WO2012086900A1 - 영상 제공 장치 및 그 방법 - Google Patents

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WO2012086900A1
WO2012086900A1 PCT/KR2011/006943 KR2011006943W WO2012086900A1 WO 2012086900 A1 WO2012086900 A1 WO 2012086900A1 KR 2011006943 W KR2011006943 W KR 2011006943W WO 2012086900 A1 WO2012086900 A1 WO 2012086900A1
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WO
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histogram
image
power consumption
value
pixel
Prior art date
Application number
PCT/KR2011/006943
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
김창수
이철우
이철
Original Assignee
고려대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T5/00—Image enhancement or restoration
    • G06T5/90—Dynamic range modification of images or parts thereof
    • G06T5/92—Dynamic range modification of images or parts thereof based on global image properties

Definitions

  • the present invention relates to an image providing apparatus and a method thereof.
  • histogram equalization is one of the typical histogram correction techniques, and is used as a representative image quality improvement technique because it is easy to implement and has an excellent contrast ratio improvement effect.
  • Histogram equalization improves image quality by transforming a histogram biased into a specific portion to have a uniform distribution. Although no additional data is added to improve the original image, the histogram is analyzed and the histogram is unfolded so that the brightness distribution that is biased into a specific part is distributed over a wider area.
  • the histogram equalization technique causes severe deformation at a high intensity of the number of histograms, causing loss of atmosphere and contour effects of the original image, and particularly, noise in a dark image is increased.
  • self-luminous displays such as OLEDs (Organic Light Emitting Diodes) and Plasma Display Panels (PDPs) have been spotlighted as next-generation displays to replace LCDs due to their excellent color reproducibility, wide viewing angle, and fast response speed.
  • OLEDs Organic Light Emitting Diodes
  • PDPs Plasma Display Panels
  • self-luminous displays have advantages in terms of signal processing by self-emitting in units of individual pixels (ie, pixels) without backlight.
  • the existing image providing methods are mostly related to the TFT-LCD, and there are not many methods for improving the image quality for the self-luminous display.
  • conventionally proposed display low-power schemes are mainly specialized in LCDs, and most of them are hardware approaches such as optimized circuit configurations.
  • One object of the present invention is to provide an image providing apparatus and method for effectively improving image quality based on histogram equalization and minimizing power consumption using characteristics of a self-luminous display.
  • the image providing apparatus for achieving the above technical problem, the histogram generator for generating a histogram for the input image, the histogram correction unit for increasing or decreasing the histogram value of the input image, the number of histograms
  • a pixel conversion function calculation unit for calculating a pixel conversion function through equalization of the histogram modified by the government, and an output image generation unit for generating an output image from the input image based on the pixel conversion function, wherein the pixel conversion function calculation unit The power consumption of the display apparatus outputting the output image is minimized based on the conversion function.
  • the image providing method comprises the steps of (a) generating a histogram of the input image, (b) modifying the histogram value of the input image, (c) pixel conversion through equalization of the modified histogram Calculating a function; and (d) generating an output image from the input image based on the pixel conversion function, wherein step (c) includes power consumption of the display apparatus outputting the output image based on the pixel conversion function. Make this minimum.
  • any one of the above-described means for solving the problems of the present invention it is possible to effectively improve the image quality based on histogram equalization, and to minimize the power consumption by using the characteristics of the self-luminous display.
  • any one of the above-described problem solving means of the present invention by reducing the histogram value of the pixel region protruding beyond the reference value among the histogram value of the input image, when performing the image quality improvement based on histogram equalization to solve the conventional problem that the brightness of the excessively changed, the noise increase and the atmosphere disappears of the original image.
  • FIG. 1 is a block diagram of a video quality conversion device that is commonly used.
  • FIG. 2 is a block diagram of an image providing apparatus according to an exemplary embodiment.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an image providing method according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 illustrates a modified histogram and an equalized pixel conversion function according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates a result of applying a low power algorithm when the control parameter ⁇ for histogram correction is 5 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of a video quality conversion device that is commonly used.
  • the apparatus 101 for converting image quality includes a histogram generator 110, a cumulative distribution function calculator 112, and a transform function calculator 114.
  • the histogram generator 110 generates a histogram of the input image (data).
  • the histogram of the input image (h k) can be obtained for the probability density function may be represented as (p k)
  • the probability density function (p k) is the histogram (h k) of the input image by dividing the total number of pixels.
  • the probability density function p k may be defined as in Equation 1 below.
  • the histogram h k corresponding to the k th represents the number of pixels having the intensity, that is, the intensity k of brightness.
  • 1 represents a column vector and all corresponding elements represent 1 value.
  • T Transpose is an operator that creates a transpose matrix.
  • the cumulative distribution function calculating unit 112 calculates a cumulative distribution function for the histogram of the input image.
  • the cumulative distribution function calculating unit 112 may calculate a normalized cumulative distribution from the brightness distribution of the input image. That is, the cumulative distribution function (c k ) of the intensity (k) generated by sequentially adding the probability density function (p k ) of Equation 1 may be defined as in Equation 2 below.
  • the conversion function calculator 114 generates a pixel conversion function that readjusts the dynamic range of each intensity of the input image (or the original image). That is, a pixel conversion function is generated by multiplying the cumulative distribution function by the maximum intensity, and an output image having a high contrast ratio may be obtained by converting each input pixel of the input image into an output pixel.
  • the dynamic range of the contrast values of the input image is readjusted through the pixel conversion function, and the pixel conversion function may be defined as in Equation 3 below.
