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Die
vorliegende Erfindung betrifft den Bereich der digitalen Bildverarbeitung
und insbesondere den Bereich der Anwendung von Farbgleichgewichtskorrekturen
auf Digitalbilder, die unter unterschiedlichen Aufnahmelichtquellen
aufgenommen wurden. Digitale Bebilderungssysteme werden im Bereich
der Stehbildfotografie sowie im Bereich der Bewegtbildbebilderung
zunehmend populärer,
wie anhand der Verbreitung von Digitalkameras und Videorekordern
sowie der Dienste zur Digitalisierung fotografischer Filme zu belegen
ist.
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Vorrichtungen
zur farbigen digitalen Bebilderung verwenden im Allgemeinen einen
Array aus Farbsensoren zur Erfassung der Bildinformationen. Die
Sensoren haben üblicherweise
Spektralempfindlichkeiten, die ungefähr den roten, grünen und
blauen Anteilen des sichtbaren Spektrums entsprechen. Alternativ
wurden auch Sensoren mit anderen Spektraleigenschaften, wie Cyan,
Magenta und Gelb, oder Cyan, Magenta, Gelb und Grün, verwendet. Üblicherweise
werden die durch die Farbsensoren erfassten Belichtungswerte ganzzahlig
gemacht, um quantisierte Werte (Codewerte) zu bilden, und zur späteren Verarbeitung
im Speicher abgelegt. Die späteren
Verarbeitungsschritte umfassen üblicherweise
Farbkorrekturen sowie eine Vielzahl räumlicher Verarbeitungsschritte,
beispielsweise die Bildschärfeverbesserung
und/oder Rauschentfernung.
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Die
zur Bilderaufnahme verwendeten Sensoren, was sowohl fotografischen
Film als auch Halbleitersensoren umfasst, unterscheiden sich vom
menschlichen Auge insofern, als dass es ihnen an der Fähigkeit mangelt,
sich an die Umgebungsbelichtung anzupassen. Während sich das menschliche
Auge an Helligkeit und Farbinhalte der Szenenlichtquelle anpasst,
bedürfen
Bildaufnahmesysteme einer Reihe von Kompensationsmechanismen, um
diese Anpassung nachzuahmen. Die Kompensationsmechanismen lassen
sich in zwei Klassen unterteilen, nämlich Mechanismen vor der Belichtung
und Mechanismen nach der Belichtung. Korrek turmechanismen vor der
Belichtung sind solche, die das „Licht verändern", indem sie das von dem Bildsensor erfasste
Licht modifizieren, während
Korrekturmechanismen nach der Belichtung solche sind, die das „Signal verändern", indem sie das vom
Bildsensor erfasste Signal modifizieren. Ein gewisses Maß der Vorbelichtungskompensation
auf den mittleren Beleuchtungspegel wird über die Belichtungssteuerung
erzielt, nämlich über Blende
und Verschlusszeit, die bei den meisten Kameras vorhanden ist. Diese
Steuerungen ermöglichen
eine Grundeinstellung der Belichtung für den oder die Sensoren, sind
aber nur selten ausreichend zuverlässig, um in jedem Fall perfekt
abgeglichene Bilder zu erhalten. Die Kamerabelichtungssteuerung
stellt keine Mechanismen zur Kompensation von Schwankungen der Farbwerte
der Umgebungsbeleuchtung bereit. Der einzige Vorbelichtungsmechanismus,
der eine Korrektur der Farbwerte der Lichtquelle vorsieht, ist die
Verwendung von Farbkorrekturfiltern. Derartige Korrekturen arbeiten
allerdings nur näherungsweise,
da Farbkorrekturfilter für
bestimmte diskrete spektrale Leistungsverteilungen der Lichtquelle
ausgelegt sind.
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Vorbelichtungs-Kompensationsmechanismen
stützen
sich seit jeher auf die Fertigkeiten und Kenntnisse des Fotografen,
während
moderne automatische Belichtungsmesssysteme auch in den Händen eines
Anfängers
recht gute Ergebnisse zu erzielen vermögen. Da Vorbelichtungs-Kompensationsmechanismen
nur eine Teillösung
des Problems der Lichtquellenschwankungen darstellen, bedürfen die
meisten Bilder einer weiteren Kompensation der Szenenlichtquellenschwankung
mithilfe von Mechanismen, die der Aufnahme nachgeordnet sind. Um
eine derartige Kompensation durchzuführen, stehen zahlreiche Techniken
zur Vefügung. Im
Bereich der herkömmlichen
Fotografie mit Silberhalogenidnegativen wurden Nachbelichtungs-Lichtquellenkompensationen
durch Einstellen der Filterung im Lampengehäuse des Vergrößerers oder
Printers und Steuerung der Printbelichtung durchgeführt. Das
Maß dieser
Einstellungen lässt
sich entweder durch Versuch und Irrtum ermitteln oder durch algorithmische
Korrekturen anhand statistischer Messungen der Negativdurchlässigkeit.
In einigen Fällen
kann die „Nachbelichtungskorrektur" vor Durchführung der
Belichtung festgelegt werden, beispielsweise durch Angabe einer
Weißabgleichskorrektur,
indem man eine Weißabgleichseinstellung an
einer Digitalkamera wählt.
Derartige Korrekturen sollten jedoch nicht mit „Vorbelichtungskorrekturen" verwechselt werden,
da die Korrekturen erst dann angewandt werden, nachdem das Bild
aufgenommen worden ist.
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Die
digitale Bebilderung eröffnet
viele zusätzliche
Möglichkeiten
für die
Nachbelichtungs-Lichtquellenkompensation. Eine derartige Kompensation
wird im Allgemeinen mithilfe mathematischer Transformationen durchgeführt, die
auf die digitalen Bilddaten angewandt werden. Beispielsweise können Weißabgleichseinstellungen
in einer Digitalkamera angewandt werden, oder die Einstellung der
gescannten Dichten eines Farbnegativs kann in einem digitalen Photofinishing-System
angewandt werden. Diese Transformationen werden im Allgemeinen auf
eine numerische Codierung der Szenenfarben angewandt. Viele solcher
Codierungen – sowohl
geräteabhängige wie
geräteunabhängige – stehen
zur Darstellung von Farben zur Verfügung.
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Abgleichstransformationen
in digitalen Bebilderungsanwendungen verfolgen normalerweise die
Absicht, das Bild in einer Weise zu modifizieren, die den Anpassungsmechanismen
im menschlichen Auge entspricht. Typischerweise werden einfache
Transformationen verwendet, die entweder aus einem multiplikativem
Skalierungsfaktor (Verstärkungseinstellung)
in einer linearen Farbcodierung oder einer additiven Verschiebung
in einer logarithmischen Farbcodierung bestehen, um eine bestimmte
visuell neutrale Referenz in der Szene auf einen Satz von Sollkoordinaten
in der Farbcodierung abzustimmen. Die gleiche Transformation, die
dazu dient, die neutrale Referenz abzustimmen, wird auch auf alle
anderen Farben in dem Bild angewandt.
