KR20150053871A - 화상 강조 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 입력 화상을 선명하게 하여 출력 화상을 생성하는 화상 강조 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 화상 강조 장치는, 상기 입력 화상을 나타내는 입력 화상 신호에 포함되는 주파수 성분의 최소 직류 성분을 제거함으로써 제1 신호를 생성하는 필터부; 상기 제1 신호에 대해 비선형 처리를 수행함으로써 제2 신호를 생성하는 비선형 처리부; 상기 제2 신호를 조정함으로써 제3 신호를 생성하는 제한기; 및 상기 제3 신호를 상기 입력 화상 신호에 가산함으로써 상기 출력 화상을 나타내는 출력 화상 신호를 생성하는 가산부를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 나이퀴스트 주파수보다 높은 주파수 성분을 이용함으로써 화상을 선명하게 강조할 수 있다.

Description

화상 강조 장치 및 그 방법{IMAGE ENHANCING DEVICE AND METHOD THEREOF}
본 출원은 일본 특허 출원 2012-177466호(2012년 8월 9일 출원)의 우선권을 주장 한 것이며, 해당 출원 공개 전체를, 여기에 참조하기 위해 덧붙인다.
본 발명은 화상을 선명하게 하고 화질을 개선하기 위한 화상 강조 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 텔레비전 수신기(TV)로 실시간으로 표시 되는 화상을 선명하게 하기에 적합한 화상 강조 장치 및 화상 강조 방법에 관한 것이다.
화상을 선명하게 하고 화질을 개선하기 위한 화상 강조 처리는, 종래부터 널리 알려져 있다. 예를 들면, 종래의 텔레비전 수상기는, 화면에 표시되는 화상의 윤곽에 해당하는 화상 신호를 순간적으로 상승 또는 하강시켜 윤곽 보상을 수행한다. 이 윤곽 보상에서는 입력 화상 신호(휘도 신호)의 고주파 성분을 추출하여 그 고주파 성분을 증폭하고 입력 화상 신호에 가산함으로써 시각상의 화질을 향상시키고 있다.
도 12는 종래의 화상 강조 처리에 의해 화상의 신호 레벨의 파형 변화를 나타내는 도면이다.
도 12(A)는 입력 화상 신호의 수평 방향 신호 레벨의 파형을 나타내는 도면이며, 특히, 수평 방향으로 신호 레벨이 변화하는 가장자리(edge)에 해당하는 부분의 파형을 나타낸 도면이다. 도 12(B)는 입력 화상 신호에서 추출된 고주파 성분이며, 이 고주파 성분을 증폭하여 입력 화상 신호에 가산함으로써 도 12(C)에 도시된 가장자리(edge)의 상승 변화가 급하게 되어 출력 화상 신호를 얻을 수 있다.
또한, 특히 최근에 입력 화상을 고해상도의 출력 화상으로 업-컨버트(up-converting) 하고, 해당 업-컨버트한 화상을 강조 처리(enhancement processing)한 초해상(super-resolution)이라 불리는 기술도 제안되어 있다(예를 들면 비특허문헌 1 참조).
비특허문헌1 : S. Farsiu, D. Robinson, M. Elad, and P. Milanfar, "Fast and Robust Multi-frame Super-resolution", IEEE Transactions on Image Processing, vol. 13, no. 10, pp. 1327-1344, October 2004.
종래의 화상 강조 처리는, 선형의 디지털 신호 처리에 근거한 것이어서, 나이퀴스트 주파수 보다 높은 주파수 성분, 즉 대상이 되는 화상의 샘플링 주파수의 1/2보다 높은 주파수 성분을 생성할 수 없었다. 이 때문에, 화질 개선을 위하여, 나이퀴스트 주파수를 넘는 주파수 성분을 생성하고 이용하여 화상을 선명하게 하지 못했다.
예를 들면, 고품위 텔레비젼(HDTV: High Definition Television, 1080×1920 픽셀) 수신기는 해상도가 HDTV에 미치지 않는 화상 신호를 확대 표시하는 경우에 화상이 흐릿하게 표시된다. 또한, HDTV의 해상도를 갖는 화상 신호를 보다 고정밀 해상도(예를 들면 4000×2000 픽셀 정도의 4K 해상도)로 확대한 경우도 마찬가지로 화상이 흐릿하게 표시된다. 이렇게 화상이 흐려지는 원인은 확대 처리 후의 화상 신호에는 확대 전 원래 화상의 나이퀴스트 주파수까지의 주파수 성분 밖에 포함되지 않아, 확대 후의 화상 나이퀴스트 주파수 근방의 주파수 성분이 포함되어 있지 않기 때문이다.
이하에서는, 화상의 확대, 강조 처리에 의한 주파수 성분의 변화를 도 13에 의해 설명한다. 도 13(A)는 샘플링 주파수가 fs인 디지털 화상 신호의 주파수 스펙트럼을 나타낸다. 도 13(B)는 이 디지털 화상 신호를 업-컨버트로 픽셀수를 수평 방향으로 2배로 확대한 경우의 주파수 스팩트럼이다. 확대 처리 후의 샘플링 주파수 Fbs는 원래의 샘플링 주파수(fs)의 2배가 된다(Fsb = 2fs). 여기서 도 13(B)에 도시된 바와 같이, 업-컨버트 후의 디지털 화상 신호에서는 원래의 샘플링 주파수(fs)에 대응하는 나이퀴스트 주파수(fs/2)와, 새로운 샘플링 주파수(Fbs)에 대응하는 새로운 나이퀴스트 주파수(Fbs/2 = fs)의 사이에는 주파수 성분이 존재하지 않는다.
도 13(C)는 업-컨버트(up-converting) 후의 디지털 화상 신호에 대한 종래의 선형 디지털 신호 처리에 의한 화상 강조 처리 하였을 경우의 주파수 스펙트럼을 나타내고 있다. 도면과 같이, 선형 디지털 신호 처리에 의한 화상 강조 처리에 따라, 원래의 나이퀴스트 주파수(fs/2) 근방의 주파수 성분은 증대하고 있다. 그러나, 종래의 선형 디지털 신호 처리에 의한 화상 강조 처리에서는 원래의 나이퀴스트 주파수(fs/2)를 넘는 주파수 성분이 생성되지 않는다. 그래서 종래의 선형 디지털 신호 처리에 의한 화상 강조 처리에서는, 예를 들면 도 13(D)에 예시하듯이, 원래의 나이퀴스트 주파수(fs/2)를 넘어 새로운 나이퀴스트 주파수(Fbs/2) 근방의 주파수 성분이 생성되지 않는다. 즉 업-컨버트(up-converting) 후의 디지털 화상 신호에 대해, 화질 개선을 위해 나이퀴스트 주파수를 넘는 주파수 성분을 생성하고 이용하여 화상을 선명하게 할 수 없었다.
또한, 비특허 문헌1 등에 기재된 종래의 초해상 기술은, 샘플링 주파수 수가 같은 복수의 프레임에 반복 연산 처리를 하고, 각 프레임에서 해상도 높은 픽셀을 선택해 합성함으로써 화상 강조 처리를 실시하는 것이다. 그래서 화상에 따라서는 올바른 복원이 불가능하기 때문에, 동화상에서는 깨진 화상이 갑자기 나타나거나 하는 깜빡임이 발생할 가능성이 있고, 또한, 복수의 프레임을 사용한 연산 처리량이 매우 무겁다는 문제가 있었다.
따라서, 본 발명은 복수의 프레임에 대한 반복 연산 없이, 나이퀴스트 주파수를 넘는 주파수 성분에 의한 화상을 선명하게 강조할 수 있는 화상 강조 장치 및 화상 강조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 입력 화상을 선명하게 하여 출력 화상을 생성하는 화상 강조 장치는, 상기 입력 화상을 나타내는 입력 화상 신호에 포함되는 주파수 성분의 최소한의 직류 성분을 제거함으로써 제1 신호를 생성하는 필터부; 상기 제1 신호에 대해 비선형 처리 - 상기 비선형 처리는 상기 제1 신호의 양의 영역과 음의 영역 사이에서 비대칭이며, 상기 양의 영역에 적용되는 비선형 처리와 상기 음의 영역에 적용되는 비선형 처리가 원점을 지나는 연속함수로서 표현되며, 상기 양의 영역과 상기 음의 영역 사이에서 비대칭인 비선형 처리에 의해 생성되는 하나의 밴드의 주파수 성분 또한 상기 양의 영역과 상기 음의 영역 사이에서 비대칭임 - 를 수행함으로써 제2 신호를 생성하는 비선형 처리부; 상기 제2 신호를 조정함으로써 제3 신호를 생성하는 제한기; 및 상기 제3 신호를 상기 입력 화상 신호에 가산함으로써 상기 출력 화상을 나타내는 출력 화상 신호를 생성하는 가산부를 포함한다.