  • ( 2b -1) represents the maximum contrast, for example, 255 in an 8-bit image.
  • the pixel transformation function x k is represented as a vector using the difference matrix D, it may be defined as in Equation 4 below.
  • the difference matrix (D) is I It can be defined as.
  • Equation 5 the column vector of the histogram (h) ) May be defined as in Equation 5 below.
  • the pixel conversion function causes a steep gradient change when the histogram bin has a large value. Due to this phenomenon, the brightness of the image may be excessively changed, and problems such as an increase in noise and an atmosphere loss of the original image may occur.
  • the image providing apparatus 100 to be described later may improve image quality more effectively and reduce power consumption.
  • the image providing apparatus 100 may include components of the image quality converting apparatus 101 in another embodiment. Hereinafter, it will be described in more detail with reference to FIG.
  • FIG. 2 is a block diagram of an image providing apparatus according to an exemplary embodiment.
  • the image providing apparatus 100 may include a histogram generator 110, a histogram corrector 120, a power consumption calculator 130, and a pixel conversion function calculator 140.
  • the output image generator 145 and the storage 150 are included.
  • the image providing apparatus 100 may effectively improve image quality by using histogram equalization and minimize power consumption by using characteristics of a self-luminous display such as OLED and PDP.
  • the image providing device 100 may be implemented as a self-luminous display.
  • the histogram generator 110 generates a histogram of the input image as described with reference to FIG. 1.
  • the histogram correction unit 120 increases or decreases the histogram value of the input image. For example, the histogram corrector 120 may reduce a large value of the histogram bin of the pixel area protruding beyond the reference value among the histogram values of the input image based on the log-based function, or reduce the small value of the histogram bin below the reference value. You can increase the value.
  • the histogram correction unit 120 may be configured in the above-described elements of FIG. 1 and used to increase or decrease the histogram value of the input image.
  • the histogram correction unit 120 converts the histogram value h k of the input image into the modified histogram value m k using the logarithm function of Equation 6 below.
  • h max represents a maximum element existing in the histogram h k of the input image
  • a value of 1 is a value that prevents a logarithmic function from having a negative value
  • ⁇ is a value for adjusting the histogram correction level. Control parameter.
  • the mu value increases, the contrast ratio increases. As the mu value becomes smaller, the contrast ratio decreases.
  • m k is linearly proportional to h k , and the histogram is less strongly corrected.
  • m k becomes a constant that makes the modified histogram constant regardless of h k .
  • Equation 7 Equation 7 below.
  • histogram equalization may be performed by calculating the equation (7) using the difference matrix (D) and through the pixel conversion function calculation unit 140 to be described later. At this time, Histogram equalization can be performed by minimizing the ratio to increase the contrast ratio.
  • the embodiment of the present invention may not only improve image quality by using histogram equalization, but also reduce power consumption.
  • the power consumption calculator 130 calculates a power consumption calculation function (TDP) for calculating the power consumption of the display (device) for outputting the output image generated by the output image generator 145, which will be described later.
  • TDP power consumption calculation function
  • the power consumed by one pixel in the power consumption of the self-emission display is proportional to the power of ⁇ used for gamma correction, and may be defined as in Equation 9 below.
  • ⁇ 0 is power consumed to drive the display independently of the input pixel
  • ⁇ r , ⁇ g , and ⁇ b are power consumption ratios when expressing each channel of RGB.
  • Each RGB channel is experimentally proportional to the index ⁇ .
  • TDP total power dissipation power
  • N represents the number of pixels in the image
  • (R i , G i , B i ) represents the i-th RGB color vector.
  • the total power consumption expressed in the self-emission display may be modeled as in Equation 11 below. have.
  • Y i represents the luminance of the i-th pixel.
  • Equation 11 may be defined as in Equation 12 below.
  • x T Hx is represented by the histogram diagonal matrix and the output pixel vector. To reduce power consumption, reduce x T Hx.
  • the pixel conversion function calculation unit 140 calculates the pixel conversion function x through equalization of the histogram modified by the histogram correction unit 120.
  • the pixel conversion function calculator 140 minimizes the power consumption of the display on which the output image is output based on the pixel conversion function.
  • the pixel conversion function calculator 140 may maximize the contrast ratio of the input image and reduce power consumption by using the self-emissive display characteristics.
  • Equation 7 Maximize the contrast ratio by minimizing and minimizing x T Hx in Equation 12 to reduce power consumption.
  • the pixel conversion function calculation unit 140 uses the Lagrangian multiplier method to make J (x) of Equation 13 to be the minimum value.
  • the contrast ratio maximization factor ( ) It can be defined as.
  • the last element x 255 of the pixel conversion function x may be less than 255 due to the power consumption reduction factor x T Hx.
  • x 255 255 to reduce the dynamic range reduction in the output image D and Add to J (x) by modifying.
  • the enhancement matrix D a and [0, 0, ..., 0, 1] columns added to the difference matrix D and Add more 255 elements to the When is applied, J (x) is defined as in Equation 14 below.
  • Equation 14 When J (x) is set to 0 to calculate Equation 14, it is defined as a vector equation of Equation 15 below.
  • ⁇ is a control parameter for performing power reduction and contrast ratio adjustment, so that two effects appear within limited conditions. That is, when ⁇ is 0, the pixel conversion function x reflecting only an increase in contrast ratio without considering power consumption is obtained. Increasing ⁇ yields a pixel conversion function considering power consumption, and a small number of pixels is assigned to a large intensity value in the output image. Means a normalized vector such that the sum of the modified histograms is the maximum brightness value of 255.
