KR100243299B1 - 영상의 재귀적 히스토그램 등화 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영상 시퀀스의 재귀적 히스토그램 등화 장치 및 방법을 개시한다. 이 히스토그램 등화 장치는 히스토그램 등화부, 영상 분석부 및 등화 제어부로 구성되며, 히스토그램 등화부는 이전 프레임들로부터 갱신된 히스토그램의 등화 함수를 이용하여, 입력된 현재 프레임을 히스토그램 등화하고, 영상 분석부는 등화된 현재 프레임의 각 화소에 대한 국부 활동성을 계산하고, 계산된 결과에 따라 현재 프레임의 히스토그램을 생성하고, 등화 제어부는 현재 프레임의 히스토그램과 이전 프레임의 히스토그램을 혼합한 새로운 히스토그램을 히스토그램 등화부로 출력하는 것을 특징으로 한다.

Description

영상의 재귀적 히스토그램 등화 방법 및 장치
본 발명은 영상 처리 시스템에 관한 것으로서, 특히 영상의 히스토그램 등화 방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로 영상 처리 시스템에서, 시각적으로 밝기의 강도(intensity)를 구분하기 어려운 영상의 콘트라스트를 극대화하기 위해서 히스토그램 등화 방법이 사용된다.
예컨대, 촬영이나 저장 과정중의 열화로 인하여 콘트라스트가 저하된 영상은 각 화소의 휘도레벨들이 일부의 밝기 레벨에만 집중되어 있기 때문에 사람이나 기계에 의한 인지가 곤란할 수 있다. 이와 같이, 일부의 밝기 레벨에만 집중되어 있는 화소들의 밝기 분포 즉, 히스토그램을 전체 밝기 레벨 영역으로 골고루 분포하도록 하여 영상의 콘트라스트를 확장하는 것이 히스토그램 등화의 기본 원리이다.
히스토그램 등화 방법으로서 가장 단순한 방법은 영상의 동적 범위(dynamic range)를 확장시키는 방법이다. 여기서, 영상의 동적 범위는 한 영상 화면을 구성하는 화소들중 가장 밝은 화소값과 가장 어두운 화소값의 비율을 의미하며, 동적 범위가 커질 수록 콘트라스트는 확장된다. 이러한 방법은 각 화소의 밝기 정도를 나타내는 화소 레벨에 대해, 화소 레벨당 발생 빈도수를 구하여 화소 레벨 대비 발생 빈도수의 히스토그램을 얻은 후에, 각 화소 레벨간의 간격을 해당 발생 빈도수에 비례하여 조정하는 것이다.
영상의 동적 범위를 확장시키는 히스토그램 등화는 결과적으로, 화소 레벨의 발생 빈도수에 비례하여 화소 레벨간의 간격을 벌리거나(콘트라스트 확장), 좁히게 된다(콘트라스트 수축). 이 과정에서 크게 두가지 문제점이 발생한다. 첫번째 문제점은 콘트라스트 확장된 영역에서의 잡음 증폭이다. 특히, 유한한 레벨로 양자화된 디지탈 영상의 경우에 원 영상의 잡음에 양자화 잡음이 더해져 눈에 매우 거슬리는 결과를 얻기 쉽다. 이러한 경향은 콘트라스트 확장에 비례하여 증가된다. 두번째 문제점은 콘트라스트 수축된 영역에서의 정보량 손실이다. 빈도수가 낮은 화소 레벨들로 이루어진 영역은 콘트라스트가 오히려 수축되므로, 특히 인식을 위해 중요한 정보를 포함하고 있는 영역일 경우에 정보의 치명적인 손실을 가져올 수 있다.
이러한 문제점들은 영상 화면내의 화소들을 정보 가치의 구분없이 동일하게 취급하여 히스토그램 등화하였기 때문이다. 이러한 문제점들을 보완하기 위해서 여러가지 방법들이 모색되어 왔다. 실제로 인지에 유용한 정보만을 이용하기 위하여, 영상 화면내에 엣지 정보만을 추출하여 히스토그램을 계산하는 방법이나, 화면을 유사한 특성을 갖는 영역으로 분할하고, 분할된 각 영역의 대표값만으로 히스토그램을 구하는 방법등이 제안되었다. 그러나, 콘트라스트가 저하된 영상으로부터 엣지 정보를 추출하거나, 영역 구분을 하는 데에는 한계가 있다. 또한, 화면내 인접한 화소들간의 상관성 정보를 이용하는 방법도 제안되었으나, 이 방법은 지나치게 복잡하여 하드웨어로 구현하기에 용이하지 않은 문제점이 있다.
한편, TV신호와 같은 영상 시퀀스에 대한 히스토그램 등화도 전술한 바와 같은 정지 영상에 사용되는 기법이 그대로 사용되어 왔다. 단지 히스토그램 등화에 사용되는 변환 함수가 시간에 따라 요동하지 않도록 여러 화면에 걸쳐 평균하는 방법만이 추가로 적용되었다.
따라서, 이러한 추가적인 방법만으로는 연속된 영상 화면으로 된 영상 시퀀스의 히스토그램 등화를 만족할 수 없으며, 또한 전술한 정지 영상의 히스토그램 등화의 문제점을 치유할 수 없다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는, 영상 시퀀스 또는 정지 영상에 대해 콘트라스트 확장된 영역에서의 잡음 증폭을 감소시키고, 콘트라스트 수축된 영역에서의 정보량 손실을 없애며, 공간적 영상 정보를 감안하여 지능적으로 파라메타를 설정함으로써 자연스러운 등화 처리를 가능케하는 히스토그램 등화 장치를 제공하는데 있다.
