JP2003044846A - 知覚的選好ガイドラインに基づく適応型シグモイド関数を用いたデジタル・イメージ・トーン・マッピングのためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】イメージ再現システムにおいて、ユーザの好み
に合った再現イメージをより低コストかつ高速に生成す
ること。 【解決手段】知覚的な選好指針に基づく適応型イメージ
トーンマッピング曲線(170)をＳ字形関数として生成す
る。Ｓ字形関数のパラメータ(150)(勾配とシフト）は、
元のイメージ統計値(149)により決定される。異なるイ
メージに対して生成されたトーン曲線(170)の各々は、
なめらかなＳ字形状をなしており、そのため、トーンマ
ッピング処理によって、イメージヒストグラムの形状が
急激に変化することはない。Ｓ字形トーン曲線(170)の
計算は、αとβの計算に使用される種々の要素を予め計
算し、記憶することによって、及び、２つの極値勾配を
有する一対の固定トーン曲線(158)を生成して、これら
の曲線(158)間を補間することによって、単純な算術演
算を用いて効率的に実行することができる。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、デジタル
・イメージ・トーン・マッピング・アルゴリズムに関す
るものであり、とりわけ、知覚的選好ガイドラインに基
づくデジタル・イメージ・トーン・マッピング・アルゴ
リズムに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】デジタル・イメージ・マッピングとは、
捕捉（または撮像）シーンの輝度レベルを出力装置（デ
ィスプレイまたはプリンタ）の輝度または濃度レベルに
マッピングするプロセスをいう。デジタル・イメージ・
トーン・マッピングは、シーンの輝度範囲が出力装置の
輝度範囲に整合することが滅多にないために必要とされ
る。デジタル・イメージ・トーン・マッピング・アルゴ
リズムを任意のデジタル装置内で実施することにより、
視覚的に満足のいく出力イメージを得ることが可能にな
る。例えば、こうした装置には、デジタル・カメラ、ス
キャナ、デジタル・カムコーダ、デジタル・イメージを
印刷することが可能なプリンタ、及び、デジタル・テレ
ビジョンを含めることができる。さらに、デジタル・ト
ーン・マッピング・アルゴリズムは、画質改善ソフトウ
エアアプリケーションにおいて使用される場合が多い。 【０００３】人間の目は、さまざまな光レベルにさまざ
まに適応するので、もとのシーンに対して「正確に」見
える再現イメージを生成しようとする場合には、知覚的
要素を考慮しなければならない。用途に応じて、イメー
ジ・トーン・マッピングには、一般に、３つの目標、す
なわち、（１）外観の一致、（２）主観的選好、及び、
（３）情報保存、の内の１つの目標がある。外観の一致
という目標では、再現されたイメージをできる限りもと
のシーンに知覚的に似せようとする。これは、通常、顧
客の画像形成及びイメージ合成用途における暗黙の目標
である。主観的選好を考慮すると、イメージをできる限
り、見る者にとって満足のいくものにすることができ
る。これは、通常、顧客の画像形成及び営業用写真にお
いて望ましい。目標が情報保存の場合、アルゴリズム
は、イメージの全ての領域及び全ての輝度レベルにおけ
る細部を保存または改善（または強調）しようとする。
これは、医療用撮像、衛星による撮像、及び、アーカイ
ビングにおいて最も多く要求される。 【０００４】多くの既存のトーン・マッピング・アルゴ
リズムは、もとのイメージと再現イメージとの外観の一
致を実現することに主眼を置いている。こうしたアルゴ
リズムにおいて一般に考慮される知覚的要素には、少な
くとも、（１）大局的輝度適応と（２）局所的輝度適
応、の２つがある。シーンの総合的な大局的輝度レベル
は、目の適応状態に影響する。こうした大局的輝度適応
の２つの側面が、トーン・マッピング、明るさ、及び、
空間コントラストにかなりの影響を及ぼす。 【０００５】まず、明るさ関数（輝度関数）は、シーン
の輝度レベルが異なれば異なることになる。見る者の知
覚した光強度に対応する知覚された明るさは、ほぼ、物
理的輝度のベキ関数である（スティーヴンスの法則）。
全体の輝度レベルが高くなると、こうしたベキ関数の指
数は大きくなる。輝度の低い装置でイメージを再現する
場合には、指数を調整して、こうした差に適応しなけれ
ばならない。明るさ関数の変化に加えて、目が、異なる
周囲輝度レベルに適応すると、目の空間コントラスト感
度も変化する。周囲が明るい場合、目は、周囲が暗い場
合に比べて、よりはっきりとイメージの高空間周波数成
分（細部）を知覚する、すなわち、目の視覚的鋭敏度
は、周囲の照明が良くなると向上する。また、コントラ
ストしきい値、すなわち、イメージの成分を検出するの
に必要とされる最低コントラストは、輝度レベルが増す
につれて低下する。輝度の低い装置で明るいイメージを
再現するために、これらの効果を考慮して、イメージに
おける細部の輝度コントラストを高めることが可能であ
る。 【０００６】Jack Holmと、Tumblin&Rushmeierによって
それぞれ開発された２つの異なるトーン・マッピング・
アルゴリズムは、シーンの絶対輝度レベルに基づいてト
ーン曲線の曲率を調整することによって、明るさ関数の
変化を考慮する。これらのトーン・マッピング方法（両
方とも、参考として本明細書に援用する）は、それぞ
れ、Holm,J.による「Photographic Tone and Colour Re
production Goals」（CIE Expert Symposium on Colour
Standards for Image Technology,pp.51-56(1996)）、
Tumblin,J.及びRushmeier,H.による「Tone Reproductio
n for RealisticImages」（IEEE Computer Graphics an
d Applications,13(6):42-48(1993)）にそれぞれ記載さ
れている。これらのアルゴリズムには、ハイエンドのデ
ジタル画像形成において望ましい、もとのイメージに対
応する明または暗の全体的な感じが適正に生成されると
いう利点がある。しかし、両方とも、もとのイメージの
絶対輝度レベルに関する正確な情報が必要になる。デジ
タル・カメラの場合、生（すなわち未加工）のピクセル
値、及び、開口、露出時間、レンズ特性等のようなカメ
ラの撮影設定条件からイメージ・ピクセルの絶対輝度レ
ベルを推定することが可能である。しかし、低コストの
カメラの場合、複雑さ及びコストが増すため、こうした
計算はできないことが多い。従って、選好（好みや趣
向）に主眼を置いた大局的輝度適応による解決がより実
際的である。 【０００７】選好に基づくトーン・マッピング・アルゴ
リズムの場合、目標は、見る者が好む所定の組をなすイ
メージ特性を実現することである。広く用いられている
ヒストグラム等化法は、こうしたアルゴリズムとして分
類することができる。ヒストグラム法は、最も「良好
な」イメージは、出力ダイナミック・レンジを完全に占
める輝度ヒストグラムを有する、という観測結果に基づ
くものである。このアルゴリズムは、イメージのグレー
・レベルを調整して、フラットなガウス形状または他の
所定の形状に向かってヒストグラム形状を移行させる。
もちろん、こうした方法がどれほどうまく働くかは、全
ての「良好な」イメージが同じヒストグラムを有してい
るという仮定が真か否かによって決まる。この方法は、
対称性を有して、良好に分布したヒストグラムを有する
イメージにはうまく作用するが、イメージに暗い、また
は、明るい、広い面積の背景が存在し、このため、ヒス
トグラムが一方の側に偏る場合には、イメージが不自然
に見える。 【０００８】Larson他によって開発された修正ヒストグ
ラム等化法は、伝統的なヒストグラム等化法よりも頑強
である。Larsonの方法では、トーン・マッピングで許容
されるグレー・レベルの調整量が制限される。グレー・
レベルの調整量は、輝度コントラスト感度測定に基づい
て制限される。さらに、この方法のバリエーションの１
つでは、さまざまな照明レベル下における視覚的鋭敏度
の変化も考慮されている（参照により本明細書に援用す
る、Larson,G.W.,Rushmeier,H.及び、Piatko,C.,による
「A Visibility Matching Tone Reproduction Operator
for High Dynamic Range Scenes」（IEEE Transaction
s on Visualization and Computer Graphics,3(4):291-
306(1997)）を参照されたい）。しかしながら、計算は
