DE69631927T2

DE69631927T2 - Visuelle Charakterisierung unter Verwendung von Bildschirmmodellen

Info

Publication number: DE69631927T2
Application number: DE1996631927
Authority: DE
Inventors: Scott J. Rochester Daly; Hsien Che Rochester Lee
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1995-06-21
Filing date: 1996-06-18
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2016-06-19
Also published as: EP0750431A3; EP0750431B1; DE69631927D1; EP0750431A2; JPH0918902A

Description

Die Erfindung betrifft die visuelle Charakterisierung eines Bildschirms und insbesondere die Charakterisierung eines Bildschirms ohne den Einsatz von Hardware zum Kalibrieren.
Als „visuelle Charakterisierung" wird im Folgenden die instrumentenlose Charakterisierung einer Bildschirmanzeige mit Hilfe des menschlichen Sehsystems bezeichnet. Der Einsatz eines Betrachters anstelle eines Instruments hat u. a. den Vorteil, dass der Kosten- und Schulungsaufwand geringer ist. Nachteilig ist dabei, dass eine visuelle Charakterisierung weniger genau ist als eine instrumentengestützte Technik. Für bestimmte Anwendungen kann daher das eine Verfahren besser geeignet sein als das andere. Im Einzelfall läuft die Entscheidung auf einen Kompromiss zwischen Kosten und Qualität hinaus. Als Beispiele möglicher Anwendungen seien hier das Korrekturlesen von Bildschirmausgaben (Softcopy Proofing), die rechnerunterstützte Druckvorlagengestaltung (Desktop Publishing), die Kalibrierung von Tonwertskalen für Telekonferenzen oder den allgemeinen Bildaustausch jeder Art und die Kalibrierung von Bildern für eine wissenschaftliche Visualisierung genannt.
Verschiedene Verfahren für eine visuelle Kalibrierung von Bildschirmen sind bereits bekannt. So beschreibt beispielsweise das Edgar u. a. am 29. März 1994 erteilte US-Patent 5 298 993 mit dem Titel "Display Calibration" die Prüfung eines Hochfrequenz-Bitmusters auf Gleichheit mit einem kompakten Graustufenbereich. Ein solches Verfahren setzt voraus, dass das menschliche Sehvermögen in der Lage ist, ein Hochfrequenzmuster zu mitteln. Edgar u. a. beschreiben den Einsatz dieser Technik beim Einstellen eines Hardwareknopfes, z. B. Kontrast, zum Kalibrieren der Tonwertskala eines Bildschirms. Als Bildschirme werden u. a. LCDs, Rasterbildschirme, Drucker und Kopierer erwähnt. Edgar u. a. erheben den Anspruch, das erste objektive System bzw. Verfahren für eine instrumentenlose Kalibrierung von Bildschirmen zu schaffen. Edgar u. a. weisen darauf hin, dass das Verfahren ihrer Erfindung auch auf eine Messung der charakteristischen Tonwertskala eines Bildschirms anwendbar ist. Eine solche Messung wird im Folgenden als Charakterisierung des Bildschirms bezeichnet. Die Charakterisierung einer Tonwertskala eines Bildschirms nach dem von Edgar u. a. offenbarten Verfahren erfordert jedoch zahlreiche Messungen der Ausgabe des Bildschirms über den gesamten Graustufenbereich. Dieser Ansatz ist umständlich und zeitraubend und führt zu Ungenauigkeiten.
Das Arazi u. a. am 18. Mai 1993 erteilte US-Patent 5 212 546 mit dem Titel "Color Correction System Employing Reference Pictures" beschreibt die Verwendung von Vergleichsbildern zum Korrekturlesen einer Bildschirmausgabe (Softproofing). Diese Vergleichsbilder sollen reale Bilder (im Gegensatz zu Zielvorgaben für Testzwecke) sein. Dabei druckt ein kalibriertes System mehrere Vergleichsbilder aus. Die kalibrierten Vergleichsbilder werden dann auf dem gewünschten Bildschirm dargestellt, wobei dieser (mit den dem Betrachter jeweils zur Verfügung stehenden Einstellungen – in der Regel Verstärkung und Offset) manuell so justiert wird, dass die Vergleichsbilder mit den entsprechenden Versionen in Druckform möglichst genau übereinstimmen. Über die dafür erforderliche eigentliche Kalibrierung (Justierung) wird nichts gesagt. Nach erfolgtem Abgleich zeigt das System das Vergleichsbild zusammen mit dem aktuellen Bild, an dem der Betrachter arbeitet. Durch Vergleich des Ausdrucks mit dem Bildschirmbild des Vergleichsbildes soll der Betrachter in die Lage versetzt werden, sich durch Extrapolation im Kopf vorzustellen, wie das auf dem Bildschirm dargestellte aktuelle Bild aussieht, wenn es mit demselben System ausgedruckt wird. Das Arazi-Patent sieht zwar die Verwendung von Bildern vor, wie sie von einem Betrachter wahrgenommen werden, jedoch nur als Entscheidungshilfe beim Modifizieren des zu bearbeitenden Bildes und nicht zum aktiven Kalibrieren des Bildschirms. Somit beschreibt dieses Patent nicht eine instrumentenlose Kalibrierung für Bildschirme, sondern eigentlich eine Hilfe für den Betrachter bei gedanklichen Umformungen von Bildschirmbildern in Druckbilder, sodass sich der Betrachter vorstellen kann, wie sich von ihm am Bildschirmbild vorgenommene Änderungen im Ausdruck darstellen. Problematisch ist bei diesem Ansatz, dass der Betrachter relativ gut geschult sein muss, um in der Lage zu sein, die gedankliche Umformung vorzunehmen. Außerdem sind die Ergebnisse von einem Betrachter zum nächsten oder von einer Betrachtung zur nächsten widersprüchlich.
Das Koka u. a. am 26. Juli 1988 erteilte US-Patent 4 760 447 mit dem Titel "Calibration Pattern and Method for Matching Characteristics of Video Monitors and Cameras" beschreibt eine Kalibriervorgabe für das Kalibrieren eines Bilderzeugungssystems, das ein Bild erfasst und ausdruckt. Die Kalibriervorgabe beinhaltet ein Kontrast-Detail-Diagramm und einige Felder verschiedener Ortsfrequenzen. Das Kontrast-Detail-Diagramm wird häufig in der medizinischen Bilderzeugung verwendet und besteht aus einer Reihe von Scheiben unterschiedlicher Größe und unterschiedlichen Kontrastes. Die Kalibriervorgabe dient als Anhalt für die Justierung von Bildschirmknöpfen für Analog-Verstärkung und Offset zum Anpassen der Hardcopyversion desselben erfassten Bildes. Hier wird versucht, eine Kalibrierung durch Vergleich der Anzahl sichtbarer Scheiben im Kontrast-Detail-Diagramm des gewünschten Ausdrucks und der auf dem Bildschirm dargestellten Zielvorgabe zu bewerkstelligen. Der Vergleich soll helfen, den Bildschirm so zu kalibrieren, dass im Bildschirmausdruck (Hardcopy) und dem Bildschirmbild ein ähnlicher räumlicher Bildkontrast erzielt wird. Über die eigentliche Kalibrierung des Bildschirms bezüglich dieser Ton- und/oder Raumparameter wird nichts gesagt. Problematisch ist bei diesem Ansatz, dass zum Justieren des Bildschirms in Abhängigkeit von dem Vergleich der Zielvorgaben ein erfahrener Techniker benötigt wird.
Das H. Bowers am 22. März 1994 erteilte US-Patent 5 296 947 mit dem Titel "System for Softproofing a Color Reproduction" betrifft das sogenannte Softproofing (d. h. die Verwendung eines Computer-Monitors zum Simulieren des Aussehens eines Raster-Offsetverfahrens beim Farbdruck) und beschreibt die Verwendung von Farbfeldern, welche die subtraktiven Primärfarben der 3 oder 4 Farbstoffe (CMYK) ebenso wie die durch Farbstoffüberlappung erzeugten „additiven" Grundfarben (RGB) und den Weißwert des Papiers betreffen. Bei dem in dem Bowers-Patent beschriebenen Verfahren wird der Bildschirm so eingestellt, dass diese 8 Farben im Bildschirmausdruck mit der Bildröhre abgeglichen werden. Die bevorzugte Ausführungsform sieht die Verwendung eines Farbmessgeräts vor. Die Möglichkeit, unter Inkaufnahme von Genauigkeitsverlusten den Abgleich vom Betrachter vornehmen zu lassen, wird jedoch auch erwähnt. Dagegen werden effektiv keine Aussagen bezüglich der Charakterisierung des Bildschirms gemacht. Dieser Ansatz hat den Nachteil, dass ein genauer visueller Abgleich einer begrenzten Gruppe von Farben schwierig, ungenau und für einen ungeschulten Betrachter nicht wiederholbar ist. Selbst wenn die repräsentativen Farben sich entsprechen, bedeutet dies noch nicht, dass auch der Rest des Farbraums genau kalibriert ist.
