KR0178716B1 - 영상신호의 화질개선방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 영상신호의 화질개선방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명의 화질개선장치는 평균화상레벨(APL)을 중심으로 계조도를 상부·하부구간으로 나누어서 부구간별로 화질을 개선한다. 즉, 비선형곡선을 이용하여 계조도 값을 변환시키는데 영상신호의 통계적 특성을 분석하여 발생빈도가 높은 계조도구간은 대비를 신장시키고 발생빈도가 낮은 계조도 구간은 대비를 수축시켜 대비를 조정한다. 또한, 사용자가 임의로 변곡점과 비선형곡선 함수의 차수를 설정하도록 하여 사용자가 원하는 화질을 얻을 수 있는 효과를 제공한다.

Description

영상신호의 화질개선방법 및 장치

제1도는 본 발명에 의한 영상신호의 화질개선방법에서 동작특성곡선을 나타낸 그래프.

제2도는 본 발명에 의한 영상신호의 통계적 특성에 따른 화질개선장치를 나타내는 블록도.

제3도는 제2도 장치에서 발생빈도산출부를 나타내는 상세도.

제4도는 제2도 장치에서 APL연산부를 나타내는 상세도.

제5도는 본 발명의 외부조정에 의한 동작특성곡선을 나타낸 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 발생빈도산출부 20 : APL연산부

30 : 별곡점결정부 40 : 차수결정부

50 : 함수값발생부 60 : 룩업테이블부

본 발명은 영상신호의 화질개선방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 영산신호의 통계적 특성과 인간의 시각적 특성을 고려하여 각 화면밝기에 적응적으로 명암대비를 조정할 수 있는 영상신호의 화질개선방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 영상신호의 화질을 결정짓는 요소에는 화소의 계조도수, 계조도범위, 밝기(Brightness), 명암대비(Contrast), 수직·수평방향의 해상도 및 잡음등이 있다. 여기서, 화소의 계조도수와 계조도범위는 화소의 밝기값을 나타내는 계조도의 결정요인들로서 이 범위내에서 밝기와 명암대비가 결정되어 진다. 또한 해상도는 일정면적의 영상에서 얼마나 복잡한 영상을 표현할 수 있는가의 특성으로 입력신호에 의해서 결정될 수도 있고, 장치적 특성에 의해서 결정될 수도 있다. 잡음은 외부로부터 입력될 수도 있고, 처리과정에서 발생할 수도 있다. 전술한 요소들에 의해서 발생하게 되는 화질저하에 있어서 계조도수가 적어 계조도차가 크게 발생하는 경우에는 화면상에 얼룩무늬가 나타나거나 명암대비가 작아 영상의 밝기차를 구분할 수 없게 된다. 예를 들면, 조명이 어두워서 물체가 검게 나오는 경우, 노출이 심하여 물체가 뿌옇게 나오는 경우, 밝은 배경에 그림자가 가려 검게 나오는 경우등이 있다. 해상도가 낮은 경우에는 영상의 촛점이 안맞거나 물체의 윤곽이 흐려져 세밀한 부분이 나타나지 않게 된다. 잡음신호는 특히 사람의 눈을 거슬리게 하여 심한 경우에는 물체의 형체도 알아 볼 수 없게 된다.

여기서는 특히 영상의 밝기와 대비에 관한 것으로, 다수의 화소(Pixel)들로 이루어지는 한 화면상의 각 화소마다 임의의 계조도값(X_K;0≤X_K≤L)을 갖는다. 이 계조도값(X_K)이 0으로 갈수록 화면은 어두워지고 L로 갈수록 화면은 밝아진다. 이 계조도값들을 크기 순서대로 배열하고, 그 계조도에 대응하는 통계량을 구하면 대부분 영상의 평균화상레벨(Average Picture Level;APL)부근에 가장 많은 계조도의 발생빈도수를 갖게 된다. 따라서, 발생빈도분포에 의해 대비향상과 아울러 화질개선에 큰 영향을 끼친다. 특히 화면의 아주 어두운 부분이나 아주 밝은 부분에서는 대비를 별로 느끼지 못하며 해당 계조도의 발생빈도가 높지 않다. 이처럼, 계조도에 대한 발생빈도의 분포곡선이 넓게 펴져 있으면 선명한 화면이 되고, 한쪽으로 치우치면 화면이 어둡거나 밝게 된다. 그래서 한쪽으로 치우친 대비(Contrast)를 신장시키는데 이때 역시 APL를 많이 변화시켜 버리면 영상이 완전히 왜곡되는 문제점이 있었다. 즉, 방풍경과 같이 극단적으로 어두운 화면은 밝기를 올리는 결과에 의해 오히려 부자연스러운 뿌연화면을 출력하게 되고, 번개치는 화면은 밝기가 같아 대비효과가 떨어지므로써 심각한 영상왜곡이 발생하게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 APL를 보존함과 동시에 APL를 중심으로 계조도를 두구간으로 구분하고, 각 구간별로 영상신호의 통계적 특성에 따라 대비를 신장 또는 수축시켜 화면을 자연스럽게 표현할 수 있도록 하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 인간의 시각적특성에 따라 영상신호의 대비를 조절하도록 하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 전술한 영상신호의 통계적 특성과 인간의 시각적 특성에 따른 화질개선방법을 구현하기 위한 장치를 제공함에 있다.

