DE102016104215A1

DE102016104215A1 - Anpassung der Helligkeit und/oder des Kontrastes eines Bildes

Info

Publication number: DE102016104215A1
Application number: DE102016104215.3A
Authority: DE
Inventors: Jörg Kunze
Original assignee: Basler AG
Current assignee: Basler AG
Priority date: 2016-03-08
Filing date: 2016-03-08
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2036-03-09
Also published as: DE102016104215B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bildkorrektureinrichtung zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes eines Bildes mittels einer einstellbaren Tonwertkurve. Die Bildkorrektureinrichtung umfasst eine Einstelleinheit zum Einstellen der Tonwertkurve in Abhängigkeit von eingegebenen Bildkorrektureinstelldaten. Die Tonwertkurve besteht aus zwei Segmenten mit jeweils zwei Enden, die sich mit jeweils einem ersten Ende in einem Referenzpunkt (xref, yref) treffen. Die Einstelleinheit ist ausgebildet, die Tonwertkurve zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes so einzustellen, dass (i) jedes der zwei Segmente so eingestellt ist, dass in einer Darstellung, in der das Segment so skaliert ist, dass seine zwei Enden ein achsparalleles Quadrat aufspannen, das Segment symmetrisch ist in Bezug auf eine Symmetrieachse, die eine Verbindungsgerade zwischen den beiden Enden des Segments mittig unter einem rechten Winkel schneidet, und das Segment gekrümmt und differenzierbar ist, und (ii) die Tonwertkurve im Referenzpunkt (xref, yref) differenzierbar ist und überall eine Steigung dergestalt aufweist, dass ein größerer Eingangsbildwert nicht in einen kleineren Ausgangsbildwert überführt wird als ein kleinerer Eingangsbildwert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bildkorrektureinrichtung zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes eines Bildes mittels einer einstellbaren Tonwertkurve, durch die Eingangsbildwerte eines Eingangsbildwertebereichs in Ausgangsbildwerte eines Ausgangsbildwertebereichs überführt werden, sowie eine Digitalkamera, die einen Bildsensor und die Bildkorrektureinrichtung umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein entsprechendes Bildkorrekturverfahren sowie eine Computervorrichtung und ein Computerprogramm-Produkt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1 zeigt schematisch und exemplarisch den Aufbau einer Digitalkamera 10, wie sie unter anderem in Geräten der Mikroskopie und der Medizintechnik eingesetzt wird. Die Digitalkamera 10 nimmt eine Bildszene 11 auf, indem sie diese mit einer Optik 12, beispielsweise einem Objektiv oder einem Mikroskop, auf einen Bildsensor 13 abgebildet, in welchem die Informationen dann in ein Eingangsbild umgewandelt werden. In vielen Digitalkameras gibt es zudem die Möglichkeit, auf dem Eingangsbild mit einer Rechenvorrichtung 14, die beispielsweise einen Prozessor, einen digitalen Signalprozessor (DSP) oder ein sogenanntes Field Programmable Gate Array (FPGA) beinhaltet, mathematische Operationen, z.B. eine Farbanpassung oder eine Umrechnung in ein gewünschtes Bildformat, auszuführen, durch die als Ergebnis ein Ausgangsbild erhalten wird, das anschließend über eine Schnittstelle (Interface) 15 als elektronisches Signal 16 ausgegeben wird. Das Bild kann dabei monochrom, also einfarbig, oder auch mehrfarbig sein.
Dabei ist es oftmals erforderlich, die Helligkeit und/oder den Kontrast des Bildes anzupassen, wie dies z.B. in der US-Patentschrift US 7,742,637 beschrieben ist. Eine solche Anpassung kann automatisch oder aber auch manuell erfolgen. Dafür kann eine Digitalkamera mit Bedienelementen ausgestattet sein, die es erlauben, eine gewünschte Helligkeit und/oder einen gewünschten Kontrast einzustellen, wie es etwa in der US-Patentschrift US 2,416,919 erläutert ist.
Insbesondere in biotechnischen oder medizinischen Anwendungen wird eine manuelle Einstellung von Kameraparametern oftmals einer automatischen Anpassung vorgezogen, da diese einerseits der Expertise des Fachmanns oder Arztes unterliegen und andererseits eine konstante manuelle Einstellung für Reproduzierbarkeit sorgt und hilft, verschiedene Bilder, z.B. vor oder nach einer Behandlung, miteinander zu vergleichen. Die Bedienelemente können in Hardware ausgeführt sein, beispielsweise als ein oder mehrere Dreh- oder Schieberegler, sie können jedoch auch in Software verwirklicht sein, beispielsweise als Teil der Bedienoberfläche eines Programmes. Zusätzlich und/oder alternativ können die Bedienelemente aber auch als Teil einer analogen oder digitalen Schnittstelle, z.B. in Form eines analogen Eingabesignals oder eines digitalen Registers, realisiert sein, sodass ein Benutzer über eine technische Einrichtung darauf zugreifen kann, z.B. indem ein Fußschalter analoge oder digitale elektrische Signale an die Digitalkamera überträgt.
STAND DER TECHNIK
Gemäß dem Stand der Technik ist es üblich, die Helligkeit und/oder den Kontrast eines Bildes mittels einer sogenannten Tonwertkorrektur anzupassen, die durch eine mathematische Funktion f(x) gegeben ist, welche als Tonwertkurve bezeichnet wird. Eine solche Tonwertkorrektur wird beispielsweise auf der Internetseite "https://de. wikipedia.org/wiki/Tonwert" (Stand 4.11.2015) erläutert.
2 zeigt schematisch und exemplarisch eine lineare Tonwertkurve 200, die keine Veränderung der Helligkeit oder des Kontrastes bewirkt. Eingangsbildwerte x eines Eingangsbildwertebereichs von xmin bis xmax werden durch die Anwendung einer linearen Tonwertkurve 200 in Ausgangsbildwerte y eines Ausgangsbildwertebereichs von ymin bis ymax überführt. Ohne dass die technische Lehre hierauf eingeschränkt werden soll, wird die Steigung der Tonwertkurve hier als Eins definiert. Dies kann im Fall xmin = ymin = 0 und xmax = ymax beispielsweise durch die Funktion f(x) = x geschehen. Die hierbei verwendeten Koordinaten werden hier als xy-Koordinaten bezeichnet.
Soll die Helligkeit angehoben werden, so wird gemäß dem in der 3 gezeigten Stand der Technik die lineare Tonwertkurve 300 vertikal nach oben verschoben, um so eine stückweise lineare Tonwertkurve 301 und 302 zu erhalten. Durch die vertikale Verschiebung wird der y-Wertebereich auf den Teilbereich y01 bis ymax eingeschränkt, denn es gibt keine möglichen Eingangsbildwerte x mehr, für die ein Ausgangsbildwert y kleiner als y01 erhalten werden kann. Dies ist nachteilig, denn es sorgt dafür, dass im Ausgangsbild kein echtes Schwarz mit y = ymin mehr vorkommt. Weiterhin wird durch die eintretende Sättigung im Bereich 302 mit x02 ≤ x ≤ xmax konstant der Ausgangsbildwert y = ymax erhalten. Dieser Sättigungseffekt ist gleichsam nachteilig, denn er sorgt dafür, dass Bildinhalte als Unterschiede von Eingangsbildwerten x im Bereich von x02 bis xmax nicht mehr erkennbar sind, da sie alle zum gleichen Ausgangsbildwert ymax (Weiß) führen.
Ist alternativ eine Absenkung der Helligkeit gewünscht, so wird gemäß dem in der 4 gezeigten Stand der Technik die Tonwertkurve 400 vertikal nach unten verschoben, um so wiederum eine stückweise lineare Tonwertkurve 402 und 401 erhalten. Durch die vertikale Verschiebung wird der y-Wertebereich in diesem Fall auf den Wertebereich ymin bis y02 eingeschränkt, denn es gibt keine möglichen Eingangsbildwerte x mehr, für die ein Ausgangsbildwert y größer als y02 erhalten werden kann. Dies ist nachteilig, denn es sorgt dafür, dass im Ausgangsbild kein echtes Weiß mit y = ymax mehr vorkommt. Weiterhin wird durch die eintretende Sättigung im Bereich 402 konstant der Ausgangsbildwert y = ymin erhalten. Dieser Sättigungseffekt ist gleichsam nachteilig, denn er sorgt dafür, dass Bildinhalte als Unterschiede von Eingangsbildwerten x im Bereich von xmin bis x01 nicht mehr erkennbar sind, da sie alle zum gleichen Ausgangsbildwert ymin (Schwarz) führen.
Zum Anheben des Kontrastes wiederum wird gemäß dem in der 5 gezeigten Stand der Technik die Tonwertkurve 500 um einen Drehpunkt 504 gekippt, der sich häufig in der Mitte von xmin und xmax bzw. von ymin und ymax mit den Koordinaten xmid und ymid befindet. Dadurch wird eine stückweise lineare Tonwertkurve 501, 502 und 503 erhalten, die im Bereich 502 eine größere Steigung als die Ursprungs- bzw. Neutraltonwertkurve 500 aufweist. Dadurch ergeben sich sowohl im Bereich 501 als auch im Bereich 503 Sättigungseffekte mit den oben beschriebenen Nachteilen.
Aus den Computerprogrammen GIMP und Photoshop sind zudem Tonwertkorrekturen durch gebogene Tonwertkurven bekannt. Mit diesen ist es möglich, das Erscheinungsbild eines digitalen Kamerabildes anzupassen. Eine solche gebogene Tonwertkurve ist schematisch und exemplarisch in der 6 gezeigt und findet sich in ähnlicher Form beispielsweise in der 9 der EP-Patentanmeldung EP 2 575 348. Zur Festlegung der Kurvenform können in manchen Realisierungen Referenzpunkte 602 definiert werden, durch die die Tonwertkurve 601 verlaufen soll, wobei die Referenzpunkte vom Benutzer mittels Anfassen per Maus, Grafiktablett oder mit dem Finger auf einen Touchscreen verschoben werden können, z.B. von der Position 603 auf die Position 602. Die Benutzung erfordert bei manueller Bedienung ein gewisses Niveau an Erfahrung und Verständnis und ist hinreichend vorgebildeten oder verständigen Nutzern vorbehalten, z.B. Fotographen, Mediengestaltern oder gebildete Benutzern, die als Prosumer bezeichnet werden.
Weiterhin ist aus dem Computerprogramm Photoshop eine Möglichkeit bekannt, zur Beeinflussung des Kontrastes für einen Referenzpunkt 702 eine Referenzsteigung 703 vorzugeben. Dies ist schematisch und exemplarisch in der 7 gezeigt. Dadurch wird die ursprüngliche Tonwertkurve 700 dahingehend angepasst, dass sie als gebogene Tonwertkurve 701 durch den Referenzpunkt 702 mit der vorgegebenen Steigung 703 verläuft. Auch die Verwendung dieses Features erfordert bei manueller Bedienung seitens des Benutzers ein gewisses Niveau an Erfahrung und Verständnis.
