1 / 46

13 장 . 영상 신호처리

13 장 . 영상 신호처리. 13.1 개요 13.2 디지털 영상 13.3 영상신호의 디지털화 13.4 영상처리 기술 13.5 영상신호의 부호화 13.6 압축 알고리즘. 13.1 개 요.

ava-contreras
Télécharger la présentation

13 장 . 영상 신호처리

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 13장. 영상 신호처리 13.1 개요 13.2 디지털 영상 13.3 영상신호의 디지털화 13.4 영상처리 기술 13.5 영상신호의 부호화 13.6 압축 알고리즘 Circuits & Systems Lab.

  2. 13.1 개 요 • 시스템의 구성1. 조명 장치 : 조명2. 영상 입력 장치 : 광원, 촬영기, 이미지 스캐너, 센서, 디지털 카메라, ITV카메라, 비디오카메라3. 영상 처리 장치 : 컴퓨터, DSP 칩의 전용 하드웨어4. 영상 출력 장치 : 하드카피방식의 프린터, 팩시밀리, 소프트 카피 방식의 컴퓨터 모니터 조명 영상입력장치 영상처리장치 영상출력장치 그림 13.1 영상신호처리 시스템 구성 Circuits & Systems Lab.

  3. 13.1 개 요 (1) 영상 신호처리의 목적 1. 영상의 개선:중첩된 잡음의 평활화처리, 잡음제거, 콘트라스트 개선 2. 영상 분석 :글자식별, 부품의 치수 측정, PCB기판의 정밀도 체크, 의료분야의 세포 분석 3. 영상 인식 :물체의 종류와 개수 인식. 도형,문자 인식(패턴인식) 4. 영상 변환 :다른 형식의 영상 데이터로 변환(부호화,복호화) 5. Animation 및 영상 합성 :컴퓨터 이용하여 문자,도안을 디자인, 애니메이션 인공적인 화면 합성 6. 영상 통신 :영상 압축 알고리즘 Circuits & Systems Lab.

  4. 13.1 개 요 (2) 영상 신호처리의 응용 분야 • 생물 분야 :생물 샘플을 시각적으로 분석 • 군사용 분야 :위성 사진분석하여 목표물이나 적의 미사일 기지, 군사진지 탐지의료진단 영상 시스템 분야 :의료 방사선 촬영Romote sensing 분야 :인공위성 • 기상정보 시스템 분야 Circuits & Systems Lab.

  5. 13.2 디지털 영상 • RGB색상 모델(Red, Green, Blue) : 빛의 삼원색 • YUV(비디오) 컬러 모델 : Y(luminance) 밝기정보U,V 색차 정보 • YIQ(컬러TV방송)컬러 모델 : I,Q 색차 정보 • YCbCr (JPEG, MPEG) 컬러 모델 : Y 밝기 정보Cb 푸른 정보Cr 붉은 정보 • 디지털 영상화 : 색상 모델 영상을 샘플링과 양자화 과정 Circuits & Systems Lab.

  6. 13.2 디지털 영상 • RGB와 다른 컬러모델의 변환식 • RGB에서 YUV로 변환 • YIQ로 변환 • YCbCr로 변환 Circuits & Systems Lab.

  7. 13.3 영상신호의 디지털화 1. 영상의 표본화 2. 영상신호의 양자화 3. 동영상의 디지털화 4. 디지털 영상의 저장 Circuits & Systems Lab.

  8. 13.3 영상신호의 디지털화 1) 영상의 표본화 • 디지털 영상신호 변환 : 입력된 아날로그 영상신호 X,Y방향으로 공간 샘플링 후 A/D변환 • 공간영역의 디지털화 : 수평방향의 디지털화 • 명암의 디지털화 : 수직방향의 디지털화 • 공간영역의 디지털화-. 1차원 시계열 신호의 시간축 샘플링-. 2차원상의 X,Y축의 양방향에 대해 바둑판 분할 • 픽셀 (pixel :picture element) 샘플링한 점대상물의 영상은 x축 방향의 픽셀수 M과 Y축 방향의 픽셀수 N을 곱한 M*N점의 픽셀의 명도로 처리됨 -. 문자의 경우 (32*32) -. 인물,풍경의 경우(256*256) Circuits & Systems Lab.

