KR19980014480A - Image quality improvement method using quantized mean-separated histogram equalization with gain control function and its circuit - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 화질 개선 방법과 그 회로는 입력되는 영상신호의 레벨을 양자화하고, 입력되는 영상신호를 화면단위로 평균을 구해서 구해진 평균을 양자화하여 양자화된 평균레벨을 출력하고, 양자화된 영상신호를 양자화된 평균레벨에 따라 소정수의 양자화된 서브영상으로 분할하고, 그레이 레벨 분포를 근거로 하여 양자화된 서브영상별로 누적 밀도 함수값을 구하고, 입력되는 영상신호와 양자화된 서브영상별로 구해진 누적 밀도 함수값을 근거로 하여 보간에 의해 서브영상별로 보간된 누적 밀도 함수값을 출력하고, 서브영상별로 보간된 누적 밀도 함수값을 근거로 하여 서브영상별로 독립적으로 히스토그램 등화하여 개선된 신호를 출력하고, 입력되는 영상신호와 개선된 신호와의 그레이 레벨 변화량과 입력되는 영상신호의 레벨에 따라 변화량을 조절하므로서 콘트라스트를 개선하면서 주어진 영상의 평균 밝기를 일정하게 유지하고, 또한 과도한 개선에 따른 아티펙트를 방지함으로써 화질을 개선한다.The image quality improvement method and circuit of the present invention quantizes the level of an input video signal, obtains an average of the input video signal on a screen basis, quantizes the obtained average to output a quantized average level, The quantized sub-images are divided into a predetermined number of quantized sub-images according to the quantized average level. Cumulative density function values are obtained for each quantized sub-image based on the gray-level distribution. The cumulative density function And outputs an improved signal by independently histogram equalizing each subimage on the basis of the cumulative density function value interpolated for each subimage, Based on the gray level change amount of the video signal and the improved signal and the level of the input video signal While improving the contrast hameuroseo regulate hwaryang kept constant on the average brightness of a given image, and also by preventing an artifact of the excessive improvement improve image quality.
Description
본 발명은 이득 조절 기능을 가진 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선 방법과 그 회로에 관한 것으로, 특히 입력되는 영상신호를 양자화하여 양자화된 영상신호를 소정수의 서브영상으로 분할하여 분할된 영상에 대하여 독립적으로 히스토그램 등화하여 콘트라스트 개선하면서 과도한 개선에 의한 아티펙트를 막기 위하여 개선된 신호의 이득을 조절하여 화질을 개선하는 방법 및 그 회로에 관한 것이다.The present invention relates to an image quality improvement method using a quantized mean-separated histogram equalization having a gain control function and a circuit therefor. More particularly, the present invention relates to an image quality improvement method using a quantized mean- The present invention relates to a method and circuit for improving image quality by adjusting the gain of an improved signal to prevent artifacts due to excessive improvement while improving contrast by independently histogram equalizing the image.
히스토그램 등화의 기본 동작은 입력영상의 히스토그램을 토대로 주어진 입력영상을 변환하는 것으로서, 여기서 히스토그램이라 함은 주어진 입력 영상에서의 그레이 레벨 분포를 나타낸다.The basic operation of histogram equalization is to transform a given input image based on the histogram of the input image, where the histogram represents the gray level distribution in a given input image.
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.This histogram of gray levels provides an overall depiction of the appearance of the image. The appropriately adjusted gray level according to the sample distribution of the image improves the appearance or the contrast of the image.
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.Among many methods for improving the contrast, histogram equalization, which is a method for improving the contrast of a given image according to a sample distribution of an image, is most widely known and is disclosed in the following documents [1] and [2]: [1] JSLim , Two-Dimensional Signal and Image Processing, Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1990, [2] RC Gonzalez and P. Wints, Digital Image Processing, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts,
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.Also useful applications of the histogram equalization method including medical image processing and radar image processing are disclosed in the following documents [3], [4]: [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. 304-412, Dec. 1988, [4] Y. Li, W. Wang , and DYYu, 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.Therefore, the technique using the histogram of a given image has been applied to various fields such as medical image processing, infrared image processing, and radar image processing.
그러나, 주어진 영상에 대해 히스토그램 등화를 근거로 한 콘트라스트 개선시 발생할 수 있는 문제점으로는 입출력간 차이가 클 수 있다는 것을 들 수 있다. 다시 말해서, 입력 영상의 히스토그램에 의존하는 알고리즘을 근거로 한 히스토그램 등화에 의해 과도하게 콘트라스트가 개선될 수 있으며, 이것은 원하지 않는 형태의 영상의 제공을 초래하는 문제점이 있었다.However, it can be said that the difference between input and output may be a problem that can occur when the contrast is improved based on the histogram equalization for a given image. In other words, the contrast may be excessively improved by the histogram equalization based on an algorithm that depends on the histogram of the input image, which causes a problem of providing an undesired image.
또한, 종래의 히스토그램 등화회로는 모든 그레이 레벨의 발생횟수를 모두 저장할 수 있는 구성이 필요하므로 하드웨어 비용이 높아지는 문제점이 발생되었다. 예를 들어, 그레이 레벨(L)이 L=256라고 가정하면, 모든 레벨의 발생횟수를 저장하기 위해 256개의 메모리소자가 요구되고, 모든 레벨의 발생횟수를 누적하기 위해 256개의 누적기가 필요하였다.In addition, the conventional histogram equalization circuit is required to have a configuration capable of storing all the occurrences of all the gray levels, thus causing a problem of high hardware cost. For example, assuming that the gray level L is L = 256, 256 memory elements are required to store the number of occurrences of all levels, and 256 accumulators were required to accumulate the number of occurrences of all levels.