Die Einstellung der Helligkeit mittels einer Verschiebung des Referenzpunktes kann auch mit der Einstellung des Kontrastes mittels einer Vorgabe einer Referenzsteigung verbunden werden. Dies ist schematisch und exemplarisch in der 8 gezeigt. Hier wird der Referenzpunkt von seiner Ursprungsposition 804 auf eine neue Position 803 vorschoben und zudem eine Steigung 805 vorgegeben, sodass die neue Tonwertkurve 801 und 802 durch den Punkt 803 mit eben dieser Steigung verläuft. Die technische Realisierung verwendet häufig Polynomfunktionen, z.B. sogenannte Splines, wie sie in der EP-Patentanmeldung EP 0 583 898 beschrieben sind. Diese haben die Eigenschaft, dass sich bei ungünstiger Wahl der Parameter in vielen Fällen Über- oder Unterschwinger ergeben, die den minimalen Ausgangsbildwert ymin unter- oder den maximalen Ausgangsbildwert ymax überschreiten. Diese Überschwinger werden zumeist durch sogenannte Clipping-Operationen abgefangen. Dabei werden Werte, die ymin unterschreiten, auf ymin und Werte, die ymax überschreiten, auf ymax gesetzt. Dadurch kommt es zu digitalen Sättigungseffekten. Dies wird im Bereich 802 veranschaulicht und führt zu den oben genannten Nachteilen einer Sättigung. Zudem kommt es bei der Verwendung von Splines in Tonwertkurven häufig zu lokal negativen Steigungen, die zumindest für einen Teil des Wertebereichs die Ausgangshelligkeit gegenüber der Eingangshelligkeit invertieren, ähnlich wie dies bei einem Negativ der Fall ist. Ein solcher Effekt wird vom Betrachter als sehr unnatürlich empfunden und ist daher möglichst zu vermeiden.
Eine bekannte Methode, Sättigungseffekte zu vermeiden, besteht darin, für die Tonwertkurve eine sogenannte Gammafunktion y = x^γ zu verwenden, wie sie beispielsweise aus der EP-Patentanmeldung EP 2 575 348 bekannt ist (wobei dort der Kehrwert 1/γ als “Gamma” bezeichnet wird). Dabei handelt es sich um eine Potenzfunktion mit frei wählbarem Exponenten, die nicht mit der bekannten Eulerschen Gammafunktion verwechselt werden darf. Eine solche potenzfunktionsförmige Tonwertkurve 901 ist schematisch und exemplarisch in der 9 gezeigt. Sie verläuft durch einen Referenzpunkt 902, der gegenüber dem ursprünglichen Referenzpunkt 903 zum Anheben der Helligkeit vertikal nach oben verschoben ist.
Durch Experimente mit realen Bildern hat der Erfinder erkannt, dass Tonwertkurven mit einer (“Gamma-”)Potenzfunktion einen grundsätzlichen Nachteil aufweisen. Die Gammakurve 901, die mit einer Anhebung der Helligkeit verbunden ist, ist durch einen Exponenten gekennzeichnet, der kleiner als 1 ist und im Ursprung 904 eine vertikale Tangente 905 mit einer Steigung von Unendlich aufweist. Dies erklärt sich dadurch, dass die erste Ableitung einer Potenzfunktion mit einem Exponenten kleiner als Eins wiederum eine Potenzfunktion mit einem Exponenten kleiner als Null ist, die für Eingangsbildwerte x gegen Null einen Wert gegen Unendlich liefert, also eine senkrechte Steigung. Diese senkrechte Steigung hat den Nachteil, dass sie für dunkle Eingangsbildwerte x eine theoretisch unendlich hohe Rauschverstärkung aufweist, was durch Anwendung des Gaußschen Fehlerfortpflanzungsgesetzes verifiziert werden kann. Dadurch führt bereits ein geringes räumliches oder zeitliches Rauschen dunkler Bildteile des Eingangsbildes zu einem massiven Rauschen im Ausgangsbild, das als sehr störend wahrgenommen wird.
10 zeigt eine ebenfalls als Gammakurve bezeichnete Potenzfunktion 1001, die zum Absenken der Helligkeit durch einen gegenüber dem ursprünglichen Referenzpunkt 1003 abgesenkten Referenzpunkt 1002 verläuft. Diese weist einen Exponenten größer als Eins auf. Eine solche Gammafunktion besitzt die Eigenschaft, dass sie im Ursprung 1004 grundsätzlich eine horizontale Tangente 1005 mit einer Steigung von Null aufweist. Dies liegt daran, dass die erste Ableitung einer Potenzfunktion mit einem Exponenten größer als Eins im Ursprung immer den Wert Null annimmt. Diese horizontale Steigung hat den bereits oben als Sättigungseffekt geschilderten Nachteil, dass unterschiedlich Eingangsbildwerte x zu gleichen oder nahezu gleichen Ausgangsbildwerten y führen. Im gezeigten Fall führen dunkle Eingangsbildwerte, bei denen x dicht an xmin liegt, jeweils zu einem nahezu identischen Ausgangsbildwert von ymin. Dadurch reduziert sich die Erkennbarkeit von Details in dunklen Bildbereichen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bildkorrektureinrichtung zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes eines Bildes mittels einer einstellbaren Tonwertkurve, durch die Eingangsbildwerte eines Eingangsbildwertebereichs in Ausgangsbildwerte eines Ausgangsbildwertebereichs überführt werden, bereitzustellen, wobei die Bildkorrektureinrichtung es ermöglicht, die oben genannten Nachteile des Standes der Technik ganz oder zumindest teilweise zu überkommen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird eine Bildkorrektureinrichtung zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes eines Bildes mittels einer einstellbaren Tonwertkurve, durch die Eingangsbildwerte eines Eingangsbildwertebereichs in Ausgangsbildwerte eines Ausgangsbildwertebereichs überführt werden, bereitgestellt, wobei die Bildkorrektureinrichtung umfasst:

– ein Eingabeelement zum Eingeben von Bildkorrektureinstelldaten;
– eine Einstelleinheit zum Einstellen der Tonwertkurve in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten; und
– eine Korrektureinheit zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes durch Anwenden der Tonwertkurve auf das Bild, wobei die Tonwertkurve aus zwei Segmenten mit jeweils zwei Enden besteht, die sich mit jeweils einem ersten Ende in einem Referenzpunkt treffen, und wobei die Einstelleinheit ausgebildet ist, die Tonwertkurve zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes so einzustellen, dass: (i) jedes der zwei Segmente so eingestellt ist, dass in einer Darstellung, in der das Segment so skaliert ist, dass seine zwei Enden ein achsparalleles Quadrat aufspannen, das Segment symmetrisch ist in Bezug auf eine Symmetrieachse, die eine Verbindungsgerade zwischen den beiden Enden des Segments mittig unter einem rechten Winkel schneidet, und das Segment gekrümmt und differenzierbar ist, und (ii) die Tonwertkurve im Referenzpunkt differenzierbar ist und überall eine Steigung dergestalt aufweist, dass ein größerer Eingangsbildwert nicht in einen kleineren Ausgangsbildwert überführt wird als ein kleinerer Eingangsbildwert.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis des Erfinders zugrunde, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Tonwertkurven zum Korrigieren der Helligkeit und/ oder des Kontrastes eines Bildes verschiedene Nachteile aufweisen, wie zum Beispiel das Auftreten von Sättigungseffekten, eine sehr hohe Rauschverstärkung dunkler Bildanteile und/oder eine für ungeübte Benutzer schwierige Bedienbarkeit. Demgegenüber können durch die erfindungsgemäßen Einstellrandbedingungen, d.h., dadurch, dass die Tonwertkurve aus zwei Segmenten mit jeweils zwei Enden besteht, die sich mit jeweils einem ersten Ende in einem Referenzpunkt treffen, und die Tonwertkurve zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes so eingestellt wird, dass (i) jedes der zwei Segmente so eingestellt ist, dass in einer Darstellung, in der das Segment so skaliert ist, dass seine zwei Enden ein achsparalleles, d.h., ein zu den Koordinatenachsen des Eingangsbildbereichs und des Ausgangsbildbereichs paralleles, Quadrat aufspannen, das Segment symmetrisch ist in Bezug auf eine Symmetrieachse, die eine Verbindungsgerade zwischen den beiden Enden des Segments mittig unter einem rechten Winkel schneidet, und das Segment gekrümmt und differenzierbar ist, und (ii), die Tonwertkurve im Referenzpunkt differenzierbar ist und überall eine Steigung dergestalt aufweist, dass ein größerer Eingangsbildwert nicht in einen kleineren Ausgangsbildwert überführt wird als ein kleinerer Eingangsbildwert, auf relativ einfache Weise Tonwertkurven eingestellt werden, mit denen die genannten nachteiligen Effekte im korrigierten Bild vermieden werden können. Dabei hat sich in Experimenten mit fotografisch geschulten Betrachtern insbesondere die genannte Symmetriebedingung als für die Bildqualität günstig herausgestellt. Zudem ist es durch die Erfindung möglich, die Einstellung der gewünschten Tonwertkurve in einer für den Benutzer leicht zu erfassenden Weise in Abhängigkeit von eingebbaren Bildkorrektureinstelldaten zu realisieren.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Einstelleinheit ausgebildet, in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten die Position des Referenzpunktes auf einer vordefinierten Bahnkurve einzustellen, wobei die Bahnkurve überall eine Steigung ungleich Null dergestalt aufweist, dass sie von kleineren Eingangs- und größeren Ausgangsbildwerten zu größeren Eingangs- und kleineren Ausgangsbildwerten verläuft.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Bahnkurve eine Gerade, vorzugsweise, wobei die Gerade in einer Richtung vom kleinstmöglichen Eingangs- und größtmöglichen Ausgangsbildwert zum größtmöglichen Eingangs- und kleinstmöglichen Ausgangsbildwert oder parallel hierzu verläuft, und/oder die Bahnkurve durch den Mittelpunkt des Eingangs- und Ausgangsbildwertebereichs verläuft.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Einstelleinheit ausgebildet, in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten die Steigung der Tonwertkurve im Referenzpunkt einzustellen.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Einstelleinheit ausgebildet, in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten einen Typ zumindest eines der zwei Segmente einzustellen.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Typ des zumindest einen der zwei Segmente ausgewählt aus der Gruppe Ellipsenfunktion, Parabelfunktion und Hyperbelfunktion.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist die Einstelleinheit ausgebildet, in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten einen Formfaktor zumindest eines der zwei Segmente einzustellen.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfassen die Bildkorrektureinstelldaten Helligkeitseinstelldaten zum Anheben und/oder Absenken der Helligkeit des Bildes, wobei die Einstelleinheit ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Helligkeitseinstelldaten zum Anheben der Helligkeit die Position des Referenzpunktes auf der vordefinierten Bahnkurve in Richtung kleinerer Eingangs- und größerer Ausgangsbildwerte zu verändern und/oder in Abhängigkeit von den Helligkeitseinstelldaten zum Absenken der Helligkeit die Position des Referenzpunktes auf der vordefinierten Bahnkurve in Richtung größerer Eingangs- und kleinerer Ausgangsbildwerte zu verändern.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfassen die Bildkorrektureinstelldaten Kontrasteinstelldaten zum Anheben und/oder Absenken des Kontrastes des Bildes, wobei die Einstelleinheit ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Kontrasteinstelldaten zum Anheben des Kontrastes, die Steigung der Tonwertkurve im Referenzpunkt so einzustellen, dass am Referenzpunkt eine Spreizung der Eingangsbildwerte erfolgt, und/oder in Abhängigkeit von den Kontrasteinstelldaten zum Absenken des Kontrastes, die Steigung der Tonwertkurve im Referenzpunkt so einzustellen, dass am Referenzpunkt eine Stauchung der Eingangsbildwerte erfolgt.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfassen die Bildkorrektureinstelldaten Formeinstelldaten zum Anpassen der Form zumindest eines der zwei Segmente, wobei die Einstelleinheit ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Formeinstelldaten den Typ und/oder den Formfaktor des zumindest einen Segments einzustellen, vorzugsweise dergestalt, dass eine kontinuierliche Änderung der Formeinstelldaten eine kontinuierliche Änderung der Form des zumindest einen Segments bewirkt.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Digitalkamera bereitgestellt, wobei die Digitalkamera umfasst:

– einen Bildsensor zum Erzeugen eines Bildes; und
– die Bildkorrektureinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes mittels der einstellbaren Tonwertkurve.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bildkorrekturverfahren zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes eines Bildes mittels einer einstellbaren Tonwertkurve, durch die Eingangsbildwerte eines Eingangsbildwertebereichs in Ausgangsbildwerte eines Ausgangsbildwertebereichs überführt werden, bereitgestellt, wobei das Bildkorrekturverfahren umfasst:

– Eingeben von Bildkorrektureinstelldaten;
– Einstellen der Tonwertkurve in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten; und
– Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes durch Anwenden der Tonwertkurve auf das Bild, wobei die Tonwertkurve aus zwei Segmenten mit jeweils zwei Enden besteht, die sich mit jeweils einem ersten Ende in einem Referenzpunkt treffen, und wobei die Tonwertkurve zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes so eingestellt wird, dass: (i) jedes der zwei Segmente so eingestellt ist, dass in einer Darstellung, in der das Segment so skaliert ist, dass seine zwei Enden ein achsparalleles Quadrat aufspannen, das Segment symmetrisch ist in Bezug auf eine Symmetrieachse, die eine Verbindungsgerade zwischen den beiden Enden des Segments mittig unter einem rechten Winkel schneidet, und das Segment gekrümmt und differenzierbar ist, und (ii) die Tonwertkurve im Referenzpunkt differenzierbar ist und überall eine Steigung dergestalt aufweist, dass ein größerer Eingangsbildwert nicht in einen kleineren Ausgangsbildwert überführt wird als ein kleinerer Eingangsbildwert.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Computervorrichtung bereitgestellt, wobei die Computervorrichtung eine Recheneinheit umfasst, die zur Durchführung des Bildkorrekturverfahrens nach Anspruch 12 ausgestaltet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Computerprogramm-Produkt bereitgestellt, wobei das Computerprogramm-Produkt Codemitteln umfasst zum Veranlassen einer Computervorrichtung zum Ausführen des Bildkorrekturverfahrens nach Anspruch 12, wenn das Computerprogramm-Produkt auf der Computervorrichtung ausgeführt wird.
Es versteht sich, dass die Bildkorrektureinrichtung nach Anspruch 1, die Digitalkamera nach Anspruch 11, das Bildkorrekturverfahren nach Anspruch 12, die Computervorrichtung nach Anspruch 13 und das Computerprogramm-Produkt nach Anspruch 14 ähnliche und/oder identische bevorzugte Ausführungsformen, insbesondere wie in den abhängigen Ansprüchen definiert, haben.
Es versteht sich, dass eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung auch jede Kombination der abhängigen Ansprüche mit dem entsprechenden unabhängigen Anspruch sein kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher beschrieben, wobei
1 schematisch und exemplarisch den Aufbau einer Digitalkamera zeigt,
2 schematisch und exemplarisch eine lineare Tonwertkurve f(x) = x zeigt, die keine Veränderung der Helligkeit oder des Kontrastes bewirkt,
3 schematisch und exemplarisch eine Tonwertkurve zeigt, die mittels einer stückweise linearen Kennlinie bei gleichbleibendem Kontrast die Helligkeit anhebt,
4 schematisch und exemplarisch eine Tonwertkurve zeigt, die mittels einer stückweise linearen Kennlinie bei gleichbleibendem Kontrast die Helligkeit absenkt,
5 schematisch und exemplarisch eine Tonwertkurve zeigt, die mittels einer stückweise linearen Kennlinie bei gleichbleibender Helligkeit den Kontrast anhebt,
6 schematisch und exemplarisch eine gebogene Tonwertkurve, die durch einen Referenzpunkt verläuft, zeigt,
7 schematisch und exemplarisch eine gebogene Tonwertkurve, die durch einen Referenzpunkt mit einer vorgegebenen Steigung verläuft, zeigt,
8 schematisch und exemplarisch einen Sättigungseffekt bei einer gebogene Tonwertkurve, die durch einen Referenzpunkt mit einer vorgegebenen Steigung verläuft, zeigt,
9 schematisch und exemplarisch eine als Gammakurve bezeichnete Tonwertkurve mit einer Potenzfunktion zum Anheben der Helligkeit zeigt,
10 schematisch und exemplarisch eine als Gammakurve bezeichnete Tonwertkurve mit einer Potenzfunktion zum Absenken der Helligkeit zeigt,
11 schematisch und exemplarisch eine erfindungsgemäße Bildkorrektureinrichtung zeigt,
12 schematisch und exemplarisch die Einstellung der Position des Referenzpunktes in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten auf einer vordefinierten Bahnkurve zeigt,
13 schematisch und exemplarisch die Einstellung der Steigung der Tonwertkurve im Referenzpunkt in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten zeigt,
14 schematisch und exemplarisch die Lösung des Problems der Einstellung der Tonwertkurve unter den vordefinierten Einstellrandbedingungen zeigt,
15 schematisch und exemplarisch die vereinfachte mathematische Problemstellung in uv-Koordinaten zeigt,
16 schematisch und exemplarisch die Lösung der vereinfachten mathematischen Problemstellung in uv-Koordinaten mittels unterschiedlicher Kegelschnittfunktionen zeigt,
17 schematisch und exemplarisch den Einfluss des Formfaktors g auf die unterschiedlichen Kegelschnittfunktionen zeigt,
18 schematisch und exemplarisch das Ergebnis der Rücktransformation in xy-Koordinaten zeigt,
19 schematisch und exemplarisch zeigt, welche Formen die aus Doppelkegelschnittfunktionen erhaltenen Tonwertkurven für unterschiedliche Einstellungen des Kontrastes annehmen,
20 schematisch und exemplarisch zeigt, welche Formen die aus Doppelkegelschnittfunktionen erhaltenen Tonwertkurven für unterschiedliche Einstellungen der Helligkeit annehmen,
21 schematisch und exemplarisch Tonwertkurven zeigt, die sich bei einer gleichzeitigen Veränderung der Helligkeit und des Kontrastes mit Doppelkegelschnittfunktionen aus Parabeln ergeben,
22 schematisch und exemplarisch Tonwertkurven für die gleichzeitige Anhebung der Helligkeit und unterschiedliche Veränderungen des Kontrastes mit Doppelkegelschnittfunktionen aus Ellipsen zeigt,
23 schematisch und exemplarisch Tonwertkurven für die gleichzeitige Anhebung der Helligkeit und unterschiedliche Veränderungen des Kontrastes mit Doppelkegelschnittfunktionen aus Hyperbeln zeigt,
24 schematisch und exemplarisch Tonwertkurven für verschiedene Werte der Formeinstelldaten F zeigt,
25 schematisch und exemplarisch eine weitere Möglichkeit, eine Anhebung der Farbsättigung bei Anwendung einer Tonwertkurve zu vermeiden, zeigt, und
26 schematisch und exemplarisch eine weitere Alternative, Farbfehler bei Anwendung einer Tonwertkurve zu vermeiden, zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
In den Figuren sind gleiche bzw. sich entsprechende Elemente oder Einheiten ggf. mit gleichen bzw. sich entsprechenden Bezugszeichen versehen. Wenn ein Element oder eine Einheit bereits im Zusammenhang mit einer Figur beschrieben worden ist, wird ggf. im Zusammenhang mit einer anderen Figur auf eine ausführliche Darstellung verzichtet.
11 zeigt schematisch und exemplarisch eine erfindungsgemäße Bildkorrektureinrichtung 1100 zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes eines Bildes mittels einer einstellbaren Tonwertkurve, durch die Eingangsbildwerte eines Eingangsbildwertebereichs in Ausgangsbildwerte eines Ausgangsbildwertebereichs überführt werden. Die Bildkorrektureinrichtung 1100 kann z.B. mittels der in der 1 gezeigten Rechenvorrichtung 14 realisiert sein. Die Einstellung der Tonwertkurve erfolgt durch eine Einstelleinheit 1102 unter vordefinierten Einstellrandbedingungen – nämlich, dass die Tonwertkurve aus zwei Segmenten mit jeweils zwei Enden besteht, die sich mit jeweils einem ersten Ende in einem Referenzpunkt treffen, und die Tonwertkurve zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes so eingestellt wird, dass (i) jedes der zwei Segmente so eingestellt ist, dass in einer Darstellung, in der das Segment so skaliert ist, dass seine zwei Enden ein achsparalleles Quadrat aufspannen, das Segment symmetrisch ist in Bezug auf eine Symmetrieachse, die eine Verbindungsgerade zwischen den beiden Enden des Segments mittig unter einem rechten Winkel schneidet, und das Segment gekrümmt und differenzierbar ist, und (ii) die Tonwertkurve im Referenzpunkt differenzierbar ist und überall eine Steigung dergestalt aufweist, dass ein größerer Eingangsbildwert nicht in einen kleineren Ausgangsbildwert überführt wird als ein kleinerer Eingangsbildwert – in Abhängigkeit von über ein Eingabeelement 1101 eingegebenen Bildkorrektureinstelldaten. Die Korrektur der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes erfolgt schließlich durch eine Korrektureinheit 1103 durch Anwenden der Tonwertkurve auf das Bild.
Das Eingabeelement 1101 kann in Hardware ausgeführt sein, beispielsweise als ein oder mehrere Dreh- oder Schieberegler, es kann jedoch auch in Software verwirklicht sein, beispielsweise als Teil der Bedienoberfläche eines Programmes. Zusätzlich und/oder alternativ kann das Eingabeelement 1101 aber auch als Teil einer analogen oder digitalen Schnittstelle, z.B. in Form eines analogen Eingabesignals oder eines digitalen Registers, realisiert sein, sodass ein Benutzer über eine technische Einrichtung darauf zugreifen kann, z.B. indem ein Fußschalter analoge oder digitale elektrische Signale an die Einstelleinheit 1102 überträgt.
