KR101389930B1 - 이미지 톤 매핑 장치 및 방법 - Google Patents

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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 이미지 톤 매핑 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 톤 매핑 시 수행되는 연산량을 크게 증가시키지 않으면서 톤 매핑된 이미지의 화질을 종래에 비해 현저하게 개선시킬 수 있다.

Description

이미지 톤 매핑 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PERFORMING TONE MAPPING FOR IMAGE}
본 발명은 이미지에 대해 톤 매핑(tone mapping)을 수행하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
사람의 눈으로 느낄 수 있는 밝기의 동적 범위(dynamic range)는 수십 만에서 수십 억까지 매우 넓은 범위를 형성한다. 반면, 수백의 동적 범위만으로도 대부분의 영상 정보를 나타내는데 충분하기 때문에 일반적인 영상을 재생하는 디스플레이 장치는 256의 동적 범위를 가진다. 하지만, 방대한 연산을 통하여 실제 자연 영상과 유사한 영상을 생성하거나, 보다 상세한 정보를 표현해야 하는 의료 영상 같은 경우에는 256보다 넓은 동적 범위로 영상을 표현해야 한다. 이렇게 표현한 영상을 광역 동적 범위를 가진 영상이라고 한다. 광역 동적 범위를 가진 영상을 일반적인 디스플레이 장치나 인쇄 장치 등에서 재생하기 위해서는 각 장치에서 지원하는 제한된 동적 범위를 가진 영상으로 변환해야 한다. 톤 매핑이란 광역 동적 범위를 가진 영상, 즉 HDR(High Dynamic Range) 영상을 디스플레이 장치나 인쇄 장치 등에서 재생할 수 있는 제한된 동적 범위를 가진 영상, 즉 LDR(Low Dynamic Range) 영상으로 변환해 주는 프로세스를 의미한다.
종래의 톤 매핑 방식으로 (1) 이미지 전체에 대해 오직 하나의 톤 매핑 연산자만을 사용하여 톤 매핑을 수행하는 글로벌 톤 매핑(global tone mapping) 방식과, (2) 이미지에 포함된 픽셀 각각을 해당 픽셀의 픽셀값과 주변 픽셀의 픽셀값에 따라 톤 매핑을 수행하는 로컬 톤 매핑(local tone mappig) 방식이 있다. 하지만, 상기 글로벌 톤 매핑 방식은 이미지의 동적 범위가 매우 큰 경우 톤 매핑된 이미지의 화질이 열악해지는 단점이 있으며, 상기 로컬 톤 매핑 방식은 톤 매핑 시 수행되는 연산량이 커서 실시간 처리가 힘들다는 문제가 있다.
전술한 종래의 톤 매핑 방식의 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 이미지를 다수의 영역으로 분할하고 상기 분할된 다수의 영역에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행하는 이미지 톤 매핑 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 톤 매핑 장치는: 이미지를 다수의 영역으로 분할하는 이미지 분할부; 및 상기 다수의 영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행하는 톤 매핑부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 톤 매핑 방법은: 이미지를 다수의 영역으로 분할하는 단계; 및 상기 다수의 영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 처리 장치는 이미지를 수신하는 수신부; 상기 수신된 이미지의 서브-영역의 개수를 결정하는 서브-영역개수 결정부; 상기 수신된 이미지를 다수의 서브-영역으로 분할하는 이미지 분할부; 상기 다수의 서브-영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 서브-영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행하는 톤 매핑부; 및 상기 톤 매핑된 이미지를 출력하는 출력부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 톤 매핑 방법은 프로그램으로 구현되어, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 기록될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 톤 매핑 시 수행되는 연산량을 크게 증가시키지 않으면서 톤 매핑된 이미지의 화질을 종래에 비해 현저하게 개선시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 톤 매핑 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 분할 과정을 설명하는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영역개수 결정부를 설명하는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 휘도 로그값의 계급에 대한 픽셀의 도수 분포를 설명하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 톤 매핑 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지의 분할되는 영역의 개수를 결정하는 단계를 설명하는 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 분할 단계를 설명하는 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 처리 장치를 도시하는 블록도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 톤 매핑된 이미지를 종래의 방식으로 톤 매핑한 이미지와 비교하는 도면이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 본 명세서에서 '및/또는' 이라는 용어는 나열된 구성들 각각 또는 이들의 다양한 조합을 가리킨다.
한편, 본 명세서 전체에서 사용되는 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미할 수 있다. 예를 들어 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있다. 그렇지만 '~부', '~기', '~블록', '~모듈' 등이 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다.
따라서, 일 예로서 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'은 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부', '~기', '~블록', '~모듈'들로 더 분리될 수 있다.
