CN1180437A - 使用数字景象分析实行图像的亮度调节 - Google Patents

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J·R·波雅克
A·K·云格尔
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Abstract

处理表示一个图像的数字图像信号的系统和方法能够相对于一个最终应用的一个色调再现能力最优地映射亮度值。特别是该系统包括一个划分图像为图像块、然后组合一定图像块为段的设备。为每一块确定一个块亮度平均值并对每一段确定最大和最小块亮度平均值之间的差。如果该差超过一个预定的阈值,那么将该段标记为活动段,并从最大和最小块亮度平均值得到一个段亮度平均值。该图像活动段的所有加权计数相对于段亮度平均值绘制在一个直方图中,然后把该直方图通过某个预定的判据平移,使得感兴趣的段亮度平均值落入相应于一个最终应用的色调再现能力的最终窗口之内。

Description

使用数字景象分析实行图像的亮度调节
本发明一般来说涉及的是一个改进的图像处理系统以及用于该系统的方法，特别地说，本发明涉及的是调节使用数字方式表示的图像亮度的系统以及用于该系统的方法。
要想获得图像就需要有一个持久的纪录，它能忠实地再现原来的物体或者景象，或者至少被认为是原物体或景象最重要的那些方面。在硬拷贝几乎立即可用时，再现的质量是用视觉比较硬拷贝与原景进行判断的，否则通过比较记忆中的景象进行判断。在进行这种判断时，观察者比较在主要的观察条件下由该硬拷贝产生的视觉的量级与在实际亮度条件下由原景产生的视觉的量级或记忆中的样子，亦即观察者比较硬拷贝中各点的亮度与原景中的相应点的亮度，从而形成关于这一复制的质量的主观印象。精确的主观色调再现需要在硬拷贝中的每一点的亮度等于原景中相应点的亮度。然而，熟悉本技术领域的人都知道，精确的主观色调再现极为困难而且极不方便，因为硬拷贝介质一般是在比产生原景低得多的亮度下观察的  原始照片一般为其原景的1/100。这一事实以及大多数硬拷贝介质如其色调标度特性所指示的那样只具有有限的捕获一般存在于自然界中的色调范围的能力的事实都似乎指出，一个观察者永远不会满足用现在的再现技术水平复制的作品。然而，显然不是这么一种情况，其原因为，如果在一般观察条件下物体的亮度与相应的景象亮度近似成比例，如果皮肤色调的亮度近似等于主要观察条件下真实皮肤色调的亮度，如果物体颜色的明显的色彩和浓度相对于原景而保持，以及如果介质再现的色调多多少少相应于由景象的重要物体代表的色调范围的话，那么满意的主观色调再现是可以得到并且能取悦观察者的。
为保证上述条件多少得到满足，在考虑到特殊的景象特性、主要景象的照明条件和介质特性下，最终取决于适当使景象亮度值与介质的色调标度匹配。在给定各种可能的景象和照明条件时，适当的匹配只能通过理解整个再现系统和典型景象出现概率的某些可能性估计之间复杂的相互关系后才能经常实现。这例如包括了解期望捕获的景象亮度模式最可能的分布和强度，期望再现的共同复发物体的谱反射性，可能的景象亮度的谱内容，和介质的谱响应和色调标度特性。在当今可用的业余照相机产品中，所有这些相互关系一般由一个照相机自动曝光控制系统自动地相关以获得最优曝光，这一自动曝光控制系统通常使用一个用于曝光预测目的的内置式“平均”或“中心加权”型测量计。另外，在电子成像中，图像的获取和再现是作为数字信号实现的，后者可以通过使用计算机或者其它特殊目的的电子硬件而操作、处理或显示。这些数字信号的处理包括诸如用于自动曝光控制的亮度平均或中心加权等公知技术。
尽管各种公知的色调匹配技术被证明适合多种目的，但是它们明显没有考虑作为可能出现在物体中的细节的函数的色调。因而本发明的基本目的是提供一种改进的系统及相应方法，来执行与大面积亮度平均无关的数字图像的亮度调节。在阅读下面的说明书、附图和权利要求书后，这一目的以及其它目的将十分明显。
处理表示一个图像的数字图像信号的系统和方法，它可以相对于一个最终应用的色调再现能力最佳地变换亮度值。特别是，系统包括一个分割图像成块、然后组合一些块成段的设备。为每一块确定一个块亮度平均值，并为每一段确定最大和最小亮度块平均值之间的差。如果这一差超过一个预定的阈值，则将该段标记为活动段(active sector)，并从最大和最小亮度块平均值得到一个段亮度平均值。把图像所有的活动段相对于该段亮度平均值以直方图形式绘制，然后把该直方图经过某个预定的准则平移，使得感兴趣的段亮度平均值落在相应于最终应用的色调再现能力的一个最终窗口内。
