KR101723212B1 - 업샘플링을 위한 라그랑지 보간 장치, 방법 및 그 방법이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체 - Google Patents

업샘플링을 위한 라그랑지 보간 장치, 방법 및 그 방법이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체 Download PDF

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Abstract

업샘플링을 위한 라그랑지 보간 장치, 방법 및 그 방법이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체는 입력받은 영상을 다운 샘플링하여 저해상도 영상을 생성하고 저해상도 영상을 업샘플링하여 비어 있는 픽셀을 0으로 채우며, 픽셀 간의 비어 있는 픽셀에 대하여 라그랑지 보간법(Lagrange Interpolation)을 이용하여 픽셀값을 계산하여 보간한다.

Description

업샘플링을 위한 라그랑지 보간 장치, 방법 및 그 방법이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체{Apparatus and Method for Interpolating Lagrange for Upsampling and Computer Recordable Medium Storing the Method}
본 발명은 영상 보간 방법에 관한 것으로서, 특히 입력받은 영상을 다운 샘플링하여 저해상도 영상을 생성하고 저해상도 영상을 업샘플링하여 비어 있는 픽셀을 0으로 채우며, 픽셀 간의 비어 있는 픽셀에 대하여 라그랑지 보간법(Lagrange Interpolation)을 이용하여 픽셀값을 계산하여 보간하는 업샘플링을 위한 라그랑지 보간 장치, 방법 및 그 방법이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 관한 것이다.
업샘플링 방법은 이미지 처리 분야에서 널리 사용된다. 예를 들면, 이미지 디인터레이싱(Deinterlacing)은 수직 해상도를 향상시키고, 수직으로 업샘플링한다.
디모자이킹(Demosaicking)은 각 컬러 구성요소의 수직 해상도와 수평 해상도를 향상하기 위해서 컬러 이미지 보간에 사용된다.
이미지 업샘플링은 알려져 있지 않은 복수의 입력들을 잘 매칭시켜야 하는데, 누락된 픽셀들의 수가 존재하는 데이터의 크기보다 큰 경우 누락된 픽셀들을 추론하기 어려운 문제가 있다.
완전한 이미지 정보를 얻기 위해서는 픽셀에 저장되지 않은 다른 채널의 이미지 정보를 주변 픽셀의 정보를 이용하여 보간(Interpolation)해야 한다.
종래의 이미지 보간 방법은 이미지 에지 정보를 효과적으로 고려하지 못하고 컬러 보간시 물체의 윤곽이나 경계선 등의 에지에서 원래의 컬러와 전혀 다른 색으로 보간되어 일부 픽셀들이 중위와 어울리지 않게 튀어 보이는 색상 오류가 발생하는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 입력받은 영상을 다운 샘플링하여 저해상도 영상을 생성하고 저해상도 영상을 업샘플링하여 비어 있는 픽셀을 0으로 채우며, 픽셀 간의 비어 있는 픽셀에 대하여 라그랑지 보간법(Lagrange Interpolation)을 이용하여 픽셀값을 계산하여 보간하는 업샘플링을 위한 라그랑지 보간 장치, 방법 및 그 방법이 기록된 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 업샘플링을 위한 라그랑지 보간 장치는,
컬러 필터 어레이를 구비하여 컬러 영상을 입력받는 이미지 센서부;
이미지 센서부에 의해 획득한 영상을 다운 샘플링하여 저해상도 영상을 생성하는 다운 샘플링부;
다운 샘플링부에서 생성된 저해상도 영상을 업샘플링하여 고해상도 영상을 생성하고 영상의 비어 있는 픽셀을 0으로 채우도록 인터리빙(Interleaving)하는 업샘플링부;
데카르트 평면 좌표에서 화소단위 픽셀을 샘플링하는 업샘플링 필터를 복수개 구비하며, 각각의 업샘플링 필터에 의해 추출된 픽셀 간에 라그랑지 보간법(Lagrange Interpolation)을 이용하여 픽셀 간의 가운데 위치의 픽셀값을 계산하여 보간하는 채널 보간부; 및