이와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 영상신호의 화질개선방법은 소정프레임기간동안 입력되는 영상신호의 계조도별 발생빈도를 산출하는 단계와, 소정프레임기간동안 입력되는 영상신호의 APL값을 계산하는 단계와, 상기 계조도별 발생빈도와 APL값을 이용하여 영상신호의 계조도 범위를 상부구간과 하부구간으로 구분하는 단계, 및 상기 상부구간과 하부구간 각각의 계조도에 대해 별도의 비선형계조도변환함수를 적용하여 입력되는 영상신호의 계조도를 변환시켜 출력하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 목적은 달성하기 위한 본 발명에 따른 영상신호의 화질개선장치는 소정프레임기간동안 입력되는 영상신호의 계조도별 발생빈도를 산출하는 발생빈도산출부와, 소정프레임기간동안 입력되는 영상신호의 APL값을 계산하는 APL연산부와, 상기 계조도별 발생빈도와 APL값을 이용하여 입력되는 영상신호의 계조도범위를 상부구간과 하부구간으로 구분하는 변곡점을 결정하는 변곡점결정부와, 상기 계조도별 발생빈도와 APL값에 응답하여 상기 영상신호의 상부구간과 하부구간 각각의 계조도에 대한 판별점을 구하고, 판별점과 변곡점의 비례식에 따라 비선형곡선함수의 차수를 결정하는 차수결정부와, 상기 변곡점과 차수값에 응답하여 비선형계조도변환 함수를 발생하는 함수값발생부, 및 입력되는 영상신호를 상기 비선형계조도 변환함수에 따라 보정하여 출력하는 보정출력수단을 포함한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.

제1도는 본 발명에 따른 영상신호의 화질개선방법에서 동작특성곡선을 나타낸 그래프이다. S자형태의 비선형특성곡선에서, 변곡점(VC)을 중심으로 하부구간(0~VC)에서는 입력계조도(X_K)가 커질수록 계조도변화량이 커지며, 상부구간(VC~L)에서는 입력계조도(X_K)가 커질수록 계조도변화량이 작아진다. 변곡점(VC)은 곡선기울기의 증가도가 변화하는 점으로 대비가 가장 크게 신장되는 계조도값이면서 본래 계조도값을 보존하는 점이다. X_cr1, X_cr2는 각각 하부판별점과 상부판별점으로 단위계조도가 1이 되어 두 판별점 사이의 구간(X_cr1~X_cr2)에서는 계조도변화량이 1보다 커서 대비가 신장되며, X_cr1이하와 X_cr2이상에서는 대비가 수축된다. 따라서, 두판별점사이의 구간(X_cr1~ X_cr2)값은 변환 계조도값 y_cr1과 y_cr2사이에 대응되므로 대비가 신장된다. 또한, 하기 식(1)에 정의한 바와 같이 두판별점(X_cr1,X_cr2)의 위치와 변곡점(VC)의 위치에 의해서 두구간의 비선형특성곡선(f₁, f₂)의 차수가 결정된다.

상기 식(1)에 정의된 바와 같이, 두구간의 비선형특성곡선(f₁, f₂)은 변곡점(VC)과 차수(K₁, K₂)에 의해서 특징이 결정된다. 즉, 가장 주요한 계조도를 변곡점 VC로 선택하고, 차수 K₁, K₂를 1이상의 값으로 선택하는 경우, 정의구역에서의 단위계조도변화량(△=X_k-X_k-1)과, 치역에서의 단위계조도변화량(△'=y_k- y_k-1)은 변곡점(VC)부근에서 △'△가 되므로 변곡점VC를 중심으로 대비가 신장된다.