본 발명의 목적은 입력영상을 양자화하여 양자화된 입력영상을 소정수의 서브영상으로 분할하여 분할된 서브영상에 대하여 독립적으로 히스토그램 등화하여 콘트라스트를 개선하면서 평균밝기가 일정하게 유지되도록 하며, 입력되는 영상신호의 레벨에 따라 적응적으로 개선된 신호의 이득을 조절하여 화질을 개선하는 방법을 제공하는 데 있다.An object of the present invention is to quantize an input image and divide the quantized input image into a predetermined number of sub-images, independently histogram equalize the sub-images to improve the contrast and maintain the average brightness constant, And to provide a method for improving image quality by adjusting a gain of an adaptively improved signal according to a level of a signal.
본 발명의 다른 목적은 입력영상을 양자화하여 양자화된 입력영상을 소정수의 서브영상으로 분할하여 분할된 서브영상에 대하여 독립적으로 히스토그램 등화하여 콘트라스트를 개선하면서 평균밝기가 일정하게 유지되도록 하며, 입력되는 영상신호의 레벨에 따라 적응적으로 개선된 신호의 이득을 조절하여 화질을 개선하는 회로를 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to quantize an input image and divide the quantized input image into a predetermined number of sub-images and independently histogram equalize the divided sub-images so as to maintain the average brightness constant while improving contrast, There is provided a circuit for improving image quality by adjusting a gain of an adaptively improved signal according to a level of a video signal.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 화질 개선 방법은 소정수의 그레이 레벨로 표현되는 영상신호를 히스토그램 등화하여 화질을 개선하는 방법에 있어서: (a) 입력되는 영상신호의 레벨을 양자화하는 단계; (b) 입력되는 영상신호를 화면단위로 평균을 구해서 구해진 평균을 양자화하여 양자화된 평균레벨을 출력하는 단계; (c) 상기 (a)단계에서 양자화된 영상신호를 상기 양자화된 평균레벨에 따라 소정수의 양자화된 서브영상으로 분할하는 단계; (d) 그레이 레벨 분포를 근거로 하여 상기 양자화된 서브영상별로 누적 밀도 함수값을 구하는 단계; (e) 입력되는 영상신호와 상기 양자화된 서브영상별로 구해진 누적 밀도 함수값을 근거로 하여 보간에 의해 서브영상별로 보간된 누적 밀도 함수값을 출력하는 단계; (f) 서브영상별로 보간된 누적 밀도 함수값을 근거로 하여 서브영상별로 독립적으로 히스토그램 등화하여 개선된 신호를 출력하는 단계; 및 (g) 상기 입력되는 영상신호와 상기 개선된 신호와의 그레이 레벨 변화량과 상기 입력되는 영상신호의 레벨에 따라 상기 변화량을 조절하는 단계를 포함함을 특징으로 하고 있다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method for enhancing image quality by histogram equalizing an image signal represented by a predetermined number of gray levels, the method comprising the steps of: (a) quantizing a level of an input image signal; step; (b) obtaining an average of input video signals on a screen basis, quantizing the obtained average, and outputting a quantized average level; (c) dividing the image signal quantized in step (a) into a predetermined number of quantized sub-images according to the quantized average level; (d) obtaining an accumulated density function value for each of the quantized sub-images based on a gray level distribution; (e) outputting a cumulative density function value interpolated for each sub-image by interpolation based on an input video signal and an accumulated density function value obtained for each quantized sub-image; (f) outputting an improved signal by independently histogram equalizing each subimage based on the cumulative density function value interpolated for each subimage; And (g) adjusting the amount of change according to a gray level change amount between the input video signal and the improved signal and a level of the input video signal.
상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 화질 개선 회로는 소정수의 그레이 레벨로 표현되는 영상신호를 히스토그램 등화하여 화질을 개선하는 회로에 있어서: 입력되는 영상신호의 레벨을 양자화하여 양자화된 영상신호를 출력하는 제1양자화수단; 양자화된 영상신호를 화면단위로 그레이 레벨 분포를 계산하는 제1계산수단; 입력되는 영상신호를 화면단위로 평균레벨을 계산하는 제2계산수단; 상기 평균레벨을 양자화하여 양자화된 평균레벨을 출력하는 제2양자화수단; 상기 제1계산수단에서 계산된 그레이 레벨 분포를 상기 양자화된 평균레벨에 따라 소정수의 양자화된 서브영상으로 분할해서 양자화된 서브영상별로 누적 밀도 함수값을 계산하는 제3계산수단; 입력되는 영상신호와 상기 양자화된 서브영상별로 계산된 누적 밀도 함수값을 근거로하여 보간에 의해 서브영상별로 보간된 누적 밀도 함수값을 출력하는 보간수단; 상기 입력되는 영상신호를 상기 양자화된 서브영상별로 계산된 누적 밀도 함수값에 따라 그레이 레벨로 맵핑하여 개선된 신호를 출력하는 출력수단; 및 상기 입력되는 영상신호와 상기 개선된 신호와의 그레이 레벨의 변화량과 상기 입력되는 영상신호의 레벨에 따라 상기 개선된 신호의 이득을 제어하는 이득 제어 수단을 포함함을 특징으로 하고 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided an image quality improvement circuit for enhancing an image quality by histogram equalizing an image signal represented by a predetermined number of gray levels, the circuit comprising: A first quantization means for outputting a video signal; First calculation means for calculating a gray level distribution of the quantized video signal on a screen basis; Second calculation means for calculating an average level of an input video signal on a screen basis; Second quantization means for quantizing the average level and outputting a quantized average level; Third calculation means for dividing the gray level distribution calculated by the first calculation means into a predetermined number of quantized sub-images according to the quantized average level and calculating an accumulated density function value for each quantized sub-image; An interpolation means for outputting a cumulative density function value interpolated for each sub-image by interpolation based on an input video signal and an accumulated density function value calculated for each of the quantized sub-images; An output unit for mapping the input video signal to a gray level according to an accumulated density function value calculated for each of the quantized sub images to output an improved signal; And a gain control means for controlling a gain of the improved signal according to a change amount of a gray level between the input video signal and the improved signal and a level of the input video signal.
