TW201106295A - Method for tone mapping an image - Google Patents

Description

201106295 六、發明說明： C 戶斤 •JJl 4·^^ 々貝3 本發明係有關於用以對影像作色調映射之方法。 L· ^tr 4^l ΦΗγ ^1 發明背景 許多如掃描器或數位相機的擷取裝置，將影像擷取為像 素的一維陣列。每個像素在事先定義之如紅、綠、藍的色 空間中有相關強度值。強度值可針對每個色彩使用如12或 16位元之深的一高位元度來擷取。經擷取的強度值典型地 係被線性間隔。當被儲存為一最後影像或被顯示於一顯示 螢幕上時，每個色彩的強度值會被轉換為非線性間隔之如 每種色彩8位元的較低位元度。一個在每種色彩為8位元 (共二種色彩）的最後影像會被表示為24位元的色彩影像。 將線性高位元度之影像(每種色彩12或16位元）映射至非線 性較低位兀度之影像(每種色彩8位元），典型地係使用伽馬 校正色調映射來達成。 多投影機系統經常要求高位元度以防止在融接區域 (blend area)的輪廓刻劃（cont〇uring)(融接必須平滑地變 化）。在數位校正黑色偏移時這成為一個更重要的議題，因 為-個從0到1的不連續數位_並不允許在職圍内之 一連續值表示法。同樣地，在一顯示系統中，，，融接”或 子框架值經常以高精確度（16位元）的線性間隔來運算，再 被伽馬校正至非線性的8個位元。 如上所示，有许多原因造成高位元度的線性影像被轉換 201106295 或映射至較低位元度的非線性影像。在映射過程期間，影 像的黑暗區域可能會發生輪廓刻劃。輪廓刻劃典型地被定 義為在兩個色彩或陰影間的視覺步階(step)。 【發明内容】 依據本發明之一實施例，係特地提出一種用以對將一高 位元度之線性數位影像作色調映射至一較低位元度之非線 性數位影像的方法，其中該數位影像包含有儲存於一電腦 可讀媒體上之在線性空間中的多個高位元度強度值，該方 法包含有：將該等多個高位元度強度值從該線性空間映射 至一非線性空間；針對該等多個高位元度強度值中的各者 決定在該線性空間中之一左與一右邊界間隔值；重疊一遞 色圖案至在線性空間中的該等多個高位元度強度值之上， 其中該遞色圖案包含有多個遞色圖案值；針對在線性空間 中之該等多個高位元度強度值中的各者，根據該高位元度 強度值、針對該高位元度強度值之該等左與右邊界間隔值 及重疊至該高位元度強度值上之該遞色圖案值，來選取在 該線性空間中的該等邊界間隔值中之一者；將該等被選取 的邊界間隔值之各者映射至該較低位元度之非線性空間 中；將該等經映射之被選取的邊界間隔值儲存至一電腦可 讀媒體上。 依據本發明之另一實施例，係特地提出一種設備，其包 含有：一被組構以執行電腦指令之處理器；一被耦合至該 處理器及組構以儲存電腦可讀資訊之記憶體；表示一個儲 存於該記憶體中的影像之多個高位元度強度值；該處理器 201106295 被組構以將該等多個高位元度強度值從該線性空間映射至 一非線性空間；該處理器被組構以針對該等多個高位元度 強度值的各者，決定在該線性空間中之一左與一右邊界間 隔值，邊處理器組構以重疊一遞色圖案至在線性空間中之 該等多個高位元度強度值上，其中該遞色圖案包含有多個 遞色圖案值；該處理器組構以針對在線性空間中之該等多 個咼位元度強度值的各者，根據在該線性空間中之該高位 元度強度值、針對該高位元度強度值之在該線性空間中的 違等左與;^邊界間隔值及重疊至該高位元度強度值上之在 «玄線性空間中的該遞色圖案值，來選取在該線性空間中的 遠等左與右邊界間隔中之—者；該處理ϋ被組構以將該等 被選取之邊界㈣值的各者映射至—較低位元度的非線性 空間中；該處理器被組構以儲存該等經映射之被選取的邊 界間隔值至該記憶體中。 圖式簡單說明 第1圖是一個強度值的二維陣列，其在本發明具體實施例 中代表一個影像的一小部分。 第2圖是-個表格，其顯示以伽馬值為22將—線性4位 元影像的強度值映射至一非線性2位元影像的強度值。 第3圖顯示使用—2.2伽馬映射法將帛t圖映射至2位元 等級）空間後的影像。 第4圖是一個流程圖，其顯示在本發明具體實施例中用於 結合伽馬校正與遞色技術(dithering)的方法。 第5a圖是-個表格，其顯示在本發明具體實施例中的高位 201106295 元度影像之強度值。 第5b圖疋一個表格，复g自一 + 斤痒里，你+ 、々不在本發明具體實施例中較低位 凡度衫像在非線性空間斑 ^ . m θ ，、在線性空間之強度值。 發明具體實施例中的—個遞色圖案。 發明具體實施例中的-個小影像。 圖的遞ΓϋΐΓ表格’其歹出在本發明具體實施例中將第6 圖的遞色圖案重疊至第 , 圖的小影像後的結果。 個最後影像。 第10圖疋-個在本發明 塊圖。 ” ®貫施例中之電腦系統1000的方 C 1ST z^r ^ 較佳實施例之詳細說明 第1圖至第ίο圖及以 ,« ., 卜敘述將描寫範例，以教導孰習 此藝者如何達到並在最 等…& 取佳核式下使用本發明。為達到教示 發明原理之目@，-些傳統層面已被簡化或省略。熟習此 藝者將會了解這些範例的變化落在本發明的範圍之内。熟 習此藝者將會了解以下所述之特徵，可被以各種不同的方 式組合來產生本發明的多種變化。因此，本發明並不被限 於以下所述之特定範例，而只被限於申請專利範圍及其等 效物。 將一個影像由高位元虞的線性影像映射至較低位元度 的非線性影像，可實現表許多不同位元度等級之間。例如 映射可實現在從16位元（65,536等級）至8位元(256等級）、 從12位元至8位元、從S位元至4位元、從4位元至2位 201106295 元等。當使用伽馬校正於映射時’在高位元度影像中的每 個強度等級會先被正規化至〇跟1之間。在一具體實施例 中’母個色彩通道都被獨立處理。正規化是藉由將原強度 值除以目前位元度之最大可能強度值來達成。例如一個8 位元影像之原強度值若為50(而其強度範圍為0至255)，經 正規化之值就會是50/255或0.196078。當使用伽馬壓縮作 為映射函數時，經映射後的非線性強度值(在〇與1之間被 正規化）將由方程式1所給定：

