KR100195115B1 - Gain control method during enhancing the contrast using the histogram transform and circuit thereof - Google Patents
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Abstract
본 발명의 이득 조절 방법은 입력 영상의 히스토그램을 근거로 하여 콘트라스트를 개선해서 개선된 신호를 출력하는 단계와 입력 영상의 레벨과 변환된 신호의 레벨간의 변화량에 응답하여 개선된 신호의 이득을 조절하는 단계를 포함하여 히스토그램 변환에 의한 콘트라스트의 과도한 개선에 따른 아티펙트를 방지함으로써 화질을 개선할 수 있다.The gain control method of the present invention is to improve the contrast based on the histogram of the input image to output an improved signal and to adjust the gain of the improved signal in response to the amount of change between the level of the input image and the level of the converted signal. Including the step, the image quality can be improved by preventing artifacts due to excessive improvement of the contrast caused by the histogram conversion.
Description
히스토그램 변환의 기본 동작은 입력영상의 히스토그램을 토대로 주어진 입력영상을 변환하는 것으로서, 여기서 히스토그램이라 함은 주어진 입력 영상에서의 그레이 레벨 분포를 나타낸다.The basic operation of the histogram conversion is to convert a given input image based on a histogram of an input image, where a histogram represents a gray level distribution in a given input image.
이러한 그레이 레벨(gray level)의 히스토그램은 영상(image)의 외양(appearance)의 전체적인 묘사를 제공한다. 영상의 샘플 분포에 따라 적절히 조절된 그레이 레벨은 외양 또는 영상의 콘트라스트를 개선시킨다.This gray level histogram provides an overall depiction of the appearance of the image. Gray levels appropriately adjusted according to the sample distribution of the image improve the appearance or contrast of the image.
콘트라스트 개선을 위한 많은 방법중에 영상의 샘플분포에 따라 주어진 영상의 콘트라스트를 개선하는 방법인 히스토그램 등화가 가장 널리 알려져 있으며, 이는 아래 문헌 [1], [2]에 개시되어 있다: [1] J.S.Lim, Two-Dimensional Signal and Image Processing, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1990, [2] R.C.Gonzalez and P.Wints, Digital Image Processing, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1977. 또한, 메디컬 영상 처리와 레이다 영상 처리를 포함하는 히스토그램 등화 방법의 유용한 응용은 아래 문헌 [3], [4]에 개시되어 있다: [3] J.Zimmerman, S.Pizer, E.Staab, E.Perry, W.McCartney, and B.Brenton, Evaluation of the effectiveness of adaptive histogram equalization for contrast enhancement, IEEE Tr.on Medical Imaging,pp.304-312, Dec.1988, [4] Y.Li, W.Wang, and D.Y.Yu, Application of adaptive histogram equalization to x-ray chest image, Proc. of the SPIE,pp.513-514,vol.2321,1994.Among many methods for improving contrast, histogram equalization, the method of improving the contrast of a given image according to the sample distribution of the image, is the most widely known and described in [1] and [2]: [1] JSLim , Two-Dimensional Signal and Image Processing, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1990, [2] RC Gonzalez and P. Wints, Digital Image Processing, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1977. Useful applications of histogram equalization methods including radar image processing are disclosed in [3], [4]: [3] J. Zimmerman, S. Pizer, E. Staab, E. Perry, W. McCartney, and B. Brenton, Evaluation of the effectiveness of adaptive histogram equalization for contrast enhancement, IEEE Tr.on Medical Imaging, pp. 304-312, Dec. 1988, [4] Y.Li, W. Wang, and DYYu, Application of adaptive histogram equalization to x-ray chest image, Proc. of the SPIE, pp. 513-514, vol. 2321,1994.
따라서, 주어진 영상의 히스토그램을 이용한 기법은 메디컬 영상 처리, 적외선 영상 처리, 레이다 영상 처리분야등 여러 분야에서 유용하게 응용되고 있다.Therefore, a technique using a histogram of a given image is usefully applied in various fields such as medical image processing, infrared image processing, and radar image processing.
주어진 영상에 대해 히스토그램 등화를 근거로 한 콘트라스트 개선시 발생할 수 있는 문제점으로는 입출력간 큰 차이를 들 수 있다. 다시 말해서, 입력 영상의 히스토그램에 의존하는 알고리즘을 근거로 한 히스토그램 등화에 의해 과도하게 콘트라스트가 개선이 될 수 있으며, 이것은 원하지 않는 형태의 영상의 제공을 초래하는 문제점이 있었다.The problem that can occur in contrast enhancement based on histogram equalization for a given image is a large difference between input and output. In other words, the contrast may be excessively improved by histogram equalization based on an algorithm that depends on the histogram of the input image, which causes a problem of providing an unwanted image.
