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히스토그램 변형 및 K-means 분류 기반 동적 범위 개선 기법
Automatic Dynamic Range Improvement Method using Histogram Modification and K-means Clustering 원문보기

방송공학회논문지 = Journal of broadcast engineering, v.16 no.6, 2011년, pp.1047 - 1057  

차수람 (이화여자대학교 전자공학과) ,  김정태 (이화여자대학교 전자공학과) ,  김민석 (하이닉스 반도체)

초록
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본 논문에서는 K-means clustering 알고리즘을 이용하여 영상을 cluster로 나눈 후 각 cluster에 대하여 히스토그램 변형기법을 적용하여 만든 밝기 변환 함수로 영상의 동적 범위를 확장시키는 방법과 히스토그램 변형에 필요한 파라미터를 자동으로 조절하는 방법을 제안한다. 제안하는 방법은 기존의 전역적 히스토그램 변형기법의 한계점인 지역적 밝기 개선이 어렵다는 단점을 극복할 수 있을 뿐 아니라 밝기 변환함수의 파라미터를 자동적으로 조절할 수 있어서 수동 조절 없이 고성능의 화질 개선이 가능하다. 제안하는 방법이 기존 방법에 비해 성능이 우수함은 시뮬레이션 및 실험을 통해 입증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this paper, we propose a novel tone mapping method that implements histogram modification framework on two local regions that are classified using K-means clustering algorithm. In addition, we propose automatic parameter tuning method for histogram modification. The proposed method enhances local...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 영상의 전역적 히스토그램으로 tone map-ping을 하는 알고리즘의 한계점을 극복하고 기존 히스토그램 평활화 방법의 문제점인 파라미터 조절을 자동으로 수행하는 알고리즘을 제안한다. 제안하는 알고리즘은 Kmeans clustering 알고리즘 [21]을 이용하여 영상을 두 개의 cluster로 나눈 후, 각 cluster에 대하여 히스토그램 변형기법을 적용하여 만든 밝기 변환 함수로 영상의 동적 범위를 증가시킨다.
  • 기존의 방법인 전역적 히스토그램 변형기법은 히스토그램 평활화의 한계점인 과도한 밝기 변화를 조절할 수 있는 장점을 갖지만 지역적으로 밝기 개선이 어렵다는 단점을 가진다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 논문에서는 K-means clustering 알고리즘을 이용하여 영상을 두 개의 cluster로 나눈 후, 각 cluster에 대한 히스토그램에 히스토그램 변형기법을 적용하여 만든 밝기 변환 함수로 영상의 동적 범위를 증가시키는 방법을 제안했으며, 이는 기존의 전역적 히스토그램 변형기법의 한계점을 보완함을 실험을 통해 확인하였다. 또한 제안하는 방법은 각 cluster의 히스토그램에 대한 히스토그램 변형기법의 파라미터를 지역 영상의 평균 값, 분산, 엔트로피를 이용하여 자동적으로 조절할 수 있는 장점을 가진다.
  • 히스토그램 변형기법의 한계점을 보완하기 위하여 본 논문에서는 그림 2의 블록 다이어그램과 같이 표현되는 tone mapping 알고리즘을 제안한다. 제안하는 방법은 동적 범위가 좁은 RGB 입력 채널의 영상을 PCA (Principal Component Analysis) 좌표로 변환하여 밝기 (luminance) 영상과 색차 (chrominance) 영상을 얻고, 밝기 영상에 lumi- nance 프로세싱 알고리즘을 적용하고 색차 영상에 chromi- nance 프로세싱을 한 후 역 PCA 변환을 함으로써 동적 범위가 확장된 영상을 얻는다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
동적 범위란 무엇인가? 디지털 영상장치로부터 획득한 정지영상이나 동영상으로부터 가시세계를 보다 실감 있게 표현하기 위해서는 인간이 장면을 인지하는 그대로 표현할 수 있는 영상장치가 요구되지만 디지털 영상장치는 실제 인간의 시각 인지 시스템(Human Visual System, HVS)보다 동적범위 (DR: Dynamic Range)가 현저히 작기 때문에 사실적인 장면을 표현하기에 한계점이 있다. 동적 범위란 어두운 영역과 밝은 영역간의 비(ratio)를 나타내며, 일반적인 사람의 눈의 동적 범위가 0~10000cd/㎡ (cd/㎡: 단위 면적당 광도)라면카메라 센서는 약 0~100cd/㎡를 가진다[1].
히스토그램 도메인에서 밝기 변환 함수를 구하는 방법으로 어떤 것들이 있는가? 기존의 연구들은 retinex 이론을 기반으로 하되 반사성분을 다양하게 설계하여 성능을 개선하는 방향으로 수행되고 있다[6-11]. 한편, 히스토그램 도메인에서 밝기 변환 함수 (tone mapping function)를 구하는 방법은 감마 보정, 히스토그램 평활화 등이 있다. 또한 기존의 히스토그램 평활화의 문제점인 과도한 밝기 변화 (over-enhancing)를 보완하는 방법으로 bi-HE (bi Histogram Equalization)[12], DSHE (dualistic sub-image histo- gram equalization)[13], MMBEBHE (Minimum Mean Brightness Error Bi-Histogram Equalization)[14] 그리고 히스토그램 변형기법 (HM: histogram modification)[15] 등이 있다.
여러 장의 입력 영상으로 동적범위를 확장하는 방법의 단점은 무엇인가? 먼저 여러 장의 입력 영상으로 동적범위를 확장하는 방법은 노출시간을 다르게 하여 여러 장의 영상을 획득한 후 픽셀 단위 또는 영역 단위로 정합 (fusion) 하는 방법을 수행한다[3-5]. 이 방법의 경우는 여러 장의 입력 영상을 획득해야 한다는 점에서 실시간으로 처리하기에 어려움이 따른다. 한 장의 입력영상으로 동적범위를 확장하는 방법 중에는 공간 도메인에서 처리하는 retinex 알고리즘[1], 히스토그램 도메인에서 수행하는 tone mapping 알고 리즘 등이 있다[18].
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참고문헌 (24)

  1. L. Meylan and S. Susstrunk, "High dynamic range image rendering with a Retinex-based adaptive filter," IEEE Transactions on Image Processing, vol. 15, no. 9, pp. 2820-2830, 2006. 

