KR20140016527A

KR20140016527A - 히스토그램 기반 영상처리 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20140016527A
Application number: KR1020120083129A
Authority: KR
Inventors: 김병만
Original assignee: 대우조선해양 주식회사
Priority date: 2012-07-30
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2014-02-10

Abstract

히스토그램(histogram) 기반의 이진화 기법을 사용하여 조명을 사용하지 않고 외부 환경의 변화에 강인한 영상을 취득할 수 있도록 한 히스토그램 기반 영상처리장치 및 그 방법이 개시된다.
개시된 히스토그램 기반 영상처리장치는 영상을 취득하는 영상 취득장치와; 상기 취득한 영상의 히스토그램을 산출하는 히스토그램 산출부와; 상기 산출한 히스토그램으로부터 이진화 문턱 값을 산출하는 이진화 문턱값 산출부와; 상기 산출한 이진화 문턱 값으로 취득한 영상을 이진화하는 영상 이진화부를 구비함으로써, 외부 조명을 사용하지 않고도 외부 환경의 변화에 강인한 영상을 취득할 수 있게 된다.

Description

히스토그램 기반 영상처리 장치 및 그 방법{Apparatus for image processing based histogram and method thereof}

본 발명은 히스토그램(histogram) 기반 영상처리에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 히스토그램 기반의 이진화 기법을 사용하여 조명을 사용하지 않고도 외부 환경의 변화에 강인한 영상을 취득할 수 있도록 한 히스토그램 기반 영상처리 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

카메라를 이용하여 영상에서 정보를 획득하기 위해서는 우선 이진화의 전처리 단계를 걸쳐 배경과 원하는 물체 사이의 분리가 필수적이다. 이진화는 영상을 흰색과 검정색 두 가지 색상으로 변환하는 과정을 말하며, 이때 분리의 기준이 되는 값을 임계값(threshold)이라 한다. 물체를 배경과 잘 분리해 내기 위해서는 최적의 임계값을 설정하는 것이 중요하다.

물체의 색상은 빛의 반사, 투과 및 흡수 등에 의해 표현되며, 물체 색 중에서도 빛의 반사에 의해 나타나는 색을 표면색(surface color)이라고 한다. 이러한 표면색은 물체를 비추는 빛의 종류에 따라 같은 물체의 색이라 해도 다르게 표현이 된다. 인간은 물체에서 반사되는 빛 에너지에 기반을 두어 주위 광원의 효과를 배제하고 물체의 고유색을 인지할 수 있다.

하지만, 카메라에 의해 입력되는 영상은 다양한 조명에 의해 반사되는 색상 값을 그대로 받아들이게 되며, 사람의 눈으로 식별한 색과는 다른 색으로 인식된다. 특히 실내에서 형광등과 같은 조명하에서 인식된 이미지의 경우 입력된 영상의 한쪽에 집중 조명이 들어오거나 주위의 다른 광원에 의해 그라데이션(gradation)이 생기는 경우가 빈번히 발생하게 된다.

이러한 영상에서 물체의 색상은 육안으로 식별할 수 있으나 카메라에 의해 입력될 경우에는 같은 색이라 할지라도 낮은 명도에서부터 높은 명도를 가진 색으로 다양하게 표현된다. 이러한 경우 집중 조명을 받은 픽셀은 원래의 RGB값보다 높은 값을 가지게 되고, 전체 영상을 이진화할 경우에 임계값이 높아져 버리는 문제가 있다.

입력된 영상을 흰색과 검정색의 두 가지 색상으로 표현하여 물체와 배경을 분리해내기 위한 이진화 기법은, 하나의 임계값을 이용하는 싱글 임계값(single threshold)과 2개 이상의 임계값을 가지는 멀티-임계값(multi-threshold) 방법이 존재하며, 싱글 임계값을 이용하여 전체 이미지를 이진화하는 글로벌 임계값(global threshold)과 전체 영상을 작은 블록으로 나누어서 각각의 블록마다 하나의 임계값을 사용하는 경우로 나뉠 수 있고, 분할된 각각의 블록마다 각기 다른 임계값을 사용하는 멀티-임계값 기법이 존재한다.