도 1은 본 발명의 양자화 개념을 설명하기 위하여 L레벨 이산 신호를 Q레벨 이산 신호로 양자화하는 예를 보인 도면이다.1 is a diagram showing an example of quantizing an L level discrete signal into a Q level discrete signal in order to explain the quantization concept of the present invention.
도 2는 본 발명에 적용되는 보간 개념을 설명하기 위한 도면이다.2 is a diagram for explaining an interpolation concept applied to the present invention.
도 3은 본 발명에 의한 이득 조절 기능을 가진 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선 회로의 일 실시예에 따른 블럭도이다.FIG. 3 is a block diagram of an image quality enhancement circuit using quantized mean-separated histogram equalization with a gain adjustment function according to an embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명에 의한 이득 조절 기능을 가진 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선 회로의 다른 실시예에 따른 블럭도이다.4 is a block diagram of another embodiment of an image quality enhancement circuit using quantized mean-separated histogram equalization with a gain adjustment function according to the present invention.
본 발명에서 제안하는 이득 조절 기능을 가진 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화(Quantized Mean-Separate Histogram Equalization)를 이용한 화질 개선 방법에 대해 설명하기로 한다.A description will be made of an image quality improvement method using a quantized mean-separated histogram equalization with a gain control function proposed in the present invention.
먼저, 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화 알고리즘에 대하여 설명하기로 한다.First, a quantized mean-separated histogram equalization algorithm will be described.
주어진 영상 {X}은 L개의 이산(discrete) 그레이 레벨{X0,X1,...,XL-1}로 구성되고, 여기서, X0=0은 블랙레벨이고, XL-1=1은 화이트 레벨을 나타낸다.Given a picture {X} consists of L discrete gray levels {X0, X1, ..., XL-1}, where X0 = 0 is the black level and XL-1 = 1 is the white level .
원래의 이산 입력 레벨{X0,X1,...,XL-1}을 {Z0,Z1,...,ZQ-1}로 정의되는 Q 이산레벨로 양자화하되, 여기서, ZQ-1 = XL-1이라 하고, 또한 Q 1 L 이고, {Z0,Z1,...,ZQ-1} 1C {X0,X1,...,XL-1}라고 가정한다.Quantizing the original discrete input levels {X0, X1, ..., XL-1} to a Q discrete level defined by {Z0, Z1, ..., ZQ-1}, where ZQ- 1, and Q 1 L and {Z0, Z1, ..., ZQ-1} 1C {X0, X1, ..., XL-1}.
이와 같이 L레벨 이산 신호를 Q레벨 이산신호로 양자화하는 예는 제1도에 도시되어 있다.An example of quantizing the L level discrete signal into the Q level discrete signal is shown in FIG.
Q[Xk]는 양자화 연산이라고 하고, 다음과 같이 정의한다.Q [Xk] is a quantization operation and is defined as follows.
Q[Xk] = Zq if Zq-1 XK 1 ZqQ [Xk] = Zq if Zq-1 XK 1 Zq
{Z} = Q[{X}]과 Zm = Q[Xm]라고 둘 때, Xm는 원래 영상의 평균 레벨을, {Z}는 양자화된 입력 영상을, Zm은 양자화된 평균 레벨을 각각 나타내고, 양자화된 입력영상 {Z}을 Zm을 중심으로 2개의 서브영상 {Z}L,{Z}U로 분할한다. 여기서, 양자화된 서브영상 {Z}L에서의 모든 샘플은 양자화된 평균레벨(Zm) 이하이고, 양자화된 서브영상 {Z}U에서의 모든 샘플은 양자화된 평균레벨(Zm) 보다 크다.When {Z} = Q [{X}] and Zm = Q [Xm], Xm represents the average level of the original image, {Z} represents the quantized input image, and Zm represents the quantized average level, The quantized input image {Z} is divided into two sub-images {Z} L and {Z} U centered at Zm. Here, all samples in the quantized sub-picture {Z} L are below the quantized average level (Zm) and all samples in the quantized sub-picture {Z} U are larger than the quantized average level (Zm).
서브영상 {Z}L,{Z}U의 각각의 양자화된 확률 밀도 함수(probablity density function:PDF)는 아래 수학식 1 및 수학식 2으로 나타낼 수 있다.Each quantized probability density function (PDF) of the sub-image {Z} L, {Z} U can be expressed by the following equations (1) and (2).
