KR20140072980A - 단일 영상을 이용한 hdr 영상 생성 장치 및 방법 - Google Patents

단일 영상을 이용한 hdr 영상 생성 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

단일 영상을 이용한 HDR 영상 생성 장치가 개시된다. 노출 영상 생성부는 입력된 단일 영상에 대해 입력 영상과 서로 다른 밝기 값을 가지는 노출(exposure) 영상을 복수 개 생성한다. 디테일 추정부는 노출 영상 각각에 대해 표준 편차를 계산하여 합성될 영역인 세부 영역(detail)을 추정한다. 알파매트 생성부는 추정된 디테일을 비교하여 최대 표준 편차 값을 갖는 영역을 기준으로 알파매트를 복수 개 생성한다. 결과 영상 생성부는 생성된 복수의 알파매트를 합성하여 1개의 결과 영상을 생성한다. 본 발명에 따르면, HVS(Human Visual System)와는 달리 카메라와 같은 디지털 장치는 좁은 동적 영역(dynamic range)을 가지므로 영상 개선이 필요하므로, 한 장의 단일 영상으로부터 노출이 다른 다수의 영상을 생성하여 영상을 융합할 수 있다.

Description

단일 영상을 이용한 HDR 영상 생성 장치 및 방법{Apparatus and method for generating a High Dynamic Range image using single image}
본 발명은 단일 영상을 이용한 HDR 영상 생성 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 단일 영상으로부터 노출이 다른 다수의 영상을 생성하여 이를 융합하여 HDR 영상을 생성하는 HDR 영상 생성 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 인간의 눈으로 바라보는 장면에 대한 휘도의 동적 영역(dynamic range)은 매우 넓지만 그에 비해 장면을 표현하는 장치(device)의 동적 영역은 좁다. 따라서 다양한 노출을 갖는 영상을 융합하여 HDR(High Dynamic Range) 영상을 생성한다면 넓은 동적 영역을 갖는 것과 유사한 영상을 장치에 표현할 수 있다.
디지털 카메라는 렌즈 교환형 디지털 일안반사식 카메라와 미러리스 일안 카메라가 고성장을 하고 있으며, 미러리스 일안 카메라는 일본이나 동남아시아를 중심으로 시장이 급격히 확대되고 있다. 미러리스 일안 카메라의 시장 규모는 2010년 150만대에서 2013년 930만대, 2015년에는 1,500만대 규모로 연평균 60% 이상 급격히 성장할 것으로 예상되고 있다. 또한, 2013년에는 규모 면에서도 DSLR 시장(750만대)을 추월할 것으로 전망되고 있다. 2011년 디지털 일안 반사식 카메라 시장은 전년대비 42.1% 증가한 1,474만대로 전망되며, 이후에는 미러리스 일안 카메라와의 경쟁에 의해 성장이 둔화될 전망이며, 향후 미러리스 일안 카메라와의 차별화를 꾀하기 위해 고기능화가 한층 더 진행될 것으로 보인다.
이와 관련된 선행기술을 구체적으로 살펴보면, 한국공개공보 제2011-0084025호(발명의 명칭 : 다중노출 영상을 합성하는 영상합성장치 및 방법)에는 이미지 센서를 이용하여 획득한 다중 노출 영상을 합성하는 영상합성장치 및 방법을 개시하고 있다. 이를 통해 콘트라스트 저하 없이 저휘도와 고휘도 영역의 디테일을 충분히 표현하면서 선명한 고화질의 HDR 영상을 생성할 수 있다.
