DE102013011954A1 - Method and apparatus for camera-based characterization of the color rendering of displays - Google Patents

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung dienen der Erfassung der erzeugten Ausgaben von Displays (insbesondere Monitoren und Projektoren) bezüglich eines geräteunabhängigen Farbraums wie CIE XYZ. Eine Menge von Eingabefarbwert-Ausgabemesswert-Paaren erlaubt die Charakterisierung die Farbwiedergabe eines Displays. Die vorliegende Erfindung reduziert den Zeitbedarf für die Messung und ermöglicht in der Praxis die Verwendung deutlich höherer Sample-Anzahlen. Zur Messung werden Eingabe-Farbwerte (Samples) zu zweidimensionalen Pattern zusammengefasst. Alle Samples eines Pattern werden gleichzeitig auf dem Display angezeigt und gleichzeitig erfasst, wobei für jedes Pattern mehrere Subpattern generiert werden: zwei Referenz-Subpattern enthalten jeweils nur Wiederholungen eines Samples, mehrere Farb-Subpattern enthalten die Samples des Patterns in einer pseudozufälligen Permutation, ergänzt um einige Wiederholungen der Samples der zugehörigen Referenzpattern. Anhand der Referenz-Samples der Farb-Subpattern werden die Messwerte der Referenz-Subpattern mit denen der Farb-Subpattern in Beziehung gesetzt und die Messwerte für die Farb-Samples relativ zu den Referenz-Samples ausgedrückt und hinsichtlich einer anderen Messposition neu interpretiert, so dass die positions- und winkelabhängigen Variationen der Farb- und Helligkeitswiedergabe des Displays kompensiert werden und das Äquivalent einer traditionellen Spot-Messung entsteht.Method and apparatus are used to capture the generated outputs of displays (especially monitors and projectors) with respect to a device-independent color space such as CIE XYZ. A set of input color value output measurement pairs allow the characterization of the color rendering of a display. The present invention reduces the time required for the measurement and in practice allows the use of significantly higher sample numbers. For measurement, input color values (samples) are combined into two-dimensional patterns. All samples of a pattern are simultaneously displayed on the display and recorded simultaneously, with multiple subpatterns being generated for each pattern: two reference subpatterns each contain only repetitions of a sample, several color subpatterns contain the samples of the pattern in a pseudorandom permutation, supplemented by a few repetitions of the samples of the associated reference pattern. Based on the reference samples of the color subpatterns, the measured values of the reference subpatterns are related to those of the color subpatterns, and the measured values for the color samples relative to the reference samples are expressed and reinterpreted with respect to another measurement position, so that the position- and angle-dependent variations of the color and brightness reproduction of the display are compensated and the equivalent of a traditional spot measurement arises.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der von einem Display erzeugten Farbausgaben in Abhängigkeit von den Eingabefarbwerten sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieser Messung. Die Erfindung dient der Farbkalibrierung von Displaysystemen wie LCD-Monitoren, Fernsehgeräten und Projektoren sowie segmentierten Anzeigesystemen, die aus mehreren Einzeldisplays aufgebaut sind.The invention relates to a method for measuring the color outputs generated by a display as a function of the input color values and to a device for carrying out this measurement. The invention is for the color calibration of display systems such as LCD monitors, TVs and projectors and segmented display systems, which are composed of several individual displays.

Stand der TechnikState of the art

Die Farbkalibrierung von Displays ist für viele Einsatzzwecke unerlässlich: Die professionelle Bild- und Videoverarbeitung erfordert Ausgabegeräte, die den für die Verarbeitung verwendeten Farbraum möglichst exakt und verzerrungsfrei wiedergeben können. Neben dieser absoluten Farbkalibrierung ist bei segmentierten Geräten, die aus einer Menge von Einzeldisplays bestehen – etwa Arrays von LCD-Displays oder Mehrsegment-Projektionsanlagen – auch eine Farbangleichung wünschenswert, für die ein möglichst großer gemeinsamer Gamut aller beteiligten Einzeldisplays gefunden und jedes Display auf diesen gemeinsamen Gamut kalibriert werden muss, auch wenn dabei nicht zwangsläufig eine Kalibrierung bezüglich eines exakt vorgegebenen Farbraums erfolgten muss.Color calibration of displays is essential for many applications: Professional image and video processing requires output devices that can reproduce the color space used for processing as accurately as possible and without distortion. In addition to this absolute color calibration is desirable for segmented devices that consist of a large number of individual displays - such as arrays of LCD displays or multi-segment projection systems - a color matching for the largest possible common gamut of all involved individual displays and each display on this common Gamut must be calibrated, even if it is not necessarily a calibration with respect to a precisely predetermined color space must be made.

Systeme und Verfahren zur Farbkalibrierung existieren bereits seit mehreren Jahrzehnten. Der Gamut von Geräten kann durch Farbprofile beschrieben werden, etwa nach den vom International Color Consortium (ICC) verwalteten Standards [1]. Existierende Farbmanagementsysteme wie Adobe Color Management Module (CMM) oder das in das Windows-Betriebssystem integrierte Windows Color System (WCS) erlauben die Umrechnung von Bildinhalten zwischen unterschiedlichen Geräten, sofern Farbprofile zur Verfügung stehen. Die Erstellung der Farbprofile erfordert das Messen des Ist-Zustandes, also die Erfassung der Ausgaben des Displays bei der Darstellung bestimmter Eingabefarbwerte. Diese Erfassung erfolgt in einem geräteunabhängigen Farbraum wie CIE XYZ [2], aus dem sich die menschliche Farbempfindung ableiten lässt und der als gemeinsamer Referenz-Farbraum die Umrechnung der Farbwerte zwischen unterschiedlichen Geräten erlaubt. Zur Messung werden eingesetzt:

  • • Spektralphotometer, die die spektrale Energieverteilung der abgegebenen elektromagnetischen Strahlung im sichtbaren Bereich erfassen und die genauesten Messergebnisse liefern.
  • • Tristimulus-Kolorimeter, die lediglich über drei verschiedene Farbfilter verfügen und einfallende Strahlung als Tristimulus-Wert bezüglich der durch die Farbfilter festgelegten spektralen Intensitätskurve erfassen. Dieses Wirkprinzip entspricht der Funktionsweise des menschlichen Auges. Mit Verwendung hochwertiger Farbfilter lassen sich direkt die XYZ-Werte erfassen.
  • • Verwendung von Digitalkameras. Eine solche Kamera arbeitet nach dem gleichen Prinzip wie ein Tristimulus-Kolorimeter. Jedoch sind Kameras nicht auf absolute Messgenauigkeit optimiert.
Systems and methods for color calibration have existed for several decades. The gamut of devices can be described by color profiles, such as the standards administered by the International Color Consortium (ICC) [1]. Existing color management systems such as Adobe Color Management Modules (CMM) or the Windows Color System (WCS) integrated into the Windows operating system allow image content to be converted between different devices if color profiles are available. The creation of the color profiles requires the measurement of the actual state, ie the acquisition of the outputs of the display when displaying certain input color values. This acquisition takes place in a device-independent color space such as CIE XYZ [2], from which the human color sensation can be derived and which allows the conversion of the color values between different devices as a common reference color space. For measurement are used:
  • • Spectrophotometers, which record the spectral energy distribution of the emitted electromagnetic radiation in the visible range and provide the most accurate measurement results.
  • • Tristimulus colorimeters, which have only three different color filters and detect incident radiation as a tristimulus value with respect to the spectral intensity curve defined by the color filters. This principle of action corresponds to the functioning of the human eye. Using high-quality color filters, the XYZ values can be directly recorded.
  • • Using digital cameras. Such a camera works on the same principle as a tristimulus colorimeter. However, cameras are not optimized for absolute measurement accuracy.

Die Messung einer Displayausgabe dauert je nach verwendeten Messgerät und Ansprüchen an die Genauigkeit ca. 3 s bis 60 s. Aus diesem Grund wird die Anzahl der zu erfassenden Farbsamples auf ein Minimum reduziert. Klassische RGB-Displays verwenden eine additive Farbmischung der drei Primärfarben Rot, Grün und Blau, um die Ausgabe zu erzeugen. Angesteuert werden diese Displays mit RGB-Signalen.The measurement of a display output takes about 3 s to 60 s, depending on the measuring device used and the accuracy requirements. For this reason, the number of color samples to be detected is reduced to a minimum. Classic RGB displays use additive color mixing of the three primary colors red, green, and blue to produce the output. These displays are controlled by RGB signals.

