カラー画像にトーンマッピング関数を適用する装置
【課題】ピクセルの色度を変化させずに画像トーン特性を向上させる装置を提供する。
【解決手段】本発明は、デジタル画像のピクセルを処理する装置を提供する。この装置は、前記ピクセルのうち人間の視覚系の相対輝度応答にもっとも厳密に一致している第１のカラーチャネルに対しトーンマッピング関数を適用し、それにより該第１のカラーチャネルの値がスケールファクタで変換され、該スケールファクタを前記ピクセルの他のすべてのカラーチャネルに対し適用するプロセッサを有する。各ピクセルは別個に処理され、それによりスケールファクタは各ピクセルに特定的である。本発明の一実施形態では、デジタル画像は正の線形色空間で表される。本発明の別の実施形態では、他のカラーチャネルに対してスケールファクタを計算する場合に、プロセッサがノイズバランシング項を付加する。
【解決手段】本発明は、デジタル画像のピクセルを処理する装置を提供する。この装置は、前記ピクセルのうち人間の視覚系の相対輝度応答にもっとも厳密に一致している第１のカラーチャネルに対しトーンマッピング関数を適用し、それにより該第１のカラーチャネルの値がスケールファクタで変換され、該スケールファクタを前記ピクセルの他のすべてのカラーチャネルに対し適用するプロセッサを有する。各ピクセルは別個に処理され、それによりスケールファクタは各ピクセルに特定的である。本発明の一実施形態では、デジタル画像は正の線形色空間で表される。本発明の別の実施形態では、他のカラーチャネルに対してスケールファクタを計算する場合に、プロセッサがノイズバランシング項を付加する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー画像のトーンマッピングに関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル画像は、ディスプレイＲＧＢ等の出力デバイス空間で表すことも、またはカメラＲＧＢ等の取込デバイス空間で表すことも、またはＣＩＥ三刺激値空間（tristimulus space）ＸＹＺ等のデバイス独立空間で表すことも可能である。画像におけるすべてのピクセルの相対輝度値は、その画像のトーン特性を確定する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
デジタルに取込まれた画像の全体の明度を、画像が表示された時に人間の眼に心地よいレベルにするために、トーンマッピングが実行される。これは、露出不足かまたは露出過度な画像に対して特に重要である。トーンマッピングは、しばしば、オリジナルデジタルレベルを新たなレベルにマップする「トーンカーブ（tone curve）」を用いて実行する。すべてのカラーチャネルに対し、同じトーンカーブを別個に適用する。トーンマッピングは単純かつ高速であり、色再現域外の色をもたらさない。しかしながら、トーンマッピングカーブを異なるカラーチャネルに対し独立して適用することにより、異なるカラーチャネルの値が互いから独立して新たな値に再マップされるため、画像によっては色歪みがもたらされる場合がある。結果として、個々のピクセルの色度が変化する可能性がある。
【０００４】
したがって、ピクセルの色度を変化させずに画像トーン特性を向上させる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
デジタル画像のピクセルは、該ピクセルの第１のカラーチャネルに対してトーンマッピング関数を適用し、それにより該第１のカラーチャネルの値がスケールファクタで変換され、該スケールファクタを該ピクセルの他のすべてのカラーチャネルに対し適用することによって処理される。該第１のカラーチャネルは人間の視覚系の相対輝度応答にもっとも厳密に一致する。
【０００６】
本発明の他の態様および利点は、本発明の原理を例として示す、添付図面を使って行われる以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１を参照すると、デジタル画像のピクセルを処理する方法は、ピクセルの第１のカラーチャネルに対しトーンマッピング関数を適用するステップ（１１０）と、それにより第１のカラーチャネルの値がスケールファクタで変換され、そのスケールファクタをピクセルの他のすべてのカラーチャネルに適用するステップ（１１２）と、を含む。第１のカラーチャネルは、人間の視覚系の相対輝度応答に最も厳密に一致する。