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Da
die meisten Szenen kein neutrales Referenzfeld enthalten, das zum
Abgleichen herangezogen werden kann, wird normalerweise eine neutrale
Referenz durch Analyse des Szeneninhalts bestimmt. Algorithmen,
die diese Szenenanalyse durchführen,
um eine Bestimmung der notwendigen Korrektur zu ermitteln, werden
bisweilen auch als „Szenengleichgewichtsalgorithmen" bezeichnet. (Siehe
beispielsweise „Automatic Color
Printing Techniques",
Image Technology, April/Mai 1969, Seite 39–43;
US-A-4,101,217 , erteilt an
AGFA-Gevaert A. G.;
US-A-4,707,119 und
US-A-4,984,013 ,
erteilt an Fuji Photo Film Co., Ltd.;
US-A-4,945,406 , erteilt an Eastman Kodak Company;
und
US-A-5,016,043 ,
erteilt an Gretag Systems.) Szenengleichgewichtsalgorithmen können sich
in ihrer Komplexität
sowie in der Genauigkeit ihrer Ergebnisse erheblich voneinander
unterscheiden. Sie umfassen üblicherweise
die Analyse der Verteilung der Gesamtbelichtungspegel und der relativen
Farbsignalpegel in einem Bild, um die geeignete Kompensation von
Belichtungspegel und Farbgleichgewicht vorzunehmen. Diese Algorithmen
arbeiten häufig
so, dass sie zunächst
eine niedrig aufgelöste
Version des Bildes berechnen und dann das Bild analysieren.
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Auch
wenn die Ausgleichstransformation ein perfekt abgeglichenes Ergebnis
für die
neutrale Referenz erzeugt, sind die für andere Bildfarben erzielten
Ergebnisse möglicherweise
nicht mit der Anpassung des menschlichen Auges konsistent und würden daher
als Fehler wahrgenommen. Das Ausmaß dieser Fehler ist eine Funktion
der Größe der Ausgleichskorrektur
(als Funktion der Szenenbeleuchtung) und der Farbcodierung, auf
die die Abgleichstransformation angewandt wird.
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Beispielsweise
sei angenommen, dass ein Bild von einem digitalen Bebilderungssystem
unter einer Tageslichtquelle von 18.000 K aufgenommen wird, was
einer Schattenszene entspricht, die unter blauem Himmel und ohne
direkte Sonneneinstrahlung belichtet wird. Wenn das Bebilderungssystem
auf die Herstellung gut abgeglichener Bilder mit einer Tageslichtquelle
mit 5000 K optimiert wäre,
hätte das
nicht abgeglichene Bild einen deutlichen Blaustich. Es sei der Fall
angenommen, in dem eine Farbgleichgewichtskorrektur durch Transformation
des Bildes auf einen linearen RGB-Farbraum angewandt wird, der aus
den Primärfarben
des bekannten sRGB-Farbraums besteht, und dass die resultierenden
RGB-Werte mit multiplikativen Skalenfaktoren skaliert werden, so
dass ein neutrales Szenenobjekt perfekt korrigiert würde. Wenn
es das Ziel der Farbgleichgewichtskorrektur ist, ein Bild zu erzeugen,
das mit einem identisch ist, bei dem die Szene mittels der Tageslichtquelle
von nominal 5000 K aufgenommen würde,
lassen sich die Farbfehler durch Berechnen der Farbdifferenz zwischen
den Sollfarben und den abgeglichenen Bildfarben ermitteln. Der für einen
Satz von ca. 400 Testfeldern berechnete mittlere quadratische Farbfehler ΔE*ab, der dem repräsentativen Szenenreflexionsspektrum
entspricht, lag bei 12,07. 1 zeigt
eine Kurve CIELAB a* – b*
mit Darstellung dieser Farbfehler für jedes der Testfelder.
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In
dem vorausgehenden Beispiel wurden die sRGB Primärfarben durch die Primärfarben
ersetzt, die dem RIMM RGB Farbraum zugeordnet waren, beschrieben
in ANSI/I3A IT 10.7466 "Electronic
Still Picture Imaging – Reference
input medium metric RGB color encoding (RIMM-RGB)"; der für dieselben
Testfelder berechnete mittlere quadratische Farbfehler ΔE*ab, betrug 9,40. 2 zeigt
eine Kurve CIELAB a*–b*
mit Darstellung dieser Farbfehler für jedes der Testfelder. Dies
ist zwar eine Verbesserung des mittleren quadratischen Farbfehlers
gegenüber
den Farbfehlern, die den Primärfarben
des sRGB Farbraums zugeordnet sind, ist aber noch weit von einem
perfekten Ergebnis entfernt.
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Spaulding
et al. beschreiben ein Verfahren zur Anwendung der Szenengleichgewichtskorrekturen
in einem digitalen Bebilderungssystem durch Transformation auf einen
Standardfarbraum zur Durchführung
der Analyse des Digitalbildes (siehe Parallelanmeldung US-A-6,243,133).
Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass ein einzelner Szenengleichgewichtsalgorithmus
für viele
unterschiedliche digitale Bebilderungsvorrichtungen verwendbar ist,
ohne den Algorithmus für
jede Vorrichtung neu abstimmen zu müssen. Mit dem Verfahren von Spaulding
et al. wird allerdings der tatsächliche
Korrekturschritt auf das Digitalbild im Eingabefarbraum angewandt.
Die resultierenden Farbfehler weisen daher die gleichen inhärenten Eigenschaften
auf wie diejenigen, die aus der Anwendung des Algorithmus zur Szenengleichgewichtskorrektur
direkt auf den Eingabefarbraum resultieren.
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Feng
Xiao et al. stellt dar, dass der Weißabgleich, der Grautöne beibehält, in vielen
verschiedenen Farbräumen
durchführbar
ist, wenn die Lichtquelle bekannt ist; die Auswahl des Farbraums
beeinflusst die übrigen Farben.
In einer Verhaltensstudie mithilfe psychophysischer Verfahren gaben
Benutzer an, dass sie bestimmte Farbräume gegenüber anderen Farbräumen zur
Durchführung
des Weißabgleichs
bevorzugten (Feng Xiao et al., "Preferred
Color Spaces for White Balancing",
Conference an Sensors and Camera Systems for Scientific, Industrial
and Digital Photography Applications IV und SPIE Band 5017, Seite
342–350,
21. Jan. 2003). Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,
ein verbessertes Verfahren zur Herstellung abgeglichener digitaler
Farbbilder mit reduzierten Farbfehlern bereitzustellen.
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Diese
Aufgaben werden gelöst
mit einem Verfahren zum Korrigieren des Farbgleichgewichts eines
in einem Eingangsfarbraum gebildeten digitalen Farbeingangsbildes,
das mit einer Aufnahmelichtquelle aufgenommen wurde, um ein abgeglichenes
digitales Farbbild zu erzeugen, mit den Schritten:
- a) Übertragen
des digitalen Farbeingangsbildes in einen abgleichenden Farbraum,
worin der abgleichende Farbraum drei Farbkanäle umfasst, die den drei Primärfarben
des Farbraums entsprechen, wobei die Primärfarben des Farbraums derart
ausgewählt
werden, dass minimale Farbfehler entstehen können, wenn das Farbgleichgewicht
für einen Satz
aus einer oder mehreren Aufnahmelichtquellen bezüglich der Zielfarben korrigiert
wird, die erzeugt werden würden,
falls das digitale Farbbild unter Vergleichsbedingungen aufgenommen
worden wäre;
und
- b) Korrigieren des Farbgleichgewichts des digitalen Farbeingangsbildes
im abgleichenden Farbraum, um ein abgeglichenes digitales Farbbild
zu erzeugen, das minimale Farbfehler bezüglich der Zielfarben aufweist,
die erzeugt werden würden,
falls das digitale Farbbild unter Vergleichsbedingungen aufgenommen worden
wäre.