下面结合附图详细说明本发明的上述方面以及其它特征，在所有附图中使用同样的参考标号表示相应的元件，其中：
图1表示本发明的图像处理系统的一个实施例；
图2表示根据本发明的一个图像处理系统的一个方框图，使用该系统可以实现一个数字图像的亮度调节；
图3是表示单个像素、8×8图像块、2×2段的一个图像的放大部分；
图4A是一个以对数标度绘制的相应于平均段亮度值的活动段数目的直方图；
图4B是把图4A的直方图重新映射以使该直方图的一个希望的部分对准一个特定的色调再现区域。
本发明涉及图像处理系统和相关的图像处理方法，使用所述系统和方法可以使在原景中的亮度内容与一个最终应用诸如电子输出显示设备、硬拷贝打印机或相片复制设备的色调再现能力最优地匹配。图1表示了这种系统的一个实施例。可以看到，图1表示一个电子图像处理系统，其中一个图像信号源，例如一个电子静物照相机10或扫描仪12，提供一个表示物体(未示出)图像的电子图像信号。计算机18从图像信号源接收电子信号，之后用电子方式处理该图像信号，提供任何数目的已知图像处理功能，例如亮度调节。被处理的图像可以传输(即输出)到任何最终设备或最终应用，例如软盘16，用户监视器20，打印机14或远程监视器26。使用键盘22或鼠标24方便了操作员与系统的交互。当然，图1中所示的部件仅仅是示例性的，并不包括熟悉本技术领域的人所熟知的许多等价的设备。例如，图像信号源可以包括任何可以作为图像信号源的设备，例如电子照相机、扫描仪、凸轮磁带回线自动纪录器(camcorder)、电荷耦合器件(charge coupleddevice)、电荷注入设备(charge injected device)等。另外，值得注意的是图像的处理不一定必须唯一发生在计算机18内。的确，图像处理的不同阶段或不同方面可以发生在图像信号源、计算机或最终输出设备中。
电子图像处理可以发生在不同的域(domain)，例如空间域(spatial domain)或频域(frequency domain)。当描述图像使用的参数值例如亮度与空间位置直接关联时就说该图像驻留在空间域。一个图像的亮度定义为一个观察者感觉到发光差别的感觉属性。在频域中，图像是作为频率系数的矩阵表示的，这些频率系数是通过各种变换方法，例如傅立叶变换，离散余弦(DCT)变换等得到的。
与已知调节数字图像亮度的系统关联的一个问题是缺乏最优曝光控制。最简单的曝光控制方法是取一个景象的总亮度平均并设定该平均与成像系统的参考灰度值一致。这对于主要物体的平均亮度与总平均相同的景象非常适合。然而，这一方法对于包含过度背光或迎光或者具有镜面反射系数的困难景象无效，镜面反光能够过度影响作为简单的曝光表基础的总平均值。在过度背光的场合，背景的亮度明显高于景象的物体的亮度，而在过度迎光的场合，背景比物体暗得多。
更高级的曝光控制系统通常使用更复杂的平均策略来扩展上述简单的曝光方法。一个最通用的曝光控制平均方法使用一个中心加权亮度平均，因为主要物体常常置于靠近相片的中心。对于这一方法，最高加权加在几何中心稍微偏下，以便减少可能存在于背景中的亮空(brightskv)的影响。其它公知的方法把景象分为具有中心区域和外围区域的图形，并从这些区域的亮度平均值的某个逻辑组合确定一个控制尺度。这些完善虽然代表了相当的改进，但是当它们用在困难的景象时仍然存在上面指出的错误，这些错误是任何依赖于大面积亮度平均的方法所固有的。
图2是调节数字图像亮度的图像处理系统各种元件的方框图。可以理解，图像处理系统的每一元件可以另外用一个板上专用集成电路(ASIC)，场可编程门阵列，其它形式的固件实现，它们驻留在图1系统的一个或者多个部件上，或者作为一个应用程序或程序模块驻留在像图1所示的通用计算机中。景象201作为数字图像由图像信号源207，例如一个照相机，凸轮磁带回线自动纪录器、电荷耦合器件、电荷注入设备、扫描仪等表示。图像获取设备200获取图像信号，该信号既包含亮度数据，也包含图像的色度数据特征，图像获取设备200还把随后存储在输入缓冲器202中的亮度数据分出来。本发明只分析亮度数据，而色度分量不予讨论。
图像的一部分在图3中以切割形式作为亮度数据的象素300的组合表示。信号处理电路205从输入缓冲器202中检索亮度数据，为亮度调节处理该亮度数据，然后把处理后的数据存储到输出缓冲器224中。最后在最终设备226中，处理后的数据用于在最终应用，例如打印、显示、传输到下游的应用等，中再生被处理的图像。如前所述，信号处理电路205可以作为如图2中所示的分离硬件元件实现，或者电路205可以由一个通用计算机模拟。还有，电路205中包括的硬件可以完全或部分位于其它系统元件例如图像信号生成器207、图像获取设备200或者输出设备226中。
