KR101071567B1 - Contrast Enhancement Using a Density based Sub-histogram Equalization Technique - Google Patents

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Abstract

본 발명은 히스토그램을 밀도 특성에 따라 분할하고 히스토그램의 영역별 평활화를 통하여 영상의 명암 대비를 향상 방법에 관한 것이다. 히스토그램의 밀집 정도와 히스토그램 누적양을 고려하여 높은 밀도를 나타내는 히스토그램 영역을 나눈다. 비슷한 특성을 나타내는 영역들이 찾아 지면 각 영역에 포함된 밝기 정보를 이용하여 히스토그램 평활화를 수행한다. 마지막으로 각 영역별 평활화된 결과 영상을 합침으로써 과도한 평활화의 왜곡 없이 최대한 명암 대비를 향상시켜 입력 영상의 화질을 개선 시킨다.The present invention relates to a method for enhancing contrast of an image by dividing the histogram according to density characteristics and smoothing the histogram for each region. The histogram is divided into regions of high density, taking into account the histogram density and the amount of histogram accumulation. When regions with similar characteristics are found, histogram smoothing is performed using the brightness information included in each region. Finally, by combining the smoothed result images for each area, the contrast quality is improved as much as possible without excessive smoothing distortion, thereby improving the quality of the input image.

밀도기반, 히스토그램, 평활화, 누적양, 명암 대비  Density-based, histogram, smoothing, cumulative amount, contrast

Description

밀도 기반의 분할된 히스토그램 평활화를 통한 명암 대비 향상 방법{Contrast Enhancement Using a Density based Sub-histogram Equalization Technique}Contrast Enhancement Using a Density based Sub-histogram Equalization Technique}

정보통신Communication

명암 대비 향상 방법은 크게 이미지 전체의 영상을 참조하는 전역(Global)명암 대비 향상 방법과 전체 영상을 여러 개의 영역으로 분리하여 만든 블럭이미지의 영상을 참조하는 지역(Local) 명암 대비 향상 방법으로 구분된다. 전역 명암 대비 향상 방법의 한가지 방법으로 전역 히스토그램 평활화 방법(Global Histogram Equalization)을 들 수 있다. 전역 히스토그램 평활화 방법은 전체 영상을 참조하여 영상의 밝기 분포 히스토그램 분포(PDF)를 계산하고, 누적 분포 함수(CDF)의 생성 및 정규화를 통하여, 밝기 분포 히스토그램이 균일한 분포를 갖도록 명암을 재분배 하는 것이다. 그러나 전역 히스토그램 평활화는 미세한 부분 공간 정보를 고려하지 않고 전체 영상의 히스토그램 정보를 사용하기 때문에 국부적인 명암값을 계산시키기 어렵다. 또한 히스토그램의 밀집 정도는 고려하지 않고 모든 밝기 영역 에 걸쳐 균일한 정규화를 수행하기 때문에 특정 영역의 밝기값에 밀집 정도가 심한 경우에는 정규화 과정에서 과도하게 평활화 되는 왜곡이 많이 발생하고, 평균 밝기값 마저 심하게 변화된다.Contrast enhancement methods are divided into global contrast enhancement methods that refer to the image of the entire image and local contrast enhancement methods that refer to the image of the block image made by dividing the entire image into several areas. . One method of improving global contrast is the Global Histogram Equalization. Global histogram smoothing method is to calculate the brightness distribution histogram (PDF) of the image with reference to the whole image, and redistribute the contrast so that the brightness distribution histogram has a uniform distribution by generating and normalizing the cumulative distribution function (CDF). . However, since global histogram smoothing uses histogram information of the entire image without considering sub-space information, it is difficult to calculate local contrast values. In addition, since the normalization is performed uniformly over all the brightness areas without considering the density of the histogram, when the brightness value of a specific area is very dense, there are many distortions that are excessively smoothed during the normalization process, and even the average brightness value It changes badly.