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Die
vorliegende Erfindung hat gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil, dass Farbfehler, die aus der
Anwendung von Farbgleichgewichtskorrekturoperationen minimierbar
sind, indem die Farbgleichgewichtsoperation in einem Farbraum durchgeführt wird,
der zu diesem Zweck optimiert wurde. Mit gar keiner oder nur geringfügiger Steigerung
der Komplexität
des Farbgleichgewichtsalgorithmus ist es mithilfe dieses Ansatzes möglich, Bilder
zu erhalten, die gefälliger
und realistischer sind.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Kurve CIELAB a*–b*
mit Darstellung der Farbfehler, die bei Anwenden einer Farbgleichgewichtskorrektur
auf einen Farbraum mit den sRGB Farbraumprimärfarben nach dem Stand der
Technik entstehen;
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2 eine
Kurve CIELAB a*–b*
mit Darstellung der Farbfehler, die bei Anwenden einer Farbgleichgewichtskorrektur
auf einen Farbraum mit den RIMM RGB Farbraumprimärfarben nach dem Stand der
Technik entstehen;
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3 ein
Ablaufdiagramm zur Darstellung eines bevorzugten Verfahrens zur
Anwendung von Farbgleichgewichtskorrekturen gemäß der vorliegenden Erfindung;
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4 ein
Ablaufdiagramm zur Darstellung eines bevorzugten Verfahrens zur
Bestimmung von abgleichenden Farbraumprimärfarben nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
und
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5 eine
Kurve CIELAB a*–b*
mit Darstellung der Farbfehler, die bei Anwenden einer Farbgleichgewichtskorrektur
auf einen Farbraum mit optimierten abgleichenden Farbraumprimärfarben
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
entstehen.
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Die
Erfindung stellt ein Verfahren zum Farbabgleichen von Bildern in
einer Weise bereit, die die Farbfehler minimiert, die mit Farbgleichgewichtsabstimmungsverfahren
nach dem Stand der Technik verbunden sind. 3 zeigt
anhand eines Ablaufdiagramms ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Verfahren wurde ein eingegebenes
digitales Farbbild in einem Eingabefarbraum 100 unter einer
Aufnahmelichtquelle aufgenommen. Ein Schritt 105 zum Übertragen
in den abgleichenden Farbraum wird verwendet, um eine Farbraumtransformation
auf das digitale Farbeingabebild in einem Eingabefarbraum 100 anzuwenden,
um ein entsprechendes digitales Farbeingabebild in dem abgleichenden
Farbraum 110 zu bestimmen, wobei der abgleichende Farbraum
drei Farbkanäle
aufweist, die den drei Farbraumprimärfarben entsprechen, wobei
die Farbraumprimärfarben
derart gewählt
sind, dass sie minimale Farbfehler erzeugen, wenn das Farbgleichgewicht
für einen
Satz aus einer oder mehreren Aufnahmelichtquellen bezüglich der
Zielfarben korrigiert wird, die erzeugt werden würden, falls das digitale Farbbild
unter Vergleichsbedingungen aufgenommen worden wäre. Als nächstes wird ein Schritt 115 zum
Korrigieren des Farbgleichgewichts des Digitalbildes verwendet,
um ein abgeglichenes digitales Farbbild in dem abgleichenden Farbraum
zu erzeugen 120. Abschließend erfolgt eine optionale Übertragung 125 in
den Ausgabefarbraum, um eine Farbraumtransformation anzuwenden,
um ein entsprechendes abgeglichenes digitales Farbbild in einem
Farbausgaberaum zu bestimmen 130.
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Die
verschiedenen Elemente der vorliegenden Erfindung werden nachstehend
detaillierter erörtert. Das
digitale Farbeingabebild in einem Eingabefarbraum 100 kann
mithilfe verschiedener Mittel aufgenommen werden. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird das digitale Farbeingabebild in
einem Eingabefarbraum 100 mit einer digitalen Bildaufnahmevorrichtung
aufgenommen, wie beispielsweise einer Digitalkamera. In einem weiteren
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird das digitale Farbeingabebild in
einem Eingabefarbraum 100 mit fotografischem Film aufgenommen
und anschließend
mit einem Filmscanner abgetastet. Weitere Arten von Bildaufnahmevorrichtungen
umfassen Videokameras oder Auflichtscanner, die zum Abtasten von
Auflichtprints verwendet werden. Die Methode kann zudem auf computererstellte
Bilder angewandt werden, die Simulationen tatsächlicher Szenenaufnahmen sind.
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Das
digitale Farbeingabebild in einem Eingabefarbraum 100 kann
sich in einer Reihe von Eingabefarbräumen befinden. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der Erfindung würde
der Eingabefarbraum der Aufnahmefarbraum der Bildaufnahmevorrichtung
sein. Beispielsweise kann dies der RGB-Farbraum des zugrundeliegenden
Sensors für
eine Digitalkamera sein, in der jeder Farbkanal der Spektralempfindlichkeit
der einzelnen Sensorfarbkanäle
zugeordnet wäre.
In ähnlicher
Weise könne
der Eingabefarbraum auch der Aufnahmefarbraum sein, der dem RGB-Farbraum
des zugrundeliegenden Sensors für
einen Filmscanner zugeordnet ist, oder der Aufnahmefarbraum, der
den Spektralempfindlichkeiten eines herkömmlichen fotografischen Filmmaterials
zugeordnet ist.
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Alternativ
hierzu kann der Eingabefarbraum ein Zwischenfarbraum sein, in den
das aufgenommene Bild übertragen
worden ist. Beispielsweise kann der Eingabefarbraum ein standardgeräteabhängiger Farbraum
sein, wie der bekannte sRGB-Farbraum, oder er kann ein geräteunabhängiger Farbraum
sein, wie die bekannten Farbräume
CIE XYZ oder CIELAB. In diesen Fällen
wird eine Farbtransformation üblicherweise
verwendet, um das aufgenommene Digitalbild in den Zwischenfarbraum
zu übertragen.
In einigen Fällen
kann diese Transformation gut definiert und exakt sein, wogegen
in anderen Fällen
die Farbtransformation nur eine Approximation sein kann. Es sei
beispielsweise der Fall einer Digitalkamera angenommen. Wenn die
Sensoren der Digitalkamera spektrale Empfindlichkeiten haben, die
lineare Kombinationen der CIE-Farbabstimmungsfunktionen sind, gibt
es eine einfache und genaue Beziehung zwischen den aufgenommenen
RGB-Sensorfarbwerten und den entsprechenden CIE XYZ Farbwerten für die Szene.
Wenn die Sensoren in der Digitalkamera andererseits Spektralempfindlichkeiten
aufweisen, die durch lineare Kombinationen der CIE Farbabstimmungsfunktionen
nicht darstellbar sind, dann würden
jegliche Transformationen nach CIE XYZ eine Approximation des tatsächlichen
Szenenfarbwerts aufgrund von Beschränkungen der Sensormetamerie
erzeugen. Verfahren zur Bestimmung derartiger approximierter Farbtransformatio nen
sind in der Technik bekannt und umfassen typischerweise gewisse
Fehlerminimierungsprozesse, wie beispielsweise die Fehlerquadratmethode.
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Für die folgende
Erörterung
sei angenommen, dass das digitale Farbeingabebild mit einer Digitalkamera
mit Spektralempfindlichkeiten aufgenommen wurde, die lineare Kombinationen
der CIE Farbabstimmungsfunktionen sind, und dass das digitale Farbeingabebild
in den CIE XYZ Farbraum übertragen
wurde durch Anwenden der entsprechenden Matrixtransformation auf
die linearen RGB Sensorfarbwerte. Es sei jedoch darauf hingewiesen,
dass dieses Verfahren nicht von dieser Bedingung abhängig ist,
und dass es gleichermaßen
gut mit jeder anderen Art von Eingabefarbraum und Bildaufnahmevorrichtung
anwendbar ist.