Im Folgenden soll der Begriff Farb-Transferfunktion als die Abbildung F(r, g, b) von Eingabewerten als RGB-Tristimulus auf die erzeugten Ausgabefarbwerte (X, Y, Z) verwendet werden. Die Farbkalibrierung erfordert die Bestimmung von F sowie der inversen Abbildung F–1.In the following, the term color transfer function shall be used as the map F (r, g, b) of input values as RGB tristimulus on the generated output color values (X, Y, Z). The color calibration requires the determination of F and the inverse mapping F -1 .

Im Idealfall kann von der Unabhängigkeit der Kanäle ausgegangen werden, so dass der Rot-Eingabekanal nur auf die Intensität der für die Ausgabe verwendeten Rot-Primärfarbe wirkt, analog für Grün und Blau (siehe auch [3]). Unter diesen Bedingungen kann die Farb-Transferfunktion zerlegt werden in die Anteile: F(r, g, b) = M·(Tr(r), Tg(g), Tb(b))T + k

  • • M: 3×3 Matrix, die die XYZ-Koordinaten der Primärfarben für RGB beschreibt
  • • k: dreidimensionaler Vektor, der den Schwarzpunkt in XYZ-Koordinaten beschreibt
  • • drei separate Intensitäts-Transferfunktionen Ti(x), die die Abbildung zwischen Eingabe-Intensität des Kanals und Ausgabe-Intensität (normiert auf Intervall [0, 1]) beschreiben. T stellt meist keine lineare Funktion dar, sondern meist eine Potenzfunktion der Art Ti(x) = xγ, wobei γ eine Gammakorrektur beschreibt, die der nichtlinearen Charakteristiken der menschlichen Helligkeitsempfindung nachgebildet ist.
Ideally, it can be assumed that the channels are independent, so that the red input channel only affects the intensity of the red primary color used for the output, analogous to green and blue (see also [3]). Under these conditions, the color transfer function can be decomposed into the proportions: F (r, g, b) = M * (T r (r), T g (g), T b (b)) T + k
  • • M: 3 × 3 matrix that describes the XYZ coordinates of the primary colors for RGB
  • • k: three-dimensional vector that describes the black point in XYZ coordinates
  • • three separate intensity transfer functions T i (x) describing the mapping between input intensity of the channel and output intensity (normalized to interval [0, 1]). T is usually not a linear function, but usually a power function of the type T i (x) = x γ , where γ describes a gamma correction that is modeled on the non-linear characteristics of the human brightness sensation.

Die Erfassung von M erfordert 3 Einzelmessungen, k eine weitere. Falls das Display ein Gamma-Wert perfekt umsetzt, so genügt theoretisch eine weitere Messung pro Farbkanal, um Ti vollständig zu bestimmen. In der Praxis weichen die meisten Displays von einem solchen Idealbild ab, so dass pro Farbkanal n Intensitätsstufen gemessen werden müssen. Im Extremfall können alle Intensitätsstufen gemessen werden, bei Displays mit 8 Bit Farbtiefe erfordert dies 3·256 = 768 Messungen.The acquisition of M requires 3 individual measurements, k another one. If the display perfectly converts a gamma value, theoretically one more measurement per color channel is sufficient to completely determine T i . In practice, most displays deviate from such an ideal image, so that n intensity levels must be measured per color channel. In extreme cases, all intensity levels For displays with 8-bit color depth, this requires 3 x 256 = 768 measurements.

Problembeschreibung/Nachteile bisheriger VerfahrenDescription of the problem / disadvantages of previous methods

Die Unabhängigkeit der Eingabefarbkanäle ist für viele moderne Displaytechnologien nicht mehr zwingend gegeben. Es werden häufig zusätzliche Grundfarben wie Gelb, Weiß oder Cyan eingesetzt. Insbesondere Projektoren mit DLP-Technologie arbeiten oft mit Farbrädern, auf denen neben den drei RGB-Segmenten noch mehrere weitere Segmente vorhanden sind. Einige LCD-TVs und -Projektoren verwenden ebenfalls eine zusätzliche Grundfarbe für die Erzeugung von Gelbtönen. Im Folgenden bezeichne m > 3 die Anzahl der Primärfarben.The independence of the input color channels is no longer mandatory for many modern display technologies. Additional basic colors such as yellow, white or cyan are often used. In particular, projectors with DLP technology often work with color wheels on which in addition to the three RGB segments, several other segments are available. Some LCD TVs and projectors also use an additional base color to produce yellows. In the following, m> 3 denotes the number of primary colors.

Während geräteintern die Zerlegung der Farb-Transferfunktion in m Intensitäts-Transferfunktionen möglich wäre, gilt dies nicht mehr bezüglich der Eingabesignale, die noch immer als RGB-Daten übertragen werden. Die Umrechnung auf die Intensitäten der m intern verwendeten Farbkanäle erfolgt intern und kann nicht als bekannt angenommen werden. Für die Messung bedeutet dies, dass weder die genauen XYZ-Koordinaten aller m Primärfarben nicht die m internen Intensitäts-Transferfunktionen bestimmt werden können. Die Darstellung von Gelb kann z. B. als Mischung von Rot und Grün sowie dem zusätzlichen Gelb realisiert werden, wobei die Mischungsverhältnisse weder bekannt sind, noch aus den XYZ-Tristimulus-Werten berechnen lassen, da sich ein dreidimensionaler Raum nicht eindeutig bezüglich einer Basis mit mehr als drei Dimensionen beschreiben lässt.While device-internal decomposition of the color transfer function in m intensity transfer functions would be possible, this no longer applies to the input signals, which are still transmitted as RGB data. The conversion to the intensities of the internally used color channels is done internally and can not be assumed to be known. For the measurement, this means that neither the exact XYZ coordinates of all m primary colors nor the internal intensity transfer functions can be determined. The representation of yellow can z. B. can be realized as a mixture of red and green and the additional yellow, the mixing ratios are neither known, nor can be calculated from the XYZ tristimulus values, since a three-dimensional space can not be clearly described with respect to a base with more than three dimensions ,

Zur Messung von F kann nun nicht mehr auf 3·n bzw. m·n Einzelmessungen zurückgegriffen werden, sondern es ergeben sich n3 Messungen. In der Praxis wird daher die Anzahl der zu messenden Intensitätsstufen stark beschränkt, typische Werte liegen zwischen 8 (512 Samples) und 17 (4913 Samples). Allerdings führt bereits die Verwendung von n > 12 zu einer sehr hohen Messdauer.For measurement of F, it is no longer possible to resort to 3 × n or m × n individual measurements, but n 3 measurements result. In practice, therefore, the number of intensity levels to be measured is severely limited; typical values are between 8 (512 samples) and 17 (4913 samples). However, the use of n> 12 already leads to a very high measurement duration.

In [4] wird vorgeschlagen für DLP-Projektoren mit zusätzlichem Weiß-Segement zunächst die Standardvorgehensweise unter der Annahme der Kanal-Unabhängigkeit zu verwenden und zusätzlich eine dünn besetzte dreidimensionale LookUp-Tabelle zu verwenden, die die Abweichungen von diesem Modell beschreibt und deren Korrektur erlaubt, wobei eine Sampling-Dichte von 53 empfohlen wird.In [4] it is proposed for DLP projectors with additional white segmentation to first use the standard procedure assuming channel independence and additionally to use a sparsely populated three-dimensional look-up table that describes the deviations from this model and allows their correction , with a sampling density of 5 3 is recommended.

Sajadi et al. schlugen 2010 das ADICT-Verfahren vor, bei dem die Funktion F bzw. auch Ihre inverse als mehrdimensionale Bézier-Funktionen modelliert werden [5]. Mit diesem Modell erreichten Sie für n = 9 für viele Geräte bereits vergleichbare Ergebnisse zur linearen Interpolation von Messungen mit n = 16. Sajadi et al. proposed the ADICT method in 2010, in which the function F or its inverse are modeled as multidimensional Bézier functions [5]. With this model, you could already achieve comparable results for n = 9 for linear interpolation of measurements with n = 16 for many devices.

