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TECHNISCHES
GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung bezieht sich allgemein
auf die Farbdisposition in elektronischen Bilderzeugungssystemen
und insbesondere auf Farbumsetzsysteme und Verfahren, durch die
eine Kompression von Farbengamut und Farbton erlangt werden kann.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein Hauptanliegen bei elektronischen
Bilderzeugungssystemen besteht darin, Farbe und Farbton eines digitalen
Bildes so zur Verfügung
zu stellen, daß sie
im wesentlichen gleichförmig über all
die Elemente verteilt erscheinen, obgleich jedes Element gewöhnlich eine
andere Fähigkeit
besitzt, den Farbton und den Farbengamut des Originalgegenstandes wiederzugeben.
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Es ist bekannt, daß die elektronische
Bilderzeugung die willkürliche
Umsetzung des Wertes eines jeden Pixels in irgendeine Farbe ermöglicht,
wobei Grenzen gesetzt sind nur durch die Metamerie des Detektors
und den Farbengamut des Druck/Medien-Displays. Auf den ersten Blick
möchte
man meinen, daß diese
Freiheit benutzt werden kann, um exakt die Farbe des Originalgegenstandes
im fertigen Bild zu reproduzieren. Jedoch ist dies selbst bei Szenen,
bei denen die Beleuchtung gut gesteuert wird (Fernsehstudio) nicht
möglich,
weil die Szene Farben enthalten kann, die außerhalb des Farbengamut des Reproduktionsmediums
oder der Wiedergabevorrichtung, beispielsweise eines Farbmonitors,
liegen. Im typischen Falle können
photographische Szenen oder natürliche
Gegenstände
charakterisiert werden durch eine komplexe Beleuchtung von reflektierenden
Oberflächen.
Beispielsweise kann ein grünes Blatt
mit einer gegebenen spektralen Reflexionsfähigkeit in voller Sonne, in
diffus reflektiertem Sonnenlicht oder im vollen Schatten beleuchtet
werden. Das Problem, wie eine colorimetrische Beschreibung des Blattes
unter diesen komplexen Beleuchtungssituationen erfolgen kann, ist
nicht einfach zu definieren. Dies ist jedoch nur ein Beispiel einer
dynamischen Bereichsfehlanpassung zwischen der ursprünglichen Szene
und dem Reproduktionsmedium. Eine optimale Bildreproduktion erfordert
die Entwicklung eines Algorthmus, um eine Farbtonkompression zwischen der
Außenweltszene
und dem Reproduktionsmedium zu bewirken oder anders ausgedrückt, muß ein optimales
Farbbildsystem das visuelle Erscheinungsbild eines ursprünglichen
Bildes und jenes des reproduzierten Bildes in jedem Stadium der
Bildverarbeitungskette anpassen, unabhängig davon, ob dies eine Abtastung,
ein Display oder eine Hardcopy ist.
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Das Dokument WO-A-92/06557 zeigt
ein Bildverarbeitungssystem, welches Bildtransformationen bewirkt.
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Um das angegebene Ziel zu erreichen,
hat die Fachwelt Projekte, wie beispielsweise eine Histogramm-Normalisierung
und Histogramm-Angleichung sowie weitere Systeme, vorgeschlagen.
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Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende
Philosophie beruht auf der Erkenntnis, daß ein erfolgreiches System
und ein Algorithmus für
eine Farbengamut- und Farbtonkompression auf der Erfahrung basieren
kann, die sich in den 150 Jahren der photographischen Technologie
angesammelt hat. Eine fundamentale Charakteristik photographischer Bildsysteme
ist die Gradationskurve (H&D-Kurve), die
die Dichtereproduktion beschreibt. Die Gestalt dieser Kurve wurde
durch subjektive Prüfung
in der Marktlage bestimmt, um eine angenehme Reproduktion der relativen
Helligkeit in einem weiten Bereich von Abbildungen zu erreichen.
Unter Basierung auf einen Dichtekompressions-Algorithmus der Form dieser
Kurventypen gelangt man zu einer besten Bildreproduktion.