  • the parameter ⁇ is a very small value and difficult to adjust, the parameter ⁇ may be replaced by ⁇ , which is a value multiplied by the sum of input pixels.
  • ⁇ may be defined by Equation 16 below.
  • Y input, i represents the luminance of the i th pixel in the input image.
  • ⁇ can be used as a control parameter instead of ⁇ .
  • the output image generator 145 generates an output image from the input image based on the pixel conversion function x.
  • the storage unit 150 stores algorithms for providing a low power high contrast image. For example, an algorithm for increasing or decreasing the histogram value of the input image and converting the histogram value into a modified histogram value and an algorithm for calculating the amount of power consumed to drive the display outputting the input image may be stored.
  • the storage unit 150 may store various setting values, programs, necessary functions and variable definitions, etc. in order to carry out the present invention.
  • the display device can reduce power consumption while maintaining the maximum contrast ratio of the image.
  • the control parameter? Can be manipulated to change the degree of low power freely.
  • bright images consume more power, which can reduce power consumption while maintaining image quality or contrast ratio.
  • the image quality of the converted image may be improved while using less power than the converted image.
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an image providing method according to an embodiment of the present invention.
  • the histogram value of the input image is corrected (S311). That is, the histogram value of the pixel area protruding beyond the reference value among the histogram values of the input image may be corrected based on the log-based function. See Equation 6 above.
  • a pixel conversion function for minimizing the power consumption of the display is calculated through equalization of the modified histogram (S321). For this, refer to Equations 13 to 16 described above.
  • an output image is generated from the input image based on the pixel conversion function.
  • FIG. 4 illustrates a modified histogram and an equalized pixel conversion function according to an embodiment of the present invention.
  • 4A illustrates a histogram of an input image and a histogram modified using the above-described equation (6).
  • the fluctuation decreases as the value of the control parameter ⁇ decreases in the order of 7, 5, and 2, which indicates that the contrast ratio decreases.
  • 4B illustrates a pixel conversion function obtained by equalizing the correction histogram. It can be seen that as the value of the control parameter ⁇ decreases, it changes to a pixel conversion function that produces the same output image as the input image.
  • FIG. 5 illustrates a result of applying a low power algorithm when the control parameter ⁇ for histogram correction is 5 according to an embodiment of the present invention.
  • the control parameter ⁇ is equal to 5 in FIG. 4B.
  • the graph is lowered, and the image is darkened because the output pixel has a lower value than the input pixel.
  • the resulting image shows low power consumption.
  • Each component illustrated in FIGS. 1 and 2 may be configured as a kind of 'module'.
  • the 'module' refers to a hardware component such as software or a field programmable gate array (FPGA) or an application specific integrated circuit (ASIC), and the module plays a role.
  • modules are not meant to be limited to software or hardware.
  • the module may be configured to be in an addressable storage medium and may be configured to execute one or more processors.
  • the functionality provided by the components and modules may be combined into a smaller number of components and modules or further separated into additional components and modules.

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Abstract

영상 제공 장치는 입력영상에 대한 히스토그램을 생성하는 히스토그램 생성부, 입력영상의 히스토그램 값을 증감시키는 히스토그램 수정부, 히스토그램 수정부에 의하여 수정된 히스토그램의 균등화를 통해 화소 변환 함수를 산출하는 화소 변환 함수 산출부 및 화소 변환 함수에 기초하여 상기 입력영상으로부터 출력영상을 생성하는 출력영상 생성부를 포함하되, 화소 변환 함수 산출부는 화소 변환 함수에 기초하여 출력영상이 출력되는 디스플레이 장치의 전력 소모량이 최소가 되도록 한다.

Description

영상 제공 장치 및 그 방법
본 발명은 영상 제공 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 휴대폰과 같은 모바일 장치를 통해 고해상도의 영상 촬영이 가능해졌다. 그러나 어두운 조명 및 촬영장치의 제한된 성능으로 인해 저화질 영상이 촬영될 수 있으므로, 명암비(contrast)를 증가시키는 방법을 통해 화질을 개선하고 있다. 특히, 히스토그램 균등화(histogram equalization)는 대표적인 히스토그램 수정 기법의 하나로, 구현이 간편하고 명암비 개선 효과가 우수하여 대표적인 화질 개선 기법으로 사용되고 있다.
히스토그램 균등화는 특정 부분으로 치우쳐진 히스토그램을 균일한 분포를 갖도록 변형함으로써 영상의 화질을 개선한다. 원본 영상을 개선하기 위해 추가적으로 데이터를 첨가하지는 않지만, 히스토그램의 형상을 분석하여 특정한 부분으로 치우쳐진 밝기 분포가 좀더 넓은 영역에 걸쳐 분포되도록 히스토그램을 펼쳐준다.
하지만, 히스토그램 균등화 기법은 히스토그램의 수가 많은 명암도에서 심한 변형을 일으켜 원본 영상의 분위기 손실 및 등고선 효과를 일으키며, 특히 어두운 영상에서의 노이즈가 증가되는 문제점이 있다.
한편, 디스플레이(display)가 소모하는 전력을 고려할 때, 저전력 영상 제공 방법은 매우 중요하며 이에 대한 다양한 연구가 이루어지고 있다. 디스플레이가 소모하는 전력의 양이 다른 부품이 소모하는 전력의 양에 비해 매우 크다는 점을 고려하면, 디스플레이에서의 전력 소모량을 감소시키는 것은 매우 중요한 문제이기 때문에 이처럼 다양한 연구가 이루어지고 있다.
