DE19983327C2

DE19983327C2 - Verfahren zur Bilderfassungseinrichtungsfarbkalibrierung unter Verwendung von Lichtemittierenden Dioden oder anderen Spektrallichtquellen

Info

Publication number: DE19983327C2
Application number: DE19983327T
Authority: DE
Inventors: Edward J Bawolek; Lawrence A Booth; Curt Corum; Wiliam P Kuhn
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 1998-06-23
Filing date: 1999-06-10
Publication date: 2002-06-20
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: KR100437583B1; TW436611B; CN1210672C; US20060078198A1; JP2002519877A; CN1307710A; WO1999067738A1; AU4435499A; DE19983327T1; KR20010053063A; GB0031144D0; GB2353913B; JP4216474B2; US7016533B1; GB2353913A; US7382918B2; US6205244B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Farbkalibrie rung einer Bilderfassungseiririchtung bzw. eine Einrichtung, die zur Ausführung eines solchen Verfahrens verwendet werden kann.

Farbe ist im Grunde genommen das, was das menschliche Sehsystem beim Empfangen von Licht verschiedener Wellenlän gen, das von Objekten reflektiert worden ist, wahrnimmt. Diese Farberkennung ist auch als spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Sehsystems bekannt. Um die wahrgenommenen Farben numerisch auszudrücken, wurden viele Verfahren ent wickelt, von denen eines durch die XYZ-Tristimulus-Werte ge kennzeichnet ist, die von einer als "Commission Internatio nale de L'Eclairge" (CIE) bekannte internationale Organisa tion entwickelt worden. Die XYZ-Tristimulus-Werte basieren auf der Theorie, daß das menschliche Sehsystem Rezeptoren für drei Primärfarben Rot, Grün und Blau besitzt und daß al le wahrgenommenen Farben Mischungen dieser drei Primärfarben sind.

Fig. 1 veranschaulicht die dem menschlichen Sehsystem entsprechende spektrale Empfindlichkeit anhand der XYZ-Tri stimulus-Werte. Wenn idealerweise Bilderfassungseinrich tungsübertragungskanäle exakt die XYZ-Tristimulus-Werte du plizieren würden, könnte theoretisch diese Bilderfassungs einrichtung in der Lage sein, exakt die von dem Sehsystem gesehenen Farben zu duplizieren. Infolge der bei der Her stellung einer solchen Bilderfassungseinrichtung auftretenden Schwierigkeiten jedoch ist es nicht praktikabel, die XYZ-Tristimulus-Werte genau zu duplizieren.

Fig. 2 veranschaulicht eine beispielhafte Rot-, Grün- und Blau-Empfindlichkeit einer Bilderfassungseinrichtung. Es ist wünschenswert, die Empfindlichkeit so zu verändern, daß sie so genau wie möglich den XYZ-Tristimulus-Werten ent spricht, so daß die Bilderfassungseinrichtung Kanalausgaben erzeugen kann, die beinahe den von dem menschlichen Sehsy stem gesehenen Farben entsprechen. Dies ist die Funktion der Farbkalibrierung, die bei einer Bilderfassungseinrichtung durchgeführt wird.

Die Funktion der Farbkalibrierung besteht darin, eine Farbkalibrierungsmatrix (z. B. eine 3 × 3-Matrix) aufzufinden, die die Empfindlichkeit des Bildsensors so nah wie möglich (d. h. bei einem geringsten quadratischen Fehler) an die der XYZ-Tristimulus-Werte heranbringt. Ein Beispielverfahren zum Bestimmen der 3 × 3-Farbkalibrierungs-Matrix besteht darin, verschiedene reflektierende Farbzielflächen (Targets) mit bekannten XYZ-Tristimulus-Werten zu nehmen, wie beispiels weise die Macbeth Colorchecker®-Zielflächen, die von der Macbeth/Kollmorgen Instruments Corporation in New Windsor, New York, erhältlich sind und die 24 Farben darstellen und generell die Farben in verschiedenen Bereichen des Farbraums zeigen. Indem die von der Bilderfassungseinrichtung erzeug ten entsprechenden Rot-, Grün- und Blau-(RGB-)Werte genommen werden, wird eine Kalibrierungsmatrix aufgefunden, die die XYZ-Tristimulus-Werte der Zielflächen genau darstellt. Ma thematisch kann die Transformation wie folgt dargestellt werden:
Unter Verwendung der zu kalibrierenden Bilderfassungs einrichtung werden 24 Farbzielflächen von der Bilderfas sungseinrichtung gelesen, welche die zugehörigen RGB-Werte erzeugt. Man beachte, daß jeder der XYZ-Tristimulus-Werte für die Farbzielflächen bekannt ist. Die gemessenen RGB- Werte werden in eine Matrix gemessener Daten (MEAS) geladen, die beispielsweise wie folgt aussieht:

Die Beziehung zwischen den RGB-Werten und den XYZ-Tri stimulus-Werten kann durch die Gleichung dargestellt werden:

Die 3 × 3-Farbkalibrierungsmatrix kann ferner wie folgt angegeben werden:

wobei M₁₁, . . , M₃₃ die Farbkalibrierungskoeffizienten der Farbkalibrierungsmatrix sind.

Somit werden die Farbkalibrierungskoeffizienten wie folgt berechnet:

In dem obigen Ausdruck bezieht sich MEAS^T auf die Trans ponierte der MEAS-Matrix.

( )^-1 bezeichnet eine Inverse. Darüber hinaus sind Xn, Yn, Zn die XYZ-Tristimulus-Werte der jeweiligen Zielflä chen n.