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Sämtliche
photographischen Systeme führen
zu Farbreproduktionsfehlern, z. B. Doppelbildeffekten, und elektronische
Bilderzeugungssysteme sind nicht mit diesen Fehlern behaftet und
dennoch ist es das Hauptziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Farbengamut- und Farbtonkompression zu schaffen, das eine colorimetrische
Reproduktion mit einer "filmartigen" Farbtonreproduktion
liefert.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht
darin, eine Farbumsetzfunktion zu schaffen, die die Charakteristiken
eines "idealen Filmmodells" nachahmt in der
Erkenntnis, daß dies
am ehesten als elektronisches Bilderzeugungssystem realisiert werden
kann.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich
aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Ein elektronisches Bilderzeugungssystem und
ein Verfahren zur Farbdisposition, welches eine große Vielfalt
komplexer Szenen umfaßt,
wird durch die Konstruktion eines "idealen Filmmodells" verwirklicht. Diese Konstruktion ist
ein "filmartiges" Modell in dem Sinne,
daß die
Funktionalität
eines Film/Kamera-Systems gespiegelt wird: Aufnahme eines Bildes der
Außenweltszene
und Übertragung
auf ein Displaymedium. Das ideale Filmmodell, welches in dieser
Erfindung beschrieben ist, wird durch einen "filmartigen" Farbtonkompressions-Algorithmus charakterisiert,
wobei die exakten colorimetrischen Reproduktionen in der Bildaufnahme
und der Bildwiedergabe erhalten bleiben. Die Notwendigkeit eines
Farbtonkompressions-Algorithmus
wird deutlich durch Betrachtung der dynamischen Bereichs-Unverträglichkeit
typischer komplexer photographischer Szenen mit Reproduktionsmedien
und/oder Displays. Die Form der Farbtonkompressions-Algorithmen für Reflexionsbilder
wird aus der Farbtonreproduktionskurve (H&D-Kurve)
herkömmlicher
photographischer (Farb)Reflexionsbilder abgenommen. Die spektrale Empfindlichkeit
des idealen Filmmodells hält
eine exakte colorimetrische Reproduktion aufrecht, d. h. die spektralen
Empfindlichkeiten werden als lineare Kombination von Farbanpaßfunktionen
angenommen. Die Farbtonkompression wird im Hinblick darauf vorgenommen,
daß eine
colorimetrische Neutralität
geliefert wird. Eine Folge der Farbtonkompression ist ein natürliches
Verfahren der Farbbereichskompression auf dem Displaymedium, wodurch
die Farben in den Spitzlichtern und den Schatten nicht gesättigt sind.
Das resultierende, im Farbton komprimierte Bild wird dann als Endbeschreibung
für das Display
betrachtet, d. h. es geht keine Information im Displayverfahren
verloren, und es wird keine Information verzerrt.
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Unter den Anwendungen des "idealen Filmmodells", welches in der
Erfindung diskutiert wird, befindet die Nützlichkeit des Modells bei
der Herstellung von Reproduktionen für wirkliche und simulierte
Bilderzeugungssysteme.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird insbesondere im
Hinblick auf die beiliegenden Ansprüche dargestellt. Die genannten
Vorteile und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
folgenden Beschreibung in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung.
In der Zeichnung zeigen:
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1 ist
ein Diagramm eines Bildaufnahme- und Wiedergabesystems mit einem
Bildverarbeitungssystem gemäß der Erfindung;
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2 ist
ein funktionelles Blockdiagramm des Bildverarbeitungssystems, welches
einen Teil des Bildaufnahme- und Wiedergabesystems nach 1 bildet;
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3 ist
eine graphische Darstellung der Frequenzverteilung der Außenwelt-Leuchtdichte einer
digitalen Bildbibliothek voraussichtlicher Außenweltszenen;
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4 ist
eine graphische Darstellung der Idealfilm-Farbtonkompressions-Kurve nach der Erfindung;
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5 ist
eine graphische Darstellung der chromatischen Reproduktion als Funktion
der Leuchtdichte für
eine Idealfilm-Farbtonkompressions-Kurve gemäß der Erfindung;
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6a und 6b sind Farbraumdiagramme
für Außenweltfarben;
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6c und 6d sind Bild-Farbraumdiagramme,
die zeigen, wie der Außenweltfarbraum
gemäß 6a und 6b in Verbindung mit der Erfindung komprimiert
wurde;
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7a und 7b sind graphische Darstellungen,
welche die Farbreproduktion von VPS zeigen in bezug auf den idealen
Film nach der Erfindung;
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7c und 7d sind graphische Darstellungen,
die die Farbreproduktion eines weiteren bekannten Films, bezogen
auf den idealen Film, darstellen;
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7e und 7bf sind graphische Darstellungen,
die die Farbreproduktion des Polaroid-Spectra-Films (Markenname)
unter Bezug auf den idealen Film zeigen.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 ist
ein Diagramm eines Bildaufnahme- und Wiedergabesystems 2,
welches ein Ausführungsbeispiel
eines Bildverarbeitungssystems 10 umfaßt (weiter unten in 2 beschrieben), welches gemäß der Erfindung
ausgebildet ist. Gemäß 1 umfaßt das Bildaufnahme- und Wiedergabesystem 2 in
einem Ausführungsbeispiel
einen Computer 3, eine oder mehrere Bildaufnahmevorrichtungen,
die durch eine Kamera 4A repräsentiert sind und einen Dokumentenscanner
oder Flachbettscanner 4B (der allgemein durch das Bezugszeichen 4 angedeutet ist),
um ein Bild aufzunehmen und dieses in digitale Bilddaten umzuwandeln.