채널 보간부에서 픽셀 간을 보간하여 추정된 업샘플링된 이미지를 출력하는 영상 생성부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징에 따른 업샘플링을 위한 라그랑지 보간 방법은,
컬러 필터 어레이를 구비한 이미지 센서부로부터 컬러 영상을 입력받는 단계;
이미지 센서부에 의해 획득한 영상을 다운 샘플링하여 저해상도 영상을 생성하는 단계;
저해상도 영상을 업샘플링하여 고해상도 영상을 생성하고 영상의 비어 있는 픽셀을 0으로 채우도록 인터리빙(Interleaving)하는 단계;
데카르트 평면 좌표에서 화소단위 픽셀을 업샘플링 필터에 의해 샘플링하고, 상기 샘플링된 픽셀 간에 라그랑지 보간법(Lagrange Interpolation)을 이용하여 픽셀 간의 가운데 위치의 픽셀값을 계산하여 보간하는 단계; 및
영상의 비어 있는 픽셀 간을 보간하여 추정된 업샘플링된 이미지를 출력하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 라그랑지 보간법을 이용하여 영상 보간을 수행하여 종래의 영상 보간법에 비하여 원본 영상에 더 유사한 영상 보간을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 업샘플링을 위한 라그랑지 보간 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 라그랑지 보간법을 사용한 일례를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 업샘플링을 위한 라그랑지 보간 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 채널 보간부에서 픽셀 간의 가운데 위치의 픽셀값을 계산하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 5 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 채널 보간부에서 픽셀 간의 가운데 위치의 픽셀값을 계산하는 방법을 나타낸 도면이다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 업샘플링을 위한 라그랑지 보간 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 라그랑지 보간법을 사용한 일례를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 업샘플링을 위한 라그랑지 보간 방법을 나타낸 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 채널 보간부에서 픽셀 간의 가운데 위치의 픽셀값을 계산하는 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 업샘플링을 위한 라그랑지 보간 장치(100)는 이미지 센서부(110), 다운 샘플링부(120), 업샘플링부(130), 채널 보간부(140) 및 영상 생성부(150)를 포함한다.
이미지 센서부(110)는 컬러 필터 어레이를 구비하여 컬러 영상을 입력받는다(S100).
다운 샘플링부(120)는 이미지 센서부(110)에 의해 획득한 영상을 다운 샘플링하여 저해상도 영상을 생성한다(S102).
업샘플링부(130)는 다운 샘플링부(120)에서 생성된 저해상도 영상을 업샘플링하여 고해상도 영상을 생성하고 영상의 비어 있는 픽셀을 0으로 채우도록 인터리빙(Interleaving)한다(S104).
채널 보간부(140)는 데카르트 평면 좌표에서 화소단위 픽셀을 샘플링하는 업샘플링 필터를 복수개 구비하며, 각각의 업샘플링 필터에 의해 추출된 픽셀 간에 라그랑지 보간법(Lagrange Interpolation)을 이용하여 픽셀 간의 가운데 위치(230)의 픽셀값을 계산하여 보간한다(S106).
라그랑지 보간법은 공지된 이미지 보간 방법으로 간략하게 설명하면 다음과 같다.
데카르트 평면 좌표에서 x좌표인 a, y좌표인 b와 k 개수의 픽셀 위치를 설정했다고 가정할 때,
Figure 112016005844888-pat00001
이다.
라그랑지 형태에서의 보간 다항식은 다음의 [수학식 1]과 라그랑지 계수 다항식의 [수학식 2]와 같다.
Figure 112016005844888-pat00002
Figure 112016005844888-pat00003
여기서, j는 0부터 k 개수만큼의 정수이고, m은 j와 동일하지 않으며 0보다 크거나 같고 k보다 작거나 같은 정수이다.