Somit besteht ein Bedarf für ein verbessertes Verfahren zum visuellen Kalibrieren von Bildschirmen, das die Bildschirmanzeige im vollen Umfang charakterisiert.
Die vorliegende Erfindung soll eines oder mehrere der oben genannten Probleme lösen. Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Erfassen der Merkmale eines Bildschirms folgende Schritte: Schaffen eines Modells des Bildschirms mit mehreren Parametern, welche die physikalische Ausgangsgröße des Bildschirms mit einem Eingangssignal in Beziehung setzen, das die Bildschirmanzeige erzeugt; Einsetzen eines Modells des menschlichen Sehsystems zum Erzeugen einer Gruppe von Steuersignalen zum Herstellen von Mustern auf dem Bildschirm, die es einem Betrachter ermöglichen, visuelle Auswahlkriterien anzuwenden, um spezifische Muster, die speziellen Werten der Parameter entsprechen, zu identifizieren; Anlegen der Gruppe von Steuersignalen an den Bildschirm, um die Muster herzustellen; Auswählen spezifischer Muster vom Bildschirm; Bestimmen der Parameterwerte aus den ausgewählten Mustern; und Bestimmen der Merkmale des Bildschirms durch Anwenden der Parameterwerte auf das Modell.
Ein besonderes Merkmal, das alle erfindungsgemäßen Verfahren der Bildschirmcharakterisierung gleichermaßen auszeichnet, ist die Verwendung eines Bildschirmmodells in Verbindung mit visuellen Modellen. Zum Bestimmen der Reaktion des Betrachters auf spezifisch erzeugte visuelle Muster kommen bei diesem Verfahren psychophysische Abläufe zum Einsatz. Die Charakterisierung der Vorrichtung wird anhand einer Analyse der Reaktionen des Betrachters bestimmt. Wissenschaftliche Grundlagen für dieses Vorgehen sind u. a. Experimentalpsychologie, visuelle Modellierung und Modellierung von Bildschirmanzeigen. Als technologische Grundlage spielt das interaktive Computer-Fenstersystem eine besonders wichtige Rolle, obwohl einige Verwirklichungen der Erfindung die Notwendigkeit dafür minimieren.
Im Vergleich zum Stand der Technik bietet das erfindungsgemäße Verfahren u. a. den Vorteil, dass es flexibler ist als die bekannten Verfahren. Der Betrachter kann die Bildschirmanzeige nach seinen Wünschen beliebig konfigurieren. Anschließend wird dann der Bildschirm nach den erfindungsgemäßen Verfahren charakterisiert. Bisher wurde nicht versucht, das bestehende Anzeigeverhalten in vollem Umfang zu charakterisieren. Stattdessen wurde die visuelle Kalibrierung dazu benutzt, dem Bildschirm (über Rejustierung) ein bestimmtes Verhalten aufzuzwingen. Das von Edgar u. a. beschriebene Verfahren konnte zwar zum Charakterisieren der Graustufung einer Bildschirmanzeige eingesetzt werden, erfordern aber Versuche mit einer Vielzahl unterschiedlicher Graustufen. Ein weiterer wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Verwendung eines Bildschirmmodells die Möglichkeit bietet, das gesamte Graustufenverhalten eines Bildschirms mit einem Minimum an Versuchen zu bestimmen. Die bekannten Verfahren erfordern nicht nur aufgrund der Vielzahl der erforderlichen Versuche mehr Zeit, sondern haben zudem den Nachteil, dass die aus dem Prüfablauf resultierenden Fehler schwerer wiegende Fehler, wie zum Beispiel Nichtmonotonie, zur Folge haben, was durch Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Bildschirmmodell verhindert wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Bilderzeugungssystems mit einem Bildschirm, der erfindungsgemäß charakterisiert werden kann;
2 ein Ablaufdiagramm der Schritte, die erforderlich sind, um einen Bildschirm erfindungsgemäß zu kalibrieren;
3 ein Bildschirmmuster für eine visuelle Schätzung des bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendeten Offsetparameters;
4 ein Ablaufdiagramm der zum Schätzen der Offsetparameter des Bildschirmmodells erforderlichen Schritte;
5 ein Bildschirmmuster für eine visuelle Schätzung des Gammawerts des Bildschirmmodells;
6 ein Bildschirmmuster, das aus einer Reihe der in 5 gezeigten Bildschirmmuster besteht, wobei sich die Parameter von einem Einzelmuster zum nächsten ändern;
7 ein bei einem alternativen Verfahren eingesetztes Bildschirmmuster zum Kalibrieren des Gammawerts mit Hilfe einer Folie;
8 das in 7 gezeigte Bildschirmmuster mit einer darüber liegenden Folie;
9a und 9b Kennlinien, welche die Beziehung zwischen Leuchtdichte und Codewert des Bildschirms und die Beziehung zwischen visueller Reaktion und Leuchtdichte darstellen und zum besseren Verständnis eines weiteren alternativen Verfahrens zum Kalibrieren des Gammawerts mit Hilfe eines visuellen Schwellwertmodells beitragen;
10 ein bei dem alternativen Verfahren zum Kalibrieren des Gammawerts mit Hilfe des visuellen Schwellwertmodells eingesetztes Bildschirmmuster;
11 ein bei einem weiteren alternativen Verfahren zum Kalibrieren des Gammawerts mit Hilfe eines visuellen Leuchtdichtemodells eingesetztes Bildschirmmuster;
12 ein Bildschirmmuster für eine visuelle Schätzung der Farbtemperatur; und
13 ein detaillierteres Ablaufdiagramm der Schritte, die erforderlich sind, um einen Bildschirm erfindungsgemäß zu kalibrieren, unter Einbeziehung des Kalibrierumfelds und des Einsatzes der Kalibrierdaten bei einem Farbreproduktionsverfahren.
1 zeigt ein Bilderzeugungssystem mit einem Bildschirm, der erfindungsgemäß charakterisiert werden kann. Das Bilderzeugungssystem beinhaltet eine Quelle digitaler Bilder 10, beispielsweise einen Bildplattenspeicher wie z. B. PhotoCD^TM, eine digitale Kamera oder einen Scanner. Die digitalen Bilder werden einem Computer 12, beispielsweise einem PC, oder einem Aufsatzgerät (Set-top Box) zugeführt und auf einem digitalen Bildschirm, beispielsweise einem Bildschirm 14 oder einem Hardcopydrucker, dargestellt. Als Bildschirm 14 kann ein an einen PC angeschlossener Computer-Monitor oder ein an ein Aufsatzgerät angeschlossener Fernseh-Monitor dienen. Ein an den Computer oder das Aufsatzgerät angeschlossenes Betrachter-Schnittstellenteil, wie zum Beispiel eine Tastatur 16, eine Maus 18 oder eine TV-Fernsteuerung, ermöglicht den Dialog eines Betrachters mit dem Computer oder dem Aufsatzgerät.
Es ist wünschenswert, das Anzeigegerät in dem in 1 dargestellten System so zu charakterisieren, dass bei gegebener Charakterisierung mit einem anderen Bildschirm ein Bild erzeugt werden kann, das der von dem System erzeugten Anzeige visuell entspricht. Eine solche visuelle Übereinstimmung ist beispielsweise wünschenswert, wenn eine Bildröhre dazu benutzt wird, die Auswirkungen zu simulieren, die auf einem von einem Hardcopy-Ausgabegerät erzeugten Ausdruck erscheinen (Softproofing). Ferner kann es wünschenswert sein, das Aussehen der Bildschirmanzeige beispielsweise einem Gegenstand anzupassen. Das ist zum Beispiel der Fall, wenn beim Tele-Einkauf (Home Shopping) die Farbe eines zum Verkauf angebotenen Kleidungsstücks mit der vom Kunden am Fernsehgerät wahrgenommenen Farbe übereinstimmen soll.