또한, 전환기(switch)를 더 포함하며, 상기 비선형 처리부는, 상기 제1 신호에 대해 복수 종류의 비선형 처리 - 상기 비선형 처리는 서로 구별되는 연속 함수를 가지며 상기 양의 영역과 상기 음의 영영 사이에서 비대칭임 - 를 수행함으로써 복수 종류의 제2 신호를 생성하고, 상기 전환기(switch)는, 각각의 픽셀에 대해서, 상기 입력 화상 신호의 신호 레벨에 기초하는 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 인간의 지각 특성에 맞는 1개의 제2 신호를 선택하여 제4 신호를 생성하고, 상기 제한기는, 상기 제4 신호를 조정하여 상기 제3 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 전환기(switch)는, 상기 신호 레벨이 기설정된 임계치 이하인 픽셀에 대해 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 상기 제1 신호의 양의 영역에서의 변화율이 큰 제2 신호를 선택하여 상기 제4 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 전환기(switch)는, 상기 신호 레벨이 기설정된 임계치보다 높은 픽셀에 대해 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 상기 제1 신호의 음의 영역에서의 변화율이 큰 제2 신호를 선택하여 상기 제4 신호를 생성할 수 있다.
또한, 전환기(switch)를 더 포함하며, 상기 전환기는 상기 입력 화상 신호의 신호 레벨에 따라, 픽셀마다 상기 제1 신호 또는 상기 제2 신호 중에서 하나를 선택하여 제4 신호를 생성하고, 상기 제한기는 상기 제4 신호를 조정하여 상기 제3 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 전환기는, 상기 신호 레벨이 기설정된 상한 및 하한의 범위에 포함되는 픽셀에 대해 상기 제2 신호를 선택하여 상기 제4 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 입력 화상 신호의 각 픽셀에 대해, 주변 픽셀(surrounding pixel)을 포함하는 기설정된 영역의 평균 신호 레벨을 산출하는 영역 필터(area filter)를 더 포함하고, 상기 전환기(switch)는 상기 각 픽셀의 상기 평균 신호 레벨에 기초하는 상기 제4 신호를 생성할 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 해결 수단을 장치로 설명해 왔지만, 본 발명은 이들에게 실질적으로 상당하는, 장치가 갖는 프로세서에 의해 실행되는 방법, 프로그램, 또는 프로그램을 기록한 기억 매체로 실현하여 얻을 수 있으며, 본 발명의 범위에는 이들도 포함될 것으로 이해하고 싶다.
본 발명의 다른 실시예에 있어서, 본 발명을 방법으로 실현한 화상 강조 방법은, 상기 입력 화상을 나타내는 입력 화상 신호에 포함되는 주파수 성분의 최소한의 직류 성분을 제거함으로써 제1 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 신호에 대해 비선형 처리 - 상기 비선형 처리는 상기 제1 신호의 양의 영역과 음의 영역 사이에서 비대칭이며, 상기 양의 영역에 적용되는 비선형 처리와 상기 음의 영역에 적용되는 비선형 처리가 원점을 지나는 연속함수로서 표현되며, 상기 양의 영역과 상기 음의 영역 사이에서 비대칭인 비선형 처리에 의해 생성되는 하나의 밴드의 주파수 성분 또한 상기 양의 영역과 상기 음의 영역 사이에서 비대칭임 - 를 수행함으로써 제2 신호를 생성하는 비선형 처리 단계; 상기 제2 신호를 조정함으로써 제3 신호를 생성하는 조정 단계; 및 상기 제3 신호를 상기 입력 화상 신호에 가산함으로써 상기 출력 화상을 나타내는 출력 화상 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
또한, 전환 단계를 더 포함하며, 상기 비선형 처리 단계에서, 상기 제1 신호에 대해 복수 종류의 비선형 처리 - 상기 비선형 처리는 서로 구별되는 연속 함수를 가지며 상기 양의 영역과 상기 음의 영영 사이에서 비대칭임 - 를 수행함으로써 복수 종류의 제2 신호를 생성하고, 상기 전환기 단계에서, 각각의 픽셀에 대해서, 상기 입력 화상 신호의 신호 레벨에 기초하는 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 1개의 제2 신호를 선택하여 제4 신호를 생성하고, 상기 조정 단계에서, 상기 제4 신호를 조정하여 상기 제3 신호를 생성할 수 있다.
또, 상기 전환 단계에서, 상기 신호 레벨이 기설정된 임계치 이하인 픽셀에 대해 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 상기 제1 신호의 양의 영역에서의 변화율이 큰 제2 신호를 선택하여 상기 제4 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 전환 단계에서, 상기 신호 레벨이 기설정된 임계치보다 높은 픽셀에 대해 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 상기 제1 신호의 음의 영역에서의 변화율이 큰 제2 신호를 선택하여 상기 제4 신호를 생성할 수 있다.
또한, 전환 단계를 더 포함하며, 상기 전환 단계에서, 상기 입력 화상 신호의 신호 레벨에 따라 픽셀마다 상기 제1 신호 또는 상기 제2 신호 중에서 하나를 선택하여 제4신호를 생성하고, 상기 조정 단계에서, 상기 제4 신호를 조정하여 상기 제3신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 전환 단계에서, 상기 신호 레벨이 기설정된 상한 및 하한의 범위에 포함되는 픽셀에 대해 상기 제2 신호를 선택하여 상기 제4 신호를 생성할 수 있다.
또한, 상기 입력 화상 신호의 각 픽셀에 대해, 주변 픽셀을 포함하는 기설정된 영역의 평균 신호 레벨을 산출하는 단계를 더 포함하고, 상기 전환 단계에 있고, 상기 각 픽셀의 상기 평균 신호 레벨에 기초하는 상기 제4 신호를 생성할 수 있다.
본 발명인 화상 강조 장치 및 그 방법에 따르면, 복수 프레임에 대한 반복 연산 없이 나이퀴스트 주파수보다 높은 주파수 성분을 이용함으로써 화상을 선명하게 강조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 화상 강조 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 화상의 수평 방향의 신호 레벨의 파형을 나타내는 도면이다.
도 3은 고역 통과 필터의 구성의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 저역 통과 통과 필터에 의해 구성한 고역 통과 필터의 한 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 비대칭 비선형 처리를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 화상 강조 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 화상의 수평 방향 신호 레벨의 파형을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 비대칭 비선형 처리를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 화상 강조 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 화상의 수평 방향 신호 레벨의 파형을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 비대칭 비선형 처리를 나타내는 도면이다.
도 12는 종래의 화상 강조 처리에 의한 화상 신호 레벨의 파형 변화를 나타내는 도면이다.
도 13은 화상의 확대, 강조 처리에 의한 주파수 성분의 변화를 나타내는 도면이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
(제1 실시예)
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 화상 강조 장치(1)의 구성을 나타낸 블록도이다.
이 화상 강조 장치(1)는, 화상을 나타내는 디지털 신호로 외부에서 입력되는 입력 화상 신호(Sin)에 대해, 그 입력 화상 신호(Sin)의 표시 화상을 선명하게 하기 위한 처리(이하 "화상 강조 처리" 또는 단순히 "강조 처리")를 하는 장치이며, 고역 통과 필터(HPF)(10), 비선형 처리부(20) 제한기(30) 및 가산기(50)를 포함한다.
입력 화상 신호(input image signal)(Sin)에 의해 표현되는 화상(image)은 정지 화상(still image) 또는 동화상(video) 일 수 있다. 입력 화상 신호(Sin)가 동화상인 경우, 그 동화상은, 예를 들면 표준 화질 텔레비전 (SDTV: Standard Definition Television) 또는 고품위 텔레비전(HDTV: High Definition Television)의 수신기에서 실시간으로 표현되는 동화상일 수 있다.
이하, 도 2에 도시된 화상의 수평 방향의 신호 레벨(휘도 값)의 파형을 예로 하여, 각 구성부의 동작 및 출력되는 파형의 설명을 한다. 또한, 다음의 설명에서는 화상의 수평 방향 신호 레벨의 파형에 대해, 각 구성부의 설명을 하지만, 화상의 수직 방향의 신호 레벨의 파형과, 동화상에 대한 화상 사이의 시간 방향의 신호 레벨의 파형에 대해서도 각 구성부는 수평 방향과 동등한 처리로 화상 강조 처리를 할 수 있는 점에 유의한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 화상의 수평 방향의 신호 레벨의 파형을 나타내는 도면이고, 도 2(A)는 입력 화상 신호(Sin)의 수평 방향 신호 레벨의 파형을 나타내는 도면이다.
