KR102142934B1 - Apparatus and Method for Fusing Using Weighted Least Squares Filter and Sparse Respresentation - Google Patents
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Abstract
가중 최소 자승 필터와 희소 표현을 이용한 영상 융합 장치 및 방법은 의상 분해 및 희소 표현을 기반으로 한 의료 영상을 융합하는 방법으로서, 라플라시안 피라미드와 희소 표현의 융합 규칙을 결합하여 저주파수 층을 처리함으로써 복원된 의료 영상의 영상 품질을 개선하는 효과가 있다.The image fusion device and method using a weighted least squares filter and sparse representation is a method of fusing medical images based on clothing decomposition and sparse representation, and is reconstructed by processing a low-frequency layer by combining the fusion rule of the Laplacian pyramid and sparse representation. There is an effect of improving the image quality of medical images.
Description
본 발명은 의료 영상을 융합하는 방법에 관한 것으로서, 특히 영상 분해 및 희소 표현을 기반으로 한 의료 영상을 융합하는 방법으로 라플라시안 피라미드와 희소 표현의 융합 규칙을 결합하여 저주파수 층을 처리함으로써 복원된 의료 영상의 영상 품질을 개선하는 가중 최소 자승 필터와 희소 표현을 이용한 영상 융합 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of fusing medical images, and in particular, as a method of fusing medical images based on image decomposition and sparse expression, a medical image reconstructed by processing a low frequency layer by combining a fusion rule of a Laplacian pyramid and a sparse expression. The present invention relates to an image fusion apparatus and method using a weighted least squares filter and sparse expression to improve the image quality of.
의료 영상 융합은 임상 진단 및 치료를 위하여 의료 영상의 보완적인 정보를 통합하여 고품질의 영상을 얻을 수 있다.Medical image fusion can obtain high-quality images by integrating complementary information of medical images for clinical diagnosis and treatment.
의료 영상은 의료 진단 기술의 발달과 함께 임상 진단에서 점점 더 중요해지고 있다.Medical imaging is becoming increasingly important in clinical diagnosis with the development of medical diagnostic technology.
의료 영상은 초음파, X 선, 단일 광자 방출 컴퓨터 단층 촬영(SPECT), 컴퓨터 단층 촬영(CT), 자기 공명 영상(MRI) 등과 같은 다양한 의료 장비에서 진단용으로 얻을 수 있다.Medical images can be obtained for diagnosis in a variety of medical equipment such as ultrasound, X-ray, single photon emission computed tomography (SPECT), computed tomography (CT), magnetic resonance imaging (MRI), and the like.
최근의 질병은 하나의 종류의 의료 영상만으로 의사가 진단 할 수있는 충분한 정보를 제공 할 수 없으며, 여러 종류의 의료 영상을 결합해야 한다. 의료 영상 융합은 여러 종류의 의료 영상 정보를 결합하여 의사가 정확한 진단을 내릴 수있게 도와준다.Recent diseases cannot provide sufficient information for a doctor to diagnose with only one type of medical image, and several types of medical images must be combined. Medical image fusion helps doctors make an accurate diagnosis by combining different types of medical image information.
