KR100195119B1 - Image quality enhancement method and circuit thereof based on the quantized mean-matching histogram equalization - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 화질 개선 방법과 그 회로는 입력되는 영상신호의 레벨을 양자화하고, 양자화된 영상신호를 화면단위로 그레이 레벨 분포를 구하고, 구해진 양자화된 영상신호의 그레이 레벨 분포를 근거로하여 누적 밀도 함수를 구하고, 양자화된 누적 밀도 함수값을 근거로 하여 보간에 의해 보간된 누적 밀도 함수값을 출력하고, 입력되는 영상신호를 화면단위로 평균레벨을 계산하고, 보간된 누적 밀도 함수를 변환함수로 사용하여 입력되는 영상신호를 그레이 레벨로 맵핑하되 평균레벨은 그 자신에게 맵핑되도록 변환함수를 조정하는 단계를 포함하여, 주어진 영상의 양자화된 누적 밀도 함수로부터 보간을 통해 근사화된 누적 밀도 함수에 따라 히스토그램 등화할 때 주어진 영상의 평균레벨이 그 자신에게 맵핑함으로써 콘트라스트를 개선하면서 주어진 영상의 평균밝기를 일정하게 유지시킨다.The image quality improving method and the circuit of the present invention quantize the level of the input video signal, obtain the gray level distribution of the quantized video signal in units of screens, and accumulate the density based on the obtained gray level distribution of the quantized video signal. Calculates a function, outputs an interpolated cumulative density function value based on the quantized cumulative density function value, calculates an average level of the input image signal in units of screen, and converts the interpolated cumulative density function into a transform function. Using the histogram according to the cumulative density function approximated through interpolation from the quantized cumulative density function of a given image, including the step of mapping the input image signal to a gray level using an average level mapped to itself. When equalizing improves the contrast by mapping the average level of a given image to itself It kept constant on the average brightness of a given image.
Description
본 발명은 양자화된 평균-매칭 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선 방법 및 그 회로에 관한 것으로, 특히 콘트라스트를 개선하면서 주어진 영상의 평균 밝기를 일정하게 유지하는 화질 개선 방법 및 그 회로에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for improving image quality using a quantized mean-matching histogram equalization and a circuit thereof, and more particularly to a method for improving image quality while maintaining a constant average brightness of a given image and a circuit thereof.
히스토그램 등화의 기본 동작은 입력 영상의 히스토그램을 토대로 주어진 입력 영상을 변환하는 것으로서, 여기서 히스토그램이라 함은 주어진 입력 영상에서의 그레이 레벨 분포를 나타낸다.The basic operation of histogram equalization is to convert a given input image based on the histogram of the 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 방법 중에 영상의 샘플 분포에 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.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, which is disclosed in [1] and [2] below: [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.
또한, 메디컬 영상 처리와 레이더 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.In addition, useful applications of histogram equalization methods, including medical image processing and radar image processing, are disclosed in [3] and [4] below: [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, 레이더 영상 처리분야등 여러 분야에서 유용하게 응용되고 있다.Therefore, the technique using a histogram of a given image has been usefully applied in various fields such as medical image processing, infrared image processing, and radar image processing.
일반적으로, 히스토그램 등화는 동적 범위(dynamic range)를 늘이는(stretching) 효과를 갖기 때문에 히스토그램 등화는 결과 영상의 분포밀도를 평평(flat)하게 하고, 그 결과로서 영상의 콘트라스트를 개선한다.In general, histogram equalization has the effect of stretching the dynamic range, so histogram equalization flattens the distribution density of the resulting image, and as a result improves the contrast of the image.
널리 알려진 히스토그램 등화의 이러한 특성은 실제적인 경우에서는 결점이 된다. 즉, 히스토그램 등화의 출력 밀도가 일정하기 때문에 출력영상의 평균 밝기(brightness)는 중간 그레이 레벨에 가깝게 된다. 실제적으로, 아날로그 영상의 히스토그램 등화를 위하여, 히스토그램 등화에서 출력 영상의 평균 밝기는 입력 영상의 평균 밝기에는 무관하게 정확히 중간 그레이 레벨이다. 분명하게, 이 특성은 실제 응용에서는 바람직하지 않다. 예를 들어, 밤에 찍은 장면이 히스토그램 등화 후에 너무 밝아 보이는 것과 같은 문제점이 발생하게 된다.This property of well-known histogram equalization is a drawback in practical cases. That is, since the output density of the histogram equalization is constant, the average brightness of the output image is close to the intermediate gray level. In practice, for histogram equalization of analog images, the average brightness of the output image in histogram equalization is exactly intermediate gray level regardless of the average brightness of the input image. Clearly, this property is undesirable in practical applications. For example, a problem may occur such that a scene taken at night looks too bright after histogram equalization.