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Das
digitale Bildeingabebild wird unter einer Aufnahmelichtquelle aufgenommen. Üblicherweise
sind die meisten Bildaufnahmevorrichtungen auf eine Referenzlichtquelle
optimiert, und daher erzeugen sie ein gut abgeglichenes Bild mit
genauen Farben, wenn eine reale Szene unter dieser Referenzlichtquelle
aufgenommen wird. Wenn jedoch eine Szene unter einer anderen Aufnahmelichtquelle
aufgenommen wird, erzeugt das digitale Eingabebild häufig kein
wünschenswertes
Bild, es sei denn, es wird eine Farbgleichgewichtskorrektur angewandt.
Beispielsweise sei der Fall angenommen, dass eine Bildaufnahmevorrichtung
zur Erzeugung eines ansprechenden Bildes unter einer Tageslichtquelle
mit 5000 K Farbtemperatur optimiert ist (beispielsweise CIE Lichtquelle
D50). Wenn diese Vorrichtung zur Aufnahme eines Bildes unter einer
Kunstlichtquelle verwendet wird, sieht das resultierende Bild üblicherweise
sehr „warm" aus, wenn keine
Farbgleichgewichtskorrektur angewandt wird, weil Kunstlichtquellen
einen viel größeren Rotgehalt
und einen viel kleineren Blaugehalt haben. Andere Arten von Lichtquellen,
wie Fluoreszenzlichtquellen, erzeugen ebenfalls unerwünschte Ergebnisse,
wenn keine Farbgleichgewichtskorrektur angewandt wird. Sogar Bilder,
die unter einer Tageslichtquelle ohne unterschiedliche Farbtemperaturen
erfasst werden (beispielsweise zu unterschiedlichen Tageszeiten oder
unter unterschiedlichen Himmelsbedingungen usw.) können unerwünschte Ergebnisse
liefern.
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Während sich
das menschliche Auge automatisch an Änderungen der Betrachtungsbeleuchtung
anpasst, bedürfen
fotografische Bebilderungssysteme eines Farbgleichgewichtskorrekturschritts,
um in der Lage zu sein, wünschenswerte
Bilder unter verschiedenen Aufnahmelichtquellen bereitzustellen.
In einem herkömmlichen,
filmgestützten
fotografischen System wird der Farbgleichgewichtskorrekturschritt üblicherweise angewandt,
wenn ein fotografisches Negativ mit einem optischen Vergrößerer kopiert
wird, oder durch Ausfilterung zur Kompensation des Farbgleichgewichtsfehlers.
Beispielsweise kann die Filtration so abgestimmt werden, dass das
Farbgleichgewicht eines unter Kunstlichtquelle aufgenommenen Bildes
in Blaurichtung verschoben wird. In digitalen Bebilderungssystemen
kann der Farbkorrekturschritt entweder durch Abstimmung der analogen
Verstärkung
für die
Sensorschaltung implementiert werden oder durch Verwendung einer
digitalen Bildverarbeitungsoperation nach der Bildaufnahme. Der
Einsatz einer Bildverarbeitungsoperation nach der Bildaufnahme umfasst üblicherweise
die Anwendung multiplikativer Farbgleichgewichts-Skalierungsfaktoren für jeden
Farbkanal des Digitalbildes. (Bei Verwendung einer logarithmischen
Farbcodierung werden jedem Farbkanal Farbgleichgewichts-Versatzwerte
zugegeben.)
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Das
Ziel des Schritts 115 zum Korrigieren des Farbgleichgewichts
des Digitalbildes in der vorliegenden Erfindung besteht üblicherweise
darin, die Farbwerte so abzugleichen, dass ein neutralgraues Motiv
in der Szene auf dieselben Farbwerte abgestimmt wird, die erzeugt
worden wären,
wenn das digitale Farbbild unter Referenzbedingungen aufgenommen
worden wäre.
Beispielsweise sind viele Digitalkameras derart ausgelegt, dass
ein neutrales Motiv gleiche RGB-Farbwerte liefert, wenn die Szene
unter einer Referenzlichtquelle aufgenommen wird. Wenn die Szene
allerdings unter einer anderen Lichtquelle aufgenommen wird, sind
die RGB-Farbwerte nicht mehr gleich. Die meisten Operationen zur
Korrektur des Farbgleichgewichts wenden einfach multiplikative Farbgleichgewichts-Skalierungsfaktoren
auf die einzelnen RGB-Farbkanäle
an, so dass die neutralen Motive erneut gleiche Codewerte aufweisen.
(Üblicherweise
werden die Farbgleichgewichts-Skalierungsfaktoren auf radiometrisch
lineare RGB-Werte angewandt, aber sie können ebenfalls auf RGB-Werte
angewandt werden, die mithilfe einer nichtlinearen Potenzfunktion
codiert worden sind.)
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Die
Farbgleichgewichts-Skalierungsfaktoren werden typischerweise mithilfe
automatischer Farbgleichgewichts-Bestimmungsalgorithmen bestimmt,
um die aufgenommene Szene zu analysieren. Beispielsweise wird bisweilen
angenommen, dass typische Szenen im Mittelwert grau sind. In diesem
Fall lassen sich die geeigneten Farbgleichgewichts-Skalierungsfaktoren
durch Berechnen der mittleren RGB-Werte für das Bild ermitteln, worauf
die Verstärkungswerte
bestimmt werden, die notwendig waren, um diese in Gleichung zu bringen.
Allerdings werden derart einfache Algorithmen leicht getäuscht, was
zur Entwicklung höher
entwickelter Verfahren zur Bestimmung der geeigneten Farbgleichgewichts-Skalierungsfaktoren
geführt
hat. Eine Erörterung
der Details dieser Algorithmen würde
den Rahmen dieser Diskussion sprengen, aber für das erfindungsgemäße Verfahren
ist ein beliebiges dieser Verfahren verwendbar.
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In
einigen Fällen
ist eine manuelle Szenengleichgewichtsoperation verwendbar, bei
der eine Benutzeroberfläche
bereitgestellt wird, die einem Benutzer ermöglicht, eine gewünschte Farbgleichgewichtskorrektur
anzugeben. Beispielsweise kann die Benutzeroberfläche eine
Reihe von Farbgleichgewichts-Schiebeleisten oder einen Mechanismus
beinhalten, der es dem Benutzer ermöglicht, auf ein neutrales Motiv
in dem Bild zu klicken.
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In
einigen Fällen
stehen möglicherweise
Informationen über
die Szenenbelichtung zur Verfügung,
um die geeignete Farbgleichgewichtskorrektur zu ermitteln. Wenn
bei einer Digitalkamera beispielsweise der Blitz ausgelöst wird,
ist diese Information verwendbar, um entsprechende Farbgleichgewichts-Skalierungsfaktoren zu
bestimmen, da die Szenenbeleuchtung eine bekannte spektrale Zusammensetzung
aufweisen wird. Alternativ hierzu können Informationen über die
Szenenbeleuchtung von Farbtemperatursensoren an der Kamera ermittelt
werden, oder der Benutzer kann eine geeignete Szenenbeleuchtungsart
durch Auswahl aus einer Liste typischer Szenenlichtquellen bestimmen.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Operation zur Korrektur des Farbgleichgewichts
verwendbar ist, um Farbgleichgewichtsmodifikationen über diejenigen
hinaus bereitzustellen, die notwendig sind, um einfach die Variabilität der Aufnahmelichtquelle
zu berücksichtigen.
