KR100255636B1 - 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 화질 개선회로는 입력영상을 화면단위로 지연해서 지연된 신호를 출력하는 지연기, 입력영상을 히스토그램 등화해서 등화된 신호를 출력하는 히스토그램 등화기, 입력영상이 임펄스 잡음에 의한 이상치인지를 검출해서 잡음 검출신호를 발생하는 잡음 검출기, 잡음 검출신호를 화면단위로 카운트해서 카운트한 결과를 근거로 한 선택신호를 발생하는 선택신호 발생기와 선택신호에 따라 화면단위의 잡음량이 문턱값보다 크면 지연된 신호를 선택하고, 그렇지 않으면 등화된 신호를 선택하는 선택기를 포함하여 프레임의 입력영상에 포함된 잡음량에 따라 적응적으로 히스토그램 등화하여 즉, 잡음량이 문턱값보다 크면 입력영상을 히스토그램 등화하지 않고 그대로 바이해스해서 히스토그램에 의해 잡음이 증폭되는 것을 방지함으로써 화질을 개선시킬 수 있다.

Description

잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로 및 그 방법
제1도는 본 발명에 의한 화질 개선회로의 블럭도이다.
제2도는 제1도에 도시된 화질 개선회로의 상세회로도이다.
본 발명은 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 입력영상에 포함된 잡음량에 따라 적응적으로 히스토그램 등화를 해서 화질을 개선하는 회로 및 그 방법에 관한 것이다.
그레이 레벨(gray level)의 히스토그램은 영상(image)의 외양(appearance)의 전체적인 묘사를 제공한다. 주어진 영상에 대해 적절히 조절된 그레이 레벨은 외양 또는 영상의 콘트라스트를 개선시킨다.
즉, 히스토그램 등화는 동적 범위(dynamic range)를 늘이는(stretching) 효과를 갖기 때문에 히스토그램 등화는 결과 영상의 그레이 분포를 평평(flat)하게 하고, 그 결과로서 영상의 콘트라스트를 개선한다.
널리 알려진 히스토그램 등화의 이러한 특성때문에 실제적인 경우에서는 결점이 될 수도 있다. 즉, 동적 범위를 늘여서 콘트라스트를 개선하는 특성 때문에 영상신호에 포함된 잡음(임펄스 잡음)이 히스토그램 등화되면 잡음성분도 향상되어 결국은 잡음이 크게 증폭되므로 오히려 화질을 열화시키는 요인이 되는 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 입력영상에 포함된 잡음량에 따라 적응적으로 히스토그램 등화를 해서 화질을 개선하는 회로를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 입력영상에 포함된 잡음량에 따라 적응적으로 히스토그램 등화를 해서 화질을 개선하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 화질 개선회로는 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨을 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 등화를 이용하여 화질을 개선하는 회로에 있어서; 입력영상을 화면단위로 지연해서 지연된 신호를 출력하는 지연수단; 입력영상을 히스토그램 등화해서 등화된 신호를 출력하는 히스토그램 등화수단; 입력영상이 임펄스 잡음에 의한 이상치인지를 검출해서 잡음 검출신호를 발생하는 잡음 검출수단; 상기 잡음 검출신호를 화면단위로 카운트해서 카운트한 결과를 근거로 한 선택신호를 발생하는 선택신호 발생수단; 및 상기 선택신호에 따라 화면단위의 잡음량이 문턱값보다 크면 상기 지연된 신호를 선택하고, 그렇지 않으면 상기 등화된 신호를 선택하는 선택수단을 포함함을 특징으로 하고 있다.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 화질 개선방법은 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨을 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 등화를 이용하여 화질을 개선하는 방법에 있어서; (a) 입력영상을 화면단위로 지연해서 지연된 신호를 출력하는 단계; (b) 화면단위의 입력영상의 그레이 분포를 근거로 한 누적분포함수를 구해서 이 누적분포함수를 전달함수로 이용하여 히스토그램 등화된 신호를 출력하는 단계; (c) 입력영상이 임펄스 잡음에 의한 이상치인지를 검출해서 잡음 검출신호를 발생하는 단계; (d) 상기 잡음 검출신호를 화면단위로 카운트해서 카운트한 결과를 근거로 한 선택신호를 발생하는 단계; 및 (e) 상기 선택신호에 따라 화면단위의 잡음량이 문턱값보다 크면 상기 지연된 신호를 선택하고, 그렇지 않으면 상기 히스토그램 등화된 신호를 선택하는 단계를 포함함을 특징으로 하고 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로 및 그 방법에 대한 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.