[수학식 1][Equation 1]
[수학식 2]&Quot; (2) "
여기서, PL(Zq)는 양자화된 서브영상 {Z}L에서 q번째 양자화 그레이 레벨(Zq)의 확률이고, PU(Zq)는 양자화된 서브영상 {Z}U에서 q번째 양자화 그레이 레벨(Zq)의 확률이고, NqL,NqU는 각각 양자화된 서브영상{Z}L, 양자화된 서브영상 {Z}U에서 이 레벨(Zq)이 나타나는 횟수를 나타내고, NL,NU은 양자화된 서브영상 {Z}L, 양자화된 서브영상 {Z}U의 각각의 전체 샘플수를 나타낸다.P (Zq) is the probability of the q-th quantized gray level (Zq) in the quantized sub-picture {Z} U, and PL (Zq) And NqL and NqU represent the number of times the level Zq appears in the quantized sub-picture Z and the quantized sub-picture Z. NL and NU are the quantized sub-picture Z , And the total number of samples of each quantized sub-picture {Z} U.
그때, 양자화된 서브영상 {Z}L, 양자화된 서브영상 {Z}U의 각각의 누적 밀도 함수(cumulative density function:CDF)는 다음 수학식 3과 수학식 4와 같이 정의된다.Then, the cumulative density function (CDF) of each of the quantized sub-image {Z} L and the quantized sub-image {Z} U is defined by the following equations (3) and (4).
[수학식 3]&Quot; (3) "
[수학식 4]&Quot; (4) "
여기서, CL(Zm) = 1 와 CU(ZQ-1) = 1 이다.Here, CL (Zm) = 1 and CU (ZQ-1) = 1.
보간된 누적 밀도 함수 cL(Xk),cU(Xk)는 CL(Zq), CU(Zq)로부터 선형보간을 통해 대략적으로 계산할 수 있다.The interpolated cumulative density function cL (Xk), cU (Xk) can be roughly calculated by linear interpolation from CL (Zq) and CU (Zq).
도 2에 도시된 바와 같이, Q[Xk] = Zq 1 Zm로 가정하면, Z-1 = 0 이고, cL(Xk)는 다음 수학식 5와 같이 보간된다.As shown in FIG. 2, assuming that Q [Xk] = Zq 1 Zm, Z-1 = 0 and cL (Xk) is interpolated as shown in the following equation (5).
[수학식 5]&Quot; (5) "
유사하게, Q[Xk] = Zq Zm 로 가정하면 cU(Xk)는 다음 수학식 6과 같이 보간된다.Similarly, assuming that Q [Xk] = Zq Zm, cU (Xk) is interpolated as shown in Equation 6 below.
[수학식 6]&Quot; (6) "
여기서, CU(Zm)=0 이다.Here, CU (Zm) = 0.
마지막으로, 보간된 누적 밀도 함수를 근거로 해서, 제안된 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화의 출력(YH)은 주어진 입력영상(Xk)에 대해 다음과 수학식 7과 같이 주어진다.Finally, based on the interpolated cumulative density function, the output (YH) of the proposed quantized mean-separated histogram equalization is given by Equation (7) for a given input image (Xk).
[수학식 7]&Quot; (7) "
여기서, Zm' = Zm + XL-1/(L-1)이고, 이것은 {X0,X1,...,XL-1}에서 Zm 이후 다음 그레이 레벨이다.Here, Zm '= Zm + XL-1 / (L-1), which is the next gray level after Zm in {X0, X1, ..., XL-1}.
다음은 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화에 의해 개선된 신호의 이득을 조절하는 알고리즘에 대하여 설명하기로 한다.The following describes an algorithm for adjusting the gain of an improved signal by quantized mean-divergent histogram equalization.
이득 제어의 기본개념은 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화를 이용하여 콘트라스트 개선시 입력 영상신호(Yi=Xk)의 최대 그레이 레벨의 변화를 콘트라스트 개선 정도에 따라 제한하기 위한 것이다.The basic concept of the gain control is to limit the change of the maximum gray level of the input video signal (Yi = Xk) according to the degree of contrast improvement when the contrast is improved by using the quantized average-separation histogram equalization.
우선, 입력 영상신호(Yi=Xk)와 개선된 신호(YH) 사이의 관계는 아래 수학식 8 또는 수학식 9로 나타낼 수 있다.First, the relationship between the input video signal (Yi = Xk) and the improved signal (YH) can be expressed by Equation (8) or (9) below.
[수학식 8]&Quot; (8) "
또는,or,
[수학식 9]&Quot; (9) "
여기서, △는 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화에 의해 만들어지는 변화량(개선 정도) 즉, 입력 영상신호(Yi)의 레벨과 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화에 의해 새로운 그레이 레벨로 맵핑된 레벨(YH)과의 차이를 말한다.In this case,? Represents a level (YH) mapped to a new gray level by the amount of change (degree of improvement) produced by the quantized mean-separated histogram equalization, that is, the level of the input video signal Yi and the quantized average- .
히스토그램 등화에 의한 과도한 개선을 막기 위하여, 본 발명에서는 변화량 △를 다음과 같이 제한한다.In order to prevent excessive improvement due to histogram equalization, the present invention limits the amount of change DELTA as follows.
[수학식 10]&Quot; (10) "
1|△1| 1 g· f(Yi)1 | Δ 1 | 1 g · f (Yi)
여기서, f(Yi)를 최대 한계 함수(maximum bounding function)로 정의하며, 이 f(Yi)는 입력 (Yi)의 함수이고, 항상 양의 값이고, 즉, f(Yi) 1 0 이고, g(g 1 0)는 이득 제어 파라미터이다.Where f (Yi) is a function of the input (Yi) and is always positive, i.e., f (Yi) 10, and g (g 1 0) is a gain control parameter.
위 수학식 10을, 동등한 식으로서 다음 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.Equation (10) can be expressed by Equation (11) as Equation (11).