Außerdem
ist eine oder es sind mehrere Bildwiedergabe-Vorrichtungen vorgesehen,
die durch einen Drucker 5A und einen Videoausgang 5B repräsentiert
sind (allgemein durch das Bezugszeichen 5 identifiziert),
um ein Wiedergabebild zu erzeugen. Der Computer 3, der
gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein Allzweck-Speicherprogramm-Digital-Computer
ist, der ein Bildverarbeitungssystem 10 umfaßt, empfängt die
digitalen Bilddaten und verarbeitet diese wie unten in Verbindung
mit 2 und den übrigen Figuren beschrieben,
um beispielsweise auf einem Display oder einer Bildwiedergabe-Vorrichtung
einen Ausgang zu erzeugen.
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Wie üblich, weist der Computer 3 ein
Prozessormodul 6 und Interface-Elemente auf, die Eingangskomponenten,
beispielsweise eine Tastatur 7A und/oder eine Maus 7B (allgemein
durch das Bezugszeichen 7 repräsentiert) und Ausgangselemente,
beispielsweise eine Video-Wiedergabevorrichtung 8, auf.
Das Prozessormodul 6 weist beispielsweise einen Prozessor,
einen Speicher und Massenspeicher-Vorrichtungen, beispielsweise Disk-Speicherelemente
und/oder Band-Speicherelemente
auf (nicht getrennt dargestellt), die eine Verarbeitung und eine
Speicherung der Operationen in Verbindung mit den Digitaldaten bewirken.
Wenn der Computer 3 als Bildverarbeitungssystem 10 arbeitet,
dann behandelt dieser gewisse Programme, die es ermöglichen,
gewählte
Bildverarbeitungsoperationen durchzuführen, wie dies in Verbindung
mit den 2 bis 7 beschrieben ist, um digitale
Bilddaten zu verarbeiten. Die Eingangselemente 7 sind vorgesehen,
um es einem Benutzer zu ermöglichen,
Informationen zur Verarbeitung einzugeben, einschließlich Informationen
zur Steuerung der Bildverarbeitungsvorgänge. Die Video-Displayvorrichtung 8 ist
vorgesehen, um eine Ausgangsinformation für den Benutzer zu liefern,
beispielsweise eine Information, die gewisse Selektionen identifiziert,
die der Benutzer in Verbindung mit der Verarbeitung der Bilddaten durchführen kann. Obgleich
der Computer 3 gemäß der Darstellung spezielle
Komponenten umfaßt,
beispielsweise die Tastatur und die Maus zur Eingabe von Informationen durch
den Benutzer und eine Video-Displayeinrichtung, um eine Ausgangsinformation
dem Benutzer darzustellen, so kann das Computersystem 3 auch eine
Vielzahl von Komponenten zusätzlich
oder anstelle der in 1 dargestellten
Vorrichtungen aufweisen.
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Zusätzlich zu dem Bildverarbeitungssystem 10 kann
der Computer 3 auch ein konventionelles Computer-Graphik-System
umfassen, um ein Bild in Form eines digitalen Datenbildes zu erzeugen
und zu editieren. Digitale Bilddaten, die durch die Computer-Graphik-Systeme
erzeugt werden, können
in Verbindung mit dem Bildverarbeitungssystem 10 verarbeitet
werden. Außerdem
können
verarbeitete digitale Bilddaten, die durch das Bildverarbeitungssystem 10 erzeugt
werden, dem Computer-Graphik-System zur Edition zugeführt werden.
In Verbindung mit dem Graphik-System des Computers kann der Computer 3 gewisse
Computer-Graphik-Programme
verarbeiten, die es dem Benutzer ermöglichen, die Benutzer-Eingabe-Komponenten 7 so
zu benutzen, daß die
Erzeugung eines Bildes gesteuert wird. Im typischen Fall benutzt
der Computer 3 die Video-Displayvorrichtung 8,
um das Bild dem Benutzer darzustellen, wenn dieses erzeugt wird.
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Obgleich ein Ausführungsbeispiel des Bildverarbeitungssystems 10 als
ein solches bezeichnet wurde, das Elemente eines Allzweck-Speicherprogramm-Computers 3 umfaßt, ist
es für
den Fachmann klar, daß das
Bildverarbeitungssystem 10 stattdessen eine Spezialzweck-Hardware
und/oder Programmkomponenten oder eine Kombination eines Computers 3 mit
Spezialzweck-Hardware und/oder Programmkomponenten umfassen kann.
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2 ist
ein funktionelles Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Bildverarbeitungssystems 10.
