KR101390455B1 - A Physically-based Approach to Reflection Separation - Google Patents

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Abstract

본 발명은 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법에 관한 것으로서, 물리적으로 기초한 반사 모델에서 이중-면 반사와 양 레이어들의 공간적으로-변화하는 혼합계수를 다루고 완전하게 자동인 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법을 제공함에 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, (a) 일정 각도씩 떨어진 편광각으로 각각 캡처된 세 개의 편광된 이미지들로부터 한 쌍의 직교 이미지들을 추출하는 단계; (b) 공간적으로-변화하는 입사각을 가정함으로써 상기 직교 이미지들 각각으로부터 반사 레이어와 배경 레이어를 분리하는 단계; (c) 멀티-스케일의 제약된 최적화를 적용함으로써 상기 반사 레이어와 배경 레이어를 정제하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계를 통해 정제된 반사 레이어와 배경 레이어 상에 잔류하는 가장자리 제거 처리 단계; 를 포함한다.
The present invention relates to a method for improving the acquisition image quality by physically based reflection separation, which is a completely automatic physically based reflection which deals with double-sided reflection and spatially varying mixing coefficients of both layers in a physically based reflection model. An object of the present invention is to provide a method for improving image quality obtained by separation.
The present invention for achieving this object comprises the steps of: (a) extracting a pair of orthogonal images from the three polarized images each captured at a polarization angle separated by an angle; (b) separating a reflective layer and a background layer from each of the orthogonal images by assuming a spatially varying angle of incidence; (c) purifying the reflective and background layers by applying multi-scale constrained optimization; And (d) an edge removing treatment step remaining on the reflective layer and the background layer purified through step (c). .

Description

물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법{A Physically-based Approach to Reflection Separation}A Physically-based Approach to Reflection Separation

본 발명은 이미지 디테일 개선에 관한 방법에 관한 것으로서, 예를 들어 글라스 윈도우를 통해 찍힌 장면들의 사진들 혹은 상점과 박물관 세트 내에 유리 진열장 안에 안치된 물체들의 사진들과 같은 이미지들에 대해서 발생할 수 있는 반사이미지의 분리에 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유리의 뒤편에 있는 배경 장면을 포착하는 경우에 다수의 편광된 이미지들을 이용하여 반사 및 배경 레이어를 분리하기 위한 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법에 관한 것이다. FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a method for improving image detail, such as reflections that may occur on images such as photographs of scenes taken through glass windows or photographs of objects placed in glass showcases in shops and museum sets. A method for separation of an image, more particularly an acquisition image by physically based reflection separation for separating reflection and background layers using multiple polarized images when capturing a background scene behind a glass It is about quality improvement method.

반사 분리 방법들은 이미지를 근간으로 하는 방법들, 그리고 물리적으로 기초한 방법들로 크게 두 가지 방법으로 분류될 수 있다. 본 발명에서는 유리 뒤에 캡처된 배경 장면을 갖는 복수로 편광된 이미지들을 사용하여 반사를 분리하기 위한 물리적 기반 접근 방식을 제안한다. Reflection separation methods can be largely classified into two methods: image-based methods, and physically based methods. The present invention proposes a physically based approach for separating reflections using a plurality of polarized images with a background scene captured behind the glass.

입력은 세 개의 편광 이미지들로 구성되는데, 각각의 이미지는 동일한 관점으로부터 캡처되었지만, 45도씩 떨어진 다른 편광자 각을 가지고 캡처되었다. The input consists of three polarized images, each captured from the same point of view, but with different polarizer angles separated by 45 degrees.

출력은 각각의 입력 이미지들로부터의 반사 및 배경 레이어의 고품질 분리이다. 이러한 문제에 대한 주된 기술적 도전은 반사와 배경 레이어들에 대한 혼합계수가 입사각과 입사면의 방향에 의해 결정된다는 것이다. The output is a high quality separation of the reflection and background layers from the respective input images. The main technical challenge to this problem is that the mixing coefficients for the reflection and background layers are determined by the angle of incidence and the direction of the plane of incidence.

여기서, 입사각과 입사면의 방향은 이미지의 픽셀에 걸쳐서 공간적으로 변화한다. 이중-표면을 갖는 유리 매체에 대한 편광의 물리적 특성을 이용하여, 본 발명에서는 반사와 배경 레이어들의 분리를 자동적으로 수행하는 최적의 방법이 고안되었다. Here, the angle of incidence and the direction of the plane of incidence vary spatially over the pixels of the image. Using the physical properties of polarization for glass media with double-surfaces, an optimal method has been devised in the present invention to automatically perform reflection and separation of background layers.

실험들을 통하여, 본 발명이 고안한 방법이 기존의 방법들 보다 더 우수한 결과들을 얻었다는 것을 입증한다. 불필요한 이미지를 분리하는 것에 의하여, 원하는 장면을 보다 잘 보기 위해서 캡처된 이미지를 개선 할 수 있다. 반사하는 매체의 표면 밖으로 반사된 빛이 편광되므로, 반사의 효과를 감소시키기 위한 흔한 방법은 편광되는 반사된 빛을 걸러내기 위해 카메라 렌즈 앞에 편광자를 두는 것이다. 그럼에도 불구하고, 이러한 방법 등은 실제로 이미지 캡처를 위해서 거의 설정되지 않는 브루우스터의 각(유리 반사에 대해서 대략 56°)에서 캡처되는 경우에만 효과가 있다는 단점이 있다. Experiments demonstrate that the method devised in the present invention yields better results than the existing methods. By separating unnecessary images, you can improve the captured image to better see the desired scene. Since light reflected off the surface of the reflecting medium is polarized, a common way to reduce the effect of reflection is to place a polarizer in front of the camera lens to filter out reflected light that is polarized. Nevertheless, such a method has the disadvantage that it is effective only when it is captured at the Brewster's angle (approximately 56 ° with respect to the glass reflection) which is rarely set for the image capture.

결과적으로, 필터된 이미지 안에 약한 반사가 계속 남게 된다.As a result, weak reflections remain in the filtered image.

반사 분리를 위해서, 반사된 빛과 전달된 빛 모두 편광되는 이중 표면 유리 매체에 대해 반사와 전달의 물리적 특성을 이용한다. 반사와 전달의 효과는 편광의 물리적 수식들로부터 유도되고, 반사 및 전달의 효과의 모델은 다음의 [수식 1] 에 의하여 나타낼 수 있다.For reflection separation, the physical properties of reflection and transmission are used for double surfaced glass media that are both polarized and reflected light. The effects of reflection and transmission are derived from the physical equations of polarization, and the model of the effects of reflection and transmission can be represented by the following [Equation 1].

[수식 1] [Equation 1]

Figure 112012057497212-pat00001
Figure 112012057497212-pat00001

여기서, I 는 이미지 센서에 의해 수신된 빛의 강도이고, LR 은 유리표면으로부터 떨어져 반사되는 장면으로부터의 빛의 강도이고, LB 는 유리 뒤의 배경 장면으로부터의 빛의 강도이고, α 는 혼합 계수이다. α 의 값은 유리의 굴절 지수, 입사면의 방향, 입사각, 픽셀포지션 x 에서의 편광자에 의해 결정된다.Where I is the intensity of light received by the image sensor and L R Is the intensity of light from the scene that is reflected off the glass surface, and L B Is the intensity of light from the background scene behind the glass, and α is the mixing coefficient. The value of α is determined by the refractive index of the glass, the direction of the incident surface, the incident angle, and the polarizer at the pixel position x.

이미지 센서에 대한 카메라 응답 기능이 선형이라고 가정하면, I 는 이미지 센서에 의해 저장된 이미지와 동일하다. 이러한 가정 하에서, 우리의 목표는 편광자를 가지고 캡처된 주어진 I, LR 과 LB 를 가정하는 것이다.Assuming that the camera response function for the image sensor is linear, I is equal to the image stored by the image sensor. Under these assumptions, our goal is to take a polarizer captured given I, L R And L B.

전형적인 매팅 문제에서, 0 또는 1 과 동일한 α 를 갖는 많은 수의 전경/배경 픽셀들이 있다. 그럼에도 불구하고, 반사 분리 문제에서 α 는 거의 0 또는 1 과 동일한 값이 아니라, 0 과 1 사이에서 이미지에 걸쳐서 변화한다. 더욱이, 기존의 매팅 알고리즘은 전경/배경 영역을 흐릿하게 하는 경향이 있다. 여기서, 매팅 문제의 포커스는 자연적인 이미지를 합성하는 것처럼 α 는 0 과 1 사이에 있다. In a typical matting problem, there are a large number of foreground / background pixels with α equal to 0 or 1. Nevertheless, in the reflection separation problem α is not nearly equal to 0 or 1, but varies across 0 and 1 between images. Moreover, existing matting algorithms tend to blur the foreground / background area. Here, the focus of the matting problem is that α is between 0 and 1, as if to synthesize a natural image.