信号处理电路205特别包括一个分割器204，它从输入缓冲器202读取亮度数据并把这些亮度数据分割成多个预定大小的图像块，大小范围从1到M×N象素，其中M为图像的行数，而N为图像的列数。在优选实施例中，亮度数据分成8×8的图像块，其与常规图像处理方法(例如在国际标准组织联合摄影专家组的数字图像压缩标准10918-1(ISO/JPEG)的3.3节中所推荐的)中所用块的大小一致。图3划定4个分开的8×8的图像块302、304、306和308。一个段组配器(sectorizer)206将一个预选的8×8图像块组组合为段，段提供的图像分辨率比象素级的要低。然而在不希望降低象素300分辨率的场合，可以将段组配器206旁路，为使处理继续，每一象素300可以解释为一个单独的段。在优选实施例中，段310被定义为4个8×8象素的相邻图像块，这些图象块组合为一个2×2的段。然后块平均器208为每一段中的每一图像块确定一个块亮度平均值。该块亮度平均值既可以在空间域通过平均在每一图像块中的64个象素中的每一个获得，也可以通过变换这些象素的亮度数据为离散余弦变换(DCT)系数，然后使用DCT系数的每一8×8块的直流元素(0，0)作为该图像块的平均值来确定。在减法器210中，为每一段确定最大和最小块亮度平均值，然后确定它们之间的差。
段阈值器212将每一段的最大和最小块亮度平均值之间的差与一个预定的阈值进行比较，并且当该差值大于这一预定的阈值时，将该段定义为一个活动段。一旦一段被定义为活动段时就将该段的最大和最小块亮度平均值一起平均，在段平均器214中建立一个段亮度平均值。计数器216计数相应于每一段亮度平均值的活动段的数目，该段亮度平均值通常位于0到255(白)之间。另外的方案为每一活动段的段亮度平均值首先在段平均器214中加权，然后在设备216中计数，使用已知的加权算法中的任何一种，以便活动段的数目的计数能相应改变。一旦该图像所有活动段都被加权计数，则由直方图生成器218生成图4A所示的直方图。图4A表示的直方图，纵轴表示活动段的数目，横轴表示段亮度平均值。图4A也表示一个最终窗口，它代表相应于一个最终应用例如一个打印机、显示器或者在本发明的图像处理链中其它下游应用的色调标度或者色调再现能力。这里，最终应用作为一个最终输出设备226表示。从图4A明显看出，部分亮度信息(作为平均亮度值的活动段表示)不能由最终设备226再现，亦即只有落在特定最终设备的最终窗口之内的亮度数据才能再现。这一问题在选择器220中通过首先为图4A的直方图定位提供一个选择判据而解决。然后定位器222调动图4A的直方图，使希望的亮度信息落在根据这一选择的判据建立的最终窗口之内。例如图4B表示图4A的直方图被平移，使得相应于活动段的最高出现率的平均亮度值出现在最终窗口内。决定怎样移位或者如何在定位器222中放置该直方图的各种判据要根据一些考虑预先确定，这些考虑下面详细说明。移动后的图4B的直方图的亮度值存储在输出缓冲器224中并在其后打印、显示，或者输出到最终设备226或由最终设备226输出。
本发明的方法依赖景象分析以解决与图像的亮度调节关联的各种问题。在一组实验观察者比较一个普通景象的一系列图像的实验中进行的精神视觉分析证实每一个图像只在亮度上有变化。每个观察者选择该系列的一个从美学观点最使人愉悦的图像。尽管人眼对景象是作为亮度的位图感觉的，但是该景象的内容是通过读取边缘、纹理和阴影形式的视觉信息而确定的。该图像的质量关键依赖于这一视觉信息如何以及到何种程度在显示的图像中被表示。假设，最优曝光应该是以容易读取的形式最好保存景象的视觉信息的其中一种方式。
上述视觉信息的每种形式根据定义为亮度活动性的亮度的变化表示。定义亮度活动性的有3个参数：(1)在一个图像的各部分之间亮度变化的大小；(2)亮度改变发生的整个区域上的平均亮度值；(3)亮度改变发生的几何距离。
本发明的景象分析方法是建立在一个景象只有其感兴趣的某个细节驻留其中的亮度内容应该考虑进行亮度调节这一观察事实的基础上的。因此，总策略是在重要的分辨率处建立段，然后使用一个尺度查询表示细节活动的那些段。特别是本发明的景象分析方法是基于由一个图像块的平均亮度导出的一个低分辨率图像。该低分辨率图像被分为2×2的段(对于优选实施例)。优选2×2的段的大小近似相应于在最终图像尺寸下人的视觉系统的峰值分辨率。段活动性的大小取为