제1도는 본 발명에 의한 화질 개선회로의 블럭도이다.
제1도에 있어서, 지연기(100)는 입력영상을 소정수의 화면(여기서는 1프레임)동안 지연한다.
히스토그램 등화기(200)는 입력영상의 그레이 분포를 계산하여 이를 근거로 한 누적분포함수를 구해서 이 누적분포함수를 전달함수로 하여 히스토그램 등화된 신호를 출력한다.
잡음 검출기(300)는 입력샘플이 임펄스 잡음에 의한 이상치인지 아닌지를 검출해서 잡음 검출신호(ND)를 발생한다.
잡음 적응 선택신호 발생기(400)는 잡음 검출기(300)에서 검출된 잡음 검출신호(ND)에 따라 1화면(여기서는 프레임)동안 이상치를 갖는 입력샘플수를 카운트해서 이상치를 갖는 입력샘플수와 문턱값을 비교하고 비교결과에 따른 선택신호(SEL)를 발생한다.
선택기(500)는 1프레임동안의 이상치를 갖는 샘플수가 문턱값보다 크다는 것을 나타내는 선택신호(SEL)이면 지연기(100)의 출력을 선택하고, 그렇지 않으면 히스토그램 등화기(200)의 히스토그램 등화된 신호를 선택한다.
제2도는 제1도에 도시된 화질 개선회로의 상세회로도이다.
제2도에 있어서, 지연기(100)는 입력영상을 1프레임동안 지연한다.
히스토그램 등화기(200)의 구성은 전형적인 히스토그램 등화기법을 구현한 구성을 예로 들었지만 본 발명은 히스토그램을 이용하여 콘트라스트를 개선할 수 있는 구성이면 모두 적용가능하므로 이에 국한되는 것은 아니다.
히스토그램 등화기(200)의 프레임 히스토그램 계산기(202)는 화면단위의 그레이 레벨 분포를 계산하고, 계산된 그레이 레벨 분포를 근거로 하여 식(1)으로 표현되는 확률밀도함수를 계산한다. 화면단위는 필드도 될 수 있으나 여기서는 프레임으로 한다.
여기서 0≤p(Xk)≤1이고, L은 레벨수이고, p(Xk)는 k번째 그레이 레벨의 확률이고, nk는 주어진 영상 {X}에서 이 레벨(Xk)이 나타나는 횟수를 나타내고, n은 주어진 영상 {X}에서 전체 샘플수를 나타낸다.
CDF 계산기(204)는 프레임 히스토그램 계산기(202)로부터 출력되는 확률밀도함수값을 근거로 하여 식 (2)에 도시된 바와 같은 누적분포함수값(c(Xk))을 계산한다.
여기서, c(XL-1)=1이다.
CDF 메모리(206)에서는 CDF 계산기(204)에서 계산된 누적분포함수값(c(Xk))을 동기신호(SYNC)에 따라 프레임 단위로 갱신하고, 갱신되는 동안 저장된 한 프레임전의 누적분포함수값(c(Xk))을 맵퍼(208)에 공급한다. 여기서, 동기신호(SYNC)는 화면단위가 필드이면 필드 동기신호가 되고, 프레임이면 프레임 동기신호가 되며, CDF 메모리(206)는 버퍼로서 사용된다.