Normalized Non-linear Value = (NormalizedValue)A(l/gamma) 方程式1 在方程式1中，經正規化之非線性強度值是藉由提升經 正規化之強度值至伽馬值分之一。以伽馬為2.2來說，經 正規化之強度值會被提升至1/2.2或0.4545次方。原強度 值為50 ’則會得到一經正規化之映射值為 0.4812(0.196078Λ0·4545 = 0.476845)。在非線性空間中的最 後強度值，是藉由將經正規化之映射值乘以在映射後非線 性空間中的最高強度等級而產生。例如若8位元的值被映 射至4位元或16等級的值（具有一強度等級範圍從〇至 15)’經映射後的最後強度值就會藉由將經正規化之映射值 乘以15所給定，或0.476845 * 15 = 7。 第1圖疋一個強度值的二維陣列，在本發明具體實施例 中代表一個影像的一小部分。第i圖中的影像是一個4位 元景夕像’強度值在G - 15之間。帛2圖是-個表格，顯示 以伽馬值2.2將線性4位元影像的強度值映射至非線性2 201106295 位元影像的強度值。第3圖顯示使用一 2.2伽馬映射法將 第1圖映射至2位元(4等級）空間後的影像。。第3圖可能 會在3個不同等級間有可見條帶效應（visible banding)。 在本發明之具體實施例中，遞色步驟與映射步驟合併以 產生較少輪廓刻劃之影像。第4圖是一個流程圖，顯示在 本發明具體實施例中結合伽馬校正與遞色技術的方法。使 用第4圖所示的方法，高位元度的線性影像係使用一非線 性等級之較小數字所表示，其中該非線性等級之較小數字 係於最後影像上做空間上調變。 在第4圖的步驟402中，在高位元度影像中的每個強度 值被映射至在該非線性空間中的強度值。在本發明具體實 施例中，映射是使用伽馬校正來達成。在本發明之其他具 體實施例中，可能使用其他的映射演算法。在步驟404中， 在非線性空間中針對每個強度值的一左與右邊界間隔來計 算。一旦該左與右邊界間隔計算出來後，他們會被映射至 線性空間中。 在步驟406中，一遞色圖案會被重疊至在線性空間中之 原影像的像素上。在步驟408中，在每個像素的強度值會 根據原線性強度值、左與右邊界間隔值(在線性空間中）及在 遞色螢幕上的像素位置之值被快動（snap)至在線性空間中 兩個最接近的左與右邊界間隔其中之一。在步驟410中， 針對像素位置之非線性經伽馬校正後的強度值被決定。 以下範例將幫助闡明本發明之一具體實施例。在此範例 中，一 4位元或16等級之線性影像將被轉換至一 2位元或 201106295 4等級的非線性影像。該4位元影像具有可能強度值範圍在 0至15之間。我們將使用第7圖所顯示之影像作為此範例。 第一步驟為將在高位元度線性影像中的每個強度值映射至 在該非線性空間中的強度值。方程式1被使用於當映射是 使用一伽馬校正函數來達成時，將一線性影像映射至一非 線性影像。 就此範例而言，一 2.2伽馬壓縮將被使用。第5a圖是 一個表格’其顯示在本發明具體實施例中的高位元度影像 之強度值。第5a圖中的第一欄列出在4位元線性空間中經 正規化之強度值。第5a圖中的第二欄列出在非線性空間中 經正規化之強度值。第二欄中的每個強度值是使用以2.2 伽馬校正的方程式1來產生。例如針對強度值2經伽馬校 正後的值(在非線性空間中）而言，是藉由先正規化4位元之 值’而後提升該經正規化之值至1/2.2次方以得到一值為 0.40017 之結果。（（〇.ΐ333)Λ(1/2.2) = 0.40017) 下一步驟是針對每個高位元度強度值產生左與右邊界 間隔。該左與右邊界間隔代表兩個最接近目前之非線性強 度值的較低位元度非線性強度值。方程式2與3分別被用 來計算該左與右邊界間隔。