다른 한편으로는, 반사/배경 레이어들이 선명하고 또렷한 것이 반사 분리 문제에서는 바람직하다. 따라서, [수식 1] 이 매팅 식과 유사함에도 불구하고, 기존의 매팅 알고리즘들이 본 발명에서의 반사 분리 문제에 적용되지는 않는다.
On the other hand, it is desirable in the reflection separation problem that the reflection / background layers are clear and crisp. Thus, although [Equation 1] is similar to the mating equation, existing mating algorithms do not apply to the reflection separation problem in the present invention.

기존의 이미지 기반 반사 분리 방법들은 편광자를 임의의 방향으로 움직이며 촬영한 일련의 이미지들 간에 최소 및 최대 강도 픽셀을 사용하거나 Sparse ICA(SPICA)테크닉을 사용하였다. 그러나 이렇게 얻은 결과에는 여전히 약한 반사가 남아있을 수 있다. 자연적인 장면들이 라플라시안 분포를 따르는 점에 착안하여 통계적인 방법으로부터 유도된 알고리즘을 적용하여 이미지를 분리하는 방법이 사용되기도 하였지만, 이러한 경우에는 각 레이어에 속하는 그라디언트들을 표시하는 사용자의 개입이 과정에 포함되어 자동으로 처리하지 못하는 단점 등이 있었다.Conventional image-based reflection separation methods use the minimum and maximum intensity pixels or a Sparse ICA (SPICA) technique between a series of images taken by moving the polarizer in an arbitrary direction. However, the result may still have weak reflections. Although the natural scenes follow the Laplacian distribution, a method of separating images using algorithms derived from statistical methods has been used, but in this case, the user's involvement of displaying gradients belonging to each layer is involved in the process. There was a disadvantage that can not be automatically handled.

기존의 물리 기반 반사 분리 방법은 편광자를 몇 개의 정해진 방향에 놓아 입력 이미지들을 촬영하고, 유리등의 유전체(dielectric medium)에 대한 편광 현상의 물리 법칙을 활용하여 두 레이어를 분리하였다. 그러나 이 방법은 입사각이 이미지 내에서 국지적으로 변화하는 현상을 다루지 못하였다.
Conventional physics-based reflection separation method takes a polarizer in several predetermined directions to photograph input images, and separates the two layers using the physics of polarization phenomenon for a dielectric medium such as glass. However, this method did not deal with the phenomenon that the angle of incidence changed locally in the image.

본 발명에서는 단일 입력 이미지를 가지고 [수식 1] 을 푸는 것은 적합하지 않고, 반사 분리 문제를 자동적으로 해결하기 위하여 세 개의 입력 이미지를 사용한다. 각각의 이미지는, 혼합 계수 α 가 공간적으로 변동되도록 허용된 반면에, 45도 만큼씩 떨어진 편광자 각도를 갖고 캡처된다. 대부분의 기존 방법들에서, α는 이미지에 걸쳐서 일정하다고 가정되는데 이미지는 때로는 실제 이미지들에 대해서 유효하지 않다. 그러므로 이러한 방법들을 통해 얻은 결과들은 실제 예들에 대해서 만족스럽지 못할지도 모른다. 본 발명에서 제안하는 [수식 1] 에서의 반사 모델에 기초하는 방법을 가지고, 다양한 예들에 대해서 고-품질의 반사 분리 결과들을 얻을 수 있다. 여기서 제안하는 방법을 통한 결과들이 기존의 방법들의 결과들보다 동일한 예들에 대해서 뿐만 아니라 실제의 예들에 대해서도 양적으로 더 뛰어나다는 것을 보여주었다.In the present invention, solving [Equation 1] with a single input image is not suitable, and three input images are used to automatically solve the reflection separation problem. Each image is captured with polarizer angles separated by 45 degrees, while the mixing coefficient α is allowed to vary spatially. In most existing methods, α is assumed to be constant over the image, which is sometimes not valid for the actual images. Therefore, the results obtained through these methods may not be satisfactory for the actual examples. With the method based on the reflection model in [Equation 1] proposed in the present invention, high-quality reflection separation results can be obtained for various examples. The results of the proposed method are shown to be superior in quantity to the actual examples as well as to the same examples.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 물리적으로 기초한 반사 모델에서 이중-면 반사와 양 레이어들의 공간적으로-변화하는 혼합계수를 다루고 완전하게 자동인 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법을 제공함에 목적이 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above problems, and deals with double-sided reflection and spatially varying mixing coefficients of both layers in a physically based reflection model and obtains images by completely automatic physically based reflection separation. The purpose is to provide a quality improvement method.

이러한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법에 관한 것으로서, (a) 일정 각도씩 떨어진 편광각으로 각각 캡처된 세 개의 편광된 이미지들로부터 한 쌍의 직교 이미지들을 추출하는 단계; (b) 공간적으로-변화하는 입사각을 가정함으로써 상기 직교 이미지들 각각으로부터 반사 레이어와 배경 레이어를 분리하는 단계; (c) 멀티-스케일의 제약된 최적화를 적용함으로써 상기 반사 레이어와 배경 레이어를 정제하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계를 통해 정제된 반사 레이어와 배경 레이어 상에 잔류하는 가장자리 제거 처리 단계; 를 포함한다. The present invention for achieving the technical problem relates to a method for improving the image quality obtained by the reflection separation based on physical, (a) a pair of orthogonal from three polarized images each captured at a predetermined polarized angle apart Extracting images; (b) separating a reflective layer and a background layer from each of the orthogonal images by assuming a spatially varying angle of incidence; (c) purifying the reflective and background layers by applying multi-scale constrained optimization; And (d) an edge removing treatment step remaining on the reflective layer and the background layer purified through step (c). .

상기와 같은 본 발명에 따르면, 반사 모델을 통하여 물리적으로 반사 이미지를 분리하여 고품질을 갖는 자동 방식의 이미지 품질 개선의 효과가 있다.According to the present invention as described above, there is an effect of improving the image quality of the automatic method having a high quality by physically separating the reflected image through the reflection model.

도 1 은 본 발명에 따른 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법에 관한 전체 흐름도.
도 2 는 본 발명에 따른 방법과 이전 방법의 결과를 비교한 모습을 보이는 일예시도.
도 3 은 두 개의 직교 편광 성분들의 합으로 나타내는 반사율 R 혹은 투과율 T 및 입사각에 따라 변화하는 R과 T를 나타내고 카메라에 의해 수신되는 빛의 양은 반사광과 투과광에서의 편광량에 따라 결정됨을 보여주는 일예시도.
도 4 는 카메라가 반사매체에 근접한 때, 공간적으로 변화하는 θ 와

Figure 112012057497212-pat00002
를 각각 보여주는 일예시도.
도 5 는 인위적 예에 대한 결과들로서 본 발명에 따른 방법의 결과들과 기타 기존 방법들에 대한 결과들을 보여주는 일예시도.
도 6 은 실제 예에 대한 결과들로서 본 발명에 따른 방법의 결과들과 기타 기존 방법들에 대한 결과들을 보여주는 일예시도.
도 7 은 도 6 의 실제 예에 대해서 물리에 기반한 본 발명에 따른 방법과 여러 편광 이미지 간의 이미지 기반 정보에만 의존하는 반사분리 방법과의 비교를 나타내는 일예시도.
도 8 은 두 개의 인위적 예에 대한 강건성 테스트의 결과들을 보여주는 일예시도. 1 is an overall flowchart of a method for improving acquired image quality by physically based reflection separation according to the present invention;
Figure 2 is an exemplary view showing a comparison of the results of the method according to the invention and the previous method.
FIG. 3 shows reflectance R or transmittance T, which is represented by the sum of two orthogonal polarization components, and R and T varying depending on the incident angle, and shows that the amount of light received by the camera depends on the amount of polarization in the reflected light and transmitted light. Degree.
4 shows θ and spatially varying when the camera is close to the reflective medium.
Figure 112012057497212-pat00002
One example showing each 각각 .
5 shows an example showing the results of the method according to the invention and the results for other existing methods as results for an artificial example.
6 shows an example of the results of the method according to the invention and the results of other existing methods as results for a practical example.
FIG. 7 illustrates an example of a comparison between a method according to the present invention based on physics and a reflection separation method that relies solely on image based information between various polarized images for the practical example of FIG. 6.
8 shows an example showing the results of the robustness test for two artificial examples.

본 발명의 구체적 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서 본 발명에 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야 할 것이다.Specific features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings. It is to be noted that the detailed description of known functions and constructions related to the present invention is omitted when it is determined that the gist of the present invention may be unnecessarily blurred.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명에 따른 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법에 관하여 도 1 내지 도 8 을 참조하여 설명하면 다음과 같다. A method of improving acquired image quality by physically based reflection separation according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8.