Ausgehend davon werden die Farbkalibrierungskoeffizien ten so ausgewählt, daß sie die geringsten quadratischen Feh ler ergeben, was der besten Übereinstimmung für eine Abbil dung der RGB-Werte der Bilderfassungseinrichtung auf die XYZ-Tristimulus-Werte der Farbzielflächen entspricht. Es kann sein, daß nicht sofort klar ist, weshalb die mit Hilfe dieses Verfahrens gewonnenen Koeffizienten den geringsten quadratischen Fehler zur Verfügung stellen und, eine nähere Erörterung kann gefunden werden bei Box, Hunter und Hunter, "Statistics for Experimenters" (John Wiley and Sons, New York, 1978) auf den Seiten 498-502. Es ist wünschenswert, daß die Koeffizientenwerte zumindest mit drei Stellen Genau igkeit berechnet und gespeichert werden. Man beachte, daß solange, wie eine richtige Luminanz zur Verfügung gestellt wird, die Beträge der Koeffizienten nicht wichtig sind, son dern nur die Verhältnisse zwischen den Koeffizienten. Somit sind die Matrizen:

gemessen in ihrer Farbkalibrierungsgenauigkeit äquiva lent.

Während die Lösung des Verfahrens grundsätzlich richtig ist, ist es bei einer Produktion mit großen Stückzahlen schwierig zu implementieren. Beispeilsweise sind mehrere Farbzielflächen, typischerweise 24, erforderlich, um die Empfindlichkeit (Antwort) der getesteten Bilderfassungsein richtung auf den Macbeth Colorchecker® zu sammeln. Mit an deren Worten, es werden 24 Farbzielflächen sequentiell für jedes zu kalibrierende Bilderfassungsgerät abgebildet. Diese Technik erfordert eine beträchtliche Zeitmenge, welche den Produktionsfluß behindert und wodurch die Produktionskosten erhöht werden. Grundsätzlich ist von jeder während der Her stellung erzeugten Bilderfassungseinrichtung anzunehmen, daß sie ihre eigene der Variation bei den RGB-Empfindlichkeiten entsprechende Farbkalibrierungsmatrix aufweist, und somit wird jede Bilderfassungseinrichtung einzeln kalibriert. Weil darüber hinaus die Zielflächen (Targets) häufig während der Kalibrierung geändert werden, sind die Zielflächen einer möglichen Kontamination während der Handhabung unterworfen, was zu einer ungenauen Kalibrierung führt. Darüber hinaus können die Zielflächen bei andauernder Belichtung ausblei chen, was eine spezielle Lagerung während der Nichtbenutzung und ein häufiges Auswechseln erfordert. Weil darüber hinaus die Farbe der reflektierenden Farbzielflächen mit dem Be leuchtungslicht variiert, wird eine Referenzlichtquelle, die der CIE D65-Beleuchtung entspricht, zur Verfügung gestellt, die ständig hinsichtlich der Farbtemperatur und Intensität überprüft werden muß. Darüber hinaus muß bei der Verwendung von Farbzielflächen eine ziemlich große Produktionsfläche zugewiesen werden, so daß eine richtige Zielflächenentfer nungsbeziehung bei dem in der Kalibrierung befindlichen Bildsensor vorhanden ist.

Aus dem US-Patent 5,303,028 ist ein Spektrometer bekannt, mit dem die Farbkalibrierung eines Bildsensors erzeugt werden kann. Dabei wird eine einzige Lichtquelle verwendet, deren polychromatisches Licht mittels eines Beugungsgitters spektral zerlegt und direkt auf den Bildsen sor abgebildet wird. In der japanischen Veröffentlichung JP 6-233 333 A ist ein Verfahren zum Kalibrieren einer Videoka mera beschrieben. Dabei wird das Licht einer polychromati schen Lichtquelle, die eine Weißreferenz enthält, direkt von der Videokamera erfaßt. In dem US-Patent 5,729,361 ist ein Verfahren zur Farbkalibrierung genannt, bei dem das Ab strahlvermögen einer Oberfläche unter reproduzierbarer Be leuchtung als Referenz dient. In dem US-Patent 5,414,537 ist eine Methode zum Kalibrieren eines Farbscanners beschrieben. Dabei werden Farbtafeln reproduzierbar beleuchet und das Ab strahlvermögen der Farbtafeln als Referenz für ein zu erfas sendes Bildobjekt verwendet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bzw. eine Einrichtung zum Erzeugen der oben genannten Farbkalibrie rungskoeffizienten oder der Farbkalibrierungsmatrix ohne die der Verwendung der oben genannten reflektierenden Farb zielflächen anhaftenden Schwierigkeiten zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 bzw. eine Einrich tung mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst. Bei dem er findungsgemäßen Verfahren wird eine Bilderfassungseinrich tung (imager device) einer Mehrzahl von Lichtquellen ausge setzt, ein erster Satz von Farbkanalantworten aus der Bil derfassungseinrichtung gewonnen und die Farbkalibrierungs koeffizienten für die Bilderfassungseinrichtung werden be stimmt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Aufgaben, Merkmale und Vorteile des Verfahrens und der Einrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung klar, in welcher:

Fig. 1 die dem menschlichen Auge entsprechende spek trale Empfindlichkeit anhand der XYZ-Tristimulus-Werte ver anschaulicht;

Fig. 2 ein Beispiel einer Rot-, Blau- und Grün-(RGB-) Empfindlichkeit einer Bilderfassungseinrichtung veranschau licht;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung zeigt, das das Kalibrierungsinstrument veranschaulicht;

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung veranschaulicht;

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung, das eine statistische Korrelation verwendet, veran schaulicht;

Fig. 6 eine Beispieltabelle veranschaulicht, die zur Korrelation der Antworten der Bilderfassungseinrichtung ver wendet wird;