Left = ((integerValue(IntensityVal * MaxIV)/ MaxIV ) 方程式2

Right = (((integerValue(IntensityVal * MaxIV) + 1)/ MaxIV) 方程式3 其中IntensityVal是在非線性空間中經正規化之高位元 9 201106295 度強度值’ MaxIV是較低位元度強度值之最大值，而 intergerValue是一截除任何小數值的函數（亦即，其將一浮 點數值轉換為一整數值）。為了瞭解這些方程式，每個部分 將被討論。 方程式 1 中的第一步驟[integerValue(jntensi.tyVal * MaxIV)]取得經正規化之高位元度強度值，並將其乘以經 量化之較低位元度強度值的最大值。該結果被從一浮點數 值轉換為一整數。這將該經正規化之高位元度強度值轉換 為一較低位元度強度值。方程式1中的第二步驟藉由除以 較低位元度強度值的最大值來將該較低位元度值正規化至 〇與1之間。針對4位元強度值6在非線性空間中的左邊界 間隔值之計算如下所示。

Left = ((integerValue(0.65935 * 3))/3)

Left = ((integerValue(1.97805))/3)

Left = (1/3)

Left = 0.33333 下一步驟是將該等左與右非線性值轉變（translate)至線 性空間中。當在線性與非線性空間之間的映射是使用伽馬 校正來達成時，該線性值是藉由提升該非線性值至伽馬次 方來計算。第5b圖是一個表格，其顯示在本發明具體實施 例中較低位元度影像在非線性空間與在線性空間之強度 值。第5b圖中的第一欄列出在非線性空間中較低位元度影 像之強度值。表格5b的第二攔列出在線性空間中較低位元 度影像之強度值。