현재의 의료 영상 융합 방법은 공간 도메인에서 영상의 픽셀 포인트를 직접 조작하여 계산이 빠른 장점이 있으나 영상 융합 결과에 항상 공간 왜곡을 가져오며 많은 스펙트럼 정보를 제공할 수 없어서 융합된 영상 품질이 떨어지는 문제점이 있다.The current medical image fusion method has the advantage of fast calculation by directly manipulating the pixel points of the image in the spatial domain, but it always brings spatial distortion to the image fusion result and cannot provide a lot of spectral information, so the quality of the fused image is poor. have.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 영상 분해 및 희소 표현을 기반으로 한 의료 영상을 융합하는 방법으로 라플라시안 피라미드와 희소 표현의 융합 규칙을 결합하여 저주파수 층을 처리함으로써 복원된 의료 영상의 영상 품질을 개선하는 가중 최소 자승 필터와 희소 표현을 이용한 영상 융합 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.In order to solve such a problem, the present invention is a method of fusing medical images based on image decomposition and sparse expression, and the image quality of the reconstructed medical image by processing the low frequency layer by combining the fusion rule of the Laplacian pyramid and the sparse expression. An object of the present invention is to provide an image fusion apparatus and method using a weighted least squares filter and a sparse expression that improves.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 가중 최소 자승 필터와 희소 표현을 이용한 영상 융합 방법은,An image fusion method using a weighted least squares filter and a sparse expression according to a feature of the present invention for achieving the above object,
하나 이상의 입력된 영상을 가중 최소 자승(Weighted Least Squares, WLS) 필터를 이용하여 상기 각각의 입력된 영상을 LF(Low Frequency) 레이어와 HF(High Frequency) 레이어로 각각 분해하는 단계;Decomposing each of the input images into a low frequency (LF) layer and a high frequency (HF) layer using a weighted least squares (WLS) filter on one or more input images;
상기 각각의 LF 레이어를 희소 표현법(Sparse Representation)을 이용하여 희소 계수 벡터로 각각 구성하고, 이를 융합하여 융합된 최종 LF 레이어를 재구성하는 단계;Configuring each of the LF layers as sparse coefficient vectors using sparse representation, and fusing them to reconstruct a final LF layer fused;
상기 각각의 HF 레이어를 최대 절대 융합 규칙(Max Absolute Fusion Rule)을 이용하여 융합시켜 최종 HF 레이어를 재구성하는 단계; 및Fusing each of the HF layers using a maximum absolute fusion rule to reconstruct a final HF layer; And
상기 최종 LF 레이어와 상기 최종 HF 레이어를 더하여 최종 영상을 복원하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.And reconstructing a final image by adding the final LF layer and the final HF layer.
본 발명의 특징에 따른 가중 최소 자승 필터와 희소 표현을 이용한 영상 융합 장치는,An image fusion device using a weighted least squares filter and a sparse expression according to a feature of the present invention,
하나 이상의 입력된 영상을 가중 최소 자승(Weighted Least Squares, WLS) 필터를 이용하여 상기 각각의 입력된 영상을 LF(Low Frequency) 레이어와 HF(High Frequency) 레이어로 각각 분해하는 영상 분해부;An image decomposition unit for decomposing each of the input images into a low frequency (LF) layer and a high frequency (HF) layer by using a weighted least squares (WLS) filter on one or more input images;
상기 각각의 LF 레이어를 희소 표현법(Sparse Representation)을 이용하여 희소 계수 벡터로 각각 구성하고, 이를 융합하여 융합된 최종 LF 레이어를 재구성하는 저주파수 레이어 융합부;A low-frequency layer fusion unit configured to each of the LF layers as sparse coefficient vectors using a sparse representation, and fusing them to reconstruct a final LF layer fused;
상기 각각의 HF 레이어를 최대 절대 융합 규칙(Max Absolute Fusion Rule)을 이용하여 융합시켜 최종 HF 레이어를 재구성하는 고주파수 레이어 융합부; 및A high-frequency layer fusion unit configured to reconstruct a final HF layer by fusing each of the HF layers using a maximum absolute fusion rule; And
상기 최종 LF 레이어와 상기 최종 HF 레이어를 더하여 최종 영상을 복원하는 최종 영상 융합부를 포함하는 것을 특징으로 한다.And a final image fusion unit reconstructing a final image by adding the final LF layer and the final HF layer.
전술한 구성에 의하여, 본 발명은 라플라시안 피라미드와 희소 표현의 융합 규칙의 결합으로 저주파수 층을 처리하여 융합된 영상의 가장자리 근처의 영상 품질을 개선함으로써 복원된 의료 영상 전체의 영상 품질을 개선할 수 있는 효과가 있다.According to the above-described configuration, the present invention can improve the image quality of the entire reconstructed medical image by processing the low-frequency layer by combining the fusion rule of the Laplacian pyramid and the sparse expression to improve the image quality near the edge of the fused image. It works.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가중 최소 자승 필터와 희소 표현을 이용한 영상 융합 장치의 구성을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영상 융합 장치의 구성을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 WLS 필터의 멀티 스케일 분해의 일례를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 WLS 필터의 분해 구조를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 저주파수 레이어 융합부의 내부 구성을 간략하게 나타낸 블록도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 저주파수 레이어 융합부의 구성을 개념적으로 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing the configuration of an image fusion apparatus using a weighted least squares filter and a sparse expression according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram conceptually showing the configuration of an image fusion device according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram showing an example of multi-scale decomposition of a WLS filter according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing an exploded structure of a WLS filter according to an embodiment of the present invention.
