CN102857674B - 利用对扩展rgb空间的色调映射处理高动态范围图像的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于打印的处理高动态范围（HDR）图像的方法。首先，对输入图像进行色调映射，以将颜色从原始色彩空间映射到扩展的RGB空间，而不对颜色进行缩放或者裁剪。然后，将颜色转换为诸如Jab的不依赖于装置的色彩空间，并且在该空间内进行缩放（归一化）。然后，在Jab空间内执行基于图像的色域映射，以将图像的色域映射到目标设备的色域。然后，颜色被转换到目标设备（例如，打印机）的色彩空间并且输出。

Description

利用对扩展RGB空间的色调映射处理高动态范围图像的方法

技术领域

本发明涉及一种用于打印的处理高动态范围图像的方法，特别是，本发明涉及采用色调映射和其它处理步骤的这样一种方法。

背景技术

高动态范围(HDR)图像是指在最高亮度色与最低亮度色之间具有高对比度(例如，达到10000:1或更高)的图像。非HDR图像通常具有较小的动态范围，如1000:1、256:1或者更低，并且通常被表示为红色、绿色和蓝色，或者青色、品红和黄色的设备原色(device primay)的256级色阶。HDR图像的一个示例是数字照片，但可以以多种方式获取包括计算机生成图像在内的HDR图像。

为了利用打印机(称为输出设备)打印HDR图像，必须先将图像渲染成打印机支持的颜色。通常，可利用墨水或墨粉在打印机上产生的颜色的范围比测量光量的照相机(称为输入装置)能够捕获的范围小得多。这是因为相对于光的亮度和诸如数字照相机的数字捕像装置对于该光的感光度，墨水或者墨粉的可用亮度有限。在打印时，输入装置捕获的非常大范围的颜色必须被适配为可以打印的较小范围。把来自输入装置的颜色适配到代表输出设备的着色能力的特定轮廓和范围(色域)的处理通常称为色域映射。

当与输出范围相比输入范围极大时，存在特定的问题。如果采用直接简单地将输入值缩放到较小范围内的方式，则在缩放之后，许多颜色将变得过于暗淡而不能被看到，而且颜色之间的许多微小梯度也会丢失。另一种可能的方法是裁剪掉范围外的颜色，或者把裁剪掉极端颜色和缩放不那么极端的颜色相结合。对于一些高动态范围图像，裁剪掉某些中范围颜色可能会导致呈现不真实感的有问题的渲染，而裁剪高范围颜色则可能需要更长的时间进行处理。

可以采用一种通常称为“色调映射”的更复杂方法。色调映射通常指把一组颜色映射到另一组颜色以便在具有更有限动态范围的介质上近似HDR图像表现的图像处理技术。已经描述了许多公知的色调映射算法。一个特定例子是在“iCAM06:A refined image appearance model for HDR imagerendering”J.Kuang et al.,J.Vis.Commun.Image R.18(2007)406-414中描述的被称为iCAM06的算法。在该算法中，颜色被色调映射成大体位于中间目标设备的范围内，然后颜色被缩放和裁剪到代表输出设备的着色能力的特定轮廓。然而，缩放和裁剪的处理同样存在如上所述的类似问题(该问题仅限于较小的一组颜色)。

Windows Color System(WCS)是Windows Vista^TM和之后的操作系统上采用的颜色管理方案。为了打印来自使用WCS的计算机的HDR图像，传统方法是首先将HDR图像色调映射到RGB色彩空间，然后，利用常规WCS色域映射模型(GMM)打印该图像。

发明内容

采用上面描述的WCS的传统打印方法的问题是在处理时可能产生负RGB值。此外，该方法有时导致不能充分利用打印机色域。

因此，本发明涉及一种用于打印的处理HDR图像的方法，该方法基本上克服了因为相关技术的局限性和缺点产生的一个或者多个问题。

本发明的目的是提供一种用于打印HDR图像的方法，它可以实现高颜色精度以及对打印机着色能力的有效利用。

下面的描述中将说明本发明的其它特征和优点，并且根据该描述本发明的其它特征和优点在某种程度上显而易见，或者可以通过实施本发明还获知本发明的其它特征和优点。本发明的目的和其它优点可以在由书面描述及其权利要求书和附图中特别指出的结构中实现和达成。

