[영상 처리] 2차원 디지털 영상의 생성 ( 표본화, 양자화, 부호화 )

영상 신호

영상 신호는 1차원 신호를 2차원 신호로 확장한 신호입니다. 가로, 세로 방향으로 2개의 차원으로 표현합니다.

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영상 신호는 아날로그 영상과 디지털 영상으로 분류됩니다.

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아날로그 영상 ( 연속 색조 영상 )

- 다양한 명암과 색이 혼합되어 ​원래의 영상을 정확히 재현한 영상

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디지털 영상

- 아날로그 영상을 디지털화 (표본화, 양자화, 부호화) 과정을 통해 얻은 영상

- 밝기의 불연속점으로 구성

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아래는 아날로그 영상을 디지털 영상으로 변환하는 과정입니다.

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디지털 영상의 변환 과정 1단계 - 표본화

표본화 단계는 아날로그 영상에서 공간적, 시간적으로 연속되는 밝기 강도(Intensity)의 주사선을 따라 이산적인 점을 추출하는 과정입니다. 즉, 아날로그 영상의 연속적인 명도를 별개의 이산적인 점으로 분리합니다.

여기서, 디지털 영상을 구성하는 최소 단위인 화소(Pixel)은 표본화로 생성한 이산적인 점입니다.

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이미지의 해상도는 표본화에서 표본의 갯수에 따라 차이가 발생합니다.

즉, 디지털 영상을 생성하는 과정에서 표본화는 공간 해상도를 결정합니다.

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즉, 주기가 짧을수록 해상도가 좋은 영상이 생성됩니다.

하지만, 디지털 데이터의 양이 많아지고, 계산의 복잡도가 증가한다는 점을 고려하여 절충해야 합니다.

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아래는 표본화 간격에 따른 영상의 화질 차이를 보여줍니다.

512*512 영상은 선명하지만, 32*32는 화질구지입니다.

디지털 영상의 변환 과정 2단계 - 양자화

양자화 단계는 표본화된 각 화소의 밝기나 색을 정해진 몇 단계의 값으로 근사화하는 과정입니다.

각 화소의 밝기나 색이 숫자로 표현되어 화소에 양자화된 표본 값이 생기게 됩니다.

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아래는 양자화 단계 수에 따른 디지털 영상의 차이를 보여줍니다. 색상 표현의 다양성 차이가 발생합니다.

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양자화는 그레이 레벨 해상도(진폭)를 결정합니다.

양자화가 많을수록 그레이 레벨이 많아 표현할 수 있는 색상이 더 많습니다.

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양자화 단계에서 명암을 표현하는 단계가 적으면 허위 윤곽선(False Contouring Effects)가 발생합니다.

이유는 부드러운 부분을 표현하기에는 명암도의 단계가 부족하기 때문입니다.

디지털 영상의 변환 과정 3단계 - 부호화

부호화 단계는 1차원 신호와 마찬가지로 양자화된 화소의 밝기나 색 데이터를 2진수로 표현하는 과정입니다.

1차원 신호와 달리 디지털 영상의 데이터 양은 굉장히 많기 때문에, 단순히 2진수로 변환하지 말고 ​압축 부호화를 수행해야 합니다.

디지털 영상의 종류

1) 이진 영상 (Binary Image)

- 화소 값이 흑백으로만 구성된 영상

- 양자화를 진행할 때, 양자화 비트 수를 1로 지정하기 때문에 값이 0과 1밖에 나오지 않는다

- 값이 2가지라 처리속도가 빠르다

- 경계 구분이 정확하지 않은 영상에선 영상 정보가 손실될 수 있다

- 지문, 팩스, 문자 영상 등이 이진 영상에 해당

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2) 그레이 레벨 영상(Gray-Level Image)

- 비트가 더 많아서 이진 영상보다 더 많은 색상으로 더 밝게 표현

- 각 화소의 밝기가 여러 단계 (흑백 사진)

- 밝기의 단계는 검정색에서 회색, 회색에서 흰색으로 끝남 ( 단계 수는 양자화 비트 수로 결정 )

- 디지털 영상 처리는 기본적으로 그레이 레벨 영상으로 처리

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3) 컬러 영상 (Color Image)

- 실제로 눈에 보이는 모습과 유사한 밝기와 색상을 가진 영상

- 빛의 3원색을 이용하여 모든 색을 표현하는 것이 발명되면서 등장한 영상

- 각 색을 그레이 레벨 영상처럼 독립적 형태로 처리하고 합쳐서 색을 표현

- 각 색의 상호작용이 너무 커서 영상 처리가 어렵다

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