DE69714169T2

DE69714169T2 - Dynamische Steuerung der Belichtung in digitalen Eingabeeinrichtungen

Info

Publication number: DE69714169T2
Application number: DE69714169T
Authority: DE
Inventors: Giordano B. Beretta
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-09-12
Publication date: 2002-11-07
Anticipated expiration: 2017-09-13
Also published as: DE69714169D1; EP0833498A3; JPH10126582A; US5901243A; EP0833498A2; EP0833498B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf digitale Eingabevorrichtungen und insbesondere auf die Belichtungssteuerung in denselben.
Obwohl die Lichtquelle bei einer digitalen Eingabevorrichtung wie beispielsweise einem Scanner mehr oder weniger konstant ist, reflektiert Papier Licht in unterschiedlichem Maße. L* ist eine kolorimetrische Größe, die gut mit der wahrgenommenen Helligkeit eines Papiers korreliert. Dieses Maß ist so skaliert, daß der perfekte reflektierende Diffusor einen Wert 100 aufweist; eine Einheit entspricht einem gerade noch wahrnehmbaren Unterschied (jnd - just noticeable difference). Die folgende Tabelle zeigt die L*-Werte für einige typische Papiere:

Mittel L*

perfekter reflektierender Diffusor 100
Papier erster Güte 97
Recycling-Kopierpapier 95
photographisches AgX-Papier 93
europäisches Recyclingpapier 87
Die Tabelle gibt an, daß der wahrgenommene Helligkeitsunterschied typischer Papiere einen Bereich von 10 jnd- Einheiten umfaßt. In einem Raum einer linearen Intensität, in dem Sensoren arbeiten, beispielsweise bei dem Reflexionsgrad Y, beträgt der Bereich von 94 für das Papier erster Güte bis 71 für das europäische Recyclingpapier.
Der bei dem ursprünglichen Bild oder Dokument vorliegende Wertebereich kann als die Tonskala bezeichnet werden. In der Regel entspricht der niedrigste Wert in der Skala schwarzer Tinte, und der höchste Wert entspricht dem Hintergrund des Papiers. Der Wertebereich, für den durch das Lampen- und Sensorsystem in einem Scanner ein eindeutiges Signal erzeugt wird, kann als sein Dynamikbereich bezeichnet werden.
Ein System ist gewöhnlich so gestaltet, daß sein Dynamikbereich ein Original enthält, bei dem sich die dunkelste Tinte auf dem hellsten Papier befindet. Aufgrund fluoreszierender Substanzen, die oft in Papier verwendet werden, kann der hellste Wert höher sein als der Wert des perfekten reflektierenden Diffusors. Dieser Dynamikbereich kann als der schlimmste Fall bezeichnet werden.
Wenn das Bild auf einem Anzeigebildschirm oder einem Drucker ausgegeben wird, wird diese Vorrichtung ebenfalls auf den schlimmsten Fall kalibriert, d. h. der hellstmögliche Wert wird verwendet, um die hellsten Pixel des schlimmsten Falles darzustellen. Bei einem System, das eine Helligkeit im Verhältnis zu dem perfekten reflektierenden Diffusor reproduziert, wird ein Bild, das von einem dunklen Hintergrund wie beispielsweise einer Photographie gescannt bzw. abgetastet wird, dadurch reproduziert, daß Tinte verwendet wird, um den Hintergrund dunkler zu gestalten (oder das Signal an einen Anzeigebildschirm wird verringert), da der Wert ohne Tinte (oder vollständiges Anzeigebildschirmsignal) für den schlimmsten Fall reserviert sein wird.
Das menschliche Sehvermögen (HVS - human visual system) nimmt bereits eine Regulierung bezüglich des Hintergrunds oder der Umgebung vor. Deshalb ist Helligkeit (d. h. Luminanz bezüglich einer Fläche, die als weiß wahrgenommen wird) bei einer Grauskala- und Farbreproduktion ein wichtigeres Wahrnehmungsattribut als Luminanz. Wenn ein Reproduktionssystem die Helligkeit des eingegebenen Papiers nicht in die Helligkeit des ausgegebenen Papiers abbildet, wird das Erscheinungsbild des Faksimile durch einen menschlichen Betrachter als minderwertig (z. B. schmierig) bewertet.
In der Patentliteratur wird die Regulierung bezüglich unterschiedlicher Papiere oder, allgemeiner gesagt, Hintergründe, manchmal als Schattierungskorrekaur bezeichnet und wird manchmal als Belichtungsverbesserung bezeichnet. Dies sollte nicht mit einer Kompensation von Sensorartefakten wie zum Beispiel Photo-Antwort-Ungleichmäßigkeit (PRNU - photo response non-uniformity) und Dunkelstrom verwechselt werden, was in der Literatur als Normierung bezeichnet wird.
Fig. 1 ist ein Flußdiagramm, das ein Verfahren des Standes der Technik zum Bearbeiten einer Abtastlinie veranschaulicht. Ein Dokument (100), das ein Bild enthält, wird gescannt (110) und daraufhin normiert (120). Vor einer Farbtransformation (140) und einer Datenkomprimierung (150) wird daraufhin eine Belichtungssteuerung (Schattierungskorrektur) durchgeführt (130). Die sich ergebenden Informationen werden daraufhin an den Abtastlinienpuffer 170 gesandt, oder es wird ein weiteres anwendungsabhängiges Bearbeiten durchgeführt (160).