또한, 한국공개공보 제2012-0112709호(발명의 명칭 : 높은 동적 범위의 이미지 생성 및 렌더링)에는 높은 동적 범위의 디지털 이미지를 생성하여 렌더링하는 알고리즘을 개시하고 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, HVS(Human Visual System)와는 달리 카메라와 같은 디지털 장치는 좁은 동적 영역(dynamic range)을 가지므로 영상 개선이 필요하므로, 한 장의 단일 영상으로부터 노출이 다른 다수의 영상을 생성하여 영상을 융합할 수 있는 단일 영상을 이용한 HDR 영상 생성 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, HVS(Human Visual System)와는 달리 카메라와 같은 디지털 장치는 좁은 동적 영역(dynamic range)을 가지므로 영상 개선이 필요하므로, 한 장의 단일 영상으로부터 노출이 다른 다수의 영상을 생성하여 영상을 융합할 수 있는 단일 영상을 이용한 HDR 영상 생성 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 단일 영상을 이용한 HDR 영상 생성 장치는, 입력된 단일 영상에 대해 상기 입력 영상과 서로 다른 밝기 값을 가지는 노출(exposure) 영상을 복수 개 생성하는 노출 영상 생성부; 상기 노출 영상 각각에 대해 표준 편차를 계산하여 합성될 영역인 세부 영역(detail)을 추정하는 디테일 추정부; 상기 추정된 디테일을 비교하여 최대 표준 편차 값을 갖는 영역을 기준으로 알파매트를 복수 개 생성하는 알파매트 생성부; 및 상기 생성된 복수의 알파매트를 합성하여 1개의 결과 영상을 생성하는 결과 영상 생성부;를 구비한다.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 단일 영상을 이용한 HDR 영상 생성 방법은, HDR 영상 생성 장치에 의해 수행되는 HDR 영상 생성 방법에 있어서, (a) 입력된 단일 영상에 대해 상기 입력 영상과 서로 다른 밝기 값을 가지는 노출(exposure) 영상을 복수 개 생성하는 노출 영상 생성 단계; (b) 상기 노출 영상 각각에 대해 표준 편차를 계산하여 합성될 영역인 세부 영역(detail)을 추정하는 디테일 추정 단계; (c) 상기 추정된 디테일을 비교하여 최대 표준 편차 값을 갖는 영역을 기준으로 알파매트를 복수 개 생성하는 알파매트 생성 단계; 및 (d) 상기 생성된 복수의 알파매트를 합성하여 1개의 결과 영상을 생성하는 결과 영상 생성 단계;를 갖는다.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명에 따른 컴퓨터로 읽을 수 있는 매체는 상기한 방법 중 어느 하나를 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한다.
본 발명에 따른 단일 영상을 이용한 HDR 영상 생성 장치 및 방법에 의하면, HVS(Human Visual System)와는 달리 카메라와 같은 디지털 장치는 좁은 동적 영역(dynamic range)을 가지므로 영상 개선이 필요하므로, 한 장의 단일 영상으로부터 노출이 다른 다수의 영상을 생성하여 영상을 융합할 수 있다.
도 1은 톤 매핑(tone mapping)하는 영상처리기법을 도시한 도면,
도 2는 영상을 표현하는 장치(device)의 동적영역(dynamic range)을 도시한 도면,
도 3은 기존 HDR 영상을 생성하는 과정을 도시한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 HDR 영상 생성 장치를 통해 결과 영상을 구하는 과정을 도시한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 HDR 영상 생성 장치의 구성을 도시한 블록도,
도 6은 단일 영상으로부터 노출이 서로 다른 다수의 영상을 생성하는 일 실시예를 도시한 도면,
도 7은 노출이 서로 다른 다수의 영상에 대해 밝기 값을 정규화하는 일 실시예를 도시한 도면,
도 8은 노출 영상 각각에 대해 표준 편차를 계산하는 일 실시예를 도시한 도면,
도 9는 노출이 서로 다른 다수의 영상에 대해 디테일을 추정하는 일 실시예를 도시한 도면,
도 10은 알파매트가 복수 개 생성된 일 실시예를 도시한 도면,
도 11은 알파매트에 가우시안 함수를 적용하여 블러링 시키는 일 실시예를 도시한 도면, 그리고,
도 12 내지 도 19는 본 발명에 따른 HDR 영상 생성 방법을 적용하여 생성된 다수의 노출 영상으로부터 톤 매핑 과정을 거쳐 나온 결과 영상을 도시한 도면이다.
이하에서 첨부의 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 단일 영상을 이용한 HDR 영상 생성 장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
일반적으로, HDR(High Dynamic Range)이라 하면 도 1에 도시된 바와 같이 다수의 LDR(Low Dynamic Range) 영상들을 한 장의 HDR(High Dynamic Range)로 톤매핑하는 영상처리 기법을 말한다. HDR 기법은 도 2에 도시된 바와 같이 HVS(Human Visual System)의 동적영역(dynamic range)에 비해 영상을 표현하는 장치(device)들의 동적영역이 좁기 때문에 필요한 기법이다. 기존에는 도 3에 도시된 바와 같이 노출이 서로 다른 다수의 영상을 이용하여 HDR 영상을 생성하였을 뿐만 아니라, 각 영상의 그래디언트(gradient)를 이용하여 융합할 영역을 선택하는 방법을 사용하며, R, G, B의 그래디언트를 모두 구했기 때문에 진행 속도가 느린 단점이 있었다.
