KR101307031B1 - 영상 방향을 고려한 국부 콘트라스트 향상 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 영상의 국부 콘트라스트를 향상하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 주파수 영역의 단위 영상블록의 계수로부터 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 변화 크기를 계산하고, 계산한 단위 영상블록의 영상 변화 크기와 단위 영상블록의 영상 방향에 따라 영상의 국부 콘트라스트를 향상하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

Description

영상 방향을 고려한 국부 콘트라스트 향상 방법{Method for improving local contrast based on direction of image}
본 발명은 영상의 국부 콘트라스트를 향상하는 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 주파수 영역의 단위 영상블록의 계수로부터 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 변화 크기를 계산하고, 계산한 단위 영상블록의 영상 변화 크기와 단위 영상블록의 영상 방향에 따라 영상의 국부 콘트라스트를 향상하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
HD급 이상의 영상이 보편화되고 있으며 더욱더 선명한 영상에 대한 수요자의 요구가 증대됨에 따라 영상의 콘트라스트(contrast)를 개선하기 위한 많은 연구가 진행되고 있다.
도 1을 참고로 영상의 국부 콘트라스트를 향상하는 종래 장치에 대해 보다 구체적으로 살펴보면, 주파수 영역 변환부(10)는 공간 영역의 입력 영상을 N×N 크기의 단위 영상블록으로 분할하고, 분할한 공간 영역의 단위 영상블록을 이산 코사인 변환(discrete cosine transform,DCT)을 통해 주파수 영역으로 변환한다. 주파수 대역별 향상부(20)는 주파수 영역으로 변환한 단위 영상블록의 계수를 주파수 대역별로 에너지를 증가시켜 단위 영상블록의 콘트라스트를 향상시킨다. 공간 영역 변환부(30)는 콘트라스트가 향상된 주파수 영역의 단위 영상블록을 역이산 코사인 변환을 통해 공간 영역으로 변환한다.
도 2는 영상의 국부 콘트라스트를 향상하는 종래 장치에서 주파수 영역의 단위 영상블록의 콘트라스트를 향상하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면으로, 도 2를 참고로 살펴보면 주파수 영역으로 변환한 단위 영상블록의 계수는 각각 DC 성분(C00), 제1 주파수 대역(f1) 성분(C10, C01), 제2 주파수 대역(f2) 성분(C20, C11, C02),...등으로 구성되어 있다. 여기서 DC 성분으로부터 제1 주파수 대역(f1), 제2 주파수 대역(f2), 제3 주파수 대역(f3),...의 순서로 순차적으로 주파수 대역이 증가한다. 종래 주파수 대역별 향상부(20)는 동일한 가중치로 또는 서로 다른 가중치로 주파수 대역이 증가할수록 해당 주파수 대역에 속하는 주파수 영역의 단위 영상블록의 계수의 에너지를 증가시켜 단위 영상블록의 국부 콘트라스트를 향상한다.
그러나 종래 국부 콘트라스트 향상 방법은 단위 영상블록의 영상 변화 크기에 상관없이 일관적으로 주파수 영역의 단위 영상블록의 계수를 주파수 대역별로 순차적으로 에너지를 증가시키기 때문에, 영상 변화가 없거나 크지 않은 단위 영상블록의 경우 에너지 증가에 따라 단위 영상블록의 국부 콘트라스트가 향상되는 효과 이외에 단위 영상블록에 노이즈가 발생하는 문제점이 있다.
또한 종래 국부 콘트라스트 향상 방법은 단위 영상블록의 영상 방향에 상관없이 일관적으로 주파수 영역의 단위 영상블록의 계수를 주파수 대역별로 순차적으로 에너지를 증가시키기 때문에, 입력 영상의 객체 경계면에 해당하는 단위 영상블록에서 에너지 증가에 따라 오버슈트(overshoot)가 발생하여 링잉 객체(ringing artifacts)가 생기는 문제점을 가진다.
본 발명은 위에서 언급한 종래 국부 콘트라스트 향상 방법이 가지는 문제점들을 해결하기 위한 것으로, 본 발명이 이루고자 하는 목적은 단위 영상블록의 영상 크기 변화에 따라 국부 콘트라스트 향상 레벨을 조절하여 노이즈가 발생하는 것을 방지하는 국부 콘트라스트 향상 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 목적은 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 변화 크기를 주파수 영역의 계수를 통해 용이하게 계산하여 단위 영상블록의 영상 변화 크기에 따라 국부 콘트라스트를 향상하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 목적은 단위 영상블록의 영상 방향을 고려하여 영상 방향으로 가중치를 부여하여 국부 콘트라스트를 향상하는 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법은 공간 영역의 단위 영상블록(f(i,j))을 주파수 영역으로 변환하여 주파수 영역의 단위 영상블록(F(i,j))을 생성하는 단계와, 주파수 영역의 단위 영상블록 계수로부터 공간 영역의 단위 영상블록의 수직 변화 크기와 수평 변화 크기를 계산하여 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 변화 크기를 계산하는 단계와, 영상 변화 크기에 비례하여 주파수 영역의 단위 영상블록 계수의 수직 방향 콘트라스트(contrast)와 수평 방향 콘트라스트를 1차 향상한 수직 영상블록(Fvc(i,j))과 수평 영상블록(Fhc(i,j))을 각각 생성하는 단계와, 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 방향을 고려하여 단위 영상블록의 영상 방향으로 2차 콘트라스트가 향상되도록 수평 영상블록과 수직 영상블록에 방향 가중치를 부여하여 최종 단위 영상블록(Fc(i,j))을 생성하는 단계와, 최종 단위 영상블록을 공간 영역으로 재변환하는 단계를 포함한다.
