[논문]주성분 분석을 사용한 포토모자이크

전영재; 오경수; 조성현

doi:10.7583/jkgs.2011.11.1.139

주성분 분석을 사용한 포토모자이크
Photomosaics Using Principal Component Analysis 원문보기

한국게임학회 논문지 = Journal of Korea Game Society, v.11 no.1, 2011년, pp.139 - 146

전영재 (숭실대학교 미디어학부) , 오경수 (숭실대학교 미디어학부) , 조성현 (홍익대학교 게임학부)

초록
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본 논문에서는 주성분 분석을 사용한 포토모자이크 생성 기법을 제안한다. 후보 이미지 집합의 주성분 분석 결과인 주성분과 계수를 사용하여 후보 이미지 검색을 보다 빠르고 정확하게 포토모자이크를 생성한다. 두 이미지를 하나의 주성분으로 투영해서 계산된 두 계수가 유사하면 두 이미지의 본래 정보 역시 유사하기 때문에, 본 논문에서 제안하는 주성분 분석을 사용하는 계수 비교 방법은 이미지의 색상 정보와 위치 정보를 동시에 비교할 수 있다. 계수 비교 방법은 모든 색상 비교 방법보다 빠르고, 평균 색상 비교 방법보다 정확하게 포토모자이크를 생성한다. 본 논문에서 제안하는 포토모자이크 알고리즘은 그래픽스 하드웨어의 가속을 받아 수행되므로 실시간에 입력 영상을 처리할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

We propose a photomosaic method using PCA(Principal Component Analysis), which uses PCA results to find the most similar candidate fast and correctly. When two images are projected onto a certain principal component, if their coefficients are similar, they are also likely to be similar. Thus our photomosaic method using PCA can take care of both colors and shapes of images. Our method using coefficient comparison is faster than the one using all color comparison and more correct than the one using average comparison. Our hardware accelerated photomosaic algorithm can handle video images in real-time.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

두 가지 정보를 주성분으로 투영하여 얻어진 계수들이 서로 유사하면 원본 정보도 유사하다는 사실에 착안하여 본 논문에서는 새로운 포토모자이크 생성 방법을 제안하였다. 계수는 사용하는 주성분의 개수만큼 생성하기 때문에 모든 색상을 비교하는 방법보다 빠르고 평균 색상을 사용하는 방법보다 정확한 결과를 얻을 수 있다.
[그림 1]은 본 논문에서 제안하는 방식의 시스템 개요를 보여준다. 본 논문에서는 기존의 방식과 달리 주성분에 투영하여 계산한 계수를 비교하여 가장 유사한 후보 이미지를 선택한다.
본 논문에서는 포토모자이크 생성에서 가장 중요한 유사 후보 이미지 선택 방법을 개선하였다. 즉, 특정 주성분으로 투영한 원본 이미지 타일의 계수와 후보 이미지들의 계수를 비교하여 원본 이미지 타일과 제일 유사한 후보 이미지를 선택한다.
포토모자이크는 하나의 큰 그림을 작은 타일로 나누고 각 타일(tile)을 유사한 다른 이미지로 대체하는 이미지 생성 기법이다. 본 논문에서는 후보 이미지 집합의 주성분 분석 결과를 사용하는 포토모자이크 생성 기법을 제안한다. 주성분 분석은 임의의 고차원 데이터 집합을 저차원으로 축소할 수 있는 기법이다[2].
본 논문에서는 후보 이미지 집합의 주성분을 사용하는 포토모자이크 방법을 제안한다. 기존의 포토모자이크 방법들은 현재 이미지 타일과 가장 유사한 후보 이미지를 찾기 위해 색상 비교를 수행한다.
주성분 분석과 포토모자이크에 관한 많은 연구는 지금까지 독립적으로 진행되었으나, 본 논문에서는 포토모자이크 생성을 위하여 주성분 분석의 계수를 사용하는 방법을 제안한다.