Ymag＝Ymax-Ymin式中，Ymax和Ymin是一段内4块的最大和最小段亮度值。一个给定段的段亮度平均值可以取为
AveYseg＝(Ymax+Ymin)/2
由于不可察觉的亮度改变并不重要，所以仅计数其大小超过某个预定阈值的活动性。使用等于一个F光圈数刻度(F-stop)的大约1/3的阈值或者大约0.1的密度已经得到最好的经验结果。这一活动性尺度是一个非线性、全向“细节”取景器，它在8个高分辨率象素的半波标度上具有对上述所有不同类型的信息元素同样的灵敏度。直方图是通过作为段亮度平均值的函数计数超阈值活动性的数目而形成。这一亮度直方图表示图像细节，该图像细节是用以估计最优曝光的分析基础。不合细节的大的明亮或黑暗区域不影响该结果。
如果该细节亮度直方图的动态范围和表示相应于最终应用的色调再现能力的色调再现范围的最终窗口的动态范围相同或比之小，那么只需在一个对数亮度标度上重定位该直方图，使其与最终窗口相配。用于再现斜度(slope)为1.5的理想胶片的最终窗口光圈数大约是4，大大低于典型活动性亮度直方图的范围，后者可以高2到3个光圈数。由于通常在最终窗口之外有一个相当大的重叠，所以一些细节信息被剪下并由最终设备的输出限制丢失。
认识到由超出打印窗口的直方图的端点表示的信息有可能丢失，则最优曝光移位的问题是一个在最终窗口上定位直方图以得到最好结果的问题。当然，最好的或者是最希望的结果依赖于特定的应用需求。
基于活动性亮度的一个图像直方图的一个例子示于图4A。亮度标度是以基为2每F光圈数刻度为20单位的对数单位。竖直虚线表示最终窗口的界限。定位直方图到最终窗口的许多参数可以按照特定应用需求确定。下面4个示例参数已经过测试。
MidShift(中点移位)  设定直方图范围的中点为最终窗口的中点。
MeanShift(平均移位)确定活动性亮度的加权平均，使用活动
                   性计数作为权重，并设定加权平均为最
                   终窗口的中点。
MaxShift(最大移位) 在对数亮度标度上移动直方图，使得计
                   数的最大可能数目被包含在最终窗口内。
EqEndShift(相等末端移位)  移动直方图，使得同一数目的计
                          数从位于该直方图的任一端点处
                          的最终窗口中排除。这4个参数对该直方图的范围、形状和其对称性的灵敏度不同。上述参数中的任何一个的最好测试结果伴随EqEedShift出现。平均上述所有4个参数或者平均MidShift、MeanShift和EqEndShift可得到较好的结果。
上述参数的测试使用一个具有594个数字图像的数字图像库进行，这些数字图像取自各种各样的景象，包括过采样的困难景象，例如雪景，海滩和水景，高对比度背光和侧光景象等。每一图像均使用柯达(Kodak)VPS彩色负片拍摄景象得到，再用高分辨率Itek扫描仪扫描处理过的负片。在宽广的曝光范围内使用一组公知的彩色参考碎片(color refrence patches)把扫描仪校准在XYZ领域空间。这一校准允许在一个相似校准的高质量彩色打印机上打印扫描的数字图像。
每一图像都经过由25人组成的小组的精神视觉测试，他们从同一景象以均等间隔的亮度级处理的打印件系列中选择一个最优的曝光。这样为从景象分析曝光方法比较最优曝光估计提供“精神视觉最好的”曝光数据。景象分析估计和相应的精神视觉最佳曝光之间的差别由594个图像中的每一个确定。使用这些差别的标准偏差确定该结果。一些结果总结如下。
景象分析结果
数值为对数曝光，每F光圈数刻度为20单位
              标准偏差     最大误差中心权重            13.7          53MidShift            12.5          51MeanShift           11.3          34MaxShift            11.3          42EqEndShift          10.3          35EqEndMeanMid Ave    10.1          30AllAve              10.1          31上述结果包括后面将要说明的中心加权和切割过程。第一项是加权的亮度平均的结果。最后两条是从3个和4个景象分析直方图评估方法中曝光估计平均的结果。