여기서 공간 영역의 단위 영상블록은 이산 코사인 변환(discrete cosine transform,DCT)에 의해 주파수 영역으로 변환되며, 최종 단위 영상블록은 역이산 코사인 변환에 의해 공간 영역으로 재변환된다.
영상 변화 크기를 계산하는 단계는 주파수 영역의 단위 영상블록의 첫번째 행의 짝수번째 계수를 합하여 공간 영역의 단위 영상 블록의 수평 영상 변화 크기를 계산하는 단계와, 주파수 영역의 단위 영상 블록의 첫번째 열의 짝수번째 계수를 합하여 공간 영역의 단위 영상 블록의 수직 영상 변화 크기를 계산하는 단계와, 수평 영상 변화 크기와 수직 영상 변화 크기로부터 공간 영역의 단위 영상 블록의 전체 영상 변화 크기를 계산하는 단계를 포함한다.
수평 영상 변화 크기(Ghor)는 아래의 수학식(1)에 의해 계산되며,
[수학식 1]
Figure 112011103568414-pat00001
수직 영상 변화 크기(Gver)는 아래의 수학식(2)에 의해 계산되며,
[수학식 2]
Figure 112011103568414-pat00002
전체 영상 변화 크기(G)는 아래의 수학식(3)에 의해 계산되며,
[수학식 3]
Figure 112011103568414-pat00003
여기서 N은 단위 영상 블록의 크기를 나타내며, F은 단위 영상 블록의 계수인 것을 특징으로 한다.
수직 영상블록과 수평 영상블록을 생성하는 단계는 영상 변화 크기에 비례하여 수직 조절 파라미터와 수평 조절 파라미터를 계산하는 단계와, 수직 조절 파라미터로부터 단위 영상블록 계수의 주파수 대역별 수직 가중치를 계산하고 수평 조절 파라미터로부터 단위 영상블록 계수의 주파수 대역별 수평 가중치를 계산하는 단계와, 수직 가중치를 수직 주파수 대역별로 단위 영상블록 계수에 곱하여 단위 영상블록 계수의 수직 방향 콘트라스트를 1차 향상한 수직 영상블록을 생성하고 수평 가중치를 수평 주파수 대역별로 단위 영상블록 계수에 곱하여 단위 영상블록 계수의 수평 방향 콘트라스트를 1차 향상한 수평 영상블록을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
수직 조절 파라미터(m_cver)와 수평 조절 파라미터(m_chor)는 각각 아래의 수학식(4)과 수학식(5)에 의해 계산되며,
[수학식 4]
Figure 112011103568414-pat00004
[수학식 5]
Figure 112011103568414-pat00005
여기서 cver과 chor은 각각 크기를 고려하지 않은 수직 조절 파라미터와 수평 조절 파라미터이며, k는 수직 조절 파라미터와 수평 파라미터의 변화율 조절 파라미터로 0 내지 1의 값을 가지는 것을 특징으로 한다.
수직 가중치(
Figure 112011103568414-pat00006
)와 수평 가중치(
Figure 112011103568414-pat00007
)는 각각 아래의 수학식(6)와 수학식(7)에 의해 계산되며,
[수학식 6]
Figure 112011103568414-pat00008
[수학식 7]
Figure 112011103568414-pat00009
αj, αi는 각각 수직 조절 가중치와 수평 조절 가중치인 것을 특징으로 한다.
여기서 최종 단위 영상블록을 생성하는 단계는 계산한 영상 방향을 판단하는 단계와, 주파수 영역의 단위 영상블록의 수직 방향 가중치와 수평 방향 가중치를 계산하는 단계와, 판단한 영상 방향에 기초하여 영상 방향으로 콘트라스트가 향상되도록 수직 방향 가중치와 수평 방향 가중치를 수직 영상블록과 수평 영상블록에 부여하여 2차 콘트라스트를 향상시킨 최종 단위 영상블록(Fc(i,j))을 생성하는 단계를 포함한다.
바람직하게, 최종 단위 영상블록(Fc(i,j))은 아래의 수학식(8)에 의해 계산되며,
[수학식 8]
Figure 112011103568414-pat00010
여기서
Figure 112011103568414-pat00011
와
Figure 112011103568414-pat00012
는 각각 수직 방향 가중치와 수평 방향 가중치인 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 아래의 수학식(9)과 같이 저주파의 단위 영상블록 계수는 (c) 단계와 (d) 단계를 수행하지 않고 그대로 유지되며,
[수학식 9]
Fc(i,j)=F(i,j) if 0≤u+v≤L
여기서 L은 단위 영상블록 계수를 저주파 성분과 고주파 성분으로 구분하는 구분자이며, 구분자는 아래의 수학식(10)에 의해 계산되며,
[수학식 10]
Figure 112011103568414-pat00013
여기서 ┌ ┐은 내림값 자연수를 의미하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법은 종래기술들과 비교하여 다음과 같은 다양한 효과들을 가진다.
첫째, 본 발명에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법은 단위 영상블록의 영상 크기 변화에 따라 국부 콘트라스트 향상 레벨을 조절함으로써, 영상 변화가 없거나 영상 변화의 크기가 작은 단위 영상블록에서 노이즈가 발생하는 것을 방지하며 국부 콘트라스트를 향상시킬 수 있다.