최근 들어, OLED(Organic Light Emitting Diodes), PDP(Plasma Display Panel) 등의 자체 발광형 디스플레이는 우수한 색재현성, 광 시야각, 빠른 응답속도 등의 특성으로 LCD를 대체할 차세대 디스플레이로 각광받고 있다. 자체 발광형 디스플레이는 LCD와 달리 백라이트(backlight) 없이 개별 화소(즉, 픽셀) 단위로 자체 발광하여 신호 처리 측면에서 이점이 있다.
그러나, 기존의 영상 제공 방법은 대부분 TFT-LCD에 관련한 내용들이며, 자체 발광형 디스플레이를 위한 화질 개선 방법은 많지 않다. 즉, 종래에 제안된 디스플레이 저전력 기법은 주로 LCD에 특화되었으며, 최적화된 회로 구성과 같은 하드웨어적 접근법이 대부분이었다.
따라서, 히스토그램 균등화를 기반으로 하여 화질을 효과적으로 개선시키고, 자체 발광형 디스플레이의 특성을 이용하여 전력 소모를 최소화할 필요성이 제기된다.
본 발명의 일 실시예는 히스토그램 균등화를 기반으로 하여 화질을 효과적으로 개선시키고, 자체 발광형 디스플레이의 특성을 이용하여 전력 소모를 최소화하는 영상 제공 장치 및 그 방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.
상술한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 제공 장치는 입력영상에 대한 히스토그램을 생성하는 히스토그램 생성부, 입력영상의 히스토그램 값을 증감시키는 히스토그램 수정부, 히스토그램 수정부에 의하여 수정된 히스토그램의 균등화를 통해 화소 변환 함수를 산출하는 화소 변환 함수 산출부 및 화소 변환 함수에 기초하여 상기 입력영상으로부터 출력영상을 생성하는 출력영상 생성부를 포함하되, 화소 변환 함수 산출부는 화소 변환 함수에 기초하여 출력영상이 출력되는 디스플레이 장치의 전력 소모량이 최소가 되도록 한다.
또한 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 제공 방법은 (a) 입력영상의 히스토그램을 생성하는 단계, (b) 입력영상의 히스토그램 값을 수정하는 단계, (c) 수정된 히스토그램의 균등화를 통해 화소 변환 함수를 산출하는 단계 및 (d) 화소 변환 함수에 기초하여 상기 입력영상으로부터 출력영상을 생성하는 단계를 포함하되, (c) 단계는 화소 변환 함수에 기초하여 출력영상이 출력되는 디스플레이 장치의 전력 소모량이 최소가 되도록 한다.
전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 히스토그램 균등화를 기반으로 하여 화질을 효과적으로 개선시키고, 자체 발광형 디스플레이의 특성을 이용하여 전력 소모를 최소화할 수 있다.
또한, 전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 입력영상의 히스토그램 값 중에서 기준치를 초과하여 돌출된 화소 영역의 히스토그램 값을 감소시켜, 히스토그램 균등화를 기반으로 한 화질 개선을 수행할 때 영상의 밝기가 과도하게 변화되고, 잡음의 증가 및 원본 영상의 분위기 소실 등이 발생하였던 종래의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 전술한 본 발명의 과제 해결 수단 중 어느 하나에 의하면, 파라미터 값을 통해 전력 소모량 및 명암비의 크기를 손쉽게 조절할 수 있다.
도 1은 통상적으로 사용되는 영상 화질 변환 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 제공 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 제공 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수정된 히스토그램 및 이를 등화한 화소 변환 함수를 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히스토그램 수정을 위한 제어 파라미터(μ)가 5일 때 저전력 알고리즘을 적용한 결과를 도시한다.
아래에서는 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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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.
도 1은 통상적으로 사용되는 영상 화질 변환 장치의 블록도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 영상 화질 변환 장치(101)는 히스토그램 생성부(110), 누적분포함수 산출부(112) 및 변환함수 산출부(114)를 포함한다.
히스토그램 생성부(110)는 입력영상(데이터)의 히스토그램을 생성한다. 여기서, 입력영상의 히스토그램(hk)은 확률밀도함수(pk)로 나타낼 수 있으며, 확률밀도함수(pk)는 입력영상의 히스토그램(hk)을 전체 픽셀수로 나누어 얻어질 수 있다. 확률밀도함수(pk)는 하기 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2011006943-appb-M000001
여기서, k번째에 해당하는 히스토그램(hk)은 명암도 즉, 밝기의 세기(k)를 가진 픽셀의 수를 나타낸다. 또한, 1은 행(column) 벡터를 나타내고, 해당 모든 요소들은 1값을 나타낸다. T(Transpose)는 전치 행렬을 만드는 연산자이다.
누적분포함수 산출부(112)는 입력영상의 히스토그램에 대한 누적분포함수를 산출한다. 여기서, 누적분포함수 산출부(112)는 입력영상의 밝기 분포로부터 정규화된 누적 분포를 산출할 수 있다. 즉, 수학식 1의 확률밀도함수(pk)를 차례로 더하여 생성된 명암도(k)의 누적분포함수(ck)는 하기 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2011006943-appb-M000002
변환함수 산출부(114)는 입력영상(또는 원본 영상)의 각 명암도의 동적 영역을 재조정하는 화소 변환 함수를 생성한다. 즉, 누적분포함수에 최대 명암도를 곱하면 화소 변환 함수가 생성되며, 입력영상의 각 입력 화소를 출력 화소로 변환하면 높은 명암비를 가지는 출력영상이 획득될 수 있다.