이상적인 경우 영상의 히스토그램에서 두 개의 피크(peek) 사이에 깊고 정확한 경계(valley)가 존재할 경우에 최적의 이진화 수행이 가능하지만, 대부분의 일반적인 영상에서 이러한 경계는 주변 조명의 영향을 받아 넓은 범위에 걸쳐 평탄해지거나 탐지하기가 어렵다.

영상에서 조명에 의해 발생하는 문제점을 살펴보면, 영상의 한 부분에 집중 조명이 생기는 것과, 이미지 전체에 걸쳐서 그라데이션 현상이 생기는 경우를 볼 수 있다. 이미지에 집중 조명이 들어올 경우 이진화의 임계값이 전체적으로 높아져 조명의 영향을 받지 않는 부분까지도 배경과 물체 사이의 이진화가 어려워지는 문제가 발생한다.

통상 조명의 영향을 받은 흰색의 RGB값은 이상적인 흰색의 RGB값인 (255, 255, 255)에 가깝게 나타나지만, 그라데이션 영향과 집중조명 사이에서 측정된 흰색은 이보다 적은 수치로 나타난다. 이는 조명의 영향으로 이진화를 수행할 때 분리를 원하는 코드영역과 배경 사이의 구분을 어렵게 만든다.

결론적으로, 일정한 대상물을 카메라를 통해 측정하는 경우에 이진화되는 영상이 갖는 픽셀 수는 항상 일정한 수를 갖게 된다. 이 경우에 영상에 투사되는 조명조건이 달라지면 일정한 값을 가지는 문턱 값을 사용하여 이진화를 하게 되면, 조명 상태에 따라서 이진화 결과가 달라진다.

따라서 조명의 상태가 변하더라도 일정한 이진화 결과를 얻고자 하는 경우에, 종래에는 외부 조명을 사용하여 환경의 조명상태가 달라지더라도 일정한 조명 상태를 유지하도록 하는 방법을 이용하였다.

그러나 상기와 같은 종래기술은 외부 조명을 사용함으로써 환경의 조명상태가 달라지더라도 일정한 조명이 유지되도록 하는 장점은 있으나, 추가의 조명장치가 필요하다는 단점이 있으며, 고정된 문턱 값을 이용하여 영상을 이진화하기 때문에 조명의 위치나 밝기에 따라서 조명에 의해 발생하는 노이지 등의 영향으로 일정한 이진화 영상을 획득하기 어려운 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 히스토그램 기반의 이진화 기법을 사용하여 조명을 사용하지 않고도 외부 환경의 변화에 강인한 영상을 취득할 수 있도록 한 히스토그램 기반 영상처리 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는 조명의 변화에 대해서도 일정한 이진화 영상을 얻을 수 있도록 한 히스토그램 기반 영상처리 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는 히스토그램으로부터 얻어진 영상 밝기값의 분포로부터 측정 대상물의 면적에 해당하는 만큼의 픽셀 수의 히스토그램 누적값을 갖는 문턱 값으로 영상을 이진화하여 항상 일정한 이진화 영상을 얻을 수 있도록 한 히스토그램 기반 영상처리 장치 및 그 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 히스토그램 기반 영상처리 장치는,

영상을 취득하는 영상 취득장치와;

상기 취득한 영상의 히스토그램을 산출하는 히스토그램 산출부와;

상기 산출한 히스토그램으로부터 이진화 문턱 값을 산출하는 이진화 문턱값 산출부와;

상기 산출한 이진화 문턱 값으로 취득한 영상을 이진화하는 영상 이진화부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기에서 이진화 문턱값 산출부는 상기 히스토그램으로부터 얻어진 영상 밝기 값의 분포로부터 측정 대상물의 면적에 해당하는 만큼의 픽셀 수의 히스토그램 누적값을 이진화 문턱값으로 산출하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 과제들을 해결하기 위한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 히스토그램 기반 영상처리 방법은,

(a) 영상 취득장치를 통해 영상을 취득하는 단계와;

(b) 상기 취득한 영상의 히스토그램을 산출하는 단계와;

(c) 상기 산출한 히스토그램으로부터 이진화 문턱 값을 산출하는 단계와;

(d) 상기 산출한 이진화 문턱 값으로 취득한 영상을 이진화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 (c)단계는,