反復型であり、従って、その実施はコストが高くつき、
低速である。さらに、修正ヒストグラム等化法は、やは
り、正確な絶対輝度レベル情報を必要とする。従って、
この修正ヒストグラム等化法によれば、より正確な外観
の一致が得られるが、計算の複雑さが増すという犠牲を
払うことになる。 【０００９】局所的輝度適応の場合の知覚的要素は、目
は、イメージを見るのに、あちこちをざっと観察すると
いう事実を考慮している。目は、もとのシーンの小領域
の輝度レベルにすばやく適応して、陰影内の領域及びハ
イライト内の領域がはっきりと見えるようにする。再現
イメージにおいては、ダイナミック・レンジと適応環境
が、両方とも異なっている。従って、目の適応プロセス
を完全にまねるには、その局所的輝度レベルに従って、
イメージの輝度レベルを調整することになる。 【００１０】Tumblinの細部保存コントラスト低減法（d
etail-preserving contrast reduction meshod:参照に
より本明細書に援用する、Tumblin,J.及びTurk,G.,によ
る「LCIS:A Boundary Hierarchy for Detail-Preservin
g Contrast Reduction」(Computer Graphics Proceedin
gs,SIGGRAPH99,pp.83-90,Los Angeles,CA,USA(1999))の
ような各種局所トーン・マッピング・アルゴリズム、及
び、retinex理論に基づく各種アルゴリズムは、局所的
輝度適応プロセスをまねようとしてきた。retinex理論
に関しては、Jobson,D.,Rahman,Z.,及び、Woodell,G.に
よる「A Multiscale Retinex for Bridging the Gap Be
tween Color Images and Human Observation of Scene
s」（IEEE Transactions on Image Processing,6(7):96
5-976(1997)）、Rahman,Z.,Jobson,D.,及び、Woodell,
G.,による「Multi-Scale Retinex for Color Image Enh
ancement ,Proceedings」（International Conference
on Image Processing,volume3,pp.1003-1006,Lausanne,
Switzerland(1996)）（いずれも、参照により本明細書
に援用する）を参照されたい。これらのアルゴリズムで
は、イメージの局所コントラストが保存されるが、やは
り、イメージの異なる空間解像成分の分解を必要とする
反復法であり、計算コストが高くつく。 【００１１】 【発明が解決しようとする課題】デジタル・イメージ・
システムにおいて、ユーザが所望するイメージを、計算
コストを低くして、かつ高速に再現する手段が必要とさ
れている。 【００１２】 【課題を解決するための手段】知覚的選好ガイドライン
に基づく適応型デジタル・イメージ・トーン・マッピン
グ・アルゴリズムを実施するためのシステム及び方法を
提供する。トーン曲線は、もとのイメージ統計値によっ
て決まるシグモイド関数（すなわち、Ｓ字形関数）パラ
メータ（勾配及びシフトのパラメータ）を有するシグモ
イド（Ｓ字形）関数として生成される。これらのパラメ
ータは、もとのイメージ統計値に基づいているので、ア
ルゴリズムは適応型である。それぞれのイメージに関し
て生成されるトーン曲線は、それぞれ、平滑なＳ字形状
を有しているので、トーン・マッピング・プロセスによ
って、イメージのヒストグラム形状が急激に変化するこ
とはない。従って、このアルゴリズムは、頑強でかつ保
存性がある（例えば、このアルゴリズムによれば、大部
分のイメージに関して外観が向上し、見た目が悪くなる
イメージはない）。シグモイド関数は、次の形式を有し
ている。 【００１３】 【数１】 【００１４】ここで、αは勾配パラメータであり、βは
シフト・パラメータである。トーン曲線が、０〜１００
の値を有するＬ＊スケールで生成されるので、シグモイ
ド関数の入力値ｘは、［０，１００］の範囲で変動す
る。Ｓ字状トーン曲線の計算は、α及びβの計算に用い
られるさまざまな要素を事前計算して、記憶し、２つの
極値勾配を有する１対の固定トーン曲線を事前生成し
て、それらの間を補間することにより、単純な算術演算
を使用して効率よく実施することが可能である。以下に
本発明を、本発明の重要な実施態様例を図示した添付図
面を参照して説明する。 【００１５】 【発明の実施の形態】本出願の多くの革新的な教示を、
現在のところ望ましい典型的な実施態様を特に参照して
説明する。しかしながら、言うまでもなく、本明細書に
おいて、これらの実施態様によって示されるのは、その
革新的な教示に関する多くの有効な使用例のうちのほん
の一部である。一般に、本出願の明細書においてなされ
る説明は、特許請求の範囲に記載されているさまざまな
発明を限定することを意図してなしたものではない。さ
らに、その説明の内容は、本発明のある特徴には当ては
まるが、別の特徴には当てはまらない場合がある。 【００１６】図１にはデジタル・イメージ・システム１
０内で実施される、本発明の望ましい実施態様によるデ
ジタル・イメージ・トーン・マッピング・アルゴリズム
１００が示されている。デジタル・イメージ・システム
１０は、デジタル・カメラ、スキャナ、デジタル・カム
コーダ、デジタル・イメージを印刷することが可能なプ
リンタ、または、デジタル・テレビジョン（但し、これ
らに限定されない）を含む、任意のデジタル装置とする
ことが可能である。ローエンドＣＭＯＳセンサ・チッ
プ、ＣＣＤセンサ・チップ、または、センサ・チップと
共にパッケージングされた個別のイメージ処理チップの
ような、デジタル装置のイメージ処理チップ内、また
は、デジタル装置に関連したソフトウェア・パッケージ
（ドライバ）内に、アルゴリズム１００を含めることが
できる。あるいはまた、デジタル・イメージ・システム
１０は、デジタル・イメージのトーン特性を向上させる
ため、画質改善ソフトウェア・パッケージがインストー
ルされたコンピュータ・システムとすることが可能であ
る。 【００１７】トーン・マッピング・アルゴリズム１００
は、記憶及び処理時間に関して単純及び高速であり、カ
ラー・チャネルの全てに対してトーン曲線が１つの、大
局トーン・マッピング法を使用する。留意すべきは、ト
ーン・マッピング・アルゴリズム１００は、カラー・イ
メージとモノクロ・イメージの両方に適用できるという
点である。トーン・マッピング・アルゴリズム１００に
よれば、平滑で、むらのない、曲率の穏やかな（すなわ
ち、比較的緩やかな）トーン曲線が得られるので、いく
つかのヒストグラム等化法において明白な極端なコント
ラストの変化が回避される。さらに、トーン・マッピン
グ・アルゴリズム１００は、形状が常にＳ字状になる適
応トーンを使用することによって、トーン曲線がフレー
ム毎に比較的安定した状態を保つので、ビデオ用途にと
って理想的である。さらに、トーン・マッピング・アル
ゴリズム１００によれば、もとのイメージの絶対輝度レ
ベルを推定することなく、ユーザにとって（明るさ、コ
ントラスト、及び、色の恒常性に関して）満足のいくよ
うに見えるイメージが生成される。 【００１８】トーン・マッピング・アルゴリズム１００
は、ｎ番目と（１００−ｎ）番目のＬ＊百分位数（パー
センタイル：percentile）、約２０のＬ＊標準偏差、及
び、約５０の平均Ｌ＊値（ここでは、各ピクセルの線形
輝度値をＬ＊スケールに変換して（この変換後の値がＬ
＊値）から、全てのピクセルのＬ＊値を平均したも
の）、にセンタリング関数（centering function）を用
いることにより、範囲の中央における全体的なヒストグ
ラム形状を保存するといった知覚的選好ガイドラインに
基づいている。もちろん、Ｌ＊スケールは、受信された
線形（リニア）イメージ・データに基づく線形（リニ
ア）スケールからの単なる変換である。留意すべきは、
ユーザ、または、トーン・マッピング・アルゴリズムが
実施される特定のデジタル・イメージ・システム１０の
要件に基づいて、他の知覚的選好ガイドラインを使用す
ることができるという点である。知覚的選好を考慮し、
計算の複雑性に関する制約条件に適合するトーン・マッ
ピング・アルゴリズム１００を得るために、シグモイド
関数トーン・マッピング法が使用されるが、これについ
ては、図２〜８を参照してさらに詳細に後述する。 【００１９】図２には、本発明のトーン・マッピング・
アルゴリズム１００を用いて、デジタル・イメージの輝
度（ピクセル）値を表す受信デジタル・イメージ・デー
タを出力装置５０の輝度範囲にマッピングするためのス
テップが例示されている。デジタル・イメージ撮像（ま