따라서 본 발명에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 한 장의 단일 영상으로부터 노출이 서로 다른 복수 영상을 생성하여 톤 매핑 과정을 통해 HDR 영상을 생성하고자 한다.
도 5는 본 발명에 따른 단일 영상을 이용한 HDR 영상 생성 장치(100)를 설명하기 위한 블록도이다. 도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 단일 영상을 이용한 HDR 영상 생성 장치(100)(이하, 'HDR 영상 생성 장치'라 함)는 노출 영상 생성부(110), 밝기 정규화부(120), 디테일 추정부(130), 알파매트 생성부(140) 및 결과 영상 생성부(150)를 구비한다.
노출 영상 생성부(110)는 입력된 단일 영상으로부터 입력 영상과 서로 다른 밝기 값을 가지는 노출(exposure) 영상을 복수 개 생성한다. 이때, 생성되는 노출 영상은 2개 이상이어야 한다. 입력된 단일 영상에 n개(여기서, n은 2 이상의 양수) 만큼의 가중치 값(
Figure pat00001
)을 적용하여 아래 수학식 1과 같이 단일 영상으로부터 노출이 서로 다른 다수의 영상을 생성할 수 있다.
Figure pat00002
여기서,
Figure pat00003
는 입력된 단일 영상(
Figure pat00004
),
Figure pat00005
는 가중치 값으로 0보다 큰 양수,
Figure pat00006
는 생성된 노출이 서로 다른 노출 영상(n개만큼 생성), 그리고, n은 2이상의 양수이다. 도 6을 참조하면, 입력된 단일 영상으로부터 생성된 노출이 서로 다른 다수의 영상이 가중치 값(
Figure pat00007
)에 따라 n개 생성됨을 알 수 있다.
이때, 복수 개 생성된 노출 영상들은 각각 서로 노출(exposure)된 정도가 다르기 때문에 밝기차가 심하여 이로 인해 부정확한 디테일(detail)이 추정될 수 있다. 따라서 밝기에 의한 영향을 감소시켜 보다 정확하게 디테일을 추정하기 위해 밝기 값(intensity)을 정규화(normalization)하는 과정을 수행하는 것이 바람직하다. 밝기 정규화부(120)는 아래 수학식 2를 이용하여 각 노출 영상에 대해 아래 수학식 3과 같이 밝기 정규화(intensity normalization) 과정을 수행한다.
Figure pat00008
여기서,
Figure pat00009
는 생성된 노출 영상들(n개만큼 생성되며,
Figure pat00010
), 그리고
Figure pat00011
은 그레이스케일 영상(grayscale images)이다.
Figure pat00012
여기서,
Figure pat00013
는 밝기 정규화된 영상,
Figure pat00014
는 입력 영상의 Y 채널,
Figure pat00015
는 입력 영상의 밝기 평균값,
Figure pat00016
는 입력 영상의 밝기 표준 편차,
Figure pat00017
은 레퍼런스 영상의 밝기 평균값, 그리고,
Figure pat00018
은 레퍼런스 영상의 밝기 표준 편차이다. 이때,
Figure pat00019
를 홀수로 생성하여 중간에 위치한 영상을 레퍼런스 영상으로 사용할 수 있다.
도 7을 참조하면, 영상의 밝기 값을 표현한 Y 채널에서 밝기 정규화(Intensity Normalization) 과정을 수행한 후 밝기 차이가 정규화하기 전에 비해 각 노출 영상 상호 간 유사하게 변경된 것을 확인할 수 있다. EV+0인 영상을 기준으로 EV-2.0과 EV+2.0을 EV+0의 밝기로 정규화시켰다. 즉, 중간에 위치한 영상을 레퍼런스 영상으로 사용하였다.
