KR20110048811A - Method and apparatus for converting dynamic ranges of input images - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A device and method for converting a dynamic range of an input image are provided to obtain an LDR(Low Dynamic Range) image suitable for visual system of a human from a HDR(High Dynamic Range) image. CONSTITUTION: A global brightness controller(110) globally controls a luminance of an input image with a scale factor. A local chromaticity controller(120) controls a color of the input image. A local brightness controller(130) regionally controls the luminance of the input image. A tone mapping unit(140) outputs a displayable colo in a display device through the combination of a globally controlled brightness and a brightness control function.

Description

입력 영상의 동적 범위를 변환하는 방법 및 장치{Method and Apparatus for converting dynamic ranges of input images}Method and Apparatus for converting dynamic ranges of input images}

본 발명은 영상 처리(image processing)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자연계에 존재하는 영상이 갖는 높은 동적 범위를 통상의 디스플레이 기기에서 재생이 가능한 낮은 동적 범위로 변환하는 기술에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present invention relates to image processing, and more particularly, to a technique for converting a high dynamic range of an image existing in nature into a low dynamic range that can be reproduced in a conventional display device.

높은 동적 범위(high dynamic range, HDR) 촬상은 인간의 시각적 능력을 모방할 수 있는 매력적인 기술이다. HDR 촬상은 과학적, 의학적 시각화, 위성 사진, 디지털 카메라, 디지털 영화관 등의 다양한 어플리케이션에 사용된다. 특히, 실제 세계의 장면에서 휘도를 캡쳐하는 능력은 디지털 카메라의 필수 기능으로서 인식되어 왔다.High dynamic range (HDR) imaging is an attractive technique that can mimic human visual capabilities. HDR imaging is used in a variety of applications, including scientific and medical visualization, satellite photography, digital cameras, and digital cinemas. In particular, the ability to capture luminance in real world scenes has been recognized as an essential function of digital cameras.

도 1과 같이 108:1의 범위를 갖는 실제 세계의 휘도는 햇빛으로부터 별빛까지를 커버하는 HDR 촬상에 의해서만 표현이 가능하다. 그러나, 일반적으로 영상 표시에 사용되는 플라즈마, CRT, LCD, 프로젝터 등의 디스플레이 기기는 102~103:1 정도의 낮은 동적 범위(low dynamic range, LDR)를 갖는다.As shown in FIG. 1, the luminance of the real world having a range of 10 8 : 1 can be expressed only by HDR imaging that covers from sunlight to starlight. However, in general, display devices such as plasma, CRT, LCD, and projectors used for image display have a low dynamic range (LDR) of about 10 2 to 10 3 : 1.

HDR 모니터가 가까운 미래에 널리 사용될지는 모르지만, 그것은 현재로서는 매우 드물고 비싸다. 따라서, HDR 영상을 종래의 디스플레이 기기들에서 디스플레이하는 경우, 값들의 범위를 상당 폭 감소시키는 과정(톤 재생 또는 톤 매핑이라고 함)을 거쳐야 한다.HDR monitors may be widely used in the near future, but they are very rare and expensive at the moment. Therefore, when displaying an HDR image in conventional display devices, it is necessary to go through a process of significantly reducing the range of values (called tone reproduction or tone mapping).

상기 HDR 영상은 매우 어둡거나 매우 밝은 영역의 상세 부분은, 상기 톤 재생 과정 동안 LDR 영상으로 변환되면서 소실된다. 따라서, 인간의 시각 시스템(human visual system, HVS)에서 적합한 영상이 아닐 수 있다.The HDR image is lost as the details of the very dark or very bright areas are converted to LDR images during the tone reproduction process. Therefore, it may not be a suitable image in the human visual system (HVS).

이러한 이유로, HDR 영상을 디스플레이 가능한 범위로 변환하면서도, 상기 HDR영상이 포함하고 있는 상세 부분을 잘 보존할 수 있는 톤 재생 기술이 요구된다. 종래의 대부분의 톤 재생 기술들은 HDR 영상들을 압축하고 품질을 평가하는 것에 주안점을 두었다. For this reason, there is a need for a tone reproducing technique capable of preserving the detail included in the HDR image while converting the HDR image into a displayable range. Most conventional tone reproduction techniques have focused on compressing HDR images and evaluating their quality.

그러나, 이러한 종래의 톤 재생 알고리즘은 단순히 HDR 픽셀을 LDR 값으로 일괄 변환하였기 때문에, 특히 매우 어둡거나 밝은 영역에서 에지 등와 같은 상세 부분을 제대로 보존하지 못하였다. 왜냐하면, 이러한 기술들은 불필요한 인위성(artifacts)을 생성하지 않고, 국소적으로 모든 대비(contrast)를 보존하는 데에만 관심을 두었기 때문이다.However, this conventional tone reproduction algorithm simply converts the HDR pixels into LDR values, and thus fails to properly preserve details such as edges and the like, especially in very dark or bright areas. This is because these techniques only care about preserving all the contrast locally, without creating unnecessary artifacts.

한편, 이러한 종래의 기술들 중에는, 주변 픽셀들의 공간적 모델링 함수를 사용하는 로컬 연산자 기술이 있다. 여기에서, 연산자 함수들은 변환되어야 할 각각의 픽셀의 값의 주변 픽셀의 휘도 값의 평균을 이용한다. 그러나, 주변 픽셀 영역의 크기를 정확하게 결정하는 것은 어려울 뿐만 아니라 이러한 결정을 위해서는 연산량이 소요된다. 또한, 이러한 방식은 예측 오차가 커질수록 다양한 종류의 인위성이 발생되는 문제가 있다.On the other hand, among these conventional techniques, there is a local operator technique that uses the spatial modeling function of the surrounding pixels. Here, the operator functions use the average of the luminance value of the surrounding pixel of the value of each pixel to be converted. However, it is difficult to accurately determine the size of the surrounding pixel region and the computation amount is required for such determination. In addition, this method has a problem in that various kinds of artificiality are generated as the prediction error increases.