본 발명은 톤 매핑할 이미지를 다수의 영역으로 분할하고, 분할된 영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 톤 매핑을 수행하는 이미지 톤 매핑 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 톤 매핑 장치(100)를 설명하는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 톤 매핑 장치(100)는 이미지 분할부(102) 및 톤 매핑부(103)를 포함할 수 있다. 상기 이미지 분할부(102)는 이미지를 다수의 영역으로 분할한다. 상기 톤 매핑부(103)는 상기 다수의 영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 톤 매핑을 수행한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 분할 과정을 설명하는 예시적인 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 이미지 분할부(102)는 톤 매핑될 이미지(20)를 다수의 영역(도 2에서는 세 개의 영역)으로 분할한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지 분할부(102)는 먼저 이미지(20)로부터 다수의 픽셀(P1, P2, P3)을 선택할 수 있다(도 2의 (a) 참조). 도 2에 도시된 이미지에서는 세 개의 픽셀이 선택되었으나, 선택되는 픽셀의 개수는 이에 제한되지 않고 실시예에 따라 다양한 개수의 픽셀이 선택될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이미지(20)로부터 선택되는 픽셀의 개수는 이미지(20)의 분할되는 영역의 개수와 일치한다. 도 2의 실시예에서는 이미지(20)가 세 개의 영역으로 분할되며, 이에 따라 이미지(20)로부터 선택된 픽셀(P1, P2, P3)의 개수는 세 개임을 확인할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지 분할부(102)는 상기 선택된 다수의 픽셀(P1, P2, P3)과 상기 이미지(20)의 나머지 픽셀 간의 거리를 기반으로 상기 이미지(20)를 다수의 영역으로 분할할 수 있다. 예를 들어, 상기 이미지 분할부(102)는, 이미지(20)에 포함된 픽셀들 중 상기 선택된 픽셀들(P1, P2, P3)과 상기 선택된 픽셀들(P1, P2, P3)을 제외한 나머지 픽셀 간의 거리를 계산하고, 상기 나머지 픽셀을 상기 선택된 픽셀들(P1, P2, P3) 중 가장 가까운 픽셀을 중심으로 클러스터링할 수 있다. 이와 같이, 선택된 픽셀들(P1, P2, P3) 중 가장 가까운 픽셀에 이미지의 나머지 픽셀들을 클러스터링함으로써, 이미지(20)는 도 2의 (b)와 같이 세 개의 영역(21, 22, 23)으로 분할될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지 분할부(102)는 상기 분할된 다수의 영역(21, 22, 23)에 포함된 픽셀들 중 각 영역의 중심 픽셀을 결정할 수 있다. 상기 중심 픽셀은 상기 분할된 다수의 영역(21, 22, 23) 각각에 포함된 픽셀들의 픽셀값 중 중간값(median value)에 해당하는 픽셀일 수 있다. 예를 들어, 이미지(20)의 제 1 영역(21)에 포함된 픽셀들의 휘도값 중 최소값이 100이고 최대값이 200인 경우, 그 중간값인 150에 해당되는 휘도값을 갖는 픽셀이 제 1 영역(21)의 중심 픽셀(P1')로 결정될 수 있다. 또한, 이미지(20)의 제 2 영역(22)에 포함된 픽셀들의 휘도값 중 최소값이 130이고 최대값이 210인 경우, 그 중간값인 170에 해당되는 휘도값을 갖는 픽셀이 제 2 영역(22)의 중심 픽셀(P2')로 결정될 수 있다. 또한, 이미지(20)의 제 3 영역(23)에 포함된 픽셀들의 휘도값 중 최소값이 160이고 최대값이 220인 경우, 그 중간값인 190에 해당되는 휘도값을 갖는 픽셀이 제 3 영역(23)의 중심 픽셀(P3')로 결정될 수 있다. 도 2의 (c)는 상기 이미지 분할부(102)가 상기 분할된 다수의 영역(21, 22, 23)에 포함된 픽셀들 중 각 영역의 중심에 해당되는 픽셀(P1', P2', P3')을 결정하는 과정을 예시적으로 도시한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 중심 픽셀은 상기 분할된 다수의 영역(21, 22, 23) 각각에 포함된 픽셀들의 픽셀값의 평균값에 해당하는 픽셀일 수 있다. 예를 들어, 이미지(20)의 제 1 영역(21)에 포함된 픽셀들의 휘도값의 평균이 135로 계산되는 경우, 휘도값이 135인 픽셀이 제 1 영역(21)의 중심 픽셀(P1')로 결정될 수 있다. 