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung veranschaulicht, das Sätze von Wichtungsfaktoren ver wendet; und

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegen den Erfindung veranschaulicht, das Sätze von Wichtungsfakto ren verwendet.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung verwendet einen Satz licht emittierender Dioden (LEDs) oder anderer Lichtquellen, um einen Stimulus für die Bilderfassungseinrichtung (oder Bild sensoreinrichtung) zur Verfügung zu stellen, um eine Farbka librierungsmatrix zu erzeugen. Durch eine derartige Bereitstellung werden viele der Nachteile der Verwendung reflek tierender Farbzielflächen überwunden. Es ist klar, daß ein charakteristisches Merkmal der LEDs darin besteht, daß die LEDs einen hohen Grad der Lichtausgabestabilität aufweisen. Es ist auch klar, daß Lichtquellen hier Lichtquellen bedeu tet, aus denen das Licht herrührt. Es ist ferner klar, daß die vorliegende Erfindung sowohl mit CMOS-als auch CCD-Bau elementen ebenso wie mit anderen Bilderfassungseinrichtungen ausgeführt werden kann. Während das Ausführungsbeispiel an hand von Rot-, Grün- und Blau- (RGB-)Antworten beschrieben wird, ist es ferner klar, daß dies nicht als Einschränkung angesehen werden sollte. Andere Farbsysteme sind gleicherma ßen anwendbar, beispielsweise unter anderem ein Cyan-Magen ta-Gelb(CMY)-Farbsystem und ein Cyan-Magenta-Gelb- Grün(CMYG)-Farbsystem. Dementsprechend werden die Antworten (Empfindlichkeiten) aus den verschiedenen Farbsystemen zu sammen als Farbkanalempfindlichkeiten bezeichnet. Während das Ausführungsbeispiel anhand einer 3 × 3-Matrix beschrieben wird, ist es darüber hinaus klar, daß andere Matrizen ver wendet werden können, beispielsweise eine 3 × n-Matrix oder eine m × n-Matrix, wobei m, n ganze Zahlen sind, was von der Natur der Farbkalibrierung abhängig ist.

Fig. 3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der Er findung. Das Kalibrierungsinstrument 10 umfaßt eine Kammer 12 mit einer Blende 16, die es einer zu kalibrierenden Bild erfassungseinrichtung 18 ermöglicht, auf das Innere der Kam mer 12 gerichtet zu sein. Innerhalb der Kammer 12 sind eine Mehrzahl von LEDs oder anderen Lichtquellen 14 aufgenommen, die die Stimuli für die Bilderfassungseinrichtung 18 zur Verfügung stellen. Die LEDs oder anderen Lichtquellen 14 können durch einen Computer 20 in Übereinstimmung mit den zu beschreibenden beispielhaften Verfahren gesteuert werden. Der Computer 20 kann ferner die RGB-Ausgangssignale aus der Bilderfassungseinrichtung 18 empfangen und diese Ausgangs werte verwenden, ein Farbkalibrierungsprogramm abarbeiten, um eine 3 × 3-Farbkalibrierungsmatrix für die Bilderfassungseinrichtung 18 zu erzeugen. Die erzeugte 3 × 3-Farbkalibrie rungsmatrix kann in einer Speichereinrichtung, wie bei spielsweise einem Nur-Lese-Speicher (ROM) in der Bilderfas sungseinrichtung 18 gespeichert sein und wird nachfolgend verwendet, um die gelesenen RGB-Werte auf zugehörige XYZ- Tristimulus-Werte abzubilden. Durch Verwendung des Kalibrie rungsinstruments 10 zum Kalibrieren der verschiedenen Bild erfassungseinrichtungen werden reflektierende Farbzielflä chen nicht mehr länger benötigt. Insbesondere kann durch Verwendung der LEDs oder anderen Lichtquellen 14 das gleiche Kalibrierungsergebnis erlangt werden, wie es mit den Farb zielflächen erlangt würde. Im allgemeinen werden 5 LEDs ver wendet, obwohl in Abhängigkeit von dem abzudeckenden Farbbe reich mehr als 5 LEDs oder nur 3 LEDs verwendet werden kön nen. Bei der Verwendung von 5 LEDs werden Maximalemissions wellenlängen bei 430, 470, 545, 590 und 660 nm verwendet, um die Stimuli zur Verfügung zu stellen, die das Resultat erge ben, das mit Hilfe der Kalibrierung mit reflektierenden Farbzielflächen, die den Macbeth Colorchecker®-Zielflächen entsprechen, gewonnen würde. Es sei jedoch angemerkt, daß andere Spitzenwert-Wellenlängen in Abhängigkeit von den zu erreichenden speziell gewünschten Ergebnissen verwendet wer den können. An dieser Stelle wurden die speziellen Spitzen wert-Wellenlängen so ausgewählt, daß sie mit den Wellenlän gen derjenigen LEDs übereinstimmen, die kommerziell verfüg bar sind, während sie auch eine starke Korrelation mit den Farbkoeffizienten der Farbkalibrierungsmatrix zur Verfügung stellen. Im folgenden sind Dioden-Mittenwellenlängen (in nm) und Herstellernamen aufgelistet:
430 nm Cree Research, Durham, N. C.
450 nm Nichia America Corp., Mountville, PA
470 nm Micro Electronics Corp., Santa Clara, CA
481 nm Hewlett-Packard, Palo Alto, CA
544 nm Toshiba American Electronics Components, Inc., Irvine, CA.
562 nm Toshiba American Electronics Components, Inc., Irvine, CA.
590 nm Toshiba American Electronics Components, Inc., Irvine, CA.
592 nm Hewlett-Packard, Palo Alto, CA
612 nm Toshiba American Electronics Components, Inc., Irvine, CA.
615 nm Hewlett-Packard, Palo Alto, CA
637 nm Hewlett-Packard, Palo Alto, CA
644 nm Hewlett-Packard, Palo Alto, CA, Toshiba American
Electronics Components, Inc., Irvine, CA
660 nm Toshiba American Electronics Components, Inc., Irvine, CA.