제안 방법

그 다음 입력 이미지의 모든타일에 대해서 주성분 이미지로 투영하여 계수를 계산한다. 마지막으로 본 논문에서는 모든 색상 비교를 하는 대신 입력 이미지 타일의 계수와 후보 이미지의 계수를 비교하여 가장 유사한 후보 이미지를 선택한다.
본 논문의 포토모자이크 알고리즘은 GPU상에서 수행되므로 알고리즘에 사용되는 자료들은 전부 텍스쳐 형태로 사용한다. 본 논문에서 제안하는 포토모자이크 방법은 실시간에 수행되며 이미지뿐 아니라 실시간 영상을 입력으로 사용할 수도 있다.
본 논문에서는 계산의 편의를 위해 원본 이미지의 모양을 고려하지 않고 정방형 타일로 구획하였다. 또한 후보 이미지의 계수와 비교는 선형적으로 이루어지기 때문에 모든 후보 이미지와 비교를 완료해야만 최종 유사 이미지를 선택할 수 있다.
따라서 후보 이미지 집합에 대한 주성분 이미지는 8개를 사용한다. 본 논문에서는 전처리 단계에서 8*8의 해상도를 가지는 후보 이미지 256개를 입력으로 8개의 주성분과 후보 이미지별로 8개의 계수를 생성한다. 계산된 계수는 입력 이미지 타일의 계수 값들과 비교하여 가장 유사한 후보 이미지를 검색하는 데에 사용한다.
본 논문에서는 후보 이미지 집합으로부터 후보 이미지들을 가장 잘 나타내는 주성분들을 계산하고 주성분 이미지로 저장한다. 주성분 이미지로 임의의 입력 이미지를 투영하여 얻어진 계수는 입력 이미지와 색상과 모양이 가장 유사한 후보 이미지를 찾는 데에 사용된다.
이를 위해 먼저 후보 이미지 집합의 주성분을 계산하고 영향력이 높은 성분을 주성분 이미지로 선택한다. 여기에서 2차원 배열로 되어있는 이미지 정보를 사용하여 주성분 분석을 수행하였기 때문에 주성분 이미지라고 표현한다.
그 다음 유사 후보 이미지 검색을 위해서는 입력 이미지 타일들의 계수를 계산한다. 즉, 입력 이미지의 각 타일을 후보 이미지 집합의 주성분으로 투영하여 계수를 계산하였다. 투영은 이미지간의 내적으로 동일한 위치의 텍셀 간 곱셈 결과를 전부 합산하는 내적 계산으로 수행된다.
본 논문에서는 포토모자이크 생성에서 가장 중요한 유사 후보 이미지 선택 방법을 개선하였다. 즉, 특정 주성분으로 투영한 원본 이미지 타일의 계수와 후보 이미지들의 계수를 비교하여 원본 이미지 타일과 제일 유사한 후보 이미지를 선택한다.
포토모자이크를 수행하기 위해서는 먼저 입력 이미지를 타일로 나누는 과정이 필요하다. 타일의 모양을 결정하는 방법에는 여러 가지 방법이 있지만, 본 논문에서는 계산의 간소화를 위해 정방형으로 입력 이미지를 구획하였다. 그 다음 유사 후보 이미지 검색을 위해서는 입력 이미지 타일들의 계수를 계산한다.
전처리 단계에서는 동일한 해상도를 가지는 후보 이미지 집합에 대해 주성분 분석을 수행한다. 포토모자이크 생성 알고리즘의 수행 속도를 고려하여 본 논문의 실험에서는 주성분을 8개로 제한하였다. 따라서 후보 이미지 집합에 대한 주성분 이미지는 8개를 사용한다.
하나의 입력 이미지 타일과 유사한 후보 이미지를 찾기 위해 입력 이미지 타일의 계수 값을 후보 이미지들의 계수 값과 비교하여, 계수 값의 차이가 가장 적은 후보 이미지를 포토모자이크의 결과로 사용한다.

이론/모형

본 논문에서 제안하는 포토모자이크 방법에서는 Microsoft DirectX 3D 9.0을 그래픽스 라이브러리로 사용하였으며, Nvidia GeForce 460 그래픽 카드를 사용하였다. 포토모자이크 방법의 출력 해상도는 768x768로 고정하였으며, 4096개의 8x8 타일로 나누었다.

