DE19836138A1 - Verfahren zur Berechnung von Farbwerten - Google Patents

Verfahren zur Berechnung von Farbwerten

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung von Farbwerten bei einer Farbbildaufnahmevorrichtung mit einem eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Sensorelementen (2) aufweisenden Sensorarray (1). Ein Farbbild wird auf das Sensorarray (1) abgebildet, wobei jedem Sensorelement (2) ein Bildelement (4) des Farbbildes zugeordnet wird. Jedes Sensorelement (2) erfaßt nur einen der drei Farbanteile (Rot, Grün, Blau) als Farbwert (R, G, B) des zugeordneten Bildelementes (4). Daher werden für jedes Bildelement (4) mindestens die Farbwerte (R, G, B) der nicht erfaßten Farbanteile aus den mit anderen Sensorelementen (2) erfaßten gleichartigen Farbwerten (R, G, B) berechnet, indem die Farbwerte (R, G, B) für jedes Bildelement (4) durch eine Tiefpaßfilterung aus den erfaßten gleichartigen Farbwerten (R, G, B) derjenigen Bildelemente (4) interpoliert werden, die jeweils innerhalb eines durch ein Interpolationsfenster (6) definiertes Umfeld um das betreffende Bildelement (4) liegen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der elektronischen Reproduktionstech­ nik und betrifft ein Verfahren zur Berechnung von Farbwerten bei einer Farbbild­ aufnahmevorrichtung.
Ein zu reproduzierendes Farbbild wird mittels eines Objektivs auf die lichtempfind­ liche Fläche einer Farbbildaufnahmevorrichtung, beispielsweise auf eine digitale Farbkamera, abgebildet. Die Farbbildaufnahmevorrichtung besteht prinzipiell aus einem CCD-Sensorarray mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Sensorelementen mit jeweils einer Farbempfindlichkeit für "Rot", "Grün" oder "Blau". Die Sensorelemente wandeln die entsprechenden Farbanteile "Rot", "Grün" und "Blau" der auf sie abgebildeten Bildelemente des Farbbildes in ent­ sprechende Farbwerte R, G oder B um. Da jedes Sensorelement des CCD- Sensorarrays nur für einen Farbanteil sensibilisiert ist, wird mit jedem Sensorele­ ment jeweils nur einer der drei Farbwerte R, G oder B eines Bildelements erzeugt. Die Folge ist ein Farbversatz, der störende Farbsäume in dem zu reproduzierten Farbbild verursacht.
Zur Korrektur eines Farbversatzes werden für jedes Sensorelement die fehlenden Farbwerte aus den mit den Sensorelementen der Umgebung erfaßten Farbwerten berechnet, beispielsweise die fehlenden Farbwerte R und G eines Sensorelemen­ tes, mit dem nur der Farbwert B erfaßt wurde, aus den mit den Sensorelementen der Umgebung erfaßten Farbwerten R und G.
Ein Verfahren zur Berechnung von Farbwerten bei einer digitalen Farbkamera ist aus der Druckschrift "Kodak DCS420 Digital Camera System Programmer's Refe­ rence Manual" bekannt. Dort wird ein Farbwert eines Sensorelementes als Mittel­ wert aller Farbwerte der horizontal oder vertikal benachbarten Sensorelemente berechnet. Mit diesem Verfahren lassen sich störende Farbsäume gelegentlich nicht vollständig unterdrücken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Berechnung von Farbwerten bei einer Farbbildaufnahmevorrichtung derart zu verbessern, daß ein störender Farbversatz weitestgehend korrigiert und damit eine höhere Bild­ qualität erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Fig. 1 bis 5 näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein CCD-Sensorarray einer Farbbildaufnahmevorrichtung,
Fig. 2 eine ausschnittsweise Zuordnung von Farbwerten und Sensorelementen des CCD-Sensorarrays,
Fig. 3 eine ausschnittsweise Zuordnung von Farbwerten und Sensorelementen des CCD-Sensorarrays mit einem Interpolationsfenster,