为了实现所体现并宽泛描述的这些和/或者其它目的，本发明提供了一种用于处理输入的高动态范围图像以产生要由输出设备输出的输出图像的计算机实现的方法，该方法包括：(a)利用色调映射过滤器把输入的高动态范围图像的颜色从第一色彩空间映射到第二色彩空间，第二色彩空间是扩展RGB色彩空间；(b)将图像的颜色从第二色彩空间转换至第三色彩空间，第三色彩空间是与设备无关的色彩空间；(c)在第三色彩空间中缩放图像的颜色；(d)产生用于把在步骤(c)中缩放后的第三色彩空间中的图像的色域映射到输出设备的色域的色域映射；以及(e)利用在步骤(d)产生的色域映射，把在步骤(c)中缩放后的图像的颜色从第三色彩空间转换至第四色彩空间，以产生输出图像；其中步骤(c)包括：确定第一亮度值和第二亮度值，对于第一亮度值和第二亮度值，高动态范围图像中的所有颜色当中相应的第一预定百分比和第二预定百分比的颜色具有相等或者更低亮度值；以及沿亮度轴偏移颜色，并且在第三色彩空间中沿所有方向均匀扩张或者收缩颜色，以使第一亮度值处于第一归一化亮度值，而使第二亮度值处于第二归一化亮度值。

为了实现所体现并宽泛描述的这些和/或者其它目的，本发明提供了一种用于处理输入高动态范围(HDR)图像以产生被输出设备输出的输出图像的计算机实现方法，该方法包括：(a)利用色调映射过滤器把输入的HDR图像的颜色从第一色彩空间映射到第二色彩空间，所述第二色彩空间是扩展RGB色彩空间；(b)将所述图像的颜色从所述第二色彩空间转换至第三色彩空间，所述第三色彩空间是不依赖于装置的色彩空间；(c)在所述第三色彩空间内缩放所述图像的颜色；(d)产生用于把在步骤(c)中缩放后的所述第三色彩空间内的图像的色域映射到所述输出设备的色域的色域映射；以及(e)利用在步骤(d)产生的色域映射，把在步骤(c)中缩放后的所述图像的颜色从所述第三色彩空间转换至第四色彩空间，以产生输出图像。

在另一个方面，本发明提供了一种包括计算机可用非暂态介质(例如，存储器或者存储装置)的计算机程序产品，所述介质上嵌入有用于控制数据处理设备的计算机可读程序代码，该计算机可读程序代码被配置为用于使数据处理设备执行上述方法。

应当明白，上面的一般描述和下面的详细描述都是举例说明和解释，并且意在进一步解释要求保护的本发明。

附图说明

图1示意地示出根据本发明实施例的高动态范围图像的图像处理方法。

图2(a)至2(d)示意地示出图1所示方法中的各种处理步骤之后输入图像的颜色。

图3示意地示出图1所示方法的色域映射步骤后的图像。

具体实施例

利用存储在存储介质内并且被数据处理设备的处理器执行的软件，可以实现本发明实施例。优选地，本发明被实现为作为连接到打印机的计算机存储并执行的打印机驱动程序的一部分。根据本公开的描述可以理解，本发明可以应用于采用WCS颜色管理方案的计算机中；它还可以应用于采用在相应方面与WCS具有类似特性的颜色管理方案的其它计算机中。

在根据本发明实施例的图像处理方法中，在不裁剪和缩放的情况下，将输入图像色调映射到扩展RGB空间中。然后，颜色被转换为诸如Jab的设备无关色彩空间，然后，在该空间中缩放(归一化)。然后，执行基于图像的色域映射，以将图像的色域从Jab空间映射到目标设备的色域。