또한, 종래의 히스토그램 등화회로는 모든 그레이 레벨의 발생횟수를 모두 저장할 수 있는 구성이 필요하므로 하드웨어의 비용이 높아지는 문제점이 발생되었다. 예를 들어, 그레이 레벨(L)이 L=256라고 가정하면, 모든 레벨의 발생횟수를 저장하기 위해 256개의 메모리소자가 요구되고, 모든 레벨의 발생횟수를 누적하기 위해 256개의 누적기등이 필요하였다.In addition, the conventional histogram equalization circuit requires a configuration capable of storing all occurrences of all gray levels, resulting in a high cost of hardware. For example, if the gray level L is L = 256, 256 memory elements are required to store the occurrences of all levels, and 256 accumulators are required to accumulate the occurrences of all levels. It was.
본 발명의 목적은 주어진 영상의 양자화된 누적 밀도 함수를 변환함수로 사용하여 히스토그램 등화시, 주어진 영상의 평균 레벨이 그 자신에게 맵핑되도록 변환함수를 조정하여 콘트라스트를 개선하면서, 주어진 영상의 평균밝기가 일정하게 유지되도록 하여 화질을 개선하는 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to use the quantized cumulative density function of a given image as a transform function, and to improve contrast by adjusting the transform function such that the average level of a given image is mapped to itself upon histogram equalization, while improving the contrast, The present invention provides a method of improving image quality by keeping it constant.
본 발명의 다른 목적은 본 발명의 목적은 주어진 영상의 양자화된 누적 밀도 함수를 변환함수로 사용하여 히스토그램 등화시, 주어진 영상의 평균 레벨이 그 자신에게 맵핑되도록 변환함수를 조정하여 콘트라스트를 개선하면서, 주어진 영상의 평균밝기가 일정하게 유지되도록 하여 화질을 개선하는 회로를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to improve the contrast by adjusting the transform function such that the average level of a given image is mapped to itself upon histogram equalization using the quantized cumulative density function of the given image as a transform function, The present invention provides a circuit that improves image quality by maintaining a constant average brightness of a given image.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 화질 개선 방법은 소정수의 그레이 레벨로 표현되는 영상신호를 히스토그램 등화하여 화질을 개선하는 방법에 있어서: (a) 입력되는 영상신호의 레벨을 양자화하여 양자화된 영상신호를 출력하는 단계; (b) 상기 양자화된 영상신호를 화면단위로 그레이 레벨 분포를 구하고, 구해진 양자화된 영상신호의 그레이 레벨 분포를 근거로 하여 누적 밀도 함수를 구해서 양자화된 누적 밀도 함수값을 출력하는 단계; (c) 상기 양자화된 누적 밀도 함수값을 근거로 하여 보간에 의해 보간된 누적 밀도 함수값을 출력하는 단계; (d) 입력되는 영상신호를 화면단위로 평균레벨을 계산하는 단계; 및 (e) 상기 보간된 누적 밀도 함수를 변환함수로 사용하여 상기 입력되는 영상신호를 그레이 레벨로 맵핑하되 상기 (d)단계에서 구해진 평균레벨은 그 자신에게 맵핑되도록 변환함수를 조정하는 단계를 포함함을 특징으로 하고 있다.In order to achieve the above object, the image quality improving method according to the present invention is a method for improving image quality by histogram equalizing a video signal represented by a predetermined number of gray levels: (a) by quantizing the level of the input video signal Outputting a quantized video signal; (b) obtaining a gray level distribution of the quantized video signal in units of screens, and calculating a cumulative density function based on the obtained gray level distribution of the quantized video signal and outputting a quantized cumulative density function value; (c) outputting the interpolated cumulative density function value by interpolation based on the quantized cumulative density function value; (d) calculating an average level of the input video signal in units of screens; And (e) mapping the input video signal to gray level using the interpolated cumulative density function as a conversion function, and adjusting the conversion function such that the average level obtained in step (d) is mapped to itself. It is characterized by.