Jede Bilderzeugung, bei der ein Bild eines Bildschirms dem eines anderen Bildschirms oder einem Gegenstand angepasst werden soll, erfordert grundsätzlich eine Charakterisierung der Tonwertskala. Für Schwarz-Weißbilder müssen zu diesem Zweck die Leuchtdichte, der Transmissionsgrad oder der Reflexionsgrad als Funktion der Graustufe gemessen werden. Für Farbbilder müssen die Tonwertskalen der Einzelfarben gemessen werden. Zum besseren Verständnis der Erfindung im Zusammenhang mit der Farbenlehre werden im Folgenden die für die Parameter des Bildschirmmodells relevanten Aspekte der Bildschirmmodellierung, visuellen Modellierung und Experimentalpsychologie beschrieben.
In 2 wird das erfindungsgemäße Verfahren der Bildschirmcharakterisierung beschrieben. Zuerst wird ein Modell des Bildschirms mit mehreren Parametern geschaffen (20). Im nächsten Schritt (22) wird für jeden Parameter ein Prüfmuster erzeugt, um zu prüfen, ob ein Betrachter den Wert des Bildschirmparameters mit einem menschlichen visuellen Modell bestimmen kann. Nachdem die Prüfmuster an den Bildschirm angelegt worden sind (24), wird ein Betrachter angewiesen, eine Komponente des Musters auszuwählen, die einem spezifizierten visuellen Kriterium entspricht (26). Anhand der Reaktionen des Betrachters werden dann die Bildschirmparameterwerte bestimmt (28). Abschließend werden die Werte der Bildschirmparameter in Verbindung mit dem Bildschirmmodell dazu verwendet, den Bildschirm zu charakterisieren (30).
Bildschirmmodellierung
Im ersten oben beschriebenen Schritt 20 wird ein Modell des Bildschirms geschaffen. Ein Bildschirm kann wie folgt modelliert werden: L = (αV + β)γ + ϕ (1)wobei L die Ausgangsleuchtdichte der Bildröhre in Abhängigkeit vom Codewert V (für ein 8-Bit-System liegt V im Bereich von 0 bis 255), α den Verstärkungsfaktor und β den Offset darstellt, wobei β in der Regel einen negativen Wert hat. Die Umgebungslichtstrahlung in der gläsernen Frontscheibe des Bildschirms wird mit ϕ ?? bezeichnet und bei Verwendung des Bildschirms in einem völlig abgedunkelten Raum mit null angenommen. Da der Wert des von der Bildröhre abgestrahlten Lichts nicht kleiner als null sein kann, wird er, wenn (αV + β) < 0 ist, in dieser Gleichung auf null gesetzt.
Das Bartow u. a. am 29. August 1989 erteilte US-Patent 4 862 265 offenbart eine Vorrichtung zum Kalibrieren einer Bildröhre, welche die Ausgangsleuchtdichte der Bildröhre mit einer Lichtmessvorrichtung misst. In dem für eine Messung mit dieser Vorrichtung zu niedrigen Leuchtdichtebereich der Bildröhre wird ein Modell der Bildröhre (ohne die Strahlungskomponente ϕ verwendet, das dem oben beschriebenen Modell ähnlich ist, um die Leistung der Bildröhre aus den gemessenen Daten zu extrapolieren.
Für andere Bildschirmanzeigen, wie zum Beispiel einen Halbton-Bildschirmausdruck, unterscheiden sich die Modelle entsprechend den physikalischen Eigenschaften der Anzeige. Ein gemeinsames Merkmal aller dieser Modelle ist eine Reihe von Parametern, die sequentiell geschätzt werden können. Die Erfindung wird hier zwar anhand eines Bildschirms beschrieben, eignet sich aber grundsätzlich zum Charakterisieren von Anzeigen jeder Art. Mit der erfindungsgemäßen Charakterisierung sollen die Parameter des Bildschirmmodells (im Fall der Bildröhre α, β, γ und ϕ) unter Verzicht auf den Einsatz von Spezial-Lichtmessgeräten jeder Art ausschließlich mit Hilfe des Sehsystems des Betrachters bestimmt werden. Dazu wird der Betrachter aufgefordert, sich Prüfmuster anzusehen und aufgrund seiner Wahrnehmung eine Auswahl zu treffen. Anhand der vom Betrachter getroffenen Auswahl werden die Parameter des Bildschirmmodells bestimmt, die ihrerseits zur Charakterisierung des Bildschirms herangezogen werden.
Visuelle Modellierung
Bei der visuellen Charakterisierung von Bildschirmen muss das Verhalten des menschlichen Sehsystems berücksichtigt werden. Das Sehsystem kann für verschiedene Grade unterschiedlicher Detail-Wahrnehmung modelliert werden. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung sollen vier Grade zunehmender Komplexität betrachtet werden.
Für das Modell ersten Grades wird angenommen, dass ein Betrachter zwar nicht problemlos unterschiedlichen wahrgenommenen Helligkeiten Zahlen zuordnen kann, sein Sehsystem jedoch in der Lage ist, Vergleiche anzustellen (beispielsweise zu beurteilen, welches der beiden vorgeführten Felder heller ist), die für diese Aufgabe hinreichend genau sind.
Das Modell ersten Grades fungiert dann schlicht als „Vergleichsschaltung" mit einer gewissen rauschbedingten Unsicherheit, wenn die zu vergleichenden Helligkeitsstufen nahezu gleichwertig sind.
Das Modell zweiten Grades berücksichtigt die von der Optik im Auge des Betrachters verursachte Unschärfe. Es nutzt auch die Tatsache aus, dass die Unschärfe im linearen Bereich der Leuchtdichte auftritt (und die Unschärfe daher als ein auf das Leuchtdichtesignal wirkender Filtervorgang simuliert werden kann). Im Übrigen wird angenommen, dass der Rest des Sehsystems, wie beim Modell ersten Grades, eine „perfekte Vergleichsschaltung" darstellt.
Beim Modell dritten Grades wird versucht, die in den Neuralmechanismen der Netzhaut und der Hirnrinde auftretenden Wirkungen zu modellieren. Aus psychophysischen Schwellwertdaten kann ein Schwellwertmodell des Sehsystems erstellt werden. Das Modell bedient sich des Umstandes, dass das Sehsystem Licht nichtlinear in eine neurale Reaktion umwandelt. Das Modell geht ferner davon aus, dass eine Schwellwertreaktion einer neuralen Reaktion bestimmter Größe entspricht, unabhängig davon, an welcher Stelle in der Grauskala diese auftritt. Da diese Schwellwertreaktion sehr klein ist, konzentriert sich das Modell auf die örtliche Steilheit der nichtlinearen neuralen Reaktion.
Der vierte für die Erfindung relevante Grad visueller Modellierung bedient sich eines visuellen Modells, das sich von dem nichtlinearen Schwellwertmodell (Modell dritten Grades) nur dadurch unterscheidet, dass es die visuelle Reaktion nicht auf den Schwellwert begrenzt. Hier wird versucht, die wahrgenommene Helligkeit als Funktion der Leuchtdichte, also eine Reaktion oberhalb des Schwellwerts, zu modellieren. Die Aufgabe des Betrachters besteht in diesem Fall darin, eine Folgerichtigkeit von Helligkeitsunterschieden zu beurteilen.
Psychophysische Techniken
Um von einem Betrachter Reaktionen zu erhalten, werden verschiedene psychophysische Verfahren eingesetzt. Die vier wichtigsten psychophysischen Verfahren für das erfindungsgemäße Verfahren zum Erfassen von Merkmalen eines Bildschirms sind: Einstellung (MOA = Method of Adjustment), erzwungene Auswahl aus zwei alternativen Möglichkeiten (2AFC = Two-Alternative Forced Choice), erzwungene Auswahl aus einer Vielzahl alternativer Möglichkeiten (MAFC = Multiple-Alternative Forced Choice) und konstante Reize (MCS = Method of Constant Stimuli).
Bei der Einstellung (MOA) verstellt der Betrachter einfach mit einem Computer-Eingabegerät (z. B. einer Maus zum Verstellen einer Fensterverschiebung) einen Parameter, bis ein gewünschtes visuelles Ergebnis erzielt wird. Bei der vorliegenden Erfindung ist das erwünschte Ergebnis eine Übereinstimmung zwischen zwei Reizen.
Bei der erzwungenen Auswahl aus zwei alternativen Möglichkeiten (2AFC) wird der Betrachter gezwungen, aufgrund eines Kriteriums eine Auswahl zwischen zwei Reizen zu treffen. Als Kriterium dient gewöhnlich das Vorhandensein eines Signals, das nur in einem der beiden Reize enthalten ist. Das Signal wird im Allgemeinen aufgrund der Reaktion des Betrachters auf wiederholte Iterationen schrittweise reduziert, wobei das psychophysische Verfahren so programmiert werden kann, das es die Reizschwelle des Betrachters ermittelt (d. h. die Schwelle, an der die Wahrscheinlichkeit, dass der Betrachter das Signal sieht, nach Korrektur der durch Raten bedingten Unsicherheit nur noch 50% beträgt).
