KR100213109B1 - 잡음 감소와 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 회로는 입력되는 영상신호에 존재하는 임펄스성분의 잡음을 검출해서 검출된 임펄스 잡음을 트리핑해서 잡음 제거된 신호를 출력하는 잡음 감소부와 잡음 제거된 신호를 입력하여 화면단위의 그레이 레벨 분포를 근거로 한 누적분포함수값을 계산해서 잡음 제거된 신호를 누적분포함수값에 따라 새로운 그레이 레벨로 맵핑하여 등화된 신호를 출력하는 히스토그램 등화부를 포함하여 입력신호를 먼저 잡음을 제거하고, 잡음 제거된 신호를 히스토그램 등화함으로써 콘트라스트를 개선함과 동시에 잡음이 증폭되는 것울 억제시켜 화질을 개신할 수 있다.

Description

잡음 감소와 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로 및 그 방법

제1도는 본 발명에 의한 화질 개선회로의 불럭도이다.

제2도는 제1도에 도시된 화질 개선회로의 상세 블럭도이다.

본 발명은 잡음 감소와 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 입력되는 영상을 먼지 잡음을 제거한 후 잡음이 제거된 영상을 히스트그램 등화해서 화질을 개선하는 회로 및 그 방법에 관한 것이다.

TV 수상기등의 영상 표시장치가 내형화됨에 따라 고화질의 욕구가 증대되고, 이를 충족시키기 위하여 TV신호, VCR신호와 같은 동영상 처리분야에서는 화질 개선기법들이 사용되기 시작하였는 데 입력 영상의 레벨을 공간 영역상에서의 그레이 레벨로 맵핑하는 것을 기본으로 하는 히스토그램 등화 기법이 대두되였다.

그레이레벨(gray level)의 히스토그램은 영상(image)의 외양(appearance)의 전체적인 묘사를 제공한다. 주어진 영상에 대해 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 였으며, 이는 아래 문현 [1], [2]에 개시되어 있다: [1] J. S. Lim Two-Dimensional Signal and Image Processing, Prentice Hal1, Englewood Cliffs, New Jersey, 1990, [2] R.C.Gonzalez and P.Wints, Digital lmage Processing, Addison-Wesley, Reading, Nassachusetts, 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.3O4-312, 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, vo1.2321,1994.

일반적으로, 히스토그램 등화는 동적 범위(dynamic range)를 늘이는(stretching) 효과를 갖기 때문에 히스토그램 등화는 결과 영상의 그레이 분포를 평평(flat)하게 하고, 그 결과로서 영상의 콘트라스트를 개선한다.

널리 알려진 히스토그램 등화의 이러한 특성때문에 실제적인 경우에서는 결점이 될 수도 있다. 즉, 동적 범위를 늘여시 콘트라스트를 개선하는 특성 때문에 영상신호에 포함된 잡음(임필스 잡음)이 히스토그램 등화되면 잡음성분도 개선되어 잡음이 증폭되므로 특히 일정한 레벨을 갖는 영역에서는 화질을 열화시키는 요인이 되는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 입력되는 영상신호에 포함된 잡음을 제거한 후 잡음이 제거된 신호를 히스토그램 등화하여 등화된 신호를 출력하는 화질 개선회로를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 입력되는 영상신호에 포함된 잡음을 제거한 후 잡음이 제거된 신호를 히스토그램 등화하는 화질 개선방법을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 화질 개선회로는 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨을 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 등화를 이용하여 화질 개선회로에 었어서: 입력되는 영상신호에 존재하는 임펄스성분의 잡음을 검출해서 검출된 임펄스 잡음을 트리밍해서 잡음 제거된 신호를 출력하는 잡음 감소수단 : 및 상기 잡음 제거된 신호를 입력하여 화면단위의 그레이 래벨 분포를 근거로 한 누적분포함수값을 계산해서 상기 잡음 제거된 신호를 상기 누적분포함수값에 따라 새로운 그레이 레벨로 맴핑하여 등화된 신호를 출력하는 히스토그램 등화수단을 포함함을 특징으로 하고 있다.

상기의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 화질 개선방법은 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨을 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 등화를 이용하여 화질을 개선하는 방법에 었어서 : (a) 입력되는 영상신호에 존재하는 임펄스성분의 잡음을 검출해서 검출된 임펄스 잡음을 트리밍해서 잡음 제거된 신호를 출력하는 단게; 및 (b) 상기 잡음 제거된 신호를 입력하여 화면단위의 그레이 레벨 분포를 근거로 한 누적분포함수값을 계산해서 상기 잡음 제거된 신호를 상기 누적분포함수값에 따라 새로운 그레이 레벨로 맵핑하여 등화된 신호를 출력하는 단계를 포함함을 특징으로 하고 있다.