전술한 [수학식 1]과 [수학식 2]를 결합하면 최종적으로 다음의 [수학식 3]이 된다.
Figure 112016005844888-pat00004
여기서, i는 0부터 k 개수만큼의 정수이다.
이러한 [수학식 1], [수학식 2] 및 [수학식 3]의 수학적인 모델을 영상 보간에 적용하는 경우, k 개수 만큼의 (x, y) 좌표의 픽셀을 지나도록 픽셀들을 추정하여 연결한다.
라그랑지 보간법을 사용한 일례를 나타내면 도 2와 같다.
데카르트 평면 좌표는 a=[-9, -4, -1, 5, 7, 9], b=[3, -2, 1, 4, 8, 7]로 (-9,3), (-4, -2), (-1, 1), (5, 4), (7, 8), (9, 7)로 나타낸다.
전술한 [수학식 1], [수학식 2] 및 [수학식 3]의 라그랑지 보간법을 이용하여 6개 픽셀 포인트를 연결해주면 도 2와 같이 나타낼 수 있다.
본 발명의 업샘플링 필터는 필터 사이즈가 우측 3개와 좌측 3개로 기설정되어 있는 좌측 필터, 우측 필터 및 중심 필터로 이루어져 있다.
좌측 필터는 영상의 좌측 영역(200)의 6개의 픽셀을 선택하여 업샘플링 필터링을 수행하고, 우측 필터는 영상의 우측 영역(210)의 6개의 픽셀을 선택하여 업샘플링 필터링을 수행하며, 중심 필터는 영상의 중심 영역(220)의 6개의 픽셀을 선택하여 업샘플링 필터링을 수행한다.
여기서, 중심 영역(220)은 상기 영상의 좌측 영역(200)의 일부 픽셀과 상기 영상의 우측 영역(210)의 일부 픽셀과 중첩된다.
도 4에 도시된 바와 같이, 채널 보간부(140)는 좌측 필터를 이용하여 영상의 좌측 영역(200)에서 6개의 픽셀을 업샘플링 필터링한 후, 라그랑지 보간법을 이용하여 픽셀 간의 가운데 위치(230)의 제1 픽셀값(
Figure 112016005844888-pat00005
)을 계산한다.
채널 보간부(140)는 우측 필터를 이용하여 영상의 우측 영역(210)에서 6개의 픽셀을 업샘플링 필터링한 후, 라그랑지 보간법을 이용하여 픽셀 간의 가운데 위치(230)의 제2 픽셀값(
Figure 112016005844888-pat00006
)을 계산한다.
채널 보간부(140)는 중심 필터를 이용하여 영상의 중심 영역(220)에서 6개의 픽셀을 업샘플링 필터링한 후, 라그랑지 보간법을 이용하여 픽셀 간의 가운데 위치(230)의 제3 픽셀값(
Figure 112016005844888-pat00007
)을 계산한다.
제1 픽셀값, 제2 픽셀값 및 제3 픽셀값에는 각각의 가중치 정보를 곱하여 특정 위치의 최종 y값을 계산된다. 이를 다음의 [수학식 4]와 같이 나타낸다.
Figure 112016005844888-pat00008
이때,
Figure 112016005844888-pat00009
이며,
Figure 112016005844888-pat00010
= 0.5,
Figure 112016005844888-pat00011
= 0.25,
Figure 112016005844888-pat00012
= 0.25로 정한다. 중심 영역(220)의 y값 위치가 더 중요하기 때문에 우측 영역(210)과 좌측 영역(200)의 가중치 정보보다 더 높게 설정한다.
채널 보간부(140)는 픽셀 간의 가운데 위치(230)의 픽셀값을 계산하는 방법으로 영상의 비어 있는 픽셀에 대하여 라그랑지 보간법을 이용하여 최종 픽셀값을 모두 계산하며 픽셀들 간을 보간한다(S106).
영상 생성부(150)는 채널 보간부(140)에서 픽셀 간을 보간하여 추정된 업샘플링된 이미지를 출력한다(S108).
도 5 내지 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 채널 보간부에서 픽셀 간의 가운데 위치의 픽셀값을 계산하는 방법을 나타낸 도면이다.
이미지 센서부(110)는 컬러 필터 어레이를 구비하여 컬러 영상을 입력받고, 다운 샘플링부(120)는 이미지 센서부(110)에 의해 획득한 영상을 다운 샘플링하여 저해상도 영상을 생성하며, 업샘플링부(130)는 다운 샘플링부(120)에서 생성된 저해상도 영상을 업샘플링하여 고해상도 영상을 생성하고 영상의 비어 있는 픽셀을 0으로 채우도록 인터리빙(Interleaving)한다.
예를 들면, x 위치가 5.5인 점의 y 위치의 픽셀값을 계산하면 다음과 같다.
채널 보간부(140)는 일례로 x 위치가 5.5인 점의 y 위치의 픽셀값을 계산하고 있지만 나머지 픽셀 간의 y 위치의 픽셀값도 동일한 원리로 계산하게 된다.