  9. 13.3 영상신호의 디지털화 그림 13.2 영상신호의 표본화 Circuits & Systems Lab.

  10. 13.3 영상신호의 디지털화 그림 13.3 픽셀의 배열법 Circuits & Systems Lab.

  11. 13.3 영상신호의 디지털화 2) 영상신호의 양자화 • 영상신호의 양자화 : 각 픽셀의 명암(밝기)값을 정해진 몇 단계로 제안하는 과정 • 1과 0만을 이용한 2진수 표시로 부호화 • 양자화 수 = 계조수 (2진 부호 즉, 비트(bit)로 표시) • 인간 눈의 명암특성은 이상적인 경우 500단계(9bit의 양자화) • 현실적인 명암 특성-. CRT 디스플레이 표현 명암의 단계 : 4-8비트-. 실제 좋은 인쇄영상의 좋은 화질 : 3-4비트-. 부자연스러운 음영이 발생하는 영상 : 1-3 비트 Circuits & Systems Lab.

  12. 13.3 영상신호의 디지털화 영상 계측 , 해석분야 : 명암의 정밀도는 계측 정밀도에 직접적인 관계. 따라서, 섬세한 양자화 필요 Circuits & Systems Lab.

  13. 13.3 영상신호의 디지털화 3) 동영상의 디지털화 • 동영상 경우: -. 시간적인 샘플링의 간격 -. 매초 몇 장의 프레임을 취급 고려 • 사람의 인식-.시간적인 특성 (잔상 특성) : TV 방송에서 약 30 [msec](매초 30장이상의 영상 전송) • 영상 계측-. 현상의 상태 변화 속도에 의존 • 움직임이 빠른 동영상 :정보처리, 전송에 많은 정보량의 처리 필요 -. 800*600 픽셀, 8bit 양자화 비트인 영상 1장의 정보량은 480(kbyte/frame) 이며 1초당 30장의 영상전달 하면 14.4(M/byte/sec) 1시간분의 영상 저장시 51.84(Gbyte) 대용량 메모리 필요(영상 데이터 압축 필수) Circuits & Systems Lab.

  14. 13.3 영상신호의 디지털화 4) 디지털 영상의 저장 • 영상처리 프로그램 : 1차원, 2차원 형태의 배열 • 디지털 영상을 컴퓨터에 저장시 표준 영상화일 형식① GIF(Graphics Interchange Format) -. 모뎀 이용 영상 전송 -. 8 비트 (256칼라) 영상만 지원-. LZW(Lempel-Ziv Welch) 압축 알고리즘 사용② BMP -.Windows 운영체제 표준 그래픽 형식-. Paintbrush 등의 프로그램에서 사용-. 24비트 RGB 영상 저장 Circuits & Systems Lab.

  15. 13.3 영상신호의 디지털화 ③ TIFF(Tagged Image File Format)-. 8비트와 24비트 RGB 영상 저장-. 미디어의 데이터 전송에 적합한 방식-. JPEG 방식의 등장으로 인기 감소 ④ JPEG-. 정지 영상의 표준 방식-. 인간의 시각특성 이용 압축율 높인 방식-. 원영상에 손실을 줌-. 인터넷 등에서 영상을 전송할 때 유용한 방식 ⑤ PS(Post Script)-. 페이지 기술 언어로 개발-. 1비트 흑백, 8비트 흑백, 24비트 RGB 영상-. 데스크탑(desktop) 출판의 표준 Circuits & Systems Lab.

  16. 13.4 영상처리 기술 1. 명도 변환 2. 공간 필터 3. 영상의 주파수 변환 4. 기하학적 변환 5. 영상의 변환 처리 Circuits & Systems Lab.

  17. 13.4 영상처리 기술 1. 명도 변환 • 명도 변환 : 보기 좋은 화면 영상으로 하는 처리 • 영상의 각 픽셀 값의 명암 분포 조사 : 영상처리의 전처리 과정 • 히스토그램 : N x N 영상의 픽셀에 대한 명암분포 빈도를 그래프로 나타낸 것 Circuits & Systems Lab. 그림 13.5 히스토그램

  18. 13.4 영상처리 기술 그림 13.6 명도변환의 특성 그림 13.7 명도 선형변환의 예 선형 변환 -. 낮은 콘트라스트의 영상을 높은 콘트라스트로 명도 변환시키는 방법 -. 선형변환에 의해 히스토그램의 값을 전명도에 균일하게 분포되도록 변환할수 있다. Circuits & Systems Lab.