이하, 첨부된 도면울 참조하여 잡음 감소와 히스토그램 등화를 이용한 화질 개선회로 및 그 방법에 대하여 바람직한 실시예를 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명에 의한 화질 개선회로의 블럭도이다.

본 발명의 회로는 입력되는 영상신호에 포함된 임펄스 잡음을 검출 해서 검출된 임필스 잡음을 트림(trim)하는 잡음 감소부(1OO)와, 잡음이 제거된 신호를 히스토그램 등화하는 히스토그램 등화부(200)로 되어 었다.

제2도는 제1도에 도시된 화질 개선회로의 상세 블럭도로서, 제1도에 도시된 회로의 동작을 제2도와 결부시켜 설명하기로 한다.

제2도에 있어서, 잡음 감소부(100)의 윈도우 발생기(102)는 복수개 (여기서는 2개)의 윈도우(W_L, W_M)의 샘플과 입력샘플(Y[i][j])을 출력한다. 여기서, 제1 윈도우(W_L)의 크기는 5×5를 예로 하고, 제2 윈도우(W_M)의 크기는 3×3를 예로 한다.

또한, 윈도우 발생기(102)가 반복/비반복 잡음 감소 모드제어신호 (S)에 따라 반복 잡음 감소모드시에는 선택기(l16)로부터 피드백되는 잡음 제거된 신호(Y_N[i][j])를 입력샘플로 대체한다.

제1 평균 및 편차 계산기(104)는 윈도우 발생기(102)에서 발생되는 재1 윈도우(恥)의 각 샘플을 입력하여, 식(1)에 의해 제l 윈도우(W_L)의 평균샘플값(A_L)을 구하고, 식(2)에 의해 제1 윈도우(W_L)의 샘플들의 절대편차의 평균(D_L)을 계산한다.

제1 이상치 검출기(106)에서는 입력샘플(Y[i][j])과 제1 윈도우(W_L)의 평균샘플값(A_L)과의 절대차가 소정 파라미터(k)가 곱해진 절대편차의 평균(kD_L)보다 크면 즉,이면, 입력샘플(Y[i] [j] )에 임펄스성분이 포함되어 있는 것으로 판단해서 제1 이상치 검출신호를 출력한다.

제2 평균 및 편차 계산기(108)는 윈도우 발생기(102)에서 발생하는 제2 윈도우(W_M)의 각 샘플을 입력하여, 식 (3)에 의해 제2 윈도우(W_M)의 평균샘플값(A_M)을 구하고, 식(4)에 의해 제2 윈도우(W_M)의 샘플들의 절대 편차의 평균(D_M)을 계산한다.

제2 이상치 검출기(110)에서는 입력샘플(Y[i][j])과 제2 윈도우(W_M)의 평균샘플값(A_M)과의 절대차가 소정 파라미터(k)가 곱해진 절대편차의 평균(kD_M)보다 크면 즉,이면, 입력샘플(Y[i][j]) 에 임펄스성분이 포함되어 었는 것으로 판단해서 제2 이상치 검출신호를 출력한다.

선택제어신호 발생기(112)에서는 제1 및 제2 이상치 검출기 (106,110)에서 발생된 제1 및 제2이상치 검출신호가 모두 발생되면 트리 미드 평균 필터(114)의 출력을 선택하고, 그렇지 않으면 윈도우 발생기(102)로부터 출력되는 입력샘플(Y[i][j])을 그대로 바이패스시키는 선택 제어신호를 발생한다.

한편, 트리미드 평균 필터(114)에서는 윈도우 발생기(102)에서 발생하는 제2 윈도우(W_M)의 샘플을 식 (5)에 의해 트리밍시킨다. 본 발명의 실시예에서는 제2 윈도우(W_M)를 트리밍 윈도우(T_M)로 사용하고 었으나 트리밍 윈도우의 크기는 가변될 수 있다.

여기서,

이고,이면이제2윈도우(W_m)에서 이상치임을 나타낸다.

또한,

이고, 이는 트리핑되지 않은 생플의 수를 나타낸다.