几乎任何调节曝光的方法，甚至根据先前的经验和个人判断作出的好的猜测，对大多数景象来说可以给出相当可以接受的结果，因为大多数普通的景象倾向于包含一组分布很好的亮度值。曝光控制的改进减少了在普通、容易的景象中的变化性，并把更大范围的困难景象带入可接受的和更高的质量范畴。景象分析方法将测试过的图像中中心加权平均的最大误差从超过2.5光圈数减少到仅为1.5光圈数，同时使曝光误差的标准偏差也减小了30％。
上述基本景象分析的另外的改进或者修改可以对总结果给出适度改善。下列这些新的因素在后面各节说明。
1.过阈值亮度活动性计数的中心加权
2.高亮度切割
3.使用移位恒定图像参数的多元误差相关
4.适应亮度的活动性阈值
5.基于亮度活动性的适应景象的对比度调节
中心加权
几乎所有的照相机曝光控制机构都使用某种中心加权。该方法利用了在照相时总是把主要物体放在靠近中心处的一般趋势。许多自动照相机使用一种由一个非对称透镜覆盖的曝光表，它产生稍微偏离中心的加权响应。
为在上述景象分析过程中使用中心加权，通过为与一个给定段亮度平均值相关的活动段加上依赖于位置的权重(而不简单地计数活动段)来构成直方图。已经测试过几个加权矩阵，最好的结果来自下面用于一个自动照相机中的曝光表的加权矩阵。  10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1010 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1010 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 10 1010 10 10 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 50 75 75 75 75 75 75 75 75 75 50 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 50 75 75 75 75 75 75 75 75 75 50 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 50 75 75 90 90 90 90 90 75 75 50 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 50 75 75 90 90 90 90 90 75 75 50 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 50 75 75 90 90 10090 90 75 75 50 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 50 75 75 90 90 90 90 90 75 75 50 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 50 75 75 90 90 90 90 90 75 75 50 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 50 75 75 75 75 75 75 75 75 75 50 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 50 75 75 75 75 75 75 75 75 75 50 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 50 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 10 10 1010 10 10 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 25 10 10 10
以百分数表示的加权矩阵这一19×23的矩阵给元素(12，12)100％的最大权重，该元素在横向上位于中心，而从矩阵的顶部向下大约为5/8的距离。对这一特定的加权矩阵，权重大体以高斯椭圆的形式在边缘处降到百分之十。在实际中，这一加权矩阵既对长宽比又对要分析的景象的段图像的分辨率进行插值处理。使用该过程的结果表明在景象分析曝光误差的标准偏差中有大约4％的适度改善。
亮度切割
很高对比度的景象常常包括从波浪、冰晶等上的镜面反射，它产生过阈值活动性，它们加在直方图的高亮度端并倾向于使结果图像太暗。进行过多种试图避免这一现象的尝试，通过建立一个亮度极限值，当超过该亮度极限值时，将直方图的值设定为零，也就是说，段亮度平均值超过该极限值的活动段在分析中不考虑。对于一个给定的景象来说，亮度极限Ylim由下式给出：