특히, 수평 방향으로 신호 레벨이 변화하는 가장자리(edge)에 해당하는 부분의 파형을 나타내는 도면이다. 또한 입력 화상 신호(Sin)의 해상도는 출력 화상 신호(Sout)의 해상도에 대응하는 것이며, 출력 화상의 해상도가 원래의 입력 화상의 해상도보다 높은 경우, 입력 화상 신호(Sin)는, 원래 입력 화상의 해상도를 출력 화상 신호(Sout)의 해상도에 업-컨버트(up-converting) 한 것이다. 예를 들면, 화상 강조 장치(1)에 의해 SDTV의 화상을 HDTV의 화상으로 출력하는 경우, 입력 화상 신호(Sin)는 원래의 SDTV의 화상을 기존의 선형 변환에 의한 HDTV의 해상도로 변환된 신호가 된다.
HPF(10)은 입력 화상 신호(Sin)에 포함되는 주파수 성분의 최소 직류 성분을 제거함으로써 고주파 신호인 제1 신호(S1)를 생성한다. 구체적으로는 HPF(10)은 입력 화상 신호(Sin)의 표시 화상의 윤곽 성분을 포함한 고주파 성분을 추출하여, 도 2(A)의 입력 화상 신호(Sin)에서, 도 2(B) 제1 신호(S1)를 추출한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 고역 통과 필터(HPF)의 구성의 한 예를 나타내는 블록이다.
도 3과 같이, HPF(10)는 m-1 개의 단위 지연 소자(111 내지 11(m-1)), m 개의 곱셈기(121 내지 12m), 1 개의 가산기(131)로 구성되는 m 탭(m 은 3 이상)의 횡단 디지털 필터(transversal digital filter)를 포함한다. 이 경우 각 곱셈기 12j(j=1 내지 m, 이하 동일)는 입력되는 신호에 계수 Cj을 곱하여 그 결과를 가산기(131)에 출력하여 계수 Cj는, HPF(10)가, 윤곽 성분을 포함한 고주파 성분을 추출하도록 설정되어 있다(예를 들면, m = 3, C1 = 0.5, C2 = -1, C3 = 0.5). 또한 일반적으로 고역 통과 필터를 실현하기보다는 저역 통과 필터를 실현하는 것이 용이하다.
도 4는 저역 통과 필터에 의해 구성한 고역 통과 필터의 한 예를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 HPF(10)는 저역 통과 필터(이하 LPF)(11) 및 감산기(12)를 이용한 구성에 의해 도 4와 같이 구현될 수 있다.
비선형 처리부(20)는, 제1 신호(S1)에 대해, 제1 신호(S1)의 양의 영역과 음의 영역 사이에서 비대칭(asymmetric)인 비선형 처리를 수행함으로써 제2 신호(S2)를 생성한다. 제1 신호(S1)는 도 2(B)에 도시된 바와 같이 정 방향(positive direction)의 윤곽 성분(contour component)과 음 방향(negative direction)의 윤곽 성분(contour component)을 포함한다. 여기서 제1 신호(S1)의 양 방향 및 음 방향은, 흰색 픽셀 방향 및 검은색 픽셀 방향을 각각 나타낸다.
본 발명의 실시예에 따르면 상기 두 방향 사이에서, 동일한(대칭적인) 비선형 처리를 적용한 것이 아니라, 서로 다른(비대칭적인) 비선형 처리를 적용함으로써, 인간의 시각 특성(human visual characteristics)에 보다 부합하는 에지 강조(edge enhancement)가 가능하다. 즉 비선형 처리부(20)는, 제1 신호(S1)의 양 방향의 윤곽 성분과, 음 방향의 윤곽 성분에 대해 서로 다른(비대칭적인) 비선형 처리를 수행한다. 상기 이유로 인해, 제1 신호(S1)의 양의 영역과 음의 영역 사이에서 비대칭(asymmetric)인 비선형 처리(nonlinear processing)는 비대칭 비선형 처리(asymmetric nonlinear processing)로 명명된다.
비선형 처리부(20)에 의해 수행되는 비대칭 비선형 처리로서, 상기 양의 영역을 위해 사용되는 값(value) 및 상기 음의 영역을 위해 사용되는 값(value)이 제1 신호(S1)의 원점(값이 제로가 되는 점)을 중심으로 연속하는 한, 모든 비선형 처리는 서로 조합될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 비대칭 비선형 처리를 나타내는 도면이다.
본 실시예에서 비선형 처리부(20)는, 예를 들면 도 5 와 같이, 제1 신호(S1)가 양인 경우에는 제1 신호(S1)를 3승 하여 제2 신호(S2)를 생성하고(S2 = S13), 제1 신호(S1)가 음인 경우에는 제1 신호(S1)를 2승 하여 음의 부호를 갖는 제2 신호(S2)를 생성한다(S2 = -S12). 도 2(C)는 비선형 처리부(20)에 의한 비대칭 비선형 처리에 따른 제2 신호(S2)의 파형을 나타내는 도면이다. 도 2(C)에 도시된 바와 같이, 제2 신호(S2)의 양의 파형이 크게 증폭된다.
비선형 처리부(20)에 의해 수행되고, 제1 신호(S1)의 상기 양의 영역과 상기 음의 영역 사이에서 비대칭인 비선형 처리에 의해, 인간의 지각 특성에 부합하는 화상 강조 처리가 아래와 같이 가능하다. 예를 들면, 인간의 감각에 기초한 법칙으로서 베버-페히너 법칙(Weber-Fechner Law)이 알려져 있다. 이 법칙을 화상 인식에 적용해 보면 휘도가 낮은 영역의 윤곽은 휘도가 높은 영역의 윤곽에 비해 지각되기 쉽다고 할 수 있다. 그 때문에, 예를 들면, 비선형 처리부(20)는, 신호 레벨(휘도)이 낮은 픽셀에 대해 비선형 처리를 수행함으로써 제1 신호(S1)의 에지 강조 성분(edge enhancement component)을 증폭할 수 있다.
또한, 비선형 처리부(20)에 의한 비대칭 비선형 처리는 2승 처리 및 3승 처리의 조합에 국한되지 않고, 다른 비선형 처리를 하는 것이 가능하다. 예를 들면, 제1 신호(S1)의 양의 영역 및 음의 영역에 있어서, 각 영역에서의 비선형 처리는, 아래 수학식 1에 의해 표현되는 것이 가능하다. 각 처리부에 의한 비선형 처리는 p/q 으로 표현되는 일반적인 유리수의 지수 제곱을 모두 포함한다. 또한, 해당 거듭 제곱 처리에서, 제1 신호(S1)의 값이 양의 값인지 음의 값인지 여부, 즉 부호는 유지된다. 예를 들면, 거듭 제곱 처리로서 짝수 제곱(예를 들면, 2승)을 실시하는 경우에도, 제1 신호(S1)가 음의 경우에는, 거듭 제곱 처리 후의 값의 부호는 음으로 유지된다(예를 들면, S2 = -S12).
Figure pct00001
또한, 비선형 처리부(20)는 비대칭 비선형 처리(asymmetric nonlinear processing)로서 삼각 함수(예를 들면, S2 = Sin(S1)), 로그 함수(예를 들면, S2 = log(|S1|+ 1)) 및 감마 보정 함수(gamma correction function)(예를 들면, S2 = S11/2) 등 다양한 비선형 함수의 적절한 조합을 이용할 수 있다.
또한, 비선형 처리부(20)는, 제1 신호(S1)의 각 신호 레벨을 위한 가산치를 데이블에 미리 홀딩함(preliminarily holding)으로써 - 예를 들면 8비트 신호 레벨에 대해서는 최소치 0에서 최대치 255까지의 값을 취하고, 제1 신호(S1)의 각각의 신호 레벨에 기초한 ±10의 범위의 값을 가산하는 등 - 수학식 1과 같은 일반식에 의하지 않은 비선형 처리도 가능하다.
제한기(30)는 제2 신호(S2)의 진폭(신호 레벨)의 제어기로서 기능하고, 제2 신호(S2)를 조정함으로써 제3 신호(S3)를 생성한다. 구체적으로 제2 신호(S2)의 진폭이 기설정된 상한치 이하가 되도록 클립 처리(clip processing)를 하거나, 제2 신호(S2)에 상수α(0≤α<1)를 곱함으로써 해당 제2 신호(S2) 레벨의 게인 조정(gain adjustment)을 수행한다. 또한, 제한기(30)는 노이즈를 제거하기 위해 제2 신호(S2)의 기설정된 하한치 이하의 신호 값을 0으로 반올림 처리 할 수 있다. 제한기(30)는 클립 처리(clip processing), 게인 조정(gain adjustment), 또는 반올림 처리(rounding processing)가 수행된 제2 신호(S2)를 제3 신호(S3)로서 가산기(50)에 출력한다.