10 201106295 在下一步驟中，一遞色圖案會被重疊至在線性空間中原 影像之像素上。就本申請案而言，一遞色圖案可為一臨界 (threshold)強度值之矩陣、一個具有一傳送錯誤至其他像素 的圖案之該臨界強度值、一個具有一雜訊增加（addition)的 圖案之該臨界強度值等。就此範例而言，遞色圖案顯示於 第6圖。任何類型的遞色圖案都有可能被使用，包括誤差 擴散（error diffusion)或隨機雜訊注入（random noise injection)。遞色圖案的尺寸也可能被改變。第6圖所顯示 之遞色圖案是一個4x4的拜耳(Bayer)遞色圖案。在遞色圖 案被重疊至在原影像中的強度值前，在遞色圖案中的強度 值被正規化為一 0與1之間的值。 在下一步驟中’在每個像素的強度值會根據原線性強度 值、在線性空間中的左與右邊界間隔值及在遞色螢幕上的 像素位置之值被快動至在線性空間中兩個最接近的左與右 邊界間隔其中之一。校正後的左或右邊界間隔係使用方程 式4及5來被選取。

CompVal = IntensityN - left > DitherN * (right - left) 方程式4

SelectedVal = CompVal * right + (1 _ c〇mpVal) * left 方程式5 其中IntensityN是針對目前像素之原高位元度線性強度 值經正規化至0與1之間，left及Γ丨ght是針對目前強度值 之在線性空間中的左與右邊界間隔，Dither是針對目前像 素之經正規化的遞色值。當表式（expressi〇n)為假時 11 201106295

CompVal被設為零’當表式為真時c〇mpVal被設為1。當 CompVal為1時SelectedVal會等於右值，當compVal為零 時則會等於左值》 在本發明具體實施例中，第7圖是一影像的一小區段 (section)。第8圖是一個表格，其列出在本發明具體實施例 中將第6圖的遞色圖案重疊至第7圖的小影像後的結果。 第8圖中的第一攔列出在影像中的像素位置。第二欄列出 針對每個像素位置之影像的經正規化強度值。第三及第四 攔分別列出針對每個像素位置之在線性空間中的左與右邊 界間隔。第五欄列出針對每個像素位置之經正規化的遞色 圖案值。第六欄列出針對每個像素位置之經計算的 CompVa卜最後一欄列出針對每個像素位置之SelectedVal。 方程式4及5是被用來計算第8圖中的最後兩欄。針對 像素2,0的Comp Val及Selected Val之計算如下所示。 Comp Val = IntensityN - left > DitherN * (right - left) CompVal = 0.20000-0.08919>0.13333*(0.409826 - 0.08919) CompVal = 0.11081 > 0.13333 * 0.32064