Die bei vielen Desktop-Scanner-Anwendungen und digitalen Kopierern angewandte Standardlösung besteht darin, einen ersten Vorschau-Scanvorgang bei einer niedrigen Auflösung durchzuführen. Das so erhaltene Bild wird analysiert, um die Papierfarbe des Originals (oder den Hintergrundwert) und andere Parameter zu bestimmen. Die so erhaltenen Werte werden daraufhin verwendet, um die Scannersteuerungen einzustellen, wonach der abschließende Scanvorgang durchgeführt wird.
Bei Anwendungen wie beispielsweise Blattzufuhrscannern und Farbfaksimile ist es nicht möglich, einen solchen Vorschau- Scanvorgang durchzuführen. Im Fall eines Farbfaxgeräts wird das Bild insbesondere während des Scanvorgangs übertragen und gleichzeitig auf einem entfernten Gerät gedruckt, was jegliche Form eines Nachbearbeitens ausschließt.
Eine manchmal verwendete Lösung besteht darin, einen schlimmsten Fall oder einen typische Fall anzunehmen.
Falls sich die Annahme in Richtung einer hohen Helligkeit irrt, wird das gescannte Bild keinen weißen Hintergrund haben, was ein schmieriges Erscheinungsbild ergibt, die Leistungsfähigkeit von Bildkomprimierungsalgorithmen verringert und wobei mehr Tinte oder Toner verbraucht werden, wenn das Bild gedruckt wird: Wenn sich die Annahme in Richtung einer geringen Helligkeit irrt, gehen Einzelheiten in den auffallenden Details des Bildes verloren, was ein ausgewaschenes Erscheinungsbild ergibt.
Hersteller von digitalen Kopierern und Farbfaxgeräten sind diesem Problem entgegengetreten und haben diverse Lösungsansätze entwickelt. Bisherige Versuche, dieses Problem zu lösen, sind meistens auf den jeweiligen Fall bezogen. Die Nachteile von Verfahren, die durch Versuch und Irrtum erhalten werden, bestehen darin, daß sie nicht robust sind und nicht ohne weiteres angepaßt werden können, wenn sich die Technologie nicht-linear verbessert.
Man kann also sehen, daß Beschränkungen von einzelnen Scanvorgängen Eingabevorrichtungen der gegenwärtigen Technologie Belichtungssteuerungsgrenzen auferlegen und die Verwendung dieser Vorrichtungen bei vielen Anwendungen behindern.
Es besteht deshalb ein nicht erfüllter Bedarf an einem Belichtungssteuerungsmechanismus, der eine Ausrichtung einer Tonskala auf den Dynamikbereich einer digitalen Einzel- Scanvorgang-Eingabevorrichtung beträchtlich verbessert, während er Phänomene wie beispielsweise die Änderung der Antwort des Sensors aufgrund eines thermischen Effekts während langsamer Scanvorgänge kompensiert.
Bei der vorliegenden Erfindung werden statistische Verfahren verwendet, um das Reflexionsvermögen des Papiers abzuschätzen und die Tonskala auf den Dynamikbereich einer digitalen Eingabevorrichtung wie beispielsweise eines Scanners während eines einzelnen Scanvorgangs auszurichten. Die Schätzung wird während des Scanvorgangs weiter präzisiert.
Diese Austeilung erhöht die Robustheit bezüglich unvorteilhafter Originale (z. B. Originale mit einer dunklen Umrandung) und kann gleichzeitig auch solche Phänomene wie beispielsweise die Änderung der Antwort des Sensors aufgrund eines thermischen Effekts während langsamer Scanvorgänge berücksichtigen.
Bei der vorliegenden Erfindung werden keine räumlichen Informationen über das Bild gesammelt. Statt dessen wird während des Scanvorgangs ein Histogramm des Auftretens jedes Tonpegels angehäuft. Die Hintergrundfarbe des Bildes, d. h. der Tonwert des Papiers, wird durch ein Analysieren des Histogramms geschätzt. Wenn dieser Wert bekannt ist, können die Parameter für eine Tonreproduktionskurve (TRC - tone reproduction curve) berechnet werden. Die Form der TRC wird durch diese Parameter nicht geändert, d. h. die Belichtung kann unabhängig von der Tonreproduktion gesteuert werden. Dieser Vorgang wird während des Scanvorgangs von Zeit zu Zeit wiederholt, um eine Robustheit zu gewährleisten und um Abweichungen der Empfindlichkeit des Sensors zu kompensieren.
In der US-A-5 086 485 (LIN YING-WEI), 4. Februar 1992, ist eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Hintergrundpegels eines zu scannenden Bildes offenbart. Die Vorrichtung baut eine Serie von Histogrammen des Bildes auf, von denen jedes einer Linie des Bildes entspricht, analysiert jedes der Histogramme und mittelt die Ergebnisse der Analyse, um während des Scannens des Bildes einen Hintergrundpegel kontinuierlich zu aktualisieren. Die Vorrichtung kann mit einer einfachen Architektur implementiert sein, die in der Lage ist, bei hoher Geschwindigkeit zu arbeiten.