5 is a block diagram schematically showing an internal configuration of a low-frequency layer fusion unit according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram conceptually showing the configuration of a low-frequency layer fusion unit according to an embodiment of the present invention.
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.Throughout the specification, when a part “includes” a certain component, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless otherwise stated.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 가중 최소 자승 필터와 희소 표현을 이용한 영상 융합 장치의 구성을 나타낸 도면이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 영상 융합 장치의 구성을 개념적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 WLS 필터의 멀티 스케일 분해의 일례를 나타낸 도면이다.1 is a diagram showing a configuration of an image fusion device using a weighted least squares filter and a sparse expression according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a diagram conceptually showing the configuration of an image fusion device according to an embodiment of the present invention. , FIG. 3 is a diagram showing an example of multi-scale decomposition of a WLS filter according to an embodiment of the present invention.
본 발명의 실시예에 따른 가중 최소 자승 필터와 희소 표현을 이용한 영상 융합 장치(100)는 영상 분해부(110), 영상 레이어 저장부(120), 저주파수 레이어 융합부(130), 고주파수 레이어 융합부(140) 및 최종 영상 융합부(150)를 포함한다.The
영상 분해부(110)는 입력된 영상을 분해하여 서로 다른 스케일로 복수의 특징을 가진 영상을 얻을 수 있다.The
영상 분해부(110)는 왜곡 및 후광을 줄이기 위해서 입력 영상 I를 가중 최소 자승(Weighted Least Squares, WLS) 필터를 이용하여 LF(Low Frequency) 레이어와 HF(High Frequency) 레이어로 분해한다.The
영상 분해부(110)는 각각의 입력 영상마다 WLS 필터를 이용하여 LF 레이어와 HF 레이어를 각각 분해하여 영상 레이어 저장부(120)에 저장한다.The
도 1에 도시된 바와 같이, 영상 분해부(110)는 하나 이상의 입력된 영상을 가중 최소 자승(Weighted Least Squares, WLS) 필터를 이용하여 상기 각각의 입력된 영상을 LF(Low Frequency) 레이어와 HF(High Frequency) 레이어로 각각 분해한다.As shown in FIG. 1, the
좀 더 구체적으로 설명하면, 영상 분해부(110)는 하기의 [수학식 1]과 같이, WLS 필터를 적용하여 k=1부터 K번째까지 부드러운 영상(Smooth Image) Ik을 각각 생성한다.More specifically, the
여기서, 부드러운 영상(Smooth Image) Ik은 LF(Low Frequency) 레이어를 나타낸다.Here, a smooth image I k represents a low frequency (LF) layer.
여기서, 차분 영상은 HF(High Frequency) 레이어를 나타낸다.Here, the difference image represents a high frequency (HF) layer.
도 2에 도시된 바와 같이, 영상 분해부(110)는 인접한 두 개의 부드러운 영상을 하기의 [수학식 2]와 같이, k=1부터 K번째까지 차분 영상을 생성한다.As shown in FIG. 2, the
가중 최소 자승(WLS) 필터는 비선형, 에지 보존, 평활화 필터로서 다중 스케일의 에지를 보존과 분해를 통해 여러 스케일에서 세부 사항을 효과적으로 캡처할 수 있다.The Weighted Least Squares (WLS) filter is a nonlinear, edge-preserving, smoothing filter that can effectively capture details across multiple scales by preserving and decomposing the edges of multiple scales.
WLS 필터는 하기의 [수학식 3]를 이용하여 S를 최소로 만드는 필터링된 영상 S를 얻을 수 있으며, 입력 영상 I에 최대한 가까운 부드러운 영상 S를 얻는다.The WLS filter can obtain a filtered image S that minimizes S using the following [Equation 3], and obtains a smooth image S as close as possible to the input image I.
여기서, 은 데이터 항(Data Term), 은 정규화 항(Regularization Term), WX 및 WY는 수평 및 수직의 평활도 가중치, λ는 두 항 사이의 균형을 맞추는 정규화 매개 변수로 기설정되어 있다.here, Is the Data Term, Is a regularization term, W X and W Y are the horizontal and vertical smoothness weights, and λ is a normalization parameter that balances the two terms.