따라서, 인간의 시각 시스템에 적합하면서도 에지 등의 영상의 상세 부분을 잘 보존 할 수 있는 동적 범위 변환 기술이 개발될 필요가 있는 것이다.Therefore, there is a need to develop a dynamic range conversion technique that is suitable for human visual systems and can preserve the details of an image such as an edge.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, HDR 영상의 에지 등의 영상의 상세 부분을 잘 보존하면서 LDR 영상으로 변환 할 수 있는 동적 범위 변환 기술을 제공하고자 하는 것이다.An object of the present invention is to provide a dynamic range conversion technology capable of converting into an LDR image while preserving details of an image such as an edge of an HDR image.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 장치는, 스케일 인자에 의하여 입력 영상의 휘도를 전역적으로 조절하는 전역 휘도 조절부; 상기 입력 영상의 색도를 색도 조절 계수를 이용하여 조절하는 로컬 색도 조절부; 상기 입력 영상의 휘도를 지역적으로 조절하기 위하여, 상기 입력 영상의 휘도의 구간별 특성에 따라 구간별로 상이한 특성을 갖는 휘도 조절 함수를 구하는 로컬 휘도 조절부; 및 상기 전역적으로 조절된 휘도와, 상기 조절된 색도와, 상기 휘도 조절 함수를 조합하여 디스플레이 기기에서 표시 가능한 색도를 출력하는 톤 매핑부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for converting a dynamic range of an input image, the global luminance controller configured to globally adjust the luminance of the input image by a scale factor; A local chromaticity adjuster for adjusting the chromaticity of the input image using a chromaticity control coefficient; A local luminance controller for obtaining a luminance adjustment function having different characteristics for each section according to characteristics of each section of the luminance of the input image to locally adjust the luminance of the input image; And a tone mapping unit configured to output a chromaticity that can be displayed on a display device by combining the globally adjusted luminance, the adjusted chromaticity, and the luminance adjustment function.

상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 방법은, (a) 스케일 인자에 의하여 입력 영상의 휘도를 전역적으로 조절하는 단계; (b) 상기 입력 영상의 색도를 색도 조절 계수를 이용하여 조절하는 단계; (c) 상기 입력 영상의 휘도를 지역적으로 조절하기 위하여, 상기 입력 영상의 휘도의 구간별 특성에 따라 구간별로 상이한 특성을 갖는 휘도 조절 함수를 구하는 단계; 및 (d) 상기 전역적으로 조절된 휘도와, 상기 조절된 색도와, 상기 휘도 조절 함수를 조합하여 디스플레이 기기에서 표시 가능한 색도를 출력하는 단계를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of converting a dynamic range of an input image, the method comprising: globally adjusting the brightness of the input image by a scale factor; (b) adjusting the chromaticity of the input image using a chromaticity control coefficient; (c) obtaining a brightness adjustment function having different characteristics for each section according to the characteristics of each section of the brightness of the input image to locally adjust the brightness of the input image; And (d) outputting a chromaticity that can be displayed on a display device by combining the globally adjusted luminance, the adjusted chromaticity, and the luminance adjustment function.

상술한 바와 같이 본 발명에 동적 범위 변환 기술에 의하면, 연산량을 과도하게 증가시키지 않고서도, HDR 영상으로부터 인간의 시각 시스템에 적합한 LDR 영상을 얻을 수 있다.As described above, according to the dynamic range conversion technique of the present invention, an LDR image suitable for a human visual system can be obtained from an HDR image without excessively increasing the amount of computation.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention and methods for achieving them will be apparent with reference to the embodiments described below in detail with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but will be implemented in various forms, and only the present embodiments are intended to complete the disclosure of the present invention, and the general knowledge in the art to which the present invention pertains. It is provided to fully convey the scope of the invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 이상적인 LDR 디스플레이의 개념을 보여준다.2 shows the concept of an ideal LDR display.

실제 세계의 장면은 촬상 기기에 의하여 촬영 영상으로 변환된다. 이러한 촬 영 영상은 톤 매핑을 통하여 LDR 영상으로 변환되어 LDR 디스플레이에 의해 표시된다. 관찰자는 결국, 실제 세계의 장면이 아니라 LDR 디스플레이에 표시된 대로의 영상을 관찰할 뿐이다.The scene of the real world is converted into a captured image by the imaging device. These captured images are converted to LDR images by tone mapping and displayed on the LDR display. The observer eventually observes the image as it appears on the LDR display, not the scene in the real world.

한편, 상기 관찰자가 실제 세계의 장면을 관찰할 수 있게 되었다고 하면, 과연 디스플레이에 의해 표시된 영상과 육안으로 관찰한 영상을 동일하다고 인지하지는 않을 것이다. 다만, LDR 디스플레이에 의하여 표시된 영상이 관찰자의 육안으로 실제 세계에서 관찰된 영상과 얼마나 근접할 수 있는 가가 관건이다. 이와 같이, 실제 세계의 장면과 보다 유사한 영상을 디스플레이 기기에 의하여 구현하는 것은 상기 디스플레이 기기의 하드웨어 성능을 향상시키는 것과는 별도로, 얼마나 정확한 톤 매핑 작업을 수행하는가에 달려 있다.On the other hand, if the observer can observe the scene of the real world, it will not be recognized that the image displayed by the display and the image observed by the naked eye are the same. However, the key is how close the image displayed by the LDR display can be to the image observed in the real world with the observer's naked eye. As such, the implementation of the image by the display device that is more similar to the scene of the real world depends on how accurate tone mapping is performed separately from improving the hardware performance of the display device.