둘째, 본 발명에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법은 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 변화 크기를 주파수 영역의 계수를 통해 계산함으로써, 적은 계산량으로 단위 영상블록의 영상 변화 크기를 계산할 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법은 단위 영상블록의 영상 크기 변화 방향을 고려하여 영상 크기 변화 방향으로 가중치를 부여하여 국부 콘트라스트를 향상시킴으로써, 국부 콘트라스트가 향상된 단위 영상블록에서 오버슈트가 발생하는 것을 방지한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 장치를 설명하기 위한 기능 블록도이다.
도 2는 영상의 국부 콘트라스트를 향상하는 종래 장치에서 주파수 영역의 단위 영상블록의 콘트라스트를 향상하는 방법의 일 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 장치를 설명하기 위한 기능 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 장치의 2차 콘트라스트 향상부를 보다 구체적으로 설명하기 위한 기능 블록도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 장치의 기능 블록도를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 7은 공간 영역의 8×8 단위 영상 블록을 도시하고 있다.
도 8은 수직 영상블록의 일 예를 도시하고 있다.
도 9은 수평 영상블록의 일 예를 도시하고 있다.
도 10은 본 발명에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법에서 단위 영상블록의 콘트라스트를 2차 향상하여 최종 단위 영상블록을 생성하는 단계를 보다 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 11은 객체가 존재하는 영상에서 영상 방향을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법을 설명하기 위한 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참고로 본 발명에 따른 영상의 선명도 개선 방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 장치를 설명하기 위한 기능 블록도이다.
도 3을 참고로 보다 구체적으로 살펴보면, 주파수 영역 변환부(110)는 입력되는 공간 영역의 영상을 N×N 크기의 단위 영상블록으로 분할하고, 분할한 단위 영상블록을 블록 기반 변환 방식으로 변환하여 주파수 영역의 단위 영상 블록으로 변환한다. 바람직하게, 주파수 영역 변환부(110)는 공간 영역의 단위 영상블록을 이산 코사인 변환(DCT)하여 주파수 영역의 단위 영상블록으로 생성한다. 블록 기반 변환에 의해 공간 영역의 단위 영상블록을 구성하는 화소값은 주파수 영역의 단위 영상 블록을 구성하는 계수로 변환된다.
영상 변화 크기 계산부(120)는 주파수 변환된 단위 영상 블록의 계수로부터 단위 영상 블록의 공간 영역에서의 수평 영상 변화 크기와 수직 영상 변화 크기를 계산하고, 계산한 수평 영상 변화 크기와 수직 영상 변화 크기로부터 단위 영상블록의 전체 영상 변화 크기를 계산한다. 여기서 단위 영상 블록의 영상 변화 크기란 단위 영상 블록의 휘도, 색상, 명도 등의 영상을 나타내는 값의 크기 변화를 의미한다.
1차 콘트라스트 향상부(130)는 수평 영상블록 생성부(131)과 수직 영상블록 생성부(133)을 구비하는데, 수평 영상블록 생성부(131)는 계산한 단위 영상블록의 영상 변화 크기에 비례하여 수평 주파수 대역별로 주파수 영역의 단위 영상블록 계수의 에너지를 증가시켜 단위 영상블록의 수평 방향의 콘트라스트를 1차 향상한 수평 영상블록을 생성하며, 수직 영상블록 생성부(133)는 계산한 단위 영상블록의 영상 변화 크기에 비례하여 수직 주파수 대역별로 주파수 영역의 단위 영상블록 계수의 에너지를 증가시켜 단위 영상블록의 수직 방향의 콘트라스트를 1차 향상한 수직 영상블록을 생성한다.
2차 콘트라스트 향상부(140)는 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 방향을 판단하고, 판단한 단위 영상블록의 영상 방향을 고려하여 영상 방향으로 콘트라스트가 향상되도록 생성한 수평 영상블록과 수직 영상블록에 방향 가중치를 곱하여 단위 영상블록의 콘트라스트를 2차 향상한 최종 단위 영상블록을 생성한다. 공간 영역 변환부(150)는 2차 콘트라스트가 향상된 주파수 영역의 단위 영상블록을 블록 기반 역변환 방식으로 변환하여 공간 영역의 단위 영상블록으로 재변환한다. 바람직하게, 공간 영역 변환부(150)는 2차 콘트라스트가 향상된 주파수 영역의 단위 영상블록을 역이산 코사인 변환(IDCT)하여 공간 영역의 단위 영상블록으로 생성한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 장치의 2차 콘트라스트 향상부를 보다 구체적으로 설명하기 위한 기능 블록도이다.
도 4를 참고로 보다 구체적으로 살펴보면, 영상 방향 판단부(141)는 단위 영상블록의 수평 영상 변화 크기와 수직 영상 변화 크기를 고려하여 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 방향을 판단한다. 여기서 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 방향은 수평 영상 변화 크기와 수직 영상 변화 크기의 벡터로 이루어진 단위 영상블록의 전체 영상 변화 크기의 벡터 방향에 수직 방향으로 정의된다.
방향 가중치 계산부(143)는 단위 영상블록의 전체 영상 변화 크기의 벡터 방향보다 단위 영상블록의 영상 방향, 즉 단위 영상블록의 전체 영상 변화 크기의 벡터 방향에 수직 방향으로 콘트라스트가 더욱 향상되도록 수평 영상블록과 수직 영상블록에 각각 곱해지는 수평 가중치와 수직 가중치를 계산하고, 최종 단위 영상블록 생성부(145)는 수평 가중치와 수직 가중치를 각각 수평 영상블록과 수직 영상블록에 곱하여 단위 영상블록의 영상 방향으로 2차 콘트라스트를 향상한 최종 단위 영상블록을 생성한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 장치의 기능 블록도를 도시하고 있다.
