2020년 한국방송·미디어공학회 추계학술대회
디지털 홀로그램 압축을 위한 적응적 웨이블릿 변환
*김진겸 **오관정 **김진웅 *김동욱 *서영호
*광운대학교 **한국전자통신연구원
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Adaptive Wavelet Transform for Digital Hologram Compression
*Jin-Kyum Kim **Kwan-Jung Oh **Jin-Woong Kim *Dong-Wook Kim *Young-Ho Seo
*Kwangwoon University **ETRI
요약
본 논문에서는 JPEG Pleno에서 표준 데이터세트로 제공되고 있는 디지털 홀로그램의 압축 방법을 제시한다. 디지털 홀로그램의 재현에서 시각화를 위한 랜덤 위상의 추가는 간섭현상으로 인한 스페클노이즈와 더블어 홀로그램의 압축 효율을 떨어트린다. 먼저, 다양한 웨이블릿 필터를 이용하여 홀로그램 데이터에 대한 주파수 특성 분석을 진행한다. 다음으로, 홀로그램 압축에 용이한 필터를 제안한다. 마지막으로 JPEG2000의 웨이블릿 필터인 Bi-Orthogonal (4, 4)와 제안하는 웨이블릿 필터를 이용하여 SPIHT(Set partitioning in hierarchical trees)를 이용하여 압축하고 복원하고 압축률 대비 정량적 화질평가를 통해 그 효율을 분석한다.
1. 서론
홀로그래피는 3차원 정보를 기록할 수 있는 특징으로 인해 많은 연구와 개발이 이루어지고 있다[1, 2]. 홀로그램 신호처 리인 압축 기술에는 정지 홀로그램 압축[2]과 비디오 홀로그램 압축[3]이 포함된다. 현재 JPEG Pleno에서는 정지 홀로그램 에 대한 압축의 표준화 과정을 진행 중에 있다[4]. 또한, JPEG Pleno에서는 홀로그램 압축을 위한 표준화 과정에서도 압축 표 준기술을 적용할 홀로그램 데이터를 제공하고 있다. 정지영상 압축 표준에는 대표적으로 DCT(Discrete Sine Transform)기반의 JPEG과 DWT(Discrete Wavelet Transform)기반의 JPEG2000이 있다. JPEG2000이 JPEG에 비해 압축률 대비 화질 수준은 높지만, 호환성 문제로 인해 JPEG이 널리 보급되어 있다. 본 논문에서는 DWT를 이용한 Zerotree 기반의 홀로그램 압축 방법을 제시한다. 먼저, 다양한 웨이블릿 필터를 통한 홀 로그램의 주퍄수 특성 분석을 진행한다. 다음으로, 주파수 분석 을 토대로 홀로그램 압축을 위한 웨이블릿 필터 선정 과정을 보 인다. 마지막으로, SPIHT를 통해 홀로그램을 압축하고 성능을 비교한다.2. 홀로그램 주파수 특성 분석
본 장에서는 홀로그램을 다양한 웨이블릿 필터를 통해 분해 할 때 주파수 특성이 어떻게 변화하지는 보여준다. 그림 1은 Wavelet filter 중 JPEG2000의 Bi-Orthogonal 4.4 와 Reverse Bi-Orthogonal 3.9 필터를 이용하여 DWT하고 에너 지 집중도를 본다. 사용한 데이터는 Dices1080p이다.그림 1. DWT를 이용한 홀로그램 주파수 특성 분석 (a) Bi-Orthogonal 4.4 (b) Reverse Bi-Orthogonal 3.9 Bi-Orthogonal 4.4로 분해한 결과 최대 7.46%, 최소 4.6%의 에너지를 부대역 하나에 집중시킬 수 있었다. Reverse Bi-Orthogonal 3.9의 경우 최대 47.13%, 최소 0.65%의 에너 지를 부대역 하나에 집중시킬 수 있었다. 웨이블릿 필터 종류에 따라 홀로그램의 에너지를 작은 부대역에 집중시킬 수 있었다.