Gemäß 2 umfaßt das Bildverarbeitungssystem 10 Bilddaten,
die ein Bild einer Bilddatenquelle 11 definieren, wobei
dieses Bild wie unten beschrieben verarbeitet wird, worauf die verarbeiteten
Bilddaten einem Wiedergabeelement 12 zugeführt werden. Die
Bilddatenquelle 11 kann Bilddaten von einer Bildaufnahmevorrichtung 4 oder
von einer Bilderzeugungsanordnung, beispielsweise einem Computer-Graphik-System
wie oben beschrieben, umfassen. In jedem Falle werden die digitalen
Bilddaten dem Bildverarbeitungssystem 10 über einen
Puffer oder eine andere Bilddatenquellen-Auswahlanordnung zugeführt. Gemäß einem
speziellen Ausführungsbeispiel,
bei dem das Bildverarbeitungssystem
10 Bilddaten in digitaler
Form umfaßt,
liefert die Bildaufnahmevorrichtung oder eine andere Bilddatenquelle
die Bilddaten in digitaler Form, wobei das Bild durch ein vieldimensionales
Feld von Bildelementen oder "Pixeln" repräsentiert
wird, wobei jedes Pixel einem entsprechenden Punkt des Bildes zugeordnet ist.
Jedes Pixel wird durch digitale Daten repräsentiert, die beispielsweise
die Farbe und Intensität
der den Pixeln entsprechenden Punkte des Bildes definieren. Wie üblich, können die
digitalen Daten, die jedem Pixel zugeordnet sind, in einem "RGB" (Rot-Grün-Blau)-Feld oder einem ähnlichen
Format vorliegen, wobei die Daten, die jedem Pixel zugeordnet sind,
die Intensität
der Farben Rot, Grün
und Blau der Pixel identifizieren. Andere herkömmliche Formate zur Repräsentation
digitaler Bilddaten sind bekannt und liegen innerhalb der Lehren
vorliegender Erfindung.
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Das Wiedergabeelement 12 gemäß 2 kann irgendeines aus einer
Zahl von Typen von Elementen oder Einrichtungen sein, die die verarbeiteten
Bilddaten benutzen, welche durch das Bildverarbeitungssystem 10 in
der weiter unten beschriebenen Weise erzeugt wurden. Als Beispiele
von Wiedergabeeinrichtungen kommen beispielsweise Computer-Graphik-Systeme,
z. B. solche in Betracht, die vorstehend in Verbindung mit 1 beschrieben wurden, mit
denen ein Benutzer interaktiv ein Bild editieren kann, das durch
die verarbeiteten Bilddaten repräsentiert
wird. Andere stromabwärtige
Wiedergabeelemente 12 können
beispielsweise Tintenstrahldrucker oder Laserdrucker sein, um einen
Hardcopy-Ausdruck des Bildes zu liefern, das durch die verarbeiteten
Bilddaten repräsentiert
wird. Außerdem können diese
Systeme zur Erzeugung von Farbauszügen sein zur Benutzung in Druckanlagen oder
dergleichen, oder es können
auch Vorrichtungen sein, die lediglich die verarbeiteten Bilddaten
für spätere Benutzung
puffern oder speichern.
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Wie oben erwähnt, besteht der Hauptzweck des
Systems 10 darin, Mittel zu schaffen, durch die das visuelle
Erscheinungsbild in Abhängigkeit
von Bildsignalen, z. B. von Rot-Grün-Blau-Signalen, so gestaltet
werden kann, daß eine
Anpassung an den Originalgegenstand erfolgen kann, so daß das Originalbild
im wesentlichen das gleiche ist, wenn es bei jedem Schritt der Bildkette
reproduziert wird, beispielsweise mittels eines Scanners, eines
Displays oder einer Ausgabe-Hardcopy.
Die Farbbereich- und Dichtereproduktions-Fähigkeiten jeder Vorrichtung
in einer typischen Bildverarbeitungskette, beispielsweise jener
des Systems 2 gemäß 1, sind nicht typisch unterschiedlich
und erfordern eine Farb- und Dichte-Umsetzung zwischen allen von
ihnen, um eine Konsistenz der visuellen Erscheinung zu gewährleisten.
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Unter Bezugnahme auf 2 kann jedes Bilderzeugungssystem durch
drei funktionelle Untersysteme repräsentiert werden:
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AUFNAHME
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Die Aufnahme von Licht (Aufnahmemenge) hängt von
der Spektralempfindlichkeit der Detektoren ab. Zur Vereinfachung
umfassen wir irgendwelche linearen Transformationen des aufgenommenen
Signals in einem solchen Untersystem – d. h. die Matrixtransformation
der Wiedergabe in X, Y, Z.
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VERARBEITUNG
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Jede eigene nicht-lineare Transformation des
empfangenen Signals.
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WIEDERGABE
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Die Steuerung von drei Bilderzeugungs-Primärfarben
zur Erzeugung eines sichtbaren Bildes der verarbeiteten Originalszene
auf einer gegebenen Displayanordnung – d. h. die Vorschrift der
Darstellung der erforderlichen X',
Y', Z'.
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Wenn das AUFNAHME-System auf drei
Detektoren mit Empfindlichkeiten einer langen, einer mittleren und
einer kurzen Wellenlänge
beschränkt ist
(LMS oder RGB) und weiter die Bedingung umfaßt, daß das VERARBEITUNGS-Untersystem
keine "Kreuzkanal"-Wirkungen (Zwischenbilder)
einführt, dann
kann das allgemeine System der Erfindung, wie in 2 dargestellt, schematisiert werden.