데카르트 평면 좌표는 도 5에 도시된 바와 같이, a=[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10], b=[0, 1, 2, 1, 1, 0, -1, 1, 2, 1]로 (1, 0), (2, 1), (3, 2), (4, 1), (5, 1), (6, 0), (7, -1), (8, 1), (9, 2), (10, 1)로 나타낸다.
좌측 필터는 도 5에 도시된 좌표 중 좌측 영역(300)의 6개의 픽셀을 선택하여 업샘플링 필터링을 수행하고, 우측 필터는 도 5에 도시된 좌표 중 우측 영역(310)의 6개의 픽셀을 선택하여 업샘플링 필터링을 수행하며, 중심 필터는 도 5에 도시된 좌표 중 중심 영역(320)의 6개의 픽셀을 선택하여 업샘플링 필터링을 수행한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 채널 보간부(140)는 좌측 필터를 이용하여 좌측 영역(300)에서 6개의 픽셀을 업샘플링 필터링한 후, 라그랑지 보간법([수학식 1], [수학식 2] 및 [수학식 3])을 이용하여 x = 5.5일 때 픽셀 간의 가운데 위치(330)의 제1 픽셀값(
Figure 112016005844888-pat00013
)을 계산한다.
도 7에 도시된 바와 같이, 채널 보간부(140)는 우측 필터를 이용하여 우측 영역(310)에서 6개의 픽셀을 업샘플링 필터링한 후, 라그랑지 보간법([수학식 1], [수학식 2] 및 [수학식 3])을 이용하여 x = 5.5일 때 픽셀 간의 가운데 위치(330)의 제2 픽셀값(
Figure 112016005844888-pat00014
)을 계산한다.
도 8에 도시된 바와 같이, 채널 보간부(140)는 좌측 필터를 이용하여 좌측 영역(300)에서 6개의 픽셀을 업샘플링 필터링한 후, 라그랑지 보간법([수학식 1], [수학식 2] 및 [수학식 3])을 이용하여 x = 5.5일 때 픽셀 간의 가운데 위치(330)의 제3 픽셀값(
Figure 112016005844888-pat00015
)을 계산한다.
채널 보간부(140)는 x = 5.5일 때 픽셀 간의 가운데 위치(330)의 최종 픽셀값을 전술한 [수학식 4]를 이용하여 제1 픽셀값, 제2 픽셀값 및 제3 픽셀값에 각각의 가중치 정보를 곱하여 계산한다. 즉, 다시 말해, x = 5.5일 때,
Figure 112016005844888-pat00016
를 이용하여 최종 y값인 0.6914가 된다.
이때,
Figure 112016005844888-pat00017
이며,
Figure 112016005844888-pat00018
= 0.5,
Figure 112016005844888-pat00019
= 0.25,
Figure 112016005844888-pat00020
= 0.25로 한다.
만약, Bilinear 보간법을 사용한 경우 y = 0.5로 보간되었을 것이다. 따라서, 본 발명의 라그랑지 보간법은 종래의 영상 보간 방법에 비하여 원본 영상과 더 유사한 영상 보간을 수행할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 영상 생성부(150)는 채널 보간부(140)에서 계산된 x = 5.5일 때 y = 0.6914로 하여 픽셀 간을 보간하여 추정된 업샘플링된 이미지를 출력한다.
전술한 S100 내지 S108 단계는 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CDROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(Floptical disk)와 같은 자기-광 매체(megneto-optical media) 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동되도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
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.
100: 라그랑지 보간 장치
110: 이미지 센서부
120: 다운 샘플링부
130: 업샘플링부
140: 채널 보간부
150: 영상 생성부
200: 좌측 영역
210: 우측 영역
220: 중심 영역
230: 가운데 위치
300: 좌측 영역
310: 우측 영역
320: 중심 영역
330: 가운데 위치