맵퍼(208)는 입력신호(Xk)에 대응하는 누적분포함수값(c(Xk))을 CDF 메모리(206)로부터 독출하여 이를 전달함수로 사용하여 주어진 영상 {Xk}을 식 (3)을 이용하여 0에서 XL-1까지 새로운 그레이 레벨로 맵핑한다.
여기서, Y는 맵퍼(208)로부터 출력되는 이산 히스토그램 등화의 출력으로 정의한다.
부가적으로, CDF 계산기(204)로부터 출력되는 누적분포함수와 동일프레임의 입력신호를 맵퍼(208)에 입력시키기 위하여 입력신호(Xk)를 1프레임 지연하는 프레임메모리가 더 구성될 수 있다. 프레임 메모리가 구성된다면 지연기(100)는 입력영상을 2프레임동안 지연한다.
그런데, 동영상의 성질상 전 프레임과 현재 프레임간에는 상관도가 0.95(95%)이상이므로 하드웨어량이 방대한 프레임 메모리를 사용하지 않고 바로 전 프레임에서 구해진 CDF를 그대로 현재 프레임에 적용시켜도 전혀 문제가 없이 히스토그램 등화가 되기 때문에 프레임 메모리를 생략한다.
한편, 잡음 검출기(300)의 윈도우 발생기(302)는 복수개(여기서는 2개)의 제1 및 제2 윈도우(WL,WM)의 샘플과 입력샘플(Y[i][j])을 출력한다. 제1 윈도우(WL)의 크기는 5×5를 예로 하고, 제2 윈도우(WM)의 크기는 3×3를 예로 한다. 본 발명에서 복수개의 윈도우를 이용하는 것은 입력샘플이 임펄스인지를 보다 정확하게 검출하기 위해서이다.
제1 평균 및 편차 계산기(304)는 윈도우 발생기(102)에서 발생되는 제1 윈도우(WL)의 각 샘플을 입력하여 식 (4)에 의해 제1 윈도우(WL)의 평균샘플값(AL)을 구하고, 식 (5)에 의해 제1 윈도우(WL)의 샘플들의 절대편차의 평균(DL)을 계산한다.
제1 이상치 검출기(306)에서는 입력샘플(Y[i][j])과 제1 윈도우(WL)의 평균샘플값(AL)과의 절대차가, 소정 상수(k)가 곱해진 절대편차의 평균(kDL)보다 크면 즉,이면, 입력샘플(Y[i][j])에 임펄스성분이 포함되어 있는 것으로 판단해서 제1 이상치 검출신호를 출력한다.
제2 평균 및 편차 계산기(308)는 윈도우 발생기(302)에서 발생하는 제2 윈도우(WM)의 각 샘플을 입력하여, 식 (6)에 의해 제2 윈도우(WM)의 평균샘플값(AM)을 구하고, 식 (7)에 의해 제2 윈도우(WM)의 샘플들의 절대편차의 평균(DM)을 계산한다.
제2 이상치 검출기(310)에서는 입력샘플(Y[i][j])과 제2 윈도우(WM)의 평균샘플값(AM)과의 절대차가 소정 상수(k)가 곱해진 절대편차의 평균(kDM)보다 크면 즉,이면, 입력샘플(Y[i][j])에 임펄스성분이 포함되어 있는 것으로 판단해서 제2 이상치 검출신호를 출력한다.
검출신호 발생기(312)에서는 제1 및 제2 이상치 검출기(106, 110)에서 발생된 제1 및 제2 이상치 검출신호가 모두 발생되면 잡음 검출신호(ND)를 발생한다.
잡음 적응 선택신호 발생기(400)는 잡음 검출기(300)에서 검출된 잡음 검출신호(ND)를 카운트하며, 프레임 시작 신호에 의해 리세트되는 카운터(410)와, 카운터(410)의 출력과 문턱값을 비교해서 카운터(410)의 출력이 문턱값보다 큰 경우에는 선택기(500)가 지연기(100)의 출력을 선택하고, 그렇지 않으면 선택기(500)가 히스토그램 등화기(200)의 출력을 선택할 수 있도록 선택신호(SEL)를 발생하는 비교기(420)로 구성된다.