마찬가지로, 제 2 영역(22) 및 제 3 영역(23) 각각에 대해 픽셀들의 휘도값의 평균을 계산하고, 평균값에 해당되는 픽셀을 제 2 영역 및 제 3 영역의 중심 픽셀로 결정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지 분할부(102)는 상기 결정된 중심 픽셀(P1', P2', P3')과 상기 이미지(20)의 나머지 픽셀 간의 거리를 기반으로 상기 이미지(20)를 다수의 영역으로 재분할할 수 있다. 예를 들어, 상기 이미지 분할부(102)는, 상기 이미지(20)의 중심 픽셀들(P1', P2', P3')과 상기 중심 픽셀을 제외한 나머지 픽셀 간의 거리를 계산하고, 상기 나머지 픽셀을 상기 중심 픽셀들(P1', P2', P3') 중 가장 가까운 픽셀을 중심으로 클러스터링할 수 있다. 만약 최초에 선택된 픽셀들(P1, P2, P3)과 상기 중심 픽셀들(P1', P2', P3')이 서로 상이하다면, 상기 이미지(20)는 최초에 분할된 영역들(21, 22, 23)과 상이한 영역(21', 22', 23')으로 다시 분할될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지 분할부(102)는 상기 이미지(20)의 중심 픽셀(P1', P2', P3')이 소정의 픽셀로 수렴될 때까지 상기 중심 픽셀의 결정 및 이미지의 재분할을 반복할 수 있다. 다시 말해, 상기 이미지 분할부(102)는 임의의 단계에서 결정된 중심 픽셀이 이전 단계에서 결정된 중심 픽셀과 동일해질 때까지 중심 픽셀의 결정 및 이미지의 재분할을 반복할 수 있다.
그 결과, 상기 이미지 분할부(102)는 최종적으로 다수의 영역으로 분할된 이미지를 획득할 수 있으며, 각 영역의 중심 픽셀은 해당 영역에 포함된 픽셀들의 픽셀값, 예컨대 휘도값의 중간값 또는 평균값에 해당하는 픽셀일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지 톤 매핑 장치(100)는 이미지의 분할되는 영역의 개수를 결정하는 영역개수 결정부(101)를 더 포함할 수 있다. 상기 영역개수 결정부(101)는 상기 이미지 분할부(102)가 이미지(20)를 분할하기 전에 상기 이미지(20)를 얼마나 많은 영역으로 분할할지 결정한다. 이미지를 너무 많은 영역으로 분할하면, 톤 매핑된 이미지의 화질이 향상되지만 톤 매핑 시 수행되는 연산의 양이 급격하게 증가하게 된다. 반대로, 이미지를 너무 적은 영역으로 분할하면, 연산량이 감소하는 반면 톤 매핑된 이미지의 화질이 열악해지게 된다. 따라서, 이미지의 화질과 연산량 둘 모두를 고려하여, 적절한 영역의 개수를 결정할 필요가 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영역개수 결정부(101)의 블록도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 영역개수 결정부(101)는 평균 및 분산값 계산부(1011), 도수분포 획득부(1012) 및 비교부(1013)를 포함할 수 있다.
상기 평균 및 분산값 계산부(1011)는 이미지에 포함된 픽셀들의 휘도 로그값의 평균 및 분산값을 계산할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 휘도 로그값은 2를 밑으로 하는 픽셀의 휘도값의 로그일 수 있으나(예컨대, log2 X), 상기 밑은 2뿐만 아니라 10, e 등과 같이 다양하게 설정될 수 있다. 상기 평균 및 분산값 계산부(1011)는 이미지(20)에 포함된 픽셀들의 휘도 로그값의 평균을 계산하고, 상기 계산된 평균을 기반으로 분산값(σ)을 계산할 수 있다.
상기 도수분포 획득부(1012)는 상기 분산값(σ)을 기반으로 휘도 로그값의 계급의 개수를 결정하고, 상기 휘도 로그값의 계급에 대한 픽셀의 도수분포를 획득할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도수분포는 히스토그램으로 표현될 수 있다. 상기 도수분포 획득부(1012)는 다음과 같은 수학식을 통해 휘도 로그값의 계급의 개수를 결정할 수 있다:
Figure 112012066075214-pat00001
여기서, N은 휘도 로그값의 계급의 개수이며, σ는 이미지에 포함된 픽셀들의 휘도 로그값의 분산값이다. 수학식 1에서 λ는 실험적으로(heuristically) 결정되는 계수로서, 본 발명의 일 실시예에서는 10으로 선택될 수 있다. 상기 수학식 1로부터 σ와 λ를 곱한 값을 내림하여 N을 구할 수 있음을 알 수 있다. 다시 말해, 상기 휘도 로그값은 분산값(σ)에 비례하는 계급의 개수(N)를 가질 수 있다.