우선, 반사모델에 대하여 살펴보면, 유리 표면으로 떨어져 반사되거나 통과하여 전달되는 빛은 부분적으로 편광되고 두 개의 직각으로 편광된, 도 3 의 (a) 에서 나타낸 바와 같이 입사 평면에 대해 수직이고 수평인 요소들의 합으로써 표현된다. First, with respect to the reflection model, the light that is reflected off or passed through to the glass surface is partially or partially polarized and perpendicular to the plane of incidence, as shown in FIG. It is expressed as the sum of these.

R은 유리 표면으로부터 반사된 빛의 상대적 강도를 나타내는 반사율로 정의되고, T는 유리 표면을 통해 전달되는 빛의 상대적 강도를 나타내는 투과율로, θ는 입사각으로,

Figure 112012057497212-pat00003
는 편광자 각으로 각기 정의된다.R is defined as the reflectance, which represents the relative intensity of light reflected from the glass surface, T is the transmittance, which is the relative intensity of light transmitted through the glass surface, θ is the angle of incidence,
Figure 112012057497212-pat00003
Are each defined by the polarizer angle.

입사면의 수직과 수평인 편광된 요소들에 각각 대응하는 특별한 첨자들 ⊥ 과 ∥이 R과 T에 첨부된다. 따라서 R 과 R는 R = R + R 인 것처럼 R의 두 개의 직교하는 편광된 요소들을 나타낸다. 이와 유사하게, T = T+ T정의된다. Special subscripts ⊥ and ∥ are attached to R and T, respectively, corresponding to the polarized elements perpendicular and horizontal to the plane of incidence. Thus R and R represent two orthogonal polarized elements of R as R = R + R . Similarly, it is defined T = T + T ∥.

Figure 112012057497212-pat00004
∥ 는 입사면과 편광자사이의 교차선의 방향에 대한 각도 및
Figure 112012057497212-pat00005
=
Figure 112012057497212-pat00006
+ 90°로써 정의된다. R과 T에서의 개개의 편광된 요소는 유리 반사에 대해 1:474로서 간단하게 고정될 수 있는 반사 매체의 굴절률과 θ에 의해 결정되는 함수이다. 도 3 의 (b) 에서 보이는 바와 같이, 각 편광된 요소들의 상대적 강도는 θ내에서 완만하게 변화한다.
Figure 112012057497212-pat00004
∥ is the angle to the direction of the intersection line between the plane of incidence and the polarizer
Figure 112012057497212-pat00005
=
Figure 112012057497212-pat00006
It is defined as + 90 °. The individual polarized elements at R and T are functions determined by the refractive index and θ of the reflective medium, which can simply be fixed as 1: 474 for glass reflection. As shown in FIG. 3 (b), the relative intensities of each polarized element vary slowly in θ.

게다가, 전달요소의 어떠한 것도 어느 입사각에서도 사라지지 않는 반면에, 반사의 약한 수평 요소는 입사각이 브루우스터의 각(유리 반사에 대해서 약 56°)과 동일한 때에만 완전히 사라진다.In addition, none of the transmission elements disappear at any angle of incidence, while the weak horizontal element of reflection disappears completely only when the angle of incidence is equal to the Brewster's angle (about 56 ° to glass reflection).

편광자는 브루우스터의 각에서만 반사된 빛의 영향을 완전히 제거할 수 있는데, 이는 이미지 캡처를 위해서는 거의 설정되지 않는다. The polarizer can completely eliminate the effects of light reflected only at the Brewster's angle, which is rarely set for image capture.

편광자를 가지고 이미지를 취하는 때에, 편광자를 통과하는 빛의 양은 [수식 2] 로 나타낸 말러스의 법칙에 의해 주어진다. When taking an image with a polarizer, the amount of light passing through the polarizer is given by Malus's law represented by Equation 2.

[수식 2][Equation 2]

Figure 112012057497212-pat00007
Figure 112012057497212-pat00007

여기서, L은 들어오는 편광된 빛의 강도이고,

Figure 112012057497212-pat00008
는 편광자의 전달축과 입사 빛의 편광 방향 사이의 각이다. Where L is the intensity of the incoming polarized light,
Figure 112012057497212-pat00008
Is the angle between the transmission axis of the polarizer and the polarization direction of the incident light.

입사광에서의 두 개의 요소들의 강도들, 즉 반사이전의 LR 과 통과 이전의 LB 은 비편광화되고 따라서 심지어 에너지는 각 요소 안에 담겨진다.The intensities of the two elements in the incident light, L R before reflection and L B before passing, are depolarized and thus even energy is contained within each element.

즉, LR⊥ = LR∥ = LR/2 이고 LB⊥ = LB∥ = LB/2. That is, L R⊥ = L R∥ = L R / 2 and L B⊥ = L B∥ = L B / 2.

이때, 편광자를 통과한 후에 이미지 센서의 한 개의 픽셀에서의 빛의 강도(I)는 다음의 [수식 3] 과 같다. At this time, the intensity I of light at one pixel of the image sensor after passing through the polarizer is expressed by Equation 3 below.

[수식 3][Equation 3]

Figure 112012057497212-pat00009
Figure 112012057497212-pat00009

이것은

Figure 112012057497212-pat00010
, θ 와
Figure 112012057497212-pat00011
의 함수이다. 따라서, LR 을 위한 혼합계수 α= [R(θ)cos2(
Figure 112012057497212-pat00012
-
Figure 112012057497212-pat00013
)+R(θ)sin2(
Figure 112012057497212-pat00014
-
Figure 112012057497212-pat00015
)] 설정함으로써, [수식 1] 에서 반사 모델을 얻는다. this is
Figure 112012057497212-pat00010
, θ and
Figure 112012057497212-pat00011
Is a function of . Thus, L R Mixing coefficient for R = (R (θ) cos 2 (
Figure 112012057497212-pat00012
-
Figure 112012057497212-pat00013
) + R (θ) sin 2 (
Figure 112012057497212-pat00014
-
Figure 112012057497212-pat00015
Iii )] to obtain a reflection model from [Equation 1].

T(θ)= 1 - R(θ) 이고 T(θ) = 1 - R(θ) 이므로, 1-α는 LR 을 위한 혼합계수이다.Since T (θ) = 1-R (θ) and T (θ) = 1-R (θ), 1-α is L R The mixing coefficient for

이제, [수식 3] 에서 편광자를 가지고 캡처된 입력 이미지에 대해서,

Figure 112012057497212-pat00016
는 상수이고, θ와
Figure 112012057497212-pat00017
는 도 4 에서 나타낸 바와 같이 이미지에 걸쳐서 공간적으로-변화할 뿐만 아니라, 마지막 두 수량의 변화들은 평면 유리 표면 혹은 작은 곡률을 갖는 유리 표면에 걸쳐서 공간적으로 완만하다는 것을 볼 수 있다.Now, for the input image captured with the polarizer in [Equation 3],
Figure 112012057497212-pat00016
Is a constant, θ and
Figure 112012057497212-pat00017
In addition to being spatially-variable over the image as shown in FIG. 4, it can be seen that the last two quantities of change are spatially smooth over the flat glass surface or the glass surface with small curvature.

반사율과 투과율은 또한 도 3 의 (b) 에서 보이는 바와 같이 θ에 대해서도 완만하다. 결과적으로, 혼합계수 α는 θ와

Figure 112012057497212-pat00018
의 함수인데, 이미지에 걸쳐 공간적으로 완만하다. 도 3 의 (a) 는 반사율 R 혹은 투과율 T는 두개의 직교 편광 성분들의 합, 즉, R = R + R, T = T + T 로서 표현된다. 도 3 의 (b) 는 R과 T는 입사각 θ에 대하여 변화하는데, 여기서 R은 브루우스터의 각(유리 반사에 대해서 56°)에서만 완전하게 편광된다. 도 3 의 (c) 는 카메라에 의해 수신된 빛의 양은 반사광과 투과광에서의 편광량에 따라 결정된다. The reflectance and transmittance are also gentle with respect to θ as shown in Fig. 3B. As a result, the mixing coefficient α is
Figure 112012057497212-pat00018
It is a function of ,, which is spatially smooth across the image. 3 (a), the reflectance R or transmittance T is expressed as the sum of two orthogonal polarization components, that is, R = R + R , T = T + T . 3 (b) shows that R and T change with respect to the incident angle θ, where R is completely polarized only at the Brewster's angle (56 ° to glass reflection). In FIG. 3C, the amount of light received by the camera is determined according to the amount of polarization in the reflected light and the transmitted light.

카메라가 반사매체에 근접한때, 도 4 의 (a) 와 (b) 에서 각각 보여지는 것처럼 θ 와

Figure 112012057497212-pat00019
는 공간적으로 변화한다.
When the camera is close to the reflective medium, θ and as shown in Fig. 4 (a) and (b) respectively
Figure 112012057497212-pat00019
변화 changes spatially.

