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
【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。
【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。
【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 Reproduction Goals」（CIE Expert Symposium on Colour Standards for Image Technology,pp.51-56(1996)）、Tumblin,J.及びRushmeier,H.による「Tone Reproduction for RealisticImages」（IEEE Computer Graphics and 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 Transactions 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（detail-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-Preserving Contrast Reduction」(Computer Graphics Proceedings,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 Between Color Images and Human Observation of Scenes」（IEEE Transactions on Image Processing,6(7):965-976(1997)）、Rahman,Z.,Jobson,D.,及び、Woodell,G.,による「Multi-Scale Retinex for Color Image Enhancement ,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１０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２１０）。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２２０）。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１７０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、Ｙｎは、白色点の輝度レベルである。Ｙ値は、Ｌ＊の計算に備えてＹｎ値によって正規化されるため、Ｙ及びＹｎ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１００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２６０）。
【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、Ｙｎ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σｃｕｒｒｅｎｔ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、Ｂｉは、Ｌ＊値におけるヒストグラムのビン中心であり、ｎｉ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、ｎｂ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、σｃｕｒｒｅｎｔ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１３０ａに変換され（ステップ４３５）、Ｌ＊イメージ値１３０ａ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１２８に送られ、メモリ１２９からＬ＊ビン中心値１３５ａ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５００）。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５２０）。
【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αｄｅｆａｕｌｔ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ｔ１（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αｄｅｆａｕｌｔ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５３０）。σｃｕｒｒｅｎｔ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σｄｅｓｉｒｅｄ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、Ｌｄｅｓｉｒｅｄ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Ｌｄｅｓｉｒｅｄ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ｘ１で、ピクセル値の（１００−ｎ）番目の百分位数がｘ２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Ｍｊの１つに対応する、一連のβ値の上限Ｔｊが事前選択される。もとのイメージの平均ピクセル値がＭｊ未満である場合、β値は、少なくともＴｊ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Ｔｊ未満の場合、βはＴｊ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Ｍｋ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Ｍｋを超える場合、βは、Ｔｋ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１５０（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１７０ａ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、ｘγ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ＲＧＢ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αｍａｘ及びαｍｉｎ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、αｍｉｎは、２．５に設定され、αｍａｘ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Ｐ１）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Ｐ２）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、Ｐ１とＰ２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、Ｐａ（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、Ｐａ（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、Ｐ１及びＰ２ 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１６６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Ｐ１及びＰ２ 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Ｐ１及びＰ２ 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αｃｕｒｒｅｎｔ１５０ａ及び現在のシフト・パラメータβｃｕｒｒｅｎｔ１５０ｂ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Ｐ１及びＰ２ １５８、及び、現在の勾配パラメータ１５０ａ及び式９を使用して、Ｐａ（ｘ）１５９を求める（ステップ８８０）。その後、Ｐａ（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Ｐａ（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Ｐａ（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×１００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Ｐａ（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】Ｐａ（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８９０）、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Ｐ１及びＰ２ １５８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Ｐ１及びＰ２ 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（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（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（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、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（１２８）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（１５０）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（１４９）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（１５０ａ）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（１５０ｂ）を使用して、Ｘ軸上で前記初期トーン曲線（１５９）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（１７０）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（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（１４９）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（１３０）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（１４９）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１３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（１５０）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（１４９）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（１５０）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１５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（１５０ｂ）を使用して、Ｘ軸上で前記初期トーン曲線（１５９）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(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(150a）、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１００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
【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 Reproduction Goals」（CIE Expert Symposium on Colour Standards for Image Technology,pp.51-56(1996)）、Tumblin,J.及びRushmeier,H.による「Tone Reproduction for RealisticImages」（IEEE Computer Graphics and 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 Transactions 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（detail-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-Preserving Contrast Reduction」(Computer Graphics Proceedings,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 Between Color Images and Human Observation of Scenes」（IEEE Transactions on Image Processing,6(7):965-976(1997)）、Rahman,Z.,Jobson,D.,及び、Woodell,G.,による「Multi-Scale Retinex for Color Image Enhancement ,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１０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２１０）。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２２０）。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１７０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、Ｙｎは、白色点の輝度レベルである。Ｙ値は、Ｌ＊の計算に備えてＹｎ値によって正規化されるため、Ｙ及びＹｎ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１００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２６０）。
【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、Ｙｎ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σｃｕｒｒｅｎｔ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、Ｂｉは、Ｌ＊値におけるヒストグラムのビン中心であり、ｎｉ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、ｎｂ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、σｃｕｒｒｅｎｔ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１３０ａに変換され（ステップ４３５）、Ｌ＊イメージ値１３０ａ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１２８に送られ、メモリ１２９からＬ＊ビン中心値１３５ａ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５００）。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５２０）。
【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αｄｅｆａｕｌｔ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ｔ１（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αｄｅｆａｕｌｔ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５３０）。σｃｕｒｒｅｎｔ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σｄｅｓｉｒｅｄ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、Ｌｄｅｓｉｒｅｄ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Ｌｄｅｓｉｒｅｄ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ｘ１で、ピクセル値の（１００−ｎ）番目の百分位数がｘ２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Ｍｊの１つに対応する、一連のβ値の上限Ｔｊが事前選択される。もとのイメージの平均ピクセル値がＭｊ未満である場合、β値は、少なくともＴｊ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Ｔｊ未満の場合、βはＴｊ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Ｍｋ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Ｍｋを超える場合、βは、Ｔｋ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１５０（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１７０ａ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、ｘγ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ＲＧＢ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αｍａｘ及びαｍｉｎ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、αｍｉｎは、２．５に設定され、αｍａｘ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Ｐ１）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Ｐ２）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、Ｐ１とＰ２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、Ｐａ（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、Ｐａ（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、Ｐ１及びＰ２ 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１６６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Ｐ１及びＰ２ 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Ｐ１及びＰ２ 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αｃｕｒｒｅｎｔ１５０ａ及び現在のシフト・パラメータβｃｕｒｒｅｎｔ１５０ｂ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Ｐ１及びＰ２ １５８、及び、現在の勾配パラメータ１５０ａ及び式９を使用して、Ｐａ（ｘ）１５９を求める（ステップ８８０）。その後、Ｐａ（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Ｐａ（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Ｐａ（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×１００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Ｐａ（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】Ｐａ（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８９０）、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Ｐ１及びＰ２ １５８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Ｐ１及びＰ２ 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（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（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（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、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（１２８）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（１５０）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（１４９）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（１５０ａ）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（１５０ｂ）を使用して、Ｘ軸上で前記初期トーン曲線（１５９）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（１７０）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（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（１４９）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（１３０）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（１４９）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１３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（１５０）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（１４９）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（１５０）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１５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（１５０ｂ）を使用して、Ｘ軸上で前記初期トーン曲線（１５９）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(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(150a）、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１００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
【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（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（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（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）。
【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（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（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（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）。
【図１】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【公開番号】特開２００３−４４８４６（Ｐ２００３−４４８４６Ａ）
【公開日】平成１５年２月１４日（２００３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００２−１１３０９０（Ｐ２００２−１１３０９０）
【出願日】平成１４年４月１６日（２００２．４．１６）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】３９５ Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１５年２月１４日（２００３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１４年４月１６日（２００２．４．１６）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】３９５ Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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