Das Bebilderungssystem kann beispielsweise andere Variabilitätsquellen
beinhalten, die das gesamte Farbgleichgewicht des Bildes betreffen
würden,
beispielsweise die Variabilität
der Sensor/Filmempfindlichkeit, Filmverarbeitung usw. Die Operation
zur Korrektur des Farbgleichgewichts ist zudem verwendbar, um eine
benutzerspezifische Farbgleichgewichtsabstimmung anzuwenden, um
die Vorlieben einer bestimmten Person oder Personengruppe zu erfüllen. Derartige
Vorlieben können
bildweise angegeben werden oder als Voreinstellung für das Farbgleichgewicht
insgesamt, dass für alle
Bilder anzuwenden ist.
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Wie
bereits im Hintergrund der Erfindung erwähnt, kann auch eine Farbgleichgewichtskorrektur,
die die neutralen Szeneelemente perfekt korrigiert, unerwünschte Verzerrungen
ande rer Farben in der Szene erzeugen. Der Farbton eines blauen Himmels
könnte
beispielsweise rötlich
wirken, oder ein gelbes Objekt könnte
verweißlicht
werden und grünlich
wirken. Die meisten störenden
Fehler betreffen üblicherweise
Farbton- und/oder Sättigungsfehler
für verschiedene
Erinnerungsfarben, was zu unnatürlich
aussehenden Bildern führen
kann. Probleme können
insbesondere auftreten, wenn die Farbgleichgewichtsoperation eine Änderung des
Farbnamens bewirkt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist darauf ausgelegt,
diese Probleme zu minimieren, indem der Schritt 115 zum
Korrigieren des Farbgleichgewichts des Digitalbildes in einem abgleichenden Farbraum
angewandt wird, der zur Erhaltung der Farbgenauigkeit optimiert
worden ist. Insbesondere ist der abgleichende Farbraum mit drei
Farbkanälen
ausgestattet, die drei Primärfarben
des Farbraums entsprechen, wobei die Primärfarben des Farbraums derart
ausgewählt
sind, dass sie minimale Farbfehler erzeugen, wenn das Farbgleichgewicht
für einen
Satz aus einem oder mehreren Aufnahmelichtquellen korrigiert wird.
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Nach
dem Schritt 115 zum Korrigieren des Farbgleichgewichts
des Digitalbildes zur Bestimmung eines abgeglichenen digitalen Farbbildes
in dem abgleichenden Farbraum 120 ist eine optionale Übertragung 125 in den
Ausgabefarbraum verwendbar, um eine Farbraumtransformation anzuwenden
und ein entsprechendes abgeglichenes digitales Farbbild in einem
Farbausgaberaum zu bestimmen 130. In einigen Fällen kann
es wünschenswert
sein, das abgeglichene digitale Farbbild zurück in den Eingabefarbraum zu übertragen.
In diesem Fall ist der Ausgabefarbraum gleich dem Eingabefarbraum.
Alternativ kann es wünschenswert
sein, das abgeglichene digitale Farbbild in einen anderen Ausgabefarbraum
zu übertragen.
Beispielsweise kann es wünschenswert
sein, das Bild in einen Ausgabefarbraum zu übertragen, der einer Standardausgabevorrichtung
zugeordnet ist, wie z. B. einer sRGB-Videoanzeige.
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Bezugnehmend
auf 4 kann ein optimaler Satz aus Primärfarben
des abgleichenden Farbraums erfindungsgemäß ermittelt werden, wie nachfolgend
detailliert beschrieben wird. In diesem Verfahren werden die Farbfehler
für einen
Satz von Eingabetestfeldern minimiert, die durch einen Satz von
Testfeld-Auflichtspektren 200 gekennzeichnet sind. Die
Zielfarbenwerte 215 für
den Satz von Testfeldern werden mithilfe eines Schritts 210 zur
Berechnung der Zielfarbenwerte ermittelt. Die Zielfarbenwerte 215 werden üblicherweise
mithilfe eines Referenzlichtquellenspektrums 205 ermittelt,
das der Auslegungslichtquelle für
das Bildaufnahmesystem entspricht, zusammen mit den Testfeldauflichtspektren 200.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der
Erfindung sind die Zielfarbenwerte 215 durch die Werte
des CIE XYZ Farb raums für
die Testfelder definiert, wie unter der Referenzlichtquelle betrachtet.
Die Werte des CIE XYZ Farbraums können mithilfe einfacher Berechnungen
bestimmt werden, wie einschlägigen
Fachleuten bekannt ist. Die Zielfarbenwerte 215 können direkt
in Werten des CIE XYZ Farbraums ausgedrückt oder alternativ in einen
anderen Farbraum umgewandelt werden. Beispielsweise können sie
in Werten der Farbräume
CIELAB oder CIELUV oder in Werten der Farbdarstellungsmetrik unter
Verwendung eines Farbdarstellungsraumes aus einer Reihe von Farbdarstellungsräumen ausgedrückt werden,
die einschlägigen
Fachleuten bekannt sind (z. B. CIECAM2000).
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Alternativ
hierzu können
die Zielfarbenwerte 215 mit einer Reihe anderer Verfahren
ermittelt werden. Beispielsweise können die Zielfarbenwerte 215 in
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung entsprechend den Farbwerten ermittelt werden, die
von einer Referenzbildaufnahmevorrichtung mit einem spezifizierten
Satz von Spektralempfindlichkeiten aufgenommen wurden. In einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung können
die Zielfarbenwerte 215 aus den Testfeldauflichtspektren
und einem bestimmten Aufnahmebeleuchtungsspektrum ermittelt werden,
indem die CIE XYZ Werte der Felder unter der Aufnahmelichtquelle
ermittelt werden und dann eine chromatische Adaptionstransformation
verwendet wird, um entsprechende CIE XYZ Farbwerte zu ermitteln,
die erforderlich wären,
um dieselbe Feldfarbendarstellung unter der Referenzlichtquelle
zu erzeugen. Es sind zahlreiche unterschiedliche Arten von chromatischen
Adaptionstransformationen verwendbar, die einschlägigen Fachleuten
bekannt sind.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung umfasst der Satz der Testfeldauflichtspektren 200 eine
repräsentative
Abtastung der Auflichtspektren, die in realen Szenen zu finden wären, die
für die
jeweilige Anwendung relevant sind. Im Allgemeinen ist es wünschenswert,
dass die Testfelder Farben enthalten, die über den gesamten Farbraum verteilt
sind, ebenso wie wichtige Erinnerungsfarben, wie die Töne der menschlichen
Haut, von Blättern
usw. Es ist im Allgemeinen sinnvoll, eine Reihe nicht selektiver
neutraler Felder einzubeziehen. (Diese sind zur Ermittlung der entsprechenden
Farbgleichgewichtstemperaturen für
eine gegebene Aufnahmelichtquelle verwendbar.)
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Als
nächstes
wird ein Schritt 225 zur Berechnung nicht abgeglichener
Farbwerte verwendet, um einen Satz aus nicht abgeglichenen Farbwerten 230 aus
einem Satz eines oder mehrerer Aufnahmelichtquellenspektren 220 und
demselben Satz aus Testfeldauflichtspektren 200 zu ermitteln.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung sind die nicht abgeglichenen Farbwerte durch die Werte
des CIE XYZ Farbraums für
die Testfelder definiert, wie unter jedem der Aufnahmelichtquellenspektren 220 betrachtet.
Wie unter Bezug auf die Berechnung der Zielfarbenwerte 215 besprochen,
können
die nicht abgeglichenen Farbwerte 230 in einem beliebigen
Farbraum aus mehreren unterschiedlichen Farbräumen ausgedrückt werden,
einschließlich
geräteabhängiger Farbräume für eine Referenzbildaufnahmevorrichtung
mit einem spezifizierten Satz von Spektralempfindlichkeiten.