성능/효과

본 논문에서 제안하는 계수 비교 방식은 모든 색상 값을 비교하는 방식보다 수행 속도가 빠르며, 주성분 분석을 사용하여 입력 이미지 타일의 모양까지 고려하였기 때문에 평균 색상 값을 비교하는 방식보다 정확한 결과를 얻을 수 있다는 것을 알수 있었다. 제안된 포토모자이크 방법은 하드웨어가속을 받아 실시간에 수행되므로 실시간 영상을 포토모자이크로 생성하는 것도 가능하다.
[그림 5]는 평균 색상을 사용한 방식과 본 논문에서 제안하는 방식의 결과를 보여준다. 본 논문에서 제안하는 방식이 평균 색상을 사용한 방식보다 원본 이미지에 유사한 결과를 생성한다는 것을 알수 있다.
본 논문에서 제안하는 포토모자이크 방법의 렌더링 과정은 모두 그래픽스 연산 장치(GPU)상에서 처리되며 실시간에 수행되는 성능을 보여준다. 따라서 실시간으로 갱신되는 영상을 입력 이미지로 사용하여 포토모자이크 출력 영상을 사용자가 실시간에 확인할 수 있다.
본 논문에서 제안하는 계수 비교 방식은 모든 색상 값을 비교하는 방식보다 수행 속도가 빠르며, 주성분 분석을 사용하여 입력 이미지 타일의 모양까지 고려하였기 때문에 평균 색상 값을 비교하는 방식보다 정확한 결과를 얻을 수 있다는 것을 알수 있었다. 제안된 포토모자이크 방법은 하드웨어가속을 받아 실시간에 수행되므로 실시간 영상을 포토모자이크로 생성하는 것도 가능하다.

후속연구

모든 색상을 비교하는 방식보다 월등히 계산속도가 빠르지만, 선형적 탐색의 특성으로 인하여 후보 이미지의 수가 증가하면 최종 포토모자이크 생성에 시간이 오래 걸리게 된다. 그러나 대극(antipole) 트리를 사용하여 후보 이미지 집합을 미리 분류해두면 보다 빠른 포토모자이크 결과를 얻을 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	주성분 분석을 사용한 포토모자이크 생성 기법의 원리를 설명하시오.	본 논문에서는 주성분 분석을 사용한 포토모자이크 생성 기법을 제안한다. 후보 이미지 집합의 주성분 분석 결과인 주성분과 계수를 사용하여 후보 이미지 검색을 보다 빠르고 정확하게 포토모자이크를 생성한다. 두 이미지를 하나의 주성분으로 투영해서 계산된 두 계수가 유사하면 두 이미지의 본래 정보 역시 유사하기 때문에, 본 논문에서 제안하는 주성분 분석을 사용하는 계수 비교 방법은 이미지의 색상 정보와 위치 정보를 동시에 비교할 수 있다.
	포토모자이크란 무엇인가?	포토모자이크(photomosaics) 또는 포토그래픽 모자이크 (photographic mosaics)는 사진과 모자이크의 합성어다[1]. 포토모자이크는 하나의 큰 그림을 작은 타일로 나누고 각 타일(tile)을 유사한 다른 이미지로 대체하는 이미지 생성 기법이다. 본 논문에서는 후보 이미지 집합의 주성분 분석 결과를 사용하는 포토모자이크 생성 기법을 제안한다.
	주성분 분석이란?	본 논문에서는 후보 이미지 집합의 주성분 분석 결과를 사용하는 포토모자이크 생성 기법을 제안한다. 주성분 분석은 임의의 고차원 데이터 집합을 저차원으로 축소할 수 있는 기법이다[2]. 주성분은 다양한 성분의 표현이 가능한 방향 정보로 사용된다.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
D. Cantone, A. Ferro, A. Pulvirenti, D. R. Recupero, and D. Shasha, "Antipole tree indexing to support range search and k-nearest neighbor search in metric spaces," IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering, vol. 17, no. 4, pp.535-550, 2005.

상세보기
G. D. Blasi and P. Maria, "Fast Photomosaic," in WSCG '05: Poster Proceedings of the 13th International Conference in Central Europe on Computer Graphics, Visualization and Computer Vision 2005, pp.15-16, 2005.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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