상기 산출한 히스토그램으로부터 얻어진 영상 밝기 값의 분포로부터 측정 대상물의 면적에 해당하는 만큼의 픽셀 수의 히스토그램 누적값을 이진화 문턱값으로 산출하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 히스토그램 기반의 이진화 기법을 사용하여 조명을 사용하지 않고도 외부 환경의 변화에 강인한 영상을 취득할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 조명의 변화에 대해서도 일정한 이진화 영상을 얻을 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따르면 히스토그램으로부터 얻어진 영상 밝기값의 분포로부터 측정 대상물의 면적에 해당하는 만큼의 픽셀 수의 히스토그램 누적값을 갖는 문턱 값으로 영상을 이진화하여 항상 일정한 이진화 영상을 얻을 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 히스토그램 기반 영상처리 장치의 구성도이고,
도 2는 본 발명에서 이진화 문턱 값을 산출하는 것을 설명하기 위한 설명도이고,
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 히스토그램 기반 영상처리 방법을 보인 흐름도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.

<실시 예1>

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 히스토그램 기반 영상처리 장치의 구성도로서, 영상 취득 장치(10), 히스토그램 산출부(20), 이진화 문턱값 산출부(30) 및 영상 이진화부(40)로 구성된다.

영상 취득 장치(10)는 영상을 취득하는 역할을 수행하는 것으로서, 카메라의 촬상장치일 수 있다.

히스토그램 산출부(20)는 상기 취득한 영상의 히스토그램을 산출하는 역할을 한다. 여기서 히스토그램은 이미지의 어두운 곳에서 밝은 부분까지의 픽셀 분포를 나타낸다. 왼쪽 끝이 0이며, 오른쪽 끝이 255이다. 0은 블랙(black)이며 255는 화이트(white)이다.

이러한 히스토그램은 영상의 명암대비와 명암 값 분포에 관한 정보를 제공하는 것으로서, 영상이 밝으면 히스토그램은 오른쪽으로 이동하고, 영상이 어두워지면 히스토그램은 왼쪽으로 이동한다.

이진화 문턱값 산출부(30)는 상기 산출한 히스토그램으로부터 이진화 문턱 값을 산출하게 된다.

영상 이진화부(40)는 상기 산출한 이진화 문턱 값으로 취득한 영상을 이진화하는 역할을 한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 히스토그램 기반 영상처리 장치는, 촬상장치와 같은 영상 취득 장치(10)를 통해 이진화하고자 하는 영상을 취득하게 되고, 히스토그램 산출부(20)에서 상기 취득한 영상의 히스토그램을 산출하게 된다.

주지한 바와 같이, 히스토그램은 이미지의 어두운 곳에서 밝은 부분까지의 픽셀 분포를 나타낸 것으로서, 도 2와 같은 그래프로 표시할 수 있다. 도 2에서 세로축은 빈도 수를 나타내고, 가로축은 밝기를 나타낸다. 왼쪽 끝이 0이며, 오른쪽 끝이 255이다. 0은 블랙(black)이며 255는 화이트(white)이다.

이진화 문턱값 산출부(30)는 상기 산출한 히스토그램으로부터 이진화 문턱 값을 산출하게 된다. 즉, 상기 히스토그램으로부터 얻어진 영상 밝기 값의 분포로부터 측정 대상물의 면적에 해당하는 만큼의 픽셀 수의 히스토그램 누적값을 이진화 문턱값으로 산출하게 된다.

예컨대, 가장 최적의 조명 상태에서 취득한 영상의 이진화 영상에서 센 픽셀 수를 N개라고 하면, 취득한 영상의 히스토그램을 구해서 영상 밝기값이 0일 때부터 누적한 값이 N이 되는 영상 밝기값을 산출한다. 그리고 그 산출한 값을 T라고 한다(도 2의 우측 도면 참조).

다시 말해, 이진화 문턱 값은 히스토그램으로부터 얻어진 영상 밝기값의 분포로부터 측정 대상물의 면적에 해당하는 만큼의 픽셀 수의 히스토그램 누적값을 의미한다.