如果  Ymax-Ymin＞Cutoff
则    Ylim＝Ymin-1+Cutoff
否则  Ylim＝Ymax式中，Ymax和Ymin分别是景象中最大和最小段亮度平均值，而Cutoff是动态范围的上限。Cutoff的最优值使用图像库中的594个图像由实验确定为7.5光圈数。把亮度切割过程结合到景象分析中减少总曝光误差的标准偏差只为1％(因为它只影响少数最高对比度图像)，但是减少最大过暗误差为10％。
多元误差相关
景象分析的一个主要目的是基本上预测亮度位移，它将以由精神视觉小组为任何给定图像选择的精神视觉最佳图像同样的亮度级产生一个打印件。
TrueShift＝SA_Shift+误差TrueShift是精神视觉最佳图像，而SA_Shiff是景象分析结果。景象分析算法的成功是由该误差的标准偏差表征的。
如果图像参数的建立是根据误差并非完全是随机的这一事实的话，那么
TrueShift＝SA_Shift+f(Parameter)+减小了的误差式中，f(Parameter)表示图像参数的一个函数，该函数与某些误差的变化无关(correlate out)。仔细选择相关参数以保证结果独立于起始点。诸如Ymax或Ymin等参数，它们与原来景象的一个绝对亮度值有关，将为相关过程引入正确答案的固有知识并给出最好的结果，但是这些结果是虚假的，且并不包含一般预测值。有效相关参数自身必须是移位不变的，亦即只相关于亮度差。
对下述每一恒定参数的相关趋势进行测试。
ActAveO        所有低于阈值的活动性值的平均值
MeaMMid        HistoMean-HistoMid
MeanMMidSq     MeanMMid2
               (HistoMax-HistoMean)-(HistoMean-HistoMin)
LumBal
               HistoRange
LumBalSq       LumBal2
Yrange         直方图的总亮度动态范围(Ymax-Ymin)
Range_ratio    HistoRange/最终窗口宽度在上面的定义中，HistoMax是直方图值为非零的最大亮度.HistoMin是相应的最小亮度.HistoRange是HistoMax-HistoMin，HistoMean是该直方图的加权平均亮度，HisoMid是直方图的中点值，LumBal是亮度平衡。
下述等式表示景象分析误差的总多元相关。
Error＝-1.07ActAve0-0.41LumBal+0.004LumBalSq
                   +0.61MeanMMid前面列出但未包含在上述等式中的其它变量并不在0.05水平级上作为有意义的变量测试。变量ActAve0、LumBal、LumBalSq和MeanMMid的等式中有意义的水平级分别为0.0001，0.0018，0.00018和0.0057。其余误差的标准偏差大约改善为5％，而相关系数为11％，从而相关程度可达误差变化率的11％。这表示有适度的改善，但还是太弱，以至有可能是偶然的。
也尝试过根据变量例如Range Ratio和LumBal把数据分组，然后在每组内进行多元相关的实验。这能产生稍好的结果(改善总误差的标准偏差到大约为8％)，但是缺点是每一组中数据点的数目较少，使得要关心对不在实验数据库中的新图像相关的一般适用性。误差多元相关的应用在感兴趣的摄影空间的特征被很好定义的地方很有用，并在统计上存在有一个可行的摄影空间的有效代表范例，例如对身份照片、工业文献照片等的应用。
适应亮度的活动性阈值
人的视觉系统对由关系
L*＝116(Y/Yn)-16表示的亮度的差有一个非线性响应，式中Y是亮度，Yn是照射景象的参考亮度，而L*是在L*a*b空间的亮度测量，在该空间中亮度差具有对人感觉响应的线性关系。理论上说来，根据L*而不是根据通常的对数亮度标度来定义活动性阈值是有意义的，因为寻找的是图像中可感觉的细节。一个给定的阈值在较暗区域比明亮区域包含显著少的L*等级(step)，在反射系数从5％升到90％时大约为因子3，从而允许在更高亮度级下分辨较小的亮度增量。因此，最好使用较小亮度增量作为阈值来计数作为增加的段亮度的函数的活动性，同时保持L增量恒定。变换一个给定的L*增量为相应的log(Y)增量的概略步骤如下：
1.假定一个数字对数空间，其中数字值(y)定义为