Fig. 4 Koeffizientenmatrizen für "Rot", "Grün" und "Blau" und
Fig. 5 eine Vorrichtung zur Unscharfmaskierung.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Farbbildaufnahmevorrichtung mit einem zweidimensionalen CCD-Sensorarray (1), das aus einer Vielzahl von in Zeilen und Spalten nebeneinander angeordneten unterschiedlich farbempfindlichen Senso­ relementen (2) zur Umwandlung der Farbanteile "Rot", "Grün" oder "Blau" der auf das CCD-Sensorarray (1) abgebildeten Bildelemente in entsprechende Farbwerte R, G oder B besteht.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das CCD-Sensorarray (1) 1023 × 1535 Sensorelemente (2) auf. Die jeweilige Farbempfindlichkeit eines Sensorelementes (2) ist durch einen Buchstaben "R" für Rotempfindlichkeit, "G" für Grünempfind­ lichkeit und "B" für Blauempfindlichkeit gekennzeichnet. Es ist erkennbar, daß die Sensorelemente (2) mit unterschiedlichen Farbempfindlichkeiten versetzt zuein­ ander angeordnet sind. Ein Sensorelementeblock (3) mit 2 × 2 Sensorelementen "G", "R", "B" und "G" wiederholt sich in Richtung der Zeilen und Spalte. Die Sen­ sorelemente (2) mit einer Grünempfindlichkeit dominieren im CCD-Sensorarray (1), da über den Farbanteil "Grün" zusätzlich die Luminanz eines Farbbildes er­ faßt wird.
Die mit den Sensorelementen (2) erfaßten Farbwerte R, G oder B werden zu­ nächst für jedes Bildelement des aufgenommenen Farbbildes adressierbar in ei­ nem Farbwertspeicher zur Weiterverarbeitung zwischengespeichert.
Jedes Sensorelement (2) erfaßt entsprechend seiner Farbempfindlichkeit jeweils nur einen der drei Farbanteile "Rot", "Grün" oder "Blau" eines Bildelementes und erzeugt somit nur einen Farbwert eines Bildelementes, dessen Farbe aber durch drei Farbwerte R, G und B gekennzeichnet ist, und ein störender Farbversatz im aufgenommenen Farbbild ist die Folge.
Zur Verbesserung der Bildqualität wird der störende Farbversatz korrigiert, indem für jedes Bildelement des Farbbildes mindestens die fehlenden Farbwerte R, G oder B aus den tatsächlich meßtechnisch erfaßten gleichfarbigen Farbwerten derjenigen Bildelemente durch eine Tiefpaßfilterung interpoliert werden, die je­ weils innerhalb eines Umfeldes um das betreffende Bildelement liegen.
Fig. 2 zeigt ausschnittsweise die zeilen- und spaltenweise Zuordnung von Farb­ werten R, G oder B und Bildelementen (4) des Farbbildes in Zeilen und Spalten gemäß der Verteilung der Sensorelemente (2) unterschiedlicher Farbempfindlich­ keit in dem CCD-Sensorarray (1). Die Zuordnung von Farbwerten und Bildele­ menten entspricht der Zuordnung von Farbwerten und Speicherplätzen im Farb­ wertspeicher. Die Position jedes Bildelementes (4) der ausschnittsweise darge­ stellten 10 × 10 Bildelemente (4) ist durch eine Zeilennummer und eine Spalten­ nummer definiert.
Ein dem Sensorelementeblock (3) entsprechender Bildelementeblock (5) aus 2 × 2 Bildelementen (4), der sich in Richtung der Spalten und Zeilen wiederholt, be­ steht aus einem ersten Bildelement in der Position (0/0) mit einer geraden Zeilen­ nummer und einer geraden Spaltennummer, einem zweiten Bildelement in der Position (0/1) mit einer geraden Zeilennummer und einer ungeraden Spalten­ nummer, einem dritten Bildelement in der Position (1/0) mit einer ungeraden Zei­ lennummer und einer geraden Spaltennummer sowie aus einem vierten Bildele­ ment in der Position (1/1) mit einer ungeraden Zeilennummer und einer ungera­ den Spaltennummer. Den vier Bildelementen sind die mit den Sensorelementen (2) tatsächlich erfaßten Farbwerte G00, R01, B10 und G11 zugeordnet.