상기 도수분포 획득부(1012)는 휘도 로그값의 계급에 대한 픽셀의 도수분포를 획득할 수 있다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 휘도 로그값에 대한 픽셀의 도수분포를 나타낸 예시적인 그래프이다. 상기 수학식 1로부터 휘도 로그값의 계급의 개수 N이 4로 결정된 경우, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 도수분포 그래프의 가로축은 총 네 개의 계급(r1, r2, r3, r4)으로 구성되고, 각 계급에 대한 픽셀의 도수가 도 4의 (a)의 그래프와 같이 분포될 수 있다.
또 다른 예에서, 휘도 로그값의 계급의 개수 N이 5로 결정되는 경우, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 도수분포 그래프의 가로축은 총 다섯 개의 계급(r1, r2, r3, r4, r5)으로 구성되고, 각 계급에 대한 픽셀의 도수가 도 4의 (b)의 그래프와 같이 분포될 수 있다.
상기 비교부(1013)는 각 계급에 대한 픽셀의 도수를 소정의 임계값과 비교하여, 상기 임계값을 초과하는 픽셀의 도수를 갖는 계급의 개수를 상기 분할되는 영역의 개수로 결정할 수 있다. 예를 들어, 도 4의 (a)에서 임계값 T를 초과하는 픽셀의 도수를 갖는 계급은 r2 및 r4이며, 이 경우 이미지의 분할되는 영역의 개수는 두 개로 결정될 수 있다. 또한, 도 4의 (b)에서 임계값 T를 초과하는 픽셀의 도수를 갖는 계급은 r2, r3, r4, r5이며, 이 경우 이미지의 분할되는 영역의 개수는 네 개로 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 임계값은 이미지의 사이즈에 비례할 수 있다. 예를 들어, 임계값은 다음과 같은 수학식을 통해 계산될 수 있다:
Figure 112012066075214-pat00002
여기서, T는 임계값이며, ω는 실험적으로 결정되는 계수로서, 본 발명의 일 실시예에서는 8로 선택될 수 있다. 이미지의 사이즈는 톤 매핑될 이미지의 면적으로서, 8 X 8 크기의 블럭인 경우 이미지의 사이즈는 64이다.
전술한 과정을 통해, 상기 영역개수 결정부(101)는 이미지의 분할되는 영역의 개수를 결정할 수 있고, 상기 결정된 영역의 개수만큼 상기 이미지 분할부(102)는 이미지(20)를 분할할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 상기 톤 매핑부(103)는 분할된 다수의 영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 톤 매핑부(103)는 이미지의 각 영역마다 서로 다른 톤 매핑 연산자(τ)를 사용하여 로그 톤 매핑(logarithmic tone mapping)을 수행할 수 있다. 상기 로그 톤 매핑을 통해 톤 매핑을 수행하는 경우, 다음과 같은 수학식을 통해 픽셀의 표시 레벨을 결정할 수 있다:
Figure 112012066075214-pat00003
여기서, Imax 및 Imin은 이미지에 포함된 픽셀의 최대 휘도값 및 최소 휘도값을 나타내며, Dmax 및 Dmin은 디스플레이 장치의 최대 표시 레벨 및 최소 표시 레벨을 나타내며, τ는 톤 매핑된 이미지의 전체 밝기를 제어하는 톤 매핑 연산자이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 톤 매핑부(103)는 이미지(20)의 각 영역(21', 22', 23')에 대한 톤 매핑 연산자(τ)가 상기 각 영역의 중심 픽셀(P1', P2', P3')의 픽셀값에 비례하도록 설정할 수 있다. 예를 들어, 각 영역의 중심 픽셀의 픽셀값 Ci = C1, C2, ... , Ck에 대해 톤 매핑 연산자 τi는 다음과 같이 결정될 수 있다:
Figure 112012066075214-pat00004
여기서, ε은 실험적으로 결정되는 계수로서, 본 발명의 일 실시예에서는 0.3으로 선택될 수 있다. 톤 매핑 연산자(τ)가 클수록 높은 휘도를 갖는 영역(즉, 밝은 영역)이 선명하게 표시될 수 있고, 반대로 톤 매핑 연산자(τ)가 작을수록 낮은 휘도를 갖는 영역(즉, 어두운 영역)이 선명하게 표시될 수 있다. 