  19. 13.4 영상처리 기술 2. 공간필터 • 선형 필터 와 비선형 필터로 구분 • 영상신호처리 중 가장 많이 적용 되는 기술 • 2차원 공간 필터와 3차원으로 확장된 경우 시간필터 그림 13.8 공간필터와 시간필터의 개념 Circuits & Systems Lab.

  20. 13.4 영상처리 기술 • 선형 공간 필터출력 • 단, k,l :-1,0,1i : 주사선 번호j : 주사선내의 픽셀위치 그림 13.9 x( i , j )의 공간필터 출력계산에 이용되는 3x3의 주변 픽셀 위치 선형 공간 필터의 용도-. 잡음 제거-. 역으로 흐릿한 영상을 선명하게 하기 위한 모서리 강조 Circuits & Systems Lab.

  21. 13.4 영상처리 기술 그림 13.10 공간저역필터의 탭 계수와 처리결과 그림 13.11 모서리 강조 라플라시안 필터의 계수 처리 결과 Circuits & Systems Lab.

  22. 13.4 영상처리 기술 • 비선형 필터-. 잡음제거와 동시에 원 영상 정보 보존-. 대표적 필터 : 메디안 필터 • 메디안 필터 : 작은 블록내의 픽셀을 명도가 작은 순서로 나열한 후, 정확히 중앙값의 순서에 해당하는명도 값을 출력하는 필터(고립적인 잡음 제거에 사용) Circuits & Systems Lab.

  23. 13.4 영상처리 기술 3. 영상의 주파수 변환 • 공간 필터 단점 보완 • 공간 영역에서 주파수 변환 • 스펙트럼을 검토 스펙트럼 영역에서 필터 처리 주파수 역변환 원래 영상공간 복원 • 다차원 푸리에변환 사용-. 1차원 신호 FFT는 2차원, 3차원 등 다차원 확장 가능 • 1차원 신호-. 샘플링 시점 k 에서 어떠한 한 개의 파라미터로서 신호 값 g(k)가 주어짐 Circuits & Systems Lab.

  24. 13.4 영상처리 기술 • 2차원 신호 수평축 X와 수직축 Y의 두개의 파라미터에 의해, 그 점값g(x,y)가 정해짐. Circuits & Systems Lab.

  25. 13.4 영상처리 기술 • 이산 신호 g(n,m)의 이산푸리에변환 정의 • 단, n=0,1,…,N-1, m=0,1,….,M-1 • 회전인자를 이용하여 정리하면 • 임의의 영상 데이터 2차푸리에변환 스펙트럼정보를 추출 (13.5) (13.6) Circuits & Systems Lab.

  26. 13.4 영상처리 기술 • 실제 영상처리 (2차원 푸리에변환)-. 공간 주파수 단위 : [길이]-1 --< 스펙트럼 성분 >-- 세로줄 무늬의 영상 X방향 : a가로줄 무늬의 영상 Y방향 : b 공간 주파수 성분 : c Circuits & Systems Lab.

  27. 13.4 영상처리 기술 • 2차원 영상 N x N 픽셀 구성 (256, 512)-. 푸리에변환시 막대한 처리 시간 요구-. n x n 블록으로 분할 처리시 시간 대폭 감축 • 블록 분할법 ( 영상 전송등 사용) 그림 13.14 영상의 블록 분할 Circuits & Systems Lab.

  28. 13.4 영상처리 기술 • 영상의 스펙트럼 해석 -. 직교 변환 알고리즘의 윌시(Walsh) 알고리즘-. 계수의 값이 편재하도록 설정하는 KL 변환-. 이산 코사인 변환 (DCT)-. 웨이브렛 변환 Circuits & Systems Lab.

  29. 13.4 영상처리 기술 4. 기하학적 변환 • 영상의 확대, 축소, 회전을 하는 처리 • 대표적 기술 : 아핀 변환 • 이 변환은 변화전의 좌표를 (x,y), 변환후의 좌표를(u,v)라 하면, 좌표변환 식은 다음과 같다. • a00 ,b00 는 X축과 Y 축으로 평행 이동하는 값, 다른 계수들은 확대 회전을 표시 하는 값 Circuits & Systems Lab.

