가이디드 이미지 필터링을 통한 에지 기반 톤 매핑 알고리듬

Abstract

영상 기술이 발달하면서 HDR (high dynamic range)라 부르는 넓은 동적 범위를 갖는 영상을 카메라를 통해서나, 인공적으로 생성 가능하게 되었다. 이는 인간 시각의동적 범위 (dynamic range)를 전부 담기는 불가능하나, 일반 사용자들이 쉽게 접할수 있는 디스플레이 장치의 동적 범위 한계를 넘기는 것 역시 사실이다. 그러므로 넓은 동적 범위를 갖는 영상을 좁은 동적 범위만을 표시할 수 있는 디스플레이에 우리눈으로 보는 것과 최대한 비슷하게 출력하는 방법이 연구되었는데, 이를 톤 매핑 (tone mapping) 또는 톤 재생 (tone reproduction)이라 한다. 톤 매핑 알고리듬은 영상 전체에 한 가지 계산 방식으로 매핑을 시도하는 글로벌알고리듬과 영상의 특정 영역별로, 성질별로 구분하여 다양한 계산식을 적용하여 매핑하는 로컬 알고리듬으로 구분 가능하다. 글로벌 알고리듬의 경우 리니어 매핑, 감 마 매핑 등을 예시로 들 수 있다. 그런데 글로벌 톤 매핑 알고리듬은 영상의 전체적인 밝기를 증가시키거나 감소시키는 경우가 존재하기 때문에 밤의 영상임에도 낮처럼밝아지거나, 그 반대의 경우가 존재할 수 있다. 그렇기에 요즈음에는 로컬 톤 매핑을 통한 톤 매핑 기법이 각광받고 있다. 그 예시를 들어보자면, 인간 시각 특성을 고려하여 아날로그 사진기에서 사용하던 존 시스템 (zone system)을 디지털 영상에 적용한 톤 매핑 기법인 Reinhard et al., 주변의 색에 의해 색이 다르게 보일 수 있다는 레티넥스 이론을 기반으로 만들어진 톤 매핑 알고리듬인 Meylan et al. 역시도 로컬 톤 매핑 오퍼레이터의 일종이다. 이 로컬 톤 매핑 오퍼레이터에도 역시 단점이 존재하는데, 그것은 헤일로 아티펙트(halo artifact)의 존재이다. 이는 에지부분에서 필터를 거친 값이 정확하게 에지를반영하지 못하고 부드러운 곡선을 이루는 현상이 나옴에서 기인한다. 따라서, 이 헤 일로 아티팩트를 해결하기 위해, 다양한 에지 보존 필터 (edge preserving filter)등이 제시되었다. GIF (guided image filter)도 그 중 하나이다. 이 필터는 다른 에지 보존 필터인 WLS (weighted least square)필터에 비해 속도가 훨씬 뛰어나고, BLF(bilateral filter)에 비해 헤일로 아티팩트 제거에 탁월한 성능을 가지고 있다. 그러나 GIF를 통한 HDR 톤 매핑 기법은 단순히 로그 스케일을 통해 전체적인 루미넌스 (luminance) 값을 압축한 후 자기 자신을 가이던스 이미지로 삼아 베이스 레이어 (base layer)를 추출한 후, 마찬가지로 로그 스케일을 통해 휘도 (luminance) 값을 압축한 이미지와 베이스 레이어와의 차분값을 디테일 레이어 (detail layer)로 지정한 후, 이를 증폭하여 합산한 것을 HDR 톤 매핑 기법으로 사용해 왔기에, 로그 범위가 넘어가는 밝기 값을 가진 부분에 대한 매핑이 정상적으로 이루어지지 않고 하얗게 보이게 되는 문제점이 있었다. 본 논문에서는 위와 같은 문제점을 해결하기 위해, 에지 맵을 추출한 후, 에지를 단계별로 나눈 후 블러링 과정을 수행한 것을 합산하여 가이던스 이미지로 삼아 베이스 레이어를 구성하였다. 결과적으로 더 나은 베이스 레이어를 구성할 수 있었으며, 디테일 레이어를 추출하여 적당한 계수로 증폭한 후 합하는 HDR톤 매핑 알고리듬을 적용하였을 때, 기존 문제점이 수정됨을 나타내었다. 이를 통해, 기존 로그스케일 이상의 범위를 표현하지 못하는 GIF 톤 매핑 알고리듬의 단점을 보완하는 결과를 얻을 수 있다.