Es sei angemerkt, daß eine bessere Korrelation mit den Koeffizienten der Farbkalibrierungsmatrix durch Verwendung von LEDs mit einer Bandspreizung erlangt werden können, die im Unterschied zu LEDs mit niedriger Bandbreite (d. h. Wel lenlänge +/-5 nm) breite Bänder (d. h. Spitzenwert-Wellen länge +/-50 nm) haben.

Anhand der verbleibenden Figuren werden jetzt verschie dene Ausführungsbeispiele an Verfahren zum Erzeugen einer 3 × 3-Farbkalibrierungsmatrix anhand eines Satzes von fünf LED beschrieben, was aber nicht als Einschränkung angesehen wer den sollte.

Fig. 4 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel wird die Farbkali brierung zum Erzeugen der 3 × 3-Farbkalibrierungsmatrix direkt auf die von den fünf LEDs erzeugten RGB-Werte angewendet. Indem sie direkt angewendet wird, wird unterstellt, daß die Lichter der LEDs ausreichend sind, um die Farben in den ver schiedenen Bereichen des Farbraums zu definieren. Folglich kalibriert das Ausführungsbeispiel nicht durch Korrelation mit den Macbeth Colorchecker®-Zielflächen und kann ausrei chend sein, um eine ausreichende Farbgenauigkeit zur Verfügung zu stellen, was von den Kalibrierungsanforderungen ab hängig ist. Das Verfahren arbeitet wie folgt:
Block 41 veranschaulicht die Schritte der Bestimmung der XYZ-Tristimulus-Werte der LEDs. Dies kann mittels eines Spektralphotometers ausgeführt Werden. Die fünf LEDs seien repräsentiert durch:
X_D1, Y_D1, Z_D1 ist der XYZ-Tristimulus-Wert für LED#1
X_D2, Y_D2, Z_D2 ist der XYZ-Tristimulus-Wert für LED#2
X_D3, Y_D3, Z_D3 ist der XYZ-Tristimulus-Wert für LED#3
X_D4, Y_D4, Z_D4 ist der XYZ-Tristimulus-Wert für LED#4
X_D5, Y_D5, Z_D5 ist der XYZ-Tristimulus-Wert für LED#5

Block 42 veranschaulicht, daß die zu kalibrierende Bild erfassungseinrichtung von den fünf LEDs sequentiell beleuch tet und die RGB-Antworten aufgezeichnet werden. Die aufge zeichneten RGB-Antworten seien:
R_D1, G_D1, B_D1 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#1
R_D2, G_D2, B_D2 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#2
R_D3, G_D3, B_D3 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#3
R_D4, G_D4, B_D4 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#4
R_D5, G_D5, B_D5 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#5

Block 43 veranschaulicht, daß die aufgezeichneten RGB- Antworten in eine MEAS-Matrix geladen werden:

Block 44 veranschaulicht, daß die Farbkalibrierungskoef fizienten (d. h. M₁₁, . . ., M₃₃) der 3 × 3-Matrix bestimmt werden durch:

Fig. 5 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Beispiel schließt eine statistische Korrelation ein. Um ein besseres Verständnis dieses Beispielverfahrens zu erreichen, soll Fig. 6 verwen det werden. Fig. 6 veranschaulicht eine Tabelle 60, die ei ne Mehrzahl von Antworten 61 der getesteten Bilderfassungs einrichtung auf die 24 reflektierenden Farbzielflächen des Macbeth Colorchecker® zeigen, welche durch die Farbkali brierungskoeffizienten der 3 × 3-Matrix 63 definiert werden, die mit den zugehörigen RGB-Antworten der Bilderfassungsein richtung auf die fünf LEDs 65 dargestellt sind. Sobald aus reichend viele Bilderfassungseinrichtungen kalibriert sind, werden die akkumulierten Daten verwendet, um die statisti sche Korrelation zwischen den Ergebnissen aus den fünf LEDs und den Koeffizienten der 3 × 3-Matrix zu bestimmen. Fig. 5 veranschaulicht jetzt die Prozedur detaillierter. Block 51 veranschaulicht, daß eine zu kalibrierende Bilderfassungs einrichtung den 24 reflektierenden Farbzielflächen, die dem Macbeth Colorchecker® entsprechen, ausgesetzt wird. Jedoch können auch andere Farbzielflächen verwendet werden, sofern die XYZ-Tristimulus-Werte der Zieflächen bekannt sind. Fer ner kann die Anzahl der Zielflächen in Übereinstimmung mit einem gewünschten Ergebnis variiert werden. Block 52 veranschaulicht, daß eine 3 × 3-Farbkalibrierungsmatrix aus den ge lesenen RGB-Werten der 24 Zielflächen konstruiert wird. Diese Prozedur wurde zuvor in dem obigen Abschnitt der Hin tergrundinformationen beschrieben. Die sich aus der Farbka librierung unter Verwendung der Farbzielflächen ergebende 3 × 3-Matrix sei dargestellt durch:

wobei M₁₁, . . ., M₃₃ die Farbkalibrierungskoeffizienten der Farbkalibrierungsmatrix sind.