[수학식 11]&Quot; (11) "
- g· f(Yi) 1 △ 1 g· f(Yi)- g? f (Yi) 1? 1 g? f (Yi)
위 수학식 10에 도시된 변화량(△)을 제한하는 개념은 웨버의 비(Weber's ratio)와 관련되어 있다. 사실, f(Yi) = Yi라고 하면 위 수학식 10으로부터 다음과 같은 수학식 12을 얻을 수 있다.The concept of limiting the amount of change (?) Shown in Equation (10) above is related to the Weber's ratio. In fact, if f (Yi) = Yi, the following Equation (12) can be obtained from Equation (10).
[수학식 12]&Quot; (12) "
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 사실이다.here, Is the amount corresponding to the ratio of Webber. The ratio of this webber is an experimental fact, which means that when Y1 changes by gY1 and Y2 changes by gY2, humans feel that the degree of change is the same.
따라서, 본 발명에 적용되는 이득 조절 개념은 웨버의 비를 근거로 하여 양자화된 평균-분리 히스토그램을 이용하여 개선된 신호의 이득 즉, 개선 정도를 제어하는 것이다.Therefore, the gain control concept applied to the present invention is to control the gain, i.e., the degree of improvement, of the improved signal using the quantized average-separation histogram based on the Weber's ratio.
△'는 제한된 변화량으로 정의하며, 다음 수학식 13과 같이 나타낼 수 있다.DELTA 'is defined as a limited change amount, and can be expressed by the following Equation (13).
[수학식 13]&Quot; (13) "
즉, 변화량(△)의 절대값이 gf(Yi)이하이면 그대로 변화량(△)을 제한된 변화량(△')으로 사용하고, 변화량(△)이 gf(Yi)보다 크면 gf(Yi)로 제한하고, 변화량(△)이 -gf(Yi)보다 작으면 -gf(Yi)로 제한해서 개선된 신호(YH)의 이득을 제어한다.That is, if the absolute value of the change amount DELTA is less than gf (Yi), the change amount DELTA is used as the limited change amount DELTA ', and if the change amount DELTA is greater than gf (Yi) Is limited to -gf (Yi) when the change amount DELTA is less than -gf (Yi), thereby controlling the gain of the improved signal YH.
따라서, 본 발명의 최종 출력신호(YOUT)는 다음 수학식 14과 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the final output signal YOUT of the present invention can be expressed by the following Equation (14).
[수학식 14]&Quot; (14) "
이어서, 도 3 및 도 4를 결부시켜 이득 조절 기능을 가진 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선 회로의 실시예를 설명하기로 한다.Next, an embodiment of an image quality improvement circuit using quantized mean-separated histogram equalization having a gain adjustment function in conjunction with FIG. 3 and FIG. 4 will be described.
도 3은 본 발명에 의한 이득 조절 기능을 가진 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선 회로의 일 실시예에 따른 블럭도이다.FIG. 3 is a block diagram of an image quality enhancement circuit using quantized mean-separated histogram equalization with a gain adjustment function according to an embodiment of the present invention.
도 3에 있어서, 제1 양자화기(102)는 L 이산 레벨의 입력 영상신호(Xk)를 Q 이산레벨로 양자화하여 양자화된 영상(Zq)을 출력한다. 프레임 히스토그램 계산기(104)는 양자화된 입력영상(Zq)을 1 화면단위로 그레이 레벨 분포를 계산한다. 여기서, 화면단위는 필드도 될 수 있으나 프레임으로 한다.In Fig. 3, the first quantizer 102 quantizes the input image signal Xk at the L discrete level to the Q discrete level, and outputs the quantized image Zq. The frame histogram calculator 104 calculates the gray level distribution of the quantized input image Zq in units of one screen. Here, the screen unit may be a field, but it is a frame.
프레임 평균 계산기(106)는 1 프레임 단위로 입력 영상신호의 평균레벨(Xm)을 계산한다. 제2 양자화기(108)는 입력 영상신호(Xk)의 평균레벨(Xm)을 양자화해서 양자화된 평균레벨(Zm)을 출력한다.The frame average calculator 106 calculates the average level Xm of the input video signal in units of one frame. The second quantizer 108 quantizes the average level Xm of the input video signal Xk and outputs the quantized average level Zm.
분할기(110)는 프레임 히스토그램 계산기(104)에서 계산된 양자화된 그레이 레벨 분포를 제2 양자화기(108)로부터 출력되는 양자화된 평균레벨(Zm)을 근거로하여 소정수(여기서는 2개)의 양자화된 서브영상({Z}L,{Z}U)으로 분할해서 2개의 양자화된 서브영상의 각각의 확률밀도함수(PL(Zq), PU(Zq))를 출력하는 데, 이 확률밀도함수(PL(Zq), PU(Zq))는 위 수학식 1 및 수학식 2으로 계산할 수 있다.The divider 110 divides the quantized gray level distribution calculated by the frame histogram calculator 104 into a predetermined number (here, two) of quantization levels based on the quantized average level Zm output from the second quantizer 108 And outputs the probability density functions PL (Zq) and PU (Zq) of the two quantized sub-images by dividing the sub-image ({Z} L, PL (Zq), PU (Zq)) can be calculated by the above Equations (1) and (2).
여기서, 양자화된 서브영상 {Z}L에서의 모든 샘플은 양자화된 평균레벨(Zm) 이하이고, 양자화된 서브영상 {Z}U에서의 모든 샘플은 양자화된 평균레벨(Zm) 보다 크다.Here, all samples in the quantized sub-picture {Z} L are below the quantized average level (Zm) and all samples in the quantized sub-picture {Z} U are larger than the quantized average level (Zm).