  30. 13.4 영상처리 기술 5. 영상의 변형처리 • 런 랭스 부호화 방법 : 팩시밀리에 많이 사용 • 백이나 흑의 픽셀이 연속되는 길이(같은 밝기의 픽셀수가 연속되는 길이) • 0의개수 혹은 1의 개수를 부호화 하는것 • 영상은 반드시 흑과 백이 교대로 반복 됨으로 • 흑 픽셀과 백 픽셀 구분 방법 : 와일의 부호화, 2비트 구분 방식 • 적은 부호로써 원영상을 재현할수 있는 경우을 압축이라 하고, 최종적으로 필요한 비트수와 전 픽셀의 비를 압축비라 한다. Circuits & Systems Lab.

  31. 13.5 영상신호의 부호화 • 영상 신호: 다차원적인 용장성(redundancy) • 정지영상: 공간적으로 펼쳐진 인접 픽셀과 2차원적인 강한 상관 • 동 영상: 시간방향까지 포함된 3차원적인 상관 • 컬러 영상: 3원색의 상관 입력 전처리 서브 샘플링 예측 처리 직교 변환 양자화 엔트로피 부호화 출력 그림 13.16 영상부호화의 주요 신호처리 Circuits & Systems Lab.

  32. 13.5 영상신호의 부호화 1) 전처리 • 특징 : 좋은 화질 확보, 부호화 처리 효율 증대 • 종류 :공간필터, 시간필터, 영상의 변형처리등이 이용 • 시간필터 : -. 동영상 특유의 처리-. 플리커 잡음의 제거, 급격한 신호변화억압의 목적플리커 잡음: 조명등의 변화에 의하여 픽셀값이 시간적으로 미소 변동, 화면의 깜박 거림 현상. • 공간필터: 고주파 잡음 제거, 왜곡 방지, 서브밴드부호화 대역분할등의 목적 • 영상의 변형처리 : 화질의 열화를 고려, 신호자체를 예측일치 신호로 변환시키는 신호변형방식이나 선의 굵기를 없애고 부호화처리하여 수신측에서 굵기를 부과하는 방식 Circuits & Systems Lab.

  33. 13.5 영상신호의 부호화 2) 서브샘플링 • 신호를 솎아내어 샘플수를 줄이는 방식 • 방 법 :-. 화면내의 픽셀을 솎아내는 방법-. 화면의 수를 솎아 내는 방법 • 픽셀을 솎아내는 방법-.가로방향 패턴, 세로방향 패턴, 대각선 방향 패턴등 균일하게 솎아내는 방식 • 적응 서브 샘플링 방식-.구조가 복잡(샘플링 많이), 구조 허술(샘플링 적게)하여 화질을 향상 • 화면수를 솎아내는 방법-. 고정적으로 행하는 방식-. 적응적으로 행하는 방식 Circuits & Systems Lab.

  34. 13.5 영상신호의 부호화 3) 예측 처리 • 과거 신호를 기초로 현재 부호화할 신호를 추정, 예측오차를부호화하는 방식 • 추정이 정확하면 예측오차 신호값의 분포는 오차 0 부근에 극단적으로 집중한 형상으로 되기 때문에 정보원 엔트로피가 줄어듬. • 화면내의 근처 픽셀과의 상관을 이용하는 프레임내(2차원)예측. 전화면의 픽셀을 이용하는 프레임간 예측 Circuits & Systems Lab. 그림 13.17 프레임 내 예측과 프레임간 예측

  35. 13.5 영상신호의 부호화 • 엔트로피 (entropy) • 정보원이 갖는 평균 정보량을 말함 • 통신문에 의하여 이동하는 정보량은 어떤 통신의 내용이 불확실성이 클수록 그 양이 많다. • 즉, 엔트로피는 불확실성의 크기의 정도를 나타냄 Circuits & Systems Lab.

  36. 13.5 영상신호의 부호화 • 예측기의 블록 구성-. 2차원 예측이나 프레임간 예측을 실현하기 위해 예측 루프 내에 1라인 지연 혹은 1프레임 지연 ㅡ 양 자 화 입력 부호화 출력 예측 루프 라인 지연 프레임 지연 예측기 그림 13.18 영상의 예측부호기 구성 예 Circuits & Systems Lab.