Die Erfindung wird durch die folgende ausführliche Beschreibung im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, bei denen gleiche Bezugszeichen gleiche strukturelle Elemente bezeichnen, ohne weiteres verstanden. Es zeigen:
Fig. 1 ein Flußdiagramm, das ein Verfahren des Standes der Technik zum Bearbeiten einer Abtastlinie veranschaulicht;
Fig. 2 ein Flußdiagramm, das eine Schattierungskorrektur-Belichtungssteuerung, die gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung praktiziert wird, veranschaulicht;
Fig. 3 ein Flußdiagramm, das eine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung praktizierte Histogrammsammlung veranschaulicht;
Fig. 4 ein Flußdiagramm, das eine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung praktizierte Belichtungsschätzung veranschaulicht;
Fig. 5 ein Rote-Farbe-Histogramm einer Farbphotographie, das gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gesammelt wurde;
Fig. 6 das helle Ende des Histogramms bei einem leeren Blatt eines Tintenstrahlpapiers erster Güte, das gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gesammelt wurde;
Fig. 7 eine Kennungstonabbildung, die zur Verwendung bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 8 eine Kennungstonabbildung, die zur Verwendung bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 9 eine Verstärkungstonabbildung, die zur Verwendung bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geeignet ist;
Fig. 10 eine Exponentialtonabbildung, die zur Verwendung bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geeignet ist; und
Fig. 11 eine S-Form-Tonabbildung, die zur Verwendung bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf Fig. 2-11 erörtert. Fachleute werden ohne weiteres erkennen, daß die hierin ausgeführte detaillierte Beschreibung bezüglich dieser Figuren jedoch Erläuterungszwecken dient, da sich die Erfindung über diese begrenzten Ausführungsbeispiele hinaus erstreckt.
Fig. 2 ist ein Flußdiagramm, das eine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung praktizierte Schattierungskorrektur-Belichtungssteuerung veranschaulicht. Es wird eine Linie gescannt (200). Daraufhin wird für die gescannte Linie ein Histogramm gesammelt (210), und diese Informationen werden verwendet, um ein kumulatives Histogramm 230 zu aktualisieren. Daraufhin wird ein Test 240 durchgeführt, um zu bestimmen, ob die Belichtung neu berechnet werden sollte. Falls dem so ist, wird das kumulative Histogramm 230 verwendet, um eine Belichtung zu schätzen (250), und es wird eine neue TRC (Tonantwortkurve) 270 berechnet (260). Die TRC 270 wird daraufhin angelegt (280), was eine korrigierte Abtastlinie 290 ergibt. Falls bei dem Test 240 andererseits bestimmt wird, daß eine Belichtung für diese Abtastlinie nicht neu berechnet werden soll, wird die TRC 270 einfach angelegt (280), um die korrigierte Abtastlinie 290 zu ergeben.
Fig. 3 ist ein Flußdiagramm, das eine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung praktizierte Histogrammsammlung veranschaulicht. Es wird eine Linie gescannt (300), und ein Pixelzähler wird auf Eins eingestellt (310). Ein Test 320 bestimmt daraufhin, ob das Ende der Abtastlinie erreicht wurde, d. h. ob der Pixelzähler die Linienlänge überschritten hat. Falls das Ende der Abtastlinie noch nicht erreicht wurde, wird der Tonpegel auf den gescannten Wert des Pixels eingestellt (340). Der Histogrammeintrag für den Tonpegel des Pixels wird inkrementiert (350), und der Pixelzähler wird inkrementiert (360). Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Test 320 angibt, daß das Ende der Abtastlinie erreicht wurde, wobei zu diesem Zeitpunkt die Histogrammsammlung für die Abtastlinie endet (370).
Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, das eine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung praktizierte Belichtungsschätzung veranschaulicht. Die Linie wird gescannt (400), und Daten, die der gescannten Linie zugeordnet sind, werden gezählt (410). Die Daten werden daraufhin gemittelt (420), und die durchschnittliche Abweichung wird berechnet (430). Die Belichtung kann daraufhin als der Durchschnitt minus d Male die durchschnittliche Abweichung berechnet werden (440). Daraufhin wird vor Beendigung (460) die nächste Abtastlinie bestimmt (450).
Fig. 5 veranschaulicht ein gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gesammeltes Rote-Farbe- Histogramm einer Farbphotographie. Genauer gesagt wird ein photographischer Farbdruck gescannt, und für jeden Pegel in dem 8-Bit-Rot-Kanal wird die Anzahl von Pixeln (Frequenz) bei diesem Tonpegel gezählt. Ein niedriger Tonpegelwert gibt einen dunklen Ton an, und ein hoher Tonpegelwert gibt einen hellen Ton an.