제1 CDF계산기(112)는 분할기(110)로부터 모든 영상샘플이 양자화된 평균레벨 이하인 양자화된 서브영상 {Z}L의 확률밀도함수(PL(Zq))를 입력하여 양자화된 서브영상 {Z}L의 누적 밀도 함수값을 위 수학식 3을 이용하여 계산한다.The first CDF calculator 112 receives the quantized sub-picture {Z} by inputting the probability density function PL (Zq) of the quantized sub-picture {Z} L whose average level is below the quantized level of all the image samples from the divider 110, The cumulative density function value of L is calculated using the above equation (3).
제2 CDF계산기(114)는 분할기(110)로부터 출력되는 모든 영상샘플이 양자화된 평균레벨(Zm) 보다 큰 양자화된 서브영상 {Z}U의 확률밀도함수(PU(Zq))를 입력하여 양자화된 서브영상 {Z}U의 누적 밀도 함수값을 위 수학식 4를 이용하여 계산한다.The second CDF calculator 114 receives the probability density function PU (Zq) of the quantized sub-picture {Z} U where all the image samples output from the divider 110 are larger than the quantized average level Zm and quantizes The cumulative density function value of the sub-image {Z} U is calculated using Equation (4) above.
CDF 메모리(116)는 제1 및 제2 CDF계산기(112,114)에서 계산된 양자화된 서브영상 ({Z}L,{Z}U)의 누적 밀도 함수값(CL(Zq), CU(Zq))을 동기신호(SYNC)에 따라 화면단위로 갱신하고, 갱신되는 동안 저장된 한 화면전의 누적 밀도 함수값(CL(Zq), CU(Zq))은 제1 및 제2 보간기(118,120)에 공급된다. 여기서, 동기신호(SYNC)는 화면단위가 필드이면 필드동기신호가 되고, 프레임이면 프레임 동기신호가 되며, CDF 메모리(116)는 버퍼로서 사용된다.The CDF memory 116 stores cumulative density function values CL (Z (Zq), CU (Zq)) of the quantized sub-images ({Z} L, {Z} U) calculated by the first and second CDF calculators 112, And the cumulative density function values CL (Zq, CU (Zq)) of the previous screen stored during the update are supplied to the first and second interpolators 118 and 120 . Here, the sync signal SYNC becomes a field sync signal if the picture unit is a field, the frame sync signal becomes a frame sync signal, and the CDF memory 116 is used as a buffer.
제1 보간기(118)는 양자화된 서브영상 {Z}L의 누적 밀도 함수와 입력 영상신호(XK)를 입력하여 위 수학식 5에 의해 선형보간하여 보간된 누적 밀도 함수값(cL(Xk))을 출력한다.The first interpolator 118 receives the cumulative density function of the quantized sub-image {Z} L and the input image signal XK and outputs the interpolated cumulative density function value cL (Xk) by linear interpolation according to Equation (5) ).
제1 맵퍼(120)는 보간된 누적 밀도 함수(cL(Xk)), 입력 영상신호(Xk)와 양자화된 평균레벨(Zm)을 입력하여 양자화된 평균레벨(Zm) 이하인 서브영상 {Z}L의 샘플들을 보간된 누적 밀도 함수(cL(Xk))에 따라 X0에서 Zm까지의 그레이레벨로 맵핑한다.The first mapper 120 receives the input cumulative density function cL (Xk), the input video signal Xk and the quantized average level Zm to obtain a sub-image Z Z L, which is equal to or lower than the quantized average level Z m To the gray level from X0 to Zm according to the interpolated cumulative density function cL (Xk).
제2 보간기(122)는 양자화된 서브영상 {Z}U의 누적 밀도 함수(CU(Zq))와 입력 영상신호(Xk)를 입력하여 위 수학식 6에 의해 선형보간하여 보간된 누적 밀도 함수(cU(Xk))를 출력한다.The second interpolator 122 receives the cumulative density function CU (Zq) of the quantized sub-image {Z} U and the input image signal Xk and outputs the cumulative density function interpolated by linear interpolation according to Equation (6) (cU (Xk)).
제2 맵퍼(124)는 보간된 누적 밀도 함수(cU(Xk)), 입력 영상신호(Xk)와 양자화된 평균레벨(Zm)을 입력하여 양자화된 평균레벨(Zm) 보다 큰 서브영상 {Z}U의 샘플들을 보간된 누적 밀도 함수(cU(Xk))에 따라 Zm'에서 XL-1까지의 그레이레벨로 맵핑한다. 여기서, Zm' = Zm + XL-1/(L-1)이다.The second mapper 124 receives the interpolated cumulative density function cU (Xk), the input video signal Xk and the quantized average level Zm to obtain a sub-picture Z Z larger than the quantized average level Zm, U to the gray level from Zm 'to XL-1 according to the interpolated cumulative density function (cU (Xk)). Here, Zm '= Zm + XL-1 / (L-1).
즉, 제1 및 제2 보간기(118,122)에 입력되는 영상신호(Xk)는 제1 양자화기(102) 및 프레임 평균 계산기(104)에 입력되는 영상신호(Xk)의 다음 프레임의 영상신호이다. 그러나, 인접프레임간에는 높은 상관성을 가진다는 특성을 이용하여 프레임 메모리를 생략함으로써 하드웨어를 감소시킬 수 있다.That is, the video signal Xk input to the first and second interpolators 118 and 122 is the video signal of the next frame of the video signal Xk input to the first quantizer 102 and the frame averager 104 . However, it is possible to reduce the hardware by omitting the frame memory by using the property of having high correlation between adjacent frames.
