[논문]필드 기반 워핑과 모핑을 위한 영상 보간 필터의 성능 분석에 관한 연구

이형진; 곽노윤

문제 정의

본 논문에서는 필드 워핑의 역방향 매핑 과정에서 pseudomedian 필터 보간과 양선형 보간을 효과적으로 결합하여 양자의 장점을 보간 결과에 반영함으로써 자 연스러운 워핑 결과를 제공할 수 있는 영상 보간 기법 을 제안하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 기존의 방법 과 제안된 방법을 비교 .
이러한 문제를 보완하기 위해 본 논문은 필드 워핑 기법에 적용하기 위한 효과적인 디지털 보간 기법을 제 안하고 서로 다른 분포 특성을 갖는 영상을 대상으로 주간적인 화질 측면에서 성능을 평가함에 그 목적이 있 다. 제안된 방법은 필드 영상 워핑을 수행할 시, 수평 및 수직 방향의 재현성이 뛰어나고 임의의 화소 위치에 대한 비례적인 계산이 용이한 양선형 보간법과 대각선 방향의 윤곽선 재현에 우수한 특성을 보이는 pseudomedian 필터 보간법 [9]을 효과적으로 결합하여 양자의 장점을 보간 결과에 반영하고자 한다.

가설 설정

2. H-shaped PMED에 의한 영상 보간 과정 .

제안 방법

이후 목표 영상의 각각의 화소 단위로 필드 워핑을 순차적으로 수행하여 소스 영상 상의 역방향 매핑 점을 산출한다. 소스 영상 상에서 이 역방향 매핑 점의 위치 가 정수 화소 단위로 매핑되지 않을 경우, 소스 영상 상 의 역방향 매핑 점에 인접한 화소값들을 대상으로 pseudomedian 필터 보간을 적용한 첫 번째 보간을 수 행하여 국부적으로 확대된 고해상도의 소스 영상을 생 성한다.
본 논문에서는 제안된 방법의 성능을 평가하기 위해 서로 다른 화소 분포 특성을 갖는 512x512의 LOTUS 영상과 LENA 영상을 대상으로 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 제안된 방법에 대한 설명의 편의를 도모하 기 위해 pseudomedian 필터 보간을 적용하여 각각 2배 및 4배 확대 보간한 후, 역방향 매핑에 의해 지정되는 위치를 기준 삼아 주변의 4개 화소를 가지고 양선형 보 간을 적용하여 최종적인 보간 결과값을 구하도록 시뮬 레이션을 수행하였고 이를 각각 PMED I 및 PMED II 로 구분하여 지칭하기로 한다.
제안된 방법은 역방향 매핑 과정에서 소스 영상과 목 적 영상의 화소가 정수 화소 단위로 대응되지 않을 경 우, 해당 위치에 인접한 소스 영상의 화소들을 대상으 로 pseudomedian 필터 보간[9]올 수행한다.
이러한 문제를 보완하기 위해 본 논문은 필드 워핑 기법에 적용하기 위한 효과적인 디지털 보간 기법을 제 안하고 서로 다른 분포 특성을 갖는 영상을 대상으로 주간적인 화질 측면에서 성능을 평가함에 그 목적이 있 다. 제안된 방법은 필드 영상 워핑을 수행할 시, 수평 및 수직 방향의 재현성이 뛰어나고 임의의 화소 위치에 대한 비례적인 계산이 용이한 양선형 보간법과 대각선 방향의 윤곽선 재현에 우수한 특성을 보이는 pseudomedian 필터 보간법 [9]을 효과적으로 결합하여 양자의 장점을 보간 결과에 반영하고자 한다. 이를 통 해 양선형 보간만을 이용하는 필드 워핑에 비해 대각선 방향의 윤곽 재현성이 뛰어나고 계단 현상이 경감된 좀 더 자연스러운 워핑 결과 영상을 제공할 수 있다.