이와 같이, 화소 변환 함수를 통해 입력영상의 각 명암도들의 동적 영역이 재조정되며, 이러한 화소 변환 함수는 하기 수학식 3과 같이 정의될 수 있다.
수학식 3
Figure PCTKR2011006943-appb-M000003
여기서, (2b-1) 는 최대 명암도를 나타내고, 예컨대 8비트 영상에서는 255값을 나타낸다. 그리고, 차분 행렬(D)을 이용하여 화소 변환 함수(xk)를 벡터로 나타내면, 하기 수학식 4와 같이 정의할 수 있다.
수학식 4
Figure PCTKR2011006943-appb-M000004
여기서, 차분 행렬(D)은 I
Figure PCTKR2011006943-appb-I000001
로 정의될 수 있다.
그리고, 히스토그램(h)의 열 벡터(
Figure PCTKR2011006943-appb-I000002
)는 하기 수학식 5와 같이 정의될 수 있다.
수학식 5
Figure PCTKR2011006943-appb-M000005
상술한 히스토그램 균등화 방법에서 화소 변환 함수는 히스토그램 빈(bin)이 큰 값을 가질 때 가파른 기울기 변화를 일으킨다. 이러한 현상으로 인해 영상의 밝기가 과도하게 변화되고, 잡음의 증가 및 원본 영상의 분위기 소실 등의 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 후술될 영상 제공 장치(100)를 통해 보다 효과적으로 화질을 개선하는 동시에 전력 소모량을 효과적으로 감소시킬 수 있다. 이때, 영상 제공 장치(100)는 다른 실시 예에서 영상 화질 변환 장치(101)의 구성요소들을 포함할 수 있다. 이하, 도 2를 통해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 제공 장치의 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 영상 제공 장치(100)는 히스토그램 생성부(110), 히스토그램 수정부(120), 전력 소모량 산출부(130), 화소 변환 함수 산출부(140), 출력영상 생성부(145) 및 저장부(150)를 포함한다. 영상 제공 장치(100)는 히스토그램 균등화를 이용하여 효과적으로 화질을 개선할 수 있도록 하고, OLED, PDP와 같은 자체 발광형 디스플레이의 특성을 이용하여 전력 소모를 최소화시킨다. 영상 제공 장치(100)는 자체 발광형 디스플레이로 구현될 수 있다.
히스토그램 생성부(110)는 도 1에서 설명된 바와 같이 입력영상의 히스토그램을 생성한다.
히스토그램 수정부(120)는 입력영상의 히스토그램 값을 증감시킨다. 예컨대, 히스토그램 수정부(120)는 로그기반함수에 기초하여 입력영상의 히스토그램 값 중에서 기준치를 초과하여 돌출된 화소 영역의 히스토그램 빈(bin)의 큰 값을 감소시키거나, 기준치 미만의 히스토그램 빈의 작은 값을 증가시킬 수 있다. 여기서, 다른 실시 예에서 히스토그램 수정부(120)는 상술한 도 1의 구성요소에 구성되어 입력영상의 히스토그램 값을 증감시키는 데에 사용될 수 있다.
이를 통해 히스토그램 균등화를 기반으로 한 화질 개선을 수행할 때 영상의 밝기가 과도하게 변화되고, 잡음의 증가 및 원본 영상의 분위기 소실 등이 발생하였던 종래의 문제점을 해결할 수 있다.
구체적으로, 히스토그램 수정부(120)는 하기 수학식 6의 로그함수를 이용하여 입력영상의 히스토그램 값(hk)을 수정된 히스토그램 값(mk)으로 변환한다.
수학식 6
Figure PCTKR2011006943-appb-M000006
여기서, hmax는 입력영상의 히스토그램(hk) 내에 존재하는 최대 요소(maximum element)를 나타내고, 1값은 로그함수가 음의 값을 가지는 것을 방지하는 값이고, μ는 히스토그램 수정 레벨을 조절하는 제어 파라미터이다. 여기서, μ값이 커질수록 명암비는 증가하고 μ값이 작을수록 명암비는 감소한다. 즉, μ값을 크게 하면, mk가 hk에 선형적으로 비례하고, 히스토그램은 덜 강하게 수정된다. 반대로 μ값을 작게 하면, mk가 hk에 관계없이 수정된 히스토그램을 일정하게 하는 상수가 된다.
그리고, m=[m0, m1,...,m255]T 이 상술한 수정된 히스토그램을 나타낸다고 정의하면, 원본 영상의 히스토리그램(hk)대신 수정된 히스토그램(mk)에 의해 히스토그램 처리 절차가 수행될 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 상술한 수학식 4 및 수학식 5는 하기 수학식 7과 같이 정의되는 수정된 히스토그램에 의해 수행될 수 있다.
수학식 7
Figure PCTKR2011006943-appb-M000007
여기서,
Figure PCTKR2011006943-appb-I000003
은 수정된 히스토그램의 합이 최대 밝기 값인 255가 되도록 하는 정규화된 벡터로서 하기 수학식 8과 같이 정의될 수 있다.