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 화질 개선 회로는 소정수의 그레이 레벨로 표현되는 영상신호를 히스토그램 등화하여 화질을 개선하는 회로에 있어서: 입력되는 영상신호의 레벨을 양자화하여 양자화된 영상신호를 출력하는 양자화수단; 상기 양자화된 영상신호를 화면단위로 그레이 레벨 분포를 구해서, 구해진 양자화된 영상신호의 그레이 레벨 분포를 근거로 하여 누적 밀도 함수를 계산하여 양자화된 누적 밀도 함수값을 출력하는 제1계산수단; 입력되는 영상신호를 화면단위로 평균레벨을 계산하는 제2계산수단; 상기 양자화된 누적 밀도 함수값을 보간하여 보간된 누적 밀도 함수값을 출력하는 보간수단; 및 상기 보간된 누적 밀도 함수를 변환함수로 사용하여, 입력되는 영상신호를 그레이 레벨로 맵핑하되, 상기 제2계산수단에서 구해진 평균레벨이 그 자신에게 맵핑되도록 변환함수를 조정하여 개선된 신호를 출력하는 출력수단을 포함함을 특징으로 하고 있다.In order to achieve the above another object, an image quality improvement circuit according to the present invention is a circuit for improving image quality by histogram equalizing a video signal represented by a predetermined number of gray levels: quantizing the level of an input video signal Quantization means for outputting a video signal; First calculating means for obtaining a gray level distribution of the quantized video signal in units of screens, calculating a cumulative density function based on the obtained gray level distribution of the quantized video signal, and outputting a quantized cumulative density function value; Second calculating means for calculating an average level of the input video signal in units of screens; Interpolation means for outputting interpolated cumulative density function values by interpolating the quantized cumulative density function values; And using the interpolated cumulative density function as a conversion function, mapping the input image signal to gray level, and adjusting the conversion function such that the average level obtained by the second calculating means is mapped to itself, and outputs the improved signal. It characterized in that it comprises an output means to.
도 1은 본 발명의 양자화 개념을 설명하기 위하여 L레벨 이산 신호를 Q레벨 이산 신호로 양자화하는 예를 보인 도면이다.1 illustrates an example of quantizing an L-level discrete signal into a Q-level discrete signal in order to explain the quantization concept of the present invention.
도 2는 본 발명에 적용되는 보간 개념을 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining an interpolation concept applied to the present invention.
도 3은 본 발명에 의한 양자화된 평균-매칭 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선 회로의 일 실시예에 따른 블록도이다.3 is a block diagram according to an embodiment of an image quality improvement circuit using quantized mean-matching histogram equalization according to the present invention.
도 4는 본 발명에 의한 양자화된 평균-매칭 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선 방법의 다른 실시예에 따른 블록도이다.4 is a block diagram according to another embodiment of a method for improving image quality using quantized mean-matching histogram equalization according to the present invention.
먼저, 본 발명에서 제안하는 양자화된 평균-매칭 히스토그램 등화(Quantized Mean-Matching Histogram Equalization)를 이용한 화질 개선 방법에 대하여 설명하기로 한다.First, an image quality improvement method using quantized mean-matching histogram equalization proposed by the present invention will be described.
{X}는 주어진 영상을 나타내고, Xm은 주어진 영상 {X}의 평균레벨을 나타낸다.{X} represents a given image, and X m represents an average level of a given image {X}.
주어진 영상 {X}는 L개의 이산(discrete) 그레이 레벨{X0,X1,...,XL-1}로 구성되고, 여기서, X0=0은 블랙레벨을 나타내고, XL-1=1은 화이트 레벨을 나타낸다. 또한, Xm∈ {X0,X1,...,XL-1}이다.A given image {X} consists of L discrete gray levels {X 0 , X 1 , ..., X L-1 }, where X 0 = 0 represents a black level, and X L-1 = 1 indicates white level. And X m ∈ {X 0 , X 1 , ..., X L-1 }.
원래의 이산 입력 레벨{X0,X1,...,XL-1}을 {Z0,Z1,...,ZQ-1}로 정의되는 Q 이산레벨로 양자화하되, 여기서, ZQ-1= XL-1이라 하고, 또한 Q 1 L 이고, {Z0,Z1,...,ZQ-1} 1C {X0,X1,...,XL-1}라고 가정한다.Quantize the original discrete input level {X 0 , X 1 , ..., X L-1 } to the Q discrete level defined by {Z 0 , Z 1 , ..., Z Q-1 }, where Z Q-1 = X L-1 , and also Q 1 L, {Z 0 , Z 1 , ..., Z Q-1 } 1C {X 0 , X 1 , ..., X L-1 } Is assumed.