Die existierenden Verfahren eignen sich jedoch nicht für alle Arten von Displays. Insbesondere DLP-Projektoren mit mehr als 4 Segmenten im Farbrad arbeiten oft mit diskreten Schwellwerten, ab denen zusätzliche Segmente verwendet werden. Dadurch ergeben sich häufig sehr lokale Verzerrungen oder sogar Unstetigkeiten, die mit einer niedrigen Samplingdichte nicht oder nicht ausreichend erfasst werden können. Die Erhöhung der Samplingdichte ist dabei nur eine theoretische Option, da der Zeitaufwand kubisch mit dem Parameter n wächst. Sajadi und Majumder geben für n = 9 ca. 2,5 Stunden und 11 Stunden für n = 16 als Messdauer an, wobei sie letzteres als nicht mehr praxistauglich ansehen.However, the existing methods are not suitable for all types of displays. In particular, DLP projectors with more than 4 segments in the color wheel often operate with discrete thresholds beyond which additional segments are used. This often results in very local distortions or even discontinuities that can not or not sufficiently be detected with a low sampling density. The increase of the sampling density is only a theoretical option, since the time expenditure grows cubically with the parameter n. Sajadi and Majumder give for n = 9 about 2.5 hours and 11 hours for n = 16 as the measurement period, the latter regard as no longer practicable.

Zielstellunggoal

Ziel der Erfindung ist es, die Erfassung der dreidimensionalen Farb-Transferfunktion signifikant zu beschleunigen. Dies ermöglicht zwei Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik:

  • • Reduktion des Zeitbedarfs zur Farbkalibrierung von Displaysystemen, deren Farb-Transferfunktion sich mit einer vergleichsweise geringen Sampledichte (z. B. 173) erfassen lassen.
  • • Ermöglichung der Messung mit wesentlich erhöhter Sampledichte (z. B. 643) innerhalb einer vertretbaren Messdauer (z. B. 5 Stunden). Bisherige Verfahren würden für eine derartige hohe Sampleanzahl (262144) mehrere Wochen benötigen.
The aim of the invention is to significantly accelerate the detection of the three-dimensional color transfer function. This allows two improvements over the prior art:
  • • Reduction of the time required for color calibration of display systems whose color transfer function can be detected with a comparatively low sample density (eg 17 3 ).
  • • Allowing for measurement with significantly increased sample density (eg 64 3 ) within a reasonable measurement period (eg 5 hours). Previous methods would require several weeks for such a high number of samples (262,144).

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Aufbauconstruction

Die Messvorrichtung besteht aus

  • • einem, zwei oder drei Rechnersystemen, wobei ein Rechnersystem mit mindestens einem zur Ansteuerung des zu messenden Displays geeigneten Videoausgang (HDMI/DVI/DisplayPort/VGA) ausgestattet ist
  • • einer digitalen Spiegelreflexkamera
  • • optional einem Kolorimeter oder Spektralphotometer
  • • bei Verwendung von mehreren Rechnersystemen: einem Computernetzwerk zur Verbindung aller beteiligen Systeme
  • • einer Softwarekomponente zur Ansteuerung des Displays mit Eingabebildpattern
  • • einer Softwarekomponente zur Ansteuerung der Digitalkamera und zum Auslesen der Bilddaten
  • • einer Softwarekomponente zur Durchführung der Messung.
The measuring device consists of
  • • one, two or three computer systems, whereby a computer system is equipped with at least one video output (HDMI / DVI / DisplayPort / VGA) suitable for controlling the display to be measured
  • • a digital SLR camera
  • • optionally a colorimeter or spectrophotometer
  • • using multiple computer systems: a computer network connecting all the systems involved
  • • a software component for controlling the display with input image patterns
  • • a software component for controlling the digital camera and reading the image data
  • • a software component to perform the measurement.

Vorbereitung preparation

Für die Messung muss die Kamera so platziert werden, dass die Bildfläche des Displays vollständig und möglichst großflächig erfasst werden kann. Zunächst wird eine geometrische Kalibrierung durchgeführt, mit denen die Abbildung zwischen Pixelkoordinaten der Kamera und des Displays bestimmt wird. Derartige Verfahren existieren bereits und sind nicht Bestandteil der Erfindung. Anzumerken bleibt lediglich, dass bei der kamerabasierten geometrischen Kalibrierung für gewöhnlich eine Zerlegung in vom Display und von der Kamera verursachte Verzerrungen angestrebt wird, während für diesen Anwendungsfall lediglich die Gesamtverzerrung relevant ist, und somit ggf. einige Teilschritte des geometrischen Kalibrieverfahrens entfallen.For the measurement, the camera must be positioned in such a way that the image area of the display can be recorded completely and over the largest possible area. First, a geometric calibration is performed to determine the mapping between pixel coordinates of the camera and the display. Such methods already exist and are not part of the invention. It should be noted, however, that in the case of camera-based geometric calibration it is usually desired to decompose distortions caused by the display and the camera, while only the overall distortion is relevant for this application, and thus some partial steps of the geometric calibration procedure may be omitted.

Aufteilung in Pattern und SubpatternDivision into patterns and subpatterns

Sei S die Menge aller zu erfassenden Farbsamples im RGB-Raum. Es wird davon ausgegangen, dass die Samples in einem (annähernd) regelmäßigen Gitter im RGB-Raum angeordnet sind. Die Menge aller möglichen Farbsamples wird durch einen Würfel im RGB-Raum repräsentiert. Dieser Würfel wird entlang jeder Dimension in s (annähernd) gleich große Scheiben eingeteilt. Es entstehen s3 Teilwürfel. Alle Samples von S, die innerhalb eines solchen Teilwürfels liegen, werden zu einem Pattern zusammengefasst.Let S be the set of all color samples to be captured in the RGB space. It is assumed that the samples are arranged in an (approximately) regular grid in the RGB space. The set of all possible color samples is represented by a cube in the RGB space. This cube is divided into s (approximately) equal slices along each dimension. There are s 3 partial cubes. All samples of S that lie within such a partial cube are combined into a pattern.

Diese Aufteilung geht von der Annahme aus, dass auch wenn das Display den RGB-Raum nur verzerrt wiedergibt, noch immer die grundlegenden Charakteristik des RGB-Modells erhalten bleibt, da andernfalls ein RGB-Eingabebild zu einer vollkommen unbefriedigenden Displayausgabe führen würden. Unter Berücksichtigung dieser Tatsache führt die Aufteilung dazu, dass innerhalb eines Patterns Samples mit ähnlicher Farbe und ähnlicher Intensität zusammengefasst werden, und so der Dynamikumfang innerhalb des Patterns begrenzt wird. Dies gilt insbesondere auch für den Dynamikumfang zwischen unterschiedlichen Farbkanälen.This division is based on the assumption that even if the display reflects the RGB space only distorted, still preserves the basic characteristics of the RGB model, otherwise an RGB input image would lead to a completely unsatisfactory display output. Taking this fact into account, the splitting results in samples of similar color and intensity being combined within a pattern, limiting the dynamic range within the pattern. This is especially true for the dynamic range between different color channels.

Für jedes Pattern ergibt sich eine Anzahl von Samples. Auf Grund obiger Annahmen variiert diese Anzahl zwischen den Pattern nur geringfügig. Für die Messung werden die Parameter p und q festgelegt, so dass gilt: ∀i: (p – 1)·(q – 1) ≥ #Samples(i) Each pattern produces a number of samples. Based on the above assumptions, this number varies only slightly between patterns. For the measurement, the parameters p and q are defined, so that the following applies: ∀i: (p - 1) · (q - 1) ≥ #Samples (i)

Dabei sei #Samples(i) die Anzahl der Samples in Pattern i Unter dieser Nebenbedingung wird die Differenz p – q minimiert.Let #Samples (i) be the number of samples in Pattern i Under this constraint the difference p - q is minimized.