Zur Interpolation der Farbwerte R, G oder B eines aktuellen Bildelementes (4) aus den meßtechnisch erfaßten gleichartigen Farbwerten wird zunächst um ein aktu­ elles zentrales Bildelement (4) ein Interpolationsfenster (6) definiert, das pro Farbanteil so viele Bildelemente (4) enthält, wie erfaßte Farbwerte desselben Farbanteils an der Interpolation der entsprechenden Farbwerte des aktuellen Bildelementes (4) beteiligt werden sollen.
Außerdem werden innerhalb des Interpolationsfensters (6) für jede der drei Far­ ben und für jede Position der vier Bildelemente (4) im Bildelementeblock (5) eine Koeffizientenmatrix mit Gewichtungskoeffizienten K berechnet, wobei jede Koeffi­ zientenmatrix für jedes Bildelement (4) innerhalb des Interpolationsfensters (6) einen charakteristischen Gewichtungskoeffizienten K enthält. Die Gewichtungs­ koeffizienten K der einzelnen Bildelemente (4) berücksichtigen dabei die unter­ schiedlichen Abstände der betreffenden Bildelemente zu dem zentralen Bildele­ ment, für das die Farbwerte interpoliert werden sollen. Die Berechnung der Ge­ wichtungskoeffizienten K erfolgt nach einer zweidimensionalen Gewichtungsfunk­ tion, vorzugsweise nach der Bessel-Funktion Jn(x). Im dargestellten Beispiel wer­ den somit 12 Koeffizientenmatrizen erzeugt, die in einem Koeffizientenspeicher abrufbar gespeichert werden.
Fig. 3 zeigt ausschnittsweise die Zuordnung von Farbwerten R, G oder B und Bildelementen (4) und das Interpolationsfenster (6) für das zentrale Bildelement in der Position (5/5) mit dem zugehörigen Farbwert G55. Im dargestellten Beispiel weist das Interpolationsfenster (6) 9 × 9 Bildelemente (4) auf. Zu dem Bildelemen­ teblock (5), in dem das zentrale Bildelement in der Position (5/5) mit dem Farb­ wert G55 liegt, gehören ferner die Bildelemente in den Positionen (4/4), (4/5) und (5/4) mit den Farbwerten G44, R45 und B54.
Fig. 4a zeigt eine Koeffizientenmatrix für den Farbanteil "Rot" mit 9 × 9 Koeffizien­ tenfeldern, denen die berechneten Gewichtungskoeffizienten KRxx zur Interpolati­ on der Farbwerte R zugeordnet sind.
Fig. 4b zeigt eine Koeffizientenmatrix für den Farbanteil "Grün" mit 9 × 9 Koeffi­ zientenfeldern, denen die berechneten Gewichtungskoeffizienten KGxx zur Inter­ polation der Farbwerte G zugeordnet sind.
Fig. 4c zeigt eine Koeffizientenmatrix für den Farbanteil "Blau" mit 9 × 9 Koefflzi­ entenfeldern, denen die berechneten Gewichtungskoeffizienten KBxx zur Interpo­ lation der Farbwerte B zugeordnet sind.
Dargestellt sind lediglich die drei Koeffizientenmatrizen für die Farben "Rot", "Grün" und "Blau" und dem Bildelement (4) in der Position (5/5) mit einer ungera­ den Zeilennummer und einer ungeraden Spaltennummer. Nicht dargestellt sind die Koeffizientenmatrizen für die unterschiedlichen Positionen der drei weiteren Bildelemente (4) im Bildelementeblock (5).
In den Koeffizientenmatrizen sind jeweils diejenigen Gewichtungskoeffizienten Null gesetzt, die Bildelementen zugeordnet sind, für die entsprechenden Farb­ werte R, G und B bereits meßtechnisch erfaßt wurden.
Die Auswahl einer der 12 vorausberechneten Koeffizientenmatrizen zur Interpola­ tion eines Farbwertes R, G oder B für ein Bildelement (4) erfolgt in Abhängigkeit von der Farbe und der Position des betreffenden Bildelementes (4) innerhalb des jeweiligen Bildelementeblocks (5), wobei je nachdem, ob es sich um ein Bildele­ ment (4) mit einer geraden oder ungeraden Zeilennummer und geraden oder un­ geraden Spaltennummer handelt, vier Positionstypen A, B, C und D unterschie­ den werden.
