[영상 처리] 화소 점 처리 - 디지털 영상의 산술 연산과 오버플로우 해결 방법 (Clamping, Wrapping)

화소 점 처리

화소 점 처리는 원래 화소의 값이나 위치를 바탕으로 단일 화소 값을 독립적으로 변경하는 기술입니다.

다른 화소의 영향을 받지 않고, 단순히 화소 점의 값만 변경하기 때문에 포인트 처리라고도합니다.

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산술, 논리, 반전, 광도 보정, 히스토그램 평활화, 명암 대비 스트레칭 등 기법이 다양합니다.

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1) 산술 연산

화소의 밝기 조정, 대비 변경

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2) 논리 연산

참, 거짓을 판별하는 논리 연산(AND, OR, XOR, NOT)으로 디지털 영상에서 차폐, 특징 추출, 형태 분석을 수행

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3) 히스토그램 (막대 그래프)

관측한 데이터가 분포된 특징을 한 눈에 알아보기 쉽게 나타낸 그래프

가로축 - 레벨(영상의 밝기), 세로축 - 빈도 수(밝기 값에 대응하는 화소 수)

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히스토그램을 다루는 기술은 평활화와 명세화가 있습니다.

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3-1) 히스토그램 평활화

편향된 디지털 영상의 히스토그램 값을 골고루 분산시켜서, 명암 대비를 높힘

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3-2) 히스토그램 명세화

디지털 영상의 특정 부분의 명암 대비를 높힘

산술 연산 적용

1) 영상 분할(Image Segmentation)

특정 영역을 강조하기 위해 밝은 것을 더 밝게! 어두운 것은 더 어둡게! 하는 방법입니다.

이로써, 명암 대비가 더욱 커지게 됩니다.

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2) 차 영상(Different Image)

움직임을 추적하기 위해 사용합니다. 1초 전 영상과 1초 후 영상의 화소 값을 빼면 물체가 움직인 곳에 픽셀 차이는 0이 아닌 것을 활용하여 움직임을 판별하기도 합니다.

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3) 합성 영상

영상 A와 영상 B를 합칩니다.

디지털 영상의 산술 연산 - 덧셈, 뺄셈

화소의 밝기 단계 수는 양자화 비트수가 결정합니다.

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그레이 레벨 영상에서는 색이 없고 밝기만 존재하기 때문에, 화소는 밝기를 표현합니다.

반면에, 컬러 영상에서는 색의 정보가 있기 때문에 화소는 색의 밝기를 표현합니다.

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디지털 영상의 산술 연산은 총 4가지입니다.

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1) 화소 값 덧셈 연산

화소의 밝기를 증가시키는 기술입니다.

화소의 최대 값을 넘으면 최대 값으로 고정합니다. 예를 들어, 255를 넘는 270이어도 255가 됩니다. ( 클램핑 )

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2) 화소 값 뺄셈 연산

화소의 밝기를 감소시키는 기술입니다.

마찬가지로, 화소의 최소 값보다 작으면 최소 값으로 고정합니다. 예를 들어, 음수면 0으로 처리합니다.

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이러한 화소 값의 차이를 이용하여 영상 내의 물체의 움직임 감지(Motion Tracking)를 할 수 있습니다.

아래 그림은 검은색 사각형이 움직임을 보여줍니다. 이 두 영상의 화소 값을 볼까요?

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아래를 보면 검은색 사각형이 위치한 곳에는 화소 값이 0입니다.

오른쪽 그림처럼 사각형이 이동했다면 이동한 사각형이 위치한 화소 값이 0이됩니다.

또한, 사각형이 있던 자리는 255라는 밝은 값이 주어집니다.

이때, 이 두 영상의 차를 하게 되면 차이가 발생합니다.

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두 영상의 화소 값을 뺀 결과입니다. 사물이 원래 있던 자리에 값은 -255가 되었고, 사물이 움직인 곳에 값은 255가 되었습니다. 겹치는 자리는 0이 되면서, 영상 내의 물체가 얼만큼 이동했는지를 알 수 있습니다.

디지털 영상의 산술 연산 - 곱셈, 나눗셈

명암 대비(Contrast)는 영상의 가장 밝은 값과 가장 어두운 값의 차이입니다.

영상의 품질을 결정하는 중요한 요소입니다.

높은 대비를 가진 디지털 영상은 명도의 차이가 커서 시각적으로 명확하게 보입니다.

명암의 최소 값과 최대 값의 차이가 큰 영상이므로, 나눗셈 연산으로 차이를 줄일 수 있습니다.

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반면에, 낮은 대비를 가진 디지털 영상은 명확하지 않게 보입니다.

상대적인 명암 값의 차이가 크지 않은 영상이므로, 곱셈 연산으로 차이를 늘릴 수 있습니다.

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3) 화소 값 곱셈 연산

화소의 밝기 값에 상수를 곱해 전체적으로 화소의 밝기를 증가시킵니다.

즉, 밝은 부분은 더욱 밝아지고, 어두운 부분은 약간 밝아지면서 밝기의 차이가 뚜렷해집니다.

따라서, 영상의 선명도가 증가합니다.

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4) 화소 값 나눗셈 연산

화소의 밝기 값에 상수를 나눠 전체적으로 화소의 밝기를 감소시킵니다.

즉, 밝은 부분은 많이 어두워지고, 어두운 부분은 약간 어두워지면서 밝기의 차이가 희미해집니다.

따라서, 영상의 선명도가 감소합니다.

산술 연산에서 값을 벗어난 경우 해결하는 2가지 방법

명암도 영상(흑백 영상)은 한 화소 당 8bit 데이터 크기를 가집니다.

따라서, 화소 값의 범위는 0~255로 총 256개의 값으로 표현합니다.

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여기서, 명암 값을 더하거나 빼는 산술 연산을 하는 경우에 화소 값의 범위 0~255를 벗어나는 경우가 발생합니다.

이런 문제를 해결하는 2가지 방법이 있습니다.

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1) 클램핑 기법 (Clamping)

0이하의 값을 모두 0으로, 255 이상의 값을 255로 고정

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2) 랩핑 기법 (Wrapping)

255 = 255

256 = 0

257 = 1

258 = 2

이와 같이 초과하는 값을 반전 현상을 주어 명암의 불균등을 주어 해결합니다.