たは捕捉）装置またはデジタル・イメージ・ファイルの
ようなデジタル・イメージ源２０によって、デジタル・
イメージに関連したデジタル・イメージ・データ２５
が、線形変換装置３０に供給され（ステップ２００）、
デジタル・イメージ・データ２５が線形スケールで線形
イメージ・データ１３０に変換される（ステップ２１
０）。留意すべきは、もとのデジタル・イメージ・デー
タ２５を任意のスケールにすることができるという点で
ある。あるいはまた、デジタル・イメージ・データ２５
は、既に線形スケールのものとすることができ、この場
合は、線形変換装置３０は必要ではない。この線形イメ
ージ・データ１３０は、後で、トーン・マッピング・オ
ペレータ４０によって使用されて、出力装置５０の輝度
範囲にマッピングされる（ステップ２５０）。 【００２０】変換が終了すると、線形イメージ・データ
１３０は、イメージ統計プロセッサ１２０に送られ、も
との線形イメージ・データ１３０に基づいて、１つ以上
のイメージ統計値１４９が求められる（ステップ２２
０）。これらのイメージ統計値１４９は、２つのトーン
曲線パラメータ１５０、すなわち、勾配パラメータ及び
シフト・パラメータの計算において、トーン曲線パラメ
ータ計算論理回路１４０によって、定義済みの１つ以上
の知覚的選好と共に使用される（ステップ２３０）。定
義済みの知覚的選好は、オペレータ（例えば、デジタル
・イメージ・システム１０のユーザまたはメーカ）が定
義することができる。シフト・パラメータによって、ト
ーン曲線がシフトされ、露出不足または露出過剰のイメ
ージが適正な範囲に近づけられる。勾配パラメータによ
って、トーン曲線が伸張または圧縮されて、所望のヒス
トグラムの広がりが実現される。これら２つのトーン曲
線パラメータ１５０は、トーン曲線発生器１６０によっ
て、イメージに関するトーン曲線１７０の生成に用いら
れる（ステップ２４０）。トーン曲線発生器１６０は、
下記のシグモイド関数を使用して、Ｓ字状トーン曲線１
７０を生成する。 【００２１】 【数２】 【００２２】ここで、αは勾配パラメータであり、βは
シフト・パラメータである。シグモイド関数の入力値ｘ
は、トーン曲線１７０が、イメージ・ピクセルの明るさ
（輝度）レベルの測度であり、０〜１００の値を有する
Ｌ＊スケールで生成されるので、［０，１００］の範囲
で変動する。ＣＩＥ規格の公式に基づき、Ｌ＊スケール
は、次式のように、線形イメージ・データのほぼ立方根
変換になる。 【００２３】 【数３】 【００２４】ここで、Ｙは線形輝度であり、Ｙ_ｎは、白
色点の輝度レベルである。Ｙ値は、Ｌ＊の計算に備えて
Ｙ_ｎ値によって正規化されるため、Ｙ及びＹ_ｎの絶対ス
ケールは、両方とも絶対輝度に比例している限りにおい
て、重要ではない。実施の際、生（すなわち未加工）
の、または色補正された線形ＲＧＢ値をＹ値の代わりに
使用することができる。 【００２５】Ｌ＊スケールは、いくつかの理由から、ト
ーン曲線１７０の生成において望ましいスケールであ
る。まず、Ｌ＊スケールは、線形スケールに比べて知覚
的に均一である。第２に、大部分の自然のままのイメー
ジのヒストグラムは、線形スケールに比べて、Ｌ＊スケ
ールの方が対称性が良くなりがちであり、このため、Ｌ
＊スケールのほうがヒストグラムの広がり調整が容易に
なる（また、知覚的により頑強になる）。ただし、留意
すべきは、線形スケールは、トーン曲線発生器１６０に
よって、本明細書に記載のＬ＊スケールの代わりに使用
される可能性があるという点である。また、言うまでも
ないが、Ｓ字状トーン曲線１７０は、負及び正の無限大
において０及び１００に漸近する。従って、トーン曲線
１７０が生成された場合には、０が０に、１００が１０
０に確実にマッピングされるように、曲線１７０を、下
記のように、［０，１００］の範囲に合わせてスケーリ
ングしなければならない。 【００２６】 【数４】 【００２７】トーン曲線発生器１６０によって得られる
図９に示すタイプのＳ字形状トーン曲線１７０には、上
述の制約条件及び知覚的選好を満たすいくつかの特性が
ある。Ｓ字形状トーン曲線１７０は、範囲の中央におい
てほぼ線形であり、勾配がきついと、暗部の端及び明部
の端が飽和する。範囲の中央におけるほぼ線形の部分
は、大部分のイメージについて、大部分のピクセルが、
幾分線形にマッピングされ、従って、もとのヒストグラ
ムの形状が保存されることを表している。さらに、Ｓ字
状トーン曲線１７０のパラメータを、所望のＬ＊標準偏
差レベルが得られるように設定することが可能である。
さらに、シグモイド関数は平滑であり、異なるパラメー
タ設定間で曲率にかなりの一貫性がある（β点の前で加
速度的に大きくなり、その後では小さくなる）。従っ
て、シグモイド関数が、急激な曲がり及びピークを有す
るトーン曲線１７０を生成する可能性は低い。 【００２８】トーン曲線１７０が生成されると（ステッ
プ２４０）、トーン・マッピング・オペレータ４０によ
り、受信した線形イメージ・データ１３０をこのトーン
曲線１７０にマッピングして、出力装置５０のレベルに
対応する出力イメージ・データ４５を再生する（ステッ
プ２５０）。出力装置５０は、ディスプレイ、プリン
タ、または、他のイメージ処理装置とすることができ
る。また、出力装置５０への送信前に、出力イメージ・
データ４５に追加処理を施すことができる（ステップ２
６０）。 【００２９】図３Ａ〜３Ｃ及びそれらに対応する図４Ａ
〜４Ｃのフローチャートには、図１のイメージ統計プロ
セッサを実施するための代替実施態様が例示されてい
る。図３Ａ及び図４Ａに示す第１の実施態様では、線形
イメージ・データ１３０が、ヒストグラム発生器１２２
に送られ（ステップ４００）、データ１３０のデジタル
値の分布を表すヒストグラム１４５（例えば、テーブ
ル）が生成される（ステップ４０５）。例えば、カラー
・デジタル・イメージの場合、所定の数の赤、青、及
び、緑値（例えば、イメージ内の各ピクセル毎に１つ）
が存在する。例えば、緑値のヒストグラムを生成するた
めに、ヒストグラム発生器１２２は、ビン・サイズ（例
えば、０〜１０、１１〜２０、２１〜３０等の値の範
囲）を決定し、各ビンにおける緑ピクセル値の発生数を
カウントする。グラフ表現によるヒストグラムを生成す
るために、各ビンのデータを、ビン中心（例えば、５、
１５、２５等）の関数としてプロットする。 【００３０】ヒストグラムが生成されると、ヒストグラ
ムのビン中心値１３５が、Ｌ＊ビン中心値変換器１２４
に伝送されて、Ｌ＊ビン中心値１３５ａに変換される
（ステップ４１０）。変換は、上記式（２）を使用して
実施されるが、この場合、Ｙはビン中心値であり、Ｙ_ｎ
はピクセル値について可能性のある最大デジタル値であ
る。Ｌ＊ビン中心値１３５ａ、及び、各ビンにおける値
の数のカウント数を含むヒストグラム１４５が、Ｌ＊統
計値計算論理回路１２８に伝送されて、イメージ統計値
１４９が計算され（ステップ４２０）、この統計値が、
続いて、Ｓ字状トーン曲線に関する勾配パラメータα及
びシフト・パラメータβの計算に用いられる。 【００３１】勾配パラメータα及びシフト・パラメータ
βを計算するためのさまざまな実施態様については、図
５及び６を参照して後述する。要するに、勾配パラメー
タα及びシフト・パラメータβの計算に用いられるＬ＊
イメージ統計値１４９には、現在のＬ＊標準偏差と、現
在の平均Ｌ＊値またはヒストグラムのＬ＊百分位数値
（ｎ番目及び（１００−ｎ）番目の百分位数）が含まれ
ている。ヒストグラムのＬ＊百分位数値は、ヒストグラ
ムの端点を表している。従って、ｎは、比較的小さく
（５未満が望ましい）になるように選択される。例え
ば、全てのＬ＊ピクセル値の５％が、１８未満の値を有
する場合、５番目の百分位数は１８であり、従って、低
端点は１８になる。高端点は、従って、ちょうど９５番
目の百分位数に対応するＬ＊値になる（例えば、全ての
Ｌ＊ピクセル値の９５％が、高端点より低い値を有する
ことになる）。 【００３２】現在のＬ＊標準偏差σ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}は、
下記のようにヒストグラムから計算することができる。 【００３３】 【数５】 【００３４】ここで、Ｂ_ｉは、Ｌ＊値におけるヒストグ
ラムのビン中心であり、ｎ_ｉは、ヒストグラムのｉ番目
のビンにおけるピクセル・カウントであり、ｎ_ｂは、ヒ
ストグラムのビン数であり、ｎは、イメージのピクセル
総数であり、 【数６】 は、下記のように、やはり、イメージ・ヒストグラムか
ら計算することが可能な平均ピクセルＬ＊値である。 【００３５】 【数７】 【００３６】実施態様の１つでは、σ
_{ｃｕｒｒｅｎｔ}は、緑のカラー（色）プレーンにおける
ヒストグラムだけから計算される。大部分のセンサにつ
いて、緑のチャネルは、輝度情報をほぼ捕捉するカラー
（色）プレーンである。しかし、留意すべきは、代わり
