KR100698627B1

KR100698627B1 - 영상 콘트라스트 개선 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR100698627B1
Application number: KR1020040113921A
Authority: KR
Inventors: 윤미현; 김동환
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2004-12-28
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2007-03-21
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: KR20060074932A

Abstract

본 발명은 영상 콘트라스트 개선 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 블랙/화이트 스트레칭을 하기 전에 입력 영상을 DeGamma의 함수 특성을 가지게 하여 복잡한 Slope 계산 방법을 하지 않고도 입출력 Mapping 함수가 Stretching을 적용하기 위한 기준 값을 영상에 따라 적용하여 순색의 Color 성분을 갖게 하도록 하여 Black으로 잠기는 휘도 성분에 해당하는 RGB성분이 고유의 색을 잃어 버리지 않게 하여 Contrast를 개선할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

콘트라스트, degamma, 블랙/화이트 스트레칭, 기울기

Description

영상 콘트라스트 개선 장치 및 그 방법{Image contrast improvement apparatus and the method thereof}

도 1은 종래의 블랙/화이트 스트레칭 시스템의 실시예를 도시한 블록도,

도 2는 상기 시스템에 의해 블랙/화이트 스트레칭 과정을 설명하기 위한 도면,

도 3은 본 발명의 블랙/화이트 스트레칭 시스템의 실시예를 도시한 블록도,

도 4는 블랙/화이트 스트레칭 시스템의 상세도면,

그리고,

도 5는 본발명의 각 단계별 입출력 특성 그래프를 도시한 도면이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호 설명*

110 : degamma부 120 : YCbCr변환부

130 : B/W 스트레칭부 132 : 산출부

134 : 기울기산출부 136 : 스트레칭부

140 : RGB변환부 150 : Gamma부

본 발명은 영상신호 처리 시스템에 관한 것으로, 특히 Color 영상에서 휘도의 Contrast 개선 시 발생하는 Color 성분 손실을 방지할 수 있는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 입력되는 영상신호의 레벨의 동적범위는, 영상 신호 처리 시스템에 마련된 영상신호처리를 위한 하드웨어 범위보다 작게 분포하며, 블랙/화이트 스트레칭 시스템은, 이와 같이 하드웨어 범위보다 작게 분포하는 영상신호의 레벨의 동적범위를 하드웨어 범위에 가깝도록 신장(Stretch)함으로써 해상도를 증가시키는 시스템을 말한다.

도 1, 2에 이러한 종래의 블랙/화이트 스트레칭 시스템이 도시되어 있다. 도 1은 블랙/화이트 스트레칭 시스템의 실시예를 도시한 블록도이며, 도 2는 도 1에 도시된 시스템에 의해 블랙/화이트 스트레칭 과정을 설명하기 위한 도면이다.

도면에서와 같이 블랙/화이트 스트레칭 시스템은, 히스토분포 산출부(11), 히스토정보 산출부(13), 평균 산출부(15), 기울기 산출부(17), 계수 산출부(19), 필터링부(21) 및 스트레칭부(23)를 가지고 있다.

히스토분포 산출부(11)에서는 소정 단위의 입력 영상신호(Yin)에 대한 히스토그램 분포, 즉, 이전 영상신호의 히스토그램 분포(H(i)_P)와 현재 영상신호의 히스토그램 분포(H(i)_C)를 산출하고 상기 히스토그램 분포 산출과정에서 입력 영상신호의 전체의 그레이 레벨의 합과 전체의 픽셀 개수, 및 입력 영상신호의 최대레벨(Max)과 최소레벨(Min)을 검출한다.

평균 산출부(15)에서는 히스토분포 산출부(11)에서 검출된 입력 영상신호의 전체의 그레이 레벨의 합과 전체의 픽셀 개수를 이용하여 입력 영상신호의 평균레벨(Mean)을 산출한다.

기울기 산출부(17)에서는 먼저, 평균레벨(Mean)과 기설정된 스트레칭점(L 및 U)을 이용하여 평균레벨(Mean)에 연동하는 블랙/화이트 스트레칭점(L_B 및 U_W)을 각각 산출한다.