본 발명에서 고품질의 반사 분리를 얻기 위하여, 공간적으로 변화하는 혼합 계수가 명시적으로 사용된다. 본 발명에서 제안하는 방법은 도 1 에 도시된 바와 같이 직교 이미지 추출, 이미지 분리, 반사 개선 그리고 약한 가장자리 억제로 구성되는데, (a) 일정 각도씩 떨어진 편광각으로 각각 캡처된 세 개의 편광된 이미지들로부터 한 쌍의 직교 이미지들을 추출하는 단계; (b) 공간적으로-변화하는 입사각을 가정함으로써 상기 직교 이미지들 각각으로부터 반사 레이어와 배경 레이어를 분리하는 단계; (c) 멀티-스케일의 제약된 최적화를 적용함으로써 상기 반사 레이어와 배경 레이어를 정제하는 단계; 및 (d) 상기 (c) 단계를 통해 정제된 반사 레이어와 배경 레이어 상에 잔류하는 가장자리 제거 처리 단계; 를 포함한다.
상기 (b) 단계에서, 편광 현상에 관한 물리 법칙을 분석하여, [수식 1] 과 같이, 반사가 섞인 이미지가 매 픽셀(x) 마다 반사 레이어 (

Figure 112013098107698-pat00096
) 와 배경 레이어 (
Figure 112013098107698-pat00097
) 가 [수식 20] 으로 주어진 반사 계수에 의해 선형 결합된 형태로 나타내어지고 반사 계수는 이미지 내에서 국지적으로 변화하고, 처리할 이미지의 크기에 비례하여 이미지 히스토그램 출력작업과 빌리프 프라퍼게이션(Belief Propagation)에 의해 증가하는 처리시간을 단축하기 위하여, 최저 스케일 팩터를 갖는 이미지들에 대해 빌리프 프라퍼게이션(Belief Propagation)을 수행할 수 있다. 또한 상기 (c) 단계에서, 다수의 스케일 팩터(scale factor)를 갖는 이미지들에 대해 최적화를 수행하고 입력 이미지의 가우시안 피라미드들에 기초한 멀티-스케일 반사 분리 방법을 채택하여 처리속도를 단축하게 할 수 있다. In order to obtain high quality reflection separation in the present invention, spatially varying mixing coefficients are explicitly used. The method proposed in the present invention consists of orthogonal image extraction, image separation, reflection enhancement, and weak edge suppression as shown in FIG. 1, which comprises: (a) three polarized images, each captured at a polarized angle separated by an angle; Extracting a pair of orthogonal images from the; (b) separating a reflective layer and a background layer from each of the orthogonal images by assuming a spatially varying angle of incidence; (c) purifying the reflective and background layers by applying multi-scale constrained optimization; And (d) an edge removing treatment step remaining on the reflective layer and the background layer purified through step (c). .
In the step (b), by analyzing the physical law of the polarization phenomenon, as shown in [Equation 1], the reflection mixed image (for each pixel (x)
Figure 112013098107698-pat00096
) And background layer (
Figure 112013098107698-pat00097
) Is represented linearly by the reflection coefficient given by Equation 20, and the reflection coefficient changes locally within the image, and the image histogram output and believe proportionality are proportional to the size of the image to be processed. In order to shorten the processing time which is increased by propagation, belief propagation may be performed on the images having the lowest scale factor. In addition, in step (c), the processing speed may be reduced by optimizing images having a plurality of scale factors and adopting a multi-scale reflection separation method based on Gaussian pyramids of the input image. have.

직교 이미지를 추출하기 위하여 세 개의 편광된 이미지들을 고려하여, 각각의 이미지는 45도 만큼씩 떨어진 편광각에서 캡처되었다, 즉 Ii(x); i = 1, 2, 3, 이러한 세 개의 이미지들로부터,

Figure 112012057497212-pat00020
1
Figure 112012057497212-pat00021
(x)의 명시적 값 대신에
Figure 112012057497212-pat00022
1-
Figure 112012057497212-pat00023
(x)를 계산하고, 두 개의 직교 이미지들 I(x) 와 I(x)를 계산한다. I(x)는 반사광과 투과광에서 수직 요소들에 대한 강도의 합이고, I(x)의 구성요소도 이와 유사하게 정의되고 각각 아래의 [수식 4] 와 [수식 5] 와 같다.Taking into account three polarized images to extract an orthogonal image, each image was captured at a polarization angle separated by 45 degrees, ie I i (x); i = 1, 2, 3, from these three images,
Figure 112012057497212-pat00020
1 lesson
Figure 112012057497212-pat00021
대신 instead of an explicit value of (x)
Figure 112012057497212-pat00022
1-
Figure 112012057497212-pat00023
Calculating a (x), and calculates the two orthogonal images, I (x) and I (x). I (x) is the sum of the intensities for the vertical elements in the reflected and transmitted light, and the components of I (x) are similarly defined and are shown in Equations 4 and 5, respectively.

[수식 4][Equation 4]

Figure 112012057497212-pat00024
Figure 112012057497212-pat00024

[수식 5][Equation 5]

Figure 112012057497212-pat00025
Figure 112012057497212-pat00025

상기의 식들을 [수식 3] 에 치환하면, I(x), I(x) 그리고

Figure 112012057497212-pat00026
1-
Figure 112012057497212-pat00027
(x) 에 관하여 입력 이미지 Ii(x); i = 1, 2, 3 가 표현될 수 있는데 아래의 [수식 6] 과 같다.Substituting the above equation into [Equation 3], I (x), I (x) and
Figure 112012057497212-pat00026
1-
Figure 112012057497212-pat00027
입력 input image I i (x) with respect to (x); i = 1, 2, 3 can be expressed as [Equation 6] below.

[수식 6] [Equation 6]

Figure 112012057497212-pat00028
Figure 112012057497212-pat00028

이제, (Ii,

Figure 112012057497212-pat00029
i)에 대해 (I1,
Figure 112012057497212-pat00030
1), (I2,
Figure 112012057497212-pat00031
1+45°) 그리고 (I3,
Figure 112012057497212-pat00032
1+90°)에 대해서 각각 치환함으로써 다음의 [수식 7], [수식 8], [수식 9] 가 유도된다.Now, (I i ,
Figure 112012057497212-pat00029
i ) for (I 1 ,
Figure 112012057497212-pat00030
1 ), (I 2 ,
Figure 112012057497212-pat00031
1 + 45 °) and (I 3 ,
Figure 112012057497212-pat00032
By substituting for 1 + 90 °), the following [Formula 7], [Formula 8], and [Formula 9] are derived.

[수식 7][Equation 7]

Figure 112012057497212-pat00033
Figure 112012057497212-pat00033

[수식 8][Equation 8]

Figure 112012057497212-pat00034
Figure 112012057497212-pat00034

[수식 9][Equation 9]

Figure 112012057497212-pat00035
Figure 112012057497212-pat00035

Figure 112012057497212-pat00036
i-
Figure 112012057497212-pat00037
(x), I과 I에 대한 이런 식들로부터 다음의 [수식 10], [수식 11], [수식 12] 가 도출된다.
Figure 112012057497212-pat00036
i -
Figure 112012057497212-pat00037
From these equations for (x), I and I ∥ the following [Equation 10], [Equation 11], [Equation 12] are derived.

[수식 10][Equation 10]

Figure 112012057497212-pat00038
Figure 112012057497212-pat00038

[수식 11][Equation 11]

Figure 112012057497212-pat00039
Figure 112012057497212-pat00039

[수식 12][Equation 12]

Figure 112012057497212-pat00040
Figure 112012057497212-pat00040

위의 수식에서, arctan(·)의 독특한 해법에 대해서

Figure 112012057497212-pat00041
1-
Figure 112012057497212-pat00042
(x)는 [-45°, 45°] 내에 있다고 가정한다. 만약
Figure 112012057497212-pat00043
1-
Figure 112012057497212-pat00044
(x)이 -45°보다 작거나 혹은 45°보다 크다면, 계산된 값은 실제 값과 ±90° 만큼 다르다. 이러한 경우에, cos2(·)의 신호가 반대이기 때문에, 단순히 I와 I 의 값을 교환한다.
In the above formula, for the unique solution of arctan (·)
Figure 112012057497212-pat00041
1-
Figure 112012057497212-pat00042
(x) is assumed to be within the [-45 °, 45 °]. if
Figure 112012057497212-pat00043
1-
Figure 112012057497212-pat00044
If (x) is less than -45 ° or greater than 45 °, the calculated value differs from the actual value by ± 90 °. In this case, since the signal of cos2 (·) is reversed, we simply exchange the values of I and I .

이미지 분리의 단계에서, 입사각 θ(x)를 가정함에 의해서 이미지를 LR 과 LB 로 분리하는 방법을 제공하고, 각 입력 이미지에 대한 알파 매트 α(x)를 계산하는 방법을 제시하며, 이는 다음 단계에서 사용된다.In the step of image separation, the image is taken as L R by assuming the incident angle θ (x). And L B , and a method for calculating the alpha matte α (x) for each input image, which is used in the next step.