본 발명이 이루고자하는 다른 기술적 과제는, 상기 히스토그램 등화 장치에 의해 수행되는 히스토그램 등화 방법을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 의한 재귀적 히스토그램 등화 장치의 바람직한 실시예에 따른 블럭도이다.
도 2 (a)~(f)는 활동성 계산을 위한 마스크의 종류를 예시하는 도면들이다.
도 3은 도 1에 도시된 히스토그램 카운터에서 국부 활동성과 레벨 확장성에 따라 카운트값을 구분한 영역들을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 의한 재귀적 히스토그램 등화 방법을 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 5는 도 4에 도시된 제420단계를 상세히 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 6은 도 4에 도시된 제440단계를 상세히 설명하기 위한 플로우챠트이다.
도 7은 본 발명의 히스토그램 등화 장치에 따른 수렴 특성을 나타내는 도면이다.
도 8은 윈도우즈 환경에 기반한 재귀적 히스토그램 등화 시뮬레이터의 바람직한 실시예에 따른 블럭도이다.
상기 과제를 이루기 위하여, 본 발명에 의한 히스토그램 등화 장치는 히스토그램 등화부, 영상 분석부 및 등화 제어부로 구성된다. 여기서, 히스토그램 등화부는 이전 프레임들로부터 갱신된 히스토그램의 등화 함수를 이용하여, 입력된 현재 프레임을 히스토그램 등화한다. 영상 분석부는 등화된 현재 프레임의 각 화소에 대한 국부 활동성을 계산하고, 계산된 결과에 따라 현재 프레임의 히스토그램을 생성한다. 등화 제어부는 현재 프레임의 히스토그램과 이전 프레임의 히스토그램을 혼합한 새로운 히스토그램을 히스토그램 등화부로 출력한다.
상기 다른 과제를 이루기 위하여, 본 발명에 의한 히스토그램 등화 방법은, 먼저, 이전 프레임들로부터 갱신된 히스토그램의 등화 함수를 이용하여, 입력된 현재 프레임의 히스토그램을 등화한다. 다음에, 등화된 현재 프레임의 각 화소에 대한 국부 활동성에 따라 현재 프레임의 히스토그램을 생성한다. 다음에, 현재 프레임의 히스토그램과 이전 프레임의 히스토그램을 혼합한 새로운 히스토그램을 다음 프레임에 대한 등화 함수의 계산을 위해 출력한다.
영상의 특성상 연속된 영상간에는 매우 높은 상관성이 존재한다. 본 발명은 이러한 특성을 이용하여 하드웨어 복잡도를 높이지 않으면서 점진적으로 히스토그램 등화를 조정하는 것이다. 히스토그램 등화할 입력 영상의 분석을 바탕으로 히스토그램 등화의 문제점들을 극복하려는 종래의 시도에 반하여, 재귀적 히스토그램 등화라 불리우는 본 발명의 히스토그램 등화는 히스토그램 등화된 출력 영상을 분석하고, 그 정보를 다음 입력 영상의 히스토그램 등화에 적용하여 종래의 히스토그램 등화의 문제점들을 개선한다.
이하, 본 발명에 의한 영상의 재귀적 히스토그램 등화 장치의 구성 및 동작을 첨부한 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 재귀적 히스토그램 등화 장치의 바람직한 실시예에 따른 블럭도로서, 히스토그램 등화부(100), 영상 분석부(110) 및 등화 제어부(120)로 구성된다. 구체적으로 영상 분석부(110)는 국부 활동성 계산기(112) 및 히스토그램 카운터(114)로 구성되고, 등화 제어부(120)는 히스토그램 갱신기(122) 및 프레임 지연기(124)로 구성된다. 도 1에서 굵은 선은 영상의 흐름을, 가는 선은 히스토그램의 흐름을 각각 나타낸다.
히스토그램 등화부(100)는 영상을 입력단자 IN을 통해 프레임 단위로 입력하고, 등화 제어부(120)로부터 영상의 이전 프레임들로부터 갱신된 히스토그램을 입력한다. 히스토그램 등화부(100)는 일반적인 히스토그램 등화기와 마찬가지로 영상의 히스토그램을 등화하지만, 입력된 현재 프레임으로부터 계산된 히스토그램을 이용하지 않는다. 즉, 히스토그램 등화부(100)는 입력된 현재 프레임을 등화 제어부(120)로부터 입력된 히스토그램의 등화 함수를 이용하여 등화한다. 영상의 특성상 연속된 영상간에는 매우 높은 상관성이 있으므로 이전 프레임의 히스토그램을 이용할 수 있다. 여기서, 등화 제어부(120)로부터 입력된 히스토그램은 이전에 히스토그램 등화부(100)를 통해 등화된 영상들을 분석하여 얻은 개선된 히스토그램으로서, 이후에 상세히 설명된다.
영상 분석부(110)는 히스토그램 등화부(100)에서 등화된 현재 프레임의 각 화소에 대한 국부 활동성(local activity)을 추정하고, 추정된 결과에 따라 현재 프레임의 히스토그램을 생성한다. 히스토그램 등화부(100)를 통해 등화된 영상을 분석하는데 있어서, 콘트라스트가 확장된 화소 주변의 국부적인 활동성이 현저하게 클 경우에는 콘트라스트 확장으로 인해 잡음이 증폭된 것으로 간주하여 히스토그램 계산에서 이러한 화소를 제외시킨다. 반면, 콘트라스트가 수축된 화소 주변의 국부적인 활동성이 현저하게 작을 경우에는 콘트라스트 수축으로 인해 정보가 손실된 것으로 간주하여 히스토그램 계산에서 이러한 화소에 가중치를 부여한다.
