KR100195115B1 - 히스토그램 변환을 이용하여 콘트라스트 개선시 이득 조절방법 및 그 회로 - Google Patents

Abstract

본 발명의 이득 조절 방법은 입력 영상의 히스토그램을 근거로 하여 콘트라스트를 개선해서 개선된 신호를 출력하는 단계와 입력 영상의 레벨과 변환된 신호의 레벨간의 변화량에 응답하여 개선된 신호의 이득을 조절하는 단계를 포함하여 히스토그램 변환에 의한 콘트라스트의 과도한 개선에 따른 아티펙트를 방지함으로써 화질을 개선할 수 있다.

Description

히스토그램 변환을 이용하여 콘트라스트 개선시 이득 조절 방법 및 그 회로

히스토그램 변환의 기본 동작은 입력영상의 히스토그램을 토대로 주어진 입력영상을 변환하는 것으로서, 여기서 히스토그램이라 함은 주어진 입력 영상에서의 그레이 레벨 분포를 나타낸다.

이러한 그레이 레벨(gray level)의 히스토그램은 영상(image)의 외양(appearance)의 전체적인 묘사를 제공한다. 영상의 샘플 분포에 따라 적절히 조절된 그레이 레벨은 외양 또는 영상의 콘트라스트를 개선시킨다.

콘트라스트 개선을 위한 많은 방법중에 영상의 샘플분포에 따라 주어진 영상의 콘트라스트를 개선하는 방법인 히스토그램 등화가 가장 널리 알려져 있으며, 이는 아래 문헌 [1], [2]에 개시되어 있다: [1] J.S.Lim, Two-Dimensional Signal and Image Processing, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1990, [2] R.C.Gonzalez and P.Wints, Digital Image Processing, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, 1977. 또한, 메디컬 영상 처리와 레이다 영상 처리를 포함하는 히스토그램 등화 방법의 유용한 응용은 아래 문헌 [3], [4]에 개시되어 있다: [3] J.Zimmerman, S.Pizer, E.Staab, E.Perry, W.McCartney, and B.Brenton, Evaluation of the effectiveness of adaptive histogram equalization for contrast enhancement, IEEE Tr.on Medical Imaging,pp.304-312, Dec.1988, [4] Y.Li, W.Wang, and D.Y.Yu, Application of adaptive histogram equalization to x-ray chest image, Proc. of the SPIE,pp.513-514,vol.2321,1994.

따라서, 주어진 영상의 히스토그램을 이용한 기법은 메디컬 영상 처리, 적외선 영상 처리, 레이다 영상 처리분야등 여러 분야에서 유용하게 응용되고 있다.

주어진 영상에 대해 히스토그램 등화를 근거로 한 콘트라스트 개선시 발생할 수 있는 문제점으로는 입출력간 큰 차이를 들 수 있다. 다시 말해서, 입력 영상의 히스토그램에 의존하는 알고리즘을 근거로 한 히스토그램 등화에 의해 과도하게 콘트라스트가 개선이 될 수 있으며, 이것은 원하지 않는 형태의 영상의 제공을 초래하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 주어진 입력 영상을 히스토그램 변환을 이용하여 콘트라스트 개선시 개선 정도에 따라 적응적으로 개선된 신호의 이득을 조절하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 주어진 입력 영상을 히스토그램 변환을 이용하여 콘트라스트 개선시 개선 정도에 따라 적응적으로 개선된 신호의 이득을 따라 조절하는 회로를 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 이득 조절 방법은 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨의 분포를 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 변환을 이용하여 화질을 개선하는 방법에 있어서: (a) 입력 영상의 히스토그램을 근거로 하여 콘트라스트를 개선해서 개선된 신호를 출력하는 단계; 및 (b) 상기 입력 영상의 레벨과 변환된 신호의 레벨간의 변화량에 따라 개선된 신호의 이득을 조절하는 단계를 포함함을 특징으로 하고 있다.

상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 이득 조절 회로는 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨의 분포를 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 변환을 이용하여 화질을 개선하는 회로에 있어서: 입력 영상의 히스토그램을 근거로 하여 콘트라스트를 개선해서 개선된 신호를 출력하는 콘트라스트 개선수단; 및 상기 콘트라스트 개선수단에 의해 만들어진 그레이 레벨의 변화량에 따라 상기 개선된 신호의 이득을 조절하는 이득 제어수단을 포함함을 특징으로 하고 있다.