데이터 항은 필터링된 영상이 입력 영상에 더 가깝게 할 수 있고, 정규화 항 은 입력 영상의 편미분을 최소화하여 평활도를 달성할 수 있다.The data term can make the filtered image closer to the input image, and the normalization term minimizes the partial derivative of the input image to achieve smoothness.
[수학식 3]은 이 최소로 되는 S 값을 구하는 식이다.[Equation 3] is This is an equation to find the minimum S value.
도 3은 λ가 15로 설정된 WLS 필터의 멀티 스케일 분해의 일례를 나타낸 것이다. 도 3의 (a)는 원본 영상이고, 도 3의 (b)는 도 3의 (a)의 부드러운 영상이고, 도 3의 (c)는 도 3의 (b)의 부드러운 영상이고, 도 3의 (d)는 도 3의 (a)와 도 3의 (b)의 차분 영상이고, 도 3의 (e)는 도 3의 (b)와 도 3의 (c)의 차분 영상이다.3 shows an example of multi-scale decomposition of a WLS filter in which λ is set to 15. Figure 3 (a) is the original image, Figure 3 (b) is the smooth image of Figure 3 (a), Figure 3 (c) is the smooth image of Figure 3 (b), Figure 3 (d) is a difference image of FIGS. 3A and 3B, and FIG. 3E is a difference image of FIGS. 3B and 3C.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 WLS 필터의 분해 구조를 나타낸 도면이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 저주파수 레이어 융합부의 내부 구성을 간략하게 나타낸 블록도이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 저주파수 레이어 융합부의 구성을 개념적으로 나타낸 도면이다.4 is a diagram showing a decomposed structure of a WLS filter according to an embodiment of the present invention, FIG. 5 is a block diagram schematically showing an internal configuration of a low frequency layer fusion unit according to an embodiment of the present invention, and FIG. A diagram conceptually showing a configuration of a low frequency layer fusion unit according to an embodiment.
본 발명의 실시예에 따른 저주파수 레이어 융합부(130)는 라플라시안 피라미드 분해부(131), SLF 레이어 저장부(132), SHF 레이어 저장부(133), 희소 표현부(134), SLF 레이어 구성부(135), SHF 레이어 구성부(136) 및 LF 재구성부(137)를 포함한다.The low frequency
라플라시안 피라미드 분해부(131)는 라플라시안 피라미드를 이용하여 LF 레이어를 서브 저주파수 레이어(Sub Low Frequency Layer, SLF 레이어)와 서브 고주파수 레이어(Sub High Frequency Layer, SHF 레이어)의 세트로 분해하여 SLF 레이어 저장부(132)와 SHF 레이어 저장부(133)에 각각 저장된다.The Laplacian
도 4에 도시된 바와 같이, 라플라시안 피라미드 분해부(131)는 영상 레이어 저장부(120)로부터 하나 이상의 LF 레이어를 수신하고, 수신한 복수의 LF 레이어를 라플라시안 피라미드를 적용하여 2개의 SLF 레이어(sublowA, sublowB)와, 복수의 SHF 레이어의 세트()로 분해한다. 여기서, N은 라플라시안 피라미드 분해의 레벨이다.As shown in FIG. 4, the Laplacian
희소 표현부(134)는 슬라이딩 원도우 기술을 이용하여 2개의 SLF 레이어(sublowA, sublowB)를 왼쪽 위부터 오른쪽 아래까지 S 픽셀의 스텝 길이를 가진 크기의 패치로 분해한다. 여기서, 패치는 영상 처리를 위한 최소 단위를 나타낸다.The
분해된 패치를 나타내는 는 동일한 위치 i를 가진 각각의 sublowA와 sublowB로부터 얻은 패치이다. 여기서, M은 패치들의 총 개수이다.Representing an exploded patch Is the patch from sublow A and sublow B respectively with the same position i. Here, M is the total number of patches.
희소 표현부(134)는 동일한 위치 i에서 분해된 패치()를 열 벡터()로 각각 재배열한 후, 하기의 [수학식 4]와 [수학식 5]에 의해 최종 열 벡터()를 생성한다.The
여기서, 는 n×1 열 벡터(column vector)이고, 패치()의 평균값을 나타낸다.here, Is an n×1 column vector, and the patch ( ) Represents the average value.