트링밍의 정도는 파라미터 k에 의해 제어된다. 예를 들어, k = ∞ 이면 트리미드된 샘플은 하나도 없고, k = 0 이면 윈도우에서 모든 샘플은 트리미드된다. 따라서, 채널상황에 의존하는 이 파라미터를 적절히 선택해서 다양한 잡음 제거 특성을 얻을 수 있다.

선택기(116)에서는 선택제어신호 발생기(112)에서 발생하는 선택제어신호에 따라 즉, 제1 및 제2 이상치검출기(106,110)에서 모두 이상치가 검출될 때만 트리미드 평균 필터(114)의 출력(y_tr[i][j])을 선택하고, 그렇지 않으면 윈도우 발생기(102)에서 출력되는 입력샘플(Y[i][j])을 그대로 바이패스시켜 잡음 제거된 신호신호(Y_N[i][j])를 출력한다.

부가적으로, 인트라-필드 모드에서 인터레이싱한 영상신호를 사용하는 경우에는 수평 필터(118), 절대치회로(120), 비교기(122)가 더 구성될 수 있다.

수평필터(118)는 윈도우 발생기(112)에서 발생하는 제1 윈도우(W_L)의 중심 행 벡터와 소정의 가중벡터를 연산해서 수평량(H)을 계산한다.

ABS로 표기된 절대치회로(120)는 수평필터(118)에서 계산된 수평량(H)의 절대치를 계산한다.

비교기(122)는 절대치회로(120)로부터 출력되는 수평량(H)과 소정의 상수(T)를 비교해서 수평량(H)이 상수(T)보다 크면 비교제어신호를 발생한다.

선택기(116)는 선택제어신호 발생기(112)에서 발생하는 선택제어신호와 비교기(122)에서 발생하는 비교제어신호에 따라 트리미드 평균 필터(114)에서 트리미드된 출력(y_tr[i][j]) 또는 입력샘플(Y[i][j])을 선택한다. 즉, 선택기(116)에서는 제1 및 제2이상치 검출기(106,110)에서 모두 이상치가 검출된 경우를 나타내는 선택제어신호와 수평필터(118)에서 계산된 수평량(H)이 소정 상수(T)보다 큰 경우를 나타내는 비교제어신호가 입력될 때만 트리미드된 출력(y_tr[i][j])을 선택하고, 그렇지 않으면 입력샘플(Y[i][j])을 선택해서 잡음 제거된 신호(Y_N[i][j])로서 출력한다.

한편, 히스토그램 등화부(200)의 구성은 예를 들어 전형적인 히스토그램 등화기법으로 구현한 것이다. 그러나, 본 발명은 히스트그램 등화부(200)가 히스토그램을 이용하여 콘트라스트를 개선할 수 있는 구성이면 모두 적용 가능하므로 이에 국한 되는 것은 아니다.

히스토그램 등화부(200)의 프레임 히스토그램 계산기(202)는 잡음감소부(100)로부터 출력되는 잡음 제거된 신호(Y_N[i][j]=X_k)를 화면단위로 입력하여 그레이 레벨 분포를 계산하고, 게산된 그레이 레벨 분포를 근거로하여 식(8)으로 표현되는 확률밀도함수(p(X_k))를 계산한다. 화면 단위는 필드도 될 수 었으나 여기서는 프레임으로 한다.

여기서, n_k는 영상 {X}에서 그레이 레벨(X_k)이 나타나는 횟수를 나타내고, n은 영상 {X}에서 전체 샘플수를 나타낸다.

CDF 계산기(204)는 프레임 히스토그램 게산기(202)로부터 출력되는 확률밀도함수(p(X_k) )를 입력하여 식(9)을 이용하여 누적분포함수(c(X_k))를 계산한다.

CDF 메모리(206)에서는 CDF 계산기(204)에서 계산된 누적분포함수값(c(X_k))을 동기 신호(SYNC)에 따라 프레임 단위로 갱신하고, 갱신되는 동안 저장된 한 프레임전의 누적분포함수값(c(X_k))을 맵퍼(208)에 공급한다. 여기서, 동기신호는 화면단위가 필드이면 필드 동기신호가 되고 , 프레임이면 프레임 동기신호가 되 며 , CDF 메모리(206)는 버퍼로서 사용된다.

맵퍼(208)에서는 잡음 감소부(100)로부터 출력되는 잡음 감소된 입력신호(X_k)에 대응하는 누적분포함수값(c(X_k) )을 CDF 메모리(206)로부터 독출하여 잡음 제거된 입력 영상{X_k}에 대하여 0에서 X_L-1까지의 그레이레벨로 맴핑한다.