【０００８】
デジタル画像を、ＡＬおよびＡｋ（ｋ＝１、２、…、ｎ−１）によって指定できるｎ個のチャネルを有する、線形色空間で表す。ＡＬは、色空間において輝度関数に最も厳密に一致するチャネルを表し、Ａｋは、色空間の他のｎ−１個のチャネルを表す。図１の方法を、以下のように数学的に表すことができる。
【０００９】
ＡＬ’＝ＴＭ（ＡＬ）
Ａｋ’＝ＳＦ（Ａｋ） ｋ＝１、２、…、ｎ−１
ここで、ＴＭ（・）はトーンマッピング関数であり、ＡＬ’およびＡｋ’はカラーチャネルの変更された値であり、スケールファクタＳＦ＝ＡＬ’／ＡＬである。ピクセルは、別個に処理される。ピクセルの１つのカラーチャネルに対してスケールファクタを確定し、それをそのピクセルの他のカラーチャネルの各々に対し適用する。いかなるトーンマッピング関数を使用してもよい。
【００１０】
トーンマッピング関数により、デジタル画像の全体のトーン特性が変更される場合、画像のピクセルの色度は変化しない（異なるカラーチャネルに対し別個にトーンマッピング関数を適用する従来のトーンマッピング技術とは異なる）。図１の方法は、色度、またはＡｋ色空間におけるベクトルの向き、または各ピクセルの色のスペクトル形状を、トーンマッピング後におよそ同様に維持し、Ａｋ空間におけるベクトルの長さ（またはスペクトルのスケールファクタ）のみが変化する。
【００１１】
ほとんどすべての画像に、ある程度のノイズが存在するため、ノイズ増幅を防止するために各チャネルにノイズバランシング項を付加してもよい。ノイズバランシング項は、画像におけるノイズの量、または画像を表すために使用する色空間の白色点の関数である、小さい正の数である。たとえば、ノイズ項を、ノイズレベル、ノイズレベルの２倍または他の何らかの値に設定してもよい。ノイズバランシング項が画像のノイズレベルに適度に近い限り、本方法は、ノイズレベルがいかにして確定されるかの変動に影響を受けない。
【００１２】
ノイズバランシング項を、以下のように付加してもよい。各ピクセルに対し、ＡＬチャネルの値に対しトーンマッピング関数を適用し、カラーチャネルの値を以下のように調整する。
【００１３】
ＡＬ’＝ＴＭ（ＡＬ）
Ａｋ’＝（Ａｋ＋Ａｋ（ｎｏｉｓｅ））／（ＡＬ＋ＡＬ（ｎｏｉｓｅ））×ＡＬ’
ノイズバランシング項の追加は、高輝度ピクセルの色度にはほとんど影響を与えないが、低輝度ピクセルに対してはノイズ増幅問題を低減するのに役立つ。また、ノイズバランシング項は、トーンカーブの非ゼロ値に対しゼロ輝度値をマップする場合に、ゼロによる除算を回避するのに有用である。
【００１４】
図１の方法は、正の線形色空間で表される画像に対し適用する。正の線形色空間の例には、ＣＩＥ三刺激値ＸＹＺ空間、ＲＧＢ空間および人間の錐体（cone）感度空間がある。正の線形色空間は、いかなる数のカラーチャネルを含んでもよい。
【００１５】
デジタル化されたカラー画像のＣＩＥ三刺激値ＸＹＺ成分表現を考慮する。画像ピクセルのＣＩＥ Ｙ値は、その相対輝度レベルを表す。各ピクセルに対し、Ｙ値にトーンマッピング関数を適用し、ＸおよびＺ値を以下のように調整する。
【００１６】
Ｙ’＝ＴＭ（Ｙ）
Ｘ’＝（Ｘ＋Ｘｎｏｉｓｅ）／（Ｙ＋Ｙｎｏｉｓｅ）×Ｙ’
Ｚ’＝（Ｚ＋Ｚｎｏｉｓｅ）／（Ｙ＋Ｙｎｏｉｓｅ）×Ｙ’
Ｘｎｏｉｓｅ、ＹｎｏｉｓｅおよびＺｎｏｉｓｅ項は、ノイズバランシング項であり、各カラーチャネルにおけるノイズレベルを表す小さい正の値であってもよく、あるいは、画像を表すために使用する色空間の白色点に比例する数の３つの組であってもよい。
【００１７】
ＲＧＢ色空間では、グリーンチャネルが、通常、人間の視覚系の相対輝度応答に最も厳密に一致するチャネルである。したがって、通常、グリーンチャネルにトーンマッピング関数を適用し、レッドおよびブルーの値を同様に調整して、ＲＧＢ空間において色のベクトルの向きを一定に保つようにする。最初にグリーンチャネルをトーンマッピングするか否かは、色空間の個々のタイプによって決まる。場合によっては、グリーンチャネルの代りにレッドまたはブルーチャネルを最初にトーンマッピングしてもよい。
【００１８】