또한, 히스토분포 산출부(11)에서 검출된 입력 영상신호의 최소레벨(Min) 및 최대레벨(Max)과, 기울기 산출부(17)에서 산출된 블랙/화이트 스트레칭점(L_B 및 U_W)을 이용하여 블랙/화이트 스트레칭 기울기(SL_B 및 SL_W)를 산출한다.

한편, 히스토정보 산출부(13)에서는 히스토분포 산출부(11)에 산출된 현재 입력 영상신호의 히스토그램 분포(H(i)_C)와 이전 입력 영상신호의 히스토그램 분포(H(i)_P)를 이용하여 히스토 정보데이터(Diff_histo)를 산출하고, 비율 산출부(19)에서는 히스토정보 산출부(13)에서 산출된 히스토 정보데이터(Diff_histo)를 이용하여 변화 비율(Coeff: coefficient)을 산출한다.

여기서, 히스토 정보데이터(Diff_histo)는 입력 영상신호의 전체 그레이 레벨을 이용하여 산출하기 보다는 블랙 스트레칭의 경우에는 낮은 그레이 레벨부분을 이용하여 산출하고, 화이트 스트레칭의 경우에는 높은 그레이 레벨부분을 이용하여 산출한다.

이 후, 필터링부(21)에서는 비율 산출부(19)에서 산출된 화면의 변화 비율(Coeff)에 대응하여 블랙/화이트 스트레칭 기울기(SL_B 및 SL_W)를 필터링함으로써 필터링된 블랙/화이트 스트레칭 기울기(F_SL_W및 F_SL_B)를 출력한다.

스트레칭부(23)는 화면 변화 정도에 대응하여 필터링된 블랙 스트레칭 기울기(F_SL_B) 및 화이트 스트레칭 기울기(F_SL_W)와 입력되는 영상신호를 맵핑함으로써 입력되는 영상신호의 그레이 레벨 범위를 하드웨어 범위로 각각 스트레칭하도록 구성된다.

상기에서와 같이, 낮은 휘도 값은 0으로, 높은 휘도 값은 1로 변환하여 그 대비를 높여 주는 방법은 휘도 성분을 변화시켜 그 대비를 높여 줄 수는 있으나, 그 과정에서 RGB로 구성된 고유의 Color 성분까지 손실되게 된다.

즉, Black으로 잠기는 부분의 Color 값이 손실되어 영상이 검게 나타난다는 문제점이 발생하고 상기 블랙/화이트 스트레칭 기울기(SL_B 및 SL_W)를 계산하는 방법이 복잡하다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 입력 영상의 비선형 RGB를 선형 RGB로 변환하는 방법을 사용하여 간단하게 Color 성분의 손실 없이 Contrast를 개선할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 블랙화이트 스트레칭을 이용하여 영상 콘트라스트를 개선하기 위한 방법은 상기 블랙화이트 스트레칭의 입력신호로 입력 영상 신호를 디감마한 선형 RGB값을 사용하는 것을 특징으로 하고 상기 디감마한 RGB값에 해당하는 휘도신호를 상기 블랙화이트 스트레칭의 입력신호로 입력하는 것이 바람직하다.

상기 블랙화이트 스트레칭 방법은 블랙 스트레칭 기울기(min'_Tilt) 및 화이트 스트레칭 기울기(max'_Tilt)를 입력되는 영상신호와 맵핑함으로써 입력되는 영상신호의 그레이 레벨 범위를 하드웨어 범위로 각각 스트레칭하도록 하는 것을 특징으로 한다.

