고명암 대비 영상을 위한 선형 양측성 필터를 이용한 적응형 톤 매핑 기법

Abstract

본 논문에서는 고명암 대비 영상을 위한 톤 매핑 방법에 대한 기존의 알고리즘들을 소개하고 선형 양측성 필터링과 적응형 톤 재생 기법을 이용한 새로운 적응형 톤 매핑 기법을 제안하였다. 기존의 톤 매핑 기법 중 로그 함수 기반의 톤 매핑 방법과 존 시스템 기반의 톤 매핑 방법은 간단하고 효과적인 기능 때문에 영상의 밝기와 디테일을 보존하는데 효과적이다. 하지만 영상의 밝기 분포가 한곳에 집중되어 있는 영상에 적용 시에 입력 영상의 전체적인 밝기와 밝고 어두운 영역에서의 디테일을 보존하지 못하는 단점을 가지고 있다. 본 논문에서는 상기의 문제점들을 해결하기 위한 방법을 제안하였다. 첫 번째 선형 양측성 필터링 기법에서는 밝기 값을 선형 로그 스케일링을 수행하고 양측성 필터링의 하드웨어 복잡성을 단순화하기 위하여 제안한 선형 도메인 가중치 필터와 선형 레인지 가중치 필터를 통하여 선형 양측성 필터를 구성하였다. 그리고 선형 양측성 필터를 이용하여 기본 영상과 디테일 영상을 생성하였다. 두 번째 적응형 톤 재생 기법의 경우 기본 영상의 동적 영역을 압축하여 디테일 영상과 더하여 원 영상의 디테일 정보를 보존하도록 하였으며, 비선형 정규화된 원 영상의 정보를 스케일 인자를 적용하여 입력 영상의 전체적인 밝기 보존을 수행하여 원 영상의 전체적인 명암비와 디테일을 보존한 LDR(Low Dynamic Range) 영상 생성을 수행하였다. 기존의 제안되었던 기법들과의 시각적 비교를 통해 제안된 기법의 성능을 평가하였다. 제안한 기법의 톤 매핑 프로세서 구현 시 선형 로그스케일링과 선형 양측성 필터의 선형 도메인 가중치 필터와 선형 레인지 가중치 필터를 영상의 입력 값에 따른 LUT(Look-Up Table) 방식과 밸럴 쉬프트 방식으로 제안하여 하드웨어 구현이 용이하고 다양한 평판 디스플레이에 적용이 가능함을 확인하였다.; An ideal tone mapping algorithm for the Flat Panel Display(FDP) of High Dynamic Range(HDR) images should reproduce the visual perception as similarly to the real-world scene as possible. The conventional methods such as Log function based method and Zone system based method achieved partially the preservation of details and the global contrasts without the halo artifact. In this dissertation, I proposed an tone mapping method which could solve the problems of conventional methods. The proposed method consists of a piecewise-linear approximated bilateral filtering method and an adaptive tone reproduction method. One is for the decomposition of the HDR image into the base and detail layer images using the linear domain weight filter and the linear range weight filter. The other is for dynamic range compression, which preserves the details without the halo artifact. In addition, it allows to achieve the Low Dynamic Range(LDR) image which preserves the global contrast of original image without significant luminance change using the adaptive tone reproduction method. Visual tests have been executed to evaluate the result images of the proposed method and the conventional method using MATLBA program. The experimental results show that the proposed method provides the preservation of the details and the naturalness of original image compared with conventional methods. The proposed method has been designed by Verilog HDL. In consideration of the complexity of hardware and computational cost, it has been designed using the Look-Up Table(LUT) and Barrel Shift. The proposed image enhancement processor has been implemented using FPGA(Field Programmable Gate Arrays). It consists of several blocks: synchronous signal detector and generator, RGBE to fixed point value conversion block, luminance map generation block, linear log-scaling block, linear bilateral filtering block, adaptive tone reproduction block, and memory controller. Total equivalent gate count for design is about 785,000 and maximum frequency is 65.14MHz. The implemented processor can offer vivid image in real-time. Hence, many applications might be made by adopting the proposed schemes in the consumer electronics.