Die Interpolation der Farbwerte erfolgt dadurch, daß die innerhalb des Interpolati­ onsfensters (6) liegenden gleichen Farbwerte mit den zugeordneten Gewich­ tungskoeffizienten K multipliziert und die so gewichteten Farbwerte addiert wer­ den.
Rxx = Σ (KRxx × Rxx)
Gxx = Σ (KGxx × Gxx)
Rxx = Σ (KRxx × Rxx)
Für das in Fig. 3 dargestellte Beispiel werden die Farbwerte R55, G55 oder B55 für das Bildelement in der Position (5/5) und vom Positionstyp D wie folgt berechnet:
R55 = KDR45 × R45 + KDR65 × R65 +..........
G55 = KDG55 × G55 + KDG44 × G44 +.........
B55 - KDB54 × B54 + KDB56 × B56 +...........
Zur Interpolation aller Farbwerte R, G oder B eines Farbbildes wird das Interpola­ tionsfenster (6) spalten- und zeilenweise von Bildelement (4) zu Bildelement (4) über das gesamte Farbbild verschoben und in jeder Position eine entsprechende Interpolationsrechnung durchgeführt.
Die Interpolation der Farbwerte entsprechend einer Tiefpaßfilterung führt dazu, daß aufgrund der Filtereigenschaft die Bildschärfe im Farbbild verloren geht. Die­ ser Effekt kann in vorteilhafter Weise durch eine Unscharfmaskierung in Form ei­ ner Hochpaßfilterung kompensiert werden.
Fig. 5 zeigt eine entsprechende Vorrichtung zur Unscharfmaskierung der tiefpaß­ gefilterten Farbwerte zwecks Wiederherstellung der Bildschärfe. Die Originalfarb­ werte Ro, Go und Bo eines Farbbildes, die mit einer Bildaufnahmevorrichtung (9) meßtechnisch erfaßt wurden, gelangen über einen Farbkanalumschalter (10) auf drei Interpolationsstufen (11R, 11G, 11B) in den drei Farbkanälen für "Rot", "Grün" und "Blau". Die drei Interpolationsstufen (11R, 11G, 11B) wirken wie Tief­ paßfilter und erzeugen somit entsprechend tiefpaßgefilterte Farbwerte RTP, GTP und BTP. Die Originalfarbwerte Ro, Go und Bo und die tiefpaßgefilterte Farbwerte RTP, GTP Und BTP Werden einer Differenzstufe (12) zugeführt, in der jeweils die Differenzwerte DR, DG und DB den Originalfarbwerte Ro, Go und Bo und den tief­ paßgefilterten Farbwerte RTP, GTP und BTP gebildet werden.
DR = R0 - RTP
DG = Go - GTP
DB = B0 - BTP
Die Differenzwerte DR, DG und DB, welche entsprechend einer Hochpaßfilterung lediglich noch die Konturen der Bildinformationen enthalten, werden in Addierstu­ fen (13R, 13G, 13B) in den drei Farbkanälen mit wählbaren Anteilen M den tief­ paßgefilterten Farbwerten RTP, GTP und BTP hinzuaddiert, um die schärfekorri­ gierten Farbwerte R, G und B zu erhalten.
R = RTP + MR (R0 - RTP)
G = GTP + MG (G0 - GTP)
B = BTP + MB (B0 - BTP)
Die schärfekorrigierten Farbwerte R, G und B werden dann in einem Farbwert­ speicher (14) zur Weiterverarbeitung zwischengespeichert.