이러한 문제를 해결하기 위해, Chen은 원 영상의 평균밝기값을 보존하기 위하여 평균밝기값을 기준으로 히스토그램을 반복적으로 분할하여 평활화하는 RMSHE(Recursive Mean-Separate Histogram Equalization) 방법을 제안하였다. 하지만, 이 방법은 영상에 따라 히스토그램을 분할해야 하는 횟수가 명확하지 않으며, 반복 횟수에 또한 2의 지수 승 간격이므로 유연하지 못하다는 단점이 있다. 다른 한편으로 전역 명암 대비 향상 방법이 갖는 문제를 극복하기 위해 전체 영상을 여러 개의 블럭이미지로 나눠서 각 블록의 이미지만을 가지고 평활화 하는 명암 대비 개선 방법들이 제안되고 있다. AHE(Adaptive Histogram Equalization) 방법은 가장 기초적인 방법으로 영상을 겹치지 않게 여러 개의 블록으로 나누고 각각의 블록들에 대해 독립적으로 히스토그램 평활화를 수행하여 그 결과를 양선형 보간법으로 합치는 방법이다. 이 경우 블록이 연결되는 부분에서 발생하는 불연속성 문제를 해결하기 위해 이웃하는 블록들이 겹쳐지도록 분할하는 방법을 사용한다.In order to solve this problem, Chen proposed a method of recursive mean-separate histogram equalization (RMSHE) that repeatedly divides and smooths histograms based on average brightness to preserve the average brightness of the original image. However, this method has a disadvantage in that the number of histograms to be divided according to the image is not clear, and it is not flexible because the number of repetitions is also an exponential power interval of 2. On the other hand, in order to overcome the problems of the global contrast enhancement method, contrast enhancement methods have been proposed, in which an entire image is divided into several block images and smoothed with only the image of each block. Adaptive Histogram Equalization (AHE) is the most basic method that divides the image into several blocks without overlapping and performs histogram smoothing on each block independently and combines the results by bilinear interpolation. In this case, in order to solve the discontinuity problem that occurs at the part where the blocks are connected, the neighboring blocks are divided so that they overlap.

하지만, 겹치는 블록 크기 선택에 따라 불연속성이 나타나는 블록화 정도가 달라지며, 영상마다 블록의 크기를 수동적으로 결정해야 하는 문제점이 있다. 일반적으로 지역 명암 대비 향상 방법들의 공통적인 문제점은 블록화 현상이다. 이 블록화 현상은 영상 전체의 밝기 분포를 고려하지 않고 블록이미지의 영상 정보만을 사용하기 때문에 평활화된 결과 이미지의 블록 간의 명암 대비가 불연속적으로 나 타나게 되는 문제점을 말한다. 이러한 현상을 최소화 하기 위해 블록을 겹쳐 사용하거나 보간법을 사용하기 때문에 계산 복잡도가 커지거나 결과 블록이미지내 특징을 훼손시키는 결과를 발생시킨다.However, the degree of blockage in which discontinuities appear depending on the selection of overlapping block sizes varies, and there is a problem in that the size of blocks must be determined manually for each image. In general, a common problem with local contrast enhancement methods is blocking. This blocking phenomenon refers to a problem in that the contrast between blocks of the image is discontinuously displayed because only the image information of the block image is used without considering the brightness distribution of the entire image. In order to minimize this phenomenon, blocks are overlapped or interpolation is used, resulting in large computational complexity or damage to features in the resulting block image.

상기와 같은 명암 대비 향상 방법의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 입력 영상의 히스토그램 분포 분석을 통하여 과도한 평활화의 원인이 되는 밀도가 높은 영역을 구분하고, 나뉘어 진 밝기값의 범위 별로 각각 히스토그램 평활화를 수행함으로써 카메라에서 얻어 진 입력 영상의 전역 명암 대비를 향상시키고자 한다.In order to solve the above problems of the contrast enhancement method, the present invention distinguishes high density areas causing excessive smoothing by analyzing histogram distribution of the input image, and performs histogram smoothing for each range of divided brightness values. By doing so, we want to improve the global contrast of the input image obtained from the camera.

과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 히스토그램 영역별 평활화를 통한 영상의 명암 대비 향상 방법은 (a) 히스토그램 분석을 통한 왜곡의 원인이 되는 밀도가 높은 영역의 구분 단계; (b) 나뉘어 진 히스토그램 영역에 대해 각각 히스토그램 평활화를 수행하고 결과 영상을 합쳐 왜곡 없이 명암 대비가 향상된 영상을 얻는 단계를 포함한다.According to the present invention, a method for improving contrast of an image through smoothing of histogram regions according to the present invention includes: (a) dividing a high density region that causes distortion through histogram analysis; (b) performing histogram smoothing on each of the divided histogram regions, and combining the resulting images to obtain an image having improved contrast without distortion.