Die erzwungene Auswahl aus einer Vielzahl alternativer Möglichkeiten (MAFC) ist eine Abwandlung der erzwungenen Auswahl aus zwei alternativen Möglichkeiten (2AFC), bei der die Anzahl der Auswahlmöglichkeiten auf mehr als zwei erhöht wird. Dieses Verfahren liefert zwar im Allgemeinen nicht die besten Daten, kann aber von den hier beschriebenen psychophysischen Verfahren das schnellste sein. Es kommt bei mehreren Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zur Anwendung, weil der Vorteil, dass es das schnellste Verfahren ist, den Nachteil, dass es weniger genau ist, überwiegt.
Das letzte Verfahren, konstante Reize (MCS), kann mit jedem der Verfahren, bei denen der Betrachter gezwungen wird, eine Auswahl aus alternativen Möglichkeiten zu treffen, kombiniert werden. Statt den Reiz so zu programmieren, dass die Schwellwerte der Betrachter anhand ihrer Reaktionen bei diesen Aufgaben bestimmt werden, sieht dieses Verfahren die Prüfung bestimmter Reize auf verschiedenen Stufen vor. Der Betrachter wird angewiesen, die Komponente eines Prüfmusters auszuwählen, welche die visuellen Kriterien am besten erfüllt. Bei richtiger Auswahl dieser Stufen, können die Reaktionen des Betrachters häufig zum Bestimmen der visuellen Reaktion an der Schwelle verwendet werden. Im Fall der vorliegenden Erfindung wird nicht der Schwellwert an sich bestimmt, sondern ein Wert, der dem Schwellwert so nahe kommt, wie es die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfordert.
Da für die Bestimmung der vier Modellparameter α, β, γ und ϕ eigene Techniken erforderlich sind, werden diese der Reihe nach in den nächsten vier Unterabschnitten behandelt.
Schätzen der Parameter
Das Modell einer Farbbildröhre erfordert drei Gleichungen:
wobei L_R, L_G, und L_B die Ausgangsleuchtdichten des roten, grünen und blauen Phosphors,
α_R, α_G, und α_B die Verstärkungsfaktoren der roten, grünen und blauen Kanäle,
V_R, V_G, und V_B die Codewerte für die roten, grünen und blauen Kanäle,
β_R, β_G, und β_B die Offsetwerte der roten, grünen und blauen Kanäle,
γ_R, γ_G, und γ_B die Gammawerte der roten, grünen und blauen Kanäle der Bildröhre darstellen,
als normierte Offsets bezeichnet werden, und
ϕ_R, ϕ_G, und ϕ_B die roten, grünen und blauen Komponenten der Strahlung aufgrund des Umgebungslichts angeben.
Für das Modell einer Schwarz-Weiß-Bildröhre wird natürlich nur eine der oben aufgeführten Gleichungen benötigt.
Zuerst werden die normierten Offsets
Mit Hilfe der geschätzten normierten Offsets und einiger visueller Prüfmuster werden dann die Gammawerte γ_R, γ_G, and γ_B geschätzt. Mit Hilfe dieser geschätzten Parameter und weiterer visueller Prüfmuster werden anschließend die Parameter der Verstärkungsfaktoren α_R, α_G, und α_B geschätzt. Im letzten Schritt werden die Strahlungskomponenten ϕ_R, ϕ_G, und ϕ_B geschätzt. Die Abläufe für die erfindungsgemäße Schätzung dieser Parameter werden im Einzelnen in den folgenden Abschnitten beschrieben. Für eine Farbbildröhre werden diese Abläufe dreimal wiederholt, je einmal für jeden Kanal. Für eine Schwarz-Weiß-Bildröhre sind diese Abläufe nur einmal erforderlich.
Schätzen des normierten Offset β/α
Zuerst muss der normierte Offsetparameter β/α geschätzt werden, weil die übrigen Schätzungsschritte von dem Ergebnis dieser Schätzung abhängen. Voruntersuchungen ließen den Schluss zu, dass Codewertänderungen um eine Stufe (aus den für eine 8-Bit-Anzeige typischen 256 Stufen) wahrnehmbar sind, wenn die Form des Reizes bestimmten Kriterien genügt. Das zum Schätzen dieses Parameters verwendete visuelle Modell ist daher eine „Vergleichsschaltung" (das weiter oben erörterte Modell ersten Grades) mit einer angenommenen Ungenauigkeit oder Rauschzahl in der Größenordnung von einem Codewert.
Die Gleichung für die Bildröhre:
zeigt, dass L = 0 ist, wenn
Der Wert von β/α ist gewöhnlich negativ und zeigt, dass die kleinste Ausgangsleuchtdichte des Bildschirms begrenzt ist und somit Modulationen in Codewerten, die kleiner sind als
verhindert (wobei V_min der Codewert ist, der die kleinste Leuchtdichte ergibt.) Der Parameter β/α wird dann als
aus dem resultierenden Gray-Codewert berechnet.
Das Verhältnis β/α wird durch Darstellung einer Reihe kreisförmiger Reize in einer Umgebung mit dem Codewert null bestimmt. Die Grauwerte dieser Scheiben reichen von null bis zum größten für diesen Offsetparameter erwarteten Grau-Code. Wie in 3 gezeigt, werden diese Scheiben 32 auf einem mit einem Codewert null erzeugten schwarzen Hintergrund 34 dargestellt. Die Scheiben 32 werden vorzugsweise in normaler Lesefolge (von links nach rechts und oben nach unten) aufsteigend von niedrigeren zu höheren Codewerten angeordnet. Der Betrachter wird angewiesen, die erste sichtbare Scheibe (d. h. die dunkelste sichtbare Scheibe) auszuwählen. Dazu kann der Betrachter beispielsweise aufgefordert werden, mit der Maus die erste sichtbare Scheibe in der Folge anzuklicken. Die Reize müssen nicht unbedingt Scheiben sein. Es können auch andere geometrische Formen verwendet werden. In rauschigen Anzeigen oder Anzeigen mit mehr als 8 Bits könnten die gleichförmigen Scheiben durch ein Frequenzmuster ersetzt werden (d. h. etwa 4 Zyklen pro Sichtgrad).
Versuche haben gezeigt, dass bei Darstellung mehrerer Scheiben in einem regelmäßigen Muster einige Betrachter das Muster wahrnehmbarer Scheiben auf Helligkeitsgrade unterhalb der wirklichen Wahrnehmung extrapolieren. Infolgedessen wird der Offsetparameter unterschätzt. Um dies zu vermeiden, werden über die gesamte Reihe wahllos Scheiben mit einem Offsetwert = 0 (Nullscheiben 34) eingestreut. Diese Technik reduziert die Musterextrapolation. Dabei kann die Reaktion des Betrachters überprüft werden, um sicherzustellen, dass keine Nullscheibe ausgewählt wurde. Hat der Betrachter eine Nullscheibe ausgewählt, dann bedeutet dies, dass er nach wie vor das Muster extrapoliert, statt sich von seiner wirklichen visuellen Reaktion leiten zu lassen. In diesem Fall kann das System den Betrachter anweisen, nur die erste wirklich sichtbare Scheibe auszuwählen, und/oder an verschiedenen Stellen Nullscheiben einstreuen und den Betrachter auffordern, die Beobachtung zu wiederholen. Da ein Muster mit 64 Scheiben (V_min = 64) mit zusätzlichen Nullscheiben den Bildschirm weit gehend ausfüllt und/oder die Verwendung kleiner Scheiben notwendig macht, kann dieser Test schrittweise durchgeführt werden, wie in 4 gezeigt. Im ersten Schritt (36) wird ein Muster von Scheiben erzeugt, deren Codewerte mit einem inkrementalen Codewert k (z. B. k = 4) voneinander beabstandet sind. Dadurch werden die Scheiben in kleinere Untergruppen aufgeteilt. Im nächsten Schritt (38) wird das erzeugte Muster dem Betrachter vorgeführt. Der Betrachter wird angewiesen (40), die erste sichtbare Scheibe in dem dargestellten Muster auszuwählen. Je nach Reaktion des Betrachters wird überprüft (42), ob k dem festgelegten Mindestwert (k_min) entspricht. Wenn dies nicht der Fall ist, wird k reduziert (44), beispielsweise um einen Faktor 2. Darauf wird ein neues Muster erzeugt und dem Betrachter gezeigt. Das neue Muster halbiert die Größe der Codewert-Inkremente (k) und beinhaltet Scheiben, deren Codewerte um den Codewert der vorher ausgewählten Scheibe zentriert sind. Dieser Ablauf wird fortgesetzt, bis die Inkremente zwischen den Scheiben kmin entsprechen (z. B. k_min = 1). Abschließend (46) wird der normierte Offsetparameter β/α nach der Gleichung
aus der vom Betrachter zuletzt getroffenen Auswahl berechnet. Der Offset wird auf diese Weise mit dem durch den Wert von kmin festgelegten Genauigkeitsgrad bestimmt. Dieser Ablauf wird für jede Primärfarbe der Vorrichtung in der Anzeige (bei einer Bildröhre beispielsweise den roten, grünen und blauen Phosphor) je einmal wiederholt.