수학식 8
Figure PCTKR2011006943-appb-M000008
그리고, 이후, 차분 행렬(D)를 이용하여 수학식 7을 계산하고 이를 기초로 후술될 화소 변환 함수 산출부(140)를 통해 히스토그램 균등화가 수행될 수 있다. 이때,
Figure PCTKR2011006943-appb-I000004
을 최소화시켜 명암비를 증가시킴으로써 히스토그램 균등화를 수행할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예를 통해 히스토그램 균등화를 이용하여 화질을 개선할 뿐 아니라, 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
전력 소모량 산출부(130)는 후술될 출력영상 생성부(145)를 통해 생성된 출력영상을 출력하는 디스플레이(장치)의 소모 전력량을 산출하는 전력 소모량 산출 함수(TDP)를 산출한다. 이때, 자체 발광형 디스플레이(예컨대 OLED)의 전력 소모에 있어서 1개의 화소가 소모하는 전력은 감마 보정에 쓰이는 γ의 승(Power)에 비례하며, 하기 수학식 9와 같이 정의될 수 있다.
수학식 9
Figure PCTKR2011006943-appb-M000009
여기서, ω0는 입력 화소에 독립적으로 디스플레이를 구동하기 위해 소모되는 전력이며, ωr, ωg, ωb는 RGB 각각의 채널을 표현할 때의 전력 소모 비율이다. 각각의 RGB 채널은 실험적으로 지수 γ에 비례한다.
이때 γ는 감마 보정에서 사용되는 값과 거의 일치하는 특성을 가지고, ω0는 입력영상의 화소와 무관한 요소이고, 정전력(static power) 소모에 있어서 무시할 수 있는 값이다. 또한, 보통의 디스플레이에서 감마는 2값으로 근사될 수 있다. 그리고, 컬러 영상을 표현하기 위한 전체 전력 소모(TDP,Total Dissipated Power)는 하기 수학식 10과 같이 정의될 수 있다.
수학식 10
Figure PCTKR2011006943-appb-M000010
여기서, N은 영상에서 픽셀의 수를 나타내고, (Ri, Gi, Bi)는 i번째 RGB 컬러 벡터를 나타낸다.
그리고, 일반적인 영상 처리에서 RGB 색공간 대신에 YUV 색공간, 특히 인간의 시각에 민감한 Y 요소만을 처리한다는 것을 고려하면, 자체 발광형 디스플레이에서 표현되는 전체 전력 소모는 하기 수학식 11과 같이 모델링될 수 있다.
수학식 11
Figure PCTKR2011006943-appb-M000011
여기서, Yi은 i번째 픽셀의 휘도를 나타낸다.
그리고, 히스토그램(hk)과 화소 변환 함수(xk)를 이용하여 자체 발광형 디스플레이의 전체 소모량을 나타내면 수학식 11은 하기 수학식 12와 같이 정의될 수 있다.
수학식 12
Figure PCTKR2011006943-appb-M000012
즉, 자체 발광형 디스플레이에서 표시되는 영상의 소모 전력은 각 화소가 소모하는 전력의 합이므로, 히스토그램 대각행렬과 출력화소 벡터로 표시하면, xTHx가 된다. 여기서 전력 소모를 줄이기 위해서는 xTHx를 감소시키면 된다.
화소 변환 함수 산출부(140)는 히스토그램 수정부(120)에 의하여 수정된 히스토그램의 균등화를 통해 화소 변환 함수(x)를 산출한다.
또한, 화소 변환 함수 산출부(140)는 화소 변환 함수에 기초하여 출력영상이 출력되는 디스플레이의 전력 소모량이 최소가 되도록 한다. 여기서, 화소 변환 함수 산출부(140)는 입력영상의 명암비를 최대화시키는 동시에 자체 발광형 디스플레이 특성을 이용하여 전력 소모를 감소시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 수학식 7에서
Figure PCTKR2011006943-appb-I000005
을 최소화시켜 명암비를 최대화시키고, 상기 수학식 12에서 xTHx를 최소화시켜 전력 소모를 감소시킬 수 있다. 이를 위해, 화소 변환 함수 산출부(140)는 라그랑지안(Lagrangian) 승수법을 이용하여 하기 수학식 13의 J(x) 이 최소값이 되도록 한다.
수학식 13
Figure PCTKR2011006943-appb-M000013
여기서, 명암비 최대화 인자(
Figure PCTKR2011006943-appb-I000006
)는
Figure PCTKR2011006943-appb-I000007
로 정의될 수 있다. 그리고, 화소 변환 함수(x)의 마지막 요소 x255는 전력 소모량 감소 인자(xTHx)로 인해 255보다 적을 수 있다. 이때 출력영상의 동적 범위의 감소를 줄이기 위해 x255=255의 조건을 기초로 D와
Figure PCTKR2011006943-appb-I000008
을 수정함으로써 J(x)함수에 추가한다. 보다 구체적으로 설명하면, 차분 행렬 D에 [0, 0,..., 0, 1] 열을 추가한 증강행렬 Da와
Figure PCTKR2011006943-appb-I000009
에 255 요소를 더 추가한
Figure PCTKR2011006943-appb-I000010
를 적용하면, J(x)는 이하 수학식 14와 같이 정의된다.
수학식 14
Figure PCTKR2011006943-appb-M000014
J(x)를 0로 셋팅하여 수학식 14를 계산하면, 하기 수학식 15의 벡터식으로 정의된다.
