[DIP STUDY] CH01_01&02

1 Introduction
1.1 What is Digital Image Processing?
1.2 The Origins of Digital Image Processing
1.3 Examples of Fields that Use Digital Image Processing
1.4 Fundamental Steps in Digital Image Processing
1.5 Components of an Image Processing System

 

스터디 내용 도서:

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1.1 What is Digital Image Processing?

 

디지털 영상의 기본 개념

출처: https://intuitive-robotics.tistory.com/111

영상은 2차원 함수 f(x, y)로 정의할 수 있다. 여기서 x와 y는 평면상의 공간 좌표이고, 각 좌표에서의 함수값은 해당 위치의 밝기를 의미한다. 이 값은 보통 강도(intensity) 혹은 그레이 레벨(gray level)이라고 부른다. 만약 x, y 좌표와 이 밝기 값이 모두 유한한 개수의 이산 값으로 표현된다면, 우리는 이를 디지털 영상이라고 한다. 즉 디지털 영상은 연속적인 현실 세계를 컴퓨터가 다룰 수 있도록 격자 형태로 잘게 나눈 결과라고 이해할 수 있다.

정리하면 다음과 같다.

• 영상은 밝기 정보를 가진 2차원 함수
• 디지털 영상은 좌표와 값이 모두 이산적인 영상

디지털 영상 처리의 의미

디지털 영상 처리란 디지털 영상을 디지털 컴퓨터로 처리하는 모든 과정을 의미한다. 디지털 영상은 유한한 개수의 요소들로 구성되며, 각 요소는 특정한 위치와 값을 가진다. 이러한 요소를 화소, 영상 요소, pel, 픽셀이라고 부르는데, 이 중 픽셀이라는 용어가 가장 널리 사용된다. 이후 장들에서는 이 픽셀과 영상 구조를 보다 수학적이고 엄밀한 개념으로 다시 다루게 된다.

핵심만 요약하면,

• 디지털 영상은 픽셀의 집합
• 디지털 영상 처리는 픽셀 기반 데이터를 컴퓨터로 다루는 학문

인간의 시각과 영상 처리의 확장성

인간에게 시각은 가장 발달한 감각이기 때문에, 영상은 인간 인지에서 매우 중요한 역할을 한다. 하지만 인간의 눈은 전자기 스펙트럼 중 가시광 영역에만 반응한다는 한계를 가진다. 반면 영상 장치는 감마선에서 전파에 이르기까지 거의 전 전자기 스펙트럼을 다룰 수 있다. 또한 인간이 직관적으로 영상이라고 생각하지 않는 데이터도 영상의 형태로 표현할 수 있다. 초음파 영상, 전자현미경 영상, 컴퓨터로 생성된 이미지들이 그 예다.

이 때문에 디지털 영상 처리는 단순히 사진을 다루는 기술이 아니라, 의료, 과학, 공학, 산업 전반을 포괄하는 매우 넓은 응용 분야를 가진다.

요약하면,

• 인간의 시각 범위를 넘어선 영상 처리
• 다양한 센서와 데이터가 영상의 형태로 다뤄짐

영상 처리, 영상 분석, 컴퓨터 비전의 관계

영상 처리가 어디까지이고 영상 분석이나 컴퓨터 비전이 어디서 시작되는지에 대해서는 명확한 합의가 없다. 어떤 정의에서는 입력과 출력이 모두 영상인 경우만 영상 처리로 구분하기도 한다. 하지만 이런 기준은 다소 인위적이다. 예를 들어 영상의 평균 밝기를 계산해 하나의 숫자를 얻는 작업은 결과가 영상이 아니라는 이유로 영상 처리에서 제외되지만, 직관적으로는 영상 정보를 다루는 과정에 포함된다고 보는 편이 자연스럽다.

컴퓨터 비전은 여기서 한 단계 더 나아간다. 컴퓨터가 인간처럼 보고, 학습하고, 추론하고, 시각 정보를 바탕으로 행동까지 하도록 만드는 것이 목표다. 이는 인공지능의 한 분야이며, 인간 지능을 모방하려는 시도를 포함한다. 영상 분석 또는 영상 이해라고 불리는 영역은 영상 처리와 컴퓨터 비전의 중간 지점에 위치하며, 영상에 담긴 의미를 해석하는 데 초점이 맞춰져 있다.

간단히 정리하면,

• 영상 처리: 영상을 다루는 기술 전반
• 영상 분석: 영상의 의미와 구조 해석
• 컴퓨터 비전: 시각 기반 지능 구현

저수준, 중간 수준, 고수준 처리의 구분

영상 처리에서 컴퓨터 비전으로 이어지는 흐름에는 명확한 경계가 없지만, 이해를 돕기 위해 저수준, 중간 수준, 고수준 처리로 나누어 생각할 수 있다.

저수준 처리는 가장 기본적인 단계로, 잡음 제거, 대비 향상, 영상 선명화 같은 작업이 여기에 해당한다. 이 단계의 특징은 입력과 출력이 모두 영상이라는 점이다.