구체적으로, 국부 활동성 계산기(112)는 등화된 현재 프레임의 각 화소에 대해 소정수의 주변 화소들과의 상관 관계로부터 국부 활동성을 계산한다. 2차원 영상의 국부 활동성은 많은 방식으로 계산될 수 있는데, 다음 수학식 1 내지 3은 국부 활동성을 계산하는 몇가지 예들을 나타낸다.
Figure 1019970061297_B1_M0001
Figure 1019970061297_B1_M0002
Figure 1019970061297_B1_M0003
수학식 1 내지 3에서, A1~A3는 국부 활동성을 추정할 수 있는 활동성 척도들이다. 허용되는 하드웨어의 복잡도와 요구되는 성능에 따라 이들중에서 적합한 수학식을 사용할 수 있으며, 또한 이들 수학식에 제한되지는 않는다.
수학식 1에서 xc은 현재 화소의 밝기 레벨을, mR은 현재 화소를 포함한 소정 형상의 마스크에서 마스크내의 화소들의 밝기 레벨의 평균값을 각각 나타낸다. 수학식 2에서 xi,j는 현재 프레임에서 i번째 열과 j번째 행의 화소의 밝기 레벨을, 1/2(xi,j-1+ xi,j+1)는 수평 방향으로 인접한 화소들의 평균값을 각각 나타낸다. 수학식 1 및 수학식 2에서 현재 화소와 주변 화소들로부터 계산된 신호 추정치 사이의 오차로 국부 활동성이 추정된다. 즉, A1또는 A2의 값이 클수록 현재 화소는 주변 화소들과의 밝기 레벨과 차이를 가지므로 잡음 성분이 많이 포함된다고 판단된다.
한편, 수학식 3에서 R은 현재 화소를 포함하며 현재 화소에 인접한 소정수의 화소들로 구성된 마스크를, NR은 마스크내 화소수를, xi은 현재 화소를, mR은 마스크내 화소들의 평균값을 각각 나타낸다. A3는 마스크내에서 신호가 일정할 경우에 잡음의 국부 분산의 추정치이다.
도 2 (a)~(f)는 활동성 계산을 위한 마스크의 종류를 예시하는 도면들이다.
도 2 (a)~(f)에서 빗금으로 친 중앙부분은 국부 활동성을 계산할 현재 화소를 나타낸다. 전술한 수학식 2는 도 2 (a)에 도시된 마스크에 따른 식이다. 마스크의 선택은 허용되는 하드웨어의 복잡도와 요구되는 성능에 따라 달라지며, 마스크에 따라 국부 활동성을 계산하는 식은 변형된다.
히스토그램 카운터(114)는 국부 활동성 계산기(112)로부터 히스토그램 등화부(100)에서 등화된 현재 프레임과, 프레임내의 각 화소의 국부 활동성 정보를 수신한다. 히스토그램 카운터(114)는 이러한 국부 활동성 및 등화된 화소 레벨의 확장 또는 수축 여부에 근거하여 현재 프레임의 히스토그램을 선택적으로 카운팅한다. 여기서, 히스토그램 등화부(100)에서 등화된 현재 프레임의 각 화소에 대한 화소 레벨이 콘트라스트 확장된 레벨인가 또는 콘트라스트 수축된 레벨인가는 현재 프레임을 등화시키는데 이용된 등화 함수로부터 알수 있다. 히스토그램 메모리(도 1에 미도시)에는 현재 프레임을 등화시키는데 이용된 이전 프레임들로부터 갱신된 이전의 히스토그램이 저장된다.
도 3은 도 1에 도시된 히스토그램 카운터에서 국부 활동성과 레벨 확장성에 따라 카운트값을 구분한 영역들을 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 기본적으로 히스토그램 카운터(114)는 입력된 현재 화소의 화소 레벨이 확장된 결과이고 국부 활동성이 높으면, 화소 레벨에 대한 발생 빈도수 계산에서 "0"으로 하여 카운팅을 제외한다. 반면, 화소 레벨이 수축된 결과이고 국부 활동성이 낮으면, 화소 레벨에 대한 발생 빈도수 계산에서 가중치(N, 여기서 N〉기본값)를 카운팅한다. 이러한 두가지의 경우가 아니면, 발생 빈도수 계산에서 기본값 즉, 1을 카운팅한다. 현재 프레임의 각 화소에 대해 화소 레벨 대비 발생 빈도수의 히스토그램을 모두 카운팅한 후에, 전체 누적값은 전체 화소수와 일치하도록 정규화된다.
이와같은 기본 카운팅에서, 레벨 확장성에 따른 카운트값 결정은 구분이 명확한 논리를 가지지만, 국부 활동성에 따른 카운트값 결정은 퍼지(fuzzy) 논리를 가진다. 이점을 고려하여 히스토그램 카운터(114)는 퍼지 히스토그램 카운터로 구현될 수 있다. 퍼지 히스토그램 카운터는 등화된 현재 프레임의 히스토그램을 마찬가지로 국부 활동성 및 레벨 확장성에 근거하여 퍼지 카운팅한다. 그러나, 퍼지 카운팅에 의해 각 화소의 카운트값은 단순히 0,1 또는 N이 아니라, 0과 1사이의 연속값 또는 1과 N사이의 연속값이 된다. 이러한 퍼지 카운팅은 특히, 연속된 영상 프레임들의 안정된 수렴 특성을 위해 도입된다.