수학식 15
Figure PCTKR2011006943-appb-M000015
여기서, α는 전력 감소 및 명암비 조절을 수행하는 제어 파라미터로서, 제한된 조건 안에서 두 가지 효과가 나타나도록 한다. 즉, α가 0 값이면 전력 소모량이 고려되지 않은 명암비 증가만 반영된 화소 변환 함수(x)를 얻게 된다. 그리고, α를 증가시키면 전력 소모량이 고려된 화소 변환 함수를 얻게 되고, 적은 수의 픽셀들이 출력영상에서 큰 명암도 값에 할당된다.
Figure PCTKR2011006943-appb-I000011
은 수정된 히스토그램의 합이 최대 밝기 값인 255가 되도록 하는 정규화된 벡터를 의미한다.
또한, 상술한 바와 같이 화소 변환 함수(x)의 최대값도 역시 최대 밝기 값 255가 되도록 만들어 주기 위해서, 차분 행렬 D에 [0, 0,..., 0, 1] 열을 추가한 증강행렬 Da와
Figure PCTKR2011006943-appb-I000012
에 255 요소를 더 추가한 벡터
Figure PCTKR2011006943-appb-I000013
를 적용하여 계산하면, 원하는 0<x<255인 화소변환벡터를 얻을 수 있다.
그리고, 파라미터(α)는 매우 작은 값으로서 조절하기 어려우므로 입력 화소의 합을 곱한 값인 λ로 대체될 수 있다. 이때, λ는 하기 수학식 16으로 정의될 수 있다.
수학식 16
Figure PCTKR2011006943-appb-M000016
여기서, Yinput,i는 입력영상에서 i번째 픽셀의 휘도를 나타낸다. 따라서, α대신 λ가 제어 파라미터로 이용될 수 있다.
출력영상 생성부(145)는 상기 화소 변환 함수(x)에 기초하여 입력영상으로부터 출력영상을 생성한다.
저장부(150)는 저전력 고명암비의 영상 제공을 위한 알고리즘들을 저장한다. 예컨대 입력영상의 히스토그램 값을 증가 또는 감소시켜 수정된 히스토그램 값으로 변환하는 알고리즘 및 입력영상을 출력하는 디스플레이를 구동하기 위해 소모되는 전력량을 산출하는 알고리즘 등을 저장할 수 있다. 또한, 저장부(150)는 본 발명을 수행하기 위해 각종 설정값, 프로그램, 필요한 함수 및 변수 정의 등을 저장할 수 있다.
상술한 과정을 이용하여 영상을 변환하면, 최대한 영상의 명암비를 유지한 채 디스플레이어의 전력 소모를 줄일 수 있다. 또한, 제어 파라미터(λ)를 조종하여 저전력의 정도를 자유자재로 변화시킬 수 있다. 특히, 밝은 영상은 더 많은 전력을 소모하므로 화질 혹은 명암비를 유지한 상태로 많은 전력 소모를 줄일 수 있다. 또 경우에 따라서는 원본 영상에 비해, 변환된 영상에 소모되는 전력이 적으면서도 변환된 영상의 화질이 향상될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 제공 방법의 순서도이다.
먼저, 입력영상의 히스토그램을 생성한다(S301).
다음으로, 입력영상의 히스토그램 값을 수정한다(S311). 즉, 로그기반함수에 기초하여 입력영상의 히스토그램 값 중에서 기준치를 초과하여 돌출된 화소 영역의 히스토그램 값을 수정할 수 있다. 이에 대해서는 상술한 수학식 6을 참조하기 바란다.
다음으로, 수정된 히스토그램의 균등화를 통해 디스플레이의 전력 소모량이 최소가 되도록 하는 화소 변환 함수를 산출한다(S321). 이에 대해서는 상술한 수학식 13 내지 수학식 16을 참조하기 바란다.
그리고, 화소 변환 함수에 기초하여 입력영상으로부터 출력영상을 생성한다(S331).
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수정된 히스토그램 및 이를 등화한 화소 변환 함수를 도시한다.
도 4의 (a)는 입력영상의 히스토그램 및 이를 상술한 수학식 6을 이용하여 수정한 히스토그램을 나타낸다. 여기서, 제어 파라미터(μ)의 값이 7, 5, 2 순으로 작아짐에 따라 변동이 줄어드는 것을 알 수 있는 데 이는 명암비가 감소함을 나타낸다. 그리고 제어 파라미터(μ)의 값이 작아질수록 입력영상의 히스토그램은 더 크게 수정됨을 알 수 있다.
도 4의 (b)는 수정 히스토그램을 등화하여 얻은 화소 변환 함수를 나타낸 것이다. 제어 파라미터(μ)의 값이 작아지면서 입력영상과 동일한 출력영상을 만드는 화소 변환 함수로 바뀌는 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 히스토그램 수정을 위한 제어 파라미터(μ)가 5일 때 저전력 알고리즘을 적용한 결과를 도시한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 전력 소모량 관련 제어 파라미터(λ)가 0이면, 상기 도 4의 (b)에서 제어 파라미터(μ)가 5일 경우와 동일하게 된다. 여기서, 제어 파라미터(λ) 값이 커질수록 그래프가 아래로 내려가며 출력 화소가 입력 화소보다 낮은 값을 가져 영상이 어두워진다. 결과적으로 얻어지는 영상은 낮은 전력 소모를 보이게 된다.