도 3은 종래의 선형 스케일링 기법을 사용하여 얻은 LDR 영상 (a)과, 높은 휘도 부분의 휘도를 낮추어 얻은 LDR 영상 (b)을 비교한 것이다. 도 3의 영상들은 높은 휘도 부분에서 상세 영상이 얼마나 보존되어 있어야 하는지를 보여주는 좋은 예이다. 상기 관찰자는 적어도, 좌측의 영상을 실감 있는 영상이라고 생각하지는 않을 것이다.FIG. 3 compares an LDR image (a) obtained using a conventional linear scaling technique with an LDR image (b) obtained by lowering a luminance of a high luminance portion. The images of FIG. 3 are good examples showing how detailed images should be preserved in the high luminance portion. The observer will not at least think of the image on the left as a realistic image.

이에, 본 발명은 전역 조절 및 로컬 조절을 함께 사용하여 동적 범위 변환 이후에 얻어지는 LDR 영상의 상세 부분을 보존하면서도 인간의 시각 시스템에 보다 자연스러운 영상을 얻고자 한다. Accordingly, the present invention seeks to obtain a more natural image in the human visual system while preserving the detail of the LDR image obtained after the dynamic range conversion by using global adjustment and local adjustment together.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 범위 변환 장치(100)의 구성을 보여준다. 동적 범위 변환 장치(100)는 색공간 변환부(105), 전역 휘도 조절부(110, gloabal luminance adjustement unit), 로컬 색도 조절부(120, local chroma adjustment unit), 로컬 휘도 조절부(130, local luminance adjustment unit) 및 톤 매핑부(140, tone mapping unit)를 포함하여 구성될 수 있다.4 shows a configuration of a dynamic range conversion apparatus 100 according to an embodiment of the present invention. The dynamic range converting apparatus 100 may include a color space converter 105, a global luminance adjuster 110, a local chroma adjustment unit 120, and a local luminance adjuster 130. and a luminance mapping unit 140 and a tone mapping unit 140.

색공간 변환부(105)는 입력되는 RGB 영상을 삼자극치(tristimulus values) 영상, 예를 들어, CIE(Commission Internationale de l'Eclairage)의 XYZ 영상으로 변환한다. ITU-R BT.709에 의하여 정의된 표준 매트릭스는 다음의 수학식 1과 같다.The color space converter 105 converts the input RGB image into a tristimulus values image, for example, an XYZ image of a Commission Internationale de l'Eclairage (CIE). The standard matrix defined by ITU-R BT.709 is represented by Equation 1 below.

Figure 112009067605490-PAT00001
Figure 112009067605490-PAT00001

전역 휘도 조절부(110)는 상기 변환된 XYZ 영상 중에서 휘도 성분에 대한 "전역 조절(global adjustment)"을 수행한다. 상기 전역 조절이란 영상이 가지는 전체 동적 범위를 축소시키는 것으로, 영상의 특성에 따라 적절한 범위로 축소시킬 필요가 있다. 즉, 영상의 특성에 따라 동적 범위의 그 축소의 폭이 일률적으로 결정된다는 뜻이다.The global luminance controller 110 performs a "global adjustment" on the luminance component of the converted XYZ image. The global adjustment is to reduce the overall dynamic range of the image, and it is necessary to reduce the range to an appropriate range according to the characteristics of the image. In other words, the width of the reduction of the dynamic range is determined uniformly according to the characteristics of the image.

먼저, 전역 휘도 조절부(110)는 영상의 전체 휘도 값의 범위에 기초하여, 평균 휘도, 특히, 로그 평균 휘도(Yav)를 다음의 수학식 2와 같이 계산할 수 있다.First, the global luminance controller 110 may calculate an average luminance, in particular, a logarithmic average luminance Y av , based on a range of total luminance values of an image as shown in Equation 2 below.

Figure 112009067605490-PAT00002
Figure 112009067605490-PAT00002

여기서, N은 영상의 픽셀의 수이고, Y(x,y)는 영상의 x, y위치에서의 픽셀의 입력 휘도 값이다. 그런데, Y(x,y)이 0인 경우 연산시 로그 함수의 에러가 발생하는 것을 방지하기 위하여 매우 작은 상수 값(δ)이 부가될 수 있다.Here, N is the number of pixels in the image, and Y (x, y) is the input luminance value of the pixel at the x and y positions of the image. However, when Y (x, y) is 0, a very small constant value δ may be added in order to prevent an error of a log function during operation.

전역 휘도 조절부(110)는 이와 같이 구한 평균 휘도와, 입력 영상의 최대 휘도 및 최소 휘도를 이용하여 다음의 수학식 3과 같이 스케일 인자 a를 계산할 수 있다.The global luminance controller 110 may calculate the scale factor a as shown in Equation 3 using the average luminance and the maximum and minimum luminance of the input image.

Figure 112009067605490-PAT00003
Figure 112009067605490-PAT00003

여기서, Ymax는 입력 영상의 최대 휘도이고, Ymin은 입력 영상의 최소 휘도이다. 결국, f는 영상에 있어서 입력 영상의 최대 휘도 및 최소 휘도와, 평균 휘도 간의 거리(편차)를 의미한다고 볼 수 있다. 그런데, f는 양의 값 또는 음의 값을 모두 가질 수 있으므로 스케일 인자(a)는 항상 양수가 될 수 있도록 수학식 3에서와 같이, 2f로 표시될 수 있다.Here, Y max is the maximum luminance of the input image, and Y min is the minimum luminance of the input image. As a result, f may be regarded as a distance (deviation) between the maximum luminance and the minimum luminance and the average luminance of the input image in the image. However, since f may have both a positive value and a negative value, the scale factor (a) may be represented by 2 f as shown in Equation 3 so that the scale factor (a) may be always positive.