도 5에 도시되어 있는 주파수 변환부(210), 영상변화 크기 계산부(220), 1차 콘트라스트 향상부(240), 2차 콘트라스트 향상부(250) 및 공간 영역 변환부(260)는 도 3에서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 장치의 주파수 변환부(110), 영상변화 크기 계산부(120), 1차 콘트라스트 향상부(130), 2차 콘트라스트 향상부(140) 및 공간 영역 변환부(150)와 동일한 기능을 수행하므로, 이하 설명의 간소화를 위하여 주파수 변환부(210), 영상변화 크기 계산부(220), 1차 콘트라스트 향상부(240), 2차 콘트라스트 향상부(250) 및 공간 영역 변환부(260)에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
저주파 성분 판단부(230)는 주파수 영역의 단위 영상블록에서 설정된 저주파 성분 구분자에 따라 저주파 성분의 계수를 판단한다. 수평 영상블록 생성부(241)는 계산한 단위 영상블록의 영상 변화 크기에 비례하여 수평 주파수 대역별로 저주파 성분의 계수를 제외한 주파수 영역의 단위 영상블록 계수의 에너지를 증가시켜 단위 영상블록의 수평 방향의 콘트라스트를 1차 향상한 수평 영상블록을 생성하며, 수직 영상블록 생성부(243)는 계산한 단위 영상블록의 영상 변화 크기에 비례하여 수직 주파수 대역별로 저주파 성분의 계수를 제외한 주파수 영역의 단위 영상블록 계수의 에너지를 증가시켜 단위 영상블록의 수직 방향의 콘트라스트를 1차 향상한 수직 영상블록을 생성한다. 한편, 2차 콘트라스트 향상부(250)는 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 방향을 판단하고, 판단한 단위 영상블록의 영상 방향을 고려하여 영상 방향으로 콘트라스트가 향상되도록 저주파 성분의 계수를 제외한 수평 영상블록과 수직 영상블록에 방향 가중치를 곱하여 단위 영상블록의 콘트라스트를 2차 향상한 최종 단위 영상블록을 생성한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6을 참고로 보다 구체적으로 살펴보면, 공간 영역의 입력 영상을 단위 영상블록으로 분할하고 분할한 단위 영상블록을 이산 코사인 변환하여 주파수 영역의 단위 영상 블록으로 변환한다(S10). 변환한 주파수 영역의 단위 영상 블록의 계수를 이용하여 공간 영역에서의 단위 영상 블록의 수평 영상 변화 크기와 수직 영상 변화 크기를 계산하여 단위 영상 블록 전체의 영상 변화 크기를 계산한다(S20).
공간 영역의 8×8 단위 영상 블록을 도시하고 있는 도 7을 참고로 단위 영상 블록의 영상 변화 크기를 보다 구체적으로 살펴보면, 먼저 수평 영상 변화 크기(Ghor)는 수평 기준값(GH)을 기준으로 0번째 열에 존재하는 화소값과 7번째 열에 존재하는 화소값의 차의 수평 제1 합을 계산하고, 1번째 열에 존재하는 화소값과 6번째 열에 존재하는 화소값의 차의 수평 제2 합을 계산하고, 2번째 열에 존재하는 화소값과 5번째 열에 존재하는 화소값의 차의 수평 제3 합을 계산하고, 3번째 열에 존재하는 화소값과 4번째 열에 존재하는 화소값의 차의 수평 제 4합을 계산한다. 계산한 수평 제1 합 내지 수평 제4 합의 총합으로 공간 영역의 8×8 단위 영상 블록의 수평 영상 변화 크기가 표현된다.
한편, 수직 영상 변화 크기(GVER)는 수직 기준값(GV)을 기준으로 0번째 행에 존재하는 화소값과 7번째 행에 존재하는 화소값의 차의 수직 제1 합을 계산하고, 1번째 행에 존재하는 화소값과 6번째 행에 존재하는 화소값의 차의 수평 제2 합을 계산하고, 2번째 행에 존재하는 화소값과 5번째 행에 존재하는 화소값의 차의 수직 제3 합을 계산하고, 3번째 행에 존재하는 화소값과 4번째 행에 존재하는 화소값의 차의 수직 제 4합을 계산한다. 계산한 수직 제1 합 내지 수직 제4 합의 총합으로 공간 영역의 8×8 단위 영상 블록의 수직 영상 변화 크기가 표현된다.
단위 영상 블록의 전체 영상 변화 크기는 수평 영상 변화 크기와 수직 영상 변화 크기로 표현되는 벡터의 크기로 표현된다.
수평 영상 변화 크기, 수직 영상 변화 크기 및 전체 영상 변화 크기는 아래의 수학식(1) 내지 수학식(3)으로 요약하여 표현할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112011103568414-pat00014
[수학식 2]
Figure 112011103568414-pat00015
[수학식 3]
Figure 112011103568414-pat00016
주파수 영역으로 변환된 단위 영상 블록의 계수는 위에서 설명한 공간 영역에서의 단위 영상 블록에서 행 또는 열 단위의 화소값 차의 수평합 또는 수직합을 포함하고 있음을 연구결과 인지하게 되었으며, 본 발명에서는 공간 영역에서의 단위 영상 블록의 영상 변화 크기를 계산하는데 소요되는 계산량을 줄이기 위하여 주파수 영역으로 변환된 단위 영상 블록의 계수로부터 직접 공간 영역의 단위 영상 블록의 영상 변화 크기를 계산한다.