In der dunklen Region des Histogramms entspricht der erste Spitzenwert schwarzen Pixeln, beispielsweise Pixeln in einem Text, und der zweite Spitzenwert entspricht Schatten. In der hellen Region entspricht der linke Spitzenwert den auffallenden Details, und der rechte Spitzenwert entspricht dem Papierhintergrund. Der verwendete Lösungsansatz besteht darin, den Tonpegel, für die der Spitzenwert für das Papier auftritt, zu schätzen. Die Belichtungssteuerung oder Schattierungssteuerung besteht darin, eine Tonreproduktionskurve aufzubauen, die diesen Spitzenwert-Tonpegel in den Wert 255, der Weiß darstellt, abbildet. Diese Prozedur richtet die Tonskala des Bildes auf den Dynamikbereich des Scanners aus, so daß für jeden Tonpegel ein vorhersehbares und charakteristisches Signal erzeugt wird.
Der Pfeil in der vorhergehenden Figur weist auf ein häufiges Problem hin, das bei der Analog-Zu-Digital-Umwandlung auftritt, nämlich einen Kategorisierungsfehler. Die Vorrichtung wandelt den Tonpegel der Photostellen mit diesem selben Reflexionsvermögen und einer höheren Wahrscheinlichkeit in den Wert 223 um als in den Wert 224. Aufgrund dieser Nicht-Monotonie kann der Spitzenwert nicht mit lokalen Verfahren gefunden werden, d. h. durch ein Scannen des Histogramms von rechts nach links, bis ein Maximum erreicht ist. Die Kategorisierungsfehler können so schwerwiegend sein, daß ein Glätten der Daten mit diversen Verfahren wie zum Beispiel von Mittelwerten in einem sich bewegenden Fenster oder einem Durchführen von Anpassungen nach der Fenlerquadratmethode (Savitzky-Golay-Glättungsfilter) robuste Schätzungen nicht erlaubt.
Die hellen Abschnitte einer Anzahl von Bildern können durch Berechnen ihrer zentralen Momente statistisch untersucht werden. Fig. 6 veranschaulicht das helle Ende des Histogramms für ein leeres Blatt eines Tintenstrahlpapiers erster Güte, das gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gesammelt wurde. Dieses Papier ist insofern charakteristisch, als es fluoreszierende Substanzen enthält, die mit Spitzenwerten von der fluoreszierenden Lichtquelle, die bei manchen Scannern verwendet wird, in Wechselwirkung stehen. Dies erzeugt eine größere Antwort in dem Grün-Kanal und eine verringerte Antwort in dem Rot- Kanal. Aus diesem Grund kann man das Verfahren darauf begrenzen, den Rot-Kanal zu untersuchen, da eine Tonabbildung, die den Rot-Spitzenwert in 255 abbildet, auch die Grün- und Blau-Spitzenwerte in diesen Wert abbildet.
Man beachte, daß, wenn man die untere Grenze für den hellen Abschnitt des Histogramms sorgfältig wählt, die Kurven relativ symmetrisch sind. Der Mittelwert schätzt den Wert, um den herum eine zentrale Gruppierung erfolgt. Strenggenommen gilt dies lediglich für normale Verteilungen, jedoch ist der Mittelwert aufgrund des Problems der Kategorisierungsfehler ein robusterer Schätzer als der Mode oder der Medianwert. Durch Verwenden des Schätzers der höchsten Wahrscheinlichkeit kann man die nicht-normale Verteilung berücksichtigen.
Wie die Fig. 6 nahelegt, sollte man nicht nur die Stelle des Spitzenwerts schätzen, sondern auch die Variabilität der Daten um den erwarteten Wert herum, um eine vollständige Schattierungskorrektur zu erhalten. In der Praxis können das dritte (Schiefe) und vierte (Exzeß) zentrale Moment von Probe zu Probe stark variieren. Deshalb ist die Varianz (oder die Standardabweichung) kein guter Schätzer für diese Variabilität.
Die durchschnittliche Abweichung oder die mittlere absolute Abweichung liefert eine robustere Schätzung für die Variabilität der Daten. Auch in diesem Fall kann man den Schätzer der größten Wahrscheinlichkeit verwenden, um die Nicht- Normalität der Verteilung zu berücksichtigen.
Zusammenfassend gesagt kann man die Schattierungskorrektur bestimmen, indem man Histogrammdaten über die Tonpegel in dem Rot-Kanal anhäuft und daraufhin den Tonpegel des Papiers schätzt, indem man d durchschnittliche Abweichungen zu dem Mittelwert hinzufügt (um ein Hirtergrundrauschen zu vermeiden). Für ein Ausführungsbeispiel ist d = 2 eine gute Wahl, jedoch kann eine Analyse einer großen Anzahl unterschiedlicher Bilder einen anderen Wert nahelegen. Ein Schätzen des Tonpegels des Papiers bedeutet, daß dieses Verfahren unabhängig von dem Bild und der bestimmten künstlerischen Verwendung des Tonbereichs, der verwendet wird, um dasselbe auszudrücken, unabhängig ist.
Zwei Fragen müssen noch erörtert werden: wann die Analyse stattfindet und wie die Tonabbildung erzeugt wird.