상술한 바와 같이 노출 영상 각각에 대해 밝기 값을 정규화 과정을 수행하였기 때문에 디테일 추정부(130)는 표준 편차를 이용하여 합성될 영역인 세부 영역(detail)을 보다 정확하게 추정할 수 있다. 이를 위해 아래 수학식 4를 통해 각 노출 영상마다 표준 편차를 계산하였다. 도 8에 도시된 바와 같이, 각 노출 영상에 따라 1번씩 표준 편차를 계산하였다.
Figure pat00020
여기서,
Figure pat00021
은 Y 채널의 디테일 영역,
Figure pat00022
은 마스크 픽셀 수,
Figure pat00023
와
Figure pat00024
은 마스크의 가로, 세로 길이를 의미하며, 그리고,
Figure pat00025
는 마스크의 평균을 의미한다.
마스크 안의 표준 편차가 크다는 것은 마스크 안의 디테일이 많다는 의미이며, 추정된 디테일은 각 영상의 노출에 따라 다르게 나타난다. 도 9를 참조하면, 추정된 디테일 영상과 위의 영상을 비교해보면 추정된 디테일은 세 장의 영상 중 가장 최적의 디테일을 추정하는 것으로 판단할 수 있다.
각 노출 영상마다 추정된 디테일 값을 비교했을 때 가장 큰 값을 갖는 마스크는 결과 영상 생성을 위한 가장 최상의 디테일을 가지고 있다는 것을 의미한다. 이를 고려하여 알파매트 생성부(140)는 알파 매트를 복수 개 생성한다. 결과 영상으로 합성될 부분을 결정하기 위해 아래 수학식 5를 이용하여 알파매트(alpha matte)를 생성한다. 즉, 도 10을 참조하면, 알파매트가 3개 생성되어 있음을 알 수 있다.
Figure pat00026
또한, 자연스러운 합성을 위해 알파매트는 가우시안 필터(gaussian filter)를 사용하여 블러(blur)시킨다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이 도 10에 도시된 알파매트에 대해 자연스러운 영상 합성을 위해 가운시안 필터를 사용하여 블러링시킨다. 이 과정에서 빠른 계산 속도를 위해 아래 수학식 6을 통해 알파매트를 다운샘플링 한 후 가우시안 필터와 회선(convolution)을 수행한 후 원래의 영상크기로 업샘플링 한다.
Figure pat00027
여기서,
Figure pat00028
는 블러링된 알파매트,
Figure pat00029
는 알파매트, 그리고,
Figure pat00030
는 가우시안 함수로
Figure pat00031
이다.
결과 영상 생성부(150)는 n개의 알파매트를 합성하여 1개의 결과 영상을 생성하는데, 이때 아래 수학식 7과 같이, 블러링된 알파매트를 해당하는 노출 영상의 각 색상 채널과 곱한 후 모두 더하여 결과 영상을 생성한다.
Figure pat00032
도 12 내지 도 19는 본 발명에 따른 HDR 영상 생성 방법을 적용하여 생성된 다수의 노출 영상으로부터 톤 매핑 과정을 거쳐 나온 결과 영상을 도시한 도면이다. 도 12 내지 도 14를 참조하면,
Figure pat00033
이 3일 때, 즉, 단일 입력 영상으로부터 서로 다른 밝기 값을 가지는 노출 영상을 3개 생성하여 최종 영상을 구한 실시예를 도시하고 있다. 도 15 내지 도 16의 경우 단일 입력 영상으로부터 서로 다른 밝기 값을 가지는 노출 영상을 6개 생성하여 최종 영상을 구한 실시예를 도시하고 있다. 나아가, 도 17 내지 도 19를 참조하면, 단일 입력 영상으로부터 서로 다른 밝기 값을 가지는 노출 영상 생성시 입력 영상을 밝게 만드는 경우 뿐만 아니라 어둡게 만드는 노출 영상도 함께 생성하여 결과 영상을 도출하고 있다. 즉, 본 발명에 따른 단일 영상을 이용한 HDR 영상 생성 방법을 적용한 결과 영상은 기존 방법을 사용한 경우보다 더욱 효율적으로 HDR 영상을 생성함을 알 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 유무선 통신망으로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
100 : HDR 영상 생성 장치
110 : 노출 영상 생성부 120 : 밝기 정규화부
130 : 디테일 추정부 140 : 알파매트 생성부
150 : 결과 영상 생성부

Claims (13)

  1. 입력된 단일 영상에 대해 상기 입력 영상과 서로 다른 밝기 값을 가지는 노출(exposure) 영상을 복수 개 생성하는 노출 영상 생성부;
    상기 노출 영상 각각에 대해 표준 편차를 계산하여 합성될 영역인 세부 영역(detail)을 추정하는 디테일 추정부;
    상기 추정된 디테일을 비교하여 최대 표준 편차 값을 갖는 영역을 기준으로 알파매트를 복수 개 생성하는 알파매트 생성부; 및