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Um eine exakte colorimetrische Reproduktion
zu erlangen, muß die
spektrale Empfindlichkeit des Detektors eine lineare Kombination
der Dreistimulus-Funktion sein. Da das Modell der Erfindung als eine
erdachte Konstruktion ausgeführt
ist, wurden die CIE 1931-Dreistimulus-Funktionen benutzt – xbar, ybar,
zbar, und so ist der Quanteneingang in X, Y und Z linear.
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Um die Transformationen zu berücksichtigen,
die durch die Farbtonkompression im idealen Filmmodell aufgeprägt sind,
wurden berücksichtigt:
- 1. die ursächlichen
Gründe
für die
dynamische Bereichs-Fehlanpassung zwischen dem Außenweltbild
und einem wiedergegebenen Bild; und
- 2. ein einheitliches Rahmenwerk zur Beschreibung der Farben
der Objekte im Außenweltbild und
in dem wiedergegebenen Bild.
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Gegenstände in komplexen Szenen sind meistenteils
reflektierende Oberflächen
mit einem innewohnenden dynamischen Bereich von weniger als 60 :
1. Was die komplexe Szene von einer Farbanpaßzelle unterscheidet, ist die
Vielzahl von Illuminationen und die Veränderbarkeit der Winkel der
Beleuchtung, die auf die Oberfläche
einfällt
(und den einfallenden Fluß beeinflussen),
was zu Helligkeits-Intensitätsverhältnissen
von bis zu 1000 : 1 führt.
Das wiedergegebene Bild wird in einer Einzelbeleuchtungs-Bedingung
betrachtet, wo das Auge eine Verteilung der Lumineszenzintensität empfängt, unabhängig von
dem komplexen Aufbau der Beleuchtung. Weil wegen der Adaption der
Augen Gegenstände
und Bilder nicht einfach durch Lumineszenzintensitäten beschrieben
werden können,
kann beispielsweise ein Mitteltongrau in der Außenwelt die Lumineszenzintensität eines
diffusen Weiß im
wiedergegebenen Bild haben. Die einfachste Technik, die gefunden
wurde, um die Adaption zu berücksichtigen,
bestand darin, die Lumineszenzintensitäten (X, Y, Z) eines Objektes
durch die Lumineszenzintensitäten
(Xn, Yn, Zn) einer Bezugsbeleuchtung zu normalisieren. (Bei einer
komplexen Szene ist die Normalisierung der Lumineszenzintensitäten der
Gegenstände,
die durch eine Mehrzahl von Beleuchtungen durch eine einzelne Bezugsbeleuchtung
beleuchtet werden, eine Transformation, die die relativen Lumineszenzintensitäten auf
Kosten der Erzeugung normalisierter Lumineszenzintensitäten (X/Xn...)
aufrechterhält,
die den Einheitswert überschreiten
können.)
Der Wert der Bezugsbeleuchtung wurde so gewählt, daß ein 18%iger Graufilter in
der Szene plaziert oder sein Bild in der wiedergegebenen Reproduktion
eine Oberflächenlumineszenz
von 18% der Bezugsbeleuchtung hat.
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Im Hinblick auf diese Wahl der Bezugslichtquelle
wurden 28 Bibliotheksbilder geprüft,
die typische Außenweltszenen
enthalten, und das resultierende Histogramm der Außenwelt-"Leuchtdichte" ist in 3 dargestellt. Das Durchschnitts-Helligkeitsverhältnis (berechnet
durch Kalkulation des Verhältnisses
der hellsten und der dunkelsten Stelle Y/Yn für jedes Bild und Bildung des
Durchschnitts) beträgt 159
: 1, und dies steht in Übereinstimmung
mit den Daten, die von L. A. Jones und H. R. Condit im Journal of
the Optical Society of America, 38, 123 (1948), 39, 94 (1949) berichtet
werden. Der dynamische Bereich von möglichen Außenwelt-Leuchtdichten überschreitet 1000 : 1. Da der
Display-Dynamikbereich von Reflexionsdrucken und der Wiedergabe
auf Kathodenstrahlröhren
(CRT) unter idealen Betrachtungsverhältnissen kleiner als 100 :
1 ist, wird die Notwendigkeit eines Farbtonkompressions-Algorithmus
nunmehr klar.