이와 같이 L레벨 이산 신호를 Q레벨 이산신호로 양자화하는 예는 도 1에 도시되어 있다.Thus, an example of quantizing the L-level discrete signal into a Q-level discrete signal is shown in FIG.
그리고, Q[Xk]는 양자화 연산이라고 하고, 다음과 같이 정의한다.Q [X k ] is called a quantization operation and is defined as follows.
Q[Xk] = Zq, if Zq-1XK1Zq Q [X k ] = Z q , if Z q-1 X K 1Z q
{Z} = Q[{X}]라고 둘 때, {Z}는 양자화된 입력 영상을 나타낸다.When {Z} = Q [{X}], {Z} represents the quantized input image.
양자화된 입력 영상 {Z}의 확률 밀도 함수(probablity density function:PDF)는 아래 수학식 1로 나타낼 수 있다.Probability density function (PDF) of the quantized input image {Z} may be represented by Equation 1 below.
[수학식 1][Equation 1]
여기서, P(Zq)는 양자화된 영상 {Z}에서 q번째 양자화 그레이 레벨(Zq)의 확률이고, Nq는 양자화된 영상 {Z}에서 이 레벨(Zq)이 나타나는 횟수를 나타내고, N은 양자화된 영상 {Z}의 전체 샘플수를 나타낸다.Where P (Z q ) is the probability of the q th quantized gray level (Z q ) in the quantized image {Z}, and N q represents the number of times this level (Z q ) appears in the quantized image {Z}, N represents the total number of samples of the quantized image {Z}.
그때, 양자화된 영상 {Z}의 누적 밀도 함수(cumulative density function:CDF)는 다음 수학식 2와 같이 정의된다.At this time, the cumulative density function (CDF) of the quantized image {Z} is defined as in Equation 2 below.
[수학식 2][Equation 2]
여기서, C(ZQ-1) = 1 이다.Where C (Z Q-1 ) = 1.
양자화되기 전 샘플들의 누적 밀도 함수 c(Xk)는 양자화된 샘플의 누적 밀도 함수 C(Zq)로부터 도 2에 도시된 바와 같이 선형보간을 통해 근사적으로 계산될 수 있다.The cumulative density function c (X k ) of the samples before quantization can be approximated through linear interpolation as shown in FIG. 2 from the cumulative density function C (Z q ) of the quantized sample.
Q[Xk] = Zq일때, Z-1= 0 로 가정하면, c(Xk)는 다음 수학식 3과 같이 선형보간된다.When Q [X k ] = Z q , assuming Z −1 = 0, c (X k ) is linearly interpolated as in Equation 3 below.
[수학식 3][Equation 3]
또한, 위 수학식 3으로부터 c(Xm)도 근사적으로 구할 수 있다.In addition, c (X m ) can be approximately obtained from Equation 3 above.
히스토그램 등화의 가장 큰 문제점은 변환함수로 사용되는 누적 밀도 함수에 따라 입출력 신호간의 평균밝기가 현저하게 변할 수 있다는 것이다.The biggest problem with histogram equalization is that the average brightness between input and output signals can vary significantly depending on the cumulative density function used as the conversion function.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는 선형보간을 통해 구해진 누적 밀도 함수와 결합하여 입력영상의 평균에 근거로 한 다음의 맵핑동작을 제안한다.In order to solve this problem, the present invention proposes the following mapping operation based on the average of the input image in combination with the cumulative density function obtained through linear interpolation.
[수학식 4][Equation 4]
이것은 평균레벨(Xm)이하인 입력 샘플은 변환함수에 의해 X0에서 Xm까지의 그레이레벨로 맵핑되고, 평균레벨(Xm)보다 큰 입력 샘플은 변환함수에 의해 Xm+1에서 XL-1까지의 그레이 레벨로 맵핑된다. 수학식 4에서 Xm은 다시 Xm으로 맵핑됨을 알 수 있다.This means that input samples below average level (X m ) Is mapped to gray level of from X m on the X 0 by a large input sample than the mean level (X m) is a transfer function It is mapped to gray levels from X m + 1 to X L-1 . X m in Equation (4) it can be seen that the re-mapping to X m.