图像处理方法可以应用于由数字照相机、计算机图形软件等获得的HDR图像。输出设备可以是打印机、计算机监视器、投影仪等。

图1示出根据本发明实施例的用于处理要由打印机打印的HDR图像的方法。首先，色调映射运算器应用于输入图像数据，以将输入颜色色调映射到扩展RGB色彩空间，但不对颜色进行缩放和裁剪(步骤S11)。

本技术领域内通常采用的术语“色调映射运算器”指色调映射算法，它包括利用色调映射过滤器映射颜色，并且通常还包括诸如缩放、裁剪等的后续步骤。例如，在iCAM06算法中，在利用过滤器映射了色值后，该算法求得一个最大值和一个最小值，对于该最大值而言，图像上的所有颜色中的99％亮度相同或者亮度较低(即，第99百分位数)，对于该最小值而言，图像上的所有颜色中的1％亮度相同或者亮度较低(即，第1百分位)。该算法去除由最大值和最小值限定的范围之外的颜色(即，裁剪)，并且缩放最大亮度值与最小亮度值之间的颜色，以填充sRGB空间(即，缩放或者归一化)。

步骤S11的色调映射利用色调映射运算器映射输入颜色，但是不包括缩放或者裁剪步骤。在优选的实施例中，在不执行iCAM06算法的缩放和裁剪步骤的步骤S11，修改的iCAM06算法用作色调映射运算器。由步骤S11获得的经色调映射的颜色的颜色彩空间是RGB空间，并且在本公开中被称为“扩展RGB空间”。在步骤S11由输入颜色映射的所有色值均保存在扩展RGB空间中。优选地，颜色不转换为sRGB格式。在变型实施例中，颜色被转换为sRGB格式，但是即使在变型实施例中，所有颜色均被保存，因此，可以认为被转换的颜色形成扩展sRGB空间。

在优选实施例中，通过修改实现iCAM06的程序，实现步骤S11。可以进一步修改该程序，以改变iCAM06色调映射过滤器。尽管在此没有描述iCAM06算法的细节，但是根据在此提供的描述和公开可用的iCAM06的文档，本技术领域内的技术人员能够实现步骤S11，而无需过多实验。

也可以使用诸如Reinhard02、Durand02和Tumblin/Rushmeier的其它适当的色调映射算法来实现步骤S11。

然后，在独立于诸如Jab、CIE L*a*b*或者CIE L*u*v*的色彩空间的装置中缩放扩展RGB空间中经色调映射的颜色。下面的解释中采用的Jab是WCS中采用的CIECAM02规范中所定义的色彩空间。通过首先将RGB颜色转换到Jab空间，然后在Jab空间内缩放，来实现从扩展RGB空间到Jab空间的缩放(步骤S12)。

图2(a)示意地示出HDR图像的色域21a，即，在步骤S11中颜色被色调映射到RGB空间(但未被缩放和裁剪)之后，HDR图像在RGB空间中所有颜色的集合。作为参考还示出了RGB体，但是应当注意，在扩展RGB空间内，色值没有任何实际限制。在RGB空间内，黑色、灰色和白色位于中性轴R＝G＝B上。当RGB颜色被转换到Jab空间时，如图2(b)所示，RGB体近似变成菱形(未示出)，但是黄色侧较高而蓝色侧较低。中性轴沿着J轴。作为步骤S12的一部分，图2(b)示意地示出在颜色被转换到Jab空间之后的HDR图像色域21b。

如下执行Jab空间内的缩放。首先，算法求得第一J值(称为J₀₁)和和第二J值(称为J₉₉)，其中对于第一J值，HDR图像色域21b中所有颜色当中的1％具有相等或更低的J值、对于第二J值，HDR图像色域中所有颜色当中的99％具有相等或更低的J值。在图2(c)中，J₀₁值和J₉₉值(a＝b＝0)被分别示于点A和B。请注意，值J₀₁值和J₉₉值在J轴上通常彼此相当接近，并且相当远离HDR图像色域的J＝0和最大J值。这反映了颜色通常非常密集地集中在J₀₁和J₉₉之间的中间范围内，而在该范围的上方和下方则稀疏地分布。