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Die Farbtonkompression wird durch
drei 1-D-LUTs, 13, 14 und 15 bewirkt für:
X/Xn ⇒ X'/Xn
Y/Xn ⇒ Y'/Yn
Z/Zn ⇒ Z'/Zn
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Die LUTs 13, 14, 15 werden
gegenwärtig
aus einer visuellen Dichte-Neutralkurve (Gradationskurve H&D) für Vericolor
III Type S (VPS) gedruckt auf EP2-Papier erhalten, jedoch ist es
klar, daß die
Wahl einer optimalen Gestalt für
die LUTs verfeinert werden kann und sie ist tatsächlich abhängig von der Anwendung. Wenn
die Dichtereproduktion beschränkt wird
auf eine Reproduktion von 18% Grau (Welt) als 18% Grau (Bild), wird
die LUT für
X/Yn ⇒ Y'/Yn einheitlich bestimmt,
und dies ist in 4 dargestellt. 4 ist äquivalent einer herkömmlichen
H&D-Kurve, die
berücksichtigt,
daß die
Bilddichte gleich –log(Y/Yn)
ist, und so ist die Y-Achse die Umkehrung einer herkömmlichen
Dichteachse. Hier ist es erforderlich, daß die neutralen Weltgegenstände als
neutrale Displaybilder reproduziert werden. Diese Bedingung erfordert,
daß die
LUTs für
X/Xn ⇒ X'/Xn und für Z/Zn ⇒ Z'/Zn identisch sind
dem LUT für
Y/Yn ⇒ Y'/Yn.
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Die Dichtekompression ist demgemäß eine Vorschrift
von modifizierten Leuchtdichte-Intensitäten (X', Y',
Z') konsistent mit
dem dynamischen Bereich der Displayvorrichtung 12 unter
der Annahme, daß die
Displayvorrichtung 12 in perfekter Weise die geforderten
modifizierten lumineszenten Intensitäten (X', Y',
Z') aus den Displayprimären reproduziert – d. h.
das Display kann charakterisiert werden als "was du forderst, ist was du bekommst" (WYRIWYG).
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Anwendung/Front-End-Eichung
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Die ideale Filmkonstruktion wurde
auch auf die Eichung einer digitalen Bild-Bibliothek und einer CCD-Kamera angewandt.
Die Eingangseichung erzeugt eine Umsetzung zwischen der Bildanregung (eine
Funktion der RGB-digits) und der zugeordneten Farbbeschreibung der
Anregung. Da die Eichung den vollen dynamischen Bereich typischer
Weltszenen umfassen muß,
wird der Ideale Film benutzt, um sowohl die Farbbeschreibung der
Farben unter komplexen Beleuchtungen zu liefern als auch um eine
gut definierte Dichtekompression zu bewirken, um dynamische Displaybereiche
zu realisieren.
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Im Rahmen dieser Anmeldung wird eine Gruppe
von Reflexionsfarbzielen mit bekannten Anregewerten benutzt, um
den Farbraum zu überspannen.
Um den dynamischen Bereich typischer Szenen zu simulieren, werden
die gemessenen Dreistimulus-Werte der Zielflecken linear durch die
relativen Belichtungen skaliert. Die resultierende Gruppe von Dreistimulus-Werten
liefert eine objektive Beschreibung der Weltfarben-Spezifikation
der Farbziele, wie aus 6a und 6b ersichtlich. Danach können die Weltwerte
X/Xn, Y/Yn, Z/Zn über
das Ideale Filmmodell transformiert werden, um eine Gruppe gewünschter
Farbspezifikationen für
ein Bild der Ziele zu liefern, das in Übereinstimmung mit dem dynamischen
Bereich des Display 12 ist. Die komprimierten Werte X'/Xnm Y'/Yn, Z'/Zn sind in 6c und 6d dargestellt. Die Bildeichung wird
dann durch Zuordnung der vorgeschriebenen Idealfilmmodell-Dreistimulus-Werte
X'/Xn, Y'/Yn, Z'/Zn auf das Bildansprechen der
wirklichen Farbeichziele konstruiert.
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Anwendung/Modell-Szene
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Eine Anwendung der Idealen Filmübertragungsfunktion
besteht darin, Ziel-Reproduktionskriterien
für wirkliche
und simulierte Abbildungssysteme zu erstellen. Diese Kriterien werden
dadurch errichtet, wie der Ideale Film ein Testbild reproduziert,
welches so ausgebildet ist, daß es
ein Modell von komplexen Weltszenen darstellt. Zu diesem Zweck wird vor
Anwendung des Idealen Filmmodells ein Ziel konstruiert, das konsistent
ist mit einem bekannten Beleuchtungsbereich und bekannten chromatischen Bereich
typischer Weltszenen. Ein Testziel, das sich für diese Anwendung als nützlich erwiesen
hat, wurde als Reflexions-Testziel von Abschnitten von Munsell paper
konstruiert, welches ausgewählt
wurde, um gleichmäßig den
Farbraum abzutasten. Um den dynamischen Lumineszenzbereich zu simulieren, werden
derartige Ziele unter einem weiten Bereich von Beleuchtungspegeln
abgebildet (plus/minus 3 Blendenwerte gegenüber Normal). Die Bezugsbeleuchtung
wird gewählt
als Beleuchtung für
das "nominelle" Bild. Die "normalisierte Lumineszenz" der überbelichteten
Abschnitte und der unterbelichteten Abschnitte werden durch die
Beleuchtungspegel für jedes
Bild skaliert (und zwar entweder physikalisch im Falle einer tatsächlichen
Belichtung oder durch Berechnung). Da die nominellen Werte X/Xn,
Y/Yn, Z/Zn bekannt sind, können
die entsprechenden Werte für
die Überbelichtungen
und die Unterbelichtungen auf einfache Weise bestimmt werden.