는 고화질 영상 집합의 임의의 샘플에서 고정된 크기의 원도우 를 사용하여 샘플링된 패치이다. 여기서, N은 샘플링된 패치의 총 수를 나타낸다. Is a fixed-size window from any sample of a set of high-definition images. Is a sampled patch using. Here, N represents the total number of sampled patches.
이어서, 각 패치는 열 벡터로 재배열하고, 각 패치의 강도가 0이 되도록 고유한 평균값을 뺀다. 패치들은 부드러운 패치를 제거하고 에지 정보를 가지기 위해서 강도 분산의 임계값을 설정한다.Then, each patch is rearranged into a column vector, and the unique average value is subtracted so that the intensity of each patch is zero. Patches set a threshold of intensity variance to remove soft patches and have edge information.
희소 표현부(134)는 딕셔너리 훈련부(138)에 연동되어 딕셔너리를 제공받는다.The
딕셔너리(Dictionary)는 희소 표현(Sparse Representation)에서 결정적인 역할을 한다.Dictionary plays a crucial role in sparse representation.
딕셔너리 훈련부(138)는 다음의 [수학식 6]과 같이 공식화할 수 있다.The
여기서, 는 훈련 패치(Training Patches), 는 에러 계수(Tolerance Factor), 는 희소 계수(Sparse Cofficients)를 나타낸다.here, Is the Training Patches, Is the Tolerance Factor, Denotes Sparse Cofficients.
딕셔너리 훈련부(138)는 최소 자승법을 이용하여 를 최소로 하는 D를 계산한다.The
희소 표현부(134)는 직교 매칭 추적(Orthogonal Matching Pursuit, OMP) 알고리즘으로 하기의 [수학식 7]과 [수학식 8]을 사용하여 희소 계수 벡터()를 각각 계산한다.The
희소 표현부(134)는 최소 자승법을 이용하여 를 최소로 하는 를 계산한다. 하기의 [수학식 7]과 [수학식 8]은 딕셔너리(D)를 전술한 [수학식 6]을 이용하여 이미 훈련된 딕셔너리 훈련부(138)를 통해 제공받고, 최종 열 벡터는 전술한 [수학식 4], [수학식 5]를 이용하여 계산된다.The
SLF 레이어 구성부(135)는 희소 표현부(134)에서 계산된 제1 희소 계수 벡터()와 제2 희소 계수 벡터()를 희소 계수 벡터의 융합을 위해 max L1 규칙(수학식 9)을 이용하여 최종 희소 계수 벡터를 구한다. 즉, 최종 희소 계수 벡터는 제1 희소 계수 벡터와 제2 희소 계수 벡터의 대소 여부를 비교하여 파라미터가 더 큰 값을 가진 벡터를 선택한다.The SLF
이어서, SLF 레이어 구성부(135)는 파라미터가 더 큰 값을 가진 최종 희소 계수 벡터를 하기의 [수학식 10]에 대입하여 최종 융합 결과 정보를 계산한다.Subsequently, the SLF
여기서, D는 딕셔너리(Dictionary)이고, m은 패치의 평균값을 나타내는 벡터이다.Here, D is a dictionary, and m is a vector representing the average value of the patch.