상기 (a) 단계는 입력 영상에 히스토그램을 생성하고, 주변밝기값의 히스토그램을 참조하여 히스토그램의 밀도를 계산하는 단계; 히스토그램 밀도가 높은 밝기값순서로 정렬하는 단계; 비슷한 높은 밀도값을 나타내는 밝기값을 중심으로 밀도가 높은 히스토그램 영역을 확장하는 단계; 높은 밀도로 측정된 영역을 가우시안분포로 근사화 하여 경계값을 찾는 단계를 포함하는 높은 밀도를 나타내는 히스토그램 영역을 찾는 단계이다.Step (a) may include generating a histogram on the input image and calculating a density of the histogram by referring to the histogram of the ambient brightness value; Arranging the histogram density in the order of high brightness value; Expanding the dense histogram area around a brightness value indicating a similar high density value; A step of finding a histogram region having a high density, which includes finding a boundary value by approximating a region measured at a high density with a Gaussian distribution.

상기 (b) 단계는 (a)단계에서 나뉘어 진 영역별로 히스토그램 평활화를 수행 하는 단계; 각각 다른 범위에서 평활화된 영역별 히스토그램 평활화 영상을 더함으로써 영상의 왜곡 없이 전역적으로 명암 대비 향상 방법이다.Step (b) comprises the steps of: performing histogram smoothing for each area divided in step (a); By adding a histogram smoothing image for each region smoothed in different ranges, it is a method of improving contrast globally without distortion of the image.

본 발명은 히스토그램을 밀도 특성에 따라 분할하고 나뉘어진 히스토그램의 영역별 평활화를 통하여 영상의 명암 대비를 향상 방법에 관한 것이다. 전역 명암 대비 향상 방법의 가장 큰 문제점은 영상의 히스토그램 분포를 고려하지 않은 채 평활화를 수행하여 밀집된 영역이 과도한 평활화되어 영상을 훼손시키는 것이다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 히스토그램의 밀집 정도와 히스토그램 누적양을 고려하여 높은 밀도를 나타내는 히스토그램 영역을 나누게 된다. 비슷한 특성을 나타내는 영역들이 찾아 지면 각 영역에 포함된 밝기 정보를 이용하여 히스토그램 평활화를 수행하게 된다. 마지막으로 각 영역별 평활화된 결과 영상을 합침으로써 과도한 평활화의 왜곡 없이 최대한 명암 대비를 향상시켜 입력 영상의 화질을 개선시킨다.The present invention relates to a method for improving contrast of an image by segmenting the histogram according to density characteristics and smoothing the divided histogram by region. The biggest problem of the global contrast enhancement method is to perform smoothing without considering the histogram distribution of the image and to damage the image due to excessive smoothing of the dense area. In order to solve this problem, the histogram area having a high density is divided in consideration of the histogram density and the cumulative amount of the histogram. When regions with similar characteristics are found, histogram smoothing is performed using the brightness information included in each region. Lastly, by smoothing the resultant images for each area, the image quality of the input image is improved by increasing the contrast as much as possible without excessive smoothing distortion.

본 발명에 따른 밀도기반의 분할된 히스토그램 평활화를 통한 대비 향상 방법은 (a) 영상의 밝기값에 따른 히스토그램 분석을 통한 왜곡의 원인이 되는 밀도가 높은 영역의 구분 단계; (b) 나뉘어 진 히스토그램 영역에 대해 각각 히스토그램 평활화를 수행하고 결과 영상을 합쳐 왜곡 없이 명암 대비가 향상된 영상을 얻 는 단계를 포함한다. 도 1은 발명의 밀도기반의 분할된 히스토그램 평활화를 통한 대비 향상 방법의 구성도를 보여 준다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a method for improving contrast through a density-based segmented histogram smoothing method comprising: (a) dividing a high-density region causing distortion through histogram analysis according to brightness values of an image; (b) performing histogram smoothing on each of the divided histogram regions and combining the resulting images to obtain an image having improved contrast without distortion. Figure 1 shows the configuration of the contrast enhancement method through the density-based segmented histogram smoothing of the invention.