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Unter Betrachtung eines Farbmusterfleckens,
für den
gilt: X/Xn = 2*Y/Ynkönnen die Wirkungen der VPS-Dichtekompression bei
verschiedenen Beleuchtungspegeln unter Bezugnahme auf die H&D-Kurven berechnet
werden, wie sie in 5 dargestellt
sind. Da X/Xn und Y/Yn sich um den Faktor 2 für alle Beleuchtungspegel unterscheiden,
wird die resultierende Differenz in den Beleuchtungsintensitäten wie
folgt gefunden: "Xbal" =
log(X'/Xn) – log(Y'/Yn)für alle Belichtungen
durch Versetzung der beiden Kurven um 0,3 Log E-Einheiten. Da die
Farbsättigung proportional
(nicht linear) zu "Xbal" ist, kann gezeigt werden,
daß die
filmartige Dichtekompression der Erfindung eine Desaturierung der
Farben sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Beleuchtungspegeln zur
Folge hat, während
für mittlere
Beleuchtungspegel eine Verbesserung des Ansprechens im Vergleich
mit der Welt erfolgt (der mittlere Bereichsanstieg der VPS-Dichtereproduktionskurve
ist größer als
die Einheit).
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Wirkliche
Filmmodelle
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Das Ideale Filmmodell repräsentiert
auch ein nützliches
Bezugssystem, mit dem das Verhalten wirklicher Bildsysteme verglichen
werden kann. Die colorimetrische Reproduktion einer Reihe von Farbzielen,
die mit unterschiedlichen Belichtungen aufgenommen wurden, kann
mit der berechneten idealen Filmreproduktion der gleichen Zielbilder
verglichen werden. In den 7a–7f sind die colorimetrischen Differenzvektoren
(delta E*) aus der idealen Filmreproduktion der Farbmusterflecken
(offenes quadratisches Symbol) für
nominelle Belichtungen verschiedener bekannter Filme dargestellt.
Für VPS,
wobei die Dichtekompression dem Idealen Film angepaßt ist (vergleiche
die L*-Reproduktion der neutralen Musterflecken) unterscheidet sich
die chromatrische Reproduktion des wirklichen Films von dem Ideal, wie
dies zu erwarten ist, da weder die spektrale Empfindlichkeit noch
die Zwischenbildeffekte im wirklichen Film durch den Idealen Film
modelliert werden. Weil diese Differenzen bestehen, muß betont
werden, daß das
Gesamtverhalten des Idealen Films im Vergleich mit den wirklichen
Filmen fundamental "filmartig" ist.
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Eine bevorzugte Ausführung
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Wie oben beschrieben, wurde das Ideale Filmmodell
dadurch hergestellt, daß eine
Dichtekompression auf die X/Xn-, Y/Yn- und Z-Zn-Kanäle des Abbildungssystems
erfolgte, dessen spektrale Empfindlichkeiten als linear in Kombination
mit den Farbanpaßfunktionen
angesehen wurden. Demgemäß ist: [Y/Yn]' = ⨍log[Y/Yn]) 1.
[X/Xn]' = g(log[X/Xn]) 2.
[Z/Zn]' = h(log[Z/Zn]) 3.
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Die Aufrechterhaltung von Neutralen
erfordert, daß f(x)
= g(x) = h(x). Die Farbsättigung
manifestiert sich als log der Belichtungsdifferenzen: [logX/Xn – log Y/Yn]
und [logZ/Zn – logY/Yn]
kann durch einen sogenannten "Pastel-Desaturations"-Multiplikator P skaliert werden: log[Yp/Yn] = log[Y/Yn]
log[Xp/Xn]] – log[Y/Yn]
= P*{log[X/Xn] – log[Y/Yn]}
log[Zp/Zn] – log[Y/Yn]
= P*{log[Z/Zn] – log[Y/Yn]}(d.
h. die Ausgangs-Farbdifferenzen haben den P – fachen Wert der Eingangsdifferenzen).
So werden die Gleichungen 1–8
wie folgt: [Y/Yn]' = ⨍(log[Yp/Yn] 1a.
[X/Xn]' = ⨍(log[Xp/Xn])
= ⨍(P*log[X/Xn] – [P – 1]*log[Y/Yn]) 2a.
[Z/Zn]' = ⨍(log[Z/Zn]) = ⨍(P*log[Z/Zn] – [P – 1]*log[Y/Yn]) 3a.
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Die Funktion f(x) kann entweder als
1-D-LUT ausgeführt
werden, wie oben beschrieben, oder alternativ als analytische Funktion.
