KR101437911B1 - 다이나믹 영역 확장 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 다이나믹 영역 확장 방법 및 장치에 관한 것으로, 영상 입력 시 입력된 영상을 밝기 정보와 색 정보로 구분하는 과정과, 밝기 정보에 감마 보정과 역감마 보정을 적용하는 과정과, 감마 보정과 역감마 보정을 적용한 영상을 분할하여 분할된 임의의 영역에서의 분산을 비교하는 과정과, 비교에 따라 큰 값을 갖는 영상의 영역을 선택적으로 취하여 입력된 영상의 다이나믹 영역을 확장하는 과정을 포함한다. 본 발명에 따르면, 연산량을 대폭 줄여 입력되는 영상을 후처리로 처리함으로써, 다이나믹 영역 범위를 확장할 수 있다.
감마 보정, 역감마 보정, 다중-적응적(multi-adaptive), 가중치 평균, 분산

Description

다이나믹 영역 확장 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ENHANCING DYNAMIC RANGE}
본 발명은 다이나믹 영역 확장 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 연산량을 줄여 입력되는 영상의 다이나믹 영역을 용이하게 확장할 수 있는 다이나믹 영역 확장 방법 및 장치에 관한 것이다.
이미지 센서는 광학 영상을 전기 신호로 변환시키는 반도체 소자를 말한다. 이미지 센서의 소자 종류에는 CCD(Charge Coupled Device) 방식의 소자 및 CMOS(Complementary Metal-Oxide-Silicon) 방식의 소자가 있다. CCD 방식의 소자는 개개의 MOS(Metal-Oxide-Silicon) 커패시터가 서로 매우 근접한 위치에 있으면서 전하 캐리어가 커패시터에 저장되고 이송되는 소자이며, CMOS 방식의 소자는 제어회로 및 신호 처리 회로를 주변 회로로 사용하는 기술을 이용하여 화소 수만큼의 MOS 트랜지스터를 만들고 이것을 이용하여 차례차례 출력을 검출하는 스위칭 방식을 채용하는 소자이다.
이러한 이미지 장치의 품질을 나타내는 데 있어, 중요한 판단 기준이 되는 것 중에 하나가 다이나믹 영역(Dynamic Range)이다. 다이나믹 영역은 일반적으로 입력 신호를 왜곡하지 않으면서 신호를 처리할 수 있는 최대 범위를 나타내는데, 이미지 센서의 경우에는 다이나믹 영역이 넓을수록 넓은 범위의 명도 변화에 관계없이 좋은 이미지를 얻을 수 있다.
이러한 다이나믹 영역 확장을 위한 종래의 한 방법으로서, 신호의 변화 정도를 이용하는 방법이 있다. 즉, 신호를 미분하고 미분 값의 크기를 조정하여 다이나믹 영역을 확장하는 방법이다. 센서를 통해 입력된 신호의 미분 값을 변화시킴으로써 신호의 다이나믹 특성을 변화시킬 수 있다. 그런데, 이러한 방법은 1차원의 음성 신호에는 용이하나 2차원의 영상 신호에 적용하기에는 2차 미분과 반복(iteration) 과정을 필요로 하기 때문에, 많은 연산을 필요로 하는 문제점을 가지고 있다.
다이나믹 영역 확장을 위한 종래의 다른 방법으로서, 노출이 다른 여러 장의 영상을 이용하는 방법이 있다. 즉, 노출이 다른 영상들을 이용하여 센서의 응답 함수를 추정하고, 응답 함수의 역함수를 취함으로써 이를 보정한다. 그런데, 이러한 방법은 여러 장의 여상을 이용하기 때문에 많은 메모리를 필요로 하고, 반복 과정이 이용된다. 따라서, 이러한 방법도 실시간으로 구현하는 데 많은 문제점을 가지고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 연산량을 줄일 수 있는 영상의 다이나믹 영역 확장 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 감마 보정과 역감마 보정을 이용한 영상의 다이나믹 영역 확장 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 감마 보정과 역감마 보정 적용 값을 선택적으로 취하고, 가중치 평균을 이용하여 영상의 다이나믹 영역 확장 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 다이나믹 영역 확장 방법으로서, 영상 입력 시, 상기 입력된 영상을 밝기 정보와 색 정보로 구분하는 과정과, 상기 밝기 정보에 감마 보정과 역감마 보정을 적용하는 과정과, 상기 감마 보정과 역감마 보정을 적용한 영상을 분할하여, 상기 분할된 임의의 영역에서의 분산을 비교하는 과정과, 상기 비교에 따라 큰 값을 갖는 영상의 영역을 선택적으로 취하여 상기 입력된 영상의 다이나믹 영역을 확장하는 과정을 포함한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 다른 발명은 다이나믹 영역 확장 장치로서, 영상을 입력받는 센서와, 상기 입력된 영상을 밝기 정보와 색 정보로 구분하는 YUV 변환부와, 상기 밝기 정보에 감마 보정을 적용하는 감마 보정부와, 상기 밝기 정보에 역감마 보정을 적용하는 역감마 보정부와, 상기 감마 보정부와 역감마 보정 부의 적용 값을 선택적으로 취하고, 가중치 평균을 이용하여 상기 영상의 다이나믹 영역을 확장하는 가중치 평균부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 연산량을 대폭 줄여 입력되는 영상을 후처리로 처리함으로써, 다이나믹 영역 범위를 확장할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
도 1a는 본 발명에 따른 다이나믹 영역 확장을 위한 단말을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1a를 참조하면, 본 발명에 따른 단말은 키입력부(101), 카메라(103), 표 시부(105), 메모리부(107) 및 제어부(109)의 구성을 갖는다.
