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Verfahren zur Farbwiedergabe logarithmisch komprimierter Bilder - Dokument DE10000779A1
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE10000779A1 12.07.2001
Titel Verfahren zur Farbwiedergabe logarithmisch komprimierter Bilder
Anmelder Institut für Mikroelektronik Stuttgart, 70569 Stuttgart, DE
Erfinder Höfflinger, Bernd, 71063 Sindelfingen, DE;
Graf, Heinz-Gerd, 71106 Magstadt, DE
Vertreter Witte, Weller, Gahlert, Otten & Steil, 70178 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 11.01.2000
DE-Aktenzeichen 10000779
Offenlegungstag 12.07.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.07.2001
IPC-Hauptklasse G09G 5/02

Beschreibung[de]
Motivation

Logarithmisch komprimierte Daten von Bildern mit hoher Helligkeitsdynamik weisen bei der Farbwiedergabe eine geringe Farbsättigung auf. Ursache dafür ist die vergleichsweise geringe Modulation der spektral gefilterten Farbkanäle die in Relation zur Helligkeitsinformation eine Zehnerdekade nicht überschreitet. Reicht diese Modulation bei linearen Bildsensoren für eine 80 bis 90% Farbsättigung aus, ergibt sich in der Darstellung eines Bildes mit hoher Helligkeitsdynamik (4-6 Zehnerdekaden im gleichen Bild) lediglich eine Farbsättigung von 15-25%. Abhilfe schafft hier eine aufwendige Rechenoperation bei der Bilddarstellung die als Transformation der Farbsättigung bekannt ist und im Farbraum der (Monitor) Darstellung gleichzeitig Farbsättigung und Helligkeit des Bildes transformiert.

Vorgehensweise bei logartihmisch komprimierten Bildern

Eine in der Praxis ausreichende, und für das menschliche Auge akzeptable, Farbdarstellung kann auf der Basis eines bereits durch Offsetverschiebung im Helligkeitsbereich angepassten Bildes durch einfache Operationen gebildet werden.

Dabei dient das Signal der "Grün" gefilterten Bildpunkte als Helligkeitsinformation. Zur Verbesserung der Darstellung kann der Spektralbereich des Grünfilters in der Art eines V(λ) Filters zusätzlich verbreitert werden. Dieser Kanal liefert in den folgenden Formeln die Information über die auf das Objekt wirkende Beleuchtung Iobjekt (I für Iluminanz).

Die Informationen über die Farbe der Bildobjekte, ist physikalisch bestimmt durch die in der spektralen Bewertungskurven der Farbfilter R (Rot), G (Grün) oder B (Blau) bestimmten Helligkeiten (L für Luminanz) der Farbkanäle.



LR = IR . Re(R); LG = IG . Re(G); LB = IB . Re(B)

Re steht dabei für die Reflexion bzw. Remission der Objekte. Mit einer weißen Beleuchtung vereinfacht sich die Formel zu



LR = I . Re(R); LG = I . Re(G); LB = I . Re(B).

Bei farbigen Lichtquellen ist das Faltungsintegral der spektalen Verteilungen von Emission der Lichtquelle und der Remission der Oberfläche zu bilden. Bei den in natürlichen Lichtquellen und Farben feststellbaren geringen Variationen im Spektralverhalten ist eine Verwendung von Korrekturfaktoren zur Weißanpassung üblich.

"Farbige" Lichtquellen können daher in dieser Darstellung näherungsweise durch die Einführung zusätzlicher Faktoren S(R), S(G), S(B) berücksichtigt werden.



LR ≈ I . S(R) . Re(R); LG ≈ I . S(G) . Re(G); LB ≈ I . S(B) . Re(B)

Ein zum Logarithmus der Helligkeit L proportionales Ausgangsignal des Bildsensors transformiert diese Beschreibung der Farbe zu



log(LR) ≈ log(I) + log(S(R)) + log(Re(R));



log(LG) ≈ log(I) + log(S(G)) + log(Re(G));



log(LB) ≈ log(I) + log(S(B)) + log(Re(B))



mit den entsprechenden möglichen Vereinfachungen. Die additiven Terme log(S(R)), log(S(G)), log(S(B)) ergeben eine Anpassung an die Farbtemperatur der Lichtquelle (Ermittelt beim sog. Weißabgleich) und die Terme log(Re(R)), log(Re(G)), log(Re(B)) bestimmen die wahre Farbe der Oberfläche. Die Größe der Korrekturwerte logS und das eigentliche Farbsignal log(Re) sind von der Objektbeleuchtung log(I) unabhängig.