한편, 수학식 3에서 f 값을 보다 안정적으로 구할 수 있기 위해서는 노이즈 등의 이유로, 매우 낮은 휘도를 갖는 경우와 매우 높은 휘도를 갖는 경우를 배제할 필요가 있다. 실험적으로 볼 때, 입력 영상에서 매우 어두운 부분 또는 매우 밝은 부분에 속하는, 전체 대비 3%에 해당하는 픽셀들이 배제되도록 하는 것이 바람직하다. 이 경우 수학식 2 및 3의 계산은 당연히 나머지 97%의 픽셀들을 대상으로 하여 이루어질 것이다.On the other hand, in order to be able to obtain the f value more stably in the equation (3), it is necessary to exclude the case of having a very low luminance and the case of having a very high luminance for reasons such as noise. Experimentally, it is desirable to exclude pixels corresponding to 3% of the total, which belong to a very dark or very bright part of the input image. In this case, the calculations of Equations 2 and 3 will naturally be made for the remaining 97% of pixels.

전역 휘도 조절부(110)는 결국 다음의 수학식 4에 따라서 입력 영상의 모든 휘도 성분을 일률적으로 조절하는 작업, 즉 전역 조절을 수행한다.The global luminance controller 110 eventually adjusts the luminance components of the input image uniformly, that is, globally, according to Equation 4 below.

Figure 112009067605490-PAT00004
Figure 112009067605490-PAT00004

상기 a는 영상의 어둡거나 밝은 부분과 높은 연관성을 갖는 값이다.A is a value having a high correlation with a dark or light part of an image.

이와 같이, 전역 휘도 조절부(110)에 의하여 전역 조절된 입력 영상의 휘도는 로컬 색도 조절부(120)에 제공된다.As such, the luminance of the input image globally adjusted by the global luminance controller 110 is provided to the local chromaticity controller 120.

로컬 색도 조절부(120)는 색도의 조절 정도를 결정하는 색도 조절 계수를 구하고, 상기 색도 조절 계수를 입력 영상의 RGB 성분에 각각 적용하여 조절된 RGB 성분을 얻는다.The local chromaticity adjusting unit 120 obtains a chromaticity adjustment coefficient for determining the degree of adjustment of the chromaticity, and applies the chromaticity adjustment coefficient to each of the RGB components of the input image to obtain the adjusted RGB components.

이 때, 로컬 색도 조절부(120)는 입력 영상의 RGB 성분을 직접 이용할 수도 있지만, 바람직하게는 전역 휘도 조절부(110)에서 휘도 성분에 대하여 전역 조절된 결과인 Y'를 이용하여 입력 영상의 RGB를 복원하는 것이 바람직하다. 다시 말하면, 로컬 색도 조절부(120)는 다음의 수학식 5 및 6을 이용하여 입력 영상의 R, G, B 성분을 복원한다.In this case, although the local chromaticity adjuster 120 may directly use the RGB component of the input image, preferably, the global luminance adjuster 110 uses the Y 'which is the result of the global adjustment of the luminance component. It is desirable to restore RGB. In other words, the local chromaticity adjusting unit 120 restores the R, G, and B components of the input image by using Equations 5 and 6 below.

Figure 112009067605490-PAT00005
Figure 112009067605490-PAT00005

Figure 112009067605490-PAT00006
Figure 112009067605490-PAT00006

물론, 수학식 5에서 R, G, B는 Y가 Y'로 변경되었으므로 최초 입력 영상의 R, G, B와는 상이한 값일 수 있다.Of course, R, G, and B in Equation 5 may be different from R, G, and B of the first input image since Y is changed to Y '.

한편, 로컬 색도 조절부(120)는 각각의 색 성분(R, G, B)에 적용하기 위한 색도 조절 계수(D)를 다음의 수학식 7과 같이 계산한다.Meanwhile, the local chromaticity adjusting unit 120 calculates a chromaticity adjustment coefficient D for applying to each of the color components R, G, and B as shown in Equation 7 below.

Figure 112009067605490-PAT00007
Figure 112009067605490-PAT00007

여기서, F는 색도 조절 계수에 비례하는 상수이고, LA는 적응된 필드의 휘도 값이다.Where F is a constant proportional to the chromaticity adjustment coefficient and L A is the luminance value of the adapted field.

상기 비례 상수 F는 경험적으로 결정될 수 있는 값으로서, 평균적인 밝기의 주변 영상인 경우에는 1.0, 약간 어두운 주변 영상인 경우에는 0.9, 어두운 주변 영상인 경우에는 0.8 정도의 값을 갖는다. 또한, LA는 적응된 필드에서 화이트의 휘도 값의 상위 20%에 위치하는 휘도 값, 즉 상위 5분위 휘도 값을 의미한다.The proportional constant F is a value that can be determined empirically and has a value of 1.0 for an ambient image of average brightness, 0.9 for a slightly darker ambient image, and 0.8 for a darker ambient image. In addition, L A means a luminance value located at the top 20% of the luminance value of white in the adapted field, that is, the upper fifth quartile luminance value.

이와 같이, 로컬 색도 조절부(120)는 상기와 같이 색도 조절 계수를 계산한 후에는 복원된 색 성분(R, G, B)에 상기 색도 조절 계수를 적용하여 다음의 수학식 8과 같이 조절된 색 성분(Rc, Gc, Bc)을 구한다.As such, after calculating the chromaticity adjustment coefficient as described above, the local chromaticity adjustment unit 120 applies the chromaticity adjustment coefficient to the restored color components R, G, and B and is adjusted as in Equation 8 below. The color components (R c , G c , B c ) are obtained.