따라서, 주어진 영상을 양자화된 누적 밀도 함수로부터 선형보간을 통해 계산된 보간된 누적 밀도 함수에 따라 히스토그램 등화할 때, 주어진 영상의 평균레벨은 그 자신에게 다시 맵핑되도록 보간된 누적 밀도 함수에 근거한 변환함수를 수학식 4와 같이 조정하여 주어진 영상의 평균밝기가 히스토그램 등화에 의하여 변하지 않도록 하는 방법을 본 발명에서는 양자화된 평균-매칭 히스토그램 등화라고 칭한다.Thus, when a given image is histogram equalized according to the interpolated cumulative density function computed through linear interpolation from the quantized cumulative density function, the mean level of the given image is transformed based on the interpolated cumulative density function to be mapped back to itself. Is adjusted as in Equation 4 so that the average brightness of a given image is not changed by histogram equalization. In the present invention, quantized average-matched histogram equalization is called.
이어서, 도 3 및 도 4를 결부시켜 본 발명에 의한 양자화된 평균-매칭 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선 회로의 실시예를 설명하기로 한다.3 and 4, an embodiment of the image quality improvement circuit using the quantized average-matching histogram equalization according to the present invention will be described.
도 3은 본 발명에 의한 양자화된 평균-매칭 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선 회로의 일 실시예에 따른 블록도이다.3 is a block diagram according to an embodiment of an image quality improvement circuit using quantized mean-matching histogram equalization according to the present invention.
도 3에 있어서, 양자화기(102)는 L레벨의 입력 영상신호(Xk)를 Q레벨로 양자화하여 양자화된 영상신호(Zq)를 출력한다.In FIG. 3, the quantizer 102 quantizes the L-level input video signal X k to a Q level and outputs a quantized video signal Z q .
프레임 히스토그램 계산기(104)는 양자화된 영상신호(Zq)에 대해 1 화면 단위로 그레이 레벨 분포를 계산해서 수학식 1을 이용하여 확률 밀도 함수(P(Zq))를 계산한다. 여기서, 화면 단위는 필드도 될 수 있으나 여기서는 프레임으로 한다.The frame histogram calculator 104 calculates a probability density function P (Z q ) using Equation 1 by calculating a gray level distribution on a quantized image signal Z q in units of one screen. Here, the screen unit may be a field, but here, it is a frame.
CDF 계산기(106)는 프레임 히스토그램 계산기(104)에서 계산된 양자화된 영상신호(Zq)의 확률 밀도 함수(P(Zq))를 근거로 하여 식(2)를 이용하여 양자화된 누적 밀도 함수((C(Zq))를 계산한다.The CDF calculator 106 calculates the cumulative density function quantized using Equation (2) based on the probability density function P (Z q ) of the quantized video signal Z q calculated by the frame histogram calculator 104. Calculate ((C (Z q )).
CDF 보간기(108)에서는 양자화된 영상신호(Zq)의 누적 밀도 함수값(C(Zq))를 근거로하여 수학식 3에 의해 선형 보간하여 보간된 누적 밀도 함수값(c(Xk))을 출력한다. 여기서, k=0,1,...,L-1 이다.In the CDF interpolator 108, based on the cumulative density function value C (Z q ) of the quantized image signal Z q , the interpolated cumulative density function value c (X k) Output)). Where k = 0,1, ..., L-1.
한편, 프레임 평균 계산기(110)에서는 프레임 단위의 입력 영상(Xk)의 평균레벨(Xm)을 계산하고, 동기신호(여기서는 프레임 동기신호:SYNC)에 따라 계산된 평균레벨(Xm)을 CDF 메모리(114), 제1 및 제2 맵퍼(116,118)에 출력한다.On the other hand, the frame mean calculator 110 in calculating the mean level (X m) of the input image (X k) of the frame unit, and a synchronization signal (here, the frame synchronizing signal: SYNC) an average level calculated according to the (X m) Output to the CDF memory 114, the first and the second mapper 116, 118.
프레임 메모리(112)는 입력되는 영상신호(Xk)를 1프레임 단위로 저장한다.The frame memory 112 stores the input image signal X k in units of one frame.