Wie schematisch und exemplarisch in der 12 gezeigt, kann die Einstelleinheit 1102 ausgebildet sein, in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten die Position des Referenzpunktes 1200 auf einer vordefinierten Bahnkurve 1202 einzustellen, wobei die Bahnkurve 1202 überall eine Steigung ungleich Null dergestalt aufweist, dass sie von kleineren Eingangs- und größeren Ausgangsbildwerten x, y zu größeren Eingangs- und kleineren Ausgangsbildwerten x, y verläuft. Dies kann vorteilhafterweise dadurch realisiert sein, dass die Bildkorrektureinstelldaten Helligkeitseinstelldaten H zum Anheben und/oder Absenken der Helligkeit des Bildes umfassen, wobei die Einstelleinheit 1102 ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Helligkeitseinstelldaten H zum Anheben der Helligkeit die Position des Referenzpunktes 1200 auf der vordefinierten Bahnkurve 1202 in Richtung kleinerer Eingangs- und größerer Ausgangsbildwerte x, y zu verändern und/oder in Abhängigkeit von den Helligkeitseinstelldaten H zum Absenken der Helligkeit die Position des Referenzpunktes auf der vordefinierten Bahnkurve 1202 in Richtung größerer Eingangs- und kleinerer Ausgangsbildwerte x, y zu verändern (in der Figur ist dieser Fall nicht gezeigt). Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass bei einer Anhebung der Helligkeit einerseits der Ausgangsbildwert yref des Referenzpunktes 1200 steigt und somit eine höhere Helligkeit erzielt wird, und dass andererseits der Eingangsbildwert xref des Referenzpunktes 1200 sinkt und somit die höhere Helligkeit vor allem die zuvor dunkleren Eingangsbildwerte x betrifft. Dabei wird davon ausgegangen, dass ein Benutzer, der über die Einstellung der Tonwertkurve eine höhere Helligkeit erzielen möchte, vor allem den Wunsch hegt, dass die im Bild dunkleren Bereiche besser zu erkennen sind, und dass ein Benutzer, der über die Einstellung der Tonwertkurve eine geringere Helligkeit erzielen möchte, vor allem den Wunsch hegt, dass die im Bild helleren Bereiche besser zu erkennen sind. Durch diese Wahl der Veränderung der Position des Referenzpunktes 1200 entspricht die erzielte Wirkung in besonders günstiger Weise der Erwartung des Benutzers.
Es kann vorgesehen sein, dass die Bahnkurve 1202 eine Gerade ist, vorzugsweise, dass die Gerade in einer Richtung vom kleinstmöglichen Eingangs- und größtmöglichen Ausgangsbildwert xmin, ymax zum größtmöglichen Eingangs- und kleinstmöglichen Ausgangsbildwert xmax, ymin oder parallel hierzu verläuft, und/oder dass die Bahnkurve durch den Mittelpunkt xmid, ymid des Eingangs- und Ausgangsbildwertebereichs verläuft. Diese vorteilhaften Eigenschaften der Bahnkurve 1202 sind ebenfalls in der 12 veranschaulicht. Wenn die Bahnkurve 1202 durch den Mittelpunkt xmid, ymid des Eingangs- und Ausgangsbildwertebereichs verläuft, ist es leicht möglich, eine übergangslose Einstellung der Helligkeit mit einer sich hinsichtlich des Anhebens und des Absenken der Helligkeit entsprechenden Wirkung zu realisieren. Zudem lässt sich bei Verwendung einer Gerade als Bahnkurve 1202, insbesondere einer Gerade, die in einer Richtung vom kleinstmöglichen Eingangs- und größtmöglichen Ausgangsbildwert xmin, ymax zum größtmöglichen Eingangs- und kleinstmöglichen Ausgangsbildwert xmax, ymin oder parallel hierzu verläuft, eine intuitiv sehr leicht nachvollziehbare Einstellbarkeit der Helligkeit realisieren. Die Helligkeitseinstelldaten H können beispielsweise so definiert sein, dass sie einen Helligkeitseinstellbereich von –HMAX bis +HMAX besitzen, innerhalb dessen linear Positionen auf einer Gerade zwischen xmax, ymin und xmin, ymax eingestellt werden können, wobei diese Extremalwerte ausgeschlossen sein können, um für jeden Wert von –HMAX bis +HMAX eine Tonwertkurve gemäß den vordefinierten Einstellrandbedingungen realisieren zu können.
Wie schematisch und exemplarisch in der 13 gezeigt, kann die Einstelleinheit 1102 ferner ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten die Steigung 1306 der Tonwertkurve im Referenzpunkt 1304 einzustellen. Dies kann vorteilhafterweise dadurch realisiert sein, dass die Bildkorrektureinstelldaten Kontrasteinstelldaten K zum Anheben und/oder Absenken des Kontrastes des Bildes umfassen, wobei die Einstelleinheit 1102 ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Kontrasteinstelldaten K zum Anheben des Kontrastes, die Steigung 1306 der Tonwertkurve im Referenzpunkt 1304 so einzustellen, dass am Referenzpunkt 1304 eine Spreizung der Eingangsbildwerte x erfolgt, und/oder in Abhängigkeit von den Kontrasteinstelldaten K zum Absenken des Kontrastes, die Steigung der Tonwertkurve im Referenzpunkt 1304 so einzustellen, dass am Referenzpunkt 1304 eine Stauchung der Eingangsbildwerte x erfolgt (in der Figur ist dieser Fall nicht gezeigt). Die Kontrasteinstelldaten K können beispielsweise so definiert sein, dass sie einen Kontrasteinstellbereich von –KMAX bis +KMAX besitzen, innerhalb dessen linear Steigungswinkel von Null bis Unendlich (oder von größer Null bis kleiner Unendlich) eingestellt werden können. Dies kann z.B. unter Verwendung einer Arcustangens-Funktion erreicht werden.
Im Folgenden wird erläutert, wie die Tonwertkurve unter den vordefinierten Einstellrandbedingungen für eine gegebene Position des Referenzpunktes und eine gegebene Steigung der Tonwertkurve im Referenzpunkt eingestellt werden kann. Dazu wird in der 13 gezeigt, wie der zwei-dimensionale Eingangs- und Ausgangsbildwerteraum xy ausgehend vom Referenzpunkt 1304, der dem in der 12 gezeigten Referenzpunkt 1200 entspricht, in vier Quadranten 1300, 1301, 1302 und 1303 aufgeteilt werden kann. Aus der Forderung, dass die gewünschte Tonwertkurve überall eine Steigung dergestalt aufweist, dass ein größerer Eingangsbildwert nicht in einen kleineren Ausgangsbildwert überführt wird als ein kleinerer Eingangsbildwert, ergibt sich notwendigerweise, dass die Tonwertkurve nur durch die Quadranten 1302 und 1300 verläuft und nicht durch die Quadranten 1301 und 1303. Somit reicht es, zur Lösung der Aufgabe die beiden erstgenannten Quadranten zu betrachten.
Zunächst wird der Quadrant 1302 betrachtet. Dieser weist eine rechteckige Form auf, da durch die Veränderung der Position des Referenzpunktes 1304 in Richtung kleinerer Eingangs- und größerer Ausgangsbildwerte x, y xref kleiner ist als xmid und yref größer ist als ymid. Dies führt zu einer horizontalen Stauchung 1307 und zu einer vertikalen Streckung 1308 des Quadranten 1302.
Zur Betrachtung des Quadranten 1302 können ohne Beschränkung der Allgemeinheit neue Koordinaten x1 und y1 verwendet werden, die hier als x1y1-Koordinaten bezeichnet werden. x1 nimmt an der Stelle xmin den Wert Null an und steigt linear an, bis es an der Stelle xref den Wert Eins annimmt. Entsprechend nimmt y1 an der Stelle ymin den Wert Null an und steigt linear an, bis es an der Stelle yref den Wert Eins annimmt. Durch die Betrachtung in den x1y1-Koordinaten werden die beiden Verzerrungen 1307 und 1308 kompensiert und das Problem kann in einem achsparallelen Quadrat von (x1, y1) von (0, 0) bis (1, 1) gelöst werden.
Auf gleiche Weise können zur Betrachtung des Quadranten 1300 neue Koordinaten x2 und y2 verwendet werden, die hier als x2y2-Koordinaten bezeichnet werden. x2 nimmt an der Stelle xmax den Wert Null an und steigt linear an, bis es an der Stelle xref den Wert Eins annimmt. Dabei läuft es sozusagen rückwärts. Entsprechend nimmt y2 an der Stelle ymax den Wert Null an und steigt linear an, bis es an der Stelle yref den Wert Eins annimmt. Dabei läuft es ebenfalls rückwärts. Durch die Betrachtung in den Koordinaten x2 und y2 werden die beiden Verzerrungen 1309 und 1310 kompensiert und das Problem kann in einem achsparallelen Quadrat von (x2, y2) von (0, 0) bis (1, 1) gelöst werden.
Durch die Einführung der x1y1- bzw. x2y2-Koordinaten wird das Problem in zwei symmetrische Unterprobleme geteilt und dieselbe Lösung kann in den beiden betrachteten Quadranten verwendet werden.
14 zeigt schematisch und exemplarisch die Lösung des Problems der Einstellung der Tonwertkurve 1401 unter den vordefinierten Einstellrandbedingungen, hier, im Quadranten 1302 in den neuen Koordinaten x1 und y1. In dieser Darstellung hat der Referenzpunkt 1402, der dem in der 13 gezeigten Referenzpunkt 1304 entspricht, die Koordinaten (1, 1) und der Ursprung 1403 die Koordinaten (0, 0). Im Referenzpunkt 1402 ist eine Steigung 1405 gegeben. Diese ergibt sich aus der in der 13 gezeigten Steigung 1306, deren Wert hier durch c symbolisiert wird, durch eine entsprechende Koordinatentransformation. In den neuen Koordinaten x1 und y1 weist die Steigung 1405 den Wert c1 = c·(xref – xmin)/(yref – ymin) auf. Die Tonwertkurve 1401 im Quadranten 1302 in den neuen Koordinaten x1 und y1 wird nun symmetrisch zu einer Symmetrieachse 1406 gewählt, die vom Punkt (x1, y1) = (0, 1) nach (x1, y1) = (1, 0) verläuft und die Verbindungsgerade 1400 dem Referenzpunkt 1402 und dem Ursprung 1403 (d.h., den beiden Enden des Segments) mittig unter einem rechten Winkel schneidet. Dadurch spiegelt sich die Steigung 1405 in eine Steigung 1404 im Ursprung 1403 und der Winkel 1407 ist durch diese Spiegelung gleich dem Winkel 1408.