図２は、カラー画像（ＩＮ）をトーンマッピングするようにプログラムされたプロセッサ２１０を示す。プロセッサ２１０は、人間の視覚系の相対輝度応答に最も厳密に一致するカラーチャネルに対してトーンマッピング関数を適用し、他のカラーチャネルのすべてに対しスケールファクタを適用する。出力画像（ＯＵＴ）のピクセルは、それらの色度を維持する。プロセッサ２１０を、デジタルカメラ、スキャナ、プリンタ、ディスプレイおよび画像処理ソフトウェアアプリケーション等の用途で使用してもよい。プロセッサ２１０のソフトウェアを、コンピュータメモリ２１２において符号化する。
【００１９】
本発明は、上述し例示した実施形態に限定されない。代りに、本発明は、添付の特許請求の範囲にしたがって解釈される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】カラー画像に対しトーンマッピング関数を適用する方法の図である。
【図２】カラー画像に対しトーンマッピング関数を適用するプロセッサの図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カラー画像のトーンマッピングに関する。
【背景技術】
【０００２】
デジタル画像は、ディスプレイＲＧＢ等の出力デバイス空間で表すことも、またはカメラＲＧＢ等の取込デバイス空間で表すことも、またはＣＩＥ三刺激値空間（tristimulus space）ＸＹＺ等のデバイス独立空間で表すことも可能である。画像におけるすべてのピクセルの相対輝度値は、その画像のトーン特性を確定する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
デジタルに取込まれた画像の全体の明度を、画像が表示された時に人間の眼に心地よいレベルにするために、トーンマッピングが実行される。これは、露出不足かまたは露出過度な画像に対して特に重要である。トーンマッピングは、しばしば、オリジナルデジタルレベルを新たなレベルにマップする「トーンカーブ（tone curve）」を用いて実行する。すべてのカラーチャネルに対し、同じトーンカーブを別個に適用する。トーンマッピングは単純かつ高速であり、色再現域外の色をもたらさない。しかしながら、トーンマッピングカーブを異なるカラーチャネルに対し独立して適用することにより、異なるカラーチャネルの値が互いから独立して新たな値に再マップされるため、画像によっては色歪みがもたらされる場合がある。結果として、個々のピクセルの色度が変化する可能性がある。
【０００４】
したがって、ピクセルの色度を変化させずに画像トーン特性を向上させる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
デジタル画像のピクセルは、該ピクセルの第１のカラーチャネルに対してトーンマッピング関数を適用し、それにより該第１のカラーチャネルの値がスケールファクタで変換され、該スケールファクタを該ピクセルの他のすべてのカラーチャネルに対し適用することによって処理される。該第１のカラーチャネルは人間の視覚系の相対輝度応答にもっとも厳密に一致する。
【０００６】
本発明の他の態様および利点は、本発明の原理を例として示す、添付図面を使って行われる以下の詳細な説明から明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１を参照すると、デジタル画像のピクセルを処理する方法は、ピクセルの第１のカラーチャネルに対しトーンマッピング関数を適用するステップ（１１０）と、それにより第１のカラーチャネルの値がスケールファクタで変換され、そのスケールファクタをピクセルの他のすべてのカラーチャネルに適用するステップ（１１２）と、を含む。第１のカラーチャネルは、人間の視覚系の相対輝度応答に最も厳密に一致する。
【０００８】
デジタル画像を、ＡＬおよびＡｋ（ｋ＝１、２、…、ｎ−１）によって指定できるｎ個のチャネルを有する、線形色空間で表す。ＡＬは、色空間において輝度関数に最も厳密に一致するチャネルを表し、Ａｋは、色空間の他のｎ−１個のチャネルを表す。図１の方法を、以下のように数学的に表すことができる。
【０００９】
ＡＬ’＝ＴＭ（ＡＬ）
Ａｋ’＝ＳＦ（Ａｋ） ｋ＝１、２、…、ｎ−１