T(θ) = 1 - R(θ) 이고 T(θ) = 1 - R(θ)이므로, [수식 4] 및 [수식 5] 로부터 LR 과 LB 에 대하여 아래의 [수식 13] 및 [수식 14] 가 유도된다.Since T (θ) = 1-R (θ) and T (θ) = 1-R (θ), L R from [Equation 4] and [Equation 5]. And L B [Equation 13] and [Equation 14] below are derived.

[수식 13][Equation 13]

Figure 112012057497212-pat00045
Figure 112012057497212-pat00045

[수식 14][Equation 14]

Figure 112012057497212-pat00046
Figure 112012057497212-pat00046

θ = 0°또는 90°일때 R = R 이기 때문에 제로 값으로 나누는 것을 피하기 위하여, θ(x) 의 범위는 5°and 85°사이에서 제한된다.Since θ = 0 ° or 90 ° when R = R is in order to avoid division by zero, a range of θ (x) is limited between 5 ° and 85 °.

상기 [수식 13], [수식 14] 에서, LR(x) 와 LB(x) 는 알려지지 않은 θ(x) 의 함수들이다. θ(x)를 추정하기 위하여, 반사 장면과 배경 장면 내에 이미지 컨텐츠들 사이에 어떠한 상관관계도 없다고 가정한다. 따라서, 최상의 θ(x) 는 LR 과 LB 사이에서 상호의 정보를 최소화하는 θ(x)를 발견함에 의하여 얻어진다. In Equations 13 and 14, L R (x) and L B (x) are functions of unknown θ (x). In order to estimate θ (x), it is assumed that there is no correlation between the image contents in the reflection scene and the background scene. Thus, the best θ (x) is obtained by finding θ (x) that minimizes mutual information between L R and L B.

[수식 13] 과 [수식 14] 를 이용함으로써 규칙적으로 샘플링된 θ(x)의 순차적 값들에서 평가된 LR(x)와 LB(x) 의 모든 후보쌍 들이 준비된다.By using Equations 13 and 14, all candidate pairs of L R (x) and L B (x) evaluated at sequential values of regularly sampled θ (x) are prepared.

θ(x)는 이미지에 걸쳐서 완만하게 변화하므로, 다음의 최대 사후 확률(maximum a posteriori (MAP))문제를 해결함으로써 이미지에 걸쳐 모든 픽셀에서의 최상의 θ(x)를 선택하기 위하여 빌리프 프라퍼게이션(belief propagation)을 사용한다.Since θ (x) changes slowly over the image, we solve the following maximum a posteriori (MAP) problem to select the best θ (x) at every pixel across the image: Use belief propagation.

[수식 15][Equation 15]

Figure 112012057497212-pat00047
Figure 112012057497212-pat00047

여기서,

Figure 112012057497212-pat00048
(θ(x))는 데이터 비용 함수이고,
Figure 112012057497212-pat00049
는 네이버후드 비용 함수이고, N(x)는 x의 일차 네이버스이다.
Figure 112012057497212-pat00050
(θ(x))는 θ(x)를 pixel x에 배정하는 비용을 측정하고,
Figure 112012057497212-pat00051
는 θ(x)와 θ(y)를 한 쌍의 이웃하는 픽셀들 x와 y에 각각 배정하는 비용을 측정한다. here,
Figure 112012057497212-pat00048
(θ (x)) is a data cost function,
Figure 112012057497212-pat00049
Is the neighbor hood cost function and N (x) is the primary neighbor of x.
Figure 112012057497212-pat00050
(θ (x)) measures the cost of assigning θ (x) to pixel x,
Figure 112012057497212-pat00051
Measures the cost of assigning θ (x) and θ (y) to a pair of neighboring pixels x and y, respectively.

기존에 상호 정보에 대하여 정의된 데이터 비용함수에서, 이것은 각각의 각도 θ(x)에서의 LR(x) 와 LB(x) 사이의 이미지 히스토그램들의 통계적 의존성을 측정하였고, θ는 이미지에 걸쳐서 정적이고 LR 과 LB 에서의 이미지 컨텐츠들은 통계적으로 상관관계가 없다는 가정 하에서, 최상의 θ에서의 이미지 쌍 (LR,,LB)는 가장 작은 상호간의 정보를 갖는다는 것을 보여주었다. In the data cost function previously defined for mutual information, it measures the statistical dependence of image histograms between L R (x) and L B (x) at each angle θ (x), where θ is the Under the assumption that static and image contents in L R and L B are not statistically correlated, it has been shown that the image pairs (L R ,, L B ) at the highest θ have the least mutual information.

본 발명에서는 이러한 함수를 문제 세팅에 적응한다. In the present invention, this function is adapted to the problem setting.

LR 과 LB 두 개의 이미지들 사이의 상호 정보는 LR 과 LB의 이미지 히스토그램들 사이의 쿨백-레이블러(KL) 거리로부터 유도된다. L R and L B mutual information between the two images is Kullback between the histogram of the image L R and L B - is derived from a labeler (KL) distance.

[수식 16][Equation 16]

Figure 112012057497212-pat00052
Figure 112012057497212-pat00052

여기서,

Figure 112012057497212-pat00053
Figure 112012057497212-pat00054
는 LR 과 LB 에서의 각각 어떠한 강도 레벨들 lR과 lB에 대한 확률들이다.
Figure 112012057497212-pat00055
는 lR 과 lB 에 대한 결합확률이고, L 은 이미지 히스토그램들에서의 모든 가능한 강도 레벨들의 집합이다. here,
Figure 112012057497212-pat00053
and
Figure 112012057497212-pat00054
L R Are the probabilities for any intensity levels l R and l B at and L B , respectively.
Figure 112012057497212-pat00055
L r And l are the combined probabilities for l B and L is the set of all possible intensity levels in the image histograms.

이미지의 밝기에 대한 의존도를 감소시키기 위하여, [수식 16] 에서의 I(LR,LB)는 그것을 LR 과 LB 의 평균 자기 정보로 나누는 것에 의하여 정상화된다. In order to reduce the dependence on the brightness of the image, I (L R , L B ) in Equation 16 is normalized by dividing it by the average magnetic information of L R and L B.

Figure 112012057497212-pat00056
Figure 112012057497212-pat00056

[수식 16] 에서 KL 거리가 이미지에 걸친 θ 의 정적인 값의 가정 하에 정의되므로, 이것은 공간적으로-변화하는 문제 세팅에 직접적으로 적용될 수 없다. 대신에, 공간 도메인 내에서 평활도 컨디션에 근거하여, θ가 국지적으로 정적이고, 즉, 각 픽셀 주위에 작은 패치 내에서 공간적으로 변함이 없다고 가정한다. Since the KL distance in [Equation 16] is defined under the assumption of a static value of [theta] over the image, this cannot be applied directly to the spatially-changing problem setting. Instead, assume that θ is locally static, ie, spatially unchanged in a small patch around each pixel, based on the smoothness condition in the spatial domain.

이때, 도메인 함수는 패치에 관한 상호 정보에 관하여 정의된다.At this time, the domain function is defined with respect to mutual information about the patch.

Figure 112012057497212-pat00057
(θ(x)) = exp(-In(LR [x] ,LB [x])),
Figure 112012057497212-pat00057
(θ (x)) = exp (-I n (L R [x] , L B [x] )),

여기서, In은 x주위의 이미지 패치들 LR [x]과 LR [x] 에 대한 상호정보이다.Here, In is mutual information about image patches L R [x] and L R [x] around x .

또한, 최소 수의 모퉁이와 가장자리들을 가지고 이미지 쌍을 선택하기 위하여 데이터 비용 함수가 테스트되었다. 그럼에도 불구하고, 상호적 정보는 일반적으로 관련 문제에 대해 보다 나은 결과들을 산출한다는 결과를 확인하였다. In addition, the data cost function was tested to select an image pair with a minimum number of corners and edges. Nevertheless, we found that mutual information generally yields better results for the relevant problem.

네이버후드 비용 함수는

Figure 112012057497212-pat00058
=exp
Figure 112012057497212-pat00059
로써 정의되고 여기서 λ = 0.5 는 무게이다. 네이버후드 비용 함수를 사용하지 않고 각 픽셀에 대한 데이터 비용을 단순히 최대화하면, 이미지에 걸쳐 θ(x) 의 가정치는 노이즈가 섞여있고 정확하지 않을 것이다. θ(x) 를 선택한 후에, θ(x)를 가지고 [수식 13] 과 [수식 14] 를 평가함으로써 두 개의 분리된 레이어들 LR(x) 과 LB(x) 를 얻는다. 또한 θ(x) 를 빌리프 프라퍼게이션(belief propagation)으로부터 얻어진 값으로 세팅하고
Figure 112012057497212-pat00060
1-
Figure 112012057497212-pat00061
(x) 를 이전 단계에서 얻어진 값으로 세팅함에 의하여 이것의 정의에 근거한 각 입력 이미지에 대한 α(x) 를 계산한다.
NAVER Hood cost function
Figure 112012057497212-pat00058
= exp
Figure 112012057497212-pat00059
Where λ = 0.5 is the weight. If you simply maximize the data cost for each pixel without using the NAVERHOD cost function, the assumption of θ (x) across the image will be noisy and inaccurate. After selecting θ (x), two separate layers L R (x) and L B (x) are obtained by evaluating [Equation 13] and [Equation 14] with [theta] (x). We also set θ (x) to the value obtained from the belief propagation
Figure 112012057497212-pat00060
1-
Figure 112012057497212-pat00061
As set by the (x) to the value obtained in the previous step and calculates the α (x) for each of the input images based on the definition thereof.