도 3을 참조하면, 음영으로 표시된 영역들이 퍼지 카운팅 영역들을 나타낸다. 이들 영역들은 각각 국부 활동성면에서 중간치의 상한값인 제1 임계값(TH)과 하한값인 제2 임계값(TL) 부근의 값에 해당한다. 퍼지 히스토그램 카운터는 전술한 기본 카운팅에 부가하여, 입력된 현재 화소의 국부 활동성이 제1 임계값(TH) 부근의 값을 갖으면 발생 빈도수 계산에서 0과 1사이의 값을 카운팅하고, 국부 활동성이 제2 임계값(TL) 부근의 값을 갖으면 발생 빈도수 계산에서 1과 N사이의 값을 카운팅한다. 제1 임계값(TH)과 제2 임계값(TL)은 제어 변수들이며, 이들을 높게 설정함으로써 잡음 증폭을 억제할 수 있는 반면에 콘트라스트 확장을 제한할 수 있으며, 또한 그 역으로도 성립된다. 이들을 적절하게 설정하기 위해서는 국부 활동성에 대한 육안의 민감도를 고려한다.
퍼지 카운팅 후에 얻어진 현재 프레임의 히스토그램은 현재 프레임으로부터 얻을 수 있는 본래의 히스토그램에 대해 변형된 히스토그램이다. 그러므로, 보정 처리가 필요하다. 즉, 퍼지 카운팅은 다수의 밝기 레벨들이 높은 활동성을 갖는 화소들로 이루어질 경우에 다수의 밝기 레벨들을 소수로 만든다. 만일 보정 처리가 없다면 이들 레벨은 발진한다. 또한, 소수의 다수로의 전환에도 동일한 문제점이 발생한다. 따라서, 다수 및 소수의 밝기 레벨들을 그들의 경계내에서 그대로 유지하도록 조정한다. 퍼지 카운팅에 따른 이러한 강제적인 조정은 또한 연속된 영상 프레임들의 안정된 수렴을 보증한다.
다시 도 1을 참조하면, 등화 제어부(120)는 영상 분석부(110)의 히스토그램 카운터(114)에서 카운팅된 현재 프레임의 히스토그램을 수신하고, 미리 저장된 이전 프레임의 히스토그램과 혼합하여 새로운 히스토그램을 생성한다. 그리고, 새로운 히스토그램은 다시 히스토그램 등화부(100)로 출력되어 다음 프레임에 대한 등화 함수를 계산하는데 이용된다.
구체적으로, 히스토그램 갱신기(122)는 현재 프레임의 히스토그램을 미리 저장된 바로 이전 프레임의 히스토그램과 1:M(여기서, M 〉 0)의 비율로 가중 평균하여 새로운 히스토그램으로 갱신한다. 바로 이전 프레임의 히스토그램은 전술한 히스토그램 메모리(미도시)에 저장되어 있다. 히스토그램 메모리는 히스토그램 갱신기(122)에서 새로운 히스토그램이 갱신될 때마다 새로운 히스토그램을 재기록하고, 재기록된 히스토그램은 또한 다음 프레임에 대한 바로 이전 프레임의 히스토그램으로서 참조될 것이다.
여기서, 현재 프레임의 히스토그램은 가중 평균을 수행하기에 앞서, 히스토그램 등화부(100)에서 이용된 등화 함수의 역함수를 이용하여, 등화되기 이전 레벨의 히스토그램으로 변환된다. 등화된 레벨 하나에 등화되기 이전 레벨이 하나 이상 대응되는 경우에는 각각에 동일하게 히스토그램을 분배한다. 이러한 변환은 히스토그램 카운터(114)로부터 카운팅된 히스토그램이 이미 등화된 영상으로부터 계산된 것이기 때문이다.
결국, 히스토그램 갱신기(122)는 연속된 영상 프레임들의 히스토그램을 계속 갱신하여 콘트라스트 확장된 영역에서의 잡음 증폭을 감소시키고 콘트라스트 수축된 영역에서의 정보 손실을 없애는 히스토그램을 출력하게 된다. 여기서, 전술한 1:M의 비율에서 M은 등화 함수의 안정성과 재귀 과정의 수렴성을 고려하여 결정된다. M의 값이 클수록 입력 영상의 변화에 대한 등화 함수의 변화가 둔감해지나, 등화 함수의 안정성은 좋아진다. 반대로, M의 값이 작을 수록 등화 함수의 민첩성은 좋아지나, 안정성은 떨어지게 된다. 다음 수학식 4는 히스토그램 갱신기(122)에서 새로운 히스토그램을 갱신하는 예를 나타낸다.
Figure 1019970061297_B1_M0004
여기서, hk[n]은 새로운 히스토그램을, hk-1[n]은 이전 히스토그램을, f[n]은 히스토그램 카운터(114)로부터 출력된 현재 프레임의 히스토그램을 각각 나타내며, n은 0~256의 화소의 밝기 레벨을 나타내고, α는 적응 수렴 특성에 관계된 혼합비율을 나타내며, α=1/(M+1)이다.
프레임 지연기(124)는 히스토그램 갱신기(122)로부터 출력된 새로운 히스토그램을 소정 시간만큼 지연시켜 히스토그램 등화부(100)로 출력한다. 즉, 새로운 히스토그램은 입력단자 IN을 통해 히스토그램 등화부(100)로 다음 프레임이 입력되는 시간만큼 지연된다.
도 1에서 굵은 선은 영상의 흐름을 나타내지만, 히스토그램 등화부(100)에서 등화된 영상은 곧 출력단자 OUT을 통해 출력되는 영상과 동일하다. 필요한 경우, 출력단자 OUT은 히스토그램 등화부(100)에 연결된다. 영상 분석부(110)는 등화된 영상을 그대로 출력단자 OUT를 통해 출력한다. 또한, 영상 분석부(110)는 등화된 영상을 분석한 정보 즉, 히스토그램을 등화 제어부(120)로 출력한다. 등화 제어부(120)는 이러한 히스토그램을 이전 히스토그램들과 혼합하여, 갱신된 히스토그램을 히스토그램 등화부(100)로 출력한다. 따라서, 본 발명의 재귀적 히스토그램 등화 장치로 입력되는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화는 시간이 지날수록 콘트라스트가 개선된다.
