CN1940695A - 用于补偿图像的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于补偿由实现图像信息的图像装置产生的图像的方法，考虑到环境照明。测量图像装置周围的外部背景照明的亮度。将所测量的背景照明亮度与图像装置的预设三色刺激值和反射因子相比较，并计算比较结果，产生控制信号，来补偿图像的亮度和色度。响应控制信号，补偿图像的亮度和色度。

Description

用于补偿图像的方法

技术领域

本发明总体上涉及一种数字设备，更具体地，涉及一种具有图像装置的数字设备，该数字设备在户外区域便于携带，并能够以图像形式提供信息。

背景技术

随着电子和数字技术的发展，数字设备以多种个人化和便携式形式得以应用，例如导航系统、个人数字助理(PDA)、便携式电话、笔记本计算机、电子字典、运动图像专家组(MPEG)音频层3(MP3)数字摄像机、照相机等。数字设备配备有图像装置，以向用户提供信息。图像装置可以使用液晶显示器(LCD)、等离子体显示板(PDP)等。图像装置可以提供多种类型的图像信息，例如文本、静止图像、运动图像等。

人类的感知会经历灵敏度变化，即，光适应灵敏度，其中，从图像装置感知的图像的亮度、色度等随着环境照明中可能亮度等级的不同而不同。亮度指的是特定区域中的光量。色度(chroma)，即“色度(chrominance)”的缩写，包括色调和饱和度。色调是颜色的主波长。饱和度指的是颜色包含的深色(black)量。

虽然没有配置所给图像的真实光学特性来使其响应从图像装置周围来的背景照明，但是由光适应引起的灵敏度变化使诸如相对暗或低色度等级的所给图像可以被看到。

虽然近来的数字设备是高度集成以实现较小尺寸、轻量并提供多种功能，向用户提供多种信息和功能的方便性，但是问题在于，用户无法或无法正确地从针对外部背景照明变化而调整的图像装置中获取信息。

例如，当在户外区域使用数字设备时，由于外部背景照明的变化，用户可能感知到与真实亮度和色度不同的图像亮度和色度，真实亮度和色度即在不考虑环境光的影响下与图像相关联的亮度和色度。由此，例如，在晴朗白天，用户可能感觉从数字设备提供的图像处于比环境背景照明更暗的等级。因此，无法获取需要的信息。此外，人类视觉感知的颜色可能随着环境光而变化。这种变化的术语是炫光(flare)。当从设备的显示屏幕上反射的光引起炫光现象发生时，无法顺利地获取图像信息。更具体地，相比于正常状态，在相对低色度的状态下，用户无法正确地从引发炫光现象的屏幕上感知图像。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种方法，用于根据户外区域中背景照明的变化，来补偿便携式显示设备的亮度和色度。该方法考虑了基于户外区域中背景照明变化的人类视觉灵敏度的适应性。此外，本发明还提供一种使用该方法的设备。

根据本发明的方案，提供一种方法，用于通过参考环境照明，来补偿用于实现图像信息的图像装置中的图像。对图像装置周围的外部背景照明的亮度进行测量。将所测量的背景照明的亮度与图像装置的预设三色刺激值和反射因子相比较。计算比较结果。产生控制信号，来补偿图像的亮度和色度。

附图说明

从以下参考附图的详细描述中，将会更加清楚地理解本发明的上述和其它目的和方案，其中：

图1A和1B是示出根据背景照明的亮度变化的视觉灵敏度变化之间的比较的图；

图2是示出根据本发明第一实施例，根据背景照明的变化来补偿图像亮度和色度的过程的流程图；

图3A和3B是示出暗室中的图像与其中发生了炫光现象的图像之间的比较的三维图；

图4是示出根据本发明第一实施例的第二到第四过程的步骤的方框图；

图5A和5B是示出亮度与人类能够感知的视觉灵敏度之间的关系的图；

图6A和6B是示出当背景照明是5000勒克斯和10000勒克斯时，根据第一灵敏度曲线的n值变化的曲线形式的图；

图7是示出根据炫光现象和色度增强方法的色度变化的图；

图8是示出根据本发明第二实施例的算法的方框图。

具体实施方式

以下参考附图，详细描述本发明的优选实施例。在以下讨论中，为清楚和简明起见，省略了对结合于此的、本领域技术人员熟知的功能和配置的详细描述。

虽然人们接收从设备的图像装置产生的、具有便于传输的预定光学特性的图像信息，但是他或她对图像信息的感知可能根据周围环境而不同。人类视觉灵敏度根据环境背景照明的变化引起这种不同。常规户外背景照明覆盖的范围是从大约每平方米0到10⁸坎(cd/m²)，而人类感知范围是在大约10⁵cd/m²长。