Diese Lösung wurde bewusst so gewählt. Es hat sich in Experimenten mit fotografisch geschulten Betrachtern als für die Bildqualität günstig herausgestellt, bei einem kleinen Winkel 1408 auch den Winkel 1407 klein und bei einem großen Winkel 1408 auch den Winkel 1407 groß zu wählen. Die Gleichsetzung beider Winkel führt zu Tonwertkurven, die als besonders förderlich für die Bildqualität beurteilt wurden.
Durch Koordinatenspiegelung an der Symmetrieachse 1406 kann leicht hergeleitet werden, dass die Steigung 1404 im Ursprung 1403 den Wert 1/c annehmen muss. Für die weitere Erläuterung des mathematischen Lösungswegs werden gekippte Koordinaten u und v mit u = (x1 + y1)/2 und v = (x1 – y1)/2 eingeführt, die hier als uv-Koordinaten bezeichnet werden. Diese haben den Vorteil, dass die Symmetrieachse 1406 in v-Richtung gekippt wird. Dadurch gestaltet sich nachfolgend die mathematische Problemstellung einfacher und ist leichter zu lösen.
Die vereinfachte mathematische Lösung in uv-Koordinaten ist schematisch und exemplarisch in der 15 gezeigt. Die Symmetrieachse 1508 liegt in dieser Darstellung vertikal und der Referenzpunkt 1503 liegt mit dem Ursprung 1502 auf gleicher Höhe v = 0. Es ist zu beachten, dass aufgrund der vorgenommenen Änderung des Koordinatensystems wiederum die Steigungen transformiert werden müssen. Im Referenzpunkt 1503 ergibt sich eine Steigung 1505 mit dem Wert cuv = (1 – c1)/(1 + c1) und im Ursprung 1502 eine Steigung 1504 mit dem Wert –cuv. Beide Steigungen sind zueinander symmetrisch.
In uv-Koordinaten liegt die mathematische Aufgabe zur Bestimmung einer Tonwertkurve 1401 nun darin, eine Funktion 1501 zu finden, die durch die beiden Punkte 1502 und 1503 mit den jeweiligen Steigungen 1504 und 1505 verläuft.
16 zeigt schematisch und exemplarisch die Lösung der vereinfachten mathematischen Problemstellung in uv-Koordinaten mittels unterschiedlicher Kegelschnittfunktionen. Dargestellt sind eine Ellipsenfunktion 1601, eine Parabelfunktion 1602 und eine Hyperbelfunktion 1603 als Lösung der Funktion 1501. Alle drei Kegelschnittfunktionen 1601, 1602 und 1603 verlaufen durch den Ursprung 1604 und durch den Referenzpunkt 1605 und nehmen in diesen beiden Punkten die jeweils geforderte Steigung 1606 und 1607 an.
Eine Parabelfunktion lässt sich allgemein als eine Funktion v(u) in der Form v = v0 + a·(u – u0)² schreiben. Dabei ist u0 der Scheitelpunkt und nimmt entsprechend der Lage der Symmetrieachse 1508 den Wert 0.5 an. Der Faktor a und der Offset v0 lassen sich so bestimmen, dass die Parabelkurve durch beispielsweise den Referenzpunkt 1605 mit der Steigung 1607 verläuft. Dazu werden für die Funktion v(u) folgende Bedingungen formuliert: (1) v(u = 1) = 0; (2) dv(u = 1)/du = cuv. Alternativ können aber auch die beiden Bedingungen formuliert werden: (1) v(u = 0) = 0; (2) dv(u = 0)/du = –cuv. Mit dem daraus gewonnenen Gleichungssystem können die unbekannten Variablen bestimmt werden, in diesem Fall a und v0. Aufgrund der Symmetrie der Problemstellung und des Lösungsansatzes verläuft die Parabelfunktion notwendigerweise auch durch den anderen Punkt, im genannten Beispiel der Ursprung 1604, mit der entsprechenden Steigung, hier, mit der Steigung 1606.
Eine Ellipsenfunktion lässt sich allgemein in der Form v = v0 + g·sqrt(r² – (u – u0)²) schreiben. Auch hier ist u0 = 0.5 und v0 und r lassen sich bei einem gegebenem Formfaktor g in Anlehnung an das obengenannte Beispiel so bestimmen, dass die Ellipsenkurve durch einen der beiden Punkte 1604 oder 1605 mit der dort gegebenen Steigung verläuft. Aufgrund der Symmetrie verläuft die Ellipsenfunktion dann auch durch den jeweils anderen der beiden Punkte mit der dort gegebenen Steigung. Die Pythagoreische Kreisfunktion ist dabei einer Sonderform der Ellipsenfunktion mit g = 1.
Eine Hyperbelfunktion lässt sich allgemein in der Form v = v0 + a·(u – u0)²/(g + |u – u0|) schreiben. Wiederum ist u0 = 0.5 und man kann in Anlehnung an das obengenannte Beispiel bei einem gegebenen Formfaktor g den Faktor a und den Offset v0 so bestimmen, dass die Hyperbelkurve durch die beiden Punkte 1604 und 1605 mit der jeweiligen Steigung verläuft.
17 zeigt schematisch und exemplarisch den Einfluss des Formfaktors g auf die unterschiedlichen Kegelschnittfunktionen. Zur besseren Erkennbarkeit wurde die Skalierung der v-Achse gegenüber der 16 angepasst. In der Figur sind die folgenden Funktionen gezeigt: Die lineare Funktion 1700, die Ellipsenfunktionen 1701, 1702 und 1703, die Parabelfunktion 1704 und die Hyperbelfunktionen 1705, 1706 und 1707. Die Ellipsenfunktionen 1701, 1702 und 1703 und die Hyperbelfunktionen 1705, 1706 und 1707 unterscheiden sich jeweils untereinander durch die unterschiedliche Wahl des Formfaktors g. In diesem Beispiel wurde der Formfaktor g für die Ellipsenfunktion 1701 zu 0.03, für 1702 zu 0.125 und für 1703 zu 0.33 gewählt und für die Hyperbelfunktion 1705 zu 1.25, für 1706 zu 1/3 und für 1707 zu 0. Aus der Darstellung ist zu erkennen, dass durch eine entsprechende Wahl des Formfaktors g ein reibungsloser Übergang der verschiedenen Funktionen erzielt werden kann. Hierbei sei angemerkt, dass die lineare Funktion 1700 und die aus zwei geraden Strecken bestehende Hyperbelfunktion 1707 als „Grenz“-Funktionen keine Lösung des betrachteten Problems darstellen, da erstere nicht über die gewünschte Steigung verfügt und letztere im Scheitelpunkt 1711 nicht differenzierbar ist.
Erfindungsgemäß kann die Einstelleinheit 1102 ausgebildet sein, in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten einen Typ, z.B. Ellipsenfunktion, Parabelfunktion oder Hyperbelfunktion, und/oder einen Formfaktor zumindest eines der zwei Segmente der Tonwertkurve einzustellen. Dies kann vorteilhafterweise dadurch realisiert sein, dass die Bildkorrektureinstelldaten Formeinstelldaten F zum Anpassen der Form zumindest eines der zwei Segmente umfassen, wobei die Einstelleinheit 1102 ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Formeinstelldaten F den Typ und/oder den Formfaktor des zumindest einen Segments einzustellen, vorzugsweise dergestalt, dass eine kontinuierliche Änderung der Formeinstelldaten F eine kontinuierliche Änderung der Form des zumindest einen Segments bewirkt. Beispielweise ist es möglich, die verschiedenen Kegelschnittfunktionen über die Formeinstelldaten F zu verbinden. Dazu können diese so definiert sein, dass sie einen Formeinstellbereich von FMIN bis FMAX besitzen, wobei die Einstelleinheit 1102 in Abhängigkeit von den Formeinstelldaten F auswählt, welcher Typ von Kegelschnittfunktion verwendet werden soll, also beispielsweise ob eine Ellipsenfunktion, eine Parabelfunktion oder aber eine Hyperbelfunktion verwendet werden soll. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass bei einem Wert von F, der gleich einem Wert F0 (mit FMIN < F0 < FMAX) ist, eine Parabelfunktion ausgewählt wird, bei einem Wert von F, der größer bzw. kleiner als F0 ist, eine Ellipsenfunktion, und bei einem Wert von F, der kleiner bzw. größer als F0 ist, eine Hyperbelfunktion. Weiter kann vorgesehen sein, dass aus den Formeinstelldaten F nach der Auswahl der Kegelschnittfunktion der Formfaktor g so eingestellt wird, dass sich bei kontinuierlicher Variation der Formeinstelldaten F ein flüssiger Übergang von Ellipsenfunktionen über die Parabelfunktion hin zu Hyperbelfunktionen ergibt. Dabei können die „Grenz“-Funktionen (in der 17 die lineare Funktion 1700 und die Hyperbelfunktion 1707) ausgeschlossen sein, um für jeden Wert von FMIN bis FMAX eine Tonwertkurve gemäß den vordefinierten Einstellrandbedingungen realisieren zu können.
Eine solche Bestimmung des Formfaktors g kann beispielsweise so geschehen, das sich abhängig vom Wert von F der Scheitelpunkt 1710 auf eine gewünschte Weise verschiebt. Beispielsweise kann vorgesehen werden, dass diese Verschiebung linear zum Wert der Formeinstelldaten F vorgenommen wird. Somit kann g in Abhängigkeit von F so gewählt werden, dass sich eine zu F lineare Verschiebung des Scheitelpunktes von einer Höhe von v = 0 bis zum extremen Scheitelpunkt 1611 (ggf. unter Ausschluss dieser Werte) ergibt.
Dazu lässt die Tatsache nutzen, dass die jeweilige Kegelschnittfunktion ihren Scheitelpunkt an der Stelle (u0, vs) mit vs = v(u0) besitzt. Werden in der Gleichung u durch u0 und v durch vs ersetzt, kann diese nach g aufgelöst werden.
Alternativ kann die Lösung auch angenähert werden. Dies kann beispielsweise durch eine Funktion der Form g = 1/sqrt(1 – f1) – 1 geschehen. f1 ist hierbei ein Parameter, der sich aus dem Wert von f für den einer Ellipsenfunktion zugeordneten Wertebereich von f linear ergibt und Werte zwischen Null und Eins annimmt. Für eine noch bessere Anpassung kann auch statt der Wurzelfunktion sqrt eine andere Potenzfunktion verwendet werden.
Es bietet sich an, die erhaltenen Kegelschnittfunktionen aus den uv-Koordinaten zurück zu transformieren in x1y1-, und/oder nachfolgend auch in xy-Koordinaten. Dies erfolgt über eine Rücksubstitution der Koordinaten u und v. Aus den oben genannten expliziten Kegelschnittfunktionen werden dabei Gleichungen erhalten, die nach y1 bzw. y aufgelöst werden können.
