5장. 영상 향상과 학습용 전처리

CLAHE

교실 하나를 통째로 밝게 비추면 창가는 눈부시고 구석은 여전히 어둡습니다. 대신 자리마다 작은 스탠드를 하나씩 두고 그 자리에 맞게 밝기를 맞추면 어디서나 책이 잘 보입니다. CLAHE 는 사진을 바둑판 칸으로 나눠 칸마다 따로 평활화합니다. 그리고 한 칸 안에서 막대가 너무 높이 솟으면 깎아서, 잡티까지 크게 키우지 않게 합니다.

사진을 바둑판으로 나누기, 높은 막대 자르기, 칸마다 평활화, 칸 사이 이음매 다듬기의 네 단계 흐름도

그림의 네 단계가 CLAHE 가 하는 일입니다. 사진을 바둑판 칸으로 나누고(tileGridSize), 칸마다 히스토그램을 세어 너무 높은 막대를 깎고(clipLimit), 칸 안에서만 평활화하고, 칸 사이의 이음매가 보이지 않게 부드럽게 잇습니다. 여기서 자리마다 놓은 스탠드가 바둑판 칸 하나이고, 스탠드가 너무 밝지 않게 정해 둔 한도가 clipLimit 입니다.

너무 높은 막대를 자르는 높이에서 깎고 넘친 몫을 모든 구간에 고루 나눠 주는 모습

왼쪽 그래프의 다홍 부분이 자르는 높이(점선)를 넘은 몫입니다. 오른쪽처럼 넘친 몫을 깎아 모든 구간에 살구색으로 고루 나눠 줍니다. 막대가 한 곳에 너무 높이 솟으면 평활화가 그 밝기의 간격을 크게 벌려 놓는데, 깎아 두면 벌어지는 정도가 줄어듭니다. 그래서 넓고 고른 벽에 낀 작은 잡티가 덜 커집니다.

역광 실내 사진에 8×8 바둑판을 그은 원본, 전체 평활화, CLAHE 결과

밝은 창을 등진 실내를 도형으로 그린 가상의 그림(ch05_backlit.png)입니다. 왼쪽 그림의 다홍 선이 8×8 바둑판입니다. 가운데의 전체 평활화는 어두운 책장을 크게 밝혔지만, 창이 하얗게 날아가고 벽에 줄무늬가 생겼습니다. 오른쪽 CLAHE 는 책장을 덜 밝히는 대신 창과 벽을 원래 모습에 가깝게 지켰습니다.

두 인자

인자	뜻	작게 주면	크게 주면	처음 해 볼 값
`clipLimit`	막대를 깎는 높이	원본과 비슷하다	전체 평활화에 가까워진다	2.0
`tileGridSize`	바둑판의 (가로 칸 수, 세로 칸 수)	넓은 칸, 전체 평활화에 가깝다	좁은 칸, 작은 부분까지 펼친다	(8, 8)

짧은 예시

Python

import cv2

gray = cv2.imread("ch05_backlit.png", cv2.IMREAD_GRAYSCALE)

# cv2.createCLAHE: 설정을 담은 CLAHE 도구를 만든다. 실제 처리는 apply 로 한다
clahe = cv2.createCLAHE(clipLimit=2.0,          # 막대를 깎는 높이
                        tileGridSize=(8, 8))    # 바둑판 8×8칸
out = clahe.apply(gray)

# 책장 부분(세로 40~164, 가로 15~114)의 표준편차: 클수록 책끼리 밝기 차이가 크다
print(round(float(gray[40:165, 15:115].std()), 1), round(float(out[40:165, 15:115].std()), 1))   # 결과: 13.0 18.4

책장 부분의 표준편차가 13.0 에서 18.4 로 커졌습니다. 어둠 속의 책들이 서로 더 구별된다는 뜻입니다.

주의할 점

cv2.createCLAHE 는 도구를 만들 뿐입니다. .apply(gray) 를 불러야 처리됩니다. 도구 하나를 만들어 두고 사진 여러 장에 차례로 씁니다.
CLAHE 도 흑백 한 채널만 받습니다. 컬러 사진은 앞 절처럼 밝기 채널에만 씁니다.
바둑판을 너무 잘게 나누면 칸 하나에 든 칸 수가 적어 얼룩덜룩해집니다.