y＝dps*log2(Y)+yn
这里，dps是每一光圈数刻度的位数，log2(Y)表示线性空间亮度以2为底的对数，yn是当Y＝1时所选择的相应于100％反射系数标度上的数字值。
2.变换参考值y(yref)(在要计算的等值增量y的中心的值)为L*标度(Lref)。
Lref＝(116)2((yref-yn)/3dps)-16
3.判定等价于一个给定增量L*(Ldelta)的增量y(ydelta)，使用
x＝Ldelta/(2(Lref+16))
ydelta＝(6dps/ln(2))arcsinh(x)
式中ln(2)是2的自然对数。使用一个8位的log2标度，其中dps＝20和yn＝160，对在L*(Ldelta＝4)中一个希望的4单位增量得到y下面的等值增量
y        ydelta     ％反射系数
73         8            8
112        5            18
157        2.5          90
为了在景象分析中使用L*增量作为活动性阈值，建立一个表示上述ydelta对y的关系的查找表，并使用活动性亮度的ydelta值作为测试段活动性的阈值。由于ydelta值只对一个正确曝光的景象适合，并且通常由于原始数字图像可能偏移某个任意量，因此必须对曝光移位做一个初步估计。这通过确定使在前面亮度切割一节定义的Y lim与yn(yn对100％的反射是白点)一致所必需的移位而实现。
在测试几个作为活动性阈值的L*增量后，发现，Ldelta＝4给出事实上与通过使用一个0.3光圈数的恒定阈值的标准系统所得到的结果相等的统计结果。
适应景象的对比度调节
到目前为止，景象分析的目的是确定一个为得到图像的高质量显示所必需的亮度移位。如果该景象的动态范围大于最终窗口的动态范围(经常是这样的情形)，这意味着，即使主要物体恰当曝光，但是该图像的亮区和暗区将在显示中被剪去，也就是说，明亮的物体将被冲掉，而深度阴影被阻断。例如强背光背景可能完全消失。
使用基于直方图的活动性，通过调节景象对比度使得整个直方图处于最终窗口内，可以避免切掉重要的信息。这意味着高对比度图像的色调标度被压缩。
色调标度调节的概念并不新。特别在视频摄影中，它经常用于调节信号，使得景象的总动态范围充满显示的动态范围。但是使用基于直方图的活动性作为对比度调节的基础具有独特的优点，这在于不必包含整个亮度范围，而只需包含可感觉的细节范围。不包含细节的过亮或过暗的区域(因此对其并不感兴趣)将没有影响。这使得必需的对比度调节程度为最小。
这一概念以最简单的可能方式实现。对图像中的每一亮度值y，由下式计算一个新值yadj
yadj＝(y-ymid)/RangeRatio+ymid式中ymid表示直方图的中点。这是一种最简单的线性调节，它使得直方图极限与最终窗口有同样的大小。在这一点，平移该图像使得直方图与最终窗口一致。你也可以想象其它实现对比度调节的方法。使用非对称调节或许有某种优点，例如使用该方法对较亮和较暗的部分应用不同的因子用在正片(print)L＝5 0(中灰度)或正片L＝60(发亮的肉色调突出显现的地方)处的固定点代替在ymid处的点。
进行大对比度减小调节的危险是图像可能呈现一种平淡的形式，缺乏活力。这是由于伴随有效减低的对比度，灵敏度和色彩饱和也减小的缘故。然而，补偿与景象分析无关的图像处理步骤中这些问题的措施包括下述步骤：
1.在最终应用彩色图上使用一个色调标度，该彩色图类似于通常的理想胶片，但是具有更灵敏的突出部位(toe and shoulder)。它增加了有效动态范围，同时减小了必需的对比度调节的大小。
2.使用适应对比度的增强技术。也就是说，与对比度减小的幅度成比例增强。
3.把景象分析与对局部亮度调节的激活(buruing)和避开(dodging)过程结合起来。景象分析进行两次，首先使用标准算法，然后使结果图像通过该激活和避开过程，最后对所得结果使用适应对比度的景象分析得到最终结果。由于激活和避开减小了局部对比度，所以对于一些图像来说，在第二景象分析步骤中全局对比度的减小可以变小。激活和避开与全局对比度调节两者都可以产生过曝光和欠曝光前景和背景。当它们一起使用时似乎是相互促进的。
为局部亮度调节的一个激活和避开过程是在图2中的定位器222中进行的，它通过移动所有落在图4 A的直方图中最终窗口之外的感兴趣的活动亮度段到最近的直方图极限Ymax或Ymin而实现。换句话说，任何段亮度平均值小于Ymin的感兴趣的亮度值移到Ymin，而任何段亮度平均值大于Ymax的感兴趣的亮度值移到Ymax。