가산기(50)는 제3 신호(S3) 화상을 선명하게 하기 위한 보상용 신호로 입력 화상 신호(Sin)에 가산함으로써 출력 화상 신호(Sout)를 생성한다. 즉, Sout = Sin + S3이며, 도 2(A)의 입력 픽셀 신호에 도 2(C)의 제 2신호(S2)를 조정한 제3 신호(S3)를 가산함으로써 도 2(D)에 표시한 화상 강조 처리 후의 신호를 생성한다. 이 출력 화상 신호(Sout)의 에지부(edge portion)의 상승 변화(rising change)는 입력 화상 신호(Sin)의 에지부의 상승 변화(rising change)보다 가파르게 된다. 즉, 입력 화상 신호(Sin)보다 선명한 화상을 얻을 수 있다. 또한, 가산기(50)는 입력 화상 신호(Sin)와 제3 신호(S3) 사이에서 타이밍을 조정하기 위한 지연 소자를 필요에 따라 구비할 수 있다.
본 실시예에 따른 강조 장치(1)는, 종래의 화상 강조 장치에서는 보상할 수 없었던 나이퀴스트 주파수(fs/2)를 넘는 고주파 영역 - 이 영역은 기존의 기술에 의한 화상 강조 장치에 의해서는 보상받지 못함 - 보상도 가능하기 때문에, 본 발명에 따른 화상 강조 장치(1)는 확대 처리(magnification processing)된 화상 신호로 표시되는 화상을 선명하게 함으로써 특히 화질 개선에 있어서 효과적이다. 이하, 비선형 처리부(20)에 의한 비선형 처리에 따른 나이퀴스트 주파수(fs/2)를 넘는 고주파 영역의 보상이 가능한 점에 대해 더욱 자세히 설명한다.
이제, 입력 화상 신호(Sin)가 위치 x(수평 방향)에서 함수 f(x)로 표현되고, 입력 화상 신호(Sin)의 기본 각주파수가 ω로 표현되는 경우, 상기 함수 f(x)는 수학식 2와 같은 푸리에 급수로 표현될 수 있다.
Figure pct00002
여기에서 N은 샘플링 주파수(fs)(화상 확대 처리 전)에 대응하는 나이퀴스트 주파수(fs/2)를 넘지 않는 최고 주파수의 고조파 차수(degree of a harmonic)이다. 즉, Nω/(2π) < fs/2 ≤ (N+1)ω/(2π) 이다.
상기 수학식 2에 따라, 함수 f(x)로 표현되는 입력 화상 신호(Sin)(이하 "입력 신호 f(x)"이라고도 함)의 직류 성분 a0 이외의 부분을 g(x) 라고 하면, g(x)는 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure pct00003
HPF(10)에서 출력되는 제1 신호(S1)는, 상기 신호 g(x) 또는 신호 g(x)의 고주파 성분을 포함하고 있고, 비선형 처리부(20)에 의해 상기 제1 신호(S1)의 양의 영역과 음의 영역 사이에서 비대칭인 비선형 처리된다.
예를 들면, 비선형 처리부(20)가, 양의 제1 신호(S1)를 3승함으로써, 제2 신호(S2)를 생성할 경우 제2 신호(S2)에서의 각 항은 아래 수학식 4에서 (4a) 내지 (4d) 중의 하나로 표현된다.
Figure pct00004
예를 들면, 상기 수학식 4의 (4a) 내지(4d)에 의해 표현되는 다음의 항목인, i = j = k = N 을 주목하면, 상기 항목들은 삼각 함수 공식에 기초하여 다음 수학식 5와 같이 다르게 표현될 수 있다.
Figure pct00005
또한, 예를 들면 i = j = k = -N 항목 중 상기 수학식5의 (4a) 및 (4d)로 나타나는 아래의 항에 주목하면, 이 항은 삼각 함수 공식에 기초하여 다음 수학식 6과 같이 다르게 표현될 수 있다.
Figure pct00006
상기식 (5a), (5d), (6a) 및 (6d)로부터, (g(x))3은 기본 각주파수(ω)의 3N 배의 주파수 성분과 -3N 배의 주파수 성분을 포함하는 것을 알 수 있다. 또한, 삼각 함수 공식을 이용하여 (g(x))3의 다른 항을 다르게 표현함으로써, (g(x))3은 기본 각주파수(ω)의 -3N 배에서 3N 배까지 다양한 주파수 성분을 포함하는 것을 알 수 있다.
또한, 비선형 처리부(20)가, 음의 제1 신호(S1)를 2승 하고 부호를 마이너스로 함으로써 제2 신호(S2)를 생성할 경우 제2 신호(S2)에서의 각 항은 다음 수학식 7의 (7a) 내지 (7c) 중의 하나로 표현된다.
Figure pct00007
삼각 함수 공식을 이용하면 위의 수학식 7의 (7a) 내지 (7c)은 아래 수학식 8의 (8a) 내지 (8c)과 같이 표현될 수 있다.
Figure pct00008
상기 수학식 8에서, (g(x)2은 (N+1)ω, (N+2)ω, ... , 2Nω와 같은 각 주파수 성분을 포함하므로, 나이퀴스트 주파수(fs/2)보다 높은 주파수 성분을 포함한다. 이 때문에, 제2 신호(S2)도 주파수 2Nω/(2π)와 같은 고주파 성분처럼 나이퀴스트 주파수(fs/2)보다 높은 주파수 성분을 포함한다.
따라서, 픽셀 수를 수평 방향으로 2배가 되게 하는 화상 확대 처리를 거친 화상 신호가 입력 화상 신호(Sin)로서 본 실시예의 화상 강조 장치(1)에 입력되면, HPF(10)을 거쳐 비선형 처리부(20)의 처리에 의해, 화상 확대 처리 전의 나이퀴스트 주파수(fs/2)보다 높은 주파수 성분을 포함한 제2 신호(S2)가 생성된다. 제한기(30)가 출력하는 제3 신호(S3)에도 화상 확대 처리 전의 나이퀴스트 주파수(fs/2)보다 높은 주파수 성분이 포함된다. 이 때문에, 입력 화상 신호(Sin)와 보상용 신호인 제3 신호(S3)를 가산한 출력 화상 신호(Sout)에도 마찬가지로 화상 확대 처리 전의 나이퀴스트 주파수(fs/2)보다 높은 주파수 여러 성분이 포함된다. 그 결과, 출력 화상 신호(Sout)의 주파수 스펙트럼은 예를 들면, 도 13(D)와 같이 원래 나이퀴스트 주파수(fs/2)를 초과하고, 새로운 나이퀴스트 주파수(Fbs/2)와 근접한 주파수 성분이 생성된다.
이처럼 본 실시예에 따르면 비선형 처리부(20)는 제1 신호(S1)에 비대칭 비선형 처리를 실시하는 제2 신호(S2)를 생성하고, 제한기(30)는 제2 신호(S2)를 조정하여 제3 신호(S3)를 생성하고, 가산기(50)는 제3 신호를 입력 화상 신호(Sin)에 가산하여 출력 화상을 나타내는 출력 화상 신호(Sout)를 생성한다. 이것에 의해, 여러 프레임에 대한 반복 연산 없이 나이퀴스트 주파수를 넘는 주파수 성분에 의한 화상을 선명하게 강조할 수 있다.
더욱 자세하게, 비선형 처리부(20)는 나이퀴스트 주파수(fs/2)보다 높은 고주파 성분, 예를 들면 입력 화상 신호(Sin)의 주파수 성분에서의 고주파 성분을 생성한다. 상기 고주파 성분을 이용하여, 입력 화상 신호(Sin)에 선명화 하기 위한 처리가 수행된다. 즉, 샘플링 주파수가 fs인 디지털 화상 신호에서 화상 확대 처리에 의해 샘플링 주파수 Fbs = 2fs의 화상 신호를 생성하고 이 화상 신호를 입력 화상 신호(Sin)로 사용하는 것으로 하면 비선형 처리부(20)의 처리에 따라 원래 샘플링 주파수(fs)에 대응하는 나이퀴스트 주파수(fs/2)보다 높은 주파수 성분을 담은 제3 신호(S3)가 보상용 신호로 생성되어, 이 제3 신호(S3)가 입력 화상 신호(Sin)에 가산된다. 이를 통해 본 실시예의 출력 화상 신호(Sout)의 주파수 스펙트럼은 도 13(D)에 도시된 바와 같이, 확대 처리 전의 나이퀴스트 주파수(fs/2)를 넘는 성분을 포함한 종래의 화상 강조 장치에 비해 확대 처리 후의 화상을 충분히 선명하게 할 수 있게 된다.