선택기(126)는 입력 영상신호(Xk)와 제2 양자화기(108)로부터 출력되는 양자화된 평균레벨(Zm)을 비교하여 입력 영상신호(Xk)가 양자화된 평균레벨(Zm)이하이면 제1 맵퍼(120)를 선택하고, 그렇지 않으면 제2 맵퍼(124)를 선택해서 위 식(7)로 나타낼 수 있는 개선된 신호(YH)를 출력한다.The selector 126 compares the input video signal Xk with the quantized average level Zm output from the second quantizer 108 and outputs the first and second quantized average levels Zm, The mapper 120 is selected and if not the second mapper 124 is selected to output the improved signal YH which can be represented by the above equation (7).
여기서, 제1 양자화기(102) 내지 제1 선택기(126)는 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화기(100)라고 지칭될 수 있다.Here, the first to the first quantizer 102 to the first selector 126 may be referred to as a quantized mean-separated histogram equalizer 100.
또한, 프레임 히스토그램 계산기(104)와 CDF 계산기(112,114)를 별도로 사용하지 않고, 프레임 히스토그램 계산기(102)없이 CDF 계산기(112,114)에서 분할된 영상신호의 그레이 레벨 분포를 계산하여 이를 근거로 하여 CDF를 계산할 수 있다.The gray level distribution of the divided image signals is calculated by the CDF calculators 112 and 114 without using the frame histogram calculator 104 and the CDF calculators 112 and 114 separately without using the frame histogram calculator 102, Can be calculated.
한편, 이득 제어기(200)의 감산기(202)는 제1 선택기(126)로부터 출력되는 개선된 신호(YH)로부터 입력 영상신호(Yi=Xk)를 감산해서 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화기(100)에 의해 만들어진 변화량(△)을 구한다.The subtractor 202 of the gain controller 200 subtracts the input image signal Yi = Xk from the improved signal YH output from the first selector 126 and outputs the quantized average-separated histogram equalizer 100 ) Is calculated by the following equation.
이득 특성 결정기(204)는 입력 영상신호(Yi)의 함수인 최대 한계 함수(f(Yi))를 이용하여 입력 영상신호(Yi)의 개선을 제한한다. 즉, 입력 영상신호(Yi)의 한계 개선량을 계산한다.The gain characteristic determiner 204 limits the improvement of the input video signal Yi using the maximum limit function f (Yi), which is a function of the input video signal Yi. That is, the limit improvement amount of the input video signal Yi is calculated.
예를 들어, f(Yi) = K이고, 이 K는 상수일 때, 이것은 입력 그레이 값에 무관하게 입력 개선을 동일하게 제한하며, 최대 한계 함수는(여기서, a는 미리 설정된 상수) 또는(여기서, a는 미리 설정된 상수)와 같은 형태가 될 수 있으며, 이것은 입력 그레이 레벨값에 따라 입력 영상의 개선되는 양을 달리 제한한다.For example, when f (Yi) = K, and K is a constant, it equally limits input improvement regardless of the input gray value, and the maximum limit function is (Where a is a predetermined constant) or (Where a is a predetermined constant), which limits the amount of improvement of the input image differently depending on the input gray-level value.
제2 선택기(206)는 입력되는 영상신호(Xk)와 제2 양자화기(108)로부터 출력되는 양자화된 평균레벨(Zm)을 비교하여 입력되는 영상신호(Xk)가 양자화된 평균레벨(Zm)이하이면 제1 이득 제어파라미터(gL)를 선택하고, 그렇지 않으면 제2 이득 제어파라미터(gU)를 선택한다. 여기서, 제1 이득 제어파라미터(gL)는 양자화된 평균레벨(Zm)이하인 서브영상신호를 위한 파라미터이고, 제2이득 제어파라미터(gU)는 양자화된 평균레벨(Zm)보다 큰 서브영상신호를 위한 파라미터이다.The second selector 206 compares the input video signal Xk with the quantized average level Zm output from the second quantizer 108 and outputs the quantized average level Zm of the input video signal Xk, The first gain control parameter gL is selected, and if not, the second gain control parameter gU is selected. Here, the first gain control parameter gL is a parameter for a sub video signal whose amplitude is equal to or lower than the quantized average level Zm, and the second gain control parameter gU is a parameter for a sub video signal whose amplitude is greater than the quantized average level Zm Parameter.
승산기(208)는 이득특성 결정기(204)에서 출력되는 최대 한계 함수(f(Yi))값과 제2선택기(206)에 의해 선택된 이득 제어 파라미터(g)를 승산하여 한계값(gf(Yi))을 출력한다. 여기서, 한계값 g· f(Yi)는 본 발명의 이득 제어기(200)의 특성이다.The multiplier 208 multiplies the value of the maximum limit function f (Yi) output from the gain characteristic determiner 204 by the gain control parameter g selected by the second selector 206 to obtain a limit value gf (Yi) ). Here, the limit value g · f (Yi) is a characteristic of the gain controller 200 of the present invention.
리미터(210)는 감산기(202)로부터 출력되는 변화량(△)을 승산기(208)로부터 출력되는 한계값(gf(Yi))과 비교하여 변화량(△)을 제한하여 위 수학식 13과 같은 제한된 변화량(△')을 출력한다.The limiter 210 limits the amount of change DELTA by comparing the amount of change DELTA output from the subtractor 202 with the limit value gf (Yi) output from the multiplier 208 to obtain a limited amount of change (? ').
가산기(212)는 입력 영상신호(Yi)와 리미터(210)에서 출력되는 제한된 변화량(△')을 가산하여 위 수학식 14에 도시된 바와 같은 이득 제어기(200)의 출력신호(Yout)를 출력한다.The adder 212 adds the input video signal Yi and the limited change amount DELTA 'output from the limiter 210 to output the output signal Yout of the gain controller 200 as shown in Equation (14) do.