Block 53 veranschaulicht, daß dieselbe Bilderfassungs einrichtung durch eine Reihe von fünf LEDs stimuliert wird und die RGB-Antworten für die fünf LEDs aufgezeichnet wer den. Die im Test befindliche Bilderfassungseinrichtung wird sequentiell von sämtlichen fünf LEDs beleuchtet, und es wer den insgesamt 15 Antworten aufgezeichnet. Die fünf benutzten LEDs seien LED#1 bis LED#5, R_D1 soll die Rotkanalantwort der Bilderfassungseinrichtung auf die LED#1 darstellen. In ähn licher Weise soll G_D1 die Grünkanalantwort der Bilderfas sungseinrichtung auf die LED#1 darstellen usw. Die Antworten der Bilderfassungseinrichtung können dargestellt werden als:
R_D1, G_D1, B_D1 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#1
R_D2, G_D2, B_D2 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#2
R_D3, G_D3, B_D3 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#3
R_D4, G_D4, B_D4 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#4
R_D5, G_D5, B_D5 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#5

Block 54 veranschaulicht, daß die Blöcke 51-53 wieder holt werden, bis eine gewünschte Anzahl von Bilderfassungs einrichtungen kalibriert worden ist. Aus den kombinierten gesammelten Daten kann eine Tabelle, wie beispielsweise die in Fig. 6 veranschaulichte, konstruiert werden. Die Blöcke 55-56 veranschaulichen die Schritte, daß dann, wenn aus reichend Daten gesammelt worden sind, eine Polynomregression verwendet werden kann, um die Korrelation zwischen den Er gebnissen der Farbzielflächen und der LEDs zu bestimmen. Ei ne Polynomregression basiert auf der Theorie, daß durch die Verwendung ähnlicher Gleichungen eine Korrelation zwischen gemessenen variablen Antworten approximiert werden kann. Die Polynomregression ist in der linearen Algebra gut bekannt; jedoch kann eine nähere Erörterung des Verfahrens der Po lynomregression im Kontext von Bilderfassungseinrichtungen bei Henry R. Kang, "Color Technology for Electronic Imaging Devices" (SPIE Optical Engineering Press) auf den Seiten 55-62 gefunden werden. Um dies zusammenzufassen, unter Ver wendung von aus vielen Bilderfassungseinrichtungen gewonne nen Daten wird eine statistische Regression verwendet, um die Korrelation zwischen den Antworten der Bilderfassungs einrichtungen auf die LEDs und die von den gleichen Bilder fassungseinrichtungen unter Verwendung der Farbzielflächen gewonnenen Koeffizienten der 3 × 3-Matrix aufzufinden. Das Endergebnis ist ein Satz von Gleichungen der Form:

wobei die Werte P₀, . . ., P₁₅ statistisch bestimmte Kor relationskoeffizienten darstellen. Die Korrelationskoeffizi enten können mit Hilfe gut bekannter statistischer Verfahren oder durch Verwendung eines statistischen Analyseprogramms bestimmt werden, wie beispielsweise JMP, das kommerziell von der SAS Institute, Inc., Cary, NC, verfügbar ist. In jedem Fall muß ein uflterschiedlicher Satz von Korrelationskoeffi zienten für jeden Farbkoeffizienten der Farbkalibrierungsma trix, (d. h., M₁₁, M₁₂. . .M₃₃) bestimmt werden, was durch die Blöcke 57-58 dargestellt ist. Block 58 veranschaulicht, daß, sobald der Satz der die Koeffizienten der 3 × 3- Matrix und die Bilderfassungseinrichtungsantwort auf die fünf LEDs korrelierenden Gleichungen gewonnen ist, die Farb zielflächen nicht mehr länger erforderlich sind und der Satz Gleichungen für nachfolgende Farbkalibrierungen der Bilder fassungseinrichtungen verwendet wird. Der Vorteil dieser Lö sung besteht darin, daß die Farbkalibrierungskoeffizienten durch indirekten Vergleich mit einem "goldenen Standard" oh ne die fortgesetzte Verwendung des Macbeth Colorchecker® bestimmt werden.

Fig. 7 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses Beispiel umfaßt die Simu lation der Farben des Macbeth Colorchecker® über die Kombi nation von gleichzeitig erleuchteten LEDs. Mit anderen Wor ten, durch Verwendung der LED-Lichter als Basis ergibt eine Kombination der LED-Lichter, die gleichzeitig in Überein stimmung mit Sätzen von Wichtungsfaktoren eingeschaltet wer den, die gleichen Farbcharakteristika wie Macbeth Color checker®-Zielflächen unter einer Standard CIE-D65-Beleuch tung. Die simulierten Farben werden jeweils einzeln der Bilderfassungseinrichtung präsentiert und die zugehörigen RGB-Antworten werden aufgezeichnet. Die Farbkalibrierung wird dann auf eine ähnliche Weise ausgeführt, wie sie bei der Verwendung von Farbzielflächen durchgeführt wurde. Diese Farbkalibrierungsprozedur wurde oben in dem Abschnitt der Hintergrundinformationen beschrieben. Fig. 7 veranschau licht das Beispielverfahren detaillierter. Block 71 veran schaulicht den Schritt des Bestimmens der XYZ-Tristimulus- Werte der LEDs. Dies kann mit Hilfe eines Spektralphotome ters ausgeführt werden. Die fünf LEDs seien dargestellt als:
X_D1, Y_D1, Z_D1 ist der XYZ-Tristimulus-Wert für LED#1
X_D2, Y_D2, Z_D2 ist der XYZ-Tristimulus-Wert für LED#2
X_D3, Y_D3, Z_D3 ist der XYZ-Tristimulus-Wert für LED#3
X_D4, Y_D4, Z_D4 ist der XYZ-Tristimulus-Wert für LED#4
X_D5, Y_D5, Z_D5 ist der XYZ-Tristimulus-Wert für LED#5

