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문제 정의
- 논문에서는 하드웨어 구현에 적합한 이중 선형-3차회선 보간법을 제안했다. 제안한 방법은 기존의 선형 보간법과 3차회선 보간법의 특징을 고려해 4번의 선형 보간법과 1번의 3차회선 보간법으로 이루어진 선형-3차회선 보간법을 수직방향과 수평방향으로 수행하는 구조이다.
- 본 논문에서는 기존 보간법의 특징을 고려해 선형 보간법과 3차회선 보간법을 이용한 이중 선형-3차회선 보간법을 제안한다. 그림 4는 제안하는 보간법의 보간 화소 I를 계산하기 위해 참조되는 12개의 화소를 나타낸다.
- 본 논문에서는 보간법의 하드웨어 구현 시 적은 연산량으로 고품질 영상을 생성하기 위해 선형 보간법과 3차회선 보간법을 결합한 이중 선형-3차회선 보간법을 제안한다. 제안하는 보간법은 4번의 1차원 선형 보간법과 1번의 1차원 3차회선 보간법으로 이루어진 선형-3차회선 보간법을 수직방향과 수평방향으로 수행한다.
제안 방법
- 인접 화소 값의 차이가 크지 않다면 양선형 보간법을 이용하고, 인접 화소 값의 차이가 크다면 선형으로 변형된 3차회선 보간법을 이용하였다. 3차회선 보간법에서 가장 많은 연산량을 차지하는 가중치 계산 부분의 3차 가중치 함수를 선형으로 변형하였고, 가중치를 계산하기 위해 덧셈기와 베럴 쉬프트를 사용하였다. 제안된 방법은 기존의 3차회선 보간법과 비교했을 때, 보간에 필요한 계산량이 약 50%정도 감소되는 특징이 있다.
- 기존의 양3차회선 보간법을 직접적으로 구현할 경우 수평 보간을 위해 4개의 3차회선 보간부와 수직 보간을 위한 1개의 3차회선 보간부가 필요하다. 그러나 제안하는 보간법은 수평 보간의 4개 3차회선 보간부를 선형 보간부로 대체하고, 수직 보간은 1개 3차회선 보간부만을 사용하기 때문에 계산시간이 빠르고, 하드웨어 자원을 적게 사용한다. 또한, 제안하는 보간법은 선형-3차회선 보간법을 수평방향과 수직방향으로 2번 수행하지만 8번의 선형 보간부와 2번의 3차회선 보간부를 사용하지 않는다.
- 첫째, 그림 5(a)와 같이 4번의 선형 보간법을 통해 4개의(P1, P2, P3, P4) 화소를 구한다. 둘째, 4개의(P1, P2, P3, P4) 화소들을 참조해 1번의 3차회선 보간법을 수행하여 수직 방향 보간 화소 Iv를 구한다. 셋째, 그림 5(b)와 같이 위 의 두 단계를 반복해 수평방향 보간 화소 Ih를 구한다.
- 그러나 제안하는 보간법은 수평 보간의 4개 3차회선 보간부를 선형 보간부로 대체하고, 수직 보간은 1개 3차회선 보간부만을 사용하기 때문에 계산시간이 빠르고, 하드웨어 자원을 적게 사용한다. 또한, 제안하는 보간법은 선형-3차회선 보간법을 수평방향과 수직방향으로 2번 수행하지만 8번의 선형 보간부와 2번의 3차회선 보간부를 사용하지 않는다. 이중 선형-3차회선 보간부는 4개 선형 보간부와 1개의 3차회선 보간부를 사용하는 선형-3차회선 보간법에 8개의 멀티플렉서, 1개의 덧셈기 및 1개의 시프터를 사용함으로써 구현이 가능하다.
- 즉, 새롭게 생성될 화소에 대해 맵핑되는 원본 영상에서 가장 가까운 화소 값을 그대로 가져오는 다이렉트 축소 방법을 사용한다. 성능 분석은 양선형 보간법, 양3차회선 보간법 및 이중 선형-3차회선 보간법을 PSNR과 수행시간, 하드웨어 자원량 측면에서 비교했다. 표 1은 축소 후 확대한 영상과 원본영상의 PSNR 비교 결과를 나타낸다.