도 4는 본 발명에 의한 이득 조절 기능을 가진 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선 회로의 다른 실시예에 따른 블록도로서, 도 3에 도시된 구성과 비교해서 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 부치며, 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.4 is a block diagram according to another embodiment of the image quality improvement circuit using the quantized mean-separated histogram equalization with gain control function according to the present invention. And detailed description thereof will be omitted.
따라서, 여기서는 도 3에 도시된 구성과 상이한 이득 제어기(200')를 중심으로 설명하기로 한다.Therefore, the gain controller 200 ', which is different from the configuration shown in FIG. 3, will be described here.
도 4에 있어서, 이득제어기(200')의 감산기(222)는 선택기(126)로부터 출력되는 개선된 신호(YH)로부터 입력 영상신호(Yi=Xk)를 감산해서 양자화된 평균-분리 히스토그램 등화기(100)에 의해 만들어진 변화량(△)을 구한다. 이득특성 결정기(224)는 입력 영상신호(Yi)의 함수인 최대 한계 함수(f(Yi))를 이용하여 입력 영상신호(Yi)의 개선을 제한한다.4, the subtractor 222 of the gain controller 200 'subtracts the input image signal Yi = Xk from the improved signal YH output from the selector 126 and outputs the quantized average-separated histogram equalizer (?) Produced by the control unit (100). The gain characteristic determiner 224 limits the improvement of the input video signal Yi using the maximum limit function f (Yi), which is a function of the input video signal Yi.
승산기(226)는 이득특성 결정기(224)에서 출력되는 최대 한계 함수(f(Yi))값과 입력되는 이득 제어 파라미터(g)를 승산하여 한계값(gf(Yi))을 출력한다.The multiplier 226 multiplies the value of the maximum limit function f (Yi) output from the gain characteristic determiner 224 by the input gain control parameter g to output a limit value gf (Yi).
여기서, 이득 제어 파라미터(g)는 도 3에서 각 양자화된 서브영상별로 이득 제어 파라미터가 주어진 것과는 달리 입력 영상신호에 대해 동일한 값으로 주어진다.Here, the gain control parameter g is given the same value for the input image signal, unlike the gain control parameter given for each quantized sub-image in FIG.
리미터(228)는 감산기(222)로부터 출력되는 변화량(△)을 승산기(226)로부터 출력되는 한계값(gf(Yi))과 비교하여 변화량(△)을 제한하여 위 수학식 13과 같은 제한된 변화량(△')을 출력한다.The limiter 228 compares the amount of change DELTA output from the subtracter 222 with the limit value gf (Yi) output from the multiplier 226 to limit the amount of change DELTA, (? ').
가산기(230)는 입력 영상신호(Yi)과 리미터(228)에서 출력되는 제한된 변화량(△')을 가산하여 위 수학식 14에 도시된 바와 같은 이득 제어기(200')의 출력신호(Yout)를 출력한다.The adder 230 adds the input image signal Yi and the limited variation amount DELTA 'output from the limiter 228 and outputs the output signal Yout of the gain controller 200' as shown in Equation (14) Output.
본 발명은 영상신호의 화질 개선에 관련된 광범위한 분야에 응용될 수 있다. 즉, 방송기기, 레이다 신호처리시스템, 의용공학, 가전제품 등에 응용될 수 있다.INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be applied to a wide variety of fields related to image quality improvement of a video signal. That is, it can be applied to broadcasting equipment, radar signal processing system, medical engineering, home appliances, and the like.
상술한 바와 같이, 본 발명은 종래의 히스토그램 등화에서 발생하는 갑작스런 밝기 변화와 아티펙트를 효과적으로 줄여서 콘트라스트를 개선하면서 주어진 영상의 전체 밝기를 유지하는 효과와 웨버의 비를 근거로 하여 개선된 신호의 이득을 조절하여 히스토그램 등화시 콘트라스트의 과도한 개선에 따른 아티펙트를 방지함으로써 화질을 개선하는 효과가 있다.As described above, according to the present invention, a sudden brightness change caused by a conventional histogram equalization and artifact is effectively reduced to improve the contrast, while maintaining the overall brightness of a given image and the gain of the improved signal based on the ratio of Weber And the image quality is improved by preventing artifacts due to an excessive improvement in contrast when adjusting the histogram.
또한, 본 발명의 회로는 입력 영상신호를 양자화해서 소정수로 분할된 서브영상을 독립적으로 히스토그램 등화함으로써 CDF 계산을 위하여 양자화된 레벨의 발생횟수만을 저장하고, 누적함으로써 하드웨어가 간단해지고 비용이 절감되는 효과가 있다.In addition, the circuit of the present invention quantizes an input video signal and independently histograms the sub-images divided by a predetermined number to store and accumulate only the number of times the quantized level is generated for CDF calculation, thereby simplifying the hardware and reducing the cost It is effective.
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| KR1019960033469A KR100195118B1 (en) | 1996-08-12 | 1996-08-12 | Image enhancing method based on the quantized mean-separate histogram equalization having the gain control function and circuit thereof |
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|---|---|---|---|---|
| KR100951614B1 (en) * | 2007-11-30 | 2010-04-09 | 한양대학교 산학협력단 | Image enhancement method using region segmentation and image quality enhancement apparatus using the same |
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1996
- 1996-08-12 KR KR1019960033469A patent/KR100195118B1/en not_active Expired - Fee Related
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