도 1은 본 발명에 의한 이득 조절 회로의 일 실시예에 따른 블록도이다.

도 2는 도 1에 도시된 이득 제어기의 상세회로도이다.

도 1은 본 발명에 의한 이득 조절 회로의 일 실시예에 따른 블록도이다.

도 1에 있어서, Y_i는 히스토그램에 근거한 콘트라스트 개선기(이하 콘트라스트 개선기라고 약칭함)(100)의 입력 영상신호이고, Y_o는 콘트라스트 개선기(100)의 출력신호 즉, 콘트라스트 개선된 신호이고, g는 이득 제어기(200)에 입력되는 이득 제어 파라미터이고, Y_out는 이득 제어기(200)의 출력 신호이다.

그리고, 콘트라스트 개선기(100)는 입력 영상신호(Y_i)의 그레이 레벨 분포를 근거로 한 누적분포함수값을 계산해서 누적분포함수를 주어진 영상을 새로운 그레이 레벨로 맵핑하여 콘트라스트 개선된 신호(Y_o)를 출력한다.

이득 제어기(200)는 입력 영상신호(Y_i)와 콘트라스트 개선기(100)의 개선된 신호(Y_o)를 입력하여 콘트라스트 개선기(100)의 콘트라스트 개선 정도에 대응하여 최대 한계 함수와 이득 제어 파라미터(g)를 이용한 이득특성을 결정하여 개선된 신호의 이득을 조절해서 출력 신호(Y_out)를 출력한다.

여기서, 본 발명에 의한 콘트라스트 개선기(100)는 히스토그램 변환을 이용하여 콘트라스트를 개선할 수 있는 구성이면 모두 적용 가능하다. 따라서, 본 발명의 중심 구성요소인 이득 제어기(200)를 중심으로 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에서 제안하는 이득 조절 방법에 대하여 제1도와 결부시켜 설명하기로 한다.

이득 제어기(200)의 기본개념은 히스토그램 변환을 이용하여 콘트라스트를 개선하는 콘트라스트 개선기(100)에 의해 입력 영상신호(Y_i)의 최대 그레이 레벨의 변화를 콘트라스트 개선 정도에 따라 제한하기 위한 것이다.

우선, 콘트라스트 개선기(100)의 입력 영상신호(Y_i)와 출력신호(Y_o)사이의 관계는 아래 수학식 1 또는 수학식 2로 나타낼 수 있다.

또는,

여기서, △는 콘트라스트 개선기(100)에 의해 만들어지는 변화량(개선 정도) 즉, 입력 영상신호(Y_i)의 레벨과 콘트라스트 개선기(100)에서 새로운 그레이 레벨로 맵핑된 레벨(Y_o)과의 차이를 말한다.

본 발명에서 콘트라스트 개선기(100)에 의한 과도한 개선을 막기 위하여, 변화량 △는 다음과 같이 제한된다.

여기서, f(Y_i)를 최대 한계 함수(maximum bounding function)로 정의하며, 이 f(Y_i)는 입력 (Y_i)의 함수이고, 항상 양의 값이고, 즉, f(Y_i) 1 0 이고, g(g 1 0)는 이득 제어 파라미터이다.

위 수학식 3을, 동등한 식으로서 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

위 수학식 3에 도시된 변화량(△)을 제한하는 개념은 웨버의 비(Weber's ratio)와 관련되어 있다. 사실, f(Y_i) = Y_i라고 하면 위 수학식 3으로부터 다음과 같은 (5)식을 얻을 수 있다.

여기서,가 웨버의 비에 대응되는 양이다. 이 웨버의 비는, Y₁가 gY₁만큼 변화하고, Y₂가 gY₂만큼 변화할 때 인간은 그 변화 정도가 동일하다고 느낀다는 것을 의미하는 실험적인 사실(empirical heuristics)이다.

따라서, 본 발명의 이득 제어 방법의 개념은 웨버의 비를 근거로 하여 히스토그램 변환을 이용하여 콘트라스트 개선된 신호의 이득 즉, 개선 정도를 제어하는 것이다.

△'는 제한된 변화량으로서, 다음 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.