Hierbei kann es sich als hilfreich erweisen, einzelne Kegelschnittfunktionen explizit statt implizit zu transformieren und die expliziten Funktionen erst in x1y1- bzw. in xy-Koordinaten nach y1 bzw. y aufzulösen. Dies ist besonders für die Ellipsenfunktion 1701, 1702 oder 1703 hilfreich. Weiterhin kann es erforderlich sein, bei der Hyperbelfunktion 1705, 1706 (oder 1707) den vom Scheitelpunkt aus gesehen rechten und den linken Teil separat von uv- in x1y1- oder xy-Koordinaten zu transformieren und dort nach y1 bzw. y aufzulösen. Durch diese Unterscheidung lässt sich der Betrag im Nenner der Hyperbelfunktion durch eine Multiplikation mit –1 oder mit 1 ersetzen und die Lösung der Gleichung wird deutlich vereinfacht.
18 zeigt schematisch und exemplarisch das Ergebnis der Rücktransformation in xy-Koordinaten. Für den Quadranten 1302 ergibt sich die schrägstehende Ellipse 1801 durch die Rücktransformation aus der Ellipse 1601, die schrägstehende Parabel 1803 entsprechend aus der Parabel 1602 und die schrägstehende Hyperbel 1805 aus der Hyperbel 1603. Diese drei schrägstehenden Kegelschnittfunktionen sind in x1y1-Koordinaten symmetrisch zur schrägstehenden Symmetrieachse 1808. Dabei ist aber zu betonen, dass die Symmetrieachse 1808 zwar in x1y1-Koordinaten eine Symmetrieachse darstellt, in xy-Koordinaten jedoch nur in dem in der 18 gezeigten Sonderfall, dass der Referenzpunkt 1800 genau in der Mitte der Eingangs- und Ausgangsbildwertebereiche xmin bis xmax und ymin bis ymax liegt. Alle drei genannten Kegelschnittfunktionen sind jeweils für Eingangsbildwerte von xmin bis xref definiert.
Der Schnittpunkt 1810 der Hyperbel mit der Symmetrieachse 1808 markiert den Scheitelpunkt der Hyperbelfunktion 1805 und illustriert die oben genannte Fallunterscheidung. D.h., links vom Schnittpunkt 1810 findet sich der oben genannte linke Teil der Hyperbelfunktion 1805 und rechts vom Schnittpunkt 1810 findet sich der oben genannte rechte Teil der Hyperbelfunktion 1805.
Weiterhin kann für den Quadranten 1300 (siehe die 13) eine Lösung erhalten werden, indem für diesen Quadranten u = (x2 + y2)/2 und v = (x2 – y2)/2 definiert wird. Dadurch stellt sich die Situation für den Quadranten 1300 punktspiegelbildlich zum Quadranten 1302 dar und es kann dort die bereits erzielte Lösung für den Quadranten 1300 verwendet werden, indem einfach x1 durch x2 und y1 durch y2 substituiert wird.
Die doppelte Verwendbarkeit der Lösung legt es nahe, auch für den Quadranten 1302 die Funktion zunächst nach y1(x1) aufzulösen und nicht nach y(x), denn diese Lösung lässt sich mit geringem Rechenaufwand dann identisch für die beiden Quadranten 1302 und 1300 verwenden. Dabei muss allerdings beachtet werden, dass die Steigung c1 als Symbol und nicht als Wert in die Berechnung einfließt, da, sofern der Referenzpunkt 1800, der mit dem Referenzpunkt 1304 identisch ist, vom Mittelpunkt xmin, ymin des Eingangs- und Ausgangsbildwertebereichs abweicht, die Steigung c1 im Allgemeinen in den beiden Quadranten 1302 und 1300 unterschiedliche Werte annimmt. Auf diese Weise wird zusammen mit der Ellipsenfunktion 1801 auch eine Ellipsenfunktion 1802, zusammen mit der Parabelfunktion 1803 auch eine Parabelfunktion 1804 und zusammen mit der Hyperbelfunktion 1805 auch eine Hyperbelfunktion 1806 erhalten. In x2y2-Koordinaten sind die so erhaltenen Kegelschnittfunktionen dann wiederum symmetrisch zur Symmetrieachse 1809. Der Schnittpunkt 1811 der Hyperbelfunktion 1806 mit der Symmetrieachse 1809 markiert entsprechend den Scheitelpunkt der Hyperbelfunktion 1806 und illustriert damit eine hilfreiche Fallunterscheidung zum Auflösen der Hyperbelfunktion nach y2 oder nach y.
Um die Tonwertkurve für den gesamten Eingangsbildwertebereich xmin bis xmax zu erhalten, bietet es sich an, jeweils eine Funktion aus dem Quadranten 1302 mit einer Funktion aus dem Quadranten 1300 mittels einer Fallunterscheidung zu einer gemeinsamen Funktion zu vereinen. Die Vereinigung mittels Fallunterscheidung kann z.B. so vorgenommen werden, dass für Eingangsbildwerte von x ≤ xref eine Kegelschnittfunktion aus dem Quadranten 1302 verwendet wird, z.B. die Parabel 1803, und für Werte von x > xref die Parabel 1804 aus dem Quadranten 1300. Auf diese Weise wird eine Gesamtfunktion erhalten, die hier als „Doppelkegelschnittfunktion“ bezeichnet wird und die unter anderem die Eigenschaften besitzt, stetig, differenzierbar und monoton steigend zu sein und durch den Referenzpunkt 1800 zu verlaufen.
Alternativ ist es aber auch möglich, eine Doppelkegelschnittfunktion aus einer Kombination unterschiedlicher Kegelschnittfunktionen der Quadranten 1302 und 1300 zu erhalten. So kann beispielsweise die Parabelfunktion 1803 mit der Ellipsenfunktion 1802 kombiniert werden, oder aber die Ellipsenfunktion 1801 wird mit der Hyperbelfunktion 1806 im Referenzpunkt 1800 verbunden. Weiterhin ist es auch möglich, Kegelschnittfunktionen mit verschiedenen Formfaktoren g miteinander zu kombinieren.
19 zeigt schematisch und exemplarisch, welche Formen die aus Doppelkegelschnittfunktionen erhaltenen Tonwertkurven für unterschiedliche Einstellungen des Kontrastes annehmen. Die hier gezeigten Doppelkegelschnittfunktionen ergeben sich jeweils aus der Kombination zweier Parabelfunktionen. Alle Doppelkegelschnittfunktionen verlaufen durch den Referenzpunkt 1901. Die Tangenten 1902 und 1903 symbolisieren dabei jeweils eine gewünschte geringe Steigung im Referenzpunkt 1901, die gegenüber der Neutraltonwertkurve 1900, die ebenso wie die Neutraltonwertkurve 200 in der 2 keine verändernde Wirkung auf das Bild hat, mit einer Absenkung des Kontrastes verbunden ist. Ferner symbolisieren die Tangenten 1904 und 1905 größere Steigungen im Referenzpunkt 1901, die mit einer Anhebung des Kontrastes verbunden sind.
Es ist zu erkennen, dass die Doppelkegelschnittfunktion 1906 im Referenzpunkt 1901 die Tangente 1902 besitzt und damit eine starke Absenkung des Kontrastes bewirkt, die Doppelkegelschnittfunktion 1907 mit der Tangente 1903 den Kontrast weniger stark absenkt, die Doppelkegelschnittfunktion 1908 mit der Tangente 1904 den Kontrast anhebt und die Doppelkegelschnittfunktion 1909 mit der Tangente 1905 den Kontrast stärker anhebt.
20 zeigt schematisch und exemplarisch, welche Formen die aus Doppelkegelschnittfunktionen erhaltenen Tonwertkurven für unterschiedliche Einstellungen der Helligkeit annehmen. Dabei wird, wie oben im Zusammenhang mit der 12 erläutert, die Position des Referenzpunktes 1201 auf einer Geraden 1202 in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten verändert. Die Einstellung des Kontrastes befindet sich dabei jeweils in Neutralstellung und alle gezeigten Doppelkegelschnittfunktionen werden in der Darstellung aus Parabelfunktionen gebildet. Wird über die Eingabe der Bildkorrektureinstelldaten eine starke Absenkung der Helligkeit gefordert, so wird der Referenzpunkt aus der Neutralposition 2007 heraus weit in Richtung größerer Eingangs- und kleinerer Ausgangsbildwerte x, y zu der Position 2001 verändert. Durch diesen Referenzpunkt 2001 wird als Tonwertkurve eine Doppelkegelschnittfunktion 2000 mit einer Tangente 2002 mit einer Neutralsteigung von c = 1 gelegt. Bei einer kleineren Absenkung der Helligkeit nimmt der Referenzpunkt die Position 2004 ein und durch ihn verläuft als Tonwertkurve eine Doppelkegelschnittfunktion 2003 mit einer Tangente 2005 mit der gleichen Steigung c = 1. Bei einer Anhebung der Helligkeit ist der Referenzpunkt aus der Neutralposition 2007 heraus in Richtung kleinerer Eingangs- und größerer Ausgangsbildwerte x, y zu der Position 2009 verändert und durch ihn verläuft die Doppelkegelschnittfunktion 2008 mit der Tangente 2010. Schließlich ist bei einer starken Anhebung der Helligkeit die Position des Referenzpunktes 2012 weit in Richtung kleinerer Eingangs- und größerer Ausgangsbildwerte x, y verändert und durch ihn läuft eine Doppelkegelschnittfunktion 2011 mit einer Steigung 2013.
21 zeigt schematisch und exemplarisch Tonwertkurven, die sich bei einer gleichzeitigen Veränderung der Helligkeit und des Kontrastes mit Doppelkegelschnittfunktionen aus Parabeln ergeben. In diesem Beispiel ist zum Anheben der Helligkeit die Position des Referenzpunktes 2100 im Vergleich zur Neutralposition 2101 in Richtung kleinerer Eingangs- und größerer Ausgangsbildwerte x, y verändert. Durch den Referenzpunkt 2100 verläuft die Doppelkegelschnittfunktion 2102 und 2103, die im Referenzpunkt 2100 eine Tangente 2104 mit einer geringen Steigung aufweist, die mit einer Absenkung des Kontrastes verbunden ist. Durch die gewählte Kurvenform ergibt sich diese geringere Steigung vor allem für Eingangsbildwerte x in der Nähe von xref. Dabei handelt es sich vor allem um dunkle Eingangsbildwerte x ausgehend von der Annahme, dass der Benutzer bei einer Anhebung der Helligkeit vor allem dunklere Eingangsbildwerte x in ihrem Kontrast beeinflussen möchte.
Weiterhin verläuft durch den Referenzpunkt 2100 die Doppelkegelschnittfunktion 2105 und 2106, die im Referenzpunkt 2100 eine Tangente 2107 mit einer Steigung von c = 1 (Neutralsteigung) aufweist, die mit keiner Veränderung des Kontrastes verbunden ist.
Schließlich verläuft durch den Referenzpunkt 2100 auch die Doppelkegelschnittfunktion 2008 und 2009 mit der steilen Tangente 2110, die eine Steigung von c > 1 aufweist und somit mit einer Anhebung des Kontrastes für Eingangsbildwerte x in der Nähe von xref verbunden ist. Die Begründung für die Wahl dieser Kurvenform ergibt sich analog zu dem oben Gesagten.