이를 보다 구체적으로 살펴보면, 아래의 수학식(4)와 같이 주파수 영역의 단위 영상 블록의 계수(F(i,j))에서 첫번째 열의 짝수번째 계수는 공간 영역의 단위 영상 블록(f(i,j))의 수직 영상 변화 크기를 포함하고 있다.
[수학식 4]
Figure 112011103568414-pat00017
따라서 공간 영역에서의 단위 영상 블록의 수직 영상 변화 크기는 아래의 수학식(5)와 같이 표현된다.
[수학식 5]
Figure 112011103568414-pat00018
여기서 λ2l+1은 수학식(4)에서
Figure 112011103568414-pat00019
와 곱해져 1의 값을 가지도록 하는 가중치인 것을 특징으로 한다.
한편, 주파수 영역의 단위 영상 블록의 계수(F(i,j))에서 첫번째 행의 짝수번째 계수는 공간 영역의 단위 영상 블록의 수평 영상 변화 크기를 포함하고 있으며 수학식(6)과 같이 계산된다.
[수학식 6]
Figure 112011103568414-pat00020
따라서 공간 영역에서의 단위 영상 블록의 수평 영상 변화 크기는 아래의 수학식(7)와 같이 표현된다.
[수학식 7]
Figure 112011103568414-pat00021
여기서 λ2l+1은 수학식(6)에서
Figure 112011103568414-pat00022
와 곱해져 1의 값을 가지도록 하는 가중치인 것을 특징으로 한다.
위의 수학식(5) 또는 수학식(7)에서 계산한 수직 영상 변화 크기와 수평 영상 변화 크기에서 λ2l+1을 고려하지 않더라도 단위 영상 블록의 수직 영상 변화 크기와 수평 영상 변화 크기는 큰 차이가 없음을 확인하였으며, 계산량을 줄이기 위하여 아래의 수학식(8)과 수학식(9)과 같이 단위 영상 블록의 수평 영상 변화 크기와 수직 영상 변화 크기를 계산할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112011103568414-pat00023
[수학식 9]
Figure 112011103568414-pat00024

다시 도 6을 참고로 본 발명에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법을 구체적으로 살펴보면, 영상 변화 크기에 비례하여 수직 주파수 대역별 주파수 영역의 단위 영상블록 계수의 수직 방향 콘트라스트를 1차 향상한 수직 영상블록(Fvc(i,j))를 생성하고(S30), 영상 변화 크기에 비례하여 수평 주파수 대역별 주파수 영역의 단위 영상블록 계수의 수평 방향 콘트라스트를 1차 향상한 수평 영상블록(Fhc(i,j))을 생성한다(S40).
수직 영상블록과 수평 영상블록을 생성하는 단계를 보다 구체적으로 살펴보면, 영상 변화 크기에 비례하여 수직 조절 파라미터(m_cver)와 수평 조절 파라미터(m_chor)를 아래의 수학식(10)과 수학식(11)에 따라 계산한다.
[수학식 10]
Figure 112011103568414-pat00025
[수학식 11]
Figure 112011103568414-pat00026
여기서 cver과 chor은 각각 단위 영상블록의 영상 크기 변화를 고려하지 않은 고정된 수직 조절 파라미터와 수평 조절 파라미터이며, k는 수직 조절 파라미터와 수평 파라미터의 변화율 조절 파라미터로 0 내지 1의 값을 가진다.
수직 조절 파라미터(m_cver)를 이용하여 수직 주파수 대역별 단위 영상블록의 계수에 곱해지는 수직 가중치를 계산하고, 수평 조절 파라미터(m_chor)를 이용하여 수평 주파수 대역별 단위 영상블록의 계수에 곱해지는 수평 가중치를 계산한다. 수직 가중치를 수직 주파수 대역별로 단위 영상블록 계수에 곱하여 단위 영상블록 계수의 수직 방향 콘트라스트를 1차 향상한 수직 영상블록을 생성하고, 수평 가중치를 수평 주파수 대역별 단위 영상블록 계수에 곱하여 단위 영상블록 계수의 수평 방향 콘트라스트를 1차 향상한 수평 영상블록을 생성한다.
수직 영상블록의 일 예를 도시하고 있는 도 8를 참고로 살펴보면, 도 8(a)와 같이 주파수 영역의 단위 영상블록은 제1 열의 제1 수직 주파수 대역(fv0) 내지 제8 열의 제8 수직 주파수 대역(fv7)으로 구성되며, 도 8(b)와 같이 각 수직 주파수 대역별로 수직 가중치(
Figure 112011103568414-pat00027
)을 곱하여 수직 방향 콘트라스트가 1차 향상된 수직 영상블록을 생성한다.
수평 영상블록의 일 예를 도시하고 있는 도 9를 참고로 살펴보면, 도 9(a)와 같이 주파수 영역의 단위 영상블록은 제1 행의 제1 수평 주파수 대역(fh0) 내지 제8 행의 제8 수평 주파수 대역(fh7)으로 구성되며, 도 9(b)와 같이 각 수평 주파수 대역별로 수평 가중치(
Figure 112011103568414-pat00028
)을 곱하여 수평 방향 콘트라스트가 1차 향상된 수평 영상블록을 생성한다
바람직하게, 수직 영상블록(Fvc(i,j))은 아래의 수학식(12)에 의해 계산되며, 수평 영상블록(Fhc(i,j))은 아래의 수학식(13)에 의해 계산된다.