图1A示出根据数字设备的环境背景照明的变化的灵敏度变化特性。第一曲线110表示背景照明的亮度值是200cd/m²(典型的户内值)的情况，并表示针对在所表示的前景亮度下的图像的视觉灵敏度变化。第二到第五曲线121、122、123和124分别具有背景照明亮度值2000cd/m²、4000cd/m²、6000cd/m²和8000cd/m²。

图1B比较第一曲线110和第二曲线124上的视觉灵敏度变化。可以看到，户内区域中的视觉灵敏度201在100cd/m²时是0.6，而在增加背景照明并同时保持前景照明不变的情况下，视觉灵敏度202在100cd/m²时是在0.2和0.3之间。

尽管在户外有相对更高的背景照明，但是数字设备或图像装置仍然可被感知的原因在于，如上所述，人类视觉灵敏度，即，作为人眼中结构的视锥，随光适应现象而变化。这就是如图1A和1B所示的根据外部背景照明变化改变视锥响应曲线的因素。

图2是作为演示性和非限制性的示例、示出的根据本发明的数字设备中的图像补偿方法的方框图。图像装置接收二进制数据值形式的红、绿和蓝(RGB)的读数，并实现图像。RGB二进制数据不能规则地遵循基于人类视觉灵敏度的色彩感觉。在RGB值的计算中，RGB函数具有至少一个负(-)值。该负值代表从混合颜色中去除颜色分量，这种去除可能无法在物理上实现。由于该负值，整个RGB范围受限，即，不是所有颜色的光分量都可以通过三基色RGB的混合而得到。特别地，室内通常使用的阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子体显示板(PDP)等可以使用增益补偿伽马(GOG)和S曲线模型，来执行变换。但是，在将图像装置应用于便携式数字设备的情况下，使用建模函数所得到的测量结果中出现严重误差。以下将进一步描述以分段线性插值方式将三基色RGB变换成国际照明委员会(CIE)定义的三色刺激值X、Y和Z的过程。

参考图2，根据本实施例，数字设备中的图像补偿方法包括：第一过程310和311，检测基于颜色空间CIE/L^*a^*b的亮度、色度和LCH；第二过程330，补偿亮度320，并检测由于补偿亮度320而引起发生炫光现象的图像的变化的LCH；第三过程340，检测在第一和第二过程检测到的每一个色度值与暗室中的三色刺激值(X，Y，Z)之差；以及第四过程(350)，补偿色度值的改变。

更具体地，第一过程310、311从受到处于正常状态的外部背景照明影响的图像中，检测国际照明委员会实验室统一颜色空间(CIE/L^*a^*b)中的亮度、色度和色调(LCH)，其中，所述处于正常状态的外部背景照明即照明与在暗室中可以接收到的照明相等。

第一过程310、311和320从处于无外部背景照明的参考状态的图像，例如，在暗室中的图像，以及在外部背景照明存在的情况下的图像中，检测LCH。计算无外部背景照明时的三色刺激值X，Y和Z，然后将其映射到根据外部背景照明而变化的用户灵敏度曲线。这种映射产生所计算的灵敏度曲线。将所计算的灵敏度曲线变换到CIELAB颜色空间，来补偿亮度。根据预定标准，如上所述，针对三基色来变换三色刺激值。

根据外部炫光，使用方程(1)来计算在图像装置中实现的图像的三色刺激值。

${\left|\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right|}_D={\left|\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right|}_P+{\left|\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right|}_I+{\left|\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right|}_E$ 方程(1)

在方程(1)中，方程左侧的列矩阵D表示用户通过数字设备的图像装置所感知的最终三色刺激值。方程右侧最靠左的矩阵P提供参考三色刺激值，该参考三色刺激值是在外部背景照明不存在的状态下，用户能够通过图像装置感知的。矩阵I表示根据由图像装置的内部因素引起的炫光的三色刺激值。矩阵E代表根据由图像装置的外部因素引起的炫光的三色刺激值。