키입력부(101)는 단말의 동작을 제어하기 위한 사용자의 조작 신호를 입력받는다. 키입력부(101)는 본 실시예에 따라 영상 촬영을 위한 조작 등을 수행한다.
카메라(103)는 피사체를 촬영하여 영상 신호를 생성한다. 카메라(103)는 촬영된 광 신호를 전기적 신호로 변환하는 카메라 센서와 카메라 센서로부터 촬영되는 아날로그 영상 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호 처리부를 구비한다. 여기서, 카메라 센서는 전술한 바와 같은 CCD 또는 CMOS 등이 될 수 있다. 카메라(103)는 출력되는 영상 신호를 표시하기 위한 화면 데이터를 발생하는 영상 처리부를 더 포함할 수 있다. 영상 처리부는 영상 코덱을 구비하고, 표시부(105)에 표시되는 영상 데이터를 설정된 방식으로 압축하거나, 압축된 영상 데이터를 원래의 영상 데이터로 복원하는 기능을 수행한다.
표시부(105)는 단말의 상태 및 동작과 관련된 각종 정보를 시각적으로 표시한다. 표시부(105)는 본 실시예에 따라 카메라(103)를 통해 입력된 영상을 표시한다. 표시부(105)는 카메라(103)를 통해 입력되어 감마 보정 및 역감마 보정을 통해 변환된 영상을 표시한다.
메모리부(107)는 단말의 동작에 필요한 프로그램 및 정보를 저장한다.
제어부(109)는 단말의 각 구성 요소에 대한 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(109)는 본 실시예에 따라 영상의 다이나믹 영역 확장 기능을 제어한다. 제어부(109)는 다중-적응적 보정부(150)를 구비한다. 다중-적응적 보정부(150)는 카메라(103)를 통해 입력된 영상을 감마 보정 및 역감마 보정을 취하고, 영상의 다이나 믹 영역을 확장하여, 표시부(105)에 그 입력된 영상을 표시한다. 이에 대하여서는 하기되는 도 1b를 참조하여 좀 더 상세히 설명한다.
한편, 전술한 단말은 무선 통신 기능 수행을 위해 RF 부를 더 포함할 수 있다. 여기서, RF 부는 송신되는 신호의 주파수를 상승 변환 및 증폭하는 RF 송신기와, 수신되는 신호를 저잡음 증폭하고 주파수를 하강 변환하는 RF 수신기 등을 포함한다.
이하, 본 발명에 따른 다이나믹 영역 확장을 위한 단말의 일부분과 그에 대한 기능에 대하여 좀 더 상세히 설명한다. 도 1b는 도 1a의 일부를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1b를 참조하면, 다중-적응적 보정부(150)는 YUV 변환부(YUV transformation; 151), 감마 보정부(Gamma correction; 153), 역감마 보정부(Inverse Gamma correction; 155), 가중치 평균부(Weighted mean; 157) 및 RGB 변환부(RGB transformation; 159)로 구성된다.
카메라(103)를 통해 영상 입력 시, 다중-적응적 보정부(150)에는 RGB(Red Green Blue) 정보가 입력된다. 이러한 RGB 정보를 YUV 변환부(151)에서 YUV 신호로 변환시킨다. 여기서, Y는 휘도 정보, U는 휘도 정보와 청색 정보의 차이, V는 휘도 정보와 적색 정보의 차이를 의미한다. YUV 변환부(151)는 RGB 정보를 YUV 정보로 변환시키기 위한 변환식으로서, 예컨대 Y=0.3R+0.59G+0.11B, U=(B-Y)×0.493, V=(R-Y)×0.877을 사용한다.