수학식 4에 따르면, 중심 픽셀의 픽셀값 Ci에 계수 ε을 곱하여 얻은 값을 내림하여 톤 매핑 연산자(τ)를 구할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 톤 매핑 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 톤 매핑 방법은 이미지를 다수의 영역으로 분할하는 단계(S62) 및 상기 다수의 영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행하는 단계(S63)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 톤 매핑 방법은, 상기 이미지를 다수의 영역으로 분할하는 단계(S62) 전에, 상기 이미지의 분할되는 영역의 개수를 결정하는 단계(S61)를 더 포함할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지의 분할되는 영역의 개수를 결정하는 단계(S61)를 설명하는 흐름도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지의 분할되는 영역의 개수를 결정하는 단계(S61)는, 이미지(20)에 포함된 픽셀들의 휘도 로그값의 평균 및 분산값을 계산하는 단계(S611), 상기 분산값을 기반으로 휘도 로그값의 계급의 개수를 결정하고 상기 휘도 로그값의 계급에 대한 픽셀의 도수분포를 획득하는 단계(S612), 각 계급에 대한 픽셀의 도수를 소정의 임계값과 비교하는 단계(S613), 및 상기 임계값을 초과하는 픽셀의 도수를 갖는 계급의 개수를 상기 분할되는 영역의 개수로 결정하는 단계(S614)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 도수분포는 히스토그램으로 표현될 수 있다. 상기 도수분포를 획득하는 단계(S612)는 상기 휘도 로그값이 상기 분산값(σ)에 비례하는 계급의 개수(N)를 갖도록 결정하는 단계를 포함할 수 있다(수학식 1 참조). 또한, 상기 임계값(T)은 상기 이미지(20)의 사이즈에 비례할 수 있다(수학식 2 참조).
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지를 분할하는 단계(S62)를 설명하는 흐름도이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지를 분할하는 단계(S62)는, 상기 이미지(20)로부터 다수의 픽셀(P1, P2, P3)을 선택하는 단계(S621), 상기 선택된 다수의 픽셀(P1, P2, P3)과 상기 이미지(20)의 나머지 픽셀 간의 거리를 기반으로 상기 이미지(20)를 다수의 영역(21, 22, 23)으로 분할하는 단계(S622), 상기 분할된 다수의 영역(21, 22, 23)에 포함된 픽셀들 중 각 영역의 중심 픽셀(P1', P2', P3')을 결정하는 단계(S623), 및 상기 중심 픽셀(P1', P2', P3')과 상기 이미지(20)의 나머지 픽셀 간의 거리를 기반으로 상기 이미지(20)를 다수의 영역(21', 22', 23')으로 재분할하는 단계(S624)를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 중심 픽셀을 결정하는 단계(S623)는 상기 분할된 다수의 영역(21, 22, 23) 각각에 포함된 픽셀들의 픽셀값 중 중간값에 해당되는 픽셀을 중심 픽셀로 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 중심 픽셀을 결정하는 단계(S623)는 상기 분할된 다수의 영역(21, 22, 23) 각각에 포함된 픽셀들의 픽셀값의 평균값에 해당되는 픽셀을 중심 픽셀로 결정하는 단계를 포함할 수도 있다. 여기서, 상기 픽셀값은 픽셀의 휘도값을 의미하나, 이에 제한되지 않고 픽셀의 색차값, R, G, B 값 등을 의미할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지를 분할하는 단계(S62)는 이미지(20)의 중심 픽셀(P1', P2', P3') 각각이 소정의 픽셀로 수렴될 때까지 상기 중심 픽셀을 결정하는 단계(S623) 및 상기 이미지를 재분할하는 단계(S624)를 반복할 수 있다(S625). 다시 말해, 임의의 단계에서 결정된 이미지의 중심 픽셀들이 이전 단계에서 결정된 이미지의 중심 픽셀들과 일치하는 경우, 이미지를 분할하는 단계가 종료한다. 하지만, 임의의 단계에서 결정된 이미지의 중심 픽셀들이 이전 단계에서 결정된 중심 픽셀들과 불일치하는 경우에는, 가장 최근에 분할된 이미지의 영역들로부터 새로운 중심 픽셀을 결정하고, 상기 결정된 중심 픽셀을 기준으로 이미지를 재분할하는 과정을 반복한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 톤 매핑을 수행하는 단계(S63)는 이미지(20)의 각 영역마다 서로 다른 톤 매핑 연산자(τ)를 사용하여 로그 톤 매핑을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 이미지에 포함된 픽셀들의 픽셀값을 디스플레이 장치의 표시 레벨 범위에 맞추어 로그 톤 매핑하는 과정은 전술한 수학식 3으로 표현될 수 있다. 상기 수학식 3에서 톤 매핑 연산자(τ)는 이미지의 각 영역마다 서로 다른 값으로 설정되며, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지의 각 영역에 대한 톤 매핑 연산자(τ)는 각 영역의 중심 픽셀(P1', P2', P3')의 픽셀값에 비례할 수 있다(수학식 4 참조).