Ein Aktualisieren des Histogramms für jede Abtastlinie ist rechentechnisch kostengünstig und ist eine praktikable Lösung. Aufgrund einer Papierschiefe und möglicher Ränder oder Linien in dem ursprünglichen Kunstwerk kann sich die Hintergrundfarbe am Anfang rasch verändern. Während des Großteils des Scanvorgangs wird sich der Tonpegel des Papiers jedoch nicht viel verändern, und es ist ästhetisch nicht wünschenswert, die Tonreproduktionskurve zu stark zu verändern. Aus statistischer Sicht ist es überflüssig, jedes Pixel zu untersuchen, um den Tonpegel des Papiers zu bestimmen, da ein Bild nicht aus Zufallspixeln besteht.
In vielen Fällen ist es möglich, ein einfaches Schema zu verwenden, wie beispielsweise "untersuche jedes Pixel in den ersten 20 Abtastlinien und untersuche daraufhin das Histogramm alle 100 Linien". Jedoch ist ein solches einfaches Verfahren nicht robust. Man nehme einen Moment lang an, daß das gescannte Original ein liniertes Papier ist, wobei ein Linienabstand 50 Abtastlinien entspricht. Wenn das Papier unvorteilhaft ausgerichtet ist, kann es gut sein, daß die Proben genau an den Photostellen genommen werden, die den Linien entsprechen, was zu einer fehlerhaften Belichtung führt.
Aufgrund der zuvor erwähnten thermischen Effekte erhöht sich die durchschnittliche Abweichung, wenn man die Seite nach unten scannt, so daß die Histogramme nicht identisch über die Abtastlinien verteilt sind. Dies ist vor allem bei einer Anwendung wie beispielsweise einem Farbfaksimile der Fall, bei dem die Scangeschwindigkeit durch die Kommunikationsliniengeschwindigkeit begrenzt ist.
Zunächst kann diese zunehmende durchschnittliche Abweichung als ein Problem erscheinen, dem ist aber nicht so. Wie zuvor erwähnt wurde, werden zunächst d durchschnittliche Abweichungen zu dem Mittelwert hinzuaddiert, dadurch wird das Maximum aus dem Dynamikbereich "hinausgeschoben", um einen Hintergrund zu vermeiden.
Ferner wird lediglich der helle Abschnitt des Histogramms untersucht, um ein Versagen im Fall von Originalen mit einer Umrandung oder bei anderen künstlerischen Verwendungen des Tonbereichs in dem. Bild oder Dokument zu vermeiden.
Überdies kann man annehmen, daß ein Bild oder eine Grafik niemals aus dem Bildrand hinaus verläuft. Dies ist eine berechtigte Annahme, da die Statistik an dem kumulativen Histogramm berechnet wird und lediglich der helle Abschnitt untersucht wird.
Man kann ferner annehmen, daß der Hintergrund kein Gefälle mit zunehmender Dunkelheit ist. In dem seltenen Fall, in dem ein Original ein Gefälle mit einer zunehmenden Dunkelheit aufweist, kann eine Manuelle-Übersteuerung-Taste an der Maschine verwendet werden, um zu einem herkömmlichen Lösungsansatz zurückzukehren. Alternativ kann das Original einfach um 180 Grad gedreht werden, so daß der Hintergrund ein Gefälle mit abnehmender Dunkelheit aufweist, und daraufhin gescannt oder erneut gescannt werden.
Somit kann man der Vereinfachung halber annehmen, daß die statistischen Eigenschaften der Schwankung der Helligkeit des Hintergrundes entlang einem Abtastvorgang nahezu konstant sind. Folglich kann man die Schwankung der Helligkeit des Hintergrunds als einen stationären stochastischen Prozeß ansehen.
Bei dieser Verwendung bedeutet stationär, daß die probabilistische Struktur verschiedener Abschnitte des gescannten Dokuments dieselbe ist. Somit ist die Wahrscheinlichkeitsverteilung des Reflexionsvermögens des Hintergrunds an allen Abtastlinien dieselbe, und die Verbundwahrscheinlichkeit des Reflexionsvermögens des Hintergrunds für Paare von Abtastlinien, die einen Abstand h auseinanderliegen, ist immer dieselbe, und so weiter. Mehr Einzelheiten bezüglich eines stationären stochastischen Prozesses findet man beispielsweise bei "D. R. Cox and H. D. Miller: The Theory of Stochastic Processes, Chapman and Hall, London, 1965".
Dies ist eine angemessene Näherung für den einfachen Zweck, lediglich zu bestimmen, welche bestimmten Abtastlinien zu verwenden sind, um die Belichtung (d. h. den Tonpegel des Papiers) neu zu bewerten.
Da der Prozeß stationär ist, sind die Ankunftszeiten exponentiell verteilt. Wenn man die zuvor erwähnte Erfahrung (d. h. Zuführen von Papierschiefe und -abgleiten) nutzte, wurden für ein Ausführungsbeispiel angemessene Ergebnisse erzielt, wobei der Parameter der Exponentialverteilung für die ersten 20 Abtastlinien auf 2 eingestellt wurde und der Parameter der nachfolgenden Abtastlinien auf 50 eingestellt wurde. Für alternative Ausführungsbeispiele können selbstverständlich andere Parameter verwendet werden.