Claims (11)

1. Verfahren zur Berechnung von Farbwerten bei einer Farbbildaufnahmevor­ richtung mit einem eine Vielzahl von nebeneinander angeordneten Sensor­ elementen (2) aufweisenden Sensorarray (1), bei dem
  • 1. ein Farbbild auf das Sensorarray (1) abgebildet wird, wobei jedem Sensor­ element (2) ein Bildelement (4) des Farbbildes zugeordnet wird,
  • 2. jedes Sensorelement (2) nur einen der drei Farbanteile (Rot, Grün, Blau) als Farbwert (R, G, B) des zugeordneten Bildelementes (4) erfaßt und
  • 3. für jedes Bildelement (4) mindestens die Farbwerte (R, G, B) der nicht er­ faßten Farbanteile aus den mit anderen Sensorelementen (2) erfaßten gleichartigen Farbwerten (R, G, B) berechnet werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
die Farbwerte (R, G, B) für jedes Bildelement (4) durch eine Tiefpaßfilterung aus den erfaßten gleichartigen Farbwerten (R, G, B) derjenigen Bildelemente (4) interpoliert werden, die jeweils innerhalb eines Umfeld um das betreffende Bildelement (4) liegen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. um ein zentrales Bildelement (4) ein Interpolationsfenster (6) gelegt wird, das pro Farbanteil (Rot, Grün, Blau) so viele Bildelemente (4) enthält, wie erfaßte Farbwerte (R, G, B) desselben Farbanteils (Rot, Grün, Blau) an der Interpolation der entsprechenden Farbwerte (R, G, B) des betreffenden Bildelementes (4) beteiligt werden sollen und
  • 2. das Interpolationsfenster (6) zur Interpolation der Farbwerte (R, G, B) für die einzelnen Bildelemente (4) des Farbbildes von Bildelement zu Bildele­ ment über das Farbbild verschoben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Interpolationsfensters (6) für jedes Bildelement (4), dem ein Farbwert (R, G, B) desselben Farbanteils (Rot, Grün, Blau) zugeordnet ist, ein Ge­ wichtungskoeffizient (K) einer Koeffizientenmatrix berechnet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bildele­ mente (4) einer Bildelementegruppe (5), deren zugeordnete Farbwertkombi­ nation sich im Farbbild wiederholt, jeweils eine Koeffizientenmatrix pro Farb­ anteil (Rot, Grün, Blau) berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ge­ wichtungskoeffizienten (K) der Koeffizientenmatrizen nach einer zweidimen­ sionalen Gewichtungsfunktion, vorzugsweise nach der Bessel-Funktion, be­ rechnet werden.
6. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die berechneten Koeffizientenmatrizen abrufbar gespeichert werden.
7. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zur Interpolation der Farbwerte (R, G, B) eines Bildelemen­ tes (4) benötigte Koeffizientenmatrix in Abhängigkeit von dem jeweiligen Farb­ anteil (Rot, Grün, Blau) und der Position des betreffenden Bildelementes (4) ausgewählt wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß
  • 1. die Bildelemente (2) des Farbildes in Zeilen und Spalten angeordnet sind,
  • 2. die Positionen der Bildelemente (2) in dem Farbild durch Zeilennummern und Spaltennummern definiert sind und
  • 3. die Auswahl der Koeffizientenmatrix bezüglich der Position eines Bildele­ mentes (4) davon abhängig ist, ob die Position des betreffende Bildele­ mentes (4) durch eine ungerade oder gerade Zeilennummer und durch ei­ ne ungerade oder ungerade Spaltennummer definiert ist.
9. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß ein Farbwert (R, G, B) eines Farbanteiles (Rot, Grün, Blau) ei­ nes Bildelementes (4) berechnet wird, indem
  • 1. die gleichartigen Farbwerte (R, G, B) innerhalb des Interpolationsfensters (6) mit den zugeordneten Gewichtungskoeffizienten (K) der ausgewählten Koeffizientenmatrix multipliziert werden und
  • 2. die gewichteten Farbwerte addiert werden.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die tiefpaßgefilterten Farbwerte zur Verbesserung der Bild­ schärfe einer Hochpaßfilterung unterzogen werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
  • 1. Differenzwerte (DR, DG, DB) zwischen den originalen Farbwerten (Ro, Go, Bo) und den tiefpaßgefilterten Farbwerten (RTP, GTP, BTP) gebildet wer­ den und
  • 2. die Differenzwerte (DR, DG, DB) in wählbarer Stärke den tiefpaßgefilterten Farbwerten (RTP, GTP, BTP) hinzuaddiert werden.
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