여기서, 보간된 누적 밀도 함수값(c(Xk))은 현재 입력되는 영상신호(Xk)에 비해 1프레임이 지연된 영상신호의 누적 밀도 함수값이므로 이 보간된 누적 밀도 함수값(c(Xk))과 동일 프레임의 영상신호를 제1 및 제2 맵퍼(116,118)에 입력시키기 위하여 입력되는 영상신호(Xk)를 프레임 메모리(112)에 의해 1 프레임 지연시킨다.Here, the interpolated cumulative density function value c (X k ) is an interpolated cumulative density function value c (X (X k )) since it is a cumulative density function value of the video signal delayed by one frame compared to the currently input video signal X k . The video signal X k is delayed by one frame by the frame memory 112 so that the video signal of the same frame as k )) is input to the first and second mappers 116 and 118.
CDF 메모리(114)는 CDF 보간기(108)에서 보간된 누적 밀도 함수(c(Xk))를 동기신호(SYNC)에 따라 프레임단위로 갱신하고, 갱신되는 동안 저장된 보간된 누적 밀도 함수값(c(Xk)) 및 프레임 평균 계산기(110)에서 출력되는 평균레벨(Xm)에 대한 누적 밀도 함수값(c(Xm))을 출력한다. 여기서, CDF 메모리(114)는 버퍼로서 사용하고, k=0,1,...,L-1 이다.The CDF memory 114 updates the cumulative density function c (X k ) interpolated in the CDF interpolator 108 in units of frames according to the synchronization signal SYNC, and stores the interpolated cumulative density function value ( c (X k )) and the cumulative density function value c (X m ) with respect to the average level X m output from the frame average calculator 110. Here, the CDF memory 114 is used as a buffer and k = 0, 1, ..., L-1.
제1 맵퍼(116)는 CDF 메모리(114)로부터 출력되는 보간된 누적 밀도 함수값(c(Xk))과 평균레벨에 대한 누적 밀도 함수값(c(Xm)), 프레임 평균 계산기(110)로부터 출력되는 평균레벨(Xm) 및 프레임 메모리(112)로부터 출력되는 1프레임 지연된 영상신호(Xk)를 입력하여 수학식 4를 이용하여 평균레벨(Xm)이하인 지연된 입력 영상신호(Xk)를 X0에서 Xm까지의 그레이 레벨로 맵핑한다.The first mapper 116 may include the interpolated cumulative density function value c (X k ) output from the CDF memory 114, the cumulative density function value c (X m ) with respect to the average level, and the frame average calculator 110. The delayed input video signal (X m ) is equal to or less than the average level (X m ) by inputting the average level (X m ) outputted from the < RTI ID = 0.0 > 1 < / RTI > k ) maps to gray levels from X 0 to X m .
제2 맵퍼(118)는 CDF 메모리(114)로부터 출력되는 보간된 누적 밀도 함수값(c(Xk))과 평균레벨에 대한 누적 밀도 함수값(c(Xm)), 프레임 평균 계산기(110)로부터 출력되는 평균레벨(Xm) 및 프레임 메모리(112)로부터 출력되는 1프레임 지연된 입력 영상신호(Xk)를 입력하여 평균레벨(Xm)보다 큰 지연된 입력 영상신호(Xk)를 식(4)를 이용하여 Xm+1에서 XL-1까지의 그레이 레벨로 맵핑한다.The second mapper 118 may include the interpolated cumulative density function value c (X k ) output from the CDF memory 114, the cumulative density function value c (X m ) with respect to the average level, and the frame average calculator 110. ) expression the mean level (X m) and a frame memory 112, one-frame delayed input video signal (X k) largest delayed input video signal (X k) than the mean level (X m) by entering the output from the output from the Use (4) to map gray levels from X m + 1 to X L-1 .
비교기(120)는 프레임 메모리(112)에서 출력되는 영상신호(Xk)와 프레임 평균 계산기(110)에서 출력되는 평균레벨(Xm)을 비교하여 선택제어신호를 발생한다.The comparator 120 generates a selection control signal by comparing the image signal X k output from the frame memory 112 with the average level X m output from the frame average calculator 110.
선택기(122)는 선택제어신호에 따라 즉, 프레임 메모리(112)로부터 출력되는 영상신호(Xk)가 평균레벨(Xm) 이하이면 제1 맵퍼(116)를 선택하고, 그렇지 않으면 제2 맵퍼(118)를 선택해서 개선된 영상신호(YH)를 출력한다.The selector 122 selects the first mapper 116 according to the selection control signal, that is, if the video signal X k output from the frame memory 112 is equal to or less than the average level X m , otherwise the second mapper is selected. Select 118 to output the improved video signal Y H.