Claims (8)

  1. 컬러 필터 어레이를 구비하여 컬러 영상을 입력받는 이미지 센서부;
    상기 이미지 센서부에 의해 획득한 영상을 다운 샘플링하여 저해상도 영상을 생성하는 다운 샘플링부;
    상기 다운 샘플링부에서 생성된 저해상도 영상을 업샘플링하여 고해상도 영상을 생성하고 영상의 비어 있는 픽셀을 0으로 채우도록 인터리빙(Interleaving)하는 업샘플링부;
    데카르트 평면 좌표에서 화소단위 픽셀을 샘플링하는 업샘플링 필터를 복수개 구비하며, 상기 각각의 업샘플링 필터에 의해 추출된 픽셀 간에 라그랑지 보간법(Lagrange Interpolation)을 이용하여 픽셀 간의 가운데 위치의 픽셀값을 계산하여 보간하는 채널 보간부; 및
    상기 채널 보간부에서 픽셀 간을 보간하여 추정된 업샘플링된 이미지를 출력하는 영상 생성부를 포함하고,
    상기 업샘플링 필터는 영상의 좌측 영역의 6개의 픽셀을 선택하여 업샘플링 필터링을 수행하는 좌측 필터와, 영상의 우측 영역의 6개의 픽셀을 선택하여 업샘플링 필터링을 수행하는 우측 필터와, 상기 영상의 좌측 영역의 일부 픽셀과 상기 영상의 우측 영역의 일부 픽셀과 중첩되는 영상의 중심 영역의 6개의 픽셀을 선택하여 업샘플링 필터링을 수행하는 중심 필터로 이루어져 있고,
    상기 채널 보간부는 상기 좌측 필터를 이용하여 상기 좌측 영역에서 일정 개수의 픽셀을 업샘플링 필터링한 후, 상기 라그랑지 보간법을 이용하여 픽셀 간의 가운데 위치의 제1 픽셀값(
    Figure 112016111785790-pat00021
    )을 계산하고, 상기 우측 필터를 이용하여 상기 우측 영역에서 일정 개수의 픽셀을 업샘플링 필터링한 후, 상기 라그랑지 보간법을 이용하여 픽셀 간의 가운데 위치의 제2 픽셀값(
    Figure 112016111785790-pat00022
    )을 계산하고, 상기 중심 필터를 이용하여 상기 중심 영역에서 일정 개수의 픽셀을 업샘플링 필터링한 후, 라그랑지 보간법을 이용하여 픽셀 간의 가운데 위치의 제3 픽셀값(
    Figure 112016111785790-pat00023
    )을 계산하며, 상기 제1 픽셀값, 상기 제2 픽셀값 및 상기 제3 픽셀값에 각각의 가중치 정보를 곱하여 픽셀 간의 가운데 위치의 최종 픽셀값을 계산하고,
    상기 제3 픽셀값에 곱해지는 가중치 정보는 상기 제1 픽셀값에 곱해지는 가중치 정보와 상기 제2 픽셀값에 곱해지는 가중치 정보보다 높게 설정하며,
    상기 채널 보간부는 상기 제1 픽셀값, 상기 제2 픽셀값 및 상기 제3 픽셀값을 하기의 수학식에 대입하여 상기 최종 픽셀값을 계산하는 것을 특징으로 하는 업샘플링을 위한 라그랑지 보간 장치.
    [수학식]
    Figure 112016111785790-pat00024

    여기서,
    Figure 112016111785790-pat00025
    는 상기 제1 픽셀값의 가중치 정보로 0.25,
    Figure 112016111785790-pat00026
    는 상기 제2 픽셀값의 가중치 정보로 0.25,
    Figure 112016111785790-pat00027
    는 상기 제3 픽셀값의 가중치 정보로 0.5이고,
    Figure 112016111785790-pat00028
    임.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 채널 보간부는 상기 영상의 비어 있는 픽셀에 대하여 상기 라그랑지 보간법을 이용하여 상기 최종 픽셀값을 계산하는 것을 특징으로 하는 업샘플링을 위한 라그랑지 보간 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20090015566A (ko) * 2007-08-09 2009-02-12 연세대학교 산학협력단 컬러 보간 방법 및 장치
KR20130001213A (ko) * 2010-01-28 2013-01-03 이섬 리서치 디벨러프먼트 컴파니 오브 더 히브루 유니버시티 오브 예루살렘 엘티디. 입력 이미지로부터 증가된 픽셀 해상도의 출력 이미지를 생성하는 방법 및 시스템

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