然后，HDR图像色域21b沿J方向偏移，并且沿所有方向均匀扩展或者收缩，从而在进行操作之后，J₀₁点位于第一归一化J值J_norml，而J₉₉点位于第二归一化J值J_norm2。在优选实施例中，第一归一化J值J_norml处于Jab空间的原点。图2(d)示出在J_norml＝0的情况下，经偏移和扩张/收缩的HDR图像色域21d。可以看出，在该例子中，在这些操作之后，HDR图像色域21d有一部分具有负J值。

缩放(偏移和扩张/收缩)之后的色值J’、a’和b’与缩放之前的色值J、a和b之间的关系为：

J’＝(J-J₀₁)*K

a’＝a*K

b’＝b*K

其中：

K＝(J_norm2-J_norm1)/(J₉₉-J₀₁)

是比例系数。如果点J₀₁和点J₉₉互相非常接近，则比例系数可以非常大。在优选实施例中，J_norm2和J_norm1分别是白色和黑色的亮度值，它们可以分别具有例如100和0的值。在另一个优选实施例中，J_norm2接近诸如纸的典型介质的亮度值，例如，80，J_norm1接近打印在纸上的黑色墨水或者墨粉的亮度值，例如，10。还可以采用其它值。

上述缩放算法的一个显著效果是固定基准白色和黑色。以这种方式缩放使第99百分位数的颜色和第1百分位数的颜色分别变成白色和黑色。对于大多数利用iCAM06进行了色调映射的图像，比例系数大于1。使色域在每个方向上更均匀的理论意义是提高亮度(或者暗度)以及提高饱和性。

经缩放的HDR图像色域21d不一定填满Jab空间内的RGB(或者CMYK)装置色域(例如，打印机色域)。这是因为经缩放的HDR图像色域的形状取决于图像的颜色。

与在sRGB空间内执行缩放相比，正如在iCAM06中所做的那样，在感知均匀的Jab空间内执行缩放可以使颜色亮度处于更适当的水平。结果使颜色更饱和。尽管仍然会出现负色值，但在Jab空间中其意义更为明显(负sRGB值不一定具有明显意义)。

尽管在上面例子中使用1％和99％的百分位数值来定义第一和第二J值，但是例如2％和98％等的其它百分位数值也可用于该目的。

然后，执行基于图像的色域映射，以把在步骤S12获得的图像的色域(在Jab空间中)映射到输出设备的色域(步骤S13)。在WCS色域映射模型(GMM)中，源装置的色域(源色域)被映射到目标设备的色域(目的地色域)。源原色域和目的地色域均是与装置相关的，即，它们是源装置和目标设备的着色能力的特征，但是它们不与图像相关联，即，它们不专用于要处理的各图像的色域。相反，在步骤S13，色域映射是基于图像的，即，被处理的图像的色域映射到目的地色域。图像的色域有时小于WCS GMM中使用的源色域。因此，利用基于图像的色域映射，可以更充分利用目的地色域。

基于图像的色域映射步骤S13可以包括裁剪(即，使点移动到目的地色域的表面上)、缩放(即，将颜色缩放到目的地色域内)，或者把裁剪和缩放相结合。将参考图3描述步骤S13的优选实现。

如图3的原理图所示，缩放步骤S12产生的HDR图像色域21d被映射到目的地色域31。HDR图像色域21d中的颜色分为要经受不同处理的三个类别。首先，位于目的地色域(例如，点C1)内的颜色被压缩(即，收缩)。其次，位于目的地色域外而位于预定边界32内的颜色(例如，点C2)被压缩到目的地色域31内。通常，与第一类别中的颜色调比，第二类别中的颜色被压缩得更多，并且用于第一类别的颜色的压缩系数和用于第二类别的颜色的压缩系数相互影响。在一些实施例中，第二类别中的颜色被压缩到相对较小的空间内以使它们表现得更饱和，或者使得其它颜色不被过多压缩，或者实现这些目的的组合。第三，位于边界32之外的极端的边远颜色(例如，点C3)被映射到目的地色域31的表面上。第三类别的颜色不影响第一类别的颜色和第二类别的颜色的压缩系数。