블랙 스트레칭 기울기(min'_Tilt) 및 화이트 스트레칭 기울기(max'_Tilt)는 각각 다음의 식과 같이 나타낸다.

min'_Tilt=(mean-min')/2 +min'

max'_Tilt=(max'-mean)/2 +mean

여기서 max'과 min'은 디감마된 입력영상신호의 최대레벨과 최소레벨, mean은 입력 영상신호의 전체의 그레이 레벨의 합과 전체의 픽셀 개수를 이용하여 입력 영상신호의 평균레벨임.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 블랙화이트 스트레칭을 이용하여 영상 콘트라스트를 개선하기 위한 장치는 입력 영상 신호를 디감마한 선형 RGB값으로 변환하는 디감마부, 상기 디감마한 선형 RGB값을 휘도신호로 변환하는 휘도신호변환부, 블랙 스트레칭 기울기(min'_Tilt) 및 화이트 스트레칭 기울기(max'_Tilt)를 입력되는 영상신호와 맵핑함으로써 입력되는 영상신호의 그레이 레 벨 범위를 하드웨어 범위로 각각 스트레칭한 신호를 출력하는 블랙화이트 스트레칭부, 상기 블랙화이트 스트레칭을 하기 위하여 변환한 휘도신호를 RGB값으로 변환하여 출력하는 RGB변환부 및 상기 RGB변환부의 출력신호를 감마한 비선형 RGB값으로 변환하는 감마부를 포함하여 구성되도록 한다.

블랙 스트레칭 기울기(min'_Tilt) 및 화이트 스트레칭 기울기(max'_Tilt)는 다음의 식과 같이 나타낸다.

min'_Tilt=(mean-min')/2 +min'

max'_Tilt=(max'-mean)/2 +mean

이하 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 블랙/화이트 스트레칭 시스템의 실시예를 도시한 블록도로서, degamma부(110), R'G'B'를 컴포지트 영상신호로 변환하는 R'G'B' to YCbCr변환부(120), B/W 스트레칭부(130), 컴포지트 영상신호를 RGB로 변환하는 R'G'B'변환부(140) 그리고 Gamma부(150)로 구성된다.

degamma부(110)는 통상 모니터에 디스플레이 되는 영상이 선형 RGB값에 0.45 승만큼 Gamma 보정이 되어있는 비선형 RGB이므로 선형 RGB값을 가지도록 입력 이미지(input image;112)를 2.22 만큼 DeGamma를 해서 degammed image(122)인 R'G'B' 을 출력하도록 구성한다. 도 5를 참조하면 input image(112)대비 degammed image(122)가 도시되어 있다. 본발명에서는 degammed된 RGB를 R'G'B'으로 표기하였다.

R'G'B' to YCbCr변환부(120)는 RGB신호를 휘도신호로 변환하는 휘도신호변환부로 구성된다. 즉 블랙/화이트 스트레칭(Black/white stretching)을 하기 위하여 degamma부(110)에서 출력되는 degammed image(122)의 R'G'B'영상을 해당하는 복합 컴포지트 신호(composite signal)인 YCrCb영상의 휘도신호로 변환하여 출력한다.

B/W 스트레칭부(130)는 입력 영상신호의 최소레벨, 최대레벨 그리고 평균값을 이용하여 블랙/화이트 스트레칭 기울기와 입력되는 영상신호를 맵핑함으로써 입력되는 영상신호의 그레이 레벨 범위를 하드웨어 범위로 각각 스트레칭하도록 구성된다.

도 4를 참조하여 B/W 스트레칭부(130)의 상세 구조에 대하여 설명한다. B/W 스트레칭부(130)는 최대/최소값 및 평균값을 산출하는 산출부(132), 기울기 산출부(134), 및 스트레칭부(136)로 구성된다(도 4 참조). 산출부(132)는 입력 영상신호의 최대레벨(max')과 최소레벨(min') 그리고 입력 영상신호의 전체의 그레이 레벨의 합과 전체의 픽셀 개수를 이용하여 입력 영상신호의 평균레벨(mean)을 산출한다. 이하에서는 종래의 최대레벨(max)과 최소레벨(min)과 구별하기 위하여 degammed image의 최대레벨과 최소레벨을 각각 max'와 min'으로 표시하여 설명하도록 한다. 기울기 산출부(134)는 산출부(132)에서 출력되는 max', min' 및 mean값을 이용하여 블랙화이트 스트레칭을 적용할 때 영상 특성에 맞게 스트레치하는 범위를 결정하기 위하여 min'_Tilt 값과 max'_Tilt 값을 다음과 같이 적응적인 방법으로 구한다.