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Bei anfänglichen Ausführungen
der Idealfilmmodell-Übertragungsfunktion
wurde die Dichteskala als grüne
sensitometrische Kurve des VPS angenommen, gedruckt auf Ektacolor2-Papier
unter Benutzung einer einfachen Dichte-Reflexions-Transformation.
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Kürzlich
wurden Ausführungen
und analytische Ausdrücke
benutzt, basierend auf den Hyperbel-Funktionen TANH(log(x)): [Y/Yn]' = ⨍(log[Y/Yn]) = A0 + A1*TANH[S*(log(Y/Yn) +
C)]. 4.
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Die Koeffizienten A0, A1 und S werden
als unabhängige
Variable behandelt, und sie bestimmen Dmax und Dmin (A0, A1) und
die Neigung (S). Der Koeffizient C wird benutzt, um zu gewährleisten,
daß eine
18%ige Reflektivität
als 18%ige Reflekivität
reproduziert wird. Die Funktionen für [X/Xn]' und [Z/Zn]' werden unter Benutzung der Gleichungen
2a und 3a und der Funktion f(x) in der Gleichung 4 berechnet.
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Eine Reihe von psychovisuellen Experimenten,
die den Einfluß der
Neigung und die Idealen Filmmodelle untersuchten, wurden mittels
Computerstudien durchgeführt,
die auf Dichtekompressionen und LUTs beruhten, die von den TANH-Ausdrücken abgeleitet
wurden. In dieser Form können
die Druckreflektanz-Tonskalierungen im Schulter- und Zungenbereich
nicht unabhängig
manipuliert werden.
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Wenn man die Gleichung 4 auf sensitometrische
Daten anpaßt,
die in dem anfänglichen
LUT benutzt werden, ergibt sich die funktionelle Form aus: [Y/Yn]' = 0.404 + 0.4*TANH[237(log(Y/Yn) +
0.477)) P = .8 4a.
-
Folgende psychovisuelle Versuche
ergaben, daß eine
geringere Neigung und ein höherer
Wert der Pastel-Desaturation die Qualität nicht beeinträchtigen,
und damit wird der dynamische Bereich ausgedehnt. Demgemäß wird die
gegenwärtig
bevorzugte Funktion wie folgt angegeben: [Y/Yn]' =
0.404 + 0.4*TANH[1.8(log(Y/Yn) + 0.393)) P = 1.0 4b.
-
Im allgemeinen können die Konstanten A0, A1,
S und C aus den sensitometrischen Parametern wie folgt bestimmt
werden:
A0 = [10–Dmin +
10–Dmax)/2
A1 = [10–Dmin – 10–Dmax)/2
-
S wird aus der Durchschnittsneigung
[Γ = ΔD/Δ(log(Y/Yn)]
zwischen zwei Punkten D1, D2: S = Γ*{ATANH([(10–D1) – A0]/A1) – ATANH([(10–D2) – A0]/A1)}/[D2 – D1]
C = [1/S]*ATANH([(0.18) – A0]/A1) – log0.18
-
Eine typische sensitometrische Neigung
wird zwischen zwei Dichten gemessen: D1 = Dmax – [Dmax – Dmin]/4
und D2 = Dmin + [Dmax – Dmin]/4
-
Diese Neigung wird als 1/4 – 3/4-Neigung
bezeichnet -(Γ1/4–3/4).
In Ausdrücken
von Γ1/4–3/4 für Dmax = 2,4 und Dmin =
0,1 ergeben sich aus den obigen Betrachtungen:
A1 = .404
A2
= .4
S = 1.39*Γ1/4–3/4
-
Die Konstruktion eines Idealen Filmmodells, charakterisiert
durch exakte colorimetrische Feststellung von Weltfarben-Information
bei einer nicht-linearen Dichtekompression, die auf die Dreistimulus-Werte
X/Xn, Y/Yn, Z/Zn einwirkt und eine axakte colorimetrische Wiedergabe
der komprimierten Dreistimulus-Werte ergibt:
- 1.
führe ein
Verfahren zur Beschreibung der notwendigen Dichtereproduktion durch,
die erforderlich ist zur Wiedergabe optimaler Reproduktionen von
komplexen Weltbildszenen;
- 2. schaffe ein Bezugssystem zur Berechnung der Farbreproduktion
und der Dichtereproduktion von wirklichen Bildsystemen;
- 3. schaffe ein gut definiertes Eichprotokoll zur Eichung der
elektronischen Abbildungssysteme und der Hybrid-Abbildungssysteme,
ausgebildet zur Aufnahme von komplexen Weltszenen;
- 4. und schaffe ein nützliches
Modell zur Simulation von einigen sensitometrischen Attributen wirklicher
photographischer Systeme.
-
Die vorstehende Beschreibung wurde
auf ein spezielles Ausführungsbeispiel
dieser Erfindung beschränkt.
Es ist jedoch klar, daß Abwandlungen
und Modifikationen getroffen werden können, mit denen alle oder einige
der Vorteile der Erfindung zu erlangen sind.