可以采用替代的色域映射算法，包括把颜色分为2种类别的算法。

在基于图像的色域映射步骤S13，每种色调都被压缩不同的量。这是因为，对于给定的图像，特定色调可能比其它色调呈现较大的动态范围。尽管传统的色域映射算法也可以以不同的量压缩不同的色调，但由于可能的在动态范围上针对不同色调的较大差别，基于图像的色域映射的压缩量与传统的色域映射的压缩量之间的区别可能有很大程度的不同。

此后，利用在步骤S13产生的色域映射，图像的经缩放的颜色(即，缩放步骤S12产生的颜色)被转换到输出设备的色彩空间以进行输出(步骤S14)。例如，如果输出设备是打印机，则步骤S14将颜色转换为CMYK。

可以按照如下在WCS框架内实现步骤S12、S13和S14。步骤S12和S13的处理可以以插入式软件模块的方式实现。首先，创建并且修改WCSGamut Mapping Model Profile(GMMP)文件以使其包含用于插入模块的插入标记。该标记含有插件的全局唯一标识符(GUID)(嵌入其DLL中，并且在Windows Registry中注册)。然后，利用OpenColorPorfile()或者WcsOpenColorProfile()功能的调用，处理颜色转换中要使用的配置文件。然后，调用CreateMultiProfileTransform()。对于优化过的变换，这样启动基于图像的色域映射步骤(由于配置文件中的标记，将调用插件)。对于顺序变换，大多数工作(被WCS)延迟到下一个步骤。然后，调用TranslateColors()或者TranslateBitmapBits()，越过要转换的图像中的颜色。对于优化过的变换，WCS使用它的在前面的步骤中创建的内部LUT来估计转换颜色。对于顺序变换，由于对于这种变换而言在GMMP配置文件中请求插件的GUID，因此通过包括基于图像的色域映射插件的WCS流水线的所有步骤发送每种颜色。上述实现仅是一个例子，也可以采用其它实现方式，包括不采用WCS功能的实现方式。

对于本技术领域内的技术人员而言，很明显可以在不脱离本发明的实质范围的情况下对本发明的HDR图像处理方法进行各种修改和变型。因此，本发明意图涵盖落入所附权利要求书及其等同的范围内的修改和变型。

Claims (5)

1.一种用于处理输入的高动态范围图像以产生要由输出设备输出的输出图像的计算机实现的方法，所述方法包括：

(a)利用色调映射过滤器把输入的高动态范围图像的颜色从第一色彩空间映射到第二色彩空间，所述第二色彩空间是扩展RGB色彩空间；

(b)将所述图像的颜色从所述第二色彩空间转换至第三色彩空间，所述第三色彩空间是与设备无关的色彩空间；

(c)在所述第三色彩空间中缩放所述图像的颜色；

(d)产生用于把在步骤(c)中缩放后的所述第三色彩空间中的图像的色域映射到所述输出设备的色域的色域映射；以及

(e)利用在步骤(d)产生的色域映射，把在步骤(c)中缩放后的所述图像的颜色从所述第三色彩空间转换至第四色彩空间，以产生输出图像；

其中步骤(c)包括：

确定第一亮度值和第二亮度值，对于所述第一亮度值和所述第二亮度值，所述高动态范围图像中的所有颜色当中相应的第一预定百分比和第二预定百分比的颜色具有相等或者更低亮度值；以及

沿亮度轴偏移颜色，并且在所述第三色彩空间中沿所有方向均匀扩张或者收缩所述颜色，以使所述第一亮度值处于第一归一化亮度值，而使所述第二亮度值处于第二归一化亮度值。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第三色彩空间是Jab。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第四色彩空间是CMYK，并且所述输出设备是打印机。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一归一化亮度值是0。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一预定百分比和所述第二预定百分比分别是1％和99％。