Computer Vision Theory : 전처리 알고리즘

전처리 알고리즘(Preprocessing Algorithm)

이미지에는 매우 많은 데이터가 존재합니다.

예를 들어, 1,000 × 1,000 크기의 이미지에는 1,000,000 개의 픽셀이 존재합니다.

그리고 각 픽셀마다 RGB 값이 할당되어 있으므로, 256 × 256 × 256 개의 분포가 있어 16,777,216 종류의 픽셀 종류가 존재할 수 있습니다.

즉, (0, 0, 0)은 검은색 픽셀이 되며, (255, 0, 0)은 빨간색 픽셀이 됩니다.

이미지마다 다양한 픽셀의 조합으로 구성되어 있습니다. 이미지 자체를 별도의 처리 없이 분석한다는 것은 매우 어렵고 오랜 시간이 소요됩니다.

그러므로, 이미지 내에서 불필요한 데이터를 줄이고 유의미한 데이터를 정제하는 과정이 필요합니다.

이때 전처리 알고리즘을 사용합니다. 전처리 과정이란 이미지를 처리하는 알고리즘에서 효율적으로 활용할 수 있도록 유의미한 정보로 가공하는 과정입니다.

객체의 위치를 탐지하는 알고리즘을 구성한다 가정했을 때, 이미지에서 객체를 구성하고 있는 데이터(픽셀)보다 더 많은 데이터(픽셀)들이 존재한다면 객체를 탐지하는 데 방해되는 요소가 됩니다.

이미지를 구성하고 있는 정보들을 가공하여 본격적인 알고리즘이 적용되기 전에 데이터를 간략화하여 알고리즘에 필요하는 데이터만 남겨야합니다.

전처리 알고리즘은 탐지에 악영향을 주는 부분들을 최소화하는 역할을 합니다.

전처리 알고리즘의 종류

전처리 알고리즘에는 다양한 알고리즘이 존재합니다.

영상 처리에서 전처리 알고리즘은 필수 불가결한 알고리즘이며, 이 알고리즘들을 어떻게 사용하냐에 따라 정확도, 정밀도, 연산 시간 감소 등의 이점을 얻을 수 었습니다.

전처리 알고리즘에는 크게, 그레이스케일(회색조), 이진화, 확대/축소, 회전/변환 등이 있습니다. 이러한 전처리 알고리즘 과정을 처리한 후에, 주요한 알고리즘을 적용합니다.

그레이스케일

그레이스케일은 다중 채널 이미지를 단일 채널 이미지로 변환하여 데이터의 폭을 줄이는 역할을 합니다.

색상 이미지는 필연적으로 다중 채널 이미지입니다. 색상으로 구분하지 않고 형상이나 형태를 찾는 것은 흑백 이미지로도 검출이 가능합니다.

그러므로, 다중 채널 이미지를 단일 채널 이미지인 회색조 이미지로 변경합니다.

대부분의 알고리즘이 이미지의 소스(source)를 그레이스케일 이미지를 사용하여 처리합니다.

다중 채널은 채널이 3개 또는 4개를 가지고 있습니다. 그레이스케일은 1개의 채널을 가지고 있으므로 데이터의 양이 1/3 또는 1/4로 줄어들게 되지만, 이미지의 형상에는 크게 훼손을 주지 않습니다.

이미지가 갖고 있는 형태나 픽셀의 분포에는 크게 영향을 주지는 않지만, 데이터의 양이 크게 줄어들게 됩니다. 그레이스케일 이미지로 주요 알고리즘을 연산한다면, 정확도와 연산량 등에 큰 이점을 얻을 수 있습니다.

이진화

이진화는 어느 지점을 기준으로 검은색 또는 흰색으로 변형하기 위해서 사용합니다.

전처리 알고리즘으로 그레이스케일을 적용했다하더라도, 픽셀의 분포 폭이 256 × 256 × 256에서 256으로 줄어든 효과에 그치게 됩니다.

하지만, 어떤 형상을 검출한다 가정했을 때, 이 분포폭은 너무 많은 범위를 갖고 있다 볼 수 있습니다.

여기서, 더 극단적으로 값의 범위를 0(검은색) 또는 255(흰색) 등으로 변경한다면 물체의 검출의 정확도를 높이고, 연산량을 감소시킬 수 있습니다.

이진화 처리를 진행할 경우, 이미지를 두 가지의 색상으로 변형하여 일정 임계값 이하는 모두 검은색 또는 흰색으로 변형됩니다.

이진화를 처리하면, 데이터의 개수가 극단적으로 줄어들게 됩니다. 이 처리를 통하여 검출하고자 하는 객체를 검출하기 쉬운 상태로 변형합니다.

이진화 알고리즘은 그레이스케일과 함께 가장 많이 사용되는 전처리 알고리즘 중 하나입니다.

확대/축소

앞선, 그레이스케일이나 이진화는 픽셀 데이터의 폭을 줄이는 역할을 했습니다.

효율적으로 데이터의 폭을 줄였다 하더라도, 검출이 어렵거나 불가능한 경우가 존재할 수 있습니다.

검출하려는 이미지에서 데이터의 양이 너무 많거나 너무 적을 경우, 이미지를 확대 또는 축소를 통하여 활용하려는 데이터의 범위를 키우거나 줄일 수 있습니다.

검출하려는 객체가 너무 작을 경우, 이미지를 확대하며 검출하려는 이미지가 너무 클 경우, 축소 과정을 진행합니다.

이미지 확대나 축소를 통해, 객체의 크기가 너무 크거나 작은 경우 이미지의 크기를 변경하여 검출하기 쉬운 상태로 만듭니다.

회전/변환

앞서서 설명한 전처리 알고리즘을 적용하더라도, 검출하려는 객체가 이미지에서 지정된 형태가 아니라면 검출에 어려움이 있을 수 있습니다.

그러므로, 이미지를 알고리즘이 검출하기 쉬운 상태로 변형하는 과정이 필요합니다.

이미지가 틀어져 있는 경우에는 회전 연산을 적용하거나, 이미지 자체에 왜곡이나 객체에 비틀림이 발생한다면, 캘리브레이션이나 이미지의 왜곡을 변형하는 과정을 진행할 수 있습니다.

이를 통해, 주요 알고리즘이 동일하거나 비슷한 패턴의 이미지를 처리할 수 있게되어 알고리즘의 복잡도가 줄어들게 됩니다.

• Writer by : 윤대희