在方程(1)中，相比于外部三色刺激值，内部三色刺激值是可忽略的较小值，并且因为根据相邻像素值而变化，所以内部三色刺激值是可忽略的。像素是形成图像的最小单元，并包含图像信息。像素集合实现一幅图像。即，由其它相邻像素引起的炫光可能影响和改变任何像素。

外部背景照明引起图像的炫光现象。上述炫光现象在提高亮度中发挥作用。但是，炫光现象引出光适应问题，其中，当在户外区域观看图像装置时，在户外区域的图像装置的图像比背景照明更暗。

图5A和5B是示出亮度与人类感知能力之内的视觉灵敏度之间的关系的图。在图5A和5B中，x轴代表光强度，y轴代表人类能力之内的相对视觉变化的比率。

图5A示出当背景照明是每平方米10000流明(勒克斯)时，相关联的图像装置的户外环境中的视觉变化曲线510的图。这表示以下状态：由于第一参考状态中出现炫光，已将灵敏度曲线补偿到最优状态。即，图5A示出在第一炫光发生时，在灵敏度曲线的位置501处变化到最优状态的第一灵敏度曲线510。

图5B是示出图5A的一部分502的放大图。参考图5B，可以看到，通过创建第一灵敏度曲线510的逆函数曲线，即镜像图像，对数函数曲线具有线性形式的第二灵敏度曲线510a。根据方程(2)，这在图5B中示出。

$R_{\mathrm{cone}}=f\left(Y\right)=\frac{Y^n}{Y^n+{(I_A^{\mathrm{\α}}\×\mathrm{\β})}^n}$ 方程(2)

在方程(2)中，R_cone表示第一灵敏度曲线510的函数，与对数函数f(Y)相同。Y表示从图像装置产生的图像的亮度，用作三色刺激值之一，I_A表示环境背景照明的亮度。α是0.69，β是3.98，n可以选择性的设定为0.7～2.0之间的值。

由于逆函数曲线，外部炫光现象引起的视觉灵敏度下降得到补偿。

具体地，本发明计算对数函数的逆函数，并调整从图像装置产生的图像的亮度，从而使视觉灵敏度的响应值线性化，并可以补偿由背景照明引起的图像亮度损失。

图6A和6B是示出在背景照明是5000勒克斯和10000勒克斯时，根据第一灵敏度曲线n值的变化的曲线形式的图。参考图6A和6B，当n值增加时，第一灵敏度曲线变成指数曲线。当计算第一灵敏度区的逆函数及其值时，形成线性视觉灵敏度曲线，从而显著增大低灰度等级区的值，这样可以使亮度增强的效果最大化。可以看出，可以通过实验，根据图像装置来设定上述n值。

上述低灰度等级区表示相对暗的部分，并表示图6A和6B的输入亮度小于0.5的情况。在n值较大而输入亮度较小时，可以显著地改善通过使用第一灵敏度曲线的逆函数来获得的亮度。

图3A是示出参考状态的图像的三维图。图3A的屏幕总体上具有均匀分布。图3B是示出其中由人为亮度补偿引起炫光现象发生的图像的三维图。参考图3A和3B，可以看到，在增强亮度时，因为图像整个区域的亮度变高，但是图像外区域的亮度变低，所以色度下降。只参考图3B的色度，可以看到，并不是所有颜色的色度等同地下降，而是绿色的色度相比于红色的色度，有所下降。因此，必须根据不同颜色值来补偿色度损失。

在图3A和3B中，示出CIELAB颜色空间，其中x轴代表a^*，y轴代表L^*，z轴代表b^*。a^*是红色或绿色值。更具体地，当a^*为正时，是红色值，当a^*为负时，是绿色值。b*值是黄色或蓝色值。即，当b*为正时，是黄色值，当b*为负时，是蓝色值。所有颜色具有各自的亮度值。使用a*b*无法表示所有颜色信息。可以三维形式，根据与垂直轴的L*(亮度)的关系，来表示由图像装置实现的图像的所有颜色信息。具体地，L*代表亮度，a*b*代表色彩。图3所示的坐标系统可以表示人眼能够感知的平均差。a*b*与XYZ之间的关系遵循CIE 1976L*a*b*颜色空间的规定。