に、ある組み合わせのＲＧＢピクセル値を用いて、イメ
ージＬ＊標準偏差を計算することが可能であるという点
である。その選択が輝度の妥当な表現である限りにおい
て、結果生じるトーン曲線が大幅に変化することはない
はずである。 【００３７】ヒストグラムを利用できない場合は、代替
的に、図３Ｂ及び図４Ｂに示すように、イメージ統計値
１４９を、イメージ・ピクセル値自体から計算すること
が可能である。従って、線形イメージ・データ１３０が
イメージ統計プロセッサ１２０に到達すると（ステップ
４３０）、線形イメージ・データ１３０は、Ｌ＊イメー
ジ・データ変換器１２５によってＬ＊イメージ値１３０
ａに変換され（ステップ４３５）、Ｌ＊イメージ値１３
０ａは、Ｌ＊統計値計算論理回路１２８に送られて、イ
メージ統計値１４９（例えば、現在のＬ＊標準偏差、及
び、現在の平均Ｌ＊値またはＬ＊百分位数のいずれか）
が計算される（ステップ４４０）。例えば、この実施態
様の場合、現在の平均Ｌ＊値は、全てのＬ＊イメージ値
の平均をとることによって計算することが可能である。 【００３８】図３Ｃ及び図４Ｃに示すような、計算の複
雑さを軽減するためのもう１つの代替案として、ヒスト
グラム・ビンが、イメージ毎に変化しない（各ビンのカ
ウント値が変化するだけである）ので、線形イメージ・
データ１３０を受信する前に、ヒストグラムのビン中心
値１３５をＬ＊ビン中心値１３５ａに変換することがで
きる。従って、この実施態様の場合、ヒストグラムのビ
ン中心値１３５が決まると（ステップ４５０）、ビン中
心値１３５は、Ｌ＊ビン中心値変換器１２４によってＬ
＊ビン中心値１３５ａに変換され（ステップ４５５）、
これらのＬ＊ビン中心値１３５ａは、イメージ統計プロ
セッサ１２０にとってアクセス可能なメモリ１２９、ま
たは、イメージ統計プロセッサ１２０内に記憶される
（前者が図示されている）（ステップ４６０）。さらに
他の代替案として、Ｌ＊ビン中心値１３５ａへの変換
は、外部で実施することが可能であり、Ｌ＊ビン中心値
１３５ａを、メモリ１２９に事前にロードすることが可
能である。 【００３９】その後、線形イメージ・データ１３０が、
イメージ統計プロセッサ１２０に到達すると（ステップ
４６５）、線形イメージ・データ１３０は、（上述の）
ヒストグラム発生器１２２に送られ、各ビンにおけるピ
クセル値の数がカウントされる（ステップ４７０）。カ
ウントが終了すると、各ビンのピクセル値の数のカウン
ト値を含むテーブル１４５がＬ＊統計値計算論理回路１
２８に送られ、メモリ１２９からＬ＊ビン中心値１３５
ａが取り出されて（ステップ４８０）、イメージ統計値
１４９が計算される（ステップ４８５）。この実施態様
では、イメージ統計値１４９（例えば、Ｌ＊標準偏差及
び平均Ｌ＊値）を、単純な加算、減算、及び、乗算だけ
で計算することができる。 【００４０】図５、６Ａ、及び６Ｂには、イメージ統計
プロセッサによって計算されたイメージ統計値（例え
ば、Ｌ＊標準偏差、及び、平均Ｌ＊値またはＬ＊百分位
数）を用いて、勾配パラメータα及びシフト・パラメー
タβを計算するステップが例示されている。上述のよう
に、シフト・パラメータ及び勾配パラメータを計算する
場合、さまざまな知覚的選好ガイドラインを使用して、
見る者にとって満足のいく出力イメージを生成すること
が可能である。知覚的選好ガイドラインは、ユーザが選
択することもできるし、あるいは、トーン・マッピング
・アルゴリズムが実施される特定のデジタル・イメージ
・システムのメーカが選択することも可能である。例え
ば、以下の説明は、範囲の中央における全体的なヒスト
グラム形状の保存、約２０の所望のＬ＊標準偏差レベ
ル、及び、約５０の所望の平均Ｌ＊レベルを含む３つの
望ましい知覚的選好に基づくものである。もちろん、こ
れらの望ましい知覚的選好の代わりに、他の知覚的選好
を使用することも可能である。 【００４１】図５に例示するように、勾配パラメータα
を求めるために、イメージ統計プロセッサによって計算
された現在のＬ＊標準偏差が、（図１に示した）トーン
曲線パラメータ計算論理回路に伝送される（ステップ５
００）。所望のＬ＊標準偏差が、ユーザまたはメーカに
よって事前選択され、トーン曲線パラメータ計算論理回
路にとってアクセス可能なメモリ（不図示）、または、
トーン曲線パラメータ計算論理回路内に記憶される（ス
テップ５１０）。上述のように、望ましい実施態様の場
合、所望のＬ＊標準偏差は、約２０になるように選択さ
れる。しかし、ユーザまたはメーカの要求に従って、他
の値を選択することも可能である。値が２０を超える
と、よりコントラストの強いイメージが生成され、一
方、値が２０未満になると、よりコントラストの弱いイ
メージが生成される。所望のＬ＊標準偏差以外に、デフ
ォルト時の勾配値も事前選択される（ステップ５２
０）。 【００４２】線形トーン曲線の場合、ｑ／ｐのトーン曲
線勾配を使用して、標準偏差を、ある値（ｐ）から別の
値（ｑ）に変更することが可能である。Ｓ字状トーン曲
線は、非線形であるが、Ｓ字状曲線の中間部分はほぼ線
形である。ほとんどのイメージでは、イメージ・ピクセ
ルの大部分が、範囲の中央（１実施態様では、 【数８】 となるポイントのあたり）に近い値を有しているので、
このポイントでＳ字状曲線の勾配を変化させて、所望の
Ｌ＊標準偏差の実現を試みることができる。 【００４３】ｘ＝１００βのポイントにおいて、α＝４
であれば、ｔ（ｘ）の勾配は１になる。従って、デフォ
ルト時の勾配α_{ｄｅｆａｕｌｔ}を４に設定することがで
きる。しかし、使用される（上述したような）実際のト
ーン曲線は、αが４未満の場合、勾配が１になるｔ
_１（ｘ）である。実際には、イメージがどの程度のコン
トラストの強さで見えるようにしたいかに応じて、３と
４の間の任意の値をデフォルト時の勾配α
_{ｄｅｆａｕｌｔ}として使用することができる。デフォル
ト時の勾配を選択すると、現在のＬ＊標準偏差、所望の
Ｌ＊標準偏差、及び、デフォルト時の勾配に基づいて、
勾配パラメータαを計算することができる（ステップ５
３０）。σ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}のＬ＊標準偏差を有するイメ
ージについての勾配パラメータαを得るために、現在の
Ｌ＊標準偏差及び所望のＬ＊標準偏差σ_{ｄｅｓｉｒ ｅｄ}
に従って、下記のように、デフォルト時のα値にスケー
リングが施される。 【００４４】 【数９】 【００４５】上述のように、出力イメージ全体の明るさ
に影響を与えるために、シフト・パラメータβによっ
て、ヒストグラムをシフトする。特定の用途において、
どの知覚的要素がより重要であるかに従って、また、許
容される計算上の複雑さがどれほどであるかに応じて、
シフト・パラメータを求める方法は異なる。図６Ａ及び
６Ｂには、シフト・パラメータβを計算するためのこう
した２つの代替実施態様が例示されている。 【００４６】第１の実施態様の場合、図６Ａに示すよう
に、シフト・パラメータβは、平均Ｌ＊値に基づいて計
算される。この実施態様の場合、イメージ統計プロセッ
サによって計算された現在の平均Ｌ＊値は、（図１に示
した）トーン曲線パラメータ計算論理回路に送られる
（ステップ６００）。所望の平均Ｌ＊値は、ユーザまた
はメーカによって事前選択され、トーン曲線パラメータ
計算論理回路にとってアクセス可能なメモリ（不図示）
内、または、トーン曲線パラメータ計算論理回路内に記
憶される（ステップ６１０）。しかし、環境によって
は、この事前選択された所望の平均Ｌ＊値を、処理され
るイメージに関する追加情報に基づいて調整することも
可能である。例えば、イメージ・プロセッサに、イメー
ジの内容が主として黒の物体であることが分かっている
場合、所望のＬ＊値を５０未満に調整して、イメージが
過剰に明るくならないようにすることが可能である。あ
るいは、イメージ・データが高レベルノイズを含んでい
ることが分かっている場合、所望のＬ＊値にバイアスを
かけて、もとのイメージの平均Ｌ＊値に近づけ、トーン
・マッピングによるノイズの増幅を回避することも可能
である。 【００４７】例えば、イメージ全体の所望の平均Ｌ＊値
を、ほぼ５０（中間の明るさ）になるように事前選択す
ることが可能である。あるいはまた、所望の平均Ｌ＊値
を、所定のイメージ領域において５０になるように選択
することも可能である。一例として、人間の顔を含むイ
メージの場合、顔の領域におけるＬ＊平均値を５０に設
定することが可能である。こうした基準を使用して、Ｓ
字状トーン曲線のシフト・パラメータを求めると、一般
に、優れた画質が得られる。しかし、顔の認識をするこ
とができない場合には、イメージの中心部、またはイメ
ージにおいて対象とする他の領域の平均Ｌ＊値を、ほぼ
５０のレベルにすることができる。シフト・パラメータ
を求めるこの後者の方法は、低コストのイメージング