이처럼 입·출력 계조도가 일정범위(0~L)내에서 특정구간의 대비를 신장시키면 다른 구간에서는 대비가 떨어지게 된다. 따라서 대비가 신장되는 구간과 수축되는 구간은 서로 상층관계(Trade Off)가 있다.

제2도는 본 발명에 의한 영상신호의 통계적특성에 따른 화질개선장치를 나타내는 블록도이다. 제2도에 나타낸 화질개선장치는 입력되는 영상신호의 계조데이타 발생빈도수를 구하는 발생빈도산출부(10)와, 입력되는 영상신호의 APL값을 계산하는 APL연산부(20)를 구비한다. 제2동 장치는 도한, 발생빈도산출부(10)에서 산출된 발생빈도와 APL연산부(20)에서 계산된 APL값을 이용하여 변곡점과, 변곡점을 중심으로 상·하부구간의 판별점 및 차수를 결정하는 변곡점결정부(30)와 차수결정부(40)를 구비한다. 한편, 제2도 장치는 변곡점결정부(30)에서 결정된 변곡점과 차수결정부(40)에서 결정된 차수를 통해 구간별로 함수값을 구하는 함수값발생부(50)와, 함수값발생부(50)에서 출력된 함수값에 따라 입력되는 영상신호를 보정하여 출력하는 록업테이블부(60)를 구비한다. 이러한 구성을 갖는 제2도 영상신호의 통계적 특성에 따른 화질개선장치에 대한 동작을 제3도 및 제4도를 통해 좀더 구체적으로 설명한다.

제3도는 제2도 장치에서 발생빈도산출부(10)를 나타내는 상세도이다. 발생빈도산출부(10)는 입력단을 통해 인가되는 영상신호의 계조데이타를 메모리(11)의 어드레스단자(ADDR)로 인가받는다. 메모리(11)는 또한, 외부로부터 인가되는 이진형태의 제어신호(CTL)를 읽기/쓰기단자로 인가받아 해당 어드레스에 저장되어 있는 해당 계조데이타의 수를 독출하여 출력하거나 데이타단자(DATA)로 인가되는 데이타를 해당 어드레스에 기록한다. 스위치(13)는 메모리(11)의 읽기/쓰기단자로 공급되는 제어신호(CTL)와 동기되어 메모리(11)로부터 인가되는 계조데이타수를 제 1접점(a)에 연결되어 있는 누산기(15)로 인가하거나 누산기(15)의 출력단에 연결되어 있는 제 2접점(b)을 통해 입력되는 계조데이타수를 메모리(11)로 인가한다. 누산기(15)는 스위치(13)의 제 1접점(a)을 통해 인가되는 계조데이타수에 1을 가산하여 스위치(13)의 제 2접점(b)으로 출력한다. 이런 과정을 1프레임단위로 반복하여 메모리(11)의 각 계조데이타에 대응하는 어드레스에 각 계조데이타의 발생횟수 즉, 발생빈도수를 저장시킨다. 메모리(11)에 저장된 각 계조별 발생빈도수는 변곡점결정부(30) 및 차수결정부(40)로 출력된다.

제4도는 제2도 장치에서 APL연산부(20)를 나타내는 상세도이다. APL연산부(20)는 1프레임기간동안의 실제 영상신호구간에서의 평균값을 구하는 것으로 하기 식(2)에 의해서 구해진다.

여기서, M은 계조도수이고, X_K는 K번째의 계조도값 P(X_K)는 X_K값의 히스토그램이다.

영상신호 S(i)가 N개 일때 이 값들의 평균값을 의미하는 APL은 화면 전체의 밝기를 나타낸다.

상기 식(2)을 구현한 제4도에서, APL연산부(20)의 가산기(21)는 입력단을 통해 인가되는 영상신호의 계조데이타와 누적된 이전 입력계조데이타를 가산하여 레지스터(23)로 인가한다. 레지스터(23)는 가산기(21)로부터 인가되는 누적된 계조데이타를 일시 저장한 후 가산기(21)로 궤환 입력한다. 레지스터(23)는 또한 계조데이타의 누적합을 평균산출기(25)로도 공급한다. 평균산출기(25)는 레지스터(23)로부터 인가되는 누적된 계조데이타합을 외부로부터 인에이블상태신호(STATE)가 인가될 때 영상신호의 갯수(N)로 나누어 APL를 구한다.