또한, 도 1에 도시된 간단한 구성으로 본 실시예와 관련한 화상 강조 장치(1)를 실현할 수 있으므로, 이 화상 강조 장치(1)를 고품위 텔레비전(HDTV)과 디지털 표준 텔레비전(SDTV)의 수신기 등에 이용함으로써, 정지 화면뿐만 아니라 실시간으로 표시되는 동화상에 대해서도 큰 비용 증가를 초래하지 않고 화질을 개선할 수 있다.
또한, 본 실시예는 종래의 화상 강조 장치에서는 보상하지 못한 나이퀴스트 주파수(fs/2)를 넘는 고주파 영역의 보상도 가능하므로, 특히 확대 처리된 화상 신호의 표시 화상의 선명화에 의한 화질 향상에서 특히 효과를 나타낸다. 예를 들면 고품위 텔레비전(HDTV) 수신기의 디스플레이에서, 디지털 표준 텔레비전(SDTV: Standard Definition Television)의 화상 신호로 확대 처리를 하고 화상을 표시하는 경우에, 본 실시예는 실시간으로 표시되는 동화상을 간단한 구성으로 충분히 선명화 할 수 있다는 점에서 큰 효과를 나타낸다. 또한, 현재 HDTV의 픽셀 수보다 많은 4000×2000 정도의 픽셀수의 디스플레이(이하 4k디스플레이)나 그것에 대응한 텔레비전 방송을 위한 기술 개발이 이루어졌으며, HDTV용 화상 신호를 업-컨버트(up-converting)하여 상기 4k디스플레이에서 표시하는 경우에도 본 실시예는 같은 상기와 같은 점에서 큰 효과를 나타낸다.
(제2 실시예)
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 화상 강조 장치(2)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 6에서 화상 강조 장치(2)는 고역 통과 필터(HPF)(10), 비선형 처리부(23), 전환기(40), 제한기(31) 및 가산기(50)를 포함한다.
다음 도 7에 나타난 화상의 수평 방향 신호 레벨(휘도 값)의 파형을 예로 들어, 각 구성부의 동작 및 출력되는 파형의 설명을 한다. 또한, 제1 실시예와 동일한 부호를 붙인 기능부에 대해서는 제1 실시예와 동등한 처리를 하는 것으로서 본 실시예에서 상세한 설명을 생략한다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 화상의 수평 방향 신호 레벨의 파형을 나타내는 도면이다.
예를 들면, HPF(10)는 제1 실시예와 마찬가지로 도 7(A)의 입력 화상 신호(Sin)의 고주파 성분을 추출하여 도 7(B)에 도시된 제1 신호(S1)를 생성한다.
비선형 처리부(23)는, 제1 신호(S1)에 복수 종류의 비대칭 비선형 처리를 수행함으로써 복수 종류의 제2 신호를 생성한다. 본 실시예와 관련한 비선형 처리부(23)는 제1 처리부(21) 및 제2 처리부(22)를 포함하고 제1 처리부(21) 및 제2 처리부(22)는 각각 다른 비대칭 비선형 처리를 수행한다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 비대칭 비선형 처리를 나타내는 도면이다.
예를 들면 제1 처리부(21)는, 도 8(A)와 같이 제1 신호(S1)가 양인 경우에는 제1 신호(S1)를 3승 하여 제2 신호(S21)를 생성하고, (S21 = S13) 제1 신호(S1)가 음인 경우에는 제1 신호(S1)를 2승하고 부호를 음으로 하여 제2 신호(S21)를 생성한다(S21 = -S12).
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 화상의 수평 방향 신호 레벨의 파형을 나타내는 도면이다.
도 7(C1)은 제1 처리부(21)에 의한 비대칭 비선형 처리에 의해 제2 신호(S21)의 파형을 나타내는 도면이다.
도 7(C1)에 도시된 바와 같이, 제2 신호(S21)는 양의 파형이 음의 파형에 비해 크게 증폭된다. 이에 따라 예를 들면, 신호 레벨(휘도)이 낮은 픽셀에 대해 제1 처리부(21)의 처리를 적용함으로써 제1 신호(S1)의 에지 성분(Edge Component)을 강조할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 비대칭 비선형 처리를 나타내는 도면이다.
또 다른 예를 들면, 제2 처리부(22)는 도 8(B)과 같이 제1 신호(S1)가 양인 경우에는 제1 신호(S1)를 2승 하고 제2 신호(S22)를 생성하고(S22 = S12), 제1 신호(S1)가 음인 경우에는 제1 신호(S1)을 3승 하여 제2 신호(S22)를 생성한다(S22 = S13). 도 7(C2)는 제2 처리부(22)에 의한 비대칭 비선형 처리에 의해 제2 신호(S22)의 파형을 나타내는 도면이다. 도면과 같이, 제2 신호(S22)는 음의 파형이 양의 파형에 비해 크게 증폭된다. 이에 따라 예를 들면, 신호 레벨(휘도)이 높은 픽셀에 대해 제2 처리부(22)의 처리를 적용함으로써 증폭에 의한 값의 포화·발산을 막고 휘도 레벨이 낮은 픽셀에 대해 제1 신호(S1)의 에지 성분(Edge Component)을 강조할 수 있다.
전환기(40)는, 입력 화상 신호(Sin)의 신호 레벨에 따라 픽셀 마다 복수 종류의 제2 신호(S21, S22)에서 1개의 제2 신호를 선택하고, 제4 신호(S4)를 생성한다. 여기에서 위에서 말한 대로 휘도가 낮은 영역의 윤곽은 휘도가 높은 영역의 윤곽에 비해 지각되기 쉽다. 즉 인간의 시각 특성에 따라 각 픽셀의 신호 레벨(휘도)에 따라 양의 방향(흰색 방향)의 에지에 대한 제어와, 음의 방향(검은색 방향)의 에지에 대한 제어를 바꾸는 것이 바람직하다.
따라서 휘도가 낮은 영역의 윤곽을 보다 강조하기 위해 전환기(40)는 신호 레벨(휘도)의 낮은 픽셀은 제1 신호(S1)의 양 영역에서 변화율의 큰 제1 처리부(21)에 의해 제2 신호(S21)를 제4 신호(S4)로 선택한다.
또한, 전환기(40)는 신호 레벨(휘도)의 높은 픽셀은 증폭으로써 값의 포화 및 발산을 막고 휘도 레벨이 낮은 픽셀의 에지 성분을 강조하기 위해 제1 신호(S1)의 음의 영역에서의 변화율이 큰 제2 처리부(22)에 의해 제2 신호(S22)를 제4 신호(S4)로 선택한다.
예를 들면, 전환기(40)는 입력 화상 신호(Sin)를 8비트의 신호로 하면, 신호 레벨이 0~127의 픽셀에 대해서는 제1 처리부(21)에서 제2 신호(S21)를 제4 신호(S4)로 제한기(31)에 출력하여 신호 레벨이 128~255의 픽셀에 대해서는 제2 처리부(22)의 제2 신호(S22)를 제4 신호(S4)로 제한기(31)에 출력한다.
도 7(D)는, 전환기(40)가 제2 처리부(22)에 의해 제2 신호(S22)를 제4 신호(S4)로 선택한 경우의 파형을 나타내는 것이다.
제한기(31)는 제4 신호(S4)를 조정하고 제3 신호(S31)을 생성하는 가산기(50)는 제3 신호(S31)를 화상의 선명화를 위한 보상용 신호로 입력 화상 신호(Sin)에 가산함으로써 출력 화상 신호(Sout)를 생성한다.
이처럼 본 실시예에 따르면 비선형 처리부(23)는, 제1 신호(S1)에 복수 종류의 비대칭 비선형 처리를 실시하는 복수 종류의 제2 신호(S21, S22)를 생성하고 전환기(40)는 입력 화상 신호(Sin)의 신호 레벨에 따라 픽셀 마다 복수 종류의 제2 신호(S21, S22)에서 1개의 제2 신호를 선택하고 제4 신호(S4)를 생성하고, 제한기(31)는 제4 신호(S4)를 조정하고, 제3 신호(S31)를 생성하고 가산기(50)는 제3 신호(S31)를 입력 화상 신호(Sin)에 가산하고, 출력 화상을 나타내는 출력 화상 신호(Sout)를 생성한다. 이에 따라 여러 프레임에 대한 반복 연산 없이 나이퀴스트 주파수를 넘는 주파수 성분에 의한 화상을 선명하게 강조할 수 있다.