중간 수준 처리는 영상을 구조적으로 해석하기 시작하는 단계다. 영상을 영역이나 객체로 나누는 세그멘테이션, 객체를 컴퓨터가 처리하기 좋은 형태로 표현하는 기술, 그리고 객체를 분류하고 인식하는 과정이 포함된다. 이 단계에서는 입력은 영상이지만 출력은 에지, 윤곽선, 객체의 정체성 같은 속성 정보가 된다.

고수준 처리는 인식된 객체들을 바탕으로 전체 장면의 의미를 이해하는 단계다. 여러 객체의 관계를 해석하고, 상황을 판단하는 과정으로, 인간 시각의 인지 기능과 가장 가까운 영역이다.

한 줄 요약하면,

• 저수준: 영상 → 영상
• 중간 수준: 영상 → 특징
• 고수준: 특징 → 의미

이 책에서 정의하는 디지털 영상 처리의 범위

이 책에서 말하는 디지털 영상 처리는 단순히 입력과 출력이 영상인 처리만을 의미하지 않는다. 영상으로부터 속성을 추출하고, 개별 객체를 인식하는 과정까지를 포함하는 넓은 범위로 정의된다.

이를 이해하기 쉬운 예로 자동 텍스트 분석을 들 수 있다. 텍스트가 포함된 영상을 획득하고, 전처리한 뒤, 문자를 분할하고, 컴퓨터가 다루기 좋은 형태로 표현하며, 개별 문자를 인식하는 과정까지는 디지털 영상 처리에 해당한다. 반면 그 문자의 의미를 해석하고 문맥을 이해하는 단계는 영상 분석이나 컴퓨터 비전의 영역으로 넘어간다고 볼 수 있다.

결국 디지털 영상 처리는 이미 우리 일상과 산업 전반에 깊숙이 사용되고 있으며, 이후 장에서 다루는 개념들은 이러한 응용들을 가능하게 만드는 기초가 된다.

 

1.2 The Origins of Digital Image Processing

 

디지털 영상의 시작: 신문 산업과 해저 케이블

디지털 영상의 가장 초기 응용은 의외로 신문 산업에서 시작되었다. 20세기 초, 런던과 뉴욕 사이에서 사진을 해저 케이블로 전송하려는 시도가 이루어졌고, 1920년대 초에 바틀레인 케이블 사진 전송 시스템이 도입되었다. 이 시스템은 대서양을 건너 사진을 전달하는 데 걸리는 시간을 1주일 이상에서 3시간 미만으로 획기적으로 단축시켰다. 사진은 케이블 전송을 위해 부호화되었고, 수신 측에서는 이를 다시 재구성해 출력했다. 당시에는 하프톤 패턴을 흉내 낸 서체를 사용하는 전신 프린터로 사진을 출력했는데, 지금 기준으로 보면 조악하지만 당시로서는 매우 혁신적인 기술이었다.

핵심 포인트를 정리하면,

• 최초의 디지털 영상 응용은 신문 사진 전송
• 전송 시간 단축이 가장 큰 기술적 목표

초기 디지털 영상의 한계와 개선

이 시기의 가장 큰 문제는 영상의 시각적 품질이었다. 인쇄 방식과 강도 레벨 분포가 좋지 않아 영상의 톤과 해상도가 떨어졌다. 실제로 그림 1.1을 생성하던 방식은 1921년 말에 폐기되었고, 이후에는 전신 수신 단말기에서 천공된 테이프를 이용해 사진을 복제하는 사진 기반 기법이 도입되었다. 이 방식으로 얻은 그림 1.2를 보면, 이전 방식에 비해 톤의 자연스러움과 해상도가 눈에 띄게 개선된 것을 확인할 수 있다.

바틀레인 시스템은 처음에는 5단계 회색조만 표현할 수 있었지만, 1929년에는 15단계 회색조로 확장되었다. 이 시기에는 부호화된 테이프에 의해 변조된 빛을 사용해 필름을 현상하는 방식도 도입되면서, 영상 재현 품질이 크게 향상되었다.

요약하면,

• 초기 문제는 톤과 해상도
• 회색조 단계 증가와 출력 방식 개선이 품질 향상의 핵심

디지털 영상 처리와 컴퓨터의 관계

앞에서 언급한 예들은 분명 디지털 영상을 다루고 있지만, 디지털 컴퓨터를 사용하지 않았다는 점에서 본서가 정의하는 디지털 영상 처리에는 포함되지 않는다. 이 점이 중요하다. 디지털 영상 처리의 역사는 단순히 영상의 디지털화가 아니라, 디지털 컴퓨터의 발전과 깊이 연결되어 있기 때문이다.

디지털 영상은 저장해야 할 데이터의 양이 많고, 처리 과정에서도 막대한 계산량을 요구한다. 따라서 디지털 영상 처리의 발전은 컴퓨터 성능, 저장 장치, 디스플레이, 전송 기술과 같은 기반 기술의 발전 없이는 불가능했다.

