 디지털 태양센서 개발에서 가장 중요한 요소가 된다. 중심점을 찾기 위해서 가장 일반적으로 쓰이는 중심 알고리즘은 thresholding 방법이며 가장 단순하고 구현하기 쉽다. 또 다른 알고리즘으로는 이미지 처리를 이용하는 image filtering 방법이 있다. 하지만 이러한 방법들은 태양센서 정밀도가 이미지 센서에서 획득한 태양광 강도(intensity) 데이터의 노이즈에 영향을 많이 받으며, 특히 thresholding 방법의 경우 threshold 값에 따라 정밀도가 바뀌기 때문에 효과적인 threshold 값을 정하기 어려운 단점이 있다. 따라서 본 논문에서는 태양광 이미지의 중심점을 구하기 위해서 태양광 이미지 모델을 이용하는 template 방법을 제시하고 성능을 비교 분석하였다. 제안한 template 방법은 thereshold, image filtering 방법과 달리 비교적 높은 정밀도를 가지며, 특히 노이즈 수준에 관계없이 거의 일정한 수준의 정밀도를 가지는 장점이 있어 신뢰성이 높다.