Für jedes Pattern wird zunächst ein Minimum- und Maximum-RGB-Wert bestimmt, indem die minimale und maximale Intensität der vorkommenden Samples unabhängig für jeden Farbkanal ermittelt wird. Für jedes Pattern werden mehrere Subpattern erzeugt. Jedes Subpattern besteht aus einer zweidimensionalen Anordnung von (p + 2)·(q + 2) Farbsamples. Das erste Subpattern besteht ausschließlich aus Wiederholungen des Minimum-Samples, das zweite Subpattern ausschließlich aus Wiederholungen des Maximum-Samples. Jedes weitere Subpattern besteht aus (p – 1)·(q – 1) Farbsamples. Falls das Pattern aus weniger Samples besteht, so werden die restlichen Felder mit Wiederholungen der Samples aufgefüllt. Die restlichen Felder zur Anzahl p·q werden zur Hälfte mit Wiederholungen des Minimum-Samples und zur anderen Hälfte mit Wiederholungen des Maximum-Samples aufgefüllt. Die so entstandenen Samples werden pseudozufällig permutiert, wobei der äußere Rand nicht besetzt wird, sondern erst nach der Permutation mit Kopien der jeweils nächstinneren Farbsamples gefüllt wird. Die ersten beiden Subpattern eines Patterns seinen Referenz-Subpattern, die restlichen Farb-Subpattern genannt.For each pattern, a minimum and maximum RGB value is first determined by determining the minimum and maximum intensity of the occurring samples independently for each color channel. For each pattern several subpatterns are created. Each subpattern consists of a two-dimensional array of (p + 2) * (q + 2) color samples. The first subpattern consists exclusively of repetitions of the minimum sample, the second subpattern consists exclusively of repetitions of the maximum sample. Each additional subpattern consists of (p - 1) · (q - 1) color samples. If the pattern consists of fewer samples, the rest of the fields are padded with repetitions of the samples. The remaining fields for the number p · q are filled in half with repetitions of the minimum sample and half with repetitions of the maximum sample. The resulting samples are permuted pseudo-randomly, whereby the outer edge is not occupied, but only after the permutation with copies of each next inner color samples is filled. The first two subpatterns of a pattern are named their reference subpatterns, the remaining color subpatterns.

Kamerabasierte MessungCamera-based measurement

Für die Messung wird jeweils ein Subpattern auf dem Display angezeigt, wobei die p·q Farbsamples jeweils als mit dem jeweiligen Sample-Wert eingefärbte Rechtecke angezeigt werden. Die Größe der Rechtecke ergibt sich aus der Auflösung des Displays sowie den Parametern p und q und wird so gewählt, dass die zur Verfügung stehende Bildfläche möglichst vollständig ausgenutzt wird.For the measurement, a subpattern is shown on the display, whereby the p · q color samples are each displayed as rectangles colored with the respective sample value. The size of the rectangles results from the resolution of the display and the parameters p and q and is chosen so that the available image area is utilized as completely as possible.

Die Messung selbst erfolgt mittels der Digitalkamera. Die meisten Digitalkameras arbeiten zur Farberfassung mit Farbfiltern, die vor den eigentlichen Sensorelementen angebracht sind. Dabei kann ein Sensorelement nur einen Teil des Tristimulus-Wertes erfassen, der durch den jeweiligen Farbfilter angeordnet ist. Daher werden lokal all Farbfilter in einer festgelegten Anordnung wiederholt. Meist kommt ein sogenanntes Bayer Pattern mit RGB-Filtern zum Einsatz, wobei in jedem 2×2-Block auf einer Diagonale jeweils zwei Grün-Filter und in den restlichen beiden Sensorelementen je ein Rot- und Blaufilter vorkommen.The measurement itself is done by means of the digital camera. Most digital cameras use color filters with color filters placed in front of the actual sensor elements. In this case, a sensor element can detect only a part of the tristimulus value which is arranged by the respective color filter. Therefore, locally all color filters are repeated in a fixed order. Usually a so-called Bayer pattern with RGB filters is used, whereby in each 2 × 2 block on one diagonal there are two green filters each and in the remaining two sensor elements one red and one blue filter each.

Für das Messverfahren wird geometrischen Kalibrierung eine Lookup-Tabelle vorberechnet, die jedem rohen Kamerapixel ein Farbsample sowie einen Farbkanal zuordnet, und so auch die Anordnung der Farbfilter berücksichtigt. Weiterhin wird jedem Kamerapixel ein Gewichtswert zugeordnet, wobei die Gewichte zum Rand des Abbildungsrechtecks eines Farbsamples immer weiter abnehmen. Auf diese Weise wird verhindert, dass Unschärfen, Fehler bei der geometrischen Kalibrierung oder (z. B. durch thermische Effekte verursachte) Veränderungen während der Messung zu Situationen führen, in denen benachbarte Farbsamples Einfluss nehmen.For the measurement method, a lookup table is precalculated for geometric calibration, which assigns a color sample and a color channel to each raw camera pixel, and thus also takes into account the arrangement of the color filters. Furthermore, each camera pixel is assigned a weight value, with the weights always decreasing to the edge of the image rectangle of a color sample. This will prevent blurring, geometrical calibration errors or (caused for example by thermal effects) Changes during the measurement lead to situations in which neighboring color samples influence.

Aus jedem Kamerafoto entsteht ein Messwert für jedes Farbsample und jeden Farbkanal der Kamera als gewichtetes Mittel aller Kamerapixel, die das vom Display angezeigte Rechteck dieses Samples erfassen und dem jeweiligen Kamera-Farbkanal entsprechen. Die verwendeten Messwerte beziehen sich auf die rohen Sensordaten, wie sie vom CMOS- oder CCD-Chip der Kamera geliefert werden, und sollten möglichst wenige Nachverarbeitungsschritte durchlaufen haben. Die Messerte sind relativ zu den bei der Aufnahme verwendeten Parametern Belichtungszeit, Blendenzahl sowie ISO-Empfindlichkeit zu betrachten. Weiterhin führt sowohl der Vignettierungseffekt des Kameraobjektivs als auch die Ungleichmäßige Ausleuchtung des Displays zu Positionsabhängigkeiten der Messwerte, die später ausgeglichen werden müssen.Each camera photo produces a measured value for each color sample and each color channel of the camera as a weighted average of all camera pixels that capture the rectangle of this sample displayed by the display and correspond to the respective camera color channel. The measurements used refer to the raw sensor data provided by the camera's CMOS or CCD chip and should have undergone as few post-processing steps as possible. The knives should be viewed relative to the exposure time, f-number, and ISO sensitivity used during shooting. Furthermore, both the vignetting effect of the camera lens and the uneven illumination of the display lead to position dependencies of the measured values, which must be compensated later.

Für die Erfassung eines Subpatterns werden in der Regel mehrere Fotos benötigt. Um den vollständigen Dynamikumfang abzudecken, wird dabei auf ein modifiziertes High Dynamic Range (HDR) Verfahren zurückgegriffen. Beim Standard-HDR-Verfahren werden mehrere Aufnahmen der gleichen Szene mit unterschiedlicher Belichtungszeit angefertigt. Aus der Kenntnis der relativen Unterschiede der Belichtungszeit lassen sich die Einzelaufnahmen zu einer Gesamtaufnahme mit höherem Dynamikumfang kombinieren [6]. Im Rahmen des Messverfahrens wurden zwei Modifikationen gegenüber dem Standardverfahren vorgenommen:

  • • Neben der Belichtungszeit wird auch die ISO-Empfindlichkeit variiert
  • • Die relativen Faktoren der unterschiedlichen Belichtungszeiten und ISO-Werte zwischen zwei Fotos wird nicht als konstant angenommen, sondern aus der Überlappung von in beiden Aufnahmen gut ausbelichteten (also weder unter- noch überbelichteten) Farbsamples rekonstruiert.
Capturing a subpattern usually requires multiple photos. In order to cover the full dynamic range, a modified High Dynamic Range (HDR) method is used. The standard HDR process takes multiple shots of the same scene with different exposure times. From the knowledge of the relative differences in the exposure time, the individual images can be combined to a total recording with a higher dynamic range [6]. As part of the measurement procedure, two modifications were made to the standard procedure:
  • • In addition to the exposure time, the ISO sensitivity is also varied
  • • The relative factors of the different exposure times and ISO values between two photos are not assumed to be constant, but are reconstructed from the overlap of well-exposed (ie neither underexposed nor overexposed) color samples in both images.