Figure 112009067605490-PAT00008
Figure 112009067605490-PAT00008

여기서, Rw, Gw, Bw는 각각 다음의 표 1에 기재된 환경 중 어느 하나에 기재된 화이트의 삼자극치, 즉 Xw, Yw, Zw를 이용하여 계산된 RGB 색공간에서의 값들이다. Xw, Yw, Zw로부터 Rw, Gw, Bw를 구하는 계산에 있어서는 전술한 수학식 5 및 6을 이용할 수 있다.Where R w , G w , and B w are the values in the RGB color space calculated using the tristimulus values of white described in any one of the environments listed in Table 1, that is, X w , Y w , and Z w , respectively. . In from X w, Y w, Z w in the calculation to obtain the R w, G w, B w described above can be used to Equation 5, and 6.

Figure 112009067605490-PAT00009
Figure 112009067605490-PAT00009

한편, 로컬 색도 조절부(120)는 상기 구한 Rc, Gc 및 Bc를 조절된 최종 색도 값으로 톤 매핑부(140)에 제공할 수도 있지만, 바람직하게는 상기 값들을 다시 다음의 수학식 9 및 10에 의하여 변환함으로써 조절된 최종 색도 값 R', G' 및 B'을 구하고 이를 톤 매핑부(140)에 제공한다.Meanwhile, although the local chromaticity adjusting unit 120 may provide the obtained R c , G c, and B c to the tone mapping unit 140 with the adjusted final chromaticity value, preferably, the values are again represented by the following equation. The final chromaticity values R ', G' and B 'adjusted by the conversion by 9 and 10 are obtained and provided to the tone mapping unit 140.

Figure 112009067605490-PAT00010
Figure 112009067605490-PAT00010

Figure 112009067605490-PAT00011
Figure 112009067605490-PAT00011

로컬 휘도 조절부(130)는 전역 휘도 조절부(110)에서 영상의 특성에 따라 영상의 휘도의 동적 범위 전체를 일률적으로 조절하였던 것과는 별도로, 영상의 휘도의 동적 범위를 구성하는 각각의 구간별 특성(지역적 특성)을 고려하여 상기 구간별로 개별적인 휘도 조절을 위한 휘도 조절 함수를 구한다. 이를 위하여, 로컬 휘도 조절부(130)는 색공간 변환부(105)에서 제공되는 휘도(Y)를 이용한다.The local luminance controller 130 performs the characteristic of each section constituting the dynamic range of the luminance of the image separately from the global luminance controller 110 uniformly adjusting the entire dynamic range of the luminance according to the characteristics of the image. In consideration of the (regional characteristic), a luminance control function for individual luminance adjustment for each section is obtained. To this end, the local luminance controller 130 uses the luminance Y provided by the color space converter 105.

먼저, 로컬 휘도 조절부(130)는 휘도 히스토그램의 픽셀 카운트를 복수의 구간(Bin)으로 나누어 계산한다. 예를 들면, 로컬 휘도 조절부(130)는 다음의 수학식 11과 같이 상기 구간(Bin)의 크기 Δb를 결정할 수 있다.First, the local luminance controller 130 calculates a pixel count of the luminance histogram by dividing the pixel count into a plurality of bins. For example, the local luminance controller 130 may determine the size Δb of the section Bin as shown in Equation 11 below.

Figure 112009067605490-PAT00012
Figure 112009067605490-PAT00012

여기서, Ymax는 입력 영상의 최대 휘도, Ymin은 영상의 최소 휘도, NB(number of bin)는 분할된 구간의 개수이다.Here, Y max is the maximum luminance of the input image, Y min is the minimum luminance of the image, and NB (number of bins) is the number of divided sections.

예를 들어, "Memorial church"라는 대표 영상을 10개의 휘도 구간으로 나눈 경우의 확률 분포 함수는 도 5와 같이 도시될 수 있다. 이와 같은 확률 분포 함수에 있어서 각 구간(Bin)에서의 값은 0에서 1사이의 값을 가지고, 이하의 전체의 구간의 값을 더하면 1이 된다.For example, the probability distribution function when the representative image of "Memorial church" is divided into ten luminance sections may be illustrated as shown in FIG. 5. In this probability distribution function, the value in each section Bin has a value between 0 and 1, and the value of all the following sections is added to 1.

이러한 확률 분포 함수(t)는 다음의 수학식 12와 같이 계산될 수 있다.This probability distribution function t may be calculated as in Equation 12 below.