如上所述，第一过程310、311针对由于背景照明引起的图像装置的相对亮度损失，来补偿用户的视觉灵敏度，但是该过程存在的问题在于，使图像色度下降。第二过程330补偿亮度320，并检测由于补偿亮度320而发生炫光现象的图像中的已变化的LCH。使用第三和第四过程340、350来补偿上述色度下降。具体地，当数字设备工作在诸如暗室中的外部背景照明不存在的状态时，测量从图像装置产生的图像的三色刺激值，并如本发明的上述方程(1)和(2)所示，测量根据外部背景照明的三色刺激值。在图像装置中反映三色刺激值之差，从而在它由于外部背景照明而变得黑暗时，补偿用户的视觉。

在第一过程310、311、320之后，第二过程330、331可以根据方程(1)来计算方程(3)(如下所示)，并检测由于户外背景照明而发生炫光现象的图像中的已变化的LCH。如下面的表1所示，根据外部背景照明的强度，可以确定上述三色刺激值。第二过程可以通过实验，来预设与三色刺激值相关的所测量的背景照明的亮度。

${\left|\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right|}_E=R_{\mathrm{bk}}\left|\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right|=R_{\mathrm{bk}}\frac{M}{\mathrm{\π}}\left|\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{Ambient}}\\ y_{\mathrm{Ambient}}\\ 1-x_{\mathrm{Ambient}}-y_{\mathrm{Ambient}}\end{array}\right|$ 方程(3)

方程(3)定义通过删除方程(1)中的根据内部炫光的三色刺激值而计算的根据外部炫光的三色刺激值。在方程(3)中，x_Ambient和y_Ambient表示背景照明的色度值。M表示背景照明的照度。R_bk表示图像装置的屏幕中的反射因子。常规CRT屏幕具有3～5％的反射因子。户内区域使用的LCD的反射因子是0.5～1％，低于CRT。可以使用分光辐射度计来测量x_Ambient和y_Ambient。

第三过程340比较在第一和第二过程310、311、320、330和331中计算的色度值，并计算色度值之间的差。可以如方程(4)和(5)所示，定义第三过程340。

C_diff＝C-C_flare                                方程(4)

在方程(4)中，C_diff表示在暗室中测量的在图像正常状态中的色度值C与亮度补偿之后的色度变化值C_flare之差。方程(5)表示已补偿的图像色度。

C′＝C+αC_diff                                 方程(5)

在方程(5)中，C′表示已补偿的色度，α表示权重。权重α是常数，用于防止相关联的颜色的色度超出色域，并可以由方程(6)和(7)来确定。

α＝1，如果C＜(C_gamut-β×C_diff)               方程(6)

$\mathrm{\α}=\frac{(C_{\mathrm{gamut}}-C)}{\mathrm{\β}\×C_{\mathrm{diff}}}$ 方程(7)

在方程(6)和(7)中，C_gamut表示色域的边界部分，β是用于选择不执行根据已变化色度的幅度的附加操作的点的变量。β可以使用1、1.5和2之一。当选择大于2的值时，无法平滑地改善色度。当选择小于1的值时，容易使色度饱和。可以通过多个实验，根据每一个图像装置的状态和条件，来选择β。

根据色度补偿，权重α是用于防止色度饱和的常数。如方程(6)所示，当权重α是1时，用降低的色度来补偿色度。因为具有高色度的图像可能超过色域，所以如图(7)所示，在色域之内加上差值。在色域的边界部分，根据权重逐渐降低该值，从而可以使色度的饱和最小化。

图4是示出根据本发明第一实施例，第二到第四过程的步骤的方框图。接下来将描述补偿图像色度的步骤。可以根据背景照明的强度来计算图像的三色刺激值X，Y和Z(410和表1)。可以将所计算的三色刺激值的X和Z变换成基于CIELAB颜色空间的a*b*(420)。Y表示图像的亮度(440)，并计算已变化的亮度Y’(450)。可以将Y’变换成基于CIELAB颜色空间的L*。

在组合基于CIELAB颜色空间的L*a*b*之后，将组合结果反映到图像补偿。

图7是示出根据炫光现象和色度增强方法的色度变化的图。图的x轴代表色度，图的y轴代表亮度。多边形图分别代表颜色边界。较宽范围的颜色边界代表其中未发生炫光现象的图像的颜色边界。较窄范围的颜色边界代表其中由于炫光现象，已补偿了色度的图像的颜色边界。如图7所示，即使在补偿了色度C_diff之后出现户外背景照明时，也可以适当地保持色度。