상기 (a)단계의 히스토그램의 분석을 통해 밀도가 높은 영역을 구분하기 위해 첫 번째 과정으로 각 밝기값에서 이웃한 밝기값들의 분포량의 합을 이용하여 수학식 1에 주어진 밀도값(Dm)을 계산한다. 수학식 1에서 w는 참조할 이웃의 범위를 나타내며, m은 구하려는 중심 밝기값을 나타내며, f( xi )i번째 밝기값에서 빈도수를 나타낸다. 도 2는 각 밝기값에서 얻어진 밀도값을 그래프로 표현한 것을 보여 준다.The density value Dm given in Equation 1 is calculated by using the sum of the distribution amounts of neighboring brightness values in each brightness value as the first process to distinguish the areas with high density through the histogram analysis in step (a). do. In Equation 1, w denotes a range of neighbors to be referred to, m denotes a center brightness value to be obtained, and f ( xi ) denotes a frequency at the i- th brightness value. 2 shows a graph representing the density value obtained at each brightness value.

Figure 112009012275785-pat00002
Figure 112009012275785-pat00002

다음 과정으로 밀도가 높은 순서로 영역을 구성하기 위해 계산된 밀도값을 높은 순서대로 정렬시킨다. 도 3은 밀도가 높은 순서로 정렬한 결과를 밀도값 그래프에 넘버링을 통하여 보여 주고 있다.The next step is to sort the calculated density values in order of high density in order to construct the regions in the order of density. 3 shows the results of sorting in the order of high density through numbering on the density value graph.

도 4는 높은 밀도를 갖는 밝기값을 중심으로 영역을 넓혀 가는 방법을 설명 해주는 순서도이다. 밀도값이 정렬되면 높은 밀도 값을 나타내는 지역을 중심으로 영역을 형성하기 위해 높은 밀도를 나타내는 밝기값 지점에서 평균 밀도값과 이웃한 밝기값에서의 밀도를 비교하게 된다(13). 이때 평균밀도값과 이웃한 밝기값에서 의 밀도값 차이가 임계값 이하로 작다면 이웃한 밝기값영역을 같은 영역으로 판정하고, 이들 이웃된 밝기값을 포함하였을 때의 평균밀도값을 갱신한 후(12), 다음 이웃된 밝기값과의 비교를 반복한다(11). 하지만 밀도값의 차이가 많이 난다면 해당 이웃된 영역은 다른 영역으로 판단하고 영역의 확장을 중단하게 된다(14). 그리고 도 5는 도 2에서 얻은 밀도값 그래프에서 높은 밀도를 갖는 밝기값을 중심으로 영역들을 형성시킨 것을 보여 준다.4 is a flowchart illustrating a method of widening an area around a brightness value having a high density. When the density values are aligned, the average density value is compared with the density at the neighboring brightness value at the brightness value point indicating the high density to form the area around the area showing the high density value (13). At this time, if the difference between the density values of the average density value and the neighboring brightness value is less than or equal to the threshold value, the neighboring brightness value area is determined to be the same area, and after updating the average density value when these neighboring brightness values are included, (12), the comparison with the next neighboring brightness value is repeated (11). However, if there is a large difference in density values, the neighboring region is determined to be another region and the expansion of the region is stopped (14). FIG. 5 shows that regions are formed around a brightness value having a high density in the density value graph obtained in FIG. 2.

영역을 나누기 위한 마지막 단계로 나눠 진 영역의 분포를 가우시안분포로 근사화 하여 각각의 분포들이 겹치거나 분포가 0이 되는 지점을 영역의 경계로 설정하게 된다. 수학식 2는 근사화를 위한 가우시안 함수를 나타내며, 여기서μ n 은 이전 단계에서 나뉘진 각 영역들의 중심점이 되며, σ값은 수학식 3과 같이 분산을 구하는 과정을 통하여 얻어 진다. 도 6은 도 5에서 형성된 영역들의 분포를 가우시안 분포로 근사화하여 영역의 경계를 결정하는 것을 보여 준다.As the final step of dividing the region, the distribution of the divided region is approximated by Gaussian distribution to set the point where each distribution overlaps or becomes zero as the boundary of the region. Equation 2 represents a Gaussian function for approximation, where μ n is a center point of each region divided in the previous step, and σ is obtained through a process of obtaining variance as shown in Equation 3. FIG. 6 shows that the boundary of the region is determined by approximating the distribution of the regions formed in FIG. 5 to a Gaussian distribution.