이후 영상 이진화부(40)에서는 상기 산출한 이진화 문턱 값(T)을 사용하여 영상 이진화를 수행하게 된다. 이진화 수행 결과 최적의 조명상태에서 취득한 이진화 결과와 거의 비슷한 결과를 얻을 수 있다. 즉, 조명의 변화에 대해서도 일정한 이진화 영상을 얻을 수 있게 되며, 이로써 안정된 영상 처리가 가능해지게 되는 것이다.

<실시 예2>

도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 히스토그램 기반 영상처리 방법을 보인 흐름도로서, S는 단계(step)를 나타낸다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 히스토그램 기반 영상처리 방법은, (a) 영상 취득장치(10)를 통해 영상을 취득하는 단계(S10)와; (b) 상기 취득한 영상의 히스토그램을 산출하는 단계(S20)와; (c) 상기 산출한 히스토그램으로부터 이진화 문턱 값을 산출하는 단계(S30)와; (d) 상기 산출한 이진화 문턱 값으로 취득한 영상을 이진화하는 단계(S40)로 이루어진다.

이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 히스토그램 기반 영상처리 방법은, 단계 S10에서 촬상장치와 같은 영상 취득 장치(10)를 통해 이진화하고자 하는 영상을 취득하게 되고, 단계 S20에서 히스토그램 산출부(20)는 상기 취득한 영상의 히스토그램을 산출하게 된다.

다음으로, 단계 S30에서 이진화 문턱값 산출부(30)는 상기 산출한 히스토그램으로부터 이진화 문턱 값을 산출하게 된다. 즉, 상기 히스토그램으로부터 얻어진 영상 밝기 값의 분포로부터 측정 대상물의 면적에 해당하는 만큼의 픽셀 수의 히스토그램 누적값을 이진화 문턱값으로 산출하게 된다.

예컨대, 가장 최적의 조명 상태에서 취득한 영상의 이진화 영상에서 산출한 픽셀 수를 N개라고 하면, 취득한 영상의 히스토그램을 구해서 영상 밝기값이 0일 때부터 누적한 값이 N이 되는 영상 밝기값을 산출한다. 그리고 그 산출한 값을 T라고 한다(도 2의 우측 도면 참조).

이후 단계 S40에서 영상 이진화부(40)는 상기 산출한 이진화 문턱 값(T)을 사용하여 영상 이진화를 수행하게 된다. 이진화 수행 결과 최적의 조명상태에서 취득한 이진화 결과와 거의 비슷한 결과를 얻을 수 있다. 즉, 조명의 변화에 대해서도 일정한 이진화 영상을 얻을 수 있게 되며, 이로써 안정된 영상 처리가 가능해지게 되는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

10… 영상 취득 장치
20… 히스토그램 산출부
30… 이진화 문턱값 산출부
40… 영상 이진화부

Claims

영상을 취득하는 영상 취득장치와;
상기 취득한 영상의 히스토그램을 산출하는 히스토그램 산출부와;
상기 산출한 히스토그램으로부터 이진화 문턱 값을 산출하는 이진화 문턱값 산출부와;
상기 산출한 이진화 문턱 값으로 취득한 영상을 이진화하는 영상 이진화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 히스토그램 기반 영상처리장치.
청구항 1에 있어서, 상기 이진화 문턱값 산출부는 상기 히스토그램으로부터 얻어진 영상 밝기 값의 분포로부터 측정 대상물의 면적에 해당하는 만큼의 픽셀 수의 히스토그램 누적값을 이진화 문턱값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 히스토그램 기반 영상처리장치.
(a) 영상 취득장치를 통해 영상을 취득하는 단계와;
(b) 상기 취득한 영상의 히스토그램을 산출하는 단계와;
(c) 상기 산출한 히스토그램으로부터 이진화 문턱 값을 산출하는 단계와;
(d) 상기 산출한 이진화 문턱 값으로 취득한 영상을 이진화하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히스토그램 기반 영상처리방법.
청구항 3에 있어서, 상기 (c)단계는,
상기 산출한 히스토그램으로부터 얻어진 영상 밝기 값의 분포로부터 측정 대상물의 면적에 해당하는 만큼의 픽셀 수의 히스토그램 누적값을 이진화 문턱값으로 산출하는 것을 특징으로 하는 히스토그램 기반 영상처리방법.