제어부(109)는 YUV 변환부(151)를 통해 변환된 정보들 중에서 밝기 정보인 Y 정보를 감마 보정부(153)와 역감마 보정부(55)로 전송한다. 즉, 감마 보정부(153)와 역감마 보정부(155)는 Y 정보를 일괄적으로 취한다.
감마 보정은 비선형 전달 함수를 이용하여 빛의 강도 신호를 비선형적으로 변형하는 것을 의미한다. 인간의 시각은 베버 법칙(Weber's law)에 따라 밝기에 대해 비선형적으로 반응한다. 한정된 정보 표현량 안에서 선형적으로 빛의 밝기를 기록하면, 사람의 눈으로 보기에는 양이 변할 때 부드럽게 느껴지지 않고 단절되어 보이는 현상이 발생한다. 따라서, 주어진 정보 표현량의 한계 안에서 최적의 화질을 보여주기 위해서는 비선형적으로 부호화해야할 필요가 있다. 그리고 역감마 보정은 이러한 감마 보정에 역수(inverse)를 취하는 것을 의미한다.
도 2는 본 발명에 따른 다이나믹 영역 확장을 위해 감마 보정과 역감마 보정을 수행하는 그래프를 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 감마 보정부(153)는 어두운 영역을 밝게 해줌으로써, 어두운 부분의 센서 응답 함수를 선형적으로 만든다. 역감마 보정부(155)는 밝은 부분을 어둡게 해줌으로써 밝은 부분의 센서 응답 함수를 선형적으로 만든다. 이와 같이, 카메라(103)를 통해 입력된 영상은 YUV 정보로 변환되어 감마 보정부(153)와 역감마 보정부(155)를 통해 감마 보정 및 역감마 보정된다.
이러한 감마 보정과 역감마 보정을 취한 영상이 도 3a 내지 도 3c에 도시된다. 도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 다이나믹 영역 확장을 위해 역감마 보정과 감마 보정을 수행하는 영상을 나타낸 도면이다.
도 3a는 입력된 영상에 역감마 보정을 수행한 영상이고 도 3b는 감마 보정을 수행한 영상이다. 이와 같이, 감마 보정부(153)와 역감마 보정부(155)를 통한 보정을 수행한 값은 선택적으로 취해져서, 센서의 응답 함수를 선형적으로 보정하게 된다. 감마 보정과 역감마 보정을 수행한 값을 선택적으로 취하기 위해서는 도 3a와 도 3b에서와 같이, 두 영상의 동일한 위치에서의 국부 영역의 분산을 비교하여, 그 값이 큰 값의 영상을 취한다.
즉, 도 3a의 역감마 보정을 통한 영상에서 1-b 영역과 도 3b의 감마 보정을 통한 영상에서의 1-a 영역의 분산, 도 3a의 2-b 영역과 도 3b의 2-a 영역의 분산을 각각 비교한다. 1-a와 1-b 영역에서의 분산을 비교해보면, 1-b에서의 분산이 더 크고(variance of 1-a < variance of 1-b), 2-a와 2-b 영역에서의 분산을 비교해보면, 2-a에서의 분산이 더 크다(variance of 2-b < variance of 2-a). 따라서, 1-a, 1-b 영역에서는 1-b 영역을 선택하고, 2-a, 2-b 영역에서는 2-a 영역을 선택하게 된다. 본 실시예에서는 두 영상에서 두 영역의 분산을 비교하는 것을 도시하여 설명하지만, 전체 영역에서의 각각의 국부 영역의 분산을 비교하는 것임은 자명한 사실이다.
도 3c는 이러한 분산을 비교하여 각각의 값을 취하는 영역을 표시한 것으로서, 검은 부분은 감마 보정을 취하는 부분이고, 흰 부분은 역감마 보정을 취하는 부분이다.