    상기 생성된 복수의 알파매트를 합성하여 1개의 결과 영상을 생성하는 결과 영상 생성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 HDR 영상 생성 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 생성된 노출 영상 각각에 대해 밝기 값을 정규화하는 밝기 정규화(intensity normalization)부;를 더 포함하고,
    상기 디테일 추정부는 상기 노출 영상 각각에 대해 밝기 값을 정규화한 후 표준 편차를 계산하는 것을 특징으로 하는 HDR 영상 생성 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 노출 영상 생성부는 가중치 값(
    Figure pat00034
    )을 n개 설정하여 노출이 서로 다른 영상을 상기 n개 만큼 생성하는 것을 특징으로 하는 HDR 영상 생성 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 가중치 값(
    Figure pat00035
    )은 0 보다 큰 양수인 것을 특징으로 하는 HDR 영상 생성 장치.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 결과 영상 생성부는 상기 복수의 알파매트 각각에 대해 블러링(blurring) 필터를 적용한 후 상기 노출 영상의 각 색상 채널에 적용하는 것을 특징으로 하는 HDR 영상 생성 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 블러링 필터는 가우시안 필터(gaussian filter)를 이용하여 상기 알파매트와 컨볼루션(convolution)을 수행하는 것을 특징으로 하는 HDR 영상 생성 장치.
  7. HDR 영상 생성 장치에 의해 수행되는 HDR 영상 생성 방법에 있어서,
    (a) 입력된 단일 영상에 대해 상기 입력 영상과 서로 다른 밝기 값을 가지는 노출(exposure) 영상을 복수 개 생성하는 노출 영상 생성 단계;
    (b) 상기 노출 영상 각각에 대해 표준 편차를 계산하여 합성될 영역인 세부 영역(detail)을 추정하는 디테일 추정 단계;
    (c) 상기 추정된 디테일을 비교하여 최대 표준 편차 값을 갖는 영역을 기준으로 알파매트를 복수 개 생성하는 알파매트 생성 단계; 및
    (d) 상기 생성된 복수의 알파매트를 합성하여 1개의 결과 영상을 생성하는 결과 영상 생성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 HDR 영상 생성 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 HDR 영상 생성 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 상기 생성된 노출 영상 각각에 대해 밝기 값을 정규화하는 밝기 정규화(intensity normalization) 단계;를 더 포함하고,
    상기 노출 영상 각각에 대해 밝기 값을 정규화한 후 표준 편차를 계산하는 것을 특징으로 하는 HDR 영상 생성 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 가중치 값(
    Figure pat00036
    )을 n개 설정하여 노출이 서로 다른 영상을 상기 n개 만큼 생성하는 것을 특징으로 하는 HDR 영상 생성 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 가중치 값(
    Figure pat00037
    )은 0 보다 큰 양수인 것을 특징으로 하는 HDR 영상 생성 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 (d) 단계는 상기 복수의 알파매트 각각에 대해 블러링(blurring) 필터를 적용한 후 상기 노출 영상의 각 색상 채널에 적용하는 것을 특징으로 하는 HDR 영상 생성 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 블러링 필터는 가우시안 필터(gaussian filter)를 이용하여 상기 알파매트와 컨볼루션(convolution)을 수행하는 것을 특징으로 하는 HDR 영상 생성 방법.
  13. 제 7항 내지 제 12항 중 어느 한 항에 기재된 HDR 영상 생성 방법을 컴퓨터에서 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.
KR1020120140220A 2012-12-05 2012-12-05 단일 영상을 이용한 hdr 영상 생성 장치 및 방법 KR101437898B1 (ko)

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