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 처리 장치(80)의 블록도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 처리 장치(80)는 수신부(81), 서브-영역 개수 결정부(82), 이미지 분할부(83), 톤 매핑부(84) 및 출력부(85)를 포함할 수 있다.
상기 이미지 처리 장치(80)는 HDR 이미지를 수신하여 디스플레이 장치의 표시 레벨 범위에 적합하게 LDR 이미지를 출력하도록 이미지를 톤 매핑할 수 있다.
상기 수신부(81)는 이미지를 수신한다. 상기 수신부(81)가 수신하는 이미지는 이미지에 포함된 픽셀들의 픽셀값이 넓은 동적 범위에 걸쳐 분포된 HDR 이미지일 수 있다.
상기 서브-영역 개수 결정부(82)는 상기 수신된 이미지의 서브-영역의 개수를 결정한다. 다시 말해, 상기 서브-영역 개수 결정부(82)는 수신된 이미지가 몇 개의 영역으로 분할될지 결정한다. 상기 서브-영역 개수 결정부(82)는 도 3을 참조하여 설명한 바와 같이, 이미지에 포함된 픽셀들의 휘도 로그값의 평균 및 분산값을 계산하는 평균 및 분산값 계산부(1011), 상기 분산값을 기반으로 휘도 로그값의 계급의 개수를 결정하고 상기 휘도 로그값의 계급에 대한 픽셀의 도수분포를 획득하는 도수분포 획득부(1012), 및 각 계급에 대한 픽셀의 도수를 소정의 임계값과 비교하여 상기 임계값을 초과하는 픽셀의 도수를 갖는 계급의 개수를 상기 서브-영역의 개수로 결정하는 비교부(1013)를 포함할 수 있다.
상기 이미지 분할부(83)는 수신된 이미지를 다수의 서브-영역으로 분할한다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지 분할부(83)는 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 이미지(20)로부터 다수의 픽셀(P1, P2, P3)을 선택하고, 상기 선택된 다수의 픽셀(P1, P2, P3)과 상기 이미지(20)의 나머지 픽셀 간의 거리를 기반으로 상기 이미지(20)를 다수의 서브-영역(21, 22, 23)으로 분할하고, 상기 분할된 다수의 서브-영역(21, 22, 23)에 포함된 픽셀들 중 각 서브-영역의 중심 픽셀(P1', P2', P3')을 결정하고, 상기 중심 픽셀(P1', P2', P3')과 상기 이미지(20)의 나머지 픽셀 간의 거리를 기반으로 이미지(20)를 다수의 서브-영역(21', 22', 23')으로 재분할할 수 있다.
나아가, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 이미지 분할부(83)는 이미지의 중심 픽셀(P1', P2', P3') 각각이 소정의 픽셀로 수렴될 때까지 상기 중심 픽셀의 결정 및 이미지의 재분할을 반복하여 수행할 수 있다.
상기 톤 매핑부(84)는 다수의 서브-영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 서브-영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행한다. 수학식 3 및 4를 통해 설명한 바와 같이, 상기 톤 매핑부(84)는 이미지의 각 영역마다 서로 다른 톤 매핑 연산자(τ)를 사용하여 로그 톤 매핑을 수행할 수 있다. 상기 이미지의 각 영역에 대한 톤 매핑 연산자(τ)는 상기 각 서브-영역의 중심 픽셀(P1', P2', P3')의 픽셀값에 비례하도록 설정될 수 있다.
상기 출력부(85)는 상기 톤 매핑된 이미지를 출력한다. 상기 출력되는 이미지는 이미지를 디스플레이하는 디스플레이 장치의 표시 레벨 범위에 적합하게 톤 매핑된 LDR 이미지일 수 있다. 상기 출력부(85)는 상기 톤 매핑된 LDR 이미지를 디스플레이 장치(미도시)의 이미지 수신부로 전송할 수 있다.
전술한 본 발명의 일 실시예에 따른 이미지 톤 매핑 방법은 컴퓨터에서 실행되기 위한 프로그램으로 제작되어 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체에 저장될 수 있다. 상기 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 저장 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있다.
도 9는 종래의 방법으로 톤 매핑된 이미지와 본 발명의 일 실시예에 따라 톤 매핑된 이미지를 비교하는 도면이다. 도 9의 (a)는 로그 글로벌 톤 매핑(logarithmic global tone mapping) 알고리즘으로 톤 매핑된 이미지이며, (b)는 그래디언트 주파수 영역 톤 매핑(gradient frequency domain tone mapping) 알고리즘으로 톤 매핑된 이미지이며, (c)는 레티넥스 로컬 톤 매핑(retinex local tone mapping) 알고리즘으로 톤 매핑된 이미지이며, (d)는 본 발명의 이미지 톤 매핑 방법으로 톤 매핑된 이미지이다. 상기 톤 매핑은 인텔 코어2 쿼드 CPU 2.40 GHz 및 3GB RAM을 장착하고 마이크로소프트 윈도우 7이 설치된 컴퓨터에서 수행되었다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따라 톤 매핑된 이미지는 종래의 알고리즘으로 톤 매핑된 이미지보다 선명하고 뚜렷하게 표현되어 주관적 화질이 향상되었음을 확인할 수 있다.