본 발명의 목적은 주어진 입력 영상을 히스토그램 변환을 이용하여 콘트라스트 개선시 개선 정도에 따라 적응적으로 개선된 신호의 이득을 조절하는 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to provide a method for adjusting the gain of an adaptively improved signal according to the degree of improvement in contrast improvement using a histogram transform on a given input image.
본 발명의 다른 목적은 주어진 입력 영상을 히스토그램 변환을 이용하여 콘트라스트 개선시 개선 정도에 따라 적응적으로 개선된 신호의 이득을 따라 조절하는 회로를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a circuit that adjusts a given input image according to the gain of an adaptive signal according to the degree of improvement when the contrast is improved by using a histogram transformation.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 이득 조절 방법은 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨의 분포를 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 변환을 이용하여 화질을 개선하는 방법에 있어서: (a) 입력 영상의 히스토그램을 근거로 하여 콘트라스트를 개선해서 개선된 신호를 출력하는 단계; 및 (b) 상기 입력 영상의 레벨과 변환된 신호의 레벨간의 변화량에 따라 개선된 신호의 이득을 조절하는 단계를 포함함을 특징으로 하고 있다.In order to achieve the above object, the gain control method according to the present invention is to improve the image quality by using a histogram conversion to improve the contrast by adjusting the distribution of gray levels for the video signal represented by a predetermined number of levels (a) outputting the improved signal by improving the contrast based on the histogram of the input image; And (b) adjusting the gain of the improved signal according to the amount of change between the level of the input image and the level of the converted signal.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 이득 조절 회로는 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨의 분포를 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 변환을 이용하여 화질을 개선하는 회로에 있어서: 입력 영상의 히스토그램을 근거로 하여 콘트라스트를 개선해서 개선된 신호를 출력하는 콘트라스트 개선수단; 및 상기 콘트라스트 개선수단에 의해 만들어진 그레이 레벨의 변화량에 따라 상기 개선된 신호의 이득을 조절하는 이득 제어수단을 포함함을 특징으로 하고 있다.In order to achieve the above another object, the gain control circuit according to the present invention is a circuit for improving the image quality by using a histogram conversion to improve the contrast by adjusting the distribution of gray levels for the video signal represented by a predetermined number of levels A contrast improving means for improving contrast based on a histogram of an input image to output an improved signal; And gain control means for adjusting the gain of the improved signal in accordance with the amount of change of the gray level produced by the contrast improving means.
도 1은 본 발명에 의한 이득 조절 회로의 일 실시예에 따른 블록도이다.1 is a block diagram according to an embodiment of a gain adjusting circuit according to the present invention.
도 2는 도 1에 도시된 이득 제어기의 상세회로도이다.FIG. 2 is a detailed circuit diagram of the gain controller shown in FIG. 1.
도 1은 본 발명에 의한 이득 조절 회로의 일 실시예에 따른 블록도이다.1 is a block diagram according to an embodiment of a gain adjusting circuit according to the present invention.
도 1에 있어서, Yi는 히스토그램에 근거한 콘트라스트 개선기(이하 콘트라스트 개선기라고 약칭함)(100)의 입력 영상신호이고, Yo는 콘트라스트 개선기(100)의 출력신호 즉, 콘트라스트 개선된 신호이고, g는 이득 제어기(200)에 입력되는 이득 제어 파라미터이고, Yout는 이득 제어기(200)의 출력 신호이다.In FIG. 1, Y i is an input video signal of a contrast improver (hereinafter, referred to as contrast enhancer) 100 based on a histogram, and Y o is an output signal of the contrast improver 100, that is, a signal having improved contrast. G is a gain control parameter input to the gain controller 200 and Y out is an output signal of the gain controller 200.
그리고, 콘트라스트 개선기(100)는 입력 영상신호(Yi)의 그레이 레벨 분포를 근거로 한 누적분포함수값을 계산해서 누적분포함수를 주어진 영상을 새로운 그레이 레벨로 맵핑하여 콘트라스트 개선된 신호(Yo)를 출력한다.In addition, the contrast enhancer 100 calculates a cumulative distribution function value based on the gray level distribution of the input image signal Y i , and maps the cumulative distribution function to a new gray level to improve the contrast (Y). o )
이득 제어기(200)는 입력 영상신호(Yi)와 콘트라스트 개선기(100)의 개선된 신호(Yo)를 입력하여 콘트라스트 개선기(100)의 콘트라스트 개선 정도에 대응하여 최대 한계 함수와 이득 제어 파라미터(g)를 이용한 이득특성을 결정하여 개선된 신호의 이득을 조절해서 출력 신호(Yout)를 출력한다.Gain controller 200 are input image signal (Y i) and enhanced signal (Y o) the input to the maximum limit function and the gain control in response to the contrast enhancement degree of the contrast improving unit 100 of the contrast improvement unit 100 The gain characteristic using the parameter g is determined, and the gain of the improved signal is adjusted to output the output signal Y out .