Die Belichtungssteuerung erfolgt automatisch. Dazu wird ein Pfad durch den aus Belichtungszeit und ISO-Wert aufgespannten Parameterraum festgelegt. Die Messung startet mit initialen Parametern. Sofern überbelichtete Farbsamples vorhanden sind, wird der nächste Punkt entlang des Pfades ausgewählt und eine weitere Aufnahme angefertigt. Dies wird wiederholt, bis keine Überbelichtung mehr Auftritt. Analog wird bei Unterbelichtung vorgegangen, wobei das Abschreiten des Pfades dann ausgehend vom Pfadpunkt bei der initialen Belichtung in die andere Richtung erfolgt. Entgegen den Ansprüchen bei gewöhnlicher Fotografie erfolgt die Ausbelichtung separat für jeden Farbkanal der Kamera. Ein sehr intensives rotes Farbsample hat bezüglich des blauen Farbfilters der Kamera einen sehr geringen, aber dennoch nicht vernachlässigbaren wert, so dass zu dessen Erfassung ggf. lange Belichtungszeiten notwendig werden.Exposure control is automatic. For this purpose, a path is defined by the parameter space spanned by exposure time and ISO value. The measurement starts with initial parameters. If overexposed color samples are present, the next point along the path will be selected and another shot taken. This is repeated until no overexposure occurs. The procedure is analogous to underexposure, wherein the path is then traversed from the path point during the initial exposure in the other direction. Contrary to the requirements of ordinary photography, the exposure is done separately for each color channel of the camera. A very intense red color sample has a very low, but not negligible, value with regard to the blue color filter of the camera, so that, if necessary, long exposure times may be necessary for its detection.

Zur Verbesserung der Qualität wird eine Mindestanzahl von Wiederholungen festgelegt. Jedes Foto, das in irgendeinem Farbkanal korrekt ausbelichtete Samples enthielt, wird dann ggf. mehrfach wiederholt. Für die Kombination im HDR-Verfahren werden die Daten von Fotos mit gleichen Belichtungsparametern gemittelt, um das Messrauschen weiter zu reduzieren. Für jedes Subpattern werden somit mehrere Fotos angefertigt. Nach der Kombination mit dem modifizierten HDR-Verfahren entstehen p·q Messwerte pro Farbkanal der Kamera, der äußere Rand wird bei der Verarbeitung ignoriert. Die Kombination erfolgt iterativ, in dem die Messdaten jeweils akkumuliert werden. Ausgehend von derjenigen Belichtungsstufe, die am meisten korrekt belichtete Farbsamples enthält, wird zunächst mittels der bekannten Parameterwerte für Belichtungszeit, Blende und ISO-Wert ein Belichtungsfaktor errechnet, mit denen sich die Daten in einen absoluten Farbraum umrechnen lassen:

Figure DE102013011954A1_0001
To improve quality, a minimum number of repetitions is set. Any photo that contained correctly exposed samples in any color channel will then be repeated multiple times. For the combination in the HDR method, the data of photos are averaged with the same exposure parameters to further reduce the measurement noise. For each Subpattern thus several photos are made. After combining with the modified HDR method, p · q measurements are made per color channel of the camera, the outer edge is ignored during processing. The combination is iterative, in which the measurement data is accumulated in each case. Starting from the exposure level that contains the most correctly exposed color samples, an exposure factor is first calculated using the known parameter values for exposure time, aperture and ISO value, with which the data can be converted into an absolute color space:
Figure DE102013011954A1_0001

Dabei kennzeichnet A die Blendenzahl, Δt die Belichtungszeit und I den ISO-Wert. Die Messwerte der Kamera werden mit dem Faktor I multipliziert, die entstehenden Werte sind proportional zur an der Kamera einfallenden Bestrahlungsstärke E, jedoch durch die spektrale Empfindlichkeitsfunktion des Farbfilters gewichtet.Here A denotes the f-number, Δt the exposure time and I the ISO value. The measured values of the camera are multiplied by the factor I, the resulting values are proportional to the incident on the camera irradiance E, but weighted by the spectral sensitivity function of the color filter.

Diese Umrechnung stellt die initialen Werte für die Akkumulation dar. Jede weitere Belichtungsstufe wird hinzugefügt, indem diejenige gewählt wird, deren Anzahl an überlappenden Samples, also Samples, die sowohl in der aktuellen Akkumulation als auch im Foto korrekt belichtet sind, maximal ist. Auf Grund der überlappenden Samplewerte wird eine Modellfunktion f(x) = αx + β gefittet, so dass der Fehler bei der Abbildung der Belichtungsstufe minimiert wird. α entspricht dabei dem relativen Faktor, der sich im Idealfall als das Verhältnis l₁ / l₂ der beiden Belichtungsfaktoren ergeben sollte, in der Praxis jedoch leicht davon abweicht. β erlaubt darüber Hinaus eine Korrektur von auch bei keinerlei Eingangsstrahlung fließenden Restströmen. Die Akkumulation von überlappenden Samples erfolgt mit einem gewichteten Mittelwert, wobei die Gewichtung wie beim Standard-HDR-Verfahren vom Intensitätswert der Kamera abhängt. Werte nahe der Unter- oder Überbelichtung erhalten ein geringeres Gewicht, Werte in der Mitte des Wertebereiches ein hohes Gewicht. Das HDR-Verfahren wird separat für jeden Farbkanal der Kamera durchgeführt.This conversion represents the initial values for the accumulation. Each additional exposure level is added by selecting the one whose number of overlapping samples, that is, samples correctly exposed in both the current accumulation and the photo, is maximum. Due to the overlapping sample values, a model function f (x) = αx + β is fitted so that the error in the imaging of the exposure level is minimized. α corresponds to the relative factor, which in the ideal case is called the ratio l₁ / l₂ should be the two exposure factors, but slightly different in practice. In addition, β permits a correction of residual currents which also flow with no input radiation. The accumulation of overlapping samples is performed with a weighted average, the weighting as in the standard HDR method depending on the intensity value of the camera. Values near the under- or overexposure receive a lower weight, values in the middle of the value range a higher weight. The HDR process is performed separately for each color channel of the camera.

Zur Messung eines Patterns werden alle Einzelmessungen der Subpatterns kombiniert. Die beiden Referenz-Subpattern enthalten jeweils nur ein Referenz-Farbsample und dienen dem Ausgleich der Positionsabhängigkeit der Messwerte sowie der Berücksichtigung des Hintergrundlichts während der Messung. Dabei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass die Displayausgabe selbst diffus im Raum reflektiert wird und zum Teil wieder zurück auf das Display gelangt. Dieser Effekt führt zu einem dynamischen Hintergrundlicht, der von den Samples innerhalb des Subpatterns selbst verursacht wird. To measure a pattern, all individual measurements of the subpatterns are combined. The two reference subpatterns each contain only one reference color sample and compensate for the positional dependency of the measured values and the consideration of the background light during the measurement. It should be noted in particular that the display output itself is reflected diffusely in the room and partly reaches back to the display. This effect results in a dynamic background light caused by the samples within the subpattern itself.

Die Farb-Subpattern enthalten pseudozufällig verteilt eine Menge von Wiederholungen des Minimum- und Maximum-Referenzwertes des Patterns. Das Verfahren arbeitet mit einem linearen Modell der Form f(x) = αx + β. Auf Grund der Messwerte für die Referenz-Samples im Farb-Subpattern und der Messwerte für die gleichen Referenz-Samples im jeweiligen Referenz-Subpattern an der gleichen Position können die Parameter α und β, separat für jeden Farbkanal und jedes der beiden Referenz-Subpattern durch ein Minimierungsverfahren stimmt werden. Damit ist es möglich, die Messwerte der Referenz-Subpattern so umzurechnen, dass sich die erwarteten Messwerte für die Referenzsamples beim dynamischen Hintergrundlicht des Farb-Subpatterns an jedem Punkt des Subpatterns abschätzen lassen. Die Referenz-Subpattern werden gewissermaßen so in die Messwerte der Farb-Subpattern linear transformiert, so dass der Fehler zu den im Farb-Subpattern erfassten Referenz-Samples minimiert wird, und der Helligkeitsverlauf für das komplette Display approximiert wird.The color subpatterns contain a set of repetitions of the minimum and maximum reference values of the pattern distributed in a pseudo-random manner. The method works with a linear model of the form f (x) = αx + β. Due to the measurements for the reference samples in the color subpattern and the measurements for the same reference samples in the respective reference subpattern at the same position, the parameters α and β can be separated for each color channel and each of the two reference subpatters a minimization procedure will be correct. It is thus possible to convert the measured values of the reference subpattern so that the expected measured values for the reference samples can be estimated at the dynamic background light of the color subpattern at each point of the subpattern. In a sense, the reference subpatterns are linearly transformed into the measured values of the color subpatterns, so that the error to the reference samples acquired in the color subpattern is minimized and the brightness characteristic for the complete display is approximated.