분리 결과들은 θ(x) 의 패치에 대한 추정에 기인한 틈을 메우는 인공물들을 포함하고 그것들의 품질개선을 위하여 분리 결과들을 보다 정제하는 방법을 제안한다.The separation results include artifacts that fill the gap due to the estimation of the patch of θ (x) and propose a method to further refine the separation results for their quality improvement.

αi 와 (LR ,,LB) 정제하기 위하여 [수식 17] 에서 주어진 목적함수를 가지고 최소화 문제를 만든다.α i and (L R ,, L B ) create a problem of minimization with the objective function given in Eq.

[수식 17][Equation 17]

Figure 112012057497212-pat00062
Figure 112012057497212-pat00062

목적함수는 세 개의 항들로 구성되는데, 첫 번째 항은 입력 이미지들에 대한 [수식 1] 로부터 유도되는 데이터 항이다. The objective function consists of three terms, the first term being a data term derived from [Equation 1] for the input images.

두 번째 항은 반드시 αi(x) 가

Figure 112012057497212-pat00063
와 유사하게 되도록 하는 유연한 제약인데, 이는 두 번째 단계에서 추정되는 혼합계수를 표시한다. 본 항은 각 입력 이미지에 걸쳐 αi(x) 의 지속적인 가정을 강요한다. 세 번째 항은 αi(x)의 변화를 최소화하는 평활도 항이다. λc 와 λs는 가중 파라미터들이다. The second term requires that α i (x)
Figure 112012057497212-pat00063
It is a flexible constraint to be similar to, which indicates the mixing coefficient estimated in the second step. This term imposes a continuous assumption of α i (x) over each input image. The third term is a smoothness term that minimizes the change in α i (x). λ c and λ s are weighting parameters.

기존의 방식에서 발전된 최적화 전략은 우선

Figure 112012057497212-pat00064
, LR 과 LB 을, 이미지 분리 단계를 가지고 얻어진
Figure 112012057497212-pat00065
,
Figure 112012057497212-pat00066
,
Figure 112012057497212-pat00067
을 가지고 각각 초기화한다. 그리고 나서 두 개의 볼록 하위문제들을 교차적으로 해결하고, 한 번의 반복에서 LR 과 LB 수정하는 동안 αi에 대해서 풀고, 다음 번 반복에서 α 를 수정하는 동안에 LR 과 LB 대해서 해결함으로써 목적함수를 최소화한다.
Optimization strategies evolved from traditional approaches first
Figure 112012057497212-pat00064
, L R and L B , obtained with image separation steps
Figure 112012057497212-pat00065
,
Figure 112012057497212-pat00066
,
Figure 112012057497212-pat00067
Initialize each with Then solve the two convex subproblems alternately, and solve L R and L B in one iteration. Solve for α i during the correction and minimize the objective function by solving for L R and L B during the correction of α in the next iteration.

반사 정제 이후에 약한 주변부 억제 단계에서는 LR 혹은 LB 는 여전히 다른 레이어에 속하는 매우 약한 거짓 엣지를 포함하고 있을지도 모른다. LR과 LB에서의 거짓 엣지들을 억제하기 위하여 크로스-프로젝션 텐서들을 채택하였다. LR 혹은 LB 에서의 참 엣지는 다른 레이어에서의 대응하는 거짓 엣지보다 큰 그라디언트 매그니튜드를 갖는다고 가정한다.In the weak peripheral suppression stage after reflex refinement, L R or L B may still contain very weak false edges belonging to other layers. Cross-projection tensors are employed to suppress false edges at L R and L B. A true edge at L R or L B is assumed to have a gradient magnitude greater than the corresponding false edge at another layer.

LR(x) 에 대한 크로스-프로젝션 텐서는 다음과 같이 정의된다. The cross-projection tensor for L R (x) is defined as

[수식 18]Equation 18

Figure 112012057497212-pat00068
Figure 112012057497212-pat00068

여기서, v1 과 v2 는 평활화된 구조 텐서의 대소 각각의 고유한-벡터들인데, LB(x) 의 그라디언트로부터 유도된다. 이러한 벡터들은, LR 과 LB 을 위한 컬러 스페이스가 RGB에서 YUV로 전환된 이후에 계산된다. LR(x)에 대한 크로스-프로젝션 텐서 DR(x)을 정의하기 위한 μ1과 μ2의 값들은 다음과 같이 결정된다. Where v 1 and v 2 are the eigen-vectors of each case of the smoothed structural tensor, derived from the gradient of L B (x). These vectors are calculated after the color space for L R and L B is converted from RGB to YUV. The values of μ 1 and μ 2 to define the cross-projection tensor D R (x) for L R (x) are determined as follows.

본 발명에서는 LR(x)에서의 참 엣지가 존재할 때, μ1 = 1 , μ2 = 1 로 정한다.In the present invention, when there is a true edge in L R (x), it is determined to be μ 1 = 1, μ 2 = 1.

LR(x) 와 LB(x) 모두에서 엣지가 있고, LR(x) 에서의 Y채널 그라디언트 매그니튜드가 LB(x) 에서의 그것보다 작을 때, μ1 = 0 , μ2 = 1 로 정한다.Μ 1 = 0, μ 2 = 1 when there is an edge at both L R (x) and L B (x), and the Y-channel gradient magnitude at L R (x) is smaller than that at L B (x) Decide on

LR(x) 에서 엣지가 없을 때, μ1 = 0 , μ2 = 0로 정한다.When there is no edge at L R (x), we set μ 1 = 0 and μ 2 = 0.

대칭적으로, LB(x) 에 대한 크로스-프로젝션 텐서 DB(x) 가 정의될 수 있다.Symmetrically, a cross-projection tensor D B (x) for L B (x) can be defined.

거짓 엣지를 억제하고 참 엣지를 유지하기 위하여, 먼저 다음과 같이 그라디언트들을 투사한다.To suppress false edges and maintain true edges, first project the gradients as follows:

[수식 19]Formula 19

Figure 112012057497212-pat00069
Figure 112012057497212-pat00069

이때, 투사된 그라디언트들

Figure 112013098107698-pat00070
Figure 112013098107698-pat00071
는 통합되고, 결과들은 다시 RGB 공간으로 전환되어 최종 분리 결과들을 얻는다.
[수식 20]
Figure 112013098107698-pat00098

R : 유리 표면으로부터 반사된 빛의 상대적 강도를 나타내는 반사율
R: R의 입사면에 수직인 편광된 요소
R: R의 입사면에 수평인 편광된 요소
θ : 입사각
Figure 112013098107698-pat00099
: 편광자 각
Figure 112013098107698-pat00100
∥: 입사면과 편광자사이의 교차선의 방향에 대한 각도
Figure 112013098107698-pat00101
=
Figure 112013098107698-pat00102
+ 90°At this time, the projected gradients
Figure 112013098107698-pat00070
and
Figure 112013098107698-pat00071
Are integrated and the results are converted back to RGB space to get the final separation results.
[Equation 20]
Figure 112013098107698-pat00098

R: reflectance indicating the relative intensity of light reflected from the glass surface
R : Polarized element perpendicular to the plane of incidence of R
R : polarized element horizontal to the incidence plane of R
θ: incident angle
Figure 112013098107698-pat00099
Polarizer angle
Figure 112013098107698-pat00100
∥ angle in the direction of the intersection line between the incident surface and the polarizer
Figure 112013098107698-pat00101
=
Figure 112013098107698-pat00102
+ 90 °