대상 데이터

본 논문에서는 제안된 방법의 성능을 평가하기 위해 서로 다른 화소 분포 특성을 갖는 512x512의 LOTUS 영상과 LENA 영상을 대상으로 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 제안된 방법에 대한 설명의 편의를 도모하 기 위해 pseudomedian 필터 보간을 적용하여 각각 2배 및 4배 확대 보간한 후, 역방향 매핑에 의해 지정되는 위치를 기준 삼아 주변의 4개 화소를 가지고 양선형 보 간을 적용하여 최종적인 보간 결과값을 구하도록 시뮬 레이션을 수행하였고 이를 각각 PMED I 및 PMED II 로 구분하여 지칭하기로 한다.

데이터처리

본 논문에서는 필드 워핑의 역방향 매핑 과정에서 pseudomedian 필터 보간과 양선형 보간을 효과적으로 결합하여 양자의 장점을 보간 결과에 반영함으로써 자 연스러운 워핑 결과를 제공할 수 있는 영상 보간 기법 을 제안하였다. 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 기존의 방법 과 제안된 방법을 비교 . 분석함으로써 제안된 방법의 우수성을 입증하였다.

성능/효과

그러나, 제안된 방법은 pseudomedian 필터 보간을 위한 추가적인 연산 이 필요한 단점이 있다. 그러나 컴퓨터의 연산속도가 급속하게 증가하고 제안된 방법의 성능 향상 폭이 클 뿐만 아니라 고품질을 요하는 모핑 응용 분야의 특수성 을 감안할 때, 제안된 방법의 연산량의 증가는 적정 범 위 내에서 수용이 가능할 것으로 판단된다.
FOI은 그 림 9(b)에서와 같이 수평과 수직 방향의 보간 특성은 우수한 반면에 대각선 방향의 윤곽 재현성에 한계가 있 음을 알 수 있다. 또한 기본적으로 FOI는 저주파 필터 링에 기초한 것이기 때문에 전체적으로 윤곽 영역에 몽 롱화 현상을 야기시켜서 대비도를 저하시키고 있음을 확인할 수 있다.
컴퓨터 시뮬레이션을 통해 기존의 방법 과 제안된 방법을 비교 . 분석함으로써 제안된 방법의 우수성을 입증하였다. 제안된 방법은 양선형 보간법만 을 사용하는 경우에 비해 대각선 윤곽정보에 대해 상대 적으로 우수한 성능을 보여주고 있다.
앞에서 살펴보았듯이 제안된 방법 중 PMED II는 PMED I이 2배를 사용하는 것에 반해 소스 영상을 pseudomedina 필터 보간법으로 4배 확대한 영상에서 역 방향 매핑 점을 재조정함으로써 더욱 더 우수한 워핑 결 과를 얻을 수 있었다. 그렇지만 무조건 고배율로 소스 영 상을 보간한다고 해서 최선의 결과를 얻을 수 있는 것은 아니다.
그림 5는 LOTUS 영상을 대상으로 각 방법을 적용 한 워핑 결과 영상이고 그림 6은 프린터의 인쇄 해상도 가 제한되어 있음을 감안하여 대비가 가능하도록 하기 위해 국부 영역을 2배 확대한 영상을 예시한 것이다. 윤곽선 정보의 재현 특성을 직관적인 관능 평가를 통해 고찰할 때, 그림 6에서 확인할 수 있듯이 주관적인 화 질 면에서 제안된 방법 (PMED I, PMED II)이 우수한 결과를 제공함을 확인할 수 있다.
윤곽선 정보의 재현 특성을 직관적인 관능 평가를 통해 고찰할 때, 그림 9에서 확인할 수 있듯이 주관적인 화질 면에서 제안된 방법 (PMED I, PMED II)이 우수 한 결과를 제공함을 확인할 수 있다.
다음으로, 1/Sh와 1/Sv를 비교하여 1/糸01/&일 경우, 즉, 、声5\인 경우에는 수평 방향에 대한 유사도가 큰 것으로 판단됨에 따라 부 윈도우의 설정 방향을 수평 방 향으로 선정하고, 그렇지 않을 경우에는 역으로 수직 방 향에 대한 유사도가 클 가능성이 높기 때문에 부 윈도우 의 설정 방향을 수직 방향으로 선정한다. 이상의 유사도 비교 과정을 통해 H-shaped pseudomedian 필터의 부 윈도우 설정 방향을 가변적으로 전치 (transpose)함으로 써 윤곽 정보의 재현성이 개선된 보간 영상을 얻을 수 있다.
제안된 방법 (PMED I, PMED II)은 대각선 방향의 윤곽 정보를 매우 자연스럽게 재현할 뿐만 아니라 FOI 에서 나타나는 심한 계단 현상을 효과적으로 억제시킴 을 알 수 있다.
제안된 방법에 따르면, 영상이 확대되는 방향으로 워 핑이 발생하는 경우, pseudomedina 필터 보간법의 우 수성에 기인하여 평균적으로 우수한 화질을 제공함을 확인할 수 있었다. 그러나 제안된 방법은 영상이 확대 되는 방향으로 워핑이 발생할 경우는 고려가 되어 있지 만 축소되는 방향으로 워핑이 발생하는 경우에 대해서 는 축소비를 충분히 반영하고 있지 못함에 따라 이를 적응적으로 고려하는 알고리즘의 도출이 필요할 것으로 판단된다.
분석함으로써 제안된 방법의 우수성을 입증하였다. 제안된 방법은 양선형 보간법만 을 사용하는 경우에 비해 대각선 윤곽정보에 대해 상대 적으로 우수한 성능을 보여주고 있다. 그러나, 제안된 방법은 pseudomedian 필터 보간을 위한 추가적인 연산 이 필요한 단점이 있다.
그림 6(b)를 참고할 때 FOI의 경우, 텍스춰 영역에서 는 양호한 보간 특성을 제공하고 있는 것에 비해 윤곽 영역 중에서 대각선 윤곽에 대한 재현성이 불량함을 주 관적 화질을 통해 확인할 수 있다. 제안된 보간 방법은 계단 현상이 대부분 제거된 매우 우수한 윤곽 재현성을 나타내고 있으며 특히 제안된 방법 중에서도 PMED I 보다 PMED II가 더 우수한 것을 알 수 있다. 그림 4를 참고할 때, 이것은 목표 영상의 제어선 길이가 소스 영 상의 제어선 길이 보다 두 배 이상 길기 때문에 두 배 이상의 고배율의 확대를 포함하는 워핑이 발생되었음에 기인한 것이다.