Die Messwerte werden nun relativ zu den Referenzwerten umgerechnet. Sei xi der Kamera-Messwert für ein Sample an Position i und einen Kamera-Farbkanal. Dann steht nun mit Ri,min und Ri,max eine Abschätzung für den Minimum- und Maximum-Referenzwert an Position i für diesen Farbkanal zur Verfügung und xi lässt sich relativ bezüglich dieser Werte ausdrücken als:

Figure DE102013011954A1_0002
The measured values are now converted relative to the reference values. Let x i be the camera reading for a sample at position i and a camera color channel. Then with R i, min and R i, max an estimate for the minimum and maximum reference value at position i is available for this color channel and x i can be expressed relative to these values as:
Figure DE102013011954A1_0002

Weiterhin lässt sich xi neu interpretieren zu einem Messwert x'i, den die Kamera erfasst hätte, wenn das Sample nicht an Position i, sondern an Position j gemessen worden wäre: x'i = ri·(Rj,max – Rj,min) Furthermore, x i can be reinterpreted to a measured value x ' i which the camera would have detected if the sample had not been measured at position i but at position j: x ' i = r i * (R j, max - R j, min )

Auf diese Weise entsteht das Äquivalent zu einer traditionellen Spotmessung wie mit einem Spektralphotometer oder Kolorimeter. Als Referenzpunkt j wird ein Sample nahe der Mitte der Bildfläche verwendet.In this way, the equivalent of a traditional spot measurement is created as with a spectrophotometer or colorimeter. As a reference point j, a sample near the center of the image area is used.

Die entstehenden x'r Messwerte können direkt dem gemessenen Eingabefarbsample zugeordnet werden. Steht mehr als ein Farb-Subpattern zur Verfügung, so werden alle Ergebnisse eines Samples gemittelt. Auf diese Weise wird das Messrauschen zusätzlich reduziert, die positionsabhängigen Messunterschiede weiter verringert und auch störende Einflüsse von benachbarten Farbsamples kompensiert. Die Anzahl der Farb-Subpatterns pro Pattern ermöglicht eine Abwägung zwischen Geschwindigkeit und Qualität der Messung.The resulting x ' r readings can be directly assigned to the measured input sample. If more than one color subpattern is available, all results of a sample are averaged. In this way, the measurement noise is additionally reduced, the position-dependent measurement differences further reduced and also compensates for disturbing influences of adjacent color samples. The number of color subpatterns per pattern allows you to balance the speed and quality of the measurement.

Neben den s3 Patterns wir weiterhin ein zusätzliches Referenzpattern eingefügt. Dieses enthält lediglich die Minimum- und Maximum-Samples aller anderen Pattern mehrfach wiederholt. Die Zerlegung dieses Patterns in Subpattern sowie die Messung selbst erfolgt exakt wie oben beschrieben. Allerdings wird dieses Pattern als erstes gemessen. Auf diese Weise entstehen Messdaten für die Referenzwerte in einer gemeinsamen Aufnahme und mit konstantem Hintergrundlicht. Die Messergebnisse für die Referenzsamples seien jeweils als Rref,min und R' bezeichnet. Die Verarbeitung der Subpatterns für alle gewöhnlichen Pattern erfolgt dann bezüglich dieser Referenzwerte x''i = ri·(Rref,max – Rref,min) so dass nun auch die Messwerte zwischen unterschiedlichen Patterns vergleichbar sind. Gleichzeitig dienen die Referenzwerte der Schätzung initialer Belichtungsparameter für die Messung aller anderen Patterns und beschleunigen so die Messung.In addition to the s 3 patterns, we continue to insert an additional reference pattern. This only contains the minimum and maximum samples of all other patterns repeated several times. The decomposition of this pattern into subpatterns as well as the measurement itself is done exactly as described above. However, this pattern will be measured first. In this way, measurement data for the reference values are generated in a common recording and with a constant background light. The measurement results for the reference samples are denoted in each case as R ref, min and R '. The processing of the subpatterns for all ordinary patterns then takes place with respect to these reference values x '' i = r i * (R ref, max -R ref, min ) so that now also the measured values between different patterns are comparable. At the same time, the reference values serve to estimate initial exposure parameters for the measurement of all other patterns and thus speed up the measurement.

Die finalen Messwerte werden aus dem Kamera-Farbraum in den XYZ-Farbraum umgerechnet. Dies geschieht mit einer kameraspezifischen 3×3-Farbmatrix. Eine derartige Umrechnung findet als Teilschritt auch bei der digitalen Entwicklung von Raw-Fotodaten statt. Die Bestimmung dieser Matrix ist nicht Teil dieser Erfindung, es wird lediglich eine solche Matrix als bekannt vorausgesetzt.The final measured values are converted from the camera color space into the XYZ color space. This is done with a camera-specific 3 × 3 color matrix. Such a conversion also takes place as a partial step in the digital development of raw photo data. The determination of this matrix is not part of this invention, only one such matrix is assumed to be known.

Die so von der Kamera gelieferten Messwerte können jedoch nur als Approximation für die XYZ-Werte betrachtet werden Auf Grund von Imperfektionen der verwendeten Farbfilter ergeben sich lokal Verzerrungen zu den tatsächlichen XYZ-Werten. Zur Verbesserung der Qualität kann daher optional ein Hybridverfahren mit einem Spektralphotometer oder Kolorimeter durchgeführt werden, wobei eine Teilmenge S' aus S zusätzlich mittels gewöhnlicher Spot-Messung durchgeführt wird. Die Samples in S' sollten wiederrum möglichst gleichmäßig über den gesamten RGB-Raum verteilt sein und erlauben es, den Raum der Messergebnisse der Kamera der tatsächlichen Messergebnisse zu entzerren. Die Anzahl der Samples in S' ermöglicht wiederum eine Abwägung zwischen Geschwindigkeit und Qualität. Sinnvoll erscheint die Verwendung weniger hundert derartiger Referenzsamples.However, the measurements thus provided by the camera can only be considered as an approximation of the XYZ values. Due to imperfections of the color filters used, local distortions to the actual XYZ values result. In order to improve the quality, therefore, a hybrid method with a spectrophotometer or colorimeter can optionally be carried out, wherein a subset S 'of S is additionally carried out by means of ordinary spot measurement. The samples in S 'should again be distributed as evenly as possible over the entire RGB space and allow the space of the measurement results of the camera equalize actual measurement results. The number of samples in S 'again allows a tradeoff between speed and quality. It makes sense to use a few hundred of such reference samples.

Ausführungsbeispielembodiment

Als Beispiel soll ein DLP-Projektor, der RGB-Bilddaten mit 8 Bit Farbtiefe entgegennimmt und eine native Auflösung von 1280×800 Pixeln besitzt. Theoretisch können bis zu 2563 (Ca 16,8 Mio) Farben dargestellt werden. Zur Erfassung stehe eine Digitalkamera mit einer Auflösung von 4288×2844 Pixeln (ca. 12 Megapixel) zur Verfügung, die mit drei Farbfiltern für Rot, Grün und Blau in Bayer Pattern Anordnung arbeitet. Die Kamera sei so platziert, dass ca. 9 Megapixel auf die Bildfläche des Displays entfallen.As an example, a DLP projector that receives RGB image data with 8-bit color depth and has a native resolution of 1280 × 800 pixels. Theoretically, up to 2563 (ca 16.8 million) colors can be displayed. To capture a digital camera with a resolution of 4288 × 2844 pixels (about 12 megapixels) is available, which works with three color filters for red, green and blue in Bayer pattern arrangement. The camera is placed so that about 9 megapixels account for the image area of the display.

Beispiel 1: Messung von 643 SamplesExample 1: Measurement of 64 3 Samples

Für die dichte Messung sollen 643 Farbsamples erfasst werden, pro Kanal sollen die Intensitäten beginnend von 0 mit einer Schrittweite von 4 erfasst werden, die maximale Intensität beträgt dann 252 (die restlichen Messdaten können später extrapoliert werden). Die Wahl von s = 4 führt teilt den RGB-Würfel in 64 Subwürfel, wobei jedes Pattern 4096 Samples enthält. Für p und q ergeben sich je 65. Auf Grund der Auflösung stehen pro Farbsample im Mittel 19×11 Projektorpixel zur Verfügung. Damit ergeben sich unter Berücksichtigung der Anordnung der Farbfilter der Kamera pro Farbsample im Mittel ca. 900 Sensorelemente für Grün und je ca. 450 Sensorelemente für Rot und Blau.For the dense measurement, 64 3 color samples are to be recorded, per channel the intensities are to be recorded starting from 0 with a step size of 4, the maximum intensity is then 252 (the remaining measured data can be extrapolated later). Choosing s = 4 will split the RGB cube into 64 sub-cubes, with each pattern containing 4096 samples. For p and q the result is 65. Due to the resolution, an average of 19 × 11 projector pixels are available per color sample. Taking into account the arrangement of the color filters of the camera, this results in an average of approx. 900 sensor elements for green and approx. 450 sensor elements for red and blue per color sample.