나아가, 본 발명의 이미지 톤 매핑 방법에 따르면, 톤 매핑 시 소요되는 연산 시간이 종래에 비해 크게 단축될 수 있다. 아래의 표 1은 도 9의 이미지를 톤 매핑하기 위해 소요된 연산 시간을 나타낸다. 참고로, 본 발명은 도 9의 이미지를 총 다섯 개의 서브-영역으로 분할하여 톤 매핑을 수행하였다.
로그 글로벌 톤 매핑 그래디언트 주파수 영역 톤 매핑 레티넥스 로컬 톤 매핑 본 발명의 톤 매핑
6.80초 89.95초 239.84초 34.60초
표 1을 참조하면, 본 발명의 톤 매핑 방법은 그래디언트 및 레티넥스 알고리즘에 의한 톤 매핑보다 연산 시간을 크게 단축시켰음을 확인할 수 있다. 나아가, 본 발명은 로그 글로벌 톤 매핑 알고리즘에 비해 연산 시간을 크게 증가시키지 않으면서, 톤 매핑된 이미지의 화질을 두드러지게 향상시킴을 확인할 수 있다.
이상에서, 이미지를 다수의 영역으로 분할하고, 분할된 다수의 영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행하는 톤 매핑 장치 및 방법이 설명되었다. 본 발명의 일 실시예에 따른 톤 매핑 장치 및 방법에 따르면, 톤 매핑에 요구되는 연산량을 크게 증가시키지 않으면서 톤 매핑된 이미지의 화질을 향상시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
100: 이미지 톤 매핑 장치 101: 영역 개수 결정부
102: 이미지 분할부 103: 톤 매핑부

Claims (16)

  1. 이미지를 다수의 영역으로 분할하되, 상기 이미지로부터 다수의 픽셀을 선택하고, 상기 선택된 다수의 픽셀과 상기 이미지의 나머지 픽셀 간의 거리를 기반으로 상기 이미지를 다수의 영역으로 분할하고, 상기 분할된 다수의 영역에 포함된 픽셀들 중 각 영역의 중심 픽셀을 결정하고, 상기 중심 픽셀과 상기 이미지의 나머지 픽셀 간의 거리를 기반으로 상기 이미지를 다수의 영역으로 재분할하는 이미지 분할부; 그리고
    상기 다수의 영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행하는 톤 매핑부;
    를 포함하는 이미지 톤 매핑 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 중심 픽셀은, 상기 분할된 다수의 영역 각각에 포함된 픽셀들의 픽셀값 중 중간값에 해당하는 픽셀인 이미지 톤 매핑 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 중심 픽셀은, 상기 분할된 다수의 영역 각각에 포함된 픽셀들의 픽셀값의 평균값에 해당하는 픽셀인 이미지 톤 매핑 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지 분할부는, 상기 이미지의 중심 픽셀이 소정의 픽셀로 수렴될 때까지 상기 중심 픽셀의 결정 및 이미지의 재분할을 반복하는 이미지 톤 매핑 장치.
  6. 이미지의 분할되는 영역의 개수를 결정하는 영역개수 결정부;
    상기 이미지를 다수의 영역으로 분할하는 이미지 분할부; 및
    상기 다수의 영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행하는 톤 매핑부를 포함하며,
    상기 영역개수 결정부는:
    상기 이미지에 포함된 픽셀들의 휘도 로그값의 평균 및 분산값을 계산하는 평균 및 분산값 계산부;
    상기 분산값을 기반으로 휘도 로그값의 계급의 개수를 결정하고, 상기 휘도 로그값의 계급에 대한 픽셀의 도수분포를 획득하는 도수분포 획득부; 및
    각 계급에 대한 픽셀의 도수를 소정의 임계값과 비교하여, 상기 임계값을 초과하는 픽셀의 도수를 갖는 계급의 개수를 상기 분할되는 영역의 개수로 결정하는 비교부;
    를 포함하는 이미지 톤 매핑 장치.
  7. 삭제
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 도수분포 획득부는, 상기 휘도 로그값이 상기 분산값에 비례하는 계급의 개수를 갖도록 결정하는 이미지 톤 매핑 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 임계값은 상기 이미지의 사이즈에 비례하는 이미지 톤 매핑 장치.