CompVal = 0.11081 > 0.04275 為真，故 CompVal 被設為 1 SelectedVal = CompVal * right + (1 - CompVal) * left SelectedVal = 1* 0.409826 + (1 - 1) * 0.08919 SelectedVal = 0.409826 最後步驟是將被選取值從該線性空間映射至該非線性 空間中。這可藉由使用一查找表(lookup table)來達成。就 此範例而言，第5b圖中的查找表被使用。第9圖是從以上 ⑧ 12 201106295 範例所得之最後影像。 一旦被選取的強度值被映射至較低位元度之非線性空 間中，該影像就可被保存或儲存至一電腦可讀媒體上。一 電腦可讀媒體可包含以下：隨機存取記憶體、唯讀記憶體、 硬碟驅動機、磁帶、光碟驅動機、不變性隨機存取記憶體、 視覺記憶體(video ram)等。該影像可以許多方式被使用， 例如被顯示在一或更多台顯示器上、傳送至其他儲存裝置 等。 以上所述之方法可被執行於一電腦系統上。第10圖是一 個在本發明具體實施例中之電腦系統1000的方塊圖。電腦 系統有一處理器1002、一記憶裝置1004、一儲存裝置1006、 一顯示裝置1008及輸入/輸出裝置1010。該處理器1002、記 憶裝置1004、儲存裝置1006、顯示裝置1008及輸入/輸出裝 置1010係以匯流排1012耦合在一起。處理器1002被組構以 執行實施以上所述方法之電腦指令。 I：圖式簡單說明3 第1圖是一個強度值的二維陣列，其在本發明具體實施例 中代表一個影像的一小部分。 第2圖是一個表格，其顯示以伽馬值為2.2將一線性4位 元影像的強度值映射至一非線性2位元影像的強度值。 第3圖顯示使用一 2.2伽馬映射法將第1圖映射至2位元(4 等級）空間後的影像。 第4圖是一個流程圖，其顯示在本發明具體實施例中用於 結合伽馬校正與遞色技術(dithering)的方法。 13 201106295 第5a圖是一個表格，其顯示在本發明具體實施例中的高位 元度影像之強度值。 第5b圖是一個表格，其顯示在本發明具體實施例中較低位 元度影像在非線性空間與在線性空間之強度值。 第6圖是本發明具體實施例中的一個遞色圖案。 第7圖是本發明具體實施例中的一個小影像。 第8圖是一個表格，其列出在本發明具體實施例中將第6 圖的遞色圖案重疊至第7圖的小影像後的結果。 第9圖是本發明具體實施例中的一個最後影像。 第10圖是一個在本發明具體實施例中之電腦系統1 〇 〇 〇的方 塊圖。 【主要元件符號說明】 402.. .步驟 404.. .步驟 406.. .步驟 408…步驟 410.. .步驟 1002.. .處理器 1004.. .記憶裝置 1006.. .儲存裝置 1008.. .顯示裝置 1010.. .輸入/輸出裝置 1012.. .匯流排 14

Claims (1)