여기서, 프레임 히스토그램 계산기(104)와 CDF 계산기(106)를 별도로 사용하지 않고, 양자화된 영상신호(Zq)에 대해 1화면단위로 그레이 레벨 분포를 계산하여 이를 근거로 하여 양자화된 영상신호(Zq)의 CDF를 계산하는 하나의 블록으로 구성될 수 있다.Here, without using the frame histogram calculator 104 and the CDF calculator 106 separately, the gray level distribution is calculated in units of one screen with respect to the quantized video signal Z q and the quantized video signal Z q ) may be composed of one block for calculating the CDF.
도 4는 본 발명에 의한 양자화된 평균-매칭 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선 회로의 다른 실시예에 따른 블록도이다.4 is a block diagram according to another embodiment of an image quality improvement circuit using quantized mean-matching histogram equalization according to the present invention.
도 4에 있어서, 양자화기(202)는 L레벨의 입력 영상신호(Xk)를 Q레벨로 양자화하여 양자화된 영상신호(Zq)를 출력한다.In FIG. 4, the quantizer 202 quantizes the L-level input video signal X k to a Q level and outputs a quantized video signal Z q .
프레임 히스토그램 계산기(204)는 양자화된 영상신호(Zq)에 대해 프레임 단위로 그레이 레벨 분포를 계산해서 수학식 1을 이용하여 양자화된 영상신호(Zq)의 확률 밀도 함수(P(Zq))를 계산한다.A frame histogram calculator 204 is the probability density function of calculating a gray level distribution in a frame unit by quantization using equation 1 for a quantized video signal (Z q) video signal (Z q), (P (Z q) Calculate
CDF 계산기(206)는 프레임 히스토그램 계산기(204)에서 계산된 양자화된 영상신호(Zq)의 확률 밀도 함수(P(Zq))를 근거로 하여 식(2)를 이용하여 양자화된 누적 밀도 함수((C(Zq))를 계산한다.The CDF calculator 206 is a cumulative density function quantized using Equation (2) based on the probability density function P (Z q ) of the quantized video signal Z q calculated by the frame histogram calculator 204. Calculate ((C (Z q )).
CDF 보간기(208)에서는 양자화된 영상신호(Zq)의 누적 밀도 함수(C(Zq))를 근거로하여 식(3)에 의해 선형 보간하여 보간된 누적 밀도 함수값(c(Xk))을 출력한다. 여기서, k=0,1,...,L-1 이다.In the CDF interpolator 208, based on the cumulative density function C (Z q ) of the quantized video signal Z q , the interpolated cumulative density function value c (X k ) is linearly interpolated by equation (3). Output)). Where k = 0,1, ..., L-1.
한편, 프레임 평균 계산기(210)에서는 프레임 단위의 입력 영상(Xk)의 평균레벨(Xm)을 계산하고, 프레임 동기신호(SYNC)에 따라 계산된 평균레벨(Xm)을 CDF 메모리(212), 제1 및 제2 맵퍼(214,216)에 출력한다.On the other hand, the frame mean calculator 210, the calculated average level (X m) of the input image (X k) of the frame unit, and calculating in accordance with the frame synchronizing signal (SYNC), an average level (X m) CDF memory (212 ) And the first and second mappers 214 and 216.
CDF 메모리(212)는 CDF 보간기(208)에서 보간된 누적 밀도 함수값(c(Xk))을 프레임 동기신호(SYNC)에 따라 프레임단위로 갱신하고, 갱신되는 동안 저장된 보간된 누적 밀도 함수값(c(Xk)) 및 프레임 평균 계산기(210)에서 출력되는 평균레벨(Xm)에 대한 누적 밀도 함수값(c(Xm))을 출력한다. 여기서, k=0,1,...,L-1 이다.The CDF memory 212 updates the cumulative density function value c (X k ) interpolated in the CDF interpolator 208 in units of frames according to the frame synchronization signal SYNC, and stores the interpolated cumulative density function stored during the update. The cumulative density function value c (X m ) with respect to the value c (X k ) and the average level X m output from the frame average calculator 210 is output. Where k = 0,1, ..., L-1.