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Der
Satz der Aufnahmelichtquellenspektren 220 sollte eine repräsentative
Abtastung von Aufnahmelichtquellen umfassen, die für die jeweilige
Anwendung relevant sind. Beispiele von Lichtquellen, die üblicherweise
in fotografischen Szenen gefunden würden, wären u. a. Tageslichtquellen,
Kunstlichtquellen, schwarze Strahler, Fluoreszenzlichtquellen und
Elektronenblitzlichtquellen. Jede dieser unterschiedlichen Lichtquellenarten
ist mit einer oder mehreren unterschiedlichen Farbtemperaturen darstellbar.
In einigen Anwendungen ist möglicherweise
nur eine Lichtquelle von besonderem Interesse. Wenn beispielsweise
eine fotografische Anwendung eine gut gesteuerte Studiolichtquelle
verwendet, würde
der Satz der Aufnahmelichtquellenspektren 220 nur diese
bestimmte Lichtquelle beinhalten müssen. In anderen Anwendungen
können
die Lichtquellen recht weit untereinander variieren. In diesen Fällen ist
es im Allgemeinen wünschenswert,
einen unterschiedlichen Satz von Lichtquellen in den Satz von Aufnahmelichtquellenspektren 220 einzubeziehen.
In einigen Anwendungen sind möglicherweise
spezielle Beleuchtungsbedingungen vorhanden, die zu berücksichtigen
sind. Beispielsweise wird bei der Unterwasserfotografie normalerweise
mit Tageslicht gearbeitet, das bei unterschiedlichen Wassertiefen
ausgefiltert werden muss. In diesem Fall können effektive Unterwasserlichtquellen definiert
werden, die dem Produkt der Lichtquellenspektren und dem spektralen
Transmissionsgrad von Wasser entsprechen.
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Als
nächstes
wird ein Schritt zur Übertragung
in einen abgleichenden Farbraum 240 verwendet, um die unabgeglichenen
Farbwerte 230 in entsprechende unabgeglichene Farbwerte
in dem abgleichenden Farbraum 250 zu übertragen. Der abgleichende
Farbraum ist ein additiver RGB-Farbraum mit drei Farbkanälen, die
den drei Primärfarben
des abgleichenden Farbraums 290 entsprechen. Solche additiven
RGB-Farbräume haben
eine einfache lineare Matrixbeziehung zu CIE XYZ Tristimuluswerten.
Die drei Primärfarben
des Farbraums sind üblicherweise
anhand ihrer CIE x-y-Farbwertkoordinaten definiert. Für die Fälle, in
denen die unabgegliche nen Farbwerte 230 in einem Farbraum
dargestellt werden, der von der CIE-Farbmetrik abgeleitet ist, gibt
es eine genaue und einfache Übertragung
zwischen den urabgeglichenen Farbwerten 230 und den entsprechenden
unabgeglichenen Farbwerten im abgleichenden Farbraum 250.
Wenn beispielsweise die unabgeglichenen Farbwerte 230 als
CIE XYZ Farbwerte ausgedrückt
werden, ist eine einfache lineare 3 × 3 Matrixtransformation verwendbar,
um die entsprechenden Farbwerte des abgleichenden Farbraums zu ermitteln. Diese
Matrix lässt
sich für
die Farbwertkoordinaten der Grundfarben des abgleichenden Farbraums 290 und die
Farbwertkoordinaten für
einen abgleichenden Farbraumweißpunkt
mithilfe von Verfahren ermitteln, die einschlägigen Fachleuten bekannt sind. Üblicherweise
wird der abgleichende Farbraum als mit dem Referenzlichtquellenspektrum 205 übereinstimmend
definiert, obwohl dies keine Voraussetzung ist.
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Für Fälle, in
denen die unabgeglichenen Farbwerte 230 in geräteabhängigen Farbräumen für eine Referenzbildaufnahmevorrichtung
mit einem spezifizierten Satz von Spektralempfindlichkeiten dargestellt
werden, gibt es aufgrund von Metameriebeschränkungen des Sensors im Allgemeinen
keine genaue Beziehung zwischen den unabgeglichenen Farbwerten und
den CIE XYZ Werten. In solchen Fällen
kann eine näherungsweise Übertragung
in CIE XYZ Farbwerte mithilfe bekannter Modellierungstechniken ermittelt
werden, wie beispielsweise der kleinsten Fehlerquadratminimierung.
Die resultierenden CIE XYZ Werte können dann mit der zuvor erörterten
einfachen, linearen 3 × 3
Matrixtransformation in den abgleichenden Farbraum übertragen werden.
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Abhängig von
den Farbwertkoordinaten der Grundfarben des abgleichenden Farbraums 290 können einige
der nicht abgeglichenen Farbwerte negative RGB-Werte für einen
oder mehrere Farbwerte aufweisen, wenn diese in den abgleichenden
Farbraum übertragen
werden. Zum Zwecke dieser Berechnungen besteht keine Notwendigkeit,
diese negativen Werte abzutrennen, die den Farbfächer der Farben, die darstellbar
sind, einschränken
würden.
Ebenso können
einige der nicht abgeglichenen Farbwerte RGB-Werte von größer als 1,0
für einen
Farbwert oder für
mehrere Farbwerte aufweisen, wenn diese in den abgleichenden Farbraum übertragen
werden. Diese können
auch beibehalten werden, um keine Beschränkungen des Farbächers aufzuerlegen.
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In
einigen Fällen
kann es wünschenswert
sein, eine nichtlineare Codierungsfunktion auf die Farbwerte des
abgleichenden Farbraums anzuwenden. Dies ist insbesondere der Fall,
wenn es wünschenswert
ist, eine ganzzahlige digitale Darstellung zu verwenden. Üblicherweise
werden in diesen Fällen „Gammafunktionen" oder logarithmische
Nichtlinearitäten
verwendet. Diese Funktionsarten haben den Vorteil, dass die Codewerte visuell
gleichmäßiger als
bei linearen Codierungsfunktionen verteilt sind. (Es ist im Allgemeinen
wünschenswert,
nichtlineare Codierungsfunktionen zu verwenden, die die Farbwerte
im erweiterten Bereich beibehalten, wie zuvor erwähnt.)
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An
diesem Punkt sind die optimalen Primärfarben des abgleichenden Farbraums
290 noch
nicht ermittelt. Es ist daher notwendig, bezüglich der Farbwertkoordinaten
einige Annahmen vorauszuschicken. Die angenommenen Farbwertanfangskoordinaten
sind nicht von großer
Bedeutung, sofern ein robuster Optimierungsprozess verwendet wird,
um die optimalen Werte zu ermitteln. Ein Beispiel eines Satzes von
anfänglichen Primärwerten,
die angenommen werden können,
ist (0,0;0,0), (0,0;1,0) und (1,0;0,0). Unter Rückbezug auf eine Erörterung
von
4 wird als nächstes
ein Schritt
255 zur Anwendung der Gleichgewichtskorrektur
auf Farbwerte verwendet, um abgeglichene Farbwerte in dem abgleichenden
Farbraum
260 zu ermitteln. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird dies dadurch erreicht, dass multiplikative Farbgleichgewichts-Skalierungsfaktoren
auf jeden der Farbkanäle
der nicht abgeglichenen Farbwerte in dem abgleichenden Farbraum
250 angewandt
werden, um abgeglichene Farbwerte in dem abgleichenden Farbraum
260 auszubilden.