[수학식 12]
Figure 112011103568414-pat00029
[수학식 13]
Figure 112011103568414-pat00030
바람직하게, 수직 가중치와 수평 가중치는 각각 아래의 수학식(14)와 수학식(15)에 의해 계산된다.
[수학식 14]
Figure 112011103568414-pat00031
[수학식 15]
Figure 112011103568414-pat00032
여기서 αj, αi는 각각 수직 가중치의 조절 파라미터와 수평 가중치 조절 파라미터이다.
본 발명에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법은 단위 영상블록의 변화 크기에 비례하여 수직 주파수 대역별 단위 영상블록 계수에 곱해지는 수직 가중치와 수평 주파수 대역별 단위 영상블록 계수에 곱해지는 수평 가중치를 조절함으로써, 영상 변화가 없거나 영상 변화의 크기가 적은 단위 영상블록에 대해서는 수직 가중치 또는 수평 가중치를 작게하여 국부 콘트라스트 향상에 따라 노이즈가 발생하는 것을 방지한다.
다시 도 6을 참고로 살펴보면, 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 방향을 판단하고, 판단한 단위 영상블록의 영상 방향을 고려하여 영상 방향으로 콘트라스트가 향상되도록 생성한 수평 영상블록과 수직 영상블록에 방향 가중치를 곱하여 단위 영상블록의 콘트라스트를 2차 향상한 최종 단위 영상블록을 생성한다(S50).
도 10은 본 발명에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법에서 단위 영상블록의 콘트라스트를 2차 향상하여 최종 단위 영상블록을 생성하는 단계를 보다 구체적으로 설명하는 흐름도이다.
도 10을 참고로 살펴보면, 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 크기 변화 방향에 기초하여 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 방향을 판단한다(110). 객체가 존재하는 영상의 일 예를 도시하고 있는 도 11을 참고로 살펴보면, 객체가 존재하는 영상의 영상 크기 변화 방향(G)은 객체의 경계면에 수직 방향으로 나타나며, 단위 영상블록의 영상 방향(E)은 객체의 경계면 방향인, 영상 크기 변화 방향의 수직 방향이다.
단위 영상블록의 영상 변화 크기의 방향보다 단위 영상블록의 영상 방향으로 콘트라스트가 향상되도록 수평 영상블록과 수직 영상블록에 각각 곱해지는 수평 가중치와 수직 가중치를 계산하고(S120), 계산한 수평 가중치와 수직 가중치를 각각 수평 영상블록과 수직 영상블록에 곱하여 아래의 수학식(16)과 같이 단위 영상블록의 영상 방향으로 2차 콘트라스트를 향상한 최종 단위 영상블록을 생성한다(S130).
[수학식 16]
Figure 112011103568414-pat00033
여기서
Figure 112011103568414-pat00034
와
Figure 112011103568414-pat00035
는 각각 수직 가중치와 수평 가중치이다.
여기서 단위 영상블록의 영상 크기 변화 방향보다 영상 방향으로 더 큰 비율로 콘트라스트를 향상시키기 위해, 수직 영상블록(Fvc(i,j))에는 정규화된 단위 영상 변화 크기(
Figure 112011103568414-pat00036
)에 대한 수평 방향의 영상 변화 크기(
Figure 112011103568414-pat00037
)로 이루어진 수직 가중치가 곱해지고, 수평 영상블록(Fhc(i,j))에는 정규화된 단위 영상 변화 크기(
Figure 112011103568414-pat00038
)에 대한 수직 방향의 영상 변화 크기(
Figure 112011103568414-pat00039
)로 이루어진 수평 가중치가 곱해진다.
본 발명에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법은 단위 영상블록의 영상 변화 방향으로 콘트라스트 향상을 집중함으로써, 객체의 경계면에서 오버슈트가 발생하여 링잉 객체(ringing artifacts)가 생기는 것을 방지한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12에 도시되어 있는 본 발명의 다른 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법의 각 단계는 도 6을 참고로 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법의 각 단계와 동일하며, 다만 주파수 영역의 단위 영상블록에서 저주파 성분을 제외한 계수부분에 대해서만 콘트라스트를 향상한다는 점이 서로 상이하다. 따라서 이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법에서 단위 영상블록의 저주파 성분을 판단하고 판단한 저주파 성분을 제외한 단위 영상블록의 계수의 콘트라스트를 향상하는 단계에 대해 집중적으로 설명한다.
공간 영역의 입력 영상을 단위 영상블록으로 분할하고 분할한 단위 영상블록을 이산 코사인 변환하여 주파수 영역의 단위 영상 블록으로 변환한다(S110). 변환한 주파수 영역의 단위 영상 블록의 계수를 이용하여 공간 영역에서의 단위 영상 블록의 수평 영상 변화 크기와 수직 영상 변화 크기를 계산하여 단위 영상 블록 전체의 영상 변화 크기를 계산한다(S120).