Ein Programm zum Erzeugen der Pseudozufallszahlen, die für diesen Lösungsansatz erforderlich sind, ist leicht zu implementieren. Die allgemeinen Verfahren werden ausführlich bei "Donald E. Knuth: The Art of Computer Programming, Vol. 2/Seminumerical Algorithms, Addison-Wesley, Menlo Park, 1969" erörtert. Die Robustheit wird bei "Giordano Beretta: Ein guter Zufallszahlengenerator, Output, 1111, Goldach (Schweiz), 1978" erörtert. Eine einfache, aber zuverlässige Vorgehensweise ist auch bei "William H. Dress et al., Numerical Recipes in C, The Art of Scientific Computing, 2nd edition, Cambridge University Press, 1992w zu finden.
Für einen Lösungsansatz wird eine Tabelle erstellt, die jede mögliche erzeugte Zufallszahl auf eine bestimmte, auszuwertende Abtastlinie abbildet. Daraufhin wird eine Sequenz von Zufallszahlen erzeugt, und die zugeordneten Abtastlinien werden ausgewertet. Beispielsweise kann die Startparameterzahl für eine Sequenz durch eine Auswahl aus den Tabellen bei "The Rand Corporation, A Million Digits with 100,000 Normal Deviates, Free Press, Glencoe, 1955" gewählt werden.
Es hätte ein anderer Pseudozufallszahlengenerator für exponentiell verteilte Zahlen verwendet werden können, und es hätte eine andere Startparameterzahl verwendet werden können. Jeder bzw. jede würde einen anderen, jedoch statistisch äquivalenten Satz ergeben.
Es ist wichtig, anzumerken, daß die erstellte Tabelle für ein Ausführungsbeispiel feststehend ist und daß jede Seite den Index auf das erste Element neu einstellen wird. Dies stellt sicher, daß, wenn eine Seite neu gescannt wird, das Ergebnis dasselbe ist, wenn die Seitenposition in dem Mechanismus dieselbe ist.
Damit die statistische Theorie bei dieser Anwendung korrekt ist, muß man lediglich eine einzige Tabelle erstellen. In der Regel möchte man lediglich die korrekte Belichtung für jede einzelne Seite schätzen. Alternativ dazu könnte man beispielsweise für jeden Abtastvorgang eine neue Tabelle erstellen, um eine Statistik über mehrere Seiten hinweg zu berechnen.
Wie am Anfang festgestellt wurde, besteht der Zweck des Dynamische-Belichtung-Steuerungsmechanismus darin, die Skala des ursprünglichen Bildes auf den Dynamikbereich des Scannersystems auszurichten. Das Erscheinungsbild eines Bildes hängt von der Form der Tonreproduktionskurve (TRC) ab. Unser Verfahren ermöglicht es, die Parameter für eine "gute" TRC einzustellen.
Es gibt viele Tonreproduktionskurven-Ausgestaltungen, die zur Verwendung bei dem vorliegenden Lösungsansatz geeignet sind. Fig. 7-11 veranschaulichen TRCs, die zur Verwendung bei einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geeignet sind. Seit Leonardo da Vincis Chiaroscuro wurden viele TRC-Ausgestaltungsverfahren in der Literatur beschrieben. Es folgt eine kurze Erörterung einiger praktischer Überlegungen, die mit der Auswahl einer TRC zusammenhängen.
Da sich die Tonreproduktion auf das Erscheinungsbild von Bildern bezieht, werden Tonreproduktionskurven in einem der Wahrnehmung nach linearen Raum statt in einem Raum, der von der Intensität her linear ist, erörtert. Beispiele von Räumen, die von der Intensität her linear sind, sind die Rot-, Grün- und Blau-Kanäle von Scannern und Anzeigebildschirmen. Beispiele von der Wahrnehmung nach ungefähr linearen Räumen sind die optische Dichte und L*.
Fig. 7 zeigt die Kennungstonabbildung, bei der die Tonpegel unverändert belassen sind. Fig. 8 zeigt eine Tonkorrektur durch einen Versatz, bei der zu den Tonpegeln ein feststehender Wert hinzugefügt wird, so daß alle Pegel, die höher sind als der Belichtungspegel (d. h. der Pegel des Hintergrundes) in den maximalen Wert abgebildet werden. Die Neigung der Kurve ist unverändert, was bedeutet, daß der Makrokontrast oder offensichtliche Kontrast des Bildes nicht verändert ist. Um den schwarzen Abschnitt des Bildes (z. B. des Textes in einem Dokument) schwarz zu halten, muß an einem Schwellwert ein Knick eingebracht werden, damit der dunkelste Abschnitt des Bildes dunkel bleibt.
Der Nachteil einer solchen Kurve der Fig. 8 besteht darin, daß die dunklen Abschnitte des Bildes einen geringeren Kontrast aufweisen, so daß sie bezüglich des Rests des Bildes überbetont sind, was bei einem Papierausdruck das Erscheinungsbild einer schlechten Tintenversorgung ergibt.
Dieses Problem kann gelöst werden, indem man statt eines Versatzes eine Verstärkung verwendet, um den Hintergrundpegel aus dem Dynamikbereich "hinauszuschieben", wie in Fig. 9 gezeigt ist. Zunächst mag dieses Verfahren als unangebracht erscheinen, da der offensichtliche Kontrast des Bildes geändert wird. In der Praxis liefert dieses Verfahren jedoch akzeptable Ergebnisse, da der erhöhte Kontrast die durch Streulicht in dem Scanner, Drucker und/oder Anzeigebildschirm verursachte. Kontrastverringerung kompensiert.