min'_Tilt=(mean-min')/2 +min'

max'_Tilt=(max'-mean)/2 +mean

상기 수학식에서와 같이 min'_Tilt와 max'_Tilt는 영상의 평균 값(mean)과 min', max' 값의 중간값이 된다. 이로써 min'_Tilt와 max'_Tilt는 영상의 휘도 특성에 따라 적응적으로 결정이 된다. 따라서 min'과 min'_Tilt 사의의 Slope는 복잡한 Slope 계산 방법을 하지 않고도 입출력 Mapping 함수가 DeGamma 의 함수 특성을 가지므로, Exponential 함수 특성을 가지게 되어 자연스러운 Contrast 개선 결과가 된다. 이와 같이 결정된 Threshold 값을 이용해 스트레칭부(136)에서 BWS 알고리듬을 적용한다.

스트레칭부(136)는 기울기 산출부(134)에서 화면 변화 정도에 대응하여 블랙 스트레칭 기울기(min'_Tilt) 및 화이트 스트레칭 기울기(max'_Tilt)를 입력되는 영상신호와 맵핑함으로써 입력되는 영상신호의 그레이 레벨 범위를 하드웨어 범위로 각각 스트레칭하도록 구성되는 것이다. 결국 콘트라스트가 개선된 이미지(Enhanced image;132)를 출력하게 된다(도 5참조).

도 5를 참조하면 종래의 기술에서처럼 BWS를 적용하면 Black로 잠기는 휘도 부분의 RGB 성분이 각각 R이 30%, G가 60%, B가 10%의 값으로 구성되어 있으므로, 값이 0인 범위의 휘도의 RGB는 더 큰 범위의 Color 성분이 0이 되게 된다. 그러므 로 본래의 색을 잃어버려 이 부분의 Color 색이 Black에 가깝게 된다. 이를 개선하기 위해 BWS를 적용하기 전에 앞단의 DeGamma 프로세싱을 한다.

선형 입출력 Mapping 관계에서는 입력 값과 출력 값은 같지만, DeGamma 의 입출력 함수 특성은 입력 값에 비해 출력 값이 매우 작으며, 큰 입력 값 부분으로 갈수록 출력값과 입력 값은 비슷하게 되어 255일 때 255가 된다. 이렇게 되면 예를 들어 큰 값의 R과 작은 값의 G 또는 B로 픽셀이 구성된 경우, 눈으로는 Red 색으로 보이는데, 여기에 B/W Stretching을 적용하면, R은 그 값이 크므로 DeGamma Mapping 함수 특성에 의해 값이 조금만 떨어지지만, G와 B는 값이 작으므로 그 값이 훨씬 더 작게 되어 G와 B가 없는 순수한 R성분으로 바뀐다. 따라서 원래 R보다 B/W Stretching에 의해 값은 더 낮아졌지만(min'), 순수한 R성분으로 구성됨으로써 더 선명하게 보이게 된다. 즉, Green과 Blue를 띄는 색의 경우에도 다른 Color 성분이 섞여 있어 순색이 아닌 경우, 가장 큰 값의 Color 성분만 남고 나머지 Color값은 거의 0이 되므로 색이 더 선명해진다.

반면 RGB 성분 중에서 두개의 값이 높고 나머지 하나의 값도 낮지 않은 값을 가지는 경우, 즉 예를 들어 높은 휘도의 Yellow 색의 경우 DeGamma를 통해도 B값이 많이 작아지지 않게 되어, 여기에 BWS를 적용하면, B값이 max'_Tilt값 이상에 포함될 경우 값이 더 커지게 되어 White에 가깝게 된다. 그러므로, 기존의 BWS보다 max'를 더 작게 해주어야 하는 것이다.

R'G'B'변환부(140)는 B/W Stretching을 하기 위하여 변환된 복합 컴포지트 신호(composite signal)인 YCrCb영상을 R'G'B"으로 복원하여 출력한다.