SLF 레이어 구성부(135)는 융합된 LF 레이어 패치()를 얻기 위해서 모든 패치에 대하여 [수학식 3] 내지 [수학식 10]의 과정을 반복한다.The SLF
SLF 레이어 구성부(135)는 각각의 융합된 LF 레이어 패치를 사이즈의 패치()로 재구성한다. 여기서, 는 LF 레이어가 융합된 결과를 나타내고, 모든 패치를 원본 패치의 원래 위치에 배치한다. The SLF
SHF 레이어 구성부(136)는 SHF 레이어 저장부(133)로부터 복수의 SHF 레이어의 세트()를 수신하고, 수신한 복수의 SHF 레이어에서 3×3 원도우 크기를 가진 최대 절대 규칙(Max Absolute Rule)을 이용하여 픽셀 간 더 큰 값을 가진 벡터를 선택하여 SHF 레이어를 재구성한다.The SHF
LF 재구성부(137)는 SHF 레이어 구성부(136)로부터 수신한 SHF 레이어와 SLF 레이어 구성부(135)로부터 수신한 LF 레이어가 융합된 패치를 역 라플라시안 피라미드를 수행하여 융합된 LF 레이어(LF)로 재구성된다.The
고주파수 레이어 융합부(140)는 영상 레이어 저장부(120)로부터 수신한 복수의 HF 레이어를 최대 절대 융합 규칙(Max Absolute Fusion Rule)을 이용하여 융합된 HF 레이어로 재구성한다. 여기서, 최대 절대 융합 규칙은 픽셀 대 픽셀 간의 최대값을 가진 픽셀을 선택하는 규칙이 아니라 3×3 원도우 크기의 면적 기반으로 HF 레이어가 융합된 결과()가 된다.The high frequency
최종 영상 융합부(150)는 저주파수 레이어 융합부(130)로부터 융합된 LF 레이어(LF)를 수신하고, 고주파수 레이어 융합부(140)로부터 융합된 HF 레이어를 수신하며, 상기 융합된 LF 레이어(LF)와 상기 융합된 HF 레이어를 더하여 융합된 최종 영상(F)이 복원된다(수학식 11).The final
이상에서 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.In the above, the embodiment of the present invention is not implemented only through an apparatus and/or method, and may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention, a recording medium in which the program is recorded, and the like. There is, such an implementation can be easily implemented by those skilled in the art to which the present invention belongs from the description of the above-described embodiment.
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 concept of the present invention defined in the following claims are also provided. It belongs to the scope of rights.
100: 영상 융합 장치 110: 영상 분해부
120: 영상 레이어 저장부 130: 저주파수 레이어 융합부
131: 라플라시안 피라미드 분해부 132: SLF 레이어 저장부
133: SHF 레이어 저장부 134: 희소 표현부
135: SLF 레이어 구성부 136: SHF 레이어 구성부
137: LF 재구성부 138: 딕셔너리 훈련부
140: 고주파수 레이어 융합부 150: 최종 영상 융합부100: image fusion device 110: image decomposition unit
120: image layer storage unit 130: low frequency layer fusion unit
131: Laplacian pyramid decomposition unit 132: SLF layer storage unit
133: SHF layer storage unit 134: sparse expression unit
135: SLF layer configuration unit 136: SHF layer configuration unit
137: LF reconstruction unit 138: dictionary training unit
140: high frequency layer fusion unit 150: final image fusion unit
Claims (12)
상기 각각의 LF 레이어를 희소 표현법(Sparse Representation)을 이용하여 희소 계수 벡터로 각각 구성하고, 이를 융합하여 융합된 최종 LF 레이어를 재구성하는 저주파수 레이어 융합부;
상기 각각의 HF 레이어를 최대 절대 융합 규칙(Max Absolute Fusion Rule)을 이용하여 융합시켜 최종 HF 레이어를 재구성하는 고주파수 레이어 융합부; 및
상기 최종 LF 레이어와 상기 최종 HF 레이어를 더하여 최종 영상을 복원하는 최종 영상 융합부를 포함하고,
상기 영상 분해부는 하기의 수학식 1에 의해 상기 WLS 필터를 적용하여 k=1부터 K번째까지 부드러운 영상(Smooth Image) Ik을 각각 생성하고, 인접한 두 개의 부드러운 영상을 하기의 수학식 2에 의해 k=1부터 K번째까지 차분 영상을 생성하고, 상기 WLS 필터는 하기의 수학식 3을 이용하여 이 최소로 되는 S 값을 만드는 필터링된 영상 S를 얻으며, 입력 영상 I에 최대한 가까운 부드러운 영상 S를 얻으며,
상기 저주파수 레이어 융합부는,
상기 각각의 LF 레이어를 라플라시안 피라미드를 적용하여 2개의 SLF(Sub Low Frequency) 레이어(sublowA, sublowB)와, 복수의 SHF 레이어의 세트()로 분해하여 SLF 레이어 저장부와 SHF 레이어 저장부에 각각 저장하는 라플라시안 피라미드 분해부; 및
슬라이딩 원도우 기술을 이용하여 2개의 SLF 레이어(sublowA, sublowB)를 왼쪽 위부터 오른쪽 아래까지 S 픽셀의 스텝 길이를 가진 최소단위인 크기의 패치로 분해하고, 동일한 위치 i에서 분해된 패치()를 열 벡터()로 각각 재배열한 후, 하기의 수학식 4와 수학식 5에 의해 최종 열 벡터()를 생성하는 희소 표현부를 더 포함하고,
하기의 수학식 8에서 최소 자승법을 이용하여 를 최소로 하는 딕셔너리(D)를 계산하는 딕셔너리 훈련부를 더 포함하며,
상기 희소 표현부는 직교 매칭 추적(Orthogonal Matching Pursuit, OMP) 알고리즘을 이용하고, 상기 계산한 딕셔너리를 하기의 수학식 6과 수학식 7에 대입하여 희소 계수 벡터()를 각각 계산하는 것을 특징으로 하는 가중 최소 자승 필터와 희소 표현을 이용한 영상 융합 장치.