  2. 김광현, 한영준, " 블록기반 지역 명암대비 개선을 통한 전역 명암대비 향상 기법", 전자공학회 논문지 제 45권 SC편 제 1호, 2008. 

  3. P. E. Debevec and J. Malik, "Recovering High Dynamic Range Radiance Maps from Photographs,", ACM SIGGRAPH Conference, pp. 369-378, Aug, 1997. 

  4. F. Durand and J. Dorsey, "Fast Bilateral Filtering for the Display of High-Dynamic-Range Images," ACM Transactions on Graphics, vol. 21, pp. 257-266, Jul, 2002. 

  5. R. Raskar, A, Ilie and J. Yu, "Image Fusion for Context Enhancement and Video Surrealism," In Proceedings of Non-Photorealistic Animation and Rendering, pp. 85-95, 2005. 

  6. D. H Brainard and B. A. Wandell, "Analysis of the retinex theory of color vision," Optical Society of America, vol. 3, no. 10, pp. 1651-1661, Oct. 1986. 

  7. D. J. Jobson, Z. Rahman, G. A. Woodell, "A Multiscale Retinex for Bridging the Gap Between Color Images and the Human Observation of Scenes," IEEE Transactions on Image Processing, vol. 6, no. 7, pp. 965-976, Jul. 1997. 

  8. D. H Choi, "Color Image Enhancement based on Single-Scale Retinex with a JND-Based Nonlinear Filter," IEEE International Symposium on Circuits and System, pp. 3948-3951, May 2007. 

  9. R. P. Kovaleski and M.. M.. Oliveira, " High-quality brightness enhancement functions for real-time reverse tone mapping," The Visual Computer, pp. 539-547, 2009. 

  10. M. Bertalmio, V. Caselles and E. Provenzi, "Issues About Retinex Theory and Contrast Enhancement," International Journal of Computer Vision, vol. 83, pp. 101-119, 2009. 

  11. J. Wang, D, Xu, C.Lang and B. Li, "An Adaptive Tone Mapping Method for Displaying High Dynamic Range Images," Journal of Information Sceience and Engineering, vol. 26, pp. 977-990, 2010. 

  12. Y. T. Kim, "Contrast Enhancement Using Brightness Preserving Bi-Histogram Equalization," IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol. 43, pp. 1-8, Feb, 1997. 

  13. Y. Wan, Q. Chen and B.M. Zhang, " Image Enhancement Based on Equal Area Dualistic Sub-Image Histogram Equalization Method," IEEE Transactions on Broadcast and Television Receivers, vol. 45, pp. 68-75, Feb, 1999. 

  14. S.D. Chen and A. R. Ramli, " Minimum Mean Brightness Error Bi-Histogram Equalization in Contrast Enhancement," IEEE Transactions on Consumer Electronics, vol. 49, pp. 1310-1319, Nov, 2003. 

  15. T. Arici, S. Dikbas and Y. Altunbasak, " A Histogram Modification Framework and Its Application for Image Contrast Enhancement," IEEE Transactions on Image Processing, vol. 18, pp. 1921-1935, 2009. 

  16. S. Shimoyama, M. Igarashi, M. Ikebe and J. Motohisa, "Local Adaptive Tone Mapping with Composite Multiple Gamma Functions," IEEE International Conference on Image Processing, pp. 3153-3156, Nov, 2009. 

  17. J. Kim, L. Kim and S. Hwang, "An Advanced Contrast Enhancement Using Partially Overlapped Sub-Block Histogram Equalization," IEEE Transcations on Circuits and Systems for Video Technology, vol. 11, pp. 475-484, 2001. 

  18. J. W. Lee, R. H. Prak and S. K. Chang, "Local Tone Mapping using K-means Algorithm and Automatic Gamma Setting," IEEE International Conference on Consumer Electronics, pp. 209-217, 2011. 

  19. G. Krawczyk, K. Myszkowski and H. Seidel, "Perceptual Effects in Real-time Tone Mapping," SCCG, 2005. 

  20. R. C. Gonzalez and R. E. Woods, "Digital Image Processing using MATLAB, Prentice Hall, 2004. 

  21. J. B. MacQueen, "Some Methods for calssification and Analysis of Multivariate Observations." Proceedings of 5th Berkeley Symposium on Mathematical Statistics and Probability, University of California Press, pp. 281-297. 

  22. T. Masato, I. Akira, S. Tetsuaki "High Dynamic Range Rendering for YUV Images with a Constraint on Perceptual Chroma Preservation" IEEE International Conference on Image Processing, pp. 1817-1820, 2009. 

  23. A. Beghdali and A. L. Negrate, "Contrast enhancement technique based on local detection of edges," Computer Vision Graphics and Image Processing, vo. 46, no. 2, pp. 162-174, May, 1989. 

  24. S.Agaian, K. Panetta and A. Grigoryan, "Transform-based image enhancement algorithms with performance measure," IEEE Transactions on Image Proecssing, vol. 10, no. 3, pp. 367-382, Mar, 2001. 

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