여기서, 카운터(410)는 잡음 검출신호(ND)에 따라 인에이블되는 디 플립플롭 인에이블소자(412)와, 디 플립플롭 인에이블소자(412)의 출력에 “1”을 가산하는 가산기(414)와, 가산기(414)의 출력과 프레임 스타트신호를 논리곱해서 프레임 시작 신호가 발생할 때 디 플립플롭 인에이블소자(412)를 클리어하는 앤드게이트(416)와, 디 플립플롭 인에이블소자(412)의 출력을 래치하고 있다가 프레임 시작 신호에 따라 래치된 신호를 비교기(420)의 제1입력단자(A)에 출력하는 래치(418)로 되어 있다.
따라서, 비교기(420)는 제1입력단자(A)로 입력되는 래치(418)의 출력과 제2입력단자(B)로 입력되는 문턱값을 비교해서, 1프레임동안 잡음으로 검출된 입력샘플수가 문턱값보다 클때 “하이” 선택신호(SEL)를 발생한다.
선택기(500)는 선택신호(SEL)에 따라 지연기(100)에서 지연된 신호 또는 히스토그램 등화기(200)에서 히스토그램 등화된 신호를 선택해서 출력한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 회로는 프레임의 입력영상에 포함된 잡음량에 따라 적응적으로 히스토그램 등화하여 즉, 잡음량이 문턱값보다 크면 입력영상을 히스토그램 등화하지 않고 그대로 바이패스해서 히스토그램에 의해 잡음이 증폭되는 것을 방지함으로써 화질을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (12)

  1. 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨을 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 등화를 이용하여 화질을 개선하는 회로에 있어서; 입력영상을 프레임단위로 지연해서 지연된 신호를 출력하는 지연수단; 상기 입력영상을 히스토그램 등화해서 등화된 신호를 출력하는 히스토그램 등화수단; 상기 입력영상이 임펄스 잡음에 의한 이상치인지를 검출해서 잡음 검출신호를 발생하는 잡음 검출수단; 상기 잡음 검출신호를 프레임단위로 카운트해서 카운트한 결과를 근거로 한 선택신호를 발생하는 선택신호 발생수단; 및 상기 선택신호에 따라 프레임단위의 잡음량이 문턱값보다 크면 상기 지연된 신호를 선택하고, 그렇지 않으면 상기 등화된 신호를 선택하는 선택수단을 포함함을 특징으로 하는 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로.
  2. 제1항에 있어서, 상기 히스토그램 등화수단은 프레임단위의 입력영상의 그레이 레벨 분포를 근거로 하여 누적밀도함수값을 계산하는 계산수단; 및 상기 누적밀도함수값을 전달함수로 이용하여 상기 입력영상을 새로운 그레이레벨로 맵핑하는 맵핑수단을 포함함을 특징으로 하는 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로.
  3. 제2항에 있어서, 상기 계산수단에서 계산된 누적밀도함수값과 동일프레임의 입력영상을 상기 맵핑수단에 출력하기 위하여 상기 입력영상을 한 프레임동안 지연하는 화면 메모리를 더 포함함을 특징으로 하는 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로.
  4. 제2항에 있어서, 상기 계산수단에서 계산된 누적밀도함수값을 프레임단위로 갱신하고, 갱신되는 동안 저장된 한 프레임전의 누적밀도함수값을 상기 맵핑수단에 출력하는 버퍼를 더 포함함을 특징으로 하는 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로.
  5. 제1항에 있어서, 상기 잡음 검출수단은 입력신호를 포함하는 적어도 하나이상의 윈도우를 발생하는 윈도우 발생수단; 발생된 윈도우의 평균 샘플값과 샘플들의 절대편차의 평균을 검출해서 입력샘플이 이상치임을 검출하는 이상치 검출수단; 및 상기 이상치 검출수단에서 입력샘플이 이상치로 검출되면 잡음 검출신호를 발생하는 검출신호 발생수단을 포함함을 특징으로 하는 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로.