Die multiplikativen Farbgleichgewichts-Skalierungsfaktoren, die
für eine
gegebene Aufnahmelichtquelle geeignet sind, können ohne weiteres durch Berechnen
der Verhältnisse
der unabgeglichenen Farbwerte in dem abgleichenden Farbraum
250 für spektral
nicht selektive Neutralfelder mit den entsprechenden Farbwerten
für die
Referenzlichtquelle ermittelt werden. In Gleichungsform lassen sich
die multiplikativen Farbgleichgewichts-Skalierungsfaktoren F
R, F
G und F
B für
die drei Farbkanäle
des abgleichenden Farbraums ermitteln durch:
wobei (R
K,ref,
G
K,ref, B
K,ref)
die Farbwerte in dem abgleichenden Farbraum
250 für das spektral
nicht selektive neutrale Feld für
die Referenzlichtquelle sind, und (R
K ,cap, G
K,cap, B
K,cap) sind die Farbwerte in dem abgleichenden
Farbraum
250 für
das spektral nicht selektive neutrale Feld für die Aufnahmelichtquelle.
(Wenn der Weißpunkt
des abgleichenden Farbraums der Referenzlichtquelle entspricht,
sollten R
K,ref, G
K,ref,
und B
K,ref alle gleich sein.) Andere Transformationsformen
können
in Schritt
255 zur Anwendung der Gleichgewichtskorrektur
auf Farbwerte ebenfalls verwendet werden, insbesondere für den Fall,
dass eine nicht lineare Codierung für den abgleichenden Farbraum
verwendet wird.
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Nach
Durchführen
des Schritts 255 zur Anwendung der Gleichgewichtskorrektur
auf Farbwerte sollten alle spektral nicht selektiven Felder in dem
Satz aus Testfeldern perfekt korrigiert sein. Allerdings, und wie
zuvor erörtert,
können
in die Farbwerte für
nicht neutrale Farben erhebliche Verzerrungen eingebracht werden. Um
die Größe dieser
Farbfehler zu bewerten, wird ein Schritt 265 zur Berechnung
der abgeglichenen Farbwerte verwendet, um abgeglichene Farbwerte 270 zu
ermitteln, indem die abgeglichenen Farbwerte in dem abgleichenden
Farbraum 260 in denselben Farbraum umgewandelt werden,
der zur Darstellung der Sollfarbwerte 215 verwendet wurde.
Diese Transformation ist dann eine Funktion der Primärfarben
des abgleichenden Farbraums 290.
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Als
nächstes
werden die Feldfarbfehler
280 mit einem Schritt
275 zur
Berechnung von Feldfarbenfehlern ermittelt. Es gibt viele unterschiedliche
Möglichkeiten
zur Ermittlung der Feldfarbfehler
280. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung werden die Feldfarbfehler durch Berechnen
der Farbdifferenzen in einem sogenannten einheitlichen Farbraum
ermittelt, wie beispielsweise CIELAB oder CIELUV. Dies erfolgt zunächst durch Übertragen
der Zielfarbwerte
215 und der abgeglichenen Farbwerte
270 in den
einheitlichen Farbraum und durch Ermitteln der Farbdifferenzwerte
für jedes
der Testfelder und jede der Lichtquellen. Die Farbdifferenzwerte
können
mithilfe einer Farbdifferenzmetrik ermittelt werden, wie beispielsweise
CIE ΔE*
ab:
wobei L*
aim,
a*
aim b*
aim CIELAB
Koordinaten für
die Zielfarbwerte
215 sind, und wobei L*
bal,
a*
bal und b*
bal die CIELAB
Koordinaten für
die abgeglichenen Farbwerte
270 sind. Andere einheitliche
Farbdifferenzmetriken sind ebenfalls verwendbar, wie beispielsweise
die bekannte Metrik CIE ΔE*
94. Zudem können auch Farbdifferenzen zwischen
Farbwerten in Bezug auf einen Farbdarstellungsraum, wie CIECAM2000,
ermittelt werden.
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Die
Farbfehler für
die verschiedenen Testfelder und Aufnahmelichtquellen lassen sich
kombinieren, um eine Farbfehlerkostenfunktion zu ermitteln. In einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird die Kostenfunktion durch Mittelung
der Feldfarbfehler
280 über
alle Felder und alle Aufnahmelichtquellen hinweg ermittelt.
wobei ΔE*
ij für den Feldfarbfehler
für das
1. Testfeld und die j-te Aufnahmelichtquelle, N
p für die Zahl
der Testfelder und N
1 für die Zahl der Aufnahmelichtquellen
steht. Variationen dieser Basiskostenfunktionen würden das
stärkere
Gewichten der Farbfelder auf wichtigere Farben als für andere
Farben umfassen, und/oder das Gewichten der Farbfehler auf wichtigere
Aufnahmelichtquellen als für
andere Aufnahmelichtquellen. Beispielsweise wäre es wünschenswert, Farbfehler für Hauttöne stärker zu
gewichten, da diese Farben für
menschliche Beobachter wichtiger sind. Desgleichen wäre es wünschenswert,
die gängigen
Aufnahmelichtquellen stärker als
weniger gängige
Aufnahmelichtquellen zu gewichten. Einem einschlägigen Fachmann wird es klar
sein, dass viele verschiedene Formen der Kostenfunktionen ebenfalls
erfindungsgemäß verwendbar
sind. Beispielsweise könnte
es wünschenswert
sein, Farbtonfehler stärker
zu gewichten als Helligkeitsfehler, oder es könnte wünschenswert sein, die Feldfarbfehler
mithilfe anderer Verfahren neben einfachen arithmetischen Mitteln
zu kombinieren.
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Abschließend wird
ein Schritt zur Abstimmung der Primärfarben des abgleichenden Farbraums
zur Minimierung von Farbgleichgewichtsfehlern 285 verwendet,
um einen optimalen Satz an Primärfarben
des abgleichenden Farbraums 290 zu bestimmen. In einem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung erfolgt dies durch Finden des Satzes
an Primärfarben
des abgleichenden Farbraums 290, der die Farbfehlerkostenfunktion
minimiert. Es gibt viele nichtlineare Optimierungstechniken, die
in der Technik zur Minimierung von Kostenfunktionen bekannt sind,
wie beispielsweise die hier beschriebenen. Viele dieser Techniken
umfassen die iterative Abstimmung der Farbwerte der Primärfarben
des abgleichenden Farbraums 290 und das Auswerten der Kostenfunktion,
um zu bestimmen, welche Abstimmungen den Wert der Kostenfunktion
reduzieren. Der Iterationsprozess wird wiederholt, bis der minimale
Kostenfunktionswert identifiziert ist. Ein Beispiel einer solchen
nichtlinearen Optimierungstechnik ist der bekannte Levenberg-Marquardt-Algorithmus.
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Es
kann sinnvoll sein, eine Reihe von Bedingungen in den nichtlinearen
Optimierungsprozess einzubringen. Beispielsweise kann es wünschenswert
sein, die Positionen der Primärfarben
des abgleichenden Farbraums 290 so zu bestimmen, dass diese
weit genug verteilt sind, um einen Satz an wichtigen Szenenfarben zu
umfassen, damit keinerlei wesentliche Farbfächerbeschränkungen für eingegebene digitale Farbbilder
auferlegt werden, wenn diese in den abgleichenden Farbraum umgewandelt
werden. Es kann zudem wünschenswert
sein, die Positionen der Primärfarben
des abgleichenden Farbraums 290 so zu bestimmen, dass die
Farbwertkoordinaten innerhalb gewisser Bereiche liegen (beispielsweise,
0 < x < 1 und 0 < y < 1).