특히, 전환기(40)는 입력 화상 신호(Sin)의 신호 레벨에 따라 픽셀 마다 복수 종류의 제2 신호(S21, S22)에서 1개의 제2 신호를 선택하는 처리를 한다. 즉, 입력 화상의 휘도가 낮은 영역과 높은 영역 등 입력 화상의 픽셀 마다 다른 비대칭 비선형 처리를 하고 각 영역에 있던 화상 강조 처리를 할 수 있게 된다.
예를 들면, 전환기(40)는 신호 레벨이 기설정된 임계치 이하의 픽셀에 대해 복수 종류의 제2 신호(S21, S22)에서 제1 신호(S1)의 양의 영역에서의 변화율이 큰 제2 신호를 선택하고 제4 신호(S4)를 생성한다. 이에 따라 휘도가 낮은 영역의 윤곽은 휘도가 높은 영역의 윤곽은 휘도가 높은 윤곽에 비해 지각하기 쉬운 인간의 지각 특성에 맞는 화상 강조 처리를 할 수 있게 된다.
또한, 예를 들어, 전환기(40)는 신호 레벨이 기설정된 임계치보다 높은 픽셀에 대해 복수 종류의 제2 신호(S21, S22)에서 제1 신호(S1)의 음의 영역에서 변화율이 큰 제2 신호를 선택하고 제4 신호(S4)를 생성한다. 이에 따라 휘도 레벨이 낮은 픽셀에 대해 제1 신호(S1)의 에지 성분(Edge Component)이 강조되기 때문에, 인간의 지각 특성에 맞는 화상 강조 처리를 할 수 있게 된다.
덧붙여, 비선형 처리부(23)가 갖춘 처리부의 수는 2개에 국한되지 않고, 더 많은 처리부를 갖출 수 있다. 예를 들면, 비선형 처리부(23)는 n 개(n>2)의 처리부를 대비해, 각 처리부가 각각 다른 비대칭 비선형 처리를 하도록 구성해도 좋다. 이 경우, 전환기(40)는 신호 레벨에 대해 n-1개의 임계치를 관리해 두고, 각 임계치에 따라 어느 처리부에서 제2 신호를 제4 신호(S4)로서 출력하거나 선택할 수 있다. 비선형 처리부(23)가 많은 종류의 비대칭 비선형 처리를 통해 보다 세세한 입도로 입력 화상의 각 영역에 맞는 화상 강조 처리를 할 수 있게 된다. 또한, 전환기(40)가 관리하는 임계치는 신호 레벨을 균등하게 분할할 필요는 없다. 예를 들면, 인간의 지각에 영향을 주기 쉬운 휘도가 낮은 영역에 대해서는 세세한 간격으로 임계치를 설정하고 비대칭 비선형 처리를 세세하게 전환, 휘도가 높은 영역에 대해서는 어느 정도 넓은 범위에 대해 공통의 비대칭 비선형 처리를 적용하기로 해도 좋다.
(제3 실시예)
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 화상 강조 장치(3)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 9에서, 화상 강조 장치(2)는 고역 통과 필터(HPF)(10), 비선형 처리부(23), 전환기(41), 제한기(31), 가산기(50) 및 영역 필터(60)를 포함한다. 또한, 제2 실시예와 동일한 부호를 붙인 기능부에 대해서는 제2 실시예와 동등한 처리를 실시하는 것으로서 본 실시예에 자세한 설명을 생략한다. 예를 들면 본 실시예와 관련한 화상 강조 장치(3)의 각 신호 레벨의 파형은 도 7에 도시된 제2 실시예의 파형과 같다.
영역 필터(60)는, 입력 화상 신호(Sin)의 픽셀마다 제1 처리부(21)에 의해 제2 신호(S21)와 제2 처리부(22)에 의해 제2 신호(S21)를 바꾼 경우에 인접하는 픽셀 간에 휘도가 변화해 깜박거림이 발생하는 것을 막는 것이다. 본 실시예에서, 영역 필터(60)는 입력 화상 신호(Sin)의 각 픽셀에 대해 주위의 픽셀을 포함한 기설정된 영역의 평균 신호 레벨을 산출하여 해당 평균 신호 레벨을 입력 화상 평균 신호(Sin _ ave)로 전환기(41)에 출력한다. 예를 들면, 영역 필터(60)는 입력 화상 신호(Sin)의 각 픽셀을 중심으로 3×3 픽셀, 5×5 픽셀, 또는 7×7 픽셀이라고 하는 기설정된 영역의 휘도의 평균 신호 레벨을 산출한 메디안 필터(median filter)이며, 해당 평균 신호 레벨을 입력 화상 평균 신호(Sin _ ave)로 전환기(41)에 출력한다. 따라서, 여기서의 "평균"은 주위의 픽셀의 단순한 평균만 아니라, 각 픽셀에 대해 가중치를 고려한 가중치 평균을 포함하는 것이다.
전환기(41)는 입력 화상 평균 신호(Sin _ ave)의 각 픽셀의 평균 신호 레벨에 따라 복수 종류의 제2 신호(S21, S22)에서 1 개의 제2 신호를 선택하고, 제4 신호(S41)를 생성한다.
이처럼 본 발명에 따른 실시예에 의하면, 전환기(41)는 입력 화상 신호(Sin)의 각 픽셀의 신호 레벨이 아니라 각 픽셀의 평균 신호 레벨에 근거하는 제4 신호(S41)를 생성한다. 평균 신호 레벨은 주위의 픽셀을 포함한 기설정된 영역 신호 레벨의 평균치이기 때문에, 인접하는 픽셀 간에 있어서 다른 비대칭 비선형 처리에 의해 제2 신호가 선택될 가능성이 감소되고, 화면의 깜빡임의 발생을 억제 할 수 있다. 또한, 전환기(41)는, 예를 들면 기설정된 영역에 대해 선택된 제2 신호를 일정 기간 유지함으로써 한층 더 화면의 깜빡임의 발생을 억제할 수 있다.
(제4 실시예)
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 화상 강조 장치(4)의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 10에서, 화상 강조 장치(4)는, 고역 통과 필터(HPF)(10), 비선형 처리부(20), 전환기(42), 제한기(31) 및 가산기(50)를 포함한다. 다음 도 11에 나타내는 화상의 수평 방향 신호 레벨(휘도 값)의 파형을 예로, 각 구성부의 동작 및 출력되는 파형에 대해 설명한다. 또한, 제1 실시예와 동일한 부호를 붙인 기능부에 대해서는 제1 실시예와 동등한 처리를 하는 것으로 하고 본 실시예에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 11은 본 발명의 제4 실시예에 따른 비대칭 비선형 처리를 나타내는 도면이다.
예를 들면, HPF(10)은 제1 실시예와 마찬가지로, 도 11(A)의 입력 화상 신호(Sin)의 고주파 성분을 추출해 도 11(B)에 도시된 제1 신호(S1)를 생성한다. 또한, 비선형 처리부(20)는 제1 신호(S1)에 대해 제1 신호(S1)의 부호이고 비대칭인 비선형 처리를 하고 도 11(C)에 도시된 제2 신호(S2)를 생성한다.
전환기(42)는 입력 화상 신호(Sin)의 신호 레벨에 따라 픽셀마다 제1 신호(S1) 또는 제2 신호(S2)의 한쪽을 선택하고, 제4 신호(S42)를 생성한다. 여기에서 위에서 말한 대로 휘도가 낮은 영역의 윤곽은 휘도가 높은 영역의 윤곽에 비해 지각되기 쉽다. 다만, 휘도가 특히 낮은 영역에서의 윤곽은 이른바 노이즈에 상당하는 것이며, 해당 노이즈를 강조하는 것은 좋지 않다.
또한, 휘도가 높은 영역의 윤곽을 강조하면 증폭에 의한 값이 포화·발산하고 화상에 번쩍임이 생기는 경우가 있다. 그래서, 노이즈의 발생을 억제하면서 휘도가 낮은 영역의 윤곽을 보다 강조하기 위해 전환기(42)는 신호 레벨(휘도)이 기설정된 임계치의 상한 및 하한의 범위에 포함되는 픽셀은 예를 들면 도 11(D)와 같이 제2 신호(S2)를 제4 신호(S42)로 선택한다.
또한, 전환기(42)는 신호 레벨(휘도)이 기설정된 상한 및 하한의 범위에 포함되지 않는 픽셀은 증폭에 의한 값의 포화·발산이나 노이즈의 강조를 막기 위해 도 11(B)의 제1 신호(S1)를 제4 신호(S42)로 선택한다. 예를 들면, 전환기(42)는 입력 화상 신호(Sin)이 8비트의 신호로 하면, 신호 레벨이 32(하한)~192(상한)의 픽셀에 대해서는 비선형 처리부(20)에서의 제2 신호(S2)를 제4 신호(S42)로 제한기(31)에 출력하여 신호 레벨이 하한 미만 0~31과 상한보다 높은 193~255의 픽셀에 대해서는 제1 신호(S1)을 제4 신호(S42)로 제한기(31)에 출력한다.