후속연구

이때, 연산을 수행할 시에 요구되는 임시 저장 수단 인 버퍼의 수(또는, 레지스터수)는 비교 대상에서 제외 하기로 한다. 각 경우의 연산량에 대한 산출 방식의 기 준을 변경하면 다소 다른 결과가 나올 수 있으며, 각 경 우의 발생 빈도는 각 시험 영상에 따라 다를 수 있지만, 각 경우에 대한 전체 연산량의 변동 폭이 적음에 따라 평균적인 연산량을 통해 제안된 방법에 대한 연산량 평 가를 수행하더라도 무리가 없을 것이다.
제안된 방법에 따르면, 영상이 확대되는 방향으로 워 핑이 발생하는 경우, pseudomedina 필터 보간법의 우 수성에 기인하여 평균적으로 우수한 화질을 제공함을 확인할 수 있었다. 그러나 제안된 방법은 영상이 확대 되는 방향으로 워핑이 발생할 경우는 고려가 되어 있지 만 축소되는 방향으로 워핑이 발생하는 경우에 대해서 는 축소비를 충분히 반영하고 있지 못함에 따라 이를 적응적으로 고려하는 알고리즘의 도출이 필요할 것으로 판단된다.
필드 워핑 과정에서 요청되는 수평 및 수직 방향 에 대한 확대율과 축소율을 적절하게 고려한 배율을 적 용하는 것이 바람직하다. 따라서 정밀한 배율을 적용하 기 위한 연구가 향후 추가적으로 진행될 필요가 있다.

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