KR100750468B1 - 가상 광원을 활용한 이미지 범프 기법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이미지 상에 존재하는 객체의 가장자리에 굴곡을 주어 입체효과를 주는 기법에 관한 것으로, 이때 설정하는 가장 광원의 위치와, 세기, 깊이에 따라서 다른 효과를 얻을 수 있으며, 이를 이미지에 적용하여 그림자 맵을 구하고, 원 이미지에 그림자 맵을 범프 맵핑시킨다. 본 발명은 이미지 상에 존재하는 객체, 특히 색상 대비가 낮고 빛의 산란이 많은 X-Ray 이미지와 같은 의료 영상에서의 객체를 인식 내지 강조하거나 광원에 따른 높낮이 효과를 주는데 그 목적이 있다.

본 발명은 이미지 상의 객체에 범프 맵핑을 통하여 높낮이 효과를 주는데 있어, 이미지에 적용할 가상 광원의 위치와 깊이, 세기를 설정하고 이를 적용할 그래디언트 추출방법의 필터에 광원의 정보를 설정하는 제 1단계; 설정된 광원을 이미지에 비추었을 때 나타내는 객체의 가장자리 영역을 구하기 위해 그레디언트 추출 방법을 이미지내 각 픽셀에 적용시켜 그림자 맵을 추출하는 제 2단계; 추출된 그림자 맵을 범프 맵으로 활용하여 원 이미지에 범프 맵핑시켜 광원에 따른 객체의 높낮이 효과를 주는 제 3단계를 거쳐서 진행된다.

영상처리, 높낮이 효과, 입체효과, 범프 맵, 가상 광원

Description

가상 광원을 활용한 이미지 범프 기법 {Image bumping method by using virtual light}

도 1은 본 발명의 처리 흐름을 나타내는 진행도.

도 2는 일반적인 그래디언트(경사 추출) 필터중의 하나인 3 x 3 Prewitt 필터와 이의 회전 예시.

도 3은 본 발명을 적용한 이미지의 예. (상단 : 입력이미지, 하단 : 결과 )

본 발명은 입력 이미지상의 객체의 높이가 서로 다르며 이를 가상의 광원으로 비추었을 때를 가정하여 나타나는 그림자 정보를 범프 맵을 활용하여 이미지에 적용시켜, 빛으로 비춘 것과 같은 높낮이 효과를 나타내는 발명에 관한 것이다. 이는 특히 X-Ray영상과 같이 이미지의 색상 대비가 낮고 검출에 사용되는 광선의 산란에 의해 이미지가 흐려 경계가 분명하지 않은 경우가 많은 의료 영상에 적용될 경우 그 활용도가 높다.

기존에 사용되는 디지털 X-Ray 운용 소프트웨어 내지 덴탈용 평면 X-Ray(파노라마 장치)운용 소프트웨어나, 기타 이미지 관련 소프트웨어에서는, 평활화(smoothing)나 선명화(sharpening) 내지, 회색조(grayscale) 영상이 주류인 의료영상인 경우 시각적인 인식률을 높이기 위한 컬러 맵핑 방법은 주로 활용되고 있지만, 한장의 이미지 내에서 객체의 가장자리 정보를 추출하여 이를 원 영상에 범프 맵핑시켜 이미지 상에 자연스러운 가상 광원 또는 입체적인 높낮이 효과를 주는 기법은 제공하지 못하고 있었다. 또한, 이미지 처리 소프트웨어에서 제공하는 에지 추출이나 그레디언트를 구하는 기능에 있어서는 결과물이 원 영상이 아닌 에지 정보 또는 원 영상에서 추출된 결과만을 나타내는 정보를 이미지로 생성하여 보여주기에, 이미지 자체가 따로 존재하여야 하며 원 영상 내에서 도출된 결과를 인식하는데 있어 직관적이지 못하다. 이는 특히 annotation이 중요시 되는 의료 영상에서는 편의성이 떨어지는 경향이 있었다.

본 발명은 가상 광원 효과를 별도의 분석결과 영상이 없이 본래 이미지에 적용할 수 있도록 고안된 것으로서, 가상 광원에서 입사되는 빛의 그림자 효과를 얻어내기 위해 그레디언트 필터(gradient filter)를 사용하여 이미지로부터 그림자 맵을 추출한다. 그림자 맵은 빛이 입사되는 입사각에 이미지 내의 객체가 반응하는 정도에 따른 것이므로 픽셀값의 변화량을 1차 미분을 활용하여 그 변화정도를 파악하내는 방법에 기반한 그레디언트 필터가 활용 가능한 것이다. 다만 본 발명에 적용되는 광원의 위치는 0도부터 360도까지 가능하게 설정해야하므로, 그레디언트에 활용되는 마스크의 각 인자를 보간법을 활용 각도에 맞게 회전시키고, 광원의 깊이에 따라서 마스크의 크기 또한 조절하여, 이미지 내의 각 픽셀에 적용하여 광원의 입사각과 깊이에 따른 그림자 맵을 얻어낸다. 여기서 구한 맵을 범프 맵으로 활용하여 입력 영상에 적용시킴으로써 가상 광원에 따른 높낮이 효과를 원 영상에 표현해 낼 수 있다.