Block 72 veranschaulicht den Schritt des Bestimmens der XYZ-Tristimulus-Werte der zu simulierenden Macbeth-Farben, die dargestellt werden als:
X_Mac1, Y_Mac1, Z_Mac1 ist der XYZ-Tristimulus-Wert für die Macbeth-Farbe#1
X_Mac2, Y_Mac2, Z_Mac2 ist der XYZ-Tristimulus-Wert für die Macbeth-Farbe#2
. . .
X_Mac24, Y_Mac24, Z_Mac24-XYZ-Tristimulus-Wert für die Macbeth-Farbe#24

Block 73 veranschaulicht den Schritt des Bestimmens ei nes Satzes von Wichtungsfaktoren, der auf die LEDs angewen det wird, um eine Simulation der Macbeth-Farbe zu ermögli chen. Die Beziehung kann ausgedrückt werden als:

wobei (f_1,1, . . . f_1,5) der Satz von Wichtungsfaktoren ist.

Die obige Beziehung kann umgeschrieben werden zu:

Ein ähnlicher Ausdruck kann für jede Macbeth-Farbe ge schrieben werden:

Bei den obigen Ausdrücken bezieht sich der erste Index an dem Wichtungsfaktor f auf die Macbeth-Farbe, mit der eine Übereinstimmung erzielt werden soll (d. h. 1-24). Der zweite Index bezieht sich auf die LED (d. h. 1-5), die dem Wichtungsfaktor zugeordnet ist.

Die obige Beziehung kann, um den Satz der für die Simu lation erforderlichen Wichtungsfaktoren zu bestimmen, umge schrieben werden zu:

wobei [M_LED]^T die transponierte Matrix von [M_LED] ist. Die fünf ausgewählten LEDs sollten die Basis haben, welche sämt liche Farben des Macbeth Colorchecker® beschreiben kann. Wenn jedoch diese Bedingung nicht exakt erfüllt ist, können synthetisierbare Ersatzfarben verwendet werden, welche enge Annäherungen der Macbeth-Farben sind. Alternativ könnten verschiedene Lichtquellen ausgewählt werden, um den erfor derlichen Farbraum besser abzudecken. Bei diesem Beispiel haben die fünf LEDs Spitzenwert-Wellenlängen bei 430, 470, 545, 590 und 660 nm.

Block 74 veranschaulicht die Speicherung der aus dem obigen gewonnenen Sätze von Wichtungsfaktoren. Block 75 ver anschaulicht, daß die Blöcke 71 bis 74 wiederholt werden, um den Satz der Wichtungsfaktoren für jede der zu simulierenden Macbeth-Farben aufzufinden. Block 76 bis 78 veranschaulichen, daß, sobald die den jeweiligen Macbeth-Farben entspre chenden 24 Sätze von Wichtungsfaktoren gespeichert worden sind, die fünf LEDs gleichzeitig mit der Ansteuerleistung in den durch die Wichtungsfaktoren angezeigten Proportionen er leuchtet werden. Ein Bild der Farbe wird durch die zu te stende Bilderfassungseinrichtung aufgenommen und die RGB- Antworten aufgezeichnet. Insgesamt werden 24 Bilder aufge nommen, um das Gesamtsystem der Antworten auf die 24 Farben des Macbeth Colorchecker® anzusammeln. Block 79 veranschau licht, daß die Antworten dann von der Farbkalibrierungspro zedur verwendet werden, welche oben bei den Hintergrundin formationen beschrieben worden ist, um die 3 × 3-Farbkalibrie rungsmatrix zu erzeugen.

Der Vorteil dieser Lösung besteht darin, daß die äquiva lenten Macbeth-Farben direkt synthetisiert werden und folg lich direkt von einem Spektralphotometer gemessen werden können, um die Genauigkeit der Farbwiedergabe zu bestimmen. Dies würde ein geeignetes Verfahren der Überprüfung, ob das Kalibrierungsinstrument selbst kalibriert ist, zur Verfügung stellen (d. h., dies schafft ein Verfahren des Kalibrie rungsnachweises).

Fig. 8 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Statt des Synthetisierens der Macbeth-Farben mit LEDs wird bei diesem Beispielverfahren eine Kenntnis der Systemantworten auf den LED-Stimulus be nutzt, um zu bestimmen und vorherzusagen, was die Systemant wort auf die Standard-Macbeth-Farben wäre. Diese Vorhersagen werden dann verwendet, um die bei der Farbkalibrierung er forderlichen Antwortdaten zur Verfügung zu stellen, um die 3 × 3-Farbkalibrierungsmatrix zu erzeugen. Das Verfahren ba siert auf der Linearität der Systemantworten und auf der An nahme, daß die LEDs die Basis haben, die sämtliche Farben des Macbeth Colorchecker® beschreiben kann. Sofern diese Annahme nicht exakt erfüllt ist, können Ersatzfarben verwen det werden.

Block 81 veranschaulicht den Schritt des Bestimmens der RGB-Antworten der getesteten Bilderfassungseinrichtungen für ein Eingangssignal von Null. Dieser Schritt wird ausgeführt, um die Offsets der zu kalibrierenden Bilderfassungseinrich tungen zu bestimmen. Der Zweck ist, eine genauere lineare Interpolation der Ergebnisse zu ermöglichen. Beispielsweise kann bei einer Bilderfassungseinrichtung mit positiven Offsets die Korrektur der Offsets im wesentlichen äquivalent einer Dunkeleinzelbildsubtraktion sein (d. h., das Offset entspricht der Antwort der Bilderfassungseinrichtung auf die Dunkelheit).