는 고화질 영상 집합의 임의의 샘플에서 고정된 크기의 원도우 를 사용하여 샘플링된 패치이고, N은 샘플링된 패치의 총 수를 나타내고,
[수학식 1]
여기서, 부드러운 영상(Smooth Image) Ik은 LF(Low Frequency) 레이어를 나타낸다.
여기서, 차분 영상은 HF(High Frequency) 레이어를 나타낸다.
[수학식 2]
[수학식 3]
여기서, 은 데이터 항(Data Term), 은 정규화 항(Regularization Term), WX 및 WY는 수평 및 수직의 평활도 가중치, λ는 두 항 사이의 균형을 맞추는 정규화 매개 변수로 기설정되어 있으며, 데이터 항은 필터링된 영상이 입력 영상에 더 가깝게 할 수 있고, 정규화 항은 입력 영상의 편미분을 최소화하여 평활도를 달성함.
[수학식 4]
[수학식 5]
여기서, 는 n×1 열 벡터(column vector)이고, 패치()의 평균값을 나타냄.
[수학식 6]
[수학식 7]
여기서, D는 딕셔너리(Dictionary), 는 에러 계수(Tolerance Factor), 는 희소 계수(Sparse Cofficients)를 나타냄.
[수학식 8]
여기서, 는 훈련 패치(Training Patches), 는 에러 계수(Tolerance Factor), 는 희소 계수(Sparse Cofficients)를 나타냄.An image decomposition unit for decomposing each of the input images into a low frequency (LF) layer and a high frequency (HF) layer by using a weighted least squares (WLS) filter on one or more input images;
A low-frequency layer fusion unit configured to each of the LF layers as sparse coefficient vectors using a sparse representation, and fusing them to reconstruct a final LF layer fused;
A high-frequency layer fusion unit configured to reconstruct a final HF layer by fusing each of the HF layers using a maximum absolute fusion rule; And
A final image fusion unit for reconstructing a final image by adding the final LF layer and the final HF layer,
The image decomposition unit generates smooth images I k from k=1 to Kth by applying the WLS filter according to Equation 1 below, and generates two adjacent smooth images by Equation 2 below. A difference image is generated from k=1 to the K-th, and the WLS filter uses Equation 3 below. We get a filtered image S that makes this minimum S value, a smooth image S that is as close as possible to the input image I,
The low frequency layer fusion unit,
A set of two SLF (Sub Low Frequency) layers (sublow A , sublow B ) and a plurality of SHF layers by applying a Laplacian pyramid to each of the LF layers ( ) And storing the SLF layer storage unit and the SHF layer storage unit respectively; And
Using sliding window technology, two SLF layers (sublow A and sublow B ) are divided into the smallest unit with a step length of S pixels from top left to bottom right Decomposed into patches of size, and the decomposed patch at the same position i ( ) To column vector ( ) After rearrangement, respectively, by the following equations 4 and 5, the final column vector ( ) Further comprising a sparse expression unit that generates,
Using the least squares method in Equation 8 below Further comprising a dictionary training unit for calculating the dictionary (D) to minimize the,
The sparse expression unit uses an Orthogonal Matching Pursuit (OMP) algorithm, and substitutes the calculated dictionary into Equations 6 and 7 below to obtain a sparse coefficient vector ( An image fusion device using a weighted least squares filter and sparse expression, characterized in that each computes ).
Is a fixed-size window from any sample of a set of high-definition images. Is the sampled patch using, N represents the total number of sampled patches,
[Equation 1]
Here, a smooth image I k represents a low frequency (LF) layer.