또한, gamma부(150)는 R'G'B'변환부(140)에서 출력되는 이미지를 B/W Stretching을 하기 위하여 변환된 선형 R'G'B'값을 비선형 RGB값을 가지도록 0.45 승만큼 Gamma 보정하여 출력하도록 구성하여 디스플레이에서 시감 특성에 맞는 영상을 눈으로 확인할 수 있도록 하는 것이다.

따라서, Color 영상에서 휘도의 Contrast 개선 시 발생하는 Color 성분 손실을 방지할 수가 있어 최적의 콘트라스트 효과를 구현할 수가 있는 것이다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.

상기에서와 같이 본 발명에 따른 영상 콘트라스트 개선 장치 및 그 방법에 의하면 Stretching을 적용하기 위한 기준 값을 영상에 따라 적용함으로써 영상 특성을 반영하는 Contrast를 개선할 수 있으며, DeGamma를 하여 알고리듬을 적용함에 따라 순색의 Color 성분을 갖게 되어 Black로 잠기는 휘도 성분에 해당하는 RGB성분이 고유의 색을 잃어 버리지 않게 되어 검게 나타나는 것을 방지할 수 있는 것이다.

Claims

블랙화이트 스트레칭을 이용하여 영상 콘트라스트를 개선하기 위한 방법에 있어서,

상기 블랙화이트 스트레칭의 입력신호로 입력 영상 신호를 디감마한 선형 RGB값을 사용하고,

상기 블랙화이트 스트레칭 방법은

블랙 스트레칭 기울기(min'_Tilt) 및 화이트 스트레칭 기울기(max'_Tilt)를 입력되는 영상신호와 맵핑함으로써 입력되는 영상신호의 그레이 레벨 범위를 하드웨어 범위로 각각 스트레칭하도록 하는 것을 특징으로 하는 영상 콘트라스트 개선 방법.
삭제
제 1항에 있어서,

블랙 스트레칭 기울기(min'_Tilt) 및 화이트 스트레칭 기울기(max'_Tilt)는 다음의 식과 같이 나타나는 것을 특징으로 하는 영상 콘트라스트 개선 방법:

min'_Tilt=(mean-min')/2 +min'

max'_Tilt=(max'-mean)/2 +mean

여기서 max'과 min'은 디감마된 입력영상신호의 최대레벨과 최소레벨, mean은 입력 영상신호의 전체의 그레이 레벨의 합과 전체의 픽셀 개수를 이용하여 입력 영상신호의 평균레벨임.
블랙화이트 스트레칭을 이용하여 영상 콘트라스트를 개선하기 위한 장치에 있어서,

입력 영상 신호를 디감마한 선형 RGB값으로 변환하는 디감마부;

상기 디감마한 선형 RGB값을 휘도신호로 변환하는 휘도신호변환부;

블랙 스트레칭 기울기(min'_Tilt) 및 화이트 스트레칭 기울기(max'_Tilt)를 입력되는 영상신호와 맵핑함으로써 입력되는 영상신호의 그레이 레벨 범위를 하드웨어 범위로 각각 스트레칭한 신호를 출력하는 블랙화이트 스트레칭부;

상기 블랙화이트 스트레칭을 하기 위하여 변환한 휘도신호를 RGB값으로 변환하여 출력하는 RGB변환부; 및

상기 RGB변환부의 출력신호를 감마한 비선형 RGB값으로 변환하는 감마부;를 포함하여 이루어지는 영상 콘트라스트를 개선 장치.
제 4항에 있어서,

블랙 스트레칭 기울기(min'_Tilt) 및 화이트 스트레칭 기울기(max'_Tilt)는 다음의 식과 같이 나타나는 것을 특징으로 하는 영상 콘트라스트 개선 장치:

min'_Tilt=(mean-min')/2 +min'

max'_Tilt=(max'-mean)/2 +mean

여기서 max'과 min'은 디감마된 입력영상신호의 최대레벨과 최소레벨, mean은 입력 영상신호의 전체의 그레이 레벨의 합과 전체의 픽셀 개수를 이용하여 입력 영상신호의 평균레벨임.