Diese Offsets seien R₀, G₀, B₀ genannt. Beispielsweise:

Block 82 veranschaulicht den Schritt des Beleuchtens der Bilderfassungseinrichtung mit jeder der fünf LEDs und des Aufzeichnens der Bilderfasserantwortan für jede LED. Die Antworten der Bilderfassungseinrichtung auf die LEDs seien dargestellt durch:
R_D1, G_D1, B_D1 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#1
R_D2, G_D2, B_D2 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#2
R_D3, G_D3, B_D3 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#3
R_D4, G_D4, B_D4 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#4
R_D5, G_D5, B_D5 ist die Bilderfasser-RGB-Antwort auf LED#5

Block 83 veranschaulicht die Speicherung der obigen Bilderfassungseinrichtungsantworten auf die fünf LEDs. Block 84 veranschaulicht den Schritt des Berechnens des Satzes von Wichtungsfaktoren, die jeder der 24 Macbeth-Far ben zugeordnet sind. Die Prozedur zum Bestimmen des Satzes der Wichtungsfaktoren wurde unter Bezugnahme auf Fig. 7 be schrieben.

Block 85 veranschaulicht das Anwenden der berechneten Sätze von Wichtungsfaktoren auf die RGB-Antworten der Bilderfassungseinrichtung auf die fünf LEDs, um die äquiva lente Macbeth-Farb-Antwort zu bestimmen:
Beispielsweise:

Block 86 veranschaulicht die Verwendung der aus dem obi gen berechneten äquivalenten Antworten, welche in eine MEAS- Tabelle geladen werden, wie sie in dem obigen Abschnitt der Hintergrundinformationen beschrieben wurde, und die zum Be stimmen der 3 × 3-Farbkalibrierungsmatrix durchgeführte Farb kalibrierungsprozedur.

Dieses Verfahren erfordert lediglich das Aufnehmen von fünf Einzelbildern (Rahmen)(d. h. ein Einzelbild für jede LED) und ist aber noch in der Lage, die Farbkalibrierungsma trix so zu bestimmen, als ob die Kalibrierung unter Verwendung von 24 reflektierenden Farbzielflächen ausgeführt wor den wäre.

Es ist jedoch klar, das verschiedene Modifikationen und Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne von dem breiteren Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den anhängigen Ansprüchen angegeben ist. Die Beschreibung und die Zeichnung sind demzufolge in einem veranschaulichen den und nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen. Folglich sollte der Umfang der Erfindung nur durch die an hängigen Ansprüche eingeschränkt werden.

Claims

1. Beansprucht wird ein Verfahren zur Farbkalibrierung einer Bilderfas sungseinrichtung, aufweisend:
Aussetzen der Bilderfassungseinrichtung einer Mehrzahl von Lichtquellen;
Gewinnen eines ersten Satzes von Farbkanalantworten aus der Bilderfassungseinrichtung; und
Bestimmen von Farbkalibrierungskoeffizienten für die Bilderfassungseinrichtung.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Farbka nalantworten Rot-, Grün- und Blau-(RGB-)Antworten sind.

3. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Farbka nalantworten Cyan-, Magenta-, Gelb-(CMY-)Antworten sind.

4. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Farbka nalantworten Cyan-, Magenta-, Gelb-, Grün-(CMYG-)Antworten sind.

5. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Bilderfas sungseinrichtung der Mehrzahl von Lichtquellen sequentiell ausgesetzt wird, wobei das Gewinnen des ersten Satzes von Farbkanalantworten das Gewinnen von Farbkanalantworten, die jeder der Mehrzahl von Lichtquellen entsprechen, umfaßt.

6. Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei die mehreren Lichtquellen bekannte Farbwerte haben.

7. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei die bekannten Farbwerte der Mehrzahl von Lichtquellen durch XYZ-Tristimu lus-Werte definiert werden, wobei das Bestimmen der Farbka librierungskoeffizienten ferner umfaßt:
Bilden einer MEAS-Matrix aus dem ersten Satz von Farbka nalantworten;
Bilden einer ersten Korrelationsmatrix aus der MEAS- Matrix;
Separieren der bekannten Farbwerte der Mehrzahl von Lichtquellen in einen Vektor von X-Komponenten, einen Vektor von Y-Komponenten und einen Vektor von Z-Komponenten;
Bestimmen eines ersten Vektors der Farbkalibrierungs koeffizienten durch Multiplizieren der ersten Korrelations matrix mit dem Vektor von X-Komponenten;
Bestimmen eines zweiten Vektors der Farbkalibirerungs koeffizienten durch Multiplizieren der ersten Korrelations matrix mit dem Vektor von Y-Komponenten;
Bestimmen eines dritten Vektors von Farbkalibrierungs koeffizienten durch Multiplizieren der ersten Korrelations matrix mit dem Vektor von Z-Komponenten; und
Bilden einer Farbkalibrierungsmatrix aus dem ersten, dem zweiten und dem dritten Vektor von Farbkalibrierungskoeffi zienten.

8. Das Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verfahren nach dem Gewinnen des ersten Satzes von Farbkanalantworten ferner umfaßt:
Aussetzen der Bilderfassungseinrichtung einer Mehrzahl von reflektierenden Farbzielflächen bekannter Farben;
Gewinnen eines zweiten Satzes von Farbkanalantworten aus der Bilderfassungseinrichtung, die jeder der Mehrzahl von Farbzielflächen entsprechen;
Bestimmen der Farbkalibrierungskoeffizienten aus dem zweiten Satz von Farbkanalantworten;
Wiederholen des Gewinnens des ersten Satzes von Farbka nalantworten, des Gewinnens des zweiten Satzes von Farbkanalantworten und des Bestimmens der Farbkalibrierungskoeffi zienten aus dem zweiten Satz von Farbkanalantworten für eine Vielzahl von Bilderfassungssensoren;
Bestimmen der Korrelationskoeffizienten, die den ersten Satz von Farbkanalantworten mit den Farbkalibrierungskoeffi zienten korrelieren; und
Bilden einer Mehrzahl von Gleichungen, die die Farbkali brierungskoeffizienten mit dem ersten Satz von Farbkanalant worten korrelieren unter Verwendung der Korrelationskoeffi zienten.