한 줄 정리하면,

• 디지털 영상 처리의 본질은 컴퓨터 기반 처리
• 컴퓨터 기술의 발전이 영상 처리 발전의 전제 조건

컴퓨터 기술의 발전 흐름

컴퓨터라는 개념 자체는 5000년 이상 전의 주판까지 거슬러 올라가지만, 현대적인 디지털 컴퓨터의 기초는 1940년대에 확립되었다. 존 폰 노이만은 프로그램과 데이터를 저장하는 메모리 개념과 조건 분기라는 두 가지 핵심 아이디어를 제시했고, 이는 오늘날 CPU 구조의 근간이 되었다.

이후 디지털 영상 처리를 가능하게 한 주요 기술적 발전들은 다음과 같이 이어졌다.

• 1948년 트랜지스터의 발명
• 1950~60년대 COBOL, FORTRAN 같은 고급 프로그래밍 언어 등장
• 1958년 집적회로(IC)의 발명
• 1960년대 운영체제의 발전
• 1970년대 초 마이크로프로세서의 등장
• 1981년 개인용 컴퓨터의 보급
• 대규모 집적에서 초초대규모 집적으로 이어지는 반도체 소형화

이와 동시에 대용량 저장 장치와 디스플레이 기술도 함께 발전하며 영상 처리의 기반을 강화했다.

요약하면,

• 영상 처리는 단독 기술이 아니라 컴퓨터 생태계의 산물
• 하드웨어, 소프트웨어, 저장 기술이 함께 성장

디지털 영상 처리의 본격적 탄생: 우주 프로그램

의미 있는 영상 처리가 가능할 만큼 강력한 컴퓨터는 1960년대 초에 등장했다. 그리고 이 시기 시작된 우주 프로그램은 디지털 영상 처리의 잠재력을 현실로 끌어올린 결정적 계기였다. 1964년, 제트 추진 연구소에서는 레인저 7호가 달에서 전송한 영상을 컴퓨터로 처리해 카메라 자체의 왜곡을 보정하는 작업을 수행했다.

그림 1.4는 레인저 7호가 달 표면에 충돌하기 약 17분 전에 촬영한 영상으로, 미국 우주선이 촬영한 최초의 달 사진이다. 영상에 포함된 표식들은 기하학적 보정을 위해 사용된 것으로, 이후 장에서 다시 다루게 된다. 레인저 7호에서 축적된 영상 처리 경험은 이후 서베이어, 마리너, 아폴로 미션으로 이어지며 영상 향상과 복원 기법의 토대가 되었다.

정리하면,

• 우주 프로그램은 디지털 영상 처리의 실험장이자 촉매
• 실제 문제 해결을 통해 영상 처리 기법이 발전

의료 영상과 CT의 등장

우주 분야와 거의 동시에, 1960년대 후반부터 1970년대 초에는 의료 영상, 지구 자원 원격 탐사, 천문학 분야에서도 디지털 영상 처리가 사용되기 시작했다. 그중에서도 가장 중요한 사건은 1970년대 초 컴퓨터 단층 촬영, 즉 CT의 발명이다.

CT는 환자를 둘러싼 검출기 링과 X선 소스를 회전시키며 데이터를 수집하고, 이를 이용해 신체 내부의 단면 영상을 재구성한다. 환자를 이동시키며 여러 단면을 얻으면, 내부 구조를 3차원으로 표현할 수 있다. 이 기술은 하운즈필드와 코맥에 의해 독립적으로 개발되었고, 두 사람은 1979년 노벨 생리의학상을 공동 수상했다. 흥미롭게도 이 기술의 기반이 되는 X선은 1895년에 발견되어 이미 한 세기 가까운 역사를 가지고 있었다.

요약하면,

• CT는 영상 처리의 대표적인 성공 사례
• 물리학적 발견과 계산 기술이 결합된 결과

현재까지의 확장과 응용

1960년대 이후 디지털 영상 처리 분야는 폭발적으로 성장했다. 의료와 우주 분야를 넘어, 산업 검사, 생명과학, 지리학, 고고학, 물리학, 국방, 법 집행 등 다양한 영역에서 활용되고 있다. 대비를 높이거나 색으로 정보를 표현해 해석을 돕고, 복구가 불가능한 대상의 열화된 영상을 복원하며, 다시 실험하기 어려운 데이터를 분석하는 데에도 영상 처리 기법이 사용된다.

특히 고고학에서는 흐릿한 사진만 남아 있는 유물을 복원하는 데 활용되었고, 물리학에서는 고에너지 플라즈마나 전자현미경 실험 영상의 해석에 필수적인 도구가 되었다. 이런 사례들은 디지털 영상 처리가 단순한 기술을 넘어, 다양한 학문과 산업을 연결하는 기반 기술이라는 점을 잘 보여준다.

마무리 정리로 보면,

• 디지털 영상 처리는 특정 분야에 국한되지 않음
• 현대 과학과 산업 전반을 지탱하는 핵심 기술