22 zeigt schematisch und exemplarisch Tonwertkurven für die gleichzeitige Anhebung der Helligkeit und unterschiedliche Veränderungen des Kontrastes mit Doppelkegelschnittfunktionen aus Ellipsen. In der Figur ist die gleiche Situation dargestellt wie in der 21; es sind hier lediglich die Doppelkegelschnittfunktionen jeweils aus zwei Ellipsen zusammengesetzt und die verwendeten Bezugszeichen sind um 100 erhöht. Im Vergleich zur 21 zeigt sich demgemäß ein deutlich anderer Verlauf für die Tonwertkurven, der sich auch im korrigierten Bild bemerkbar macht. Unterschiede ergeben sich vor allem in der Krümmung nahe beim Referenzpunkt 2200, die bei Ellipsenfunktionen stärker ausgeprägt ist, wodurch die Breite des Bereichs, in dem der Kontrastwert nahe an der gewünschten Kontrasteinstellung liegt, etwas schmaler ausfällt. Andererseits unterscheiden sich die Tonwertkurven vor allem im Verlauf in der Nähe des Schwarzpunktes 2211 im Vergleich zum Schwarzpunkt 2111 und des Weißpunktes 2212 im Vergleich zum Weißpunkt 2112. Diese machen sich im Bild deutlich bemerkbar.
23 zeigt schematisch und exemplarisch Tonwertkurven für die gleichzeitige Anhebung der Helligkeit und unterschiedliche Veränderungen des Kontrastes mit Doppelkegelschnittfunktionen aus Hyperbeln. In der Figur ist wiederum die gleiche Situation dargestellt wie in den 21 und 22; es sind hier lediglich die Doppelkegelschnittfunktionen jeweils aus zwei Hyperbeln zusammengesetzt und die verwendeten Bezugszeichen sind im Vergleich zur 22 nochmals um 100 erhöht. Im Vergleich mit den beiden vorhergehenden Figuren zeigt sich demgemäß ein deutlich anderer Verlauf für die Tonwertkurven, der sich wiederum im Ergebnisbild bemerkbar macht. Unterschiede ergeben sich auch hier vor allem in der Krümmung nahe beim Referenzpunkt 2300, die bei Hyperbeln schwächer ausgeprägt ist, wodurch die Breite des Bereichs, in dem der Kontrastwert nahe an der gewünschten Kontrasteinstellung liegt, etwas breiter ausfällt. Dies ist grundsätzlich positiv zu bewerten, weil hiermit eine breitere Wirkung der Kontrasteinstellung erzielt wird. Andererseits unterschieden sich die Tonwertkurven vor allem im Verlauf in der Nähe des Schwarzpunktes 2311 im Vergleich zu den Schwarzpunkten 2111 und 2211 und des Weißpunktes 2312 und im Vergleich zu den Weißpunkten 2112 und 2212. Auch diese machen sich im Bild deutlich bemerkbar.
Welche der gewählten Kurvenformen vorteilhafter ist, ist stark vom Bildinhalt abhängig und die Frage danach kann bisher nicht allgemeingültig beantwortet werden. Daher wird es als sehr vorteilhaft erachtet, wenn – wie beschrieben – eine Einstelleinheit 1102 vorgesehen wird, die es ermöglicht, in Abhängigkeit von über das Eingabeelement 1101 eingebbaren Formeinstelldaten F, den Typ und/ oder den Formfaktor der Tonwertkurve (bzw. zumindest eines der zwei Segmente) einzustellen.
24 zeigt schematisch und exemplarisch Tonwertkurven für verschiedene Werte der Formeinstelldaten F. Dabei erfolgt in Abhängigkeit von F ein flüssiger Übergang zwischen den Doppelkegelschnittfunktionen 2402 bis 2408. Dabei sind die Doppelkegelschnittfunktionen 2402 bis 2404 aus Ellipsenfunktionen gebildet, die Doppelkegelschnittfunktion 2405 aus Parabelfunktionen und die Doppelkegelschnittfunktionen 2406 bis 2408 aus Hyperbeln. Die Vor- und Nachteile dieser verschiedenen Kurvenformen wurden bereits oben geschildert. Auch hier können die „Grenz“-Funktionen 2402 und 2408 wieder ausgeschlossen sein, um für jeden Wert von F eine Tonwertkurve gemäß den vordefinierten Einstellrandbedingungen realisieren zu können.
Die dargestellten Tonwertkurven können auf alle Komponenten eines Farbvektors angewandt werden, z.B. auf die Rot-, Grün- und Blauwerte eines RGB- oder eines sRGB-Farbvektors. Dabei kann es zu Veränderungen des Farbtons oder der Farbsättigung eines Farbvektors kommen. Dieser Effekt liegt in der Natur des verwendeten Farbraums, also beispielsweise des RGB- oder sRGB Farbraums, und kann dadurch erklärt werden, dass bei einem bunten Eingangsfarbvektor mindestens zwei Komponenten des Farbvektors voneinander verschieden sind. Wird auf diese verschiedenen Werte eine Tonwertkurve angewandt, so können die Farbkomponenten durch die Tonwertkurve verschieden verändert werden.
Beispielsweise kann aus einem fast grauen Farbvektor, der einen leichten, für den Betrachter kaum erkennbaren Blaustich aufweist, durch eine starke Anhebung des Kontrastes im RGB-Farbraum bei geeigneter Wahl der Bildkorrektureinstelldaten ein tiefblauer Farbvektor mit einer weit höheren Farbsättigung entstehen.
Je nach Anwendung kann eine solche Farbveränderung störend oder erwünscht sein. So ist sie bei Anwendungen, die eine hohe Farbtreue erfordern, z.B. zur korrekten Befundung eines medizinischen Bildes, störend, während sie bei Anwendungen, bei denen eine Objektseparation über farbliche Unterschiede erfolgt, sehr hilfreich ist, weil sie dort Farbunterschiede vergrößert. Letzteres ist beispielsweise in der Mikroskopie hilfreich, wenn Zellen oder Zellteile mit Farbstoffen eingefärbt werden, um die Unterscheidbarkeit von Details zu verbessern.
Farbveränderungen bei der Anwendung der erfindungsgemäß eingestellten Tonwertkurven können vermieden werden, indem der Farbvektor in einen Farbraum transformiert wird, in dem die Helligkeit und die Farbe mit verschiedenen Komponenten des Farbvektors verbunden sind, dort die Tonwertkurve nur auf die Komponente angewandt wird, die mit der Helligkeit verbunden ist, und anschließend ggf. eine Rücktransformation in den ursprünglichen oder einen gewünschten anderen Farbraum erfolgt.
Eine weitere Möglichkeit, eine Anhebung der Farbsättigung bei Anwendung einer Tonwertkurve zu vermeiden, ist schematisch und exemplarisch in der 25 gezeigt. Dort werden drei Differenzfunktionen gezeigt, die jeweils einen Differenzwert d in Abhängigkeit des Eingangsbildwertes x liefern, nämlich die Funktion 2501 und 2502, die Funktion 2503 und 2504 und die Funktion 2505 und 2506. Diese Werte ergeben sich jeweils aus der Differenz der in der 23 gezeigten Doppelkegelschnittfunktion 2302 und 2303, 2305 und 2306 bzw. 2308 und 2309 minus der Neutraltonwertkurve 2313. Als Eingangsbildwert x kann dabei ein aus dem Eingangsfarbvektor gewonnener Wert verwendet werden, der die Helligkeit repräsentiert, beispielsweise der Rotwert, der Grünwert oder der Blauwert oder eine Linearkombination der drei genannten Werte, der Wert Y, der sich aus einer Transformation in den YUV- oder den YCrCb Farbraum ergibt, der Wert V, der sich aus einer Transformation in den HSV Farbraum ergibt oder der Wert L, der sich aus einer Transformation in den HSL-, den Lab-, den L*a*b*-, den Luv- oder den L*u*v*-Farbraum ergibt.
Der Ausgangswert d kann dabei zu mindestens einer Komponente des Eingangsfarbvektors addiert werden, wodurch ein korrigierter Ausgangsfarbvektor erhalten wird. Wird der Wert d zu jeder Komponente des Farbvektors addiert, ergibt sich durch diese Addition des jeweils gleichen Wertes im Farbraum eine Verschiebung zu dessen Raumdiagonale in die Richtung, die in der Kristallographie als (111)-Richtung bezeichnet wird. Im RGB und im sRGB Farbraum liegt diese Richtung parallel zur Unbuntheitsgerade, sodass dadurch eine Verschiebung parallel zu dieser Unbuntheitsgerade erfolgt.
Eine weitere Alternative, Farbfehler bei Anwendung einer Tonwertkurve zu vermeiden, schematisch und exemplarisch in der 26 gezeigt. Hier ist nicht mehr der Differenzwert d, sondern ein Quotientenwert q über dem Eingangsbildwert x dargestellt. Die dargestellten Quotientenfunktionen 2601 und 2602, 2603 und 2604 bzw. 2605 und 2606 ergeben sich dabei sich jeweils aus dem Quotienten der in der 23 gezeigten Doppelkegelschnittfunktion 2302 und 2303, 2305 und 2306 bzw. 2308 und 2309 geteilt durch die Neutraltonwertkurve 2313. Der Eingangswert kann hier ebenso gewonnen werden, wie in der Beschreibung von 25 geschildert.
Der Ausgangswert q kann auf mindestens einer Komponente des Eingangsfarbvektors multipliziert werden, wodurch ein korrigierter Ausgangsfarbvektor erhalten wird. Wird der Wert d auf jede Komponente des Farbvektors multipliziert, ergibt sich durch diese Multiplikation des jeweils gleichen Wertes im Farbraum eine Verlängerung bzw. Verkürzung des Farbvektors bei unveränderter Richtung. Dadurch bleiben die Verhältnisse zwischen den Komponenten des Farbvektors unverändert erhalten. Wird dies im RGB Raum angewandt, so bleiben sowohl der Farbton als auch die Farbsättigung unverändert erhalten, während lediglich die Helligkeit einer Änderung unterzogen wird.
Weitere Variationen der offenbarten Ausführungsformen können von einem die beanspruchte Erfindung praktizierenden Fachmann aus einer Betrachtung der Zeichnungen, der Beschreibung und der beigefügten Ansprüche verstanden und ausgeführt werden.
Beispielsweise ist es vorteilhaft, wenn die Einstelleinheit 1102 ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten einen Typ und/oder einen Formfaktor jedes der zwei Segmente einzustellen. Dies kann in einer möglichen Ausgestaltung ein gemeinsamer Typ und/oder Formfaktor sein. Zusätzlich oder alternativ kann es aber auch möglich sein, das der Typ und/oder Formfaktor für jedes der beiden Segmente getrennt einstellbar ist. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Einstelleinheit 1102 ausgebildet ist, die Tonwertkurve zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes so einzustellen, dass die Tonwertkurve überall eine Steigung dergestalt aufweist, dass größere Eingangsbildwerte in größere Ausgangsbildwerte überführt werden.
