imshow는 배열의 값을 화면의 밝기나 색으로 매핑하는 함수다. 같은 숫자 배열이라도 자료형과 지정한 표시 범위에 따라 전혀 다르게 보일 수 있다. 영상 처리 결과가 검게 나오거나 대비가 사라졌다면 계산보다 먼저 이 규칙을 확인해야 한다.

imshow가 입력을 해석하는 기본 규칙

입력 기본 해석
logical 2차원 배열 false는 검정, true는 흰색인 이진 영상
uint8 회색조 전체 자료형 범위 0~255를 검정~흰색으로 표시
uint16 회색조 전체 자료형 범위 0~65535를 검정~흰색으로 표시
single, double 회색조 기본적으로 0~1을 검정~흰색으로 표시
M×N×3 RGB 배열 세 번째 차원을 R·G·B 채널로 해석
인덱스 영상 X와 색상표 map imshow(X,map) 형태로 색상표의 행을 참조

“회색조는 항상 8비트”, “RGB는 항상 24비트”라고 단정하면 실제 MATLAB 배열을 설명하지 못한다. 회색조와 RGB 모두 여러 정수·부동소수점 자료형을 사용할 수 있으며, 자료형에 따라 값의 허용 범위와 표시 규칙이 달라진다.

같은 값도 자료형에 따라 다르게 보이는 이유

다음 코드는 0부터 255까지 증가하는 그라데이션을 두 자료형으로 표시한다.

u8 = repmat(uint8(0:255), 80, 1);
d255 = double(u8);       % 값 범위는 여전히 0~255
d01 = im2double(u8);     % 값을 0~1로 정규화

tiledlayout(1, 3)
nexttile; imshow(u8);      title("uint8: 0..255")
nexttile; imshow(d255);    title("double: interpreted as 0..1")
nexttile; imshow(d01);     title("double: 0..1")

double(u8)은 자료형만 바꾸고 값의 크기는 바꾸지 않는다. 그래서 1보다 큰 대부분의 값이 흰색으로 포화된다. 반면 im2double(u8)은 uint8 범위를 0~1로 변환하므로 원래 계조가 유지된다.

결과의 최소·최대값을 화면 전체에 펼치기

필터 결과가 100~140처럼 좁은 범위에 있거나 음수를 포함하면 imshow(I)만으로 대비가 약하게 보일 수 있다.

I = peaks(256);  % 음수와 양수를 포함하는 재현 가능한 예제

tiledlayout(1, 2)
nexttile; imshow(I);     title("default double range: 0..1")
nexttile; imshow(I, []); title("data minimum..maximum")

imshow(I,[])는 현재 배열의 최소값을 검정, 최대값을 흰색에 대응시킨다. 이는 화면 표시만 조절하며 I의 값 자체는 바꾸지 않는다. 실제 값을 0~1 범위로 바꾼 새 배열이 필요하면 rescale(I)를 사용할 수 있다.

J = rescale(I);
fprintf("J range: %.1f .. %.1f\n", min(J(:)), max(J(:)));

정량 분석 중에는 보기 좋게 늘어난 화면만 보고 값이 정규화되었다고 판단하지 않도록 min, max, class를 함께 확인하는 습관이 중요하다.

이진·회색조·RGB·인덱스 영상 구분

binaryImage = rand(80, 120) > 0.65;       % logical, MxN
grayImage = uint8(repmat(0:119, 80, 1));  % uint8, MxN

rgbImage = zeros(80, 120, 3, "uint8");    % uint8, MxNx3
rgbImage(:, :, 1) = 220;                  % red channel
rgbImage(:, :, 2) = grayImage;            % green channel

indexImage = repmat(uint8(0:119), 80, 1);
map = parula(120);

tiledlayout(2, 2)
nexttile; imshow(binaryImage);          title("logical")
nexttile; imshow(grayImage);            title("grayscale")
nexttile; imshow(rgbImage);             title("RGB")
nexttile; imshow(indexImage, map);       title("indexed + colormap")

인덱스 영상은 픽셀 값 자체가 밝기가 아니라 색상표의 행을 가리킨다. 정수형 인덱스 영상은 값 0이 색상표의 첫 행을, 1이 둘째 행을 가리키지만 double·single 인덱스 영상은 값 1이 첫 행을 가리킨다. 따라서 자료형을 확인해야 하며, map 없이 회색조처럼 표시하면 원래 의도한 색을 재현할 수 없다.

uint8 영상의 비트 평면 분해

8비트 회색조 픽셀은 8개의 비트로 표현할 수 있다. bitget(I,k)는 각 픽셀의 k번째 비트를 0 또는 1로 꺼낸다.

% 외부 파일 없이 생성하는 256x256 회색조 테스트 영상
[x, y] = meshgrid(uint8(0:255), uint8(0:255));
I = uint8((double(x) + double(y)) / 2);

planes = false([size(I), 8]);
for k = 1:8
    planes(:, :, k) = logical(bitget(I, k));
end

tiledlayout(2, 4)
for k = 1:8
    nexttile
    imshow(planes(:, :, k))
    title(sprintf("bit %d (weight %d)", k, 2^(k-1)))
end

상위 비트일수록 밝기 구조에 큰 영향을 주고, 하위 비트는 미세 변화나 잡음의 영향을 더 많이 보이는 경우가 많다. 다만 이것은 영상 내용에 따라 달라지므로 실제 비트 평면을 확인해야 한다.

비트 평면으로 원본 복원하기

이전 코드처럼 c1, c2 등의 정의되지 않은 변수를 사용하면 실행되지 않는다. 위에서 만든 planes를 가중치와 함께 더하면 원본을 정확히 복원할 수 있다.

reconstructed = zeros(size(I), "uint16");

for k = 1:8
    reconstructed = reconstructed + ...
        uint16(planes(:, :, k)) .* uint16(2^(k-1));
end

reconstructed = uint8(reconstructed);
assert(isequal(I, reconstructed))

figure
imshow(reconstructed)
title("reconstructed from 8 bit planes")

중요한 점은 k번째 평면의 가중치가 2^(k-1)이라는 것이다. 비트 평면을 그대로 더하기만 하면 원래 밝기를 복원할 수 없다.

영상 표시 문제를 확인하는 순서

  1. class(I)로 자료형을 확인한다.
  2. size(I)로 회색조(M×N)인지 RGB(M×N×3)인지 확인한다.
  3. min(I(:)), max(I(:))로 실제 값 범위를 확인한다.
  4. 부동소수점 영상이면 값이 0~1인지 확인한다.
  5. 회색조 영상을 관찰만 할 때는 imshow(I,[]), 값을 변환해야 할 때는 im2double이나 rescale을 목적에 맞게 선택한다.
  6. RGB truecolor에는 imshow(I,[])의 표시 범위 조정이 적용되지 않는다. single·double RGB는 채널 값을 0~1 범위에 맞춰 전달한다.

이후 주파수 영역 필터링까지 연결하려면 DFT 합성곱과 제로 패딩의 실행 예제를 참고할 수 있다.

참고 자료