가중치 평균부(157)는 전술한 바와 같이, 감마 보정부(153)와 역감마 보정부(155)를 통해 적용된 보정값을 선택적으로 취할 때, 이 두 값의 가중치 평균을 이용한다. 즉, 가중치 평균부(157)는 일괄적으로 하나의 값만을 사용할 경우, 두 영역의 경계면에서 불연속 구간이 발생될 수 있는 문제점을 해결하기 위하여, 두 값의 가중치 평균을 구한다. 가중치 평균부(157)는 다음과 같은 방식으로 구현된다.
if(var(x1)==0&& var(x2)==0) {
y=(x1+x2)/2
}
else{
y=(var(x1)*x1+var(x2)*x2)/(var(x1)+var(x2))
}
여기서, x1은 감마 보정을 취한 값이고, x2는 역감마 보정을 취한 값이다. var(x1)은 감마 보정을 취한 영상의 국부 영역에서의 분산이고, var(x2)는 동일 위치에서의 역감마 보정을 취한 영상의 국부 영역에서의 분산이다. 가중치 평균부(157)는 분산을 가중치로 사용함으로써, 분산이 큰 값이 더 큰 가중치를 가지게 하여, 결과에 크게 반영시킨다. 가중치 평균부(157)는 경계 영역에서는 비슷한 분산을 가지므로, 두 영역의 선형 평균과 비슷한 값이 결과에 반영한다. 따라서, 일괄적으로 하난의 값만을 택할 때 발생하던 경계 영역에서의 불연속 효과를 제거할 수 있다.
RGB 변환부(159)는 표시부(105)로 RGB 정보를 출력하기 위하여, 변환된 YUV 정보를 RGB 정보로 변환시킨다. RGB 변환부(159)는 입력된 영상에서 감마 보정부(153), 역감마 보정부(155) 및 가중치 평균부(157)를 통해 변환된 Y' 정보와 YUV 변환부(151)로부터 입력된 UV 정보를 RGB 정보로 변환시킨다. RGB 변환부(159)는 YUV 정보를 RGB 정보로 변환시키기 위한 변환식으로서, 예컨대 R=Y+0.956U+0.621V, G=Y+0.272U+0.647V, B=Y+1.1061U+1.703V를 사용한다.
이하, 본 발명에 따른 영상의 다이나믹 영역 확장 방법에 대하여 설명한다. 도 4는 본 발명에 따른 다이나믹 영역 확장 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 다이나믹 영역 확장 장치의 제어부(109)는 RGB 정보가 입력되면, 입력된 RGB 정보를 YUV 정보로 변환한다(S401). 제어부(109)는 카메라(103)를 통해 영상이 입력됨을 확인하고, YUV 변환부(151)를 통해 입력된 RGB 정보를 YUV 정보로 변환한다.
이어서, 제어부(109)는 변환된 YUV 정보 중에서 Y 정보와 UV 정보를 구분한다(S403). 제어부(109)는 YUV 변환부(151)를 통해 밝기 정보(Y)와 색 정보(UV)로 구분한다. 제어부(109)는 구분된 정보 중에서 밝기 정보인 Y 정보만을 이용한다.
다음으로, 제어부(109)는 밝기 정보에 감마 보정과 역감마 보정을 적용한다(S405). 제어부(109)는 감마 보정부(153)와 역감마 보정부(155)를 통해 입력된 영상에 도 2에 도시된 바와 같이, 각각 감마 보정과 역감마 보정을 취한다.
이어서, 제어부(109)는 감마 보정과 역감마 보정을 적용한 값을 비교하여 선택적으로 취하고, 가중치 평균을 이용하여 센서를 통한 응답 함수를 선형적으로 보정한다(S407). 제어부(109)는 감마 보정부(153)와 역감마 보정부(155)를 통해 적용된 값을 도 3a와 도 3b에 도시된 바와 같이, 임의의 국부 영상의 분산을 비교하여 선택적으로 취한다. 그리고 제어부(109)는 전술한 바와 같은 방식을 이용하는 가중 치 평균부(157)를 통해, 두 영역의 경계면에서 불연속 구간이 발생될 수 있는 문제를 해결한다.
다음으로, 제어부(109)는 보정된 밝기 정보(Y')와 색 정보(UV)를 RGB로 변환하여, 상기 RGB 정보를 출력한다(S409). 제어부(109)는 전술한 과정들을 통해 변환된 Y' 정보와 YUV 변환부(151)로부터 입력된 UV 정보를 RGB 변환부(159)를 통해 변환시킨다. 그리고 제어부(109)는 변환된 RGB 정보를 표시부(105)에 표시한다.
전술한 바와 같은 본 실시예에 따른 다이나믹 영역 확장 방법을 적용한 영상이 도 5a와 도 5b 및 도 6a와 도 6b에 도시된다. 도 5a와 도 5b 및 도 6a와 도 6b는 종래 기술에 따른 이미지와 본 발명에 따른 다이나믹 영역 확장을 적용한 영상을 나타낸 도면이다.