应该理解，上述实施例仅仅是为了说明本发明，它们代表有限数目的可提供本发明原理应用的可能的特定实施例。熟悉本技术领域的人可以容易地在不离开本发明的精神和范围内根据本发明的原理导出大量不同的其它方案。

Claims (10)

1.处理表示一个图像的数字图像信号的系统，所述图像既包括亮度数据，也包括色度数据，所述系统最优映射亮度数据到一个最终应用的色调再现能力，所述系统包括：
获取图像信号并从图像信号中分离亮度数据的设备；
一个存储所述亮度数据的输入缓冲器；
从所述输入缓冲器中读取和分配所述亮度数据到多个具有预定大小的图像块的设备；
为每一所述图像块确定一个块亮度平均值的设备；
将预先选定的具有所述亮度数据的所述图像块有选择地组合为段的设备；
确定每一段中最大所述块亮度平均值和最小所述块亮度平均值之间的差、并比较所述差与一个预定阈值的设备；
标识所述差超过所述预定阈值的段为活动段的设备；
为每一活动段确定一个段亮度平均值作为每一段最大和最小块亮度平均值的平均值的设备；
加权和计数相应于每一所述段亮度平均值的活动段的数目的设备；
生成所述活动段数目相对于所述段亮度平均值的直方图的设备；
选择相应于最终应用的色调再现能力的一个色调再现范围的设备；
映射所述段亮度平均值到所述最终应用的所述色调再现范围和产生相应于所述映射的一个数字输出信号的设备。
2.如权利要求1所述的图像处理系统，其中，选择色调再现范围的设备包括下列设备之一：
通过设定直方图的范围的中点为最终应用的色调再现能力的中点而确定一个中点移位的设备；
通过提供一个使用活动段数目作为权重在色调再现范围内对段亮度平均值加权的平均值，然后设定该加权平均值为最终应用的色调再现能力的中点而确定一个平均移位的设备；
通过在由最终应用的色调再现能力定义的相等末端移位之内使活动段数目最大而确定一个最大移位的设备；
通过移动直方图使得相等数目的活动段从直方图的任一端处的最终应用的色调再现能力中排除而确定一个相等末端移位的设备；
确定中点移位、平均移位和相等末端移位的一个平均值的设备；
确定中点移位、平均移位、最大移位和相等末端移位的一个平均值的设备。
3.处理表示一个图像的数字图像信号的图像处理方法，所述图像既包括亮度数据，也包括色度数据，所述方法最优地映射亮度数据到一个最终应用的色调再现能力，所述方法包括的步骤有：
获取图像信号并从图像信号中分离亮度数据；
存储所述亮度数据到一个输入缓冲器；
从所述输入缓冲器中读取和分配所述亮度数据到多个具有预定大小的图像块；
为每一所述图像块确定一个块亮度平均值；
有选择地组合预先选定的具有所述亮度数据的所述图像块为段；
确定每一段中最大所述块亮度平均值和最小所述块亮度平均值之间的差、并比较所述差与一个预定阈值；
标识所述差超过所述预定阈值的段为活动段；
为每一活动段确定一个段亮度平均值作为每一段最大和最小块亮度平均值的平均值；
加权和计数相应于每一所述段亮度平均值的活动段的数目；
生成所述活动段数目相对于所述段亮度平均值的直方图；
选择相应于最终应用的色调再现能力的一个色调再现范围；
映射所述段亮度平均值到所述最终应用的所述色调再现范围和产生相应于所述映射的一个数字输出信号。
4.如权利要求3所述的图像处理方法，其中，色调再现范围由下述之一确定：
通过设定直方图的范围的中点为最终应用的色调再现能力的中点而提供一个中点移位；
通过确定一个使用活动段数目作为权重在最终应用的色调再现能力内对段亮度平均值加权的平均值，然后设定该加权平均值为色调再现能力的中点而提供一个平均移位；
通过在色调再现能力内使活动段数目最大而提供一个最大移位；
通过移动直方图使得相等数目的活动段从直方图的任一端处的最终应用的色调再现能力中排除而提供一个相等末端移位；
提供中点移位、平均移位和相等末端移位的一个平均值；
提供中点移位、平均移位、最大移位和相等末端移位的一个平均值。
5.如权利要求1所述的系统，其中，所述预定块大小由一个象素组成。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述预定块大小由8×8象素组成。
7.如权利要求1所述的系统，其中，一个段的大小近似相应于人视觉系统的最大分辨率。
8.如权利要求3所述的方法，其中，所述预定块大小由一个象素组成。
9.如权利要求3所述的方法，其中，所述预定块大小由8×8象素组成。
10.如权利要求3所述的方法，其中，一个段的大小近似相应于人视觉系统的最大分辨率。
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