OpenCV 4로 배우는 컴퓨터 비전과 머신 러닝/ 컴퓨터 비전과 영상의 이해

컴퓨터 비전 개요

  • 1960년대 미국에서 인공위성으로부터 전송된 달 표면 사진의 잡음을 제거하는 작업을 수행하였는데 이것이 디지털 영상처리의 시초라고 알려져 있음.
  • 1966년 MIT에서 “The Summer Vision Project”라는 제목으로 카메라와 컴퓨터를 연결하여 카메라가 바라보는 장면을 컴퓨터가 인식하는 시도를 하였고, 이것을 컴퓨터 비전의 시초로 보는 사람들도 있음.
  • 1970년대에서 1990년대까지는 영상에서 객체의 윤곽 또는 에지 정보를 추출하거나 코너 점 검출, 모양 정보 분석, 텍스쳐 분석 등의 기본적인 영상 특징 분석 방법과 이를 응용한 3차원 구조 분석, 움직임 정보 추출, 얼굴 검출 및 인식 등의 고수준 연구가 진행 됨
  • 2000년대 들어와서는 실시간 얼굴 검출, 크기 불변 특징점 검출 및 매칭 등의 기술이 개발 됨.
    • 실시간 얼굴 검출 기술은 현재 대부분의 디지털 카메라에탑재되어 얼굴에 자동으로 초점을 맞춰주는 용도로 활용 되고 있음.
  • 2010년대 들어와서는 딥러닝(deep learning) 기술이 크게 발전하면서 컴퓨터 비전의 가능성과 활용 영역이 확대되어 가고 있음.
  • 컴퓨터 비전에 활용되는 관련 지식들은 아래 이미지 참조

영상의 구조와 표현방법

영상의 획득과 표현방법

  • 빛이 피사체에 부딪혀 반사되고, 그 반사된 빛이 카메라 렌즈를 통해 카메라 내부로 들어오게 됨. 실제 카메라에는 여러 렌즈를 복합적으로 사용하여 좋은 화질의 사진을 얻을 수 있도록 설계 됨.
  • 렌즈는 카메라 바깥으로부터 들어온 빛을 굴절시켜 이미지 센서로 모아주는 역할을 함.
  • 이미지 센서는 빛을 전기적 신호로 변환하는 포토 다이오드(photodiode)가 2차원 평면 상에 배열되어 있는 장치로 렌즈에서 모인 빛이 이미지 센서에 닿으면 이미지 센서에 포함된 포토 다이오드가 빛을 전기적 신호로 변환 함.
  • 빛을 많이 받은 포토 다이오드는 큰 신호를 생성하고 빛을 적게 받은 포토 다이오는 작은 크기의 신호를 생성함으로써 명암이 있는 2차원 영상을 구성 함.
  • 포토 다이오드에서 생성된 전기적 신호는 아날로그-디지털 변환기(ADC, Analog-Digital Convertor)를 거쳐 디지털 신호로 바뀌게 되고, 이 디지털 신호는 다시 카메라의 ISP(Image Signal Processor) 장치로 전달 됨.
  • ISP 장치는 화이트밸런스 조정, 색 보정, 잡음 제거 드으이 기본적인 처리를 수행한 후 2차원 디지털 영상을 생성 함.
  • 이렇게 구성된 영상은 곧바로 컴퓨터로 전송되거나 JPG, TIFF 등의 영상 파일 형식으로 변환되어 저장됨.

  • 영상을 구성하는 최소 단위는 픽셀(pixel). 픽셀은 사진(picture)와 요소(element)에서 유래하였으며, 화소라고도 부름.
  • 영상은 픽셀이 바둑판처럼 균일한 격자 형태로 배열되어 있는 형태로 표현 됨. (아래 이미지 참조)
  • 영상을 표현하는 2차원 xy 좌표계에서 x 좌표는 왼쪽에서 오른쪽으로 증가하고, y 좌표는 위에서 아래로 증가함 (0, 0이 좌상단)

  • 영상을 수식으로 설명할 때는 보통 함수의 형태를 사용함. 즉, x 좌표와 y 좌표를 입력 받고 해당 위치에서의 픽셀 값을 출력으로 내보내는 함수 형태로 영상을 표현할 수 있음. 
    • 예컨대 위 그림에 나타난 영상을 f라 표기할 때, (x, y) 좌표의 픽셀 값은 f(x, y)로 표현 됨.
  • 영상은 2차원 평면 위에 픽셀 값이 나열된 형태이기 때문에 영상을 2차원 행렬로 표현할 수 있음. 실제로 몇몇 영상 처리 알고리즘은 행렬 이론을 이용하여 컴퓨터 비전 문제를 해결하기도 함.
  • 행의 개수가 M이고 열의 개수가 N인 행렬 A는 아래와 같이 표현 함.
    • 아래 행렬에서 소문자 a_{ij} 는 j 번째 행, i 번째 열에 위치한 행렬 원소를 나타냄. 만일 영상을 나타내는 것이라면 해당 위치의 픽셀을 의미 함.

A = \left[ \begin{array}{rrrr} a_{11} & a_{12} & ... & a_{1n} \\ a_{21} & a_{22} & ... & a_{2n} \\ ... \\ a_{m1}  & a_{m2} & ... & a_{mn} \end{array} \right]

[ssba]

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지성을 추구하는 사람/ suyeongpark@abyne.com

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