Figure 112009012275785-pat00003
Figure 112009012275785-pat00003

Figure 112009012275785-pat00004
Figure 112009012275785-pat00004

상기 (b)단계의 나뉘어진 히스토그램 영역별 평활화를 통한 명암 대비 향상 방법은 상기 (a) 단계의 결과로부터 얻어 진 히스토그램의 영역 정보를 이용함으로 써, 각 영역에서 왜곡 없이 명암 대비가 향상된 영상을 얻을 수 있다. 도 7은 (a)와 같은 영상이 입력 되었고 (b)와 같이 3개의 영역으로 나눠 졌을 때 각 영역별로 히스토그램 평활화가 수행된 결과 영상을 (d), (e), (f)를 통하여 보여 준다. The method of improving contrast by smoothing the divided histogram areas of step (b) uses the histogram area information obtained from the result of step (a) to obtain an image with improved contrast without distortion in each area. Can be. FIG. 7 shows a result image of histogram smoothing performed for each region when the image as shown in (a) is divided into three regions as shown in (b) through (d), (e), and (f). .

과도한 평활화로 인한 왜곡 없이 명암 대비가 향상된 각 영역의 영상이 얻어 지면 해당 영상들을 합침으로써 최종적으로 대비가 향상된 영상을 얻어낼 수 있다. 도 8은 도7에서 3개 영역에서 영역별로 평활화된 영상을 더함으로써 전역적으로 명암 대비가 향상된 결과를 보여 주고 있다.When the image of each region with improved contrast is obtained without distortion due to excessive smoothing, the image with improved contrast can be finally obtained by combining the images. FIG. 8 illustrates the result of improved contrast on a global basis by adding a smoothed image for each region in three regions of FIG. 7.

도 1은 본 발명의 밀도기 반의 분할된 히스토그램 평활화를 통한 대비 향상 방법의 구성도이다. 1 is a block diagram of a method for improving contrast through the divided histogram smoothing of the density-based according to the present invention.

도 2는 본 발명의 입력 영상의 밝기값에 대한 밀도 그래프이다. 2 is a density graph of brightness values of an input image of the present invention.

도 3는 본 발명의 입력 영상의 밀도 순서로 정렬된 밝기값을 보여 주는 그래프이다.3 is a graph showing brightness values arranged in density order of an input image of the present invention.

도 4는 본 발명의 입력 영상의 높은 밀도를 갖는 밝기값에서 영역을 형성하는 방법의 구성도이다.4 is a block diagram of a method of forming an area at a brightness value having a high density of an input image of the present invention.

도 5는 본 발명의 입력 영상의 높은 밀도를 갖는 밝기값에서 영역을 형성하는 것 보여 주는 그래프이다.5 is a graph showing the formation of an area at a high brightness value of the input image of the present invention.

도 6는 본 발명의 밀도값에 기반하여 형성된 영역을 가우시안 분포로 근사화한 것을 보여 주는 그래프이다.6 is a graph showing an approximation to a Gaussian distribution of a region formed based on the density value of the present invention.

도 7는 본 발명의 찾아 진 영역의 경계를 참조하여 영역별 히스토그램 평활화를 수행한 결과를 나타내는 영상이다.7 is an image showing a result of performing histogram smoothing for each region with reference to the boundary of the found region of the present invention.

도 8는 본 발명의 영역별 히스토그램 평활화된 영상을 합쳐 대비도 향상을 얻은 최종 결과 영상이다.8 is a final result image obtained by improving the contrast by combining the histogram smoothed images for each region of the present invention.