이하, 본 발명에 의한 영상의 재귀적 히스토그램 등화 방법을 첨부한 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 4는 본 발명에 의한 재귀적 히스토그램 등화 방법을 설명하기 위한 플로우챠트로서, 현재 프레임을 등화하는 단계(제400단계), 등화된 현재 프레임을 분석하는 단계(제420단계) 및 분석된 정보를 다음 프레임을 등화하는데 이용하는 단계(제440 및 460단계)로 구성된다.
도 5는 도 4에 도시된 제420단계를 상세히 설명하기 위한 플로우챠트이며, 도 6은 도 4에 도시된 제440단계를 상세히 설명하기 위한 플로우챠트이다.
먼저, 연속되는 영상 시퀀스가 프레임 단위로 등화될 경우에, 초기 또는 이전 프레임들로부터 갱신된 등화 함수를 이용하여 현재 프레임은 등화된다(제400단계). 여기서, 등화 함수는 이전에 등화된 영상들을 분석하여 얻은 히스토그램의 등화 함수이다. 따라서, 현재 프레임으로부터 계산된 히스토그램을 등화한 결과보다 개선된 등화 결과가 구해진다.
제400단계 후에, 등화된 현재 프레임내의 국부 활동성에 따라 현재 프레임의 히스토그램이 생성된다(제420단계). 여기서, 현재 프레임의 히스토그램은 단순히 화소 레벨 대비 발생 빈도수의 히스토그램이 아니라, 각 화소의 국부 활동성에 따라 선택적으로 히스토그램을 카운팅한 결과이다. 따라서, 현재 프레임의 히스토그램은 등화된 현재 프레임을 분석한 정보라고 할 수 있다.
도 5를 참조하여 제420단계를 상세히 살펴보면, 먼저, 현재 프레임의 각 화소에 대해 소정수의 주변 화소들과의 상관 관계로부터 국부 활동성이 계산된다(제421단계). 국부 활동성 계산 방법중 한가지는 다음과 같은 방법이다. 먼저, 현재 화소를 포함한 소정 형상의 마스크에서, 현재 화소이외의 주변 화소들의 밝기 레벨의 평균값을 또는 현재 화소를 포함한 화소들의 밝기 레벨의 평균값이 구해진다. 다음에, 현재 화소의 밝기 레벨과 평균값과의 차를 구한다. 여기서, 차는 국부 활동성을 추정하는 척도이다. 이러한 국부 활동성의 크기는 현재 화소의 잡음 성분에 비례하여 나타난다.
각 화소에 대해 국부 활동성이 계산된 후에, 이러한 국부 활동성과 화소 레벨의 확장성에 근거하여 현재 프레임의 히스토그램이 카운팅된다(제422단계). 구체적으로, 제421단계 후에 현재 화소의 화소 레벨이 확장되고 국부 활동성이 높은지 여부가 판단된다(제423단계). 제423단계의 조건이 만족되면, 화소 레벨에 대한 발생 빈도수 계산에서 제로가 카운팅된다(제424단계). 그렇지 않으면, 다시 현재 화소의 화소 레벨이 수축되고 국부 활동성이 낮은지 여부가 판단된다(제425단계). 제425단계의 조건이 만족되면, 발생 빈도수 계산에서 가중치가 카운팅된다(제426단계). 그리고, 제423단계 및 제425단계의 조건이 모두 만족되지 않는 경우, 발생 빈도수 계산에서 기본값이 카운팅된다(제427단계).
제422단계 후에, 현재 프레임의 모든 화소에 대해 화소 레벨에 대한 발생 빈도수를 카운팅하였는지 여부가 판단된다(제428단계). 그리고, 제428단계의 판단 결과가 부정일때, 제423단계로 피드백되어 전술한 동작이 반복된다. 현재 프레임의 모든 화소에 대해 화소 레벨에 대한 발생 빈도수를 카운팅하여 히스토그램이 구해지면, 카운팅된 발생 빈도수가 전체 화소수와 일치하도록 히스토그램이 정규화된다(제429단계).
이와 같이 히스토그램을 카운팅하는데 있어서, 보다 정밀한 카운팅을 위해 다음 단계들(미도시)이 더 포함될 수 있다. 제423단계 후에, 국부 활동성이 제1 임계값(TH) 부근의 값을 갖는가를 판단하는 단계가 더 포함되고, 제1 임계값(TH) 부근의 값을 갖으면 발생 빈도수 계산에서 0과 기본값 사이의 값이 카운팅된다. 또한, 제425단계 후에, 국부 활동성이 제2 임계값(TL) 부근의 값을 갖는가를 판단하는 단계가 더 포함되고, 제2 임계값(TL) 부근의 값을 갖으면 발생 빈도수 계산에서 기본값과 가중치 사이의 값이 카운팅된다. 여기서, 제1 임계값(TH)과 제2 임계값(TL)은 각각 국부 활동성면에서 중간치의 상한값과 하한값에 해당한다. 이들을 높게 설정함으로써 잡음 증폭이 억제되는 반면에 콘트라스트 확장이 제한된다. 그리고, 또한 그 역으로도 성립된다. 이들을 적절하게 설정하기 위해서는 국부 활동성에 대한 육안의 민감도가 고려된다.