CDF 계산기(204)로부터 출력되는 누적분포함수값과 동일프레임의 입력영상신호를 맴퍼(208)에 입력시키기 위하여 잡음 감소부(100)로부터 출력되는 잡음 제거된 신호(X_k)를 1프레임 지연하는 프레임메모리가 더 구성될 수 있다.

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

상술한 바와 같이, 본 발명은 입력신호를 먼저 잡음울 제거하고, 잡음이 제거된 신호를 히스토그램 등화함으로써 콘트라스트를 개선함과 동시에 잡음이 증폭되는 것을 억제시켜 화질을 개선시키는 효과가 있다.

Claims (16)

1. 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨을 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 등화를 이용하여 화질 개선회로에 었어서; 입력되는 영상신호에 존재하는 임펄스성분의 잡음을 검출해서 검출된 임펄스 잡음을 트리밍해서 잡음 제거된 신호를 출력하는 잡음 감소수단; 및 상기 잡음 제거된 신호를 입력하여 화면단위의 그레이 레벨 분포를근거로 한 누적분포함수값을 계산해서 상기 잡음 제거된 신호를 상기 누적분포함수값에 따라 새로운 그레이 레벨로 맵핑하여 등화된 신호를 출력하는 히스토그램 등화수단을 포함함을 특징으로 하는 화절 개선회로.
2. 제1항에 었어서, 상기 잡음 감소수단은 입력샘플을 포함하는 서로 다른 소정크기의 복수개의 윈도우를 발생 하는 윈도우 발생수단; 각 윈도우의 평균 샘플값과 샘플들의 절대편차의 평균을 검출해서 입력샘플이 이상치임을 검출하는 이상치 검출수단; 상기 이상치 검출수단에서 입력샘플이 이상치로 검출되면 선택제어 신호를 발생하는 선택제어신호 발생수단; 소정 크기의 트리밍 윈도우를 이용하여 트리미드된 신호를 출력하는 트리밍수단; 및 상기 선택제어신호에 따라 상기 입력샘플에 임펄스성분이 존재하면 상기 트리미드된 신호를 출력신호로서 출력하고, 그렇지 않으면 입력샘플을 그대로 출력신호로서 출력하는 선택수단을 포함함을 특징으로 화질개선회로.
3. 제2항에 었어서, 상기 윈도우 발생수단은 반복/비반복 잡음 감소모드에 따라 반복 잡음 감소모드에서는 상기 출력신호를 피드백받아 입력샘플로 대체하는 것을 특징으로 하는 화질 개선회로.
4. 제2항에 었어서, 상기 입력샘플을 포함하는 소정크기의 수평벡터와 소정의 가중벡터를 연산해서 수평량을 검출하는 수단; 및 검출된 수평량을 소정의 파라미터와 비교해서 비교제어신호를 발생하는 비교수단을 더 포함함을 특징으로 하는 화질 개선회로.
5. 제4항에 었어서, 상기 선택수단은 상기 선택제어신호 및 상기비교제어신호에 따라 상기 입력샘플에 임펄스성분이 존재하고 검출된 수평량이 소정의 파라미터보다 크면, 상기 트리미드된 신호를 출력신호로서 출력하고, 그렇지 않으면 상기 입력샘플을 그대로 출력신호로서 출력함을 특징으로 하는 화질 개선회로.
6. 제2항에 었어서, 상기 윈도우 발생수단은 입력샘플을 포함하는 서로 다른 크기의 제1윈도우와 제2윈도우를 발생함을 특징으로 하는 잡음감소 회로.
7. 제6항에 었어서, 상기 이상치 검출수단은 입력샘플과 제1 윈도우의 평균샘플값과의 절대차가, 소정의 파라미터가 곱해진 제1윈도우의 절대편차의 평균보다 크면 입력샘플에 임펄스성분이 포함되어 있는 것으로 판단해서 제1 이상치 검출신호를 출력하는 제1 이상치 검출기; 및 입력샘플과 제2 윈도우의 평균샘플값과의 절대차가 소정 파라미터가 곱해진 제2윈도우의 절대편차의 평균보다 크면 즉, 입력샘플에 임펄스성분이 포함되어 었는 것으로 판단해서 제2 이상치 검출신호를 출력하는 제2 이상치 검출기를 포함함을 특징으로 하는 화질 개선회로.
8. 제1항에 었어서, 상기 히스토그램 등화수단은 상기 잡음 제거된 신호를 입력하여 화면단위로 그레이 레벨 분포를 계산하여 확률밀도함수값을 출력하는 제1계산수단; 상기 확률밀도함수값을 근거로하여 누적분포함수를 계산하는 제2계산수단; 및 상기 잡음 게거된 신호를 계산된 누적분포함수값에 따라 그레이레벨로 맵핑하는 맵핑수단을 포함함을 특징으로 하는 화질 개선회로.