- 본 논문에서는 보간법의 하드웨어 구현 시 적은 연산량으로 고품질 영상을 생성하기 위해 선형 보간법과 3차회선 보간법을 결합한 이중 선형-3차회선 보간법을 제안한다. 제안하는 보간법은 4번의 1차원 선형 보간법과 1번의 1차원 3차회선 보간법으로 이루어진 선형-3차회선 보간법을 수직방향과 수평방향으로 수행한다. 제안하는 보간법의 성능 검증을 위해 양선형 및 양3차회선 보간법을 PSNR과 수행시간, 하드웨어 자원량 측면에서 비교했다.
- 제안하는 보간법은 Xilinx ISE 12.4 프로그램에서 VHDL 언어를 사용해 구현됐고, Xilinx에서 제공하는 ISim Simulator를 이용해 시뮬레이션 됐다[12]. 제안하는 보간법의 성능 분석을 위해 그림 7과 같은 영상을 사용했다.
- 표 2에서와 같이 양선형 보간법의 경우 1개의 보간 화소를 계산하는데 필요한 클럭이 4클럭이고, 양3차회선 보간법의 경우 16클럭이 필요하다. 제안하는 보간법은 선형-3차회선 보간법을 수평방향과 수직방향으로 2번 수행하지만, 16클럭이 아닌 12클럭만을 사용한다. 표 3은 각 보간법의 보간 모듈별 하드웨어 자원량을 나타낸다.
- 제안한 방법은 기존의 선형 보간법과 3차회선 보간법의 특징을 고려해 4번의 선형 보간법과 1번의 3차회선 보간법으로 이루어진 선형-3차회선 보간법을 수직방향과 수평방향으로 수행하는 구조이다. 제안하는 보간부는 선형-3차회선 보간법을 2번 수행하지만 선형-3차회선 보간부에 8개의 멀티플렉서, 1개의 덧셈기 및 1개의 시프터를 추가해 이중 선형-3차회선 보간부를 설계했다. 실험결과 제안하는 보간법 양3차회선 보간법과 비교했을 때, 적은 연산량 및 하드웨어 자원으로 우수한 화질을 제공하기 때문에 하드웨어 구현에 적합하다고 판단된다.
- 논문에서는 하드웨어 구현에 적합한 이중 선형-3차회선 보간법을 제안했다. 제안한 방법은 기존의 선형 보간법과 3차회선 보간법의 특징을 고려해 4번의 선형 보간법과 1번의 3차회선 보간법으로 이루어진 선형-3차회선 보간법을 수직방향과 수평방향으로 수행하는 구조이다. 제안하는 보간부는 선형-3차회선 보간법을 2번 수행하지만 선형-3차회선 보간부에 8개의 멀티플렉서, 1개의 덧셈기 및 1개의 시프터를 추가해 이중 선형-3차회선 보간부를 설계했다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 원본영상의 크기는 256×256이고 각각 128×128크기로 축소 후 256×256으로 확대한 결과 영상을 원본영상과 비교했다.
데이터처리
- 제안하는 보간법은 4번의 1차원 선형 보간법과 1번의 1차원 3차회선 보간법으로 이루어진 선형-3차회선 보간법을 수직방향과 수평방향으로 수행한다. 제안하는 보간법의 성능 검증을 위해 양선형 및 양3차회선 보간법을 PSNR과 수행시간, 하드웨어 자원량 측면에서 비교했다. 실험결과 제안하는 보간법은 하드웨어 자원량 및 수행시간이 양 3차회선 보다 적게 사용되지만, 제안하는 방법을 통한 결과영상은 PSNR 측면에서 양 3차회선 보간법보다 우수한 성능을 보였다.
이론/모형
- 양선형 보간법은 총 3번의 선형 보간법을 수행한다. 수식(1)과 같이 비례법칙을 이용하여 화소 A와 B 그리고 가중치 x를 이용하여 보간 화소 E를 계산한다[1]. 동일한 방법으로 화소 C와 D를 참조로 하는 보간 화소 F를 계산할 수 있다.
- 인접 화소 값의 차이가 크지 않다면 양선형 보간법을 이용하고, 인접 화소 값의 차이가 크다면 선형으로 변형된 3차회선 보간법을 이용하였다.
- 본 실험에서는 영상을 축소하는 과정에 사용되는 보간법이 확대 영상의 화질에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 영상 축소 시 보간법을 사용하지 않는다. 즉, 새롭게 생성될 화소에 대해 맵핑되는 원본 영상에서 가장 가까운 화소 값을 그대로 가져오는 다이렉트 축소 방법을 사용한다. 성능 분석은 양선형 보간법, 양3차회선 보간법 및 이중 선형-3차회선 보간법을 PSNR과 수행시간, 하드웨어 자원량 측면에서 비교했다.