3. 홀로그램 압축을 위한 필터 설정
본 장에서는 홀로그램 압축을 위한 웨이블릿 필터를 선정하고 홀로그램을 압축 및 복원한다. 압축은 SPIHT로 진행하였고 DWT는 에너지 집중도를 고려하여 레벨별로 가장 에너지 집중 (a) (b) 412020년 한국방송·미디어공학회 추계학술대회 도가 높은 부대역을 분해하였다. 다음 그림 2는 에너지 집중도를 고려하여 홀로그램을 DWT한 결과이다. 그림 2 (a)는 Bi-Orthogonal 4.4를 이용하여 DWT 하였고, 그림 2(b)는 Reverse Bi-Orthogonal 3.9를 이용하여 DWT한 결과이다. (a) (b) 그림2. 홀로그램 압축을 위한 DWT 결과 (a)
Bi-Orthogonal 4.4 (b) Reverse Bi-Orthogonal 3.9
위 부대역 구조를 SPIHT를 이용하여 압축 및 복원하였고 홀로 그램을 재현하였다. 다음 표 1은 각 필터에 따라 실수부와 허수 부 그리고 재현 영역에서의 진폭의 PSNR(Peak Signal to Noise Ratio)이다.
표 1. 200:1 SPIHT 압축 및 복원 결과단위 (dB) Filter Real Imaginary Reconstruction
amplitude Bi-Orthogonal 4.4 19.91 19.07 20.29 Reverse Bi-Orthogonal 3.9 20.05 19.54 21.37 웨이블릿 필터를 변경하고 필터링의 기준을 LL이 아닌 에너지 집중도를 고려해 진행한 결과 홀로그램의 PSNR과 재현영역에 서의 PSNR은 최대 1.06dB 향상함을 보였다. 그림 3. 200:1 기준 홀로그램 압축 및 복원 영상(재현 영역) (a) 원본 (b) Bi-Orthogonal 4.4, (c) Reverse Bi-Orthogonal 3.9 다음 그림 3은 제안하는 웨이블릿 필터를 이용하여 홀로그램을 압축하고 복원한 영상이다. 그림 3(a)는 원본영상이고 그림 3(b) Bi-Orthogonal 4.4을 이용하여 압축하고 복원한 결과 그 리고 그림 3(c)는 Reverse Bi-Orthogonal 3.9를 이용하여 압 축하고 복원한 결과이다.
4. 결론
본 논문에서는 디지털 홀로그램을 압축하기 위한 적응적 웨이 블릿 변환을 소개한다. DWT를 기반으로 홀로그램의 주파수 특 성을 분석하였다. 주파수 특성을 토대로 압축에 용이할 것으로 예상되는 필터를 선정하였다. 마지막으로 SPIHT를 이용해 압 축하고 복원하였고 압축효율이 증가함을 알 수 있엇다. AcknowledgementThis study was conducted with the support of the digital holographic tabletop terminal technology development project [GK19D0100] of the Giga Korea project.
This research was funded and conducted under 「the Competency Development Program for Industry Specialists」 of the Korean Ministry of Trade, Industry and Energy (MOTIE), operated by Korea Institute for Advancement of Technology (KIAT). (No. P0002397, HRD program for Industrial Convergence of Wearable Smart Devices)
References
[1] Dennis Gabor, “A new microscopic principle”, Nature, 161, pp. 777–778, 1948.
[2] W. Osten, A. Faridian, P. Gao, K. Körner, D. Naik, G. Pedrini, Al. Kumar Singh, M. Takeda, and M. Wilke, "Recent advances in digital holography [Invited]," Appl. Opt. 53, G44-G63, 2014.
[3] Y. H. Seo, H. J. Choi and D. W. Kim, "3D scanning-based compression technique for digital hologram video", Signal Processing: Image Communication, vol. 22, no. 2, pp. 144-156, Nov. 2006.
[4] E. Darakis and T. J. Naughton, "Compression of digital hologram sequences using MPEG-4", SPIE Proc, vol. 7358, pp. 735811-1, May 2009.
[5] JPEG Pleno https://jpeg.org/jpegpleno/ (a)
(b) (c)