  37. 13.5 영상신호의 부호화 4) 직교변환 • 영상 신호를 직교변환을 이용하여 계수영역으로 전개처리 • 계수 영역 전계 단점 : 에너지분포의 편중 • 보완-. 에너지 분포에 맞는 정보원부호화 • 이용 방법-. 고유값 벡터를 이용하는 방법-. DCT-. 아다마르변환 • 하드웨어 문제 및 효율의 우수성이 있는 방식 : DCT Y=ATXA-. AT : A의 전치 행렬-. x : (n픽셀)*(n라인)의 2차원소블록 분할 행렬-. A : DCT 계수 행렬-. Y : n*n 의 2차원 계수 행렬 Circuits & Systems Lab.

  38. 13.5 영상신호의 부호화 5) 양자화 • 벡터 양자화-. 통상 양자화가 1개의 샘플값 대상으로 하는 것에 반해 복수의 샘플을 하나의 블록으로 일괄 부호화하는 방식 -.블록을 다차원 벡터 공간의 한점으로 간주 :(블록양자화) • 장점 : 샘플당 비트수가 일정하게 했을 경우 가장 왜곡이 적은 부호화가 가능 그림 13.19 벡터 양자화 원리 Circuits & Systems Lab.

  39. 13.5 영상신호의 부호화 6) 엔트로피 부호화 • 정보원신호를 가능한 적은 비트수로 부호화하는 기술 • 허프만 부호 • 팩시밀리 같이 흑백 2치의 경우 혹은 다치 신호의 경우동일한 신호가 계속되는 경우, 동일 신호가 연속되는길이를 정보로 부호화하는 런 랭스 방식 제안 • 정지 영상에서 부호화되어 얻어진 1과 0의 패턴열에 대하여 출현 확률의 동적인 변화에 따라 부호어를 만드는 산술부호 사용 Circuits & Systems Lab.

  40. 13.6 압축 알고리즘 • 많은 데이터 양을 필요로 하는 디지털 영상과 동영상의대표 압축 알고리즘 • JPEG ( Joint Photographic Expert Group) • MPEG ( Moving Picture Expert Group) Circuits & Systems Lab.

  41. 1. JPEG R,G,B Y Cr R,G,B to YCbCr Cb DCT 과정 : 공간영역에서 주파수영역으로 변환 DPCM(직류성분) Huffman 01101… Zig-zag Arithmetic 양자화 각8x8블록 RLE (교류성분) 지그재그 스캔 : 2차원데이터를 1차원 데이터로 변환 Circuits & Systems Lab. 그림 13.20 JPEG의 기본 구성도( I 프레임)

  42. 2. MPEG • MPEG 1 : VHS 영상품질을 제공, 1배속 CD-ROM 데이터 전송 속도( 1.5 Mbps) • MPEG 2 : 디지털 TV용, HDTV, DVD에 만족 (4Mbps) • MPEG 3 : HDTV용으로 개발 MPEG 2에 통합 • MPEG 4 : 저 전송 속도용 (4.8 – 64kbps) • MPEG 7 : multimedia content description interface 용 Circuits & Systems Lab.

  43. MPEG – 2 • 프레임 내 부호화, 프레임 간의 부호화 사용 • 프레임 내 부호화 : 한 개의 프레임 ( 정지영상의 압축 : I 프레임) • MPEG-2는 JPEG보다 훨씬 높은 압축률 갖음 Circuits & Systems Lab.

  44. P프레임과 B프레임 그림 13.21 프레임 간 부호화 : P프레임 • 프레임 간의 부호화 : 영상을 작은 블록으로 나눈후 기준이 되는 과거 프레임으로 부터 목표값 예측하는 압축 방식 ( P 프레임) Circuits & Systems Lab.

  45. P프레임과 B프레임 그림 13.22 프레임 간 부호화 : B프레임 • 기준프레임을 과거프레임과 미래 프레임으로 하여 목표 프레임의 움직임을 예측하는 방식 (B프레임) Circuits & Systems Lab.

  46. MPEG-2의 부호화 프레임 패턴 • I 프레임 : 프레임 내 부호화P와B프레임 : 프레임 간 부호화 Circuits & Systems Lab.

More Related