Für die Referenzmessung entstehen 128 Farbsamples, so dass jedes Sample 32fach im Pattern wiederholt werden kann. Das Verfahren beginnt mit der Erfassung des ersten Subpatterns des Referenzpatterns, welches ausschließlich schwarz zeigt. Das Zweite Subpattern zeigt ein sehr helles Grau (252, 252, 252). Für das Referenzpattern werden 8 Permutationen verwendet, so dass 8 Farb-Subpattern erfasst werden. Insgesamt stehen dann pro Referenzsample 256 Wiederholungen zur Verfügung, so dass die Referenzsamples mit vergleichsweise hoher Qualität erfasst werden können.For the reference measurement 128 color samples are created, so that each sample can be repeated 32 times in the pattern. The procedure begins with the acquisition of the first subpattern of the reference pattern, which shows only black. The second subpattern shows a very light gray (252, 252, 252). For the reference pattern, 8 permutations are used to capture 8 color subpatterns. In total, 256 repetitions are available per reference sample, so that the reference samples can be acquired with comparatively high quality.

Die Messung jedes Subpatterns erfolgt zunächst mittels einer initialen Belichtung und versucht, den Rot-Kanal auszubelichten. Nachdem Belichtungszeit und/oder ISO-Wert iterativ weiter verringert wurden, bis keine Überbelichtung im Rot-Kanal mehr auftrat, wird nun ausgehend von der initialen Belichtung ISO-Wert und/oder Belichtungszeit iterativ erhöht, bis keine unterbelichten Daten im Rot-Kanal mehr auftreten. Immer, wenn korrekt belichtete Daten für ein irgendeinen Farbkanal und irgendein Farbsample auftraten, wird ein zusätzliches Wiederholungsfoto angefertigt, um die Qualität der Messdaten zu erhöhen. Das Verfahren wird für die restlichen Kanäle grün und blau wiederholt.The measurement of each Subpatterns initially by means of an initial exposure and tries to auszubelichten the red channel. After the exposure time and / or ISO value have been further iteratively reduced until no overexposure has occurred in the red channel, starting from the initial exposure, the ISO value and / or exposure time is increased iteratively until there is no longer any underexposed data in the red channel , Whenever correctly exposed data for any color channel and color sample occurs, an additional repeat photograph is taken to increase the quality of the measurement data. The procedure is repeated in green and blue for the remaining channels.

Während der Verarbeitung werden die Sensordaten pro Sample und pro Farbkanal als gewichteter Mittelwert zusammengefasst, so dass pro Foto nur noch 3pq Werte berücksichtigt und gesammelt werden müssen. Nach der Ausbelichtung aller Kanäle erfolgt die Kombination aller Fotos. Zunächst werden alle Messwerte von Fotos mit gleicher Belichtungszeit gemittelt. Anschließend wird diejenige Belichtung gesucht, die die meisten korrekt Belichteten Samples enthält, und als Basisstufe verwendet. Relativ dazu werden alle weiteren Belichtungsstufen iterativ hinzugefügt, bis alle Belichtungsstufen verarbeitet wurden, so dass für das gesamte Subpattern pro Kamera-Farbkanal noch p·q Messwerte zur Verfügung stehen.During processing, the sensor data per sample and per color channel are summarized as a weighted average, so that only 3pq values have to be taken into account and collected per photo. After the exposure of all channels, the combination of all photos takes place. First of all, all measured values of photos with the same exposure time are averaged. Then, the exposure that contains the most correctly exposed samples is searched for and used as the base level. Relative to this, all further exposure steps are added iteratively until all exposure steps have been processed, so that p · q measured values are still available for the entire subpattern per camera color channel.

Für jedes Farb-Subpattern werden nun alle Minimum- und Maximum-Referenz-Samples bestimmt und den jeweiligen Messdaten aus den Referenz-Subpattern gegenübergestellt. Das Minimum-Referenz-Subpattern ist in diesem Fall Schwarz und erzeugt kaum ein dynamisches Hintergrundlicht, das Maximum ist hingegen fast weiß und erzeugt ein sehr viel höheres Restlicht. Das Farbpattern selbst enthält Farbsamples, die dazwischen liegen.For each color subpattern, all minimum and maximum reference samples are now determined and compared to the respective measurement data from the reference subpatterns. The minimum reference subpattern is black in this case and hardly produces a dynamic background light, while the maximum is almost white and produces a much higher residual light. The color pattern itself contains color samples that lie in between.

Im Beispiel entstünde durch eine Minimierung mit der Methode der kleinsten Quadrate für den Rot-Kanal und das Minimum die Gleichung f(x) = 1,02·x + 0.04, um die Werte t aus dem Referenz-Subpattern in das Farb-Subpattern zu überführen, analog für das Maximum f(x) = 0.96·x – 0.02, womit sich für jedes Sample im Pattern die Referenzwerte Ri,min und Ri,max bestimmen und schließlich die Werte x'i bestimmen lassen, die den Messwerten an der normierten Messposition in der Displaymitte entsprechen. Diese Vorgehensweise wird für alle 8 Farb-Subpatterns wiederholt, so dass schließlich für jedes Referenz-Sample 256 Messwerte zur Verfügung stehen über die das arithmetische Mittel gebildet wird. Dies bildet schließlich die finalen Referenzwerte Rref,min und Rref,max, mit denen sich x''i für die restlichen Pattern berechnen lässt. Das Vorgehen ist dabei analog zum eben beschriebenen Verfahren für das Referenzpattern. Im Beispiel sei jedoch eine geringere Anzahl von Permutationen für die restlichen Pattern gewählt, so dass nur 4 Farb-Subpatterns und insgesamt 6 Subpatterns pro Pattern erfasst werden müssen.In the example, minimizing with the least squares method for the red channel and the minimum would give the equation f (x) = 1.02 x + 0.04 to add the values t from the reference subpattern to the color subpattern analogously for the maximum f (x) = 0.96 x-0.02, whereby the reference values R i, min and R i, max can be determined for each sample in the pattern and finally the values x ' i can be determined, which correspond to the measured values correspond to the standardized measuring position in the center of the display. This procedure is repeated for all 8 color subpatterns, so that finally for every reference sample 256 measured values are available via which the arithmetic mean is formed. This finally forms the final reference values R ref, min and R ref, max , with which x '' i can be calculated for the remaining patterns. The procedure is analogous to the method just described for the reference pattern. In the example, however, a smaller number of permutations are chosen for the remaining patterns, so that only 4 color subpatterns and a total of 6 subpatterns per pattern need to be recorded.

Insgesamt ergeben sich 384 zu erfassende Subpatterns + 10 Subpatterns für die Referenz. Im Mittel seien 2 Belichtungsstufen pro Pattern erforderlich, mit der Wiederholung der Fotos ergeben sich dann ca. 1800 Fotos, die je nach Wahl der Belichtungszeit in drei bis fünf Stunden angefertigt werden können.In total, there are 384 subpatterns to be detected + 10 subpatterns for reference. On average, 2 exposure levels per pattern are required, with the repetition of the photos, there are about 1800 photos, which can be made in three to five hours depending on the choice of exposure time.

Um die XYZ-Werte zu erhalten, ist schließlich noch eine Transformation der Werte aus dem nativen Farbraum der Kamera erforderlich. Dazu kommt eine affine Transformation mit einer 3×3-Matrix zum Einsatz. Finally, to obtain the XYZ values, a transformation of the values from the native color space of the camera is required. An affine transformation with a 3 × 3 matrix is used for this purpose.