9. 제8항에 었어서, 상기 제2계산수단에서 계산된 누적분포함수값과 동일한 화면의 신호를 상기 맴핑수단에 입력하기 위하여 상기 잡음 제거된 신호를 한 화면동안 지연해서 상기 맵핑수단에 임력하는 화면 메모리를 더 포함함을 특징으로 하는 화질 개선회로.
10. 제8항에 있어서, 상기 제2계산수단에서 계산된 누적분포함수값을 화면단위로 갱신하고, 갱신되는 동안 저장된 한 화면전의 누적분포함수값을 상기 맵핑수단에 출력하는 버퍼를 더 포함함을 특징으로 하는 화질 게선회로.
11. 소정수의 레벨로 표현되는 영상신호에 대해 그레이 레벨을 조절하여 콘트라스트를 개선하는 히스토그램 등화를 이용하여 화질을 개선하는 방법에 었어서 : (a) 입력되는 영상신호에 존재하는 임펄스성분의 잡음을 검출해서 검출된 임펄스 잡음을 트리핑해서 잡음 제거된 신호를 출력하는 단계; 및 (b) 상기 잡음 제거된 신호를 입력하여 화면단위의 그레이 레벨분포를 근거로 한 누적분포함수값을 계산해서 상기 잡음 제거된 신호를 상기 누적분포함수값에 따라 새로운 그레이 레벨로 맵핑하여 등화된 신호를 출력하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 화질 개선방법.
12. 제11항에 었어서, 상기 (a)단계는 (al) 입력신호를 포함하는 서로 다른 크기의 복수개의 윈도우를 발생하는 단게; (a2) 각 윈도우에 대해 평균샘플값과 샘플들의 절대편차의 평균을 구하는 단계:(a3) 구해진 각 윈도우의 평균샘플값과 샘플들의 절대편차의 평균을 이용하여 입력신호에 임펄스성분이 존재하는지를 검출하는 단계; 및 (a4) 상기 입력신호에 임펄스성분이 존재하면 소정크기의 트리밍 윈도우내의 샘플들을 트리핑해서 출력하고, 그렇지 않으면 입력신호를 그대로 바이패스하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 화질 개선방법.
13. 제12항에 있어서, 상기 (a3)단계에서는 적어도 둘 이상의 윈도우에서 입력신호에 임펄스성분이 존재한다고 판단될 때 입력신호에 임펄스성분이 존재하는 것으로 판단함을 특징으로 하는 화질 개선방법.
14. 제12항에 있어서, 상기 (a4)단계는 (a4-1) 상기 입력신호를 포함하는 소정 크기의 수평벡터와 소정의 가증벡터를 연산해서 수평량을 검출하는 단계; 및 (a4-2) 상기 입력신호에 임펄스성분이 존재하고 검출된 수평량이 소정의 파라미터보다 크면, 소정크기의 트리밍 윈도우내의 샘플들을 트리밍 해서 출력신호로 출력하고, 그렇지 않으면 입력신호를 그대로 바이패스하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 화질 개선방법.
15. 제12항에 있어서, 상기(a4)단계는 (a4-11) 상기 입력샘플에 임펄스성분이 존재하면 상기 복수개의 윈도우증 하나의 윈도우내의 샘플들을 트리밍해서 트리미드된 신호를 출력신호로서 출력하고, 그렇지 않으면 입력샘플을 그대로 출력신호로서 출력하는 단계; 및 (a4-12) 상기 입력샘플을 상기 출력신호로서 대체한 후 다음 입력샘플로 이동한 후 상기 (a)단계로 피드백하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 화질 개선방법.
16. 제11항에 있어서, 상기 (b)단계는 (bl) 상기 잡음 제거된 신호를 입력하여 화면단위로 그레이 레벨분포를 계산하여 확률밀도함수값을 출력하는 단계; (b2) 상기 확률밀도함수값을 근거로하여 누적분포함수값을 계산하는 단계; 및 (b3) 상기 잡음 제거된 신호를 계산된 누적분포함수값에 따라 그레이레벨로 맵핑하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 화질 개선방법.