Fig. 10 zeigt Eschbachs Verfahren, bei dem eine Exponentialkorrektur angewendet wird. Obwohl das Erscheinungsbild des Bildes gegenüber der Verwendung der TRC der Fig. 7 verbessert ist, weist diese TRC die unerwünschte Eigenschaft auf, daß der lineare Anteil der Tonwerte in dem Bild zerstört wird, wodurch sich der Ausdruck des Bildes ändert.
Bartleson und Breneman der Eastman Kodak Company führten ausgedehnte Studien über den offensichtlichen Kontrast bei Schwarz/Weiß-Reproduktionen durch. Eine umfassende Übersicht über das Thema ist in Kapitel 5 "Tone Reproduction and Color Balance" bei J. A. C. Yule: Principles of Color Reproduction, Wiley and Sons, New York, 1ß67" zu finden, und eine jüngere Darstellung erscheint bei R. W. G. Hunt: "The Reproduction of Colour in Photography, Printing and Television, 4th edition, Fountain Press, Tolworth, 1987".
Im wesentlichen ist die TRC in drei Regionen unterteilt. Sie werden als Zeh, der schwarzen Werten entspricht, die Schulter, die hellen Werten entspricht, und als die Mitteltöne bezeichnet, wo sich in der Regel die meisten der Bildinformationen in einem Bild befinden. Fig. 11 zeigt eine typische S-Form-TRC. Die S-Form weist folgende Eigenschaften auf.
Erstens ist der Zeh ausgelegt, um den Schattenabschnitt des Bildes abzudecken. Die geringe Neigung hält dunkle Farben dunkel. Dies stellt beispielsweise sicher, daß der schwarze Text in Dokumenten schwarz bleibt und ohne weiteres beispielsweise durch eine Optische-Zeichenerkennung-Stufe (OCR-Stufe) in dem Empfangssystem bearbeitet werden kann, da die Ränder schärfer bleiben.
Zweitens wird die Mitteltonregion gerade gehalten, so daß die Reproduktion dieser wichtigen Tonwerte linear ist. Die Neigung der Kurve wird als Gamma bezeichnet, was nicht mit dem Gamma zu verwechseln ist, das verwendet wird, um den Exponenten bei einer Exponential-TRC zu benennen. Der Wert von Gamma ist so gewählt, daß er das Streulicht in dem System und die offensichtliche Kontrastverringerung, die durch die Betrachtungsbedingungen herbeigeführt wird, kompensiert.
Drittens ist die Schulter abgeschrägt, so daß die Variabilität des Tonpegels des Hintergrundes gesteuert werden kann, während in den auffallenden Einzelheiten des Bildes ein gewisses Detail bewahrt werden kann.
Das Dynamische-Belichtung-Steuerverfahren entkoppelt die Ausgestaltung der TRC von den tatsächlichen Daten, die ein Bild darstellen. Die Analyse bezüglich der Daten wird verwendet, um die Parameter für eine TRC zu bestimmen, die für eine optimale Systemleistungsfähigkeit ausgelegt ist. Beispiele der Parameter sind die Position und Krümmung des Zehs und der Schultern der TRC.
Um sicherzustellen, daß sich die Parameter während des Scanvorgangs nur langsam ändern, werden die neuen, weiter präzisierten Werte, die auf dem größeren Abschnitt des Bildes basieren, jedesmal, wenn die Parameter geändert werden, mit den vorhergehenden Parameterwerten gemittelt. Dies erhöht die Robustheit des Verfahrens.
Der statistische Lösungsansatz weist den. Vorteil auf, daß, statt die auf ein Bild bezogenen Signale zu untersuchen, statistische Verfahren verwendet werden, um den Tonpegel des Papiers oder eines anderen Hintergrundes, der das Substrat darstellt, das ein Bild oder Dokument trägt, zu schätzen. Dies entkoppelt die Tonreproduktionscharakteristik von der Belichtungssteuerung, die notwendig ist, um die Tonbandbreite des Bildes in den Dynamikbereich des Scanners, der für eine Situation des schlimmsten Falles ausgelegt ist, abzubilden.
Das statistische Verfahren ist inkremental, da die statistischen Daten während des Scanvorgangs gesammelt werden. Während der Scanvorgang fortschreitet, wird die Schätzung auf der Grundlage der erhöhten Datenmenge, die aus dem akkumulierten Histogramm zur Verfügung steht, weiter präzisiert.
Die vielen Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der schriftlichen Beschreibung offensichtlich, und somit ist durch die beigefügten Patentansprüche beabsichtigt, alle derartigen Merkmale und Vorteile der Erfindung abzudecken. Da sich Fachleuten ohne weiteres zahlreiche Modifikationen und Änderungen erschließen werden, wird nicht gewünscht, die Erfindung auf den genauen Aufbau und die genau Betriebsweise, die veranschaulicht und beschrieben sind, zu begrenzen. Daher kann auf alle geeigneten Modifikationen und Äquivalente als in den Schutzbereich der Erfindung fallend zurückgegriffen werden.