여기서, 본 발명에 의한 콘트라스트 개선기(100)는 히스토그램 변환을 이용하여 콘트라스트를 개선할 수 있는 구성이면 모두 적용 가능하다. 따라서, 본 발명의 중심 구성요소인 이득 제어기(200)를 중심으로 설명하기로 한다.Here, the contrast improver 100 according to the present invention can be applied as long as it can improve the contrast by using a histogram transformation. Therefore, a description will be given focusing on the gain controller 200 which is a central component of the present invention.
먼저, 본 발명에서 제안하는 이득 조절 방법에 대하여 제1도와 결부시켜 설명하기로 한다.First, the gain adjusting method proposed by the present invention will be described with reference to FIG.
이득 제어기(200)의 기본개념은 히스토그램 변환을 이용하여 콘트라스트를 개선하는 콘트라스트 개선기(100)에 의해 입력 영상신호(Yi)의 최대 그레이 레벨의 변화를 콘트라스트 개선 정도에 따라 제한하기 위한 것이다.The basic concept of the gain controller 200 is to limit the maximum change in the gray level of the input video signal (Y i) by the contrast improvement unit 100 to improve the contrast by using a histogram transform to the degree contrast enhancement.
우선, 콘트라스트 개선기(100)의 입력 영상신호(Yi)와 출력신호(Yo)사이의 관계는 아래 수학식 1 또는 수학식 2로 나타낼 수 있다.First, the relationship between the input video signal (Y i) and the output signal (Y o) of the contrast improvement unit 100 can be expressed by Equation (1) or (2) below.
또는,or,
여기서, △는 콘트라스트 개선기(100)에 의해 만들어지는 변화량(개선 정도) 즉, 입력 영상신호(Yi)의 레벨과 콘트라스트 개선기(100)에서 새로운 그레이 레벨로 맵핑된 레벨(Yo)과의 차이를 말한다.Δ is the amount of change (degree of improvement) made by the contrast enhancer 100, that is, the level of the input image signal Y i and the level Y o mapped to the new gray level in the contrast enhancer 100. Says the difference.
본 발명에서 콘트라스트 개선기(100)에 의한 과도한 개선을 막기 위하여, 변화량 △는 다음과 같이 제한된다.In order to prevent excessive improvement by the contrast improver 100 in the present invention, the change amount Δ is limited as follows.
여기서, f(Yi)를 최대 한계 함수(maximum bounding function)로 정의하며, 이 f(Yi)는 입력 (Yi)의 함수이고, 항상 양의 값이고, 즉, f(Yi) 1 0 이고, g(g 1 0)는 이득 제어 파라미터이다.Where f (Y i ) is defined as the maximum bounding function, which f (Y i ) is a function of the input (Y i ) and is always positive, that is, f (Y i ) 1 0 and g (g 1 0) is a gain control parameter.
위 수학식 3을, 동등한 식으로서 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.Equation 3 may be expressed as Equation 4 as an equivalent equation.
위 수학식 3에 도시된 변화량(△)을 제한하는 개념은 웨버의 비(Weber's ratio)와 관련되어 있다. 사실, f(Yi) = Yi라고 하면 위 수학식 3으로부터 다음과 같은 (5)식을 얻을 수 있다.The concept of limiting the amount of change Δ shown in Equation 3 above is related to Weber's ratio. In fact, if f (Y i ) = Y i , the following equation (5) can be obtained.
여기서,가 웨버의 비에 대응되는 양이다. 이 웨버의 비는, Y1가 gY1만큼 변화하고, Y2가 gY2만큼 변화할 때 인간은 그 변화 정도가 동일하다고 느낀다는 것을 의미하는 실험적인 사실(empirical heuristics)이다.here, Is the amount corresponding to the webber ratio. The ratio of the Weber, Y is a monovalent gY 1 changes by, and when Y 2 is to be changed by 2 gY humans experimental facts (empirical heuristics), meaning that feels the same degree of the change.
따라서, 본 발명의 이득 제어 방법의 개념은 웨버의 비를 근거로 하여 히스토그램 변환을 이용하여 콘트라스트 개선된 신호의 이득 즉, 개선 정도를 제어하는 것이다.Therefore, the concept of the gain control method of the present invention is to control the gain, that is, the degree of improvement, of the contrast improved signal using histogram conversion based on the Weber's ratio.
△'는 제한된 변화량으로서, 다음 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.Δ 'is a limited amount of change and can be expressed by Equation 6 below.