성능/효과
- 제안하는 보간법은 양선형 보간법에 비해 Slice의 수는 약 10배 증가했지만, 양3차회선 보간법 보다는 2배 적게 사용된 것을 알 수 있다. Slice Flip Flop은 제안하는 방법이 양선형보다 5배 양3차회선 보다 3배 많이 사용했다. 4 input LUT은 양선형보다 10배 많지만, 양3차회선 보간법 보다는 2.
- 표 2는 각 보간법을 이용하여 하나의 보간 화소를 계산하는 클럭 수와 확대 영상을 생성하는데 필요한 전체 클럭 수를 나타낸다. 실험결과 제안하는 방법은 PSNR측면에서 양선형 보간법보다 평균 0.360dB 우수한 성능을 보였고, 양3차회선 보간법과 비교 했을 때 평균 0.348dB의 성능향상을 보였다. 일반적으로 양선형 보간법이나 양3차회선 보간법의 경우 저주파 영역에서는 유사한 성능을 보이고, 고주파 영역에서는 양3차회선 보간법의 성능이 우수하게 나타나는 경우가 많다.
- 제안하는 보간부는 선형-3차회선 보간법을 2번 수행하지만 선형-3차회선 보간부에 8개의 멀티플렉서, 1개의 덧셈기 및 1개의 시프터를 추가해 이중 선형-3차회선 보간부를 설계했다. 실험결과 제안하는 보간법 양3차회선 보간법과 비교했을 때, 적은 연산량 및 하드웨어 자원으로 우수한 화질을 제공하기 때문에 하드웨어 구현에 적합하다고 판단된다. 향후에는 제안하는 보간법을 FPGA 구현을 통해 실시간 환경에서의 우수성을 증명할 것이다.
- 제안하는 보간법의 성능 검증을 위해 양선형 및 양3차회선 보간법을 PSNR과 수행시간, 하드웨어 자원량 측면에서 비교했다. 실험결과 제안하는 보간법은 하드웨어 자원량 및 수행시간이 양 3차회선 보다 적게 사용되지만, 제안하는 방법을 통한 결과영상은 PSNR 측면에서 양 3차회선 보간법보다 우수한 성능을 보였다.
- 3차회선 보간법에서 가장 많은 연산량을 차지하는 가중치 계산 부분의 3차 가중치 함수를 선형으로 변형하였고, 가중치를 계산하기 위해 덧셈기와 베럴 쉬프트를 사용하였다. 제안된 방법은 기존의 3차회선 보간법과 비교했을 때, 보간에 필요한 계산량이 약 50%정도 감소되는 특징이 있다. Lin 등도 기존 3차회선 보간법에서 많은 연산 및 자원이 요구되는 3차 가중치 함수 부분을 개선하여 연산 및 하드웨어 비용을 절약하는 연구를 진행하였다[5].
- 기존 연구에서도 영상의 특성에 따라 선형 보간법과 3차회선 보간을 선택적으로 사용함으로써 하드웨어 사용량을 줄인바가 있다[10]. 제안하는 보간법 또한, 4개의 3차회선 보간부를 선형 보간부로 교체함으로써 하드웨어 사용량을 줄이고, 1개의 3차회선 보간부를 통해 고주파 영역에서의 우수한 보간 성능을 나타낸 것으로 판단된다.
- 표 3은 각 보간법의 보간 모듈별 하드웨어 자원량을 나타낸다. 제안하는 보간법은 양선형 보간법에 비해 Slice의 수는 약 10배 증가했지만, 양3차회선 보간법 보다는 2배 적게 사용된 것을 알 수 있다. Slice Flip Flop은 제안하는 방법이 양선형보다 5배 양3차회선 보다 3배 많이 사용했다.
후속연구
- 실험결과 제안하는 보간법 양3차회선 보간법과 비교했을 때, 적은 연산량 및 하드웨어 자원으로 우수한 화질을 제공하기 때문에 하드웨어 구현에 적합하다고 판단된다. 향후에는 제안하는 보간법을 FPGA 구현을 통해 실시간 환경에서의 우수성을 증명할 것이다.
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