Here, the difference image represents a high frequency (HF) layer.
[Equation 2]
[Equation 3]
here, Is the Data Term, Is a regularization term, W X and W Y are horizontal and vertical smoothness weights, λ is a normalization parameter that balances the two terms, and the data term is the filtered image added to the input image. It can be made close, and the normalization term minimizes the partial derivative of the input image to achieve smoothness.
[Equation 4]
[Equation 5]
here, Is an n×1 column vector, and the patch ( ) Represents the average value.
[Equation 6]
[Equation 7]
Where D is a dictionary, Is the Tolerance Factor, Denotes Sparse Cofficients.
[Equation 8]
here, Is the Training Patches, Is the Tolerance Factor, Denotes Sparse Cofficients.
상기 제1 희소 계수 벡터()와 상기 제2 희소 계수 벡터()를 희소 계수 벡터의 융합을 위해 상기 제1 희소 계수 벡터와 상기 제2 희소 계수 벡터의 대소 여부를 비교하는 하기의 수학식 9를 이용하여 파라미터가 더 큰 값을 가진 벡터인 최종 희소 계수 벡터를 구하고, 상기 최종 희소 계수 벡터를 상기 하기의 수학식 10에 대입하여 최종 융합 결과 정보를 계산하는 SLF 레이어 구성부;
상기 복수의 SHF 레이어의 세트에서 3×3 원도우 크기를 가진 최대 절대 규칙(Max Absolute Rule)을 이용하여 픽셀 간 더 큰 값을 가진 벡터를 선택하여 SHF 레이어를 재구성하는 SHF 레이어 구성부; 및
상기 최종 융합 결과 정보와 상기 재구성된 SHF 레이어를 역 라플라시안 피라미드를 수행하여 융합된 LF 레이어(LF)로 재구성하는 LF 재구성부를 포함하는 것을 특징으로 하는 가중 최소 자승 필터와 희소 표현을 이용한 영상 융합 장치.
[수학식 9]
[수학식 10]
The method of claim 7,
The first sparse coefficient vector ( ) And the second sparse coefficient vector ( ) For the fusion of the sparse coefficient vectors, a final sparse coefficient vector, which is a vector having a larger parameter, is obtained by using Equation 9 below for comparing the magnitude of the first sparse coefficient vector and the second sparse coefficient vector. An SLF layer construction unit that calculates final fusion result information by obtaining and substituting the final sparse coefficient vector into Equation 10 below;
An SHF layer constructing unit configured to reconstruct an SHF layer by selecting a vector having a larger value between pixels using a maximum absolute rule having a 3×3 window size from the set of the plurality of SHF layers; And
An image fusion device using a weighted least squares filter and sparse expression, comprising: an LF reconstruction unit configured to reconstruct the final fusion result information and the reconstructed SHF layer into a fused LF layer (L F ) by performing an inverse Laplacian pyramid. .
[Equation 9]
[Equation 10]
상기 최종 영상 융합부는 상기 융합된 LF 레이어(LF)와 상기 최종 HF 레이어를 더하여 최종 영상을 복원하는 것을 특징으로 하는 가중 최소 자승 필터와 희소 표현을 이용한 영상 융합 장치.The method of claim 10,
And the final image fusion unit reconstructs a final image by adding the fused LF layer (L F ) and the final HF layer.
상기 SLF 레이어 구성부는 융합된 LF 레이어 패치()를 얻기 위해서 모든 패치에 대하여 상기 수학식 3 내지 상기 수학식 10의 과정을 반복하고, 각각의 융합된 LF 레이어 패치를 사이즈의 패치()로 재구성하고, 상기 는 LF 레이어가 융합된 결과를 나타내고, 모든 패치를 원본 패치의 원래 위치에 배치하는 것을 특징으로 하는 가중 최소 자승 필터와 희소 표현을 이용한 영상 융합 장치.The method of claim 10,
The SLF layer configuration unit is a fused LF layer patch ( ), repeat the process of Equation 3 to Equation 10 for all patches, and each fused LF layer patch The size of the patch ( ), and the Denotes a result of fusion of the LF layers, and an image fusion device using a weighted least squares filter and sparse expression, characterized in that all patches are placed at the original positions of the original patch.
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