（画像形成）システムにとってより実際的である。もち
ろん、５０の代わりに、他の任意の所望の平均Ｌ＊値を
用いることも可能である。 【００４８】シフト・パラメータを、現在の平均Ｌ＊値
及び所望の平均Ｌ＊値に基づいて計算することが可能で
ある（ステップ６２０）。例えば、 【数１０】 がイメージにおいて対象とする領域（例えば、顔の領
域）の平均Ｌ＊値であり、Ｌ_{ｄｅｓｉｒｅｄ}が所望の平
均Ｌ＊値ある場合、シフト・パラメータβは、次のよう
になる。 【００４９】 【数１１】 【００５０】５０のＬ_{ｄｅｓｉｒｅｄ}値を使用すると、
βは単に、 【数１２】 になる。 【００５１】図６Ｂに示す第２の実施態様の場合、シフ
ト・パラメータβは、Ｌ＊百分位数値に基づいて計算さ
れる。さまざま研究（例えば、１９９７年のタナカ他に
よる研究を参照されたい）が示すように、観察者は、で
きるだけ出力色域の広い再現を選好する。従って、こう
した選好に応じるために、ヒストグラムをシフトするこ
とによってシフト・パラメータを求めて、できる限り出
力装置のダイナミック・レンジの広い範囲を占めるよう
にし、同時に、できる限りヒストグラムの形状を乱さな
いようにして分布のいずれかの端における多数のポイン
トの飽和を回避することができる。これは、トーン曲線
の中心が、ヒストグラムの端点間の中間にくるようにす
るセンタリング関数を使用することによって行われる。
これは、保存的な選択であり、一般に、もとのＲＧＢヒ
ストグラムがある程度「正常」（値が全範囲中の小さな
部分に集中しない）であれば、イメージの平均輝度には
わずかな変化しか生じない。 【００５２】従って、トーン曲線パラメータ計算論理回
路が、Ｌ＊百分位数（例えば、ｎが扱いやすい小さい値
である、ｎ番目及び（１００−ｎ）番目の百分位数）を
受信すると（ステップ６５０）、シフト・パラメータβ
を、これら２つの端点間の中点値として計算することが
可能になる（ステップ６６０）。例えば、ヒストグラム
におけるピクセル値のｎ番目の百分位数がｘ_１で、ピク
セル値の（１００−ｎ）番目の百分位数がｘ_２である場
合、シフト・パラメータは、下記の式によって求められ
る。 【００５３】 【数１３】 【００５４】ＲＧＢ値の組み合わせヒストグラムを使用
して、百分位数を求め、トーン曲線のシフトを計算する
ときに、カラー・プレーンが無視されないようにするの
が望ましい。これは、とりわけ、トーン・マッピング後
のカラー（色）シフトを回避するために、鮮明な色調を
有するイメージに対して施されるトーン・マッピングに
とって重要である。 【００５５】上述のβを求める方法は、両方とも、イメ
ージに対して実施され、テストされた。第１の方法（β
を平均Ｌ＊値から計算する）は、実施がより容易であ
り、大部分の屋内及び屋外のイメージに対してうまく作
用する。イメージ全体の平均Ｌ＊値をβとして用いる
と、夜間のイメージまたは暗いイメージ、すなわち、燭
光によるシーンのような、平均Ｌ＊値が低いイメージを
過剰に明るくすることになりがちである。第２の方法
（βとしてヒストグラムの最高と最低の百分位数の平均
を使用する）は、暗いイメージの場合により良好に作用
する。この第２の方法は、第１の方法に比べて、イメー
ジの明るさを変化させる傾向が少ないので、より保存的
な方法である。 【００５６】用途によっては、Ｓ字状曲線のシフト範
囲、すなわち、シフト・パラメータβが０．５から偏移
することが可能な範囲を制限するのが望ましい場合もあ
り得る。例えば、かなり露出不足のイメージの場合、
（β値が０に近い）トーン曲線を過剰にシフト・アップ
すると、センサ・ノイズが増幅されるので、低画質のイ
メージが生じることになる。同様に、かなり露出過度の
イメージの場合、（β値が１に近い）トーン曲線を過剰
にシフト・ダウンすると、ほぼ飽和した領域にカラー
（色）シフトが生じる可能性がある。これらの問題を最
小限に抑えるために、もとのイメージの平均ピクセル値
に従って、シフト・パラメータの値を制限することが可
能である。もとのイメージ平均ピクセル値が、トーン・
マッピング・アルゴリズムの特定の用途に応じて、高す
ぎるか、または、低すぎる場合には、ノイズの増幅を低
減するために、シフト・パラメータβに調整を加えて、
中点値０．５からの偏差が少なくなるようにする。実施
態様の１つでは、それぞれが、もとのイメージ・ピクセ
ル値の平均レベルＭ_ｊの１つに対応する、一連のβ値の
上限Ｔ_ｊが事前選択される。もとのイメージの平均ピク
セル値がＭ_ｊ未満である場合、β値は、少なくともＴ_ｊ
に制限される。すなわち、式７または式８から計算され
る値がＴ_ｊ未満の場合、βはＴ_ｊに等しくなるように設
定される。同様に、それぞれが、平均ピクセル・レベル
Ｍ_ｋの１つに対応する、一連の下限Ｔｋも事前選択する
ことが可能である。もとのイメージの平均ピクセル値が
Ｍ_ｋを超える場合、βは、Ｔ_ｋより大きくならないよう
に制限される。シフト・パラメータをこのように制限す
ることによって、トーンの過剰補償から生じるアーティ
ファクト（人工的ノイズなど）を最小限に抑えることが
可能になる。 【００５７】図７Ａ及び７Ｂには、図１に示したトーン
曲線発生器１６０を実施するための代替実施態様が例示
されている。図７Ａ、及び図８Ａのステップに示されて
いる第１の実施態様の場合、トーン曲線パラメータ１５
０（例えば、勾配パラメータα及びシフト・パラメータ
β）が、（図１に示した）トーン曲線パラメータ計算論
理回路１４０によって計算されると、トーン曲線発生器
１６０に送られる（ステップ８００）。その後、Ｓ字状
トーン曲線１７０が、上述の受信トーン曲線パラメータ
１５０、及び、式（１）及び（３）を用いて、トーン曲
線発生器１６０内のＳ字関数ロジック（シグモイド関数
論理回路）１６２によって生成される（ステップ８０５
及び８１０）。生成されたトーン曲線１７０は、図９に
示すトーン曲線に似ている。 【００５８】図９に示すトーン曲線１７０は、Ｌ＊イメ
ージ入力値を適正な出力装置に対するＬ＊イメージ出力
値にマッピングすることが可能である。しかし、Ｌ＊
は、一般に、出力装置において用いられるスケールでは
ないので、出力デジタル・イメージデータは、特定の出
力装置によって必要とされるスケールに変換される前
に、線形形式に変換される。望ましい実施態様の場合、
Ｙ軸（Ｌ＊イメージ出力値）は、Ｙ軸変換器１６４によ
って、Ｌ＊スケールから線形スケールに変換されるが
（ステップ８１５）、これは、上述した、トーン曲線１
７０ａを生成するための変換の概ね３乗である。 【００５９】さらに、ＣＲＴディスプレイのような大部
分の表示装置は、ほぼベキ関数である強度（例えば輝
度）対電圧応答曲線を有している（例えば、γをディス
プレイのガンマ値とした場合、ピクセル値がｘに設定さ
れると、表示輝度は、ｘ^γに比例する）ので、こうした
出力装置において適正に表示するためには、線形出力値
にガンマ補正を施す必要がある。大部分のトーン・マッ
ピング法において、ガンマ補正は、マッピング後に実施
される。本明細書に記載のＳ字状トーン・マッピング法
の場合、ガンマ補正は、トーン・マッピング後に別個に
実施することもできるし、あるいは、トーン・マッピン
グ・ステップと組み合わせることも可能である。１実施
態様では、ガンマ補正は、ガンマ補正論理回路１６６を
Ｙ軸に適用して、トーン曲線１７０ｂを生成することに
よって、トーン・マッピングと共に実施される（ステッ
プ８２０）。Ｙ軸（出力）の線形変換とガンマ補正を組
み合わせた効果は、３／γの累乗であり、ここで、γ
は、出力装置がＲＧＢ（標準色空間）ディスプレイの場
合、２．４のような意図するディスプレイ・ガンマ値で
ある。 【００６０】一般に、トーン・マッピングは、線形ＲＧ
Ｂ入力ピクセル値に施される（例えば、線形イメージ・
データ１３０が、線形変換装置３０によって図１のトー
ン・マッピング・オペレータ４０に供給される）。Ｓ字
状トーン曲線は、Ｘ軸上におけるＬ＊スケールを想定し
て、すなわち、Ｘ軸値がＬ＊スケールで均一にサンプリ
ングされると想定して生成される。従って、線形入力値
をトーン曲線に適正にマッピングするためには、トーン
曲線をイメージに適用するときに、テーブル参照動作を
容易に行えるように、トーン曲線のＸ軸サンプリング
を、線形スケールにおいて均一になるように変換しなけ
ればならない。この変換は、トーン曲線１７０ｃを生成
するために、Ｘ軸変換器１６８によって、単純な線形補
間プロセスを用いて実施されるが（ステップ８２５）、
これには、Ｙ軸変換器に関連して上述したような算術演
算だけしか必要としない。この最終トーン曲線１７０ｃ
は、（図１に示した）トーン・マッピング・オペレータ
によって、線形イメージ・データを出力装置の輝度にマ
ッピングするために使用される。 【００６１】図７Ｂ、及び図８Ｂのステップで示す第２
の実施態様の場合、トーン・マッピング・アルゴリズム