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Die
hier beschriebene Technik zur Kostenfunktionsminimierung wurde benutzt,
um optimale Primärfarben
des abgleichenden Farbraums für
eine typische fotografische Anwendung zu ermitteln. Für dieses
Beispiel wurde ein Satz aus mehreren hundert Motivreflexionsspektren
aus der realen Welt für
die Testfeldauflichtspektren 200 verwendet. Eine CIE Lichtquelle
D50 wurde für
das Referenzlichtquellenspektrum 205 verwendet. Eine Reihe
unterschiedlicher Sätze
von Aufnahmelichtquellenspektren 220 wurde ausgewertet,
einschließlich Tageslicht-,
schwarze Strahler und Fluoreszenzlichtquellen. Ein nichtlinearer
Optimierungsalgorithmus nach Levenberg-Marquardt wurde verwendet,
um den optimalen Satz an Primärfarben
des abgleichenden Farbraums 290 zu identifizieren, indem
eine Farbfehlerkostenfunktion minimiert wurde, die den mittleren
Farbfehler für
den Satz aus Testfeldern umfasste, ausgedrückt auf Basis von CIE ΔE*ab.
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Die
folgende Tabelle zeigt die resultierenden CIE x-y-Farbwertkoordinaten
für die
optimalen Primärfarben
des abgleichenden Farbraums 290, entsprechend mehreren
unterschiedlichen Sätzen üblicher
Aufnahmelichtquellenspektren 220. Dieser Satz aus Lichtquellen
erstreckt sich über
einen Bereich von Lichtquellen, der in der herkömmlichen Fotografie wahrscheinlich
ist.
-
Der
Satz aus Primärfarben
des abgleichenden Farbraums, der den zusammengetragenen Ergebnissen
für alle
in der Tabelle dargestellten Lichtquellensätze entspricht, sollte für die meisten
allgemeinen fotografischen Anwendungen gut funktionieren. Die in
der Tabelle aufgeführten
Farbwertkoordinaten würden
für diejenigen
repräsentativ
sein, die für
die optimierten Sätze
an Primärfarben
des abgleichenden Farbraums 290 erwartet würden, und
zwar unter Berücksichtigung
der für
dieses Beispiel verwendeten Aufnahmelichtquellen und Kostenfunktion.
-
Die
Werte können
allerdings variieren, weil diese Bereiche von dem jeweiligen Lichtquellensatz
abhängen,
der in dem Satz verwendet wurde, sowie von dem Satz der Testfelder
und der genauen Form der Kostenfunktion und Optimierungsbedingungen.
| Aufnahmelichtquelle | Primärfarbe 1 | Primärfarbe 2 | Primärfarbe 3 |
| x | y | x | y | x | y |
| CIE
Standard-Tageslicht
(4.000 K–9.000
K) | 0,667 | 0,333 | 0,225 | 0,727 | 0,115 | 0,020 |
| CIE
Standard-Tageslicht
(4.000 K–18.000
K) | 0,659 | 0,341 | 0,229 | 0,720 | 0,113 | 0,019 |
| Schwarze Strahler (2.000 K–4.500 K) | 0,681 | 0,320 | 0,248 | 0,713 | 0,112 | 0,045 |
| Zusammengetragene Ergebnisse für alle Lichtquellensätze | 0,67 ± 0,03 | 0,33 ± 0,03 | 0,23 ± 0,03 | 0,72 ± 0,02 | 0,11 ± 0,01 | 0,03 ± 0,03 |
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Die
resultierenden Farbfehler können
für die
zusammengetragenen, optimierten Primärfarben des abgleichenden Farbraums 290 anhand
desselben Verfahrens und des Satzes von Testfeldern berechnet werden, das
zuvor mit Bezug auf 1 und 2 besprochen
wurde. In diesem Fall beträgt
der quadratische Mittelwert ΔE*ab des Farbfehlers 5,37, was im Verhältnis zu
den Primärfarben
des Farbraums nach dem Stand der Technik eine deutliche Verbesserung
ist. 5 zeigt eine Kurve CIELAB a*–b* mit Darstellung der Farbfehler für jedes
der Testfelder in dem Satz. Hier ist zu erkennen, dass die Farbfehler
viel kleiner als die in 1 und 2 gefundenen
ist.
-
In
einigen Fällen
kann es wünschenswert
sein, einen Satz an Aufnahmelichtquellen zu verwenden, die für bestimmte
Anwendungen optimiert sind. Beispielsweise zeigt die folgende Tabelle
die optimierten Primärfarben,
die einem Bereich unterschiedlicher fluoreszierender Aufnahmelichtquellen
entsprechen würden.
| Aufnahmelichtquelle | Primärfarbe 1 | Primärfarbe 2 | Primärfarbe 3 |
| x | y | x | y | x | y |
| Standard-Fluoreszenz-Lichtquelle (F2–F12) | 0,663 | 0,330 | 0,323 | 0,677 | 0,103 | 0,094 |
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist auf viele unterschiedliche Anwendungen anwendbar. Beispielsweise
kann es in ein Digitalkamerasystem eingebaut werden. In diesem Fall
kann das digitale Farbeingabebild, das in dem geräteabhängigen Sensorfarbraum
aufgenommen wurde, in den abgleichenden Farbraum übertragen
werden, wo die Farbgleichgewichtskorrektur durchgeführt wird.
Das abgeglichene digitale Farbbild kann dann in einen Ausgabefarbraum übertragen
werden, wie beispielsweise den sRGB Farbraum. Diese Operationen
können
entweder in der Digitalkamera angewandt werden, so dass die Ausgabe
der Digitalkamera ein einwandfrei abgeglichenes Bild ist, oder die
Abgleichsoperationen können
alternativ in einem Hostcomputer angewandt werden, der nicht abgeglichene
Bilder aus der Digitalkamera annimmt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist zudem zur Verwendung in digitalen Photofinishing-Systemen geeignet.
Die Bildquelle in diesen Systemen können herkömmliche fotografische Negative
sein, die gescannt werden, um digitale Farbeingabebilder zu erzeugen.
Alternativ hierzu können
Bilder in diese Systeme aus derartigen Quellen, wie Abtastungen
fotografischer Prints oder Dias oder aus Digitalkameras, eingegeben
werden. Digitale Photofinishing-Systeme erzeugen üblicherweise
Prints auf digitalen Kopiervorrichtungen, obwohl diese auch digitale
Bilder erzeugen können,
die zur Speicherung auf einem computerlesbaren Speichermedium geeignet
sind. Das computerlesbare Speichermedium kann beispielsweise folgendes
umfassen: magnetische Speichermedien, wie Magnetplatten (z. B. Disketten)
oder Magnetband; optische Speichermedien, wie optische Platte, optisches
Band oder maschinenlesbarer Code; Halbleiterspeichervorrichtungen,
wie RAM (Random Access Memory) oder ROM (Read Only Memory) oder
jede andere physische Vorrichtung oder jedes andere Medium, das
zur Speicherung von Digitalbildern geeignet ist.
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In
einem Computerprogrammprodukt mit einem computerlesbaren Speichermedium
kann ein Computerprogramm zur Durchführung aller Schritte der vorliegenden
Erfindung gespeichert sein. Das computerlesbare Speichermedium kann
jegliche physische Vorrichtung oder jegliches Medium umfassen, das
zur Speicherung eines Computerprogramms verwendet wird, einschließlich der
vorstehend genannten Beispiele.
wobei (RK,ref, GK,ref, BK,ref) die Farbwerte in dem abgleichenden Farbraum