Claims

1. Ein Belichtungssteuerverfahren für eine digitale Eingabevorrichtung, das folgende Schritte aufweist:

Sammeln eines Histogramms (210) für eine abgetastete Linie (200) auf einem Medium;

Aktualisieren eines kumulativen Histogramms (230) auf der Basis des für die abgetastete Linie gesammelten Histogramms; und

Verwenden des für die abgetastete Linie gesammelten Histogramms, um das Reflexionsvermögen des Mediums (250) zu schätzen;

wobei das für die abgetastete Linie gesammelte Histogramm (230) verwendet wird, um das Reflexionsvermögen des Mediums indirekt zu schätzen, indem eine auf dem aktualisierten kumulativen Histogramm (230) basierende Schätzung überarbeitet wird, und um dadurch eine geschätzte Tonskala des Mediums auf den Dynamikbereich der digitalen Eingabevorrichtung auszurichten, um während eines einzelnen Scanvorgangs eine Tonantwortkurve (260) zu erzeugen; und

wobei der Schritt des Schätzens des Reflexionsvermögens (250) des Mediums ein Bestimmen eines durchschnittlichen Tonwerts (420) in dem kumulativen Histogramm (230) umfaßt.

2. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Schätzens des Reflexionsvermögens (250) des Mediums ein Bestimmen eines durchschnittlichen Tonabweichungswerts (430) in dem kumulativen Histogramm (230) umfaßt.

3. Das Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem der Schritt des Schätzens des Reflexionsvermögens (250) des Mediums für vorbestimmte abgetastete Linien durchgeführt wird.

4. Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-3, bei dem der Schritt des Schätzens des Reflexionsvermögens (250) des Mediums für zufällig bestimmte abgetastete Linien durchgeführt wird.

5. Das Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Schritt des Schätzens des Reflexionsvermögens des Mediums ein Bestimmen eines durchschnittlichen Tonwerts (420) für einen bestimmten Farbkanal in dem kumulativen Histogramm (230) umfaßt.

6. Das Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der durchschnittliche Tonwert ein durchschnittlicher Tonabweichungswert (430) ist.

7. Eine Belichtungssteuervorrichtung für eine digitale Eingabevorrichtung, wobei die Vorrichtung das in einem der vorhergehenden Ansprüche dargelegte Verfahren verwendet.