제2도에서, 변곡점결정부(30)는 발생빈도산출부(10)와 APL연산부(20)로부터 각각 인가되는 발생빈도와 APL를 이용하여 변곡점(VC)을 결정한다. 변곡점(VC)은 시각적으로 가장 영향이 큰 계조도를 선택하게 되며, 다음의 결정방식과 같이 APL이나, 상·하부구간의 발생빈도가 같은 중앙발생빈도 계조도 또는 발생빈도가 가장 많은 계조도를 선택할 수 있다. 다음과 같이 나타낼 수 있다.

ccdf는 중앙발생빈도계조도로서, 상부구간과 하부구간의 발생빈도가 같은 계조도이다차수결정부(40)는 우선 변곡점(VC)을 중심으로 상부구간과 하부구간 각각의 판별점을 전술한 식(1)로부터 유도할 수 있으며, 하부구간과 상부구간 각각의 판별점 유도 방식이 동일하므로 하부구간에 대해서만 도시한다.

상기 식(1)을 미분하여, 단위계조도변화량(y')이 1이 되는 점을 구한다.

이외에도 상·하부구간의 중앙발생빈도계조도와 절대편차를 이용하여 판별점을 구할 수 있다.

그런 다음, 상기 식(3)을 통해 구한 판별점(X_cr1, X_cr2)과 변곡점(VC)의 비례식을 통해 상기 식(1)에 도시한 변환함수들의 차수(K₁, K₂)를 결정한다.

하부구간에서,

상부구간에서,

위의 비례식을 사전에 테이블로 형성해 두면 쉽게 차수를 결정할 수 있다.

함수값발생부(50)는 변곡점결정부(30)의 변곡점(VC)과 차수결정부(40)의 차수값에 따라 제1도의 특성곡선을 갖는 함수값 f₁(X), f₂(X)을 발생한다. 룩업테이블부(60)는 입력단을 통해 인가되는 영상신호의 값을 함수값발생부(50)로부터 발생되는 함수값에 적용하여 변화시킴으로써 APL부근이나 발생빈도가 높은 구간에서는 대비를 신장시키고, 발생빈도가 적은 구간에서는 대비를 수축시켜 화질을 개선시킨다.

제5도는 본 발명의 외부 조정에 의한 동작특성곡선을 나타낸 그래프이다. 사용자가 화면을 보면서 위에서 기술한 식(1)의 변곡점(VC)과 차수(K₁, K₂)를 변화시켜 화면상태를 보정한다. 이때, 제1도에 도시한 동작특성곡선은 제5(c)도에 도시한 동작특성곡선이 된다. 제5(a)도는 변곡점(VC) 즉, APL을 그대로 보존하면서 차수(K₁, K₂)를 변화시키는 경우이고, (b)도는 변곡점(VC) 즉 APL를 가변시키는 경우의 특성곡선이다. 제5(a)도와 (b)도를 연결시키면 (c)도와 같은 동작특성곡선이 구해진다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 영상신호의 화질개선방법 및 장치는, 화면 전체 밝기를 나타내는 APL을 최대한 보존하면서, 이 APL을 중심으로 상부계조도와 하부계조도구간으로 나누고 영상의 통계적 특성을 분석하여 그 특성에 따라 대비를 조정할 수도 있고, 사용자가 대비조정의 변수값들을 입력시켜 원하는 가장 적합한 화질의 영상을 얻을 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (15)