즉, 변화량(△)의 절대값이 gf(Y_i)이하이면 그대로 변화량(△)을 제한된 변화량(△')으로 사용하고, 변화량(△)이 gf(Y_i)보다 크면 제한된 변화량(△')을 gf(Y_i)로 사용하고, 변화량(△)이 -gf(Y_i)보다 작으면 제한된 변화량(△')을 -gf(Y_i)로 사용해서 개선된 신호(Y_o)의 이득을 제어한다.

따라서, 이득 제어기(200)의 출력신호(Y_OUT)는 다음 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.

이어서, 도 2에 도시된 이득 제어기(200)의 상세한 구성에 대한 동작을 설명하기로 한다.

도 2에 있어서, 감산기(210)는 제1도에 도시된 콘트라스트 개선기(100)의 출력신호(Y_o)로부터 입력 영상신호(Y_i)를 감산해서 콘트라스트 개선기(100)에 의해 만들어진 변화량(△)을 구한다.

이득특성 결정기(220)는 입력 영상신호(Y_i)의 함수인 최대 한계 함수(f(Y_i))를 이용하여 입력 영상신호(Y_i)의 개선을 제한한다.

예를 들어, f(Y_i) = K이고, 이 K는 상수일 때, 이것은 입력 그레이 값에 무관하게 입력 개선을 동일하게 제한하며, 최대 한계 함수는또는와 같은 형태가 될 수 있으며, 이것은 입력 그레이 값에 의존하여 입력 영상의 개선을 제한한다.

승산기(230)는 이득특성 결정기(220)에서 출력되는 최대 한계 함수(f(Y_i))값과 이득 제어 파라미터(g)를 승산하여 한계값(gf(Y_i))을 출력한다. 여기서, 한계값 g· f(Y_i)는 본 발명의 이득 제어기(200)의 특성이다.

리미터(240)는 감산기(210)로부터 출력되는 변화량(△)을 승산기(230)로부터 출력되는 한계값(gf(Y_i))과 비교하여 변화량(△)을 제한하여 위 (6)식과 같은 제한된 변화량(△')을 출력한다.가산기(250)는 입력 영상신호(Y_i)과 리미터(240)에서 출력되는 제한된 변화량(△')을 가산하여 위 수학식 7에 도시된 바와 같은 이득 제어기(200)의 출력신호(Y_out))를 출력한다.

본 발명은 영상신호의 화질 개선에 관련된 광범위한 분야에 응용될 수 있다. 즉, 방송기기, 레이다 신호처리시스템, 의용공학, 가전제품등에 응용될 수 있다.

본 발명의 화질 개선 방법 및 그 회로는 웨버의 비를 근거로 하여 개선된 신호의 이득을 조절하여 히스토그램 변환에 의한 콘트라스트의 과도한 개선에 따른 아티펙트를 방지함으로써 화질을 개선하는 효과가 있다.

Claims (17)

1. 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨의 분포를 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 변환을 이용하여 화질을 개선하는 방법에 있어서:

   (a) 입력 영상의 히스토그램을 근거로 하여 콘트라스트를 개선해서 개선된 신호를 출력하는 단계; 및

   (b) 상기 입력 영상의 레벨과 변환된 신호의 레벨간의 변화량에 따라 개선된 신호의 이득을 조절하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 이득 조절 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 (b)단계에서는 상기 개선된 신호의 이득의 조절은 웨버의 비에 근거함을 특징으로 하는 이득 조절 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 (b)단계는

   (b1) 소정의 최대 한계 함수와 소정의 이득 제어 파라미터에 의해 상기 입력 영상의 개선을 제한하여 제한된 입력 영상을 출력하는 단계; 및

   (b2) 상기 제한된 입력 영상과 상기 변화량을 비교하여 상기 변화량을 제한하여 제한된 변화량에 따라 상기 개선된 신호의 이득을 조절하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 이득 조절 방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 최대 한계 함수 f(Y_i)는인 것을 특징으로 하는 이득 조절 방법.
5. 제3항에 있어서, 상기 최대 한계 함수 f(Y_i)는인 것을 특징으로 하는 이득 조절 방법.
6. 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨의 분포를 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 변환을 이용하여 화질을 개선하는 방법에 있어서:

   (a) 입력 영상의 그레이 레벨 분포를 근거로 한 누적분포함수값을 계산해서 상기 누적분포함수값에 따라 상기 입력 영상을 새로운 그레이 레벨로 맵핑하여 개선된 신호를 출력하는 단계;