제1맵퍼(214)는 CDF 메모리(212)로부터 출력되는 보간된 누적 밀도 함수값(c(Xk))과 평균레벨에 대한 누적 밀도 함수값(c(Xm)), 프레임 평균 계산기(210)로부터 출력되는 평균레벨(Xm) 및 입력 영상신호(Xk)를 입력하여 식(4)를 이용하여 평균레벨(Xm)이하인 입력 영상신호(Xk)를 X0에서 Xm까지의 그레이 레벨로 맵핑한다.The first mapper 214 is an interpolated cumulative density function value c (X k ) output from the CDF memory 212, a cumulative density function value c (X m ) with respect to an average level, and a frame average calculator 210. ) of the mean level (X m) and the input video signal (the average level using equation (4) to enter the X k) (X m) or less input video signal (X k) output from the from X 0 to X m Map to gray level.
제2맵퍼(216)는 CDF 메모리(212)로부터 출력되는 보간된 누적 밀도 함수값(c(Xk))과 평균레벨에 대한 누적 밀도 함수값(c(Xm)), 프레임 평균 계산기(210)로부터 출력되는 평균레벨(Xm) 및 입력 영상신호(Xk)를 입력하여 평균레벨(Xm)보다 큰 입력 영상신호(Xk)를 수학식 4를 이용하여 Xm+1에서 XL-1까지의 그레이 레벨로 맵핑한다.The second mapper 216 may include the interpolated cumulative density function value c (X k ) output from the CDF memory 212, the cumulative density function value c (X m ) with respect to the average level, and the frame average calculator 210. ), an average level (X m) and the input video signal (X k) by entering a large number of input image signals (X k) than the mean level (X m) from X m + 1 using equation 4 X L outputted from the Map to gray levels up to -1
이때, 제1 및 제2맵퍼(214,216)에 입력되는 영상신호(Xk)는 CDF 메모리(212)로부터 출력되는 보간된 누적 밀도 함수값(c(Xk))에 비해서 다음 프레임의 영상신호이다.At this time, the image signal X k input to the first and second mappers 214 and 216 is an image signal of the next frame compared to the interpolated cumulative density function value c (X k ) output from the CDF memory 212. .
그러나, 인접 프레임간에는 높은 상관성을 가진다는 특성을 이용하여 프레임 메모리를 생략함으로써 하드웨어를 감소시킨다.However, the hardware is reduced by omitting the frame memory using the property of having a high correlation between adjacent frames.
비교기(218)는 입력 영상신호(Xk)와 프레임 평균 계산기(210)에서 출력되는 평균레벨(Xm)을 비교하여 선택제어신호를 발생한다.The comparator 218 compares the input image signal X k with the average level X m output from the frame average calculator 210 to generate a selection control signal.
선택기(220)는 선택제어신호에 따라 즉, 입력 영상신호(Xk)가 평균레벨(Xm)이하이면 제1 맵퍼(214)를 선택하고, 그렇지 않으면 제2맵퍼(218)를 선택해서 식(4)에 도시된 바와 같은 개선된 신호(YH)를 출력한다.The selector 220 selects the first mapper 214 according to the selection control signal, that is, if the input image signal X k is equal to or less than the average level X m , otherwise selects the second mapper 218. Output the improved signal Y H as shown in (4).
본 발명은 영상신호의 화질 개선에 관련된 광범위한 분야에 응용될 수 있다. 즉, 방송기기, 레이더 신호 처리 시스템, 의용 공학, 가전 제품등에 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, the present invention can be applied to broadcasting equipment, radar signal processing systems, medical engineering, home appliances, and the like.
상술한 바와 같이, 본 발명은 주어진 영상신호의 양자화된 누적 밀도 함수로부터 선형보간을 통해 근사화된 누적 밀도 함수에 따라 히스토그램 등화할 때 주어진 영상의 평균 그레이 레벨이 그 자신에게 맵핑되도록 변환함수를 조정하여 콘트라스트를 개선하면서 주어진 영상의 평균밝기를 일정하게 유지하는 효과가 있다.As described above, the present invention adjusts a transform function such that the average gray level of a given image is mapped to itself when histogram equalization is performed according to the cumulative density function approximated through linear interpolation from the quantized cumulative density function of a given image signal. It has the effect of keeping the average brightness of a given image constant while improving the contrast.
또한, 본 발명의 회로는 입력 영상신호를 양자화해서 히스토그램 등화시 CDF 계산을 위하여 양자화된 레벨의 발생횟수만을 저장하고, 누적함으로써 하드웨어가 간단해지고 비용이 절감되는 효과가 있다.In addition, the circuit of the present invention saves and accumulates only the number of occurrences of the quantized level for CDF calculation during histogram equalization by quantizing the input video signal, thereby simplifying hardware and reducing cost.
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