도 5 는 합성 예의 결과를 보여준다. [수식 4], [수식 5], [수식 6]을 채택하여, 입력 이미지들은 지상 실측 정보 θ,

Figure 112012057497212-pat00072
,
Figure 112012057497212-pat00073
1 를 가지고 지상 실측 정보 레이어들로부터 합성되었다. 공급물질들 내의 이러한 변수들의 지상 검증 값들을 정하는 방법에 대해 기술되고, 이 방법은 지상 검증 자료에 가까운 분리 결과들을 만들었다. 각 레이어의 제곱평균 오차값(RMSE)을 계산함으로써, 양적으로 본 특허에서 고안한 방법을 다른 방법들과 비교하는데, 이는 가정된 레이어와 이것의 지상 검증자료 사이의 차이를 수량화하는 것에 의해, 본 방법의 결과들이 기존의 다른 방법들의 결과보다 더 낮은 제곱평균 오차값들(RMSE)을 보여주었다. 시각적인 품질을 비교하면, 분리결과는 그것들의 실측 정보 레이어와 거의 유사해 보였다. 한편으로는, 기존의 방법들을 통한 결과들은 다른 레이어들로 부터의 약한 가장자리와 부자연스러운 단절들이 기존의 일부방식의 결과에서 관찰되었다. 도 5 의 (a) 는 본 발명의 결과들이며, 도 4 의 (b) 는 기존방법에 의한 결과의 한 예이며, 도 5 의 (c) 는 기존방법에 의한 결과의 한 예이며, 도 5 의 (d) 는 기존방법에 의한 결과의 한 예이며, 도 5 의 (e) 는 기존방법에 의한 결과의 한 예 (f) 입력 이미지들. (g) 지상실측정보 LB 에서LR(좌에서 우로)
5 shows the results of the synthesis example. [Equation 4], [Equation 5], and [Equation 6], the input images are ground measured information θ,
Figure 112012057497212-pat00072
,
Figure 112012057497212-pat00073
It has been synthesized from ground survey information layers with 1 . A method of setting ground verification values of these variables in feedstocks is described, which produced separation results that are close to ground verification data. By calculating the root mean square error value (RMSE) of each layer, the method proposed in this patent is quantitatively compared with other methods, by quantifying the difference between the hypothesized layer and its ground verification data. The results of the method showed lower mean square error values (RMSE) than the results of other existing methods. Comparing the visual qualities, the separation results looked almost similar to their actual information layers. On the one hand, the results from existing methods show weak edges and unnatural breaks from other layers in some of the existing methods. Figure 5 (a) is the results of the present invention, Figure 4 (b) is an example of the results by the existing method, Figure 5 (c) is an example of the results by the existing method, of Figure 5 (d) is an example of the result by the existing method, and FIG. 5 (e) is an example of the result by the existing method. (f) Input images. (g) Ground measurement information L B to L R (from left to right)

도 6 은 실제의 한 예의 결과들을 보여준다. 합성된 예들에 유사하게, 본 발명은 지속적으로 보다 나은 결과들을 산출했다. 다른 방법들의 결과에 비해서 시작 품질에 대하여 보다 나은 결과들을 지속적으로 산출했다. 도 6 에서 (a)본 발명의 결과들 (b)기존방법에 의한 결과의 한 예 (c) 기존방법에 의한 결과의 한 예 (d) 기존방법에 의한 결과의 한 예 (e) 기존방법에 의한 결과의 한 예 (f) 입력이미지들. (a)-(e)에서, 첫 번째 열은 배경 레이어들을 보여준다. 6 shows the results of an actual example. Similar to the synthesized examples, the present invention has consistently yielded better results. Better results were consistently produced for the starting quality compared to the results of the other methods. In Figure 6 (a) results of the present invention (b) an example of the results by the existing method (c) an example of the results by the existing method (d) an example of the results by the existing method (e) to the existing method Example of result by (f) Input images. In (a)-(e), the first column shows the background layers.

다음에, 이미지에-기초한 방법의 결과들과 본 발명의 물리적으로-기초한 방법의 결과들을 비교하였다. 도 7 은 도 6 에서의 실제 예를 사용하여 이러한 비교를 나타낸다. 강건성 테스트들로부터의 본 발명에서 제시한 방법의 결과들은 제곱평균 오차값(RMSE)에서의 매우 작은 변화들과 거의 없는 시각적 차이들을 보여주었다, Next, the results of the image-based method are compared with the results of the physically-based method of the present invention. FIG. 7 shows this comparison using the practical example in FIG. 6. The results of the method presented in the present invention from robustness tests showed very small changes in the root mean square error (RMSE) and few visual differences.

도 8 의 (a) 는 각도의 작은 변화들을 변화시킴에 의해서 각 레이어의 제곱평균 오차값 (RMSE)들을 나타낸다. 도 8 의 (b) 는 가장 큰 각도의 작은 변화(+10°)에 대한 추정된 레이어들을 보여준다. 도 8 의 (a) [-10°,+10°]의 범위를 갖는

Figure 112012057497212-pat00074
Figure 112012057497212-pat00075
의 각 변화에 대한 평균 RMSEs, (b) 도 5 의 예에 대하여 가장 큰 각 변화(+10°)를 갖는 결과, (c) [1.4,1.6]내의 범위를 갖는 반사 지수에 대한 두 개의 예들에 걸쳐 LB와 LR 에 대한 평균 RMSEs, (d) 도 5 에서의 예에 대한 지수 1.6을 갖는 결과들.
8 (a) shows the root mean square error values (RMSE) of each layer by changing small changes in angle. 8 (b) shows the estimated layers for small changes (+ 10 °) of the largest angle. (A) having a range of [-10 °, + 10 °] of FIG.
Figure 112012057497212-pat00074
Wow
Figure 112012057497212-pat00075
The mean RMSEs for each change in, (b) result in having the largest angular change (+ 10 °) for the example of FIG. 5, and (c) in two examples for the reflection index having a range within [1.4,1.6]. Across L B and L R Mean RMSEs for, (d) Results with index 1.6 for the example in FIG. 5.

동일한 예에 대하여, 본 발명에서는 또한 굴절률에서의 에러에 대한 감도 테스트를 수행하였다. 도 8 의 (c) 는 1.4에서 1.6까지 굴절률을 변화시킴에 의해서 가정되는 각 레이어의 평균 RMSE를 나타낸다. 여기서 입력 이미지들은 굴절률을 1.471로 정함에 의해서 발생되었다. 도 8 의 (d)는 가장 큰 에러를 갖는 굴절률에 대한 결과를 보여준다(1.6). 이러한 결과들은 본 발명에서 제시한 방법이 편광자 각도와 굴절률에서의 작은 변화들에 강건하다는 것을 뒷받침한다.
For the same example, the present invention also conducted a sensitivity test for errors in refractive index. 8 (c) shows the average RMSE of each layer assumed by changing the refractive index from 1.4 to 1.6. Input images were generated by setting the refractive index to 1.471. 8 (d) shows the result of the refractive index having the largest error (1.6). These results support that the method presented in the present invention is robust to small changes in polarizer angle and refractive index.

본 발명에서 편광의 물리적 특성들에 기초한 반사 분리 방법을 제안하였다. 일련의 세 개의 편광된 이미지들이 주어지고, 이때 각각의 이미지는 45도씩 떨어진 다른 편광자 각을 갖고 캡처된, 본 방법에서 반사와 배경 레이어들의 고품질 분리를 만들어 낸다. 본 발명에서 이와 같이 하나의 입력 이미지에 대해 두 개의 레이어들의 공간적으로-변화하는 혼합 계수(즉, 알파 매트들)를 추정하기 위하여 물리적으로-기초한 반사 모델을 유도하였다.In the present invention, a reflection separation method based on physical properties of polarization is proposed. A series of three polarized images are given, each producing a high quality separation of reflection and background layers in this method, captured with different polarizer angles separated by 45 degrees. In the present invention, a physically-based reflection model was derived to estimate the spatially-varying blending coefficients (ie, alpha mattes) of two layers for one input image.

상기 모델 상에, 완전하게 자동인 반사 분리를 위한 알고리즘을 제안하였다.
On this model, an algorithm for fully automatic reflection separation is proposed.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.

Claims (8)

(a) 일정 각도씩 떨어진 편광각으로 각각 캡처된 세 개의 편광된 이미지들로부터 한 쌍의 직교 이미지들을 추출하는 단계;
(b) 공간적으로-변화하는 입사각을 가정함으로써 상기 직교 이미지들 각각으로부터 반사 레이어와 배경 레이어를 분리하는 단계;
(c) 멀티-스케일의 제약된 최적화를 적용함으로써 상기 반사 레이어와 배경 레이어를 정제하는 단계; 및
(d) 상기 (c) 단계를 통해 정제된 반사 레이어와 배경 레이어 상에 잔류하는 가장자리 제거 처리 단계;를 포함하는 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법.
(a) extracting a pair of orthogonal images from three polarized images each captured at an angle of polarization separated by an angle;
(b) separating a reflective layer and a background layer from each of the orthogonal images by assuming a spatially varying angle of incidence;
(c) purifying the reflective and background layers by applying multi-scale constrained optimization; And
and (d) removing edges remaining on the reflective layer and the background layer, which have been purified through the step (c).
제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계는,
[수식 13] 및 [수식 14] 를 이용하여 입사각 θ(x)을 가정함에 의해서 이미지를 반사 레이어 LR과 배경 레이어 LB로 분리하고, [수식 13] 및 [수식 14] 와 같이 LB 와 LR 이 입사각 θ 에 대한 함수로 나타내어지므로, LB 와 LR 간 이미지 컨텐츠가 통계학적으로 독립이라는 가정 하에 상호정보(Mutual Information)가 최소화되는 입사각 θ 를 선택하며, 국지적으로 변화하는 입사각을 구할 수 있도록, 빌리프 프라퍼게이션(Belief Propagation)을 이용하여 패치 기반으로 확장하되, 매 픽셀 주변의 작은 패치 안에서는 입사각이 불변한다고 가정하고, 모든 픽셀에서 계산된 입사각이 이미지 내에서 변화하도록 최대 확률 문제를 형식화하고 빌리프 프라퍼게이션(Belief Propagation)을 사용하여 해결하는 것을 특징으로 하는 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법.
[수식 13]
Figure 112012057497212-pat00076