주파수 영역의 단위 영상블록에서 설정된 저주파 성분 구분자에 따라 저주파 성분의 계수를 판단한다(S130). 계산한 단위 영상블록의 영상 변화 크기에 비례하여 수직 주파수 대역별로 저주파 성분의 계수를 제외한 주파수 영역의 단위 영상블록 계수의 에너지를 증가시켜 단위 영상블록의 수직 방향의 콘트라스트를 1차 향상한 수직 영상블록을 생성하며(S140), 계산한 단위 영상블록의 영상 변화 크기에 비례하여 수평 주파수 대역별로 저주파 성분의 계수를 제외한 주파수 영역의 단위 영상블록 계수의 에너지를 증가시켜 단위 영상블록의 수평 방향의 콘트라스트를 1차 향상한 수평 영상블록을 생성한다(S150). 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 방향을 판단하고, 판단한 단위 영상블록의 영상 방향을 고려하여 영상 방향으로 콘트라스트가 향상되도록 저주파 성분의 계수를 제외한 수평 영상블록과 수직 영상블록에 방향 가중치를 곱하여 단위 영상블록의 콘트라스트를 2차 향상한 최종 단위 영상블록을 생성한다(S160).
즉, 최종 단위 영상블록(Fc(i,j))에서 주파수 영역의 단위 영상블록의 계수 중 저주파 성분의 계수는 140 단계 내지 160 단계를 수행하지 않고 아래의 수학식(16)과 같이 그대로 유지되며,
[수학식 16]
Fc(i,j)=F(i,j) if 0≤i+j≤L
여기서 L은 단위 영상블록 계수를 저주파 성분과 고주파 성분으로 구분하는 구분자이다. 바람직하게, 구분자는 아래의 수학식(17)에 의해 계산되며,
[수학식 17]
Figure 112011103568414-pat00040
여기서, ┌ ┐은 내림값 자연수를 의미하며, N은 단위 영상 블록의 크기인 것을 특징으로 한다. 본 발명이 적용되는 분야에 따라 저주파 성분과 고주파 성분을 구분하는 다양한 방법이 사용될 수 있으며 이는 본 발명의 범위에 속한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 국부 콘트라스트 향상 방법은 저주파 성분의 계수를 고정함으로써, 단위 영상 블록 사이의 밝기 차이가 발생하지 않으며 단위 영상 블록 사이의 경계면이 발생하지 않아 자연스러우며 선명한 영상으로 국부 콘트라스트를 향상할 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 실시 예들은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성 가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.
상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는 마그네틱 저장 매체(예를 들어, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등) 및 캐리어 웨이브(예를 들면, 인터넷을 통한 전송)와 같은 저장 매체를 포함한다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
110, 201: 주파수 영역 변환부 120,220: 영상 변화 크기 계산부
130: 1차 콘트라스트 향상부 140, 250: 2차 콘트라스트 향상부
150, 260: 공간 영역 변환부 230: 저주파 성분 판단부

Claims (14)

  1. (a) 공간 영역의 단위 영상블록(f(u,v))을 주파수 영역으로 변환하여 주파수 영역의 단위 영상블록(F(i,j))을 생성하는 단계;
    (b) 상기 주파수 영역의 단위 영상블록 계수로부터 상기 공간 영역의 단위 영상블록의 수직 변화 크기와 수평 변화 크기를 계산하여 상기 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 변화 크기를 계산하는 단계;
    (c) 상기 영상 변화 크기에 비례하여 상기 주파수 영역의 단위 영상블록 계수의 수직 방향 콘트라스트(contrast)와 수평 방향 콘트라스트를 1차 향상한 수직 영상블록(Fvc(i,j))과 수평 영상블록(Fhc(i,j))을 각각 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 방향을 고려하여 상기 단위 영상블록의 영상 방향으로 2차 콘트라스트가 향상되도록 상기 수평 방향 영상블록과 상기 수직 방향 영상블록에 방향 가중치를 부여하여 최종 단위 영상블록(Fc(i,j))을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘트라스트 향상 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 콘트라스트 향상 방법은
    상기 최종 단위 영상블록을 공간 영역으로 재변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 콘트라스트 향상 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 공간 영역의 단위 영상블록은 이산 코사인 변환(discrete cosine transform,DCT)에 의해 주파수 영역으로 변환되며,
    상기 최종 단위 영상블록은 역이산 코사인 변환에 의해 공간 영역으로 재변환되는 것을 특징으로 하는 콘트라스트 향상 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 영상 변화 크기를 계산하는 단계는
    상기 주파수 영역의 단위 영상블록의 첫번째 행의 짝수번째 계수를 합하여 상기 공간 영역의 단위 영상 블록의 수평 영상 변화 크기를 계산하는 단계;
    상기 주파수 영역의 단위 영상 블록의 첫번째 열의 짝수번째 계수를 합하여 상기 공간 영역의 단위 영상 블록의 수직 영상 변화 크기를 계산하는 단계; 및
    상기 수평 영상 변화 크기와 수직 영상 변화 크기로부터 상기 공간 영역의 단위 영상 블록의 전체 영상 변화 크기를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘트라스트 향상 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 수평 영상 변화 크기(Ghor)는 아래의 수학식(1)에 의해 계산되며,
    [수학식 1]
    Figure 112011103568414-pat00041

    상기 수직 영상 변화 크기(Gver)는 아래의 수학식(2)에 의해 계산되며,
    [수학식 2]
    Figure 112011103568414-pat00042

    상기 전체 영상 변화 크기(G)는 아래의 수학식(3)에 의해 계산되며,