Da dieser normierte Offsetparameter β/α keine starke Wirkung auf die anderen, durch Bildschirm- und visuelle Modellierung berechneten Parameter hat, muss er nicht unbedingt auf den nächsten Einzelcodewert genau berechnet werden. So kann es dem Betrachter beispielsweise freigestellt werden, die scheibenförmigen Reizmuster Schritt für Schritt nur bis zu dem Punkt zu prüfen, an dem sie seinen Ansprüchen an die Bildqualität genügen. Wie in 4 gestrichelt gezeigt (48), kann der Betrachter den Test nach erfolgter erster Auswahl an jedem beliebigen Punkt abbrechen. Dieses Vorgehen ist auch auf die übrigen in dieser Anmeldung beschriebenen Techniken anwendbar.
Schätzen des Gammawerts γ
Zum Bestimmen des Gamma-Parameters wurden vier Methoden entwickelt.
Bevorzugt wird ein visuelles Modell, das die durch die Optik des menschlichen Auges bedingte Unschärfe berücksichtigt. Dabei wird auch der Umstand ausgenutzt, das diese Unschärfe im linearen Bereich der Leuchtdichte auftritt (und die Unschärfe daher als ein auf das Leuchtdichtesignal wirkender Filtervorgang simuliert werden kann). Im Übrigen wird angenommen, dass der Rest des Sehsystems in der Lage ist, wie eine „Vergleichsschaltung" Paarigkeitsvergleiche durchzuführen. 5 zeigt ein Hochfrequenzmuster 50 mit zwei Codewerten V₁ und V₂ neben einem Feld 52 mit einem Codewert V_A, dessen Graustufe verstellbar ist. Das Hochfrequenzmuster 50 wird infolge der Unschärfe der Optik des menschlichen Auges als gleichmäßiges Feld wahrgenommen. Wenn L₁, L₂ und L_A die den Codewerten V₁ V₂ und V_A zugeordneten Leuchtdichten darstellen, gilt:
Diese Beziehung beschreibt den Zustand an der Netzhaut des menschlichen Sehsystems (unter Berücksichtigung der durch die Optik des menschlichen Auges verursachten Unschärfe). Für die beiden Leuchtdichtestufen L₁ und L₂ wird eine totale Unschärfe mathematisch durch die Mittelwertbildung in Gleichung 3 beschrieben. Ersetzt man die Leuchtdichte L der Bildröhre als Funktion dieser drei zugeordneten Codewerte V₁, V₂ und V_A durch die Gleichung, 1 erhält man:
Diese Gleichung kann numerisch nach γ aufgelöst werden. Bevorzugt wird jedoch ein anderer Ansatz, bei dem mit dem angenommenen Wert für γ vorher die Werte V₁, V₂ und V_A berechnet werden:
Bei diesem Ansatz wird, wie in 6 gezeigt, mit konstanten Werten für V₁ und V₂, die unmittelbar neben verschiedenen, mit verschiedenen angenommenen Werten für γ nach der Gleichung 5 berechneten Werten V_A liegen, eine Reihe von Feldern 54 erzeugt. Der Betrachter wählt dann (entsprechend den verschiedenen angenommenen Werten für γ den Feldvergleich aus, bei dem die einander benachbarten Felder den geringsten Unterschied zeigen. (Die Methode kombiniert die psychophysische Technik konstanter Reize (MCS) mit der psychophysischen Technik der erzwungenen Auswahl aus einer Vielzahl alternativer Möglichkeiten (MAFC)). In der Wahrnehmung verschwinden dann häufig die Grenzlinien. Der Betrachter muss die Felder aus einer hinreichend großen Entfernung betrachten, damit das Hochfrequenzmuster zu einem gleichmäßigen Feld verschwimmt. Das ausgewählte Feld bestimmt γ mit einer Genauigkeit, die der Hälfte der Quantisierung der zum Erzeugen der Reihe verwendeten γ-Werte entspricht. Ein Bereich von 1,5 bis 3,2 scheint mehr als ausreichend, um alle bekannten Bildanzeigen abzudecken, und mit Inkrementen von 0,1 kann γ mit einer Genauigkeit von 5% bestimmt werden. Dies führt zu einem γ Wert, dessen Genauigkeit für Farbreproduktionen (mit Ausnahme weniger professioneller Anwendungen) den Ansprüchen aller Betrachter genügt. Die Berechnung von γ erfolgt in einer Reihe von Schritten, die den in 4 gezeigten Schritten für die Berechnung des Offset entsprechen, nur dass in diesem Fall die vorher berechneten Offsetparameter für jede Primärfarbe als Eingaben für die Erzeugung (36) des in 6 gezeigten Musters bereitgestellt werden.
Ein erster alternativer Ansatz zum Bestimmen des γ-Werts geht davon aus, dass der Betrachter vielleicht nicht problemlos den verschiedenen wahrgenommenen Helligkeitsgraden absolute Zahlen zuordnen kann, aber auf jeden Fall in der Lage ist, Vergleiche anzustellen, die für diese Aufgabe hinreichend genau sind. Aufgrund dieser Annahme wird das Sehsystem als „Vergleichsschaltung" mit der Fähigkeit modelliert, eine Übereinstimmung als Vorgabe zu erkennen, d. h. eine Übereinstimmung liegt vor, wenn ein Vergleich unmöglich ist, weil der Unterschied zwischen den Reizen so klein ist, dass die Genauigkeit des Sehsystems nicht ausreicht, um ihn als solchen zu erkennen. Bei diesem Ansatz wird mit einer Folie 55 bekannter Dichte (oder vorzugsweise, wie in 7 gezeigt, mit einer Folie mit zwei bekannten Dichten 56 und 58) gearbeitet. Wie in 8 gezeigt, werden zwei Felder 60 und 62 mit unterschiedlichen Codewerten auf einem interaktiven Bildschirm (beispielsweise einem CRT-Bildschirm) dargestellt, wobei die Folie 55 über eines der Felder gehalten wird, während der Codewert des anderen Feldes vom Betrachter eingestellt wird (MOA), bis die von der Folie durchgelassenen Helligkeitsgrade der Felder 60 und 62 übereinstimmen. Wenn dies der Fall ist, zeigt der Betrachter dies an. Darauf wird der Codewert des einstellbaren Feldes abgespeichert. Die Dichten der Folienfelder 56 und 58 sind ebenso bekannt wie die Codewerte der beiden Felder 60 und 62. Die Leuchtdichten des in das Auge des Betrachters fallenden Lichts werden als gleich groß angenommen. Im Allgemeinen ist dies infolge des Rauschens des Sehsystems beim Durchführen dieser Vergleiche nicht der Fall. Der durch dieses Rauschen eingeführte Fehler kann jedoch quantifiziert und so niedrig gehalten werden, dass mit dieser Technik der γ Parameter mit einer Genauigkeit von etwa 5% bestimmt werden kann, was für die vorgesehenen Anwendungen ausreicht. Die Gleichung für die Bestimmung des γ-Terms in der Gleichung kann abgeleitet werden, wenn bekannt ist, dass das von den beiden Feldern in das Auge des Betrachters fallende Licht die gleiche Leuchtdichte hat. L2 = L1·10–ΔD (6)wobei L₁ und L₂ die Leuchtdichten des von den beiden Feldern 60 und 62 abgestrahlten Lichts vor der Filterung durch die Folie 55 darstellen und ΛD den Dichteunterschied der beiden Hälften der über die Felder 60 und 62 gelegten Folie 55 angibt. Durch Einsetzen der Gleichung für die Leuchtdichte L als Funktion der den Leuchtdichtewerten L₁ und L₂ entsprechenden Codewerte V₁ und V₂ und Umgruppierung erhalten wir:
wobei γ den gewünschten Bildschirmparameter der Gleichung 1 darstellt. Zu beachten ist hier, dass der normierte Offsetparameter β/α an dieser Stelle bereits bestimmt sein muss.