Figure 112009067605490-PAT00013
Figure 112009067605490-PAT00013

이와 같이, 휘도 히스토그램에 기초한 확률 분포 함수가 결정되면, 상기 결정된 확률 분포 함수의 값에 대응되는 가중치(w)를 결정할 수 있다. 이러한 가중치는 확률 분포 함수의 값이 클수록(즉, 높은 빈도를 갖는 Bin일수록) 큰 값을 갖도록 설정되어야 한다. 이는, 입력 영상의 전체 동적 범위 중에서 높은 빈도를 갖는 구간에 높은 가중치를 부여하고 낮은 빈도를 갖는 구간에 낮은 가중치를 부여한다는 의미이다. 이는 다시 말해서, 입력 영상을 톤 매핑에 의하여 변환할 때, 빈도 발생이 적은 구간에 비하여 빈도 발생이 많은 구간에 속하는 디테일이 보존될 가능성이 높다는 것을 의미한다. 특정 구간에만 빈도가 집중되어 있는 영상을 그 이외의 구간과 동일한 가중치로 매핑하여 동적 범위를 축소한다면, 상기 특정 구간에서 의 디테일을 소실될 가능성이 높다. 따라서, 구간의 빈도에 따라 가변적으로 가중치를 부여할 필요가 있는 것이다.As such, when the probability distribution function based on the luminance histogram is determined, a weight w corresponding to the value of the determined probability distribution function may be determined. This weight should be set to have a larger value as the probability distribution function has a larger value (ie, a bin having a higher frequency). This means that a high weight is given to a section having a high frequency and a low weight is given to a section having a low frequency among all dynamic ranges of the input image. In other words, when the input image is converted by tone mapping, it is more likely that the details belonging to the frequency-prone section are preserved more than the frequency-prone section. If the image in which the frequency is concentrated only in a specific section is mapped with the same weight as other sections, the dynamic range is reduced, and the detail in the specific section is likely to be lost. Therefore, it is necessary to vary the weight according to the frequency of the interval.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치를 구하는 그래프를 보여준다. 확률 분포(t)와 가중치(w) 간의 관계를 나타내는 그래프는 직선 등 다양한 관계 그래프를 생각할 수 있겠지만, 본 발명에서는 바람직한 예로서, 도 6과 같은 2차 곡선을 이용한다. 도 6에서 보면, 확률 분포(t)가 0에서 0.6까지 증가할 때, 가중치(w)는 대략 0.8에서 1.6 사이의 값을 갖는다. 예를 들어, 도 5에서 Bin4의 확률 분포가 0.38이므로, 도 6의 가로축에 이 값을 대입하면 가중치(w)는 대략 1.5가 된다. 이러한 도 6에서의 그래프는 경험적으로 얻어질 수 있으며 당업자의 필요에 따라 다양한 변형이 가능하다.6 shows a graph for obtaining a weight according to an embodiment of the present invention. As a graph showing the relationship between the probability distribution t and the weight w, various relation graphs such as a straight line can be considered. However, in the present invention, a quadratic curve as shown in FIG. 6 is used. In FIG. 6, when the probability distribution t increases from 0 to 0.6, the weight w has a value between approximately 0.8 and 1.6. For example, since the probability distribution of Bin 4 in FIG. 5 is 0.38, the weight w is approximately 1.5 when this value is substituted in the horizontal axis of FIG. 6. This graph in FIG. 6 can be obtained empirically and various modifications are possible as required by those skilled in the art.

로컬 휘도 조절부(130)는 상기 구한 가중치를 반영하여, 임의의 휘도 값에 대한 휘도 조절 함수를 계산한다. 상기 휘도 조절 함수는 입력 휘도로부터 출력 휘도를 구할 때 적절한 반영 비율을 제공하는데, 구간별로 가변적인 가중치에 의하여 변경된다. 상기 휘도 조절 함수(Ld')는 예를 들어, 다음의 수학식 13에 의하여 계산될 수 있다.The local luminance controller 130 reflects the obtained weight and calculates a luminance adjustment function for an arbitrary luminance value. The brightness control function provides an appropriate reflection ratio when obtaining the output brightness from the input brightness, which is changed by a variable weight for each section. The luminance adjustment function L d ′ may be calculated by, for example, Equation 13 below.

Figure 112009067605490-PAT00014
Figure 112009067605490-PAT00014

여기서, Yi는 구간 i에서의 실제 입력 휘도를 나타내고, Ymax(i)는 구간 i에서의 최대 휘도를, Ymin(i)는 구간 i에서의 최소 휘도를 나타낸다.Here, Y i represents the actual input luminance in the section i, Y max (i) represents the maximum luminance in the section i, Y min (i) represents the minimum luminance in the section i.

수학식 13에서 보면, 가중치 wi는 구간(i) 별로 달라지는 값으로서(즉, 동일한 구간 내에서는 동일한 가중치가 적용된다), 그 값이 커질수록 해당 구간에서의 기울기가 커진다는 것을 의미한다. 따라서, 가중치가 커질수록 해당 구간이 다른 구간들에 비하여 확대되는 효과가 있는 것이다. 또한, 휘도 조절 함수(Ld')는 고정된 상수 값이 아니라 입력되는 휘도 Yi에 따라 가변하는 함수임을 알 수 있다. 이와 같이, 로컬 휘도 조절부(130)에 의하여 계산된 휘도 조절 함수는 톤 매핑부(140)에 제공된다.In Equation 13, the weight w i is a value that varies for each section (i.e., the same weight is applied in the same section), and as the value increases, the weight w i increases in the corresponding section. Therefore, as the weight increases, the corresponding section is enlarged as compared with other sections. In addition, it can be seen that the luminance adjustment function L d ′ is not a fixed constant value but a function that varies according to the input luminance Y i . As such, the brightness control function calculated by the local brightness controller 130 is provided to the tone mapping unit 140.

다시, 도 4를 참조하면, 톤 매핑부(140)는 전역 휘도 조절부(110)에서 제공된 전역 조절된 휘도 값와, 로컬 색도 조절부(120)에서 제공된 조절된 색도 값과, 로컬 휘도 조절부(130)에서 제공된 휘도 조절 함수를 이용하여 디스플레이 기기에 서 표시 가능한 색도 값(Rd, Gd, Bd), 즉 LDR 영상을 출력한다.Again, referring to FIG. 4, the tone mapping unit 140 may include a globally adjusted luminance value provided by the global luminance controller 110, an adjusted chromaticity value provided by the local chromaticity adjuster 120, and a local luminance adjuster ( 130, the display device displays the chromaticity values (R d , G d , B d ) that can be displayed on the display device, that is, the LDR image.

톤 매핑부(140)는 예를 들어, 다음의 수학식 14에 따라 LDR 영상의 색도 값(Rd, Gd, Bd)을 구할 수 있다. 결국, 동적 범위 변환 장치(100)에 최초의 HDR 영상(R, G, B)이 입력되어 최종적으로 LDR 영상(Rd, Gd, Bd)이 출력되는 것이다.The tone mapping unit 140 may obtain chromaticity values R d , G d , and B d of the LDR image according to Equation 14, for example. As a result, the first HDR image (R, G, B) is input to the dynamic range converter 100, and finally the LDR image (R d , G d , B d ) is output.