の最も計算コストが高くつく部分の１つに、計算の複雑
さを軽減するための、シグモイド関数における指数関数
計算が含まれるので、算術演算だけで、Ｓ字状トーン曲
線計算の近似を実施することが可能である。シグモイド
関数における指数計算は、２つの極値勾配（または最大
勾配）を有する１対の固定トーン曲線を予め計算し、次
に、補間を施して、中間勾配を有するトーン曲線を求め
ることによって回避することができる。上述のように、
シフト・パラメータによって、水平（Ｘ）軸上のトーン
曲線が並進させられる。従って、Ｘ（入力ピクセル値）
軸の広い範囲にわたってトーン曲線を事前計算して、そ
れぞれのシフト・パラメータについて事前計算されたト
ーン曲線のそれぞれの部分を「取り除く」ことによっ
て、適正なトーン曲線を選択することが可能になる。 【００６２】２つのトーン曲線を事前に計算するため
に、ユーザまたはメーカは、２つの勾配パラメータα
_ｍａｘ及びα_ｍｉｎを事前に選択しなければならない
（ステップ８５０）。大部分のイメージに対する勾配パ
ラメータαは、２．５〜６．５の範囲内にある。従っ
て、望ましい実施態様の場合、α_ｍｉｎは、２．５に設
定され、α_ｍａｘは、６．５に設定される。最大及び最
小勾配パラメータ１５５が設定されると、シグモイド関
数論理回路１６２は、２つのトーン曲線、すなわち、
（Ｌ＊スケールにおいて）ほぼ線形のトーン曲線をもた
らす、勾配が２．５の曲線（曲線Ｐ_１）と、イメージの
コントラストをかなり強めることになる、６．５の急勾
配の曲線（曲線Ｐ_２）を事前に計算することができる
（ステップ８５５）。図１０には、事前に生成された２
つのトーン曲線が示されている。留意すべきは、２つの
曲線は、０のシフト値βについて生成されたものである
という点である（異なるβ値についてのＸ軸の範囲は、
後述するように、Ｘ軸のＸ原点を並進させることによっ
て後で決定される）。 【００６３】勾配値が２．５と６．５の間にある場合、
トーン曲線は、Ｐ_１とＰ_２の間を線形補間することによ
って生成される。ａ⊂［２．５，６．５］である場合
に、Ｐ _ａ（ｘ）がａというα値を有するトーン曲線であ
ると仮定すると、Ｐ_ａ（ｘ）は次のように表せる。 【００６４】 【数１４】 【００６５】これは、もちろん、近似であるが、α値が
２．５〜６．５の範囲に制限される場合、近似はかなり
正確になる。図１１Ａでは、トーン曲線出力Ｌ＊値を、
１１の異なる入力ピクセル・レベル（１１のラインで表
示）についてαの関数としてプロットしている。図から
わかるように、出力Ｌ＊値は、αと線形関係に近い。 【００６６】上述のように、一般に、トーン・マッピン
グ出力は、画面表示用のガンマ補正された線形ＲＧＢ値
である。従って、図７Ａ及び８Ａを参照して上述したよ
うに、Ｐ_１及びＰ_２ １５８のＹ軸を、トーン曲線発生
器１６０のＹ軸変換器１６４及びガンマ補正論理回路１
６６によって、ガンマ補正された線形ＲＧＢ値に変換す
ることができる（ステップ８６０及び８６５）。トーン
曲線出力Ｐａ（ｘ）がガンマ補正された線形ＲＧＢ値で
ある場合、αとの関係は、図１１Ｂに示すように、やは
り、極めて線形である。従って、ガンマ補正されたピク
セル値としてＰ _１及びＰ_２ １５８を事前に計算するこ
とによって、補間されたトーン値もガンマ補正されるこ
とになる。これは、トーン曲線計算には、補間に用いら
れる算術演算（上記式９）だけしか必要がないというこ
とを表している。ガンマ補正後のトーン曲線Ｐ_１及びＰ
_２ １５８は、事前に生成されると、後で、特定の入力
値集合に関するトーン曲線の計算に使用するために、ト
ーン曲線発生器にとってアクセス可能なメモリ１６９に
記憶されるか（ステップ８７０）、あるいは、トーン曲
線発生器内に記憶される。 【００６７】トーン曲線発生器１６０が、（図１に示し
た）トーン曲線パラメータ計算論理回路から、現在の勾
配パラメータα_{ｃｕｒｒｅｎｔ}１５０ａ及び現在のシフ
ト・パラメータβ_{ｃｕｒｒｅｎｔ}１５０ｂを受信すると
（ステップ８７５）、トーン曲線発生器１６０内の計算
論理回路１６３が、上記のガンマ補正後のトーン曲線Ｐ
_１及びＰ_２ １５８、及び、現在の勾配パラメータ１５
０ａ及び式９を使用して、Ｐ_ａ（ｘ）１５９を求める
（ステップ８８０）。その後、Ｐ_ａ（ｘ）のある部分を
選択するために、現在のシフト・パラメータ１５０ｂ及
びＰ_ａ（ｘ）１５９が、トーン曲線発生器１６０内のシ
フト論理回路１６５に伝送される（ステップ８８５）。
シフト・パラメータ１５０ｂは、単に、トーン曲線をＸ
軸上で並進させるものであるから、Ｐａ（ｘ）のＸ軸上
における並進によって、シフト・パラメータの異なるト
ーン曲線を得ることができる。 【００６８】例えば、シフト・パラメータが０で、か
つ、［−１００，１００］の範囲内のＰ_ａ（ｘ）を生成
して、［０，１００］のＸ軸範囲内で、シフト・パラメ
ータがβのトーン曲線が得られると仮定すると、そのト
ーン曲線をＸ軸上で並進させることによって、−β×１
００のＸ値が０になり、（１−β）×１００のＸ値が、
１００になる。 シフト・パラメータβのトーン曲線
は、ポイントＸ＝−β×１００からポイントＸ＝（１−
β）×１００までの事前生成されたトーン曲線Ｐ
_ａ（ｘ）を「取り除く」ことによって得られる。実施時
には、この操作に必要とされるのは、単に、事前生成テ
ーブルにおける異なる開始点にファイル・ポインタを移
動させることだけであり、従って、計算はほとんど不要
である。 【００６９】Ｐ_ａ（ｘ）からトーン曲線を「取り除い
た」後、トーン曲線の両端には、全Ｙ範囲に合わせてス
ケーリングを施す必要がある。これに必要なのは、やは
り、事前に作成されたテーブルから前に取り除かれたト
ーン・マッピング・テーブルの各エントリに対する算術
演算だけである。その後、図７Ａ及び８Ａに関連して上
述したように、Ｘ軸変換器１６８によって、Ｘ軸がＬ＊
スケールから線形スケールに変換されて（ステップ８９
０）、最終トーン曲線１７０が作成される。留意すべき
は、トーン曲線の並進は、トーン曲線Ｐ_１及びＰ_２ １
５８の並進によって正しい勾配を得るのに必要な補間ス
テップの前または後に行われる可能性があるという点で
ある。最小量の計算の場合、並進がまず実施されるの
で、補間を施す必要があるのは、事前に生成されたトー
ン曲線Ｐ_１及びＰ_２ １５８の「取り除かれた」部分に
対してだけになる。 【００７０】当業者には明らかなように、本明細書及び
図面において開示した革新的な概念について、その広範
囲の用途にわたり、修正及び変更を加えることが可能で
ある。従って、特許付与される範囲は、説明した特定の
実施態様例に制限されるべきものではなく、特許請求の
範囲によって画定される。 【００７１】以下においては、本発明の種々の構成要件
の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。 １．デジタル・イメージの少なくとも一部を表すデジタ
ル・イメージ・データ（２５）を受信し、前記デジタル
・イメージ・データ（２５）を出力装置（５０）の範囲
にマッピングすることが可能なデジタル・イメージ・シ
ステム（１０）において、前記デジタル・イメージ・デ
ータ（２５）に基づいて、少なくとも１つの現在のイメ
ージ統計値（１４９）を計算することが可能なイメージ
統計プロセッサ（１２０）と、計算論理回路（１４０）
であって、前記イメージ統計プロセッサ（１２０）か
ら、前記少なくとも１つの現在のイメージ統計値（１４
９）を受信するように接続され、かつ、前記少なくとも
１つの現在のイメージ統計値（１４９）と、前記デジタ
ル・イメージ・システム（１０）に関連した少なくとも
１つの知覚的選好に基づいて、少なくとも１つのトーン
曲線パラメータ（１５０）を計算することが可能であ
る、計算論理回路と、トーン曲線発生器（１６０）であ
って、前記計算論理回路（１４０）から、前記少なくと
も１つのトーン曲線パラメータ（１５０）を受信するよ
うに接続され、かつ、前記少なくとも１つのトーン曲線
パラメータ（１５０）とシグモイド関数を使用して、ト
ーン曲線（１７０）を生成することが可能である、トー
ン曲線発生器を備え、前記トーン曲線（１７０）を使用
して、前記デジタル・イメージ・データ（２５）を前記
出力装置（５０）の範囲にマッピングすることからな
る、デジタル・イメージ・システム（１０）。 ２．前記デジタル・イメージ・データ（２５）を受信し
て、前記デジタル・イメージ・データ（２５）を線形イ
メージ・データ（１３０）に変換し、かつ、前記線形イ
メージ・データ（１３０）を前記イメージ統計プロセッ
サ（１２０）に伝送するように接続された、線形変換装
置（３０）をさらに備え、前記イメージ統計プロセッサ
（１２０）が、前記少なくとも１つの現在のイメージ統
計値（１４９）の計算において前記線形イメージ・デー