ここで、ＴＭ（・）はトーンマッピング関数であり、ＡＬ’およびＡｋ’はカラーチャネルの変更された値であり、スケールファクタＳＦ＝ＡＬ’／ＡＬである。ピクセルは、別個に処理される。ピクセルの１つのカラーチャネルに対してスケールファクタを確定し、それをそのピクセルの他のカラーチャネルの各々に対し適用する。いかなるトーンマッピング関数を使用してもよい。
【００１０】
トーンマッピング関数により、デジタル画像の全体のトーン特性が変更される場合、画像のピクセルの色度は変化しない（異なるカラーチャネルに対し別個にトーンマッピング関数を適用する従来のトーンマッピング技術とは異なる）。図１の方法は、色度、またはＡｋ色空間におけるベクトルの向き、または各ピクセルの色のスペクトル形状を、トーンマッピング後におよそ同様に維持し、Ａｋ空間におけるベクトルの長さ（またはスペクトルのスケールファクタ）のみが変化する。
【００１１】
ほとんどすべての画像に、ある程度のノイズが存在するため、ノイズ増幅を防止するために各チャネルにノイズバランシング項を付加してもよい。ノイズバランシング項は、画像におけるノイズの量、または画像を表すために使用する色空間の白色点の関数である、小さい正の数である。たとえば、ノイズ項を、ノイズレベル、ノイズレベルの２倍または他の何らかの値に設定してもよい。ノイズバランシング項が画像のノイズレベルに適度に近い限り、本方法は、ノイズレベルがいかにして確定されるかの変動に影響を受けない。
【００１２】
ノイズバランシング項を、以下のように付加してもよい。各ピクセルに対し、ＡＬチャネルの値に対しトーンマッピング関数を適用し、カラーチャネルの値を以下のように調整する。
【００１３】
ＡＬ’＝ＴＭ（ＡＬ）
Ａｋ’＝（Ａｋ＋Ａｋ（ｎｏｉｓｅ））／（ＡＬ＋ＡＬ（ｎｏｉｓｅ））×ＡＬ’
ノイズバランシング項の追加は、高輝度ピクセルの色度にはほとんど影響を与えないが、低輝度ピクセルに対してはノイズ増幅問題を低減するのに役立つ。また、ノイズバランシング項は、トーンカーブの非ゼロ値に対しゼロ輝度値をマップする場合に、ゼロによる除算を回避するのに有用である。
【００１４】
図１の方法は、正の線形色空間で表される画像に対し適用する。正の線形色空間の例には、ＣＩＥ三刺激値ＸＹＺ空間、ＲＧＢ空間および人間の錐体（cone）感度空間がある。正の線形色空間は、いかなる数のカラーチャネルを含んでもよい。
【００１５】
デジタル化されたカラー画像のＣＩＥ三刺激値ＸＹＺ成分表現を考慮する。画像ピクセルのＣＩＥ Ｙ値は、その相対輝度レベルを表す。各ピクセルに対し、Ｙ値にトーンマッピング関数を適用し、ＸおよびＺ値を以下のように調整する。
【００１６】
Ｙ’＝ＴＭ（Ｙ）
Ｘ’＝（Ｘ＋Ｘｎｏｉｓｅ）／（Ｙ＋Ｙｎｏｉｓｅ）×Ｙ’
Ｚ’＝（Ｚ＋Ｚｎｏｉｓｅ）／（Ｙ＋Ｙｎｏｉｓｅ）×Ｙ’
Ｘｎｏｉｓｅ、ＹｎｏｉｓｅおよびＺｎｏｉｓｅ項は、ノイズバランシング項であり、各カラーチャネルにおけるノイズレベルを表す小さい正の値であってもよく、あるいは、画像を表すために使用する色空間の白色点に比例する数の３つの組であってもよい。
【００１７】
ＲＧＢ色空間では、グリーンチャネルが、通常、人間の視覚系の相対輝度応答に最も厳密に一致するチャネルである。したがって、通常、グリーンチャネルにトーンマッピング関数を適用し、レッドおよびブルーの値を同様に調整して、ＲＧＢ空間において色のベクトルの向きを一定に保つようにする。最初にグリーンチャネルをトーンマッピングするか否かは、色空間の個々のタイプによって決まる。場合によっては、グリーンチャネルの代りにレッドまたはブルーチャネルを最初にトーンマッピングしてもよい。
【００１８】
図２は、カラー画像（ＩＮ）をトーンマッピングするようにプログラムされたプロセッサ２１０を示す。プロセッサ２１０は、人間の視覚系の相対輝度応答に最も厳密に一致するカラーチャネルに対してトーンマッピング関数を適用し、他のカラーチャネルのすべてに対しスケールファクタを適用する。出力画像（ＯＵＴ）のピクセルは、それらの色度を維持する。プロセッサ２１０を、デジタルカメラ、スキャナ、プリンタ、ディスプレイおよび画像処理ソフトウェアアプリケーション等の用途で使用してもよい。プロセッサ２１０のソフトウェアを、コンピュータメモリ２１２において符号化する。
【００１９】