   (b) 상기 개선된 신호로부터 상기 입력 영상을 감산해서 차에 해당하는 변화량을 구하는 단계;

   (c) 상기 입력 영상에 소정의 이득 특성을 부가하여 입력 영상의 개선을 제한해서 제한된 입력 영상을 출력하는 단계;

   (d) 상기 제한된 입력 영상과 상기 변화량을 비교하여 비교한 결과에 따른 제한된 변화량을 출력하는 단계; 및

   (e) 상기 입력 영상에 상기 제한된 변화량을 가산하여 상기 개선된 신호의 이득을 조절하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 이득 조절 방법.
7. 제6항에 있어서, 상기 (c)단계에서는 그레이 레벨에 의존하는 영상의 개선과는 무관하게 소정의 최대 한계 함수에 의해 상기 입력 영상의 개선을 제한함을 특징으로 하는 이득 조절 방법.
8. 제7항에 있어서, 상기 (c)단계는

   (c1) 소정의 최대 한계 함수에 의해 입력 영상의 개선을 제한하여 제한된 입력 영상을 출력하는 단계; 및

   (c2) 상기 제한된 입력 영상에 이득 제어 파라미터를 승산해서 한계 함수값을 출력하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 이득 조절 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 최대 한계 함수 f(Y_i)는인 것을 특징으로 하는 이득 조절 방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 최대 한계 함수 f(Y_i)는인 것을 특징으로 하는 이득 조절 방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 (d)단계에서는 상기 변화량의 절대값이 상기 한계 함수값 이하일 때는 그대로 상기 변화량을 상기 제한된 변화량으로 출력하고, 그 외에는 상기 한계 함수값을 상기 제한된 변화량으로 출력함을 특징으로 하는 이득 조절 방법.
12. 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨의 분포를 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 변환을 이용하여 화질을 개선하는 회로에 있어서:

    입력 영상의 히스토그램을 근거로 하여 콘트라스트를 개선해서 개선된 신호를 출력하는 콘트라스트 개선수단; 및

    상기 콘트라스트 개선수단에 의해 만들어진 그레이 레벨의 변화량에 응답하여 상기 개선된 신호의 이득을 조절하는 이득 제어수단을 포함함을 특징으로 하는 이득 조절 회로.
13. 제12항에 있어서, 상기 이득 제어수단은 웨버비에 근거하여 상기 개선된 신호의 이득을 조절함을 특징으로 하는 이득 조절 회로.
14. 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨의 분포를 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 변환을 이용하여 화질을 개선하는 회로에 있어서:

    입력 영상의 그레이 레벨 분포를 근거로 한 누적분포함수값을 계산해서 상기 누적분포함수값에 따라 상기 입력 영상을 새로운 그레이 레벨로 맵핑하여 개선된 신호를 출력하는 콘트라스트 개선수단;

    상기 개선된 신호로부터 입력 영상을 감산해서 차에 해당하는 변화량을 검출하는 검출수단;

    소정의 최대 한계 함수에 의해 입력 영상의 개선을 제한하여 제한된 입력 영상을 출력하는 이득특성 결정수단;

    상기 제한된 입력 영상에 이득 제어 파라미터를 승산하여 한계 함수값을 출력하는 승산수단;

    상기 한계 함수값과 상기 변화량을 비교하여 비교한 결과에 따라 상기 변화량을 제한하여 제한된 변화량을 출력하는 리미팅수단; 및

    상기 입력 영상에 제한된 변화량을 가산하여 상기 개선된 신호의 이득이 조절된 신호를 출력하는 가산수단을 포함함을 특징으로 하는 이득 조절 회로.
15. 제14항에 있어서, 상기 최대 한계 함수 f(Y_i)는인 것을 특징으로 하는 이득 조절 회로.
16. 제14항에 있어서, 상기 최대 한계 함수 f(Y_i)는인 것을 특징으로 하는 이득 조절 회로.
17. 제14항에 있어서, 상기 리미팅수단은 상기 변화량의 절대값이 상기 한계 함수값 이하일 때는 그대로 상기 변화량을 상기 제한된 변화량으로 출력하고, 그 외에는 상기 한계 함수값을 상기 제한된 변화량으로 출력함을 특징으로 하는 이득 조절 회로.