Claims (6)

삭제delete 삭제delete 삭제delete 밀도 기반의 분할된 히스토그램 평활화를 통한 대비 향상 방법에 있어서,In the contrast enhancement method based on density-based segmented histogram smoothing, 카메라에서 획득된 입력 영상에 히스토그램을 생성하고, 주변 밝기값의 히스토그램을 참조하여 히스토그램의 밀도를 계산하는 제1-1단계(S1-1)와, 히스토그램 밀도가 높은 밝기값 순서로 정렬하는 제1-2단계(S1-2)와, 높은 밀도값 - 상기 높은 밀도값은 상기 밀도값이 증가하다 감소하는 변곡점의 밀도값을 의미함 - 을 나타내는 밝기값을 중심으로 밀도가 높은 히스토그램 영역을 확장하는 제1-3단계(S1-3)와, 상기 확장된 히스토그램 영역의 분포를 가우시안 분포로 근사화하여 경계값을 찾는 제1-4단계(S1-4)를 포함하는 히스토그램 분석을 통한 왜곡의 원인이 되는 밀도가 높은 영역을 구분하는 제1단계(S1)와;Step 1-1 (S1-1) of generating a histogram on the input image acquired by the camera, calculating a density of the histogram by referring to the histogram of the ambient brightness value, and arranging the histogram density in the order of high brightness values. Step 2 (S1-2) and a high density value, wherein the high density value indicates a density value of the inflection point at which the density value increases and decreases. The cause of distortion through histogram analysis includes steps 1-3, and steps 1-4 (S1-4) of finding a boundary value by approximating a distribution of the extended histogram region with a Gaussian distribution. A first step (S1) of classifying regions of high density; 상기 제1단계(S1)에서 구분된 영역별로 히스토그램 평활화를 수행하고, 결과 영상을 합쳐 왜곡 없이 명암 대비가 향상된 영상을 얻는 제2단계(S2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 명암 대비 향상 방법.And a second step (S2) of performing histogram smoothing for each of the divided areas in the first step (S1), and combining the resulting images to obtain an image having improved contrast without distortion. 제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 제1-1단계(S1-1)의 밀도값(Dm)은
Figure 112011021929638-pat00013
에 의해 계산되며, 여기서, w는 참조할 이웃의 범위를 나타내며, m은 구하려는 중심 밝기값을 나타내며, f(xi)는 i번째 밝기값에서 빈도수를 나타내는 것을 특징으로 하는 명암 대비 향상 방법.
The density value Dm of the first step S1-1 is
Figure 112011021929638-pat00013
Wherein w denotes the range of neighbors to refer to, m denotes the center brightness value to be obtained, and f (xi) denotes the frequency at the i-th brightness value.
제 4항에 있어서,The method of claim 4, wherein 상기 제1-3단계(S1-3)는The first step (S1-3) is 밀도값이 정렬되면 상기 높은 밀도값을 나타내는 지역을 중심으로 영역을 형성하기 위해 상기 높은 밀도값을 나타내는 밝기값 지점에서의 평균 밀도값과 이웃한 밝기값에서의 밀도를 비교하는 제1-3a단계(S1-3a)와;When the density values are aligned, steps 1-3a of comparing an average density value at a brightness point indicating the high density value with a density at a neighboring brightness value to form an area around the area indicating the high density value (S1-3a); 평균밀도값과 이웃한 밝기값에서의 밀도값 차이가 임계값 이하로 작다면 이웃한 밝기값 영역을 같은 영역으로 판정하고, 이들 이웃된 밝기값을 포함하였을 때의 평균밀도값을 갱신하는 제1-3b단계(S1-3b)와;If the difference in density between the average density value and the neighboring brightness value is less than or equal to the threshold value, the neighboring brightness value area is determined as the same area, and the first density for updating the average density value when these neighboring brightness values are included is determined. Step -3b (S1-3b); 평균밀도값 갱신 후 다음 이웃된 밝기값과의 비교를 반복하는 제1-3c단계(S1-3c)와;(1-3c) step S1-3c of repeating the comparison with the neighboring brightness value after updating the average density value; 평균밀도값과 이웃한 밝기값에서의 밀도값 차이가 임계값 이상으로 크다면 해당 이웃된 영역은 다른 영역으로 판단하고 영역의 확장을 중단하는 제1-3d단계(S1-3d)를 포함하는 것을 특징으로 하는 명암 대비 향상 방법.If the difference in density value between the average density value and the neighboring brightness value is greater than or equal to the threshold value, the neighboring area is determined to be another area and includes steps 1-3d (S1-3d) of stopping expansion of the area. Features a contrast enhancement method.
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