Bei einem zweiten alternativen Ansatz für die Berechnung von γ geht die Detaillierung des verwendeten Sehsystemmodells noch weiter. Statt die räumlichen Attribute des Sehsystems auszuloten, wie das bei dem oben beschriebenen bevorzugten Ansatz geschieht, wird hier versucht, die im Neuralmechanismus der Netzhaut und der Hirnrinde ablaufenden Prozesse zu modellieren. Aus psychophysischen Schwellwertdaten kann ein Schwellwertmodell des Sehsystems erstellt werden. Das Sehsystem wandelt Licht nichtlinear in eine neurale Reaktion um. Es wird angenommen, dass der Schwellwert (im Wesentlichen ein Kontrast, bei dem ein Signal gerade noch erkennbar ist) im gesamten Graustufenbereich eine neurale Reaktion konstanter Größe auslöst, obwohl die Schwellwertkontraste über den Graustufenbereich erheblich schwanken können. Die visuelle Reaktion auf die Leuchtdichte ist in 9a dargestellt, wobei R die visuelle Reaktion und L die Ausgangsleuchtdichte des Bildschirms angibt. R+ und R– stellen die Schwellwertabweichungen der visuellen Reaktion dar, während L+ und L– den Leuchtdichten entsprechen, bei denen R+ und R– auftreten. Ein einfaches Modell der in 9a dargestellten visuellen Reaktion als Funktion der Leuchtdichte sieht wie folgt aus: R = kLp – C (8)wobei R die visuelle Reaktion auf die Leuchtdichte L angibt, p gewöhnlich annähernd 1/2 oder 1/3 beträgt und C eine Konstante ist, die einen visuellen Schwellwert darstellt. R wird auf null gesetzt, wenn die rechte Seite der Gleichung 8 negativ ist. 9b zeigt die Leuchtdichte, die sich aus dem Codewert der Bildschirmanzeige für das Bildschirmmodell der Gleichung (1) ergibt. In 9b ergeben die Codewerte V⁺ und V^– die Leuchtdichten L⁺ und L^–, die ihrerseits die in 9a dargestellten Schwellwerte R⁺ und R^– ergeben. Wenn die Reizschwelle des Betrachters auf zwei verschiedenen Graustufen V₁ und V₂ gemessen wird und V₁ ⁺ und V₂ ⁺, die diesen Codewerten zugeordneten Schwellwerte sind (es kann der Plus- oder Minusschwellwert verwendet werden, wobei nur einer dieser Werte benötigt wird, um γ zu berechnen), kann der γ-Wert durch numerisches Lösen folgender Gleichung bestimmt werden:
nachdem die verschiedenen Schwellwertinkremente (R₁ und R₁ ⁺, R₂ usw.) durch die Codewerte für Leuchtdichtegleichungen (Umkehrung der Gleichung 1) ersetzt worden sind. Die Gleichung 8 (Reaktion als Funktion der Leuchtdichte) kann durch verschiedene Verbesserungen des visuellen Modells und verschiedene Verbesserungen des Bildschirmmodells (Gleichung 1) ersetzt werden. Diese Technik kann für zahlreiche visuelle Muster erfolgreich sein.
10 zeigt ein Beispiel. Ein Testbereich 64 wird auf einem Hintergrund 66 dargestellt. Der Betrachter wird angewiesen, die Stufe des Testbereichs 64 zu verstellen, bis dieser mit dem Hintergrund 66 übereinstimmt. Dabei muss jedoch der visuelle Schwellwert im gesamten Graustufenbereich größer sein als ein Einzelcodewert. Wie bereits erwähnt, wird dieses Kriterium bei einer 8-Bit-Anzeige nicht erfüllt. Daher eignet sich diese Technik nur für Bildschirmanzeigen mit mindestens 9 Bits.
Schließlich gibt es noch die Möglichkeit, zum Bestimmen des γ-Werts das visuelle System mit Hilfe der wahrgenommenen Helligkeit als Funktion der Leuchtdichte zu modellieren, wobei Helligkeit als eine über dem Schwellwert liegende Reaktion verstanden wird. Der Betrachter wird angewiesen, die Folgerichtigkeit von Helligkeitsunterschieden zu beurteilen. Bei diesem Ansatz wird angenommen, dass die wahrgenommene Helligkeit eine Funktion der physischen Leuchtdichte ist und wie folgt aussieht: B = aLp – c, (10)wobei B die wahrgenommene Helligkeit, L die Leuchtdichte, p einen Wert zwischen 1/3 und 1/2, a einen Skalierungsfaktor und c einen visuellen Helligkeitsschwellwert darstellt.
Bei diesem Ansatz wird mit verschiedenen angenommenen γ-Werten eine Folge von Felderreihen (68) erzeugt, wie in 11 gezeigt. Jedes Feld besteht aus einem kreisförmigen Teil mit einer helleren oberen Hälfte des Helligkeitsgrades B_i und einer dunkleren unteren Hälfte mit dem Helligkeitsgrad B_i+1 auf einem den Kreis umgebenden Hintergrund mit einem Helligkeitsgrad B_i,i+1, der dem Mittelwert von B_i und B_i+1 entspricht. B_i wird wie folgt erzeugt:
wobei V_i den Eingabecodewert der Bildröhre darstellt, welche die als Helligkeit B_i wahrgenommene Leuchtdichte L_i erzeugt.
Der Betrachter wird angewiesen, die Reihe auszuwählen, in der sich die Helligkeit über die Reihe am wenigsten ändert. Die Codewerte einer Reihe, die einem bestimmten γ-Wert entsprechen, werden mit folgender Gleichung für das Feld i (70) in der Reihe γ (72) bestimmt:
wobei V₀ den Ausgangscodewert der Folge von Feldern in einer Reihe, V_n den letzten Codewert der aus insgesamt n-Schritten bestehenden Folge von Feldern und V_i den für den iten Schritt der Folge zu berechnenden Codewert darstellt. Der Betrachter wird angewiesen, die Reihe auszuwählen, in der sich die Helligkeit (zwischen den beiden Hälften eines jeden Feldes 70) am wenigsten ändert. Auch für diese Aufgabe wird von einer Kombination der psychophysischen Techniken MAFC (erzwungene Auswahl aus einer Vielzahl alternativer Möglichkeiten) und MCS (konstante Reize) Gebrauch gemacht.
Schätzen der Strahlung ϕ
Der normierte Offsetparameter β/α sollte in einem völlig abgedunkelten Raum geschätzt werden, da andernfalls die Wirkung der Strahlung ϕ aufgrund des Umgebungslichts die Ergebnisse verfälscht. Dieser Umstand kann aber auch zum Schätzen der im natürlichen Arbeitsumfeld des Bildschirms auftretenden Strahlung ϕ genutzt werden, indem man den Betrachter diesen Versuch zweimal durchführen lässt, einmal im abgedunkelten Raum, um β/α dunkel zu bestimmen, und einmal unter natürlichen Arbeitslichtbedingungen, um β/α natürlich zu bestimmen. Das Ergebnis sieht wie folgt aus:
wobei c ≅ 0,1 die Kontrastschwelle des Sehsystems des Betrachters darstellt. Lässt man diesen zusätzlichen Test aus, enthalten die Schätzungen Fehler infolge der Strahlung aufgrund des Umgebungslichts. Der zusätzliche Test kann entfallen, wenn der Betrachter den Bildschirm tatsächlich in einem abgedunkelten Raum benutzt.
Schätzen der Farbtemperatur
Eine Farbbildröhre erzeugt die drei Primärfarben mit drei Phosphoren: rot, grün und blau. Durch Mischen dieser drei Primärfarben lässt sich eine Vielzahl von Farben mit verschiedenem Ton, verschiedener Sättigung und verschiedener Helligkeit erzeugen. Physikalisch werden Farbreproduktionen gewöhnlich mit den CIE-1931-Farbwerten (X, Y, Z) spezifiziert. Die relativen Größen der α-Parameter betreffen den Farbton und aufgrund der Farbarten der Bildschirmphosphore die Farbtemperatur. Für diesen Schritt der visuellen Charakterisierung werden zusätzlich Angaben über die Farbarten der Bildschirmphosphore benötigt, da es extrem schwierig ist, diese in einem Verfahren der visuellen Charakterisierung zu erhalten. Ein schwerwiegendes Problem ist dies jedoch insofern nicht, als diese Angaben in das Programm der visuellen Charakterisierung eingegeben werden können, wenn der Betrachter das Fabrikat und Modell des verwendeten Bildschirms kennt. Das Programm der visuellen Charakterisierung kann so aufgebaut werden, dass die Daten der Farbwertanteile für alle für die jeweilige Anwendung interessanten Bildröhren zur Verfügung stehen. Der Betrachter muss dann nur noch seinen Bildschirm aus einem Menü auswählen. Da der Betrachter den Bildschirm unmittelbar vor sich hat, ist dies nicht schwierig. Ferner ist es nicht möglich, die absoluten α-Werte für Farb- oder auch nur Schwarz-Weiß-Systeme ohne psychophysische Techniken zu prüfen, deren Umfang das für diese Anwendungen vertretbare Maß übersteigt. Dagegen ist es möglich, die auf α_R, α_G, und α_B entfallenden Anteile zu schätzen.