タ（１３０）を使用することからなる、上項１に記載の
システム（１０）。 ３．前記イメージ統計プロセッサが、前記線形イメージ
・データ（１３０）を受信して、前記線形イメージ・デ
ータ（１３０）によって表されるピクセル値のヒストグ
ラム（１４５）を生成するように接続されたヒストグラ
ム発生器（１２２）であって、前記ヒストグラム（１４
５）に、ピクセル値のそれぞれの範囲を表す複数のビン
と、前記複数のビンの各ビン内における前記線形イメー
ジ・データ（１３０）によって表されるピクセル値数の
カウントが含まれることからなる、ヒストグラム発生器
と、前記ヒストグラム（１４５）に関連した前記ビンの
各々のビン中心値（１３５）を線形スケールからＬ＊ス
ケールに変換して、複数のＬ＊ビン中心値（１３５ａ）
を生成することが可能な変換器（１２４）と、前記ヒス
トグラム発生器（１２２）から前記カウントを受信し、
前記変換器（１２４）から前記複数のＬ＊ビン中心値
（１３５ａ）を受信し、かつ、前記カウント及び前記複
数のＬ＊ビン中心値（１３５ａ）を使用して、前記少な
くとも１つの現在のイメージ統計値（１４９）を計算す
るように接続された統計値計算論理回路（１２８）を備
えることからなる、上項２に記載のシステム（１０）。 ４．前記ヒストグラム（１４５）の生成前に、前記複数
のＬ＊ビン中心値（１３５ａ）を記憶するためのメモリ
（１２９）をさらに備え、前記統計値計算論理回路（１
２８）が、前記カウントの受信に応答して、前記複数の
Ｌ＊ビン中心値（１３５ａ）を取り出すことからなる、
上項３に記載のシステム（１０）。 ５．前記少なくとも１つのトーン曲線パラメータ（１５
０）に、勾配パラメータとシフト・パラメータが含ま
れ、前記少なくとも１つの現在のイメージ統計値（１４
９）に、現在のＬ＊標準偏差と、現在の平均Ｌ＊値また
は低及び高Ｌ＊百分位数値の一方とが含まれる、上項１
に記載のシステム（１０）。 ６．前記少なくとも１つの知覚的選好に、所望のＬ＊標
準偏差と、所望の平均Ｌ＊値またはセンタリング関数の
一方とが含まれ、前記勾配パラメータが、前記現在のＬ
＊標準偏差と前記所望のＬ＊標準偏差を用いて計算さ
れ、前記シフト・パラメータが、前記現在の平均Ｌ＊値
及び前記所望の平均Ｌ＊値、または、前記低及び高Ｌ＊
百分位数値と前記センタリング関数を用いて計算される
ことからなる、上項５に記載のシステム（１０）。 ７．上位の事前選択された平均Ｌ＊値及び関連する上位
の事前選択されたシフト値と下位の事前選択された平均
Ｌ＊値及び関連する下位の事前選択されたシフト値をさ
らに含み、前記現在の平均Ｌ＊値が前記上位の事前選択
された平均Ｌ＊値未満で、かつ、前記計算されたシフト
・パラメータが、前記上位の事前選択されたシフト値未
満であるときは、前記シフト・パラメータが、前記上位
の事前選択されたシフト値に設定され、前記現在の平均
Ｌ＊値が前記下位の事前選択された平均Ｌ＊値を超え、
前記計算されたシフト・パラメータが、前記下位の事前
選択されたシフト値を超えるときは、前記シフト・パラ
メータが、前記下位の事前選択されたシフト値に設定さ
れることからなる、上項６に記載のシステム（１０）。 ８．前記デジタル・イメージ・システム（１０）が前記
デジタル・イメージ・データ（２５）を受信する前に、
前記トーン曲線発生器（１６０）によって生成された第
１と第２の事前計算されたトーン曲線（１５８）を記憶
するためのメモリ（１６９）をさらに備え、前記第１の
事前計算されたトーン曲線が、最小勾配を有し、前記第
２の事前計算されたトーン曲線が最大勾配を有すること
からなる、上項５に記載のシステム（１０）。 ９．前記トーン曲線発生器が、計算論理回路（１６３）
であって、前記勾配パラメータ（１５０ａ）及び前記第
１と第２の事前計算されたトーン曲線（１５８）を受信
するように接続され、かつ、前記勾配パラメータ（１５
０ａ）を使用して、前記第１の事前計算されたトーン曲
線と前記第２の事前計算されたトーン曲線（１５８）の
間の補間を行って、初期トーン曲線（１５９）を求める
ことが可能である、計算論理回路と、シフト論理回路
（１６５）であって、前記初期トーン曲線（１５９）及
び前記シフト・パラメータ（１５０ｂ）を受信するよう
に接続され、かつ、前記シフト・パラメータ（１５０
ｂ）を使用して、Ｘ軸上で前記初期トーン曲線（１５
９）をシフトさせて、前記デジタル・イメージ・データ
（２５）を前記出力装置（５０）の範囲にマッピングす
る際に用いられる前記トーン曲線（１７０）を生成する
ことが可能である、シフト論理回路を備えることからな
る、上項８に記載のシステム。 １０．前記トーン曲線発生器が、前記トーン曲線（１７
０）のＹ軸にガンマ補正を施すためのガンマ補正論理回
路（１６６）と、前記トーン曲線（１７０）のＸ軸を前
記デジタル・イメージ・データ（２５）のスケールに変
換するための変換器（１６８）をさらに備える、上項１
に記載のシステム。 １１．デジタル・イメージの少なくとも一部を表すデジ
タル・イメージ・データ（２５）を出力装置（５０）の
範囲にマッピングするための方法であって、デジタル・
イメージ・システム（１０）において前記デジタル・イ
メージ・データ（２５）を受信するステップと、前記デ
ジタル・イメージ・データ（２５）に基づいて、少なく
とも１つの現在のイメージ統計値（１４９）を計算する
ステップと、前記少なくとも１つの現在のイメージ統計
値（１４９）と、少なくとも１つの知覚的選好に基づい
て、少なくとも１つのトーン曲線パラメータ（１５０）
を計算するステップと、前記少なくとも１つのトーン曲
線パラメータ（１５０）とシグモイド関数を使用して、
トーン曲線（１７０）を生成し、前記トーン曲線（１７
０）を使用して、前記デジタル・イメージ・データ（２
５）を前記出力装置（５０）の範囲にマッピングするス
テップを含む、方法。 １２．前記少なくとも１つの現在のイメージ統計値（１
４９）を計算する前記ステップが、前記デジタル・イメ
ージ・データ（２５）を線形イメージ・データ（１３
０）に変換するステップと、前記線形イメージ・データ
（１３０）を用いて、前記少なくとも１つの現在のイメ
ージ統計値（１４９）を計算するステップをさらに含
む、上項１１に記載の方法。 １３．前記少なくとも１つの現在のイメージ統計値（１
４９）を計算するステップが、前記線形イメージ・デー
タ（１３０）によって表されるピクセル値のヒストグラ
ム（１４５）を生成するステップであって、前記ヒスト
グラム（１４５）に、ピクセル値のそれぞれの範囲を表
す複数のビンと、前記複数のビンの各ビン内における前
記線形イメージ・データ（１３０）によって表されるピ
クセル値数のカウントが含まれることからなる、ステッ
プと、前記ヒストグラム（１４５）に関連した前記ビン
のそれぞれについてビン中心値（１３５）を線形スケー
ルからＬ＊スケールに変換して、複数のＬ＊ビン中心値
（１３５ａ）を得るステップと、前記カウント及び前記
複数のＬ＊ビン中心値（１３５ａ）を使用して、前記少
なくとも１つの現在のイメージ統計値（１４９）を計算
するステップをさらに含む、上項１２に記載の方法。 １４．前記ビン中心値を変換するステップが、前記生成
するステップの前に、前記ビン中心値（１３５）を変換
して、複数のＬ＊ビン中心値（１３５ａ）を得るステッ
プと、前記複数のＬ＊ビン中心値（１３５ａ）をメモリ
（１２９）内に記憶するステップをさらに含む、上項１
３に記載の方法。 １５．前記少なくとも１つのトーン曲線パラメータ（１
５０）に、勾配パラメータとシフト・パラメータが含ま
れ、前記少なくとも１つの現在のイメージ統計値（１４
９）に、現在のＬ＊標準偏差と、現在の平均Ｌ＊値また
は低及び高Ｌ＊百分位数値の一方とが含まれることから
なる、上項１１に記載の方法。 １６．前記少なくとも１つの知覚的選好に、所望のＬ＊
標準偏差と、所望の平均Ｌ＊値またはセンタリング関数
の一方とが含まれ、前記少なくとも１つのトーン曲線パ
ラメータ（１５０）を計算するステップが、前記現在の
Ｌ＊標準偏差と前記所望のＬ＊標準偏差を用いて前記勾
配パラメータを計算するステップと、前記現在の平均Ｌ
＊値及び前記所望の平均Ｌ＊値、または、前記低及び高
Ｌ＊百分位数値及び前記センタリング関数を用いて、前
記シフト・パラメータを計算するステップをさらに含む
ことからなる、上項１５に記載の方法。 １７．前記少なくとも１つのトーン曲線パラメータ（１
５０）を計算するステップが、前記現在の平均Ｌ＊値
が、上位の事前選択されたシフト値に関連した上位の事
前選択された平均Ｌ＊値未満で、かつ、前記計算された
シフト・パラメータが、前記上位の事前選択されたシフ
ト値未満である場合、前記シフト・パラメータを前記上
位の事前選択されたシフト値に等しくなるように設定す
るステップと、前記現在の平均Ｌ＊値が、下位の事前選
択されたシフト値に関連した下位の事前選択された平均
Ｌ＊値を超え、かつ、前記計算されたシフト・パラメー