다시, 도 4를 참조하면, 제420단계 후에, 현재 프레임의 히스토그램과 이전 프레임의 히스토그램을 혼합하여 히스토그램이 갱신된다(제440단계). 다음에, 다음 프레임이 입력되는지 여부가 판단된다(제460단계). 다음 프레임이 입력되면 다시 제400단계로 피드백되고, 다음 프레임이 입력되지 않으면 본 발명의 히스토그램 등화에 따른 과정이 종료된다. 제440단계에서 갱신된 히스토그램은 다음 프레임에 대한 등화 함수를 계산하는데 이용된다.
도 6을 참조하여 제420단계를 상세히 살펴보면, 먼저, 제420단계에서 생성된 현재 프레임의 히스토그램은 등화되기 이전 레벨의 히스토그램으로 변환된다(제442단계). 즉, 제420단계에서 생성된 현재 프레임의 히스토그램은 제400단계에서 히스토그램 등화된 영상의 히스토그램이므로, 다음 프레임에 대한 등화 함수로서 이용하려면 등화되기 이전의 히스토그램으로 변환되어야 한다. 다음에, 변환된 히스토그램과 이전 프레임의 히스토그램은 1:M의 비율로 가중 평균하여 혼합된다(제444단계). 여기서, 전술한 1:M의 비율에서 M은 등화 함수의 안정성과 재귀 과정의 수렴성을 고려하여 결정된다. M의 값이 커질수록 등화 함수의 변화가 둔감해지고, M의 값이 작아질 수록 등화 함수의 변화가 크므로 수렴이 빨라진다. 제444단계에서 얻은 새로운 히스토그램은 소정 시간 지연되어 출력된다(제446단계). 즉, 새로운 히스토그램은 다음 프레임이 입력되는 시간만큼 지연된다.
지금까지 본 발명에 의한 히스토그램 등화 장치 및 방법이 기술되었다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 히스토그램 등화는 히스토그램 등화된 출력 영상을 분석하고, 그 정보를 다음 입력 영상의 히스토그램 등화에 적용하여 히스토그램 등화의 문제점들을 개선한다.
이러한 본 발명의 재귀적 히스토그램 등화는 특히, TV신호등의 영상 시퀀스에 대해 적합하다. 그 이유는 TV신호의 연속 영상 프레임들에 있어서는, 현재 프레임의 결과와 다음 프레임은 통상 서로 높은 상관 관계를 갖기 때문이다. 이러한 특징은 등화 함수를 구하는 계산 부담을 현저하게 감소시킨다. 재귀적 히스토그램 등화는 영상 시퀀스에 성공적으로 적용되기 위해서 두가지 기본 요건들을 충족해야 한다. 우선, 일정한 시퀀스에 대한 수렴을 보증해야 한다. 그렇지 않으면, 깜박거림등의 심각한 결함이 발생된다. 다음에, 수렴 속도가 화면 변화를 극복할 수 있을 만큼 충분히 빨라야 한다. TV신호의 프레임 속도는 대략 초당 30프레임이다. 재귀성은 수십개의 프레임내에서 수렴되어야 한다.
도 7은 본 발명의 히스토그램 등화 장치에 따른 평균적인 수렴 특성을 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 가로축은 영상 시퀀스의 프레임수를 나타내고, 세로축은 변화없는 동일한 영상이 입력될 때 인접한 출력 프레임들간의 정규화된 평균에러(NMSE:Normalized Mean Square Error)를 나타낸다. 수 프레임안에 인접 프레임들간의 NMSE가 현저하게 줄어들어 수렴하는 것을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 재귀적 히스토그램 등화는 정지 영상에 대해서도 효과적으로 적용된다. 정지 영상을 일정 시간동안 화면상에 디스플레이할 경우에 시간이 지날수록 점진적으로 개선된 영상이 출력된다.
또한, 전술한 본 발명에 의한 재귀적 히스토그램 등화 장치 및 방법은 기존 알고리즘과는 달리 이전 프레임의 히스토그램에서 분석된 정보를 바탕으로 현재 프레임의 확대 정도 및 수축의 보상치를 결정한다. 따라서 매 프레임마다 히스토그램의 휘도 레벨 간격 및 각 휘도 레벨의 감소 또는 보상된 크기에 따라 변화된 영상을 관찰할 수 있는 시뮬레이터를 사용함으로써 효율적인 시뮬레이션 및 적정 파라메타 설정이 가능하다.
도 8은 윈도우즈 환경에 기반한 재귀적 히스토그램 등화 시뮬레이터의 바람직한 실시예에 따른 블럭도로서, 입력부인 파라메타 제어 패널(800), 히스토그램 등화부(820), 출력부인 영상 디스플레이부(840) 및 재귀적 히스토그램 등화부(860)로 구성된다. 구체적으로, 재귀적 히스토그램 등화부(860)는 국부 활동성 계산기(862), 퍼지 히스토그램 카운터(864), 영상/히스토그램 검토용 선택적 중단기(866) 및 히스토그램 갱신기(868)로 구성된다. 도 8에서 굵은 선은 영상의 흐름을, 가는 선은 히스토그램의 처리 흐름을 각각 나타낸다.
도 8을 참조하면, 영상 입력부분으로서 파라메타 제어 패널(800)은 영상을 입력단자 IN을 통해 프레임 단위로 입력하고, 적정 파라메타 예컨대, 수학식 4에서 α의 값을 선정한다. 히스토그램 등화부(820)는 파라메타 제어 패널(800)로부터 영상과 파라메타를 입력한다. 히스토그램 등화부(820)는 입력된 현재 프레임을 재귀적 히스토그램 등화부(860)로부터 입력된 히스토그램의 등화 함수를 이용하여 등화한다. 영상 디스플레이부(840)는 히스토그램 등화부(820)에서 등화된 영상을 출력단자 OUT를 통해 디스플레이한다.