    [수학식 3]
    Figure 112011103568414-pat00043

    여기서 N은 단위 영상 블록의 크기를 나타내며, F은 단위 영상 블록의 계수인 것을 특징으로 하는 콘트라스트 향상 방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 수직 영상블록과 수평 영상블록을 생성하는 단계는
    상기 영상 변화 크기에 비례하여 수직 조절 파라미터와 수평 조절 파라미터를 계산하는 단계;
    상기 수직 조절 파라미터로부터 상기 단위 영상블록 계수의 주파수 대역별 수직 가중치를 계산하고, 상기 수평 조절 파라미터로부터 상기 단위 영상블록 계수의 주파수 대역별 수평 가중치를 계산하는 단계;
    상기 수직 가중치를 상기 단위 영상블록 계수에 곱하여 상기 단위 영상블록 계수의 수직 방향 콘트라스트를 1차 향상한 수직 영상블록을 생성하고, 상기 수평 가중치를 상기 단위 영상블록 계수에 곱하여 단위 영상블록 계수의 수평 방향 콘트라스트를 1차 향상한 수평 영상블록을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘트라스트 향상 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 수직 조절 파라미터(m_cver)와 수평 조절 파라미터(m_chor)는 각각 아래의 수학식(4)과 수학식(5)에 의해 계산되며,
    [수학식 4]
    Figure 112011103568414-pat00044

    [수학식 5]
    Figure 112011103568414-pat00045

    여기서 cver과 chor은 각각 영상 변화 크기를 고려하지 않은 수직 조절 파라미터와 수평 조절 파라미터이며, k는 수직 조절 파라미터와 수평 조절 파라미터의 변화율 조절 파라미터로 0 내지 1의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 콘트라스트 향상 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 수직 가중치(
    Figure 112011103568414-pat00046
    )와 상기 수평 가중치(
    Figure 112011103568414-pat00047
    )는 각각 아래의 수학식(6)와 수학식(7)에 의해 계산되며,
    [수학식 6]
    Figure 112011103568414-pat00048

    [수학식 7]
    Figure 112011103568414-pat00049

    αj, αi는 각각 수직 조절 가중치와 수평 조절 가중치인 것을 특징으로 하는 콘트라스트 향상 방법.
  9. 제 4 항에 있어서, 상기 최종 단위 영상블록을 생성하는 단계는
    상기 공간 영역의 단위 영상블록의 수평 영상 변화 크기와 수직 영상 변화 크기에 기초하여 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 방향을 판단하는 단계;
    상기 주파수 영역의 단위 영상블록의 수직 방향 가중치와 수평 방향 가중치를 계산하는 단계; 및
    상기 영상 방향에 기초하여 상기 영상 방향으로 콘트라스트가 향상되도록 상기 수직 방향 가중치와 상기 수평 방향 가중치를 상기 수직 영상블록과 수평 영상블록에 부여하여 2차 콘트라스트를 향상시킨 최종 단위 영상블록(Fc(i,j))을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 콘트라스트 향상 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 최종 단위 영상블록(Fc(i,j))은 아래의 수학식(8)에 의해 계산되며,
    [수학식 8]
    Figure 112011103568414-pat00050

    여기서
    Figure 112011103568414-pat00051
    와
    Figure 112011103568414-pat00052
    는 각각 수직 방향 가중치와 수평 방향 가중치인 것을 특징으로 하는 콘트라스트 향상 방법.
  11. 제 1 항에 있어서,
    아래의 수학식(9)과 같이 저주파 성분의 단위 영상블록 계수는 상기 (c) 단계와 (d) 단계를 수행하지 않고 그대로 유지되며,
    [수학식 9]
    Fc(i,j)=F(i,j) if 0≤i+j≤L
    여기서 L은 상기 단위 영상블록 계수를 저주파 성분과 고주파 성분으로 구분하는 구분자인 것을 특징으로 하는 콘트라스트 향상 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 구분자는 아래의 수학식(10)에 의해 계산되며,
    [수학식 10]
    Figure 112011103568414-pat00053

    여기서 ┌ ┐은 내림값 자연수를 의미하는 것을 특징으로 하는 콘트라스트 향상 방법.
  13. 공간 영역의 단위 영상블록을 주파수 영역으로 변환하여 주파수 영역의 단위 영상블록을 생성하는 주파수 영역 변환부;
    상기 주파수 영역의 단위 영상블록 계수로부터 상기 공간 영역의 단위 영상블록의 수직 변화 크기와 수평 변화 크기를 계산하여 상기 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 변화 크기를 계산하는 영상변화 크기 계산부;
    상기 영상 변화 크기에 비례하여 상기 주파수 영역의 단위 영상블록 계수의 수직 방향 콘트라스트와 수평 방향 콘트라스트를 1차 향상한 수직 영상블록(Fvc(i,j))과 수평 영상블록(Fhc(i,j))을 생성하는 1차 콘트라스트 향상부;
    상기 공간 영역의 단위 영상블록의 영상 크기 변화 방향에 수직 방향인 단위 영상블록의 영상 방향으로 2차 콘트라스트가 향상되도록 상기 수평 영상블록과 상기 수직 영상블록에 방향 가중치를 부여하여 최종 단위 영상블록(Fc(i,j))을 생성하는 2차 콘트라스트 향상부를 포함하는 것을 특징으로 하는 국부 콘트라스트 향상 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 주파수 영역의 단위 영상블록의 계수는 설정된 구분자에 의해 저주파 성분과 고주파 성분으로 구분되며,
    상기 1차 콘트라스트 향상부는 저주파 성분의 계수를 그대로 유지하며,
    상기 2차 콘트라스트 향상부는 저주파 성분의 계수를 그대로 유지하는 것을 특징으로 하는 국부 콘트라스트 향상 장치.
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