Figure 112009067605490-PAT00015
Figure 112009067605490-PAT00015

수학식 14에서, R', G', B'는 로컬 색도 조절부(120)에서 제공된 색도 값이고, L'd는 로컬 휘도 조절부(130)에서 제공된 휘도 조절 함수(입력 휘도에 대한 함수임)이며, Y'는 전역 휘도 조절부(110)에서 제공된 휘도 값이다. 또한, s는 감마 수정(gamma correction)을 위하여 사용되는 사용자 파라미터로서 대략 0.45 정도의 값이 사용될 수 있다.In Equation 14, R ', G', and B 'are chromaticity values provided by the local chromaticity adjusting unit 120, and L' d is a luminance adjustment function provided by the local luminance adjusting unit 130 (a function of input luminance). Y 'is a luminance value provided by the global luminance controller 110. In addition, s may be a value of approximately 0.45 as a user parameter used for gamma correction.

지금까지 도 4의 각 구성요소들는 메모리 상의 소정 영역에서 수행되는 태스크, 클래스, 서브 루틴, 프로세스, 오브젝트, 실행 스레드, 프로그램와 같은 소프트웨어(software)나, FPGA(field-programmable gate array)나 ASIC(application- specific integrated circuit)과 같은 하드웨어(hardware)로 구현될 수 있으며, 또한 상기 소프트웨어 및 하드웨어의 조합으로 이루어질 수도 있다. 상기 구성요소들은 컴퓨터로 판독가능한 저장 매체에 포함되어 있을 수도 있고, 복수의 컴퓨터에 그 일부가 분산되어 분포될 수도 있다.Up to now, each component of FIG. 4 is a software such as a task, a class, a subroutine, a process, an object, an execution thread, a program, a field-programmable gate array (FPGA), or an ASIC (application) performed in a predetermined area of memory. It may be implemented in hardware such as a specific integrated circuit, or may be a combination of the software and the hardware. The components may be included in a computer readable storage medium or a part of the components may be distributed over a plurality of computers.

또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능들을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능하다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.In addition, each block may represent a module, segment, or portion of code that includes one or more executable instructions for executing specified logical functions. It is also possible in some alternative implementations that the functions mentioned in the blocks occur out of order. For example, the two blocks shown in succession may in fact be executed substantially concurrently, and the blocks may sometimes be executed in the reverse order, depending on the corresponding function.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야 한다.Although the embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, those skilled in the art to which the present invention pertains may implement the present invention in other specific forms without changing the technical spirit or essential features thereof. I can understand that. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are exemplary in all respects and not restrictive.

도 1은 실제 세계의 장면들의 휘도 범위(HDR)를 보여주는 도면.1 shows the luminance range (HDR) of scenes in the real world.

도 2는 이상적인 LDR 디스플레이의 개념을 보여주는 도면.2 shows the concept of an ideal LDR display.

도 3은 종래의 선형 스케일링 기법을 사용하여 얻은 LDR 영상과, 높은 휘도 부분의 휘도를 낮추어 얻은 LDR 영상을 비교한 도면.3 is a view comparing an LDR image obtained using a conventional linear scaling technique with an LDR image obtained by lowering a luminance of a high luminance portion.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 동적 범위 변환 장치의 구성을 보여주는 블록도.Figure 4 is a block diagram showing the configuration of a dynamic range conversion apparatus according to an embodiment of the present invention.

도 5는 "Memorial church" 영상을 10개의 휘도 구간으로 나눈 경우의 확률 분포 함수를 보여주는 도면.FIG. 5 is a diagram illustrating a probability distribution function when a “memorial church” image is divided into ten luminance sections. FIG.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가중치를 구하는 그래프를 보여주는 도면.6 is a diagram showing a graph for obtaining a weight according to an embodiment of the present invention.

(도면의 주요부분에 대한 부호 설명) (Symbol description of main part of drawing)

100: 동적 범위 변환 장치 105: 색공간 변환부100: dynamic range conversion unit 105: color space conversion unit

110: 전역 휘도 조절부 120: 로컬 색도 조절부110: global luminance adjusting unit 120: local chromaticity adjusting unit

130: 로컬 휘도 조절부 140: 톤 매핑부130: local luminance control unit 140: tone mapping unit

Claims (16)