재귀적 히스토그램 등화부(860)는 기존의 히스토그램 등화부(820)에서 등화된 현재 프레임의 히스토그램을 생성하고, 미리 저장된 이전 프레임의 히스토그램과 혼합하여 새로운 히스토그램을 다시 생성한다. 여기서, 새로운 히스토그램은 히스토그램 등화부(820)로 출력되어 다음 프레임에 대한 등화 함수를 계산하는데 이용된다. 재귀적 히스토그램 등화부(860)의 구성요소들인 국부 활동성 계산기(862), 퍼지 히스토그램 카운터(864) 및 히스토그램 갱신기(868)는 도 1을 참조하여 설명한 대응 구성요소들과 동일한 동작을 수행하므로, 그 설명은 생략한다.
단, 영상/히스토그램 검토용 선택적 중단기(866)는 파라메타 제어 패널(800)에서 설정된 적정 파라메타에 따른 수렴과정에서 나타나는 영상 화질 및 히스토그램의 변화를 관찰 가능하도록 하기 위한 것으로서, 퍼지 히스토그램 카운터(864)에서 생성된 현재 프레임 또는 선택적으로 필요한 프레임마다 영상과 히스토그램의 수렴 과정을 확인가능하도록 재귀적 히스토그램 처리 진행을 잠시 중단시킨다.
도 8에 도시된 재귀적 히스토그램 등화부(860)는 시뮬레이션을 위해 부가적으로, 영상/히스토그램 검토용 선택적 중단기(866)를 포함하므로, 기존의 히스토그램 등화 기법에 의한 결과와 본 발명에 의한 재귀적 히스토그램 등화 기법에 의한 결과를 비교가능케 한다. 특히, 재귀적 히스토그램 등화 기법의 제어에 따라 단위 프레임마다 처리되어 변경된 히스토그램 및 출력 영상을 단계별로 관찰가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 재귀적 히스토그램 등화 장치 및 방법은 영상 시퀀스 또는 정지 영상에 대해 연속된 영상간의 상관성에 근거하여 히스토그램 등화를 점진적으로 개선함으로써, 콘트라스트 확장 영역에서의 잡음 증폭과 콘트라스트 수축 영역에서의 정보 손실을 감소시키는 이점이 있으며, 공간적 영상 정보를 감안하여 지능적으로 파라메타를 설정함으로써 자연스러운 등화 처리를 가능케 하는 이점이 있다.

Claims (21)

  1. 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 장치에 있어서,
    이전 프레임들로부터 갱신된 히스토그램의 등화 함수를 이용하여, 입력된 현재 프레임을 히스토그램 등화하는 히스토그램 등화부;
    등화된 상기 현재 프레임의 각 화소에 대한 국부 활동성을 계산하고, 계산된 결과에 따라 상기 현재 프레임의 히스토그램을 생성하는 영상 분석부; 및
    상기 현재 프레임의 히스토그램과 이전 프레임의 히스토그램을 혼합하여 갱신한 히스토그램을 상기 히스토그램 등화부로 출력하는 등화 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 영상 분석부는,
    상기 각 화소에 대해 소정수의 인접한 화소들과의 상관 관계로부터 상기 국부 활동성을 계산하는 국부 활동성 계산기; 및
    상기 각 화소에 대한 상기 국부 활동성 및 상기 히스토그램 등화부에서 등화된 화소 레벨의 확장 또는 수축 여부에 따라 상기 현재 프레임의 히스토그램을 카운팅하는 히스토그램 카운터를 구비하는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 영상 분석부는,
    상기 이전 프레임의 등화 함수를 저장하는 메모리를 더 포함하고,
    상기 메모리에 저장된 상기 등화 함수로부터 상기 히스토그램 등화부에서 등화된 상기 현재 프레임에 대한 화소 레벨의 확장 또는 수축 여부가 판단되는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 국부 활동성 계산기는,
    입력된 현재 화소를 포함한 소정 형상의 마스크에서 상기 현재 화소이외의 인접한 소정수의 화소들의 밝기 레벨의 평균값 또는 상기 현재 화소를 포함한 화소들의 밝기 레벨의 평균값을 구하고, 상기 현재 화소의 밝기 레벨과 상기 평균값과의 차로서 상기 국부 활동성을 계산하는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 장치.
  5. 제2항 내지 제4항중 어느 한 항에 있어서, 상기 국부 활동성의 크기는 상기 화소의 잡음 성분에 비례하여 나타나는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 장치.