Die Transformation der Bildröhren-Phosphorerregungen (R, G, B) in die farbmetrischen Farbwerte (X, Y, Z) wird mit einer 3 × 3-Matrix bewerkstelligt:
Hierbei ist (X_R, Y_R, Z_R) der CIE-Farbwert für den roten Phosphor, wenn nur dieser voll erregt wird, d. h. (R, G, B) = (1, 0, 0) und (X_G, Y_G, Z_G) und (X_B, Y_B, Z_B) die entsprechenden Werte für den grünen und blauen Phosphor sind. Für eine vollständige Charakterisierung einer Bildröhre für Farbproduktionen muss die Matrix A bestimmt werden.
Die Farbtransformationsmatrix A wird gewöhnlich durch Angabe von vier Paaren entsprechender Farbarten in den Farbenräumen (R, G, B) und (X, Y, Z) spezifiziert. Wenn beispielsweise (r₁, g₁, b₁) von A in (x₁, y₁, z₁), (r₂, g₂, b₂) in (x₂, y₂, z₂), (r₃, g₃, b₃) in (x₃, y₃, z₃) und (r₄, g₄, b₄) in (x₄, y₄, z₄) transformiert wird, kann A bis zu einem konstanten Faktor c bestimmt werden. Auf diese Weise wird eine absolute Schätzung von α_R, α_G, und α_B verhindert. Es lässt sich nachweisen, dass A = cVDU^–1:
Für die vier Paare entsprechender Farbarten werden gewöhnlich die Farbarten der Phosphore und die Farbart des Weißpunktes gewählt. Als Beispiel zeigt die folgende Tabelle 1 die N.T.S.C.-Farbarttransformation der Phosphor-Primärvalenzen in die CIE-XYZ-Primärvalenzen.
Tabelle 1
Die N.T.S.C.-Farbtransformationsmatrix A kann dann bestimmt werden als:
Da die Hersteller von Bildröhren die Farbwertanteile der verwendeten Phosphore gewöhnlich angeben, ist die Farbart des Weißpunktes die einzige Unbekannte. Die von Bildröhrenherstellern am häufigsten verwendeten drei Weißpunkte werden mit den zugehörigen Farbtemperaturen der CIE-Tageslichtdefinitionen angegeben: 5000 K, 6500 K und 9300 K. Ihre CIE-1931-Farbwerte (x, y) sind (0,3457, 0,3587), (0,3128, 0,3292) und (0,2831, 0,2971). Wenn die Bildröhre bekannt ist (durch Eingabe des Betrachters), kann bei bekannten Phosphoren die Matrix A für jeden möglichen Weißpunkt berechnet werden.
Für die visuelle Farbcharakterisierung von Bildschirmen ist hinsichtlich der Farbwahrnehmung des Betrachters eine Annahme erforderlich. Versuche haben gezeigt, dass für Bildröhren mit einer größten Leuchtdichte zwischen 40 und 90 cd/m² die CIE-Lichtart C mit einem Farbwert von (0,3101, 0,3162) auf einem dunklen, den Weißpunkt umgebenden Hintergrund von den meisten Betrachtern als sehr gutes neutrales Grau empfunden wird. Dieser Umstand kann bei Einsatz einer Kombination der phsychophysischen Techniken MAFC (erzwungene Auswahl aus einer Vielzahl alternativer Möglichkeiten) und MCS (konstante Reize) für die visuelle Farbcharakterisierung von Bildschirmen genutzt werden. Der Betrachter wird dabei aufgefordert, aus einer Anzahl von auf dem Bildschirm gezeigten Grauskalen das beste neutrale Grau auszuwählen.
12 zeigt ein Farbtemperatur-Prüfmuster mit 5 (nur teilweise abgebildeten) Folgen von Grauskalen 80 für die visuelle Schätzung der Farbtemperatur. Jede Grauskala 80 besteht aus 12 Scheiben 82 auf einem grauen Hintergrund 84. Die linken 5 Scheiben in jeder Grauskala sind mit 5 Primärfarbtönen des Munsell-Systems (Munsell Color System) koloriert: 5R5/14, 5Y7/12, 5G5/12, 5B7/8 und 5P7/8. Diese 5 Primärfarbtöne wurden in das Grauskalenmuster aufgenommen, um eine totale Farbangleichung an die Grauscheiben G₁–G₇ zu verhindern. Die diesen Munsell-Farbwerten zugeordneten CIE-1931-Werte (x, y) sind in Tabelle 2 aufgeführt.
Tabelle 2
Die übrigen 7 Scheiben der Grauskala stellen Grauwerte mit anderen Munsell-Werten dar: 8, 7, 6, 5, 4, 3 und 2 (von links nach rechts). Für eine größte Leuchtdichte des Bildschirms von 1,0 lauten diese Munsell-Werte 0,9, 0,7866, 0,5910, 0,4306, 0.3005, 0,1977 und 0,1200. Der graue Hintergrund 84 hat den Wert 0,16.
Jede Grauskala wird so berechnet, dass ihre Farbart der der CIE-Lichtart C entspricht, wobei angenommen wird, dass der Bildschirm bei einer bestimmten Farbart, beispielsweise 5000 K, 6500 K und 9300 K CIE-Tageslicht, Weißabgleich aufweist. Wenn die Farbarten der Bildschirmphosphore bekannt sind und der angenommene Weißabgleich stimmt, stimmt auch die Farbtransformationsmatrix A. Die Grauskala wird dann vom Betrachter als gutes neutrales Grau empfunden. Wenn der angenommene Weißabgleich nicht stimmt, stimmt auch die berechnete Matrix A nicht und in diesem Fall erscheint die Grauskala auf dem Bildschirm nicht als neutrales Grau (sondern ist im Allgemeinen entweder zu gelb oder zu blau). Infolgedessen wird nur eine der vielen gezeigten Grauskalen als gutes Grau empfunden, und zwar diejenige, die auf dem aktuellen Weißpunkt des Bildschirms basiert (d. h. die für die Berechnung der Grauskala angenommene Matrix A muss der der geprüften Bildröhre bei der jeweiligen Einstellung eigenen Matrix A entsprechen).
Vorzugsweise werden zur Implementierung 5 Grauskalen (bestehend aus einer Folge von Scheiben, die von Dunkel bis Hell reichen) auf dem Bildschirm dargestellt und unter Zugrundelegung von 5 Weißpunkten – 4062 K, 5000 K, 6500 K, 9300 K und 18000 K – so berechnet, dass ihre Farbart der Lichtart C entspricht. In 12 ist dies schwarz-weiß dargestellt. Wenn die aktuelle Einstellung des Bildschirms beispielsweise einen Farbton 5000 K ergibt, dann wird die zweite Grauskala (d. h. die auf 5000 K basierende) als die neutralste der 5 Grauskalen empfunden. Infolgedessen wird der Betrachter diese Grauskala auswählen. Aufgrund dieser Wahl gibt dann das visuelle Charakterisierungssystem die vorher berechnete Matrix A als Farbtransformationsmatrix aus. Diese Information kann dann an jedes angeschlossene Farbreproduktionssystem ausgegeben werden. Wenn der aktuelle Farbton des Bildschirms zwischen diesen geprüften Farbtemperaturen liegt, wird er mit einem Fehler kleiner als oder gleich groß wie die Hälfte der Differenz zwischen diesen 5 Temperaturen geschätzt. Für die für die vorliegende Erfindung relevanten Anwendungen reicht dieser Genauigkeitsgrad aus. Aus der Matrix A können die Anteile von L_R, L_G und L_B für den Fall V_R = V_G= V_B = 255 (für ein 8-Bit-System) bestimmt werden, weil dies der Weißpunkt für den Bildschirm ist. Die aktuellen Anteile von α_R, α_G und α_B lassen sich aus den L_R-, L_G- und L_B-Anteilen durch Lösen der Gleichung 1 nach α bestimmen.