  6. 제5항에 있어서, 상기 윈도우 발생수단은 서로 다른 소정크기의 복수개의 윈도우를 발생함을 특징으로 하는 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로.
  7. 제6항에 있어서, 상기 윈도우 발생수단은 입력샘플을 포함하는 서로 다른 크기의 제1윈도우와 제2윈도우를 발생함을 특징으로 하는 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로.
  8. 제7항에 있어서, 상기 이상치 검출수단은 입력샘플과 제1 윈도우의 평균샘플값과의 절대차가, 소정 상수가 곱해진 제1 윈도우의 절대편차의 평균보다 크면 입력샘플에 임펄스성분이 포함되어 있는 것으로 판단해서 제1 이상치 검출신호를 출력하는 제1 이상치 검출기; 및 입력샘플과 제2 윈도우의 평균샘플값과의 절대차가, 상기 소정 상수가 곱해진 제2 윈도우의 절대편차의 평균보다 크면 즉, 입력샘플에 임펄스성분이 포함되어 있는 것으로 판단해서 제2 이상치 검출신호를 출력하는 제2 이상치 검출기를 포함함을 특징으로 하는 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로.
  9. 제1항에 있어서, 상기 선택신호 발생수단은 상기 잡음 검출신호를 프레임단위로 카운트해서 이상치를 갖는 입력샘플수를 출력하는 카운터; 및 상기 이상치를 갖는 입력샘플수와 문턱값을 비교해서 상기 이상치를 갖는 입력샘플수가 문턱값보다 큰 경우에는 상기 선택수단이 상기 지연된 신호를 선택하고, 그렇지 않으면 상기 등화된 신호를 선택하도록 제어하는 선택신호를 발생하는 비교기를 포함함을 특징으로 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로.
  10. 제9항에 있어서, 상기 카운터는 상기 잡음 검출신호에 따라 인에이블되는 디 플립플롭 인에이블소자; 상기 디 플립플롭 인에이블소자의 출력에 “1”을 가산하는 가산기; 상기 가산기의 출력과 프레임 시작 신호를 논리곱해서 상기 디 플립플롭 인에이블소자에 피드백 입력하고, 프레임 시작 신호에 따라 상기 디 플립플롭 인에이블소자를 클리어하는 논리곱소자; 및 상기 디 플립플롭 인에이블소자의 출력을 래치하고 있다가 프레임 시작 신호에 따라 래치된 신호를 상기 비교기에 출력하는 래치를 포함함을 특징으로 하는 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로.
  11. 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨을 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 등화를 이용하여 화질을 개선하는 방법에 있어서; (a) 입력영상을 프레임단위로 지연해서 지연된 신호를 출력하는 단계; (b) 프레임단위의 입력영상의 그레이 분포를 근거로 한 누적분포함수를 구해서 이 누적분포함수를 전달함수로 이용하여 히스토그램 등화된 신호를 출력하는 단계; (c) 상기 입력영상이 임펄스 잡음에 의한 이상치인지를 검출해서 잡음 검출신호를 발생하는 단계; (d) 상기 잡음 검출신호를 프레임단위로 카운트해서 카운트한 결과를 근거로 한 선택신호를 발생하는 단계; 및 (e) 상기 선택신호에 따라 프레임단위의 잡음량이 문턱값보다 크면 상기 지연된 신호를 선택하고, 그렇지 않으면 상기 히스토그램 등화된 신호를 선택하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 (d)단계는 (d1) 상기 잡음 검출신호를 프레임단위로 카운트해서 이상치를 갖는 입력샘플수를 출력하는 단계; (d2) 상기 이상치를 갖는 입력샘플수와 문턱값을 비교하는 단계; 및 (d3) 상기 (d2)단계에서 비교한 결과에 따라 선택신호를 발생하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 잡음에 적응하는 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선방법.
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