본 발명을 적용하기 위해서 살펴본 바와 같이, 가상광원의 위치(각도)와 깊이, 세기를 정하고 이를 그레디언트를 구하는 필터에 설정하는 제 1단계; 광원으로부터 이미지에 빛을 비추었을 때 이에 반응하여 나타나는 객체의 가장자리 영역을 구하기 위해 1단계에서 설정한 필터를 이미지상에 적용하여 그림자 맵을 구하는 제 2단계; 2단계에서 구한 그림자 맵을 다시 원래 이미지에 범프 맵핑(bump mapping)시켜 광원에 따른 이미지내 객체의 높낮이 효과를 가하는 3단계를 포함하여 가상 광원을 활용한 범프 맵핑으로 이미지에 높낮이 효과를 주는 기법이 수행된다.

본 발명의 적용을 위해선 대량의 데이터(다루고자하는 이미지의 크기)를 다룰 수 있으며 고속 계산이 가능한 디바이스(컴퓨터 내지 그래픽 처리가 가능한 시스템)와 이에 입력으로 사용될 이미지가 디지털 형식으로 제공되어야 한다. 본 발명은 이미지 형식에 관한 것이 아니므로 입력 이미지는 디코딩되어 해당 위치에 자유로이 접근 가능한 상태에 있음을 기반으로 한다.

우선 도1에서 보듯이 디지털 이미지를 입력(11)으로 받는다. 대상 이미지가 사진이나 X-Ray필름과 같은 형태로 존재할 경우 스캐닝과정을 우선적으로 거쳐서 디지털 이미지로 변환해야 한다. 본 발명은 이미지 색상의 단일 채널에 적용되는 기법이므로 회색조(grayscale)의 이미지 입력이 가장 이상적이겠으나, 컬러영상의 경우 R, G, B 각 채널에 적용하여 결과이미지를 만들어 내거나 혹은, HSI 색상 영역으로 변환하여 적용할 수도 있다. 여기서는 단일 채널의 회색조 이미지인 경우를 가정하여 설명한다.

다음으로 사용자가 입력된 이미지에 적용하고자 하는 광원의 속성을 정한다(12). 광원의 위치는 이미지를 비추는 입사각을 설정하는 것으로 0부터 360도까지의 각도가 가능하다. 광원의 깊이는 빛이 비추는 깊이로서, 이를 높일수록 결과 영상에 드러나는 객체의 높낮이 또한 커지게 된다. 광원의 깊이는 적용할 그레디언트 필터 마스크의 크기에 비례한다. 광원 깊이의 기본값은 3을 사용하며 이 경우 3 x 3 크기의 필터가 사용된다. 필터의 세기는 그림자 맵을 어느 정도로 원 이미지에 반영할 것인가를 나타내며, 이는 필터를 설정할 때 필터의 각 인자에 곱할 수도 있고, 공통으로 곱해지는 계수이므로 필터를 적용한 그림자 맵의 결과값에 반영할 수도 있다. 여기서 사용되는 필터는 1차 미분을 통한 연속된 픽셀간의 값의 변동치를 구하면 되므로 일반적인 그레디언트 필터로 사용되는 필터들 중의 하나(Prewitt, Sobel 등)를 활용하면 된다. 선택한 필터상에 광원의 각도 역시 설정해야 한다. 대부분 필터는 수평 내지 수직 가장자리(경사도 혹은 에지)를 구하도록 설정되어 있으므로, 원하는 광원의 각도를 설정하기 위해서는 이들 필터를 구성하는 행렬의 요소를 조정할 필요가 있다. 도 2는 3 x 3크기의 Prewitt 필터를 예로 들고 있다. 2-(a)는 수평방향의 가장자리를 추출하는 필터로, 그림을 중심으로 광원의 위치가 0도에 해당할 때의 설정을 나타낸다. 2-(b)는 광원이 45도일 때의 필터 설정을 나타내고 있다. 3 x 3 필터의 경우 행렬 가장자리에 8개의 원소가 있으므로 45도 단위(360/8)의 각도 변경은 외곽 원소를 회전시킴으로써 쉽게 이루어질 수 있다. 반면 원하는 각도가 3 x 3 필터에서 45도와 달리 행렬의 원소를 재배치함으로써 설정할 수 없는 경우에는 행렬 가장자리의 인접한 원소들 간의 보간법을 사용해서 구할 수 있으며 2-(c)는 광원의 각도가 30도 일 경우의 상태를 나타낸다.