도 5a와 6a는 종래 기술에 따라 출력되는 영상이고, 도 5b와 6b 본 실시예에 따른 다이나믹 영역 확장 방법이 적용되어 출력되는 영상이다. 도면들에서 알 수 있는 바와 같이, 본 실시예에 따른 다이나믹 영역 확장 방법을 통해, 실제 밝기 값이 왜곡되는 것을 보정하여 영상을 출력할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 블루투스 모듈을 구비한 휴대 단말기 및 그의 블루투스 통신 방법은 전술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 중심 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 이는 본원발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명에 따른 다이나믹 영역 확장을 위한 단말을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 1b는 도 1a의 일부를 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 다이나믹 영역 확장을 위해 감마 보정과 역감마 보정을 수행하는 그래프를 나타낸 도면이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명에 따른 다이나믹 영역 확장을 위해 역감마 보정과 감마 보정을 수행하는 영상을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 다이나믹 영역 확장 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 5a와 도 5b, 도 6a와 도 6b는 종래 기술에 따른 이미지와 본 발명에 따른 다이나믹 영역 확장을 적용한 영상을 나타낸 도면이다.

Claims (7)

  1. 영상을 획득하여 비디오 데이터를 생성하는 과정;
    상기 비디오 데이터를 밝기 정보와 색 정보로 구분하는 과정;
    상기 밝기 정보에, 감마 보정 및 역감마 보정을 각각 수행하는 과정;
    상기 비디오 데이터에 상응하는 영상의 특정 영역에서, 상기 감마 보정된 밝기 정보의 분산값과 상기 역감마 보정된 밝기 정보의 분산값의 크기를 비교하는 과정;
    비교 결과를 기반으로, 상기 감마 보정된 밝기 정보 및 역감마 보정된 밝기 정보 중 어느 하나의 밝기 정보를 상기 특정 영역의 밝기 정보로 선택하는 과정; 및
    상기 선택된 밝기 정보 및 상기 색 정보를 기반으로, RGB(Red-Green-Blue) 정보를 생성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 다이나믹 영역 확장 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 감마 보정된 밝기 정보, 상기 역감마 보정된 밝기 정보, 상기 감마 보정된 밝기 정보의 분산값 및 상기 역감마 보정된 밝기 정보의 분산값 중 적어도 두 가지의 값을 이용하여 연산하는 과정; 및
    연산결과를 기반으로, 상기 선택된 밝기 정보를 보정하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이나믹 영역 확장 방법.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 적어도 두 가지의 값을 이용하여 연산하는 과정은,
    if(var(x1)==0 && var(x2)==0) {
    y=(x1+x2)/2
    }
    else{
    y=(var(x1)*x1+var(x2)*x2)/(var(x1)+var(x2))
    }
    라는 연산식을 수행하는 것을 포함하되, 상기 y는 상기 연산식을 수행한 결과이고, 상기 x1은 감마 보정을 수행한 값이고, 상기 x2는 역감마 보정을 수행한 값이며, 상기 var(x1)은 상기 감마 보정된 밝기 정보 의 분산값이고, 상기 var(x2)는 역감마 보정된 밝기 정보의 분산값인 것을 특징으로 하는 다이나믹 영역 확장 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 생성된 RGB 정보를 표시하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다이나믹 영역 확장 방법.
  5. 영상을 획득하는 센서;
    상기 영상을 밝기 정보와 색 정보로 구분하는 YUV 변환부;
    상기 밝기 정보에 감마 보정을 수행하는 감마 보정부;
    상기 밝기 정보에 역감마 보정을 수행하는 역감마 보정부; 및
    상기 영상의 특정 영역에서, 상기 감마 보정된 밝기 정보의 분산값과 상기 역감마 보정된 밝기 정보의 분산값의 크기를 비교하고, 비교 결과를 기반으로 상기 감마 보정된 밝기 정보 및 역감마 보정된 밝기 정보 중 어느 하나의 밝기 정보를 상기 특정 영역의 밝기 정보로 선택하는 가중치 평균부를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자장치
  6. 삭제
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 가중치 평균부는,
    if(var(x1)== 0&& var(x2)==0) {
    y=(x1+x2)/2
    }
    else{
    y=(var(x1)*x1+var(x2)*x2)/(var(x1)+var(x2))
    }
    라는 연산식을 수행하여 상기 선택된 밝기 정보를 보정하는 것을 포함하되,
    상기 y는 상기 연산식을 수행한 결과이고, 상기 x1은 감마 보정을 수행한 값이고, 상기 x2는 역감마 보정을 수행한 값이며, 상기 var(x1)은 상기 감마 보정된 밝기 정보의 분산값이고, 상기 var(x2)는 상기 역감마 보정된 밝기 정보의 분산값인 것을 특징으로 하는 전자장치.
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