[수식 14]
Figure 112012057497212-pat00077

여기서, LR 은 유리표면으로부터 떨어져 반사되는 장면으로부터의 빛의 강도, LB 는 유리 뒤의 배경 장면으로부터의 빛의 강도, R는 반사된 빛의 수직인 편광요소, R는 반사된 빛의 수평인 편광요소, I는 반사광과 투과광에서 수평 요소들에 대한 강도의 합, I는 반사광과 투과광에서 수직 요소들에 대한 강도의 합, θ 는 입사각.
The method of claim 1,
The step (b)
[Formula 13] and L B as shown in [Formula 14] as by using the incidence angle θ assumes a (x) separating the image with a reflective layer and a background layer L R L B, and [formula 13] and [formula 14] And L R L B because it is expressed as a function of the incident angle θ. And L R Assuming that the image contents are statistically independent, patch angle is selected using belief propagation to select the incident angle θ where the mutual information is minimized and to obtain the locally changing incident angle. Expands to, but assumes that the angle of incidence remains unchanged within a small patch around every pixel, and formulates the maximum probability problem so that the calculated angle of incidence at every pixel changes in the image and solves using Belief Propagation. Method for improving the acquired image quality by physically based reflection separation.
[Equation 13]
Figure 112012057497212-pat00076

[Equation 14]
Figure 112012057497212-pat00077

Where L R Is the intensity of light from the scene reflected away from the glass surface, L B is the intensity of light from the background scene behind the glass, R is the vertical polarization of the reflected light, R is the horizontal polarization of the reflected light element, I is the sum of the strength of the horizontal component in the reflected light and transmitted light, I is the sum of the intensity of the vertical component in the reflected light and transmitted light, θ is the incident angle.
제 1 항에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 (b) 단계의 결과들의 품질을 개선하기 위하여, αi 와 (LR,,LB)를 정제하기 위하여 [수식 17] 로 주어진 목적함수를 최소화하는 것을 특징으로 하는 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법.
[수식 17]
Figure 112012057497212-pat00078

여기서, Ii(x) 는 이미지 함수, α 는 혼합 계수, α' 는 추정 혼합 계수, λc 는 가중 파라미터, λs 는 가중 파라미터, LR 은 유리표면으로부터 떨어져 반사되는 장면으로부터의 빛의 강도, LB 는 유리 뒤의 배경 장면으로부터의 빛의 강도.
The method of claim 1,
The step (c)
In order to improve the quality of the results of step (b), it is necessary to minimize the objective function given by Equation 17 to purify α i and (L R ,, L B ). How to improve the image quality obtained.
[Equation 17]
Figure 112012057497212-pat00078

Where I i (x) is an image function, α is a mixing coefficient, α 'is an estimated mixing coefficient, λ c is a weighting parameter, λ s is a weighting parameter, L R Is the intensity of light from the scene reflected off the glass surface, and L B is the intensity of light from the background scene behind the glass.
제 1 항에 있어서,
상기 (d) 단계는,
[수식 18] 로 주어진 크로스-프로젝션 텐서를 채택하고, LR 혹은 LB 에서의 참 엣지는 다른 레이어에서의 대응하는 거짓 엣지보다 큰 그라디언트 매그니튜드를 갖는다고 가정하고, LR(x)에 대한 크로스-프로젝션 텐서 DR(x)는 LR(x)에 참 엣지가 존재할 때 μ1 = 1, μ2 = 1 로 설정하고, LR(x)와 LB(x) 모두 엣지가 있고, LR(x)에서의 Y채널 그라디언트 매그니튜드가 LB(x)에서의 그것보다 작을 때 μ1 = 0, μ2 = 1 로 설정하고, LR(x)에 엣지가 없을 때 μ1 = 0, μ2 = 0 로 설정하며, 대칭적으로, LB(x)에 대한 크로스-프로젝션 텐서 DB(x)가 정의되는 것을 특징으로 하는 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법.
[수식 18]
Figure 112012057497212-pat00079

여기서, v1 , v2 는 평활화된 구조 텐서의 대소 각각의 고유한 벡터, μ1 μ2 는 엣지 관계 상수
The method of claim 1,
The step (d)
Cross-projection to L R (x), adopting the cross-projection tensor given by Equation 18, assuming that the true edge at L R or L B has a gradient magnitude greater than the corresponding false edge at another layer. - projection tensor D R (x) may have the presence of a true edge to L R (x) μ 1 = 1, μ 2 set = 1, and L R (x) and L B (x) both edges, L when the Y-channel gradient magnitude of the R (x) is smaller than that in the L B (x) μ 1 = 0, when set to μ 2 = 1, and the edge is not in L R (x) μ 1 = 0, A method of improving acquired image quality by physically-based reflection separation, characterized by setting μ 2 = 0 and symmetrically, cross-projection tensor D B (x) for L B (x) is defined.
[Equation 18]
Figure 112012057497212-pat00079

Where v 1 , v 2 is the unique vector of the magnitude of the smoothed structural tensor, and μ 1 μ 2 is the edge relation constant
제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
편광 현상에 관한 물리 법칙을 분석하여, [수식 1] 과 같이, 반사가 섞인 이미지가 매 픽셀(x) 마다 반사 레이어 (
Figure 112013098107698-pat00080
) 와 배경 레이어 (
Figure 112013098107698-pat00081
) 가 [수식 20] 으로 주어진 반사 계수에 의해 선형 결합된 형태로 나타내어지고 반사 계수는 이미지 내에서 국지적으로 변화하는 것을 특징으로 하는 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법.
[수식 1]
Figure 112013098107698-pat00082

[수식 20]
Figure 112013098107698-pat00083

R : 유리 표면으로부터 반사된 빛의 상대적 강도를 나타내는 반사율
R: R의 입사면에 수직인 편광된 요소
R: R의 입사면에 수평인 편광된 요소
θ : 입사각
Figure 112013098107698-pat00103
: 편광자 각
Figure 112013098107698-pat00104
∥: 입사면과 편광자사이의 교차선의 방향에 대한 각도
Figure 112013098107698-pat00105
=
Figure 112013098107698-pat00106
+ 90°
The method of claim 1,
In the step (b)
By analyzing the laws of physics about the polarization phenomenon, as shown in [Equation 1], the reflection-mixed image
Figure 112013098107698-pat00080
) And background layer (
Figure 112013098107698-pat00081
) Is represented in a linearly coupled form by the reflection coefficient given by [Equation 20], and the reflection coefficient changes locally in the image.
[Equation 1]
Figure 112013098107698-pat00082

[Equation 20]
Figure 112013098107698-pat00083

R: reflectance indicating the relative intensity of light reflected from the glass surface
R : Polarized element perpendicular to the plane of incidence of R
R : polarized element horizontal to the incidence plane of R
θ: incident angle
Figure 112013098107698-pat00103
Polarizer angle
Figure 112013098107698-pat00104
∥ angle in the direction of the intersection line between the incident surface and the polarizer
Figure 112013098107698-pat00105
=
Figure 112013098107698-pat00106
+ 90 °
제 1 항에 있어서,
상기 (b) 단계에서,
처리할 이미지의 크기에 비례하여 이미지 히스토그램 출력작업과 빌리프 프라퍼게이션(Belief Propagation)에 의해 증가하는 처리시간을 단축하기 위하여, 최저 스케일 팩터를 갖는 이미지들에 대해 빌리프 프라퍼게이션(Belief Propagation)을 수행하는 것을 특징으로 하는 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법.
The method of claim 1,
In the step (b)
Belief Propagation for images with the lowest scale factor, in order to shorten the processing time increase due to image histogram output and believ propagation in proportion to the size of the image to be processed. Method of improving the acquired image quality by the reflection separation of the physical basis, characterized in that for performing.
제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 (c) 단계에서,
다수의 스케일 팩터(scale factor)를 갖는 이미지들에 대해 최적화를 수행하고 입력 이미지의 가우시안 피라미드들에 기초한 멀티-스케일 반사 분리 방법을 채택하여 처리속도를 단축하게 하는 것을 특징으로 하는 물리적 기반의 반사 분리에 의한 획득 이미지 품질 개선 방법.
7. The method according to claim 1 or 6,
In the step (c)
Physically based reflection separation, characterized by optimizing the images with multiple scale factors and reducing the processing speed by adopting a multi-scale reflection separation method based on Gaussian pyramids of the input image. How to improve the image quality acquired.
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