  10. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 톤 매핑부는, 이미지의 각 영역마다 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 로그 톤 매핑(logarithmic tone mapping)을 수행하는 이미지 톤 매핑 장치.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 이미지의 각 영역에 대한 톤 매핑 연산자는 상기 각 영역의 중심 픽셀의 픽셀값에 비례하는 이미지 톤 매핑 장치.
  12. 이미지를 다수의 영역으로 분할하는 단계; 및
    상기 다수의 영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행하는 단계를 포함하며,
    상기 이미지를 다수의 영역으로 분할하는 단계는:
    상기 이미지로부터 다수의 픽셀을 선택하는 단계;
    상기 선택된 다수의 픽셀과 상기 이미지의 나머지 픽셀 간의 거리를 기반으로 상기 이미지를 다수의 영역으로 분할하는 단계;
    상기 분할된 다수의 영역에 포함된 픽셀들 중 각 영역의 중심 픽셀을 결정하는 단계; 및
    상기 중심 픽셀과 상기 이미지의 나머지 픽셀 간의 거리를 기반으로 상기 이미지를 다수의 영역으로 재분할하는 단계;
    를 포함하는 이미지 톤 매핑 방법.
  13. 이미지의 분할되는 영역의 개수를 결정하는 단계;
    상기 이미지를 다수의 영역으로 분할하는 단계; 및
    상기 다수의 영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행하는 단계를 포함하며,
    상기 이미지의 분할되는 영역의 개수를 결정하는 단계는:
    상기 이미지에 포함된 픽셀들의 휘도 로그값의 평균 및 분산값을 계산하는 단계;
    상기 분산값을 기반으로 휘도 로그값의 계급의 개수를 결정하고, 상기 휘도 로그값의 계급에 대한 픽셀의 도수분포를 획득하는 단계; 및
    각 계급에 대한 픽셀의 도수를 소정의 임계값과 비교하여, 상기 임계값을 초과하는 픽셀의 도수를 갖는 계급의 개수를 상기 분할되는 영역의 개수로 결정하는 단계;
    를 포함하는 이미지 톤 매핑 방법.
  14. 이미지를 수신하는 수신부;
    상기 수신된 이미지의 서브-영역의 개수를 결정하는 서브-영역개수 결정부;
    상기 수신된 이미지를 다수의 서브-영역으로 분할하되, 상기 이미지로부터 다수의 픽셀을 선택하고, 상기 선택된 다수의 픽셀과 상기 이미지의 나머지 픽셀 간의 거리를 기반으로 상기 이미지를 다수의 영역으로 분할하고, 상기 분할된 다수의 영역에 포함된 픽셀들 중 각 영역의 중심 픽셀을 결정하고, 상기 중심 픽셀과 상기 이미지의 나머지 픽셀 간의 거리를 기반으로 상기 이미지를 다수의 영역으로 재분할하는 이미지 분할부;
    상기 다수의 서브-영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 서브-영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행하는 톤 매핑부; 그리고
    상기 톤 매핑된 이미지를 출력하는 출력부;
    를 포함하는 이미지 처리 장치.
  15. 이미지를 수신하는 수신부;
    상기 수신된 이미지의 서브-영역의 개수를 결정하는 서브-영역개수 결정부;
    상기 수신된 이미지를 다수의 서브-영역으로 분할하는 이미지 분할부;
    상기 다수의 서브-영역 각각에 대해 서로 다른 톤 매핑 연산자를 사용하여 각 서브-영역마다 개별적으로 톤 매핑을 수행하는 톤 매핑부; 그리고
    상기 톤 매핑된 이미지를 출력하는 출력부를 포함하며,
    상기 서브-영역개수 결정부는:
    상기 이미지에 포함된 픽셀들의 휘도 로그값의 평균 및 분산값을 계산하는 평균 및 분산값 계산부;
    상기 분산값을 기반으로 휘도 로그값의 계급의 개수를 결정하고, 상기 휘도 로그값의 계급에 대한 픽셀의 도수분포를 획득하는 도수분포 획득부; 및
    각 계급에 대한 픽셀의 도수를 소정의 임계값과 비교하여, 상기 임계값을 초과하는 픽셀의 도수를 갖는 계급의 개수를 상기 분할되는 영역의 개수로 결정하는 비교부;
    를 포함하는 이미지 처리 장치.
  16. 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 있어서, 상기 기록 매체는:
    제 12 항 또는 제 13 항에 따른 이미지 톤 매핑 방법을 실행하기 위한 프로그램이 기록된 기록 매체.
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