도 1 및 도 2에서 도시된 각각의 구성요소는 일종의 '모듈'로 구성될 수 있다. 상기 '모듈'은 소프트웨어 또는 Field Programmable Gate Array(FPGA) 또는 주문형 반도체(ASIC, Application Specific Integrated Circuit)과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, 모듈은 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 모듈은 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. 모듈은 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 실행시키도록 구성될 수도 있다. 구성요소들과 모듈들에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 모듈들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 모듈들로 더 분리될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (11)

  1. 영상 제공 장치에 있어서,
    입력영상에 대한 히스토그램을 생성하는 히스토그램 생성부,
    상기 입력영상의 히스토그램 값을 증감시키는 히스토그램 수정부,
    상기 히스토그램 수정부에 의하여 수정된 히스토그램의 균등화를 통해 화소 변환 함수를 산출하는 화소 변환 함수 산출부 및
    상기 화소 변환 함수에 기초하여 상기 입력영상으로부터 출력영상을 생성하는 출력영상 생성부를 포함하되,
    상기 화소 변환 함수 산출부는 상기 화소 변환 함수에 기초하여 상기 출력영상이 출력되는 디스플레이 장치의 전력 소모량이 최소가 되도록 하는 것인
    영상 제공 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히스토그램 수정부는
    상기 입력영상의 히스토그램 값 중에서 기준치를 초과하여 돌출된 화소 영역의 히스토그램 값을 감소시키거나 기준치 미만의 히스토그램 값을 증가시키는 것인 영상 제공 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 디스플레이 장치에 출력되는 상기 출력영상의 각 화소가 소모하는 전력의 합을 기초로 상기 디스플레이 장치의 전력 소모량을 산출하는 전력 소모량 산출부를 더 포함하는 영상 제공 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 화소 변환 함수 산출부는
    하기 수학식 2의 함수 결과값(J(x))이 최소값이 되도록 하여, 상기 전력 소모량을 최소화시키는 것인 영상 제공 장치.
    <수학식 1>
    Figure PCTKR2011006943-appb-I000014
    상기 수학식 2에서, 명암비 최대화 인자(
    Figure PCTKR2011006943-appb-I000015
    )의 D는 차분 행렬을 나타내고,
    Figure PCTKR2011006943-appb-I000016
    은 수정된 상기 입력영상의 히스토그램 값의 합이 최대 밝기 값이 되도록 하는 정규화된 벡터이고, 전력 소모량 감소 인자(xTHx)에 연산되는 파라미터(α)는 전력 소모량 및 명암비의 크기를 조절하는 파라미터이고, xTHx는 히스토그램(hk)과 화소 변환 함수(xk)를 이용하여 상기 전력 소모량을 히스토그램 대각행렬과 출력화소 벡터로 표시한 것임.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 화소 변환 함수 산출부는
    상기 입력영상에서 각각의 픽셀의 휘도를 나타내는 입력 화소의 합에 연산되는 상기 파라미터(α) 값으로 정의되는 제어 파라미터(λ)를 이용하여 상기 전력 소모량을 조절하는 것인 영상 제공 장치.
  6. 청구항 1 항 내지 청구항 5 항 중 어느 하나의 항에 따른 영상 제공 장치를 구비한 자체 발광형 디스플레이.
  7. 영상 제공 장치를 이용한 영상 제공 방법에 있어서,
    (a) 입력영상의 히스토그램을 생성하는 단계,
    (b) 상기 입력영상의 히스토그램 값을 수정하는 단계,
    (c) 상기 수정된 히스토그램의 균등화를 통해 화소 변환 함수를 산출하는 단계 및
    (d) 상기 화소 변환 함수에 기초하여 상기 입력영상으로부터 출력영상을 생성하는 단계를 포함하되,
    상기 (c) 단계는,
    상기 화소 변환 함수에 기초하여 상기 출력영상이 출력되는 디스플레이 장치의 전력 소모량이 최소가 되도록 하는 것인
    영상 제공 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    상기 입력영상의 히스토그램 값 중에서 기준치를 초과하여 돌출된 화소 영역의 히스토그램 값을 감소시키거나 기준치 미만의 히스토그램 값을 증가시키는 것인 영상 제공 방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는,
    상기 디스플레이 장치에 출력되는 상기 출력영상의 각 화소가 소모하는 전력의 합을 기초로 상기 디스플레이 장치의 전력 소모량을 산출하는 단계를 포함하는 영상 제공 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는
    하기 수학식 2의 함수 결과값(J(x))이 최소값이 되도록 하여, 상기 전력 소모량을 최소화시키는 것인 영상 제공 방법.
    <수학식 1>
    Figure PCTKR2011006943-appb-I000017
    상기 수학식 2에서, 명암비 최대화 인자(
    Figure PCTKR2011006943-appb-I000018
    )의 D는 차분 행렬을 나타내고,
    Figure PCTKR2011006943-appb-I000019
    은 수정된 상기 입력영상의 히스토그램 값의 합이 최대 밝기 값이 되도록 하는 정규화된 벡터이고, 전력 소모량 감소 인자(xTHx)에 연산되는 파라미터(α)는 전력 소모량 및 명암비의 크기를 조절하는 파라미터이고, xTHx는 히스토그램(hk)과 화소 변환 함수(xk)를 이용하여 상기 전력 소모량을 히스토그램 대각행렬과 출력화소 벡터로 표시한 것임.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는
    상기 입력영상에서 각각의 픽셀의 휘도를 나타내는 입력 화소의 합에 연산되는 상기 파라미터(α) 값으로 정의되는 제어 파라미터(λ)를 이용하여 상기 전력 소모량을 조절하는 것인 영상 제공 방법.
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