表1示出根据外部背景照明的外部炫光的三色刺激值，以及通过测量图像装置的反射因子所获得的数据。

表1

背景照明的照度	X	Y	Z	Rbk
					0勒克斯	0.52	0.47	0.77
500勒克斯	1.78	1.91	2.63	0.008
					4,000勒克斯	12.76	13.5	14.63	0.01
9,000勒克斯	29.20	30.4	39.73	0.01
					15,000勒克斯	47.92	49.5	59.7	0.011

表1示出通过实验性地计算根据背景照明强度的三色刺激值的变化值而获得的结果。图像装置可以根据特性，通过实验来生成表1。

图8是示出根据本发明第二实施例的算法的方框图。参考图8，通过两个步骤，来实现根据本实施例的亮度和色度的改善。该算法将以三基色(RGB)体系输入的数据变换成三色刺激值(步骤510)。三色刺激值X、Y和Z设定灵敏度曲线(与方程(2)和图6A和6B的f(Y)相关联)(步骤521)，并将三色刺激值变换成a*b*(步骤511)。

通过镜像图像逆函数f’(Y)变换灵敏度曲线(与图5A至6B的f(Y)相关联)(步骤522)。将逆函数的三色刺激值的Y’变换成L*(步骤523)。

在步骤523和511之后，将a*b*和L*变换成LCH(步骤530)。根据C的变换，根据方程(4)和(5)将LCH变换到LC’H(步骤540)。将LC’H变换成RGB，从而输出RGB。

根据本发明实施例，数字设备的图像装置可以包括：光学检测器，检测外部背景照明的强度；运算器，存储根据在光学检测器检测到的外部背景照明的强度的三色刺激值的变化值，将背景照明的强度与所存储的三色刺激值的变化值相比较，并计算控制信号；以及控制器，根据运算器中计算的值，来补偿图像装置的图像。

因为便携式数字设备方便携带，所以得到了广泛使用，但是它们通常具有的问题在于，通过与用于提供信息的主要装置相对应的诸如LCD板的图像装置实现图像无法根据外部照明的亮度来向用户提供信息。但是本发明测量外部照明的亮度，并根据测量结果来补偿亮度和色度，从而即使在外部照明状态变化时，用户也可以获取恒定状态的图像信息。

Claims (6)

1.一种用于补偿图像的方法，包括：

测量图像装置周围的外部背景照明的亮度，所述图像装置用于在要补偿的所述图像中实现图像信息；

将所测量的亮度与图像装置的预设三色刺激值和反射因子相比较；以及

计算所述比较的结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，根据背景照明的亮度的三色刺激值和反射因子满足方程：

${\left|\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right|}_E=R_{\mathrm{bk}}\left|\begin{array}{c}X\\ Y\\ Z\end{array}\right|=R_{\mathrm{bk}}\frac{M}{\mathrm{\π}}\left|\begin{array}{c}{x}_{\mathrm{Ambient}}\\ y_{\mathrm{Ambient}}\\ 1-x_{\mathrm{Ambient}}-y_{\mathrm{Ambient}}\end{array}\right|$

其中E是外部背景照明的亮度，X，Y和Z是图像的三色刺激值，x_Ambient和y_Ambient是外部背景照明的三色刺激值的变换值，R_bk是图像的反射因子，M是背景照明的照度。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，图像的反射因子取决于 $R_{\mathrm{cone}}=f\left(Y\right)=\frac{Y^n}{Y^n+{(I_A^{\mathrm{\α}}\×\mathrm{\β})}^n},$ 其中R_cone和f(Y)是灵敏度曲线的函数，I_A是背景照明的亮度，Y是图像的亮度，α是0.69，β是3.98，n是从0.7～2.0之间的值中选择使用的常数，以及，通过形成函数f(Y)的逆函数，来补偿根据背景照明的亮度的图像亮度。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，色度补偿取决于C′＝C+αC_diff，C是在暗室中测量的图像的参考色度，C_diff＝C-C_flare是已变化的色度，α是根据色度变化的权重。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，当通过从色域的边界部分减去炫光发生之后的色度变化而获得的值小于参考色度时，如下确定权重α：

α＝1，如果C＜(C_gamut-β×C_diff)

其中，C_gamut色域的边界部分，β是变量。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，权重α由 $\mathrm{\α}=\frac{(C_{\mathrm{gamut}}-C)}{\mathrm{\β}\×C_{\mathrm{diff}}}$ 确定。

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