Für die weitere Betrachtung wird vorausgesetzt, daß eine weiße Lichtquelle verwendet oder ein Weißabgleich in den Ausgangssignalen bereits durchgeführt wurde.

Die Farbe des Objekts, als Verhältnis in der Remission der spektral bewerteten Sensorausgangsignale, ist beim logarithmisch komprimierten Bild nun in den Differenzen der Ausgangsspannungen der entsprechenden spektral gefilterten Pixel einer Pixelgruppe kodiert.



R* = Re(R)/Re(W) = log(Re(R)) - log(Re(W))



G* = Re(G)/Re(W) = log(Re(G)) - log(Re(W))



B* = Re(B)/Re(W) = log(Re(B)) - log(Re{W))



sind von der Beuchtungsstärke unabhängig. Re(W) ist dabei die entsprechende Reflexion eines weißen Feldes. In der Nachrichentechnik wird dieser Wert allgemein durch gewichtete Summen der drei Einzelsignale gebildet. Die Gewichte sind je nach Fernsehnorm unterschiedlich und in der Tabelle 1 angegeben. Tabelle 1 Weiß-Bewertung im Y Signal



Im Farbraum logarithmischer Sensoren kann der Wert entweder durch eine Modifikation des grünen Pixels gewonnen werden (Nebenempfindlichkeiten in den entsprechenden spektralen Nachbarbereichen mit der entsprechenden Gewichtung) oder aus ebenfalls aus gewichteten Summen von Signalen abgeleitet werden.

Im Darstellungsraum der Ausgangssignale des logarithmischen Bildsensors bilden die Werte R*, G*, B* bilden eine kleine Kugel um den Wert log(I) deren Radius auf Grund der physikalische Eigenschaften von Pigmenten und Filterschichten den Bereich einer Zehnerdekade nicht überschreiten wird. Der gesamte Raum der Ausgangsignale ist daher der in Abb: 1 dargestellte schmale Zylinder auf der Raumdiagonalen.

Eine direkte Abbildung dieser Zahlenwerte führt zwar zu richtigen Farbeindrücken jedoch mit einer zu geringen Farbsättigung.

Bei einer Abbildung der Ausgangssignale in den Zahlenraum der Bilddarstellung mit



IR' = log(I)(1 + α1R*)



IG' = α2log(I) + α3



IB' = log(I)(1 + α4B*) Formel 1



kann, durch Verstärkung der Werte R* und B* auf ca. 50%-70% der Amplitude der als Helligkeitsinformation genuzten Spannung, eine für Bildschirmdarstellung ausreichende Farbsättigung erreicht werden (Abb2). Die unterschiedlichen Parameter α1 bis α4 ermöglichen auch weitere physiologische Anpassungen der Farbdarstellung und nur vom dargestellten Dynamikbereich abhängig wodurch sie sich durch lineare Interpolation direkt aus dem Verstärkungsfaktor der Kamera ableiten lassen.

Bei nicht allzu starker Modulation und ausreichendem Abstand der Helligkeitsinformation zum absoluten Schwarzniveau des Monitors ist auch eine Annäherung (Abb. 3) durch Formel 2



IR' = log(I) + α1R*)



IG' = log(I) + α3



IB' = log(I) + α4B*) Formel 2



verwendbar, die jedoch bei niedrigen Luminanzwerten zu einer Übersättigung der Farben führt. Die Verwendung dieser Darstellung kann jedoch durch geeignete Wahl des Offset- Werts noch verbessert werden.

Realisierung

Die angegebenen Darstellungen sind durch elektronische analoge Verstärkerschaltungen oder digitale Schaltungen aus den Werten einer Pixelgruppe leicht ableitbar.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Transformation von durch spektrale Zerlegung gewonnener und logarithmisch komprimierter Bilddaten, bei dem die Farbsättigung der aufgenommenen Bilder erhöht wird, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest für eine Spektralfarbe sich die transformierten Bilddaten aus einer mathematischen Verknüpfung der als Helligkeitsinformation dienenden Ausgangssignale einer vorgegebenen Referenzspektralfarbe, insbesondere Grün, und aus einem Verstärkungsfaktor ergibt, der unter Verwendung der Ausgangssignale der betreffenden Spektralfarbe bestimmt wird.






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