1. 영상신호의 화질개선을 위한 장치에 있어서, 소정프레임기간동안 입력되는 영상신호의 계조도별 발생빈도를 산출하는 발생빈도산출부; 소정프레임기간동안 입력되는 영상신호의 APL값을 계산하는 APL연산부; 상기 계조도별 발생빈도와 APL값을 이용하여 입력되는 영상신호의 계조도범위를 상부구간과 하부구간으로 구분하는 변곡점을 결정하는 변곡점결정부; 상기 계조도별 발생빈도와 APL값에 응답하여 상기 영상신호의 상부구간과 하부구간 각각의 계조도에 대한 판별점을 구하고, 판별점과 변곡점의 비례식에 따라 비선형곡선함수의 차수를 결정하는 차수결정부; 상기 변곡점과 차수값에 응답하여 비선형계조도변환함수를 발생하는 함수값발생부; 및 입력되는 영상신호를 상기 비선형계조도변환함수에 따라 보정하여 출력하는 보정출력수단을 포함하는 영상신호의 화질개선장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 발생빈도산출부는 입력되는 영상신호의 계조도를 어드레스로 인가받아 발생되는 계조도의 해당 어드레스의 데이타를 1씩 누적시켜 소정 프레임기간동안 계조도별 발생빈도를 산출하는 것을 특징으로 하는 영상신호의 화질개선장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 APL연산부는 소정프레임기간동안 입력되는 영상신호의 계조도를 누적시켜, 그 누적된 값을 발생된 영상신호의 갯수로 나누어 APL값을 구하는 것을 특징으로 하는 영상신호의 화질개선장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 변곡점결정부는 상기 APL값을 변곡점으로 결정하는 것을 특징으로 하는 영상신호의 화질개선장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 변곡점결정부는 상기 발생빈도가 가장 많은 계조도를 변곡점으로 결정하는 것을 특징으로 하는 영상신호의 화질개선장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 보정출력수단은 상기 비선형계조도변환함수의 연산결과를 사전 테이블로 설정하여 입력영상신호에 대하여 보정된 영상신호를 출력하는 룩업테이블로 이루어진 것을 특징으로 하는 영상신호의 화질개선장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 비선형계조도변환함수는 상기 변곡점을 중심으로 구분되는 상부계조도와 하부계조도의 각 판별점 사이의 영상신호는 대비신장시키고, 그 이외의 영상신호는 수축시키는 것을 특징으로 하는 영상신호의 화질개선장치.
8. 영상신호의 화질을 개선하기 위한 방법에 있어서, 소정프레임기간동안 입력되는 영상신호의 계조도별 발생빈도를 산출하는 단계; 소정프레임기간동안 입력되는 영상신호의 APL값을 계산하는 단계; 상기 계조도별 발생빈도와 APL값을 이용하여 영상신호의 계조도범위를 상부구간과 하부구간으로 구분하는 단계; 및 상기 상부구간과 하부구간 각각의 계조도에 대해 별도의 비선형계조도 변환함수를 적용하여 입력되는 영상신호의 계조도를 변환시켜 출력하는 단계를 포함하는 영상신호의 화질개선방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 계조도구간구분단계는 시각적으로 가장 영향이 큰 계조도가 구간구분점인 변곡점으로 선택되는 것을 특징으로 하는 영상신호의 화질개선방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 계조도구간구분단계는 상기 APL값이 구간 구분점인 변곡점으로 선택되는 것을 특징으로 하는 영상신호의 화질개선방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 계조도구간구분단계는 상기 상부구간과 하부구간의 발생빈도가 같은 계조도가 구간구분점인 변곡점으로 선택되는 것을 특징으로 하는 영상신호의 화질개선방법.
12. 제9항 내지 제11항중 어느 한항에 있어서, 상기 계조도변환출력단계는 상기 변곡점을 중심으로 구분되는 영상신호의 상부계조도와 하부계조도구간별로 판별점을 구하는 단계; 상기 구간별 판별점과 변곡점의 비례식을 이용하여 구간별 차수를 결정하는 단계; 상기 변곡점과 차수에 응답하여 비선형계조도변환함수를 발생하는 단계; 및 상기 비선형계조도변환함수에 따라 입력되는 영상신호의 계조도를 변환시켜 출력하는 단계를 구비함을 특징으로 하는 영상신호의 화질개선방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 비선형계조도변환함수발생단계는 변곡점(VC)을 중심으로 하는 하부구간에서의 함수값 f₁(X)을 변곡점(VC)과 차수(K₁)에 의해 하기 식으로 나타내는 것을 특징으로 하는 영상신호의 화질개선방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 비선형계조도변환함수발생단계는 변곡점(VC)을 중심으로 하는 상부구간에서의 함수값 f₂(X)을 변곡점(VC)과 차수(K₂)에 의해 하기식으로 나타내는 것을 특징으로 하는 영상신호의 화질개선방법.
15. 제12항에 있어서, 상기 계조도변환출력단계는 비선형계조도변환함수의 변수값들을 사용자가 임의로 조정하여 입력되는 영상신호의 계조도를 변환시켜 출력하는 단계를 더 포함하는 영상신호의 화질개선방법.