필터를 설정하고 난 후에는 이를 이미지내의 각 픽셀에 적용시켜 결과값을 얻는다(13).

입력받은 이미지를 R, R에 속하는 각 픽셀을 r, 필터를 M, 필터의 원소를 m 필터의 크기를 ms, 그림자 맵을 ShadowMap이라 했을 때 이는 다음과 같이 계산되어진다.

ShadowMap을 구하는 계산법을 위의 경우로 한정하진 않으며, 그레디언트 필터에 사용되는 일반적인 계산법이 가능하다.

다음으로, 그림자 맵을 원 영상에 적용하는 과정을 거친다(14). 이때 필터 설정과정에서 광원의 세기를 설정하지 않았다면 그림자 맵에 광원의 세기를 반영시켜 이미지에 범프 맵핑시킨다. 따라서 그림자 맵에서 구해진 값만큼이 원 영상에 시각적인 높낮이 효과로 반영된다.

본 발명의 효과가 반영된 결과영상을 S, 입력영상을 R, 광원의 세기를 strength, 그림자 맵 행렬을 ShadowMap 이라 했을 때 다음과 같이 계산된다.

상기 과정에서 S를 구할 때 디지털 이미지 상에서 표현 가능한 이미지 픽셀값의 범위를 벗어나는 경우가 발생할 수 있다. 각 픽셀이 가지는 값의 범위가 [0, L) 이라고 가장하자. 만약 이미지가 픽셀 당 1byte로 표현된다면 L값은

인 256이 된다. 하지만 맵핑 시에 픽셀 값의 범위를 벗어나는 결과가 나올 수 있으므로 이때에는 경계값(boundary value)을 확인하여 0또는 L-1의 값으로 치환해야 한다. 상기 과정에서 그림자 맵을 반드시 새로운 데이터 구조에 저장해야 될 필요성은 없으며, 각 픽셀별로 필터 연산을 적용시켜 나온 단위값을 원 영상에 적용시키는 과정을 반복하여 범프 맵핑된 결과영상을 구할 수도 있다.

범프 맵핑 후 본 발명의 사용자는 결과 영상을 확인할 수 있으며(15), 영상이 원하는 바를 제대로 표현하지 못한다고 판단되는 경우, 광원의 속성을 재설정하여 다시 상기 과정을 수행시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환 내지 변형이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 한정되는 것은 아니다.

본 발명의 가상 광원을 이용한 이미지 범프 기법은 사용자가 광원의 속성을 설정함으로써,

객체에 빛의 비추었을 때 나타나는 것과 같은 높낮이(입체) 효과를 가진 영상을 얻을 수 있다. 또한, 광원의 세기를 약하게 설정할 경우, 이미지내 객체의 경계부분 영상을 선명하게 하는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 디지털 영상에 가상 광원을 활용한 높낮이(입체) 효과를 주는 방법에 있어서,

   그레디언트를 구하는 필터를 활용하여 가상 광원의 각도와 깊이, 세기를 필터에 설정하는 제 1단계;

   이미지 내의 각 픽셀마다 필터를 적용하여 그림자 맵을 구하는 제 2단계;

   도출된 그림자 맵을 이미지에 적용하여 범프 맵핑된 영상을 구하는 제 3단계

   를 포함하여 이루어진, 이미지를 빛으로 비춘 것과 같은 높낮이(입체) 효과를 주는 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   가상 광원에 사용되는 필터를 설정하는데 있어, 광원의 각도를 설정하기 위해 보간법을 사용하여 필터 행렬의 원소를 조절하는 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   이미지의 각 원소에 필터를 적용하고 그림자 맵을 구하여 결과영상을 적용하는데 있어, 그림자 맵을 별도의 데이터 구조를 사용하지 않고 각 픽셀별로 계산된 필터의 결과값을 맵핑하여 결과영상을 구하는 방법.
5. 디지털 영상에 높낮이(입체) 효과를 주기 위한 시스템에,

   그레이언트 필터를 사용하여 가상 광원의 각도와 필터의 크기 및 세기를 설정하는 제 1기능;

   이미지 내의 각 픽셀마다 필터를 적용하여 그림자 맵을 구하는 제 2기능; 및

   도출된 그림자 맵을 이미지에 적용하여 범프 맵핑된 영상을 구하는 제 3기능

   을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체.

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