1. 201106295 七、申請專利範圍： 1· -種用以對-高位元度之祕數㈣像作色調映射至— 較低位元度之非線性數位影像的方法，其中該數位影像 ^含有儲存於-電腦可讀媒體上之在線性空間中的多個 高位元度強度值，該方法包含有： 將該等多個高位元度強度值從該線性空間映射至— 非線性空間； 針對該等乡個S位元度強度值巾的各者決定在該線 性空間中之一左與一右邊界間隔值； 重疊一遞色圖案至在線性空間中的該等多個高位元 度強度值之上，其中該遞色圖案包含有多個遞色圖 案值； 針對在線性空間中之該等多個高位元度強度值中的 各者，根據該高位元度強度值、針對該高位元度強 度值之該等左與右邊界間隔值及重疊至該高位元度 強度值上之該遞色圖案值，來選取在該線性空間= 的該等邊界間隔值中之一者； 將該等被選取的邊界間隔值之各者映射至該較低位 元度之非線性空間中； 將該等經映射之被選取的邊界間隔值儲存至—電腦 可讀媒體上。 2.如申請專利範圍第丨項之用以對一影像作色調映射之方 法，其中將該等被選取的邊界間隔值之各者映射至，争 低位元度之非線性空間中係使用一伽馬函數來達成X 15 201106295 3. 如申請專利範圍第1或2項之用以對一影像作色調映射 之方法，其中該等左與右邊界間隔值代表一最接近的兩 個較低位元度之非線性強度值。 4. 如申請專利範圍第3項之用以對一影像作色調映射之方 法’其中在該非線性空間中的該左邊界間隔值等於 ((integerValue(IntensityVal * MaxIV)/ MaxIV )，其中 IntensityVal是在非線性空間中的該高位元度強度值， MaxIV是在非線性空間中的較低位元度強度值之一最大 值’而integerValue是一截除任何小數值的函數；以及 其中在該非線性空間中的該右邊界間隔值等於 (((integerValue(IntensityVal * MaxIV) + 1)/ MaxIV) 〇 5. 如申請專利範圍第1、2、3或4項之用以對一影像作色 調映射之方法，其中選取在該線性空間中的該等邊界間 隔值中之一者包含有： 當 IntensityN - left > DitherN * (right - left)為假 時，選取該高位元度強度值之左邊界間隔值，其中 IntensityN是在該線性空間中之該高位元度強度 值’ left及right是針對該高位元度強度值之在該線 性空間中的該等左與右邊界間隔，而Dither是被重 疊至該高位元度強度值上之在該線性空間中的該經 正規化之遞色值； 當 IntensityN - left > DitherN * (right · left)為真 時，選取該高位元度強度值之該右邊界間隔值。 6_如申請專利範圍1至5項之用以對一影像作色調映射之 ⑧ 16 201106295 方法，其中該高位元度影像具有一從以下位元度選取之 位元度：24位元度深、16位元度深及12位元度深。 7. 如申請專利範圍1至6項之用以對一影像作色調映射之 方法，其中該較低位元度影像具有一從以下位元度選取 之位元度：12位元度深、8位元度深、4位元度深及2 位元度深。 8. 如申請專利範圍1至7項之用以對一影像作色調映射之 方法，其更包含有： 至少在一台顯示器上顯示該最後影像。 9. 一種設備，其包含有： 一被組構以執行電腦指令之處理器； 一被耦合至該處理器及組構以儲存電腦可讀資訊之 記憶體； 表示一個儲存於該記憶體中的影像之多個高位元度 強度值； 該處理器被組構以將該等多個高位元度強度值從該 線性空間映射至一非線性空間； 該處理器被組構以針對該等多個高位元度強度值的 各者，決定在該線性空間中之一左與一右邊界間隔 值； 該處理器組構以重疊一遞色圖案至在線性空間中之 該等多個高位元度強度值上，其中該遞色圖案包含 有多個遞色圖案值； 該處理器組構以針對在線性空間中之該等多個高位 17 201106295 元度強度值的各者’根據在該線性空間中之該高位 疋度強度值、針對該高位元度強度值之在該線性空 間中的該等左與右邊界間隔值及重疊至該高位元度 強度值上之在該線性空間中的該遞色圖案值，來選 取在該線性空間中的該等左與右邊界間隔中之一 者； 該處理器被組構以將該等被選取之邊界間隔值的各 -者映射至一較低位元度的非線性空間中； 該處理器被組構以儲存該等經映射之被選取的邊界 間隔值至該記憶體中。 10. 如申請專利範圍第9項之設備，其中該等被選取之邊界 間隔值的各者，係使用一伽馬函數從該線性空間中被映 射至一非線性空間中。 11. 如申請專利範圍第9及10項之設備，其中在該非線性 空間中的該左邊界間隔值等於 ((integerValue(IntensityVal * MaxIV)/ MaxIV )，其中 IntensityVal是在非線性空間中的該高位元度強度值， MaxIV是在非線性空間中的較低位元度強度值之一最大 值’而integerValue是一截除任何小數值的函數；以及 其中該右邊界間隔值等於 (((integerValue(IntensityVal * MaxIV) + 1)/ MaxIV)。 12. 如申請專利範圍第9、10及11項之設備，其中選取在 該線性空間中的該等邊界間隔值中之一者包含有： 當 IntensityN - left > DitherN * (right - left)為假 ⑧ 18 201106295 時，選取該高位元度強度值之該左邊界間隔值，其 中IntensityN是在該線性空間中之該高位元度強度 值，left及right是針對該高位元度強度值之在該線 性空間中的該等左與右邊界間隔，而Dither是被重 疊至該高位元度強度值上之在該線性空間中的該經 正規化之遞色值； 當 IntensityN - left > DitherN * (right - left)為真 時，選取該高位元度強度值之右邊界間隔值。 13. 如申請專利範圍第9、10、11及12項之設備，其中該 高位元度影像具有一從以下位元度選取之位元度：24位 元度深、16位元度深及12位元度深。 14. 如申請專利範圍第9、10、11、12及13項之譟備，其 中該較低位元度影像具有一從以下位元度選取之位元 度：12位元度深、8位元度深、4位元度深及2位元度 深。 15. 如申請專利範圍第9、10、11、12、13及14項之設備， 其更包含有： 至少一台顯示器，其中該處理器在該至少一台的顯 示器上顯示該最後影像。 19