タが、前記下位の事前選択されたシフト値を超える場
合、前記シフト・パラメータを前記下位の事前選択され
たシフト値に等しくなるように設定するステップをさら
に含む、上項１６に記載の方法。 １８．前記生成するステップが、前記デジタル・イメー
ジ・データ（２５）を受信する前記ステップの前に、第
１と第２の事前計算されたトーン曲線（１５８）を生成
するステップをさらに含み、前記第１の事前計算された
トーン曲線が最小勾配を有し、前記第２の事前計算され
たトーン曲線が最大勾配を有することからなる、上項１
５に記載の方法。 １９．前記デジタル・イメージ・データ（２５）を前記
出力装置（５０）の範囲にマッピングする際に用いられ
る前記トーン曲線（１７０）を生成するステップが、前
記勾配パラメータ（１５０ａ）を用いて、前記第１の事
前計算されたトーン曲線と前記第２の事前計算されたト
ーン曲線の間の補間を行い、初期トーン曲線（１５９）
を得るステップと、前記シフト・パラメータ（１５０
ｂ）を使用して、Ｘ軸上で前記初期トーン曲線（１５
９）をシフトさせ、前記デジタル・イメージ・データ
（２５）を前記出力装置（５０）の範囲にマッピングす
る際に用いられる前記トーン曲線（１７０）を得るステ
ップを含むことからなる、上項１８に記載の方法。 ２０．前記トーン曲線（１７０）を生成するステップ
が、前記トーン曲線（１７０）のＹ軸にガンマ補正を施
すステップと、前記トーン曲線（１７０）のＸ軸を前記
デジタル・イメージ・データ（２５）のスケールに変換
するステップを含むことからなる、上項１１に記載の方
法。 【００７２】本発明では、知覚的な選好指針に基づく適
応型イメージトーンマッピング曲線(170)をＳ字形関数
として生成する。Ｓ字形関数のパラメータ(150)(勾配と
シフト）は、元のイメージ統計値(149)により決定され
る。異なるイメージに対して生成されたトーン曲線(17
0)の各々は、なめらかなＳ字形状をなしており、そのた
め、トーンマッピング処理によって、イメージヒストグ
ラムの形状が急激に変化することはない。Ｓ字形関数
は、 【数１５】 で表すことができる。ここで、αは勾配パラメータ(150
a）、βはシフトパラメータ(150b)である。トーン曲線
(170)は、Ｌ＊スケールにおいて生成され、０から１０
０までの値を有するので、Ｓ字形関数の入力値ｘは、
［０、１００]の範囲で変わる。Ｓ字形トーン曲線(170)
の計算は、αとβの計算に使用される種々の要素を予め
計算し、記憶することによって、及び、２つの極値勾配
を有する一対の固定トーン曲線(158)を生成して、これ
らの曲線(158)間を補間することによって、単純な算術
演算を用いて効率的に実行することができる。 【００７３】 【発明の効果】本発明のイメージ・トーン・マッピング
のためのシステム及び方法によれば、平滑で、むらのな
い、曲率が比較的緩やかなトーン曲線が得られるので、
再現される画像（イメージ）に急激なコントラストの変
化が生じないようにすることができる。さらに、本発明
によれば、もとのイメージの絶対輝度レベルを見積もる
ことなく、ユーザの好みに合った画像を生成することが
できる。さらにまた、本発明によれば、トーン曲線の計
算を、計算コストの安価な単純な算術演算を使用して効
率よく実施することが可能である。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明のトーン・マッピング・アルゴリズムの
望ましい実施態様を利用したシステムを示すブロック図
である。 【図２】図１に示すトーン・マッピング・アルゴリズム
に含まれるステップを示すフローチャートである。 【図３Ａ】図１に示すイメージ統計プロセッサを実施す
るための代替実施態様を示すブロック図である。 【図３Ｂ】図１に示すイメージ統計プロセッサを実施す
るための代替実施態様を示すブロック図である。 【図３Ｃ】図１に示すイメージ統計プロセッサを実施す
るための代替実施態様を示すブロック図である。 【図４Ａ】図３Ａに示す実施態様において必要とされる
ステップを示すフローチャートである。 【図４Ｂ】図３Ｂに示す実施態様において必要とされる
ステップを示すフローチャートである。 【図４Ｃ】図３Ｃに示す実施態様において必要とされる
ステップを示すフローチャートである。 【図５】図１のトーン・マッピング・アルゴリズムの勾
配パラメータを計算するためのステップを示すフローチ
ャートである。 【図６Ａ】図１のトーン・マッピング・アルゴリズムの
シフト・パラメータを計算するための代替実施態様を示
すフローチャートである。 【図６Ｂ】図１のトーン・マッピング・アルゴリズムの
シフト・パラメータを計算するための代替実施態様を示
すフローチャートである。 【図７Ａ】本発明のトーン・マッピング・アルゴリズム
のトーン曲線を生成するための代替実施態様を示すブロ
ック図である。 【図７Ｂ】本発明のトーン・マッピング・アルゴリズム
のトーン曲線を生成するための代替実施態様を示すブロ
ック図である。 【図８Ａ】図７Ａに示した代替実施態様に必要とされる
ステップを示すフローチャートである。 【図８Ｂ】図７Ｂに示した代替実施態様に必要とされる
ステップを示すフローチャートである。 【図９】本発明のトーン・マッピング・アルゴリズムに
よって生成されるタイプのトーン曲線の１例のグラフ表
示である。 【図１０】図７Ｂ及び８Ｂに示した実施態様に従ってＬ
＊軸に描かれた、予め生成された２つのトーン曲線のグ
ラフ表示である。 【図１１Ａ】図７Ｂ及び８Ｂに示す実施態様に従って勾
配パラメータの関数として描かれた、出力Ｌ＊レベルの
グラフ表示である。 【図１１Ｂ】図７Ｂ及び８Ｂに示す実施態様に従って勾
配パラメータの関数として描かれた、ガンマ補正後の出
力レベルのグラフ表示である。 【符号の説明】 １０ デジタル・イメージ・システム ２５ デジタル・イメージ・データ ３０ 線形変換装置 ５０ 出力装置 １００ トーン・マッピング・アルゴリズム １２０ イメージ統計プロセッサ １４０ 計算論理回路 １４９ イメージ統計値 １５０ トーン曲線パラメータ １６０ トーン曲線発生器 １７０ トーン曲線

フロントページの続き (72)発明者 クエメイ・ツァン アメリカ合衆国カリフォルニア州94043, マウンテンビュー，マグノリア・レーン・ 104 (72)発明者 ロバート・ダブリュー・ジョーンズ アメリカ合衆国オレゴン州97330，コーバ リス，ノースウエスト・ヘイズ・アベニュ ー・2330 (72)発明者 イザク・バハラブ アメリカ合衆国カリフォルニア州95124, サンノゼ，セイント・ローレンス・ドライ ブ・2548 (72)発明者 ドナルド・エム・リード アメリカ合衆国オレゴン州97330，コーバ リス，ノースウエスト・ボニー・ドライ ブ・1649 Ｆターム(参考） 5B057 CA08 CA16 CB08 CB16 CH01 CH08 CH20 DC23 5C077 LL17 LL18 MP08 PP15 PP32 PP37 PP46 PQ12 PQ18 PQ19 RR19 5C079 HB01 LA12 LA28 LB01 MA11 NA11 NA25

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】デジタル・イメージの少なくとも一部を表
   すデジタル・イメージ・データ（２５）を受信し、前記
   デジタル・イメージ・データ（２５）を出力装置（５
   ０）の範囲にマッピングすることが可能なデジタル・イ
   メージ・システム（１０）において、 前記デジタル・イメージ・データ（２５）に基づいて、
   少なくとも１つの現在のイメージ統計値（１４９）を計
   算することが可能なイメージ統計プロセッサ（１２０）
   と、 計算論理回路（１４０）であって、前記イメージ統計プ
   ロセッサ（１２０）から、前記少なくとも１つの現在の
   イメージ統計値（１４９）を受信するように接続され、
   かつ、前記少なくとも１つの現在のイメージ統計値（１
   ４９）と、前記デジタル・イメージ・システム（１０）
   に関連した少なくとも１つの知覚的選好に基づいて、少
   なくとも１つのトーン曲線パラメータ（１５０）を計算
   することが可能である、計算論理回路と、 トーン曲線発生器（１６０）であって、前記計算論理回
   路（１４０）から、前記少なくとも１つのトーン曲線パ
   ラメータ（１５０）を受信するように接続され、かつ、
   前記少なくとも１つのトーン曲線パラメータ（１５０）
   とシグモイド関数を使用して、トーン曲線（１７０）を
   生成することが可能である、トーン曲線発生器を備え、 前記トーン曲線（１７０）を使用して、前記デジタル・
   イメージ・データ（２５）を前記出力装置（５０）の範
   囲にマッピングすることからなる、デジタル・イメージ
   ・システム（１０）。