스케일 인자에 의하여 입력 영상의 휘도를 전역적으로 조절하는 전역 휘도 조절부;A global luminance controller configured to globally adjust the luminance of the input image by the scale factor; 상기 입력 영상의 색도를 색도 조절 계수를 이용하여 조절하는 로컬 색도 조절부; A local chromaticity adjuster for adjusting the chromaticity of the input image using a chromaticity control coefficient; 상기 입력 영상의 휘도를 지역적으로 조절하기 위하여, 상기 입력 영상의 휘도의 구간별 특성에 따라 구간별로 상이한 특성을 갖는 휘도 조절 함수를 구하는 로컬 휘도 조절부; 및A local luminance controller for obtaining a luminance adjustment function having different characteristics for each section according to characteristics of each section of the luminance of the input image to locally adjust the luminance of the input image; And 상기 전역적으로 조절된 휘도와, 상기 조절된 색도와, 상기 휘도 조절 함수를 조합하여 디스플레이 기기에서 표시 가능한 색도를 출력하는 톤 매핑부를 포함하는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 장치.And a tone mapping unit configured to output the chromaticity displayable on a display device by combining the globally adjusted luminance, the adjusted chromaticity, and the luminance adjustment function. 제1항에 있어서, 상기 스케일 인자는The method of claim 1 wherein the scale factor is 상기 입력 영상의 최대 휘도 및 최소 휘도와, 평균 휘도 간의 거리를 나타내는 값인, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 장치.And converting the dynamic range of the input image, the value representing the distance between the maximum luminance and the minimum luminance of the input image and the average luminance. 제1항에 있어서, 상기 색도 조절 계수는The method of claim 1, wherein the chromaticity adjustment coefficient 상기 입력 영상의 화이트 휘도 값의 상위 20%에 위치하는 휘도 값을 변수로 포함하는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 장치.And a luminance value located at a top 20% of the white luminance value of the input image as a variable. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 입력 영상의 색도를 CIE(Commission Internationale de l'Eclairage)의 XYZ 영상으로 변환하는 색공간 변환부를 더 포함하는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 장치.And a color space converter for converting the chromaticity of the input image into an XYZ image of a Commission Internationale de l'Eclairage (CIE). 제1항에 있어서, 상기 조절 함수는 구간별 가중치를 포함하는데,The method of claim 1, wherein the adjustment function comprises a weight for each interval, 상기 구간별 가중치는 대응되는 구간에서 상기 입력 영상의 휘도 값의 빈도가 클수록 큰 값을 가지고, 상기 빈도가 작을수록 작은 값을 가지는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 장치.The weight for each section has a larger value as the frequency of the luminance value of the input image increases in a corresponding section, and has a smaller value as the frequency decreases. 제5항에 있어서, 상기 구간별 가중치와 상기 빈도는The method of claim 5, wherein the weighted intervals and the frequency 2차 곡선 그래프에 따른 관계를 갖는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 장치.A device for converting a dynamic range of an input image having a relation according to a quadratic curve graph. 제5항에 있어서, 상기 가중치는The method of claim 5, wherein the weight is 0.8 내지 1.6 사이의 범위를 갖는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 장치.An apparatus for converting a dynamic range of an input image having a range between 0.8 and 1.6. 제1항에 있어서, 상기 톤 매핑부는According to claim 1, wherein the tone mapping unit 상기 휘도 조절 함수가 클수록 이에 비례하여 상기 출력되는 색도가 커지도 록 하는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 장치.The greater the luminance control function, the greater the proportion of the output chromaticity, the apparatus for converting a dynamic range of the input image. (a) 스케일 인자에 의하여 입력 영상의 휘도를 전역적으로 조절하는 단계;(a) globally adjusting the brightness of the input image by the scale factor; (b) 상기 입력 영상의 색도를 색도 조절 계수를 이용하여 조절하는 단계; (b) adjusting the chromaticity of the input image using a chromaticity control coefficient; (c) 상기 입력 영상의 휘도를 지역적으로 조절하기 위하여, 상기 입력 영상의 휘도의 구간별 특성에 따라 구간별로 상이한 특성을 갖는 휘도 조절 함수를 구하는 단계; 및(c) obtaining a brightness adjustment function having different characteristics for each section according to the characteristics of each section of the brightness of the input image to locally adjust the brightness of the input image; And (d) 상기 전역적으로 조절된 휘도와, 상기 조절된 색도와, 상기 휘도 조절 함수를 조합하여 디스플레이 기기에서 표시 가능한 색도를 출력하는 단계를 포함하는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 방법.and (d) combining the globally adjusted luminance, the adjusted chromaticity, and the luminance adjustment function to output a chromaticity that can be displayed on a display device. 제9항에 있어서, 상기 스케일 인자는The method of claim 9, wherein the scale factor is 상기 입력 영상의 최대 휘도 및 최소 휘도와, 평균 휘도 간의 거리를 나타내는 값인, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 방법.And converting the dynamic range of the input image to a value representing the distance between the maximum luminance and the minimum luminance of the input image and the average luminance. 제9항에 있어서, 상기 색도 조절 계수는The method of claim 9, wherein the chromaticity adjustment coefficient 상기 입력 영상의 화이트 휘도 값의 상위 20%에 위치하는 휘도 값을 변수로 포함하는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 방법.And a luminance value positioned at an upper 20% of the white luminance value of the input image as a variable. 제9항에 있어서, 상기 (a) 단계 이전에, 10. The method of claim 9, prior to step (a), 상기 입력 영상의 색도를 CIE(Commission Internationale de l'Eclairage)의 XYZ 영상으로 변환하는 단계를 더 포함하는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 방법.And converting the chromaticity of the input image into an XYZ image of a Commission Internationale de l'Eclairage (CIE). 제9항에 있어서, 상기 조절 함수는 구간별 가중치를 포함하는데,The method of claim 9, wherein the adjustment function comprises a weight for each interval, 상기 구간별 가중치는 대응되는 구간에서 상기 입력 영상의 휘도 값의 빈도가 클수록 큰 값을 가지고, 상기 빈도가 작을수록 작은 값을 가지는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 방법.The weight for each section has a larger value as the frequency of the luminance value of the input image is larger in a corresponding section, and has a smaller value as the frequency is smaller, and converts a dynamic range of the input image. 제13항에 있어서, 상기 구간별 가중치와 상기 빈도는The method of claim 13, wherein the weighted intervals and the frequency 2차 곡선 그래프에 따른 관계를 갖는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 방법.A method for transforming a dynamic range of an input image having a relationship according to a quadratic curve graph. 제13항에 있어서, 상기 가중치는The method of claim 13, wherein the weight is 0.8 내지 1.6 사이의 범위를 갖는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 방법.A method for converting a dynamic range of an input image having a range between 0.8 and 1.6. 제9항에 있어서, 상기 (d) 단계는The method of claim 9, wherein step (d) 상기 휘도 조절 함수가 클수록 이에 비례하여 상기 출력되는 색도가 커지도록 하는 단계를 포함하는, 입력 영상의 동적 범위를 변환하는 방법.And increasing the output chromaticity in proportion to the larger the luminance control function.
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