Implementierung im Farbreproduktionssystem insgesamt
13 veranschaulicht die Implementierung des Verfahrens der visuellen Charakterisierung im Farbreproduktionssystem insgesamt. Mehrere der Komponenten des Farbreproduktionssystems werden bei der visuellen Charakterisierung benutzt, aber anders und zu anderen Zwecken als bei der Reproduktion von Farbbildern. Das Farbreproduktionssystem hat die Aufgabe, in Schritt 92 ein Bild 90 zu erfassen, was gewöhnlich eine A/D- oder Digital-Übertragung, Dekomprimierung, Umformatierung und Eingabekalibrierung beinhaltet. Das Bild 90 wird dann im Schritt 94 mit einer Farbreproduktionstransformation, die das Bild für die Wiedergabe auf einem Bildschirm aufbereitet, so transformiert, dass es im Aussehen den Wünschen eines Betrachters 98 entspricht. Diese Schritte sind in 13 oberhalb der waagerech ten gestrichelten Linie 99 dargestellt. Um der Farbe das gewünschte Aussehen zu verleihen, muss die Farbreproduktionstransformation 94 Parameter oder Daten enthalten, die das Verhalten des Bildschirms 96 modellieren. Die Erfindung betrifft die Bestimmung dieser Parameter (oder von Werten in einer Nachschlagtabelle) und ist in der Zeichnung unterhalb der waagerechten gestrichelten Linie 99, aber innerhalb des Farbreproduktionssystems 114 dargestellt. Im ersten Schritt 100 der Erfindung wird der Charakterisierungsprozess eingeleitet. Im nächsten Schritt 102 wird nach dem Bildschirmmodell für einen ersten Parameter i einer Gruppe von Parametern ein Prüfmuster erzeugt und dem Betrachter 98 zur Ansicht auf dem Bildschirm 96 ausgegeben. Der Betrachter 98 antwortet mit einer Auswahl nach vorgegebenen Kriterien und gibt diese Antwort in einem Auswahleingabeschritt 104 in das visuelle Charakterisierungssystem ein. Das Verfahren der visuellen Charakterisierung berechnet anhand dieser Eingabe aus Schritt 104 den Bildschirmparameter i im Schritt 106. Das Verfahren schaltet dann im Schritt 108 zum nächsten Parameter des Bildschirmmodells weiter. Im nächsten Schritt 110 wird geprüft, ob der vorhergehende Parameter der letzte Parameter der Parametergruppe für das Bildschirmmodell war. Ist dies nicht der Fall, wird der Ablauf mit dem nächsten Bildschirmparameter fortgesetzt. Nach Bestimmen des nächsten Bildschirmparameters in Schritt 112 wird für den neuen Parameter im Schritt 102 ein Prüfmuster erzeugt und auf dem Bildschirm 96 dargestellt. War der vorhergehende Parameter in Schritt 110 der letzte Parameter, dann wird nach dem Verfahren der visuellen Charakterisierung die Parameterliste an die Farbreproduktionstransformation 94 ausgegeben. Damit ist der Charakterisierungsprozess beendet.
Die Erfindung wurde hier anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben, bietet aber einem Fachmann mit durchschnittlichen Kenntnissen die Möglichkeit, Änderungen und Modifikationen vorzunehmen, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zum Erfassen von Merkmalen eines Bildschirms (14) mit folgenden Schritten: (a) Schaffen eines Modells des Bildschirms mit mehreren Parametern, welche die physikalische Ausgangsgröße des Bildschirms mit einem Eingangssignal in Beziehung setzen, das die Bildschirmanzeige erzeugt; (b) Einsetzen eines Modells des menschlichen Seh-Systems und Erzeugen einer Gruppe von Steuersignalen zum Herstellen von Mustern (32, 54, 60, 72, 80) auf dem Bildschirm, die es einem Betrachter ermöglichen, visuelle Auswahlkriterien anzuwenden, um spezifische Muster, die speziellen Werten der Parameter entsprechen, zu identifizieren; (c) Anlegen der Gruppe von Steuersignalen an den Bildschirm, um die Muster herzustellen; (d) Auswählen spezifischer Muster vom Bildschirm; (e) Bestimmen der Parameterwerte aus den ausgewählten Mustern; und (f) Bestimmen der Merkmale des Bildschirms durch Anwenden der Parameterwerte auf das Modell.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildschirm eine Schwarz-Weiß-Bildröhre ist und das Modell der Bildröhre wie folgt aussieht: L = (αV + β)γ + ϕwobei L die Ausgangsleuchtdichte, α den Verstärkungsfaktor, V den Codewert, β den Offset, γ den Gammawert der Bildröhre, und ϕ die Strahlung aufgrund des Umgebungslichts darstellen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bildschirm (14) eine Farbbildröhre ist und das Modell der Bildröhre wie folgt aussieht: LR = (αRVR + βR)γR + ϕR LG = (αGVG + βG)γG + ϕG LB = (αBVB + βB)γB + ϕB wobei L_R, L_G und L_B die Ausgangsleuchtdichten des roten, grünen und blauen Phosphors, α_R, α_G, und α_B die Verstärkungsfaktoren der roten grünen und blauen Kanäle, V_R, V_G und V_B die Codewerte für die roten, grünen und blauen Kanäle, β_R, β_G, und β_B die die Offsetwerte der roten grünen und blauen Kanäle, γ_R, γ_G und γ_B die Gammawerte der roten, grünen und blauen Kanäle der Bildröhre, und ϕ_R, ϕ_G und ϕ_B die roten, grünen und blauen Komponenten der Strahlung aufgrund des Umgebungslichts darstellen.
Vorrichtung zum Erfassen der Merkmale eines Bildschirms (14) mit folgenden Komponenten: (a) einer Einrichtung (12) zum Erzeugen einer Gruppe von Mustern (34, 50, 60,72, 80), die es einem Betrachter ermöglichen, visuelle Auswahlkriterien anzuwenden, um spezifische Muster zu identifizieren, die speziellen Werten von Parametern in einem Bildschirmmodell entsprechen, welche die physikalische Ausgangsgröße des Bildschirms mit einem Eingangssignal in Beziehung setzen, das die Bildschirmanzeige erzeugt; (b) einer Einrichtung (16), die es einem Betrachter ermöglicht, spezielle Muster von einem Bildschirm auszuwählen; (c) einer Einrichtung (12) zum Bestimmen der Parameterwerte aus den ausgewählten Mustern; und (d) einer Einrichtung (12) zum Bestimmen der Merkmale des Bildschirms, indem man die Werte der Parameter auf das Model anwendet.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Muster eine Reihe von gleichförmigen Graustufenscheiben (32) auf schwarzem Hintergrund (34) zum Messen des Offsets β ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dem schwarzen Hintergrund entsprechenden Graustufenscheiben (32) in dem Muster willkürlich eingestreut sind, um eine Musterextrapolation zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Muster (34) eine Reihe von Frequenzmustern (32) auf schwarzem Hintergrund ist, um den Offset β zu messen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Muster (80) eine Reihe gleichförmiger Graustufenscheiben (G₁, G₂ ...) auf grauem Hintergrund (84) zum Messen der Verstärkungsfaktoren α_R, α_G, und α_B ist
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Reihe von gleichförmigen Graustufenscheiben (G₁, G₂ ...) von einer Farbenreihe begleitet wird, um eine komplette Farbangleichung an die Graustufenfelder zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Muster eine Reihe von Mustern (54) ist, welches ein gleichmäßiges Feld (52) neben einem Hochfrequenzmuster (50) einschließt, um γ zu messen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Muster zwei rechtwinkelige Felder (60, 62) in Primärfarben der Bildröhre umfasst, die zusammen mit einer Folie (55) bekannter Dichte verwendet werden, um γ zu messen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Muster ein Rechteck (64) einer Primärfarbe der Bildröhre ist, umgeben von einem Hintergrund (66) ähnlicher Farbe, um γ zu messen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Muster eine Reihe von gleichförmigen Graustufenscheiben (32) auf einem schwarzen Hintergrund (34) ist, um den Strahlungsparameter ϕ zu messen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die dem schwarzen Hintergrund entsprechenden Graustufenscheiben (32) willkürlich in dem Muster eingestreut sind, um eine Musterextrapolation zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Muster eine Reihe von Frequenzmustern (32) auf einem schwarzen Hintergrund (34) ist, um den Strahlungsparameter ϕ zu messen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Muster Schritt für Schritt wiedergegeben werden, um dem Betrachter zu ermöglichen, die Charakterisierung des Bildschirms bei einer gewünschten Bildqualität für jeden vorgegebenen Parameter zu beenden.