9. Das Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend:
Bestimmen der Farbkalibrierungskoeffizienten unter Ver wendung der Mehrzahl von Gleichungen;
Bilden einer Farbkalibrierungsmatrix aus den Farbkali brierungskoeffizienten.

10. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Lichtquellen gleichzeitig erleuchtet wird und die Licht quellen bekannte Farbwerte aufweisen.

11. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Aussetzen der wenigstens einen Bilderfassungseinrichtung der Mehrzahl von Lichtquellen ferner umfaßt:
Bestimmen eines Farbwerts einer zu simulierenden Farb zielfläche;
Bestimmen eines Satzes von Wichtungsfaktoren, die die Farbwerte der Mehrzahl von Lichtquellen mit dem Farbwert der zu simulierenden Farbzielfläche korrelieren;
Einschalten der Mehrzahl von Lichtquellen in Überein stimmung mit dem Satz von Wichtungsfaktoren.

12. Das Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend:
Bestimmen einer Mehrzahl von Sätzen von Wichtungsfakto ren, die einer Mehrzahl von zu simulierenden Farbzielflächen entsprechen;
Einschalten der Mehrzahl von Lichtquellen in Überein stimmung mit den Sätzen von der Mehrzahl von Farbzielflächen entsprechenden Wichtungsfaktoren;
Gewinnen des ersten Satzes von Farbkanalantworten aus der Bilderfassungseinrichtung, die der Mehrzahl von Licht quellen, die in Übereinstimmung von Sätzen von Wichtungsfak toren eingeschaltet wurden, entsprechen.

13. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Aussetzen der wenigstens einen Bilderfassungseinrichtung der Mehrzahl von Lichtquellen ferner umfaßt:
Bestimmen eines Farbwerts einer zu simulierenden Farb zielfläche;
Bestimmen eines Satzes von Wichtungsfaktoren, die die Farbwerte der Mehrzahl von Lichtquellen mit dem Farbwert der zu simulierenden Farbzielfläche korrelieren;
Aussetzen der Bilderfassungseinrichtung der Mehrzahl von Lichtquellen;
Modifizieren gewonnener Farbkanalantworten aus der Bil derfassungseinrichtung gemäß dem Satz von Wichtungsfaktoren.

14. Das Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend:
Bestimmen einer Mehrzahl von Sätzen von Wichtungsfakto ren, die einer Mehrzahl von zu simulierenden Farbzielflächen entsprechen;
Bilden des ersten Satzes von Farbkanalantworten durch Modifizieren der gewonnenen Farbkanalantworten aus der Bil derfassungseinrichtung mit den jeweiligen Sätzen der Wich tungsfaktoren.

15. Das Verfahren nach Anspruch 10, wobei die bekannten Farbwerte der Mehrzahl von Lichtquellen durch XYZ-Tristimu lus-Werte definiert sind, wobei das Bestimmen der Farbkali brierungskoeffizienten aus dem ersten Satz von Farbkanalant worten ferner umfaßt:
Bilden einer MEAS-Matrix aus dem ersten Satz von Farbka nalantworten;
Bilden einer ersten Korrelationsmatrix aus der MEAS- Matrix;
Separieren der bekannten Farbwerte von Lichtquellen in einen Vektor von X-Komponenten, einen Vektor von Y-Komponen ten und einen Vektor von Z-Komponenten;
Bestimmen eines ersten Vektors der Farbkalibrierungs koeffizienten durch Mulitplizieren der ersten Korrelations matrix mit dem Vektor von X-Komponenten;
Bestimmen eines zweiten Vektors der Farbkalibrierungs koeffizienten durch Multplizieren der ersten Korrelationsma trix mit dem Vektor von Y-Komponenten;
Bestimmen eines dritten Vektors von Farbkalibrierungs koeffizienten durch Multiplizieren der ersten Korrelations matrix mit dem Vektor von Z-Komponenten; und
Bilden einer Farbkalibrierungsmatrix aus dem ersten, zweiten und dritten Vektor von Farbkalibrierungskoeffizien ten.

16. Eine Einrichtung aufweisend:
eine Kammer mit einer Öffnung zum Aufnehmen einer Bild erfassungseinrichtung und mit einer inneren Oberfläche; und
mehrere mit der inneren Oberfläche der Kammer gekoppelte Lichtquellen zum Stimulieren der Bilderfassungseinrichtung.

17. Die Einrichtung nach Anspruch 16, wobei die mehreren Lichtquellen lichtemittierende Dioden (LEDs) sind.

18. Die Einrichtung nach Anspruch 17, aufweisend fünf LEDs, die die Wellenlängen 430 nm, 470 nm, 545 nm, 590 nm, bzw. 660 nm aufweisen.

19. Die Einrichtung nach Anspruch 18, wobei die mehreren Lichtquellen Bandaufweitungen von mehr als 5 nm aufweisen.

20. Die Einrichtung nach Anspruch 16, ferner umfassend eine Berechnungseinrichtung, die so eingekoppelt ist, daß sie eine Ausgabe der Bilderfassungseinrichtung aufnimmt.

21. Die Einrichtung nach Anspruch 20, wobei die Berech nungseinrichtung ferner mit den mehreren Lichtquellen gekop pelt ist.