제한기(31)는 제4 신호(S42)를 조정하고 제3 신호(S31)를 생성하고 가산기(50)는 제3 신호(S31)를 화상의 선명화를 위한 보상용 신호로 입력 화상 신호(Sin)에 가산함으로써 출력 화상 신호(Sout)를 생성한다.
이처럼 본 실시예에 따르면, 비선형 처리부(20)는 제1 신호(S1)에 비대칭 비선형 처리를 실시하는 제2 신호(S2)를 생성하고 전환기(42)는 입력 화상 신호(Sin)의 신호 레벨에 따라 픽셀마다 제1 신호(S1) 또는 제2 신호(S2)의 한쪽을 선택하여 제4 신호(S42)를 생성하고, 제한기(31)는 제4 신호(S42)를 조정하고 제3 신호(S31)를 생성하고, 가산기(50)는 제3 신호(S31)를 입력 화상 신호(Sin)에 가산하고 출력 화상을 나타내는 출력 화상 신호(Sout)를 생성한다. 이에 따라 여러 프레임에 대한 반복 연산 없이 나이퀴스트 주파수를 넘는 주파수 성분에 의한 화상을 선명하게 강조할 수 있다.
특히, 전환기(42)는 입력 화상 신호(Sin)의 신호 레벨에 따라 픽셀마다 제1 신호(S1) 또는 제2 신호(S2)의 한쪽을 선택하여 처리한다. 즉, 입력 화상의 휘도가 낮은 영역 등 입력 화상의 픽셀마다 비대칭 비선형 처리의 적부를 판단하고 각 영역에 있던 화상 강조 처리를 할 수 있게 된다.
예를 들면, 전환기(42)는 신호 레벨이 기설정된 상한 및 하한의 범위에 포함되는 픽셀에 대해 제2 신호(S2)를 선택하고 제3 신호(S3)를 생성한다. 이에 보다, 노이즈의 강조를 억제하면서, 휘도가 낮은 영역의 윤곽은 휘도가 높은 영역의 윤곽에 비해 지각되기 쉽다는 인간의 지각 특성에 적합한 화상 강조 처리를 할 수 있게 된다.
또한, 상기 제3 실시예는 제2 실시예의 구성에 영역 필터(60)를 추가한 구성이지만, 제4 실시예의 구성에 영역 필터(60)를 추가하는 것도 가능하다. 이 경우, 전환기(42)는 입력 화상 평균 신호(Sin _ ave) 각 픽셀의 평균 신호 레벨에 따라 제1 신호(S1) 또는 제2 신호(S2)의 한쪽을 선택하고, 제4 신호(S42)를 생성한다. 본 실시예에 따르면 전환기(42)는 입력 화상 신호(Sin)의 각 픽셀의 신호 레벨이 아니라 각 픽셀의 평균 신호 레벨에 근거하는 제4 신호(S42)를 생성한다. 평균 신호 레벨은 주위의 픽셀을 포함한 기설정된 영역의 신호 레벨의 평균치이기 때문에, 인접하는 픽셀 간에 제1 신호(S1) 또는 제2 신호(S2) 각자 달리 선택될 가능성이 감소되고, 화면의 깜빡임의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 전환기(42)는, 예를 들면 기설정된 영역에 대해 제1 신호(S1) 또는 제2 신호(S2)의 선택을 일정 기간 유지함으로써 한층 더 화면의 깜빡임의 발생을 억제하는 것이 가능하다.
본 발명은 화상을 선명하게 하고 화질을 개선하기 위한 화상 강조 장치에 적용되므로, 예를 들면 텔레비전(TV)수신기로 실시간으로 표시 되는 동화상을 선명화하기 위한 화상 강조 장치에 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은 감시 카메라의 화상 강조 처리에 적용 가능하며, 예를 들면, 화상의 일부를 확대했을 때의 흐림을 저감할 수 있다. 또한, 어두운 곳에 설치된 감시 카메라의 화상이나, 야간에 촬영된 화상 등에 대해 휘도가 어두운 영역의 윤곽을 보다 선명하게 강조하는 화상 강조 처리가 가능하게 된다.
게다가 본 발명은 원거리에서 촬영한 화상의 해상도 개선에 적용할 수 있다. 예를 들면, 접근하기가 곤란한 사고 현장 등을 먼 곳에서 촬영한 화상이나, 위성 화상 등에 대해 윤곽을 선명하게 강조하는 화상 강조 처리가 가능하게 된다.
또한, 본 발명은 아날로그 콘텐츠의 하이 비젼화에 적용 할 수 있다. 즉 기존의 아날로그 콘텐츠를 하이 비젼 콘텐츠로 변환 할 때, 업-컨버트(up-converting) 된 화상의 윤곽을 선명하게 강조하는 화상 강조 처리를 하여 아날로그 콘텐츠를 고정밀 디지털 콘텐츠로 재생할 수 있다. 예를 들면 아날로그 TV 콘텐츠를 하이비전 콘텐츠로 변환하거나 낡은 영화 콘텐츠를 고정밀 디지털 콘텐츠(예를 들면, Blu-ray(등록 상표) 콘텐츠)로 변환 할 때에 적용 가능하다.
또한, 본 발명은 컴퓨터에서 시청 가능한 동화상 콘텐츠의 고화질화에 적용 가능하다. 인터넷에 동화상 콘텐츠를 제공하는 사이트가 다수 존재해 이미 다수의 동화상 콘텐츠 제공이 서비스되고 있다. 본 발명으로 기존 동화상 콘텐츠를 더 정밀한 고해상도 콘텐츠로 변환해 시청 품질을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 화상 강조 장치 및 그 방법에 따르면, 복수 프레임에 대한 반복 연산 없이 나이퀴스트 주파수보다 높은 주파수 성분을 이용함으로써 화상을 선명하게 강조할 수 있다.
본 발명에 대하여 여러 도면이나 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현하거나 수정할 수 있음에 유의한다. 예를 들면, 각 구성부, 각 단계 등에 포함되는 기능 등은 논리적으로 모순되지 않게 재배치 가능하며 복수의 구성부와 단계 등을 1개로 조합하거나 혹은 분할할 수 있다.
그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시예가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
1, 2, 3: 화상 강조 장치, 10: HPF(고역 통과 필터),
111~11(m-1): 단위 지연 소자, 121~12m: 곱셈기,
131: 가산기, 11: LPF(저역 통과 필터),
12: 감산기, 20, 23: 비선형 처리부,
21: 제1 처리부, 22: 제2 처리부,
30, 31: 제한기, 40, 41, 42: 전환기,
50: 가산기, 60: 영역 필터

Claims (22)

  1. 입력 화상을 선명하게 하여 출력 화상을 생성하는 화상 강조 장치에 있어서,
    상기 입력 화상을 나타내는 입력 화상 신호에 포함되는 주파수 성분의 최소한의 직류 성분을 제거함으로써 제1 신호를 생성하는 필터부;
    상기 제1 신호에 대해 비선형 처리 - 상기 비선형 처리는 상기 제1 신호의 양의 영역과 음의 영역 사이에서 비대칭이며, 상기 양의 영역에 적용되는 비선형 처리와 상기 음의 영역에 적용되는 비선형 처리가 원점을 지나는 연속함수로서 표현되며, 상기 양의 영역과 상기 음의 영역 사이에서 비대칭인 비선형 처리에 의해 생성되는 하나의 밴드의 주파수 성분 또한 상기 양의 영역과 상기 음의 영역 사이에서 비대칭임 - 를 수행함으로써 제2 신호를 생성하는 비선형 처리부;
    상기 제2 신호를 조정함으로써 제3 신호를 생성하는 제한기; 및
    상기 제3 신호를 상기 입력 화상 신호에 가산함으로써 상기 출력 화상을 나타내는 출력 화상 신호를 생성하는 가산부를 포함하는 화상 강조 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    전환기(switch)를 더 포함하며,
    상기 비선형 처리부는,
    상기 제1 신호에 대해 복수 종류의 비선형 처리 - 상기 비선형 처리는 서로 구별되는 연속 함수를 가지며 상기 양의 영역과 상기 음의 영영 사이에서 비대칭임 - 를 수행함으로써 복수 종류의 제2 신호를 생성하고,
    상기 전환기(switch)는,
    각각의 픽셀에 대해서, 상기 입력 화상 신호의 신호 레벨에 기초하는 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 인간의 지각 특성에 맞는 1개의 제2 신호를 선택하여 제4 신호를 생성하고,
    상기 제한기는,
    상기 제4 신호를 조정하여 상기 제3 신호를 생성하는 화상 강조 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 전환기(switch)는,
    상기 신호 레벨이 기설정된 임계치 이하인 픽셀에 대해 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 상기 제1 신호의 양의 영역에서의 변화율이 큰 제2 신호를 선택하여 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 전환기(switch)는,
    상기 신호 레벨이 기설정된 임계치보다 높은 픽셀에 대해 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 상기 제1 신호의 음의 영역에서의 변화율이 큰 제2 신호를 선택하여 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 장치.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 전환기(switch)는,
    상기 신호 레벨이 기설정된 임계치보다 높은 픽셀에 대해 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 상기 제1 신호의 음의 영역에서의 변화율이 큰 제2 신호를 선택하여 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    전환기(switch)를 더 포함하며,
    상기 전환기(switch)는,
    상기 제1 신호와 상기 입력 화상 신호의 신호 레벨에 기초하는 각각의 픽셀에 대한 제2 신호 중에서 하나를 선택하고, 상기 신호 레벨이 기설정된 상한 및 하한의 범위에 포함되는 픽셀에 대해 상기 제2 신호를 선택하여 제4 신호를 생성하고,
    상기 제한기(limiter)는,
    상기 제4 신호를 조정하여 상기 제3 신호를 생성하는 화상 강조 장치.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 입력 화상 신호의 각 픽셀에 대해, 주변 픽셀(surrounding pixel)을 포함하는 기설정된 영역의 평균 신호 레벨을 산출하는 영역 필터(area filter)를 더 포함하고,
    상기 전환기(switch)는,
    상기 신호 레벨 대신에 상기 각 픽셀의 상기 평균 신호 레벨에 기초하는 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 장치.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 입력 화상 신호의 각 픽셀에 대해 주변 픽셀(surrounding pixel)을 포함하는 기설정된 영역의 평균 신호 레벨을 산출하는 영역 필터 (area filter)를 더 포함하고,
    상기 전환기(switch)는,
    상기 신호 레벨 대신에 상기 각 픽셀의 상기 평균 신호 레벨에 기초하는 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 장치.