本発明は、上述し例示した実施形態に限定されない。代りに、本発明は、添付の特許請求の範囲にしたがって解釈される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】カラー画像に対しトーンマッピング関数を適用する方法の図である。
【図２】カラー画像に対しトーンマッピング関数を適用するプロセッサの図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタル画像のピクセルを処理する装置であって、
前記ピクセルのうち人間の視覚系の相対輝度応答にもっとも厳密に一致している第１のカラーチャネルに対しトーンマッピング関数を適用し、それにより該第１のカラーチャネルの値がスケールファクタで変換され、該スケールファクタを前記ピクセルの他のすべてのカラーチャネルに対し適用するプロセッサを有する、デジタル画像のピクセルを処理する装置。
【請求項２】
前記デジタル画像は正の線形色空間で表される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記プロセッサは、前記他のカラーチャネルに対してスケールファクタを計算する場合にノイズバランシング項を付加する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ピクセルは別個に処理され、それによりスケールファクタは各ピクセルに特定的である、請求項１に記載の装置。
【請求項１】
デジタル画像のピクセルを処理する装置であって、
前記ピクセルのうち人間の視覚系の相対輝度応答にもっとも厳密に一致している第１のカラーチャネルに対しトーンマッピング関数を適用し、それにより該第１のカラーチャネルの値がスケールファクタで変換され、該スケールファクタを前記ピクセルの他のすべてのカラーチャネルに対し適用するプロセッサを有する、デジタル画像のピクセルを処理する装置。
【請求項２】
前記デジタル画像は正の線形色空間で表される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記プロセッサは、前記他のカラーチャネルに対してスケールファクタを計算する場合にノイズバランシング項を付加する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記ピクセルは別個に処理され、それによりスケールファクタは各ピクセルに特定的である、請求項１に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２００５−５０１３５６（Ｐ２００５−５０１３５６Ａ）
【公表日】平成１７年１月１３日（２００５．１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００３−５２４２５１（Ｐ２００３−５２４２５１）
【出願日】平成１４年８月２９日（２００２．８．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００２／０２７９３７
【国際公開番号】ＷＯ２００３／０１９９３０
【国際公開日】平成１５年３月６日（２００３．３．６）
【出願人】（３９８０３８５８０）ヒューレット・パッカード・カンパニー (91)
【氏名又は名称原語表記】ＨＥＷＬＥＴＴ−ＰＡＣＫＡＲＤ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１７年１月１３日（２００５．１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１４年８月２９日（２００２．８．２９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００２／０２７９３７
【国際公開番号】ＷＯ２００３／０１９９３０
【国際公開日】平成１５年３月６日（２００３．３．６）
【出願人】（３９８０３８５８０）ヒューレット・パッカード・カンパニー (91)
【氏名又は名称原語表記】ＨＥＷＬＥＴＴ−ＰＡＣＫＡＲＤ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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