즉, 변화량(△)의 절대값이 gf(Yi)이하이면 그대로 변화량(△)을 제한된 변화량(△')으로 사용하고, 변화량(△)이 gf(Yi)보다 크면 제한된 변화량(△')을 gf(Yi)로 사용하고, 변화량(△)이 -gf(Yi)보다 작으면 제한된 변화량(△')을 -gf(Yi)로 사용해서 개선된 신호(Yo)의 이득을 제어한다.That is, if the absolute value of the change amount △ is less than gf (Y i ), the change amount △ is used as the limited change amount Δ ', and if the change amount △ is larger than gf (Y i ), the limited change amount Δ' ) gain of the gf (Y i) use, and the change (△) the -gf (Y i), a signal (Y o) improved by using a limited amount of change is smaller than (△ ') -gf (Y i ) by To control.
따라서, 이득 제어기(200)의 출력신호(YOUT)는 다음 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the output signal Y OUT of the gain controller 200 may be expressed as Equation 7 below.
이어서, 도 2에 도시된 이득 제어기(200)의 상세한 구성에 대한 동작을 설명하기로 한다.Next, the operation of the detailed configuration of the gain controller 200 shown in FIG. 2 will be described.
도 2에 있어서, 감산기(210)는 제1도에 도시된 콘트라스트 개선기(100)의 출력신호(Yo)로부터 입력 영상신호(Yi)를 감산해서 콘트라스트 개선기(100)에 의해 만들어진 변화량(△)을 구한다.2, the subtracter 210 may change by subtracting the output signal an input video signal (Y i) from (Y o) of the contrast enhancement unit 100 shown in FIG. 1 was made by the contrast improving unit 100 (△) is obtained.
이득특성 결정기(220)는 입력 영상신호(Yi)의 함수인 최대 한계 함수(f(Yi))를 이용하여 입력 영상신호(Yi)의 개선을 제한한다.Gain characteristics determiner 220 restricts the improvement of the input video signal (Y i) by using a function, the function of the maximum limit of the input video signal (Y i) (f (Y i)).
예를 들어, f(Yi) = K이고, 이 K는 상수일 때, 이것은 입력 그레이 값에 무관하게 입력 개선을 동일하게 제한하며, 최대 한계 함수는또는와 같은 형태가 될 수 있으며, 이것은 입력 그레이 값에 의존하여 입력 영상의 개선을 제한한다.For example, when f (Y i ) = K, where K is a constant, this limits the input improvement equally regardless of the input gray value, the maximum limit function is or It may be in the form of, which limits the improvement of the input image depending on the input gray value.
승산기(230)는 이득특성 결정기(220)에서 출력되는 최대 한계 함수(f(Yi))값과 이득 제어 파라미터(g)를 승산하여 한계값(gf(Yi))을 출력한다. 여기서, 한계값 g· f(Yi)는 본 발명의 이득 제어기(200)의 특성이다.The multiplier 230 multiplies the maximum limit function f (Y i ) and the gain control parameter g output from the gain characteristic determiner 220 and outputs a limit value gf (Y i ). Here, the threshold g · f (Y i ) is a characteristic of the gain controller 200 of the present invention.
리미터(240)는 감산기(210)로부터 출력되는 변화량(△)을 승산기(230)로부터 출력되는 한계값(gf(Yi))과 비교하여 변화량(△)을 제한하여 위 (6)식과 같은 제한된 변화량(△')을 출력한다.가산기(250)는 입력 영상신호(Yi)과 리미터(240)에서 출력되는 제한된 변화량(△')을 가산하여 위 수학식 7에 도시된 바와 같은 이득 제어기(200)의 출력신호(Yout))를 출력한다.The limiter 240 compares the change amount? Output from the subtractor 210 with the limit value gf (Y i ) output from the multiplier 230 to limit the change amount? The adder 250 adds the input video signal Y i and the limited change amount? 'Output from the limiter 240 to obtain a gain controller as shown in Equation 7 above. Output signal Y out) .
본 발명은 영상신호의 화질 개선에 관련된 광범위한 분야에 응용될 수 있다. 즉, 방송기기, 레이다 신호처리시스템, 의용공학, 가전제품등에 응용될 수 있다.The present invention can be applied to a wide range of fields related to the improvement of image quality of a video signal. That is, it can be applied to broadcasting equipment, radar signal processing system, medical engineering, home appliances, and the like.
본 발명의 화질 개선 방법 및 그 회로는 웨버의 비를 근거로 하여 개선된 신호의 이득을 조절하여 히스토그램 변환에 의한 콘트라스트의 과도한 개선에 따른 아티펙트를 방지함으로써 화질을 개선하는 효과가 있다.The image quality improving method and the circuit of the present invention have an effect of improving the image quality by controlling the gain of the improved signal based on the ratio of the webber to prevent artifacts due to excessive improvement of the contrast due to the histogram conversion.
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