Beispiel 2: Schnellmessung von 173 SamplesExample 2: Quick measurement of 17 3 samples

Analog zum Beispiel 1 soll nun lediglich eine Schnellmessung mit deutlich reduzierter Sampledichte vorgenommen werden, die Intensitäten sollen in Schritten von 16 erfasst werden, für die letzte Stufe ergibt sich statt 256 (was außerhalb der Möglichkeiten des Displays liegt) 255, so dass der vollständige Farbraum mit 173 = 4913 Samples erfasst werden soll. Anzumerken bleibt, dass die hier als ”reduziert” bezeichnete Anzahl der Samples oberhalb dessen liegt, was mit herkömmlichen Verfahren in vertretbarer Zeit gemessen werden kann.Analogously to Example 1 should now be made only a quick measurement with significantly reduced sample density, the intensities are to be detected in steps of 16, for the last stage results instead of 256 (which lies outside the capabilities of the display) 255, so that the full color space with 17 3 = 4913 samples to be detected. It should be noted that the number of samples referred to herein as "reduced" is above what can be measured by conventional methods in a reasonable amount of time.

Zur Messung wird s = 2 gewählt, so dass lediglich 8 Pattern entstehen, die maximal 729 Samples enthalten. Für p und q wird weiterhin 65 gewählt, so dass jedes Sample mindestens 5 mal in einem Subpattern wiederholt werden kann. Für das Referenzpattern sind lediglich 16 verschiedene Samples notwendig, was eine 256-fache Wiederholung in einem einzigen Subpattern erlaubt. Es genügt daher, die Anzahl der Permutationen für das Referenz-Pattern auf 4, und für die restlichen Pattern auf 2 zu reduzieren, um dennoch eine hohe Anzahl von Messdaten an unterschiedlicher Position pro zu messendem Sample zu erhalten.For the measurement, s = 2 is selected so that only 8 patterns are created, containing a maximum of 729 samples. For p and q, 65 is still selected so that each sample can be repeated at least 5 times in a subpattern. The reference pattern requires only 16 different samples, allowing a 256-fold repetition in a single subpattern. It is therefore sufficient to reduce the number of permutations for the reference pattern to 4, and for the remaining patterns to 2, in order nevertheless to obtain a high number of measurement data at different positions per sample to be measured.

Das Messverfahren selbst läuft wie in Beispiel 1 ab. In diesem Fall ergeben sich lediglich 6 + 32 zu erfassende Subpatterns. Auf Grund des etwas höheren Dynamikumfangs der Subpattern ergeben sich im Schnitt z. B. nun 2,5 Belichtungsstufen pro Subpattern, so dass ca. 190 Fotos erforderlich sind, die in 20 bis 35 Minuten erfasst werden können.The measuring procedure itself runs as in Example 1. In this case, there are only 6 + 32 subpatterns to be detected. Due to the slightly higher dynamic range of the subpattern arise on average z. For example, you now have 2.5 exposure levels per subpattern, which requires approximately 190 photos that can be captured in 20 to 35 minutes.

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • Sajadi et al. [0012] Sajadi et al. [0012]

Claims (6)

Ein Verfahren zur Messung der Farbausgaben von Displays bezüglich eines geräteunabhängigen Farbraums, in Abhängigkeit von dem Display zugeführten Eingabe-Werten (Farbsamples) mittels einer Digitalkamera, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der zu messenden Farbsamples in mehrere Patterns aufgeteilt wird und pro Pattern mehrere zweidimensionale Referenz-Subpattern sowie mehrere zweidimensionale Farb-Subpatterns erstellt werden, so dass jedes Referenz-Subpattern lediglich Wiederholungen eines aus den Farbsamples des Patterns abgeleiteten Referenz-Farbsamples besteht und jedes Farb-Subpattern eine Permutation aller Farbsamples des Patterns sowie die mehrfache Wiederholung aller Referenz-Farbsamples des Patterns enthält, so dass jedes Subpattern gleichzeitig vom Display angezeigt und mittels einer Menge von Fotos mit variierenden Belichtungsparametern erfasst wird und die Positionsabhängigkeiten der Messwerte durch das In-Beziehung-Setzen der Messwerte der Referenz-Farbsamples innerhalb der Farb-Subpatterns mit den zugehörigen Messwerten des jeweiligen Referenz-Subpatterns kompensiert werden.A method for measuring the color outputs of displays with respect to a device-independent color space, depending on the display supplied input values (color samples) by means of a digital camera, characterized in that the amount of color samples to be measured is divided into several patterns and per pattern, two-dimensional reference Subpatterns and several two-dimensional color subpatterns are created so that each reference subpattern consists only of repetitions of a reference color sample derived from the color samples of the pattern, and each color subpattern is a permutation of all the color samples of the pattern as well as repeated repetition of all reference color samples of the pattern Contains patterns so that each subpattern is simultaneously displayed on the display and captured by a set of photos with varying exposure parameters, and the position dependencies of the measurements are determined by relating the measurements of the reference color samples in within the color subpatterns are compensated with the associated measured values of the respective reference subpattern. Ein Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der Kamera ermittelten Messwerte durch eine Reihe von Vergleichsmessungen mit einem Kolorimeter oder Spektralphotometer korrigiert werden.A method according to claim 1, characterized in that the measured values determined by means of the camera are corrected by a series of comparison measurements with a colorimeter or spectrophotometer. Ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2 zur Messung von Displays mit dreidimensionalem Eingabe-Farbraum, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Farbsamples zu Farbpattern durch Zerlegung des dreidimensionalen Eingabe-Farbraums in annähernd gleich große Teilwürfel erfolgt.A method according to any one of claims 1 to 2 for the measurement of displays with three-dimensional input color space, characterized in that the division of the color samples to Farbpattern by decomposition of the three-dimensional input color space is carried out in approximately equal partial cubes. Eine Vorrichtung zur Messung der Farbausgaben von Displays bezüglich eines geräteunabhängigen Farbraums, in Abhängigkeit von dem Display zugeführten Eingabe-Werten (Farbsamples) bestehend aus einer Digitalkamera und einem oder mehreren Rechnersystemen, dadurch gekennzeichnet, dass die Menge der zu messenden Farbsamples in mehrere Patterns aufgeteilt wird und pro Pattern mehrere zweidimensionale Referenz-Subpattern sowie mehrere zweidimensionale Farb-Subpatterns erstellt werden, so dass jedes Referenz-Subpattern lediglich Wiederholungen eines aus den Farbsamples des Patterns abgeleiteten Referenz-Farbsamples besteht und jedes Farb-Subpattern eine Permutation aller Farbsamples des Patterns sowie die mehrfache Wiederholung aller Referenz-Farbsamples des Patterns enthält, so dass jedes Subpattern gleichzeitig vom Display angezeigt und mittels einer Menge von Fotos mit variierenden Belichtungsparametern erfasst wird und die Positionsabhängigkeiten der Messwerte durch das In-Beziehung-Setzen der Messwerte der Referenz-Farbsamples innerhalb der Farb-Subpatterns mit den zugehörigen Messwerten des jeweiligen Referenz-Subpatterns kompensiert wird.A device for measuring the color outputs of displays with respect to a device-independent color space, depending on the display supplied input values (color samples) consisting of a digital camera and one or more computer systems, characterized in that the amount of color samples to be measured is divided into several patterns and creating two two-dimensional reference subpatterns per pattern and a plurality of two-dimensional color subpatterns such that each reference subpattern consists only of repetitions of a reference color sample derived from the color samples of the pattern, and each color subpattern is a permutation of all the color samples of the pattern and the multiple subpatterns Repeat all reference color samples of the pattern so that each subpattern is simultaneously displayed on the display and captured by a set of photos with varying exposure parameters, and the positional dependencies of the measurements through the in-relationship -Setting the measured values of the reference color samples within the color Subpatterns with the associated measured values of the respective reference subpatterns is compensated. Ein Vorrichtung nach Anspruch 4, ergänzt um ein Kolorimeter oder Spektralphotometer, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels der Kamera ermittelten Messwerte durch eine Reihe von Vergleichsmessungen mit einem Kolorimeter oder Spektralphotometer korrigiert werden.A device according to claim 4, supplemented by a colorimeter or spectrophotometer, characterized in that the measured values determined by means of the camera are corrected by a series of comparison measurements with a colorimeter or spectrophotometer. Eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6 zur Messung von Displays mit einem dreidimensionalen Eingabe-Farbraum, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Farbsamples zu Farbpattern durch Zerlegung des dreidimensionalen Eingabe-Farbraums in annähernd gleich große Teilwürfel erfolgt.A device according to any one of claims 4 to 6 for the measurement of displays with a three-dimensional input color space, characterized in that the division of the color samples to Farbpattern by decomposition of the three-dimensional input color space is carried out in approximately equal partial cubes.
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