  9. 제 4항에 있어서,
    상기 입력 화상 신호의 각 픽셀에 대해 주변 픽셀(surrounding pixel)을 포함하는 기설정된 영역의 평균 신호 레벨을 산출하는 영역 필터(area filter)를 더 포함하고,
    상기 전환기(switch)는,
    상기 신호 레벨 대신에 상기 각 픽셀의 상기 평균 신호 레벨에 기초하는 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 장치.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 입력 화상 신호의 각 픽셀에 대해 주변 픽셀(surrounding pixel)을 포함하는 기설정된 영역의 평균 신호 레벨을 산출하는 영역 필터(area filter)를 더 포함하고,
    상기 전환기(switch)는,
    상기 신호 레벨 대신에 상기 각 픽셀의 상기 평균 신호 레벨에 기초하는 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 장치.
  11. 제 6항에 있어서,
    상기 입력 화상 신호의 각 픽셀에 대해 주변 픽셀(surrounding pixel)을 포함하는 기설정된 영역의 평균 신호 레벨을 산출하는 영역 필터(area filter)를 더 포함하고,
    상기 전환기(switch)는,
    상기 신호 레벨 대신에 상기 각 픽셀의 상기 평균 신호 레벨에 기초하는 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 장치.
  12. 입력 화상을 선명하게 하여 출력 화상을 생성하는 화상 강조 장치를 이용한 화상 강조 방법에 있어서,
    상기 입력 화상을 나타내는 입력 화상 신호에 포함되는 주파수 성분의 최소한의 직류 성분을 제거함으로써 제1 신호를 생성하는 단계;
    상기 제1 신호에 대해 비선형 처리 - 상기 비선형 처리는 상기 제1 신호의 양의 영역과 음의 영역 사이에서 비대칭이며, 상기 양의 영역에 적용되는 비선형 처리와 상기 음의 영역에 적용되는 비선형 처리가 원점을 지나는 연속함수로서 표현되며, 상기 양의 영역과 상기 음의 영역 사이에서 비대칭인 비선형 처리에 의해 생성되는 하나의 밴드의 주파수 성분 또한 상기 양의 영역과 상기 음의 영역 사이에서 비대칭임 - 를 수행함으로써 제2 신호를 생성하는 비선형 처리 단계;
    상기 제2 신호를 조정함으로써 제3 신호를 생성하는 조정 단계; 및
    상기 제3 신호를 상기 입력 화상 신호에 가산함으로써 상기 출력 화상을 나타내는 출력 화상 신호를 생성하는 단계를 포함하는 화상 강조 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    전환 단계를 더 포함하며,
    상기 비선형 처리 단계에서,
    상기 제1 신호에 대해 복수 종류의 비선형 처리 - 상기 비선형 처리는 서로 구별되는 연속 함수를 가지며 상기 양의 영역과 상기 음의 영영 사이에서 비대칭임 - 를 수행함으로써 복수 종류의 제2 신호를 생성하고,
    상기 전환 단계에서,
    각각의 픽셀에 대해서, 상기 입력 화상 신호의 신호 레벨에 기초하는 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 인간의 지각 특성에 맞는 1개의 제2 신호를 선택하여 제4 신호를 생성하고,
    상기 조정 단계에서,
    상기 제4 신호를 조정하여 상기 제3 신호를 생성하는 화상 강조 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 전환 단계에서,
    상기 신호 레벨이 기설정된 임계치 이하인 픽셀에 대해 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 상기 제1 신호의 양의 영역에서의 변화율이 큰 제2 신호를 선택하여 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 전환 단계에서,
    상기 신호 레벨이 기설정된 임계치보다 높은 픽셀에 대해 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 상기 제1 신호의 음의 영역에서의 변화율이 큰 제2 신호를 선택하여 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 방법.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 전환 단계에서,
    상기 신호 레벨이 기설정된 임계치보다 높은 픽셀에 대해 상기 복수 종류의 제2 신호로부터 상기 제1 신호의 음의 영역에서의 변화율이 큰 제2 신호를 선택하고 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 방법.
  17. 제 12항에 있어서,
    전환 단계를 더 포함하며,
    상기 전환 단계에서,
    상기 제1 신호와 상기 입력 화상 신호의 신호 레벨에 기초하는 각각의 픽셀에 대한 제2 신호 중에서 하나를 선택하고, 상기 신호 레벨이 기설정된 상한 및 하한의 범위에 포함되는 픽셀에 대해 상기 제 2신호를 선택하여 제4 신호를 생성하고,
    상기 조정 단계에서,
    상기 제4 신호를 조정하여 상기 제3 신호를 생성하는 화상 강조 방법.
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 입력 화상 신호의 각 픽셀에 대해, 주변 픽셀(surrounding pixel)을 포함하는 기설정된 영역의 신호 레벨을 산출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 전환 단계에서,
    상기 신호 레벨 대신에 상기 각 픽셀의 상기 평균 신호 레벨에 기초하는 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 방법.
  19. 제 14항에 있어서,
    상기 입력 화상 신호의 각 픽셀에 대해 주변 픽셀(surrounding pixel)을 포함하는 기설정된 영역의 평균 신호 레벨을 산출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 전환 단계에서,
    상기 신호 레벨 대신에 상기 각 픽셀의 상기 평균 신호 레벨에 기초하는 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 방법.
  20. 제 15항에 있어서,
    상기 입력 화상 신호의 각 픽셀에 대해 주변 픽셀(surrounding pixel)을 포함하는 기설정된 영역의 평균 신호 레벨을 산출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 전환 단계에서,
    상기 신호 레벨 대신에 상기 각 픽셀의 상기 평균 신호 레벨에 기초하는 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 방법.
  21. 제 16항에 있어서,
    상기 입력 화상 신호의 각 픽셀에 대해 주변 픽셀(surrounding pixel)을 포함하는 기설정된 영역의 평균 신호 레벨을 산출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 전환 단계에서,
    상기 신호 레벨 대신에 상기 각 픽셀의 상기 평균 신호 레벨에 기초하는 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 방법.
  22. 제 17항에 있어서,
    상기 입력 화상 신호의 각 픽셀에 대해 주변 픽셀(surrounding pixel)을 포함하는 기설정된 영역의 평균 신호 레벨을 산출하는 단계를 더 포함하고,
    상기 전환 단계에서,
    상기 신호 레벨 대신에 상기 각 픽셀의 상기 평균 신호 레벨에 기초하는 상기 제4 신호를 생성하는 화상 강조 방법.
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