In den Ansprüchen schließen die Wörter „aufweisen“ und „umfassen" nicht andere Elemente oder Schritte aus und der unbestimmte Artikel „ein“ schließt eine Mehrzahl nicht aus.
Eine einzelne Einheit oder Vorrichtung kann die Funktionen mehrerer Elemente durchführen, die in den Ansprüchen aufgeführt sind. Die Tatsache, dass einzelne Funktionen und/oder Elemente in unterschiedlichen abhängigen Ansprüchen aufgeführt sind, bedeutet nicht, dass nicht auch eine Kombination dieser Funktionen und/oder Elemente vorteilhaft verwendet werden könnte.
Die Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht derart zu verstehen, dass der Gegenstand und der Schutzbereich der Ansprüche durch diese Bezugszeichen eingeschränkt wären.
Zusammengefasst wurde eine Bildkorrektureinrichtung 1100 zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes eines Bildes mittels einer einstellbaren Tonwertkurve, durch die Eingangsbildwerte eines Eingangsbildwertebereichs in Ausgangsbildwerte eines Ausgangsbildwertebereichs überführt werden, beschrieben, wobei die Bildkorrektureinrichtung 1100 umfasst: ein Eingabeelement 1101 zum Eingeben von Bildkorrektureinstelldaten; eine Einstelleinheit 1102 zum Einstellen der Tonwertkurve in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten; und eine Korrektureinheit 1103 zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes durch Anwenden der Tonwertkurve auf das Bild, wobei die Tonwertkurve aus zwei Segmenten mit jeweils zwei Enden besteht, die sich mit jeweils einem ersten Ende in einem Referenzpunkt treffen, und wobei die Einstelleinheit 1102 ausgebildet ist, die Tonwertkurve zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes so einzustellen, dass (i) jedes der zwei Segmente so eingestellt ist, dass in einer Darstellung, in der das Segment so skaliert ist, dass seine zwei Enden ein achsparalleles Quadrat aufspannen, das Segment symmetrisch ist in Bezug auf eine Symmetrieachse, die eine Verbindungsgerade zwischen den beiden Enden des Segments mittig unter einem rechten Winkel schneidet, und das Segment gekrümmt und differenzierbar ist, und (ii) die Tonwertkurve im Referenzpunkt differenzierbar ist und überall eine Steigung dergestalt aufweist, dass ein größerer Eingangsbildwert nicht in einen kleineren Ausgangsbildwert überführt wird als ein kleinerer Eingangsbildwert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7742637 [0003]
US 2416919 [0003]
EP 2575348 [0010, 0013]
EP 0583898 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Internetseite “https://de. wikipedia.org/wiki/Tonwert” (Stand 4.11.2015) [0005]

Claims

Bildkorrektureinrichtung (1100) zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes eines Bildes mittels einer einstellbaren Tonwertkurve, durch die Eingangsbildwerte (x) eines Eingangsbildwertebereichs (xmin, ..., xmax) in Ausgangsbildwerte (y) eines Ausgangsbildwertebereichs (ymin, ..., ymax) überführt werden, wobei die Bildkorrektureinrichtung (1100) umfasst: – ein Eingabeelement (1101) zum Eingeben von Bildkorrektureinstelldaten; – eine Einstelleinheit (1102) zum Einstellen der Tonwertkurve in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten; und – eine Korrektureinheit (1103) zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes durch Anwenden der Tonwertkurve auf das Bild, wobei die Tonwertkurve aus zwei Segmenten mit jeweils zwei Enden besteht, die sich mit jeweils einem ersten Ende in einem Referenzpunkt (xref, yref) treffen, und wobei die Einstelleinheit (1102) ausgebildet ist, die Tonwertkurve zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes so einzustellen, dass: (i) jedes der zwei Segmente so eingestellt ist, dass in einer Darstellung, in der das Segment so skaliert ist, dass seine zwei Enden ein achsparalleles Quadrat ((0, 0), ..., (1, 1)) aufspannen, das Segment symmetrisch ist in Bezug auf eine Symmetrieachse (1406), die eine Verbindungsgerade (1400) zwischen den beiden Enden (1402, 1403) des Segments mittig unter einem rechten Winkel schneidet, und das Segment gekrümmt und differenzierbar ist, und (ii) die Tonwertkurve im Referenzpunkt (xref, yref) differenzierbar ist und überall eine Steigung dergestalt aufweist, dass ein größerer Eingangsbildwert nicht in einen kleineren Ausgangsbildwert überführt wird als ein kleinerer Eingangsbildwert.
Bildkorrektureinrichtung (1100) nach Anspruch 1, wobei die Einstelleinheit (1102) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten die Position des Referenzpunktes (xref, yref) auf einer vordefinierten Bahnkurve (1202) einzustellen, wobei die Bahnkurve (1202) überall eine Steigung ungleich Null dergestalt aufweist, dass sie von kleineren Eingangs- und größeren Ausgangsbildwerten zu größeren Eingangs- und kleineren Ausgangsbildwerten verläuft.
Bildkorrektureinrichtung (1100) nach Anspruch 2, wobei die Bahnkurve (1202) eine Gerade ist, vorzugsweise, wobei die Gerade in einer Richtung vom kleinstmöglichen Eingangs- und größtmöglichen Ausgangsbildwert (xmin, ymax) zum größtmöglichen Eingangs- und kleinstmöglichen Ausgangsbildwert (xmax, ymin) oder parallel hierzu verläuft, und/oder wobei die Bahnkurve (1202) durch den Mittelpunkt (xmid, ymid) des Eingangs- und Ausgangsbildwertebereichs verläuft.
Bildkorrektureinrichtung (1100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Einstelleinheit (1102) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten die Steigung der Tonwertkurve im Referenzpunkt (xref, yref) einzustellen.
Bildkorrektureinrichtung (1100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Einstelleinheit (1102) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten einen Typ zumindest eines der zwei Segmente einzustellen.
Bildkorrektureinrichtung (1100) nach Anspruch 5, wobei der Typ des zumindest einen der zwei Segmente ausgewählt ist aus der Gruppe Ellipsenfunktion, Parabelfunktion und Hyperbelfunktion.
Bildkorrektureinrichtung (1100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Einstelleinheit (1102) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten einen Formfaktor (g) zumindest eines der zwei Segmente einzustellen.
Bildkorrektureinrichtung (1100) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei die Bildkorrektureinstelldaten Helligkeitseinstelldaten (H) zum Anheben und/oder Absenken der Helligkeit des Bildes umfassen, wobei die Einstelleinheit (1102) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Helligkeitsinstelldaten (H) zum Anheben der Helligkeit die Position des Referenzpunktes (xref, yref) auf der vordefinierten Bahnkurve (1202) in Richtung kleinerer Eingangs- und größerer Ausgangsbildwerte zu verändern und/oder in Abhängigkeit von den Helligkeitseinstelldaten (H) zum Absenken der Helligkeit die Position des Referenzpunktes (xref, yref) auf der vordefinierten Bahnkurve (1202) in Richtung größerer Eingangs- und kleinerer Ausgangsbildwerte zu verändern.
Bildkorrektureinrichtung (1100) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei die Bildkorrektureinstelldaten Kontrasteinstelldaten (K) zum Anheben und/oder Absenken des Kontrastes des Bildes umfassen, wobei die Einstelleinheit (1102) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Kontrasteinstelldaten (K) zum Anheben des Kontrastes, die Steigung der Tonwertkurve im Referenzpunkt (xref, yref) so einzustellen, dass am Referenzpunkt (xref, yref) eine Spreizung der Eingangsbildwerte erfolgt, und/oder in Abhängigkeit von den Kontrasteinstelldaten (H) zum Absenken des Kontrastes, die Steigung der Tonwertkurve im Referenzpunkt (xref, yref) so einzustellen, dass am Referenzpunkt (xref, yref) eine Stauchung der Eingangsbildwerte erfolgt.
Bildkorrektureinrichtung (1100) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Bildkorrektureinstelldaten Formeinstelldaten (F) zum Anpassen der Form zumindest eines der zwei Segmente umfassen, wobei die Einstelleinheit (1102) ausgebildet ist, in Abhängigkeit von den Formeinstelldaten (F) den Typ und/oder den Formfaktor (g) des zumindest einen Segments einzustellen, vorzugsweise dergestalt, dass eine kontinuierliche Änderung der Formeinstelldaten (F) eine kontinuierliche Änderung der Form des zumindest einen Segments bewirkt.
Digitalkamera (10), umfassend: – einen Bildsensor (13) zum Erzeugen eines Bildes; und – die Bildkorrektureinrichtung (1100) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes der Bilddaten des Bildsensors (13).
Bildkorrekturverfahren zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes eines Bildes mittels einer einstellbaren Tonwertkurve, durch die Eingangsbildwerte (x) eines Eingangsbildwertebereichs (xmin, ..., xmax) in Ausgangsbildwerte (y) eines Ausgangsbildwertebereichs (ymin, ..., ymax) überführt werden, wobei das Bildkorrekturverfahren umfasst: – Eingeben von Bildkorrektureinstelldaten; – Einstellen der Tonwertkurve in Abhängigkeit von den Bildkorrektureinstelldaten; und – Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes des Bildes durch Anwenden der Tonwertkurve auf das Bild, wobei die Tonwertkurve aus zwei Segmenten mit jeweils zwei Enden besteht, die sich mit jeweils einem ersten Ende in einem Referenzpunkt (xref, yref) treffen, und wobei die Tonwertkurve zum Korrigieren der Helligkeit und/oder des Kontrastes eines Bildes so eingestellt wird, dass: (i) jedes der zwei Segmente so eingestellt ist, dass in einer Darstellung, in der das Segment so skaliert ist, dass seine zwei Enden ein achsparalleles Quadrat ((0, 0), ..., (1, 1)) aufspannen, das Segment symmetrisch ist in Bezug auf eine Symmetrieachse (1406), die eine Verbindungsgerade (1400) zwischen den beiden Enden (1402, 1403) des Segments mittig unter einem rechten Winkel schneidet, und das Segment gekrümmt und differenzierbar ist, und (ii) die Tonwertkurve im Referenzpunkt (xref, yref) differenzierbar ist und überall eine Steigung dergestalt aufweist, dass ein größerer Eingangsbildwert nicht in einen kleineren Ausgangsbildwert überführt wird als ein kleinerer Eingangsbildwert.
Computervorrichtung, umfassend eine Recheneinheit (14), die zur Durchführung des Bildkorrekturverfahrens nach Anspruch 12 ausgestaltet ist.
Computerprogramm-Produkt, umfassend Codemitteln zum Veranlassen einer Computervorrichtung zum Ausführen des Bildkorrekturverfahrens nach Anspruch 12, wenn das Computerprogramm-Produkt auf der Computervorrichtung ausgeführt wird.