  6. 제2항에 있어서, 상기 히스토그램 카운터는,
    입력된 현재 화소의 화소 레벨이 확장되고 국부 활동성이 높으면, 상기 화소 레벨에 대한 발생 빈도수 계산에서 제로를 카운팅하고, 상기 화소 레벨이 수축되고 국부 활동성이 낮으면, 상기 발생 빈도수 계산에서 기본값보다 큰 가중치를 카운팅하고, 상기 두가지의 경우가 아니면, 상기 발생 빈도수 계산에서 상기 기본값을 카운팅하는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 히스토그램 카운터는,
    상기 국부 활동성이 제1 임계값 부근의 값을 갖으면, 상기 발생 빈도수 계산에서 상기 제로와 상기 기본값 사이의 값을 카운팅하고, 상기 국부 활동성이 제2 임계값 부근의 값을 갖으면, 상기 발생 빈도수 계산에서 상기 기본값과 상기 가중치 사이의 값을 카운팅하는 퍼지 히스토그램 카운터를 구비하고, 상기 제1 및 상기 제2 임계값은 각각 상기 국부 활동성의 중간치의 상한값과 하한값인 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 등화 제어부는,
    상기 현재 프레임의 히스토그램과, 미리 저장된 상기 이전 프레임의 히스토그램을 1:M(여기서, M 〉 0)의 비율로 가중 평균하여 히스토그램을 갱신하는 히스토그램 갱신기; 및
    갱신된 히스토그램을 상기 히스토그램 등화부로 다음 프레임이 입력되는 시간만큼 지연시켜 출력하는 프레임 지연기를 구비하는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 등화 제어부는,
    상기 현재 프레임에 대한 상기 이전 프레임의 히스토그램을 저장하고, 상기 새로운 히스토그램이 갱신되면 상기 다음 프레임에 대한 이전 프레임의 히스토그램으로서 재기록하는 히스토그램 메모리를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 히스토그램 갱신기는,
    상기 영상 분석부에서 생성된 상기 현재 프레임의 히스토그램을 갱신하기 전에, 상기 현재 프레임의 히스토그램을 상기 히스토그램 등화부에서의 상기 등화 함수의 역함수를 이용하여, 등화되기 이전 레벨의 히스토그램으로 변환하는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 국부 활동성의 크기는 상기 화소의 잡음 성분에 비례하여 나타나는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 장치.
  12. 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 방법에 있어서,
    (a) 이전 프레임들로부터 갱신된 히스토그램의 등화 함수를 이용하여, 입력된 현재 프레임을 히스토그램 등화하는 단계;
    (b) 등화된 상기 현재 프레임의 각 화소에 대한 국부 활동성에 따라 상기 현재 프레임의 히스토그램을 생성하는 단계; 및
    (c) 상기 현재 프레임의 히스토그램과 이전 프레임의 히스토그램을 혼합한 히스토그램을 다음 프레임에 대한 등화 함수의 계산을 위해 출력하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    (b-1) 상기 각 화소에 대해 소정수의 인접한 화소들과의 상관 관계로부터 상기 국부 활동성을 계산하는 단계; 및
    (b-2) 상기 각 화소에 대한 상기 국부 활동성 및 등화된 화소 레벨의 확장 또는 수축 여부에 따라 상기 현재 프레임의 히스토그램을 카운팅하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 (b-1) 단계는,
    입력된 현재 화소를 포함한 소정 형상의 마스크에서, 상기 현재 화소이외의 인접한 소정수의 화소들의 밝기 레벨의 평균값 또는 상기 현재 화소를 포함한 화소들의 밝기 레벨의 평균값을 구하는 단계; 및
    상기 현재 화소의 밝기 레벨과 상기 평균값과의 차로서 상기 국부 활동성을 추정하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 국부 활동성의 크기는 상기 화소의 잡음 성분에 비례하여 나타나는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 (b-2) 단계는,
    입력된 현재 화소의 화소 레벨이 확장되고 국부 활동성이 높으면, 상기 화소 레벨에 대한 발생 빈도수 계산에서 제로를 카운팅하는 제1 카운팅 단계;
    상기 화소 레벨이 수축되고 상기 국부 활동성이 낮으면, 상기 발생 빈도수 계산에서 기본갑보다 큰 가중치를 카운팅하는 제2 카운팅 단계; 및
    상기 제1 및 상기 제2 카운팅 단계들에 해당하지 않으면, 상기 발생 빈도수 계산에서 상기 기본값을 카운팅하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 제1 카운팅 단계는,
    상기 화소 레벨이 확장되고 상기 국부 활동성이 높을 경우에, 상기 국부 활동성이 제1 임계값 부근의 값을 갖는가를 판단하는 단계;
    상기 제1 임계값 부근의 값을 갖으면, 상기 제로와 상기 기본값 사이의 값을 카운팅하는 단계; 및
    상기 제1 임계값 부근의 값을 갖지 않으면, 상기 제로를 카운팅하는 단계를 구비하고,
    상기 제2 카운팅 단계는,
    상기 화소 레벨이 수축되고 상기 국부 활동성이 낮을 경우에, 상기 국부 활동성이 제2 임계값 부근의 값을 갖는가를 판단하는 단계;
    상기 제2 임계값 부근의 값을 갖으면, 상기 발생 빈도수 계산에서 상기 기본값과 상기 가중치 사이의 값을 카운팅하는 단계; 및
    상기 제2 임계값 부근의 값을 갖지 않으면, 상기 가중치를 카운팅하는 단계를 구비하며,
    상기 제1 및 상기 제2 임계값은 각각 상기 국부 활동성의 중간치의 상한값과 하한값인 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 방법.
  18. 제16항에 있어서, 상기 (b-2) 단계는,
    상기 현재 프레임의 히스토그램을 모두 카운팅한 후에, 카운팅된 상기 발생 빈도수가 전체 화소수와 일치하도록 정규화하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히스토그램 등화 방법.
  19. 제12항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    (c-1) 상기 현재 프레임의 히스토그램을 상기 이전 프레임의 히스토그램과 1:M(여기서, M 〉 0)의 비율로 가중 평균하여 상기 새로운 히스토그램으로 갱신하는 단계; 및
    (c-2) 상기 새로운 히스토그램을 소정의 시간동안 지연시켜 상기 다음 프레임에 대한 상기 등화 함수의 계산을 위해 출력하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 방법.
  20. 제19항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    상기 (b) 단계와 상기 (c-1) 단계 사이에, 상기 현재 프레임의 히스토그램을 등화되기 이전 레벨의 히스토그램으로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 방법.
  21. 제12항에 있어서, 상기 국부 활동성의 크기는 상기 화소의 잡음 성분에 비례하여 나타나는 것을 특징으로 하는 영상 시퀀스의 히스토그램 등화 방법.
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